CN118068870B - 一种气体裂解源用流量阀系统及流量调节方法 - Google Patents

一种气体裂解源用流量阀系统及流量调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种气体裂解源用流量阀系统及流量调节方法,属于流量控制技术领域,包括相连接的流量传感器、流量阀和气体裂解源,流量传感器的进气口与气瓶连接,流量阀的出气口与气体裂解源的进气口连接;气体裂解源包括前端盖,其内部设置有导流区域,气流沿前端盖切线方向进入导流管内;流量阀包括锥形阀及与之电连接的控制器,流量传感器与控制器电连接,锥形阀的入口端通过阶梯状管路与流量传感器连接;锥形阀的出口端通过L型弯管与气体裂解源连接,L型弯管的弯折处为四分之一圆角;通过调节锥形阀的开度使气流稳定。本发明能够实现提高流量稳定性同时减小气体裂解源内部的无效碰撞并提升裂解效率的目的。

Description

一种气体裂解源用流量阀系统及流量调节方法
技术领域
本发明属于流量控制技术领域,尤其涉及一种气体裂解源用流量阀系统及流量调节方法。
背景技术
裂解源是分子束外延、原子层沉积和真空表面处理设备和工艺中的关键核心部件,在半导体技术领域,尤其是薄膜沉积领域,部分材料的生长工艺只能采用裂解源,高性能的气体裂解源也是解决化合物半导体界面问题的关键。相较于国外几十年的长期研发和产品迭代,国内化合物半导体产业在整机设备和裂解源等核心部件的技术水平落后于国外先进水平,长期依赖进口。要想实现在化合物半导体产业的突破,摆脱来自国外的限制,高性能裂解源的国产化是必须攻克的难关。
目前的气体裂解源供气形式为,将储存在气瓶001内部的纯净气体分子通过调节阀门的开度大小来为气体裂解源提供稳定的气体流量,例如,目前的气体裂解源镀膜系统如图1所示。
但目前的气体裂解源采用的现有技术的流量控制阀002基本为简单的流量计,随着裂解时间的增长,气瓶001内部的压力逐渐降低,这时进入裂解源内部的气体流量也就随之减小。气瓶001内的气体量是固定的,随着裂解的进行,气瓶001内部的压力会慢慢下降。随着气瓶001内部压力逐渐降低,阀门的开度要随之增大才能维持裂解源炉的供气稳定。现有的流量控制阀的结构如图2中虚线框内结构所示,流体流经现有技术的流量传感器0021后进入流量控制阀中,流体需要走两次90°角,气体在经过第一个直角弯折时会在该处形成较大的旋流区这会产生较大的能量损失,同时在第二个弯折处也会有气流的回流区这会加大能量损失。
同时,现有的气体热裂解主要有两种形式:热丝在裂解源炉腔体内部及热丝包覆细管,其中第一种裂解形式如图3所示,通入腔体内部的分子数大,但由于结构的局限性,分子与热丝的有效碰撞较少,热裂解效率较低,第二种如图4所示,热裂解效率能够达到80~99%,但圆柱腔体过细即中间管路极其狭窄,裂解效率虽高、但整体的裂解速度并不高,导致裂解总量少,不能实现大通量气流下的热裂解。在较大分子通量下实现较高的气体裂解率的裂解源炉结构优化势在必行。
因此,亟需一种能够减小能量损失并能够提高热裂解效率的气体裂解源用流量阀系统。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明提供一种气体裂解源用流量阀系统及流量调节方法,对现有供气阀门和气体裂解源内部结构进行优化,达到降低阀内能量损失流量可控的同时减小气体裂解源内部的无效碰撞并提升裂解效率的目的。
一种气体裂解源用流量阀系统,包括依次相连接的流量传感器、流量阀和气体裂解源,流量传感器的进气口与气瓶连接,流量传感器的出气口与流量阀的进气口连接,流量阀的出气口与气体裂解源的进气口连接;所述气体裂解源包括前端盖,前端盖内部设置有导流区域,气流沿前端盖切线方向进入导流区域的导流管内,沿前端盖周向环形流动;所述流量阀包括锥形阀及与之电连接的控制器,流量传感器与控制器电连接;锥形阀的入口端通过阶梯状管路与流量传感器连接;锥形阀的出口端通过型弯管与气体裂解源连接,型弯管的弯折处为四分之一圆角;通过调节锥形阀的开度使气流稳定。
所述气体裂解源还包括支撑部、热丝、壳体及其上的文氏结构,前端盖固定在壳体一端,壳体另一端设置文氏结构;支撑部穿过前端盖插入壳体内部的反应腔室内,热丝固定在反应腔室内支撑部的端部;所述导流管为设置在前端盖内部的环形管路,导流管的一端设置有进气管,与导流管相切,作为导流管的进气端。
所述前端盖内部沿周向开设有多个导向孔,导向孔的一端与导流管相通,另一端与壳体内部的反应腔室相通,将导流管内部的总流量进行流动方向的矫正和流量分配。
所述导向孔沿前端盖周向均匀开设,导向孔从其自身的进气端到出气端的倾斜方向为向气流在导流管中的流动方向倾斜。
所述导向孔的具体设计原则为:
(1)导向孔的结构形式的设计准则是使分子流与壳体内壁面的第一次碰撞点超过支撑部与热丝的连接处,即:
(1)
其中,为支撑部深入壳体内部的反应腔室内部的长度,为导向孔的气流出口处与分子流与壳体内壁面的第一次碰撞位置沿气体裂解源轴向的长度;
(2)满足:
(2)
(3)
(4)
其中,为导向孔数量,为导向孔离气体裂解源的中心轴的最近距离,为导向孔离气体裂解源的中心轴的最远距离,为气体裂解源的导流管的直径;分子与壳体内壁面碰撞的点在气体裂解源轴向上的投影与气体裂解源中心轴的径向连线和裂解源圆周中心和导向孔中心连线的夹角为;D3为气体裂解源的反应腔室直径;碰撞点沿壳体轴向方向所在的直线与碰撞点和壳体顶面中心点即点的连线的夹角为
所述阶梯状管路的大口径端为进气口,小径口端为出气口,进气口与流量传感器连接,出气口与锥形阀的入口端连接。
上述的一种气体裂解源用流量阀系统的流量调节方法,具体如下:流量传感器将流量信号传递至控制器,当流量满足需求时,锥形阀保持不变;当流量不满足需求时,包括两种情况:当流量过小时,控制器控制锥形阀上升,至流量满足流量需求;当流量过大时,控制器驱动锥形阀下降至流量满足需求。
本发明的有益效果是:本发明中对现有技术中的气体裂解源和流量阀均进行了改进。
1、在前端盖内部增加导流管及导向孔作为导流结构,将进入裂解源内部的分子流进行各方向的整流,使其进入裂解源的反应腔体内部后能够更加快速的被引导至热丝表面,提升气体分子与热丝碰撞几率,减小无效碰撞次数,缩短流体进入腔体后与热丝进行反应的时间,并发生有效碰撞后实现分子向原子的转换,提升裂解的效率和速率。
2、气体裂解源尾部增加文氏结构,对反应后流提起到一定导向和整流作用,提升镀膜均匀性。
3、现有结构的支撑部是很长的,过长的支撑会是个较大的悬臂梁,需要在多个部位增加点位来保证其受力。导流管及进气管的设置,将支撑部和进气口分离,可大大减小支撑部位长度,使得支撑部的结构无需再设置为长的悬臂梁式的结构,减短支撑加热结构长度,减小裂解源整体尺寸,使整体结构紧凑。其次,降低悬臂梁受力程度同时提升热丝的温度相应性。
4、在保证加工的前提下,降低裂解源尺寸,提升整体结构的紧凑性。
5、本发明提供了新型锥式流量阀,流量阀中设置了锥形结构,通过流量阀前端流量传感器的测量值来调节锥形阀结构的上下运动,从而来保证流量的稳定。
本发明对气体裂解源的正向设计起到参考作用。
附图说明
图1为现有技术中的气体裂解源镀膜系统连接示意图;
图2为现有技术中的流量控制阀的连接示意图;
图3为现有技术中的气体裂解的第一种裂解形式示意图;
图4为现有技术中的气体裂解的第二种裂解形式示意图;
图5为现有技术中的气体裂解源的结构示意图;
图6为本发明提供的气体裂解源用流量阀系统的连接示意图;
图7为本发明提供的气体裂解源用流量阀系统中流量阀与气体裂解源的连接结构示意图;
图8为本发明提供的气体裂解源用流量阀系统中流量阀与气体裂解源的连接结构透视图;
图9为本发明提供的气体裂解源用流量阀系统中气体裂解源的结构及内部流动和碰撞形式示意图;
图10为本发明提供的气体裂解源用流量阀系统中气体裂解源的导流管部分的示意图;
图11为本发明提供的气体裂解源用流量阀系统中气体裂解源的内部尺寸示意图一;
图12为本发明提供的气体裂解源用流量阀系统中气体裂解源的导向孔的位置尺寸示意图一;
图13为本发明提供的气体裂解源用流量阀系统中气体裂解源的导向孔的位置尺寸示意图二;
图14为本发明提供的气体裂解源用流量阀系统中的流量阀的内部结构示意图;
图15为流量阀全开时示意图;
图16为流量阀全闭时示意图;
图17为流量阀的流量控制流程图;
其中,001-气瓶,002-现有技术的流量控制阀,0021-现有技术的流量传感器,003-现有技术的气体裂解源,004-镀膜室,01-气体裂解源,02-流量阀,03-流量传感器,1-支撑部,2-进气管,3-导向孔,4-壳体,5-热丝,6-文氏结构,7-导流管,8-锥形阀,9-锥形阀座,10-进气口,11-出气口,12-第一弯折,13-第二弯折。
具体实施方式
为了更好的解释本发明,以便于理解,下面结合附图,通过具体实施方式,对本发明的技术方案和效果作详细描述。
现有技术的气体裂解源003结构如图5所示,气体从狭缝气路中进入裂解源腔体内部。高真空环境下,空间的突然扩大使得克努森数倍数增大,气体分子在腔体内部高自由度膨胀。分子间碰撞几乎为零,碰撞基本在气体分子与壁面间产生。此时,由于没有对分子流运动方向进行一定的约束引导,这就使得腔体内部的碰撞杂乱无章,会减小分子与热丝5碰撞几率同时增大分子运行到热丝5表面的时长。为了提升气体的热裂解效率和速率,本申请对根据现有结构进行了结构优化。
本申请所提供的一种气体裂解源用流量阀系统,如图6-8所示,包括依次相连接的流量传感器03、流量阀02和气体裂解源01,流量传感器03的进气口与气瓶001连接,流量传感器03的出气口与流量阀02的进气口连接,流量阀02的出气口与气体裂解源01的进气口连接,本实施例提供的气体裂解源用流量阀系统与镀膜室004连接用于气体裂解镀膜,构成气体裂解源镀膜系统。
如图9-10所示,所述气体裂解源01包括裂解源前端盖、支撑部1、热丝5、壳体4及其上的文氏结构6,所述前端盖固定在壳体4一端,壳体4另一端设置文氏结构6,文氏结构6有两个作用:将部分未与热丝5碰撞的分子反射回热丝5表面,使之进行热裂解;对反应后的流体进行整流,使之进入镀膜区域后能够沿相应的方向膨胀在一定程度上保证镀膜的均匀性。所述支撑部1穿过前端盖插入壳体4内部的反应腔室内,热丝5固定在反应腔室内支撑部1的端部。所述前端盖内部设置有导流区域,具体的,前端盖内部设置有环形的导流管7,导流管7的一端设置有进气管2,与导流管7相切,作为导流管7的进气端,使得气流沿前端盖切线方向进入导流管7内,沿前端盖周向环形流动。所述前端盖内部沿周向开设有多个导向孔3,导向孔3的一端与导流管7相通,另一端与壳体4内部的反应腔室相通,将导流管7内部的总流量进行流动方向的矫正和流量分配。从导向孔3流出的经过整流和分配后的气流以固定方向进入壳体4的反应腔室内部,由于反应腔室内部设置有真空泵,使得反应腔室内真空度相对导流管7内高,此时流动形式实现了连续流向分子流的转变。分子流在反应腔室内的初始速度方向为从各导向孔3流出方向,在经过与支撑部1及壳体4内壁面一轮或多轮的碰撞即发生镜面反射或漫反射后到达热丝5表面,并发生热裂解,将分子裂解成原子并经过文氏结构6进行整流后进入镀膜腔室。
气流经各导向孔3后进入气体裂解源01的反应腔室内,实现连续流向分子流的过渡。导向孔3的主要功能是为了将分子流方向进行约束,使其沿固定方向流动后与壳体4壁面发生碰撞,并在其上进行镜面反射或漫反射,具体反射路径如图9中虚线样式所示。
所述导向孔3沿前端盖周向均匀开设,所述导气孔为倾斜孔,导向孔3从其自身的进气端到出气端的倾斜方向为向气流在导流管7中的流动方向倾斜,以便将气流整流至合适的方向,使其尽量的减少与壳体4内壁面和支撑部1分的碰撞次数,尽快的达到热丝5表面与其发生有效碰撞并产生催化热裂解。导向孔3的个数及导向孔3与前端盖的轴线间的夹角可根据裂解源腔体直径和长度来进行相应的更改,更改的依据为尽量减小分子与壳体4内壁面及支撑部1的无效碰撞。所有导向孔3的截面积之和大于气体裂解源01的狭缝气路截面积。导向孔3的分布形式及角度倾斜方式,要基于现有的空间布局尽量减小压力损失及管内的回流区域,以便提升进气效率,提升裂解源的整体裂解速率。结合图11-13所示,具体设计原则为:
(1)导向孔3的结构形式的设计准则是使分子流与壳体4内壁面的第一次碰撞位置A超过支撑部1与热丝5的连接处,即:
(1)
其中,为支撑部深入壳体内部的反应腔室内部的长度,为导向孔的气流出口处与分子流与壳体内壁面的第一次碰撞位置沿气体裂解源轴向的长度;
(2)满足:
(2)
(3)
(4)
其中,为导向孔3数量,为导向孔3离气体裂解源01的中心轴的最近距离,为导向孔3离气体裂解源01的中心轴的最远距离,为气体裂解源01的导流管7的直径;分子与壳体4内壁面碰撞的点在气体裂解源01轴向上的投影与气体裂解源01中心轴的径向连线和裂解源圆周中心和导向孔3中心连线的夹角为;同一个导向孔3中距离气体裂解源01圆周中心径向最远的点的分子与壳体4内壁面碰撞的点在气体裂解源01轴向上的投影与气体裂解源01中心轴的径向连线和裂解源圆周中心和导向孔3中心连线的夹角为,距离气体裂解源01圆周中心最近的点的分子与壳体4内壁面碰撞的点在壳体4轴向上的投影与气体裂解源01中心轴的径向连线和裂解源圆周中心和导向孔3中心连线的夹角为,因此同一个导向孔3中的分子与壳体4内壁面碰撞的点在壳体4轴向上的投影与气体裂解源01中心轴的径向连线和裂解源圆周中心和导向孔3中心连线的夹角范围为~,碰撞点的投影范围在中间区域;为气体裂解源01的反应腔室直径;碰撞点沿壳体4轴向方向所在的直线与碰撞点和壳体4顶面中心点即点的连线的夹角为
上述气体裂解源01是针对圆柱腔体内插入热丝5的裂解源进行的结构优化,达到在较大分子通量下实现较高的气体裂解率的目的。
依据裂解源炉的具体结构对导向孔3的数量和倾斜角度进行设置,同时保证所有导向孔3面积之和大于狭缝气路截面积。导向孔3倾斜角度的存在是为了减小分子与壁面产生无效碰撞的次数,使之在较少的碰撞之后与热丝5进行有效碰撞来产生热裂解。从而提升整个气体裂解源01内部的裂解速率和裂解效率。同时在气体裂解源01尾端增加的文氏结构6,对裂解后的原子流进行一定的整流之后进入镀膜区域,在一定程度上保证镀膜的均匀性。
气体流量传感器03采用毛细管传热温差量热法原理测量气体的质量流量。将传感器加热电桥测得的流量信号送入放大器放大, 放大后的流量检测电压与设定电压进行比较, 再将差值信号放大后去控制调节阀门,闭环控制流过通道的流量使之与设定的流量相等。
所述流量阀02包含锥形阀8及与之电连接的控制器(图中未显示),流量传感器03与控制器电连接。锥形阀8的入口端通过阶梯状管路与流量传感器03连接,阶梯状管路的大口径端为进气口,小径口端为出气口11,进气口与流量传感器03连接,出气口11与锥形阀8的入口端连接;锥形阀8的出口端通过型弯管与气体裂解源01连接,型弯管的弯折处为四分之一圆角。该流量阀02增加了导向结构的第一弯折12和第二弯折13,其中气流通过阶梯状管路通过锥形阀8进入型弯管为经过第一弯折12,经过第一弯折12后经过型弯管的弯折处为经过第二弯折13。气流经过第一弯折12区域时,锥形阀8对气流起到一定导向作用,锥形阀8的锥形结构使气流流经其时绕其做圆周向下运动,在气流进入锥形阀8的锥形阀座9时又被锥形阀座9进行了第二次锥形导向。这两次锥形导向大大减小了第一弯折12区域的回流区(即流通死区),进而也就减小了气体流经第一弯折12区域的能量损失。第二弯折13区域将现有结构的直角区域转换成圆角弯折进一步降低能量损失。提升测量精度,保证进入裂解源内部流量大小的精准度。流量阀02的结构如图14所示,流量阀02全开时如图15所示,流量阀02全闭时如图16所示。
结合图17所示,流量传感器03将流量信号传递至控制器,当传感器测量流量值与目标流量值相等即流量满足需求时,锥形阀8保持不变;当流量不满足需求时,包括两种情况:当流量过小即流量传感器03测量流量值低于目标流量值时,控制器控制锥形阀8上升,至流量满足流量需求;当流量过大即流量传感器03测量值大于目标流量值时,控制器驱动锥形阀8下降至流量满足需求。
上述流量阀02基于保证减小能量损失稳定的进气流量精度的目的,通过优化流量阀02的结构,配合相应的调节方法来实现裂解气体流量的稳定性,从而提升裂解效率,保证镀膜质量。本实施例中提供的气体裂解源01用流量阀02系统通过调节锥形阀8上下位移,通过锥形结构对气流其导向作用减小能量损失,从而来维持进入气体裂解源01内部的气体流量的测量稳定性和精确度,同时配合气体裂解源01内部的结构,来达到最大裂解效率,实现保证镀膜稳定性提升镀膜质量的目的。

Claims (3)

1.一种气体裂解源用流量阀系统,其特征在于:包括依次相连接的流量传感器、流量阀和气体裂解源,流量传感器的进气口与气瓶连接,流量传感器的出气口与流量阀的进气口连接,流量阀的出气口与气体裂解源的进气口连接;
所述气体裂解源包括前端盖,前端盖内部设置有导流区域,气流沿前端盖切线方向进入导流区域的导流管内,沿前端盖周向环形流动;
所述流量阀包括锥形阀及与之电连接的控制器,流量传感器与控制器电连接;锥形阀的入口端通过阶梯状管路与流量传感器连接;锥形阀的出口端通过型弯管与气体裂解源连接,型弯管的弯折处为四分之一圆角;通过调节锥形阀的开度使气流稳定;
所述气体裂解源还包括支撑部、热丝、壳体及其上的文氏结构,前端盖固定在壳体一端,壳体另一端设置文氏结构;支撑部穿过前端盖插入壳体内部的反应腔室内,热丝固定在反应腔室内支撑部的端部;所述导流管为设置在前端盖内部的环形管路,导流管的一端设置有进气管,与导流管相切,作为导流管的进气端;
所述前端盖内部沿周向开设有多个导向孔,导向孔的一端与导流管相通,另一端与壳体内部的反应腔室相通,将导流管内部的总流量进行流动方向的矫正和流量分配;
所述导向孔沿前端盖周向均匀开设,导向孔从其自身的进气端到出气端的倾斜方向为向气流在导流管中的流动方向倾斜;
所述导向孔的具体设计原则为:
(1)导向孔的结构形式的设计准则是使分子流与壳体内壁面的第一次碰撞点超过支撑部与热丝的连接处,即:
(1)
其中,为支撑部深入壳体内部的反应腔室内部的长度,为导向孔的气流出口处与分子流与壳体内壁面的第一次碰撞位置沿气体裂解源轴向的长度;
(2)满足:
(2)
(3)
(4)
其中,为导向孔数量,为导向孔离气体裂解源的中心轴的最近距离,为导向孔离气体裂解源的中心轴的最远距离,为气体裂解源的导流管的直径;分子与壳体内壁面碰撞的点在气体裂解源轴向上的投影与气体裂解源中心轴的径向连线和裂解源圆周中心和导向孔中心连线的夹角为;D3为气体裂解源的反应腔室直径;碰撞点沿壳体轴向方向所在的直线与碰撞点和壳体顶面中心点即点的连线的夹角为
2.根据权利要求1所述的一种气体裂解源用流量阀系统,其特征在于:所述阶梯状管路的大口径端为进气口,小径口端为出气口,进气口与流量传感器连接,出气口与锥形阀的入口端连接。
3.权利要求1-2任一项所述的一种气体裂解源用流量阀系统的流量调节方法,其特征在于,具体如下:流量传感器将流量信号传递至控制器,当流量满足需求时,锥形阀保持不变;当流量不满足需求时,包括两种情况:当流量过小时,控制器控制锥形阀上升,至流量满足流量需求;当流量过大时,控制器驱动锥形阀下降至流量满足需求。
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