JP2015190496A - コントロールバルブおよび制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】全遮蔽状態におけるコンダクタンスを所望の値に予め調整することができ、バルブプレートのスライド移動のみで必要とされるコンダクタンスに素早く調整することができるコントロールバルブの提供。
【解決手段】コントロールバルブ１は、バルブボディ１１と、バルブ開口１１１が全開放状態となる位置と全遮蔽状態となる位置との間でスライド移動するバルブプレート１２と、全遮蔽状態のバルブプレート１２のプレート面に対向配置されるシールリング１４と、シールリング１４が全遮蔽状態のバルブプレート１２に当接してバルブ閉状態となる第１の位置と、シールリング１４と全遮蔽状態のバルブプレート１２との間に所定隙間が形成される第２の位置とにシールリング１４を移動させるシールリング駆動機構１５と、第２の位置を所望の位置に予め設定するためのストッパ１５２と、を備える。
【選択図】図２

Description

真空チャンバと真空ポンプとの間に設けられ、真空チャンバの圧力調整に用いられるコントロールバルブ、および、そのコントロールバルブの制御方法に関する。

ＣＶＤ装置等の真空処理装置では、通常、処理プロセスの段階（例えば、プロセス中やプロセス前後）に応じてチャンバ内圧力が異なる。そのため、このような真空処理装置においては、真空チャンバと真空ポンプとの間にコンダクタンス可変なコントロールバルブを設ける場合が多い。そのようなコントロールバルブの例としては、特許文献１に記載のようなものが知られている。

特許文献１に記載の発明では、バルブプレートを揺動駆動することによりバルブ開口の開度を調整し、コントロールバルブのコンダクタンスを制御している。そして、開度＝０％（バルブ開口がバルブプレートにより全て遮蔽される状態。以下では全遮蔽状態と呼ぶ。）とした後に、バルブプレートをケーシングに密着させてそれらの隙間をゼロとすることによりバルブ全閉としている。この場合、開度＝０％のときのコンダクタンスよりも小さなコンダクタンスが要求される圧力に対しては、揺動駆動だけでは対応することができない。そのような場合には、バルブプレートとケーシングとのギャップを調整する部材を駆動して、より小さなコンダクタンスに調整することが特許文献１には記載されている。

特許第４６３０９９４号公報

しかしながら、上述のようなコンダクタンス調整方法では、バルブプレートを揺動駆動して開度＝０とし、その後、ギャップ調整用部材を駆動して所望の圧力となるようにギャップ調整を行うため、圧力調整に要する時間が長くなってしまうという問題が生じる。

本発明の好ましい実施の形態によるコントロールバルブは、バルブ開口を有するバルブボディと、前記バルブ開口が全開放状態となる位置と前記バルブ開口が全遮蔽状態となる位置との間でスライド移動するバルブプレートと、全遮蔽状態の前記バルブプレートのプレート面に対向配置されるシールリングと、前記シールリングが全遮蔽状態の前記バルブプレートに当接してバルブ閉状態となる第１の位置と、前記シールリングと全遮蔽状態の前記バルブプレートとの間に所定隙間が形成される第２の位置とに前記シールリングを移動させる移動装置と、前記第２の位置を所望の位置に予め設定するための設定部と、を備えることを特徴とする。
さらに好ましい実施形態では、前記移動装置は、前記シールリングを前記バルブプレートに対して離反する方向および当接する方向に移動させるピストンを備え、前記設定部は前記ピストンに当接するストッパを備え、前記ストッパは、前記ピストンと当接することにより前記シールリングを当接位置に応じた前記第２の位置に位置決めするとともに、前記当接位置が変更可能であることを特徴とする。
また、本発明の好ましい実施の形態による制御方法は、前記設定部により前記第２の位置を所望の位置に予め設定し、コントロールバルブを介した気体の流通を禁止する場合には、前記バルブプレートを前記全遮蔽状態にして前記シールリングを前記第１の位置に移動し、コントロールバルブを介して気体を流通させる場合には、前記シールリングを前記設定された第２の位置に移動し、前記バルブプレートを前記全開放状態における位置と前記全遮蔽状態における位置との間で移動し、前記全遮蔽状態においては前記シールリングと前記バルブプレートとの隙間を介して気体を流通させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、全遮蔽状態におけるコンダクタンスを所望の値に予め調整することができ、バルブプレートのスライド移動のみで必要とされるコンダクタンスに素早く調整することができる。

図１は、コントロールバルブ１の平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は、バルブ閉状態におけるシールリング１４を説明する図である。 図４は、開度とコンダクタンスとの関係を示す図である。 図５は、コントロールバルブ１が設けられた真空装置の一例を示す模式図である。 図６は、シールリング駆動機構２５を示す断面図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１，２は、本実施形態におけるコントロールバルブ１の概略構成を示す図である。図１は、コントロールバルブ１の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。

図１，２に示すように、コントロールバルブ１は、シールリング１４を有するバルブボディ１１、バルブプレート１２、揺動駆動機構１３、シールリング駆動機構１５およびコントローラ（シールリング位置設定部）１６を備えている。ケーシングとしてのバルブボディ１１にはフランジ１１０ａ，１１０ｂが設けられ、フランジ１１０ａ，１１０ｂの部分にバルブ開口１１１が形成されている。なお、図１に示す平面図は、図２の真空ポンプ側から観た図である。フランジ１１０ｂに真空装置側の真空チャンバが接続され、図示下側のフランジ１１０ａに真空ポンプが接続される。

バルブボディ１１内には、バルブ開口１１１を開閉するためのバルブプレート１２が揺動可能に設けられている。バルブプレート１２は揺動駆動機構１３（図１）によって揺動駆動される。なお、図示は省略したが、揺動駆動機構１３には、駆動源としてのモータおよび揺動の角度を検出するための検出器（例えば、ロータリーエンコーダ）等が設けられている。揺動駆動機構１３はコントローラ１６によって制御される。

図１において、破線（Ｂ１）はバルブ開口１１１の全体が開放された状態（以下では、全開放状態と呼ぶ）を示し、破線（Ｂ２）は開度＝０％の場合、すなわちバルブ開口１１１の全体がバルブプレート１２によって覆われた状態（以下では、全遮蔽状態と呼ぶ）を示す。ここでの開度とは、比＝（バルブプレートの揺動角）：（全遮蔽状態からバルブ開口１１１が全て解放されるまでの揺動角）をパーセントで表したものである。

コントロールバルブ１をバルブ全開にする場合にはバルブプレート１２は全開放状態とされ、バルブ全閉にする場合にはバルブプレート１２は全遮蔽状態とされる。また、バルブプレート１２を破線（Ｂ２）の位置に配置した状態において、要求最低コンダクタンス状態（真空装置の一連の工程中で最も圧力が高い状態）とされる。

シールリング１４は、図２に示すように、全遮蔽状態のバルブプレート１２の図示上面のプレート面周辺部分に対向するように配置されたリング部材１４０と、リング部材１４０の内周面および外周面とバルブボディ１１とをシールするシール材１４１と、リング部材１４０の下端面とバルブプレート１２とをシールするためのシール材１４２とを備えている。シールリング１４はシールリング駆動機構１５により上下動される。シールリング駆動機構１５としては、モータ駆動により上下動させる機構や、流体の圧力（空圧や油圧等）により上下動させるなど、種々の駆動機構を適用することができる。

図２に示すシールリング駆動機構１５は空圧を利用する構成のもので、ピストン１５１、ストッパ１５２およびバネ（圧縮バネ）１５３を備えている。ピストン１５１は、バルブボディ１１に形成されたシリンダ室１１２内を図示上下方向に移動可能に設けられている。シールリング１４はピストン１５１の軸下端に固定されており、ピストン１５１と一体に上下動する。ピストン１５１の上面にはバネ１５３の下端が当接しており、ピストン１５１はバネ１５３によって下方に付勢されている。ピストン１５１はシリンダ室１１２に納められており、ピストン１５１の下側のシリンダ室１１２内には、流路１１３を介して圧空供給排出部２００から圧空が供給される。圧空供給排出部２００による圧空の供給・排出の制御は、コントローラ１６によって行われる。

シリンダ室１１２のピストン１５１よりも下側の空間に流路１１３を介して圧空を供給すると、バネ１５３の付勢力に逆らってピストン１５１は図示上方に移動し、図２に示すようにピストン１５１の上面がストッパ１５２の軸下端に当接するまで移動する。この状態においては、全遮蔽状態のバルブプレート１２とシールリング１４との間、および、バルブプレート１２とバルブボディ１１との間には、ガス流路として機能する隙間が形成される。その結果、破線矢印で示すようにフランジ１１０ｂ側（真空チャンバ側）からフランジ１１０ａ側（真空ポンプ側）へとガスが流れる。

一方、シリンダ室１１２から圧空が排出されると、バネ１５３の付勢力によりピストン１５１およびシールリング１４は図示下方に移動する。シールリング１４はバルブプレート１２に当接した後もさらに下降し、図３に示すようにバルブプレート１２がシールリング１４とバルブボディ１１の間に挟持された状態となる（全閉状態）。その結果、シールリング１４とバルブプレート上面との間がシール材１４２によりシールされ、バルブプレート下面とバルブボディ１１との間が、バルブプレート１２の下面に設けられたシール材１２０によりシールされる。

本実施形態におけるコントロールバルブ１の開閉動作は次のように行われる。先ず、バルブ全閉からバルブ全開とする場合について説明する。バルブ全閉では、図３に示すように、バルブプレート１２は全遮蔽状態とされ、さらに、バルブプレート１２がシールリング１４とバルブボディ１１とで挟持される状態とされる。次に、シリンダ室１１２に圧空を供給して、図２に示すようにピストン１５１の上面がストッパ１５２に当接するまで、ピストン１５１およびシールリング１４を上方に移動させる。その結果、図２に示すように、バルブプレート１２とバルブボディ１１およびシールリング１４との間にガス流路としての隙間が形成される。コントロールバルブ１において、図２に示す状態が最もコンダクタンスが小さい状態（バルブ全閉を除く）となる。その後、揺動駆動機構１３によりバルブプレート１２を揺動駆動して開度＝１００％とするとバルブ全開となる。

本実施の形態のコントロールバルブ１では、ストッパ１５２の上下方向位置を調整することによって最小コンダクタンスの値を変更することができる。ストッパ１５２はバルブボディ１１に螺合しており、ストッパ１５２のつまみ部１５２ａを回転することで、シリンダ室１１２内におけるストッパ１５２の下端の突出量を調整することができる。突出量が大きいほど最小コンダクタンスの値が小さくなる。

図４（ａ）は、コントロールバルブ１の開度（横軸）とコンダクタンス（縦軸）との関係を示す図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の符号Ｂで示す開度小の領域を拡大して示したものである。破線で示すラインＬ１はストッパ１５２の突出量が最も小さい場合を示し、実線で示すラインＬ２はストッパ１５２を最も突出させた場合を示す。ラインＬ２は、バルブプレート１２とストッパ１５２との間に揺動駆動可能な最低限のギャップが形成されている場合を示す。揺動駆動機構１３によりバルブプレート１２を揺動駆動して、バルブプレート１２をバルブ開口１１１から退避移動させて開度を増加させると、ラインＬ１やラインＬ２のようにコンダクタンスが増加する。

ラインＬ１，Ｌ２のいずれの場合も、開度＝０〜４％ではコンダンスの変化が非常に少なく、ほぼ一定となっている。開度が４％を超えるとコンダクタンスが徐々に増加し、７％を超えるとほぼ一定の割合で上昇している。開度＝０％におけるコンダクタンスは、ラインＬ１ではＣ10、ラインＬ２ではＣ20（＜Ｃ10）となっている。そして、上述したように、ストッパ１５２の位置を調整することによって、開度＝０％におけるコンダクタンス（すなわち、最小コンダクタンス）をＣ10からＣ20の範囲で所望の値に変更することができる。

図５は、コントロールバルブ１が設けられた真空装置の一例を示す模式図である。図５はプラズマＣＶＤ装置を例に示したものであり、チャンバ２０内に設けられた電極２１には、ＲＦ電源２２から高周波電圧が印加される。チャンバ２０内は、コントロールバルブ１を介して接続された真空ポンプ３０によって真空排気される。チャンバ内圧力は真空計ＶＧによって計測される。真空ポンプ３０はポンプ制御部３１により駆動制御される。チャンバ２０には、マスフローコントローラ２３を介してガス源２４からのプロセスガスが導入される。装置制御部３はＣＶＤ装置全体の制御を行うものであり、コントロールバルブ１のコントローラ１６、ポンプ制御部３１、ＲＦ電源２２、マスフローコントローラ２３に制御指令を出力する。装置制御部３には真空計ＶＧからの圧力情報が入力される。図５に示す例では、コントロールバルブ１は装置制御部３によって制御されている。

チャンバ２０内にプロセスガスを導入しつつ電極２１に高周波電圧を印加すると、チャンバ内にプラズマが生成される。成膜を行う際には、チャンバ内にプロセスガスを導入すると共に真空ポンプ３０による排気を行うことで、チャンバ内圧力は所定のプロセス圧力に維持される。このときの圧力調整は、コントロールバルブ１の開度を調整することにより行われる。例えば、被処理基板をチャンバ内に搬送したならば、コントロールバルブ１の開度を大きくして（例えば、最大コンダクタンスを与える開度＝１００％）チャンバ内圧力をバックグラウンド圧力まで真空排気する。そして、プロセス時には、チャンバ内にプロセスガスを導入するとともにコントロールバルブ１の開度を小さくし、チャンバ内圧力が所望のプロセス圧力となるように開度調整（コンダクタンスの調整）を行う。

ここで、コントロールバルブ１のコンダクタンスをＣｖ、チャンバ内圧力をＰｃ、真空ポンプ側の圧力をＰｐ、マスフローコントローラ２３を介したガス導入量をＱとすると、近似的に次式（１）が成り立つ。これを式（２）のように変形すると、コントロールバルブ１のコンダクタンスＣｖを変化させることで、チャンバ内圧力Ｐｃの調整が可能であることがわかる。
Ｑ＝Ｃｖ（Ｐｃ−Ｐｐ） ・・・（１）
Ｐｃ＝（Ｑ／Ｃｖ）Ｐｐ ・・・（２）

ところで、上述したように、半導体処理プロセスにおけるチャンバ内圧力はプロセスに応じて異なっており、一般的にコントロールバルブの開度を調整することにより異なるプロセス圧力に対処している。しかしながら、要求される圧力が高く、対応するコンダクタンスが開度＝０％におけるコンダクタンスよりも小さい場合には、バルブプレートの揺動駆動では対応することができない。すなわち、従来のコントロールバルブでは、全遮蔽状態（図２の状態）におけるコンダクタンスは所定値に固定されており、例えば、ラインＬ１のような関係しか取ることができない。

特許文献１には、そのような場合にバルブプレートとケーシングとのギャップを調整する部材を駆動して、所望の圧力となるようにギャップ調整を行うことが記載されている。しかしながら、ポンプ排気中（すなわちチャンバ内圧力変更時に）に、計測される圧力が所望圧力となるようにギャップ調整を行うのは非常に難しく、調整に非常に長い時間が掛かってしまうという問題がある。

一方、本実施の形態では、ストッパ１５２の位置（突出量）を要求圧力（要求最大圧力）に対応するコンダクタンスを与える位置に予め設定しておくことで対応することができる。チャンバ内圧力変更時には、バルブプレート１２を揺動駆動して全遮蔽状態（開度＝０％）とするだけで良く、チャンバ内圧力を素早く要求圧力にすることが可能となる。

例えば、（バックグラウンド圧力）→（プロセス１＝中間コンダクタンス）→（バックグラウンド圧力）→（プロセス２＝最低要求コンダクタンス）のような使い方をする場合には、揺動駆動により中間コンダクタンスにした後、一旦、全開放状態とし、揺動駆動により開度＝０と制御するだけで良い。なお、要求圧力に対する設定値は、例えば実機を用いて実測する等して予め求めておけば良い。

図２に示すコントロールバルブ１では、空圧により駆動されるピストン１５１によりシールリング１４を図示上下方向に移動させたが、図６に示すようなシールリング駆動機構２５を用いても良い。シールリング駆動機構２５は、モータ２５０、モータ２５０の回転軸に固定されたギヤ２５１、ギヤ２５１と噛み合うギヤ２５３が設けられたネジ棒２５２、およびネジ棒２５２と螺合しているボールスクリュー２５４を備えている。ボールスクリュー２５４はバルブボディ１１に固定されている。また、ネジ棒２５２はシールリング１４のリング部材１４０に対して回転自在に取り付けられている。

モータ２５０はコントローラ１６によって制御される。コントローラ１６は上位コントローラである装置制御部３からの指令に基づいて、バルブ開閉およびバルブプレート１２の開度を制御する。装置制御部３からコントロールバルブ１をバルブ全閉とする指令がコントローラ１６に入力されると、コントローラ１６はモータ２５０を駆動してシールリング１４を図３に示すバルブ全閉の位置まで移動させる。モータ２５０の回転はギヤ２５１，２５３を介してネジ棒２５２に伝達され、ネジ棒２５２が図示下方に移動する。そして、シールリング１４が図３に示す位置まで移動してバルブ全閉になったならば、モータ駆動を停止する。

一方、装置制御部３から所定開度までバルブを開く指示がコントローラ１６に入力されると、まず、モータ２５０を駆動してシールリング１４を図示上端位置（図２に示したシールリング１４の位置と同一位置）をまで移動させる。次いで、コントローラ１６は、揺動駆動機構１３によりバルブプレート１２を所定開度まで揺動駆動する。

図２，３に示したシールリング駆動機構１５おいては、シールリング１４の上端位置はストッパ１５２の位置により設定した。一方、図６に示すシールリング駆動機構２５では、コントローラ１６の操作部に設けられた操作ボタン１６０，１６１を操作することにより、シールリング１４の上端位置を設定する。ここでは、操作ボタン１６０を操作するとシールリング１４の上端位置は第１の位置に設定され、操作ボタン１６１を操作すると上端位置は第２の位置に設定される。すなわち、２種類のプロセス圧力に対応するバルブコンダクタンス（第１及び第２の位置）が設定されている。オペレータは、コントロールバルブ１が装着される真空装置の要求するプロセス圧力に応じて、操作ボタン１６０，１６１のいずれかを操作するだけで良い。ここでは、操作ボタン１６０，１６１を操作してシールリング１４の上端位置を設定したが、装置制御部３からの指令で上端位置を設定しても良い。

以上説明したように、本実施の形態のコントロールバルブ１は、バルブ開口１１１を有するバルブボディ１１と、バルブ開口１１１が全開放状態となる位置(B1)とバルブ開口１１１が全遮蔽状態となる位置(B2)との間でスライド移動するバルブプレート１２と、全遮蔽状態のバルブプレート１２のプレート面（図２の上面側）に対向配置されるシールリング１４と、シールリング１４が全遮蔽状態のバルブプレート１２に当接してバルブ閉状態となる第１の位置と、シールリング１４と全遮蔽状態のバルブプレート１２との間に所定隙間が形成される第２の位置とにシールリング１４を移動させるシールリング駆動機構１５と、第２の位置を所望の位置に予め設定するためのストッパ１５２と、を備える。

このように、ストッパ１５２を用いて第２の位置（例えば、要求最大圧力を可能にするコンダクタンスを与える位置）を予め設定しておくことにより、バルブプレート１２のスライド移動のみで、要求最大圧力を与えるバルブコンダクタンスに素早く設定することができる。

図２に示すシールリング駆動機構１５のように、圧空によりピストン１５１を駆動して、シールリング１４をバルブプレート１２に対して離反する方向および当接する方向に移動させる構成の場合には、ピストン１５１がストッパ１５２に当接することで、シールリング１４が前記第２の位置に位置決めされる。ストッパ１５２のピストン方向への突出量を調整することが可能であり、そのような構成とすることで第２の位置を所望の位置に設定することができる。

他方、図６に示すようにモータ２５０によりシールリング１４を移動させる構成においては、操作ボタン１６０，１６１を操作して、コントローラ１６によりモータ２５０を駆動することで、前記第２の位置を所望の位置に設定することができる。

また、上述したコントロールバルブ１の制御方法としては、図２，３に示す構成では、予め要求される圧力に対応する最小コンダクタンスに応じてストッパ１５２の突出量を設定する。そのように設定した後に、コントロールバルブ１を介した気体の流通を禁止する場合には、バルブプレート１２を全遮蔽状態にしてシールリング１４を図３に示す位置に移動する。一方、コントロールバルブ１を介して気体を流通させる場合には、ピストン１５１がストッパ１５２に当接するまで移動させてシールリング１４を図２に示す位置に移動し、バルブプレート１２を全開放状態における位置と全遮蔽状態における位置との間で移動させる。前記全遮蔽状態においては、シールリング１４とバルブプレート１２との隙間を介して気体が流通することで、要求される圧力を得ることができる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。例えば、上述した実施の形態では、バルブプレート１２を揺動駆動して、バルブプレート１２を全開放位置と全遮蔽位置との間でスライド移動させたが、リニア駆動機構によりバルブプレートを直線的にスライド移動させるようにしても良い。また、ストッパ１５２の突出量を手動で調整する代わりに、モータを用いて駆動しても良い。

１…コントロールバルブ、３…装置制御部、１１…バルブボディ、１２…バルブプレート、１３…揺動駆動機構、１４…シールリング、１５，２５…シールリング駆動機構、１６…コントローラ、１１１…バルブ開口、１５１…ピストン、１５２…ストッパ、１６０，１６１…操作ボタン

Claims (3)

1. バルブ開口を有するバルブボディと、
   前記バルブ開口が全開放状態となる位置と前記バルブ開口が全遮蔽状態となる位置との間でスライド移動するバルブプレートと、
   全遮蔽状態の前記バルブプレートのプレート面に対向配置されるシールリングと、
   前記シールリングが全遮蔽状態の前記バルブプレートに当接してバルブ閉状態となる第１の位置と、前記シールリングと全遮蔽状態の前記バルブプレートとの間に所定隙間が形成される第２の位置とに前記シールリングを移動させる移動装置と、
   前記第２の位置を所望の位置に予め設定するための設定部と、を備えるコントロールバルブ。
2. 請求項１に記載のコントロールバルブにおいて、
   前記移動装置は、前記シールリングを前記バルブプレートに対して離反する方向および当接する方向に移動させるピストンを備え、
   前記設定部は前記ピストンに当接するストッパを備え、
   前記ストッパは、前記ピストンと当接することにより前記シールリングを当接位置に応じた前記第２の位置に位置決めするとともに、前記当接位置が変更可能であるコントロールバルブ。
3. 請求項１または２に記載のコントロールバルブの開閉を制御する制御方法であって、
   前記設定部により前記第２の位置を所望の位置に予め設定し、
   コントロールバルブを介した気体の流通を禁止する場合には、前記バルブプレートを前記全遮蔽状態にして前記シールリングを前記第１の位置に移動し、
   コントロールバルブを介して気体を流通させる場合には、前記シールリングを前記設定された第２の位置に移動し、前記バルブプレートを前記全開放状態における位置と前記全遮蔽状態における位置との間で移動し、前記全遮蔽状態においては前記シールリングと前記バルブプレートとの隙間を介して気体を流通させる、制御方法。

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