Herstellung und Charakterisierung eines nanoskaligen Kaltkathoden-Ionisationsmanometers

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und Charakterisierung eines nanoskaligen Drucksensors, der auf dem Prinzip der Feldemission basiert. Ziel war es ein miniaturisiertes Ionisationsmanometer mit einem möglichst hohen geometrischen Verstärkungsfaktor g zu produzieren. D. h. die Feldemission sollte bereits bei geringer Spannung erfolgen und damit die Leistungsaufnahme des Drucksensors gering gehalten werden. Nach einer Einleitung in das Themengebiet wird eine Einführung in die theoretischen Grundlagen gegeben. Diese umfasst sowohl quantenmechanische als auch klassische physikalische Themengebiete. Das Prinzip das dem Drucksensor zu Grunde liegt ist die Feldemission, darunter versteht man Tunneln von Elektronen, unter Einfluss eines hohen elektrischen Feldes, in der Größenordnung von etwa 109 V/m. Es wird in weiterer Folge auf die Fowler Nordheim Gleichung eingegangen, die die Feldemission beschreibt und den Zusammenhang zwischen der durch eine Metallspitze fließenden Stromdichte J und der Feldstärke E gibt. Der geometrische Verstärkungsfaktor g wird wesentlich durch die Geometrie der Kathode bestimmt und ist bei einer Spitze als Kathode am größten. Die Ionisation eines Gasmoleküls durch energiereiche Elektronen, sowie verschiedene Ionisations-Vakuummeter werden gezeigt. Im Abschnitt experimentelle Durchführung wird die Fabrikation des Drucksensors gezeigt, welche sich in die Herstellung und in die Strukturierung der koaxialen Elektrodenstruktur aufteilt. Die Herstellung wurde mit Standardprozessen der Si Technologie und dem Einsatz einer Ionenfeinstrahlanlage realisiert. Im letzten Teil werden zwei verschiedene Drucksensoren mit verschiedenen Ausführungsformen, und die damit erzielten Messergebnisse diskutiert. Die Unterschiede der Drucksensoren werden anhand ihres Stromverhaltens abhängig von Spannung und Druck und anhand ihres Emissionsverhaltens untersucht und diskutiert.<br />

The present work describes the production and characterization of a nanoscale pressure sensor which is based on the field emission principle. The aim of this master thesis was to produce a miniaturized pressure sensor with a very high geometrical enhancement factor g, leading to a field emission which is released by low voltage values.<br />After an introduction to the main topic the theoretical basics are presented. The theory encompasses quantum-mechanical topics and classic physical topics. The Fowler Nordheim equation is significant for the classification of field emission, describing the connection between the current density J through a metal tip and the field strength E. Field emission itself refers to tunneling of electrons, under the influence of a high electric field, on the order of magnitude of approximately 109 V/m. The geometrical enhancement factor g describes the geometry of the electrode arrangement and reaches its maximum value for a protruding cathode. The experimental part displays the fabrication of the nanoscale pressure sensor, which is divided in the production and the structuring of the coaxial electrode layer. The production was executed with standard-silicon technology with the help of focused ion beam technology. In the last part the measuring results of two different pressure sensors with different construction forms are presented. The voltage-current behavior and the current-pressure behavior of the respective pressure sensor are shown at ambient temperature and different pressures. The Fowler Nordheim characteristics are discussed on the bases of the Fowler Nordheim plot, which shows whether field emission is present.