Referenz-Ionisationsvakuummeter IRG080
Das Referenz Ionisationsvakuummeter IRG080 setzt einen neuen Standard in der Kategorie der Vakuum-Ionenmessgeräte, da es Druckmessungen mit beispielloser Genauigkeit (<1%), Wiederholbarkeit (<1%) und Reproduzierbarkeit (<1%) liefert, ohne dass eine Kalibrierung erforderlich ist. Das Design, das der ISO TS 6737 entspricht, macht das IRG080 zum ersten Vakuummeter, das sich als Referenzstandard eignet.
Die präzise und stabile Messung des Vakuumdrucks ist ein wesentliches, aber schwer zu erreichendes Merkmal in fortschrittlichen industriellen Produktionsprozessen und in der Messtechnik. Ionisationsmessgeräte, die seit den 1950er Jahren eine Lösung für die Messung des Gesamtdrucks im Hoch- bis Ultrahochvakuum bieten, haben trotz fehlender Standardisierung ihre Vielseitigkeit unter Beweis gestellt.
Das Referenz Ionisationsvakuummeter IRG080 zeichnet sich durch sein innovatives Prinzip aus und setzt einen neuen Standard innerhalb der Klasse der Ionenmessgeräte. Das IRG080 basiert auf einem innovativen Konzept von Ionisationsvakuummessgeräten und kommt Anwendern zugute, die in anspruchsvollen Prozessen präzise Vakuumdruckmessungen für die Qualitätssicherung und eine kosteneffiziente Produktion benötigen. Dies gilt insbesondere für die fortschrittliche Prozess- und Fertigungsindustrie von Produkten mit hoher Wertschöpfung, wie z. B. Halbleiterchips und Solarzellen, sowie für Kalibrier- und Messanwendungen und die Übertragung von Standards.
Hochvakuum- und Ultrahochvakuum-Umgebungen (HV/UHV) werden für die Erforschung der Grundlagen unserer Welt sowie für die Entwicklung, Qualifizierung und Herstellung von Produkten mit hohem Mehrwert wie Halbleiterchips und Solarzellen genutzt. Die präzise, stabile und zuverlässige Messung des Vakuumdrucks ist daher ein wesentliches, aber anspruchsvolles Merkmal, das in fortschrittlichen industriellen Produktionsprozessen, in der Kalibrierung und in der Metrologie zum Einsatz kommt.
Das Referenz Ionisationsvakuummeter IRG080 ist eine einzigartige Vakuumsensorlösung, die die beste Genauigkeit für die Totaldruckmessung in Hoch- und Ultrahochvakuumsystemen bietet. Das IRG080 basiert auf einem innovativen Konzept eines Ionisationsvakuummessgeräts (die Glühkathode emittiert Elektronen, die auf einem geraden Weg in einen Faradayschen Becher wandern: die Weglänge der ionisierenden Elektronen ist als solche bekannt und wohldefiniert), das in Zusammenarbeit mit einem europaweiten Konsortium von Vakuuminstituten im Rahmen des europäischen Metrologieprogramms für Innovation und Forschung (EMPIR) im Projekt 16NRM05 entwickelt wurde. IRG080 ist das erste kommerzielle Produkt, das der zukünftigen internationalen Norm ISO TS 6737 entspricht und somit als Referenzstandard im Bereich von 10-6 Pa bis 10-2 Pa geeignet ist.
Mit seiner beispiellosen Genauigkeit (<1 %), besseren Wiederholbarkeit (<1 %), Reproduzierbarkeit (<1 %) und Langzeitstabilität in einem robusten Design kann das IRG080 Anwendern von anspruchsvollen Prozessen zugute kommen, die eine präzise Vakuumdruckmessung zur Qualitätssicherung und kostengünstigen Produktion erfordern. Im Besonderen:
- Fortgeschrittene industrielle Anwendungen, bei denen keine zeitaufwändige Kalibrierung oder Prozessanpassung erforderlich ist. Das Design des IRG080 basiert auf starren Komponenten, die mit bekannten und kontrollierbaren Toleranzen gebaut werden, und ermöglicht den Bau von Sensoren mit gleichbleibendem Verhalten in der Massenproduktion. Da die Empfindlichkeiten aller Prozessgase von vornherein mit hoher Genauigkeit bekannt sind, können einzelne Messgeräte in der industriellen Produktion ausgetauscht werden, ohne dass eine Kalibrierung erforderlich ist. Damit entfallen zeitaufwändige Prozessanpassungen, die zu ungeplanten Produktionsunterbrechungen und Produktivitätsverlusten führen.
- Kalibrierung von anderen Vakuummessgeräten und Massenspektrometern, Messung des Saugvermögens. Aufgrund seiner Transport- und Langzeitstabilität kann es auch von Kalibrierlaboratorien zur Kalibrierung von Vakuummessgeräten (ISO 3567) und von Anwendern zur Kalibrierung von Massenspektrometern (ISO/TS 20175) und/oder zur Messung von Ausgasungsraten (ISO TS 20177) verwendet werden. IRG080 wird auch die Messungen des Saugvermögens (Reihe ISO 21360) verbessern, da die relativen Empfindlichkeitsfaktoren genau bekannt sind.
- In der Metrologie dient das IRG080 als genaues Referenzmessgerät für Hochvakuum und als Transfernormal zwischen Kalibrierlaboratorien.
Die Elektronen werden von einer erhitzten Tantalscheibe emittiert. Die emittierten Elektronen werden durch einen Wehnelt-Zylinder und einen geerdeten Potentialring auf eine Austrittsöffnung am Ende des Anodenkäfigs fokussiert. Elektronen, die auf ihrer Flugbahn nicht gestreut werden und in die Austrittsöffnung eintreten, werden in einen Faraday-Becher umgelenkt, wo der ankommende Elektronenstrom gemessen wird. Die Elektronen, die das Volumen innerhalb des Anodenkäfigs durchqueren, können das Restgas durch Elektronenbeschuss ionisieren. Die erzeugten Ionen wandern zu einem exzentrisch platzierten Ionenkollektorstab, wo der Ionenstrom aufgefangen und gemessen wird. Der Ionenstrom ist proportional zur Gasdichte. Mit Hilfe des idealen Gasgesetzes kann aus der Ionendichte ein Gesamtdruck berechnet werden. Die Elektronen werden in Richtung des Faraday-Cups abgelenkt, um störende weiche Röntgenstrahlen oder elektronenstimulierte Desorption zu verhindern und zu reduzieren, die bei Standard-Bayard-Alpert-Messgeräten die Hauptfehlerquellen darstellen. Das Verhältnis zwischen dem ankommenden Strom am Faraday-Becher und dem emittierten Strom an der Kathode, das nahe bei eins liegt, ist eine einfache Kontrolle für das ordnungsgemäße Funktionieren des Geräts.
Die Hauptursache für ungenaue und instabile Empfindlichkeiten bei Bayard-Alpert-Messgeräten ist die instabile und nicht reproduzierbare Verteilung der Elektronenemission von Glühkathoden. Zu diesem Zweck gibt es 4 Anforderungen für den Entwurf eines stabilen Bayard-Alpert-Messgeräts (Bills et al., "New ionisation gauge geometries providing stable and reproducible sensitivities", J. Vac. Sci. Technol. A, 1984):
- Alle emittierten Elektronen müssen in den Ionisationsraum eintreten.
- Die Weglänge L (siehe Gl. (1)) und die Energie jedes Elektrons müssen unabhängig vom Ursprungspunkt auf der Kathode sein.
- Die Anzahl der Durchläufe durch den Ionisationsraum muss konstant sein (vorzugsweise gleich 1).
- Die Effizienz der Ionensammlung muss unabhängig vom Ursprungspunkt auf der Kathode sein.
Das Design des neuen IRG080 erfüllt alle 4 Anforderungen.
| Typische, Bayard-Alpert-Messgeräte | Neues IRG080 | |
| Alle emittierten Elektronen müssen in den Ionisationsraum eintreten. | Etwa 80-90 % der Elektronen treffen auf das Anodengitter, ohne in den Ionisationsraum innerhalb des Anodengitters einzudringen. | Wehnelt und Kollektorring sorgen für die Fokussierung der Elektronen in und durch den Ionisationsraum |
| Die Weglänge L und die Energie jedes Elektrons müssen unabhängig vom Ursprungspunkt auf der Kathode sein. | Es gibt eine große Bandbreite an Pfaden, Flugbahnen und Elektronenenergie | Pfad und Elektronenenergien sind bekannt. Die Ausbreitung des Elektronenstrahls ist minimal (da die Raumladung nicht vorhanden ist) |
| Die Anzahl der Durchläufe durch den Ionisationsraum muss konstant sein (vorzugsweise 1) | 0 zu mehreren Übergängen durch den Ionisationsraum | 1 |
| Der Wirkungsgrad der Ionensammlung muss unabhängig vom Entstehungsort auf der Kathode sein | nicht der Fall | Der Wirkungsgrad der Ionensammlung liegt sehr nahe bei 1 |
Die Empfindlichkeit des Messgeräts IRG080 für ein bestimmtes Gas kann nämlich berechnet werden, sobald der Ionisierungsquerschnitt bekannt ist, z. B. durch Nachschlagen in Tabellen von Büchern und wissenschaftlichen Arbeiten. Dadurch ist es möglich, den Druck des Gases in einer Vakuumkammer genau zu messen. Zuvor musste der gasabhängige Empfindlichkeitsfaktor durch experimentelle Tests ermittelt werden.
Darüber hinaus ermöglicht die robuste Konstruktion des Messgeräts den Transport vom Kalibrierungslabor zum Einsatzort, ohne dass man sich Sorgen machen muss, dass die Strukturen des Messgeräts auf dem Postweg einen Stoß erleiden, der die Position der filigranen Strukturelemente verschiebt und dadurch die gerade erhaltene Kalibrierung verändert.
Durch die Verwendung einer Emitterscheibe anstelle eines dünnen Glühfadens treten die Elektronen an einer definierten Stelle aus. In früheren Ionisationsmessgeräten variiert die Position des Filaments z. B. aufgrund von thermischer Ausdehnung und unvollkommener Federspannung des Filaments.
Die feste Startposition der Elektronen, die steife Geometrie des Messgeräts mit engen Toleranzen sowie die stabilen und bekannten Elektronenflugbahnen führen zu einer hochgradig reproduzierbaren, genauen Messung. Da das Messgerät so robust und präzise mit sehr engen Toleranzen gebaut ist und seine Empfindlichkeit aus grundlegenden Prinzipien abgeleitet ist, kann das Messgerät ohne zusätzliche Kalibrierung verwendet werden. Das spart Kalibrierkosten.
Das neue Design hat eine hohe Empfindlichkeit. Das bedeutet, dass mit demselben Elektronenemissionsstrom eine höhere Signalstärke erzielt werden kann.
| INFICON IRG080 | typische Bayard-Alpert-Messgeräte | Verbesserung IRG080 | |
| Sensibilität | 28 mbar-1 | 3.5 - 20 mbar-1 | 1.4 - 8x |
| Genauigkeit | 1 % | 15 % | 15x |
| Wiederholbarkeit Empfindlichkeit | 1 % | 20 % | 20x |
| Empfindlichkeit | ja | nein | |
| Benötigt Kalibrierung | Nein, denn vorhersagbare Empfindlichkeit | ja | |
| Stabilität | Robust und langfristig stabil | Weniger langfristig stabil |
Aufgrund der stabilen Eigenschaften des IRG080 wird vorgeschlagen, es zu einem Messstandard zu machen, wie in ISO/TS 6737 beschrieben.
Das Messgerät ist von Natur aus immun gegen das allgemeine Magnetfeld der Erde. Externe Magnetfelder treten manchmal bei Anwendungen auf, bei denen externe Magnetquellen (wie Kaltkathoden oder Teilchenstrahl-Lenkmagnete) verwendet werden. In diesem Fall kann das Eindringen des Feldes durch die Verwendung einer magnetischen Abschirmung in Form eines Mu-Metallrohrs anstelle eines Edelstahlrohrs abgeschwächt werden. Dieses Teil wird von INFICON als Standardzubehör angeboten.
Der IRG080 ist ein rein passiver Sensor, der eine Ausheiztemperatur von bis zu 400 °C zulässt (ohne Anschlussplatte).
Wie alle passiven Sensoren muss für seinen Betrieb ein externes Steuer- und Auslesegerät geliefert und über ein Kabel angeschlossen werden. Der INFICON Referenz Ionisationsvakuummeter-Controller IRC081 ist eine Lösung für Anwender, die ein kommerzielles Gerät suchen, und ist im INFICON-Katalog erhältlich.
