JP4711046B2

JP4711046B2 - 密封構造

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Publication number: JP4711046B2
Application number: JP2004345834A
Authority: JP
Inventors: 英人行木
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: JP2006153169A

Description

本発明は、対向する二部材間に介在されてその隙間を密封する構造であって、例えば真空チャンバ等、減圧空間の密封に適した密封構造に関する。

図７は、半導体ウエハや液晶デバイス等の製造において、ドライエッチングやスパッタリング等の工程で使用される真空チャンバを概略的に示す断面図で、この真空チャンバは、排気ポート１０１ａを有するチャンバ本体１０１と、その側壁上端に開閉可能に設けられる蓋体１０２とからなり、チャンバ本体１０１と蓋体１０２の対向端部間は、シールリング３０３によって密封され、排気ポート１０１ａからの強制排気によって、内部空間Ｓが真空状態に維持されるものである。参照符号Ｗは、この真空チャンバの内部空間Ｓに収容された加工処理対象のワーク（半導体ウエハあるいは液晶デバイス等）を示している。

図８は、従来技術による密封構造として、図７の一部を拡大して示す断面図である。すなわち、シールリング３０３は、ゴム状弾性材料からなるものであって、図示の例ではチャンバ本体１０１の側壁１０１ｂの上端に周設された蟻溝状のシール装着溝１０１ｃに嵌め込まれ、このシール装着溝１０１ｃから突出した部分が、蓋体１０２の端部１０２ａに密接される。そして真空チャンバの内部空間Ｓを真空にすることによって、大気の圧力Ｐが、チャンバ本体１０１及び蓋体１０２に対してシールリング３０３を圧縮するように作用し、内部空間Ｓを真空状態に確保するのに必要な密封性を得る（例えば特許文献１，２参照）。
特開２００３−１４１２６号公報特開２００３−２４０１２３号公報

ここで、半導体ウエハあるいは液晶デバイス等の製造においては、僅かな塵埃も嫌うため、チャンバ本体１０１の側壁１０１ｂの上端と蓋体１０２の端部１０２ａとの金属接触による金属パーティクルの発生は避けなければならない。したがってシールリング３０３は、その圧縮反力によって、チャンバ本体１０１の側壁１０１ｂの上端と蓋体１０２の端部１０２ａとの間に適当な隙間Ｇを維持する機能も要求されている。しかしながら、シールリング３０３はゴム状弾性材料からなるものであるため、次のような問題が指摘される。

まず、ゴム状弾性材料で成形されたシールリング３０３は、継続使用によって経時的に永久圧縮歪（ヘタリ）を起こすため、チャンバ本体１０１の側壁１０１ｂの上端と蓋体１０２との隙間Ｇも経時的に減少し、金属接触してしまう可能性がある。

また、特許文献２のように、シール装着溝１０１ｃにおけるシールリング３０３の充填率を大きくして、シールリング３０３を過圧縮状態となるように用いることによって、所要の隙間Ｇを維持することはできるが、この場合、圧縮を受けるシールリング３０３の一部は、逃げ場を失ってシール装着溝１０１ｃの溝肩から膨れてはみ出し、この溝肩と蓋体１０２との間に噛み込まれて破損したり、摩耗による発塵が起こるおそれがある。

更に、近年は液晶テレビ用モニタ等、液晶画面のサイズ拡大に伴って、液晶デバイス製造装置における真空チャンバのサイズも拡大しており、したがってシールリング３０３が支持しなければならない荷重は増大する一方である。例えばシールリング３０３による密封部の平面形状が、一辺が2.5〜3mの正方形である場合、真空チャンバの内部空間Ｓが真空の時にシールリング３０３に作用する圧縮荷重は約70トンに達する。したがって、このような大きな荷重を支持して隙間Ｇを維持するには、シールリング３０３に断面積の大きなものを用いる必要があり、これに伴い、シール装着溝１０１ｃの幅及び深さも拡大する必要があり、その結果、真空チャンバ自体のサイズをますます大きくせざるを得ない。

しかも、シールリング３０３を、脱落防止のために図８のような蟻溝状のシール装着溝１０１ｃに装着する場合、シールリング３０３及びシール装着溝１０１ｃの断面積を大きくするほど、シールリング３０３の装着が困難になる問題も指摘される。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、密封対象空間への発塵や、シールリングの過圧縮による破損を有効に防止することの可能な密封構造を提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る密封構造は、互いに対向して真空チャンバの開閉部を構成する二部材のうち一方に形成された蟻溝状のシール装着溝に嵌め込まれて他方と密接され、強制排気により減圧された真空チャンバの内部空間を密封するゴム状弾性材料からなるシールリングと、このシールリングに対して前記内部空間と反対側に配置されて前記二部材のうち一方又は他方に保持され前記シールリングより剛性の大きなスペーサとを備え、前記二部材間への前記スペーサの突出高さが、非圧縮時における前記シールリングの前記シール装着溝からの突出高さよりも低く、前記スペーサが前記シールリングと共に前記シール装着溝に保持され、前記シール装着溝の傾斜した内側面と嵌合する形状をなすものである。

上記構成において、互いに対向して真空チャンバの開閉部を構成する二部材のうち一方に形成されたシール装着溝に嵌め込まれたシールリングは、他方の部材との間で圧縮されることにより密封機能を発揮する。そして、前記二部材に作用する荷重によるシールリングの圧縮は、スペーサによって制限され、すなわち前記二部材間の隙間の減少は、前記スペーサの突出高さによって制限される。また、スペーサはシールリングに対して内部空間と反対側に配置されるので、前記二部材とスペーサとの接触により発生する微塵は、強制排気により減圧された内部空間への侵入をシールリングにより遮断される。

請求項２の発明に係る密封構造は、請求項１に記載の構成において、スペーサのシールリング側を向いた内側面がシール装着溝への挿入端部側ほど大きく溝内へ張り出すように傾斜したものである。

請求項１〜２の発明に係る密封構造によれば、互いに対向して真空チャンバの開閉部を構成する二部材に作用する荷重による前記二部材間の隙間の減少がスペーサによって制限されるので、この二部材の接触によるパーティクルの発生が防止され、シールリングの過圧縮による噛み込みや破損も防止される。また、シールリング自体は、二部材間に所要の隙間を確保するための支持機能が不要であるので、その断面積を大きくする必要がない。更に、スペーサはシールリングの外側に配置されるので、スペーサから発生する微塵は、強制排気により減圧された内部空間への侵入をシールリングにより遮断される。このため、パーティクル等の微塵の侵入を嫌う空間の密封手段として、優れた効果を奏し、しかもシール装着溝からのシールリング及びスペーサの脱落を有効に防止することができる。

請求項２の発明に係る密封構造によれば、シール装着溝にスペーサを挿入した後でのシールリングの挿入を容易にすることができ、しかもシールリングに圧縮荷重が加わった時に、スペーサの傾斜面との圧接による圧縮反力が大きくなって他方の部材に対するシールリングの密接力を高めるので、密封性を向上することができる。

以下、本発明に係る密封構造の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る密封構造の第一の形態を、真空チャンバと共に概略的に示す断面図、図２は、図１におけるII−II線上の平面図、図３は、第一の形態による密封構造を示す開放状態の断面図、図４及び図５は、第一の形態による密封構造を示す密封状態の断面図である。

まず図１に示される真空チャンバは、半導体ウエハや液晶デバイス等の製造において、ドライエッチングやスパッタリング等の工程で使用されるものであり、排気ポート１ａを有するチャンバ本体１と、その上端開放部に開閉可能に設けられる蓋体２とからなる。なお、チャンバ本体１は請求項１に記載の互いに対向して真空チャンバの開閉部を構成する二部材のうちの一方に相当し、蓋体２は前記二部材のうちの他方に相当する。

チャンバ本体１と蓋体２の対向端部間は、シールリング３によって密封され、排気ポート１ａからの強制排気によって、内部空間Ｓが真空状態に維持されるようになっている。参照符号Ｗは、内部空間Ｓに収容された加工処理対象のワーク（半導体ウエハあるいは液晶デバイス等）を示している。

シールリング３は、ゴム状弾性材料で成形されたものであって、発塵しにくいものであれば、特にその断面形状は問わないが、例えば断面形状が円形のＯリングが用いられる。そしてこのシールリング３は、図３に示されるように、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに沿って無端状に形成されたシール装着溝１２に、スペーサ４と共に半挿入状態に保持される。

なお、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａは、図２に示されるように、平面形状が、角を丸めた略正方形をなしており、したがって、シール装着溝１２も、これと相似の形状をなして延びている。

シール装着溝１２は蟻溝状に形成され、すなわち溝幅方向に対向する内側面１２１，１２２が、溝底面１２３側で溝幅を拡大するように傾斜しており、したがって、溝底面１２３の幅よりも、溝肩１２１ａ，１２２ａ間の幅が狭くなっている。スペーサ４は、シールリング３のゴム状弾性材料よりも剛性が大きく、しかも耐摩耗性に優れた、例えばＰＴＦＥ等の合成樹脂材料からなるものであって、断面がシール装着溝１２の傾斜した内側面１２２と嵌合する形状をなし、シールリング３側を向いた内側面４１がシール装着溝１２の溝底面１２３に対して垂直に立ち上がっており、その反対側の外側面４２が、シール装着溝１２における内側面１２２と対応する傾斜面をなしている。したがって、このスペーサ４は、突出端部４ａから挿入端部４ｂへ向けて漸次肉厚が増大しており、平面形状が角を丸めた略正方形状をなすシール装着溝１２の直線状に延びる部分（４箇所）に、それぞれシールリング３の外側（内部空間Ｓと反対側）に位置して保持されている。

また、図３に示されるように、このスペーサ４は、チャンバ本体１と蓋体２の対向方向に対する長さＬが、非圧縮状態でのシールリング３の断面径φ_３よりも小さく、シール装着溝１２の溝深さｄよりも大きい。したがって、スペーサ４はシール装着溝１２から高さｈ_４だけ突出しており、この突出高さｈ_４は、非圧縮時におけるシールリング３のシール装着溝１２からの突出高さｈ_３よりも低いものとなっている。

なお、シール装着溝１２からのスペーサ４の突出高さｈ_４は、シールリング３の最大圧縮率（許容圧縮率）を考慮して設定される。すなわち、シールリング３は、圧縮し過ぎると割れを発生してしまうので、シール装着溝１２の溝底面１２３と、蓋体２の下面２１ａとの間でのシールリング３の圧縮量が前記最大圧縮率を超えず、かつチャンバ本体１と蓋体２の対向面１１ａ，２１ａが金属接触しないように、前記突出高さｈ_４を設定する必要がある。Ｏリングの場合、一般に、最大圧縮率を３０％として推奨しており、したがって、シールリング３にＯリングを用いた図示の形態では、チャンバ本体１と蓋体２の対向方向に対するスペーサ４の長さＬを、シールリング３の断面径φ_３の７０％以上とすることが好ましい。

シールリング３は、その断面の中心が溝肩１２１ａ，１２２ａより溝内に位置するように、シール装着溝１２に嵌め込まれており、スペーサ４は、その外側面４２がシール装着溝１２における内側面１２２と傾斜面同士で嵌合すると共に、内側面４１が、シールリング３における外周面３２に密接されている。

以上の構成において、図１に示されるように、チャンバ本体１の側壁１１の上端開放部を蓋体２で閉塞した状態で、排気ポート１ａから強制排気することによって、内部空間Ｓを真空にすると、大気の圧力が、チャンバ本体１及び蓋体２を互いに接近させるように作用する。このため、図４に示されるように、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに形成されたシール装着溝１２の溝底面１２３と、蓋体２の端部２１の下面２１ａとの間でシールリング３が圧縮され、その圧縮反力によって、内部空間Ｓを真空状態に維持するのに必要な密封性を確保することができる。

このとき、シールリング３の長期使用による永久圧縮歪（ヘタリ）や、真空チャンバのサイズの大型化に起因する大気の圧力による蓋体２からの荷重の増大によって、図４に示される状態から更にシールリング３の圧縮を伴いながら、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに対して蓋体２の端部２１が近接して行くと、図５に示されるように、蓋体２の端部２１の下面２１ａがスペーサ４の突出端部４ａに当接して支持される。そして、スペーサ４は、シールリング３に比較して十分に剛性が大きいＰＴＦＥ等の合成樹脂材料からなるため、チャンバ本体１と蓋体２の対向面１１ａ，２１ａ間の隙間Ｇは、図３に示されるスペーサ４の突出高さｈ_４よりも小さくなることはなく、シールリング３の圧縮は、スペーサ４によって最大圧縮率以下に制限される。また、内部空間Ｓを真空状態に維持するのに必要なシールリング３の圧縮量は、当然確保される。

このため、チャンバ本体１と蓋体２の対向端部１１，２１の金属接触による金属パーティクルの発生が防止され、しかも、スペーサ４は、シールリング３の外側に位置するため、このスペーサ４が蓋体２の端部２１と接触することにより発生したパーティクルは、シールリング３によって、チャンバの内部空間Ｓへの侵入が遮断される。したがって、図１及び図２に示される半導体ウエハあるいは液晶デバイス等のワークＷが、パーティクルによる悪影響を受けるのを有効に防止することができる。

また、図４又は図５に示される密封状態において、シールリング３がゴム状弾性材料の粘着性によって、蓋体２の端部２１の内側面と粘着した場合は、チャンバの内部空間Ｓの真空状態を解除して、蓋体２をチャンバ本体１から開放動作させる際に、この蓋体２の動作に追随してシールリング３がシール装着溝１２から飛び出そうとする。しかしながら、図３に示されるように、シールリング３は、その断面の中心Ｏが溝肩１２１ａ，１２２ａより溝内に位置するようにシール装着溝１２に嵌め込まれているため、このシールリング３の内周面３１のうち、断面の中心Ｏよりも溝外部側に位置する部分３１ａが、シール装着溝１２における内部空間Ｓ側の傾斜した内側面１２１（溝肩１２１ａ）に密接することによって係止され、すなわち、シールリング３の断面径φ_３が、溝肩１２１ａとスペーサ４の内側面４１との間の幅よりも大きいため、シール装着溝１２からの飛び出しが有効に防止される。

更に、この形態によれば、スペーサ４がシールリング３と共にシール装着溝１２に保持されるため、装着スペースを小さく抑えることができる。

しかも、スペーサ４は、その外側面４２がシール装着溝１２における内側面１２２と傾斜面同士で嵌合しているため、シール装着溝１２からシールリング３と共に飛び出そうとすると、このシールリング３をシール装着溝１２の内側面１２１へ押し付けることになり、したがって、このことも、シール装着溝１２からの飛び出し防止に寄与する。

そして上述のように、シールリング３及びスペーサ４がシール装着溝１２から飛び出しにくくなっているにも拘らず、シール装着溝１２への装着の際には、先にスペーサ４を挿入してから、シールリング３を挿入することによって、容易に装着することができる。

更に、この形態によれば、スペーサ４がシールリング３と共にシール装着溝１２に保持されているため、装着スペースを小さく抑えることができると共に、突出端部４ａから挿入端部４ｂへ向けて漸次肉厚を増大する形状であるため、高い剛性を得ることができる。

次に、図６は、本発明の第二の形態による密封構造を示す密封状態の断面図である。この第二の形態は、第一の形態と同様、シール装着溝１２が蟻溝状に形成され、スペーサ４がシール装着溝１２の傾斜した内側面１２２と嵌合する形状をなしている。第一の形態と異なるところは、シールリング３の外周面３２と密接されるスペーサ４の内側面４１が、シール装着溝１２への挿入端部４ｂ側ほど大きく溝内へ張り出すように傾斜している。

以上の構成を備える第二の形態も、第一の形態と同様に、チャンバ本体１の上端開放部を蓋体２で閉塞した状態で、内部空間Ｓを真空にすると、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに形成されたシール装着溝１２の溝底面１２３と、蓋体２の端部２１との間でシールリング３が圧縮され、その圧縮反力によって、内部空間Ｓを真空状態に維持するのに必要な密封性が確保される。

しかも、スペーサ４の内側面４１が、挿入端部４ｂ側ほど大きく溝内へ張り出すように傾斜しているため、シールリング３が圧縮によって溝内へ変位するのに伴ってスペーサ４の内側面４１との圧接力も増大し、その反力が、蓋体２の内側面との密接力を増大するように作用するので、一層優れた密封性を奏する。

また、シールリング３の永久圧縮歪や、真空チャンバのサイズの大型化に起因する荷重の増大によって、チャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに対して更に蓋体２の端部２１が近接して行った場合は、蓋体２の下面２１ａがスペーサ４の突出端部４ａに当接して図６の状態となる。したがって、チャンバ本体１と蓋体２の対向面１１ａ，２１ａの金属接触による金属パーティクルの発生が防止され、スペーサ４が蓋体２の下面２１ａと接触することにより発生するパーティクルのチャンバ内部空間Ｓへの侵入は、シールリング３によって遮断され、更にシールリング３の圧縮が、スペーサ４によって最大圧縮率以下に制限される。

また、シールリング３は、その断面の中心が溝肩１２１ａ，１２２ａより溝内に位置しているため、このシールリング３の内周面３１のうち、断面の中心よりも溝外部側に位置する部分３１ａが、シール装着溝１２における内部空間Ｓ側の傾斜した内側面１２１（溝肩１２１ａ）に密接することによって係止され、シール装着溝１２からの飛び出しが有効に防止される。

しかも、スペーサ４は、その外側面４２がシール装着溝１２における内側面１２２と傾斜面同士で嵌合すると共に、シールリング３と密接された内側面４１が、挿入端部４ｂ側ほど大きく張り出すように傾斜しているため、シール装着溝１２からシールリング３と共に飛び出そうとすると、傾斜した内側面４１が、シールリング３をシール装着溝１２の内側面１２１へ押し付けるように作用する。したがって、このことも、シール装着溝１２からの飛び出し防止に寄与する。

そして、シール装着溝１２を蟻溝状とすることによって、シールリング３及びスペーサ４を飛び出しにくくしたにも拘らず、シール装着溝１２への装着の際には、先にスペーサ４を挿入してから、シールリング３を挿入することによって、容易に装着することができる。これは、スペーサ４の内側面４１がシール装着溝１２の内側面１２１の倒れ込み方向へ開くように傾斜していることによって、シール装着溝１２内における実質的なシールリング挿入空間が、溝入口側で狭まらない形状となっており、しかもシールリング３をシール装着溝１２へ挿入する際に、このシールリング３が、スペーサ４の内側面４１によって図６における左側へ案内されるからである。

更に、この形態によれば、第一の形態と同様、装着スペースを小さく抑えることができると共に、突出端部４ａから挿入端部４ｂへ向けて漸次肉厚を増大する形状であるため、高い剛性を得ることができる。

なお、図示の形態はいずれも、シール装着溝１２がチャンバ本体１の側壁１１の上端面１１ａに形成され、すなわちシールリング３及びスペーサ４がチャンバ本体１側に装着されているが、逆に、シール装着溝１２を蓋体２側に形成し、すなわちシールリング３及び（又は）スペーサ４を蓋体２側に保持した構成とすることもできる。

本発明に係る密封構造の第一の形態を、真空チャンバと共に概略的に示す断面図である。図１におけるII−II線上の平面図である。本発明に係る第一の形態による密封構造を示す開放状態の断面図である。本発明に係る第一の形態による密封構造を示す密封状態の断面図である。本発明に係る第一の形態による密封構造を示す密封状態（スペーサの接触状態）の断面図である。本発明に係る第二の形態による密封構造を示す密封状態（スペーサの接触状態）の断面図である。半導体や液晶の製造等において用いられる真空チャンバを概略的に示す断面図である。従来技術による密封構造として、図７の一部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１チャンバ本体（二部材のうち一方の部材）
１ａ排気ポート
１１側壁
１１ａ上端面
１２シール装着溝
１２１，１２２内側面
１２１ａ，１２２ａ溝肩
１２３溝底面
１３スペーサ装着溝
２蓋体（二部材のうち他方の部材）
２１端部
２１ａ下面
３シールリング
３１内周面
３２外周面
４スペーサ
４ａ突出端部
４ｂ挿入端部
４１内側面
４２外側面
Ｓ内部空間
Ｗワーク

Claims

互いに対向して真空チャンバの開閉部を構成する二部材（１，２）のうち一方に形成された蟻溝状のシール装着溝（１２）に嵌め込まれて他方と密接され、強制排気により減圧された真空チャンバの内部空間（Ｓ）を密封するゴム状弾性材料からなるシールリング（３）と、このシールリング（３）に対して前記内部空間（Ｓ）と反対側に配置されて前記二部材（１，２）のうち一方又は他方に保持され前記シールリング（３）より剛性の大きなスペーサ（４）とを備え、前記二部材（１，２）間への前記スペーサ（４）の突出高さ（ｈ_４）が、非圧縮時における前記シールリング（３）の前記シール装着溝（１２）からの突出高さ（ｈ_３）よりも低く、前記スペーサ（４）が前記シールリング（３）と共に前記シール装着溝（１２）に保持され、前記シール装着溝（１２）の傾斜した内側面（１２２）と嵌合する形状をなすことを特徴とする密封構造。
スペーサ（４）のシールリング（３）側を向いた内側面（４１）がシール装着溝（１２）への挿入端部（４ｂ）側ほど大きく溝内へ張り出すように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の密封構造。