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Nano-Positionierung und Bewegungssteuerung in einer Vakuumumgebung

Herausforderungen beim Einsatz von Positioniersystemen im Vakuum

Einführung

Präzise Bewegungssteuerung in einer Vakuumumgebung wird für viele Anwendungsgebiete in der wissenschaftlichen Forschung sowie Industrie immer relevanter. Eine große Anzahl von Herstellungsprozessen wird jetzt im Vakuum durchgeführt, um die höchsten Sauberkeits- und Reinheitsstandards der hergestellten Produkte zu gewährleisten.

Die Halbleiterindustrie ist ein wichtiges Beispiel für den erfolgreichen Einsatz der Vakuumtechnologie. Ultrahochvakuum-Bedingungen und Technologien zur präzisen Bewegungssteuerung sind für die Entwicklung und Herstellung von Geräten unverzichtbar geworden. Dies umfasst beispielsweise Detektoren und Laserquellen sowie die Herstellung von Prozessorchips, die in der heutigen modernen Technologie verwendet werden.

Es ist jedoch nicht nur die Halbleiterindustrie. Grundlagenforschung der Physik, wie die Arbeiten am Large Hadron Collider (LHC) und anderen Hochenergie-Beschleunigereinrichtungen, erfordern Ultrahochvakuum-Bedingungen für einen erfolgreichen Betrieb.

Mit der Entwicklung neuer Technologien und Anwendungen wird der Bedarf an leistungsfähigen Lösungen zur Bewegungssteuerung, die in einer Vakuumumgebung betrieben werden können, weiter zunehmen.

Wir können Produkte zur Nano-Positionierung mit hoher Vakuumtauglichkeit liefern, die für Standard-Hochvakuumdrücke bis zu extremen Ultrahochvakuumdrücken von 10–11 mbar geeignet sind. Hier betrachten wir einige der Probleme, die Sie bei der Auswahl von Geräten berücksichtigen sollten, die in einer Vakuumumgebung verwendet werden.

Was ist ein Vakuum?

Wenn der Druck in einem Gefäß oder Behälter unter den normalen atmosphärischen Druck gesenkt wird, wäre das Innere dieses Behälters ein Vakuum. Die Höhe dieses Vakuums hängt davon ab, wie schnell die Luft aus dem Gefäß entfernt werden kann und wie leicht sich der Behälter wieder mit Luft füllen kann, d.h. gibt es Undichtigkeiten oder sind die Materialien für die Verwendung in einem Vakuum geeignet?

Schließlich wird eine Gleichgewichtsbedingung erreicht, und der Enddruck, der erreicht und aufrechterhalten werden kann, definiert die Vakuumklasse. Es gibt vier Hauptvakuumklassen, denen Sie begegnen werden: Feinvakuum, Hochvakuum (HV), Ultrahochvakuum (UHV) und extremes Ultrahochvakuum (XHV).

Ausgasung

Eine der wichtigsten Überlegungen beim Arbeiten im Vakuum ist das Ausgasen. Unter diesem Begriff versteht man die Freisetzung von eingeschlossenen Gasen oder die Verdampfung von Material aus einem Feststoff, wenn dieser aufgeheizt oder Vakuumdrücken ausgesetzt wird.

Im Bereich der Photonik und optischen Anwendungen ist Ausgasen unerwünscht, da das freigesetzte Material auf optischen Elementen kondensieren kann und in einigen Fällen die optischen Präzisionsoberflächen dauerhaft beschädigt.

Die Freisetzung von Gasen und anderen Partikeln kann auch den Enddruck begrenzen, den eine Vakuumkammer erreichen kann. Diese Materialfreisetzung kann negative Folgen haben, insbesondere wenn eine lange mittlere freie Weglänge für eine Anwendung erforderlich ist, wie z.B. bei optischen Beschichtungen oder Wachstum und Herstellung von Halbleitermaterialien. Eine hohe Ausgasrate verringert die mittlere freie Weglänge und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen mit unerwünschten Gasmolekülen, was zu Verunreinigungen der optischen Beschichtung oder dem endgültigen Probenmaterial führt.

Das Ausgasen von Geräten im Vakuum kann häufig auf einen der folgenden Gründe zurückgeführt werden:

  • Feuchtigkeit.
  • Freisetzung von Gasmolekülen von der Oberfläche oder aus dem Inneren des Materials.
  • Eingeschlossene Gastaschen, z.B. hinter Sacklöchern.
  • Fette und Schmiermittel.
  • Farbe und Klebstoffe.

Die Reduzierung des Ausgasens von Materialien ist von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der gesamten Vakuumumgebung und des Enddrucks, der erreicht werden kann. Es gibt mehrere wichtige Ansätze, um die Ausgasrate zu reduzieren:

  • Verwendung von vakuumkompatiblen Materialien, Klebstoffen und Schmiermitteln.
  • Gründlicher Ausheizvorgang.
  • Konstruktionsüberlegungen zur Reduzierung von Lufteinschlüssen.
  • Sauberkeit und Verpackungen.

All diese Aspekte müssen sorgfältig abgewogen werden, wenn Sie Elemente zur Bewegungssteuerung auswählen, die in einer Hochvakuumumgebung verwendet werden sollen.

Wahl des Materials

Um Geräte zur Bewegungssteuerung sicher in einer Vakuumumgebung einsetzen zu können, müssen Sie sicherstellen, dass die Materialien, Komponenten und Zubehörteile für den Vakuumgebrauch geeignet sind.

Viele vakuumtaugliche Verstelltische bestehen aus blankem, nicht eloxiertem 6061-Aluminium. Es ist oft das kostengünstigste Material und kann bei Drücken von bis zu 10-6 bar verwendet werden. Für HV- und UHV-Bereiche wird am häufigsten Edelstahl der Serien 300 oder 400 verwendet. Es hat auch einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Aluminium und passt daher besser zur Wärmeausdehnung von Lagern und Führungen. Diese Kombination ermöglicht einen reibungslosen Lauf der Lager mit der richtigen Vorspannung und minimalem Spiel bei Temperaturschwankungen aufgrund von Wärmeentwicklungen im Motor oder Anwendungsprozessen.

Andere Materialien wie Kupfer, Nickel, Titan und Keramiken können ebenfalls effektiv in einer Vakuumumgebung eingesetzt werden. Die folgenden Materialien sollten jedoch aufgrund ihrer hohen Ausgasraten vermieden werden: Kunststoff- und PVC-Kabelummantelungen, Elastomere, Farben und Klebstoffe. Eloxiertes Aluminium und Aluminiumlegierungen mit hohem Zinkgehalt sollten ebenfalls vermieden werden.

Suchen Sie nach Informationen zur verwendeten Schmierung. Sie sollten sicherstellen, dass die Verstelltische ein Fett mit niedrigem Dampfdruck verwenden, um das Ausgasen schädlicher Kohlenwasserstoffe zu minimieren, die schwerwiegende Auswirkungen auf optische Oberflächen im System haben können. Für die anspruchsvollsten Vakuumanwendungen steht festes Fett mit extrem niedrigem Dampfdruck zur Verfügung.

Alle Kabel sollten mit Nicht-PVC-Materialien wie Teflon ummantelt sein. Es ist auch ratsam, nur die absolute Mindestanzahl an Kabeln und Steckern zu verwenden, die für den Betrieb des Positionierssystems erforderlich sind. Dies hilft auch die Kosten niedrig zu halten.

Ausheizen

Beim Ausheizen werden erhöhte Temperaturen in einem Vakuum verwendet, um flüchtige Materialien aus der Kammer zu entfernen, bevor die Systeme für die endgültige Anwendung in Betrieb genommen werden. Der Ausheizprozess hilft dabei, eingeschlossenes Gas oder Feuchtigkeit aus den Materialien auszutreiben – er beschleunigt den Ausgasprozess effektiv für den Zeitraum, in dem er eine erhöhte Temperatur aufweist.

Abhängig von den verwendeten Materialien kann der Ausheizvorgang einige Stunden bis über einen Tag dauern. Er wird oft bei Temperaturen im Bereich von etwa 80°C bis 200°C durchgeführt. Neue vakuumkompatible Verstelleinheiten wurden bereits während der Herstellung ausgeheizt. Es ist jedoch häufig erforderlich, vor der endgültigen Verwendung einen weiteren Ausheizzyklus durchzuführen. Einzelheiten zu diesem zusätzlichen Ausheizzyklus sollten in der dem Produkt beiliegenden Anwenderliteratur angegeben sein.

Konstruktionsüberlegungen

Die häufigste Ursache für Lufteinschlüsse ist die Verwendung von sogenannten Sacklöchern, d.h. Bohrungen, die das Bauteil nicht vollständig durchdringen. Dieses Design sollte nach Möglichkeit in ein Durchgangsloch geändert werden. Durch diese Funktion kann das hinter einer Schraube eingeschlossene Gas während des Vakuumpumpens entweichen. Wenn es nicht möglich ist, ein Durchgangsloch zu konstruieren, lässt sich auch alternativ eine belüftete Schraube oder Befestigungselement verwenden. Bei einem belüfteten Befestigungselement ist typischerweise ein Loch axial und zentral durchgebohrt, damit eingeschlossenes Gas aus dem unteren Raum des Gewindelochs entweichen kann.

Sie sollten sich beim Hersteller erkundigen, ob die Verstelltische Durchgangslöcher und belüftete Befestigungselemente besitzen, um die Anzahl der eingeschlossenen Gastaschen zu minimieren.

Sauberkeit und Verpackung

Eine andere Möglichkeit, Ausgasen und Verunreinigungen in einer Vakuumumgebung zu verringern, besteht darin, sicherzustellen, dass die strengsten Reinigungsstandards von der Montage bis zur Endverpackung eingehalten werden.

Vor dem Zusammenbau sollten alle metallischen Komponenten in einem Ultraschallbad gründlich gereinigt und mit Lösungsmitteln wie Aceton und Isopropylalkohol abgewischt und an der Luft trocknen gelassen werden. All dies sollte in einem Reinraum oder einer Reinkammer durchgeführt werden, um das Kontaminationsrisiko zu minimieren.

Die Reinigung dient zum Entfernen von Verschmutzungen und Oberflächenbeschichtungen. Es wird auch verwendet, um Öl und Fett von mechanischen Komponenten wie Gewindespindeln zu lösen, bevor ein geeigneteres vakuumkompatibles Schmiermittel aufgetragen wird.

Beim Umgang mit vakuumkompatiblen Geräten ist ebenfalls Vorsicht geboten, um zu vermeiden, dass Fingerabdrücke, Haare und menschliche Hautzellen auf den Geräten zurückbleiben. Es sollten alle Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um das Kontaminationsrisiko zu minimieren.

Die zusammengebaute vakuumtaugliche Verstelleinheit sollte in einer luftdichten Vakuumverpackung versiegelt werden, um sicherzustellen, dass während des Transports oder der Lagerung keine Feuchtigkeit oder Luft eindringen kann. In der Regel werden die Geräte in zwei Vakuumverpackungen versiegelt, wodurch das Risiko einer Kontamination während des Transports weiter minimiert wird.

Wärmemanagement im Vakuum

Es besteht ein zunehmender Bedarf, vakuumkompatible Verstelleinheiten komplett in der Vakuumumgebung zu montieren, anstatt Antriebsdurchführungen zu verwenden, bei denen der Motor außerhalb der Vakuumkammer montiert ist. Das Vorhandensein des Motors in der Vakuumkammer bietet mehrere Vorteile, darunter eine verbesserte Genauigkeit, ein geringeres Spiel und eine höhere Auflösung, da lange Antriebsgestänge entfallen und direkt auf der Verstelleinheit oder dem Motor montiert werden können.

Ein Hauptnachteil von Vakuummotoren ist jedoch die Gefahr einer Überhitzung des Motors. Herkömmliche Motoren, die nicht für den Betrieb im Vakuum ausgelegt sind, werden hauptsächlich durch Wärmeübertragung an die Luft und anliegenden Kontaktflächen gekühlt. In einer Vakuumumgebung ist keine Konvektion möglich. Wenn die Wärme durch die Wärmeleitung nicht ausreichend abgeführt wird, kann sich der Motor überhitzen und den Motor sogar beschädigen.

Es ist wünschenswert, Motoren zu verwenden, die eine geringe Wärmeentwicklung haben und gleichzeitig effiziente Wärmeableitungsmerkmale aufweisen. Eine Methode, um einen Wärmestau zu verhindern, besteht darin, den Motor mit einem reduzierten Antrieb oder Arbeitszyklus zu betreiben, indem die Zeitdauer, die ein Motor kontinuierlich läuft, verringert wird, um dem System Zeit für die Wärmeabfuhr zu geben. Zum Beispiel würde ein Betrieb mit einem Arbeitszyklus von 50% bedeuten, dass der Motor nur die Hälfte der Zeit läuft, was die erzeugte Wärme erheblich reduziert. Dieser Ansatz weist einige Nachteile auf, wie z. B. verringerte Geschwindigkeit, Antriebskraft und kontinuierliche Laufzeit.

Innerhalb einer UHV-Umgebung wird es in den meisten Fällen erforderlich sein, den Motor sorgfältig zu platzieren und zu montieren, um eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten, sowie entsprechend konzipierte Motoren und intelligente Antriebssysteme zu verwenden, um überschüssige Wärme zu minimieren und schnell abzuführen, damit er reibungslos und sicher läuft.

Vakuumkompatible Produkte von SphereOptics

Nanomotion – Ultraschall-Piezomotoren und Positioniersysteme

Die Ultraschall-Piezomotoren von Nanomotion sind in einer Vielzahl von Größen und Optionen erhältlich, die für Umgebungen von normalen atmosphärischen Drücken bis hin zu UHV-Umgebungen und darüber hinaus geeignet sind.

Die Motoren zeichnen sich durch eine effiziente Wärmeableitung sowie durch eine intelligente Taktsteuerung aus, sodass das ein hoher Arbeitszyklus und höchste Beanspruchungen selbst in UHV-Umgebungen ermöglicht werden.

Die Motoren haben sich in mehreren anspruchsvollen Vakuumanwendungen für die Halbleiterindustrie bewährt, einschließlich Mikro-Verstelleinheiten sowie Positioniersysteme zur Inspektion von 300 mm Wafern. Sie wurden auch in weltraumtauglichen Anwendungen im erdnahen Orbit (LEO) eingesetzt, beispielsweise zur Verwendung in der hochauflösenden Bildgebung und Kommunikation.

Weitere Informationen finden Sie unter: https://sphereoptics.de/en/product/piezoelectric-motors/

SphereOptics ist Distributor von Nanomotion in Deutschland, Schweiz und Österreich. Wir sind zuversichtlich, dass wir Sie mit einer großen Auswahl an hochwertigen Produkten bei der Suche nach der richtigen Lösung für Ihre Anwendung unterstützen können. Kontaktieren Sie uns unter info@sphereoptics.de