Bronkhorst

Durchflussregelung & Druckregelung in Plasmareaktoren

13. April, 2021 Dion Oudejans

Ein Plasma ist ein faszinierender physikalischer Effekt, der auch durchaus in der Natur beobachtbar ist. Das Plasma findet in zahlreichen wichtigen Herstellungsprozessen von Produkten seine Anwendung, die wir im Alltag verwenden. Dazu gehören beispielsweise Mobiltelefone, Computer, Solarzellen, Plasmaschweißen und Glasfenster.
 
Bei Plasmaprozessen werden Plasmareaktoren verwendet. In Plasmareaktoren spielen Gasfluss, Dampffluss und Druck eine wichtige Rolle. Die Durchflussregelung und Druckregelung von Gasen, die diesen Reaktoren zugeführt werden, wird mit Durchflussreglern und Druckreglern geregelt. Durchflussregler regeln den Gasfluss in die Reaktorkammer, wo die Gase zu einem Plasma entzündet werden, während der Druckregler die überschüssigen Gase aus der Reaktorkammer bei gleichbleibendem Druck ableitet.
 
Als Produktmanager MEMS-basierter Instrumente bei Bronkhorst bin ich mit der wichtigen Rolle dieser Produkte in Plasmaanwendungen vertraut. Da ich oft Fragen zu Plasmaanwendungen erhalte, wollte ich mich in einem Blogbeitrag näher damit befassen.
 

Durchfluss- und Druckregelung in Plasmareaktoren

Was ist ein Plasma?

Laut Lexikon ist „Plasma“ in der Physik ein „voll-ionisiertes Gasgemisch, welches leitfähig ist und leuchtet“. Durch ständige Ionisierung und Rekombinationen von Ionen und Elektronen gibt das Plasma ein faszinierendes Licht ab. Plasma wird daher neben fester Materie, Flüssigkeit und Gas auch als „vierter Aggregatzustand“ der Materie bezeichnet.

Natürlich vorkommendes Plasma: Nordlichter
Natürlich vorkommendes Plasma: Nordlichter

Beispiele für in der Natur vorkommende Plasmen sind Blitze, die nukleare Aktivität der Sonne, sowie Sonnenwinde, die das Nordlicht hervorrufen. Der Mensch hat gelernt, wie Plasma entsteht, und dies in Technologie umgesetzt, die derzeit in vielen Prozessen eingesetzt wird.

Beispiele aus dem Alltag sind Plasmalampen, Kernfusionsreaktoren, Leuchtstoffröhren und Plasmaschweißen.
 

Durchfluss- und Druckregelung in Plasmareaktoren

Plasmen ermöglichen es, Siliziumchips und Gegenstände aus Glas oder aus Metall zu beschichten. So kann zum Beispiel durch Ätzung mit Plasmen eine dünne Beschichtung auf einem Chip aufgetragen werden. Außerdem können mit Plasmen Oberflächen gereinigt werden, um den Bindungsprozess zwischen zwei Materialstücken vor dem Verkleben zu verbessern.
 
Die Gase, die in einen Reaktor geleitet werden, bilden durch Einsatz von Elektrizität ein ionisiertes Plasma (das heißt, die Elektronen und Atomkerne sind vollständig getrennt). Wenn die unterschiedlichen Gasströme, Reaktordruck, Temperatur und elektrische Energie richtig ausbalanciert sind, verändern sich die Gase und geben ein interessantes, farbiges Licht ab, das sich im Reaktor verteilt. Die einzelnen Gasflüsse und der Reaktordruck können mit Hilfe von Durchflussreglern und elektronischen Druckreglern eingestellt werden.
 

Glasbeschichtung; Beispiel für physikalische Gasphasenabscheidung - PVD
Glasbeschichtung: Beispiel für physikalische Gasphasenabscheidung - PVD

Gasphasenabscheidung/Schichtabscheidung & Ätzverfahren

CVD, PVD, ALD, RIE, IBE, SAB sind Abkürzungen für Herstellungsverfahren, die vorwiegend in der Halbleiterindustrie, bei der Produktion von Solarzellen und in anderen Branchen eingesetzt werden, in denen Oberflächen behandelt werden. Diese Bearbeitungen finden häufig in Plasmareaktoren statt; dabei kommt ein Plasma aus Gasmischungen oder Dampf zum Einsatz.
 

Abscheidungsverfahren

  • CVD: Chemical Vapour Deposition
  • PVD: Physical Vapour Deposition 
  • ALD: Atomic Layer Deposition

Laptop-Bildschirm; Beispiel für die chemische Gasphasenabscheidung - CVD
Laptop-Bildschirm: Beispiel für die chemische Gasphasenabscheidung - CVD

Diese Verfahren dienen dazu, eine sehr dünne, nur wenige Nano- bis Mikrometer dicke Beschichtung aufzutragen. Höchstwahrscheinlich sind auch Ihre Fenster zuhause mit einer dünnen Antireflexbeschichtung behandelt, die im PVD-Beschichtungsverfahren aufgetragen wurde.

Ihr Computermonitor oder Laptop, auf den Sie gerade blicken, enthält Millionen Pixel, die mithilfe von Chemical Vapour Deposition (CVD) entstanden sind.
 
Auf unserer Website finden Sie weitere Anwendungen für Oberflächenbehandlungsverfahren, bei denen wir Ihnen helfen können.

Ätzverfahren

  • RIE steht für Reactive Ion Etching
  • IBE steht für Ion Beam Etching
Diese Ätzverfahren werden verwendet, um von der Oberfläche eines Halbleiterchips oder Sensorchips ausgewählte Bereiche zu entfernen.
 

Surface Activated Bonding - SAB

Surface Activated Bonding wird unter anderem zur Herstellung von Sensoren und elektronischen Platinen verwendet.
 

Plasmareaktorsysteme

Gemeinsam mit Systemintegratoren entwickelt Bronkhorst komplette Durchfluss- und Druckregelsysteme für die Industrie. Ein mögliches Design für ein Durchfluss- und Druckregelsystem für Plasmaprozesse ist im Flussdiagramm dargestellt.
 
Die Durchflussregler regeln den Gasfluss in die Reaktorkammer, wo die Gase zu einem Plasma entzündet und bei der erwünschten Reaktion mit dem zugeführten Material verwendet werden. Der Druckregler des Systems spielt dabei eine wichtige Rolle. Der Druckregler leitet die überschüssigen Gase bei gleichbleibendem Druck aus der Reaktorkammer ab.
 

In diesem Setup leitet ein Verdampfer – Controlled Evaporator Module (CEM) – in Kombination mit einem Flüssigkeitsdurchflussregler und einem Gasdurchflussregler den so generierten Dampf in einen Plasmareaktor. Gemeinsam mit dem Gasdurchflussregler unter dem CEM, der zusätzliches Gas hinzufügen kann, sorgen sie für die perfekten Prozessbedingungen in der Reaktorkammer, wo die Gase zu einem Plasma entzündet werden.

Der unterste Gasdurchflussregler wird für das Spülgas (meistens Stickstoff) verwendet, das dazu dient, eventuelle unerwünschte Gase aus der Reaktorkammer vor und nach dem Prozess zu entfernen. Ein elektronischer Druckregler leitet das überflüssige Gasgemisch bei gleichbleibendem Prozessdruck aus der Reaktorkammer ab.
 

Setup Verdampfersystem mit Flüssigkeitsreglern und Gasdurchflussreglern
Setup Verdampfersystem mit Flüssigkeitsreglern und Gasdurchflussreglern

Hätten Sie gerne mehr Informationen über Durchflussregler und Druckregler für Plasma?

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