TW202340630A - 流量控制閥 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種可抑制微粒向被控制流體之混入、維持被控制流體之高度之清潔度，且可以高速控制微小流量之流量控制閥。其具有閥塊(2)、隔膜(1)、及致動器(3)，藉由隔膜(1)自致動器(3)接收之微小壓力，將流入形成於閥塊(2)之上游側部分(2a)內之一個流路之流體，經由閥塊(2)內側面與隔膜(1)內側面之間隙，自形成於閥塊(2)之下游側部分(2b)內之另一流路排出該流體。隔膜(1)之周緣部與閥塊(2)之上端面熔接而一體化，在該熔接部之隔膜(1)之內周面與閥塊(2)之內周面之間無階差及間隙，隔膜(1)之內周面與閥塊(2)之內周面為同一平面。
Description
本發明係關於一種流量控制閥，特別係關於一種在半導體之製造等中使用之抑制流體中之髒污(污染物)或細微之異物(垃圾)之產生、且可以高速控制微小流量之流量控制閥。
於半導體之製造等中，對於矽晶圓之洗淨用之純水或蝕刻處理用之藥液等之流體要求極高之清潔度。具體而言，半導體製造中之大規模積體化、加工之細微化正在推進，於國際半導體技術路線圖(ITRS)中，規定2015年為32 nm製程。於製程中表示之數字(32 nm)定義為MPU中之最下層之最窄之配線之節距(線寬+線間隔)之一半(半節距)。在如此般規定配線寬時，半導體製造步序內之髒污或細微之垃圾(微粒)向流體之流通路徑之混入，對製品之成品率帶來較大之影響。由於微粒需要設為配線節距之4分之1(2015年之製程之情形下為8 nm)以下，因此在維持流體之清潔度下使其流通之構件具有重要意義。
例如，圖5揭示先前構造之流量控制閥(參照專利文獻1)。該流量控制閥100具備：閥室主體部105，其具有被控制流體之流入部101及流出部102、及在流入部及流出部之間形成閥座部103之閥室104；以及閥機構部108，其具備進退自如地密封閥座部103之閥部106及安裝於閥室104內之隔膜部107。將藉由自空氣埠109流入流出之作動空氣使閥機構部108進退而驅動控制閥座部103之開閉之驅動機構體110收容於閥室主體部105上之殼體主體部111內。驅動機構體110具備：活塞部113，其具有接收自連接於閥機構部108之空氣埠109流入之作動空氣之受壓部112；及彈簧114，其將活塞部113向閥座部103側彈推。圖中，符號115為呼吸孔，116為活塞空間部。
圖5之流量控制閥為閥部離開閥座部而被控制流體流通之狀態。此處，藉由降低來自空氣埠109之作動空氣之供給壓力，而施加於活塞部113之受壓部112之壓力下降。結果，彈簧114之彈推力大於流入之作動空氣之壓力，而活塞部113下降。如是，閥部106經由閥機構部108而落位於閥座部103。
於圖5之流量控制閥100中，包含閥部106及閥座部103之各構件一般而言為PTFE等之氟樹脂製，藉由切削而形成為特定形狀。PTFE之耐藥品性高、且清潔度亦高，而多使用於半導體製造設備。然而，如根據流體控制閥100之構造可知般，在完全停止被控制流體之流通時，閥部106落位於閥座部103。即，雙方會碰觸。在持續長時間使用該流體控制閥之期間，於閥座部及閥部之兩者產生磨耗。在閥之構造上，難以避免產生自磨耗部分剝離之微粒。
然而，如亦於前述之路線圖等中描述般，將較先前之基準更細微之微粒視為問題，且進一步要求其應對。若為先前構造之流量控制閥不變，則不足以應對與新基準對應之微粒之產生抑制。因此，要求應對微粒產生之抑制之新構造之流量控制閥。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第3590572號公報
[發明所欲解決之課題]
本發明係鑒於如此之先前技術所具有之問題點而完成者，其目的在於提供一種可抑制微粒向被控制流體之混入、維持被控制流體之高度之清潔度，且可以高速控制微小流量之流量控制閥。
[解決課題之技術手段]
為了解決上述課題，本發明之流量控制閥之特徵在於：其係構成為具有閥塊、隔膜、及致動器，藉由隔膜自致動器接收之微小壓力，將流入形成於閥塊內之一個流路之流體，經由閥塊內側面與隔膜內側面之間隙自形成於閥塊內之另一流路排出該流體並對流體之流量進行控制者，且將隔膜周緣部與閥塊上端面熔接而一體化，在該熔接部之隔膜內周面與閥塊內周面之間無階差及間隙，隔膜內周面與閥塊內周面為同一平面。
[發明之效果]
本發明之流量控制閥由於在藉由隔膜與閥塊形成之流體之流路中，將隔膜周緣部與閥塊上端面熔接而一體化，在該熔接部之隔膜內周面與閥塊內周面之間無階差及間隙，隔膜內周面與閥塊內周面為同一平面，因此在熔接部位不產生異物，異物不蓄積於熔接部位，亦不會滯留，而可維持被控制流體之高度之清潔度。
以下，基於實施形態就本發明詳細地進行說明。再者，以下說明之實施形態為例示，本發明並不限定於實施形態，在不脫離本發明之技術性範圍之範圍內，可進行各種變更或修正。
於本發明中，可將壓電致動器用作致動器。Piezo壓電效應為久負盛名之現象，係在對某結晶施加機械性壓力時，與壓力成比例地在壓電元件表面產生電荷之現象，但Piezo壓電效果為可逆現象，在壓電致動器中利用該逆壓電效應。亦即，在壓電元件安裝電極，藉由施加電壓而在元件內部產生電場，藉此壓電元件伸長。與壓電元件結晶之分極方向平行地施加之電場在排列成一條直線之電偶極子產生旋轉力，而產生強轉矩。藉此，在結晶中產生長度之變化，而引起結晶體之伸長。壓電元件之長度之變化藉由改變施加電壓，而表現為奈米範圍之極微小之伸長之變化。壓電致動器在各種致動器中具有最快之應答速度，其伸長速度獲得重力加速度之數千倍之加速度。因此，較佳的是將壓電致動器作為本發明之流量控制閥之致動器。
然而，於被測定流體中，亦存在用作工業裝置之洗淨液之腐蝕性藥液。於半導體之製造等中，由於使用於矽晶圓之洗淨之純水或使用於蝕刻處理之藥液為腐蝕性藥液，故較佳的是在半導體之製造裝置中使用之流量控制閥之構成材料由耐腐蝕性藥液之材料構成。
圖1(a)係包含本發明之流量控制閥之一實施形態(常閉型)之縱剖面之概略構成圖，圖1(b)係其俯視圖。1為隔膜、2為閥塊、3為壓電致動器、4為壓電致動器3之輸入輸出端。該輸入輸出端4連接於隔膜1。在藉由自壓電致動器3之輸入輸出端4接收之微小壓力而隔膜1伸縮時，可將流入形成於閥塊2之上游側部分2a內之一個流路(圖1(a)之向右方之箭頭)之流體，自形成於閥塊2之上游側部分2a內之流路(圖1(a)之向右方之箭頭)，經由閥塊2之內側面與隔膜1之內側面之間隙，自形成於閥塊2之下游側部分2b內之流路(圖1(a)之向右方之箭頭)排出該流體。作為用於使本發明之流量控制閥作動之致動器，除了壓電致動器以外，亦可使用電動線性直流馬達、線性同步馬達、線性感應馬達、線性步進馬達、油壓式油壓缸、氣壓式氣壓缸等。總之，只要可基於自控制機器輸出之信號，對作動機器提供直線性之動作者即可。
在將本發明之流量控制閥使用於半導體之製造裝置時，較佳的是構成隔膜1、閥塊2之材料為耐藥品性材料(耐腐蝕性藥液之材料)。作為該耐藥品性材料，較佳的是在耐酸性、耐鹼性及耐有機溶劑性上優異之PFA(全氟烷氧基烷烴)或PTFE(聚四氟乙烯)等氟樹脂。進而，若考量對隔膜1與閥塊2要求之功能，則隔膜1較佳為在耐摩耗性、屈曲特性、耐藥液透過性、熔接性上優異者。因此，隔膜1之材料較佳為改性PTFE或PFA。
作為對於隔膜1之材料而言較佳之改性PTFE，例如，可使用平均粒徑為20 μm、表觀密度為360 g/L、比重為2.15，抗拉強度為48 MPa、伸長率為400%、收縮率為3.8%、熔點為339℃、屈曲壽命為2.7×10
7次(MIT試驗、ASTM D2178)之氟樹脂(大金工業(株)製之「PTFE M-112」)。
於本發明中，極為重要的是：將隔膜1之周緣部與閥塊2之上端面熔接而一體化(參照圖1(a)之以C表示之小圓包圍之部位)，在該熔接部之隔膜1之內周面與閥塊2之內周面之間無階差及間隙，隔膜1之內周面與閥塊2之內周面為同一平面。該熔接部位例如可如下般形成。
(1)隔膜1與閥塊2之形成
作為隔膜1與閥塊2之材料，可使用PTFE、改性PTFE、PFA，但若考量隔膜1之屈曲壽命直接關係到閥之壽命，則作為隔膜1之材料，較佳為在屈曲特性與熔接性上優異之改性PTFE，若考量耐藥液透過性與耐摩耗性，則較佳為PFA。又，可行的是，作為隔膜1之主要之材料使用改性PTFE或PFA之任一者(例如，改性PTFE)，將一部分設為另一材料(例如，PFA)。閥塊2在考量生產性下，可使用PTFE、改性PTFE或PFA之任一材料。又，可行的是，作為閥塊2之主要之材料，使用PTFE、改性PTFE或PFA之任一者(例如，PTFE)，將一部分設為其餘兩種材料之任一者(例如，PFA)。PTFE及改性PTFE藉由切削加工、PFA藉由射出成形及切削加工而可獲得圖1(a)所示之剖面形狀之隔膜1與閥塊2。
(2)被熔接之面之預加工
將圖1(a)中以C表示之熔接部位之被熔接之面、即隔膜1之周緣部與閥塊2之上端面，以算術平均粗糙度Ra為0.2 μm以下、最大高度Ry為0.8 μm以下之方式進行精密切削加工。又，基於熔接位置之精度確保、熔接強度之確保之兩個方面，將供熔接隔膜1與閥塊2之部位之形狀設為如圖2所示之形狀。亦即，於如圖2中以虛線所示般，藉由預先將隔膜1與閥塊2預加工成如彼此進入對方構件之形狀，可不產生階差或間隙地將該等構件進行熔接。於本發明中，無需為了熔接隔膜1與閥塊2而使用接著劑或接合構件，而可如下文所說明般進行熔接。因此，於熔接部位不會溶出雜質。
(3)隔膜1與閥塊2之熔接
關於對如上述般獲得之隔膜1與閥塊2進行熔接，有插入大氣環境之加熱爐進行熔接之方法(前者加熱方法)、或僅局部加熱隔膜1之周緣部與閥塊2之上端面進行熔接之方法(後者加熱方法)。於前者加熱方法中，依存於材料之大小而適當變更，在超過材料之融點之溫度下，壓力為最大30 MPa左右、加熱時間為最大200分鐘左右。於後者加熱方法中，依存於材料之大小而適當變更，在超過材料之融點之溫度下，壓力為1.0 MPa左右、加熱時間為10分鐘左右。圖3顯示加熱爐之溫度與壓力之模式之一例。於圖3中，實線表示爐內溫度，虛線表示爐內壓力。在加熱爐中在將隔膜1之周緣部與閥塊2之上端面藉由加熱而熔接後，實施精密切削加工。由於在如此般獲得之隔膜1之內周面與閥塊2之內周面之間無階差及間隙，且隔膜1之內周面與閥塊2之內周面為同一平面，因此在熔接部位不產生異物，異物不蓄積於熔接部位，亦不會滯留。
接著，就本發明之流量控制閥之動作進行說明。
(1)初始清洗
在開始流量控制之前，使純水流過包含圖1(a)所示之流路之全流路而進行洗淨。
(2)流量控制
圖1(a)表示常閉型之情形下之流量控制。將圖1(a)所示之壓電致動器3與未圖示之電極連接，藉由對上述電極施加電壓而使壓電致動器3內部產生電場，藉此將壓電致動器3之輸入輸出端4向壓電致動器3略微拉入，經由輸入輸出端4在隔膜1與閥塊2內部之突起部2c及閥塊2之下游側部分2b之間產生微小間隙，而流體自閥塊2之上游側部分2a向閥塊2之下游側部分2b流動。亦即，於顯示常閉型之情形之圖1(a)中，藉由將輸入輸出端4向壓電致動器3略微拉入，而在隔膜1與閥塊2內部之突起部2c及閥塊2之下游側部分2b之間產生微小間隙。再者，因於壓電致動器3內插入有用於欲使輸入輸出端4自壓電致動器3向外方伸長之彈簧，故為了將輸入輸出端4向壓電致動器3拉入，而需要克服該彈簧力。因此，藉由增減在壓電致動器3內部產生之電場強度，而可調整在微小間隙中流動之流體流量。若在壓電致動器3內部產生之電場強度小於上述彈簧力，則輸入輸出端4欲返回原來之位置，故在隔膜1與閥塊2內部之突起部2c及閥塊2之下游側部分2b之間不形成微小間隙，而流體之流路被關閉，因此流體不自閥塊2之上游側部分2a向閥塊2之下游側部分2b流動。
常開型之場合之流量控制可如下述般進行。常開型之情形下，於圖1(a)中，在隔膜1與閥塊2內部之突起部2c及閥塊2之下游側部分2b之間具有微小間隙。因此，將圖1(a)所示之壓電致動器3與未圖示之電極連接，藉由對上述電極施加電壓而使壓電致動器3內部產生電場，藉此壓電致動器3之輸入輸出端4伸長，經由輸入輸出端4在隔膜1與閥塊2內部之突起部2c及閥塊2之下游側部分2b之間之微小間隙關閉(如圖1(a)所示般)，而流體不自閥塊2之上游側部分2a向閥塊2之下游側部分2b流動。再者，因於壓電致動器3內插入有用於欲將輸入輸出端4向壓電致動器3拉回之彈簧，故輸入輸出端4為了伸長而需要克服該彈簧力。因此，若在壓電致動器3內部產生之電場強度不小於該彈簧力，則輸入輸出端4欲返回原來之位置，故在隔膜1與閥塊2內部之突起部2c及閥塊2之下游側部分2b之間產生微小間隙，而流體自閥塊2之上游側部分2a向閥塊2之下游側部分2b流動。因此，藉由增減在壓電致動器3內部產生之電場強度，而可調整在微小間隙中流動之流體流量。
在閥塊2之上游側部分2a之上游之流路與下游側部分2b之下游之流路中，配置用於感知流體之流量、壓力及溫度之流量感測器、壓力感測器及溫度感測器，來自各感測器之信號向未圖示之電極回饋。在壓電致動器3內部產生之電場強度根據自該流量感測器、壓力感測器及溫度感測器回饋之信號而不同。
(3)前饋控制
於本發明之流量控制閥中，可執行前饋控制。亦即，在因隔膜1與閥塊2內部之突起部2c及閥塊2之下游側部分2b之微小間隙之開口部面積大於預設之基準值，而使得在自閥塊2之上游側部分2a向閥塊2之下游側部分2b流動之流體之流量較特定之目標值增加時，會進行前饋控制之判定。亦即，在配置於閥塊2之下游側部分2b之下游之流路之流量感測器感知到之流量大於目標值時，基於該目標值與實際流量之偏差而算出流量之變化幅度，基於該變化幅度來設定流量。於前饋控制中，控制後之流量設為低於當前之流量。
(4)定序控制
於本發明之流量控制閥中，亦可執行定序控制。亦即，於具備如下之部分之定序控制裝置中：段落0024中記載之流量感測器、壓力感測器及溫度感測器；壓電致動器3；設備控制定序，其根據來自前述感測器之動作狀態，依控制邏輯對前述壓電致動器3輸出控制指令；及定序控制機構，其週期性地輸出啟動信號；前述設備控制定序被分割成與時間幅度及流量控制閥之開度相關之複數個控制步驟，且利用於控制步驟單位組合執行暫存器與控制動作之輸出部之程式來構成前述控制邏輯，並且，為了依照控制動作條件來控制前述控制步驟之進度，並決定與執行步驟對應之執行暫存器，而設置藉由流程記述之程式構成之進度管理機構，藉此可執行定序控制。
[產業上之可利用性]
如以上所說明般，本發明之流量控制閥在需要進行流量控制之各個工業領域內為有用，特別係在使用於半導體之製造裝置的流體之流量控制上有用。
1:隔膜
2:閥塊
2a:閥塊之上游側部分
2b:閥塊之下游側部分
2c:突起部
3:壓電致動器
4:壓電致動器之輸入輸出端
100:流量控制閥
101:流入部
102:流出部
103:閥座部
104:閥室
105:閥室主體部
106:閥部
107:隔膜部
108:閥機構部
109:空氣埠
110:驅動機構體
111:殼體主體部
112:受壓部
113:活塞部
114:彈簧
115:呼吸孔
116:活塞空間部
圖1(a)係包含本發明之流量控制閥之一實施形態(常閉型)之縱剖面之概略構成圖，圖1(b)係其俯視圖。
圖2係顯示隔膜與閥塊之熔接部位之形狀之一實施形態之圖。
圖3係示意性地顯示在將隔膜與閥塊熔接時之溫度模式與壓力模式之一實施形態之圖。
圖4係顯示本發明之流量控制閥之控制方式之一實施形態之概略方塊圖。
圖5係顯示專利文獻1記載之止回閥之打開狀態之縱剖面圖。
1:隔膜
2:閥塊
2a:閥塊之上游側部分
2b:閥塊之下游側部分
2c:突起部
3:壓電致動器
4:壓電致動器之輸入輸出端
Claims (3)
- 一種流量控制閥，其特徵在於：其係構成為包含閥塊、隔膜、及致動器，藉由隔膜自致動器接收之微小壓力，將流入形成於閥塊內之一個流路之流體，經由閥塊內側面與隔膜內側面之間隙，自形成於閥塊內之另一流路排出該流體並對流體之流量進行控制者，且將隔膜周緣部與閥塊上端面熔接而一體化，在該熔接部之隔膜內周面與閥塊內周面之間無階差及間隙，隔膜內周面與閥塊內周面為同一平面。
- 如請求項1之流量控制閥，其中閥塊包含PTFE、改性PTFE或PFA，隔膜包含改性PTFE或PFA。
- 如請求項1或2之流量控制閥，其中致動器為壓電致動器。
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