イオンポンプはどのように機能しますか?

スパッタイオンポンプのポンプ動作は、ペニング放電（冷陰極放電）中にイオン化ガス粒子によって開始される吸着プロセスに基づいています。スパッタイオンポンプは、「多数の個別ペニングセルを並列化」することで、個々のガスのポンプ速度を十分に高めます。

スパッタイオンポンプの動作原理

イオンは、冷陰極放電電極システムの陰極に衝突し、陰極材料（チタン）をスパッタします。他の場所に堆積したチタンは、ゲッター膜として機能し、反応性ガス粒子（窒素、酸素、水素など）を吸着します。イオン化ガス粒子のエネルギーは、陰極材料をスパッタするのに十分なだけでなく、衝突したイオンを陰極材料に深く浸透させること（イオン注入）ができます。この吸着プロセスは、主に希ガスなど、スパッタされたチタン膜と化学的に反応しないガスのイオンを含む、あらゆる種類のイオンを「ポンプ」します。

スパッタイオンポンプ構造

イオンの生成には、以下の配置が使用されます。ステンレス鋼製の円筒状陽極は、軸が2つの平行陰極に垂直な状態で、間に密接に配置されます（図2.61を参照）。陰極は陽極に対して負の電位（数キロボルト）です。電極システム全体は、ポンプのケーシングの外側に取り付けられた永久磁石によって生成される、B = 0.1 T、（T =テスラ= 10⁴ガウス）の磁束密度の強力で均一な磁場に維持されます。高張力によって発生するガス放出には、電子とイオンが含まれています。磁場の影響下で、電子は対応するセルの陽極シリンダに衝突するまで、長いらせん軌道に沿って移動します（図2.61を参照）。長い軌道はイオン収量を増加させ、低いガス密度（圧力）でも自立したガス放電を維持するのに十分です。熱陰極からの電子の供給は必要ありません。イオンの質量が大きいため、イオンの移動は所定の大きさの磁場に影響されず、最短経路に沿って流れて陰極に衝突します。

図2.61スパッタイオンポンプの動作原理

← ⊕ イオン化ガス分子の運動方向
• → スパッタされたチタンの運動方向
- – – - 電子のらせん軌道
PZペニングセル

放電電流iは、中性粒子の数密度n0、電子密度n-、および総放電路の長さlに比例します：（2.25）

（2.25）

イオン化衝突の有効断面積は、ガスの種類によって異なります。（2.25）によると、放電電流iはペニングゲージのように数粒子密度n0の関数であり、10-⁴～10^-8 mbarの範囲で一定の圧力として使用できます。低い圧力では、電界放出効果による干渉のため、測定値は再現できません。

ダイオードタイプのスパッタイオンポンプ

図2.62に示すような電極システム構成のダイオードタイプのスパッタイオンポンプでは、ゲッター膜は陽極表面と反対側の陰極のスパッタリング領域の間に形成されます。イオンは陰極表面に表面に埋まっています。陰極スパッタリングが進行すると、埋もれたガス粒子が再び解放されます。そのため、イオン埋設によってのみポンプで送り込まれる希ガスのポンプ動作は、しばらくすると消失し、「メモリー効果」が発生します。

図2.62ダイオードスパッタイオンポンプの電極構成

三極管スパッタイオンポンプ

ダイオードタイプのポンプとは異なり、三極管スパッタイオンポンプは、スパッタリングと皮膜形成面が分離されているため、希ガスのポンプ速度が優れた安定性を発揮します。図2.63は、三極管スパッタイオンポンプの電極構成を示しています。希ガスのポンプ効率が高いことは、以下のように説明されています。システムの形状は、陰極グリッドのチタンバーにイオンが斜めに入射するようになっているため、垂直入射に比べてスパッタ率が大幅に向上します。スパッタされたチタンは、入射イオンとほぼ同じ方向に移動します。ゲッター膜は、ポンプケースの実際の壁であるターゲットプレートである3番目の電極上で優先的に形成されます。イオン化粒子は、陰極グリッドにかすめるように衝突し、収量が増加し、そこで中和、反射され、そこから、ガス粒子の熱エネルギー1/ 2 · k · Tよりもかなり高いエネルギーでターゲットプレートに移動します。エネルギー中性粒子はターゲット表面層に侵入することができますが、そのスパッタリング効果は無視できる程度です。これらの埋もれた、あるいは埋め込まれた粒子は、最終的に新しいチタン層で覆われます。ターゲットは正の電位にあるため、そこに到達した正イオンは反発され、ターゲット層をスパッタできません。このため、埋もれた希ガス原子は再び解放されることはありません。希ガスの三極管スパッタイオンポンプのポンプ速度は、ポンプの動作中に低下しません。

図2.63三極管スパッタイオンポンプの電極構成。

イオンポンプのポンプ速度

スパッタイオンポンプのポンプ速度は、圧力とガスのタイプによって異なります。DIN 28 429およびPNEUROP 5615に記載されている方法に従って測定されます。ポンプ速度曲線S（p）には最大値があります。公称ポンプ速度S_nは、空気のポンプ速度曲線の最大値によって与えられ、対応する圧力を記載する必要があります。

空気、窒素、二酸化炭素、水蒸気については、ポンプ速度はほぼ同じです。空気のポンプ速度と比較した場合、他のガスのスパッタイオンポンプのポンプ速度は、以下のようになります。

水素150〜200%
メタン100%
その他の軽質炭化水素80～120%
酸素80%
アルゴン30%
ヘリウム28%

三極管タイプのスパッタイオンポンプは、ダイオードタイプのポンプとは対照的に、高い希ガス安定性に優れています。アルゴンは、入口圧力1 · 10^-5 mbarでも安定してポンプで送り込まれます。ポンプは、1 · 10^-2 mbarを超える圧力では困難なく始動でき、空気入口で連続的に作動して5 · 10^-5 mbarの一定空気圧を生成できます。電極の新しい設計により、陰極のサービス期間が50%延長されました。

漂遊磁界とスパッタイオンポンプからの漂遊イオンによる影響

ポンプ動作に必要な高磁界強度により、必然的に磁石付近に漂遊磁界が生じます。その結果、真空チャンバー内のプロセスが中断されることがあるため、該当するスパッタイオンポンプに遮蔽装置を設ける必要があります。このような遮蔽装置の形態や種類は、真空チャンバーで行われるプロセスが、どのような場合でも存在する地球の磁場以上に妨害されない場合には、最適と見なすことができます。

図2.64は、スパッタイオンポンプIZ 270の吸気フランジ面とその150 mm上の平行面における漂遊磁界を示しています。排出領域からの漂遊イオンが真空チャンバーに到達しないようにする場合は、金属ふるいを使用して、スパッタイオンポンプ（イオンバリア）の入口開口部の反対側の電位に適切なスクリーンを設定できます。ただし、これにより、選択した金属ふるいのメッシュサイズに応じて、スパッタイオンポンプのポンプ速度が低下します。

図2.64スパッタイオンポンプの入口フランジに平行な2ヵ所の漂遊磁場（インサート）曲線は、ガウス単位で一定の磁気誘導Bの線を示しています。1ガウス= 1 ·10–4テスラ

非蒸発性ゲッターポンプ（NEGポンプ）

非蒸発性ゲッターポンプは、非蒸発型のコンパクトなゲッター材料で動作し、その構造は原子レベルで多孔性なので大量のガスを取ることができます。ガス分子は、ゲッター材料の表面に吸着し、材料の内部で急速に拡散して、表面に表面に衝突するさらなるガス分子が吸着する場所を作ります。非蒸発性ゲッターポンプには、できるだけ移送ガスの種類に応じて、ゲッター材料を最適な温度に加熱するための加熱エレメントが含まれています。温度が高いと、ガスで飽和したゲッター材料が再生（活性化）します。ゲッター材料として、主にジルコニウムアルミニウム合金が裸線の形で使用されています。NEGポンプの特別な特性は次のとおりです。

HVおよびUHV範囲での一定のポンプ速度
圧力制限なし（最大約12 mbar）
水素およびその同位体の特に高いポンプ速度
作動後、ポンプは通常室温で作動し、その後、電気エネルギーを必要としません
磁場による干渉なし
炭化水素フリーの真空
振動なし
軽量

他のポンプタイプとの組み合わせ

NEGポンプは、主に他のUHVポンプ（ターボ分子およびクライオポンプ）と組み合わせて使用します。このような組み合わせは、水素がUHVシステムの到達圧力に大きく影響するため、UHVシステムの到達圧力をさらに低減したい場合に特に役立ちます。また、NEGポンプは特にポンプ速度が速く、他のポンプのH₂のポンプ効果は低いです。NEGポンプを使用する用途の代表的な例としては、粒子加速器や同様の研究システム、表面分析装置、SEMカラム、スパッタリングシステムなどがあります。NNEGポンプは、数`/s～約1000 l/sのポンプ速度で製造されています。カスタムポンプは、水素のポンプ速度を数桁上げることが可能です。

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