特許 6941372 バルブおよび半導体製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6941372

(24)【登録日】2021年9月8日

(45)【発行日】2021年9月29日

(54)【発明の名称】バルブおよび半導体製造装置

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/44 20060101AFI20210916BHJP

   F16K 1/32 20060101ALI20210916BHJP

【ＦＩ】

   F16K31/44 C

   F16K1/32 B

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2018-556241(P2018-556241)

(86)(22)【出願日】2017年11月2日

(86)【国際出願番号】JP2017039671

(87)【国際公開番号】WO2018110132

(87)【国際公開日】20180621

【審査請求日】2019年7月5日

(31)【優先権主張番号】特願2016-240079(P2016-240079)

(32)【優先日】2016年12月12日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390033857

【氏名又は名称】株式会社フジキン

(74)【代理人】

【識別番号】100183380

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 裕司

(74)【代理人】

【識別番号】110000279

【氏名又は名称】特許業務法人ウィルフォート国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】丹野 竜太郎

(72)【発明者】

【氏名】柳田 保昌

(72)【発明者】

【氏名】篠原 努

【審査官】 西井 香織

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０９２８２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１０８３８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１７２７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０９７８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０５０４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１６８１１２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｋ １／００ − １／５４

Ｆ１６Ｋ ３１／４４ − ３１／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体通路が形成され、弁座を備えたボディと、
駆動力を発生する駆動手段と、
前記駆動力を増幅させる倍力機構と、
前記弁座に対し当接および離間して前記流体通路を開閉可能な弁体と、
前記倍力機構により増幅された力を受けて、前記ボディに対し前記弁体を当接および離間可能に設けられたステムと、を備え、
前記倍力機構は、
支持部と、
前記支持部に両端が支持される軸部と、
前記軸部により揺動可能に支持され、前記駆動力を受ける一端部と前記ステムに対し前記駆動力を増幅して伝える他端部とを有する揺動部と、を備え、
前記揺動部、前記軸部、および前記支持部において、前記揺動部の揺動により摺動する摺動部の少なくとも一部に、炭素材料が使用され、
前記炭素材料は、炭素繊維複合材料であり、前記炭素繊維複合材料の繊維方向と、前記摺動部の摺動方向が一致している、バルブ。

【請求項2】

前記倍力機構を収容するケーシングを備え、
前記ケーシングは、下ケーシングと、中間ケーシングと、上ケーシングとを有し、
前記支持部の周縁部は、前記下ケーシングと前記中間ケーシングとに接して挟持されている、請求項１に記載のバルブ。

【請求項3】

前記揺動部、前記軸部、および前記支持部における、前記摺動部の少なくとも一部以外の残りの部分は、ステンレスにより構成されている、請求項１から請求項２のいずれか一項に記載のバルブ。

【請求項4】

前記支持部は、前記軸部を回転可能に支持する軸受を有し、
前記軸受は炭素材料により構成されている、請求項３に記載のバルブ。

【請求項5】

前記摺動部は、２つの部材により構成され、前記２つの部材は直接接触している、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のバルブ。

【請求項6】

チャンバと、
前記チャンバ内に配置された請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のバルブと、を備える、半導体製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バルブおよびそれを備える半導体製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高温対応のバルブとして、駆動圧（例えば、圧縮空気）による駆動力を増幅させる倍力機構を備え、倍力機構を介して、ステムおよび弁体を作動させ、流体通路を開閉するバルブが提案されている（例えば、特許文献１参照）。倍力機構は、支持部材と、支持部材に支持される軸部材と、軸部材に回転可能に支持される回転部材とにより構成されており、これらの部材のうち、回転部材の回転に伴って互いに摺動する２つの部材の間に通常は焼き付き防止のためグリスが塗布されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平０７−１３９６４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、バルブを高温下で長期間使用した場合には、高温対応のグリスを使用したとしても、グリスが枯れてしまうことにより焼き付き等が発生し、バルブが作動不良を起こすことがあった。また、グリスからの放出ガスによりチャンバ内を汚染することがあった。

【0005】

そこで本発明は、高温使用においても焼き付き等が発生することなく長期間使用可能であり、チャンバ内を汚染することがないバルブおよび半導体製造装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を解決するために、本発明の一態様であるバルブは、流体通路が形成され、弁座を備えたボディと、駆動力を発生する駆動手段と、前記駆動力を増幅させる倍力機構と、前記弁座に対し当接および離間して前記流体通路を開閉可能な弁体と、前記倍力機構により増幅された力を受けて、前記ボディに対し前記弁体を当接および離間可能に設けられたステムとを備え、前記倍力機構は、支持部と、前記支持部に両端が支持される軸部と、前記軸部により揺動可能に支持され、前記駆動力を受ける一端部と前記ステムに対し前記駆動力を増幅して伝える他端部とを有する揺動部と、を備え、前記揺動部、前記軸部、および前記支持部において、前記揺動部の揺動により生じる摺動部の少なくとも一部に、炭素材料が使用されている。

【0007】

また、前記炭素材料は、炭素繊維複合材料であってもよい。

【0008】

また、前記炭素繊維複合材料の繊維方向と、前記摺動部の摺動方向が一致していてもよい。

【0009】

また、前記揺動部、前記軸部、および前記支持部における、前記摺動部の少なくとも一部以外の残りの部分は、ステンレスにより構成されてもよい。

【0010】

また、前記支持部は、前記軸部を回転可能に支持する軸受を有し、前記軸受は炭素材料により構成されてもよい。

【0011】

また、前記摺動部は、2つの部材により構成され、前記２つの部材は直接接触していてもよい。

【0012】

本発明の一態様である半導体製造装置は、チャンバと、前記チャンバ内に配置された上記のバルブと、を備える。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、高温使用下においても焼き付き等が発生することなく長期間使用可能であり、チャンバ内を汚染することがないバルブおよび半導体製造装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態における閉状態にあるバルブの縦断面図を示す。

【図2】倍力機構の一部断面を示した斜視図である。

【図3】倍力機構の平面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の一実施形態によるバルブについて、図面を参照して説明する。

【0016】

図１は、本実施形態における閉状態にあるバルブ１の縦断面図を示している。図１に示すように、バルブ１は、ダイヤフラムバルブであり、例えば、半導体製造装置のチャンバ内において使用される。バルブ１は、ボディ２と、ボンネット部１０と、アクチュエータ部２０とを備える。なお、以下の説明において、バルブ１の、アクチュエータ部２０を上側、ボディ２側を下側として説明する。なお、本実施形態のバルブ１を構成する各部材は、特に言及しない限りステンレスにより構成されているものとする。

【0017】

ボディ２には、弁室２ａと、弁室２ａに連通する流入路２ｂおよび流出路２ｃとが形成されている。ボディ２の流入路２ｂと弁室２ａとが連通する箇所の周縁（流入路２ｂの開口部）には、ボンネット部１０に向かって突出する円環状の弁座２Ｄが設けられている。また、ボディ２は、上方に延びるように設けられ、円筒状をなし、外周部に雄ねじ部が形成された円筒部２Ｅを有する。

【0018】

ボンネット部１０は、ダイヤフラム１１と、ボンネット１２と、押さえアダプタ１３と、ディスク１４と、ダイヤフラム押さえ１５とを有する。

【0019】

弁体であるダイヤフラム１１は、例えばニッケル−コバルト合金からなり、複数枚のダイヤフラムにより構成され、環状の押さえアダプタ１３により、その外周縁部が狭圧され、ボディ２に対し保持されている。弁体であるダイヤフラム１１は、略球殻状をなし、上に凸の略円弧状が自然状態となっている。ダイヤフラム１１が弁座２Ｄに対し当接および離間することによって、流入路２ｂと流出路２ｃとの間の連通または遮断が行われる。バルブ１が閉状態にあるときには、ダイヤフラム１１が弁座２Ｄに当接し、流入路２ｂと流出路２ｃとが遮断される。

【0020】

ボンネット１２は、略円筒状をなし、ボディ２の円筒部２Ｅに上側から挿入され、押さえアダプタ１３に対し上側から当接している。

【0021】

ディスク１４およびダイヤフラム押さえ１５は、一体に構成されて略円柱状をなし、ボンネット１２内に挿入されて上下方向に移動可能に支持され、ダイヤフラム１１の中央部を押圧可能である。

【0022】

アクチュエータ部２０は、ケーシング２１と、ベローズ２２と、ピストン２３と、ピストンリング２４と、倍力機構３０と、第１ステム２５と、第２ステム２６と、皿バネ２７とを備える。

【0023】

ケーシング２１は、下ケーシング２１Ａと、中間ケーシング２１Ｂと、上ケーシング２１Ｃとを有し、倍力機構３０等を収容する収容室２１ｇを形成する。

【0024】

下ケーシング２１Ａは、円盤部２１Ａ１と、下突出部２１Ａ２と、上突出部２１Ａ３とを有する。円盤部２１Ａ１は、円盤状をなし、その中央部に貫通孔２１ｄが形成されている。下突出部２１Ａ２は、円筒状をなし、円盤部２１Ａ１の下面から下方に突出している。下突出部２１Ａ２の内周面には雌ねじ部が形成され、当該雌ねじ部がボディ２の円筒部２Ｅの雄ねじ部に螺合されている。これにより、ボンネット１２が円盤部２１Ａ１によって下方に押され、押さえアダプタ１３がダイヤフラム１１の外周縁部を押圧する。上突出部２１Ａ３は、円筒状をなし、円盤部２１Ａ１の上面から上方に突出している。上突出部２１Ａ３の外周面には雄ねじ部が形成されている。

【0025】

中間ケーシング２１Ｂは、円筒状をなし、その上端部および下端部の内周面に、それぞれ雌ねじ部が形成されている。当該下端部の雌ねじ部が下ケーシング２１Ａの上突出部２１Ａ３の雄ねじ部に螺合されることにより、中間ケーシング２１Ｂは下ケーシング２１Ａに対し固定されている。また、中間ケーシング２１Ｂの内周面であって上突出部２１Ａ３の上側には、内方へ突出する突出部２１Ｅが設けられている。

【0026】

上ケーシング２１Ｃは、略円盤状をなし、その外周部には雄ねじ部が形成され、その中央部に貫通孔２１ｆが形成されている。当該雄ねじ部が中間ケーシング２１Ｂの上端部の雌ねじ部に螺合されることにより、上ケーシング２１Ｃは中間ケーシング２１Ｂに対し固定されている。貫通孔２１ｆには、駆動圧導入用継手２８が取り付けられている。なお、本実施形態では、駆動圧導入用継手２８は上ケーシング２１Ｃに対し溶接により取り付けられている。

【0027】

ベローズ２２は、全体として円筒状をなし、その上端部の外縁が上ケーシング２１Ｃの下面に密着するように固定されている。ベローズ２２は、いわゆる溶接ベローズであり、円環状の複数の金属板の内径部と外径部を交互に溶接しながら繋ぎ合わせて作成される。

【0028】

ピストン２３は、略円盤状をなし、その上面の外周には、ベローズ２２の下端部の外縁が密着するように固定されている。このように、上ケーシング２１Ｃ、ベローズ２２、およびピストン２３は、一体化され、駆動圧導入室２３ａを形成する。

【0029】

ピストンリング２４は、環状をなし、ピストン２３の下面の外周部に固定されている。

【0030】

次に、倍力機構３０について図１〜図３を参照して説明する。

【0031】

図２は、倍力機構３０の一部断面を示した斜視図である。図３は、倍力機構３０の平面図を示している。

【0032】

倍力機構３０は、リテーナ３１と、６つの軸受３２と、３本のシャフト３３と、３つのアーム３４と、３つの平行ピン３５と、６つのワッシャ３６と、３つの止め輪３７とを有する。

【0033】

リテーナ３１は、円盤状の底部３１Ａと、底部３１Ａから上方に突出するピン支持部３１Ｂとを有する。底部３１Ａおよびピン支持部３１Ｂには、上下方向に貫通するステム孔３１ｃが形成されている。底部３１Ａの外周縁は、突出部２１Ｅと上突出部２１Ａ３とに挟持され、これによりリテーナ３１は、ケーシング２１に固定されている。ピン支持部３１Ｂには、径方向に延びる３つの溝部３１ｄが円周方向に等間隔（１２０°間隔）に形成されている。また、ピン支持部３１Ｂの外周部には、３つの溝部３１ｄの間に切り欠き３１ｅが形成されている。また、ピン支持部３１Ｂにおける溝部３１ｄを挟むように位置する部分には、それぞれ軸受孔３１ｆが形成されている。各軸受孔３１ｆの両端は、それぞれ溝部３１ｄおよび切り欠き３１ｅに開口する。

【0034】

各軸受３２は、炭素繊維複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）により構成され、円筒状をなしている。軸受３２を構成する炭素繊維複合材料の繊維方向は、軸受３２の円周方向（摺動方向に相当）と同方向に構成されている。また、軸受３２は、軸受孔３１ｆに挿入されている。リテーナ３１および軸受３２により、支持部が構成される。

【0035】

軸部である各シャフト３３は、溝部３１ｄを挟むように位置する一対の軸受３２を貫通している。

【0036】

揺動部である各アーム３４は、その長手方向に直行する方向に貫通するピン孔３４ａが形成されている。各アーム３４は、溝部３１ｄに配置され、ピン孔３４ａにシャフト３３が貫通され、揺動可能に支持されている。各シャフト３３は、アーム３４のピン孔３４ａに対し圧入されており、アーム３４の揺動によりシャフト３３も回転するように構成されている。各アーム３４は、シャフト３３の径方向において内端部３４Ｂと外端部３４Ｃとを有し、内端部３４Ｂには、ピン溝３４ｄが形成されている。内端部３４Ｂは、ステム孔３１ｃ内において第1ステム２５の後述のフランジ部２５Ｂの下側に位置し、外端部３４Ｃは、ピストンリング２４の下側に位置し、ピストンリング２４の下面に当接可能である。

【0037】

各平行ピン３５は、アーム３４のピン溝３４ｄに嵌入されている。平行ピン３５は、第１ステム２５の後述のフランジ部２５Ｂの下面に当接可能である。各シャフト３３の中心軸は、外端部３４Ｃのピストンリング２４に対する当接部分と平行ピン３５のフランジ部２５Ｂに対する当接部分との中間位置よりも、内端部３４Ｂ側に位置するように構成されている。

【0038】

このように、シャフト３３の中心軸が、外端部３４Ｃよりも内端部３４Ｂ側に位置しているので、外端部３４Ｃに作用する力は、内端部３４Ｂにおいて増幅され、増幅された力が第１ステム２５に作用する。なお、おおよそ増幅率は、（シャフト３３の中心軸からアーム３４の外端部３４Ｃのピストンリング２４に対する当接部分までの距離）／（シャフト３３の中心軸から平行ピン３５のフランジ部２５Ｂに対する当接部分までの距離）となっている。

【0039】

各ワッシャ３６は、各シャフト３３の両端に設けられている。各止め輪３７は、各シャフトの一端に設けられ、各シャフト３３がリテーナ３１から抜けるのを防止する。

【0040】

図１に示すように、第１ステム２５は、上下方向に延びる本体部２５Ａと、本体部２５Ａから外方に突出するフランジ部２５Ｂとを備える。本体部２５Ａの下端部には雄ねじ部が形成されている。フランジ部２５Ｂは、リテーナ３１のステム孔３１ｃに挿入されており、第１ステム２５はステム孔３１ｃ内において上下方向に移動可能である。フランジ部２５Ｂは、３つのアーム３４の内端部３４Ｂの上側に位置している。

【0041】

第２ステム２６は、略円柱状をなし、基部２６Ａと、上端部２６Ｂと、フランジ部２６Ｃと、下端部２６Ｄとを有する。基部２６Ａおよび上端部２６Ｂには、雌ねじ部が形成され、当該雌ねじ部に第１ステム２５の雄ねじ部が螺合されることにより、第１ステム２５と第２ステム２６とが一体化されている。上端部２６Ｂは、ステム孔３１ｃに挿入されている。フランジ部２６Ｃは、基部２６Ａと下端部２６Ｄとの間から外方に突出している。下端部２６Ｄは、下ケーシング２１Ａの貫通孔２１ｄに挿入され、ディスク１４に対し上側から当接している。第２ステム２６は、その上端部２６Ｂがステム孔３１ｃに挿入され、その下端部２６Ｄが貫通孔２１ｄに挿入されることにより、上下方向に移動可能に支持されている。このように、第１ステム２５および第２ステム２６は、ボディ２に対し近接および離間可能に構成される。

【0042】

皿バネ２７は、リテーナ３１の底部３１Ａと、第２ステム２６のフランジ部２６Ｃとの間に複数枚配置され、第１ステム２５および第２ステム２６を常に下向きに付勢している。

【0043】

図１に示すようにバルブ１が閉状態にある場合には、第１ステム２５および第２ステム２６が皿バネ２７により下方に付勢され、第２ステム２６がディスク１４およびダイヤフラム押さえ１５を押圧することにより、ダイヤフラム１１が押圧されて弁座２Ｄに当接し、流入路２ｂと流出路２ｃとの連通が遮断されている。また、第１ステム２５のフランジ部２５Ｂは、平行ピン３５を下方に押圧しており、アーム３４の外端部３４Ｃは、内端部３４Ｂよりも上側に位置している。

【0044】

駆動圧を駆動圧導入用継手２８を介して、駆動圧導入室２３ａに導入することにより、ピストン２３に対し下向きの力が働く。ピストン２３が下方に移動すると、ピストンリング２４によりアーム３４の外端部３４Ｃが下方に押される。アーム３４がシャフト３３の軸心を中心に揺動して、アーム３４の内端部３４Ｂが上方へ移動する。アーム３４の内端部３４Ｂ（平行ピン３５）の上向きの力と流入路２ｂを流れるガスがダイヤフラム１１を押す力が、皿バネ２７の付勢力よりも大きくなると、第１ステム２５および第２ステム２６が上方に移動し、ディスク１４およびダイヤフラム押さえ１５を下向きに押す力が小さくなる。これにより、ダイヤフラム１１が流体の圧力により押し上げられ、弁座２Ｄから離間し、弁が開かれる。

【0045】

アーム３４の揺動によりシャフト３３が回転し、各シャフト３３の両端部は軸受３２に対して摺動する。本実施形態では、各シャフト３３の両端部と軸受３２とにより摺動部が構成され、各シャフト３３と軸受３２とは、グリス等の潤滑剤を介さず、直接接触している。

【0046】

以上のように、本実施形態のバルブ１によれば、アーム３４、シャフト３３、および軸受３２を備えるリテーナ３１のうち、アーム３４の揺動により生じる摺動部の一部に、炭素材料が使用されている。すなわち、摺動部を構成する各シャフト３３の両端部と軸受３２とのうち、軸受３２は炭素繊維複合材料により構成されている。かかる構成によれば、炭素繊維複合材料は、高い耐熱性、耐摩耗性、摺動性を有するので、バルブ１を高温（例えば３００℃以上）で使用したとしても、摺動部において焼き付き等が発生することなく長期間使用可能となり、高耐久性を実現することができる。また、摺動部に潤滑剤であるグリスを必要としないので、半導体製造装置のチャンバ内で使用したとしても、チャンバ内を汚染することがない。

【0047】

また、炭素繊維複合材料により構成された軸受３２の繊維方向と、シャフト３３の回転方向（軸受の円周方向、摺動方向）とが一致するように構成されているので、摺動部における摺動性を向上させることができる。

【0048】

また、倍力機構３０において、摺動部の一部である軸受３２以外の残りの部分である、リテーナ３１、シャフト３３、およびアーム３４は、ステンレスにより構成されているので、摺動部の摺動性を高めつつ、倍力機構３０の強度を確保することができる。

【0049】

また、ステンレスを摺動部に用いた場合、あそびの設計に際して熱膨張性を検討する必要があるが、炭素繊維複合材料は、熱膨張性がステンレスに比べて低いので、軸受３２とシャフト３３との間のあそびの制御が容易となる。

【0050】

また、本実施形態のバルブ１をチャンバ内に配置して使用する半導体製造装置では、グリスを使用していないため、グリスからの放出ガスによるチャンバ内の汚染を防止することができる。

【0051】

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

【0052】

例えば、上記の実施形態において、軸受３２を構成する炭素材料に、炭素繊維複合材料を用いたが、例えば、グラファイトを用いてもよい。また、摺動部は、各シャフト３３の両端部と軸受３２により構成さていたが、例えば、アーム３４と当該アーム３４に接するシャフト３３の中央部分とにより構成され、少なくとも一部が炭素材料により構成されていてもよい。各シャフト３３の両端部が炭素材料により構成されていてもよい。また、倍力機構３０全体が炭素材料により構成されていてもよい。

【0053】

また、倍力機構３０は、上記の実施形態の構成に限らず、他の構成であってもよい。駆動手段は、駆動圧により駆動力を発生する構成であったが、例えば、ソレノイドにより駆動力を発生する構成であってもよい。また、バルブ１を構成する各部材は、ステンレスにより構成されていたが、高温（例えば３００℃以上）で使用可能であれば、他の材料であってもよい。アーム３４の数は、３つであったが、２つ以上であれば何個であってもよく、リテーナ３１の構成およびシャフト３３の数は、アーム３４の数に応じて変更してもよい。

【符号の説明】

【0054】

１：バルブ、 ２：ボディ、 ２ｂ：流入路、 ２ｃ：流出路、 ２Ｄ：弁座、
１１：ダイヤフラム、 ２５：第１ステム、 ２６：第２ステム、 ３０：倍力機構、
３１：リテーナ、 ３２：軸受、 シャフト：ピン、 ３４：アーム

【図1】

【図2】

【図3】