离子泵中的离子轨道操纵构造的制作方法

背景技术：

超高真空是特征为压力低于10^-7帕斯卡（pascal）（10^-9mbar，大约10^-9tor）的真空区域。离子泵用在一些设置中以建立超高真空。在离子泵中，圆柱形阳极管的阵列布置在两个阴极板之间，使得每个管的开口面向阴极板中的一个。电势施加在阳极和阴极之间。与此同时，阴极板的相对侧上的磁体产生与阳极圆柱的轴线对准的磁场。

离子泵通过在圆柱形阳极内通过电势与磁场的组合而捕获电子来操作。当气体分子漂移至一个阳极中时，被捕获的电子撞击所述分子导致所述分子离子化。得到的带正电离子由在阳极与阴极之间的电势朝向阴极板中的一个而加速，在圆柱形阳极中留下被剥离的电子以用于其它气体分子的进一步离子化。带正电离子最终由阴极捕获并由此从抽真空的空间移除。通常，通过溅射事件（sputteringevent）捕获带正电离子，其中带正电离子导致来自阴极的材料被溅射至泵的真空腔室中。该被溅射的材料涂覆了泵内的表面并且用于捕获在泵内移动的额外的粒子。因此，期望最大化被溅射材料的量。

以上讨论仅为了普通背景信息而提供并且并非旨在用作确定所请求保护主题的范围的辅助。所请求保护的主题不限于解决了背景技术中所指出的任何或所有缺点的实施方式。

技术实现要素：

离子泵包括阳极、具有朝向阳极延伸的至少一个表面结构的背表面、以及定位在阳极和背表面之间并具有开口以使得至少一个表面结构与所述开口对准的阴极。

在另外的实施例中，离子泵包括具有开口的圆柱形阳极、以及具有与圆柱形阳极的开口对准的的开口的阴极板。

在仍另外的实施例中，方法包括在阳极和阴极之间施加第一电势差以便使形成在阳极附近空间中的离子朝向阴极移动。在柱体（post）与阴极之间施加第二电势差以便当离子朝向阴极移动时引导离子从而导致离子撞击阴极。

提供该发明内容以采用简化形式介绍以下在详细说明中进一步描述的构思的选集。该发明内容并非旨在标识所请求保护主题的关键特征或必要特征，也并非旨在用作确定所请求保护主题的范围的辅助。

附图说明

图1提供了离子泵的截面视图。

图2示出了现有技术离子泵的部分的透视截面视图。

图3提供了图2中所示离子泵的部分的侧视截面视图。

图4示出了根据一个实施例的离子泵的部分的透视截面视图。

图5示出了图4中所示离子泵的部分的侧视截面视图。

图6示出了图5的阴极板的背视图。

图7示出了根据第二实施例的离子泵的部分的透视截面视图。

图8示出了图7中所示离子泵的部分的侧视截面视图。

图9示出了图8的阴极板的正视图。

图10示出了根据另外的实施例的离子泵的部分的透视图。

具体实施方式

图1提供了离子泵100的截面视图。离子泵100包括由腔室壁104所限定的真空腔室102，腔室壁104被焊接至用于连接至待抽真空的系统的连接凸缘106。两个铁氧体（ferrite）磁体108和110位于腔室壁104外部并且安装在离子泵100的相对侧面上。磁通量导引件112定位在铁氧体磁体108和110中的每一个的外侧面上并且在离子泵100下延伸以便如箭头130和132所示导引在铁氧体磁体108和110中的每一个的外部之间的磁通量。铁氧体磁体108和110产生穿过真空腔室102的磁场b。根据一些实施例，磁场具有1200高斯（gauss）（0.12特斯拉（tesla））的强度。

在真空腔室102内，圆柱形阳极114的阵列定位在两个阴极板116和118之间，使得每个阳极圆柱的开口面向阴极板。

圆柱形阳极114和腔室壁104维持在接地电势，而阴极板116和118由外部电源120维持在负电势，所述外部电源120由电力电缆122连接至离子泵100。根据一些实施例，圆柱形阳极114与阴极板116和118之间的电势差是7kv。

在操作中，凸缘106连接至待抽真空的系统的凸缘。一旦连接，待抽真空的系统内的粒子行进至真空腔室102中并最终在圆柱形阳极114的一个的内部中移动。磁场b以及阳极114与阴极板116和118之间电势的组合导致电子被捕获在圆柱形阳极114中的每一个内。尽管被捕获在圆柱形阳极114内，电子仍然处于运动中以使得当粒子进入圆柱形阳极114时，它们由被捕获的电子所撞击，导致粒子离子化。得到的带正电离子被阳极114与阴极板116和118之间的电势差加速，导致带正电离子从圆柱形阳极114的内部朝向阴极板116和118的一个移动。

图2和图3提供了现有技术的离子泵的部分的截面透视图和侧视截面视图。图2中所示的部分示出了单个圆柱形阳极114、阴极板116的部分、以及腔室壁104的部分。如图2中所示，现有技术的一些阴极板包括目标区域200，所述目标区域200由成角度的面组成，诸如成角度的面202和204。目标区域200中成角度的面并未完全穿过阴极板116，而是替代地设计用于改变正离子撞击阴极板116的角度。在没有成角度的表面的情况下，设想的是，离子将以大约90°撞击阴极板。通过将成角度的表面切入阴极板116中，设想的是，该角度可以减小至小于90°。

在现有技术中，已经设想的是，所有带正电离子沿着阴极板116的表面208撞击阴极板116，所述表面208是面向圆柱形阳极114的表面。具体地，已经设想的是，离子撞击目标200，导致来自目标200的材料从阴极板116向外溅射。

然而，本发明人已经发现，带正电离子并非总是一旦到达阴极板则溅射，而是替代地如由图3的路径300、302和304所示穿过阴极板。如这些路径所示，一旦正离子到达阴极板116的另一侧，则它们受腔室壁104和阴极板116之间电势差的影响，导致它们折回朝向阴极板116。许多返回粒子再次穿过阴极板116并随后通过阳极圆柱114和阴极板116之间的电场折回朝向阴极板116。因此，一些离子继续往复振荡通过阴极板116，直至最终溅射。

这些振荡是低效的，因为被加速的粒子并未立即溅射。此外，现有技术中没有对于粒子撞击阴极板116的角度的控制。该控制的缺乏导致低效的溅射，因为由阴极板116所溅射的材料的量取决于粒子撞击阴极板116的角度。因为在现有技术下无法控制撞击角度，许多离子以小于最佳溅射角来撞击阴极板。

根据各个实施例，在腔室壁104和/或阴极板116和118中形成结构，以便形成控制朝向阴极板被加速的粒子的轨道的电场，从而粒子以高效方式并在撞击角度的所期望的范围内撞击阴极板。根据一些实施例，所述结构包括在阴极板116、118中的开口，所述开口与圆柱形阳极中的开口对准。在一些实施例中，所述结构进一步包括从真空腔室壁104朝向阴极板中的开口延伸的表面结构或柱体。特别地，表面结构和柱体从真空腔室壁104的背表面朝向阴极板延伸。根据一个实施例，柱体和背表面维持在与圆柱形阳极114相同的电压下，在表面结构/柱体与阴极板116之间产生电压或电势差。该电压差导致控制了朝向阴极板移动的离子粒子的轨道的电场，从而粒子在所期望的撞击角度的范围内撞击阴极板，以导致阴极板材料的高效溅射。

图4提供了根据一个实施例的离子泵400的部分的透视截面视图。图5提供了图4中所示离子泵400的部分的侧视截面视图。离子泵400包括圆柱形阳极414、阴极板416和真空腔室壁404。圆柱形阳极414包括与阴极板416中的开口434对准的开口436。如图4和图5中所示，真空腔室壁404包括面向阴极板416的背表面432。柱体430从背表面432朝向阴极板416中的开口434并因此朝向圆柱形阳极414延伸。根据一个实施例，柱体430包括锥形尖端431并居中在开口434的轴线与圆柱形阳极414的开口436的轴线上。

阴极板416以在一个实施例中为6mm的距离456与圆柱形阳极414分离，并且阴极板416以在一个实施例中为6mm的距离458与真空腔室壁404的背表面432分离。圆柱形阳极414的开口436具有在一个实施例中为19mm的直径450，阴极板416的开口434具有在一个实施例中为12.8mm的直径452，以及柱体430具有在一个实施例中为6.4mm的直径454。柱体430从背表面432延伸距离460，所述距离460在一个实施例中为6mm。

如图5中所示，在圆柱形阳极414和阴极板416之间施加第一电势差，在真空腔室壁404/表面结构/柱体430与阴极板416之间施加第二电势差。在图5中，通过将腔室壁404、表面结构/柱体403和圆柱形阳极414维持在公共电压（诸如接地）下而将这两个电势差维持在相同数值，而阴极板416被维持在相对于真空壳体壁404、表面结构/柱体430和阳极414的负电压下。根据一个实施例，阴极板416被维持在相对于真空壳体壁404、表面结构/柱体430和阳极414的-7kv下。在其它实施例中，第一电势差和第二电势差彼此不同。

圆柱形阳极414和阴极板416之间的电势差导致形成在阳极414附近空间中的带正电离子沿着轨道路径（诸如轨道路径440、442、444和446）朝向阴极板416被加速。柱体430和开口434的形状和位置以及柱体430和阴极板416之间的电势差形成了电场，所述电场控制了正离子沿着路径440、442、444和446的轨道，使得带正电离子在沿着弧形转向并撞击阴极板416的背表面470之前穿过开口434。特别地，正离子以诸如撞击角度472、474、476和478的撞击角度而撞击表面470。这些撞击角度中的每一个在围绕用于最大化材料从表面470的溅射的理想撞击角度居中的撞击角度的范围内。应该注意的是，不同的离子将具有不同的质量并且因此将遵循不同的路径并且以不同的角度撞击。然而，当与现有技术相比时，更多的带正电离子将以更接近用于溅射的理想撞击角度的撞击角度而撞击表面470。

图6提供了示出了表面470的阴极板416的背视图。在图6中，示出了围绕开口434居中并且代表了离子将撞击阴极板416的区域的圆形撞击区域480。图6中也描绘了用于例如开口434的其它开口（未示出）的额外的撞击区域482、484、486、488、490和492。区域480通常大于与现有技术阴极板相关联的撞击区域，并且正因如此，离子在各个实施例中比在现有技术中被更好地分布。

因为带正电离子被引导通过开口434，能够在阴极板416的正表面495上添加不可蒸发的吸气剂（neg）层494。正表面495面向圆柱形阳极414并且neg层494用作与不带电粒子进行化学反应以捕获粒子并且由此改进离子泵的操作的吸气剂。

图7提供了根据第二实施例的离子泵700的部分的透视截面视图以及图8提供了根据第二实施例的离子泵700的部分的侧视截面视图。离子泵700包括圆柱形阳极414、阴极板716、以及真空腔室壁704。在离子泵700的部分中，如图7和图8中所示，圆柱形阳极714相对于阴极板716定位，使得阳极714的开口736面向阴极板716。阴极板716中的开口734与圆柱形阳极714的开口736共轴并且因此与其对准。具有锥形尖端731的表面结构/柱体730从真空腔室壁704的背表面732延伸，使得柱体730延伸进入并通过阴极板716的开口734并朝向阳极714。

阴极板716以在一个实施例中为6mm的距离779与圆柱形阳极714分离，并且阴极板716以在一个实施例中为6mm的距离758与真空腔室壁704的背表面732分离。圆柱形阳极714的开口736具有在一个实施例中为19mm的直径750，阴极板416的开口734具有在一个实施例中为12.8mm的直径752，以及柱体730具有在一个实施例中为6.4mm的直径754。柱体730从背表面732延伸距离760，所述距离760在一个实施例中为12.4mm，并且所述柱体730以在一个实施例中为3mm的距离761而延伸超过阴极板716的表面795。

如图8中所示，在圆柱形阳极714和阴极板716之间施加第一电势差，在真空腔室壁704/表面结构/柱体730和阴极板716之间施加第二电势差。在图8中，通过将腔室壁704、表面结构/柱体730和圆柱形阳极714维持在公共电压（诸如接地）下而将这两个电势差维持在相同数值，而阴极板716被维持在相对于真空壳体壁704、表面结构/柱体730和阳极714的负电压下。根据一个实施例，阴极板716上的电压比阳极714、真空腔室壁704和柱体730上的电压低7kv。在其它实施例中，第一电势差和第二电势差彼此不同。

柱体730和阴极板716之间的电势差以及阳极714和阴极板716之间的电势差产生了电场，该电场导致在阳极714附近空间中所形成的正离子朝向阴极板716加速并沿着弯曲的路径（诸如图8的路径740、742、744和746的一个）而移动。这些弯曲的路径导致正离子以各自的角度772、774、776和778撞击阴极板716的正表面795。角度772、774、776和778落入居中在理想溅射角度的角度范围内，来自阴极板716的被溅射材料的量在所述理想溅射角度下被最大化。因此，由阳极714、阴极板716和柱体730产生的电场控制了形成在阳极714中的离子的轨道以由此改进离子泵700中的溅射效率。

图9示出了阴极板716的正视图，示出了表面795、开口734和柱体730。在图9中，示出了圆形撞击区域780，用于由柱体730所产生的电场所导引的离子。与其它柱体和开口相关联的额外的撞击区域示出为撞击区域782、784、786、788、790和792。

因为柱体730和开口734将离子引导至阴极板716的正表面795，背表面770并未被离子撞击。因此，neg层794能够被沉积在背表面770上并能够用于吸收在阴极板716和真空腔室壁704之间的粒子。

尽管在图4、图5、图7和图8的实施例中仅示出了一个圆柱形阳极、在一个阴极板中的一个开口以及一个柱体，本领域技术人员将认识到，在离子泵400和700中存在布置在如图1中所示圆柱形阳极阵列的每一侧上的圆柱形阳极的阵列以及两个阴极板。进一步，对于多个圆柱形阳极中的每一个，在离子泵400和700中的两个阴极板中的每一个中存在对应的开口。因此，阴极板中存在多个开口，其中每个开口与多个圆柱形阳极的一个中的各自的开口对准。额外地，对于阴极板中的每个开口，存在对应的表面结构/柱体，所述对应的表面结构/柱体朝向阴极板中的开口和各自圆柱形阳极中的对应开口延伸并且与阴极板中的开口和各自圆柱形阳极中的对应开口对准。对于图4和图5的实施例，这些柱体中的每一个延伸短于阴极板。对于图7和图8的实施例，这些柱体中的每一个延伸通过阴极板中对应的开口。

图10提供了离子泵1000的另外的实施例的部分的透视截面视图。在图10中，示出了阴极板1016的部分和真空腔室壁1004的部分。表面结构/柱体的阵列从真空腔室壁1004的背表面1093朝向阴极板1016和阳极阵列（未示出）延伸。在离子泵1000中，使用变化的柱体长度，其中一些柱体具有诸如图8中所示长度760的长度，以及其它柱体具有诸如图5的460的长度。因此多个表面结构中的一些朝向阴极板以及各自的阳极比多个表面结构中的其它延伸得更远。在阴极板1016中，存在以紧密堆积形式（close-packedformation）布置的多个开口，诸如开口1050、1052和1054。对于一些开口（诸如开口1050和1054），柱体（诸如柱体1056和1058）延伸通过所述开口，以及对于其它开口（诸如开口1052），柱体1060保持在阴极板1016的背侧上并且并未穿过开口1052。因此，图10的实施例是图5和图8的实施例的组合。

阴极板1016中的每个开口与圆柱形阳极对准，使得形成在圆柱形阳极中的带正电离子朝向阴极板1016被加速。对于其中柱体延伸通过开口（诸如柱体1056和1058延伸通过开口1050和1054）的情形，由柱体1056、1058、阴极板1016以及相关联的圆柱形阳极所产生的电场控制了带正电离子的轨道，从而离子撞击阴极板1016的正表面1095，形成了圆形撞击区域（诸如撞击区域1070和1072）。在图10中类似的撞击区域以实心圆示出。对于其中柱体并未穿至开口中（诸如柱体1060和开口1052）的情形，由柱体1060、阴极板1016以及相关联圆柱形阳极所产生的电场导致带正电离子被加速通过开口并且朝向阴极板1016的背表面1096向后弯曲，从而带正电离子在圆形撞击区域（诸如用于开口1052的撞击区域1074）内撞击背表面1096。背表面1096上类似的撞击区域在图10中由虚线圆描绘。图10中所示柱体的阵列因此以受控方式将离子的撞击分布至阴极板的正面和背面两者，形成了高效的溅射并且使得阴极板1016的两个表面的使用更高效。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以做出形式和细节上的改变。