TW202242372A - 用於氣體分析器的部件的密封系統 - Google Patents

Abstract

一種密封系統包括第一密封件、與第一密封件間隔開的第二密封件及在第一密封件和第二密封件之間限定的密封室。密封室流體連接到真空源。在操作中，密封室保持在低於大氣壓的壓力下。通過真空源，破壞第一密封件和第二密封件中的一者的污染物被吸入密封室中並被去除。

Description

用於氣體分析器的部件的密封系統

本發明大體上涉及用於附接到真空室的部件的密封系統。 相關申請案的交叉引用/優先權聲明

本申請案與2021年4月8日提交的共同擁有的臨時專利申請案序號：63/172,338有關，並要求其優先權。所述申請案的全部內容通過引用在此併入。

氣體分析器系統被用於對各種工業中在製造過程期間排放的氣體進行採樣和分析。例如，氣體分析器可用於分析半導體製造過程期間產生的氣體。許多氣體分析器在低壓或真空條件下操作，並且在閥和感測器周圍需要真空密封件。由於密封表面的缺陷、密封部件(諸如墊片)的缺陷、不當安裝以及在使用非金屬密封件的情況下的氣體滲透，這些密封件很容易發生洩漏。也可能隨著時間的推移，由於機械應力和/或密封部件因與過程化學品的相互作用而發生退化而發生洩漏。入口部件特別容易發生洩漏，因為入口部件與被測裝置或過程工具介面連接。這些洩漏損害了氣體分析器採集的樣品和對半導體製造過程的最終監測。

在一些氣體分析器中，為了達到氣體分析器所需的真空條件，真空密封件被焊接以產生穩固的密封，或者使用金屬密封件，諸如康弗拉特密封件(conflat seal)。這些類型的密封件更加昂貴，並且給氣體分析器系統增加了額外的重量。

這些只是與目前用於氣體分析器中的密封系統相關聯的一些問題。

在實施例中，密封系統可以包括內密封件，所述內密封件圍繞著部件至真空室的導管或連接件。外密封件定位成在內密封件周圍並與內密封件間隔開，使得在其間限定有一容積，諸如內容積或泵室。泵室可以被抽空或抽真空降壓到明顯低於大氣壓的壓力。如果在內密封件中存在洩漏，那麼它將只從保持在低壓下的密封間容積洩漏氣體，而不是從高壓(例如1大氣壓)洩漏氣體。這將使洩漏到系統中的氣體量減少許多數量級。因此，通常情況下嚴重的洩漏現在非常小，使得其不會影響儀器的性能，並且對用氣體分析器測試的設備沒有負面影響。此外，如果內密封件中存在洩漏，則任何有毒或其他揮發性氣體將通過泵室被抽走，而不會釋放到外部環境中。

在實施例中，泵室與雙密封渦輪分子(渦輪)泵相連接。保持感測器(最常見的是質譜儀)的真空歧管具有附接的採樣介面，並可在其上加工出通道，所述通道將泵送容積與渦輪的較低級相連接。在實施例中，泵室可以通過集成到真空歧管中的一個或多個真空導管連接到渦輪。在另一實施例中，泵室可以通過一個或多個真空導管連接到渦輪，這些真空導管在真空歧管的外部。在又另一實施例中，泵室可以連接到定位在系統或真空歧管外部的單獨的真空泵並由其抽空。

在實施例中，用於氣體分析器的部件的密封系統包括內密封構件、與內密封構件間隔開的外密封構件、限定在內密封構件和外密封構件之間的密封室、以及構造為將密封室流體連接到真空源的一個或多個導管。在操作中，密封室保持在低於大氣壓的壓力下。破壞內密封構件和外密封構件中的一者的污染物被吸入密封室中並經由一個或多個導管被去除。

在實施例中，內密封構件圍繞著氣體分析器的兩個部件之間的通路。在實施例中，內密封構件和外密封構件中的至少一者是由彈性材料構成的。在實施例中，內密封構件和外密封構件中的至少一者是由聚合物材料構成的。在實施例中，外密封構件至少部分地定位於在氣體分析器的表面中限定的凹槽內。在另外的實施例中，一個或多個導管被形成為氣體分析器的一部分。

密封系統的另一實施例包括第一密封件、與第一密封件間隔開的密封件，以及限定在第一密封件和第二密封件之間的密封室。密封室流體連接到真空源，並且在操作中，密封室保持在低於大氣壓的壓力下。通過真空源，破壞第一密封件和第二密封件中的一者的污染物被吸入密封室中並被去除。

在實施例中，第一密封件被構造為圍繞著氣體分析器的兩個部件之間的通路。在實施例中，第一密封件和第二密封件中的至少一者是由彈性材料構成的。在實施例中，第一密封件和第二密封件中的至少一者是由聚合物材料構成的。在另外的實施例中，第二密封件至少部分地定位於在氣體分析器的表面中限定的凹槽內。在實施例中，密封室使用被形成為氣體分析器的一部分的一個或多個導管流體連接到真空源。在實施例中，真空源被定位成遠離氣體分析器。在實施例中，真空源是氣體分析器的系統真空泵。

密封氣體分析器的部件之間的連接的實施例包括將部件之間的密封系統構建成包括第一密封件、與第一密封件間隔開的密封件、以及限定在第一密封件和第二密封件之間的密封室。密封室流體連接到真空源，該真空源在操作時將密封室保持在低於大氣壓的壓力下。使用真空源，將破壞第一密封件和第二密封件中的一者的污染物吸入密封室中並去除所述污染物。

本文中公開的密封系統和方法可用於取代沉重且更昂貴的金屬密封技術(例如，康弗拉特凸緣)，因為所公開的密封系統和方法更容易使用，並可採用更輕和更便宜的彈性體或聚合物密封件。這種密封系統仍然可以提供穩健防漏的超高真空密封件。雖然本文中所公開的密封系統的示例集中在閥和入口部件上，但密封系統的實施例也是相容的，並可用於任何要附接到氣體分析器的真空室的部件，諸如測量儀器、感測器等。

下面的討論涉及到用於連接到氣體分析器的部件的密封系統的各種實施例。將理解的是，本文中描述的變型是實施本文詳述的某些發明構思的示例。為此，其他的變化和修改對那些有足夠技能的人來說將是顯而易見的。此外，貫穿該討論使用了某些術語，以便關於圖式提供合適的參考系。諸如“上”、“下”、“前向”、“後向”、“內部”、“外部”、“前”、“後”、“頂部”、“底部”、“內”、“外”、“第一”、“第二”等的這些術語並不旨在限制這些概念，除非特別指出。除非另有說明，否則本文中使用的術語“約”、“大約”或“基本上”可指所要求保護或公開的值的80%-125%的範圍。關於圖式，其目的是描述用於連接到氣體分析器的部件的密封系統的突出特徵，並且沒有按比例具體提供。

圖1A-圖2中顯示了氣體分析器10的一部分。氣體分析器10大體上包括連接到圍繞真空室30的殼體40的閥20。該閥20包括入口23和出口24。一個或多個內部導管26流體連接到入口23和出口24，並且出口24流體連接到真空室30。如圖1A所示，入口23可以流體連接到額外的外部或附加入口通道22。感測器70可以連接到真空室殼體40，並被構造為檢測真空室30內的氣體。在實施例中，感測器70可以是質譜儀。系統真空泵50被真空歧管60圍繞，並被構造為將真空室30抽到期望的壓力水準。如圖所示，密封系統100用於密封閥20和真空室30之間的連接，以便防止洩漏，所述洩露將損害閥20的功能和/或監測的過程。

參照圖1B和圖2，密封系統100包括第一密封件和第二密封件。如圖所示，密封系統具有內密封件112或內密封構件，其限定了開口119，該開口被構造為接受或圍繞通道或導管，並被定位成在通道或導管(諸如閥20的入口23或出口24)的周向部分周圍。外密封件114或外密封構件被定位成在內密封件112的周圍並與之間隔開，使得在內密封件112和外密封件114之間限定內容積或密封室118。在包括圖1A、圖1B、圖5-圖7B、圖9A、圖10A和圖10B中所示的實施例的一些實施例中，外密封件114可以至少部分地定位在形成於閥20中或真空室30的殼體40中的凹槽116中。在一些實施例中，外密封件114可以是由彈性材料或聚合物材料構成的O形環。在圖1B和圖2中示意性地顯示的實施例中，密封室118使用一個或多個真空導管115流體連接到系統真空泵50。然而，在一些實施例(諸如圖1A和圖3中所示的實施例)中，密封室118替代地流體連接到真空室30，並隨著真空室30被抽真空降壓而被抽真空降壓。

圖3-圖4B示出了具有密封系統200的實施例的氣體分析器10A的一部分，該密封系統200包括至少一個內密封件212或內密封構件和外密封件214或外密封構件，該外密封件214或外密封構件不定位在形成於閥20或真空室30的殼體40中的凹槽或通道中。相反，外密封件214可以定位在閥與真空室30的殼體40的介面處。外密封件214可以是與一個或多個內密封件212分開的部件，或者它們可以形成單個部件，諸如圖4A所示的實施例。至少一個內密封件212限定了開口219，該開口被構造為接受或以其他方式圍繞通道或導管，諸如閥20的入口23或出口24。外密封件214定位在閥20與真空室30的殼體40之間。外密封件214和至少一個內密封件212二者可以由相同的材料構成，所述材料諸如彈性材料或聚合物材料，或者它們可以各自由不同的材料構成。儘管外密封件和內密封件以及導管的許多實施例都顯示為卵形(諸如圓)或橢圓，但本領域的技術人員將意識到，這些部件的其他形狀是可能的。圖4B是沿圖4A的線A-A截取的示意性截面。如圖所示，限定在一個或多個內密封件212和外密封件214之間的兩個或更多個開口213限定了密封室218，該密封室在外密封件214和一個或多個內密封件212之間延伸。如在密封系統100中一樣，一個或多個真空導管215將密封室218流體連接到真空室30。

圖5-圖7B示出了具有密封系統300的氣體分析器10A的一部分，該密封系統包括與圖1A和圖1B類似的外密封件314。在該實施例中，外密封件314定位在形成於閥20和/或真空室30的殼體40中的凹槽或通道316中。密封室318形成於外密封件314和一個或多個內密封件312之間。在該實施例中，密封室318流體連接到真空導管315，所述真空導管與真空室30的殼體40集成或形成於殼體40中。然後，真空導管315流體連接到附加真空導管317，該附加真空導管在真空室殼體40和/或氣體分析器10A的外部。如圖5-圖7B中所示，附加真空導管317流體連接到二級真空泵80，該二級真空泵可以在氣體分析器10A的外部。該二級真空泵80與系統真空50分開，所述系統真空50被構造為對真空室30單獨抽真空降壓。因此，密封室318的環境可以獨立於真空室30的環境進行控制。

圖7A和圖7B描述了通過密封系統300的氣流模式的示例。在圖7A中以多個箭頭示意性地示出的外密封件314處的大氣洩漏的情況下，大氣洩漏進入泵室318並通過真空導管315(和附加真空導管317)被二級真空泵80抽空。替代地並且如圖7B中以多個箭頭示意示出的那樣，如果一個或多個內密封件312中發生洩漏，任何逃逸的氣體將進入泵室318，並通過真空導管315(和附加真空導管317)被抽空。以這種方式，有毒或其他揮發性氣體不會逃逸到周圍環境中。如圖8中所示，氣體分析器10A的一部分被示出為具有密封系統400，所述密封系統將閥20密封抵靠真空室30的殼體40。在該實施例中，外密封件414和一個或多個內密封件412與圖3和/或圖4B的外密封件和內密封件類似。在外密封件414和一個或多個內密封件412之間形成密封室418。密封室418連接到真空導管415，其與真空室30的殼體40集成或形成於所述殼體40中。真空導管415流體連接到附加真空導管417，該附加真空導管可以在真空室殼體40和/或氣體分析器10A的外部。如圖8中所示，附加真空導管417流體連接到二級真空泵80，該二級真空泵可在氣體分析器10A外部。該二級真空泵80與系統真空泵50分開並且因此可獨立於系統真空泵50進行控制，所述系統真空泵被構造為對真空室30抽真空降壓。

圖9A示出了具有沒有連接到二級真空泵80的來自圖5-圖7B的密封系統300的實施例的氣體分析器10B的一部分。這裡，密封系統300的附加真空導管317通過形成在真空歧管60中的一個或多個系統通道62將真空導管315，並且因此泵室318連接到系統真空泵50。以這種方式，系統真空泵50可用於對真空室30和泵室318抽真空降壓或抽空。附加真空導管317可以是可拆卸的，使得附加真空導管317可以用來流體連接到系統真空泵50或如圖5-圖7B中的二級真空泵80。當附加真空導管317被流體連接到二級真空泵80時，一個或多個系統通道62可以被堵塞或以其他方式被阻擋免於外部污染。

圖9B顯示了具有密封系統400的實施例的氣體分析器10B的一部分，密封系統400將閥20密封抵靠真空室30的殼體40。在該實施例中，外密封件416和一個或多個內密封件412與圖3和/或圖4B的外密封件和內密封件類似。因此，在外密封件414和一個或多個內密封件412之間形成了密封室418。密封室418連接到真空導管415，該真空導管與真空室30的殼體40集成或形成於所述殼體40中。然後，真空導管415可以流體連接到附加真空導管417，該附加真空導管可以在真空室殼體40和/或氣體分析器10A的外部。如圖8中所示，附加真空導管417流體連接到可以位於氣體分析器10B外部的二級真空泵80。該二級真空泵80與被構造為對真空室30抽真空降壓的系統真空泵50分開，並且因此，可以獨立於系統真空泵50進行控制。

在圖10A和圖10B中所示的實施例中，顯示了氣體分析器10C的一部分，其具有密封系統500的另一實施例。這裡，外密封件514類似於圖1A-圖2中描述的外密封件114。外密封件514可以至少部分地定位在凹槽或通道516內，該凹槽或通道形成為閥20或真空室30的殼體40的一部分。在外密封件514和至少一個內密封件512之間限定密封室518。密封室518連接到真空導管515，該真空導管與真空室30的殼體40集成或形成於所述殼體40中。如圖10A中特別所示，真空導管515連接到形成在真空歧管60中或集成在真空歧管60中的一個或多個系統導管562、564，這些系統導管連接到系統真空泵50。系統導管562、564的直徑可以根據期望的真空特性或氣體分析器的設計而變化。例如，定位在真空室30或真空室殼體40附近的系統導管561、563的一部分可以比延伸到系統真空泵50的系統導管562、564的其餘部分具有更大的直徑。因此，氣體分析器10C的該實施例具有密封系統500，所述密封系統包括密封室518，該密封室通過與真空歧管60和真空室30的殼體40集成或隨真空歧管60和真空室30的殼體40形成的導管連接到系統真空泵50。

密封系統600的另一實施例在圖11中顯示。在該實施例中，外密封件614與圖3和圖4A-圖4B中描述的外密封件214相似。外密封件614定位在閥20和真空室30的殼體40之間或閥20和真空室30的殼體40的介面處。至少一個內密封件612定位在外密封件614的內部，並限定了至少一個開口，該至少一個開口被構造為接受並以其他方式圍繞通道或導管，諸如閥20的入口23或出口24。在外密封件614和至少一個內密封件612之間限定了密封室618。密封室618流體連接到真空導管615，所述真空導管與真空室30的殼體40集成或形成在所述殼體40中。真空導管615可流體連接到形成於真空歧管60中或集成於真空歧管60中的一個或多個系統導管662、664，該系統導管流體連接到系統真空泵50。系統導管662、664的直徑可以根據期望的真空特性或氣體分析器的設計而變化。例如，定位在真空室30或真空室殼體40附近的系統導管661、663的一部分可以比延伸到系統真空泵50的系統導管662、664的其餘部分具有更大的直徑。因此，氣體分析器10C的該實施例還具有密封系統600，所述密封系統包括密封室618，所述密封室通過與真空歧管60以及真空室30的殼體40集成或隨真空歧管60以及真空室30的殼體40形成的導管流體連接到系統真空泵50。

前述描述中描述的外密封件和一個或多個內密封件可以由諸如橡膠的彈性材料構成。泵室可以被抽真空降壓到遠低於1大氣壓或760托的水準。在實施例中，泵室內的壓力可以被抽真空降壓到小於1托並保持在小於1托。在另一實施例中，泵室內的壓力可以被抽真空降壓到低於0.5托並保持在低於0.5托。雖然已經針對閥20描述了密封系統100、200、300、400、500、600的實施例，但密封系統的這種實施例可用於將任何表面安裝部件密封到氣體分析器的真空室，所述表面安裝部件諸如感測器70。

所述實施例中使用的真空泵可以是任何已知的真空泵。在實施例中，系統真空泵50，或二級真空泵80可以與位於泵室中的吸氣材料結合使用。在參照圖12A和圖12B描述的另一實施例中，系統泵50可以是渦輪泵，其包括多個葉片51，所述葉片操作地連接到致動器並構造為在葉片室53內旋轉。內密封件52被定位在葉片室53的開口周圍，以將葉片室密封抵靠真空歧管60或真空室30的殼體40。外密封件54被定位在內密封件52外部並圍繞著內密封件52。限定在密封件52、54之間的容積55可以經由一個或多個泵導管56被抽真空降壓到遠低於1大氣壓或760托的水準。當諸如圖12A和圖12B所示的渦輪泵的渦輪泵被用作系統真空泵50時，一個或多個泵導管56可以連接到密封系統的泵室，以便對泵室抽真空降壓。例如，一個或多個泵導管56可以經由內部或集成的真空導管515、615和系統導管562、564、662、664連接到泵室，使得密封系統500、600的密封室518、618、真空導管515、615、系統導管562、564、662、664和系統真空泵50全部位元於氣體分析器10C的歧管60或殼體40內。

雖然已經參照某些示例性實施例特別顯示和描述了本發明，但本領域的技術人員將理解的是，在不背離可由書面描述和圖式支持的本發明的精神和範圍的情況下，可以在其中實現各種細節變化。此外，在參照一定數量的元件描述示例性實施例的情況下，將理解的是，示例性實施例可以利用少於或多於該一定數量的元件來實施。

10,10A,10B,10C:氣體分析器 20:閥 22:入口通道 23:入口 24:出口 26:內部導管 30:真空室 40:殼體 50:系統真空泵 51:葉片 53:葉片室 55:(限定在密封件之間的)容積 56:泵導管 60:真空歧管 62:系統通道 70:感測器 80:二級真空泵 100,200,300,400,500,600:密封系統 52,112,212,312,412,512,612:內密封件 54,114,214,314,414,514,614:外密封件 115,215,315,415,515,615:真空導管 116,316,516:凹槽 118,218,318,418,518,618:密封室 119,213,219:開口 317,417:(附加)真空導管 561,562,563,564,661,662,663,664:系統導管

通過參考實施例，可以對上文簡要概述的本發明進行更具體的描述，其中一些實施例在圖式中示出。然而，要注意的是，圖式僅示出了本發明的典型實施例，並且因此不應視為對本發明的範圍的限制，因為本發明可以容許其他等效實施例。因此，為了進一步理解本發明的本質和目的，可以參考下面的具體實施方式，結合圖式閱讀所述具體實施方式，在圖式中：

[圖1A]示出了具有密封系統的實施例的氣體分析器的一部分的實施例的示意性截面圖；

[圖1B]示出了來自圖1A的密封系統的實施例的特寫圖；

[圖2]示出了由密封系統的實施例密封的閥的開口的特寫示意圖；

[圖3]示出了具有密封系統的另一實施例的氣體分析器的一部分的實施例的示意性截面圖；

[圖4A]示出了由密封系統的實施例密封的閥的雙開口的特寫示意圖；

[圖4B]示出了圖4A的實施例沿A-A截取的示意性截面圖；

[圖5]示出了包括密封系統的另一實施例的氣體分析器的一部分的另一實施例的示意性截面圖；

[圖6]示出了圖5的密封系統的實施例的特寫視圖；

[圖7A]示出了圖6的密封系統的實施例的放大示意性截面，指示在閥介面處和泵室內的空氣流動的示例；

[圖7B]示出了圖6的密封系統的實施例的放大示意性截面，指示在閥介面處和泵室內的空氣流動的另一示例；

[圖8]示出具有密封系統的另一實施例的氣體分析器的一部分的實施例的示意性截面圖；

[圖9A]示出具有密封系統的另一實施例的氣體分析器的一部分的實施例的示意性截面圖；

[圖9B]示出具有密封系統的另一實施例的氣體分析器的一部分的實施例的示意性截面圖；

[圖10A]示出具有密封系統的另一實施例的氣體分析器的一部分的實施例的示意性截面圖；

[圖10B]示出了圖10A的實施例的一部分的特寫圖；

[圖11]示出具有密封系統的另一實施例的氣體分析器的一部分的實施例的示意性截面圖；

[圖12A]示出了渦輪真空泵的實施例的透視圖；以及

[圖12B]示出了渦輪真空泵的實施例的俯視透視圖。

圖式是為了圖示的目的，且不一定是按比例的。

10:氣體分析器

20:閥

22:入口通道

23:入口

24:出口

30:真空室

40:殼體

50:系統真空泵

60:真空歧管

70:感測器

100:密封系統

Claims (20)

1. 一種用於氣體分析器的密封系統，其包括： 內密封構件； 與所述內密封構件間隔開的外密封構件； 在所述內密封構件和外密封構件之間限定的密封室；以及 一個或多個導管，其構造為將所述密封室流體連接到真空源， 其中，在操作中，所述密封室被保持在低於大氣壓的壓力下，並且 其中，破壞所述內密封構件和所述外密封構件中的一者的污染物被吸入所述密封室中並經由所述一個或多個導管被去除。
2. 根據請求項1所述的密封系統，其中，所述內密封構件被構造為圍繞所述氣體分析器的兩個部件之間的通路。
3. 根據請求項1所述的密封系統，其中，所述內密封構件和所述外密封構件中的至少一者是由彈性材料構成的。
4. 根據請求項1所述的密封系統，其中，所述內密封構件和所述外密封構件中的至少一者是由聚合物材料構成的。
5. 根據請求項1所述的密封系統，其中，所述外密封構件至少部分地定位於在所述氣體分析器的表面中限定的凹槽內。
6. 根據請求項1所述的密封系統，其中，所述一個或多個導管被形成為所述氣體分析器的一部分。
7. 一種密封系統，其包括： 第一密封件； 與所述第一密封件間隔開的第二密封件；以及 限定在所述第一密封件和所述第二密封件之間的密封室； 其中，所述密封室流體連接到真空源， 其中，在操作中，所述密封室保持在低於大氣壓的壓力下，以及 其中，通過所述真空源，破壞所述第一密封件和第二密封件中的一者的污染物被吸入所述密封室中並被去除。
8. 根據請求項7所述的密封系統，其中，所述第一密封件被構造為圍繞氣體分析器的兩個部件之間的通路。
9. 根據請求項7所述的密封系統，其中，所述第一密封件和所述第二密封件中的至少一者是由彈性材料構成的。
10. 根據請求項7所述的密封系統，其中，所述第一密封件和所述第二密封件中的至少一者是由聚合物材料構成的。
11. 根據請求項7所述的密封系統，其中，所述第二密封件至少部分地定位於在氣體分析器的表面中限定的凹槽內。
12. 根據請求項7所述的密封系統，其中，所述密封室使用一個或多個導管流體連接到所述真空源，所述一個或多個導管被形成為氣體分析器的一部分。
13. 根據請求項7所述的密封系統，其中，所述真空源被定位成遠離氣體分析器。
14. 根據請求項7所述的密封系統，其中，所述真空源是用於氣體分析器的系統真空泵。
15. 一種密封氣體分析器的兩個部件之間的連接的方法，該方法包括： 將密封系統構造成包括： 第一密封件； 與所述第一密封件間隔開的第二密封件，以及 限定在所述第一密封件和所述第二密封件之間的密封室； 將所述密封室流體連接到真空源； 在操作時將所述密封室保持在低於大氣壓的壓力下；以及 使用所述真空源，去除破壞所述第一密封件和所述第二密封件中的一者並被吸入所述密封室中的污染物。
16. 根據請求項15所述的方法，其還包括將所述第一密封件和所述第二密封件中的至少一者構造成包括彈性材料。
17. 根據請求項15所述的方法，其還包括將所述第二密封件至少部分地定位於在氣體分析器的表面中限定的凹槽內。
18. 根據請求項15所述的方法，其中，將所述密封室流體連接到所述真空源包括形成為氣體分析器的一部分的一個或多個導管。
19. 根據請求項15所述的方法，其中，所述真空源被定位成遠離氣體分析器。
20. 根據請求項15所述的方法，其中，所述真空源是用於氣體分析器的系統真空泵。

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