Ionigetteripumput (joita kutsutaan myös sputterionipumpuiksi tai yksinkertaisesti ionipumpuiksi) tuottavat ultrakorkean tyhjiön (UHV) ilman liikkuvia osia tai venttiilejä. Tämä tekee niistä erittäin tehokkaita, hiljaisia ja vähän huoltoa vaativia.

Iongetteripumput vaativat suuren magneettikentän eristetyssä kammiossa ja käyttävät korkeita jännitteitä vetääkseen elektroneja kokoonpanoon. Pumppaus perustuu getterimateriaalien sputterointiin kennosarjan sisällä ja tuotettujen ionien implantaatioon tai hautaamiseen.

Kemisorptiolla (getterit) ja fysisorptiolla (ionit) pumpatut kaasumolekyylit ovat nyt pysyvästi ”sidottuja” eivätkä pysty ”myötävaikuttamaan” kammion sisäiseen paineeseen.

Prosessi on melko laaja ja monimutkainen, joten tässä blogissa selitämme, miten ionigetteripumput työskentelevät ja miten niitä käytetään.

TOIMINTAPERIAATTEET

Iongetteripumpuissa käytetään alkupumppausta (jota yleensä ohjataan turbomolekyylipumppuyhdistelmällä) irtokaasun poistamiseksi, kunnes tyhjiö laskee noin 10-4 mbar:iin tai sitä alhaisemmalle tasolle.

Tyhjiökaasun poistamisen jälkeen elementtikokoonpanon läpi kytketään sen jälkeen korkeajännite (4 000-7 000 voltin välillä). Tämä ”vetää” elektroneja sylinterimäiseen anodiputkikokoonpanoon. Tyhjiökammion ulkopuolella sijaitseva kestomagneetti (kenttävoimakkuudeltaan 0,12 Telsaa) sitoo elektronit tiukkoihin spiraaliratoihin muodostaen näin plasmapurkauksen.

Tuotetut ionit pommittavat sitten titaanikatodilevyä. Molekyyli-/kaasuionien pumppaus voi sitten tapahtua implantoimalla (fysisorptiolla). Pommitus aiheuttaa titaaniatomien sputterointia katodin hilasta. Tämä johtaa kerrostumien muodostumiseen sputteroidun kalvon ympäröiville pinnoille. Tämä kalvo tuottaa pumppauksen getteroinnin eli kaasumolekyylien kemisorption avulla.

fUNKTIONAALISET PERIAATTEET

Ionien getteripumppuelementtejä on kolmea tyyppiä: tavanomainen diodi (CV), differentiaali-ionidiodi (DI tai jalodidiodi) ja triodi. Jokaisella tyypillä on etunsa ja haittansa, jotka on lueteltu alla:

1. CV/Diodipumppu

CV/Diodi-ionipumppuelementti tarjoaa suurimman pumppausnopeuden reaktiivisille kaasuille ja erinomaisen tyhjiön ja sähköisen vakauden. Se ei kuitenkaan tarjoa pitkäaikaista vakautta jalokaasujen pumppaamiseen.

2. DI/Noble Diode

Hieman alhaisemmilla kuin CV/Diodi-ionien pumppausnopeuksilla DI/Noble Diode takaa vakaan jalokaasujen pumppauksen; säilyttää 80 % CV:n pumppausnopeudesta. Siitä huolimatta siinä käytetään kalliimpia materiaaleja.

3. Triodipumppu

Triodipumppuelementti on ”mesh”-kokoonpano. Se tarjoaa vakaan jalokaasupumppauksen, säilyttää 80 % CV-pumppausnopeudesta ja sillä on korkeampi käynnistyspaine. Huonona puolena on ultrakorkean tyhjiön (UHV) pumppausnopeuden aleneminen, yleinen sähköinen epävakaus ja korkeammat valmistuskustannukset.

Mitä eroja pumppujen välillä on?

Konventionaalisten, differentiaali- ja triodipumppujen pääasiallinen eroavaisuus on käytetyn katodimateriaalin eroavaisuus.

CV- ja diodipumpussa katodimateriaali on valmistettu titaanista. Titaanikatodi reagoi getteroituvien kaasujen kanssa, joita voidaan pumpata kemisorptiolla (esim. N2, O2, H2, CO, CO2, vesihöyry ja kevyet hiilivedyt). Reagoimattomat jalokaasut pumpataan pääasiassa ioni-implantaatiolla, minkä vuoksi CV/Diodipumppujen pumppausnopeus jalokaasujen osalta on huomattavasti alhaisempi.

DI/Nobeldiodipumppujen katodimateriaali on titaanin sijasta tantaalia. Tantaali on erittäin kova, suuren atomimassan materiaali. Sellaisena se heijastaa jalokaasujen ionit neutraaleina hiukkasina paljon suuremmalla energialla kuin titaani. Tämä antaa paljon suuremman implantointisyvyyden elektrodeissa ja fysisorptiota (loukkuun jäämistä).

Viimeiseksi triodi. Triodin konfiguraatio eroaa CV:stä ja DI:stä siinä, että renkaat ovat itse asiassa maadoitettuja, ja siinä käytetään negatiivisen jännitteen titaanirenkaita katodina.

Keräinlevy, joka on anodipotentiaalissa, on sijoitettu katodin taakse. Usein pumppuastian sisäseinämä toimii kolmantena elektrodina (maadoitetulla potentiaalilla). Tämän seurauksena pumppausnopeus ja vakaus ovat suurempia. Mutta ajan mittaan titaaniatomit kerääntyvät näihin renkaisiin, jolloin syntyy jonkin verran vispilöitä ja renkaiden ja tyhjiön seinämän välinen tila pienenee, mikä aiheuttaa sähköistä epävakautta.

Katso alla oleva video, jos haluat lisätietoja erilaisista pumppuelementeistä:

Sovellukset ja edut

Ionigetaattoripumppuja, jotka toimivat 10-5-10-12 mbar:n painealueella, käytetään usein yleisissä UHV-järjestelmissä, kuten esimerkiksi molekyylisuihkuepitaksia- (MBE), pinta-analytiikkaan liittyvissä laitteistoissa, (esim. pyyhkäisytunnelimikroskoopit), muissa pinta-analyysilaitteissa ja korkean energian fysiikassa, kuten törmäyttimissä ja synkrotroneissa.

UHV-paineiden tuottamisen lisäksi ionigetaattoripumput ovat:

• absoluuttisesti hiilivetyjä sisältämättömiä,
• käytettävissä korkeissa lämpötiloissa,
• erittäin vastustuskykyisiä säteilyä/magneettikenttiä vastaan,
• ei ole liikkuvia osia (eikä siten tärinää).

Ei myöskään tarvita regenerointia, joten ne ovat vähän huoltoa vaativia (katodin vaihto) ja (toisin kuin monet tyhjiöpumput) niitä voidaan käyttää ilman sisääntulon eristysventtiilejä. Näiden etujen ansiosta ionigeettipumput soveltuvat hyvin korkean tarkkuuden laitteisiin. Valitettavasti ne voivat olla huonoja jalokaasujen pumppaamisessa, vaativat suuren jännitteen ja magneettikentän ja tarvitsevat turbomolekyylipumpun tai muun toissijaisen pumpun käynnistyspaineen luomiseksi.