CN104747539A - 一种密封装置及等离子体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封装置及等离子体加工设备；其包括气源、单作用气缸、压力控制阀和控制器；其中，气源用于向单作用气缸输送具有预设供气压力的气体；单作用气缸的柱塞在供气压力的作用下朝向反应腔室施加推力，以使反应腔室与相应设备夹紧位于二者之间的弹性密封件，从而实现对连通反应腔室与相应设备的开口进行密封；压力控制阀设置在位于气源和单作用气缸之间的气路上，用以调节供气压力；控制器用于校准压力调节阀输出的气压值，以校正压力调节阀输出的气压值与气压标准值之间的偏差。上述密封装置可以使反应腔室在其与相应设备之间的开口的密封的过程中承受较小的冲击和推力，从而防止反应腔室在上述密封过程中受到损伤。

Description

一种密封装置及等离子体加工设备

技术领域

本发明涉及微电子加工技术领域，具体地，涉及一种密封装置及

等离子体加工设备。

背景技术

在等离子体加工设备中，对被加工工件的工艺处理是通过将被加工工件置于反应腔室内部，使其与通入反应腔室内部的工艺气体在一定的工艺条件下发生反应而实现的。在上述过程中，工艺气体一般为有毒有害的气体，工艺条件一般包括高温。而在实际使用中，为防止工艺气体发生泄漏，对人员和设备造成伤害，需要对反应腔室进行严格的密封。并且，由于上述工艺中反应腔室内的温度较高，反应腔室一般采用耐高温的石英材料制成；而石英材料性质较脆，在受力不均时容易开裂，且不耐冲击，这使得对反应腔室的密封，必须使反应腔室受力均匀，且对其的冲击不能过大。

图1为现有的反应腔室的结构示意图。如图1所示，该反应腔室的前后两侧具有开口，用以与传输腔室、气体输运系统等相应设备连通；其中，反应腔室的前侧（即图1中的左侧）的开口处设有前端石英法兰1、前端金属法兰3，且前端石英法兰1和前端金属法兰3之间通过O型密封圈密封；反应腔室的后侧（及图1中的右侧）的开口处设有后端石英法兰2、后端金属法兰4，且后端石英法兰2和后端金属法兰4之间通过O型密封圈密封；此外，反应腔室的后端设有气动顶针机构5，该气动顶针机构5固定于一固定件上，并与后端金属法兰4连接，用以在工艺过程中向后端金属法兰4施加一定的压力，使其与后端石英法兰2压紧，并使前端石英法兰1和前端金属法兰3之间压紧，从而实现对反应腔室的密封。

具体地，如图2所示，气动顶针机构5包括缸筒51，缸筒51内部设有活塞52，用于沿缸筒51内壁滑动，并将缸筒51内部分为驱动腔511和复位腔512；其中，驱动腔511内部设有与活塞52连接的驱动弹簧53；复位腔512内部设有活塞杆54，该活塞杆54的两端分别与活塞52和后端金属法兰4连接；并且，复位腔512与一气源（图中未示出）连接，用以由气源向复位腔512内输入气体；且在气源与复位腔512之间设有调压阀6和压力表7，其中，调压阀6用于调节气源向复位腔512输入的气体的气压，压力表7用于检测气源向复位腔512输入的气体的气压值。在工艺过程中，通过驱动弹簧53向后端金属法兰4施加压力，在此过程中，通过手动调节调压阀6，调节气源向复位腔512内通入气体的气压，从而可以调节驱动弹簧53向后端金属法兰4施加的压力的大小，使后端金属法兰4和后端石英法兰2之间、前端石英法兰1和前端金属法兰3之间压紧，将反应腔室密封。

但在实际应用中，上述气动顶针机构5不可避免地存在下述问题：

首先，在使用气动顶针机构5对反应腔室进行密封的过程中，通过调节调压阀6，可以调节后端金属法兰4所受到的压力，但却无法获得后端金属法兰4所受到的压力的数值，这使得在气动顶针机构5对反应腔室的密封过程中，不能准确地得知反应腔室的密封状态，而只能在完成反应腔室的密封后，通过向反应腔室内通入气体，如H₂等，并检测通入反应腔室中的H₂等气体是否泄漏来确定反应腔室的密封效果；从而导致在反应腔室的密封过程中，气动顶针机构5对后端金属法兰4施加的压力较大时，反应腔室可以被良好地密封，但却要承受较大的压力和冲击，这样在使用过程中，反应腔室承受的压力和冲击会对其造成损伤，甚至造成局部开裂，导致工艺气体的泄漏；反之，若气动顶针机构5对后端金属法兰施加的压力较小，则会造成反应腔室的密封效果不佳，从而在向反应腔室内通入H₂时，检测仪器可以检测出H₂从反应腔室中泄漏，这样不仅导致反应腔室需要重新密封，从而增加工作量和宕机时间，而且通入反应腔室的H₂还可能爆炸，危及人员和设备安全。

其次，在气动顶针机构5中，驱动弹簧53提供对后端驱动法兰4的压力，这使得在实际应用中，特别是在后端驱动法兰4连接多个气动顶针机构5的情况下，驱动弹簧53在加工过程中的误差会显著影响后端驱动法兰4受到的压力大小及其受力的均匀性，使石英法兰与金属法兰之间不能压紧，进而影响反应腔室的密封效果。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种密封装置及等离子体加工设备，其可以准确地控制弹性密封件密封反应腔室与相应设备的开口时单作用气缸内所需的气压，从而避免因施加的气压过小而使气体从反应腔室中泄漏，或因施加的气压过大而损坏反应腔室。

为实现本发明的目的而提供一种密封装置，其包括气源、单作用气缸、压力控制阀和控制器，所述气源用于向所述单作用气缸输送具有预设供气压力的气体，所述单作用气缸的柱塞在所述供气压力的作用下朝向所述反应腔室施加推力，以使所述反应腔室与相应设备夹紧位于二者之间的弹性密封件，从而实现对连通所述反应腔室与相应设备的开口进行密封；所述压力控制阀设置在位于所述气源和单作用气缸之间的气路上，用以调节所述供气压力；所述控制器用于校准所述压力调节阀输出的气压值，以校正所述压力调节阀输出的气压值与气压标准值之间的偏差；所述气压标准值是指预设的所述弹性密封件密封所述反应腔室与相应设备的开口时所述单作用气缸内所需的气压。

其中，所述控制器包括PID控制器，所述PID控制器用于根据所述压力调节阀当前输出的气压值、所述供气压力、所述气压标准值以及所述压力调节阀的输入输出特性，而校准所述压力调节阀输出的气压值。

其中，所述气压标准值为被压缩的所述弹性密封件在其单位面积上所受的力和受力面积的乘积；其中，被压缩的所述弹性密封件在其单位面积上所受的力根据下述公式获得，即：

σ=1.1（1.02-β）E

其中，σ为被压缩的所述弹性密封件在其单位面积上所受的力，单位为MPa；β为弹性密封件的压缩量系数，且0.7＜β＜0.95；E为弹性模量，单位为MPa。

其中，根据所述弹性密封件的材料和硬度，并通过查询经验图表而获得所述弹性模量。

其中，所述弹性密封件的材料为氟橡胶，且所述氟橡胶的硬度为70～85。

其中，所述单作用气缸的数量为多个，且多个所述单作用气缸相互并联。

其中，所述密封装置还包括调压阀，所述调压阀设于所述气源与压力控制阀之间，用以调节由气源输出的气体的供气压力。

其中，所述单作用气缸包括缸体、柱塞和弹簧，其中所述柱塞的位于所述缸体内的一端将所述缸体分隔成第一空间和第二空间，所述气路的进气端与所述气源连接，所述气路的出气端与所述第一空间连接；并且，所述柱塞的另一端穿过所述第二空间，并朝向所述反应腔室的方向延伸至所述缸体之外；所述弹簧设置在所述第二空间内，用以向所述柱塞施加弹力，且所述弹力与所述第一空间内的压缩空气向所述柱塞施加的压力方向相反。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括并行设置的反应腔室和传输腔室，以及密封装置，所述密封装置用于朝向所述反应腔室施加推力，以使所述反应腔室与传输腔室夹紧位于二者之间的弹性密封件，从而实现对连通所述反应腔室与传输腔室的开口进行密封，其中，所述密封装置采用本发明提供的上述密封装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的密封装置，其通过借助压力控制阀调节由气源向单作用气缸输送的气体的供气压力，并借助控制器校准压力调节阀输出的气压值，以校正压力调节阀输出的气压值与气压标准值之间的偏差，可以准确地控制弹性密封件密封反应腔室与相应设备的开口时单作用气缸内所需的气压，从而不仅可以避免因施加的气压过小而使气体从反应腔室中泄漏，或者因施加的气压过大而损坏反应腔室的问题，进而可以提高等离子体加工设备的可靠性；而且，还可以避免弹性密封件因受力过大而产生永久变形，进而可以提高弹性密封件的使用寿命，降低等离子体加工设备的使用成本。此外，由于上述密封装置无需进行人工调节，就可以自动准确地控制弹性密封件密封反应腔室与相应设备的开口时单作用气缸内所需的气压，从而可以降低人力成本，提高工艺效率。

本发明提供的等离子体加工设备，其采用本发明提供的密封装置，不仅可以提高设备的可靠性、降低使用成本，而且还可以避免弹性密封件因受力过大而产生永久变形，从而可以提高弹性密封件的使用寿命，降低等离子体加工设备的使用成本。

附图说明

图1为现有的反应腔室的结构示意图；

图2为气动顶针机构的工作原理示意图；

图3为本发明的实施例提供的密封装置的示意图；以及

图4为表示压力控制阀的输入电压与输出气体压力之间的关系的示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的密封装置及等离子体加工设备进行详细描述。

图3为本发明的实施例提供的密封装置的示意图。请参看图3，密封装置包括气源10、单作用气缸20、弹性密封件、压力控制阀40和控制器50；其中，气源10与单作用气缸20之间具有连接二者的气路101，使气源10可沿气路101向单作用气缸20输送具有预设供气压力的气体，在该供气压力的作用下，单作用气缸20的柱塞21朝向反应腔室（图中未示出）施加推力，以使反应腔室与相应设备夹紧位于二者之间的弹性密封件，从而实现对连通反应腔室与相应设备的开口进行密封。容易理解，本实施例中提及的相应设备，是指与反应腔室相邻设置，且与通过设置在二者之间的开口与反应腔室连通的设备，例如用于传输被加工工件的传输腔室，或者用于装卸被加工工件的装卸系统等设备。而且，弹性密封件可以为密封圈，其设置在连通反应腔室与相应设备的开口外围，用以密封该开口，从而防止反应腔室中的气体泄漏。

下面对单作用气缸的结构进行详细描述。具体地，在本实施例中，单作用气缸20包括缸体22、柱塞21和弹簧23，其中，柱塞21的位于缸体22内的一端将缸体22分隔成第一空间201和第二空间202，气路101的进气端与气源10连接，气路101的出气端与第一空间201连接；并且，柱塞21的另一端穿过第二空间202，并朝向反应腔室的方向延伸至缸体22之外；弹簧23设置在第二空间202内，用以向柱塞21施加弹力，且该弹力与第一空间201内的气体向柱塞21施加的压力方向相反。在工作过程中，柱塞21受到弹簧23的弹力和第一空间201内的气体压力的共同作用，当弹簧23的弹力大于柱塞21所受到的第一空间201内的气体压力时，柱塞21无法朝向反应腔室施加推力；而当柱塞21所受到的第一空间201内的气体压力大于弹簧23的弹力时，在第一空间201内的气体压力驱动下，柱塞21克服弹簧23的弹力，朝向反应腔室施加推力，使使反应腔室与相应设备夹紧位于二者之间的弹性密封件，从而将反应腔室的开口密封。

压力控制阀40设置在位于气源10和单作用气缸20之间的气路上，用以调节供气压力。控制器50用于校准压力调节阀40输出的气压值，以校正压力调节阀40输出的气压值与气压标准值之间的偏差；该气压标准值是指预设的弹性密封件密封反应腔室与相应设备的开口时单作用气缸20内所需的气压。在实际应用中，控制器50包括PID控制器，该PID控制器用于根据压力调节阀40当前输出的气压值、供气压力、气压标准值以及压力调节阀40的输入输出特性，而校准压力调节阀40输出的气压值。

上述密封装置，其通过借助压力控制阀40调节由气源10向单作用气缸20输送的气体的供气压力，并借助控制器50校准压力调节阀40输出的气压值，以校正压力调节阀40输出的气压值与气压标准值之间的偏差，可以准确地控制弹性密封件密封反应腔室与相应设备的开口时单作用气缸20内所需的气压，从而不仅可以避免因施加的气压过小而使气体从反应腔室中泄漏，或者因施加的气压过大而损坏反应腔室的问题，进而可以提高等离子体加工设备的可靠性；而且，还可以避免弹性密封件因受力过大而产生永久变形，进而可以提高弹性密封件的使用寿命，降低等离子体加工设备的使用成本。此外，由于上述密封装置无需进行人工调节，就可以自动准确地控制弹性密封件密封反应腔室与相应设备的开口时单作用气缸20内所需的气压，从而可以降低人力成本，提高工艺效率。

在实际应用中，气压标准值为被压缩的弹性密封件在其单位面积上所受的力和受力面积的乘积；其中，被压缩的弹性密封件在其单位面积上所受的力根据下述公式获得，即：

σ=1.1（1.02-β）E   （1）

其中，σ为被压缩的弹性密封件在其单位面积上所受的力，单位为MPa；β为弹性密封件的压缩量系数，且0.7＜β＜0.95；E为弹性模量，单位为MPa。

在上述公式（1）中，首先需要确定反应腔室和相应设备的开口密封，且反应腔室受到的冲击和推力较小时，弹性密封件需要被压缩的压缩量系数β；弹性模量E则根据制作弹性密封件的材料及该材料的硬度，通过查询经验图表获得，其中，经验图表是指教科书、技术手册或其他材料上记载的表示相应材料与该材料对应的弹性模量的图表。

以制作弹性密封件的材料为氟橡胶为例，氟橡胶的硬度为70～85，在此情况下，通过查询经验图表，可以得出弹性密封件的弹性模量E=6.8MPa；并且，若反应腔室和相应设备的开口密封，且反应腔室受到的冲击和推力较小时，弹性密封件需要被压缩的压缩量系数β=0.7，则据此可以确定反应腔室与相应设备的开口密封时弹性密封件上的压强σ=1.1（1.02-0.7）×6.8=2.02MPa；在此基础上，通过计算弹性密封的受力面积，可以确定反应腔室与相应设备的开口密封时，弹性密封件所需要承受的推力，即单作用气缸20朝向反应腔室所施加的推力；而后根据柱塞21与第一空间201的接触面积，则可以确定第一空间201内所需的气压。

通过上述方式获得第一空间201内所需的气压，也就是气压标准值后，控制器50校准压力调节阀40输出的气压值；具体地，在本实施例中，压力控制阀40为比例调节阀，在PID控制器的控制下，其输入电压与输出气体压力之间的关系如图4所示，压力控制阀40输出的气体压力与其输入电压呈线性关系，根据压力控制阀40的该输入输出特性，压力调节阀40当前输出的气压值、气源的供气压力和通过上述方式获得的气压标准值，可以通过调节压力控制阀40的输入电压将压力控制阀40输出的气体压力调节至气压标准值，实现控制器50对压力调节阀40输出的气压值的校准。

在本实施例中，优选地，单作用气缸20的数量为多个，且该多个单作用气缸20相互并联，在密封过程中，由气源10提供的气体在经过气路101之后开始分流，并同时流向各个单作用气缸20内，换言之，通过采用多个并联的单作用气缸20，可以将总的供气压力平均分配在反应腔室的受力平面的各个区域，从而不仅可以避免反应腔室因受力过于集中而损坏，而且还可以提高弹性密封件的受力均匀性，从而可以进一步提高密封效果。

在本实施例中，优选地，密封装置还包括调压阀60，该调压阀60设于气源10与压力控制阀40之间，用以调节由气源10输出的气体的供气压力，使输往压力控制阀40的气体压力稳定且处于合适的压力范围，从而在控制器50通过压力控制阀40控制单作用气缸20内的气体压力时具有稳定的供气压力，使其控制和调节过程更加简单。

需要说明的是，在实际应用中，反应腔室与相应设备密封连接的连接方式可以为：具体地，分别对应地在反应腔室与相应设备相对的侧壁上，且与连通二者的开口相对应的位置处设置有第一连接件和第二连接件，在反应腔室与相应设备各自的开口连通时，第一连接件和第二连接件相互对接；弹性密封件置于第一连接件和第二连接件之间，用以对二者之间的间隙进行密封，从而密封连通反应腔室与相应设备的开口。在实际应用中，第一连接件和第二连接件可以为一对环形法兰。

作为另一个技术方案，本发明的实施例还提供一种等离子体加工设备，其包括并行设置的反应腔室和传输腔室，以及密封装置，其中，密封装置用于朝向反应腔室施加推力，以使反应腔室与传输腔室夹紧位于二者之间的弹性密封件，从而实现对连通反应腔室与传输腔室的开口进行密封，并且，该密封装置采用本发明上述实施例提供的密封装置。

本发明的实施例提供的等离子体加工设备，其采用本发明上述实施例提供的密封装置，不仅可以提高设备的可靠性、降低使用成本，而且还可以避免弹性密封件因受力过大而产生永久变形，从而可以提高弹性密封件的使用寿命，降低等离子体加工设备的使用成本。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种密封装置，其包括气源和单作用气缸，所述气源用于向所述单作用气缸输送具有预设供气压力的气体，所述单作用气缸的柱塞在所述供气压力的作用下朝向所述反应腔室施加推力，以使所述反应腔室与相应设备夹紧位于二者之间的弹性密封件，从而实现对连通所述反应腔室与相应设备的开口进行密封，其特征在于，所述密封装置还包括压力控制阀和控制器，其中

所述压力控制阀设置在位于所述气源和单作用气缸之间的气路上，用以调节所述供气压力；

所述控制器用于校准所述压力调节阀输出的气压值，以校正所述压力调节阀输出的气压值与气压标准值之间的偏差；所述气压标准值是指预设的所述弹性密封件密封所述反应腔室与相应设备的开口时所述单作用气缸内所需的气压。

2.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述控制器包括PID控制器，所述PID控制器用于根据所述压力调节阀当前输出的气压值、所述供气压力、所述气压标准值以及所述压力调节阀的输入输出特性，而校准所述压力调节阀输出的气压值。

3.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述气压标准值为被压缩的所述弹性密封件在其单位面积上所受的力和受力面积的乘积；

其中，被压缩的所述弹性密封件在其单位面积上所受的力根据下述公式获得，即：

σ=1.1（1.02-β）E

其中，σ为被压缩的所述弹性密封件在其单位面积上所受的力，单位为MPa；β为弹性密封件的压缩量系数，且0.7＜β＜0.95；E为弹性模量，单位为MPa。

4.根据权利要求3所述的密封装置，其特征在于，根据所述弹性密封件的材料和硬度，并通过查询经验图表而获得所述弹性模量。

5.根据权利要求3所述的密封装置，其特征在于，所述弹性密封件的材料为氟橡胶，且所述氟橡胶的硬度为70～85。

6.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述单作用气缸的数量为多个，且多个所述单作用气缸相互并联。

7.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述密封装置还包括调压阀，所述调压阀设于所述气源与压力控制阀之间，用以调节由气源输出的气体的供气压力。

8.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述单作用气缸包括缸体、柱塞和弹簧，其中

所述柱塞的位于所述缸体内的一端将所述缸体分隔成第一空间和第二空间，所述气路的进气端与所述气源连接，所述气路的出气端与所述第一空间连接；并且，所述柱塞的另一端穿过所述第二空间，并朝向所述反应腔室的方向延伸至所述缸体之外；

所述弹簧设置在所述第二空间内，用以向所述柱塞施加弹力，且所述弹力与所述第一空间内的压缩空气向所述柱塞施加的压力方向相反。

9.一种等离子体加工设备，其包括并行设置的反应腔室和传输腔室，以及密封装置，所述密封装置用于朝向所述反应腔室施加推力，以使所述反应腔室与传输腔室夹紧位于二者之间的弹性密封件，从而实现对连通所述反应腔室与传输腔室的开口进行密封，其特征在于，所述密封装置采用权利要求1-8任意一项所述的密封装置。