Warum PVD-Vakuumbeschichtungslinien Schwankungen des Saugvermögens scheuen: Betriebszustandsliste, Saugvermögensberechnung und Pumpenkonfiguration

Produktionskapazität und Schichtkonsistenz einer Beschichtungslinie hängen zu einem großen Teil am Evakuierungsabschnitt. Bei derselben Kammer und derselben Werkstückcharge dauert das Evakuieren von Atmosphärendruck auf den Übergabedruck in der Frühschicht 6 Minuten, in derselben Charge am Nachmittag 8½ Minuten; die Kammer wurde nicht gewechselt, die Pumpe meldet keinen Fehler, der Takt bleibt dennoch nicht stabil. Dieses „je weiter, desto langsamer“ ist meist kein Pumpendefekt, sondern das effektive Saugvermögen fällt im mittleren Bereich ab.

Der Grund, warum das Vakuumsystem für die Vakuumbeschichtung (PVD) Schwankungen des Saugvermögens scheut, liegt darin, dass es gleichzeitig von drei Dingen getrieben wird: Takt (eine Minute langsamer beim Vorpumpen, jede Charge eine Minute langsamer), Grunddruck (der Druck vor dem Prozessstart erreicht den Sollwert nicht, Schichthaftung und Gleichmäßigkeit driften mit) und Prozessgasdruck (der Sputterabschnitt hält über Drosselventil und Gasfluss einen Arbeitsdruck in der Größenordnung von 10⁻³～10⁻² mbar; wenn die Vorstufe nachlässt, lässt sich das durch Verstellen des Drosselventils nicht ausgleichen). Deshalb darf die Auswahl nicht nur auf eine Saugvermögenszahl auf dem Typenschild schauen, sondern muss vier Schritte gehen: „Betriebszustandsliste → Vorpumpberechnung → Berechnung des Halteabschnitts → Pumpenkonfiguration“.

I. Zuerst die Betriebszustandsliste aufstellen, nicht vorschnell zum Modell greifen

Der Vakuumbedarf einer Beschichtungslinie sieht stets nach „bis zum Hochvakuum evakuieren“ aus, die tatsächlichen Unterschiede stecken aber genau in dieser Tabelle. Vor der Auswahl sollten die folgenden acht Punkte klar ausgefüllt sein; bleiben mehr als zwei der acht Punkte leer, beruht die gewählte Konfiguration im Grunde auf Raten.

Betriebszustand	Auszufüllen	Warum wirkt es direkt auf das Saugvermögen?
Kammer-Volumen	Netto-Volumen der leeren Kammer, einschließlich Halterungen und Werkstückvolumen	Die Evakuierungszeit ist proportional zum Volumen; wird das Volumen um die Hälfte zu klein gerechnet, wird auch die Zeit um die Hälfte zu klein gerechnet
Vorpumpzeit pro Charge	zulässige Sekunden vom Atmosphärendruck bis zum Übergabedruck	harte Taktvorgabe, aus der das erforderliche minimale effektive Saugvermögen zurückgerechnet wird
Übergabedruck	Druckpunkt, an dem die mechanische Pumpe an die Hochvakuumpumpe übergibt	üblich sind 5～20 mbar; je niedriger der Druckpunkt, desto stärker wird das Saugvermögen beansprucht
Prozess-Arbeitsdruck	im Sputterabschnitt gehaltener Druck und Gasart	bestimmt die Gaslast im Halteabschnitt; getrennte Rechnung vom Vorpumpabschnitt
Prozessgasfluss	sccm-Wert des Arbeitsgases wie Argon	wird direkt in die Last Q umgerechnet; prüft, ob die Vorpumpe bei Gegendruck ausreicht
Fördermedium	Staub, Wasserdampf, Lösemitteldampf, Target-Flüchtige	bestimmt, ob Filter vor der Pumpe, Kondensation und Gasballast erforderlich sind
Gleichzeitigkeitsfaktor	wie viele Kammern ein Pumpenaggregat teilen, Grad der Taktverschiebung	bei gemeinsamer Pumpe addieren sich Spitzen, das tatsächlich verfügbare Saugvermögen wird aufgeteilt
Leitungsbedingungen	Entfernung vom Pumpenraum zur Kammer, Nennweite, Anzahl Bögen und Ventile	der Leitungsströmungswiderstand ist der größte versteckte Abzug beim effektiven Saugvermögen

II. Vorpumpabschnitt: Wie die Evakuierungszeit berechnet wird

Für den Grobvakuumbereich wird die isotherme Näherung verwendet, die Evakuierungszeit:

t = (V / S) × ln(p₁ / p₂)

V ist das Kammer-Volumen, S das effektive Saugvermögen, p₁ der Ausgangsdruck, p₂ der Zieldruck. Beispiel von 1013 mbar auf 10 mbar: ln(1013/10) ≈ 4.62.

Kammer-Volumen	Hauptpumpe	Nenn-Saugvermögen	Ideale Evakuierungszeit	Umgerechnet mit 70 % effektivem Saugvermögen
0.5 m³	DPL-V0155	150 m³/h	55 s	79 s
1.0 m³	DPL-V0202	200 m³/h	83 s	119 s
2.0 m³	DPL-V0302	300 m³/h	111 s	158 s
2.5 m³	DPL-V300B	tatsächlich 240 m³/h	173 s	247 s
3.0 m³	DPL-V630B	tatsächlich 640 m³/h	78 s	111 s

Die beiden Spalten in der Tabelle unterscheiden sich deutlich; erst die zweite Spalte ist die Zahl, mit der man den Takt angeben kann. Die 70 % sind eine grobe Umrechnung für Leitungen und Ventile: Bei zu kleiner Nennweite, zu langer Leitung und zu vielen Bögen muss der tatsächliche Umrechnungsfaktor noch weiter nach unten gesetzt werden. Das ist kein Schätzfehler, sondern der am häufigsten übersehene Verlust in Vakuumsystemen – das direkt neben der Kammer gemessene Saugvermögen der Pumpe und das über eine mehr als zehn Meter lange Leitung vom Pumpenraum aus gemessene Saugvermögen können um die Hälfte auseinanderliegen.

Außerdem wird die Kurve durch zwei Dinge abgeflacht: die Ausgasung von Kammerwand und Einbauten sowie die Leckrate von Dichtflächen und Flanschen. Sie ändern sich nicht linear mit dem Druck, sondern werden nahe am Zieldruck deutlicher. Deshalb wird im Vorpumpabschnitt häufig Gasballast geöffnet: Gasballast mischt trockene Luft ein, senkt den Partialdruck kondensierbarer Bestandteile (besonders Wasserdampf) und verhindert, dass diese vor dem Öffnen des Auslassventils im Pumpenöl kondensieren; der Preis ist ein sinkender Enddruck. Deshalb ist der Gasballast kurz vor dem Übergabedruck zu schließen, bevor weiter evakuiert wird. Wie lange geöffnet und wann geschlossen wird, ist anhand der tatsächlichen Wasserdampfmenge zu erproben; nicht einfach dauerhaft geöffnet lassen.

III. Halteabschnitt: Die Prozessgaslast bestimmt die Untergrenze der Vorpumpe

Im Vorpumpabschnitt wird „Luft bewegt“, im Sputterabschnitt wird „Prozessgas bewegt“; das sind zwei völlig unterschiedliche Rechnungen. Die Beziehung im Halteabschnitt lautet:

Q = p × S

Q ist die Gaslast, p der Arbeitsdruck, S das effektive Saugvermögen bei diesem Druckpunkt. 1 sccm entspricht etwa 1.27×10⁻² mbar·L/s, ein Argonfluss von 200 sccm entspricht etwa 2.54 mbar·L/s. Verteilt man diese Last auf verschiedene Vorvakuumdrücke:

Vorvakuumdruck	erforderliches Saugvermögen für 200 sccm
0.5 mbar	18.3 m³/h
0.3 mbar	30.5 m³/h
0.1 mbar	91.4 m³/h
0.05 mbar	182.9 m³/h

Die Schlussfolgerung ist unmittelbar: Je niedriger der Vorvakuumdruck festgelegt wird, desto stärker wird die Vorpumpe beansprucht. Bei gleichem Prozessgasfluss von 200 sccm reicht bei 0.5 mbar Vorvakuumdruck eine Größenordnung von 20 m³/h, bei 0.05 mbar werden mehr als 180 m³/h benötigt. Deshalb lässt sich „wie groß die Vorpumpe zu wählen ist“ nicht losgelöst von „bei welchem Druck die Vorstufe arbeitet“ betrachten – das ist auch der Grund, warum dasselbe Modell an dieser Linie ausreicht und an der benachbarten Linie nicht.

IV. Roots-Abschnitt: Das Nenn-Saugvermögen gilt nur bei ausreichend hohem Ansaugdruck

Bei Kammern über 1.5 m³ oder engem Takt hält eine einzelne mechanische Pumpe oft nicht stand; dann ist ein Roots-Pumpenaggregat erforderlich. Die häufigste Abweichung hier ist, das Nenn-Saugvermögen der Roots-Pumpe als Konstante zu verwenden.

Die fünf Modelle der LC-Serie haben Nenn-Saugvermögen von 250, 500, 1200, 2600 und 4200 m³/h (50Hz), Motorleistungen von 2.2, 2.2, 4.0, 7.5 und 11 kW, Ansauganschlüsse von ISO63 bis ISO250. Diese Werte gelten bei ausreichend hohem Ansaugdruck; fällt der Ansaugdruck ab, sinkt die von der Roots-Pumpe förderbare Gasmenge, und das tatsächliche Saugvermögen hängt zunehmend davon ab, wie viel Leistung die Vorpumpe am selben Druckpunkt noch hat. Typische Kombinationen sind 2V80 (74 m³/h, 3 kW) mit LC250 und 2V275 (255 m³/h, 7.5 kW) mit LC2600 für das Vorpumpen von Beschichtungskammern und das Evakuieren großer Kammern.

Die beiden Rotoren der Roots-Pumpe berühren sich nicht und dichten über den Spalt ab; bei zu großem Differenzdruck überlastet der Motor leicht. Beim WSU2000 beispielsweise betragen der maximal zulässige Differenzdruck 50 mbar, das Saugvermögen 2050 m³/h, 7.5 kW und der Flansch DN160 ISO-K; diese 50 mbar sind der Grenzwert für die Verriegelungsauslegung. In der Steuerung ist die Reihenfolge „Vorstufe baut zunächst Grundvakuum auf → Ansaugdruck erreicht Sollwert → Roots-Pumpe zuschalten“ einzuhalten; bei Überschreitung des Differenzdrucks mit Überströmventil oder Bypass begrenzen, nicht die Vorpumpe dagegen ankämpfen lassen.

V. Pumpenauswahl nach Kammer-Volumen: eine Konfigurationstabelle

Kammer-Volumen	Ziel-Übergabedruck	Hauptpumpe	Motorleistung	Enddruck (Gasballast geschlossen)	Erweiterung
0.3～0.6 m³	10 mbar	DPL-V0155 (150 m³/h)	4.0 kW	0.3 mbar	bei engem Takt mit LC250
0.6～1.2 m³	10 mbar	DPL-V0202 (200 m³/h)	5.5 kW	0.1 mbar	mit LC500
1.2～2.0 m³	10 mbar	DPL-V0302 (300 m³/h)	7.5 kW	0.5 mbar	mit LC500 / LC1200
2.0～3.0 m³ (bei engem Bauraum)	10 mbar	DPL-V300B (Nennwert 280 / tatsächlich 240 m³/h)	5.5 kW	≤0.08 mbar	mit LC500
über 3.0 m³ oder hoher Takt	10 mbar	DPL-V630B (Nennwert 700 / tatsächlich 640 m³/h)	15 kW	≤0.08 mbar	mit LC1200 oder größer
Grunddruck unter 10⁻² mbar erforderlich	—	DPL-2V80 / 2V275 + LC-Aggregat	3 / 7.5 kW	4×10⁻⁴ / 5×10⁻⁴ mbar	Vorstufe anhand des Gegendrucks prüfen