vorlesung „vakuumtechnologie in der halbleiterindustrie“ · 2000 jahre von aristoteles bis zur...

Vorlesung „Vakuumtechnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke1. VorlesungFolie 1

Vorlesung „Vakuumtechnologie in der Halbleiterindustrie“

Dr. G. EckeTU Ilmenau, Fakultät für Elektrotechnik und InformationstechnikZMN, Zi 315Tel.: 69 3407E-Mail.: [email protected]

Gliederung

1. Vakuumphysik und -technik

1.1. Definitionen, GegenstandVakuum, VakuumtechnikEinsatzfelder, Anwendungen

1.2. Geschichtliches

1.3. Grundlagen, Begriffsbestimmungenmakroskopisches Verhalten des idealen Gaseskinetische Gastheoriedas reale Gas

1.4. Gasströmungen

1.5. Sorption, Desorption

1.6. Vakuumerzeugung (Pumpen)

1.7. Leitungen, Leitwerte

1.8. Vakuummessung

1.9. Materialien, Arbeitstechniken

1.10. Anwendungen

2. Vakuumtechnologien

Anwendung der vakuumphysikalischen Gesetzmäßigkeiten beitechnologischen Prozessen und in der Analytik:Verdampfen, Sputtern, Oberflächenanalytik, Elektronen-MikroskopieEpitaxie-Technologien usw.


Literatur zur Vakuumtechnik:

M. Wutz, H. Adam, W. WalcherTheorie und Praxis der Vakuumtechnik4. AuflageVieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden 1988

Ch. EdelmannWissensspeicher VakuumtechnikFachbuchverlag Leipzig 1985

J.M. LaffertyFoundations of Vacuum Science and TechnologyJohn Wiley, New York, Chinchester, Weinheim ... 1998

Definitionen, Gegenstand der Vakuumtechnik

Die Vakuumtechnik umfaßt die Erzeugung und Aufrechterhaltung des Vakuums, die Messung des Druckes und der Gaszusammensetzung im Vakuum, die Anwendung des Vakuums für technische Zwecke und für die

Forschung, Geräte, Verfahren und Arbeitstechniken dazu,Sie beruht auf den Grundlagen und Gesetzen der Vakuumphysik.

Die Vakuumphysik beschäftigt sich mit: den physikalischen Grundlagen verdünnter Gase und Dämfe, idealer

und nichtidealer (realer) Gase den Strömungsvorgängen verdünnter Gase Gas- Festkörper- Wechselwirkungen im Vakuum

Was ist Vakuum ?

Def.:Vakuum ist der thermodynamische Zustand in einem gas- und/oderd a m p f g e f ü l l t e n R a u m b e i D r ü c k e n u n t e r h a l b d e sAtmosphärendruckes.

Obere Grenze ? (Temperatur, geographische Lage, Wetter, Höhe ..)Was ist Gas ?Was ist Dampf ?

Aggregatzustände fest-flüssig-gasfömig

Kräfte zwischen den TeilchenVolumen, Form


Druckeinheiten

Def.:Druck := Kraft pro Fläche

pFA

pdFdA

=

=

Einheit: N/m2 (SI - Einheit, 1 N/m2 = 1 Pa = kg/m s2) davon abgeleitet: MPa, hPa

andere Einheiten 1 bar = 105 Pambar (=1 hPa), µbar,

dyn/cm2 (1 dyn = 1 g *cm / s2 = 10-5 N)

Torrmm Hg-Säule1 Torr = 133.3224 Pa = 1.33 mbarµ, Mikron

atm (Physikalische Atmosphäre)1 atm = 760 Torr = 1.013 bar

at (technische Atmosphäre)1 at = 1 kp/cm2 (1 kp = 9.81 N)1 at = 0.981 bar

Umrechenbarkeit der Druckeinheiten ohne Probleme ... ‘


Vakuumbereiche

Einteilung des Gesamtvakuumbereiches (1000 mbar ... 10-13 mbar)in Druckbereiche

GrobvakuumFeinvakuumHochvakuumUltrahochvakuum

Einsatzgebiete der Vakuumtechnik

Vakuumtechnik findet breite Anwendung in Industrie und Forschung

a) industrielle Vakuumverfahren


b) physikalische und chemische Untersuchungsverfahren

Moderne High-Tech ist ohne Vakuumtechnik nicht denkbar !!!!Trotz Trend: Vakuumverfahren durch Nicht-Vakuumverfahren zu ersetzen(Kostenfrage)

Voraussetzung ist:einfache Verfügbarkeit von

Vakuumpumpen, Vakuumbauteilen (Rohre, Flansche, T-Stückeuvam.), Druckmeßgeräten, Lecksuchgeräten

für den gesamten Vakuum-Druckbereich (1000 mbar ... 10-13 mbar)

Anwendungen

1. Mikroelektronik / Halbleitertechnologie Kristallzüchtung Epitaxie Schichtherstellung durch

Aufdampfen, Sputtern, lp-CVD, MBE ...

2. Elektrotechnik / Elektronik Schichtherstellung in der Bauelementefertigung (z.B.Kondensatoren) Imprägnieren (Trafos) Vakuumtrocknung vakuumelektronische Bauelemente (Bildröhren, Plasmadisplays,

Senderöhren, Laser, Mikrowellen-Röhren ..)


Lampenherstellung

3. Optische Industrie / Glasindustrie Antireflexschichten (Objektive ...) Wärmeschutzschichten (Fenster) Glanz- und Schutzschichten auf Behälterglas dekorative Schichten auf Glas und Keramik (TiN)

4. Chemische Industrie / Pharmazie / Lebensmittelindustrie Gefriertrocknung Destillation Dehydrierung Verdampfen, Sublimieren ...

5. Metallurgie (Qualitätsstähle !) Vakuumschmelzen Sintern Destillieren, Reduktion Entgasen, Wärmebehandlungen

6. Allgemeines Transporte durch Ansaugen (Glasscheiben, Wafer ...) Leitungssysteme reinigen, evakuieren

7. Raumfahrttechnik Simulationskammern

8. Oberflächen- und Festkörperanalytik Mikroskopie (TEM, REM, STM, AFM ..) Analytik (AES, SIMS, XPS, EDX, LEED, RHEED ..)

9. Kernphysik Teilchenbeschleuniger

Linearbeschleuniger, Speicherringe (Zyklotron, Synchrotron) Kernfusionsanlagen, Kernspaltungsanlagen


Geschichte der Vakuumphysik und -technik

seit Aristoteles glaubte man im Altertum und Mittelalter„Es gibt kein Vakuum“ ... die Natur strebt nach Auffüllung durch StoffeHorror vacui - nicht möglichDogma der Kircheauch Galilei (1564-1642) stellte Gewichtszunahme einer Flasche beim Hineinpressen

von Luft fest !

Torricelli (1608-1647) Barometerprinzip, 76 cm Hg, erstes experimentelles Vakuum !

Blaise Pascal (1623-1662)Wiederholung der Versuche von TorricelliLuftdruck ist abhängig von der Höhe

Otto von Guericke (1602-1686)unabhängig von Torricelli in Dtschl.Luftpumpen, Vakuumpumpen Magdeburger Halbkugeln8 + 8 Pferde, Eisenkugel mit ca. 50 cm DurchmesserDichtung: Lederstreifen

Erfinder der ersten Vakuumpumpe Wasserbarometer

bestimmte das Gewicht der Luft Ausbreitung von Schall und Mag-netfeld im Vakuum


Mitte des 17. Jahrhunderts war klar:Wir leben am Grunde eines riesigen Meeres aus Luft.Uns umgibt ein Luftdruck, der mit ca. 1kg auf 1 cm2 drückt.Auf 1m2 lastet damit das Luftgewicht von 10 Tonnen !

Warum werden wir nicht zerdrückt ?Versuch von R. Boyle (1627-1691) ließ Tiere im Vakuum zerplatzen.

Verbesserungen an der Luftpumpe von Otto von GuerickeVermeidung des schädlichen Volumens

Fleuss (Ölfüllung)Geißler 1857 (Hg-Kolben)Töpler (1862) und Poggendorf ¸ Verbeserung der Geißlerp.

Bunsen 1870 Wasserstrahlpumpe

Gaede (1878-1945)Kapselpumpe (1909) - Vorläufer der heut. Rotationsvakuumpumpe¸ rotierende Kolben, ölüberlagerte Ventile1935 Gasballasteinrichtung (heute Standard)1915 erste Diffusionspumpe ¸ Vorstoß ins Hochvakuumgebiet1913 Prinzip der Molekularpumpe (heute Turbomolekularp.)

Langmuir 1916 Verbesserung der Diffusionspumpe

Burch, Hickmann ¸ Öldiffusionspumpen (Drücke <10-3 mbar ohne lN2-Kühlung)

dann Entwicklung der Ionen-Getterpumpen und Kryopumpen

nicht nur Vakuumerzeugung - auch Vakuummessung:

Mc Leod 1874 Kompressionsvakuummeter

Pirani 1906 Wärmeleitvakuummeter

1916 - 1922 Ionisationsvakuummeter

Bayard, Alpert 1950 Verbesserung für sehr kleine Drücke (UHV)

Penning 1937 Ionisationsvakuummeter mit kalter Kathode

Knudsen, Clausing ¸ Strömung von Gasen im Hochvakuum

2000 Jahre von Aristoteles bis zur Überwindung des Horor vacui;

seitdem erst 300 Jahre, in denen durch das Vakuum grundlegende


Entdeckungen gemacht wurden:

Elektronen, Elementarteilchen, Röntgenstrahlung, Atom, Bestimmung der Atommasse uvam.

heutige Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Vakuumtechnik:

Erzeugung immer besserer Vakua Energiesparende Erzeugung von Vakuum Erhöhung der „Sauberkeit“ des Vakuums (Öldämpfe etc.) Wirtschaftliche und umweltfreundliche Vakuumanlagen größere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Vakuummessung bessere, empfindlichere und wirtschaftliche Lecksucher Normung von Komponenten der Vakuumtechnik Entwicklung von Vakuumverfahren größere Vakuumanlagen (Beschleuniger, Weltraumsimulation)

Zustandsgleichungen idealer und realer Gase

der uns umgebende Luftdruck:760 Torrca. 1000 mbarca. 1000 hPaauf Meeresspiegelhöhe

Luftdruck nimmt mit der Höhe ab

0 km 1000 mbar100km 10-3 mbar200km 10-6 mbar500km 10-8 mbar900km 10-9 mbarim Weltraum, entfernt von Gestirnen und Planeten: 10-18 mbar


1. Normzustand eines Gases

bei Normaldruck pn= 101325 Pa oder 1.01325 bar (= 760 Torr)

Normaltemperatur Tn=273.15 Koder hn=0°C

Normalvolumen Vn bei pn und Tn

unter Normalbedingungen nimmt die Stoffmenge von 1 mol eines Gases dasmolare Normalvolumen Vn,molar = 22.4 l ein.

2. Meßgrößen

Volumen V m3, l, cm3

Masse m kg, gTeilchenanzahl NStoffmenge < mol, kmol

Def.:1 mol ist die Stoffmenge, die aus ebenso vielen Teilchen (Atomen,Molekülen) besteht, wie Atome in 12 g des Kohlenstoffisotops 12Centhalten sind.

Das sind NA= 6.022 * 1023 mol-1 Avogadro-Konstante

Volumenbezogene Größen (Dichten)

Massendichte k = m/V kg/m3, g/cm3, g/lTeilchendichte n =N/V m-3, l-1, cm-1

Stoffmengendichte kST =</V mol/l, mol/cm3, kmol/m3

Flächenbezogene Größen (Flächendichten)

Massenbezogene Größen (spezifische Größen) z.B. V/m = 1/k Spezifisches Volumen

Stoffmengenbezogene Größen (molare Größen)molare Teichenzahl NA= N/< ... Avogadro-Konstantemolares Volumen Vn,molar = 22.4 l bei pn und Tn

aus der Definition von 1 mol ergibt sich:

1g = Masse von 1/12 * 6*1023 12C-Atomen


Def.:mu ist die Masse eines hypothetischen Standardatoms, das ist 1/12eines 12C-Atoms. Diese Masseneinheit bezeichnet man mit u.

6*1023 u = 1g

ferner wichtig:

relative AtommasseAr = ma(Atom)/mu

relative MolekülmasseAr = ma(Molekül)/mu

3. Gasgesetze des idealen Gases

zwischen den Zustandsgrößen p, V und T (oder h) einer abgeschlossenenGasmenge bestehen einfache Zusammenhänge, die man experimentellherausgefunden hat.

bei konstanter Temperatur gilt:

p * V = konst. bei h= konst. Boyle-Mariottesches Gesetz

bei konstantem Druck gilt:

V = V0 (1 + "Th) bei p = konst.

V0 Volumen bei h0 = 0°C"T thermischer Ausdehnungskoeffizient

bei konstantem Volumen:

p = p0 (1 + 8Th) bei V = konst.

p0 Normaldruck bei h0 = 0°C8T Spannungskoeffizient des Gases

für viele Gase (ideales Gas) gilt folgende gute Näherung:

"T = 8T = 1/273.15°C

daraus leitet sich die absolute Temperatur ab !bei h = - 273.15°C verschwinden sowohl das Volumen als auch der Druckeines Gases


mit T = h + 273.15Koder T = h + T0

und T0 = 273.15K

ergeben sich sich:

V = V0 (T/T0) (1) und p = p0(T/T0) (2)

(1) (2)

p VT

p VT

* *=

0 0

0

Einführung der Stoffmenge <

p VT

p VT

* *< <

=0 0

0

bei Stoffmenge 1 mol und Normalbedingungen:

p VT

p VT

n n molar

n

* * ,

<=

mitpn= 101325 Pa Tn=273.15 KVn,molar = 22.4 l ein

ergibt sich:

pV = < R T

mit = = 8.314 J mol-1 K-1Rp VT

n n molar

n=

* , 101325 22 41427315

Pa lK mol

* .. *

R Allgemeine Gaskonstante oder Molare GaskonstantepV = < R T Allgmeine Zustandsgleichung des idealen Gases

mit < = N/NA

ergibt sich

pV = N/NA RT und Einführung der Bolzmann-Konstanten k=R/NA


pV = N k T und Einführung der Teilchendichte n=N/V

p= n k T auch Allgmeine Zustandsgleichung des idealen Gases

mit k = 1.38066 * 10-23 J/K

aus p= n k T läßt sich bei Normalbedingungen dieNorm-Teilchendichte herleiten

= = 2.69*1025 m-3 = 2.69 *1019 cm-3npkT

nn

n=

101325138 10 27315

2

23 1

NmJK K

−

− −⋅ ⋅. .

Darstellung der Allgemeinen Zustandsgleichung des idealen Gases:

für T = konst. erhält man eine Schar von Hyperbeln sog. Isothermen des idealen Gases


Was ist ein ideales Gas:

Def.:Ein ideales Gas ist ist ein Gas, dessen Teilchen kein Eigenvolumenbesitzen und keine Wechselwirkungskräfte aufeinander ausüben

Für die meisten Gase und Gasgemische gilt die AllgemeineZustandsgleichung des idealen Gases im normalen Temperatur- undDruckbereich. Erst bei Temperaturen und sehr hohen Drücken, die nahe derVerflüssigung des Gases liegen, ergeben sich z.T. beträchtlicheAbweichungen.

Die allgemeine Zustandsgleichung des idealen Gases gilt sinngemäß auchfür Gasgemische:

ptot = p1 + p2 +p3 + ... pn = (n1 + n2 + ...nn)kT = ( ... )< < < < 1 2 3+ + +

⋅n

VR T

ptot Totaldruckpi Partialdrücke< gesamte Stoffmenge =<1+<2+ ...+<n

Stoffmengenanteil (Molbruch):x=<i/<

Massenanteil:wi=mi/mges

Das wichtigste Gasgemisch ist die Luft.

1m3 Luft enthalten:

780 l Stickstoff N2

210 l Sauerstoff O2

10 l Argon Ar

xN2 = 0.78xO2 = 0.21xAr = 0.01


Anhang:

Dampf (Definition)

Als Dampf bezeichnet man ein Gas, welches im allgemeinen noch in Kontaktmit der Flüssig- bzw. Festphase steht, aus der es durch Verdampfung bzw.Sublimation hervorgegangen ist. Mit der Zeit und sofern keine Störungstattfindet, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein, bei dem genausoviele Flüssig-/Festteilchen in die Gasphase übertreten, wie umgekehrt ausdem Gas zurückwechseln. Der Dampf wird dann auch als gesättigtbezeichnet. Wieviele Teilchen von einer in die andere Phase wechseln, hängtunter anderem stark von Druck und Temperatur des betrachteten Systemsab. Eine große Rolle spielt das Gleichgewicht zwischen Flüssig- undGasphase in der Technik bei den thermischen Trennverfahren.

Trennt man die Gasphase von der zugehörigen Flüssig-/Festphase, ist esmöglich, dem Dampf weiter Wärme zuzuführen, so dass man überhitztenDampf erhält. Je stärker diese Erwärmung ist, desto weiter entfernt mansich von dem Bereich, in dem man noch von Dampf spricht, und nähert sichdem gasartigen Verhalten. So gesehen kann man ein Gas auch als extremüberhitzten Dampf verstehen.

Kühlt man überhitzten Dampf langsam ab, wird irgendwann der so genannteTaupunkt erreicht, an dem der Dampf wieder gesättigt ist und bei weitererKühlung erneut zu einer Flüssigkeit wird. Im Falle des direkten Übergangesvom gasförmigen zum festen Zustand nennt man diesen Punkt Frostpunkt.

Während Dampf als Gas - abgesehen von Färbungen - unsichtbar ist, sprichtman im Alltag bei Dampf meist von einer sichtbaren Mischung aus Luft undfeinsten Flüssigkeitstropfen (in der Regel Wasser), bei der es sich korrektjedoch um ein Aerosol handelt, das umgangssprachlich auch als Nebel oderWolke bezeichnet wird.

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