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Dokumentenidentifikation DE19745316C2 16.11.2000
Titel Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannung für die Ionisation von Gasen
Anmelder Sebald, Thomas, 01465 Langebrück, DE
Erfinder Sebald, Thomas, 01465 Langebrück, DE
Vertreter Thiermann, J., Ing. Pat.-Ing. Dipl.-Jur., Pat.- u. Rechtsanw., 01067 Dresden
DE-Anmeldedatum 14.10.1997
DE-Aktenzeichen 19745316
Offenlegungstag 22.04.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.11.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.11.2000
IPC-Hauptklasse H01T 23/00
IPC-Nebenklasse H01L 37/00   H01L 35/28   H02N 2/00   F24F 3/16   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannung für die Ionisation von Gasen bei der Fertigung, der Montage und der Qualitätssicherung von mikrostrukturierten Bauteilen und Baugruppen, insbesondere bei der Herstellung von Wafern und mikroelektronischen Bauelementen und Baugruppen.

Bei der Herstellung und Handhabung von Produkten der Mikrostrukturtechnik können elektrostatische Aufladungen zu Schädigungen führen. Zum einen werden bei unkontrollierter Entladung die Strukturen durch elektrische Überbelastung zerstört oder geschädigt (EOS). Sofern die Bauteile unter Reinraumbedingungen gehandhabt werden, also eine Staubgefährdung vorliegt, können statische Ladungen auf Grund von Coulombkräften zu erhöhter unerwünschter Partikeldeposition führen. Insbesondere bei der Produktion von Halbleiterbauelementen, der Festplattenfertigung und der Flatpanel-Display Herstellung, aber auch bei optischen Beschichtungen sowie in Lackierereien sind elektrostatische Ladungen unerwünscht.

Um der Entstehung elektrostatischer Aufladungen vorzubeugen, werden alle Gegenstände in diesen Produktionsbereichen - soweit es geht - aus leitfähigen Materialien hergestellt und gezielt geerdet. Häufig läßt sich aber der Einsatz von letzteren nicht überall realisieren. So wird zum Teil hohe chemische Resistenz gefordert, die nur von Poly-Fluor-Kunststoffen realisiert wird, welche hohe elektrische Oberflächenwiderstände haben, oder es müssen Isolatoren zum Einsatz kommen; häufig sind auch die Produkte selbst hoch isolierend. Damit geht aber zwangsläufig eine Aufladungsgefährdung einher.

In diesen Bereichen können statische Aufladungen nur durch die Zuführung von Ladungsträgern durch die Luft neutralisiert werden. Luft-Ionisatoren erzeugen luftgetragene Ladungsträger in Form von Ionen. Solche Ionisatoren erzeugen durch Anlagen von Hochspannung an Spitzen, Kanten oder Drähten eine Gasentladung. In diesen Gasentladungszonen (Townsend- Entladung) liegt die Luft ionsiert vor. Je nach Polarität der Hochspannung werden die entsprechend geladenen Ionen durch die Feldkräfte aus der Gasentladungszone gedrückt und bewegen sich als freie Ionen (überwiegend Stickstoff positiv und Sauerstoff negativ), von elektrischen Feldern oder der Luftströmung getrieben, durch die Luft.

Diese Vorgänge sind hinlänglich bekannt, in der Literatur beschrieben und es gibt eine Reihe von Patenten hinsichtlich der Ausführung solcher Ionisatoren (EP 0 448 929 A1; DE 35 43 618 A1; DE 36 03 947 A1; DE 35 22 881 C1, US 4,477,263; WO 96/02966 A1; US 4,872,083; WO 92/03863 A1; US 5,153,811; US 4,542,434; US 4,117,332; US 4,809,127; US 3,711,743; u. a.)

Die moderne Reinraumtechnik geht weg von großen, hallenartigen Reinräumen, in denen der Fertigungsbereich und der Personalbereich unwesentlich voneinander getrennt ist, hin zu reinraumtechnisch gekapselten Maschinen und kleinen Produktionszonen (SMIF Technik, 300 mm-Wafer-Technologie, Minienvironments). Die Ionisatoren, welche dem Stand der Technik entsprechen, benötigen zur Erzeugung der Hochspannung Transformatoren oder sog. Kaskadenschaltungen. Diese Systeme sind räumlich relativ groß. Diese Systeme in kleinen Reinräumen einzusetzen (Minienvironments) ist auf Grund der Enge nicht oder nur unter Schwierigkeiten möglich. Wird die Spannungsversorgung mit integriert, geht sehr viel Raum verloren, wird die Spannungsversorgung außerhalb der Minienvironments installiert, müssen Hochspannungskabel mit den damit verbundenen Risiken bzw. den notwendigen Sicherheitsvorkehrungen verlegt werden.

Es besteht also ein Bedarf an kleinen, bzw. miniaturisierten Ionisationssystemen mit integrierter Hochspannungsquelle.

Daneben sind u. a. aus der US 4,620,262 pyroelektrische Energie-Konverter bekannt, die es ohne den Umweg über mechanische Bewegungen ermöglicht, thermische Energie effizient in elektrische umzuwandeln.

Nachteilig ist weiterhin, daß die herkömmlichen Ionisatoren auf Grund ihrer Bauform relativ weit reichende (einige 10 cm) elektrische Wechsel- oder Gleichfelder verursachen, welche durch Influenz in den zu neutralisierenden Gegenständen zu unerwünschten Potentialen bzw. Ladungsverschiebungen führen. Es besteht also ein Bedarf an Ionisatoren mit möglichst kleinen Streufeldern.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu eliminieren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannung für die Ionisation von Gasen bei der Fertigung, der Montage und der Qualitätssicherung von mikrostrukturierten Bauteilen und Baugruppen, insbesondere bei der Herstellung von Wafern und mikroelektronischen Bauelementen und Baugruppen zu schaffen, die unmittelbar in oder an kleinen oder miniaturisierten Ionisationssystemen mit integrierter Hochspannungsquelle eingesetzt werden kann und die nur kleine Streufelder erzeugt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Zur Hochspannungserzeugung wird der pyroelektrische Effekt an Kristallen mit möglichst großem pyroelektrischem Koeffizienten ausgenutzt.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben und in Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 den schematisierten Aufbau einer Ionisationseinrichtung und

Fig. 2 die Ionisationseinrichtung gemäß Fig. 1 in einem Dielektrikum.

In Fig. 1 ist eine Ionisationseinrichtung in vereinfachter Form dargestellt.

Die Ionisationseinrichtung ermöglicht die Erzeugung hoher Potentiale (bis zu 10.000 V) durch die Verbindung eines Heiz- und Kühlelements auf der Basis des Peltiereffektes, bei dem ein positiv dotierter Halbleiter 1a und ein negativ dotierter Halbleiter 1c mit einem Leiter 1b verbunden ist, mit einem pyroelektrischen Material 2 mit hoher Pyroelektrizitätskonstante, z. B. Lithiumniobat (LiNbO3), Lithiumtantalat (LiTaO3) oder auch Poly-Fluor- Kohlenwasserstoffe.

Das Peltierelement kühlt bzw. heizt das pyroelektrische Material, welches an seinen äußeren Flächen durch interne Ladungsverschiebung polarisiert wird. Erdet man eine der beiden polarisierten Flächen, so erhält man hohe elektrische Spannungen an der anderen Fläche mit temperaturabhängiger Höhe und Polarität. Wird diese Spannung auf ein Elektrodensystem aus Spitzen 3, Kanten oder Drähten als Hochspannungsseite und einer dicht daneben angeordneten Masse-Gegenelektrode 4 geleitet, so entstehen an der Hochspannungselektrode Ionen und, auf Grund des geringen Abstands zwischen der Hochspannungselektrode und der geerdeten Gegenelektrode, kleine, nicht sehr weit in den Raum hineinreichende elektrische Störfelder.

Durch Ändern der Polarität an der Versorgungsspannung des Peltierelementes 5 wird der pyroelektrische Kristall jeweils abgekühlt bzw. erwärmt und erzeugt dadurch alternierend positive und negative Ionen. Da der Kristall elektrisch ein Isolator ist und die beiden polarisierten Oberflächen somit als Kondensator betrachtet werden können, werden durch die Selbstregulierung in erster Näherung unter Vernachlässigung der inneren Widerstände immer gleich viele positive bzw. negative Ionen erzeugt. Diese Selbstregulierung kommt den Anforderungen an eine ausgewogene Ionenerzeugung zur Vermeidung von monopolaren Raumladungen entgegen. Die Versorgungsspannung für technisch nutzbare Peltierelemente liegt bei einigen Volt (0,2 V-10 V). Die damit verbundene Leitungsführung ist sehr gut mit den Anforderungen der modernen Reinraumtechnik vereinbar.

Mit pyroelektrischen Einkristallen, vorzugsweise Lithiumtantalat, der Größe 5 mm mal 5 mm mal 0,5 mm können ausreichend Ladungsträger erzeugt werden, um technisch nutzbare Neutralisationszeiten der elektrostatischen Ladungen zu erzielen (< 20 s). Damit kann ein kompletter Ionisator mit Hochspannungsversorgung und Elektrodensystem in einem Volumen von unter einem Kubikzentimeter aufgebaut werden.

Diese geringen Abmessungen und die geringen Störfelder machen die Erfindung für den Einbau in Minienvironments prädestiniert.

In Fig. 2 ist die komplette Ionisationseinrichtung gemäß Fig. 1 in ein Dielektrikum 6 eingebettet. So entsteht eine leicht zu reinigende Einheit, welche auch in agressiven Medien eingesetzt werden kann, was für einige Bereiche in der Halbleiter-Prozesstechnik von Vorteil ist. Bezugszeichenübersicht 1a positiv dotierter Halbleiter

1b Leiter

1c negativ dotierter Halbleiter

2 pyroelektrisches Material

3 Elektrodensystem

4 Masse-Gegenelektrode

5 Peltierelement

6 Dielektrikum


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen, bestehend aus einer Ionenemitter-Elektrode, einer Gegenelektrode und einem Hochspannungsgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung durch die Erwärmung und Abkühlung eines pyroelektrischen Materials erzeugt wird.
  2. 2. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach Anspruch 1, bestehend aus einer Ionenemitter-Elektrode, einer Gegenelektrode und einem Hochspannungsgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden unmittelbar mit dem Hochspannungsgenerator verbunden sind.
  3. 3. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung und Abkühlung des pyroelektrischen Materials durch ein Peltierelement erfolgt.
  4. 4. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch einen elektrischen Heizwiderstand und die Abkühlung über Konvektion in Gasen bzw. Wärmeleitung an Festkörpern erfolgt.
  5. 5. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch zyklische Umpolung des Stromes durch das Peltierelement eine zyklische Erwärmung und Abkühlung erfolgt, wodurch ein zyklischer Wechsel der Emitter-Elektroden-Polarität und auch der Ionenpolarität erfolgt.
  6. 6. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode eine Spitze oder Kante ist.
  7. 7. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in ein Dielektrikum eingebettet sind.
  8. 8. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenelektrode Emitterelektroden mit zyklisch wechselnder Polarität verwendet werden.
  9. 9. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß gegenpolare Peltierelemente elektrisch parallel oder elektrisch in Reihe geschaltet sind.
  10. 10. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Zahl der emittierten Ionen die Temperaturänderung variiert wird.
  11. 11. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Zahl der emittierten Ionen die Vorspannung der Gegenelektrode variiert wird.






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