WO2008067681A1 - Elektronenquelle für vakuumdruckmessgerät - Google Patents

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WO2008067681A1
WO2008067681A1 PCT/CH2007/000588 CH2007000588W WO2008067681A1 WO 2008067681 A1 WO2008067681 A1 WO 2008067681A1 CH 2007000588 W CH2007000588 W CH 2007000588W WO 2008067681 A1 WO2008067681 A1 WO 2008067681A1
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WO
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vacuum
vacuum pressure
pressure gauge
nanomembrane
cathode
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PCT/CH2007/000588
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Wolfram Knapp
Martin Wüest
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Inficon Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/30—Vacuum gauges by making use of ionisation effects
    • G01L21/32—Vacuum gauges by making use of ionisation effects using electric discharge tubes with thermionic cathodes
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    • G01L21/30—Vacuum gauges by making use of ionisation effects
    • G01L21/34—Vacuum gauges by making use of ionisation effects using electric discharge tubes with cold cathodes

Definitions

  • the invention relates to a vacuum pressure gauge with an electron source and with a reaction zone for the formation of ions by impact ionization, according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to the vacuum pressure measurement or vacuum pressure gauges, which is based on ionization of the gas molecules, both for the total pressure measurement (lonisationsmanometer) and for the partial pressure measurement (mass spectrometer).
  • an electron source is necessary, which is arranged in close proximity to the ionization space, as is known in the prior art.
  • the electron source has under measurement conditions in vacuum pressure ranges of less than 1 Pa (10 2 mbar), in high pressure measuring tubes 1 to 2 decades higher, the task of emitting electrons in the ionization space.
  • For the electron emission especially hot cathodes (annealing emission) have been used.
  • electron sources with field emitters (field emission) have also been proposed for vacuum pressure measurement, which hitherto could not prevail commercially in terms of their conditions of use and / or the production outlay.
  • An interaction between the electron source and the ionization or measuring chamber is conditionally necessary in such vacuum pressure measuring cells.
  • a rapid ventilation of the arrangement for example for opening a process vacuum chamber for the charging of workpieces to be treated, is particularly problematic because the oxygen attack leads to the destruction of the active, electron-emitting hot cathode (see incandescent lamp).
  • special protective measures must be taken in each case.
  • Further problems arise with contaminations, above all by means of propellants Backing pumps, such as rotary vane pumps.
  • the present invention has the object of protecting the electron source of a vacuum pressure measuring device from the influences of the vacuum processes in which such measuring devices are used.
  • a protection should also be realized in relation to ventilation of the vacuum process chambers and thus also of the measuring device, so that the electron source is not unduly contaminated or even destroyed or expensive additional electronic protective measures are necessary.
  • sensitive vacuum processes are to be protected from harmful emissions of the measuring cell itself and in particular those that emanate from the electron source of the measuring cell.
  • the measuring cell should be economical to produce.
  • the vacuum pressure measuring device contains an electron source with a reaction zone for the formation of ions by collision, wherein the electron source is communicatively connected to the reaction zone via a passage opening for the electrons.
  • the electron source is enclosed by an insulating housing with a vacuum space, and a wall part is formed as a membrane carrier which at least in a partial area carries a nanomembrane which separates the vacuum space from the outside in a gas-tight manner and at least partially electron-permeable, wherein in this vacuum space, a cathode is arranged for the emission of electrons and that in the region and / or on the nanomembrane an anode arrangement is provided such that electrons against the nanomembrane and at least partially therethrough are passed, wherein the nanomembrane adjacent to the vacuum space of the vacuum pressure gauge.
  • the electron source is thus eliminated by decoupling electron source and ionization or measuring space by a vacuum-technically effective separation of both regions, while maintaining the ionization principle.
  • the separation is achieved by encapsulating the electron source in a vacuum-tight manner in a housing and arranging a nanomembrane between the electron source and the ionization or measuring space such that electrostatically accelerated electrons (electron beam) pass through the nanomembrane.
  • this nanomembrane prevents gas and ion exchange between the electron source region and the ionization or measurement space.
  • a substantial advantage of the separation of electron source and ionization or measuring space by means of a nanomembrane is that very different physical and chemical conditions, in particular also vacuum conditions, can be maintained or adjusted separately in both spatial regions, even during a vacuum total. Partial pressure measurement, resulting in new or extended applications for such vacuum pressure gauges.
  • the electrode arrangement is to be designed so that a maximum electron transmission through the nanomembrane is achieved, preferably below Use of suitable cathode and anode materials, arrangements and geometries.
  • the nanomembrane is permeable for appropriately accelerated electrons. It must be gas-tight, so the evacuated housing with the sensitive parts, such as cathodes, to reliably separate the electrons from the external influences and thereby protect and still be sufficiently permeable to accelerated electrons.
  • the pressure difference, which the membrane has to withstand in extreme cases, can in this case go up to about 1.5 times the atmospheric pressure, for example if a process chamber is vacuumed very quickly with the vacuum pressure gauge. Accordingly, high demands are placed on this nanomembrane.
  • Suitable materials for this membrane are: metal foils and preferably ceramic membranes, preferably nitride (eg Si 3 N 4 ) and oxide ceramics, in particular aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) because these materials are especially temperature- and etch-resistant. Also possible are mixed forms of ceramics. The use of alpha-alumina or, preferably, sapphire or mixed forms thereof is advantageous. When using a metal foil as a nanomembrane (5), this advantageously consists of a nickel, aluminum, copper or noble metal foil or alloys thereof. A very cost-effective embodiment is that the nanomembrane (5) is formed from a stainless steel foil, preferably from the same material of the housing wall (42) of the vacuum gauge.
  • nitride eg Si 3 N 4
  • oxide ceramics in particular aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) and yttrium oxide (
  • the thickness of the membrane is in the range of 25 to 500 nm, preferably in the range of 100 to 200 nm and is vacuum-tight.
  • the surface sizes can be in the range of 0.1 to 40.0 mm 2 .
  • Particularly suitable surface sizes are in the range of 0.1 to 1.0 mm 2 , preferably in the range of 0.3 to 0.7 mm 2 .
  • a square shape 0.1 x 0.1 mm 2 to 1, O x 1, 0 mm 2 preferably square from 0.3 x 0.3 mm 2 to 0.5 x 0.5 mm 2 , or circular with Diameter 0.3 mm to 0.7 mm or even rectangular with the narrow side in the preferred dimensions 0.3 mm to 0.5 mm with lengths up to a few centimeters depending on the application needs adapted to the geometry of the electron emitter or cathode used.
  • the dimensions are also adjusted depending on the material and the thickness of the nanomembrane, wherein the maintenance of vacuum tightness under operating conditions is an important dimensioning criterion. In addition, care must be taken that the membrane can withstand the atmospheric pressure that occurs when the system is ventilated and is not destroyed. The thickness and dimensions of the material used must be carefully dimensioned accordingly. It is favorable if dimensioning is carried out in such a way that the extent in one direction at such a load through aeration is a maximum of 0.7 mm, preferably a maximum of 0.5 mm. For the stability of the nanomembrane to atmospheric pressure, it is sufficient if these have a max. Width less than about 0.7 mm (width depending on the nanomembrane thickness) has.
  • the length can then be adjusted arbitrarily, ie the application task, eg for a line emitter with the length of the anode grid in a Bayard-Alpert measuring tube (BAG).
  • the entire surface can thus be larger than 40mm 2 .
  • the electrons are accelerated away from the electron emitter or the cathode with an accelerating voltage against the membrane window, so that they have enough energy to pass through the membrane effectively with a corresponding degree of efficiency.
  • the anode voltage is a grid arrangement in front of the membrane or the membrane itself.
  • the acceleration voltage between cathode and anode is in the range of a few kV up to several 10 kV, preferably in the range of 5 kV to 50 kV and in particular in the range of preferably 10KV to 50KV. It is selected, for example, depending on the thickness of the membrane and the material, preferably a ceramic, such that an electron transmission of more than 90% is achieved.
  • the acceleration voltage V E for extraction and transmission of the electrons through the nanomembrane should not be chosen larger than necessary, so that the ionization probability does not decrease significantly and the effort for the anode voltage supply V A remains limited.
  • the nanomembrane is produced, for example, by etching from the materials Si 3 N 4 , SiO 2 or SiC material, as is known from the prior art.
  • Such examples are presented in: Friedemann Völklein, Thomas Zetterer "Introduction to Microsystems Technology - Fundamentals and Practical Examples" Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig / Wiesbaden, August 2000 (ISBN 3-528-03891-8).
  • An advantageous effect of the invention is the prevention of gas- or ion-based interactions between electron source region and ionization or measuring range. That is the condition for the
  • cathodes as known from tube technology, in particular television tube technology (CRT), but which are sensitive to oxygen (poisoning or destruction of the cathode), for example during aeration of the vacuum process system or the vacuum pressure measuring device.
  • CRT television tube technology
  • Such cathodes for CRT's are produced in large quantities cost-effectively and with high constant quality.
  • field emission cathodes in particular of the type microtip or carbon nanotube (CNT).
  • Nanostructured field emission surfaces such as a structured field emission film which is deposited on a cathode support, or the surface is structured on the solid material of the support and is preferably made of a stainless steel, are also particularly suitable.
  • a field emission cathode of this type is disclosed in the patent application US 2006/0202701 A1 and its content is explained as an integral part of the present application.
  • FIG. 1 shows schematically and in cross-section an electron source according to the invention with a directly heated hot cathode, arranged inside the housing,
  • FIG. 2 shows schematically and in cross section an electron source according to the invention with an indirectly heated hot cathode, disposed within the housing,
  • FIG. 5 shows a detailed detail of the diode arrangement according to FIG. 4 with microtip field emitter cathode
  • FIG. 6 shows a detail of the diode arrangement according to FIG. 4 with field emitter cathode as CNT field emitter, FIG.
  • FIG. 7 shows a detailed detail of the diode arrangement according to FIG. 4 with field emitter cathode, which is designed as a nanostructured surface or as a structured applied field emitter thin film,
  • FIG. 8 shows an ionization total pressure measuring cell with electron source mounted laterally on the housing wall of the measuring cell
  • FIG. 10 shows an ionization total pressure measuring cell with an electron source mounted inside the measuring cell, in which the housing of the electron source has an opening which connects the vacuum space of the electron source to the vacuum space of the total pressure measuring cell,
  • the electron source 1 comprises an insulating housing 6, for example of a ceramic, which encloses a vacuum space 7 and on one side on the housing wall, a nanomembrane 5 with the thickness d n and the dimensions di at square, circular or rectangular (while in the second side dimension freely selectable) membrane design which separates the vacuum chamber 7 from the environment gas-tight.
  • the environment is another vacuum zone which forms part of a vacuum pressure gauge or a mass spectrometer which is communicatively connected to fulfill its measuring task with a vacuum chamber in which a vacuum process takes place.
  • the membrane 5 is advantageously arranged on a membrane carrier 4, which can advantageously form part of the wall of the housing 6 directly.
  • the vacuum within the housing 6 is maintained advantageously by a getter 8 to a good and stable vacuum preferably better than 10 "6 mbar, to be able to maintain. Getter 8 may be disposed directly within the housing 6 or au- sser Halb of the housing 6 in an encapsulated separate volume which is connected through an opening to the vacuum space 7.
  • the housing has dimensions ranging from a few mm to a few cm, making it compact and usable as a module
  • the housing 6 has a connection or connection with a vacuum valve with a vacuum pump system arranged thereon, preferably with a turbomolecular pump, for the continuous or discontinuous maintenance of the vacuum conditions A getter 8 is then no longer necessary.
  • a cathode 2 is arranged, which is carried out sealingly via a bushing 10 with connection contacts through the housing wall in order to connect them with an electrical power supply can.
  • the cathodes 2 can be designed in different ways. Opposite the cathode 2, spaced apart with the distance a, a1, in the region of the membrane 5, an anode 3 is arranged, which in turn is connected to a lead-out terminal contact 11 is.
  • the anode 3 may surround the membrane 5 or is formed as a lattice structure, which is arranged over the membrane surface, wherein the anode 3 also advantageously serves to dissipate the heat loss from the membrane 5.
  • the cathode 2 can be designed in various ways, and thus also the cathode-anode configuration.
  • FIG. 1 shows an electron source with a hot cathode or a thermionic cathode 2 as electron emitter, which is arranged at a distance from the anode 3 and the membrane 5 by a1.
  • Distance a1 here is chosen slightly larger, also to keep the thermal load of the membrane 5 within limits. In the case of thermionic cathodes 2, it is necessary to focus specifically on the thermal load in the dimensioning of the membrane 5 with the
  • Membrane carrier 4 are respected.
  • thermionic cathode 2 is shown as an indirectly heated, highly efficient cathode with surface emitter in Figure 2.
  • the cathode-anode distance a1 can also be chosen slightly lower.
  • the cathode 2 is designed as a field emitter, for example as a field center array.
  • the field emitter is in this case arranged on a cathode support 9 or formed thereon.
  • a control grid 12 is advantageously arranged, which is positioned at a short distance with a spacer 13 in front of the areally arranged field emitter.
  • the control grid 12 also serves as an extraction grid for the extraction of the electrons and is connected to an electrical connection 14 which is also guided to the outside to drive.
  • This arrangement forms a triode configuration with the cathode 2, the grid 12 and the anode 3. In this case, the distance a1 between the cathode 2 with grid 12 from the anode 3 is rather chosen.
  • FIG. 4 shows a diode configuration.
  • the field emission cathode arranged flat on the cathode support 9 is brought to the membrane 5 at a smaller distance a1, so that no control grid 12 is necessary.
  • Various preferred embodiments of field emitter cathodes 2 are shown in detail section 15 in FIGS. 5 to 7.
  • the field emitter arrangements shown there can be used both in the triode and in the diode configuration, ie with or without control grid 12.
  • FIG. 5 shows an arrangement with a microtip field emitter cathode.
  • cathode 2 a plurality of small tips are arranged in a surface, preferably a plane, which emit electrons at a sufficiently high field strength, the microtip field emitter cathode having a long service life protected by the diaphragm 5.
  • FIG. 6 shows the diode arrangement according to FIG. 4, in which the field emitter cathode is designed as a carbon nanotube (CNT) field emitter.
  • CNT carbon nanotube
  • a field emitter cathode which is designed as a nanostructured surface or as a structured applied field emitter thin layer. In this case, for example, by etching the surface of a layer or the support material itself on the surface tip-like or edge-like electron-emissive structures are generated from the base material.
  • Very advantageous here is the direct use of the carrier material 9, in particular if it consists of an Inox material.
  • a preferred use of the electron source 1, according to the present invention, is schematically for total pressure vacuum measuring cells and shown for example in Figures 8 to 10. It is an ionization cell or tube, such as the Art Bayard-Alpert tube or an extractor gauge.
  • the measuring cell is arranged on a base plate 41. This carries the tubular measuring cell housing wall 42, which accommodates the anode 45 which is arranged spirally or lattice-like in it and which encloses the reaction space 30 with the ion collector 44 arranged therein.
  • the electron source 1 according to the invention tion is arranged laterally on the wall 42 in which an opening 40 is formed for the passage of the electrons.
  • the electrons are thus injected directly from the membrane 5 of the electron source 1 via the opening 40 into the reaction zone 30 of the measuring cell. Due to the completely gas-tight encapsulation of the electron source 1, it is protected and there are no impurities which can disturb a measurement.
  • the acceleration voltage V E which is applied between the cathode 2 of the electron source 1 and the housing of the measuring cell, the base plate 41 and the wall 42, the electrons can be extracted and fed into the measuring cell.
  • the measuring cell is operated in a known manner with an anode voltage V A and a regulator 46, which regulates this constant by detecting the anode current U.
  • the measuring cell includes the measurement of the ion collector current hc with appropriate evaluation for vacuum pressure determination.
  • FIG. 10 shows the vacuum pressure measuring cell with an axial arrangement of the electron source 1, wherein it is arranged inside the measuring cell and the membrane 5 is directed against the reaction zone 30.
  • This integrated design is possible because the electron source 1 can be realized with small dimensions.
  • FIG. 10 A particularly inexpensive type of training is shown in FIG. 10 where the electron source housing 6 is indirectly communicatively connected via an opening to the vacuum region of the measuring cell. The opening is remote from the reaction zone 30 of the measuring cell, so that the electron source housing 6 acts as a shield and protects the inner region of the electron source 1 and also the measuring cell from undesired influences, while ensuring the electron transmission into the reaction space 30 via the membrane 5.
  • no additional expense is necessary to generate and maintain a vacuum 7 within the electron source. However, then a complete protection of the electron source 1, for example in a ventilation no longer exists.
  • FIG. 11 shows a further preferred embodiment.
  • a brake grid 43 is arranged in the vacuum gauge.
  • V 6 a braking voltage
  • the kinetic energy of the electrons transmitted through the nanomembrane 5 can be lowered so far that a higher ionization probability of the gas molecules in the reaction zone 30 and thus a higher measurement sensitivity of the vacuum gauge, eg to extend the lower vacuum pressure measurement limit, is set.
  • FIG. 12 shows a further preferred application for partial pressure measuring devices, such as mass spectrometers, in section, along the longitudinal axis, the electron source 1 being arranged orthogonal to the ion source, for the radial feeding of the electrons into the ion source, that is to say the reaction zone 30, mass spectrometer.
  • the electrons 21 pass through the membrane 5 and are guided with the electron extraction lens 25, which surrounds the reaction zone 30 like a chamber through an opening 40 in this zone.
  • the neutral particles 20 to be measured are ionized by ionization and ions 22 are formed.
  • one or more openings 23 are provided for introducing the neutral particles to be analyzed 20.
  • this chamber 3 closes off again with an ion extraction lens 24 for extraction of the ions 22 formed which further lenses 26, focusing lens 27, injection aperture 28 are guided into the analysis system of the mass spectrometer 29.
  • the electron source 1 and thus the electron injection can also take place in the axial direction when the arrangement is to be carried out particularly easily.
  • the radial arrangement is preferred because of the better measurement quality.
  • the electron source 1 according to the invention can be advantageously used in various types of mass spectrometers.
  • a quadrupole mass spectrometer is particularly suitable here, as has been described in the present example according to FIG. 11, since the membrane separation of the electron source 1 guarantees particularly pure conditions, which leads to high measurement resolution and reproducibility of the measurements.

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Abstract

Das Vakuumdruckmessgerät enthält eine Elektronenquelle (1) mit einer Reaktionszone (30) zur Bildung von Ionen (22) durch Stossionisation, wobei die Elektronenquelle (1) mit der Reaktionszone (30) über eine Durchtrittsöffnung (40) für die Elektronen (21) kommunizierend verbunden ist. Die Elektronenquelle wird von einem isolierenden Gehäuse mit einem Vakuumraum (7) umschlossen, und ein Wandungsteil ist als Membranträger (4) ausgebildet welcher mindestens in einem Teilbereich eine Nanomembran (5) trägt, die den Vakuumraum (7) gegenüber dem Aussenbereich gasdichtend trennt und mindestens zu einem Teil elektronendurchlässig ausgebildet ist, wobei in diesem Vakuumraum (7) eine Kathode (2) angeordnet ist zur Emission von Elektronen (21) und dass im Bereich und / oder an der Nanomembran (5) eine Anodenanordnung (3) derart vorgesehen ist, dass Elektronen (21) gegen die Nanomembran (5) und mindesten teilweise durch diese hindurch tretend geführt sind, wobei die Nanomembran (5) an den Vakuumraum des Vakuumdruckmessgerätes angrenzt.

Description

Elektronenquelle für Vakuumdruckmessgerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumdruckmessgerät mit einer Elektronenquelle und mit einer Reaktionszone zur Bildung von Ionen durch Stossionisation, gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Vakuumdruckmesstechnik bzw. auf Vakuumdruckmessgeräte, die auf einer Ionisation der Gasmoleküle basiert, sowohl für die Totaldruckmessung (lonisationsmanometer) als auch für die Par- tialdruckmessung (Massenspektrometer).
Für die Ionisation der Gasmoleküle in einem Vakuumdruckmessgerät, sowohl für die Totaldruckmessung (lonisationsmanometer) als auch für die Partialdruckmes- sung (Massenspektrometer), ist eine Elektronenquelle notwendig, die in unmittelbarer Nähe zum lonisationsraum angeordnet ist, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Die Elektronenquelle hat unter Messbedingungen in Vakuumdruckbereichen von unter 1 Pa (102 mbar), bei Hochdruckmessröhren 1 bis 2 Dekaden höher, die Aufgabe, Elektronen in den lonisationsraum zu emittieren. Für die Elektronenemission werden bisher vor allem Glühkathoden (Glühemission) eingesetzt. Weiterhin sind auch Elektronenquellen mit Feldemittern (Feldemission) für die Vakuumdruckmessung vorgeschlagen, die sich hinsichtlich ihrer Einsatzbedingungen und/oder des Herstellungsaufwandes bisher nicht kommerziell durchsetzen konnten.
Eine Wechselwirkung zwischen der Elektronenquelle und dem lonisations- bzw. Messraum ist vom Prinzip her bedingt notwendig bei derartigen Vakuumdruck- messzellen. Eine schnelle Belüftung der Anordnung, beispielsweise zur Öffnung einer Prozessvakuumkammer für die Chargierung von zu behandelnden Werkstücken, ist besonders problematisch, da der Sauerstoffeinbruch zur Zerstörung der aktiven, Elektronen emittierenden Glühkathode (vgl. Glühlampe) führt. Hierge- gen müssen jeweils besondere Schutzmassnahmen vorgekehrt werden. Weitere Probleme entstehen bei Kontaminierungen, vor allem durch treibmittelbehaftete Vorpumpen, wie Drehschieberpumpen. Heute oft verwendete aggressive Prozess- und Ätzgase, wie beispielsweise Silan und auf Chlor- und Fluorbasierenden Gase sind ebenfalls sehr problematisch. Bei Verwendung sehr aggressiver Prozessgase ist es deshalb üblich, Vakuummessgeräte auf lonisationsbasis, welche notwendig sind für die Basisdruckmessung, durch ein Ventil, wie beispielsweise einem Ganzmetallschieber, vor dem Prozess zu schützen, was erhebliche Mehrkosten verursacht und die Einsatzmöglichkeiten erschwert und begrenzt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Elektronenquelle eines Vakuumdruckmessgerätes vor den Einflüssen der Vakuumprozesse zu schützen, bei welchen derartige Messgeräte eingesetzt werden. Vorzugsweise soll auch ein Schutz realisiert werden gegenüber einer Belüftung der Vakuumprozesskammern und somit auch des Messgerätes, so dass die Elek- tronenquelle nicht unzulässig kontaminiert wird oder gar zerstört wird oder aufwendige zusätzliche elektronische Schutzmassnahmen nötig sind. Auch sollen empfindliche Vakuumprozesse von schädlichen Emissionen der Messzelle selbst und insbesondere solche, die von der Elektronenquelle der Messzelle ausgehen geschützt werden. Ausserdem soll die Messzelle wirtschaftlich herstellbar sein.
Die Aufgabe wird bei dem gattungsgemässen Vakuumdruckmessgerät mit einer Elektronenquelle gemäss den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung.
Das Vakuumdruckmessgerät enthält eine Elektronenquelle mit einer Reaktionszo- ne zur Bildung von Ionen durch Stossionisation, wobei die Elektronenquelle mit der Reaktionszone über eine Durchtrittsöffnung für die Elektronen kommunizierend verbunden ist. Die Elektronenquelle wird von einem isolierenden Gehäuse mit einem Vakuumraum umschlossen, und ein Wandungsteil ist als Membranträger ausgebildet welcher mindestens in einem Teilbereich eine Nanomembran trägt, die den Vakuumraum gegenüber dem Aussenbereich gasdichtend trennt und mindestens zu einem Teil elektronendurchlässig ausgebildet ist, wobei in diesem Vakuumraum eine Kathode angeordnet ist zur Emission von Elektronen und dass im Bereich und / oder an der Nanomembran eine Anodenanordnung derart vorgesehen ist, dass Elektronen gegen die Nanomembran und mindesten teilwei- se durch diese hindurch tretend geführt sind, wobei die Nanomembran an den Vakuumraum des Vakuumdruckmessgerätes angrenzt.
In dem erfindungsgemässen Vakuumdruckmessgerät wird die Elektronenquelle somit durch Entkopplung von Elektronenquellen- und lonisations- bzw. Messraum durch eine vakuumtechnisch wirksame Trennung beider Bereiche, bei Beibehaltung des lonisationsprinzips, beseitigt.
Die Trennung wird dadurch erreicht, dass die Elektronenquelle vakuumdicht in einem Gehäuse eingekapselt ist und zwischen Elektronenquelle und lonisations- bzw. Messraum eine Nanomembran angeordnet wird, derart, dass elektrostatisch beschleunigte Elektronen (Elektronenstrahl) die Nanomembran durchfliegen. Andererseits diese Nanomembran den Gas- und lonenaustausch zwischen Elektro- nenquellenbereich und lonisations- bzw. Messraum verhindert. Ein wesentlicher Vorteil der Trennung von Elektronenquellen- und lonisations- bzw. Messraum mittels Nanomembran jedoch ist, dass in beiden Raumbereichen sehr unterschiedliche physikalische und chemische Bedingungen, insbesondere auch Vakuumbedingungen, getrennt aufrecht erhalten oder eingestellt werden können, auch während einer Vakuumtotal- bzw. - partialdruckmessung, woraus neue oder erweitere Anwendungsmöglichkeiten für derartige Vakuumdruckmess- geräte resultieren. Für die Erzeugung und Aufrechterhaltung der ballistischen Elektronenbewegung (Elektronenstrahl) sind im Gehäuse der Elektronenquelle Vakuumbedingungen mit einem Druck im Bereich von 10"1 mbar bis 10"8 mbar, vorzugsweise innerhalb dem Bereich 10~3 mbar bis 10'6 mbar aufrecht zu erhalten, ggf. unter Ausnutzung der Pumpwirkung von Gettermaterial, insbesondere NEGs (nicht verdampfende Get- ter). Zusätzlich ist die Elektrodenanordnung so zu gestalten, dass eine maximale Elektronentransmission durch die Nanomembran erreicht wird, vorzugsweise unter Einsatz geeigneter Kathoden- und Anodenmaterialien, Anordnungen und Geometrien.
Die Nanomembran ist für entsprechend beschleunigte Elektronen durchlässig. Sie muss dabei gasdicht sein, also das evakuierte Gehäuse mit den empfindlichen Teilen, wie Kathoden, zur Erzeugung der Elektronen gegenüber den äusseren Einflüssen zuverlässig trennen und dadurch schützen und trotzdem genügend durchlässig für beschleunigte Elektronen sein. Der Druckunterschied, welchem die Membran im Extremfall zu widerstehen hat, kann hierbei bis zum ca. 1 ,5-fachen Atmosphäredruck gehen, wenn beispielsweise eine Prozesskammer mit dem Va- kuumdruckmessgerät sehr schnell belüftet wird. An diese Nanomembran werden entsprechend hohe Anforderungen gestellt. Hierzu geeignete Materialien für diese Membran sind: Metallfolien und vorzugsweise Keramikmembranen, vorzugsweise Nitrid- (z.B. Si3N4) und Oxidkeramiken, insbesondere Aluminiumoxid (AI2O3), Zir- koniumoxid (ZrO2) und Yttriumoxid (Y2O3), da diese Materialien besonders tempe- ratur- und ätzbeständig sind. Möglich sind auch Mischformen der Keramiken. Vorteilhaft ist die Verwendung von Alpha - Aluminimoxid oder vorzugsweise Saphir oder Mischformen davon. Beim Einsatz einer Metallfolie als Nanomembran (5) besteht diese mit Vorteil aus einer Nickel-, Aluminium-, Kupfer- oder Edelmetallfolie oder Legierungen davon. Eine sehr kostengünstige Ausführung besteht darin, dass die Nanomembran (5) aus einer Edelstahlfolie ausgebildet wird, vorzugsweise aus dem gleichen Material der Gehäusewand (42) des Vakuummessgerätes.
Die Dicke der Membran liegt im Bereich von 25 bis 500 nm, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 200 nm und ist vakuumdicht. Die Flächengrössen können hierbei im Bereich von 0.1 bis 40.0 mm2 sein. Besonders geeignete Flächengrössen liegen im Bereich von 0.1 bis 1.0 mm2, vorzugsweise im Bereich von 0.3 bis 0.7 mm2. Beispielsweise bei quadratischer Form 0,1 x 0,1 mm2 bis 1 ,O x 1 ,0 mm2, vorzugsweise quadratisch von 0,3 x 0,3 mm2 bis 0,5 x 0,5 mm2, oder kreisförmig mit Durchmesser 0,3 mm bis 0,7 mm oder auch rechteckförmig mit der Schmalseite in den Vorzugsmassen 0,3 mm bis 0,5 mm mit Längen bis zu einigen Zenti- meter je nach Anwendungsbedarf angepasst auf die Geometrie der verwendeten Elektronenemitter bzw. Kathoden. Neben den vorerwähnten bevorzugten Abmessungen ist es in gewissen Fällen möglich bei langgezogenen, bandförmigen Anordnungen breiter zu gehen bis maximal 2mm und Flächengrössen bis maximal 40mm2. Die Abmessungen werden auch in Abhängigkeit vom Material und von der Dicke der Nanomembran angepasst, wobei die Aufrechterhaltung der Vakuumdichtheit unter Betriebsbedingungen ein wichtiges Dimensionierungskriterium ist. Zusätzlich muss darauf geachtet werden, dass die Membrane dem Atmosphärendruck, der bei Belüftung des Systems auftritt, widerstehen kann und nicht zer- stört wird. Die Dicke und die Abmessungen bei dem verwendeten Material muss entsprechend vorsichtig dimensioniert werden. Es ist günstig wenn Dimensionierung derart vorgenommen wird, dass die Ausdehnung in eine Richtung bei einer solchen Belastung durch Belüftung maximal 0.7 mm ist, vorzugsweise maximal 0.5 mm ist. Für die Stabilität der Nanomembran gegenüber Atmosphärendruck ist es ausreichend, wenn diese in einer Dimension eine max. Breite unter ca. 0,7 mm (Breite in Abhängigkeit der Nanomembrandicke) besitzt. Die Länge kann dann beliebig, d.h. der Anwendungsaufgabe angepasst werden, z.B. für einen Linienemitter mit der Länge des Anodengitters in einer Bayard-Alpert Messröhre (BAG). In diesem Fall kann die gesamte Fläche somit auch grösser sein als 40mm2.
Die Elektronen werden von dem Elektronenemitter bzw. der Kathode weg mit einer Beschleunigungsspannung gegen das Membranfenster beschleunigt, so dass sie genügend Energie aufweisen, um wirkungsvoll mit entsprechendem Wirkungs- grad durch die Membran hindurch zu treten. Als Anode dient eine Gitteranordnung vor der Membran oder die Membran selbst. Die Beschleunigungsspannung zwischen Kathode und Anode liegt im Bereich von einigen kV bis zu einigen 10 kV, vorzugsweise im Bereich von 5 kV bis 50 kV und insbesondere im Bereich von vorzugsweise 10KV bis 50KV. Sie wird beispielsweise in Abhängigkeit von der Dicke der Membran und des Materiales, vorzugsweise einer Keramik, derart gewählt dass eine Elektronentransmission von über 90% erzielt wird. Für die Optimierung der Beschleunigungsspannung ist diese so gross zu wählen, dass die Elektronentransmission hoch genug ist (über 90%), damit die Verluste in der Nanomembran gering bleiben, da die absorbierte Energie als Verlustwärme abgeführt werden muss. Andererseits sollte die Beschleunigungsspannung VE zur Extraktion und Transmission der Elektronen durch die Nanomembran nicht grö- sser als notwendig gewählt werden, damit die lonisierungswahrscheinlichkeit nicht deutlich abnimmt und der Aufwand für die Anodenspannungsversorgung VA begrenzt bleibt.
Die Herstellung der Nanomembran erfolgt beispielsweise durch Ätzung aus den Materialien Si3N4-, SiO2- bzw. SiC-Material, wie aus dem Stand der Technik be- kannt ist. Derartige Beispiele sind dargestellt in: Friedemann Völklein, Thomas Zetterer "Einführung in die Mikrosystemtechnik - Grundlagen und Praxisbeispiele" Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, August 2000 (ISBN 3-528-03891-8).
Eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung ist die Verhinderung von gas- oder ionenbasierten Wechselwirkungen zwischen Elektronenquellenbereich und lonisations- bzw. Messbereich. Das ist die Voraussetzung für den
- Schutz der Elektronenquelle vor den Belastungen bei schneller Belüftung,
- Schutz der Elektronenquelle vor den Einflüssen des Vakuumprozesses, insbesondere bei Einsatz von äusserst aggressiven Ätzgasen: der Einsatz empfindlicher Glühkathoden und Feldemitter wird möglich,
- Schutz des Vakuumprozesses vor Einflüssen der Elektronenquelle: der Einsatz von kostengünstigen und hocheffizienten CNT-Feldemitter (Carbon Nanotube) wird möglich. Dies ist insbesondere in der Halbleiterfertigung wichtig, die zu immer feineren Strukturen übergeht und damit höhere Anforderungen an die Prozessreinheit fordert. Eine Verunreinigung des Prozesses durch elektronenquellenseitige Nanopartikel, wie beispielsweise von CNTs stammende Partikel oder Katalysatormetall-Nanopartikel wird durch die Nanomembran verhindert. Diese ist nur für beschleunigte Elektronen durchlässig. Somit wird es möglich, kostengünstige und leistungsstärkere und damit effizientere Kathoden einzusetzen. Es ist sogar möglich leistungsstärkerer Kathoden, wie aus Röhrentechnik, insbesondere der Fernsehröhrentechnik (CRT) bekannt zu verwenden, die aber empfindlich gegenüber Sauerstoff (Vergiftung oder Zerstö- rung der Kathode) sind, beispielsweise bei der Belüftung der Vakuumprozessanlage bzw. des Vakuumdruckmessgerätes. Solche Kathoden für CRT's werden in grossen Stückzahlen kostengünstig und mit hoher konstanter Qualität hergestellt. Besonders geeignet sind auch Feldemissionskathoden, insbesondere von der Art Mikrotip oder Carbon Nanotube (CNT). Besonders geeignet sind auch nanostruk- turierte Feldemissionsflächen, wie ein strukturierter Feldemissionsfilm, der auf einem Kathodenträger abgelegt ist, oder dass die Oberfläche am Vollmaterial des Trägers strukturiert ist und vorzugsweise aus einem Edelstahl besteht. Eine Feldemissionskathode dieser Art ist in der Patentanmeldung US 2006/0202701 A1 offenbart und dessen Inhalt wird als integrierender Bestandteil der vorliegenden Anmeldung erklärt.
Die Erfindung wird nun anhand von Figuren schematisch und beispielsweise beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 schematisch und im Querschnitt eine Elektronenquelle gemäss der Erfindung mit einer direkt geheizten Glühkathode, innerhalb des Gehäuse angeordnet,
Fig. 2 schematisch und im Querschnitt eine Elektronenquelle gemäss der Erfindung mit einer indirekt geheizten Glühkathode, innerhalb des Gehäuse angeordnet,
Fig.3 schematisch und im Querschnitt eine Elektronenquelle gemäss der Erfindung mit einer Elektronenquellenanordnung mit einer Feldemitterkathode, einem Extraktionsgitter und einer Anode in Triodenanordnung geschaltet, welche innerhalb des Gehäuse angeordnet ist, Fig. 4 schematisch und im Querschnitt eine Elektronenquelle gemäss der Erfindung mit einer Elektronenquellenanordnung mit einer Feldemitterkathode, und einer Anode in Diodenanordnung geschaltet, welche innerhalb des Gehäuse angeordnet ist,
Fig. 5 ein Detailausschnitt der Diodenanordnung nach Figur 4 mit Mikrotip- Feldemitter - Kathode,
Fig. 6 ein Detailausschnitt der Diodenanordnung nach Figur 4 mit Feldemitter - Kathode als CNT - Feldemitter ausgebildet,
Fig. 7 ein Detailausschnitt der Diodenanordnung nach Figur 4 mit Feldemitter - Kathode, die als nanostrukturierter Oberfläche ausgebildet ist oder als strukturierte aufgebrachte Feldemitter-Dünnschicht,
Fig. 8 eine lonisations-Totaldruckmesszelle mit seitlich an der Gehäusewand der Messzelle angebrachter Elektronenquelle,
Fig. 9 eine lonisations-Totaldruckmesszelle mit innerhalb der Messzelle ange- brachter Elektronenquelle,
Fig. 10 eine lonisations-Totaldruckmesszelle mit innerhalb der Messzelle angebrachter Elektronenquelle bei welcher das Gehäuse der Elektronenquelle eine Öffnung aufweist welche den Vakuumraum der Elektronenquelle mit dem Vakuumraum der Totaldruckmesszelle verbindet,
Fig. 11 eine lonisations-Totaldruckmesszelle mit seitlich an der Gehäusewand der Messzelle angebrachter, länglicher Elektronenquelle, und mit Bremsgitter,
Fig. 12 ein Quadrupolmassenspektrometer mit radial zu seiner Längsachse und seitlich zur Reaktionszone des Massenspektrometers angeordneter Elektronenquelle. Bevorzugte Ausbildungen der Elektronenquelle 1 , entsprechend der Erfindung, werden nun beispielsweise anhand den Figuren 1 bis 7 näher beschrieben. Die Elektronenquelle 1 umfasst ein isolierendes Gehäuse 6, beispielsweise aus einer Keramik, welches einen Vakuumraum 7 umschliesst und auf einer Seite an der Gehäusewand eine Nanomembran 5 mit der Dicke dn und den Abmessungen di bei quadratischer, kreisförmiger oder rechteckiger (dabei in der zweiten Seitendimension frei wählbaren) Membranausführung aufweist, die den Vakuumraum 7 von der Umgebung gasdicht trennt. Die Umgebung ist ein weitere Vakuumzone welche Teil eines Vakuumdruckmessgerätes oder eines Massenspektrometers bildet welche zur Erfüllung ihrer Messaufgabe mit einer Vakuumkammer, in welcher ein Vakuumprozess stattfindet, kommunizierend verbunden ist. Die Membran 5 ist vorteilhafterweise auf einem Membranträger 4 angeordnet, welcher mit Vorteil direkt Teil der Wandung des Gehäuse 6 bilden kann. Das Vakuum innerhalb dem Gehäuse 6 wird mit Vorteil durch einen Getter 8 aufrecht erhalten, um ein gutes und stabiles Vakuum, vorzugsweise besser 10"6 mbar, aufrecht erhalten zu können. Der Getter 8 kann direkt innerhalb des Gehäuse 6 angeordnet sein oder au- sserhalb des Gehäuse 6 in einem gekapselten separaten Volumen welches durch eine Öffnung mit dem Vakuumraum 7 verbunden ist. Das Gehäuse weist Abmessungen auf im Bereich von einigen mm bis einige cm und ist dadurch kom- pakt und als Modul verwendbar ausgebildet. Es ist auch möglich den Vakuumraum separat abzupumpen, was aber aufwendiger ist. In diesem Fall weist das Gehäuse 6 einen Anschluss oder einen Anschluss mit einem Vakuumventil auf mit einem daran angeordneten Vakuumpumpsystem, vorzugsweise mit einer Turbomolekularpumpe, zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Aufrechterhaltung der Vakuumbedingungen. Ein Getter 8 ist dann nicht mehr notwendig.
Innerhalb des Gehäuse 6 ist eine Kathode 2 angeordnet, die über eine Durchführung 10 mit Anschlusskontakten durch die Gehäusewand dichtend durchgeführt ist, um diese mit einer elektrischen Speisung verbinden zu können. Die Kathoden 2 können verschiedenartig ausgebildet sein. Gegenüber der Kathode 2 ist, beab- standet mit dem Abstand a, a1 , im Bereich der Membran 5 eine Anode 3 angeordnet welche wiederum mit einem herausgeführten Anschlusskontakt 11 verbunden ist. Die Anode 3 kann die Membran 5 umschliessen oder ist als Gitterstruktur ausgebildet, die über der Membranfläche angeordnet ist, wobei die Anode 3 mit Vorteil auch zur Ableitung der Verlustwärme von der Membran 5 dient. Durch Anlegen einer positiven Spannung an die Anode 3 im Kilovoltbereich gegenüber der Ka- thode 2 werden Elektronen von der Kathode 2 in Richtung Anode 3 beschleunigt und durch die Membran 5 hindurch getrieben, wodurch diese ausserhalb des Gehäuse 6 für die gewünschten lonisierungsvorgänge in den Vakuumdruckmessge- räten verfügbar werden.
Die Kathode 2 kann verschiedenartig ausgebildet werden und somit auch die Ka- thoden-Anoden-Konfiguration. In Figur 1 ist eine Elektronenquelle dargestellt mit einer Glühkathode bzw. einer Thermionischen Kathode 2 als Elektronenemitter der von der Anode 3 und der Membran 5 um a1 beabstandet angeordnet ist. Der
Abstand a1 ist hierbei etwas grösser gewählt, auch um die thermische Belastung der Membran 5 in Grenzen zu halten. Bei thermionischen Kathoden 2 muss spezi- eil auf die thermische Belastung bei der Dimensionierung der Membran 5 mit dem
Membranträger 4 geachtet werden.
Eine weitere Ausführung einer thermionischen Kathode 2 ist als indirekt geheizte, hocheffiziente Kathode mit Flächenemitter in Figur 2 dargestellt. Hier kann der Kathoden-Anodenabstand a1 auch etwas geringer gewählt werden.
In Figur 3 ist die Kathode 2 als Feldemitter ausgebildet, beispielsweise als Felde- mitterarray. Der Feldemitter wird hierbei auf einem Kathodenträger 9 angeordnet oder daran ausgebildet. Vor dem Feldemitter wird mit Vorteil ein Steuergitter 12 angeordnet welches definiert in kurzem Abstand mit einem Abstandhalter 13 vor dem flächig angeordneten Feldemitter positioniert ist. Das Steuergitter 12 dient auch als Extraktionsgitter zur Extraktion der Elektronen und ist mit einem elektrischen Anschluss 14 verbunden der ebenfalls zur Ansteuerung nach aussen geführt ist. Diese Anordnung bildet mit der Kathode 2, dem Gitter 12 und der Anode 3 eine Triodenkonfiguration. In diesem Fall wird der Abstand a1 zwischen Kathode 2 mit Gitter 12 von der Anode 3 eher weiter gewählt. Eine weitere Ausbildung ist in Figur 4 dargestellt als Diodenkonfiguration. Die flächig auf dem Kathodenträger 9 angeordnete Feldemissionskathode wird hier mit geringerem Abstand a1 an die Membran 5 herangeführt, so dass kein Steuergitter 12 notwendig ist. Verschiedene bevorzugte Ausführungen von Feldemitterkatho- den 2 sind gemäss dem Detailausschnitt 15 in den Figuren 5 bis 7 dargestellt. Die dort dargestellten Feldemitteranordnungen können sowohl in der Trioden-, wie auch in der Diodenkonfiguration, also mit oder ohne Steuergitter 12, eingesetzt werden. Figur 5 zeigt eine Anordnung mit einer Mikrotip-Feldemitter - Kathode. Bei dieser Art Kathode 2 werden in einer Fläche, vorzugsweise einer Ebene, eine Vielzahl von kleinen Spitzen angeordnet welche bei genügend hoher Feldstärke Elektronen emittieren, wobei die Mikrotip-Feldemitter - Kathode durch die Men- bran 5 geschützt eine lange Lebensdauer besitzt. Im Detailausschnitt nach Figur 6 ist die Diodenanordnung nach Figur 4 dargestellt bei welcher die Feldemitter - Kathode als Carbon Nanotubes (CNT) - Feldemitter ausgebildet ist. Diese Art Kathode besteht aus einer Vielzahl auf einer Fläche verteilt angeordneten Nano- röhrchen aus Kohlenstoff, die sehr effiziente Feldemitter sind. In Figur 7 zeigt der Detailausschnitt der Diodenanordnung nach Figur 4 eine Feldemitter - Kathode, die als nanostrukturierter Oberfläche ausgebildet ist oder als strukturierte aufgebrachte Feldemitter-Dünnschicht. In diesem Fall wird beispielsweise durch Ätzen der Oberfläche einer Schicht oder des Trägermateriales selbst an der Oberfläche spitzen- oder kantenartige elektronenemissionsfähige Strukturen aus dem Grundmaterial erzeugt. Sehr vorteilhaft ist hierbei die direkte Verwendung des Trägermaterials 9, insbesondere wenn diese aus einem Inox - Material besteht.
Ein bevorzugter Einsatz der Elektronenquelle 1 , gemäss vorliegender Erfindung, ist für Totaldruck Vakuummesszellen schematisch und beispielsweise in den Figuren 8 bis 10 dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine lonisationsmesszelle oder Röhre, wie von der Art Bayard-Alpert-Röhre oder ein Extraktormanometer. Die Messzelle ist auf einer Grundplatte 41 angeordnet. Dies trägt die rohrförmige Messzellengehäusewand 42, welche die darin spiralig oder gitterförmig angeord- nete Anode 45, welche den Reaktionsraum 30 umschliesst mit dem darin angeordneten lonenkollektor 44 aufnimmt. Die Elektronenquelle 1 , gemäss der Erfin- dung, ist seitlich an der Wand 42 angeordnet in welcher eine Öffnung 40 ausgebildet ist für den Durchtritt der Elektronen. Die Elektronen werden somit direkt von der Membran 5 der Elektronenquelle 1 über die Öffnung 40 in die Reaktionszone 30 der Messzelle eingeschossen. Durch die völlig gasdichte Kapselung der Elek- tronenquelle 1 ist diese geschützt und es treten keine Verunreinigungen, welche eine Messung stören können auf. Mit der Beschleunigungsspannung VE, die zwischen Kathode 2 der Elektronenquelle 1 und dem Gehäuse der Messzelle, aus Grundplatte 41 und der Wand 42, angelegt wird können die Elektronen extrahiert und in die Messzelle geführt werden. Die Messzelle wird auf bekannte Art mit ei- ner Anodenspannung VA und einem Regler 46 betrieben, welcher durch erfassen des Anodenstromes U diesen konstant regelt. Auch beinhaltet die Messzelle die Messung des lonenkollektorstromes hc mit entsprechender Auswertung zur Vakuumdruckbestimmung. In Figur 9 ist die Vakuumdruckmesszelle mit axialer Anordnung der Elektronenquelle 1 dargestellt, wobei diese innerhalb der Messzelle an- geordnet ist und die Membran 5 gegen die Reaktionszone 30 hin gerichtet ist. Diese integrierte Bauart ist möglich, da die Elektronenquelle 1 mit geringen Abmessungen realisiert werden kann. Eine besonders kostengünstige Art der Ausbildung zeigt Figur 10 wo das Elektronenquellengehäuse 6 über eine Öffnung mit dem Vakuumbereich der Messzelle indirekt kommunizierend verbunden ist. Die Öffnung ist gegenüber der Reaktionszone 30 der Messzelle abgewandt, so dass das Elektronenquellengehäuse 6 wie eine Abschirmung wirkt und den Innenbereich der Elektronenquelle 1 und auch die Messzelle vor unerwünschten Einflüssen schützt, dabei aber die Elektronentransmission in den Reaktionsraum 30 über die Membran 5 gewährleistet wird. Bei dieser Ausbildung der Elektronenquelle 1 sind keine zusätzlichen Aufwendungen notwendig zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Vakuums 7 innerhalb der Elektronenquelle. Allerdings ist dann ein vollständiger Schutz der Elektronenquelle 1 , beispielsweise bei einer Belüftung nicht mehr gegeben.
In Figur 11 ist eine weitere bevorzugte Ausführung dargestellt. Nach der Nano- membran 5 bzw. zwischen Nanomembran 5 und der Reaktionszone 30 ist im Vakuummessgerät ein Bremsgitter 43 angeordnet. Mittels einer Bremsspannung V6 am Bremsgitter 43 kann die Bewegungsenergie der durch die Nanomembran 5 transmittierten Elektronen soweit abgesenkt werden, dass eine höhere lonisie- rungswahrscheinlichkeit der Gasmoleküle in der Reaktionszone 30 und damit eine höhere Mess-empfindlichkeit des Vakuummessgerätes, z.B. zur Erweiterung der unteren Vakuumdruckmessgrenze, eingestellt wird.
In Figur 12 ist eine weitere bevorzugte Anwendung für Partialdruckmessgeräte, wie Massenspektrometer, im Schnitt, entlang der Längsachse dargestellt, wobei die Elektronenquelle 1 hier orthogonal, seitlich zur lonenquelle angeordnet ist, zur radialen Einspeisung der Elektronen in die lonenquelle, also der Reaktionszone 30, des Massenspektrometers. Die Elektronen 21 treten durch die Membrane 5 hindurch und werden mit der Elektronenextraktionslinse 25 welche die Reaktionszone 30 kammerartig umschliesst durch eine Öffnung 40 in diese Zone geführt. In dieser Zone werden die zu messenden Neutralteilchen 20 durch Stossionisation ionisiert und Ionen 22 gebildet. In der Wand dieser Kammer 25 sind eine oder mehrere Öffnungen 23 vorhanden zur Einbringung der zu analysierenden Neutralteilchen 20. In axialer Richtung schliesst diese Kammer 3 wiederum ab mit einer lonenextraktionslinse 24 zur Extraktion der gebildeten Ionen 22 welche über weitere Linsen 26, Fokussierlinse 27, Injektionsblende 28 in das Analysesystem des Massenspektrometers 29 geführt werden. Bei Massenspektrometern kann die Elektronenquelle 1 und damit der Elektroneneinschuss auch in axialer Richtung erfolgen wenn die Anordnung besonders einfach ausgeführt werden soll. Die radiale Anordnung ist allerdings wegen der besseren Messqualität bevorzugt. Die Elektronenquelle 1 gemäss der Erfindung kann bei verschiedenen Arten von Massenspektrometern mit Vorteil eingesetzt werden. Ein Quadrupolmassenspek- trometer ist hierbei besonders geeignet, wie das am vorliegenden Beispiel nach Figur 11 beschrieben wurde, da die Membrantrennung der Elektronenquelle 1 besonders reine Bedingungen garantiert, welche zu hoher Messauflösung und Reproduzierbarkeit der Messungen führt.

Claims

Patentansprüche
1. Vakuumdruckmessgerät mit einer Elektronenquelle (1) und mit einer Reaktionszone (30) zur Bildung von Ionen (22) durch Stossionisation, wobei die Elektronenquelle (1 ) mit der Reaktionszone (30) über eine Durchtrittsöffnung
(40) für die Elektronen (21) kommunizierend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle (1) ein isolierendes Gehäuse (6) mit einem Vakuumraum (7) umschliessend aufweist, und dass ein Wandungsteil als Membranträger (4) ausgebildet ist welcher mindestens in einem Teilbereich eine Nanomembran (5) trägt, die den Vakuumraum (7) gegenüber dem Aussenbereich gasdichtend trennt und mindestens zu einem Teil elektronendurchlässig ausgebildet ist, und dass in diesem Vakuumraum (7) eine Kathode (2) angeordnet ist zur Emission von Elektronen (21) und dass im Bereich und / oder an der Nanomembran (5) eine Anodenanordnung (3) derart vorgesehen ist, dass Elektronen (21 ) gegen die Nanomembran (5) und mindesten teilweise durch diese hindurch tretend geführt sind, wobei die Nanomembran (5) an den Vakuumraum des Vakuumdruckmessgerätes angrenzt.
2. Vakuumdruckmessgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumraum (7) allseitig durch das Gehäuse (6) vakuumdicht geschlossen ist und darin ein eigenständiges Vakuum aufweist, und dass darin, oder daran ein Getter (8) zur Aufrechterhaltung der Vakuumbedingungen angeordnet ist.
3. Vakuumdruckmessgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumraum (7) allseitig durch das Gehäuse (6) vakuumdicht geschlossen ist, das Gehäuse (6) einen Anschluss oder einen Anschluss mit einem Vakuumventil besitzt und daran ein Vakuumpumpsystem, vorzugsweise eine Turbomolekularpumpe, zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Aufrechterhaltung der Vakuumbedingungen angeordnet ist.
4. Vakuumdruckmessgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) eine Öffnung aufweist, die den Vakuumraum (7) mit dem Vakuumraum des Vakuummessgerätes kommunizierend verbindet.
5. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (2) eine thermionische Kathode ist.
6. Vakuumdruckmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (2) eine indirekt geheizte Kathodenanordnung ist.
7. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine Feldemissionskathode (2) ist.
8. Vakuumdruckmessgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Feldemissionskathode (2) ein Steuergitter (12) angeordnet ist.
9. Vakuumdruckmessgerät nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Feldemissionskathode (2) eine Kathode von der Art
Mikrotip oder Carbonanotube (CNT) oder vorzugsweise eine nanostruktu- rierte Feldemissionsfläche ist.
10. Vakuumdruckmessgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldemissionsfläche eine nanostrukturierte Fläche ist, die einen Feldemissionsfilm (2) aufweist und dieser auf einem Kathodenträger (9) abgelegt ist.
11. Vakuumdruckmessgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierte Feldemissionsfläche aus der Oberfläche eines metallischen Vollmateriales des Kathodenträgers ausgebildet ist und vorzugsweise aus einem rostfreien Stahl besteht.
12. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanomembran (5) aus einem Keramik besteht, wie vorzugsweise aus einer Nitridkeramik oder insbesondere aus einer Oxidkeramik oder Mischformen davon.
13. Vakuumdruckmessgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanomembran (5) aus einer der Keramiken Si3N4, SiO2, AI2O3, ZrO2, Y2O3, SiC oder Mischformen davon besteht.
14. Vakuumdruckmessgerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanomembran (5) aus Aluminiumoxid besteht, vorzugsweise aus α - Aluminiumoxid und insbesondere vorzugsweise aus Saphir oder Mischformen davon.
15. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nanomembran (5) aus einer Metallfolie besteht, wie vorzugsweise aus einer Nickel-, Aluminium-, Kupferoder Edelmetallfolie oder Legierungen davon.
16. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nanomembran (5) aus einer Edelstahlfolie besteht, vorzugsweise aus dem gleichen Material der Gehäusewand (42) des Vakuummessgerätes.
17. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (dn) der Nanomembran (5) im Bereich von 25 bis 500nm, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 200nm liegt.
18. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenabmessung der Nanomembran (5) im Bereich von 0.1 bis 40.0 mm2 liegt.
19. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenabmessung der Nanomembran (5) im Bereich von 0.1 bis 1.0 mm2, vorzugsweise im Bereich von 0.3 bis 0.7 mm2 liegt und dass das maximale Abmass der Nanomembran (5) zur Standhaltung gegenüber Atmosphärendruck bei Belüftung der Reaktionszone (30) in einer Richtung 0.7 mm, vorzugsweise 0.5 mm, nicht überschreitet.
20. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Flächenform der Nanomembran (5) im wesentlichen der Form der Kathode (2) angepasst ist.
21. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kathode (2) und der Anodenan- Ordnung (3) eine elektrische Spannung anliegt mit einem Wert im Bereich von 5KV bis 50KV, vorzugsweise 10KV bis 50KV, zur Beschleunigung der Elektronen (21) derart, dass diese mindestens teilweise durch die Nanomembran (5) hindurchtreten.
22. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquellenanordnung (1) mit der Nanomembran (5) eine Elektronentransmission durch diese nanodünne Membran von über 90% aufweist, wenn die Beschleunigungsspannungen über 1OkV betragen.
23. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Vakuumraum (7) der Elektronenquelle (1 ) ein Vakuum mit einem Wert innerhalb des Bereiches von 10"1 mbar bis 10"8 mbar vorliegt, vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 10"3 bis 10'6 mbar.
24. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuummessgerät eine Totaldruckmess- zelle oder -röhre ist, vorzugsweise von der Art Bayart Alpert oder Extraktor- manometer.
25. Vakuumdruckmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Vakuummessgerät ein Partialdruckmessgerät ist, vorzugsweise ein Massenspektrometer ist, vorzugsweise von der Art Qua- drupolmassenspektrometer.
26. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die thermionische Kathode (2) eine kostengünstige Hochleistungs - Standardkathode aus der Röhrentechnik, insbesondere aus der Bildröhrentechnik ist.
27. Vakuumdruckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass nach der Nanomembran (5) zwischen Nano- membran (5) und Reaktionszone (30) im Vakuummessgerät ein Bremsgitter (43) angeordnet ist.
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