CN110500429A - 流量控制阀及反应腔室压力控制装置 - Google Patents

Abstract

一种流量控制阀及反应腔室压力控制装置。流量控制阀包括依次连接的进气接头、阀座和出气接头，还包括以并联方式连接于阀座的调节阀部件和截止阀部件，调节阀部件和截止阀部件分别用于调节通过阀座的气体流量。流量控制阀和反应腔室压力控制装置可实现较大流量范围内的流量调节，缩短响应时间。

Description

流量控制阀及反应腔室压力控制装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种流量控制阀及包括该流量控制阀的反应腔室压力控制装置。

背景技术

在半导体制造、光伏等领域，氧化炉是最重要的设备。进入氧化炉反应腔室的H₂、HCL、过量的O₂、少量的C₂H₂Cl₂以及N₂需要在恒定的压力下进行化学反应，以确保镀层的厚度。对反应腔室内压力的控制精度会影响镀层的厚度，另外，当反应腔室内的压力突变时，压力控制系统的响应时间同样影响镀层的厚度，因此必须确保反应腔室内的压力精度和压力控制系统的响应时间。

图1显示现有的反应腔室压力控制系统。如图1所示，该反应腔室压力控制系统包括压力规102、质量流量控制器104、真空发生器105、控制盒106、工控PC 107、气动阀108和输入输出管路103。进入反应腔室101的工艺气体为H₂、HCL、过量的O₂、少量的C₂H₂Cl₂以及N₂。压力规102检测反应腔室101内的实时压力，质量流量控制器104根据控制盒106反馈的信号控制流经质量流量控制器104的流量大小，从而实现对反应腔室内部压力的调节。

质量流量控制器104是反应腔室压力控制系统的核心部件。现有质量流量控制器104在工艺气体流量在0.3～30SLM(标准状态下1L/min)范围内时，控制精度可达到0.2％F.S.，控制系统的响应时间≤10S。当工艺发生变化时，如果工艺气体流量大于30SLM，由于质量流量控制器的结构以及真空发生器抽力的限制，导致压力控制系统的响应时间远远大于10S，甚至无法达到反应腔室的设定压力。不能在规定的时间内把反应腔室的压力稳定到设定压力值，不但影响镀层的厚度，严重的可导致整炉的晶片报废，造成巨大的经济损失。因此，期待一种流量调节范围广的流量控制器，以使反应腔室压力控制系统适用于各种流量工作条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种流量控制阀和反应腔室压力控制装置，以克服现有质量流量控制器流量调节范围小的缺陷。

本发明一方面提出一种流量控制阀，包括依次连接的进气接头、阀座和出气接头，还包括以并联方式连接于所述阀座的调节阀部件和截止阀部件，所述调节阀部件和所述截止阀部件分别用于调节通过所述阀座的气体流量。

优选地，所述阀座内设有并联的第一流道和第二流道，所述第一流道和所述第二流道均与所述进气接头和所述出气接头连通，所述调节阀部件用于无级调节所述第一流道的流道截面积，所述截止阀部件用于导通或切断所述第二流道。

优选地，所述截止阀部件包括感应线圈、衔铁、弹性连接件和密封件；所述衔铁通过所述弹性连接件连接于所述阀座，所述感应线圈套设于所述衔铁外部，所述密封件设于所述衔铁靠近所述阀座的一端，所述衔铁能够在所述感应线圈和所述弹性连接件的作用下沿所述感应线圈的轴向运动，以带动所述密封件切断或导通所述第二流道。

优选地，所述截止阀部件还包括固定连接于所述阀座的阀体和固定座；所述阀体为管状，所述衔铁和所述感应线圈分别设于所述阀体内部和外部；所述固定座为环状，套设于所述阀体外部，所述感应线圈连接于所述固定座。

优选地，所述进气接头、所述阀座、所述出气接头、所述密封件与所述流体接触的表面设有聚四氟乙烯、ZrO₂或SiO₂涂层。

优选地，所述调节阀部件包括驱动模块、阀杆和与所述阀杆连接的阀片，所述驱动模块通过控制所述阀杆的旋转角度控制所述阀片的开度，以调节所述第一流道的流道截面积。

优选地，所述驱动模块包括电机、减速器和联轴器，所述阀杆依次通过所述联轴器和所述减速器连接于所述电机的输出轴。

优选地，所述调节阀部件还包括锁紧螺母，所述锁紧螺母固定连接于所述阀座，所述阀杆穿过所述锁紧螺母。

优选地，所述阀杆、所述阀片与所述流体接触的表面设有聚四氟乙烯、ZrO₂或SiO₂涂层。

本发明另一方面提供一种反应腔室压力控制装置，包括所述的流量控制阀，所述流量控制阀连接于所述反应腔室，通过流量调节控制所述反应腔室的压力。

优选地，所述反应腔室压力控制装置还包括：

压力检测单元，用于检测所述反应腔室的压力P；

控制单元，根据所述压力P、反应腔室预设压力P₀、反应腔室进气流量F控制所述调节阀部件和所述截止阀部件调节气体流量。

优选地，所述阀座内设有并联的第一流道和第二流道，所述第一流道和所述第二流道均与所述进气接头和所述出气接头连通，所述调节阀部件用于无级调节所述第一流道的流道截面积，所述截止阀部件用于导通或切断所述第二流道；

所述根据所述压力P、反应腔室预设压力P₀、反应腔室进气流量F控制所述调节阀部件和所述截止阀部件调节气体流量包括：

当P≠P₀且F小于流量阈值时，控制所述截止阀部件切断所述第二流道，控制所述调节阀部件调节通过所述第一流道的气体流量直到P＝P₀；

当P≠P₀且F大于或等于所述流量阈值时，控制所述截止阀部件导通所述第二流道，控制所述调节阀部件调节通过所述第一流道的气体流量，直到P＝P₀时，控制所述截止阀部件切断所述第二流道，控制所述调节阀部件调节通过所述第一流道的气体流量直到所述压力P再次等于所述预设压力P₀。

本发明的有益效果在于：

1、流量控制阀包括并联设置的两个阀部件，即调节阀部件和截止阀部件，分别用于调节通过阀座的气体流量。当气体流量较小时，截止阀部件关闭，通过调节阀部件调节气体流量；当气体流量较大时，先打开截止阀部件，通过调节阀部件调节气体流量，再关闭截止阀部件，通过调节阀部件调节气体流量。可实现较大流量范围内的流量调节，缩短相应的反应腔室压力控制系统的响应时间。

2、反应腔室压力控制装置采用了该流量控制阀，流量控制阀连接于反应腔室，通过流量调节控制反应腔室的压力，能够在较大范围的气体流量下进行流量调节，调节范围广、响应时间短。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1显示现有的反应腔室压力控制系统；

图2显示根据本发明实施例的流量控制阀的原理示意图；

图3显示根据本发明实施例的流量控制阀的调节阀部件的结构示意图；

图4显示根据本发明实施例的流量控制阀的截止阀部件的结构示意图。

附图标记说明：

101反应腔室，102压力规，103输入输出管路，104质量流量控制器，105真空发生器，106控制盒，107工控PC；

1进气接头，2出气接头，3阀座，4壳体，5背板，6调节阀部件，7截止阀部件，61电机，62减速器，63电路板，64联轴器，65锁紧螺母，66阀杆，67阀片，71感应线圈，72接线端子，73阀体，74衔铁，75固定座，76弹性连接件，77密封件。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明一方面提供一种流量控制阀，包括依次连接的进气接头、阀座和出气接头，还包括以并联方式连接于阀座的调节阀部件和截止阀部件，调节阀部件和截止阀部件分别用于调节通过阀座的气体流量。

由于结构的限制，现有流量控制器适用于气体流量较小的情况。本发明提供一种流量控制阀，其包括并联设置的两个阀部件，即调节阀部件和截止阀部件，分别用于调节通过阀座的气体流量。当气体流量较小时，截止阀部件关闭，通过调节阀部件调节气体流量；当气体流量较大时，先打开截止阀部件，通过调节阀部件调节气体流量，再关闭截止阀部件，通过调节阀部件调节气体流量。因此，可实现较大流量范围内的流量调节，缩短相应的反应腔室压力控制系统的响应时间。采用本发明实施例的流量控制阀的流量控制范围可大于30SLM，响应时间≤5s。

在一个示例中，阀座内设有并联的第一流道和第二流道，第一流道和第二流道均与进气接头和出气接头连通，调节阀部件用于无级调节第一流道的流道截面积，截止阀部件用于导通或切断第二流道。

具体地，第一流道和第二流道并联设置于阀座内，第一流道的两端分别连通于进气接头和出气接头，第二流道的两端也分别连通于进气接头和出气接头。调节阀部件和截止阀部件分别用于调节通过第一流道和第二流道的气体流量。

具体地，在第一操作状态下，气体流量较小时，截止阀部件切断第二流道，调节阀部件无级调节第一流道的流道截面积，以调节通过阀座的气体流量。无级调节是指能够调节到调节范围内的任意流量，其与阶梯式调节相对，阶梯式调节是指只能够调节到调节范围内的有限数目流量。

在第二操作状态下，气体流量较大时，首先截止阀部件导通第二流道，调节阀部件无级调节第一流道的流道截面积，以调节通过阀座的气体流量，然后截止阀部件切断第二流道，调节阀部件无级调节第一流道的流道截面积，以调节通过阀座的气体流量。

在一个示例中，截止阀部件包括感应线圈、衔铁、弹性连接件和密封件；衔铁通过弹性连接件连接于阀座，感应线圈套设于衔铁外部，密封件设于衔铁靠近阀座的一端，衔铁能够在感应线圈和弹性连接件的作用下沿感应线圈的轴向运动，以带动密封件切断或导通第二流道。

截止阀部件为常闭状态，能够在完全打开与完全关闭两种操作状态之间切换。当感应线圈通电时，感应线圈内部形成磁场，衔铁在磁场作用下沿感应线圈的轴向朝远离阀座的方向运动，带动密封件运动，从而导通第二流道；当感应线圈断电时，衔铁在弹性连接件的拉力作用下沿感应线圈的轴向朝靠近阀座的方向运动，带动密封件运动，从而切断第二流道。通过控制感应线圈的通电和断电，即可导通或切断第二流道。

优选地，弹性连接件可以是弹簧；衔铁可由软磁材料制成。

优选地，密封件是密封垫片。

在一个示例中，截止阀部件还包括固定连接于阀座的阀体和固定座；阀体为管状，衔铁和感应线圈分别设于阀体内部和外部；固定座为环状，套设于阀体外部，感应线圈连接于固定座。

特别地，阀体的一端可设有凸缘，固定座将凸缘压设于阀座上。衔铁可在阀体内沿阀体的轴向运动，阀体对衔铁起到导向作用。感应线圈可包装为线包，并通过螺栓连接于固定座，通过螺钉连接于阀体。

在一个示例中，进气接头、阀座、出气接头可由聚四氟乙烯或不锈钢等材料制成，进气接头、阀座、出气接头与流体接触的表面设有聚四氟乙烯(PTFE)、ZrO₂或SiO₂涂层，以耐高温、耐腐蚀。密封件与流体接触的表面设有聚四氟乙烯(PTFE)、ZrO₂或SiO₂涂层，以耐高温、耐腐蚀。

在一个示例中，调节阀部件包括驱动模块、阀杆和与阀杆连接的阀片，驱动模块通过控制阀杆的旋转角度控制阀片的开度，以调节第一流道的流道截面积。

开度可以连续调节，因此调节阀部件能够无级调节第一流道的流道截面积。

需要说明的是，尽管在本实施例中，采用驱动阀片旋转的驱动方式来调节阀片的开度，但本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以通过控制阀片沿第一流道的径向移动的方式来调节阀片的开度，相应的，驱动源采用直线往复驱动源。

在一个示例中，驱动模块包括电机、减速器和联轴器，阀杆依次通过联轴器和减速器连接于电机的输出轴。减速器用于降低电机输出的转速。借助减速器以避免转速突变导致的流量突变。联轴器用于将电机输出的扭矩传递至阀杆，从而带动阀片旋转。电机优选为步进电机。

在一个示例中，调节阀部件还包括锁紧螺母，锁紧螺母固定连接于阀座，阀杆穿过锁紧螺母。阀杆穿过锁紧螺母并延伸至阀座。借由阀座和锁紧螺母共同引导阀杆。

在一个示例中，驱动模块还包括电路板，电路板集成电气元件，以实现驱动。

在一个示例中，阀杆、阀片可由聚四氟乙烯或不锈钢等材料制成，阀杆、阀片与流体接触的表面设有聚四氟乙烯、ZrO₂或SiO₂涂层，以耐高温、耐腐蚀。

在一个示例中，流量控制阀还包括背板和连接于背板的壳体，调节阀部件和截止阀部件设于壳体内，进气接头、阀座、出气接头连接于背板。壳体对调节阀部件和截止阀部件起到保护作用。

本发明另一方面提供一种反应腔室压力控制装置，包括所述的流量控制阀，流量控制阀连接于反应腔室，通过流量调节控制反应腔室的压力。具体地，流量控制阀设于反应腔室与真空发生器之间，通过调节反应腔室的出气流量控制反应腔室的压力。

本发明中的反应腔室压力控制装置由于采用了本发明提供的流量控制阀，能够在气体流量较大时进行流量调节，调节范围广、响应时间短。

在一个示例中，反应腔室压力控制装置还包括：

压力检测单元，用于检测反应腔室的压力P；

控制单元，根据压力P、反应腔室预设压力P₀、反应腔室进气流量F控制调节阀部件和截止阀部件调节气体流量。

不同工况下需要向反应腔室内通入不同流量的工艺气体，控制单元根据在反应腔室进气流量F、压力检测单元反馈的压力P及反应腔室预设压力P₀控制调节阀部件和截止阀部件的工作状态，以实现不同流量下的流量调节。

在一个示例中，根据压力P、反应腔室预设压力P₀、反应腔室进气流量F控制调节阀部件和截止阀部件调节气体流量包括：

当P≠P₀且F小于流量阈值时，控制截止阀部件切断第二流道，控制调节阀部件调节通过第一流道的气体流量直到P＝P₀；

当P≠P₀且F大于或等于流量阈值时，控制截止阀部件导通第二流道，控制调节阀部件调节通过第一流道的气体流量，直到P＝P₀时，控制截止阀部件切断第二流道，控制调节阀部件调节通过第一流道的气体流量直到压力P再次等于预设压力P₀。

流量阈值一般为30SLM。当P≠P₀且F小于流量阈值时，控制截止阀部件切断第二流道，控制调节阀部件的阀片开度，从而调节通过第一流道的气体流量，直到P＝P₀。当P≠P₀且F大于或等于流量阈值时，先控制截止阀部件导通第二流道，此时流过截止阀部件的气体流量是固定的，可以迅速降低反应腔室压力，缩短压力控制装置的响应时间，同时控制调节阀部件的阀片开度，从而调节通过第一流道的气体流量，直到P＝P₀时，控制截止阀部件切断第二流道，截止阀部件关闭的瞬间会导致P1≠P，此时控制调节阀部件继续调节流量，直到压力P再次等于所述预设压力P₀。

实施例

图2显示根据本发明实施例的流量控制阀的原理示意图，图3和图4分别显示根据本发明实施例的流量控制阀的调节阀部件和截止阀部件的结构示意图。

如图2-4所示，根据本发明实施例的流量控制阀包括进气接头1、出气接头2、阀座3、壳体4、背板5、调节阀部件6、截止阀部件7。进气接头1、阀座3和出气接头2依次连接，调节阀部件6和截止阀部件7设于壳体4内，进气接头1、阀座3、出气接头2通过螺钉连接于背板5。

阀座3内设有并联的第一流道和第二流道，第一流道和第二流道均与进气接头1和出气接头2连通，调节阀部6件用于无级调节第一流道的流道截面积，截止阀部件7用于导通或切断第二流道。在本实施例中，如图3所示，第一流道为直线型流道。如图4所示，第二流道为几字型流道，图中带有箭头的虚线表示气体流动方向。

截止阀部件7包括感应线圈71、衔铁74、弹性连接件76、密封件77、阀体73、固定座75。

阀体73为管状，衔铁74和感应线圈71分别设于阀体73内部和外部。固定座75为环状，套设于阀体73外部，并将阀体73压设于阀座3，感应线圈71连接于固定座75。衔铁74通过弹性连接件76连接于阀座3，密封件77设于衔铁74靠近阀座3的一端。衔铁73能够在感应线圈71和弹性连接件76的作用下沿感应线圈71的轴向运动，以带动密封件77切断或导通第二流道。弹性连接件76为弹簧，密封件77为密封垫片。

调节阀部件6包括驱动模块、阀杆66、与阀杆连接的阀片67、锁紧螺母65。

驱动模块通过控制阀杆66的旋转角度控制阀片67的开度，以调节第一流道的流道截面积。驱动模块包括电机61、减速器62、联轴器64、电路板63。阀杆66依次通过联轴器64和减速器62连接于电机61的输出轴。锁紧螺母65固定连接于阀座3，阀杆66穿过锁紧螺母65并延伸至阀座3。

根据本实施例的反应腔室压力控制装置包括：

流量控制阀，连接于反应腔室与真空发生器之间，通过流量调节控制反应腔室的压力；

压力检测单元，用于检测反应腔室的压力P；

控制单元，根据压力P、反应腔室预设压力P₀、反应腔室进气流量F控制调节阀部件和截止阀部件调节气体流量。

具体地，根据压力P、反应腔室预设压力P₀、反应腔室进气流量F控制调节阀部件和截止阀部件调节气体流量包括：

当P≠P₀且F小于流量阈值时，控制截止阀部件切断第二流道，控制调节阀部件调节通过第一流道的气体流量直到P＝P₀；

当P≠P₀且F大于或等于流量阈值时，控制截止阀部件导通第二流道，控制调节阀部件调节通过第一流道的气体流量，直到P＝P₀时，控制截止阀部件切断第二流道，控制调节阀部件调节通过第一流道的气体流量直到压力P再次等于预设压力P₀。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (12)

1.一种流量控制阀，其特征在于，包括依次连接的进气接头、阀座和出气接头，还包括以并联方式连接于所述阀座的调节阀部件和截止阀部件，所述调节阀部件和所述截止阀部件分别用于调节通过所述阀座的气体流量。

2.根据权利要求1所述的流量控制阀，其特征在于，所述阀座内设有并联的第一流道和第二流道，所述第一流道和所述第二流道均与所述进气接头和所述出气接头连通，所述调节阀部件用于无级调节所述第一流道的流道截面积，所述截止阀部件用于导通或切断所述第二流道。

3.根据权利要求2所述的流量控制阀，其特征在于，所述截止阀部件包括感应线圈、衔铁、弹性连接件和密封件；所述衔铁通过所述弹性连接件连接于所述阀座，所述感应线圈套设于所述衔铁外部，所述密封件设于所述衔铁靠近所述阀座的一端，所述衔铁能够在所述感应线圈和所述弹性连接件的作用下沿所述感应线圈的轴向运动，以带动所述密封件切断或导通所述第二流道。

4.根据权利要求3所述的流量控制阀，其特征在于，所述截止阀部件还包括固定连接于所述阀座的阀体和固定座；所述阀体为管状，所述衔铁和所述感应线圈分别设于所述阀体内部和外部；所述固定座为环状，套设于所述阀体外部，所述感应线圈连接于所述固定座。

5.根据权利要求3所述的流量控制阀，其特征在于，所述进气接头、所述阀座、所述出气接头、所述密封件与所述流体接触的表面设有聚四氟乙烯、ZrO₂或SiO₂涂层。

6.根据权利要求2所述的流量控制阀，其特征在于，所述调节阀部件包括驱动模块、阀杆和与所述阀杆连接的阀片，所述驱动模块通过控制所述阀杆的旋转角度控制所述阀片的开度，以调节所述第一流道的流道截面积。

7.根据权利要求6所述的流量控制阀，其特征在于，所述驱动模块包括电机、减速器和联轴器，所述阀杆依次通过所述联轴器和所述减速器连接于所述电机的输出轴。

8.根据权利要求6所述的流量控制阀，其特征在于，所述调节阀部件还包括锁紧螺母，所述锁紧螺母固定连接于所述阀座，所述阀杆穿过所述锁紧螺母。

9.根据权利要求6所述的流量控制阀，其特征在于，所述阀杆、所述阀片与所述流体接触的表面设有聚四氟乙烯、ZrO₂或SiO₂涂层。

10.一种反应腔室压力控制装置，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的流量控制阀，所述流量控制阀连接于所述反应腔室，通过流量调节控制所述反应腔室的压力。

11.根据权利要求10所述的反应腔室压力控制装置，其特征在于，还包括：

压力检测单元，用于检测所述反应腔室的压力P；

控制单元，根据所述压力P、反应腔室预设压力P₀、反应腔室进气流量F控制所述调节阀部件和所述截止阀部件调节气体流量。

12.根据权利要求11所述的反应腔室压力控制装置，其特征在于，所述阀座内设有并联的第一流道和第二流道，所述第一流道和所述第二流道均与所述进气接头和所述出气接头连通，所述调节阀部件用于无级调节所述第一流道的流道截面积，所述截止阀部件用于导通或切断所述第二流道；

所述根据所述压力P、反应腔室预设压力P₀、反应腔室进气流量F控制所述调节阀部件和所述截止阀部件调节气体流量包括：

当P≠P₀且F小于流量阈值时，控制所述截止阀部件切断所述第二流道，控制所述调节阀部件调节通过所述第一流道的气体流量直到P＝P₀；

当P≠P₀且F大于或等于所述流量阈值时，控制所述截止阀部件导通所述第二流道，控制所述调节阀部件调节通过所述第一流道的气体流量，直到P＝P₀时，控制所述截止阀部件切断所述第二流道，控制所述调节阀部件调节通过所述第一流道的气体流量直到所述压力P再次等于所述预设压力P₀。