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Die Erfindung betrifft eine Orbitron-Pumpe gemäß der im
Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
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Es sind unterschiedliche Pumpen zur
Erzeugung von Vakuum, insbesondere von Hochvakuum und von Ultrahochvakuum,
bekannt. Unter Hochvakuum versteht man ein Vakuum bis 10–6 Torr.
Bei 10–7 bis
10–12 Torr
spricht man dagegen von einem Ultrahochvakuum. Beispielsweise wird
Ultrahochvakuum mit einer Kryo-Pumpe, einer Ionenzerstäuberpumpe oder
einer Ionen-Getter-Pumpe erzeugt.
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In der genannten Ionenzerstäuberpumpe wird
in einem magnetischen und elektrischen Feld das in dem zu evakuierenden
Raum befindliche Gas – Restgas – durch
Höhenstrahlung
gezündet,
d. h. es erfolgt durch die Höhenstrahlung
eine Initialzündung, die
eine selbsttätig
ablaufende Gasentladung bewirkt. Bei der Initialzündung werden
Ionen aus dem Restgas durch Teilchenstoß aus den Atomen des Restgases
erzeugt. Nach der Initialzündung
bilden sich durch die Gasentladung im Restgas Elektronen, die durch
das von einer Anode und einer Kathode gebildete elektrische Feld
beschleunigt werden. Diese Elektronen treffen dann auf weitere Atome
des Restgases, erzeugen wiederum durch Elektronenstoß Ionen,
die in Richtung auf die Kathode zu beschleunigt werden. Die Kathode
weist an ihrer Oberfläche
ein zu zerstäubendes
Gettermaterial auf. Durch den Einschlag der Ionen auf der Kathode
wird das Gettermaterial zerstäubt,
setzt sich auf der inneren Oberfläche des Pumpenraumes der Pumpe
ab und bildet dort eine aktive Getterschicht, die Restgas absorbiert.
Auf diese Weise wird der zu evakuierende Raum von dem Restgas fortlaufend
evakuiert. Der Strahlweg der das Restgas ionisierenden Elektronen,
die beim Ionisationsprozess durch Gasentladung erzeugt werden, wird
in einem starken Magnetfeld durch die Lorenzkraft verlängert, in
dem diese auf Kreisbahnen gezwungen werden.
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Mit einer Ionenzerstäuberpumpe
können Pumpleistungen
von mehreren 100 l/sec in vielen Litern großen, zu evakuierenden Räumen erreicht
werden. Nachteilig bei der Ionenzerstäuberpumpe ist jedoch die Abhängigkeit
vom Gasdruck, da die bei der Gasentladung erzeugte Elektronenzahl
und die von den Elektronen erzeugte Ionenzahl direkt voneinander
abhängen.
Ein Steuern des Evakuierungsprozesses, im Sinne von einem Verlangsamen
oder einem Beschleunigen, ist mit der Ionenzerstäuberpumpe nicht möglich.
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Weiterhin sind Orbitron-Pumpen bekannt, siehe
beispielsweise H. Hely, H. W. P. Koops, "Entwicklung einer kleinen differentiell
gepumpten Feldemissions-Elektronenquelle", Optik 49 (1977) No. 1, 127–132. Im
Gegensatz zu den Ionenzerstäuberpumpen,
die aufgrund ihrer nach der Initialzündung selbsttätig ablaufenden
Gasentladung elektrodynamisch reagieren, arbeiten die Orbitron-Pumpen
auf einem elektrostatischen Prinzip, bei dem durch fortlaufenden
Elektronenbeschuss aus einer Elektronenquelle die Ionen aus den
Atomen und Molekülen
des Restgases erzeugt werden.
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Bei diesen Orbitron-Pumpen dient
ein thermischer Elektronen-Emitter als Feldelektronenquelle, der
das Restgas mit einem Elektronenstrahl von einigen 100 eV Energie
und einigen μA
Stromstärke
fortlaufend beschießt.
Hierfür
werden die Elektronen von einem Feldelektronen-Emitter in Strahlrichtung über eine
Strecke beschleunigt, die größer ist
als die mittlere freie Weglänge
des Atoms des zu evakuierenden Gases. Anschließend wird der Flugweg der Elektronen
weiter verlängert,
jedoch nicht durch ein magnetisches Feld, wie bei der Ionenzerstäuberpumpe, sondern
durch ein elektrisches Feld. Bei diesem elektrischen Feld werden
die Elektronen in einem Zentral-Potentialfeld auf eine Kreisbahn,
also einem Orbit, um die Anode gezwungen. Hierbei umkreisen die Elektronen
die Anode mehrfach. Die Elektronen treffen auf die Atome und Moleküle des Restgases – Elektronenstoß – und erzeugen
Ionen. Die durch diesen Elektronenstoß im Orbit aus dem Restgas
erzeugten Ionen werden auf die Kathode der Orbitron-Pumpe beschleunigt.
Die Oberfläche
der Kathode besteht dabei ebenfalls aus Titan oder Gettermaterial,
was bei Einschlag der Ionen zerstäubt und auf der inneren Fläche der
Orbitron-Pumpe eine aktive Getterschicht bildet. Diese absorbiert
dann wieder das Restgas. Zudem werden auch Ionen in die Kathode
mit eingebettet.
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Derartige Orbitron-Pumpen haben ein
besonders hohes Saugvermögen.
Dieses beruht auf dem für
die Primärionisierung
aus einer Feldelektronenquelle, wie dem genann ten thermischen Elektronen-Emitter,
eingeschossenen hohen Elektronenstrahlstrom, mit welchem die Ionisation
des Restgases hochgehalten werden kann. Dadurch ist der Prozess
auch nicht vom Gasdruck abhängig,
da dieser in Abhängigkeit
des Elektronenstrahlstroms von der Feldelektronenquelle gesteuert
werden kann.
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Orbitron-Pumpen sind beispielsweise
aus der
US 3,339,106 mit
einem Glasbehälter
und aus der
US 3,371,853 mit
einem isolierte Durchführungen für die elektrischen
Bauteile, wie Elektrode und Kathode, aufweisenden Metallbehälter bekannt.
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Aus der
US 3,449,660 ist ebenfalls eine Orbitron-Pumpe
mit einem Metallbehälter
mit isolierten Durchführungen
für die
elektrischen Bauteile bekannt. Hier ist jedoch eine zweite Anode
vorgesehen, die es ermöglicht,
Sekundärelektronen
vom Elektronenstrom aufgrund druckabhängiger Ionisierung zu messen.
Dies verbessert die Vakuumanzeige. Die erste Anode dient zur Abschirmung
störender
Sekundärelektronen,
die aufgrund der thermischen Elektronenemission und damit verbundener
Photoeffekte entstehen und die Vakuummessung verfälschen würden.
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Beide Arten von Pumpen, sowohl die
Ionenzerstäuberpumpe
als auch die Orbitron-Pumpe, sind schwerbauende, sogenannte makroskopische
Aufbauten, die verhältnismäßig teuer
sind. Für
miniaturisierte Systeme sind solche Pumpen nicht einsetzbar, da
sie aufgrund ihrer groß bauenden
Ausbildung auch große
Vakuumdurchtrittsöffnungen
für eine
Verbindung zu großen
Nutzvakuumräumen
hin erfordern. Diese Pumpen müssen
auch immer durch eine über
ein Ventil absperrbare Vorpumpe in den Hochvakuum-Bereich von 10–6 Torr
vorevakuiert werden, bevor der eigentliche Pumpvorgang für die Schaffung des
Hochvakuums begonnen werden kann, weil sonst die Glühdrähte, aus
denen die Elektronen emittiert werden, mit dem Restgas reagieren
und verbrennen. Die Gasmengen, die in großen Systemen gepumpt werden
müssen,
liegen im Bereich 10–5 – 10–6 Torr
l/sec als Gasanfall, wodurch mit einem Saugvermögen von 1000 l/sec das Ultrahochvakuum
von 10–9 Torr
erreicht werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Orbitron-Pumpe zu schaffen, die wenig Platz benötigt und vor allem zur Schaffung
von einfachem Vakuum bis zu Ultrahochvakuum in einem kleinen Volumen
ausgelegt ist.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen
gelöst.
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Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zugrunde, dass es nicht zwingend notwendig ist, die Beschleunigungsstrecke
für die
einzuschießenden
Elektronen der Feldelektronenquelle größer als die mittlere freie Weglänge der
Atome und der Moleküle
des Restgases auszuführen,
sondern dass es genügt,
wenn die Beschleunigungsstrecke auch kleiner ausgebildet ist, da
nach der Beschleunigungsstrecke das Elektron sowieso auf einem Orbit
geführt
wird, um dort die mittlere freie Weglänge zu erreichen, indem es
ein Atom oder Molekül
des Restgases für
die Ionisation trifft. Hierdurch kann die Orbitron-Pumpe erheblich kleiner
ausgebildet werden. Zudem ist der Feldelektronen-Emitter kalt ausgeführt, wodurch
sich neue Anwendungsmöglichkeiten
ergeben, insbesondere die Möglichkeit
der Miniaturisierung. Beispielsweise kann ein Ultrahochvakuum in
einem kleinen Volumen auf kleiner Fläche auf einfache Weise hergestellt werden.
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Nach der Erfindung umfasst die Feldelektronenquelle
einen kalten Feldelektronen-Emitter und eine Beschleuniger-Elektrode,
welche die aus dem Feldelektronen-Emitter austretenden Elektronen in Richtung
auf das Feld beschleunigt, und der Abstand zwischen dem Feldelektronen-Emitter
und der Beschleuniger-Elektrode ist dabei kleiner als die mittlere freie
Weglänge
der Atome und Moleküle
des Restgases in dem Pumpenraum.
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Hierbei umfassen insbesondere die
Mittel zum Erzeugen eines Feldes im Pumpenraum eine Anode und eine
Kathode, die ein elektrisches Feld erzeugen, sodass die Kreisbahn
der Elektronen um die Anode herum verläuft. Zusätzlich wird die Anode im Raum
zwischen Elektronenquelle und Anode mit einem negativen Potentialring
umgeben, der zur Erzeugung einer die Elektronen im Orbit einschließenden Potentialverteilung
dient.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung weist der Pumpenraum ein Volumen von kleiner als 10
mm3 auf.
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Damit die Elektronen die Anode in
einem zylindersymmetrischen Zentral-Potentialfeld zwischen Anode
und Kathode umkreisen, liegt an der Anode eine positive Spannung
von bis zu 2000 Volt an.
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Um das zylindersymmetrische Zentral-Potentialfeld
zwischen der positiv geladenen Anode und der negativ geladenen Kathode
der Pumpe noch weiter zu verstärken
und zu gewährleisten,
dass die Ionen diese negativ geladene Kathode auch erreichen, liegt
an der Kathode eine negative Spannung von 0 Volt bis –3000 Volt,
insbesondere –200
Volt bis –2000 Volt,
an. Hierbei verlassen die Elektronen den Feldelektronen-Emitter
mit –30
Volt und dringen bei 0 Volt in das Zentral-Potentialfeld ein.
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Vor allem kann der Feldelektronen-Emitter die
Elektronen in Form eines Elektronenstrahls in eine Ebene senkrecht
zur Anode emittieren.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung bilden ein oder zwei Extraktoren die Beschleuniger-Elektrode,
die ein Extraktorpotential aufbauen, das zur Ausrichtung des Elektronenstrahls
in den Orbit in einer Ebene senkrecht zur Anode dient.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist ein Isolator vorgesehen, der zwischen der gegenüber der
Anode und dem Feldelektronen-Emitter isolierten Kathode und einem
Anodenträger
angeordnet ist.
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Der Feldelektronen-Emitter und die
Beschleuniger-Elektrode
sind in miniaturisierter Ausführung
mit korpuskularstrahlinduzierter Deposition, und die Anode und die
Kathode in miniaturisierter Ausführung
mit mikromechanischer Bautechnik hergestellt.
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Der den Feldelektronen-Emitter und
die Beschleuniger-Elektrode
tragende Isolatorbaustein und der Anodenträger mit Anode und Kathode sind
insbesondere durch anodische Bond- oder Klebetechnik zueinander
fixiert und vakuumdicht miteinander verbunden.
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Um zu erreichen, dass mehrere Elektronenstrahlen
die Ionisation und eine Symmetrisierung des Anodenpotentials für die Kreisbahn
bewirken, sind mehrere Feldelektronenquellen vorgesehen und um die
Anode herum angeordnet.
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Vorzugsweise umfasst die Feldelektronenquelle
eine Ionenspiegel-Elektroden-Anordnung mit einer Mittel- und einer
Endelektrode, die durch hier angelegtes Potential an der Mittelelektrode
zwischen Beschleunigerelektrode und der Endelektrode verhindert,
dass aus dem Pumpenraum kommende Ionen den kalten Feldelektronen-Emitter
erreichen und diesen zerstäuben.
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Damit durch Einschlag von Ionen auf
die Kathode von deren Oberfläche
zerstäubtes
Titan- oder Gettermaterial nicht in die Feldelektronenquelle gelangen
kann, ist diese in in den Isolator eingebrachten Hohlräumen angeordnet.
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Um die Pumpwirkung auch in einem
benachbarten Nutzvakuumraum zu gewährleisten, ist eine Öffnung im
Pumpenraum vorgesehen.
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Vorzugsweise ist die Kathode aus
Titan ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Kathode zumindest bereichsweise als Gitter
ausgeführt,
sodass das Gitterpotential begrenzend die Bewegung der Elektronen
auf der Kreisbahn ermöglicht,
aber die Durchlässigkeit
des Gitters und die Öffnungen
im Gitter das Durchtreten der im angrenzenden Nutzvakuumraum befindlichen Atome
des Restgases in den Pumpenraum ermöglicht, wodurch ein großer Saugquerschnitt
zu einem über
der Kathode befindlichen Nutzvakuumraum ermöglicht wird.
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Zudem oder alternativ hierzu kann
die Anode bereichsweise als Gitter ausgeführt sein, sodass das Gitterpotential
begrenzend die Bewegung der Elektronen auf der Kreisbahn ermöglicht,
aber die Durchlässigkeit
des Gitters und die Öffnungen
im Gitter das Durchtreten der im angrenzenden Nutzvakuumraum befindlichen
Atome des Restgases in den Pumpenraum ermöglicht, wodurch ein großer Saugquerschnitt
zu einem unter der Anode befindlichen Nutzvakuumraum ermöglicht wird.
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Um eine Redundanz für die Emission
von Elektronen zu gewährleisten,
sind vorzugsweise mehrere Feldelektronen-Emitter zu einem Bündel zusammengefasst.
Hierbei ist ein Ohmscher Vorwiderstand vorgesehen, der die Emission
von Elektronen aus dem Bündel
der Feldelektronen-Emitter regelt und stabilisiert, indem dieser
im Fall eines Ausfalls eines Feldelektronen-Emitters an den anderen
Feldelektronen-Emittern eine höhere
Betriebsspannung zum Ausgleich für
den ausgefallenen Feldelektronen-Emitter zur Verfügung stellt.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Anode mit einem leitfähigen Überzug, wie Kohlenstoff, versehen,
der eine besonders geringe Röntgenanregung
der mit 200 eV auftreffenden Elektronen ermöglicht, sodass ein geringerer,
durch Röntgenstrahlen
ausgelöster
Sekundärelektronenstrom
von der Kathode der Pumpe zur Anode fließt.
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Insbesondere dient der Strom zwischen
Kathode und Anode als Maß für den durch
den Elektronenbeschuss erzeugten Ionenstrom und damit für den Druck
des Restgases.
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Um das anfängliche Evakuieren des Restgases
zu beschleunigen, weist einer der Nutzvakuumräume eine durch Verdampfen niedergeschlagene Getterschicht
auf.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung im
Zusammenhang mit der Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Querschnitts durch eine miniaturisierte
Orbitron-Pumpe nach der Erfindung.
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In 1 ist
eine Orbitron-Pumpe 10 in einer schematischen Querschnittsansicht
dargestellt. Die Orbitron-Pumpe 10 ist
mit einem Siliziumträger 12 versehen,
auf den bereichsweise eine Isolatorschicht 14 aufgebracht
ist. Die Isolatorschicht 14 trägt wiederum eine Metallschicht 16,
die Leiterbahnen bildet, welche eine Feldelektronenquelle 18 mit
einem Extraktor 20 und einem Feldelektronen-Emitter 22 kontaktieren
und einen Potentialführenden
Ring 36 um die Anode führen.
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Anstelle eines Siliziumträgers 12 mit
einer Auflageisolatorschicht 14 kann auch ein massiver Isolator,
z. B. Glas, eingesetzt werden.
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In dem Siliziumträger 12 ist eine Anode 26 verankert.
Um die Anode 26 herum ist ein Pumpenraum 24 vorgesehen,
der einen Orbitbereich konzentrisch zur Anode 26 umfasst.
Der Orbitbereich des Pumpenraums 24 weist weder eine Isolatorschicht 14 noch
eine Metallschicht 16 auf. Zudem wird der Orbitbereich
des Pumpenraums 24 in axialer Richtung der Anode 26 von
der einen Seite durch den Siliziumträger 12 und von der
gegenüberliegenden
Seite von einer Titankathode 28 begrenzt. Die Titankathode 28 liegt
auf einem weiteren Isolator 30, der seinerseits auf der
Metallschicht 16 aufliegt.
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Zur Symmetrisierung des Potentials
sind vier Feldelektronenquellen 18 symmetrisch um die Anode 26 herum
angeordnet. Die Elektronen werden tangential zum Zentral-Potentialfeld in
eine Kreisbahn, also den Orbit, im Pumpenraum 24 um die
Anode 26 eingeschossen. Die Anode 26 ist durch
die Isolatoren 30 von der Titankathode 28 isoliert.
Das Potential für die
Kreisbahn der Elektronen wird durch die Anode 26, die Titankathode 28 und
den Potentialring 36 gebildet. Die Titankathode 30 ist
auch durch die Isolatoren 30 von dem Siliziumträger 12 getrennt
und isoliert aufgebaut. Zwischen den einzelnen Flächen der
Titankathode 28, der Isolatoren 30, der Metallschicht 16,
der Isolatorschicht 14 sowie des Siliziumträgers 12 befinden
sich jeweils anodische Bond- oder
Klebeverbindungen 32, die ultrahochvakuumdicht sind. Bevorzugt
könnte
ein Ultrahochvakuumklebemittel, wie z. B. Torrseal, eingesetzt werden.
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Die Feldelektronenquellen 18 sind
jeweils in einem Hohlraum im Isolator 30 eingebracht, der
die Titankathode 28 als flächige Decke trägt. Dabei
sind die Feldelektronenquellen 18 geschützt in dem Isolator 30 angeordnet,
sodass ihre empfindlichen Isolationsstrecken nicht von zerstäubten Atomen
der Titankathode 28 leitfähig überbrückt werden können. Der Pumpenraum 24 ist
gekapselt und als geschlossenes System ausgeführt. Zudem ist er durch eine Öffnung 38 mit
einem angrenzenden Nutzvakuumraum 34 verbunden.
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Der Aufbau der Feldelektronenquelle 18 mit Feldelektronen-Emitter 22 und
Extraktor 20 wird in Depositionstechnik ausgeführt. Die
Leiterbahnen und Isolatorausformung wird in Siliziumtechnik mit
Elektronenstrahl- oder
optischer Lithographie und einem "lift-off"-Prozess
zur Herstellung der Leiterbahnen in der Metallschicht 16 auf
einer Oxidschicht realisiert. In dieser Oxidschicht kann durch zusätzliche
Tief-Ätzung
der Isolationsweg zwischen den Leiterbahnen in der Metallschicht 16 verlängert werden.
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Diese Ätzung kann bis auf den das
Anodenpotential führenden
Siliziumträger 12 geätzt sein,
um so die Isolatorstrecken aus der Waagrechten in die Senkrechte
zu verlängern,
und durch eine durch Prozesstechnik gegebenenfalls erhaltene Unterschneidung
der Leiterbahnen der Metallschicht 16 den Isolationsweg
zu vergrößern und
den Belegungsschutz zu verbessern.
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Die Feldelektronenquellen 18 sind
entsprechend dem Stand der Technik zusammen mit dem Extraktor 20 mittels
elektronenstrahlinduzierter Deposition aufgebaut, siehe hierzu auch:
H. W. P. Koops, J. Kretz, M. Rudolph, M. Weber, G. Dahm, K. L. Lee, "Characterization
and application of materials grown by electron beam induced deposition", Jpn. J. Appl. Phys
Vol. 33 (1994) 7099–7107,
Part. 1 No. 12B, December 1994.
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Die Isolationsstrecke zwischen Feldelektronen-Emitter 22 und
Titankathode 28 ist durch photoätzbares Glas in miniaturisierter
Form hergestellt. Alle Bauteile sind miteinander durch oxydische
Bondtechnik anodisch verbunden oder aber durch eine Ultra-Hochvakuum-taugliche Vakuumklebetechnik
miteinander vakuumdicht verbunden. Mit Vorteil kann auch eine thermoplastische
Klebung mit lithographisch strukturierten Thermoplasten eingesetzt
werden.
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Bei der Orbitron-Pumpe 10 nach
der Erfindung handelt es sich somit um einen mikromechanischen Aufbau
mit den Isolatoren 14, 30, der Metallschicht 16 und
deponierten Strukturen, die als Feldelektronenquelle 18 dienen.
Derartige Feldelektronenquellen 18 werden auch Feldemissions-Strahlerzeuger
genannt. Die Orbitron-Pumpe 10 ist eine elektrostatische
Pumpe, mit welcher durch Elektronenbeschuss Ionen erzeugt werden,
indem die Elektronen auf eine Kreisbahn um die Anode 26 geschossenen werden
und die Ionen durch Ionisierung durch Elektroneneinfang aus dem
neutralen Restgas erzeugt werden.
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Diese Ionen werden durch die spezielle
Wahl des Potentials von Anode 26, Feldelektronenquelle 18 und
Titankathode 28 auf diese Titankathode 28 hin
beschleunigt und zerstäuben
die Oberflächenschicht
der Titankathode 28 aus Titan- oder Gettermaterial. Zudem
werden durch den von den Elektronen initiierten Ionenbeschuss zum
einen die Gasatome als Ionen in das Titan eingebettet und zum zweiten
die Oberfläche
der Titankathode 28 durch Kathodenzerstäubung abgetragen. Mit diesen
zerstäubten Atomen
wird die innere Oberfläche
der Orbitron-Pumpe 10 mit einer aktiven atomaren Getterschicht
belegt, welche mit dem Restgas chemisch reagiert und dieses bindet.
Beide Effekte erzeugen eine Verringerung des Drucks in dem zu evakuierenden Raum,
nämlich
dem Pumpenraum 24.
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Diese Orbitron-Pumpe 10 ist
geeignet, mit anderen Bauteilen zusammen zu einem System integriert
in großflächiger Technik
angewandt zu werden, z. B. in der Silizium-Mikromechanik oder der
planaren Halbleitertechnik, um dort mit dem Pumpenraum 24 verbundenen
Nutzvakuumraum zu Ultrahochvakuum zu evakuieren.
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Durch die Miniaturisierung des Volumens
der Orbitron-Pumpe 10 mit
Ultrahochvakuum wird der Gasanfall durch Gasabgabe von der Oberfläche, durch
Permeation durch die Wand und durch Gasabgabe aus dem Dichtungsmaterial
verringert. Mit einem geringeren Saugvermögen kann somit das Ultrahochvakuum
erreicht werden.
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Durch die Miniaturisierung mit mikromechanischer
und halbleitertechnologischer planarer Technologie, sowie durch
die korpuskularstrahlinduzierte Deposition mit Hilfe von Ionen oder
Elektronen wird es möglich,
diese elektrostatische Orbitron-Pumpe 10 herzustellen,
und diese auf einem Chip als Bauelement zu integrieren. In diese
Orbitron-Pumpe 10 wird an Stelle eines aus dem Stand der
Technik bekannten heißen
thermischen Elektronen-Emitters eine kalte Feldelektronenquelle 18 eingesetzt,
durch die ein hoher Primär-Elektronen-Strom
die Ionenerzeugungsrate hoch halten kann. Als Feldelektronenquellen 18 kommen
für miniaturisierte
Systeme keine thermischen, sondern nur kalte Feldelektronenquellen
in Frage, da miniaturisierte thermische Quellen die miniaturisierten
Bauteile schnell aufheizen. Dies führt zum Ausgasen der Materialien
und verhindert daher ihren Einsatz. Zusätzlich sind thermische Elektronenquellen
schwierig miniaturisiert herzustellen und zu betreiben.
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Miniaturisierte kalte Feldelektronenquellen sind
Stand der Technik und z. B, aus der
DE 44 16 597 A1 bekannt.
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Aus diesem Stand der Technik sind
Feldelektronen-Emitter
bekannt, die mit einer Extraktoranordnung zusammenwirken, um die
Elektronen zu beschleunigen. Der Abstand zwischen dem Feldelektronen-Emitter 22 und
dem Extraktor 20 ist die Beschleunigungsstrecke für die Elektronen.
Die Beschleunigungsstrecke ist dort gleich oder kleiner als die
mittlere freie Weglänge
der Atome und Moleküle des
zu evakuierenden Gases bei Normaldruck, also 760 Torr.
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Die aus dem Stand der Technik bekannte
miniaturisiert aufgebaute Feldelektronen-Emitter-Extraktor-Anordnung
weist einen integrierten Ionenspiegel auf und kann in integrierte
Schaltungen hinein auf vorgefertigten isolierten Leiterbahnen auf
wenigen μm
an Länge
und Breite aufgebaut werden.
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Nach der Erfindung wird eine derartig
miniaturisierte Feldelektronenquelle 18 in der miniaturisierten
Orbitron-Pumpe 10 verwendet. Da durch elektrostatische
Potentialführung
erreicht wird, dass die Elektronen in dem Orbit um die Anode 26 herum
fliegen, wird der Weg des Elektronenstrahls im Restgas stark verlängert und
auf diese Weise schließlich
die Ionisierung des Restgases erreicht.
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Auch in der miniaturisierten Orbitron-Pumpe 10 fliegen
die nicht ionisierten Atome des Restgases von Wand zu Wand, und
werden von den auf dem Orbit kreisenden Elektronen getroffen. So
ionisierte Gasatome werden dann durch das Potential der Titankathode 28 beschleunigt
und in diese eingebettet bzw. implantiert. Dabei ist die Titankathode 28 nicht mit
dem Feldelektronen-Emitter 22 zu
verwechseln. Die Titankathode 28 ist in der Orbitron-Pumpe 10 so angeordnet,
dass sie überwiegend
von diesen Ionen getroffen wird. So werden die aus dem Restgas erzeugten
Ionen in die Oberfläche
der Titankathode 28 deponiert und zerstäuben zusätzlich diese Oberfläche der
Titankathode 28.
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Durch geeignete Wahl der Spannung
an der Anode 26 zur Erzeugung der Kreisbahn der Elektronen
und des Einschusses der Elektronen in das Feld zwischen der Anode 26 und
der Titankathode 28 gelingt es, diese Ionisierungswahrscheinlichkeit
stark zu erhöhen
und den Pumpenraum 24 der Orbitron-Pumpe 10 bis
zum Ultrahochvakuum leer zu pumpen.
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Ein weiterer Vorteil der Orbitron-Pumpe 10 nach
der Erfindung ist, dass eine Vorpumpe zur Vorevakuierung des zu
evakuierenden Raumes der Pumpe entfällt. Dies ist möglich, da
der Feldelektronen-Emitter 22, der durch korpuskularstrahlinduzierte
Deposition hergestellt wird, bereits ab Normaldruck, also ab 760
Torr, arbeitet und Elektronen emittiert. Das ist möglich, weil
durch die miniaturisierte Aufbauweise der Abstand Feldelektronen-Emitter 22 zu
dem Extraktor 20 nur 0,3 μm groß ist, was ungefähr der Größenordnung
der mittleren freien Weglänge
der Atome des Restgases bei Normaldruck entspricht. Daher kann mit
der miniaturisierten Orbitron-Pumpe 10 nach der Erfindung
auch ein gekapselter Ultrahochvakuumraum ohne zusätzliche
Vorpumpe direkt evakuiert werden und auch den zu evakuierenden Raum,
also den Pumpenraum 24, und einen möglicherweise angrenzenden Nutzvakuumraum 34 bis
hin zum Ultrahochvakuum vollständig
evakuieren.
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Diese Betriebsweise ist mit thermischen
Kathoden für
Feldelektronenquellen nicht möglich,
da diese durch den Luftsauerstoff oxidieren und abbrennen. Man spart
durch die Betriebsweise und Konstruktion nach der Erfindung auch
die Vorpumpe, dazwischenliegende Rohrleitungen und ein Absperrventil,
mit welchem der Ultrahochvakuumraum vom Vorpumpenraum dicht abgetrennt
werden muss, um das Ultrahochvakuum in der Ionenzerstäuberpumpe oder
Orbitron-Pumpe gemäß dem Stand
der Technik zu erreichen.
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Durch Verbindung des Pumpenraumes 24 der
Orbitron-Pumpe 10 mit dem Nutzvakuumraum 34 mit
einem hohen Leitwert ist es möglich,
für diesen Nutzvakuumraum 34 das
erforderliche Vakuum, nämlich
Ultrahochvakuum, für
die darin befindlichen Experimente die Ultrahochvakuum erfordern,
zu ermöglichen.
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Dieser Nutzvakuumraum 34 kann
durch eine seitliche Öffnung
in dem Isolator 30, durch eine gitterförmig ausgebildete Titankathode 28 oder
durch eine gitterförmig
ausgebildete Anode 26 oder einen gitterförmig ausgebildeten
Anodenträger
an den Pumpenraum 24 mit hohem Leitwert angeschlossen sein.
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Die Elektronen werden von dem Feldelektronen-Emitter 22 mit
Potential 0 Volt emittiert, indem sie durch eine Beschleunigungsspannung
am Extraktor 20 aus der Spitze des Feldelektronen-Emitters 22 durch
Feldemission freigesetzt werden. Die Beschleunigungsspannung hat
einen positiven Wert zwischen 2 Volt und 70 Volt und beschleunigt
die Elektronen in den Orbit um die drahtförmige positive Anode 26.
Diese Anode 26 liegt auf positivem Potential mit einem
Wert zwischen 70 Volt und 2000 Volt. Die Anode 26 ist isoliert
gehaltert gegenüber
der flächig
ausgebildeten Titankathode 28, die auf negativem Potential
liegt. Das Potential der Titankathode 28 hat einen Wert
zwischen 0 Volt und –3000
Volt.
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Der Strom aus Elektronen, der aus
dem Feldelektronen-Emitter 22 für die Ionisation
im Pumpenraum 24 benötigt
wird, wird durch eine aktive Stabilisierung des Elektronenstrahls
durch eine vorgegebene Einstellung oder externe Maßnahmen
eingestellt. Zudem kann der Strom aus Elektronen durch eine aktive
Steuerung der Größe des Elektronenstromes
für die
verschiedenen zu pumpenden Vakuumbereiche entweder durch vorgegebene
Einstellung oder externe Maßnahmen
eingerichtet werden. Auf diese Weise kann die erforderliche Leistung
der Orbitron-Pumpe 10 gewählt und
eingestellt werden.
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- 10
- Orbitron-Pumpe
- 12
- Siliziumträger
- 14
- Isolatorschicht
- 16
- Metallschicht
- 18
- Feldelektronenquelle
- 20
- Extraktor
- 22
- Feldelektronen-Emitter
- 24
- Pumpenraum
- 26
- Anode
- 28
- Titankathode
- 30
- Isolator
- 32
- Klebeverbindung
- 34
- Nutzvakuumraum
- 36
- Potentialring
für die
elektrostatische Fläche
- 38
- Vakuumverbindung
zum Nutzvakuumraum