JPWO2012147417A1 - 半導体製造装置用溶接ベローズ - Google Patents

Abstract

本発明は、異物による損傷を受けにくく、万一、処理側のベローズプレートが損傷を受けた場合でもこれを非処理側のベローズプレートで補完することができるようにした冗長性のある溶接ベローズを提供するために、半導体製造装置用溶接ベローズは、径方向に対して曲面をなす複数の環状のベローズプレートが外径側及び内径側において交互に接続されてなる蛇腹構造の半導体製造装置用溶接ベローズにおいて、環状のベローズプレートが、処理側のベローズプレートと非処理側のベローズプレートとを備え、２つのベローズプレートの間に気層を介在させ、処理側のベローズプレートの板厚を厚く、非処理側のベローズプレートの板厚を薄く構成したことを特徴とする。

Description

本発明は、半導体製造装置の密封部に用いられ、密封性及び可撓性を有する蛇腹形状の溶接ベローズに関し、例えば、真空処理室の開口部を気密に開閉可能なゲートバルブの密封に好適な溶接ベローズに関する。

密封性及び可撓性を有する蛇腹形状の溶接金属ベローズは、ベローズプレート同士が密着するまで圧縮できることから各種機器の移動部材の密封に用いられている。例えば、半導体製造装置の製造工程に用いられる真空処理室の開口部を気密に開閉可能なゲートバルブの密封に用いられる溶接金属ベローズは、真空側と大気側とを密封するものであって、図４に示すように、１枚のベローズプレート５０を内径側及び外径側で溶接により接続して蛇腹状に形成されてなり、高速で、数百万ストロークという繰り返しの伸縮動作を行うものである（以下、「従来技術１」という。）。その際、図４（ａ）に示すように、ベローズプレート５０の間に真空雰囲気中の異物、例えば、金属の粒子５１等が侵入すると、「てこ」の原理でベローズプレート５０が、縮小時において二点鎖線で示すように曲げ変形され、繰り返しの伸縮を行う間に、図４（ｂ）に示すように、ベローズプレート５０の金属の粒子５１近傍に亀裂が生じ、遂には破損に至るというもので、想定していないほどの単寿命で使用不可になるという問題があった。

一方、従来から、種々の溶接金属ベローズが提案されており、例えば、耐蝕性及び作動バネ性に優れたものとして、図５に示すような溶接金属ベローズ６０が知られている（以下、「従来技術２」という。例えば、特許文献１参照。）。この従来技術２のベローズ６０の蛇腹構造を構成するベローズプレート６１は、密封流体側にオーステナイトステンレス鋼板６２を配置し、非密封流体側にバネ鋼板６３を配置し、これらを外径側及び内径側で溶接固着して２重層に形成されるものである。

さらに、ふいごの可撓性を犠牲にすることなく大きい圧力に耐え得るふいごを提供するものとして、図６に示すような溶接金属ベローズ７０が知られている（以下、「従来技術３」という。例えば、特許文献２参照。）。この従来技術３の溶接金属ベローズ７０の蛇腹構造を構成するベローズプレート７１は、一様な厚さの２枚の円板７２、７３を外径側及び内径側で溶接固着して２重層に形成されてなるものである。そして、大気側の円板７２に通気孔７４を設け、円板７２、７３間にガス・ポケットが存在しないようにしている。

しかし、図５に示す従来技術２は耐蝕性及び作動バネ性に優れた溶接ベローズを提供するためのものであり、異物の侵入による繰返しの曲げ変形に対する対策がなされていないため、例えば、密封流体側のベローズプレート６２、６２の間に異物６４が侵入した場合、２枚のベローズプレート６２、６２が繰返しの曲げ変形を受け、順次、あるいは同時に、２枚のベローズプレートが破損されてしまうという問題があった。
また、図６に示す従来技術３は可撓性を犠牲にすることなく大きい圧力に耐え得るふいごを提供するものであって、大気側のベローズプレート７２に通気孔７４が形成されているため、異物７５の侵入により大気側と反対側のベローズプレート７３が繰返しの曲げ変形により破損されると、もはや密封作用を保持することができなくなり、結局、１枚のベローズプレートの場合と同じ寿命しか有さないという問題があった。

実開昭５８−４８４８号公報 特公昭４５−１９６７０号公報

本発明は、上記従来技術の有する問題を解決するためになされたものであって、ベローズプレートを２重構造にした半導体製造装置用溶接ベローズにおいて、２枚のベローズプレートのうち、処理側（真空）のベローズプレートに密封兼強度部材としての機能を持たせるとともに、非処理側（大気）のベローズプレートに対する曲げ変形を緩和させるような構成とすることにより、万一、処理側のベローズプレートが損傷を受けた場合でもこれを非処理側のベローズプレートで補完することができるようにした冗長性のある溶接ベローズを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の半導体製造装置用溶接ベローズは、第１に、径方向に対して曲面をなす複数の環状のベローズプレートが外径側及び内径側において交互に接続されてなる蛇腹構造の半導体製造装置用溶接ベローズにおいて、環状のベローズプレートが、処理側のベローズプレートと非処理側のベローズプレートとを備え、２つのベローズプレートの間に気層を介在させ、処理側のベローズプレートの板厚を厚く、非処理側のベローズプレートの板厚を薄く構成したことを特徴としている。

また、本発明の半導体製造装置用溶接ベローズは、第２に、第１の特徴において、処理側が真空であり、非処理側が大気であることを特徴としている。

また、本発明の半導体製造装置用溶接ベローズは、第３に、第１又は第２の特徴において、半導体製造装置の製造工程に用いられる真空処理室の開口部を気密に開閉可能なゲートバルブの密封に用いられることを特徴としている。

また、本発明の半導体製造装置用溶接ベローズは、第４に、第１ないし第３の特徴のいずれかにおいて、数Ｈｚの範囲で伸縮作動され、伸縮速度が１００ｍｍ／ｓｅｃ以上で、繰り返し寿命が１×１０^６以上であることを特徴としている。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）処理側のベローズプレートは、板厚が厚いことから耐久性があり、また、背後に空気あるいはＡｒガスなどの気層が存在することから、異物に対して比較的柔軟に対応することができる。
また、非処理側のベローズプレートは、異物の侵入に起因する処理側のベローズプレートの曲げ変形を気層を介して伝達されるため、曲げ変形は緩和されたものとなり、また、自身が薄い板厚であることから曲げ変形に対してしなやかに追従できるから、長期間の繰り返し曲げ変形を受けても破損されることがない。
（２）処理側のベローズプレートに、密封兼強度部材としての機能をもたせ、非処理側のベローズプレートには密封機能だけを持たせて長期間の使用でも破損されないように構成することにより、万一、処理側のベローズプレートが損傷を受けた場合でもこれを非処理側のベローズプレートで補完することができるため、２重の安全対策を備えた冗長性のある溶接ベローズを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体製造装置用溶接ベローズを半導体製造装置の製造工程に用いられる真空処理室の開口部を気密に開閉可能なゲートバルブの支持ロッドの密封に用いた場合の要部断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体製造装置用溶接ベローズの全体構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体製造装置用溶接ベローズの要部を示す模式図である。 従来技術１を説明するための要部の模式図である。 従来技術２を説明するための要部断面図である。 従来技術３を説明するための要部断面図である。

本発明に係る半導体製造装置用溶接ベローズを実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置用溶接ベローズを半導体製造装置の製造工程に用いられる真空処理室の開口部を気密に開閉可能なゲートバルブの支持ロッドの密封に用いた場合の要部断面図である。
図１において、ゲートバルブ１は、相互に対向する位置に通孔２が形成された弁箱３と、一対の弁板４、５を有し、この弁箱３内に配置された弁組立体６と、この弁組立体６を先端に支持している支持ロッド７と、弁箱３側と支持ロッド７側とをシールするベローズ８と、支持ロッド７を介して弁組立体６を開弁位置と閉弁位置との間を移動させるエアシリンダ９、を備えている。

このゲートバルブ１は、例えば、半導体製造工程における真空処理室Ｓ１、Ｓ２の間に設けられ、支持ロッド７により弁組立体６が開弁位置と閉弁位置との間を移動すると共に、閉弁位置に位置した弁組立体６に図示しないエア供給装置及び真空ポンプから圧縮エアを供給又は排出して、前記通孔２の周囲に対して一対の弁板４、５を押圧又は分離させることにより、各真空処理室Ｓ１、Ｓ２のゲートＧを開閉することが可能となっている。

本実施形態に係るゲートバルブ１のベローズ８は、弁箱３側と支持ロッド７側とをシールするための金属製部材であり、このベローズ８の一端は、弁箱３の底板にＯリング１０を介して固定された上部リング部材１１に、気密を維持した状態で、例えば固定部材を使用して固定したり、溶接等により接合されている。このベローズ８の他端も、支持ロッド７に嵌合固定された下部リング部材１２に、例えば固定部材を使用して固定したり、溶接等により接合されている。加えて、下部リング部材１２と支持ロッド８との間にはＯリング１３が介在され、これにより、支持ロッド７が上下動しても、弁箱３をシールすることが出来、外部からパーティクル等の汚染物質が侵入するのを防止することが可能となっている。

ところで、半導体の製造工程において、処理室の内部圧力をパージガスの給排気により常圧または減圧状態に変化させる際に処理室の壁などに付着していた堆積物（本発明においては「異物」ということがある。）が舞い上がり、該異物がベローズ８の内部に入り込んだりする。異物は、最大で直径約数百ミクロン（例えば、約０．５〜０．６ｍｍ）の大きさがあるため、異物がベローズ８の内部に侵入すると、ベローズ８のベローズプレートは伸縮の際、異物を支点として「てこ」の原理で曲げ変形され、繰り返しの曲げ応力を受けることになる。本実施形態に係るゲートバルブ１のベローズ８は、約０．１〜５Ｈｚの範囲で、約３×１０^６ 回程度の伸縮動作に耐える必要があり、上記の従来技術のような構成の溶接ベローズでは破損を免れることが困難であった。

図２は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置用溶接ベローズの全体構成を示す断面図である。
図２において、ベローズ８は、径方向に対して曲面をなす複数の環状のベローズプレート１５が外径側及び内径側において交互に接続されて蛇腹構造に形成される。
ベローズプレート１５同士の接続は、大気中あるいはＡｒガス雰囲気中でＴＩＧ溶接などにより行われる。
図においては、ベローズ８の内径側が処理側で、例えば、１×１０^−６Ｐａの真空度となる。ベローズ８の外径側は非処理側であり、大気圧である。
ベローズ８は、例えば、自由長Ｌに対して、約０．５Ｌ〜１．２Ｌの範囲で作動するように設定される。また、作動時における伸縮の速度は、１００ｍｍ／ｓ以上に達する。
ベローズ８は金属材料から形成されるもので、例えば、上部リング部材１１及び下部リング部材１２はオーステナイト系ステンレス鋼により形成され、また、ベローズプレート１５は、析出硬化性セミオーステナイト系ステンレス鋼により形成される。

図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体製造装置用溶接ベローズの要部を示す模式図であって、図の上側が処理側（真空）、下側が非処理側（大気）である。
図３において、ベローズ８は、径方向に対して曲面をなす複数の環状のベローズプレート１５が内径側１６及び外径側１７において交互に溶接により接続されて蛇腹構造に形成されるものであって、該ベローズプレート１５は、処理側のベローズプレート１８と非処理側のベローズプレート１９との２重の層からなり、処理側のベローズプレート１８と非処理側のベローズプレート１９との間に空気あるいはＡｒガスなどの気層２０が介在されている。また、処理側のベローズプレート１８の板厚が厚く、非処理側のベローズプレート１９の板厚が薄く構成されている。処理側のベローズプレート１８及び非処理側のベローズプレート１９の板厚は、作動条件を考慮して設定されるものあるが、処理側のベローズプレート１８は、密封機能及び強度部材しての機能が要求される一方、非処理側のベローズプレート１９は、万一、処理側のベローズプレート１８が破損した場合でもこれを補完して密封機能を保持するものである。このため、処理側のベローズプレート１８は、異物２１が隣接するベローズプレート１５、１５間に侵入しても容易に破損されることのないように厚い板厚で形成され、また、非処理側のベローズプレート１９は、異物２１が隣接するベローズプレート１５、１５間に侵入した際、しなやかに変形しやすくして繰り返しの曲げ変形に耐えるように薄い板厚で形成されているものである。
処理側のベローズプレート１８の板圧をｔ１、非処理側のベローズプレート１９の板圧をｔ２とすると、ｔ２／ｔ１＝０．１〜０．７の範囲に設定することが望ましい。

処理側のベローズプレート１８及び非処理側のベローズプレート１９の材料としては、通常、析出硬化性セミオーステナイト系ステンレス鋼が用いられるが、必ずしも同じ材料である必要はなく、その特性に応じた材料、例えば、処理側のベローズプレート１８を析出硬化性セミオーステナイト系ステンレス鋼とし、非処理側のベローズプレート１９を軟鋼あるいはばね鋼としてもよい。また、処理側のベローズプレート１８の露出側表面にフッ素樹脂またはシリコーン樹脂をコーティングして、異物２１が直接金属表面に接触しないようにしてもよい。
また、処理側のベローズプレート１８と非処理側のベローズプレート１９との間に空気あるいはＡｒガスなどの気層２０を形成する。該気層２０は、大気中あるいはＡｒガス雰囲気で両ベローズプレート１８、１９の内径側１６及び外径側１７を溶接する際、両ベローズプレート１８、１９間に適度の隙間を持たせて溶接し、密封することにより形成される。

今、支持ロッド７の上下動によりベローズ８が伸縮動作すると、隣接するベローズプレート１５、１５同士は密着及び離反を繰り返す。処理側（真空）から、異物２１が飛来し、隣接するベローズプレート１５、１５間に侵入すると、処理側のベローズプレート１８、１８は、異物２１を支点とした曲げ力を何度も繰り返し受けることになる。その際、処理側のベローズプレート１８は、板厚が厚いことから耐久性があり、また、背後に空気あるいはＡｒガスなどの気層２０が存在することから、従来技術２の２重構造のベローズと比較して異物２１に対して柔軟に対応できる。一方、非処理側のベローズプレート１９は、異物２１の侵入に起因する処理側のベローズプレート１８の曲げ変形を気層２０を介して受けるため、曲げ変形の程度は緩和されており、また、自身が薄い板厚であることから曲げ変形に対してしなやかに対応できるから、ベローズプレート１５が繰り返しの曲げ変形を受けても長期間破損されることがない。

上記のように、本発明のベローズ８においては、処理側のベローズプレート１８が本来のベローズプレートとしての密封兼強度部材としての役割を果たし、非処理側のベローズプレート１９も密封部材として役割を果たすものである。また、その際、処理側のベローズプレート１８は、板厚が厚いこと、及び、空気あるいはＡｒガスなどの気層２０が背後に存在することから、耐久性を保持することができる。一方、非処理側のベローズプレート１９は、異物２１の侵入に起因する処理側のベローズプレート１８の曲げ変形を気層２０を介して受けるため緩和された状態で曲げ変形され、また、自身が薄い板厚であることから曲げ変形に対してしなやかに変形するから、長期間の繰り返し曲げ変形を受けても破損されることがない。
さらに、長期間の使用により、万一、処理側のベローズプレート１８が破損したとしても、板厚の薄い非処理側のベローズプレート１９が存在するので、密封性を保持しつつ、稼働し続けることができるものであり、いわゆる、２重の安全対策を備えた冗長性のあるベローズを提供することができるものである。

１ ゲートバルブ
２ 通孔
３ 弁箱
４ 弁板
５ 弁板
６ 弁組立体
７ 支持ロッド
８ ベローズ
９ エアシリンダ
１０ Ｏリング
１１ 上部リング部材
１２ 下部リング部材
１３ Ｏリング
１５ ベローズプレート
１６ ベローズプレートの内径側
１７ ベローズプレートの外径側
１８ 処理側のベローズプレート
１９ 非処理側のベローズプレート
２０ 気層
２１ 異物
Ｓ１、Ｓ２ 真空処理室
Ｇ ゲート

Claims (4)

1. 径方向に対して曲面をなす複数の環状のベローズプレートが外径側及び内径側において交互に接続されてなる蛇腹構造の半導体製造装置用溶接ベローズにおいて、環状のベローズプレートが、処理側のベローズプレートと非処理側のベローズプレートとを備え、２つのベローズプレートの間に気層を介在させ、処理側のベローズプレートの板厚を厚く、非処理側のベローズプレートの板厚を薄く構成したことを特徴とする半導体製造装置用溶接ベローズ。
2. 処理側が真空であり、非処理側が大気であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置用溶接ベローズ。
3. 半導体製造装置の製造工程に用いられる真空処理室の開口部を気密に開閉可能なゲートバルブの密封に用いられることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体製造装置用溶接ベローズ。
4. 数Ｈｚの範囲で伸縮作動され、伸縮速度が１００ｍｍ／ｓｅｃ以上で、繰り返し寿命が１×１０^６以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体製造装置用溶接ベローズ。

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