CN100369178C - 具有次级磁场的离子泵 - Google Patents

Abstract

一种离子泵包括一个或多个阳极泵室、接近所述一个或多个阳极泵室放置的阴极和用于在所述一个或多个阳极泵室中产生磁场的磁组件。在所述阴极和所述一个或多个阳极泵室之间施加有电场。磁组件包括被布置在所述阳极泵室的相对端部上的极性相反的初级磁体以及被布置在所述阳极泵室的相对侧面上的次级磁体。所述磁组件还可以包括提供磁通返回路径的磁轭。磁组件在所述一个或多个阳极泵室中产生基本一致的轴向磁场。

Description

具有次级磁场的离子泵

技术领域

本发明涉及被称作溅射离子泵的真空泵，更具体地，涉及提供了改进的溅射离子泵性能的磁组件。

背景技术

溅射离子泵的基本结构包括阳极、阴极和磁体。阳极包括可以是圆柱体形的一个或多个泵室。通常是钛的阴极板位于泵室的相对的端部。磁组件产生沿阳极轴线定向的磁场。被施加在阴极板和阳极之间的通常是3kV到9kV的电压产生电场，该电场使得电子从阴极被发射出。磁场引起长的、差不多是螺旋形的电子轨迹。电子在到达阳极之前的相对长的螺旋形轨迹提高了在泵室中与气体分子碰撞的几率。当电子与气体分子碰撞时，有从该分子释放出另一电子的趋势。由于电场的作用，阳离子行进到阴极。与固体表面的碰撞产生被称作溅射的现象，即从阴极表面喷射出钛原子。被电离的分子或原子中的一些以足够大的力撞击阴极表面，以至于穿入固体，并保持被填埋。

现有技术的溅射离子泵具有通常令人满意的性能。但是，离子泵通常在低压下呈现变低的抽运速率。此外，在非常的压力下，离子泵可能会熄灭，根本不产生抽运作用。阳极泵室的抽运速率依赖包括磁场强度的若干参数而变化。

因而，需要改进的溅射离子泵以及用于溅射离子泵的磁组件。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供了一种在离子泵中使用的磁组件。该磁组件包括具有界定了一个内部区域的第一和第二侧面以及第一和第二端部的磁轭、被布置在磁轭的第一和第二端部上的极性相反的主磁体和被布置在磁轭的第一和第二侧面上的次级磁体。

次级磁体可以包括被布置在磁轭的第一侧面上的极性相反的磁体以及被布置在磁轭的第二侧面上的极性相反的磁体。次级磁体的每一个的位置与同样极性的主磁体相邻。

该磁组件可以结合任何溅射离子泵结构使用。例如，该磁组件可以结合二极式(diode)离子泵和三极式(triode)离子泵使用。此外，该磁组件可以结合具有任何阳极室结构的离子泵使用。

根据本发明的另一个方面，一种离子泵包括一个或多个阳极泵室、接近所述一个或多个阳极泵室放置的阴极和用于在所述一个或多个阳极泵室中产生磁场的磁组件。在阴极和所述一个或多个阳极泵室之间施加有电场。该磁组件包括被布置在阳极泵室的相对端部上的极性相反的主磁体以及被布置在阳极泵室的相对侧面上的次级磁体。

根据本发明的又一个方面，提供了一种用于操作含有阴极和一个或多个阳极泵室的离子泵的方法。该方法包括在阴极和所述一个或多个阳极泵室之间施加电场，以及利用磁组件在阳极泵室中产生磁场，所述磁组件包括被布置在阳极泵室的相对端部上的主磁体和被布置在阳极泵室的相对侧面上的次级磁体。

附图说明

为了更好地理解本发明，参考通过引用结合于此的附图，其中：

图1是现有技术溅射离子泵的示意图；

图2是现有技术溅射离子泵的简化示意图；

图3是按照本发明实施例的溅射离子泵的简化示意图；

图4是按照本发明实施例的溅射离子泵的实施例的侧视图；

图5是图4中所示的溅射离子泵的俯视图；

图6～图8是在不同操作电压下，对于现有技术的磁组件和对于按照本发明实施例的磁组件，作为压力的函数的以升每秒为单位的氮抽运速率的图形；

图9是二极式溅射离子泵的简化示意图；以及

图10是三极式溅射离子泵的简化示意图。

具体实施方式

图1中示出了现有技术溅射离子泵的示意图。圆柱形阳极室20具有室轴22。阳极室20可以例如用不锈钢制造。阴极板24和26位于阳极室20的相对的端部，并且可以垂直于室轴22。电源30在阴极板24、26与阳极室20之间施加通常是3kV到9kV的电压。磁组件(没有在图1中示出)在阳极室20中平行于室轴22产生磁场32。

图2中示出了具有多个阳极室的现有技术的溅射离子泵的示意图。图1和图2中类似的元素具有相同的参考标号。图2的溅射离子泵包括位于阴极板24和26之间的多个阳极室20a、20b、...20n。电源30连接在阴极板24、26与阳极室20a、20b、...20n之间。磁组件40包括位于阳极室20a、20b、...20n的相对的端部的主磁体42和44。主磁体42可以具有面对阳极室20a、20b、...20n的北极，而主磁体44可以具有面对阳极室20a、20b、...20n的南极。由磁材料制成的磁轭50提供主磁体42和44之间的磁场的返回路径。在图2的结构中，磁轭50具有通常为矩形的形状。在其他的现有技术的溅射离子泵中，磁轭可以是一侧开放的U形。主磁体42和44在阳极室20a、20b、...20n的区域中产生磁场32。图2中所示的整个组件可以被密封在真空罩中。

阴极板24、26与阳极室20a、20b、...20n之间的电压导致在阳极室容纳空间内产生自由电子。这些自由电子电离进入阳极室的气体分子。被电离的气体分子被加速至通常由钛或钽制成的阴极板，引起阴极材料溅射到阳极室的表面上。被溅射的阴极材料容易抽运气体分子，是离子泵中的主抽运机制。从电离过程所产生的次级电子维持阳极室中的等离子体，以便继续抽运作用。需要阳极室轴向的磁场，来在阳极室中维持长的电子路径，并维持稳定的等离子体。磁场强度和场品质是在离子泵中获得高的抽运速率的重要因素。

现有技术的离子泵对每个阳极结构只包含两个主磁体，如图2所示，其中一个北极一个南极，互相平行地放置在阳极室的相对的端部。得到的磁通线穿过每个阳极室。在主磁体中心附近，磁通线平行于阳极室轴线。但是，在主磁体边缘附近，磁场扰动并偏离了轴向对准。在主磁体边缘附近，磁通线基本上偏离了室轴，导致这些位置的抽运速率降低。计算表明，磁场强度从在主磁体中心的大约1,300高斯变化到在主磁体边缘的大约600高斯，导致了在低磁场区域中阳极室抽运速率的进一步降低。

图3中示出了按照本发明实施例的溅射离子泵的简化示意图。阳极室120a、120b、...120n位于阴极板124和126之间，并与阴极板124和126隔开。该离子泵可以包括一个或多个阳极室。每个阳极室可以具有圆柱形结构，并且可以用不锈钢制造。阳极室120a、120b、...120n被定向，使得它们的轴线互相平行，并垂直于阴极板124、126。阴极板124和126可以用例如钛或钽制造。电源130在阴极板124、126与阳极室120a、120b、...120n之间施加通常是3kV到9kV的电压。阴极板124和126被电连接在一起，并且阳极室120a、120b、...120n被电连接在一起。阴极板124和126可以被连接到在本实施例中例如是地的参考电压。

磁组件140包括位于阳极室120a、120b、...120n的相对的端部的主磁体142和144，以及磁轭150。此外，磁组件140包括位于主磁体142和144边缘附近的阳极室120a、120b、...120n侧面的次级磁体160、162、164和166。如所示出的，主磁体142可以具有面对阳极室120a、120b、...120n的北极，主磁体144可以具有面对阳极室120a、120b、...120n的南极。次级磁体160和164可以具有面对阳极室的北极，并位于分别与主磁体142的边缘142a和142b相邻的阳极室的相对侧上。次级磁体162和166可以具有面对阳极室的南极，并位于分别与主磁体144的边缘144a和144b相邻的阳极室的相对侧上。主磁体142和144以及次级磁体160、162、164和166的布置在阳极室120a、120b、...120n中产生强度基本一致并且轴向方向基本一致的磁场132，从而增加溅射离子泵的抽运速率。优选地，磁场跨过阳极室在约10％的范围内强度一致，跨过阳极室在约15度的范围内轴向方向一致。但是，本发明并不限于这些范围。

如图3所示，磁轭150可以具有通常是矩形的结构，包括端部150a、150b和侧面150c、150d，它们限定了容纳主和次级磁体、阴极板以及阳极室的内部区域170。在图3的实施例中，主磁体142被固定到磁轭150的端部150a的内表面上，主磁体144被固定到磁轭150的端部150b的内表面上。次级磁体160和162被固定到磁轭150的侧面150c的内表面上，次级磁体164和166被固定到磁轭150的侧面150d的内表面上。从而，极性相反的磁体160和162位于磁轭150的侧面150c上，极性相反的次级磁体164和166位于磁轭150的侧面150d上。次级磁体160、162、164和166的每一个的位置与同极性的主磁体相邻。

图4和图5中分别示出了具有图3的特征的溅射离子泵组件的实施例的侧视图和俯视图。图3～图5中的类似的元素具有相同的参考标号。具有连接凸缘202的真空罩200密封了阴极板124、126和阳极室120a、120b、...120n的区域。高电压馈通204允许电源130连接到阴极板124、126和阳极室120a、120b、...120n。磁组件140的部件可以位于真空罩200外部，如图5中最佳地示出的。

图3中所示并在前面被描述的次级磁体160、162、164和166优化了阳极室120a、120b、...120n区域中的磁场强度和场形状。与现有技术的离子泵相比，改进的磁组件获得了更高的磁场强度，这直接得到了更高的抽运速率。此外，改进的磁组件提供了跨过主磁体142、144全部磁极宽度的更高的场品质，使得所有的阳极室高速抽运。跨过主磁体142、144的全部宽度维持了良好的场对准和高的场强度。这两个特性都使得抽运速率增大，尤其是在低真空压力下。

图6、图7和图8示出了使用图3中所示的磁组件和图2中所示的现有技术的磁组件的25升/秒的离子泵的测得的氮抽运速率。抽运速率被绘制为以毫巴(托)为单位的入口压力的函数。图6图示了在3kV的电源电压下的操作，图7图示了在5kV的电源电压下的操作，图8图示了在7

kV的电源电压下的操作。离子抽运速率是按照ISO/DIS 3556-1.2在Fischer-Momsen室中被测量的。在图6中，曲线300表示利用图3的磁组件的离子抽运速率，曲线302表示利用图2的磁组件的抽运速率。在图7中，曲线310表示利用图3的磁组件的抽运速率，曲线312表示利用图2的磁组件的抽运速率。在图8中，曲线320表示利用图3的磁组件的抽运速率，曲线322表示利用图2的磁组件的抽运速率。在全部的真空压力下，在操作电压的大的范围中，利用图3的改进的磁组件的抽运速率较高。

阳极室的抽运速率依赖于若干参数而变化。但是，在抽运速率等式中的一个主要的参数是磁场强度。上述的改进的磁组件因为若干原因而得到了提高的抽运速率。如本领域所公知的，与溅射离子泵相关联的有两种离子抽运模式。它们是HMF(高磁场模式)和LMF(低磁场模式)，其中最高的抽运速率在HMF模式中获得。从HMF到LMF的转变发生在临界真空压力和由下式计算的磁场转变点处。

$B_{\mathrm{tr}}=7.63\×\sqrt{\mathrm{Ua}/\left({\mathrm{Ra}\×P}^{0.05}\right)}$

其中，Ua是所施加的电压，Ra是阳极室半径，P是真空压力。在某个点，转变点的值超过了室中的实际磁场强度。抽运作用从HMF模式变化到LMF模式，并且有效离子抽运速率被降低。因此，希望在尽可能低的压力下维持HMF模式。在转变点上方的阳极室中的高磁场强度在较低的真空压力下维持了HMF抽运模式和最高的抽运速率。

当转变磁场超过阳极室容纳空间中的实际磁场强度时，LMF抽运模式被启动。LMF模式是低真空压力的主抽运模式。LMF模式中抽运速率S由下式给出：

S＝1.56E-0.5×(1-((1.5E0.6×P)/(1+(4.0E06×P)))×(P^0.2)×(La)×(Ra²)×(B²)

其中，P是真空压力，La是阳极室长度，Ra是阳极室半径，B是以高斯为单位的磁场强度。可以看出，速率随着磁场强度的二次方而增加，因此即使磁强度的少量增大也会得到LMF抽运速率的较大增加。由于上述两个原因，当磁场强度被增大的时候获得了较高的离子抽运速率。

另外，磁场的品质对于高泵速也是重要的。如果磁场的强度跨过一组阳极室而变化，则在场较低的地方，或者在磁通线偏离与阳极室的轴线对准的地方，抽运作用被降低。在现有技术的离子泵磁组件中，在主磁体边缘附近，磁场强度降低和场不对准都发生，因此在主磁体边缘附近的阳极室中的抽运速率被降低了。这里所公开的改进的磁组件提供了在主磁体的全部宽度上的相当恒定的场质量，使得在全部阳极室中维持了高的速率。这在工作泵中得到了高的整体抽运速率。

此外，在例如10^-8托或更低的低真空压力下，在阳极室容纳空间中很少的气体分子会被电离。因此，产生了更少的用于维持等离子体和离子抽运作用的次级电子。一些阳极室可能会熄灭，并且根本不提供抽运作用。高的磁场更有效地将电子截获到阳极室容纳空间中，从而更有效地在例如10^-9到10^-12托的较低真空压力下维持抽运作用。

作为附带效应，离子泵的启动也被改善了。在低于10^-7托的真空压力下，由于会激起等离子体的电离事件的概率低，所以离子泵很难启动。较高的磁场会更有效地截获电子，并很大的改善泵室中的电离，从而改善离子泵的启动。

图3～图5的实施例含有六个磁体，包括两个主磁体和四个次级磁体。主磁体在阳极室的区域中提供主磁场。主磁体142和144可以是在磁轭150的相对的端部上的单快的磁材料，一个北极一个南极。每个主磁体可以包括两个或更多个并排放置的磁性元件。后者的结果可以具有更低的制造成本。优选的实施例使用铁氧体磁体，但是也可以使用电磁体或者稀土磁体，例如钐-钴。阳极室可以是半径在约1～50毫米·(mm)的范围内，长度在约1～50mm的范围内。优选的实施例含有六块磁体，如图3所示。但是，磁组件可以使用十块磁体，其中两个另外的磁体在阳极结构的顶部上，两个另外的磁体在阳极结构的底部上，以形成六面的磁箱，该磁箱更进一步地将磁场容纳在阳极室的区域中。磁体可以是厚度约1～50mm，并在宽度和高度上稍大于离子泵的阳极结构。可替代地，可以在阳极结构的顶部和底部上使用磁钢板，以容纳磁场，减少在泵容积范外侧附近的区域中的杂散磁场，并在阳极室的容纳空间中提供更一致的场。优选的实施例可以使用从宽度1厘米到几厘米的主极间隙。整个离子泵组件可以被密封在真空罩中，并被安装到具有连接凸缘的真空系统上，或者可以被集成到大的真空系统的内部。

磁轭150提供了磁通返回路径。磁轭被配置为将在磁轭中返回的磁通集中，以最大化在阳极室容纳空间中的磁极之间的场强度。这种结构也减少了泵容纳空间外侧的杂散磁场，这些杂散磁场可能会干扰在其上安装离子泵的任何系统，例如科学仪器、粒子加速器或者射频(RF)功率管中的带电粒子束。磁轭150可以用高磁导的材料制成，例如AISI 1006或AISI1010低碳钢或者商用合金钢。主磁体和次级磁体的厚度和宽度、磁轭的厚度和形状以及磁体之间的距离可以改变，以优化磁场强度和场品质。对于具有不同抽运要求、不同气体核素、不同操作压力以及不同物理空间要求的离子泵，可能需要这种优化。

本领域公知的有多种不同的溅射离子泵结构。图9示出了与上面描述的并在图3～图5中示出的溅射离子泵相对应的二极式溅射离子泵的简化示意图。图3～图5以及图9中的类似的元素具有相同的参考标号。为了便于图示，图9中省略了磁组件。但是，图9的二极式溅射离子泵可以包括上面描述的并在图3～图5中示出的磁组件。

如图9所示，阴极板124和126被固定到真空罩200上，真空罩200被连接到例如地的参考电压。阳极室120a、120b等通过电源130被正电压偏压。阴极板124和126被从阳极室120a、120b等隔开。

图10中示出了三极式溅射离子泵的示意图。图9和图10中的类似的元素具有相同的参考标号。三极式溅射离子泵包括与阳极室120a、120b、...120n的第一端隔开的栅格阴极400以及与阳极室120a、120b、...120n的第二端隔开的栅格阴极402。栅格阴极400和402被与真空罩200隔开。在图10的三极式离子泵中，阳极室120a、120b、...120n和真空罩200被连接到例如地的参考电压。栅格阴极400和402通过电源130被负电压偏压。

上面已经描述了具有圆柱形阳极室的溅射离子泵。但是，本领域中公知的有许多不同的阳极室结构。大体上，阳极室可以具有圆形、方形或任意形状的横截面。被称作“星室”的溅射离子泵结构使用以星形图案形成的阴极。星室溅射离子泵有Varian公司制造和出售。另一种阳极室结构使用被形成为波状结构并被接合在一起的多个金属条，以形成阳极室。阳极室的横截面形状取决于部件金属条的形状，但是可以类似于椭圆形或者变形的圆形。

应当理解，在上面被描述并在图3～图5中示出的磁组件可以结合任何溅射离子泵结构使用，包括但不限于二极式结构和三极式结构。此外，在上面被描述并在图3～图5中示出的磁组件可以结合任何阳极室结构使用。这里所描述的磁组件可以结合任何溅射离子泵结构使用，以在阳极室中提供强度基本一致并且轴向方向基本一致的磁场。

已经如此描述了本发明至少一个实施例的若干方面，应当认识到，本领域技术人员将很容易想到各种替代、修改和改进。这样的替代、修改和改进将被认为是本公开的一部分，并且将被认为是在本发明的精神和范围之内。相应地，上述说明和图形仅是示例的方式。

Claims (10)

1.一种离子泵，包括：

一个或多个阳极泵室；

接近所述一个或多个阳极泵室放置的阴极，其中，在所述阴极和所述一个或多个阳极泵室之间施加有电场；和用于在所述一个或多个阳极泵室中产生磁场的磁组件，所述磁组件包括：

被布置在所述阳极泵室的相对端部上的极性相反的主磁体；和

被布置在所述阳极泵室的相对侧面上的次级磁体，其中所述磁组件跨过在其中产生增加的抽运速率的所述一个或多个阳极泵室提供一致轴向的磁场及增大的磁场强度。

2.如权利要求1所述的离子泵，其中，所述磁组件还包括具有第一和第二侧面以及第一和第二端部的磁轭，所述第一和第二侧面以及所述第一和第二端部界定了一个内部区域。

3.如权利要求2所述的离子泵，其中，所述主磁体被布置在所述磁轭的所述第一和第二端部上，并且其中，所述次级磁体被布置在所述磁轭的所述第一和第二侧面上。

4.如权利要求3所述的离子泵，其中，所述次级磁体包括被布置在所述磁轭的所述第一侧面上的极性相反的磁体以及被布置在所述磁轭的所述第二侧面上的极性相反的磁体，其中，所述次级磁体的每一个的位置与同样极性的主磁体相邻。

5.如权利要求1所述的离子泵，其中，所述主磁体和所述次级磁体被配置成在所述一个或多个阳极泵室中产生一致的磁场。

6.如权利要求1所述的离子泵，其中，所述一个或多个阳极泵室具有第一和第二端部，并且其中，所述主磁体与所述阳极泵室的所述第一和第二端部隔开。

7.如权利要求1所述的离子泵，其中，所述阴极包括与所述一个或多个阳极室的第一和第二端部隔开的阴极板。

8.如权利要求1所述的离子泵，还包括被耦合在所述阴极和所述一个或多个阳极泵室之间的电源。

9.如权利要求1所述的离子泵，其中，所述一个或多个阳极泵室和所述阴极具有二极式离子泵结构。

10.如权利要求1所述的离子泵，其中，所述一个或多个阳极泵室和所述阴极具有三极式离子泵结构。

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