İyon pompası nasıl çalışır
Sputter iyon pompalarının pompalama eylemi, Penning deşarjında (soğuk katot deşarjı) iyonlaştırılmış gaz partikülleri tarafından başlatılan soğurma proseslerine dayanır. Sputter iyon pompası, "birçok ayrı Penning hücresinin paralel bağlanması" sayesinde her bir gaz için yeterince yüksek bir pompalama hızına ulaşır.
Sputter iyon pompalarının çalışma prensibi
İyonlar, soğuk katot deşarj elektrot sisteminin katotuna çarpar ve katot malzemesini (titanyum) püskürtür. Diğer yerlerde birikmiş olan titanyum bir getter filmi görevi görür ve reaktif gaz partiküllerini (örn. azot, oksijen, hidrojen) adsorbe eder.
İyonlaştırılmış gaz partiküllerinin enerjisi sadece katot malzemesini püskürtmek için değil, aynı zamanda çarpışan iyonların katot malzemesine derinlemesine nüfuz etmesine (iyon implantasyonu) izin verecek kadar yüksektir.
Bu soğurma işlemi, püskürtülmüş titanyum filmle kimyasal olarak reaksiyona girmeyen gaz iyonları da dahil olmak üzere her türlü iyonu "pompalar", yani esas olarak soy gazlar.
Sputter iyon pompası yapısı
İyonları üretmek için aşağıdaki düzen kullanılır: Paslanmaz çelik, silindirik anotlar, eksenleri iki paralel katot arasında dik olacak şekilde yakından düzenlenmiştir (bkz. Şekil 2,61 aşağıda ).
Katotlar anota karşı negatif potansiyeldedir (birkaç kilovolt). Tüm elektrot sistemi, pompa gövdesinin dışına takılı kalıcı bir mıknatıs tarafından üretilen B = 0,1 T (T = 104 Gauss) akı yoğunluğuna sahip güçlü, homojen bir manyetik alanda tutulur. Yüksek gerilim tarafından üretilen gaz deşarjı elektronlar ve iyonlar içerir.
Manyetik alanın etkisi altında elektronlar, ilgili hücrenin anot silindirine çarpana kadar uzun spiral yollar boyunca hareket eder. Uzun yol, düşük gaz yoğunluklarında (basınçlarda) bile kendi kendini sürdüren bir gaz boşaltımını sürdürmek için yeterli olan iyon verimini artırır. Sıcak katottan elektron beslemesine gerek yoktur.
Büyük kütleleri nedeniyle, iyonların hareketi belirli büyüklükteki manyetik alandan etkilenmez; en kısa yol boyunca akarlar ve katotu bombardıman ederler.
Şekil 2,61 Sputter iyon pompasının çalışma prensibi.
← ⊕ İyonlaştırılmış gaz moleküllerinin hareket yönü
• → Püskürtülen titanyumun hareket yönü
- - - - Elektronların spiral izleri
PZ Penning hücreleri
Deşarj akımı i nötr parçacıkların sayısı yoğunluğu n0, elektron yoğunluğu n- ve toplam deşarj yolunun uzunluğu l ile orantılıdır:
(2,25)
İyonlaştırıcı çarpışmalar için etkili kesit s gaz türüne bağlıdır.
Yukarıda gösterilen hesaplamaya göre: deşarj akımı i, Penning göstergesinde olduğu gibi partikül yoğunluğu n0 sayısının bir fonksiyonudur ve 10-4 ila 10-8 mbar aralığındaki basıncın bir ölçüsü olarak kullanılabilir. Daha düşük basınçlarda, alan emisyon etkilerinden kaynaklanan parazitler nedeniyle ölçümler tekrarlanamaz.
Diyot tipi sputter iyon pompaları
Şekil 'de gösterildiği gibi elektrot sistemi yapılandırmasına sahip diyot tipi sputter iyon pompalarında 2,62'de, getter filmleri anot yüzeyleri üzerinde ve karşı katotun püskürtme bölgeleri arasında oluşturulur. İyonlar katot yüzeylerine gömülüdür. Katot püskürtme işlemi devam ederken gömülü gaz partikülleri tekrar serbest kalır. Bu nedenle, yalnızca iyon gömülerek pompalanabilen soy gazlar için pompalama eylemi bir süre sonra kaybolur ve bir "hafıza etkisi" oluşur.
Şekil 2,62 Diyot sputter iyon pompasındaki elektrot yapılandırması.
Üçlü püskürtme iyon pompaları
Diyot tipi pompaların aksine, üçlü püskürtme iyon pompaları, püskürtme ve film oluşturan yüzeyler ayrıldığından soy gazlar için pompalama hızlarında mükemmel bir kararlılık gösterir.
Şekil 2,63'te triod sputter iyon pompalarının elektrot yapılandırması gösterilmektedir.
Soy gazların pompalanmasında daha yüksek verimlilikleri şu şekilde açıklanmaktadır: Sistemin geometrisi, katot ızgarasının titanyum çubukları üzerindeki iyonların püskürtme insidansını destekler, bu sayede püskürtme hızı dikey insidansa göre önemli ölçüde daha yüksektir. Püskürtülen titanyum, giriş iyonları ile yaklaşık olarak aynı yönde hareket eder. Alıcı filmler tercihen pompa muhafazasının gerçek duvarı olan üçüncü elektrot, hedef plaka üzerinde oluşur.
Katot ızgarasında nötralize edildikleri ve yansıtıldıkları ve buradan hedef plakaya hala gaz partiküllerinin termal enerjisinden 1/ 2 · k · T daha yüksek bir enerjiyle seyahat ettikleri iyonlaştırılmış partiküllerin artan bir verimi vardır.
Enerji nötr partiküller hedef yüzey katmanına nüfuz edebilir, ancak püskürtme etkileri önemsizdir. Bu gömülü veya implante edilmiş parçacıklar nihayet taze titanyum katmanlarla kaplanır. Hedef pozitif potansiyelde olduğundan, oraya gelen pozitif iyonlar itilir ve hedef katmanlara püskürtülemez. Bu nedenle gömülü soy gaz atomları tekrar serbest bırakılmaz.
Soy gazlar için triod sputter iyon pompalarının pompalama hızı, pompanın çalışması sırasında azalmaz.
Şekil 2,63 Üçlü püskürtme iyon pompasındaki elektrot yapılandırması.
İyon pompalarının pompalama hızı
Sputter iyon pompalarının pompalama hızı, basınca ve gazın türüne bağlıdır. DIN 28.429 ve PNEUROP 5615'te belirtilen yöntemlere göre ölçülür. Pompalama hızı eğrisi S(p) maksimuma sahiptir. Nominal pompalama hızı S n, ilgili basıncın belirtilmesi gereken hava için pompalama hızı eğrisinin maksimumuyla verilir.
Hava, azot, karbondioksit ve su buharı için pompalama hızı neredeyse aynıdır. Havanın pompalama hızı ile karşılaştırıldığında, diğer gazlar için sputter iyon pompalarının pompalama hızları yaklaşık olarak şunlardır:
- Hidrojen %150 ila 200
- %100 Metan
- Diğer hafif hidrokarbonlar %80 ila 120
- Oksijen %80
- Argon %30
- Helyum %28
Üçlü tip sputter iyon pompaları, diyot tip pompalara kıyasla yüksek soy gaz kararlılığında üstündür. Argon, 1 · 10 -5 mbar giriş basıncında bile sabit bir şekilde pompalanır. Pompalar 1 · 10 -2 mbar üzerindeki basınçlarda sorunsuz bir şekilde çalıştırılabilir ve 5 · 10 -5 mbar sabit hava basıncı üreten bir hava girişinde sürekli olarak çalışabilir. Elektrotlar için yeni bir tasarım, katotların kullanım ömrünü %50 uzatır.
Manyetik dağınık alanların ve sputter iyon pompasından gelen dağınık iyonların etkisi
Pompalama işlemi için gerekli olan yüksek manyetik alan gücü kaçınılmaz olarak mıknatısların yakınında dağınık manyetik alanlara yol açar. Sonuç olarak, vakum haznesindeki prosesler bazı durumlarda bozulabilir, bu nedenle ilgili sputter iyon pompasına bir elek düzeneği sağlanmalıdır. Vakum haznesinde gerçekleşen işlemler, her durumda mevcut olan toprağın manyetik alanından daha fazla bozulmuyorsa, bu tür bir elek düzeneğinin şekilleri ve türleri optimum olarak kabul edilebilir.
Şekil 2,64, IZ 270 sputter iyon pompasının giriş flanşı düzlemindeki ve aynı zamanda 150 mm yukarıdaki paralel bir düzlemdeki manyetik dağınık alanı göstermektedir. Boşaltma bölgesinden yayılan iyonların vakum haznesine ulaşması önlenecekse, sputter iyon pompasının giriş açıklığında (iyon bariyeri) zıt potansiyelde uygun bir metal elek kurulabilir. Ancak bu, seçilen metal eleğin gözenek boyutuna bağlı olarak sputter iyon pompasının pompalama hızını azaltır.
Şekil 2,64 Giriş flanşına (insertler) paralel iki yerde bir sputter iyon pompasının dağınık manyetik alanı, sabit manyetik endüksiyon B çizgilerini Gauss cinsinden gösterir.1 Gauss = 1 ·10-4 Tesla
Buharlaşmayan getter pompaları (NEG Pompaları)
Buharlaşmayan getter pompası, yapısı atomik düzeyde gözenekli olan ve bu nedenle büyük miktarda gaz alabilen, buharlaşmayan, kompakt bir getter malzemesiyle çalışır. Alıcı malzemenin yüzeyinde adsorbe edilen gaz molekülleri malzemenin içinde hızlı bir şekilde yayılır ve böylece yüzeye çarpan diğer gaz moleküllerine yer açar. Buharlaşmayan getter pompası, tercihen pompalanacak gazın türüne bağlı olarak getter malzemesini optimum sıcaklığa ısıtmak için kullanılan bir ısıtma elemanı içerir. Daha yüksek bir sıcaklıkta, gazla doymuş olan alıcı malzeme rejenere edilir (etkinleştirilir). Alıcı malzeme olarak çoğunlukla zirkonyum-alüminyum alaşımları şerit şeklinde kullanılır. NEG pompalarının özel özellikleri şunlardır:
- HV ve UHV aralıklarında sabit pompalama hızı
- yaklaşık 12 mbar'a kadar basınç kısıtlaması yok
- Hidrojen ve izotopları için özellikle yüksek pompalama hızı
- etkinleştirildikten sonra pompa genellikle oda sıcaklığında çalışabilir ve bu durumda elektrik enerjisine ihtiyaç duymaz
- Manyetik alanlar nedeniyle parazitlenme olmaz
- hidrokarbonsuz vakum
- titreşimsiz
- Ağırlık azaltma
Diğer pompa tipleriyle kombinasyon
NEG pompaları çoğunlukla diğer UHV pompalarıyla ( turbomoleküler ve kriyopompalar ) birlikte kullanılır. Bu tür kombinasyonlar özellikle UHV sistemlerinin en yüksek basıncını daha da azaltmak istendiğinde kullanışlıdır, çünkü hidrojen çoğunlukla bir UHV sistemindeki en yüksek basınca katkıda bulunur ve NEG pompalarının özellikle yüksek pompalama hızına sahip olmasına karşın diğer pompaların H2 için pompalama etkisi düşüktür.
NEG pompalarının kullanıldığı uygulamalara örnek olarak partikül hızlandırıcılar ve benzer araştırma sistemleri, yüzey analiz cihazları, SEM sütunları ve püskürtme sistemleri verilebilir.
NEG pompaları, birkaç '/sn ila yaklaşık 1000 l/sn pompalama hızları sunacak şekilde üretilmiştir. Özel pompalar, hidrojen için birkaç büyüklükte daha yüksek bir pompalama hızına ulaşabilir.
Yüksek, Ultra Yüksek ve Aşırı Yüksek Vakum: Temel bilgiler
Yüksek, ultra yüksek veya aşırı yüksek vakumla çalışma ve nelerin dikkate alınması gerektiğini anlamak için e-Kitabımızı indirin.
- Ürünlerimiz
- İlgili bloglar
