KR100255587B1

KR100255587B1 - 씰장치

Info

Publication number: KR100255587B1
Application number: KR1019970011626A
Authority: KR
Inventors: 마사미 아이하라
Original assignee: 아베 아키라; 가부시키가이샤 프론테크
Priority date: 1996-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 2000-05-01
Also published as: JPH09324272A; CN1061386C; US5921559A; CN1166535A

Abstract

반복해서 사용하여도 씰(seal)부에서의 씰성이 매우 우수하고, 동시에 씰성의 오차가 작기 때문에 리크가 지극히 작은 씰장치를 제공하는 것.

내외에서 압력차가 있는 격성부재6의 씰부에서의 씰부재 수부에, 그 격성부재의 모재보다도 단단한 재료로 이루어지는 다른부재11가 매설되고, 동시에, 다른부재11과 모재6의 측부 계면에서 국부적으로 융착되어 있는 것을 특징으로하는 씰장치.

Description

씰장치

본 발명은, 씰(seal)장치에 관한 것이다.

씰장치로서 진공장치를 예를 들어 종래 기술을 설명한다.

예를 들어 반도체 장치를 제조하기 위한 프라즈마CVD장치 등의 진공장치는, 제5도에 나타나는 바와 같이 복수의 챔버부재(하우징부재3, 덮개부재2, 진공계부재4, 플랜지5)를 O링 O1, O2, O3을 개재하여 씰하는 것에 의해 구성되어 있다.

제5도에 나타나는 예에서는 3개소의 씰부 S1, S2, S3를 가지고 있다. 즉, 하우징부재3과 덮개부재2는 O링O1을 개재하여 씰부S1에서 씰되고, 하우징부재3과 진공계부재4는 씰부S3에서 O링O3을 개재하여 씰되고, 덮개부재2와 플랜지5는 O링O2를 개재하여 씰부S2에서 씰되어 있다. 물론 진공장치의 종류에 따라, 또 각종 목적에 따라서 보다 많은 챔버부재를 이용하여 진공장치를 조립할 수 있고, 그 경우에는 씰부의 수도 변화한다.

또, 제5도에서 W는 기판, TL은 하부전극, EU는 샤워박스를 가지는 상부전극이다. 또, MFC는 매스플로 콘트롤러, M/B는 매칭박스, TMP는 터보분자펌프, RF는 고주파전원이다.

그런데, 종래, 챔버부재로서는 스텐레스제가 일반적이었지만, 근래에는 장치의 경량화를 목적으로하여, 혹은 균열성 향상 기타 목적으로 챔버부재에는 알루미늄합금이 사용되기에 이르렀다.

그런데도, 알루미늄합금은 스텐레스와는 달리 경도가 낮기 때문에, 반복하여 사용하면 O링이 바로 당접하는 O링접촉부에 패인 자국이 남는다. 특히 알루미늄합금으로서 JISA5052와 같은 비교적 경도가 낮은 합금을 사용한 경우 이 경향은 현저하다. 이러한 패인 자국은 리크의 근원이 되어 진공장치의 리크 레이트는 커지게 된다.

이러한 패임의 발생을 방지하고, 진공장치의 리크 레이트를 저감해야 하는 O링의 개량이 시험되고 있다. 즉, SUS304(Hv: 200∼300)으로 구성되는 O링의 모재 표면에 순알루미늄(Hv:30)을 코팅한 기술이다. 이러한 O링을 사용하면 패임이 발생하기까지의 반복되는 수는 다소 증가하지만 완전하게는 상기 패임은 방지 할 수 없다.

그래서, 챔버부재의 표면을 딱딱하게 하는 다음의 기술이 시험되어지고 있다.

① O링 접촉부에 TiN막을 수10㎛정도의 두께로 코팅을 실시하는 것에 의하여 표면 경도를 높이는 기술이다.

그러나, 이 기술은, 밑바닥이 딱딱하지 않은 상태이기 때문에 반복하여 사용하면 밑바닥이 패이고, 그 패임이 표면에도 나타나게 되어 버리므로 역시 리크는 피할 수 없다. 특히 밑바닥으로서 JISA5052(Hv:60∼70)와 같은 재료를 사용한 경우에는 리크는 현저하다.

또, TiN막 형성은 200∼250℃의 온도에서 행해진다. 그 때문에 알루미늄합금으로서, 시효경화에 의하여 경도를 높게 하는 합금, 예를 들면 JISA229-T87(Hv:130)을 밑바닥에 사용한 경우에는 연화를 일으켜 버리고(Hv:50∼60), 상술한 JISA5052의 경우와 마찬가지의 패임이 발생하여 역시 리크의 발생은 피할 수 없다.

② 또, 제7도에 나타내는 바와 같이, O링의 당접부7에 凹부8을 형성하고(제7(b)도), 그 凹부8내에 Ni와이어9 등을 두고(제7(c)도), 이 Ni와이어9 전부를 용접으로 모재에 녹여 넣어 Al-Ni합금(Hv:100∼200)으로 구성되는 용접부10을 형성하고(제7(d)도), 표면을 평탄하게 하는 기계가공에 의한 표면 마무리를 행하는(제7(e)도) 기술이다.

그러나, 이 기술도, 펴면 마무리 후에 표면을 자세히 검토하여 보면 작은 凹부가 존재하는 경우가 있는 것을 발견하였다. 이러한 凹부는 다음과 같은 이유에서 발생하는 것으로 생각되어진다. 즉, 알루미늄합금 표면에 산화물로서 존재하고 있었던 산소가 용접에 의해 산소의 기포가 되고, 합금 중에 존재하고, 표면 마무리 시에 이 기포는 모재로부터 이탈하여, 기포가 이탈한 자국이 凹부로서 남은 것으로 생각되어진다. 이러한 표면의 凹부는 리크원으로 된다. 기포의 이탈 자국은, 챔버부재에 따라 존재하거나 존재하지 않거나 하지만, 예를 들어 진공장치는 복수의 씰부를 갖고 1개소의 씰부에서라도 리크가 있으면 전체의 진공도가 나빠지기 때문에 이러한 기술로는 다수의 씰부를 가지는 장치용으로서는 부적합하다.

또, 용접 후에 용접부10의 경도 분포를 조사해 본 결과, 경도는 불균일하고, 경도의 불균일에 기인한다고 생각되어지는 미세한 크랙이 발견되었다. 이러한 크랙은 역시 리크원으로 된다.

본 발명은, 반복 사용 후에도 씰부에서 씰성이 매우 우수하고, 동시에, 씰성의 오차가 작은 씰장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

제1도는 본 발명에서의 격막부재의 제조예를 나타내는 공정도이다.

제2(a)도는 격막부재의 씰성을 측정하기 위한 장치의 전체도이고, (b)도는 격성재에서 씰부재의 접촉부 확대도이다.

제3도는 실시예 1과 종래예 1의 리크 레이트 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

제4도는 실시예 2와 종래예 2의 리크 레이트 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

제5도는 진공장치를 개념적으로 나타내는 단면도이다.

제6도는 내연기관의 단면도이다.

제7도는 종래의 격막부재의 제조공정을 나타내는 격막부재의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 진공장치 2 : 격막부재 : 챔버부재(덮개부재)

3 : 격막부재 : 챔버부재(하우징부재) 4 : 격막부재 : 챔버부재(진공계부재)

5 : 격막부재 : 챔버부재(플랜지) 8 : 凹부

9 : Ni와이어 10 : 용접부

11 : 다른부재 12 : 융착부

20 : 씰부재(O링) 21 : 플랜지VF

22 : 플랜지VG 23 : 볼트

24 : 너트 25 : 플렉시블 호스

26 : 플랜지NW40 45 : 피스톤

50 : 실린더 55 : 실린더 헤드

O1, O2, O3 : O링 S1, S2, S3 : 씰부

W : 기판 EL : 하부 전극

Eu : 상부 전극 MFC : 매스플로 콘트롤러

M/B : 매칭 박스 TMP : 터보분자펌프

RF : 고주파전원

본 발명의 씰장치는, 내외에서 압력차가 있는 격막부재의 씰부에 있어서 씰부재접촉부에, 그 격막부재의 모재보다도 단단한 재료로 이루어지는 다른부재가 매설되고, 동시에, 상기 다른부재와 상기 모재와의 측부계면이 국부적으로 융착되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는, 격막부재의 씰부재(예를 들어 O링)의 접촉부가 모재보다도 단단한 재료에 의해 구성되어 있기 때문에 반복 사용하여도 패임 등이 발생하지 않고, 씰성이 향상한다. 또, 모재와 다른부재와는, 전체를 용융하지 않고. 측부 계면에서만 국부적으로 융착하고 있다. 따라서, 씰부재의 접촉부에는 기포가 존재하는 것 없이, 양호한 씰성이 항상 보증되고, 복수의 씰부에서 씰성의 오차가 지극히 적다. 또, 융착부에 기포 자국이 발생했다고 해도 그것이 씰부재와의 당접부가 되는 것은 아니므로, 씰성은 악화되지 않고, 이 부분에서 리크는 발생하지 않는다.

본발명에서 씰장치로서는 예를 들어 진공장치, 내연기관 그 외의 씰을 필요로 하는 장치를 들 수 있다. 진공장치에서는, 종래보다 높은 진공도를 확실히 실현하는 것이 가능하다. 또, 내연기관에서는 종래보다 높은 압축비 나아가서는 고출력을 확실하게 실현하는 것이 가능하다.

본 발명에서, 격막부재의 모재는 알루미늄합금이 바람직하고, 특히, 내식성, 내프라즈마성이 우수한 Al-Mg계 합금이 바람직하다. 보다 상세히는, 예를 들어, JISA5052, MX534(상표: 미쯔비시머티리어주식회사), XM533(상표: 미쯔비시머티리얼주식회사)가 적합하게 사용된다.

이들 Al-Mg계 합금은, 경량이고 그리고, 내식성이 우수함과 함께 내프라즈마성도 우수하므로 진공장치 특히 프라즈마처리장치용의 챔버부재(격막부재)에 적합하게 사용된다. 또, Al-Mg계 합금은 Hv가 60∼70정도이고 본 발명의 효과가 현저히 나타난다.

또, 내연기관 등과 같은 높은 내열성, 높은 기계적 강도가 요구되는 경우에는, 예를 들면, Al-Cu계 합금, Al-Cu-Zn계 합금, Al-Cu-Zn-Mg계 합금, Al-Mg-Fe계 합금이 적합하게 사용된다.

본 발명에서 다른부재로서는, 격막부재보다도 단단한 재료이면 된다. Hv가 100 이상인 것이 바람직하다. 경량화의 점에서 알루미늄합금이 바람직하다. 이러한 알루미늄합금으로서는, 구체적으로는, JISA2219, JISA2017 등의 Al-Cu계 합금이나 JISA6061 등의 Al-Mg-Si계 합금 등의 석출경화형 합금이 바람직하다. 다른부재로서는, Al-Cu계 합금 또는 Al-Si-Mg계 합금을 사용한 경우에는, 경량화를 도모됨과, 함께, Hv 100 이상의 높은 경도를 달성할 수 있고, 씰성이 보다 양호한 씰장치를 얻을 수 있다. 격막부재가 JISA5052의 경우에는, JISA2219가 바람직하다. 이 조합의 경우 용접성이 우수한다.

또, 기계적 강도가 높은 Al-Cu계 합금 등을 격막부재의 모재에 사용한 경우에는, 그것보다 경도가 높은 알루미늄합금 이외의 합금을 다른부재에 사용하면 된다. 또, 용접성을 고려하여 모재와 같은 재로를 다른부재에 이용하고자 하는 경우에는, 석출경화의 정도를 모재보다 다른부재를 높여 모재보다 다른부재의 경도를 높이게하여 사용하면 된다.

또, 다른부재에는, Al합금 이외에, 예를 들어, Cu합금, Ni합금 등도 적합하게 사용된다.

본 발명에서는, 다른부재와 모재의 측부 계면이 국부적으로 융착되어 있다. 이러한 융착을 행하기 위해서는 전자 빔 용접이 특히 바람직하다.

즉, 격막부재의 다른부재의 융착을 전자빔용접에 의해 실시하면, 열영향부를 최대한 줄이는 것이 가능하다. 즉, 다른부재에 석출경화형의 합금 예를 들면 Al-Cu계 합금(예를 들면, JISA2219)을 사용한 경우에는 용접시의 열영향에 의해 석출물의 고용을 일으키기도 하고 경도의 저하를 초래하여 반복 사용에 의해 패임을 발생하는 경우도 있지만, 전자빔용접에 의하면 이러한 경도의 저하를 방지하는 것이 가능하다.

다음에 제조수단을 제1도에 근거하여 설명한다.

제1(a)도에 나타나는 격막부재6에서 씰부재 접촉부에 凹부8을 형성하고(제1(b)도), 그 凹부8 내에 다른부재11을 매설한다. 다른부재11을 매설한 후(제11(c)도), 모재와 다른부재11의 측부 경계만을 예를 들어 전자 빔을 조사하여 경계부분만 국부적으로 융착한다.

융착을 실시해도 냉각 시에 이른바 수축 발생하지 않기 때문에 평탄도는 확보된다. 따라서, 후공정으로서 평탄화는 실시하지 않아도 된다. 단, 보다 높은 표면조도를 필요로 하는 경우는 평탄화를 행해도 좋다.

[실시예]

[실시예 1]

제2도에 기초하여 실시예 1을 설명한다.

제2(a)도는 격막부재의 씰성을 측정하기 위한 장치의 전체도이고, 제2(b)도는 격성재에서의 씰부재의 접촉부 확대도이다.

본 실시예에서는, 두께 15mm, 외경 105mm의 홈이 있는 플랜지VG22와 홈이 없는 플랜지VF21을 한쌍 준비했다. 재질은 양쪽 모두 JISA5052의 H112 처리재를 사용했다.

우선, 홈없는 플랜지 VF21에 대해서는, 씰부재인 O링의 접촉부에 깊이 5mm, 폭 15mm의 홈을 형성하고, 그 홈의 안에, JISA2219의 T851 처리대로 이루어진 두께 5mm, 폭 15mm의 다른부재30을 매설했다.

이어서, 모재와 다른부재30의 측부 계면, 계면을 전자빔에 의하여 융착했다. 또, 용접은 조건이 다음과 같다.

진공도: 10^-4Torr

가속전압: 120KeV

리드 전류: 50mA

빔 지름: 1mmø

빔 전송 속도: 1cm/sec

용접 비트 깊이: 15~20mm

한편, 홈이 있는 플랜지VG22에 대해서는, 그 홈 안에, 깊이 3mm, 폭 10mm의 홈을 갖는, 두께 8mm, 폭 15mm의 다른부재31를 매설했다. 다른부재31의 재질은 A2219(T851)로 했다. 매설 후, 다른부재31와 모재를 홈없는 플랜지21의 상기한 융착 조건으로 양자의 측부계면만을 국부적으로 융착했다.

이상과 같이 하여 작성한 홈없는 플랜지VF21과 홈있는 플랜지VG22와의 한쌍의 플랜지에 대하여 제2도에 나타내는 장치를 사용하여 리크특성을 측정했다.

(1) 한 쌍의 플랜지21, 22의 사이에 O링20을 개재하여 끼우고, 양 플랜지21, 22를 알루미늄합금제의 볼트 및 너트23, 24를 이용하여 O링20을 개재하여 배치했다.

즉, O링용의 홈있는 플랜지VG22와 홈업는 플랜지VF21의 사이에 O링20을 개재시켜 끼워넣고, 알루미늄 볼트23과 알루미늄 너트24를 사용하여 체결함으로써 씰을 실시했다. 채결 토르크는 170kgf·cm로 했다. 또, O링20에는 U타이트씰(自井국제선업제)를 이용했다.

(2) 플랜지VF21을 플랜지NW40(ISO규격)26을 개재하여, 플렉시블 호스25를 이용하여 He 리크 디텍터에 연결했다.

(3) He 리크 디텍터에서 플랜지VF21과 프랜지 VG22로 형성되는 공간의 내부를 10^-5mbar로 진공시켰다.

(4) 외측으로부터 He를 불어넣어 리크레이트를 측정했다.

이어서, 볼트 채결을 풀어서 O링20DML 교환을 실시하고, 재차 상기 (1)∼(4)의 순서를 실시했다.

이상과 같이, 이탈을 반복할 때마다 리크 레이트를 측정하고, 이탈의 회수와 리크 레이트과의 관계를 구했다.

그 결과를 제3도에 ○표로 나타낸다.

[종래예 1]

또, 종래 기술의 란에서 ①로 서술한 TiN막의 코팅재에 대해서도 마찬가지의 시험을 실시했다. 또, TiN막의 두께는 50㎛로 했다. 플랜지의 재질, 치수는 실시예 1과 마찬가지이다.

그 결과를 제3도에 ●표로 병합하여 나타낸다.

제3도에 나타내는 결과로부터 맹백하듯이 실시예 1은 50회의 반복 후에도 리크량은 10^-10atm·cc/sec로 지극히 낮다.

[실시예 2]

본 예에서는, 실시예 1과 마찬가지의 플랜지 쌍을 5쌍 제작했다.

이 5쌍의 플랜지에 대해서 순차 실시예 1에서 서술한 (1)∼(4)의 순서에 의한 측정에 따라 리크 레이트를 측정했다.

각 플랜지에 대해서 리크 레이트의 평균치, 최대치, 최소치의 측정을 실시했다.

그 결과를 제4도에 나타낸다. 또, ○표는 평균치이다.

[종래예 2]

또, 제7도에 나타내는 공정에 의한 종래 기술의 란으로 ②로 서술한 Al-Ni의 용접부를 가지는 플랜지를 제작했다.

또, 홈있는 플랜지에 대하여는 제7(d)도에 나타나는 상태에서 절삭가공에 의하여 용접부 내에 凹부홈을 형성했다.

이러한 홈있는 플랜지와 홈없는 플랜지를 5쌍 준비하고, 실시예 2와 마찬가지로 리크 레이트의 측정을 실시했다.

그 결과를 제4도에 나타낸다. 또, ●표는 평균치를 나타낸다.

제4도로부터 맹백하듯이, 실시예 2의 경우는 5쌍의 플랜지 전부가 리크 레이트는 10^-10atm·cc/sec이었다. 또, 동일 플랜지 No에서 리크 레이트의 최대치와 최소치와는 같고, 오차는 없었다.

한편, 종래예 2의 경우는, 플랜지No 사이에서 리크 레이트의 오차가 있고, 평균치로, 10^-10atm·cc/sec라고 하는 실시예 2와 마찬가지로 극히 낮은 리크 레이트를 나타내는 플랜지 쌍(No.4)가 있는 한편, 6×10^-8tm·cc/sec라고 하는 큰 리크 레이트를 나타내는 플랜지대 쌍(No.5)도 있었다. 즉, 플랜지 No 사이에서 오차가 컸다.

또, 동일의 플랜지 No에서도 최대치와 최소치와의 사이에 큰 차이가 있는 것도 있고, 동일의 플랜지에서도 리크 레이트가 오차가 있다.

[실시예 3]

본예에서는 제5도에 나타나는 진공 장치에 본 발명을 적용했다.

본 예에선, 챔버부재(격막부재)를 구성하는 덮개부재2, 하우징부재3, 진공계부재4, 플랜지5에 Al-Mg계의 알루미늄합금을 이용했다.

씰부S1, S2, S3에 O링 O1, O2, O3의 접촉부에 다른부재를 매설했다. 다른부재에는 JISA2219의 T851처리재를 사용하고, 다른부재와 모재의 측부 계면을 융착했다.

이렇게 하여 제작한 진공장치는, 종래의 진공장치보다도 리크량이 적은 고진공이 달성되었다. 이 진공장치에서 알루미늄의 성막을 실시한 바 힐락이 적은 알루미늄막을 얻을 수 있었다.

[실시예 4]

제6도에 실시예 4를 나타낸다.

본 예는 씰장치가 내연기관인 경우이다.

본 예에서는, 실린더50과 실린더 헤드55가 격막부재를 구성하고 있고, 실린더50과 실린더55의 씰부에 실린더50측의 씰부재20의 접촉부에 다른부재11을 매설했다. 또, 제6도에서 45는 피스톤이다.

본 예에서는, 실린더50의 모재에는 Al-Cu계 합금을 사용하고, 다른부재에는 스텐레스계 합금을 이용했다.

다른부재11을 매설한 실린더50과 실린더 헤드55를 씰부재20을 사이에 두어 씰하여 내연기관을 조립했다.

한편, 다른부재를 매설하고 있지 않은 실린더와 실린더 헤드를 씰부재를 사이에 두어 씰하여 내연기관을 조립하고, 비교예로 했다.

양 내연기관의 출력시험을 실시한 바, 비교예에 관한 내연기관보다 본 실시예에 관한 내연기관 쪽이 높은 출력을 나타냈다.

본 발명에 의하면, 반복 사용하여도 씰부에서 씰성이 매우 우수하고, 동시에, 씰성의 오차가 적은 씰장치를 얻을 수 있다.

Claims

내외에서 압력차가 있는 각각의 압력 분위기를 격막하는 격막부재의 씰부에 있어서, 씰부재가 압착접촉하는 곳에 凹부를 형성하고, 그 凹부에 상기 격막부재의 모재보다도 단단한 재료로 이루어진 상기 씰부재와 협동하여 씰하는 다른부재가 매설되고, 그 매설된 다른부재의 측면과 상기 凹부의 측면이 압력누설이 생기지 않도록 국부적으로 융착되어 있는 것을 특징으로 하는 씰장치.
제1항에 있어서, 상기 씰장치가 진공장치인 것을 특징으로 하는 씰장치.
제1항에 있어서, 상기 씰장치가 내연기관인 것을 특징으로 하는 씰장치.
제1항에 있어서, 상기 격막부재의 모재가 알루미늄합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 씰장치.
제4항에 있어서, 상기 알루미늄합금은 Al-Mg계 합금인 것을 특징으로 하는 씰장치.
제4항에 있어서, 상기 다른부재는, Al-Cu계 합금 또는 Al-Si-Mg계 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 씰장치.
제1항에 있어서, 상기 융착은 전자빔융착에 의해 행해진 것인 것을 특징으로 하는 씰장치.