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Precursor Verdampfersysteme

Die Precursor-Verdampfersysteme von SIGA ermöglichen die präzise, trägermittelfreie Dosierung und Verdampfung flüssiger Chemikalien für CVD, PECVD, ALD und andere Abscheideprozesse – sicher, effizient und wirtschaflich.

Wir gehen auf die Wünsche unserer Kunden ein und entwickeln nach Ihren Vorgaben und passen unsere Systeme auf Ihre Belange an.

Plattform V107 / V108 Precursor Verdampfer für einen Precursor mit einem Prozessausgang

Unsere Precursor verdampfer nach dem „Baking“ Prinzip erlauben es trägergasfrei die richtige Precursormenge zu dosieren. 

Das Basissystem V107/V108 startet mit einem Verdampfer mit Spüleingang und Prozessausgang. Dabei sind verschiedene Ausbaustufen möglich wie die Dosierung in einen Prozessgasstrom, die Mischung verschiedener Dämpfe und Gase. Nach Bedarf können Features wie die kontrollierte Inertisierung des Abgasstroms, Überdruckventile, Gassensoren, Lüftungssysteme, Nachdruckregler und weitere prozessabhängige Komponenten hinzukommen. 

Es gibt mittlerweile mehr als ein Dutzend Varianten des Systems die wir gerne weiter auf Ihre Wünsche abstimmen.

SIGA Precursor Verdampfer eiinfach RI Schema
Precursor Verdampfer V108
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Die einfachsten Precursor Verdampfersysteme V107/V108 erlauben die Dosierung des Dampfs mittels MFC aus einem beheizten Gefäß. Alle Leitungen sind in einem beheizten Bereich um Kondensation zu vermeiden.

Precursor Verdampfer für einen Precursor und mehrere Prozessausgänge 107/108-200

Die Möglichkeit aus einen Verdampfer mehrere Verbraucher zur versorgen erlaubt es komplexe Anlagen kompakter zu bauen und auf eine gemeinsame Verdampferquelle mit identischem Medium zurückzugreifen. In der Summe senkt das Komplexität und damit Kosten, Wartungsaufwände und erhöht die Robustheit.

Precursor Verdampfer mehrere Prozessausgänge RI Schema
Precursor Verdampfer mehrere Prozessausgänge
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Verdampfersystem Variante V107 mit 3 unabhängigen Prozessausgängen für Metallalkylverdampfer.

Precursor Verdampfer System V107G-051A Dimensions

Plattform V111 Precursor Verdampfer für zwei oder mehr zur Mischung mit Prozessgasen

Sollen für einen Abscheideprozess mehrere Elemente abgeschieden werden, die als Flüssigkeit vorliegen und mit Prozessgasen gemischt oder abwechselnd dosiert werden, so erlaubt diese Plattform die volle Bandbreite an Kombinationen wobei auch mehrere Prozessausgänge bedient werden können. Das Beispiel zeigt ein System mit 2 Verdampfern und 6 Prozessausgängen die jeweils unabhängig dosieren. Die Plattform wurde vielfach gebaut und ist weiter adaptierbar.

Das System kann auch adaptierbar auf verschiedene Prozessgase mittels des Einsatzs von Multirange und Multigas MFC’s realisiert werden. 

Durch die Vereinigung multipler Komponenten in einem System ist eine einfach abgestimmte Steuerung und der Bau eines kompakteren Systems möglich was in Summe Kosten, Wartungsaufwände und Integrationsaufwände spart.

Durch interne Verbindungen steigt die Ausfallsicherheit. Zur einfachen Wartung im Dauerbetrieb können MFC Linien redundant ausgelegt werden.

Precursor Verdampfer mehrere Prozessausgänge 2 RI Schema
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Verdampfersystem
für Charge & Release aus Pufferbehältern

Alternativ zur Dosierung mittels MFC können definierte Dampfmengen in kurzer Zeit auch mittels Charge & Release aus Pufferbehältern dosiert werden. Dies ist vor allem interessant, wenn definierte Mengen in einer kurzen Zeit abgegeben werden müssen. Sowohl für kleine Mengen in kurzer Zeit (z.B. ALD) als auch großer Mengen in kurzer Zeit ist das Charge & Release Verfahren eine praktikable Lösung.

Im Puffergefäß wird ein eingestellter Druck aus dem Verdampfer aufgebaut. Ventile schließen den Weg zum Verdampfer. Nach Bedarf öffnen andere Ventile den Weg zur Prozesskammer. Nun fließt der Dampf aus dem Puffergefäß in die Kammer. Mit dem Volumen des Pufferbehälters und der Druckänderung während des Ablassens lässt sich der Precursor Dampf reproduzierbar dosieren. Der Druckaufbau im Pufferbehälter lässt sich steuern und mittels Verdünnung mit einem Trägergas können Prozesse weiter variiert werden.

Damit stehen vielseitige Eingriffsmöglichkeiten zur Verfügung um präzise und stabile Dosierprozesse  zu realisieren. Da der Prozess komplett ohne MFC‘s abläuft, sind mit diesem System auch Temperaturen über 200°C möglich.

Charge and Release System für ALD
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Die Charge & Release Systeme der SIGA GmbH erlauben die kontrollierte Dosierung von Dampfmengen und Dampfimpulsen ohne MFC.

Charge and Release System für ALD RI Schema

Bubbler Precursor Verdampfer

Bubbler Precursor Verdampfer nutzen ein Trägergas, welches durch den beheizten Verdampfertank geführt wird und zusammen mit dem Precursordampf den Bubbler wieder verlässt.
Sie sind besonders für Prozesse geeignet in denen durch den Precursordampf alleine kein ausreichender Prozessdruck aufgebaut werden kann.

Am Eingang des Verdampfers wird der Fluss des Trägergases kontrolliert, während am Ausgang der Druck, sowie im Verdampfer die Temperatur gemessen wird. Als kostengünstige alternative zu Trägergasfreien Verdampfern ist bei Bubbler-Verdampfersystemen eine geringe Verunreinigung des Precursers, durch das Trägergas hinzunehmen. Ein zusätzlicher Konzentrationssensor am Ausgang hilft das Maß der Verunreinigung zu überwachen. Zusätzlich enthält der Precursor Rückstände des Trägergases, da der Precursor kontinuierlich mit dem Trägergas durchströmt wird.

Als mittlerweile überholtes Verdampfersystem bietet ein Bubbler durch seinen Aufbau ein sehr kostengünstiges Gesamtsystem für atmosphärische Prozesse mit einer bedingten Genauigkeit.

Um geringere Beladeraten zu erreichen und unterhalb der
Raumtemperatur zu verdampfen, kann ein sekundärer Wärmetauscher mit Kühler
eingesetzt werden.

Unser Basissystem besteht aus einem Bubbler mit Coriolis Flüssigkeits MFC auf der Eingangsseite und Druckregelung auf der Ausgangsseite.

Gerne konfigurieren wir Ihr System entsprechend Ihren erforderlichen Bedürfnissen.

Precursor Verdampfer Bubbler
Precursor Verdampfer Bubbler
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Bubbler Precursor Verdampfersysteme der SIGA GmbH

Flüssigdosierung mit anschließender Verdampfung (Direktverdampfung)

Die Dosierung mit einem Trägergas ist die genauere Alternative für die Nutzung sogenannter DLI (Direct Liquid Injection) Systeme oder auch CEM (Controlled Evaporation and Mixing) Systeme.
Hierbei wird sowohl der Massenstrom des Trägergases als auch der Massenstrom des Precursors kontrolliert. Anschließend werden beide Medien zusammengeführt. Die Flüssigkeit wird verdampft und gemeinsam mit dem Trägergas transportiert. Es existieren verschiedene Systeme die teils den erhitzen Trägergasstrom selbst zur Weiterverdampfung eines gebildeten Aerosols nutzen.

Dank der präzisen Fluid-Dosierung ermöglichen DLI Systeme höchste Genauigkeiten in der Menge und der Zusammensetzung der bereitgestellten Prozessgase.

Die SIGA GmbH verwendet ausschließlich Komponenten namhafter Hersteller je nach Bedarf in Ihre Systeme. Dank unserem Know-how können wir je nach Kundenwunsch auch verschiedene Precursor und Verfahren in einem System kombinieren.

Beispiel Mischsystem mit 4 Linien

– Silan aus einem Gaskabinett
– HMDSO aus DLI System ohne Trägergas
– TTIP aus DLI System mit Trägergas
– TMA aus Direktverdampfer (Baking)

Precursor Verdampfer mit verschiedenen Technologien
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Verdampfer und Gasmischsysetem welches sowohl Direktverdampfer als auch zwei DLI Systeme vereint

Kundenspezifische Verdampfersysteme

Ihrer Anforderung entsprechend bauen wir basierend auf unserem Baukasten Ihre kundenspezifische Verdampferlösung. Wir sind es gewohnt und freuen uns darauf auch neue Komponenten und Lösungen zu integrieren um Ihnen eine optimale und effiziente Lösung zu bieten. Gerne auch als Serie.

Precursor Verdampfer induviduelle
Precursor Verdampfer kundenspezifisch
KI Illustration aus echtem SIGA Systembild, Fehler möglich.

Ihr System für Ihren Prozess.

Precursor Verdampfer

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.

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