JP7207761B2 - バルブ装置および流体制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、バルブ装置およびこのバルブ装置を含む流体機器が集積化された流体制御装置に関する。

例えば、半導体製造装置等のチャンバへ各種のプロセスガスを供給するために使用される流体制御装置としては、下記の引用文献１等に開示されたものが知られている。

特開２０１５－１７５５０２号公報

上記のような流体制御装置の分野においては、ガスの供給制御の高い応答性が求められており、このため流体制御装置をできるだけ小型化、集積化して、流体の供給先であるチャンバ等のより近くに設置することが求められている。チャンバ等の近くでは配置スペースに限りがあることから、流体制御装置に用いるバルブ装置は、ブロック状のバルブボディの寸法や、バルブボディ上に設置される弁体を作動させるアクチュエータを内蔵するケーシングの外径を、より縮小することが望まれている。

一方で、半導体ウエハの大口径化等の処理対象物の大型化が進んでおり、これに合わせて流体制御装置からチャンバ内へ供給する流体の供給流量も増加あるいは維持させる必要がある。流量を確保するためには、バルブを開閉する際のダイヤフラム等の弁体のリフト量を確保する等の理由から、アクチュエータは弁体の作動方向に長くなる。そのため、バルブ装置はバルブボディの大きさと比較してアクチュエータを内蔵するケーシングの高さが高い、細長い外観となる。

このような細長い構造のバルブ装置においては、例えば近くで作業するオペレータの接触等の衝撃に対して十分な強度を確保することが難しくなる。しかしながら、流体を制御するバルブ装置においては、接触や地震等の物理的な衝撃を受けた場合においても、衝撃が弁体に伝わって弁の開閉に影響を及ぼさない構造が必要とされる。

本開示は、上述の事情に鑑みてされたものであり、小型化を実現しつつ物理的衝撃に対する弁体への影響をより低減させたバルブ装置及び流体制御装置を提供することを目的とする。

本開示のバルブ装置は、バルブボディ内に形成された流路に接続する開口部の周囲に配置されるバルブシートと、前記バルブシートに対して接触位置及び非接触位置の間で移動することにより前記流路の開閉を行うダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの周縁部に接触する押えアダプタと、前記ダイヤフラムを作動させるアクチュエータを内蔵し、前記バルブボディに形成されたネジ穴に螺合して前記バルブボディ上に固定されるケーシングと、
前記ネジ穴に螺合して前記押えアダプタ及び前記ダイヤフラムを押圧しつつ、前記バルブボディ内に固定されるアダプタ固定リングと、を備えるバルブ装置である。

また、本開示のバルブ装置においては、前記ネジ穴において、前記アダプタ固定リング及び前記ケーシングは互いに間隙を有して配置されていてもよい。
また、本開示のバルブ装置においては、前記アダプタ固定リングは、外側にねじ部を有し、内側に軸方向に伸びる複数の溝を有していてもよい。
また、本開示のバルブ装置においては、前記ケーシングは、前記バルブボディの上面と接触する保護部材を有してもよい。
また、本開示のバルブ装置においては、前記ダイヤフラムの前記バルブシート側とは反対側で前記ダイヤフラムの中央部と接触するダイヤフラム押えを更に備え、前記ダイヤフラム押えの前記ネジ穴の伸びる方向の長さは、前記アダプタ固定リング（７）の長さよりも長くてもよい。
また、本開示のバルブ装置においては、一方向の外形寸法が１０ｍｍ以下とすることができる。

本開示の流体制御装置は、上流側から下流側に向かって複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、前記複数の流体機器は、上記いずれかの構成のバルブ装置を含む流体制御装置である。
本開示の流量制御方法は、上記いずれかの構成のバルブ装置を用いて、流体の流量を調整する流量制御方法である。
本開示の半導体製造装置は、密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に上記いずれかの構成のバルブ装置を用いる半導体製造装置である。
本開示の半導体製造方法は、密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に上記いずれかの構成のバルブ装置を用いる半導体製造方法である。

本開示によれば、物理的衝撃に対する弁体への影響をより低減させたバルブ装置及び流体制御装置とすることができる。

本実施形態に係るバルブ装置の一部を断面で示す全体図である。 バルブボディのネジ穴付近について示す拡大断面図である。 アダプタ固定リングの平面図である。 アダプタ固定リングの側面図である。 本実施形態の変形例に係るバルブ装置の一部を断面で示す全体図である。 バルブ装置のバルブボディのネジ穴付近について示す拡大断面図である。 保護部材の上面図である。 図７の保護部材における３Ｃ－３Ｃ線での断面図である。 本実施形態のバルブ装置を用いる流体制御装置の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る半導体製造装置の概略構成図。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。説明において同様の要素には同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
先ず、図９を参照して、本発明が適用される流体制御装置の一例を説明する。図９は、本実施形態のバルブ装置を用いる流体制御装置の一例を示す斜視図である。図９に示す流体制御装置は、金属製のベースプレートＢＳ上には、幅方向Ｗ１，Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１，Ｇ２に延びる５本のレール部材５００が設けられている。

なお、Ｗ１は正面側、Ｗ２は背面側，Ｇ１は上流側、Ｇ２は下流側の方向を示している。各レール部材５００には、複数の流路ブロック２００を介して各種流体機器１１０Ａ～１１０Ｅが設置され、複数の流路ブロック２００によって、上流側から下流側に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。
ここで、「流体機器」とは、流体の流れを制御する流体制御装置に使用される機器であって、流体流路を画定するボディを備え、このボディの表面で開口する少なくとも２つの流路口を有する機器である。具体的には、開閉弁（２方弁）１１０Ａ、レギュレータ１１０Ｂ、プレッシャーゲージ１１０Ｃ、開閉弁（３方弁）１１０Ｄ、マスフローコントローラ１１０Ｅ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。なお、導入管３１０は、上記した図示しない流路の上流側の流路口に接続されている。この流体制御装置は、５本のレール部材５００にそれぞれＧ２方向に流れる５つの流路が形成されており、それぞれの流路の幅方向Ｗ１，Ｗ２の長さを１０ｍｍ以下、すなわち、各流体機器の幅（寸法）を１０ｍｍ以下としてもよい。

本発明は、上記した開閉弁１１０Ａ、１１０Ｄ、レギュレータ１１０Ｂ等の種々のバルブ装置に適用可能であるが、本実施形態では、開閉弁に適用する場合を例に挙げて説明する。
図１は、本実施形態に係るバルブ装置１の一部を断面で示す全体図である。図２は、バルブボディ３のネジ穴３３付近について示す拡大断面図である。図１及び図２に示すように、バルブ装置１は、ケーシング２と、バルブボディ３と、バルブシート４１と、インナーディスク４２と、ダイヤフラム５と、押えアダプタ６と、アダプタ固定リング７と、ダイヤフラム押え８とを有する。なお、図中の矢印Ａ１，Ａ２は上下方向であってＡ1が上方向、Ａ２が下方向を示すものとする。矢印Ｂ１，Ｂ２は、バルブ装置１のバルブボディ３の長手方向であって、Ｂ１が一端側、Ｂ２が他端側を示すものとする。矢印Ａ１，Ａ２及び矢印Ｂ１，Ｂ２に共に直交する方向は幅方向である。

バルブボディ３は、ブロック状に形成され、底面３ｂで開口するガスの第１流路３１及び第２流路３２を画定している。第１流路３１及び第２流路３２の底面３ｂにおける開口の周囲には、図示しないシール部材を保持する凹状の保持部３１ａ及び３２ａが形成されている。第１流路３１及び第２流路３２は、底面３ｂ側とは反対側の開口に通じる弁室で互いに連通している。
バルブボディ３は、更に上面３ａから開けられたネジ穴３３を有し、弁室を介して第１流路３１及び第２流路３２と連通している。本実施形態においては、弁室に流量を調整するためのオリフィス体３５を有しているが、オリフィス体３５を有していない構成であってもよい。バルブボディ３は、長手方向のネジ穴３３を挟むように２つの貫通孔３４が形成されている。貫通孔３４には、図９に示したような流路ブロック２００上にバルブボディ３を固定するための締結ボルトが挿入される。

バルブシート４１は、バルブボディ３内に形成された第１流路３１に接続する開口３６の周囲に配置される。本実施形態においては第１流路３１に接続するオリフィス体３５の開口の周囲に配置されているが、オリフィス体３５を有さない構成等においては、バルブボディ３の開口等の第１流路３１に接続する開口３６の周囲に配置することができる。バルブシート４１は、例えばＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の樹脂で弾性変形可能に形成されている。
インナーディスク４２はバルブシート４１の周囲に配置され、第１流路３１のガス及び第２流路３２のガスをそれぞれ通過させる孔を有している。
ダイヤフラム５は、バルブシート４１に対して接触位置及び非接触位置の間で移動することにより流路の開閉を行って弁体として機能する。また、ダイヤフラム５は、バルブシート４１よりも大きな直径を有し、ステンレス、ＮｉＣｏ系合金などの金属やフッ素系樹脂で球殻状に弾性変形可能に形成されている。
押えアダプタ６は、ダイヤフラム５の周縁部に接触し、インナーディスク４２との間でダイヤフラム５を挟持する。

アダプタ固定リング７は、バルブボディ３に形成されたネジ穴３３に螺合して押えアダプタ６及びダイヤフラム５を押圧すると共に、バルブボディ３内に固定される。このように、ダイヤフラム５は、押えアダプタ６を介してアダプタ固定リング７の下端面によりバルブボディ３に向けて押しつけられることにより、バルブシート４１に対して当接離隔可能にバルブボディ３に支持されている。図３は、アダプタ固定リング７の平面図である。図４は、アダプタ固定リング７の側面図である。これらの図に示されるように、アダプタ固定リング７は、外側にリングねじ部７１を有し、内側に軸方向に伸びる複数の溝７２を有している。溝７２は、ネジ穴３３にアダプタ固定リング７を取り付ける際、及び取り外す際に、アダプタ固定リング７を回転させるための工具と係合するものである。これにより、アダプタ固定リング７は、押えアダプタ６及びダイヤフラム５をバルブボディ３に対してより確実に固定することができる。なお、アダプタ固定リング７は金属により形成されていてもよく、バルブボディ３と同じ材料又は熱膨張率が近い値の材料とすることができる。

ケーシング２は、ダイヤフラム５を作動させるアクチュエータを内蔵し、ネジ穴３３に螺合してバルブボディ３上に固定される。ケーシング２は、全体として円筒状であり、内部に図示しないアクチュエータを内蔵している。アクチュエータは、例えば、圧縮エアで駆動されるピストン等とすることができるが、これに限定されるわけではなく、手動、圧電アクチュエータ、ソレノイドアクチュエータ等種々のアクチュエータを採用することができる。アクチュエータを内蔵しているケーシング２は、アクチュエータの一部を構成してもよいし、アクチュエータと別体であってもよい。図２に示すように、ケーシング２のバルブボディ３と接続される部分の外周には、ケーシングねじ部２２が形成され、バルブボディ３のネジ穴３３と螺合して、バルブボディ３と接続される。この際、バルブボディ３は、先にネジ穴３３に螺合されたアダプタ固定リング７に接触せず、間隙７３を有して配置されることができる。

ダイヤフラム押え８は、ダイヤフラム５のバルブシート４１側とは反対側でダイヤフラム５の中央部と上方から接触する。ダイヤフラム押え８は、ケーシング２内のアクチュエータに接続され、アクチュエータの動作に従って移動する。ここで、ダイヤフラム押え８のネジ穴３３の伸びる方向の長さは、アダプタ固定リング７の長さよりも長くすることができ、これにより、アダプタ固定リング７がある場合であっても、ケーシング２内のアクチュエータの動作を、ダイヤフラム５に伝えることができる。
ケーシング２のバルブボディ３と接続される部分は筒状であり、内部に、ケーシング２に内蔵されたアクチュエータにより上下方向Ａ１，Ａ２に駆動されるステム２１を有している。ステム２１とケーシング２のバルブボディ３と接続される部分との間にはＯリング２４が設けられ、弁室側とアクチュエータ側との間をシールしている。ステム２１は下側が半球状に形成されダイヤフラム押え８と接続しており、ダイヤフラム押え８が下方向Ａ２に駆動されると、ダイヤフラム押え８を介してダイヤフラム５が押圧される。
図２では、ダイヤフラム５はダイヤフラム押え８により押圧されて弾性変形し、バルブシート４１に押し付けられている状態にある。ダイヤフラム押え８による押圧を開放すると、球殻状に復元する。ダイヤフラム５がバルブシート４１に押し付けられている状態では、第１流路３１が閉鎖され、ダイヤフラム押え８が上方向Ａ１に移動すると、ダイヤフラム５がバルブシート４１から離れ、第１流路３１は開放され、第２流路３２と連通する。
なお、ステム２１の下方向Ａ２側が半球状に形成されているが、ダイヤフラム押え８の上方向Ａ１側が半球状に形成されステム２１の下方向Ａ２側が平面に形成されていてもよい。

上述のように、ケーシング２とアダプタ固定リング７は別体として形成されているため、ケーシング２に物理的な衝撃が発生した場合であっても、アダプタ固定リング７に伝わる影響を抑えることができ、流路の開閉への影響を抑えることができる。これにより物理的衝撃に対する弁体への影響をより低減させたバルブ装置１とすることができる。また、ネジ穴３３において、アダプタ固定リング７及びケーシング２は互いに間隙７３を有して配置されているため、ケーシング２に物理的な衝撃が発生した場合であっても、アダプタ固定リング７に伝わる影響をより小さくすることができる。これにより、流路の開閉への影響をより抑えることができ、物理的衝撃に対する弁体への影響をより低減させたバルブ装置１とすることができる。また、ステム２１とダイヤフラム押え８が点接触により接続されているため、ケーシング２に物理的な衝撃が発生した場合であっても、ダイヤフラム押え８、アダプタ固定リング７、ひいてはダイヤフラム５への影響をより低減させることができる。また、上述のバルブ装置１は、幅方向の寸法を１０ｍｍ以下のバルブ装置１に適用することができる。これにより、バルブ装置１の一方向の幅と高さとの比が大きく、ケーシング２に生じた衝撃が大きなモーメントとなってバルブボディ３に伝わる形状であっても、流路の開閉部分への影響を抑えることができるため、物理的衝撃に対する弁体への影響をより低減させたバルブ装置１とすることができる。

図５は、本実施形態の変形例に係るバルブ装置１０の一部を断面で示す全体図である。図６は、バルブ装置１０のバルブボディ３のネジ穴３３付近について示す拡大断面図である。この変形例のバルブ装置１０では、ケーシング２が、バルブボディ３の上面３ａと接触する保護部材５０を更に有している他は、上述のバルブ装置１と同様であるため、重複する説明を省略する。
これらの図に示されるように、保護部材５０は、ケーシングねじ部２２の上部に螺合され、その状態でケーシングねじ部２２がバルブボディ３のネジ穴３３に螺合されることにより、バルブボディ３の上面３ａに接触する。なお本変形例においては、保護部材５０は、ケーシング２と別体として形成し、ケーシングねじ部２２と螺合して一体化させることとしたが、保護部材５０をケーシング２と一体的に形成することとしてもよい。ここで、不図示であるが、ケーシング２および保護部材５０の幅方向長さは、バルブボディ３の幅方向長さ以下とすることができる。

ケーシングねじ部２２に保護部材５０が設けられていない状態では、ケーシング２が物理的な衝撃を受けて曲げモーメントが作用すると、バルブボディ３のネジ穴３３の開口端において、ケーシング２とバルブボディ３との間に応力が集中する。特に、ケーシング２およびバルブボディ３の幅方向長さが小さく、ケーシング２の高さが相対的大きくなると、応力集中によってはバルブボディ３の一部が破損してしまう恐れもある。本変形例においては、保護部材５０により、ケーシング２において生じた曲げモーメントをバルブボディ３の上面３ａで受けることにより、応力を分散させることができる。
また、ダブルナット構造を採用した場合、ケーシング２のバルブボディ３に対するねじ込み位置を微調整することができる。これにより、バルブ開時のダイヤフラムの変位量が変化するため、バルブ開時のガスの流量を微調整しながら組み立てることが可能になる。

図７は、保護部材５０の上面図である。図８は、図７の保護部材における３Ｃ－３Ｃ線での断面図である。図７および図８に示すように、保護部材５０は、金属製の円環状部材からなるとともに、上下対称な形状を有する。保護部材５０の内周には、ケーシングねじ部２２に螺合する保護部材ねじ部５０ａが形成されている。また、保護部材５０の両端面は、平面からなる当接端面５０ｔとなっており、後述するように、当接端面５０ｔの一方がバルブボディ３の上面３ａに当接可能となっている。当接端面５０ｔは平面で構成されるため、当接端面５０ｔは全面的にバルブボディ３の上面３ａに当接可能である。保護部材５０の側面には図示しない丸穴が開けられており、引掛ピンスパナを用いて回すことができる。
図７および図８に示される保護部材５０には、端面円周角部に面取りが施されているが、当接端面５０ｔの面積を大きくし、上面３ａと当接する面積を大きくするために、面取りの大きさは小さい方が好ましい。

本実施形態では、保護部材５０を円環状としたが、環状であれば外形は円形に限定されない。ただし、保護部材５０の外輪郭がバルブボディ３の上面３ａの内に収まっていることが望ましい。
また、保護部材５０を螺合により固定する構成を採用したが、かしめや溶接等の他の代替手段を採用することもできる。

上記実施形態では、流体制御装置として複数の流路ブロック２００にバルブ装置を搭載したものを例示したが、分割タイプの流路ブロック２００以外にも、一体型の流路ブロックや流路プレートに対しても本発明のバルブ装置は適用可能である。

上記実施形態では、本発明のバルブ装置としてアクチュエータを圧縮エア等により自動開閉するものを例示したが、これに限定されるわけではなく、本発明は手動弁にも適用可能である。

次に、図１０を参照して、上記した流体制御装置の適用例について説明する。
図１０に示す半導体製造装置１０００は、ＡＬＤ法による半導体製造プロセスを実行するための装置であり、３００はプロセスガス供給源、４００はガスボックス、５１０はタンク、６００は制御部、７００は処理チャンバ、８００は排気ポンプ、９００は開閉バルブを示している。
ＡＬＤ法による半導体製造プロセスでは、処理ガスの流量を精密に調整する必要があるとともに、基板の大口径化により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。
ガスボックス４００は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ７００に供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体機器を集積化してボックスに収容した上記の流体制御装置を内蔵している。
タンク５１０は、ガスボックス４００から供給される処理ガスを一時的に貯留するバッファとして機能する。
開閉バルブ９００は、ガスボックス４００で計量されたガスの流量を制御する。
制御部６００は、開閉バルブ９００を制御して流量制御を実行する。
処理チャンバ７００は、ＡＬＤ法による基板への膜形成のための密閉処理空間を提供する。
排気ポンプ８００は、処理チャンバ７００内を真空引きする。

上記適用例では、流体制御装置１をＡＬＤ法による半導体製造プロセスに用いる場合について例示したが、これに限定されるわけではなく、本発明は、例えば原子層エッチング法（ＡＬＥ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ 法）等、精密な流量調整が必要なあらゆる対象に適用可能である。

１，１０ ：バルブ装置
２ ：ケーシング
３ ：バルブボディ
３ａ ：上面
３ｂ ：底面
５ ：ダイヤフラム
６ ：押えアダプタ
７ ：アダプタ固定リング
８ ：ダイヤフラム押え
２１ ：ステム
２２ ：ケーシングねじ部
２４ ：Ｏリング
３１ ：第１流路
３１ａ ：保持部
３２ ：第２流路
３３ ：ネジ穴
３４ ：貫通孔
３５ ：オリフィス体
３６ ：開口
４１ ：バルブシート
４２ ：インナーディスク
５０ ：保護部材
５０ａ ：保護部材ねじ部
５０ｔ ：当接端面
７１ ：リングねじ部
７２ ：溝
７３ ：間隙
１１０Ａ ：開閉弁
１１０Ｂ ：レギュレータ
１１０Ｃ ：プレッシャーゲージ
１１０Ｄ ：開閉弁
１１０Ｅ ：マスフローコントローラ
２００ ：流路ブロック
３１０ ：導入管
４００ ：ガスボックス
５００ ：レール部材
５１０ ：タンク
６００ ：制御部
７００ ：処理チャンバ
８００ ：排気ポンプ
９００ ：開閉バルブ
１０００ ：半導体製造装置
Ａ１ ：上方向
Ａ２ ：下方向
Ｂ１，Ｂ２：矢印
ＢＳ ：ベースプレート
Ｇ１，Ｇ２：長手方向
Ｗ１，Ｗ２：幅方向

Claims (8)

1. バルブボディ内に形成された流路に接続する開口部の周囲に配置されるバルブシートと、
   前記バルブシートに対して接触位置及び非接触位置の間で移動することにより前記流路の開閉を行うダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムの周縁部に接触する押えアダプタと、
   前記ダイヤフラムを作動させるアクチュエータを内蔵し、前記バルブボディに接続されて当該バルブボディの上面から上方に向けて延在し、前記バルブボディに形成されたネジ穴に螺合することにより前記バルブボディに固定される円筒状のケーシングと、
   前記ネジ穴と共通のネジ穴に螺合して前記押えアダプタを前記バルブボディの底面側に向けて押圧することで前記ダイヤフラムを前記バルブボディに固定するアダプタ固定リングと、を有し、
   前記ケーシングの下端面と前記アダプタ固定リングの上端面とは、前記共通のネジ穴内で間隙を介して対向している、バルブ装置。
2. 前記ケーシングは、前記バルブボディの上面と接触する保護部材を有する、請求項１に記載のバルブ装置。
3. 前記ダイヤフラムの前記バルブシート側とは反対側で前記ダイヤフラムの中央部と接触するダイヤフラム押えを更に備え、
   前記ダイヤフラム押えの前記ネジ穴の伸びる方向の長さは、前記アダプタ固定リングの長さよりも長い、請求項１又は２に記載のバルブ装置。
4. 前記バルブボディの一方向の寸法が１０ｍｍ以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のバルブ装置。
5. 上流側から下流側に向かって複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
   前記複数の流体機器は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバルブ装置を含むことを特徴とする流体制御装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバルブ装置を用いて、流体の流量を調整する流量制御方法。
7. 密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバルブ装置を用いる半導体製造装置。
8. 密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバルブ装置を用いる半導体製造方法。
   

Images