專(zhuān)利名稱：濺射離子泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高真空用濺射離子泵。
以往眾所周知的濺射離子泵，如

圖1所示，被構(gòu)成為在兩片陰極板C、C之間配置把多個(gè)中空?qǐng)A筒狀體并排放置兩形成的被稱之為多單元陽(yáng)極(multicellanode)的陽(yáng)極A，利用彭寧(Penning)放電對(duì)陰極板進(jìn)行濺射生成活性面，再在該活性面上吸附或埋入氣體分子，或者使之捕獲于陽(yáng)極面上進(jìn)行排氣。
作為構(gòu)成多單無(wú)陽(yáng)極的陽(yáng)極構(gòu)造，除去圖中所示的中空?qǐng)A筒狀體之外，人們還知道有多角形中空體，或如圖2所示，把多片的板狀構(gòu)件上下重疊起來(lái)，并在各片板狀構(gòu)件上分別設(shè)以同心狀的多個(gè)孔，并使各板狀構(gòu)件保持同一電位這樣地構(gòu)成的構(gòu)造等等。
現(xiàn)在的濺射離子泵是1970年代研究開(kāi)發(fā)并完成了的裝置，當(dāng)時(shí)的泵的排氣領(lǐng)域約為10-3Pa-10-9Pa，在進(jìn)行高真空排氣的時(shí)候，把濺射離子泵與回轉(zhuǎn)泵或吸收泵組合起來(lái)使用。
之后，到1990年代，渦輪分子泵開(kāi)始普及，粗抽用渦輪分子泵抽到10-5Pa，之后再用濺射離子泵進(jìn)行排氣的方法變成了主流。而作為濺射離子泵，一直要求降低臨界壓，即要求一直可排氣到10-10Pa以及在10-7-10-9Pa領(lǐng)域內(nèi)排氣速度變?yōu)樽畲蟆?br> 作為降低臨界壓的方法，以前人們知道有增大磁場(chǎng)強(qiáng)度(B)和陽(yáng)極的中空?qǐng)A筒的直徑(D)之積(B)×(D)以提高陰極發(fā)射電子的電離沖撞頻度的方法(例如，參看“真空”雜志第13卷第7號(hào)230頁(yè))。
另一方面，J Vac.Sci.Technol.，Vol.11，No.6上邊表明，濺射離子泵的排氣速度與陽(yáng)極的長(zhǎng)度(L)和陽(yáng)極的中空?qǐng)A筒的直徑(D)成比例。一般說(shuō)，若假定磁鐵的性能是恒定的，則倘磁鐵之間的距離減小，則磁場(chǎng)的強(qiáng)度就可以增大，但是，為此就要縮短陽(yáng)極的長(zhǎng)度(L)。結(jié)果變成為使泵的排氣速度降低。另一方面，若增大陽(yáng)極的中空?qǐng)A筒的直徑(D)，則在受限制的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)減少陽(yáng)極的中空?qǐng)A筒的所能存在的個(gè)數(shù)，在這種情況下，結(jié)果也是降低了泵的排氣速度。從這些情況可知，用現(xiàn)有的方法的話，要想降低臨界壓力就必須犧牲排氣速度。
此外，在J.Vac.Sci.Technol.Vol.11，No.6上所登出的論文中，雖然聲稱說(shuō)排氣速度與陽(yáng)極的有效長(zhǎng)度(1+0.5δ)成比例，但根據(jù)本發(fā)明人等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，上述經(jīng)驗(yàn)公式在低壓力的范圍不成立。特別已弄清楚是在壓力低于10-5Pa時(shí)排氣速度不與陽(yáng)極的有效長(zhǎng)度(1+0.5δ)成比例。
這樣在圖1所示的現(xiàn)有的濺射離子泵中，當(dāng)想要降低臨界壓而增大陽(yáng)極的中空?qǐng)A筒的直徑(D)時(shí)，在受限的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)陽(yáng)極的中空?qǐng)A筒的存在數(shù)目就會(huì)減少，從而降低泵的排氣速度，另一方面，在磁場(chǎng)空間恒定的情況下加大陽(yáng)極的長(zhǎng)度(L)本身也是行不通的，所以存在看著想降低臨界壓力就必須犧牲排氣速度的問(wèn)題。
此外，在示于圖1的那種現(xiàn)有的濺射離子泵中，一個(gè)陽(yáng)極單元(放電區(qū))的排氣速度S1，若設(shè)單元的半徑為ra，則可以用下式計(jì)算和進(jìn)行設(shè)計(jì)。
S1∝Lra2因此，由n個(gè)放電區(qū)構(gòu)成的濺射離子泵的排氣速度Sn為Sn＝nS1。但是，實(shí)際上由于陽(yáng)極與兩個(gè)陰極之間的間隙的電導(dǎo)的影響，排氣速度Sn變得比nS1降低了。
因此，為了提高濺射離子泵的排氣速度，就必須加大陽(yáng)極的長(zhǎng)度(L)和各個(gè)陰極與陽(yáng)極之間的間隙(G1)、(G2)這兩者。但是，當(dāng)增大(L)+(G1)+(G2)時(shí)，如上所述，磁場(chǎng)的強(qiáng)度將會(huì)減弱。為此，在現(xiàn)有的濺射離子泵中，在把(L)+(G1)+(G2)定為恒定的條件下設(shè)計(jì)為使得陽(yáng)極的長(zhǎng)度(L)盡可能大。就是說(shuō)，現(xiàn)有的濺射離子泵全部定為使之滿足(L)＞(G1)+(G2)的條件。
于是，本發(fā)明的主要目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題并提供一種可以降低臨界壓力同時(shí)又可得到高的排氣速度的濺射離子泵。
本發(fā)明的另一目的是提供一種在把陰極間的距離定為恒定的條件下可以得到其排氣速度比用現(xiàn)有的濺射離子泵所能夠達(dá)到的水平高的濺射離子泵。
倘采用本發(fā)明的第1方面，則在兩個(gè)陰極之間已配置了構(gòu)成多單元陽(yáng)極的陽(yáng)極的濺射離子泵中，在設(shè)陽(yáng)極的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，陽(yáng)極的直徑為D時(shí)，各個(gè)陰極和陽(yáng)極被構(gòu)成為滿足下式0.015≤L/D≤0.8借助于增大陽(yáng)極的直徑D和縮短陽(yáng)極的長(zhǎng)度L使之滿足0.015≤L/D≤0.8，就可以降低臨界壓，且可以增大排氣速度。就是說(shuō)如附圖8和圖9所示，確認(rèn)陽(yáng)極長(zhǎng)度L短的一方其排氣速度變大。另外，從在壓力大于10-5Pa時(shí)，陽(yáng)極的長(zhǎng)度L短的一方，雖然排氣速度稍稍降低，但在10-5Pa以上的壓力下作為實(shí)際問(wèn)題濺射離子泵幾乎不使用，而使用渦輪分子泵這一事實(shí)來(lái)看，本發(fā)明的濺射離子泵變成為在壓力低的范圍內(nèi)具有排氣速度大的特性。
還有，設(shè)置的陽(yáng)極數(shù)N和陰極數(shù)n被設(shè)定為n＝N+1，即陰極多一個(gè)。
此外，在本發(fā)明中，所設(shè)陰極中的至少一個(gè)陰極被構(gòu)成為使得其正反兩面都進(jìn)行濺射。
由于陽(yáng)極的長(zhǎng)度L變短，故若令磁場(chǎng)空間為恒定。則可以增加將設(shè)于該磁場(chǎng)的空間中的陰極的個(gè)數(shù)。而且可以成倍地增加(在陰極的兩面被濺射的情況下)排氣速度。
此外，采用作成為二層或二層以上的構(gòu)造的辦法。由于可把價(jià)格高昂的Ti材料的陰極的個(gè)數(shù)減少一個(gè)，結(jié)果是可使泵自身的造價(jià)降低。
倘采用本發(fā)明的另一方面，則在兩個(gè)陰極之間已配置了構(gòu)成多單元陽(yáng)極的陽(yáng)極的濺射離子泵中。在把陽(yáng)極的長(zhǎng)度定為L(zhǎng)，把一方的陰極與陽(yáng)極之間的間隔定為G1，另一方的陰極與陽(yáng)極之間的間隔定為G2的時(shí)候，其特征是把各陰極和陽(yáng)極構(gòu)成為使之滿足0.01＜L/(G1+G2)＜1。
圖1的概略斜視圖示出了現(xiàn)有的二極型濺射離子泵的一側(cè)。
圖2的概略斜視圖示出了現(xiàn)有的二極型濺射離子泵中的另一種陽(yáng)極構(gòu)造。
圖3的概略圖示出了本發(fā)明的濺射離子泵的概念。
圖4的概略斜視圖(A)-(D)示出了可在本發(fā)明的濺射離子泵中使用的陽(yáng)極構(gòu)造的種種例子。
圖5的概略斜視圖示出了可在本發(fā)明的濺射離子泵中使用的陽(yáng)極構(gòu)造的另一例子。
圖6的概略圖示出了本發(fā)明的濺射離子泵的一個(gè)實(shí)施例。
圖7的概略圖示出了本發(fā)明的濺射離子泵的另一個(gè)實(shí)施例。
圖8的曲線圖示出了本發(fā)明的濺射離子泵排氣速度的實(shí)驗(yàn)例。
圖9的曲線圖示出了本發(fā)明的濺射離子泵的排氣速度的實(shí)驗(yàn)例。
圖10的概略圖示出了本發(fā)明的濺射離子泵的另一個(gè)概念。
圖11的曲線圖示出了圖10的濺射離子泵的排氣速度的實(shí)驗(yàn)例。
以下參看圖3-圖11對(duì)本發(fā)明的若干實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
在圖3中，概略性地示出了表明本發(fā)明的概念的濺射離子泵的關(guān)鍵部分，由兩片陰極板1和被配置于這些陰極板1之間的陽(yáng)極2構(gòu)成。陽(yáng)極2被構(gòu)成為把多個(gè)筒狀體2a并排配置起來(lái)而形成的多單元陽(yáng)極。如圖中所示，在設(shè)陽(yáng)極2的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，陽(yáng)極2的直徑為D時(shí)，兩個(gè)陰極板1和陽(yáng)極2被相互定位且決定尺寸為使之滿足下述關(guān)系。
0.015≤L/D≤0.8構(gòu)成陽(yáng)極2的多個(gè)筒狀體2a中的每一個(gè)可以適當(dāng)?shù)刈鞒蔀槭居趫D4(A)圖形筒體，示于(B)和(C)的多角形筒體，示于圖(D)的在縱向上有切口的圓形筒體等等。
陽(yáng)極2也可如圖5所示，代之以將網(wǎng)狀體多片重疊起來(lái)構(gòu)成。
還可以像圖2的現(xiàn)有例那樣，把多片已開(kāi)有多數(shù)個(gè)孔的板狀構(gòu)件上下重疊起來(lái)構(gòu)成陽(yáng)極，在這種情況下，要使上下各板狀構(gòu)件的各對(duì)應(yīng)孔位于同一軸線上。
在圖6中，示出了構(gòu)成為二層型構(gòu)造的本發(fā)明的實(shí)施例，它把將多個(gè)筒狀體2a并排配置已構(gòu)成為多單元陽(yáng)極的陽(yáng)極2作為二層，再在各層的上下邊配置上陰極板1。在這種情況下，已被配置于兩個(gè)陽(yáng)極2之間的陰極板1在動(dòng)作中其兩面經(jīng)受濺射處理。另外，在這種情況下，由于中間的陰極板1對(duì)于兩個(gè)陽(yáng)極板是共用的，故作為整體來(lái)使用的陰極板1的片數(shù)可以減少一個(gè)，由于陰極板本身由價(jià)格昂貴的材料構(gòu)成，故在降低造價(jià)方面也是有利的。
在圖7中，示出了另一實(shí)施例，它也和圖6一樣構(gòu)成為二層型。在這種情況下，各個(gè)陽(yáng)極2把已開(kāi)有多數(shù)個(gè)孔2b的三片板狀構(gòu)件上下重疊起來(lái)構(gòu)成，并排列為使上下各板狀構(gòu)件的各個(gè)對(duì)應(yīng)的孔位于同一軸線上。
在這樣構(gòu)成的本發(fā)明的濺射離子泵中，采用使像上述那樣滿足0.015≤L/D≤0.8這種關(guān)系而構(gòu)成各個(gè)陰極與陽(yáng)極的辦法，由于陽(yáng)極2的直徑D變大、陽(yáng)極的長(zhǎng)度L變短，故變得可以降低臨界壓力的同時(shí)增大排氣速度。
另一方面，當(dāng)陽(yáng)極長(zhǎng)度L變短時(shí)，被磁場(chǎng)和電場(chǎng)所束縛的電子不僅在陽(yáng)極2中而且在各個(gè)陰極1與陽(yáng)極2之間的間隙中擴(kuò)展，而且由于這些間隙的電壓比陽(yáng)極2低，故電場(chǎng)的束縛能力弱，且磁場(chǎng)比較強(qiáng)，故在這些間隙中電子云擴(kuò)展，電子云的體積變大。就是說(shuō)，電子云從陽(yáng)極2的兩個(gè)端面溢了出來(lái)。其結(jié)果是提高了離子化效率。由這樣地在間隙中長(zhǎng)大的電子云離子化的氣體分子在磁場(chǎng)的作用下傾斜地而不是垂直地入射到各陰極1上，因此對(duì)陰極的濺射效率變高，其結(jié)果排氣速度變大。
圖8和圖9中示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)例子，示出了排氣速度隨著陽(yáng)極的長(zhǎng)度與陽(yáng)極的直徑之間的關(guān)系如何變化的情況，縱軸是把使L/D的值變化時(shí)的排氣速度S用L＝D時(shí)的排氣速度S0除的結(jié)果。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定構(gòu)成陽(yáng)極2的各個(gè)筒體2a或孔的直徑及內(nèi)部壓力，可使S/S0的峰值在L/D＝0.015-0.8的范圍內(nèi)移動(dòng)。
圖10概略性地示出了表明本發(fā)明的另一種概念的濺射離子泵的關(guān)鍵部分。由兩個(gè)陰極板1和已配置于它們之間的陽(yáng)極2構(gòu)成。陽(yáng)極2被構(gòu)成為把多個(gè)筒狀體2a并排配置以形成多單元陽(yáng)極。
如圖所示，在令陽(yáng)極2的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，一方的陰極1與陽(yáng)極2之間的間隔為G1，另一方的陰極1與陽(yáng)極2之間的間隔為G2時(shí)，使兩陰極1之間的距離保持恒定并滿足0.01＜L/(G1+G2)＜1的關(guān)系，由此決定兩個(gè)陰極板1和陽(yáng)極2的相互位置和尺寸。其中，G1，G2分別令其為正確說(shuō)來(lái)意味著陽(yáng)極的一個(gè)端面與陰極之間的間隔的平均值。
構(gòu)成的陽(yáng)極2的多個(gè)筒狀體2a的每一個(gè)，可以適當(dāng)?shù)刈鞒蔀槭居趫D4的(A)的圓形筒體，示于(B)和(C)的多角筒體，示于(D)的縱向切開(kāi)切口的圓形筒體和把這些筒體上下重疊二段以上的筒狀體。
陽(yáng)極2也可以代之以把多片網(wǎng)狀體重疊起來(lái)構(gòu)成。
此外，還可象現(xiàn)有例(圖2)那樣，把多片已開(kāi)有多數(shù)個(gè)孔的板狀構(gòu)件上下重疊構(gòu)成陽(yáng)極。在這種情況下，要使上下各板狀構(gòu)件的各個(gè)相應(yīng)的孔位于同一軸線上。
在這樣地構(gòu)成后的本發(fā)明的濺射離子泵中，借助于使之滿足上述關(guān)系0.01＜L/(G1+G2)＜1，使得各陰極1與陽(yáng)極2之間的間隔G1，G2比現(xiàn)有的濺射離子泵的情況下變大，使它們的間隙的電導(dǎo)的影響減小，因而有效排氣速度變大。
圖11中示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)例子，示出的是排氣速度如何依陽(yáng)極的長(zhǎng)度和陰極-陽(yáng)極間的間隔之間的關(guān)系而變化的情況，縱軸是把使L/(G1+G2)的值變化了時(shí)的排氣速度S被L＝(G1+G2)時(shí)的排氣速度S0除的比值。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定構(gòu)成陽(yáng)極2的各筒體2a的直徑及內(nèi)部的壓力，可以在L/(G1+G2)的0.01-1之間移動(dòng)S/S0的峰值。
然而，雖然在圖示例中一直是對(duì)實(shí)施了二極型的濺射離子泵進(jìn)行的說(shuō)明，然而當(dāng)然即便是在該例中也可以應(yīng)用其他的形式，例如三極型的。
此外，在本發(fā)明中，由于用低的壓力進(jìn)行排氣，故理想的是作成為強(qiáng)磁場(chǎng)和孔的半徑大的陽(yáng)極構(gòu)造。
如以上所說(shuō)明過(guò)的那樣，倘采用本發(fā)明的第1方面，則在兩個(gè)陰極之間配置了構(gòu)成多單元陽(yáng)極的陽(yáng)極的濺射離子泵中，在設(shè)陽(yáng)極的長(zhǎng)度為L(zhǎng)、陽(yáng)極的直徑為D的時(shí)候，把各個(gè)陰極與陽(yáng)極構(gòu)成為使之滿足0.015≤L/D≤0.8，故變成為可以降低臨界壓、且可加大排氣速度，使得與現(xiàn)有的濺射離子泵相比可以提高到大約2倍。
此外，在作成為二層或二層以上的構(gòu)造的情況下，由于可以把由高價(jià)材料構(gòu)成的陰極的個(gè)數(shù)減少一個(gè)，故變得可以降低泵本身的造價(jià)。
再有，倘采用本發(fā)明的第2方面，在兩個(gè)陰極之間已配置了構(gòu)成多單元陽(yáng)極的陽(yáng)極的濺射離子泵中，在設(shè)陽(yáng)極的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，一方的陰極與陽(yáng)之間的距離為G1，另一方的陰極與陽(yáng)極之間的距離為G2，并把各個(gè)陰極和陽(yáng)極構(gòu)成為使之滿足0.01＜L/(G1+G2)＜1，所以可以加大有效排氣速度，與現(xiàn)有的濺射離子泵相比使得可以提高到大約2倍。
權(quán)利要求
1.一種濺射離子泵，其特征是在兩個(gè)陰極之間已配置了構(gòu)成多單元陽(yáng)極的陽(yáng)極的濺射離子泵中，當(dāng)設(shè)陽(yáng)極的長(zhǎng)度為L(zhǎng)、陽(yáng)極的直徑為D時(shí)，把各陰極與陽(yáng)構(gòu)構(gòu)成為使之滿足0.015≤L/D≤0.8。
2.權(quán)利要求1所述的濺射離子泵，其中，陽(yáng)極的個(gè)數(shù)N與陰極的個(gè)數(shù)n被設(shè)定為滿足n＝N+1。
3.權(quán)利要求1所述的濺射離子泵，其中，兩個(gè)陰極的至少一個(gè)背面與表面的兩面被構(gòu)成為被施行濺射。
4.一種濺射離子泵，其特征為在兩個(gè)陰極之間已配置了構(gòu)成多單元陽(yáng)極的陽(yáng)極的濺射離子泵中，在設(shè)陽(yáng)極的長(zhǎng)度為L(zhǎng)、一方的陰極與陽(yáng)極之間的距離為G1，另一方的陰極與陽(yáng)極之間的距離為G2時(shí)，把各陰極與陽(yáng)構(gòu)構(gòu)成為使之滿足0.01＜L/(G1+G2)＜1。
5.權(quán)利要求4所述的濺射離子泵，其中，陽(yáng)極的個(gè)數(shù)N與陰極的個(gè)數(shù)n被設(shè)定為使之滿足n＝N+1。
6.權(quán)利要求4所述的濺射離子泵，其中，陰極的至少一個(gè)背面與表面的兩面被構(gòu)成為被施行濺射。
全文摘要
在兩個(gè)陰極之間已配置了構(gòu)成多單元陽(yáng)極的陽(yáng)極的濺射離子泵中，把陽(yáng)極的長(zhǎng)度L和直徑D之比特定于某一范圍之內(nèi)以提高排氣速度。解決方法的特征是本發(fā)明的超高真空用的濺射離子泵，在設(shè)陽(yáng)極的長(zhǎng)度為L(zhǎng)、陽(yáng)極的直徑為D時(shí)，把各陰極與陽(yáng)極構(gòu)成為使之滿足0.015≤L/D≤0.8。另外，各陰極與陽(yáng)極，在設(shè)一方的陰極與陽(yáng)極的間隔為G
文檔編號(hào)H01J41/20GK1159488SQ96123178
公開(kāi)日1997年9月17日 申請(qǐng)日期1996年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月26日
發(fā)明者沈國(guó)華, 高木望, 寺澤壽浩, 小谷剛, 金原浩之, 中克次, 三保裕之 申請(qǐng)人:日本真空技術(shù)株式會(huì)社