Vakuumventile

Ein Vakuumventil ist eine Vorrichtung, die in einer Be- oder Entlüftungsleitung eines Vakuumsystems angebracht ist. Sie dient in der Regel dazu, Vakuumbereiche wie z.B. Prozesskammern zu isolieren oder ein- und ausströmende Gasmengen zu regeln. Vakuumventile können manuell, pneumatisch, elektropneumatisch, elektrisch oder elektromagnetisch betätigt werden. Vakuumventile sind ein fester Bestandteil eines jeden Vakuumsystems, die wiederum in einer Vielzahl industrieller Produktionsbereiche zum Einsatz kommen.

Bestimmte Vakuumprozesse stellen besonders hohe Anforderungen an die Reinheit sowie die chemische und physikalische Stabilität der Prozessumgebung. Dies gilt z.B. für nahezu alle Bereiche der Halbleiterfertigung sowie auch für viele Forschungsanlagen bei denen Vakuum zum Einsatz kommt. Gerade im Bereich der Grundlagenforschung ergänzen sich zu diesen Anforderungen noch extreme Rahmenbedingungen mit sehr hohen oder tiefen Temperaturen, starker Strahlung sowie extremhohem Vakuum (XHV), mit Drücken bis zu 10^-15 mbar – den Grenzen des technisch z.Z. mach- und messbaren.

Vakuumventile in diesen Einsatzbereichen unterscheiden sich von Standard-Vakuumventilen in folgenden Punkten:

1) Minimierte Partikelemission
Hochleistungs-Vakuumventile werden drauf optimiert weder durch ihre Materialien für Gehäuse, Mechaniken oder Dichtungen durch Ausgasungen, noch durch ihre Öffnungs- und Schließ- bzw. Regelbewegungen durch Reibung, Partikel freizusetzen. Dies geschieht zum einen durch eine spezielle Auswahl und Behandlung der eingesetzten Materialien sowie zum anderen durch bestimmte konstruktive Details, die eine Partikelfreisetzung minimieren oder in Teilen ganz ausschließen.
 
2) Minimierte Bewegungsimpulse
Jedes Ventil erzeugt durch seine Öffnungs- und Schließbewegungen Bewegungsimpulse. Diese können speziell bei automatisiert angetriebenen Ventilen von leichten Vibrationen bis zu hör- und fühlbaren harten Stößen reichen. Diese Bewegungsimpulse können sich negativ auf sensible Fertigungsprozesse auswirken, z.B. durch eine zusätzliche Partikelfreisetzung. Hochleistungs-Vakuumventile minimieren diese Impulse neben konstruktiven Merkmalen vor allem durch die Steuerung der Bewegung in sogenannten Bewegungsprofilen. D.h. wie bei Personenaufzügen, wird die Schließgeschwindigkeit kurz vor Erreichen des Schließpunktes abgebremst, um ein «Anschlagen» zu vermeiden. Diese Bewegungsprofile sind in der Regel veränderbar, so dass diese z.B. in puncto Schließzeit und Schließfrequenz an die gewünschten Bedingungen angepasst werden können.

3) Neutrales chemisches und physikalisches Verhalten
Vakuumventile verändern immer die Homogenität einer Vakuumprozesskammer, in welcher Form auch immer. Dies geschieht zum einem durch ihre Geometrie. Verengungen oder Erweiterungen im Strömungsweg können den Strömungswiderstand und Strömungsgeschwindigkeit verändern oder Todräume, wie z.B. Verfahrräume für Ventilteller können Ablagerungsprozesse begünstigen. Zum anderen geschieht dies durch die Öffnungs- und Schließbewegung selbst, die das Strömungsverhalten verändert, wie auch die Konzentration, Verteilung, Mischung und Temperatur von Prozessgasen. Hochleistungs-Vakuumventile sind darauf optimiert solche Einflüsse, wo immer möglich zu kompensieren bzw. steuerbar zu gestalten. Hierzu wird eine Vielzahl zusätzlicher Techniken in die Konstruktionen eingebracht, die weit über die Ventilgrundfunktionen wie Öffnen und Schließen bzw. Regeln hinausgehen.

4) Exakt Reproduzierbares Verhalten
Hochleistungs-Vakuumventile unterscheiden sich von Standardlösungen vor allem auch durch ihr hochgradig reproduzierbares Verhalten. D.h. während Standardlösungen Schwankungen in jeder einzelnen Öffnungs- und Schließbewegung aufweisen sowie über die Nutzungszeit Abweichungen von ihren definierten Leistungswerten zeigen sind Hochleistungs-Vakuumventile darauf optimiert über lange Nutzungsintervalle ein, in sehr engen Grenzen definiertes, immer gleichen Verhalten zu zeigen. Damit stabilisieren sie Vakuumprozesse und minimieren die Prozesssteuerungskomplexität. 

Vakuumventile nutzen, wie andere Ventile, einige grundlegenden Mechaniken, wie z.B. Schieber, Klapp- oder Drehteller zur Abtrennung oder Isolation von Vakuumbereichen sowie zur Steuerung von Volumenströmen. Die Rahmenbedingungen für den Einsatz diese Mechaniken sind aber vollkommen andere. So sind z.B. ein hoher Grad an Partikelfreiheit, präzise Steuerung von sehr kleinen Volumenströmen, hermetische Dichtung, minimale Vibrationen und Stösse entscheidende Eigenschaften. Dies führt dazu, dass diese grundlegenden Mechaniken bei Vakuumventilen in der Regel anders ausgeführt sind. So sind z.B. Schließmechaniken in der Regel so gestaltet, dass sie ohne Reibung schließen und wenn überhaupt nur minimale Vibrationen und Stösse verursachen. Ferner sind Steuerungsbewegungen extrem fein dosierbar und Dichtungen so optimiert, dass sie im Ideal keine Partikel freisetzen und ihre statischen oder dynamischen Eigenschaften über lange Einsatzzeiträume stabil bleiben.

Folgende Grundtypen von Vakuumventilen kommen zum Einsatz:

1) Vakuumschieber – In der Regel Ideal, für Isolations- oder einfachere Regelanwendungen. Sehr schmale Einbautiefe, maximaler Leitwert (minimaler Strömungswiderstand), zusätzlicher Platzbedarf für den Verfahrraum des Ventiltellers. Als Subtyp auch als Vakuum-Schlitzventil alias Vakuum-Transferventil oder Vakuum-Tür genutzt, um Produkte in Vakuumprozesskammern einzubringen. 

2) Vakuum-Eckventile (auch Vakuum-Sitzventile genannt) – Universelle Allzweck-Vakuumventile. Sehr kompaktes Baumaß, in der Regel sehr Modular in Bezug auf Dichtung, Antrieb und Sensorik. Durchschnittlicher Leitwert, sehr einfache Wartung. Sehr gute und ggf. sehr präzise Steuerbarkeit.

3) Vakuum-Butterfly-Ventile (auch Vakuum-Klappenventile genannt) – Primär für Regelanwendungen. Sehr schmale Einbautiefe, wie bei Schiebern, guter Leitwert, schnelle und präzise Regelbarkeit.

4) Vakuum-Pendelventile – Sehr schmale Einbautiefe, kompaktes Baumaß, kombiniertes sehr präzises Regelverhalten mit sehr gutem Isolationsvermögen und sehr hohem Leitwert.

5) Strömungssymmetrisches Vakuum-Regelventil – Sonderform speziell auf ein sehr homogenes Strömungsverhalten optimiert, vom ersten Öffnen bis zur vollständigen Ventilöffnung.

6) Gasdosierventile oder auchLeckventile (engl. Leak Valves)– Speziell für die sehr feine Dosierung von z.B. Prozessgasen bei kleinen Volumenströmen.

7) Überdruck- oder Flutventile – Sicherheitsventile, die eine kontrollierte, in der Regel vollständige Belüftung von Vakuumsystemen erlauben sowie das Überschreiten definierter Druckbedingungen verhindern.

8) Vakuum-Rückschlagventile– Passive, volumenstrom- und differenzdruck-getriebene Ventile.In Regelfall zumSchutz von Vakuumsystemen vor Rückfluss-Kontaminierungen. Einsatz z.B. zwischen Vakuum-Vorpumpen und Vakuumsystem.

9) Schnellschlussventile – Aktive Schutzventile, die in der Regel größere Vakuumvolumina oder -kammern vor Vakuumverlust durch Leckagen schützen. Wesentliches Merkmal: Sehr schnelle Schließreaktion bei detektiertem Druckabfall. Bei UHV- und XHV-Anwendungen in der Regel zusätzlich durch Sektor-Vakuumventile (meist Vakuumschieber) unterstützt um eine hermetische Isolation auch bei sehr hohen Differenzdrücken zu gewährleisten.

10) Vakuum-Ganzmetallventile – Spezielle Gruppe von Vakuum-Ventilen, die für extreme Druck-, Temperatur- und Strahlungsbedingungen ausgelegt sind. Wesentliche Merkmal: Hart-auf-Hart (Metall auf Metall) dichtend, keine Elastomer-Dichtungen, da diese den Einsatzbedingungen nicht standhalten würden. 

11) Vakuum-Mehrventilbaugruppen – Sonderform, die mehrere Vakuumventil-Funktionen in einer Baueinheit zusammenfasst. Wesentliches Merkmal: reduzierte Anzahl von Bauteilen, schnellere Montage. In der Regel maßgeschneidert auf Kundenanforderung.  

12) 3-Stellungs-Vakuumventile – Sonderform von Vakuum-Isolationsventilen, bei denen neben der Geschlossen- und Offenstellung noch eine dritte Ventilstellung definiert werden kann. Anwendung z.B. zur Vermeidung von Druckimpulsen durch ein zu schnelles Öffnen des Ventils bei hohen Differenzdrücken.  Die dritte Stellung ist dann z.B. eine Stellung, in der für kurze Zeit der Anpressdruck auf die Dichtung leicht verringert wird, ohne dass das Ventil optisch geöffnet ist, was zu einer sanfteren Druckänderung führt.

Neben diesen Grundtypen gibt es noch eine Vielzahl von hybriden Varianten, die zum Teil unterschiedliche Ventil-Technologien kombinieren bzw. Lösungen für bestimmte Spezialanforderungen bieten.

Ein Vakuumventil besteht in der Regel aus mehreren Hauptkomponenten, die jeweils eine bestimmte Funktion zur Steuerung und Aufrechterhaltung des Vakuums in einem Vakuumsystem erfüllen. Das Gehäuse, in der Regel aus Aluminium oder rostfreiem Stahl bestehend, umschließt die inneren Komponenten. Es besitzt eine Dichtung, die Leckagen verhindert und einen festen Verschluss gewährleistet. Übliche Typen sind Elastomer- oder Metalldichtungen. Der Antrieb, der manuell, pneumatisch oder elektrisch sein kann, ist für das Öffnen und Schließen des Ventils verantwortlich. Je nach Ventiltyp bewegt sich der Schieber, um den Gasfluss zu blockieren oder zu steuern. Außerdem verfügt das Ventil über Anschlüsse, einschließlich einer Einlass- und einer Auslassöffnung, die den Gasfluss erleichtern. Zusammen ermöglichen diese Komponenten eine präzise Steuerung der Vakuumbedingungen. Verschiedene Arten von Vakuumventilen, wie z. B. Schieberventile, Eckventile, Klappenventile, Transferventile, … können je nach Anwendungsfall Variationen dieser Komponenten aufweisen.