JP2008151270A

JP2008151270A - メタルダイヤフラム弁

Info

Publication number: JP2008151270A
Application number: JP2006340475A
Authority: JP
Inventors: Eiji Matsumura; 栄治松村; Katsuhiko Honma; 克彦本間
Original assignee: Kitz SCT Corp
Current assignee: Kitz SCT Corp
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】高温環境下での、メタルダイヤフラムと弁座との間のギャップを一定に保持し、原料ガスを安定して供給することができるメタルダイヤフラム弁を提供すること。
【解決手段】弁棒１６の押圧によって弁座１４に接触し、弁棒１６の押圧解除によって原形状に弾性復帰することで、弁開閉を行うメタルダイヤフラム１５を、時効硬化熱処理によってビッカース硬度がＨｖ５００以上にした。これにより、高温環境下であっても、メタルダイヤフラム１５の反力（弾性力）の低下や熱膨張量が抑えられ、メタルダイヤフラム１５と弁座１４とのギャップαが一定に保持されるので、原料ガスの供給が安定的に行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタルダイヤフラム弁に関し、特に、半導体製造装置において、高温に加熱された半導体製造ガスの供給配管に取り付けられるメタルダイヤフラム弁に関する。

従来より、半導体製造装置等の配管系に用いられる開閉弁としては、弁内部流路に摩耗による微粒子（パーティクル）を生じるような摺動部がなく、かつデッドスペースのない弁が要求されている。この要求に応えるものとして、ダイヤフラム弁がある。

前記ダイヤフラム弁は、図７に示すように、弁箱１内の流入流路２と流出流路３とが連通する位置に設けられた弁座４と、この弁座４上に対向して設けられ、弾性変形可能で中央部が上方に膨出したダイヤフラム５と、このダイヤフラム５を弁座４に着座させるとともに、原形状に弾性復帰させて弁座４から離座させる弁棒６とを含んで構成されている。

前記弁棒６の先端面は、適宜な曲面形状となっていて、この先端面が空圧等の流体圧や磁力、あるいは手動によって下降することによって、ダイヤフラム５を押圧し、その中央部が下方に弾性変形し、弁座４に着座して弁閉される。一方、弁棒６を上昇し押圧を解除したときには、ダイヤフラム５の中央部は、元の形状に弾性復帰するように上昇し、弁座４より離座して弁開するようになっている。

近年では、半導体集積回路装置の高集積度化に伴ない、その製造過程では、多種多様の原料ガスが使用されるようになっている。原料ガスは、たとえば有機金属等の材料を高温加熱してガス化したものであり、原料ガスが供給の途中で再液化、固化しないように、供給配管は勿論、ダイヤフラム弁も高温加熱されている。

このようなダイヤフラム弁の高温化に対応するため、ダイヤフラム５および弁座４を、金属によって形成し、高温環境下での耐久性に優れ、多種にわたる原料ガスに対し耐食性にも優れ、しかもパーティクルの発生が少ない、いわゆるオールメタルのメタルダイヤフラム弁が主流になっている。以下、ダイヤフラム５をメタルダイヤフラム５と称す。このような従来技術は、以下に示す特許文献１に開示されている。
特開平５−２９６３５５号公報

前記メタルダイヤフラム弁では、弁棒６の押圧解除後は、メタルダイヤフラム５の弾性力、つまり反力によって、弁座４より離座し、メタルダイヤフラム５と弁座４との間の隙間（ギャップ）αを通じて半導体製造装置内に原料ガスが供給される。

この場合、メタルダイヤフラム弁は、高温加熱されているため、メタルダイヤフラム５の反力の低下や熱膨張によって、図８に示すように、当該ギャップαが減少し、半導体製造装置への原料ガスの供給量が減少したり、最悪の場合は、ギャップαがなくなり、ガス供給ができなくなる恐れがある。かかる事態は、図９に示すように、半導体製造装置の内部が真空の場合に、特に顕著である。

本発明の技術的課題は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温環境下において、メタルダイヤフラムと弁座との間のギャップを一定に保ち、原料ガスを安定して供給することができるメタルダイヤフラム弁を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、弁箱内の流入流路と流出流路との間に設けられた弁座と、前記弁座上に設けられた弾性体のメタルダイヤフラムとを備え、前記メタルダイヤフラムを前記弁座に押圧接触させて弁閉し、押圧力の解除によって前記メタルダイヤフラムを原形状に弾性復帰させて弁開するメタルダイヤフラム弁において、前記メタルダイヤフラムは、時効硬化熱処理によってビッカース硬度をHｖ５００以上にしたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記メタルダイヤフラムは、コバルト合金からなることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記メタルダイヤフラムの材料組成比は、Co：２５〜４５％、Cｒ：８〜２５％、Ni：２０〜４０％、Ti：０〜３％、Mo：４〜１５％、Nｂ：０〜３％、W：０〜５％であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記時効硬化熱処理を、３５０〜４５０℃で１〜２時間行うことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、メタルダイヤフラムを、ビッカース硬度Hｖ５００以上に硬化させたので、高温環境下であっても、メタルダイヤフラムの反力の低下や熱膨張量が抑えられる。よって、メタルダイヤフラムと弁座との間のギャップを一定に保たれ、半導体製造装置内に原料ガスを安定して供給することができる。
請求項２に係る発明によれば、コバルト合金からなるメタルダイヤフラムは、耐摩耗性、耐熱性、耐食性に優れて、高温下でもその特性を失うことがなく、硬度が維持される。

請求項３に係る発明によれば、メタルダイヤフラムの材料組成比を、Co：２５〜４５％、Cｒ：８〜２５％、Ni：２０〜４０％、Ti：０〜３％、Mo：４〜１５％、Nｂ：０〜３％、W：０〜５％としたコバルト合金は、その特性を最大限に引き出すことが可能で、より耐熱性に優れて、高温下でもその特性を失うことがなく、硬度が維持される。
請求項４に係る発明によれば、時効硬化熱処理は、３５０〜４５０℃の温度下で、１〜２時間の条件で行うのが最も効果的である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るメタルダイヤフラム弁の一実施の形態を示す縦断面図であり、図２は、図１のＡ部拡大図である。

図１、２において、メタルダイヤフラム弁１０は、ステンレス鋼等の金属材料により成形された弁箱１１を有している。この弁箱１１には、流入流路１２および流出流路１３が形成され、流出流路１３の入口に連通する流入流路１２の出口周縁に、弁箱１１と一体形成された弁座１４が設けられるとともに、弁座１４上には、メタルダイヤフラム１５が対向するように取り付けられている。

前記メタルダイヤフラム１５は、弾性変形可能なコバルト合金からなり、その中央部が上方に膨出した形状をなし、複数枚重ねて用いられる。なお、コバルト合金の材料組成比は、Co：２５〜４５％、Cｒ：８〜２５％、Ni：２０〜４０％、Ti：０〜３％、Mo：４〜１５％、Nｂ：０〜３％、W：０〜５％である。

前記メタルダイヤフラム１５は、打ち抜き成形の後、３５０〜４５０℃の温度下で、１〜２時間の時効硬化熱処理が行われ、硬度をビッカース硬さHｖ５００以上、引張り強さ１７７７〜２４２０N/ｍｍ2にしたものである。

前記メタルダイヤフラム１５上には、このメタルダイヤフラム１５を、弁座１４に着座させるとともに、原形状に弾性復帰させて、弁座１４から離座させる弁棒１６が昇降可能に設けられている。また、弁箱１１には、弁棒１６を下方の弁座１４の方向に付勢するコイルばね１７が張設されている。
メタルダイヤフラム１５は、弁棒１６によって加圧されない通常の状態では、上方に球面状に膨出し、弁座１４から離れて、メタルダイヤフラム弁１０は開かれている。

ここで、メタルダイヤフラム１５は、弁棒１６によって押圧されると、これに追従する形で、下方に押し出され、弁座１４に押し付けられて密に接触する。これによって、メタルダイヤフラム弁１０は閉鎖される。
また、弁棒１６の押圧力が解消されるとき、メタルダイヤフラム１５は、自身の弾性力により上方に球面状に膨らんで復元して弁座１４より離れ、メタルダイヤフラム弁１０は開かれる。原料ガスは、メタルダイヤフラム１５と弁座１４とのギャップαを通じて、半導体製造装置内に供給される。

次に、高温環境下での前記メタルダイヤフラム弁１０の開弁状態を確認する実験を行なった。図３は、メタルダイヤフラム１５の常温時における弁開状態を示し、図４は、メタルダイヤフラム１５の高温時における弁開状態を示す。なお、メタルダイヤフラム１５の硬さは、マイクロビッカース試験機によって３点測定を行い、その平均値とした。

実験の結果、図４に示すように、メタルダイヤフラム１５と弁座シート１４との間のギャップαは、図３に示す常温時に比べほとんど変化していないことが分かった。これは、時効硬化熱処理されたメタルダイヤフラム１５では、その硬度（強度）が増加し、反力の低下が抑えられたことによる。メタルダイヤフラム１５は、図５、６でも明らかなように、従来のメタルダイヤフラム（図８、９参照）に比べ、半導体製造装置内が大気圧の場合も真空の場合でも、各温度における反力の低下が抑えられていることが分かった。

したがって、高温下にあっても、メタルダイヤフラム１５の開弁時の弾性復帰が確実に行われるため、ギャップαの減少が回避され、ギャップαの大きさを、温度に関係なく、一定にすることが可能となる。

かかる現象は、メタルダイヤフラム１５の硬度が向上したことにより、熱膨張量が減少したことにも起因していると考えられる。つまり、メタルダイヤフラム１５の熱膨張量の減少によって、ギャップαを変動させる要因が排除されたからである。また、メタルダイヤフラム１５の硬度が、Hｖ５００より低い場合は、硬度が十分でなく、メタルダイヤフラム１５の反力の低下が、許容範囲を逸脱して認められた。したがって、ギャップαが減少し、実用的でないことが分かった。

このように、本実施の形態では、メタルダイヤフラム１５を、ビッカース硬度Hｖ５００以上に硬化したことによって、メタルダイヤフラム１５の反力の低下や熱膨張量が抑えられ、ギャップαが一定に保持される。したがって、高温環境下でも、原料ガスは、半導体装置内にスムーズかつ安定的に供給され、供給量の減少や供給ができなくなるといった事態が確実に回避される。
また、メタルダイヤフラム１５は、コバルト合金からなるので、高温下でも、耐摩耗性、耐熱性、耐食性に優れ、硬度が維持される。

この場合、メタルダイヤフラム１５の材料組成比を、Co：２５〜４５％、Cｒ：８〜２５％、Ni：２０〜４０％、Ti：０〜３％、Mo：４〜１５％、Nｂ：０〜３％、W：０〜５％としたので、より耐熱性に優れて、高温下でもその特性を失うことがなく、硬度が維持される。
また、時効硬化熱処理は、３５０〜４５０℃の温度下で、１〜２時間の条件で行うことで、メタルダイヤフラム１５を効果的に硬化することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、前記実施の形態記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができるものである。

たとえば、弁座１４は、弁箱１１と一体に形成されたが、これに限定されず、弁座１４を弁箱１１と別体に形成してもよく、合成樹脂等からなる弁座を用いても構わない。
また、メタルダイヤフラムの時効硬化熱処理を、既存のメタルダイヤフラム弁に適用すれば、安価に本発明のメタルダイヤフラム弁を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係るメタルダイヤフラム弁の縦断面図である。図１のＡ部拡大図である。図１に示すメタルダイヤフラム弁の常温時における弁開状態を説明する断面図である。図１に示すメタルダイヤフラム弁の高温時における弁開状態を説明する断面図である。時効硬化熱処理したメタルダイヤフラムの内部大気圧における押し量と反力の特性図である。時効硬化熱処理したメタルダイヤフラムの内部真空における押し量と反力の特性図である。従来のメタルダイヤフラム弁の高温時における弁開状態を説明する断面図である。従来のメタルダイヤフラムの内部大気圧における押し量と反力の特性図である。従来のメタルダイヤフラムの内部真空における押し量と反力の特性図である。

符号の説明

１０メタルダイヤフラム弁
１１弁箱
１２流入流路
１３流出流路
１４弁座
１５メタルダイヤフラム
１６弁棒
１７コイルばね
α ギャップ

Claims

弁箱内の流入流路と流出流路との間に設けられた弁座と、前記弁座上に設けられた弾性体のメタルダイヤフラムとを備え、前記メタルダイヤフラムを前記弁座に押圧接触させて弁閉し、押圧力の解除によって前記メタルダイヤフラムを原形状に弾性復帰させて弁開するメタルダイヤフラム弁において、
前記メタルダイヤフラムは、時効硬化熱処理によってビッカース硬度をHｖ５００以上にしたことを特徴とするメタルダイヤフラム弁。
前記メタルダイヤフラムは、コバルト合金からなることを特徴とする請求項１に記載のメタルダイヤフラム弁。
前記メタルダイヤフラムの材料組成比は、Co：２５〜４５％、Cｒ：８〜２５％、Ni：２０〜４０％、Ti：０〜３％、Mo：４〜１５％、Nｂ：０〜３％、W：０〜５％であることを特徴とする請求項２に記載のメタルダイヤフラム弁。
前記時効硬化熱処理を、３５０〜４５０℃で１〜２時間行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のメタルダイヤフラム弁。