JPH086808B2 - 金属とセラミツクスとのシ−ル機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、反復する温度変化を伴う条件下に使用す
る、金属とセラミックスとの間のシール機構の改良に関
する。本発明は、とくに半導体製造装置のガス微少流量
調整バルブのシール機構に適用したとき、その意義が大
きい。

たとえば最近の半導体製造装置は、より高い真空下で
の運転条件が選ばれるようになり、これに供給するヘリ
ウム、アルゴン、酸素、各種の有機金属化合物のガスな
どの供給量を、微細に調整することが必要になって来
た。

高度の真空に保たれている半導体製造装置へ、ボンベ
などの圧力容器からかなりの圧力をもったガスを供給す
ると、流量調整バルブの前後で、一次圧および二次圧の
圧力差が高い。この高差圧に加えて、装置の運転−休止
の反復に伴う高温から低温への温度変化が大きい。この
ような苛酷な条件下に使用する微少流量調整バルブは、
微少な流量をコントロールする機能に加えて、閉止時の
リーク量が最少であるとともに、それを長時間維持する
信頼性が要求される。従って、微少流量調整バルブにお
いて、シール機構は重要である。

従来は、シール材としてのゴムのＯ−リングや接着
剤、テフロンなどが用いられていたが、高真空下におけ
るガスの発生や耐熱性の不足などの欠点が指摘されてい
た。それらに代るシール材としては、軟質金属製の、た
とえば金や銅のＯ−リングが使用されている。

しかし軟質金属製のシール材を用いたものは、温度変
化の反復に耐えず、次第にリーク量が増大するという欠
点がある。この原因は、軟質金属はおおむね熱膨脹率が
大きく、高温時には膨脹のためシール間隙にはみだし、
その変形が冷却後も完全に回復せずに蓄積するためであ
る。

本発明の目的は、上記の欠点を解消し、軟質金属製の
シール材の熱膨脹および収縮のサイクルがひきおこす変
形を吸収し、高い差圧と大きな温度差という苛酷な条件
下に使用しても、安定したシール機能を示すような、金
属とセラミックスとの間のシール機構を提供することに
ある。

シリンダー状のセラミックス部材とそれをとり囲む金
属部材との間を軟質金属でシールする機構において、相
対的に高い熱膨張係数をもつ軟質金属のシール材がリン
グ状にセラミックス部材の外周に接し、シール間隙に対
してシール材より後方に、相対的に低い熱膨張係数をも
つ金属のリングまたはシリンダーであるシール補助材を
接触させてなり、シール材の熱膨張をシール補助材で吸
収することにより、温度変化の反覆に伴いシール材に蓄
積する変形量を低減したことを特徴とする。

本発明のシール機構は、30℃←→160℃の熱サイクル
テストにおいて、金リング部のリーク量10^-9Atm cc/sec
（Heガス）が得られ、製造過程における金リングシール
部組立ての良品歩留りはほぼ100％に達する。

本発明のシール機構のひとつの代表的な適用例は、前
記した半導体製造装置の真空雰囲気中に微少量のアルゴ
ンなどのガスをコントロールされた速度で供給するため
の、真空用の微少ガス流量調整バルブの弁座のシールで
ある。

以下、図面を参照してこの例について説明すれば、第
１図はバルブの縦断面図であり、第２図はその弁座のシ
ール機構を示す拡大図である。

このバルブはガスチェンバーGCに導入されたガスの微
量を、ともにセラミックス（たとえばサファイア）製の
弁体1Aと弁座1Bとの間隙を通して流通させる構造であ
る。

接ガスケーシング５は、弁体に自由度をもたせるため
の金属（たとえばSUS 304、316L、モネルメタンなど）
のダイヤフラム９により仕切られた空間であり、この中
にガスが導入される。

スタンディングベース８は、耐食性のよい金属（たと
えばSUS 316L）でできており、各種の機器に接続され
る。ガスチェンバーに導入されたガスは、スタンディン
グベース中央の孔を通って流通する。

駆動系は、図示した例では空気式を用いているが、他
の方式（電磁式や電歪式）でもよい。駆動力を弁体1Aに
伝えるために、ステム２を用いる。弁体1Aにはバネ４で
押圧力を加え、この押圧力を調製するためにゴム製のダ
イヤフラム３に空気圧を加えてバネの押圧力と反対方向
の力を生じさせる。

この駆動系を用いることにより、空気圧が加えられな
いときは弁体1Aは弁座1Bに押しつけられており、ガスは
流通しない。空気圧が加えられてバネの押圧力が減少す
ると、ガスが流通する。

第２図にシール機構の一例を示す。このシール機構
は、セラミックスの弁座1Bを、接ガスケーシング５とス
タンディングベース８との間に、軟質金属たとえば金の
リング６を挿入し、このリングの後方にたとえばアンバ
ー（Fe−Ni低膨脹合金）でつくった円筒状のシール補助
材７を設けてなる。

シール材として使用される代表的な軟質金属は、金で
ある。インジウム、銅、銀、アルミニウムなども使用で
きる。

金属部材としてステンレス鋼を使用する場合、シール
補助材としてはFe−Ni系低膨脹合金が適当である。低膨
脹合金には、合成組成によって種々の熱膨脹係数をもっ
たものがあるから、使用場面に応じて適切なものをえら
ぶとよい。

本発明に従うシール機構においては、常温では第３図
のようにシールが行なわれており、温度が上昇した場合
は第４図のようになる。ここで各部分の熱膨脹は起り、
拡大したシール間隙に膨脹したシール材が出てきてシー
ルを保つが、シール補助材７の熱膨脹が小さく、そのた
めに生じた空隙にもシール材は出て行くため、セラミッ
クス弁座1Bと金属製の部材5,8との間にはみ出す度合は
少ない。従って、シール材が受ける変形の程度は、第６
図の場合にくらべて緩和されており、温度変化の反復に
よって蓄積する変形量は、はるかに小さくなる。

このようにして、セラミックス弁座のシールは長期に
わたって完全に保たれる。

本発明で用いるシール補助材を用いず金リングだけを
用いた場合、常温では第５図のようにシールが行なわれ
ているが、温度の上昇に伴って第６図のように変化す
る。すなわちシール機構の構成部分すべてが熱膨脹する
が、線膨脹率を、金属部材がα_１、シール部材がα_２、
セラミックスがα_３とすると、 α_２＞α_１＞α_３ の関係にあるから、セラミックス弁座1Bと部材５および
８とのシール間隙は温度の上昇につれて拡大し、最もよ
く膨脹するシール材がそこへはみ出してくることで、シ
ールが保たれる。しかし従来の構造では、シール材は、
温度の低下につれてほぼ元の形状をとりもどすが、軟質
で変形しやすいから、度重なる温度変化に伴って少しず
つ変形が蓄積され、遂にはシールの完全さが損なわれる
に至る。

上記の欠点は、本発明により解消した。すなわち、本
発明のシール機構は、常用の金属とセラミックスとの間
のシールにおいて、温度変化の反復があってもシールの
完全さがよく保たれる。

従って、このシール機構は、例に挙げて説明した、真
空下に運転する半導体製造装置に供給する雰囲気ガスの
微少流量を調製するバルブのシールに使用したとき、と
くに有用である。そのほか、同様な条件の下に置かれる
他の機器にも適用できることは、容易に理解されるであ
ろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のシール機構を適用した微少ガス流量
調整バルブの構造を示す縦断面図である。 第２図は、第１図の要部を示す拡大図である。 第３図ないし第６図は、本発明のシール機構の作用を説
明するための、第２図に対応する模式的な断面図であっ
て、第３図は本発明に従って補助シール材を設けた場合
における常温の状態を示し、第４図はその高温の状態を
示す。第５図は単に軟質金属のリングを用いた場合にお
ける常温の状態を示し、第６図はその高温の状態を示
す。 1A……弁体、1B……弁座 ５……接ガスケーシング ６……シール材（軟質金属製のリング） ７……シール補助材（低膨脹合金の円筒） ８……スタンディングベース

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダー状のセラミックス部材とそれを
   とり囲む金属部材との間を軟質金属でシールする機構に
   おいて、相対的に高い熱膨張係数をもつ軟質金属のシー
   ル材がリング状にセラミックス部材の外周に接し、シー
   ル間隙に対してシール材より後方に、相対的に低い熱膨
   張係数をもつ金属のリングまたはシリンダーであるシー
   ル補助材を接触させてなり、シール材の熱膨張をシール
   補助材で吸収することにより、温度変化の反覆に伴いシ
   ール材に蓄積する変形量を低減したことを特徴とする金
   属とセラミックスとのシール機構。
2. 【請求項２】金属部材がステンレス鋼であり、シール材
   として金を、シール補助材としてFe−Ni低膨張合金を使
   用した特許請求の範囲第１項のシール機構。