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Dokumentenidentifikation DE10149219B4 26.04.2007
Titel Verfahren zur Partialdruck-Kalibrierung von Quadrupol-Massenspektrometern und Kalibriereinrichtung dazu
Anmelder Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH, 64291 Darmstadt, DE
Erfinder Rau, Matthias, 63165 Mühlheim, DE;
Jakoby, Wolfgang, 64331 Weiterstadt, DE;
Heil, Jürgen, 82178 Puchheim, DE;
Lauck, Andreas, 65439 Flörsheim, DE
DE-Anmeldedatum 05.10.2001
DE-Aktenzeichen 10149219
Offenlegungstag 01.08.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse G01N 27/62(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01J 49/42(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Partialdruck-Kalibrierung von Quadrupol-Massenspektrometern für Reinstgase im Ultrahochvakuum bei verschiedenen Drucken und eine Kalibriereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

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

Um einen Vierfachelektroden-Massenanalysator zu kalibrieren, wird in der JP 04 160 357 A beschrieben, ein Gas bekannter Konzentration zu verwenden, indem eine Analysenkammer und ein Rohrsystem an eine Ultrahochvakuumregion angeschlossen werden.

Nach der US 4 652 752 hat eine Vakuummesseinrichtung ein Quadrupol-Massenspektrometer, um einen Ionenstromwert jeweiliger Gaskomponenten zu messen; weiter eine Bayard-Alparttyp Ionisierungs-Messeinrichtung, um einen scheinbaren Gesamtdruck der Gaskomponenten zu messen; eine Rechner-Einheit, um über eine vorgegebene Gleichung die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente und die Messempfindlichkeit der jeweiligen Gaskomponenten zu berechnen und zu erhalten. Damit wird der offensichtliche Gesamtdruckwert korrigiert, der auf der Nachweisempfindlichkeit der jeweiligen Gaskomponenten beruht, um schließlich einen tatsächlichen Gesamtdruckwert der gemessenen Gaskomponenten zu ermitteln.

Die von den Quadrupol-Massenspektrometern gemessenen Spektren können keine absoluten Partialdrucke der einzelnen Gase angeben, da eine Kalibrierung nur für Gasmischungen erfolgt und somit nur qualitativ Massenspektren gemessen werden können. Bislang werden Quadrupol-Massenspektrometer für eine qualitative Kalibrierung mit einer Gasmischung, bestehend aus 7 Gasen, kalibriert. Dabei werden die Gase über eine Blende mit definiertem Leitwert eingelassen.

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

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

Die Aufgabe wird durch die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 1 an einer Kalibrier-Einrichtung nach dem in Anspruch 4 gekennzeichneten Aufbau gelöst.

Reinstgase werden über einen weiten Druckbereich, 10–7 bis 10–11 mbar, in den Rezipienten 15 eingelassen und somit das Quadrupol-Massenspektrometer 10 gegen ein kalibriertes Ionisationsvakuummeter 5, das beispielsweise gemäß den Vorgaben des Deutschen-Kalibrier-Dienstes DKD-kalibriert ist, kalibriert. Verschiedene Gase werden durch gasartspezifische Kalibrierfaktoren berücksichtigt.

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

In den Unteransprüchen 2 bis 3 sind weitere Verfahrensschritte beschrieben, die das grundsätzliche Verfahren in seiner Ergebnisqualität erheblich unterstützen. So wird in Anspruch 2 auf die Wiederholung der Kalibrierung des Sekundär-Elektronen-Vervielfachers, SEV, dem Channeltron, gegen den Faraday-Becher, beide Bestandteile des Quadrupol-Massenspektrometers 10, für das zu kalibrierende Gas vor jedem Meßvorgang hingewiesen. Über ein am Rezipienten 15 angebrachtes Kalibrierleck 11 wird mit einer konstanten Leckrate Gas, meist N2, eingeleitet, wodurch die Empfindlichkeit des RGA, die mit zunehmender Anzahl an Ausheizungen abnimmt, charakterisiert und beurteilt werden kann (Anspruch 3). Das Kalibrierleck 11 wird vor jeder Benutzung mit dem Betriebsgas mehrfach gespült und das Channeltron wird nach jedem Gaseinlaß gegen den Faraday-Becher kalibriert.

Das Verfahren wird an einer Kalibriereinrichtung durchgeführt, die gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 aufgebaut ist: An den Rezipienten 15 ist eine erste Turbomolekularpumpe 2 mit vorgeschalteter Drehschieberpumpe 1 über ein Ventil 8 angeflanscht. Um das Vakuum in seiner notwendigen Qualität einstellen zu können, sind am Rezipienten 15 noch eine Titanverdampfer- 3 und Ionengetterpumpe 4 angeschlossen. Das Quadrupol-Massenspektrometer 10, der Residual-Gas-Analysator, kurz RGA, und das kalibrierte Ionisationsvakuum-Meter 5 sind auf einem Ring um den Mantel des Rezipienten 15 daran angeflanscht. Hierbei ist die gegenseitige Lage von Wichtigkeit. Sie muss derart sein, dass man vom Funktionsraum des einen nicht den des andern einsehen kann. Die gasspezifische Kapillare 9 endet über ein Ventil 6 am Rezipienten 15. Über sie wird das zu detektierende Gas eingelassen. Die Kapillare 9 verschlechtert den Leitwert gezielt. Ihre maßgebenden Dimensionen, wie Länge und lichte Weite, sind gasspezifisch. Sie werden empirisch ermittelt, d.h. an den Verfahrensablauf durch Vorversuch optimal angepasst. An der Zuleitung zur Kapillaren 9 sitzt die zweite Turbomolekularpumpe 21 mit vorgeschalteter Drehschieberpumpe 1, die über ein Ventil 6, beispielsweise ein Eckventil, angekoppelt wird. Über das Dosierventil 7 am Anfang der Zuleitung wird das zu messende Gas aus einem Reservoir 14 eingeströmt. Die Zuleitung geht durch die Kühlfalle 12, die häufig eine Flüssig-Stickstoff-Kühlfalle, LN2-Falle ist. Sie sitzt zwischen zwei Ventilen, dem Dosierventil 7 und dem Eckventil 6. Von da, im weiteren Verlauf der Zuleitung zur Kapillare 9 sitzt die Grob- und Feinvakuum geeignete Druckmessröhre 13 zur Druckermittlung am Eingang der Kapillaren 9. Als eine solche Druckmessröhre 13 ist beispielsweise eine Piraniröhre oder eine kapazitive Druckmessröhre geeignet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung besteht aus der:

1 mit dem schematischen Aufbau der Kalibriereinrichtung,

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

3 mit der Abweichung der Einzelwerte von der Regressionsfunktion ppRGA N2 entsprechend 2.

Zunächst wird der Aufbau der Kalibriereinrichtung erläutert: Die Einrichtung besteht aus dem Rezipienten 15, an den die erste Turbomolekularpumpe 2 mit vorgeschalteter Drehschieberpumpe 1, in der 1 am Rezipienten oben, über das pneumatische Ventil 8 angeschlossen ist. Weiter ist am Rezipienten 15 die Ionengetter- 4 und die Titanverdampferpumpe 3, auch Titan-Sublimationspumpe genannt, angebaut. Das am Rezipienten 15 angeschlossene, DKD-kalibrierte Ionisationsvakuummeter 5 liegt mit dem Quadrupol-Massenspektrometer (RGA) 10 auf einem Kreisring um die Mantelfläche des Rezipienten 15. Dadurch ergeben sich für beide Meßgeräte bezüglich Gaseinlass und Vakuumpumpe gleiche Leitwerte.

Die Kapillare 9, die hier für die N2-Vermessung beispielsweise eine lichte Weite von 0,5 mm und eine Länge von 400 mm hat, besteht aus UHV-tauglichem Material, und ist beispielsweise aus Edelstahl (1.4301). Sie endet vor dem Abschlussventil 6 am Rezipienten 15. Durch sie wird zur Messung das Testgas, hier Stickstoff, N2, eingelassen. Über dem Eckventil 6 liegt die zweite Turbo-Molekular-Pumpe 21, die ebenfalls eine Drehschieberpumpe 1 vorgeschaltet hat. Sie liegt zwischen dem Gasreservoir 14, der N2-Gasflasche 14, und der Kapillaren 9. Über das Dosierventil 7 am Anfang der Zuleitung wird der N2-Zustrom gesteuert. Wichtig sind die LN2-Kühlfalle 12 an der Zuleitung zwischen dem Dosierventil 7 und dem Eckventil 6 und die Druckmeßröhre 13 zwischen der Kühlfalle 12 und dem Eingang zur Kapillaren 9.

Das zu kalibrierende Gas wird durch die LN2-Kühlfalle 12 geleitet, um unerwünschte Bestandteile auszufrieren. Danach wird der Gaseinlaß mit dem Dosierventil 7 und dem Eckventil 6 an der zweiten Turbopumpe 21 so geregelt, dass sich an der Vakuum-Meßröhre 13, die hier eine Pirani-Meßröhre ist, vor der Kapillare 9 Drucke im Bereich von 10–2 mbar bis 5 mbar einstellen.

Die jeweiligen Ventilstellungen von Dosierventil 7 und Eckventil 6 werden vor der Vakuumpumpe aufgenommen. Durch hohe Drucke vor der Kapillare 9 wird sichergestellt, dass das eingelassene Gas die von der Wand desorbierenden Gase bei weitem überkompensiert. Untergrundgase durch Verunreinigungen oder Ausgaseffekte werden so minimiert.

Der mit dem Reinstgaseinlass verbundene Totaldruckanstieg wird mit dem DKD-kalibrierten Ionisationsvakuummeter 5 und den Partialdruckmessungen am Quadrupol-Massenspektrometer 10 synchronisiert. Ein solches Ionisationsvakuummeter 5 hat einen maximalen Fehler von ± 8% für Drucke im Bereich von 10–4 < p < 10–8 mbar. Dadurch wird mit den gasartspezifischen Kalibrierfaktoren der Partialdruck ppN2 von Reinstgasen am RGA gegen das DKD-kalibrierte Ionisationsvakuummeter 5 kalibriert. Während der Kalibrierung wird durch Überprüfung festgestellt, dass andere Gase, wie z.B. H2, H2O, O2, Ar, CO2 keinen Anstieg im Rezipienten zeigen. Mit der Einrichtung und dem Verfahren besteht ein Reinstgas-Einlaß, hier N2.

Die Alterungserscheinungen am Channeltron, wie Betriebsdauer, Restgasbedingung in Apparatur und Betriebsspannung, verhalten sich bei Erhöhung abnehmend. Daher wird die Kalibrierung gegen den Faraday-Becher vor jedem Messvorgang wiederholt. Die Signalstabilität muss gewährleistet sein und das Einströmen von Verunreinigungen verhindert werden. Die Kalibrierfunktion wird zur Kontrolle nach längeren Pausen eingesetzt. Bei Verwendung anderer Gase ändern sich die Kalibrierdrucke, d.h. sie sind gasspezifisch.

Die Reproduzierbarkeit der Messungen wird folgendermaßen überprüft:

Die Abnahme der Empfindlichkeit mit zunehmender Ausheizhäufigkeit sowie die Reproduzierbarkeit der Partialdruckanzeige werden durch Benutzung des Kalibrierlecks charakterisiert. Mit Hilfe des Kalibrierlecks von beispielsweise gLeckN2 = 2,08 × 10–6 mbar 1/s ± 1% werden die Reinstgase zu reproduzierbaren Bedingungen bei einem definierten pV-Durchfluß in den Rezipienten eingelassen. Das Kapillarleck wird vor Benutzung mit dem Betriebsgas mehrfach gespült, da sonst atmosphärische Gase einströmen. Nach jedem Gaseinlaß wird das Channeltron, wie erwähnt, kalibriert.

Mit dieser Absolutkalibrierung des Quadrupol-Massenspektrometers 10 wird vollends die zugehörige Regressionsfunktion auf bekannte formale Weise, hier für Stickstoff, N2, mit Rechnermitteln bestimmt. Ein Ergebnis der Auswertung wird in den 2 und 3 beispielhaft vorgestellt.

1
Drehschieberpumpe
2
erste Turbomolekularpumpe
3
Titanverdampferpumpe
4
Ionengetterpumpe
5
Ionisationsvakuummeter
6
Ventil, Eckventil
7
Dosierventil
8
Pneumatisches Ventil
9
Kapillare
10
Quadrupol-Massenspektrometer
11
Kalibrierleck
12
Kühlfalle, LN2 Stickstoff
13
Druckmeflröhre, Vakuum-Meßröhre, Piraniröhre
14
Reservoir, Gasreservoir, Gasflasche
15
Messrezipient, Rezipient
21
zweite Turbomolekularpumpe


Anspruch[de]
Verfahren zur Partialdruck-Kalibrierung von Quadrupol-Massenspektrometern (10) für Reinstgase im Ultrahochvakuum bei verschiedenen Drucken, bestehend aus den Schritten:

– das zu kalibrierende Gas wird zur Beseitigung störender Bestandteile durch eine Kühlfalle (12) in den Messrezipienten (15) geleitet,

– der Gaseinlass wird von einer zweiten Turbomolekularpumpe (21) über mindestens ein Ventil (6) so geregelt, dass sich an einer Druckmessröhre (13), die an eine zu durchströmende, leitwertverschlechternde Kapillare (9) angebaut ist, die notwendigen Drucke einstellen,

– der mit dem Reinstgaseinlass verbundene Druckanstieg wird mit einem kalibrierten Ionisationsvakuummeter (5) und den Messungen des jeweiligen Partialdrucks an einem Quadrupol-Massenspektrometer (10), dem Residual-Gas-Analysator, RGA (10), synchronisiert, wodurch mit bekannten, gasartspezifischen Kalibrierfaktoren der Partialdruck von Reinstgasen an diesem RGA gegen das kalibrierte Ionisations-Vakuummeter (5) kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung eines Sekundär-Elektronen-Vervielfachers, SEV, dem Channeltron, gegen einen Faraday-Becher, beide im Quadrupol-Massenspektrometer (10), für das zu kalibrierende Gas vor jedem Meßvorgang wiederholt wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Rezipienten (15) angebrachtes Kalibrierleck (11) zur Einleitung einer konstanten Leckrate benutzt wird, wodurch die Empfindlichkeit des RGA (10), die mit zunehmender Anzahl an Ausheizungen abnimmt, charakterisiert und beurteilt werden kann. Kalibriereinrichtung zur Partialdruck-Kalibrierung von Quadrupol-Massenspektrometern für Reinstgase im Ultrahochvakuum bei verschiedenen Drucken, bestehend aus:

– einem Rezipienten (15), an den eine erste Turbomolekularpumpe (2) mit vorgeschalteter Drehschieberpumpe (1) über ein Ventil (8), eine Titanverdampfer- (3) und eine Ionengetterpumpe (4) angeschlossen sind,

– einem an den Rezipienten (15) angeschlossenen Quadrupol-Massenspektrometer (10), dem Residual-Gas-Analysator, RGA,

– einem an den Rezipienten (15) angeschlossenen kalibrierten Ionisationsvakuum-Meter (5), das mit dem Quadrupol-Massenspektrometer (10), RGA, auf einem Kreisring um die Mantelfläche des Rezipienten (15) so liegt, daß der jeweilige Funktionsraum beider Meßeinrichtungen optisch getrennt ist,

– einer im Rezipienten (15) endenden Kapillaren (9), über die das vorgesehene Gas eingelassen wird,

– einer an der das vorgesehene Gas zur Kapillaren (9) zuleitenden Zuleitung angeflanschten zweiten Turbomolekularpumpe (21),

– einem Dosierventil (7) am Anfang der das vorgesehene Gas zur Kapillaren (9) zuleitenden Zuleitung.






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