5.2.3.2. Вакуумные затворы

Для управления потоками в вакуумной системе используются затворы, которые осуществляют открытие и закрытие проходного отверстия вакуумного трубопровода, и так называемые мотыльковые клапаны, которые позволяют плавно изменять размер проходного отверстия вакуумного трубопровода, таким образом, регулируя скорость откачки и давление в реакционной камере.

В зависимости от рабочего давления и места расположения клапана в вакуумной системе могут использоваться клапаны различного типа. Так для систем, работающих с средним и высоким вакуумом, для перекрытия вакуумного трубопровода используются тарельчатые угловые клапаны с герметизацией сильфоном или уплотнительным кольцом, а некоторых случаях и дроссельные клапаны [110]. Для предварительной откачки ультра-высоковакуумных систем используются полностью металлические клапаны, а для перекрытия вакуумного трубопровода клапаны с линейным ходом затвора. Кроме того, для перекрытия ловушек и скрубберов, находящихся в вытяжных системах используются шаровые краны с ручным управлением. Классификация вакуумных затворов и конструктивные особенности различных элементов вакуумных затворов приведены в [100].

Любой клапан состоит из трех основных компонентов: привода, затвора и корпуса клапана. Привод обеспечивает перемещение затвора в положение «открыто» или «закрыто». Затвор открывает и закрывает один из портов клапана. Корпус клапана является вакуумноплотной камерой, которая присоединяется к вакуумному трубопроводу или к реакционной или шлюзовой камере.

В тарельчатых клапанах обычно используется формованный сильфон, который имеет следующие преимущества [112]. Во-первых, он сплошной. Так как формованный сильфон не имеет сварных соединений, отсутствуют отказы из-за усталости и концентрации напряжений в местах неоднородной сварки. Вторым преимуществом является то, что изгибы сильфона никогда не касаются друг друга в сжатом положении, если поэтому частицы, которые могут образовываться в процессах осаждения, попадут между мехами сильфона, они не окажут никакого влияния. При использовании сварного сильфона такие частицы могут привести к деформации, возникновению локальных напряжений и преждевременному выходу из строя сильфона.

Эластомерное уплотнение штока изолирует давление управляющего цилиндра от областей внутри сильфона. Клапан открывается пневматически, а при отсутствии сжатого воздуха закрывается при помощи пружины. Использование сильной пружины позволяет хорошо герметизировать пропускное отверстие даже при наличии загрязнений на уплотнении.

Клапан может устанавливаться в любом положении: сильфоном к насосу или наконечником к насосу. В системах, где имеются конденсирующиеся материалы, предпочтительнее устанавливать наконечник по направлению к реакционной камере.

Клапан имеет микропереключатели, которые обеспечивают подачу сигнала о том, что клапан открыт или закрыт. Клапаны имеют конфигурацию для углового монтажа (Angle) или для встраивания в линию (In-line). Пользователь также может выбрать необходимый тип и размер фланца для подсоединения к вакуумному трубопроводу.

Традиционно для запуска откачки реакционной камеры («мягкой» откачки) в установках, где загрузка в реактор производится при атмосферном давлении, использовались обводные (в обход основного изолирующего клапана) байпасные линии с малым диаметром проходного сечения. Использование байпасных линий в процессах осаждения нитрида кремния требует особых конструктивных решений, к тому же эти линии легко засоряются, что приводит к снижению производительности оборудования из-за необходимости дополнительного технического обслуживания. Фирма MKS разработала двухстадийный изолирующий клапан, который позволяет запустить откачку реакционной камеры в две стадии [112]. На первой стадии (рис. 5.36) байпасный клапан с малым проходным отверстием (стандартный диаметр отверстия составляет 5.7 мм) позволяет проводить медленную откачку от атмосферного давления до некоторого определенного пользователем давления. На второй стадии открывается основной клапан, позволяя использовать полную скорость откачки. Оба пневматически управляемых клапана нормально закрыты.

В ХОГФ процессах образуются продукты реакции, которые могут быть откачаны из реактора. Однако они затвердевают на стенках вакуумных трубопроводов, так как температура вакуумной линии ниже, чем температура реакционной камеры. Этот осадок уменьшает пропускную способность вакуумной линии и может постепенно отслаиваться от стенок, попадать в реактор и загрязнять реактор и систему. Поэтому необходимо часто разбирать вакуумную систему для очистки ее компонентов, что снижает производительность и надежность оборудования. Для уменьшения осаждения частиц на внутренних поверхностях изолирующего клапана целесообразно использовать подогреваемые клапаны, например HPS Series 170/180 или Jalapeno фирмы MKS [68, 113]. Для обогрева используется проволочный нагреватель с плотным и равномерным расположением проводов. Управление температурой осуществляется при помощи специального контроллера. В нагревателях клапанов серии Jalapeno используется до пяти зон управления температурой, что обеспечивает равномерный прогрев (без холодных зон) и не требует использования дорогих контроллеров и термопар. Максимальная температура внутри клапана составляет 150С. Изолирующий материал чехла нагревателя ограничивает потери тепла, минимизирует потребление электроэнергии, а также обеспечивает безопасную температуру на внешней поверхности нагревателя.

а) б)

Рис. 5. Принцип работы двухстадийного тарельчатого клапана (Jalapeno фирмы MKS Instruments): а) откачка через отверстие малого сечения б) откачка через основное отверстие.

Наиболее широкую гамму клапанов с линейным ходом затвора выпускает фирма VAT (Швейцария) [114]. Клапаны с линейным ходом затвора имеют очень тонкий профиль, что делает удобным их использование при ограниченном пространстве. Внешний вид и работа затворов показаны на рис. 5.37. Клапаны могут иметь ручное и пневматическое управления затвором, обычно используются цилиндры с двухсторонним управлением. Затворы и уплотнения могут иметь разную конструкцию. Например, затвор VATLOCK (рис. 5.37г, д) механически замыкается в положении закрыто. Листовые пружины удерживают затвор и профилированную пластину на шаровом держателе. При этом шарики находятся в стопорных углублениях. Для закрытия механизм движется вперед. Замыкание начинается после того, как стопор листовой пружины коснется корпуса. Держатель шаров выталкивает шары из стопорных углублений, затвор и профилированная пластина раздвигаются, при этом уплотнения без задирания прижимаются к уплотняющим поверхностям. Конструкция обеспечивает увеличение прижима уплотнения с обеих сторон. В некоторых конструкциях уплотнительное кольцо устанавливается только с одной стороны.

В затворе MONOVAT для герметизации используются эластомерные уплотнения, одно из которых расположены на торце затвора, а второе на внешнем сегменте затвора (рис. 5.37б, в).

С целью обеспечения долгого срока эксплуатации сварных сильфонов шток имеет короткий ход.

Привод и затвор могут быть удалены без отсоединения корпуса клапана от вакуумной системы.

б)

а) в)

1- корпус клапана, 2 – затвор MONOVAT, 3 – вулканизированное уплотнение, 4 – уплотнение тарелки, 5 – сильфон, V - сторона откачки

г) д)

1- затвор VATLOCK, 2 –, 3 – стопор листовой пружины, 4 – шаровая пара, 5 – уплотнение затвора, V - сторона откачки

Рис. 5. Клапан с линейным ходом затвора а) внешний вид затвора, б) затвор MONOVAT в открытом состоянии б) затвор MONOVAT в закрытом состоянии, г) затвор VATLOCK в открытом состоянии, д) затвор VATLOCK в закрытом состоянии [114].

В зависимости от типа материала уплотнений клапаны с линейным ходом могут использоваться как для ультранизкого давления (сверхвысокого вакуума), так и для среднего и высокого вакуума. Клапаны могут нагреваться до 150С пока привод не нагреется до 60С, клапаны с медными уплотнениями могут нагреваться до 200С в открытом состоянии.