Geen vuiltje in de lucht

Vacuüm lijkt misschien simpel: je pompt net zo lang tot je de gewenste lage druk hebt bereikt. Hoog vacuüm bereik je echter alleen als je op alle slakken zout legt. Van nature ontberen veel engineers het gevoel bij de materie. High Tech Institute leert ze de fijne kneepjes van het vak.

Alexander Pil

Steeds meer processen in de hightechindustrie vragen om een zeer gecontroleerde omgeving. Denk aan de elektronenmicroscopen van Thermo Fisher of de euv-systemen van ASML. De elektronenbundels worden verstrooid en het euv-licht geabsorbeerd door lucht. Een hoog vacuüm is dus vereist. Ook bij de productie van displays zijn contaminerende stoffen uit den boze. Als er water in de lucht zit, is dat namelijk funest voor oled-materialen en kun je het scherm weggooien.

De lat komt steeds hoger te liggen. ‘Zo lang is ik me kan herinneren, mag de druk in elektronenmicroscopen niet hoger liggen dan 10^-10 mbar’, zegt Mark Meuwese, vacuümspecialist bij Settels Savenije Van Amelsvoort. ‘Maar ook in andere toepassingen worden de eisen steeds strenger. Zo konden zacht-röntgensystemen heel lang toe met 10^-3 mbar. Tegenwoordig is 10^-7 geen uitzondering meer. De nauwkeurigheden gaan omhoog, dus worden de gebruikte sensoren gevoeliger en daardoor gelijk meer susceptibel voor vervuiling of verstoring door aanwezige atmosfeer.’

Tot 10^-8 mbar is het allemaal nog relatief eenvoudig, weet Meuwese. ‘Natuurlijk moet je daar al je best voor doen, maar als je nog verder wilt, wordt het ordes moeilijker en dus ook vele malen duurder. Een watermolecuul is een dipool en blijft daarom aan oppervlaktes plakken. Je kunt het beter afpompen als je er voldoende energie in stopt. De makkelijkste methode daarvoor is om de ketel te verhitten. Bij een niet-constante temperatuur in de ketel is er dan het risico dat de verdampte elementen neerslaan op koude oppervlakken, in het ergste geval de sensoren of het preparaat. Bovendien is veel sensoriek niet bestand tegen hoge temperaturen. Bij 10^-8 mbar zit de grens waarop dat zonder uitstoken allemaal nog net goed gaat.’

Meuwese verwacht niet dat de bulk van de toepassingen in de toekomst lagere drukken nodig heeft. Alleen voor gespecialiseerd onderzoekswerk zijn de eisen soms zwaarder. ‘De limiet ligt bij 10^-12, 10^-13, schat ik. En daarvoor kun je nauwelijks een machine bouwen. Alles dat je in het vat introduceert, is te veel. Het vacuümvat en de drukopnemer zijn al te vervuilend, en zelfs de meest geavanceerde pomp lekt dan te veel terug het systeem in.’

Vingerafdruk

In de basis is vacuümtechnologie simpel. Het begint met een ketel waaraan je een pomp koppelt. Die blijft net zo lang pompen tot de druk op het gewenste niveau zit. In de praktijk heb je weinig aan zo’n systeem. In dat vacuüm wil je immers processen uitvoeren. Er moet dus van alles in de ketel. Sterker nog: je wilt de ruimte vaak zo vol mogelijk mechanica, sensoren en andere componenten. Hoe kun je de ketel volbouwen en toch nog een goed vacuümniveau halen? Dat kun je leren tijdens de training ‘Basics & design principles for ultra-clean vacuum’ van High Tech Institute.

‘Hoe voller je het bouwt, hoe groter de kans op contaminatie’, zegt Meuwese, zelf een van de docenten tijdens de training. Puur het oppervlak geeft contaminatie door uitgassing. Alles wat je in de ketel erbij plaatst, is meer oppervlak, en geeft dus meer uitgassing. Daar moet je goed op letten.’

Hoe kun je in je design rekening houden met een vacuümomgeving? ‘Er is een aantal do’s en don’ts die we in de training behandelen. Om te beginnen, is er natuurlijk een lijst van materialen die geschikt zijn voor vacuüm. Rvs is hartstikke goed en ook aluminium kun je prima gebruiken. Messing is niet geschikt, want daarin zit zink en dat verdampt bij 300 graden bij 10^-3 mbar. Veel bedrijven hebben zo’n lijst met welke materialen en coatings zijn toegestaan.’

Roest is niet geoorloofd, want dat is poreus en bevat water dat uitgast. Goed poetsen is sowieso het devies. ‘Je kunt weken last hebben van een vingerafdruk, als je hem überhaupt afgepompt krijgt. Er zitten verbazingwekkend veel moleculen in een vingerafdruk, dus het duurt lang voordat alles weg is’, vertelt Meuwese. Goed schoonmaken is een vak apart en komt uitgebreid aan de orde tijdens de training. Geen vet betekent ook geen kogellagers. Ontwerpers moeten in vacuüm veel terugvallen op elastische elementen zoals bladveren en kruisveerscharnieren. ‘Of op kogellagers met keramische kogels, of volledig keramische lagers. Die kunnen wel omdat ze geen smeermiddel nodig hebben.’

Pootjes

Ook op de vorm en de constructie van de componenten moeten ontwerpers goed letten. ‘Er mogen bijvoorbeeld geen scherpe randen aan zitten. Als je het poetst met een wattenstaafje of een doekje, blijven daar restanten aan haken’, legt Meuwese uit. ‘Een bout in een blind gat houdt een volume lucht gevangen. Als je het vat leegpompt, lekt die eruit. Bedenk dat de gaswet zegt dat pV/T constant is. Als je 10^-7 mbar wilt halen, wordt dat kleine volume tien ordes groter.’ Potgaten zijn vervelend omdat er na het spoelen water in blijft staan. ‘Ook blinde gaten dus liever niet. En als je die aanboort, moet het gat niet te klein zijn. Door de capillaire werking blijft het water anders in het boorgat zitten.’

Als je een onderdeel draadvonkt, mogen er geen haakse bochten in het patroon zitten. ‘Dat is een andere manier van denken. Het gaat niet om het meest efficiënte design, maar om het voorkomen van randen en hoeken. Alles moet je afronden en dat is elke keer weer een uitdaging. Met wat gezond verstand en ervaring kom je er uiteindelijk wel uit.’

Zelfs als je twee componenten in vacuüm op elkaar bevestigt, gaat dat niet rechttoe rechtaan. De oppervlaktes zijn namelijk nooit vlak genoeg om ze perfect tegen elkaar aan te duwen. Er blijft altijd een spleet over – hoe klein ook – waar lucht of contaminanten zitten ingesloten. Voor de vacuümpomp is het handiger als je de twee delen met pootjes juist van elkaar scheidt. Een halve millimeter is vaak al genoeg.

Valsspelen

De training van High Tech Institute ging in het verleden vooral over vacuümtechnologie. De laatste jaren is er meer aandacht gekomen voor ultraclean. ‘Vacuüm is makkelijker te snappen; je pompt net zo lang tot je de gewenste druk hebt bereikt’, zegt Meuwese. ‘Voor ultraclean is dat slechts de eerste stap. Daarna laat je het vat weer vollopen met een ‘schoon’ gas, waarin bijvoorbeeld geen water meer zit. Maar hoe kun je backfillen zonder dat je het vat weer verontreinigt? Dat behandelen we tegenwoordig ook tijdens de cursus.’

Voor een designer is er weinig onderscheid tussen vacuüm of ultraclean. Het grootste verschil zit in de thermische eigenschappen. In vacuüm is de warmteoverdracht heel slecht omdat er geen geleidend medium is. Geen convectie en geleiding dus, alleen straling en daar heb je een groot temperatuurverschil voor nodig. ‘In vacuüm wordt alles dus per definitie heet’, weet Meuwese. ‘Koelen kan door afgesloten kanalen met water langs en door de componenten te laten lopen. Of door een thermische verbinding te leggen naar een koud deel van het systeem. Ook zijn er complexe alternatieven zoals een helium-backfilloplossing waarbij je lokaal een lage druk aanbrengt met moleculen die warmte kunnen overdragen. Eigenlijk is dat valsspelen.’

Gevoel

Het groeiende belang van vacuümtechnologie en ultraclean betekent dat steeds meer engineers verstand moet hebben van de materie. Meuwese constateert dat het niveau weliswaar omhooggaat, maar er nog veel te winnen is. ‘De meeste mensen die van de hbo of de universiteit komen, hebben een gevoel voor techniek. Ze voelen aan dat een dik I-profiel meer kan hebben dan een dun I-profiel. Voor vacuüm hebben ze veel minder gevoel. Als ik iemand zeg dat ik binnen een bepaalde tijd 10¹⁵ moleculen kan afdampen en het zijn er 10¹⁸, zit ik er een factor duizend naast, maar ze weten niet wat dat betekent. Vacuüm is toch abstracter dan mechanica. Mbar liter per seconde: het zegt weinigen iets.’

Scholen besteden tegenwoordig meer aandacht aan het onderwerp. Zeker in de regio Eindhoven beheersen steeds meer studenten de basiskennis. ‘Toevallig heb ik nu een student uit Enschede en daar is het minder breed uitgedragen. Op de tu wel hoor, maar op hbo’s veel minder. Het is ook wel erg gerelateerd aan de Dommel Valley, maar iets als opdampen doen ze over de hele wereld en daar heb je het voor nodig.’