真空技术笔记-溅射离子泵.docx

溅射离子泵 优点：1）无油、无振动、无噪声；2）使用简单可靠、寿命长、可烘烤；3）不需要冷剂、放置方向不限；4）在超高真空下仍然有较大抽速，极限真空度高（10-9~10-10Pa）。 缺点：体积和重量大（磁体）；对惰性气体抽速小。 一、工作原理 抽气作用是基于活性钛膜的吸附作用和电清除作用，但其钛膜的形成是由放电引起的阴极溅射来实现的，避免了热源，故称为冷泵。 图 溅射离子泵结构 图 溅射离子泵单室结构 阳极为多个并联的不锈钢圆筒，圆筒两端是薄钛板制成的阴极板。阴极和阳极筒间有适当间隙，以保持绝缘并作为气体的通导。 阳极、阴极一起装于不锈钢外壳中，整个壳体置于一磁场中，磁力线平行于阳极筒轴向，磁通密度0.1~0.2T。当在阳极和阴极之间加3~7kV的直流电压时，泵内的气体分子被电离并形成潘宁放电；放电产生的离子朝向阴极运动，在阴极上引起强烈的溅射，溅射的活性金属钛向阳极筒内壁及阴极上遭受离子轰击较少的区域沉积。这样导致了两个结果：1）连续提供了新鲜的活性钛膜（吸附）；2）连续掩埋吸附于阳极筒内壁及阴极边角部位（离子轰击较少部位）的气体分子，尤其是惰性气体离子（电清除）。 二、单室内的物理过程（潘宁放电） 图 单室中电子在电磁场中的运动 1.电子运动 受磁场约束，以轮滚线形式贴近阳极筒旋转，形成一层旋转电子云，在经历很长运动路径后被阳极吸收。 阳极剖面（水平截面）： 自由电子的速度可分解为轴向速度分量vz和径向速度分量vx，其中vx垂直于磁场H方向，因此产生洛仑兹力f=-ev 阳极轴向： 阳极是空心圆筒，轴上中心的电位最高，电子由阴极发出受阳极加速飞向阳极时，在轴向磁场的作用下，成束穿过阳极，然后收到对面阴极的排斥，又返回阳极、穿过阳极返回阴极，如多次来回震荡，每次有少量电子打上阳极。电子沿轴向的运动具有震荡的性质。 图 溅射离子泵结构单元 图 溅射离子泵基本原理 电子在电子云中的束缚时间随压强的降低而增加。由于大量电子在阳极筒内长时间旋转，因此即使在高真空下，气体分子被电子碰撞电离的几率也很大（低压下也能维持放电）。 2离子运动 正离子质量远大于电子质量，不受磁场（洛仑兹力）约束，在电场加速下迅速离开空间，直线运动到达阴极并轰击阴极板（钛板），产生以下作用： 1）能量大的离子在入射钛阴极板的角度合适时，注入到阴极板内； 2）阴极板的钛原子被溅射出来，沉积在阳极筒内壁和阴极板上，形成钛膜而吸气。每一个轰击阴极的离子所溅射出来的钛原子数称为溅射率，能量大和质量大的离子溅射能力强，斜射比正面轰击效果好。为保证阳极筒内壁上钛薄膜的吸气能力，必须有足够的溅射率，即要加足够的阳极电压，以保证离子的轰击能量。 3）钛阴极板在离子轰击下产生二次电子发射，这些二次电子进入旋转的电子云，补偿因打到阳极上损失的电子，维持潘宁放电。 3场分布 放电刚开始时，由于电离的作用，阳极筒内的电子数猛增，因此电位变低；当电子从旋转电子云里的消失率与电离和离子轰击阴极次级电子产生率相等时，旋转电子云里的电子密度达到平衡状态，空间电位基本稳定。靠近阳极处电场强度最大，电位变化最陡峭，靠近中心处电场强度为零，电荷密度最小。 旋转电流的电流量级要高出阳极电流几个数量级。压强降低时，旋转电流几乎保持不变，但阳极电流会按比例减小。在一定压强范围内的压强降低时，电子云内的电子数量不变，这是因为在压强降低时，电子在旋转云内的束缚时间增加了。 冷阴极潘宁放电的特性图像：压强低于10-2Pa时，放电的特点是靠近阳极有一个很明显的等离子屏，越过此屏，空间电位很快从阳极电位降至近阴极电位。屏区是很重要的放电位置，维持放电的大部分电离作用发生在这里。发源于此处的离子，沿半径方向内向加速，迅速离开屏区，对空间电荷贡献极小；另一方面，屏区内的电子外向加速，由于回旋半径小，在屏区内被约束相当长的时间，进行电离作用并积聚到一定程度，它们本身的空间电荷场把它们拒斥出去，从而借助于正交电磁场迁移到阳极上。由于电离率和迁移率都正比于气体压强，故电子的产生和消失得以保持平衡而无任何空间电荷密度的改变。故在整个低压强范围内，电位分布无任何变化，因而阳极电流正比于气体压强。 4 排气机理 1）对N2、O2、CO、CO2的排除（化学吸附） 依靠溅射沉积在阳极筒内表面的钛薄膜的化学吸附来完成。CO的抽速最大。N2+和N+轰击钛板时，由于N2+ 由于离子溅射产额都很低（约为1），因而钛薄膜表面的气体覆盖度比较大，致使它对活性气体的抽速远小于钛升华泵。 2）对H2的排除 由于氢离子质量小，其轰击钛板的溅射产额很低，在7eV时仅有1%。因此溅射离子泵对氢气的排除机理不同于其他重气体。 H2+或H+打到钛板上与电子复合变成氢原子，即H2++e→2H，然后扩散进入钛晶格内，形