CN110246746B - 一种三极溅射离子泵 - Google Patents

Abstract

一种三极溅射离子泵，属于真空获得设备技术领域。所述三极溅射离子泵，包括顶部设置有进气管的壳体、设置在壳体外部的若干块永磁铁、与壳体侧壁连通的M个腔体和N个抽气组件，M＝N，N个所述抽气组件一一设置在腔体内，抽气组件包括阳极筒阵列、若干个阳极针和两块平行设置的阴极板，所述阳极筒阵列设置在两块平行设置的阴极板之间，所述若干个阳极针垂直贯穿阴极板，且阳极针的位置与阳极筒阵列内阳极筒的轴线对应，永磁铁与腔体外壁接触，且永磁铁的位置与邻近的腔体内的阴极板对应。所述三极溅射离子泵，提高了阳离子入射阴极板的角度，以及溅射离子泵在高真空与超高真空条件下的抽速。

Description

一种三极溅射离子泵

技术领域

本发明涉及真空获得设备技术领域，特别涉及一种三极溅射离子泵。

背景技术

溅射离子泵概念由Gurewitsch和Westendorp两人于1954年提出，通过真空条件下潘宁放电过程与钛原子持续掩埋活性气体过程进行抽气，其具有工作过程中无油、无污染、无旋转、无震动、结构简单和极限真空度高等优点，被广泛应用于各种超高真空的科研装置和工业设备，涉及的行业有加速器、同步辐射光源、大功率激光研究、表面物理、材料科学、空间模拟、电子显微镜、质谱仪、真空校准、真空冶炼、真空镀膜、半导体应用设备、真空电子器件等。

随着科技发展，超高真空设备的应用需求愈发强烈，但是，现有溅射离子泵由抽气单元几何结构所致，其内部电场线由阳极筒指向阴极板，使得入射阴极板的阳离子以近乎垂直的角度入射，且其入射位置局限于阳极筒投影至阴极板的中心区域，这种入射方式所带来的溅射产额较少，钛阴极板损耗不均匀，并且溅射离子泵在高真空与超高真空条件下抽速不足。

发明内容

为了解决现有技术存在的溅射离子泵随真空度提升至超高真空的过程中，抽速快速下降等技术问题，本发明提供了一种三极溅射离子泵，提高了阳离子入射阴极板的角度，以及溅射离子泵在高真空与超高真空条件下的抽速。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种三极溅射离子泵，包括顶部设置有进气管的壳体、设置在壳体外部的若干块永磁铁、与壳体侧壁连通的M个腔体和N个抽气组件，M＝N，N个所述抽气组件一一设置在腔体内；

所述抽气组件包括阳极筒阵列、若干个阳极针和两块平行设置的阴极板，所述阳极筒阵列设置在两块平行设置的阴极板之间，所述若干个阳极针垂直贯穿阴极板，且阳极针的位置与阳极筒阵列内阳极筒的轴线对应；

所述永磁铁与腔体外壁接触，且永磁铁的位置与邻近的腔体内的阴极板对应。

上述技术方案中，壳体与进气管焊接连接，进气管为316不锈钢材质的标准尺寸钢管，进气管的接口为标准真空法兰接口，进气管与被抽真空室或真空管路通过法兰连接，被抽气体由进气管进入泵内。永磁铁的位置与邻近的腔体内的阴极板对应，具体是指，每块阴极板都与腔体内壁通过绝缘陶瓷连接，该部分腔体的外壁与永磁铁接触。通过阳极针改变阴极板附近电场分布，可大幅提高在高真空与超高真空度下阳离子入射阴极板的入射角度，进而大幅提高溅射产额，最终提高抽气速率，使得溅射离子泵无论在低真空、高真空及超高真空条件下，都能获得较大抽速。

进一步地，所述进气管设置有三极电源接口，所述三极电源接口设置有第一阳极、第二阳极和阴极，其中，所述第一阳极与阳极筒阵列连接，所述第二阳极与阳极针连接，所述阴极与阴极板连接。

进一步地，所述第一阳极的电压范围为3000V～8000V，所述第二阳极的电压范围为4000V～8000V，所述阴极接地。

上述技术方案中，进气管的侧壁与三极电源接口焊接连接，三极电极接口为316不锈钢材质的标准尺寸钢管，三极电极接口外接可调三极直流电源，第一阳极和第二阳极电位由可调三极直流电源直接控制，可调三极直流电源采用现有技术，以适配不同真空度、不同残余气体所需的最高抽速电压，通过阳极针改变近阴极板处电场分布，使入射离子入射阴极板角度增大，提高溅射产额进而提升抽速，由于阳极针与阴极板距离较近，且阳极针电位相对较高，在低真空度情况下易产生电弧，所以阳极针需在高真空与超高真空条件下启用。

进一步地，阳极针与阴极板通过绝缘陶瓷环连接，使阳极针与阴极板相互绝缘，阳极针为钛材质。

优选地，所述壳体的材质为316不锈钢。通过钢板冲压或焊接制成。

优选地，所述永磁铁的材质为铁氧体。

优选地，所述阴极板的材质为钛，且阴极板为1mm厚的矩形平板。

上述技术方案中，阴极板为钛材质的矩形薄板结构，其安装在腔体内且平行于永磁铁，每块阴极板均与一块永磁铁对应放置，阴极板接近腔体内壁且与腔体内壁通过绝缘陶瓷相连，两块平行的阴极板与其内部的阳极筒阵列通过绝缘陶瓷连接，并且壳体接地，使壳体、阳极筒阵列、阴极板和阳极针均两两相互绝缘，两块平行的阴极板与阳极筒阵列装配后，每一个阳极筒轴线与阴极板交点处即为阳极针的安装处，阴极板该处打有安装孔，安装孔与陶瓷绝缘环采用过盈配合进行安装，阳极针安装于绝缘陶瓷环内，针尖指向阳极筒，针尾连接第二阳极。阴极板溅射出Ti原子，在阳极筒内壁形成新鲜Ti膜吸附空间内气体分子，假定入射阴极板离子数目相同，其入射平均角度越大，溅射产额越大，形成Ti膜的速率越快，进而抽速越大。

优选地，所述阳极筒阵列包括若干个外壁相切且呈矩阵排布的阳极筒，若干个阳极筒的最外侧由薄板围成矩形，所述阳极筒的材质为316不锈钢。

上述技术方案中，阳极筒通过薄金属圆管冷拉伸后切割而成，阳极筒材料为316不锈钢，其厚度约为0.2mm。阳极筒阵列由若干个筒状短圆管相互相切焊接组成，行列数目由所需抽速决定，阳极筒阵列放置在两块阴极板之间，阳极筒轴线延长线垂直于阴极板表面，每个阳极筒与其所对应的阴极板区域构成独立抽气单元。

优选地，所述壳体为长方体结构，所述腔体也为长方体结构，两个所述腔体对称设置在壳体的左右两侧，且均与壳体连通，每个腔体的外部两侧均对称设置有两块永磁铁，四块永磁铁安装在壳体与腔体形成的四个长方体缺口处。

上述技术方案中，永磁铁的结构适配壳体与腔体形成的长方体结构，即壳体外部四角安装两对平行相对的永磁铁，为泵腔体内提供均匀平行的稳态磁场。

优选地，所述阳极筒阵列设置在其外部的两个永磁铁之间的中心区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的若干个阳极针垂直贯穿阴极板，且阳极针的位置与阳极筒阵列内阳极筒的轴线对应，在阴极板上开孔并插入阳极针，在较低真空度条件下，抽气机理与现有溅射离子泵无异，阳极针不接通电源，不参与工作抽气工作；在高真空与超高真空度条件下，将阳极针通高电压，通过改变阴极板附近电场分布，可大幅提高在高真空与超高真空度下阳离子入射阴极板的入射角度，进而大幅提高溅射产额，最终提高抽气速率，使得溅射离子泵无论在低真空、高真空及超高真空条件下，都能获得较大抽速，且工作时无油污染，无震动噪声，寿命较长，维护成本低，在实际科研生产中有着广泛的应用前景。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的三极溅射离子泵的主视结构示意图；

图2为本发明图1的侧视结构示意图；

图3为本发明图1的俯视结构示意图；

图4为本发明的抽气组件的俯视结构示意图；

图5为本发明的抽气组件的侧视结构示意图；

图6为本发明的抽气组件的主视结构示意图；

图7为本发明的阳极针与绝缘陶瓷环安装的结构示意图。

其中，

1-壳体，2-三极电极接口，3-进气管，4-永磁铁，5-阴极板，6-阳极筒阵列，61-阳极筒，7-阳极针，8-绝缘陶瓷环，9-腔体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图7所示，本发明提供了一种三极溅射离子泵，通过在对应每个阳极筒61轴线与阴极板5交点处增加阳极针7，提高了阳离子入射阴极板5的角度，进而提高了阴极板5溅射产额，最终提高了溅射离子泵在高真空与超高真空条件下的抽速。

如图1至图3所示，一种三极溅射离子泵包括顶部设置有进气管3的壳体1、设置在壳体1外部的若干块永磁铁4、与壳体1侧壁连通的M个腔体9和N个抽气组件，M＝N，N个抽气组件一一设置在腔体9内，优选为M＝N＝2，且永磁铁4设置四块，如图4至图6所示，抽气组件包括阳极筒阵列6、若干个阳极针7和两块平行设置的阴极板5，阳极筒阵列6设置在两块平行设置的阴极板5之间，若干个阳极针7垂直贯穿阴极板5，且阳极针7的位置与阳极筒阵列6内阳极筒61的轴线对应，永磁铁4与腔体9外壁接触，且永磁铁4的位置与邻近的腔体9内的阴极板5对应。进气管3设置有三极电源接口，三极电源接口设置有第一阳极、第二阳极和阴极，其中，第一阳极与阳极筒阵列6连接，第二阳极与阳极针7连接，阴极与阴极板5连接。第一阳极的电压范围为3000V～8000V，第二阳极的电压范围为4000V～8000V，阴极接地。

壳体1与进气管3焊接连接，进气管3为316不锈钢材质的标准尺寸钢管，进气管3的接口为标准真空法兰接口，进气管3与被抽真空室或真空管路通过法兰连接，被抽气体由进气管3进入泵内。永磁铁4的位置与邻近的腔体9内的阴极板5对应，具体是指，每块阴极板5都与腔体9内壁通过绝缘陶瓷连接，该部分腔体9的外壁与永磁铁4接触。进气管3的侧壁与三极电源接口焊接连接，三极电极接口2为316不锈钢材质的标准尺寸钢管，三极电极接口2外接可调三极直流电源，第一阳极和第二阳极电位由可调三极直流电源直接控制，可调三极直流电源采用现有技术，以适配不同真空度、不同残余气体所需的最高抽速电压，通过阳极针7改变近阴极板5处电场分布，使入射离子入射阴极板5角度增大，提高溅射产额进而提升抽速，由于阳极针7与阴极板5距离较近，且阳极针7电位相对较高，在低真空度情况下易产生电弧，所以阳极针7需在高真空与超高真空条件下启用。

如图7所示，阳极针7与阴极板5通过绝缘陶瓷环8连接，使阳极针7与阴极板5相互绝缘，阳极针7为钛材质。壳体1的材质为316不锈钢，通过钢板冲压或焊接制成，永磁铁4的材质为铁氧体，阴极板5的材质为钛，且阴极板5为1mm厚的矩形平板。

阴极板5为钛材质的矩形薄板结构，其安装在腔体9内且平行于永磁铁4，每块阴极板5均与一块永磁铁4对应放置，阴极板5接近腔体9内壁且与腔体9内壁通过绝缘陶瓷相连，两块平行的阴极板5与其内部的阳极筒阵列6通过绝缘陶瓷连接，并且壳体1接地，使壳体1、阳极筒阵列6、阴极板5和阳极针7均两两相互绝缘，两块平行的阴极板5与阳极筒阵列6装配后，每一个阳极筒61轴线与阴极板5交点处即为阳极针7的安装处，阴极板5该处打有安装孔，安装孔与陶瓷绝缘环采用过盈配合进行安装，阳极针7安装于绝缘陶瓷环8内，针尖指向阳极筒61，针尾连接第二阳极。阴极板5溅射出Ti原子，在阳极筒61内壁形成新鲜Ti膜吸附空间内气体分子，假定入射阴极板5离子数目相同，其入射平均角度越大，溅射产额越大，形成Ti膜的速率越快，进而抽速越大。

如图6所示，阳极筒阵列6包括若干个外壁相切且呈矩阵排布的阳极筒61，若干个阳极筒61的最外侧由薄板(优选为316不锈钢)围成矩形，阳极筒61的材质为316不锈钢。阳极筒61通过薄金属圆管冷拉伸后切割而成，阳极筒61材料为316不锈钢，其厚度约为0.2mm。阳极筒阵列6由若干个筒状短圆管相互相切焊接组成，行列数目由所需抽速决定，阳极筒阵列6放置在两块阴极板5之间，阳极筒轴线垂直于阴极板5表面，每个阳极筒61与其所对应的阴极板5区域构成独立抽气单元。

如图1至图3所示，作为一种优选的实施方式，壳体1为长方体结构，腔体9也为长方体结构，两个腔体9对称设置在壳体1的左右两侧，且均与壳体1连通，每个腔体9的外部两侧均对称设置有两块永磁铁4，四块永磁铁4安装在壳体1与腔体9形成的四个长方体缺口处。永磁铁4的结构适配壳体1与腔体9形成的长方体结构，即壳体1外部四角安装两对平行相对的永磁铁4，为泵腔体9内提供均匀平行的稳态磁场，阳极筒阵列6设置在其外部的两个永磁铁4之间的中心区域。

本发明三极溅射离子泵的工作原理如下：

溅射离子泵的抽气状态分为两个部分，第一个部分为低真空条件下的抽气，第二部分为高真空与超高真空条件下的抽气；

第一部分抽气时，即在低真空条件下，阳极筒61接通直流高电压，阳极针7断电不参与工作，由于溅射离子泵抽气单元的几何结构及电磁场分布，抽气单元内部将出现稳定的潘宁放电现象，其中阳离子由于电场力的作用冲击钛阴极板5，并将钛原子溅射至阳极筒61内壁，对阳极筒61内壁吸附的气体分子进行化合和掩埋，进而达到降低空间气体分子数量，提高或维持真空度的目的；

第二部分抽气时，即在高真空与超高真空条件下，阳极针7根据不同真空度提供直流电压，阳极针7使抽气单元内部空间电场被改善，入射中心区域的阳离子将被电场力推向阴极板5较为边缘的位置，同时增加入射角度，提高溅射产额，进而提高抽速。

综上，本发明通过引入阳极针7改善了抽气单元内部电场分布，通过可调三极直流电源控制阳极针7与阳极筒61电压，在不同真空度下得到更高的溅射产额，进而提高了溅射离子泵在高真空与超高真空条件下的抽速，解决了现有传统溅射离子泵极限真空度低，极限真空度抽速低的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三极溅射离子泵，其特征在于，包括顶部设置有进气管的壳体、设置在壳体外部的若干块永磁铁、与壳体侧壁连通的M个腔体和N个抽气组件，M＝N，N个所述抽气组件一一设置在腔体内；

所述抽气组件包括阳极筒阵列、若干个阳极针和两块平行设置的阴极板，所述阳极筒阵列设置在两块平行设置的阴极板之间，所述若干个阳极针垂直贯穿阴极板，且阳极针的位置与阳极筒阵列内阳极筒的轴线对应；所述阳极针与阴极板通过绝缘陶瓷环连接；

所述永磁铁与腔体外壁接触，且永磁铁的位置与邻近的腔体内的阴极板对应；

所述进气管设置有三极电源接口，所述三极电源接口设置有第一阳极、第二阳极和阴极，其中，所述第一阳极与阳极筒阵列连接，所述第二阳极与阳极针连接，所述阴极与阴极板连接。

2.根据权利要求1所述的三极溅射离子泵，其特征在于，所述第一阳极的电压范围为3000V～8000V，所述第二阳极的电压范围为4000V～8000V，所述阴极接地。

3.根据权利要求1所述的三极溅射离子泵，其特征在于，所述壳体的材质为316不锈钢。

4.根据权利要求1所述的三极溅射离子泵，其特征在于，所述永磁铁的材质为铁氧体。

5.根据权利要求1所述的三极溅射离子泵，其特征在于，所述阴极板的材质为钛，且阴极板为1mm厚的矩形平板。

6.根据权利要求1所述的三极溅射离子泵，其特征在于，所述阳极筒阵列包括若干个外壁相切且呈矩阵排布的阳极筒，若干个阳极筒的最外侧由薄板围成矩形，所述阳极筒的材质为316不锈钢。

7.根据权利要求1所述的三极溅射离子泵，其特征在于，所述壳体为长方体结构，所述腔体也为长方体结构，两个所述腔体对称设置在壳体的左右两侧，且均与壳体连通，每个腔体的外部两侧均对称设置有两块永磁铁，四块永磁铁安装在壳体与腔体形成的四个长方体缺口处。

8.根据权利要求7所述的三极溅射离子泵，其特征在于，所述阳极筒阵列设置在其外部的两个永磁铁之间的中心区域。

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