特許 7360719 ダイヤフラムバルブ及び流量制御装置

(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】2023-10-04

(45)【発行日】2023-10-13

(54)【発明の名称】ダイヤフラムバルブ及び流量制御装置

(51)【国際特許分類】

   F16K 7/12 20060101AFI20231005BHJP

   F16K 1/32 20060101ALI20231005BHJP

   F16K 31/02 20060101ALN20231005BHJP

   G05D 7/06 20060101ALN20231005BHJP

【ＦＩ】

F16K7/12 Z

F16K1/32 B

F16K31/02 A

G05D7/06 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020548270

(86)(22)【出願日】2019-09-03

(86)【国際出願番号】 JP2019034554

(87)【国際公開番号】W WO2020066491

(87)【国際公開日】2020-04-02

【審査請求日】2022-08-22

(31)【優先権主張番号】P 2018186187

(32)【優先日】2018-09-29

(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】執行 耕平

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 隆

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－１５４０２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０４２３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５０４３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０６６３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０４２１３４３１（ＣＮ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１３／０４６６６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／０３３４２３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／１４７４７７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ７／１２－ ７／１７

Ｆ１６Ｋ １／００－ １／５４

Ｆ１６Ｋ ３１／００－３１／０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に流路を有し、上面にダイヤフラム配置部を有するバルブボディと、前記ダイヤフラム配置部に配置され、弾性変形により前記流路の開閉及び開度の調節が可能なダイヤフラムと、前記ダイヤフラムを押圧して弾性変形させるステムと、該ステムを駆動するアクチュエータと、前記バルブボディに固定されて前記ステムと前記アクチュエータとを支持する支持機構と、を有するダイヤフラムバルブであって、
前記ステムと前記アクチュエータは、前記バルブボディの上面からこの順に、該上面に対して垂直方向に縦列に配置され、
前記アクチュエータは、下端部が前記支持機構の部材に当接して位置決めされて、上端部の垂直方向位置が変位するように構成され、
前記アクチュエータの上端部と前記ステムとは、前記アクチュエータを迂回して伸びる変位伝達部材によって接続されたダイヤフラムバルブにおいて、
前記ステムは、前記バルブボディに固定されたボンネットにより、樹脂製のスリーブを介して軸方向に変位可能に保持されていることを特徴とする、ダイヤフラムバルブ。

【請求項2】

前記樹脂製のスリーブは、ポリアセタール、超高分子量ポリエチレン、フッ素樹脂、フェノール樹脂のいずれかで形成されたものである、請求項１に記載のダイヤフラムバルブ。

【請求項3】

前記アクチュエータは、圧電アクチュエータである、請求項１又は２に記載のダイヤフラムバルブ。

【請求項4】

請求項１～３のいずれかに記載のダイヤフラムバルブを有する流量制御装置。

【請求項5】

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１～３のいずれかに記載のダイヤフラムバルブ又は請求項４に記載の流量制御装置を含む、流体制御装置。

【請求項6】

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の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に請求項１～３のいずれかに記載のダイヤフラムバルブ又は請求項４に記載の流量制御装置を用いる、半導体製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ダイヤフラムバルブ、流量制御装置、流体制御装置、及び半導体製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造プロセス等に用いられるプロセスガスの流量制御には、質量流量制御装置（マスフローコントローラ）が広く用いられている。この質量流量制御装置は、例えば圧力式の質量流量制御装置の場合、流路に設けられたオリフィスの前後の圧力を用いて質量流量を測定し、この質量流量が目標値になるように制御バルブで調節している。このような制御バルブとして、ダイヤフラムバルブが広く用いられている。

【0003】

ダイヤフラムバルブは、金属の薄板等からなるダイヤフラムを、駆動部により押圧して弾性変形させ、流路の開閉及び開度の調節を行う構造になっている。この駆動部は、例えば、図５（特許文献１の図４）に示すように、ダイヤフラム（図１の符号１７）を押圧するステム８と、これを駆動する圧電アクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）２を含む。ステム８は、変位伝達機構（４，７，６，５，５ｂ）を介して、圧電アクチュエータ２によりバルブを開く方向に駆動され、圧電アクチュエータ２の電圧非印加時には皿ばね９によりダイヤフラムバルブを閉じる方向に付勢されており、Ｏリング１４を介してボンネット１０の貫通孔１０ｂによりガイドされている（特許文献１）。

【0004】

このＯリング１４は、ニトリルゴム、フッ素ゴム、シリコンゴム、クロロプレンゴム等のゴムで形成され、柔軟性を有する。圧電アクチュエータ２に駆動されたステム８の動作ストロークは数１０μｍと小さいので、摺動よりもＯリング１４の弾性変形によりステム８の軸方向変位を許容していると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開番号ＷＯ２０１７／０３３４２３Ａ１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、上記機構では、Ｏリングのガイドとしての接触面積が小さいため、保持力が十分とは言えず、ステムの軸ブレが起こる場合があった。その結果、ダイヤフラムの当接箇所が偏心すると、応力が高くなって、ダイヤフラムの寿命を縮める恐れがあった。特に、流量制御装置の小型化に伴って、ダイヤフラムが小型化されると、僅かな軸ブレでもダイヤフラムにとって相対的に大きな偏心になるので、より厳しい軸ブレの抑制が求められるようになった。

【0007】

本発明の目的は、上記課題を解決し、ステムの軸ブレを低減したダイヤフラムバルブを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のダイヤフラムバルブは、内部に流路を有し、一面にダイヤフラム配置部を有するバルブボディと、前記ダイヤフラム配置部に配置され、弾性変形により前記流路の開閉及び開度の調節が可能なダイヤフラムと、前記ダイヤフラムを押圧して弾性変形させるステム及び該ステムを駆動するアクチュエータを有する駆動部と、を有するダイヤフラムバルブにおいて、前記ステムは、前記バルブボディ側に固定されたボンネットにより、樹脂製のスリーブを介して軸方向に変位可能に保持されていることを特徴とする。

【0009】

好適には、前記樹脂製のスリーブは、ポリアセタール、超高分子量ポリエチレン、フッ素樹脂、フェノール樹脂のいずれかで形成されたものである、構成を採用できる。

【0010】

好適には、前記アクチュエータは、圧電アクチュエータである。

【0011】

本発明の流量制御装置は、上記構成のダイヤフラムバルブを用いたものである。

【0012】

本発明の流体制御装置は、上流から下流に向かって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、上記構成のダイヤフラムバルブ又は流量制御装置を含むものである。

【0013】

本発明の半導体製造装置は、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制御に上記構成のダイヤフラムバルブ又は流量制御装置を用いる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、ダイヤフラムを駆動するステムの軸方向の動きをガイドするガイド部分として、樹脂製のスリーブを用いたので、ステムとガイド部分との接触面積が広くなり、ガイド剛性を高めることができた。それにより、ステムの軸ブレを低減したダイヤフラムバルブが実現した。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係るダイヤフラムバルブの概略断面図。

【図2】本発明の一実施形態に係る流量制御装置の概略断面図。

【図3】本発明の一実施形態に係る流体制御装置の概略斜視図。

【図4】本発明の一実施形態に係る半導体製造装置のブロック図。

【図5】従来のダイヤフラムバルブのリニアアクチュエータ部分を示す縦断面図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１に本発明の一実施形態に係るダイヤフラムバルブ１の概略図を示す。

【0017】

図１に示すように、本実施形態のダイヤフラムバルブ１は、バルブボディ１６と、ダイヤフラム１７と、駆動部１２とを含んで構成される。

【0018】

バルブボディ１６は、略ブロック形状を成し、内部に上流側流路１６ａと下流側流路１６ｂとを有する。上流側流路１６ａは、バルブボディ１６の上面に形成された浅い座ぐり穴状の窪みであるダイヤフラム配置部１６ｄの底面の中央部に開口し、この開口の周囲は環状に盛り上がってバルブシート１６ｅを形成している。一方、下流側流路１６ｂは、ダイヤフラム配置部１６ｄの底面の周辺部に開口している。

【0019】

ダイヤフラム１７は、本実施形態では、特殊ステンレス鋼等の金属製薄板やニッケル・コバルト合金薄板の中央部を上方へ膨出させた球殻状の部材で、バルブボディ１６上面におけるダイヤフラム配置部１６ｄに配置されている。ダイヤフラム１７の外周縁部の上に円環状の抑えアダプタ１８が配置され、その上からボンネット１０の下端部が当接し、ボンネット１０が支持プレート３とともに、ボルトによりバルブボディ１６へ共締めされることで、ダイヤフラム１７は固定され、ダイヤフラム配置部１６ｄが気密に密封されている。

【0020】

ダイヤフラム１７とバルブシート１６ｅとの間には、所定量の隙間があり、上流側流路１６ａからこの隙間を通ってダイヤフラム１７で封止されたダイヤフラム配置部１６ｄに連通し、さらに下流側流路１６ｂへ連通する流路が形成されている。ダイヤフラム１７が駆動部１２により押圧されてバルブシート１６ｅに当接すると、流路１６ａと流路１６ｂとの連通が遮断され、ダイヤフラム１７がバルブシート１６ｅから離隔することにより、流路１６ａと流路１６ｂとが連通する。これにより、流路の開閉及び開度の調節が可能になっている。

【0021】

駆動部１２は、ボンネット１０と、支持プレート３と、圧電アクチュエータ２と、変位伝達機構（４，７，６，５，５ｂ）と、ステム８と、皿ばね９とを有する。

【0022】

ボンネット１０と、支持プレート３は、圧電アクチュエータ２と変位伝達機構（４，７，６，５，５ｂ）とステム８を軸方向に変位可能に保持するもので、ボンネット１０に支持プレート３を重ねて、２本のボルトで、バルブボディ１６に共締めされている。ボンネット１０は、上記のようにダイヤフラム１７をバルブボディ１６に固定する役割も果たしている。

【0023】

圧電アクチュエータ２は、円筒状のケース２ｃに図示しない積層された圧電素子を内蔵している。ケース２ｃは、ステンレス合金等の金属製で、半球状の先端部２ａ側の端面および基端部２ｂ側の端面が閉塞している。ケース２ｃは、積層された圧電素子に電圧を印加して伸長させることで、ケース２ｃの先端部２ａ側の端面が弾性変形し、半球状の先端部２ａが長手方向において変位する。すなわち、ケース２ｃは、積層された圧電素子に電圧を印可することで、先端部２ａから基端部２ｂまでの全長が伸びる。

【0024】

圧電アクチュエータ２は、先端部２ａが支持プレート３に当接するように垂直方向に配置されている。先端部２ａの先端は半球状を成し、本実施形態では支持プレートの上面に形成された円錐状の窪みに落ち込むようになっている。圧電アクチュエータ２の基端部２ｂは、変位伝達機構（４，７，６，５，５ｂ）の受け部である押圧部材４に嵌合保持されている。

【0025】

押圧部材４の上面は、上部連結部材６のねじ穴に螺合された調整ねじ７の先端に当接している。前記上部連結部材６は、有底円筒を伏せて両側をカットした略コの字型を有し、その内側に一対の変位伝達部材が、ねじで連結されている。

【0026】

一対の変位伝達部材５は、熱膨張係数の小さいインバー材等の金属材料で形成され、圧電アクチュエータ２の外周面に沿う円筒状部材を長手方向に沿って二つに分割した形態を呈している。これらの一対の変位伝達部材５は、それぞれの開口部５ａに支持プレート３を挿通させてその下側に伸び、先端部に係止部５ｂが形成されている。

【0027】

一方、ステム８は、支持プレート３の下側に、ボンネット１０のガイド孔１０ａを貫いて前記圧電アクチュエータ２と同軸に配置され、該ガイド孔１０ａにガイドされて軸方向に可動に設けられている。ステム８は、一対の変位伝達部材５の下端部に形成された各係止部５ｂがそれぞれ係合するアーム部８ａを備えている。ステム８は、皿ばね９により下方向に付勢されている。圧電アクチュエータ２が伸長すると、ステム８も皿ばね９の付勢力に抗して一対の変位伝達部材５により上方向に引き上げられる。このように、圧電アクチュエータ２の長さの変位が、一連の変位伝達機構（４，７，６，５、５ｂ）を通してステムに伝達され、ステムが軸方向に変位するようになっている。
ステム８の先端（下端）には、ダイヤフラム押え１９が取り付けられてダイヤフラム１７に当接している。

【0028】

ここで本発明では、ステム８とボンネット１０のガイド孔１０ａとの摺動部分に、従来のＯリング１４（図５参照）の代わりに、樹脂製スリーブ１５を用いている。すなわち、ボンネット１０のガイド孔１０ａに外周が嵌合固定されたスリーブ１５の内周により、ステム８がガイドされている。スリーブ１５は、ポリアセタール、超高分子量ポリエチレン、フッ素樹脂、テフロン（登録商標）樹脂、フェノール樹脂などの自己潤滑性樹脂で形成されているので、ガイドされるステンレス鋼製のステム８との摩擦係数が小さい。また、ステム８の外周とスリーブ１５の内周との組み合わせは、円筒状の接触面を有するので、接触面積が広く、高いガイド剛性が得られる。

【0029】

次に、このように構成された本実施形態のダイヤフラムバルブ１の動作について、図１を参照して説明する。

【0030】

まず、圧電アクチュエータ２への印加電圧がゼロである初期状態では、圧電アクチュエータ２の長さは初期長さであり、変位伝達機構（４，７，６，５，５ｂ）とこれに係合させたステム８は、皿ばね９に押し下げられて最下位置にある。したがって、ダイヤフラム１７はステム８に押圧されて、バルブシート１６ｅに密着し、バルブは全閉状態になる。

【0031】

次に、圧電アクチュエータ２に電圧を印加すると、圧電アクチュエータ２の長さは大きくなるため、皿ばね９の付勢力に打ち勝って、変位伝達機構（４，７，６，５，５ｂ）とステム８は押し上げられ、ダイヤフラム１７とバルブシート１６ｅの間に隙間ができて、バルブは開き、流体がダイヤフラムバルブ１を通過できるようになる。圧電アクチュエータ２への印可電圧を調節することにより、ダイヤフラム１７とバルブシート１６ｅとの隙間を調節でき、流体の流量を調節できる。

【0032】

この際、ステム８の外周は低摩擦係数の樹脂製スリーブ１５によってガイドされているので、ステム８はスムーズに上下方向移動できる。また、樹脂製スリーブ１５は高いガイド剛性を有するので、上下方向移動の際に軸ブレを起こすことなく、軸ブレによるダイヤフラム１７の応力上昇を低減できるため、ダイヤフラム１７の寿命の向上を図ることができる。

【0033】

尚、本実施形態では、ボンネット１０のガイド孔１０ａに外周を嵌合させた樹脂製スリーブ１５の内周に、ステム８の外周を摺動させているが、これに限定されず、ステム８の外周に内周を嵌合させた樹脂製スリーブ１５の外周を、ボンネット１０のガイド孔１０ａの内周に摺動させても良い。そのような構成でも、低摩擦係数と高ガイド剛性が得られる。

【0034】

次に、本発明の流量制御装置について説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係る流量制御装置の概略断面図であり、上記したダイヤフラムバルブ１が組み込まれた圧力式の流量制御装置２０を示す。
図２において、流量制御装置２０の全体を覆うカバーやフィードバック制御用の基板が実際には存在するが、説明の便宜上図示していない。
流量制御装置２０は、上記したダイヤフラムバルブ１の構成要素に加えて、下流側ブロック２５、圧力検出器２２、オリフィス２１、圧力検出器２６、流路２５ａを有する。

【0035】

バルブボディ１６の内部において、ダイヤフラム１７の下流側の流路内にオリフィス２１（本実施形態では、ガスケット型オリフィス）が設けられている。オリフィス２１の上流側の流路１６ｂの途中には、圧力を検出する上流側の圧力検出器２２が設けられている。
下流側ブロック２５は、バルブボディ１６にボルトにより連結され、バルブボディ１６の下流側の流路１６ｂに連通する下流側流路２５ａを有し、下流側流路２５ａ内の圧力を検出する下流側の圧力検出器２６が設けられている。
図示しない制御装置により、各圧力検出器２２、２６の検出値に基づいてダイヤフラムバルブ１がＰＩＤ制御により開閉制御される。

【0036】

本流量制御装置では、本発明のダイヤフラムバルブを用いたので、ダイヤフラムバルブの長寿命化に伴う、流体制御装置の長寿命化が期待できる。

【0037】

次に、本発明の流体制御装置について説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る流体制御装置の概略斜視図である。
図３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には、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。

【0038】

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。

【0039】

本発明は、上記した開閉弁９９１Ａ、９９１Ｄ、レギュレータ９９１Ｂ、マスフローコントローラ９９１Ｅ等の種々のダイヤフラムバルブに適用可能である。

【0040】

次に、本発明の半導体製造装置について説明する。
図４は、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置のブロック図である。
図４に示す半導体製造装置９８０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装置であり、９８１はプロセスガス供給源、９８２はガスボックス（流体制御装置）、９８３はタンク、９８４は開閉バルブ、９８５は制御部、９８６は処理チャンバ、９８７は排気ポンプを示している。

【0041】

本発明は、上記したガスボックス９８２およびガスボックス９８２を構成する流体機器、開閉バルブ９８４に適用可能である。

【0042】

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、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。

【0043】

上記実施形態では、開閉バルブ９８４を流体制御装置としてのガスボックス９８２の外部に配置する構成としたが、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体機器を集積化してボックスに収容した流体制御装置に上記実施形態のダイヤフラムバルブを含ませることも可能である。

【符号の説明】

【0044】

１ ：ダイヤフラムバルブ
２ ：圧電アクチュエータ
２ａ ：先端部
２ｂ ：基端部
２ｃ ：ケース
３ ：支持プレート
４ ：押圧部材
５ ：変位伝達部材
６ ：上部連結部材
７ ：調整ねじ
８ ：ステム
８ａ ：アーム部
９ ：皿ばね
１０ ：ボンネット
１０ａ ：ガイド孔
１０ｂ ：貫通孔
１２ ：駆動部
１４ ：Ｏリング
１５ ：スリーブ
１６ ：バルブボディ
１６ａ ：上流側流路
１６ｂ ：下流側流路
１６ｄ ：ダイヤフラム配置部
１６ｅ ：バルブシート
１７ ：ダイヤフラム
１８ ：押えアダプタ
１９ ：ダイヤフラム押え
２０ ：流量制御装置
２１ ：オリフィス
２２ ：圧力検出器
２５ ：下流側ブロック
２５ａ ：下流側流路
２６ ：圧力検出器
９８０ ：半導体製造装置
９８１ ：プロセスガス供給源
９８２ ：ガスボックス
９８３ ：タンク
９８４ ：開閉バルブ
９８５ ：制御部
９８６ ：処理チャンバ
９８７ ：排気ポンプ
９９１Ａ～９９１Ｅ ：流体機器
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
ＢＳ ：ベースプレート
ＧＩ、Ｇ２：長手方向
Ｗ１、Ｗ２：幅方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】