半導體零部件(5)-真空閥

閥門是半導體真空系統和流體系統中的核心元件，起到開閉、控制流量/流向、調節壓力等作用。閥門種類眾多，如真空系統中閥門按作用可分為隔離閥、控制閥、傳輸閥等；流體系統中則需要用到隔膜閥、調壓閥等。半導體對閥門要求極為嚴苛，對密封性、真空度、潔凈度等參數指標都有極高要求，在材料的選擇、表面處理等方面都給廠商帶來了較大難度。

真空閥的分類及應用：

真空閥指的是用在真空系統中的閥門，其作用通常為隔離真空區域（如工藝腔室）或控制氣體進出量。由于真空環境基本貫穿半導體制造過程始終，因此真空閥在半導體設備中也有著普遍而廣泛的應用。

在半導體設備的真空系統中的真空閥，按照功能劃分，隔離閥(Isolation Valves)、控制閥(Control Valves)、傳輸閥(Transfer Valves)等類型應用較多：其中，隔離閥起隔絕/接通作用，營造真空環境；控制閥主要起到控制氣體流量和壓力的作用；傳輸閥則可用于晶圓在腔體之間或腔體和 Load Lock之間的傳輸。根據閥門的工作方式劃分，隔離閥和控制閥又包括閘閥(Gate Valves)、角閥(Angle Valves)、蝶閥(Butterfly Valves)、球閥(Ball Valves)、擺閥(Pendulum Valves)等。

圖1：真空閥在半導體設備中的應用

隔離閥采用最多的主要為閘閥和角閥：閘閥的啟閉件為閘板，閘板運動方向與介質流動方向垂直，通過閘板的升降可以起到隔絕/接通作用，通常只作全開/全閉狀態，是隔離閥的理想選擇，而較少用作控制作用。閘閥可用于腔體和真空泵之間來保護真空泵，也可用于兩個相連腔體之間的隔離。

圖2：閘閥產品圖示(左)、工作原理(右)

圖3：閘閥應用場景(左:用于工藝腔和真空泵之間，右:用于兩個管狀腔體之間)

角閥屬于提升閥(Poppet Valves)的一種，其氣體通路通常呈直角，主要可用于真空系統中的排氣管路和抽氣系統等的連接。如用于主泵（通常為分子泵）和前級泵（通常為干泵）之間（即前級管路），或者是工藝腔和前級泵之間（即粗抽或預真空管路）。角閥常作為隔離閥，尤其適用于嚴苛的環境下，并具有出色的可靠性，也可具備控制作用。

圖4：角閥產品圖示(左)、工作原理(右)

圖5：角閥應用場景

與僅限于完全打開和關閉的隔離閥不同，控制閥允許控制體積流量，這通常是通過縮小或加寬氣門通道來實現。閥門的設計原理和驅動類型決定了相應的控制范圍和精度。真空控制閥主要是電動驅動的，從而實現非常精細和快速的位置變化。除電動控制閥外，還有氣動解決方案。真空控制閥可用作沒有隔離功能的純控制閥，也可用作控制和隔離閥，從而完全中斷體積流量。控制閥主要類型包括擺閥、蝶閥以及球閥。

擺閥是基于閥瓣的擺動來控制流體的流動。當需要開啟閥門時，閥桿通過旋轉或上下移動的方式，使閥瓣擺動開啟，從而允許流體通過閥門。當需要關閉閥門時，閥桿再次旋轉或上下移動，使閥瓣擺動關閉，從而阻止流體通過閥門。擺閥具有設計緊湊、振動小、啟閉平穩、能有效避免產生顆粒的特點，被廣泛用作控制閥，多用于真空泵和工藝腔之間。

圖6：擺閥產品圖示(上)、工作原理(下)

蝶閥的閥瓣呈圓盤形，圍繞其中軸旋轉，旋角大小便是閥門的開閉度，既可作為隔離閥，提供與閘閥同樣可靠的真空隔離的同時對占用空間要求較低，適用于緊湊空間的隔離；又可作為控制閥，實現快速精確的調節。

圖7：蝶閥產品圖示(左)、工作原理(右)

球閥的啟閉件是中間帶有圓形通道的球體，可以繞垂直于通道的軸線旋轉，球體隨閥桿轉動從而達到啟閉通道的目的。球閥適用的壓力范圍廣，從高真空到低真空等均可使用，同時在帶有腐蝕性介質的或者高溫的系統中也均可適用。

圖8：球閥產品圖示(左)、工作原理(右)

傳輸閥是用于連接真空腔室的長方形截面的閥門，可將物體（如晶圓）從一個腔室傳送到另一個腔室，尤其是在傳輸腔和工藝腔之間需要用到，因此傳輸閥是多腔室系統的理想選擇。

圖9：傳輸閥產品圖示(左)、工作原理(右)

圖10：傳輸閥應用場景

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