KR20200118855A - 밸브 장치 - Google Patents

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켄타 콘도
토시히데 요시다
마사히코 타키모토
츠토무 시노하라
토모히로 나카타
타케루 미우라
마사히코 나카자와
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가부시키가이샤 후지킨
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Abstract

[과제] 유체의 유량을 확보하면서 유량을 정밀하게 조정가능한 밸브 장치를 제공한다. [해결 수단] 공급되는 구동유체의 압력을 받아, 조작 부재(40)를 개위치 또는 폐위치에 이동시키는 주 액추에이터(60)와, 주 액추에이터(60)가 발생하는 힘의 적어도 일부가 작용하도록 배치되어, 개위치에 위치시켜졌던 조작 부재의 위치를 조정하기 위한 조정용 액추에이터(100)와, 구동유체의 주 액추에이터(60)에의 공급 경로에 설치되고, 주 액추에이터(60)에 공급되는 구동유체의 압력의 변동을 억제하기 위해서, 공급되는 상기 구동유체의 압력을 조압하는 압력 레귤레이터(200)를 갖는다.

Description

밸브 장치
본 발명은, 밸브 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스에 있어서는, 정확하게 계량한 처리 가스를 처리 챔버에 공급하기 위해서, 개폐 밸브, 레귤레이터, 매스 플로우 콘트롤러등의 각종의 유체제어 기기를 집적화한 집적화 가스 시스템이라고 불리는 유체제어장치가 사용되고 있다.
통상, 상기의 유체제어장치로부터 출력되는 처리 가스를 처리 챔버에 직접 공급하지만, 원자층 퇴적법(ALD: Atomic Layer Deposition법)에 의해 기판에 막을 퇴적시키는 처리 프로세스에 있어서는, 처리 가스를 안정적으로 공급하기 위해서 유체제어장치로부터 공급되는 처리 가스를 버퍼로서의 탱크에 일시적으로 저류하고, 처리 챔버에 직접 가깝게 설치된 밸브를 고빈도로 개폐시켜서 탱크로부터의 처리 가스를 진공분위기의 처리 챔버에 공급하는 것이 행해지고 있다. 이때, 처리 챔버에 직접 가깝게 설치되는 밸브로서는, 예를 들면, 특허문헌1, 2를 참조.
ALD법은, 화학기상성장법의 1개이며, 온도나 시간등의 성막조건하에서, 2종류이상의 처리 가스를 1종류씩 기판표면상에 교대로 흘리고, 기판표면상 원자와 반응시켜서 단층씩 막을 퇴적시키는 방법이며, 단원자층씩 제어가 가능하기 때문에, 균일한 막 두께를 형성시킬 수 있고, 막질로서도 대단히 치밀하게 막을 성장시킬 수 있다.
ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스에서는, 처리 가스의 유량을 정밀하게 조정할 필요가 있음과 아울러, 기판의 대구경화 등에 의해, 처리 가스의 유량을 어느 정도 확보할 필요도 있다.
특허문헌1: 일본 특허공개 2007-64333호 공보 특허문헌2: 일본 특허공개 2016-121776호 공보
그러나, 에어 구동식의 밸브에 있어서, 공기 압력 조정이나 기계적 조정에 의해 유량을 정밀하게 조정하는 것은 용이하지 않다. 또한, ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스에서는, 처리 챔버 주변이 고온이 되기 때문에, 밸브가 온도의 영향을 받기 쉽다. 더욱, 고빈도로 밸브를 개폐하므로, 밸브의 경시, 경년변화가 발생하기 쉽고, 유량 조정 작업에 방대한 공정수를 필요로 한다.
본 발명의 일 목적은, 유체의 유량을 확보하면서 유량을 정밀하게 조정가능한 밸브 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 유량 조정 공정수를 대폭 삭감할 수 있는 밸브 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유량 조정을 즉석에서 실행할 수 있는 밸브 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 밸브 장치는, 유로를 획정하는 밸브 바디와,
상기 밸브 바디의 유로를 개폐가능하게 설치된 밸브 본체와,
미리 설정된 상기 밸브 본체에 유로를 폐쇄시키는 폐위치와 미리 설정된 상기 밸브 본체에 유로를 개방시키는 개위치와의 사이에서 이동가능하게 설치된 상기 밸브 본체를 조작하는 조작 부재와,
공급되는 구동유체의 압력을 받아, 상기 조작 부재를 상기 개위치 또는 폐위치에 이동시키는 주 액추에이터와,
상기 주 액추에이터가 발생하는 힘의 적어도 일부가 작용하도록 배치되어, 상기 개위치에 위치시켜졌던 상기 조작 부재의 위치를 조정하기 위한 조정용 액추에이터와,
상기 구동유체의 상기 주 액추에이터에의 공급 경로에 설치되어, 상기 주 액추에이터에 공급되는 상기 구동유체의 압력의 변동을 억제하기 위한 압력 안정화 기구를, 갖는다.
적합하게는, 상기 압력 안정화 기구는, 공급되는 상기 구동유체의 압력을 조압하는 압력 레귤레이터를 포함한다.
적합하게는, 상기 주 액추에이터는, 상기 조작 부재를 상기 개위치에 이동시키고,
상기 조정용 액추에이터는, 상기 주 액추에이터에 의해 상기 개위치에 위치시켜졌던 상기 조작 부재에 작용하는 힘을 해당 조정용 액추에이터의 선단부에서 받아내서 해당 조작 부재의 이동을 규제하면서, 해당 조작 부재의 위치를 조정하는, 구성을 채용할 수 있다.
더욱 적합하게는, 상기 주 액추에이터 및 상기 조정용 액추에이터를 내장하는 케이싱을 갖고,
상기 케이싱내에는, 상기 압력 안정화 기구를 통한 상기 구동유체를 상기 주 액추에이터에 공급하는 유통로가 형성되고,
상기 유통로는, 해당 유통로를 유통하는 구동유체의 압력이 상기 조정용 액추에이터에 작용하지 않도록 분리해서 형성되어 있는, 구성을 채용할 수 있다.
상기 조정용 액추에이터는, 통전에 따라서 신축하는 구동원을 갖는, 구성을 채용할 수 있다.
적합하게는, 상기 조정용 액추에이터는, 압전 소자의 신축을 이용한 액추에이터를 포함한다.
대체적으로는, 상기 조정용 액추에이터는, 전기구동형 폴리머를 구동원으로서 갖는 액추에이터를 포함하는, 구성을 채용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 주 액추에이터에 더하여 조정용 액추에이터를 구비한 것에 의해, 유량의 정밀한 조정 작업이 가능해짐과 아울러, 유량 조정 공정수가 대폭 삭감된다. 덧붙여, 압력 안정화 기구를 설치한 것에 의해, 조정용 액추에이터가 받는 구동유체의 압력변동의 영향을 억제할 수 있고, 보다 정밀도가 높은 유량제어가 실현된다.
[도1a] 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브 장치의 종단면도이며, 도1b의 1A-1A선에 따른 단면도.
[도1b] 도1a의 밸브 장치의 평면도.
[도1c] 도1a의 밸브 장치의 액추에이터부의 확대 단면도.
[도1d] 도1b의 1D-1D선에 따른 액추에이터부의 확대 단면도.
[도2] 압전 액추에이터의 동작을 도시한 설명도.
[도3] 반도체 제조 장치의 프로세스 가스 제어계에의 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브 장치의 적용 예를 도시한 개략도.
[도4] 도1a의 밸브 장치의 전부 폐쇄 상태를 설명하기 위한 주요부의 확대 단면도.
[도5] 도1a의 밸브 장치의 전부 개방 상태를 설명하기 위한 주요부의 확대 단면도.
[도6a] 도1a의 밸브 장치의 유량 조정시(유량감소시)의 상태를 설명하기 위한 주요부의 확대 단면도.
[도6b] 도1b의 밸브 장치의 유량 조정시(유량증가시)의 상태를 설명하기 위한 주요부의 확대 단면도.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서는, 기능이 실질적으로 같은 구성 요소에는, 같은 부호를 사용함에 의해 중복된 설명을 생략한다.
도1a는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브 장치(1)의 구성을 도시하는 단면도이며, 밸브가 전부 폐쇄시의 상태를 도시하고 있다. 도1b는 밸브 장치(1)의 평면도, 도1c는 밸브 장치(1)의 액추에이터부의 확대 종단면도, 도1d는 도1c와 90도 다른 방향의 액추에이터부의 확대 종단면도다. 또한, 이하의 설명에 있어서 도1a의 A1을 상방향, A2을 하방향으로 한다.
밸브 장치(1)는, 지지 플레이트(302)상에 설치된 수용 박스(301)와, 수용 박스(301)안에 설치된 밸브 본체(2)와, 수용 박스(301)의 천정부에 설치된 압력 레귤레이터(200)와, 압력 센서(400)를 갖는다.
도1a∼도1d에 있어서, 10은 밸브 바디, 15는 밸브 시트, 2는 다이어프램, 25는 가압 어댑터, 27은 액추에이터받이, 30은 본네트, 40은 조작 부재, 48은 다이어프램 가압부, 50은 케이싱, 60은 주 액추에이터, 70은 조정 바디, 80은 액추에이터 가압부, 90은 코일 용수철, 100은 조정용 액추에이터로서의 압전 액추에이터, 120은 접시 용수철, 130은 격벽부재, 150은 공급관, 160은 리미트 스위치, OR은 씰 부재로서의 0링, G는 구동유체로서의 압축 에어를 나타낸다. 또한, 구동유체는, 압축 에어에 한정되는 것은 아니고 다른 유체를 사용하는 것도 가능하다.
밸브 바디(10)는, 스테인레스 강철등의 금속으로 형성되어 있고, 유로 12, 13을 획정하고 있다. 유로 12는, 일단에 밸브 바디(10)의 일측면에서 개구하는 개구부(12a)를 갖고, 개구부(12a)에 관 이음매(501)가 용접에 의해 접속되어 있다. 유로 12는, 타단(12b)이 밸브 바디(10)의 상하 방향A1, A2에 연장되는 유로 12c와 접속되어 있다. 유로 12c의 상단부는, 밸브 바디(10)의 상면측에서 개구하고, 상단부는, 밸브 바디(10)의 상면측에 형성된 오목부(11)의 저면에서 개구하고, 하단부는 밸브 바디(10)의 하면측에서 개구하고 있다.
압력 센서(400)는, 유로 12c의 하단측의 개구에 설치되고, 유로 12c의 하단측의 개구를 폐색하고 있다. 압력 센서(400)는 조정용 액추에이터(100)(피에조)동작시에, 피드백용의 센서로서 기능한다. 압력 센서(400)를 밸브 바디(10)에 적용하면, 압력 센서(400)로부터 밸브 본체까지의 거리, 및 내용적이 축소되므로, 조정용 액추에이터(100)에의 피드백의 레스폰스가 빨라져 스트로크량 조정의 정밀도와 속도가 향상한다. 또한, 압력 센서(400)의 설치 장소는 이것에 한정되는 것은 아니고, 밸브 바디(10)의 외부에 설치하는 것도 가능하다. 또한, 압력 센서(400)를 사용하지 않는 구성도 가능하다.
유로 12, 13의 개구부는 밸브 바디(10)의 측면에 한정되지 않고, 저면이나 상면등, 원하는 면에 설치하는 것도 가능하다.
유로 12c의 상단부의 개구의 주위에 밸브 시트(15)가 설치되어 있다. 밸브 시트(15)는, 합성 수지(PFA, PA, PI, PCTFE등)제이며, 유로 12c의 상단측의 개구주연에 설치된 장착 홈에 끼워 맞춰 고정되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 코킹 가공에 의해 밸브 시트(15)가 장착 홈내에 고정되어 있다.
유로 13은, 일단이 밸브 바디(10)의 오목부(11)의 저면에서 개구하고, 또한 타단에 밸브 바디(10)의 유로 12와는 반대측의 타측면에서 개구하는 개구부(13a)를 갖고, 개구부(13a)에 관 이음매(502)가 용접에 의해 접속되어 있다.
다이어프램(20)은, 밸브 시트(15)의 상방에 배설되어 있고, 유로 12c와 유로 13을 연통하는 유로를 획정함과 아울러, 그 중앙부가 상하 동작해서 밸브 시트(15)에 앉게 되고 떨어짐으로써, 유로 12, 13을 개폐한다. 본 실시형태에서는, 다이어프램(20)은, 특수 스테인레스 강철등의 금속제 박판 및 니켈·코발트 합금박판의 중앙부를 상방에 팽출시킴으로써, 위로 볼록한 원호형이 자연상태의 공껍데기형으로 되어 있다. 이 특수 스테인레스 강철박판 3장과 니켈·코발트 합금박판 1장이, 적층되어서 다이어프램(20)이 구성되어 있다.
다이어프램(20)은, 그 외주연부가 밸브 바디(10)의 오목부(11)의 저부에 형성된 돌출부상에 얹어놓이고, 오목부(11)안에 삽입한 본네트(30)의 하단부를 밸브 바디(10)의 나사부에 비틀어 박는 것에 의해, 스테인레스 합금제의 가압 어댑터(25)를 통해 밸브 바디(10)의 상기 돌출부측에 가압되어, 기밀상태에서 협지 고정되어 있다. 한편, 니켈·코발트 합금박막은, 접 가스측에 배치되어 있는 다이어프램으로서는, 다른 구성의 것도 사용가능하다.
조작 부재(40)는, 다이어프램(20)에 유로 12와 유로 13과의 사이를 개폐시키도록 다이어프램(20)을 조작하기 위한 부재이며, 대략 원통형으로 형성되어, 상단측이 개구하고 있다. 조작 부재(40)는, 본네트(30)의 내주면에 0링 OR을 통해 끼워 맞추고(도1c, 1d 참조), 상하 방향A1, A2에 이동 가능하게 지지되어 있다.
조작 부재(40)의 하단면에는 다이어프램(20)의 중앙부 상면에 접촉하는 폴리이미드 등의 합성 수지제의 다이어프램 가압부(48)가 장착되어 있다.
다이어프램 가압부(48)의 외주부에 형성된 플랜지부(48a)의 상면과, 본네트(30)의 천정면과의 사이에는, 코일 용수철(90)이 설치되고, 조작 부재(40)는 코일 용수철(90)에 의해 하방향A2를 향해서 상시 가압되어 있다. 이 때문에, 주 액추에이터(60)가 작동하지 않고 있는 상태에서는, 다이어프램(20)은 밸브 시트(15)에 눌려서, 유로 12와 유로 13의 사이는 닫혀진 상태가 된다.
액추에이터받이(27)의 하면과 다이어프램 가압부(48)의 상면과의 사이에는, 탄성부재로서의 접시 용수철(120)이 설치되어 있다.
케이싱(50)은, 상측 케이싱 부재(51)와 하측 케이싱 부재(52)로 이루어져, 하측 케이싱 부재(52)의 하단부 내주의 나사가 본네트(30)의 상단부외주의 나사에 나사 결합하고 있다. 또한, 하측 케이싱 부재(52)의 상단부외주의 나사에 상측 케이싱 부재(51)의 하단부 내주의 나사가 나사 결합하고 있다.
하측 케이싱 부재(52)의 상단부와 이것에 대향하는 상측 케이싱 부재(51)의 대향면(51f)과의 사이에는, 환형의 벌크 헤드(65)가 고정되어 있다.
벌크 헤드(65)의 내주면과 조작 부재(40)의 외주면과의 사이 및 벌크 헤드(65)의 외주면과 상측 케이싱 부재(51)의 내주면과의 사이는, 0링 OR에 의해 각각 씰되어 있다.
주 액추에이터(60)는, 환형의 제1∼제3의 피스톤(61, 62, 63)을 갖는다. 제1∼제3의 피스톤(61, 62, 63)은, 조작 부재(40)의 외주면에 끼워 맞춰져 있고, 조작 부재(40)와 함께 상하 방향A1, A2에 이동 가능해져 있다. 제1∼제3의 피스톤(61, 62, 63)의 내주면과 조작 부재(40)의 외주면과의 사이, 및 제1∼제3의 피스톤(61, 62, 63)의 외주면과 상측 케이싱 부재(51), 하측 케이싱 부재(52), 본네트(30)의 내주면과의 사이는 복수의 0링 OR로 씰되어 있다.
도1c 및 1d에 도시한 바와 같이, 조작 부재(40)의 내주면에는, 원통형의 격벽부재(130)가 해당 조작 부재(40)의 내주면과의 사이에 간극 GP1을 갖도록 고정되어 있다. 간극 GP1은, 격벽부재(130)의 상단측 및 하단측의 외주면과 조작 부재(40)의 내주면과의 사이에 설치된 복수의 0링 OR1∼OR3에 의해 씰되어, 구동유체로서의 압축 에어 G의 유통로가 되어 있다. 이 간극 GP1에서 형성되는 유통로는, 압전 액추에이터(100)와 동심형으로 배치되어 있다. 후술하는 압전 액추에이터(100)의 케이싱(101)과 격벽부재(130)와의 사이에는, 간극 GP2가 형성되어 있다.
도1d에 도시한 바와 같이, 제1∼제3의 피스톤(61, 62, 63)의 하면측에는, 각각 압력실C1∼C3이 형성되어 있다.
조작 부재(40)에는, 압력실C1, C2, C3에 연통하는 위치에 있어서 반경방향으로 관통하는 유통로 40h1, 40h2, 40h3이 형성되어 있다. 유통로 40h1, 40h2, 40h3은, 조작 부재(40)의 둘레방향으로 등간격으로 복수 형성되어 있다. 유통로 40h1, 40h2, 40h3은, 상기한 간극GP1에서 형성되는 유통로와 각각 접속되어 있다.
케이싱(50)의 상측 케이싱 부재(51)에는, 상면에서 개구하여 상하 방향A1, A2에 연장되고 또 압력실 C1에 연통하는 유통로 50h가 형성되어 있다. 유통로 50h의 개구부에는, 관 이음매(152)를 통해 공급관(150)이 접속되어 있다. 이에 따라, 공급관(150)으로부터 공급되는 압축 에어G는, 상기한 각 유통로를 통해서 압력실C1, C2, C3에 공급된다.
케이싱(50)안의 제1의 피스톤(61)의 상방의 공간SP는, 조정 바디(70)의 관통구멍을 통해서 대기에 연결되어 있다.
도1c에 도시한 바와 같이, 리미트 스위치(160)는, 케이싱(50)상에 설치되어 가동 핀(161)이 케이싱(50)을 관통해서 제1의 피스톤(61)의 상면에 접촉하고 있다. 리미트 스위치(160)는, 가동 핀(161)의 이동에 따라서, 제1의 피스톤(61)(조작 부재(40))의 상하 방향A1, A2의 이동을 검출한다.
여기서, 도2를 참조하여 압전 액추에이터(100)의 동작에 대해서 설명한다.
압전 액추에이터(100)는, 도2에 도시하는 원통형의 케이싱(101)에 도시하지 않은 적층된 압전 소자를 내장하고 있다. 케이싱(101)은, 스테인레스 합금등의 금속제로, 반구형의 선단부(102)측의 단면 및 기단부(103)측의 단면이 폐색하고 있다. 적층된 압전 소자에 전압을 인가해서 신장시키는 것으로, 케이싱(101)의 선단부(102)측의 단면이 탄성변형하고, 반구형의 선단부(102)가 길이 방향에 있어서 변위한다. 적층된 압전 소자의 최대 스트로크를 2d로 하면, 압전 액추에이터(100)의 신장이 d가 되는 소정전압VO를 미리 걸어두는 것으로, 압전 액추에이터(100)의 전장은 L0가 된다. 그리고, 소정전압VO보다도 높은 전압을 걸면, 압전 액추에이터(100)의 전장은 최대로 L0+d가 되고, 소정전압VO보다도 낮은 전압(무전압을 포함한다)을 걸면, 압전 액추에이터(100)의 전장은 최소로 L0-d가 된다. 따라서, 상하 방향A1, A2에 있어서 선단부(102)로부터 기단부(103)까지의 전장을 신축시킬 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 압전 액추에이터(100)의 선단부(102)를 반구형으로 했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 선단부가 평탄면이여도 좋다.
도1c나 도1d에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(100)에의 전원공급은, 배선(105)에 의해 행해진다. 배선(105)은, 조정 바디(70)의 관통구멍(70a)을 통해서 외부에 도출되어 있다.
압전 액추에이터(100)의 기단부(103)의 상하 방향의 위치는, 도1c나 도1d에 도시한 바와 같이, 액추에이터 가압부(80)를 통해 조정 바디(70)의 하단면에 의해 규정되어 있다. 조정 바디(70)는, 케이싱(50)의 상부에 형성된 나사 구멍에 조정 바디(70)의 외주면에 설치된 나사부가 나사 결합되어 있고, 조정 바디(70)의 상하 방향A1, A2의 위치를 조정함으로써, 압전 액추에이터(100)의 상하 방향A1, A2의 위치를 조정할 수 있다.
압전 액추에이터(100)의 선단부(102)는, 도1에 도시한 바와 같이 원반형의 액추에이터받이(27)의 상면에 형성된 원추면형의 받침면에 접촉하고 있다. 액추에이터받이(27)는, 상하 방향A1, A2에 이동 가능해져 있다.
압력 레귤레이터(200)는, 일차측에 관 이음매(201)를 통해 공급관(203)이 접속되고, 이차측에는 공급관(150)의 선단부에 설치된 관 이음매(151)가 접속되어 있다.
압력 레귤레이터(200)는, 주지의 포펫 밸브식의 압력 레귤레이터이며, 상세설명을 생략하지만, 공급관(203)을 통해서 공급되는 고압의 압축 에어G를 원하는 압력으로 하강시켜서 이차측의 압력이 미리 설정된 압력이 되도록 제어된다. 공급관(203)을 통해서 공급되는 압축 에어G의 압력에 맥동이나 외란에 의한 변동이 존재할 경우에, 이 변동을 억제해서 이차측에 출력한다.
본 실시형태에서는, 포펫 밸브식의 압력 레귤레이터를 사용하고 있지만, 다른 타입의 압력 레귤레이터를 사용할 수 있다. 또한, 압력 레귤레이터에 한정하지 않고, 덤핑 필터와 같은 공급관(150)에 공급되는 압축 에어G의 압력변동을 억제하는 기구이면 채용가능하다.
도3에, 반도체 제조 장치의 프로세스 가스 제어계에 본 실시형태에 따른 밸브 장치(1)를 적용한 예를 도시한다.
도3의 반도체 제조 장치(1000)는, 예를 들면, ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스를 실행하기 위한 장치이며, 800은 압축 에어G의 공급원, 810은 프로세스 가스PG의 공급원, 900A∼900C 유체제어장치, VA∼VC는 개폐 밸브, 1A∼1C는 본 실시형태에 따른 밸브 장치, CHA∼CHC는 처리 챔버다.
ALD 법에 의한 반도체 제조 프로세스에서는, 프로세스 가스의 유량을 정밀하게 조정할 필요가 있음과 아울러, 기판의 대구경화에 의해, 처리 가스의 유량을 확보할 필요도 있다.
유체제어장치 900A∼900C는, 정확하게 계량한 프로세스 가스PG을 처리 챔버 CHA∼CHC에 각각 공급하기 위해서, 개폐 밸브, 레귤레이터, 매스 플로우 콘트롤러등의 각종의 유체기기를 집적화한 집적화 가스 시스템이다.
밸브 장치 1A∼1C는, 상기한 다이어프램(20)의 개폐에 의해, 유체제어장치 900A∼900C로부터의 프로세스 가스PG의 유량을 정밀하게 제어해서 처리 챔버 CHA∼CHC에 각각 공급한다. 개폐 밸브 VA∼VC는, 밸브 장치 1A∼1C에 개폐 동작시키기 위해서, 제어 지령에 따라서 압축 에어G의 공급 차단을 실행한다.
상기와 같은 반도체 제조 장치(1000)에서는, 공통의 공급원(800)으로부터 압축 에어G가 공급되지만, 개폐 밸브 VA∼VC는 각각 독립적으로 구동된다.
공통의 공급원(800)으로부터는, 거의 일정한 압력의 압축 에어G가 상시 출력되지만, 개폐 밸브 VA∼VC가 각각 독립적으로 개폐되면, 밸브 개폐시의 압력손실등의 영향을 받아서 밸브 장치 1A∼1C에 각각 공급되는 압축 에어G의 압력이 변동을 일으켜, 일정하지는 않게 된다.
밸브 장치 1A∼1C에 공급되는 압축 에어G의 압력이 변동하면, 상기한 압전 액추에이터(100)에 의한 유량 조정량이 변동해버릴 가능성이 있다. 이 문제를 해결하기 위해서, 상기한 압력 레귤레이터(200)가 설치되어 있다.
다음에, 도4∼도6b를 참조하여, 본 실시형태에 따른 밸브 장치(1)의 동작에 대해서 압력 레귤레이터(200)의 작용과 함께 설명한다.
도4는, 밸브 장치(1)의 밸브 전부 폐쇄 상태를 도시하고 있다. 도4에 도시한 상태에서는, 압축 에어G는 공급되지 않고 있다. 이 상태에 있어서, 접시 용수철(120)은 이미 어느 정도 압축되어서 탄성변형하고 있고, 이 접시 용수철(120)의 복원력에 의해, 액추에이터받이(27)는 상방향A1을 향해서 상시 가압되어 있다. 이에 따라, 압전 액추에이터(100)도 상방향A1을 향해서 상시 가압되어, 기단부(103)의 상면이 액추에이터 가압부(80)에 눌려진 상태로 되어 있다. 이에 따라, 압전 액추에이터(100)는, 상하 방향A1, A2의 압축력을 받고, 밸브 바디(10)에 대하여 소정의 위치에 배치된다. 압전 액추에이터(100)는, 어느쪽의 부재에도 연결되지 않고 있으므로, 조작 부재(40)에 대하여 상하 방향A1, A2에 있어서 상대적으로 이동가능하다.
접시 용수철(120)의 개수나 방향은 조건에 따라서 적절하게 변경할 수 있다. 또한, 접시 용수철(120) 이외에도 코일 용수철, 판 용수철 등의 다른 탄성부재를 사용할 수 있지만, 접시 용수철을 사용하면, 용수철 강성이나 스트로크 등을 조정하기 쉽다고 하는 이점이 있다.
도4에 도시한 바와 같이, 다이어프램(20)이 밸브 시트(15)에 접촉해서 밸브가 닫힌 상태에서는, 액추에이터받이(27)의 하면측의 규제면(27b)과, 조작 부재(40)의 다이어프램 가압부(48)의 상면측의 접촉면(48t)과의 사이에는 간극이 형성되어 있다. 규제면(27b)의 상하 방향A1, A2의 위치가, 개도 조정하지 않고 있는 상태에서의 개위치OP가 된다. 규제면(27b)과 접촉면(48t)과의 간극의 거리가 다이어프램(20)의 리프트량Lf에 해당한다. 리프트량Lf는, 밸브의 개도, 다시 말해, 유량을 규정한다. 리프트량Lf는, 상기한 조정 바디(70)의 상하 방향A1, A2의 위치를 조정함으로써 변경할 수 있다. 도4에 도시한 상태의 다이어프램 가압부(48)(조작 부재(40))는, 접촉면(48t)을 기준으로 하면, 폐위치CP에 위치한다. 이 접촉면(48t)이, 액추에이터받이(27)의 규제면(27b)에 접촉하는 위치, 다시 말해, 개위치OP에 이동하면, 다이어프램(20)이 밸브 시트(15)로부터 리프트량Lf분만큼 떨어진다.
공급관(150)을 통해서 구동 에어G를 밸브 장치(1)안에 공급하면, 도5에 도시한 바와 같이, 조작 부재(40)를 상방향A1에 밀어올리는 추진력이 주 액추에이터(60)에 발생한다. 구동 에어G의 압력은, 조작 부재(40)에 코일 용수철(90) 및 접시 용수철(120)로부터 작용하는 하방향A2의 가압력에 저항해서 조작 부재(40)를 상방향A1에 이동시키는데도 충분한 값으로 설정되어 있다. 이러한 구동 에어G가 공급되면, 도5에 도시한 바와 같이, 조작 부재(40)는 접시 용수철(120)을 더욱 압축하면서 상방향A1에 이동하고, 액추에이터받이(27)의 규제면(27b)에 다이어프램 가압부(48)의 접촉면(48t)이 접촉하고, 액추에이터받이(27)는 조작 부재(40)로부터 상방향A1에 향하는 힘을 받는다. 이 힘은, 압전 액추에이터(100)의 선단부(102)를 통해서, 압전 액추에이터(100)를 상하 방향A1, A2에 압축하는 힘으로서 작용한다. 따라서, 조작 부재(40)에 작용하는 동시 방향A1의 힘은, 압전 액추에이터(100)의 선단부(102)에서 받아낼 수 있어, 조작 부재(40)의 A1방향의 이동은, 개위치OP에 있어서 규제된다. 이 상태에 있어서, 다이어프램(20)은, 밸브 시트(15)로부터 상기한 리프트량Lf만큼 이격한다.
이 상태에 있어서, 공급관(150)을 통해서 공급되는 구동 에어G의 압력에 변동이 크면, 조작 부재(40)에 작용하는 동시 방향A1의 힘도 변동하고, 압전 액추에이터(100)가 상하 방향A1, A2에 있어서 변형한다. 압전 액추에이터(100)가 상하 방향A1, A2에 있어서 변형하면, 리프트량Lf가 변화되어서 유량이 변화되어버린다.
압력 레귤레이터(200)는, 압전 액추에이터(100)의 상하 방향A1, A2에 있어서의 변형을 허용 값에 들어가도록, 구동 에어G의 압력의 변동을 억제하도록 작용한다.
도5에 도시한 상태에 있어서의 밸브 장치(1)로부터 출력되는 유체의 유량을 조정하고 싶을 경우에는, 압전 액추에이터(100)를 작동시킨다.
도6a 및 도6b의 중심선Ct의 좌측은, 도5에 도시한 상태를 도시하고 있고, 중심선Ct의 우측은 조작 부재(40)의 상하 방향A1, A2의 위치를 조정한 후의 상태를 도시하고 있다.
유체의 유량을 감소시키는 방향으로 조정할 경우에는, 도6a에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(100)를 신장시켜서, 조작 부재(40)를 하방향A2에 이동시킨다. 이에 따라, 다이어프램(20)과 밸브 시트(15)와의 거리인 조정후의 리프트량Lf-는, 조정전의 리프트량Lf보다도 작아진다.
유체의 유량을 증가시키는 방향으로 조정할 경우에는, 도6b에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(100)를 단축시켜서, 조작 부재(40)를 상방향A1에 이동시킨다. 이에 따라, 다이어프램(20)과 밸브 시트(15)와의 거리인 조정후의 리프트량Lf+는, 조정전의 리프트량Lf보다도 커진다.
공급관(150)을 통해서 공급되는 구동 에어G의 압력의 변동은, 압전 액추에이터(100)의 조정량에도 영향을 준다.
압력 레귤레이터(200)는, 압전 액추에이터(100)의 조정량의 오차가 원하는 범위에 들어가도록, 구동 에어G의 압력의 변동을 억제하게 작용한다.
본 실시형태에서는, 다이어프램(20)의 리프트량의 최대치는 100∼200㎛정도이고, 압전 액추에이터(100)에 의한 조정량은 ±20㎛정도다.
다시 말해, 압전 액추에이터(100)의 스트로크에서는, 다이어프램(20)의 리프트량을 커버할 수 없지만, 구동 에어G에서 동작하는 주 액추에이터(60)와 압전 액추에이터(100)를 병용함으로써, 상대적으로 스트로크가 긴 주 액추에이터(60)에서 밸브 장치(1)의 공급하는 유량을 확보하면서, 상대적으로 스트로크가 짧은 압전 액추에이터(100)에서 정밀하게 유량 조정할 수 있고, 조정 바디(70)등에 의해 수동으로 유량 조정을 할 필요가 없어지므로, 유량 조정 공정수가 대폭 삭감된다.
본 실시형태에 의하면, 압전 액추에이터(100)에 인가하는 전압을 변화시키는 것만으로 정밀한 유량 조정이 가능하므로, 유량 조정을 즉석에서 실행할 수 있음과 아울러, 실시간으로 유량제어를 하는 것도 가능해진다.
본 실시형태에 의하면, 압력 레귤레이터(200)를 설치한 것에 의해, 압력변동에 대한 유량변동의 발생을 억제할 수 있고, 보다 고정밀도의 유량제어가 실현된다.
본 실시형태에 의하면, 압력 레귤레이터(200)를 수용 박스(301)안의 소정의 장소에 고정하고 있으므로, 압력 레귤레이터(200)로부터 압력실까지의 거리 및 내용적을 밸브마다 일정하게 할 수 있고, 보다 정밀한 유량 조정이 가능하게 된다. 다시 말해, 조정용 액추에이터(100)에 의해 「유량」은 조정 가능하게 되지만, 압력 레귤레이터(200)로부터 압력실까지의 거리 및 그 사이의 내용적이 밸브마다 다르면, 다이어프램(20)의 「개폐 속도」에 차이가 나오기 때문에, 처리 챔버에 공급하는 처리 가스의 공급량을 정확하게 제어할 수 없게 된다.
상기 실시형태에서는, 압력 레귤레이터(200)는, 수용 박스(301)안에 설치했지만, 주 액추에이터(60)에의 공급 경로상이면 수용 박스(301)밖에 설치하는 것도 가능하다.
(조정용 액추에이터에 의해 「유량」은 조정 가능하게 되지만, 레귤레이터로부터 압력실의 거리, 내용적이 밸브마다 다르면 「개폐 속도」에 차이가 나오기 때문에, 처리 챔버에 공급하는 처리 가스의 공급량을 정확하게 제어할 수 없게 된다) ※청구항4의 효과
상기 실시형태에서는, 조정용 액추에이터로서, 압전 액추에이터를 사용했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 전계의 변화에 따라서 변형하는 화합물로 이루어진 전기구동 재료를 액추에이터로서 사용할 수 있다. 전류 또는 전압에 의해 전기구동 재료의 형상이나 크기를 변화시키고, 규정되는 조작 부재(40)의 개위치를 변화시킬 수 있다. 이러한 전기구동 재료는, 압전 재료이여도 좋고, 압전 재료이외의 전기구동 재료이여도 좋다. 압전 재료이외의 전기구동 재료로 할 경우에는 전기구동형 고분자 재료로 할 수 있다.
전기구동형 고분자 재료는, 전기 활성 고분자 재료(Electro Active Polymer: EAP)라고도 불리고, 예를 들면 외부전장이나 쿨롱력에 의해 구동하는 전기성 EAP, 및 폴리머를 팽윤시키고 있는 용매를 전장에 의해 유동시켜서 변형시키는 비이온성EAP, 전장에 의한 이온이나 분자의 이동에 의해 구동하는 이온성EAP등이 있고, 이것들의 어느 하나 또는 조합을 사용할 수 있다.
상기 실시형태에서는, 소위 노멀리 클로즈 타입의 밸브를 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 노멀리 오픈 타입의 밸브에도 적용가능하다. 이 경우에도, 밸브 본체의 개도조정을 조정용 액추에이터로 행하도록 하면 좋다.
상기 적용 예에서는, 밸브 장치(1)를 ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스에 사용하는 경우에 대해서 예시했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 본 발명은, 예를 들면 원자층 에칭법(ALE:Atomic Layer Etching 법)등, 정밀한 유량 조정이 필요한 모든 대상에 적용가능하다.
상기 실시형태에서는, 주 액추에이터로서, 가스압으로 작동하는 실린더실에 내장된 피스톤을 사용했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 제어 대상에 따라서 최적의 액추에이터를 여러가지 선택가능하다.
1 밸브 장치
10 밸브 바디
11 오목부
12, 13 유로
15 밸브 시트
20 다이어프램(밸브 본체)
25 가압 어댑터
27 액추에이터받이
30 본네트
40 조작 부재
48 다이어프램 가압부(조작 부재)
50 케이싱
51 상측 케이싱 부재
52 하측 케이싱 부재
60 주 액추에이터
70 조정 바디
80 액추에이터 가압부
90 코일 용수철
100 압전 액추에이터(조정용 액추에이터)
101 케이싱
102 선단부
103 기단부
120 접시 용수철
150 공급관
160 리미트 스위치
200 압력 레귤레이터
OR 0링
G 압축 에어(구동유체)
Lf 조정전의 리프트량
Lf+,Lf- 조정후의 리프트량

Claims (9)

  1. 유로를 획정하는 밸브 바디와,
    상기 밸브 바디의 유로를 개폐가능하게 설치된 밸브 본체와,
    미리 설정된 상기 밸브 본체에 유로를 폐쇄시키는 폐위치와 미리 설정된 상기 밸브 본체에 유로를 개방시키는 개위치와의 사이에서 이동가능하게 설치된 상기 밸브 본체를 조작하는 조작 부재와,
    공급되는 구동유체의 압력을 받아, 상기 조작 부재를 상기 개위치 또는 폐위치에 이동시키는 주 액추에이터와,
    상기 주 액추에이터가 발생하는 힘의 적어도 일부가 작용하도록 배치되어, 상기 개위치에 위치시켜졌던 상기 조작 부재의 위치를 조정하기 위한 조정용 액추에이터와,
    상기 구동유체의 상기 주 액추에이터에의 공급 경로에 설치되고, 상기 주 액추에이터에 공급되는 상기 구동유체의 압력의 변동을 억제하기 위한 압력 안정화 기구를, 갖는 밸브 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 안정화 기구는, 공급되는 상기 구동유체의 압력을 조압하는 압력 레귤레이터를 포함하는, 밸브 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주 액추에이터는, 상기 조작 부재를 상기 개위치에 이동시키고,
    상기 조정용 액추에이터는, 상기 주 액추에이터에 의해 상기 개위치에 위치시켜졌던 상기 조작 부재에 작용하는 힘을 해당 조정용 액추에이터의 선단부에서 받아내서 해당 조작 부재의 이동을 규제하면서, 해당 조작 부재의 위치를 조정하는, 밸브 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 액추에이터 및 상기 조정용 액추에이터를 내장하는 케이싱을 갖고,
    상기 케이싱내에는, 상기 압력 안정화 기구를 통한 상기 구동유체를 상기 주 액추에이터에 공급하는 유통로가 형성되고,
    상기 유통로는, 해당 유통로를 유통하는 구동유체의 압력이 상기 조정용 액추에이터에 작용하지 않도록 분리해서 형성되어 있는, 밸브장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 주 액추에이터는, 환형의 피스톤을 갖고,
    상기 조정용 액추에이터 및 조작 부재는, 상기 환형의 피스톤과 동심형으로 배치되어 있고,
    상기 유통로는, 상기 조정용 액추에이터와 동심형으로 배치된 유통로를 갖는, 밸브 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정용 액추에이터는, 전원공급에 따라서 신축하는 구동원을 갖는, 밸브 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정용 액추에이터는, 압전 소자의 신축을 이용한 액추에이터를 포함하는, 밸브 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 조정용 액추에이터는, 기단부와 선단부와를 갖는 케이싱과, 해당 케이싱내에 수용되어 상기 기단부와 상기 선단부와의 사이에서 적층된 압전 소자와를 갖고, 상기 압전 소자의 신축을 이용해서 해당 케이싱의 상기 기단부와 상기 선단부와의 사이의 전장을 신축시키는, 밸브 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정용 액추에이터는, 전기구동형 폴리머를 구동원으로서 갖는 액추에이터를 포함하는, 밸브 장치.
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