特開 2024-83222 バックアップリングシールと一体化した高温腐食性ガス向け複合シール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024083222

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】バックアップリングシールと一体化した高温腐食性ガス向け複合シール

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/10 20060101AFI20240613BHJP

【ＦＩ】

F16J15/10 T

F16J15/10 C

F16J15/10 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2023111058

(22)【出願日】2023-06-20

(31)【優先権主張番号】P 2022207582

(32)【優先日】2022-12-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】509083692

【氏名又は名称】株式会社ＥＭ応用技術研究所

(72)【発明者】

【氏名】三木 正晴

【テーマコード（参考）】

3J040

【Ｆターム（参考）】

3J040AA01

3J040AA17

3J040BA03

3J040CA02

3J040EA02

3J040EA15

3J040EA25

3J040FA01

3J040FA06

3J040HA06

3J040HA07

(57)【要約】      （修正有）

【課題】大気中の酸素ガス等がゴムシール内部を拡散透過するガス量を抑制する。
【解決手段】Ｏ－リングシール溝内に収まる形状のバックアップリングシール６０２を耐高温性は持つが耐腐食性は不十分なＯ－リングシール６０１の内周側（高温腐食性ガス側）に配する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｏ―リングシール溝に挿入可能な形状のバックアップリングシールを耐高温特性に特化したゴムシールの内側に一体化した複合シール

【請求項2】

Ｏ―リングシール溝に挿入可能な形状のバックアップリングシールを耐高温特性に特化したメタルシールの内側に一体化した複合シール

【請求項3】

請求項１あるいは請求項２記載のバックアップリングシールが概略純Ｎｉ製である複合シール

【請求項4】

請求項１あるいは請求項２記載のバックアップリングシールがＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）製である複合シール

【請求項5】

請求項２記載のメタルシールが耐高温特性に特化したエラストマーコートメタルシールである複合シール

【請求項6】

請求項１あるいは請求項２あるいは請求項３あるいは請求項４あるいは請求項５記載の複合シールの外周側にシートゴムシール部分を追加した複合シール

【請求項7】

請求項１あるいは請求項２あるいは請求項３あるいは請求項４あるいは請求項５あるいは請求項６記載の複合シールを用いた成膜装置

【請求項8】

請求項１あるいは請求項２あるいは請求項３あるいは請求項４あるいは請求項５あるいは請求項６記載の複合シールを用いたエッチング装置

【請求項9】

請求項１あるいは請求項２あるいは請求項３あるいは請求項４あるいは請求項５あるいは請求項６記載の複合シールを用いた排気ガス除害装置

【請求項10】

請求項１あるいは請求項２あるいは請求項３あるいは請求項４あるいは請求項５あるいは請求項６記載の複合シールを用いた排気ガス排気ポンプ

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、耐高温性能を損なうことなく耐腐食性能も有するバックアップリングシールと一体化した複合シールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体製造装置、あるいは、そのガス排気ポンプおよび排気ガス除害装置において、近年の半導体製造プロセスにおける更なる微細化、３次元化等により、大量の高温腐食性ガス、あるいは、クリーニングガスを導入、排気する必要性が高まってきている。そのため、それらの装置に使用するシールは耐高温性能と耐腐食ガス性能の両方を合わせ持つことが要求されている。しかしながら、その両性能を同時に満足させることが困難になってきている。例えば、３００℃以上の耐熱性に対応できるゴムシールは存在するが、その耐腐食性は不十分であり、また耐高温性が比較的容易なメタルシールの場合は耐腐食性を考慮しシール表面に耐腐食性のＡｇやＮｉのコーティング等を用いるが、３００℃以上の高温になるとそのコーティングの剥がれ等の問題が発生する。特に温度変化による膨張率の差異からシール面のずれが生じる場合はこの問題が顕著になる。従って、３００℃以上の高温腐食性ガス向けの信頼性のあるシールをいかに実現するかが課題になっている。それに加え、半導体プロセスチャンバー内の酸素ガス濃度等を精密にコントロールする必要性が増大してきているため、大気中の酸素ガス等がゴムシール内部を拡散透過するガス量を抑制することも課題になっている。

【先行技術文献】

【0003】

このような問題を解決するために、特許文献１では耐腐食性材を腐食性ガス防止材として、Ｏ－リングシールの内側（腐食性ガス側）に配する提案をしているが、腐食性ガスが耐腐食性材を拡散透過することを見過ごしているため、腐食性ガスが時間経過とともに耐腐食性材の内部を拡散透過し、Ｏ－リングシール表面に到達するため、その腐食ガス防止効果は不十分である。そこで、Ｏ－リングシール内部をガスが拡散透過する現象に注目し、そのガスの拡散透過を防止することを意図した特許文献２のゴムＯ－リングシールの外周あるいは内周にバックアップリングシールを配した複合シールの考え方が参考になる。

【文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９－１７４６２７

【特許文献2】特開２０２０－１８０６９７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１では、図２に示すように真空シール機能を持つ弾性部材からなる第一のシール部材２０１と耐プラズマ性や耐腐食ガス性を持つ第一のシール部材２０１より硬質な材料からなる第二のシール部材２０２とからなる複合シール２００を提案しているが、第二のシール部材２０２を高温腐食性ガスが拡散透過するため、第一のシール部材２０１が高温腐食性ガスに攻撃されるのを防ぐ効果は不十分である。特許文献２では、図３に示すように主たるシール機能を持つゴムＯ－リングシール３０１よりガスの拡散透過率が十分低いバックアップリングシール３０２をゴムＯ－リングシール３０１の外側あるいは内側に配する複合シール３００を提案しているが、バックアップリングシール３０２の耐腐食性や耐高温性には言及していない。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するためにＯ－リングシール溝内に収まる形状のバックアップリングシールを耐高温性は持つが耐腐食性は不十分なＯ－リングシールの内周側（高温腐食性ガス側）に配し、チャンバー部材表面とシール表面間におけるシール性能はＯ－リングシールで従来通りに実現し、Ｏ－リングシールの表面から内部へ侵入する高温腐食性ガスはバックアップリングシールを例えば耐腐食性と耐高温性に優れた概略純Ｎｉ金属製とし、しかもその表面とチャンバー部材表面間におけるシール性能はＯ－リングシールの悪くとも１０％程度はあるような表面状態にすること、更にはＯ－リングシールとの接触面になるバックアップリングシールのＯ－リングシール側表面は充分にシール可能な表面状態であることにより、両シールを密着させた複合シールとし、チャンバーあるいはその配管内の高温腐食性ガスがＯ－リングシール表面に到達するガス量を実質的にほぼ零にする。ここで、Ｏ－リングシールを拡散透過する大気中のガス成分、例えば酸素ガスは、金属製バックアップリングシールにより、高温腐食性ガス側に拡散透過するガス量は実質上零で、チャンバー部材表面とバックアップリングシール表面間を通過するガスのみに制限されるので、チャンバー内に侵入する大気中の酸素ガス量はＯ－リングシールのみの場合より減少する。

【発明の効果】

【0007】

バックアップリングシールが、従来のＯ－リングシール溝に収まるような形状であるため、従来のシール部構造を設計変更する必要がなく、既存装置の耐高温腐食性ガス特性のアップグレイド用シールとして使える。

【0008】

従来のＯ－リングシールの内側、すなわち高温腐食性ガスが流れる側に耐高温性と耐腐食性に優れた概略純Ｎｉ金属をバックアップリングシールとして配することにより、ガスとバックアップリングシール表面との反応やそのシール表面から発生するガスの心配はない。

【0009】

また、従来のＯ－リングシールの内側にバックアップリングシールを配することにより、Ｏ－リングシールから発生するガス放出速度と大気中から侵入する酸素ガス量等も低減されるので、Ｏ－リングシールがゴムの場合は高分子量のガスや大気中の酸素ガス等の侵入を嫌う半導体製造装置や分析装置のシールとしても使える。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】従来のＯ－リングシール

【図2】特許文献１の実施例における複合シール

【図3】特許文献２の実施例における複合シール

【図4】本発明の第一の実施例の耐高温特性に特化したゴムＯ－リングシールとの複合シール

【図5】本発明の第二の実施例の耐高温特性に特化したメタルシールとの複合シール

【図6】本発明の第一の実施例における環境温度変化に対応するバックアップリングシール形状

【図7】本発明の第一の実施例の耐高温特性に特化したゴムＯ－リングシールに大気中のガス透過率低減機能を付加した複合シール

【発明を実施するための形態】

【実施例0011】

以下、本発明の実施例を各図に基づき説明する。図１では、耐高温性を持つが耐腐食性が不十分なゴムＯ－リングシール１０１に直接腐食性ガスが接触するため、ゴムＯ－リングシール１０１は短期間で腐食される。

【0012】

一方、図２における特許文献１の実施例では真空シール機能を持つ弾性部材からなる第一のシール部材２０１と耐プラズマ性や耐腐食ガス性を持つ第一のシール部材２０１より硬質な材料からなる第二のシール部材２０２とからなる複合シール２００を提案しているが、第二のシール部材２０２を高温腐食性ガスが拡散透過するため、第一のシール部材２０１が高温腐食性ガスに攻撃されるのを防ぐ効果は不十分である。

【0013】

また、図３に示す特許文献２の実施例では主たるシール機能を持つゴムＯ－リングシール３０１よりガスの拡散透過率が十分低いバックアップリングシール３０２をゴムＯ－リングシール３０１の外側あるいは内側に配する複合シール３００を提案しているが、バックアップリングシール３０２の耐腐食性や耐高温性には言及していない。

【0014】

図４はゴムＯ－リングシールでの本発明の実施例で、耐高温性に特化しその耐高温特性が十分なゴムＯ－リングシール４０１の内側（高温腐食性ガス側）に耐高温腐食性を持つ金属、例えば概略純Ｎｉ製バックアップリングシール４０２を配した複合シール４００となっている。概略純Ｎｉ製バックアップリングシール４０２の表面とチャンバー部材４０３の表面間におけるシール性能をゴムＯ－リングシール４０１の悪くとも１０％程度はあるような表面状態にバックアップリングシール４０２の表面をすることと更にはゴムＯ－リングシール４０１との接触面になるバックアップリングシール４０２のゴムＯ－リングシール側表面を充分にシール可能な表面状態にすることにより、チャンバーあるいはその配管内の高温腐食性ガスがゴムＯ－リングシール４０１の表面に到達するガス量を実質的にほぼ零にすることができ、複合シール４００は耐高温腐食性ガス特性を十分にもつようになる。また、ゴムＯ－リングシールを拡散透過する大気中のガス成分、例えば酸素ガス等は、金属製バックアップリングシールにより、拡散透過するガス量は実質上零で、チャンバー部材表面とバックアップリングシール表面間を通過するガスのみに制限されるので、チャンバー内に侵入する大気中の酸素ガス量等はゴムＯ－リングシールのみの場合より減少する。

【0015】

図５はメタルシールでの本発明の実施例で、耐高温性に特化しその耐高温特性が十分なエラストマー５０１ａをコーティングしたエラストマーコートメタルシール５０１の内側（高温腐食性ガス側）に耐高温腐食性を持つ金属、例えば概略純Ｎｉ製バックアップリングシール５０２を配した複合シール５００となっている。概略純Ｎｉ製バックアップリングシール５０２の表面とチャンバー部材５０３の表面間におけるシール性能をエラストマーコートメタルシール５０１の悪くとも１０％程度はあるような表面状態にバックアップリングシール５０２の表面をすることと更にはエラストマーコートメタルシール５０１との接触面になるバックアップリングシール５０２のエラストマーコートメタルシール側表面を充分にシール可能な表面状態にすることにより、チャンバーあるいはその配管内の高温腐食性ガスがエラストマーコートメタルシール５０１の表面に到達するガス量を実質的にほぼ零にすることができ、複合シール５００は耐高温腐食性ガス特性を十分にもつようになる。

【0016】

図６はチャンバー温度が高温と常温の間で変化する場合に対応する本発明の一つの実施例で、耐高温性に特化しその耐高温特性が十分なゴムＯ－リングシール６０１の内側（高温腐食性ガス側）に耐高温腐食ガス特性を持つ樹脂や金属、例えばＰＰＳ製バックアップリングシール６０２を配した複合シール６００となっている。ＰＰＳ製バックアップリングシール６０２の表面とチャンバー部材６０３の表面間におけるシール性能をゴムＯ－リングシール６０１の悪くとも１０％程度はあるような表面状態にＰＰＳ製バックアップリングシール６０２の表面をすることと更にはゴムＯ－リングシール６０１との接触面になるＰＰＳ製バックアップリングシール６０２のゴムＯ－リングシール側表面を充分にシール可能な表面状態にすることにより、チャンバーあるいはその配管内の高温腐食性ガスがゴムＯ－リングシール６０１の表面に到達するガス量を実質的にほぼ零にすることができ、複合シール６００は耐高温腐食性ガス特性を十分にもつようになる。しかしながら、環境温度が常温から高温、さらに高温から常温へと変化するとＰＰＳ製バックアップリングシール６０２の熱膨張率とチャンバー部材の熱膨張率の差から、高温時にはＰＰＳ製バックアップシール６０２に圧縮応力がかかり、常温に戻った際のその圧縮力解放にＰＰＳ製バックアップシール６０２が追従出来ず、チャンバー部材６０３との接触面のシール性能が低下する対策として、ＰＰＳ製バックアップリングシール６０２とチャンバー部材６０３との接触部６１３の内側の一部をテーパ角度αのテーパ形状に、更にゴムＯ－リングシール６０１が、ＰＰＳ製バックアップリングシール６０２との接触面側をゴムＯ－リングシールの一部が貫入した形状、即ち通常のゴムＯ－リングシール６０１の接触面曲率６１１より小さな曲率のバックアップシール６０２側の突出部６１２が、高温時のＰＰＳ製バックアップリングシール６０２への圧縮応力によるその外周側への屈曲に対する弾性力を与えるようになる。そのバックアップリングシール６０２側の突出部６１２の弾性力が、環境が常温に戻った際にＰＰＳ製バックアップリングシール６０２の表面とチャンバー部材６０３の表面間におけるシール性能の劣化を防ぐ役目をする。また、チャンバー部材６０３との接触部６１３の内側の一部のテーパ角度αはＰＰＳ製バックアップリングシール６０２の熱膨張率とチャンバー部材６０３の熱膨張率の差とその形状から決まる。

【0017】

図７はチャンバー温度が高温と常温の間で変化する場合に対応する本発明の図６とは別の実施例で、耐高温性に特化しその耐高温特性が十分なゴムＯ－リングシール部分７０１の大気側に薄く径方向に幅のあるシートゴムシール部分７０４を設け、その部分がＯ－リングシール溝の大気側のチャンバー部材７０３間においてシールをするようにする。シートゴムシール部分の径方向長さｌとシートゴムシール部分の厚さｔとの比が１０以上であれば、シートゴムシール部分７０４を大気側から拡散透過するガス透過率はＯ－リングシール溝のゴムＯ－リングシール部分７０１の約１／１０以下になる。即ちバックアップリングシール７０２の表面シール効果がチャンバー温度変化により低下した場合でも高温腐食ガス側に侵入する大気中の酸素ガス等は図６のゴムＯ－リングシール６０１のみの場合の約１／１０に減少する。ここで、シートゴムシール部分７０４はゴムＯ－リングシール部分７０１と一体構造であってもかまわない。

【産業上の利用可能性】

【0018】

バックアップリングシールが、従来のＯ－リングシール溝に収まるような形状であるため、従来のシール部構造を設計変更する必要がなく、既存装置の耐高温腐食性ガス特性のアップグレイド用シールとして使えるので、腐食性プロセスガスやクリーニングガスが従来より大流量に更には高温になる場合の新規あるいは中古の成膜装置やエッチング装置用のシールとして有用である。

【0019】

また、高温大流量のプロセスガスやクリーニングガスを必要とする成膜装置やエッチング装置用の排気ポンプやガス除害装置の配管部のシールとしても有用である。

【0020】

また、プロセスチャンバー内の酸素ガス濃度を精密にコントロールする必要のある成膜装置及びその排気ポンプやガス除害装置の配管部のシールとしても有用である。

【符号の説明】

【0021】

１０１、３０１、４０１、６０１ ゴムＯ－リングシール
２００、３００，４００、５００、６００、７００ 複合シール
２０１ 第一のシール部材
２０２ 第二のシール部材
３０２、４０２、５０２、６０２、７０２ バックアップリングシール
５０１ エラストマーコートメタルシール
５０１ａ エラストマー
４０３、５０３、６０３、７０３ チャンバー部材
７０１ ゴムＯ－リングシール部分
７０４ シートゴムシール部分
６１１、７１１ 接触面曲率
６１２、７１２ 突出部
６１３、７１３ 接触部
α テーパ角度
ｌ シートゴムシール部分の径方向長さ
ｔ シートゴムシール部分の厚さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】