JP7741694B2 - 半導体製造装置用バルブ - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置用バルブに関し、特に、腐食性ガスなどの弁座シートに悪影響を及ぼす流体を高圧で流す場合に好適な高圧用のバルブに関する。

半導体製造工程においては、腐食性ガスを含む様々な高圧流体が用いられることが多く、これらの流体を制御する半導体製造装置用バルブは、確実に漏れを防ぐために弁閉時に強い締付け荷重を必要とする。このため、例えば、高圧用のダイヤフラムバルブの場合、シール用弁座シートがその締付け荷重に流体の腐食性もあいまってダメージを受けやすい。このような状態でバルブを使用し続けた場合、弁座シートが塑性変形して潰れや破損が進行し、その表面や損傷部分から高圧流体が浸透して一層弁座シートが破損しやすくなる。シートが破損して剥がれると、このシートが詰まって流路が閉塞したり、シートの破損により弁閉時の漏れが発生したりすることもある。

弁座シートのダメージを防ぐためには、一般に、耐力の高いシート材料を使用してその強度を高めたり、或は、弁閉時に加わる弁座シートへの締付け荷重、すなわちダイヤフラム（弁体）を押圧するためのステムからの推力を軽減することがある。また、弁座シートの有効面積、すなわち弁座シートのダイヤフラム側からの受圧面積（ダイヤフラムとの接触面積）を増やして弁座シートへの面圧（単位面積当たりに加わる荷重）を低減し、この面圧を弁座シートの材料が備える耐圧性能以下に抑えようとする場合がある。

一方、特許文献１のメタルダイヤフラム弁は、弁座と駆動側出力軸との間に緩衝体が設けられた構成になっている。このダイヤフラム弁は、出力軸を弁閉方向に駆動したときに、この出力軸が緩衝体を介してメタルダイヤフラムを弁座に圧接することで、緩衝体によって弁閉時のシール部の衝撃を緩和しようとするものである。

特許文献２のダイヤフラム弁においては、樹脂材料からなるフィルム状のダイヤフラムを備え、駆動側ピストン軸（出力軸）には、このピストン軸とダイヤフラムの中央部との間になるように弾性ゴム材料製の緩衝体が組付けられている。ピストン軸の弁閉方向への駆動時には、このピストン軸からの力を緩衝体により軽減しようとしている。

ところで、半導体製造工程で使用されるバルブは、他の複数のバルブや制御装置などと組み合わせて集積化した状態で利用されることが多い。そのため、この種のバルブは、設置箇所でスペースを極力占有しないようにコンパクトな外形サイズであることが求められる。この場合、バルブの小型化に伴って、弁機構すなわち弁座シートの小型化（小径化）も必要になり、バルブがダイヤフラムバルブの場合、弁座シートを小径化してダイヤフラムとの受圧面積（接触面積）が小さくなったときにも、弁閉時には高圧流体が漏洩することなく高いシール性能を発揮する必要がある。

特開平６－９４１４２号公報 特開２０２０－６３７７７号公報

上述したバルブにおいて、弁座シートのダメージを防ぐために耐力の高いシート材料を用いようとする場合、バルブがダイヤフラムバルブであるときには、流体への耐薬品性能を考慮するとＰＣＴＦＥやＰＦＡなどのフッ素樹脂等の一般に半導体製造で用いられる材料を使用する場合が通常であることから、その選択肢が非常に少なくなっている。しかも、このようにフッ素樹脂などの樹脂材料を用いて弁座シートを設けただけでは、弁閉時の強い締付け荷重をその材料特性のみでは十分に緩和することができず、弁座シートのダメージを防ぐことが難しい。

一方、ステムからの推力を軽減して弁座シートにかかる力を減少するために、ステムの推力（締付け荷重）を減らした場合には、バルブの耐圧限度の低下に直結し、高圧流体の漏洩を確実に防ぐために必要な締付け力を得られにくくなる。このため、このようなバルブは、高圧流体を弁閉封止する場合には適していない。

他方、弁座シートの有効面積（受圧面積）を増やして弁座シートへの面圧を低減しようとする場合、所定の流路径を維持して流量を確保するためには、弁座シートを外径方向に拡径して面積を広げることになる。この場合、弁座シートの外径の増加に伴ってこの弁座シート側の流路と他方側の流路との間隔が広がって外形サイズが増大する問題が生じる。これに加えて、バルブがダイヤフラムバルブである場合には、ダイヤフラムの外径も大きくなり、このダイヤフラムの有効面積に対して、確実に締付けるためのステムの推力も増大することになる。

また、特許文献１や２のダイヤフラム弁は、何れの場合にも弁座と出力軸との間に直列状態で緩衝体が介在された構成であり、弁閉時に締付けたときには緩衝体によって出力軸側からの推力を吸収し、この推力が減少して弁座に伝わるようになっている。このため、これらのバルブを半導体製造用の高圧バルブとして用いる場合には、十分なシール性能を発揮することができず、高圧流体を流したときには漏れを生じるおそれがある。

さらに、上記の何れの場合においても、集積化などに応じてバルブをコンパクトに設ける場合、これに伴って弁座シートも小径化して弁体側（例えばダイヤフラム）との接触面積が小さくなる。このようにシール面積が減少すると、ステム側から高圧流体に対応した強い推力が働いたときに弁座シートに過大な面圧が加わり、これによって弁座シートがダメージを受けやすくなる。弁座シートがその耐力を超えたダメージを受けると、この弁座シートが潰れたり破損したりして流路の閉塞や漏れなどにつながることもある。
これらの理由から、弁開時には腐食性ガスなどの流体を高圧で流し、かつこの高圧流体の弁閉時の漏れを確実に阻止するためには、シール性能が損なわれないようにステム側からの推力を強く確保する一方で、弁座シートのダメージの発生については許容せざるを得なくなっていた。

本発明は、上記の問題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、弁座シートの拡径を防いで全体のコンパクト性を維持しつつ、高圧流体の漏洩を防ぐために必要な推力を発揮して弁閉時のシール性を確保でき、かつ、弁座シートへの過大な面圧を防いで耐久性を向上した耐腐食性に優れた半導体製造装置用バルブを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、バルブ本体に設けたダイヤフラムと弁座シートとの接離によって開閉する半導体製造装置用バルブにおいて、バルブ本体には、ダイヤフラムを押圧して弁閉させる開閉機構を設け、この開閉機構の内部には荷重分散部材を配置し、この荷重分散部材は、弁座シートに対して並列状態で、かつ弁開状態のとき、開閉機構の連設部位と荷重分散部材とが所定の隙間を有した状態で配置され、前記開閉機構が発生する推力を維持しながら、弁閉時に必要な締付け荷重を弁座シートと荷重分散部材とで分散して受ける二重化構造とし、弁座シートは、単位面積当たりで負担する荷重を材料の耐圧限界内の数値としつつ受圧面積の増加を抑えるように設けられ、弁座シートと荷重分散部材とは、これらの弾性変形の範囲、機械的な公差範囲を含みつつ、伝達される荷重がバランスよく分担されるように荷重を受けるときの面積配分が設定され、荷重分散部材の硬さや厚さ方向に対する弾性変形可能な寸法の割合に応じて弁座シートの厚み、又は荷重分散部材の厚みが設定された状態で、弁閉動作時には、ダイヤフラムと弁座シートとが接触すると同時に、開閉機構からの推力が荷重分散部材に加わるように設けられている半導体製造装置用バルブである。

請求項２に係る発明は、荷重分散部材は、バルブ本体の流路内の流体に接触しない部位に設けられている半導体製造装置用バルブである。

請求項３に係る発明は、荷重分散部材は、樹脂製のリング状の荷重分散シート又はバネ特性を有する皿バネである半導体製造装置用バルブである。

請求項４に係る発明は、開閉機構は、自動弁の場合は、アクチュエータのピストン又はスプリングで構成され、手動弁の場合は、ハンドルに設けたステムである半導体製造装置用バルブである。

請求項５に係る発明は、荷重分散部材は、ダイヤフラムと弁座シートとが接触すると同時に、アクチュエータのピストン或はスプリング、又はハンドルに設けたステムからの推力が加わる位置に配置されている半導体製造装置用バルブである。

請求項１に係る発明によると、開閉機構の内部に設けた荷重分散シートを弁座シートに対して並列状態で設け、弁開状態のときには、開閉機構の連設部位と荷重分散部材とが所定の隙間を有した状態で配置し、弁閉時に必要な締付け荷重を弁座シートと荷重分散部材とで分散して受ける二重化構造としているので、弁座シートの拡径を防ぎつつこの弁座シートをバルブ本体に装着して全体のコンパクト性を維持し、弁閉時において、高圧流体の漏洩を防ぐために必要な推力を発揮して弁閉時のシール性を確保でき、かつ、弁座シートへの過大な面圧を防ぐことで耐久性を向上して弁座シートのダメージを防止できる。この場合、耐薬品性に優れた樹脂材料で弁座シートを設けて耐腐食性を向上した状態で、弾性材料によって設けた荷重分散部材を用いて締付け荷重を分散して耐性を確保できる。
弁座シートが受ける面圧を小さくすることによりダメージを受けることを阻止でき、弁座シートへの圧力を抑えるためにそのサイズを大きくして面圧面積を増加することもない。弁座シートと荷重分散部材との面積配分を設定した後に、これらの厚みを設定でき、これらの厚さを大きくすることで荷重分散部材又は弁座シートの一方に先に荷重が集中することを防ぐ。弁閉動作時には、ダイヤフラムと弁座シートとの当接と同時に開閉部材からの推力が荷重分散部材に加わることで、先に弁座シートに荷重が加わってダメージが生じることを阻止し、その推力が荷重分散部材と弁座シートとにそれぞれ分担させるように加わることで、弁座シートへの負担をこの弁座シートを構成する材料の耐圧限界以下に確実に抑える。

請求項２に係る発明によると、開閉機構から推力が加わる荷重分散部材を、バルブ本体の流路内の流体に接触しない部位に設けていることで、この荷重分散部材が腐食性ガスや熱などによる影響を受けにくくなり、その機能性を維持できる。これにより、腐食性ガスや熱などの影響により弁座シートが軟化した場合でも、荷重分散部材を通して開閉機構からの推力を確実に伝達させることができ、このように荷重分散シートが荷重を受け持つことで、弁座シートの潰れによる沈み込みやシール高さの低下、或は弁座シートの破壊を防いで優れたシール性能を維持する。

請求項３に係る発明によると、荷重分散部材を、樹脂製のリング状の荷重分散シート又はバネ特性を有する皿バネにより設けることができ、荷重分散部材をフッ素樹脂等の樹脂材料により設けることで耐食性や耐薬品性を向上でき、一方、皿バネとすることにより開閉機構による推力を維持しながら荷重を緩和して耐久性を向上できる。

請求項４に係る発明によると、アクチュエータのピストン或はスプリング、又はバルブに設けたステムを用いて開閉機構を設けることにより、自動弁又は手動弁の何れにも対応でき、全体のコンパクト性を維持しつつ、弁閉時に必要な推力を維持してシール性を確保するバルブを提供できる。

請求項５に係る発明によると、先に荷重分散部材がアクチュエータのピストン或はスプリング、又はハンドルに設けたステムと接触して漏れが発生することを防ぐと共に、先に弁座シートに荷重が加わってダメージが生じることを阻止し、弁閉時に発生する推力が荷重分散シートと弁座シートとがそれぞれ分担するように加わる。このため、弁座シートへの負担をこの弁座シートを構成する材料の耐圧限界以下に確実に抑えることができ、又は、強度の低い材料により弁座シートを設けることもできる。

本発明における半導体製造装置用バルブの実施形態を示す中央縦断面図である。 （ａ）は、図１の要部拡大断面図である。（ｂ）は、（ａ）の弁閉状態を示す要部拡大断面図である。 本発明における半導体製造装置用バルブの他の実施形態を示す中央縦断面図である。 （ａ）は、図３の要部拡大断面図である。（ｂ）は、（ａ）の弁閉状態を示す要部拡大断面図である。

以下に、本発明における半導体製造装置用バルブの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１においては、本発明の半導体製造装置用バルブ（以下、バルブ本体１という）の実施形態を示している。図において、バルブ本体１は自動弁からなり、ボデー２、ベース体３、ステム部材４、ダイヤフラムピース５、ダイヤフラム６、弁座シート７を備えている。バルブ本体１は、ダイヤフラム６と弁座シート７との接離によって開閉するダイヤフラムバルブからなる半導体製造装置用バルブであり、このバルブ本体１には、ダイヤフラム６を押圧して弁閉させる開閉機構８が設けられ、この開閉部材８の内部には荷重分散部材１０が設けられている。
バルブ本体１は、上部にアクチュエータ１１を備えており、このアクチュエータ１１によって自動操作で開閉制御可能に設けられている。

図１において、バルブ本体１のボデー２の左右方向には一次側流路１２、二次側流路１３がそれぞれ形成され、これら一次側流路１２と二次側流路１３との間に弁室１４が設けられている。弁室１４内には環状の装着溝１５、弁室１４の上方側には開口部１６がそれぞれ形成され、開口部１６の上部内周側には雌ねじ１７が形成されている。雌ねじ１７より下方側の弁室１４との間には、丸穴状の嵌合部１８が形成される。

弁座シート７は、例えばＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）やＰＦＡ（四フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体）などのフッ素樹脂などの樹脂材料によりリング状に形成され、先方側のシール面７ａがダイヤフラム６とシール可能に弁室１４側に突出した状態で装着溝１５に装着される。弁座シート７は、流体の流れを制御するためにダイヤフラム６と対向して配置される。

ダイヤフラム６は、薄板状の金属材料が複数枚重ねられて構成され、自然状態において、片側（上方）に向けて中心部を頂点とした緩やかな凸曲面状となるような円板形状に設けられ、この形状に自己復帰可能な弾性力を備えている。ダイヤフラム６は、弁座シート７の上部側において嵌合部１８に装着される。

ダイヤフラム６の上部には、円筒状に形成されたボンネット１９が嵌合部１８を通して嵌合され、このボンネット１９の中央には略円柱状に形成されたダイヤフラムピース５が上下方向に摺動可能な状態で挿着される。ダイヤフラムピース５は、ステム部材４によりボンネット１９に対して上下方向に移動可能に設けられ、このダイヤフラムピース５を通してダイヤフラム６が弁座シート７方向に押圧される。

ベース体３は、中央に貫通孔２０が形成され、その下部外周側には雌ねじ１７に螺合可能な雄ねじ２１が形成される。ベース体３の上部には円形状の凹状溝２２が形成され、この凹状溝２２には有底状の底面部２３が設けられ、一方、ベース体３の上部外周には雄螺子部２４が形成される。ベース体３は、ボデー２との間にダイヤフラム６、ボンネット１９、ダイヤフラムピース５が装着された状態で、雄ねじ２１と雌ねじ１７との螺着によってボンネット１９上部に取付けられ、これらの螺着後には、ベース体３の底面側でボンネット１９が押圧され、このボンネット１９によりダイヤフラム６がボデー２との間の所定箇所に位置決め固定される。

ステム部材４は、下部側に形成された軸部４ａと、この軸部４ａよりもやや拡径した拡径段部４ｂと、この拡径段部４ｂよりもさらに拡径した拡径環状部４ｃとを有する形状に設けられる。軸部４ａは、Ｏリング２５でシールされた状態で貫通孔２０に挿着され、これによりステム部材４がベース体３に対して昇降動可能になっている。ステム部材４の下端側は、ダイヤフラムピース５の上端面側に当接され、ステム部材４の上下移動によってダイヤフラムピース５を通してダイヤフラム６が弁座シート７を押圧する。
拡径環状部４ｃと、貫通孔２０の外径側に形成された環状装着溝２６との間には、コイルスプリング２７が弾発状態で装着され、このスプリング２７によりステム部材４がベース体３に対して上方に向けて常時付勢されている。

アクチュエータ１１は、略円筒状のカバー３０、環状のケーシング３１、ピストン３２、コイル状のスプリング３３を有している。カバー３０の中央下部にはガイド孔３４が形成され、このガイド孔３４の上部には吸排気口３５が連通して形成されている。ガイド孔３４よりも外径側には環状の取付溝３６が形成され、この取付溝３６にスプリング３３が装着可能に設けられている。

ガイド孔３４には、ピストン３２に形成された縮径軸３２ａが挿着されると共に、ピストン３２と取付溝３６との間にはスプリング３３が挿着される。カバー３０の下部外周側にはケーシング３１内周が螺合により一体化され、ピストン３２とケーシング３１との間に圧縮エアが供給されるシリンダ室３７が設けられる。ケーシング３１の下部内周側には、雌螺子部３８が形成される。

アクチュエータ１１は、雌螺子部３８と雄螺子部２４との螺合によりベース体３に固着されて一体化される。アクチュエータ１１の組付後には、ピストン３２がその下端面側が拡径環状部４ｃの上面側に当接した状態で上下方向に往復動可能に装着され、このピストン３２がスプリング３３の弾発力により付勢されてケーシング３１に対して下降可能に設けられる。また、吸排気口３５から、ピストン３２に形成された流路孔３２ｂを通してシリンダ室３７に圧縮エアが給気可能に設けられ、この圧縮エアによりピストン３２がスプリング３３の弾発付勢力に抗して上昇可能に設けられている。

このような構成により、図２（ｂ）の圧縮エアの供給停止時におけるピストン３２の下降時には、このピストン３２によりステム部材４を下方向に押圧してダイヤフラムピース５を介してダイヤフラム６を押圧し、このダイヤフラム６が弁座シート７に着座したときに弁閉シール状態となる。一方、図２（ａ）の圧縮エアの供給時におけるピストン３２の上昇時には、ステム部材４、ダイヤフラムピース５によるダイヤフラム６への押圧が解除され、前述した自己復帰力によりダイヤフラム６が中心部を頂点とした凸曲面の形状に戻ることで弁座シート７から離れて弁開状態となる。

前述した開閉機構８は、本実施形態のアクチュエータを用いた自動弁の場合は、アクチュエータ１１のピストン３２又はスプリング３３で構成され、これらピストン３２、スプリング３３によりダイヤフラムを弁閉又は弁開動作するための推力を発生する。

開閉機構８から発生する推力は、推力［Ｎ］＝受圧面積［ｍｍ^２］×圧力［ＭＰａ］で表され、この関係式に基づいてピストン３２からステム部材４に推力が伝達される。前記関係式において、受圧面積は、推力が加わる総面積であり、圧力は、受圧面積の単位面積当たりに加わる力である。

開閉機構８の内部に配置される荷重分散部材１０は、例えば、ＰＣＴＦＥやＰＦＡなどのフッ素樹脂、ナイロン、ＡＢＳなどの樹脂材料などの弾性を有する材料によりリング状に形成された荷重分散シートよりなる。本実施形態では、フッ素樹脂によって荷重分散シート１０が形成されている。

荷重分散シート１０は、開閉機構８（ピストン３２、スプリング３３）の連設部位であるステム部材４の拡径段部４ｂとベース体３の底面部２３との間に、底面部２３に載置された状態で装着され、この荷重分散シート１０によりピストン３２（ステム部材４）からの荷重を分散可能になっている。
この場合、ダイヤフラム６がボデー２とボンネット１９との間に挟着されて流体をシールしていることにより、荷重分散シート１０が、バルブ本体１の流路（一次側流路１２、二次側流路１３、弁室１４）内の流体に接触しない部位に配置された状態になっている。

荷重分散シート１０は、弁座シート７に対して並列状態に設けられ、かつ、弁開状態のとき、荷重分散シート１０と開閉機構８の上記連設部位（ステム部材の拡径段部４ｂ、ベース体の底面部２３）とが、図２（ａ）に示した所定の隙間Ｘ１を有した状態で配置される。本実施形態では、荷重分散シート１０と弁座シート７とが平行になるように装着されている。
一方、ダイヤフラム６装着側においては、弁開状態のとき、ダイヤフラム６の底面側と弁座シート７のシール面７ａとが、ダイヤフラム６のストロークである所定の隙間Ｘ２を有する状態に設けられている。

これらの弁開状態における隙間Ｘ１と隙間Ｘ２とは、隙間Ｘ１＝隙間Ｘ２の関係であり、弁閉動作時には、ダイヤフラム６が弁座シート７に当接（着座）すると同時に、拡径段部４ｂの当接側が荷重分散シート１０に接触し、アクチュエータ１１のピストン３２或はスプリング３３からの推力が荷重伝達シート１０にも加わるようになっている。
これにより、バルブ本体１は、開閉機構８が発生する推力を維持しながら、弁閉時に必要な締付け荷重を弁座シート７と荷重分散シート１０とで分散して受ける二重化構造となっている。

前述した荷重分散シート１０、弁座シート７を設ける場合には、これら荷重分散シート１０及び弁座シート７の双方にピストン３２から伝達される荷重をバランスよく分担（分散）させる必要がある。そのため、何れのシート７、１０に対しても、弾性変形の範囲、配置後における機械的な公差範囲などを考慮して寸法を設定する必要がある。

例えば、弁閉時に、ダイヤフラム６が弁座シート７に着座する前に、拡径段部４ｂが荷重分散シート１０に接触すると、弁閉シール状態とならずに流体の漏れが発生することになる。一方、拡径段部４ｂが荷重分散シート１０に接触する前に、ダイヤフラム６が弁座シート７に着座すると、この弁座シート７にダイヤフラム６側からピストン３２による全ての荷重が集中することになる。これらの何れの場合にも、弁座シート７と荷重分散シート１０との二重化構造によって荷重を分散することができなくなる。

これに加えて、機械的な加工のバラツキによる寸法誤差をゼロにすることは困難であるので、加工公差などを考慮した上で、弁座シート７の許容可能な弾性変形範囲において、荷重分散シート１０に拡径段部４ｂが接触するように、バランスよく効果的に配置する設計をおこなう必要がある。

これらシート７、１０を設ける場合には、先ず、各シート７、１０が荷重を受けるときの面積配分を設定した後に、荷重分散シート１０の硬さや厚さ方向に対する弾性変形可能な寸法の割合により、弁座シート７側の厚み（シール面７ａの高さ）を設定するとよい。また、必要に応じて、荷重分散シート１０の厚みが十分に大きくなるように設計してもよい。これらの理由としては、弁座シート７は、その厚さを大きく設定することで安全に弾性変形する伸縮範囲を増やすことができ、さらには、荷重分散シート１０の厚さを大きくした場合にも、同様に弾性変形する範囲を増すことができるためである。

これらのように、荷重分散シート１０や弁座シート７の厚さを大きくすることで、先に荷重分散シート１０がステム部材４に接触してこの部位に荷重が集中して弁閉が不完全となることで漏れが生じることを防ぎ、又は、先にダイヤフラム６が弁座シート７に接触してこの弁座シート７に荷重が集中してダメージが生じることを防ぐことが可能となる。

具体例として、例えば、これらシート７、１０をＰＣＴＦＥにより設ける場合、このＰＣＴＦＥの耐圧の限界を超えない荷重範囲における弾性変形量が最大１０％とし、このとき、ダイヤフラム６やステム部材４の加工公差と組立誤差とによる複合的な影響で生じる弁座シート７及び荷重分散シート１０の高さ方向の積み上げ誤差が、±０．１ｍｍ（幅値で０．２ｍｍ）となる場合、弁座シート７の肉厚を、この誤差の幅０．２［ｍｍ］／１０［％］＝２．０ｍｍ以上に設けるようにすればよい。

仮に、何らかの理由により、弁座シート７の厚さを十分に確保できない場合には、この弁座シート７の代わりに荷重分散シート１０の厚さを上記と同様に設定すればよい。ただし、荷重分散シート１０を厚くする場合には、その弾性変形の範囲が大きくなるために、弁座シート７が軟化したときに、この弁座シート７の沈み込みに対して厚さを維持する機能がやや小さくなるおそれがあることを考慮する必要がある。

例えば、荷重分散シート１０の受ける荷重がその厚さにかかわらず一定であり、荷重により１０％変形すると仮定すると、その厚さ１．０ｍｍであるときの１０％変形量が０．１ｍｍとなる。また、厚さ２．０ｍｍであるときの１０％変形量が０．２ｍｍとなる。これらを比較すると、変形量の差が０．１ｍｍになり、これによって弾性変形の範囲の差が広がることから、弁座シート７が軟化したときにこの弁座シート７が沈み込みすぎる現象が生じる可能性がある。

また、荷重分散シート１０の材料を設定するときには、その弾性や硬さなどの材料特性を考慮する必要がある。さらには、これ以外にも、荷重分散シート１０の配置位置の周囲のステム部材４、ベース体３などの部品の特性や内部に塗布するグリスとの相性、及びバルブ本体１の使用温度などの外部環境についても考慮することが望ましい。

なお、荷重分散部材１０は、樹脂製以外の各種の材料や、リング状シート以外の各種の形状などのあらゆる態様に設けることができる。図示しないが、バネ特性を有する皿バネ或は板バネを荷重分散部材とし、これら皿バネ或は板バネを拡径段部と底面部との間に装着することもできる（図示せず）。

また、荷重分散部材１０は、推力を維持しながら、弁閉時に必要な締付け荷重を弁座シート７との間で分散して受ける二重化構造であれば、ベース体３の底面部２３側や、ステム部材４の拡径段部４ｂ側に固定される構造であってもよい。さらには、ステム部材４とベース体３との間に限ることもなく、バルブ本体１内のあらゆる位置に荷重分散シート１０を設けることもできる。

荷重分散シート１０を設ける場合、隙間Ｘ１と隙間Ｘ２と大きさに差を設けることもでき、弁閉時に必要な締付け荷重を弁座シート７と荷重分散シート１０とで分散する二重化構造であれば、例えば、荷重分散シート１０の弾性力や材料、又はダイヤフラム６の形状や材料などを適宜設定し、これに応じて隙間Ｘ１と隙間Ｘ２とを適宜設定してもよい。

本実施形態では、半導体製造装置用バルブとしてダイヤフラムバルブに適用した例を説明したが、ダイヤフラムバルブに限ることはなく、例えば、図示しないニードル形やグローブ形などの各種バルブに適用することもできる。

次いで、本発明の半導体製造装置用バルブの上記実施形態における動作並びに作用を説明する。
図１、図２において、バルブ本体１は、アクチュエータ１１の動作と共に開閉機構８、ステム部材４、ダイヤフラムピース５、コイルスプリング２７などの部品が連動し、発生した推力をダイヤフラム６や弁座シート７に伝えてこれらのシール部位同士が密着して弁閉或は弁開状態となって流体の流れを制御可能となっている。

図１及び図２（ａ）において、圧縮エアが吸排気口３５より流路孔３２ｂを通ってシリンダ室３７に供給されると、この圧縮エアによってピストン３２がスプリング３３の弾発付勢力に抗して上昇する。これにより、ステム部材４、ダイヤフラムピース６によるダイヤフラム６への押圧が解除され、ダイヤフラム６が弁座シート７から離れて弁開状態となる。

この場合、開閉機構８（ピストン３２、スプリング３３）の連設部位であるステム部材４の拡径段部４ｂ及びベース体３の底面部２３と、荷重分散シート１０とが、所定の隙間Ｘ１を有した状態で配置され、ピストン３２からの締付け荷重が加わることがない。このため、開閉機構８による推力が荷重分散シート１０及び弁座シート７との何れにも働くことはない。

弁座シート７側においては、この弁座シート７とダイヤフラム６との間に隙間Ｘ１と同じ高さの隙間Ｘ２が設けられ、この隙間Ｘ２により流路が確実に確保されて一次側流路１２から二次側流路１３にスムーズに流体が流れるようになっている。

一方、図２（ｂ）において、圧縮エアの供給を停止したときには、ピストン３２を上昇させる力が停止されると共に、スプリング３３の弾発付勢力によりピストン３３を下降させる力が働く。このピストン３３の力の作用によりステム部材４、ダイヤフラムピース５が下方向に押圧され、ダイヤフラムピース５によってダイヤフラム６が押圧される。これにより、ダイヤフラム６が弁座シート７に着座して弁閉シール状態になる。

前述したように、開閉機構８が発生する推力を維持しながら、弁閉時に必要な締付け荷重を、弁座シート７と、この弁座シート７とは別部材として開閉機構８の内部に並列状態に配置した荷重分散シート１０とにより、締付け荷重を分散して受ける二重化構造としているので、弁閉シールするために必要なピストン３２の締付け荷重による推力の大きさを変えることなく、この推力による圧力を弁座シート７と荷重分散シート１０とに分散させることができる。

このとき、弁座シート７と荷重分散シート１０とが並列状態に設けられていることから、前述した、推力＝受圧面積×圧力の関係式より、ピストン３２による推力＝(弁座シート７の受圧面積×弁座シート７にかかる圧力)＋(荷重分散シート１０×荷重分散シート１０にかかる圧力)と表すことができる。

これにより、弁座シート７が受ける面圧（単位面積当たりで負担する荷重）を小さくし、弁座シート７が受けるダメージを軽減することを可能としながら、開閉機構８が発生する推力を下げる必要が無いため、高い流体の圧力に対しても十分な締め付け能力を発揮する。この場合、ピストン３２による締付け力を減少させることなく、漏洩を防ぐために必要な所定の大きさの推力を、弁座シート７及び荷重分散シート１０に各圧力（面圧）を下げた状態で働かせることができ、荷重分散シート１０を設けていない場合に比較して、弁座シート７への負担が軽減される。このため、弁座シート７や荷重分散シート１０として耐薬品性に優れたフッ素樹脂を選択し、アクチュエータ１１側から余分な荷重（推力）を加えることなく締付け荷重を緩和して、弁座シート７、荷重分散シート１０がダメージを受けたり、バルブ本体１が故障したりすることを防ぐことができる。

弁座シート７への圧力を抑えるためにこの弁座シート７のサイズを大きくして受圧面積を増やすこともなく、バルブ本体１の大型化を防いでコンパクト性も確保できる。バルブ本体１内を流れる流体圧力の大きさを制限する必要もなく、弁座シート７に加わる面圧（圧力）だけを下げることで、バルブ本体１に要求されるシール性能や流量特性などの機能性を確保しつつ高圧流体を流すことができる。これにより、バルブ本体１を集積化などによりコンパクトに設ける場合にも、小径化した弁座シート７に対して二重化構造で締付け荷重を分散し、過大な面圧を防いで耐久性を向上できる。

荷重分散シート１０をバルブ本体１内の流体に接触しない凹状溝２２側に設けているので、荷重分散シート１０の劣化や破損を防止できる。そのため、仮に、腐食性流体によって弁座シート７に軟化が生じた場合には、荷重分散シート１０がこの弁座シート７が受けていた荷重を代わりに受け持つことも可能になる。これによって、弁座シート７が潰れ続けることによってシール性能を失うことを防ぐことができ、弁座シート７の軟化に対しても正常な動作を続けることが可能な高耐久性のバルブ本体１を提供できる。

ピストン３２を押付けるスプリング荷重や、駆動用エア圧力等の仕様を予め計算して設計しつつ、弁閉時に流体によって弁開する方向に圧力を受けた場合であっても、ピストン３２から発生した推力により自然に弁開動作することを防止できる。なお、後述するハンドルを使用した手動弁についても同様の機能を有し、その場合には、ハンドルから発生する推力を締付け荷重として利用し、ハンドルに設けられたネジ径やネジピッチを予め計算して設計することで自然の弁開動作を阻止する。

バルブ本体１を設ける場合、特に高圧向けのバルブは、高圧流体に動作を妨げられることのないより大きい締付け荷重が必要になるため、ピストン３２の推力を大きく設定する必要がある。この場合、例えば、弁座シート７の材料をＰＣＴＦＥとすると、このＰＣＴＦＥの引張り強さは最大で４１ＭＰａ程度であることが知られている。この値を限界値としたときに、荷重分散シート１０を設けることなく弁座シート７を単独で設けた場合には、弁座シート７に４１ＭＰａを超えた面圧が加わったときに、弁座シート７が塑性変形して潰れたり破壊したりする可能性がある。荷重分散シート１０を設けた場合には、この荷重分散シート１０に面圧が分散して加わることで、弁座シート７に４１ＭＰａを超える面圧が加わることを防止することが可能になる。

図３、図４においては、本発明の半導体製造装置用バルブの他の実施形態を示している。なお、この実施形態において上記実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。

この実施形態のバルブ本体４０は手動弁からなり、ボデー４１、ベース体４２、ステム４３、ダイヤフラムピース４４、ダイヤフラム４５、弁座シート４６、荷重分散シート（荷重分散部材）４７、ハンドル４８を備えたダイヤフラムバルブからなっている。

バルブ本体４０には開閉機構４３が設けられ、この開閉機構４３はハンドル４８に設けたステムにより構成される。このステム４３を通してダイヤフラム４５を押圧して弁閉可能に設けられる。ボデー４１内の所定位置には、前記実施形態と同様に弁座シート４６が装着され、この弁座シート４６の上からダイヤフラム４５が装入された状態で、ダイヤフラムピース４４がボンネット４９を介してボデー４１に装着されている。

ベース体４２は、円筒状に形成され、中央に貫通孔５０、下部にはボデー４１上部に形成されたオネジ５１に螺合するメネジ５２がそれぞれ形成されており、ベース体４２は、これらオネジ５１とメネジ５２との螺合によってボデー４１に一体化される。このとき、ベース体４２の内周底面側に設けられた押圧面５３がボンネット上面４９ａを押圧することにより、ボンネット４９がダイヤフラム４５を押圧し、ボンネット４９とボデー４１との間にダイヤフラム４５が位置決め固定される。貫通孔５０の上部側にはめねじ部５４が形成されている。

ステム４３の外周には、めねじ部５４と螺合するおねじ部５５が形成され、これらおねじ部５５とめねじ部５４との螺合により、ステム４３がベース体４２に対して昇降動可能な状態で取付けられる。ステム４３の上端側には、ハンドル４８が止めねじ５６により固定され、ステム４３は、ハンドル４８を回動操作することで、このハンドル４８と一体に回動してベース体４２に対して昇降動するようになっている。ステム４３の底面側には縮径状の突部４３ａが形成され、この突部４３ａの上部側にはより拡径した拡径段部４３ｂが形成されている。ステム４３を昇降動したときには、突部４３ａがダイヤフラムピース４４、ダイヤフラム４５を押圧又は押圧解除して流路を開閉可能となる。

荷重分散シート４７は、ステム突部４３ａの外周側と、ボンネット上面４９ａとの間に位置決め状態で装着される。これにより、前記実施形態と同様に荷重分散シート４７が弁座シート４６に対して並列状態で配置される。

図４（ａ）において、開閉機構であるステム４３が上昇した弁開状態のときには、開閉機構４３の連設部位である拡径段部４３ｂと荷重分散シート４７とが所定の隙間Ｙ１を有した状態で配置される。
このとき、ダイヤフラム４５装着側では、弁開状態のとき、ダイヤフラム４５の底面側と弁座シート４６のシール面４６ａとが、ダイヤフラム４５のストロークである隙間Ｙ２を有する状態で開口している。弁開状態において、これら隙間Ｙ１と隙間Ｙ２とは、隙間Ｙ１＝隙間Ｙ２の関係となる。

一方、図４（ｂ）において、ハンドル４８を回転させてステム４３を下降させるときに推力が発生し、この推力を維持しながら弁閉時に必要な締付け荷重を弁座シート４６と荷重分散シート４７とで分散して受けることが可能な二重化構造に設けられている。すなわち、荷重分散シート４７は、ダイヤフラム４５と弁座シート４６とが接触するときに、ハンドル４８に設けたステム４３からの推力が加わる位置に配置されている。

上記のように、開閉機構４３を手動弁に適用し、弁座シート４６と荷重分散シート４７とで締付け荷重を分散させていることにより、前述した実施形態と同様の機能を発揮し、特には、ハンドル４８の締め過ぎによる弁座シート４６の破壊等を防止することが可能であることに加えて、推力が大きくなるように設計したとしても弁座シート４６への影響を極力抑えて十分なシール性能を維持できる。このため、締付け荷重を抑えた場合に生じやすい、突部４３ａ底面側とダイヤフラムピース４４、おねじ部５５とめねじ部５４との各摺動抵抗が不足することを防止し、この摺動抵抗不足によるハンドル４８の戻り現象による閉止の不具合の発生も抑制する。

続いて、半導体製造装置用バルブの弁座シート、荷重分散シートを設定する場合の実施例を説明する。
図１の構成の実施形態のバルブ本体１において、荷重分散シート１０を設けることなく弁座シート７単独で締付け荷重（推力）を受ける場合と、前記実施形態における荷重分散シート１０と弁座シート７との双方で推力を設ける場合と比較するために、それぞれの場合におけるシート７、１０にかかる力の大きさを求めた。

高圧ガス向けのバルブの条件として、例えば、２０．６ＭＰａの圧力まで使用可能なバルブ本体１を設けた。この場合、設計時おけるマージンを１０％、ダイヤフラム６の有効面積を仮に８８．４ｍｍ^２とし、流体圧によりダイヤフラム６に生じる反力Ｐを、反力Ｐ＝８８．４×２０．６×１．１≒２００３［Ｎ］と設定した。この反力Ｐを受けるダイヤフラム６を押圧して確実に弁閉動作させるために、反力Ｐをスプリング３３による推力Ｆが超えるように、そのスプリング荷重を含む開閉機構８全体やその他の各部品を設計した。さらに、弁閉時における推力Ｆにより生じるシール荷重が、流体の供給が停止して内圧が無い状態であっても常にかかり続けるようにした。

上記バルブ本体１で使用する弁座シート７のシール面７ａのサイズは、外径φ６．６ｍｍ、内径φ３．６ｍｍとし、その有効面積は、(６．６／２)^２×π－(３．６／２)^２×π≒２４．０ｍｍ^２とした。

先ず、バルブ本体１内に荷重分散シート１０を設けることなく、弁座シート７のみを使用した場合には、反力Ｐによる面圧が、最大で２００３÷２４．０＝８３．５［ＭＰａ］となった。
このように、荷重分散シート１０を設けていないときには、前述したＰＣＴＦＥの耐力（引張り強さ）である４１ＭＰａを、面圧（８３．５ＭＰａ）が大きく超える結果となった。これにより、繰り返し使用した場合には、弁座シート７が面圧に耐えきれずに塑性変形し、損傷したり破断したりする可能性が極めて高くなることが認められた。

一方、弁座シート７と荷重分散シート１０とを並列状態に設ける際には、シール面サイズ（有効面積）が２４．０ｍｍ^２の弁座シート７に加えて、有効面積（拡径段部及び底面部のそれぞれに対向する面積）が２６．０ｍｍ^２の荷重分散シート１０を使用した。これにより、弁座シート７と荷重分散シート１０との有効面積の総和（合計面積）は５０．０ｍｍ^２となった。
このことから、これらの合計面積５０ｍｍ^２への上記反力Ｐ（２００３［Ｎ］）による面圧は、２００３÷５０．０≒４０［ＭＰａ］となった。

上記のように荷重分散シート１０を設けた場合には、一般的なＰＣＴＦＥの耐力である４１ＭＰａに対して、弁座シート７が受ける面圧が材料の耐圧限界内の数値に収まる。このため、弁座シート７がダメージを受けることを阻止することができた。

さらには、弁座シート７に腐食性ガス等が浸透してこの弁座シート７が軟化した場合においても、弁座シート７のダメージを低減することができた。
例えば、弁座シート７の耐力が、薬品等によって２０．５ＭＰａ（一般的な値である４１ＭＰａの５０％）に低下したときに、荷重分散シート１０を設けていない場合には、８３．５ＭＰａの面圧が弁座シート７のみにかかってしまうことから、これらの比は、８３．５［ＭＰａ］÷２０．５［ＭＰａ］＝４．１となり、この４．１倍の面圧を受けて破壊等が進行しやすくなる傾向がみられた。

これに対して、弁座シート７と荷重分散シート１０との双方を使用した場合には、これらの合計面積にかかる面圧は４０ＭＰａであることから、この面圧と弁座シート７の耐力との比が、４０［ＭＰａ］÷２０．５［ＭＰａ］＝１．９５となる。このように、１．９５倍の面圧に抑えることで、荷重分散シート１０を設けていない場合に比較してダメージを大幅に低減することができた。

さらに、上記において、荷重分散シート１０は、弁座シート７にかかる推力や耐力などとの関係を考慮した設計した。具体的には、弁座シート７の耐力が２０．５ＭＰａに低下したときの弁座シート７単独の限界推力（塑性変形しない推力）は、シール面の面積（有効面積）×軟化後の耐圧により、２４．０［ｍｍ^２］×２０．５［ＭＰａ］＝４９２［Ｎ］となる。ピストンが発生する全推力が２００３Ｎであるため、荷重分散シート１０を設ける場合に単独で受け持つべく推力は、２００３［Ｎ］－４９２［Ｎ］＝１５１１［Ｎ］となる。

この推力に対して荷重分散シート１０が受ける面圧は、１５１１［Ｎ］÷２６．０［ｍｍ^２］＝５８．１［ＭＰａ］となる。これにより、荷重分散シート１０の耐圧が５８．１ＭＰａよりも大きくなるようにし、本例では、ＭＣナイロン（登録商標）（耐力９６ＭＰａ）を材料とした。この場合には、仮に、弁座シート７が軟化して潰れたりしたとしても、荷重分散シート１０が単独で比較的高い荷重を受けることが可能になり、弁座シート７の弾性変形の範囲を超える潰れなどの変形を防止できた。

上記のように荷重分散シート１０を設定することで適切に推力を分散しながら、バルブ本体１の性能や製品サイズ等に設計上の制限を加えることなくコンパクト性を維持した状態で製作可能となった。また、弁座シート７の耐力が失われてその機能性が損なわれることもないことが確認された。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、前記実施の形態記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができるものである。

１、４０ バルブ本体
４ ステム部材
６ ダイヤフラム
７ 弁座シート
８ 開閉機構
１０ 荷重分散シート（荷重分散部材）
１１ アクチュエータ
３２ ピストン
３３ スプリング
４３ ステム
４８ ハンドル
Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２ 隙間

Claims (5)

1. バルブ本体に設けたダイヤフラムと弁座シートとの接離によって開閉する半導体製造装置用バルブにおいて、前記バルブ本体には、前記ダイヤフラムを押圧して弁閉させる開閉機構を設け、この開閉機構の内部には荷重分散部材を配置し、この荷重分散部材は、前記弁座シートに対して並列状態で、かつ弁開状態のとき、前記開閉機構の連設部位と前記荷重分散部材とが所定の隙間を有した状態で配置され、前記開閉機構が発生する推力を維持しながら、弁閉時に必要な締付け荷重を前記弁座シートと前記荷重分散部材とで分散して受ける二重化構造とし、前記弁座シートは、単位面積当たりで負担する荷重を材料の耐圧限界内の数値としつつ受圧面積の増加を抑えるように設けられ、前記弁座シートと前記荷重分散部材とは、これらの弾性変形の範囲、機械的な公差範囲を含みつつ、伝達される荷重がバランスよく分担されるように荷重を受けるときの面積配分が設定され、前記荷重分散部材の硬さや厚さ方向に対する弾性変形可能な寸法の割合により前記弁座シートの厚み、又は前記荷重分散部材の厚みが設定された状態で、弁閉動作時には、前記ダイヤフラムと前記弁座シートとが接触すると同時に、前記開閉機構からの推力が前記荷重分散部材に加わるように設けられていることを特徴とする半導体製造装置用バルブ。
2. 前記荷重分散部材は、前記バルブ本体の流路内の流体に接触しない部位に設けられている請求項１に記載の半導体製造装置用バルブ。
3. 前記荷重分散部材は、樹脂製のリング状の荷重分散シート又はバネ特性を有する皿バネである請求項１又は２に記載の半導体製造装置用バルブ。
4. 前記開閉機構は、自動弁の場合は、アクチュエータのピストン或はスプリングで構成され、手動弁の場合は、ハンドルに設けたステムである請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体製造装置用バルブ。
5. 前記荷重分散部材は、前記ダイヤフラムと前記弁座シートとが接触すると同時に、前記アクチュエータのピストン或はスプリング、又はハンドルに設けたステムからの推力が加わる位置に配置されている請求項４に記載の半導体製造装置用バルブ。