JP5002845B2 - 真空バルブ - Google Patents

Description

本発明は、スクロールポンプ、ベーンポンプ等の真空ポンプを用いて真空チャンバを真空状態とする場合に、真空ポンプと真空チャンバとを接続する排気路に介設される差圧式真空バルブの応答性を高め、真空ポンプ停止時に真空チャンバにガスが逆流するのを確実に防止できるようにした真空バルブに関する。

従来、真空ポンプにより真空チャンバ内の空気を吸引して排出させる真空装置は周知である。例えば、真空蒸着装置において、例えば半導体ウエーハの表面に金属蒸着膜を形成する場合、まず装置の蒸着室内の雰囲気を真空ポンプで排気して高真空にし、高真空状態で蒸着を行い、蒸着終了後には蒸着室内の圧力を大気圧に戻すことが行なわれている。

真空ポンプが停止するときの真空チャンバと真空ポンプ間の差圧によって発生する逆流を防止する手段として、真空チャンバと真空ポンプ間に真空バルブを介設している。自動開閉機能を有する真空バルブとしては、直動ソレノイド式又は差圧式の自動開閉バルブが使用されている。

直動ソレノイド式は、開閉の応答性が良いものの、ストロークが大きく取れないことから排気抵抗が大きかったり、バルブの開閉動作を維持するためにソレノイドが多量の電力を消費するという問題がある。
これに対し、差圧式の真空バルブは、弁体に対して開動作方向に加わる力と閉動作方向に加わる力との差圧によって開動作又は閉動作を行なうものであるため、ストロークを大きく取ることができるとともに、消費電力を低減できるという利点がある。

特許文献１（特開平５−２７２４５６号公報）には、差圧式の真空バルブの一例が開示されている。この構成を図２に基づいて説明する。図２において、この差圧式真空バルブは、ボデイ１とボンネット２を備え、ボデイ１に図示しない真空ポンプに接続された吸引ポート３が形成されるとともに、ボデイ１の外周に放射方向に取り付けられたポート部材４に、図示しない真空チャンバに接続された真空ポート５が形成されている。

吸引ポート３と真空ポート５を直接連通させる主流路６の真空ポート５側に弁座７が形成されている。ボデイ１とボンネット２の間はプレート９で気密に区画され、ボンネット２の内部は、受圧体の一例であるピストン１０によって、真空作用室１１と外部に開口した大気室１２とに区画されている。真空作用室１１は、後述するバイパス流路１３によって吸引ポート３と真空ポート５とに連通している。

真空作用室１１内には、ピストン１０をプレート９に向けて付勢する調圧ばね１４が縮設され、調圧ばね１４の付勢力は、ボンネット２に気密に螺着された調圧機構１５を構成する調圧ねじ回転によって調整することができる。
一端がピストン１０に螺着された中空の弁棒１８は、プレート９を気密に貫通した先端に、弁座７を開閉する弁体１９が取り付けられており、ピストン１０側の先端に大径のオリフィス２３が取り付けられている。

バイパス流路１３は、ボデイ１とボンネット２に形成した流路２０と、弁棒１８の中空部に形成された流路１８ａよりなり、バイパス流路１３を流れる空気の流量を調節するため、流路２０に可変絞り機構２１の一例としてのニードル弁が設置されている。該ニードル弁の開度は、弁体２２を回転させてボンネット２に対して進退させることによって調節する。

かかる構成において、図示しない真空ポンプの運転が停止し、かつ真空チャンバ内が大気圧又はそれに近いときは、該大気圧とピストン１０に作用する調圧ばね１４の付勢力との和が大気室１２内の大気圧を上回るため、弁体１９が下降して主流路６を閉鎖する。一方、吸引ポート３と真空ポート５とはバイパス流路１３によって連通しており、この状態で真空ポンプを運転すると、真空チャンバ内の雰囲気は、バイパス流路１３の可変絞り機構２１により排出量を制御されて、徐々に真空ポンプに吸引される。

従って、真空チャンバ内の雰囲気が大きく攪拌されないので、塵埃の舞い上がり等のトラブルを防止することができる。その後、真空チャンバ内のガス圧の低下により、真空作用室１１における真空圧の作用力と調圧ばね１４の付勢力との和が大気室１２の大気圧の作用力より小さくなると、ピストン１０が上昇して弁体１９が主流路６を開放する。これによって、真空チャンバ内のガスが主として主流路６を通って排出される。この場合、真空チャンバ内のガス密度が低下しているので、真空チャンバ内の雰囲気が攪拌されることはない。

また、特許文献２（実開平７−４１１７３号公報）には、特許文献１と同様の差圧式真空バルブが開示されている。しかし、特許文献２に開示された差圧式真空バルブは、バルブの閉動作を流体圧アクチュエータ等の駆動部によって行なうものである。

特開平５−２７２４５６号公報 実開平７−４１１７３号公報

差圧式の真空バルブは、特許文献１で例示したように、弁体に作用する開動作方向の力と閉動作方向の力との差圧によって開閉動作を行なうものであるため、ソレノイド式等のように強制的に弁体を動作させる方式と比べて、応答性に遅れが生じやすい。そのため、真空ポンプの稼動が停止した時、真空ポート５と吸引ポート３間に存在する差圧によって排気側（真空ポンプ側）のガスが吸引側（真空チャンバ側）に逆流する事態が発生する。これは非常に短時間で起こる。

そのため、逆流したガスにより真空チャンバの真空破壊が起こったり、真空ポンプの摩耗粉が真空チャンバに侵入して、真空チャンバ内に配置された機器類の汚染を起こすおそれがある。また、真空ポンプが給油式である場合に、真空ポンプの油が真空チャンバに侵入するおそれがある。

また、複数の真空ポンプを排気路系に配設し、複数の真空ポンプを圧力センサなどで交互運転する場合、逆流したガスによる圧力上昇を誤認識して制御が不安定になるおそれがある。特許文献１を例に取れば、バルブ開閉動作は、真空作用室１１又は大気室１２へのガスの給排により行なうので、応答性が悪く、特に、閉動作に時間がかかる。そのため、排気側から吸引側へのガスの逆流を完全に防止することができない。

バルブ開閉動作の応答性を早くするためには、弁体に作用する力を大きくしたり、即ち、特許文献１を例に取れば、ピストン１０の径を大きくしたり、あるいは真空ポンプ側排気路の流路容積を大きくして、逆流ガスの伝播速度を遅くする等の対策が考えられるが、真空バルブ又は真空装置の大型化につながるという問題がある。
また、特許文献２の差圧式真空バルブでは、バルブの閉鎖を流体圧アクチュエータ等の駆動部で行なうため、構成が複雑かつ高価になるという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、差圧式真空バルブの弁開閉動作の応答性、特に弁閉鎖時の応答性を向上させることにおり、真空ポンプ側から真空チャンバ側へのガスの逆流を防止し、これによって、真空チャンバの真空破壊や真空チャンバ内に配置された機器類の汚染を防止することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の真空バルブは、
真空ポンプと真空チャンバとに連結され該真空チャンバ内の雰囲気を排気する排気路に介設され該排気路を開閉する真空バルブにおいて、
前記排気路に介在されたバルブハウジング、及び該バルブハウジングの内部に摺動自在に収納され該バルブハウジング内に形成された弁座に当接又は離間して該排気路を開閉する弁機能体と、
該弁機能体に一体に形成され該バルブハウジング内を２つの領域に仕切る仕切り部と、
該仕切り部の一側に画成されたバネ室、及び該バネ室に装着され該弁機能体に対して該排気路を閉鎖する方向にバネ力を付勢するバネ部材と、
該仕切り部の他側に画成され該ハウジング壁に設けられた貫通孔を介して大気と連通する大気圧室と、
該バネ室を該弁機能体の出口側排気路又は該大気圧室に選択的に接続可能な連通路と、からなり、
該バネ室を該弁機能体の出口側排気路又は該大気圧室に選択的に接続させることにより該排気路を開閉するとともに、
該貫通孔から流入する大気の流量に対して該バネ室に流入する大気の流量を大きくすることにより、該排気路の急速閉塞を可能としたものである。

本発明において、真空バルブを稼動させて真空チャンバの排気運転を実施する場合には、前記連通路を介してバネ室と弁機能体の出口側排気路とを連通させて、真空ポンプを稼動する。真空バルブの稼動によって該出口側排気路は負圧になり、該出口側排気路と連通したバネ室も負圧になる。弁機能体の仕切り部には、バネ室側からバネ部材の付勢力とバネ室内のガス圧の作用力が負荷され、大気圧室側から大気圧による作用力が負荷される。バネ室が負圧となることにより、バネ室のバネ部材の付勢力とバネ室内のガス圧による作用力との和より大気圧室内の大気圧の作用力が大きくなるため、弁機能体は弁座を離れる方向に動き、排気路を開放する。

その後、真空チャンバ内を真空状態として、排気運転を終了する場合は、真空ポンプの稼動を停止すると同時に、連通路を切り替えてバネ室と大気圧室とを接続する。その際、大気圧室の貫通孔から流入する大気の流量より該バネ室に流入する大気の流量を大きくするため、一時的に大気圧室内の圧力が大気圧より低圧となり、バネ室内の圧力に近づく。即ち、大気圧室より低圧の状態で大気圧室とバネ室の圧力が均衡する。このため、弁機能体にはバネ部材の付勢力のみが負荷される結果となり、弁機能体はバネ部材の付勢力により排気路を閉鎖する方向に移動する。そして、バネ室内が大気圧に戻る時間よりも短時間で真空バルブの閉動作を行なうことができる。

このように、バネ部材による閉方向の力が弁機能体に作用するタイミングが早まり、従来よりも短時間で真空バルブを閉じることができる。従って、本発明によれば、真空バルブ又は真空装置を大型化することなく、逆流防止性能を向上させることができる。従って、逆流したガスにより真空チャンバの真空破壊が起こったり、真空ポンプの摩耗粉や潤滑油が真空チャンバに侵入して、真空チャンバ内に配置された機器類の汚染を起こすおそれがなくなる。

本発明において、前記連通路は、前記バルブハウジング壁に設けられ前記弁機能体の出口側排気路、前記大気圧室及び前記バネ室を接続する連通路と、該連通路に設けられ該バネ室を該弁機能体の出口側排気路又は該大気圧室に切換え接続する三方弁と、からなり、該大気圧室と該バネ室とを接続する連通路の流路断面を前記貫通孔の断面より大きく形成することにより、該排気路の閉塞時に該貫通孔から流入する大気の流量より該バネ室に流入する大気の流量を大きくするように構成するとよい。

かかる構成とすることにより、簡単な構成で真空バルブの弁開閉動作の応答性を向上させることができる。なお、該貫通孔の流路面積を調節することにより、大気圧室の圧力上昇速度を調整可能になるとともに、該貫通孔の流路断面積と大気圧室とバネ室を連通する連通路の流路断面積との比を適宜調整することにより、大気圧室とバネ室の圧力が均衡する時間を調整することができる。

また、本発明において、前記弁機能体を、弁棒と、該弁棒の排気路側端部に設けられバルブハウジングに形成された弁座に当接又は離間して該排気路を開閉する弁体と、該弁棒の他端に設けられ該ハウジング内をバネ室と大気圧室とに仕切る仕切り部と、からなり、該弁棒がバルブハウジングに一体に形成された支持部に摺動自在に支持され、該支持部と該仕切り部との間に該大気圧室を画成するように構成するとよい。

かかる構成とすることにより、真空バルブの構成を簡易なものとすることができるとともに、かかる簡単な構成で真空バルブの弁開閉動作の応答性を向上させることができる。

本発明によれば、真空チャンバと真空バルブとを接続する排気路に介在されたバルブハウジング、及び該バルブハウジングの内部に摺動自在に収納され該バルブハウジング内に形成された弁座に当接又は離間して該排気路を開閉する弁機能体と、該弁機能体に一体に形成され該バルブハウジング内を２つの領域に仕切る仕切り部と、該仕切り部の一側に画成されたバネ室、及び該バネ室に装着され該弁機能体に対して該排気路を閉鎖する方向にバネ力を付勢するバネ部材と、該仕切り部の他側に画成され該ハウジング壁に設けられた貫通孔を介して大気と連通する大気圧室と、該バネ室を該弁機能体の出口側排気路又は該大気圧室に選択的に接続可能な連通路と、からなり、該バネ室を該弁機能体の出口側排気路又は該大気圧室に選択的に接続させることにより該排気路を開閉するとともに、該貫通孔から流入する大気の流量に対して該バネ室に流入する大気の流量を大きくすることにより、真空バルブの構成を複雑化又は大型化することなく、弁開閉動作の応答性を向上できる。

従って、真空ポンプ停止時の排気の逆流を防止することができるため、逆流したガスにより真空チャンバの真空破壊が起こったり、真空ポンプの摩耗粉や潤滑油が真空チャンバに侵入して、真空チャンバ内に配置された機器類の汚染を起こすおそれがなくなる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
（実施形態）

図１は、本発明の実施形態に係る真空バルブの縦断立面図である。図１において、内部雰囲気を排気されて真空状態とされる真空チャンバ３１と真空ポンプ３２との間に排気路３３が接続され、排気路３３に該排気路を開閉可能とする真空バルブ３０が介設されている。以下、真空バルブ３０の構成を説明する。

真空バルブ３０は、排気路３３にバルブハウジング３４が介在され、バルブハウジング３４には、真空チャンバ３１に接続された排気路３３ａに連通する真空ポート３５と、真空ポンプ３２に接続された排気路３３ｂに連通する吸引ポート３６が形成されている。バルブハウジング３４の内部には、弁機能体４０が矢印ａ又はｂ方向に摺動可能に収納されている。

弁機能体４０は、バルブハウジング３４の長手方向に配置された弁棒４１と、真空ポート３５側に面して弁棒４１の端部に取り付けられた円板状の弁体４２と、弁棒４１の他端に取り付けられた円板状のピストン４３とから構成されている。バルブハウジング３４の略中央部には内側に突出した支持部３７がバルブハウジング３４に一体に形成され、該支持部３７が弁機能体４０をバルブハウジング３４の長手方向に摺動可能に支持している。支持部３７と弁機能体４０との間には、シール用のＯリング４４が介在されている。

バルブハウジング３４の真空ポート３５近傍には弁座３８が形成され、弁座３８に対面して弁体４２の入口側端面４２ａが配置されている。入口側端面４２ａにはＯリング４５が装着され、入口側端面４２ａが弁座３８に当接することにより、真空ポート３５が閉鎖される。また、ピストン１０のバルブハウジング３４との間にＯリング４６が設けられて、バルブハウジング３４とピストン４３との間をシールしている。これによって、ピストン４３の両側に２つの密閉空間を形成している。

ピストン４３の一側（図１中ピストン４３の左側であって、弁機能体４０の閉動作方向ａ）には、バルブハウジング３４に貫設された貫通孔４７を介して外気と連通した大気圧室５０が形成されている。一方、ピストン４３の他側（図１中ピストン４３の右側であって、弁機能体４０の開動作方向ｂ）には、バネ室５１が形成され、バネ室５１には、一端がピストン４３の一方の面４３ａに接続され、他端がバルブハウジング３４の内壁に取り付けられたコイルバネ５２が設けられている。これによって、ピストン４３には、大気圧室５０側から大気圧室５０の大気圧による作用力が負荷されるとともに、バネ室５１側からは、コイルバネ５２のバネ力とバネ室５１内のガス圧による作用力との和が負荷される。

また、バルブハウジング３４には、吸引ポート３６と、大気圧室５０と、バネ室５１とを連通する連通孔５３，５４及び５５が穿設されるとともに、バネ室５１を吸引ポート３６又は大気圧室５０に選択的に連通する三方電磁弁５６が設けられている。三方電磁弁５６は、コントローラ５７によって切り替え作動される。そして、大気圧室５０とバネ室５１とを連通する連通路５４及び５５の流路断面は貫通孔４７の流路断面より大きく形成されている。

かかる構成の本実施形態において、真空ポート３５が弁機能体４０によって閉鎖された状態で、真空チャンバ３１の排気運転を開始する。この場合の運転手順は、コントローラ５７によって三方電磁弁５６を作動させ、吸引ポート３６とバネ室５１とを連通させる。同時に、真空ポンプ３２を稼動させる。真空ポンプ３２の稼動開始によって、吸引ポート３６が急速に負圧となり、吸引ポート３６とバネ室５１とが連通しているために、バネ室５１も負圧となる。

バネ室５１が真空圧になると、弁機能体４０に負荷される開動作方向ｂの力（入口側端面４２ａに負荷される真空ポート３５のガス圧と、ピストン４３の一方の面４３ａに負荷される大気圧による作用力の和）が弁機能体４０に負荷される閉動作方向ａの力（コイルバネ５２のバネ力とバネ室５１内のガス圧による作用力との和）を上回ることになり、これによって、弁機能体４０がバネ室５１側に移動するため、真空ポート３５が開放される。この状態で真空ポンプ３２の稼動を継続し、真空チャンバ３１内の空気を真空ポンプ３２で吸引して真空チャンバ３１内のを真空状態とする。

真空チャンバ３１を真空状態とした後、真空ポンプ３２の稼動を停止する。この時、排気が真空チャンバ３１側に逆流するおそれがあるので、真空バルブ３０によって真空ポート３５を素早く閉鎖する必要がある。そのため、本実施形態では、真空ポンプ３２の停止と同時に、コントローラ５７によって三方電磁弁５６を作動させ、連通路５３と連通路５とを遮断し、連通路５４と連通路５５とを連通させる。この時バネ室５１は真空状態であるため、大気圧室５０内の空気がバネ室５１内に流入する。

大気圧室５０とバネ室５１とを連通したことによって、大気圧室５０とバネ室５１の圧力が均衡する方向に向い、一時的に大気圧室５０の圧力が大気圧室より下がり、バネ室５１の圧力に近づく。本実施形態では、貫通孔４７の断面積を連通路５４及び５５の断面積より小さくしてあるため、バネ室５１が大気圧に昇圧する前に短時間で両室間の差圧が縮まり、均衡する。これによって、ピストン４３に負荷される力はコイルバネ５２のバネ力のみとなるので、弁機能体４０が真空ポート３５を閉鎖する方向に移動する。

このように、本実施形態によれば、真空ポンプ３２の稼動停止時に、真空ポート３５を閉鎖する方向に働くタイミングが早まり、従来の真空バルブよりも短時間で排気路３３を閉鎖することができる。しかも簡単なバルブ構成で、応答性を向上でき、装置が大掛かりになることはない。これによって、真空ポンプの停止時に排気の真空チャンバ３１側への逆流を防止することができるので、真空チャンバ３１内の真空破壊や、真空ポンプ３２の磨耗粉や潤滑油が真空チャンバ３１内に侵入して、真空チャンバ３１内に設けられた機器類を汚染するのを防止することができる。

なお、貫通孔４７の断面積を適宜に調整することにより、大気圧室５０の圧力上昇速度を調節可能であるとともに、貫通孔４７の断面積に対する連通路５４及び５５の断面積の比を適宜調節することによって、弁機能体４０が弁閉鎖方向に移動するタイミングを適宜調整することができる。

本発明によれば、真空バルブの応答性を向上できるので、真空バルブ停止時に真空チャンバへの排気の逆流を防止できて、真空チャンバの真空破壊や真空チャンバ内に配置された機器類の汚染を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る真空バルブの縦断立面図である。 従来の真空バルブの縦断立面図である。

符号の説明

３０ 真空バルブ
３１ 真空チャンバ
３２ 真空ポンプ
３３ａ，３３ｂ 排気路
３４ バルブハウジング
３６ 吸引ポート（出口側排気路）
３７ 支持部
３８ 弁座
４０ 弁機能体
４１ 弁棒
４２ 弁体
４３ ピストン（仕切り部）
４７ 貫通孔
５０ 大気圧室
５１ バネ室
５２ コイルバネ（バネ部材）
５３，５４，５５ 連通路
５６ 三方電磁弁

Claims (3)

1. 真空ポンプと真空チャンバとに連結され該真空チャンバ内の雰囲気を排気する排気路に介設され該排気路を開閉する真空バルブにおいて、
   前記排気路に介在されたバルブハウジング、及び該バルブハウジングの内部に摺動自在に収納され該バルブハウジング内に形成された弁座に当接又は離間して該排気路を開閉する弁機能体と、
   該弁機能体に一体に形成され該バルブハウジング内を２つの領域に仕切る仕切り部と、
   該仕切り部の一側に画成されたバネ室、及び該バネ室に装着され該弁機能体に対して該排気路を閉鎖する方向にバネ力を付勢するバネ部材と、
   該仕切り部の他側に画成され該バルブハウジング壁に設けられた貫通孔を介して大気と連通する大気圧室と、
   該バネ室を該弁機能体の出口側排気路又は該大気圧室に選択的に接続可能な連通路と、からなり、
   該バネ室を該弁機能体の出口側排気路又は該大気圧室に選択的に接続させることにより該排気路を開閉するとともに、
   該貫通孔から流入する大気の流量に対して該バネ室に流入する大気の流量を大きくすることにより、該排気路の急速閉塞を可能としたことを特徴とする真空バルブ。
2. 前記連通路は、
   前記バルブハウジング壁に設けられ前記弁機能体の出口側排気路、前記大気圧室及び前記バネ室を接続する連通路と、該連通路に設けられ該バネ室を該弁機能体の出口側排気路又は該大気圧室に切換え接続する三方弁と、からなり、
   該大気圧室と該バネ室とを接続する連通路の流路断面を前記貫通孔の断面より大きく形成することにより、該排気路の閉塞時に該貫通孔から流入する大気の流量より該バネ室に流入する大気の流量を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ。
3. 前記弁機能体は、
   弁棒と、該弁棒の排気路側端部に設けられ前記バルブハウジングに形成された弁座に当接又は離間して該排気路を開閉する弁体と、該弁棒の他端に設けられ該バルブハウジング内を前記バネ室と前記大気圧室とに仕切る前記仕切り部と、からなり、
   該弁棒が該バルブハウジングに一体に形成された支持部に摺動自在に支持され、該支持部と該仕切り部との間に該大気圧室が画成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空バルブ。

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