主题：美国国家标准技术研究所真空
作者： 美国国家标准与技术研究院 (NIST) 2023 年 8 月 20 日
为了验证测量超低真空压力的新方法的准确性，NIST 研究人员构建了传统压力计量装置的高性能版本，称为动态膨胀系统。在这个系统中，他们以每秒大约 10 至 1000 亿个分子的流速将气体注入顶室。气体从上室移动到下室，下室由大型泵以已知的速率通过精确尺寸的孔口排出。一组仪表测量顶部和底部室之间的压力比以纠正缺陷。研究人员利用两个腔室中的气体流速和气体从两个腔室之间移动的速率，计算出顶部腔室中的压力，该压力由 CAVS 独立测量。研究人员发现这个已知压力值与 CAVS 传感器的读数一致，从而验证了他们的新方法。图片来源：NIST
芯片制造、引力波探测器和量子计算机都可以受益于更好的真空测量方法。
真空室永远不会是完全空的。少量原子或分子总是残留下来，测量它们施加的微小压力至关重要。例如，半导体制造商在真空室中制造微芯片，该真空室必须几乎完全没有原子和分子污染物，因此他们需要监测室中的气压，以确保污染物水平处于可接受的低水平。
CAVS的发展现在，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的科学家们已经验证了一种测量极低气压的新方法，称为 CAVS，适用于冷原子真空标准。他们已经确定他们的技术可以作为“主要标准”——换句话说，它可以进行本质上准确的测量，而无需首先根据参考压力读数进行校准。
NIST 研究人员在过去七年中开发了 CAVS，最近对他们的技术进行了迄今为止最严格的测试。他们发表在《AVS Quantum Science》杂志上的新研究表明，CAVS 结果与测量低压的传统“金标准”方法一致，表明这种新技术可以以相同程度的准确性和可靠性进行测量。
NIST 研究人员 Dan Barker、Steve Eckel、Jim Fedchak、Julia Scherschligt 及其同事开发并测试了一种用于测量超低压的新方法，称为冷原子真空标准 (CAVS)。图片来源：NIST
CAVS在下一代技术中的应用CAVS 不仅可以进行与传统压力计一样好的测量，而且还可以可靠地测量低得多的真空压力（地球海平面大气压的万亿分之一及以下），这是未来芯片制造和下一代芯片制造所需的。 -一代科学。它的操作基于众所周知的量子物理原理，这意味着它可以“开箱即用”进行准确的读数，而不需要对其他参考压力源或技术进行任何调整或校准。
“这是最终的结果，”NIST 物理学家 Julia Scherschligt 说。“我们之前已经取得了许多积极的进展。但这证实了这样一个事实：我们的冷原子标准确实是一个标准。”
扩展应用除了半导体制造之外，这种新方法还可用于需要高真空环境的其他应用，例如量子计算机、引力波探测器、粒子加速器等。
NIST 研究员 Dan Barker 检查实验室中的 CAVS 设置。图片来源：NIST
CAVS 的工作原理CAVS 技术使用磁场中捕获的约十万个锂或铷原子的冷气体来测量真空压力。当被调谐到正确频率的激光照射时，这些原子会发出荧光。研究人员可以通过测量这种发光的强度来精确计算被捕获的原子数量。
当 CAVS 传感器连接到真空室时，真空室中剩余的原子或分子与捕获的原子发生碰撞。每次碰撞都会将一个原子撞出陷阱，从而减少原子数量和发射的光强度。这种强度很容易通过光传感器测量，可以作为压力的灵敏测量。量子力学准确地预测了调光速率与分子数量之间的关系。
与经典方法的集成在这项新工作中，NIST 研究人员将他们的 CAVS 传感器连接到经典的气压金标准参考标准，即动态膨胀系统。
动态膨胀系统的工作原理是将已知量的气体（以每秒分子数为单位）注入真空室，然后以已知的速率缓慢地将气体从真空室的另一端排出。然后研究人员计算了室内产生的压力。
在这项实验中，研究人员构建了一个高性能动态膨胀系统，允许极小的气体流量（每秒 100 亿到 1000 亿个原子或分子），并包括一个定制的流量计，用于测量低流量的流量。 。他们为从腔室中缓慢移除原子而建造的孔被加工至亚微米精度。
发挥 CAVS 的潜力“支撑这些经典标准设备之一所需的繁重工作是巨大的，”谢尔施利特说。“通过这样做的努力确实让我们明白了整个实验的要点，即 CAVS 以更简单的形式提供了高精度。”
NIST 研究人员在他们的工作中测试了两种类型的 CAVS 传感器。一种是实验室版本；第二个是移动版本，可以轻松用于先进的芯片制造环境。
“事实上，便携式版本非常简单，我们最终决定将其自动化，这样我们就很少需要干预它的操作。事实上，这项研究中便携式 CAVS 的大部分数据都是在我们在家舒适地睡觉时获取的，”NIST 物理学家丹·巴克 (Dan Barker) 说。
“我们测量的气体——包括氮气、氦气、氩气，甚至氖气——都是惰性半导体工艺气体，”NIST 物理学家 Steve Eckel 说。“但在未来，我们希望测量更多的活性气体，如氢气、二氧化碳、一氧化碳和氧气，这些都是真空室中常见的残留气体，也是半导体制造中有用的气体。”
这些 CAVS 系统共同有望帮助研究超低压的研究人员在科学和技术方面达到新的高度。
