JP4985973B2

JP4985973B2 - 密封構造

Info

Publication number: JP4985973B2
Application number: JP2007319476A
Authority: JP
Inventors: 善行石垣
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: JP2009144735A

Description

本発明は、対向する二部材間に介在されてその隙間を密封する構造であって、例えば真空チャンバ等、減圧空間の密封に適した密封構造に関する。

図６は、半導体ウエハや液晶表示装置等の製造において、ドライエッチングやスパッタリング等の工程で使用される真空チャンバを概略的に示す断面図、図７は、従来技術による密封構造として、図６の一部を拡大して示す断面図、図８は、図７に示される従来の密封構造における問題点を説明するための図である。

図６に示される真空チャンバは、排気ポート１０１ａを有するチャンバ本体１０１と、その側壁上端に開閉可能に設けられる蓋体１０２とからなり、チャンバ本体１０１と蓋体１０２の対向端部間は、シールリング１０３によって密封され、排気ポート１０１ａからの強制排気によって、内部空間Ｓが真空状態に維持されるものである。参照符号ＷＫは、この真空チャンバの内部空間Ｓに収容された加工処理対象のワーク（半導体ウエハあるいは液晶パネルの基板等）を示している。

図７に示される例では、シールリング１０３はゴム状弾性材料からなるＯリングであって、チャンバ本体１０１の側壁１０１ｂの上端に周設されたシール装着溝１０１ｃに嵌め込まれ、このシール装着溝１０１ｃから突出した部分が、蓋体１０２に密接される。そして真空チャンバの内部空間Ｓを真空にすることによって、図６に示されるように、大気の圧力Ｐがチャンバ本体１０１及び蓋体１０２に対してシールリング１０３を圧縮するように作用し、内部空間Ｓを真空状態に確保するのに必要な密封性を得る。また、シール装着溝１０１ｃは、蓋体１０２の開閉に伴うシールリング１０３の脱落を防止するため、溝肩側の溝幅がシールリング１０３の断面径より狭く、溝底側の溝幅が相対的に広くなるように傾斜した一対の内側勾配面を有する蟻溝状に形成されている。

しかしながら、図７に示されるような密封構造では、シール装着溝１０１ｃが蟻溝状に形成されていることから、シールリング１０３の装着作業が困難で、しかもシール装着溝１０１ｃへ強引に押し込むことでシールリング１０３が捩れた状態で装着され、密封性能が低下する懸念があった。

そして、半導体デバイスや液晶表示装置の製造では、プラズマエッチングやスパッタリング等、真空チャンバで半導体ウエハや液晶パネルの基板の表面をプラズマによって処理する工程があり、図８の（Ａ）に示されるように、真空チャンバ内のプラズマＰＺがシールリング１０３に入射されることによってシールリング１０３のゴム状弾性材料がダメージを受けるおそれがあった。そしてこの場合は、シールリング１０３の密封性能が失墜するばかりでなく、パーティクルが発生して製品に悪影響を及ぼすおそれがあった。

また、近年は液晶テレビ用モニタ等、液晶表示装置のサイズ拡大に伴って、これを製造する装置における真空チャンバのサイズも拡大しており、チャンバ本体１０１と蓋体１０２の間でシールリング１０３が受ける圧縮荷重も増大する傾向にある。そしてこの圧縮荷重に対する十分な反力を得るためには、シール装着溝１０１ｃにおけるシールリング１０３の充填率を大きくすることが有効であるが、この場合、図８（Ｂ）に示されるように、圧縮を受けるシールリング１０３の一部１０３ａがシール装着溝１０１ｃの溝肩から膨れて真空側（内部空間Ｓ側）へはみ出し、この溝肩と蓋体１０２との間に噛み込まれて破損し、これによってパーティクルを発生するおそれがあった。

また、シール装着溝１０１ｃにおけるシールリング１０３の充填率がそれほど大きくない場合は、ゴム状弾性材料の永久圧縮歪によって、チャンバ本体１０１の側壁と蓋体１０２との隙間が経時的に減少し、図８（Ｃ）に示されるようにメタルタッチを起こし、メタルタッチの繰り返しによって金属のパーティクルを発生するおそれがあった。

一方、この種の密封構造としては、下記の特許文献のような技術が開示されている。これらは、いずれもゴム状弾性材料からなるシールリング（第一のシール部材）と、合成樹脂からなるスペーサ（第二のシール部材）を蟻溝状のシール装着溝に保持した構成を備えるものである。
特開２００５−１６４０２７号公報特開２００６−１５３１６９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された密封構造では、大きな圧縮荷重によって合成樹脂からなる第二のシール部材が圧縮変形を受けた場合は、この第二のシール部材も、ゴム状弾性材料からなる第一のシール部材と共にシール装着溝に押し込まれるため、メタルタッチを防止できない。しかもシール部材の断面形状が異形のため、過って逆に取り付けられた場合は、所要の密封性を確保することができない。更には、第一のシール部材と第二のシール部材が完全に密接しているので、圧縮を受けた際にシール部材の逃げ場が少なく、過圧縮となって反力が大きくなり過ぎるといった問題もある。

また、特許文献２に開示された密封構造では、合成樹脂からなるスペーサがゴム状弾性材料からなるシールリングの大気側に装着されているため、図８（Ａ）のようなプラズマＰＺによるシールリングの損傷や、図８（Ｂ）のようなシールリングの真空側へのはみ出しを防止することができなかった。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、密封対象空間内のプラズマや腐食性の流体によるシールリングの損傷や、過圧縮によるシールリングの破損あるいはシールリングの両側の接触による発塵といった問題を解消し得る密封構造を提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る密封構造は、互いに対向する二部材のうち一方に形成された蟻溝状のシール装着溝と、側面膨出部がこのシール装着溝内に保持されると共にシール装着溝から突出した頭部が前記二部材のうち他方と密接可能なゴム状弾性材料からなるシールリングと、前記シール装着溝に前記シールリングの密封対象空間側に位置して保持され前記シールリングより剛性の大きい材料からなるスペーサとを備え、前記スペーサが、前記シール装着溝の密封対象空間側の溝肩上に支持される鍔部と、前記シール装着溝の密封対象空間側の内側面に嵌合されると共に前記シールリングの側面膨出部を反密封対象空間側の内側面へ押し付ける溝内挿入部と、前記鍔部と溝内挿入部の間の肩部からなり、前記鍔部の肉厚が、非圧縮時における前記シールリングの前記シール装着溝からの突出高さよりも小さく、スペーサの溝内挿入部におけるシールリング側を向いた内側面が肩部側ほど大きくシール装着溝内へ張り出すように傾斜していることを特徴とするものである。

上記構成において、互いに対向する二部材のうち一方に形成されたシール装着溝に保持されたシールリングは、他方の部材との間で圧縮されることにより密封機能を発揮する。そして、シール装着溝に保持されたスペーサは、溝内挿入部がシールリングの側面膨出部をシール装着溝の反密封対象空間側の内側面に押し付けることによってこのシールリングを蟻溝状のシール装着溝に係止する機能と、前記二部材に作用する荷重によるシールリングの圧縮を、前記シール装着溝の密封対象空間側の溝肩上に支持されて他方の部材との間に介在される鍔部によって制限する機能、言い換えれば前記荷重による二部材間の隙間の減少を制限する機能と、密封対象空間側へのシールリングのはみ出しや、密封対象空間側のプラズマや腐食性の流体のシールリングへの入射を、鍔部によって遮断する機能を有する。また、スペーサの溝内挿入部におけるシールリング側を向いた内側面が肩部側ほど大きくシール装着溝内へ張り出しているので、スペーサの肩部とこれに対向する溝肩によって、シールリングをシール装着溝に確実に係止することができる。

請求項２の発明に係る密封構造は、請求項１に記載の構成において、シール装着溝の溝肩間の幅がシールリングの側面膨出部間の幅より大きく、前記シール装着溝に保持されたスペーサの肩部とこれに対向する溝肩の間の幅が前記側面膨出部間の幅より小さいものとする。このように構成すれば、蟻溝状のシール装着溝における最小幅部である溝肩間の幅がシールリングの最大幅部である側面膨出部間の幅より大きいため、シールリングをスペーサに先行してシール装着溝へ容易に挿入し、その後スペーサの溝内挿入部をシール装着溝へ挿入し嵌合することで、スペーサの肩部とこれに対向する溝肩によってシールリングをシール装着溝に係止することができる。

請求項３の発明に係る密封構造は、請求項１又は２に記載の構成において、シール装着溝とスペーサの溝内挿入部との嵌合面が、二部材の互いの対向面に対して略垂直に立ち上がっている。このように構成すれば、シールリングをスペーサに先行してシール装着溝へ挿入した後で、スペーサの溝内挿入部をシール装着溝へ容易に装着することができる。

請求項４の発明に係る密封構造は、請求項１〜３のいずれかに記載の構成において、シール装着溝の密封対象空間側の溝肩が、反密封対象空間側の溝肩よりも低く、スペーサの鍔部の肉厚が、前記両溝肩の高さの差よりも大きい。このように構成すれば、シールリングへの圧縮荷重による二部材間の隙間の減少を制限したうえで、シールリングのつぶし代を大きくすることができる。

請求項５の発明に係る密封構造は、請求項１〜４のいずれかに記載の構成において、スペーサがＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなることを特徴とするものである。ＰＴＦＥは耐プラズマ性、耐腐食性及び耐摩耗性に優れているので、スペーサからの発塵も有効に抑えられる。

本発明に係る密封構造によれば、シールリングがスペーサによってシール装着溝に係止されるので、シール装着溝へのシールリングの装着が容易になり、シールリングの圧縮がスペーサの鍔部によって確実に制限されるので、過圧縮によるシールリングの破損あるいはシールリングの両側の接触による発塵を防止することができ、密封対象空間側へのシールリングのはみ出しや、密封対象空間側のプラズマや腐食性の流体によるシールリングの損傷を防止することができる。

以下、本発明に係る密封構造の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る密封構造を真空チャンバの開閉部に適用した第一の形態を、前記真空チャンバと共に概略的に示す断面図、図２は、第一の形態による密封構造を示す開放状態の断面図、図３は、同じく第一の形態による密封構造を示す密封状態の断面図である。

まず図１に示される真空チャンバは、半導体部品や液晶表示装置等の製造において、プラズマエッチングやスパッタリング等の工程で使用されるものであり、排気ポート１ａを有するチャンバ本体１と、その上端開放部に開閉可能に設けられる蓋体２とからなる。なお、チャンバ本体１及び蓋体２は、請求項１に記載された互いに対向する二部材に相当する。

チャンバ本体１と蓋体２の対向端部間は、シールリング３によって密封され、排気ポート１ａからの強制排気によって、内部空間Ｓが真空状態に維持されるようになっている。参照符号ＷＫは、内部空間Ｓに収容された加工処理対象のワーク（半導体ウエハあるいは液晶パネルの基板等）を示している。なお、内部空間Ｓは請求項１に記載された密封対象空間に相当する。

シールリング３は、図２に示されるように、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに沿って無端状に形成されたシール装着溝１２に、スペーサ４と共に保持される。

詳しくは、シール装着溝１２は蟻溝状の断面形状に形成されていて、すなわち平面状の溝底１２１と、その両側から互いの対向方向へ倒れ込むように傾斜した内側面１２２，１２３とを有する。したがってこのシール装着溝１２は、溝底１２１側の溝幅ｗ_１が相対的に広く、溝肩１２４，１２５間の溝幅ｗ_２が相対的に狭くなっている。

シールリング３はゴム状弾性材料で成形されたものであって、例えば断面形状が円形のＯリングからなり、その断面の中心が溝肩１２４，１２５より溝内に位置するように、シール装着溝１２に半挿入状態で嵌め込まれている。すなわち、シールリング３の円形断面における左右両側の側面膨出部３ａ，３ｂはシール装着溝１２内に保持され、前記円形断面における下部３ｃはシール装着溝１２の溝底１２１に密接され、前記円形断面における頭部３ｄはシール装着溝１２の外部へ突出している。

スペーサ４は、シールリング３のゴム状弾性材料よりも剛性が大きくかつ耐プラズマ性、耐腐食性及び耐摩耗性に優れた材料、例えばＰＴＦＥからなるものであって、シール装着溝１２に、シールリング３の内側（内部空間Ｓ側）に位置して保持されている。

詳しくは、このスペーサ４は、シール装着溝１２における内部空間Ｓ側の溝肩１２４上に支持される平板状の鍔部４１と、前記シール装着溝１２における内部空間Ｓ側の内側面１２２に嵌合されると共にシールリング３に接触してその側面膨出部３ｂを内部空間Ｓと反対側（請求項１に記載の反密封対象空間側に相当）の溝肩１２５又は内側面１２３へ押し付ける溝内挿入部４２と、前記鍔部４１と溝内挿入部４２の間の肩部４３からなる。そしてこのうち、溝内挿入部４２は、シール装着溝１２における内部空間Ｓ側の内側面１２２と対応して傾斜した形状となっており、シールリング３側を向いた内側面４２ａが肩部４３側ほど大きくシール装着溝１２内へ張り出すように傾斜している。また、鍔部４１の肉厚ｔは、非圧縮時におけるシールリング３の頭部３ｄの、シール装着溝１２からの突出高さｈ_１よりも小さいものとなっている。

また、シール装着溝１２における溝肩１２４，１２５間の溝幅ｗ_２は、シールリング３の側面膨出部３ａ，３ｂ間の幅（断面径）ｗ_３より大きく、シール装着溝１２に保持されたスペーサ４の肩部４３とこれに対向する溝肩１２５の間の幅ｗ_４は、前記側面膨出部３ａ，３ｂ間の幅（断面径）ｗ_３より小さいものとなっている。

以上の構成において、図１に示されるように、チャンバ本体１の側壁１１の上端開放部を蓋体２で閉塞した状態で、排気ポート１ａから強制排気することによって、内部空間Ｓを真空にすると、大気の圧力が、チャンバ本体１及び蓋体２を互いに接近させるように作用する。このため、図３に示されるように、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに形成されたシール装着溝１２の溝底１２１と、蓋体２の下面２ａとの間でシールリング３が圧縮され、その圧縮反力によって、内部空間Ｓを真空状態に維持するのに必要な密封性が確保される。

このとき、シールリング３の長期使用による永久圧縮歪（ヘタリ）や、大気の圧力によるチャンバ本体１と蓋体２からの圧縮荷重によって、図３に示される状態から更にシールリング３の圧縮を伴いながら、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに対して蓋体２が接近して行くと、蓋体２の下面２ａがスペーサ４の鍔部４１に当接して支持される。そしてこのスペーサ４は、シールリング３に比較して十分に剛性が大きいＰＴＦＥからなるため、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａと蓋体２の下面２ａとの隙間Ｇが図２に示されるスペーサ４の鍔部４１の肉厚ｔよりも小さくなることはなく、このため、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａと蓋体２の下面２ａのメタルタッチによる金属パーティクルの発生が防止され、金属パーティクルによるワークＷＫ（図１参照）への悪影響を有効に防止することができる。また、シールリング３の圧縮率がスペーサ４によって適切な範囲に制限されると共に、内部空間Ｓを真空状態に維持するのに必要なシールリング３のつぶし代Ｑが確保される。

また、半導体ウエハや液晶パネルの基板の表面を処理するプラズマエッチングやスパッタリング等の工程で使用されるプラズマ化された処理ガスが内部空間Ｓに生成されても、耐プラズマ性に優れたＰＴＦＥからなるスペーサ４の鍔部４１が、シールリング３より内部空間Ｓ側で、溝肩１２４の上面（上端面１１ａ）と蓋体２の下面２ａとの間に介在しているため、内部空間Ｓからシールリング３へのプラズマの入射が有効に遮断される。したがって、プラズマによりシールリング３が損傷して密封性能が失墜するのを防止できると共に、プラズマによりシールリング３からパーティクルを発生してワークＷＫ（図１参照）へ悪影響を及ぼすのを有効に防止することができる。

しかも、チャンバの内部空間Ｓを真空にすることによるシール装着溝１２から内部空間Ｓ側へのシールリング３のはみ出しが、シールリング３より内部空間Ｓ側で、溝肩１２４の上面と蓋体２の下面２ａとの間に介在する鍔部４１によって阻止されるので、シールリング３のはみ出しによる破損が有効に防止される。

ここで、図３に示される密封状態において、シールリング３がゴム状弾性材料の粘着性によって、蓋体２の下面２ａと粘着すると、チャンバの内部空間Ｓの真空状態を解除して蓋体２をチャンバ本体１から開放動作させる際に、この蓋体２の動作に追随してシールリング３がシール装着溝１２から抜け出そうとする。しかしながら図２に示されるように、シール装着溝１２に保持されたスペーサ４の肩部４３とこれに対向する溝肩１２５の間の幅ｗ_４は、シールリング３の側面膨出部３ａ，３ｂ間の幅（断面径）ｗ_３より小さく、スペーサ４は、その溝内挿入部４２がシール装着溝１２における内部空間Ｓ側の内側面１２２に互いに対応する傾斜面同士で嵌着されていて、シールリング３の側面膨出部３ａ，３ｂが前記溝内挿入部４２の傾斜した内側面４２ａ及びシール装着溝１２の傾斜した内側面１２３に押し付けられることにより係止されるので、シール装着溝１２からの飛び出しが有効に防止される。

そして、シール装着溝１２における最小幅部である溝肩１２４，１２５間の幅ｗ_２がシールリング３の最大幅部である側面膨出部３ａ，３ｂ間の幅（断面径）ｗ_３より大きいため、シールリング３の装着に際しては、スペーサ４に先行してシール装着溝１２へ挿入することで、強制的に押し込むことなく容易に装着でき、このため捩れた状態で装着されるようなこともない。そしてシールリング３の挿入後にスペーサ４の溝内挿入部４２をシール装着溝１２に挿入して嵌着することで、このスペーサ４の肩部４３とシール装着溝１２の溝肩１２５によってシールリング３がシール装着溝１２にしっかり係止される。

次に、図４は、本発明の第二の形態による密封構造を示す開放状態の断面図である。

この第二の形態において上述した第一の形態と異なるところは、シール装着溝１２における内部空間Ｓ側の溝肩１２４の高さｈ_２が内部空間Ｓと反対側の溝肩１２５の高さｈ_３よりも低く、スペーサ４の鍔部４１の肉厚ｔが、前記両溝肩１２４，１２５の高さｈ_２，ｈ_３の差Δｈよりも大きいことにある。また、鍔部４１の肉厚ｔが、非圧縮時におけるシールリング３の頭部３ｄの、内部空間Ｓ側の溝肩１２４からの突出高さｈ_１’よりも小さく設定される。その他の構成は、基本的に第一の形態と同様である。

したがってこの第二の形態によれば、第一の形態と同様の作用・効果が得られるほか、スペーサ４の鍔部４１の肉厚ｔを例えば先に説明した図２に示されるスペーサ４の鍔部４１と同じとした場合、シールリング３のつぶし代Ｑを、図２のものに比較してΔｈだけ大きくすることができる。

次に、図５は、本発明の第三の形態による密封構造を示す開放状態の断面図である。

この第三の形態において上述した第一の形態と異なるところは、シール装着溝１２とスペーサ４の溝内挿入部４２との嵌合面が、図１に示されるチャンバ本体１と蓋体２の互いの対向面、言い換えれば図５に示されるチャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに対して、略垂直に立ち上がっていることにある。その他の構成は、基本的に第一の形態と同様である。

すなわちこの形態において、シール装着溝１２は、内部空間Ｓと反対側の内側面１２３が、溝肩１２５側で溝幅を狭めるように倒れ込んだ傾斜面をなしている一方、内部空間Ｓ側の内側面１２２が、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａ及び溝底１２１に対して垂直に立ち上がっている。

またスペーサ４の溝内挿入部４２は、その外側面４２ｂが、シール装着溝１２における内部空間Ｓ側の内側面１２２と密接可能な形状、すなわち鍔部４１に対して略垂直に立ち上がっており、シールリング３側を向いた内側面４２ａが、シール装着溝１２における内部空間Ｓと反対側の内側面１２３と略対称の傾斜面をなし、すなわち肩部４３側ほど大きくシール装着溝１２内へ張り出すように傾斜している。このため、溝内挿入部４２は、肩部４３側ほど肉厚が増大する形状となっている。

したがってこの第三の形態によれば、第一の形態と同様の作用・効果が得られるほか、装着に際して、シールリング３を先行してシール装着溝１２へ挿入した後で、スペーサ４の溝内挿入部４２をシール装着溝１２へ容易に挿入して装着することができる。しかもシール装着溝１２は、一方の内側面１２３のみが傾斜した形状であるため、両面を傾斜面とする場合に比較して溝加工のコストを低減することができる。

なお、上述の各形態では、シール装着溝１２をチャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに形成しているが、本発明は、シール装着溝１２を蓋体２の下面２ａに形成した場合でも、同様に実施可能である。

本発明に係る密封構造の第一の形態を、真空チャンバと共に概略的に示す断面図である。本発明に係る第一の形態による密封構造を示す開放状態の断面図である。本発明に係る第一の形態による密封構造を示す密封状態の断面図である。本発明に係る第二の形態による密封構造を示す開放状態の断面図である。本発明に係る第三の形態による密封構造を示す開放状態の断面図である。半導体や液晶の製造等において用いられる真空チャンバを概略的に示す断面図である。従来技術による密封構造として、図６の一部を拡大して示す断面図である。図７に示される従来の密封構造における問題点を説明するための図である。

符号の説明

１チャンバ本体
１１側壁
１２シール装着溝
１２１溝底
１２２，１２３内側面
１２４，１２５溝肩
２蓋体
３シールリング
３ａ，３ｂ側面膨出部
３ｃ下部
３ｄ頭部
４スペーサ
４１鍔部
４２溝内挿入部
４２ａ内側面
４３肩部
Ｓ内部空間（密封対象空間）

Claims

互いに対向する二部材のうち一方に形成された蟻溝状のシール装着溝と、側面膨出部がこのシール装着溝内に保持されると共にシール装着溝から突出した頭部が前記二部材のうち他方と密接可能なゴム状弾性材料からなるシールリングと、前記シール装着溝に前記シールリングの密封対象空間側に位置して保持され前記シールリングより剛性の大きい材料からなるスペーサとを備え、前記スペーサが、前記シール装着溝の密封対象空間側の溝肩上に支持される鍔部と、前記シール装着溝の密封対象空間側の内側面に嵌合されると共に前記シールリングの側面膨出部を反密封対象空間側の内側面へ押し付ける溝内挿入部と、前記鍔部と溝内挿入部の間の肩部からなり、前記鍔部の肉厚が、非圧縮時における前記シールリングの前記シール装着溝からの突出高さよりも小さく、スペーサの溝内挿入部におけるシールリング側を向いた内側面が肩部側ほど大きくシール装着溝内へ張り出すように傾斜していることを特徴とする密封構造。
シール装着溝の溝肩間の幅がシールリングの側面膨出部間の幅より大きく、前記シール装着溝に保持されたスペーサの肩部とこれに対向する溝肩の間の幅が前記側面膨出部間の幅より小さいことを特徴とする請求項１に記載の密封構造。
シール装着溝とスペーサの溝内挿入部との嵌合面が、二部材の互いの対向面に対して略垂直に立ち上がっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の密封構造。
シール装着溝の密封対象空間側の溝肩が、反密封対象空間側の溝肩よりも低く、スペーサの鍔部の肉厚が、前記両溝肩の高さの差よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の密封構造。
スペーサがＰＴＦＥからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の密封構造。