(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体用途に適した、プロセスガスを高速で開閉でき、耐久性が高く、寿命の長いバルブを提供する。【解決手段】ソレノイド５の磁力により、プランジャ６を駆動して流体流路の開閉動作を行う電磁バルブであって、プランジャ６の一端に付設された可動の弁頭７と、弁頭７が当接されてバルブを形成するオリフィス８を含む弁座１２と、弁頭７をオリフィス８に押圧するバネ９とを含み、弁頭７とオリフィス８とのどちらか一方を金属材料によって形成し、他方を前記金属材料より硬度が高い非金属材料によって形成したことを特徴とする。金属材料が耐食性の高い高Ｎｉ合金であり、前記非金属材料がセラミック系非金属材料であるのが好ましい。【選択図】        図１
2004183678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソレノイドの磁力によりプランジャを駆動して流体流路の開閉動作を行う電磁バルブであって、
プランジャの一端に付設された弁頭と、
流体流路をなすオリフィスを含む固定の弁座であって、前記弁頭が同オリフィスに当接されて流体流路が閉じられるようになされている弁座と、
前記弁頭を前記オリフィスに当接するように弾性的に押圧するばねと、を含み、
前記弁頭と弁座とのどちらか一方を金属材料によって形成し、他方を同金属材料より硬度が高い非金属材料によって形成したことを特徴とする電磁バルブ。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁バルブであって、
前記金属材料が耐食性の高い高Ｎｉ（Ｎｉの含有量が１８％以上）合金であり、前記非金属材料がセラミック系非金属材料である、電磁バルブ。
【請求項３】
請求項２に記載の電磁バルブであって、
前記金属材料が、インコネル（登録商標）、ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金からなる群から選択され、前記非金属材料が、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔｉ２Ｏ３、ダイヤモンドライクカーボンからなる群から選択される、電磁バルブ。
【請求項４】
請求項３に記載の電磁バルブであって、
前記弁頭が非金属材料によって作られた球体である、電磁バルブ。
【請求項５】
請求項１に記載の電磁バルブであって、
前記弁頭が非金属材料の球体によって構成され、金属ダイヤフラムを介して前記プランジャの一端に付設されている、電磁バルブ。
【請求項６】
請求項１に記載の電磁バルブであって、
前記弁頭が、表面に非金属物質をコーティングした金属ダイヤフラムからなる、電磁バルブ。
【請求項７】
請求項１に記載の電磁バルブであって、
前記弁座が、ディスク形状であって、中心に薄肉のオリフィスを有し、同オリフィスとは別の流体流路を有し、前記ソレノイドのヨークに固定される構造とされている、電磁バルブ。
【請求項８】
請求項１に記載の電磁バルブであって、
当該電磁バルブの磁束通路に、同磁束通路と平行に切り欠きを設けた、電磁バルブ。
【請求項９】
請求項１に記載の電磁バルブであって、
前記ばねが、前記プランジャと前記ヨークとの間に配置され、中間部分が金属ストリップを螺旋状に巻いた形状を有し、一端が同プランジャに圧入固定され、他端が同ヨークに圧入固定された筒形状のコイルばねである、電磁バルブ。
【請求項１０】
請求項１に記載の電磁バルブであって、
前記プランジャの別端に第２の弁頭と、流体流路をなすオリフィスを含む固定の第２の弁座とを更に含む、電磁バルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に用いられるプロセスガスを開閉するバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プロセスガスの開閉には、図１に示されているような空圧バルブが用いられていた（例えば、特許文献１、２参照）。この種の空圧バルブにおいては、開閉動作は、外部から例えばＮ２（窒素ガス）をバルブのアクチュエータ部に導入又は排出し、その圧力によりアクチュエータであるピストンを駆動することによってなされている。アクチュエータ構造が比較的シンプルであるため、故障が少なく一般的によく用いられている。しかしながら、アクチュエータにＮ２を注入又は排出するためにある程度時間がかかり、このことによって開閉の遅れが生じるため、高速でバルブを開閉するには限界があった。また、Ｎ２を導入するための導入チューブの長さ等の違いにより、複数個のバルブを同時に開閉するときにバルブ毎の開閉時のずれが生ずる欠点があった。いずれにしても、この種のバルブは高速での動作には不向きである。
【０００３】
また、アクチュエータにソレノイドを使用したソレノイドバルブも使用されている（例えば、特許文献３参照）。この種のソレノイドバルブの特徴は、動作速度が空圧バルブに比べ高速であるということである。しかしながら、この種のソレノイドバルブの弁体には、閉動作時のガスの流出を防ぐためにゴム等の緩衝材が使用されており、このゴム等の緩衝材は不純物の原因となり得るので、半導体製造装置用途としては使用が控えられつつある。
【０００４】
一方、弁体にゴム等の緩衝材を使用せずに金属を使用したバルブも考案されている（例えば、特許文献４参照）。この種のバルブでは、バルブの開閉時にバルブの弁頭と弁座とが激しく衝突するため、寿命の点で問題があった。
【０００５】
開閉時のバルブ弁体の衝撃を緩和する試みとしては、スクイーズ膜を利用する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照）。しかしながら、この種のバルブは、高速開閉動作、特に減圧下での高速開閉動作には不向きである。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５，２５３，６７１号明細書
【特許文献２】
特開平２００２−２５０４５１号公報
【特許文献３】
米国特許第５，８６２，９９５号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，７５５，４２８号明細書
【特許文献５】
特開平９−７２４３５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
極めて薄い膜をウエハー上に構成する原子層ＣＶＤ（ＡＬＣＶＤ）等では、プロセスガスを１０ｍｓ以下の高速で開閉する事が要求されつつあり、本発明は、このような用途に使用できる、高速で開閉することができ、耐久性が高く且つ寿命の長いバルブを提供することを目的とする。
【０００８】
本発明は、更に、このような耐久性が高く且つ寿命の長い高速開閉バルブであって、バルブのガス接触部に不純物の原因となるゴムやプラスチック等を使用しないバルブを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
高速開閉動作での最大の問題は、オリフィスと弁頭が激しく接するため、オリフィスと弁頭とが金属同士の場合に双方の磨耗が激しくなることである。さらに困難な問題として、金属同士が繰り返しあるいは激しく接触すると、いわゆるコールドフローが生じ金属同士が貼り付いてしまうことである。そうなるとバルブとしては機能しない。この現象は、実験の結果では、異種金属及び硬度の高い金属ではやや起こりにくいが、５ｍｓの開閉速度で毎秒１０回程度の開閉を繰り返すと、たとえ、オリフィスにＨｖ４００ほどの超弾性合金を使用しても、弁頭材質が金属である場合に、１０万回から１００万回の繰り返しでオリフィスと弁頭との接着が発生することが判明した。接着が発生する過程では、オリフィスと弁頭とのうちのいずれか一方あるいは双方の接触部で、表面が磨耗し、表面の一部に欠損が発生しており、パーティクルの原因となって危険な状態であることが判明した。
【００１０】
しかしながらオリフィスと弁頭を金属にしたいという要望は、半導体の製造プロセスが微細になればなるほど強くなる。これは、ゴム等では磨耗してプロセス汚染の原因となり得ること及び吸着ガスの脱ガスのためにやはりプロセス汚染の原因となることである。
【００１１】
そこで、本発明においては、各種の条件を試行錯誤した結果、オリフィスと弁頭との材質に関し、いずれか一方を金属材質とし、もう片方を相手の金属材質よりも硬度の固い非金属材質とし、その結果、高速動作を行ってもオリフィスと弁頭との接着が起こらない極めて長寿命のバルブが実現している。
【００１２】
オリフィスと弁頭との材質の具体的な組み合わせとしては、インコネル（登録商標）、ＳＵＳ３１６Ｌ、超弾性合金のような耐食性の高い高Ｎｉ（Ｎｉの含有量が１８％以上）合金からなるオリフィスに対し、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４等の非金属材料からなる球体を弁頭として使用することによって、極めて良好な結果が得られる。また同上の金属製のオリフィスに対して、金属の表面にＳｉ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔｉ２Ｏ３、ダイヤモンドライクカーボン等の相手の金属よりも硬度の高いセラミックのような非金属物質により形成されるか又はこのような非金属物質をコーティングした球体又はダイヤフラム等からなる弁頭を使用しても著しく寿命が改善される。
【００１３】
更に、本発明のようなバルブにおいては、プランジャと弁座部とを単にダイヤフラムにより分離してダイヤフラムバルブとして構成し、ダイヤフラムがオリフィスに直接押圧して閉動作をなすようにすることもできる。本発明においては、この場合には、ダイヤフラムとオリフィスとを共に金属材料で作り、ダイヤフラムとオリフィスとのいずれか一方の接触面を金属材料よりも硬度の固いＴｉ２Ｏ３等の非金属材料によってコーティングすることによりバルブを構成している。この場合にも、半導体プロセス用の高速開閉バルブとして十分な寿命が得られる。
【００１４】
また、金属製のダイヤフラムと金属製のオリフィスとの間に非金属材料であるＳｉ３Ｎ４等の硬度の高い球体を配設し、金属製のオリフィスと球体との間で閉動作させることもでき、この場合にも、寿命の長いバルブが実現できる。
【００１５】
更に、従来のソレノイドバルブでの問題点の一つである、プランジャを付勢するスプリングがプランジャあるいはヨークと擦れるために、パーティクルが発生しプロセス汚染の原因となるという点に関して、これは、一般的なコイルバネは、その両端部がプランジャ或いはヨークと擦れることに原因があることが判明した。そこで、本発明においては、両端が筒形になされ、中間部分が通常のコイルバネ形状を有しているコイルバネを使用し、同筒形端部の片方がプランジャに圧入固定され、他方の筒形端部がヨークに圧入固定されるように構成した。この結果、プランジャが、バネ及びヨークと擦られない状態でヨーク内の空間に保持され、パーティクルの発生によるプロセス汚染が防止できる。
【００１６】
また、ソレノイドバルブを高速で動作させようとすると、毎分５０回を超えるあたりから徐々に応答速度が遅れる現象が現れる。かかる現象の一つの原因としては、プランジャの質量とバネ定数に基づく固有振動数とが考えられる。従って、この問題を解決するために、本発明においては、プランジャの質量を数グラムと軽量化している。
【００１７】
また、磁界による渦電流によってバルブの高速開閉動作が阻害されることがある。本発明においては、かかる問題点を解決するために、磁束経路内に、同磁束経路と平行に磁気抵抗の大きい材料を挿入して磁束間での渦電流が発生するのを防止している。具体的には、コイルケースとプランジャの一部とに、磁束経路と平行にスリット状の切り欠きを設けている。切り欠きのような空隙はソレノイドの磁界にあまり影響を与えず渦電流の発生が有効に抑制され、１０ｍｓ以下の応答速度を実現することができる。また、この構造により、磁束経路として使用できる磁性材料の選択肢を広げることが出来る。更に、高速動作時においては、磁束は主にプランジャの軸線方向に沿って外周面の近くを流れるため、プランジャに設ける切り欠きは、深さ２ｍｍ、幅１ｍｍ程度の比較的浅い溝として設けることが効果的である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるバルブの第一の実施形態を組み入れた流量制御装置の正面断面図であり、図２は、図１の装置の分解図である。
【００１９】
バルブは、球体からなる弁頭７とディスク形状とされ且つ中心にガス通路としてのオリフィス８を有する弁座１２とによって形成される。弁頭７は、球体とされ且つ各種の半導体製造用プロセスガスに対する耐食性及び機械的強度が高い非金属材料である窒化珪素によって作られている。一方、弁座１２は、中心部をガス通路のための薄肉のオリフィス８としたディスク形状とされ、耐食性が高く且つ弾性のあるＮｉ，５３．５％、Ｔｉ，４５．５％，Ｆｅ，１％の超弾性合金によって作られている。超弾性合金は、弾性復元力が高いので、オリフィスに使用した場合に、弁頭との接触部がほとんど変形せず、極めて寿命の長いバルブが実現できる。オリフィスは、弁頭の衝撃を緩和するように薄肉のディスク形状に漏斗状に加工されている。
【００２０】
図１に示されているように、弁頭７は、磁性体で作られたプランジャ６の一端に圧入固定されている。窒化珪素の球体の固定方法としては、圧入以外、摩擦攪拌接合あるいは拡散接合が有効である。プランジャ６の他端には、円筒状のコイルバネ９の一端が圧入固定されている。図１からわかるように、コイルバネ９の他端は、ヨーク１０のプランジャに対向する筒状部分に圧入固定されている。コイルバネ９は、実質的に円筒形状であり、両端は、各々、上記の如くプランジャ６及びヨーク１０に圧入固定できるように、軸線方向にある程度の長さを有し且つ圧入できる内径の筒部とされており、中間部分は、比較的幅が狭いストリップが螺旋状に巻かれた形状とされ、通常のコイルバネと同等の弾性を有する。弁座１２は、弁頭７がオリフィス８の漏斗状の面に当接するようにして、ネジ８ａによってヨーク下部１０ａのネジ孔に固定される。このようにして、バルブ（７，１２）とヨーク１０とが一体化される。このようにして一体化されたバルブとヨークとの組立体においては、弁頭７は、通常は、コイルバネ９の力により押圧されて弁座１２に当接されてバルブを閉じている。弁座１２の外周に近接した部分には、オリフィス８によるガス通路とは別のガス通路１３が設けられており、ヨーク１０の下端に設けられた段状の凹部と協働して、ガスの出口につながるガス通路が形成されている。
【００２１】
このようにして一体化されたヨーク１０の外周に、ヨークケース４に取り付けられたソレノイド５が嵌められ、ヨークケース４に上部からソレノイドケース上部４ａが嵌め込まれて側方がネジで固定される。金属のソレノイドケース４には、高速動作時の渦電流損を防ぐために、一部にプランジャの軸線方向すなわちソレノイドによる磁束の磁束経路と平行に、スリット１１（図２参照）が設けられている。これにより、渦電流の発生が抑制される。かかる渦電流抑制用のスリットは、プランジャ６にも設けてもよい。ヨーク１０を内部に収納したソレノイドケース４は、２つの金属シール８ｂ及び１０ｂを介装してベース１にネジで固定される。ベース１には、ガス出口２から弁座１２に設けられたガス通路１３につながっているガス通路と、弁座１２のオリフィス８からガス入口３へとつながっているガス通路とが設けられている。
【００２２】
このようにして流量制御装置が組み立てられる。この流量制御装置において、ノーマルクローズのソレノイド５に通電がなされると、プランジャ６がコイルバネ９の付勢力に抗してヨーク側へと引き上げられて、弁頭７がオリフィス８から離れ、ガスが、ガス入口３からバルブを介してガス出口２へと流れる。
【００２３】
図３は、本発明のバルブの第二の実施形態を示している断面図である。弁座１２’は、ディスク形状になされており、中心に漏斗状のオリフィス８ｃが設けられている。弁座１２’の底部は、中央が凹状になされた環状の段部を含んでおり、この段部がベース１’に圧入固定されている。オリフィス８ｃを含む弁座１２’は、Ｎｉ，５３．５％、Ｔｉ，４５．５％，Ｆｅ，１％の超弾性合金によって作られている。
【００２４】
一方、弁頭７’は、非金属材料である窒化珪素の球体によって作られている。弁頭７’の上方には、金属ダイヤフラム１５を介してプランジャ６’が配設されている。プランジャ６’の上方端部には、図１の実施形態と同様の円筒状のコイルバネ９’の一端が圧入固定されている。コイルバネ９’の他端は、図１の実施形態と同様にヨーク１０’の円柱部の下端に圧入固定されている。内部にソレノイド５’が取り付けられたソレノイドケース４、ソレノイドケース上部４ａ’等の構造及び組み立て形態は、図１の実施形態と同様である。ヨーク１０’をソレノイド５’の内側に嵌入された後、ソレノイドケース４は、ベース１’に固定される。ベース１’には、ガス出口２’からオリフィス８’へとつながるガス通路と、弁頭７’の外周空間からガス入口３へとつながるガス通路とが設けられている。
【００２５】
このような構成において、弁頭７’は、通常は、コイルバネ９’の付勢力により、オリフィス８’に押圧されてバルブが閉じられている。ソレノイド５’が通電されると、プランジャ６’がコイルバネ９’の付勢力に抗してヨーク側に引き上げられて、弁頭７’がオリフィス８’から離れ、ガスがガス入口３’からバルブを介してガス出口２’へと流れる。
【００２６】
図４は、本発明の電磁バルブの第三の実施形態を示す断面図である。この実施形態は、三方向弁の形態になされており、図４からわかるように、中央の弁部を挟んで、左側の一つの流体流路１６と右側の二つの流体の流路１７，１８とが設けられている。この実施例においても、弁頭、弁座、の材質、コイルスプリングの形状等は、文頭において説明した本願発明の特徴に従って、決められている。
【００２７】
プランジャ１９の両端に弁頭２０及び２１が設けられており、これらに対向するように弁座２２，２３が各々設けられている。通常の状態では、コイルバネ２４の付勢力によって、プランジャ１９は図面の右側に押されており、弁座２２と弁頭２０とによって形成されている弁部流路は開放されており、一方、弁頭２１と弁座２３とによって形成されている弁部流路は閉じられている。従って、流路１６から弁頭２０と弁座２２とによって形成された流路を通り、プランジャ１９の外周を通り、流路１７に至る流路が開かれ、流路１７から１８への流体流路は閉じられている。ソレノイド２５が電気的に付勢されると、プランジャ１９は、コイルバネ２４の付勢力に打ち勝って、図面の左側に引かれ、その結果、弁頭２０と弁座２２とによって形成される弁部流路が閉じられ、一方、弁頭２１と弁座２３とによって形成されている弁部流路は開かれる。その結果、流路１７から１８への流体流路は開かれる。
【００２８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、オリフィスと弁頭との材質に関し、いずれか一方を金属材質とし、もう片方を相手の金属材質よりも硬度の固い非金属材質としているので、高速動作を行ってもオリフィスと弁頭との接着が起こらず、極めて長寿命の高速動作バルブが実現できる。
【００２９】
更に、本発明においては、両端が筒形になされ、中間部分が通常のコイルバネ形状を有しているコイルバネを使用し、同筒形端部の片方がプランジャに圧入固定され、他方の筒形端部がヨークに圧入固定されるように構成しているので、プランジャが、バネ及びヨークと擦られない状態でヨーク内の空間に保持され、パーティクルの発生によるプロセス汚染が防止できる。
【００３０】
また、本発明においては、磁束経路内に、同磁束経路と平行に磁気抵抗の大きい材料を挿入しているので、磁束経路内の渦電流の発生が有効に抑制され、１０ｍｓ以下の応答速度を実現することができる。また、この構造により、磁束経路として使用できる磁性材料の選択肢を広げることが出来る。
【００３１】
更に、本発明においては、プランジャの質量を数グラムと軽量化しているので、ソレノイドバルブを高速で動作させても、応答速度が遅れる現象が現れない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるバルブの第一の実施形態を組み入れた流量制御装置の正面断面図である。
【図２】図２は、図１の装置の分解図である。
【図３】図３は、本発明のバルブの第二の実施形態を示している断面図である。
【図４】図４は、本発明のバルブの第三の実施形態を示している断面図である。
【符号の説明】
１，１’  ベース、    ２，２’  ガス出口、    ３，３’  ガス入口、
４，４’  ソレノイドケース、
４ａ，４ａ’  ソレノイドケース上部、    ５，５’  ソレノイド、
６，６’  プランジャ、    ７，７’  弁頭、
８，８’  オリフィス、    ８ａ  ねじ、
９，９’  コイルバネ、    １０，１０’  ヨーク、
８ｂ，１０ｂ  金属シール、    １１  スリット、
１２，１２’  弁座、    １３  ガス通路、
１５  金属ダイヤフラム
【図１】
2004183678.tif 000003
【図２】
2004183678.tif 000004
【図３】
2004183678.tif 000005
【図４】
2004183678.tif 000006