Gasdurchfluss- und Druckregelung bei der Dünnschichtabscheidung
Gaszufuhr bei einer Dünnschichtabscheidungsanlage
Jede Abscheidungsanlage lässt mindestens zwei Gasflaschen gleichzeitig laufen. Ein inertes Arbeits- oder Trägergas – fast immer Argon und manchmal Helium – hält das Plasma oder den Sputterprozess aufrecht. Ein oder mehrere reaktive Gase – Sauerstoff für Oxide, Stickstoff für Nitride, ein Kohlenwasserstoff für Kohlenstoff- und diamantähnliche Schichten sowie Silan und Ammoniak für plasmaunterstützte Dielektrika – reagieren am Substrat und bestimmen die Zusammensetzung und die Abscheidungsrate der Schicht. Die reaktive Gasleitung ist entscheidend für die Beschichtung und wird mit geringem Durchfluss betrieben, da der Prozess in diesem Bereich am empfindlichsten ist.
Die reaktive Leitung wird stromaufwärts, an ihrem eigenen Durchflussregler, gemessen und eingestellt, bevor das Gas die Kammer erreicht. Was das Kammermanometer nicht leisten kann, ist, dies zu bestätigen. Eine Abscheidungskammer befindet sich in einem stationären Zustand, der durch den gesamten zugeführten Gasdurchsatz und die effektive Pumpgeschwindigkeit der Pumpen bestimmt wird, und das Messgerät zeigt lediglich das Ergebnis an: einen Gesamtdruck, bei dem Argon, Sauerstoff, Stickstoff und etwaige Kohlenwasserstoffe zu einem einzigen Wert summiert werden. Dieser einzelne Messwert lässt sich nicht rückwärts in die einzelnen Partialdrücke umrechnen, sodass die Zusammensetzung allein von der stromaufgelegenen Durchflussregelung abhängt. Wenn diese Leitung falsch eingestellt ist, löst im Gerät kein Alarm aus: Die Schichten entsprechen nicht den Spezifikationen, der Durchlauf wird verworfen, und das erste, wo dies auffällt, ist die Messtechnik.
Herausforderung
Messung an der reaktiven Leitung, wo der Prozess am empfindlichsten ist
Die Reaktionsleitung ist aus zwei Gründen schwierig. Ein Teil des Reaktionsgases wird am Target und an den Kammerwänden verbraucht, anstatt abgepumpt zu werden, sodass sein Partialdruck kein fester Anteil seines Durchflusses ist und sich im Laufe eines Versuchszyklus mit der Abtragung des Targets verändert. Zudem wird mit demselben Gerät in der einen Woche Argon, in der nächsten Sauerstoff und Stickstoff und danach ein Kohlenwasserstoff oder ein Hydrid verarbeitet – manchmal sogar auf derselben Leitung. Die dosierte Zufuhr pro Leitung sorgt dafür, dass beides überschaubar bleibt, und deshalb ist das Gaspanel das am häufigsten kopierte Teilsystem an einer Abscheidungsanlage: Ein OEM baut viele identische Anlagen, und eine Fabrik oder ein Labor führt viele Rezepturen auf einer einzigen durch.
Die inerte Arbeitsleitung ist vergleichsweise unempfindlich. Sie führt den höheren Durchfluss, der das Plasma aufrechterhält, und schon eine Abweichung von wenigen Prozent dort verändert den Gesamtdruck, den das Manometer bereits misst. In der reaktiven Leitung verbergen sich kleine Fehler, da sie nur einen geringen Anteil am Gesamtdurchfluss ausmacht.
Was ein Reaktivströmungsfehler auf der Übergangskurve kostet
Das reaktive Sputtern reagiert nicht linear auf den Durchfluss des reaktiven Gases. Unterhalb eines kritischen Durchflusses bleibt die Targetoberfläche metallisch und sputtert schnell, und das frisch abgeschiedene Metall verbraucht das reaktive Gas fast genauso schnell, wie es zugeführt wird, sodass der Verbrauch in etwa proportional zum Durchfluss ansteigt. Wird dieser Durchfluss überschritten, beginnt das reaktive Gas mit der Targetoberfläche selbst zu reagieren und überzieht sie mit einer Verbindung. Diese Verbindungsschicht sputtert weitaus langsamer als blankes Metall, sodass die Abscheidungsrate sinkt und weniger frisches Metall abgetragen wird, um das reaktive Gas zu verbrauchen. Das nun unverbrauchte Gas erhöht seinen eigenen Partialdruck, wodurch noch mehr vom Target vergiftet wird: Der Prozess verstärkt sich selbst und treibt das Target schließlich in einen vergifteten Zustand mit niedriger Abscheidungsrate. Dieses Zweizustandsverhalten ist die klassische Hysterese beim reaktiven Sputtern: ein Metallzweig und ein vergifteter Zweig mit einem instabilen Bereich dazwischen, wobei die höchste Abscheidungsrate genau an der steilen Kante des Übergangs liegt. Der kritische Durchfluss, der den Übergang markiert, liegt niedrig. In einer aktuellen Studie zu einem komplexen Nitrid-Target lag er bei etwa 4 SCCM (Lofaj et al., 2026).
Nehmen wir einen reaktiven Sollwert nahe diesem Wert an, wobei Argon den zehnfachen Durchsatz aufweist. Ein Fehler von 10 Prozent auf der reaktiven Leitung entspricht 0,4 SCCM. Bei einem Gesamtdurchfluss von 44 SCCM entspricht dies einer Durchflussänderung von 0,9 Prozent: eine Verschiebung des Gesamtdrucks im Subprozentbereich, die ein Kammermanometer zwar erfassen, aber nicht zuordnen kann. Der Messwert driftet von selbst um denselben Betrag ab – aufgrund von Pump- und Wandeffekten, die nichts mit der reaktiven Leitung zu tun haben –, und da es sich um einen über alle Spezies summierten Wert handelt, lässt sich nicht sagen, welche Leitung sich verändert hat. Bezogen auf den reaktiven Anteil ist dies eine Verschiebung von 9,1 auf 9,9 Prozent, also ein Zehntel, und im steilen Abschnitt der Übergangskurve entspricht dies dem Unterschied zwischen einer metallischen und einer verbundenen Targetoberfläche, wobei die Substrate mit falscher Stöchiometrie und Rate abgetragen werden.
Berechnen Sie die kammereigene Zeitkonstante, bevor Sie den Durchflussregler festlegen. Die Gasaustausch-Zeitkonstante der Kammer beträgt τ = V/S, also ihr Volumen geteilt durch die Pumpleistung. Untersuchungen zum reaktiven Sputtern haben ergeben, dass für einen stabilen Einzweigbetrieb ein Verhältnis von Pumpleistung zu Volumen erforderlich ist, das deutlich über etwa 4 s liegt.−1, was einer Kammerzeitkonstante von knapp unter einer Viertelsekunde entspricht, und dass eine Erhöhung der Pumpgeschwindigkeit den Prozess stabilisiert, wobei der Gasverbrauch entsprechend ansteigt. Liegt τ beim Betriebsdruck nicht deutlich innerhalb dieser Viertelsekunde, bestimmt die Pumpe das Tempo, und selbst ein schneller reagierender Durchflussregler kann die Kammer nicht schneller ins Gleichgewicht bringen.
Optionen
Die Gaspositionen auf einer Abscheidungsplatte
Die derzeit bei Abscheidungsanlagen verwendeten Systeme unterscheiden sich hauptsächlich darin, worauf die Regelung ausgerichtet ist. Ein reaktives Gas kann auf einem festen Durchflusssollwert gehalten werden, oder dieser Sollwert kann kontinuierlich anhand einer Echtzeitmessung der reaktiven Spezies durch optische Emissionsüberwachung, einen Restgasanalysator oder ein Differenzmanometer nachgeregelt werden. Jede dieser Messungen bringt eine eigene Drift und einen eigenen Kalibrierungsaufwand mit sich, und keine von ihnen liefert Gas: Jede passt lediglich den Sollwert des Durchflussreglers an, der dies tut. Ein Drosselventil am Pumpanschluss hingegen stellt den Gesamtdruck ein, ohne die Zusammensetzung zu beeinflussen. Die Durchflussregelung pro Leitung steht somit unterhalb der anderen Anordnungen und nicht neben ihnen: Sie ist das Gerät, das diese letztendlich steuern, und das einzige, das in allen Anordnungen vorhanden ist.
| Position auf dem Werkzeug | Was darin Platz finden muss | Was es zu berichten gibt | Was ist in der Regel ausschlaggebend für die Wahl? |
|---|---|---|---|
| Inertbetrieb / Förderlinie | Ein gleichmäßiger, höherer Argon- oder Heliumstrom, der das Plasma aufrechterhält oder den Sputterprozess antreibt. | Durchfluss und der Druck, gegen den er wirkt. | Umfassendes Sortiment und eine passgenaue Einbau-Lösung für die bereits vorhandene Blende. |
| Leitung für reaktive Gase | Ein geringer, reproduzierbarer Durchfluss, der die Zusammensetzung und die Geschwindigkeit der Schichtbildung bestimmt, oft im einstelligen Bereich bis zu wenigen Hundert SCCM. | Durchfluss, Absolutdruck und Gastemperatur. | Wiederholgenauigkeit bei niedrigem Durchfluss und sauberes Einpendeln im steilen Abschnitt der Übergangskurve. |
| Kammerdruck | Der Absolutdruck in der Kammer während der Abscheidung, im einstelligen Bereich von mTorr bis mbar, gemessen gegen die Pumpe. | Absolutdruck, bezogen auf das Vakuum. | Ob der Druck hoch genug für einen Gegendruckregler oder niedrig genug ist, um ein Vakuumdrosselventil zu benötigen, sowie das Sensorband. |
| Gasverbrauch | Nichts. Diese Position dient eher der Messung als der Steuerung. | Die Masse oder das Volumen, das eine Versorgungsleitung tatsächlich aufnimmt, summiert. | Messbereich und wie die laufende Summe angezeigt wird. |
Mehrere Geräteklassen erfüllen diese Anforderungen kompetent. Ein Dosierventil an einer geregelten Versorgung reicht für ein einzelnes, konstantes Gas aus; ein thermischer Massendurchflussregler hält diese Durchflüsse gut ein, und bei Inertgasen entspricht die Genauigkeit dieser Geräte den hier verfügbaren Alternativen; ein Druck, der stromaufwärts einer charakterisierten Blende aufrechterhalten wird, ist schnell und bewährt, wenn sich das Gas nie ändert. Was sie bei der Einbindung in das System unterscheidet, ist nicht, welches Gerät besser regelt, sondern ob sich das Gerät in die bereits gebaute Schalttafel einfügen lässt, wie viel von den erforderlichen Messwerten ein einzelnes Gerät abdeckt und wie viele Artikelnummern das Gerät infolgedessen umfasst.
Auswahl
Gelieferte Masse pro Leitung auf einem Messregler halten
Die Fehlerursache war ein Fehler im reaktiven Durchfluss, der sich hinter dem Gesamtdruckwert verbarg. Durch die Regelung anhand der zugeführten Masse pro Leitung wird dieses Versteck beseitigt: Die Größe, die die Zusammensetzung bestimmt, wird zur gemessenen und geregelten Größe, und das Messgerät zeigt wieder den Gesamtdruck an – was es ja gut kann. Ein Abfall des Versorgungsdrucks beim Entleeren einer Flasche, eine teilweise verengte Leitung oder ein Regler, der zwischen den Betriebszyklen nachläuft, sind keine Zusammensetzungsfehler mehr, sondern Störungen, die durch die Durchflussregelung korrigiert werden.
Die Reaktionszeit verhält sich analog. Der Durchflussregler ist ein Term innerhalb der kammerinternen Zeitkonstante, und bei einer Kammer, die stark genug gepumpt wird, um stabil zu laufen, ist dieser Term gering. Deshalb ist eine Regelung, die auf ein sauberes Einpendeln abgestimmt ist, in einer reaktiven Anlage wertvoller als eine schnellere Reaktion, bei der Schwingungen auftreten und das Target über den Übergang hinausgetragen wird. Die Anordnung ist bei einer Magnetron-Sputteranlage, einem plasmaunterstützten CVD-Reaktor und einem Verdampfer mit reaktiver Nachfüllung identisch: geregelte Zufuhr, ein Durchflussregler pro Spezies, eine kurze Leitung zum Kammereingang, ein Manometer stromabwärts. Nur die Quelle und die nachgeschaltete Hardware ändern sich.
Ein Gas, keine reaktive Chemie, keine Reproduktion außerhalb des Werkzeugs. Hierbei handelt es sich um nichtreaktives Sputtern: Ein Metall oder eine Legierung wird direkt vom Target in reinem Argon abgeschieden, wie beispielsweise bei der Metallisierung, bei Keim- und Haftschichten oder bei Metallspiegelbeschichtungen, bei denen der Film vom Target stammt und Argon lediglich zur Aufrechterhaltung des Plasmas dient. Bei einem einzigen Gas muss kein Mischungsverhältnis eingehalten werden, daher reicht ein manuelles Dosierventil aus, das so eingestellt wird, dass das Kammermanometer den Arbeitsdruck anzeigt – und das ist kostengünstiger: Niemand benötigt den Durchfluss in SCCM. Dies trifft jedoch nicht mehr zu, sobald ein zweites Gas zur Aufrechterhaltung des Verhältnisses, ein reaktiver Übergang oder ein Rezept, das zwischen Schichten, Werkzeugen oder Standorten angepasst werden muss, ins Spiel kommt – denn dann muss die Einstellung ein Wert sein, den jeder übertragen kann, und die Ventilstellung ist kein solcher Wert.
Der Prozess muss bei maximaler Abscheidungsrate innerhalb des instabilen Übergangs liegen. Sie messen zwar weiterhin jede Leitung, aber ein fester Durchflusssollwert kann ein Werkzeug dort nicht halten: Die Durchflusshaltung parkt das Ziel konstruktionsbedingt auf einem stabilen Zweig, und der Punkt mit der höchsten Durchflussrate liegt auf dem instabilen Abschnitt zwischen den Zweigen. Um dort zu bleiben, muss der Sollwert durch eine Echtzeitmessung der reaktiven Spezies gesteuert werden – sei es durch optische Emissionsüberwachung, einen Restgasanalysator oder ein Differenzmanometer –, und der Durchflussregler wird zum Stellglied, das auf Messwerte reagiert, anstatt ein Wert zu sein, den man einstellt und dann beibehält. Ein schnellerer Durchflussregler allein hilft nicht weiter, da die Instabilität in der Chemie des Targets und der Wand begründet liegt und nicht in der Gaszufuhr.
| Fähigkeiten auf Familienebene | Welche Funktion hat sie in einer Abscheidungsgasleitung? |
|---|---|
| ±(0,11 TP4T des Messwerts + 0,021 TP4T des Skalenendwerts) Durchflusswiederholgenauigkeit, 2σ, in den mittleren Durchflussbereichen, für die eine reaktive Leitung ausgelegt ist; ±(0,21 TP4T des Messwerts + 0,021 TP4T des Skalenendwerts) in den niedrigen und hohen Durchflussbereichen | Die Wiederholbarkeit – und nicht die Genauigkeit der Sollwerte – entscheidet darüber, ob ein Sollwert im steilen Abschnitt der Übergangskurve auch nächste Woche denselben Film aufträgt. |
| Regelreaktion bereits ab 30 ms und einstellbar | Ein kleiner Term innerhalb des kammerinternen Zeitkonstantenbudgets, der so einstellbar ist, dass er sich einpendelt, anstatt den Sollwert während des Übergangs zu überschreiten. |
| Regelbereich im stationären Betrieb von 0,01 bis 1001 TP4T des Skalenendwerts (Regelbereich 10.000:1) | Großer Sollwertbereich an jedem einzelnen Gerät für die Rezepturentwicklung. In Verbindung mit einer gemeinsamen Gasbibliothek und einer einheitlichen Bauform sorgt das Bedienfeld für eine Vereinheitlichung auf eine einzige Gerätefamilie, anstatt pro Produktionslinie unterschiedliche Hersteller zu verwenden. |
| 98 bis 130 vorinstallierte Gaskalibrierungen, jeweils ein Modell der Eigenschaften eines realen Gases | Eine Plattform für Argon, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenwasserstoffe und Hydride sowie eine Leitung, die vor Ort durch direkte Auswahl umfunktioniert wurde. |
| Massenstrom, Volumenstrom, Absolutdruck und Gastemperatur werden gemeinsam angegeben | Ein durchhängender Regler oder eine teilweise verengte Leitung wird direkt am Durchflussregler selbst diagnostiziert, ohne dass zusätzliche Messgeräte an einer Schalttafel angebracht werden müssen, an der kein Platz mehr vorhanden ist. |
| Prozessanschlüsse, elektrische Steckverbinder und Pinbelegungen werden auf Bestellung gefertigt | Die entscheidende Einschränkung bei einer Nachrüstung oder einem Neuaufbau: Die Platine verfügt bereits über eine Einbaufläche, eine Passform, einen Steckverbinder und eine Pinbelegung, und ein passendes Gerät lässt sich ohne Neuverkabelung einbauen. |
| Genauigkeit von ±0,61 TP4T des Messwerts oder ±0,11 TP4T des Skalenendwerts, je nachdem, welcher Wert größer ist, in den mittleren Durchflussbereichen, mit einer Option für hohe Genauigkeit von ±0,51 TP4T des Messwerts | Legt die absolute Übereinstimmung zwischen zwei Werkzeugen fest, die ein Rezept ausführen. |
Massendurchflussregler der MC-Serie
Inerte und reaktive Prozesslinien an Abscheidungsanlagen
Die Produktfamilie der laminaren Differenzdruckregler von Alicat für Gase. Bei Abscheidungs- und Beschichtungsanlagen werden damit die Argon- oder Helium-Arbeitsleitung sowie die reaktive Leitung für Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenwasserstoffe oder Hydride über den gesamten von diesen Leitungen eingenommenen Bereich geführt: von einstelligen SCCM-Werten bei einer reaktiven Dosis bis hin zu niedrigen SLPM-Werten bei einem Trägergas.
- Durchflusswiederholgenauigkeit von ±(0,11 TP4T des Messwerts + 0,021 TP4T des Skalenendwerts), 2σ, im mittleren Durchflussbereich; ±(0,21 TP4T des Messwerts + 0,021 TP4T des Skalenendwerts) im niedrigen und hohen Durchflussbereich
- Regelreaktion bereits ab 30 ms, einstellbar, um ohne Überschwingen einzuschwingen
- Regelbereich im stationären Betrieb von 0,01 bis 1001 TP4T des Skalenendwerts, ein Regelbereich von 10.000:1
- 98 bis 130 vorinstallierte Gaskalibrierungen, jeweils ein Echtgasmodell, vor Ort auswählbar
- Typische Aufwärmzeit unter einer Sekunde
- Massenstrom, Volumenstrom, Absolutdruck und Gastemperatur werden gemeinsam angezeigt und ausgewertet
- Prozessanschluss, elektrischer Steckverbinder und Pinbelegung werden auf Bestellung passend zur vorhandenen Schalttafel gefertigt
- Genauigkeit von ±0,61 TP4T des Messwerts oder ±0,11 TP4T des Skalenendwerts (je nachdem, welcher Wert größer ist) in den mittleren Durchflussbereichen, mit einer Option für hohe Genauigkeit von ±0,51 TP4T des Messwerts
- NIST-rückführbares Kalibrierzertifikat für jedes Gerät
Druckregler der PC-Serie
Kammerdruck, der als Gegendruckregler dient
Was den Kammerdruck betrifft, so hält ein Abscheidungslauf den Druck gegen die Pumpe aufrecht – und zwar bei Drücken, die ein Proportionalventil bewältigen kann: dies gilt für viele CVD-Prozesse, die Diamantzüchtung und das reaktive Backfill. Die PC-Serie ist zwischen der Kammer und der Pumpe angeordnet und hält die Kammer auf dem Sollwert, indem sie den Durchfluss zur Pumpe in Abhängigkeit vom Vakuum moduliert, während die Prozessgase weiterhin über ihre eigenen Durchflussregler gesteuert werden. Die Regelung erfolgt über einen eigenen Sensor oder über das kapazitive Manometer bzw. die Ionenmessvorrichtung, mit denen die Kammer bereits ausgestattet ist. Bei den einstelligen mTorr-Werten des Magnetron-Sputterens übersteigt der Durchfluss zur Pumpe die Durchlasskapazität eines Proportionalventils, sodass dort stattdessen ein Vakuum-Drosselventil mit großer Durchlassfläche den Druck aufrechterhält.
- Hält als Gegendruckregler den Kammerdruck zwischen Kammer und Pumpe auf einem auf das Vakuum bezogenen Wert, während die Prozessgase weiterhin über ihre eigenen Durchflussregler gesteuert werden
- Geeignet für die höheren Drücke, die bei vielen CVD-Prozessen, beim Diamantwachstum und beim reaktiven Backfill auftreten, bei denen ein Proportionalventil groß genug ist, um diesen Durchfluss zu bewältigen
- Steuerung über den eigenen internen Sensor oder über das bereits eingebaute Kapazitätsmanometer bzw. die Ionenmessvorrichtung (Variante mit externem Sensor)
- Variante mit integriertem Vakuumsensor für Kammern innerhalb des veröffentlichten Bereichs oder ein Doppelsensor-Paket, bei dem dasselbe Gerät auch den Abpumpvorgang abdeckt
- Absolutdruck, bezogen auf Vakuum und am Werkzeug angezeigt
- NIST-rückführbares Kalibrierzertifikat für jedes Gerät
Verwandte Familien für den übrigen Teil eines Gasabscheidungssystems: die Vakuumregler der MCV- und SFF-Serie wenn das Panel eine Isolierung am Durchflussregler oder eine mechanische Einbaugröße nach SEMI-Standard wünscht; korrosionsbeständige Ausführungen der medienberührten Teile für Oxidationsmittel, Silan, Acetylen oder halogenhaltige Ätz- und Reinigungschemikalien; Regler mit integriertem Vakuumsensor für den Kammerdruck im Vakuumbereich; Massendurchflussmesser der M-Serie zur Erfassung des Stromverbrauchs; und Coriolis-Regler der CODA-Serie für einen flüssigen CVD-Vorläufer, der nach tatsächlicher Masse in einen Verdampfer dosiert wird. Sprechen Sie mit einem Ingenieur um die Passform zu überprüfen und eine Konfiguration auszuwählen.
Konfigurieren Sie die passenden Messgeräte für Ihre Beschichtungsgas-Anlage.
Senden Sie uns die Gasliste und den Sollwert für jede Leitung, den Versorgungsdruck am Schaltschrank, den Druck, den die Kammer während des Betriebs hält, sowie ein Foto oder eine Zeichnung des bereits verwendeten Steckers und der Pinbelegung. Sie erhalten daraufhin eine Empfehlung bezüglich der Produktfamilie und der Baureihe für jede Leitung, Angaben zu den medienberührten Werkstoffen der vorgeschlagenen Konstruktion sowie eine Lieferzeit.
Ergebnisse
Welche Änderungen gibt es bei der Abrechnung pro Zeile?
Durch die Messung jeder einzelnen Leitung ändert sich, was das Gerät erfassen kann. Die Menge, die die Zusammensetzung bestimmt, wird nun gemessen und gehalten, sodass eine spätere Abweichung zugeordnet werden kann: Die vom Durchflussregler selbst angezeigten Werte für Massendurchfluss, Absolutdruck und Gastemperatur geben Aufschluss darüber, ob sich die Zufuhr verändert hat, während der Durchfluss konstant blieb, oder ob sich der Durchfluss verändert hat, während die Zufuhr konstant blieb. Ein Anlagenproblem und ein Messgeräteproblem werden im Protokoll unterschiedlich dargestellt, und die Diagnose beginnt nicht mehr damit, den Sollwert anzupassen.
Außerdem ändert sich dadurch die Funktionsweise des Panels. Eine Instrumentenfamilie mit integrierter Gasbibliothek und einem breiten Regelbereich pro Einheit deckt alle Gaspositionen ab: Eine einzelne Leitung wird durch Neuauswahl von Argon auf Sauerstoff, Stickstoff oder einen Kohlenwasserstoff umgestellt, und jede Leitung ist auf ihren eigenen Durchfluss ausgelegt, anstatt in einen gemeinsamen Bereich gezwängt zu werden. So werden Argon-, Sauerstoff-, Stickstoff- und Kohlenwasserstoff-Leitungen auf einer einzigen Plattform und einer einheitlichen Baugröße standardisiert, anstatt vier voneinander unabhängige Instrumente zu verwenden. Und da jede Einheit hinsichtlich Baugröße, Einbauform, Steckverbinder und Pinbelegung an die bereits vom Gerät verwendeten Spezifikationen angepasst ist, lässt sich dieselbe Bauweise ohne Neukonstruktion auf alle Geräte eines OEM sowie auf die Wartungsarbeiten einer Servicegruppe anwenden.
Erzielter Mehrwert
- Die reaktive Linie, die durch die Wiederholbarkeit bestimmt wird – Ein Wiederholbarkeitsfaktor von ±(0,11 TP4T des Messwerts + 0,021 TP4T des Skalenendwerts) sorgt dafür, dass derselbe Film von Durchlauf zu Durchlauf im steilen Abschnitt der Übergangskurve aufgebracht wird.
- Passt nahtlos in die bereits vorhandene Verkleidung – Anschluss, Stecker und Pinbelegung sind an die vorhandene Einbaugröße des Werkzeugs angepasst, sodass ein neues Modell oder ein Ersatzteil ohne Neuverkabelung eingebaut werden kann.
- Eine Mehrgas-Plattform über das gesamte Bedienfeld hinweg – 98 bis 130 integrierte Gaskalibrierungen für Argon, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenwasserstoffe und Hydride in einer Gerätefamilie, die vor Ort umkonfigurierbar sind.
- Ein komplettes Gassystem aus einer Hand – Regelung des Zulaufdurchflusses, Regelung des Kammerdrucks und Messung des Leitungsverbrauchs aus einer einzigen Gerätefamilie.
- Auf ein sauberes Einpendeln abgestimmtes Ansprechverhalten – Ein Regler, der so abgestimmt ist, dass er ohne Überschwingen einsteigt, ist in einem reaktiven Netz wertvoller als reine Geschwindigkeit, bei der der Sollwert während des Übergangs schwankt.
Hinweise zum Einsatz vor Ort
Technische Überlegungen
- Wohin die Kammerdruckregelung führt
- Welches Bauteil den Kammerdruck aufrechterhält, hängt vom Druck und der Anzahl der verwendeten Gase ab. Bei den einstelligen mTorr-Werten beim Magnetron-Sputtern ist der Durchfluss zur Pumpe groß, und ein Vakuum-Drosselventil mit großem Durchlass zwischen Kammer und Pumpen hält den Druck aufrecht, indem es den Weg zur Pumpe drosselt; ein kleines Proportionalventil kann diesen Durchfluss nicht bewältigen, daher kommt hier eher ein Vakuumventil als ein Alicat-Ventil zum Einsatz. Bei den höheren Drücken, wie sie bei vielen CVD-Verfahren, beim Diamantwachstum und beim reaktiven Backfill auftreten, kann ein Proportionalventil diesen Durchfluss bewältigen, und ein Rückdruckregler der PC-Serie zwischen Kammer und Pumpe hält den Druck aufrecht, während die Prozessgase weiterhin über ihre eigenen Durchflussregler gesteuert werden. Das Einleiten von Gas aus dem vorgelagerten Bereich zur Druckhaltung ist ein dritter Weg: Er funktioniert bei jedem Druck, bindet den Druck jedoch an die Zusammensetzung, sodass er eher für eine Ein-Gas-Leitung als für ein reaktives Mischpanel geeignet ist.
- Der regelbare Bereich und der Sensor für den Kammerdruck
- Ein Gegendruckregler der PC-Serie hält den Druck anhand seines integrierten Vakuumsensors im niedrigen Torr-Bereich; wenn die Kammer bereits mit einem kapazitiven Manometer oder einem Ionenmessgerät ausgestattet ist, regelt die Variante mit externem Sensor anhand dieses vorhandenen Messgeräts, und ein Doppelsensor-Paket kann auch den Abpumpvorgang abdecken. Unterhalb dieses Bereichs, bei den für das Sputtern typischen Werten im einstelligen mTorr-Bereich, kann das Proportionalventil den Durchfluss nicht mehr durchlassen, und das Drosselventil übernimmt die Regelung. Klären Sie die Sensorzuordnung und den Messbereich mit der Anwendungstechnik ab, bevor Sie ein Panel-Layout festlegen.
- Mit Flüssigkeit in Berührung kommende Materialien stellen eine Angabe zur Verträglichkeit dar, nicht eine Bewertung der Reinheit.
- Die medienberührten Werkstoffe des Standard-Gasdurchflusskörpers sind vollständig veröffentlicht: 302, Edelstahl der Sorten 303, 304, 316L und 430FR, FKM, Aluminiumoxidkeramik, Messing, Glas, Gold, heißgehärtetes Epoxidharz, heißgehärteter Silikonkautschuk, Polyamid und Silizium. Korrosionsbeständige Ausführungen schränken diese Liste für Oxidationsmittel, Silan, Acetylen sowie halogenierte Ätz- und Reinigungschemikalien ein. Das ist der gesamte Umfang der Aussage: Es handelt sich weder um eine Reinheitsspezifikation noch um eine UHP-Einstufung noch um eine Qualifizierung für Halbleiterprozesse, und ein SEMI-Standard-Footprint ist eher ein mechanischer Formfaktor als eine Zertifizierung.
- Dimensionierung im Maßstab 1:1 an einer reaktiven Leitung
- Ein Regelbereich von 10.000:1 verleitet dazu, ein Gerät mit großem Messbereich zu kaufen und am unteren Ende dieses Bereichs zu arbeiten. Der auf den Messwert bezogene Fehlerterm nimmt mit steigendem Sollwert ab; der Vollskalen-Term hingegen nicht. Bei einem Sollwert von 4 SCCM in einem Messbereich von 500 SCCM dominiert der Vollskalen-Term das gesamte Toleranzbudget vollständig, und die Wiederholgenauigkeit, die den Messfilm aufrechterhält, verschlechtert sich entsprechend. Wählen Sie die Vollskala so, dass der Arbeitssollwert deutlich im oberen Bereich liegt, und betrachten Sie den Turndown eher als Spielraum für die Rezepturentwicklung denn als festgelegten Plan. Der Skalenendwert bestimmt zudem, welche Spezifikationsstufe gilt: Die mittleren Durchflussbereiche weisen die Wiederholgenauigkeit von ±(0,11 TP4T des Messwerts + 0,021 TP4T des Skalenendwerts) auf, daher sollte eine Dosis im einstelligen SCCM-Bereich am besten auf den kleinsten mittleren Durchfluss-Skalenendwert gelegt werden, anstatt in einen niedrigen Durchflussbereich zu fallen, wo sich der Messwert-Term auf ±(0,21 TP4T des Messwerts + 0,021 TP4T des Skalenendwerts) verdoppelt.
Häufig gestellte Fragen
Wie schnell muss ein Massendurchflussregler beim reaktiven Sputtern ansprechen?
Schnell genug, um innerhalb der gesamten Reaktionszeit des Geräts nur einen kleinen Anteil auszumachen, und nicht einfach nur schnell an sich. Die dem Gasraum eigene Gaswechsel-Zeitkonstante – sein Volumen geteilt durch die Pumpgeschwindigkeit – beansprucht bereits einen Teil des Budgets: Untersuchungen zum reaktiven Sputtern zeigen, dass für einen stabilen, einverzweigten Betrieb ein Verhältnis von Pumpgeschwindigkeit zu Volumen erforderlich ist, das deutlich über etwa 4 s liegt−1, was einer Raumzeitkonstante von knapp unter einer Viertelsekunde entspricht.
Eine Einstellzeit des Reglers im Bereich von einigen zehn Millisekunden ist bei einer gut gepumpten Kammer nur ein kleiner Bruchteil davon und bei einer langsam gepumpten Kammer nahezu irrelevant. Bei einer reaktiven Leitung ist eine Einstellzeit ohne Überschwingen wichtiger als die reine Geschwindigkeit, da ein Überschwingen den Sollwert über den Übergang von Metall zu Verbindung hinausführen kann und der Prozess dann nicht mehr direkt zurückkehrt.
Kann ein Massendurchflussregler sowohl Argon als auch Sauerstoff fördern?
Ja, bei einem Regler, der die Gaseigenschaften intern speichert. Die MC-Serie verfügt über eine integrierte Bibliothek mit 98 bis 130 Gaskalibrierungen, die jeweils anhand des vom Gerät selbst gemessenen Drucks und der Temperatur ausgewertet werden, und das aktive Gas wird nicht über die Software, sondern durch direkte Auswahl am Gerät selbst umgestellt.
Moderne Thermoregler wechseln zudem ohne Neukalibrierung zwischen den gespeicherten Gasen; der praktische Unterschied besteht darin, dass die gesamte Bibliothek des MC fest integriert ist und direkt ausgewählt werden kann, während die Erweiterung des integrierten Gasspeichers eines Thermoreglers oft das Laden von Modellen über die Software des Herstellers erfordert. Die Materialverträglichkeit ist eine von der Gasbibliothek unabhängige Frage und wird separat überprüft.
Benötige ich ein Drosselventil, um den Druck in der Vakuumkammer zu regeln?
Das hängt vom Druck ab. Bei den einstelligen mTorr-Werten beim Magnetron-Sputtern ist dies der Fall: Der Durchfluss zur Pumpe ist groß, und ein Vakuum-Drosselventil mit großem Durchlass zwischen Kammer und Pumpen hält den Druck aufrecht, indem es den Weg zur Pumpe drosselt, da ein kleines Proportionalventil diesen Durchfluss nicht bewältigen kann.
Bei den höheren Drücken, wie sie bei vielen CVD-Verfahren, beim Diamantwachstum und beim reaktiven Backfill auftreten, kann ein Proportionalventil diesen Durchfluss durchlassen, sodass ein Rückdruckregler der PC-Serie zwischen Kammer und Pumpe den Druck direkt aufrechterhalten kann, während die Prozessgase weiterhin über ihre eigenen Durchflussregler gesteuert werden. Das Einleiten von Gas aus dem vorgelagerten Bereich zur Druckhaltung ist eine weitere Option, bindet den Druck jedoch an die Zusammensetzung, sodass diese Lösung eher für eine Ein-Gas-Leitung als für ein reaktives Mischpanel geeignet ist.
Sind diese Instrumente für einen Wafer-Prozessgas-Stick in der Produktion geeignet?
Nein. Es handelt sich um eine Stelle im Bereich Betriebstechnik und Forschung und Entwicklung: Steuerung des Einlassdurchflusses, Regelung des Kammerdrucks und Messung des Gasverbrauchs an Abscheidungsanlagen, Beschichtungssystemen und Ionenquellen. Alicat bietet keine reinheitszertifizierten, UHP- oder für Halbleiterprozesse qualifizierten Geräte an, und die korrosionsbeständigen Ausführungen sind nur hinsichtlich der Kompatibilität mit den medienberührten Materialien ausgelegt. Rezepturqualifizierte Gasstangen innerhalb einer Produktionsanlage fallen nicht in diesen Anwendungsbereich.
SEMI ist ein Normungsgremium: Es veröffentlicht Spezifikationen, statt Zertifizierungen zu vergeben, die ein Gerät bestehen muss. Von dem Gerät selbst wird weiterhin erwartet, dass es die SEMI-Richtlinien für Anlagen wie beispielsweise S2 zur Sicherheit erfüllt, doch dies liegt in der Verantwortung des Geräteherstellers auf der Anlagenebene und ist unabhängig von der Qualifizierung eines Durchflussmessgeräts für einen Prozess. Ein mechanischer Grundriss gemäß SEMI-Standard ist verfügbar, wenn eine Schalttafel entsprechend ausgelegt ist; dies bedeutet jedoch keine Prozessqualifizierung.
Weiterführende Literatur: Druckregelung auf der Einlassseite bei der Vakuumabscheidung, der Geräte zur Dünnschichtabscheidung Übersicht und Techniken zur Abscheidung dünner Schichten: CVD und PVD.