溅射离子泵的结构及其抽气机理

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       溅射离子泵又称潘宁泵,它是靠潘宁放电维持抽气的一种无油清洁超高真空泵。是目前抽惰性气体较好的真空获得设备。

1.溅射离子泵的结构

      溅射离子泵主要由阳极、阴极、磁场和电源四大部分组成。根据阴极、阳极和电位的不同,可以有好几种不同结构,这里仅介绍最简单的二极型溅射离子泵。

溅射离子泵示意图

图4:溅射离子泵示意图


        如图4所示,阳极由多个不锈钢圆筒(或四方格、六方格)组成,放于两块由钛板组成的阴极之间,磁场方向与阴极板垂直,当阳极加上适当高压(对阴极为正电位)时,在阳极小室内产生放电,这种放电在压强低于1Pa时发生,放电可维持到很低的压强。

2.溅射离子泵的抽气机理
    如图5所示,在每个阳极筒内发生的物理过程,可分解成六个步骤展开说明。

溅射离子泵抽气机理示意图

图5:溅射离子泵抽气机理示意图


    1)图中A表示在低压下,当阴极和阳极间加上高压时,引起场致发射。
    2)图中B表示在电、磁场作用下电子作螺旋运动。
    3)图中C表示电子与气体分子碰撞产生正离子和二次电子,引起雪崩效应。
    4)图中D表示正离子轰击钛阴极,溅散出钛原子落在阳极筒上,形成新鲜钛膜,也有的落在阴板外围区(β区)。
    5)图中E表示活性气体与新鲜钛膜反应形成化合物,化学吸附在阳极筒内壁。隋性气体被电离,离子在电场作用下轰击阴极过程中被排出。其排除方式为:(1)离子直接打入阴极表面内或β区(如图中a);斜射的离子切入阴极表面,离子和钛一起被掀掉,埋葬在β区(图中b);(2)离子没打入阴极内,从阴极得一电子恢复为中性原子或分子,反射到阳极内表面被埋掉(图中c),这叫“荷能中性粒子反射”。
    6)图中F表示对于氢,由于其质量小,氢离子轰击钛板的溅射产额甚低,氢离子 H2+ 或 H+ 打到钛板上与电子复合变成H原子,然后扩散入钛的晶格内,形成TiH固溶体而被排出。常温下这种固溶体中H2的浓度为0.05%,当温度高于250oC以上时,便又开始分解放出氢。钛大量吸氢后。由于放热反应钛板温度上升,达到250oC以后,除重新释放氢之外并导致钛板晶格膨胀造成龟裂。通常需加大钛板的散热能力来改善溅射离子泵对氢的排除能力。要提高对氢的抽速,需保持钛板表面清洁,选用晶格常数较大的β-Ti或钛合金作为阴极板,或引入与氢可比拟的氩含量。因氩的溅散产额高,可提高对氢的抽速。

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