JP4418571B2 - 高温対応ガス制御バルブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置などで使用される高温ガスの流れを制御する高温ガス対応ガス制御バルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造では、高温のプロセスガスが弁の開閉制御によってチャンバへと送られる。そこで使用されるガス制御バルブには、ガスの滞留を防止するためにダイヤフラムバルブが一般的に使用されているが、樹脂（例えば、ポリイミド樹脂）を用いたダイヤフラムはガス透過等の問題があるため通常はメタルダイヤフラムが使用されている。そのため、ガス制御バルブの弁部には、ステンレスを使用したメタルダイヤフラムと樹脂弁座との組み合わせが採用されている。
【０００３】
しかしながら、最近では、最高３００℃にまで達するガスの高温化に伴い、メタルダイヤフラムに対して樹脂製の弁座では十分な耐久性が得られなくなった。そのため、標準品として樹脂性の弁座を形成する一方で、ガスの高温化対策として弁座を樹脂からステンレスなどの金属へ変更し、金属同士のメタルシールを行わせるガス制御バルブが使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、こうしたメタルシールを行うガス制御バルブは、寿命が極端に短いといった問題があった。
そこで先ず、常温ガス（２３℃）と高温ガス（３００℃）とによる漏れ試験結果を図３に示す。図３は、ガス制御バルブの開閉を繰り返した作動回数に対する漏れ量をグラフに表したものである。図示するグラフＳ１は常温ガス、グラフＳ２は高温ガスを流したときの試験結果である。また、グラフＳ３は後述する本願発明品を高温ガスで作動させたときの試験結果である。基準値Ｅは、漏れ規格の上限を示している。この漏れ試験では、この図からも分かるように、常温ガス（Ｓ１）の場合には、ほとんど漏れの変化がなく１０万回を超えても初期のシール性能を維持しすることができたのに対し、高温ガス（Ｓ２）の場合には、数十回の開閉動作で基準値Ｅを突破してしまった。
【０００５】
次に、ガス制御バルブの耐久試験を行った後のダイヤフラムと弁座とのシール部を図６及び図７に示す。なお、図６は、図９に示した常温（２３℃）で１０万回開閉動作させたダイヤフラム（図６（Ａ））と弁座（図６（Ｂ））との顕微鏡写真を図示したものである。また、図７は、図１０に示した高温（３００℃）で１万回開閉動作させたダイヤフラム（図７（Ａ））と弁座（図７（Ｂ））との顕微鏡写真を図示したものである。
この耐久試験からは、ダイヤフラムと弁座とのシール部分が漏れを発生させる原因を確認することができた。即ち、図６と図７とを比べた場合、高温のガス制御バルブのシール部には、常温のものにはない半径方向（図面上下方向）にできた大きなスジ状のキズ（例えば、矢印Ｐで示す部分）が多く現れていた。
【０００６】
これに対して図６に示した常温ガスの際のシール部分には、１０万回もの動作を行った後でも当たりによってキズはできているが、漏れの発生原因となるようなキズはなかった。
そこで、図７に示す高温ガスの際のシール部分にできたスジ状のキズＰは、ダイヤフラムと弁座との両方に現れ、これが閉弁した際にシール部分の一次側と二次側とをつなぐ隙間となって漏れを発生させていると考えられる。
また、こうした従来のガス制御バルブでは、ダイヤフラムと弁座とが擦れて摩耗粉を多く発生させ、これがパーティクルとなって半導体製造の歩留りを低下させることになる。
従って、半導体製造分野では、高温ガス対応のガス制御バルブの開発が急務であった。
【０００７】
そこで、本発明は、高温ガスの流体制御が可能な高温対応ガス制御バルブを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の高温対応ガス制御バルブは、アクチュエータの駆動によってダイヤフラムを弁座に当接・離間させて弁の開閉を行うバルブであって、金属材で形成したダイヤフラムと弁座の少くとも一方にアモルファスカーボン膜をコーティングしたことを特徴とする。
また、本発明の高温対応ガス制御バルブは、前記アモルファスカーボン膜が、ダイヤモンドライクカーボン膜、またはグラファイトライクカーボン膜であることが望ましい。
【０００９】
よって、本発明によれば、アモルファスカーボン膜を付けることによって、アモルファス構造の表面をもったダイヤフラムや弁座が、低摩擦係数と優れた耐凝着性などを備え、高温ガスの使用に対して、漏れを生じさせることなく十分な回数の開閉動作を行うこと、そしてまたパーティクルの発生を極めて低く抑えることができるようになった。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る高温対応ガス制御バルブの一実施形態について図面を参照して説明する。図１及び図２は、本実施形態の高温対応ガス制御バルブを示した断面図であり、図１は閉弁時、図２は開弁時の状態を示している。高温対応ガス制御バルブ（以下、単に「ガス制御バルブ」とする）１は、エア圧によって開閉を制御するエアオペレートバルブであり、図示するように上方のシリンダ部２と下方の弁部３とが、筒状のベース４を介して縦長に形成されたものである。
シリンダ部２は、ベース４の上端側に張り出したフランジ４Ａの周縁に筒状のガイド４Ｂが突設され、そこに段突きのキャップ１１が螺合している。ガイド４Ｂ内には、ピストン１２が摺動自在にはめ込まれ、キャップ１１内に装填されたスプリング１３によって上方から付勢されている。また、キャップ１１の中央で内部に突設されたガイド部１１Ａには、パイロットポート１１Ｂと、ピストンロッド１４の移動を案内するガイド孔１１Ｃとが上下に貫通して形成されている。そして、ピストンロッド１４には、そのガイド孔１１Ｃからピストン１２下方の加圧室１５へ連通するパイロット孔１６が穿設されている。
【００１１】
次に、ベース４の下端側には取付部４Ｃが形成され、そのベース４とバルブボディ２１とが螺合して一体になっている。ベース４内に挿入されたピストンロッド１４は、その下端面が弁部３側にまで到達し、アウターステム２２に当てられている。アウターステム２２は、バルブボディ２１の筒部２１Ａに嵌装されたホルダ２３内に摺動自在に嵌挿され、その下側にはダイヤフラム２４に接したインナーステム２５が固定されている。そして、弁の開閉動作を行うダイヤフラム２４は、バルブボディ２１に突設された弁座２６に被るようにして周縁部分がホルダ２３に挟み込まれている。バルブボディ２１には、その弁座２６を介して入力ポート２７と出力ポート２８とが連通する流路が形成されている。
【００１２】
こうして構成されたガス制御バルブ１は、スプリング１３に付勢されたピストン１２が押し下げられ、図１に示すように下死点に位置している。このとき、ピストンロッド１４がアウターステム２２を押し下げ、ダイヤフラム２４がインナーステム２５を介して弁座２６へ押しつけられている。ガス制御バルブ１は、通常状態で閉弁するノーマルクローズタイプである。
そこで、開弁時には、パイロットポート１１Ｂからパイロット孔１６を通って加圧室１５へ圧縮エアが供給され、図２に示すように加圧されたピストン１２がスプリング１３のバネ力に抗して上昇する。そのため、ピストンロッド１４の上昇によってアウターステム２２がフリーになり、ダイヤフラム２４が下方から作用するガス圧によってアウターステム２２とともに押し上げられて開弁する。
更にまた、加圧室１５のエアを抜けば、再びスプリング１３によってダイヤフラム２４が弁座２６へ押し付けられて閉弁する。
【００１３】
ところで、前述した閉弁時のガス漏れについて検討すると、従来のガス制御バルブでは、図７に示すように漏れを発生させるキズＰが生じてしまっていたが、これは当接するダイヤフラムと弁座との摩擦や凝着摩耗によるものと考えられる。
開閉動作が繰り返し行われると、ダイヤフラムと弁座とのシール部分には擦れが生じる。そして、ダイヤフラムや弁座の表面には水分が付着しており、通常温度ではこれが摩擦抵抗を減らす潤滑剤としての役割を果たすが、高温ガスを扱う場合には、水分がとんでしまって表面が乾燥状態になると考えられる。
【００１４】
そのため、常温ガスを扱う場合には、水分が潤滑剤として機能するため擦れによるキズはできにくいが、ダイヤフラムや弁座とが乾燥した状態で当たる高温ガスを扱う場合には、摩擦抵抗が大きくなって図７に示すように漏れを発生させるキズＰが生じてしまうと考えられる。そして、特に高温下では、当接・離間するシール部分が凝着摩耗を起こしてしまい、よりキズＰが深くなっていると考えられる。
そこで本実施形態のガス制御バルブ１ではこうした点を踏まえ、課題解決を図るべく高温ガス対策が施されている。
【００１５】
本実施形態のガス制御バルブ１は、ダイヤフラム２４にはニッケルコバルト合金（Ｎｉ−Ｃｏ合金）を、そしてバルブボディ２１にはステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６）を使用し、そのバルブボディ２１の弁座２６の表面に、アモルファスカーボン膜をコーティングすることとした。
アモルファスカーボン膜には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）やグラファイトライクカーボン（ＧＬＣ）といった炭素材料を使用することが考えられる。アモルファスカーボン膜は、結晶粒界がない緻密なアモルファス構造のため、非常になめらかな表面を作り出している。そのため、アモルファスカーボン膜によってコーティングされた弁座２６は、表面の摩擦係数が極めて低い値を示すようになり、それに伴って耐凝着性、耐摩耗性などに優れたものとなる。
【００１６】
こうしたアモルファスカーボン膜の形成は、ＰＶＤ法の中のイオンプレーティング法で、高真空中のアーク放電プラズマで炭化水素ガスを分解し、プラズマ中のイオンや励起分子をダイヤフラム２４や弁座２６にぶつけてやることにより成膜することができる。そして、ＤＬＣ膜かＧＬＣ膜かは、イオン化する炭化水素ガスの流量、ダイヤフラムなどへのヒータ加熱の有無、電圧などのパラメータを変化させることによって区別をすることができる。
【００１７】
そこで、弁座２６にアモルファスカーボン膜を施したガス制御バルブ１で漏れ試験を行ったところ、図３のグラフＳ３で示す結果が得られた。即ち、常温状態で行った未処理のもの（Ｓ１）よりも漏れ量は多かったものの、１０万回の開閉動作によっても漏れ量が基準値Ｅを超えることはなかった。従って、本実施形態のガス制御バルブ１によれば、漏れに対する十分な耐久性を得ることができた。
また、パーティクルの発生についても試験を行った。図４は、常温状態で、従来のガス制御バルブと本実施形態のガス制御バルブ１とのパーティクルの発生個数を比較したものである。グラフＨ１が従来のガス制御バルブで、グラフＨ２が本実施形態のコーティング処理を施したガス制御バルブ１である。これから明らかなように、作動回数の増加に伴ってその差がはっきりと現れた。
【００１８】
ここで、ガス制御バルブ１の耐久試験を行った後のダイヤフラムと弁座とのシール部を図５に示す。なお、図５は、図８に示した高温（３００℃）で１０万回開閉動作させたダイヤフラム（図５（Ａ））と弁座（図５（Ｂ））との顕微鏡写真を図示したものである。
試験を行ったガス制御バルブ１は、コーティング処理をしていないダイヤフラムとＤＬＣ膜を施した弁座であり、いずれにもキズＰ（図７）のような半径方向に生じるキズはもちろん、常温で行った耐久試験のもの（図６）のような当たりによるキズＱもできなかった。
【００１９】
これは、ＤＬＣ膜によって表面の硬度が増し、キズができにくくなったことに加え、摩擦係数の大幅低下の効果が発揮されたからである。即ち、ＤＬＣ膜などアモルファスカーボン膜をコーティングすることによって、アモルファス構造の表面をもった弁座２６は、表面の平滑性によって低摩擦係数と優れた耐凝着性、耐摩耗性を有しているからである。更に、アモルファス構造の表面を備えることによって弁座２６自身の攻撃性が低くなり、ダイヤフラム２４と擦れ合っても相手を傷付けることがないからである。
よって、本実施形態のガス制御バルブ１によれば、高温ガスの使用に耐え得ること、即ち、漏れを生じさせることなく十分な回数の開閉動作を行うこと、そしてまたパーティクルの発生を極めて低く抑えることができた。
【００２０】
以上、ガス制御バルブの一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では弁座２６側にのみアモルファスカーボン膜をコーティングした場合について説明したが、逆にダイヤフラム２４にのみコーティングしたり、更にはダイヤフラム２４と弁座２６の両方をコーティングするようにしても、同様に効果が得られる。
また、例えば前記実施形態ではエアオペレートバルブを示したが、これ以外にもソレノイドを使用したソレノイドバルブであってもよい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、金属材で形成したダイヤフラムと弁座の少くとも一方にアモルファスカーボン膜をコーティングしたので、高温ガスの流体制御を行う高温対応ガス制御バルブの提供が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高温対応ガス制御バルブの一実施形態のを示した閉弁時の断面図である。
【図２】本発明に係る高温対応ガス制御バルブの一実施形態のを示した開弁時の断面図である。
【図３】ガス制御バルブの開閉を繰り返した作動回数に対する漏れ量をグラフに表した図である。
【図４】常温状態で、従来と実施形態のガス制御バルブ１とのパーティクルの発生個数の比較を示した図である。
【図５】高温（３００℃）で１万回開閉動作させた図８に示すダイヤフラム（Ａ）と弁座（Ｂ）の顕微鏡写真を示した図である。
【図６】常温（２３℃）で１０万回開閉動作させた図９に示すダイヤフラム（Ａ）と弁座（Ｂ）の顕微鏡写真を示した図である。
【図７】高温（３００℃）で１万回開閉動作させた図１０に示すダイヤフラム（Ａ）と弁座（Ｂ）の顕微鏡写真を示した図である。
【図８】高温（３００℃）で１万回開閉動作させた実施形態のダイヤフラム（Ａ）と弁座（Ｂ）の顕微鏡写真である。
【図９】常温（２３℃）で１０万回開閉動作させた従来のダイヤフラム（Ａ）と弁座（Ｂ）の顕微鏡写真である。
【図１０】高温（３００℃）で１万回開閉動作させた従来のダイヤフラム（Ａ）と弁座（Ｂ）の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１ 高温対応ガス制御バルブ
２ シリンダ部
３ 弁部
４ ベース
１２ ピストン
２１ バルブボディ
２４ ダイヤフラム
２６ 弁座

Claims (2)

1. アクチュエータの駆動によってダイヤフラムを弁座に当接・離間させて弁の開閉を行うバルブであって、
   金属材で形成したダイヤフラムと、金属材で形成した弁座の少くとも一方にアモルファスカーボン膜をコーティングしたこと、
   高温で使用されることにより水分が蒸発し、前記金属製ダイヤフラムと前記金属製弁座とが、水分のない乾燥状態で、こすれ合ったときに、前記アモルファスカーボンが摩擦係数が小さく、かつ硬度が高いため、前記こすれ合いにより、傷が発生しないこと、
   を特徴とする高温対応ガス制御バルブ。
2. 請求項１に記載の高温対応ガス制御バルブにおいて、
   前記アモルファスカーボン膜が、ダイヤモンドライクカーボン膜、またはグラファイトライクカーボン膜であることを特徴とする高温対応ガス制御バルブ。

Images