Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Multifunktionaler Prüfstand zur Vakuumtribologie
Vakuumtribologie
Durch Reibung entsteht Verschleiß – partikuläre Kontaminationen in Hochvakuumsystemen, sind für wesentliche Hochtechnologiebereiche wie Chipherstellung, Displayfertigung, Photovoltaik, Optik, Elementarteilchenforschung und Raumfahrt besonders kritisch, denn das Schadenspotenzial ist beträchtlich. Die Beherrschung der Partikelquellen ist die Voraussetzung für Effizienz (geringe Ausschussraten) und Betriebssicherheit. Dennoch sind die komplexen Zusammenhänge zwischen tribologischen Bedingungen, tribologischer Beanspruchung, Verschleiß, Partikelgenerierung, Partikelfreisetzung und Partikelausbreitung im Hochvakuum, die in dieser Abfolge zu Schadwirkungen führen können, bisher wenig erforscht.
Auf Grund wesentlicher Unterschiede zwischen Hochvakuum und atmosphärischen Bedingungen können bestehende Erkenntnisse und Optimierungsansätze nicht auf das Hochvakuum übertragen werden. Dazu gehören:
- Fehlende Feuchtigkeitsfilme auf Oberflächen
- Keine Neubildung von Oxidschichten
- Geringe Anzahl von Restgasteilchen
Um die beschriebene Forschungslücke zu schließen, wurde am Fraunhofer IPA ein neues Verfahren entwickelt. Die Verfahrensentwicklung beinhaltet ein neues Hochvakuumtribometer mit raumbezogener Detektion freigesetzter Partikel und deren messtechnischen Erfassung, sowie eine Methodik zur Bewertung der Freisetzung und Ausbreitung von Partikeln und des Verschleißes. Das Hochvakuumtribometer ermöglicht die definierte Beanspruchung unterschiedlicher Modelltribosysteme und realer Tribosysteme beim Gleiten, Stoßen, deren Kombination und Wälzen. Zusätzlich lassen sich die Temperatur des Gegenkörpers, der Vakuumdruck und elektrostatische Felder einstellen. Mit Hilfe eines Richtungsfilters kann die Verteilung der Partikelfreisetzungsgeschwindigkeit ermittelt werden. Die Methodik beinhaltet die effektive Planung und Durchführung von Versuchen unter Einbeziehung der statistischen Versuchsplanung (DOE) zur Ermittlung komplexer Zusammenhänge zwischen den einzustellenden Einflussgrößen am Vakuumtribometer und neu eingeführten reinheitstechnischen Zielgrößen (Bewertungsgrößen). Zielgrößen für die Freisetzung sind Gesamtanzahl, Größe, Größenverteilung, Gesamtvolumen und Freisetzungsrate der Partikel. Zielgrößen der Ausbreitung sind insbesondere Freisetzungsgeschwindigkeit, Freisetzungsrichtung, größenabhängige und räumliche Verteilung der Partikel, abstandsbezogen zum Tribosystem.
Reibkörper für Modell-Tribosysteme
REM-Aufnahme einer Edelstahlfläche nach Gleitreibung im Hochvakuum