Vorlesung 10

Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 1
Vakuumwerkstoffe und Konstruktionsprinzipien
1. Werkstoffe
Anforderungen an die Werkstoffe kommen aus drei Richtungen:
1. Anforderungen aus der Vakuumtechnik

Gasdichtheit (Poren, Gefüge, Diffusionskanäle)

geringer Dampfdruck (auch Schmelztemperatur beachten)

geringer Fremdgasgehalt (Einschlüsse, Poren, Herstellungsverfahren)

saubere Oberflächen (möglichst kleine spezifische Oberfläche, wenig
Adsorbatschichten, Fette usw.)
2. Anforderungen aus den technologischen Prozessen

chemische Resistenz

Wärmeausdehnungsverhalten

Temperaturwechselbeständigkeit

mechanische Festigkeit
3. Allgemeine Anforderungen

Formstabilität

Druckfestigkeit
Allgemein: Je besser das Vakuum, desto höher die Materialansprüche
und desto kleiner die Materialauswahl !
± größte Bedeutung hat die Materialfrage für die UHV-Technik
in der Vakuumtechnik verwendete Werkstoffe:
Metalle:
a) reine Metalle: Normalstahl (Eisen)
Titan
Aluminium
Kupfer
Quecksilber
Gold, Silber
Indium
b) Legierungen: Edelstahl (V2A, Cr,Ni,Ti-Stahl 18.10)
Eisen-Nickel-Legierungen
Al-Legierungen
Kupfer-Legierungen (Bronze)
Fe-Ni-Co-Legierungen
Molybdändisulfid
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 2
Nichtmetalle:
a) Feststoffe:
Silikate (Glas, Quarz)
Keramik (Al2O3, Zeolith)
Elastomere (Viton, Teflon, Kalrez)
Fette und Harze
b) Flüssigkeiten: Mineralöle
Silikonöle
LN2, LHe
c) Gase
Argon, Helium
Stickstoff (trocken)
Wasserstoff
Freon
Materialien:
Normalstahl
Konstruktionen für den Druckbereich bis 10-5 mbar
Konstruktion von Rezipienten, Rohren, Bauelementen
billiges Baumaterial
Verunreinigung: C, P, S, CO
für höhere Ansprüche (kleinere Drücke) Veredlung, meist Ni
Edelstahl
Korrosionsschutz, hohe Vakuumanforderungen (UHV)
teure Edelstähle für HV und UHV-Anwendungen
Bez. 4301, 4306 (geringer C-Gehalt)
X5CrNi18/9 (X8CrNiTi18/10)
nichtmagnetisch !!!!
Besser: vakuumgeschmolzener Stahl
Sonderlegierungen
Glas-Metall-Verbindungen
Anlöten vormetallisierter Keramik ± Eisen-Nickel-(Kobalt)-Legierungen
(Kovar, Fernico)
- Anpassung der linearen Ausdehnungskoeffizienten
Titan
geringe Dichte
rel. einfach verdampfbar (Titan-Verdampferpumpen, h=1350°C)
sauberes Material (in hoher Reinheit herstellbar)
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 3
Aluminium
hohe Festigkeit, geringe Dichte
Vakuumkonstruktionen (Rohre, Flansche usw.)
AlSi-Legierungen mit hoher Härte
metallische Dichtungen (bis 300°C)
geringer Dampfdruck (10-6mbar bei Schmelzpunkt 660°C)
sehr gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit
Bauteile (auch mit Vernickelung !)
Kupfer
Kryotechnik: Wärmeaustauscher, Kühlfallen, Wärmeleitungen
elektrische Verbindungen im Vakuum
Kupferdichtungen in UHV-Flanschsystemen
technisch reines Kupfer oder OFHC-Kupfer (teurer)
Kupferlegierungen: Bronze (Cu-Sn)
Tombak (Cu-Zn) und Messing (Cu-Zn)
Aber Cu-Zn nicht für HV/UHV und höhere Temperaturen !
Quecksilber
Quecksilber-Diffusionspumpe (Glasausführungen) nicht mehr aktuell
Hg nur noch für die Vakuummessung (Mc Leod, U-Rohr-Manometer)
Hg: hoher Sättigungsdampfdruck (10-3 mbar) bei Raumtemperatur
toxisch
Silber und Gold (Indium)
Dichtungsmaterialen für UHV
Ag und Au-Rundringe
Stromdurchführungen, el. Leitungen
Ag-Lote (eutektisch Ag-Cu)
Indium für Flansche, an denen kein Kunststoff verwendet werden kann
(sehr weich)
Gläser
Technische Gläser haben große Bedeutung
früher oft ganze Vakuumanlagen aus Glas (bis hin zu UHV-Anlagen)
verschiedene Arten (Weichglas, Hartglas, Quarzglas ...)
Hohe Elastizität !, hohe Druckfestigkeit (wie Metalle), geringe Zugfestigkeit
(mehr als eine Zehnerpotenz kleiner), spröde, Elastizitätsmodul etwa wie
Metalle,
Hartgläser sind temperaturfester
am temperaturstabilsten ist Quarzglas (Dauerbetrieb bis 1050°C)
wichtige Eigenschaften: durchsichtig, el. nichtleitend, glatte Oberflächen
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 4
Beispiele für den Einsatz von Glas:
Rezipienten (von Bedampfungsanlagen)
Leitungen (Hähne, Ventile ... für Vakuum, Flüssigkeiten, Gase)
Schaugläser
Isolier-Komponenten
Stromdurchführungen
in der Vakuumtechnik gebräuchliche Gläser:
Keramik
Silikat-Keramiken (Porzellane),
temperaturfest bis ca. 1350°C
Oxid-Keramiken (Al-, Mg- und andere)
temperaturfest bis ca. 1800°C
sehr guter Iosolator
Einsatz überall dort, wo hohe thermische und elektrische Beanspruchung
sind (hohe Temperatur oder Wechseltemperatur, hohe Spannungen):
Vakuumröhren hoher Leistung (Senderöhren)
Vakuumkammern von Beschleunigern
Stromdurchführungen
Hochspannungsdurchführungen
Kunststoffe
verschiedene Kunststoffarten finden zunehmend Eingang in die
Vakuumtechnik
Elastomere, Thermoplaste, Duroplaste,
Haupteigenschaften sind:
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 5
Elastizität, einfache Formgebung, flexible Isolatoren
Beispiele für den Einsatz von Kunststoffen in der Vakuumtechnik:
Schläuche, Vakuumleitungen aus Gummi, Teflon, Plast
Tragringe für Flanschsysteme
Dichtungsmaterialien (O-Ringe aus Gummi, Viton) für Grob-, Feinund Hochvakkuum, Ventildichtungen (Gummi, Viton, Kalrez)
Isolierungen (Drähte mit flexibler Isolierung) bis in den UHV-Bereich
mit Polyimiden (sonst gibt es Glasfaser, Glasperlen,
Keramikperlen)
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 6
Fette und Öle
Öle für den Betrieb von Drehschieber- und Diffusionspumpen
Schmiermittel
Dichtmittel (Vakuumfett) für Grob- und Feinvakuumbereich (HV ?)
UHV-Dicht-Sprays (Silikone)
Gase
trockne Luft, N2, He, Ne, Ar, Xe,H2, Freon (FCKW)
2.
Konstruktionsprinzipien,
Bauelemente und Verbindungen
nichtlösbare Verbindungen
Schweißverbindungen
Erfahrungen mit Schweißverbindungen für Vakuumtechnik vor allem bei
Stählen
Schweißnähte müssen frei von Poren und Rissen sein, müssen vor dem
Schweißen gesäubert und entfettet werden (Ultraschall mit Aceton und
Isopropanol)
für Edelstähle in der Vakuumtechnik meist WIG-Schweißen (Wolfram-InertGas-Schweißen: elektrisches Schweißen unter Ar-Atmosphäre)
auch: Argon-arc-Schweißen
Elektronenstrahlschweißen
Reibschweißen
mit geringen Leckraten (für unterschiedliche Anwendungsfälle)
Gestaltungsrichtlinien für Schweißverbindungen für die Vakuumtechnik:

keine Poren und Löcher die
abgeschlossen sind

keine Spalte und Riefen, Kanäle,
die schwer evakuiert werden
können

Schweißnaht möglichst immer
auf der Vakuumseite

keine doppelten Verschweißungen (Schweißnaht unterbrechen)
siehe Bilder:
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 7
Kontrolle der Schweißnähte auf Dichtheit (nach dem Schweißen) ¸ verlangt
oft eine Spezialkonstruktion zur Lecksuche
Lötverbindungen
Weichlötverbindungen nicht
verbreitet, geringe Festigkeit, niedriger Schmelzpunkt, Lecks bei Belastung
Hartlötverbindungen gut
geeignet;
Verlöten unter Vakuumbedingungen; gereinigte
Oberflächen, spezielle
Gestaltung des Lotspaltes,
sorgfältige Auswahl des
Lotes zu den Metallen;
(dazu siehe Tabellen in der
Literatur: welches Lot
eignet sich für welche
Lötpartner, dazu Löttemperaturen und Vakuum
zum Löten ...)
Beispiele:
Verschmelzungen:
Glas-Glas- oder Glas-Metall-Verschmelzungen;
Glas-Glas-Verschmelzungen kaum Bedeutung (früher bei gläsernen
Vakuumapparaturen)
Glas-Metall-Verschmelzungen hauptsächlich für:

Stromdurchführungen ins Vakuum

Schaugläser

Vakuummessröhren (Ionisationsvakuummeter)

Anglasungen von Glasflaschen o.ä.
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 8
Anpassung der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten nötig;
NiCoSil (oder andere
Bezeichnungen)
Literatur gibt Auskunft über
mögliche Paarungen Glasart Metall
Oder Druck-Anglasungen, bei
denen entweder das Metall dünn
genug ist und sich dehnt, oder das
Glas stabil und den Druck
aufnimmt;
Verbindungen mit Metallisierung
Keramik-Metall-Verbindungen für:

Strom-, Spannungsdurchführungen,

Beschleuniger

Senderöhren ...
Durch: Metallisierung der Keramik, darauf dickere Ni-Schicht, dann HartEinlöten in Metallteil
Beispiel einer Stromdurchführung:
Kleben:
unüblich für die Vakuumtechnik; Vereinzelt mit Epoxydharzklebern,
elektrisch leitende Verklebung auf Unterlagen durch Silber-Leitlack
(Ag in Epoxydharzklebern) in Einzelfällen möglich
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 9
Lösbare Verbindungen, Flanschsysteme
Dichtungsmittel sind Fette oder Ringe aus Elastomeren oder Metall
Nach dem Vakuumbereich und der Temperaturbelastung richtet sich

die Wahl des Dichtungsmittels

die Wahl der Flanschverbindung
Nach der Auswahl des Dichtungsmittels richtet sich der Kraftbedarf, der
zum Zusammendrücken des Dichtungsmittels nötig ist;
Fette finden nur bei Glasschliffen im Grob- und Feinvakuumbereich
Anwendung (heute unüblich)
A. Kleinflanschverbindungen
Kleinflanschverbindungen (Serie K) bis Nennweite 50 sehr verbreitet;
Das Anziehen vieler Schrauben zum Abdichten entfällt
Dichtmittel: Elastomer-Dichtring
in den Rohrenden sitzt ein Tragring, der

den Dichtring hält und justiert

die Rohrenden zur Deckung bringt

das Ausdehnen des Dichtringes begrenzt
Spannring mittels einer Schraube
Bild:
dieses Flanschsystem ist mit Gummi- oder Vitonringen dichtbar
für Anwendung im UHV (ungewöhnlich) kann der Dichtring aus Aluminium
bestehen und die Klammer durch eine geteilte Klammer mit mehreren
Schrauben ersetzt werden (nächste Folie)
Deutsche, Europäische und Internationale
Kleinflanschverbindungen (DIN, PNEUROP, ISO)
Normen
zu
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 10
Beispiel einer Kleinflanschverbindung
mit Metalldichtung:
B. Schraubflanschverbindungen
Flanschverbindungen, die mit Elastomer-Ringen gedichtet sind und mit
mehreren Schrauben festgezogen werden, sind heute ab DN 50 üblich
alles genormt (DIN, PNEUROP, ISO)
 Festflansche
 Klammerflansche
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 11
 Überwurfflansche
Dichtring aus Perbunan,
Neopren, Viton (Al möglich)
UHV-Technik verlangt:

geringe Gasabgaberaten

hohe Temperaturbelastung (UHV-Anlagen werden üblicherweise zum
Erreichen guter Drücke ausgeheizt (Desorption beschleunigen)
Ausheizen nach unterschiedlichen Regimes
allgemeine Tendenz zum Senken der Ausheiztemperatur;
früher 450°C häufig
heute z.B. Komponenten 250°C, 10h oder ähnlich
auch 150°C bringt Verbesserung (selbst Ausheizen mit Heizwasser (100°C)
möglich, jedoch meist für HV-Anwendungen)
1E-5
Vakuumdruck (mbar)
1E-6
1E-7
a)
Heizdauer
für Kurve b)
1E-8
b)
1E-9
1E-10
Druck-Zeitkurve
a) ohne Heizen
b) mit Heizen
0
2
4
6
8
Zeit (h)
10
12
14
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 12
± deshalb Metalldichtungen
Metalldichtungen verlangen hohe Kräfte ± viele Verschraubungen
Metalldichtungen fast ausschließlich aus Kupfer (OFHC)
teurere Dichtungen versilbertes Kupfer (Korrodiert nicht, weichere
Oberfläche)
teure Dichtungen für Spezialanwendungen aus Silber oder Gold
verschiedene Dichtungs- und Flanschsysteme möglich:

früher: Steckelmacher - Flansche
Nachteil: Flanschhälften sind unterschiedlich, ungeschützte
Dichtungskante

Cu-Runddrahtdichtungen
Wheeler-Dichtung
heute verbreitet bei großen Flanschen, Rezipienten, großen Massen
(führt sich selbst)

Dichtung mit Spießkantenprofil
(Auch möglich als Einsatz von Metalldichtungen in ansonsten mit
Viton gedichtetem Flansch)
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 13

Conflat-Dichtung (heute die absolut weltweit für UHV-Technik
verbreitetste, genormte Flanschverbindung)
Gestaltung der Schneiden selbst ist nicht genormt;
unterschiedliche Möglichkeiten (Rundungen, Schneiden usw. von Hersteller
zu Hersteller verschieden)
Flansche+Dichtring:
genormte Nennweiten (Rohrdurchmesser, Flanschgrößen, Schraubenmaße
und -zahl usw.)
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 14
Durchführungen
mechanische Durchführungen
das sind Drehdurchführungen, Schiebedurchführung oder Durchführungen
für zusammengesetzte Bewegungen
für geringe Vakuumansprüche reichen stopfbuchsgedichtete Dreh- und
Schiebedurchführungen (Gummi-O-Ringe...)
Drehdurchführung besser beherrschbar
evt. Öl- oder Fettgedichtet
für hohe Vakuumansprüche (HV- oder UHV-Anwendungen) wird die
Drehbewegung über Metallfaltenbalg ins Vakuum übertragen; mittels
Taumelbewegungen)
Metallfaltenbälge übertragen auch Schubbewegungen geringer bis mittlerer
Auslenkung (mm bis einige cm)
Drehdurchführung mit Gummidichtung
Dreh-Schiebedurchführung mit
Metallfaltenbalgdichtung
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 15
Auch die magnetische Einkopplung von Drehbewegungen und
Schiebebewegungen mit großen Verschiebelängen ist möglich:
an Luft: Permanentmagneten
Edelstahl-Vakuumhülle läßt den magnetischen Fluss durch
im Vakuum: Weicheisen-Formteile, die die äußere Bewegung übernehmen
(auch innere Magnete möglich)
lange Schubbewegungen können auch durch Drehdurchführungen und
Zahnstange übertragen werden
Stromdurchführungen
Stromdurchführungen müssen den gewünschten Strom und die gewünschte
Spannung isoliert vom Vakuumbehälter ins Vakuum übertragen.
Aufbau meist auf Flanschsystemen; für die Übertragung hoher Leistungen
ist oft eine Flanschkühlung nötig, damit sich die keramik- oder glasisolierte
Durchführung nicht überhitzt und undicht wird
für UHV-Anwendungen müssen die Durchführungen temperaturstabil sein;
oftmals Mehrfachdurchführungen bzw. angepaßte Durchführung
(entspr. der Anwendung, ausgelegt auf Strom- und Spannung)
für geringe vakuumtechnische Ansprüche oft Kunststoffisolation, für HV und
UHV: Glas bzw. Keramik
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 16
Beispiele:
Schaugläser:
zum Einblick in den Rezipienten bzw. Ein- und Auskoppeln optischer
Signale: Schaugläser
Charakteristika: Glasgröße, Dichtheit/Vakuumbereich, Ausheiztemperatur,
spektrale Durchlässigkeit
Herstellung: Glas wird an ein geeignetes Metall (NiCoSil) angeschmolzen
und dann in einen Flansch eingeschweißt
Beispiel für die Ausführung in Conflat-Flansch:
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 17
Spektrale
Transmission:
Absperr-Bauelemente (Ventile)
Aufbau, Typen und Benennung:
Ventile müssen Vakuumleitungen öffnen und dichten;
offen ¸
möglichst großer Leitwert, Strom darf nicht oder kaum
behindert werden;
zu ¸
d a s g e s c h l o s s e n e V e n t i l d a rf nur eine sehr klein e
Durchlässigkeit haben (hohe Dichtheit), auch gegen
Atmosphärendruck
Charakteristika:
Ausführung: Eckventil, Durchgangsventil, Gaseinlaßventile usw.
Dichtungsart: Viton-gedichtet, Gummi-gedichtet, Metall-gedichtet,
Kalrez-gedichtet
interne Dichtung: Faltenbalgventil, Gummi-gedichtet, Viton-gedichtet
Betätigungsart: Handventil, pneumatisches Ventil,
elektromagnetisches Ventil
Flanschart: Klammerflansche, K-Flansche, CF-Anschlüsse
Nennweite: Rohrdurchmesser: Nennweite (16, 35, 63, 100, 150 ...)
Vakuumbereich: Vorvakuumventil, Hochvakuumventil, UHV-Ventil
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“
Dr. G. Ecke
10. Vorlesung
Folie 18
Beispiele:
Eckventil mit Faltenbalg, vitongedichtet,
handbetätigt, mit KFlanschen
Durchgangsventil
vitonged.. HV-Flansche
UHV-Eckventil
metallgedichtet,
Federbalgkonstr.
CF-40-Flansche
handbetätigt