Sensorik Optische Sensoren für Anwendungen im Hochvakuum

In der Beschichtungs- und Bedampfungstechnik oder bei der Halbleiter-Herstellung werden wichtige Prozessschritte, die chemisch und physikalisch auf eine besonders störungsfreie Umgebung

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In der Beschichtungs- und Bedampfungstechnik oder bei der Halbleiter-Herstellung werden wichtige Prozessschritte, die chemisch und physikalisch auf eine besonders störungsfreie Umgebung angewiesen sind, im Vakuum ausgeführt. Je nach geforderten Gütegraden der Abläufe kann das Vakuum dabei Werte bis 10-8 mbar erreichen, in besonderen Fällen sogar darüber hinaus gehen. Die Automatisierung von Fertigungsabläufen stellt in diesem Umfeld sehr hohe Anforderungen an die eingesetzte Sensorik.

Herkömmliche optische Sensoren sind für diese Umgebungsbedingungen grundsätzlich ungeeignet, sieht man von den indirekten Lösungen über Schaugläser, die in die Wände der Prozesskammern eingelassen werden, einmal ab. Diese machen dann zwar grundsätzlich den Einsatz von Standard-Optosensoren möglich, können aber anspruchsvolle Applikationen selten zufriedenstellend lösen. Bei nicht unerheblichen Kosten vergrößern sie die Wirk-Abstände zwischen Sensor und Objekt signifikant, was besonders für Detektionen mit hohem Genauigkeitsanspruch von Nachteil ist. Die Wirkung von eventuellem Niederschlag an den Scheiben muss ebenso berücksichtigt werden, wie die Wirkung mechanischer Deformationen, die beim Evakuieren entstehen.

Müssen Optosensoren aus konstruktiven Gründen direkt im Vakuum verbaut werden, können die Anforderungen an Form, Funktion und Material mitunter sogar extrem ausfallen. Außer bei ganz einfachen Abfrage-Aufgaben sind vakuumtaugliche Optosensoren deshalb fast immer das Ergebnis eines sehr individuellen Ansatzes und haben mit Katalog-Produkten nur noch wenig zu tun.

STM Sensor Technologie München ist der weltweit führende Hersteller von optischen Sensoren für den Einsatz im Hochvakuum. Mit einem außergewöhnlichen Konstruktionskonzept das auf einem Modul-System miniaturisierter optoelektronischer Präzisionsbaugruppen beruht, können einerseits die technisch wichtigen Grundanforderungen, die ein Einsatz im Ultrahochvakuum stellt erfüllt werden und andererseits können die funktionellen Lösungen durch die Variabilität des Baukastensystems ungewöhnlich schnell und kostengünstig zu individuellen Sensor-Ausführungen umgesetzt werden.

Anforderungen an optische Sensoren für Anwendungen im Vakuum

Die Erzeugung von hohem Vakuum, ist immer mit einem technischen und meist auch mit einem zeitlichen Aufwand verbunden. Um beides im Sinne einer ökonomischen Massenfertigung kontrollierbar zu halten, wird versucht das evakuierte Volumen der Prozesskammern, einschließlich der zur Beschickung notwendigen Schleusen, konstruktiv so gering wie möglich zu gestalten. In der Folge gibt es, neben den extremen Umgebungsbedingungen, in solchen Anwendungsbereichen meist gleichzeitig auch extreme Beschränkungen für die Installation.

Aus unterschiedlichen Gründen muss der wesentliche Teil der elektronischen Peripherie solcher Anlagen, wie z.B. auch die Verarbeitung der Sensorsignale, zwangsläufig in Bereiche außerhalb dieser kritischen Prozesszonen verlagert werden.

Kunststoffe neigen in hohem Vakuum dazu auszugasen und damit den Prozess zu verunreinigen. Es gibt nur wenige Kunststoffe, die unter diesem Aspekt für den Einsatz im Hochvakuum geeignet sind. In der Kombination mit anderen geforderten physikalischen Eigenschaften wie optischem oder thermischem Verhalten bleiben meist nur ganz wenige Möglichkeiten für eine optimale Lösung.

Bei optischen Sensoren, die für den Einsatz in Vakuumkammern geeignet sind, unterscheidet man zwei grundsätzliche Konstruktionsarten:

Wandmontage des Sensors

Bei dieser Art von Lösung wird der Sensor durch die Wand der Kammer geführt, weil er z.B. von außen für Einstellungen oder einen Wechsel zugänglich sein soll. Die Optik ist in den Sensorkopf integriert. Das Gehäuse des Sensors übernimmt dabei immer auch eine Abdichtfunktion. Je nach Anwendung können die Anforderungen an die Dichtung sehr hoch sein.

Montage im Innenraum der Vakuumkammer

Hier befindet sich der Sensor vollständig innerhalb der Vakuumkammer. Die elektrischen Rohsignale werden über eine Vakuumdurchführung, wie sie in der Regel in jeder Anlage vorhanden sind, nach außen geleitet und dort weiter verarbeitet.

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