溅射离子泵

溅射离子泵（sputteringionpump）科学11-1刘宁溅射离子泵的由来早在本世纪初,就有人在抽真空的电子管中蒸发一些化学活动性强的金属,使其与管内未能抽净的气体发生反应,从而降低空间的气体分子浓度。这种金属以及起着相同作用的材料就叫做吸气剂,这种方法叫做化学清除。实验证明,用钛持续蒸发到一个冷却的壁上,可以形成具有相当抽气速率的泵,形成简单的“升华泵”。俘获气体分子还可以使用电离吸附的方法。利用高速电子轰击气体分子可以得到正离子,正离子在电场作用下被驱逐到负电极上,中和后由于分子间的范德瓦尔斯力被金属吸附而不再离开电极。这样降低了气体分子浓度,达到了获得真空的目的。这种现象称为电清除,利用电清除达到除气目的的泵称为“离子泵”。离子泵对吸附的气体没有选择性。离子泵和升华泵都能获得很高的真空度,但是单独使用它们来获得更高的真空就有很大的困难。这与它们的工作机理有很大的关系。依靠物理吸附的离子泵俘获气体分子的能力有限;升华泵产生的化学键能虽然大,但很容易在其表面形成饱和,影响其进一步吸收气体,而且升华泵对惰性气体吸附效果不好。因此将两种泵合二为一,就能得到吸气效果更好的溅射离子泵。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。溅射离子泵的结构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。抽气机理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)。抽气机理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。使用中的问题离子泵吸气剂饱和溅射离子泵长期使用会使吸气剂钛产生饱和,使真空质量变差。俘获型真空泵的特点就是消耗吸气剂。吸气剂与气体分子结合生成稳定物质沉积下来,所带来的必然结果就是饱和。此时可以看到溅射离子泵的阳极筒壁和阴极板表面附着大量银白色物质,这种物质就是钛与气体分子结合生成的固溶体。因此,必须定期对溅射离子泵进行再生处理。对溅射离子泵的再生处理方法有两种,一种是化学腐蚀,一种是在真空中高温烘烤。化学腐蚀的方法能使钛迅速恢复活性,但是化学方法具有一定的危险性,而且需要专业的操作,不可能经常使用。另一种可行方法就是在真空中高温烘烤,也就是烧真空。将阴极板放入真空炉中加热到一定温度,就能使钛释放出它所吸附的气体。阳极壁筒上附着的固溶体可以通过超声撕裂的方法将其除去。漏气也会加快吸气剂钛的饱和,检修时需要注意这一点。使用中的问题离子泵泵体重装后处理不当泵体重装后,阴阳极板都处于大气压强下,此时需要前级泵将泵体内压强抽到10-2Pa泵才能进行启动。如果泵体内压强不达到标准就启动泵,就必然加重泵的负担。气体量的增大使钛的消耗加大,抽速下降,工作寿命缩短。当压强足够高时,会在极板间产生强烈的放电,灼烧极板,致使其变形甚至报废,严重的变形还会使极间短路。使用中的问题油污染油进入溅射离子泵泵体内部首先是污染真空系统。大量油的进入还会损坏真空泵。油污染的来源有两个,一个来自前级机械泵,另一个是在拆泵重装时进入的。严重的油污染会缩短泵的使用寿命,甚至使泵报废。预防措施：首先对前级泵的滤油网要定期检修。其次在拆泵重装时,要保证在清洁的环境下进行,并带干净的手套,严禁徒手触摸泵内部的元件。使用中的问题泵体发烫如果溅射离子泵在启动后出现泵体过热的情况要立刻停止工作,进行检修。此类故障的发生通常是由于溅射离子泵泵内压强过高或者油气进入。放气饱和的吸气剂在一定的条件下会重新释放出气体,气体密度的增加会使空间内离子碰撞的几率增加,放电加剧,形成雪崩效应,产生辉光放电甚至弧光放电,最终烧毁极板。进气大量进气导致放电加剧,阴阳极板受轰击发热。溅射离子泵泵体严重漏气会导致此类故障发生。离子泵漏气微漏的位置通常在泵体的焊接处和接口处。使用乙醚喷在泵体接口处就能快速准确地找到微漏的位置,加以维修。接口处上固定螺丝时,各点受力要均匀。溅射离子泵的使用维护1.烘烤当溅射离子泵长期暴露大气时，不但会出现启动困难，而且极限压力也高，抽逮也小，这主要是溅射离子泵内钛沉积层吸附了大量水汽之故。为驱除水汽必须烘烤。烘烤时应将磁钢、各种引线、橡胶密封圈等拆下，缓缓升温，直至250～300℃，恒温12h，烘烤时泵内真空度应不低于1×10-1Pa。烘烤完毕后，缓缓打开烘箱，装上磁钢。2.氩清洗处理溅射离子泵沾污过油蒸气或其他有机物，阴极板氧化或大量排过氢气，则溅射离子泵真空度会下降。一般可采用烘烤去气后再进行氩清洗处理。氩清洗是用氩离子轰击钛板，把阴极板上的沾污物或溶解在阴极板里面的氢轰击出来。再被大量溅散的钛所吸收或埋葬掉。充氩压力应维持在10-2Pa量级或观察离子流，大约在10～200mA之间摆动。氩清洗一般1—2h。3.工作寿命由于溅射离子泵的溅散率取决于轰击的离子数和能量，因此压力愈高，阴极溅射愈剧烈，故其使用寿命与工作压力成反比。为提高泵的使用寿命，尽量不要在10-1-10-2Pa压力范围内工作。溅射离子泵优•干净，无油污染，无运动部分，无振动，无噪音•工作范围宽，对惰性气体抽速大•不需冷剂，置放反向不限•低功耗，使用时间长•无断电问题缺•带有笨重的磁铁，体积大，成本高•对有机蒸汽污染敏感，•连续抽30min油蒸汽就会使泵启动困难•抽惰性气体时，二级泵会出现氩不稳定现象•每隔几年需要对阴极材料进行再生应用领域广泛应用于现代尖端技术领域中原子能工程、核工业高能加速器、宇宙模拟表面物理、电子工业高纯金属的冶炼等谢谢观看！