Leiste senken, indem Sie die Leiste anheben: Hochvakuum

Veröffentlicht am: 26 April 2019

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Mark Meuwese

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Staubsauger scheinen einfach: Sie pumpen die Luft ab, bis Sie den gewünschten Unterdruck erreichen. Für ein hohes Vakuum reicht es jedoch nicht aus, die Luft einfach abzupumpen. Um dies zu erreichen, müssen Sie extreme Maßnahmen ergreifen. Für viele Ingenieure ist dieses Thema jedoch nicht immer selbstverständlich. Das High Tech Institute bringt ihnen die Tricks des Handwerks bei.

Die Prozesse in der High-Tech-Industrie erfordern immer häufiger eine hochgradig kontrollierte Umgebung. Denken Sie an die Elektronenmikroskope von Thermo Fisher oder die EUV-Systeme von ASML. Wenn Sie Luft in diese Systeme einbringen, werden die Elektronenstrahlen gestreut und das EUV-Licht wird absorbiert. Daher ist ein Hochvakuum eine absolute Notwendigkeit. Auch Verunreinigungen sind bei der Herstellung von Displays ein Produktkiller. Jede Menge Feuchtigkeit in der Luft wäre eine Katastrophe für die OLED-Materialien und das Display wäre ein Totalverlust.

Die Messlatte wird immer höher gelegt. „Solange ich mich erinnern kann, sollte der Druck in Elektronenmikroskopen 10-10 mbar nicht überschreiten“, sagt Mark Meuwese, Vakuumspezialist bei Settels Savenije Van Amelsvoort. „Aber auch bei anderen Anwendungen werden die Anforderungen immer strenger. Zum Beispiel konnten weiche Röntgensysteme früher mit 10-3 mbar auskommen. Heutzutage ist 10-7 der neue Standard. Mit zunehmender Genauigkeit werden auch die Sensoren empfindlicher und sind anfälliger für Verschmutzung oder Störungen durch die vorhandene Atmosphäre.“

Mark Meuwese ist an der 4-tägigen Schulung ‚Grundlagen und Konstruktionsprinzipien für ultra-sauberes Vakuum‚.

„Je voller Sie Ihr Vakuumsystem bauen, desto größer ist die Gefahr einer Verunreinigung“, sagt Mark Meuwese von Settels Savenije Van Amelsvoort. Bis zu 10-8 mbar ist das alles relativ einfach, weiß Meuwese. „Natürlich müssen Sie trotzdem hart arbeiten, aber wenn Sie noch weiter gehen wollen, steigen die Herausforderungen exponentiell und das System wird um ein Vielfaches teurer. Ein Wassermolekül ist ein Dipol und bleibt daher an Oberflächen haften. Sie können es besser abpumpen, wenn Sie genug Energie hineinstecken. Die einfachste Methode dafür ist, die Vakuumkammer zu erhitzen. Aber wenn Sie eine Temperaturverteilung schaffen, gehen Sie das Risiko ein, dass sich die verdampften Elemente auf kalten Oberflächen absetzen, im schlimmsten Fall auf dem Sensor, den Proben oder dem Produkt. Außerdem können viele Sensorsysteme keine hohen Temperaturen vertragen. 10-8 mbar ist die Grenze, bei der alles gut geht.“

Meuwese geht nicht davon aus, dass der Großteil der Anwendungen in absehbarer Zeit niedrigere Drücke erfordern wird. Für spezielle Forschungsarbeiten können die Anforderungen strenger werden. „Die Grenze liegt bei 10-12 – 10-13, schätze ich. Und dafür kann man kaum eine Maschine bauen. Alles, was Sie in die Vakuumkammer einbringen, ist zu viel. Das Gefäß und der Drucksensor sind bereits zu umweltschädlich, und selbst die fortschrittlichste Pumpe lässt zu viel in das System zurückfließen.“

Fingerabdruck

Im Grunde ist die Vakuumtechnik ganz einfach. Sie beginnt mit einem Behälter, an den Sie eine Pumpe anschließen. Sie pumpen so lange Luft ab, bis der Druck das gewünschte Niveau erreicht hat. In der Praxis ist ein solches System von geringem Nutzen. Schließlich wollen Sie ja in diesem Vakuum Prozesse durchführen. Es muss also alles in dem Gefäß sein. In der Tat: Sie wollen oft, dass der Raum, in dem Sie arbeiten, voll von Mechanik, Sensoren und anderen Komponenten ist. Wie können Sie eine Vakuumkammer bauen und trotzdem ein gutes Vakuum erreichen? Das ist eines der Dinge, die Sie in einer Intensivschulung wie „Grundlagen & Konstruktionsprinzipien für ultra-sauberes Vakuum“ des High Tech Institute.

„Je mehr Komponenten Sie einfüllen, desto größer ist die Gefahr einer Kontamination“, sagt Meuwese, einer der Dozenten der Schulung. „Allein die Oberfläche verursacht eine Kontamination durch Ausgasung, und alles, was Sie in den Behälter geben, bedeutet mehr Oberfläche und damit mehr Ausgasung. Darauf müssen Sie achten.“

Wie können Sie eine Vakuumumgebung in Ihrem Design berücksichtigen? „Es gibt eine Reihe von Dingen, die wir in der Schulung besprechen. Zunächst einmal gibt es natürlich eine Liste von Materialien, die für das Vakuum geeignet sind. Edelstahl ist wirklich gut und auch Aluminium können Sie ohne Probleme verwenden. Messing ist jedoch nicht geeignet, da es Zink enthält, das bei 300 Grad und 10-3 mbar verdampft. Viele Unternehmen haben eine Liste von Materialien und Beschichtungen, die ihre Ingenieure verwenden dürfen.“

Auch Rost kommt nicht in Frage, da es porös ist und Wasser enthält, das ausgast – das heißt, ein ordentliches Bürsten ist das Mittel des Lebens. „Ein einfacher Fingerabdruck kann Sie wochenlang leiden lassen. Ein Fingerabdruck besteht aus einer überraschend großen Anzahl von Molekülen, so dass es lange dauert, bis alles weg ist. Und es gibt keine Garantie, dass Sie ihn überhaupt abpumpen können“, sagt Meuwese. Richtiges Reinigen ist ein eigener Beruf und wird in der Ausbildung ausführlich besprochen. Da Fett ein Tabu ist, sind Kugellager ein No-Go. Die Konstrukteure müssen sich auf elastische Elemente wie Blattfedern und Kreuzfederscharniere verlassen. „Oder auf Kugellager mit Keramikkugeln oder Vollkeramiklager, da diese kein Schmiermittel benötigen.“

Kleine Beine

Die Designer müssen auch auf die Form und die Konstruktion der Komponenten achten. „Sie sollten zum Beispiel scharfe Kanten vermeiden. Wenn Sie sie mit einem Wattestäbchen oder einem Lappen polieren, verfangen sich Reste darin“, erklärt Meuwese. „Ein Bolzen in einem Sackloch schließt ein Luftvolumen ein. Wenn Sie den Lauf leeren, entweicht sie. Denken Sie daran, dass das Gasgesetz besagt, dass pV/T konstant ist. Wenn Sie 10-7 mbar erreichen wollen, wird dieses kleine Volumen um zehn Größenordnungen größer. “ Schlaglöcher sind ärgerlich, weil nach dem Ausspülen Wasser darin zurückbleibt. “ Auch Sacklöcher sind also zu vermeiden. Und wenn Sie ein Loch bohren, um das Wasser herauszulassen, sollte es nicht zu klein sein. Durch die Kapillarwirkung bleibt das Wasser sonst in dem Loch.‘

Wenn Sie ein Teil durch Funkenerosion herstellen, darf das Muster keine rechten Winkel aufweisen. „Das ist eine andere Denkweise. Es geht nicht um das effizienteste Design, sondern um die Vermeidung von Kanten und Ecken. Sie müssen alles abrunden und das ist immer eine Herausforderung. Mit etwas gesundem Menschenverstand und Erfahrung werden Sie das schon hinbekommen.“

Selbst das Verbinden von zwei Komponenten in einem Vakuum ist nicht ganz einfach. Die Oberflächen sind nie flach genug, um sie perfekt zu verbinden. Es bleibt immer ein Spalt – und sei er noch so klein – in dem Luft oder Verunreinigungen eingeschlossen sind. Für die Vakuumpumpe ist es bequemer, wenn Sie die beiden Teile mit kleinen Beinen trennen. Ein halber Millimeter reicht oft schon aus.

Fett ist in einem Vakuum ein Tabu, also wird die Bewegung mit elastischen Elementen durchgeführt.

Betrug

Bei der Ausbildung des High Tech Institute ging es in der Vergangenheit hauptsächlich um Vakuumtechnik. In den letzten Jahren wurde dem Ultraclean mehr Aufmerksamkeit gewidmet. „Vakuum ist einfacher zu verstehen; man pumpt, bis man den gewünschten Druck erreicht“, sagt Meuwese. „Bei Ultraclean ist das nur der erste Schritt. Danach füllen Sie das Fass wieder mit einem „sauberen“ Gas, das z.B. kein Wasser mehr enthält. Aber wie können Sie das Fass wieder auffüllen, ohne es erneut zu verschmutzen? Heutzutage beschäftigen wir uns auch mit dieser Herausforderung während des Kurses.“

Für einen Designer gibt es kaum einen Unterschied zwischen Vakuum und Ultraclean. Der größte Unterschied liegt in den thermischen Eigenschaften. In einem Vakuum ist die Wärmeübertragung sehr schlecht, weil es kein leitendes Medium gibt. Das heißt, es gibt keine Konvektion und keine Wärmeleitung, sondern nur Strahlung, und dafür brauchen Sie einen großen Temperaturunterschied. „Im Vakuum wird also alles per Definition heiß“, weiß Meuwese. „Die Kühlung kann durch geschlossene Kanäle mit Wasser erfolgen, entlang und durch die Komponenten. Oder indem man eine thermische Verbindung zu einem kalten Teil des Systems herstellt. Es gibt auch komplexe Alternativen wie eine Heliumfüllung, bei der Sie einen lokalen Unterdruck mit Molekülen erzeugen, die Wärme übertragen können. Eigentlich ist das Betrug“, sagt Meuwese mit einem Lächeln.

„Ein Vakuum ist thermisch anspruchsvoller als Ultraclean“, sagt Mark Meuwese.

Sense

Die wachsende Bedeutung der Vakuumtechnik und von Ultraclean bedeutet, dass immer mehr Ingenieure mit der Materie vertraut sein müssen. Meuwese stellt fest, dass das Niveau in der Breite zwar steigt, aber es noch viel zu tun gibt. „Die meisten Leute, die von der Hochschule oder Universität kommen, haben ein Gefühl für Technik. Sie wissen, dass ein dicker I-Profil-Träger mehr Gewicht tragen kann als ein dünner I-Träger. Sie haben viel weniger Gespür für das Vakuum. Wenn ich jemandem sage, dass ich 1015 Moleküle in einer bestimmten Zeit verdampfen kann und es sind 1018, dann liege ich um einen Faktor von tausend daneben, aber sie wissen nicht, was das bedeutet. Ein Vakuum ist abstrakter als die Mechanik. Mbar Liter pro Sekunde: da klingelt es bei vielen Ingenieuren nicht.“

Die Schulen schenken dem Thema heutzutage mehr Aufmerksamkeit. Sicherlich beherrschen in der Region Eindhoven immer mehr Schüler die Grundkenntnisse. „Zufälligerweise habe ich jetzt einen Studenten aus Enschede, und dort ist es weniger stark vertreten. Mehr an der Universität Twente, aber viel weniger an der höheren Berufsausbildung. Es ist auch eng mit der Region Eindhoven verbunden, aber so etwas wie Aufdampfung wird auf der ganzen Welt eingesetzt und dafür braucht man Vakuumkenntnisse. “

Dieser Artikel stammt von Alexander Pil, technischer Redakteur von High-Tech Systeme.