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Die Erfindung betrifft eine Vakuumkammer mit einem metallischen Kammergehäuse, welches mittelbar oder unmittelbar evakuierbar und gegenüber der Umgebung abgrenzbar ist.
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Derartige Vakuumkammern werden für sehr verschiedene Anwendungen benötigt und können lediglich ein evakuiertes Vakuum zur Verfügung stellen oder der Bearbeitung, Behandlung, Lagerung oder dem Transport verschiedenster Gegenstände und sehr unterschiedlichen Bedingungen dienen. Eine solche Vakuumkammer kann für sich allein gegenüber der Umgebung durch geeignete Verschlussmechanismen gegenüber atmosphärischem Druck oder als Teil eines größeren Volumens gegenüber dem restlichen Volumen, welches auch unter einem anderen als atmosphärischem Druck stehen kann, abgrenzbar sein. Je nach Druckdifferenz sind verschiedene Mittel zur Abgrenzung bekannt.
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Die in einer Vakuumkammer zu bearbeitenden Substrate können verschiedenster Art und Form sein. Auch die Art der Bearbeitung und Behandlung sind sehr vielfältig, so dass die Gestaltung der Vakuumkammer, insbesondere deren Größe und Form, sowohl durch das Substrat als auch durch die in der Vakuumkammer auszuführenden Arbeiten bestimmt wird. Bekannt sind Vakuumkammern mit planaren oder gewölbten Wandungen oder Kombinationen von beidem. Auch ein- oder mehrteilige Wandungen sind bekannt.
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Derartige Vakuumkammern sind allgemein aus einem metallischen Kammergehäuse gebildet und weisen Mittel zur Herstellung des Vakuums im Inneren des Kammergehäuses. Diese Mittel können der unmittelbaren Vakuumerzeugung in der Kammer dienen, z.B. durch den direkten Anschluss einer Pumpeinheit oder den Anschluss von Pumpleitungen, die ihrerseits mit einem Pumpstand verbunden sind. Auch mittelbare Vakuumerzeugung findet häufig Anwendung, wobei die Absaugung über benachbarte Kammern erfolgt und die Volumina beider Kammern mit geeigneten Öffnungen miteinander in Verbindung stehen. Diese Öffnungen können durch solche Zu- oder Abgänge realisiert sein, die der Bedienung der Vakuumkammer und deren Einrichtungen dienen. Alternativ oder ergänzend kann die zu evakuierende Vakuumkammer auch über Saugöffnungen geeigneten anderen Volumina, z.B. weiteren Vakuumkammern oder Pufferkammern verbunden sein.
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Je nach Zweck der Vakuumkammer und Art der Substrate können verschiedene Einbauten im Kammergehäuse angeordnet sein. Diese Einbauten können der Aussteifung dienen, je nach Größe und Gestalt der Kammerwandung, sie können der Montage von Komponenten und Arbeitsmitteln dienen, der Handhabung der Substrate oder der Bedienung verschiedener Geräte und Messmittel in der Vakuumkammer.
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Als Material für die Kammerwandung wird häufig Stahl oder Edelstahl verwendet. Die Vorteile vom Edelstahl liegen in den vergleichsweise niedrigen Desorptionsraten von Gasen und Wasser ins Vakuum und in der guten Korrosionsbeständigkeit, auch gegenüber ungünstigen klimatischen Bedingungen in und um die Vakuumkammer. Wenn z.B. bei einer geöffneten Vakuumkammer Wasser aus der Umgebungsluft eindringt und an die Kammerwand absorbiert, kann es beim Evakuieren vergleichsweise einfach entfernt werden. Nachteilig sind jedoch der hohe Preis sowie eine schwierigere Verarbeitung von Edelstahl im Vergleich zu Stahl.
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Vorteile vom Stahl, häufig auch als Baustahl bezeichnet, sind der niedrige Preis und dessen vergleichsweise einfache Verarbeitung. Auch die Desorptionsrate von Gasen und Wasser ins Vakuum ist im nichtkorrodierten Zustand nur geringfügig höher als bei Edelstahl. Nachteile von Baustahl sind schlechte Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei ungünstigen Umgebungsbedingungen. Die korrodierten Oberflächen sind porös, die Aufnahme und Desorption von Gasen und Wasser steigt, wodurch sich der Basisdruck solcher Anlagen mit der Zeit verschlechtern kann. Insbesondere können Korrosionspartikel entstehen, die eine schädliche Auswirkung auf die Qualität des Vakuums und damit auf die Gegenstände haben können, die mit der Vakuumkammer in einer Beziehung stehen.
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Zum Korrosionsschutz von Baustahl sind Beschichtungen bekannt, aber nur wenige weisen eine ausreichend niedrige Desorption, eine technologisch unproblematische Auftragung sowie günstige Realisierungskosten auf. Z.B. werden organische Lacke verwendet, die Korrosionsschutz bieten. Auch Pulverbeschichtungen können gute korrosionsbeständige Eigenschaften aufweisen, sind aber bei großen Baustahlkammern kaum zu einem kommerziell sinnvollen Preis aufzutragen.
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Für Vakuumanwendungen eventuell verwendbare organische Lacke weisen eine relativ hohe Desorptionsrate im Bereich von 1 × 10–2 mbar·l/(s·m2) auf. Sie nehmen auch verhältnismäßig viel Feuchtigkeit auf, wenn z.B. beim Öffnen der Vakuumkammer zur Bestückung mit Gegenständen oder zur Wartung atmosphärische Bedingungen anliegen. Deshalb ist ihr Einsatz nur auf Vakuumanwendungen mit niedrigen Anforderungen an die Desorption der Kammerwände beschränkt: z.B. in Schleusen. Um die Beschichtungen auch in Hochvakuum-Bereichen verwenden zu können, muss man solche Beschichtungen finden, die eine um Größenordnungen tiefere Desorptionsrate als 1 × 10–2 mbar·l/(s m2) aufweisen, kommerziell verfügbar und mit vertretbarem Aufwand realisierbar sind.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumkammer anzugeben, deren metallischen Kammergehäuse aus einem preiswerten und gut zu verarbeitenden Material besteht und eine zumindest der Umgebungsluft gegenüber verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufweist, bei gleichzeitiger Einhaltung einer möglichst niedrigen Desorption von Wasser ins Vakuum bzw. Aufnahme von Wasser aus der umgebenden Atmosphäre.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vakuumkammer nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 9 beschrieben. Eine solche Vakuumkammer kann mit der in den Ansprüche 1 bis 9 beschriebenen Verkleidung hergestellt oder vorhandene Vakuumkammern mit einer solchen Verkleidung modifiziert werden.
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Mittels der Verkleidung, die die Wandung des Kammergehäuses im Inneren der Vakuumkammer abschnittsweise oder vollständig überdeckt, kann die Wandung selbst vollständig oder zumindest in den Bereichen, wo die Verkleidung die Wandung überdeckt oder das Wandungsmaterial keinen relevanten Einfluss auf das Vakuum hat aus einem, verglichen z.B. zu Edelstahl, preiswerteren und besser zu verarbeitbaren Material wie z.B. aus sonst im Maschinenbau verwendeten Baustahl hergestellt werden. Die Eigenschaften der inneren Oberfläche der Vakuumkammer werden zumindest im wesentlichen Umfang durch die Verkleidung definiert.
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Die Verkleidung kann erfindungsgemäß auf sehr unterschiedliche Weise befestigt werden, sehr unterschiedliche Gestalt annehmen und zudem aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, ohne die weiteren Anforderungen an das Kammergehäuses, wie insbesondere Dichtheit und Steifigkeit, zu vermindern. Damit ist eine gezielte Anpassung der Eigenschaften der inneren Oberfläche an die Anforderungen der Vakuumkammer entsprechend deren Verwendungszweck möglich. Umfang, Gestaltung und Material der Verkleidung kann aufgrund seiner Variabilität hinsichtlich des Kosten- und Materialaufwandes im Verhältnis zur technischen Wirkung optimiert werden.
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Die Anpassung an die Anforderungen der Vakuumkammer betrifft insbesondere die unmittelbar die Herstellung des Vakuums betreffenden Eigenschaften wie den Korrosionsschutz und das Sorptions- und Desorptionsverhalten gegenüber Wasserdampf und den Bestandteilen von Luft, so dass insbesondere nach einer Belüftung der Vakuumkammer das erforderliche Vakuum mit gegenüber der unter der Verkleidung liegenden Wandung der Vakuumkammer geringerem Energie- und Zeitaufwand herstellbar ist. Welches Sorptionsverhalten und welche Desorptionsraten akzeptabel sind, hängt von der Höhe des zu ereichenden Vakuums und dem Verwendungszweck der Vakuumkammer ab, wobei bei der Auswahl des geeigneten Materials der zumindest innersten Schicht der Verkleidung das Sorptions- und Desorptionsverhalten auch gegenüber anderen Gases beeinflusst werden kann. Da sowohl Korrosion als auch Sorption und Desorption von der innersten Oberfläche der Wandung bestimmt werden, ist es ausreichend, wenn zumindest die innerste Schicht die gewünschten Eigenschaften aufweist. Da die Verkleidung nicht vollflächig erfolgen muss, ist es auch nicht erforderlich, die innerste Oberfläche einschließlich aller Anschlussflächen, Kanten usw. mit den beschriebenen Eigenschaften herzustellen. Auch flächenmäßig kann eine Optimierung zwischen Aufwand und Wirkung vorgenommen werden.
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Die Anpassung betrifft neben dem Material auch die Form der Vakuumkammer. Die Verkleidung kann mit den vorgeschlagenen Ausgestaltungen als platten- und/oder folienförmige Verkleidung der Geometrie der Wandung des Kammergehäuses angepasst werden. Darüber hinaus kann die Verkleidung mit den erforderlichen Anschlüssen, Durchgängen, Flansche usw. versehen sein, so dass die Einbauten der Vakuumkammer durch die Verkleidung geführt oder durch diese fortgesetzt und die Elemente der Kammerperipherie ungehindert genutzt werden können.
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Mit der Gestaltung der Verkleidung verknüpft ist auch deren Befestigung an der Wandung des Kammergehäuses. Diese kann für die verschiedenen Arten der Verkleidung durch Kleben oder eine mechanische Befestigung, letztere z.B. auch unter thermischen Einfluss erfolgen, so dass eine auch unter den Bedingungen zur Herstellung und Aufrechterhaltung des Vakuums eine stabile Verbindung erzielt werden kann. Sowohl die mechanischen Halterungen als auch das Klebeverfahren und der Klebstoff sind insbesondere einerseits an die Art der Verkleidung und andererseits an die Anforderungen des Vakuums angepasst.
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Allgemein sind bei einer solchen Befestigung, bei welcher keine Hohlräume oder Hohlräume mit ähnlichen Vakuumbedingungen wie in der Kammer ausgebildet sind, nur geringe Haltekräfte notwendig, sofern die Haltemittel ausreichend bemessen sind, um die Verkleidung auch unter thermisch wechselnden Bedingungen in ihrer Position zu halten oder Verschiebungen auszugleichen.
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Eine Verbesserung der Haftung bei Klebeverbindungen kann durch geeignete Aufarbeitung einer oder beider miteinander zu verbindenden Oberflächen erfolgen. Geeignet sind z.B. die Verwendung von Haftvermittlerschichten und/oder das Aufrauhen der Oberflächen.
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Wenn entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung die Verkleidung aus plattenförmigen Elemente gebildet ist, kann die Steifigkeit der Platte und/oder geeignet Halterungen diese Kräfte aufnehmen. Eine solche plattenförmige Verkleidung kann z.B. aus Edelstahl bestehen, wobei die Kostenreduzierung durch den geringeren Materialbedarf möglich ist, bei sonst bekannter Vakuumverträglichkeit des Materials.
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Die plattenförmigen Elemente können an der Wandung des Kammergehäuses unmittelbar anschließen oder entsprechend einer weiteren Ausgestaltung mit einem Abstand, z.B. mittels Abstandshalter, zur Wandung befestigt sein. In letzterem Fall können z.B. Sprünge in der Fläche ausgeglichen und gegebenenfalls der innere Oberfläche vereinfacht und reduziert werden. Ein so zwischen der Wandung und der plattenförmigen Verkleidung gebildeter Zwischenraum ist mittels einer geeigneten Dichtung vakuumdicht verschlossen, so dass auch in dieser Ausgestaltung die Eigenschaften der Verkleidung das vakuumtechnische Verhalten in der Vakuumkammer bestimmen.
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In Abhängigkeit von z.B. der Höhe des zu erzielenden Vakuums und/oder der Größe des Zwischenraumes und/oder der Dichtheit von Material der Verkleidung und Dichtung kann der Zwischenraum entsprechend einer weiteren Ausgestaltung evakuierbar sein. Häufig reicht hierfür Grob- oder Feinvakuum bereits aus, so dass Lecks in der Dichtung vernachlässigbar sind und unerwünschte Deformationen in der Verkleidung vermieden werden können.
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Die Verkleidung kann in einer weiteren Ausgestaltung durch eine Folie gebildet oder ergänzt werden. Als Folien kommen sowohl Kunststoff- als auch Metallfolien in Betracht, soweit sie das erforderliche Korrosions- und Sorptions- sowie Desorptionsverhalten aufweisen. Die Verkleidung wird durch eine Folie gebildet, wenn die Folie, auch wiederum mechanisch oder durch Kleben gehalten, direkt auf der Wandung des Kammergehäuses befestigt wird oder alternativ auf einer zuvor beschriebenen plattenförmigen Verkleidung. In beiden Fällen wird die innerste Schicht der Verkleidung durch die Folie gebildet und das Vakuumverhalten durch die Folie maßgeblich bestimmt.
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Die Verwendung von Folie hat den Vorteil des geringeren Preises, der kommerziell sehr variablen Verfügbarkeit, auch mit verschiedenen Beschichtungen, und der Möglichkeit der mit angemessenem Aufwand auch manuell herstellbaren Verkleidung. So können große Teile der Wandung, auch bei bereits bestehenden Anlagen, mit geringem Aufwand folienverkleidet werden. Auch wenn nicht die gesamte innere, zum Vakuum orientierte Fläche nicht mit Folie verkleidet werden kann, ist der Anteil der verkleideten Oberfläche so groß, dass eine relevante Reduktion der Desorption in die Kammer erzielbar ist.
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Sowohl die Verwendung von plattenförmigen Verkleidungen als auch von Folienverkleidungen gestattet eine Optimierung der Sorptions- und Desorptionseigenschaften und/oder der elektrischen und/oder der optischen Eigenschaften für bestimmte Anforderungen des Vakuums oder Verwendungen der Vakuumkammer durch eine Beschichtung der inneren Oberfläche. Die Beschichtung kann mit den Materialien erfolgen, die diesen Anforderungen entsprechen und kann aus metallischen oder nichtmetallischen Materialien bestehen, auch keramische Materialien, deren Eigenschaften gezielt beeinflusst werden können, sind durch eine Beschichtung nutzbar. So können z.B. thermisches Verhalten, elektrische Leitfähigkeit oder die Beständigkeit gegenüber besonderen Materialien gezielt eingestellt werden. Die Beschichtung kann vor oder nach dem Einbau der Verkleidung in der Vakuumkammer erfolgen, wobei eine Beschichtung vor dem Einbau aufgrund der geometrischen Bedingungen oder der bereits mit Beschichtung angebotenen Folien mitunter einfacher zu realisieren ist.
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Als Materialien kommen z.B. Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Titan, Molybdän oder andere Metalle in Betracht. Auch oxidische Verbindungen von Silizium, Kohlenstoff oder anderen Werkstoffen, die auch als keramische Schichten aufgebracht sind, sind verwendbar. Darüber hinaus können entsprechend einer weiteren Ausgestaltung auch mehrlagige Beschichtungen in Form einer Stapelanordnung der übereinander liegenden Schichten vorteilhaft sein, so dass verschiedene Eigenschaften miteinander kombinierbar sind, wie es z.B. von herkömmlichen Oberflächenveredelungen bekannt ist.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
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1 eine erfindungsgemäße Vakuumkammer in Schnittdarstellung und
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2A und 2B zwei Detaildarstellungen der Wandung des Kammergehäuses aus 1.
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1 zeigt eine Vakuumkammer, die z.B. für die Vakuumbehandlung oder Schleusung von flächigen Substraten in Vakuumdurchlaufanlagen verwendet wird. In der Darstellung sind zur besseren Übersicht für die Darstellung der Erfindung nicht relevante Einbauten nicht dargestellt, wie z.B. Mittel zum Halten, Transportieren und Bearbeiten der Substrate oder Vakuumerzeuger.
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Die Vakuumkammer gemäß 1 umfasst ein Kammergehäuse 1, dass aus einem trogähnlichen Unterteil 2 und einem Deckel 3 gebildet ist. Unterteil 2 und Deckel 3 sind miteinander durch zwei parallele, den Kammerflansch 6 umlaufende Vakuumdichtungen 4 verbunden, zur Abdichtung des Kammervolumens gegenüber der umgebenden Atmosphäre. Das Kammergehäuse 1 besteht aus einem Baustahl. In der Vakuumkammer kann mittels eines Vakuumerzeugers (nicht dargestellt) Hochvakuum im Bereich bis 10–5 Pa hergestellt werden.
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An einer seitlichen Wandung des Kammergehäuses 1 ist ein weiterer Flansch für einen Zugang 15 angeordnet, der dem Anschluss von Peripheriegeräten wie z.B. Messmitteln dient.
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Auf allen seitlichen und der oberen sowie unteren Wandungen, die im Ausführungsbeispiel planar sind, des Kammergehäuses 1 sind im Inneren der Vakuumkammer Verkleidungen 7 angeordnet, so dass die gesamte innerste Schicht 7 aus einem gegenüber Wasser korrosionsbeständigen Material besteht, was eine geringe Adsorption von Wasserdampf und geringe Desorption aufweist.
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An den Wandungen, die aufgrund der Verwendung der Vakuumkammer keine Durchbrüche aufweisen, ist die Verkleidung durch eine 3 mm starke Platte 8 aus Edelstahl gebildet, die mittels Distanzelemente 10 in einem Abstand zur Wandung des Kammergehäuses 1 angeordnet und mittels geeigneter Befestigungselemente 13, hier z.B. Schrauben, mit der Wandung verbunden sind. Die dargestellten Distanzelemente 10 stellen nur eine Variante für die Realisierung des Zwischenraumes dar. Andere Ausgestaltungen sind möglich. Das in 1 mit A gekennzeichnete Detail der beispielhaft und nicht beschränkend dargestellten Befestigung in Verbindung mit den Distanzelementen 10 ist in 2A dargestellt.
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Daran ist die Befestigung der Platte 8 am Deckel 3 des Kammergehäuses 1 gezeigt. Aufgrund der zwischen Deckel 3 und Platte 8 eingelegten Distanzelemente entsteht ein Zwischenraum 14, der umlaufend im Randbereich der Platte 8 durch eine elastische Dichtung 9 verschlossen ist. Die Befestigung der Platten 8 unter Bildung eines Zwischenraumes 14 ist in gleicher Weise an der unteren und den seitlichen Wandungen mit Ausnahme der in Blickrichtung rechten seitlichen Wandung erfolgt. Jeder der Zwischenräume 14 ist über einen Flansch 5 mit einem Vakuumerzeuger (nicht dargestellt) verbindbar, so dass die Zwischenräume 14 auf Grobvakuum im Bereich von bis 104 Pa oder tiefer evakuiert werden können.
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Die in der Darstellung der 1 rechte Wandung des Kammergehäuses 1, welche den Zugang 15 aufweist, eine Verkleidung aus einer metallischen Folie 11 auf der Wandung des Kammergehäuses 1 befestigt. Die Folie 11 ist mittels einer flächigen Schicht Klebstoff 12 befestigt und umgibt den Zugang 15. Das Detail B in 1 ist in 2B dargestellt und zeigt die vollflächige Verbindung zwischen Folie 11 und Kammergehäuse 1 mittels Klebstoff 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kammergehäuse
- 2
- Unterteil
- 3
- Deckel
- 4
- Vakuumdichtung
- 5
- Flansch
- 6
- Kammerflansch
- 7
- innerste Schicht
- 8
- Platte
- 9
- Dichtung
- 10
- Distanzelement
- 11
- Folie
- 12
- Klebstoff
- 13
- Befestigungsmittel
- 14
- Zwischenraum
- 15
- Zugang
