气体吹扫阀的制作方法

1.本发明涉及阀，并且特别地，但不限制地，涉及在阀故障的情况下，显著地减少或消除腐蚀性的、有毒的、自燃的和/或有害气体释放到周围环境中的气体吹扫阀。本发明还涉及一种具有真空泵、气体消减系统和根据本发明的气体吹扫阀的系统。


背景技术：

2.半导体器件、平板显示器和太阳能电池板的制造涉及通常在真空条件下进行的各种工艺步骤(例如蚀刻、沉积和清洁)。为了实现这种条件，一个或多个真空泵连接到每个工艺腔室的出口。在操作期间，真空泵接收离开工艺腔室的未使用的工艺气体和/或副产物。未使用的气体和副产物通常是腐蚀性的、有毒的、自燃的和/或危险的气体，其不能直接释放到环境中。因此，每个真空泵排气到一个或多个气体消减系统中。制造商通常并行安装两个消减系统，一个系统以“在线”模式操作，而另一个系统以“离线”模式操作。如果消减系统出现故障或需要预防性维护，双系统一起提供增强的正常运行时间。在这种故障或维护期间，隔离阀将离线系统与在线系统隔离。每个消减系统的每个入口管线包括隔离阀，该隔离阀在在线消减系统和离线消减系统之间交替切换。由于未使用的工艺气体和副产物流过隔离阀，阀的o形环密封件或阀座可能出现故障。这种故障可能导致即使在隔离阀“关闭”之后，加压气体也继续流入离线消减系统中。因此，当技术人员维修离线系统时，腐蚀性的、自燃的、有毒的和/或危险气体可能被释放到环境中，从而有害地伤害周围的人和财产。
3.为了使气体的释放最小化，制造商通常在在线和离线消减系统的入口管线中都包括第二手动操作的隔离阀。在维修离线消减系统之前，技术人员还必须关闭手动阀，以确保加压气体不再流入系统。然而，技术人员有时忘记关闭或重新打开手动阀。因此，添加手动阀可能具有若干缺点。第一，添加第二阀增加了系统的成本。第二，即使使用第二手动阀，如果手动阀的球或密封件变得被损坏，也存在较小的意外暴露的风险。第三，如果技术人员忘记重新打开手动阀，例如，那么当主系统离线并切换到辅助系统时，在处理系统中将发生灾难性故障。
4.因此，需要一种单一、可靠的隔离阀，其可将离线消减系统与在线消减系统隔离，并实质上减少或消除腐蚀性的、有毒的、自燃的和/或有害气体的释放。类似地，需要一种提供成本有效的冗余和增强的安全性的处理系统。


技术实现要素：

5.根据本发明的第一方面，提供了一种阀，包括：壳体，所述壳体具有至少一个入口和至少一个出口；阀构件，所述阀构件位于所述壳体内并且能够在不同位置之间移动，以用于在使用中控制流体从所述阀的入口到出口的流动；其中，所述阀还包括：至少两个间隔开的阀座，所述阀构件位于所述阀座中，以便形成由所述阀座、所述阀构件的外表面和所述壳体的内表面界定的腔；第一导管，所述第一导管在所述壳体的外部与所述腔之间延伸；以及在所述腔与所述阀构件的孔之间延伸的第二导管，在使用中，吹扫气体能够通过所述导管
被引入到所述腔和孔中。
6.优选地，可以可选地但优选地将加压气体或吹扫气体引入到腔中，以确保工艺气体不能逸出壳体。在某些情况下，这可能涉及提供吹扫气体到腔或孔中的连续流动，以维持腔内的正压力或抑制回流或工艺气体经由任一孔口逸出壳体。
7.本发明的一个设想的优点是，在功能障碍或故障的情况下，它可以为围绕阀的人和环境提供保护。这可以通过如下来实现：提供一种方法来从阀中吹扫潜在有害的气体，并用(优选地)惰性或无害的吹扫气体来代替它们，使得如果阀泄漏、出现故障或不正确地操作，则惰性或无害的吹扫气体将比潜在有害的工艺气体更有可能逃逸。实际上，这是通过用连续供应的吹扫气体围绕可移动的阀构件，并且通过允许吹扫气体进入阀构件的孔来实现的。
8.有利地，在腔与阀构件的孔之间延伸的第二导管允许在第一(“开”)位置，即当孔与阀的入口和出口对准时，吹扫气体进入腔以及阀构件的孔。因此，当阀处于第一位置时，可以降低工艺气体逸出壳体的风险。这是因为吹扫气体可以被允许从流动路径流动并且进入腔中，并且吹扫气体可以从腔流动通过第二导管进入阀构件的孔中，在那里吹扫气体在离开阀之前与工艺气体组合。可以在比工艺气体的正常最大压力更大的压力下供应吹扫气体，使得吹扫气体可以流入工艺气体流中。
9.阀可以是隔离器阀或分流阀，如可以在具有冗余气体消减系统的真空系统中使用的。在隔离器阀的情况下，阀构件可以包括孔，使得当移动或旋转到第一位置时，孔与阀的入口和出口对准，和/或使得当其移动或旋转到第二位置时，孔不与入口或出口对准。当然，当阀构件移动到第二(“关”)位置时，吹扫气体可能是停滞的（死区，无流量的，dead-headed）。
10.在分流阀的情况下，阀构件可以在第一位置和第二位置之间可移动或可旋转，使得孔在第一位置与入口和第一出口对准，并且在第二位置与入口和第二出口对准。
11.为了抑制或防止吹扫气体回流出壳体，优选地设置止回阀。止回阀可包括弹簧，其张力可以是可调节的，并且该弹簧优选地由具有高镍含量的合金制成，所述合金是诸如助记(或“形状记忆”)合金，诸如nitinal
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。
12.为了便于将吹扫气体引入到阀中，可以提供歧管以使得吹扫气体能够从壳体外部被引入到吹扫气体导管中。
13.可以提供加热器，诸如适当指定的筒式加热器，以加热歧管，并因此在吹扫气体进入腔之前加热歧管内的吹扫气体。这种布置可以抑制或防止歧管或阀的任何部分内的冷凝。
14.在提供的情况下，歧管可以用作热交换器，用于将热量从加热器或筒式加热器传递到其中的吹扫气体。为了使热交换效率最大化，歧管优选地由高热导率材料制成，所述高热导率材料是诸如铜或铝合金。通过设计歧管内的吹扫气体的流动路径以具有大的表面积和遵循非线性路径，可以使来自加热器或筒式加热器的热传递最大化。这样，通过歧管的吹扫气体的流动路径优选地被中断，这可以通过增加流过歧管的吹扫气体的湍流、用于流过歧管的吹扫气体的曲折流动路径、流动路径中的挡板和填充材料的适当使用来实现。
15.在大多数实际情况下，优选地存在连接到歧管的入口的吹扫气体供应。
16.如先前所暗示的，可以通过监测包括以下各项的组中的任何一个或多个中的吹扫
气体的压力或流量来检查阀的完整性：腔；第一和第二导管；歧管；以及吹扫气体供应。在某些情况下，这可以通过使用压力传感器或流量传感器来实现。在本发明的最优选实施例中，压力传感器定位在吹扫气体供应内，并且阀和压力调节器与用于隔离所述腔和歧管内的吹扫气体的阀一起设置在压力传感器的上游，压力传感器适于监测隔离的吹扫气体的压力。
17.为了与前述制造工艺相容，优选地选择润湿部件以用于与流过阀的工艺气体相容，诸如与氟、氯和溴化氢相容。以类似的方式，阀座也优选地由耐受工艺气体的化学和物理侵蚀的材料制造，所述材料是诸如例如不锈钢、hasteloy
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、viton
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和kalrez
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。
18.本发明的第二方面提供了一种系统，包括：具有排气装置的真空泵；和t形连接（teed）到排气装置的一对消减系统，以及如本文所述的阀，所述阀定位在消减系统中的每一者的上游。
附图说明
19.现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的优选实施例，在附图中：图1是根据本发明的气体吹扫球阀的示意图；图2a是根据本发明的气体吹扫球阀(示出为处于打开位置)的侧视图；图2b是根据本发明的气体吹扫球阀(示出为处于关闭位置)的端视图；图2c是根据本发明的气体吹扫球阀(示出为处于关闭位置)的侧视图；图3a是根据本发明的具有吹扫气体压力检测的气体吹扫球阀的示意图；图3b是根据本发明的具有流率吹扫气体检测的气体吹扫球阀的示意图；图4a是根据本发明的分流阀的截面图；图4b是根据本发明的联接到分流阀的歧管的视图；图5是根据本发明的分流阀的平面图；图6a是根据本发明的具有一对气体吹扫球阀的系统的示意图；以及图6b是根据本发明的具有气体吹扫分流阀的系统的示意图。
具体实施方式
20.本发明的隔离阀可以是球阀或分流阀。图1示出了根据本发明的气体吹扫球阀的实施例。球阀100具有带有入口104a和出口104b的壳体102。阀100还包括位于一对阀座110a、110b之间的可旋转球108。阀座110a、110b分别定位在阀100的入口104a和出口104b中。
21.球108具有穿过其的孔114，并且球108可以在第一位置和第二位置之间旋转。孔114在第一位置(参见图2a)与入口104a和出口104b对准，而在第二位置(参见图2b-2c)与入口104a和出口104b不对准或垂直。孔114与入口104a和出口104b的对准形成了通过阀100的“打开”工艺流动路径。球108与壳体102的内表面间隔开，以在其中形成腔112，如图1中所示，并且更具体地如图2a-2c中所示。如将在下面进一步详细讨论的，用惰性气体吹扫阀座110a、110b和壳体102之间的腔112或“空隙”。如图2b中所示，球108还包括与阀100的驱动挡块（drive dog）119接合的键槽123。在球108中靠近键槽123的小开口125使得孔114能够与腔112流体连通。
22.具有带有入口120a和出口120b的流动路径118的歧管116紧密地联接到壳体102。
加压的惰性气体源124，例如氮气、氩气或氦气，连接到歧管入口120a。歧管116的出口120b与壳体102中的端口122流体连通，如图2b中所示。端口122穿过壳体102并进入腔112，从而将流动路径118与腔112连接。因此，歧管116使得腔112能够填充有惰性吹扫气体。尽管歧管116可以由多种固体材料构造而成，但优选地由具有高热导率的材料构造而成，所述高热导率的材料是诸如铝合金或铜。
23.单向(止回)阀128定位在端口122中，使得惰性气体可以从歧管116流入腔112中，但不能沿相反方向流动。在一个实施例中，弹簧(未示出)定位在端口122中，在止回阀128的球(未示出)和隔离阀100的球108之间。弹簧建立了吹扫气体必须进入端口122和腔112的最小压力。
24.某些工艺步骤需要热量以防止在工艺工具下游的管道工程和部件(例如阀、真空泵等)中形成固体副产物。例如，可冷凝的固体，氯化铝(al2cl6)是铝蚀刻工艺的副产物。在另一示例中，六氟硅酸铵((nh4)2sif6))是使用基于氟的腔室清洁的氮化硅化学气相沉积工艺的可冷凝副产物。因此，优选地加热供应到腔112的吹扫气体，以便最小化阀100的球108和壳体102内的冷凝。
25.如图2b和图2c中所示，歧管116包括加热器126，例如筒式加热器，其尺寸被设计成保持吹扫气体的温度，以便使阀100的球108和壳体102内的冷凝最小化。加热器126应当将吹扫气体的温度保持在大约90℃或以上，并且优选地保持在大约120℃或以上。如果歧管116由诸如铝合金或铜的具有高热导率的材料构造而成，则加热器126可以定位在歧管116内的任何方便的位置。然而，优选地，加热器126定位成与相距歧管入口120a相比更靠近歧管出口120b。如图2b和图2c中所示，加热器126定位在歧管116内，靠近流动路径118和歧管出口120b。
26.此外，流动路径118优选地优化从加热器126到流过歧管116的吹扫气体的热传递。因此，在一个实施例中，流动路径118是曲折的，其中吹扫气体在离开进入到端口122中之前必须来回流动通过歧管116。在另一实施例中，流动路径118可包括挡板以增加湍流，或者可以是填充床以增强热传递。
27.如上文所讨论的，隔离球阀100具有第一位置和第二位置。图2a示出了处于第一“打开”位置的阀100，并且图2b和2c示出了处于第二“关闭”位置的阀100。当阀100“打开”时，工艺气体通过阀入口104a流入阀100，通过球108的孔114，并通过阀出口104b流出。参见图2a。当工艺气体流过“打开”阀100时，加热的吹扫气体从歧管116的流动路径118流入腔112，从而加热球108和壳体102。加热的吹扫气体从腔112流动通过开口125进入球108的孔114，在那里加热的吹扫气体与工艺气体在离开阀100之前组合。优选地，供应到腔112的加热的惰性气体的压力高于工艺气体流的正常最大压力，使得惰性气体可以流入工艺气体中。
28.当球阀100“关闭”时，如图2b和2c中所示，并且阀100中没有泄漏，加热的吹扫气体继续流入腔112和孔114中，直到阀100内的吹扫气体的压力达到惰性气体源124的压力。因此，在正常情况下，吹扫气体通过“关闭的”阀100 而停滞。然而，如果隔离阀100例如由于球上的划痕或腐蚀的阀座和/或o形环而损坏，则无害的惰性气体而不是有害的工艺气体将从腔112并通过损坏的区域泄漏。
29.为了检测隔离阀100中的泄漏或损坏，可监测加热的惰性吹扫气体的压力衰减。在
一个实施例中，电磁阀130与压力调节器132一起安装在歧管入口120a上游的惰性气体源管线135中，以调节到歧管116的压力，如图3a中所示。压力传感器134也定位在歧管入口120a和电磁阀130之间的惰性气体源管线中，以监测歧管116中的压力。加热器126定位在歧管116内，在止逆阀138的上游。在正常操作条件下，惰性气体的压力应保持在恒定的预定值。
30.如上文所讨论的，腔112中的加热的惰性气体的压力应该高于工艺气体流的最大操作压力。工艺气体流的最大压力又由位于工艺腔室下游的诸如消减系统的设备特性决定。例如，如果消减系统是燃烧器(例如，参见授予stanton等人并转让给edwards limited的美国专利第7,494,633号)或湿式洗涤器，则工艺气体流的压力可以是约
±
5 inh2o (或约
±
0.181 psi或0.012bar)。然而，如果消减系统是气体反应器塔(例如，参见授予smith等人的美国专利第5,538,702号和martin ernst tollner的美国公开第2005/0217732a1号)，则工艺气体流的压力可高达约3.5 psi (即，约0.24 bar)。因此，在前一示例中，供应到阀100的吹扫气体的压力应为约1 psi到约5 psi (即，约0.07 bar到0.34 bar)。在后一示例中，供应到阀100的吹扫气体的压力应当为大约5至大约15 psi (即大约0.34至1.03 bar)。
31.在操作期间，在隔离(球)阀100旋转到第二“关闭”位置并且阀100中的加热的惰性气体的压力有机会停滞之后不久，电磁阀130也被“关闭”。因此，腔112变得充满了如前一段中所讨论的处于一定压力的惰性气体。因此，如果阀中没有泄漏，则由压力传感器134测量的惰性气体的压力将保持恒定。然而，如果压力传感器134测量到惰性气体的压力的衰减(或降低)，则这种衰减指示隔离阀100中存在泄漏。
32.在另一实施例中，流量传感器136定位在吹扫气体管线135中，以监测吹扫气体的流率，如图3b中所示。压力调节器132也定位在吹扫气体管线135中，在流量传感器136的上游。加热器126在止逆阀138的上游定位在歧管116内。在正常情况下，如上文关于测量压力衰减所讨论的，吹扫气体在腔112内是停滞的。然而，如果流量传感器136检测到吹扫气体的流量，则这种流量指示隔离阀100中存在泄漏。值得注意的是，可以监测吹扫气体管线135的流量和压力衰减两者，以便检测隔离阀100的故障。为了实现这一点，流量传感器136可以安装在压力传感器134和歧管入口120a之间。
33.在另一实施例中，隔离阀是如图4a中所示的分流阀200。在该实施例中，分流阀200具有壳体202，所述壳体具有入口204a (图5中示出)和两个出口204b和204c。分流阀200还具有位于阀座210a、210b、210c、210d之间的可旋转球208。阀座210a、210b、210c、210d围绕球208定位，如图4中所示。
34.球208具有孔，该孔具有两个肢件（limb）214a、214b，所述肢件被布置成形成图5中所示的单个“l”形构造。值得注意的是，孔214a、214b定位在图4a中由水平虚线表示的平面内。然而，由图4a中的竖直虚线表示的球208的旋转轴线垂直于该平面。这种垂直构造对于将腔212 (下面描述)与通过阀200的孔214a、214b的工艺流体流动路径隔离是必要的。
35.球208可在第一位置和第二位置之间旋转。在第一位置中，孔214a与入口204a对准，并且孔214b与出口204b对准。在该第一位置中，工艺气体从入口204a流动并通过出口204b。在第二位置中，如图4a中所示，球208旋转，使得孔214b与入口204a对准，并且孔214a与出口204c对准。在该第二位置中，工艺气体从入口204a流动并通过出口204c。
36.球208与壳体的内表面间隔开，以在其中形成腔212，如图4a中所示。腔212用惰性气体吹扫，如将在下面详细描述的。如图4a中所示的，球208包括与阀200的驱动挡块219接
合的键槽223。在球208中靠近键槽223的小开口225使得腔212能够与孔214a、214b流体连通。小开口225的尺寸必须被设计为提供必要的压降，从而允许腔212在比工艺流体流更高的压力下操作。
37.如图4a和4b中所示，具有带有入口220a和出口220b的流动路径218的歧管216紧密地联接到壳体202。例如氮气、氩气或氦气的惰性气体的加压源224连接到歧管入口220a。歧管216的出口220b与壳体202中的端口222流体连通，如图4中所示。端口222穿过阀壳体202并进入腔212，从而将流动路径218与腔212连接。因此，歧管216使得腔212能够填充有加压惰性吹扫气体。尽管歧管216可以由多种固体材料构造而成，但优选地由具有高热导率的材料构造而成，所述高热导率的材料是诸如铝合金或铜。
38.单向(止回)阀228定位在端口222中，使得惰性气体可从歧管216流入腔212中，但不能沿相反方向流动。在一个实施例中，弹簧(未示出)定位在端口222中，位于止回阀228的球229与隔离阀200的球208之间。弹簧建立了吹扫气体必须进入端口222和腔212的最小压力。
39.如图4b中所示，歧管216优选地包括加热器226，例如筒式加热器，其尺寸被设计成保持吹扫气体的温度，以便使阀200的球208和壳体202内的冷凝最小化。加热器226应当将吹扫气体的温度保持在或大约90℃，并且优选地保持在大约120℃以上。如果歧管216由诸如铝合金或铜的具有高热导率的材料构造而成，则加热器226可以定位在歧管216内的任何方便的位置处。然而，优选地，加热器226定位成与相距歧管入口220a相比更靠近歧管出口220b。如图4b中所示，加热器226定位在歧管216内，靠近流动路径218和歧管出口220b。
40.此外，流动路径218优选地优化从加热器226到流动通过歧管216的吹扫气体的热传递。因此，在一个实施例中，流动路径218是曲折的，如图4a中所示，其中吹扫气体在离开进入到端口222中之前必须来回流动通过歧管216。在另一实施例中，流动路径218可包括挡板以增加湍流，或者可以是填充床以增强热传递。
41.如上文所讨论的，隔离分流阀200具有第一位置和第二位置。当孔214a和214b分别与入口204a和出口204b对齐时，工艺气体通过入口204a、通过球208的孔214a、214b流入阀200，并通过出口204b流出。当工艺气体流动通过孔214a、214b时，加热的吹扫气体从歧管216的流动路径218流入腔212，从而加热球208和壳体202。加热的吹扫气体从腔212流动通过开口225进入球208的孔214a、214b，在那里加热的吹扫气体与工艺流体在离开阀200之前组合。优选地，供应到腔212的加热的惰性气体的压力高于工艺气体流的正常最大压力，使得惰性气体可以流入工艺气体流中。
42.类似地，当孔214a和214b分别与出口204c和入口204a对准时，工艺气体流入入口204a并通过出口204c。参见图4a。如在第一位置中，加热的惰性吹扫气体流入孔214a、214b中，与工艺流体组合。此外，惰性吹扫气体的压力优选高于工艺气体的操作压力。
43.因此，在操作期间，当阀200处于第一或第二位置时，加热的惰性吹扫气体恒定地流入腔和孔214a、214b。如上文所讨论的，端口222的尺寸被设计为确保吹扫气体的压力超过工艺气体的压力，并控制吹扫气体流入孔214a、214b中。如果阀200例如由于阀座的腐蚀而出现故障，则惰性吹扫气体的流率将增加。因此，使用与图3b中所示相同的构造，流量传感器可以定位在吹扫气体管线中以监测吹扫气体的流率。如果流量传感器检测到流率的相对增加，则这将是阀故障的指示。
44.隔离阀100、200的润湿部件，诸如壳体、球108、208和阀座110a、110b，必须与诸如氟、氯、溴化氢和在半导体、平板显示器和太阳能电池板制造工艺中使用的其他气体的气体相容。类似地，止回阀128、228的湿润部件，诸如球229、弹簧(未示出)、垫圈(未示出)和密封环(未示出)，也必须与上述气体相容。球108、208和球229优选由对上述气体具有耐腐蚀性的不锈钢(例如304l、316l等)构造而成。弹簧(未示出)应该由具有高镍含量的合金或助记材料(诸如由inco合金制造的那些)构造而成。垫圈和密封环(未示出)应该由不锈钢(例如304l、316l等)、hastelloy、viton
® or kalrez
®
构造而成。歧管116可以由相对便宜的材料例如铝构造而成。
45.还提供了具有根据本发明的隔离阀100、200的系统300。图6a示出了根据本发明的系统300。系统300具有冗余消减系统302a、302b，以接收来自连接至工艺腔室308的出口307的一个或多个真空泵306的排气304。排气管线304与各消减系统302a、302b成t形连接，且在图6a中所示的实施例中，隔离阀100安装于t形连接件的各管线中。在图6b中所示的另一实施例301中，根据本发明的分流阀200安装在消减系统302a、302b上游的t形连接件处。在两个实施例300、301中，隔离阀100、200如上所述地构造和起作用。
46.如上所述并在图1-图6b的实施例中示出的本发明在半导体、太阳能电池板和平板显示器工艺中提供了成本有效的冗余和增强的安全性。可以预料，根据前面的描述，本发明的其他实施例和变化对于本领域技术人员来说将变得显而易见，并且旨在的是这些实施例和变化同样包括在所附权利要求书中阐述的本发明的范围内。
47.附图标记100. 球阀102 壳体104a. 入口104b. 出口108. 球110a. 阀座110b. 阀座112. 腔114. 孔116. 歧管118. 流动路径119. 驱动挡块120a. 歧管入口120b. 歧管出口122. 端口123. 键槽124. 惰性气体源125. 开口126. 加热器128. 单向阀
130. 电磁阀132. 压力调节器134. 压力传感器135. 惰性气体源管线136. 流量传感器138. 止逆阀200. 分流阀202. 壳体204a. 入口204b. 出口204c. 出口208 球210a-d. 阀座212. 腔214a. 孔肢件214b. 孔肢件216. 歧管218. 流动路径219. 驱动挡块220a. 入口220b. 出口222. 端口223. 键槽224. 惰性气体源225. 开口226. 加热器228. 单向阀229. 球300. 系统302a. 消减系统302b. 消减系统304. 排气装置306. 真空泵307. 出口308. 工艺腔室。