DE102020001179A1

DE102020001179A1 - Vakuumventil zur Bereitstellung eines symmetrischen Fluidflusses

Info

Publication number: DE102020001179A1
Application number: DE102020001179.9A
Authority: DE
Inventors: Florian Ehrne; Martin Netzer; Hanspeter Frehner
Original assignee: VAT Holding AG
Current assignee: VAT Holding AG
Priority date: 2020-02-24
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2021-08-26
Also published as: JP2021134924A; US20210278000A1; TW202146799A; KR20210108321A; CN113294563A

Abstract

Vakuumregelventil (10) zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms und zum gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs, mit einem ersten Ventilsitz, der eine eine erste Öffnungsachse definierende erste Ventilöffnung (11a) und eine die erste Ventilöffnung (11a) umlaufende erste Dichtfläche (12a) aufweist, und einem ersten Ventilteller (13a) mit einer zu der ersten Dichtfläche (12a) korrespondierenden ersten Kontaktfläche (14a). Das Ventil weist zudem auf eine Antriebseinheit, die derart ausgebildet ist und mit dem ersten Ventilteller (13a) derart gekoppelt ist, dass dieser zumindest von einer Offenposition in eine Schliessposition und zurück verstellbar ist. Das Vakuumregelventil (10) weist zumindest einen zweiten Ventilsitz auf, der eine eine zweite Öffnungsachse definierende zweite Ventilöffnung (11b) und eine die zweite Ventilöffnung (11b) umlaufende zweite Dichtfläche (12b) aufweist. Zudem ist ein zweiter Ventilteller (13b) mit einer zu der zweiten Dichtfläche (12b) korrespondierenden zweiten Kontaktfläche (14b) vorgesehen. Eine Ventilgesamtöffnung des Vakuumregelventils ist durch die erste Ventilöffnung (11a) als erste Ventilteilöffnung und die zweite Ventilöffnung (11b) als zweite Ventilteilöffnung gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumregelventil mit einer Mehrzahl von Ventiltellern und entsprechender Mehrzahl von Ventilteilöffnungen.
Allgemein sind Vakuumventile zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms und zum im Wesentlichen gasdichten Schliessen eines Fliesswegs, der durch eine in einem Ventilgehäuse ausgeformte Öffnung führt, in unterschiedlichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt und kommen insbesondere bei Vakuumkammersystemen im Bereich der IC-, Halbleiter- oder Substratfertigung, die in einer geschützten Atmosphäre möglichst ohne das Vorhandensein verunreinigender Partikel stattfinden muss, zum Einsatz.
Derartige Vakuumkammersysteme umfassen insbesondere mindestens eine zur Aufnahme von zu bearbeitenden oder herzustellenden Halbleiterelementen oder Substraten vorgesehene, evakuierbare Vakuumkammer, die mindestens eine Vakuumkammeröffnung besitzt, durch welche die Halbleiterelemente oder anderen Substrate in die und aus der Vakuumkammer führbar sind, sowie mindestens eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Vakuumkammer. Beispielsweise durchlaufen in einer Fertigungsanlage für Halbleiter-Wafer oder Flüssigkristall-Substrate die hochsensiblen Halbleiter- oder Flüssigkristall-Elemente sequentiell mehrere Prozess-Vakuumkammern, in denen die innerhalb der Prozess-Vakuumkammern befindlichen Teile mittels jeweils einer Bearbeitungsvorrichtung bearbeitet werden. Sowohl während des Bearbeitungsprozesses innerhalb der Prozess-Vakuumkammern, als auch während des Transports von Kammer zu Kammer müssen sich die hochsensiblen Halbleiterelemente oder Substrate stets in geschützter Atmosphäre - insbesondere in luftleerer Umgebung - befinden.
Hierfür kommen zum einen Peripherieventile zum Öffnen und Schliessen einer Gaszu- oder Gasabfuhr und zum anderen Transferventile zum Öffnen und Schliessen der Transferöffnungen der Vakuumkammern für das Ein- und Ausführen der Teile zum Einsatz.
Die von Halbleiterteilen durchlaufenen Vakuumventile werden aufgrund des beschriebenen Anwendungsgebiets und der damit verbundenen Dimensionierung als Vakuum-Transferventile, aufgrund ihres mehrheitlich rechteckigen Öffnungsquerschnitts auch als Rechteckventil und aufgrund ihrer üblichen Funktionsweise auch als Schieberventil, Rechteckschieber oder Transferschieberventil bezeichnet.
Peripherieventile hingegen werden insbesondere zur Steuerung oder Regelung des Gasflusses zwischen einer Vakuumkammer und einer Vakuumpumpe oder einer weiteren Vakuumkammer eingesetzt. Peripherieventile befinden sich beispielsweise innerhalb eines Rohrsystems zwischen einer Prozess-Vakuumkammer oder einer Transferkammer und einer Vakuumpumpe, der Atmosphäre oder einer weiteren Prozess-Vakuumkammer. Der Öffnungsquerschnitt derartiger Ventile, auch Pumpenventile genannt, ist in der Regel kleiner als bei einem Vakuum-Transferventil. Da Peripherieventile abhängig vom Einsatzgebiet nicht nur zum vollständigen Öffnen und Schliessen einer Öffnung, sondern auch zum Steuern oder Regeln eines Durchflusses durch kontinuierliches Verstellen des Öffnungsquerschnitts zwischen eine vollständigen Offenstellung und einer gasdichten Geschlossenstellung eingesetzt werden, werden sie auch als Regelventile bezeichnet. Ein mögliches Peripherieventil zur Steuerung oder Regelung des Gasflusses ist das Pendelventil.
Bei einem typischen Pendelventil, wie beispielsweise aus der US 6,089,537 (Olmsted) bekannt, wird in einem ersten Schritt ein in der Regel runder Ventilteller über eine in der Regel ebenfalls runde Öffnung von einer die Öffnung freigebenden Stellung in eine die Öffnung überdeckende Zwischenstellung rotatorisch geschwenkt. Im Falle eines Schieberventils, wie beispielsweise in der US 6,416,037 (Geiser) oder der US 6,056,266 (Blecha) beschrieben, ist der Ventilteller, wie auch die Öffnung, meist rechteckig ausgebildet und wird in diesem ersten Schritt linear von einer die Öffnung freigebenden Stellung in eine die Öffnung überdeckende Zwischenstellung geschoben. In dieser Zwischenstellung befindet sich der Ventilteller des Pendel- oder Schieberventils in einer beabstandeten Gegenüberlage zu dem die Öffnung umgebenden Ventilsitz. In einem zweiten Schritt wird der Abstand zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz verkleinert, so dass der Ventilteller und der Ventilsitz gleichmässig aufeinandergedrückt werden und die Öffnung im Wesentlichen gasdicht verschlossen wird. Diese zweite Bewegung erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen in eine senkrechte Richtung zum Ventilsitz. Die Abdichtung kann z.B. entweder über einen auf der Verschlussseite des Ventiltellers angeordneten Dichtungsring, der auf den die Öffnung umlaufenden Ventilsitz gepresst wird, erfolgen, oder über einen Dichtungsring auf dem Ventilsitz, gegen den die Verschlussseite des Ventiltellers gedrückt wird. Durch den in zwei Schritten erfolgenden Schliessvorgang wird der Abdichtring zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz kaum Scherkräften, die den Abdichtring zerstören würden, unterworfen, da die Bewegung des Ventiltellers im zweiten Schritt im Wesentlichen geradlinig senkrecht auf den Ventilsitz stattfindet.
Unterschiedliche Dichtvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der US 6,629,682 B2 (Duelli). Ein geeignetes Material für Dichtungsringe und Dichtungen bei Vakuumventilen ist beispielsweise Fluorkautschuk, auch FKM genannt, insbesondere das unter dem Handelsnamen „Viton“ bekannte Fluorelastomer, sowie Perfluorkautschuk, kurz FFKM.
Die beschriebene mehrstufige Bewegung, bei welcher das Verschlussglied zuerst quer über die Öffnung geschoben wird, ohne dass es zu einer Berührung der Dichtung mit dem Ventilsitz kommt, und das Verschlussglied im Anschluss im Wesentlichen senkrecht auf den Ventilsitz gedrückt wird, bietet neben dem Vorteil, dass die Dichtung nahezu ausschliesslich senkrecht verpresst wird, ohne dass es zu einer Quer- oder Längsbelastung der Dichtung kommt (Partikelvermeidung), auch die Möglichkeit einer Regelung des Durchflusses eines Mediums (z.B. Prozessgas) durch die Ventilöffnung.
Da oben genannte Ventile unter anderem bei der Herstellung hochsensibler Halbleiterelemente zum Einsatz kommen, muss - wie bereits erwähnt - die insbesondere durch die Betätigung des Ventils und durch die mechanische Belastung des Ventilverschlussgliedes verursachte Partikelgenerierung und die Anzahl der freien Partikel im Ventilraum möglichst geringgehalten werden. Die Partikelgenerierung ist primär eine Folge von Reibung beispielsweise durch Metall-Metall-Kontakt oder durch Abrasion.
Wie oben beschrieben werden Vakuumregelventile zur Einstellung einer definierten Prozessumgebung in einer Prozesskammer eingesetzt. Die Regelung erfolgt hier typischerweise anhand eines Drucksignals, welches eine Information über den Kammerinnendruck bereitstellt, und anhand einer Zielgrösse, d.h. eines Solldrucks, die mittels der Regelung erreicht werden soll. Die Stellung eines Ventilverschlusses (Ventilteller) wird dann im Rahmen der Regelung so variiert, dass innerhalb eines bestimmten Zeitraums der Solldruck erreicht wird.
Den obigen Ausführungsformen ist gemein, dass insbesondere bei einem Regeln eine durch eine dieser Konstruktionen resultierende Regelkurve (Volumenstrom über Zeiteinheit) typischerweise mit einem nachteiligen Kurvenverlauf auftritt. Im Speziellen zeigt die Kurze im Übergang von einem fast geschlossenen Ventilzustand in einen vollständig geschlossenen Ventilzustand einen deutlich inhomogenen Kurvenverlauf aufgrund eines dabei auftretenden „Zuschnappeffekts“. Ein Strom durch die Öffnung wird dabei abrupt unterbrochen. Eine Feinregelung bei sehr kleinen Drücken ist dadurch nur sehr schwer umsetzbar bzw. nicht möglich.
Als weiterer kritischer Faktor ist in Zusammenhang mit der Halbleiterfertigung die Verwendung und die Handhabung von für einzelne Bearbeitungsschritte erforderlichem Prozessgas zu nennen. Das Regelventil übernimmt hierbei typischerweise auch die Funktion, eine definierte Gaskonzentration bereitzustellen, d.h. mittels eines variierbaren Gasabflusses durch das Ventil einzuregeln. Das Prozessgas wir dabei zumeist an einer der Evakuieröffnung gegenüberliegenden Seite der Prozesskammer zugeführt.
Neben der Gaskonzentration und dem Atmosphärendruck ist hierbei auch eine möglichst homogene Verteilung des Prozessgases zumindest im Bereich des zu bearbeitenden Substrats vorteilhaft. Ein möglichst symmetrischer Fluss des Gases durch die Prozesskammer, also sowohl bei der Gaszugabe als auch bei der Evakuierung, kann hierzu hilfreich sein.
Die US 6,994,311 B2 offenbart ein Vakuumregelventil mit dem Ziel des Herstellens eines symmetrischen Flusses durch eine Öffnung in einer geöffneten Ventilposition. Der Ventilteller ist zentral an einer Führung (Ventilstange) aufgehängt und kann axial geführt werden, so dass ein Volumenstrom durch die Öffnung in Abhängigkeit des Abstands zwischen Ventilteller und Ventilsitz eingestellt werden kann.
Ein Nachteil dieser Lösung besteht jedoch weiterhin darin, dass zur Bereitstellung der Führung des Ventiltellers eine mechanische Verbindung in das Zentrum der Ventilöffnung vorhanden sein muss. Diese mechanische Verbindung löst die Symmetrie der Strömung zumindest in Teilen auf und führt zu Turbolenzen an den Verbindungselementen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde ein Vakuumregelventil bereitzustellen, welches einerseits eine präzise Regelung bzw. Einstellung der Ventilöffnung und damit eines Stroms durch die Öffnung und andererseits einen homogenen Fluss durch die Ventilöffnung bereitstellt.
Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung die obigen Verbesserungen bei vergleichsweise kurzen Verstellzeiten des Ventilverschlusses bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Verwirklichung der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Merkmale, die die Erfindung in alternativer oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft einen Aufbau eines Vakuumventils, insbesondere eines Vakuumregelventils, welcher einen verbesserten Durchfluss und ein Abströmen von Prozessfluid aus einem Prozessvolumen hinsichtlich der Homogenität des Strömungsverhaltens bereitstellt. Zugleich kann eine Verstellzeit für eine Änderung eines Offenzustandes in einen Geschlossenzustand (oder umgekehrt) signifikant verbessert, d.h. reduziert, werden.
Die genannten Vorteile und Verbesserungen werden durch ein Unterteilen einer im Stand der Technik bekannten bislang einzigen Ventilöffnung in eine Mehrzahl von Ventilteilöffnungen in einem Vakuumventil bereitgestellt. Die Teilöffnungen sind hier symmetrisch um eine zentrale Ventilachse angeordnet. Jede Ventilteilöffnung wird jeweils von einem Ventilsitz bereitgestellt und von einer Dichtfläche umlaufen. Die Summe der Flächen der mehreren Ventilteilöffnungen ergibt die Fläche der Ventilgesamtöffnung.
Der gesamte Ventilöffnungsquerschnitt ergibt sich aus der Summe der Öffnungsquerschnitte der mehreren Ventilteilöffnungen, wobei der Öffnungsquerschnitt vom jeweiligen Öffnungszustand der Ventilteilöffnungen abhängt, d.h. von der durch den jeweiligen Ventilverschluss freigegebenen Durchflussfläche.
Durch die Aufteilung der Ventilöffnung und die damit einhergehende Anordnung ebenfalls mehrerer Ventilverschlüsse (Ventilteller) kann eine Struktur bereitgestellt werden, bei der in einer Offenposition, also bei Bereitstellung eines maximalen Durchflusses (Volumenstrom), die Ventilverschlüsse nicht oder zumindest weitestgehend nicht mehr die jeweilige Ventilöffnung überdecken. In anderen Worten, die Ventilteller können derart verstellt werden, dass die Ventilöffnungen im Wesentlichen, insbesondere vollständig, freigeben werden. Die Ventilverschlüsse können in der Offenposition vollständig oder im Wesentlichen vollständig aus einem Fliesskanal (Durchflusskanal), welcher einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss des Vakuumregelventils verbindet, entfernt sein.
Durch das Entfernen der Ventilverschlüsse aus dem Fliesskanal kann eine Anordnung jeglicher mechanischen Elemente, die zur Kopplung der Ventilverschlüsse erforderlich sind, innerhalb des Fliesskanals vermieden werden. Im Durchflusskanal liegen in der Offenposition also keinerlei beweglichen oder mechanischen Teile vor. Lediglich eine strukturell feste Anordnung zur Definition der Ventilsitze ist darin vorhanden. Diese fixe Struktur kann jedoch vorteilhaft so ausgebildet werden, dass diese ebenfalls symmetrische Form und Dimension um die zentrale Achse aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein hochsymmetrischer Fluss durch das Ventil in jedem Öffnungszustand bereitgestellt werden.
Das erfindungsgemässe Vakuumventil weist eine Antriebseinheit, umfassend mindestens eine Antriebskomponente, insbesondere eine Anzahl Antriebskomponenten entsprechender der Anzahl Ventilverschlüsse, auf. Eine Antriebskomponente kann beispielsweise als Motor ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft also ein Vakuumregelventil zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms und zum gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs. Das Vakuumregelventil weist einen ersten Ventilsitz auf, der wiederum eine eine erste Öffnungsachse definierende erste Ventilöffnung und eine die erste Ventilöffnung umlaufende erste Dichtfläche aufweist. Zudem ist ein erster Ventilteller mit einer zu der ersten Dichtfläche korrespondierenden ersten Kontaktfläche vorgesehen.
Das Vakuumregelventil weist weiter eine Antriebseinheit auf, die derart ausgebildet ist und mit dem ersten Ventilteller derart gekoppelt ist, dass dieser Ventilteller zumindest von einer Offenposition, in welcher der erste Ventilteller und der erste Ventilsitz relativ zueinander kontaktlos vorliegen, in eine Schliessposition, in welcher über ein dazwischenliegendes Dichtelement ein axial dichtender Kontakt zwischen der ersten Dichtfläche und der ersten Kontaktfläche besteht und die erste Ventilöffnung dadurch gasdicht verschlossen ist, und zurück (z.B. motorisiert) verstellbar ist.
Erfindungsgemäss weist das Vakuumregelventil zumindest einen zweiten Ventilsitz auf, der eine eine zweite Öffnungsachse definierende zweite Ventilöffnung und eine die zweite Ventilöffnung umlaufende zweite Dichtfläche aufweist. Ausserdem weist das Ventil einen zweiten Ventilteller mit einer zu der zweiten Dichtfläche korrespondierenden zweiten Kontaktfläche auf. Eine Ventilgesamtöffnung des Vakuumregelventils wird dadurch die erste Ventilöffnung als erste Ventilteilöffnung und die zweite Ventilöffnung als zweite Ventilteilöffnung gebildet.
Die Bereitstellung von mindestens zwei Gruppen, jeweils umfassend mindestens einen Ventilsitz und einen Ventilverschluss, erlaubt eine symmetrische Anordnung um ein Zentrum des Vakuumventils, wobei eine Überdeckung der Ventilöffnung durch die Ventilverschlüsse in der Offenposition zumindest weitgehend vermieden werden kann. Damit kann einerseits ein symmetrischer Volumenstrom durch das Ventil und andererseits eine vergleichsweise schnelle Betätigung (d.h. schnelles Verstellen der Ventilschlüsse aufgrund der vergleichsweise geringen Einzelmassen der Ventilverschlüsse) mit der Möglichkeit einer sehr flexiblen Volumenstromregelung, d.h. auch das Erreichen eines vergleichsweise grossen Gesamtöffnungsquerschnitts aus einer Geschlossenposition (und umgekehrt) in kurzer Zeit, bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform weist das Vakuumregelventil einen dritten Ventilsitz, der eine eine dritte Öffnungsachse definierende dritte Ventilöffnung und eine die dritte Ventilöffnung umlaufende dritte Dichtfläche aufweist, und einen dritten Ventilteller mit einer zu der dritte Dichtfläche korrespondierenden dritten Kontaktfläche auf. Die Ventilgesamtöffnung ist dann zusätzlich durch die dritte Ventilöffnung als dritte Ventilteilöffnung gebildet.
Durch das Anordnen einer dritten Kombination oder weiterer Kombinationen aus Ventilsitz und Ventilteller kann die Symmetrie der Ventilöffnung um eine Zentralachse des Ventils erhalten und damit die Symmetrie des Volumenstroms (konzentrisch) durch das Ventil weiter vergrössert werden.
Insbesondere kann die Antriebseinheit derart mit dem zweiten Ventilteller, insbesondere mit dem dritten Ventilteller, gekoppelt sein, dass die gekoppelten Ventilteller zumindest von einer jeweiligen Offenposition, in welcher der jeweilige Ventilteller und der jeweilige Ventilsitz relativ zueinander kontaktlos vorliegen, in eine Schliessposition, in welcher über ein jeweils dazwischenliegendes Dichtelement ein axial dichtender Kontakt zwischen der jeweiligen Dichtfläche und der jeweiligen Kontaktfläche besteht und die jeweilige Ventilteilöffnung dadurch gasdicht verschlossen ist, und zurück verstellbar ist.
In einer Ausführungsform kann das Vakuumregelventil eine Kopplungsanordnung aufweisen, welche Kopplungsanordnung eine mechanische Kopplung des ersten Ventiltellers mit dem zweiten Ventilteller, und insbesondere mit dem dritten Ventilteller, derart bereitstellt und derart mit der Antriebseinheit verbunden ist, dass die jeweiligen Ventilteller mittels der Antriebseinheit gemeinsam verstellbar sind. Die Kopplungsanordnung kann beispielsweise mit einer Welle, Gelenken (z.B. Kardangelenke), Lagern und/oder Übersetzungen verwirklicht sein.
So kann mittels einer mechanischen Lösung beispielsweise ein simultanes Verstellen aller gekoppelten Ventilteller bereitgestellt werden. Hierdurch kann insbesondere ein homogener und symmetrischer Fluidfluss durch das Ventil dadurch erreicht werden, dass schon bei einem ersten Öffnen der Ventilteilöffnung für alle Öffnungen ein gleicher Öffnungsquerschnitt bereitgestellt wird und der Fluss durch alle Öffnungen hinsichtlich des Volumen- oder Massenstroms gleich ist und bleibt.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform weist die Antriebseinheit zumindest eine erste und eine zweite, insbesondere eine dritte, Antriebskomponente, insbesondere jeweilige Motoren, auf. Die erste Antriebskomponente ist mit dem ersten Ventilteller und die zweite Antriebskomponente ist mit dem zweiten Ventilteller gekoppelt, insbesondere ist die dritte Antriebskomponente mit dem dritten Ventilteller gekoppelt.
Im Unterschied zur vorangehenden Ausführung kann in dieser Variante jeder der Ventilteller individuell angesteuert und verstellt werden. Dies erlaubt eine grössere Flexibilität hinsichtlich der Einstellung des Flussverhaltens durch das Ventil. Z.B können hierdurch Asymmetrien des Volumenstroms kompensiert werden, die durch vorliegende Bearbeitungsvorrichtungen in der Prozesskammer verursacht sind. Eine solche Kompensation kann durch das Bereitstellen unterschiedlicher Öffnungsquerschnitte für die einzelnen Ventilteilöffnungen umgesetzt werden.
Insbesondere kann das Flussverhalten innerhalb der Kammer so eingestellt werden, dass ein unsymmetrischer Fluss, der z.B. durch eine Anordnung in der Kammer zur Bearbeitung eines Substrats verursacht ist (z.B. ein Chuck, eine Halterung, eine Elektrode etc.), ausgleichbar ist. Der Fluss würde bei Verwendung eines herkömmlichen Ventils entsprechen inhomogen durch die Prozesskammer erfolgen. Durch die Einstellbarkeit des Abströmverhaltens mittels des erfindungsgemässen Ventils kann das Abströmen des Fluids dem unsymmetrischen Fluss durch die Kammer entgegenwirken und so letztlich in einem gesamthaft symmetrischen Fluss durch die Kammer resultieren. Die Strömung durch das Ventil kann dabei entsprechend asymmetrisch (nicht zentrisch, d.h. asymmetrisch bezüglich einer Zentralachse) erfolgen.
Beispielsweise können unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten an unterschiedlichen (z.B. gegenüberliegenden) Ventilseiten vorliegen.
Das Vakuumregelventil kann insbesondere eine Steuerungseinheit, insbesondere Regelungseinheit, aufweisen, wobei die Antriebseinheit (und deren Antriebskomponenten) anhand eines von der Steuerungseinheit bereitgestellten Steuerungssignals, insbesondere anhand einer Regelgrösse, ansteuerbar ist. Insbesondere kann jede Antriebskomponente der Antriebseinheit individuell mittels eines (individuellen) Steuerungssignals ansteuerbar sein.
In einer Ausführung kann das Vakuumregelventil einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen, wobei der erste und der zweite Ventilsitz in einem Fliesskanal angeordnet sind, der (Fliesskanal) den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss miteinander verbindet und einen Fliessweg definiert, insbesondere wobei der erste und der zweite Ventilteller in der Offenposition zumindest im Wesentlichen, insbesondere vollständig, ausserhalb des Fliesskanals vorliegen.
Die beiden Anschlüsse können insbesondere für eine Anordnung des Vakuumregelventils zwischen einer Prozess- bzw. Vakuumkammer und einer Vakuumpumpe vorgesehen sein. Durch ein gezieltes Einstellen bzw. Regeln des Öffnungszustandes des Ventils kann so durch die Erzeugung eines Unterdrucks seitens der Vakuumpumpe ein Solldruck oder ein Druckverlauf in der Kammer eingestellt oder geregelt werden. Die beiden Anschlüsse definieren somit also einen Durchflusskanal, welcher durch die Ventilverschlüsse vollständig oder teilweise versperrt werden kann.
In einer Ausführungsform können die erste und die zweite Ventilteilöffnung, insbesondere die dritte Ventilteilöffnung, symmetrisch um eine Zentralachse des Vakuumregelventils angeordnet sein, wobei die Zentralachse sich durch einen Ventilmittelpunkt erstreckt, insbesondere eine Mittelachse des Fliesskanals bildet. Das Ventil kann aufgrund seiner Geometrie einerseits einen Fliessweg für ein Fluid und damit andererseits einen begrenzten Strömungskanal für das Fluid definieren. Die Zentralachse liegt insbesondere in der Mitte dieses Kanals und erstrecht sich entsprechend der Erstreckung des Kanals.
Mindestens einer der Ventilteller kann linear entlang einer Verstellachse verstellbar sein. Die Ventilverschlüsse können auch sämtlich linear verstellbar ausgeführt sein. Eine Kontaktfläche (Dichtfläche) eines Verschlusses kann während der Bewegung zu jedem Zeitpunkt umfänglich gleiche Abstände zu einer korrespondierenden Dichtfläche des Ventilsitzes aufweisen. Eine durch die Dichtfläche definierte erste Dichtebene kann dabei (stets) parallel zu einer durch die Kontaktfläche definierten zweiten Dichtebene (Kontaktebene) ausgerichtete sein. Der Ventilverschluss wird parallel relativ zum Ventilsitz bewegt. Die Ventilverschlüsse können alternativ drehbar gelagert ausgeführt sein.
In einer Ausführung kann mindestens einer der Ventilteller als um eine Rotationsachse drehbar gelagerter Klappventilverschluss ausgebildet sein.
Die Antriebseinheit und der mindestens eine der Ventilteller können insbesondere derart ausgebildet sein und können derart zusammenwirken, insbesondere derart gekoppelt sein, dass der mindestens eine Ventilteller in eine Feinregelposition verstellbar ist, in welcher der mindestens eine Ventilteller relativ zum zugeordneten Ventilsitz derart definiert schräg vorliegt, dass eine erste Dichtebene und eine zweite Dichtebene einen definierten Winkel einschliessen, wobei die zugeordnete Dichtfläche die erste Dichtebene und die zugeordnete Kontaktfläche die zweite Dichtebene definiert. Das Dichtelement kann dabei an der zugeordneten Dichtfläche oder Kontaktfläche vollständig anliegen und an der jeweils anderen Dichtfläche bzw. Kontaktfläche nur teilweise anliegen.
In der Feinregelposition ist somit ein geringerer Flächenanteil der Dichtung mit der gegenüberliegenden Dichtfläche in Berührung oder Verpressung als in der Schliessposition.
Durch solch eine gezielte relative Schrägstellung zwischen Ventilsitz und Ventilverschluss und den in Abhängigkeit der Schräge einstellbaren Öffnungsbereich der Ventilöffnung ist die vorteilhafte Druck- und Flussregelung ermöglicht. Derartige Regelungen können typischerweise z.B. bei der Verwendung von Prozessgas und dem damit verbundenen Erfordernis der Einstellung eines Solldrucks eingesetzt werden. Durch eine damit bewirkbare andauernde laminare Strömung des Mediums durch die Öffnung können Druckschwankungen vermieden werden und der Solldruck kann schneller erreicht werden. Durch die weiterhin gegebene Möglichkeit der vollständigen Trennung des Ventiltellers von dem Ventilsitz (Offenposition) kann die Durchflussöffnung andererseits sehr gross gewählt werden.
Ein grösserer Öffnungswinkel bedeutet hierbei eine grösserer Durchtrittsöffnung und somit die Möglichkeit eines Durchflusses eines grösseren Volumens pro Zeiteinheit. Durch ein Verkleinern des Öffnungswinkels kann der Durchfluss schrittweise und/oder kontinuierlich reduziert werden, bis ein vollständiger Kontakt der Dichtflächen bzw. der Dichtung des Ventilsitzes und des Ventiltellers besteht und die Teilöffnung damit in einem vollständig verschlossenen Zustand (Schliessposition) vorliegt.
Mit einem erfindungsgemässen Ventil können oben genannte Flüsse vorteilhaft, d.h. auch bei sehr geringen Drücken und unter Bereitstellung und Beibehaltung eines im Wesentlichen symmetrischen und laminaren Flusses, reguliert werden.
In einer Ausführung können die Antriebseinheit und der mindestens eine der Ventilteller derart ausgebildet und gekoppelt sein, dass bei dem Verstellen des mindestens einen der Ventilteller von der Offenposition in die Schliessposition oder von der Schliessposition in die Offenposition der mindestens eine Ventilteller vor Erreichen der Schliessposition bzw. vor Erreichen der Offenposition die Feinregelposition einnimmt. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung bzw. Regelung der Antriebseinheit realisiert sein, z.B. durch ein gesteuertes Kippen des Tellers relativ zum Ventilsitz.
Bezüglich der Ausrichtung der Dichtfläche des Ventilsitzes kann gemäss einer Ausführung die erste Dichtfläche (des Ventilsitzes) in eine Richtung parallel zur Öffnungsachse weisen und sich orthogonal zur Öffnungsachse erstrecken.
Gemäss einer erfindungsgemässen Ausführungsform ist der mindestens eine der Ventilteller in der Feinregelposition derart positioniert, dass die durch eine Erstreckung seiner Kontaktfläche definierte zweite Dichtebene schräg zu der Öffnungsachse vorliegt.
In einer Ausführungsform schliessen die erste und die zweite Dichtebene in der Offenposition und in der Feinregelposition einen definierten Winkel α ein und die erste und die zweite Dichtebene sind in der Schliessposition im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Bei einer Bewegung von der Feinregelposition hin zur Schliessposition nähert sich der Wert des Winkels α also immer näher an „Null“ an und wird schliesslich zu „Null“.
Es versteht sich, dass gemäss einer Ausführung nicht nur eine einzelne Feinregelposition eingestellt werden kann, sondern eine zweite, mehrere oder eine Vielzahl von Feinregelpositionen des Ventiltellers, insbesondere kontinuierlich, einstellbar sind. Dabei sind die jeweils durch die erste und die zweite Dichtebene eingeschlossenen Winkel α_n jeweils unterschiedlich und die erste und die zweite Dichtfläche sind vermittels des Dichtelements (Dichtung) jeweils nur teilweise in Kontakt. Die mehreren Feinregelpositionen können also jeweils einer anderen Schräglage von Ventilteller in Bezug auf den Ventilsitz entsprechen. Insbesondere kann jede Schrägstellung während einer kontinuierlichen Schliessbewegung einer jeweiligen Feinregelposition zugeordnet werden.
Insbesondere kann ein definiertes Strömungsverhalten durch das Vakuumregelventil, insbesondere durch die mindestens zwei Ventilöffnungen in ihrer Gesamtheit, einstellbar und/oder regelbar sein, insbesondere wobei das Strömungsverhalten asymmetrisch bezüglich einer Zentralachse des Vakuumregelventils einstellbar ist. Die Zentralachse erstreckt sich dabei durch einen Ventilmittelpunkt, insbesondere bildet diese eine Mittelachse des Fliesskanals. Hierdurch kann eine zumindest teilweise Kompensation eines durch Asymmetrien in der Kammer initial asymmetrisch gegebenen Strömungsverhaltens erreicht werden.
Insbesondere können die Feinregelpositionen gesteuert jeweils individuell oder fortlaufend eingestellt und damit eine insbesondere kontinuierliche Regelung des Volumen- oder Massenstroms eines Mediums durch die Ventilöffnung bereitgestellt werden. Die Strömung kann dabei insbesondere laminar beibehalten werden. Eine solche Regelung wird insbesondere durch einen Schrittmotor oder einen Servomotor der Antriebseinheit bereitgestellt, durch den die Drehung des Ventiltellers bereitgestellt wird.
Gemäss einer Ausführungsform können der erste Ventilsitz und der zweite Ventilsitz in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein. Alternativ können der erste Ventilsitz und der zweite Ventilsitz derart schräg relativ zueinander angeordnet sein, dass die durch die erst Dichtfläche definierte Ebene und die durch die zweite Dichtfläche definierte Ebene einen definierten Winkel einschliessen. Die Ventilsitze können z.B. derart ausgerichtet sein, dass die definierten Dichtebenen jeweils eine Seitenfläche einer virtuellen Pyramide umfassen.
In einer Ausführungsform kann die Ausrichtung so sein, dass die durch die jeweilige Ventilöffnung eines Ventilsitzes jeweils definierte Öffnungsachse den Mittelpunkt der jeweiligen Ventilteilöffnung schneidet und sich orthogonal zur jeweiligen durch die Erstreckung der jeweiligen Dichtfläche definierten Dichtebene erstreckt und die jeweiligen Öffnungsachsen sich schneiden, insbesondere sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt schneiden. Der gemeinsame Schnittpunkt liegt insbesondere auf der Zentralachse des Ventils.
Gemäss einer Ausführungsform weist die Antriebseinheit zumindest einen Motor und zumindest eine durch den zumindest einen Motor gesteuert entlang einer Längsachse bewegbare Führungskomponente auf, insbesondere Führungsstange, wobei der Ventilteller mit der Führungskomponente relativ zum Ventilsitz bewegbar ist.
Die Lage der Längssachse ist insbesondere definiert durch die Erstreckung der Führungskomponente, die z.B. als Schubstange oder Führungsstange ausgeführt bzw. bezeichnet ist, und/oder durch die durch die Antriebseinheit bereitgestellte Linearbewegungsrichtung.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben, wobei auch auf weitere Vorteile der Erfindung eingegangen wird. Im Einzelnen zeigen:

1a-b eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumregelventils in einer Schliessposition und in einer Offenposition im Querschnitt;
2a-b die erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumregelventils in einer Offenposition und in einer Schliessposition in einer Draufsicht;
3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumregelventils;
4a-b eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumregelventils in einer Offenposition und in einer Schliessposition im Querschnitt;
5a-b die dritte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumregelventils in einer Offenposition und in einer Schliessposition in einer Draufsicht;
6 die dritte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumregelventils perspektivisch;
7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumregelventils verbunden mit einer Prozesskammer; und
8 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumregelventils verbunden mit einer Prozesskammer mit asymmetrischem Kammerinnenaufbau.

1a zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Vakuumregelventils 10 gemäss der Erfindung in einer Schliessposition. 2a zeigt die Ausführungsform des Vakuumregelventils 10 in einer Draufsicht ebenfalls in der Schliessposition. Die 1b und 2b zeigen die Ausführungsform des Vakuumregelventils 10 entsprechend in der Offenposition.
Das Regelventil 10 weist drei Ventilteilöffnungen auf, wobei in der Querschnittsabbildung lediglich zwei der drei Öffnungen 11a, 11b dargestellt sind. Die Anordnung aller drei Teilöffnungen sowie zugeordneter Ventilteller und Ventilsitze ist den 2a und 2b entnehmbar.
Im Folgenden wird teilweise stellvertretend auch für die dritte Ventilteilöffnung Bezug genommen auf jeweils einen ersten und zweiten Ventilteller, Ventilsitz sowie damit in Verbindung stehende Komponenten. Die Ausgestaltung um die dritte Ventilteilöffnung ist im Wesentlichen analog zu den anderen beiden.
Die Ventilteilöffnungen 11a-11c sind symmetrisch um eine zentrale Achse Z des Ventils 10 angeordnet. Die zentrale Achse Z ist definiert durch ein Flusszentrum des Ventils 10. Das Flusszentrum wiederum entspricht einer geometrischen Mitte eines durch die Ventilteilöffnungen gemeinschaftlich bereitgestellten Fliessweges oder Fliesskanals für ein Fluid.
Das Vakuumregelventil 10 weist entsprechend einen ersten, einen zweiten und einen dritten Ventilsitz auf. Jeder der drei Ventilsitze weist wiederum eine Ventilteilöffnung 11a-11c auf, die von jeweiligen Dichtflächen 12a-12c umlaufen werden. Korrespondierend zu den Ventilsitzen sind ein erster 13a, ein zweiter 13b und ein dritter 13c Ventilteller vorgesehen. Die Ventilteller 13a-13c sind derart ausgebildet, dass deren Kontaktflächen 14a-14c (tellerseitige Dichtflächen) mit den Dichtflächen 12a-12c der Ventilsitze korrespondieren. Die Kontaktflächen haben entsprechend im Wesentliche jeweils die gleiche Form und räumliche Ausdehnung gemäss der jeweils zugeordneten Dichtflächen.
Jeder Ventilteller 13a-13c verfügt an dessen Kontaktfläche 14a-14c über ein Dichtmittel, insbesondere eine Dichtung, z.B. in Form eines O-Ringes oder aufvulkanisiertes Polymer, insbesondere Fluorpolymer. Stellvertretend ist eine solche Dichtung an der Kontaktfläche 14b in der 1b erkennbar. Gemäss alternativen Ausführungen können die Dichtmittel alternativ oder zusätzlich seitens der Dichtflächen 12a-12c vorgesehen sein.
Entsprechend der Anzahl Ventilteller sind gemäss dieser Ausführungsform eine entsprechende Anzahl von Antriebskomponenten 15a-15c vorgesehen, die gemeinsam die Antriebseinheit des Ventils 10 bilden. Jede Antriebskomponente 15a-15c ist mit einem Ventilteller 13a-13c mittels einer Koppelstange verbunden.
Die Antriebskomponenten 15a-15c sind derart ausgebildet, dass eine lineare Verstellbarkeit der Ventilteller 13a-13c entlang jeweiliger durch die Erstreckung der Koppelstangen definierter Achsen bereitgestellt ist. Die Antriebe sind beispielsweise als Linearmotoren oder Schrittmotoren ausgebildet. Die Ausrichtung der Ventilteller 13a-13c bzw. der Kontaktflächen 14a-14c ist sowohl in geöffneten als auch im geschlossenen Zustand parallel zur Ausrichtung der Ventilsitze bzw. der Dichtflächen 12a-12c.
In der gezeigten Ausführungsform ist jedem Ventilteller 13a-13c ein Motor 15a-15c zugeordnet. In einer alternativen Ausführung (hier nicht gezeigt) kann nur ein Motor vorgesehen sein, der mittels einer Kopplungseinheit mit sämtlichen Ventiltellern verbunden ist. Die Kopplungseinheit kann z.B. Gelenke, Wellen und/oder Übersetzungen etc. aufweisen. Ein Öffnen oder Schliessen des Ventils kann damit durch ein simultanes Öffnen bzw. Schliessen aller Ventilteilöffnungen erfolgen.
Die drei Ventilsitze sind schräg relativ zueinander angeordnet. Jeder Dichtfläche 12a-12c definiert durch deren Form und Erstreckung eine Dichtebene.
Die Ventilsitze sind insbesondere derart ausgerichtet, dass die jeweiligen Dichtebenen unterschiedliche Seitenflächen einer virtuellen, insbesondere regelmässigen oder geraden, Pyramide mit polygonaler Grundfläche einschliessen. In anderen Worten, jede Seitenfläche der virtuellen Pyramide mit polygonaler Grundfläche liegt in einer der Dichtebenen. In der gezeigten Ausführungsform ist die Grundfläche der Pyramide dreieckig.
Eine derartige Anordnung der einzelnen Ventilteilöffnungen 11a-11c bietet den Vorteil einer wenig komplexen Mechanik zur Bereitstellung des Offen- und Geschlossenzustandes. Eine lineare Verstellung der Teller 13a-13c, die mittels der Antriebseinheit präzise gesteuert werden kann, ermöglicht neben dem Öffnen und Verschliessen des Öffnungen 11a-11c zudem das Einstellen eines bestimmten Öffnungsquerschnitts sowohl einer jeden einzelnen Ventilteilöffnung 11a-11c als auch einer daraus resultierenden Ventilgesamtöffnung.
Durch ein beispielsweise schrittweises Annähern eines Ventiltellers an den zugehörigen Ventilsitz kann der Öffnungsquerschnitt der betreffenden Ventilteilöffnung schrittweise, insbesondere fortlaufend, verkleinert werden.
Damit stellt das Vakuumregelventil 10 auch die Möglichkeit bereit einen Fluidstrom durch die Ventilöffnung(en) gezielt einzustellen. Soll also ein bestimmter Innendruck in einer Prozesskammer bereitgestellt werden, so kann mittels des Vakuumregelventils 10, das dann vorzugsweise einerseits mit einer Vakuumpumpe und andererseits mit der Prozesskammer verbunden ist, eine bestimmte Menge (Masse oder Volumen) Fluid eingestellt werden, die pro Zeiteinheit abströmt. Als Regelgrösse kann hierbei z.B. ein mittels eines Drucksensors festgestellter Innendruck in der Kammer herangezogen werden. Alternativ kann der Öffnungsquerschnitt anhand einer vorbestimmten Regel gesteuert eingestellt und variiert werden.
Das Vakuumregelventil 10 weist ferner einen ersten Anschluss 16 und einen zweiten Anschluss 17 auf. Zumindest einer der Anschlüsse kann als Flansch ausgebildet sein. Die Ventilsitze sind in dem Fliessweg eines Fliessraums, der den ersten Anschluss 16 und den zweiten Anschluss 17 miteinander verbindet, angeordnet.
Es sei festgehalten, dass die Erfindung sich nicht allein auf Ausführungsformen mit drei oder mehr Ventilteilöffnungen, Ventilsitzen und Ventiltellern erstreckt, sondern insbesondere auch solche Lösungen umfasst, die jeweils zwei Ventilöffnungen, Ventilsitze und Ventilteller aufweisen.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Das Vakuumregelventil 20 weist ebenfalls drei Ventilsitze und drei korrespondierende Ventilteller 23a-23c auf, die zur Einstellung einer Durchflussmenge durch die jeweiligen Ventilteilöffnungen 21a-21c vorgesehen sind.
Ein erster, dem zweiten Anschluss gegenüberliegender Anschluss 26 stellt eine Konnektivität des Ventils 20 mit insbesondere einer Rohrleitung, einer Prozesskammer oder einer Vakuumpumpe bereit.
Jeder Ventilteller 23a-23c ist mit einer jeweiligen Antriebskomponente 25a-25c mechanisch gekoppelt und kann damit entlang einer jeweiligen linearen Verstellachse verstellt werden. Das Funktionsprinzip - Öffnen, Unterbrechen und Regeln eines Durchflusses - ist damit demjenigen der vorangehenden Ausführungsform ähnlich.
Jeder Ventilteller 23a-23c bildet mit dessen jeweils zugeordneter Antriebskomponente 25a-25c eine Ventilbaugruppe. Jede Ventilbaugruppe weist also - neben weiteren Befestigungs- und Dichtkomponenten - genau eine Antriebskomponente und ein Ventilteller auf. Exemplarisch ist in 3 die Ventilbaugruppe 28 bestehend aus Ventilverschluss 23c und Motor 25c referenziert. Analoge weitere zwei solche Baugruppen werden gebildet durch die Kombination des Ventilverschlusses 23a mit dem Motor 25a und durch die Kombination des Ventilverschlusses 23b mit dem Motor 25b.
Wie in 3 dargestellt, ist das Vakuumregelventil 20 derart ausgebildet, dass die Ventilbaugruppen modular austauschbar sind. Das Gehäuse 29 des Ventils 20, welches Gehäuse 29 die drei Ventilsitze umfasst, weist hierfür umfänglich drei Ausnehmungen auf. Jeder der Ausnehmungen ist einem der Ventilsitze zugeordnet und insbesondere diesem Ventilsitz gegenüberliegend angeordnet.
Die Ausnehmung und die Ventilbaugruppe 28 sind derart einander angepasst ausgebildet, dass die Baugruppe 28 mittels derer Befestigungsmittel in die Ausnehmung einsetzbar und mit dieser verbindbar ist. Eine solche Befestigung kann beispielsweise mittels einer Verschraubung oder Klemmung erfolgen. Vorzugsweise ist zwischen einer um die Ausnehmung umlaufenden Auflagefläche und der korrespondierenden Anpressfläche der Ventilbaugruppe 28 eine Dichtung vorgesehen.
Durch den modularen Aufbau kann ein vergleichsweise einfacher Austausch von defekten oder verschlissenen Komponenten erfolgen. Beispielsweise werden die seitens der Ventilteller 23a-23c angeordneten Dichtelemente mit jeder Verstellung in die oder aus der Schliessposition Materialbelastungen ausgesetzt und müssen daher in regelmässigen Zyklen ersetzt oder erneuert werden. Aufgrund des vorteilhaften modularen Aufbaus kann für diese Wartungstätigkeit eine signifikante Zeitersparnis gegenüber herkömmlichen Ventillösungen realisiert werden.
Die 4a, 4b und 5a, 5b zeigen eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumregelventils 30 im Querschnitt und in einer Draufsicht. Die 4a und 5a zeigen das Ventil 30 in einer Offenstellung, die 4b und 5b in einer Geschlossenstellung.
Diese Ausführungsform weist wiederum drei Ventilsitze mit jeweiligen umlaufenden Dichtflächen 32a-32c und jeweiligen Ventilteilöffnungen 31a-31c auf. Die Ventilsitze bzw. Dichtflächen 32a-32c sind hier in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die Ventilteilöffnungen 31a-31c weisen jeweils gleiche Formen und Dimensionen auf, sind jedoch jeweils um 120° gedreht zur jeweils benachbarten Öffnung ausgebildet.
Das Vakuumregelventil 30 weist zudem drei Ventilverschlüsse 33a-33c (Ventilteller) mit Kontaktflächen 34a-34c auf, deren Dichtelemente in der Schliessposition mit den Dichtflächen 32a-32c der Ventilsitze dichtend zusammenwirken.
Jeder der Ventilverschlüsse 33a-33c ist um eine jeweilige Rotationsachse drehbar gelagert. Zudem ist jeder der Ventilverschlüsse 33a-33c mit einer jeweiligen Antriebskomponente 35a-35c (Motor) gekoppelt. Mittels der Motoren 35a-35c sind die Ventilteller 33a-33c gesteuert um die Rotationsachsen drehbar. Die Ventilverschlüsse 33a-33c wirken also als Klappen. Eine durch die Verschlussseite der jeweiligen Klappe definierte Fläche und eine Dichtebene, die durch die Erstreckung der jeweiligen Dichtfläche definiert ist, schliessen hierbei eine variierbaren Öffnungswinkel α ein, wobei ein jeweiliger Öffnungsquerschnitt einer Ventilteilöffnung mit dem jeweiligen Öffnungswinkel α korreliert.
Jeder der Motoren 35a-35c ist individuell ansteuerbar. Das Vakuumregelventil 30 weist zudem eine Steuerungs- oder Regelungseinheit auf, die derart mit den Motoren zusammenwirkt und derart ausgestaltet ist, dass die Motoren wahlweise individuell angesteuert werden können oder das Verstellen der Klappen 33a-33c durch entsprechende Ansteuerung synchron erfolgen kann. Hierzu weist die Steuerungs- oder Regelungseinheit entsprechende Algorithmen und Funktionalitäten auf. Die Klappen 33a-33c können also gleichzeitig, synchron bewegt werden, sodass diese z.B. bei einem Verstellen in die Schliessposition, diese Schliessposition gleichzeitig bereitstellen.
Ein Vorteil der drehbaren Lagerung der Ventilverschlüsse 33a-33c ist das Bereitstellen einer hochpräzisen Feinregelfunktionalität. Im Unterschied zu einer linearen Ventiltellerbewegung ermöglicht das Klappen der Verschlüsse 33a-33c insbesondere bei sehr geringen Drücken ein sehr feines Einstellen des Öffnungszustandes des Ventils mittels sehr kleiner Öffnungszustands-Änderungsschritte, die aufgrund eines zunehmenden Abstands der Klappe zum Ventilsitz bei zunehmendem Abstand von der Rotationsachse gegeben sind (bei vorliegendem Öffnungswinkel α > 0).
Das Problem eines möglichen Zuschnappens bei sehr kleinen Öffnungswinkeln, das bei Ventilen des Standes der Technik oftmals besteht, wird mit der vorgeschlagenen Lösung durch die Vorsehung der mehreren Ventilteller und der daraus resultierenden geringeren Hebelkräfte pro Ventilteller vermieden.
Das Vakuumregelventil 30 weist ausserdem einen ersten Anschluss 36 und einen zweiten Anschluss 37 auf. Zumindest einer der Anschlüsse kann als Flansch ausgebildet sein. Die Ventilsitze sind in dem Fliessweg eines Fliessraums, der den ersten Anschluss 36 und den zweiten Anschluss 37 miteinander verbindet, angeordnet.
6 zeigt das Vakuumregelventil 30 gemäss den 4 und 5 perspektivisch. Die Ventilsitze sind derart ausgeführt, dass die dadurch definierten Ventilteilöffnungen 31a-31c jeweilige Öffnungsachsen 39a-39c definieren, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Öffnungsachsen 39a-39c schneiden die jeweiligen Mittelpunkte der Ventilteilöffnungen 31a-31c und erstecken sich orthogonal zu einer Dichtebene, die durch die Dichtflächen 32a-32c definiert ist.
Die Aufteilung der Ventilgesamtöffnung auf eine Mehrzahl von Teilöffnung bietet zudem den Vorteil, dass auch eine Mehrzahl von Ventilverschlüssen bereitgestellt wird und damit die Masse jedes einzelnen Verschlusses individuell reduziert werden kann. Aufgrund der geringeren zu bewegenden Massen, lassen sich hierdurch deutlich kürzere Verstellzeiten realisieren, d.h. die Zeit, die benötigt wird, einen oder alle der Ventilverschlüsse aus einer Offenposition in eine Schliessposition (oder umgekehrt) zu verstellen, kann verkürzt werden.
7 zeigt eine Prozesskammer 40 mit einem Gaseinlass 41 und einem in der Prozesskammer 40 angeordneten zu bearbeitenden Substrat 1.
An einer dem Gaseinlass 41 gegenüberliegenden Seite der Prozesskammer 40 befindet sich ein mit einem Gasauslass verbundenes erfindungsgemässes Vakuumregelventil 50 gemäss einer weiteren Ausführungsform mit zwei Ventilteilöffnungen 51a,51b. Jede Ventilöffnung wird durch einen jeweiligen Ventilsitz des Vakuumventils 50 bereitgestellt. Jeder Ventilteilöffnungen 51a,51b ist ein Ventilverschluss 53a,53b zugeordnet. Die beiden Ventilverschlüsse 53a,53b des Ventils 50 sind jeweils klappbar um je eine Rotationsachse ausgeführt. Durch ein Verstellen der Klappen 53a und 53b kann ein Öffnungswinkel und damit eine Durchflussmenge pro Zeit variiert und eingestellt werden.
Ein Fluidstrom durch die Prozesskammer ist anhand der Pfeile gezeigt. Die spezifische Ausgestaltung des Vakuumregelventils 50 mit der Bereitstellung der mehreren Ventilteilöffnungen 51a und 51b stellt ein symmetrisches Strömen des Fluids durch das Ventil 50 bereit. Darüber hinaus kann durch das Bereitstellen einer um eine zentrale Ventilachse Z symmetrischen ausgestalteten Gesamtöffnung, gebildet aus den mehrerer Teilöffnungen, das Abströmen des Fluids aus der Prozesskammer 40 ebenso symmetrisch (konzentrisch) erfolgen.
Das Substrat 1 liegt zur Bearbeitung vorzugsweise auf einem Chuck auf, welcher ein elektrostatisches Halten des Substrats 1 ermöglicht. Die Strömung des Prozessgases kann mittels der symmetrischen Ventilöffnung auch um den Chuck konzentrisch (homogen) geführt werden.
Ein solches symmetrisches, homogenes bzw. konzentrisches Strömungsverhalten ist für die Bearbeitung von Substraten unter Vakuum- oder Niederdruckbedingungen sehr vorteilhaft, da hieraus eine ebensolche homogene Verteilung des Prozessgases über das Substrat resultiert. Dadurch können z.B. Abscheide- oder Ätzprozesse sehr gleichmässig und mit hoher Qualität und Verlässlichkeit durchgeführt werden.
8 zeigt eine Ausführungsform einer Prozesskammer 40 mit einem Gaseinlass 41 und einer in der Prozesskammer 40 angeordneten Bearbeitungsvorrichtung 45 für ein zu bearbeitendes Substrat.
An der dem Gaseinlass 41 gegenüberliegenden Seite der Prozesskammer 40 befindet sich wiederum ein mit einem Gasauslass verbundenes erfindungsgemässes Vakuumregelventil 50 mit zwei Ventilteilöffnungen 51a,51b. Jede Ventilöffnung wird durch einen jeweiligen Ventilsitz des Vakuumventils 50 bereitgestellt. Jeder Ventilteilöffnungen 51a,51b ist ein Ventilverschluss 53a,53b zugeordnet. Die beiden Ventilverschlüsse 53a,53b des Ventils 50 sind jeweils klappbar um je eine Rotationsachse ausgeführt. Durch ein Verstellen der Klappen 53a und 53b kann ein jeweiliger Öffnungswinkel und damit eine jeweilige Durchflussmenge pro Zeit für jede der Ventilteilöffnungen 51a,51b individuell variiert und eingestellt werden.
Die Bearbeitungsvorrichtung 45 ist asymmetrisch in der Prozesskammer 40 angeordnet. Eine solche Anordnung einer Bearbeitungsvorrichtung 45 ist typisch für die Bereitstellung der Durchführung gattungsgemässer Vakuumprozesse. Dabei wird die Bearbeitungsvorrichtung 45 beispielsweise an nur einer Seite der Kammer 40 befestigt. Die Bearbeitungsvorrichtung 45 befindet sich also nicht zentral in der Kammer 40 und verursacht allein bereits durch diese Platzierung oder Befestigung einen unsymmetrischen Fluidfluss durch die Kammer 40. Die Bearbeitungsvorrichtung 45 wird dabei ungleich mit einem Fluid umströmt.
Ein solch unsymmetrischer Fluidfluss durch die Kammer 40 kann mittels des erfindungsgemässen Vakuumregelventils 50 ausgeglichen werden. Durch die Bereitstellung unterschiedlicher Öffnungszustände der einzelnen Ventilteilöffnungen 51a,51b kann die Asymmetrie bezüglich des Gasflusses kompensiert werden. Hierzu werden die Ventilverschlüsse 53a,53b in unterschiedliche Schrägstellungen (Öffnungswinkel) versetzt wodurch jeweils unterschiedliche Öffnungsquerschnitte bereitgestellt sind. Das Abströmen des Fluids erfolgt dann nicht mehr zentrisch durch das Ventil, sondern auch innerhalb des Ventils unsymmetrisch bezüglich der Zentralachse.
Durch die unterschiedlichen Öffnungszustände kann die Fluidströmung unterschiedlich stark über den Verlauf eines Kammerquerschnitts eingestellt werden. Mit anderen Worten kann das Strömungsverhalten eines Gases in unterschiedlichen Bereichen der Kammer unterschiedlich ausgeprägt eingestellt werden, z.B. können unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten an gegenüberliegenden Kammerwänden eingestellt werden.
Durch eine solch variable Einstellung der Fluidströmung durch das Ventil kann ein durch die Bearbeitungsvorrichtung 45 verursachtes inhomogenes, ungleiches Strömungsverhalten so ausgeglichen werden, dass ein resultierendes Umströmen der Bearbeitungsvorrichtung 45 symmetrisch (homogen) ist.
Es versteht sich, dass die dargestellten Figuren nur mögliche Ausführungsbeispiele schematisch darstellen. Die verschiedenen Ansätze können erfindungsgemäss ebenso miteinander sowie mit Verfahren und Vorrichtungen zum Regeln eines Volumenstroms oder Druckes in einem Prozessvolumen unter Vakuumbedingungen des Stands der Technik kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6089537 [0007]
US 6416037 [0007]
US 6056266 [0007]
US 6629682 B2 [0008]
US 6994311 B2 [0015]

Claims

Vakuumregelventil (10,20,30,50) zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms und zum gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs, mit • einem ersten Ventilsitz, der eine eine erste Öffnungsachse (39a) definierende erste Ventilöffnung (11a,21a,31a,51a) und eine die erste Ventilöffnung (11a,21a,31a,51a) umlaufende erste Dichtfläche (12a,32a) aufweist, • einem ersten Ventilteller (13a,23a,33a,53a) mit einer zu der ersten Dichtfläche (12a,32a) korrespondierenden ersten Kontaktfläche (14a,34a), • einer Antriebseinheit, die derart ausgebildet ist und mit dem ersten Ventilteller (13a,23a,33a,53a) derart gekoppelt ist, dass dieser zumindest von ◯ einer Offenposition, in welcher der erste Ventilteller (13a,23a,33a,53a) und der erste Ventilsitz relativ zueinander kontaktlos vorliegen, in ◯ eine Schliessposition, in welcher über ein dazwischenliegendes Dichtelement ein axial dichtender Kontakt zwischen der ersten Dichtfläche (12a,32a) und der ersten Kontaktfläche (14a,34a) besteht und die erste Ventilöffnung (11a,21a,31a,51a) dadurch gasdicht verschlossen ist, und zurück verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumregelventil (10,20,30,50) zumindest aufweist • einen zweiten Ventilsitz, der eine eine zweite Öffnungsachse (39b) definierende zweite Ventilöffnung (11b,21b,31b,51b) und eine die zweite Ventilöffnung (11b,21b,31b,51b) umlaufende zweite Dichtfläche (12b,32b) aufweist, • einen zweiten Ventilteller (13b,23b,33b,53b) mit einer zu der zweiten Dichtfläche (12b,32b) korrespondierenden zweiten Kontaktfläche (14b,34b), wobei eine Ventilgesamtöffnung des Vakuumregelventils zumindest durch die erste Ventilöffnung (11a,21a,31a,51a) als erste Ventilteilöffnung und die zweite Ventilöffnung (11b,21b,31b,51b) als zweite Ventilteilöffnung gebildet ist.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumregelventil (10,20,30,50) aufweist • einen dritten Ventilsitz, der eine eine dritte Öffnungsachse (39c) definierende dritte Ventilöffnung (11c,21c,31c) und eine die dritte Ventilöffnung (11c,21c,31c) umlaufende dritte Dichtfläche (12c,32c) aufweist, und • einen dritten Ventilteller (13c,23c,33c) mit einer zu der dritte Dichtfläche (12c,32c) korrespondierenden dritten Kontaktfläche (14c,34c), wobei die Ventilgesamtöffnung zusätzlich durch die dritte Ventilöffnung (11c,21c,31c) als dritte Ventilteilöffnung gebildet ist.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit derart mit dem zweiten Ventilteller (13b,23b,33b,53b), insbesondere mit dem dritten Ventilteller, gekoppelt ist, dass die gekoppelten Ventilteller zumindest von • einer jeweiligen Offenposition, in welcher der jeweilige Ventilteller und der jeweilige Ventilsitz relativ zueinander kontaktlos vorliegen, in • eine Schliessposition, in welcher über ein jeweils dazwischenliegendes Dichtelement ein axial dichtender Kontakt zwischen der jeweiligen Dichtfläche und der jeweiligen Kontaktfläche besteht und die jeweilige Ventilteilöffnung dadurch gasdicht verschlossen ist, und zurück verstellbar ist.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumregelventil (10,20,30,50) eine Kopplungsanordnung aufweist, welche Kopplungsanordnung eine mechanische Kopplung des ersten Ventiltellers (13a,23a,33a,53a) mit dem zweiten Ventilteller (13b,23b,33b,53b), und insbesondere mit dem dritten Ventilteller (13c,23c,33c), derart bereitstellt und derart mit der Antriebseinheit verbunden ist, dass die jeweiligen Ventilteller mittels der Antriebseinheit gemeinsam verstellbar sind.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Antriebseinheit zumindest eine erste (15a,25a,35a) und eine zweite (15b,25b,35b), insbesondere eine dritte, Antriebskomponente, insbesondere jeweilige Motoren, aufweist und • die erste Antriebskomponente (15a,25a,35a) mit dem ersten Ventilteller (13a,23a,33a,53a) und die zweite Antriebskomponente (15b,25b,35b) mit dem zweiten Ventilteller (13b,23b,33b,53b), insbesondere die dritte Antriebskomponente mit dem dritten Ventilteller, gekoppelt ist.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumregelventil (10,20,30,50) eine Steuerungseinheit, insbesondere Regelungseinheit, aufweist und die Antriebseinheit anhand eines von der Steuerungseinheit bereitgestellten Steuerungssignals, insbesondere anhand einer Regelgrösse, ansteuerbar ist.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Antriebskomponente der Antriebseinheit individuell mittels des Steuerungssignals ansteuerbar ist.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumregelventil (10,20,30,50) einen ersten Anschluss (16,26,36) und einen zweiten Anschluss (17,27,37) aufweist, wobei der erste und der zweite Ventilsitz in einem Fliesskanal angeordnet ist, der den ersten Anschluss (16,26,36) und den zweiten Anschluss (17,27,37) miteinander verbindet, insbesondere wobei der erste und der zweite Ventilteller in der Offenposition zumindest im Wesentlichen, insbesondere vollständig, ausserhalb des Fliesskanals vorliegen.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Ventilteller als um eine Rotationsachse drehbar gelagerter Klappventilverschluss ausgebildet ist.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit und der mindestens eine der Ventilteller derart ausgebildet sind und zusammenwirken, insbesondere derart gekoppelt sind, dass der mindestens eine der Ventilteller in eine Feinregelposition verstellbar ist, wobei • der mindestens eine der Ventilteller relativ zum zugeordneten Ventilsitz derart definiert schräg vorliegt, dass eine erste Dichtebene und eine zweite Dichtebene einen definierten Winkel α einschliessen, wobei die zugeordnete Dichtfläche die erste Dichtebene und die zugeordnete Kontaktfläche die zweite Dichtebene definiert, und • das Dichtelement an der zugeordneten Dichtfläche oder Kontaktfläche vollständig anliegt und an der jeweils anderen Dichtfläche bzw. Kontaktfläche nur teilweise anliegt.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit und der mindestens eine der Ventilteller derart ausgebildet und gekoppelt sind, dass bei dem Verstellen des mindestens einen der Ventiltellers von der Offenposition in die Schliessposition oder von der Schliessposition in die Offenposition der mindestens eine Ventilteller vor Erreichen der Schliessposition bzw. vor Erreichen der Offenposition die Feinregelposition einnimmt.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass • die erste Dichtfläche (12a,32a) in eine Richtung parallel zur Öffnungsachse (39a) weist und sich orthogonal zur Öffnungsachse (39a) erstreckt und • der mindestens eine der Ventilteller in der Feinregelposition derart positioniert ist, dass die durch eine Erstreckung der Kontaktfläche definierte zweite Dichtebene schräg zu der Öffnungsachse (39a) vorliegt, wobei • die erste und die zweite Dichtebene in der Offenposition und in der Feinregelposition einen jeweils definierten Winkel α > 0° einschliessen und • die erste und die zweite Dichtebene in der Schliessposition im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite, mehrere oder eine Vielzahl von Feinregelpositionen des mindestens einen der Ventilteller einstellbar sind, insbesondere fortlaufend, wobei • der durch die erste und die zweite Dichtebene jeweils eingeschlossene Winkel α_n jeweils unterschiedlich ist und • das Dichtelement jeweils an der zugeordneten Dichtfläche oder Kontaktfläche vollständig anliegend und an der anderen Dichtfläche bzw. Kontaktfläche nur teilweise anliegend vorliegt, insbesondere wobei ein definiertes Strömungsverhalten durch das Vakuumregelventil (10,20,30,50), insbesondere durch die mindestens zwei Ventilöffnungen in ihrer Gesamtheit, einstellbar und/oder regelbar ist, insbesondere wobei das Strömungsverhalten asymmetrisch bezüglich einer Zentralachse (Z) des Vakuumregelventils (10,20,30,50) einstellbar ist, wobei die Zentralachse (Z) sich durch einen Ventilmittelpunkt erstreckt, insbesondere eine Mittelachse des Fliesskanals bildet.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinregelpositionen gesteuert jeweils individuell oder kontinuierlich einstellbar sind und damit eine insbesondere kontinuierliche Regelung des Volumen- oder Massenstroms eines Mediums durch die Ventilteilöffnung bereitstellbar ist.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Ventilteller linear entlang einer Verstellachse verstellbar ist.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (11a,21a,31a,51a) und die zweite (11b,21b,31b,51b) Ventilteilöffnung, insbesondere die dritte Ventilteilöffnung, symmetrisch um eine Zentralachse (Z) des Vakuumregelventils (10,20,30,50) angeordnet sind, wobei die Zentralachse (Z) sich durch einen Ventilmittelpunkt erstreckt, insbesondere eine Mittelachse des Fliesskanals bildet.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • der erste Ventilsitz und der zweite Ventilsitz in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind oder • der erste Ventilsitz und der zweite Ventilsitz derart schräg relativ zueinander angeordnet sind, dass eine durch die erst Dichtfläche definierte Ebene und eine durch die zweite Dichtfläche definierte einen definierten Winkel β einschliessen.
Vakuumregelventil (10,20,30,50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die durch die jeweilige Ventilöffnung eines Ventilsitzes jeweils definierte Öffnungsachse den Mittelpunkt der jeweiligen Ventilteilöffnung schneidet und sich orthogonal zur jeweiligen durch die Erstreckung der jeweiligen Dichtfläche definierten Dichtebene erstreckt und • die jeweiligen Öffnungsachsen sich schneiden, insbesondere sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt schneiden.