[发明专利]烧结的非孔性阴极和包括其的溅射离子真空泵

说明书

本发明涉及阴极电极组合物，其适用于提供表现出极高的稀有气体泵送速度和能力的适用于多种真空装置的泵送机构，例如溅射离子真空泵送系统包括其作为活性元件。

技术领域

本发明涉及阴极电极组合物，其适用于提供表现出极高的稀有气体泵送速度和能力的用于多种真空应用的泵送机构。

背景技术

自20世纪50年代以来，溅射离子泵(Sputter-Ion Pump，SIP)已在广泛的技术应用中作为保持高真空(HV)或超高真空(UHV)条件(即，压力分别低于10^-5毫巴和10^-9毫巴的)的有效且可靠的方式而被采用。

在溅射离子泵的最简单配置(其通常被称为“二极管(diode)”泵)中，SIP由包围设置于两个Ti阴极板之间的不锈钢圆柱形阳极阵列的真空封壳(vacuum envelope)构成。其工作原理依赖于同时施加电场和磁场，电场和磁场的组合作用引起泵内残留气体的电离。随后可以通过多种不同的化学吸附或物理吸附机制将具有高动能的气体离子泵送入阴极和阳极两者中。

SIP能够有效地泵送大多数气体物质，并且其特别有效于吸附化学反应性气体(例如，N₂、CO、CO₂)。然而，SIP的使用也可能意味着由其工作机制决定的许多缺点。

首先，SIP的泵送速度不是恒定的，而是在其工作压力的范围内变化。SIP的泵送速度通常从较低的压力直至约10^-6毫巴而增加，然后随着压力持续增加而开始降低。

同时，在低压下特别是在H₂(其是UHV系统中的主要残留气体)的情况下，通常还有一贯的泵送速度降低。

常规二极管SIP的另一关键方面表现为吸附稀有气体——特别关注Ar(其为空气中的稀有气体里最常见的)——其泵送速度通常仅为标称N₂泵送速度的2％至5％。

此外，通过二极管SIP吸附相对少量的Ar可能导致发生所谓的氩不稳定性，其为一种不期望的现象，涉及先前泵送的Ar从阴极中突然释放所引起的周期性压力爆发。由于开发了所谓的“稀有气体-二极管(noble-diode)”SIP而避免了该限制，在“稀有气体-二极管”SIP中两种不同阴极(例如一个阴极由钛制成，一个阴极由钽制成)的使用降低了氩不稳定性问题并且确保了较高的Ar泵送速度。然而，这种改进只会损害化学反应性气体的吸附速率，化学反应性气体的吸附速率降低15％至20％。然而，除了Ta-Ti稀有气体-二极管SIP之外，这些所提出的依赖于其他阴极材料的解决方案中没有一个从未在任何商业产品中实施过。取而代之地，SIP技术的改进来自对泵，特别是对电极，的几何结构的修改：“三极管(triode)”SIP是其中的一个重要的例子。

由于上述二极管SIP和稀有气体-二极管SIP的限制，泵送稀有气体(当与一个或更多个非蒸散型吸气剂(Non-Evaporable getter，NEG)泵组合使用时，这是SIP的主要任务之一)是特别关键的。在于典型UHV条件下运行的系统中，由不可吸收(non-getterable)气体所引起的气体负荷占总压力的小百分比，因此不会影响SIP在其整个工作寿命中的泵送性能。然而，一些应用可能需要处理较大负荷的不可吸收气体(例如，便携式质谱仪、氦离子显微镜、电感耦合等离子体质谱仪)。

除了氩不稳定性之外，在SIP运行期间，SIP通常易于从其内表面不期望地回流先前吸附的气体。鉴于与NEG泵的协同组合，在SIP运行期间先前泵送的气体(可吸收的和不可吸收的二者)回流也是具有挑战性的。这在CH₄的情况下尤其如此，CH₄不被NEG泵送但是其通过SIP电离产生H₂，而H₂是可吸收的气体。从这点来看，NEG泵在达到其最大能力之前可以承受的由SIP释放的气体量成为在表征泵送系统(即至少包括SIP和NEG泵或盒的系统)期间不应被忽视的重要方面。