Sauberere Vakuumumgebungen führen zu experimentellen und fertigungstechnischen Vorteilen

Eine neue Partnerschaft zwischen ANCORP und LOS Vacuum Products wird es Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglichen, die Vakuumbedingungen für ihre Prozesse zu optimieren, indem sie die Eigenschaften von Aluminium und Titan nutzen

Da Wissenschaft und Technologie weiterhin neue Grenzen überschreiten, besteht eine wachsende Nachfrage nach saubereren und besser kontrollierbaren Vakuumumgebungen, die auf die Anforderungen jeder Anwendung zugeschnitten werden können. Ob für präzise Experimente in der Quantenphysik oder die Massenfertigung von Computerchips: Wissenschaftler und Ingenieure sind auf der Suche nach Hochleistungsgeräten, die Ultrahochvakuum- (UHV) oder Extremhochvakuumbedingungen (XHV) erreichen und gleichzeitig innerhalb der Grenzen ihrer Anwendung arbeiten können .

Während Vakuumsysteme aus Edelstahl weiterhin die Technologie der Wahl für die meisten Prozesse sind, können spezielle Anwendungen, die UHV- oder XHV-Bedingungen erfordern, von den Eigenschaften alternativer Materialien wie Aluminium und Titan profitieren. In Forschungszentren mit Teilchenbeschleunigern beispielsweise ist Aluminium für Strahlführungssysteme beliebt geworden, da es Strahlung effizienter ableitet als Edelstahl. Außerdem bleibt weniger Restmagnetismus zurück, wodurch jeder mögliche Einfluss auf die starken Magnetfelder, die zur Steuerung des Strahls verwendet werden, minimiert wird.

„Immer mehr Wissenschaftler und Ingenieure erkennen die Vorteile der Verwendung von Aluminium und Titan für ihre UHV- oder XHV-Prozesse“, kommentiert Tom Bogdan, Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei ANCORP, einem in den USA ansässigen Hersteller von Vakuumkammern, Ventilen und Komponenten. „Große wissenschaftliche Einrichtungen und die Forschungs- und Entwicklungsgemeinschaft bieten reichhaltige Umgebungen für diese fortschrittlichen Technologien, während auch der kommerzielle Sektor damit beginnt, Aluminium zu verwenden, um die Prozessbedingungen für die hochpräzise Fertigung zu verbessern.“

ANCORP entwirft und fertigt seine eigene Vakuumausrüstungslinie und hat außerdem eine eigene Anlage für den Bau maßgeschneiderter Kammern aus Edelstahl eingerichtet. Jetzt ist das Unternehmen eine Partnerschaft mit LOS Vacuum Products eingegangen, das auf die Herstellung von Vakuumhardware aus Aluminium und Titan spezialisiert ist, um seinen Kunden die Nutzung dieser Hochleistungsmaterialien in ihren UHV- und XHV-Prozessen zu ermöglichen. „Dies ist eine großartige Partnerschaft zwischen zwei Unternehmen, deren Fokus auf der Bereitstellung leistungsstarker Vakuumlösungen für ihre Kunden liegt“, kommentiert Bogdan. „LOS Vacuum wird von unserer Fähigkeit profitieren, Verbindungen zum globalen Markt herzustellen, während wir von der Aufnahme ihrer einzigartigen Technologie in unser Produktportfolio profitieren.“

LOS Vacuum Products wurde 2013 gegründet, um maßgeschneiderte Vakuumkammern für UHV- und XHV-Anwendungen zu entwerfen und zu bauen. „Aluminium und Titan werden immer beliebter, um den wachsenden Anforderungen an eine sauberere und präzisere Technologieentwicklung gerecht zu werden“, sagt Eric Jones, Gründer und Eigentümer des Unternehmens. Während die anfängliche Nachfrage hauptsächlich aus der Forschungsgemeinschaft stammte, meldet Jones ein wachsendes Interesse von Geräteherstellern, die auf den Halbleitersektor sowie aufstrebende Märkte für medizinische Systeme und die Solarzellenproduktion abzielen. „Mit der Weiterentwicklung dieser Technologien wird die Vakuumumgebung von entscheidender Bedeutung“, sagt er.

Ein wesentlicher Vorteil von Aluminium besteht darin, dass es schneller und einfacher zu bearbeiten ist als Edelstahl und somit mehr Flexibilität für die Integration maßgeschneiderter Merkmale in das Design bietet. Dank seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit kann sich eine Aluminiumkammer außerdem schneller und gleichmäßiger erwärmen, was den Ausheizprozess beschleunigt, der zum Erreichen von UHV- oder XHV-Bedingungen erforderlich ist. „Edelstahl muss viel heißer sein, um die Gasmoleküle und Verunreinigungen von der Oberfläche der Vakuumkammer zu desorbieren, und das erfordert mehr Energie über einen längeren Zeitraum“, erklärt Jones. „Aluminium senkt sowohl die Betriebskosten als auch die Umweltbelastung, was es in Kombination mit seiner verbesserten Herstellbarkeit zu einer attraktiven Option für den Halbleitersektor macht.“

Unterdessen bieten Vakuumkammern aus Titan eine bessere Option für Experimente in der Quantenphysik, da ihre zusätzliche Festigkeit und ihr Gewicht für mehr Stabilität bei Prozessen sorgen, die von der Erzeugung von Oberschwingungen profitieren, und auch für Anwendungen bevorzugt werden, bei denen es darauf ankommt, magnetische Elemente zu eliminieren Signale. Titan fungiert auch als Getter für die Absorption von Wasserstoff – einer häufigen Verunreinigung bei der Verwendung von Edelstahl in UHV- oder XHV-Umgebungen – wodurch Titan-Vakuumsysteme XHV-Bedingungen bis zu etwa 10–13 Torr unterstützen können.

Unabhängig davon, ob Aluminium oder Titan verwendet wird, werden die besten Prozessbedingungen durch die Verwendung des gleichen Metalls in den Vorrichtungen und Armaturen erreicht, die für die Verbindung mit dem Vakuumsystem verwendet werden. Dazu gehören auch die Conflat-Flansche, die häufig verwendet werden, um eine leckagefreie Abdichtung in UHV- und Dadurch fließt das weichere Metall und füllt alle mikroskopischen Unvollkommenheiten auf den Hartmetallflächen auf. Dadurch entsteht eine Dichtung, die extremen Temperaturen und Drücken bis hin zum XHV-Bereich standhält.

ANCORP stellt bereits Conflat-Flansche her, die vollständig aus Edelstahl bestehen, während LOS Vacuum Volltitanversionen sowie mehrere Modelle herstellt, die einen Aluminiumkörper mit Flächen aus Edelstahl oder Titan kombinieren. „Die von LOS Vacuum hergestellten Spezialkomponenten ermöglichen es uns, eine einzigartige Lösung für Kunden anzubieten, die Aluminium oder Titan für ihre Vakuumsysteme verwendet haben“, kommentiert Bogdan. „Wir haben Kunden gesehen, die bei ihren Gehäusen auf die Verwendung von doppelten O-Ringen zurückgegriffen haben, aber eine Metall-auf-Metall-Dichtung reduziert die Ausgasung und führt zu einem besseren Prozess.“

Die Bimetallkomponenten werden mit einer Technik namens Explosionsbonden hergestellt, einem Festkörperschweißverfahren, das eine starke mechanische Verbindung mit einer Dicke von nur wenigen Mikrometern herstellt. Eine Sprengladung drückt die Metalle unter extrem hohem Druck zusammen, wodurch die Atomschichten in der Nähe der beiden Oberflächen zu einem Plasma werden. Wenn die Metalle kollidieren, wird ein Plasmastrahl über die Oberflächen geschleudert, der sie von jeglichen Verunreinigungen befreit, während das flüssigkeitsähnliche Verhalten der Metalle eine wellenförmige Verbindung erzeugt, die stark genug ist, um UHV- und XHV-Bedingungen standzuhalten.

ANCORP liefert jetzt ein Standardsortiment an Bimetallflanschen und -anschlüssen von LOS Vacuum, während das Explosionsklebeverfahren auch die Herstellung maßgeschneiderter Komponenten aus zwei beliebigen unterschiedlichen Metallen ermöglicht. Zwei der Standardkonfigurationen kombinieren eine Aluminiumbasis mit Flächen aus verschiedenen Edelstahlsorten, während eine andere einen titanbeschichteten Flansch mit einem Aluminiumgehäuse verbindet. Diese zweite Version hat den Vorteil, dass jeglicher Spurenmagnetismus eliminiert wird und die durch Hintergrundstrahlung verursachten Sicherheitsrisiken vermieden werden. Außerdem kann sie sogar kostengünstiger sein als ein mit Edelstahl beschichteter Flansch. „Das Rohmaterial mag teurer sein, aber ein Bimetallflansch aus Edelstahl erfordert mehr Herstellungsschritte“, kommentiert Jones. „Bei Titan ist der Klebeprozess weniger aufwändig und kostengünstiger.“

Jones und seinem Team ist es außerdem gelungen, auf eines der Zwischenschichtmaterialien zu verzichten, die normalerweise für den Übergang von einem Metall zum anderen benötigt werden. Ihr Verfahren macht den Einsatz von Kupfer überflüssig, das Halbleiterhersteller besonders vermeiden möchten. „Das gehört mittlerweile zur Standardproduktlinie“, sagt Jones. „Es senkt die Material- und Herstellungskosten und verringert die Möglichkeit einer Leckage durch den Flansch.“

Im Rahmen der Partnerschaft wird ANCORP auch seine bestehenden kundenspezifischen Fertigungskapazitäten erweitern, um maßgeschneiderte Vakuumkammern aus Titan oder Aluminium zu entwerfen und zu liefern. Während der ersten Entwurfsphase arbeitet das Unternehmen eng mit seinen Kunden zusammen, um deren spezifische Anforderungen zu verstehen und die beste Technologie für ihre Anwendung zu empfehlen. „Wenn ein Kunde einen besonders ungewöhnlichen oder anspruchsvollen Prozess hat, der von der Verwendung von Aluminium oder Titan profitieren würde, binden wir Eric und sein Team ein, um ihnen Fachwissen zur Verfügung zu stellen“, sagt Bogdan. „Wir müssen nicht nur das Design an die Anwendung anpassen, sondern auch sicherstellen, dass das Team von LOS Vacuum die Lösung gemäß den erforderlichen Parametern herstellen kann.“

Bogdan ist zuversichtlich, dass die Erweiterung des Technologieangebots von ANCORP um diese speziellen Fähigkeiten dazu beitragen wird, neue Märkte im F&E-Bereich sowie in der Halbleiterfertigung zu erschließen. „Diese Lösungen mit geringer Ausgasung können in einigen Anwendungen einen echten Prozessvorteil bieten“, sagt er. „Wir wollen diese Möglichkeiten mehr Kunden in der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft, aber auch im kommerziellen Bereich zugänglich machen.“

Für Jones bietet die Partnerschaft mit ANCORP unterdessen eine Möglichkeit, die speziellen Fertigungstechniken des Unternehmens einem viel größeren Kundenstamm zugänglich zu machen. „Wir sind immer noch ein kleines Unternehmen, das sich auf die Bereitstellung einzigartiger Lösungen für bestimmte Projekte konzentriert, und wir haben nicht viel Kraft, um Kontakte zu neuen Kunden zu knüpfen“, kommentiert er. „Die Partnerschaft mit ANCORP wird es uns ermöglichen, unsere Produktpalette und unser technisches Know-how auf den globalen Markt zu bringen.“