DE2314284A1 - Ionenzerstaeuber-vakuumpumpe - Google Patents

Description

VEEGO INSTHUMENTS ING., Terminal Drive, Plainview, New York 11803,

USA

Ionenzerstäuber-Vakuumpumpe

Zusatz zu Patent ...

Patentanmeldung P 23 11 083.0

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Vakuumpumpen mit Kaltkathodenentladung, die auf dem Prinzip der Ionenzerstäubung arbeiten, und insbesondere auf Verbesserungen in Ionenzerstauberpumpen, bei denen eine Elektrode hohen Dampfdruckes als Ionenquelle verwendet wird. Eine solche Ionenzerstäuberpumpe ist in Patent ... (Patentanmeldung P 23 11 083.0) beschrieben und dargestellt.

Bei Ionenzerstauberpumpen werden Gasmoleküle ionisiert und die Ionen unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes beschleunigt, so daß sie eine Zerstäubungselektrode aus reaktivem Material

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"bombardieren. Die ionisierten Moleküle treffen auf die Elektroden-Oberfläche auf und bewirken ein Ablösen oder Zerstäuben geringer Mengen an reaktivem Material, wobei das zerstäubte Material einen dünnen Film auf einer Getterflache bildet, wodurch, die Gasmoleküle eingefangen werden und damit der Piimpiaeciiani sinus entstellt. Eine eingehende Erörterung dieser¹ Erscheinung kann der vielfältigen Literatur entnommen werden; beispielsweise wird hier auf die US-PS 2.967.25? hingewiesen.

Allgemein gilt, daß die Leistung ύοπ Ionenpumpe!! von der Ionisierungsgeschwindigkeit abhängt. 3ei licIiem Yakuun ist die Anzahl von für die Ionisierung sur Verfügung stehenden Kolekülen verhältnismäßig gering, so daß die Pumpleistung begrenzt wird.

In Patent ... (Patentanmeldung P 2~> 11 OSJ,0) ist ausgeführt, daß die Pumpleistung der ZerstaubUiigspumpen, insbesondere bei. niedrigeren Drücken, wesentlich dadurch verbessert werden kann, daß ein Material hohen Dampfdruckes, z.B. Magnesium, mit der Pumpentladung aufgeheizt wird, damit Arone in der Dampfphase erzeugt werden, und daß dann die Dampf at one in die Entladung eingeführt werden, damit eine Ionisierung und ein anschließendes Bombardement der reaktiven Zerstäüberkathcde hervorgerufen wird, van. die Zerstäubungs- und Pumpgeschwindigke.it zu vergrößern, Kan hat jedoch festgestellt, daß bestimmte Elektrodenanordnungen mit hohem Dampfdruck in der Praxis die Tendenz, des Ausbremiens unter bestimmten Betriebsbedingungen zeigen.

Es hat sich gezeigt, daß wahrend des Puruparflaufes bei Drücken von etwa 10 Mikron bis etwa 10 Torr die durch die Pump entladung erzeugte Wärme so intensiv sein kann, daß ".uviele Atome aus dem Material hohen Dampfdruckes verdampfen und daß diese Atome ionisiert werden und weiter zur Intensität des Ionenstrahles beitragen, was

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eine weitere Aufheizung der Elektrode hohen Dampfdruckes bewirkt, so daß noch eine höhere Anzahl von Atomen hohen Dampfdruckes zur weiteren Ionisierung frei werden. Dieser Schneeballeffekt erzeugt schließlich Entladungsintensitäten in der Größenordnung von einer halben Million A/Torr, wodurch die Elektrode hohen Dampfdruckes ausbrennt.

Gemäß der Erfindung wird eine Ionenzerstäuber- Vakuumpumpe mit einer Vorrichtung, die eine Pumpkammer bildet, einer Anode in der Kammer, einer Zerstäuberelektrode aus reaktivem Gettermaterial, das in Wirkbeziehung zu der Anode in der Kammer angeordnet ist, einer Elektrode aus Material verhältnismäßig hohen Dampfdruckes, die in Wirkbeziehung zu der Anode und der Zerstäuberelektrode in der Kammer steht, einer Vorrichtung, die ein elektrisches Entladungsfeld zwischen der Anode und der den Elektroden aufbaut, wobei die Anode auf einem erhöhten Potential in bezug auf die Elektroden steht, und einer Vorrichtung, die ein Magnetfeld aufbaut, das sich in Richtung des elektrischen Feldes erstreckt, wobei die Elektrode hohen Dampfdruckes eine Vielzahl von im Abstand voneinander versetzten Flächen hohen Dampfdruckes aufweist und Dampfatome zur Ionisierung bei einer Beheizung durch die Pumpentladung erzeugen, vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine Elektrodenanordnung niedrigen Dampfdruckes, welche einen Teil der Elektrode hohen Dampfdruckes mit einer Vielzahl von im Abstand voneinander zwischen den Flächen hohen Dampfdruckes angeordneten Elektrodenelementen aufweist, um die Verdampfungsgeschwindigkeit der Elektrode hohen Dampfdruckes zu steuern und eine zu hohe Intensivierung der Ionenentladung zu verhindern.

Nach einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist die Elektrode hohen Dampfdruckes mit einem Material verhältnismäßig niedrigen Dampfdruckes, z.B. Wolfram, Molybdän, Tantal oder Titan in geeigneter Ausgestaltung bel.egt , so daß der an der

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Kathodenoberflache ankommende Ionenstrahl diffundiert. Bei einer entsprechenden Anordnung von Material niedrigen Dampfdruckes zu einem Material hohen Dampfdruckes wird die Verdampfungsgeschwindigkeit der Atome hohen Dampfdruckes in dem Maße geregelt oder moduliert, daß "das Problem des Kathodenausbrennens unter den gegebenen Arbeitsbedingungen elZ'iminiert wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Stäbe oder Streifen aus Gettermaterial verwendet, um Elektroden aus einem Material hohen Dampfdruckes zu verbinden und damit die der Pumpentladung ausgesetzte effektive Fläche zu steuern, während in weiterer Ausgestaltung der Erfindung Stäbe oder Streifen aus einem Elektrodenmaterial hohen Dampfdruckes auf einer Unterlage aus Gettennaterial verteilt sind. Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden Stäbe oder Streifen aus einem Material hohen Dampfdruckes zwischen Zerstäuberelektroden axial in Richtung der E-und B- Felder in der Pumpe angeordnet.

Der jeweilige Elektrodenaufbau nach diesen Ausführungsformen beseitigt nicht nur das Ausbrennproblem, sondern verbessert auch entscheidend die Fähigkeit der Pumpe, inerte Gase zu evakuieren.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Teilschnittansicht einer Zerstäuberionenpumpe gemäß der Erfindung, und

Figuren 2, 3 und 4- Ansichten ähnlich der nach Figur 1, aus denen drei verschiedene Ionenpumpen- Elektrodenanordnungen gemäß vorliegender Erfindung hervorgehen.

Eine Ionenpumpe gemäß vorliegender Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Pumpe weist ein Gehäuse 10 auf, das einen Einlaß

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in eine Pumpkammer 13 besitzt, in welcher die Pumpelemente aufgenommen sind. Die Pumpelemente schließen eine zellenartige Anode 15 mit ein, die aus einer Vielzahl von in axialer Richtung ausgerichteten Anodenzellen 14 besteht, sowie eine Zerstäubungselektrode 16, die auf einer Seite der Ano^de 15 angeordnet ist. Die Elektrode 16, die aus einem reaktivem Gettermaterial, z.B. Titan besteht, weist beispielsweise die Form einer flachen Platte auf, die etwa parallel zur größeren Ebene der Anode 15 liegt, wobei eine senkrechte Fläche zu den axialen Entladungen der einzelnen Anodenzellen 14 erzielt wird.

Eine Hochspannungsquelle 18 ist an die Anode 15 über einen Isolator 21 gelegt, während die Zerstäubungselektrode .16 an niedrigeres Potential (als Erde dargestellt) über einen Isolator 21 gelegt ist. Zwei Magnetkernstücke 19 und 20, die entgegengesetzt zueinander außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet sind, bauen ein Magnetfeld B in der Kammer 13 auf, das sich in axialer Richtung längs der Anodenzellen 14 in der Richtung erstreckt, die in herkömmlicher Weise angezeigt ist.

Unter der Annahme, daß der Druck in der Kammer 13 auf 10 Torr oder darunter verringert worden ist, ist die herkömmliche Arbeitsweise der Ionenpumpe folgende: Beim Anlegen eines genügend hohen Potentials an die Anode 15 in bezug auf die Zerstäubungskathode 16 (z.B. + 5 kv) wird eine Entladung erzeugt, die einen Elektronenfluß von der Kathode zur Anode ergibt. Das Magnetfeld bewirkt, daß die Elektronen einem spiralförmigen Pfad folgen und dabei mit Molekülen des Gases kollidieren, das evakuiert wird und im Raum zwischen den beiden Elektroden vorhanden ist, so daß die Moleküle in positive Ionen umgewandelt werden, die von der negativ aufgeladenen Zerstäubungselektrode 16 angezogen werden. Die ionisierten Partikel treffen auf die Zerstäubungselektrode auf und bewirken, daß reaktives Material von der Kathodenoberfläche zerstäubt und sich als dünner Film hauptsächlich auf der Anodenoberfläche niederschlägt. Die Getterwirkung dieses dünnen reaktiven Filmes stellt

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den Hauptvörgang dai¹, durch den GasnoXeküle gepumpt werden. Es ist dabei entscheidend für den Pumpbetrieb, daß dieser dünne reaktive Film laufend durch Zerstäubung erneuert wird.

Es ergibt sich jedoch, daß bei niedrigen Brücken verhältnismäßig wenig Moleküle zur Ionisierung und Zerstäubung zur Verfügung stehen. Gemäß dem Vorschlag nach Patent ... (Patentanmeldung P 23 11 083.0) weist die Ionenpumpe eine getrennte Quelle hoher Ausbeute von Metallatomen in der Gasphase zur Ionisierung und Zerstäubung auf, wobei ein Metall mit einem verhältnismäßig hohen I ampfdruck, z.B. Magnesium oder Mangan vorgesehen ist. Das Metall hohen Dampfdruckes wird aufgeheizt, damit Atome in der Dampfphase entstehen, die bei der Entladung zur Zerstäubung ionisiert werden. Eine örtliche Aufheizung wird zweckmäßigerweise durch die Pumpentladung erreicht.

Nach Figur 1 ist die Metallquelle hohen Dampfdruckes als zweite Elektrode 17 ausgeführt, die mit Erde über den Isolator 22 verbunden ist. Die Elektrode 17 hohen Dampfdruckes kann aus Magnesium, Mangan, Barium, Kalzium-, Aluminium, Strontium, Ger oder Neodym oder Kombinationen daraus bestehen und ist in Form einer flachen Platte dargestellt, die parallel zu der Zerstäubungselektrode 16 auf der entgegengesetzten Seite der Anode 15 angeordnet ist.

Man hat festgestellt, daß die getrennte Atomquelle, die durch die Elektrode hohen Dampfdruckes gebildet wird, eine verbesserte Leistung über den gesamten Pumpbetriebbereich ergibt. Im Gegensatz zu den Erwartungen hat das Vorhandensein des Materiales hohen Dampfdruckes in der Vakuumkammer keinen beschränkenden Einfluß auf die höchsten erzielbaren Drücke.

Wie weiter oben beschrieben, besteht unter bestimmten Arbeits-

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"bedingungen eine ausgeprägte Tendenz für das Elektrodenmaterial 17 hohen Dampfdruckes nach Figur 1 zum Ausbrennen. Dies läßt sich mit vorliegender Erfindung dadurch beheben, daß die effektive Fläche der Elektrode hohen Dampfdruckes, die der Pumpentladung ausgesetzt ist, gesteuert wird, damit die Möglichkeit des Ausbrennens ausgeschaltet wird. Eine Ausführungsform ist in Figur 1 dargestellt, in der eine Reihe von Stäben 12 aus einem Material verhältnismäßig niedrigen Dampfdruckes, z.B. Molybdän, Tantal, Titan, Wolfram oder eine Kombination daraus auf der Oberfläche des Elektrodenmateriales hohen Dampfdruckes angeordnet sind, die der Pumpentladung zugewandt ist. Die Stäbe 12 sind mit der Stirnseite der Elektrode 17 beispielsweise durch Verschweißen befestigt.

Figur 2 zeigt eine andere Auiührungsform einer Elektrodenanordnung gemäß vorliegender Erfindung. Die Ausführungsform nach Figur 2 besitzt eine zellenförmige Anode 15> die ähnlich der nach Figur 1 ausgebildet ist. Auf entgegengesetzten Seiten der zellenförmigen Anode 15 sind Elektroden 17 hohen Dampfdruckes angeordnet, die in Form von flachen Platten dargestellt sind, welche sich parallel zur größeren Ebene der Anode 15 erstrecken. Eine Vielzahl von senkrechten Stäben oder Streifen aus reaktivem Gettermaterial 16 erstreckt sich in axialer Richtung durch die Anodenzellen 14 und verbindet die beiden Platten 17 miteinander. Die Elektroden 17 hohen Dampfdruckes und die Zerstäubungselektroden 16 sind mit Erde in der dargestellten Weise verbunden. Die Stäbe oder Streifen aus einem Gettermaterial 16 verhältnismäßig niedrigen Dampfdruckes bewirken, daß die effektive Fläche der Elektroden 17 hohen Dampfdruckes, die der Pumpentladung zugewandt ist, gesteuert wird, während sie gleichzeitig als Speisequellen für das Gettermaterial dienen. Somit wird die Gefahr des Ausbrennens der Elektroden 17 hohen Dampfdruckes vermieden.

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Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform weist die Elektrodenanordnung eine zellenförmige Anode 15 und zwei annähernd parallele, gegenuberliegend angeordnete Zerstäubungselektrodenplatten 16 auf, die aus reaktivem G-etr-ermaterial bestehen. Von einer der Elektroden 16 stehen eine Vielzahl von Elektroden 17 hohen Dampfdruckes, die aus einem entsprechenden Material hohen Dampfdruckes bestehen, nach abwärts gegen die Anode 15 in axialer Ausrichtung mit den Anodenzellen 14 vor. Das Problem des Ausbrennens der Elektroden aus einem Material hohen Dampfdruckes wird somit dadurch gelöst, daß die Stäbe oder Streifen des Materials hohen Dampfdruckes auf einer Unterlage aus reaktivem Gettermaterial verteilt werden.

Eine weitere Ausführungsform nach vorliegender Erfindung ist bei der Elektrodenanordnung nach Figur M- dargestellt, die eine zellenförmige Anode 15 und zwei entgegengesetzt angeordnete Zerstaubungselektrodenplatten 16 aufweisen, welche aus reaktivem Gettermaterial bestehen. Eine Vielzahl von senkrechten Stäben oder Streifen aus einem Material 17 hohen Dampfdruckes erstreckt sich in axialer Richtung durch die Anodenzellen 14 etwa parallel zu den E- und B-Feldern in der Pumpe, damit die beiden Zerstäubungselektroden 16 miteinander verbunden werden. Auf diese Weise wird die Gefahr des Ausbrennens der Elektrode hohen Dampfdruckes beseitigt.

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Claims (1)

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   Patent ansprüche

   1./Ionenzerstäuber-Vakuumpumpe mit einer Vorrichtung, die eine Pumpkammer bildet, einer Anode in der Kammer, einer Zerstäuberelektrode aus reaktivem Gettermaterial, das in Wirkbeziehung zu der Anode in der Kammer angeordnet ist, einer Elektrode aus einem Material verhältnismäßig hohen Dampfdruckes, die in Wirkbeziehung zu der Anode und der Zerstäuberelektrode in der Kammer steht, einer Vorrichtung, die ein elektrisches Entladungsfeld zwischen der Anode und den Elektroden aufbaut, wobei die Anode auf einem erhöhten Potential in bezug auf die Elektroden steht, und einer Vorrichtung, die ein Magnetfeld aufbaut, das sich in Richtung des elektrischen Feldes erstreckt, wobei die Elektrode hohen Dampfdruckes eine Vielzahl von im Abstand voneinander versetzten Flächen hohen Dampfdruckes aufweist und Dampfatome zur Ionisierung bei einer Beheizung durch die Pumpenentladung erzeugen, gekennzeichnet durch eine Elektrodenanordnung (12) niedrigen Dampfdruckes,die einen Teil der Elektrode (17) hohen Dampfdruckes mit einer Vielzahl von im Abstand voneinander zwischen den Flächen hohen Dampfdruckes angeordneten Elektrodenelementen aufweist, um die Verdampfungsgeschwindigkeit der Elektrode (17) hohen Dampfdruckes zu steuern und eine zu hohe Intensivierung der Ionenentladung zu verhindern.

   Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial hohen Dampfdruckes aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Magnesium, Mangan, Barium, Kalzium, Aluminium, Strontium, Cer und Neodym und Kombinationen daraus besteht, und daß das Material geringen Dampfdruckes aus der Gruppe ausgewählt ist, die Molybdän, Tantal, Titan und Wolfram sowie Kombinationen davon umfaßt.

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   3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungselektrode (16) und die Elektrode (1?) hohen Dampfdruckes die Form von flachen parallelen Platten aufweisen, die auf entgegengesetzten Seiten der Anode (15) angeordnet sind, und daß die Elektrode geringen Dampfdruckes eine Vielzahl von Elementen (12) aufweist, welche im Abstand zu der Seite der Elektrodenplatte (17) hohen Dampfdruckes befestigt sind, die der Anode(15) zugewandt ist.

   4. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (17) hohen Dampfdruckes ein Paar flacher paralleler Platten aufweist, die auf entgegengesetzten Seiten der Anode (15) angeordnet sind, und daß die Zerstäubungselektrode und die Elektrode geringen Dampfdruckes aus einer Vielzahl von Elementen (16) aus einem Material niedrigen Dampfdruckes bestehen, die sich im Abstand zwischen den Elektrodenplatten (17) hohen Dampfdruckes erstrecken und die Platten (17) miteinander verbinden, wobei die Elemente (16) teilweise die Stirnflächen der Elektrodenplatten (17) hohen Dampfdruckes bedecken (Fig. 2).

   5. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungselektrode (16) ein Paar flacher paralleler Platten aufweist, die auf entgegengesetzten Seiten der Anode (15) angeordnet sind, und daß die Elektrode hohen Dampfdruckes (Figur 3) eine Vielzahl von im Abstand versetzten Elementen (17) aufweist, die mit einer der Zerstäubungselektrodenplatten (16) auf der Seite befestigt sind, die der Anode (15) zugewandt und gegen die Anode (15) gerichtet ist.

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   6. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungseiektrode ein Paar flacher paralleler Platten (16) aufweist, die auf entgegengesetzten Seiten der Anode (15) angeordnet sind, wobei die Elektrode hohen Dampfdruckes eine Vielzahl von im Abstand versetzten Elementen (17) besitzt, die zwischen den Zerstäubungselektrodenplatten (16) auf den Oberflächen, die der Anode (15) zugewandt sind, verlaufen und die Platten (16) miteinander verbinden (Fig. 4). ·

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