特許7242029ソレノイドバルブ、流量制御装置、流体制御装置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】
(24)【登録日】2023-03-10
(45)【発行日】2023-03-20
(54)【発明の名称】ソレノイドバルブ、流量制御装置、流体制御装置および半導体製造装置
(51)【国際特許分類】
F16K 25/00 20060101AFI20230313BHJP
F16K 1/34 20060101ALI20230313BHJP
F16K 1/42 20060101ALI20230313BHJP
F16K 1/36 20060101ALI20230313BHJP
F16K 31/06 20060101ALI20230313BHJP
H01L 21/31 20060101ALN20230313BHJP
【ＦＩ】
F16K25/00
F16K1/34 J
F16K1/42 G
F16K1/36 J
F16K31/06 305N
F16K31/06 305L
F16K31/06 305M
H01L21/31 B
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2018179454
(22)【出願日】2018-09-25
(65)【公開番号】P2020051475
(43)【公開日】2020-04-02
【審査請求日】2021-08-27
(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】110002893
【氏名又は名称】弁理士法人ＫＥＮ知財総合事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100186750
【弁理士】
【氏名又は名称】藤本 健司
(72)【発明者】
【氏名】饗庭 大輝
(72)【発明者】
【氏名】平井 暢
(72)【発明者】
【氏名】廣瀬 隆
【審査官】加藤 昌人
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－１４４７５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭６２－１８７３１０（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２０００－０３５１５１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ１６Ｋ ２５／００
Ｆ１６Ｋ １／００－ １／５４
Ｆ１６Ｋ ３１／０６－３１／１１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属合金製の環状のバルブシートと、前記バルブシートに対して当接および離間可能に設けられた金属合金製の弁体と、前記弁体を駆動するソレノイドアクチュエータと、を有するソレノイドバルブであって、前記弁体または前記バルブシートのどちらか一方は、凸状に湾曲する湾曲面をもつシール面を有し、
前記弁体または前記バルブシートの他方は、前記シール面の湾曲面に合致する凹状の湾曲面をもつ環状溝を前記シール面に対向する位置に有し、
前記弁体と前記バルブシートの当接する部分には硬度差が設けられ、前記シール面は前記環状溝より高い硬度に形成され、
前記シール面は湾曲面の外周側で連なり、当該バルブシートの根元部分に向かって末広がるように傾斜する傾斜面をさらに有し、
環状溝は、前記傾斜面の一部に合致する傾斜面部をさらに有する、ソレノイドバルブ。
【請求項2】
金属合金製の環状のバルブシートと、前記バルブシートに対して当接および離間可能に設けられた金属合金製の弁体と、前記弁体を駆動するソレノイドアクチュエータと、を有するソレノイドバルブであって、前記弁体または前記バルブシートのどちらか一方は、凸状に湾曲する湾曲面をもつシール面を有し、
前記弁体または前記バルブシートの他方は、前記シール面の湾曲面に合致する凹状の湾曲面をもつ環状溝を前記シール面に対向する位置に有し、
前記弁体と前記バルブシートの当接する部分には硬度差が設けられ、前記シール面は前記環状溝より高い硬度に形成され、
前記シール面は前記バルブシートに設けられ、
前記環状溝は弁体に設けられた、ソレノイドバルブ。
【請求項3】
金属合金製の環状のバルブシートと、前記バルブシートに対して当接および離間可能に設けられた金属合金製の弁体と、前記弁体を駆動するソレノイドアクチュエータと、を有するソレノイドバルブであって、前記弁体または前記バルブシートのどちらか一方は、凸状に湾曲する湾曲面をもつシール面を有し、
前記弁体または前記バルブシートの他方は、前記シール面の湾曲面に合致する凹状の湾曲面をもつ環状溝を前記シール面に対向する位置に有し、
前記弁体と前記バルブシートの当接する部分には硬度差が設けられ、前記シール面は前記環状溝より高い硬度に形成され、
前記バルブシートの硬度は、Ｈｖ３００以上であり、
前記弁体の少なくとも前記バルブシートと当接する部分の硬度は、Ｈｖ１００～Ｈｖ１４０の範囲内にある、ソレノイドバルブ。
【請求項4】
前記シール面は、円弧状の湾曲面を有する、請求項１ないし３のいずれかに記載のソレノイドバルブ。
【請求項5】
流路を画定するバルブボディをさらに有し、前記バルブシートは、前記バルブボディの流路の開口周囲に一体に形成され、かつ、硬度が当該バルブシート以外の部分よりも高くなるように形成されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のソレノイドバルブ。
【請求項6】
ソレノイドバルブの製造方法であって、前記ソレノイドバルブは、金属合金製の環状のバルブシートと、前記バルブシートに対して当接および離間可能に設けられた金属合金製の弁体と、前記弁体を駆動するソレノイドアクチュエータと、を有するソレノイドバルブであって、
前記弁体または前記バルブシートのどちらか一方は、凸状に湾曲する湾曲面をもつシール面を有し、
前記弁体または前記バルブシートの他方は、前記シール面の湾曲面に合致する凹状の湾曲面をもつ環状溝を前記シール面に対向する位置に有し、
前記弁体と前記バルブシートの当接する部分には硬度差が設けられ、前記シール面は前記環状溝より高い硬度に形成された、ソレノイドバルブであり、
前記製造方法は、前記弁体を前記バルブシートに対して押し付けて当該弁体に塑性変形を生じさせ、前記環状溝を形成する、ソレノイドバルブの製造方法。
【請求項7】
請求項１ないし５のいずれかに記載のソレノイドバルブを流量制御バルブとして内蔵する、流量制御装置。
【請求項8】
請求項１ないし５のいずれかに記載のソレノイドバルブを用いて流体の流量を制御する、流量制御方法。
【請求項9】
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ないし５のいずれかに記載のソレノイドバルブまたは請求項７に記載の流量制御装置を含む、流体制御装置。
【請求項10】
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ないし５のいずれかに記載のソレノイドバルブを用いる、半導体製造方法。
【請求項11】
処理チャンバにプロセスガスを供給する流体制御装置を有し、前記流体制御装置は、複数の流体機器を含み、
前記流体機器は、請求項１ないし５のいずれかに記載のソレノイドバルブを含む、半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ソレノイドバルブ、これを利用した流量制御装置、流量制御方法、流体制御装置、半導体製造装置及び半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、半導体製造工程においては、半導体製造装置のチャンバに対して、各種のプロセスガスの供給流量を制御するのに、流量制御装置が用いられる。
また、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）等の半導体製造プロセスにおいては、基板に膜を堆積させる処理プロセスに使用する処理ガスをより大きな流量でかつより高精度に制御して供給することが求められている。
流量制御装置に用いられる制御バルブのアクチュエータとしては、ピエゾアクチュエータやソレノイドアクチュエータを使用したものが知られているが、大流量の流量制御には、ピエゾアクチュエータに比べてストローク量が大きいソレノイドアクチュエータが適している。
ソレノイドアクチュエータを用いたソレノイドバルブにおいては、ディスクと呼ばれる弁体がバルブボディに形成されたバルブシートにばねの付勢力で常時押圧されている。そして、目標流量に応じた電圧をソレノイドアクチュエータのソレノイドに印加すると、弁体がバルブシートから離隔することでバルブが開き、目標流量となるように流体が制御される。
また、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）等の半導体製造プロセスにおいては、基板に膜を堆積させる処理プロセスに使用する処理ガスをより大きな流量でかつより高精度に制御して供給することが求められている。
流量制御装置に用いられる制御バルブのアクチュエータとしては、ピエゾアクチュエータやソレノイドアクチュエータを使用したものが知られているが、大流量の流量制御には、ピエゾアクチュエータに比べてストローク量が大きいソレノイドアクチュエータが適している。
ソレノイドアクチュエータを用いたソレノイドバルブにおいては、ディスクと呼ばれる弁体がバルブボディに形成されたバルブシートにばねの付勢力で常時押圧されている。そして、目標流量に応じた電圧をソレノイドアクチュエータのソレノイドに印加すると、弁体がバルブシートから離隔することでバルブが開き、目標流量となるように流体が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１４－１８５７３４号公報
【文献】特開２００７－１４６９１４号公報
【文献】特開２００３－３４３７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記のようなソレノイドバルブを用いた流量制御装置では、流量をゼロにコントロールする場合や、緊急時に流路を遮断するには、バルブシートに弁体をばねの力で押し付けて流路を閉鎖する。
しかし、バルブシートに弁体をばねの力で押し付けただけでは線接触のため、高圧の流体が流通している場合に確実にバルブを閉鎖することは難しい。また、ソレノイドバルブにおいては、バルブシートに対する弁体の当接位置がばらつくため、バルブシートと弁体との間に僅かな隙間が形成され、流体が流通する可能性がある。バルブシートと弁体との間から流体が流通してしまうと、高精度な流量制御の実現が困難である。
このため、バルブ閉鎖時のシール性能を高める必要があった。
特許文献１は、コーティング処理を施した弁座に環状の面押し加工痕を形成することでバルブ閉鎖時のシール性を高める技術を開示している。
特許文献２は、球面状の弁体とテーパー状の開口部を形成する弁座とにより構成されるソレノイドバルブおいて、弁座に球体治具により球面状に圧痕形成することでバルブ閉鎖時のシール性能を高める技術を開示している。
特許文献３は、弁体の弁座と対応する位置に膨張黒鉛を材料としたシール部材を設けることにより、バルブ閉鎖時のシール性能を高める技術を開示している。
しかしながら、特許文献１、２の技術は、球体以外の形状の弁体への適用が困難である。特許文献３の技術では、構造が複雑になる、パーティクルが生じやすい等の問題が存在する。
しかし、バルブシートに弁体をばねの力で押し付けただけでは線接触のため、高圧の流体が流通している場合に確実にバルブを閉鎖することは難しい。また、ソレノイドバルブにおいては、バルブシートに対する弁体の当接位置がばらつくため、バルブシートと弁体との間に僅かな隙間が形成され、流体が流通する可能性がある。バルブシートと弁体との間から流体が流通してしまうと、高精度な流量制御の実現が困難である。
このため、バルブ閉鎖時のシール性能を高める必要があった。
特許文献１は、コーティング処理を施した弁座に環状の面押し加工痕を形成することでバルブ閉鎖時のシール性を高める技術を開示している。
特許文献２は、球面状の弁体とテーパー状の開口部を形成する弁座とにより構成されるソレノイドバルブおいて、弁座に球体治具により球面状に圧痕形成することでバルブ閉鎖時のシール性能を高める技術を開示している。
特許文献３は、弁体の弁座と対応する位置に膨張黒鉛を材料としたシール部材を設けることにより、バルブ閉鎖時のシール性能を高める技術を開示している。
しかしながら、特許文献１、２の技術は、球体以外の形状の弁体への適用が困難である。特許文献３の技術では、構造が複雑になる、パーティクルが生じやすい等の問題が存在する。
【0005】
本発明は、上述の事情に鑑みてされたものであり、その目的の一つは、バルブ閉鎖時のシール性能が改善されたソレノイドバルブを提供することにある。
本発明の他の目的は、上記のソレノイドバルブを利用した流量制御装置、流量制御方法、流体制御装置、半導体製造装置及び半導体製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記のソレノイドバルブを利用した流量制御装置、流量制御方法、流体制御装置、半導体製造装置及び半導体製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係るソレノイドバルブは、金属合金製の環状のバルブシートと、前記バルブシートに対して当接および離間可能に設けられた金属合金製の弁体と、前記弁体を駆動するソレノイドアクチュエータと、を有するソレノイドバルブであって、
前記弁体または前記バルブシートのどちらか一方は、凸状に湾曲する湾曲面をもつシール面を有し、
前記弁体または前記バルブシートの他方は、前記シール面の湾曲面に合致する凹状の湾曲面をもつ環状溝を前記シール面に対向する位置に有し、
前記弁体と前記バルブシートの当接する部分には硬度差が設けられ、前記シール面は前記環状溝より高い硬度に形成された、ソレノイドバルブである。
前記弁体または前記バルブシートのどちらか一方は、凸状に湾曲する湾曲面をもつシール面を有し、
前記弁体または前記バルブシートの他方は、前記シール面の湾曲面に合致する凹状の湾曲面をもつ環状溝を前記シール面に対向する位置に有し、
前記弁体と前記バルブシートの当接する部分には硬度差が設けられ、前記シール面は前記環状溝より高い硬度に形成された、ソレノイドバルブである。
【0007】
好適には、前記バルブシートは、前記シール面の湾曲面の外周側で連なり、当該バルブシートの根元部分に向かって末広がるように傾斜する傾斜面をさらに有し、
前記弁体の環状溝は、前記傾斜面の一部に合致する傾斜面部をさらに有する、構成を採用できる。
さらに好適には、前記シール面は、円弧状の湾曲面を有する、構成を採用できる。
前記弁体の環状溝は、前記傾斜面の一部に合致する傾斜面部をさらに有する、構成を採用できる。
さらに好適には、前記シール面は、円弧状の湾曲面を有する、構成を採用できる。
【0008】
好適には、前記バルブシートの硬度は、Ｈｖ３００以上であり、
前記弁体の少なくとも前記バルブシートと当接する部分の硬度は、Ｈｖ１００～Ｈｖ１４０の範囲内にある、構成を採用できる。
前記弁体の少なくとも前記バルブシートと当接する部分の硬度は、Ｈｖ１００～Ｈｖ１４０の範囲内にある、構成を採用できる。
【0009】
本発明に係るソレノイドバルブの製造方法は、上記のソレノイドバルブの製造方法であって、
前記弁体を前記バルブシートに対して押し付けて当該弁体に塑性変形を生じさせ、前記環状溝を形成する。
前記弁体を前記バルブシートに対して押し付けて当該弁体に塑性変形を生じさせ、前記環状溝を形成する。
【0010】
本発明に係る流量制御装置は、上記のソレノイドバルブを流量制御バルブとして内蔵する。
【0011】
本発明に係る流量制御方法は、上記のソレノイドバルブを用いて流体の流量を制御する。
【0012】
本発明に係る流体制御装置は、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、上記のソレノイドバルブまたは流量制御装置を含む。
前記複数の流体機器は、上記のソレノイドバルブまたは流量制御装置を含む。
【0013】
本発明に係る半導体製造方法は、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のソレノイドバルブを用いる。
【0014】
本発明に係る半導体製造装置は、処理チャンバにプロセスガスを供給する流体制御装置を有し、
前記流体制御装置は、複数の流体機器を含み、
前記流体機器は、上記のソレノイドバルブを含む。
前記流体制御装置は、複数の流体機器を含み、
前記流体機器は、上記のソレノイドバルブを含む。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、ソレノイドバルブのバルブ閉鎖時のシール性能を改善できる。
また、本発明によれば、流量制御装置に適したソレノイドバルブが提供される。
また、本発明によれば、流量制御装置に適したソレノイドバルブが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の一実施形態に係るソレノイドバルブが適用された流量制御装置の断面図。
【図3A】弁体の正面図。
【図4B】環状溝の構造を示す円Ｂ内の拡大図。
【図5】バルブシートと環状溝との関係を示す断面図。
【図6A】バルブシートと環状溝のガイド機能を説明するための模式図。
【図7】本実施形態のソレノイドバルブ又は流量制御装置が適用される流体制御装置の一例を示す斜視図。
【図8】本発明の一実施形態に係る流体制御装置の半導体製造プロセスへの適用例を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【0017】
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。
図１に本発明の一実施形態に係るソレノイドバルブが適用された流量制御装置１を示す。図１において、実際には、流量制御装置１の全体を覆うカバーや流量制御装置１を制御する制御基板、温度センサ等が存在するが省略している。図１において、Ａ１，Ａ２は、上下方向を示しており、Ａ１が上方向、Ａ２が下方向を示す。
流量制御装置１は、上流側ブロック２４、バルブボディ１６、下流側ブロック２５、オリフィス１９、弁体２０、板バネ４３、可動ステム５５、ベローズ３０、ソレノイドアクチュエータ５０、調節部材６０、および、ロックナット６１を有する。
図１に本発明の一実施形態に係るソレノイドバルブが適用された流量制御装置１を示す。図１において、実際には、流量制御装置１の全体を覆うカバーや流量制御装置１を制御する制御基板、温度センサ等が存在するが省略している。図１において、Ａ１，Ａ２は、上下方向を示しており、Ａ１が上方向、Ａ２が下方向を示す。
流量制御装置１は、上流側ブロック２４、バルブボディ１６、下流側ブロック２５、オリフィス１９、弁体２０、板バネ４３、可動ステム５５、ベローズ３０、ソレノイドアクチュエータ５０、調節部材６０、および、ロックナット６１を有する。
【0018】
バルブボディ１６には、上部側に凹状の弁室１６ｄが形成され、この弁室１６ｄに流路１６ａおよび流路１６ｂが接続されるように形成されている。流路１６ａは上流側ブロックに形成された流路２４ａと接続されている。流路１６ｂはバルブボディ１６内を水平方向に延びる流路１６ｃと連通しており、流路１６ｃは下流側ブロック２５に形成された流路２５ａにオリフィス１９（本実施形態では、ガスケット型オリフィス）を介して接続されている。
バルブボディ１６の流路１６ｂは、弁室１６ｄの底面において開口しており、この開口周囲に環状のバルブシート１７がバルブボディ１６に一体に形成されている。バルブシート１７の構造については後で詳述する。
バルブボディ１６の流路１６ｂは、弁室１６ｄの底面において開口しており、この開口周囲に環状のバルブシート１７がバルブボディ１６に一体に形成されている。バルブシート１７の構造については後で詳述する。
【0019】
弁体２０は、円盤状に形成され、バルブシート１７に対向配置され、板バネ４３によりバルブシート１７に向けて常時付勢されている。板バネ４３は、ソレノイドアクチュエータ５０のケーシング５１の下端部に設けられた環状部材４２とその外周に螺合するナット部材４１との間に挟持されている。なお、弁体２０の構造については後で詳述する。
【0020】
ソレノイドアクチュエータ５０は、図示しない、プラグナット（固定鉄心）、コイル、ヨーク、スリーブ等および可動鉄心としての可動ステム５５をケーシング５１に内蔵する周知のアクチュエータである。このコイルに電流を流すことによりプラグナットおよび可動ステム５５が磁化され、可動ステム５５が磁力により板バネ４３の付勢力に抗して上方向Ａ１に引き上げられる。これにより、流路１６ｂが開放され、流路１６ａと連通する。コイルへの印加電圧に応じて磁力をコントロールすることで、弁体２０のバルブシート１７からのリフト量を制御でき、流路１６ａから流路１６ｂに流通する流体の流量を制御する。
ケーシング５１の基端部５１ｂは、バルブボディ１６の上面に締結部材ＢＴにより固定されることで、バルブボディ１６の弁室１６ｄを気密に閉鎖している。ベローズ３０は、弁室１６ｄ内の流体がケーシング５１内に侵入するのを防ぐために設けられている。
このように、バルブボディ１６およびソレノイドアクチュエータ５０は、ソレノイドバルブを構成している。
ソレノイドアクチュエータ５０の上端部には、可動ステム５５のリフト量を調節するための調節部材６０が設けられている。この調節部材６０を回転操作することで、プラグナットの上下方向Ａ１，Ａ２の位置を調整する。ロックナット６１は、調節部材６０の位置をロックするために設けられている。
ケーシング５１の基端部５１ｂは、バルブボディ１６の上面に締結部材ＢＴにより固定されることで、バルブボディ１６の弁室１６ｄを気密に閉鎖している。ベローズ３０は、弁室１６ｄ内の流体がケーシング５１内に侵入するのを防ぐために設けられている。
このように、バルブボディ１６およびソレノイドアクチュエータ５０は、ソレノイドバルブを構成している。
ソレノイドアクチュエータ５０の上端部には、可動ステム５５のリフト量を調節するための調節部材６０が設けられている。この調節部材６０を回転操作することで、プラグナットの上下方向Ａ１，Ａ２の位置を調整する。ロックナット６１は、調節部材６０の位置をロックするために設けられている。
【0021】
なお、流量制御装置１のオリフィス１９の上流側と下流側とにはそれぞれ圧力センサ７０，７１が設けられている。流量制御装置１では、これら２つの圧力センサ７０，７１の検出する流路内の圧力に基づいて、流路２５ａから流出する流体の流量が目標流量になるように上記のソレノイドバルブがフィードバック制御される。
【0022】
バルブシートの構造
図２Ａおよび図２Ｂにバルブシート１７の構造を示す。なお、図２Ｂは図２Ａの円Ａ内の拡大図である（ハッチングは省略している）。
バルブシート１７は、流路１６ｂの開口周囲に円環状に形成され、バルブボディ１６の上端面１６ｆから突出している。
バルブシート１７の硬度は、Ｈｖ３００以上である。バルブボディ１６は、ステンレス鋼等の金属により形成されており硬度は約Ｈｖ２００程度であるが、バルブシート１７は加工硬化により、部分的に硬度が高められている。
図２Ｂから分かるように、バルブシート１７は凸状に湾曲する湾曲面からなるシール面１７ａを上端部に有する。シール面１７ａは、具体的には、曲率半径Ｒ１の円弧状の湾曲面である。なお、シール面１７ａは、円弧状の湾曲面に限定されるわけではない。
バルブシート１７は、シール面１７ａの外周側で連なり、当該バルブシートの根元部分、すなわち、バルブボディ１６の上端面１６ｆに向かって末広がるように傾斜する傾斜面１７ｂをさらに有する。この傾斜面１７ｂは、シール面１７ａと滑らかに接続されており、上端面１６ｆに垂直な方向に対して角度αで傾斜している、角度αは、本実施形態では、３０度であるが、これに限定されるわけではない。
図２Ａおよび図２Ｂにバルブシート１７の構造を示す。なお、図２Ｂは図２Ａの円Ａ内の拡大図である（ハッチングは省略している）。
バルブシート１７は、流路１６ｂの開口周囲に円環状に形成され、バルブボディ１６の上端面１６ｆから突出している。
バルブシート１７の硬度は、Ｈｖ３００以上である。バルブボディ１６は、ステンレス鋼等の金属により形成されており硬度は約Ｈｖ２００程度であるが、バルブシート１７は加工硬化により、部分的に硬度が高められている。
図２Ｂから分かるように、バルブシート１７は凸状に湾曲する湾曲面からなるシール面１７ａを上端部に有する。シール面１７ａは、具体的には、曲率半径Ｒ１の円弧状の湾曲面である。なお、シール面１７ａは、円弧状の湾曲面に限定されるわけではない。
バルブシート１７は、シール面１７ａの外周側で連なり、当該バルブシートの根元部分、すなわち、バルブボディ１６の上端面１６ｆに向かって末広がるように傾斜する傾斜面１７ｂをさらに有する。この傾斜面１７ｂは、シール面１７ａと滑らかに接続されており、上端面１６ｆに垂直な方向に対して角度αで傾斜している、角度αは、本実施形態では、３０度であるが、これに限定されるわけではない。
【0023】
弁体の構造
図３Ａおよび図３Ｂに弁体２０の構造を示す。
弁体２０は、円盤状に形成されたディスク部２０ｄと、ディスク部２０ｄの上面側の中心部に設けられた軸部２０ｓと、ディスク部２０ｄの下面側に形成されたバルブシート１７に対向する対向面２０ｆとを有する。
軸部２０ｓが可動ステム５５の下端部にねじ込まれることにより、弁体２０は可動ステム５５に固定される。
対向面２０ｆは、平坦面からなり、図３Ｂに示すように、対向面２０ｆの中心部に環状溝２１が形成されている。なお、本実施形態では、対向面２０ｆを平坦面としたが、これに限定されるわけではない。
弁体２０は、ステンレス合金等の金属材料で形成され、バルブシート１７よりも低い硬度、例えば、Ｈｖ１００～Ｈｖ１４０の範囲内の硬度を有する。弁体２０の硬度をバルブシート１７よりも低くしたのは、後述するように、弁体２０を塑性変形させて環状溝２１を形成するためである。
図３Ａおよび図３Ｂに弁体２０の構造を示す。
弁体２０は、円盤状に形成されたディスク部２０ｄと、ディスク部２０ｄの上面側の中心部に設けられた軸部２０ｓと、ディスク部２０ｄの下面側に形成されたバルブシート１７に対向する対向面２０ｆとを有する。
軸部２０ｓが可動ステム５５の下端部にねじ込まれることにより、弁体２０は可動ステム５５に固定される。
対向面２０ｆは、平坦面からなり、図３Ｂに示すように、対向面２０ｆの中心部に環状溝２１が形成されている。なお、本実施形態では、対向面２０ｆを平坦面としたが、これに限定されるわけではない。
弁体２０は、ステンレス合金等の金属材料で形成され、バルブシート１７よりも低い硬度、例えば、Ｈｖ１００～Ｈｖ１４０の範囲内の硬度を有する。弁体２０の硬度をバルブシート１７よりも低くしたのは、後述するように、弁体２０を塑性変形させて環状溝２１を形成するためである。
【0024】
図４Ａおよび図４Ｂに環状溝の構造を示す。
図４Ａに示すように、環状溝２１は、対向面２０ｆに形成された円環状の凹みであり、図４Ｂに示すように、凹状の湾曲面２１ａを有する。具体的には、湾曲面２１ａは、曲率半径Ｒ２の円弧状の曲面であり、曲率半径Ｒ２は上記したバルブシート１７のシール面１７ａの曲率半径Ｒ１に略一致している。すなわち、湾曲面２１ａは、曲率半径Ｒ２は上記したバルブシート１７のシール面１７ａと合致する形状を有する。
湾曲面２１ａの外周側には、対向面２０ｆに向かって末広がる傾斜面部２１ｂが形成されており、この傾斜面部２１ｂはバルブシート１７の傾斜面に１７ｂの一部（上側部分）に合致する形状を有する。なお、本実施形態では、傾斜面に１７ｂおよび傾斜面部２１ｂは、断面で見て直線状に延びる構成としたが、これに限定されるわけではなく、湾曲していてもよい。
図４Ａに示すように、環状溝２１は、対向面２０ｆに形成された円環状の凹みであり、図４Ｂに示すように、凹状の湾曲面２１ａを有する。具体的には、湾曲面２１ａは、曲率半径Ｒ２の円弧状の曲面であり、曲率半径Ｒ２は上記したバルブシート１７のシール面１７ａの曲率半径Ｒ１に略一致している。すなわち、湾曲面２１ａは、曲率半径Ｒ２は上記したバルブシート１７のシール面１７ａと合致する形状を有する。
湾曲面２１ａの外周側には、対向面２０ｆに向かって末広がる傾斜面部２１ｂが形成されており、この傾斜面部２１ｂはバルブシート１７の傾斜面に１７ｂの一部（上側部分）に合致する形状を有する。なお、本実施形態では、傾斜面に１７ｂおよび傾斜面部２１ｂは、断面で見て直線状に延びる構成としたが、これに限定されるわけではなく、湾曲していてもよい。
【0025】
環状溝２１の加工方法の一例について説明する。
流量制御装置１（ソレノイドバルブ）が組み立てられた状態では、弁体２０の対向面２０ｆは環状溝２１が未だ形成されていない状態にある。
このため、上記したソレノイドアクチュエータ５０の上端部に設けられた調節部材６０を回転操作し、弁体２０の対向面２０ｆをバルブシート１７に押し付ける。弁体２０の対向面２０ｆに塑性変形を生じさせるのに必用なトルクを調節部材６０に作用させる。バルブシート１７の傾斜面１７ｂの上側部分が弁体２０の対向面２０ｆに食い込むまで、弁体２０の対向面２０ｆをバルブシート１７に押し付ける。
本実施形態では、弁体２０のリフト量調整用の調節部材６０を環状溝２１の加工に用いたが、環状溝２１の加工用に別機構を設けてもよいし、専用機構を設けずに工具等を用いて外部から弁体２０に外力を作用させることも可能である。
流量制御装置１（ソレノイドバルブ）が組み立てられた状態では、弁体２０の対向面２０ｆは環状溝２１が未だ形成されていない状態にある。
このため、上記したソレノイドアクチュエータ５０の上端部に設けられた調節部材６０を回転操作し、弁体２０の対向面２０ｆをバルブシート１７に押し付ける。弁体２０の対向面２０ｆに塑性変形を生じさせるのに必用なトルクを調節部材６０に作用させる。バルブシート１７の傾斜面１７ｂの上側部分が弁体２０の対向面２０ｆに食い込むまで、弁体２０の対向面２０ｆをバルブシート１７に押し付ける。
本実施形態では、弁体２０のリフト量調整用の調節部材６０を環状溝２１の加工に用いたが、環状溝２１の加工用に別機構を設けてもよいし、専用機構を設けずに工具等を用いて外部から弁体２０に外力を作用させることも可能である。
【0026】
図５に示すように、環状溝２１の中心軸線Ｃｔ１とバルブシート１７の中心軸線Ｃｔ２は、一致するように設計され、バルブシート１７と環状溝２１は対応した位置に位置付けられている。本実施形態では、バルブシート１７と弁体２０との接触部に、凸状の湾曲面からなるシール面１７ａとこれに合致する凹状の湾曲面２１ａを設けることで、接触面積を増大させ、シール性能の向上を図っている。加えて、バルブシート１７と弁体２０との間に硬度差をつけることで、両者の接触部分がなじみやすくなり、よりシール性能が高まる。
しかしながら、バルブの開閉動作を繰り返した際に、中心軸線Ｃｔ１と中心軸線Ｃｔ２が常に一致していれば、バルブシート１７に対する環状溝２１の接触位置が常に同じになるため、上記した高いシール性能は維持できるが、ソレノイドアクチュエータ５０等に存在するガタつきにより、図６Ａに示すように、環状溝２１の中心軸線Ｃｔ１とバルブシート１７の中心軸線Ｃｔ２との間に僅かなずれが必ず発生する。
しかしながら、バルブの開閉動作を繰り返した際に、中心軸線Ｃｔ１と中心軸線Ｃｔ２が常に一致していれば、バルブシート１７に対する環状溝２１の接触位置が常に同じになるため、上記した高いシール性能は維持できるが、ソレノイドアクチュエータ５０等に存在するガタつきにより、図６Ａに示すように、環状溝２１の中心軸線Ｃｔ１とバルブシート１７の中心軸線Ｃｔ２との間に僅かなずれが必ず発生する。
【0027】
本実施形態では、バルブシート１７と弁体２０との接触部に、凸状の湾曲面からなるシール面１７ａとこれに合致する凹状の湾曲面２１ａを設けることに加えて、バルブシート１７に傾斜面１７ｂおよび環状溝２１にこれに対応する傾斜面部２１ｂを設けている。
このため、図６Ｂに示すように、傾斜面１７ｂおよび環状溝２１がガイド機能を果たし、バルブシート１７と弁体２０とが接触する際に、環状溝２１の中心軸線Ｃｔ１とバルブシート１７の中心軸線Ｃｔ２との間のずれがキャンセルされる。これにより、バルブ閉鎖時に、常に高いシール性能が維持される。
このため、図６Ｂに示すように、傾斜面１７ｂおよび環状溝２１がガイド機能を果たし、バルブシート１７と弁体２０とが接触する際に、環状溝２１の中心軸線Ｃｔ１とバルブシート１７の中心軸線Ｃｔ２との間のずれがキャンセルされる。これにより、バルブ閉鎖時に、常に高いシール性能が維持される。
【0028】
図７を参照して、本発明のソレノイドバルブ又は流量制御装置１が適用される流体制御装置の一例を説明する。
図７に示す流体制御装置には、幅方向Ｗ１，Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１，Ｇ２に延びる金属製のベースプレートＢＳ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。ベースプレートＢＳには、複数の流路ブロック９９２を介して各種流体機器９９１Ａ～９９１Ｅが設置され、複数の流路ブロック９９２によって、上流側Ｇ１から下流側Ｇ２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。
図７に示す流体制御装置には、幅方向Ｗ１，Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１，Ｇ２に延びる金属製のベースプレートＢＳ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。ベースプレートＢＳには、複数の流路ブロック９９２を介して各種流体機器９９１Ａ～９９１Ｅが設置され、複数の流路ブロック９９２によって、上流側Ｇ１から下流側Ｇ２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。
【0029】
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）９９１Ａ、レギュレータ９９１Ｂ、プレッシャーゲージ９９１Ｃ、開閉弁（３方弁）９９１Ｄ、マスフローコントローラ９９１Ｅ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９９３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。
【0030】
本実施形態に係る流量制御装置１は、上記のマスフローコントローラ９９１Ｅとして使用できる。また、開閉弁（２方弁）９９１Ａ、レギュレータ９９１Ｂ、プレッシャーゲージ９９１Ｃ、開閉弁（３方弁）９９１Ｄ等のバルブに、本実施形態に係るソレノイドバルブを適用可能である。
【0031】
次に、上記の流体制御装置の適用される半導体製造装置の例を図８に示す。
半導体製造装置１０００は、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）による半導体製造プロセスを実行するためのシステムであり、６００はプロセスガス供給源、７００は流体制御装置、７１０はタンク、８００は処理チャンバ、９００は排気ポンプを示している。
基板に膜を堆積させる処理プロセスにおいては、処理ガスを安定的に供給するために流量制御装置７００から供給される処理ガスをバッファとしてのタンク７１０に一時的に貯留し、処理チャンバ８００の直近に設けられたバルブ７２０を高頻度で開閉させてタンク７００からの処理ガスを真空雰囲気の処理チャンバ８００へ供給する。
ＡＬＤ法は、化学気相成長法の１つであり、温度や時間等の成膜条件の下で、２種類以上の処理ガスを１種類ずつ基板表面上に交互に流し、基板表面上原子と反応させて単層ずつ膜を堆積させる方法であり、単原子層ずつ制御が可能である為、均一な膜厚を形成させることができ、膜質としても非常に緻密に膜を成長させることができる。
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、基板の大口径化等により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。
流体制御装置７００は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ８００に供給する。この流体制御装置７００に、上記した流量制御装置１が含まれる。
タンク７１０は、流体制御装置７００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。
処理チャンバ８００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９００は、処理チャンバ８００内を真空引きする。
半導体製造装置１０００は、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）による半導体製造プロセスを実行するためのシステムであり、６００はプロセスガス供給源、７００は流体制御装置、７１０はタンク、８００は処理チャンバ、９００は排気ポンプを示している。
基板に膜を堆積させる処理プロセスにおいては、処理ガスを安定的に供給するために流量制御装置７００から供給される処理ガスをバッファとしてのタンク７１０に一時的に貯留し、処理チャンバ８００の直近に設けられたバルブ７２０を高頻度で開閉させてタンク７００からの処理ガスを真空雰囲気の処理チャンバ８００へ供給する。
ＡＬＤ法は、化学気相成長法の１つであり、温度や時間等の成膜条件の下で、２種類以上の処理ガスを１種類ずつ基板表面上に交互に流し、基板表面上原子と反応させて単層ずつ膜を堆積させる方法であり、単原子層ずつ制御が可能である為、均一な膜厚を形成させることができ、膜質としても非常に緻密に膜を成長させることができる。
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、基板の大口径化等により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。
流体制御装置７００は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ８００に供給する。この流体制御装置７００に、上記した流量制御装置１が含まれる。
タンク７１０は、流体制御装置７００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。
処理チャンバ８００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９００は、処理チャンバ８００内を真空引きする。
【0032】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。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。例えば、上記適用例では、流量制御装置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。
また、本実施形態では、バルブシートが弁体より高硬度を有し、バルブシートに凸状のシール面を設け弁体の平坦面に環状溝を設けたが、弁体がバルブシートより高硬度を有し、弁体に凸状の環状シール面を設けバルブシートに環状溝を形成してもよい。
また、本実施形態では、バルブシートが弁体より高硬度を有し、バルブシートに凸状のシール面を設け弁体の平坦面に環状溝を設けたが、弁体がバルブシートより高硬度を有し、弁体に凸状の環状シール面を設けバルブシートに環状溝を形成してもよい。
【符号の説明】
【0033】
１ ：流量制御装置
１６ ：バルブボディ
１６ａ ：流路
１６ｂ ：流路
１６ｃ ：流路
１６ｄ ：弁室
１６ｆ ：上端面
１７ ：バルブシート
１７ａ ：シール面
１７ｂ ：傾斜面
１９ ：オリフィス
２０ ：弁体
２０ｄ ：ディスク部
２０ｆ ：対向面
２０ｓ ：軸部
２１ ：環状溝
２１ａ ：湾曲面
２１ｂ ：傾斜面部
２４ ：上流側ブロック
２４ａ ：流路
２５ ：下流側ブロック
２５ａ ：流路
３０ ：ベローズ
４１ ：ナット部材
４２ ：環状部材
４３ ：板バネ
５０ ：ソレノイドアクチュエータ
５１ ：ケーシング
５１ｂ ：基端部
５５ ：可動ステム
６０ ：調節部材
６１ ：ロックナット
７０，７１：圧力センサ
６００ ：プロセスガス供給源
７００ ：流体制御装置
７１０ ：タンク
７２０ ：バルブ
８００ ：処理チャンバ
９００ ：排気ポンプ
９９１Ａ ：開閉弁（２方弁）
９９１Ｂ ：レギュレータ
９９１Ｃ ：プレッシャーゲージ
９９１Ｄ ：開閉弁（３方弁）
９９１Ｅ ：マスフローコントローラ
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
１０００ ：半導体製造装置
Ａ ：円
Ａ１ ：上方向
Ａ２ ：下方向
ＢＳ ：ベースプレート
ＢＴ ：締結部材
Ｃｔ１ ：中心軸線
Ｃｔ２ ：中心軸線
Ｇ１ ：長手方向（上流側）
Ｇ２ ：長手方向(下流側)
Ｒ１ ：曲率半径
Ｒ２ ：曲率半径
Ｗ１ ：幅方向（正面側）
Ｗ２ ：幅方向（背面側）
α ：角度
１６ ：バルブボディ
１６ａ ：流路
１６ｂ ：流路
１６ｃ ：流路
１６ｄ ：弁室
１６ｆ ：上端面
１７ ：バルブシート
１７ａ ：シール面
１７ｂ ：傾斜面
１９ ：オリフィス
２０ ：弁体
２０ｄ ：ディスク部
２０ｆ ：対向面
２０ｓ ：軸部
２１ ：環状溝
２１ａ ：湾曲面
２１ｂ ：傾斜面部
２４ ：上流側ブロック
２４ａ ：流路
２５ ：下流側ブロック
２５ａ ：流路
３０ ：ベローズ
４１ ：ナット部材
４２ ：環状部材
４３ ：板バネ
５０ ：ソレノイドアクチュエータ
５１ ：ケーシング
５１ｂ ：基端部
５５ ：可動ステム
６０ ：調節部材
６１ ：ロックナット
７０，７１：圧力センサ
６００ ：プロセスガス供給源
７００ ：流体制御装置
７１０ ：タンク
７２０ ：バルブ
８００ ：処理チャンバ
９００ ：排気ポンプ
９９１Ａ ：開閉弁（２方弁）
９９１Ｂ ：レギュレータ
９９１Ｃ ：プレッシャーゲージ
９９１Ｄ ：開閉弁（３方弁）
９９１Ｅ ：マスフローコントローラ
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
１０００ ：半導体製造装置
Ａ ：円
Ａ１ ：上方向
Ａ２ ：下方向
ＢＳ ：ベースプレート
ＢＴ ：締結部材
Ｃｔ１ ：中心軸線
Ｃｔ２ ：中心軸線
Ｇ１ ：長手方向（上流側）
Ｇ２ ：長手方向(下流側)
Ｒ１ ：曲率半径
Ｒ２ ：曲率半径
Ｗ１ ：幅方向（正面側）
Ｗ２ ：幅方向（背面側）
α ：角度
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】