Trockenlaufende ACP-Pumpen als Vorvakuumpumpen

Trockenlaufende ACP-Pumpen als Vorvakuumpumpen für Turbomolekularpumpen

In vielen Anwendungen beschränken sich die Betrachtungen, welcher Enddruck in einem Vakuumsystem erreicht wird, auf die Parameter der Hochvakuumpumpe. Das Verhalten eines Vakuumsystems wird jedoch nicht nur von der Hochvakuumpumpe, sondern auch in hohem Maße von der Vorvakuumpumpe und der Abstimmung des gesamten Pumpstands bestimmt. In diesem Artikel beleuchten wir die Rolle der Vorvakuumpumpe in einem Pumpstand.

Eine Vakuumpumpe oder ein Pumpstand fördert den Gasfluss, der von einem Vakuumsystem abgegeben wird. Handelt es sich um einen Vakuumprozess mit Zudosierung von Prozessgasen, wird der zu fördernde Gasdurchsatz durch diesen Prozessgasfluss bestimmt. Handelt es sich um ein Vakuumsystem, in dem ohne Zugabe von Gasen ein möglichst niedriger Enddruck erzeugt werden soll, ist der zu fördernde Gasdurchsatz in erster Linie von der Gasabgabe der inneren Oberflächen des Vakuumsystems bestimmt.

Soll eine Vorvakuumpumpe für einen Pumpstand ausgewählt werden, so muss diese einen Druck erzeugen, der niedriger ist als der maximale Vorvakuumdruck der eingesetzten Hochvakuumpumpe. Dieser maximale Vorvakuumdruck kann in der Spezifikation einer jeden Hochvakuumpumpe (z. B. einer Turbomolekularpumpe) gefunden werden und wird als "Vorvakuum max.", "max. Vorvakuumdruck" oder "Vordruck" bezeichnet. Moderne Turbomolekularpumpen mit Holweckstufe können je nach Bauart und Hersteller teilweise mit einem hohen Vorvakuumdruck von über 20 mbar betrieben werden. Damit wird die Auswahl der marktüblichen Vorvakuumpumpen kaum eingeschränkt. Eine Vielzahl von Vorvakuumpumpen unterschiedlicher Bauarten von ölgeschmierten Drehschieberpumpen, über kompakte Membranpumpen bis zu leistungsstarken, trockenlaufenden Pumpen kann diesen Vorvakuumdruck gegen Atmosphäre erzeugen.

In vielen Anwendungen wie z. B. der Dünnschichttechnik sind Turbomolekularpumpen aber nicht auf minimalen Enddruck, sondern auf andere Parameter wie maximalen Gasdurchsatz optimiert. In einem ersten Schritt vor dem eigentlichen Vakuumprozess wird aber häufig zunächst auf einen niedrigen Druck abgepumpt. Dies dient als Reinigungsschritt und entfernt oberflächlich anhaftende Gase von Vakuumkammer und Substraten. Die Turbopumpe muss also zuerst den niedrigen Anfangsdruck erzeugen und danach den Prozessgasfluss aus der Vakuumkammer fördern. Dies bedeutet, dass die Vorvakuumpumpe unter verschiedensten Betriebszuständen immer einen ausreichend niedrigen Druck liefern muss.

TurboStand (Hochvakuumpumpstand bestehend aus einer ölfreien Vorvakuumpumpe vom Typ ACP 40 und einer Turbomolekularpumpe vom Typ ATP 400)

Drehschieberpumpen stellen die klassische Lösung als Vorvakuumpumpe für Turbomolekularpumpen dar. Drehschieberpumpen sind vergleichsweise preiswert, zuverlässig und langzeitstabil. Allerdings ist das eingesetzte Betriebsmittel, das Pumpenöl, eine mögliche Quelle von Verunreinigungen des Vakuumsystems mit Kohlenwasserstoffen. Damit müssen ölgeschmierte Pumpen als Vorvakuumpumpen für anspruchsvolle Vakuumanwendungen oft ausgeschlossen werden.

Eine ölfreie Alternative stellt z. B. die ACP-Serie von adixen dar. Von allen ölfreien Pumpprinzipien kommen sie der Geometrie klassischer Drehschieberpumpen am nächsten und sind über eine breiten Leistungsbereich erhältlich. Die ACP-Pumpen (adixen Clean Pump) sind mehrstufige Wälzkolbenpumpen. Durch das berührungsfreie Konstruktionsprinzip werden unerreichte Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit erreicht. Da sich bei einer solchen Vakuumpumpe keine Dichtungen zwischen Rotor und Stator befinden, entsteht keinerlei Dichtungsabrieb (wie bei anderen ölfreien Pumpen) und somit auch keine Partikel.

Während eines Abpumpvorgangs ändert sich die Zusammensetzung des geförderten Mediums. Werden am Anfang die in der Luft dominierenden Gase wie Stickstoff, Sauerstoff und Argon gepumpt, wird die Gaszusammensetzung bei niedrigen Drücken von den von den Oberflächen abgegebenen Gasen dominiert. Dies sind meist Wasserdampf und Wasserstoff. Auch diese Gase müssen mit hoher Effektivität von Hochvakuum- und Vorvakuumpumpe gefördert werden können. Betrachten wir diese beiden Gase also etwas näher:

Wasserdampf
In einem Vakuumsystem werden die häufigsten Gase der Luft (Stickstoff, Sauerstoff und Argon) sehr schnell abgepumpt . Die inneren Oberflächen des Vakuumsystems sind aber mit Wasserdampf bedeckt. Dieser wird langsamer von der Oberfläche abgegeben wird, als er abgepumpt werden kann.

Ist ein Wassermolekül von der Oberfläche in die Gasphase abgegeben worden, kann es im molekularen Strömungsbereich zur Turbomolekularpumpe wandern und von dieser aus dem Vakuumsystem abgepumpt werden. Am Vorvakuumflansch der Turbomolekularpumpe werden diese Wasserdampfmoleküle zusammen mit anderen Gasatomen und -molekülen gesammelt und durch Vorvakuumleitung und Vorpumpe ausgestoßen. Am Einlass der Vorpumpe herrscht ein vergleichsweise niedriger Druck, der sich bis zum Auslass der Pumpe auf Atmosphärendruck oder sogar leicht darüber erhöht. In der Zone des höchsten Drucks innerhalb der Pumpe besteht die Gefahr, dass ein kondensierbares Medium wieder von der gasförmigen in die flüssige Phase übergeht. Dies muss verhindert werden. Ist es zu Kondensation innerhalb der Vorpumpe gekommen, bestimmt der Dampfdruck des Kondensats den erreichbaren Enddruck der Vorvakuumpumpe. Bei einer sauberen Drehschieber- oder ACP-Pumpe bedeutet dies, dass der Enddruck von rund 10^-2 mbar auf einige mbar steigen würde. Zusätzlich kann Kondensat in der Pumpe zu massiver Korrosion führen.
Um dies zu verhindern, wird oft der sogenannte Gasballast eingesetzt. Dabei wird zusätzlich Gas in die Vakuumpumpe eingelassen. Gasballast heizt die Pumpe auf und öffnet Auslassventile früher als bei Betrieb ohne Gasballast. Gasballast kann sowohl bei ACP-Pumpen als auch bei Drehschieberpumpen eingesetzt werden. Das zusätzlich eingebrachte Gas führt allerdings zu einem leichten Anstieg des erreichbaren Enddrucks der Vorvakuumpumpe.

Leichte Gase
Kehren wir wieder zum Hochvakuumflansch der Turbomolekuarpumpe zurück. Nachdem bei Drücken im Hochvakuumbereich molekulare Strömungsbedingungen und damit Bewegungen einzelner Gasatome und -moleküle vorliegen, müssen wir die Effektivität der Turbomolekularpumpe für einzelne Gasatome und -moleküle betrachten. Dies kann durch das sogenannte Kompressionsverhältnis beschrieben werden. Das Kompressionsverhältnis ist laut DIN EN 1330-8 „das Verhältnis zwischen dem Auslass- und dem Einlassdruck einer Pumpe für ein bestimmtes Gas.“ Das Kompressionsverhältnis hängt von der Wurzel der Masse einzelner Gasteilchen ab. Wir sehen also recht große Unterschiede zwischen dem Verhalten leichter Gase wie Wasserstoff (Masse 2 amu „atmonic mass units“, atomare Masseneinheiten) und Helium (Masse 4 amu) und den vorherrschenden Luftgasen wie Stickstoff (28 amu), Sauerstoff (32 amu) und Argon (40 amu). Das Kompressionsverhältnis von Turbomolekularpumpen ist für Stickstoff normalerweise sehr hoch (ca. 1E+08 bis 1E+11), für leichte Gase aber deutlich darunter (ca. 1E+02 bis 1E+05).

Die leichten Gase Wasserstoff und Helium sind in Vakuumsystemen durchaus von Bedeutung: Wasserstoff wird von den metallischen Materialien von Vakuumkammern abgegeben.
Helium dient als Arbeitsgas in der Tieftemperaturtechnik und bei der Lecksuche. Wir müssen also auch die Leistungsfähigkeit der Vorvakuumpumpe in Bezug auf leichte Gase überprüfen. Leichte Gase treten wiederum bei relativ niedrigem Druck in die Vorpumpe ein und werden bei Atmosphärendruck oder leicht darüber ausgestoßen. Jeder Gegendruck am Auslass der Vorpumpe, sei es ein auslassseitiges Ventil, ein Schalldämpfer, ein Ölnebelfilter oder nur der statische Druck einer Luftsäule kann verhindern, dass der sehr geringe Gasfluss aus einem Hochvakuumsystem aus der Vorpumpe austreten kann. Dadurch kann sich der Vorvakuumdruck und somit auch der Enddruck im Hochvakuum erhöhen.
Was kann man tun, um trotzdem einen niedrigen Enddruck im Hochvakuum zu erreichen? Dazu müssen leichte Gase effektiv aus dem Vorvakuumsystem entfernt werden.

Dies kann z. B. durch eine geringfügige Erniedrigung des Drucks am Auslass der Vorvakuumpumpe erreicht werden. Wir haben also eine Art Pumpeffekt am Auslass der Vorvakuumpumpe. Die erforderliche Druckerniedrigung ist bei einer ACP-Pumpe im Bereich um 20 mbar. Oft kann dies bereits durch den Anschluss der Pumpe an ein Abluftsystem erreicht werden.

Eine zweite Möglichkeit bei einer ölfreien Vorpumpebesteht im Einsatz von Gasballst bzw. Spülgas. Durch den Gasballast fördert die Vorpumpe erheblich mehr Gas als durch den Gasfluss aus einem Hochvakuumsystem alleine. Dies ist bei einer ACP-Pumpe in der Größenordnung von einigem slm (Standard-Liter pro Minute). Der Enddruck der Vorpumpe wird sich durch diese zusätzliche Gaslast leicht verschlechtern. Das Spülgas ist aber ein schweres Gas wie getrocknete Luft oder Stickstoff. Zur Erinnerung: das Kompressionsverhältnis einer Turbomolekularpumpe ist für schwere Gase um mehrere Größenordnungen höher als für leichte Gase. Sogar wenn wir also den Enddruck einer Vorvakuumpumpe durch ein schweres Gas erhöhen, wird der Enddruck im Hochvakuum durch das Austreiben der leichten Gase trotzdem besser.

Dies konnten wir im Experiment bestätigen. Durch Einsatz eines Nadelventils am Gasballastanschluss haben einige unserer Kunden den Gasdurchsatz regelbar gemacht und können damit Feineinstellungen vornehmen. Ein stromlos geschlossenes elektromagnetisches Ventil in Serie sorgt für ein Absperren des Spülgasflusses bei Stromausfall.

Zur Optimierung des Spülgaseffekts hat adixen einen „light gas kit“ für die ACP-Pumpen entwickelt. Dieser Kit optimiert Ort und Menge des eingelassenen Gases und ermöglicht so den niedrigsten Enddruck im Hochvakuum.

In Kürze werden wir den Effekt an einer breiteren Basis von Turbomolekularpumpen von adixen und Pfeiffer Vacuum untersuchen - klicken Sie doch mal wieder rein!



Autor:
Dr. Rudolf Konwitschny
Application Support Manager


Pfeiffer Vacuum GmbH
Sales & Service
Am Kreuzeck 10
97877 Wertheim
Deutschland