Title:
Orbitron-Pumpe.
Kind Code:
A2


Abstract:
The miniature electron vacuum pump (10) has an emitter (22), extractor (20) connected to metallic foil (16) on glass insulation (14) and silicon base (12) on which the anode (26) is mounted to form a vacuum chamber (24) with an insulated (30) titanium cathode (28).



Inventors:
Koops, Dr. Hans Wilfried Peter (DE)
Application Number:
EP20030015579
Publication Date:
03/31/2004
Filing Date:
07/11/2003
Assignee:
NAWOTEC GMBH (DE)
International Classes:
H01J41/18; (IPC1-7): H01J41/18
European Classes:
H01J41/18
View Patent Images:



Foreign References:
WO1996039582A11996-12-12VACUUM MAINTENANCE DEVICE FOR HIGH VACUUM CHAMBERS
DE4137527A11993-05-19
32449691966-04-05Electron orbiting tubes for ion measurement and gettering pumps
33391061967-08-29Ionization vacuum pump of the orbitron type having a porous annular grid electrode
61077452000-08-22Ion pumping of a flat microtip screen
Other References:
HELY H ET AL: "ENTWICKLUNG EINER KLEINEN DIFFERENTIELL GEPUMPTEN FELDEMISSIONS-ELEKTRONENQUELLE DEVELOPMENT OF A SMALL DIFFERENTIALLY PUMPED FIELD-EMISSION SOURCE" OPTIK, WISSENSCHAFTLICHE VERLAG GMBH.STUTTGART, DE, Bd. 49, Nr. 1, 1977, Seiten 127-132, XP008042918 ISSN: 0030-4026
D. TEMPLE: "recent progress in field emitter array development for high performance applications" MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING, Bd. r24, 1999, Seiten 185-239, XP002320281
R.BAPTIST ET AL.: "bayard-alpert vacuum gauge with microtips" JOURNAL VACUUM SCIENCE TECHNOLOGY, Bd. b14, Nr. 3, 1996, XP002320282
Attorney, Agent or Firm:
Borchert, Uwe Rudolf, Dipl.-Ing. (80086 München, DE)
Claims:
1. Orbitron-Pumpe (10) zur Erzeugung von Vakuum in einem zu evakuierenden Raum - Pumpenraum (24) -, mit einer Elektronenquelle (18), mit Mitteln zum Erzeugen eines Feldes, das die Elektronen der Elektronenquelle (18) im Pumpenraum (24) auf eine Kreisbahn zwingt, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle als Feldelektronenquelle (18) ausgebildet ist, die einen kalten Feldelektronen-Emitter (22) und eine Beschleuniger-Elektrode (20) umfasst, welche die aus dem Feldelektronen-Emitter (22) austretenden Elektronen in Richtung auf das Feld beschleunigt, und dass der Abstand zwischen dem Feldelektronen-Emitter (22) und der Beschleuniger-Elektrode (20) kleiner als die mittlere freie Wegl·ange der Atome des zu evakuierenden Gases - Restgas - in dem Pumpenraum (24) ist.

2. Orbitron-Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines Feldes im Pumpenraum (24) eine Anode (26) und eine Kathode (28) umfassen, die ein elektrisches Feld erzeugen, sodass die Flugbahn der Elektronen um die Anode (26) herum verl·auft.

3. Orbitron-Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenraum (24) ein Volumen von kleiner als 10 mm<3> aufweist.

4. Orbitron-Pumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Anode (26) eine positive Spannung von bis zu 2000 Volt anliegt, sodass die Elektronen die Anode (26) in einem zylindersymmetrischen Zentral-Potentialfeld zwischen Anode (26) und Kathode (28) umkreisen.

5. Orbitron-Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kathode (28) eine negative Spannung von 0 Volt bis -3000 Volt, insbesondere -200 Volt bis -2000 Volt, anliegt, wodurch das zylindersymmetrische Zentral-Potentialfeld zwischen der positiv geladenen Anode (26) und der negativ geladenen Kathode (28) verst·arkt wird und die Elektronen die negativ geladene Kathode (28) erreichen.

6. Orbitron-Pumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen den Feldelektronen-Emitter (22) mit -30 Volt verlassen und bei 0 Volt in das Zentral-Potentialfeld eindringen, oder ·ahnliche Potentialdifferenzen zwischen Feldelektronen-Emitter (22) Beschleuniger-Elektrode (20) und Anode (26) verwendet werden, die aber auf einem anderen Grundpotential aufsetzen.

7. Orbitron-Pumpe nach einem der vorangehenden Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldelektronen-Emitter (22) die Elektronen in Form eines Elektronenstrahls in einer Ebene senkrecht zur Anode (26) aufbaut.

8. Orbitron-Pumpe nach einem der vorangehenden Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Extraktor (20) die Beschleuniger-Elektrode bildet, der ein Extraktorpotential zur Symmetrisierung des Feldes in einer Ebene senkrecht zur Anode (26) aufbaut.

9. Orbitron-Pumpe nach einem der vorangehenden Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolator (14, 30) vorgesehen ist, der zwischen der gegen·uber der Anode (26) und dem Feldelektronen-Emitter (22) isolierten Kathode (28) und einem Anodentr·ager (12) angeordnet ist.

10. Orbitron-Pumpe nach einem der Anspr·uche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldelektronen-Emitter (22) und die Beschleuniger-Elektrode (20) und/oder die Anode (26) in miniaturisierter Ausf·uhrung mit korpuskularstrahlinduzierter Deposition, laserstrahlinduzierter Deposition oder mit mikromechanischer Bautechnik und die Kathode (28) in miniaturisierter Ausf·uhrung mit mikromechanischer Bautechnik hergestellt sind.

11. Orbitron-Pumpe nach einem der Anspr·uche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die den Feldelektronen-Emitter (22) und die Beschleuniger-Elektrode (20) tragende Isolatorschicht und die Anode (26) und die Kathode (28) durch anodische Bond- oder Klebetechnik zueinander fixiert und vakuumdicht verbunden sind.

12. Orbitron-Pumpe nach einem der Anspr·uche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Feldelektronenquellen (18) vorgesehen und um die Anode (26) herum angeordnet sind, sodass mehrere Elektronenstrahlen die Ionisation und eine Symmetrisierung des Anodenpotentials f·ur die Kreisbahn bewirken.

13. Orbitron-Pumpe nach einem der vorangehenden Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektronenquelle (18) eine Ionenspiegel-Elektroden-Anordnung mit einer Mittel- und einer Endelektrode umfasst, die durch ihr angelegtes Potential an der Mittelelektrode zwischen Beschleuniger-Elektrode (20) und der Endelektrode verhindert, dass aus dem Pumpenraum (24) kommende Ionen den kalten Feldelektronen-Emitter (22) erreichen und diesen zerst·auben.

14. Orbitron-Pumpe nach einem der vorangehenden Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Isolator (30) zwischen Feldelektronenquelle (18) und Anode (26) ein Potentialring (36) angebracht ist, der durch negative Aufladung auf -100 Volt das Potential um die Anode (26) so formt, dass die um die Anode (26) fliegenden Elektronen in einer als elektrostatische Fl·ache wirkende Potentialanordnung eingeschlossen sind und nur zur Anode (26) hin sich bewegen k·onnen.

15. Orbitron-Pumpe nach einem der Anspr·uche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektronenquelle (18) in in den Isolator (30) eingebrachten Hohlr·aumen angeordnet ist, sodass durch Einschlag von Ionen auf die Kathode (28) von deren Oberfl·ache zerst·aubtes Titan- oder Gettermaterial nicht in die Feldelektronenquelle (18) gelangen kann.

16. Orbitron-Pumpe nach einem der vorangehenden Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet, dass eine ·Offnung im Pumpenraum (24) vorgesehen ist, durch welche die Pumpwirkung zu einem Nutzvakuumraum (34) gef·uhrt wird.

17. Orbitron-Pumpe nach einem der vorangehenden Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (28) aus Titan oder einem anderen Gettermaterial ausgebildet ist.

18. Orbitron-Pumpe nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (28) zumindest bereichsweise als Gitter ausgef·uhrt ist, sodass das Gitter potentialbegrenzend die Bewegung der Elektronen auf der Kreisbahn erm·oglicht, aber die Durchl·assigkeit des Gitters und die ·Offnungen im Gitter das Durchtreten der im angrenzenden Nutzvakuumraum (34) befindlichen Atome des Restgases in den Pumpenraum (24) erm·oglicht, wodurch ein grosser Saugquerschnitt zu einem ·uber der Kathode (28) befindlichen Nutzvakuumraum (34) erm·oglicht wird.

19. Orbitron-Pumpe nach einem der Anspr·uche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (26) und der Potentialring ((36) mit durchbrochenem Isolatortr·ager (14) zumindest bereichsweise als Gitter ausgef·uhrt ist, sodass das Gitter potentialbegrenzend die Bewegung der Elektronen auf der Kreisbahn erm·oglicht, aber die Durchl·assigkeit des Gitters und die ·Offnungen im Gitter das Durchtreten der im angrenzenden Nutzvakuumraum (34) befindlichen Atome des Restgases in den Pumpenraum (24) erm·oglicht, wodurch ein grosser Saugquerschnitt zu einem unter der Anode (26) befindlichen Nutzvakuumraum (34) erm·oglicht wird.

20. Orbitron-Pumpe nach einem der vorangehenden Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Feldelektronen-Emitter (22) zu einem B·undel zusammengefasst sind, um eine Redundanz f·ur die Emission von Elektronen zu gew·ahrleisten.

21. Orbitron-Pumpe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ohmscher Vorwiderstand vorgesehen ist, der die Emission von Elektronen aus dem B·undel der Feldelektronen-Emitter (22) regelt und stabilisiert, indem dieser im Fall eines Ausfalls eines Feldelektronen-Emitters (22) an den anderen Feldelektronen-Emittern (22) eine h·ohere Betriebsspannung zum Ausgleich f·ur den ausgefallenen Feldelektronen-Emitter (22) ausgefallenen Feldelektronen-Emitter (22) zur Verf·ugung stellt.

22. Orbitron-Pumpe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (26) mit einem leitf·ahigen ·Uberzug, wie Kohlenstoff, versehen ist, der eine besonders geringe R·ontgenanregung der mit 200 eV auftreffenden Elektronen erm·oglicht, sodass ein geringer, durch R·ontgenstrahlen ausgel·oster Sekund·arelektronenstrom von der Kathode (28) fliesst.

23. Orbitron-Pumpe nach einem der Anspr·uche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom zwischen Kathode (28) und Anode (26) als Mass f·ur den durch den Elektronenbeschuss erzeugten Ionenstrom und damit f·ur den Druck des Restgases dient.

24. Orbitron-Pumpe nach einem der vorangehenden Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Nutzvakuumraum (·ahnlich 34) durch Verdampfen eines Gettermaterials eine Getterschicht niedergeschlagen wird, die das Evakuieren des gesamten Vakuumraumes unterst·utzt. der Nutzvakuumraum (34) eine durch Verdampfen niedergeschlagene Getterschicht aufweist, die das anf·angliche Evakuieren des Restgases beschleunigt.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Orbitron-Pumpe gem·ass der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Es sind unterschiedliche Pumpen zur Erzeugung von Vakuum, insbesondere von Hochvakuum und von Ultrahochvakuum, bekannt. Unter Hochvakuum versteht man ein Vakuum bis 10<-6> Torr. Bei 10<-7> bis 10<-12> Torr spricht man dagegen von einem Ultrahochvakuum. Beispielsweise wird Ultrahochvakuum mit einer Kryo-Pumpe, einer Ionenzerst·auberpumpe oder einer Ionen-Getter-Pumpe erzeugt.

In der genannten Ionenzerst·auberpumpe wird in einem magnetischen und elektrischen Feld das in dem zu evakuierenden Raum befindliche Gas - Restgas - durch H·ohenstrahlung gez·undet, d. h. es erfolgt durch die H·ohenstrahlung eine Initialz·undung, die eine selbstt·atig ablaufende Gasentladung bewirkt. Bei der Initialz·undung werden Ionen aus dem Restgas durch Teilchenstoss aus den Atomen des Restgases erzeugt. Nach der Initialz·undung bilden sich durch die Gasentladung im Restgas Elektronen, die durch das von einer Anode und einer Kathode gebildete elektrische Feld beschleunigt werden. Diese Elektronen treffen dann auf weitere Atome des Restgases, erzeugen wiederum durch Elektronenstoss Ionen, die in Richtung auf die Kathode zu beschleunigt werden. Die Kathode weist an ihrer Oberfl·ache ein zu zerst·aubendes Gettermaterial auf.

Durch den Einschlag der Ionen auf der Kathode wird das Gettermaterial zerst·aubt, setzt sich auf der inneren Oberfl·ache des Pumpenraumes der Pumpe ab und bildet dort eine aktive Getterschicht, die Restgas absorbiert. Auf diese Weise wird der zu evakuierende Raum von dem Restgas fortlaufend evakuiert. Der Strahlweg der das Restgas ionisierenden Elektronen, die beim Ionisationsprozess durch Gasentladung erzeugt werden, wird in einem starken Magnetfeld durch die Lorenzkraft verl·angert, in dem diese auf Kreisbahnen gezwungen werden.

Mit einer Ionenzerst·auberpumpe k·onnen Pumpleistungen von mehreren 100 l/sec in vielen Litern grossen, zu evakuierenden R·aumen erreicht werden. Nachteilig bei der Ionenzerst·auberpumpe ist jedoch die Abh·angigkeit vom Gasdruck, da die bei der Gasentladung erzeugte Elektronenzahl und die von den Elektronen erzeugte Ionenzahl direkt voneinander abh·angen. Ein Steuern des Evakuierungsprozesses, im Sinne von einem Verlangsamen oder einem Beschleunigen, ist mit der Ionenzerst·auberpumpe nicht m·oglich.

Weiterhin sind Orbitron-Pumpen bekannt, siehe beispielsweise H. Hely, H. W. P. Koops, "Entwicklung einer kleinen differentiell gepumpten Feldemissions-Elektronenquelle", Optik 49 (1977) No. 1, 127-132. Im Gegensatz zu den Ionenzerst·auberpumpen, die aufgrund ihrer nach der Initialz·undung selbstt·atig ablaufenden Gasentladung elektrodynamisch reagieren, arbeiten die Orbitron-Pumpen auf einem elektrostatischen Prinzip, bei dem durch fortlaufenden Elektronenbeschuss aus einer Elektronenquelle die Ionen aus den Atomen und Molek·ulen des Restgases erzeugt werden.

Bei diesen Orbitron-Pumpen dient ein thermischer Elektronen-Emitter als Feldelektronenquelle, der das Restgas mit einem Elektronenstrahl von einigen 100 eV Energie und einigen mu A Stromst·arke fortlaufend beschiesst. Hierf·ur werden die Elektronen von einem Feldelektronen-Emitter in Strahlrichtung ·uber eine Strecke beschleunigt, die gr·osser ist als die mittlere freie Wegl·ange des Atoms des zu evakuierenden Gases. Anschliessend wird der Flugweg der Elektronen weiter verl·angert, jedoch nicht durch ein magnetisches Feld, wie bei der Ionenzerst·auberpumpe, sondern durch ein elektrisches Feld. Bei diesem elektrischen Feld werden die Elektronen in einem Zentral-Potentialfeld auf eine Kreisbahn, also einem Orbit, um die Anode gezwungen. Hierbei umkreisen die Elektronen die Anode mehrfach.

Die Elektronen treffen auf die Atome und Molek·ule des Restgases - Elektronenstoss - und erzeugen Ionen. Die durch diesen Elektronenstoss im Orbit aus dem Restgas erzeugten Ionen werden auf die Kathode der Orbitron-Pumpe beschleunigt. Die Oberfl·ache der Kathode besteht dabei ebenfalls aus Titan oder Gettermaterial, was bei Einschlag der Ionen zerst·aubt und auf der inneren Fl·ache der Orbitron-Pumpe eine aktive Getterschicht bildet. Diese absorbiert dann wieder das Restgas. Zudem werden auch Ionen in die Kathode mit eingebettet.

Derartige Orbitron-Pumpen haben ein besonders hohes Saugverm·ogen. Dieses beruht auf dem f·ur die Prim·arionisierung aus einer Feldelektronenquelle, wie dem genannten thermischen Elektronen-Emitter, eingeschossenen hohen Elektronenstrahlstrom, mit welchem die Ionisation des Restgases hochgehalten werden kann. Dadurch ist der Prozess auch nicht vom Gasdruck abh·angig, da dieser in Abh·angigkeit des Elektronenstrahlstroms von der Feldelektronenquelle gesteuert werden kann.

Beide Pumpen, sowohl die Ionenzerst·auberpumpe als auch die Orbitron-Pumpe, sind schwerbauende, sogenannte makroskopische Aufbauten, die verh·altnism·assig teuer sind. F·ur miniaturisierte Systeme sind solche Pumpen nicht einsetzbar, da sie aufgrund ihrer gross bauenden Ausbildung auch grosse Vakuumdurchtritts·offnungen f·ur eine Verbindung zu grossen Nutzvakuumr·aumen hin erfordern. Diese Pumpen m·ussen auch immer durch eine ·uber ein Ventil absperrbare Vorpumpe in den Hochvakuum-Bereich von 10<-6> Torr vorevakuiert werden, bevor der eigentliche Pumpvorgang f·ur die Schaffung des Hochvakuums begonnen werden kann, weil sonst die Gl·uhdr·ahte, aus denen die Elektronen emittiert werden, mit dem Restgas reagieren und verbrennen.

Die Gasmengen, die in grossen Systemen gepumpt werden m·ussen, liegen im Bereich 10<-5> - 10<-6> Torr l/sec als Gasanfall, wodurch mit einem Saugverm·ogen von 1000 l/sec das Ultrahochvakuum von 10<-9> Torr erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Orbitron-Pumpe zu schaffen, die wenig Platz ben·otigt und vor allem zur Schaffung von einfachem Vakuum bis zu Ultrahochvakuum in einem kleinen Volumen ausgelegt ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gel·ost.

Die Unteranspr·uche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es nicht zwingend notwendig ist, die Beschleunigungsstrecke f·ur die einzuschiessenden Elektronen der Feldelektronenquelle gr·osser als die mittlere freie Wegl·ange der Atome und der Molek·ule des Restgases auszuf·uhren, sondern dass es gen·ugt, wenn die Beschleunigungsstrecke auch kleiner ausgebildet ist, da nach der Beschleunigungsstrecke das Elektron sowieso auf einem Orbit gef·uhrt wird, um dort die mittlere freie Wegl·ange zu erreichen, indem es ein Atom oder Molek·ul des Restgases f·ur die Ionisation trifft. Hierdurch kann die Orbitron-Pumpe erheblich kleiner ausgebildet werden. Zudem ist der Feldelektronen-Emitter kalt ausgef·uhrt, wodurch sich neue Anwendungsm·oglichkeiten ergeben, insbesondere die M·oglichkeit der Miniaturisierung.

Beispielsweise kann ein Ultrahochvakuum in einem kleinen Volumen auf kleiner Fl·ache auf einfache Weise hergestellt werden.

Nach der Erfindung umfasst die Feldelektronenquelle einen kalten Feldelektronen-Emitter und eine Beschleuniger-Elektrode, welche die aus dem Feldelektronen-Emitter austretenden Elektronen in Richtung auf das Feld beschleunigt, und der Abstand zwischen dem Feldelektronen-Emitter und der Beschleuniger-Elektrode ist dabei kleiner als die mittlere freie Wegl·ange der Atome und Molek·ule des Restgases in dem Pumpenraum.

Hierbei umfassen insbesondere die Mittel zum Erzeugen eines Feldes im Pumpenraum eine Anode und eine Kathode, die ein elektrisches Feld erzeugen, sodass die Kreisbahn der Elektronen um die Anode herum verl·auft. Zus·atzlich wird die Anode im Raum zwischen Elektronenquelle und Anode mit einem negativen Potentialring umgeben, der zur Erzeugung einer die Elektronen im Orbit einschliessenden Potentialverteilung dient.

Gem·ass einer Ausf·uhrungsform der Erfindung weist der Pumpenraum ein Volumen von kleiner als 10 mm<3> auf.

Damit die Elektronen die Anode in einem zylindersymmetrischen Zentral-Potentialfeld zwischen Anode und Kathode umkreisen, liegt an der Anode eine positive Spannung von bis zu 2000 Volt an.

Um das zylindersymmetrische Zentral-Potentialfeld zwischen der positiv geladenen Anode und der negativ geladenen Kathode der Pumpe noch weiter zu verst·arken und zu gew·ahrleisten, dass die Ionen diese negativ geladene Kathode auch erreichen, liegt an der Kathode eine negative Spannung von 0 Volt bis -3000 Volt, insbesondere - 200 Volt bis -2000 Volt, an. Hierbei verlassen die Elektronen den Feldelektronen-Emitter mit -30 Volt und dringen bei 0 Volt in das Zentral-Potentialfeld ein.

Vor allem kann der Feldelektronen-Emitter die Elektronen in Form eines Elektronenstrahls in eine Ebene senkrecht zur Anode emittieren.

Gem·ass einer Ausf·uhrungsform der Erfindung bilden ein oder zwei Extraktoren die Beschleuniger-Elektrode, die ein Extraktorpotential aufbauen, das zur Ausrichtung des Elektronenstrahls in den Orbit in einer Ebene senkrecht zur Anode dient.

Gem·ass einer Ausf·uhrungsform der Erfindung ist ein Isolator vorgesehen, der zwischen der gegen·uber der Anode und dem Feldelektronen-Emitter isolierten Kathode und einem Anodentr·ager angeordnet ist.

Der Feldelektronen-Emitter und die Beschleuniger-Elektrode sind in miniaturisierter Ausf·uhrung mit korpuskularstrahlinduzierter Deposition, und die Anode und die Kathode in miniaturisierter Ausf·uhrung mit mikromechanischer Bautechnik hergestellt.

Der den Feldelektronen-Emitter und die Beschleuniger-Elektrode tragende Isolatorbaustein und der Anodentr·ager mit Anode und Kathode sind insbesondere durch anodische Bond- oder Klebetechnik zueinander fixiert und vakuumdicht miteinander verbunden.

Um zu erreichen, dass mehrere Elektronenstrahlen die Ionisation und eine Symmetrisierung des Anodenpotentials f·ur die Kreisbahn bewirken, sind mehrere Feldelektronenquellen vorgesehen und um die Anode herum angeordnet.

Vorzugsweise umfasst die Feldelektronenquelle eine Ionenspiegel-Elektroden-Anordnung mit einer Mittel- und einer Endelektrode, die durch hier angelegtes Potential an der Mittelelektrode zwischen Beschleunigerelektrode und der Endelektrode verhindert, dass aus dem Pumpenraum kommende Ionen den kalten Feldelektronen-Emitter erreichen und diesen zerst·auben.

Damit durch Einschlag von Ionen auf die Kathode von deren Oberfl·ache zerst·aubtes Titan- oder Gettermaterial nicht in die Feldelektronenquelle gelangen kann, ist diese in in den Isolator eingebrachten Hohlr·aumen angeordnet.

Um die Pumpwirkung auch in einem benachbarten Nutzvakuumraum zu gew·ahrleisten, ist eine ·Offnung im Pumpenraum vorgesehen.

Vorzugsweise ist die Kathode aus Titan ausgebildet.

Gem·ass einer Ausf·uhrungsform der Erfindung ist die Kathode zumindest bereichsweise als Gitter ausgef·uhrt, sodass das Gitterpotential begrenzend die Bewegung der Elektronen auf der Kreisbahn erm·oglicht, aber die Durchl·assigkeit des Gitters und die ·Offnungen im Gitter das Durchtreten der im angrenzenden Nutzvakuumraum befindlichen Atome des Restgases in den Pumpenraum erm·oglicht, wodurch ein grosser Saugquerschnitt zu einem ·uber der Kathode befindlichen Nutzvakuumraum erm·oglicht wird.

Zudem oder alternativ hierzu kann die Anode bereichsweise als Gitter ausgef·uhrt sein, sodass das Gitterpotential begrenzend die Bewegung der Elektronen auf der Kreisbahn erm·oglicht, aber die Durchl·assigkeit des Gitters und die ·Offnungen im Gitter das Durchtreten der im angrenzenden Nutzvakuumraum befindlichen Atome des Restgases in den Pumpenraum erm·oglicht, wodurch ein grosser Saugquerschnitt zu einem unter der Anode befindlichen Nutzvakuumraum erm·oglicht wird.

Um eine Redundanz f·ur die Emission von Elektronen zu gew·ahrleisten, sind vorzugsweise mehrere Feldelektronen-Emitter zu einem B·undel zusammengefasst. Hierbei ist ein Ohmscher Vorwiderstand vorgesehen, der die Emission von Elektronen aus dem B·undel der Feldelektronen-Emitter regelt und stabilisiert, indem dieser im Fall eines Ausfalls eines Feldelektronen-Emitters an den anderen Feldelektronen-Emittern eine h·ohere Betriebsspannung zum Ausgleich f·ur den ausgefallenen Feldelektronen-Emitter zur Verf·ugung stellt.

Gem·ass einer Ausf·uhrungsform der Erfindung ist die Anode mit einem leitf·ahigen ·Uberzug, wie Kohlenstoff, versehen, der eine besonders geringe R·ontgenanregung der mit 200 eV auftreffenden Elektronen erm·oglicht, sodass ein geringerer, durch R·ontgenstrahlen ausgel·oster Sekund·arelektronenstrom von der Kathode der Pumpe zur Anode fliesst.

Insbesondere dient der Strom zwischen Kathode und Anode als Mass f·ur den durch den Elektronenbeschuss erzeugten Ionenstrom und damit f·ur den Druck des Restgases.

Um das anf·angliche Evakuieren des Restgases zu beschleunigen, weist einer der Nutzvakuumr·aume eine durch Verdampfen niedergeschlagene Getterschicht auf.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausf·uhrungsform der Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch eine miniaturisierte Orbitron-Pumpe nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Orbitron-Pumpe 10 in einer schematischen Querschnittsansicht dargestellt. Die Orbitron-Pumpe 10 ist mit einem Siliziumtr·ager 12 versehen, auf den bereichsweise eine Isolatorschicht 14 aufgebracht ist. Die Isolatorschicht 14 tr·agt wiederum eine Metallschicht 16, die Leiterbahnen bildet, welche eine Feldelektronenquelle 18 mit einem Extraktor 20 und einem Feldelektronen-Emitter 22 kontaktieren und einen Potential-f·uhrenden Ring 36 um die Anode f·uhren.

Anstelle eines Siliziumtr·agers 12 mit einer Auflageisolatorschicht 14 kann auch ein massiver Isolator, z. B. Glas, eingesetzt werden.

In dem Siliziumtr·ager 12 ist eine Anode 26 verankert. Um die Anode 26 herum ist ein Pumpenraum 24 vorgesehen, der einen Orbitbereich konzentrisch zur Anode 26 umfasst. Der Orbitbereich des Pumpenraums 24 weist weder eine Isolatorschicht 14 noch eine Metallschicht 16 auf. Zudem wird der Orbitbereich des Pumpenraums 24 in axialer Richtung der Anode 26 von der einen Seite durch den Siliziumtr·ager 12 und von der gegen·uberliegenden Seite von einer Titankathode 28 begrenzt. Die Titankathode 28 liegt auf einem weiteren Isolator 30, der seinerseits auf der Metallschicht 16 aufliegt.

Zur Symmetrisierung des Potentials sind vier Feldelektronenquellen 18 symmetrisch um die Anode 26 herum angeordnet. Die Elektronen werden tangential zum Zentral-Potentialfeld in eine Kreisbahn, also den Orbit, im Pumpenraum 24 um die Anode 26 eingeschossen. Die Anode 26 ist durch die Isolatoren 30 von der Titankathode 28 isoliert. Das Potential f·ur die Kreisbahn der Elektronen wird durch die Anode 26, die Titankathode 28 und den Potentialring 36 gebildet. Die Titankathode 30 ist auch durch die Isolatoren 30 von dem Siliziumtr·ager 12 getrennt und isoliert aufgebaut. Zwischen den einzelnen Fl·achen der Titankathode 28, der Isolatoren 30, der Metallschicht 16, der Isolatorschicht 14 sowie des Siliziumtr·agers 12 befinden sich jeweils anodische Bond- oder Klebeverbindungen 32, die ultrahochvakuumdicht sind. Bevorzugt k·onnte ein Ultrahochvakuumklebemittel, wie z. B.

Torrseal, eingesetzt werden.

Die Feldelektronenquellen 18 sind jeweils in einem Hohlraum im Isolator 30 eingebracht, der die Titankathode 28 als fl·achige Decke tr·agt. Dabei sind die Feldelektronenquellen 18 gesch·utzt in dem Isolator 30 angeordnet, sodass ihre empfindlichen Isolationsstrecken nicht von zerst·aubten Atomen der Titankathode 28 leitf·ahig ·uberbr·uckt werden k·onnen. Der Pumpenraum 24 ist gekapselt und als geschlossenes System ausgef·uhrt. Zudem ist er durch eine ·Offnung 38 mit einem angrenzenden Nutzvakuumraum 34 verbunden.

Der Aufbau der Feldelektronenquelle 18 mit Feldelektronen-Emitter 22 und Extraktor 20 wird in Depositionstechnik ausgef·uhrt. Die Leiterbahnen und Isolatorausformung wird in Siliziumtechnik mit Elektronenstrahl- oder optischer Lithographie und einem "lift-off"-Prozess zur Herstellung der Leiterbahnen in der Metallschicht 16 auf einer Oxidschicht realisiert. In dieser Oxidschicht kann durch zus·atzliche Tief-·Atzung der Isolationsweg zwischen den Leiterbahnen in der Metallschicht 16 verl·angert werden.

Diese ·Atzung kann bis auf den das Anodenpotential f·uhrenden Siliziumtr·ager 12 ge·atzt sein, um so die Isolatorstrecken aus der Waagrechten in die Senkrechte zu verl·angern, und durch eine durch Prozesstechnik gegebenenfalls erhaltene Unterschneidung der Leiterbahnen der Metallschicht 16 den Isolationsweg zu vergr·ossern und den Belegungsschutz zu verbessern.

Die Feldelektronenquellen 18 sind entsprechend dem Stand der Technik zusammen mit dem Extraktor 20 mittels elektronenstrahlinduzierter Deposition aufgebaut, siehe hierzu auch: H. W. P. Koops, J. Kretz, M. Rudolph, M. Weber, G. Dahm, K. L. Lee, "Characterization and application of materials grown by electron beam induced deposition", Jpn. J. Appl. Phys Vol. 33 (1994) 7099-7107, Part. 1 No. 12B, December 1994.

Die Isolationsstrecke zwischen Feldelektronen-Emitter 22 und Titankathode 28 ist durch photo·atzbares Glas in miniaturisierter Form hergestellt. Alle Bauteile sind miteinander durch oxydische Bondtechnik anodisch verbunden oder aber durch eine Ultra-Hochvakuum-taugliche Vakuumklebetechnik miteinander vakuumdicht verbunden. Mit Vorteil kann auch eine thermoplastische Klebung mit lithographisch strukturierten Thermoplasten eingesetzt werden.

Bei der Orbitron-Pumpe 10 nach der Erfindung handelt es sich somit um einen mikromechanischen Aufbau mit den Isolatoren 14, 30, der Metallschicht 16 und deponierten Strukturen, die als Feldelektronenquelle 18 dienen. Derartige Feldelektronenquellen 18 werden auch Feldemissions-Strahlerzeuger genannt. Die Orbitron-Pumpe 10 ist eine elektrostatische Pumpe, mit welcher durch Elektronenbeschuss Ionen erzeugt werden, indem die Elektronen auf eine Kreisbahn um die Anode 26 geschossenen werden und die Ionen durch Ionisierung durch E-lektroneneinfang aus dem neutralen Restgas erzeugt werden.

Diese Ionen werden durch die spezielle Wahl des Potentials von Anode 26, Feldelektronenquelle 18 und Titankathode 28 auf diese Titankathode 28 hin beschleunigt und zerst·auben die Oberfl·achenschicht der Titankathode 28 aus Titan- oder Gettermaterial. Zudem werden durch den von den Elektronen initiierten Ionenbeschuss zum einen die Gasatome als Ionen in das Titan eingebettet und zum zweiten die Oberfl·ache der Titankathode 28 durch Kathodenzerst·aubung abgetragen. Mit diesen zerst·aubten Atomen wird die innere Oberfl·ache der Orbitron-Pumpe 10 mit einer aktiven atomaren Getterschicht belegt, welche mit dem Restgas chemisch reagiert und dieses bindet. Beide Effekte erzeugen eine Verringerung des Drucks in dem zu evakuierenden Raum, n·amlich dem Pumpenraum 24.

Diese Orbitron-Pumpe 10 ist geeignet, mit anderen Bauteilen zusammen zu einem System integriert in grossfl·achiger Technik angewandt zu werden, z. B. in der Silizium-Mikromechanik oder der planaren Halbleitertechnik, um dort mit dem Pumpenraum 24 verbundenen Nutzvakuumraum zu Ultrahochvakuum zu evakuieren.

Durch die Miniaturisierung des Volumens der Orbitron-Pumpe 10 mit Ultrahochvakuum wird der Gasanfall durch Gasabgabe von der Oberfl·ache, durch Permeation durch die Wand und durch Gasabgabe aus dem Dichtungsmaterial verringert. Mit einem geringeren Saugverm·ogen kann somit das Ultrahochvakuum erreicht werden.

Durch die Miniaturisierung mit mikromechanischer und halbleitertechnologischer planarer Technologie, sowie durch die korpuskularstrahlinduzierte Deposition mit Hilfe von Ionen oder Elektronen wird es m·oglich, diese elektrostatische Orbitron-Pumpe 10 herzustellen, und diese auf einem Chip als Bauelement zu integrieren. In diese Orbitron-Pumpe 10 wird an Stelle eines aus dem Stand der Technik bekannten heissen thermischen Elektronen-Emitters eine kalte Feldelektronenquelle 18 eingesetzt, durch die ein hoher Prim·ar-Elektronen-Strom die Ionenerzeugungsrate hoch halten kann. Als Feldelektronenquellen 18 kommen f·ur miniaturisierte Systeme keine thermischen, sondern nur kalte Feldelektronenquellen in Frage, da miniaturisierte thermische Quellen die miniaturisierten Bauteile schnell aufheizen. Dies f·uhrt zum Ausgasen der Materialien und verhindert daher ihren Einsatz.

Zus·atzlich sind thermische Elektronenquellen schwierig miniaturisiert herzustellen und zu betreiben.

Miniaturisierte kalte Feldelektronenquellen sind Stand der Technik und z. B. aus der DE 44 16 597.8 oder der DE 199 23 614 bekannt.

Aus diesem Stand der Technik sind Feldelektronen-Emitter bekannt, die mit einer Extraktoranordnung zusammenwirken, um die Elektronen zu beschleunigen. Der Abstand zwischen dem Feldelektronen-Emitter 22 und dem Extraktor 20 ist die Beschleunigungsstrecke f·ur die Elektronen. Die Beschleunigungsstrecke ist dort gleich oder kleiner als die mittlere freie Wegl·ange der Atome und Molek·ule des zu evakuierenden Gases bei Normaldruck, also 760 Torr.

Die aus dem Stand der Technik bekannte miniaturisiert aufgebaute Feldelektronen-Emitter-Extraktor-Anordnung weist einen integrierten Ionenspiegel auf und kann in integrierte Schaltungen hinein auf vorgefertigten isolierten Leiterbahnen auf wenigen mu m an L·ange und Breite aufgebaut werden.

Nach der Erfindung wird eine derartig miniaturisierte Feldelektronenquelle 18 in der miniaturisierten Orbitron-Pumpe 10 verwendet. Da durch elektrostatische Potentialf·uhrung erreicht wird, dass die Elektronen in dem Orbit um die Anode 26 herum fliegen, wird der Weg des Elektronenstrahls im Restgas stark verl·angert und auf diese Weise schliesslich die Ionisierung des Restgases erreicht.

Auch in der miniaturisierten Orbitron-Pumpe 10 fliegen die nicht ionisierten Atome des Restgases von Wand zu Wand, und werden von den auf dem Orbit kreisenden Elektronen getroffen. So ionisierte Gasatome werden dann durch das Potential der Titankathode 28 beschleunigt und in diese eingebettet bzw. implantiert. Dabei ist die Titankathode 28 nicht mit dem Feldelektronen-Emitter 22 zu verwechseln. Die Titankathode 28 ist in der Orbitron-Pumpe 10 so angeordnet, dass sie ·uberwiegend von diesen Ionen getroffen wird. So werden die aus dem Restgas erzeugten Ionen in die Oberfl·ache der Titankathode 28 deponiert und zerst·auben zus·atzlich diese Oberfl·ache der Titankathode 28.

Durch geeignete Wahl der Spannung an der Anode 26 zur Erzeugung der Kreisbahn der Elektronen und des Einschusses der Elektronen in das Feld zwischen der Anode 26 und der Titankathode 28 gelingt es, diese Ionisierungswahrscheinlichkeit stark zu erh·ohen und den Pumpenraum 24 der Orbitron-Pumpe 10 bis zum Ultrahochvakuum leer zu pumpen.

Ein weiterer Vorteil der Orbitron-Pumpe 10 nach der Erfindung ist, dass eine Vorpumpe zur Vorevakuierung des zu evakuierenden Raumes der Pumpe entf·allt. Dies ist m·oglich, da der Feldelektronen-Emitter 22, der durch korpuskularstrahlinduzierte Deposition hergestellt wird, bereits ab Normaldruck, also ab 760 Torr, arbeitet und Elektronen emittiert. Das ist m·oglich, weil durch die miniaturisierte Aufbauweise der Abstand Feldelektronen-Emitter 22 zu dem Extraktor 20 nur 0,3 mu m gross ist, was ungef·ahr der Gr·ossenordnung der mittleren freien Wegl·ange der Atome des Restgases bei Normaldruck entspricht.

Daher kann mit der miniaturisierten Orbitron-Pumpe 10 nach der Erfindung auch ein gekapselter Ultrahochvakuumraum ohne zus·atzliche Vorpumpe direkt evakuiert werden und auch den zu evakuierenden Raum, also den Pumpenraum 24, und einen m·oglicherweise angrenzenden Nutzvakuumraum 34 bis hin zum Ultrahochvakuum vollst·andig evakuieren.

Diese Betriebsweise ist mit thermischen Kathoden f·ur Feldelektronenquellen nicht m·oglich, da diese durch den Luftsauerstoff oxidieren und abbrennen. Man spart durch die Betriebsweise und Konstruktion nach der Erfindung auch die Vorpumpe, dazwischenliegende Rohrleitungen und ein Absperrventil, mit welchem der Ultrahochvakuumraum vom Vorpumpenraum dicht abgetrennt werden muss, um das Ultrahochvakuum in der Ionenzerst·auberpumpe oder Orbitron-Pumpe gem·ass dem Stand der Technik zu erreichen.

Durch Verbindung des Pumpenraumes 24 der Orbitron-Pumpe 10 mit dem Nutzvakuumraum 34 mit einem hohen Leitwert ist es m·oglich, f·ur diesen Nutzvakuumraum 34 das erforderliche Vakuum, n·amlich Ultrahochvakuum, f·ur die darin befindlichen Experimente die Ultrahochvakuum erfordern, zu erm·oglichen.

Dieser Nutzvakuumraum 34 kann durch eine seitliche ·Offnung in dem Isolator 30, durch eine gitterf·ormig ausgebildete Titankathode 28 oder durch eine gitterf·ormig ausgebildete Anode 26 oder einen gitterf·ormig ausgebildeten Anodentr·ager an den Pumpenraum 24 mit hohem Leitwert angeschlossen sein.

Die Elektronen werden von dem Feldelektronen-Emitter 22 mit Potential 0 Volt emittiert, indem sie durch eine Beschleunigungsspannung am Extraktor 20 aus der Spitze des Feldelektronen-Emitters 22 durch Feldemission freigesetzt werden. Die Beschleunigungsspannung hat einen positiven Wert zwischen 2 Volt und 70 Volt und beschleunigt die Elektronen in den Orbit um die drahtf·ormige positive Anode 26. Diese Anode 26 liegt auf positivem Potential mit einem Wert zwischen 70 Volt und 2000 Volt. Die Anode 26 ist isoliert gehaltert gegen·uber der fl·achig ausgebildeten Titankathode 28, die auf negativem Potential liegt. Das Potential der Titankathode 28 hat einen Wert zwischen 0 Volt und -3000 Volt.

Der Strom aus Elektronen, der aus dem Feldelektronen-Emitter 22 f·ur die Ionisation im Pumpenraum 24 ben·otigt wird, wird durch eine aktive Stabilisierung des Elektronenstrahls durch eine vorgegebene Einstellung oder externe Massnahmen eingestellt. Zudem kann der Strom aus Elektronen durch eine aktive Steuerung der Gr·osse des Elektronenstromes f·ur die verschiedenen zu pumpenden Vakuumbereiche entweder durch vorgegebene Einstellung oder externe Massnahmen eingerichtet werden. Auf diese Weise kann die erforderliche Leistung der Orbitron-Pumpe 10 gew·ahlt und eingestellt werden. Bezugszeichenliste

10 Orbitron-Pumpe 12 Siliziumtr·ager 14 Isolatorschicht 16 Metallschicht 18 Feldelektronenquelle 20 Extraktor 22 Feldelektronen-Emitter 24 Pumpenraum 26 Anode 28 Titankathode 30 Isolator 32 Klebeverbindung 34 Nutzvakuumraum 36 Potentialring f·ur die elektrostatische Fl·ache 38 Vakuumverbindung zum Nutzvakuumraum