Edelstahllager für die Reinraumtechnik

Fremdkörper sind unerwünscht

In der Lagertechnik ist Edelstahl das Material der Wahl, wenn sowohl Oberflächenabnutzung als auch Partikelbildung möglichst zu vermeiden sind - wie dies in der Reinraumtechnik, Optik- und Lasertechnologie, Luft- und Raumfahrttechnik, medizinischen Forschung, keimfreien Lebensmittelproduktion oder in den Biowissenschaften der Fall ist.

Edelstahldünnringlager für Reinraumanwendungen. (Foto: Rodriguez)

Elektronische Bauteile wie Wafer und Mikrochips, ohne die beispielsweise moderne Haushalts- oder Kommunikationsgeräte sowie Industrie- und Sicherheitsapplikationen nicht denkbar wären, benötigen bei der Herstellung neben absoluter Präzision vor allem Sterilität. Um dies zu erreichen und eine Zerstörung der mikrometerkleinen integrierten Schaltkreise durch kleinste Partikel oder andere Verschmutzungen zu verhindern, werden sie in Rein- und Reinsträumen gefertigt. Für die Mitarbeiter bestehen hier eigene Vorschriften hinsichtlich der Arbeitskleidung - und auch für die verwendeten Werkzeuge und Produktionsanlagen gelten besondere Regeln der jeweiligen Reinraumklasse.

Ein entscheidendes Werkzeug bei der Herstellung und Miniaturisierung von Mikrochips sind Waferstepper und Waferscanner. Diese optischen Systeme projizieren die Strukturinformationen der integrierten Chips lithografisch auf Wafer aus Silizium. Die hochkomplexen Lithografiesysteme arbeiten in unterschiedlichen Temperaturbereichen unter Vakuum oder in speziellen Gasatmosphären, beispielsweise in einer absolut trockenen und aggressiven Stickstoffatmosphäre. Ihre Funktionalität muss den Anforderungen der Rein- und Reinstraumregeln genügen. Zudem fordern engste Toleranzen extrem präzise Mechaniken. Das gilt auch für die Lagerungen in den Objektivblenden der lithografischen Systeme. Diese Blenden werden üblicherweise kompakt und flach konstruiert. Hier sind entsprechend kleinbauende Lager mit einem minimalen Lagerspiel bei einem relativ geringen Drehmoment gefragt.

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Keinesfalls Abrieb im Reinraum!
Aufgrund der geforderten Qualitätsvorgaben hinsichtlich Präzision und Sauberkeit sind Standardlager beispielsweise aus dem Rodriguez-Portfolio keine Option. Die Komponenten müssen eine außergewöhnlich hohe Reinheit aufweisen; Lager in konventioneller Ausführung sind üblicherweise mit Schmierstoff ausgestattet, der unter Umständen ausgasen könnte. Zum Beispiel sind optische Geräte hochsensibel. Es wäre möglich, dass sich die Schmierstoff-Ausgasung auf der Optik des lithografischen Systems ablegt und dadurch dessen Funktionalität beeinträchtigt wird oder es sogar zerstört. Zudem können Lager in Hochvakuum-Anwendungen, wie sie ebenfalls in der Halbleiterindustrie zu finden sind, die Wärme nicht ableiten. Das kann zu einem Ausflocken des Schmierstoffs führen. Auch aus diesem Grund muss das Lager in der Blende dauerhaft im Trockenlauf arbeiten. Bei Wälzkörpern aus Stahl, die in Standardlagern eingesetzt werden, würde dies zu Abrieb führen und damit zu einer Überschreitung der Grenzwerte der zulässigen Partikel-Kontamination des Reinraums. Das jedoch ist unbedingt zu vermeiden, denn selbst kleinste Partikel können im Herstellungsprozess der Chips zum Ausfall führen. Andererseits beeinträchtigt der Abrieb im Lager dessen Laufeigenschaften, was sich wiederum nachteilig auf die Präzision und folglich auf die Optik auswirkt.

Um all diese Anforderungen zu erfüllen, werden bevorzugt Dünnringlager aus Edelstahl verbaut. Neben den produkttypischen Vorteilen - einem geringen Gewicht und einem kleinen Lagerquerschnitt, der auch bei steigenden Bohrungsdurchmessern konstant bleibt - haben diese Lager weitere günstige Eigenschaften für den Einsatz in Rein- und Reinsträumen. Edelstahldünnringlager wie die Lager der Reali-Slim-Baureihe von Kaydon minimieren Oberflächenabnutzung sowie Partikelbildung und sind korrosionsbeständig. Sie bestehen aus Edelstahllaufringen, nichtmetallischen oder Messingkäfigen sowie Kugeln aus Edelstahl oder Keramik. Speziell die Kombination aus Edelstahllaufringen und Kugeln beziehungsweise Rollen aus Keramik trägt zu einer besonderen Steifigkeit und einem niedrigen Drehmoment bei. Dadurch steigen Genauigkeit und Wiederholbarkeit, vor allem beim schmiermittelfreien Einsatz.

Wälzkörper aus Keramik
Rodriguez bietet diese Speziallager, die den besonderen Reinraumbedingungen gerecht werden, in vielen gängigen metrischen und zölligen Abmessungen an. Für die Lagerung in den Blenden der lithografischen Systeme zur Mikrochip-Herstellung eignet sich beispielsweise eine im Reinraum montierte Variante aus Edelstahl-Innen- beziehungsweise Außenringen mit Wälzkörpern aus Keramik und einem Kugelkäfig aus Teflon. Da Keramik im Gegensatz zu anderen Wälzkörperwerkstoffen wie Stahl chemisch stabil und korrosionsbeständig ist, lässt sich unerwünschter Abrieb oder die Bildung von Fremdkörpern durch den Einsatz von Keramikkugeln vermeiden. Sie haben ein höheres Elastizitätsmodul und machen dadurch das Lager steifer, weniger anfällig gegen Vibrationen und somit präziser. Keramikkugeln sind außerdem leicht und elektrisch isolierend. Bei aggressiven Umgebungsbedingungen muss auch das Käfigmaterial entsprechend beschaffen sein. So ist eine PTFE-Ausführung aufgrund der Reaktionsträgheit selbst gegen angreifende Säuren resistent. Das Material hat einen sehr geringen Reibungskoeffizient. Zudem ist die Haftreibung ebenso groß wie die Gleitreibung, sodass der Übergang vom Stillstand zur Bewegung ohne Rucken stattfindet.

pb

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