JP2005521848A - 圧力保持体を有するピンチ弁 - Google Patents

Abstract

制御弁（４００）は弾性流管およびアクチュエータ（１２２）を含む。プランジャはアクチュエータに作動的に連結され、流管に近接して配置される。基準面は一般に、プランジャに対向して位置することにより、弾性流管はプランジャと基準面との間で絞られることができ、流管を通る流体流れを制御する。圧力保持体（４３０）は流管の少なくとも一部を囲む。圧力保持体は、例えば、流管周りに配置された網状スリーブ、リング、または流管周りに挟まれた第１（４３１）および第２（４３２）圧力保持体を備えることができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、参照により本明細書に引用されている、２００２年４月１日出願の米国仮出願第６０／３６９，４９３号の本出願である。

本発明は一般に流体流れおよび制御に関し、詳細には、圧力保持体を有するピンチ弁に関する。

一般に流体送出システムは、３つの構成要素、すなわち流体送出、流量測定および制御、ならびにユーザ・インタフェースから成る。半導体、薬品、およびバイオテクノロジーなどの多くの産業では、一般に低流量の、研磨用化学流体の使用、腐食性化学流体の使用、および汚染の無い、正確な、小型でリアルタイムの流体送出および／または混合システムの必要性に起因する流体送出問題を経験している。

例えば、科学的機械研磨による平坦化（ＣＭＰ）は、半導体産業においては、ウェハ表面と研磨パッドの間に懸濁固体粒子を含む超高純度液および作用物質を塗布することにより、半導体のウェハ表面を平坦化するプロセスを含む重要なプロセスである。大部分の用途においては、研磨パッドは半導体に対して制御された速度で回転し、半導体表面を平坦化する。過剰な研磨は重要なウェハ表面を変質または除去する結果となる。これに反して、ウェハの研磨不足はウェハの不合格品を生み出す。ウェハの研磨率は、研磨作業の間における流体の送出率および送出される流体の全量に完全に左右される。

流体流れの精密な制御および汚染の無い環境を必要とする、半導体産業で使用される別のプロセスは、フォトリソグラフィ・プロセスである。当分野では公知のとおり、フォトリソグラフィーは、レジストまたはフォト・レジストとして公知の感光性ポリマをウェハ表面に塗布するプロセスである。ウェハ上に形成される構造体パターンを含むフォトマスクは、レジストを塗布されたウェハと光源との間に置かれる。光は、レジスト・ポリマを軟化または硬化させることによりレジストと反応する。光でレジストを露光した後、ウェハは化学液を用いて現像され、軟化したレジストを除去される。正確で再現性のあるレジスト送出は、パターンを正確に転写するための基本となるものである。表面上のわずかな「汚れ」も最終パターンに欠陥を生じるため、レジストには汚染があってはならない。

このプロセスの変更形態では、ウェハ表面に新しい多量の液を供給して、最終の半導体の集積部分となるフィルムを生成する。これらフィルムの主機能は、導電線間の絶縁体として作用することである。さまざまな「スピンオン（ｓｐｉｎ−ｏｎ）」材料が、広範囲の化学合成物および物理的特性を用いて評価されている。リソグラフィ・プロセスおよびスピンオン堆積の間の主要な差異は、フィルム上のどのような欠陥（空隙、気泡または粒子）も、半導体の構造体内に恒久的に埋め込まれて、非機能デバイスおよび半導体メーカの経済的損失を生じる可能性があることである。

これら両方のプロセスは、「トラック（ｔｒａｃｋ）」と呼ばれるツール内で実行する。トラックの目的は、流体の正確な容積を静止または低速回転しているウェハの表面に塗布することである。別の化学的プロセス工程を用いて、液を正確な構造体に変換することもできる。液を塗布後、ウェハの回転速度を急速に上昇させ、ウェハ上の液を縁部から振り落とす。極めて薄い、均一な厚さの液が、ウェハの中心から縁部に渡って残る。液の厚さに影響を与える変動要素のいくつかには、レジストまたは誘電体の粘性、レジストまたは誘電体中の溶剤濃度、レジスト／誘電体の供給量、供給速度、その他が含まれる。

更にトラックは、液の塗布後、ポリマに対して液を交換する追加の処理工程を提供し、焼成工程を用いてフィルム中の溶剤を除去する。トラックはまた、ウェハ周りの環境を制御し、湿度または温度の変化および化学的汚染が、フィルムの性能に影響することを防止する。トラック・システムの性能は、ウェハ表面に送出される液の精度および再現性、ならびに、空隙、気泡または粒子により生じるフィルム内の欠陥を最小化する、ことにより決定される。

したがって、液制御素子はこのようなシステムにおいては、処理液の正確な送出を保証するための重要な構成要素である。従来技術に関連する欠点を克服する、効率的で、小型および汚染の無い液制御デバイスへの要求が存在する。

本発明の１つの態様においては、制御弁は弾性流管およびアクチュエータを含み、このアクチュエータにはプランジャが作動的に連結されている。プランジャは流管に近接して配置され、基準面は一般にラム（ｒａｍ）に対向して位置することにより、弾性流管はプランジャと基準面との間で絞られることができ、流管を通る流体流れを制御する。流管材料は比較的柔らかいため、プランジャと基準面との間で圧縮されて、流体流れを制御できる。いくつかの例においては、軟質の流管材料は、強度が低いために小さい圧力定格を有する。圧力保持体を流管の少なくとも一部の周りに配置することにより、流管の圧力定格を向上させる。本発明の典型的な実施形態においては、圧力保持体は、例えば、流管周りに配置された網状スリーブ、リング、あるいは１つまたは複数の剛性部材を含むことができる。１つの典型的な実施形態においては、第１および第２部材が、「クラムシェル（ｃｌａｍｓｈｅｌｌ）」配列で流管周りに挟まれている。

本発明の別の実施形態においては、質量流量測定および制御デバイスは、筐体と、筐体内に配置された流量測定デバイスと、流量測定デバイスと流体連通している弾性流管を含むピンチ弁とを備える。ピンチ弁は、アクチュエータに作動的に連結されたプランジャを有するアクチュエータを備える。プランジャは弾性流管に近接して配置され、基準面は一般にプランジャに対向して位置することにより、弾性流管はプランジャと基準面との間で絞られることができる。圧力保持体は弾性流管の少なくとも一部の周りに配置される。

質量流量測定および制御デバイスは、更に、流量測定デバイスから測定出力信号を受け取るコントローラを含む。コントローラは、設定値信号および測定出力信号に応答して、制御出力信号をピンチ弁アクチュエータに供給する。特定の典型的な実施形態においては、ピンチ弁は筐体内に配置される。別の実施形態においては、ピンチ弁弾性流管および圧力保持体は筐体の外部に延びる。ピンチ弁弾性流管は流量測定デバイスの下流または上流に配置できる。

本発明のその他の目的および利点は、以下の詳細な説明を理解し、図面を参照することにより明らかになるであろう。

本発明にはさまざまな変更形態および変形形態が可能であるが、本発明の特定の実施形態を図面の例により示し、詳細に説明してきた。しかしながら、特定の実施形態のここでの記述は、本発明を開示した特定の形態に限定することを意図するものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲に定義された、本発明の精神および範囲に包まれるすべての変更形態、均等物、および変形形態を包含するものである。

本発明の実施形態を以下に説明する。理解をしやすくするために、本明細書では、実際の実施形態の全形態を必ずしも説明しない。このようないずれの実際の実施形態の具体化においても、開発者独自の目標を達成するために、システム関連およびビジネス関連の制約などの、多数の具体化に独自の決定をする必要があり、これらは具体化ごとに異なる、ことは理解されるであろう。更に、このような実施作業は複雑で、時間を要するが、本明細書内容の利益を得る当業者には実行可能な手順である。

図１には、本発明の実施形態によるピンチ弁１００の概念を示す。アクチュエータ１２２は弾性流管１２６に隣接して配置されている。弁プランジャ１２４（ピストンまたはラムの形状であっても良い）は、アクチュエータ１２２により移動し、流管１２６を基準面１２８に対して選択的に押しつぶすか、または挟みつぶすし、これにより、流体が流れる開口１２９の断面積が変化する。流管１２６は比較的柔らかい材料で製作されるため、プランジャ１２４と基準面１２８との間で圧縮されて、流体流れを制御できる。いくつかの例においては、軟質の流管材料は、強度が低いために小さい圧力定格を有する。圧力保持体を流管１２６の少なくとも一部の周りに配置することにより、流管１２６の圧力定格を向上させる。

半導体、薬品、およびバイオテクノロジー産業に関連する用途などの多くの用途では、流体送出システムの流路（全表面が処理流体で濡れている）を高い純度の化学的に不活性／耐性の材料で形成して、使用される化学物質の純度を保護する必要がある。プラスチックが望ましいが、この理由は、さまざまな機械的および化学的プロセスによって、貴金属イオンが金属製流管から浸出または遊離した場合、半導体ウェハ製造プロセスで使用される超高純度の化学物質が汚染される可能性があるためである。プラスチック材料は広範囲のプロセス材料に対して耐食性を有する。したがって、これらの産業においては高純度等級のプラスチックが使用される。この理由は、高純度プラスチックが一般に、望ましくないイオンがプロセス材料に移行するのを防止するためである。更に、プラスチック製流管の製造における本質的に平滑な表面仕上げは、バクテリアが流管に付着する能力、および有機材料で流体が汚染される能力を減少させる。

このような高純度用途においては、好ましくは、流管１２６は高純度のエラストマまたはプラスチック材料で製作される。適正な高純度エラストマは、シリコン（架橋結合ポリシロキサン）である。シリコンは化学的耐性を有し、かつ適正な化学特性を有する。他の適正な流管材料はＰＶＣ（ポリ塩化ビニル、タイゴン）、ポリプロピレンおよびフルオロカーボン・ラバー（ヴァイトン）である。また、ＰＶＤＦおよびＰＴＦＥなどのさまざまなフッ素化ポリマも適している。例えば、ＰＦＡ、ＰＦＡ材料を含む混合物、およびシリコンは、高純度用途における流管１２６の材料に適する。更に、ピンチ弁１００の典型的な実施形態においては、停滞した流体が集まる場所が無く、および流体中に粒子を生成する可能性のある滑動または接触部分も無いため、高純度用途に特に適合するここで開示される構成を可能にする。

流管の柔軟性により、流管壁はどのような捕集粒子または壁面の欠点にもぴったり密着して、密封を実現できる。流路は直線状であり、圧力降下および乱れを最小化している。流体は流管１２６だけに接触し、他の弁部分の摩耗または腐食を防止し、半導体研磨作業などの高純度用途における処理流体の汚染を防いでいる。

図２は本発明の１つの実施形態によるピンチ弁２００を示しており、圧力保持体は流管１２６を囲む網状スリーブ２３０を備える。いくつかの実施形態においては、網状スリーブは流管１２６全体を囲む。図３はピンチ弁２０１の各部分を示しており、図では、網状スリーブ２３０の一部分２３２が取り除かれている。図３に示す実施形態においては、スリーブ２３０を取り除いた部分２３２は弁プランジャ１２４に近接し、したがって、弁プランジャ１２４は、圧力保持スリーブ２３０ではなく、流管１２６に直接接触している。

一般に、網状スリーブ２３０は弁２０１の作動を妨害しない。しかしながら、弁プランジャ１２６がスリーブ材料に対して、材料に永久変形を発生させるのに十分な長さで押し付けられる場合、網状スリーブ２３０に使用される特定の材料は、永久ひずみが発生する可能性がある。スリーブのこのような変形形状は制御上の問題を発生させる可能性がある。この種類の変形は、例えば、常時閉の構造を有する弁（このタイプの弁では、プランジャ１２６が流管１２６およびスリーブを長時間圧迫する）で発生する可能性がある。図示された位置のスリーブ２３０の部分２３２を取り除くことにより、プランジャ１２６は流管１２６に直接接触し、同時に、網状スリーブ２３０の圧力保持特性を維持する。スリーブ材料を機械的に切断（はさみ、カッター等）、熱的に切断（材料の分解を防ぐ）等をして、所望の開口形状を得ることができる。このように、スリーブ２３０は流管１２６の「保持体」として作用する。更に、スリーブ２３０は圧力保持機能を提供し、ピンチ弁本体内に含まれる流管１２６の部分の増加した圧力定格を維持する。

図４は、本発明の別の典型的な実施形態によるピンチ弁３００を示す。ピンチ弁３００において、圧力保持体は流管１２６周りに配置された複数のリング３３０を有する。特定の１つの実施形態においては、１ｍｍ幅のポリプロピレンのリングがアクチュエータ１２２の両側の流管１２６上に間隔を空けて配置される。

別の実施形態においては、圧力保持体は流管１２６周りに配置された１つまたは複数の剛性部材を有する。例えば、流管１２６をこのような剛性構造体により画定された開口を通して挿入して、圧力保持体機能を実現できる。このような実施形態においては、圧力保持体は流管を囲む。ただし、必ずしも、流管全体が圧力保持体で収容される必要はない。流管の半分以上が囲まれる場合、何らかの圧力保持機能が実現される。

図５は、本発明の１つの典型的な実施形態による、２つの部品を含む剛性部材を用いるピンチ弁４００を示す。ピンチ弁４００は、上側部材４３１および下側部材４３２を有する「クラムシェル」圧力保持体４３０を含む。図６は下側部材４３２を示し、それは上側部材４３１と同様である。図７は、所定に位置に、圧力保持体４３０の上側部材４３１のみを有するピンチ弁４００を示す。上側部材４３１および下側部材４３２のそれぞれには、溝４４０が形成され、この溝は一般に、流管１２６の形状に一致し、上側部材４３１および下側部材４３２が流管１２６周りを挟むと、溝４４０が流管１２６を収容して、圧力保持機能を実現する。

この図の実施形態においては、上側部材４３１および下側部材４３２には更に、開口４４２が形成され、この開口はアクチュエータ１２２の下側部分を収容する。上側部材４３１および下側部材４３２は適正な手段により一体に保持され、圧力保持体４３０を形成する。クラムシェル圧力保持体４３０を有するピンチ流管１２６について、０．２５インチのシリコン流管を用いる１つの実施形態で実行した試験においては、ピンチ流管１２６は、２００ｐｓｉｇ以下の圧力では破壊しなかった。前述のとおり、２部品のクラムシェル構成は例示として示したものであり、剛性圧力保持体は単一部材または複数の部材を含んでいてもよい。

公知のピンチ弁の動作は通常、双安定（オンおよびオフ）である。いくつかの公知のピンチ弁は、多回転ハンドルを備える手動アクチュエータを有するが、この方式の弁では流れの閉ループ制御を実行できない。バッチ・プロセスを利用して送出するために、別のピンチ弁が使用され、この場合には、送出される材料の量は、弁がオン状態にある時間により制御される。これは、流量を連続して動的に制御できない。

２つの状態だけを有する弁の制御は、弁アクチュエータに電流または電圧を印加することにより、可能となる。１つの実施形態においては、パルス幅変調（ＰＷＭ）を利用して、弁を制御する。ＰＷＭは、弁の機械的応答周波数より高い周波数の矩形波信号を発生することにより可能となる。信号のデューティ・サイクルを変化させて、デバイスに送る適正な電圧または電流を決定する。例えば、ＰＷＭ信号が０から１２ボルトで動作する場合、０％デューティ・サイクル＝０ボルト、５０％デューティ・サイクル＝６ボルト、および１００％デューティ・サイクル＝１２ボルトである。信号が弁の機械的応答周波数より高い周波数であるため、「平均化」が行なわれる。弁の位置は供給される平均電流に基づく。結果として得られる供給電圧は、信号のパルス幅に比例する。

信号周波数が低すぎる場合、弁はパルス的な流れ出力を生成するオンおよびオフ信号に完全に応答する時間を有し、これは一般に望ましくない。一般的なピンチ弁アクチュエータはソレノイドであり、このソレノイドは、ソレノイドを閉じるのに必要な電流を決定するプレロード調整部を備えるばね素子を有する。弁ばねのプレロードを調整することにより、弁の制御範囲を拡大できる。別の実施形態においては、ソレノイドのプランジャ素子はばね懸垂式プランジャに置き換えられる。ばね懸垂式プランジャは、摩擦による非線形弁応答を最少化し、入手可能なソレノイド・アクチュエータ方式のピンチ弁に共通するヒステリシスおよび不感帯を最少化する。

ＰＷＭ制御方式ソレノイドの別の方法は、ステップ・モータ・アクチュエータを利用する方法であり、この方法では、ウォーム歯車機構により、制御される確定角度回転を直線ラム駆動に変換する。ステップ・コントローラは、アナログ信号入力に比例する特定数のステップを発生するように設計できる。バックラッシュ、したがって弁のヒステリシスは、バックラッシュを最少にする任意の数の適正なウォーム歯車構成により、最少にできる。一般にステップ・モータは、ピンチ流管に変化を発生させる可能性のある温度および圧力変動に対して不感受性を備える。ステップ・モータは位置を制御する手段であり、したがって、ステップ・モータはピンチ流管の変化に影響されない。ピンチ弁では、ピンチ流管はシステムの一体化部分であり、電流が弁アクチュエータに供給され、ピンチ流管に力を作用して、流管を挟みつける。流管特性が温度または圧力により変化する場合、ソレノイドを用いて流管を閉じる量、したがって流量が変化する。更に、ステップ・アクチュエータは最終位置に留まり、高速応答を実現して、流体送出サイクルの開始時に設定値を実現する。

図８および９は、本発明によるピンチ弁１００を使用する、流量測定および制御デバイス１１０を図示している。測定および制御デバイス１１０は、流体入口１０２および出口１０３を有する筐体１０１を含む。流量測定デバイス１１２は筐体１０１内部に配置される。１つの典型的な実施形態においては、流量測定デバイス１１２はコリオリ（ｃｏｒｉｏｌｉｓ）質量流量計を備える。

高純度用途においては、好ましくは、流量計１１２は高純度プラスチック材料で形成された流管を有することにより、処理流体への望ましくない（例えば、金属）イオンの移行により発生する処理流体の汚染を防止する。適正な高純度プラスチック材料には、ＰＦＡ、ＰＶＤＦおよびＰＴＦＥを含む。前述のとおり、更に、ピンチ弁１００は高純度プラスチック材料で製作される部品を含み、処理材料へのイオンの移行を防止できる。図８のブロック図においては、弁１００は筐体１０１内部に完全に収納される状態で示される。いくつかの実施形態においては、弁の一部または弁全体は、図２、４および５に示される実施形態におけるように、筐体１０１の外面に取り付けられる。

コントローラ１１４は、流量計１１２からの設定値信号および出力信号を受け取る。コントローラ１１４は流量計からの信号を調整し、処理して、制御信号をピンチ弁１００に出力し、設定値と測定された流量の比較に基づいて処理材料の流量を変化させる。コントローラ１１４への設定値入力は一般に、０から５Ｖ、４から２０ｍＡ信号またはディジタル信号などの電気信号である。空気設定値インタフェースを使用することもできる。適正な設定値発生器は、ペンシルヴェニア州、ヨークのＲｅｄ Ｌｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｓから市販されているモデルＰ４８プロセス・コントローラである。

更に、コントローラ１１４は弁無効（ｖａｌｖｅ ｏｖｅｒｒｉｄｅ）として一般に知られる機能を有することができ、この場合は、追加信号がコントローラ１１４に送られる。この無効信号により、コントローラ１１４は設定値を無視して、弁１００を全開または完全に閉じることができる。多くの場合、この機能を利用して、流れを遮断するか、またはシステムをパージする。図８においては、コントローラ１１４は筐体１０１内部に配置された状態で示されており、完全に一体化された流れ制御システムを実現している。ただし、別の実施形態においては、コントローラ１１４は筐体１０１の外部にある。

ピンチ弁１００は制御デバイス１１０を通過する流れを調節し、また、圧力変化に対する緩衝作用を提供する。弁１００は、図８に示されるように質量流量計１１２の上流側、および図９に示される実施形態のように、下流側のどちらにも配置できる。一般に、好ましくは、使用中に最大圧力変動の生じる側に弁１００を配置する。これは、圧力変化および変動から流量計１１２を保護するのに役立つ。

本発明は、本明細書内容の利益を得る当業者には明らかな、異なるが、同等の方法で修正または実現できるため、前述の特定の実施形態は例示として示しただけである。更に、特許請求の範囲に述べる内容の他には、本明細書に示す構造または設計の細部を限定することを意図するものではない。更に、前述の特定の実施形態は変更または修正可能であり、かつ、このような変形形態のすべては本発明の精神および範囲内にあると考えられる、ことは明らかである。したがって、ここで要求する保護は特許請求の範囲で述べる。

本発明の典型的な実施形態による、ピンチ弁の略図を示すブロック図である。 本発明の１つの実施形態による、網状スリーブの圧力保持体を含むピンチ弁を示す図である。 網状スリーブの一部を取り除いた状態の、図３に示されるピンチ弁の一部を概略的に示す図である。 本発明の別の実施形態によるピンチ弁を示しており、圧力保持のためにピンチ流管周りに配置されたリングを含む図である。 本発明の別の実施形態によるピンチ弁を示しており、クラムシェル圧力保持体を含む図である。 図５のクラムシェル圧力保持体の一部の斜視図である。 クラムシェル圧力保持体の一部を取り除いた状態の、図５のピンチ弁を示す図である。 本発明の典型的な実施形態による、ピンチ弁を使用する流量測定および制御デバイスを示すブロック図である。 本発明の典型的な実施形態による、ピンチ弁を使用する流量測定および制御デバイスを示すブロック図である。

Claims (12)

1. 弾性流管と、
   アクチュエータと、
   流管に近接して配置され、かつアクチュエータに作動的に連結されたプランジャと、
   一般にプランジャに対向して位置する基準面であって、弾性流管がプランジャと基準面との間で絞られることができ、流管を通る流体流れを制御するようになっている、基準面と、
   流管の少なくとも一部の周りに配置された圧力保持体とを備えている、制御弁。
2. 圧力保持体が網状スリーブを備えている、請求項１に記載の制御弁。
3. 圧力保持体が複数のリングを備えている、請求項１に記載の制御弁。
4. 圧力保持体が流管の少なくとも一部分を収容する剛性部材を備えている、請求項１に記載の制御弁。
5. 剛性部材が流管周りに挟まれた第１および第２部材を備えている、請求項４に記載の制御弁。
6. 筐体と、
   筐体内部に配置された流量測定デバイスと、
   流量測定デバイスと流体連通する弾性流管と、弾性流管に近接して配置されたアクチュエータに作動的に連結されたプランジャを有するアクチュエータと、一般にプランジャに対向して位置する基準面であって、弾性流管がプランジャと基準面との間で絞られることができる、基準面と、弾性流管の少なくとも一部の周りに配置された圧力保持体とを含むピンチ弁と、
   を備えている、質量流量測定および制御デバイス。
7. 流量測定デバイスから測定出力信号を受け取るコントローラを更に備え、コントローラは、設定値信号および測定出力信号に応答して、制御出力信号をピンチ弁アクチュエータに供給する、請求項６に記載の質量流量測定および制御デバイス。
8. ピンチ弁が筐体内部に配置されている、請求項６に記載の質量流量測定および制御デバイス。
9. ピンチ弁の弾性流管および圧力保持体が筐体の外部に延びている、請求項６に記載の質量流量測定および制御デバイス。
10. ピンチ弁の弾性流管が流量測定デバイスの下流側に配置されている、請求項６に記載の質量流量測定および制御デバイス。
11. ピンチ弁の弾性流管が流量測定デバイスの上流側に配置されている、請求項６に記載の質量流量測定および制御デバイス。
12. 弾性流管と、
    流管に近接して配置されたアクチュエータに作動的に連結されたプランジャと、一般にラムに対向して位置する基準面であって、流管がプランジャと基準面との間で絞られることができ、流管を通る流体流れを制御するようになっている、基準面とを有するアクチュエータと、
    流管の圧力保持の手段とを備えている、制御弁。

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