Bedampfung im Hochvakuum

[zeitgenosse]

Die Bedampfung von Brillengläsern ist ein wirklich interessantes Teilgebiet der technischen Physik (habe ich bei Rodenstock kennengelernt). Beschichtungs- und Aufdampftechnologien im Hochvakuum spielen auch in anderen Industriebereichen eine wichtige Rolle, z.B.bei der Herstellung titanbeschichteter Werkzeuge (Bohrer, Fräser, Drehstähle) und natürlich in der Halbleiterindustrie. Vakuumtechnik ist auch bei Rasterelektronenmikroskopie gefragt.

Bei den Brillengläsern werden mehrere Schichten hauchdünn aufgetragen. Eine Charge umfasst etwa 100 Gläser und der Prozess dauert an die 2-3 Stunden, so dass pro Rezipient zwei Chargen/Tag (ohne Schichtbetrieb) gefertigt werden. Ein Nutzaspekt der Beschichtung ist die Entspiegelung des Glases, aber auch eine erhöhte Kratzfestigkeit. Insgesamt entstehen für den Brillenträger einige Vorteile (verbesserte Sehschärfe, keine störenden Reflexe, verminderte Augenermüdung).

Um Gläser im Vakuum zu bedampfen, führt kein Weg an der kinetischen Gastheorie vorbei. Selbst in einem Hochvakuum von 1e-7 mbar ist ein Restgas vorhanden. Die Gasmoleküle vollführen dabei regellose Zickzackbewegungen. Auf ihrem Weg zum Substrat stossen die verdampften Partikel mit den noch vorhandenen Gasmolekülen zusammen, was die Beschichtungseffizienz verringert. Deshalb ist man bestrebt, möglichst wenig Zusammenstösse zu provozieren. Dabei kommt einem der Umstand zugute, dass sich die mittlere freie Weglänge L mit abnehmendem Gasdruck vergrössert. Bei 1e-5 mbar beträgt sie bereits ≈ 500 cm. Im Weltraumvakuum beträgt L sage und schreibe 10^10 m.

Bei konstanter Temperatur (20 °C) gilt die Beziehung: p*L = c = const.
c ist eine gasartspezifische Konstante; für Luft beträgt sie 6,67e-1 [cm*Pa]

Somit - das ist evident - soll das erzielbare Vakuum möglichst hoch sein. Damit dies gelingt, werden u.a. die demontierbaren Teile im Innern des Rezipienten in periodischen Abständen sandgestrahlt, um eine möglichst glatte Oberfläche der Chromstahlteile zu erzielen. Dadurch diffundieren weniger Gasmoleküle in die Poren des Stahls. Auch wird der Rezipient vor dem eigentlichen Aufdampfprozess vorgeheizt, um so die unerwünschten Wasserdampfanteile zu entziehen.

Wie sieht nun eigentlich - rein schematisch - ein Rezipient und dessen Peripherie aus? Dazu betrachte ersteinmal in aller Ruhe die folgende Grafik:




Man erkennt gut, dass der Drehschieberpumpe die sog. Rootspumpe vorgelagert ist. Der Ausdruck "Roots" mag zunächst befremdlich klingen, kommt aber vom Namen der Gebrüder Roots, welche das Rootsgebläse (als Winderzeuger für Hochöfen eingesetzt) erfanden. Die noch eigentlichere Erfindung geht auf Isaiah Davies (1848) zurück. Heutzutage versteht man unter der Rootspumpe eine Wälzkolbenpumpe. Dieser nachgeschaltet ist meist eine Drehschieberpumpe. Zusammen erzeugen diese Pumpen das Grob- bzw. Feinvakuum (bis etwa 0,1 mbar). Oft werden auch mehrstufige Pumpe (z.B. Wälzkolben- und Drehzahnpumpe kombiniert) eingesetzt. Überhaupt sind Pumpen eine "Wissenschaft für sich". Ich nenne nur einige, die mir in Verbindung mit der Vakuumtechnik gerade in den Sinn kommen.

In loser Folge:

Schraubenpumpe, Scrollpumpe, Membranpumpe, Kreiskolbenpumpe, Drehschieberpumpe, Dampfstrahlpumpe, Oeldiffusionspumpe, Turbomolekularpumpe, Ionengetterpumpe, Titan-Sublimationspumpe, Kryopumpe... Es gibt noch etliche weitere Varianten.

Bei tiefergehendem Interesse empfiehlt sich:

- Wutz, "Handbuch der Vakuumtechnik" (Vieweg).
- Kerspe, "Vakuumtechnik in der industriellen Praxis" (expert-verlag GmbH)

Grob lassen sich die diversen Pumpentypen einteilen in mechanische Pumpen (Verdrängungsprinzip), Kinetische Vakuumpumpen (Treibmittelpumpen; Verdichtungspumpen) und Kondensations- resp. Sorptionspumpen (gasbindende Pumpen). Die zu den Treibmittelpumpen zählende Dampfstrahlpumpe wird auch als Boosterpumpe bezeichnet.

Mit dem Rezipienten verbunden ist eine Diffusionspumpe. Zusammen mit den nachgeschalteten Vorvakuumpumpen erzeugt erstere das eigentliche Hochvakuum et ultra (bis 1e-9 mbar). Diese Pumpe benötigt einen Anfangsdruck < 1e-2 hPa; sonst nimmt sie Schaden. Die nachgeschalteten Pumpen sind nötig, weil nach aussen gegen den Atmosphärendruck gearbeitet wird. Ein Pumpvorgang kann bildlich aufgefasst werden als ein Ausströmen der Gasmoleküle in ein Zusatzvolumen, wobei sich der Druck im Rezipienten erniedrigt. Dabei spielt das Saugvermögen der HV-Pumpe dV/dt ein wichtige Rolle.

Unter dem Ventilteller des Hochvakuumventils ist ferner das sog. Baffle montiert. Dieses ist im Prinzip nichts anderes als eine (wasser)gekühlte Dampfsperre zur Unterdrückung des Eindringens von Oeldampf in den Rezipienten. Das Baffle (es gibt unterschiedliche) reduziert aber das Saugvermögen der Hochvakuumstrecke (= effektives Saugvermögen). Gelegentlich werden auch Kühlfallen mit flüssigem Stickstoff verwendet. An kalten Flächen kondensieren Treibmittelpartikel.

Die verschiedenen Vakua müssen während des Betriebs selbstverständlich überwacht werden. Als Niederdruckmessgeräte sind - je nach Druckbereich - ganz unterschiedliche Typen im Einsatz wie z.B.:

Membranmanometer, Federvakuummeter (Grobvakuum); Membran-Kapazitätsvakuummeter, Reibungsvakuummeter, Pirani-Wärmeleitungsmanometer, McLeod-Vakuummeter (Feinvakuum); Penning-Ionisationsvakuummeter, Bayard-Alpert-Ionisationsvakuummeter, Magentronvakuummeter (Hochvakuum bis Ultrahochvakuum) und noch einige mehr. Das Reibungsvakuumeter - als Beispiel - beruht auf dem Prinzip der Abbremsung einer rotierenden Kugel durch Reibung im Restgas und ist ein feinmechanisches Präzisionsgerät.

Fortsetzung bei Lust und Laune...

Gr. zg
_________________
Make everything as simple as possible, but not simpler!

[zeitgenosse]

Nachdem die Peripherie eines Rezipenten angemessen beschrieben wurde, wollen wir uns seinem Innern nähern. Die Vakuumkammer enthält am Boden eine Elektronenstrahlkanone, eine Ionenquelle und ganz hinten die Meissnerfalle, welche die noch vorhandenen Wasserdampfmoleküle in Form angelagerter Eiskristalle an sich bindet. Nach Ende eines Beschichtungsprozesses wird aufgewärmt und der Wasserdampf abgepumpt.

Wie nun eigentlich wird das Aufdampfmaterial erzeugt? Dazu plaziert man auf einem programmgesteuerten drehbaren Tiegel verschiedene Substanzen (wie bspw. Titanoxid oder Siliziumoxoid), die nacheinander durch einen Elektronenstrahl zum Verdampfen gebracht werden. Es gibt auch noch andere Verdampfungsverfahren. Die gesamte Vorrichtung wird als Elektronenstrahlverdampfer bezeichnet. Über diesem ist ein Shutter (Abdeckkblende) angeordnet.

Aus einer Elektronengun treten infolge thermischer Energiezufuhr negative Ladungsträger aus (ähnlich wie bei einer Elektronenröhre). Die über einen Heiztrafo (20 Amp.) erhitzte Kathode wird als Filament bezeichnet. Um die entstehende Wärme abzuführen sind Elektronenkanone und Tiegelhalter wassergekühlt. Unter dem Einfluss der Anodenspannung (ca. 8 kV) werden die Elektronen im Hochvakuum beschleunigt und durch ein Magnetsystem (Permanentmagnete aussen, Spulen innen) in den Drehtiegel auf das entsprechende Aufdampfmaterial abgelenkt. Ohne Spulenströme würde der Elektronenstrahl punktförmig im Tiegel konzentriert. Durch gezielte Kombination der Magnetfelder lassen sich unterschiedliche Strahlbilder (longitudinal und lateral) erzeugen; damit kann eine Charge gemäss spezifischem Aufdampfprogramm hochwertig vergütet werden.

Im oberen Teil des Rezipienten ist der kalottenförmige und sich langsam drehende Substratträger mit den in Ringen befindlichen Mineralgläsern angebracht.

Betrachten wir abschliessenden den gesamten Prozessablauf, als wären wir selbst der Operateur vor Ort:

Nach dem Befüllen der Tiegeleinsätze mit dem richtigen Material, dem Wechseln der Quarze und dem Anbringen der Kalotte mit den Gläsern kann der Prozess gestartet werden. Dazu ist das entsprechende Programm anzuwählen. Programmgesteuert wird zuerst der Auspumpen eingeleitet. Beim Erreichen des Hochvakuums wird die Meissnerfalle mit flüssigem Stickstoff abgekühlt.

Ist der eigentliche Startdruck erreicht (gemessen wird mit einer Ionisationsröhre nach Bayard-Alpert), wird zur Vorreinigung der Substrate die Elektronenkanone eingeschaltet. Die Substrate sind durch eine separate Heizung bereits auf die richtige Temperatur erwärmt. Von unten strömt ein Prozessgas (Argon) in den Rezipienten ein. Durch den Elektronenstrahl werden die Gasatome ionisiert und zum auf negativem Potential liegenden Substratträger hin beschleunigt. Durch diesen Beschuss werden die Gläser von allfälligen Verunreinigungen und Wasserhäuten befreit.

Nach der Vorreinigung wird der Verdampfer mit dem zugehörigen Tiegel aktiviert. Zunächst schmilzt die entsprechenden Substanz im Brennfleck des Elektronenstrahls, dann verdampft sie, um sich kugelförmig nach oben auszubreiten. Um eine chemische Reaktion mit dem Substrat zu ermöglichen, wird bei Bedarf gezielt Sauerstoff zugeführt. Über eine Verteilermaske gelangt das Aufdampfmaterial zu den Gläsern,wo es sich als hauchdünne Schicht niederschlägt. Der anhaltende Beschuss aus der Ionenquelle bewirkt zudem eine Verdichtung des erstarrenden Kondensats.

Die Schichtdicke wird mit der Schwingquarzmethode gemessen. Dazu werden Quarzplättchen mit einer Resonanzfrequenz von 6 MHz in der Kalottenmitte angebracht. Diese Plättchen werden fortlaufend wie die Brillengläser beschichtet. Infolge der anwachsenden Schichtdicke verändert sich die Schwingfrequenz. Die Aenderungsgeschwindigkeit dient als Wert für die Beschichtungsrate. Bei Erreichen der gewünschten Schichtdicke schliesst sich der Shutter.

Es gibt auch noch andere Verfahren als das hier skizzierte.

Die Reflexminderung des beschichteten Glases beruht übrigens auf der Interferenz des einfallenden Lichtes mit phasengedrehtem an den Grenzflächen. Die optischen Schichten (Layer) bestehen dazu aus hoch- und niedrigbrechenden Materialien.

Im Grunde alles elementare Physik im Einklang mit ausgereifter Technik, aber wesentlich komplexer, als ich es in Kürze vermitteln kann.

Um einen Operateur einzuarbeiten, benötigt man etwa 3 Monate, um einen Serviceingenieur auszubilden etwa 6 Monate. Der Rest ist Erfahrung und Intuition, gepaart mit persönlichem Können.

Gr. zg
_________________
Make everything as simple as possible, but not simpler!

[JANm]

Hallo Zeitgenosse

Interessant, und nicht nur das aufdampfen sondern auch der freie weglength. Du schreibst:

[Barney]

[JANm]

Hallo Barney
Ich freue mal von dich zu horen. Warum wordt hier dann 1E-2 hPA geschrieben das ist denn doch gewohnlich Pascal!!!!

Gruss Janm

[Barney]

[JANm]

Hallo Barney
Einverstanden. In Holland ist pfund verboten by law, aber reintroduciert beim preizenindication. Zum einfacheres einkaufen. Zum beispiel um ein Griechischen Millionair zum Kuste Fahren zu lassen...
Mein gedanke ist das Zeitgenosse die terme hecto und Pascal un Bar lernen woll, neben von das fact das aufstauben von Silber auf Glass sehr wichtig ist.

gruss Janm
_________________
Weiss nicht viel aber was ich weiss benutze ich.

[Barney]

[JANm]

Guten morgen Barney

Aluminium beschichten? oder mit aluminium beschichten?
Ja von das story lese ich das es nicht einfach ist. Doch hab ich von ein Wissenschaftler gehort das er sein eigenen glas beschichtet. Aber das is Ag doch und kein Al.

gruss Janm
_________________
Weiss nicht viel aber was ich weiss benutze ich.

[Barney]