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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gaseinlassventil zum Einlass eines Fluids in eine Vakuumprozesskammer.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Solche Vakuumprozesskammern werden zur Integrated Circuit (IC)-, Halbleiter-, Flat Panel- oder Substratfertigung eingesetzt, wobei die Vakuumkammern zumindest für einen Teil der Prozessschritte nach einer Evakuierung mit einem Prozessgas geflutet werden. Die Fertigung muss in einer geschützten Atmosphäre und möglichst ohne das Vorhandensein verunreinigender Partikel stattfinden. Die Evakuierung erfolgt dabei mit einem Vakuumventil, welches die Vakuumprozesskammer mit einer Vakuumpumpe verbindet und sich in seiner Ausgestaltung und seinen technischen Anforderungen von einem Gaseinlassventil unterscheidet.
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Weiterhin weisen derartige Vakuumkammern mindestens eine oder zwei Vakuumkammeröffnungen auf, durch welche die zu bearbeitenden Elemente in die und/oder aus der Vakuumkammer führbar sind. Beispielsweise durchlaufen in einer Fertigungsanlage für Halbleiter-Wafer oder Flüssigkristall-Substrate die hochsensiblen Halbleiter- oder Flüssigkristall-Elemente sequentiell mehrere Vakuumprozesskammern, in denen die Elemente mittels jeweils einer Bearbeitungsvorrichtung bearbeitet werden.
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Das Element kann beispielsweise mittels eines Roboters auf ausgefahrenen Tragstiften eines Hubsystems abgelegt und durch ein Absenken der Tragstifte auf einem Träger, z.B. einer Potentialplatte (Chuck), abgelegt werden. Danach wird der Roboterarm, der typischerweise das Element trägt, aus der Kammer herausgefahren. Die Stifte können nach dem Ablegen des Elements abgesenkt werden und liegen dann von diesem separiert vor, d.h. es besteht kein Kontakt zwischen den Stiften und dem Element. Nach Entfernen des Roboterarms und Schliessen der Kammer, wird die Kammer üblicherweise evakuiert und dann mit einem Prozessgas gefüllt, woraufhin die Bearbeitung des Elements starten kann.
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Gaseinlassventile sind insbesondere zur definierten Steuerung oder Regelung des Gasflusses ausgelegt und befinden sich beispielsweise innerhalb eines Rohrsystems zwischen einer Vakuumprozesskammer (oder einer Transferkammer) und einer Gasquelle, der Atmosphäre oder einer weiteren Vakuumprozesskammer. Der Öffnungsquerschnitt derartiger Gaseinlassventile ist in der Regel kleiner als bei einem Vakuumventil.
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Gaseinlassventile können 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 einer Offenstellung und einer gasdichten Geschlossenstellung eingesetzt werden.
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Beim Einlassen des Prozessgases in die Vakuumkammer sind geringe strömungstechnische Einwirkungen innerhalb der Kammer sowie ein schnelles und präzises Füllen der Kammer von grosser Bedeutung. Beispielsweise soll mit einem Öffnungszyklus des Gaseinlassventils eine definierte Menge bzw. Volumen eines definierten Prozessgases in die Kammer eingelassen werden. Hierzu ist einerseits eine schnelle Betätigung des Ventils sowie eine präzise Einstellung des dabei bereitgestellten Ventilöffnungsquerschnitts wünschenswert.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Gaseinlassventil für eine Vakuumprozesskammer bereitzustellen.
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Insbesondere ist es Aufgabe eine schnelle und dabei kontinuierlich präzise Flutung einer Vakuumprozesskammer mit einem Prozessgas mit dem Gaseinlassventil bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft das Bereitstellen eines definierten Öffnungsquerschnitts über einen grossen Zeitraum hinweg.
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Eine weiter Aufgabe ist insbesondere das Bereitstellen eines Gaseinlassventils, welches einen definierten Durchflussfaktor für ein bestimmtes Prozessfluid bereitstellt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gaseinlassventil mit einem pneumatischen Antrieb zum gesteuerten Öffnen des Ventils. Das Gaseinlassventil verfügt über ein Rückstellelement, insbesondere eine Feder, welches den Ventilteller des Ventils auf den Ventilsitz drückt und damit einen Fliesspfad für ein Fluid durch das Ventil unterbricht. Mittels des pneumatischen Antriebs kann eine Kraft gegen die durch das Rückstellelement bewirkte Rückstellkraft bewirkt und das Ventil damit geöffnet werden.
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Als Fluid wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zumindest ein Gas, ein Gasgemisch, eine Flüssigkeit, ein präkursorhaltiges Gas oder ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch verstanden. Das Fluid kann insbesondere ein Prozess- oder Präkursorgas sein.
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Der Ventilteller und/oder der Ventilsitz (Dichtfläche) können einen Dichtungsring aufweisen, der in der Geschlossenstellung zusammengedrückt wird. Das Zusammendrücken ist bedingt durch die Vorspannung des Rückstellelements und stellt sicher, dass der Gaseingang gasdicht vom Gasausgang getrennt werden kann.
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Zur Definition des Ventilhubs, d.h. einer Strecke, über die der Ventilteller bei dem Öffnungsvorgang verstellt wird, ist ein Anschlag vorgesehen. Damit kann allein durch die Bereitstellung eines pneumatischen Drucks in dem Antrieb eine einerseits vergleichsweise schnelle (im Vergleich z.B. zu einem mechatronischen Antrieb mit einem Elektromotor) Öffnungsbewegung des Ventiltellers umgesetzt und andererseits die Öffnungsbewegung entsprechend begrenzt werden. Dadurch kann also allein durch die Druckbeaufschlagung des Pneumatikantriebs ein definierter Durchfluss pro Zeiteinheit bereitgestellt werden.
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Mittels einer Steuerung der Dauer der Druckbeaufschlagung kann ferner eine durch das Ventil z.B. in eine Vakuumkammer strömende Fluidmenge für einen Ventilöffnungszyklus eingestellt werden.
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Der Anschlag des Gaseinlassventils ist ferner so ausgebildet, dass ein Anschlagpunkt die Verstellbarkeit des Ventiltellers entlang einer linearen Verstellachse in eine Öffnungsrichtung begrenzt und eine Position des Anschlagspunks mittels einer Betätigung des Anschlags entlang dieser Verstellachse bewegbar ist.
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Der Anschlagpunkt definiert damit die maximale Ventilöffnung, insbesondere einen Hub des Ventiltellers, d.h. einen Abstand zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz, bei einer Druckbeaufschlagung des pneumatischen Antriebs. Der Ventilhub kann damit durch eine Verschiebung des Anschlagpunkts entsprechend eingestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Gaseinlassventil zum gesteuerten Einlass bzw. Durchfluss eines Fluids in eine Vakuumprozesskammer, wobei das Gaseinlassventil eine Gasdurchlaufeinheit mit einem Gaseingang, einem Gasausgang und einem Innenvolumen aufweist. Das Innenvolumen verbindet den Gaseingang und den Gasausgang. Die Gasdurchlaufeinheit weist zudem im Innenvolumen eine Dichtfläche auf.
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Das Gaseinlassventil hat ferner eine Verstelleinrichtung mit einer Verstelleinheit, wobei die Verstelleinheit in das Innenvolumen hineinragt und ausserhalb der Gasdurchlaufeinheit in der Verstelleinrichtung entlang einer Verstellachse verstellbar gelagert ist, wobei die Verstelleinheit einen Ventilteller aufweist, der innerhalb des Innenvolumens angeordnet ist. Der Ventilteller ist mittels der Verstelleinrichtung in Schliessrichtung in eine Geschlossenstellung bringbar, in welcher der Ventilteller auf der Dichtfläche aufliegt und damit einen Gasdurchlauf verhindert, und der Ventilteller ist mittels der Verstelleinrichtung in Öffnungsrichtung in eine Offenstellung bringbar, in welcher der Ventilteller von der Dichtfläche beabstandet ist und ein Gasdurchlauf ermöglicht ist.
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Die Verstelleinrichtung weist zudem einen pneumatischen Antriebszylinder mit zumindest einem Kolben auf, wobei der Kolben mit der Verstelleinheit gekoppelt ist und durch eine Druckbeaufschlagung des Antriebszylinders bzw. des Kolbens zumindest eine Öffnungskraft in die Öffnungsrichtung erzeugbar ist. Insbesondere kann der pneumatische Antriebszylinder derart ausgebildet sein, dass mittels eine veränderten Druckbeaufschlagung (z.B. an der gegenüberliegenden Seite des Kolbens) auch eine Schliesskraft in Schliessrichtung erzeugbar ist. Eine jeweilige Druckbeaufschlagung kann beispielsweise mittels zumindest eines Druckluftauslasses bewirkt werden, der in den Antriebszylinder ragt oder mit diesem verkörpert ist. Der Druckluftauslass ist insbesondere mit einer pneumatischen Einheit bzw. einem Pneumatikventil verbunden.
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Das Ventil verfügt zudem über ein flexibles Dichtungselement, das an der Gasdurchlaufeinheit und an der Verstelleinheit befestigt ist und die Verstelleinrichtung von dem Innenvolumen trennt bzw. abdichtet. Das Dichtungselement ist insbesondere als metallhaltige Membran ausgebildet.
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Erfindungsgemäss weist die Verstelleinrichtung ein Begrenzungselement auf, welches Begrenzungselement einen Anschlagpunkt bereitstellt, der eine Verstellbarkeit der Verstelleinheit entlang der Verstellachse in Öffnungsrichtung begrenzt. Das Begrenzungselement ist derart ausgeformt und gelagert, dass mittels Betätigung des Begrenzungselements eine Position des Anschlagpunkts entlang der Verstallachse variierbar ist, wobei die Position des Anschlagpunkts eine maximale Ventilöffnung definiert.
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Die Position des Anschlagpunkts definiert damit insbesondere auch die Offenstellung des Ventils.
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Die Betätigung des Begrenzungselements bewirkt damit eine Verstellung des Anschlagpunkts entlang der Verstellachse. Diese Verstellmöglichkeit ist insbesondere vorteilhaft, da das Ventil und dessen (mechanische und bewegliche) Komponenten fertigungsbedingt Toleranzen bezüglich deren Dimensionierungen und/oder Lagerungen aufweisen können und damit für (identisch) gefertigte Ventile z.B. unterschiedliche Ventilhübe (und maximale Ventilöffnungsquerschnitte) vorliegen können. Der Ventilhub entspricht insbesondere der Strecke, die der Ventilteller bei einem Verstellen aus der maximalen Offenstellung in die Geschlossenstellung (oder umgekehrt) zurücklegt. Die Verstellmöglichkeit des Anschlagpunkts stellt damit eine Kalibrierung, d.h. eine Einstellung des Ventilhubs bzw. einer maximalen Ventilöffnung, für das Gaseinlassventil bereit, so dass jedes gefertigte Ventil nach einer solchen Kalibrierung die gleichen Durchflusseigenschafften aufweist, insbesondere den gleichen Ventilhub aufweist.
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Die Kalibrierung des Ventils kann insbesondere automatisiert erfolgen. Hierfür kann z.B. ein Durchfluss durch das Ventil, vorzugsweise in der Offenstellung, gemessen werden und dabei durch ein Einstellen bzw. Verstellen der Position des Anschlagpunkts der Durchfluss durch das Ventil auf einen Sollwert eingestellt werden. Alternativ kann der Staudruck vor dem Ventil gemessen werden, um den Durchflussfaktor (Cv) zu bestimmen. Dabei kann der Druckverlust des Ventils gemessen werden.
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In einer Ausführungsform kann die Verstelleinrichtung ein derart angeordnetes und mit der Verstelleinheit zusammenwirkendes Vorspannelement aufweisen, insbesondere eine oder mehrere Federn oder elastische Elemente, dass eine den Ventilteller in Schliessrichtung drückende Vorspannkraft bereitgestellt ist. Das Vorspannelement liegt insbesondere in der Offenstellung des Ventils entsprechend vorgespannt vor.
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Durch eine Druckbeaufschlagung des Antriebszylinders kann eine der Vorspannkraft entgegenwirkende Öffnungskraft in die Öffnungsrichtung erzeugt werden. Insbesondere kann das Vorspannelement in Wirkkontakt mit dem zumindest einen Kolben stehen.
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Das erfindungsgemässe Gaseinlassventil vereint den Vorteil eines vergleichsweise schnellen Öffnens des Ventils mittels des pneumatischen Antriebszylinders mit einer grossen Präzision und flexiblen Einstellbarkeit bezüglich der damit bereitstellbaren Ventilöffnung, beispielsweise in Abhängigkeit eines durchströmenden Fluids.
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In einer Ausführungsform kann das Gaseinlassventil einen steuerbaren Antrieb aufweisen und der Antrieb kann derart mit dem Begrenzungselement verbunden oder gekoppelt sein, dass die Position des Anschlagpunkts mittels des Antriebs variierbar ist.
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Der Antrieb kann insbesondere als Elektromotor, insbesondere Servomotor oder Schrittmotor, als Piezoelement oder als ein auf dem Magnetlager-Prinzip (z.B. PM Linearmagnet) basierender Aktuator ausgebildet sein.
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Die Verbindung des Begrenzungselements mit dem Antrieb ermöglicht insbesondere die gesteuerte und/oder automatische Betätigung des Begrenzungselements und damit die entsprechend gesteuerte und/oder automatische Einstellung der Position des Anschlagpunkts.
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In einer Ausführungsform kann das Gaseinlassventil eine zumindest zur Ansteuerung des Antriebs eingerichtete Steuerungs- und Verarbeitungseinheit aufweisen.
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In einer Ausführungsform kann die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit eine Einstellfunktionalität zum Einstellen der Position des Anschlagpunkts aufweisen, wobei die Einstellfunktionalität derart konfiguriert ist, dass bei deren Ausführung die Schritte ausgeführt werden: Verarbeiten einer Referenzinformation (z.B. Solldruck, Solltemperatur, Solldurchfluss etc.), Verarbeiten einer Istinformation (z.B. Istdruck, Isttemperatur, Istdurchfluss, Dichte und/oder Zusammensetzung des Fluids etc.) Vergleichen der Referenzinformation mit der Istinformation, Ableiten einer Einstellinformation basierend auf dem Vergleich und Einstellen der Position des Anschlagpunkts anhand der Einstellinformation, insbesondere automatisches Einstellen.
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Das automatische Einstellen der Position des Anschlagpunkts kann beispielsweise mittels einer Closed-Loop Regelung erfolgen. Hier kann die Einstellfunktionalität fortlaufend ausgeführt werden und die Position des Anschlagpunkts wird solange verändert, bis aufgrund der Einstellinformation aus dem Vergleich der Referenzinformation mit der Istinformation keine weitere Betätigung des Begrenzungselements erforderlich erscheint.
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Gemäss einer Ausführungsform kann die Istinformation eine Information über eine Fluidbeschaffenheit, insbesondere über eine Zusammensetzung, Art oder Typ des Fluids, aufweisen und die Referenzinformation eine Zuordnung von Fluidbeschaffenheiten zu jeweiligen Positionen des Anschlagpunkts bereitstellen. Damit kann beispielsweise eine automatische Einstellung der Offenstellung in Abhängigkeit von einem verwendeten Fluid erfolgen und eine gewünschte Durchflussmenge für ein jeweiliges Fluid automatisch gesteuert bereitgestellt werden. Die Information über eine Fluidbeschaffenheit kann z.B. von einem Benutzer bereitgestellt werden.
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In einer Ausführung kann die Referenzinformation eine Information über einen Solldruck des Fluids aufweisen und die Istinformation einen aktuellen Fluidruck bereitstellen, insbesondere wobei das Gaseinlassventil einen Drucksensor zur Bestimmung des Fluiddrucks aufweist.
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Gemäss einer Ausführungsform kann die Referenzinformation eine Information über eine Solltemperatur des Fluids aufweisen und die Istinformation eine aktuelle Fluidtemperatur bereitstellen, insbesondere wobei das Gaseinlassventil einen Temperatursensor zur Bestimmung der Fluidtemperatur aufweist.
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In einer Ausführung kann die Referenzinformation eine Information über einen Soll-Durchflussfaktor für das Fluid aufweisen und die Istinformation einen aktuellen Fluiddurchflussfaktor bereitstellen, insbesondere wobei das Gaseinlassventil eine Durchflussmesseinheit zur Bestimmung des Fluiddurchflussfaktors aufweist.
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Gemäss einer Ausführungsform kann die Referenzinformation eine Information über einen Soll-Durchflussfaktor aufweisen und die Istinformation eine Dichte und/oder Temperatur des Fluids oder einen Differenzdruck angeben bzw. bereitstellen, insbesondere wobei mittels der Dichte und/oder der Temperatur des Fluids und/oder mittels des Differenzdrucks ein Fluiddurchflussfaktor für das Fluid als die Istinformation ableitbar ist.
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Der Durchflussfaktor ist insbesondere ein Mass für den erzielbaren Durchsatz eines Fluids (Flüssigkeit oder Gas) durch das Ventil. Dieser kann auch als effektiver Querschnitt interpretiert werden.
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Der Differenzdruck entspricht insbesondere einem Druckunterschied zwischen dem Gaseingang und dem Gasausgang. Das Gaseinlassventil kann insbesondere entsprechende Drucksensoren zur Bestimmung des Differenzdrucks aufweisen.
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In einer Ausführungsform kann die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit eine Kompensationsfunktionalität zur Kompensation eines Lagedrifts aus einer Solllage aufweisen, wobei die Kompensationsfunktionalität derart konfiguriert ist, dass bei deren Ausführung die Schritte ausgeführt werden: Überprüfen des Vorliegens eines Lagedrifts, - falls ein Lagedrift vorliegt - Bestimmen oder Ableiten einer Ausprägung, insbesondere Betrag und/oder Richtung, des Lagedrifts, und Nachführen der Position des Anschlagspunkts, insbesondere derartiges Variieren der Position des Anschlagspunkts, dass in der Offenstellung die Solllage bereitgestellt wird.
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Der Lagedrift kann insbesondere eine Positionsabweichung des Ventiltellers in der Offenstellung oder des Anschlagpunkts relativ zu einer jeweiligen Solllage für den Ventilteller bzw. für den Anschlagpunkt sein.
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Das Überprüfen des Vorliegens des Lagedrifts bzw. das Bestimmen der Ausprägung des Lagedrifts kann insbesondere mittels einer Lagemessung oder einer Durchflussmessung, mittels einer Bestimmung der Temperatur des Gaseinlassventils, oder anhand einer Anzahl mit dem Gaseinlassventil durchgeführter Öffnungszyklen erfolgen.
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Beispielsweise kann aus Erfahrungswerten bekannt sein, dass das Ventil nach einer bestimmten Anzahl Öffnungs- und Schliesszyklen einen bestimmten Drift, z.B. verschleissbedingter Versatz des Ventiltellers oder Abnutzung der Dichtung, ausweist. Anhand dieser Information kann dann kontinuierlich oder in diskreten Schritten, z.B. erstmals nach einer bestimmten Anzahl Zyklen ein kompensierendes Nachstellen das Anschlagpunkts erfolgen.
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Gemäss einem anderen Beispiel kann ein Driftverhalten in Abhängigkeit vom Wärmezustand des Ventils, d.h. der aktuellen Temperatur des Ventils, vorab bestimmt werden bzw. bekannt sein. Das Nachstellen des Anschlagpunkts kann dann entsprechend, dem Drift entgegenwirkend erfolgen.
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Ferner kann mit dem erfindungsgemässen Prinzip z.B. nebst verschleissbedingtem Drift auch eine Verengung eines Durchflussquerschnitts aufgrund von Ablagerungen (Deposition), z.B. verursacht durch Prozessgase (insbesondere Präkursoren), kompensiert werden.
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Zur Bereitstellung eines konstanten Gaseintrags in ein Prozessvolumen kann zudem eine Kompensation des Durchflusses während des Gaseinlasses durch Verstellen des Anschlagpunkts erfolgen. Eine solche Kompensation kann aufgrund eines dabei erfolgenden Druckabfalls im vorgelagerten Reservoir vorteilhaft sein.
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In einer Ausführungsform des Gaseinlassventils kann der pneumatische Antriebszylinder einen weiteren Kolben aufweisen, wobei die Kolben jeweils jeweilige Antriebsinnenvolumina begrenzen. Jedes der Antriebsinnenvolumina kann mit einem jeweiligen Druckluftkanal verbunden sein und die Druckluftkanäle können derart angeordnet sein, dass die Kolben durch eine Druckbeaufschlagung der Antriebsinnenvolumina mittels der Druckluftkanäle in die Öffnungsrichtung verstellbar sind und der Ventilteller dadurch in die Offenstellung bringbar ist.
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In einer Ausführungsform des Gaseinlassventils können die Dichtfläche, der Ventilteller und das Dichtungselement einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, wobei das Innenvolumen zumindest abschnittsweise zylinderförmig ist, und wobei die Dichtfläche durch einen Absatz in dem Innenvolumen gebildet ist.
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Die Zylinderform des Innenvolumens wird insbesondere gebildet durch die Gasdurchlaufeinheit als Mantelfläche und das Dichtungselement als Grundfläche, wobei Gaseingang und Gasausgang den freien Zugang zum Innenvolumen über die Mantelfläche erlangen können. Das bedeutet, dass Gaseingang und Gasausgang jeweils die Mantelfläche durchstossen können.
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Insbesondere teilt der Teller das Innenvolumen in der Geschlossenstellung in ein erstes und ein zweites Teilinnenvolumen ein, wobei der Gaseingang freien Zugang zu dem ersten Teilvolumen und der Gasausgang freien Zugang zu dem zweiten Teilvolumen hat.
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Der Gasausgang hat in der vorgesehen Anordnung in Verbindung mit einer Vakuumkammer insbesondere freien Zugang zu der Vakuumprozesskammer und der Gaseingang hat insbesondere freien Zugang zu einer Prozessgasquelle.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
- 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Gaseinlassventils in einer Schnittansicht;
- 2 zeigt das erfindungsgemässe Gaseinlassventil aus 1 in relativ zur 1 um eine Vertikalachse gedrehten Schnittansicht; und
- 3 zeigt im Detail das Innenvolumen des Gaseinlassventils.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gaseinlassventils 1. 1 zeigt das Ventil um 90° um die Verstellachse V gedreht relativ zur Darstellung in der 2. Das Gaseinlassventils 1 weist eine Gasdurchlaufeinheit 2 auf, die wiederum einen Gaseingang 21, einen Gasausgang 22 und ein Innenvolumen 23 aufweist, wobei das Innenvolumen 23 freien Zugang zum Gaseingang 21 und zum Gasausgang 22 hat bzw. diese verbindet. Die Gasdurchlaufeinheit 2 weist im Innenvolumen 23 eine Dichtfläche 24 auf.
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Das Gaseinlassventil 1 weist zudem eine Verstelleinrichtung 3 mit einer Verstelleinheit 31 und einen Ventilteller 32 auf, wobei die Verstelleinheit 31 in das Innenvolumen 23 hineinragt und ausserhalb der Gasdurchlaufeinheit 2 in der Verstelleinrichtung 3 verstellbar gelagert ist. Der Ventilteller 32 ist innerhalb des Innenvolumens 23 angeordnet und mittels der Verstelleinrichtung 3 in eine Geschlossenstellung bringbar ist, in welcher der Teller 32 auf der Dichtfläche 24 aufliegt und damit einen Gasdurchlauf verhindert. Mittels der Verstelleinrichtung 3 kann der Teller weiterhin in eine Offenstellung gebracht werden, in welcher der Teller 32 von der Dichtfläche 24 beabstandet ist und damit einen Gasdurchlauf ermöglicht.
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Die Verstelleinrichtung 3 weist zudem ein als Feder ausgebildetes Vorspann- bzw. Rückstellelement 34 auf. Die Feder 34 ist derart in der Verstelleinrichtung 3 vorgespannt angeordnet, dass diese eine Kraft in Richtung des Ventilsitzes ausübt und die Verstelleinheit 31 bzw. den Ventilteller 32 auf die Dichtfläche 24, d.h. in Schliessrichtung S, drückt.
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Über die Vorspannung in der Feder bzw. mehreren Federn, wird der Teller 32 in einer Geschlossenstellung gegen die Dichtfläche 24 gepresst. Hierbei dient ein Dichtring 33 zum gasdichten Abschluss. Dieser Dichtungsring besteht insbesondere aus einem Elastomer, Thermoplast, Metall etc., kann eine an die Form des Tellers angepasste Form aufweisen (z.B. ein O-Ring), oder an den Teller vulkanisiert sein.
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Der Dichtring kann (wie hier gezeigt) am Teller 32 oder aber (in anderen Ausführungsformen) an der Dichtfläche 24 angeordnet sein.
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Ferner verfügt die Verstelleinrichtung 3 über einen pneumatischen Antriebszylinder 35 zur Ausübung einer der Vorspannkraft entgegenwirkenden Öffnungskraft und damit der Bereitstellung einer Öffnungsbewegung des Ventiltellers 32. In der gezeigten Ausführungsform weist der Antriebszylinder 35 zwei Kolben 36a und 36b auf, wobei die Kolben 36a und 36b bzw. zumindest einer der Kolben 36a mit der Verstelleinheit 31 gekoppelt sind und durch eine Druckbeaufschlagung des Antriebszylinders 35 eine Öffnungsbewegung der Verstelleinheit 31 erzeugbar ist.
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In der gezeigten Ausführungsform wirkt das Vorspannelement 34 mit dem Kolben 36a zusammen und drückt diesen in Schliessrichtung S.
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Die Druckbeaufschlagung des Antriebszylinders bzw. der Kolben 36a und 36b kann mittels der beiden mit (jeweils) externen Pneumatikventilen verbundenen Druckluftauslässe 39a und 39b bereitgestellt werden.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls Ausführungsformen des Antriebszylinders 35 mit nur einem Kolben oder einer mehr als zwei Kolben (nicht gezeigt), wobei die Kolbenanordnung zur Öffnung des Ventils mittels Druckbeaufschlagung vorgesehen sind.
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Das Gaseinlassventil 1 weist weiterhin ein flexibles Dichtungselement 25 auf, das im gezeigten Beispiel als Membran, insbesondere als Metallmembran, ausgeführt ist. Das Dichtungselement ist an der Gasdurchlaufeinheit 2 und an der Verstelleinheit 31 befestigt und dichtet damit das Innenvolumen 23 ab.
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Die als flexibles Dichtungselement ausgebildete Membran 25 stellt eine flexible Abdichtung des Innenvolumens gegenüber der Verstelleinrichtung 3 bereit. Hierzu ist die Membran 25 einerseits mit der Gasdurchlaufeinheit 2 und andererseits mit der Verstelleinheit, hier mit dem Teller 32 bzw. mit der Stange, verbunden.
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Die Verstelleinrichtung 3 weist ein Begrenzungselement 37 auf, welches Begrenzungselement 37 einen Anschlagpunkt 38 bereitstellt, der eine Verstellbarkeit der Verstelleinheit 31 entlang der Verstellachse V in Öffnungsrichtung O begrenzt. Das Begrenzungselement 37 ist hier derart ausgeformt und gelagert, dass mittels Betätigung des Begrenzungselements 37 eine Position des Anschlagpunkts 38 entlang der Verstallachse V variiert werden kann. Die Position des Anschlagpunkts 38 definiert hierbei eine maximale Ventilöffnung bzw. Ventilhub.
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Der Anschlagpunkt 38 ist insbesondere durch eine Unterseite oder Unterkante des Begrenzungselements 37 bereitgestellt.
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Als eine Betätigung des Begrenzungselements 37 ist in Kontext der Erfindung insbesondere ein Verschieben, Versetzen, Drehen etc. des Begrenzungselements 37 zu verstehen.
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In der gezeigten Ausführungsform ist das Gaseinlassventil 1 in der Offenstellung gezeigt. Hier ist der Kolben 36a mit dem Begrenzungselement 37, insbesondere mit der Unterseite des Begrenzungselements 37, in Kontakt und kann hierdurch nicht weiter in die Öffnungsrichtung O bewegt werden. Durch die Kopplung bzw. Verbindung der Verstelleinheit 31 mit dem Kolben 36a ist damit auch die Verstellung der Verstelleinheit 31 bzw. des Ventiltellers 32 entsprechend begrenzt.
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Das Gaseinlassventil 1 weist ferner einen Motor 40 auf. Der Motor 40 kann als Antrieb 40 beispielsweise als Elektromotor, Servomotor oder Schrittmotor ausgebildet sein. Die Betätigung des Motors 40 kann insbesondere mittels einer Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 50 angesteuert werden. Beispielsweise kann eine bestimmte Anzahl von Motorumdrehungen und deren Richtung gesteuert ausgeführt werden. Der Motor 40 ist dabei nicht als Antrieb bzw. als der Antriebszylinder zur Ausführung der Ventilbewegung (Öffnen und Schliessen) zu verstehen.
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Der Motor 40 ist mit dem Begrenzungselement 37 gekoppelt. In der gezeigten Ausführung ist ein Kopplungselement 41 vorgesehen, das an seiner Unterseite mittels eines Zapfens mit dem Begrenzungselement 37 verbunden ist. Das Kopplungselement 41 ist im gezeigten Beispiel als Getriebe ausgebildet. Hier liegt der Zapfen in einer entsprechenden Ausnehmung des Begrenzungselements 37 vor und ist mittels Verschraubung arretiert. Der Zapfen ist hier mit einer Schraube 42 in der Ausnehmung geklemmt.
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Das Kopplungselement 41 ist an dessen Oberseite mit dem Motor 40 gekoppelt, insbesondere mit einer Motorwelle 43 des Motors 40 verbunden. Die Motorwelle 43 greift in eine Ausnehmung des Kopplungselements 41 ein. Die Motorwelle 43 kann hier über ein Aussengewinde verfügen, wobei die Ausnehmung des Kopplungselements 41 über ein mit dem Aussengewinde korrespondierendes und zusammenwirkendes Innengewinde verfügen kann. Das Kopplungselement 41 ist, zumindest weitgehend, drehfest relativ zum Motor 40 angeordnet. Die Motorwelle 43 kann zumindest teilweise als Gewindestange oder Spindel ausgeformt sein.
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Durch die gekoppelte Anordnung des Motors 40, des Kopplungselements 41 und des Begrenzungselements 37 kann mittels eine Betätigung des Motors 40, d.h. einer Drehung der Motorwelle 43, das Begrenzungselement entlang der Verstellachse V versetzt werden. Damit ist eine Position des Anschlagpunkts 38 entlang der Verstallachse V veränderbar.
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In einer alternativen Ausführungsform (hier nicht gezeigt) kann das Kopplungselement 41 und des Begrenzungselement 37 einstückig ausgebildet sein, bzw. das Begrenzungselement 37 direkt mit dem Motor 40 gekoppelt sein. Alternativ können das Kopplungselement 41 und des Begrenzungselement 37 auf eine andere dem Fachmann bekannte Art verbunden sein, z.B. verklebt, verschweisst oder verlötet.
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Das Gaseinlassventil 1 weist zudem ein Haltelement 45 auf, von dem der Motor 40 gehalten wird. Der Motor 40 kann beispielsweise auf dem Haltelement 45 angeschraubt sein. In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) kann der Motor 40 in der Verstelleinrichtung 30 oder einem Ventilgehäuse integriert sein.
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Für den Gaseingang 21 sowie für den Gasausgang 22 können jeweils Anschlüsse vorgesehen sein. Hierüber können die Leitung zur Gasquelle und die Leitung zur Vakuumprozesskammer angeschlossen werden.
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3 zeigt die Gasdurchlaufeinheit 2 im Detail, insbesondere den darin verstellbaren Teller 32 und das flexible Dichtungselemente 25, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen der Gasdurchlaufeinheit 2 und der Verstelleinrichtung 3, bzw. zwischen der Gasdurchlaufeinheit 2 und einem Konterbauteil 10, verklemmt ist. Diese Verklemmung kann z.B. durch eine Verschraubung bereitgestellt werden.
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Der Sitz des flexible Dichtungselements 25 an der Verstelleinheit 31 kann ebenfalls durch eine Verklemmung erfolgen. Dem Fachmann sind eine Fülle solcher Konstruktionsmöglichkeiten bekannt, das Dichtungselement mit der Verstelleinheit zu verbinden, sodass der Teller im Innenvolumen 23 verstellbar bleibt.
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Die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 50 weist eine Einstellfunktionalität zum Einstellen der Position des Anschlagpunkts 38 durch eine gesteuerte Betätigung des Motors 40 auf. Hierzu wird eine Referenzinformation, z.B. ein Solldruck, eine Solltemperatur, ein Solldurchfluss etc. verarbeitet und mit einer entsprechenden Istinformation verglichen. Basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs (Einstellinformation), z.B. einer daraus abgeleiteten Abweichung eines Istwerts von einem Sollwert, kann der das Begrenzungselement 37 um eine entsprechende Strecke verstellt und die Position des Anschlagpunkts 38 damit nachgestellt werden.
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Beispielsweise kann ein Durchfluss durch das Ventil 1 in der Offenstellung gemessen werden und bei einer eventuellen Abweichung von einem Soll-Durchfluss der maximale Ventilöffnungsquerschnitt nachgestellt werden. Alternativ zur direkten Messung des Durchflusses kann eine Dichte und/oder eine Temperatur des Fluids oder ein Druck oder Differenzdruck bestimmt werden und aus der jeweils gemessenen Grösse auf einen Fluiddurchfluss für das Fluid geschlossen werden, insbesondere kann der Ist-Fluiddurchfluss anhand dieser Grösse berechnet werden.
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Die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 50 kann zudem oder alternativ eine Kompensationsfunktionalität zur Kompensation eines Lagedrifts aus einer Solllage aufweisen. Dabei kann zunächst überprüft werden, ob ein Lagedrift vorliegt, beispielsweise mittels eine externen Positionsbestimmung für den Teller 32 oder der Durchflussmessung in einer -Offenstellung, z.B. bei einem Anschlagen der Verstelleinheit 31 oder des Kolbens 36 an dem Begrenzungselement (37).
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Falls ein Lagedrift festgestellt wird, kann eine Ausprägung dieses Drifts, insbesondere ein Betrag und/oder eine Richtung, bestimmt werden. Anhand der bestimmten Ausprägung kann dann die Position des Anschlagspunkts nachgestellt werden, insbesondere derartig variiert werden, dass in der Offenstellung die gewünschte Solllage bereitgestellt wird.
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Die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 50 ist insbesondere auch mit den Pneumatikventilen verbunden und vermag das Öffnen und Schliessen des Gaseinlassventils zu steuern.
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Ein Vorteil des erfindungsgemässen Gaseinlassventils ist ferner, dass sich in einem ersten Teilvolumen, zu welchem der Gaseingang 21 freien Zugang hat sozusagen ein Gasvorrat ansammeln kann, welcher beim Öffnen des Gaseinlassventils 1 strömungstechnisch günstig und schlagartig an ein zweites, mit dem Gasauslass verbundenes Teilvolumen weitergegeben werden kann. Gemessen an diesen strömungstechnischen Vorteilen weist das erfindungsgemässe Gaseinlassventil zudem eine sehr geringe Baugrösse auf.
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Die Figuren zeigen stets einen Teller 32, der einen oberen und unteren axialen Teil (Hohlwellenabschnitte) aufweist. In anderen Ausführungsformen kann der Teller 32 lediglich eine Scheibe sein, wobei die oberen und unteren Teile des Tellers 32 durch einfache Hohlwellen ersetzt werden können, die axial zur Scheibe abgedichtet sind. Weiterhin zeigen die Figuren stets einen Teller 32, der in Gasdurchlaufrichtung geöffnet wird, d.h. der gemäss den Figuren von oben nach unten verstellt wird. In anderen Ausführungsbeispielen können die beteiligten Komponenten aber auch so ausgeführt und angeordnet sein, dass der Teller für die Geschlossenstellung von oben auf die Dichtungsfläche gepresst wird, und für eine Offenstellung nach oben gefahren wird.
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Die Erfindung wurde zwar anhand ihrer bevorzugten Ausführungsform(en) erläutert, doch es können viele weitere Änderungen und Variationen vorgenommen werden, ohne über den Umfang der vorliegenden Erfindung hinauszugehen. Daher ist es vorgesehen, dass die beiliegenden Patentansprüche Änderungen und Variationen abdecken, die im tatsächlichen Umfang der Erfindung enthalten sind.
