真空技術(shù)筆記

濺射離子泵優(yōu)點(diǎn)：1）無油、無振動(dòng)、無噪聲；2）使用簡單可靠、壽命長、可烘烤；3）不需要冷劑、放置方向不限；4）在超高真空下仍然有較大抽速，極限真空度高（10-9?10-i0Pa）。缺點(diǎn)：體積和重量大（磁體）；對(duì)惰性氣體抽速小。一、工作原理抽氣作用是基于活性鈦膜的吸附作用和電清除作用，但其鈦膜的形成是由放電引起的陰極濺射來實(shí)現(xiàn)的，避免了熱源，故稱為冷泵。g—4陽極筒二g—4陽極筒二A接被抽至統(tǒng)陰極 陽極筒鈦陰機(jī)板討譏鐵陽枇按口圖濺射離子泵結(jié)構(gòu)圖濺射離子泵單室結(jié)構(gòu)陽極為多個(gè)并聯(lián)的不銹鋼圓筒，圓筒兩端是薄鈦板制成的陰極板。陰極和陽極筒間有適當(dāng)間隙，以保持絕緣并作為氣體的通導(dǎo)。陽極、陰極一起裝于不銹鋼外殼中，整個(gè)殼體置于一磁場中，磁力線平行于陽極筒軸向，磁通密度0.1?0.2T。當(dāng)在陽極和陰極之間加3?7kV的直流電壓時(shí)，泵內(nèi)的氣體分子被電離并形成潘寧放電；放電產(chǎn)生的離子朝向陰極運(yùn)動(dòng)，在陰極上引起強(qiáng)烈的濺射，濺射的活性金屬鈦向陽極筒內(nèi)壁及陰極上遭受離子轟擊較少的區(qū)域沉積。這樣導(dǎo)致了兩個(gè)結(jié)果：1）連續(xù)提供了新鮮的活性鈦膜（吸附）；2）連續(xù)掩埋吸附于陽極筒內(nèi)壁及陰極邊角部位（離子轟擊較少部位）的氣體分子，尤其是惰性氣體離子（電清除）。二、單室內(nèi)的物理過程（潘寧放電）圖單室中電子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)1.電子運(yùn)動(dòng)受磁場約束，以輪滾線形式貼近陽極筒旋轉(zhuǎn)，形成一層旋轉(zhuǎn)電子云，在經(jīng)歷很長運(yùn)動(dòng)路徑后被陽極吸收。陽極剖面（水平截面）：自由電子的速度可分解為軸向速度分量和徑向速度分量，其中垂直于磁場H方向，因此產(chǎn)生洛侖茲力，電子在和H的綜合作用下，在水平截面上做輪滾線運(yùn)動(dòng)。輪滾線的圈大小受電磁場強(qiáng)度控制，電場越強(qiáng)，圈越大；磁場越強(qiáng)，圈越小。圈大到一定程度，電子就落到陽極上。陽極軸向：陽極是空心圓筒，軸上中心的電位最高，電子由陰極發(fā)出受陽極加速飛向陽極時(shí)，在軸向磁場的作用下，成束穿過陽極，然后收到對(duì)面陰極的排斥，又返回陽極、穿過陽極返回陰極，如多次來回震蕩，每次有少量電子打上陽極。電子沿軸向的運(yùn)動(dòng)具有震蕩的性質(zhì)。子子分子子分鈦k蠱?cBOJ日圖濺射離子泵結(jié)構(gòu)單元圖濺射離子泵基本原理電子在電子云中的束縛時(shí)間隨壓強(qiáng)的降低而增加。由于大量電子在陽極筒內(nèi)長時(shí)間旋轉(zhuǎn)，因此即使在高真空下，氣體分子被電子碰撞電離的幾率也很大（低壓下也能維持放電）。2離子運(yùn)動(dòng)正離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，不受磁場（洛侖茲力）約束，在電場加速下迅速離開空間，直線運(yùn)動(dòng)到達(dá)陰極并轟擊陰極板（鈦板），產(chǎn)生以下作用：1）能量大的離子在入射鈦陰極板的角度合適時(shí)，注入到陰極板內(nèi)；2）陰極板的鈦原子被濺射出來，沉積在陽極筒內(nèi)壁和陰極板上，形成鈦膜而吸氣。每一個(gè)轟擊陰極的離子所濺射出來的鈦原子數(shù)稱為濺射率，能量大和質(zhì)量大的離子濺射能力強(qiáng)，斜射比正面轟擊效果好。為保證陽極筒內(nèi)壁上鈦薄膜的吸氣能力，必須有足夠的濺射率，即要加足夠的陽極電壓，以保證離子的轟擊能量。3）鈦陰極板在離子轟擊下產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這些二次電子進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的電子云，補(bǔ)償因打到陽極上損失的電子，維持潘寧放電。3場分布

放電剛開始時(shí)，由于電離的作用，陽極筒內(nèi)的電子數(shù)猛增，因此電位變低；當(dāng)電子從旋轉(zhuǎn)電子云里的消失率與電離和離子轟擊陰極次級(jí)電子產(chǎn)生率相等時(shí)，旋轉(zhuǎn)電子云里的電子密度達(dá)到平衡狀態(tài)，空間電位基本穩(wěn)定?？拷枠O處電場強(qiáng)度最大，電位變化最陡峭，靠近中心處電場強(qiáng)度為零，電荷密度最小。FewPa3團(tuán)10FewPa3團(tuán)1052旋轉(zhuǎn)電流的電流量級(jí)要高出陽極電流幾個(gè)數(shù)量級(jí)。壓強(qiáng)降低時(shí)，旋轉(zhuǎn)電流幾乎保持不變，但陽極電流會(huì)按比例減小。在一定壓強(qiáng)范圍內(nèi)的壓強(qiáng)降低時(shí)，電子云內(nèi)的電子數(shù)量不變，這是因?yàn)樵趬簭?qiáng)降低時(shí)，電子在旋轉(zhuǎn)云內(nèi)的束縛時(shí)間增加了。冷陰極潘寧放電的特性圖像：壓強(qiáng)低于10-2Pa時(shí)，放電的特點(diǎn)是靠近陽極有一個(gè)很明顯的等離子屏，越過此屏，空間電位很快從陽極電位降至近陰極電位。屏區(qū)是很重要的放電位置，維持放電的大部分電離作用發(fā)生在這里。發(fā)源于此處的離子，沿半徑方向內(nèi)向加速，迅速離開屏區(qū)，對(duì)空間電荷貢獻(xiàn)極??；另一方面，屏區(qū)內(nèi)的電子外向加速，由于回旋半徑小，在屏區(qū)內(nèi)被約束相當(dāng)長的時(shí)間，進(jìn)行電離作用并積聚到一定程度，它們本身的空間電荷場把它們拒斥出去，從而借助于正交電磁場遷移到陽極上。由于電離率和遷移率都正比于氣體壓強(qiáng)，故電子的產(chǎn)生和消失得以保持平衡而無任何空間電荷密度的改變。故在整個(gè)低壓強(qiáng)范圍內(nèi)，電位分布無任何變化，因而陽極電流正比于氣體壓強(qiáng)。4排氣機(jī)理1）對(duì)n2、o2、co、co2的排除（化學(xué)吸附）依靠濺射沉積在陽極筒內(nèi)表面的鈦薄膜的化學(xué)吸附來完成。CO的抽速最大。和轟擊鈦板時(shí)，由于容易離解，因此在鈦板上較易生成TiN，附在陰極面上或者濺射到其他地方，除非受電子或離子轟擊，這種化合物不會(huì)分解。由于離子濺射產(chǎn)額都很低（約為1）,因而鈦薄膜表面的氣體覆蓋度比較大，致使它對(duì)活性氣體的抽速遠(yuǎn)小于鈦升華泵。2） 對(duì)H2的排除由于氫離子質(zhì)量小，其轟擊鈦板的濺射產(chǎn)額很低，在7eV時(shí)僅有1%。因此濺射離子泵對(duì)氫氣的排除機(jī)理不同于其他重氣體?；虼虻解伆迳吓c電子復(fù)合變成氫原子，即 ，然后擴(kuò)散進(jìn)入鈦晶格內(nèi)，形成TiH固溶體而被排除。當(dāng)鈦吸收大量H2后，由于放熱反應(yīng)，鈦板溫度上升，當(dāng)超過250時(shí)，會(huì)重新釋放h2并導(dǎo)致鈦板晶格膨脹造成龜裂，故應(yīng)提高鈦板的散熱能力（水冷）以改善濺射離子泵對(duì)氫氣的排除能力。此外，h2進(jìn)入鈦板前，必須先在鈦表面上分解成原子態(tài)，然后擴(kuò)散進(jìn)入鈦晶格內(nèi)，因此要求鈦板表面比較清潔。增加氫原子在鈦體內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)可以增大泵對(duì)氫的抽速，因此可選用晶格常數(shù)較大的或具有較大晶格常數(shù)的鈦合金來加強(qiáng)它的抽氫能力。由于新鮮的鈦薄膜對(duì)氫的抽速較大，因此可以利用氬或氮離子濺射產(chǎn)額較高的特點(diǎn)，引入與氫可比擬的數(shù)量的氬氣或氮?dú)鈦頌R射鈦，使其沉積于陽極內(nèi)表面上吸附氫，這是一種有效的排除氫的方法。3） 對(duì)惰性氣體的排除惰性氣體只能以離子的形式在轟擊鈦陰極的過程中被排除，其形式為：1）電清除過程；2）離子直接打入陰極表層內(nèi)或打入陽極邊緣對(duì)面的陰極板上的鈦沉積層內(nèi)；3）離子轟擊陰極板，在表面上中和成為中性分子或原子，攜帶從電場得到的入射能量反射到陽極表面的鈦薄膜中，叫“荷能中性粒子反射”。三、濺射離子泵的特性1.放電電流泵的放電空間內(nèi)電子云不斷電離氣體分子的結(jié)果，在泵外回路中構(gòu)成了放電電流I,放電電流I與氣體壓強(qiáng)p的n次方成正比由于氣體分子的電離率和遷移率都正比于氣體壓力，故電子的產(chǎn)生和消失得以保持平衡，因此放電電流正比于氣體壓力。此外氣體分子電離后所產(chǎn)生的電子受磁場的約束而旋轉(zhuǎn)，并參與電離作用，經(jīng)過長距離的運(yùn)動(dòng)后才落到陽極上，從而帶有繁流放電的性質(zhì)，故常數(shù)n>1。如果某泵的K、n值已知，則可根據(jù)泵工作時(shí)放電電流的大小，可以估算泵內(nèi)壓強(qiáng)值。2?抽速特性由于不同的氣體具有不同的電離效率和黏附幾率，因此濺射離子泵的抽速對(duì)氣體種類有很大的選擇性。泵的抽速還和放電強(qiáng)度（I/p）相關(guān)，其關(guān)系為式中，C=6.7?10.7Pa?L/C（對(duì)應(yīng)陽極電壓3~7kV）代入放電電流公式

too755010'"too755010'"曠IO_T]0_, IO'1壓強(qiáng)[TorrlS3-53戢射謀子泵對(duì)空氣的5-p3feS一個(gè)設(shè)計(jì)良好的濺射離子泵，抽速于正常工作壓強(qiáng)的關(guān)系如上圖，具有較寬的高抽速工作范圍。泵的額定抽速一般指時(shí)的抽速。1）當(dāng)壓強(qiáng)較高時(shí)，抽速較低。當(dāng)壓強(qiáng)較高時(shí)，放電電流很大，由于高壓電源都是高阻的，因此實(shí)際加到泵上的陽極電壓較低；此外，過多的空間電荷使電子云在空間的范圍擴(kuò)展、空間的電位降低。這兩個(gè)因素都使離子沒有足夠的能量來產(chǎn)生高的濺射產(chǎn)額，因此抽速低。2）當(dāng)壓強(qiáng)較低時(shí)，抽速下降。因?yàn)榇藭r(shí)的氣體稀薄，密度較低，空間賴以產(chǎn)生繁流的初始電子及補(bǔ)充的二次電子太少，致使放電強(qiáng)度太低。另外由于鈦膜沉積速率低，對(duì)氣體脫附有較大的影響，因此抽速下降。3?陽極電壓、磁場強(qiáng)度對(duì)抽速的影響Mi 1 103 4 3電壓出￥ffi3-54陽按電壓、磁場強(qiáng)弒對(duì)抽速的影哦抽速隨磁場強(qiáng)度的增加而增加，而在磁場強(qiáng)度一定時(shí)，陽極電壓有一個(gè)最佳值，這個(gè)最佳值隨磁場的增強(qiáng)而增大。4.氬不穩(wěn)定性濺射離子泵在排除氬、氪、氙等惰性氣體時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“氬循環(huán)上升”的現(xiàn)象，即真空系統(tǒng)內(nèi)壓強(qiáng)突然脈沖式上升、譚厚下降，變化幅度為量級(jí)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因使：在陽極邊緣對(duì)面的那部分陰極邊角處，埋藏的氬原子累積到一定程度后，離子轟擊引起的脫附率增高，導(dǎo)致空間的壓強(qiáng)增加，引起放電模式的變化。新的放電模式使離子轟擊不再集中

333-56三檻型岡于索H作尿理圖收集擾收遂極333-56三檻型岡于索H作尿理圖收集擾收遂極子■r分Ktfi子子粉鈦電蠱?0?OB解決方法：三極型離子泵，增加一個(gè)收集極，其電位與陽極相同。泵內(nèi)的陰極做成蜂窩狀，離子碰撞到陰極時(shí)