Bild 1: Prinzip der mechanischen (li.) und kapazitiven (re.) Druckmessung

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1 Dies ist Ihr persönlicher 4pvd Newsletter. Wir hoffen, diese Informationen sind nützlich für Sie. Wenn Sie diesen Newsletter nicht mehr erhalten möchten, senden Sie eine an Sehr geehrte Leser! 1. Juni 2006, Ausgabe 24 Prinzipien der Vakuummessung 4pvd, Dr.-Ing. Stefan Esser In der letzten Ausgabe unseres Newsletters haben wir gesehen, das Vakuumpumpe nicht gleich Vakuumpumpe ist, und für viele Pumpen ist Gas nicht gleich Gas. Was für die Vakuumpumpen gilt, gilt umso mehr für die Messung des Drucks im Bereich des Fein-, Hoch- und Ultrahochvakuums. Mechanische / Kapazitive Druckmessung Zur Erinnerung: Druck ist Kraft pro Fläche und kann normalerweise durch die Auslenkung einer Membran oder in modernen piezoelektrischen Messsystemen direkt durch die auf einen Kristall ausgeübte Kraft gemessen werden (Bild 1 links). Allerdings sind die ausgeübten Kräfte bei z. B mbar also 1mPa sehr gering, nämlich lediglich 1mN/m² oder 1nN/mm² (ein nano-newton je mm²!). Bild 1: Prinzip der mechanischen (li.) und kapazitiven (re.) Druckmessung Trotz der so unglaublich geringen Kräfte, gibt es sehr zuverlässige Messsysteme, die auf kapazitivem Weg die Auslenkung einer sehr feinen Membran bis zu einem Druck von ca. 10mPa erfassen. Kapazitiv bedeutet, dass die Membran keinen Zeiger bewegen muss, sondern dass die Durchbiegung der Membran den Abstand zu einer Gegenelektrode verändert, wodurch die Kapazität dieses Plattenpaares verändert wird. Um in den niedrigen Bereichen sinnvolle Werte zu liefern, muss das Messsystem aber klimatisiert sein. Außerdem sollte es vor dem Belüften der Kammer über ein Ventil abgesperrt werden, denn der atmosphärische Druck ist um den Faktor 10 9 höher als der Druck im Messbereich. Rein mechanische Messsysteme reichen von Überdruck bis hin zu ca mbar. Kapazitive Messsysteme reichen bis ca mbar können aber meist nur 4 bis 5 Dekaden abdecken. Vorteil der beiden Systeme ist, dass die Messung unabhängig von

2 der Gasart ist, was bei den nun folgenden Systemen nicht mehr zutrifft. Druckmessung nach dem Pirani Prinzip Fast an jeder PVD Anlage sind Pirani Messröhren zu finden. Das Pirani Prinzip nutzt die Wärmeleitfähigkeit der Gase. Ein Draht wird von einer Spannungsquelle erhitzt. Er gibt Wärme durch Wärmeleitung an das umgebende Gas ab (Bild 2). Je niedriger der Druck, desto weniger Wärmeabgabe. So ergibt sich abhängig vom Druck eine bestimmte Temperatur des Drahtes, die zu einem bestimmten elektrischen Widerstand führt. Bild 2: Messröhre nach Pirani Prinzip und Anzeigeabweichung für verschiedene Gase Im Allgemeinen sind Pirani Messröhren sehr preiswert und zuverlässig. Eine Wartung ist meist nicht erforderlich. Die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit verschiedener Gase führt zu falschen Anzeigewerten insbesondere oberhalb von 1mbar. Leider ist der Einfluss der Wärmeleitung im interessanten Bereich der Prozessdrücke so gering, dass Pirani Messröhren hier keine ausreichende Genauigkeit mehr bieten. Druckmessung durch Ionisationsmessung Für Messungen im Hochvakuum wurden Systeme entwickelt, die eine konstante Gasentladung erzeugen, und dann den Ionenstrom dieser Entladung messen. Dieser Ionenstrom ist abhängig vom Druck, aber auch von der Zusammensetzung des Gases (Der Einfluss des Gases auf die Messung kann u. U. für eine grobe Lecksuche genutzt

3 werden, da diese Systeme z. B. auf Helium ähnlich wie ein Lecksucher reagieren) Die erforderliche konstante Gasentladung wird auf verschiedene Art erzeugt. Heißkathoden Systeme (z. B. Bayard-Alpert) benutzen einen Glühwendel, der auf über 1000 C erhitzt wird und dann Elektronen emittiert. Kaltkathoden (Penning) Systeme erzeugen die Entladung mit einer Hochspannung von über 1000 V und einem starken Magnetfeld. Bei den Heißkathodensystemen kann man durch Auslegung der Röhre den Messbereich verschieben. Viele dieser Röhren können über 5 Dekaden messen. Die Glühwendel mögen allerdings keinen Sauerstoff und auch keine Vibrationen. Daher sollte der Glühdraht erst erhitzt werden, wenn der Druck im Messbereich liegt. Die meisten Defekte und Abweichungen an diesen Messsystemen gehen auf Fehler an den Glühwendeln zurück. Bild 3: Prinzipieller Aufbau von Penningsystem (li.) und Heißkathodensystem (r.) Penning Systeme sind prinzipiell robuster und können unterhalb ca mbar eingesetzt werden. Bei neueren Messköpfen ist die Hochspannungsquelle und auch eine Piraniröhre im Gehäuse integriert. Die Piraniröhre schaltet die Hochspannung erst bei Erreichen des Messbereichs ein. Außerdem kann die Elektronik aus den Messwerten von Pirani und Penning im Übergangsbereich einen Mittelwert bilden. Werden Penningröhren längere Zeit an der Obergrenze ihres Messbereichs betrieben, verschmutzen sie durch Ablagerungen aus der Gasentladung. Allgemein gilt wohl, dass die Messsysteme für niedrigeren Druck empfindlicher auf äußere Einflüsse reagieren und davor geschützt werden sollten. Negative Einflüsse können Umgebungstemperatur aber auch Strahlungshitze aus dem Rezipienten sein. Magnetfelder der Kathoden und deren Zuleitungen beeinflussen insbesondere die Ionisationsmesssysteme. Ölnebel im Vorvakuumbereich kann Piraniröhren schädigen. Gleichzeitig sollten die Systeme so nahe wie möglich und über ausreichend große Flanschverbindungen an der Messstelle angebracht werden. Im Bereich Vorvakuum und Prozessdruck reicht meist noch Flanschgröße KF10, für Messungen im Hochvakuum empfiehlt sich eher KF40 mit kurzer Rohrlänge. Einige Systeme erfordern außerdem eine besondere Einbaulage, ansonsten platzieren Sie den Sensor mit der Öffnung nach unten, damit kein Schmutz eindringen kann. Da keines der Messverfahren den gesamten Druckbereich überdeckt, der für einen üblichen PVD Batchprozess erforderlich ist, werden Kombinationen verschiedener Systeme miteinander verschaltet z. B. Pirani, Penning und die kapazitive Messröhre.

4 Bild 4 zeigt grob, welche Druckbereiche die verschiedenen Systeme überdecken. Bild 4: Messbereiche verschiedener Druckmesssysteme Sphere Halter für kleine Substrate Wer kleine Substrate mit 3-fach Rotation beschichten muss, weil z. B. die Anforderungen an die Schichtdickenverteilung und Haftung andere Lösungen ausschließen, der steckt oft in der Klemme. Der Kunde meint: Kleines Teil, kleiner Preis. Betrachtet man aber das kleine Teil zusammen mit der Halterung und dem Antrieb für die dritte Drehachse, kann es ziemlich sperrig werden. Generell nimmt der anteilige Platzbedarf der Halterung zu, wenn die Substrate kleiner werden (Bild 5). Bild 5: Relativer Platzbedarf von Substraten und Haltern Einen Ausweg bieten hier Sphere Halterungen. Bei Sphere Halterungen liegen Hülsen und Antrieb nicht direkt in der Beschichtungszone, sondern im Inneren der Planeten. Insbesondere bei kleinen Teilen können so viel mehr Substrate auf gleichem Raum untergebracht werden als mit herkömmlichen Haltern. Vergleichen wir z. B. einen kleinen Bolzen oder Kopierfräser 4,0mm L ges =40mm. Ein herkömmlicher Teller mit d p =130mm nimmt ca. 30 dieser Substrate auf. Zu der

5 Substratlänge von 40mm addiert man ca. 10mm für die Lagerung und ca. 10mm Abstand zur nächsten Ebene. Dies ergibt 30 Substrate auf 60mm Chargierhöhe. Bild 6: Sphere Teller für Substrat 4,0mm L=40mm Die passende Sphere Halterung kann ebenfalls 30 Substrate in einer Ebene aufnehmen. Aber durch die Neigung der Substrate in diesem Fall um 30 kann die Stapelhöhe auf 25mm reduziert werden (Bild 6). Dies bedeutet mehr als doppelt so viele Substrate in der gleichen Chargierhöhe. Weitere Vorteile der Sphere Halter sind: Die Neigung der Substrate erhöht die Schichtrate auf der Stirnfläche. Der Antrieb der dritten Drehachse ist immer korrekt eingestellt. Der Turm kann beladen werden, ohne dass er zerlegt werden muss. Aller Abrieb von Lagerstellen und Klinkfedern ist im Inneren des Turms gefangen. Die Schichtabscheidung auf den Halterungen ist geringer als bei herkömmlichen Systemen. Messen und Tagungen bis zum Sommer: Juni METAV, Düsseldorf Das bringt der Newsletter im Juli: Boxer Standardgrößen ab Lager lieferbar Prinzipien der Druckregelung Neuigkeiten, Messen und Tagungen, etc. Einen Kommentar an senden Bitte senden Sie diesen Newsletter auch an Freunde