Der Begriff Tempern beschreibt allgemein das Erhitzen eines Materials über einen längeren Zeitraum. Mit einem solchen Verfahren ist es beispielsweise möglich, die Verteilung mechanischer Spannungen in einem Bauteil aus Glas oder Acryl zu kontrollieren. Durch Tempern ist es aber auch möglich, gezielt die Struktur eines Festkörpers zu ändern, beispielsweise das Gefüge bei Bauteilen aus Gusseisen oder die Umwandlung der Kristallstruktur von dünnen Schichten.
Tempern wird in der Glas- und Kunststofftechnik, im Eisenhüttenwesen (siehe auch Temperguss) wie auch in der Dünnschichttechnik angewendet.
Beschreibung
Im physikalischen Sinn bedeutet Tempern, dass ein Festkörper auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erhitzt wird. Dies geschieht über eine längere Zeit hinweg (einige Minuten bis hin zu einigen Tagen). Durch die erhöhte Beweglichkeit der Atome können so Strukturdefekte ausgeglichen und die Kristallstruktur in der Nah- und Fernordnung verbessert werden. Auf diese Weise kann der Prozess des Schmelzens und (extrem) langsamen Abkühlens zur Einstellung der Kristallstruktur vermieden werden.
Anwendungsbereiche
Glas
Das Bauteil wird auf eine Temperatur knapp oberhalb der unteren Entspannungsgrenze gebracht und dort ausreichend lange gehalten, bis sich das gesamte Bauteil gleichmäßig auf diese Temperatur erwärmt hat. Dabei darf die Temperatur nicht den oberen Kühlpunkt überschreiten, um unkontrollierte Formänderungen zu vermeiden.
Das anschließende Abkühlen wird je nach dem beabsichtigten Ergebnis in zwei unterschiedlichen Weisen ausgeführt:
- Wenn das Bauteil anschließend frei von inneren mechanischen Spannungen sein soll, erfolgt der Abkühlprozess bis zur unteren Entspannungsgrenze langsam und stetig. Unterhalb dieser kritischen Temperatur führen vorübergehende Temperaturgradienten nicht mehr zu eingefrorenen Verformungen und permanenten Spannungen und die weitere Abkühlgeschwindigkeit ist nun nur noch durch die Zugfestigkeit des Glases begrenzt. Vor allem bei optischen Komponenten ist die Freiheit von eingefrorenen inneren Spannungen ein entscheidendes Qualitätsmerkmal, da solche Spannungen bei Gläsern zu einer – meist ungewollten – Doppelbrechung führen.
- Ein rasches Abkühlen durch Abschrecken führt dazu, dass sich in der schneller abkühlenden Oberfläche zunächst Zugspannungen bilden, die durch plastische Verformung abgebaut werden. Diese Verformung wird eingefroren und bewirkt nach Ausgleich der Temperaturunterschiede Druckspannung in der Oberfläche, die bei korrekter Ausprägung die Festigkeit des so gewonnenen Temperglases gegen mechanische und thermische Belastungen während des Gebrauchs im Vergleich zum entspannten Glas wesentlich erhöhen.
Gusseisen
Beim Gusseisen versteht man unter Tempern langzeitiges Glühen bei Temperaturen zwischen 700 °C und 1050 °C zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Zähigkeit). Das Ergebnis ist Temperguss.
Elektronikfertigung
In der Elektronikfertigung wird das Temper-Verfahren zur Vorbereitung von Bauteilen sowie von unbestückten Leiterplatten benutzt. Ziel ist es, unerwünschte Feuchtigkeit, welche im Laufe der Zeit in die Bauteile bzw. die Leiterplatte hineinkriecht, wieder zu entfernen. Andernfalls kann es durch die schnelle Aufheizung beim Löten (auf über 200 °C) zu Verpuffungen kommen, welche möglicherweise das Bauteil zerstört. Eine unbestückte Leiterplatte, die aus mehreren verklebten Lagen besteht, kann möglicherweise delaminieren, das heißt, die Lagen trennen sich voneinander.
Halbleiter- und Mikrosystemtechnik
In der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik finden Temperverfahren vielfältige Anwendung. In der Regel handelt es sich dabei um Prozessschritte bei denen die Eigenschaften von dünnen Schichten oder dem Halbleitersubstrat (ein Wafer) verändert werden. Dazu zählen unter anderem:[1]
- die Beseitigung von Kristallschäden, beispielsweise nach einem Ionenimplantationsschritt, oft als „Ausheilen“ bezeichnet.
- die Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit für
- die Eindiffusion von Dotierstoffen
- die Beschleunigung von chemischen Reaktionen, beispielsweise einer Silizidbildung bei den Source-Drain-Gebieten.
- die Erhöhung der Flussgeschwindigkeit von bestimmten Schichten, beispielsweise von Borphosphorsilicatglas (BPSG) zur Glättung der Wafertopografie
Die Temperschritte werden meist unter Formiergas oder einer anderen inerten Atmosphäre durchgeführt. Die dabei eingesetzten Temperaturen betragen je nach Anwendung und Material von wenigen hundert bis knapp zweitausend Grad Celsius. Im erweiterten Sinn werden manchmal auch Oberflächenreaktionen, bei denen Material aus dem Gasraum in die Schicht bzw. das Substrat eingebaut wird, beispielsweise die thermische Oxidation von Silizium, als Temperschritt bezeichnet.[1]
Die Temperschitte erfolgen häufig in Rohröfen, wie sie auch bei der thermischen Oxidation von Silizium angewendet werden. Diese Öfen weisen relativ lange Aufheiz- und Abkühlzeiten auf, da sie den gesamten Wafer möglichst gleichmäßig auf die gewünschte Temperatur bringen müssen. Für bestimmte Anwendungen sind sie daher entweder zu langsam oder lassen sich nicht ausreichend gut kontrollieren. Aus diesem Grund wurden sogenannte Kurzzeittemperverfahren (engl. rapid thermal processing) entwickelt, bei denen meist nur ein Teil des Wafers bzw. der Schicht aufgeheizt wird. Da hierbei weniger Material erwärmt werden muss lassen sich deutlich geringere Prozesszeiten erzielen – allerdings handelt es sich hierbei meist um eine Einzelwaferprozessierung und nicht wie beim Ofenprozess um eine Prozessierung von 100 oder mehr Wafern gleichzeitig.
