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1. Quartal 2008 Sputter Spotlight

Geerdet: Praxisanweisungen für eine einwandfreie Erdung


Unsachgemäße Erdung gefährdet Ihren Fertigungsbetrieb und Ihr Personal. Mögliche Wechselwirkungen mit benachbarten elektrischen Systemen, etwa mit den Stromkreisen Ihrer Büroräume, können entstehen. Es gab Fälle, in denen derartige Störungen die Deckenbeleuchtung zum Blinken brachten. Ebenso kann eine nicht korrekte Erdung Ursache für Phänomene wie elektromagnetische Störungen und fehlerhafte Messwerte sein, was sich ungünstig auf die Qualität Ihrer Prozesse und die Schichtqualität auswirkt. Der wichtigste zu beachtende Aspekt ist, dass Sie durch unsachgemäße Erdung Ihr Personal dem Risiko eines Elektroschocks aussetzen. Es ist daher wichtig, dass Sie vollständig und umfassend über ordnungsgemäße Erdungsmethoden informiert sind.

Die Ausgabe des 1. Quartals 2008 von Sputter SpotlightSM bietet unkomplizierte und praktische Ratschläge für die ordnungsgemäße Erdung der elektrischen Systeme, die Teil des Vakuumverarbeitungsprozesses sind, einschließlich der Stromversorgungen. Diese Grundlagen, Fotos, Diagramme und Erklärungen liefern Ihnen die Arbeitsschritte, die Sie zur Verbesserung der Systemleistung und der Anlagensicherheit durchführen können.

Bitte beachten Sie, dass Erdung ein komplexes Thema ist. Die Informationen im Rahmen dieser Ausgabe liefern nur die wichtigsten Grundlagen und Leitlinien, sie sind keinesfalls eine erschöpfende Abhandlung des Themas. Fragen Sie Doug, wenn Sie einen Rat für eine bestimmte Situation brauchen.


Die Erdung muss unter Beachtung der lokal gültigen Vorschriften und Gesetze erfolgen. Informieren Sie sich vor Arbeiten an Ihrem System über die anzuwendenden Normen für Ihren Standort und beachten Sie alle erforderlichen Sicherheitsvorschriften. Unsachgemäße Erdung kann zu ernsten Unfällen führen und gefährdet Personal und Geräte.





Allgemeine Grundlagen

Beim Einsatz von Kupfer-Erdungsbändern auf ausreichende Breite achten. Der als „Skineffekt“ bekannte Effekt ist dafür verantwortlich, dass sowohl hochfrequente elektrische Ströme als auch niederfrequente Wechselströme nur an der Oberfläche des Erdungsbandes fließen. Folglich muss das Erdungsband eine möglichst große Oberfläche bieten. Abbildung 1 zeigt ein Erdungsband der empfohlenen Breite.

Andere, zur Erdung verwendete Materialen sind Litzendraht und flache Flechtkabel. Welches Material Sie einsetzen, hängt von den spezifischen Anforderungen bzw. Ihren Systemanforderungen ab. Fragen Sie Doug, wenn Sie einen Rat für eine bestimmte Situation benötigen.

Abbildung 1. Ein Kupfer-Erdungsband der empfohlenen Breite

Abbildung 1. Ein Kupfer-Erdungsband der empfohlenen Breite


Crimpen und löten Sie Ihre Massen. Crimpen allein ist für Ausgangskabel ungeeignet, da Kupfer dazu neigt, zu oxidieren. Diese Oxidation gefährdet Ihre Masseverbindung, sodass ohne Verlöten und Crimpen möglicherweise die Verbindung komplett bricht. Abbildung 2 (s. unten) zeigt ein flaches, in einer Ringöse verlötetes Flechtkabel, das eine sichere Verbindung zur Masseverschraubung der DC-Stromversorgung schafft.

Sorgen Sie für blanke Masseverbindungen, Metall-an-Metall. Es dürfen weder Farbe noch andere nicht leitende Materialien zwischen den beiden Seiten Ihrer Masseanschlüsse gelangen. Sie müssen also die Verbindung zwischen nicht lackierten, metallisch blanken Flächen herstellen (Abbildung 2) oder die Verbindung herstellen, bevor die Fläche lackiert wird (Abbildung 3); oder Sie müssen Lacke bzw. andere nicht leitende Beschichtungen entfernen, bevor Sie Metallpfeiler, Pole oder Rohre erden (Abbildung 4). Bitte beachten Sie, dass die Lackierung einer ordnungsgemäßen Masseverbindung Oxidation verhindert und so die Verbindung schützt.

Abbildung 2. Zwischen nicht lackierten Flächen hergestellte Masseverbindung

Abbildung 2. Zwischen nicht lackierten Flächen hergestellte Masseverbindung





Abbildung 3. Vor der Lackierung hergestellte Masseverbindung am Metallpfeiler

Abbildung 3. Vor der Lackierung hergestellte Masseverbindung am Metallpfeiler





Abbildung 4. Nach Entfernen der Farbe vom Metallpfeiler hergestellte Masseverbindung

Abbildung 4. Nach Entfernen der Farbe vom Metallpfeiler hergestellte Masseverbindung




Erden Sie jedes Gehäuse. Diese besondere Verbindung wird oft übersehen oder als unwichtig angesehen. Es ist aber immer wichtig, eine Verbindung zum Netzteil herzustellen.

Achten Sie auf die korrekte Montage der Verbindung am Gehäuse. Abbildung 5 zeigt eine korrekt montierte Masseverbindung am Netzteilgehäuse. Die Zahnscheibe zwischen dem Ende des flachen Flechtkabels und dem Netzteilgehäuse ist oxidationsbeständig und sorgt so für eine langlebige Masseverbindung.

Abbildung 5. Großaufnahme einer korrekt montierten Masseverbindung an einem Pinnacle® Gehäuse

Abbildung 5. Großaufnahme einer korrekt montierten Masseverbindung an einem Pinnacle® Gehäuse





Ausgangskabel von AC-Netzteilen an beiden Enden anschließen. Für die in industriellen Sputteranwendungen aufzubringende Energie reicht die einseitige Erdung der Anlage nicht aus. Allein durch die Kabellänge ist ausreichend Widerstand vorhanden, sodass möglicherweise eine hohe Spannung am nicht geerdeten Ende der Anlage auftritt und so Geräte und Personal gefährdet sind.

Stellen Sie Masseverbindungen von der Vakuumkammer zum Netzteil und schließlich zum Gebäude her. So ist sichergestellt, dass die Masse des Systems schließlich in der Erde landet. Eine mit dem Erdboden verbundene Masse ist wirksamer als eine Referenzerde und hilft, elektromagnetische Störungen, Rauschen, Elektroschocks am Personal und alle sonstigen Probleme, die mit nicht ordnungsgemäßer Erdung einhergehen, zu verhindern. Abbildung 5 (s. oben) zeigt ein fest verlegtes Flechtkabel, das Vakuumkammer und Stromversorgung verbindet. Die Abbildungen 6 und 7 (s. unten) zeigen ein flaches an Vakuumkammer und Netzteil angeschlossenes Kupferflachband.

Abbildung 6. An die Vakuumkammer angeschlossenes Kupfer-Erdungsflachband vom Netzteil kommend

Abbildung 6. An die Vakuumkammer angeschlossenes Kupfer-Erdungsflachband von der Stromversorgung kommend





Abbildung 7. Von der Vakuumkammer zum Netzteil führendes Kupfer-Erdungsflachband

Abbildung 7. Von der Vakuumkammer zum Netzteil führendes Kupfer-Erdungsflachband



Systemerdung

Einwandfreie Systemerdung beginnt mit den Tiefenfundamenten Ihrer Gebäude. Die folgenden Diagramme zeigen eine korrekt geerdete industrielle Beschichtungsanlage innerhalb eines Raumes, bei dem man an die Erdung gedacht hat. Das Erdungskabel, die Tiefenerder und alle sonstigen Strukturelemente sorgen für eine einwandfreie Erdung der Beschichtungsanlage.

Abbildung 8. Ordnungsgemäße System- und Fabrikerdung für einen industriellen Beschichtungsbetrieb

Abbildung 8. Ordnungsgemäße System- und Fabrikerdung für einen industriellen Beschichtungsbetrieb





Abbildung 9. Detaillierte Darstellung von einwandfrei geerdeten Stromleitungen zwischen dem Niederfrequenz-Netzteil und den Kathoden der Beschichtungsanlage. Das Ausgangskabel des Netzteils ist von einem geschirmten Erdungskabel umgeben, das selbst an beiden Enden geerdet ist

Abbildung 9. Detaillierte Darstellung von einwandfrei geerdeten Stromleitungen zwischen dem Niederfrequenz-Netzteil und den Kathoden der Beschichtungsanlage. Das Ausgangskabel des Netzteils ist von einem geschirmten Erdungskabel umgeben, das selbst an beiden Enden geerdet ist





Die folgenden Fotos zeigen eine im Bau befindliche Fabrik, die eine industrielle Beschichtungsanlage aufnehmen soll. In dieser Bauphase sind die eingebauten Beschläge zu sehen, die dann für korrekte Erdung sorgen, nachdem die Anlage installiert wurde und in Betrieb gegangen ist.

Abbildung 10. Ordnungsgemäße Masseverbindung am Wandabstützung

Abbildung 10. Ordnungsgemäße Masseverbindung am Wandabstützung





Abbildung 11. Verbindungskabel zwischen Raumerdung und Tieferdern an den Raumecken

Abbildung 11. Verbindungskabel zwischen Raumerdung und Tieferder an den Raumecken





Abbildungen 12 und 13. Verbindungen zwischen Raum-Erdungkabel und Baustahl in der Wand

Abbildungen 12 und 13. Verbindungen zwischen Raum-Erdungkabel und Baustahl in der Wand

Abbildungen 12 und 13. Verbindungen zwischen Raum-Erdungkabel und Baustahl in der Wand





Abbildung 14 und 15. Ordnungsgemäß gecrimpte Kabelverbindungen

Abbildung 14 und 15. Ordnungsgemäß gecrimpte Kabelverbindungen

Abbildung 14 und 15. Ordnungsgemäß gecrimpte Kabelverbindungen





Fragen Sie Doug!

Doug Pelleymounter photo

Treibt Sie Ihr Sputterprozess zur Weißglut?

Doug Pelleymounter, AEs Senior Application Ingenieur, hat mehr als 33 Jahre oder 231 Hundejahre an praktischer Erfahrung mit allen Arten an anspruchsvollen Sputteranwendungen. In diesem Abschnitt hilft Ihnen Doug, einige schwierige Anwendungsfragen zu beantworten. Senden Sie Ihre Frage oder Ihren Kommentar an sputtering@aei.com.

  1. Ich plane einen Prozess und habe eine Frage zur HF-Stromversorgung. Worin bestehen die Vor- und Nachteile, wenn ein Prozess im Spannungs- oder Leistungsmodus betrieben wird? Erhalte ich die gleichen Filmeigenschaften, wenn ich den Prozess im Konstantleistungs- statt im Konstantspannungsbetrieb betreibe?
  2. Wir untersuchen TiO2-Filme für eine optische Anwendung mit nur einer Magnetronkathode. Ziel wäre es, TiO2 mithilfe einer gepulsten DC-Stromversorgung hinzubekommen. Das Substrat würde auf max. 350°C erhitzt und wir würden O2 und Ar als Prozessgase verwenden. Können Sie eine gepulste DC-Stromversorgung und die optimalen Prozessparameter empfehlen, mit denen man eine tadellose, dichte Schicht und eine hohe Abscheidungsrate erhält? Wie hoch ist die maximal mögliche Abscheidungsrate für TiO2? Können Sie mir die gleichen Ratschläge auch für SiO2 geben.
  3. Ich habe nicht genug Platz in meiner Kammer, um ein Doppel-Magnetronsystem einzusetzen. Gibt es gute Alternativen?
  4. Ich habe gehört, die Einrichtung für HF-überlagerten Gleichstrom ist kompliziert. Welches sind die wichtigsten Fallstricke, die es zu vermeiden gilt?
  1. Ich plane einen Prozess und habe eine Frage zur HF-Stromversorgung. Worin bestehen die Vor- und Nachteile, wenn ein Prozess im Spannungs- oder Leistungsmodus betrieben wird? Erhalte ich die gleichen Filmeigenschaften, wenn ich den Prozess im Konstantleistungs- statt im Konstantspannungsbetrieb betreibe?—Anonym
    Antwort: Ich würde die Stromversorgung im Leistungssteuermodus fahren. Das Netzteil „sieht“ die Last und passt V und I entsprechend an, sodass für beide genügend Raum bleibt, um auf alle Anomalien im Prozess zu reagieren. Wenn das Netzteil im Spannungsregelbetrieb gefahren wird, passt es P und I entsprechend an. Dies ist aber OK, wenn Sie die Last genau regeln können. Wenn die Last eines von beiden ändert, dann ändern sich auch P und I, sodass der Prozess schnell aus den Spezifikationsvorgaben laufen kann. Viel Glück!


  2. Wir untersuchen TiO2-Filme für eine optische Anwendung mit nur einer Magnetronkathode. Ziel wäre es, TiO2 mithilfe einer gepulsten DC -Stromversorgung hinzubekommen. Das Substrat würde auf max. 350°C erhitzt und wir würden O2 und Ar als Prozessgase verwenden. Können Sie eine gepulste DC-Stromversorgung und die optimalen Prozessparameter empfehlen, mit denen man eine tadellose, dichte Schicht und eine hohe Abscheidungsrate erhält? Wie hoch ist die maximal mögliche Abscheidungsrate für TiO2? Können Sie mir die gleichen Ratschläge auch für SiO2 geben. —Atul Nagras
    Antwort: Ich würde ein Pinnacle® Plus DC-/Pulsed-DC-Netzteil verwenden. AE bietet die Geräte als 5 kW und 10 kW Versionen an. Je nach Leistung Ihres Zielsystems müssten Sie die passende Version wählen. Meine Faustregel ist maximal 100 W pro in2 für maximale Inchgröße, 70 W pro in2 nominal für eine leichte Kühlungsreserve. Es handelt sich um einen fortlaufenden Prozess.

    TiO2 ist im Fully Oxide Mode sehr langsam. Die Rate hängt von einer Vielzahl von Faktoren in Ihrer Kammer ab: Abstand vom Target zum Substrat, Druck, Magnetstärke, etc.— Sie kennen das ja. Eine gute Richtgröße ist 3 bis 5 Å pro Sek. Beim SiO2 käme das gleiche Netzteil zum Einsatz und würde vermutlich 5 bis 8 Å pro Sek. bekommen.

    Lesen Sie dazu bitte Wie hoch sind die Sputteringraten, die ich erreichen kann? in der Q1 2007 Ausgabe der Sputter Spotlight Newsletter sowie Wie kann ich meine Sputtingrate verbessern? in der Q3 2007 Ausgabe, wenn Sie weitere Informationen zu den bei der Sputterrate wichtigen Faktoren wissen möchten. Und zögern Sie nicht, mich unter sputtering@aei.com anzuschreiben, wenn Sie weitere Ratschläge benötigen.


  3. Ich habe nicht genug Platz in meiner Kammer, um ein Doppel-Magnetronsystem einzusetzen. Gibt es gute Alternativen?
    Antwort:
    Es gibt zwei Möglichkeiten: RAS oder HF-überlagerter Gleichstrom (HF/DC). Von der Verwendung von RAS rate ich hier ab, da dies Bohrlöcher in der Vakuumkammer erfordern würde, um die Hochspannungsanoden anzubringen, was sehr kompliziert und arbeitsaufwändig ist. RF/DC hingegen kann einfacher hinzugefügt werden als RAS und braucht weniger Platz als vollwertiges DC, da nur eine Kathode benötigt wird. Kostenmäßig gibt es einen kleinen Nachteil. RF/DC ist anfänglich teurer, da man zwei Netzteile kaufen muss (eine HF-Einheit und eine DC- oder gepulste DC-Einheit), aber auf der Verbrauchsmaterialseite spart man das wieder ein, da man nur eine Kathode kaufen muss.


  4. Ich habe gehört, die Einrichtung für HF-überlagerten Gleichstrom ist kompliziert. Welches sind die wichtigsten Fallstricke, die es zu vermeiden gilt?
    Antwort:
    Einwandfreies Einrichten des Arc Handling ist der Schlüssel zum Erfolg beim HF/DC, da hier zwei Stromversorgungsarten zugleich arbeiten. Das DC- oder gepulte DC-Netzteil kann Bögen besser erkennen und genauer darauf reagieren als das HF-Netzteil. Folglich muss das DC-Netzteil in der Lage sein, die HF-Einheit zu steuern, um sowohl die DC- als auch die HF Energie abzuschalten, wenn es zur Arcbildung kommt. Es muss zudem in der Lage sein, die Energie zuzuschalten, sobald der Bogen gelöscht ist. Die auf dem Markt verfügbaren DC-Netzteile verhalten sich diesbezüglich sehr unterschiedlich. Einige bieten überhaupt keine DC/HF-Steuerungmethode oder dergleichen an, während andere eine leistungsfähige Steuerung bieten. So verleiht die Arc-Sync™ Technologie beispielsweise den Pinnacle® Plus+ DC-Netzteilen einfache und effiziente Steuerungsmöglichkeiten für eine daran angeschlossene Cesar® HF-Einheit für den Umgang mit Arcs.

    Es gibt noch weitere Themen, die es bei der Einrichtung von HF/DC-Netzteilen zu beachten gilt, etwa die Verkabelung und die Verwendung eines Filters oder einer Weiche. Weitere Informationen finden Sie in unserer technischen Note Arc Handling bei HF-überlagerten DC-Prozessanwendungen.