8.3 Das Wesen luftgetragener molekularer Verunreinigungen (AMC)

Bei Atmosphärendruck und Umgebungstemperatur trifft ein Strom zufälliger Gasmoleküle und -atome in der Größenordnung 10² [37] pro Sekunde und Quadratzentimeter auf eine feste Oberfläche, die etwa 10¹⁵ Atome/cm² enthält. Das heißt, dass die Oberfläche innerhalb von Nanosekunden mit einigen Schichten an Gasmolekülen bedeckt ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Molekül auf der Oberfläche haftet, hängt stark von der Beschaffenheit und Topografie dieser Oberfläche ab. Doch auch kleinere Spuren an Reaktionsprodukten im ppbv-Bereich (Volumenanteil pro Milliarde, d. h. 10^-9), die in einer Menge von 1014 s^-1 cm^-2 auf die Oberfläche treffen, decken diese Oberfläche in wenigen Sekunden ab, wenn der Haftkoeffizient hoch ist.

Durch Luftströmung übertragene Moleküle können entweder polar oder nichtpolar sein. Bei den nichtpolaren Molekülen sind die elektrischen Ladungen symmetrisch verteilt, die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladung fallen zusammen. Beispiele sind Stickstoff N₂ oder das lineare CO₂-Molekül. Diese Moleküle werden auf einer festen Oberfläche durch schwache Van-der-Waals-Kräfte angezogen, wobei die Bindungsenergien typischerweise zwischen der Wärmeenergie RT ≈ 2,5 kJ/mol und etwa 20 · RT liegen. In polaren Molekülen sind die elektrischen Ladungen asymmetrisch verteilt, was zu einem permanenten bipolaren Moment führt. Beispiele für polare Moleküle sind Wasser H₂O und anorganische Säuren, die bei Ätzverfahren in der Halb-leiterfertigung verwendet werden, z.B. HF und HCl. Die Bindungsenergien polarer Moleküle sind höher, z. B. bei H₂O auf einer Si-(100)-Oberfläche etwa 138 kJ/mol. Bei diesen Molekülen ist es wahrscheinlich, dass sie chemisch mit der Oberfläche interagieren und Kristallisationskeime für weitere Reaktionen bilden.

Abbildung 8.6: Durch Luftströmungen übertragene polare (b) und nichtpolare (a) Moleküle

Abbildung 8.7: Gas-Festkörper-Interaktion auf einer Oberfläche

Abbildung 8.8: Oberflächenlagen