Ionengetterpumpen (auch Sputter-Ionenpumpen oder einfach Ionenpumpen genannt) erzeugen Ultrahochvakuum (UHV) ohne bewegliche Teile oder Ventile. Dadurch sind sie hocheffektiv, leise und wartungsarm.

Ionengetterpumpen benötigen ein großes Magnetfeld in einer isolierten Kammer und verwenden hohe Spannungen, um Elektronen in die Anordnung zu ziehen. Das Pumpen beruht auf dem Sputtern von Gettermaterialien im Inneren einer Reihe von Zellen und der Implantation oder dem Vergraben der erzeugten Ionen.

Die durch Chemisorption (Getter) und Physisorption (Ionen) gepumpten Gasmoleküle sind nun dauerhaft „gebunden“ und können nicht mehr zum Druck im Inneren der Kammer „beitragen“.

Der Prozess ist recht umfangreich und komplex, daher werden wir in diesem Blog erklären, wie Ionengetterpumpen funktionieren und wie sie eingesetzt werden.

WORKING PRINCIPLES

Bei Ionengetter-Pumpen wird durch anfängliches Abpumpen (in der Regel durch eine Turbomolekularpumpen-Kombination) das Hauptgas entfernt, bis das Vakuum auf etwa 10-4 mbar oder weniger sinkt.

Nach dem Entfernen des Hauptgases wird dann eine Hochspannung (zwischen 4.000 und 7.000 Volt) über die Elementanordnung angelegt. Dadurch werden Elektronen in die zylindrische Anodenröhrenanordnung „gezogen“. Die Elektronen werden von einem Permanentmagneten (mit einer Feldstärke von 0,12 Telsa), der sich außerhalb der Vakuumkammer befindet, in engen spiralförmigen Bahnen gebunden, wodurch eine Plasmaentladung entsteht.

Die erzeugten Ionen beschießen dann die Titankathodenplatte. Das Pumpen der Molekular-/Gas-Ionen kann dann durch Implantation (Physisorption) erfolgen. Durch den Beschuss werden Titanatome aus dem Kathodengitter gesputtert. Dies führt zu Ablagerungen auf den umgebenden Oberflächen des gesputterten Films. Dieser Film erzeugt das Pumpen durch Gettering, d.h. Chemisorption von Gasmolekülen.

FUNKTIONELLE PRINZIPIEN

Es gibt drei Arten von Ionengetter-Pumpelementen: die herkömmliche Diode (CV), die Differential-Ionen-Diode (DI oder Edel-Diode) und die Triode. Jeder Typ hat seine Vor- und Nachteile, wie unten aufgeführt:

1. CV/Dioden-Pumpe

Das CV/Dioden-Ionenpumpenelement bietet das höchste Saugvermögen für reaktive Gase und eine hervorragende Vakuum- und elektrische Stabilität. Es bietet jedoch keine Langzeitstabilität für das Pumpen von Edelgasen.

2. DI/Noble Diode

Die DI/Noble Diode bietet ein etwas geringeres Saugvermögen als die CV/Diode und gewährleistet ein stabiles Pumpen von Edelgasen, wobei 80 % des CV-Saugvermögens erhalten bleiben. Allerdings werden dafür teurere Materialien verwendet.

3. Triodenpumpe

Das Triodenpumpenelement ist eine „Maschenkonfiguration“. Sie ermöglicht ein stabiles Pumpen von Edelgasen, behält 80 % des CV-Pumpendrucks bei und hat einen höheren Startdruck. Nachteilig ist, dass das Ultrahochvakuum (UHV) ein geringeres Saugvermögen hat, elektrische Instabilitäten auftreten und die Herstellungskosten höher sind.

Welche Unterschiede gibt es zwischen den Pumpen?

Der Hauptunterschied zwischen konventionellen, Differential- und Triodenpumpen ist das verwendete Kathodenmaterial.

Bei der CV/Diodenpumpe besteht das Kathodenmaterial aus Titan. Die Titankathode reagiert mit getterbaren Gasen, die durch Chemisorption gepumpt werden können (z.B. N2, O2, H2, CO, CO2, Wasserdampf und leichte Kohlenwasserstoffe). Nicht reaktive Edelgase werden hauptsächlich durch Ionenimplantation gefördert, weshalb CV/Dioden-Pumpen ein deutlich reduziertes Saugvermögen für Edelgase aufweisen.

Bei den DI/Noble Diode-Pumpen besteht das Kathodenmaterial anstelle von Titan aus Tantal. Tantal ist ein extrem hartes Material mit hoher Atommasse. Als solches reflektiert es Edelgas-Ionen als neutrale Teilchen mit viel höherer Energie als Titan. Dies führt zu einer viel größeren Implantationstiefe in den Elektroden und zur Physisorption (Einfangen).

Schließlich die Triode. Der Aufbau der Triode unterscheidet sich von CV und DI dadurch, dass die Ringe tatsächlich geerdet sind und Titanringe mit negativer Spannung als Kathode verwendet werden.

Hinter der Kathode befindet sich eine Kollektorplatte auf Anodenpotential. Oft dient die Innenwand des Pumpgefäßes als dritte Elektrode (auf geerdetem Potential). Dies führt zu einer höheren Pumpgeschwindigkeit und Stabilität. Mit der Zeit lagern sich jedoch Titanatome auf diesen Ringen ab, wodurch einige Whisker entstehen und der Abstand zwischen den Ringen und der Vakuumwand verringert wird, was zu elektrischer Instabilität führt.

Weitere Informationen zu den verschiedenen Pumpenelementen finden Sie im folgenden Video:

Anwendungen und Vorteile

Ionengetterpumpen, die im Bereich von 10-5 bis 10-12 mbar arbeiten, werden häufig in allgemeinen UHV-Systemen wie der Molekularstrahlepitaxie (MBE), der Oberflächenanalyse (z. B. Rastertunnelmikroskope), anderen Instrumenten zur Oberflächenanalyse und in der Hochenergiephysik, wie Collider und Synchrotrons, eingesetzt.

Neben der Erzeugung von UHV-Drücken sind Ionengetterpumpen:

• absolut kohlenwasserstofffrei,
• betreibbar bei hohen Temperaturen,
• hochgradig beständig gegen Strahlung/Magnetfelder,
• ohne bewegliche Teile (und damit ohne Vibrationen).

Da keine Regeneration erforderlich ist, sind sie außerdem wartungsarm (mit Kathodenwechsel) und können (im Gegensatz zu vielen Vakuumpumpen) ohne Einlassabsperrventile verwendet werden. Aufgrund dieser Vorteile eignen sich Ionengetterpumpen gut für hochpräzise Geräte. Leider können sie Edelgase schlecht pumpen, benötigen eine hohe Spannung und ein Magnetfeld und benötigen eine Turbomolekular- oder eine andere Sekundärpumpe, um den Startdruck zu erzeugen.