CN109830422B - 一种溅射离子泵的磁路结构及溅射离子泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溅射离子泵磁路结构及溅射离子泵,包括抽气组件、一对梯台型磁轭、磁铁和下方磁轭，所述下方磁轭的两端上方分别设有所述磁铁，所述磁铁的上面固定梯台型磁轭，所述梯台型磁轭下宽上窄设置，所述一对梯台型磁轭的垂直面相对设置，所述抽气组件固定于两个梯台型磁轭之间，随着与磁铁距离的增大，所述梯台型磁轭的厚度逐渐缩小，收缩其中的磁力线，使抽气组件空间内形成磁感应强度不变的均匀磁场。该磁路结构中磁轭将大量磁力线束，带有磁轭的抽气组件内阳极筒轴线处的磁感应强度整体高于没有磁轭的抽气组件，磁场利用率高，提高效果明显，结构简单，有效降低了泵的体积和重量，降低了加工成本。

Description

一种溅射离子泵的磁路结构及溅射离子泵

技术领域

本发明涉及一种溅射离子泵的磁路结构及其溅射离子泵，属于真空泵技术领域。

背景技术

溅射离子泵是一种超高真空泵，主要由阳极、阴极、磁场和电源四大部分组成。低气压的情况下，在阴极板与阳极筒之间施加直流高压，电子从冷阴极中释放并向阳极靠拢，产生场致发射现象。电子在进入阳极之前，在电场与磁场的双重作用下进行螺旋运动，并在阴极板之间产生震荡，震荡过程中与气体分子之间产生碰撞，使气体电离，产生正离子和二次电子，并产生雪崩现象。生成的正离子轰击具有负电位的阴极钛板，在阴极钛板上溅射出钛原子，钛原子一部分散落到阳极筒上形成连续的钛膜，一部分散落到阴极外围区域。而空气中的活泼气体会与不断产生的钛凝结面发生化学反应，形成化合物吸附在阳极筒的内壁从而被固定下来。

磁路系统做为溅射离子泵工作过程中的重要组成部分，具有为抽气组件提供磁场的功能，在与电场的配合下，使电子在阳极筒内做螺旋线运动。溅射离子泵在工作过程中对磁场的控制尤为重要，需要适当的磁铁及其磁轭的大小与形状，所以对磁场系统的优化设计是溅射离子泵设计中的重中之重。然而，传统的溅射离子泵单位抽速所对应的泵的体积过大，重量太重，价格过高，以此磁路设计不到位，磁场利用效果差，漏磁率高。

随着研究的进行，许多经过改进的溅射离子泵内部结构被开发应用，以下为几种改进的溅射离子泵：

申请号为200510035928.4的中国专利，公开了一种无磁静电鞍场溅射离子泵，采用碳纳米管等场发射材料作为一次电子源，增加了一个二次电子发射系数比较高的材料制作的二次电子发射电极，产生更多的电子，注入放电区，并可以减少电子回到二次电子发射极的几率，电子更容易回旋振荡；功率减小很多，且无需使用磁场，结构简单，成本低。但是其不可避免的是单位体积的抽速小，极限真空度低。

申请号为201510024775.7的中国专利，公开了一种轻量化大抽速离子泵，磁体部件由磁钢和导磁槽钢组成；所述泵体为钛合金泵体；所述磁钢为钕铁硼磁钢；所述导磁槽钢整体呈矩形框，由两个U形钢板拼接而成，每个U形钢板都是由一底板和位于所述底板两侧的翼板一体成型，从每个翼板的转角处那端到该翼板另一端的厚度在逐渐减小；且泵壳材料以钛合金代替不锈钢，钛的比重仅为不锈钢的60％。同时取消了钛阴极，代之以钛泵壳，这样不仅减轻了重量，而且永久磁钢之间的间隙缩短，磁场强度提高，抽速也因之提高。但是相应的U型板加工难度较高，且以钛作为泵壳成本高。

申请号为200380100242.8的中国专利，公开了一种溅射离子泵的磁组件，磁组件包括被布置在阳极泵室的相对侧面上的次级泵体。所诉磁组件还可以包括提供磁路返回路径的磁轭。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。该种经改进的磁组件具有良好的磁路设计，且可结合任何溅射离子泵结构使用；但是磁组件的加工难度很大，且磁铁和磁轭数量和体积多，相应重量大，设备笨重。

申请号为US 2007/0280834A1的美国专利，公开一种具有经改进的磁铁系统的溅射离子泵的设计，其特征是在抽气组件两侧有磁铁的同时，在单元底部也布置磁铁，使其形成不对称的磁场。这种磁场使得离子泵可以在即使很高的真空度下获得很高的抽速，减少了尺寸，重量和加工成本；但是系统由于没有磁轭来进行导磁，磁场没有充分利用，并且很难达到所需求的理想磁场条件。

通过对以上几种溅射离子泵磁路的了解，虽然在结构，加工工艺，安装方式都有自己显著的优点，但对磁路的优化还有所欠缺。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种溅射离子泵的磁路结构，该磁路结构中磁轭将大量磁力线束，带有磁轭的抽气组件内阳极筒轴线处的磁感应强度整体高于没有磁轭的抽气组件，磁场利用率高，提高效果明显，结构简单，有效降低了泵的体积和重量，降低了加工成本。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种溅射离子泵的磁路结构，包括抽气组件、一对梯台型磁轭、磁铁和下方磁轭，所述下方磁轭的两端上方分别设有所述磁铁，所述磁铁的上面固定梯台型磁轭，所述梯台型磁轭下宽上窄设置，所述一对梯台型磁轭的垂直面相对设置，所述抽气组件固定于两个梯台型磁轭之间；随着与磁铁距离的增大，所述梯台型磁轭的厚度逐渐缩小，收缩其中的磁力线，使抽气组件空间内形成磁感应强度不变的均匀磁场。

上述结构中，左侧梯台型磁轭将磁力线传导到正对整个抽气组件的表面，然后均匀穿过抽气组件到达右侧梯台型磁轭，再由右侧梯台型磁轭回收所有的磁力线达到右侧磁铁上，最后两磁铁下方的磁轭将两磁铁连通，完成一个完整磁路。如上所述的溅射离子泵的磁路结构，优选地，所述梯台型磁轭为下宽上窄的梯形台结构，其斜边的延长线与垂直线夹角为4.5°～5.5°，其直角结构的一面面向抽气组件设置，斜面所在的一面朝向外侧设置。

由于随着跟磁铁距离的增大，磁轭逐渐缩小，为收缩其中的磁力线，保证抽气组件空间内最终保持磁感应强度不变的均匀磁场，所以将梯台磁轭的斜边延长线与垂直线夹角4.5°～5.5°。

如上所述的溅射离子泵的磁路结构，优选地，所述梯台型磁轭的材料为导磁率比较高的硅钢片来制造，其磁导率高达7000～10000。

如上所述的溅射离子泵的磁路结构，优选地，所述抽气组件包括抽气内胆、壳体和上盖，所述抽气内胆包括多个直径大小不一的阳极筒、绝缘块和两块阴极板，将所述直径大小不一的阳极筒进行平行固定形成阳极筒组，将阳极筒组的上方和下方均固定在绝缘块上，所述阳极筒的两端分别设有阴极板，构成一个箱型结构，箱型结构的外侧设有所述壳体，所述上盖将所述壳体扣合构成一体，形成一个“T”型，在上盖的上方开设有抽气孔，所述抽气组件卡接在两个梯台型磁轭之间。

如上所述的溅射离子泵的磁路结构，优选地，所述多个直径大小不一的阳极筒包括多个两种直径的阳极筒，大直径的阳极筒设置在上、下两层，中间为小直径的阳极筒，在所述绝缘块内部底面设有与阳极筒卡接的托座，所述托座与绝缘块的边沿之间设有缝隙，所述缝隙的大小正好用于插接所述阴极板。

如上所述的溅射离子泵的磁路结构，优选地，磁路结构还包括固定盖，所述固定盖设于所述抽气组件的上方，通过螺钉固定连接在所述梯台型磁轭上。

如上所述的溅射离子泵的磁路结构，优选地，所述阴极板的材料为钛金属。

如上所述的溅射离子泵的磁路结构，优选地，所述绝缘块为陶瓷或橡胶材质。

如上所述的溅射离子泵的磁路结构，优选地，所述阳极筒的轴向与所述梯台型磁轭的垂直面垂直设置，所述阳极筒采用316L不锈钢材料制成。

阳极筒与梯台型磁轭的垂直面垂直设置，这样使抽气单元部分形成的磁感线方向平行于阳极筒轴线。

如上所述的溅射离子泵的磁路结构，优选地，所述磁铁为钕铁硼磁铁。

一种溅射离子泵，其包括有如上所述的溅射离子泵的磁路结构。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

溅射离子泵磁路结构，通过对其整体的优化设计，降低了泵的体积和重量，降低了加工成本。磁路系统中磁轭将大量磁力线束，带有磁轭的抽气组件内阳极筒轴线处的磁感应强度整体高于没有磁轭的抽气组件，提高效果明显。另外，由于磁轭的存在，指向求解域外的磁力线数大大减少，这是由于磁约束的结果从而导致漏磁量的减少。这种磁场分布方案使整个空间内仅存在一个主要的磁力线互循环路径，这也在一定程度上减少了漏磁的可能性。同时，在阳极筒尺寸方面，改进溅射离子泵的抽气组件，在一组抽气组件中排列不同半径的阳极筒，阳极筒半径的大小在不同的压力范围内对气体的抽速不同，因此优化了溅射离子泵的抽速曲线，使之在较宽的压力范围内仍具有可观的抽速，其抽速曲线在大范围内更加平稳。

本发明提供的溅射离子泵磁路结构，由于磁轭对原本向四周分散的杂乱磁力线的约束作用，抽气组件内的磁力线分布更加密集且均匀，因此抽气组件内的磁感应强度高。

本发明提供的溅射离子泵磁路结构，摒弃了现有技术中常使用的U型磁轭，而使用梯台型磁轭和长方体磁轭，降低了加工难度，减少了加工成本和加工时间。

本发明提供的溅射离子泵磁路结构，减小了磁铁尺寸，对大型溅射离子泵来说，内部多组抽气组件需要大量磁铁，这是造成溅射离子泵重量较大的主要原因。现有技术中磁铁被要求截面积大于阴极板面积，所以需要大量磁铁。本发明中磁铁无需正对阴极板，因此对磁铁尺寸的要求大大降低。

本发明提供的溅射离子泵磁路结构，将磁轭设计成下宽上窄的梯形台结构，随着跟磁铁距离的增大，磁轭逐渐缩小，收缩其中的磁力线，保证抽气组件空间内最终保持磁感应强度不变的均匀磁场。

本发明提供的溅射离子泵磁路结构在阳极筒尺寸方面，改进溅射离子泵的抽气组件，在一组抽气组件中排列不同半径的阳极筒，阳极筒半径的大小在不同的压力范围内对气体的抽速不同，因此优化了溅射离子泵的抽速曲线，使之在较宽的压力范围内仍具有可观的抽速，其抽速曲线在大范围内更加平稳。

本发明中采用钕铁硼替代了传统溅射离子泵中的铁氧体磁铁材料，只需更小的体积就能满足泵对磁场的要求，减小了泵体尺寸，减轻了整体重量。

附图说明

图1为溅射离子泵磁路结构的立体图；

图2为阳极筒的结构示意图；

图3为阳极筒组的结构示意图；

图4为绝缘块的结构示意图；

图5为箱内组合立体图；

图6为抽气组件的立体图；

图7为磁铁磁轭组装的立体图；

图8为固定盖的立体图；

图9为总装配图的立体图；

图10为不同磁铁及磁轭的排布类型；

图11为普通型磁场分布磁感应强度分布图；

图12为磁铁增强型磁场分布磁感应强度分布图；

图13为磁轭包含型磁场分布磁感应强度分布图；

图14为磁轭排布型磁场分布磁感应强度分布图；

图15为磁感应强度分析所在线位置图；

图16为a线上普通型和磁铁增强型的磁感应强度分布曲线；

图17为a线上磁轭包含型和磁轭排布型的磁感应强度分布曲线；

图18为b线上磁感应强度矢量分布图；

图19为b线上普通型和磁铁增强型的磁感应强度分布曲线；

图20为b线上磁轭包含型和磁轭排布型的磁感应强度分布曲线；

图21为两种磁铁材料的磁感应强度矢量分布图；

图22为磁铁材料对阳极筒轴线磁感应强度的影响。

【附图标记说明】

1：梯台型磁轭A；

2：梯台型磁轭B；

3：磁铁A；

4：磁铁B；

5：下方磁轭；

6：抽气组件；

7：小阳极筒；

8：大阳极筒；

9：绝缘块A；

10：绝缘块B；

11：阴极板A；

12：阴极板B；

13：壳体；

14：上盖；

15：固定盖A；

16：固定盖B；

17：抽气孔；

18：磁铁材料；

19：磁轭材料。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

一种经改进的溅射离子泵磁路结构，用于给抽气组件提供必要的磁场环境，如图1所示，包括抽气组件6，一对梯台型磁轭(梯台型磁轭A 1和梯台型磁轭B 2)，磁铁对(磁铁A3和磁铁B 4)和下方磁轭5。其中，一对梯台型磁轭和一对在其下方分布的磁铁，在磁铁下方再放置一块磁轭，磁铁和磁轭之间通过螺钉连接。梯台型磁轭下宽上窄设置，一对梯台型磁轭的垂直面相对设置，在其之间设置有抽气组件。上方直角梯形台状磁轭将磁力线传导到正对整个抽气组件的表面，然后均匀穿过抽气组件到达右侧磁轭，再由右侧磁轭回收所有的磁力线达到右侧磁铁上，最后两磁铁下方的磁轭将两磁铁连通，完成一个完整磁路，在抽气组件部分形成的磁感线方向平行于阳极筒轴线。对磁轭的设计中，将磁轭设计成下宽上窄的梯形台结构，其直角结构的一面面向抽气组件设置，斜面所在的一面朝向外侧设置。随着跟磁铁距离的增大，磁轭厚度逐渐缩小，收缩其中的磁力线，保证抽气组件空间内最终保持磁感应强度不变的均匀磁场。

将梯台型磁轭的斜边与垂直线的夹角设为5°。选取的材料为导磁率比较高的硅钢片；其中由于抽气组件的内胆、上盖、阳极筒需要焊接，所以均可选用适合焊接的316L不锈钢作为材料；绝缘块材料为陶瓷；在选取阴极板材料时，考虑到不同原子质量的金属制成的阴极板由小到大使抽速几乎成倍增加，而一些相对原子质量大的金属，如Zr表面易形成氧化膜，影响抽气性能，所以不适合作阴极板。金属Ta产生的抽速最大，抽气曲线也相较平缓，是作为阴极板的合适材料，但是Ta为稀有金属，价格十分昂贵，同等质量下Ta的价格约为Ti的15到20倍，而增加的抽气效果并不能抵消价格上的差距。因此一般选择性价比高的钛金属作为阴极板材料。

抽气组件包括抽气内胆、壳体和上盖，抽气内胆包括多个直径大小不一的阳极筒、绝缘块和两块阴极板，将直径大小不一的阳极筒的平行固定形成阳极筒组，将阳极筒组的上方和下方均固定在绝缘块上，将阳极筒的两端分别设有阴极板，绝缘块与阴极板构成一个箱型结构，箱型结构的外侧设有朝上开口的壳体，另设有一上盖将壳体扣合构成一体，形成一个“T”型，在上盖上还开设有抽气孔，上盖将整个抽气组件卡接在两个梯台型磁轭之间。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，进一步对溅射离子泵的磁路结构的设计，其中，阳极筒的结构如图2所示，选择大直径的阳极筒7直径为24mm，小直径的阳极筒8直径为16mm，长度均为25mm，将两种阳极筒使用点焊的方式组成阳极筒组，大直径的阳极铜设置在上方和下方，小直径的阳极筒设置在中间，结构如图3所示。绝缘块分为绝缘块A 9和绝缘块B 10，其结构如图4所示，其中壁厚2mm，绝缘块A和绝缘块A的内壁均设有四个圆角直径为24mm的托座，分布在绝缘块的四角，用以托住阳极筒组，且托座与长边的间距为5mm的缝隙，以插入两块阴极板，其中，阴极板分为阴极钛板A 11和阴极钛板B 12，尺寸均为146×81mm²。将阳极筒组与绝缘块和阴极板组装后形成如图5所示的箱内组合结构，形成一个箱形结构，设计壳体13和上盖14，使其可容纳箱内组合，上盖上方设有抽气孔17，将箱内组合放入壳体13内，然后用焊丝电弧焊的方式将上盖14与壳体13焊死，组成抽气组件6，结构如图6所示。加工梯台型磁轭A 1、梯台型磁轭B 2，磁铁A 3、磁铁B 4和下方磁轭5，并进行组装，用M8X40内六角螺丝进行固定，如图7所示。然后将抽气单元6放入两梯台型磁轭之间。设计加工固定盖，固定盖包括固定盖A 15和固定盖B 16，其结构如图8所示。将固定盖套上抽气单元，并用M6X5平头螺钉将固定盖与梯台型磁轭进行固定，其中，固定盖中圆环孔套入上盖，使抽气组件整体在水平面内固定，其总装配图如图9。

在本发明中采用了一组排列不同半径的阳极筒，阳极筒半径的大小在不同的压力范围内对气体的抽速不同，因此优化了溅射离子泵的抽速曲线，使之在较宽的压力范围内仍具有可观的抽速，其抽速曲线在大范围内更加平稳。

实施例3

在抽气组件外侧放置磁铁及磁轭为其提供磁场，磁铁与磁轭放置位置的不同会导致抽气组件周围的磁路发生改变，从而改变抽气组件内的磁场分布。本实施例采用软件模拟确定场分布类型。将选择四种磁铁及磁轭的排布类型来进行磁场的模拟，具体结构如图10所示。图中标号6为抽气组件，标号18为磁铁材料，标号19为磁轭材料。图(a)中为普通型磁场分布，仅在抽气组件两侧放置两块磁铁，磁场无任何约束，此类型主要起到与其他类型的磁场分布对照的作用。图(b)为磁铁增强型磁场分布，即在图(a)的基础上在抽气组件下方放置两块磁极相反的磁铁，下方两磁铁的主要作用是为弥补抽气组件下方阳极筒内磁感应强度较弱的磁场缺陷，同时在一定程度上为两侧磁铁起到导磁作用。图(c)为磁轭包含型磁场分布，即在两磁铁外侧放置一个U型磁轭，为两个磁铁间建立可供磁力线传输的磁路，同时可起到固定磁铁的作用。图(d)为磁轭排布型磁场分布，即本发明实施例1的磁轭排布，这也是与其他三种类型差别最大的一种磁场分布方式，在抽气组件两侧不再是磁铁，而是两块梯台型磁轭，磁铁在其下方分布，提供上下方向的磁力线，在磁铁下方再放置一块磁轭，使整个磁路连通，此种排布方式最大的优势就是减小了磁铁的体积。

确定四种磁场分布类型后，使用Solid Works绘制三维模型并导入到AnsoftMaxwell软件中，依照抽气单元磁场模拟的过程完成四种磁场分布类型的磁场模拟。通过模拟结果分析四种磁场分布的优劣性。

对于普通型磁场分布，模拟得出的磁感应强度标量与矢量的分布云图如图11所示。从图11中可以看出，对于普通型的磁场分布，两磁铁的边缘磁感应强度最大，且以阳极筒轴线为中心磁场呈对称分布，这是由于没有其他部件对磁力线产生影响的结果。与抽气单元磁场分布不同，由于抽气组件两侧的磁铁尺寸较大，两磁铁之间磁力线互通情况良好，但强度不如磁铁边缘处发生的磁力线自循环的大，这是因为磁力线在单个磁铁中自循环的路径要远小于在两磁铁间互循环的路径，这也是两磁铁边缘处磁感应强度最大的原因。另外，由于两磁铁边缘处存在的磁力线自循环现象，造成两磁铁对应边缘的中心处出现磁场“真空”现象，由图11左图就可以看出，这两处的磁感应强度最低，这主要是磁力线的传输方式造成的。首先是磁力线自循环现象，由于磁力线沿着磁铁边缘进行自循环，无法达到两磁铁中心处，其次普通型磁场分布的磁力线有两个互循环路径，由图11右图可以看出，磁力线由右侧磁铁发出后分别沿着抽气组件的上下两侧循环进入到左侧磁铁中，再穿过抽气组件回到右磁铁完成互循环，这也使两个互循环路径中心处磁力线最少，磁感应强度最低。此结果造成抽气组件边缘阳极筒所处磁场的磁感应强度不足，潘宁放电变弱，影响了泵的抽气性能。

为解决抽气组件边缘处磁感应强度不足的问题，又提出磁铁增强型磁场分布方案，即在两个磁铁的下方再放置两块磁铁，起到增强抽气组件内磁感应强度及一定程度的导磁作用，如图10中(b)所示，模拟得出的磁感应强度标量与矢量的分布云图如图12所示。从图12中可以看出，抽气组件下方添加磁铁后，确实增强了抽气组件内的磁感应强度，且使抽气组件下方的磁力线互循环现象增多，但由于无法在抽气组件上方放置磁铁，因此此方案解决了抽气组件下方的磁场“真空”现象，上方的两侧磁铁边缘中心处依然存在此现象。另外，由于下方磁铁的放置，破坏了原来两侧磁铁产生的磁场对称分布，这也使抽气组件中阳极筒所处的磁场出现不均匀，影响了泵的抽气性能，同时由于磁场对称性的破坏且磁力线缺乏约束，由图12右图可以看出在抽气组件下方两磁铁处出现磁场杂乱的现象，这增大了泵体出现漏磁现象的概率。

上述两种方案只是对抽气组件外侧的磁铁进行了改进，并未涉及到磁轭的使用，而由上述得出的结论，磁轭对磁铁发出的磁力线由良好的约束作用。因此为解决溅射离子泵内因磁场分散造成的漏磁问题，提出磁轭包含型磁场分布方案，即在普通型的基础上，在两磁铁外侧添加一个U型软铁磁轭，以约束从磁铁中发出的磁力线，同时为在两个磁铁之间建立一个磁力线连通磁路，增强空间中的磁感应强度，即如图10(c)中所示，此方案经过模拟得出的磁感应强度标量与矢量的分布云图如图13所示。

由图13可以看出，磁轭的存在对磁力线的约束是起决定性作用的，右侧磁铁发出的磁力线绝大多数被约束在磁轭内，并沿着磁轭的U型路径到达左侧磁铁，同时由于磁轭对原本向四周分散的杂乱磁力线的约束作用，抽气单元内的磁力线分布更加密集且均匀，因此抽气单元内的磁感应强度相较前两种方案增大很多。另外，由于磁轭的存在，磁力线的互循环方式发生巨大变化，由图13右图可以看出，原本两条磁力线互循环路径已经变为一条沿磁轭运行互循环路径，上方原本存在的路径变成少量磁力线的自循环路径，这大大减少了泵口处的磁感应强度，在降低溅射离子泵漏磁方面起到重要作用。但正是由于磁轭包含型磁场分布对磁力线的强力约束，在磁铁材料及结构尺寸不变的条件下，此种方案为抽气单元提供了更强的磁感应强度。抽气组件内感应强度过大，磁场对电离后的气体离子的影响就无法忽略，离子到达阴极板的时间将增大，对溅射产额的产生造成影响，进而影响溅射离子泵的抽气性能。对于这一问题可以通过改变磁铁的材料和结构尺寸解决。

第四种磁场分布方案为磁轭排布型，即本发明实施例1的磁路结构，这是根据降低磁轭加工难度、减小磁铁尺寸的思想提出的。上述三种方案都是磁铁正对抽气组件，且截面必须大于阴极板工作平面，这对磁铁的结构改进、尺寸减少造成困难，尤其对大型溅射离子泵来说，内部多组抽气组件需要大量磁铁，这是造成溅射离子泵重量较大的主要原因。磁轭排布型磁场分布方案改变磁铁正对抽气组件的传统，将磁轭直接正对抽气组件，而磁铁放在磁轭下方，磁铁产生的磁力线通过磁轭的约束均匀穿过抽气组件完成抽气组件内对磁场的需求，此方案经过模拟得出的磁感应强度标量与矢量的分布云图如图14所示。

通过图14可以看出，左侧磁铁提供向上方向的磁力线，上方直角梯形台状磁轭将磁力线传导到正对整个抽气组件的表面，然后均匀穿过抽气组件到达右侧磁轭，再由右侧磁轭回收所有的磁力线达到右侧磁铁上，最后两磁铁下方的磁轭将两磁铁连通，完成一个完整磁路。磁铁发出磁力线后磁感应强度会随着离磁铁距离的增大而减弱，为了解决这一问题，所以将磁轭设计成下宽上窄的梯形台结构，随着跟磁铁距离的增大，磁轭逐渐缩小，收缩其中的磁力线，保证抽气组件空间内最终保持磁感应强度不变的均匀磁场。另外，由图14左图可以看出，此种磁场分布方案使整个空间内仅存在一个主要的磁力线互循环路径，这也在一定程度上减少了漏磁的可能性。

综上，经过对四种磁场分布类型方案的分析，与第一种对照方案相比，其他三种方案均对磁场分布起到一定的优化作用，前两种方案由于缺少磁轭，磁力线的约束情况较差，泵整体漏磁的概率较大，后两种方案添加磁轭后，加大了对磁力线的约束作用，同时提高了抽气组件内的磁感应强度分布的均匀性，尤其是磁轭排布型方案，在满足抽气组件磁场要求的前提下减小了磁铁的结构尺寸，减轻了溅射离子泵的重量。以上是对各种方案的总体分析，泵内磁场优化最重要的指标就是阳极筒内部的磁感应分布均匀性及泵口的漏磁量，下面就以上两点，通过分析抽气组件中心阳极筒横线方向和泵口到泵底的竖线方向的磁感应强度分布，确定最终的磁场分布优化方案。

首先，选择抽气组件中心阳极筒横线方向(a线)和泵口中心到泵底的纵线(b线)方向作为载体，分析这两条线上的磁感应强度，得到抽气组件内磁感应强度分布情况，及泵口漏磁情况。两线具体位置如图15所示。

由图15所示，a线表示抽气组件中心处某一阳极筒轴线所处位置，以此为载体，分析四种磁场分布方案在此线上的磁感应强度分布情况。其中普通型和磁铁增强型磁场分布方案在a线上的磁感应强度分布情况如图16所示。

通过图16可以看出，普通型和磁铁增强型磁场分布在a线上磁感应强度的变化趋势基本一致，由两侧磁铁向阳极筒中心靠近的过程，磁感应强度逐渐增大，到达两阴极板之间的空间后趋于平缓，这说明在抽气单元内磁感应强度具有良好的均匀性。两条曲线相比，普通型磁场分布在抽气单元处磁感应强度虽然较低但趋势更为平稳，磁铁增强型磁场分布由于多出两个磁铁的加成，磁感应强度有所提高，但因为添加的磁铁破坏了磁场原本分布的对称性，所以在磁场抽气组件内磁场均匀性变差。另外，与抽气单元阳极筒轴线上磁场分布情况不同，抽气组件上的磁感应强度在磁铁内部较低，阳极筒所在空间较高，这与之前单个抽气单元的情况恰好相反，这是因为磁铁尺寸增大后，磁铁周围磁力线向中心汇聚的趋势更加明显，且两磁铁之间的磁力线互循环现象增多，所以出现抽气组件内磁感应强度大于磁铁内部的现象。

对于磁轭包含型和磁轭排布型两种磁场分布方案，由于添加了磁轭，大量磁力线被约束，空间中磁力线的排布也更加均匀，所以两种方案在a线上的磁感应强度分布情况如图17所示。

由图17可知，两种类型的磁场分布在a线上的磁感应强度变化曲线不在平滑，而是出现“断崖”式增长或降低，这是由于磁轭对磁力线的约束作用造成的。对于磁轭包含型磁场分布，磁感应强度最高的两处正是a线穿过磁轭所在的区域，之后，在磁轭两侧之间，磁感应强度直接下降到某一数值处并保持基本平稳，只在阳极筒中心处略有降低。对于磁轭排布型磁场分布，磁感应最高处为a线穿过梯台型磁轭所在的区域，之后磁感应强度也同样出现下降，但扔满足溅射离子泵的工作要求，同时在两磁轭之间的磁感应强度基本保持一致，证明其具有非常良好的磁场均匀性。

所以根据上述分析可得，在磁场均匀性方面，后两个方案要优于前两个，后两者比较，磁轭排布型磁场分布方案提供了更加匀强的磁场。

从a线可以看出阳极筒轴线上的磁场均匀性，而溅射离子泵的磁泄漏会对泵工作的周围环境产生影响，其中泵口由于需与外部件连接，更容易出现漏磁。b线可以反映径向磁场分布及泵口的漏磁量，下面分析四种磁场分布方案在b线上的磁感应强度分布情况，具体结果如图18所示。其中，(a)为普通型的b线上磁感应强度矢量分布图，(b)为磁铁增强型的b线上磁感应强度矢量分布图，(c)为磁轭包含型的b线上磁感应强度矢量分布图，(d)为磁轭排布型的b线上磁感应强度矢量分布图。

分析图18可知，图18中(a)、(b)磁铁上下两侧磁感应强度方向出现两次改变，这是因为上述提到的磁力线在这两种方案下有两个互循环路径造成的，这就造成了抽气组件中边缘阳极筒所处的磁场方向出现偏差，尤其是磁铁增强型，由(b)图可以看出底部阳极筒受到较强的杂乱磁场影响，这对抽气性能产生较差影响。另外，由于存在两个互循环路径，且上方路径经过泵口处，所以泵口会出现较大的磁感应强度，泵口漏磁量较大。图18中(c)、(d)磁铁上下两侧磁感应强度方向只出现一次改变，这是因为磁轭的存在，使泵内只存在一个磁力线互循环路径，因此抽气组件纵向磁感应强度分布更为均匀。另外由于只存在一个互循环路径，且不经过泵口处，因此泵口的磁感应强度相较前两种方案要小很多，因此后两种方案可以有效降低泵口的漏磁量。

根据纵线上的磁感应分布云图，绘制磁感应强度分布曲线，确定其在纵线上具体分布情况，其中普通型和磁铁增强型磁场分布方案在b线上的磁感应强度分布情况如图19所示。

由图19所示，横坐标左侧表示抽气组件底部位置，右侧为泵口位置，普通型磁场分布方案在b线上存在两个磁感应强度最低点，这就是前面提到的磁场“真空”区域，两个最低点之间即为抽气组件所处位置，在此区域中磁感应强度较为平稳但抽气组件边缘部分磁感应强度下降较为剧烈，这对边缘处阳极筒的抽气性能造成影响。另外，在穿过抽气组件上方磁场“真空”区域后，泵口位置附近磁感应强度出现提高到一定数值然后保持平稳，这是由于抽气组件上方磁力线互循环路径穿过泵口造成的，这是泵口磁感应强度保持较高数值的原因。对于磁铁增强型，由于在抽气组件底部放置磁铁，因此曲线左侧出现一段磁感应强度极高的区域，这正是下方磁铁所在位置，之后在抽气组件处于普通型相比，磁感应强度确实有所提高，且消除了抽气组件下方的磁场“真空”区域，但上方的磁感应强度降低区域仍然存在，因此磁铁增强型磁场分布方案在泵口位置仍有较强磁感应强度，说明前两种方案对减少泵口漏磁并未作出有效改进。

磁轭包含型和磁轭排布型磁场分布方案在b线上的磁感应强度分布情况如图20所示。由于与抽气组件位置相比，磁轭所在位置处磁感应强度极高，为更好体现抽气组件纵向区域内的磁感应强度分布情况，所以曲线去除磁轭处的磁感应强度分布曲线。由图20可以看出，横坐标在60-140mm之间的区域为抽气组件的所在，磁轭包含型磁场分布方案在此区域内磁感应强度较高，之后向两侧急剧下降，在右侧泵口位置处磁感应强度相较前两种方案已有了明显的下降。对于磁轭排布型磁场分布方案，在抽气组件区域磁感应强度有了明显的保持不变趋势，这说明此种方案磁场分布效果最好，而在泵口位置也没有出现前两种方案中存在的磁感应强度提高的现象，因此对泵口漏磁现象也有较好的改进作用。

经过上述对四种磁场分布方案对抽气组件磁场分布及泵口漏磁的分析，确定磁轭分布型磁场分布方案可以为抽气组件提供满足泵正常工作的最为均匀的磁场，在漏磁方面对泵口漏磁现象也有较好的改进作用，并降低泵口磁感应强度的效果。

实施例4

在溅射离子泵的磁路结构中，对于磁铁的材料选择方面，铁氧体磁铁具有很好地介电性能，同时在高频时具有较高的导磁率且价格低廉、性能适中，传统溅射离子泵考虑加工、性能、成本等因素通常使用铁氧体材料作为磁铁的材料，但铁氧体材料单位体积的磁能储备较少，为满足溅射离子泵对磁感应强度的要求，就需要增大磁铁体积，这也使磁铁成为溅射离子泵中重量最大的部件。

对于本发明实施例1中的磁铁，选择烧结磁铁氧体磁铁和钕铁硼两种材料的两个典型牌号，通过对两种磁铁的磁场模拟，分析两者对抽气单元空间磁场的影响情况。材料的具体参数如表1所示。

表1磁铁材料主要性能牌号参数

根据表1中的参数，在Ansoft Maxwell中编辑两种材料，在静磁场求解域中完成两种材料的磁场分布模拟，磁感应强度矢量分布云图如图21所示。图中，(a)为铁氧体磁铁磁场分布云图，(b)为钕铁硼磁铁磁场分布云图，从图中可以看出，两种磁铁材料整体磁力线分布情况基本保持一致，说明在同一磁场求解域内磁场的分布情况与磁铁材料无关，这是因为磁力线从磁铁中发出后的传输路径与磁铁本身属性无关，二是受到空间中其他材料的影响，这也说明对磁路的优化设计将适用于所用绝大多数磁铁材料。两种磁铁材料对空间磁场的影响主要体现在磁感应强度上，通过对比图(a)、(b)看出，整个抽气单元空间内相较于铁氧体磁铁，钕铁硼磁铁拥有更高的磁感应强度，这是由钕铁硼磁铁的材料性质决定的。钕铁硼磁铁的剩磁感应强度约为铁氧体磁铁的3倍，最大磁能积更是达到铁氧体磁铁的10倍，这表示单位体积内钕铁硼存储更多的磁能。在阳极筒轴线上，两种材料磁感应强度对比的具体数值如图22所示。

通过图22可知，在阳极筒轴线上分布的磁感应强度，钕铁硼磁铁要远超过铁氧体磁铁，在相同结构下，铁氧体磁铁内部磁感应强度可达到1000Gs，但阳极筒中心处磁感应强度低于500Gs，这是无法满足溅射离子泵正常工作条件的。若要使用铁氧体磁铁作为溅射离子泵磁铁，为了满足泵对磁场的需要，就需要增大磁铁体积，这不仅增大了泵的整体尺寸，同时加大了泵的重量。钕铁硼磁铁在同一结构下磁铁内部可达到3800Gs的磁感应强度，虽然在空间中磁感应强度下降较快，但也能达到1200Gs以上，所以对比铁氧体磁铁，钕铁硼只需更小的体积就能满足泵对磁场的要求，这无疑对减小泵体尺寸，减轻整体重量，实现溅射离子泵小型轻量化作出重要贡献。

所以，本发明优选铷铁硼材料作为磁铁部分，其具有极高的磁能积和矫顽力，只需更小的体积就能满足泵对磁场的要求，减小了泵体尺寸，减轻了整体重量。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种溅射离子泵的磁路结构，其特征在于，其包括抽气组件、一对梯台型磁轭、磁铁和下方磁轭，所述下方磁轭的两端上方分别设有所述磁铁，所述磁铁的上面固定梯台型磁轭，所述梯台型磁轭下宽上窄设置，所述一对梯台型磁轭的垂直面相对设置，所述抽气组件固定于两个梯台型磁轭之间；随着与磁铁距离的增大，所述梯台型磁轭的厚度逐渐缩小，收缩其中的磁力线，使抽气组件空间内形成磁感应强度不变的均匀磁场；

所述梯台型磁轭斜边的延长线与垂直线夹角为4.5°～5.5°，其直角结构的一面面向抽气组件设置，斜面所在的一面朝向外侧设置。

2.如权利要求1所述的溅射离子泵的磁路结构，其特征在于，所述梯台型磁轭的材料为硅钢片。

3.如权利要求1所述的溅射离子泵的磁路结构，其特征在于，所述抽气组件包括抽气内胆、壳体和上盖，所述抽气内胆包括多个直径大小不一的阳极筒、绝缘块和两块阴极板，将所述直径大小不一的阳极筒进行平行固定形成阳极筒组，将阳极筒组的上方和下方均固定在绝缘块上，所述阳极筒的两端分别设有阴极板，构成一个箱型结构，箱型结构的外侧设有所述壳体，所述上盖将所述壳体扣合构成一体，并形成一个“T”型，在上盖的上方开设有抽气孔，所述抽气组件卡接在两个梯台型磁轭之间。

4.如权利要求3所述的溅射离子泵的磁路结构，其特征在于，所述多个直径大小不一的阳极筒包括多个两种直径的阳极筒，大直径的阳极筒设置在上、下两层，中间为小直径的阳极筒，在所述绝缘块内部底面设有与阳极筒卡接的托座，所述托座与绝缘块的边沿之间设有缝隙，所述缝隙的大小正好用于插接所述阴极板。

5.如权利要求1所述的溅射离子泵的磁路结构，其特征在于，所述磁路结构还包括固定盖，所述固定盖设于所述抽气组件的上方，通过螺钉固定连接在所述梯台型磁轭上。

6.如权利要求3或4所述的溅射离子泵的磁路结构，其特征在于，所述阴极板的材料为钛金属。

7.如权利要求4所述的溅射离子泵的磁路结构，其特征在于，所述阳极筒的轴向与所述梯台型磁轭的垂直面垂直设置，所述阳极筒采用316L不锈钢材料制成。

8.如权利要求4所述的溅射离子泵的磁路结构，其特征在于，所述绝缘块为陶瓷或橡胶材质，所述磁铁为钕铁硼磁铁。

9.一种溅射离子泵，其特征在于，其包括有如权利要求1-8中任一项所述的溅射离子泵的磁路结构。

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