DE19745316C2 - Device for generating high voltage for the ionization of gases - Google Patents

Device for generating high voltage for the ionization of gases

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    • H01T23/00—Apparatus for generating ions to be introduced into non-enclosed gases, e.g. into the atmosphere

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannung für die Ionisation von Gasen bei der Fertigung, der Montage und der Qualitäts­ sicherung von mikrostrukturierten Bauteilen und Baugruppen, insbesondere bei der Herstellung von Wafern und mikroelektronischen Bauelementen und Baugruppen.The invention relates to a device for generating high voltage for the ionization of gases during manufacture, assembly and quality securing of micro-structured components and assemblies, in particular in the manufacture of wafers and microelectronic components and Assemblies.

Bei der Herstellung und Handhabung von Produkten der Mikrostruktur­ technik können elektrostatische Aufladungen zu Schädigungen führen. Zum einen werden bei unkontrollierter Entladung die Strukturen durch elektri­ sche Überbelastung zerstört oder geschädigt (EOS). Sofern die Bauteile unter Reinraumbedingungen gehandhabt werden, also eine Staubgefährdung vorliegt, können statische Ladungen auf Grund von Coulombkräften zu er­ höhter unerwünschter Partikeldeposition führen. Insbesondere bei der Pro­ duktion von Halbleiterbauelementen, der Festplattenfertigung und der Flatpa­ nel-Display Herstellung, aber auch bei optischen Beschichtungen sowie in Lackierereien sind elektrostatische Ladungen unerwünscht.In the manufacture and handling of microstructured products technology can cause electrostatic charges. To the in the case of uncontrolled discharge, the structures are electri Overload destroyed or damaged (EOS). If the components are handled under clean room conditions, i.e. a dust hazard static charges can occur due to Coulomb forces lead to higher undesired particle deposition. Especially with the Pro production of semiconductor components, hard disk production and the Flatpa nel display production, but also for optical coatings and in Paint shops do not want electrostatic charges.

Um der Entstehung elektrostatischer Aufladungen vorzubeugen, werden alle Gegenstände in diesen Produktionsbereichen - soweit es geht - aus leitfähi­ gen Materialien hergestellt und gezielt geerdet. Häufig läßt sich aber der Ein­ satz 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.To prevent the build-up of electrostatic charges, everyone Objects in these production areas - as far as possible - made of conductive manufactured and specifically grounded. Often, however, the one Do not realize the latter sentence everywhere. This is how high chemical Resistance required, which is only realized by poly-fluoroplastic, which have high electrical surface resistances, or insulators are required are used; the products themselves are often also highly insulating. However, this inevitably involves a risk of charging.

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 Gas­ entladungszone gedrückt und bewegen sich als freie Ionen (überwiegend Stickstoff positiv und Sauerstoff negativ), von elektrischen Feldern oder der Luftströmung getrieben, durch die Luft.In these areas static charges can only be caused by the feeder be neutralized by air carriers. Air ionizers generate airborne charge carriers in the form of ions. Such ionizers generate by applying high voltage at tips, edges or  Wires a gas discharge. In these gas discharge zones (Townsend- Discharge) the air is ionized. Depending on the polarity of the high voltage the correspondingly charged ions are released from the gas by the field forces discharge zone and move as free ions (predominantly Nitrogen positive and oxygen negative), from electric fields or the Air flow driven through the air.

Diese Vorgänge sind hinlänglich bekannt, in der Literatur beschrieben und es gibt eine Reihe von Patenten hinsichtlich der Ausführung solcher Ionisa­ toren (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.)These processes are well known, described in the literature and there are a number of patents related to the execution of such Ionisa goals (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 Rein­ räumen, in denen der Fertigungsbereich und der Personalbereich unwesent­ lich voneinander getrennt ist, hin zu reinraumtechnisch gekapselten Maschi­ nen und kleinen Produktionszonen (SMIF Technik, 300 mm-Wafer-Techno­ logie, 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 notwendi­ gen Sicherheitsvorkehrungen verlegt werden.Modern clean room technology is moving away from large, hall-like clean rooms rooms in which the production area and the personnel area are insignificant is separated from one another, towards a machine encapsulated in clean room technology and small production zones (SMIF technology, 300 mm wafer techno logic, mini environments). The ionizers, which are state of the art correspond, require transformers to generate the high voltage or so-called cascade circuits. These systems are relatively large in space. These systems can be used in small clean rooms (mini environments) due to the tightness not possible or only with difficulty. Will the Integrated power supply, a lot of space is lost, the Power supply installed outside of the mini environment High-voltage cables with the associated risks and the necessary safety precautions.

Es besteht also ein Bedarf an kleinen, bzw. miniaturisierten Ionisationssyste­ men mit integrierter Hochspannungsquelle.There is therefore a need for small or miniaturized ionization systems men with integrated high voltage source.

Daneben sind u. a. aus der US 4,620,262 pyroelektrische Energie-Konverter bekannt, die es ohne den Umweg über mechanische Bewegungen ermög­ licht, thermische Energie effizient in elektrische umzuwandeln. In addition, a. from US 4,620,262 pyroelectric energy converter known, which makes it possible without the detour via mechanical movements convert light, thermal energy efficiently into electrical.  

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 Ionisato­ ren mit möglichst kleinen Streufeldern.Another disadvantage is that the conventional Due to their design, ionizers are relatively wide (some 10 cm) cause alternating or constant fields, which are caused by influenza in the objects to be neutralized to undesired potentials or charge shifts. So there is a need for ionization with the smallest possible stray fields.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu eliminieren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hoch­ spannung 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 Hoch­ spannungsquelle eingesetzt werden kann und die nur kleine Streufelder erzeugt.The object of the invention is to overcome the disadvantages of the known state of the art Eliminate technology and a device for generating high Voltage for the ionization of gases in manufacturing, assembly and quality assurance of microstructured components and assemblies, especially in the manufacture of wafers and microelectronic To create components and assemblies that are directly in or on small or miniaturized ionization systems with integrated high voltage source can be used and the only small stray fields generated.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.According to the invention the task is characterized by Features of the main claim solved. Advantageous developments of the invention are set out in the subclaims.

Zur Hochspannungserzeugung wird der pyroelektrische Effekt an Kristallen mit möglichst großem pyroelektrischem Koeffizienten ausgenutzt.For high voltage generation the pyroelectric effect on crystals with the largest possible pyroelectric Coefficients exploited.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben und in Zeichnungen dargestellt.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment described and shown in drawings.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 den schematisierten Aufbau einer Ionisationseinrichtung und Fig. 1 shows the schematic structure of an ionization device and

Fig. 2 die Ionisationseinrichtung gemäß Fig. 1 in einem Dielektrikum. FIG. 2 shows the ionization device according to FIG. 1 in a dielectric.

In Fig. 1 ist eine Ionisationseinrichtung in vereinfachter Form dargestellt.In Fig. 1 an ionization device is shown in simplified form.

Die Ionisationseinrichtung ermöglicht die Erzeugung hoher Poten­ tiale (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.The ionization device enables the generation of high potentials (up to 10,000 V) by connecting a heating and cooling element based on the Peltier effect, in which a positively doped semiconductor 1 a and a negatively doped semiconductor 1 c are connected to a conductor 1 b , with a pyroelectric material 2 with a high pyroelectricity constant, e.g. B. lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ) or poly-fluorohydrocarbons.

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.The Peltier element cools or heats the pyroelectric material, which is polarized on its outer surfaces by an internal charge shift. If one of the two polarized surfaces is earthed, high electrical voltages are obtained on the other surface with temperature-dependent height and polarity. If this voltage is applied to an electrode system consisting of tips 3 , edges or wires as the high-voltage side and a ground counter electrode 4 arranged closely next to it, ions are generated at the high voltage electrode and, due to the small distance between the high voltage electrode and the grounded counter electrode, small, not electrical interference fields reaching very far into the room.

Durch Ändern der Polarität an der Versorgungsspannung des Peltierele­ mentes 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 so­ mit als Kondensator betrachtet werden können, werden durch die Selbstre­ gulierung in erster Näherung unter Vernachlässigung der inneren Wider­ stände immer gleich viele positive bzw. negative Ionen erzeugt. Diese Selbstregulierung kommt den Anforderungen an eine ausgewogene Ionener­ zeugung 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 verein­ bar.By changing the polarity of the supply voltage of the Peltierele element 5 , the pyroelectric crystal is cooled or heated in each case and thereby generates alternating positive and negative ions. Since the crystal is electrically an insulator and the two polarized surfaces can also be regarded as a capacitor, the self-regulation in a first approximation, neglecting the internal resistances, always produces the same number of positive and negative ions. This self-regulation meets the requirements for balanced ion generation to avoid monopolar space charges. The supply voltage for technically usable Peltier elements is a few volts (0.2 V-10 V). The associated cable routing is very compatible with the requirements of modern clean room technology.

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.With pyroelectric single crystals, preferably lithium tantalate, the size 5 mm by 5 mm by 0.5 mm can generate sufficient charge carriers to technically usable neutralization times of the electrostatic To achieve charges (<20 s). This means that a complete ionizer can be used High voltage supply and electrode system in a volume of be built up under a cubic centimeter.

Diese geringen Abmessungen und die geringen Störfelder machen die Erfin­ dung für den Einbau in Minienvironments prädestiniert.These small dimensions and the small interference fields make the invention predestined for installation in mini environments.

In Fig. 2 ist die komplette Ionisationseinrichtung gemäß Fig. 1 in ein Dielek­ trikum 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. In Fig. 2, the complete ionization device according to FIG. 1 is embedded in a dielectric 6 . This creates an easy-to-clean unit that can also be used in aggressive media, which is advantageous for some areas in semiconductor process technology.

BezugszeichenübersichtReference symbol overview

11

a positiv dotierter Halbleiter
a positively doped semiconductor

11

b Leiter
b Head

11

c negativ dotierter Halbleiter
c negatively doped semiconductor

22nd

pyroelektrisches Material
pyroelectric material

33rd

Elektrodensystem
Electrode system

44th

Masse-Gegenelektrode
Ground counter electrode

55

Peltierelement
Peltier element

66

Dielektrikum
dielectric

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen, bestehend aus einer Ionenemitter-Elektrode, einer Gegenelektrode und einem Hochspannungs­ generator, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung durch die Er­ wärmung und Abkühlung eines pyroelektrischen Materials erzeugt wird.1. Device for generating ions in gases, consisting of an ion emitter electrode, a counter electrode and a high-voltage generator, characterized in that the high voltage is generated by the heating and cooling of a pyroelectric material. 2. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach Anspruch 1, beste­ hend aus einer Ionenemitter-Elektrode, einer Gegenelektrode und einem Hochspannungsgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden unmittelbar mit dem Hochspannungsgenerator verbunden sind.2. Device for generating ions in gases according to claim 1, best consisting of an ion emitter electrode, a counter electrode and one High voltage generator, characterized in that the electrodes are directly connected to the high voltage generator. 3. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung und Abkühlung des pyro­ elektrischen Materials durch ein Peltierelement erfolgt.3. Device for generating ions in gases according to claim 1 or 2, characterized in that the heating and cooling of the pyro electrical material is made by a Peltier element. 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. Wär­ meleitung an Festkörpern erfolgt.4. Device for generating ions in gases according to claim 1 or 2, characterized in that the heating by an electrical Heating resistor and cooling via convection in gases or heat conduction takes place on solids. 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.5. Device for generating ions in gases according to claim 3, characterized characterized in that by cyclical polarity reversal of the current through the Cyclic heating and cooling takes place, causing a cyclical change in the emitter electrode polarity and also Ion polarity takes place. 6. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode eine Spitze oder Kante ist.6. Device for generating ions in gases according to one of the claims che 1 to 5, characterized in that the emitter electrode has a tip or edge. 7. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in ein Dielektri­ kum eingebettet sind.7. Device for generating ions in gases according to one of the claims che 1 to 6, characterized in that the electrodes in a dielectric are embedded. 8. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenelektrode Emittere­ lektroden mit zyklisch wechselnder Polarität verwendet werden. 8. Device for generating ions in gases according to one of the claims che 1 to 7, characterized in that emitter as the counter electrode electrodes with cyclically changing polarity can be used.   9. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß gegenpolare Peltierelemente elektrisch parallel oder elektrisch in Reihe geschaltet sind.9. Device for generating ions in gases according to one of the claims che 1 to 8, characterized in that counter-polar Peltier elements are electrically connected in parallel or electrically in series. 10. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprü­ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Zahl der emittierten Ionen die Temperaturänderung variiert wird.10. Device for generating ions in gases according to one of the claims che 1 to 9, characterized in that to regulate the number of emitted ions the temperature change is varied. 11. Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen in Gasen nach einem der Ansprü­ che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Zahl der emittierten Ionen die Vorspannung der Gegenelektrode variiert wird.11. Device for generating ions in gases according to one of the claims che 1 to 10, characterized in that to regulate the number of emitted ions the bias of the counter electrode is varied.
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