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Bessere Ionisations-Vakuummeter dank Simulation

Die Halbleiterfertigung, die Teilchenphysikforschung und andere wichtige Prozesse finden unter Hochvakuum- oder Ultrahochvakuumbedingungen (HV/UHV) statt. Um ein besseres Ionisations-Vakuummeter für die Messung des Drucks in HV/UHV-Umgebungen zu entwickeln, hat der Instrumentenhersteller INFICON aus Liechtenstein Multiphysik-Modellierung eingesetzt und sein beeindruckendes neues Design getestet und verfeinert.

Von Alan Petrillo
Juni 2023

Innovation wird oft zu einer Art Wettbewerb. Man kann sie sich als ein Rennen zwischen kreativen Menschen vorstellen, die alle ein lohnendes Ziel vor Augen haben. Aber selbst die schärfsten Konkurrenten müssen sich einig sein, wie sie den Erfolg anstreben. So wie jeder Läufer bei einem Wettlauf mit der gleichen Stoppuhr gemessen wird, verlassen sich Wettbewerber in anderen Bereichen auf standardisierte Instrumente, die den Fortschritt auf dem Weg zur Ziellinie messen.

Für viele, die nach technologischer Innovation streben, ist das Vakuummeter ein solches unverzichtbares Werkzeug. Hochvakuum- und Ultrahochvakuum-Umgebungen (HV/UHV) werden für die Erforschung, Veredelung und Herstellung vieler Produkte verwendet. Aber wie können Innovatoren sicher sein, dass die Druckwerte in der Vakuumkammer ihrer Einrichtung wirklich mit denen in anderen Einrichtungen übereinstimmen? Ohne gemeinsame Standards und verlässliche Messinstrumente zur Erfüllung dieser Standards sind wichtige Leistungskennzahlen - sowohl für die Vakuumkammern als auch für die getesteten Produkte - nicht vergleichbar.

Erfolgreiche Prototypen durch globalen Wettbewerb

Diese potentiellen Diskrepanzen sind der Grund, warum das in Abbildung 1 dargestellte Gerät so essentiell ist. Das von INFICON hergestellte Ionisations-Vakuummeter lon Reference Gauge 080 (IRG080) ist das Ergebnis eines multinationalen Projekts zur Entwicklung eines besseren Instruments für die Quantifizierung des Drucks in HV/UHV-Umgebungen.

Die Entwicklung dieses Sensors, der präziser, robuster und reproduzierbarer ist als bestehende Ionisations-Vakuummeter, wurde vom Europäischen Metrologie-Programm für Innovation und Forschung (EMPIR) koordiniert (Ref. 1). EMPIR ist ein Gemeinschaftsprojekt privater Unternehmen und staatlicher Forschungseinrichtungen, das dazu beitragen soll, Europas „Forschungs- und Innovationssystem auf globaler Ebene wettbewerbsfähiger zu machen“ (Ref. 2). Die Projektteilnehmer prüften mehrere Optionen, bevor sie sich darauf einigten, dass das Design von INFICON die Leistungsziele am besten erfüllt.

An der Realisierung des Projekts waren unter anderem folgende Organisationen beteiligt (Ref. 3):

• Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) — Deutschland
• Cesky Metrologicky Institut Brno (CMI) — Tschechien
• Institut za Kovinske Materiale in Tehnologije (IMT) — Slovenien
• Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) — Frankreich
• Research Institutes of Sweden AB (RISE) —Schweden
• European Organization for Nuclear Research (CERN) — Europa
• Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade Nova de Lisboa (FCT-UNL) — Portugal
• VACOM Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH — Deutschland
• INFICON Aktiengesellschaft — Liechtenstein

Die Hersteller VACOM und INFICON haben die Prototypen der Messinstrumente entworfen und gebaut.

Bestimmung der Gasdichte mithilfe der Ionisation

„Nichts geschieht in einem Vakuum“ ist eine bekannte Redewendung, aber tatsächlich entstehen viele nützliche Dinge in fast leeren Räumen. „Es gibt fast kein Hightech-Produkt, das nicht im Vakuum hergestellt wird“, sagt Martin Wüest, Leiter der Sensortechnologie bei INFICON.

Der Begriff „Vakuum“ kann eine theoretische absolute Abwesenheit beschreiben, aber wie in der HV/UHV-Terminologie angedeutet, ist die Leere eines realen Raums meist eine Frage des Grades. Um verschiedene Grade des Vakuums zu messen, sind verschiedene Methoden zur Bestimmung des Druckniveaus erforderlich. „Je nach den Bedingungen funktionieren bestimmte Mittel zur Druckmessung besser als andere“, sagt Wüest. „Bei nahezu atmosphärischem Druck können Sie ein kapazitives Membran-Vakuummeter verwenden. Im mittleren Vakuum können Sie den Wärmetransport durch Konvektion messen.“ Keiner dieser Ansätze ist bei HV (definiert als Druck unter 0,1 Pascal oder Pa) oder UHV (unter 10-6 Pa) effektiv.

„Bei HV/UHV-Drücken gibt es weder genügend Teilchen, um eine Membran in Bewegung zu setzen, noch können wir den Wärmetransport zuverlässig messen. Hier setzen wir die Ionisation ein, um die Gasdichte und den entsprechenden Druck zu bestimmen“, erklärt Wüest.

Das am häufigsten verwendete HV/UHV-Druckmessgerät ist ein Bayard-Alpert-Vakuummeter (Abbildung 2), das in der Vakuumkammer platziert wird. Das Herzstück dieses Geräts besteht aus drei Komponenten: Der Glühkathode, dem Gitter und dem Ionenkollektor. Der Betrieb beginnt mit der Zufuhr von elektrischem Niederspannungsstrom zur Glühkathode, wodurch diese erhitzt wird. Wenn die Glühkathode heißer wird, gibt sie Elektronen ab, die wiederum von dem Gitter angezogen werden, das mit einer höheren Spannung versorgt wird. Einige der Elektronen, die in Richtung des Gitters und innerhalb des Gitters fließen, kollidieren mit freischwebenden Gasmolekülen, die in der Vakuumkammer zirkulieren. Die Elektronen, die mit den Gasmolekülen zusammenstoßen, bilden Ionen, die dann zum Kollektor fließen. Dieser messbare Ionenstrom im Kollektor ist proportional zur Dichte der Gasmoleküle in der Kammer.

„Wir können dann diese Dichte gemäß dem idealen Gasgesetz in Druck umrechnen“, erklärt Wüest. „Der Druck ist proportional zum Ionenstrom geteilt durch den Elektronenstrom, geteilt durch einen Sensitivitätsfaktor, der angepasst wird, je nachdem, welches Gas sich in der Kammer befindet.“

Bestehende Vakuummeter sind empfindlich gegenüber Hitze und Gebrauch

Was macht ein gutes Werkzeug aus? Stellen Sie sich einen Tischler bei der Arbeit vor, mit Hammer, Säge und Maßband in der Hand. Jedes dieser Werkzeuge mag Spuren vom harten Einsatz haben, aber ein paar Dellen und Beulen hindern diese Werkzeuge nicht daran, ihre Arbeit zu verrichten. Leider kann man das Gleiche nicht über Bayard-Alpert-Vakuummeter sagen. Die Funktionsprinzipien dieser Instrumente sind zwar solide, aber ihre Kalibrierung wird zu leicht durch den Gebrauch beeinträchtigt.

„Ein typisches Ionisations-Vakuummeter enthält feine Metallstrukturen, die von einer Feder gehalten werden“, sagt Wüest. „Jedes Mal, wenn Sie das Gerät benutzen, erhitzt sich die Glühkathode auf 1200 bis 2000°C. Das wirkt sich auf das Metall in der Feder aus und kann die Form der Glühkathode verzerren. Dadurch ändern sich der Ausgangspunkt des Elektronenflusses und die Bahnen, denen die Elektronen folgen.“

Die Kernkomponenten eines Bayard-Alpert-Vakuummeters sind nicht nur hitzeempfindlich, sondern können auch leicht dejustiert werden. Dies kann zu einer Messunsicherheit von 10 bis 20% führen - eine inakzeptabel große Schwankung. „Die meisten Vakuumkammersysteme sind infolgedessen überdimensioniert“, sagt Wüest, und die Notwendigkeit einer häufigen Neukalibrierung des Messgeräts vergeudet zudem wertvolle Entwicklungszeit, und Geld.

Ein Simulationsmodell eines Benchmark-Designs

Das Projektteam hat sich eine Messunsicherheit von 1% oder weniger zum Ziel gesetzt, wenn das Messgerät zum Nachweis von Stickstoffgas eingesetzt wird. Ein weiteres wichtiges Ziel bestand darin, dass die Gassensitivitätsfaktoren für jedes Messgerät und jede Gasart, die nachgewiesen werden soll, nicht mehr neu kalibriert werden müssen. Die Leistung des neuen Messgeräts musste von kleinen Erschütterungen unbeeinflusst bleiben und von mehreren Herstellern reproduziert werden können.

Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, widmete sich das Projektteam zunächst der Untersuchung der HV/UHV-Messung. Seine Forschung beinhaltete eine umfassende Überprüfung von 260 relevanten Studien. Nach Abschluss dieser Prüfung wählten die Projektpartner ein Design aus, das die derzeit besten Praktiken für die Entwicklung von Ionisations-Vakuummetern beinhaltet: Das Extraktor-Ionisations-Vakuummeter IE514 von INFICON.

Die NOVA-Universität Lissabon in Portugal, das europäische Forschungslabor CERN und INFICON entwickelten jeweils ein Simulationsmodell des IE514-Designs (Abbildung 3). Die Ergebnisse jedes Modells wurden mit den Testergebnissen eines physischen Prototyps des IE514-Messinstruments verglichen, um die Genauigkeit der Modelle zu gewährleisten, bevor neue Designs entwickelt wurden.

Francesco Scuderi, ein auf Simulationen spezialisierter Ingenieur bei INFICON, verwendete die Software COMSOL Multiphysics®, um das IE514 zu modellieren (Abbildung 4). Das Modell ermöglichte die Analyse der thermionischen Elektronenemissionen aus der Glühkathode und der Ionisierung des Gases durch die Elektronen. Das Modell kann auch für das Ray Tracing der Bahnen der erzeugten Ionen zum Kollektor verwendet werden. Mit diesen simulierten Ergebnissen konnte Scuderi einen erwarteten Sensitivitätsfaktor berechnen, der darauf basiert, wie viele Ionen pro emittiertem Elektron erkannt werden - eine nützliche Kennzahl für den Vergleich der Übereinstimmung des Modells mit den tatsächlichen Testergebnissen.

„Nachdem wir die Modellgeometrie und das Netz konstruiert haben, legen wir die Randbedingungen für unsere Simulation fest“, erklärt Scuderi. „Wir versuchen, die gekoppelte Beziehung zwischen den Elektronenemissionen und der Temperatur der Glühkathode auszudrücken, die über die Länge der Glühkathode von etwa 1400 bis 2000°C variiert. Diese Variation wirkt sich thermisch auf die Verteilung der Elektronen aus, und auf die Wege, die sie nehmen.“ (Abbildungen 5-6)

„Sobald wir die thermischen Bedingungen und das elektrische Feld simuliert haben, können wir mit unserer Raytracing-Simulation beginnen“, fährt Scuderi fort. „Die Software ermöglicht es uns, den Fluss der Elektronen zum Gitter und die daraus resultierenden gekoppelten Heizeffekte nachzuvollziehen.“ Als nächstes wird das Modell verwendet, um den Prozentsatz der Elektronen zu berechnen, die mit Gasteilchen kollidieren. Davon ausgehend kann dann eine Strahlenverfolgung der resultierenden Ionen durchgeführt werden, die ihren Weg zum Kollektor nachzeichnet, wie in Abbildung 7 gezeigt.

„Wir können dann die Menge der zirkulierenden Elektronen mit der Anzahl der Ionen und deren Positionen vergleichen. Daraus können wir einen Wert für den Ionenstrom im Kollektor extrapolieren und dann den Sensitivitätsfaktor errechnen“, sagt Scuderi.

Das Modell von INFICON erzeugte simulierte Werte, die eng mit den Testergebnissen des Benchmark-Prototyps übereinstimmten. So konnte das Team beobachten, wie sich Änderungen am modellierten Design auf die wichtigsten Kennzahlen auswirken, darunter die Ionisationsenergie, die Bahnen von Elektronen und Ionen, der Emissions- und Transmissionsstrom und die Sensitivität.

Präzisere, robustere und reproduzierbarere Vakuummeter dank Simulation

Das Endprodukt von INFICONs Entwicklungsprozess, das IRG080, enthält viele der gleichen Komponenten wie die bestehenden Bayard-Alpert-Vakuummeter, aber wichtige Komponenten sehen vollkommen anders aus. Zum Beispiel ist die Glühkathode des neuen Designs eine solide, aufgehängte Scheibe und kein dünner Draht. Das Gitter ist nicht mehr ein empfindlicher Drahtkäfig, sondern besteht aus stärkeren, geformten Metallteilen. Der Kollektor besteht jetzt aus zwei Komponenten: Einem einzelnen Stift oder Stab, der Ionen anzieht, und einem massiven Metallring, der dazu beiträgt, den Elektronenfluss vom Kollektor weg und in Richtung eines Faraday-Bechers zu lenken. Diese Anordnung, die durch Raytracing-Simulationen mit der COMSOL Multiphysics®-Software verfeinert wurde, verbessert die Genauigkeit, da die Bahnen von Ionen und Elektronen besser voneinander getrennt werden können.

INFICON baute 13 Prototypen, die von dem Projektkonsortium bewertet wurden. Die Tests zeigten, dass das IRG080 das Ziel, die Messunsicherheit auf unter 1% zu reduzieren, erreichte. In Bezug auf die Sensitivität schnitt das IRG080 achtmal besser ab als der Vergleichswert. Ebenso wichtig ist, dass der INFICON-Prototyp während mehrerer Testreihen konsistente Ergebnisse lieferte und die Wiederholbarkeit der Sensitivität um das 13-fache besser war als die des Referenzmessgeräts. Im Rahmen des Projekts wurden dreiundzwanzig identische Messgeräte gebaut und getestet. Dies bestätigte, dass INFICON ein präziseres, robusteres und reproduzierbares Instrument zur Messung von HV/UHV-Bedingungen entwickelt hatte.

Nach Abschluss des Vakuummeter-Projekts konnte das INFICON-Team eine beeindruckende Trophäe hochhalten: Das IRG080 selbst. Martin Wüest sagt bescheiden: „Wir betrachten es als eine gute Demonstration unserer Fähigkeiten.“

Natürlich war dieser Erfolg nicht allein der Verdienst des Teams. INFICON hat von den Erkenntnissen und der Unterstützung seiner Partner profitiert. Im Gegenzug wird die breitere Wissenschafts- und Fertigungsgemeinschaft von einheitlicheren Messungen der HV/UHV-Bedingungen profitieren. Das gesamte Projekt ist ein willkommenes Beispiel für einen Wettbewerb, bei dem am Ende alle gewinnen.