МИКРОДОЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗОВ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, более конкретно к технике дозирования микроколичеств газа в процессе наращивания тонких пленок методами химического осаждения из газовой фазы, хроматографии.
Известны автоматические газовые дозаторы [1]. Они основаны на игольчатом клапане, приводимым в перемещение относительно отверстия в корпусе так, что при постоянном давлении исходного газа можно устанавливать переменные расходы за счет изменения площади проходного отверстия в пределах меньше 1 мл газа за один ход. Недостатком такого дозатора является невоспроизводимая от прибора к прибору нелинейность основной характеристики - давление - расход, вследствие неточности геометрических размеров иглы и отверстия, даже при прецизионной их обработке. Поэтому точность дозировки ограничивается 5-10%. Устройство способно обслуживать лишь единственного потребителя, что во многих случаях приводит к необходимости усложнения газовой схемы.
Более точны и надежны так называемые роторные микродозаторы, действие которых основано на перемещении определенного объема газа от входного отверстия к выходному, через которое продувкой газом после поворота газоносителем доза направлена к потребительскому устройству [2]. Основной узел устройства состоит из корпуса, в который вмонтированы входной и выходной патрубки и роторы, плунжер которого имеет выемки объемом 0,1-1 мл в зависимости от требуемой дозы. Известно много конструкций таких дозаторов [3, 4]. Однако большинство из них предназначены для жидкостей и для газов непригодны, так как не удовлетворяют более высоким требованиям к герметичности: в случае жидкостей зазоры преодолеваются труднее из-за наличия угла смачивания.
Наиболее близкой конструкцией дозатора, принятой за прототип, является устройство согласно патента [5]. Оно состоит из корпуса, в котором вмонтированы входные и выходные патрубки и ротора, имеющего калиброванные емкости для дозированного газа.
В нашем случае, например, в установку ALD (атомно-слоевого осаждения) требуется многократная подача газа в автоматическом режиме. Кроме того, один дозатор желательно использовать для питания одновременно нескольких реакторов. Задача изобретения - автоматизация и одновременное питание нескольких реакторов.
Техническим результатом является обеспечение точной посадки ротора после предварительной шлифовки в сборе.
Это достигается тем, что ротор представляет из себя усеченный конус, имеющий угол по отношению к оси вращения 6-7° и выемки объемом 0,1-1,0 мл, число которых соответствует числу потребителей каждая выемка имеет входное и выходное отверстия, сообщающиеся с газовой схемой: ротор имеет привод к шаговому электродвигателю. Угол 6-7° обеспечивает точную посадку ротора после предварительной шлифовки в сборе. При меньшем его значении герметичность снижается, при большем - возрастает сопротивление вращения.
В отличие от известного плоскостного клапана предлагаемый имеет ротор в виде усеченного конуса, благодаря чему сила давления под весом привода различаются, и возникает составляющая, равная p*Cos(α), где р - масса, α - угол между поверхностью конуса и осью вращения. Этот угол составляет 6-7 градусов, а его косинус - 0,99, в то время когда cos 90 градусов равен нулю.
Таким образом создается значительное давление на границе выемки и корпуса, что обеспечивает герметизацию объема и более высокую точность дозировки по сравнению с плоскостной конструкцией.
Значение угла α- оптимально: при больших углах ухудшается герметичность, при меньших - увеличивается сила трения и возможно залипание конуса в корпусе.
На фиг. 1 представлено микродозирующее устройство, где: 1 - вал, 2 - корпус, 3 - ротор, 4 - крышка, 5 - пружина.
Устройство работает следующим образом. Исходный газ через редуктор подается во входной штуцер устройства, плунжер которого повернут в положение, когда входы и выходы из выемок перекрыты. Поворот плунжера на угол, зависящий от количества выемок, то есть числа потребителей, открывает вход-выход дозированному объему газа, который под действием разрежения или продувки газом-носителем направляется в реактор.
Устройство испытано в процессе атомно-слоевого осаждения ALD оксида алюминия, причем получены следующие результаты:
- толщина слоя, выращенного за один оборот - 0,9 нм,
- разброс толщины от процесса к процессу по площади пластины - менее 1%.
Эти показатели свидетельствуют о высоком, на уровне 2-3% качестве, дозировки прекурсора - триметилалюминия.
Источники информации:
1. Аш и соавторы «Датчики измерительных систем» Мир, 1992 г.
2. Колеров Д.И. Метрологические основы газоаналитических измерений. М. Стандартизация, 1967 г.
3. А.С. РФ №180410 «Дозирующее устройство для газового хроматографа».
4. Патент РФ №2245521.
5. Патент РФ №2480744 - прототип.