Precursor Verdampfer dienen der Verdampfung und Dosierung flüssiger Precursor die einem CVD, PECVD oder ALD Abscheideprozess als Gasphase zugeführt werden. Die Precursor Verdampfung und Dosierung erfolgt entweder über ein System ohne Trägergas, dem Direktverdampfer oder unter Verwendung eines Trägergases.

Typische Anwendungen sind die Verdampfung und Dosierung von Wasser, Lösungsmitteln, Silanen, Chloriden und Metallalkylen wie SiCl4, TiCl4, SiHCl3, HMDSO, DEZ, TMA oder TEOS.  Selbstverständlich können auch alle anderen Precursor eingesetzt werden. Gerne prüfen wir auch besondere Precursor und Arbeitsbereiche auf Machbarkeit. Die Verdampfersysteme werden häufig in CVD, PECVD oder ALD Prozessen zur Abscheidung aus der Gasphase, in der Regel bei reduzierten Prozessdrücken (LPCVD) oder mit Plasmaunterstützung (PECVD) eingesetzt. Anwendungen ergeben sich auch bei atmosphärischen Prozessdrücken, wie bei der Flammenhydrolyse, FHD oder Plasmasprühprozessen.

Zu den besonderen Merkmalen unserer Verdampfersysteme gehört, neben der Möglichkeit der Verdampfung ohne Trägergas, die Möglichkeit aus einem Verdampfer mehrere Verbraucher zu versorgen. Es können sowohl mehrere Prozesskammern gleichzeitig versorgt werden als auch an verschiedenen Punkten der Prozesskammer Precursor-Dampf eingespeist werden.

Die Möglichkeit aus einem Verdampfer mehrere Verbraucher zur versorgen spart gegenüber anderen Konstruktionen Bauteile, Steuerungselemente und Montageraum. In der Summe kann man damit die Kosten für Wartung, Anlagentechnik und Systemintegration senken. Eine weitere Option ist die Integration von 2 Verdampfern in einem System mit einer gemeinsamen Steuerung.  

Precursor Verdampfer – Direktverdampfersysteme (Baking)

Der Precursor wird in einen Edelstahltank, den Verdampfer, geleitet und dort auf die gewünschte Verdampfungstemperatur eingeregelt. Die entstehende Dampfphase wird über einen Massenflussregler (MFC), auf die eingestellte Durchflussmenge geregelt und dem Prozess zugeführt. Weitere Gasströme können dabei, unabhängig von der benötigten Precursor-Menge, eingestellt und dem Prozess zugeführt werden.

Precursor Verdampfer – Bubbler Verdampfersysteme

Bubblersysteme dagegen arbeiten mit einem Trägergasstrom zum Austragen des Precursors indem das Trägergas durch ein Vorlagegefäß geführt wird. Diese Systeme sind einfach aufgebaut und ermöglichen in Kombination mit Standardbehältern (z.B. von Dockweiler chemicals) eine kostengünstige reproduzierbare Lösung innerhalb eines, für viele Prozesse ausreichenden, Genauigkeitsbereichs. Durch den Einsatz von zusätzlichen Sensoren kann der Genauigkeitsbereich verbessert werden. Beispielsweise kann ein Feuchtesensor zusammen mit einem Wasserverdampfer eingesetzt werden, um die Feuchtigkeit nach dem Bubbler zu messen. Durch die Zumischung von trockenem Stickstoff lässt sich der benötigte Feuchtigkeitswert erreichen (siehe Befeuchtung AKF Stationen).

Prozesse in denen die Genauigkeit höchste Priorität besitzt sollten dagegen Direktverdampfersysteme bevorzugen.

Precursor Verdampfer – DLI Systeme (Direct Liquid Injection)

Eine weitere Variante stellen DLI Systeme dar. Hier wird der Precursor mittels eines Flüssigkeits Flowcontrollers dosiert verdampft und anschließend mit dem Trägergas gemischt. Um die Verdampfung auf dem Level des Trägergasdrucks zu ermöglichen, wird der Gasstrom selbst zur Aerosolbildung und Verdampfung genutzt. Die Prozesstemperaturen reichen von Raumtemperatur bis über mehrere hundert Grad Celsius . Aufgrund der unabhängigen Flusskontrolle von Precursor und Trägergas erreichen die Systeme eine hohe Genauigkeit bei der absoluten Dosierung, ähnlich den Direktverdampfern, erreichen jedoch höhere Maximaldrücke.

Entsprechende Apparaturen sind von verschiedenen Herstellern am Markt und wir als SIGA GmbH integrieren diese nach Bedarf in unsere Systeme. Die aufwendigen Apparturen machen die Systeme allerdings kostenintensiver und müssen mit hohen Medienqualitäten betrieben werden da der Austausch der Komponenten wesentlich kostpieliger ist, als der eines einfachen MFC’s.

Precursor Verdampfer – Charge & Release Systeme

Charge & Realse Systeme dosieren ganz ohne MFC’s basierend auf Druck und Volumen in einem Puffergefäß. Dabei wird das Puffergefäß aus dem Verdampfer mit Dampf bis maximal dem aktuellen Verdampferdruck gefüllt und anschließend zum Prozess entleert. Über Druckdifferenz, Temperatur und Volumen lässt sich das dosierte Volumen steuern. Diese Systeme benötigen keine MFC’s und erlauben das Dosieren geringer Dampfmengen, wie sie bei ALD Prozessen benötigt werden, genauso wie das kurzzeitige Bereitstellen großer Volumenströme. Mittels der Adaption von Druck und Temperatur sowie Puffergefäßen und Auslassblenden lassen sich reproduzierbare Prozesse über einen weiten Parameterbereich einstellen. Wobei die Systeme ohne die Limitierung z.B. der Temperaturbeständigkeit der MFC’s auskommen.

Precursor Verdampfer – SIGA GmbH

Die Siga GmbH ist in der Lage alle Arten von Verdampfersysteme aufzubauen und zu applizieren. Ausserdem bauen wir auch Kombinationen der verschiedenen Prinzipien auf wo angebracht um das optimale System zu erreichen oder diesem möglichst nahe zu kommen. So wurden schon Systeme gebaut in denen Direktverdampfer, Baking Verdampfer und Bubbler zugleich im Einsatz sind.

Unsere Verdampfersysteme sind metallisch gedichtet, Elastomere werden innerhalb des Verdampfersystems nicht eingesetzt. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung zu einem sicheren Betrieb erfüllt. Die Auslegung des Systems erfolgt kundenspezifisch jeweils nach den Erfordernissen der Applikation. Die Betriebstemperatur des Verdampfers wird nach dem Prozessdruck und dem Dampfdruck des gewählt Precursors ausgelegt und kann z.B. im Bereich bis zu 80°C oder bis zu 140°C liegen.

Druck und Temperatur im Verdampfer werden überwacht, bei Überdruck und bei Übertemperatur wird die Heizung des Verdampfers abgeschaltet. Alle Precursor-Dampf führenden Komponenten werden beheizt. Das System ist in einem eigenen Gehäuse eingebaut. Eine Rohrbegleitheizung für die Dampfleitung zur Prozesskammer wird mit ausgerüstet, wenn der Leitungsdruck dies erfordert.

Die Verrohrung und alle Precursordampf benetzten Komponenten sind in Edelstahl ausgeführt, Material-Nr. 1.4404, entsprechen SS316L. Als Rohrverschraubungen werden Face-Seal-Verschraubung eingesetzt, z.B. Swagelok VCR. Auf eine Leckdichte Ausführung wird höchsten Wert gelegt. Feste Rohrverbindungen werden orbital unter Schutzgas verschweißt.

Der Verdampfer kann während des laufenden Prozesses automatisch nachgefüllt werden. Zur Nachfüllung des Verdampfers kommt ein Precursor-Nachfüllsystem zum Einsatz. Der Precursor wird in einem Vorratsgefäß bereitgestellt und mit Hilfe einer Gasvorlage durch ein Tauchrohr herausgedrückt und dem Verdampfer zugeführt.

Die Steuerung und Überwachung des Verdampfers mit der Temperaturregelung und der automatischen Nachfüllung erfolgt von der Verdampfersteuerung über eine programmierbare Steuerung mit Touch-Screen zur Visualisierung und Bedienung. Alle Funktionen werden von dieser Steuerung geregelt. Die Sollwertvorgabe für die MFCs und die Wahl des gewünschten Gasweges erfolgt über die übergeordnete Steuerung der Beschichtungsanlage. Zur Kommunikation dient eine Profibus DP oder eine andere serielle Schnittstelle. Die Details der Steuerung wie z.B. die Art der Bedienung mit Möglichkeiten zum manuellen Eingriff und die Kommunikation mit der übergeordneten Steuerung werden den Erfordernissen des Prozesses angepasst.

Der Einbau der Verdampfersysteme erfolgt in passenden Stahlblechgehäusen oder in Standard-Schaltschränken. Steuerung und Verdampfer können dabei in einem Schrank integriert werden oder in 2 voneinander getrennten Schränken aufgebaut werden. Der Aufbau kann so angepasst werden, dass das System in die Beschichtungsanlage bestmöglich integriert werden kann und den Erfordernissen am Aufstellungsort angepasst werden kann.

Die integrierte SPS-Steuerung mit Touch-Screen ermöglicht die automatische Regelung von Temperatur, Druck und Füllstand. Eine kontinuierliche Nachfüllung im laufenden Prozess ist über ein externes Versorgungssystem mit Gasvorlage realisierbar – zuverlässig und bedienfreundlich. Die Kommunikation mit der Hauptanlage erfolgt über Profinet, Ethernet mit SecureADS, RS485 oder andere Industriestandards.

Neben passiven Sicherheitselementen und geschlossenen Sicherheitsbauteilen wie Sicherheitstemperaturschaltern oder Sicherheitsschwellwertschaltern kommt wenn nötig auch eine Sicherheits SPS (z.B. TwinSAFE) zum Einsatz durch welche die sicherheitskritischen Funktionen geschleust werden und welche diese unabhängig vom eigentlichen Steuerprogramm basierend auf einer Logiktabelle welche aus einer Sicherheitsbetrachtung stammt unterbrechen oder aktivieren kann.

Sicherheitsfunktionen wie Abschaltung bei Überdruck oder Übertemperatur sind fester Bestandteil der Steuerung. Der Systemaufbau kann modular erfolgen: als Stand-alone-Lösung oder als Mehrprecursor-System mit zentraler Steuerung. Gehäuseausführungen in Stahlblech oder Ex-geschützten Ausführungen sind ebenso möglich wie Integration in vorhandene Schaltschränke.