Anwenderberichte
Schraubenpumpe VACUU·PURE® im Einsatz an der ETH Zürich
© ETH Zürich
Clemens Todt betreibt an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) spannende Grundlagenforschung. Dort ist er als Doktorand im Laboratorium für Festkörperphysik tätig. Die Ergebnisse seiner Gruppe Fortgeschrittene Halbleiter-Quantenmaterialien unter der Leitung von Prof. Wegscheider könnten zukünftig die Eigenschaften von Quantencomputern optimieren. Im Interview erzählt Clemens Todt, wie die Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10 ihn unterstützt.
Clemens Todt forscht als Doktorand an der ETH Zürich.
© ETH Zürich
Welches Thema behandelt Ihre Forschungsgruppe?
Clemens Todt: Wir betreiben Kristallwachstum. Unsere Expertise liegt dabei in der Herstellung von III/V-Halbleiter-Heterostrukturen, speziell 2-dimensionale Elektronengase sind unser Steckenpferd. Das erfordert einen enormen Aufwand. Deswegen sind Gruppen rar, welche in unserer Nische auf dem gleichen Niveau arbeiten. Unsere Arbeit steht am Anfang der Wertschöpfungskette und die hoch komplexen Proben gehen an Forschungsgruppen in der ganzen Welt.
Das Zusammenspiel von Halbleitern mit Supraleitern ist mein Fokus. Hier versuchen wir an einem neuen Forschungsbereich mitzuarbeiten. Erst seit 2012 ist das Thema wirklich interessant geworden und es fehlen Grundlagen, wie man die beiden Materialsysteme miteinander verbindet. Es ist zwar noch Zukunftsmusik, doch die Ergebnisse könnten für Quantencomputer wichtig sein. Wir forschen an einer Möglichkeit, deren Störanfälligkeit zu reduzieren.
Welche verschiedenen Methoden wenden Sie an?
Clemens Todt: Für Halbleiter-Heterostrukturen verwenden wir die Wachstumsmethode der Molekularstrahlepitaxie (MBE) – ein physikalisches Gasabscheidungsverfahren. Der große Vorteil dabei ist, dass wir mit atomarer Präzision komplizierte Schichtfolgen verschiedener Materialien wachsen können. Diese Methode ist unter anderem geeignet für niedrigschmelzende Metalle wie Indium oder Gallium. Sie werden verdampft und bilden unter Vakuum einen gerichteten Molekularstrom auf die Oberfläche einer Trägerschicht – Substrat oder Wafer genannt. Auf dem Wafer setzen sich Atom für Atom in einer gewünschten Struktur ab und kristallisieren zu dünnen Schichten.
Unsere supraleitenden Schichten dagegen basieren auf Niobium. Dieses Metall hat einen enorm hohen Schmelzpunkt von 2.500°C. Dabei erhitzt sich die komplette Anlage und es diffundieren Fremdatome aus dem Stahl. Zusätzlich kann die Probe dabei Schaden nehmen. Folglich haben wir uns für ein alternatives Abscheideverfahren entschieden: das Magnetron Sputtern. Das Metall befindet sich dabei in einer Kammer, in die wir Argon leiten. Bei Drücken von 1 x 10-3 mbar bis 5 x 10-2 mbar zünden wir ein Argon-Plasma. Die Argon-Ionen schlagen auf der Oberfläche eines Beschichtungsmaterials ein, eines sogenannten Targets aus Niob, und reißen Material heraus. Diese herausgeschlagenen Teilchen wandern anschließend zum Wafer und setzen sich dort als Schichten ab.
Wofür benötigen Sie Vakuumpumpen?
Clemens Todt: Im Rahmen meines Doktorats habe ich eine neue Magnetron-Sputter-Anlage aufgebaut. Das ist anspruchsvoll. Doch mir macht das Basteln Spaß, selbst die Kryopumpen mussten wir endmontieren. Sie saugen das Argon mit 1.500 Litern pro Sekunde ein. Die Kryopumpe hat kalte Oberflächen im Innern, welche die einzelnen Atome „einfängt“. Sobald die Kryopumpe vollläuft, müssen wir sie regenerieren. Jetzt kommt eine weitere Vakuumpumpe ins Spiel – die Vorpumpe. Um die Kryopumpe zu regenerieren, wärmen wir diese auf. Dabei werden die Gase frei und mittels der Vorpumpe abgepumpt. Wenn die Kryopumpe leergepumpt ist, müssen Pumpe und Kammer auf das notwendige Vakuum gebracht werden, unter dem die Kryopumpe wieder einkühlen kann.
Kryopumpen
Kryo-Vakuumpumpen gehören zu den Adsorptionspumpen und sind somit gasbindende Pumpen. Im Inneren der Pumpe werden Oberflächen auf wenige Kelvin abgekühlt. Auf diesen können Moleküle und Atome wie in einer Art Gefrierschrank kondensieren. Die Regeneration der Kryopumpe läuft wie folgt ab: Das Ventil wird geschlossen und die Pumpe auf Umgebungstemperatur aufgewärmt. Dadurch desorbieren die Moleküle, gehen also wieder in die Gasphase über. Diese Gase können nun von einer Vorpumpe abgepumpt werden. Das Vakuum der Vorpumpe dient anschließend zur thermischen Isolation, unter der die Kryopumpe wieder einkühlen kann.
Durch ihre Bauweise und den großen Flanschdurchmessern sind mit Kryopumpen extrem große Saugvermögen erreichbar. Der Einsatz von Kryopumpen ist eine Möglichkeit, großvolumige Vakuumkammern in einem realistischen Zeitrahmen unter reinen Bedingungen auf Ultrahochvakuum zu evakuieren.
Warum ist die Regeneration der Kryopumpe so wichtig?
Clemens Todt: Unsere hochreinen Anlagen sind absolut „heilig“. Unsere Fehlstellen im Kristallgitter sind 1013 pro 1024 Atome pro Kubikzentimeter. Wir haben also elf Größenordnungen, bevor wir ein Atom finden, was wir nicht wollen. Bei der Regeneration der Kryopumpe können Verunreinigungen aus der Vorvakuumpumpe in die Anlage gelangen, wie z.B. Feuchtigkeit aus der Luft, Öl, Abrieb. Wenn die Kammer wieder im Hochvakuumzustand ist, können wir die Verunreinigungen mit einem Massenspektrometer detektieren. Diese Verschmutzungen wollen wir mit absolut sauberen Vorpumpen vermeiden.
In der Vergangenheit testeten wir dafür verschiedene Technologien: Wir versuchten es beispielsweise mit einer Turbopumpe und einer Membranpumpe als Vorpumpe. Doch zum einen ist die Turbopumpe für diesen Zweck überdimensioniert, zum anderen gehen die Lager bei Vibrationen mit der Zeit kaputt. Darüber hinaus probierte ich unterschiedliche Scroll- und Schraubenpumpen aus. Die bis dahin getesteten Pumpen erzeugten entweder Abrieb oder erhitzten sich wegen des ausgasenden Argons und liefen schließlich fest.
Hochreine Schraubenpumpe VACUU·PURE®
Wie konnte VACUU·PURE überzeugen?
Clemens Todt: Vor einem Einsatz an unserer empfindlichen Anlage untersuchten wir präzise, ob die Schraubenpumpe VACUU·PURE in unsere Anlage eingesetzt werden kann. Zur Regeneration unserer Kryopumpen suchten wir eine robuste und hochreine Vakuumpumpe: Diese muss einen Basisdruck von mindestens 10-2 mbar haben. Außerdem ist ein ausreichend hohes Saugvermögen nötig, um mit den austretenden Gasen der Kryopumpe fertig zu werden. Essentiell ist natürlich auch, dass sie absolut ölfrei und partikelfrei ist.
All diese Anforderungen hat VACUU·PURE erfüllt. Dazu haben wir die Pumpe an einer Kryopumpe an einer Testkammer überprüft. Die Schraubenpumpe bewältigte die Menge an Argongas, ohne festzulaufen. Außerdem konnten wir im Massenspektrometer sehen, dass sie weder Öl noch andere Kohlenwasserstoffe oder Abrieb in die Anlage brachte. Deswegen haben wir die neue Vakuumpumpe danach in die eigentliche „scharfe“ Magnetron-Sputter-Anlage angebaut.
Gibt es weitere Besonderheiten von VACUU·PURE?
Clemens Todt: Das Schöne an VACUU·PURE ist, dass sie ein kleiner kompakter Würfel ist. Wir können die Vakuumpumpe für unsere unterschiedlichen Anwendungen problemlos von A nach B schieben. Dann nur noch anschließen, einschalten und fertig. Wir haben außerdem einen kleinen Drucksensor angebracht. Dieser kommuniziert per Wifi mit unserer Datenbank. Egal, wo die Pumpe steht: Wir sehen immer automatisch den aktuell herrschenden Druck.
Setzen Sie VACUU·PURE noch für andere Aufgaben ein?
Clemens Todt: Ich benutze sie zum Spülen des hochreinen Gasversorgungsystems der Magnetron-Sputter-Anlage. Dafür pumpen wir die Leitung bis zum Basisdruck der Schraubenpumpe von 10-3 mbar ab, füllen bis knapp über Atmosphärendruck mit Argon und pumpen wieder ab. Das Ganze machen wir ein paar Mal. Danach heizen wir die Leitungen für höchste Reinheit komplett aus. Auch hier hat sich die Beständigkeit von VACUU·PURE gegenüber Argon gezeigt.
Darüber hinaus kommt VACUU·PURE auch an den UHV-Anlagen zum Einsatz, um das Grobvakuum zu erzeugen.
Vorteile von VACUU·PURE® 10C
• Endvakuum von 10-3 mbar
• Saugvermögen von 10 m3/h
• 100% ölfrei, ohne Kohlenwasserstoffe
• Abriebfrei, ohne Partikel
• Ideal zur Regeneration von Kryopumpen
• Geeignet für das Abpumpen von leichten Gasen wie Argon
• Kompakte Bauweise
Wie ist die Zusammenarbeit mit VACUUBRAND?
Clemens Todt: Ich erzähle gerne, dass meine Hauptaufgabe aus aktivem Problemlösen besteht. (Lacht) Ein gutes Beispiel ist, die passende Vakuumpumpe zur Regeneration der Kryopumpen zu finden. Mit VACUUBRAND hatte ich zum Glück nie Probleme – die Pumpen laufen einfach. Die Produkte haben sich bei uns bewährt. Wir verwenden beispielsweise schon viele Membranpumpen. Mit der Schraubenpumpe VACUU·PURE ist jetzt ein neues tolles Produkt für unser Equipment dazugekommen.
Wir danken Herrn Clemens Todt und der ETH Zürich für das Gespräch.
