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半导体零部件(5)-真空阀

半导体零部件(5)-真空阀

阀门是半导体真空系统和流体系统中的核心元件,起到开闭、控制流量/流向、调节压力等作用。阀门种类众多,如真空系统中阀门按作用可分为隔离阀、控制阀、传输阀等;流体系统中则需要用到隔膜阀、调压阀等。半导体对阀门要求极为严苛,对密封性、真空度、洁净度等参数指标都有极高要求,在材料的选择、表面处理等方面都给厂商带来了较大难度。

真空阀的分类及应用:

真空阀指的是用在真空系统中的阀门,其作用通常为隔离真空区域(如工艺腔室)或控制气体进出量。由于真空环境基本贯穿半导体制造过程始终,因此真空阀在半导体设备中也有着普遍而广泛的应用。

在半导体设备的真空系统中的真空阀,按照功能划分,隔离阀(Isolation Valves)、控制阀(Control Valves)、传输阀(Transfer Valves)等类型应用较多:其中,隔离阀起隔绝/接通作用,营造真空环境;控制阀主要起到控制气体流量和压力的作用;传输阀则可用于晶圆在腔体之间或腔体和 Load Lock之间的传输。根据阀门的工作方式划分,隔离阀和控制阀又包括闸阀(Gate Valves)、角阀(Angle Valves)、蝶阀(Butterfly Valves)、球阀(Ball Valves)、摆阀(Pendulum Valves)等。

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图1:真空阀在半导体设备中的应用

隔离阀采用最多的主要为闸阀和角阀:闸阀的启闭件为闸板,闸板运动方向与介质流动方向垂直,通过闸板的升降可以起到隔绝/接通作用,通常只作全开/全闭状态,是隔离阀的理想选择,而较少用作控制作用。闸阀可用于腔体和真空泵之间来保护真空泵,也可用于两个相连腔体之间的隔离。

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图2:闸阀产品图示(左)、工作原理(右)

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图3:闸阀应用场景(左:用于工艺腔和真空泵之间,右:用于两个管状腔体之间)

角阀属于提升阀(Poppet Valves)的一种,其气体通路通常呈直角,主要可用于真空系统中的排气管路和抽气系统等的连接。如用于主泵(通常为分子泵)和前级泵(通常为干泵)之间(即前级管路),或者是工艺腔和前级泵之间(即粗抽或预真空管路)。角阀常作为隔离阀,尤其适用于严苛的环境下,并具有出色的可靠性,也可具备控制作用。

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图4:角阀产品图示(左)、工作原理(右)

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图5:角阀应用场景

与仅限于完全打开和关闭的隔离阀不同,控制阀允许控制体积流量,这通常是通过缩小或加宽气门通道来实现。阀门的设计原理和驱动类型决定了相应的控制范围和精度。真空控制阀主要是电动驱动的,从而实现非常精细和快速的位置变化。除电动控制阀外,还有气动解决方案。真空控制阀可用作没有隔离功能的纯控制阀,也可用作控制和隔离阀,从而完全中断体积流量。控制阀主要类型包括摆阀、蝶阀以及球阀。

摆阀是基于阀瓣的摆动来控制流体的流动。当需要开启阀门时,阀杆通过旋转或上下移动的方式,使阀瓣摆动开启,从而允许流体通过阀门。当需要关闭阀门时,阀杆再次旋转或上下移动,使阀瓣摆动关闭,从而阻止流体通过阀门。摆阀具有设计紧凑、振动小、启闭平稳、能有效避免产生颗粒的特点,被广泛用作控制阀,多用于真空泵和工艺腔之间。

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图6:摆阀产品图示(上)、工作原理(下)

蝶阀的阀瓣呈圆盘形,围绕其中轴旋转,旋角大小便是阀门的开闭度,既可作为隔离阀,提供与闸阀同样可靠的真空隔离的同时对占用空间要求较低,适用于紧凑空间的隔离;又可作为控制阀,实现快速精确的调节。

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图7:蝶阀产品图示(左)、工作原理(右)

球阀的启闭件是中间带有圆形通道的球体,可以绕垂直于通道的轴线旋转,球体随阀杆转动从而达到启闭通道的目的。球阀适用的压力范围广,从高真空到低真空等均可使用,同时在带有腐蚀性介质的或者高温的系统中也均可适用。

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图8:球阀产品图示(左)、工作原理(右)

传输阀是用于连接真空腔室的长方形截面的阀门,可将物体(如晶圆)从一个腔室传送到另一个腔室,尤其是在传输腔和工艺腔之间需要用到,因此传输阀是多腔室系统的理想选择。

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图9:传输阀产品图示(左)、工作原理(右)

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图10:传输阀应用场景

以上是关于半导体零部件(5)-真空阀的相关内容介绍了,希望能对您有所帮助!

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