6.3.5 Einlasssysteme
In der Gasanalyse müssen die zu untersuchenden Gasgemische meist von Atmosphärendruck auf den Arbeitsdruck des Massenspektrometers (MS) entspannt werden. Viele vakuumtechnische Prozesse, die mit Massenspektrometern überwacht werden sollen, finden in Druckbereichen $p$ > 10-4 hPa statt. Eine wesentliche Komponente eines Quadrupol-Massenspektrometers ist daher ein für die Anwendung geeignetes Gaseinlasssystem. Je nach Druckgradient werden unterschiedliche Verfahren zur Druckreduktion eingesetzt.
Gasgemische müssen möglichst ohne Entmischung in das Massenspektrometer eingelassen werden:
- Bei Drücken $p$ > 10 hPa reduziert man den Druck über eine (beheizte) Kapillare – in der Laminarströmung herrscht – mit nachgeschaltetem Gaseinlassventil. Unter Umständen ist vor dem Ventil noch eine Druckreduzierung über eine zusätzliche Pumpe notwendig.
- Bei Drücken $p$ < 10 hPa reduziert man den Druck über eine Blende und ein mit einer Turbomolekularpumpe differentiell gepumptes Massenspektrometer.
- Bei Drücken $p$ < 10-4 hPa kann das Massenspektrometer mit einer offenen Ionenquelle direkt in die Prozesskammer eingebaut werden.
Bei Verwendung einer Blende zur Druckreduzierung wird deren gasartabhängiger Leitwert durch den ebenfalls gasartabhängigen Leitwert des Strömungsweges zur Pumpe hin wieder aufgehoben, sodass die Konzentrationen im QMS der wahren Gaszusammensetzung entsprechen.
| Einlasssystem | Druckbereich | Produktbeispiel | Charakteristik |
|---|---|---|---|
| Ohne Druckreduktion | 10 -12 bis 10 -4 hPa | PrismaPlus QMG 220, HiQuad QMG 700 | Mit verschiedenen Ionenquellen kann ein weiter Druckbereich abgedeckt werden |
| SPM-Ionenquelle | 10 - 9 bis 10 hPa | PrismaPlus SPM 220, HiQuad SPM 700 | Spezielle Ionenquelle für die Analyse von Sputterprozessen. Mit diesem System wird der Zustand der Anlage ohne Verfälschung durch eine Druckreduktion analysiert |
| Kapillareinlass | 700 bis 1.100 hPa, abhängig von der Kapillar- länge und der vorgeschalteten Blende | OmniStar, ThermoStar, Einlasssystem GES 020 und GES 010 | Differenziell gepumptes Einlasssystem, geringe Massendiskriminierung, nicht geeignet für wechselnde Einlassdrücke |
| Blendeneinlas | 0,1 bis 10 hPa, abhängig vom Blendendurchmesser | PrismaPlus HPA 220 | Blenden mit Durchmesser 0,01 bis 0,5 mm, einfacher, robuster Aufbau, Massendiskriminierung, mit unterschiedlichen Blendendurchmessern sind wechselnde Einlassdrücke möglich, ungeeignet für schnell wechselnde Gaszusammensetzungen |
| Dosierventil | 0,1 bis 1.000 hPa | PrismaPlus HPA 220, Dosierventile UDV 040 bis 146 | Dosierventile eignen sich für den Gaseinlass über einen sehr weiten Messbereich, differenziell gepumpte Ventile erlauben auch eine Analyse schnell wechselnder Gas- zusammensetzungen |
| Druckgeregelter Gaseinlass | 10 -3 bis 1.000 hPa | EVR 016 mit RVC 300, OmniStar mit druckgeregeltem Einlass | Differenziell gepumptes Einlasssystem, bestehend aus einer Regelschleife mit Regelventil und Druckmessung, relativ großes Totvolumen, lange Gaswechselzeiten |
Tabelle 6.3: Verschiedene Gaseinlasssysteme und deren Eigenschaften
