JPH05203066A

JPH05203066A - バルブ装置

Info

Publication number: JPH05203066A
Application number: JP4004132A
Authority: JP
Inventors: Charles F Drexel; チャールズ・エフ・ドレクセル; Hamid Saghatchi; ハミド・サガッチ
Original assignee: DXL INTERNATL Inc; DXL USA Inc
Current assignee: DXL INTERNATL Inc; DXL USA Inc
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1992-01-13
Publication date: 1993-08-10
Also published as: US5165655A

Abstract

(57)【要約】【目的】バルブ装置内における汚染物質の発生および
滞留を少なくする。【構成】弁２８を誘導して弁座２６を塞ぐ位置と離れ
た位置との間で移動させる弁保持器を備え、この弁保持
器が可撓性の部材、例えばワイヤ３６により構成され、
この部材には、弁２８に伴って移動可能な第一の部分３
６ａと、この第一の部分３６ａから延長されて固定され
た第二の部分３６ｂとが設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流量制御に利用する。特
に、汚染物質の発生や滞留を少なくした流量制御バルブ
に関する。本発明は、半導体製造プロセスにおけるプロ
セスガスの流量制御に利用するに特に適する。

【０００２】

【従来の技術】気体の質量流量を制御することは、多く
の工業分野で重要なことである。例えば半導体の製造中
には、多くのプロセスで、注意深く制御された状況の下
で二以上の気体を正確に反応させることが要求される。
化学反応は分子レベルで発生するので、流量制御は反応
物質を調節するための最も直接的な方法である。

【０００３】このような要請があるため、従来から、５
ｓｃｃ／ｍｉｎ（標準状態の気体で毎分５ｃｍ³）以下
から５００，０００ｓｃｃ／ｍｉｎ以上までの気体質量
流量を測定できる種々の流量計が開発されてきた。この
ような流量計のうち広く用いられているものでは、気体
の流れを二以上の経路に分岐することが必要となってい
る。このような機器の代表的な例として、米国再発行特
許第３１，５７０号には、流れの一部をセンサ部に供給
してその質量流量を測定すると共に、流れの大部分につ
いては、センサ部と平行に配置されたバイパス流路を流
す構成が開示されている。センサ部は細管を備え、その
細管の外部には二つの抵抗温度計が巻かれる。この二つ
の抵抗温度計は電気的なブリッジ回路の二つの辺を構成
する。このブリッジ回路の他の二つの辺には、通常は固
定抵抗器が接続される。このブリッジ回路は、二つの抵
抗器の電気的特性および熱的特性ができるだけ同等であ
るように、精密に設計製造される。ブリッジ回路に電圧
を印加すると、抵抗温度計に電流が流れて発熱する。細
管に気体が流れていないときには、二つの抵抗温度計は
同等に発熱する。細管に気体が流れ始めると、その気体
が第一の抵抗温度計を冷し、その熱の一部を第二の抵抗
温度計に伝達してそれを温める。二つの抵抗温度計の温
度差は質量流量の関数となる。

【０００４】センサ部およびバイパス流路をそれぞれ通
過した気体は、合流した後にバルブ装置に供給され、そ
の質量流量が正確に制御される。従来のバルブ装置で
は、弁部材として球または平板のいずれかが用いられ、
球の場合には漏斗状の弁座、平板の場合には盛り上がっ
た丸みのある弁座が用いられている。一般には、球の方
が平板に比べて安価で、単純で、正確である。このた
め、新鋭の球面研磨機械により１０^-5インチ以下の球面
精度で製造された標準球が、低コストで多量に供給され
ている。また、球用の弁座を同等の精度で製造すること
も、単純な鋳造技術により極めて簡単にできる。これに
対して平板を用いた弁部材は特別製となり、標準化され
ていない。平板の弁部材に対して使用する盛り上がった
丸みのある弁座は製造が困難であり、物理的な損傷があ
った場合の修復でさえ困難である。

【０００５】いずれの場合にも、弁部材と弁座とを外気
の不純物から密閉しなければならず、そのために、可撓
性のダイヤフラムか、またはそこに溶接されたベローズ
が用いられる。気体の流れを制御するには、外部アクチ
ュエータにより可撓性の部材を押し、弁部材を弁座に押
しつけてバルブを閉じる。バルブを開けるには、気体の
差圧による力を利用するか、またはバネによる力を利用
する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】半導体素子の製造、特
に１μｍ以下のパターンを形成する分野では、反応ガス
の量を精密に制御しなければならず、気体が全く汚染さ
れていないことも必要である。粒子、蒸気および汚染物
質気体、例えば塵埃、金属、糸くず、湿気、溶剤、油、
空気、他のプロセスガスなどは、製品をだめにしてしま
う。したがって、質量流量計内で使用される流体通路に
は、そのような汚染物質を滞留させたり気体流に汚染物
質を放出したりすることがなく、また、通常の較正時お
よび動作時にそのような汚染物質を発生することもない
ことが重要である。

【０００７】典型的には、摩擦によりガス・バルブが損
傷し、望ましくない小さな粒子が発生して反応ガスを汚
染する。そのような汚染の原因の一つとして、現在用い
られているガス・バルブでは、球とその誘導部材の壁と
の摩擦がある。そのようにして生成された粒子は、球を
取り囲むポケット内にトラップされて滞留し、気体通路
を掃除するために周期的にパージガスを導入しても、除
去されずに残ってしまうことがある。さらに、気体の流
量を調整する制御系の一部としてバルブを使用すると、
摩擦および粒子によって、制御系内に不要のヒステリシ
スが生じてしまうことがある。このような現象は、本願
出願人による先の出願、米国特許出願第０７／６６８２
８３号、１９９１年３月１２日出願、およびそれを優先
権の基礎とした日本国特許出願、特願平３−２２４４２
２、平成３年９月４日出願（本願出願時未公開）の願書
に添付した図面の図７および図８に示した密封封止ガス
・バルブの場合にも生じる可能性がある。

【０００８】本発明は、このような課題を解決し、汚染
物質の発生および滞留を最小限に抑えることのできるバ
ルブ装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のバルブ装置は、
流入通路および流出通路が接続された空胴と、この空胴
と流入通路との接続点に設けられた弁座と、この空胴内
に配置され弁座を塞いで流入通路から空胴への流れを遮
断する弁部材と、この弁部材を弁座を塞ぐ位置に移動さ
せる作動手段、例えばダイヤフラムとを備えたバルブ装
置において、弁座を塞ぐ閉位置と弁座から離れた開位置
との間で弁部材を誘導する弁保持器を備え、この弁保持
器は、弁部材に伴って移動可能な第一の部分と空胴の壁
に固着された第二の部分とからなる可撓性の部材を含む
ことを特徴とする。弁部材は球形であることが望まし
い。

【００１０】

【作用】可撓性の部材により形成された弁保持器は、弁
部材の不必要な移動を制限し、弁部材と弁座との間や弁
部材と空胴内の他の部分との間の摩擦を防止できる。ま
た、弁部材と弁保持器との間が固定されている場合には
その間で摩擦が生じることがなく、弁部材と弁保持器と
の間に遊隙がある場合でも、その間の接触部分は小さい
のでほとんど摩擦は生じない。したがって、粒子などの
汚染物質の発生は小さい。

【００１１】また、弁保持器として薄い部材や細い部材
を用いるので、弁部材との接触部分も小さく、汚染物質
を滞留させることが少ないだけでなく、汚染物質があっ
たとしてもガス流により簡単にパージングできる。しか
も、汚染物質が滞留する原因となるポケットや凹みが新
たに導入されることがなく、気流により掃除できない部
分はほとんどない。

【００１２】さらに、弁部材の摩擦や滞留している粒子
によるヒステリシスも最小化される。

【００１３】

【実施例】図１は本発明第一実施例のバルブ装置を示す
断面図である。

【００１４】バルブ装置１０はバルブ本体１２を備え、
このバルブ本体１２により空胴１４の側壁１６および底
壁１８が定義される。バルブ本体１２はさらに、ガス流
入通路２０およびガス流出通路２２を定義する。ガス流
入通路２０は、底壁１８の中央部に設けられた流入ポー
ト２４において、空胴１４に連結される。流入ポート２
４は弁座２６により周囲を取り囲まれ、この弁座２６に
弁部材２８が収まる構造となっている。弁部材２８は球
形であることが望ましく、弁座２６については、少なく
とも球形の弁部材２８の輪郭に実質的に一致するよう
に、例えば、端部が尖った形状にするか、または一般的
な円錐形にする。

【００１５】空胴１４は隔離のための可撓性ダイヤフラ
ム３０により閉じられる。ダイヤフラム３０の二つの面
のうち空胴１４に面した側を内面３０ａ、他方を外面３
０ｂとすると、球形の弁部材２８は内面３０ａと弁座２
６との間に配置される。ダイヤフラム３０が図１に示し
たニュートラル位置にあるときには、球形の弁部材２８
の上端とダイヤフラム３０の内面３０ａとの間に、小さ
な間隙３２が存在する。

【００１６】ダイヤフラム３０は、バルブ本体１２の表
面に、空胴１４を取り囲むように、接合部３４に沿っ
て、溶接または他の方法により固着され、気密封止を形
成し、空胴１４、ガス流入通路２０、ガス流出通路２
２、弁部材２８および弁座２６を外側の大気から隔離す
る。上述した先の出願の明細書および図面には、種々の
ダイヤフラムの構造が開示されている。

【００１７】球形の弁部材２８は弁保持器内に保持さ
れ、この弁保持器は、可撓性の部材として直径が例えば
０．３３ｍｍ（０．０１３インチ）の細長いワイヤ３６
を備える。このワイヤ３６は、球形の弁部材２８に伴っ
て動く第一の部分３６ａと、この第一の部分３６ａから
延長された第二の部分３６ｂとを備える。第一の部分３
６ａは、球形の弁部材２８をゆるやかに巻く。第二の部
分３６ｂは、空胴１４の底壁１８の点３８に、ピン止め
または溶接により取り付けられるリング状の輪を形成す
る第一の部分３６ａと球形の弁部材２８との間には、約
０．０２５ないし０．２５４ｍｍ（０．０１ないし０．
１０インチ）の遊隙があることが望ましい。この遊隙は
弁部材２８および弁座２６の寸法に依存する。一つの例
をあげると、弁部材２８として用いられる球の典型的な
大きさは、直径２．７７ｍｍ（０．１０９インチ）であ
る。第一の部分３６ａの遊隙は、ワイヤ３６から横方向
の力を受けることなく弁部材２８が完全に弁座２６に収
まり、それでいて、弁部材２８がその中心に移動すると
きの横方向の動きに対して摩擦力が実質的に生じない程
度にする。このような構造では、粒子の発生が少なく、
汚染物質を滞留させるポケットや窪みもない。さらに、
ワイヤ３６が細いので、不活性ガスによるパージングを
妨害するようなことがなく、弁座２６、弁部材２８およ
びその周囲のすべての部分にパージングのためのガスが
有効に達することができる。また、球状の弁部材２８の
遊びと空胴１４の寸法とは、ダイヤフラム３０が最大に
変位したときに弁部材２８が必ずダイヤフラム３０と弁
座２６との間に保持されるように設定される。

【００１８】球状の弁部材２８は、その用途によって、
金属製でもよく、セラミック材料製でもよい。合成ルビ
ー製や合成サファイヤ製の球も使用でき、腐食性ガスに
耐えることのできる金属と同程度の公差のものが市販さ
れている。また、ルビーやサファイヤを弁部材として用
いると、摩滅する金属部材が二つではなく一つになり、
セラミックと金属との摩擦が金属間の摩擦より小さいこ
とから、金属粒子の発生が少なくなると考えられる。

【００１９】図２、図３はバルブ装置１０の動作を示す
上部断面図であり、図２はバルブを閉じた状態、図３は
開いた状態を示す。

【００２０】このバルブ装置１０は何もしない状態では
開いており（ノーマリイオン）、ダイヤフラム３０の外
面３０ｂを押すプランジャ４２を備えた押し出し型電磁
アクチュエータ４０により動作する。図２に示すよう
に、電磁アクチュエータ４０を動作させると、プランジ
ャ４２がダイヤフラム３０を押し曲げて弁部材２８に接
触させ、さらに弁部材２８を押して弁座２６に収める。
これによりバルブが閉じた状態となる。逆に、図３に示
すように電磁アクチュエータ４０の動作を停止すると、
ガス流入通路２０内の高圧ガス流が弁部材２８を押し上
げ、ガス流入通路２０から空胴１４を経由してガス出力
経路２２に至る通路が形成される。このときのガスの流
速は、ダイヤフラム３０を横切る圧力差と、弁座２６か
らの弁部材２８の変位との関数となる。

【００２１】図４および図５は本発明の第二実施例を示
す図であり、弁部材および弁保持器とそれに関連する部
分を示す。図４は一部を断面で示す側面図であり、図５
は上面図である。この実施例は、弁保持器の形状とその
動作とが第一実施例と異なる。

【００２２】この第二実施例では、弁保持器は薄い可撓
性のリボン５０として形成され、その第一の部分５０ａ
は、球形の弁部材２８の側部に、例えばスポット溶接に
より点５２で固着される。リボン５０の第二の部分５０
ｂは第一の部分５０ａから延長され、例えばスポット溶
接により、弁部材２８が配置される空胴１４内の底壁１
８に点５４で固着される。リボン５０は球形の弁部材２
８を保持し、その弁部材２８が円錐形の弁座２６に出入
りする動きを誘導する。

【００２３】この実施例において、スポット溶接により
リボン５０を弁部材２８に固着するなら、弁部材２８は
金属製でなければならない。これを避けるため、第一の
部分５０ａを長くし、弁部材２８の中央部すなわち赤道
部分の周囲をきつく包んでもよい。このような取り付け
技術は、セラミックや合成ルビー、合成サファイヤなど
の非金属の球を使用する場合にも利用でき、いろいろに
利用できる。

【００２４】さらに第二実施例の変形として、リボンで
はなくワイヤの弁保持器を用い、その第一の部分を球状
の弁部材にスポット溶接し、その第一の部分から延長さ
れた第二の部分を空胴の壁に固着することもできる。

【００２５】形状はどのようであれ、薄いまたは細い可
撓性の弁保持器は、垂直方向の動きに対する抵抗がな
く、弁部材を中央に配置でき、基本的に摩擦がなく、粒
子を発生せず、滞留させもしない。

【００２６】図６および図７は本発明の第三実施例を示
す図であり、弁部材および弁保持器とその関連する部分
を示す。図６は一部を断面で示す側面図であり、図７は
一部を断面で示す上面図である。

【００２７】弁保持器はワイヤ６０により形成され、そ
の第一の部分６０ａは球状の弁部材２８に設けられた直
径方向の孔２８ａを貫通し、この第一の部分６０ａから
延長された第二の部分６０ｂは、スポット溶接、ピン止
めなどの方法により、バルブ本体１２に点６４で固着さ
れる。ワイヤ６０の第一の部分６０ａは、球状の弁部材
２８の直径方向における互いに反対側の表面近傍の点６
０ｃ、６０ｄが平坦にされており、弁部材２８の位置を
設定し、ワイヤに沿った動きを制限している。弁部材２
８には第一の部分６０ａに沿って少しだけ遊びが設けら
れ、孔２８ａの直径はワイヤ６０の直径よりわずかに大
きい。このため、弁部材２８はそれ自身の中央部を弁座
２６の位置に一致させることができる。

【００２８】図８および図９は本発明の第四実施例を示
す図であり、弁部材および弁保持器とその関連する部分
を示す側面図および上面図である。図８では一部を断面
で示す。

【００２９】この実施例もまた、弁保持器の構造のみが
他の実施例と異なる。この実施例は、金属、セラミッ
ク、合成ルビーまたは合成サファイヤによる球形の弁部
材２８が、円錐形の弁座２６に関連して上述したと同様
に動作するようになっている。薄い可撓性のシート部材
７０は、球形の弁部材２８を保持し、その動きを開位置
と閉位置との間で誘導する。さらに詳しく説明すると、
シート部材７０は、弁部材２８に伴って動く第一の部分
７０ａと、スポット溶接により点７２でバルブ本体１２
の底壁１８に固着された第二の部分７０ｂとを備える。
第一の部分７０ａには、弁部材２８の直径より少し小さ
い孔７０ｃが設けられ、弁部材２８の上部２８ｂがこの
孔７０ｃから突出する。隔離ダイヤフラム（図８、９に
は示していない）がニュートラル位置のときには、孔７
０ｃの端部が弁部材２８に軽く触れているか、または、
弁部材２８が弁座２６に収まって孔７０ｃの端部と弁部
材２８の表面との間に小さな間隙が生じる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のバルブ装
置は、ガスの流量を精密に制御できるとともに、汚染物
質の発生やその滞留を非常に削減できる。また、汚染物
質を滞留させるトラップや凹みもないので、ガス流によ
り掃除できない部分がなく、保守が簡単となる。さら
に、弁部材の摩擦や粒子の滞留によるヒステリスもほと
んど生じない。

【００３１】本発明は、半導体素子の製造における反応
ガスの流量制御に利用して特に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一実施例のバルブ装置を示す断面図。

【図２】バルブが開いた状態を示す上部断面図。

【図３】バルブが閉じた状態を示す上部断面図。

【図４】本発明の第二実施例を示す図であり、弁部材お
よび弁保持器とそれに関連する部分の一部を断面で示す
側面図。

【図５】本発明の第二実施例を示す図であり、弁部材お
よび弁保持器とそれに関連する部分の上面図。

【図６】本発明の第三実施例を示す図であり、弁部材お
よび弁保持器とその関連する部分の一部を断面で示す側
面図。

【図７】本発明の第三実施例を示す図であり、弁部材お
よび弁保持器とその関連する部分の一部を断面で示す上
面図。

【図８】本発明の第四実施例を示す図であり、弁部材お
よび弁保持器とその関連する部分の一部を断面で示す側
面図。

【図９】本発明の第四実施例を示す図であり、弁部材お
よび弁保持器とその関連する部分の一部を示す上面図。

【符号の説明】

１０バルブ装置１２バルブ本体１４空胴１６側壁１８底壁２０ガス流入通路２２ガス流出通路２４流入ポート２６弁座２８弁部材３０ダイヤフラム３２間隙３６、６０ワイヤ５０リボン７０シート部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハミド・サガッチアメリカ合衆国92667カリフォルニア・オレンジ・ロビンフッドプレース2598番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流入通路および流出通路が接続された空
胴と、この空胴と前記流入通路との接続点に設けられた弁座
と、この空胴内に配置され前記弁座を塞いで前記流入通路か
ら前記空胴への流れを遮断する弁部材と、この弁部材を前記弁座を塞ぐ位置に移動させる作動手段
とを備えたバルブ装置において、前記弁座を塞ぐ閉位置と前記弁座から離れた開位置との
間で前記弁部材を誘導する弁保持器を備え、この弁保持器は、前記弁部材に伴って移動可能な第一の
部分と前記空胴の壁に固着された第二の部分とからなる
可撓性の部材を含むことを特徴とするバルブ装置。
【請求項２】弁部材は球形である請求項１記載のバル
ブ装置。
【請求項３】球形の弁部材は金属、セラミック、ルビ
ーおよびサファイヤからなる群より選ばれた材料により
形成された請求項２記載のバルブ装置。
【請求項４】可撓性の部材の第一の部分は弁部材の周
囲をその弁部材に密着せずに取り囲む構造である請求項
１記載のバルブ装置。
【請求項５】可撓性の部材はワイヤであり、このワイヤの第一の部分は弁部材の周囲に配置された少
なくとも一つのループを含み、このワイヤの第二の部分は前記少なくとも一つのループ
から延長されたワイヤ部分を含む請求項４記載のバルブ
装置。
【請求項６】ワイヤの第二の部分はその終端が空胴の
壁に固着された請求項５記載のバルブ装置。
【請求項７】可撓性の部材はリボン状の部材であり、この部材の第一の部分は球形の弁部材に固着された請求
項２記載のバルブ装置。
【請求項８】リボン状の部材の第一の部分は、球形の
面の外面の中央部に沿った位置に固着された請求項７記
載のバルブ装置。
【請求項９】可撓性の部材はワイヤであり、球形の弁部材にはその直径方向に貫通孔が設けられ、前記ワイヤの第一の部分は前記貫通孔を貫通して配置さ
れ、この第一の部分には、前記球形の弁部材がそのワイヤに
沿って移動することを制限する制限手段が設けられた請
求項２記載のバルブ装置。
【請求項１０】貫通孔の直径はワイヤの直径よりわず
かに大きい請求項９記載のバルブ装置。
【請求項１１】可撓性の部材はシート状の部材であ
り、このシート状の部材の第一の部分には、直径が球形の弁
部材より小さくその弁部材の上部が頭を出すことのでき
る開口が設けられた請求項２記載のバルブ装置。
【請求項１２】流入通路および流出通路が接続され一
つの面に開口が設けられた空胴と、この開口に配置され前記空胴を外側から隔離して封止す
る可撓性ダイヤフラムと前記空胴と前記流入通路との接
続点に設けられた弁座と、前記空胴内の前記ダイヤフラムと前記弁座との間に配置
され、前記弁座を塞いで前記流入通路から前記空胴への
流れを遮断する閉位置と前記弁座から離れた開位置との
間で移動可能な球形の弁部材と、前記ダイヤフラムを外側から変形させて前記球形の弁部
材を前記弁座を塞ぐ位置に移動させるアクチュエータと
を備えたバルブ装置において、前記球形の弁部材にゆるく連結された第一の部分とこの
第一の部分から延長された前記空胴の壁に固着された第
二の部分とからなる可撓性の部材により形成された弁保
持器を備えたことを特徴とするバルブ装置。
【請求項１３】球形の弁部材は金属、セラミック、ル
ビーおよびサファイヤからなる群より選ばれた材料によ
り形成された請求項１２記載のバルブ装置。
【請求項１４】可撓性の部材はワイヤであり、このワイヤの第一の部分は弁部材の周囲に配置された少
なくとも一つのループを含み、このワイヤの第二の部分は前記少なくとも一つのループ
から延長されたワイヤ部分を含む請求項１２記載のバル
ブ装置。
【請求項１５】可撓性の部材はワイヤであり、球形の弁部材にはその直径方向に貫通孔が設けられ、前記ワイヤの第一の部分は前記貫通孔を貫通して配置さ
れ、この第一の部分には、前記球形の弁部材がそのワイヤに
沿って移動すること制限する制限手段が設けられた請求
項１２記載のバルブ装置。
【請求項１６】可撓性の部材はシート状の部材であ
り、このシート状の部材の第一の部分には、直径が球形の弁
部材より小さくその弁部材の上部が頭を出すことのでき
る開口が設けられた請求項１２記載のバルブ装置。
【請求項１７】流入通路および流出通路が接続され一
つの面に開口が設けられた空胴と、この開口に配置され前記空胴を外側から隔離して封止す
る可撓性ダイヤフラムと前記空胴と前記流入通路との接
続点に設けられた弁座と、前記空胴内の前記ダイヤフラムと前記弁座との間に配置
され、前記弁座を塞いで前記流入通路から前記空胴への
流れを遮断する閉位置と前記弁座から離れた開位置との
間で移動可能な球形の弁部材と、前記ダイヤフラムを外側から変形させて前記球形の弁部
材を前記弁座を塞ぐ位置に移動させるアクチュエータと
を備えたバルブ装置において、前記球形の弁部材に固着された第一の部分とこの第一の
部分から延長された前記空胴の壁に固着された第二の部
分とからなる可撓性の部材により形成された弁保持器を
備えたことを特徴とするバルブ装置。
【請求項１８】可撓性の部材はリボン状の部材である
請求項１７記載のバルブ装置。
【請求項１９】リボン状の部材の第一の部分は球形の
面の外面の中央部に沿った位置に固着された請求項１８
記載のバルブ装置。
【請求項２０】可撓性の部材はワイヤである請求項１
７記載のバルブ装置。
【請求項２１】ワイヤの第一の部分は球形の面の外面
の中央部に沿った位置に固着された請求項１８記載のバ
ルブ装置。