特許 7308542 バルブ装置およびガス供給システム

(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】2023-07-06

(45)【発行日】2023-07-14

(54)【発明の名称】バルブ装置およびガス供給システム

(51)【国際特許分類】

   F16K 27/00 20060101AFI20230707BHJP

【ＦＩ】

F16K27/00 B

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020553391

(86)(22)【出願日】2019-10-21

(86)【国際出願番号】 JP2019041310

(87)【国際公開番号】W WO2020085302

(87)【国際公開日】2020-04-30

【審査請求日】2022-09-21

(31)【優先権主張番号】P 2018201830

(32)【優先日】2018-10-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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】110002893

【氏名又は名称】弁理士法人ＫＥＮ知財総合事務所

(72)【発明者】

【氏名】松田 隆博

(72)【発明者】

【氏名】相川 献治

(72)【発明者】

【氏名】原田 章弘

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 一誠

(72)【発明者】

【氏名】中田 知宏

(72)【発明者】

【氏名】篠原 努

【審査官】篠原 将之

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－３０００００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０７０６５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３２９２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００２０７７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１１７２６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ２７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流路が形成された流路ブロックに取り外し可能に装着されるバルブ装置であって、
前記流路ブロックに形成され断面形状が円形の収容凹部に収容され、底面に第１のポートおよび第２のポートが形成されたバルブボディと、
外周に形成された外ねじ部が前記収容凹部の内周に形成された内ねじ部に螺合することにより、前記バルブボディを前記収容凹部の底部に向けて押圧しつつ当該バルブボディを前記流路ブロックに固定するボンネットナットと、を有し、
前記バルブボディは、前記流路ブロックの収容凹部の内周面部に嵌まる外周面部を有し、前記外周面部には、前記流路ブロックに対する前記バルブボディの中心軸線を中心とした回転位置を規定する位置決め用の凸部が形成されている、バルブ装置。

【請求項2】

前記位置決め用の凸部は、前記バルブボディの底面視において、前記ボンネットナットの外周のねじ部の外径内に収まっている、請求項１に記載のバルブ装置。

【請求項3】

前記位置決め用の凸部は、前記流路ブロックの収容凹部の内周の上端部から底部に向けて延びる溝部に係合する、請求項１又は２に記載のバルブ装置。

【請求項4】

前記溝部は、前記内ねじ部、および、前記外周面部が嵌まる前記内周面部に形成されている、請求項３に記載のバルブ装置。

【請求項5】

前記第１のポートおよび第２のポートは、前記バルブボディの中心軸線を含む仮想平面に関して左右対称に形成されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のバルブ装置。

【請求項6】

複数の流体機器が配列されたガス供給システムであって、
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バルブ装置を含む、ガス供給システム。

【請求項7】

前記バルブ装置は、ガス供給システムの供給経路の最終段に設けられている、請求項６に記載のガス供給システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流路が形成された流路ブロックに取り外し可能に装着されるバルブ装置およびこのバルブを用いたガス供給システムに関する。

【背景技術】

【0002】

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を制御するバルブが用いられている。原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）等のプロセスにおいては、小型化されつつ基板に膜を堆積させる処理プロセスに使用するプロセスガスの流量制御に高応答性、高精密性が求められている。これを実現するためには、配管を可能な限り省略して配管内の残留ガスを減らし、バルブを小型化して、プロセスガスの供給先にできるだけ近い場所に多数のバルブを集積化する必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１０－４７５１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１は、モジュール化され、継手部材を介さずにガス供給先である流路ブロックに直接にねじ結合した集積化バルブを開示している。

【0005】

本発明の目的の一つは、小型化、集積化により適した構造を有する半導体製造プロセス等に用いられるバルブ装置およびこれを用いたガス供給システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のバルブ装置は、流路が形成された流路ブロックに取り外し可能に装着されるバルブ装置であって、
前記流路ブロックに形成され断面形状が円形の収容凹部に収容され、底面に第１のポートおよび第２のポートが形成されたバルブボディと、
外周に形成された外ねじ部が前記収容凹部の内周に形成された内ねじ部に螺合することにより、前記バルブボディを前記収容凹部の底部に向けて押圧しつつ当該バルブボディを前記流路ブロックに固定するボンネットナットと、を有し、
前記バルブボディは、前記流路ブロックの収容凹部の内周面部に嵌まる外周面部を有し、前記外周面部には、前記流路ブロックに対する前記バルブボディの中心軸線回りの回転位置を規定する位置決め用の凸部が形成されている。

【0007】

好適には、前記位置決め用の凸部は、前記バルブボディの底面視において、前記ボンネットナットの外周のねじ部の外径内に収まっている、構成を採用できる。

【0008】

好適には、前記位置決め用の凸部は、前記流路ブロックの収容凹部の内周の上端部から底部に向けて延びる溝部に係合する、構成を採用できる。

【0009】

さらに好適には、前記溝部は、前記内ねじ部および前記外周面部が嵌まる前記内周面部に形成されている、構成を採用できる。

【0010】

本発明のガス供給システムは、複数の流体機器が配列されたガス供給システムであって、前記複数の流体機器は上記のバルブ装置を含む。

【0011】

好適には、前記バルブ装置は、ガス供給システムの供給経路の最終段に設けられている。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、バルブボディの外径を拡大することなくバルブボディと流路ブロックとの回転位置関係を規定できるため、より一層小型化され集積化に適した構造のバルブ装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係るバルブ装置と、金属ガスケットおよび流路ブロックの一部に断面を含む斜視図。

【図2】図１のバルブ装置を流路ブロックに装着した状態の縦断面図。

【図3】図１のバルブ装置の底面図。

【図4】流路ブロックの収容凹部内の構造を示す上面図。

【図5】集積化された本実施形態に係るバルブ装置の斜視図。

【図6】本実施形態に係るバルブ装置が適用されるガス供給システムの一例を示す概略図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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は、本発明の一実施形態に係るバルブ装置１を装着先である流路ブロック３０から取り外した状態を示している。図２はバルブ装置１を流路ブロック３０に装着した状態の縦断面を示している。図３はバルブ装置１の底面図を示し、図４は流路ブロック３０の収容凹部３５の上面図である。

【0015】

バルブ装置１は、バルブボディ３、バルブシート５、インナーディスク７、ダイヤフラム１０、アクチュエータ１５、ボールベアリング１７およびボンネットナット２０を有している。

【0016】

バルブボディ３は、上部に円筒部３ｂを有し底部に拡径部３ｃを有する軸線Ｃｔを中心軸線にもつ回転体であり、流路３Ａおよび流路３Ｂが形成され、流路３Ａの一端はバルブボディ３の底面で開口するポート３ｐ１に連通し、流路３Ｂの一端はバルブボディ３の底面で開口するポート３ｐ２に連通している。

【0017】

ポート３ｐ１およびポート３ｐ２は、図３の底面図に示すように、バルブボディ３の軸線Ｃｔを含む仮想平面ＰＬに関して左右対称に形成されている。ポート３ｐ１およびポート３ｐ２の周囲には、底面から突出して形成されたシール用の突起４がバルブボディ３に一体に形成されている。突起４は、ガスケット２１に押し付けられて、ガスケット２１を塑性変形させるために設けられている。
突起４は、２つの円環状突起４ａおよび円環状突起４ｂからなり、円環状突起４ａと円環状突起４ｂとは、一部を共用するように形成されている。すなわち、円環状突起４ａおよび円環状突起４ｂの一部が共通の突起部分４ｃで構成されている。本実施形態においては、突起４は全体として８の字状の外輪郭形状を有するが、これに限定されるわけではない。円環状突起４ａおよび円環状突起４ｂの一部が共通の突起部分４ｃで構成されることにより、ポート３ｐ１およびポート３ｐ２の距離をより近づけることが可能となり、バルブボディ３の外径を縮小させることができる。

【0018】

バルブボディ３は、円筒部３ｂの底部の流路３Ｂの開口の周囲に円環状のバルブシート５が設置され、このバルブシート５はインナーディスク７により定位置に保持されている。インナーディスク７上には、金属製のダイヤフラム１０が設けられ、インナーディスク７を全面的に覆っている。ダイヤフラム１０は、アクチュエータ１５により駆動されるダイヤフラム押え１２によりバルブシート５に当接、離隔することにより、流路３Ａと流路３Ｂとの間を連通、遮断する。ダイヤフラム１０は、バルブボディ３の円筒部３ｂの内周にねじ込まれるアクチュエータ１５の下端部の先端面によりバルブボディ３に向けて押圧されることで、気密に固定されている。また、アクチュエータ１５はバルブボディ３の円筒部３ｂの内周に螺合することでバルブボディ３に接続されている。

【0019】

バルブボディ３の底部に形成された拡径部３ｃは、その上端面でボールベアリング１７を支持しており、外周面は後述する流路ブロック３０の収容凹部３５の内周に形成された内周面部３５ａに嵌合する外周面部３ｆとなっている。この外周面部３ｆに、流路ブロック３０に対するバルブボディ３の軸線Ｃｔを中心とした回転位置を規定する位置決め用の凸部３ａが形成されている。凸部３ａは軸線Ｃｔに沿った方向に延在している。なお、凸部３ａの形状は、これに限定されるわけではないが、軸線Ｃｔに沿った方向に延在させると、後述する直線状の溝部３５ｃに係合した際に移動が円滑となる。

【0020】

バルブボディ３の外周には、円筒状に形成されたボンネットナット２０が配置され、ボンネットナット２０の下端面はボールベアリング１７を介してバルブボディ３の拡径部３ｃ上に配置されている。ボンネットナット２０の外周面には、外ねじ部２０ａが形成され、後述する流路ブロック３０の収容凹部３５の内ねじ部３５ｓに螺合する。
図３に示すように、上記した位置決め用の凸部３ａは、バルブボディ３の底面視において、ボンネットナット２０の外周の外ねじ部２０ａの外径内に収まっている。

【0021】

流路ブロック３０は、図１および図２に示したように、流路３１および流路３２が形成されているとともに、断面形状が円形の収容凹部３５を有する。図４に示すように、収容凹部３５の底面３５ｂには、流路３１に連通するポート３１ｐと流路３２に連通するポート３２ｐが開口している。ポート３１ｐとポート３２ｐの形成位置は、バルブボディ３のポート３ｐ１およびポート３ｐ２にそれぞれ対応している。
また、ポート３１ｐとポート３２ｐの周囲には。収容凹部３５の底面３５ｂから突出して形成されたシール用の突起３３が流路ブロック３０に一体に形成されている。突起３３は、ガスケット２１に押し付けられて、ガスケット２１を塑性変形させるために設けられている。
突起３３は、２つの円環状突起３３ａおよび円環状突起３３ｂからなり、円環状突起３３ａと円環状突起３３ｂとは、一部を共用するように形成されている。すなわち、円環状突起３３ａおよび円環状突起３３ｂの一部が共通の突起部分３３ｃで構成されている。突起３３は、バルブボディ３の突起４に対応する位置に形成されている。

【0022】

流路ブロック３０の収容凹部３５の内周には、上端側から底部に向けて内ねじ部３５ｓが形成され、最底部には、バルブボディ３の外周面部３ｆが嵌る内周面部３５ａが形成されている。内ねじ部３５ｓの内径は、内周面部３５ａの内径よりも若干大きく形成されているので、バルブボディ３の外周面部３ｆが内ねじ部３５ｓと干渉することはない。
さらに、収容凹部３５の内周には、軸線Ｃｔに平行に上端部から底部に向けて延びる溝部３５ｃが形成されている。溝部３５ｃにバルブボディ３の凸部３ａが係合し、流路ブロック３０に対するバルブボディ３の軸線Ｃｔ回りの回転位置が規定される。溝部３５ｃにバルブボディ３の凸部３ａが係合することで、流路ブロック３０のポート３１ｐおよびポート３２ｐに、バルブボディ３のポート３ｐ１およびポート３ｐ２がそれぞれ位置合わせされる。なお、図２から分かるように、溝部３５ｃは、内ねじ部３５ｓの谷径の内側に形成されている。

【0023】

ガスケット２１は、図１に示したように、金属製の円盤状部材であり、流路ブロック３０のポート３１ｐおよびポート３２ｐとバルブボディ３のポート３ｐ１およびポート３ｐ２に対応して２つの貫通孔が形成されている。ガスケット２１は、上記したバルブボディの突起４および流路ブロック３０の突起３３により塑性変形を発生させるため、突起４および突起３３よりも硬度が十分低い。ガスケット２１は、バルブボディ３の底面３ｄおよび収容凹部３５の底面３５ｂにそれぞれ形成された凹部に外周面が嵌るようになっている。ガスケット２１の外周面には図示しないガイドリングが設けられ、ガスケット２１を凹部に嵌めると抜けおちない構造になっている。

【0024】

上記したバルブ装置１を流路ブロック３０に組み付ける方法について説明する。先ず、ガスケット２１をバルブボディ３の底面３ｄの凹部に保持させる、または、収容凹部３５の底面３ｄに形成された凹部に配置する。この状態で、バルブボディ３の凸部３ａを収容凹部３５の溝部３５ｃに係合させつつボンネットナット２０の外ねじ部２０ａを収容凹部３５の内ねじ部３５ｓに螺合させ、工具を用いてボンネットナット２０を回転させ、ボンネットナット２０の推進力を、ボールベアリング１７を介してバルブボディ３の拡径部３ｃに伝達させる。このとき、ボールベアリング１７は、ボンネットナット２０の回転方向の力を逃がし、下方に向かう推進力のみがバルブボディ３に作用するようにする。また、バルブボディ３に回転方向の力が多少かかったとしても、位置決め用の凸部３ａが収容凹部３５の溝部３５ｃに係合しているので、バルブボディ３と流路ブロック３０との相対的な回転位置がずれることがない。

【0025】

ボンネットナット２０に必要な回転トルクを与えると、バルブボディ３の突起４および流路ブロック３０の突起３３がガスケット２１を変形させ、流路３Ａと流路３１とが気密に連通し、流路３Ｂと流路３２とが気密に連通する。
突起４および突起３３は、仮想平面ＰＬに関して左右対称に形成されているので、突起４および突起３３に作用する力は均等化され、シール性が安定化される。

【0026】

以上のように、本実施形態によれば、バルブシート５、ダイヤフラム１０等を内蔵するバルブボディ３を流路ブロック３０の収容凹部３５に収容し、かつ、バルブボディ３の流路ブロック３０に対する回転方向の位置決め機構を、ねじ部領域を利用して最小化している。これにより、回転方向の位置決め機構がバルブボディ３の外径の縮小の妨げにならない。
さらに本実施形態によれば、シール用の突起４および突起３３を２つの円環状突起の一部が共通の突起部分で構成されている構成としたので、ポート間の距離を短縮化でき、バルブボディの外径を縮小させることができる。この結果、収容凹部３５の内径も小さくできるので、さらに小型化、集積化に適したバルブ装置が提供される。

【0027】

図５に集積化された複数のバルブ装置１を示す。
ボンネットナット２０を操作できる範囲で、バルブ装置１の間を接近させることができるのが分かる。

【0028】

図６は、本実施形態に係るバルブ装置１が適用されるガス供給システムの一例を示す概略図である。
図６に示すシステムは、半導体製造プロセス等を実行するガス供給システムであり、２００はガス供給源、２１０は手動弁、２２０は減圧弁、２３０は圧力計、２４０はフィルタ、２５０は自動弁、２６０はチャンバを示している。
このシステムにおいては、ガス供給源２００から供給された処理ガスは、手動弁２１０、減圧弁２２０、圧力計２３０、フィルタ２４０、自動弁２５０等の複数の流体機器により制御される。本実施形態のバルブ装置１は、ユースポイント(供給先)であるチャンバ２６０の直近、すなわち、ガス供給システムの供給経路の最終段に設けられ、これを開閉制御することで、複数の流体機器より制御された処理ガスをチャンバ２６０へ供給する。
ここで、「流体機器」とは、流体の流れを制御する機器であって、流体流路を確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（手動弁、自動弁）、レギュレータ、圧力計、フィルタ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。

【0029】

上記実施形態では、凸部３ａと溝部３５ｃを一カ所のみ形成したが、これに限定されるわけではなく、複数個所に形成可能である。
上記実施形態では、凸部３ａをバルブボディ３に形成し溝部３５ｃを流路ブロック３０の収容凹部３５に形成したが、凸部を流路ブロックの収容凹部の内周面部に形成し、溝部をバルブボディの拡径部に形成しても良い。

【0030】

上記実施形態では、突起４および突起３３を構成する２つの環状突起を円環状突起としたが、環状突起であれば他の形状も採用可能である。また、上記実施形態では突起４および突起３３は仮想平面ＰＬに関して左右対称に形成されているが、安定したシール性を有していれば左右非対称に形成されていても良い。

【符号の説明】

【0031】

１ ：バルブ装置
３ ：バルブボディ
３Ａ ：流路
３Ｂ ：流路
３ａ ：凸部
３ｂ ：円筒部
３ｃ ：拡径部
３ｄ ：底面
３ｆ ：外周面部
３ｐ１ ：ポート
３ｐ２ ：ポート
４ ：突起
４ａ ：円環状突起
４ｂ ：円環状突起
５ ：バルブシート
７ ：インナーディスク
１０ ：ダイヤフラム
１２ ：ダイヤフラム押え
１５ ：アクチュエータ
１７ ：ボールベアリング
２０ ：ボンネットナット
２０ａ ：外ねじ部
２１ ：ガスケット
３０ ：流路ブロック
３１ ：流路
３１ｐ ：ポート
３２ ：流路
３２ｐ ：ポート
３３ ：突起
３３ａ ：円環状突起
３３ｂ ：円環状突起
３５ ：収容凹部
３５ａ ：内周面部
３５ｂ ：底面
３５ｃ ：溝部
３５ｓ ：内ねじ部
２００ ：ガス供給源
２１０ ：手動弁
２２０ ：減圧弁
２３０ ：圧力計
２４０ ：フィルタ
２５０ ：自動弁
２６０ ：チャンバ
Ｃｔ ：軸線
ＰＬ ：仮想平面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】