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。

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。

图2：闸阀产品图示(左)、工作原理(右)

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。

图4：角阀产品图示(左)、工作原理(右)

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。

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。

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。

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。

图9：传输阀产品图示(左)、工作原理(右)

图10：传输阀应用场景

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