Was ist eigentlich »Vakuum«?

Nachgefragt bei Prof. Dr. Günter Bräuer / 14.9.2018

Prof. Dr. Günter Bräuer, Institutsleiter des Fraunhofer IST
© Fraunhofer IST, Florian Kleinschmidt, BestPixels.de

Prof. Dr. Günter Bräuer, Institutsleiter des Fraunhofer IST

Bei Leybold-Heraeus, seinerzeit einer der Marktführer im Vakuumanlagenbau, lernte ich den doppeldeutigen Spruch: »Wir haben das Vakuum im Kopf!« Mit dem Vakuum haben sich bereits die Griechen um 500 v. Chr. beschäftigt. Der Physiker definiert heute das Vakuum im strengen Sinne als einen Raum, der weder Materie noch Strahlung oder Kraftfelder enthält. Um das Vakuum technisch nutzbar zu machen, z. B. für die Deposition hochwertiger Dünnschichten, benötigen wir auf jeden Fall Materie sowie elektrische und magnetische Felder, unter Umständen auch Strahlung. Wir nutzen stark verdünnte Gase, um Niederdruckplasmen zu betreiben, die wiederum als Energielieferant für die Schichtabscheidung dienen.

Es ist das Prinzip der so genannten PVD-(Physical Vapor Deposition) oder PACVD-(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) Prozesse, die schichtbildenden Atome oder Moleküle an einem Ort A zu erzeugen und sie über eine gewisse Distanz im makroskopischen Bereich (wenige Zentimeter bis einige Dezimeter) zu einem Ort B zu transportieren, wo sie auf dem Substrat eine Schicht bilden. Eine entscheidende Größe ist dabei die »mittlere freie Weglänge λ«. Sie gibt an, welchen Weg ein Teilchen (Elektron, Atom, Molekül) im Mittel zurücklegen kann, bevor es mit einem anderen Teilchen zusammenstößt. 

Einteilung der Druckbereiche.
© Fraunhofer IST

Einteilung der Druckbereiche.

Wir kommen später darauf zurück und wollen uns zunächst kurz mit dem Druck beschäftigen. Die DIN 1314 definiert den Druck p von Fluiden (Gasen, Flüssigkeiten) als Quotienten aus Normalkraft auf eine Fläche und Inhalt dieser Fläche. Die entsprechende SI-Einheit ist:

1 bar = 1.000 mbar = 105 N/m2 = 105 Pa

Abgeleitet davon spricht man bei technischen Anwendungen häufig vom Partialdruck pi oder Totaldruck pt. Der Partialdruck eines bestimmten Gases ist derjenige Druck, den dieses Gas haben würde, wenn es allein in einem Behälter vorhanden wäre. Der Totaldruck in einem Behälter setzt sich aus der Summe der Partialdrücke aller darin befindlichen Gase zusammen. Nicht zuletzt aus dem Wetterbericht kennen wir schließlich den Normdruck pn oder Atmosphärendruck. Nach DIN 1343 ist dieser:

pn = 1.013,25 mbar = 1.013,25 hPa

Vakua, die wir mit entsprechendem technischen Aufwand auf der Erde herstellen können, umfassen etwa 15 Größenordnungen des Drucks. Die nebenstehende Abbildung zeigt die entsprechenden Druckbereiche. Dabei sind Drücke unterhalb von 10-10 mbar eher für die Kollisionsexperimente mit hochenergetischen Teilchen in Beschleunigern interessant, die wichtigsten Vakuumbeschichtungsprozesse spielen sich in einem Druckbereich zwischen 10-1 und 10-4 mbar ab. 

Formel zur Berechnung der »mittleren freien Weglänge« λ.

Formel zur Berechnung der »mittleren freien Weglänge« λ.

Das Abpumpen eines Gases aus einem Behälter mit festem Volumen dient der Verringerung der Teilchendichte und damit einer Erhöhung der mittleren freien Weglänge (Man denke an den Slogan einer bekannten Bankenkette: »Wir machen den Weg frei!«). Diese mittlere freie Weglänge ist eine Funktion der absoluten Gastemperatur T und der Stoßradien r1 und r2 der beiden beteiligten Partner, vor allem aber ist sie, wie man leicht einsieht, umgekehrt proportional zum Druck. Die explizite Formel ist links dargestellt. Vereinfacht heißt das: pλ = const, dabei enthält die Konstante die Größen T, r1 und r2.

 

In der folgenden Tabelle sind Teilchendichten und mittlere freie Weglängen für verschiedene »Gasatmosphären« zusammengestellt:

UMGEBUNG KANTENLÄNGE EINES WÜRFELFÖRMIGEN GEFÄSSE IM GEFÄSS ENTHALTENE TEILCHE MITTLERE FREIE WEGLÄNGE Λ DER TEILCHEN
LUFT BEI ATMOSPHÄRENDRUCK 0,001 mm 30.000.000 0,0000066 mm
LUFT AUF DEM MOUNT EVEREST 0,001 mm 9.000.000 0,00002 mm
ORBIT DES SPACE SHUTTLE 0,1 mm 1.000 1,68 km
INTERSTELLARER RAUM 1 cm 3 670.000.000 km
INTERGALAKTISCHER RAUM 10 m 1 180.000 Lichtjahre

 

Teilchen der uns umgebenden Luft können sich also im Mittel nur 66 nm weit bewegen, bevor sie auf ein anderes Teilchen treffen, während Teilchen im fernen Weltall ein relativ einsames Leben führen. Für eine Abschätzung mit oft ausreichender Genauigkeit kann man die folgende Formel benutzen:

pλ = 5 . 10-5 mbar . m

Für einen Beschichtungsprozess, der bei einem Druck von 10-2 mbar betrieben wird, ergibt sich dann eine mittlere freie Weglänge von 5 mm. Gute Beschichtungsanlagen, die dicht und deren innere Oberflächen sauber und trocken sind, erreichen vor dem Einlassen des Prozessgases Enddrücke um 10-6 oder 10-7 mbar. Solche Werte sind notwendig, um reaktive Gase wie Sauerstoff, Stickstoff oder den in atmosphärischer Luft immer enthaltenen Wasserdampf möglichst restlos zu entfernen und damit höchste Schichtqualitäten zu erzielen.

Wie die Vakuumerzeugung erfolgt und welche Größen dabei eine Rolle spielen, lesen Sie im kommenden Newsletter.