DE3715717C2

DE3715717C2 -

Info

Publication number: DE3715717C2
Application number: DE3715717A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Ing. Dr. 7815 Kirchzarten De Bachem; Peter 7801 Voerstetten De Hofmann; Klaus Dipl.-Phys. Dr. 7800 Freiburg De Koehler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1987-05-12
Publication date: 1989-08-17
Also published as: DE3715717A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasversorgungseinrichtung für eine Molekularstrahlepitaxieanlage mit einem Reser voir, das über eine Ausgangsleitung mit einem ein Regelventil und einen Drucksensor aufweisenden Regel kreis verbunden ist, der über eine Speiseleitung an die Gasquelle der Molekularstrahlepitaxieanlage angeschlos sen ist.The invention relates to a gas supply device for a molecular beam epitaxy system with a reser voir that has an output line with a Control valve and a rule having a pressure sensor is connected to the circuit via a feed line Gas source of the molecular beam epitaxial system connected is.

Eine derartige Gasversorgungseinrichtung ist aus M. B. Panish, H. Temkin, and S. Sumski, Gas source MBE of InP and Ga_xIn_1-xP_yAs_1-y: Materials properties and heterostructure lasers, Journal of Vacuum Science & Technology B, Second Series, Volume 3, Number 2, March/April 1985, Seiten 657 bis 665 bekannt. Als Reservoir wird einerseits ein Reservoir mit Posphin und andererseits ein Reservoir mit Arsin vorgesehen, deren Ausgangsleitungen über automatische Ventile mit Speiseleitungen verbunden sind, wobei die Ventile über Drucksensoren an den Speiseleitungen gesteuert sind, wie sich aus Fig. 2 der oben genannten Druckschrift ergibt.Such a gas supply device is from MB Panish, H. Temkin, and S. Sumski, Gas source MBE of InP and Ga _x In _{1- x} P _y As _{1- y} : Materials properties and heterostructure lasers, Journal of Vacuum Science & Technology B, Second Series, Volume 3, Number 2, March / April 1985, pages 657 to 665. On the one hand, a reservoir with phosphine and, on the other hand, a reservoir with arsine is provided as the reservoir, the outlet lines of which are connected to feed lines via automatic valves, the valves being controlled via pressure sensors on the feed lines, as can be seen from FIG. 2 of the above-mentioned document.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasver sorgungseinrichtung für eine Molekularstrahlepitaxie anlage zu schaffen, die schnell und genau zwischen verschiedenen Flußraten ohne Verwendung von Trägergas umschaltbar ist.The invention has for its object a Gasver Care device for a molecular beam epitaxy to create a system that is quickly and precisely between different flow rates without using carrier gas is switchable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Speiseleitung eine Abzweigung aufweist, deren erster Zweig über ein Speiseventil und eine flußkali brierte Drossel mit der Gasquelle und deren zweiter Zweig über ein Schaltventil und eine flußkalibrierte Drossel mit einem Entsorgungssystem verbunden ist, und daß zum Schalten des Gasflusses in die Gasquelle das Speiseventil und das Schaltventil im Gegentakt betätig bar sind. This object is achieved in that the feed line has a branch, the first branch via a feed valve and a river potash burned throttle with the gas source and its second Branch via a switching valve and a flow calibrated Throttle is connected to a disposal system, and that to switch the gas flow into the gas source Feed valve and the switching valve actuated in push-pull are cash.

Dadurch, daß der Gasdruck über ein Regelsystem konstant gehalten wird und der Gasfluß durch eine flußkali brierte Drossel bestimmt ist, deren Strömungswiderstand sehr viel größer ist als der Strömungswiderstand in dem Gaseinleitungssystem zur Gasquelle, erlauben fest einstellbare Drücke eine Bestimmung von Gasflüssen. Um zu erreichen, daß Rückwirkungen auf den Gasdruck beim Schließen des Schaltventils verhindert werden, ist eine Bleed-Leitung mit einer identischen Ventil-Drossel kombination zu einem Entsorgungssystem vorgesehen.Because the gas pressure is constant via a control system is held and the gas flow through a Flusskali briert throttle is determined, its flow resistance is much larger than the flow resistance in the Gas supply system to the gas source, allow fixed adjustable pressures a determination of gas flows. Around to achieve that effects on the gas pressure at Preventing the switching valve from closing is one Bleed line with an identical valve throttle combination to a disposal system.

Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfin dung sind mehrere Schaltventile mit unterschiedlich dimensionierten flußkalibrierten Drosseln vorgesehen, so daß durch Zuschalten und Abschalten der verschie denen Drosseln in einem digitalen Raster vorgegebene Flußraten genau eingestellt werden können.In a practical embodiment of the Erfin are several switching valves with different dimensioned flow-calibrated chokes, so that by switching on and off the different which chokes are given in a digital grid Flow rates can be set precisely.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigen:Appropriate refinements and developments of Invention result from the dependent claims and the following description of two embodiments the invention. Show it:

Fig. 1 eine Gasversorgungseinrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung und Fig. 1 shows a gas supply device according to the invention in a schematic representation and

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Gasver sorgungseinrichtung mit einer digital um schaltbaren Flußrate. Fig. 2 shows a second embodiment of a gas supply device with a digitally switchable flow rate.

In Fig. 1 erkennt man schematisch den Aufbau der Gasversorgungseinrichtung für eine Molekularstrahlepi taxieanlage, die eine Gasquelle aufweist, welche zu sammen mit ihrem Gaseinleitungssystem in Fig. 1 und Fig. 2 schematisch dargestellt und mit dem Bezugs zeichen 1 versehen ist. Das die Gasquelle 1 speisende Gas für die Molekularstrahlepitaxie wird von einem Reservoir 2 geliefert, dessen Innendruck ungeregelt ist und Schwankungen unterworfen ist. Das Reservoir 2 ist über eine Ausgangsleitung 3 mit einem Regelventil 4 verbunden. Der Ausgang des Regelventils 4 führt zu einer Speiseleitung 5, deren Innendruck über einen Drucksensor 6 erfaßbar ist.In Fig. 1 you can see schematically the structure of the gas supply device for a molecular beam taxi system, which has a gas source, which together with its gas introduction system in Fig. 1 and Fig. 2 is shown schematically and provided with the reference character 1 . The gas for the molecular beam epitaxy feeding the gas source 1 is supplied by a reservoir 2 , the internal pressure of which is unregulated and is subject to fluctuations. The reservoir 2 is connected to a control valve 4 via an outlet line 3 . The output of the control valve 4 leads to a feed line 5 , the internal pressure of which can be detected by a pressure sensor 6 .

Das Ausgangssignal des Drucksensors 6 steuert über eine Rückkopplungsleitung 7 den Steuereingang des Regelven tils 4 in der Weise, daß in der Speiseleitung 5 ein konstanter Innendruck herrscht. Die Anordnung mit dem Regelventil 4 und dem Drucksensor 6 bildet somit einen über den Druck wirksamen Flußregler.The output signal of the pressure sensor 6 controls via a feedback line 7 the control input of Regelven valve 4 in such a way that a constant internal pressure prevails in the feed line 5 . The arrangement with the control valve 4 and the pressure sensor 6 thus forms a flow regulator which is effective via the pressure.

Die Speiseleitung 5 ist mit einem Speiseventil 8 mit einem möglichst kleinen ausgangsseitigen Totraum ver bunden. Der Ausgang des Speiseventils 8 mündet in eine flußkalibrierte Drossel 9, durch die der Gasfluß durch die Speiseleitung 5 in die Gasquelle 1 bestimmt wird und deren Strömungswiderstand sehr viel größer ist als der Strömungswiderstand der Gasquelle 1 mit ihrem Gas einleitungssystem.The feed line 5 is connected to a feed valve 8 with the smallest possible dead space on the output side. The output of the feed valve 8 opens into a flow-calibrated throttle 9 , through which the gas flow through the feed line 5 is determined in the gas source 1 and whose flow resistance is very much greater than the flow resistance of the gas source 1 with its gas inlet system.

Infolge des konstanten Druckes in der Speiseleitung 5 ergibt sich ein konstanter Gasfluß in der Gasquelle 1 der Molekularstrahlepitaxieanlage solange das Speise ventil 8 geöffnet ist. Due to the constant pressure in the feed line 5 , there is a constant gas flow in the gas source 1 of the molecular beam epitaxial system as long as the feed valve 8 is open.

Bei geöffnetem Speiseventil 8 ist ein über eine Ab zweigung 10 und eine Entsorgungsleitung 11 mit der Speiseleitung 5 verbundenes Schaltventil 12 geschlos sen. Wenn der Gasstrom zur Gasquelle 1 unterbrochen werden soll, wird das Speiseventil 8 geschlossen und gleichzeitig das Schaltventil 12 geöffnet. Aus diesem Grunde wird der bisherige Gasstrom an der Abzweigung 10 umgeleitet und gelangt über die Entsorgungsleitung 11, das Schaltventil 12 sowie eine Drossel 13 zu einem Ent sorgungssystem 14 mit einer Absaugpumpe. Das Schalt ventil 12 sowie die Drossel 13 haben einen Aufbau und einen Strömungswiderstand der identisch zu denjenigen des Speiseventils 8 und der Drossel 9 ist. Die Ent sorgungsleitung 11 wirkt somit als Bleed-Leitung und bewirkt, daß der Regelkreis aus dem Regelventil 4 und dem Drucksensor 6 immer innerhalb seines Regelbereichs betrieben wird. Durch das abwechselnde Öffnen und Schließen des Speiseventils 8 und des Schaltventils 12 wird somit ein kontinuierlicher Gasfluß im Regelsystem 4, 6 erreicht, wobei der Innendruck während eines Zyklus mit einem Gasfluß über die Drossel 9 und einem anschließenden Gasfluß über die Drossel 13 gleich bleibt.When the feed valve 8 is open, a switching valve 12 connected via a branch 10 and a disposal line 11 to the feed line 5 is closed. If the gas flow to the gas source 1 is to be interrupted, the feed valve 8 is closed and, at the same time, the switching valve 12 is opened. For this reason, the previous gas flow is diverted at the branch 10 and reaches the disposal system 14 with a suction pump via the disposal line 11 , the switching valve 12 and a throttle 13 . The switching valve 12 and the throttle 13 have a structure and a flow resistance which is identical to that of the feed valve 8 and the throttle 9 . Ent supply line 11 thus acts as a bleed line and causes the control circuit from the control valve 4 and the pressure sensor 6 is always operated within its control range. By alternately opening and closing the feed valve 8 and the switching valve 12 , a continuous gas flow in the control system 4 , 6 is thus achieved, the internal pressure remaining the same during a cycle with a gas flow through the throttle 9 and a subsequent gas flow through the throttle 13 .

Um ein schnelles Schalten des Speiseventils 8 optimal ausnutzen zu können, ist das Totvolumen zwischen dem Speiseventil 8 und der Drossel 9 so klein gestaltet, daß das Leerlaufen des Totraumes im Bereich der Schalt zeit liegt.In order to use a fast switching of the feed valve 8 exploit optimally, the dead volume between the feed valve 8 and the throttle 9 is designed so small that the emptying of the dead space is located in the region of the switching time.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Gasver sorgungseinrichtung, bei der statt der identischen flußkalibrierten Drosseln 9 und 13 vier Drosselpaare eingesetzt werden, um den Gasfluß in die Gasquelle 1 digital schaltend einstellen zu können. Fig. 2 shows an embodiment of a Gasver supply device, in which instead of the identical flow-calibrated throttles 9 and 13 four throttle pairs are used in order to be able to set the gas flow in the gas source 1 digitally switching.

Die Abzweigung 10 bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist mit einem ersten Speiseventil 21, einem zweiten Speiseventil 22, einem dritten Speiseventil 23 und einem vierten Speiseventil 24 verbunden, die ent sprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ausge bildet sind und jeweils über eine erste Drossel 31, zweite Drossel 32, dritte Drossel 33 und vierte Drossel 34 mit der Zufuhrleitung 35 der Gasquelle 1 der Moleku larstrahlepitaxieanlage verbunden sind.The branch 10 in the arrangement shown in Fig. 2 is connected to a first feed valve 21 , a second feed valve 22 , a third feed valve 23 and a fourth feed valve 24 , which are accordingly the embodiment of FIG. 1 out and each have a first throttle 31 , second throttle 32 , third throttle 33 and fourth throttle 34 are connected to the supply line 35 of the gas source 1 of the molecular beam epitaxial system.

Die Drosseln 31 bis 34 sind jeweils so flußkalibriert, daß die zweite Drossel 32 die doppelte Flußrate der ersten Drossel 31, die dritte Drossel 33 die doppelte Flußrate der zweiten Drossel 32 und die vierte Drossel 34 die doppelte Flußrate der dritten Drossel 33 be wirkt. Bezeichnet man die Flußrate durch die Drossel 31 mit R, so entsprechen die Flußraten in den Drosseln 32, 33 und 34 jeweils 2 R, 4 R und 8 R.The throttles 31 to 34 are each flow-calibrated so that the second throttle 32 has twice the flow rate of the first throttle 31 , the third throttle 33 has twice the flow rate of the second throttle 32 and the fourth throttle 34 has twice the flow rate of the third throttle 33 . If one designates the flow rate through the throttle 31 with R , the flow rates in the throttles 32 , 33 and 34 correspond to 2 R , 4 R and 8 R, respectively.

Durch Öffnen und Schließen der Speiseventile 21 bis 24 ergeben sich 16 Kombinationsmöglichkeiten, so daß die Flußrate zur Zufuhrleitung 35 je nach der Stellung der Speiseventile 21 bis 24 digital zwischen 0 und 15 R einstellbar ist. Eine Erweiterung auf einen größeren Dynamikbereich oder eine feinstufigere Einstellung ist möglich, wenn die Zahl der Zweige mit jeweils einem Speiseventil und einer flußkalibrierten Drossel ver größert wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, statt der oben erwähnten Abstufung mit jeweils ver doppelter Flußrate andere Abstufungen der flußkali brierten Drosseln vorzusehen, so daß statt einer line aren Einstellbarkeit auch eine nichtlineare Einstell barkeit erreicht werden kann. By opening and closing the feed valves 21 to 24 there are 16 possible combinations, so that the flow rate to the feed line 35 can be adjusted digitally between 0 and 15 R depending on the position of the feed valves 21 to 24 . An expansion to a larger dynamic range or a more finely tuned setting is possible if the number of branches is increased with a feed valve and a flow-calibrated throttle. Of course, it is also possible, instead of the above-mentioned gradation with each double flow rate, to provide other gradations of the flux-calibrated restrictors, so that a non-linear adjustability can be achieved instead of a linear areness.

Um die beim Schließen und Öffnen der Speiseventile 21 bis 24 auftretenden Veränderungen von einer Rückwirkung auf das Regelsystem mit dem Regelventil 4 und dem Drucksensor 6 abzuhalten, sind entsprechend dem Aus führungsbeispiel nach Fig. 1 mehrere Entsorgungslei tungen 41 bis 44 vorgesehen, die über in Fig. 2 nicht dargestellte Schaltventile und über in Fig. 2 nicht dargestellte flußkalibrierte Drosseln mit dem Entsor gungssystem 14 verbunden sind. Die flußkalibrierten Drosseln weisen dabei wieder Flußraten auf, die den jenigen der Drosseln 31 bis 34 entsprechen.In order to prevent the changes occurring when closing and opening the feed valves 21 to 24 from a reaction on the control system with the control valve 4 and the pressure sensor 6 , several disposal lines 41 to 44 are provided according to the exemplary embodiment according to FIG. 1, which are shown in FIG supply system switching valves not shown. 2 and in Fig. 2, not shown flußkalibrierte chokes with the Dispose of 14 are connected. The flow-calibrated throttles again have flow rates which correspond to those of the throttles 31 to 34 .

Die in Fig. 2 dargestellte Gasversorgungseinrichtung gestattet es, mehrere Gasflüsse gleichzeitig bzw. abwechselnd aus dem Reservoir 2 schnell in das Zu leitungssystem der Gasquelle 1 zuzuschalten. Beim Umschalten der Speiseventile 21 bis 24 erfolgt jeweils ein entsprechendes Umschalten in den Schaltventilen.The gas supply device shown in FIG. 2 allows several gas flows to be switched on simultaneously or alternately from the reservoir 2 into the supply system of the gas source 1 . When the feed valves 21 to 24 are switched over, a corresponding switchover takes place in the switching valves.

Claims

1.Gas supply device for a molecular beam epitaxial system with a reservoir which is connected via an output line to a control valve having a control valve and a pressure sensor which is connected to the gas source of the molecular beam epitaxial system via a feed line, characterized in that the feed line ( 5 ) has a branch ( 10 ), the first branch via a feed valve ( 8 ) and a flow-calibrated throttle ( 9 ) with the gas source ( 1 ) and the second branch via a switching valve ( 12 ) and a flow-calibrated throttle ( 13 ) with a disposal system ( 14 ) is connected, and that for switching the gas flow into the gas source ( 1 ), the feed valve ( 8 ) and the switching valve ( 12 ) can be actuated in push-pull.

2. Gas supply device according to claim 1, characterized in that the feed valve ( 8 ) with its associated throttle ( 9 ) is constructed identically to the switching valve ( 12 ) with its associated throttle ( 13 ).

3. Gas supply device according to one of the preceding claims, characterized in that the feed valve ( 8 ) has a dead space, the idling takes place within a time that is in the range of the switching time.

4. Gas supply device according to one of the preceding claims, characterized in that the first branch has a plurality of pa parallel connected feed valves ( 21 , 22 , 23 , 24 ) with associated flow-calibrated throttles ( 31 , 32, 33, 34 ).

5. Gas supply device according to claim 4, there characterized in that the second Branch several switching valves connected in parallel with assigned calibrated chokes, which are identical to the flow calibrated chokes in the first branch are formed.

6. Gas supply device according to claim 4 or 5, characterized in that the flow-calibrated restrictors ( 31-34 ) have different flow rates.

7. Gas supply device according to claim 6, characterized in that the flow rate of the second throttle ( 32 ) is twice the flow rate of the first throttle ( 31 ), the flow rate of the third throttle ( 33 ) is twice the flow rate of the second throttle ( 32 ) and the flow rate of the fourth throttle ( 34 ) is twice the flow rate of the third throttle ( 33 ).