Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik

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1 Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik 2 Die Vakuumtechnik hatte spätestens mit Edisons Glühlampenproduktion am Ende des 19. Jahrhunderts aus der Nische der reinen Labortechnik herauszutreten. 500 automatische Sprengelpumpen wurden in Edisons erster Fabrik zur Glühlampenproduktion eingesetzt. Seither haben sich viele weitere, sehr bedeutende Industriezweige entwickelt, die auf die Vakuumtechnik angewiesen sind, erwähnt sei hier nur die Mikroelektronikindustrie. Diese IndustriezweigesindfürdieVakuumtechnikwirtschaftlich wesentlich bedeutenderalsdie physikalische Forschung. Nach einer Erhebung [1] der Maschinen- und Anlagenbauer in Europa, USA und Japan gehen allein etwa 40 % der Verkäufe von vakuumbezogener Ausrüstung von Firmen in diesen Regionen in die Halbleiterindustrie, die damit das weitaus größte Marktsegment der Vakuumtechnik ist. Die Bedeutung der Vakuumtechnik für die physikalische Forschung hat jedoch keinesfalls nachgelassen. Kaum ein physikalisches Experiment findet außerhalb des Vakuums statt. Abbildung 2.1 gibt eine Auswahl über industrielle Anwendungen der Vakuumtechnik in einzelnen Druckbereichen, Abb. 2.2 über die physikalischen Untersuchungsmethoden. Beide Auflistungen haben keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sie zeigen jedoch die Vielfalt der Einsatzbereiche der Vakuumtechnik. Auch bei vielen alltäglichen Produkten wird die Vakuumtechnik eingesetzt, vom Gefriertrocknen für die Lebensmittelverarbeitung, der Lebensmittelverpackung, dem Beschichten von PET-Coca-Cola-Flaschen, damit die Kohlensäure nicht entweicht, bis zur Beschichtung von Architekturglas, um die Wärmeschutzverordnung einzuhalten, und zum Recycling des Quecksilbers aus Batterien und Elektroschrott. Die Anwendungsgebiete der Vakuumtechnik benötigen einen Druckbereich von etwa 15 Dekaden, von Pa bis 10 5 Pa. Dies stellt eine enorme Herausforderung sowohl an die Vakuummesstechnik als auch an die verwendeten Vakuumpumpen und Materialien Karl Jousten PTB, Berlin karl.jousten@ptb.de Karl Jousten (Hrsg.), Wutz Handbuch Vakuumtechnik, DOI / _2, c Springer Fachmedien Wiesbaden

2 20 2 Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik dar. Tabelle stellt einige, in verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzte Pumpsysteme zusammen. Einige wichtige neue Forschungszweige, so die Biogrenzflächen ( Life Science ), die Polymeranalytik und die Katalysenforschung, benötigen Vakuum für die Analyseninstrumente, jedoch höheren Druck (Umgebungsdruck) für die zu untersuchenden Objekte. Dies wird mit Druckstufen bewerkstelligt. Auch beim Elektronenschweißen wird in manchen Fällen das Schweißobjekt auf Umgebungsdruck gehalten, während der Elektronenstrahl im Hochvakuum beschleunigt wird. In der Mikroelektronikindustrie (Abb. 2.3) wird das Vakuum vor allem zur Erzeugung von dünnen Oxid- Schichten, zum Plasmaätzen, zur chemischen Dampfabscheidung (CVD), zum Sputtern (Zerstäuben) und zur Ionenimplantation benötigt. Ein Großteil der Investitionen für eine neue DRAM-Fabrik geht in die Vakuumtechnik. Mit der zunehmend höheren Dichte der Strukturen hat dabei vor allem die Reinheit des Vakuums und der Prozessgase an Bedeutung gewonnen [2 5], aber auch das Abgasmanagement zur Sicherheit des Personals und zum Schutz der Umwelt ist ein wichtiger Faktor [6]. Die Wartungsintervalle von Pumpen in der Halbleiterindustrie konnten durch den Einsatz von trockenen Pumpen wesentlich vergrößert werden. Die erhöhte Korrosionsbeständigkeit der trockenen Pumpen ist z. B. auch bei Fluorierungsprozessen von Kunststoffen von großem Vorteil [7]. Um Kunststoffe zu lackieren oder zu verkleben, muss die Oberfläche in der Regel durch Fluor aktiviert werden. Ein seit 2000 stark gestiegener Absatzmarkt für die Vakuumtechnik ist die Produktion nachhaltiger Energieanlagen. Die Herstellung von Solarzellen benötigt Vakuum bei der Herstellung von Siliziumkristallen, deren Beschichtung (auch Dünnschichtsolarzellen) und der abschließenden Laminierung. Solarthermische Kraftwerke, wie sie für das Projekt DESERTEC angedacht sind, benötigen im Vakuum beschichtete Glasrohre. Die Rotoren für Windkraftanlagen werden aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt, welche mit Vakuuminfusionsverfahren hergestellt werden. Sie werden mit Vakuumhebern, die bis zu 32 t heben können, auf den Masten montiert. Im Innern der Windkraftanlage installierte Vakuumschütze begrenzen und schalten die elektrischen Ströme bis über 2000 A. Eine Anwendung der Vakuumtechnik, die weniger bekannt und auch nicht in Abb. 2.1 aufgeführt ist, ist die Wasseraufbereitung, z. B. von Fernheizwasser oder von Reinstwasser, insbesondere zur Reduzierung des Sauerstoffgehalts [8], aber auch zur Abwasseraufbereitung [9]. Hier werden problematische Abwässer zur Entsorgung eingedampft und das gewonnene Destillat kann eingeleitet werden. In der Automobilindustrie werden Grob- und Feinvakuumpumpsysteme zum Befüllen von Bremsanlagen, Servolenksystemen und Klimaanlagen angewendet [10]. Auch für Dichtigkeitsprüfungen an diesen Systemen und Motoren werden Vakuummethoden benutzt. Große Bedeutung hat das Vakuum auch als Wärmeisolation für die Kryotechnik, aber auch für Kühlschränke und Gebäude [11]. Evakuierte, nano-poröse Schäume erbringen um einen Faktor 10 größere Wärmewiderstände als konventionelle Schäume.

3 2 Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik 21 Abb. 2.1 Eine Auswahl industrieller Anwendungen der Vakuumtechnik

4 22 2 Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik Abb. 2.2 Eine Auswahl physikalischer Untersuchungsmethoden im Vakuum

5 2 Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik 23 Abb. 2.3 Eine zentrale Bedeutung hat die Vakuumtechnologie in der Mikroelektronik. Bild von MPG Mehr oder weniger als Kuriosität sei auch erwähnt, dass die akustischen Eigenschaften von Holz für Musikinstrumente durch Vakuum-Wärmebehandlung verbessert werden können [12]. Die Oberflächenanalytik ist sicherlich der wichtigste Anwendungsbereich der Vakuumtechnik im Forschungsbereich. Hier ist der Übergang zur industriellen oder sonstigen Anwendung jedoch oft fließend. Als Beispiel sei die Vakuummetallisierung mittels Verdampferquellen von kriminalistischen Spurenträgern genannt [13]: Fingerabdrücke werden durch die Metallisierung mit Zink oder Gold sichtbar und identifizierbar gemacht. Das längste Vakuumsystem der Welt ist die unterirdische, in einem Tunnel befindliche, 27 km lange Vakuumröhre des LHC-Beschleunigers (Large Hadron Collider) beim CERN in Genf. Diese und ähnliche Anlagen dienen der Erforschung der Grundbausteine unserer Materie und der Vorgänge, wie sie sich kurz nach dem Urknall zu Beginn unseres Universums abgespielt haben. Vom Volumen her noch größer sind die in den letzten Jahren an mehreren Stellen auf der Erde gebauten Gravitationswellendetektoren [14]. Die in Washington und Lousiana, USA, gebauten Detektoren des LIGO-Projekts (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, Abb. 2.4) besitzen je zwei Vakuumrohre mit einer Länge von 4 km und einem Durchmesser von 1,2 m. Ein seit 2000 stark gestiegener Absatzmarkt für die Vakuumtechnik ist die Produktion nachhaltigen Energieanlagen. Die Herstellung von Solarzellen benötigt Vakuum bei der Herstellung von Siliziumkristallen, deren Beschichtung (auch Dünnschichtsolarzellen) und der abschließenden Laminierung. Solarthermische Kraftwerke, wie sie für das Projekt DESERTEC angedacht sind, benötigen im Vakuum beschichtete Glasrohre. Die

6 24 2 Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik Abb. 2.4 Der bei Hanford in der Wüste des US-Staates Washington aufgebaute Gravitationswellendetektor LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). Jeder Arm des Michelson-Interferometers, in dem sich Ultrahochvakuum befindet, ist 4 km lang Rotoren für Windkraftanlagen werden aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt, welche mit Vakuuminfusionsverfahren hergestellt werden. Sie werden mit Vakuumhebern, die bis zu 32 t heben können, auf den Masten montiert. Im Innern der Windkraftanlage installierte Vakuumschütze begrenzen und schalten die elektrischen Stöme bis über 2000 A. Auch die Weltraumsimulation benötigt Vakuumkammern mit großen Abmaßen, dem Volumen nach sogar noch größere als die Gravitationswellendetektoren. Die größte Kammer, die zur NASA gehört, befindet sich in Tullahoma, Tennessee in den USA (Abb. 2.5). Die mit 1400 m 3 wohl größte kompakte Ultrahochvakuumkammer der Welt wurde im Jahre 2006im ForschungszentrumKarlsruhe aufgestellt (Abb.2.6). Die riesige Edelstahl- Kammer beinhaltet ein Elektronenspektrometer, mit dem die Neutrinomasse bestimmt werden soll. Für alle Vakuumbereiche stehen hinreichend effektive, wirtschaftliche und einfach zu bedienende Vakuumpumpen zur Verfügung. für den Grobvakuumbereich: (10 5 Pa 10 2 Pa) Seitenkanalgebläse Drehkolbengebläse trocken laufende Drehschieberpumpen Klauenpumpen

7 2 Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik 25 Abb. 2.5 Die größte Weltraumsimulationskammer der Welt in Sandusky, Ohio, USA. Die Plum Brook Station Space Power Facility gehört zum NASA Glenn Research Center. Die Vakuumkammer hat einen Durchmesser von etwa 30 m und eine Höhe von etwa 40 m. Bild von NASA Abb. 2.6 Transport des Hauptspektrometerkessels des Karlsruher Tritium Neutrino Projekt ( KA- TRIN ) durch Leopoldshafen-Eggenstein am 25. November Bild: Forschungszentrum Karlsruhe

8 26 2 Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik Membranpumpen Flüssigkeitsringpumpen (gegebenenfalls mit Dampfstrahler kombiniert) für den Grob- und Feinvakuumbereich: (10 2 Pa 10 1 Pa) ölgedichtete Vakuumpumpen (Gasballastpumpen) Schraubenpumpen Spiralpumpen Scroll-Pumpen Wälzkolbenpumpen Dampfstrahlpumpen für den Hochvakuumbereich: (10 1 Pa 10 5 Pa) Diffusionspumpen Turbomolekularpumpen mehrstufige Wälzkolbenpumpen für den Hoch- und Ultrahochvakuumbereich: <10 5 Pa) Turbomolekularpumpen Ionengetterpumpen Titansublimationspumpen NEG-Pumpen Kryopumpen Zur Verbindung der einzelnen Bauelemente (Pumpen, Ventile, Vakuummeter, Rohrleitungen, Rezipienten, Dampfsperren und sonstigem Zubehör) stehen bis zu großen Nennweiten (DN 1000) genormte Flansche zur Verfügung sowie verfahrensmäßig durchentwickelte Schweiß- und Hartlötverbindungen. Zur Lecksuche hat sich der Heliumlecksucher als Standardgerät durchgesetzt. Seine Empfindlichkeit ist ausreichend, um auch die kleinsten, vakuumtechnisch noch störenden Undichtheiten an einer Apparatur oder Anlage feststellen und lokalisieren zu können. Die nationale und internationale Normungsarbeit auf dem Gebiete der Vakuumtechnik (Tab ) hat dazu beigetragen, Aufbau, Bedienung und Unterhaltung von Vakuumanlagen einfacher, flexibler und billiger zu machen. Die Messmethoden einer Reihe vakuumtechnischer Größen, wie z. B. des Saugvermögens von Pumpen, der Vorvakuumbeständigkeit u. a., sind vereinheitlicht worden. Vakuumanlagen können heute praktisch in beliebiger Größe hergestellt werden. Die vakuumtechnischen Fortschritte, die in den letzten Jahrzehnten erzielt worden sind, sind in hohem Maße den gesteigerten technischen Ansprüchen zu danken, die von der verfahrenstechnischen Seite zu stellen waren [15]. Die heutigen Entwicklungen betreffen vor allem die folgenden Problemkreise: größere Sauberkeit des Vakuums durch trockene Vorpumpen Entwicklung von Ein-Pumpsystemen ein umfassendes Kalibriersystem für Vakuummessgeräte

9 Literatur 27 Verringerung der Ausgasraten für ausheizbare und nicht ausheizbare Vakuumsysteme Der Problemkreis des sauberen Vakuums betrifft vor allem die Herstellung kohlenwasserstoff-freien Vakuums. Hierzu dienten früher vorzugsweise Sorptions- und Kondensationspumpen. Die Erforschung ihrer Wirkungsweise bedient sich der Methoden der Oberflächen- und Grenzflächenphysik, die sich mit der Wechselwirkung zwischen Gasen und festen Oberflächen beschäftigt. Damit war eine enge Verknüpfung zwischen dieser Disziplin und der Vakuumphysik und -technik entstanden. Von den zahlreichen Untersuchungsmethoden haben u. a. die Elektronenspektroskopie und die Sekundärionen- Massenspektroskopie breite Anwendung gefunden. Diese im Ultrahochvakuum durchgeführten Verfahren werden routinemäßig in der Analytik eingesetzt. Heute stehen für die Erzeugung von kohlenwasserstoff-freien Vakua auch eine Vielzahl von mechanischen Pumpen wie Membranpumpen, Kolbenpumpen, Schraubenpumpen und Klauenpumpen (siehe Kap. 6) zur Verfügung. Diese dienen sowohl als Vorpumpen von Hochvakuumpumpen als auch direkt zur Erzeugung von Grob- und Feinvakuum. Neben ihres unmittelbaren Vorteils keiner Ölkontamination sind diese Pumpen robuster gegen aggressive Medien und Staub, haben eine höhere Dampfverträglichkeit und sind nicht zuletzt wartungs- und umweltfreundlicher als ölgeschmierte Pumpen und haben damit niedrige Betriebskosten. Vakuum zu erzeugen und unter den verschiedensten Arbeitsbedingungen aufrecht zu erhalten, ist heute zur Routine geworden. Seit den 1970er Jahren befindet sich die Zahl der Physiker, die sich mit der Vakuumphysik als Wissenschaft beschäftigen, in stetem Rückgang. Die Neuerungen in der Vakuumtechnik sind heute hauptsächlich ingenieurtechnischer Art. Dieser Rückzug der Wissenschaftler birgt allerdings die Gefahr, dass die weiterhin nötigen spezifischen vakuumphysikalischen Grundkenntnisse im Laufe der Zeit weniger vermittelt werden und der heute erreichte Stand der Reife der Vakuumphysik und -technik in der Realisierung vor Ort wieder verloren geht. Weil die Vakuumphysik und -technik eine Basiswissenschaft für viele Industriezweige und viele andere Wissenschaften ist, hätte dies gravierende Auswirkungen. Dass die Wissensvermittlung weitergeht und auf dem aktuellen Stand bleibt, ist Aufgabe eines Buches wie diesem. Literatur 1. Gemeinsame Erhebung der EVTA (European Vacuum Technology Association), AVEM International (Association of Vacuum Equipment Manufacturers), JVIA (Japanese Vacuum Industry Association), Pressemitteilung aus dem Jahr EVTA Sekretariat beim VDMA, Fachverband Kompressoren, Druckluft und Vakuumtechnik, Lyoner Str. 18, Frankfurt. 2. J. R. Arthur, Vacuum Gauging in the electronics industry, J. Vac. Sci. Technol. A 5 (1987), J. F. O Hanlon und H. G. Parks, Impact of vacuum equipment contamination on semiconductor yield, J. Vac. Sci. Technol. A 10 (1992),

10 28 2 Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik 4. R. K. Waits, Controlling your vacuum process: Effective use of a QMA, Semiconductor International, May, 1994, M. E. Buckley, Process control in the semiconductor manufacturing environment using a high pressure quadrupole mass spectrometer, Vacuum 44, 1993, D. Gennermann, Abgasmanagement von Vakuumprozessen moderner Halbleiter-Produktionsanlagen, Vakuum in Forschung und Praxis 1 (2000), S. Fischer, Fluorvorbehandlungsanlagenmit trockenlaufenden Vakuumpumpen, Vakuum in Forschung und Praxis 2 (2000), G. Zilly, Entgasung von Wasser unter Vakuum, Vakuum in Forschung und Praxis 3 (2000), W. Schneider, Vakuum in der Abwasseraufbereitung, Vakuum in Forschung und Praxis 2 (1996), K.-H. Nikutta, Vakuum-Befüllverfahren beim Automobil, Vakuum in Forschung und Praxis 3 (1993), J. Fricke, U. Heinemann, H. P. Ebert, Vacuum insulation panels from research to market, Vacuum 82 (2008), P. Hix, Vakuum und Musik, Vakuum in Forschung und Praxis 4 (1992), R. Herrmann und P. Rustler, Vakuum-Metallisierung als daktyloskopische Spurensicherungsmethode bei der deutschen Polizei, Vakuum in Forschung und Praxis 1 (2002), Scott Faber, Gravity s Secret, New Scientist, November 1994, J. P. Hobson, The future of vacuum technology, J. Vac. Sci. Technol. A 2 (1984),

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