DE19540771A1 - Gaseinlaßvorrichtung für eine Beschichtungsanlage - Google Patents
Gaseinlaßvorrichtung für eine BeschichtungsanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gaseinlaßvorrichtung für
eine Beschichtungsanlage, die ein Gasreservoir aufweist,
das über eine Speisekanalanordnung an einen Einspeise
raum angeschlossen ist, und deren Speisekanalanordnung
vom Einspeiseraum aus durch eine zugeordnete Speise
ventilanordnung verschließbar ist.
Eine derartige Gaseinlaßvorrichtung ist aus der Patent
schrift DE 35 37 544 C1 bekannt. Diese Gaseinlaßvor
richtung umfaßt eine Kette aus Vierwegventilen, die je
weils einem Reaktionsgas zugeordnet sind. Die einzelnen
Vierwegventile sind über je zwei Anschlüsse so unterein
ander verbunden, daß die von den Vierwegventilen ge
bildete Kette über einen ständig von Trägergas durch
strömten Durchgangskanal verfügt, der den Einspeiseraum
der Gaseinlaßvorrichtung darstellt. Der Durchgangskanal
mündet in ein Reaktionsgefäß, in dem sich das zur Be
schichtung vorgesehene Material befindet. An einen
dritten Anschluß jedes Vierwegventils ist über eine
Gasreservoirleitung das jedem Vierwegventil zugeordnete
Gasreservoir angeschlossen. Ein vierter Anschluß des
Vierwegventils ist mit einem Abluftkanal verbunden. Ein
im Durchgangskanal angeordneter erster Ventilstößel
dichtet die Gasreservoirleitung zum Durchgangskanal hin
ab. Zum Abluftkanal hin ist die Gasreservoirleitung
durch einen im Gegentakt zum ersten Ventilstößel ar
beitenden zweiten Ventilstößel abgedichtet.
Die bekannte Gaseinlaßvorrichtung wird vor allem in
Verfahren wie der Gasphasenepitaxie oder auch der Mole
kularstrahlepitaxie dazu verwendet, dem Reaktionsgefäß
die zur Ausführung der Beschichtung benötigten Re
aktionsgase zuzuführen. Von großer Wichtigkeit ist
dabei, daß die Reaktionsgase mit großer mengenmäßiger
und zeitlicher Genauigkeit in das Reaktionsgefäß einge
leitet werden.
Da der Gasstrom aus dem Gasreservoir durch den im Gegen
takt arbeitenden ersten und zweiten Ventilstößel ledig
lich zwischen dem Durchgangskanal und dem Abluftkanal
umgeschaltet wird, entstehen praktisch keine Druck
schwankungen in der Gasreservoirleitung und im Gasreser
voir. Darüber hinaus sind die Schaltverzögerungen auf
grund von Totvolumina zu vernachlässigen, da die Mündung
der Reaktionsgasleitung in den Durchgangskanal durch den
ersten Ventilstößel vom Durchgangskanal aus verschließ
bar ist und da die sich im Durchgangskanal befindenden
Teile des Vierwegventils ständig vom Trägergas umspült
werden.
Folglich lassen sich mit einer derartigen Gaseinlaßvor
richtung die Reaktionsgasströme zeitnah und mit hoher
Genauigkeit schalten.
Ein Nachteil der bekannten Gaseinlaßvorrichtung ist
jedoch der hohe Gasverlust, der dadurch entsteht, daß
das Gas in die Abgasleitung umgelenkt wird, wenn der
erste Stößel die Gasreservoirleitung gegen den Durch
gangskanal abdichtet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt der Er
findung die Aufgabe zugrunde, eine Gaseinlaßvorrichtung
zu schaffen, mit der sich der Fluß des in die Ver
sorgungsleitung einzuspeisenden Gases mit hoher Genauig
keit und zeitnah ohne nennenswerte Gasverluste schalten
läßt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Speisekanal
anordnung als Speisedrosselanordnung ausgebildet ist und
daß der Gasdruck in dem Gasreservoir mit Hilfe eines den
Gasdruck in dem Gasreservoir messenden Druckmessers und
einer an eine Gasquelle angeschlossenen Regeldrossel
anordnung, die von außen durch eine vom Druckmesser ge
steuerte Regelventilanordnung verschließbar ist, ein
stellbar ist.
Dadurch, daß sowohl die Speiseventile der Speiseventil
anordnung als auch die Regelventile der Regelventil
anordnung das Gasreservoir von außen abschließen, wird
das Volumen des Gasreservoirs durch die Schaltvorgänge
der Regelventile und der Speiseventile nicht verändert.
Folglich wird auch der Gasdruck im Gasreservoir durch
ein Betätigen der Regelventile und der Speiseventile im
wesentlichen nicht verändert. Dadurch ist es auf ein
fache Weise möglich, den Gasdruck im Gasreservoir mit
Hilfe eines genauen Druckmessers und eines Reglers sehr
genau konstant zu halten. Da das Gasreservoir unmittel
bar über die Speisedrosseln mit dem Einspeiseraum ver
bunden ist, ergibt sich folglich im geöffneten Zustand
der Speiseventile ein mit großer Genauigkeit bestimmter
Gasfluß. Da außerdem keine Totvolumina vorhanden sind,
läßt sich der Gasfluß nahezu augenblicklich ein- und
ausschalten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfaßt die Speise
ventilanordnung eine Reihe von Speiseventilen, mit denen
jeweils eine zugeordnete, das Gasreservoir mit dem Ein
speiseraum verbindende Speisedrossel verschließbar ist.
Dadurch ist es möglich, den Fluß des Gases aus dem
Gasreservoir in dem Einspeiseraum auf mehrere stark
unterschiedliche Flußwerte einzustellen oder den Fluß
des Gases stufenweise zu schalten.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Gaseinlaßvorrichtung
gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Gasein
laßvorrichtung, das gegenüber dem in Fig. 1
gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Ablaßventil
ergänzt ist; und
Fig. 3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Gas
einlaßvorrichtung mit mehreren Speiseventilen.
Fig. 1 zeigt eine Gaseinlaßvorrichtung 1, die über eine
Zuleitung 2 an eine in der Zeichnung nicht dargestellte
Gasquelle angeschlossen ist. Das Reaktionsgas aus der
Gasquelle gelangt durch die Zuleitung 2 in eine Regel
ventilkammer 3 und von dort über eine Regeldrossel 4 in
eine Vorkammer 5. Die der Vorkammer 5 abgewandte Ein
trittsöffnung der Regeldrossel 4 bildet einen Teil eines
Regelventils 6 und ist mit Hilfe eines Regelventil
stößels 7 verschließbar. Der Regelventilstößel 7 ist
über einen an den Kopf des Regelventilstößels 7 an
schließenden und an seinem entgegengesetzten Ende an der
Wand der Regelventilkammer 3 angebrachten Regelventil
balg 8 nach außen abgedichtet. Ein Druckmesser 9 mißt
den Druck im Inneren der Vorkammer 5. Der Meßausgang des
Druckmessers 9 ist an einen in der Zeichnung nicht
dargestellten Druckregler angeschlossen, der nach Ver
gleich des gemessenen Druckwertes mit einem Sollwert das
Regelventil 6 entsprechend betätigt.
Die Vorkammer 5 ist über eine Speisedrossel 10 an eine
Versorgungsleitung 11 angeschlossen, die zu einem in der
Zeichnung nicht dargestellten Beschichtungsbehälter für
das zur Beschichtung vorgesehene Material führt. Die
Versorgungsleitung 11 ist in Richtung eines Pfeiles 12
von einem Trägergas durchströmt. Die Speisedrossel 10
bildet einen Teil eines Speiseventils 13 und ist über
einen in der Versorgungsleitung 11 angeordneten Speise
ventilstößel 14 verschließbar, der nach außen hin über
einen an den Kopf des Speiseventilstößels 14 an
schließenden und an seinen entgegengesetzten Ende an der
Wand der Versorgungsleitung 11 angebrachten Speise
ventilbalg 15 abgedichtet ist.
Das Reaktionsgas aus der Gasquelle strömt entlang dem
Pfeil 16 in die Regelventilkammer 3 ein. Der Druckregler
für das Regelventil 6 vergleicht den Meßwert des Druckes
in der Vorkammer 5 mit einem entsprechenden Sollwert und
stellt das Regelventil 6 über eine Betätigungskraft 17
so nach, daß der Druck in der Vorkammer 5 auf seinem
Sollwert gehalten wird. Damit die Druckregelung schnell
genug ist, wird die Öffnung der Regeldrossel 4 größer
als die Öffnung der Speisedrossel 10 gewählt. Typischer
weise liegt der Druck in der Vorkammer 5 im Bereich von
10 bis 1000 Millibar, so daß die freie Weglänge der
Gasmoleküle im Bereich der Innenabmessungen der Vor
kammer 5 liegt.
Die Speisedrossel 10, die durch eine Öffnung in einem
gemeinsamen Wandabschnitt von Vorkammer 5 und Ver
sorgungsleitung 11 gebildet ist, läßt einen dem Druck in
der Vorkammer 5 proportionalen Gasfluß in die Ver
sorgungsleitung 11 strömen. Das in die Versorgungs
leitung 11 eingeströmte Gas wird dann durch den Träger
gasstrom 12 in Richtung des Beschichtungsbehälters
befördert. Die Proportionalität gilt, solange der Druck
in der Vorkammer 5 mindestens doppelt so groß wie der
Druck im Beschichtungsbehälter ist. Ist die Temperatur
der Gaseinlaßvorrichtung 1 und insbesondere der Vor
kammer 5 nicht konstant, so muß die Temperatur der
Vorkammer 5 gemessen werden und ihr quadratwurzel
förmiger Einfluß auf den Gasfluß berücksichtigt werden.
Dies kann auf automatischem Wege erfolgen, wenn ein
intelligenter Druckregler zum Betätigen des Regelventils
6 vorgesehen ist, der den Druck in der Vorkammer 5 in
Abhängigkeit von deren Temperatur so einstellt, daß sich
an der Speisedrossel 10 der gewünschte Gasfluß ein
stellt.
Für die Funktion der Gaseinlaßvorrichtung 1 ist die
Anordnung des Regelventilstößels 7 und des Speiseventil
stößels 14 wesentlich. Da sich der Regelventilstößel 7
und der Speiseventilstößel 14 außerhalb der Vorkammer 5
befinden, wird beim Betätigen des Regelventilstößels 7
und des Speiseventilstößels 14 das Volumen der Vorkammer
5 und damit deren Innendruck nicht verändert. Da die
Druckschwankungen in der Vorkammer 5 klein sind, läßt
sich der Druck in der Vorkammer 5 mit hoher Genauigkeit
messen. Beispielsweise läßt sich ein kapazitiver Druck
sensor als Druckmesser 9 verwenden, dessen mit dem Druck
in der Vorkammer 5 zusammenhängender Kapazitätswert
durch eine Meßbrücke meßbar ist. Da die Druck
schwankungen in der Vorkammer 5 und damit die
Schwankungen des Kapazitätswerts des kapazitiven Druck
sensors klein sind, läßt sich an die Meßbrücke ein
Meßverstärker mit großem Verstärkungsfaktor anschließen,
der auch kleine Änderungen des Kapazitätswerts in ver
hältnismäßig große Spannungssignale umsetzt. Dadurch ist
es möglich, den Druck in der Vorkammer 5 sehr genau zu
regeln.
Außerdem müssen nach dem Schließen des Speiseventils 13
keine Totvolumina geleert oder nach öffnen des Speise
ventils 13 aufgefüllt werden, so daß der gewünschte Fluß
sofort zur Verfügung steht. Dementsprechend kann der
Gasfluß mit Hilfe der Speisedrossel 10 und dem Speise
ventilstößel 14 augenblicklich unterbrochen und freige
geben werden. Dabei ist auch die große, dem Inneren der
Versorgungsleitung 11 zugewandte Oberfläche des Speise
ventilbalgs 15 nicht von Nachteil, da das in der Ver
sorgungsleitung 11 strömende Trägergas diese Oberflächen
dauernd freispült.
Fig. 2 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der
Gaseinlaßvorrichtung 1, die um ein Ablaßventil 19 er
gänzt ist. Das Ablaßventil 19 ist von einer Ablaßdrossel
20 gebildet, die von einer Öffnung in der Wand der
Vorkammer 5 gebildet ist. Die Ablaßdrossel 20 mündet in
eine Ablaßkammer 21. in der Ablaßkammer 21 befindet sich
ein Ablaßventilstößel 22, mit dem die Öffnung der Ab
laßdrossel 20 mit Hilfe einer Betätigungskraft 23 ver
schließbar ist. Der Ablaßventilstößel 22 ist nach außen
durch einen an den Kopf des Ablaßventilstößels 22 und an
seinem entgegengesetzten Ende an die Wand der Ablaß
kammer 21 angebrachten Ablaßventilbalg 24 abgedichtet.
Durch das Ablaßventil 19 ist es möglich, einen schnellen
Übergang von einem hohen zu einem niedrigen Gasfluß zu
bewerkstelligen. Durch das Ablaßventil 19 kann das in
der Vorkammer 5 enthaltene Reaktionsgas in eine Ablaß
leitung 25 in Richtung eines Pfeiles 26 abgelassen
werden. Das Ablaßventil 19 wird unabhängig vom Betriebs
zustand des Speiseventils 13 nur kurzzeitig dann geöff
net, wenn eine Erniedrigung des Gasflusses erforderlich
ist. Der dadurch entstehende Gasverlust ist vernach
lässigbar klein.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Gas
einlaßvorrichtung 1, das zur Versorgungsleitung 11 hin
ein erstes Speiseventil 27 und ein zweites Speiseventil
28 mit einer ersten und zweiten Speisedrossel 29 und 30
sowie einem ersten und zweiten Speiseventilstößel 31 und
32 aufweist. Der erste und der zweite Speiseventilstößel
31 und 32 sind nach außen jeweils über Speiseventilbälge
33 und 34 abgedichtet. Mit Hilfe einer ersten Betäti
gungskraft 35 und einer zweiten Betätigungskraft 36 sind
sowohl das erste Speiseventil 27 als auch das zweite
Speiseventil 28 verschließbar. Die Öffnung der ersten
Speisedrossel 29 und der zweiten Speisedrossel 30 sind
unterschiedlich groß gewählt, so daß unterschiedliche
Flußwerte durch öffnen von beiden Speiseventilen 27 und
28 oder eines der beiden Speiseventile 27 und 28 möglich
sind.
Es sei angemerkt, daß sich die Öffnungen der Regel
drossel 4, der Ablaßdrossel 20 sowie der Speisedrosseln
10, 29 und 30 durch in den Grundkörper der Vorkammer 5
einschraubbare Blenden bewerkstelligen lassen. Auf diese
Weise lassen sich das Regelventil 6, das Ablaßventil 19
und die Speiseventile 13, 27 und 28 an unterschiedliche
Flußwerte anpassen. Sinnvollerweise sind dann auch der
Regelventilstößel 7, der Ablaßventilstößel 22 sowie die
Speiseventilstößel 14, 31 und 32 zusammen mit dem Regel
ventilbalg 8, dem Ablaßventilbalg 24 und den Speise
ventilbälgen 15, 33 und 34 abschraubbar gestaltet, so
daß die Drosselblenden, wenn diese gewechselt werden
sollen, von der Außenseite leicht zugänglich sind.
Weiterhin ist es grundsätzlich möglich, mehrere als
Speisedrosseln dienende Öffnungen von unterschiedlicher
Größe vorzusehen. Eine erste Speisedrossel ist bei
spielsweise so bemessen, daß sich durch die erste
Speisedrossel ein Fluß F ergibt. Eine zweite Speise
drossel liefert einen Fluß 2F und eine dritte Speise
drossel einen Fluß von 4F. Mit dieser Anordnung von
Speisedrosseln lassen sich acht Flußwerte zwischen 0F
und 7F in Stufen von 1F einstellen.
Claims (11)
1. Gaseinlaßvorrichtung für eine Beschichtungsanlage,
die ein Gasreservoir (5) aufweist, das über eine
Speisekanalanordnung an einen Einspeiseraum (11)
angeschlossen ist, und deren Speisekanalanordnung
vom Einspeiseraum (11) aus durch eine zugeordnete
Speiseventilanordnung (14, 15, 31, 32, 33, 34)
verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Speisekanalanordnung als Speisedrosselanordnung (10,
29, 30) ausgebildet ist und daß der Gasdruck in dem
Gasreservoir (5) mit Hilfe eines den Gasdruck in dem
Gasreservoir (5) messenden Druckmessers (9) und
einer an eine Gasquelle angeschlossenen Regeldros
selanordnung (4), die von außen durch eine vom
Druckmesser (9) gesteuerte Regelventilanordnung (7,
8) verschließbar ist, einstellbar ist.
2. Gaseinlaßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Speisedrosselanordnung (10,
29, 30) wenigstens eine Öffnung aufweist, die in
einem dem Einspeiseraum (11) und dem Gasreservoir
(5) gemeinsamen Wandabschnitt ausgebildet ist.
3. Gaseinlaßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Regeldrosselanordnung (4)
wenigstens eine in die Wand des Gasreservoirs (5)
eingebrachte Öffnung aufweist.
4. Gaseinlaßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Gesamtquerschnitt der Öffnungen
der Regeldrosselanordnung (4) größer als der
Gesamtquerschnitt der Öffnungen der Speisedrossel
anordnung (10, 29, 30) ist.
5. Gaseinlaßvorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasreser
voir (5) eine Ablaßdrosselanordnung (20) aufweist,
die über wenigstens eine in die Wand des Gasreser
voirs (5) eingebrachte und von außen durch eine
Ablaßventilanordnung (22, 24) verschließbare Öffnung
verfügt.
6. Gaseinlaßvorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speise
ventilanordnung wenigstens einen Speiseventilstößel
(14, 31, 32) aufweist, mit dem die Öffnung der
zugeordneten Speisedrossel (10, 29, 30) verschließ
bar ist, und der nach außen durch einen an dem Kopf
des Speiseventilstößels (14, 31, 32) angebrachten
und an seinem entgegengesetzten Ende an der Wand des
Einspeiseraumes (11) befestigten Speiseventilbalg
(15, 33, 34) abgedichtet ist.
7. Gaseinlaßvorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel
ventilanordnung wenigstens einen Regelventilstößel
(7) aufweist, durch den die außenseitige Eintritts
öffnung der zugeordneten Regeldrossel (4) ver
schließbar ist, und der nach außen durch einen an
den Kopf des Regelventilstößels (7) anschließenden
und an seinem entgegengesetzten Ende an der Wand
einer Zuleitung (2) befestigten Regelventilbalg (8)
abgedichtet ist.
8. Gaseinlaßvorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaß
ventilanordnung wenigstens einen Ablaßventilstößel
(22) aufweist, mit dem die außenseitige Öffnung der
zugeordneten Ablaßdrossel (20) verschließbar ist,
und der nach außen durch einen an den Kopf des
Ablaßventilstößels (22) anschließenden und an seinem
entgegengesetzten Ende an der Wand einer Ablaß
leitung (25) befestigten Ablaßventilbalg (24) abge
dichtet ist.
9. Gaseinlaßvorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck
messer (9) ein kapazitiver Drucksensor ist, der über
einen Regler die Regelventilanordnung (7, 8)
steuert.
10. Gaseinlaßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Temperaturmeßfühler die Tempe
ratur des Gasreservoirs (5) mißt und ein Ausgangs
signal an den Regler abgibt, der für einen kon
stanten Gasfluß in den Einspeiseraum (11) den Druck
in dem Gasreservoir (5) entsprechend der Temperatur
des Gases in dem Gasreservoir (5) einstellt.
11. Gaseinlaßvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, da
durch gekennzeichnet, daß der Regler den Druck in
dem Gasreservoir (5) auf einen Wert einstellt, der
wenigstens gleich dem Doppelten des Druckes im
Einspeiseraum (11) ist.
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