在半导体与类似器件的制造中，基板在控制环境条件下被处理，其 在密闭空间或腔室中被完成，其中流体被传送和排出。关闭阀为通常被 用于规定流体、例如在流体传送歧管中的气体与液体的流动路线。特别 地，膜片基高纯度和超高纯度阀通常被用于控制在高纯度歧管中的惰性 和反应气体的流动，该高纯度歧管被保持于低污染水准的严格标准下。
典型地，一圆顶形预成型金属膜片被实施，以在整个阀座上产生一 全金属阀室。阀座典型地采用一聚合密封件，且通常位于阀室的中心且 横跨该膜片。膜片在周边处被夹住，且通常被保持为无应力的圆顶形状。 当膜片未受到应力时，一流体路径通过阀座与至少另一流体路径连接， 该至少另一流体路径连通地进入阀室。因此，关闭阀被“开启”。为将 阀关闭，膜片通过一机械柱塞被朝向阀座偏移(挠曲)，以包围流经阀 座的流体路径。一无漏密封以适当选取的阀座材料完成，且在整个膜片 上匹配由柱塞所施加的密封压力。当应力自膜片上移除时，膜片弯回至 圆顶形状，以清除阀中的流体路径。高纯度膜片阀的技术包含选取不同 阀座和被证明对流体的高纯度切换有用的膜片设计。例如，美国专利 5,131,627清楚地指出数种有用的方法，以在高纯度标准下实现可靠的阀。
在流体控制技术中，存在建构故障保险阀的需求，其中该阀在未被 供给能量时常闭。特别地，故障保险(fail-safe)阀在被建在传送危险或 其他反应化学物质与气体的歧管中是必需的。因此，常闭膜片阀与称为 阀杆的弹簧加载柱塞相匹配。例如，美国专利5,131,627的公开文件中提 出了在阀盖中容纳阀杆与供给能量弹簧。当弹簧加载的阀杆拉离膜片时， 故障保险膜片阀被致动，以开启流体路径。当这些故障保险阀未被致动 时，它们回复至其“常闭”位置。
故障保险常闭(FSNC)阀的自动致动以机械指令致动器实现。机械 指令致动器包含气动式、电机式、压电式和电热式杆致动。气动式致动 由于其绝佳的可靠度、安全与低成本已成为用于机械指令阀致动的最广 泛接受的方法。例如，一特定有用的设计的活塞型气动致动器在美国专 利5,131,627中被提供。同样，许多其他实施例在现有技术中经常地被建 议，其中一个或多个活塞通过滑动密封件被布置在匹配缸体中，并在压 缩流体、典型地为气体被连通进缸体时被致动。加压的流体在滑动活塞 上施加力，以在缸体中推进活塞的移动。典型地，阀杆刚性地与活塞附 接。流体被引入，以推进活塞与附接的阀杆，从而移离该膜片。通常， 金属膜片被预成型至无变形状态，其中在所安装的膜片与阀座之间存在 一个对应于一开放阀的间隙。当阀杆从膜片移除时，膜片由于其自身的 弹性弯回至无应力形式。当流体自气动致动器释放时，阀杆通过供给能 量弹簧的力被回复至常闭位置。刚性附接的活塞也被回复至失能位置。
FSNC膜片阀与气动致动器的许多不同组合在现有技术中已知。在现 有技术中，良好最佳化阀设计被适应性调整，以当阀被关闭时提供最小 泄漏率，并且当阀以40-100psig的典型范围内的标准加压空气被致动时 提供准确反应。一已知的取舍存在于通过强力加载弹簧促动的适当密封 阀和快速关闭阀的需求与快速阀开启反应的需求之间。强力加载弹簧也 众所周知地促进阀和阀座的快速磨损以及使得从膜片在阀座上的冲击产 生颗粒。
通常使用的膜片是轻质的(～0.2gm)，且能够以相对小的力冲击以 及以亚毫秒(sub-millisecond)反应偏移。与之相对照，气动致动器代表 大质量(～10gram)和附加的摩擦(介于活塞与缸体之间)，其对高速致 动而言为一负担。虽然这些质量与摩擦损害可以通过强力供给能量的弹 簧(以帮助快速阀关闭动作)与高压致动(以克服强力供给能量的弹簧 并提供快速活塞加速)的组合克服，然而介于膜片循环寿命与速度之间 的取舍通常已将气动致动FSNC阀限制在25-80msec(毫秒)的范围、 典型地为40-50msec的范围内。在这些性能限制中，气动致动FSNC阀 已被证明对大多数具有循环寿命在100万至1000万周期范围的应用是有 用和适当的，其被证明是节省成本和适当的。
或者，膜片致动以电机式(电驱动、典型地为螺线管驱动)致动器 实施。在此情况下，一阀杆以一预加载弹簧被放入常闭位置。阀杆可通 过电磁能被拉离阀座。例如，美国专利6,394,415公开了具有3-5msec开 关阀反应时间的阀装置。虽然该技术代表对传统FSNC气动阀的速度改 进，它目前被限制于显著小的传导率(Cv＝0.1)和低温操作。
膜片致动也可以压电式致动器实施。这些致动器相对快速，其具有 接近2msec范围的反应时间。虽然这些致动器显示了高纯度应用的可能， 它们在超高纯度情况下与FSNC需求并不相容。另外，传导率相对地被 限制于Cv＜0.1的范围。
采用高纯度与超高纯度膜片阀与金属膜片的现有技术均作为阀座密 封构件与周边密封件构件使用。该设计有利地将现有技术所描述的污染 与流体俘获的来源最小化。然而，膜片有时遭受灾难性的故障，例如破 裂和裂缝，并且随后危险的和/或与环境不相容的流体进入周围环境的潜 在危险的泄漏。特别地，反应或毒性气体偶而因故障膜片阀而被释放入 周围环境。该损害产生显著的安全和环境问题以及随后的昂贵措施，以 最小化该危险，例如降低循环寿命、通气和紧密监控的机箱以及多重遏 制。
超高纯度膜片阀技术已成为高度发展的膜片阀技术的近期追随者， 该膜片阀技术已超过一世纪被已知和完备记载，并具有广泛的应用，以 下仅列举一些，例如农业、分析仪器、配管、汽车、航空、水力与流体 水准控制。使用加压流体的膜片致动已被实施于多种这些应用，这些应 用未指令FSNC阀。在此情况下，膜片室被形成于流动侧与控制侧(膜 片的另一侧)。该膜片通过供应加压流体进入膜片控制室被弯进密封位 置。阀反应时间直接对应并忠实地跟随流体加压(阀组被关闭)和卸压 (阀被释放回常闭状态)的定时。许多有用的器件和歧管利用流体控制 膜片阀被实施，例如压力调节器和自补偿关闭阀。流体控制膜片阀被应 用于多种未指令FSNC设计的应用。例如，快速气体导入色谱分离分析 仪器。例如，美国专利4,353,243公开了一用于直接流体致动膜片阀的实 施例，其被构造成并适于在气体色谱分离应用中进行样品导入。该专利 和其他专利中的实施例已成功地实施聚合体或弹性体基膜片，以适当地 通过仅包含一平整表面和一一孔口的简单阀座设计实施阀密封。美国专 利4,353,243也建议可能利用一金属膜片，其中可通过覆盖膜片的内部区 域的聚合物涂层获得适当的密封。
在现有技术的实践中，传统的超高纯度膜片与阀座设计大多适于在 膜片的中央进行机械式致动。与之对照，通过施加一平均分布力的流体 致动具有跨过基本大于一般阀座的区域扩展膜片的反转部分的倾向。因 此，传统的流体控制膜片阀被设计用于介于膜片与平座之间的大面积接 触。然而，该设计与高纯度阀不相容，其中大面积接触是不利的。另外， 以金属膜片进行面积基无泄漏密封是不现实的。
膜片阀先天地受限于传导性。阀传导率因膜片偏移的限定范围被限 制。介于膜片循环寿命(直至出现故障为止的周期数)与膜片挠曲的增 大(以增大传导率)之间具有一公认的取舍。因此，标准尺寸高纯度膜 片阀的传导率被限制为从0.05至0.5的Cv范围，其中Cv代表在1psi的 标准压力梯度下经过一阀的流动，例如，从0.1至0.5的Cv范围代表大 约从2至16mm2的面积范围的阀路径开口。在现有技术中已知，膜片循 环寿命不利地受膜片挠曲的增大范围的影响，其使得较高传导率阀通常 较不可靠。
改进的膜片被发明，以在将循环寿命取舍最小化的同时增大传导率。 例如，美国专利5,201,492公开了一高纯度阀的实施例，其中膜片包括数 个环状表面，其从一平面向上呈台阶状，其中在该平面中，膜片周边被 紧固至阀体上。因此，较大和更一致的传导被实现。在气体压力感测器 的技术中，皱折和波纹状的可挠曲金属膜片被使用，以改进压力感测装 置的性能和可靠性，例如，美国专利4,809,589中公开了这样的实施例。
膜片阀典型地限于在与阀座材料相容的温度范围内操作。例如，典 型的超高纯度膜片阀成功地以Kel-F(PCTFE)座材料实施。在维持弹性 和无泄漏密封的同时，Kel-F已在高达65℃的温度范围中实施，并具有极 佳的可靠性。在聚酰亚胺聚合物座材料、例如Vespel的帮助下，可以获 得较高的工作温度，典型地高达125℃。更硬Vespel座上的适当泄漏完 整性需要加强预加载弹簧。为了将开启速度与关闭速度匹配，高温阀典 型地在60-100psig范围内的较高气压下被致动。因此，较高温度阀可以 比低温阀更快速地致动。然而，产生于膜片上的较高杆冲击以在可靠性 和洁净度上的不利影响不利地缩短膜片的循环寿命。另外，膜片在更硬 座材料、例如Vespel上的砰击将不可避免地加速膜片和座的磨损以及颗 粒形成。Vespel比其他较低温度座材料、例如Kel-F脆得多。尽管Vespel 基较高温度阀被提供于商业市场中已有数年，对大多数应用而言，它们 仍然是不成熟和不适当的。
高纯度和超高纯度(UHP)阀被成功地安装，以用于许多不同处理 设备、例如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和蚀刻的可 靠和低成本机能。在这些应用中，阀在处理过程中典型地循环一次。因 此，被测试和特定用于这些阀的一百万次至一千万次的可靠和无污染循 环寿命使得许多基板的处理具有超过5年的阀实际寿命。
近年来，半导体处理技术与类似技术已创造出用于多重阀歧管的商 业市场。在多重阀歧管中，数个阀被连接成一功能性控制装置，其中具 有精确性的数个阀的同时和/或配合致动是必要的。例如，规定一流体自 一公共端口进入两个“非公共”端口中的任一个的路线的共同机能需要 两个分离阀的同步致动。在多重阀歧管技术中，在阀反应时间期间内， 阀状态不确定性是不希望的。在三个阀的较大歧管中，假如阀被不同步 地操作，则可能产生更多气体逆流。反应气体混合歧管的特别应用不能 容许逆流以及需要复杂的和机能损害的阀延迟致动，以避免源气体和歧 管污染。因此，传统的FSNC阀与它们的相关40-50msec反应时间对列 举一些的半导体、显示器和药品制造产业中的这些许多前沿应用是不适 宜的。
近年来，进一步认识到，阀的速度和同步可通过整合一导阀和一 FSNC阀被改进，其中与气动软管相关的延迟和不一致性被避免。例如， 美国专利5,850,853描述了一传统FSNC气动阀和一标准电磁阀的组件， 其中空气压力被馈入电磁阀，且阀通过控制至导阀的电流被致动。不幸 地，整合的气动式导阀在速度和循环寿命上并不代表实质改进的现有技 术。
近年来，作为CVD的一种变型的原子层沉积(ALD)已经出现，其 作为用于重要的薄膜应用的未来有用的工场沉积方法。ALD为通过将传 统的化学气相沉积(CVD)过程分成反复顺序的自终止过程步骤而实施 的循环过程。一ALD循环包含数个(至少两个)化学剂量步骤，其中反 应性化学物质被分开送入处理室。每一剂量步骤典型地跟随一惰性气体 净化步骤，以在导入下一前体之前从处理空间中除去反应化学物质。
实际厚度的ALD薄膜的每一层典型地需要数十至数千次阀循环。与 之对照，大多数其他过程如CVD、PVD、蚀刻等仅需要以每一层一次阀 循环被实施。因此，非常高的标准用于阀循环寿命对于低成本的ALD性 能来说是必要的。另外，低成本的ALD使典型的阀循环次数在10-100 msec等级上，且可接受的阀反应时间必须限制为5msec或更少。而且， 具有限挥发性的低挥发性ALD前体的有效切换施加较目前可用的高纯度 阀规格较高的规格，以用于阀传导和温度评比。
例如，具有200次循环的ALD磨损该阀比CVD过程至少快200倍， 因此对于具有循环寿命1百万次的阀而言，实际的阀寿命从5年降低为 只有10天。本发明的发明人和其他人还发现，在高生产量ALD的情形 下，其中阀在10-150msec内循环，现货供应的阀典型地以约10倍地较 快于它们载明的循环寿命磨损。该不希望的现象被实证发现为通常的倾 向，而独立于阀制造商或阀型式。因此，甚至顶级性能的商业化阀在高 生产力ALD生产环境下被预期仅持续5-30天。
独立地，标准UHP阀的25-80msec反应对10-40msec等级阀的开启 和关闭带来未受控制的定时不确定。未受控制的时间不匹配范围是可比 的，并较长于在ALD净化中典型的流动停留时间，其对高生产量ALD 而言优选地设定于5msec以下。在化学剂量步骤被分成10-100msec范 围的情况下，在ALD化学剂量步骤与ALD净化过程之间的可能的10-40 重叠被破坏。更糟的，在致动中，阀传导不佳地限定和通常不一致。因 为ALD歧管特别设计用于快速反应，它们对从非同步阀致动的逆流非常 敏感。因此，需要维持阀致动时间为实质地短于阀循环时间(开启、保 持开启和关闭阀的时间)且通常尽可能短。
理想地，ALD应当以在本领域中被标称为“脉动阀”的喷射式阀实 施。然而，现有技术的喷射阀与高纯度标准不相容。同样，现有技术的 高纯度阀技术不适于喷射阀应用。
总之，对多重阀歧管的性能改进的需求产生了对具有实质性较快反 应和时间精度的FSNC阀的需求。在维持和优选地改善阀循环寿命的同 时，这些阀必须达到更多地改善速度大小等级。特别地，需要实质性改 进的阀反应和循环寿命，以维持ALD转换成大量生产。也需要增大传导 率和全金属高纯度阀的温度额定值，并维持其可靠性、清洁度和长循环 寿命。最后，也存在着对具有在此描述的速度和可靠性规格的高纯度 FSNC喷射阀的需求。

本发明目的是提供一种方法，以用于以小于数毫秒、优选地以亚毫 秒的反应进行气体流切换，并维持在半导体加工和类似技术中的惯例的 故障保险和纯度标准。改进高纯度和超高纯度阀的循环寿命也在本发明 的范围内。改进高纯度和超高纯度阀以及阀歧管的安全性和环境保护也 是本发明的目的。在另外的范畴中，本发明提供创新性阀和密封设计， 其增大阀传导率和提升温度性能，包含波纹膜片(rippled diaphragm)、 波纹管/风箱(bellows)、高级弹性体和金属密封件的使用。
在一些实施例中，本发明公开一种适于膜片安装的方法，其有效地 提供标准膜片与具有流体致动的标准超高纯度阀的相容性。在故障保险 致动器的进一步改进中，使得能够外部控制阀传导。本发明的一个主要 目的还在于降低膜片和阀座磨损并实质性地改善阀循环寿命。实施例以 在阀密封件形状、材料和特性(包括弹性体与涂覆弹性体的使用和用于 金属密封件有利实施例)方面的各种有用的改进被呈现。
用于阀整合且该整合用于经由容器壁的化学物质的脉动传送的实施 例被呈现，其中该容器包含莲蓬头气体分配装置。这些实施例高度适用 于ALD应用，其中具有介于阀座与莲蓬头之间可忽略的死空间的多重整 合阀是高度需要的。
参考图1a，在本发明的一方面，一种流体控制阀包括阀座110、通 过该阀座的流动路径、膜片108、常闭(通常关闭)气动致动器118、阀 控制室114、气动供给管线116和导阀(pilot valve)144，其中膜片被布 置/散布(dispersed)于阀座和阀控制室之间，且常闭气动致动器被构造 成通过偏移膜片而通常关闭流动路径，以密封整个阀座。气动供给管线 与常闭气动致动器优选地串联流体连通。气动供给管线与导阀优选地串 联流体连通，且导阀与阀控制室优选地串联流体连通。优选地，导阀为 一三通常开阀，且控制室当导阀未被致动时经由该导阀与气动供给管线 优选地连通。优选地，当导阀被致动时，控制室通过该导阀与气动供给 管线断开(或分离)，且控制室经由该导阀与一排放或排空管线连通。 优选地，导阀为一电磁阀(螺线管阀)。优选地，导阀的排放口被排空， 以抑制噪音、提升速度和改进安全与环境保护。优选地，膜片为一圆顶 形金属膜片。在本发明的一建议方面中，膜片优选地以预设(或预置) 变形被安装，该预设变形从阀座向外指向，且在变形情况下被固定。优 选地，该变形通过可再现地从该阀座侧加压该膜片而可再现地应用，其 中在将膜片置放于阀座内的一密封凸缘和一对应阀帽的之间后，将膜片 轻轻地固紧于密封凸缘和对应阀帽之间，以维持足够的流体流动限制， 从而在可再现的加压条件下，能够可再现地加压膜片，且将膜片紧紧地 固定于该密封凸缘和对应阀帽之间。优选地，可再现地加压意味着压力 以10％以上的全范围可重复性被施加。而且，可再现地加压包括以45-150 psig的压力施加超高纯度氮气。气动致动器的另一方面优选地包括一穿 过该阀控制室的室壁的杆和一优选地设置于该杆与该阀控制室的室壁之 间的滑动密封件。阀控制室的容积优选地被维持为最小，且优选地小于2 立方厘米。而且，一波纹膜片被优选地实施，以优选地提高阀的传导率/ 传导(conductance)。另外，流体控制阀优选地被供给加压流体，以致 动常闭气动致动器，从将气动致动器驱离膜片。同时，当导阀优选地未 被致动时，加压流体优选地被通入阀控制室，以通过加压流体优选地偏 移膜片，从而密封阀座，并且当导阀被致动时，加压流体优选地自阀控 制室断开，且控制室优选地被排放或排空，且膜片被可挠曲地弹离(跳 离)该阀座，以使流体流过该流体控制室。在一优选变型中，加压流体 优选地从电磁阀库被供应至流体供给管线。因此，导阀的传导率与阀控 制室的容积被优选地调整，以使得允许流过流体控制阀的反应时间大体 近似于导阀的反应时间，且优选地短于2毫秒，更佳地短于1毫秒，最 佳地短于0.5毫秒。当导阀未被致动且因此不能使流体经过流体控制阀 时，加压流体优选地被连接至阀控制室。同样，良好调整的导阀传导率 与最小化容积阀控制室产生一阀关闭，其大体近似于导阀的反应时间， 且优选地短于2毫秒，更佳地短于1毫秒，最佳地短于0.5毫秒。当阀被 减压时，有意地或作为故障的结构，常闭气动致动器优选地回复至常闭 位置，且使流体不能经过流体控制阀。气动致动器优选地被驱离膜片， 以产生一限制间隙，其优选地小于膜片的完全伸展尺寸(full extension)。 当气动致动器被致动时，该限制间隙通过外部调整气动致动器的行程而 可外部调整，且流体控制阀的传导率通过优选地限制膜片的偏移的限制 间隙而被确定。在另一优选改进中，阀座优选地包含一由弹性体制成的 阀密封件。优选地，弹性体涂覆有聚合物薄层。更佳地，密封优选地镀 覆有金属薄层。而且，密封件优选地置于一对应阀座中，且该阀座以及 该密封件镀覆有金属薄膜。优选地，流体控制阀被使用，以控制气体脉 动传送进入ALD处理装置。
根据本发明的另一方面，一种流体控制阀包括阀座、通过该阀座的 流动路径、金属波纹管、常闭气动致动器、阀控制室、气动供给管线和 导阀，其中金属波纹管布置于阀座与阀控制室之间，以优选地通过将波 纹管的第一端安装于阀座与阀控制室之间且以一大体平坦盘片封闭波纹 管的第二端在阀座与阀控制室之间进行密封。常闭气动致动器优选地被 构造为通过偏移波纹管的第二端上的盘片通常关闭流动路径，以密封阀 座。另外，该气动供给管线优选地与常闭气动致动器流体连通地串联连 接，且与导阀流体连通地串联连接，同时导阀优选地与阀控制室流体连 通地串联连接。优选地，导阀为三通常开阀，且当导阀未被致动时，控 制室优选地经由导阀与气动供给管线连通。当导阀被致动时，控制室优 选地与气动供给管线断开，且控制室优选地经由导阀与一排放或排空管 线连通。优选地，导阀为电磁阀。优选地，波纹管为电成形(electroformed) 的金属波纹管或液压成形的金属波纹管。优选地，一焊接金属波纹管与 一弹簧一起实施，以维持焊接金属波纹管处于一预设压缩位置。气动致 动器优选地包含一穿过阀控制室的室壁的杆和一布置于杆与阀控制室的 室壁之间的滑动密封件。优选地，阀控制室的容积小于2立方厘米。当 流体供给管线被优选地供应以加压流体时，加压流体致动该常闭气动致 动器，以驱离波纹管，同时当导阀未被致动时通入阀控制室，且优选地 通过该加压流体偏移，以密封该盘片于阀座上。当阀被致动时，加压流 体优选地与阀控制室断开且控制室被排放，而且波纹管可挠曲或柔顺地 从阀座上跳开(或迅速脱离阀座)，以可使流体通过流体控制室。优选 地，当阀未被致动时，加压流体被连接至阀控制室，且流体不能经过流 体控制室。通过优选充分高地维持导阀的导通且优选地最小化阀控制室 的容积以使其反应时间大体近似于导阀的反应时间，阀的反应时间优选 地被最小化。优选地，该反应时间小于4毫秒，更佳地，该反应时间小 于2毫秒，最佳地，该反应时间小于1毫秒。优选地，如果流体供给管 线有意地或由于故障被减压，常闭气动致动器优选地回复至常闭位置， 且常闭气动致动器在常闭位置使该流体不能经过流体控制阀。当气动致 动器驱离波纹管以产生一小于完全压缩的波纹管的限制间隙时，外部调 整的传导率被优选地需要和优选地实施。优选地，该限制间隙在气动致 动器被致动时通过外部调整气动致动器的行程而可外部调整，且流体控 制阀的传导率通过小于完全压缩的波纹管的限制间隙被确定。在一优选 变型中，阀座包含一阀密封件，其中该密封件由弹性体制成。在一更佳 变型中，弹性体被一聚合物薄层涂覆，且在一最佳变型中，密封件被一 金属薄层镀覆。优选地，密封件被置于一对应阀座中，且包含该密封件 在内的阀座被一金属薄膜镀覆。阀优选地被使用，以控制气体脉动传送 进入ALD处理装置。
本发明的一附加方面教导一种流体控制阀，其包括一阀体，其中一 入口和一出口被形成，且一阀室底部部分形成于阀体中，其中一第一端 口大体上在阀室底部部分的中心处流体连通地与阀底部部分串联连接， 第二端口大体上偏离阀室底部部分的中心流体连通地与阀底部部分串联 连接，一阀密封件围绕着第一端口位于阀室底部中，且一阀室顶部部分 由一大体挠性构件制成，其中大体挠性构件的中心通常大体上与阀室底 部分离。而且，阀室顶部优选地将阀室与阀控制室分开，阀控制室包括 一流体连接端口和一可转移杆。该可转移杆优选地经由一流体供给管线 通过加压流体装置被致动，且进入阀控制室的流体连接端口优选地经由 一导阀流体连通地与供给管线串联连接。流体控制阀中的流体路径通常 将流体从流体供给管线连通至阀控制室的流体连接端口，当导阀被致动 时，优选地，导阀中的流体路径断开从流体供给管线至阀控制室的流体 连接端口的流体，且排放或排空阀控制室。阀杆优选地通常由一弹簧压 缩，以推动和偏移阀室和控制室之间的挠性构件，从而顺应(或适应) 且大体密封整个阀密封件。流体优选地经由流体供给管线施加，以致动 阀杆，以移离阀室和控制室之间的挠性构件，且同时当导阀未被致动时， 流体优选地经由导阀被施加进入阀控制室，以偏移位于阀室与阀控制室 之间的挠性构件，从而顺应且大体密封整个阀密封件。当导阀被致动时， 流体优选地被排放或排空阀控制室，且结果是，当导阀被致动时，挠性 构件回复至一自由站立(独立)位置，并且流体控制阀被打开。优选地， 导阀为电磁阀/优选地，挠性构件为圆顶形膜片。圆顶形膜片优选地在周 边处被加强，其中该加强优选地包括在从膜片的凹入侧施加的加压偏移 下安装膜片。在另一优选变型中，挠性构件包括金属波纹管。金属波纹 管优选地组装有回复弹簧912，其将波纹管维持于大体压缩形式，其中波 纹管与回复弹簧912被紧固在一起作为一波纹管弹簧组件，且当波纹管 弹簧组件处于自由站立形式时，流体控制阀是开启的。
在本发明的另一方面中，公开了一种阀座组件，其包括一周边密封 件和一对应于该周边密封件的周边凹槽，该周边密封件在顶部具有大体 圆形横截面，并具有大体位于底部的周边凸缘，其中该周边密封件与该 周边凹槽大体匹配。优选地，周边密封件包括一中心弹性体本体和一薄 聚合物涂层。优选地，覆盖中心弹性体本体的薄聚合物涂层进而被金属 薄膜镀覆，从而一致地覆盖周边密封件的表面。
在另一方面中，教导一种用于制备和安装阀座的方法，其包括形成 一周边弹性体密封件。周边密封件优选地在顶部具有大体圆形横截面， 且在底部具有周边安装凸缘，其中该方法优选地包括在阀座中形成一周 边凹槽，且该周边凹槽对应于周边密封件的安装凸缘，且进而将周边密 封件结合至周边凹槽中。
在一附加方面中，公开了一种用于制备和安装阀座的方法，其包括 形成一周边弹性体密封件，该周边密封件在顶部具有大体圆形横截面， 并在底部具有周边安装凸缘，且进而利用一聚合物薄层涂覆该周边密封 件，在阀座中形成一周边凹槽且将该周边密封件结合至该周边凹槽中， 其中该周边凹槽对应于该周边密封件的安装凸缘。
在一附加范围中，提出了一种用于制备和安装阀座的方法，其包括 形成一周边弹性体密封件，优选为径向弹性体密封件，其中该周边密封 件在顶部具有大体圆形横截面，并在底部具有周边安装凸缘。而且，该 方法优选地包括利用聚合物薄层涂覆该周边密封件、活化该聚合物薄层 的表面以用于无电镀/化学镀(electroless plating)、利用无电镀或无电镀 与电镀的结合以一金属薄层涂覆周边密封件、在阀座中形成一周边凹槽， 其中该周边凹槽对应于该周边密封件的安装凸缘(凸出部)，将该周边 密封件放入周边凹槽中，并以一金属薄层镀覆该阀座，其中金属薄层适 应周边密封件和阀座的表面。优选地，该金属薄膜为镍或镍合金。
在另一附加方面中，教导了一种流体控制阀，其包括阀座、通过该 阀座的流动路径、金属膜片、常闭气动致动器、阀控制室、气动供给管 线和导阀被，其中该膜片被布置于阀座和阀控制室之间，常闭气动致动 器被构造为通常关闭膜片，且气动供给管线流体连通地与常闭气动致动 器和导阀串联连接。导阀优选流体连通地与阀控制室串联连接。控制阀 优选地形成在一气体分配空间的壁上。阀座优选地限定出一流体控制阀 的流出口，且该流体控制阀的流出口与气体分配空间的壁优选大体共面。
在一附加范围中，本发明公开一种流体控制阀，其包括阀座、经过 阀座的流动路径、金属膜片、常闭气动致动器、阀控制室、气动供给管 线和导阀，其中金属波纹管被布置于阀座与阀控制室之间。金属波纹管 优选地密封于阀座和阀控制室之间，包括安装波纹管的第一端于阀座与 阀控制室之间且以一大体平坦盘片封闭波纹管的第二端。常闭气动致动 器优选地被构造为通过偏移波纹管的第二端上的盘片通常关闭流动路 径，以密封阀座。气动供给管线优选地与常闭气动致动器和导阀流体连 通地串联连接，且导阀优选地与阀控制室流体连通地串联连接。控制阀 优选地形成于气体分配空间的壁上。阀座优选地限定出一流体控制阀的 流出口，且流体控制阀的流出口优选地与该气体分配空间的壁大体共面。
本发明提供了用于故障保险常闭(FSNC)气动致动阀的装置和方法， 其具有小于2msec的反应时间，且优选地具有高达Cv＝5的传导率，并优 选地具有超过300℃的高操作温度。优选地，根据本发明的FSNC气动阀 在循环时间小于100毫秒的情况下耐得住超过一千万次循环。且更佳地， 根据本发明的FSNC气动阀耐得起超过五千万次循环，其中循环时间小 于100毫秒。
在本发明的另一范围中，提出一种用于制备和安装阀座的方法，其 包括电成形一周边密封件。周边密封件优选地在顶部具有大体圆形横截 面，并在底部具有周边开口。此外，该方法优选地包含在阀座中形成一 周边凹槽，其中周边凹槽具有对应于位于周边密封件的底部的周边开口 的周边隅角(corner)，将周边密封件放入周边凹槽，将周边密封件铜焊 (钎焊)到周边凹槽中，且以一金属薄层镀覆阀座，其中该金属薄层适 应周边密封件和阀座的表面。优选地，一铜焊炉中的周围气体的压力被 控制，且预设压力的气体截流于周边密封件中，以确定密封的弹性。
在本发明的另一方面中，一种用于制备和安装阀座的方法包括电成 形一周边密封件，其在顶部具有大体圆形横截面，并具有位于底部的周 边开口和被适当成形以用于电子束焊接的周边凸缘，在阀座中形成一周 边凹槽，其中周边凹槽具有对应于位于周边密封件的底部的周边开口的 周边隅角，且周边隅角优选地被适当成形，以用于电子束焊接，将周边 密封件放入周边凹槽中，优选地利用电子束焊接或其它类似方法将该周 边密封件焊接到该周边凹槽中，且利用一金属薄层镀覆阀座，其中金属 薄层适应周边密封件和阀座的表面。
在本发明的另一范围中，一种流体控制阀被公开，其包括阀口、可 在关闭阀位置和开启阀位置之间移动的机械阀致动器、用于将机械阀致 动器从关闭阀位置驱动到开启阀位置的阀致动器驱动器和当机械阀致动 器处于开启阀位置时气动地开启与关闭阀口的气动阀驱动器。优选地， 阀还包括一位于阀口和机械阀驱动器之间的阀膜片。阀致动器驱动器优 选地包括一气动致动器。机械阀致动器优选地包括一弹簧。
本发明的一附加方面中，一种流体控制阀包括阀口、可在关闭阀位 置和开启阀位置之间移动的机械阀致动器、用于将机械阀致动器从关闭 阀位置驱动到开启阀位置的阀致动器驱动器、以及用于当机械阀致动器 处于工作阀位置时气动地开启和关闭阀口的气动阀驱动器。
在一方面中，教导了一种操作流体控制阀的方法，其包括机械地保 持阀关闭于其不能被气动操作的不工作(inactive)状态，且还包括将阀 转换至其可被气动地开启和关闭的工作(active)状态，且气动地开启和 关闭阀。优选地，该改变包括气动地致动一机械阀致动器。机械地保持 优选包括利用一弹簧保持该阀。
在一附加变型中，教导了一种操作流体控制阀的方法，其包括利用 一机械致动器保持阀膜片关闭、释放机械致动器且气动地开启和关闭阀 膜片。优选地，释放被气动地执行。与该释放同时，气动压力优选地被 替代以机械式压力，以保持该阀关闭。
在本发明的另一有利方面中，一种流体控制阀被公开，其包括阀座、 经过阀座的流动路径、挠性构件62、气动致动器64、挠性构件室54、挠 性构件室排放口56和排放管线70，其中挠性构件被布置于阀座和挠性构 件室之间。气动致动器被优选地构造成通过偏移挠性构件关闭流动路径， 以密封阀座。挠性构件室被优选地加压密封，且当挠性构件发生故障时， 流动路径优选地依然与外界环境压力密封。优选地，挠性构件包括金属 膜片或金属波纹管。优选地，挠性构件室在挠性构件发生故障后优选地 进而被排空。
本发明包括多重改进，其单独或组合地提供故障保险常闭阀技术的 实质改进。本发明中的实施例对现有技术中的许多已知缺点提供了解决 方案。各种改进的实际利用取决于特别的应用。以下描述的优选实施例 作为呈现和阐明本发明的所有各种方面的装置、方法和改进。本领域的 技术人员可利用于下给予的细节选择最适合给定应用的恰当和低成本的 组合。
附图说明
附图被并入和形成说明书的一部分，其示出本发明的优选实施例且 与该说明书一起解释本发明的原理。
图1示出根据本发明的一高速FSNC膜片阀的示例性侧面剖视图。 一气动歧管以流动示意的形式被示出，以增进清晰性。在图1a中阀被示 出于“工作”模式和“关闭”状态。在图1b中阀被示出于“工作”模式 和“开启”状态。在图1c中阀被示出，以说明导阀歧管。在图1d中示 出了阀的时间反应。在图1e中示出一安全提升阀的一般实施。
图2示出根据本发明的一高速FSNC膜片阀的示例性侧面剖视图， 其中导阀被一体化整合。被称为“不工作”、“工作-关闭”和“工作- 开启”的阀的三种状态被分别示出图2a，2b和2c中。
图3示例性地示出处于“开启”和“关闭”状态以及“关闭”和“开 启”之间的过渡状态的极高纯净阀中的膜片空间。
图4示出根据本发明利用波纹膜片的高传导率阀的示例性侧面剖视 图。该阀被示出于“工作停止”(顶部)和“工作开启”(底部)状态。
图5示出根据本发明的传统膜片阀(顶部)和利用波纹膜片(底部) 的高传导率阀的示例性侧面剖视图。该阀被示出于“工作开启”状态。
图6示出根据本发明基于成形波纹管的FSNC高传导率阀的示例性 剖面图。
图7示出根据本发明基于成形波纹管的FSNC高传导率阀的示例性 侧面剖视图。该阀被示出于“工作停止”(顶部)和“工作开启”(底 部)状态。
图8示出根据本发明基于成形波纹管的FSNC高传导率脉动阀的示 例性侧面剖视图。该阀被示出于“工作停止”状态。
图9示出根据本发明基于成形波纹管的FSNC高传导率脉动阀的示 例性侧面剖视图，该阀被示出于“工作开启”状态(顶部)和“工作停 止”状态(底部)。
图10示出根据本发明实施于高纯度阀中的圆形密封件的侧面剖视 图。一圆形弹性体基O形环密封件被稳固地通过一凸缘安装(图10a)。 涂覆有聚合物薄膜的一弹性体被示意性地显示出图10b中。
图11示出根据本发明的金属涂覆弹性体密封件，显示了用于一体化 金属密封件的工艺流程。
图12示出根据本发明用于制造和一体化金属密封件的过程。
图13示出根据本发明用于制造和一体化金属密封件的过程。
图14示出根据本发明的一体化金属密封件的多个例子。
图15示出根据本发明的高传导率FSNC波纹管脉动阀的示意性侧面 剖视图。
图16示出根据本发明的高传导率FSNC波纹管脉动阀的示意性侧面 剖视图，其被示出于“工作开启”状态(顶部)和“工作停止”状态(底 部)。
图17示出根据本发明适于非常高的温度应用的的高传导率FSNC波 纹管脉动阀的示意性侧面剖视图，其被示出于“工作停止”状态。
图18示出根据本发明包括四个脉动阀和一莲蓬头的ALD歧管的侧 面剖视图。
图19示出一流体致动膜片的侧面剖视图，显示了标准传统和共同安 装的圆顶形膜片(图19a)、适合最佳流体致动的预加载膜片(图19b)、 适合最佳流体控制的改进阀座(图19c)、以及更适于最佳流体控制的示 范性波纹膜片(图19d)。
图20示出一流体致动膜片阀的侧面剖视图，显示了以小转矩安装膜 片的过程(图20a)，接着在从阀座侧施加的压力下膜片偏移和固紧(图 20b)，以施压于膜片的周边。

A.具有快速反应和延长的循环寿命的故障保险气动阀
根据本发明的实施例利用具有标准膜片的标准和改进超高纯度阀座 设计，以获得适合大多数挑战性应用的快速FSNC阀。另外的实施例使 用波纹膜片和适合的波纹管设置，以获得具有提升特性例如传导性、工 作温度和减小的死空间的快速FSNC阀。
本发明主要为具有膜片或波纹管的FSNC阀致动器与对应阀座的整 合，其使得适于和最佳化杆和流体致动。如现有技术所实施，传统的膜 片和阀座设计最适合于机械致动，其位于膜片中心。相反，通过施加均 匀分布的力的流体致动具有跨过很大面积散布该膜片的反转部分的倾 向。因此，如简介部分描述，传统的流体控制膜片阀被设计用以供该膜 片和平坦座之间的大面积接触。根据本发明的一有用实施例的实施要求 膜片和座设计为使得杆和流体致动均最佳化。通过如下参考图19所描述 的方法之一或其结合可以得到该最佳化。
根据本发明的一超高纯度故障保险正常关闭(FSNC)阀被例示于图 1a中。阀100包括一金属阀体102，其中至少一个注入通道104与一流 出通道106被形成。如在现有技术中经常实施，注入通道104经由中心 110’被连接进入膜片室107，同时如在现有技术中所实施，流出通道106 与中心偏离地被连接至膜片室107。膜片108由适合的金属合金如埃尔吉 洛伊耐蚀游丝合金(Elgiloy)，哈司特镍合金(Hastelloy)，ST40钛， NW4400，Inconel 625，Nimonic 115和类似物所制成，并被安装在周边109 处，以通过由阀帽112与螺帽111所施加的压力密封整个膜片室107。当 阀被置于“关闭”位置时，膜片108设定成密封阀座110。如该技术中所 实施或根据本发明所公开且将被详细描述于下的另外实施例，阀座110 被整合入阀体102，以围绕通道104的入口。
在流体控制阀技术中，“阀座”一词被用于限定其中阀座被形成的 通常位置。以此方面，阀座110通常代表其中密封被实施的端口110’、 密封件110”和对应的密封件安装槽110。
在膜片108上方，流体控制室114被形成于膜片108、阀帽112和动 态密封件122之间。控制室114配备有流体控制端口116。阀杆118经由 阀帽112中的开口119被安装。杆118的平移通过衬垫120的压力被用 于致动膜片108。杆118和衬垫120被定位成通过弹簧力128通常加压在 膜片108上。当膜片被杆118和衬垫120保持以关闭从入口104进入膜 片室107的通道时，阀处于“不工作”状态。气动致动器124包括活塞 126和滑动密封件127。
如该技术中所实施，加压的压力或惰性气体从源140经由三通导阀 142被供应。阀100通常处于故障保险模式。为将阀从故障保险模式致动 至“工作”模式，系统通过指令导阀142被加压，以经由供给管线146 加压阀系统。当气体致动器124经由端口130被适当加压时，活塞126 从阀拉杆118被移开，且衬垫120从膜片108离开，以指令故障保险机 构进入“工作”位置。同时，压力经由常开导阀144、整合管线154和端 口116被供应进入控制室114。因此，膜片108通过压力被偏移进入“工 作停止”位置，阀系统100被维持于“工作”状态，只要气体压力经由 管线146被适当地供给。在经由管线146的气体供给被中断的情况下， 或者有意地通过指令导阀142从“压力”到“排放”，或者由于气动系 统的故障，阀通过弹簧128的FSNC作用返回“不工作”状态。
当阀100处于“工作”状态时，导阀144被用于控制位于控制室114 中的压力从“高”到“低”，且对应地，阀100作用分别从“工作停止” 到“工作开启”。“工作开启”状态通过设定导阀144从其“通常开启” 状态进入“排放”状态被指令。在“排放”状态，导阀144关闭空气供 给管线152和排放控制室114进入排放管线156的通道。图1b示出了处 于“工作开启”状态的阀100。气动歧管160优选地被整合到阀100的独 立组件中。例如，组件160’被示出于图1c中。
图1b示出机构170，其对于外部调整的传导是有用的。杆118的移 位或平移通过定位螺钉172被可调整地确定。结果是，按钮衬垫120可 被定位，以限制膜片108的后偏移。气动致动器124的泄漏完整性通过 动态密封件174被维持。阀100的传导通过膜片108和密封件110”之间 的间隙被控制。当该阀处于“工作”模式时，该间隙通过按钮120的位 置被控制。
图1c中，阀200被示出带有刚性组装的一体化空气歧管160’。空气 经由气动管线146’被供应。导阀144’的排放口156’优选地被分别排放或 排空。经由管线146’供应的空气在148’处分支进入致动器管150’和导向 供给管线152’。电磁阀144’通过弹簧282被保持为“常开”。通气出口 290通过操纵物280的密封件288被密封。空气因此自入口286进入供给 管线154’，以馈入入口116’并使阀到达“工作停止”状态(示出于图1c 中)。当电磁阀144’因励磁线圈292被指令“排放”时，操纵物280抵 抗弹簧282移动，以通过密封件284封闭入口286，且阻断至加压空气供 给管286的路径。同时，排放口290被清除，且空气被排放或排空控制 室114，以设定阀200至“工作开启”状态。
示出于图1a，1b和1c中的实施例例示了超高纯度FSNC阀系统的 一优选实施例。本领域的技术人员可应用此设计于各种有用的变型，其 被最佳化至多种规格，以用于尺寸、作业温度、阀循环时间和工作循环 (占空度)。实施例必须确保性能不因不合适的空气供应和/或不合适的 歧管160设计而被损坏。特别地，空气从“工作开启”至“工作停止” 自歧管160’被引至致动阀100应当不会造成致动器124中的空气压力的 具有意义的下降。而且，导阀144(144’)的传导应在一特定时间内足够 加压和排放控制室，以促使快速的阀循环。类似地，经由阀144用于加 压和减压(卸压)的有效容积应被保持最小，以支持快速阀循环。容积 包含控制室114、入口116和供给管线154。最后，供给管线154与入口 116应当被设计为将进入控制室114的传导最大化。如果这些准则未被遵 守，阀功能可能被损坏或不一致。
优选地，废气156’(图1c)被排空进入一真空泵，以加速控制室114 的减压，并有利地加快阀开启速度。排空废气端口156’的速度优势被示 出于图1d，其中一根据本发明的快速气动阀(FPV)的反应被示出，以 用于具有2cc的膜控制室114和管线116’的结合容积以及100P cc/sec的 导阀144’的传导率的FPV构造(P，致动流体压力，以psi表示，该传导 率可被表示为～0.002P liter/sec，其中P以Torr表示)。导阀144’的1.25msec 反应时间被反褶积，以提供“纯”FPV反应。因此，膜控制室内的压力 PDCC对时间作图。以60psi压力，特定的FPV在小于50微秒的时间内关 闭(工作开启[AO]至工作停止[AS])。然而，不用排空端口156’的开启 时间(AS至AO)延长至～1msec，超过20倍较长于关闭时间。相反， 当废气端口156’被排空时，AS至AO的时间被减小至～50微秒，其与AS 至AO的反应时间相当。另外，废气156’排空显著地抑制大的听觉噪音， 该噪音产生于从控制室114将气体高速排放进入外界。当FPVs以～1msec 的速度致动时，该噪音变得非常显著。例如自一小于2msec反应的具有 ～2cc 114容积的FPV产生的听觉噪音在ALD系统附近超过100dB。在高 生产率ALD设备中，每个ALD室典型地具有5-10个阀，以4-10Hz致 动(净化阀每个ALD周期循环2次)，该听觉噪音为一显著的危险和不 便。排放口排空被实施，以降低在高生产率ALD歧管中多重FPVs的噪 音至＜50dB的非常低水准，同时对于开启和关闭将阀反应时间均维持在 ＜1.25msec，且提高如下面进一步描述的化学物质运送的安全性。
排空FPV 200的排放口156’大体地改进阀和具备当膜破裂时可能泄 漏入外界的抑制的阀歧管的安全性。如说明书的介绍部分所描述，高纯 度和超高纯度阀呈现当膜破裂并且接着危险和与环境不相容的化学物质 进入外界的实质安全和环境危险。相对地，根据本发明，FPVs优选地经 由适当的不锈钢导管排空进入一适合的真空泵。优选地，FPVs被惰性清 洁气体、如氮气致动。一破裂膜产生致动气体即氮气的流动经由破裂膜 进入处理室和歧管。该压力增加优选地被联锁，以关闭该过程，关闭化 学源阀和关闭致动气体供应至FPV(即，通过未致动图1a的阀142)， 同时通过致动导阀144’排空FPVs。因此，避免了未受控制的化学物质释 放到外界。接续于联锁行动的故障的FPV通过个别致动FPV(其通过导 阀144’致动)而被辨识。当导阀144’致动与室压增加相关时，故障的FPV 被辨识。
该安全特征被进而实施，以用于提升气动阀所致动的杆的安全性， 其中有利的室114被实施，以用于提升安全的唯一目的。在此优选实施 例中，膜室144经由端口116’且优选地经由在端口116’和真空泵之间的 流体连通地串联的常闭双通阀被排空。再次地，膜破裂通过以上所描述 的联锁被处理，且避免了向外界的危险泄漏。该实施例在图1e中被进一 步示出，其中膜片62安装在阀室54中，且杆58使用密封件55被动态 地密封。如该技术中通常实行，致动器64通过压缩气体被致动，以致动 杆58离开膜片62。因此，膜片62能够偏移和开启流路径(未显示)。 当致动器64被去压时，阀通过弹簧59作动被回复至常闭位置。膜片室 54经由端口56、双通阀60、导管70、可选的减缓模块80和管线71与 真空泵74连接。在灾难性膜故障事件中，气体至致动器64的供应被中 断且阀关闭。阀中的化学物质渗入膜片室54的容积内，其中膜室优选地 先于故障事件被排空。优选地，膜片室54的容积被排空且避免了危险化 学物质泄漏入外界。在一些优选实施例中，减缓模块80实施用以实质地 减缓自泵来自气体上游的危险化学物质。例如，模块80包括具有维持于 超过800℃的温度的减缓表面。如该技术中通常所实施，泵74进而经由 空气压力导管76进入减缓模块72被耗竭。减缓模块72能够自流出气体 除去危险物质且净化的气体接着利用导管78被排放到外界。许多不同装 置处理技术如ALD、CVD离子植入和外延生长反应器采用非常危险的化 学物质如三甲铝(trimethylaluminum)、胂(arsine)、磷化氢(phosphine)、 联氨(hydrazine)、钨、氟、氢化锗(germane)、硅烷(silane)等，其 中所含的膜片阀(图1e的CDV)适于实质地提升个人和环境安全。
遵循以上揭示的原则，根据本发明的一附加实施例，整合导阀于介 于致动器(图1c的124)和阀控制室(图1c的114)之间的连续性流体 连通。该实施例被示出于图2a，2b，2c中。在图2a中，阀300被例示于“不 工作”状态。因此，端口130’被排放，且常闭机构包括杆118’，弹簧128’ 和衬垫120’施加压力于膜片108上，且介于端口104和106之间的流动 路径被关闭。阀300包含顶部流体馈入端口130’，一由间隙320和路径 326组成的流体导管直接流入或流出致动器室328。动态密封件322使杆 118’能够动作，同时维持流体路径130’、320和326的一体性。如图2a 所示，流体经由可在致动器室328的壁中被减少为一孔的导管152”被连 通到常开导阀144”。为简化描述，导阀144”的一些部件未被编号。然而， 本领域的技术人员可引出图1c中的导阀144’和图2a中的导阀144”之间 的相似性，以全面了解不同部件的特性。在常开位置中，导阀144”的柱 塞280’使152”和116”之间的连续性流体连通能够传送流体进入阀控制室 114’，同时避免连续性连通(和通气)进入排放/排空端口156”。
如例示于图2b，当流体如压缩空气332被导入端口130’时，流体经 由326被注入致动器室328，以施加压力于柱塞126’。结果，柱塞126’、 杆118’和衬垫120’被推离膜片108。同时，流体332经由端口152”、阀 144”和端口116”被通入控制室114’，以施加压力于膜片108上，且维持 阀关闭。因此，阀处于“工作停止”状态。故障可能不想要地从端口130’ 移除加压流体或减小流体332压力低于适当水平。在此情况下，包括弹 簧128’、杆118’和衬垫120’的常闭机构可将阀回复至安全、常闭“不 工作”状态。
如例示于图2c，由于供应适当加压的流体332进入端口130’，当阀 300处于“工作”状态时，阀可自“工作停止”(图2b)被致动至“工 作开启”(图2c)。为开启阀300，导阀144”被致动。例如，电磁阀 144”经由连接件330被电气致动，以抵抗弹簧282’拉动柱塞280’经由排 放口156”来密封流体入口286’和通气控制室114’。入口端口286’使用密 封构件284’被密封，同时密封构件288’自排放/排空端口156”被移除。结 果，膜片通过膜片本身的弹力可挠曲开启，以连接端口104和端口106。
典型地，具有1-1.5立方厘米(cm3)容积的控制室114很容易地被 构建用于具有～2.5cm(～1英寸)的标准膜直径的阀。从端口116和供给 管线154的额外容积典型地增加膜控制空间的实际容积至1.5-2.0立方厘 米。标准三通导阀被整合到具有典型地限于C～0.002P升/秒(liter/sec) 的传导率的阀组件200中，其中P为空气入口压力，以托(Torr)为单位 (或～100P立方厘米/秒，其中P以psi表示)。如上详述，参考图1d， 一FPV的内部反应时间在大多数情形下追随导阀的反应时间，其典型地 大体长于设计良好的FPV的特性气体动态反应，且标准膜片的反应小于 50微秒。因此，FPVs可以商业上可获得的高速导阀在～1msec的特定时 间内被循环。实际上，大多数导阀被限于内部反应时间长于1msec，使 得阀循环时间为导阀性能的复制。例如，阀200被实施于ALD歧管，并 且可得自于Parker Hannifin General Valve division的一系列9阀被利用， 以作为具有1-2msec的典型反应时间的导阀。因此，气动ALD阀的反应 为～1.25msec，指示处于～1msec的时间等级，阀200的反应确实地由导 阀所决定。
典型地2米长、内部直径为4.5mm的供给管线146被应用于供应空 气至阀200。为避免显著的压力调变和联带的损坏阀性能，当FSNC阀在 “工作停止”和“工作开启”之间被致动时，管线146的传导率必须大 体上大于导阀144的传导率。实际上，在一优选实施例中，0.25”OD 气动管线(具有4.5mm ID)的传导率为Cc～0.037P(Torr)或18.5倍地 大于导阀144的传导率，意味着在T形管148(图1a)处的气动压力大 体上适当地被维持。
阀200的循环寿命通过膜片108和座110的磨损确定。圆顶形膜片 108在周边109处安装。因此，膜片108起始地通过反转膜片中心而偏移。 图3示出在膜片108处的一特写。膜片在无应力状态108’下为圆顶形(或 穹顶形)。当膜片通过杆118和垫120或通过一加压控制室114被向下 加压(108”)时，它发展成中心处的逆反部302和环状波纹304。当膜片 被进一步加压(108)时，逆反区域和波纹向外扩展，同时膜片的逆反 中心挠曲更深。最后，膜片与阀座110接触。阀座防止膜片移动得更深。 此时，膜片置于均衡平衡状态108””，其中波纹304略微延伸，以施加额 外的负载力于阀座110上。在“工作停止”和“工作开启”之间的流体 致动允许膜片顺着它的自然倾向挠曲，如图3所示。因此，膜片的循环 寿命被延长。
由于它们的微小质量，膜片可自一松弛、常开位置以相对小的施加 力在小于1msec的时间内被挠曲至变形的关闭位置。例如，重量仅为～0.1 gm的标准膜片的中央部分可通过仅～2Kgm的作用力在0.1msec内在开启 和关闭位置之间被移动典型的1mm。此力可轻易地以～1大气压(Atm) 被施加。更典型地，流体压力的导入由导阀的速度所决定将决定膜片致 动速度。例如，如上参考图1d所述，具有2msec反应的可商购导阀可利 用膜片致动而使用，其接续于仅有可忽略的落后的流体导入。
有利地，一典型膜片不需大于0.5-1Atm的压力以达到阀座。额外的 1-4Atm是需要的，以确保密封完整性。然而，快速反应膜片被定位成在 膜片室刚要被完全加压之前与密封件接触。一旦膜片108””与阀座接触， 额外的力经由波纹304的向外移动被转换成加载膜片的弹性运动。因此， 与膜片在阀座上冲击相关的膜片与阀座的损坏利用移动膜片的非常小的 动量和通过波纹304的向外移动将动能转换成的储存加载能量而被最小 化。
相对地，一典型阀杆-活塞组件重～10克。因此，杆118由于显著的 动量转移以显著的冲击使膜片108撞击于阀座110上。此外，动能消散 可能产生膜片和密封件之间的最小接触面积的局部加热和与额外的膜片 与阀座磨损。例如，40msec反应杆可加速至预计5cm/sec的速度。转移 到膜片108和阀座110的动量可能达到5×10-4m×Kgm。因此，每一循 环转嫁～12.5微焦耳动能于膜片108和阀座110。当每个阀循环的冲击和 能量消散皆不大时，它们的累积效果超过好几万次循环，且导致最终的 阀故障。特别地，当循环时间下降低于～1秒时阀循环寿命降低十倍于规 定值，其暗示着可能与膜片108、阀座110或二者中的机械或热或二者的 累积应力相关的损坏。
根据本发明的一种延长阀200的循环寿命的方法优选地维持阀被致 动到“工作”状态，在此状态下其进一步通过导阀144在“工作停止” 和“工作开启”之间被致动。例如，一ALD过程可包含每个基板处理“工 作”-“不工作”的单一循环，其中每个阀200在一薄膜运转开始时被致 动，且在一薄膜运转结束时未被致动。在另一例子中，一包括利用阀200 以进行CVD过程的歧管可在每当沉积室被启动成等待模式且准备处理晶 片时被致动，且仅当沉积室被指令离开等待模式而进入工作模式时未被 致动。限制主要的阀循环至流体致动和最小化损坏杆致动循环的利用， 因此可大大延长膜片和阀座的循环寿命，并使它们适于低成本的ALD。
B.高传导率膜片阀
膜片阀的循环寿命与膜片的位移相关。如前面所述，通过阀200装 置和方法达到实质地最小化膜片和座损坏。因此，与流体致动相关的改 进可靠性可在某些程度上加以取舍，以容许对ALD有利的较高传导率阀。 然而，如上面所解释，对于低成本的ALD而言必需的延长的循环寿命规 格没有为该取舍流下实质的空间。
在本发明的另一实施例中，波纹膜片被实施，以进一步在特定的循 环寿命内延伸可得到的阀传导率。例如，图4中示出了带有处于“工作 停止”(顶部)和“工作开启”(底部)状态的波纹膜片408的阀400。 为简化说明，膜片座上的阀部分仅包含阀帽112、控制室114和端口116。 然而，应当理解，阀400应当根据以上参考阀100(图1a)，阀200(图 1c)、阀50(图1e)和阀300(图2a)所给出的规格和指示和它们的等 同物优选地被实施与操作。波纹膜片根据特定的设计被制造，以包含一 周边409和数个环状波纹405。这些膜片可依任何给予的设计被订购，例 如从Bellow Kuze Co.，LTD订购。与圆顶形膜片相比，波纹膜片可通过更 薄的膜片获得更高和更线性的弹簧常数。如已知于电成形技术中和以下 参考金属密封件的创设的进一步描述，波纹形膜片也可通过电成形 (electroforing)镀覆镍合金的多层和其他有用薄膜至预成形心轴上而生 产。通过改进的弹簧常数的线性度和该采用使用较薄和多层膜片的能力， 波纹膜片容许较长的行程，其转化成较高传导率阀。图5示出圆顶形膜 片108(顶部)和波纹膜片408(底部)可获得的膜片行程之间的区别的 特写。两个膜片均被显示于“工作停止”(虚线)和“工作开启”(实 线)状态。该波纹形膜片与供超高纯度阀的规格相兼容。
通过用电成形或液压成形的金属波纹管替代该膜片甚至可获得更高 的传导率。图6示出一实施液压成形(或电成形)波纹管组件508以作 为阀500内的可移动密封构件的FSNC气动阀的实施例。阀500的主要 设计特征对应于前述的阀100(图1a)和阀200(图1c)。波纹管508 在一侧终止于一敞开盘505，并在另一侧终止于一封闭盘501。波纹管通 过阀帽512的压力被安装在周边509处，以产生一阀室507和一控制室 514。故障保险机构采用杆518和衬垫520、气动致动器524以及大致类 似于如前所述的阀100和阀200的设计的其他零件。端口516用于从一 导阀(未显示)导入流体，以提供介于“工作停止”与“工作开启”状 态之间的快速致动。液压成形的波纹管如508能够被整合到FSNC阀的 构造中，并维持超高纯度性能。典型地，液压成形的波纹管不需要额外 的回复弹簧。波纹管508的行程可通过增加更多的盘曲503被延伸，同 时维持用于室514的最小容积，以容许快速阀反应。图7示出阀500的 一示意性代表，显示了“工作停止”(顶部)和“工作开启”(底部) 状态。该示例通过除去波纹管508水平以上的大多数零件被简化。
C.脉动阀
在ALD歧管技术和类似技术中的一些有利的阀实施形式可通过“脉 动阀”设计被最佳供应。“脉动阀”被定义为用于从一输送管线导入流 体进入到一室中以优选地避免或最小化介于阀座和该室之间的不利导管 的阀。为更好地理解“脉动阀”的定义和脉动阀与传统阀之间的区别， 本领域的技术人员可参考图6和图8，其中图6示出了具有传统流动路径 的阀500，图8示出了脉动阀流动路径。比较起来，图6中所示出的阀 500包括端口540和550以及它们的相应的容积545和555。与导管545 和555相关的死空间是不可避免的。相反，图8中所示出的阀600仅在 出口602处具有一最小化死容积，其在一些气体传输应用、如ALD流出 物脉动进入ALD气体分配模块如ALD莲蓬头中是有利的。
导管545(图6)的消除也可通过增大气体源和处理室之间的总体传 导率而增加可得到的流体。图8示出根据本发明的一脉动阀的实施例600。 供应气体入口604经由阀室607被连接至出口602。当阀处于“不工作” 或“工作停止”状态时，液压成形(或电成形)的波纹管608密封座610。 故障保险机构包含杆618、衬垫620、致动器624和其他未显示但可被本 领域的技术人员通过引出类似于参考以上阀100(图1a)和阀200(图 1c)给出的实施例而推导出的零件。
图8中所例举的主要改进为出口602的容积可显著地被最小化且出 口602的传导率被最大化。另外，阀600可轻易地被整合到一室或一莲 蓬头的壁中，以获得紧凑的设计和较高的传导率。如果需要的话，传导 率可通过增大座610、波纹管508或两者的直径而增大。在另一特写中， 图9示出了处于“工作开启”(顶部)和“工作停止”(底部)状态的 阀600。该示例通过除去膜片508以上的许多零件被简化。但是，图9中 示出的实施例对应于图8中的示出的FSNC设计。
D.创新性密封件
在超高纯度阀技术中，多种阀座材料与形状已知且成功地被实施。 大部分通常使用的材料在特性如弹力、拉伸强度、冲击阻力、硬度、化 学相容性、多孔性、一体性与压缩设定等方面不同。
典型地，由于降低的多孔性和最小化变形，聚合物基密封件较佳于 弹性体基密封件。然而，一些密封材料、特别是通常被实施用于高温应 用的聚酰亚胺基聚合物和RytonTM PPS聚合物显著地硬，从而需要增加的 密封力，以维持阀于密封“关闭”状态。采用较硬阀座和实施更强韧弹 簧的不利结果是导致显著短的阀循环寿命。
通常，超高纯度阀中的阀座以在面向膜片的部分处结合显著小半径 的密封件的形状被实施。这种设计特征需要通过在座和膜片的接触处增 加相对应的压力以维持密封性能。在这些小半径已提供较佳的静态密封 性能的同时，较小的半径产生膜片和座的加速磨损并降低循环寿命。特 别地，座与膜片的严重变形在阀被使用后不久即可见到，且会继续在整 个阀循环寿命中发展而可被延续至最终出现故障。最关心的是，该劣化 模式在阀被高速致动时被加剧。在聚合物密封件以其有利地适应于超高 纯度阀被赞扬的同时，它们也构成破坏和性能劣化的主要原因。
相对地，全氟弹性体(perfluoroelastomers)如Kkalrez，Chemraz E38 和类似物可在温度超过250℃的高温下被利用。弹性体是弹性的，但相对 较软，且需要显著小的力，以组成密封弹性体。以不利的压缩应变而恶 名昭彰的弹性体进一步说明了其在压力下的不利变形。压缩应变在高温 下被加速，且代表作为阀座密封实施的一显著困难。然而，大多数的全 氟弹性体如Kalrez 4079和Chemraz E38对超过起始～40％设定的压缩设定 已经显示出优异的阻抗。因此，这些弹性体在高压高温下极适于阀座应 用，并接续于一快速“老化”过程，以提升该不可避免的压缩应变。另 外，压缩设定可通过密封槽的正确且限制设计被限定，以限制该变形。
通过显著降低的膜片-座冲击，FPV通过由PFA，PTFE和它们的等同 物制成的相对软的密封件被成功地实施。这些全氟聚合物在FPVs中被实 施，并经得起220℃、以10循环/秒致动条件下的一亿次循环，且无阀性 能劣化。相对地，由于实质性的高磨损和变形率，FPA和PTFE密封件 在传统高纯度和超高纯度阀中是不流行的。
通过弹性体在阀座中的应用，圆形密封件可以被使用，且弹簧加载 可被显著降低。结果，根据本发明的实施例的超高纯度阀密封件已经被 证明在抑制快速致动的ALD阀中的膜片和密封件的磨损方面是非常有用 的，其中该快速致动的ALD阀被成功地以短至10毫秒的阀循环时间实 施。
因此，弹性体基阀座可显著地延长阀的循环寿命。然而，弹性体包 含一些残余多孔性，其可吸收且继发地溶解化学物质或其他污染来源。 另外，弹性体对磨损具有限的阻抗。
在本发明的一优选实施例中，高纯度FSNC阀200和弹性体密封件 被采用，以改进阀循环寿命。圆形横截面密封件被采用，以替代通常的 小半径(倾斜的)密封件。这些弹性体基阀座被适当成形，以与阀座结 合。例如，图10a示出这种弹性体密封件622，其被压力安装到该阀座 623中。密封件622形成围绕阀开口周边的密封，且因此被称作一周边密 封件。在优选实施例中，其为O形环状弹性体622。有时其可被称作径 向密封件，因为它的位置处于关于阀开口的特定半径处。该密封件包含 一垂直于O形环622的平面延伸的凸缘(ledge)628。凸缘在座624中 与凹槽626匹配。密封件622稳固地安装到匹配凹槽626中在抑制压缩 应变变形超过加速变形的预设40％是有用的。
为改进弹性体密封件的抗磨损性和消除多孔性，弹性体密封件优选 地涂覆有聚酰亚胺或本技术中已知的其他聚合物的薄层，以与高温和恶 劣的化学环境相容。这些薄膜可以通过多种方法、包括浸渍、喷射、旋 转涂覆、擦拭等被施加。仅数微米的薄层是必要的。例如，聚酰亚胺涂 层可得自HD Microsystems(Wilmington，DE)，其具有多种特性和粘度 且大多数适合根据此处给出的实施例封装全氟弹性体密封件。更具体地 说，通过由制造商所提供的固化步骤以1-3个连续施加固化周期施加2-10 微米厚的涂层，溶解于NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)基溶剂中的PI-2545 最适于提高抗磨损性能和Kalrez 4079的惰性。所产生的密封件高度适用 于200℃的阀密封件应用。作为BMI粘着剂可自Polymeric GmbH(柏 林，德国)商业获得的Bismaleimide涂层被推荐且可适当地在70-120℃ 回流后被施加，以封装全氟弹性体密封件。在～100℃的温度下，这些BMI 粘着剂可通过浸渍被方便地施加，以形成薄的保护涂层。接着进行一标 准固化程序，涂覆有PX-300型粘着剂的全氟弹性体适合于高达～180℃的 温度范围的密封应用。
其他适合的涂层包含Cytec工程材料公司(Anaheim，CA)制造的 FM2555以及如Durimide 7000和Photoneece PWDC-1000的材料，其为可 光成像的，但也可被应用于在此描述的特别应用。聚合物层(图10b中 的634)可通过包含浸渍、喷射、擦拭和旋转涂覆的多种技术涂覆。聚合 物涂覆的密封件优选地保留大多数的弹性特性。一些密封件弹性的调整 可通过添加的聚酰亚胺层获得。聚酰亚胺涂覆的弹性体密封件可通过利 用如图10a所示的凸缘和凹槽被安装进阀座。而且，如PM2555(Cytec 工程材料公司)或BMI PX-307(Polymeric GmbH)的粘着剂可被用于将 密封件620’直接附接至如图10b所示的阀座624’中的适当匹配的圆槽 632。
在密封性能和弹性的另一改进中，本发明提供在聚酰亚胺(或其他 聚合物)涂层的顶部提供一金属涂层。该涂层典型地利用无电镀被施加 至0.0001-0.002英寸范围的厚度。为在密封件上进行镀覆，该密封件被根 据本领域中已知的传统绝缘体上镀覆技术所活化。在活化之后，密封件 被涂覆以如镍或镍合金的无针孔金属薄膜。例如，镍可为本领域术中已 知的氨基磺酸(sulfamate)电解质中被无电沉积。镍合金如镍/钴、镍/镁、 镍/钴/镁和镍/铁以及在多层叠层中的这些合金的组合是有用的，以获得良 好的粘着、低应力和最佳的机械特性。涂覆薄膜的弹性和其他特性被调 整，以提供具有适当的回弹性和弹性的气密密封涂层。
另外，通常用于产生塑胶心轴(mandrel)的电成形的方法被用于产 生具有充分强度的压缩/封装密封，其可以封装弹性体，同时良好的粘着 性并非是强制的。在该情况下，金属的电成形应当被镀覆至典型地超过 0.001”的厚度。该涂覆的密封件接着被安装到阀密封件中。在另一替代方 法中，聚酰亚胺(或如以上描述的其他等同聚合物涂层)涂覆密封件被 活化，接着被安装到没有金属涂层或仅有一薄金属涂层的阀座上，且因 此包含该密封件的该阀的全部内部面积被金属薄膜的薄层涂覆。该实施 例在图11中被示出。弹性体(或聚合物)密封件650被聚酰亚胺或类似 涂层652涂覆。接着，密封件被活化，且可能被一薄金属层654涂覆。 如上所述，该密封件被安装到阀座656中。假如需要的话，阀上的一些 区域根据标准技术被遮蔽，以避免金属涂覆。最后，阀的内表面电镀一 层金属薄膜658，例如镍或镍合金。一些镀覆薄膜也能渗透入密封件下的 裂缝660，以填补这些裂缝并提供密封件和座之间的附加贴附。
在另一优选实施例中，金属密封件被电成形且附接至阀座。如电成 形技术中所已知，该具有0.0010-0.0100英寸厚度的阀通过在一适当预成 形的本体(心轴)上电镀而形成。例如，一可自NicCoForm公司(Rochester， NY)获得并被称为NiColoyTM的有用的镍/钴合金可通过电镀于铝心轴上 被施加，以产生该形状。图12示出了金属密封件电成形过程和将预成形 的金属密封件后续安装到一阀座上的一例子。
因此，一密封件形状的心轴700以适当缩小的尺寸制造，以确保最 后密封件的适当尺寸。例如，假如金属密封件的最后厚度被设定为0.0020 英寸，心轴被制造成在所有方向上均具有小于0.0020英寸的尺寸。心轴 优选地由金属制造，该金属可容易地被镀覆并容易地被溶解掉，例如为 铝，如电成形技术中所知，其可被溶解于腐蚀性溶液中。心轴成形有一 凸缘701。在后续步骤中，心轴使用两片掩罩702和704被筘制，以避免 镀覆到凸缘上。该掩罩或者是传导性的，以便于电镀，或者如果采用无 电镀，则是非传导性的。接着，一适当特性的金属薄膜706被镀覆于该 心轴上。密封特性可通过选取适合的金属合金或金属合金组合物被订制， 以供单一或多层电成形。接续于该掩罩的移除，凸缘被暴露，且该心轴 被全部蚀刻，以产生密封件710，其大体复制心轴形状，且具有一径向开 口，其中凸缘被设置在原始心轴上。在此点上，假如需要的话，可通过 本领域中所知的热硬化处理改善密封件710的回弹性。
在下一步骤中，密封件710被放入阀座712中一适当成形的凹槽714， 且优选地被铜焊/钎焊(brazing)、焊接或粘接就位。该铜焊、焊接或粘 接必须密封进入密封间隙的通道。优选地，一铜焊过程在惰性气体的提 升压力下进行，以通过确定密封件内所限制的惰性气体的预设压力确定 密封件的回弹性。接续于铜焊步骤，该密封件优选地与该阀的内表面一 起镀覆，以创造出有利地填充进入介于以上所述的密封件和该座之间的 裂缝718的薄膜716。产生的密封件独特地与阀座整合，以通过除去聚合 物以及密封件与座之间的裂缝的一些残余多孔性，以提供超高纯度的最 高标准。金属密封件可通过材料和镀覆过程选取以及厚度与形状选取被 设计，以具有适合的弹性和强度的结合。金属密封件对于高温应用最为 有利。
在图13的另一例子中示出一工艺流程，以产生和安装一金属密封件， 其有利地以相对于该密封件的平面的特定角度径向(或放射状)敞开。 例如，在图13所示，一开口围绕一45°锥形平面居中布置。心轴750被 成形有径向凸缘752和盘片754，其中一孔穴756形成于该盘片754中。 一绝缘罩由于两个匹配件760和762制成，以匹配心轴750和被置于与 心轴750良好电接触的接触电极758。优选地，罩件760和762由相对软 的柔顺材料如橡胶或特富龙(Teflon)制成，以提供心轴750的罩覆部件 752，754的气密密封。接续于罩覆，该心轴被电镀，以在心轴的暴露区 域上产生薄膜。接着，该罩被移除且心轴被蚀刻，以产生该密封件764。 密封件764的大量制造通过安装多个心轴750于适当成形以容纳多个心 轴的单一罩760+762上实现。
密封件764被置于与阀座766接触于一适当成形的向外指向的径向 隅角(角部)768。接着，该密封件被铜焊或焊接至如722和722’所图示 的阀体上。在铜焊或焊接过程中，适当加压的惰性气体770被陷于该密 封件内部。假如希望焊接的话，密封件764的形状必须包含一些端部凸 缘，以适应焊接的需求。例如，该规格以供用于来自Servometer Precision Manufacturing Group，LLC(Ceder Grove，NJ)的电子束焊接。在仅有边 缘772可通过焊接完成的所示情况下，优选地进行电子束焊接。接着， 阀被镀覆，以产生如前所述的顶部分涂层774。在一优选实施例中，用于 产生密封件764的材料和镀覆过程被选取，以提供弹性、焊接性等的最 佳特性，虽然薄膜774的特性可被独立地选择，以达到最佳化学阻抗和 密封特性。例如，密封件764可优选地由接续于一镍/钴/锰合金后的双层 高硬度NiColoyTM制成。因此，高拉伸强度可被再现地达到140GPa的等 级，而不需热硬化。电成形的NiColoyTM非凡地在300℃下维持其95％以 上的拉伸强度。相对照，较软的薄膜如镍优选地用于薄膜774，以产生较 为不脆且更平顺的表面。
该金属密封件、特别是被教示于本发明中的一体化金属密封件在产 生小轮廓(low profile)阀座方面是非常有用的。例如，图14比较了图 13中所示的密封座装置800以及最适于脉动阀应用且有利地具有小轮廓 的装置820和840。座820利用一金属电成形密封件822，其与一隅角形 阀座824匹配。密封件822被挠曲入该座且被置放以配合隅角825。如上 所述，铜焊或焊接826被使用，以附接密封件822。在该附接中，处于限 定压力的一些良好限定的截流惰性气体830可被压缩入该密封件。接续 于该附接，整个密封件-座组件优选以薄膜828镀覆。为改进密封特性， 薄膜828优选地由相对软的材料如镍制成。或者，在沉积过程中，超过 一层的薄膜828被镀覆，以使得可同时工作回弹性和平顺性。例如，一 层高强度NiColoyTM首先被镀覆至0.001英寸的厚度，接着一层镍被镀覆 至0.0005英寸的厚度。图14中所示的另外的实施例840也可主要应用于 脉动阀应用中。
E.超高纯度弹簧加载波纹管阀
一些应用、特别是低挥发性化学蒸气进入ALD反应器(例如经由一 莲蓬头模块)需要具有非常大传导率的阀。因此，本发明教示用于FSNC 阀的一实施例，其中一弹簧加载波纹管、优选地一焊接或薄电成形波纹 管在阀室中被实施，以提供该密封。例如，图15示出该实施例的一示意 性侧面侧视图。阀900为一高传导率脉动阀，其能够经由出口端口918 直接射出蒸发气体进入一处理室或一莲蓬头。一阀座916被整合到该莲 蓬头或该室的外壁920中。所示的阀916的密封件类似于密封件820(图 14)，且在所示例子中被整合到该阀座中，以产生非常小轮廓的路径918。
由适当的金属制成的密封板904在周边处被焊接至波纹管902。波纹 管902的另一端被焊接至由适当金属制成的盘片906。盘片906的周边通 过阀帽930和锁紧螺帽(紧固螺母)932的压力被安装，以产生该周边密 封件908。周边密封件908产生该密封的控制室931和阀室903。阀室903 经由导管926和922被连接至化学物质端口928。控制室931被用于在“工 作停止”(所示)和“工作开启”状态之间阀致动。密封板904的后侧 被固紧至弹簧加载柱910。弹簧912在该阀处于“工作停止”状态时被压 缩。当压力从控制室931被释放时，弹簧912减压，以将密封板904移 离密封件916。弹簧被压缩于柱910的端部和弹簧座905之间。数个孔穴 907被形成于弹簧座905的壁中，以促进控制室931的全部容积内的流体 连通。
FSNC机构包含杆934和衬垫936。波纹管938被用作当保持控制室 931密封的同时允许杆垂直运动。波纹管938被用于供非常高温度的应用， 其中在此情况下在杆上的滑动弹性体密封件可能是不适合的。或者，如 在本领域中所经常实施，波纹管938被用于较低温度应用的滑动弹性体 密封代替。在高温应用中，杆934和杆导向件941优选地被延长，以提 供介于阀和致动器之间的足够分隔。该分隔允许维持阀处于实质较高于 致动器的温度。或者，如图17所示，致动器可与较高温度相容，以免除 空间分隔的需求。致动器942被配备有传导率调整机构944，其允许外部 调整供杆934移动的限制。当致动器通过经由端口950加压致动器942 被驱动至“工作”状态时，该杆从阀移开，直至它被限制机构944停止。 衬垫936的位置通过杆934的运动范围所确定。用于密封板904的开口 范围通过衬垫936的位置确定，其中在阀被致动到“工作开启”状态时， 柱910被停止。因此，阀900的传导率通过调整传导率调整机构944的 位置被外在地确定。
阀900经由导管946被供应压缩空气或惰性气体。气体供应在T形 管948中分开进入致动器供给管线950和导阀供给管线949。导阀952为 一常闭电磁阀，并提供空气路径，以加压空控制室，从而当导阀未被致 动时维持阀处于“工作停止”状态。空气经由供给管线956和端口958 被供应。当阀被致动到“工作开启”状态时，导阀952被供给能量，以 密封空气路径至949，且连接控制室931至排放/排空端口954。图16示 意性地示出出了处于“工作停止”(底部)和“工作开启”(顶部)状 态的阀900。为简化说明，阀帽930水平以上的大部分零件未被显示。处 于“工作开启”状态的阀900的传导率通过开口间隙970确定。间隙970 通过波纹管组件可能的移位(平移)确定，以与衬垫936接触(此处未 示出，示出于图15中)。因此，衬垫936的位置决定该停止位置980。 如参考图15所述，停止位置980经由机构944(图15)是可外部调整的。
图15还显示了空腔924和922。在一些实施例中，这些空腔由被加 工成壁920以作为一环形空腔的圆槽所组成，其中922代表环形空腔的 左边，且924代表环形空腔的右边。接着，成一定角度(倾斜)的导管 926被钻削，以先于导管928的焊接或铜焊区域连接至922的边缘。这种 设置提供用于进入阀室903的低压气体的高传导率路径。气体连续地填 充室903和其他连接的空间924，922和928，且当阀被致动至“工作开 启”状态时可经由间隙918用于脉动传送。该可移位的波纹管组件904， 910和902具有相对小的质量，其容许用于阀循环的低至亚毫秒的反应和 低损害致动。假如该波纹管被避免趋近于全压缩的话，波纹管的旋绕表 面不会造成污染问题。因此，阀900维持超高纯度的标准。附加的改进 在该密封板904上增加一聚酰亚胺涂层或其他合适的聚合物的薄层，以 避免从介于板904和密封916之间的金属-金属接触中产生微粒。当需要 时，利用合适的金属薄膜和/或聚合薄膜涂覆波纹管902也是有用的，以 改进化学惰性和清净性。
F.高温阀
近年来对可操作于高达200℃和以上的高温的可靠阀的需求日益增 加。特别地，许多有用材料的ALD已被限制至低挥发性化学物质，其中 所需的化学物质的有用蒸发或汽化需要高温阀歧管。高温阀的挑战在于 下列几方面：
1.密封材料的高温相容性和特性。
2.膜片和弹性材料的高温弹性。
3.润湿表面的化学相容性和纯度。
4.气动致动器的高温相容性。
5.导阀的高温相容性。
以上所述的根据本发明的实施例提供了具有扩展的温度相容性的创 新性密封件。例如，由Kalrez，Chemraz和类似物制成的弹性体密封件可 达到260℃的连续操作温度。全氟聚合物如PFA和PTFE被证明作为FPV 密封件是适合的，其具有绝佳的性能和220℃时的循环寿命超过一亿次。 如上面所讨论，许多聚合物涂层如聚酰亚胺PI-2545和PX-300BMI粘着 剂具有高温相容性，且对于涂覆弹性体密封件是有用的，以改进密封性 能。最适合于高温操作的是以上所披露的金属密封件。这些金属密封件 可用于超过300℃的操作温度，只要材料的适当选择防止腐蚀和可能的污 染。
膜片材料的特性、特别是弹性和抗腐蚀性对高温应用而言为重要的 选择标准。例如，热处理淬火的哈司特镍合金(Hastelloy)C726在超过 500℃的温度下维持其弹性的～86％，并在～300℃下维持其弹性的～92％。 类似地，Inconel 603XL在～300℃下维持其弹性的～93％，并在～400℃下维 持其弹性的～90％。相似地，Inconel 706在300℃下维持其弹性的～88％。 与高温应用相容的其它合金包括尼蒙克镍基合金(Nimonic Alloy)、如 Nimonic 90和热处理钛合金如ST40。以弹性为基准的选取标准也应用于 根据本发明的实施例适于波纹膜片材料和电成形以及液压成形波纹管材 料的高温实施的材料。
根据本发明的波纹管阀大部分适用于高温应用，只要抗腐蚀材料和 焊接工序被维持。回复弹簧912(图15)的实施应该参考膜片材料选择 追随以上所述的高温维持弹性的正确选择。然而，因为弹簧912未与所 传送的化学物质接触，污染、腐蚀和氧化问题不重要，且弹簧材料的选 择更广泛。
用于高温膜片、电成形的波纹管、液压成形的波纹管和焊接的波纹 管的适当材料选择也应当追随那些高温下的化学相容性。在此方面， Inconel型合金、钛合金和哈司特镍合金提供较广范围的化学物质范围， 并在超过300℃的温度下维持抗腐蚀和抗氧化性能。在一些情形下，在升 高温度下的改进的化学相容性通过利用金属如镍镀覆膜片或波纹管或者 利用薄粘着聚合物薄膜获得。
气动致动器的高温相容性也必须被考虑。例如，标准气动致动器利 用不能超过～80℃的操作温度的密封件和油脂。然而，标准致动器可利用 高温弹性体密封件和高温润滑而被轻易地提升至可在高达～250℃的温度 下操作。超过250℃的阀操作温度，致动器可远离该阀放置，以维持一温 度梯度和如参考图15所述较冷致动器。在此情况下，控制室931的密封 使用一金属波纹管938被维持。或者，致动器可通过使用如图17所示的 波纹管替换弹性体密封件被提升，以用于超过250℃的操作温度。因此， 致动器可由波纹管1014包围，且通过膨胀波纹管室1020被致动，以在 杆1002上产生一拉力。对于弹簧1008，必须选择高温相容合金材料，但 腐蚀和污染不是问题，因为弹簧1008未与化学物质接触。
在高温应用中，被供应至阀的空气或惰性气体优选地被预热，避免 膜片或波纹管因空气导入控制室1009局部冷却。这是本发明教示方法的 一重要部分，且本领域的技术人员可实施加热气体的适当储存，以确保 气体的冷却并不为性能的一种限制。另外，应小心地确保导阀、典型地 为机电电磁阀与高温相容。
G.带有整合的脉动阀的ALD歧管
ALD歧管优选地实施有脉动阀。此实施供应具有最小化延迟和交互 污染的ALD所需惰性和反应气体，且当需要时可进行最高传导率阀的实 施。图18示意性地示出了一包括四个阀的ALD喷射系统1100。阀1140 被整合至具有内部空间1120和喷嘴系统1130的莲蓬头的顶壁中。阻盘 (baffle disk)1125典型地安装于空间1120中，并从阀1140的开口横越， 以避免经由“视线”喷嘴自一阀1140开口横越而造成的射入流的局部化。 在图18的例子中，类似于参考图15中所描述的实施例，阀1140为波纹 管阀。然而，许多不同的实施方式也是适宜的，且可被适当的选择，以 适应所需的温度范围和传导率。而且，在歧管1100中，适用于不同传导 率范围的不同设计的阀可被实施，以最佳化该歧管至特定的ALD过程。 尽管如此，典型地，所有的阀与莲蓬头维持在相同的温度。
在ALD的适当实施下，莲蓬头空间1120中的化学物质气相混合基 本上被避免。然而，一些每周期达到一单层的薄膜成长发生于密封板1142 和密封1144的暴露区域上。该成长可通过莲蓬头温度的适当选择被最小 化。打断密封板1142和密封件1144之间的桥接薄膜可为微粒产生的一 种来源。然而，成长薄膜不能桥接于密封件和密封板(或例如在其他实 施方式中的膜片)之间，因为它每周期因阀致动而被断开。此外，由于 该密封件的挠曲使薄膜从密封件1144剥离的情况需要考虑和采取措施， 以避免微粒的污染。这些措施包括例如通过减小密封件的直径将密封件 的弹性最小化。另外，通过机械摩擦、蚀刻或二者使密封件的暴露表面 轻微地粗糙化，以改进沉积物的粘着和降低这些成长沉积物中的应力。
H.膜片基快速FSNC阀的最佳化
将超高纯度阀设计修改成本发明中所公开的实施例需要采取措施， 以确保在流体控制下金属膜片的适当功能。特别是，传统圆顶形膜片必 须被安装或另外成形，以确保参考本发明的实施例所述的“工作停止” 状态下的无泄漏密封。图19示出一圆顶形膜片(19a)的现有技术安装 情况，其实质上对于实施本发明是不充分的，一般的解决方案(19b)、 互补的座再设计通过本发明(19c)也被教示，以及示出了一被有利地实 施的波纹膜片(19d)。
如以上所述，圆顶形膜片可很方便地提供，且容易由许多不同材料 制成。对许多不需要超过Cv～0.5的大传导率应用，圆顶形膜片高度被推 荐且非常适宜。然而，当被加压流体致动时，这些膜片倾向于不利地分 布密封力至一大的区域。因此，传统设计的阀座上的密封在大多数情况 下是不充分的。一稍微修改的膜片(其中一再成形的周边被实施)被教 示，且被示出于图19b中。修改的膜片包括一略微整平圆顶180(在图 19b中被放大，以更清晰)，在该膜片的周边处提供了额外的刚度。在另 一有用实施例中，标准的圆顶形膜片通过在从膜片的高纯度侧所施加的 流体压力下安装该膜片而被变形(参考图20a和20b描述于下)。阀性 能的另外改进通过增加图19c中所示的座的直径而得到。增加直径的座 对增加阀100的传导率也是有用的。如图19d所示，通过增加一径向波 纹184，膜片周边的额外的加强在维持与杆致动的相容性的同时可进一步 改进流体控制。
以适宜的预设/预调整弹性变形(预设径向变形的结果)进行膜片安 装对于在膜片中产生一预加载聚焦力是有用的。该预设应力可通过一适 宜的膜片安装方法实施。因此，一膜片固紧方法被利用，其中例如通过 施加10N×m(牛顿×米)的转矩将膜片轻微地固紧就位，接着流体加 压进入阀室(自膜片110’的高纯度侧)，以例如通过70N×m的转矩在 最后的紧固之前将膜片向后弯曲(挠曲)，且得到如图19b所示的优选 变形。当膜片108从阀室侧(加压阀座进口110’)被加压时，在边缘109 仍未完全紧固的同时，边缘109向内滑动，且膜片被变形成一略微边缘 加强(变硬)形状180，一旦膜片108的边缘109最后通过阀帽112的压 力被紧固，加压气体(图20b中的185)被移除。变形的膜片具有大体上 位于周边处的径向预设较高应力区域182。此过程在周边处使膜片强韧 化，且反过来在加压流体力下(自端口116)从中心向外使膜片反转。如 商业性可获得或其他适合的情况，膜片厚度不同且弹簧常数、安装过程 应通过实验设计程序(DOE)被最佳化，其中座和膜片设计包括3至4 种用于膜片108安装和流体致动的不同压力值。例如，已经发现，介于 35和55psig之间的压力对预设0.0020”厚、～1”直径的Elgiloy膜片是有 用的，以用于30-100psig范围内的最佳流体致动(其也与杆致动相匹配)。 也被实证地发现，该预调整膜片并不典型地通过描述于此的安装程序永 远预预调整。
另外，波纹膜片对于在膜片中预设有利的局部刚度(坚硬性)是非 常有用的。例如，根据本发明，图19d所示的波纹膜片适于最佳化杆和 流体的致动。因此，径向波纹184适当地强化该膜片108的周边。如上 面所讨论的波纹膜片可被方便地液压成形或电成形为本领域中已知的任 何有用的形状。
图20提供了一圆顶形膜片安装程序的分解图。在图20a中，膜片108 被适当地置放于阀102和阀帽112之间，杆118被致动且导阀144(未显 示)被致动至“工作开启”状态。随后，利用螺帽11和设定为在5-15N ×m的范围中选择的小转矩的转矩扳手，将膜片轻微地紧固就位。接着， 在图20b中，利用塞子190和垫圈188将阀口106密封。端口104接着 以清洁气体185被加压至45psig的压力。气体源必须维持所需的压力(本 例中为45psig)，虽然膜片108并非完全紧固因而在膜片周边109处具 有轻微的泄漏。接续于气体185的导入，膜片108实际上即时地定型成 预设形状。在此点上，膜片边缘通过流体施加的变形而轻微地向内拉动， 且在膜片的中心处由于按钮120而轻微地凹进。最后，螺帽111被用于 例如利用70N×m的转矩完全和适当地紧固膜片108。一旦压力185被移 除，膜片108弯折回成为“自由站立”形状。因为膜片的周边通过安装 程序被向内拉动(与独自站立的膜片相比)，膜片的“自由站立”形状 被轻微地径向变形。
虽然在本发明教示的实施例中，如这里所述，利用背压安装程序(图 19b)，修改标准超高纯度阀座和膜片设计以进行良好的工作是足够的， 但如图19c中所示(与图19b相比较)，在优选实施例中，更推荐通过 增大30-100％的密封件110”直径进一步改进设计多样性和阀可靠度。
优选实施例的描述与例子进一步解释了本发明的原理，且不意味着 将本发明的范围限制为任何特定方法或装置。所有适宜的修改、实施和 等同物均包含于以下权利要求书所限定的本发明的范围内。