KR101806673B1 - 진공 밸브 - Google Patents

Abstract

밸브 개방 시에 부생성물이 승화되기 쉬워, 시일 성능을 장기간 유지시킬 수 있고, 탄성 시일 부재의 유지 보수가 용이한 진공 밸브를 제공하는 것이다.
제1 포트 형성 부재(13)와 제2 포트 형성 부재(14)가 밸브 본체 부재(12)에 일체로 설치된 바디(4)와, 밸브 본체 부재(12)에 내장되는 밸브체(3)와, 밸브체가 접촉 또는 이격되는 밸브 시트부(5)와, 상기 밸브체와 상기 밸브 시트 사이에서 눌러찌부러져 탄성 변형되는 탄성 시일 부재(7)와, 상기 밸브체(3)에 구동력을 부여하는 구동 수단(2)과, 상기 바디(4)를 가열하는 히터(10)를 구비하는 진공 밸브(1A)에 있어서, 상기 탄성 시일 부재(7)가 상기 밸브 시트부(5)에 장착되어 있는 것, 상기 바디(4)의 내벽에 착탈 가능하게 설치되고, 상기 탄성 시일 부재(7)를 보유 지지하는 보유 지지 수단(6)을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

진공 밸브 {VACUUM VALVE}

본 발명은, 제1 포트부와 제2 포트부가 밸브 본체부에 일체로 돌출 설치되고, 반응 가스가 흐르는 바디와, 상기 바디에 설치된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트에 접촉 또는 이격되는 밸브체와, 상기 밸브체와 상기 밸브 시트 사이에서 눌러찌부러져 탄성 변형되는 탄성 시일 부재와, 상기 바디에 연결되고, 상기 밸브체에 구동력을 부여하는 구동 수단과, 상기 바디를 가열하는 히터를 구비하는 진공 밸브에 관한 것이다.

예를 들어, 반도체 제조 장치는, 반응실과 진공 펌프 사이에 진공 밸브가 배치되어 있다. 진공 밸브는 반도체의 성막에 사용된 반응 가스를 반응실로부터 진공 펌프에 배기하는 경우의 배기 유량을 제어하거나, 반응실의 진공 압력을 일정하게 제어하거나 하는 데 사용된다.

도 26은, 제1 종래예의 진공 밸브(101)의 단면도이다. 진공 밸브(101)는, 제1 포트부(121)와 제2 포트부(122)가 밸브 본체부(123)에 일체로 돌출 설치된 바디(120)에, 구동 수단(110)이 연결되어 있다. 밸브체(112)는 구동 수단(110)의 구동축(111)에 연결되고, 구동 수단(110)의 구동력에 의해, 바디(120)에 설치된 밸브 시트면(124)에 접촉 또는 이격된다. 밸브체(112)는, 밸브 시트면(124)과 대향하는 시일면(112a)에 탄성 시일 부재(115)가 장착되고, 그 탄성 시일 부재(115)를 밸브 시트면(124)에 밀착시킴으로써 시일을 행한다. 이러한 진공 밸브(101)는, 유로 내에서 부생성물(화학 반응에 의해 의도한 반응과 다른 반응에 의해 생성된 물질)이 발생하는 것을 방지하기 위해, 구동축(111)과 바디(120)에 히터(114, 141, 142, 143)가 설치되어 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조).

도 27은, 제2 종래예의 진공 밸브(201)의 주요부 단면도이다. 진공 밸브(201)는 밸브체(210)에 설치된 탄성 시일 부재(212)를, 바디(220)에 설치된 밸브 시트면(221)에 밀착시킴으로써, 밸브 폐쇄한다. 바디(220)는 환상 벽(231)이 형성되어 있다. 그 환상 벽(231)은 밸브 시트면(221) 및 탄성 시일 부재(212)보다 내측에 설치되어 있다. 밸브체(210)는 진공 밸브(201)의 밸브 개방 동작의 개시 시에, 환상 벽(231)과 끼워 맞춰서 미소한 교축 유로(241)를 형성하는 환상 홈(211)이 형성되어 있다. 이러한 진공 밸브(201)에서는 밸브 개방 동작의 개시 시에, 반응 가스가 교축 유로(241)로 유속이 완화되고 나서, 탄성 시일 부재(212)와 밸브 시트면(221) 사이를 통과하므로, 반응 가스의 부생성물은 환상 벽(231)의 표면이나 환상 홈(211)의 내벽에 부착되기 쉬워, 탄성 시일 부재(212)나 밸브 시트면(221)에의 부착이 저감된다(예를 들어 특허문헌 2 참조).

도 28은 제3 종래예의 진공 밸브 유닛(301)의 단면도이다. 진공 밸브 유닛(301)은, 예비 배기 밸브체(362)와 주 배기 밸브체(330)를 단일 구조체로 한 것이다. 바디(310)는 포트 형성 부재(315)가 주 배기 밸브체(330)의 밸브 폐쇄 방향과 반대 방향으로 고정 나사(316)가 삽입 관통되고, 그 고정 나사(316)를 실린더 본체(314)에 체결함으로써, 고정되어 있다. 포트 형성 부재(315)에는, 주 배기 밸브 시트(317)가 설치되고, 그 주 배기 밸브 시트(317)에 설치된 환상 홈(317a)에 탄성 시일 부재(318)가 끼워 넣어져 있다. 진공 밸브 유닛(301)은, 도 28에 도시하는 상태로부터 예비 배기 손잡이(361)가 회전되면, 예비 배기 밸브체(362)가 하강하여 예비 배기 밸브 시트(363)를 개방하고, 저진공압까지의 감압을 행한다. 진공 밸브 유닛(301)은, 예비 배기 후, 예비 배기 손잡이(361)가 역방향으로 회전되고, 도 28에 도시하는 상태로 되돌려지면, 주 배기 손잡이(364)가 회전된다. 이에 의해, 주 배기 밸브체(330)가 상승해서 주 배기 밸브 시트(317)를 개방하고, 고진공압까지의 감압을 행한다(예를 들어 특허문헌 3 참조).

일본 특허 공개 제2001-173838호 공보 일본 특허 공개 제2008-69943호 공보 일본 특허 제4884949호 공보

그러나, 제1 및 제2 종래예의 진공 밸브(101, 201)와 제3 종래예의 진공 밸브 유닛(301)에는, 이하의 문제가 있었다. 제1 종래예의 진공 밸브(101)는, 히터(114, 141, 142, 143)가 밸브체(112)와 바디(120)를 가열함에도 불구하고, 탄성 시일 부재(115)에 부생성물이 부착되어 있었다.

도 29는 제1 종래예의 진공 밸브(101)를 사용한 후에서의 탄성 시일 부재(115)의 시일부(115a)를 도시하는 도면이며, (A)는 탄성 시일 부재(115)의 평면도를 나타내고, (B)는 (A)의 XX 단면도이다. 또한, 도 29의 (A), (B)에 기재하는 부생성물 Y는, 도면을 보기 쉽게 하기 위해, 막 두께나 크기 등을 강조해서 기재하고 있다. 발명자들이, 사용 후의 진공 밸브(101)로부터 탄성 시일 부재(115)를 제거하고, 그 시일부(115a)를 현미경 사진으로 확인한 결과, 도 29의 (A), (B)에 도시하는 바와 같이, 시일부(115a)보다 내측 부분[탄성 시일 부재(115)의 내주측] P1과 시일부(115a)보다 외측 부분[탄성 시일 부재(115)의 외주측] P2에 부생성물 Y가 많이 퇴적되었다. 부생성물 Y는, 부분 P1, P2로부터 탄성 시일 부재(115)의 외주측에 걸쳐서 퇴적량이 줄어들었다.

부생성물 Y가 부착되는 원인에 대해, 발명자들은, 탄성 시일 부재(115)를 밸브 시트면(124)으로부터 이격시키도록 밸브체(112)가 상승한 경우에, 탄성 시일 부재(115)가 히터(141, 142, 143)의 히터 열을 전달되지 않게 되어 표면 온도를 저하시키기 위해서라고 생각했다. 또한, 발명자들은, 탄성 시일 부재(115)를 밸브 시트면(124)으로부터 이격시키도록 밸브체(112)가 상승한 경우에, 탄성 시일 부재(115)에 반응 가스의 흐름이 접촉되고, 가스가 냉각되어, 온도가 낮은 탄성 시일 부재(115)의 표면에 부생성물이 석출된다고 생각했다.

또한, 발명자들은, 도 29의 (B)에 도시하는 바와 같이, 탄성 시일 부재(115)의 시일부(115a)보다 내측 부분 P1과 외측 부분 P2에, 부생성물 Y가 막 형상으로 부착되어 있는 것을 확인했다. 그 원인에 대해, 발명자들은 다음과 같이 생각했다. 탄성 시일 부재(115)는, 밸브 폐쇄 시에 히터(141, 142, 143)의 히터 열이 밸브 시트면(124)을 통하여 전달되므로, 탄성 시일 부재(115)의 표면에 부착된 부생성물 Y는, 밸브 폐쇄 시에 승화시키고자 한다. 그러나, 탄성 시일 부재(115)의 시일부(115a) 부근에서는, 부생성물 Y가, 탄성 시일 부재(115)와 밸브 시트면(124) 사이에 끼워 넣어져 자유롭게 움직이지 못하므로, 승화시키고자 해도 불가능하다. 진공 밸브(101)가 다음에 밸브 개방되면, 탄성 시일 부재(115)가 히터 열을 전달되지 않게 되는 데다가, 남은 부생성물 Y가 반응 가스에 노출되므로, 탄성 시일 부재(115)의 시일부(115a) 부근에 남은 부생성물 Y 상에 새로운 부생성물 Y가 부착되게 된다. 그 후, 진공 밸브(101)가 다시 밸브 폐쇄되면, 새로운 부생성물 Y가 오래된 부생성물 Y 상에 눌러 굳혀져, 그들이 히터 열로 혼합되어 막 형상으로 확대된다. 이 반복에 의해, 부생성물 Y가 시일부(115a) 부근에 막 형상으로 부착된다고 생각된다.

상기 부생성물 Y는, 시일부(115a)의 주위 방향을 따라서 균일한 두께로 탄성 시일 부재(115)에 부착되지 않는다. 그로 인해, 진공 밸브(101)는 사용을 계속하면, 탄성 시일 부재(115)에 부착되는 부생성물 Y에 의해 시일부(115a)를 밸브 시트면(124)에 주위 방향으로 균일하게 시일시킬 수 없게 되어, 시일 성능이 저하될 우려가 있다. 이 문제를 회피하기 위해서는, 탄성 시일 부재(115) 등의 유지 보수를 짧은 주기로 행할 필요가 있었다. 이 유지 보수 시에는, 반도체 제조 라인을 멈출 필요가 있으므로, 반도체의 제조 효율이 저하된다. 따라서, 유지 보수 빈도를 감소시키기 위해, 시일 성능을 장기간 유지할 수 있는 진공 밸브가 현장으로부터 요구되고 있었다.

여기서, 도 30의 그래프에 나타내는 바와 같이, 반응 가스는 히팅 온도가 높을수록, 승화량이 증가된다. 따라서, 히터(114)가 발생하는 열량을 증가시키면, 밸브 개방 시에서도 탄성 시일 부재(115)를 고온으로 가열하고, 부생성물 Y를 승화시킬 수 있다고 생각된다. 그러나, 이 방법에서는, 구동 수단(110)이 열에 의해 파손될 우려가 있으므로, 바람직하지 않다.

한편, 도 30의 그래프에 나타내는 바와 같이, 반응 가스는 동일한 히팅 온도에서도, 반응 가스의 압력이 낮으면, 승화량을 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 발명자들은, 밸브 개방 시에서도 탄성 시일 부재(115)를 가열함과 함께, 탄성 시일 부재(115) 부근을 흐르는 반응 가스의 압력을 저하시키는 구조를 도출할 수 있으면, 밸브 개방 시에 부생성물 Y가 승화되기 쉬워져, 시일 성능을 장기간 유지시킬 수 있다는 생각에 이르렀다.

제2 종래예의 진공 밸브(201)는, 환상 벽(231)과 환상 홈(211)을 끼워 맞춰지지 않도록 밸브체(210)가 상승한 경우, 교축 유로(241)가 해소되므로, 부생성물의 부착 억제 효과가 없어진다. 이 경우, 제2 종래예의 진공 밸브(201)는, 탄성 시일 부재(212)가 밸브체(210)에 장착되어 있으므로, 제1 종래예의 진공 밸브(101)와 마찬가지로, 탄성 시일 부재(212)에 부착된 부생성물이 승화되지 않아, 시일 성능을 저하시킬 우려가 있다.

제3 종래예의 진공 밸브 유닛(301)은, 주 배기 밸브 시트(317)에 탄성 시일 부재(318)를 장착하고 있으므로, 바디(310)를 히터로 가열하면, 밸브 개방 시에서도 탄성 시일 부재(318)를 가열할 수 있다고 생각된다. 그러나, 진공 밸브 유닛(301)은, 주 배기 밸브체(330)가 상승해서 밸브 개방되는 경우, 탄성 시일 부재(318)가 반응 가스에 노출되어, 탄성 시일 부재(318) 부근의 유속이나 압력이 커진다. 그로 인해, 가령, 바디(310)를 히터로 가열했다고 해도, 탄성 시일 부재(318)가 반응 가스에 열을 빼앗겨, 부생성물을 효율적으로 승화시킬 수 없다.

또한, 진공 밸브 유닛(301)은, 예비 배기와 주 배기를 별도의 밸브체(362, 330)로 행하는 것이며, 1개의 밸브체(112, 210)로 유량 제어를 행하는 제1 및 제2 종래예의 진공 밸브(101, 201)와 구조가 다르다. 이러한 진공 밸브 유닛(301)은 진공 밸브(101, 201)와 비교하여, 주 배기 밸브체(330)가 밸브 개방 동작할 때에, 주 배기 밸브체(330)를 사이에 두고 상류측과 하류측과의 차압이 작으므로, 주 배기 밸브체(330)에 작용하는 시일 하중이 진공 밸브(101, 201)의 밸브체(112, 210)에 작용하는 시일 하중보다 작다. 따라서, 진공 밸브 유닛(301)에서는, 실린더 본체(314)에 고정 나사(316)로 고정되는 포트 형성 부재(315)에 주 배기 밸브 시트(317)와 탄성 시일 부재(318)를 설치하는 구성이 가능해도, 진공 밸브(101, 201)에 진공 밸브 유닛(301)의 밸브 구조를 적용하는 것은 곤란했다. 왜냐하면, 이 경우, 고정 나사에서는 시일 하중에 대한 강도가 부족하기 때문이다. 또한, 예를 들어, 가령, 진공 밸브 유닛(301)과 마찬가지로, 진공 밸브(101)의 밸브 시트면(124)에 장착 홈을 형성해서 탄성 시일 부재를 장착하는 구성을 채용해도, 진공 밸브(101)는, 제1 포트부(121)와 제2 포트부(122)를 밸브 본체부(123)에 일체로 돌출 설치하고 있으므로, 탄성 시일 부재의 장착에 시간이 걸린다. 특히, 반응 가스가 장착 홈과 탄성 시일 부재 사이에 인입되어 고화된 경우, 탄성 시일 부재의 제거가 매우 곤란해진다.

본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 밸브 개방 시에 부생성물이 승화되기 쉬워, 시일 성능을 장기간 유지시킬 수 있고, 탄성 시일 부재의 유지 보수가 용이한 진공 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태는, 다음과 같은 구성을 갖고 있다.

(1) 제1 포트부와 제2 포트부가 밸브 본체부에 일체로 돌출 설치되고, 반응 가스가 흐르는 바디와, 상기 바디에 설치된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트에 접촉 또는 이격되는 밸브체와, 상기 밸브체와 상기 밸브 시트 사이에서 눌러찌부러져 탄성 변형되는 탄성 시일 부재와, 상기 바디에 연결되고, 상기 밸브체에 구동력을 부여하는 구동 수단과, 상기 바디를 가열하는 히터를 구비하는 진공 밸브에 있어서, 상기 탄성 시일 부재가 상기 밸브 시트에 장착되어 있는 것, 상기 바디의 내벽에 착탈 가능하게 설치되고, 상기 탄성 시일 부재를 보유 지지하는 보유 지지 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에서는, 바디는, 제1 포트부가 밸브 본체부에 일체로 돌출 설치되고, 바디에 설치된 시일 하중에 대한 강도가 확보되어 있다. 탄성 시일 부재는, 바디에 설치된 밸브 시트에 설치되어 있으므로, 히터가 바디를 가열하면, 그 히터 열이, 밸브 폐쇄 상태와 완전 개방 상태 사이의 어떠한 밸브 개방도이어도, 바디와 밸브 시트를 통하여 탄성 시일 부재에 전달된다. 게다가, 예를 들어, 제1 포트에 반응 가스가 공급되는 경우, 그 반응 가스가 밸브체측을 향하여 흐르므로, 밸브 시트에 설치된 탄성 시일 부재가 반응 가스에 노출되기 어렵다. 그로 인해, 밸브 개방 시에 탄성 시일 부재 부근의 압력이 밸브체 부근의 압력보다 낮아진다. 도 30에 도시하는 바와 같이, 동일한 히팅 온도의 경우에도, 압력이 낮을수록, 승화량이 증가한다. 따라서, 부생성물은 밸브 개방 시에 승화되기 쉬워, 탄성 시일 부재의 시일부에 부착되기 어렵다. 또한, 밸브 개방 시에 부생성물을 승화시킬 수 있으므로, 밸브 개폐 동작을 반복해도, 부생성물이 탄성 시일 부재의 시일부에 남아서 눌러 굳어지는 일이 없다. 따라서, 상기 구성에 의하면, 밸브 개방 시에 탄성 시일 부재의 시일부에 부생성물이 부착되는 것을 억제하여, 시일 성능을 장기간 유지할 수 있다.

또한, 상기 구성에서는, 밸브 시트가 제1 및 제2 포트부를 밸브 본체부에 일체로 설치한 바디에 설치되고, 그 밸브 시트에 탄성 시일 부재가 장착되어 있지만, 탄성 시일 부재는 구동 수단을 밸브체와 함께 바디로부터 제거하고, 보유 지지 수단을 바디에 탈착하면, 밸브 시트에 간단하게 착탈할 수 있다. 따라서, 상기 구성에 의하면, 탄성 시일 부재를 용이하게 유지 보수할 수 있다.

(2) (1)에 기재된 구성에 있어서, 상기 밸브 시트는, 상기 탄성 시일 부재가 장착되는 도브테일 홈을 갖는 것, 상기 밸브체는, 상기 탄성 시일 부재에 밀착하는 시일면의 외경 치수가 상기 도브테일 홈의 저부 외경 치수 이하인 것이 바람직하다.

상기 구성에 의하면, 동일한 시일 직경이면, 탄성 시일 부재를 장착하는 도브테일 홈을 구비하는 밸브체보다, 밸브체의 외경 치수를 작게 할 수 있다. 그로 인해, 상기 구성에서는, 탄성 시일 부재를 통과한 반응 가스가 밸브 본체부 내에 즉시 유출되고, 탄성 시일 부재 부근의 압력을 낮게 할 수 있다. 따라서, 상기 구성에 의하면, 밸브 개방 시에 탄성 시일 부재에 부착된 부생성물이 승화되기 쉽다.

(3) (2)에 기재된 구성에 있어서, 상기 밸브 시트는, 상기 밸브체측에 개구되는 개구부의 내주면에 직경 방향으로 돌출되는 팽출부를 갖는 것, 상기 도브테일 홈이, 상기 팽출부 측으로 돌출되도록 상기 밸브 시트에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의하면, 밸브 시트의 직경 방향 두께를 팽출부에 의해 두껍게 하고 있으므로, 밸브체에 탄성 시일 부재를 장착하는 경우와 마찬가지의 시일 직경을 갖도록, 탄성 시일 부재를 장착하는 도브테일 홈을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 구성에 의하면, 밸브체를 콤팩트하게 할 수 있다.

(4) (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서, 상기 탄성 시일 부재보다 내측에 설치된 교축부를 갖는 것이 바람직하다.

상기 구성에서는, 밸브 개방도가 작고, 탄성 시일 부재 부근의 압력이 높아지는 경우에도, 반응 가스가, 교축부에서 유량이 좁혀져 압력을 작게 하고 나서, 탄성 시일 부재와 밸브체 사이를 통과하므로, 탄성 시일 부재에 부착된 부생성물이 승화되기 쉽다.

따라서, 상기 구성에 의하면, 밸브 개방 시에 부생성물이 승화되기 쉬워, 시일 성능을 장기간 유지시킬 수 있고, 탄성 시일 부재의 유지 보수가 용이한 진공 밸브를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 진공 밸브의 단면도이며, 밸브 폐쇄 상태를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시하는 진공 밸브의 단면도이며, 밸브 개방 상태를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시하는 진공 밸브의 밸브 구조를 도시하는 도면이다.
도 4는 비교예의 밸브 구조를 도시하는 단면도이다.
도 5는 비교예를 완전 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 6은 비교예를 완전 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 7은 실시예 1을 완전 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 8은 실시예 1을 완전 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 9는 비교예를 완전 개방에 대해 60％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 10은 비교예를 완전 개방에 대해 60％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 11은 실시예 1을 완전 개방 시에 대해 60％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 12는 실시예 1을 완전 개방에 대해 60％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 13은 실시예 2의 밸브 구조를 도시하는 단면도이다.
도 14는 실시예 2를 완전 개방 시의 개방도에 대해 2％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 15는 실시예 2를 완전 개방 시의 개방도에 대해 2％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 16은 실시예 1을 완전 개방 시의 개방도에 대해 2％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 17은 실시예 1을 완전 개방 시의 개방도에 대해 2％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 18은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 진공 밸브에 대응하는 실시예 3의 밸브 구조를 나타내는 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 진공 밸브에 대응하는 실시예 4의 밸브 구조를 나타내는 단면도이다.
도 20은 실시예 3을 개방도 2％로 한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 21은 실시예 3을 개방도 2％로 한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 22는 실시예 4를 개방도 2％로 한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 23은 실시예 4를 개방도 2％로 한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다.
도 24는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 진공 밸브의 밸브 구조를 도시하는 단면도이다.
도 25는 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 진공 밸브의 밸브 구조를 도시하는 단면도이다.
도 26은 제1 종래예의 진공 밸브의 단면도이다.
도 27은 제2 종래예의 진공 밸브의 주요부 단면도이다.
도 28은 제3 종래예의 진공 밸브의 단면도이다.
도 29는 제1 종래예의 진공 밸브를 사용한 후에서의 탄성 시일 부재의 시일부를 도시하는 도면이며, (A)는 탄성 시일 부재의 평면도를 나타내고, (B)는 (A)의 XX 단면도이다.
도 30은 반응 가스의 승화를 나타내는 그래프이며, 횡축에 온도(℃)를 나타내고, 종축에 압력(㎩)을 나타낸다.

이하에, 본 발명에 관한 진공 밸브의 실시 형태에 대해서 도면에 기초하여 설명한다.

(제1 실시 형태)

(진공 밸브의 전체 구성에 대해서)

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 진공 밸브(1A)의 단면도이며, 밸브 폐쇄 상태를 나타낸다. 도 2는 도 1에 도시하는 진공 밸브(1A)의 단면도이며, 밸브 개방 상태를 나타낸다. 진공 밸브(1A)는 구동 수단(2)이 바디(4)에 도시하지 않은 볼트로 고정되고, 외관이 구성되어 있다. 진공 밸브(1A)는 바디(4)에 내부 설치된 밸브체(3)를 구동 수단(2)에 의해 축선을 따라서 왕복 직선 운동시킴으로써 밸브 시트부(5)에 접촉 또는 이격시켜 유체 제어를 행한다.

바디(4)는 스테인리스 등의 내부식성, 내열성, 전열성이 우수한 금속으로 형성되어 있다. 바디(4)는, 제1 포트 형성 부재(13)(제1 포트부의 일례)가, 밸브 본체 부재(12)의 하단부 개구부에 맞댐 용접되고, 제2 포트 형성 부재(14)(제2 포트부의 일례)가, 밸브 본체 부재(12)의 측면에 축선에 대해 직교하는 방향에 설치된 플랜지부(12b)에 맞댐 용접되어 있다. 그로 인해, 바디(4)는, 제1 포트 형성 부재(13)에 설치된 제1 포트(13a)가 밸브실(12a)에 대해 동축 상에 연통하고, 제2 포트 형성 부재(14)에 설치된 제2 포트(14a)가 밸브실(12a)에 대해 직교 방향으로 연통하고 있고, 유로(8)가 L자 형상으로 형성되어 있다.

밸브 시트부(5)는, 제1 포트(13a)와 밸브실(12a) 사이에 동축 상에 설치되어 있다. 밸브 시트부(5)에는, 내열성을 갖는 고무를 환상으로 형성한 탄성 시일 부재(7)가 탄성 변형 가능하게 장착되고, 밸브체(3)가 탄성 시일 부재(7)에 밀착하도록 되어 있다. 이 밸브 시트부(5)의 구성에 대해서는, 후술한다.

구동 수단(2)은 구동축(2a)을 밸브실(12a)에 돌출시킨 상태에서 바디(4)에 연결된다. 구동축(2a)은 밸브실(12a)과 동축 상에 배치되고, 하단부에 밸브체(3)가 연결되어 있다. 구동 수단(2)은 압축 스프링(2b)이 밸브체(3)에 대해 밸브 시트부(5) 방향에의 가압력을 항상 부여하고 있다. 구동 수단(2)은 밸브체(3)를 축선을 따라서 왕복 직선 운동시킴으로써, 밸브 개방도를 제어한다. 벨로즈(9)는 구동축(2a)과 압축 스프링(2b)을 덮은 상태에서, 밸브실(12a)에 신축 가능하게 배치되어 있다. 벨로즈(9)는 상단부(9a)가 구동 수단(2)과 바디(4) 사이에서 끼움 지지되는 한편, 하단부(9b)가 밸브체(3)에 용접 등에 의해 고정되어 있고, 파티클이 유로(8)에 유출되거나, 반응 가스가 구동 수단(2)측으로 누설되는 것을 방지하고 있다. 또한, 밸브체(3)와 벨로즈(9)는 스테인리스 등의 내부식성, 내열성, 전열성이 우수한 금속으로 형성되어 있다.

진공 밸브(1A)는 부생성물이 유로(8) 내에서 생성되는 것을 방지하기 위해, 히터(10, 11)에 의해 가열된다. 히터(10)는 바디(4)에 외장되고, 바디(4)나 밸브 시트부(5), 탄성 시일 부재(7)를 가열한다. 히터(11)는 구동축(2a)의 하단부에 내부 설치되고, 밸브체(3)나 벨로즈(9)를 가열한다. 구동 수단(2)이 과잉으로 가열되는 것을 방지하기 위해, 히터(11)는 히터(10)보다 발생하는 열량이 작게 설정되어 있다.

(밸브 시트부의 구성에 대해서)

도 3은, 도 1에 도시하는 진공 밸브(1A)의 밸브 구조를 도시하는 도면이다. 밸브 시트부(5)는, 제1 포트 형성 부재(13)에 설치된 밸브 시트 형성부(13c)에 보유 지지 수단(6)을 설치함으로써, 탄성 시일 부재(7)가 밸브 시트면(5a)에 탄성 변형 가능하게 장착되어 있다. 밸브 시트부(5)는 컨덕턴스를 확보하기 위해, 밸브 시트면(5a)이 제2 포트(14a)의 저부(14b)와 동일 정도의 위치에 설치되어 있다.

제1 포트 형성 부재(13)는, 제1 포트(13a)가 밸브실(12a)보다 소직경으로 설치되고, 밸브체(3)측에 위치하는 단부에, 밸브 본체 부재(12)의 개구부를 막기 위한 폐쇄벽(13h)이 환상으로 설치되어 있다. 환상 벽(13b)은, 그 폐쇄벽(13h)의 외측 테두리부를 따라서, 밸브체(3)측[구동 수단(2)측]으로 돌출되도록 수직 설치되고, 밸브 본체 부재(12)의 도면 중 하단부에 용접되어 있다.

폐쇄벽(13h)은 환상 벽(13b)보다 내측의 위치에, 원통 형상의 밸브 시트 형성부(13c)가 밸브체(3)측으로 돌출되도록 설치되어 있다. 이 밸브 시트 형성부(13c)는 밸브체(3)측에 위치하는 단부면이, 평탄하게 형성되고, 제2 포트(14a)의 저부(14b)와 동일 정도의 위치에 설치되어 있다. 밸브 시트 형성부(13c)는, 제1 포트(13a) 및 밸브실(12a)과 동축으로 되도록 설치되어 있다. 밸브 시트 형성부(13c)의 내주면에는, 팽출부(13d)가 직경 방향 내측을 향하여 돌출되도록 설치되고, 밸브 시트면(5a)에 개구되는 개구 부분의 내경 치수 B가 제1 포트(13a)의 내경 치수 A보다 작게 되어 있다.

밸브 시트 형성부(13c)는, 밸브체(3)측에 위치하는 단부면에, 밸브체(3)와 반대측으로 오목해지는 단차부(13g)가 설치되어 있다. 보유 지지 수단(6)은, 단차부(13g)에 적재되는 링판 형상의 링 부재(6a)와, 링 부재(6a)에 삽입 관통되어 밸브 시트 형성부(13c)에 설치된 나사 구멍(13i)에 체결되는 복수의 고정 나사(6b)를 구비한다. 링 부재(6a)는 단차부(13g)의 높이와 동일한 두께로 설치되고, 밸브 시트 형성부(13c)와 함께 밸브 시트면(5a)을 형성한다. 링 부재(6a)의 내주면과 단차부(13g)의 주위벽 사이에는, 도브테일 홈(15)이 형성되고, 탄성 시일 부재(7)는 그 도브테일 홈(15)의 내벽에 접촉한 상태에서 밸브 시트부(5)에 장착된다. 고정 나사(6b)는 헤드부가 링 부재(6a)에 형성된 오목부(6c)에 수납되고, 반응 가스의 흐름을 저해하지 않도록 하고 있다. 링 부재(6a)와 고정 나사(6b)는 스테인리스 등의 내부식성, 내열성, 전열성이 우수한 금속으로 형성되어 있다. 그로 인해, 탄성 시일 부재(7)는 링 부재(6a), 밸브 시트 형성부(13c)를 통하여 히터(10)의 히터 열이 전달되고, 밸브 폐쇄 상태로부터 완전 개방 상태까지의 어떠한 밸브 개방도에서도 히터 열과 동일 정도로 가열된다.

여기서, 밸브 시트 형성부(13c)는, 상술한 바와 같이 팽출부(13d)를 갖고, 밸브 시트면(5a) 부근의 두께가 직경 방향으로 두껍게 되어 있다. 그로 인해, 밸브 시트부(5)는 도브테일 홈(15)이 제1 포트(13a)의 내벽(13f)을 구동 수단(2)측으로 연장된 연장선 상에 설치되고, 예를 들어, 도 26 및 도 27에 도시하는 제1 및 제2 종래예와 같이 밸브체(112, 210)에 탄성 시일 부재(115, 212)를 장착하는 경우와 마찬가지의 시일 직경을 갖도록, 탄성 시일 부재(7)를 장착하는 것이 가능하다. 환언하면, 본 실시 형태의 밸브체(3)는 시일면(3a)의 외경 치수 C가 도브테일 홈(15)의 저부 외경 치수 D보다 작게 되어, 탄성 시일 부재가 장착되는 밸브체보다 콤팩트하게 할 수 있다.

또한, 밸브 시트 형성부(13c)는 팽출부(13d)와 제1 포트(13a)의 내벽(13f) 사이에 테이퍼면(13e)이 설치되어, 반응 가스를 원활하게 축류시킬 수 있다.

(진공 밸브의 동작 설명)

상기 진공 밸브(1A)는, 예를 들어, 제1 포트(13a)가 반도체 제조 장치의 반응실에 접속되고, 제2 포트(14a)가 진공 펌프에 접속된다. 진공 밸브(1A)는 반응실로부터 배기하지 않는 경우, 구동 수단(2)이 구동하지 않는다. 이 경우, 밸브체(3)는 압축 스프링(2b)의 스프링력에 의해 압하되고, 탄성 시일 부재(7)에 밀착시켜 시일한다. 이에 의해, 진공 밸브(1A)는 밸브 폐쇄 상태가 된다.

예를 들어, 반응실로부터 반응 가스의 배기를 개시하는 경우, 진공 밸브(1A)는, 제1 포트(13a)와 제2 포트(14a)와의 차압이 크므로, 반응 가스를 미소 유량으로 배기한다. 예를 들어, 진공 밸브(1A)는 구동 수단(2)이 밸브체(3)를 압축 스프링(2b)에 저항해서 약간 상승시킴으로써 탄성 시일 부재(7)의 탄성 변형량을 완화시켜, 탄성 시일 부재(7)와 밸브체(3) 사이에서 반응 가스를 누설시킨다. 이에 의해, 반응 가스는 파티클을 말아 올리지 않도록 미소 유량으로 반응실로부터 배기되어, 반응실이 감압된다.

반응실이 소정의 저진공 설정 압력까지 감압되면, 진공 밸브(1A)는, 제1 포트(13a)와 제2 포트(14a)의 차압이 작아진다. 따라서, 진공 밸브(1A)는 반응 가스를 대유량으로 배기한다. 즉, 진공 밸브(1A)는 구동 수단(2)이 압축 스프링(2b)에 저항해서 밸브체(3)를 또한 상승시켜 탄성 시일 부재(7)로부터 이격시키고, 밸브 개방도를 크게 한다. 이에 의해, 반응 가스의 배기 속도가 빨라져, 배기 시간이 단축된다.

반응실의 내압이 소정의 고진공 설정 압력까지 감압되면, 진공 밸브(1A)는 구동 수단(2)을 정지시킨다. 그러면, 밸브체(3)가, 압축 스프링(2b)에 가압되어 하강하고, 탄성 시일 부재(7)에 밀착한다. 이에 의해, 진공 밸브(1A)는 밸브 폐쇄 상태로 복귀한다. 진공 밸브(1A)는, 예를 들어, 반응실에 반응 가스를 교체할 때에 상기 밸브 개폐 동작을 반복한다.

그런데, 진공 밸브(1A)는 반도체 제조 장치가 가동하는 동안, 히터(10, 11)에 가열된다. 진공 밸브(1A)는 탄성 시일 부재(7)가 밸브 시트부(5)에 설치되어 있으므로, 히터(10)가 바디(4)를 가열하면, 그 히터 열이, 밸브 폐쇄 상태로부터 완전 개방 상태까지의 어떠한 밸브 개방도이어도, 바디(4)와 밸브 시트부(5)를 통하여 탄성 시일 부재(7)에 전달된다. 특히, 밸브 시트부(5)는 전열성이 좋은 금속으로 이루어지는 링 부재(6a)와 밸브 시트 형성부(13c)로 이루어지므로, 탄성 시일 부재(7)를 가열하기 쉽다. 게다가, 제1 포트(13a)에 반응 가스가 공급되는 경우, 그 반응 가스가 밸브체(3)의 시일면(3a)을 향하여 흐르므로, 밸브 시트부(5)에 설치된 탄성 시일 부재(7)가 반응 가스에 노출되기 어렵다. 그로 인해, 밸브 개방 시에 탄성 시일 부재(7) 부근의 압력이 밸브체(3)의 시일면(3a) 부근의 압력보다 낮아진다. 도 30에 도시하는 바와 같이, 동일한 히팅 온도의 경우에도, 압력이 낮을수록, 승화량이 증가한다. 따라서, 부생성물이 밸브 개방 시에 승화되기 쉬워, 탄성 시일 부재(7)의 시일부에 부착되기 어렵다. 또한, 밸브 개방 시에 부생성물을 승화시킬 수 있으므로, 밸브 개폐 동작을 반복해도, 부생성물이 탄성 시일 부재(7)의 시일부에 남아서 눌러 굳어지는 일이 없다. 따라서, 상기 진공 밸브(1A)에 의하면, 밸브 개방 시에 탄성 시일 부재(7)의 시일부에 부생성물이 부착되는 것을 억제하여, 시일 성능을 장기간 유지할 수 있다.

진공 밸브(1A)는 고진공 상태에서도 밸브 폐쇄할 수 있게 하기 위해, 시일 하중이 크게 설정되어 있다. 그 시일 하중은, 탄성 시일 부재(7), 밸브 시트 형성부(13c)를 통하여 제1 포트 형성 부재(13)와 밸브 본체 부재(12)와의 용접 부분에 작용한다. 따라서, 진공 밸브(1A)는 시일 하중에 대한 바디(4)의 강도가 충분히 확보되어 있다.

또한, 탄성 시일 부재(7)를 유지 관리하는 경우, 바디(4)가 제1 및 제2 포트 형성 부재(13, 14)를 밸브 본체 부재(12)에 용접되어 있으므로, 바디(4)의 구동 수단(2)이 연결되는 단부(4a)의 개구부를 통하여, 탄성 시일 부재(7)를 탈착하게 된다. 탄성 시일 부재(7)는 바디(4)의 밸브 시트 형성부(13c)에 착탈 가능하게 설치되는 보유 지지 수단(6)을 통하여 밸브 시트부(5)에 보유 지지되어 있으므로, 구동 수단(2)을 밸브체(3) 및 벨로즈(9)와 함께 바디(4)로부터 제거하고, 보유 지지 수단(6)을 밸브 시트부(5)에 탈착하면, 탄성 시일 부재(7)를 밸브 시트부(5)에 간단하게 착탈할 수 있다. 즉, 단부(4a)의 개구부로부터 공구를 삽입해서 고정 나사(6b)를 느슨하게 하여 링 부재(6a)를 밸브 시트 형성부(13c)로부터 제거할 수 있으면, 탄성 시일 부재(7)를 밸브 시트부(5)로부터 제거할 수 있다. 또한, 탄성 시일 부재(7)와 링 부재(6a)를 단차부(13g)에 적재해서 고정 나사(6b)를 나사 구멍(13i)에 체결하면, 탄성 시일 부재(7)를 밸브 시트부(5)에 장착할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 진공 밸브(1A)는 탄성 시일 부재(7) 등의 유지 보수를 용이하게 행할 수 있다.

또한, 진공 밸브(1A)는 밸브 시트면(5a)이 제2 포트(14a)의 저부(14b)와 동일한 높이로 설치되고, 탄성 시일 부재(7)가 제2 포트(14a)의 저부(14b)와 거의 동일한 높이로 배치되어 있다. 그로 인해, 예를 들어, 반응 가스가 도브테일 홈(15)과 탄성 시일 부재(7) 사이의 간극에 인입되어 고화되고, 탄성 시일 부재(7)를 제거하기 어려운 경우에는, 링 부재(6a)를 밸브 시트 형성부(13c)로부터 제거한 후, 제2 포트(14a)로부터 공구를 삽입해서 탄성 시일 부재(7)를 단차부(13g)로부터 떼어내는 것도 가능하다.

또한, 진공 밸브(1A)는 밸브체(3)의 시일면(3a)의 외경 치수 C가 도브테일 홈(15)의 저부 외경 치수 D보다 작다. 한편, 예를 들어, 도 26 및 도 27에 도시하는 제1 및 제2 종래예와 같이 밸브체(112, 210)에 탄성 시일 부재(115, 212)를 장착하는 경우, 밸브체(112, 210)의 시일면의 외경 치수는 도브테일 홈의 저부 외경 치수보다 커지지 않을 수 없다. 따라서, 동일한 시일 직경이면, 진공 밸브(1A)와 같이 밸브 시트부(5)에 탄성 시일 부재(7)를 장착하는 쪽이, 제1 및 제2 종래예와 같이 밸브체(112, 210)에 탄성 시일 부재(115, 212)를 장착하는 것보다, 밸브체(3)의 외경 치수 C를 작게 할 수 있다. 밸브체(3)의 외경 치수 C가 작아지면, 탄성 시일 부재(7)를 통과한 반응 가스가 밸브실(12a)에 즉시 유출되므로, 탄성 시일 부재(7) 부근의 압력을 저하시키는 것이 가능해진다. 도 30에 도시하는 바와 같이, 압력이 저하되면, 동일한 히팅 온도에서도 승화량이 증가한다. 따라서, 본 실시 형태의 진공 밸브(1A)는 탄성 시일 부재(7) 부근의 반응 가스가 승화되기 쉬워져, 부생성물이 탄성 시일 부재(7)에 부착되는 것을 억제할 수 있다.

특히, 진공 밸브(1A)는 밸브 시트부(5)가 밸브실(12a)에 개구되는 개구부의 내주면에 팽출부(13d)를 설치하고, 밸브 시트부(5)의 직경 방향의 두께를 두껍게 하여, 팽출부(13d) 상에 도브테일 홈(15)을 형성하고 있다. 그 때문에, 예를 들어, 도 26에 도시하는 제1 종래예의 진공 밸브(101)와 같이 탄성 시일 부재(115)를 밸브체(112)에 설치하는 경우와 동일한 시일 직경을 갖도록, 탄성 시일 부재(7)가 장착되는 도브테일 홈(15)을 형성할 수 있다. 따라서, 진공 밸브(1A)에 의하면, 밸브체(3)를 콤팩트하게 할 수 있다.

또한, 진공 밸브(1A)는 밸브 시트면(5a)이, 밸브실(12a)의 축선에 대해 직교 방향으로 설치된 제2 포트(14a)의 저부(14b)와 동일한 높이로 설치되어 있으므로, 제1 포트(13a)에 공급한 반응 가스가 밸브체(3)의 시일면(3a)을 따라서 제2 포트(14a)에 흐름을 바꾸기 쉽다. 그로 인해, 진공 밸브(1A)는, 도 26에 도시하는 진공 밸브(101)와 같이 밸브 시트면(124)을 제2 포트부(122)보다 낮은 위치에 설치하는 경우보다, 컨덕턴스를 크게 할 수 있다. 컨덕턴스가 커지면, 탄성 시일 부재(7) 부근의 압력이 저하된다. 따라서, 진공 밸브(1A)는 탄성 시일 부재(7) 부근을 흐르는 반응 가스가 승화되기 쉬워져, 탄성 시일 부재(7)에 부생성물이 부착되는 것을 억제할 수 있다.

(흐름 해석에 대해서)

발명자들은, 진공 밸브(1A)의 효과를 확인하기 위해, 탄성 시일 부재(7)를 밸브 시트부(5)에 설치한 실시예 1 및 탄성 시일 부재(1007)를 밸브체(1003)에 설치한 비교예에 대해서, 흐름 해석을 행했다.

실시예 1은, 상기 진공 밸브(1A)에 대응하고 있고, 제1 포트(13a)의 내경 치수 A를 80㎜, 팽출부(13d)의 내경 치수[밸브 시트면(5a)의 개구부 내경 치수] B를 75㎜, 밸브체(3)의 외경 치수 C를 91㎜로 설정했다.

도 4는 비교예의 밸브 구조를 도시하는 단면도이다. 비교예의 진공 밸브(1001)는 밸브 시트면(1005)과 밸브체(1003)를 제외하고, 실시예 1과 마찬가지로 구성되어 있다. 진공 밸브(1001)는 밸브 시트면(1005)이 제2 포트(14a)의 저부(14b)보다 낮은 위치에 설치된 폐쇄벽(1006)에 평탄하게 설치되어 있다. 밸브체(1003)는 벨로즈(9)의 하단부(9b)가 용접되는 밸브 디스크(1003a)에, 밸브체 부재(1003b)가 볼트(1003c)로 고정되어 있다. 탄성 시일 부재(1007)는 밸브 디스크(1003a)와 밸브체 부재(1003b) 사이에 형성된 도브테일 홈(1015)에 장착되어 있다. 비교예는, 제1 포트(13a)의 내경 치수 A1이 실시예 1과 동일한 80㎜로 되고, 밸브 시트면(1005)의 개구부 내경 치수 B1이 제1 포트(13a)와 동일하게 되고, 밸브체(1003)의 외경 치수 C1이 실시예 1의 밸브체(3)의 외경 치수 C보다 큰 99㎜로 설정되어 있다.

흐름 해석은, 해석 소프트 「SCRYU」를 사용하고, 비교예와 실시예 1을 완전 개방(개방도 100％)으로 한 상태에서 제1 포트(13a)에 반응 가스를 소정의 압력으로 공급한 경우의 속도 및 압력의 분포를 조사했다. 또한, 비교예와 실시예 1을 완전 개방에 대해 60％의 개방도로 밸브 개방한 상태에서 제1 포트(13a)에 반응 가스를 소정의 압력으로 공급한 경우의 속도 및 압력의 분포를 조사했다.

(완전 개방 시에서의 유속의 비교)

도 5는 비교예를 완전 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 7은 실시예 1을 완전 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 실시예 1은, 도 7의 R3에 도시하는 바와 같이, 팽출부(13d)를 통과할 때에 반응 가스가 가속되어 있다. 한편, 비교예는, 도 5의 R1에 나타내는 밸브 시트면(1005)의 개구부 부근보다도, 도 5의 R2에 나타내는 밸브체(1003)의 시일면(1003d) 부근에서 반응 가스가 가속되어 있다. 그리고, 실시예 1은, 도 5의 R4에 나타내는 밸브 시트면(5a)과 시일면(3a) 사이의 유속이, 도 5의 R2에 나타내는 비교예의 밸브 시트면(1005)과 시일면(1003d) 사이의 유속보다 빠르다. 또한, 실시예 1은, 도 7의 Q3에 나타내는 탄성 시일 부재(7) 부근의 유속이, 도 5의 Q1에 나타내는 탄성 시일 부재(1007) 부근의 유속보다 느리다. 도 7의 Q3에 나타내는 탄성 시일 부재(7) 부근의 평균 유속은, 도 5의 Q1에 나타내는 탄성 시일 부재(1007) 부근의 평균 유속에 대해, 약 1/6이었다.

이들의 것으로부터, 실시예 1은 비교예보다 큰 컨덕턴스를 확보하면서, 탄성 시일 부재(7)가 비교예의 탄성 시일 부재(1007)보다 제1 포트(13a)에 공급한 반응 가스에 노출되기 어려운 것을 알 수 있었다.

(완전 개방 시에서의 압력의 비교)

도 6은 비교예를 완전 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 8은 실시예 1을 완전 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 8의 Q4에 나타내는 탄성 시일 부재(7) 부근의 압력은, 도 6의 Q2에 나타내는 탄성 시일 부재(1007) 부근의 압력보다 작다. 도 8의 Q4에 나타내는 탄성 시일 부재(7) 부근의 평균 압력은, 도 6의 Q2에 나타내는 탄성 시일 부재(1007) 부근의 평균 압력에 대해, 약 1/3이었다. 도 30에 도시하는 바와 같이, 압력이 낮으면, 낮은 히터 온도에서도 승화가 가능해진다. 따라서, 실시예 1은, 비교예보다 반응 가스를 승화시키기 쉬운 것을 알 수 있었다.

(60％ 개방도 시에서의 유속의 비교)

도 9는 비교예를 완전 개방에 대해 60％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 11은 실시예 1을 완전 개방 시에 대해 60％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 9의 R11, 도 11의 R12에 나타내는 바와 같이, 실시예 1은 시일면(3a)과 밸브 시트부(5) 사이의 유속이, 비교예의 밸브 시트면(1005)과 시일면(1003d) 사이의 유속보다 빠르다. 따라서, 실시예 1은 밸브 개방도가 작은 경우에도, 비교예보다 컨덕턴스가 큰 것을 알 수 있다.

그리고, 실시예 1은, 도 11의 Q7에 나타내는 탄성 시일 부재(7) 부근의 유속이, 도 9의 Q5에 나타내는 비교예의 탄성 시일 부재(1007) 부근의 유속보다 느리다. 따라서, 실시예 1의 밸브 구조에 의하면, 밸브 개방도를 작게 해도, 탄성 시일 부재(7)가 완전 개방 시와 마찬가지로 비교예의 탄성 시일 부재(1007)보다도 반응 가스에 노출되기 어려운 것을 알 수 있었다.

(60％ 개방도 시에서의 압력의 비교)

도 10은 비교예를 완전 개방에 대해 60％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 12는 실시예 1을 완전 개방에 대해 60％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 실시예 1은 비교예보다 컨덕턴스가 크므로, 도 12의 Q8에 나타내는 실시예 1의 탄성 시일 부재(7) 부근의 압력은, 도 10의 Q6에 나타내는 비교예의 탄성 시일 부재(1007) 부근의 압력보다 작다. 게다가, 비교예는, 도 6의 Q2, 도 10의 Q6에 나타내는 바와 같이, 밸브 개방도가 작아지면, 탄성 시일 부재(1007) 부근의 압력이 상승한다. 그러나, 실시예 1은, 도 8의 Q4, 도 12의 Q8에 나타내는 바와 같이, 완전 개방의 경우이어도 완전 개방에 대해 60％의 밸브 개방도이어도, 탄성 시일 부재(7) 부근의 압력이 거의 동일하다. 따라서, 실시예 1은 밸브 개방도를 작게 해도, 탄성 시일 부재(7) 부근의 압력을 작게 하는 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다. 그리고, 실시예 1은 밸브 개방도가 작은 경우에도, 비교예보다 반응 가스가 승화되기 쉬워, 탄성 시일 부재(7)에 부생성물이 부착되기 어려운 것을 알 수 있었다.

(고찰)

상기 흐름 해석으로부터, 탄성 시일 부재(7)를 밸브 시트부(5)에 설치하고, 밸브 시트면(5a)을 제2 포트(14a)의 저부(14b)보다 높게 하고, 팽출부(13d)를 설치하면, 컨덕턴스를 크게 확보할 수 있는 것, 또한, 밸브 개방도에 관계없이, 탄성 시일 부재(7) 부근의 유속 및 압력을 작게 할 수 있는 것을 알 수 있었다.

(밸브체의 검토)

다음에, 밸브체(3)의 형상이 유속이나 압력에 미치는 영향을 검토하기 위해, 실시예 1, 2에 대해서 시뮬레이션을 행했다.

도 13은 실시예 2의 밸브 구조를 도시하는 단면도이다. 실시예 2의 진공 밸브(2001)는 밸브체(2003)의 외경 치수 C2가 밸브체(3)의 외경 치수 C보다 큰 점만이, 실시예 1과 다르다. 밸브체(2003)의 외경 치수 C2는 99㎜로 설정되어 있다.

시뮬레이션은, 해석 소프트 「SCRYU」를 사용하고, 실시예 1, 2가 완전 개방에 대해 2％의 개방도로 밸브 개방한 상태에서 제1 포트(13a)에 반응 가스를 소정의 압력으로 공급한 경우의 유속 분포 및 압력 분포를 각각 해석했다.

(유속의 비교)

도 14는 실시예 2를 완전 개방 시의 개방도에 대해 2％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 16은 실시예 1을 완전 개방 시의 개방도에 대해 2％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 16의 Q11에 나타내는 실시예 1의 탄성 시일 부재(7) 부근의 유속은, 도 14의 Q9에 나타내는 실시예 2의 탄성 시일 부재(7) 부근의 유속보다 느리다. 이것은, 실시예 2에 있어서의 밸브 시트부(5)의 개구 부분으로부터 밸브체(2003)의 외주부까지의 거리 L2가, 실시예 1에 있어서의 밸브 시트부(5)로부터 밸브체(3)의 외주부까지의 거리 L1보다 길고, 반응 가스가 가속되기 쉽기 때문이라고 생각된다.

(압력의 비교)

도 15는 실시예 2를 완전 개방 시의 개방도에 대해 2％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 17은 실시예 1을 완전 개방 시의 개방도에 대해 2％의 개방도로 밸브 개방한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 17의 Q12에 나타내는 실시예 1에 있어서의 탄성 시일 부재(7)의 2차측[제2 포트(14a)측]의 압력은, 도 15의 Q10에 나타내는 실시예 2에 있어서의 탄성 시일 부재(7)의 2차측[제2 포트(14a)측]의 압력보다 낮다. 이것은, 실시예 1은 밸브체(3)의 외경 치수 C가 실시예 2의 밸브체(2003)의 외경 치수 C2보다 작으므로, 탄성 시일 부재(7)를 통과한 반응 가스가 실시예 2보다 빨리 밸브실(12a)에 유출되기 때문이라고 생각된다.

(고찰)

상기 흐름 해석으로부터, 밸브체(3)의 외경 치수 C를 작게 하면, 컨덕턴스를 크게 확보할 수 있는 것, 또한, 탄성 시일 부재(7) 부근의 유속 및 압력을 작게 하여, 탄성 시일 부재(7)에 부생성물이 부착되는 것을 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다.

(제2 실시 형태)

계속해서, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 제2 실시 형태의 진공 밸브는, 밸브 시트 형성부에 설치된 팽출부의 내측으로 돌출되도록 돌기부가 밸브체에 환상으로 설치되고, 그 돌기부와 팽출부 사이에 형성되는 간극에 의해 반응 가스의 유량을 좁히는 교축부를 구성하고 있는 점이, 제1 실시 형태의 진공 밸브(1A)와 다르다.

이러한 제2 실시 형태의 진공 밸브는 밸브 개방도가 작은 경우에, 밸브체에 설치한 돌기부의 외주면이 팽출부에 대향하고, 교축부를 형성한다. 그 사이에, 반응 가스는 교축부에서 유량이 좁혀져 유속과 압력이 저하되고 나서, 탄성 시일 부재와 밸브체 사이를 통과한다. 그로 인해, 제2 실시 형태의 진공 밸브는 밸브 개방도가 작은 경우에도, 탄성 시일 부재 부근을 흐르는 반응 가스가 제1 실시 형태의 진공 밸브(1A)보다 승화되기 쉬워, 시일 성능을 장기간 유지할 수 있다.

(실시예 3, 4의 흐름 해석에 대해서)

발명자들은, 교축부의 효과를 검증하기 위한 흐름 해석을 행했다. 시뮬레이션은 해석 소프트 「SCRYU」를 사용하고, 실시예 3, 4를 완전 개방에 대해 2％의 밸브 개방도로 밸브 개방시킨 상태에서 제1 포트(13a)에 반응 가스를 소정의 압력으로 공급한 경우에 있어서의 유속 분포와 압력 분포를 해석했다.

도 18은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 진공 밸브에 대응하는 실시예 3의 밸브 구조를 도시하는 단면도이다. 도 20은 실시예 3을 개방도 2％로 한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 21은 실시예 3을 개방도 2％로 한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 18에 도시하는 바와 같이, 실시예 3의 진공 밸브(3001)는 밸브체(3003)가 시일면(3003a)에 돌기부(3003b)를 환상으로 돌출 설치되어 있는 점이 실시예 1과 다르고, 그 밖의 구성은 실시예 1과 공통되어 있다. 돌기부(3003b)와 팽출부(13d) 사이에는, 간극 S1(교축부의 일례)이 환상으로 형성되어 있다.

도 20에 도시하는 바와 같이, 돌기부(3003b)는, 간극 S1의 직경 방향 폭 치수 W1이 밸브 폐쇄 시에서의 시일면(3003a)과 밸브 시트면(5a) 사이의 이격 거리 W2(도 18 참조)보다 작아지도록, 외경 치수 E가 설정된다. 탄성 시일 부재(7)의 탄성 변형량을 제어해서 미소 유량 제어할 때부터 교축 기능을 발휘하고, 탄성 시일 부재(7) 부근을 흐르는 반응 가스의 유속과 압력을 저하시키기 때문이다. 도 18, 도 20, 도 21에 도시하는 바와 같이, 돌기부(3003b)의 높이는 밸브 폐쇄 상태의 경우로부터 시일면(3003a)이 탄성 시일 부재(7)로부터 약간 이격되도록 밸브 개방하는 경우까지의 미소 유량 제어를 행하는 동안(예를 들어, 완전 개방에 대해 0％ 내지 10％의 밸브 개방도의 사이), 돌기부(3003b)가 팽출부(13d)의 내측에 배치되도록 설정된다. 컨덕턴스를 확보하면서, 밸브 개방도가 작은 경우에 있어서의 반응 가스의 승화량을 증가시키기 때문이다. 또한, 돌기부(3003b)는 선단부 외주를 따라서 테이퍼면(3003c)이 설치되고, 밸브 개방도가 커짐에 따라서 유량을 증가시키도록 하고 있다. 컨덕턴스를 확보하기 때문이다.

도 19는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 진공 밸브에 대응하는 실시예 4의 밸브 구조를 도시하는 단면도이다. 도 22는 실시예 4를 개방도 2％로 한 경우의 유속 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 23은 실시예 4를 개방도 2％로 한 경우의 압력 분포를 해석한 결과를 나타낸다. 도 19에 도시하는 바와 같이, 실시예 4의 진공 밸브(4001)는 밸브체(4003)가 교축부(4003e)를 구비하는 구성만이 실시예 1의 구성과 다르고, 그 밖의 구성은 실시예 1과 공통되어 있다.

밸브체(4003)는 시일면(4003a)에 돌기부(4003b)가 환상으로 돌출 설치되고, 그 돌기부(4003b)의 외주면에 형성된 장착 홈(4003c)에 O링(4003d)이 장착됨으로써, 교축부(4003e)가 형성되어 있다. O링(4003d)은 유체 누설을 발생시키도록 팽출부(13d)의 내벽에 접촉하도록, 혹은, 팽출부(13d)와의 사이에 간극 S2를 형성하도록, 장착되는 것이 바람직하다. 실시예 4에서는, 후자를 채용하고 있다.

도 22 및 도 23에 도시하는 바와 같이, 돌기부(4003b)의 외경 치수 F는 팽출부(13d)의 내경 치수 B보다 작다. 그리고, O링(4003d)은 팽출부(13d)와의 사이에 설치되는 간극 S2의 직경 방향 폭 치수 W3이, 밸브 폐쇄 시에 시일면(4003a)과 밸브 시트부(5)와의 이격 거리 W4(도 19 참조)보다 작아지도록, 돌기부(4003b)에 장착되어 있다. 또한, O링(4003d)이 탄성 변형되므로, 구경이 다른 진공 밸브의 사이에 밸브체(4003)를 공용하여 교축부(4003e)를 설치할 수 있다.

(유속의 해석에 대해서)

도 20 및 도 22에 도시하는 바와 같이, 실시예 3, 4는 시일면(3003a, 4003a)과 탄성 시일 부재(7) 사이 T3, T5를 흐르는 반응 가스의 유속이, 도 16에 도시하는 실시예 1의 시일면(3a)과 탄성 시일 부재(7) 사이 T1의 유속보다 느리다.

(압력의 해석에 대해서)

도 21 및 도 23에 도시하는 바와 같이, 실시예 3, 4는 시일면(3003a, 4003a)과 탄성 시일 부재(7) 사이 T4, T6의 압력이, 도 17에 도시하는 실시예 1의 시일면(3a)과 탄성 시일 부재(7) 사이 T2의 압력보다 낮다.

(고찰)

상기 흐름 해석으로부터, 탄성 시일 부재(7)의 제1 포트(13a)측에 간극 S2(교축부의 일례), 교축부(4003e)를 설치하면, 밸브 개방도가 작은 경우에도, 탄성 시일 부재(7) 부근의 유속 및 압력을 저하시키고, 탄성 시일 부재(7) 부근을 흐르는 반응 가스를 승화시키기 쉬워지는 것을 알 수 있었다.

(제3 실시 형태)

계속해서, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해서 설명한다. 도 24는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 진공 밸브(1B)의 밸브 구조를 도시하는 단면도이다. 또한, 도 24에서는 히터(10)의 기재를 생략하고 있다. 제3 실시 형태의 진공 밸브(1B)는 교축부(37)를 제외하고, 제1 실시 형태의 진공 밸브(1A)와 마찬가지로 구성되어 있다. 여기서는, 제1 실시 형태의 진공 밸브(1A)와 다른 점을 중심으로 설명하고, 제1 실시 형태의 진공 밸브(1A)와 공통되는 점은 적절히 설명을 생략한다.

교축부(37)는 탄성 시일 부재(7)보다 직경 방향 내측에[제1 포트(13a)측에] 설치되어 있다. 교축부(37)는 밸브 시트 형성부(13c)에 대해, 단차부(13g)보다 내측의 위치에, 밸브체(3)측으로 돌출되도록 환상으로 설치된 환상 돌기(35)와, 밸브 폐쇄 시에 환상 돌기(35) 사이에 간극 S3을 두고 끼워 맞추도록 밸브체(3)의 시일면(3a)에 환상으로 형성된 환상 홈(34)으로 구성된다. 환상 돌기(35)와 환상 홈(34)의 내벽에는, 감합을 용이하게 하기 위한 테이퍼가 설치되어 있다.

보유 지지 수단(31)은, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 링 부재(32)를 고정 나사(33)로 바디(4)의 밸브 시트 형성부(13c)에 착탈 가능하게 설치함으로써, 구성된다. 링 부재(32)는 밸브체(3)측에 위치하는 면이 환상 돌기(35)와 동일한 높이로 되도록, 제1 실시 형태의 링 부재(6a)보다 두껍게 설치되어 있다.

밸브체(3)는 환상 홈(34)으로부터 외측에 설치된 가압부(36)를 환상 돌기(35)와 링 부재(32) 사이에 삽입하고, 탄성 시일 부재(7)에 시일한다.

이와 같은 진공 밸브(1B)는 미소 유량 제어를 행하는 경우에, 제1 포트(13a)에 공급된 반응 가스가 교축부(37)에서 유량이 좁혀져 유속과 압력이 저하되고 나서, 탄성 시일 부재(7)와 시일면(3a) 사이를 통과한다. 따라서, 진공 밸브(1B)는, 실시예 3, 4의 간극 S1, 교축부(4003e)와 마찬가지의 작용 효과를 발휘한다.

(제4 실시 형태)

다음에, 본 발명의 제4 실시 형태에 대해서 설명한다. 도 25는 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 진공 밸브(1C)의 밸브 구조를 도시하는 단면도이다. 진공 밸브(1C)는 밸브 시트부(46)의 구성을 제외하고, 제1 실시 형태의 진공 밸브(1A)와 마찬가지로 구성되어 있다. 여기서는, 진공 밸브(1A)와 다른 점을 중심으로 설명하고, 진공 밸브(1A)와 공통되는 점은 적절히 설명을 생략한다.

제1 포트 형성 부재(45)는 밸브 시트 형성부(13c)를 구비하지 않는 점만이, 제1 실시 형태의 제1 포트 형성 부재(13)와 다르고 있다. 밸브 시트부(46)는 폐쇄벽(13h)에 보유 지지 수단(40)을 설치함으로써 구성되어 있다.

보유 지지 수단(40)은, 링 부재(41)에 삽입 관통한 고정 나사(42)를 제1 포트 형성 부재(45)의 폐쇄벽(13h)에 형성한 나사 구멍(13i)에 체결함으로써, 제1 포트 형성 부재(45)에 착탈 가능하게 설치되어 있다.

링 부재(41)는, 밸브체(3)측에 위치하는 단부면이 평탄하게 형성되고, 밸브 시트면(41a)을 구성한다. 링 부재(41)는, 폐쇄벽(13h)에 설치된 상태에서 밸브 시트면(41a)이 제2 포트(14a)의 저부(14b)와 동일한 높이로 되도록, 축선 방향(도면 중 상하 방향)의 두께가 설정되어 있다. 링 부재(41)의 내주면에는, 제1 포트(13a)의 내벽(13f)으로부터 직경 방향 내측을 향하여 돌출된 팽출부(41b)를 구비한다. 즉, 밸브 시트면(41a)의 개구 부분의 내경 치수 B가, 제1 포트(13a)의 내경 치수 A보다 작게 되어 있다. 테이퍼면(41c)은 팽출부(41b)를 내벽(13f)에 접속하고, 제1 포트(13a)에 공급된 반응 가스를 팽출부(41b)를 향하여 원활하게 축류시킨다.

링 부재(41)는 밸브 시트면(41a)에 도브테일 홈(41d)이 형성되고, 그 도브테일 홈(41d)에 탄성 시일 부재(7)가 탄성 변형 가능하게 장착되어 있다. 즉, 탄성 시일 부재(7)는 보유 지지 수단(40)에 보유 지지된 상태에서 밸브 시트부(46)에 장착되어 있다. 도브테일 홈(41d)은, 제1 포트(13a)의 내벽(13f)을 밸브체(3)측으로 연장된 연장선 상에 설치되고, 시일면(3a)에 탄성 시일 부재(7)를 장착하는 경우보다 밸브체(3)를 콤팩트하게 하고 있다. 링 부재(41)는 도브테일 홈(41d)이 형성된 단부면과 반대측에 위치하는 단부면(41e)에 환상 홈(41f)이 형성되고, O링(43)이 장착되어 있다. O링(43)은 고정 나사(42)의 체결력에 의해 링 부재(41)와 폐쇄벽(13h) 사이에서 눌러찌부러져, 유체 누설을 방지하고 있다.

이와 같은 진공 밸브(1C)는 밸브 시트부(46)가 제1 실시 형태의 밸브 시트부(5)와 마찬가지로 기능하고, 제1 실시 형태의 진공 밸브(1A)와 마찬가지의 작용 효과를 발휘한다. 진공 밸브(1C)는, 제1 포트 형성 부재(45)의 형상이 제1 실시 형태의 제1 포트 형성 부재(13)의 형상보다 심플하므로, 제1 실시 형태의 진공 밸브(1A)보다 생산 비용을 저감할 수 있다. 또한, 진공 밸브(1C)는, 제1 포트 형성 부재(45)에 착탈 가능하게 설치되는 보유 지지 수단(40)에 탄성 시일 부재(7)를 장착하고 있으므로, 예를 들어, 고정 나사(42)를 느슨하게 하여 링 부재(41)를 그대로 교환하면, 탄성 시일 부재(7)를 간단하게 교환할 수 있다. 또한, 진공 밸브(1C)는 고정 나사(42)를 밸브 폐쇄 방향으로 체결하므로, 고정 나사(42)에 시일 하중에 대한 강도가 요구되지 않는다.

또한, 본 발명은, 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 다양한 응용이 가능하다.

예를 들어, 상기 실시 형태의 진공 밸브는, 반도체 제조 장치의 다른 장치에 적용해도 되은 것은 말할 필요도 없다.

1A, 1B, 1C, 2001, 3001, 4001 : 진공 밸브
2 : 구동 수단
3 : 밸브체
4 : 바디
5, 46 : 밸브 시트부(밸브 시트의 일례)
6, 31, 40 : 보유 지지 수단
7 : 탄성 시일 부재
10 : 히터
12 : 밸브 본체 부재(밸브 본체부의 일례)
13, 45 : 제1 포트 형성 부재(제1 포트부의 일례)
14 : 제2 포트 형성 부재(제2 포트부의 일례)
15, 41d : 도브테일 홈
37, 4003e : 교축부
S1 : 간극(교축부의 일례)
C : 밸브체의 외경 치수
D : 도브테일 홈의 저부 외경 치수

Claims (4)

1. 제1 포트부와 제2 포트부가 밸브 본체부에 일체로 돌출 설치되고, 반응 가스가 흐르는 바디와, 상기 바디에 설치된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트에 접촉 또는 이격되는 밸브체와, 상기 밸브체와 상기 밸브 시트 사이에서 눌러찌부러져 탄성 변형되는 탄성 시일 부재와, 상기 바디에 연결되고, 상기 밸브체에 구동력을 부여하는 구동 수단과, 상기 바디를 가열하는 히터를 구비하는 진공 밸브에 있어서,
   상기 탄성 시일 부재가 상기 밸브 시트에 장착되어 있는 것,
   상기 바디의 내벽에 착탈 가능하게 설치되고, 상기 탄성 시일 부재를 보유 지지하는 보유 지지 수단을 갖는 것,
   상기 바디는, 상기 보유 지지 수단이 설치되는 밸브 시트 형성부에, 상기 밸브체와 반대측으로 오목해지는 단차부가 형성되어 있는 것,
   상기 보유 지지 수단은, 상기 단차부에 적재되는 링 부재와, 상기 링 부재에 삽입 관통되어 상기 밸브 시트 형성부에 체결되는 고정 나사를 갖는 것,
   상기 밸브 시트는, 상기 링 부재의 내주면과 상기 단차부의 주위벽 사이에, 상기 탄성 시일 부재가 장착되는 도브테일 홈이 설치되어 있는 것
   을 특징으로 하는 진공 밸브.
2. 제1항에 있어서,
   상기 밸브체는, 상기 탄성 시일 부재에 밀착하는 시일면의 외경 치수가 상기 도브테일 홈의 저부 외경 치수 이하인 것을 특징으로 하는 진공 밸브.
3. 제2항에 있어서,
   상기 밸브 시트는, 상기 밸브체측에 개구되는 개구부의 내주면에 직경 방향으로 돌출되는 팽출부를 갖는 것,
   상기 도브테일 홈이, 상기 팽출부 측으로 돌출되도록 상기 밸브 시트에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진공 밸브.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 탄성 시일 부재보다 내측에 설치된 교축부를 갖는 것을 특징으로 하는 진공 밸브.

Images