一种气体流量控制阀、气体输送装置及气体供应方法与流程

本发明涉及半导体，特别涉及一种气体流量控制阀、气体输送装置及气体供应方法。

背景技术：

1、在半导体制造中，许多关键步骤都是在反应腔（也称为反应室或反应器）内进行的。反应腔内为封闭并且稳定的环境，以确保工艺过程的精确性和重复性。

2、目前晶圆尺寸普遍已经达到12英寸，甚至更大的尺寸也在研发中。通过设置在反应腔外部的气体分流器将反应气体分流为多路，并对多路反应气体的体积流量比进行调节，该多路反应气体被注入反应腔内不同区域，以在大面积晶圆表面获得均匀的处理效果。

3、现有的气体分流器多采用压电陶瓷阀来调节各路反应气体的流量。通过调节压电陶瓷阀的驱动电压实现调节压电陶瓷阀的阀体位置（也即阀体开度），进而调节压电陶瓷阀所在管路的气体流量。

4、然而，上述驱动电压与阀体位置之间具有不确定性，并且不同压电陶瓷阀之间的差异性也较大。因此，通过调节驱动电压的大小来调节阀体开度，具有较大的偏差和不可控性，并且各路反应气体的体积流量比控制的响应速度较慢，体积流量比达到稳态的时间较长。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种气体流量控制阀、气体输送装置及气体供应方法，能够准确检测气体流量控制阀的阀体开度，根据检测结果调节施加在气体流量控制阀的电压，有效提高了气体流量控制阀的控制精度。通过本发明可以实现1分多路，准确地按照目标气体流量比例向反应腔内的不同区域输送相应流量的反应气体，并且整个气体输送装置可以快速达到稳态。

2、为了达到上述目的，本发明提供一种气体流量控制阀，包含：

3、第一阀体和第二阀体，所述第一阀体、第二阀体相对设置且互相平行，二者之间形成反应气体的气流通道；定义所述第一阀体、第二阀体之间的间距为所述气体流量控制阀的阀体开度；

4、驱动装置，其为压电陶瓷材质，用于驱动所述第二阀体朝向或者远离所述第一阀体运动；通过调节施加在所述驱动装置的电压实现调节所述阀体开度；

5、位置传感器，用于检测所述阀体开度；所述位置传感器包括电容检测装置；

6、所述电容检测装置通过检测形成于所述第一阀体与所述第二阀体之间的等效电容的电容值，实现检测所述阀体开度。

7、可选的，所述第一阀体或所述第二阀体电性连接一脉冲电源；所述电容检测装置通过检测第一阀体和所述第二阀体中未与所述脉冲电源电性连接的一者的脉冲宽度或电压值，实现检测所述电容值。

8、可选的，所述位置传感器还包括：第一导电元件、第二导电元件；

9、所述第一导电元件或所述第二导电元件电性连接一脉冲电源；

10、所述第一导电元件穿设所述第一阀体并与所述第一阀体电绝缘；

11、所述第二导电元件穿设所述第二阀体并与所述第二阀体电绝缘；所述第二导电元件与所述第一导电元件相对设置；

12、所述电容检测装置通过检测形成于所述第一导电元件与所述第二导电元件之间的等效电容的电容值，实现检测所述阀体开度。

13、可选的，所述电容检测装置通过检测第一导电元件和所述第二导电元件中未与所述脉冲电源电性连接的一者的脉冲宽度或电压值，实现检测形成于所述第一导电元件与所述第二导电元件之间的等效电容的电容值。

14、可选的，所述脉冲电源的频率大于或等于2khz。

15、可选的，所述气体流量控制阀还包括密封垫，其设置所述第一阀体的朝向所述第二阀体的表面上，或者设置在所述第二阀体的朝向所述第一阀体的表面上。

16、可选的，所述密封垫为柔性绝缘材质。

17、本发明还提供一种气体输送装置，包括：

18、多个气体分流输送管路，分别用于向反应腔内不同区域注入反应气体；

19、多个如本发明所述的气体流量控制阀，分别设置在多个所述气体分流输送管路上；所述气体流量控制阀的位置传感器包括电容检测装置，所述电容检测装置通过检测形成于第一阀体与第二阀体之间的等效电容的电容值实现检测阀体开度；

20、控制器，其被配置为基于多个所述气体分流输送管路的目标气体流量比例、位置传感器检测的阀体开度，调节施加在对应驱动装置上的电压，直至所述位置传感器检测的阀体开度达到能够实现所述目标气体流量比例的目标阀体开度；当所述电容检测装置检测的电容值达到预设的目标电容值，所述控制器判断所述气体流量控制阀达到所述目标阀体开度。

21、可选的，所述位置传感器还包括：第一导电元件、第二导电元件；

22、所述第一导电元件穿设所述第一阀体并与所述第一阀体电绝缘；

23、所述第二导电元件穿设所述第二阀体并与所述第二阀体电绝缘；所述第二导电元件与所述第一导电元件相对设置；

24、所述电容检测装置通过检测形成于所述第一导电元件与所述第二导电元件之间的等效电容的电容值，实现检测所述阀体开度。

25、可选的，所述控制器的数据库中存储有：所述目标气体流量比例、与所述目标气体流量比例对应的各气体流量控制阀的所述目标电容值；所述控制器通过查询所述数据库获取所述目标电容值。

26、可选的，多个所述气体流量控制阀中的一个始终保持全开状态。

27、可选的，全开的所述气体流量控制阀所在的所述气体分流输送管路具有最大的目标气体流量。

28、可选的，所述位置传感器检测的阀体开度达到所述目标阀体开度的时刻记为第一时刻；所述控制器被配置为采用比例-积分-微分调节方法，在从所述第一时刻开始，持续对所述气体流量控制阀的阀体开度进行控制，实现检测的阀体开度与所述目标阀体开度之间的差值小于预设的差值阈值。

29、可选的，所述气体输送装置还包括多个气体流量计，分别设置在多个所述气体分流输送管路上；所述气体流量计位于对应气体流量控制阀的下游。

30、可选的，所述气体输送装置还包括气压计和气体输送总管路；所述气体输送总管路气路连接设置在反应气体供应源与多个所述气体分流输送管路之间；所述气压计设置在所述气体输送总管路上，用于测量所述气体输送总管路内的气压值。

31、可选的，所述气压计信号连接所述控制器，当所述气压值超过设定的气压阈值，所述控制器生成报警信息。

32、本发明还提供一种气体供应方法，采用如本发明所述的气体输送装置实现的，包括步骤：

33、位置传感器实时检测对应气体流量控制阀的阀体开度；所述位置传感器包括电容检测装置，所述电容检测装置通过检测形成于第一阀体与第二阀体之间的等效电容的电容值，实现检测所述阀体开度；

34、控制器基于多个气体分流输送管路的目标气体流量比例、所述位置传感器检测的阀体开度，调节施加在对应驱动装置的电压，直至所述位置传感器检测的阀体开度达到能够实现所述目标气体流量比例的目标阀体开度；当所述电容检测装置检测的电容值达到预设的目标电容值，所述控制器判断所述气体流量控制阀达到所述目标阀体开度。

35、可选的，所述位置传感器还包括第一导电元件、第二导电元件；

36、所述第一导电元件或所述第二导电元件电性连接一脉冲电源；

37、所述第一导电元件穿设所述第一阀体并与所述第一阀体电绝缘；

38、所述第二导电元件穿设所述第二阀体并与所述第二阀体电绝缘；所述第二导电元件与所述第一导电元件相对设置；

39、所述电容检测装置通过检测形成于所述第一导电元件与所述第二导电元件之间的等效电容的电容值，实现检测所述阀体开度。

40、可选的，所述控制器的数据库中存储有：所述目标气体流量比例、与所述目标气体流量比例对应的各气体流量控制阀的所述目标电容值；所述控制器通过查询所述数据库获取所述目标电容值。

41、可选的，所述位置传感器检测的阀体开度达到所述目标阀体开度的时刻记为第一时刻，所述方法还包括步骤：

42、从所述第一时刻开始，所述控制器采用比例-积分-微分调节方法，持续对所述气体流量控制阀的阀体开度进行控制，实现检测的阀体开度与所述目标阀体开度之间的差值小于预设的差值阈值。

43、可选的，多个所述气体流量控制阀中的一个始终保持全开状态。

44、与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有如下有益效果：

45、1）本发明的气体流量控制阀、气体输送装置及气体供应方法能够准确检测各输送管路上的气体流量控制阀的阀体开度，实现1分2路，甚至1分多路，向反应腔内的不同区域输送相应流量的反应气体，有效提高了各路反应气体流量的控制精度。改善了晶圆表面不同区域处理速率的一致性，大大提高了晶圆加工的良品率。

46、2）本发明预先学习并存储目标气体流量比例与各气体流量控制阀的目标电容值之间的对应关系，通过查找数据库获取对应流路的目标电容值，以准确地按照目标气体流量比例向反应腔内输送反应气体。根据查找的目标电容值调节阀体开度，不仅提高了对阀体开度的控制精度，并且耗时很少，响应速度快。本发明不受气体流量控制阀差异性的影响，对气体流量控制阀的选择要求较低，具有更好的鲁棒性。

47、3）本发明在调节各路气体流量的过程中，始终保持一个气体流量控制阀全开，有效避免了反应气体通入反应腔时产生压力骤变，不会在反应腔内出现“冲击”气流，并且反应腔内气压扰动较小。通过本发明大大提高了晶圆加工的良品率，以及工艺的可控性。

48、4）本发明中，通向第一阀体、第二阀体中的一个提供脉冲电信号，在第一阀体与第二阀体之间形成一等效电容。通过测量第一阀体、第二阀体中未施加脉冲电信号的一者的脉冲宽度或电压值，可以精确测得该等效电容的电容值。该等效电容的电容值c的计算公式为: c=εs∕4πkd。s为第一阀体的面积，ε为介电常数，k为静电力常量，s、ε、k均为已知量,从而通过检测电容值c可以得到第一阀体与第二阀体之间的间距d，即：实现检测气体流量控制阀的阀体开度。检测过程简单、易于实现。相比于根据施加在气体流量控制阀的电压来判断阀体开度，本发明具有更高的可靠性。

49、5）本发明中，在第一阀体上设置第一导电元件（与第一阀体电绝缘），并在第二阀体上设置第二导电元件（与第二阀体电绝缘），通过检测第一导电元件与第二导电元件所形成的等效电容的电容值来检测阀体开度。由于第一导电元件、第二导电元件与其他元件之间不存在电接触，进一步提高了检测结果的准确性。

50、6）当阀体开度达到目标阀体开度时，若保持此时的驱动电压（施加在驱动装置的电压）不变，阀体开度仍然会继续变化，这是由于压电陶瓷材质响应速度较慢导致的。本发明还采用比例-积分-微分方法，从检测的阀体开度达到目标阀体开度开始，持续对气体流量控制阀的阀体开度进行控制。有效克服了因压电陶瓷材质的迟滞效应，导致实际的气体流量比例与目标气体流量比例之间出现偏差的问题，并使阀体开度更快地稳定在目标阀体开度.