Hohe Betriebssicherheit bei ALD-Beschichtung durch neueste Schrauben-Vakuumtechnologie

Die Inficon AG produziert in ihrem Werk in Balzers/Liechtenstein Messgeräte und Sensoren für die Druckmessung sowie Komponenten für den Hochvakuumbereich. In diesen sind Teile verbaut, die im ALD-Verfahren (Atomic Layer Deposition) beschichtet werden. Die Vakuumversorgung aller ALD-Beschichtungsanlagen erfolgt ausschließlich durch COBRA DS Schrauben-Vakuumpumpen der Firma Busch. Mit diesen Vakuumpumpen hat Inficon die besten Erfahrungen in punkto Betriebssicherheit und Standzeit gemacht.

Über die Inficon AG

Inficon setzt für die Beschichtung seiner Komponenten schon seit etlichen Jahren das ALD-Verfahren ein. Dabei konnte hauptsächlich bei der Beschichtung von komplexen 3-D-Bauteilen viel Erfahrung gesammelt werden. 2015 hat Inficon damit begonnen, auch Bauteile für Kunden zu beschichten. Hauptsächlich OEM-Kunden aus der Halbleiterindustrie lassen bei Inficon Komponenten beschichten, die dann in deren Beschichtungskammern eingesetzt werden und mit unterschiedlichen Gasen in Berührung kommen. Durch die ALD-Beschichtung der meist aus Aluminium bestehenden Komponenten, erhalten diese eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber den verwendeten Prozessgasen und den zum Reinigen der Vakuumkammern verwendeten Gasen. Aber auch Kunden aus dem Bereich der Vakuumtechnik und anderen Branchen lassen Bauteile bei Inficon ALD-beschichten.

Der ALD-Beschichtungsprozess

Der ALD-Prozess ähnelt im Wesentlichen einer Abscheidung durch eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD = chemical vapour deposition). Bei CVD reagieren zwei chemische Vorstufen in der Gasphase, die sich als Produkt auf einem Substrat abscheiden. Dieser Prozess wird bei ALD in verschiedene Prozessstufen aufgeteilt. Ein Vorteil von ALD liegt darin, dass die Schichtstärke genau nach Definition an allen Stellen eines Bauteils exakt eingehalten wird. Durch Wiederholung des Beschichtungsprozesses können mehrere Schichten übereinander aufgebaut werden. Bei Inficon wird meistens mit Schichtstärken von 250 bis 500 Nanometern gearbeitet. Die Beschichtung kann aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und Laminaten mit Dicken von einigen Nanometern bestehen. Neben der massiven Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit hat eine ALD-Beschichtung den weiteren Vorteil, dass sie äußerst dicht, rein und von geringer Oberflächenrauheit ist.

Der ALD-Beschichtungsprozess läuft unter Vakuum ab. In der Vakuumkammer herrscht kontinuierlich ein Unterdruck von 0,1 Millibar. Die ursprünglich mit den Beschichtungsanlagen mitgelieferten mehrstufigen Vakuumpumpen hatten Standzeiten, die unter einem Jahr lagen und konnten deshalb nicht überzeugen. Außerdem benötigten sie zur Spülung sehr viel Stickstoff. Bedingt durch ihre Mehrstufigkeit muss der Gasfluss durch diese Vakuumpumpen mehrmals umgelenkt werden, was die Gefahr von Ablagerungen erhöht und den Spülvorgang aufwändiger macht. Diese mehrstufigen Vakuumpumpen waren zudem sehr laut.

Vakuumlösung von Busch

Mit der Inbetriebnahme des neuen Reinraums mit ALD-Beschichtungsanlagen haben sich Projektleiter Philip Spring und CTO Urs Wälchli gegen die vom Anlagenhersteller mitgelieferte mehrstufige Vakuumpumpe und für eine Schrauben-Vakuumpumpe COBRA DS 2000 G von Busch Vakuumpumpen und Systeme entschieden. Dieser Entscheidung voraus gingen intensive Beratungsgespräche mit den Vakuumexperten von Busch und zusätzlich zwei jeweils eintägige Workshops für alle, in das Projekt involvierten Inficon-Mitarbeiter. Der eine Workshop fand direkt bei Inficon in Balzers statt. Zu einem zweiten Workshop hat Busch dann in sein Produktionswerk Ateliers Busch S.A. in Chevenez im Schweizer Kanton Jura eingeladen. Überzeugt hat die Verantwortlichen bei Inficon hauptsächlich der um 50 Prozent niedrigere Stickstoffverbrauch zum Spülen der Vakuumpumpe und der wesentliche geringere Geräuschpegel der COBRA Schrauben-Vakuumpumpe gegenüber einer mehrstufigen Vakuumpumpe. Außerdem garantierten die Vakuumexperten von Busch den Verantwortlichen bei Inficon trotz des schwierigen Prozesses eine Standzeit von zwölf Monaten. Dies, obwohl in der täglichen Praxis neben der Förderung verschiedener Prozessgase das Eindringen von abrasiven Aluminiumoxid und anderen Partikeln, sowie von Chlor- und Fluorgasen nicht gänzlich vermieden werden kann.

Nach mehreren Monaten Dauerbetrieb der ersten COBRA DS wurde eine Inspektion durchgeführt. Es zeigten sich dabei keinerlei Verschleißerscheinungen oder Ablagerungen in der Vakuumpumpe, so dass sich Urs Wälchli und Philip Spring dazu entschieden, auch die weiteren ALD-Beschichtungsanlagen mit COBRA DS Schrauben-Vakuumpumpen auszustatten. Aluminiumoxid-Staub in der Abgasleitung bestätigte allerdings die Annahme, dass es sich trotz eines vorgeschalteten Partikelfilters nicht vermeiden lässt, dass Staubpartikel durch die Vakuumpumpe gefördert werden. Die hohe Partikelverträglichkeit verdankt die COBRA DS ihrem speziell entwickelten Schraubenprofil. Die aus einem Stück gefertigten Schraubenrotoren haben keinerlei Hinterschneidungen, Spalte oder Umlenkungen im Gasstrom, die Ablagerungen von Stäuben begünstigen würden. Durch die neueste Schrauben-Vakuumtechnologie wird weniger Stickstoff als Spülgas benötigt. Verglichen mit einer mehrstufigen Vakuumpumpe mit einem Spülgasverbrauch von 96 slm, benötigt eine COBRA DS mit lediglich 50 slm nahezu nur die Hälfte an Stickstoff. Die Wartung der COBRA DS beschränkt sich auf die Kontrolle des Ölstands im Getriebe und dem Entfernen der mitgeförderten Partikel aus der Abluftleitung.

Inzwischen sind bei Inficon in Balzers vier ALD-Beschichtungsanlagen mit jeweils einer COBRA DS 2000 G ausgestattet. Mehrere COBRA DS gleicher Baugröße wurden auch für ALD-Beschichtungsanlagen in den Inficon-Produktionswerken in Taiwan und den USA angeschafft und zwischenzeitlich in Betrieb. Sämtliche Vakuumpumpen laufen seit Inbetriebnahme nonstop rund um die Uhr. 18 Monate nach der Inbetriebnahme der ersten COBRA DS zeigt sich CTO Urs Wälchli hochzufrieden: