DE10050786A1 - Verfahren zur Partialdruck-Kalibrierung und Kalibriereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Mit bekannten, gasart-spezifischen Kalibrierfaktoren wird der Partialdruck von Reinstgasen am RGA gegen das DKD-kalibrierte Ionisations-Vakuummeter kalibriert. DOLLAR A Die Kalibriereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Partialdruck-Kalibrierung von Quadrupol-Massen-Spektrometern für Reinstgase im Ultrahochvakuum bei verschiedenen Drucken besteht aus: DOLLAR A einem Rezipienten, einem an den Rezipienten angeschlossenen Quadrupolmassenspektrometer, dem Residual-Gas-Analysator (RGA), einem an den Rezipienten angeschlossenen DKD-kalibrierten Ionisations-Vakuummeter, einer über ein Ventil am Rezipienten endenden Kapillare, über die das vorgesehene Gas eingelassen wird, einer zweiten, an der Zuleitung zur Kapillare über ein Eckventil angeflanschten Turbomolekularpumpe, einem Dosierventil am Anfang der Zuleitung, einer Flüssig-Stickstoff-Kühlfalle an der Zuleitung zwischen dem Dosierventil und dem Eckventil und einer für ein Grob- und Feinvakuum geeigneten Druckmeßröhre zwischen der Kühlfalle und dem Eingang zur Kapillare.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Partialdruck-Kali­ brierung von Quadrupol-Massen-Spektrometern für Reinstgase im Ultrahochvakuum bei verschiedenen Drucken und eine Kalibrier­ einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In den Ringbeschleunigern und Speicherringen ist im Rahmen der Restgasanalyse die Kenntnis der tatsächlichen Partialdrucke im Ultrahochvakuum, UHV, unerlässlich. Dies gilt vor allem für hochsensible Lebensdauer-Messungen von Ionenstrahlen. Die Le­ bensdauer wird durch den Wirkungsquerschnitt der Restgasatome bzw. -moleküle bestimmt. Darüber hinaus wird die Kenntnis der tatsächlichen Partialdrucke in Zukunft in anderen Branchen wie der Halbleiterindustrie interessant werden.

Die von den Quadrupolmassenspektrometern gemessenen Spektren können keine absoluten Partialdrucke der einzelnen Gase ange­ ben, da eine Kalibrierung nur für Gasmischungen erfolgt und somit nur qualitativ Massenspektren gemessen werden können. Bislang werden Quadrupolmassenspektrometer für eine qualita­ tive Kalibrierung mit einer Gasmischung, bestehend aus 7 Ga­ sen, kalibriert. Dabei werden die Gase über eine Blende mit definiertem Leitwert eingelassen.

Die konventionellen Kalibriermethoden, bei denen Gasmischungen eingelassen werden, lassen eine Absolutkalbrierung für Reinstgase nicht zu. Kapillar-Kalibrierlecks, die zur Kali­ brierung von Heliumlecksuchern eingesetzt werden, ermöglichen nur das Kalibrieren bei definierten Drucken, nicht aber über weite Druckbereiche.

Aus dieser Unzulänglichkeit heraus ist die Aufgabe entstanden, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich ein Verfahren zur Partialdruck-Kalibrierung im UHV von Quadrupol-Massen-Spektro­ metern für Reinstgase bei verschiedenen Drucken zu entwickeln und eine Kalibrier-Einrichtung zusammenzustellen, die mit die­ sem Verfahren betrieben werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 1 an einer Kalibrier-Einrichtung nach dem in Anspruch 6 gekenn­ zeichneten Aufbau gelöst.

Reinstgase werden über einen weiten Druckbereich, 10^-7 bis 10^-11 mbar, in den Rezipienten eingelassen und somit das Quadrupol­ massenspektrometer gegen ein DKD-kalibriertes Ionisationsvaku­ ummeter kalibriert. Verschiedene Gase werden durch gasartspe­ zifische Kalibrierfaktoren berücksichtigt.

Mit Hilfe dieses Verfahrens kann der absolute Partialdruck von Reinstgasen über weite Druckbereiche errechnet werden. Dabei wird aus dem abgelesenen Druck des jeweiligen Gases mittels einer durch das Verfahren ermittelten Regressionsfunktion, der Partialdruck PP_DKDrealGas, bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt über mehrere Ausheizzyklen.

In den Unteransprüchen 2 bis 5 sind weitere Verfahrensschritte beschrieben, die das grundsätzliche Verfahren in seiner Ergeb­ nisqualität erheblich unterstützen. So wird in Anspruch 2 auf die Wiederholung der Kalibrierung des Sekundär-Elektronen-Ver­ vielfachers (SEV), dem Channeltron, gegen den Faraday-Becher, beide Bestandteile des Quadrupol-Massen-Spektrometers, für das zu kalibrierende Gas vor jedem Meßvorgang hingewiesen. Über ein am Rezipienten angebrachtes Kalibrierleck wird mit einer konstanten Leckrate Gas (in diesem Fall Stickstoff) ein­ geleitet, wodurch die Empfindlichkeit des RGA, die mit zuneh­ mender Anzahl an Ausheizungen abnimmt, charakterisiert und be­ urteilt werden kann (Anspruch 3).

Auch wird nach Anspruch 4 das Kalibrierleck vor jeder Benut­ zung mit dem Betriebsgas mehrfach gespült.

Das Channeltron wird nach jedem Gas-Einlaß gegen den Faraday- Becher kalibriert (Anspruch 5).

Das Verfahren wird an einer Kalibriereinrichtung durchgeführt, die gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 aufgebaut ist:
An den Rezipienten ist eine erste Turbomolekularpumpe mit vor­ geschalteter Drehschieberpumpe über ein Ventil angeflanscht. Um das Vakuum in seiner notwendigen Qualität einstellen zu können, sind am Rezipienten noch eine Titanverdampfer- und Ionengetterpumpe angeschlossen. Das Quadrupol-Massen-Spektro­ meter, der Residual-Gas-Analysator (RGA), und das DKD-kali­ brierte Ionisationsvakuum-Meter sind auf einem Ring um den Mantel des Rezipienten daran angeflanscht. Hierbei ist die ge­ genseitige Lage von Wichtigkeit. Sie muß derart sein, daß man vom Funktionsraum des einen nicht den des andern einsehen kann. Die gasspezifische Kapillare endet über ein Ventil am Rezipienten. Über sie wird das zu detektierende Gas eingelas­ sen. Die Kapillare verschlechtert den Leitwert gezielt. Ihre maßgebenden Dimensionen, wie Länge und lichte Weite, sind gas­ spezifisch. Sie werden empirisch ermittelt, d. h. an den Ver­ fahrensablauf durch Vorversuch optimal angepaßt. An der Zulei­ tung zur Kapillaren sitzt die zweite Turbomolekularpumpe mit vorgeschalteter Drehschieberpumpe, die über das Eckventil an­ gekoppelt wird. Über das Dosierventil am Anfang der Zuleitung wird das zu messende Gas aus einem Reservoir eingeströmt. Die Zuleitung geht durch die Flüssig-Stickstoff-Kühlfalle, LN₂ li­ quid nitrogen. Sie sitzt zwischen dem Dosierventil und dem Eckventil. Von da, im weiteren Verlauf der Zuleitung zur Ka­ pillare sitzt die Grob- und Feinvakuum geeignete Druckmeßröhre zur Druckermittlung am Eingang der Kapillare. Als eine solche Druckmeßröhre ist eine Piraniröhre geeignet (Anspruch 7), aber auch mit einer kapazitive Druckmeßröhre kann der Druck erfaßt werden (Anspruch 8).

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Die Zeichnung besteht aus der:

Fig. 1 mit dem schematischen Aufbau der Kalibriereinrichtung,

Fig. 2 mit dem Verlauf der RGA Partialdruckkalibrierung für N₂ mit nur einem Heizzyklus.

Fig. 3 mit der Abweichung der Einzelwerte von der Regres­ sionsfunktion pp_{RGA N2} entsprechend Fig. 2.

Zunächst wird der Aufbau der Kalibriereinrichtung erläutert: Die Einrichtung besteht aus dem Rezipienten, an den die erste Turbomolekularpumpe mit vorgeschalteter Drehschieberpumpe, in der Fig. 1 am Rezipienten oben, über das Ventil angeschlossen ist. Weiter ist am Rezipienten die Ionengetter- und die Titan­ sublimationspumpe angebaut. Das am Rezipienten angeschlossene DKD-kalibrierten Ionisationsvakuummeter liegt mit dem Quadru­ pol-Massen-Spektrometer (RGA), auf einem Kreisring um die Man­ telfläche des Rezipienten. Dadurch ergeben sich für beide Meß­ geräte bezüglich Gaseinlass und Vakuumpumpe gleiche Leitwerte.

Die Kapillare, die hier für die N₂-Vermessung eine lichte Weite von 0,5 mm und eine Länge von 400 mm hat ist aus Edelstahl (1.4301). Sie endet vor dem Abschlußventil am Rezipienten. Durch sie wird zur Messung der Stickstoff eingelassen. Über dem Eckventil liegt die zweite Turbo-Molekular-Pumpe, die ebenfalls eine Drehschieberpumpe vorgeschaltet hat. Sie liegt zwischen dem Gasreservoir, der N₂-Gasflasche, und der Kapilla­ ren. Über das Dosierventil am Anfang der Zuleitung wird der N₂- Zustrom gesteuert. Wichtig ist die Flüssig-Stickstoff-Kühl­ falle an der Zuleitung zwischen dem Dosierventil und dem Eck­ ventil und die Druckmeßröhre zwischen der Kühlfalle und dem Eingang zur Kapillaren.

Das zu kalibrierende Gas wird durch die LN₂-Kühlfalle geleitet, um unerwünschte Bestandteile auszufrieren. Danach wird der Gaseinlaß mit dem Dosierventil und dem Eckventil am Stutzen der zweiten Turbopumpe so geregelt, daß sich an der Piranimeß­ röhre vor der Kapillare Drucke im Bereich von 10^-2 mbar bis 5 mbar einstellen.

Die jeweiligen Ventilstellungen von Dosierventil und Eckventil werden aufgenommen und in der Tabelle in der vorgesehenen Spalte niedergeschrieben (siehe unten). Durch die hohen Drucke vor der Kapillaren wird sichergestellt, daß das eingelassene Gas die von der Wand desorbierenden Gase bei weitem überkom­ pensiert. Untergrundgase durch Verunreinigungen oder Ausgasef­ fekte werden so mindestens minimiert.

Der mit dem Reinstgaseinlass verbundene Totaldruckanstieg wird mit dem DKD-kalibrierten Ionisationsvakuummeter, das einen ma­ ximalen Fehler von ±8% für Drucke im Bereich von 10^-4 < p < 10^-8 mbar hat, und den Partialdruckmessungen am Quadrupol-Mas­ senspektrometer synchronisiert. Dadurch wird mit den gasart­ spezifischen Kalibrierfaktoren der Partialdruck pp_N2 von Reinstgasen am RGA gegen das DKD-kalibrierte Ionisationsvaku­ ummeter kalibriert. Während der Kalibrierung wird durch Über­ prüfung festgestellt, daß andere Gase, wie z. B. H₂, H₂O, O₂, Ar, CO₂ keinen Anstieg im Rezipienten zeigen. Mit der Einrich­ tung und dem Verfahren besteht ein Reinstgas-Einlaß, hier N₂.

Die Alterungserscheinungen am Channeltron sind: Betriebsdauer, Restgasbedingung in Apparatur und Betriebsspannung, die sich bei Erhöhung abnehmend verhalten. Daher die Wiederholung der Kalibrierung gegen den Faraday-Becher vor jedem Meßvorgang. Optimal ist die Kalibrierung beim Druck von p_tot = 2 × 10^-9 mbar im Kalibrierrezipienten, so daß sich am Faraday-Becher und dem Channeltron ein Stickstoffpartialdruck von PP_N2 ^~ 4 × 10^-10 mbar einstellt. Geringere Drucke liefern kein stabiles Signal. An­ dere Ventilstellungen führen zum Einströmen von Verunreini­ gungen. Diese Kalibrierfunktion wird zur Kontrolle nach länge­ ren Pausen eingesetzt. Bei Verwendung anderer Gase ändern sich die Kalibrierdrucke, d. h. sie sind gasspezifisch.

Die Reproduzierbarkeit der Messungen wird, wie folgt, über­ prüft:
Die Abnahme der Empfindlichkeit mit zunehmender Ausheizhäufig­ keit, sowie die Reproduzierbarkeit der Partialdruckanzeige, wird durch Benutzung des Kalibrierlecks charakterisiert. Mit Hilfe des Kalibrierlecks,
q_LeckN2 = 2,08 × 10^-6 mbar 1/s ±1%, werden die Reinstgase zu re­ produzierbaren Bedingungen bei einem definierten pV-Durchfluß in den Rezipienten eingelassen. Das Kapillarleck wird vor Be­ nutzung mit dem Betriebsgas mehrfach gespült, da sonst atmos­ phärische Gase einströmen. Nach jedem Gaseinlaß wird das Chan­ neltron, wie erwähnt, kalibriert. Der Fehler der Reproduzier­ barkeit der RGA-Messung ist besser als ±11%.

Mit dieser Absolutkalibrierung des Quadrupol-Massen-Spektrome­ ters wird die zugehörige Regressionsfunktion für Stickstoff mit Rechnermitteln bestimmt, hier:

Es wird eine Meßgenauigkeit von ±48%, dem maximalen relativen Fehler, im Bereich von 2 × 10^-11 < p < 7 × 10^-10 mbar und von ±38% (max. rel. Fehler) im Bereich von p < 7 × 10^-10 mbar erreicht.

In Fig. 2 und 3 wurden, um die Übersichtlichkeit zu gewähr­ leisten, jeweils nur die Messungen des 1. Heizzyklus darge­ stellt. Für diesen Heizzyklus ergibt sich eine gemittelte Re­ gressionsfunktion von:

aufgelöst nach dem zu kalibrierenden Partialdruck PP_{DKD N2} er­ gibt sich:

Unter Einbeziehung von drei vollständig aufgenommen Ausheiz­ zyklen, Heizyklus 1.-3., mit jeweils mindestens drei Einzel­ messreihen über den gesamten Meßbereich ergibt sich die re­ gressionsfunktion:

Claims (8)

1. Verfahren zur Partialdruck-Kalibrierung von Quadrupol-Mas­ sen-Spektrometern für Reinstgase im Ultrahochvakuum bei verschiedenen Drucken, bestehend aus den Schritten:

• - das zu kalibrierende Gas wird zur Beseitigung störender Bestandteile durch eine Flüssig-Stickstoff-Kühlfallege­ leitet,
• - der Gaseinlaß wird mit einem Dosierventil und einem Eck­ ventil von einer Turbopumpe so geregelt, daß sich an ei­ ner Druckmeßröhre von einer durchzuströmenden Kapillare, die zur Leitwertverschlechterung dient, Drucke im Bereich von 10^-2 mbar bis 5 mbar einstellen,
• - der mit dem Reinstgas-Einlaß verbundene Druckanstieg wird mit einem DKD-kalibrierten (Deutsche-Kalibrier-Dienst) Ionisations-Vakuummeter und den Messungen des jeweiligen Partialdrucks an einem Quadrupol-Massen-Spektrometer, dem Residual-Gas-Analysator (RGA), synchronisiert, wodurch mit bekannten, gasartspezifischen Kalibrierfaktoren der Partialdruck von Reinstgasen an diesem RGA, gegen das DKD-kalibrierte Ionisations-Vakuummeter kalibriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung des Sekundär-Elektronen-Vervielfachers (SEV), dem Channeltron, gegen den Faraday-Becher, beide im Quadrupol-Massen-Spektrometer, für das zu kalibrierende Gas vor jedem Meßvorgang wiederholt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Rezipienten angebrachtes Kalibrierleck zur Ein­ leitung einer konstanten Leckrate entsprechend aufgedreht wird, wodurch die Empfindlichkeit des RGA, die mit zuneh­ mender Anzahl an Ausheizungen abnimmt, charakterisiert und beurteilt werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierleck vor jeder Benutzung mit dem Be­ triebsgas mehrfach gespült wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Channeltron nach jedem Gas-Einlaß gegen den Fara­ day-Becher kalibriert wird.

6. Kalibriereinrichtung zur Partialdruck-Kalibrierung von Quadrupol-Massen-Spektrometern für Reinstgase im Ultrahoch­ vakuum bei verschiedenen Drucken, bestehend aus:
einem Rezipienten, an den eine erste Turbomolekularpumpe mit vorgeschalteter Drehschieberpumpe über ein Ventil, eine Titanverdampfer- und eine Ionengetterpumpe ange­ schlossen sind,
einem an den Rezipienten angeschlossenen Quadrupolmassen­ spektrometer, dem Residual-Gas-Analysator (RGA),
einem an den Rezipienten angeschlossenen DKD-kalibrierten Ionisationsvakuum-Meter, das mit dem Quadrupol-Massen- Spektrometer (RGA) auf einem Kreisring um die Mantelflä­ che des Rezipienten so liegt, daß der jeweilige Funk­ tionsraum beider Meßeinrichtungen optisch getrennt ist,
einer über ein Ventil am Rezipienten endenden Kapillare, über die das vorgesehene Gas eingelassen wird.
einer zweiten, an der Zuleitung zur Kapillare über ein Eckventil angeflanschten Turbomolekularpumpe,
einem Dosierventil am Anfang der Zuleitung,
einer Flüssig-Stickstoff-Kühlfalle an der Zuleitung zwi­ schen dem Dosierventil und dem Eckventil und einer für ein Grob- und Feinvakuum geeigneten Druckmeßröhre zwi­ schen der Kühlfalle und dem Eingang zur Kapillaren.

7. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßröhre eine Piraniröhre ist.

8. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßröhre eine kapazitive Druckmeßröhre.