5.2.3.3. Дроссельные клапаны
Одним из общих методов управления давлением в вакуумных процессах является управление давлением ниже по течению от реакционной камеры при помощи дроссельного клапана [115]. Управление давлением осуществляется путем контролируемого вращения дроссельной заслонки. Обычно это способ хорошо работает в широком диапазоне условий процесса, но его эффективность может быть снижена внешними факторами, такими как неожиданное изменение скорости потока газов на входе в реактор или включение-выключение плазмы.
В настоящее время дроссельные клапаны производятся основными производителями вакуумного оборудования, такими как Mykrolis, MKS Instruments, NorCal, Celerity и др. Практически все дроссельные клапаны управляются шаговым двигателем (за исключением клапанов с ручным управлением). Существует две основных конструкции дроссельных клапанов: мотыльковая (butterfly) и маятниковая (pendulum) [109, 110]. В некоторых случаях возможно использование тарельчатого клапана с приводом на основе шагового двигателя, который одновременного выполняет функции перекрытия вакуумного трубопровода, «мягкого» старта и управления давлением [116].
Конструкция дроссельного мотылькового клапана фирмы NorCal [109] показана на рис. 5.38. Клапан состоит из корпуса, который присоединяется к вакуумной системе, и привода клапана. Внутри корпуса расположена дроссельная заслонка, которая герметизируется двумя уплотнительными кольцами с каждой стороны вала. Вал соединен с приводом шагового двигателя, который прикреплен к корпусу клапана. В приводе имеется датчик положения заслонки и ограничитель хода заслонки. Дроссельный клапан может также иметь рубашку для обогрева, о котором подробнее будет сказано ниже.
Проводимость вакуумного трубопровода зависит положения дроссельной заслонки. Минимальная проводимость при полном закрытии заслонки, т.е., когда угол равен нулю. Следует иметь в виду, что дроссельный клапан не может полностью закрыть вакуумный трубопровод. По мере увеличения угла проводимость быстро возрастает примерно до положения в 35 градусов, а при дальнейшем увеличении угла проводимость изменяется незначительно. Таким образом, активное управление давлением осуществляется при угловом положении дроссельной заслонки от 5 до 35 градусов [117]. Для управления работой вакуумной системы при очень низком давлении и/или очень высоких скоростях потоков требуется клапан с большим размером проходного сечения.
Рис. 5. Устройство мотылькового клапана [109].
В некоторых ХОГФ процессах образуются продукты реакции, которые могут конденсироваться в вакуумной системе, например хлорид алюминия или хлорид аммония. Осаждение продуктов химических реакций на внутренних элементах вакуумной системы оказывает отрицательное влияние на технологическую систему, в частности:
уменьшает проводимость вакуумной системы, следовательно, уменьшается производительность;
вызывает смещение показаний датчика-преобразователя давления;
элементы вакуумной системы становятся источником генерации частиц.
При зарастании внутренней поверхности клапана и дроссельной заслонки затрудняется вращение заслонки и, следовательно, ухудшается или становиться невозможным управление давлением. Для решения этих проблем многие ХОГФ системы оборудуются подогреваемыми трубопроводами и дроссельными клапанами [115], которые позволяют удерживать продукты реакции в газообразном состоянии. Температура, необходимая для предотвращения затвердевания продуктов реакции, зависит от давления в процессе, давления паров продуктов реакции и составляет 130 - 150С.
Важно отметить, что указанная температура должна поддерживаться на внутренних поверхностях вакуумной системы. Однако разные элементы внутри вакуумной системы могут иметь разную температуру так, например, температура дроссельной заслонки может быть на 35С. Это приводит к образованию областей с относительно холодной внутренней поверхностью, где конденсация продуктов реакции может происходить быстрее. В устройствах, имеющих сложную конструкцию, трудно обеспечить равномерный прогрев внутренних поверхностей. Увеличение мощности не является эффективным решением, так как с увеличением размеров устройства резко возрастает необходимая мощность нагрева. Фирма Mykrolis предлагает для обеспечения равномерного прогрева выполнять периферические канавки по периметру корпуса дроссельного клапана. Это также позволяет снизить мощность для обогрева клапана.
Фирма Intel с целью повышения точности настройки дроссельного клапана предложила использовать заслонку, разделенную на две части, каждая из которых прикреплена к отдельному валу [118]. С целью расширения рабочего диапазона дроссельного клапана фирма Taiwan Semiconductor Manufacturing предложила использовать многофазный метод управления давлением в реакционной камере [119]. В этом случае используется дроссельный клапан, имеющий внешнюю заслонку большого диаметра и внутреннюю заслонку малого диаметра (она находится в центральной части большой заслонки), которые управляются (вращаются) независимо друг от друга. Заслонка большого диаметра стабилизирует давление в диапазоне высоких давлений, а внутренняя заслонка малого диаметра управляет давлением в диапазоне малых давлений. Возможно также использование клапана с внешней вращающейся заслонкой и внутренней скользящей заслонкой.
Рис. 5.. Конструкция маятникового дроссельного клапана [109].
Конструкция маятникового дроссельного клапана фирмы NorCal [109] показана на рис. 5.39. Внутри корпуса, имеющего проходное отверстие, перемещается дроссельная заслонка (затвор), которая изменяет проходное сечение и, соответственно, скорость откачки и давление. Управление движением заслонки осуществляется при помощи шагового двигателя и шаровой-винтовой пары. В положении «закрыто» заслонка прижимается к поверхности, расположенной на стороне реакционной камеры. Положение заслонки контролируется датчиком. Фирма MKS разработала маятниковый клапан, в котором управление движением заслонки осуществляется при помощи простого кулачкового вращающего механизма, который управляет как вращательным, так и осевым движением [120].
Использование маятниковых дроссельных клапанов полезно в процессах, проходящих при очень низком давлении (сверхвысоком вакууме), например, в процессах с рабочим давлением порядка одного мм рт.ст. и меньше. Маятниковый клапан используется на ветви вакуумной системы, работающей при низкой проводимости для управления давлением, созданным турбомолекулярным насосом. Так как маятниковый клапан может полностью перекрыть вакуумный трубопровод, не требуется использовать изолирующий клапан. Однако управление давлением, когда дроссельная заслонка находиться в положении близком к полному закрытию клапана затруднено. Поэтому для решения этой проблемы разработчики оборудования часто используют вторую байпасную вакуумную линию с мотыльковым дроссельным клапаном, которая используется для работы в режиме высоких потоков и высоких давления, например, во время процесса очистки реакционной камеры с использованием NF3. Фирма NorCal разработала маятниковый клапан, в котором привод быстро перемещает затвор поперек отверстия клапана, а герметизация осуществляется путем осевого движения затвора [109]. Такая конструкция позволяет точно управлять давлением во всем диапазоне хода затвора, особенно в близи положения «закрыто», при этом исключается необходимость использования второй байпасной вакуумной линии. С целью изолирования дорогостоящих вакуумных насосов от воздействия атмосферной влаги во время проведения обработки маятникового клапана фирма MKS разработала двойной маятниковый клапан, который имеет две заслонки (затвора) [121]. В положении «закрыто» одна заслонка прижимается к стороне реактора, а другая к стороне вакуумного насоса. Каждая заслонка перемещается независимо от другой, при этом для плавного и точного управления рабочим давлением могут использоваться одновременно обе заслонки. При проведении очистки заслонки реакционной камеры, вакуумный насос может быть герметично закрыт при помощи второй заслонки. Фирма MKS также предложила использовать специальные проходные отверстия в периферийной кольцевой части дроссельной заслонки с целью повышения проводимости и улучшения управления давлением во время начальной фазы открытия заслонки [122].