JP4019032B2

JP4019032B2 - 密封構造体

Info

Publication number: JP4019032B2
Application number: JP2003311729A
Authority: JP
Inventors: 敦細川; 秀夫長岡
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: TWI238231B; TW200510660A; JP2005076864A

Description

本発明は、流体（真空）の密封に用いられる密封構造体に係り、特に、半導体製造装置や液晶製造装置のチャンバーゲート部に使用される密封構造体に関する。

従来、半導体（液晶）製造装置等に用いられる密封構造としては、図６（Ａ）に示すＯリング（シール41ａ）が広く使用されており、また、三叉状横断面の弾性シールと蟻溝から構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。さらに、従来から、図６（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）の各々に示すような各種横断面形状の弾性シール41ｂ，41ｃ，41ｄ，41ｅと蟻溝42から成る密封構造が知られている。
いずれの弾性シール41ｂ，41ｃ，41ｄ，41ｅにせよ、平面図は図７に例示するような全体環状の形状である。また、上述のＯリング（シール41ａ）は自由状態下で全体円形環状であるので、これを図７のような矩形に変形させたものを蟻溝42に嵌着していたので、矩形角部で引張りが生じるため、シール面に問題を生ずる場合があった。
特開２０００−３５６２６７号公報

上記特許文献１に記載の三叉状の弾性シール、及び、図６（Ｂ）（Ｄ）や図６（Ｅ）に示した横断面形状の弾性シール41ｂ，41ｅは、蟻溝42内で姿勢が不安定となってシール性が安定しない場合があり、溝底面に対する座り（安定性）が悪いため、蛇行して粉塵を発生する虞がある。この粉塵は、液晶や半導体の製造に於ては厳禁すべきことである。

また、図６（Ａ）に示した弾性シール（Ｏリング）41ａは、蟻溝42内で捩れを生じ、切断に至る虞があり、また、上記蓋体による圧接で蓋体に固着して蟻溝42から脱落する（抜け出る）という問題があり、さらに、蟻溝42の開口端縁部43，43と摩擦して摩耗粉（パーティクル）が生ずるという問題がある。また、メタルタッチを生ずることもある。

次に、図６（Ｃ）の弾性シール41ｃは蟻溝42内へ逆組付けを行ってしまう虞がある。また、（図６（Ａ）と同様に）ゴムの摩耗粉（パーティクル）を発生する。
次に、図６（Ｄ）の弾性シール41ｄは蟻溝42内へ逆組付けを行う虞があり、また、ゴムの摩耗粉（パーティクル）を生じるという問題がある。
図６（Ｃ）と（Ｄ）に於て、特に、矢印Ｋは清浄空間側（内径側）であって、液晶や半導体が収納されて加工される清浄度が要求される側を示しており、その清浄空間側（内径側）Ｋの開口端縁部43に対して、弾性シール41ｃ，41ｄは摩擦して摩耗粉（パーティクル）を発生する形状であった。

本発明に係る密封構造は、上述の従来の弾性シールの問題点を解決して、清浄空間側（内径側）に弾性シールと蟻溝開口端縁部との摩耗粉（パーティクル）の発生を無くし、かつ、蟻溝内へ装入し易く、かつ、一旦装着後は蟻溝から不意に脱落することのない弾性シール（密封構造）を提供することを目的とする。

本発明は、開口部と、相互に該開口部側に近づくにつれて接近する第１側壁面・第２側壁面と、底壁面とを、有する蟻溝を備えた被取付部材と、該蟻溝内へ装着される弾性シールと、該弾性シールが上記蟻溝から突出している突出部を押圧する相手部材と、から成ると共に、清浄空間側と大気側とを遮断して密封する密封構造体であって、該弾性シールは、上記蟻溝内へ装着されかつ上記相手部材の平坦面が押圧されない未圧縮装着状態に於て、上記蟻溝の底壁面に対応する底面ストレート部を有し、かつ、上記清浄空間側に対応する上記第１側壁面に対して上記開口部の近傍にて近接乃至当接する高位肩部を有し、上記大気側に対応する上記第２側壁面に対して蟻溝深さ寸法の中位の高さで当接する中位肩部を有し、該中位肩部から上記突出部に渡って上記開口部の開口端縁部との間に間隙部を形成するよう構成されている。

かつ、上記高位肩部が第１側壁面に対して近接乃至当接する、上記底壁面からの高さ寸
法が、蟻溝深さ寸法の80％〜95％に設定され、さらに、上記中位肩部が第２側壁面に対し
て当接する、上記底壁面からの高さ寸法が、蟻溝深さ寸法の30％〜70％に設定されている
。

清浄空間側（内径側）にゴム摩耗粉（パーティクル）をほとんど発生せず、半導体や液晶の製造装置に好適である。さらに、蟻溝内への装着も比較的容易に行うことが可能である。また、蟻溝の（清浄空間側の）開口端縁と弾性シールの間に空隙がほとんど無いので、半導体成膜時の酸化粉塵（デポ）が溜まらない。また、弾性シールが製造装置の蓋（相手部材）の開きと共に引き出されて、蟻溝から脱落することも防止できる。さらに、弾性シールは蟻溝内で常に安定姿勢を保持する。

以下、実施の形態を示す図面に基づき、本発明を詳説する。
図１〜図４に於て、本発明に係る密封構造の実施の一形態を示し、この密封構造体は、蟻溝３を備えた被取付部材２と、この蟻溝３内へ装着されるゴム製等の弾性シール１と、平坦面20を有して蟻溝３内の弾性シールを押圧する相手部材21と、から成る。
弾性シール１は全体が略矩形状（図７参照）や、競技トラック状（長円形状）等の環状である。

この密封構造体は、半導体製造装置や（大型）液晶製造装置のチャンバー入口のゲート部の（主として真空の）密封用として、好適である。このとき、上記被取付部材２はバルブシート（又はゲート）が相当し、他方、これに接近離間自在に対応する平坦面20を有する相手部材21は、ゲート（又はバルブシート）が相当する。

上記蟻溝３は、開口部４と、相互に開口部４に近づくにつれて接近する第１側壁面５・第２側壁面６と、底壁面７とを、有する横断面略台形状である。なお、底壁面７と第１側壁面５との隅部28、及び、底壁面７と第２側壁面６との隅部28は、アール状（弯曲状）に連結されている。このように蟻溝３は（やや丸味のある）横断面略台形状として、平坦面２ａに凹設され、奥側が拡大した形状である。

Ｋは清浄空間部（内径側）を示し、Ｍは大気側（外径側）を示す。清浄空間部Ｋとは、半導体や液晶等が収納されて各種加工が施されるチャンバー空間室の存在する側であって、特に、清浄な（微粉塵の無い）ことが要求される空間部を言う。図１と図２で、蟻溝３の第１側壁面５が上記清浄空間側（内径側）Ｋに対応し、第２側壁面６は大気側（外径側）Ｍに対応する。本発明に係る密封構造体は、この清浄空間側Ｋと大気側Ｍとを遮断して密封する。

弾性シール１の横断面形状について説明する。この弾性シー１は、蟻溝３内へ装着されかつ相手部材21の平坦面20が押圧（接触）しない未圧縮装置状態───図１と図２参照───に於て、蟻溝３の左右中央線Ｌに関して非対称形であって、例えば、蟻溝３から突出している突出部９は中央線Ｌに関して、非対称形であって、清浄空間側（内径側）Ｋに偏っている。なお、相手部材21の平坦面20は直接にこの突出部９の頂面10を押圧する。また、弾性シール１は、蟻溝３の底壁面７に対応する底面ストレート部11を有している。

未圧縮装着状態に於て、清浄空間側Ｋに対応した第１側壁面５に対して、開口部４（の開口端縁部４ａ）の近傍にて近接乃至（軽く）当接する高位肩部12Ｈを有すると共に、大気側Ｍに対応する第２側壁面６に対して蟻溝深さ寸法Ｈ₃の中位（中間）の高さ寸法で当接する中位肩部12Ｌを有する。この中位肩部12Ｌから突出部９に渡って、開口部４の大気側Ｍの開口端縁部４ｂ（角部）との間に、間隙部Ｇが形成される。具体的には、（断面）円弧状の頂面10に至る所定傾斜角度θの勾配部14を備え、この傾斜角度θは蟻溝３の第２側壁面６の傾斜角度と略同一として、勾配部14と第２側壁面６は略平行に、一定の幅の間隙部Ｇを形成している。

高位肩部12Ｈが第１側壁面５に近接乃至軽く当接する、底壁面７からの高さ寸法Ｈ₁₃は、蟻溝３の深さ寸法Ｈ₃の80％〜95％に設定する。即ち、0.80×Ｈ₃≦Ｈ₁₃≦0.95×Ｈ₃とする。他方、中位肩部12Ｌが第２側壁面６に当接する、底壁面７からの高さ寸法Ｈ₁₂は、蟻溝３の深さ寸法Ｈ₃の30％〜70％に設定する。即ち、0.30×Ｈ₃≦Ｈ₁₂≦0.70×Ｈ₃とする。また、Ｈ₁₂＜Ｈ₁₃という関係式も成立していることとなる。

図３は本発明に係る弾性シール１の横断面形状をさらに詳しく説明するための図であって、上述の図１と図２と合わせて説明すれば、弾性シール１はその清浄空間部側Ｋ（図３の右半分）に於て、大きな半径Ｒ₁にて約90°の中心角度をもって四半円部15を描いた大アール部16を備える。この大アール部16の下端（右端）が前記高位肩部12Ｈに相当し、この高位肩部12Ｈから、蟻溝３の底壁面７に略直角の方向（垂直線の方向）に略垂直部位（側面ストレート部）17を有する。この略垂直部位（側面ストレート部）17の下端から、やや小さ目の半径Ｒ₂のアール部（円弧部）18をもって、前記底面ストレート部11に滑らかに接続（連絡）される形状である。前述の左右中心線Ｌに関して、図の右半分───清浄空間側Ｋは、オムスビを縦方向に２分割した半分側の形状であると言うことができる。
なお、アール部18の代りに傾斜直線状の勾配部をもって、側面ストレート部17と底面ストレート部11とを連絡してもよい（図示省略）。

他方、弾性シール１の大気側（外径側）Ｍ───図３の左半分───に於て、前記半径Ｒ₁よりも小さな半径Ｒ₃の弯曲部19をもって、大アール部16と前記勾配部14とを連絡している。なお、図３では短い頂面ストレート部22を、大アール部16と、弯曲部19の間に介在させても良く、所望により、この頂面ストレート部22を、図３よりも大きく形成して、突出部９の頂面を平坦面状として、図１の相手部材21の平坦面20と安定姿勢で接触させても良い（図示省略）。

中位肩部12Ｌは小さな半径Ｒ₄のアール部をもって形成され、この小さな半径Ｒ₄の円に勾配部14が交わる隅部は小さな半径Ｒ₅の小凹部23を介して、相互に接続（連結）された形状である。この小凹部23は、後述の図４で弾性シール１を捩りつつ蟻溝３内へ装着させる際に重要な役目（作用）をなすものである。
底面ストレート部11の図３の左端（大気側Ｍの端）は、小さな半径Ｒ₆のアール部24、及び、（底面ストレート部11側へ幅寸法が減少する方向に傾斜した）ストレート状逆勾配部25を介して、中位肩部12Ｌに連結されている。

図２に於て、点線26は、被取付部材２の平坦面２ａと同一平面の仮想切断線を示し、未圧縮装着状態で、左右中央線Ｌを基準線として、仮想切断線が（左の）勾配部14・（右の）大アール部16に交わる交点までの（肉厚）寸法Ｔm ，Ｔk は、Ｔm ＜Ｔk のように、後者を前者よりも大きく設定される。そして、上述のように、Ｒ₁＞Ｒ₃のように設定したことで、（図１の）相手部材21を押圧してゆけば、ゴム等の弾性材から成る突出部９は、間隙部Ｇに収まるように弾性変形する（図５の（Ａ）参照）。図１〜図３に示すように、中位肩部12Ｌから小凹部23を介して連設された勾配部14は、垂直方向（中央線Ｌと平行な方向）よりも清浄空間側（内径側）Ｋに傾斜しているため、上述の弾性変形に伴って、確実に間隙部Ｇ内へ（弾性変形部分が）収納できる。従って、大きな半径Ｒ₁を有する大アール部16の一部をもって形成した上位肩部12Ｈは、開口端縁部４ａに（強く）接触せず、パーティクル（ゴムの摩耗粉）が発生することを防止している。また、底面ストレート部11を大きく形成したので、常に蟻溝３内での姿勢が安定して、シール性能を安定して発揮でき、かつ、捩れを生じない。

中位肩部12Ｌと高位肩部12Ｈが、各々、第２・第１側壁面６，５に接触（圧接）することで、弾性シール１の蟻溝３からの抜出しを阻止できる。例えば、相手部材21が図５に示すように頂面10に対して圧接状態となった後、（蓋開放作動の際等に）相手部材21が離れてゆくときに、弾性シール１がその平坦面20に固着して蟻溝３から引抜けて出ることを、有効に防止できる。

図４に示すように、弾性シール１を回転させて（傾斜状として）、突出状の中位肩部12Ｌから開口部４へ差込んで、突出状の中位肩部12Ｌと勾配部14の間の小凹部23を、開口端縁（角）部４ｂに対応（接触）させつつ、矢印Ｎのようにアール部18を蟻溝３内へ押込めば、図１・図２の状態となる。横断面に於て矢印Ｎ方向に回転させつつ、小凹部23を中心として押込むとき、アール部18の存在によって、スムースに開口端縁（角）部４ａを乗り越えて蟻溝３内へ装着できる。そして、小凹部23の隅部からアール部18までの厚さ寸法Ｔ₁₈を、蟻溝３の開口部４の幅寸法Ｗ₄と同一乃至僅かに大に設定する。なお、アール部18の一部乃至全体を、（底面方向へ幅寸法が減少する）ストレート状勾配面とするも、自由である（図示省略）。

次に、図５（Ａ）は、本発明に係る弾性シール１を蟻溝３内へ装着し、相手部材21の平坦面20を押圧した圧縮使用状態を示し、その状態での接触面圧力Ｐを示す（有限要素法による）ＦＥＭ解析図である。また、図５（Ｂ）はＯリング41ａについて同じ圧縮使用状態に於ける接触面圧力を示すＦＥＭ解析図である。

この図５（Ａ）と（Ｂ）とを比較すれば分かるように、Ｏリング41ａでは上下面での接触面圧が略同じとなると共に、相手部材21との接触面圧Ｐ分布が丸山型となり、中央にピーク圧を生じ、相手部材21に固着し易くて、相手部材21を開放する際に、相手部材と共に、蟻溝42から脱落する虞がある。また、左右両開口端縁部４ａ，４ｂと摩擦しつつＯリング41ａは圧縮するので、ゴム摩耗粉（パーティクル）を発生し易く、清浄空間側Ｋに悪影響を与える。

これに対し、本発明では、図５（Ａ）のように相手部材21との接触面圧Ｐ分布が比較的なだらかな高原型となり、上下面幅に差が付いている（上面幅より下面幅が大きい）ため、相手部材21に固着しにくくなる。さらに言えば、図５（Ａ）の場合はなだらかな接触面圧力Ｐ分布であるので、図５（Ｂ）の丸い山型の場合よりも、その積分値（耐荷重値）が大きく、高荷重に耐えることが可能であって、相手部材21と被取付部材２とが相互に接触すること───いわゆるメタルタッチ───を防止できる。

本発明は、上述のように開口部４と、相互に該開口部４側に近づくにつれて接近する第１側壁面５・第２側壁面６と、底壁面７とを、有する蟻溝３を備えた被取付部材２と、該蟻溝３内へ装着される弾性シール１と、該弾性シール１が上記蟻溝３から突出している突出部９を押圧する相手部材21と、から成ると共に、清浄空間側Ｋと大気側Ｍとを遮断して密封する密封構造体であって、該弾性シール１は、上記蟻溝３内へ装着されかつ上記相手部材21の平坦面20が押圧されない未圧縮装着状態に於て、上記蟻溝３の底壁面７に対応する底面ストレート部11を有し、かつ、上記清浄空間側Ｋに対応する上記第１側壁面５に対して上記開口部４の近傍にて近接乃至当接する高位肩部12Ｈを有し、上記大気側Ｍに対応する上記第２側壁面６に対して蟻溝深さ寸法Ｈ₃の中位の高さで当接する中位肩部12Ｌを有し、該中位肩部12Ｌから上記突出部９に渡って上記開口部４の開口端縁部４ｂとの間に間隙部Ｇを形成するよう構成されているので、底面ストレート部11によって常に安定姿勢を保ち、かつ、高荷重にも耐えることができ、さらに、清浄空間側Ｋでは蟻溝３の開口端縁部４ａとの間に空間（間隙）を有さないので、成膜時の酸化ゴミ（デポ）が溜まらず好ましい。反対の大気側Ｍでは、間隙部Ｇを形成しているので、適度の圧縮弾性変形を生じ、かつ、大気側Ｍではゴミが溜まっても半導体製造チャンバーへの影響がなく、問題が生じない。また、相手部材21が突出部９を押圧してゆく際に、突出部９は間隙部Ｇへ弾性変形してゴムが逃げてゆき、反対側の高位肩部12Ｈが第１側壁面５に強く摩擦することを防止して、パーティクルの発生を防ぐ。かつ、中位肩部12Ｌが第２側壁面６に圧接して、蟻溝３から弾性シール１がゲート蓋（相手部材21）と共に抜け出ることを有効に防止できる。さらに、中位肩部12Ｌから突出部９に渡って間隙部Ｇが形成される形状であるので、図４に示したように、回転させて開口部４を介して蟻溝３内へ装入することが可能である。

次に、弾性シール１が、上記高位肩部12Ｈから、上記蟻溝３の底壁面７に略直交する方向の側面ストレート部17、及び、アール部18又は勾配部をもって、上記底面ストレート部11に至る横断面形状を備えているので、図４に示すように、清浄空間Ｋ側の開口端縁（角）部４ａをスムースに越えて、蟻溝３内へ装着する作業性に優れる。
また、上記高位肩部12Ｈが第１側壁面５に対して近接乃至当接する、上記底壁面７からの高さ寸法Ｈ₁₃が、蟻溝深さ寸法Ｈ₃の80％〜95％に設定され、さらに、上記中位肩部12Ｌが第２側壁面６に対して当接する、上記底壁面７からの高さ寸法Ｈ₁₂が、蟻溝深さ寸法Ｈ₃の30％〜70％に設定されているので、相手部材21の平坦面20に固着して弾性シール１が抜き出ることを防止できると共に清浄空間側Ｋに、デポ（成膜時の酸化ゴミ）が溜まることを防止し、かつ、反対の大気側Ｍでは圧縮弾性変形時のゴミの逃げる空間を確保できる。
Ｈ₁₃＜0.80×Ｈ₃の場合は、開口端縁部４ａと大アール部16との間に空間が生じてデポが溜まる虞が高まる。逆に、Ｈ₁₃＞0.95×Ｈ₃の場合は、弾性シール１が蟻溝３から抜け出る虞が高まる。そして、Ｈ₁₂＜0.30×Ｈ₃の場合は、間隙部Ｇが大きくなり過ぎ、逆に、Ｈ₁₂＞0.70×Ｈ₃の場合は間隙が小さくなる。

本発明の実施の一形態を示す未圧縮装着状態の断面図である。形状と寸法関係を説明する簡略図である。断面形状説明図である。装着作業の説明図である。本発明とＯリングとを比較説明した圧縮使用状態の比較説明図である。従来例の説明用要部断面図である。全体の平面図である。

符号の説明

１弾性シール
２被取付部材
３蟻溝
４開口部
４ｂ開口端縁部
５第１側壁面
６第２側壁面
７底壁面
９突出部
11 底面ストレート部
12Ｈ高位肩部
12Ｌ中位肩部
17 側面ストレート部 18 アール部
20 平坦面
21 相手部材
Ｇ間隙部
Ｈ₃，Ｈ₁₂，Ｈ₁₃ 高さ寸法
Ｋ清浄空間側（内径側）Ｍ大気側（外径側）
θ 傾斜角度

Claims

開口部（４）と、相互に該開口部（４）側に近づくにつれて接近する第１側壁面（５）
・第２側壁面（６）と、底壁面（７）とを、有する蟻溝（３）を備えた被取付部材（２）
と、該蟻溝（３）内へ装着される弾性シール（１）と、該弾性シール（１）が上記蟻溝（
３）から突出している突出部（９）を押圧する相手部材（21）と、から成ると共に、清浄
空間側（Ｋ）と大気側（Ｍ）とを遮断して密封する密封構造体であって、該弾性シール（
１）は、上記蟻溝（３）内へ装着されかつ上記相手部材（21）の平坦面（20）が押圧され
ない未圧縮装着状態に於て、上記蟻溝（３）の底壁面（７）に対応する底面ストレート部
（11）を有し、かつ、上記清浄空間側（Ｋ）に対応する上記第１側壁面（５）に対して上
記開口部（４）の近傍にて近接乃至当接する高位肩部（12Ｈ）を有し、上記大気側（Ｍ）
に対応する上記第２側壁面（６）に対して蟻溝深さ寸法（Ｈ₃）の中位の高さで当接する
中位肩部（12Ｌ）を有し、該中位肩部（12Ｌ）から上記突出部（９）に渡って上記開口部
（４）の開口端縁部（４ｂ）との間に間隙部（Ｇ）を形成するよう構成され、かつ、上記未圧縮装着状態に於て、上記高位肩部（12Ｈ）が第１側壁面（５）に対して近接乃至当接する、上記底壁面（７）からの高さ寸法（Ｈ ₁₃ ）が、蟻溝深さ寸法（Ｈ ₃ ）の80％〜95％に設定され、さらに、上記中位肩部（12Ｌ）が第２側壁面（６）に対して当接する、上記底壁面（７）からの高さ寸法（Ｈ ₁₂ ）が、蟻溝深さ寸法（Ｈ ₃ ）の30％〜70％に設定されていることを特徴とする密封構造体。