真空技术笔记

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-i0Pa）。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。g—4阳极筒二g—4阳极筒二A接被抽至统阴极 阳极筒钛阴機板討譏铁阳枇按口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和径向速度分量，其中垂直于磁场H方向，因此产生洛仑兹力，电子在和H的综合作用下，在水平截面上做轮滚线运动。轮滚线的圈大小受电磁场强度控制，电场越强，圈越大；磁场越强，圈越小。圈大到一定程度，电子就落到阳极上。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。子子分子子分钛k蛊•cBOJ日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。FewPa3團10FewPa3團1052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。和轰击钛板时，由于容易离解，因此在钛板上较易生成TiN，附在阴极面上或者溅射到其他地方，除非受电子或离子轰击，这种化合物不会分解。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。或打到钛板上与电子复合变成氢原子，即 ，然后扩散进入钛晶格内，形成TiH固溶体而被排除。当钛吸收大量H2后，由于放热反应，钛板温度上升，当超过250时，会重新释放h2并导致钛板晶格膨胀造成龟裂，故应提高钛板的散热能力（水冷）以改善溅射离子泵对氢气的排除能力。此外，h2进入钛板前，必须先在钛表面上分解成原子态，然后扩散进入钛晶格内，因此要求钛板表面比较清洁。增加氢原子在钛体内的扩散系数可以增大泵对氢的抽速，因此可选用晶格常数较大的或具有较大晶格常数的钛合金来加强它的抽氢能力。由于新鲜的钛薄膜对氢的抽速较大，因此可以利用氩或氮离子溅射产额较高的特点，引入与氢可比拟的数量的氩气或氮气来溅射钛，使其沉积于阳极内表面上吸附氢，这是一种有效的排除氢的方法。3） 对惰性气体的排除惰性气体只能以离子的形式在轰击钛阴极的过程中被排除，其形式为：1）电清除过程；2）离子直接打入阴极表层内或打入阳极边缘对面的阴极板上的钛沉积层内；3）离子轰击阴极板，在表面上中和成为中性分子或原子，携带从电场得到的入射能量反射到阳极表面的钛薄膜中，叫“荷能中性粒子反射”。三、溅射离子泵的特性1.放电电流泵的放电空间内电子云不断电离气体分子的结果，在泵外回路中构成了放电电流I,放电电流I与气体压强p的n次方成正比由于气体分子的电离率和迁移率都正比于气体压力，故电子的产生和消失得以保持平衡，因此放电电流正比于气体压力。此外气体分子电离后所产生的电子受磁场的约束而旋转，并参与电离作用，经过长距离的运动后才落到阳极上，从而带有繁流放电的性质，故常数n>1。如果某泵的K、n值已知，则可根据泵工作时放电电流的大小，可以估算泵内压强值。2•抽速特性由于不同的气体具有不同的电离效率和黏附几率，因此溅射离子泵的抽速对气体种类有很大的选择性。泵的抽速还和放电强度（I/p）相关，其关系为式中，C=6.7〜10.7Pa・L/C（对应阳极电压3~7kV）代入放电电流公式

too755010'"too755010'"旷IO_T]0_, IO'1压强[TorrlS3-53戢射謀子泵对空气的5-p3feS一个设计良好的溅射离子泵，抽速于正常工作压强的关系如上图，具有较宽的高抽速工作范围。泵的额定抽速一般指时的抽速。1）当压强较高时，抽速较低。当压强较高时，放电电流很大，由于高压电源都是高阻的，因此实际加到泵上的阳极电压较低；此外，过多的空间电荷使电子云在空间的范围扩展、空间的电位降低。这两个因素都使离子没有足够的能量来产生高的溅射产额，因此抽速低。2）当压强较低时，抽速下降。因为此时的气体稀薄，密度较低，空间赖以产生繁流的初始电子及补充的二次电子太少，致使放电强度太低。另外由于钛膜沉积速率低，对气体脱附有较大的影响，因此抽速下降。3•阳极电压、磁场强度对抽速的影响Mi 1 103 4 3电压出¥ffi3-54阳按电压、磁场强弑对抽速的影哦抽速随磁场强度的增加而增加，而在磁场强度一定时，阳极电压有一个最佳值，这个最佳值随磁场的增强而增大。4.氩不稳定性溅射离子泵在排除氩、氪、氙等惰性气体时，经常会出现“氩循环上升”的现象，即真空系统内压强突然脉冲式上升、谭厚下降，变化幅度为量级。产生这一现象的原因使：在阳极边缘对面的那部分阴极边角处，埋藏的氩原子累积到一定程度后，离子轰击引起的脱附率增高，导致空间的压强增加，引起放电模式的变化。新的放电模式使离子轰击不再集中

333-56三槛型岡于索H作尿理图收集擾收遂极333-56三槛型岡于索H作尿理图收集擾收遂极子■r分Ktfi子子粉钛电蛊•0®OB解决方法：三极型离子泵，增加一个收集极，其电位与阳极相同。泵内的阴极做成蜂窝状，离子碰撞到阴极时