DE69919462T2 - Druckregler, Gasversorgungssystem und Installation zur Verteilung entsprechender Arbeitsfluide - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckregelvorrichtung zur Lieferung eines Gases an einen Behälter, der eine für die Mikroelektronik bestimmte, chemische Flüssigkeit enthält, mit einer Vorrichtung zur Druckregelung, Mitteln zum Anschluss eines Eingangs der Vorrichtung an eine Quelle für das Druckgas und einer Leitung zur Verbindung eines Ausgangs der Vorrichtung mit dem Behälter.
- Das Dokument FR-A-2 560 340 beschreibt ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Die Erfindung betrifft insbesondere die Verteilung von Arbeitsflüssigkeiten in der Elektronikindustrie.
- Die Elektronikindustrie und insbesondere die Mikroelektronikindustrie verwendet ultrareine Arbeitsflüssigkeiten, wie zum Beispiel H2O2, HCl, H2S etc..
- Derartige Flüssigkeiten werden im Allgemeinen in Speicherbehältern verpackt, deren Aufbau es erlaubt, eine Kontaminierung dieser Flüssigkeiten insbesondere mittels des Vorhandenseins von besonders teuren und zerbrechlichen inneren Auskleidungen zu verhindern, die zum Beispiel aus Perfluoralcoxy (PFA) hergestellt sind.
- Die Brüchigkeit dieser Innenbeschichtungen begrenzt beträchtlich die im Inneren dieser Behälter zulässigen Druckschwankungen um den Atmosphärendruck herum, dem diese Behälter äußerlich ausgesetzt sind.
- Der Relativdruck im Inneren dieser Behälter muss daher zum Beispiel zwischen –20 und +150 mBar liegen. Um diese Vorgaben einzuhalten sowie die Kontaminierung der zu verteilenden Arbeitsflüssigkeiten zu vermeiden, wird das in einem solchen Behälter bei der Entnahme der Arbeitsflüssigkeit erzeugte Vakuum durch die Zufuhr von entsprechenden Mengen eines ultrareinen Inertgases, typischerweise Stickstoffs, aufgefüllt.
- Für die Versorgung eines Speicherbehälters für Arbeitsflüssigkeit mit Stickstoff wird im Allgemeinen durch ein Versorgungssystem gesorgt, das eins Druckregelvorrichtung, Mittel zum Anschluss eines Eingangs der Vorrichtung an eine Druckquelle für Inertgas, die mit Mitteln zu Druckminderung auf einen Solldruck Pc versehen sind, der in dem Bereich der im Inneren des Behälters zulässigen Drücke liegt, und eine Leitung zur Verbindung eines Ausgangs der Vorrichtung mit dem Speicherbehälter umfasst. Die Druckregelvorrichtung soll die Beschädigung des Speicherbehälters im Falle eines Betriebszwischenfalls verhindern.
- Bisher existieren zwei Arten von Druckregelvorrichtungen.
- Bei der ersten Art umfasst die Vorrichtung eine permanente Verbindung des den Eingang und den Ausgang der Regelvorrichtung verbindenden Kanals mit der Umgebungsluft über ein kalibriertes Entlüftungsloch. Auch wenn diese Art von Vorrichtung die Speicherbehälter gut gegen innere Relativdruckschwankungen schützt, führt sie dennoch zu einem permanenten Verbrauch von ultrareinem Stickstoff, ob man nun Arbeitsflüssigkeit verteilt oder nicht; dies führt zu erheblichen Betriebskosten.
- Bei der zweiten Art umfasst die Druckregelvorrichtung ein Rückschlagventil, das mit einer Feder im Gleichgewicht ist, um den Kanal der Regelvorrichtung mit der Umgebungsluft zu verbinden. Eine derartige Vorrichtung weist zahlreiche Nachteile auf. Wegen der geringen Rückflüsse, die durch diese Ventile möglich sind, gewährleistet sie nämlich nicht die Sicherheit des Behälters zum einen bei einem eventuellen Unterdruck und zum anderen für den Fall eines erheblichen Überdrucks stromaufwärts von der Regelvorrichtung. Diese Art von Vorrichtung erfordert es zudem, regelmäßig die Einstellungen des Ventils und der Druckmindermittel zu überprüfen, die voneinander abhängen. Da schließlich bei diesen Regelvorrichtungen die Verwendung von Metallteilen vorgeschrieben ist, um die Reinheit der Inertgase zu bewahren, ist diese Art von Vorrichtung komplex und teuer herzustellen.
- Aufgabe der Erfindung ist es, diese Probleme zu lösen, indem eine einfache Druckregelvorrichtung mit reduzierten Herstellungs- und Betriebskosten bereitgestellt wird, die es erlaubt, die Sicherheit des Speicherbehälters bei der Verteilung von ultrareinen Arbeitsflüssigkeiten zu gewährleisten.
- Gegenstand der Erfindung ist hierzu ein System nach Anspruch 1 sowie eine Anlage zur Verteilung von Flüssigkeit nach Anspruch 9.
- Gemäß besonderen Ausführungsformen kann die Regelvorrichtung eines oder mehrere der folgenden Merkmale isoliert oder gemäß beliebigen technisch möglichen Kombinationen umfassen:
- – das erste Ventil umfasst einen ersten Verschluss, der zwischen einer unteren Verschlussposition und einer oberen Fließposition verschiebbar ist unter der Wirkung eines positiven Druckunterschieds P+ zwischen den auf Höhe eines Teils des Kanals und der Ablassöffnung herrschenden Drücken, wobei der Druckunterschied gegen die Wirkung des Eigengewichts des ersten Verschlusses wirkt, wobei der Verschluss eine kalibrierte Masse hat, um mit der Wirkung eines vorbestimmten Druckunterschieds P+c im Gleichgewicht zu sein;
- – der erste Verschluss sitzt auf einem Sitz, der im Wesentlichen horizontal sein soll;
- – die Ablassöffnung ist eine Öffnung zur Verbindung mit der Umgebungsluft des Drucks Pa und es gilt P+c = Ps – Pa;
- – das zweite Ventil umfasst einen zweiten
- Verschluss, der zwischen einer unteren Verschlussposition und einer oberen Fließposition verschiebbar ist unter der Wirkung eines negativen Druckunterschieds P– zwischen den auf Höhe eines Teils des Kanals und der Ablassöffnung herrschenden Drücken, wobei der Druckunterschied gegen die Wirkung des Eigengewichts des zweiten Verschlusses wirkt, wobei der Verschluss eine kalibrierte Masse hat, um mit der Wirkung eines vorbestimmten negativen Druckunterschieds P–c im Gleichgewicht zu sein;
- – der zweite Verschluss sitzt auf einem Sitz auf, der im Wesentlichen horizontal sein soll;
- – die Einlassöffnung ist eine Öffnung zur Verbindung mit der Umgebungsluft des Drucks Pa und es gilt P–c = Pi – Pa.
- Die Erfindung wird bei Studium der folgenden Beschreibung besser verstanden werden, die nur Beispiele betrifft und Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen nimmt:
-
1 ist eine schematische, teilweise angeschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anlage zur Verteilung von Arbeitsflüssigkeit, und - die
2 bis4 sind vergrößerte Seitenquerschnittsansichten der Druckregelvorrichtung der Anlage der1 , die die Betriebsweise dieser Regelvorrichtung unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen. -
1 gibt eine Anlage1 zur Verteilung einer ultrareinen Arbeitsflüssigkeit2 zu einer Verbrauchseinheit3 zum Beispiel einer industriellen, mikroelektronischen Produktionsstätte wieder. - Diese Anlage
1 umfasst im Wesentlichen einen Speicherbehälter4 für die Flüssigkeit2 , Mittel5 zur Verteilung der Flüssigkeit2 , ein System6 zur Versorgung des Behälters4 mit Inertgas und eine Quelle7 für ultrareines Stickstoffgas mit 10 Bar Absolutdruck. - Der Behälter
4 ist innerlich mit einer (nicht dargestellten) Lage PFA ausgekleidet, so dass der im Inneren dieses Behälters4 herrschende Relativdruck zwischen –20 mBar und +150 mBar liegen muss. - Die Verteilungsmittel
5 umfassen eine Leitung8 , die in die in dem Behälter4 enthaltene Flüssigkeit2 eintaucht und mit einer Pumpe9 versehen ist, die zwischen zwei manuellen Ventilen11 angeordnet ist. - Das System
6 zur Versorgung mit ultrareinem Stickstoff umfasst im Wesentlichen eine Druckregelvorrichtung12 , Mittel13 zum Anschluss eines Eingangs14 der Vorrichtung12 an die Quelle7 und eine Leitung15 zur Verbindung eines Ausgangs16 der Vorrichtung12 mit dem oberen Teil des Behälters4 . - Die Anschlussmittel
13 umfassen in Strömungsrichtung des Stickstoffs hintereinander ein Druckreduzierventil170 und ein Stopp- und Rückschlagventil17 . - Die Pumpe
9 ist so bemessen, dass sie die Bereitstellung eines geeigneten Höchstdurchflusses von Arbeitsflüssigkeit2 gewährleisten kann. - Das Druckreduzierventil
170 ist so bemessen und wird so eingestellt, dass es für die Entspannung des Stickstoffs aus der Quelle7 bis auf einen Solldruck Pc sorgt, der einem Relativdruck nahe 40 mBar entspricht, und dass es einen ausreichenden Stickstoffdurchfluss liefert, um den Durchfluss der Pumpe9 unabhängig von ihrer Drehzahl zu kompensieren. - Die Druckregelvorrichtung
12 umfasst (2 ) ein im Wesentlichen parallelepipedisches erstes äußeres Gehäuse18 , das so angeordnet ist, dass seine Unterseite19 und Oberseite20 im Wesentlichen horizontal sind. - Der Eingang
14 und der Ausgang16 der Vorrichtung12 sind kalibrierte Öffnungen, mit geeignetem Querschnitt, die jeweils gegenüber voneinander in unteren Teilen von gegenüberliegenden Seitenflächen22 und23 des Gehäuses18 angeordnet sind. - Die Vorrichtung
12 umfasst ebenso Wände, die im Inneren des Gehäuses18 angeordnet sind. Diese Wände bilden einerseits ein im Wesentlichen parallelepipedisches zweites Gehäuse24 , dessen eine Seitenfläche von einem Teil der Wand23 des ersten Gehäuses18 gebildet wird und dessen andere Flächen beabstandet und im Wesentlichen parallel zu den anderen Flächen des Gehäuses18 angeordnet sind. Die Wände bilden andererseits ein im Wesentlichen parallelepipedisches drittes Gehäuse25 , mit Abmessungen, die kleiner als das zweite Gehäuse24 sind. Die Unterseite dieses dritten Gehäuses wird von einem Teil der Oberseite26 des zweiten Gehäuses24 gebildet und seine anderen Seiten sind beabstandet und im Wesentlichen parallel zu den entsprechenden Seiten des ersten Gehäuses18 angeordnet. - Die Seitenfläche
23 des ersten Gehäuses18 ist ebenso in einem oberen Teil von einer kalibrierten Öffnung27 mit geeignetem Querschnitt durchbohrt, die es erlaubt, das Innere des zweiten Gehäuses24 mit der Umgebungsluft zu verbinden. - Die Unterseite
28 des zweiten Gehäuses24 wird von einer kalibrierten Öffnung29 durchbohrt, die das Innere des zweiten Gehäuses24 mit dem Rest des ersten Gehäuses18 verbindet. - Die Oberseite
26 des zweiten Gehäuses24 ist von einer kalibrierten Öffnung30 durchbohrt, die das Innere des dritten Gehäuses25 mit dem Inneren des zweiten Gehäuses24 verbindet. - Die Unterseiten
19 des Gehäuses18 und28 des Gehäuses24 begrenzen zwischen sich einen Kanal31 , der den Eingang14 mit dem Ausgang16 der Vorrichtung12 verbindet. - Seitenflächen des dritten Gehäuses
25 sind von Öffnungen32 durchbohrt, die das Innere des dritten Gehäuses25 und damit das Innere des zweiten Gehäuses24 über die Öffnung30 mit dem Rest des Inneren des ersten Gehäuses18 verbinden. - Die drei Gehäuse
18 ,24 und25 begrenzen einerseits einen ersten Durchgang34 , der die Öffnung27 mit dem Kanal31 über die Öffnung29 verbindet, und andererseits einen zweiten Durchgang35 , der teilweise zwischen der Seitenfläche22 des zweiten Gehäuses24 und der angrenzenden Seitenfläche des ersten Gehäuses18 begrenzt ist und die Öffnung30 mit dem Kanal31 über die Öffnungen32 verbindet, die in den Seitenflächen des dritten Gehäuses25 gebohrt sind. - Der erste Durchgang
34 ist mit einem Rückschlagventil36 versehen, das heißt mit einem im Wesentlichen senkrecht zum Sitz beweglichen Verschluss. Der Sitz besteht aus der Unterseite28 des zweiten Gehäuses24 und der Verschluss, das heißt das Ventil, ist ein im Wesentlichen parallelepipedischer Klotz37 , der in dem Gehäuse24 beweglich ist. Dieser Klotz37 hat eine kalibrierte Masse und sitzt auf der Fläche28 auf. - Die Masse des Klotz
37 ist so kalibriert, dass ein Gleichgewicht mit der Wirkung eines Relativdruck P+c von etwa 40 mBar auf diesen letzteren besteht (entsprechend einem absoluten Höchstdruck Ps), der auf Höhe der Öffnung29 des Kanals31 herrscht. - Der Klotz
37 wird durch die Seitenwände des Gehäuses24 geführt und kann sich vertikal zwischen einer unteren Position mit einem Verschluss der Öffnung29 (2 ), in der der Klotz37 auf der Fläche28 aufliegt, und einer oberen Position mit einer Strömung durch die Öffnung29 (3 ) verschieben, in der der Klotz37 relativ zu der Fläche28 angehoben ist. - Der zweite Durchgang
35 ist mit einem Ansaugventil39 versehen, dessen Sitz aus einem Teil der Oberseite26 des zweiten Gehäuses24 besteht und dessen Verschluss, das heißt das Ventil, eine im Wesentlichen rechtwinklige Platte41 ist, die in dem dritten Gehäuse25 beweglich ist. Diese Platte41 hat eine kalibrierte Masse und sitzt auf der Fläche26 . - Die Masse der Platte
41 ist so kalibriert, dass ein Gleichgewicht mit der Wirkung eines Relativdruck P–c von etwa –5 mBar auf letztere besteht (entsprechend einem absoluten Mindestdruck Pi), der auf Höhe eines Teils des Kanals31 herrscht. - Diese Platte
41 wird durch die Seitenwände des Gehäuses25 geführt und kann sich vertikal zwischen einer unteren Position mit einem Verschluss der Öffnung30 (2 ), in der die Platte41 auf der Fläche26 aufliegt, und einer oberen Position mit einer Strömung durch die Öffnung30 verschieben, in der die Platte41 relativ zu der Fläche26 des zweiten Gehäuses24 angehoben ist (4 ). - Die Druckregelvorrichtung
12 ist aus Kunststoff wie beispielsweise Polypropylen und/oder Polyethylen hergestellt. - Die Verteilungsmittel
5 erlauben es, Flüssigkeit2 aus dem Behälter4 zu pumpen, um sie an eine Verbrauchsanlage3 zu verteilen. Das Versorgungssystem6 erlaubt es, ultrareinen Stickstoff zum Behälter4 zu liefern, um das in diesem letzteren bei der Abgabe der Flüssigkeit2 erzeugte Vakuum aufzufüllen. -
2 veranschaulicht die Betriebsweise der Druckregelvorrichtung12 , wenn der auf Höhe des Eingangs14 , und des Ausgangs16 und damit in dem Behälter4 herrschende Relativdruck zwischen P–c und P+c liegt. - Die Verschlüsse
37 und41 sind in der Verschlussposition und gewährleisten so eine quasi perfekte Abdichtung zwischen dem Eingang14 und dem Ausgang16 . Nur ein durch den Pfeil43 skizzierter Stickstoffleckstrom strömt durch die Öffnung29 zwischen den Wänden des Gehäuses24 und dem Klotz27 und erlaubt es so, eventuelle Rückströmungen von Dämpfen der Flüssigkeit2 zu den Druckmindermitteln170 zu verhindern, wenn die Pumpe9 nicht arbeitet. -
3 veranschaulicht die Betriebsweise der Vorrichtung12 , wenn der auf Höhe des Eingangs14 herrschende Druck größer als P+c ist, zum Beispiel im Falle eines Funktionsdefekts der Druckmindermittel170 . - Der Verschluss
37 ist dann in der angehobenen Fließposition und der Verschluss41 ist in der Verschlussposition. Der Überdruck relativ zu P+c am Eingang14 der Vorrichtung12 wird dann über die erste Leitung34 zur Umgebungsluft abgeleitet, wie durch den Pfeil44 skizziert ist. Der auf Höhe des Ausgangs16 und daher im Inneren des Behälters4 herrschende Druck wird auf diese Weise selbst für den Fall unterhalb seines zulässigen Höchstwerts gehalten, dass der auf Höhe des Eingangs14 herrschende Absolutdruck mittels der Stauung durch die Öffnung27 hindurch 10 Bar beträgt. -
4 veranschaulicht die Betriebweise der Vorrichtung12 , wenn der in einem Teil des Kanals31 herrschende Relativdruck kleiner als P–c ist, wenn zum Beispiel der durch die Vorrichtung12 gelieferte Stickstoffdurchsatz nicht ausreicht, um den Flüssigkeitsentnahmestrom4 zu kompensieren. Der Verschluss37 ist dann in der Verschlussposition und der Verschluss41 ist dann in der angehobenen Fließposition. Luft wird dann aus Umgebungsluft zum Ausgang16 und damit zum Behälter4 über den zweiten Durchgang35 angesaugt, wie durch den Pfeil45 skizziert ist. Der Druck im Inneren des Behälters4 bleibt damit größer als sein zulässiger Mindestwert, selbst bei einem Druck von Null auf Höhe des Eingangs14 . Die Flüssigkeit2 wird dann verschmutzt, aber die Unversehrtheit des Behälters bewahrt. - Die erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung
12 erlaubt es daher, mit hoher Sicherheit für die Inertgasversorgung eines Speicherbehälters4 einer Anlage1 zur Versorgung mit Arbeitsflüssigkeit zu sorgen. Der Stickstoffverbrauch oder allgemeiner der Inertgasverbrauch ist praktisch minimal und wird automatisch an die Drehzahl der Pumpe9 . - Der besonders einfache Aufbau dieser Vorrichtung erlaubt es zudem, sie ganz aus Materialien herzustellen, die geeignet sind, um die Bewahrung der Reinheit des verwendeten Inertgases und der abgegebenen Arbeitsflüssigkeiten zu gewährleisten.
- Diese Vorrichtung ist schließlich frei von Regelorganen, wodurch ihre Verwendung vereinfacht wird, und die begrenzte Zahl von beweglichen Teilen, verleiht ihr eine verschwindend geringe zeitliche Abnutzung.
Claims (9)
- Gasversorungssystem (
6 ) mit einem Behälter (4 ), der eine für die Mikroelektronik bestimmte, chemische Flüssigkeit enthält, mit einer Vorrichtung (12 ) zur Druckregelung, Mitteln (13 ) zum Anschluss eines Eingangs (14 ) der Vorrichtung an eine Quelle (7 ) für das Druckgas und eine Leitung (15 ) zur Verbindung eines Ausgangs (16 ) der Vorrichtung (12 ) mit dem Behälter (4 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelvorrichtung (12 ), deren Eingang (14 ) an die Quelle (7 ) des Druckgases angeschlossen ist und deren Ausgang (16 ) durch einen Kanal (31 ) an den Eingang (14 ) angeschlossen ist und mit dem Behälter (4 ) in verbunden ist, folgendes umfasst: ein erstes Ventil (36 ) zur Begrenzung des Drucks am Ausgang (16 ) auf einen vorbestimmten Höchstwert Ps, wobei das Ventil (36 ) eine Rückstromsperre ist, die in einem ersten Durchgang (34 ) angeordnet ist, der den Kanal (31 ) mit einer Öffnung (27 ) zum Ablass eines Inertgases in die Umgebungsluft verbindet, ein zweites Ventil (39 ), um den Druck am Ausgang (16 ) über einem vorbestimmten Mindestwert Pi zu halten, wobei das Ventil (39 ) ein Ansaugventil ist, das in einem zweiten Durchgang (35 ) angeordnet ist, der den Kanal (31 ) mit einer Öffnung (27 ) zum Einlass von Fluid aus der Umgebungsluft in diesen Kanal verbindet. - System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (
36 ) einen ersten Verschluss (37 ) umfasst, der zwischen einer unteren Verschlussposition und einer oberen Fließposition verschiebbar ist unter der Wirkung eines positiven Druckunterschieds P+ zwischen den auf Höhe eines Teils des Kanals (31 ) und der Ablassöffnung (27 ) herrschenden Drücken, wobei der Druckunterschied gegen die Wirkung des Eigengewichts des ersten Verschlusses (37 ) wirkt, wobei der Verschluss (37 ) eine kalibrierte Masse hat, um mit der Wirkung eines vorbestimmten Druckunterschieds P+c im Gleichgewicht zu sein. - System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verschluss (
37 ) auf einem Sitz (28 ) aufsitzt, der im Wesentlichen horizontal sein soll. - System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablassöffnung (
27 ) eine Öffnung zur Verbindung mit der Umgebungsluft des Drucks Pa ist und dass P+c = Ps – Pa. - System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Ventil (
39 ) einen zweiten Verschluss (41 ) umfasst, der zwischen einer unteren Verschlussposition und einer oberen Fließposition verschiebbar ist unter der Wirkung eines negativen Druckunterschieds P– zwischen den auf Höhe eines Teils des Kanals (31 ) und der Ablassöffnung (27 ) herrschenden Drücken, wobei der Druckunterschied gegen die Wirkung des Eigengewichts des zweiten Verschlusses (41 ) wirkt, wobei der Verschluss (41 ) eine kalibrierte Masse hat, um mit der Wirkung eines vorbestimmten negativen Druckunterschieds P–c im Gleichgewicht zu sein. - System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verschluss (
41 ) auf einem Sitz (26 ) aufsitzt, der im Wesentlichen horizontal sein soll. - System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (
27 ) eine Öffnung zur Verbindung mit der Umgebungsluft des Drucks Pa ist und dass P–c = Pi – Pa - System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussmittel (
13 ) Mittel (170 ) zum Entspannen des Inertgases auf einen Solldruck Pc umfassen, der zwischen Pi und Ps und vorzugsweise nahe Ps liegt. - Anlage (
1 ) zur Verteilung einer Arbeitsflüssigkeit (2 ) mit einem Behälter (4 ) zur Speicherung der Arbeitsflüssigkeit, Mitteln (5 ) zur Verteilung der Arbeitsflüssigkeit, die an den Behälter (4 ) angeschlossen sind, einem System (6 ) zur Gasversorgung des Behälters (4 ) insbesondere mit Inertgas und einer Quelle (7 ) für das Druckgas, wobei das Versorgungsystem (6 ) an die Quelle (7 ) und den Behälter (4 ) angeschlossen ist, um diesen letzteren infolge des Abziehens der Flüssigkeit (2 ) mit einem Vakuum anzufüllen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasversorgungssystem (6 ) ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.
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