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 (V 2 A, Cr,Ni,Ti-Stahl 18.10) Eisen-Nickel-Legierungen Al-Legierungen Kupfer-Legierungen (Bronze) Fe-Ni-Co-Legierungen Molybdändisulfid
18
Embed
Vakuumwerkstoffe und Konstruktionsprinzipien 1. Werkstoffe · sauberes Material (in hoher Reinheit herstellbar) ... Glas-Glas-Verschmelzungen kaum Bedeutung (früher bei gläsernen
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 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
Allgemein: Je besser das Vakuum, desto höher die Materialansprücheund desto kleiner die Materialauswahl !± größte Bedeutung hat die Materialfrage für die UHV-Technik
in der Vakuumtechnik verwendete Werkstoffe:
Metalle: a) reine Metalle: Normalstahl (Eisen)TitanAluminiumKupferQuecksilberGold, SilberIndium
b) Legierungen: Edelstahl (V2A, Cr,Ni,Ti-Stahl 18.10)Eisen-Nickel-LegierungenAl-LegierungenKupfer-Legierungen (Bronze)Fe-Ni-Co-LegierungenMolybdändisulfid
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 2
Nichtmetalle: a) Feststoffe: Silikate (Glas, Quarz)Keramik (Al2O3, Zeolith)Elastomere (Viton, Teflon, Kalrez)Fette und Harze
b) Flüssigkeiten: MineralöleSilikonöleLN2, LHe
c) Gase Argon, HeliumStickstoff (trocken)WasserstoffFreon
Materialien:
NormalstahlKonstruktionen für den Druckbereich bis 10-5 mbar Konstruktion von Rezipienten, Rohren, Bauelementenbilliges BaumaterialVerunreinigung: C, P, S, COfür höhere Ansprüche (kleinere Drücke) Veredlung, meist Ni
EdelstahlKorrosionsschutz, hohe Vakuumanforderungen (UHV)teure Edelstähle für HV und UHV-AnwendungenBez. 4301, 4306 (geringer C-Gehalt)X5CrNi18/9 (X8CrNiTi18/10)nichtmagnetisch !!!!Besser: vakuumgeschmolzener Stahl
SonderlegierungenGlas-Metall-VerbindungenAnlöten vormetallisierter Keramik ± Eisen-Nickel-(Kobalt)-Legierungen(Kovar, Fernico)- Anpassung der linearen Ausdehnungskoeffizienten
Titangeringe Dichterel. einfach verdampfbar (Titan-Verdampferpumpen, h=1350°C)sauberes Material (in hoher Reinheit herstellbar)
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 3
Aluminiumhohe Festigkeit, geringe DichteVakuumkonstruktionen (Rohre, Flansche usw.)AlSi-Legierungen mit hoher Härtemetallische Dichtungen (bis 300°C)geringer Dampfdruck (10-6mbar bei Schmelzpunkt 660°C)sehr gute Wärme- und elektrische LeitfähigkeitBauteile (auch mit Vernickelung !)
KupferKryotechnik: Wärmeaustauscher, Kühlfallen, Wärmeleitungenelektrische Verbindungen im VakuumKupferdichtungen in UHV-Flanschsystementechnisch 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 !
QuecksilberQuecksilber-Diffusionspumpe (Glasausführungen) nicht mehr aktuellHg nur noch für die Vakuummessung (Mc Leod, U-Rohr-Manometer)Hg: hoher Sättigungsdampfdruck (10-3 mbar) bei Raumtemperaturtoxisch
Silber und Gold (Indium)Dichtungsmaterialen für UHVAg und Au-RundringeStromdurchführungen, el. LeitungenAg-Lote (eutektisch Ag-Cu)Indium für Flansche, an denen kein Kunststoff verwendet werden kann(sehr weich)
GläserTechnische Gläser haben große Bedeutungfrüher 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 wieMetalle,Hartgläser sind temperaturfesteram temperaturstabilsten ist Quarzglas (Dauerbetrieb bis 1050°C)wichtige Eigenschaften: durchsichtig, el. nichtleitend, glatte Oberflächen
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 4
Beispiele für den Einsatz von Glas:Rezipienten (von Bedampfungsanlagen)Leitungen (Hähne, Ventile ... für Vakuum, Flüssigkeiten, Gase)SchaugläserIsolier-KomponentenStromdurchführungen
in der Vakuumtechnik gebräuchliche Gläser:
KeramikSilikat-Keramiken (Porzellane), temperaturfest bis ca. 1350°COxid-Keramiken (Al-, Mg- und andere)temperaturfest bis ca. 1800°Csehr guter IosolatorEinsatz überall dort, wo hohe thermische und elektrische Beanspruchungsind (hohe Temperatur oder Wechseltemperatur, hohe Spannungen):
Vakuumröhren hoher Leistung (Senderöhren)Vakuumkammern von BeschleunigernStromdurchführungenHochspannungsdurchführungen
Kunststoffeverschiedene Kunststoffarten finden zunehmend Eingang in dieVakuumtechnikElastomere, Thermoplaste, Duroplaste,Haupteigenschaften sind:
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 5
Elastizität, einfache Formgebung, flexible IsolatorenBeispiele für den Einsatz von Kunststoffen in der Vakuumtechnik:
Schläuche, Vakuumleitungen aus Gummi, Teflon, PlastTragringe für FlanschsystemeDichtungsmaterialien (O-Ringe aus Gummi, Viton) für Grob-, Fein-
und 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. Ecke10. VorlesungFolie 6
Fette und ÖleÖle für den Betrieb von Drehschieber- und DiffusionspumpenSchmiermittelDichtmittel (Vakuumfett) für Grob- und Feinvakuumbereich (HV ?)UHV-Dicht-Sprays (Silikone)
2. Konstruktionsprinzipien, Bauelemente und Verbindungen
nichtlösbare Verbindungen
Schweißverbindungen
Erfahrungen mit Schweißverbindungen für Vakuumtechnik vor allem beiStählenSchweißnähte müssen frei von Poren und Rissen sein, müssen vor demSchweißen gesäubert und entfettet werden (Ultraschall mit Aceton undIsopropanol)für Edelstähle in der Vakuumtechnik meist WIG-Schweißen (Wolfram-Inert-Gas-Schweißen: elektrisches Schweißen unter Ar-Atmosphäre)auch: Argon-arc-Schweißen
ElektronenstrahlschweißenReibschweißen
mit geringen Leckraten (für unterschiedliche Anwendungsfälle)
Gestaltungsrichtlinien für Schweiß-verbindungen 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 Verschwei-ßungen (Schweißnaht unter-brechen)
siehe Bilder:
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 7
Kontrolle der Schweißnähte auf Dichtheit (nach dem Schweißen) ̧ verlangtoft eine Spezialkonstruktion zur Lecksuche
Lötverbindungen
Weichlötverbindungen nichtverbreitet, geringe Festig-keit, niedriger Schmelz-punkt, Lecks bei Belastung
Hartlötverbindungen gutgeeignet;Verlöten unter Vakuum-bedingungen; gereinigteOberf lächen, speziel leGestaltung des Lotspaltes,sorgfältige Auswahl desLotes zu den Metallen;(dazu siehe Tabellen in derLiteratur: welches Loteignet sich für welcheLötpartner, dazu Löt-temperaturen und Vakuumzum Löten ...)
Beispiele:
Verschmelzungen:Glas-Glas- oder Glas-Metall-Verschmelzungen;Glas-Glas-Verschmelzungen kaum Bedeutung (früher bei gläsernenVakuumapparaturen)
Glas-Metall-Verschmelzungen hauptsächlich für: Stromdurchführungen ins Vakuum Schaugläser Vakuummessröhren (Ionisationsvakuummeter) Anglasungen von Glasflaschen o.ä.
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 8
Anpassung der thermischenAusdehnungskoeffizienten nötig;N i C o S i l ( o d e r a n d e r eBezeichnungen)Literatur gibt Auskunft übermögliche Paarungen Glasart -Metall
Oder Druck-Anglasungen, beidenen entweder das Metall dünngenug ist und sich dehnt, oder dasGlas s tab i l und den Druckaufnimmt;
Verbindungen mit MetallisierungKeramik-Metall-Verbindungen für: Strom-, Spannungsdurchführungen, Beschleuniger Senderöhren ...
Durch: Metallisierung der Keramik, darauf dickere Ni-Schicht, dann Hart-Einlöten 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. Ecke10. VorlesungFolie 9
Lösbare Verbindungen, Flanschsysteme
Dichtungsmittel sind Fette oder Ringe aus Elastomeren oder MetallNach dem Vakuumbereich und der Temperaturbelastung richtet sich die Wahl des Dichtungsmittels die Wahl der FlanschverbindungNach der Auswahl des Dichtungsmittels richtet sich der Kraftbedarf, derzum Zusammendrücken des Dichtungsmittels nötig ist;Fette finden nur bei Glasschliffen im Grob- und FeinvakuumbereichAnwendung (heute unüblich)
A. Kleinflanschverbindungen
Kleinflanschverbindungen (Serie K) bis Nennweite 50 sehr verbreitet;Das Anziehen vieler Schrauben zum Abdichten entfälltDichtmittel: Elastomer-Dichtringin 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 dichtbarfür Anwendung im UHV (ungewöhnlich) kann der Dichtring aus Aluminiumbestehen und die Klammer durch eine geteilte Klammer mit mehrerenSchrauben ersetzt werden (nächste Folie)
D e u t s c h e , E u r o p ä i s c h e u n d I n t e r n a t i o n a l e N o r m e n z uKleinflanschverbindungen (DIN, PNEUROP, ISO)
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 10
Beispiel einer Klein-flanschverbindung mit Metalldichtung:
B. Schraubflanschverbindungen
Flanschverbindungen, die mit Elastomer-Ringen gedichtet sind und mitmehreren Schrauben festgezogen werden, sind heute ab DN 50 üblichalles genormt (DIN, PNEUROP, ISO)
Festflansche
Klammerflansche
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 11
0 2 4 6 8 10 12 141E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
b)
a) Heizdauerfür Kurve b)
Vak
uum
druc
k (m
bar)
Zeit (h)
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 Regimesallgemeine Tendenz zum Senken der Ausheiztemperatur;früher 450°C häufigheute z.B. Komponenten 250°C, 10h oder ähnlichauch 150°C bringt Verbesserung (selbst Ausheizen mit Heizwasser (100°C)möglich, jedoch meist für HV-Anwendungen)
Druck-Zeitkurvea) ohne Heizenb) mit Heizen
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 12
± deshalb Metalldichtungen
Metalldichtungen verlangen hohe Kräfte ± viele VerschraubungenMetalldichtungen fast ausschließlich aus Kupfer (OFHC)teurere Dichtungen versilbertes Kupfer (Korrodiert nicht, weichereOberfläche)teure Dichtungen für Spezialanwendungen aus Silber oder Gold
verschiedene Dichtungs- und Flanschsysteme möglich: früher: Steckelmacher - Flansche
Nachteil: Flanschhälften sind unterschiedlich, ungeschützteDichtungskante
Cu-RunddrahtdichtungenWheeler-Dichtung
heute verbreitet bei großen Flanschen, Rezipienten, großen Massen(führt sich selbst)
Dichtung mit Spießkantenprofil(Auch möglich als Einsatz von Metalldichtungen in ansonsten mitViton gedichtetem Flansch)
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 13
Conflat-Dichtung (heute die absolut weltweit für UHV-Technikverbreitetste, genormte Flanschverbindung)
Gestaltung der Schneiden selbst ist nicht genormt;unterschiedliche Möglichkeiten (Rundungen, Schneiden usw. von Herstellerzu Hersteller verschieden)
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 14
Durchführungen
mechanische Durchführungen
das sind Drehdurchführungen, Schiebedurchführung oder Durchführungenfür zusammengesetzte Bewegungen
für geringe Vakuumansprüche reichen stopfbuchsgedichtete Dreh- undSchiebedurchführungen (Gummi-O-Ringe...)Drehdurchführung besser beherrschbarevt. Öl- oder Fettgedichtet
für hohe Vakuumansprüche (HV- oder UHV-Anwendungen) wird dieDrehbewegung über Metallfaltenbalg ins Vakuum übertragen; mittelsTaumelbewegungen)Metallfaltenbälge übertragen auch Schubbewegungen geringer bis mittlererAuslenkung (mm bis einige cm)
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 15
Auch die magnetische Einkopplung von Drehbewegungen undSchiebebewegungen mit großen Verschiebelängen ist möglich:an Luft: Permanentmagneten Edelstahl-Vakuumhülle läßt den magnetischen Fluss durchim Vakuum: Weicheisen-Formteile, die die äußere Bewegung übernehmen(auch innere Magnete möglich)
lange Schubbewegungen können auch durch Drehdurchführungen undZahnstange übertragen werden
Stromdurchführungen
Stromdurchführungen müssen den gewünschten Strom und die gewünschteSpannung isoliert vom Vakuumbehälter ins Vakuum übertragen.Aufbau meist auf Flanschsystemen; für die Übertragung hoher Leistungenist oft eine Flanschkühlung nötig, damit sich die keramik- oder glasisolierteDurchführung 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 undUHV: Glas bzw. Keramik
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 16
Beispiele:
Schaugläser:zum Einblick in den Rezipienten bzw. Ein- und Auskoppeln optischerSignale: SchaugläserCharakteristika: Glasgröße, Dichtheit/Vakuumbereich, Ausheiztemperatur,spektrale DurchlässigkeitHerstellung: Glas wird an ein geeignetes Metall (NiCoSil) angeschmolzenund dann in einen Flansch eingeschweißtBeispiel für die Ausführung in Conflat-Flansch:
Vorlesung „Vakuumtechnnologie in der Halbleiterindustrie“Dr. G. Ecke10. VorlesungFolie 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 ¸ das geschlossene Venti l darf nur eine sehr kleine
Durchlässigkeit haben (hohe Dichtheit), auch gegenAtmosphärendruck