Laat de lat zakken door de lat omhoog te brengen: hoog vacuüm

Gepubliceerd op: 26 april 2019

Expert:

Mark Meuwese

Trainer

Lees meer over Mark Meuwese

Deel

---

Vacuüm lijkt eenvoudig: je pompt de lucht eruit totdat je de gewenste lage druk hebt bereikt. Voor een hoog vacuüm is het echter niet genoeg om alleen de lucht eruit te pompen. Om dit te bereiken, moet je extreme maatregelen nemen. Voor veel ingenieurs komt dit onderwerp echter niet altijd vanzelf. High Tech Institute leert hen de kneepjes van het vak.

Processen in de hightech industrie vereisen steeds meer een zeer gecontroleerde omgeving. Denk maar aan de elektronenmicroscopen van Thermo Fisher of de EUV-systemen van ASML. Als je lucht in hun systemen brengt, worden de elektronenbundels verstrooid en wordt het EUV-licht geabsorbeerd. Daarom is een hoog vacuüm een absolute noodzaak. Vervuiling is ook een productkiller bij de productie van beeldschermen. Elke hoeveelheid vocht in de lucht zou rampzalig blijken te zijn voor OLED-materialen en het beeldscherm zou een totaal verlies zijn.

De lat komt steeds hoger te liggen. “Zolang ik me kan herinneren, mag de druk in elektronenmicroscopen niet hoger zijn dan 10-10 mbar,” zegt Mark Meuwese, vacuümspecialist bij Settels Savenije Van Amelsvoort. “Maar ook in andere toepassingen worden de eisen steeds strenger. Zo konden zachte röntgensystemen vroeger toe met 10-3 mbar. Tegenwoordig is 10-7 de nieuwe standaard. Met toenemende nauwkeurigheden komen gevoeligere sensoren die gevoeliger zijn voor vervuiling of verstoring door de aanwezige atmosfeer.”

Mark Meuwese is betrokken bij de 4-daagse training ‘Grondbeginselen en ontwerpprincipes voor ultrazuiver vacuüm‘.

“Hoe voller je je vacuümsysteem bouwt, hoe groter de kans op vervuiling”, zegt Mark Meuwese van Settels Savenije Van Amelsvoort. Tot 10-8 mbar is het allemaal relatief eenvoudig, weet Meuwese. “Natuurlijk moet je nog steeds hard werken, maar als je nog verder wilt gaan, nemen de uitdagingen exponentieel toe en wordt het systeem vele malen duurder. Een watermolecuul is een dipool en blijft daarom aan oppervlakken plakken. Je kunt het beter wegpompen als je er genoeg energie in stopt. De eenvoudigste methode hiervoor is om de vacuümkamer te verwarmen. Maar door een temperatuurverdeling te creëren, introduceer je het risico dat de verdampte elementen zich afzetten op koude oppervlakken, in het ergste geval op de sensor, de monsters of het product. Bovendien zijn veel sensorsystemen niet bestand tegen hoge temperaturen. 10-8 mbar is de grens waarbij alles goed gaat.”

Meuwese verwacht niet dat het grootste deel van de toepassingen in de nabije toekomst lagere drukken nodig zal hebben. De eisen kunnen strenger worden voor gespecialiseerd onderzoekswerk. “De grens ligt bij 10-12 – 10-13, schat ik. En daarvoor kun je nauwelijks een machine bouwen. Alles wat je in de vacuümkamer introduceert is te veel. Het vat en de druksensor zijn al te vervuilend, en zelfs de meest geavanceerde pomp lekt te veel terug in het systeem.”

Vingerafdruk

In de basis is vacuümtechnologie eenvoudig. Het begint met een vat waarop je een pomp aansluit. Je blijft lucht wegpompen tot de druk het gewenste niveau bereikt. In de praktijk heb je weinig aan zo’n systeem. In dat vacuüm wil je immers processen uitvoeren. Alles moet dus in het vat zitten. Sterker nog: je wilt vaak dat de ruimte waarin je werkt vol zit met mechanica, sensoren en andere componenten. Hoe kun je een vacuümkamer bouwen en toch een goed vacuümniveau bereiken? Dit is een van de dingen die je leert tijdens een intensieve training zoals “Grondbeginselen & ontwerpprincipes voor ultrazuiver vacuüm“van het High Tech Institute.

“Hoe meer componenten je erin stopt, hoe groter de kans op besmetting,” zegt Meuwese, een van de docenten tijdens de training. “Alleen al het oppervlak veroorzaakt contaminatie door uitgassing, en alles wat je in het vat plaatst betekent meer oppervlak, en dus meer uitgassing. Daar moet je op letten.”

Hoe kun je in je ontwerp rekening houden met een vacuümomgeving? “Er zijn een aantal do’s en don’ts die we tijdens de training behandelen. Om te beginnen is er natuurlijk een lijst met materialen die geschikt zijn voor vacuüm. Roestvrij staal is heel goed en ook aluminium kun je zonder problemen gebruiken. Messing is echter niet geschikt omdat het zink bevat dat verdampt bij 300 graden bij 10-3 mbar. Veel bedrijven hebben een lijst van materialen en coatings die hun technici mogen gebruiken.”

Roest is ook uit den boze omdat het poreus is en water bevat dat gassen uitwasemt. “Een eenvoudige vingerafdruk kan je weken laten lijden. Er zitten verrassend veel moleculen in een vingerafdruk, dus het duurt lang voordat alles weg is. En er is geen garantie dat je het er überhaupt uit kunt pompen,” zegt Meuwese. Goed schoonmaken is een vak apart en wordt uitgebreid besproken tijdens de training. Omdat vet een no-no is, zijn kogellagers een no-go. Ontwerpers moeten sterk vertrouwen op elastische elementen zoals bladveren en scharnieren met kruisveren. “Of op kogellagers met keramische kogels, of volledig keramische lagers, omdat die geen smeermiddel nodig hebben.”

Kleine benen

Ontwerpers moeten ook veel aandacht besteden aan de vorm en constructie van de onderdelen. “Ze moeten bijvoorbeeld scherpe randen vermijden. Als je die polijst met een wattenstaafje of een doekje, komen er resten in vast te zitten”, legt Meuwese uit. “Een bout in een blind gat houdt een volume lucht vast. Als je de loop leeggooit, lekt de lucht eruit. Onthoud dat de gaswet zegt dat pV/T constant is. Als je 10-7 mbar wilt bereiken, wordt dat kleine volume tien orden groter. “Blinde gaten zijn vervelend omdat er na het spoelen water in blijft staan. “Blinde gaten moet je dus ook vermijden. En als je een gat boort om het water eruit te laten, mag het niet te klein zijn. Door de capillaire werking blijft het water anders in het gat staan.

Als je een onderdeel maakt met behulp van een elektrische ontladingsmachine, mogen er geen rechte hoeken in het patroon zitten. “Dat is een andere manier van denken. Het gaat niet om het meest efficiënte ontwerp, maar om het voorkomen van randen en hoeken. Je moet alles buigen en dat is altijd een uitdaging. Met wat gezond verstand en ervaring kom je er uiteindelijk wel uit.”

Zelfs het verbinden van twee componenten in een vacuüm is niet eenvoudig. De oppervlakken zijn nooit vlak genoeg om ze perfect te laten passen. Er blijft altijd een spleet over – hoe klein ook – waarin lucht of verontreinigingen opgesloten zitten. Voor de vacuümpomp is het handiger als je de twee onderdelen met kleine pootjes van elkaar scheidt. Een halve millimeter is vaak al voldoende.

Vet is uit den boze in een vacuüm, dus er wordt bewogen met elastische elementen.

Vals spelen

De training van het High Tech Institute ging in het verleden vooral over vacuümtechnologie. De laatste jaren is er meer aandacht voor ultraclean. “Vacuüm is makkelijker te begrijpen; je pompt tot je de gewenste druk hebt bereikt,” zegt Meuwese. “Bij ultraclean is dat slechts de eerste stap. Daarna vul je het vat opnieuw met een ‘schoon’ gas, dat bijvoorbeeld geen water meer bevat. Maar hoe kun je bijvullen zonder het vat weer te vervuilen? Die uitdaging gaan we tegenwoordig ook aan tijdens de cursus.”

Voor een ontwerper is er weinig verschil tussen vacuüm of ultraclean. Het grootste verschil zit hem in de thermische eigenschappen. In vacuüm is de warmteoverdracht erg slecht omdat er geen geleidend medium is. Dat betekent geen convectie en geen geleiding, alleen straling en daar heb je een groot temperatuurverschil voor nodig. “In vacuüm wordt alles dus per definitie heet,” weet Meuwese. “Koelen kan via gesloten kanalen met water, langs en door de componenten. Of door een thermische verbinding te maken met een koud deel van het systeem. Er zijn ook complexe alternatieven zoals een helium backfill oplossing waarbij je lokaal lage druk toepast met moleculen die warmte kunnen overdragen. Eigenlijk is dat valsspelen,” zegt Meuwese met een glimlach.

“Een vacuüm is thermisch uitdagender dan ultraclean”, zegt Mark Meuwese.

Zintuig

Het toenemende belang van vacuümtechnologie en ultraclean betekent dat steeds meer ingenieurs op de hoogte moeten zijn van deze materie. Meuwese merkt op dat het niveau over de hele linie weliswaar stijgt, maar dat er nog veel te winnen valt. “De meeste mensen die van de hogeschool of universiteit komen, hebben een gevoel voor technologie. Ze voelen aan dat een dikke I-profielbalk meer gewicht kan dragen dan een dunne I-profielbalk. Ze hebben veel minder een natuurlijk gevoel voor vacuüm. Als ik iemand vertel dat ik 1015 moleculen kan verdampen binnen een bepaalde tijd en er zijn er 1018, dan zit ik er een factor duizend naast, maar ze weten niet wat dat betekent. Een vacuüm is abstracter dan mechanica. Mbar liter per seconde: dat doet bij veel ingenieurs geen belletje rinkelen.”

Scholen besteden tegenwoordig meer aandacht aan het vak. Zeker in de regio Eindhoven beheersen steeds meer studenten de basiskennis. “Toevallig heb ik nu een student uit Enschede en daar is het minder breed vertegenwoordigd. Meer op de Universiteit Twente, maar veel minder op het hbo. Het is ook nauw verbonden met de regio Eindhoven, maar zoiets als dampdepositie wordt over de hele wereld gebruikt en daar heb je vacuümkennis voor nodig. ”

Dit artikel is geschreven door Alexander Pil, technisch redacteur van High-Tech Systemen.