Erwärmen im Vakuum – der IR-Ansatz
Wenn man mit Halbleiterwafern arbeitet, möchte man auf keinen Fall, dass ein Staubkorn oder eine fremde Molekülgruppe die Qualität der Wafers beeinträchtigt. Doch Wärme ist dennoch notwendig. Das Problem: Man kann kein heißes Luftstrom im Vakuum erzeugen – schließlich gibt es dort kein Luft.
Daher kommen vakuumkompatible IR-Heizgeräte ins Spiel. Anstatt die Umgebung zu erwärmen, senden diese Geräte Strahlungsenergie direkt auf das Zielobjekt. Dadurch wird keine Luft bewegt – und das Vakuum bleibt ungestört.
Die Physik dahinter – ohne Lehrbuch
Da man sich nicht auf Konvektion verlassen kann, ist Strahlung das einzige Mittel zur Erwärmung. Wir verwenden meist Kurzwellen-IR-Lampen. Warum? Weil sie die Materialien viel schneller erwärmen können als Langwellen-Lampen.
Bei der Auswahl dieser Lampen achten wir auf die Leistungsdichte. Wir verwenden hochleistungsstarke Quarzelemente, die es ermöglichen, die gewünschte Temperatur in Sekundenschnelle zu erreichen. Es geht wirklich schnell. Das ändert alles an der Gesamtlaufzeit des Prozesses. Wenn man nicht darauf warten muss, bis alles warm wird, wird pro Wafer weniger Energie verbraucht. So einfach ist das.
Herausforderungen: Materialien und Gasausstöße
Man kann hier nicht irgendeine Lampe verwenden. Standardglas ist im Vakuum ein Albtraum – es kann entweder unter dem Druck zerbrechen oder Gase freisetzen, die die Qualität der Wafers beeinträchtigen.
Wir verwenden daher hochreinen synthetischen Quarz. Zudem verwenden wir Wolframfäden, damit die Lampen während der schnellen Erwärmungs- und Abkühlzyklen nicht kaputtgehen. Auch die Dichtungen und Verbindungen müssen vakuumtauglich sein. Schon ein kleiner Leck kann dazu führen, dass der Druck in der Kammer sinkt – und plötzlich hat man einen sehr teuren „Papierstein“.
Aber hier gibt es noch etwas, worauf man achten muss: die Wärmestauung. Da es im Vakuum keine Luft gibt, die die Wärme vom Gehäuse der Lampe wegtransportiert, wird das Gehäuse stark belastet. Wenn die Wasserkühlung nicht richtig eingestellt ist, können die Dichtungen der Kammer beschädigt werden. Das ist ein Problem, das man unbedingt vermeiden sollte.
Kosten und Umweltauswirkungen
Die meisten herkömmlichen Anlagen nutzen Widerstandsheizung. Das bedeutet, dass man einen riesigen Haufen inerten Stahls erhitzen muss, nur um die Wafers zu erwärmen. Das ist eine enorme Energieverschwendung.
Durch den Einsatz von IR-Heizung wird nur das erwärmt, was tatsächlich benötigt wird. Der Rest der Kammer bleibt kalt. Dadurch wird weniger Energie pro Charge verbraucht. Es handelt sich dabei um eine einfache Möglichkeit, die Produktion „grüner“ zu gestalten, ohne dabei an der Leistung einzubüßen.