Az ion getterszivattyúk (más néven sputterionszivattyúk vagy egyszerűen ionszivattyúk) mozgó alkatrészek és szelepek nélkül állítanak elő ultranagy vákuumot (UHV). Ezáltal rendkívül hatékonyak, csendesek és alacsony karbantartási igényűek.

Az ion getter szivattyúk nagy mágneses mezőt igényelnek egy izolált kamrában, és nagy feszültséget használnak az elektronok behúzásához a szerelvénybe. A szivattyúzás a getteranyagok porlasztására támaszkodik egy sor cellán belül, valamint a keletkezett ionok beültetésére vagy eltemetésére.

A kemiszorpció (getterek) és a fiziszorpció (ionok) által szivattyúzott gázmolekulák immár tartósan “le vannak kötve”, és nem képesek “hozzájárulni” a kamrában lévő nyomáshoz.

A folyamat meglehetősen kiterjedt és összetett, ezért ebben a blogban az ion getter szivattyúk működését és használatát ismertetjük.

MŰKÖDÉSI ELVEK

Az ion getter szivattyúk esetében a kezdeti szivattyúzást (amelyet általában egy turbómolekuláris szivattyú kombinációval irányítanak) az ömlesztett gáz eltávolítására használják, amíg a vákuum körülbelül 10-4 mbar-ra vagy alacsonyabbra nem csökken.

Az ömlesztett gáz eltávolítása után ezután nagyfeszültséget (4000 és 7000 volt közötti feszültséget) alkalmaznak az elemegységen keresztül. Ez “behúzza” az elektronokat a hengeres anódcső-szerelvénybe. Az elektronokat a vákuumkamrán kívül elhelyezett (0,12 Telsa térerősségű) állandó mágnes szoros spirálpályákba köti, és így plazmakisülést hoz létre.

A létrehozott ionok ezután a titán katódlemezt bombázzák. A molekuláris/gázionok pumpálása ezután implantációval (fizikaszorpcióval) történhet. A bombázás hatására a katódrácsból titánatomok porlasztódnak ki. Ez a porlasztott film környező felületein lerakódásokat eredményez. Ez a film getterezéssel, azaz a gázmolekulák kemiszorpciójával pumpálást eredményez.

FUNKCIÓS ELVEK

Az ion getter pumpáló elemeknek három típusa van: a hagyományos dióda (CV), a differenciálion (DI vagy nemes dióda) és a trióda. Mindegyik típusnak megvannak az alábbiakban felsorolt előnyei és hátrányai:

1. CV/Dióda szivattyú

A CV/Dióda ionszivattyú elem biztosítja a legnagyobb szivattyúzási sebességet a reaktív gázok esetében, valamint kiváló vákuumot és elektromos stabilitást. Nem biztosít azonban hosszú távú stabilitást a nemesgázok szivattyúzásához.

2. DI/Noble Diode

A CV/Diode ionszivattyúzási sebességnél valamivel alacsonyabb, a DI/Noble Diode stabil nemesgáz-szivattyúzást biztosít; megtartva a CV szivattyúzási sebesség 80%-át. Ennek ellenére magasabb árú anyagokat használ.

3. Triódaszivattyú

A triódaszivattyú elem egy “hálós” konfiguráció. Stabil nemesgáz-szivattyúzást biztosít, megtartja a CV szivattyúzási sebesség 80%-át, és magasabb indítónyomással rendelkezik. Hátránya, hogy az ultranagy vákuum (UHV) szivattyúzási sebesség csökken, gyakori az elektromos instabilitás, és a gyártási költségek magasabbak.

Mi a különbség a szivattyúk között?

A fő különbség a hagyományos, a differenciál- és a triódaszivattyúk között az alkalmazott katód anyaga.

A CV/Diódaszivattyú esetében a katód anyaga titánból készül. A titán katód reakcióba lép a kemiszorpcióval szivattyúzható getterezhető gázokkal (pl. N2, O2, H2, CO, CO2 vízgőz és könnyű szénhidrogének). A nem reaktív nemesgázok szivattyúzása elsősorban ionimplantációval történik, ezért a CV/Dióda szivattyúk nemesgázok esetében jelentősen csökkentett szivattyúzási sebességgel rendelkeznek.

A DI/Noble Diode szivattyúk esetében a katód anyaga titán helyett tantálból készül. A tantál egy rendkívül kemény, nagy atomtömegű anyag. Mint ilyen, a titánnál sokkal nagyobb energiájú semleges részecskékként veri vissza a nemesgázionokat. Ez sokkal nagyobb beültetési mélységet biztosít az elektródákban és a fizikorpciót (csapdázást).

Végre a triód. A triód konfigurációja annyiban különbözik a CV-től és a DI-től, hogy a gyűrűk valójában földeltek, és negatív feszültségű titángyűrűket használ katódként.

A katód mögött egy anódpotenciálon lévő kollektorlemez helyezkedik el. Gyakran a szivattyúedény belső fala szolgál harmadik elektródaként (földelt potenciálon). Ennek eredményeként a szivattyúzási sebesség és a stabilitás nagyobb. Idővel azonban titánatomok rakódnak le ezekre a gyűrűkre, ami néhány whiskert hoz létre, és csökkenti a gyűrűk és a vákuumfal közötti teret, ami elektromos instabilitást eredményez.

A különböző szivattyúelemekkel kapcsolatos további részletekért nézze meg az alábbi videót:

Alkalmazások és előnyök

A 10-5 és 10-12 mbar tartományban működő ion getter pumpákat gyakran használják általános UHV rendszerekben, például a molekulasugaras epitaxiában (MBE), felületelemzésben (pl. pásztázó alagútmikroszkópok), egyéb felületelemző műszerek és a nagyenergiájú fizikában, például ütköztetőkben és szinkrotronokban.

Az ion getter szivattyúk az UHV nyomás előállítása mellett:

• abszolút szénhidrogénmentes,
• magas hőmérsékleten is működőképesek,
• sugárzással/mágneses mezőkkel szemben rendkívül ellenállóak,
• mozgó alkatrészek (és így rezgések) nélkül.

Amellett, mivel nincs szükség regenerálásra, alacsony a karbantartásuk (katódcserével), és (sok vákuumszivattyúval ellentétben) bemeneti elzárószelepek nélkül is használhatók. Ezek az előnyök alkalmassá teszik az ion getter szivattyúkat a nagy pontosságú készülékekhez. Sajnos nemesgázok szivattyúzására nem alkalmasak, nagyfeszültséget és mágneses teret igényelnek, és az indítónyomás létrehozásához turbomolekuláris vagy más másodlagos szivattyúra van szükségük.