Forschungsteam demonstriert einen neuen „Primärstandard“ zur Messung ultraniedriger Drücke

Eine Vakuumkammer ist nie vollkommen leer. Es bleibt immer eine kleine Anzahl von Atomen oder Molekülen übrig, und die Messung der winzigen Drücke, die sie ausüben, ist von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise stellen Halbleiterhersteller Mikrochips in Vakuumkammern her, die nahezu frei von atomaren und molekularen Verunreinigungen sein müssen. Deshalb müssen sie den Gasdruck in der Kammer überwachen, um sicherzustellen, dass die Schadstoffwerte akzeptabel niedrig sind.

Jetzt haben Wissenschaftler am National Institute of Standards and Technology (NIST) einen neuen Ansatz zur Messung extrem niedriger Gasdrücke namens CAVS validiert, der als Kaltatom-Vakuumstandard bezeichnet wird. Sie haben festgestellt, dass ihre Technik als „Primärstandard“ dienen kann – mit anderen Worten, sie kann an sich genaue Messungen durchführen, ohne dass sie zunächst anhand von Referenzdruckmesswerten kalibriert werden muss.

NIST-Forscher haben CAVS in den letzten sieben Jahren entwickelt und ihre Technik kürzlich den bisher härtesten Tests unterzogen. Ihre neue Studie im Journal AVS Quantenwissenschaft, zeigt, dass die CAVS-Ergebnisse mit der traditionellen „Goldstandard“-Methode zur Messung niedriger Drücke übereinstimmen, was zeigt, dass diese neue Technik Messungen mit dem gleichen Maß an Genauigkeit und Zuverlässigkeit durchführen kann.

CAVS kann nicht nur genauso gute Messungen durchführen wie herkömmliche Druckmessgeräte, sondern es kann auch zuverlässig die viel niedrigeren Vakuumdrücke messen – ein Billionstel des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe der Erde und darunter –, die für die zukünftige Chipherstellung und darüber hinaus erforderlich sein werden -Generationswissenschaft. Und sein Betrieb, der auf gut verstandenen Prinzipien der Quantenphysik basiert, bedeutet, dass er „direkt nach dem Auspacken“ genaue Messwerte liefern kann, ohne dass Anpassungen oder Kalibrierungen für andere Referenzdruckquellen oder -techniken erforderlich sind.

„Das ist das krönende Ergebnis“, sagte NIST-Physikerin Julia Scherschligt. „Wir hatten bereits zahlreiche positive Entwicklungen. Aber das bestätigt die Tatsache, dass unser Kaltatomstandard wirklich ein Standard ist.“

Neben der Halbleiterfertigung kann die neue Methode auch für andere Anwendungen nützlich sein, die Hochvakuumumgebungen erfordern, etwa Quantencomputer, Gravitationswellendetektoren, Teilchenbeschleuniger und viele mehr.

Die CAVS-Technologie misst Vakuumdrücke mithilfe eines kalten Gases aus etwa hunderttausend Lithium- oder Rubidiumatomen, die in einem Magnetfeld gefangen sind. Diese Atome fluoreszieren, wenn sie von einem Laser beleuchtet werden, der genau auf die richtige Frequenz eingestellt ist. Durch die Messung der Intensität dieses Leuchtens können Forscher die Anzahl der gefangenen Atome genau zählen.

Wenn der CAVS-Sensor an eine Vakuumkammer angeschlossen ist, kollidieren die in der Kammer verbleibenden Atome oder Moleküle mit den eingefangenen Atomen. Bei jeder Kollision wird ein Atom aus der Falle geschleudert, wodurch die Anzahl der Atome und die Intensität des emittierten Lichts verringert werden. Diese Intensität lässt sich leicht mit Lichtsensoren messen und dient als empfindliches Maß für den Druck. Dieser Zusammenhang zwischen der Dimmrate und der Anzahl der Moleküle wird von der Quantenmechanik genau vorhergesagt.

In der neuen Arbeit haben die NIST-Forscher ihre CAVS-Sensoren an den klassischen Goldstandard-Referenzstandard für Gasdruck angeschlossen, der als dynamisches Expansionssystem bekannt ist.

Dynamische Expansionssysteme funktionieren, indem sie eine bekannte Gasmenge, gemessen in Molekülen pro Sekunde, in eine Vakuumkammer injizieren und das Gas dann langsam mit einer bekannten Geschwindigkeit vom anderen Ende der Kammer entfernen. Anschließend berechnen die Forscher den resultierenden Druck in der Kammer.

In diesem Experiment bauten die Forscher ein leistungsstarkes dynamisches Expansionssystem, das extrem kleine Gasflüsse ermöglichte – im Bereich von 10 bis 100 Milliarden Atomen oder Molekülen pro Sekunde – und einen speziell angefertigten Durchflussmesser enthielt, um so geringe Flüsse zu messen . Das Loch, das sie bauten, um Atome langsam aus der Kammer zu entfernen, wurde mit einer Präzision im Submikrometerbereich bearbeitet.

„Die schwere Hebung, die erforderlich ist, um eines dieser klassischen Standardgeräte aufzustellen, ist enorm“, sagte Scherschligt. „Die Anstrengung, dies zu unternehmen, hat den Sinn dieses ganzen Experiments wirklich deutlich gemacht, nämlich dass CAVS eine hohe Genauigkeit in einer viel einfacheren Form bietet.“

Die NIST-Forscher testeten in ihrer Arbeit zwei Arten von CAVS-Sensoren. Eine davon ist eine Laborversion; Bei der zweiten handelt es sich um eine mobile Version, die problemlos in anspruchsvollen Chipfertigungsumgebungen eingesetzt werden kann.

„Tatsächlich ist die tragbare Version so einfach, dass wir uns schließlich entschieden haben, sie so zu automatisieren, dass wir nur sehr selten in ihren Betrieb eingreifen mussten. Tatsächlich wurden die meisten Daten des tragbaren CAVS für diese Studie erfasst, während wir bequem schliefen.“ Zuhause“, sagte NIST-Physiker Dan Barker.

„Die von uns gemessenen Gase – darunter Stickstoff, Helium, Argon und sogar Neon – sind allesamt inerte Halbleiterprozessgase“, sagte NIST-Physiker Steve Eckel. „Aber in Zukunft hoffen wir, reaktivere Gase wie Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Sauerstoff messen zu können, die allesamt häufige Restgase in Vakuumkammern und nützliche Gase für die Halbleiterherstellung sind.“

Zusammen versprechen diese CAVS-Systeme, Forschern, die mit ultraniedrigen Drücken arbeiten, dabei zu helfen, neue Höchstleistungen in Wissenschaft und Technologie zu erreichen.