이온 펌프는 어떻게 작동합니까?
스퍼터 이온 펌프의 펌핑 동작은 페닝 배출(냉음극 배출)에서 이온화된 기체 입자에서 시작되는 흡착 공정을 기반으로 합니다. "여러 개별 페닝 셀의 병렬 배치"를 통해 스퍼터 이온 펌프는 개별 기체에 대해 충분한 펌핑 속도를 달성합니다.
스퍼터 이온 펌프의 작동 원리
이온은 냉음극 배출 전극 시스템의 음극에 영향을 주고 음극 물질(티타늄)을 스퍼터링합니다. 다른 위치에 침전된 티타늄은 게터 필름 역할을 하고 반응성 기체 입자(예: 질소, 산소, 수소)를 흡착합니다. 이온화 가스 입자의 에너지는 음극 물질을 스퍼터링하기에 충분할 뿐만 아니라, 충돌 이온이 음극 물질에 깊이 침투하도록 합니다(이온 이식). 이 흡착 공정은 스퍼터링된 티타늄 필름에 화학적으로 반응하지 않는 기체(주로 희귀 기체)의 이온을 포함한 모든 유형의 이온을 "펌핑"합니다.
스피터 이온 펌프 구조
이온을 생성하기 위해 스테인리스 스틸, 원통형 양극이 2개의 평행한 음극 사이에 축이 서로 수직인 채로 밀접하게 배열됩니다(그림 2.61 참조). 음극은 양극에 대해 음의 전위(몇 킬로볼트)에 있습니다. 전체 전극 시스템은 펌프 케이싱 외부에 부착된 영구 자석에 의해 생성되는 B = 0.1T(T = Tesla = 10 4 Gauss)의 선속 밀도의 강력하고 균일한 자기장으로 유지됩니다. 높은 장력에 의해 생성되는 기체 배출에는 전자와 이온이 포함되어 있습니다. 자기장의 영향 아래에서 전자는 해당 셀의 양극 실린더와 충돌할 때까지 긴 나선형 트랙을 따라 이동합니다(그림 2.61). 긴 트랙은 이온 수율을 증가시키고, 이는 낮은 기체 밀도(압력)에서도 자체 지속 기체 배출을 유지하는 데 충분한 정도입니다. 열음극에서 나오는 전자의 공급은 필요하지 않습니다. 큰 질량으로 인해 이온의 이동은 주어진 크기 정도의 자기장에 의해 영향을 받지 않습니다. 이온은 가장 짧은 경로를 따라 흘러 음극과 충돌합니다.
그림 2.61 스퍼터 이온 펌프의 작동 원리.
← ⊕ 이온화된 기체 분자의 이동 방향
• → 스퍼터링된 티타늄의 이동 방향
- – – - 전자의 나선형 트랙
PZ 페닝 셀
방전 전류 i는 중성 입자 n0의 밀도, 전자 밀도 n- 및 전체 배출 경로의 길이 l에 비례합니다. (2.25)
(2.25)
다이오드 유형 스퍼터 이온 펌프
그림 2.62와 같이 전극 시스템 구성이 포함된 다이오드 유형 스퍼터 이온 펌프에서 게터 필름은 양극 표면과 반대편 음극의 스퍼터링 영역 사이에 형성됩니다. 이온은 음극 표면에 주입됩니다. 음극 스퍼터링이 진행되면 주입된 기체 입자가 다시 자유 상태가 됩니다. 따라서 이온 주입으로만 펌핑할 수 있는 비활성 기체의 펌핑 작용은 일정 시간 후 사라져 "메모리 효과"가 발생합니다.
그림 2.62 다이오드 스피터 이온 펌프의 전극 구성
삼각관 스퍼터 이온 펌프
다이오드형 펌프와 달리 삼각관 스퍼터 이온 펌프는 희귀 기체에 대한 펌핑 속도에서 탁월한 안정성을 보입니다. 스퍼터링 및 필름 형성 표면이 분리되어 있기 때문입니다. 그림 2.63은 삼각관 스퍼터 이온 펌프의 전극 구성을 보여줍니다. 희귀 기체를 펌핑하는 데 있어서의 더욱 뛰어난 효율성은 다음과 같이 설명됩니다. 시스템의 구조가 음극 그리드의 티타늄 바에서 이온의 그레이징 입사에 유리하고, 스퍼터링 속도가 직각 입사보다 훨씬 더 높습니다. 스퍼터링된 티타늄은 입사 이온과 거의 같은 방향으로 움직입니다. 게터 필름은 펌프 하우징의 실제 벽인 대상 플레이트의 세 번째 전극에 우선적으로 형성됩니다. 음극 그리드에 그레이징 입사되는 이온화 입자의 수율이 증가하고 입자는 여기에서 중화 및 반사되고 기체 입자의 1/ 2 · k · T에 해당하는 열 에너지보다 높은 에너지가 존재하는 대상 플레이트로 이동합니다. 활성 중성 입자가 대상 표면 층으로 침투할 수 있지만 스퍼터링 효과는 무시할 수 있는 수준입니다. 주입 또는 이식된 입자는 마침내 새로 생긴 티타늄 층으로 덮입니다. 대상이 양 전위에 있는 경우 도달한 양이온이 차단되어 대상 층으로 스퍼터링될 수 없습니다. 따라서 주입된 희귀 기체 원자가 다시 자유 상태가 되지 않습니다. 희귀 기체에 대한 삼각관 스퍼터 이온 펌프의 펌핑 속도는 펌프 작동 중에 감소하지 않습니다.
그림 2.63 삼각관 스퍼터 이온 펌프의 전극 구성.
이온 펌프의 펌핑 속도
스퍼터 이온 펌프의 펌핑 속도는 기체의 압력 및 유형에 따라 달라집니다. 이는 DIN 28 429 및 PNEUROP 5615에 명시된 방법에 따라 측정됩니다. 펌핑 속도 곡선 S(p)는 최대값을 갖습니다. 공칭 펌핑 속도 Sn은 해당 압력이 명시되어야 하는 공기에 대한 펌핑 속도 곡선의 최대값으로 제공됩니다.
공기, 질소, 이산화탄소 및 수증기의 경우 펌핑 속도는 거의 동일합니다. 공기의 펌핑 속도와 비교할 때 다른 기체에 대한 스피터 이온 펌프의 펌핑 속도는 대략 다음과 같습니다.
수소 150~200%
메탄 100%
기타 경질 탄화수소 80~120%
산소 80%
아르곤 30%
헬륨 28%
삼각관 유형의 스퍼터 이온 펌프는 희귀 기체 안정성 측면에서 다이오드형 펌프와 대조됩니다. 아르곤은 1 · 10-5mbar의 입구 압력에서도 안정적으로 펌핑됩니다. 1 · 10-2mbar 이상의 압력에서 어려움 없이 펌프를 시동할 수 있고, 공기 입구에서 5 · 10-5mbar의 일정한 공기 압력을 생성할 수 있습니다. 전극에 대한 이 새로운 설계는 음극 사용 수명을 50% 연장시킵니다.
스퍼터 이온 펌프의 표류 자기장 및 표류 이온이 미치는 영향
펌핑 동작에 필요한 높은 자기장 강도로 인해 필연적으로 자석 주변의 표류 자기장이 발생합니다. 따라서 경우에 따라 진공 챔버의 공정이 방해를 받을 수 있으므로 해당 스퍼터 이온 펌프에 스크리닝 구성이 제공되어야 합니다. 진공 챔버에서 발생하는 공정이 어떠한 경우에도 존재하는 지구의 자기장에 의해 방해를 받는 경우 이러한 스크리닝 구성의 형태와 종류를 최적의 상태로 간주할 수 있습니다.
그림 2.64는 스퍼터 이온 펌프 IZ 270의 흡기 플랜지 평면과 150mm 위 평행 평면의 표류 자기장을 보여줍니다. 배출 영역의 표류 이온이 진공 챔버에 닿지 않도록 하려면 스퍼터 이온 펌프(이온 장벽)의 입구 개구부에 있는 반대 전위에 있는 금속 체로 적합한 스크린을 설정할 수 있습니다. 하지만 이는 선택한 금속 체의 메시 크기에 따라 스퍼터 이온 펌프의 펌핑 속도를 줄입니다.
그림 2.64 입구 플랜지(인서트) 곡선과 평행한 두 곳에 있는 스퍼터 이온 펌프의 표류 자기장은 Gauss에서 일정한 자기 유도선 B를 보여줍니다. 1 Gauss = 1 ·10–4 Tesla
비증발형 게터 펌프(NEG 펌프)
비증발형 게터 펌프는 비증발형의 작은 물질로 작동하고, 이 구조는 원자 수준에서 다공성이므로 많은 양의 기체를 주입할 수 있습니다. 게터 물질의 표면에 흡착된 기체 분자는 물질 내부에서 빠르게 확산되어 추가적으로 기체 분자가 표면에 충돌할 공간을 만듭니다. 비증발형 기체 게터 펌프에는 펌핑이 권장되는 기체 유형에 따라 게터 물질을 최적의 온도로 가열하는 데 사용되는 가열 소자가 포함됩니다. 온도가 높을수록 기체에 포화된 게터 물질이 재생(활성화)됩니다. 게터 물질로 대부분 지르코늄-알루미늄 합금이 스트립 형태로 사용됩니다. NEG 펌프의 특수한 속성은 다음과 같습니다.
- HV 및 UHV 범위에서 일정한 펌핑 속도
- 최대 약 12mbar의 압력 제한 없음
- 특히 수소 및 동위 원소의 펌핑 속도가 빠름
- 활성화 후 펌프가 종종 실내 온도에서 작동할 수 있으므로 전기 에너지가 필요하지 않음
- 자기장에 의한 간섭 없음
- 탄화수소가 필요 없는 진공
- 진동 없음
- 가벼운 중량
다른 펌프 유형과 함께 사용
NEG 펌프는 대체로 다른 UHV 펌프(터보 분자 및 극저온 펌프)와 함께 사용됩니다. 이러한 조합은 UHV 시스템의 최종 압력을 추가로 낮추고자 할 때 특히 유용합니다. 수소는 대부분 UHV 시스템의 최종 압력에 기여하기 때문이고, NEG 펌프의 펌핑 속도가 특히 빠른 반면 다른 펌프의 H2에 대한 펌핑 효과는 낮기 때문입니다. NEG 펌프가 사용되는 분야의 일반적인 예로는 입자 가속기 및 유사한 연구 시스템, 표면 분석 기기, SEM 컬럼 및 스퍼터링 시스템이 있습니다. NEG 펌프는 몇 /s에서 약 1000l/s의 펌핑 속도를 제공하도록 제조됩니다. 맞춤형 펌프는 수소의 펌핑 속도를 몇 배 더 높일 수 있습니다.
