KR20190085082A - 밸브장치, 이 밸브장치를 사용한 유량제어방법 및 반도체 제조방법 - Google Patents

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Abstract

[과제] 유량제어 범위가 넓어지고, 범용성이 향상한 밸브장치를 제공한다. [해결수단] 유로(12, 13)를 획정하는 밸브 보디(10)와, 밸브 보디(10)에 대하여 유로(12, 13)를 개폐가능하게 설치된 다이어프램(20)과, 다이어프램(20)을 조작해서 유로(12, 13)를 개폐시키는 개폐 방향Al, A2에 이동가능하게 설치된 조작 부재(40)와, 조작 부재(40)에 대하여 개폐 방향의 개방향Al 또는 폐방향으로 주어지는 조작압에 따른 구동력을 부여하는 주 액추에이터(60)와, 유로의 개도를 규정하는 조작 부재(40)의 위치를 서로 다른 제1의 개위치Pl 또는 제2의 개위치P2에 조작압의 크기에 따라서 선택적으로 전환 가능한 전환기구와, 제1의 개위치Pl 및 제2의 개위치P2를 각각 독립적으로 조절가능한 조절 기구(70, 80)를, 가진다.

Description

밸브장치, 이 밸브장치를 사용한 유량제어방법 및 반도체 제조방법
본 발명은, 밸브장치, 이 밸브장치를 사용한 유량제어방법 및 반도체 제조방법에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스에 있어서는, 정확하게 계량한 처리 가스를 처리 챔버에 공급하기 위해서, 개폐 밸브, 레귤레이터, 매스플로우 콘트롤러등의 각종의 유체제어 기기를 집적화한 집적화 가스 시스템이라고 불리는 유체제어장치가 사용되고 있다. 이 집적화 가스 시스템을 박스에 수용한 것을 가스 박스라고 부르고 있다.
보통, 상기한 가스 박스로부터 출력되는 처리 가스를 처리 챔버에 직접 공급하지만, 원자층 퇴적법(ALD:Atomic Layer Deposition 법)에 의해 기판에 막을 퇴적시키는 처리 프로세스에 있어서는, 처리 가스를 안정적으로 공급하기 위해서 가스 박스로부터 공급되는 처리 가스를 버퍼로서의 탱크에 일시적으로 저류하고, 처리 챔버에 직접 가깝게 설치된 밸브를 고빈도로 개폐시켜서 탱크로부터의 처리 가스를 진공분위기의 처리 챔버에 공급하는 것이 행해지고 있다. 또한, 처리 챔버에 직접 가깝게 설치되는 밸브로서는, 예를 들면, 특허문헌1, 2를 참조.
ALD법은, 화학기상 성장법의 하나이며, 온도나 시간등의 성막조건 아래에서, 2종류이상의 처리 가스를 1종류씩 기판표면상에 교대로 흘리고, 기판 표면상 원자와 반응시켜서 단층씩 막을 퇴적시키는 방법이며, 단원자층씩 제어가 가능하기 때문에, 균일한 막 두께를 형성시킬 수 있고, 막질로서도 대단히 치밀하게 막을 성장시킬 수 있다.
ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스에서는, 처리 가스의 유량을 보다 고정밀로 조절할 필요가 있음과 아울러, 기판의 대구경화 등에 의해, 처리 가스의 유량을 어느 정도 확보할 필요도 있다.
특허문헌1: 일본 특허공개2007-64333호 공보 특허문헌2: 일본 특허공개2016-121776호 공보
상기한 것 같은 종래의 밸브는, 제조 프로세스의 사양마다 설계되어, 범용성은 부족하다. 또한, 종래의 밸브는, 미리 설정된 개도로 개폐 동작하기 때문에, 프로세스 실행중에 밸브의 개도를 변경해서 처리 가스의 유량을 다른 값으로 제어할 수는 없다. 더욱, 종래의 밸브에 있어서, 유량조절을 보다 고정밀로 실현하기 위해서는, 유량조절용의 나사의 피치를 보다 좁힐 필요가 있고, 그 대신에 유량조절가능한 범위를 희생할 필요가 있다. 마찬가지로, 유량조절가능한 범위를 보다 확대하기 위해서는, 유량조절 정밀도를 희생할 필요가 있다.
본 발명의 일 목적은, 유량조절이 가능한 범위를 유지하면서 보다 고정밀한 유량조절이 가능한 밸브장치를 제공하는데에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 유량조절 정밀도를 유지하면서 유량조절가능한 범위가 확대된 밸브장치를 제공하는데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유체제어를 실행중에, 밸브 개도를 변경가능한 개폐식의 밸브장치를 제공하는데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유량제어 범위가 넓혀지고, 범용성이 향상한 밸브장치를 제공하는데에 있다.
본 발명에 따른 밸브장치는, 유로를 획정하는 밸브 보디와,
상기 유로를 개폐가능하게 설치된 밸브 본체와,
상기 밸브 본체를 개폐 방향으로 이동가능하게 설치된 조작 부재와,
주어진 조작압에 따른 구동력을 상기 조작 부재에 부여하는 주 액추에이터와,
상기 유로의 개도를 규정하는 상기 조작 부재의 위치를, 서로 다른 제1의 개위치 또는 제2의 개위치에 상기 조작압의 크기에 따라서 선택적으로 전환 가능한 전환기구와,
상기 제1의 개위치 및 제2의 개위치를 각각 독립적으로 조절가능한 조절 기구를 갖는 것을 특징으로 한다.
적합하게는, 상기 조절 기구의 상기 제1의 개위치의 조절가능한 범위와 상기 제2의 개위치의 조절가능한 범위와는 일부가 중복하고 있는 구성을 채용할 수 있다.
더욱 적합하게는, 상기 조절 기구는, 상기 유로에 유체를 유통시킨 상태에서 조작가능하게 설치되어 있는 구성을 채용할 수 있다.
더욱 적합하게는, 상기 밸브 본체는, 다이어프램을 구비하고,
상기 조작 부재는, 상기 제1의 개위치 및 제2의 개위치에 있어서, 상기 다이어프램이 탄성변형한 상태로 각각 유지하는, 구성을 채용할 수 있다.
본 발명의 유량제어방법은, 상기한 밸브장치를 사용하여, 유체의 유량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 제조방법은, 밀폐된 챔버내에 있어서 프로세스 가스에 의한 처리 공정을 필요로 하는 반도체장치의 제조 프로세스에 있어서, 상기 프로세스 가스의 유량제어에 상기한 밸브장치를 사용한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유체제어장치는, 복수의 유체기기를 갖는 유체제어장치이며,
상기 유체기기에 상기 구성의 밸브장치가 구비된다.
본 발명의 반도체 제조 장치는, 밀폐된 챔버내에 있어서 프로세스 가스에 의한 처리 공정을 필요로 하는 반도체장치의 제조 프로세스에 있어서, 상기 프로세스 가스의 제어를 위해 상기 구성의 밸브장치를 구비한다.
본 발명에 의하면, 개도 전환기구를 설치함과 아울러 제1의 개위치 및 제2의 개위치를 조절 가능하게 하는 구성을 채용하므로, 유량조절 정밀도를 유지하면서 유량조절가능한 범위를 넓힐 수 있고, 혹은, 유량조절이 가능한 범위를 유지하면서 보다 고정밀한 유량조절이 가능해진다. 또한, 제1의 개위치 또는 제2의 개위치를 미리 원하는 위치로 조절하고, 조작압에 의해 사용하는 개위치를 선택하므로, 여러가지 유량에 대응할 수 있어서 장치의 적용 가능범위가 각별히 넓어지고, 장치의 범용성이 높아진다. 더욱, 제1의 개위치의 조절가능한 범위와 제2의 개위치의 조절가능한 범위를 일부 중복시키는 것으로, 확대된 조절 범위내에서 연속적으로 개도 조절이 가능하게 된다.
본 발명에 의하면, 조작압을 변경함으로써, 제1의 개위치와 제2의 개위치 중 어느 하나를 선택할 수 있으므로, 유체제어의 실행 도중의 유량변경이 쉽게 가능해진다.
[도1] 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브장치의 종단면도.
[도2] 닫힌 상태에 있는 도1의 밸브장치의 상측 요부 확대 단면도.
[도3] 닫힌 상태에 있는 도1의 밸브장치의 하측 요부 확대 단면도.
[도4] 압전 액추에이터의 동작을 나타내는 설명도.
[도5] 피스톤 구동력과 조작 부재의 이동 위치의 관계를 나타내는 그래프.
[도6] 제1의 개위치에 있는 도1의 밸브장치의 하측 요부 확대 단면도.
[도7] 제2의 개위치에 있는 도1의 밸브장치의 상측 요부 확대 단면도.
[도8] 제2의 개위치에 있는 도1의 밸브장치의 하측 요부 확대 단면도.
[도9a] 제1의 개위치로부터의 압전 액추에이터에 의한 유량 미세 조절 동작(유량감소시)을 설명하기 위한 하측 요부 확대 단면도.
[도9b] 제1의 개위치로부터의 압전 액추에이터에 의한 유량 미세 조절 동작(유량증가시)을 설명하기 위한 하측 요부 확대 단면도.
[도10a] 제2의 개위치로부터의 압전 액추에이터에 의한 유량 미세 조절 동작(유량감소시)을 설명하기 위한 하측 요부 확대 단면도.
[도10b] 제2의 개위치로부터의 압전 액추에이터에 의한 유량 미세 조절 동작(유량증가시)을 설명하기 위한 하측 요부 확대 단면도.
[도11] 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브장치의 반도체 제조 프로세스에의 적용 예를 도시한 개략도.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서는, 기능이 실질적으로 같은 구성 요소에는, 같은 부호를 사용하는 것에 의해 중복된 설명을 생략한다.
도1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브장치의 구성을 도시한 도면이며, 밸브가 완전히 닫힐 때의 상태를 나타내고 있고, 도2는 도1의 상측 요부의 확대 단면도, 도3은 도1의 하측 요부의 확대 단면도, 도4는 조절용 액추에이터로서의 압전 액추에이터의 동작을 설명하기 위한 도다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 상방향을 개방향Al, 하방향을 폐방향A2로 한다.
도1에 있어서, 1은 밸브장치, 10은 밸브 보디, 15는 밸브 시트(seat), 20은 밸브 본체로서의 다이어프램, 38은 다이어프램 가압부, 30은 본네트, 40은 조작 부재, 50은 케이싱, 60은 주 액추에이터, 70은 조절 캡, 78은 락너트, 80은 조절 로드, 90은 코일 용수철, 100은 압전 액추에이터, 110은 액추에이터 받이, 120, 130은 접시 용수철, 140은 액추에이터 가압부, 145는 접시 용수철 받이, 75는 조절 보디, 150은 관 이음매, OR은 씰 부재로서의 0링, MG는 조작 가스를 나타내고 있다.
밸브 보디(10)는, 스테인레스 강철에 의해 형성되어 있고, 블록형의 밸브 보디 본체(10a)와, 밸브 보디 본체(10a)의 측방으로부터 각각 돌출하는 접속부(10b, 10c)를 갖고, 유로(12, 13)를 획정하고 있다. 유로(12, 13)의 일단은, 접속부(10b, 10c)의 단면에서 각각 개구하고, 타단은 위쪽이 개방된 오목형의 밸브실(14)에 연통하고 있다. 밸브실(14)의 저면에는, 유로(12)의 타단측의 개구 주연에 설치된 장착 홈에 합성 수지(PFA, PA, PI, PCTFE등)제의 밸브 시트(15)가 끼워 맞춰 고정되어 있다. 또한, 본 실시예에서는, 도3으로부터 분명한 바와 같이, 코킹 가공에 의해 밸브 시트(15)가 장착 홈내에 고정되어 있다. 또한, 밸브 시트(15)는 금속(SUS등)제의 밸브 시트를 사용해도 좋고, 밸브 보디(10)의 일부를 밸브 시트로서 사용해도 좋다. 이 경우, 온도변화에 의한 밸브 시트의 치수변화, 및 밸브 시트가 응력을 받는 것에 의한 치수변화를 완화하고, 보다 고정밀한 개도 조절이 가능하게 된다.
다이어프램(20)은, 밸브 보디(10)의 유로(12, 13)를 개폐가능하게 설치된 밸브 본체이며, 밸브 시트(15)의 위쪽에 배설되어 있고, 밸브실(14)의 기밀을 유지함과 아울러, 그 중앙부가 상하 동작하여 밸브 시트(15)에 앉게 되고 떨어짐으로써, 유로(12, 13)를 개폐한다. 본 실시예에서는, 다이어프램(20)은, 특수 스테인레스 강철등의 금속제 박판 및 니켈·코발트 합금박판의 중앙부를 위쪽으로 팽출시킴으로써, 위로 볼록한 원호형이 자연상태의 공 껍데기형으로 되어 있다. 이 특수 스테인레스 강철 박판 3장과 니켈·코발트 합금박판 1장이 적층되어서 다이어프램(20)이 구성되어 있다.
다이어프램(20)은, 그 주연부가 밸브실(14)의 내주면의 돌출부 위에 얹혀 놓이고, 밸브실(14)내에 삽입한 본네트(30)의 하단부를 밸브 보디(10)의 나사부(16)에 비틀어 박는 것에 의해, 스테인레스 합금제의 가압 어댑터(25)를 통해 밸브 보디(10)의 상기 돌출부측에 가압되어, 기밀상태로 끼워둬 고정되어 있다. 또한, 니켈·코발트 합금박막은, 접 가스측에 배치되어 있다.
또한, 밸브 본체로서는, 다른 구성의 것도 사용가능하다.
조작 부재(40)는, 다이어프램(20)에 유로(12, 13)를 개폐시키도록 다이어프램(20)을 조작하기 위한 부재이며, 대략 원통형으로 형성되고, 하단측의 내주면에 형성된 나사부(44)(도3 참조)에 접시 용수철 받이(48)가 나사 결합해서 고정되고, 상단측이 개구하고, 본네트(30)의 내주면과 케이싱(50)내에 형성된 통형부(51)의 내주면에 끼워 맞추고, 상하 방향으로 이동 가능하게 지지되어 있다. 또한, 도1∼도3에 나타내는 Al, A2은 조작 부재(40)의 개폐 방향이며, Al은 개방향, A2는 폐방향을 나타내고 있다. 본 실시예에서는, 밸브 보디(10)에 대하여 상방향이 개방향Al이며, 하방향이 폐방향A2이지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.
조작 부재(40)의 외주면에 고정된 원환형의 용수철 받이 플레이트(45)의 상면과, 케이싱(50)과의 사이에는, 코일 용수철(90)이 설치되고, 조작 부재(40)는 코일 용수철(90)에 의해 폐방향A2를 향해서 상시 가압되어 있다. 이 때문에, 도2에 도시한 바와 같이, 주 액추에이터(60)가 작동하지 않고 있는 상태에서는, 다이어프램(20)은 밸브 시트(15)에 눌려, 유로12, 13의 사이는 닫혀진 상태로 되어 있다. 또한, 용수철 받이 플레이트(45)는, 조작 부재(40)와 일체이여도, 별체이여도 좋다.
접시 용수철 받이(48)의 하단면에는 다이어프램(20)의 중앙부 상면에 접촉하는 폴리이미드 등의 합성 수지제의 다이어프램 가압부(38)가 장착되어 있다. 또한, 다이어프램 가압부(38)는 SUS나 알루미늄 합금등의 금속을 사용해도 좋고, 접시 용수철 받이(48)와 일체가 되어도 좋다. 다이어프램 가압부에 금속을 사용했을 경우, 온도변화에 의한 다이어프램 가압부의 치수변화, 및 다이어프램 가압부가 응력을 받는 것에 의한 치수변화를 완화하고, 보다 고정밀한 개도 조절이 가능하게 된다.
코일 용수철(90)은, 케이싱(50)의 내주면과 통형부(51)와의 사이에 형성된 보유부(52)에 수용되어 있다. 본 실시예에서는, 코일 용수철(90)을 사용하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 접시 용수철이나 판 용수철 등의 다른 종류의 용수철을 사용할 수 있다. 코일 용수철(90)은 상시 압축되어 있고, 도1에 나타내는 상태에 있어서, 소정의 값의 복원력(예를 들면, 500N)이 케이싱(50)과 조작 부재(40)에 작용하도록 설정되어 있다.
케이싱(50)은, 그 하단부 내주가 본네트(30)의 상단부 외주에 형성된 나사부(36)에 비틀어 박아져서, 본네트(30)에 고정되어 있다. 또한, 본네트(30) 상단면과 케이싱(50)과의 사이에는, 고리 형상의 벌크 헤드(63)가 고정되어 있다.
조작 부재(40)의 외주면과, 케이싱(50) 및 본네트(30)와의 사이에는, 벌크 헤드(63)에 의해 상하에 구획된 실린더 실Cl, C2이 형성되어 있다.
상측의 실린더 실Cl에는, 고리 형상으로 형성된 피스톤61이 끼워 맞춰 삽입되고, 하측의 실린더 실C2에는, 고리 형상으로 형성된 피스톤62가 끼워 맞춰 삽입되어 있다. 이것들 실린더 실Cl, C2 및 피스톤61, 62는, 조작 부재(40)를 개방향Al에 이동시키는 구동력을 발생하는 주 액추에이터(60)를 구성하고 있다. 주 액추에이터(60)는, 2개의 피스톤(61, 62)을 사용해서 압력의 작용 면적을 증가시킴으로써, 조작 가스MG에 의한 힘을 증가력으로 자르게 되어 있다. 실린더 실Cl의 피스톤61의 상측의 공간은, 통기로53에 의해 대기에 연결된다. 실린더 실C2의 피스톤62의 상측의 공간은, 통기로hl에 의해 대기에 연결된다.
실린더 실Cl, C2의 피스톤61, 62의 하측의 공간은 고압의 조작 가스MG가 공급되기 때문에, 0링 OR에 의해 기밀이 유지되어 있다. 이것들의 공간은, 조작 부재(40)에 형성된 유통로(41, 42)와 각각 연통하고 있다. 유통로(41, 42)는, 조작 부재(40)의 내주면과 압전 액추에이터(100)의 케이스 본체(101)의 외주면과의 사이에 형성된 유통로Ch에 연통하고 있다. 이 유통로Ch는, 조작 부재(40)의 상단면과, 원통형의 접시 용수철 받이(145)의 외주면과, 케이싱(50)의 통형부(51)와, 조절 보디(75)의 하단면으로 획정되는 공간SP와 연통하고 있다. 그리고, 고리 형상의 액추에이터 가압부(140)에 형성된 유통로(141)는, 공간SP와, 접시 용수철 받이(145)의 중심부를 관통하는 관통구멍145h 및 조절 캡(70)의 중심부를 관통하는 관통구멍71을 접속하고 있다. 조절 캡(70)의 관통구멍(71)은, 관 이음매(150)를 통해 도시하지 않는 관과 접속된다.
조절 캡(70)은 외주부에 나사부(70a)를 갖고, 이것이 케이싱(50)의 상부에 형성된 나사 구멍(56)에 나사 결합하고 있다. 조절 캡(70)의 상측에는, 락너트(78)가 설치되고, 이 락너트(78)가 나사 구멍(56)에 나사 결합함과 아울러 조절 캡(70)의 접촉면에 접촉함으로써, 조절 캡(70)의 회전 위치가 고정되게 되어 있다. 조절 캡(70)의 하측에는 조절 보디(75)가 설치되어 있고, 도1에 도시한 바와 같이, 조절 보디(75)는 조절 캡(70)의 외주에 형성된 나사부에 나사 결합해서 고정되어 있고, 조절 캡(70)과 일체화되어 있다. 조절 보디(75)와 조절 캡(70)과의 사이 및 조절 보디(75)와 케이싱(50)과의 사이는, 0링 OR로 씰되어, 조작 가스MG가 공급되는 공간SP가 기밀로 유지된다.
조절 캡(70)에는, 도1에 도시한 바와 같이, 개폐 방향Al, A2에 2개의 나사 구멍(72)이 조절 캡(70)의 중심축선에 대하여 대칭한 위치에 형성되어 있다. 나사 구멍(72)에는, 조절 로드(80)가 삽입되고, 이 조절 로드(80)의 상단측에 형성된 나사부(81)가 나사 결합하고 있다. 조절 로드(80)의 상단부(머리 부분)에는, 공구를 받아들이는, 예를 들면 6각형의 오목부(도시하지 않음)가 형성되고, 밸브장치(1)의 외부로부터 회전시킬 수 있게 형성되어 있다. 이에 따라, 후술하는 규제면(80b)의 위치를 조절할 수 있다. 조절 캡(70)의 상부도 공구가 끼워지는 형상으로 가공되어 있고, 밸브장치(1)의 외부로부터 해당 공구를 사용하여 회전시킬 수 있게 되어 있다.
또한, 조절 캡(70), 조절 보디(75) 및 조절 로드(80)는, 본 발명의 조절 기구를 구성하지만, 상세한 것은 후술한다.
압전 액추에이터(100)는, 후술하는 것 같이 유량을 미세 조절하기 위해서 사용되고, 도4에 나타내는 원통형의 케이스 본체(101)에 도시하지 않은 적층된 압전 소자를 내장하고 있다. 케이스 본체(101)는, 스테인레스 합금등의 금속제로, 반구형의 선단부(102)측의 단면 및 기단부(103)측의 단면이 폐색하고 있다. 적층된 압전 소자에 전압을 인가해서 신장시키는 것으로, 케이스 본체(101)의 선단부(102)측의 단면이 탄성변형하고, 반구형의 선단부(102)가 길이 방향에 있어서 변위한다. 적층된 압전 소자의 최대 스트로크를 2d로 하면, 압전 액추에이터(100)의 신장이 d가 되는 소정전압VO를 미리 걸어 두는 것으로, 압전 액추에이터(100)의 전장은 L0이 된다. 그리고, 소정전압VO보다도 높은 전압을 걸면, 압전 액추에이터(100)의 전장은 최대로 L0+d가 되고, 소정전압VO보다도 낮은 전압(무전압을 포함한다)을 걸면, 압전 액추에이터(100)의 전장은 최소로 L0-d가 된다. 따라서, 개폐 방향Al, A2에 있어서 선단부(102)로부터 기단부(103)까지의 전장을 신축시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 압전 액추에이터(100)의 선단부(102)를 반구형으로 했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 선단부가 평탄면이여도 좋다.
도1에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(100)에의 급전은, 배선(105)에 의해 행해진다. 배선(105)은, 접시 용수철 받이(145)의 관통구멍145h, 조절 캡(70)의 관통구멍71 및 관 이음매(150)를 통해서 외부에 도출되어 있다.
압전 액추에이터(100)의 선단부(102)는, 도3에 도시한 바와 같이, 원반형의 액추에이터 받이(110)의 상면에 형성된 원추면형의 받침면(110a)에 접촉하고 있다. 액추에이터 받이(110)는, 조작 부재(40)에 대하여 개폐 방향Al, A2에 이동 가능해진다. 액추에이터 받이(110)의 중심부로부터 돌출한 원주부(110c)의 외주에 복수의 고리 형상의 접시 용수철(120)이 설치된다. 복수의 접시 용수철(120)은, 방향이 교대로 반대로 되도록 적층되고, 액추에이터 받이(110)의 규제면(110b)과 접시 용수철 받이(48)과의 사이에서 상시 압축되어 있다.따라서, 조작 부재(40)(접시 용수철 받이(48))는, 접시 용수철(120)로부터 폐방향A2에 향하는 복원력을 상시 받아, 압전 액추에이터(100)(액추에이터 받이(110))는 개방향Al에 향하는 복원력을 상시 받고 있다. 접시 용수철(120)의 복원력은, 도3에 나타내는 상태에 있어서, 소정의 값(예를 들면, 150N)이 되도록 설정되어 있다.
압전 액추에이터(100)의 기단부(103)는, 도1에 도시한 바와 같이, 액추에이터 가압부(140)에 접촉하고, 액추에이터 가압부(140)는 접시 용수철 받이(145)의 하단면에 접촉하고 있다. 접시 용수철 받이(145)는, 도2에 도시한 바와 같이, 조절 보디(75)에 삽통되어 있다. 접시 용수철 받이(145)는, 어느쪽의 부재에도 연결되어 있지 않고, 개폐 방향Al, A2에 이동 가능하게 되어 있다.
도2에 도시한 바와 같이, 접시 용수철 받이(145)의 접촉면(145t)과, 조절 캡(70)의 하면(70b)과의 사이에는 복수의 고리 형상의 접시 용수철130이 설치된다. 복수의 접시 용수철(130)은, 조절 캡(70)의 원통부(73)의 외주에 끼워 넣어져 있다. 복수의 접시 용수철(130)은, 접시 용수철 받이(145)의 접촉면(145t)과 조절 캡(70)의 하면(70b)과의 사이에서 상시 압축되어 있다. 복수의 접시 용수철(130)은, 같은 방향으로 포개진 2장의 접시 용수철이 교대로 역방향으로 쌓아 올려져 있다. 다시 말해, 병렬로 배치된 2장의 접시 용수철의 쌍이 직렬로 배치되어 있다. 접시 용수철(130)과 접시 용수철(120)은, 1매의 접시 용수철 단위에서는 동일한 것이지만, 복수의 접시 용수철(130)의 전체의 용수철 정수는, 배치 방법의 차이에 의해, 복수의 접시 용수철(120)의 약 2배로 되어 있다. 접시 용수철 받이(145)는 복수의 접시 용수철(130)의 복원력에 의해 폐방향A2를 향해서 상시 가압되어 있다. 복수의 접시 용수철(130)의 복원력은, 도2에 나타내는 상태에 있어서, 소정의 값(예를 들면 300N)이 되도록 설정되어 있다.
접시 용수철 받이(145)는, 그 상단측에 형성된 돌출부(145a)의 하면측의 접촉면(145b)이, 접시 용수철(130)의 폐방향A2을 향하는 복원력에 의해 조절 보디(75)의 규제면(75t)에 접촉해서 이동이 규제되는 것에 의해 개폐 방향Al, A2에 있어서 위치결정되어 있다.
접시 용수철 받이(145)가 도2에 나타내는 위치에 위치결정되는 것에 의해, 조작 부재(40)에 고정된 접시 용수철 받이(48)는, 도3에 나타내는 위치에 위치결정된다. 조작 부재(40)의 위치는, 접시 용수철 받이(145)의 위치, 다시 말해, 조절 보디(75)(조절 캡(70))의 위치에 의해 규정된다.
도3에 있어서, PO는 조작 부재(40)의 폐위치, Pl은 제1의 개위치, P2는 제2의 개위치를 나타내고 있다. Lfl은 폐위치PO와 제1의 개위치Pl과의 사이의 리프트량, Lf2는 제1의 개위치Pl과 제2의 개위치P2와의 사이의 리프트량을 나타내고 있다. 또한, 조작 부재(40)의 위치란, 밸브 보디(10)에 대한 접시 용수철 받이(48)의 접촉면(48t)의 개폐 방향Al, A2의 위치다. 리프트량Lfl은, 도3에 나타내는 액추에이터 받이(110)의 규제면(110b)과 접시 용수철 받이(48)의 접촉면(48t)과의 거리로 규정된다. 리프트량Lf2는, 도2에 나타내는, 조절 로드(80)의 규제면(80b)과 접시 용수철 받이(145)의 접촉면(145t)과의 거리로 규정된다.
다이어프램 가압부(38)에는, 폐방향A2를 향해서, 코일 용수철(90) 및 접시 용수철(120)의 복원력이 작용하고, 이에 따라, 다이어프램(20)이 다이어프램 가압부(38)에 의해 가압됨으로써 탄성변형하여 밸브 시트(15)에 눌려져, 밸브가 닫힌 상태로 되어 있다. 코일 용수철(90) 및 접시 용수철(120)의 복원력은, 예를 들면, 합계하면 약 650N이다. 다시 말해, 주 액추에이터(60)의 피스톤 구동력이 코일 용수철(90) 및 접시 용수철(120)의 복원력보다도 작은 상태에서는, 조작 부재(40)가 폐위치PO에 위치를 부여할 수 있어, 유로(12, 13)는 닫힌 상태가 된다.
여기서, 도5는, 조작 부재(40)의 이동 위치와 주 액추에이터(60)가 발생하는 피스톤 구동력과의 관계를 나타내는 그래프다.
주 액추에이터(60)가 발생하는 피스톤 구동력이, 예를 들면, 650N을 초과하고, 코일 용수철(90) 및 접시 용수철(120)의 복원력을 넘으면, 조작 부재(40)는 도5에 나타내는 제1의 개위치Pl에 이동한다. 본 실시예에서는, 조작 가스MG의 조작압이 0.45MPa의 경우에, 주 액추에이터(60)는 약 700N의 구동력을 발생하고, 조작 가스MG의 조작압이 0.7MPa의 경우에, 주 액추에이터(60)는 약 1000N의 구동력을 발생하게 되어 있다.
도5에 도시한 바와 같이, 피스톤 구동력이 약 700N∼950N의 범위에 있을 경우에는, 조작 부재(40)는 제1의 개위치Pl에 위치한다.
조작 부재(40)가 제1의 개위치Pl에 이동한 상태에서는, 도6에 도시한 바와 같이, 접시 용수철(120)이 더욱 압축되고, 접시 용수철 받이(48)의 접촉면(48t)이 액추에이터 받이(110)의 규제면(110b)에 접촉하고, 조작 부재(40)의 개방향Al에의 이동이 규제되고, 조작 부재(40)는 제1의 개위치Pl에 위치를 부여할 수 있다. 도6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 다이어프램(20)은, 밸브 시트(15)로부터 리프트량Lfl만큼 떨어져서 유로가 열린다.
조작 가스MG의 조작압을 0.7MPa로 상승시키면, 조작 부재(40)는 도5에 나타내는 제2의 개위치P2에 이동한다. 다시 말해, 코일 용수철(90) 및 접시 용수철(120, 130)의 합계의 복원력은, 약 950N이므로, 이것에 저항할 수 있는 피스톤 구동력이 발생하면, 조작 부재(40)는 제2의 개위치P2에 이동한다.
조작 부재(40)가 제2의 개위치P2에 이동한 상태에서는, 도7에 도시한 바와 같이, 접시 용수철 받이(145)가 개방향Al으로 밀어올려져, 접시 용수철(130)이 더욱 압축되고, 접시 용수철 받이(145)의 접촉면(145t)이 조절 로드(80)의 규제면(80b)에 접촉하고, 접시 용수철 받이(145)는 개방향Al에의 이동이 규제된다. 이에 따라, 도8에 도시한 바와 같이, 접시 용수철 받이(48)의 접촉면(48t)이 제2의 개위치P2에 위치를 부여할 수 있고, 다이어프램(20)은, 밸브 시트(15)로부터 리프트량Lfl+Lf2만큼 떨어져서 유로가 더욱 열린다.
상기한 것 같이, 본 실시예에 따른 밸브장치(1)는, 용수철 정수가 다른 접시 용수철(120, 130)을 사용해서 조작 부재(40)의 개위치를 조작 가스MG의 조작압에 따라서 2단계로 전환 가능한 전환기구를 구비하고 있다. 조절 나사를 사용하여 개도를 크게 변경하기 위해서는 엄청난 공정수를 필요로 하지만, 본 실시예에서는, 조작 가스MG의 조작압의 변경으로 필요한 개도를 용이하게 선택할 수 있다.
다음에, 밸브장치(1)의 조절 기구에 대해서 설명한다.
도5에 나타낸, 제1의 개위치Pl 및 제2의 개위치P2는, 상기한 것 같이 기계적으로 규정되어 있지만, 제조 프로세스의 초기 단계등에 있어서는 밸브장치(1)의 개도(유량)를 조절 할 필요가 있다.
밸브장치(1)에서는, 조절 캡(70)의 개폐 방향Al, A2의 위치를 조절 함으로써, 도5에 도시한 바와 같이, 상한값Plmax 및 하한값Plmin의 조절 가능범위Rl에서 제1의 개위치Pl의 위치를 조절가능하다. 또한, 2개의 조절 로드(80)의 규제면(80b)의 개폐 방향Al, A2의 위치를 조절 함으로써 상한값P2max 및 하한값P2min의 조절 가능범위R2에서 제2의 개위치P2의 위치를 조절가능하다.
여기에서, 조절 가능범위Rl과 조절 가능범위R2가 도5에 도시한 바와 같이 일부가 중복하므로, 조절 가능범위Rl과 조절 가능범위R2를 맞춘 전체 조절 범위RO에서, 연속적인 조작 부재(40)의 개위치의 조절이 가능해진다. 또한, 조절 가능범위Rl과 조절 가능범위R2는 분리되어 있어도 좋다.
본 실시예에서는, 조절 캡(70)과 조절 로드(80)의 조절 피치를 종래와 같이 유지했을 경우에는, 조절 캡(70)과 조절 로드(80)의 2개의 조절 범위가 얻어지므로, 유량조절 범위를 확대할 수 있다. 또한, 조절 캡(70)과 조절 로드(80)의 조절 피치를 종래와 비교해서 절반으로 하면, 유량조절 정밀도가 2배가 되고, 보다 고정밀한 유량조절이 가능해진다.
또한, 본 실시예에서는, 도6 및 도8에 도시한 바와 같이, 다이어프램(20)이 탄성변형한 상태를 유지하면서 제1의 개위치Pl 및 제2의 개위치P2를 조절할 수 있으므로, 보다 고정밀한 개도 조절이 가능하게 됨과 아울러, 적절한 개도(다이어프램(20)의 변위량) 조절이 가능해져 다이어프램(20)의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 조절 캡(70)과 조절 로드(80)의 2개로 조절할 수 있으므로, 다이어프램(20)의 경시변화에도 대응 가능해진다.
다음에, 도9a∼도10b를 참조하여 압전 액추에이터(100)에 의한 유량 미세 조절에 대해서 설명한다.
조절 캡(70)과 조절 로드(80)에 더해서, 압전 액추에이터(100)를 사용하는 것으로, 더욱 고정밀한 유량조절이 가능해지고, 밸브장치(1)의 동작중에 유량조절이 가능해진다.
도9a∼도10b의 중심선Ct의 좌측은, 도6 및 도8에 도시한 바와 같이, 제1의 개위치Pl 또는 제2의 개위치P2에 조작 부재(40)가 위치를 부여할 수 있었던 상태를 나타내고 있고, 중심선Ct의 우측은 조작 부재(40)의 개폐 방향Al, A2의 위치를 미세 조절한 후의 상태를 나타내고 있다.
유체의 유량을 감소시키는 방향으로 조절할 경우에는, 도9a 또는 도10a에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(100)를 신장시켜서, 조작 부재(40)를 폐방향A2에 이동시킨다. 이에 따라, 조작 부재(40)의 제1의 개위치Pl 또는 제2의 개위치P2는, 각각 Pl-, P2-에 보정된다.
유체의 유량을 증가시키는 방향으로 조절할 경우에는, 도9b 또는 도10b에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(100)를 단축시켜서, 조작 부재(40)를 개방향Al에 이동시킨다. 이에 따라, 조작 부재(40)의 제1의 개위치Pl 또는 제2의 개위치P2는, 각각 Pl+, P2+에 보정된다.
본 실시예에서는, 다이어프램(20)의 리프트량의 최대치는 100∼300㎛정도이고, 압전 액추에이터(100)에 의한 조절량은 ±30㎛정도다.
다시 말해, 조절 캡(70)과 조절 로드(80)를 사용해서 다이어프램(20)의 리프트량의 전체 범위에서의 조절을 실시하고, 압전 액추에이터(100)의 신축에 의해 다른 미세 조절을 실시한다.
본 실시예에 의하면, 압전 액추에이터(100)에 인가하는 전압을 변화시키는 것만으로 정밀한 유량조절이 가능하므로, 유량조절을 즉석에서 실행할 수 있음과 아울러, 실시간으로 유량제어를 하는 것도 가능해진다.
다음에, 도11을 참조하여, 상기한 밸브장치(1)의 적용 예에 대해서 설명한다.
도11에 나타내는 시스템은, ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스를 실행하기 위한 반도체 제조 장치(1000)이며, 300은 프로세스 가스 공급원, 400은 가스 박스, 500은 탱크, 600은 제어부, 700은 처리 챔버, 800은 배기 펌프를 나타내고 있다.
ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스에서는, 처리 가스의 유량을 정밀하게 조절할 필요가 있음과 아울러, 기판의 대구경화에 의해, 처리 가스의 유량을 어느 정도 확보할 필요도 있다.
가스 박스(400)는, 정확하게 계량한 프로세스 가스를 처리 챔버(700)에 공급하기 위해서, 개폐 밸브, 레귤레이터, 매스플로우 콘트롤러등의 각종의 유체제어 기기를 집적화해서 박스에 수용한 집적화 가스 시스템(유체제어장치)이다.
탱크(500)는, 가스 박스(400)로부터 공급되는 처리 가스를 일시적으로 저류하는 버퍼로서 기능한다.
제어부(600)는, 밸브장치(1)에의 조작 가스MG의 공급 제어나 압전 액추에이터(100)에 의한 유량조절 제어를 실행한다.
처리 챔버(700)는, ALD법에 의한 기판에의 막형성을 위한 밀폐 처리 공간을 제공한다.
배기 펌프(800)는, 처리 챔버(700)내를 진공으로 뺀다.
밸브장치(1)의 초기 설정에 있어서는, 제1의 개위치Pl과 제2의 개위치P2 중, 사용해야 할 개위치를 선택하고, 그것에 따른 조작압의 조작 가스MG를 공급한다. 또한, 처리 가스 유량의 조절은, 조절 캡(70) 또는 조절 로드(80)로 실행하고, 유로에 유체를 유통시킨 상태에서 유량조절을 실행할 수 있다.
또한, 성막 프로세스를 실행 도중이여도, 처리 가스의 유량을 크게 변경할 필요가 있을 경우등에는, 밸브장치(1)에 공급하는 조작 가스MG의 조작압을 변경함으로써 용이하게 대응가능하다.
상기 적용 예에서는, 밸브장치(1)를 ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스에 사용할 경우에 대해서 예시했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 본 발명은, 예를 들면 원자층 에칭법(ALE: Atomic Layer Etching 법)등, 정밀한 유량조절이 필요한 모든 대상에 적용가능하다.
상기 실시예에서는, 주 액추에이터로서, 가스압에서 작동하는 실린더 실에 내장된 피스톤을 사용했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 액체 압력으로 작동하는 액추에이터 등의 다른 종류의 액추에이터도 선택가능하다.
상기 실시예에서는, 전환기구에 접시 용수철을 사용했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 코일 용수철 등의 다른 탄성부재를 사용하는 것도 가능하다.
상기 실시예에서는, 소위 노멀리 클로즈 타입의 밸브를 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 노멀리 오픈 타입의 밸브에도 적용가능하다. 이 경우에는, 예를 들면, 주 액추에이터의 구동력으로 밸브 본체를 닫고, 용수철의 힘으로 밸브를 밸브 개방할 때에, 조작 가스MG의 조작압에 따라서 조작 부재(밸브 본체)의 위치를 2단계로 전환하도록 하면 좋다.
상기 실시예에서는, 밸브 본체로서 다이어프램을 예시했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 다른 종류의 밸브 본체를 채용하는 것도 가능하다.
상기 실시예에서는, 밸브장치(1)를 유체제어장치로서의 가스 박스(400)의 외부에 배치하는 구성으로 했지만, 개폐 밸브, 레귤레이터, 매스플로우 콘트롤러등의 각종의 유체기기를 집적화해서 박스에 수용한 유체제어장치에 상기 실시예의 밸브장치(1)를 포함시키는 것도 가능하다.
1 밸브장치
10 밸브 보디
15 밸브 시트
20 다이어프램
25 가압 어댑터
30 본네트
38 다이어프램 가압부
40 조작 부재
45 용수철 받이 플레이트
48 접시 용수철 받이
50 케이싱
60 주 액추에이터
61, 62 피스톤
63 벌크 헤드
70 조절 캡(조절 기구)
70a 나사부
71 관통구멍
72 나사 구멍
75 조절 보디(조절 기구)
78 락너트
80 조절 로드(조절 기구)
80b 규제면
81 나사부
90 코일 용수철
100 압전 액추에이터
101 케이스 본체
102 선단부
103 기단부
105 배선
110 액추에이터 받이
110b 규제면
120, 130 접시 용수철(전환기구)
140 액추에이터 가압부
141 유통로
145 접시 용수철 받이
150 관 이음매
300 프로세스 가스 공급원
400 가스 박스
500 탱크
600 제어부
700 처리 챔버
800 배기 펌프
1000 반도체 제조 장치
Al 개방향
A2 폐방향
Cl, C2 실린더 실
Ch 유통로
SP 공간
PO 폐위치
Pl 제1의 개위치
P2 제2의 개위치
Rl, R2 조절 가능범위
RO 전체 조절 가능범위
OR O 링
MG 조작 가스
Lfl, Lf2 리프트량

Claims (8)

  1. 유로를 획정하는 밸브 보디와,
    상기 유로를 개폐가능하게 설치된 밸브 본체와,
    상기 밸브 본체를 개폐 방향으로 이동가능하게 설치된 조작 부재와,
    주어진 조작압에 따른 구동력을 상기 조작 부재에 부여하는 주 액추에이터와,
    상기 유로의 개도를 규정하는 상기 조작 부재의 위치를, 서로 다른 제1의 개위치 또는 제2의 개위치에 상기 조작압의 크기에 따라서 선택적으로 전환 가능한 전환기구와,
    상기 제1의 개위치 및 제2의 개위치를 각각 독립적으로 조절가능한 조절 기구를 갖는, 밸브장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절 기구의 상기 제1의 개위치의 조절가능한 범위와 상기 제2의 개위치의 조절가능한 범위는 일부가 중복하고 있는 것을 특징으로 하는, 밸브장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조절 기구는, 상기 유로에 유체를 유통가능한 상태로 조작가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 밸브장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 본체는, 다이어프램을 구비하고,
    상기 조작 부재는, 상기 제1의 개위치 및 제2의 개위치에 있어서, 상기 다이어프램이 탄성변형한 상태로 각각 유지하는 것을 특징으로 하는, 밸브장치.
  5. 청구항 1 내지 4에 기재된 밸브장치를 사용하여, 유체의 유량을 제어하는 유량제어방법.
  6. 밀폐된 챔버내에 있어서 프로세스 가스에 의한 처리 공정을 필요로 하는 반도체장치의 제조 프로세스에 있어서, 상기 프로세스 가스의 유량제어에 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 밸브장치를 사용한 반도체 제조방법.
  7. 복수의 유체기기를 갖는 유체제어장치이며,
    상기 유체기기에 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 밸브장치가 구비되는 유체제어장치.
  8. 밀폐된 챔버내에 있어서 프로세스 가스에 의한 처리 공정을 필요로 하는 반도체장치의 제조 프로세스에 있어서, 상기 프로세스 가스의 제어를 위해 청구항 1∼4 중 어느 한 항에 기재된 밸브장치를 구비하는 반도체 제조 장치.
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