CN101126668B - 一种放电气体环境离子真空规管辅助仪器 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空测量技术领域，具体涉及一种放电气体环境真空规管辅助仪器。该仪器包括：两个金属网状结构的电子和离子屏蔽电极；在两个屏蔽电极之间以及一个屏蔽电极和真空室器壁之间施加两个屏蔽电压，实现第一级离子屏蔽和第二级电子屏蔽；两个绝缘支柱和一个安放于真空室的连接口。该仪器结构简单、成本低廉，能够很好地解决电离真空规管在等离子体环境中读数偏高甚至不能工作的问题，提高其测量稳定性和准确度，可以在放电气体环境中提供可靠的真空测量，同时配合电离真空规管使用，测量放电气体的电离度，规避了传统气体电离度测量成本高、设备复杂的缺点，是一种易于在工业界推广的气体电离度监测仪器。

Description

一种放电气体环境离子真空规管辅助仪器

技术领域

本发明属于真空测量技术领域，具体涉及一种提高电离真空规管在放电气体环境中测量稳定性和准确度的仪器，同时该仪器配合电离真空规管使用，可以测量放电气体的电离度。

背景技术

在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。随着现代工业水平的提供，真空设施广泛应用于金属材料工业、核能工业、汽车工业、食品工业和建筑工业等，同时近年来真空技术已从传统的工业领域转向半导体、平板显示(LCD、PDP)、纳米科技、精细化工等高端产业领域。真空区域的划分，根据我国GB3163-82的规定：低真空10⁵～10²Pa；中真空10²～10^-1Pa；高真空10^-1～10^-5Pa；超高真空＜10^-5Pa。真空测量包括全压力测量、分压力测量和真空计校准三个部分，人们通常使用间接测量压力的真空计在各对应真空量程范围内进行测量，如使用电阻真空规管(又名皮拉尼真空计)测量10⁵～10^-1Pa中低真空压力，使用普通型电离真空规管测量10^-1～10^-5Pa高真空压力。

电离真空规管的工作原理：产生的电子从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生电离，产生正离子和次级电子。其电离几率与电子能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度n，在一定温度下正比于气体的压力p，可根据离子电流的大小指示真空度。

量程为10^-1～10^-5Pa的电离真空规管在测量高真空中广为采用，电离真空规管是通过电离真空中的气体，利用气体在不同气压下的电学特性来测量真空，它处理的是传统条件下表现为绝缘性的气体，没有额外的电离源，不呈现等离子体状态。但是现在生产科研中很多装置自身电源系统会电离气体，如微电子工业、金属改性、军工生产等。这类装置自身可以电离气体，增加气体中的电子离子数量，从而改变了电离真空规管所利用的气体电学特性，这是原先的电离真空规管设计没有考虑到的，如果这种等离子体状态下使用电离真空规管，会使测量产生误差，甚至出现电流过流，电离真空规管不能工作的情况。

发明内容

本发明在研究真空装置中的放电气体的等离子体特性和电离真空规管工作原理的基础上，提出一种伴随电离真空规管使用，提高电离真空规管在放电气体环境中的准确性及稳定性的仪器，同时该仪器配合电离真空规管使用，可以测量放电气体的电离度，我们称之为新型放电气体环境电离真空规管辅助仪器。

电离真空规管的量程为10^-1～10^-5Pa，而在这个压强区间内，产生的等离子体特别易于扩散，会分布在整个装置空间内，就会有一些等离子体中的电子离子扩散进电离真空规管和腔体的连接口内，在电离真空规管所产生的电场作用下，被收集极接收，而此时的离子电流和原来电离真空规管已经标定好的和压强一一对应的离子电流已有出入，测量准确度就会降低，若进入电离真空规管中的电子和离子太多，还有可能使电离真空规管出现电流过流不能工作，甚至损坏。我们基于提高真空材料相容性、减少系统杂质、不影响电离真空规管接口处流导的考虑下，设计出如图1所示的电离真空规管辅助仪器。该辅助仪器包括如下结构单元：

一个金属网状结构的离子屏蔽电极1；一个与金属网状结构的离子屏蔽电极平行设置的金属网状结构的电子屏蔽电极2；离子屏蔽电极1和电子屏蔽电极2两者构成第一级离子屏蔽，电子屏蔽电极2与真空室器壁3之间构成第二级电子屏蔽；

两个绝缘支柱7和6分别设置于离子屏蔽电极1和电子屏蔽电极2以及电子屏蔽电极2与真空室器壁3之间，使三者相互绝缘；

一个仪器安装接口5设置于电子屏蔽电极2外侧用于与真空室电离真空规管接口4对接；

在离子屏蔽电极1和电子屏蔽电极2之间施加电压V1，在电子屏蔽电极2与真空室器壁3之间施加电压V2。

本发明中，第二级电子屏蔽的空间距离L2为第一级离子屏蔽的空间距离L1的1.5-3倍。离子屏蔽电极1和电子屏蔽电极2的长度尺寸D1为真空室电离真空规管接口尺寸D2的2-4倍。

本发明中，第一级离子屏蔽的电压V1约为30-80伏特，第二级电子屏蔽的屏蔽电压V2约为45-200伏特，是第一级屏蔽电压的1.5-2.5倍。离子屏蔽电极1和电子屏蔽电极2的金属网的规格为40-60目。

电离气体产生的等离子体中的电子和离子通过各种方式和自身、中性粒子及电磁场交换能量，会有一定的能量分布，这就意味着大部分电子和离子的能量都集中在一定跨度的区域，高于这个区域或低于这个区域的电子和离子都很少，特别是我们若选取这个区域的跨度较大，那么能量在这个区域外的电子离子就会非常少。对应不同的等离子体产生方式，其电子和离子的能量分布不同。本发明采用不同的电压V1和V2实现两级屏蔽，在第一级屏蔽中金属网状离子屏蔽电极1和金属网状电子屏蔽电极2之间电压V1产生的电场减速扩散过来的等离子体中的离子实现离子屏蔽。第二级屏蔽通过金属网状电子屏蔽电极2和真空室器壁之间电压V2产生的电场减速从等离子体中扩散来的电子实现电子屏蔽。由于电子在第一级屏蔽中被屏蔽电压V1加速，所以第二级屏蔽电压V2必须比第一级屏蔽电压V1大。本发明采用V2为V1的两倍左右，V1和V2的具体数值根据不同等离子体产生源作相应调节。通过两级屏蔽电压使等离子体中的电子离子不能够到达离子规接口处，从而保证电离真空规管能够独立不受干扰的正常工作。电离规整体采用离子溅射产额小、二次电子发射系数小、刚性好易加工不易变形的304不锈钢网0Cr18Ni9，不锈钢网采用50目左右规格，这种设计不会因为使用离子规伴侣在真空环境中产生额外的有害杂质破坏真空洁净度，同时网眼设计在达到阻碍等离子体定向扩散的同时又不会影响电离真空规管接口处的流导，从而使此处与装置其他部分的压强保持一致。不锈钢网片1和2、2和真空室壁3之间的距离L1和L2为2-5cm为宜，L2为L1的1.5-3倍，因为距离太大会占用很多空间，是真空装置的利用率下降；反之，若距离太小，而两块板之间的电场就会很大，就可能产生额外的电离，这些不是我们希望的。同时为了减少因为边缘效应产生的电场扭曲，不锈钢网片的长度尺寸大小应为电离真空规管接口直径的2-4倍，实施例中采用两倍直径，如图所示。该仪器使离子真空规管测量的仅是中性气体压力，对应电离度高的等离子体源，本仪器配合电离真空规管使用，在该仪器开启和关闭状态下分别记录电离真空规管测量读数，可以获得被监测气体的电离度。

附图说明

图为放电气体环境真空规管辅助仪器结构图示。

图中标号：1为离子屏蔽电极，2为电子屏蔽电极，3为真空室器壁，4为真空室电离真空规管接口，5为仪器安装接口，6和7为绝缘支撑柱，D1为屏蔽电极尺寸，D2为真空室电离真空规接口尺寸，L1为离子屏蔽电极和电子屏蔽电极间的距离，L2为电子屏蔽电极和真空室器壁的距离，V1为离子屏蔽电压，V2为电子屏蔽电压。

具体实施方式

现代微电子制造业采用射频电感耦合等离子体来完成微电子制造中的刻蚀工艺和绝缘介质沉淀工艺等，使用的真空腔体对杂质的要求很高，本底气压为10^-5Pa，工作气压为10^-2～10^-1Pa，在没产生等离子体之前电离真空规管会产生一个读数，在产生等离子体后显示读数会有20％～50％的增加。

本发明的电离真空规管辅助仪器放置在对应电感耦合等离子体环境中的真空室电离真空规管接口处，使电离真空规管在有等离子体条件下也有较高的准确度，不因为等离子体的存在而发生仪器读数偏高的情况。采用50目304不锈钢网片作为屏蔽电极，不锈钢网片1和2之间的距离L1选取2cm，不锈钢网片2和真空室壁3之间的距离L2选取4cm，屏蔽电压V1选取30V，屏蔽电压V2选取60V。

通过两级屏蔽电压使等离子体中的电子离子不能够到达离子规接口处，从而保证电离真空规管能够独立不受干扰的正常工作。电离规整体采用离子溅射产额小、二次电子发射系数小、刚性好易加工不易变形的304不锈钢网(OCr18Ni9)，不锈钢网采用50目规格，这种设计不会因为使用离子规伴侣在真空环境中产生额外的有害杂质破坏真空洁净度，同时网眼设计在达到阻碍等离子体定向扩散的同时又不会影响电离真空规管接口处的流导，从而使此处与装置其他部分的压强保持一致。同时为了减少因为边缘效应产生的电场扭曲，不锈钢网片的尺寸大小应为电离真空规管接口直径的2-4倍，我们采用两倍直径如图所示。

应用于军工的等离子体推进设备采用脉冲等离子体，此时会后很大的等离子体电子离子迁徙流，电离真空规管的电流会在瞬间达到饱和，仪器真空度数不能读出，显示错误。我们同样采用上述电离真空规管伴侣放置在对应脉冲等离子体环境中的真空室电离真空规管接口对应处，使电离真空规管在有等离子体条件下也能够正常工作，不因为等离子体的存在而发生仪器不能正常读数的情况。真空规管伴侣的几何尺寸和上述应用于电感耦合等离子体环境中的真空规管伴侣相同，只是需要变化离子屏蔽电压V1为80伏特，电子屏蔽电压V2为160伏特。

对应电子回旋共振等离子体，气体成分电离程度较高，有时会达到50％，其电学特性决定离子真空规管仪器读数偏高严重不能够正常使用，在开启本仪器后使用离子真空规管测量，记录读数，此时读数显示的是电离中性气体所获的测量电流对应的中性气体压力，而电离部分粒子没有考虑，然后在该仪器开启状态下分别记录电离真空规管测量读数，此时的压力测量已经考虑了中性粒子和带电粒子对测量电流的贡献，通过对电离真空规管的系列定标，可以获得被监测气体的电离度。

Claims (4)

1.一种放电气体环境电离真空规管辅助仪器，其特征在于，包括如下结构单元：

一个金属网状结构的离子屏蔽电极(1)；

一个与金属网状结构的离子屏蔽电极平行设置的金属网状结构的电子屏蔽电极(2)；

离子屏蔽电极(1)和电子屏蔽电极(2)两者构成第一级离子屏蔽，电子屏蔽电极(2)与真空室器壁(3)之间构成第二级电子屏蔽；

两个绝缘支柱(7和6)分别设置于离子屏蔽电极(1)和电子屏蔽电极(2)以及电子屏蔽电极(2)与真空室器壁(3)之间，使三者相互绝缘；

一个仪器安装接口(5)设置于电子屏蔽电极(2)外侧，用于与真空室电离真空规管接口(4)对接；

在离子屏蔽电极(1)和电子屏蔽电极(2)之间施加离子屏蔽电压(V1)，在电子屏蔽电极(2)与真空室器壁(3)之间施加电子屏蔽电压(V2)。

2.根据权利要求1所述的辅助仪器，其特征在于所述第二级电子屏蔽的空间距离(L2)为第一级离子屏蔽的空间距离(L1)的1.5-3倍；所述离子屏蔽电极(1)和电子屏蔽电极(2)的长度尺寸(D1)为真空室电离真空规管接口直径尺寸(D2)的2-4倍。

3.根据权利要求1所述的辅助仪器，其特征在于所述第一级离子屏蔽的离子屏蔽电压(V1)为30-80伏特，第二级电子屏蔽的电子屏蔽电压(V2)为45-200伏特，是第一级离子屏蔽的离子屏蔽电压的1.5-2.5倍。

4.根据权利要求1所述的辅助仪器，其特征在于离子屏蔽电极(1)和电子屏蔽电极(2)的金属网的规格为40-60目。

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