Pour vérifier l’exactitude de leur nouvelle approche de mesure de pressions de vide ultra-faibles, les chercheurs du NIST ont construit une version hautes performances d’une configuration de métrologie de pression traditionnelle, connue sous le nom de système d’expansion dynamique. Dans ce système, ils injectaient du gaz à un débit d’environ 10 à 100 milliards de molécules par seconde dans la chambre supérieure. Le gaz se déplace de la chambre supérieure vers la chambre inférieure, qui est évacué par une grosse pompe, à un débit connu à travers un orifice dimensionné avec précision. Un ensemble de jauges mesurait le rapport de pression entre les chambres supérieure et inférieure pour corriger les imperfections. En utilisant le débit de gaz entrant et la vitesse à laquelle le gaz se déplace entre les deux chambres, les chercheurs ont calculé la pression dans la chambre supérieure, que le CAVS mesure indépendamment. Les chercheurs ont trouvé un accord entre cette valeur de pression connue et les lectures des capteurs CAVS, validant ainsi leur nouvelle méthode. Crédit : NIST
La fabrication de puces, les détecteurs d’ondes gravitationnelles et les ordinateurs quantiques pourraient tous bénéficier de meilleures méthodes de mesure du vide.
Une chambre à vide n’est jamais parfaitement vide. Il reste toujours un petit nombre d’atomes ou de molécules et il est essentiel de mesurer les minuscules pressions qu’ils exercent. Par exemple, les fabricants de semi-conducteurs créent des micropuces dans des chambres à vide qui doivent être presque entièrement dépourvues de contaminants atomiques et moléculaires. Ils doivent donc surveiller la pression du gaz dans la chambre pour garantir que les niveaux de contaminants sont suffisamment bas.
Développement de CAVS
Aujourd’hui, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont validé une nouvelle approche pour mesurer des pressions de gaz extrêmement basses appelée CAVS, pour Cold Atom Vacuum Standard. Ils ont établi que leur technique peut servir de « standard primaire » – en d’autres termes, elle peut effectuer des mesures intrinsèquement précises sans avoir besoin d’être calibrée au préalable pour référencer des lectures de pression.
Après avoir développé le CAVS au cours des sept dernières années, les chercheurs du NIST ont récemment soumis leur technique aux tests les plus rigoureux à ce jour. Leur nouvelle étude, publiée dans la revue AVS Science quantique, montre que les résultats du CAVS concordent avec la méthode traditionnelle « étalon-or » pour mesurer les basses pressions, démontrant que cette nouvelle technique peut effectuer des mesures avec le même degré de précision. précision et la fiabilité.
Les chercheurs du NIST Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt et leurs collègues ont développé et testé une nouvelle méthode, connue sous le nom d’étalon de vide à atomes froids (CAVS), pour mesurer les pressions ultra-faibles. Crédit : NIST
Application de CAVS dans la technologie de nouvelle génération
Non seulement le CAVS peut effectuer des mesures aussi bonnes que celles des manomètres traditionnels, mais il peut également mesurer de manière fiable les pressions de vide beaucoup plus faibles – un billionième de la pression atmosphérique du niveau de la mer et en dessous – qui seront nécessaires pour la fabrication future de puces et les prochaines années. -science de génération. Et son fonctionnement, basé sur des principes bien compris de la physique quantique, signifie qu’il peut effectuer des lectures précises « dès la sortie de la boîte », sans nécessiter d’ajustements ou d’étalonnage par rapport à d’autres sources ou techniques de pression de référence.
« C’est le résultat culminant », a déclaré Julia Scherschligt, physicienne au NIST. « Nous avons déjà connu de nombreux développements positifs. Mais cela valide le fait que notre froid atome la norme est vraiment une norme.
Applications étendues
Outre la fabrication de semi-conducteurs, la nouvelle méthode peut être utile pour d’autres applications nécessitant des environnements sous vide poussé, telles que les ordinateurs quantiques, les détecteurs d’ondes gravitationnelles, les accélérateurs de particules et bien d’autres encore.
Dan Barker, chercheur au NIST, vérifie la configuration du CAVS en laboratoire. Crédit : NIST
Comment fonctionne le CAVS
La technologie CAVS mesure les pressions du vide à l’aide d’un gaz froid d’environ cent mille atomes de lithium ou de rubidium piégés dans un champ magnétique. Ces atomes deviennent fluorescents lorsqu’ils sont éclairés par un laser réglé sur la bonne fréquence. Les chercheurs peuvent compter précisément le nombre d’atomes piégés en mesurant l’intensité de cette lueur.
Lorsque le capteur CAVS est connecté à une chambre à vide, les atomes ou molécules restants dans la chambre entrent en collision avec les atomes piégés. Chaque collision fait sortir un atome du piège, réduisant ainsi le nombre d’atomes et l’intensité de la lumière émise. Cette intensité, facilement mesurée par des capteurs de lumière, sert de mesure sensible de la pression. Cette relation entre le taux de gradation et le nombre de molécules est prédite exactement par la mécanique quantique.
Intégration avec les méthodes classiques
Dans le nouveau travail, les chercheurs du NIST ont attaché leurs capteurs CAVS à l’étalon de référence classique pour la pression du gaz, connu sous le nom de système d’expansion dynamique.
Les systèmes d’expansion dynamique fonctionnent en injectant une quantité connue de gaz, mesurée en molécules par seconde, dans une chambre à vide, puis en éliminant lentement le gaz de l’autre extrémité de la chambre à un rythme connu. Les chercheurs calculent ensuite la pression résultante dans la chambre.
Dans cette expérience, les chercheurs ont construit un système d’expansion dynamique haute performance qui permettait des flux de gaz extrêmement faibles – de l’ordre de 10 à 100 milliards d’atomes ou de molécules par seconde – et incluaient un débitmètre sur mesure pour mesurer des débits aussi faibles. . Le trou qu’ils ont construit pour éliminer lentement les atomes de la chambre a été usiné avec une précision submicrométrique.
Réaliser le potentiel des CAVS
« Le travail lourd nécessaire pour mettre en place l’un de ces appareils standards classiques est monumental », a déclaré Scherschligt. « En faisant cet effort, nous avons vraiment fait ressortir le but de toute cette expérience, à savoir que le CAVS offre une grande précision sous une forme beaucoup plus simple. »
Les chercheurs du NIST ont testé deux types de capteurs CAVS dans le cadre de leurs travaux. L’une est une version de laboratoire ; la seconde est une version mobile qui peut facilement être utilisée dans des paramètres avancés de fabrication de puces.
« En effet, la version portable est si simple que nous avons finalement décidé de l’automatiser de telle sorte que nous devions très rarement intervenir dans son fonctionnement. En fait, la plupart des données du CAVS portable pour cette étude ont été prises alors que nous dormions confortablement à la maison », a déclaré Dan Barker, physicien du NIST.
« Les gaz que nous avons mesurés – notamment l’azote, l’hélium, l’argon et même le néon – sont tous des gaz inertes issus du traitement des semi-conducteurs », a déclaré Steve Eckel, physicien du NIST. « Mais à l’avenir, nous espérons mesurer des gaz plus réactifs comme l’hydrogène, le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone et l’oxygène, qui sont tous deux des gaz résiduels courants trouvés dans les chambres à vide et des gaz utiles pour la fabrication de semi-conducteurs. »
Ensemble, ces systèmes CAVS promettent d’aider les chercheurs travaillant avec des pressions ultra-faibles à atteindre de nouveaux sommets en science et en technologie.
