-
Die Erfindung betrifft ein Vakuumschieberventil mit einer Antriebseinheit zum Ausführen einer linearen Verstellbewegung nach Anspruch 1.
-
Allgemein sind Vakuumventile zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms und/oder 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 -abfuhr und zum anderen Transferventile zum Öffnen und Schliessen der Transferöffnungen der Vakuumkammern für das Ein- und Ausführen der Teile zum Einsatz.
-
Peripherieventile 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.
-
Die von Halbleiterteilen durchlaufenen Vakuumventile werden aufgrund des beschriebenen Anwendungsgebiets und der damit verbundenen Dimensionierung als Vakuumtransferventile, aufgrund ihres mehrheitlich rechteckigen Öffnungsquerschnitts auch als Rechteckventil und aufgrund ihrer üblichen Funktionsweise auch als Schieberventil, Rechteckschieber oder Transferschieberventil bezeichnet.
-
Die jeweilige Endlage einer Verstellbewegung, also die Offenposition und die Schliessposition (und bei Vorliegen einer Verstellbewegung aus zwei zusammengesetzten Teilbewegungen in wenigstens zwei verschiedene Verstellrichtung auch die Zwischenstellung), wird dabei z.B. mit mechanischen Endlageschaltern erkannt bzw. eingehalten. Für einen exakten Verschluss sind hierbei nachteilig enge Toleranzgrenzen einzuhalten.
-
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.
-
Das Anpressen des Ventiltellers auf den Ventilsitz muss derart erfolgen, dass sowohl die geforderte Gasdichtigkeit innerhalb des gesamten Druckbereichs sichergestellt ist, als auch eine Beschädigung des Abdichtmediums, insbesondere des Abdichtrings in Form eines O-Rings, durch zu grosse Druckbeanspruchung vermieden wird. Um dies zu gewährleisten, sehen bekannte Ventile eine in Abhängigkeit von der zwischen den beiden Ventiltellerseiten herrschenden Druckdifferenz geregelte Anpressdruckregelung des Ventiltellers vor. Besonders bei grossen Druckschwankungen oder dem Wechsel von Unterdruck auf Überdruck, oder umgekehrt, ist eine gleichmässige Kraftverteilung entlang des gesamten Umfangs des Abdichtrings jedoch nicht immer gewährleistbar. Generell wird angestrebt, den Abdichtring von Abstützkräften, die sich aus dem an das Ventil anliegenden Druck ergeben, zu entkoppeln. In der
US 6,629,682 (Duelli) wird hierzu z.B. ein Vakuumventil mit einem Abdichtmedium vorgeschlagen, das sich aus einem Abdichtring und einem danebenliegenden Abstützring zusammensetzt, so dass der Abdichtring von Abstützkräften im Wesentlichen befreit ist.
-
Da oben genannte Ventile unter anderem bei der Herstellung hochsensibler Halbleiterelemente in einer Vakuumkammer zum Einsatz kommen, muss eine entsprechende Abdichtwirkung auch für solche Prozesskammern verlässlich gewährleistet sein. Hierfür ist insbesondere der Zustand eines Dichtmaterials oder einer bei Verpressung mit dem Dichtmaterial in Kontakt stehenden Dichtfläche von Bedeutung.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Vakuumschieberventil bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Verwirklichung der unabhängigen Ansprüche gelöst. Merkmale, die die Erfindung in alternativer oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
-
Die Erfindung betrifft ein Vakuumschieberventil zur Regelung eines Volumen- oder Massenstroms und/oder zum gasdichten Unterbrechen eines Fliesswegs. Das Ventil umfasst einen Ventilsitz, der eine eine Öffnungsachse definierende Ventilöffnung und eine die Ventilöffnung umlaufende erste Dichtfläche aufweist, und einen Ventilverschluss, z.B. Ventilteller, zur Regelung des Volumen- oder Massenstroms und/oder zur Unterbrechung des Fliesswegs, mit einer zu der ersten Dichtfläche korrespondierenden zweiten Dichtfläche, deren veränderliche Lage durch eine jeweilige Position und Ausrichtung des Ventilverschlusses bestimmt ist. Der Ventilsitz kann hierbei integraler oder struktureller Bestandteil des Vakuumventils sein und insbesondere einen Teil des Ventilgehäuses verkörpern. Alternativ kann der Ventilsitz durch die Öffnung einer Prozesskammer, z.B. einer Vakuumkammer, gebildet sein und unter Zusammenwirkung mit dem relativ zu dem Ventilsitz beweglichen Ventilverschluss ein Vakuumventil im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden.
-
Weiter weist das Ventil genau eine mit dem Ventilverschluss gekoppelte Antriebseinheit mit wenigstens einem linear beweglichen Verstellelement auf. Die Antriebseinheit ist beispielsweise als ein Elektromotor (Schrittmotor) oder als eine Kombination von mehreren Motoren oder als pneumatischer Antrieb ausgebildet und z.B. ausserhalb eines durch das Vakuumschieberventil definierten von einer äusseren Umgebung abgetrennten Vakuumbereichs angeordnet. Die Antriebseinheit ist zum Ausführen einer linearen Verstellbewegung ausgebildet ist mit deren Hilfe der Ventilverschluss von einer Offenposition, in welcher der Ventilverschluss und der Ventilsitz relativ zueinander kontaktlos vorliegen, in eine Geschlossenposition, in welcher, insbesondere über eine Dichtung, ein bezogen auf die Öffnungsachse axial dichtender Kontakt zwischen der ersten Dichtfläche und der zweiten Dichtfläche besteht und die Ventilöffnung dadurch gasdicht verschlossen ist, und zurück verstellbar ist.
-
Weiter weist das Ventil weiter wenigstens ein verstellbares Anpresselement auf zur Herstellung des axial dichtenden Kontakts durch Kraftbeaufschlagung des Ventilverschlusses in zumindest wesentlicher axialer Richtung mittels des Anpresselements. Das heisst, die Antriebseinheit bewirkt nicht alleine besagte Geschlossenposition mit gasdichtem Kontakt, sondern dies wird auch mittels des Anpresselements erzeugt. Beispielsweise bewirkt die Antriebseinheit eine lineare Verstellung des Verschlusselements derart, dass aus der Offenposition, in der sich Ventilverschluss und Ventilsitz bezogen auf die Öffnungsachse nicht gegenüberliegen, sondern der Verschluss die Öffnung völlig freigibt, der Ventilverschluss den Ventilsitz völlig abdeckt (diesem vollständig gegenüberliegt, kontaktlos oder berührend), ohne dadurch jedoch bereits eine gasdichten Kontakt zwischen beiden zu bewirken, was als eine Schliessposition verstanden werden kann. Dieser gasdichte Kontakt und somit die (endgültige oder eigentliche) Geschlossenposition wird dann durch das Anpresselement bewirkt, welches den Ventilverschluss an den Ventilsitz presst.
-
Zum Beispiel weist eine oder beide der beiden Dichtflächen eine Dichtung aus Dichtmaterial auf. Das Dichtmaterial kann z.B. ein polymerbasiertes Material (z.B. Elastomer, insbesondere Fluorelastomer) sein, das auf die Dichtfläche aufvulkanisiert ist oder als O-Ring in einer Nut in dem Ventilverschluss oder dem Ventilsitz vorliegt. Als Dichtflächen werden im Rahmen der Erfindung also vorzugsweise diejenigen Flächen betrachtet, bei denen zum Verschliessen der Ventilöffnung (Schliessposition) eine Dichtung aus Dichtmaterial verpresst vorliegt.
-
Das Anpresselement stellt beispielsweise die Kraft zur Kraftbeaufschlagung magnetisch und/oder pneumatisch bereit.
-
Optional weist der Ventilverschluss das Anpresselement auf. Alternativ (oder zusätzlich im Falle mehrerer Anpresselemente) ist Anpresselement derart angeordnet ist, dass es dem Ventilverschluss in der Schliessposition in axialer Richtung gegenüberliegt.
-
Als weitere Option weist das Anpresselement einen Kontakt- oder Anpressstift auf, insbesondere mit einer kegelförmigen Kontaktspitze.
-
Optional weist das Ventil mehrere Anpresselemente auf, welche gleichmässig entlang einer Randfläche des Ventilverschlusses angeordnet sind.
-
Als Option ist die Antriebseinheit als eine pneumatische oder elektrische, insbesondere elektromagnetische, Antriebseinheit ausgebildet.
-
Als weitere Option ist die Antriebseinheit als Servoantriebseinheit ausgebildet.
-
In einigen Ausführungsformen weist das Ventil einen Positionssensor auf, wobei der Positionssensor derart ausgebildet und im Vakuumschieberventil angeordnet ist, dass, insbesondere fortlaufend, eine Position des Ventilverschlusses und/oder des wenigstens einen Verstellelements bezogen auf eine Nullposition, insbesondere der Offenposition oder Geschlossenposition, messbar ist.
-
Optional ist das Ventil ausgebildet zur Berücksichtigung einer Schwerkraftkompensation bei der linearen Verstellbewegung.
-
Das erfindungsgemässe Vakuumventil wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in der Regel nicht massstabsgetreu dargestellt und sie sind auch nicht als Einschränkung zu verstehen.
-
Im Einzelnen zeigen
- 1a,b,c eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumventils mit linearer Antriebseinheit und Anpresselementen; und
- 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Anpresselements.
-
Die 1a,1b,1c zeigen schematisch im Querschnitt eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumschieberventils 1, dargestellt in unterschiedlichen Verschlusspositionen.
-
Das gezeigte Schieberventil 1 wird typischerweise zur Abdichtung eines Prozessvolumens (Vakuumkammer) und zur Be- und Entladung des Volumens vorgesehen. Das Vakuumventil 1 hat ein z.B. rechteckiges, plattenförmiges Verschlusselement 4 (z.B. Ventilteller), das eine Dichtfläche 6 zum gasdichten Verschliessen einer Öffnung 2 aufweist. Die Öffnung 2 hat einen dem Verschlusselement 4 entsprechenden Querschnitt und ist in einer Wand 12 ausgeformt. Die Öffnung 2 ist von einem Ventilsitz, der seinerseits ebenfalls eine mit der Dichtfläche 6 des Verschlusselements 4 korrespondierende Dichtfläche 3 bereitstellt, umgeben. Die Dichtfläche 6 des Verschlusselements 4 umläuft das Verschlusselement 4 und weist ein Dichtmaterial (Dichtung) auf. In einer Geschlossenposition G werden die Dichtflächen 6, 3 aufeinander gedrückt und das Dichtmaterial wird dabei verpresst.
-
Die Öffnung 2 verbindet einen ersten Gasbereich L, welcher sich links einer ersten Wand 11 befindet, mit einem zweiten Gasbereich R rechts der zweiten Wand 12. Die Wände 11,12 werden z.B. durch Kammerwände einer Vakuumkammer gebildet. Das Vakuumventil 1 wird dann durch ein Zusammenwirken der Kammerwand 12 mit dem Verschlusselement 4 gebildet. Der Verschlussteller 4 und/oder sein Gegenstück (d.h. Ventilsitz/Gehäuse) kann dabei konisch geformt sein.
-
Das Verschlusselement 4 ist an einem Verstellarm 5 angeordnet, der hier beispielsweise stangenförmig ist, und sich entlang einer geometrischen Verstellachse V erstreckt. Der Verstellarm 5 ist mit einer Antriebseinheit 7 mechanisch gekoppelt, mittels welcher das Verschlussglied 4 in dem ersten Gasbereich L links der Wand 12 durch Verstellen des Verstellarms 5 mittels der Antriebseinheit 7 zwischen einer Offenposition O (1a) in eine Geschlossenposition G (1c) verstellbar ist.
-
Das Vakuumventil 1 kann z.B. in oder an der Antriebseinheit 7 einen Wegsensor oder Abstandssensor zum Messen oder Überwachen der Linearbewegung umfassen (nicht dargestellt), ausgebildet als (berührungsloser) induktiver Wegsensor wie z.B. Differenzialtransformator mit verschiebbarem Kern, gepulster induktiver Linear-Positionssensor, PLCD-Wegsensor (Permanent Linear Contactless Displacement Sensor), optoelektronischer Wegsensor, potenziometrischer Wegsensor, magnetostriktiver Wegsensor, kapazitiver Wegsensor oder magnetischer Wegsensor. Mittels eines solchen Weg- oder Positionssensors kann vorteilhaft die Ist-Position des Verstellarms 5 bzw. des Verstellelements 4 bestimmt werden. Die Positionsmessung kann sich dabei auf die Bestimmung einer oder weniger Positionen, bevorzugt Offenposition O und/oder Schliessposition S, z.B. im Sinne einer Endlagendetektion oder eine fortlaufende oder kontinuierliche Positionsbestimmung, so dass die Position des Verstellelements 4 fortwährend und insbesondere deren zeitlicher Verlauf bekannt ist.
-
In der in 1a dargestellten Offenposition O befindet sich das Verschlusselement 4 ausserhalb des Projektionsbereichs der Öffnung 2 und gibt diese vollständig frei.
-
Durch Verstellen des Verstellarms 5 in axiale Richtung parallel zu der ersten, „vertikalen“ Verstellachse V nach „oben“ und parallel zu der Wand 12 kann das Verschlusselement 4 mittels der Antriebseinheit 7, z.B. mittels eines Getriebes 8, der Offenposition O in eine Schliessposition S verstellt werden (1b), in welcher die Dichtfläche 6 des Verschlusselements 4 die Öffnung 2 überdeckt und sich in Gegenüberlage zu der die Öffnung 2 umgebenden Dichtfläche 3 des Ventilsitzes befindet. Ein gasdichtes Verschliessen ist dabei in der Schliessposition S noch nicht erzielt.
-
Zum gasdichten Verschliessen weist das Ventil 1 Anpresselemente oder Druckelemente 9 auf, welche in der linken Wand 11 rund um die Öffnung 2 derart angeordnet sind, dass sie dem Rand des Verschlusselements 4 in dessen Schliessposition S gegenüberliegen. Die Anpresselemente 9 sind beispielsweise in gleichen Abständen entlang einer „Projektionslinie“ des Verschlusselementrands in der Wand 11 angeordnet und/oder an Positionen, die besonders geeigneten Positionen wie z.B. Ecken des Verschlusselements 4 entsprechen. Die Anpresselemente 9 weisen in Richtung des Verschlusselements 4 ausfahrbare Bolzen 10 auf. Abweichend von der Darstellung können die Anpresselemente 9 auch „umgekehrt“ im Verschlusselement 4 angeordnet sein, mit Bolzen 10, die in Richtung der Wand 11 ausfahrbar sind.
-
Durch Ausfahren dieser Pins 10 der Druckelemente 9 in Richtung einer zweiten, „horizontalen“ Achse H (quer zur ersten Verstellachse V), also z.B. senkrecht zur Wand 12 und zum Ventilsitz, kann das Verschlusselement 4 von der Schliessposition S in die Geschlossenposition G gedrückt werden (1c), in welcher die Dichtflächen 6 und 3 durch Kraftbeaufschlagung mittels der Pins 10 gasdicht aufeinander gepresst werden.
-
In der in 1c gezeigten Geschlossenposition G verschliesst das Verschlusselement 4 die Öffnung 2 gasdicht und trennt den ersten Gasbereich L von dem zweiten Gasbereich R gasdicht.
-
Das Öffnen und Schliessen des Vakuumventils erfolgt also einfach durch eine einzige lineare, z.B. pneumatische oder elektrisch (elektromagnetisch oder elektromotorisch) bewirkte, Bewegung der Antriebseinheit 7, wobei ein gasdichter Verschluss durch Aufeinanderpressen der sich Richtung der Öffnungsachse erstreckenden Dichtung 3,6 mittels der Anpresselemente 9 erreicht wird. Die Dichtung 3, 6 ist aufgrund ihrer Erstreckung entlang der Öffnungsachse H in der Lage, auf das Verschlusselement 4 entlang der Öffnungsachse H auftretende Kräfte, die insbesondere bei grossem Differenzdruck auf das Verschlusselement 4 wirken können, aufzunehmen. Eine Entkopplung von Ventiltellerbewegung und Dichtkräften ist ermöglicht. Die Anpresselemente 9 weisen z.B. ebenfalls pneumatisch oder elektrisch bewegbaren Bolzen 10 zum Anpressen des Verschlusselements 4 durch Kraftbeaufschlagung auf; eine Sicherheitsentlüftung, wie sie bei bekannten Ventilen erforderlich sein kann, ist beim erfindungsgemässen Ventil 1 unnötig. Eine mögliche rein elektrische Steuerung bietet darüber hinaus den Vorteil, dass das Ventil 1 IoT4-fähig ist bzw. für „smarte“ Anwendungen geeignet ist. Da das Verschlusselement 4 zudem einteilig ausgebildet sein kann, kann es hohen Beschleunigungskräften ausgesetzt werden, so dass dieses Ventil auch für Schnell- und Notverschlüsse verwendet werden kann.
-
2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Druckelements 9 zum gasdichten Anpressen eines Verschlusselements bzw. Herstellen eine gasdichten Kontakts von Dichtflächen wie in den 1a-c gezeigt. Im Beispiel ist das Anpresselement 9 zur elektromagnetischen Verschieben eines Bolzens 10 bzw. zur elektromagnetischen Kraftbeaufschlagung ausgebildet.
-
Das Anpresselement 9 weist ein Gehäuse 21 auf, welches mittels Fixiermitteln 22 wie Schrauben, Stifte, Nieten etc. z.B. auf einer Ventilwand montiert werden kann. Das Gehäuse 21 umfasst eine Basis 15 und eine Hülse 16, in welcher der Pin 10 in einer Richtung (Pfeil) zum Anpressen bewegt werden kann.
-
Der Vorschub des Stifts 10 wird elektromagnetisch erzeugt, wozu das Element 9 Magnete 13 und Spulen 19 mit Windungen 20 aufweist. Durch die Spulen kann ein Magnetfeld bzw. ein magnetischer Hauptpfad 14 erzeugt werden, wodurch der Kolben 18 angezogen und mit dem Stift 10 in Pfeilrichtung bewegt wird, wozu ein Bewegungsspielraum in Form eines (Luft-)Spalt 17 zwischen dem Gehäuse 21 und dem Kolben 18 offen gelassen ist. Dadurch kann der Stift 10 z.B. auf einen Ventildeckel gepresst werden. Zum Rückführen des Stifts 10 bzw. Beenden der Kraftbeaufschlagung kann die Spule 19 abgeschaltet werden oder eine Umpolung vorgenommen werden und/oder z.B. eine Rückholfeder (nicht dargestellt) Einsatz finden. Abweichend zur Abbildung mit einem rein zylindrischen Stift 10 kann der Bolzen eine z.B. kegelförmige Kontaktspitze aufweisen.
-
Es versteht sich, dass diese dargestellten Figuren nur mögliche Ausführungsbeispiele schematisch darstellen. Die verschiedenen Ansätze können ebenso miteinander sowie mit Verfahren und Vorrichtungen des Stands der Technik kombiniert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 6629682 B2 [0008]
- US 6629682 [0009]
