Hochvakuum Anwendungen
Auch wenn es seltsam klingen mag: der Einsatz von Luftlagern im Hochvakuum ist möglich, ohne den Versorgungsdruck signifikant zu erhöhen. In einer Prozesskammer mit Hochvakuum liegt der Druck im Bereich von 10-3 bis 10-7 mbar. Ein solches Vakuum wird beispielsweise in der EUV Lithographie benötigt.
Bei einem Luftlager strömt die Luft seitlich aus dem Lagerspalt in die freie Umgebung. Damit das Lager in einer Vakuum-Umgebung genutzt werden kann, muss diese Abluft außerhalb des Lagerspalts so gut wie möglich abgesaugt werden, bevor sie den Vakuumbereich einströmen kann. Dazu werden mehrere Absaugnuten in die Luftlagerfläche um die aktive Lagerfläche herum eingebracht. In Abbildung 1 ist ein Luftlager mit drei Absaugnuten gezeigt. Die Nuten werden mit Vakuumpumpen für unterschiedliche Druckbereiche verbunden. Die Flächen zwischen den Nuten und zwischen der äußersten Nut und der Umgebung befinden sich in derselben Ebene wie die aktive Luftlagerfläche. Der Spalt zur Gegenfläche beträgt somit - wie bei der aktiven Lagerfläche - nur wenige Mikrometer. Er bildet damit eine berührungsfreie Spaltdichtung, die verhindert, dass die Lagerluft ungehindert ins Vakuum strömt. Die Abluft vom Luftlager kann so wirksam abgesaugt werden, ohne dass sie ins Vakuum fließt.
In Abbildung 2 ist die Wirkung der dreistufigen Absaugung schematisch dargestellt. Die Höhe des Spalts zwischen Lager und Gegenfläche ist im Vergleich zu der Breite der drei Abluftnuten übertrieben dargestellt. Der Druck bzw. die Anzahl der Luftteilchen im Lagerspalt nimmt zum Vakuumbereich hin stark ab.
Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts mit dem IMMS in Ilmenau wurde die Tauglichkeit der Luftlager für Hochvakuum-Anwendungen untersucht. Abbildung 3 zeigt die Spalthöhe d und den Druckverlauf an unterschiedlichen Stellen beim Ein- und Ausschalten des Versorgungsdruckes. Nach dem Einschalten des Versorgungsdrucks erhöht sich der Luftspalt auf ca. 8 µm - sowohl im aktiven Luftlagerbereich als auch bei den Spaltdichtflächen zwischen den Absaugnuten bzw. zum Vakuumbereich. Der Druck gemessen in der Hochvakuumkammer (rote Kurve) ändert sich unmerklich und bleibt die ganze Zeit unter 1x10-6 mbar.
Dies zeigt, dass Luftlager mit entsprechenden Absaugnuten für den Einsatz im Hochvakuum geeignet sind.
Abbildung 1: Rundes Luftlager mit drei Absaugnuten. Die aktive Lagerfläche mit Laserdüsen befindet sich in der Mitte.
Abbildung 2: Schema zur Funktionsweise der Abluftnuten und der Spaltdichtung zwischen Lager und Gegenfläche.
Abbildung 3: Messung des Druckverlaufs beim Einschalten (55s) und Ausschalten (128s) der Versorgungsluft des Luftlagers. Oben ist der Luftspalt (gemessen in den drei Spaltdichtungen), unten der Druck in der Kammer (rot) und in den Absaugnuten dargestellt. Der Versorgungsdruck beträgt 1 bar, die Lagerlast 50 N.