流量控制方法以及比例控制阀与流程

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种流量控制方法以及比例控制阀。

背景技术：

目前，硅外延工艺是集成电路领域和半导体领域中的关键工艺，根据硅外延技术的反应机理可知，需保腔室中各工艺气体的进气量尽可能大才能满足大尺寸硅片的工艺，同时需保证各工艺气体进入腔室的比例是恒定的，才能使外延片具有良好的特性。现有半导体设备中主要采用针阀或者流量控制器调节多种工艺气体进入腔室的气体比例，其中，针阀的主要通过人工手动调节，手动调节精度难以有效控制；而流量控制器对于混合气体流量比例值控制是不准确的，难以保证各路气体的比例恒定。

如图1所示，工艺气体的气路中装有针阀p，改变工艺参数时，参照各路气路上气体流量计m的值，调节气路中针阀p，使各路气路达到一定的比例；当设备需要实现不同工艺需求时，需要再次手动调节各路针阀p，重新确定进入反应腔室中的各路气路的气体的比例。由此，针阀不能自动调节，不利于设备的自动化控制，手动调节针阀精度较低，仅参照流量计的值难于快速得到需要的各路气路的进气比例。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种流量控制方法以及比例控制阀。

为实现本发明的目的而提供一种流量控制方法，所述方法包括：

获取各气路的最大流量值和在预设的流量比例中的占比，所述最大流量值为各所述气路上的比例控制阀的最大开度对应的流量值；

将所有所述气路中所述最大流量值最小的气路作为参照气路；

计算除所述参照气路之外的其他各气路与所述参照气路的最大流量值比值和占比比值；

将各气路对应的所述最大流量值比值一一对应地与各气路对应的所述占比比值进行比较；

若所有的所述最大流量值比值均大于所述占比比值，则根据所述参照气路的最大流量值和所述占比比值计算获得各所述气路的使用流量值，并向各所述气路上的所述比例控制阀输出与所述使用流量值对应的开度值；

若所有的所述最大流量值比值中有所述最大流量值比值小于所述占比比值，则计算各所述最大流量值比值小于所述占比比值对应的气路的最大流量值与所述占比比值的比值，并将该比值最小的值作为所述参照气路的使用流量值；根据所述参照气路的使用流量值和所述占比比值计算获得各所述气路的使用流量值，并向各所述气路上的所述比例控制阀输出与所述使用流量值对应的开度值。

优选地，所述根据所述参照气路的最大流量值和所述占比比值计算获得各所述气路的使用流量值的步骤，包括：

计算所述参照气路的最大流量值与除所述参照气路之外的其他各气路对应的占比比值的乘积值，并将所述乘积值作为除所述参照气路之外的其他各气路的使用流量值；

将所述参照气路的最大流量值作为所述参照气路的使用流量值。

优选地，所述根据所述参照气路的使用流量值和所述占比比值计算获得各所述气路的使用流量值的步骤，包括：

计算所述参照气路的使用流量值与除所述参照气路之外的其他各气路对应的占比比值的乘积值，并将所述乘积值作为除所述参照气路之外的其他各气路的使用流量值。

优选地，在所述获取各气路的最大流量值和在预设的流量比例中的占比的步骤中，由流量开度关系表获取各所述气路的最大流量值，所述流量开度关系表中包括各所述气路上的比例控制阀的开度值与各所述气路输送的媒介的流量值的对应关系。

优选地，在向各所述气路上的所述比例控制阀输出与所述使用流量值对应的开度值的步骤之后，所述方法还包括：

获取各所述气路的实际流量值；

计算各所述气路对应的实际流量值分别与各气路对应的所述使用流量值的差值；

若至少一个所述差值超出了预设的阈值范围，则进行报警；

若各所述气路对应的所述差值均在预设的阈值范围，则结束流程。

一种比例控制阀，设置在采用本申请中所述的流量控制方法的流量控制系统中的各气路上，所述比例控制阀包括：阀体组件、驱动源和传动机构，其中，

所述驱动源用于提供旋转动力；

所述传动机构分别与所述驱动源的驱动轴和所述阀体组件连接，且所述传动机构能够沿所述驱动轴的轴线移动。

优选地，所述传动机构包括：

阀体连接件，与所述阀体组件固定连接，且在所述阀体连接件中设置有直线轴承，所述驱动源的驱动轴与所述直线轴承连接，且所述直线轴承能够沿所述驱动轴的轴线移动。

优选地，所述阀体组件包括：锁紧盖、阀座、阀芯和推杆；其中，

所述锁紧盖与所述阀座密封连接形成空腔，且在所述锁紧盖中设置有螺纹孔，所述螺纹孔的一端与所述空腔连接，另一端沿平行于所述驱动轴的轴线的方向贯通所述锁紧盖；

所述阀座中设置有均与所述空腔连通的进气通道以及出气通道；

所述推杆穿设在所述螺纹孔中，且所述推杆具有外螺纹，并与所述螺纹孔螺纹连接；所述推杆的一端与所述传动机构连接，另一端与位于所述空腔中的所述阀芯连接，

所述阀芯被设置为随所述推杆在平行于所述驱动轴的轴线的方向上的移动而在第一位置或第二位置之间移动，所述第一位置为所述阀芯封堵所述进气通道或所述出气通道在所述空腔中的端口的位置；所述第二位置为所述阀芯距离所述进气通道或所述出气通道在所述空腔中的端口的最远位置。

优选地，所述阀体组件还包括弹性件，所述弹性件设置在所述锁紧盖与所述阀芯之间，用以朝向所述阀芯施加使所述阀芯朝所述第二位置移动的弹力。

优选地，所述阀芯包括中心凸部和环绕在所述中心凸部周围的环形薄膜，其中，所述中心凸部与所述推杆密封连接，且所述中心凸部用于封堵所述进气通道或所述出气通道在所述空腔中的端口；

所述环形薄膜的内周缘与所述中心凸部密封连接，所述环形薄膜的外周缘与所述空腔的内腔壁密封连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的流量控制方法，获取各气路的最大流量值和在预设的流量比例中的占比，最大流量值为各气路上的比例控制阀的最大开度对应的流量值；将所有气路中最大流量值最小的气路作为参照气路；计算除参照气路之外的其他各气路与参照气路的最大流量值比值和占比比值；将各气路对应的最大流量值比值一一对应地与各气路对应的占比比值进行比较；根据最大流量值比值与占比比值的比较情况，得到参照气路的最大流量值或使用流量值，由参照气路的最大流量值或使用流量值计算获得各气路的使用流量值，并向各气路上的比例控制阀输出与使用流量值对应的开度值。由此，通过各气路的最大流量值得到所有气路中最大流量值最小的气路，即参照气路，由计算得到的除参照气路之外的其他气路与参照气路的最大流量值比值和占比比值，选择最大流量值比值和占比比值中的最小值，既能保证各气路的恒定比例，又能保证各气路的气体流量最大。

本发明提供的比例控制阀，设置在本申请的流量控制方法的流量控制系统中的各气路上，包括：阀体组件、驱动源和传动机构，驱动源用于提供旋转动力，传动机构分别与驱动源和阀体组件连接，且传动机构能够沿驱动轴的轴线移动。由此，本发明中传动机构可以带动阀体组件进行旋转的同时进行沿驱动轴的轴线运动，保证了比例控制阀运动的稳定性。

附图说明

图1为现有技术中工艺气体流量控制系统的结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的流量控制方法的流程框图；

图3为本发明另一个实施例提供的流量控制方法的流程框图；

图4为本发明实施例流量开度关系表的示意图；

图5为本发明第三个实施例提供的流量控制方法的流程框图；

图6为本发明实施例提供的比例控制阀的结构示意图；

图7为本发明实施例中阀体组件的一种结构示意图；

图8为本发明实施例中阀体组件的另一种结构示意图。

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流量控制方法以及比例控制阀进行详细描述。

如图2所示，为本发明一个实施例提供的流量控制方法的流程框图，本发明实施例中，流量控制方法包括：

步骤101：获取各气路中最大流量值和在预设的流量比例中的占比，最大流量值为各气路上的比例控制阀的最大开度对应的流量值。

步骤102：将所有气路中最大流量值最小的气路作为参照气路。

步骤103：计算除参照气路之外的其他各气路与参照气路的最大流量值比值和占比比值。

具体地，有n(n≥2)路气路，最大流量值最小的气路为第n路，第1路与第n路的占比比值为ps(1，n)，第2路与第n路的占比比值为ps(2，n)，第n-1路与第n路的占比比值为ps(n-1，n)；此时满足各气路具有预设的流量比例，n路中各气路对应的占比值为fs1、fs2、fs3、…fsn，则除参照气路之外的其他各气路与参照气路的关系为：

第1路与第n路的占比比值ps(1，n)＝fs1/fsn；

第2路与第n路的占比比值ps(2，n)＝fs2/fsn；

…

第n-1路与第n路的占比比值ps(n-1，n)＝fsn-1/fsn；

各气路流量值对应各路比例阀的开度vs1、vs2…、vsn，由上述公式可知：要满足系统的进气量最大的目的，各路流量均需要达到最大，因此需要参照气路流量最大，即fsn最大。

比例控制阀开度最大时各气路的流量最大值分别为f1、f2、…、fn，所有气路使用流量不能超过其最大流量值范围。除参照气路之外的其他各气路与参照气路的最大流量值比值，比值分别为p(1，n)、p(2，n)…、p(n-1，n)，则有：

第1路与第n路的最大流量值比值p(1，n)＝f1/fn；

第2路与第n路的最大流量值比值p(2，n)＝f2/fn；

…

第n-1路与第n路的最大流量值比值p(n-1，n)＝fn-1/fn；

步骤104：将各气路对应的最大流量值比值一一对应地与各气路对应的占比比值进行比较；若所有最大流量值比值均大于占比比值，执行步骤105；若所有的最大流量值比值中有最大流量值比值小于占比比值，执行步骤108。

具体地，各气路对应的最大流量值比值一一对应地与各气路对应的占比比值进行比较，有三种情况：

第一种情况：所有气路的占比比值大于等于最大流量值比值。

根据第1路与参照气路(第n路)的占比比值ps(1，n)大于等于最大流量值比值p(1，n)时，要保证这两路的流量最大，取第1路流量最大f1，得到参照气路的一个参照流量值fs(1，n)，其中，

同理，如果第2路与参照气路的占比比值ps(2，n)大于等于最大流量值比值p(2，n)时，得到参照气路的一个参照流量值fs(2，n)，其中，

以此类推到n路气体，有n-1个最小流量气路的参照流量值，即参照值集合{fs(1，n)，fs(2，n)，…，fs(n-1，n)}，只能选择该集合中的最小值作为参照气路的使用流量值，才能满足所有气路的调节。

第二种情况：所有气路的占比比值小于最大流量值比值。

当第1路与参照气路的占比比值ps(1，n)小于p(1，n)时，要保证这两路的流量最大，取参照气路的比例控制阀开度最大时流量(即fn)作为参照值fs(1，n)＝fn，以次类推如果所有路都占比比值小于最大流量值比值时，则系统的参照流量值只有一个，就是参照气路的比例控制阀开度最大时流量fn。

第三种情况：部分气路占比比值小于最大流量值比值，其他路占比比值大于等于最大流量值比值。

当有部分气路与参照气路的占比比值小于最大流量值比值时，按照第二种情况，求得参照流量值为最小流量气路的比例控制阀开度最大时流量fn，其他气路按照第一种情况计算，得到参照值集合，由于参照值集合中的数值一定小于fn，因此第三种情况求解参照气路的使用流量值fsn的过程，应按照第一种情况的计算方法计算出参照集合，选择该集合中的最小值作为使用流量值fsn。

步骤105：根据参照气路的最大流量值和占比比值计算获得各气路的使用流量值。

具体地，步骤105包括：

计算参照气路的最大流量值与除参照气路之外的其他各气路对应的占比比值的乘积值，并将乘积值作为除参照气路之外的其他各气路的使用流量值；将参照气路的最大流量值作为参照气路的使用流量值。

步骤106：向各气路上的比例控制阀输出与使用流量值对应的开度值。

步骤107：退出。

步骤108：计算各最大流量值比值小于占比比值对应的气路的最大流量值与占比比值的比值，并将该比值最小的值作为参照气路的使用流量值。

步骤109：根据参照气路的使用流量值和占比比值计算获得各气路的使用流量值，执行步骤106。

具体地，步骤109包括：

计算参照气路的使用流量值与除参照气路之外的其他各气路对应的占比比值的乘积值，并将乘积值作为除参照气路之外的其他各气路的使用流量值。

本发明实施例提供的流量控制方法，获取各气路的最大流量值和在预设的流量比例中的占比，最大流量值为各气路上的比例控制阀的最大开度对应的流量值；将所有气路中最大流量值最小的气路作为参照气路；计算除参照气路之外的其他各气路与参照气路的最大流量值比值和占比比值；将各气路对应的最大流量值比值一一对应地与各气路对应的占比比值进行比较；根据最大流量值比值与占比比值的比较情况，得到参照气路的最大流量值或使用流量值，由参照气路的最大流量值或使用流量值计算获得各气路的使用流量值，并向各气路上的比例控制阀输出与使用流量值对应的开度值。由此，通过各气路的最大流量值得到所有气路中最大流量值最小的气路，即参照气路，由计算得到的除参照气路之外的其他气路与参照气路的最大流量值比值和占比比值，选择最大流量值比值和占比比值中的最小值，既能保证各气路的恒定比例，又能保证各气路的气体流量最大。

如图3所示，为本发明另一个实施例提供的流量控制方法的流程框图，本发明实施例中，流量控制方法包括：

步骤201：由流量开度关系表获取各气路的最大流量值，流量开度关系表中包括各气路上的比例控制阀的开度值与各气路输送的媒介的流量值的对应关系，最大流量值为各气路上的比例控制阀的最大开度对应的流量值。

具体地，流量开度关系表可以得到在各气路的进口压力相同时，比例控制阀的开度值与媒介流量值之间的特性关系，该特性可重复，比如，相同的比例控制阀在以同一开度值通过不同种类的气体时，气体流量值大小不同，特性如图4。在图4中，横坐标为各气路的比例控制阀的开度，纵坐标为各气路输送的媒介的流量值，并且在图4中显示了g1、g2、g3、gn中不同的气路的曲线，在各比例控制阀的最大开度vmax时，对应的流量值分别为f1、f2、f3、fn。其中，fn对应地气路gn为最大流量值最小的气路，gn气路为参照气路。因此，对于多路气体来说，同种开度的相同的比例阀，通过不同气体时，会得到各类气体的流量曲线。

步骤202：获取各气路在预设的流量比例中的占比。

步骤203：将所有气路中最大流量值最小的气路作为参照气路。

步骤204：计算除参照气路之外的其他各气路与参照气路的最大流量值比值和占比比值。

步骤205：将各气路对应的最大流量值比值一一对应地与各气路对应的占比比值进行比较；若所有最大流量值比值均大于占比比值，执行步骤206；若所有的最大流量值比值中有最大流量值比值小于占比比值，执行步骤209。

步骤206：根据参照气路的最大流量值和占比比值计算获得各气路的使用流量值。

步骤207：向各气路上的比例控制阀输出与使用流量值对应的开度值。

本实施例中，可以在根据流量开度关系表得到各路的流量值与开度值，计算得到各路使用流量值对应的比例控制阀开度值，从而调节比例控制阀的开度。

步骤208：退出。

步骤209：计算各最大流量值比值小于占比比值对应的气路的最大流量值与占比比值的比值，并将该比值最小的值作为参照气路的使用流量值。

步骤210：根据参照气路的使用流量值和占比比值计算获得各气路的使用流量值，执行步骤207。

本发明实施例提供的流量控制方法，通过流量开度关系表获取各气路的最大流量值，流量开度关系表可以得到在各气路的进口压力相同时，比例控制阀的开度值与媒介流量值之间的特性关系，为流量控制提供了便利，保证了流量控制的准确性。

如图5所示，为本发明第三个实施例提供的流量控制方法的流程框图，本发明实施例中，流量控制方法包括：

步骤301：由流量开度关系表获取各气路的最大流量值，流量开度关系表中包括各气路上的比例控制阀的开度值与各气路输送的媒介的流量值的对应关系，最大流量值为各气路上的比例控制阀的最大开度对应的流量值。

步骤302：获取各气路在预设的流量比例中的占比。

步骤303：将所有气路中最大流量值最小的气路作为参照气路。

步骤304：计算除参照气路之外的其他各气路与参照气路的最大流量值比值和占比比值。

步骤305：将各气路对应的最大流量值比值一一对应地与各气路对应的占比比值进行比较；若所有最大流量值比值均大于占比比值，执行步骤306；若所有的最大流量值比值中有最大流量值比值小于占比比值，执行步骤313。

步骤306：根据参照气路的最大流量值和占比比值计算获得各气路的使用流量值。

步骤307：向各气路上的比例控制阀输出与使用流量值对应的开度值。

本实施例中，可以在根据流量开度关系表得到各路的流量值与开度值，计算得到各路使用流量值对应的比例控制阀开度值，从而调节比例控制阀的开度。

步骤308：获取各气路的实际流量值。

步骤309：计算各气路对应的实际流量值分别与各气路对应的使用流量值的差值。

步骤310：判断所有差值是否均在预设的阈值范围内，若是，执行步骤311；若否，执行步骤312。

步骤311：退出。

步骤312：进行报警，执行步骤311。

步骤313：计算各最大流量值比值小于占比比值对应的气路的最大流量值与占比比值的比值，并将该比值最小的值作为参照气路的使用流量值。

步骤314：根据参照气路的使用流量值和占比比值计算获得各气路的使用流量值，执行步骤307。

本发明实施例提供的流量控制方法，在向各气路上的比例控制阀输出与使用流量值对应的开度值之后，获取各气路的实际流量值，计算各气路对应的实际流量值分别与各气路对应的使用流量值的差值，由该差值确定各气路是否传输异常，保证了流量控制的安全性。

本发明提供的流量控制方法应用到流量控制系统中，其工作的过程具体为：用户在比例控制器控制界面输入各气路在预设的流量比例中的占比，比例控制器根据流量开度关系表，确定所有气路中最大流量值最小的气路，即参照气路，比例控制器计算各气路相对于参照气路的最大流量值比值p(1，n)，p(2，n)，……p(n-1，n)，将全部气路与参照气路的占比比值分别定义为ps(1，n)，ps(2，n)，……ps(n-1，n)。比例控制器比较全部的ps(n-1，n)与p(n-1，n)的大小，计算得到参照气路的使用流量fn，计算各气路的fs1、fs2、fsn-1的值，结合系统中的流量开度关系表，得到对应的开度vs1、vs2….vsn。比例控制器将开度值分别发送到相应气路的比例控制阀，比例控制阀的电机带动驱动机构使阀体组件的开度达到计算的开度值，此时驱动机构记录当前位置信息，反馈到比例控制器，比例控制器存储该位置信息作为该工艺的位置信息，在两种工艺进行切换时，比例控制器的比例控制程序直接调取储存在比例控制器中的工艺位置信息，直接进行工艺切换。

针对上述流量控制方法，本发明还提供了一种比例控制阀，如图6所示，该比例控制阀设置在本发明的流量控制方法的流量控制系统中的各气路上，比例控制阀包括：阀体组件1、驱动源2和传动机构3。

其中，驱动源2用于提供旋转动力。进一步，驱动源2可以包括：带有编码器的电机(图中未示)，编码器能够时间动态反映阀体转动动态，同时能够精准确定转动度数，便于对比例控制阀不同工艺参数进行调节；进一步，驱动源2还包括：驱动底座21，驱动底座21与传动底座32相连接，传动底座32安装在阀体组件1上。

传动机构3分别与驱动源2的驱动轴和阀体组件1连接，且传动机构3能够沿驱动轴的轴线移动。

本实施例中，传动机构可以带动阀体组件进行旋转的同时进行沿驱动轴的轴线运动，保证了比例控制阀运动的稳定性。

具体地，如图6所示，传动机构3包括：阀体连接件31，与阀体组件1固定连接，且在阀体连接件31中设置有直线轴承312，驱动源2的驱动轴与直线轴承312连接，且直线轴承312能够沿驱动轴的轴线移动，参见图6所示，阀体连接件31还包括：驱动转块311转轴313和阀体转块314，转轴313固定驱动转块311，直线轴承312镶嵌在阀体转块314中，且直线轴承312与转轴313配合。转轴313与直线轴承5配合，形成上下可以移动的滑动连接，实现转动过程中的上下移动，阀体转块314的一端与阀体组件1连接。

本实施例中，转轴313与驱动源2的驱动轴相平行，驱动源2的驱动轴与驱动转块311连接，向驱动转块311提供旋转动力，而转轴313在随驱动转块311进行旋转的同时，通过与直线轴承312沿驱动轴的轴线移动，并且转轴313还可以为阀体转块314提供旋转动力，使阀体转块314带动阀体组件1旋转。

具体地，如图7所示，为本发明实施例中阀体组件的一种结构示意图，在图7中，阀体组件1包括：锁紧盖11、阀座12、阀芯13和推杆14。

其中，锁紧盖11与阀座12密封连接形成空腔4，且在锁紧盖11中设置有螺纹孔111，螺纹孔111的一端与空腔4连接，螺纹孔111的另一端沿平行于驱动轴的轴线的方向贯通锁紧盖11。

阀座12中设置有均与空腔4连通的进气通道121以及出气通道122。

推杆14穿设在螺纹孔111中，且推杆14具有外螺纹(图中未示)，并与螺纹孔111螺纹连接；推杆14的一端与传动机构3连接，另一端与位于空腔4中的阀芯13连接。

阀芯13被设置为随推杆14在平行于驱动轴的轴线的方向上且在第一位置和第二位置之间移动，第一位置为阀芯13封堵进气通道121或出气通道122在空腔4中的端口的位置；第二位置为阀芯13距离进气通道121或出气通道122在空腔4中的端口的最远位置。

具体地，阀芯13包括中心凸部131和环绕在中心凸部131周围的环形薄膜132，其中，中心凸部131与推杆14密封连接，且中心凸部131用于封堵进气通道121或出气通道122在空腔4中的端口。在图7中，中心凸部131用于封堵进气通道121在空腔4中的端口。

环形薄膜132的内周缘与中心凸部131密封连接，环形薄膜132的外周缘与空腔4的内腔壁密封连接。在图7中，

本发明实施例中，环形薄膜可以保证阀芯向上的弹力，从而使阀芯与推杆之间紧密贴合，保证阀体组件的重复性误差最小。

进一步，如图8所示，为本发明实施例中阀体组件的另一种结构示意图，相对于图7所示的阀体组件1，图8所示的阀体组件1中还包括：弹性件15，弹性件15设置在锁紧盖11与阀芯13之间，用以朝向阀芯13施加使阀芯13朝第二位置移动的弹力。

推杆14通过螺纹与锁紧盖11连接，两者之间有弹性件15，该弹性件15可以是弹簧，从而减小螺纹间距，保证传动精度，锁紧盖11将阀芯13压紧到阀座12上，阀芯13与阀座12之间金属密封，保证密封可靠性。图8中，阀芯13锥面与阀座12锥面相配合，保证阀体全闭时的密封，阀芯锥面与阀座锥面的间距不同，通过阀体的流量也就不同。

本发明实施例中，在锁紧盖与阀芯之间设置弹性件，能够大大减小推杆在转动过程中因螺纹间隙引起的上下跳动，保证不会因为螺纹间隙引起精度误差，提高了比例控制阀的精度。

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。