TW202136668A - 隔膜閥、流量控制裝置、流體控制裝置及半導體製造裝置 - Google Patents

隔膜閥、流量控制裝置、流體控制裝置及半導體製造裝置 Download PDF

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Abstract

為了提供將閥桿的軸向偏轉降低之隔膜閥。 隔膜閥係具有：在內部具有流路且在上表面凹設有閥室之閥體、配置於閥室且可藉由彈性變形來進行流路的開閉及開度的調節之隔膜、按壓隔膜而讓其彈性變形之閥桿、驅動閥桿之致動器、以及固定在閥體且用於支承閥桿和致動器之支承機構， 閥桿(8)包含第1閥桿構件(8a)及第2閥桿構件(8b)，第1閥桿構件(8a)是透過位移傳遞構件(5)而連接於致動器；第2閥桿構件(8b)，是藉由支承機構(10)透過套筒(15)而可在軸方向位移地被保持，其上端部與第1閥桿構件(8a)的下端部抵接，其被第1閥桿構件(8a)驅動而將隔膜(17)按壓。

Description

隔膜閥、流量控制裝置、流體控制裝置及半導體製造裝置
本發明是關於隔膜閥、流量控制裝置、流體控制裝置及半導體製造裝置。
在半導體製造程序等所使用之程序氣體的流量控制，是廣泛採用質量流量控制裝置(質流控制器)。該質量流量控制裝置，在例如壓力式的質量流量控制裝置的情況，是根據設置於流路之孔口前後的壓力來測定質量流量，以使該質量流量成為目標值的方式藉由控制閥進行調節。作為這樣的控制閥，是廣泛採用隔膜閥。
隔膜閥，是將金屬薄板等所構成的隔膜藉由驅動部按壓而使其彈性變形，藉此進行流路的開閉及開度調節。該驅動部，例如圖6(專利文獻1之圖4)所示般係包含：按壓隔膜(圖1的符號17)之閥桿8、驅動閥桿8之壓電致動器(Piezo actuator)2。因為當施加電壓時壓電致動器2會伸長，透過位移傳遞機構(4,7,6,5,5b)而藉由壓電致動器2將閥桿8朝開閥方向驅動。另一方面，當未對壓電致動器2施加電壓時，藉由碟形彈簧9a將閥桿8朝關閉隔膜閥的方向彈壓，藉此實現常閉動作。閥桿8是透過O型環14而藉由閥帽10的貫通孔10b導引(專利文獻1)。
該O型環14是由丁腈橡膠、氟橡膠、矽橡膠、氯丁二烯橡膠等的橡膠所形成而具有柔軟性。因為藉由壓電致動器2驅動之閥桿8的動作行程只有數10μm，與其說是藉由滑動，倒不如說是藉由O型環14的彈性變形來容許閥桿8之軸方向位移。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開號WO2017/033423A1
[發明所欲解決之問題]
然而，在上述機構，因為O型環之作為導件的接觸面積小，保持力還是不足，會有引發閥桿的軸向偏轉(axial runout)的情形。結果，若隔膜之閥桿的抵接部位發生偏心，應力會變高，而有隔膜壽命縮短的疑慮。特別是若隨著流量控制裝置的小型化而使隔膜小型化，縱使是閥桿之些微的軸向偏轉，對隔膜來說仍成為相對大的偏心，因此要求更嚴格地抑制軸向偏轉。 於是也可以考慮將該O型環用作為導件具有高保持力之金屬製的套筒來替代，而將軸向偏轉降低。然而，因為該套筒配置在閥帽10的範圍內，其軸方向長度較短，若對結合於閥桿之縱長的上述位移傳遞機構(4,7,6,5,5b)施加外力，會對套筒施加過大的反作用力而容易造成損傷(容易咬傷)，結果，導致閥的開度調整發生問題。
本發明之目的是為了解決上述問題而提供將閥桿之軸向偏轉降低之隔膜閥。 [解決問題之技術手段]
本發明的隔膜閥，係具有閥體、隔膜、閥桿、致動器及支承機構， 該閥體，是在內部具有流路且在上表面凹設有閥室； 該隔膜，是配置於前述閥室，且可藉由彈性變形來進行前述流路之開閉及開度的調節； 該閥桿，是將前述隔膜按壓而讓其彈性變形； 該致動器是驅動該閥桿； 該支承機構，是固定在前述閥體，用於支承前述閥桿和前述致動器；其特徵在於， 前述閥桿和前述致動器，是依從前述閥體的上表面起的順序在與該上表面垂直的方向縱列地配置， 前述致動器構成為，使其下端部與前述支承機構的構件抵接而被定位，且其上端部的垂直方向位置可位移， 前述致動器的上端部和前述閥桿，是藉由在前述致動器迂迴而延伸之位移傳遞構件進行連接， 前述閥桿是包含第1閥桿構件及第2閥桿構件， 該第1閥桿構件連接於前述位移傳遞構件； 該第2閥桿構件，是藉由前述支承機構透過套筒可在軸方向位移地被保持，使其上端部與前述第1閥桿構件的下端部抵接，該第2閥桿構件被該第1閥桿構件驅動而將前述隔膜按壓。 依據此構成，縱使有外力所致之力矩施加於與位移傳遞構件連接之第1閥桿構件，也不會傳遞到第2閥桿構件，因此作為第2閥桿構件的導件可使用導件剛性高的套筒，而能夠實現將閥桿的軸向偏轉降低之隔膜閥。
較佳為，前述套筒是金屬製且在內周側形成有樹脂層。 依據此構成，可獲得高導件剛性及基於樹脂層的自潤滑性之低摩擦阻力，因此能讓第2閥桿構件進行滑順地移動。
較佳為，前述樹脂層是由聚縮醛、超高分子量聚乙烯、氟樹脂、酚醛樹脂之任一者所形成。
較佳為，前述第2閥桿構件的上端部和前述第1閥桿構件的下端部是進行點接觸。 依據此構成，縱使有外力施加於位移傳遞構件而使第1閥桿構件偏轉，仍可抑制第2閥桿構件之軸方向位置的變動。
較佳為，前述致動器是藉由施加電壓而使長度伸長之壓電致動器。
本發明的流量控制裝置是使用了上述構成的隔膜閥。
本發明的流體控制裝置，是從上游朝向下游排列有複數個流體機器之流體控制裝置， 前述複數個流體機器包含上述構成的隔膜閥或流量控制裝置。
本發明的半導體製造裝置，是在需要在密閉的腔室內利用程序氣體進行處理工序之半導體裝置的製造程序中，在前述程序氣體的控制是使用了上述構成的隔膜閥或流量控制裝置。 [發明之效果]
依據本發明，將閥桿分割成連接於位移傳遞構件之第1閥桿構件、按壓隔膜之第2閥桿構件，僅第2閥桿構件是利用套筒來導引其軸方向的移動，因此縱使有外力所致的力矩施加於第1閥桿構件，也不會傳遞到第2閥桿構件。如此，作為第2閥桿構件的導件可使用導件剛性高的套筒，而能夠實現將閥桿的軸向偏轉降低之隔膜閥。
以下，針對本發明的實施形態，參照圖式做說明。圖1係顯示本發明的一實施形態之隔膜閥1的概略圖。
如圖1所示般，本實施形態的隔膜閥1係包含：閥體16、隔膜17、支承機構(3,10)、閥桿8以及致動器2。
閥體16係呈大致塊狀，在內部具有上游側流路16a及下游側流路16b。上游側流路16a是在閥室16d的底面之中央部開口，閥室16d是在閥體16的上表面所形成之淺的擴孔狀的凹陷，該開口的周圍呈環狀隆起而形成閥座16e。另一方面，下游側流路16b是在閥室16d之底面的周邊部16f開口。
在本實施形態，隔膜17是讓特殊不銹鋼等的金屬製薄板或鎳鈷合金薄板的中央部往上方鼓出而成之球殻狀構件，且是配置在閥體16的上表面之閥室16d。在隔膜17之外周緣部上配置圓環狀的按壓具配接器18，從其上方讓閥帽10之下端部抵接，閥帽10連同支承板3一起藉由螺栓緊固於閥體16，藉此將隔膜17固定住，且閥室16d被氣密地密封。
當隔膜閥1開啟時，在隔膜17和閥座16e之間形成既定量的間隙，藉此形成以下流路：從上游側流路16a通過該間隙而與藉由隔膜17封閉之閥室16d連通，進而與下游側流路16b連通之流路。當藉由驅動部12按壓隔膜17而使其與閥座16e抵接時，上游側流路16a和下游側流路16b的連通被阻斷，藉由使隔膜17離開閥座16e，上游側流路16a和下游側流路16b形成連通。藉此，可進行流路的開閉及開度調節。
支承機構(3,10)是固定於閥體16而用於支承閥桿8及致動器2，其具有閥帽10及支承板3。 閥帽10形成為，從帶有凸緣之大致圓筒狀的構件將圖1之紙面垂直方向兩側切除而將寬度縮窄的形狀，而能在其內周側配置閥桿8。支承板3是架設在閥帽10之上端部上的構件，其具有：接收致動器2之下端部而將其定位的功能。 藉此，閥桿8和致動器2是依從閥體16的上表面起的順序在與該上表面垂直的方向縱列配置。 藉由2根螺栓將閥帽10的凸緣部和支承板3的兩端部一起緊固於閥體16。閥帽10如上述般還具有將隔膜17固定於閥體16的功能。
致動器2是用於驅動閥桿8，在本實施形態是使用壓電致動器。以下也稱為「壓電致動器2」。 壓電致動器2，是在圓筒狀的殼體2c內設置未圖示之被積層的壓電元件。殼體2c是不銹鋼合金等的金屬製，其半球狀的前端部2a側之端面及基端部2b側的端面被封閉。藉由對殼體2c之被積層的壓電元件施加電壓而讓其伸長，使殼體2c之前端部2a側的端面發生彈性變形，而使半球狀的前端部2a在長度方向發生位移。亦即，藉由對殼體2c之被積層的壓電元件施加電壓，使從前端部2a到基端部2b之全長伸長。
壓電致動器2是以使其下端部之前端部2a與支承板3抵接的方式沿垂直方向配置。在本實施形態，前端部2a的前端呈半球狀，而能落入在支承板的上表面所形成之圓錐狀的凹陷。
另一方面，壓電致動器2的上端部、即基端部2b，是透過按壓構件4而藉由上部連結構件6保持。按壓構件4之上表面，是抵接於與上部連結構件6的螺孔螺合之調整螺絲7的前端。上部連結構件6，形成為將有底圓筒倒置並將其兩側切除而成之大致ㄈ字形，在其內側，一對的位移傳遞構件5是藉由螺絲進行連結。
一對的位移傳遞構件5，是由熱膨脹係數小之因鋼(invar)材等的金屬材料所形成，呈將沿著壓電致動器2的外周面之圓筒狀構件沿著長度方向分割成二半的形態。該等一對的位移傳遞構件5，是在各自的開口部5a讓支承板3插穿並朝其下側伸延，且在下端部形成有卡止部5b。
閥桿8是透過隔膜按壓具19將隔膜17按壓而讓其彈性變形者，其是在支承板3的下側貫穿閥帽10的導孔10a而與前述壓電致動器2同軸地配置。
在此，在本發明，閥桿8是包含：連接於位移傳遞構件5之第1閥桿構件8a、藉由第1閥桿構件8a驅動而將隔膜17按壓之第2閥桿構件8b。
第1閥桿構件8a係具備：供形成於一對的位移傳遞構件5的下端部之各卡止部5b卡合之臂部8a-1。此外，第1閥桿構件8a是藉由螺旋彈簧9朝下方彈壓。當壓電致動器2伸長時，第1閥桿構件8a也會反抗螺旋彈簧9的彈壓力而藉由一對的位移傳遞構件5朝上方提升。如此般，壓電致動器2之長度的位移是通過包含位移傳遞構件5之一連串的位移傳遞機構(4,7,6,5,5b)而傳遞給第1閥桿構件8a，使第1閥桿構件8a在軸方向位移。 又藉由將第1閥桿構件8a的上端部鬆嵌入支承板3之下表面的盲孔，使包含第1閥桿構件8a及位移傳遞構件5之一連串的位移傳遞機構(4,7,6,5,5b)之軸方向的移動被鬆緩地導引。
第2閥桿構件8b，藉由使上端部抵接於第1閥桿構件8a的下端部而成為與第1閥桿構件8a同軸地配置。第1閥桿構件8a的下端部形成為大致平面，另一方面，第2閥桿構件8b的上端部形成為大致球面，兩者進行點接觸(參照圖2)。依據此構成，縱使有外力施加於位移傳遞構件5而造成第1閥桿構件8a偏轉，仍可使第2閥桿構件8b之軸方向位置的變動減至最小。在第2閥桿構件8b的下端部安裝有隔膜按壓具19，其與隔膜17抵接。第2閥桿構件8b受到第1閥桿構件8a的驅動而將隔膜17按壓使其彈性變形。
又第2閥桿構件8b是藉由閥帽10透過套筒15而可在軸方向位移地被保持。在本實施形態，在第2閥桿構件8b和閥帽10的導引孔10a之滑動部分，是取代先前的O型環14(參照圖6)而使用套筒15。亦即，藉由套筒15的內周來導引第2閥桿構件8b，套筒15的外周是嵌合固定於閥帽10的導引孔10a。該套筒15，如圖2所示般，是在金屬製的套筒本體15a之內周側形成有聚縮醛、超高分子量聚乙烯、氟樹脂、鐵氟龍(註冊商標)樹脂、酚醛樹脂等的自潤滑性之樹脂層15b，因此其與被導引之不銹鋼製的第2閥桿構件8b之摩擦係數小。又第2閥桿構件8b的外周和套筒15的內周之組合，因為具有圓筒狀的接觸面，接觸面積寬廣，而能獲得高導件剛性。
接下來，針對如此般構成之本實施形態之隔膜閥1的動作，參照圖1做說明。
首先，在對於壓電致動器2之施加電壓為零之初期狀態，壓電致動器2的長度L為初期長度L0而是最小長度，位移傳遞機構(4,7,6,5,5b)及與其卡合之第1閥桿構件8a是被螺旋彈簧9朝下壓而位於最下方位置，與其抵接之第2閥桿構件8b也位於最下方位置。因此，隔膜17被第2閥桿構件8b按壓而與閥座16e密合，閥成為全閉狀態。
接下來，若對壓電致動器2施加電壓，因為壓電致動器2的長度L變大，會克服螺旋彈簧9的彈壓力而使位移傳遞機構(4,7,6,5,5b)及第1閥桿構件8a被提升。結果，第2閥桿構件8b也藉由隔膜17的形狀復原力而被提升，藉此在隔膜17和閥座16e之間產生間隙，閥被開啟，成為能讓流體通過隔膜閥1。藉由調節對於壓電致動器2的施加電壓，可調節隔膜17和閥座16e的間隙，而能調節流體的流量。
這時，首先，閥桿8被分割成連接於位移傳遞構件之第1閥桿構件、按壓隔膜之第2閥桿構件，因此縱使有外力所致之力矩施加於第1閥桿構件，也不會傳遞到第2閥桿構件。 如此，作為第2閥桿構件8b的導件可採用導件剛性高的套筒15。因此，在進行上下方向移動時不致產生軸向偏轉，可減少軸向偏轉所致之隔膜17的應力上升，因此能謀求隔膜17的壽命提高。又在與第2閥桿構件8b的外周接觸之套筒15的內周側，因為形成有低摩擦係數的樹脂層15b，第2閥桿構件8b可滑順地在上下方向移動。
又在本實施形態，作為第2閥桿構件8b的導件，雖是使用在金屬製的套筒本體15a之內周側形成有樹脂層15b之套筒15，但並不限定於此。例如，亦可使用具有滾動滾珠之滾珠襯套(ball bush)，依據這樣的構成，也能夠實現高導件剛性及低導件阻力。
又第1閥桿構件8a的下端部和第2閥桿構件8b的上端部之抵接部位，是將前者形成為平面並將後者形成為球面，而藉此實現點接觸，但並不限定於此，亦可將前者形成為球面且後者形成為平面，亦可將兩者皆形成為球面。又第2閥桿構件8b的上端部，雖是兩端形成為平面且中心部形成為大致球面，但上端部全體都是球面亦可。
接下來說明本發明的流量控制裝置。 圖3係本發明的一實施形態之流量控制裝置20的局部剖面圖，係顯示組裝有上述隔膜閥1之壓力式的流量控制裝置20。 在圖3中，關於覆蓋流量控制裝置20的全體之外殼、回饋控制用的基板雖實際上存在，但為了便於說明而未圖示。 流量控制裝置20，除了上述隔膜閥1的構成要素以外，還具有下游側塊25、壓力偵測器22、孔口(圖示省略)、壓力偵測器26、下游側流路(圖示省略)。
在閥體16的內部，在隔膜17之下游側的流路16b內設有孔口(圖示省略，在本實施形態為墊片型孔口)。在其上游側之流路16b的途中，設置用於偵測壓力之上游側的壓力偵測器22。 下游側塊25，是藉由螺栓連結於閥體16，且具有與閥體16之下游側的流路16b連通之下游側流路(圖示省略)，並設有用於偵測該流路內的壓力之下游側的壓力偵測器26。 藉由未圖示的控制裝置，根據各壓力偵測器22、26的偵測值，利用PID控制將隔膜閥1進行開閉控制。
在本流量控制裝置，因為使用了本發明的隔膜閥，可期待隨著隔膜閥的長壽命化之流體控制裝置的長壽命化。
接下來說明本發明的流體控制裝置。 圖4係本發明的一實施形態之流體控制裝置的概略立體圖。 在圖4所示的流體控制裝置設有：沿著寬度方向W1、W2排列且朝長度方向G1、G2延伸之金屬製的底板BS。又W1表示正面側的方向，W2表示背面側的方向，G1表示上游側的方向，G2表示下游側的方向。在底板BS，透過複數個流路塊992而設置有各種流體機器991A~991E，在複數個流路塊992分別形成有從上游側G1朝向下游側G2讓流體流通之未圖示的流路。
在此的「流體機器」，係在控制流體的流動之流體控制裝置所使用的機器，其係具備劃定流體流路之主體(body)，且具有在該主體的表面開口之至少2個流路口。具體而言是包含：開閉閥(雙通閥)991A、調節閥(regulator)991B、壓力計(pressure gauge)991C、開閉閥(三通閥)991D、質流控制器991E等，但並不限定於這些。導入管993是連接於上述未圖示之流路的上游側之流路口。
本發明可應用於上述的開閉閥991A、991D、調節閥991B、質流控制器991E等之各種隔膜閥。
接下來說明本發明的半導體製造裝置。 圖5係本發明的一實施形態之半導體製造裝置的方塊圖。 圖5所示的半導體製造裝置980，係用於實行基於原子層沉積法(ALD: Atomic Layer Deposition法)之半導體製造程序的裝置，981表示程序氣體供給源，982表示氣體控制箱(gas box)(流體控制裝置)，983表示槽，984表示開閉閥，985表示控制部，986表示處理腔室，987表示排氣泵。
本發明可應用於構成上述氣體控制箱982之流體機器、開閉閥984。
又本發明並不限定於上述實施形態，所屬技術領域具有通常知識者，在本發明的範圍內，可進行各種的追加、變更等。例如，在上述應用例，雖是例示使用於基於ALD法之半導體製造程序的情況，但並不限定於此，本發明可應用於例如原子層蝕刻法(ALE: Atomic Layer Etching法)等之必須進行精密的流量調整之所有對象。
在上述實施形態，雖是構成為將開閉閥984配置在作為流體控制裝置之氣體控制箱982的外部，但亦可構成為，在將開閉閥、調節閥、質流控制器等之各種流體機器集成化並收容於控制箱(box)而成之流體控制裝置中包含上述實施形態的隔膜閥。
1:隔膜閥 2:壓電致動器(致動器) 2a:前端部 2b:基端部 2c:殼體 3:支承板(支承機構) 4:按壓構件 5:位移傳遞構件 5a:開口部 5b:卡止部 6:上部連結構件 7:調整螺絲 8:閥桿 8a:第1閥桿構件 8a-1:臂部 8b:第2閥桿構件 9:螺旋彈簧 10:閥帽(支承機構) 10a:導引孔 10b:貫通孔 12:驅動部 14:O型環 15:套筒 15a:套筒本體 15b:樹脂層 16:閥體 16a:上游側流路(流路) 16b:下游側流路(流路) 16d:閥室 16e:閥座 16f:周邊部 17:隔膜 18:按壓具配接器 19:隔膜按壓具 20:流量控制裝置 22:壓力偵測器 25:下游側塊 26:壓力偵測器 980:半導體製造裝置 981:程序氣體供給源 982:氣體控制箱(流體控制裝置) 983:槽 984:開閉閥 985:控制部 986:處理腔室 987:排氣泵 991A~991E:流體機器 992:流路塊 993:導入管 BS:底板 G1,G2:長度方向 W1,W2:寬度方向
[圖1]係本發明的一實施形態之隔膜閥的概略剖面圖。 [圖2]係顯示圖1的隔膜閥之閥桿和套筒之放大圖。 [圖3]係本發明的一實施形態之流量控制裝置的局部剖面圖。 [圖4]係本發明的一實施形態之流體控制裝置的概略立體圖。 [圖5]係本發明的一實施形態之半導體製造裝置的方塊圖。 [圖6]係顯示先前的隔膜閥之線性致動器部分之縱剖面圖。
1:隔膜閥
2:壓電致動器(致動器)
2a:前端部
2b:基端部
2c:殼體
3:支承板(支承機構)
4:按壓構件
5:位移傳遞構件
5a:開口部
5b:卡止部
6:上部連結構件
7:調整螺絲
8:閥桿
8a:第1閥桿構件
8a-1:臂部
8b:第2閥桿構件
9:螺旋彈簧
10:閥帽(支承機構)
10a:導引孔
12:驅動部
15:套筒
16:閥體
16a:上游側流路(流路)
16b:下游側流路(流路)
16d:閥室
16e:閥座
16f:周邊部
17:隔膜
18:按壓具配接器
19:隔膜按壓具

Claims (8)

  1. 一種隔膜閥，係具有閥體、隔膜、閥桿、致動器及支承機構， 該閥體，是在內部具有流路且在上表面凹設有閥室； 該隔膜，是配置於前述閥室，且可藉由彈性變形來進行前述流路之開閉及開度的調節； 該閥桿，是將前述隔膜按壓而讓其彈性變形； 該致動器是驅動該閥桿； 該支承機構，是固定在前述閥體，用於支承前述閥桿和前述致動器；其特徵在於， 前述閥桿和前述致動器，是依從前述閥體的上表面起的順序在與該上表面垂直的方向縱列地配置， 前述致動器構成為，使其下端部與前述支承機構的構件抵接而被定位，且其上端部的垂直方向位置可位移， 前述致動器的上端部和前述閥桿，是藉由在前述致動器迂迴而延伸之位移傳遞構件進行連接， 前述閥桿是包含第1閥桿構件及第2閥桿構件， 該第1閥桿構件連接於前述位移傳遞構件； 該第2閥桿構件，是藉由前述支承機構透過套筒可在軸方向位移地被保持，使其上端部與前述第1閥桿構件的下端部抵接，該第2閥桿構件被該第1閥桿構件驅動而將前述隔膜按壓。
  2. 如請求項1所述之隔膜閥，其中， 前述套筒是金屬製且在內周側形成有樹脂層。
  3. 如請求項2所述之隔膜閥，其中， 前述樹脂層是由聚縮醛、超高分子量聚乙烯、氟樹脂、酚醛樹脂之任一者所形成。
  4. 如請求項1所述之隔膜閥，其中， 前述第2閥桿構件的上端部是與前述第1閥桿構件的下端部進行點接觸。
  5. 如請求項1所述之隔膜閥，其中， 前述致動器，是藉由施加電壓而使長度伸長之壓電致動器。
  6. 一種流量控制裝置，係使用如請求項1至5之任一項所述之隔膜閥。
  7. 一種流體控制裝置，係排列有複數個流體機器之流體控制裝置， 前述複數個流體機器，是包含如請求項1至5之任一項所述之隔膜閥或如請求項6所述之流量控制裝置。
  8. 一種半導體製造裝置，係在需要在密閉的腔室內利用程序氣體進行處理工序之半導體的製造程序中，在前述程序氣體的控制是使用如請求項1至5之任一項所述之隔膜閥或如請求項6所述之流量控制裝置。
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