Flow & Drukregeling voor plasma reactoren

Naast plasma als natuurlijk verschijnsel, vindt dit fascinerende fysische effect ook plaats in tal van essentiële fabricageprocessen van producten die wij in ons dagelijks leven gebruiken, zoals onze mobiele telefoons, computers, zonnepanelen en glazen ramen.

Bij plasmaprocessen worden plasmareactoren gebruikt. In plasmareactoren spelen gas flow, damp flow en druk een belangrijke rol. De flow- en drukregeling van gassen die aan deze reactoren worden toegevoerd wordt geregeld met flowregelaars en drukregelaars. Flowregelaars regelen de gas flow naar de reactorkamer, waar de gassen worden omgezet in een plasma, en de drukregelaar leidt het teveel aan gassen uit de reactorkamer weg, terwijl de druk gehandhaafd blijft.

Als productmanager van MEMS-gebaseerde instrumenten bij Bronkhorst, herken ik de belangrijke rol van deze producten binnen plasma-applicaties. Het feit dat ik vaak vragen krijg over plasmatoepassingen, inspireerde mij tot het schrijven van deze blog.

Flow and Pressure control for plasma reactors

Wat is een plasma?

Volgens de ‘van Dale’ betekent ‘plasma’ in de natuurkunde: "zeer dicht, uit ionen bestaand, geleidend gas". Omdat er voortdurend ionisatie en recombinatie van ionen en elektronen plaatsvinden, zendt het plasma een prachtig licht uit. Plasma wordt daarom ook wel ‘de vierde toestand’ van de materie genoemd, naast vaste stof, vloeistof en gas.

Natuurlijk voorkomend plasma: Noorderlicht

Voorbeelden van natuurlijk voorkomende plasma's zijn: bliksem, het noorderlicht en de nucleaire activiteit in de zon en andere sterren. De mens heeft geleerd van het natuurlijk ontstaan van plasma en heeft dit omgezet in technologie die tegenwoordig voor veel processen wordt gebruikt.

Enkele voorbeelden hiervan zijn: plasmalampen, kernfusiereactoren, TL-lampen en niet te vergeten, de plasmareactoren.

Flow en drukregeling voor plasma reactoren

Plasma's maken het mogelijk coatings aan te brengen op siliciumchips, glas of metalen voorwerpen. Zo kan bijvoorbeeld een dunne coating op een chip worden aangebracht door een etsproces met plasma. Het plasma kan ook een oppervlak reinigen om het bindingsproces tussen twee stukken materiaal te verbeteren alvorens het te lijmen.

De gassen die in een reactor worden geleid, vormen een geïoniseerd plasma door toepassing van elektrische stroom. Bij een goed uitgebalanceerde afstelling van verschillende gasstromen, reactordruk, temperatuur en elektrisch vermogen zullen de gassen veranderen in een mooi kleurrijk licht dat zich verspreidt binnenin de reactor. De instellingen van de verschillende gas flows en de reactordruk worden verkregen door flowregelaars en elektronische drukregelaars.

Coating van glas; voorbeeld van fysische afzetting uit de dampfase - PVD

Vapour/Layer deposition & Etching technieken

CVD, PVD, ALD, RIE, IBE, SAB zijn afkortingen van productietechnieken die veel gebruikt worden in de halfgeleiderindustrie, productie van zonnecellen en andere industrieën waarin oppervlaktebehandeling plaatsvindt. Deze bewerkingen worden vaak uitgevoerd in plasmareactoren, waarbij gebruik wordt gemaakt van een plasma van gasmengsels of damp.

Laptop scherm; voorbeeld van chemische dampdepositie - CVD

Deze technieken zijn bedoeld om een hele dunne coatinglaag aan te brengen, een laagje van slechts enkele nanometers tot micrometers. Hoogstwaarschijnlijk zijn jouw ramen thuis voorzien van een dunne anti-reflectiecoating, die is aangebracht door middel van physical vapour deposition - PVD.

De computermonitor of laptop waar je nu naar kijkt bevat miljoenen pixels die zijn gemaakt met behulp van chemical vapour deposition - CVD.

Op onze website vind je meer toepassingen van oppervlaktebehandelingstechnieken waarbij wij je kunnen helpen.

'Etching' technieken

RIE betekent Reactive Ion Etching
IBE betekent Ion Beam Etching

Deze ‘etching’ techieken worden gebruikt om geselecteerde gebieden te verwijderen in het oppervlak van een halfgeleiderchip of sensorchip.

Surface Activated Bonding - SAB

Surface Activated Bonding wordt o.a. toegepast bij de fabricage van sensoren en elektronische printplaten.

Plasma reactor systemen

In samenwerking met systeembouwers levert Bronkhorst complete flow- en drukregelsystemen aan eindgebruikers. Een mogelijk ontwerp van een flow- en drukregelsysteem voor plasmaprocessen is in het flowdiagram weergegeven.

De flowregelaars regelen de flow van het gas naar de reactorkamer, waar de gassen worden ontstoken tot een plasma en gebruikt worden in de gewenste reactie met het ingebrachte materiaal. Een belangrijke rol speelt de drukregelaar in het systeem. De drukregelaar leidt het teveel aan gassen uit de reactorkamer weg, terwijl de druk gehandhaafd blijft.

In deze setup levert een dampdosering unit - Controlled Evaporator Module (CEM) -, in combinatie met een vloeistofflowregelaar en gasflowregelaar, een damp aan een plasmareactor. Samen met de gasflowregelaar onder de CEM, die een extra gas kan toevoegen, zorgen zij voor de perfecte procesomstandigheden voor de reactorkamer waar de gassen worden ontstoken door een plasma.
De onderste gasflowregelaar wordt gebruikt voor het spoelgas, meestal stikstof, die wordt gebruikt om eventuele ongewenste gassen weg te spoelen uit de reactorkamer voor en na het proces.
Een elektronische drukregelaar leidt het overtollige gasmengsel uit de reactorkamer weg, terwijl de druk in het proces gehandhaafd blijft.