JPH11315957A - ヒ―ティング機能付真空弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 弁体等反応ガスの付着しやすい弁体部を１１
０度程度まで加熱でき、かつ省電力タイプのヒーティン
グ機能付真空弁を提供すること。 【構成】 ヒーティング機能付真空弁は、出力ポート３
５が真空発生装置に接続され、入力ポート３４が真空チ
ャンバーに接続され、真空チャンバーに反応ガスが供給
されているときに、真空チャンバー内の真空圧力を調整
する真空弁であって、弁座２５に対して移動して隙間を
変化することにより、真空容器内の真空圧力を調整する
弁体１４と、弁体１４内に密着して固設された棒状ヒー
タ１３と、棒状ヒータ１３に真空弁の外部から電力を供
給するリード線１２とを備える加熱手段とを有してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造工程で真空
チャンバー内と真空ポンプとを接続する流路の途中に設
けられ、その流路を開閉する真空弁に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造工程において、真空容器で
ある真空チャンバー内にシリコンウェハを入れて容器内
を真空にし、反応ガスを導入して化学反応させるエッチ
ング工程がある。この工程では、真空チャンバーと真空
ポンプを接続する管路上に、真空チャンバー内の真空圧
力を所定の値に保つための真空制御弁が付設されてい
る。真空チャンバー内で化学反応を行うときに、使用す
る反応ガスにより最適な真空圧力が決まっている。その
ため、真空制御弁により、真空チャンバー内の真空圧力
を所定の値に保持している。ここで、真空制御弁は、真
空ポンプにより引かれる真空流量を変えるために弁開度
を変化させる開度比例弁、開度比例弁を駆動するドライ
ブ回路、真空チャンバー内の真空圧力を計測する真空圧
力センサ、真空圧力センサの計測した真空圧力と装置本
体からのコマンド信号とを比較して、ドライブ回路を最
適制御するＰＩＤ制御回路から構成されている。

【０００３】すなわち、真空制御弁は、真空圧力センサ
が計測した真空圧力からの圧力値をフィードバック制御
し、開度制御弁の弁開度をコントロールすることによ
り、装置側からの目標真空圧力信号に対し、真空チャン
バー内の真空圧力を制御する。一方、プロセス中、真空
チャンバーに対してガス供給装置から反応ガスが供給さ
れる。開度比例弁は、反応ガス流量に応じて、真空圧力
センサが計測した真空圧力が、目標値より高くなったと
きは（大気圧側に向かったときは）、弁を開く方向に動
かして真空流量を大きくする。また、真空圧力が目標値
に対し低いときは（絶対真空側に向かったときは）、弁
を閉じる方向に動かして真空流量を少なくする。プロセ
ス中に真空圧力制御を行うのは、真空圧力が目標値に対
して変化すると、半導体の製造工程における反応プロセ
スにバラツキが発生し、半導体の歩留まりが低下するか
らである。

【０００４】一方、ＣＶＤプロセス等で使用される反応
ガスは、沸点が低く常温で液化、析出するため、真空制
御弁においても、装置全体を加熱することが、従来から
行われていた。図１１から図１６に従来の開度制御弁の
構造を示す。図１１に弁が閉じている状態を断面図で示
し、図１２に弁が開いている状態を断面図で示す。ま
た、図１３に図１２の右側面外観図を示す。図１３で
は、加熱装置が取り付けられている状態を示している。

【０００５】従来の開度比例弁の構造を説明する。中空
部を有する弁本体２８は、大きく弁部３２とシリンダ部
３３に分けられる。シリンダ部３３の中空部はシリンダ
を構成し、シリンダには、ピストン２１が摺動可能に嵌
合されている。また、シリンダ部３３の上面には、空気
抜け用孔３１が形成されている。ピストン２１の上側に
は、ピストン２１を下向きに付勢する３つの復帰バネ２
２が取り付けられている。ピストン２１の下側に形成さ
れた下シリンダ室３０は、駆動空気ポート２９に接続し
ている。駆動空気ポート２９には、図示しないドライブ
回路が制御する電磁弁から駆動エアが供給される。ピス
トン２１の中央には、可動軸２７が固設され、可動軸２
７は、弁部３２まで貫通し、その下端は弁体２４に固設
されている。

【０００６】次に、弁部３２の構造を説明する。弁本体
２８には、入力ポート３４と出力ポート３５が形成され
ている。そして、入力ポート３４の上端部に円環状の弁
座２５が形成され、弁体２４の下面が弁座２５に対し当
接、離間する。弁体２４の弁座２５と当接する面には、
シール部材であるＯリング２６が取り付けられている。
弁体２４の上面には、可動軸２７を覆って金属ベローズ
２３が付設されている。金属ベローズ２３は、真空流路
と可動軸２７とを遮断するために設けられている。半導
体製造工程では、極力パーティクルの混入を防止する必
要があるからである。また、弁部３２の外側には、図１
４に広げた状態での外観を示すバンドヒータ１０１が巻
き付けられ、２本のバンドバネ１０２により一定のテン
ションがかけられ、密着して取り付けられている。図１
６にバンドヒータ１０１が弁本体２８に巻き付けられて
いる状態を図１３の右方向からみた部分図として示す。

【０００７】次に、バンドヒータ１０１の構造を説明す
る。図１５に図１４のＡＡ断面図を示す。ニクロム線か
らなる発熱体１０４が、絶縁体１０３に埋め込まれてい
る。発熱体１０４の一端に固着された端子１０６は、リ
ード線１０５に接続している。その接続位置には、シリ
コンパテ１０７が塗布され、その上をシリコンゴム製の
キャップ１０７が覆っている。絶縁体１０３の左表面に
は、シリコンスポンジ１０９が固着されている。リード
線１０５により発熱体１０４に電流を流すことにより、
発熱体１０４が発熱し、シリコンスポンジ１０９を介し
て弁本体２８を外面から加熱する。一方、図１４に示す
ように、バンドヒータ１０１の外側には、バンドヒータ
１０１の温度を計測するための熱電対１１０が、固定テ
ープ１１１により取り付けられている。図示しない制御
回路が、熱電対１１０により計測した温度に基づいて発
熱体１０４に通電する電力量を制御して、バンドヒータ
１０１を所定の温度に保持する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ヒーティング機能付真空弁には、次のような問題があっ
た。すなわち、真空弁の内部は真空圧であり、空気中に
熱を伝える媒体がないため、図１１に示すポペット式ベ
ローズ弁では、金属ベローズ２３を介して可動部である
弁体２４に熱を伝達していた。しかしながら、バンドヒ
ータ１０１により真空弁の外側から、真空弁内部をヒー
ティングする従来の方法では、伝熱の効率が低いため、
反応ガスが一番付着しやすい弁体部、特にシール部材で
あるＯリング２６を、十分加熱することができない問題
があった。

【０００９】そして、Ｏリング２６等に反応ガスが付着
した場合、パーティクルとなって反応ガスに混入し、半
導体製造の歩留まりを低下させる問題があった。特に、
Ｏリング２６は、入力した反応ガスが直接当たるので、
冷却され温度が下がり易いため、反応ガスが付着するこ
とがある。そして、付着物に入力した反応ガスが当たる
ことにより、付着物を吹き飛ばしてパーティクルを発生
させる。従来は、このパーティクルの混入を防止するた
めに、真空流路の途中にフィルター用メッシュを取り付
けることが行われていたが、この方法では、真空ポンプ
の効率が低下し、所定の真空度を得るのに時間がかかる
等の問題があった。また、バンドヒータ１０１により、
弁体部を加熱しようとすると、大きな消費電力を必要と
する問題があった。

【００１０】特に、最近では、飽和蒸気圧の低い反応ガ
スであるジクロールシランから、飽和蒸気圧の高いＴＥ
ＯＳ（正珪酸エチル）まで、種々の反応ガスが使用され
ており、開度比例弁や真空遮断弁において反応ガスの析
出物が付着しないように、開度比例弁等をより高い温度
（摂氏１１０度以上）に加熱する必要が生じている。し
かしながら、従来のバンドヒータ１０１を使用して外面
から加熱する方法では、電力量を増加させても、プロセ
ス流体が流れている時には、弁体２４、特にＯリングを
８０度まで加熱するのが限界であり、１００度まで加熱
することは困難であった。その理由は、プロセス流体が
弁内部を通過するときに、弁体２４及びＯリングから熱
を奪うからである。

【００１１】本発明は、上記問題点を解決し、弁体等反
応ガスの付着しやすい弁体部を１１０度程度まで加熱で
き、かつ省電力タイプのヒーティング機能付真空弁を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明のヒーティング機能付真空弁は、出力ポート
が真空発生装置に接続され、入力ポートが真空容器に接
続され、真空容器に反応ガスが供給されているときに、
真空容器内の真空圧力を調整する真空弁であって、弁座
に対して移動して隙間を変化することにより、前記真空
容器内の真空圧力を調整する弁体と、弁体内に密着して
固設された棒状ヒータと、棒状ヒータに前記真空弁の外
部から電力を供給するリード線とを備える加熱手段とを
有している。

【００１３】また、本発明のヒーティング機能付真空弁
は、上記ヒーティング機能付真空弁において、弁体と中
空可動軸により連結されるピストンを有し、リード線
が、中空可動軸の中空部を通って、真空弁の外部に出て
いることを特徴とする。また、本発明のヒーティング機
能付真空弁は、前記棒状ヒータが、温度計測のための熱
電対を内蔵していることを特徴とする。

【００１４】

【作用】上記の構成よりなる本発明のヒーティング機能
付真空弁は、出力ポートが真空発生装置に接続され、入
力ポートが真空容器に接続され、真空容器に反応ガスが
供給されているときに、真空容器内の真空圧力を調整す
る。また、弁体は、弁座に対して移動して隙間を変化す
ることにより、真空容器内の真空圧力を調整する。棒状
ヒータは、弁体内に密着して固設されているので、可動
体である弁体を効率よく加熱して、摂氏１１０度以上ま
で加熱することができる。これにより、弁座に付着して
いる反応ガスを気化させることができる。そして、反応
ガスが弁体に付着することが防止される。

【００１５】また、消費電力は、少なくて済む。ここ
で、リード線は、棒状ヒータに真空弁の外部から電力を
供給する。リード線は、中空可動軸に形成された中空部
を通って、真空弁の外部に出ているので、リード線の配
線が邪魔となることがない。また、棒状ヒータが、温度
計測のための熱電対を内蔵しているので、弁体と密着し
て熱的に一体となっている弁体の温度を直接計測でき、
弁体の温度を正確に制御することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例であるヒー
ティング機能付真空弁を図面に基づいて詳細に説明す
る。図１に本発明の第一の実施例であるポペット式ベロ
ーズ弁である真空制御弁の弁本体２８を断面図で示す。
図１に、弁が閉じられている状態を示し、図２に、弁が
開かれている状態を示す。弁本体２８の基本的な構成
は、従来と同じなので、同じ構成要素には、同じ番号を
付している。

【００１７】上下方向で２つの部分に分割された中空部
を有する弁本体２８は、上下に大きく弁部３２とシリン
ダ部３３とに分けられる。上部にあるシリンダ部３３の
中空部はシリンダを構成しており、シリンダには、ピス
トン２１が摺動可能に嵌合されている。ピストン２１の
上側には、ピストン２１を下向きに付勢する２つの復帰
バネ２２が取り付けられている。ピストン２１の下側に
形成された下シリンダ室３０は、駆動空気ポート３６に
接続している。駆動空気ポート３６は、弁本体２８の側
面に付設された電磁比例弁３７に接続している。電磁比
例弁３７は、ドライブ回路とＰＩＤ回路とを含む制御回
路３８により、弁体１４を所定の位置に停止させるよう
に、電磁比例弁３７を制御する。ピストン２１の中央に
は、中空部１１ａが形成された中空可動軸１１が固設さ
れ、中空可動軸１１は、下部にある弁部３２まで貫通
し、その下端には、弁体２４が固設されている。中空可
動軸１１は、ステンレス製のパイプであり、弁体２４に
対して溶接により固定されている。

【００１８】次に、弁部３２の構造を説明する。弁本体
２８の下面には、真空チャンバーに接続する入力ポート
３４が形成されている。また、弁部３２の右側面には、
真空ポンプに接続する出力ポート３５が形成されてい
る。そして、入力ポート３４の上端部に円環状の平面で
ある弁座２５が形成され、弁体２４の下面が弁座２５に
対し当接、離間する。弁体２４の弁座２５と当接する面
には、シール部材であるフッ素ゴム製のＯリング２６が
変形可能に保持されている。弁体２４は、ステンレス製
を使用している。弁体２４の上面には、中空可動軸１１
を覆って金属ベローズ２３が付設されている。金属ベロ
ーズ２３は、中空可動軸１１から真空流路を遮断するた
めに設けている。

【００１９】次に、バンドヒータ１０１の構造を説明す
る。バンドヒータ１０１の構造は、従来技術で説明した
物と同じであるので、詳細な説明を省略する。ただし、
本実施例では、従来のバンドヒータと比較して、下方向
での長さを長くしている。これは、弁座２５をより加熱
するためである。次に、本発明の主要部であるヒーティ
ング手段である棒状ヒータ１３について説明する。中空
可動軸１１の中空部１１ａの下端部には、弁体１４に棒
状ヒータ１３が埋め込まれて固設されている。棒状ヒー
タ１３の形状を図３に分解斜視図で示す。棒状ヒータ１
３は、ヒータ及び熱電対が内蔵されたヒータ部１３ｃの
端面にフランジ１３ａが形成されている。また、ヒータ
部１３ｃには、リード線１２が接続されている。この棒
状ヒータ１３は、ニクロム線からなる発熱コイルを、耐
熱熱合金に収納し、空間をセラミックコアで固定したも
のである。棒状ヒータ１３は、取付ネジ１３ｂにより弁
体１４にネジ止めされる。

【００２０】棒状ヒータ１３を弁体１４に対して取付ネ
ジ１３ｂにより固定しているので、棒状ヒータ１３を取
り外すのに、弁本体２８を分解しなくても、中空部１１
ａの上方向から長いドライバーで取り外し、取り付ける
ことが可能である。リード線１２は、中空可動軸１１の
中空部１１ａを通って、弁本体２８の外部に出ている。
また、熱電対は、棒状ヒータ１３に内蔵されており、熱
電対のリード線もリード線１２と一緒に、中空可動軸１
１の中空部１１ａを通って、弁本体２８の外部に出てい
る。また、シリンダ部３３の側面には、電磁比例弁３
７、制御回路３８が、収納箱１５に収納されている。

【００２１】次に、上記構成を有するヒーティング機能
付真空弁の作用を説明する。比例開度弁の作用は、従来
と同じなので説明を省略し、本発明の主要部であるヒー
ティング手段について説明する。棒状ヒータ１３は、弁
体１４に密着して固定されているので、棒状ヒータ１３
は弁体１４を直接加熱することができるため、弁体１４
の温度を容易に摂氏１１０度以上に保持することが可能
である。これにより、シール部材であるＯリング２６に
反応ガスが付着するのを防止することができる。

【００２２】棒状ヒータ１３の効果を実験データに基づ
いて説明する。始めに、実験の方法を説明する。真空制
御弁が室温状態（摂氏約１８度）で安定し、弁開度全開
の状態から開始する。空気を流すときには、棒状ヒータ
１３をＯＮすると同時に、流し始める。実験では、反応
ガスの代わりに空気を１０ＳＬＭ流している。ＳＬＭと
は、スタンダード、リットル、ミニットを表し、温度０
度、湿度０％のスタンダード状態で、毎分１リットルの
ガス量が流れることを意味している。バンドヒータ１０
１は、２５０Ｗでフル加熱し、棒状ヒータ１３は、熱電
対が検出した温度をフィードバックして所定温度になる
ように温度調節している。この条件で、温度が完全に飽
和したときの温度を計測している。測定したポイントを
図６に示す。

【００２３】先に、バンドヒータ１０１のみを使用し
た、従来の真空弁の実験データを説明する。実線が、流
量がゼロの状態における真空弁各部の温度を示し、点線
が空気流量を１０ＳＬＭとしたときの真空弁各部の温度
を示している。ここで、問題となるのは、測定場所１の
弁体１４の温度である。図９に示すように、流量がゼロ
では、１４０度に保持されているが、空気流量を１０Ｓ
ＬＭとすると、弁体１４が直接吹き当たる空気により冷
却されるため、１０５度まで温度低下してしまう。この
温度低下により、反応ガスが析出付着し、付着物がパー
ティクルとなって後流路に送られてしまう問題が発生す
る。

【００２４】次に、本実施例の棒状ヒータ１３を弁体１
４と併用した真空弁の実験結果について説明する。図６
に温度を計測したポイントを示している。図１０におい
ては、実線が流量ゼロの状態における真空弁各部の温度
を示し、点線が空気流量を１０ＳＬＭとしたときの真空
弁各部の温度を示している。弁体１４における温度低下
がほとんどゼロとなっていることがわかる。これによ
り、反応ガスを流した場合でも、反応ガスが弁体１４に
おいて析出付着することがない。このことは、図７及び
図８により明確に比較されている。すなわち、図７及び
図８において、実線が従来の真空弁における計測温度を
示し、点線が本実施例における真空弁の計測温度を示し
ている。図７は、流量がゼロの場合であり、図８は、空
気流量を１０ＳＬＭとした場合である。流量がゼロの場
合は、共に１４０度を越えていて問題ないが、流量が１
０ＳＬＭの場合、従来の真空弁では、１０５度まで温度
低下してしまい、弁体１４に反応ガスが析出付着する問
題が発生する。

【００２５】以上詳細に説明したように、本実施例のヒ
ーティング機能付真空弁によれば、弁座２５に対して移
動して隙間を変化することにより、真空チャンバー内の
真空圧力を調整する弁体１４と、弁体１４内に密着して
固設された棒状ヒータ１３と、棒状ヒータ１３に弁本体
２８の外部から電力を供給するリード線１２とを備える
加熱手段とを有しているので、弁体１４を棒状ヒータ１
３で直接加熱することができ、弁体１４及び弁座２５と
を摂氏１１０度まで加熱することができるため、弁体１
４、Ｏリング２６及び弁座２５に反応ガスが付着するこ
とを防止できる。また、本実施例のヒーティング機能付
真空弁は、弁体１４と中空可動軸１１により連結される
ピストン２１を有し、リード線１２が、中空可動軸１１
の中空部１１ａを通って、弁本体２８の外部に出ている
ので、弁体１４及び弁座２５を直接加熱することができ
る。また、可動部である弁体１４に接続したリード線１
２を邪魔なく配線することができる。

【００２６】また、弁を分解しなくても、棒状ヒータ１
３を上方向から取り外し、取り付け可能である。この場
合、長いリーチを持つドライバーを用いて、ネジの取り
外し、取り付けをすれば良い。また、棒状ヒータ１３と
弁体１４とが密着して固定されているので、棒状ヒータ
１３と弁体１４とがほぼ同じ温度となり、棒状ヒータ１
３に内蔵された熱電対が、弁体１４の温度を直接計測で
きるため、弁体１４の温度を所定の温度に正確に保持す
ることができる。

【００２７】次に、本発明の第二の実施例について説明
する。図４及び図５に第二の実施例のヒーティング機能
付真空弁の構成を示す。基本的な構成は、第一の実施例
と同じなので、異なる点のみ説明する。本実施例が異な
るのは、遮断方法として、金属ベローズ２３を使用せず
に、軸シール３９により遮断している点である。この軸
シールポペット弁によれば、金属ベローズ２３が不要と
なり、コストダウンすることができる。

【００２８】本発明は、上記説明した実施例に限定され
ることなく、色々な変更が可能である。例えば、本実施
例では、弁体１４を駆動する手段として空気圧シリンダ
を使用したが、サーボモータ、ステップモータ等別の駆
動手段を使用しても同様である。また、本実施例では、
真空弁として、真空圧調整比例弁についてのみ説明した
が、真空流路に設けられ、真空流路を遮断する真空開閉
弁にも適用できるのは、当然である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のヒーティング機能付真空弁によれば、弁座に対し
て移動して隙間を変化することにより、真空チャンバー
内の真空圧力を調整する弁体と、弁体内に密着して固設
された棒状ヒータと、棒状ヒータに真空弁の外部から電
力を供給するリード線とを備える加熱手段とを有してい
るので、弁体を棒状ヒータで直接加熱することができ、
弁体及び弁座とを摂氏１１０度まで加熱することができ
るため、弁体、Ｏリング及び弁座に反応ガスが付着する
ことを防止できる。そして、反応ガスの付着を防止でき
るので、パーティクルの発生を低下させ、半導体製造の
歩留まりを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例であるヒーティング機能付
真空弁の構成を示す断面図である。

【図２】図１のヒーティング機能付真空弁の別の状態を
示す断面図である。

【図３】ヒーティング手段の構成を示す分解斜視図であ
る。

【図４】本発明の第二実施例であるヒーティング機能付
真空弁の構成を示す断面図である。

【図５】図４のヒーティング機能付真空弁の別の状態を
示す断面図である。

【図６】図１のヒーティング機能付真空弁での実験にお
ける温度計測位置を示す断面図である。

【図７】実験データを示す第１データ図である。

【図８】実験データを示す第２データ図である。

【図９】実験データを示す第３データ図である。

【図１０】実験データを示す第４データ図である。

【図１１】従来のヒーティング機能付真空弁の構成を示
す断面図である。

【図１２】図１１のヒーティング機能付真空弁の別の状
態を示す断面図である。

【図１３】図１１の側面図である。

【図１４】従来のヒーティング手段であるバンドヒータ
１０１の構成を示す外観図である。

【図１５】バンドヒータ１０１の構造を示す断面図であ
る。

【図１６】バンドヒータ１０１が取り付けられている状
態を示す部分図である。

【符号の説明】

１１ 中空可動軸 １１ 中空部 １２ リード線 １３ 棒状ヒータ １３ｂ 取付ネジ １４ 弁体 ２１ ピストン ２４ 弁体 ２５ 弁座

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力ポートが真空発生装置に接続され、
   入力ポートが真空容器に接続され、真空容器に反応ガス
   が供給されているときに、真空容器内の真空圧力を調整
   する真空弁において、 弁座に対して、移動して隙間を変化することにより、前
   記真空容器内の真空圧力を調整する弁体と、 前記弁体内に密着して固設された棒状ヒータと、棒状ヒ
   ータに前記真空弁の外部から電力を供給するリード線と
   を備える加熱手段とを有することを特徴とするヒーティ
   ング機能付真空弁。
2. 【請求項２】 請求項１に記載するものにおいて、 前記弁体と中空可動軸により連結されるピストンを有
   し、 前記リード線が、前記中空可動軸の中空部を通って、前
   記真空弁の外部に出ていることを特徴とするヒーティン
   グ機能付真空弁。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載するもの
   において、 前記棒状ヒータが、温度計測のための熱電対を内蔵して
   いることを特徴とするヒーティング機能付真空弁。