离子溅射设备的真空泵与真空计的选择

根据溅射工艺的要求，离子溅射设备的真空系统中所选用的泵全是无油泵，有干式泵，无油涡轮分子泵，低温泵，热偶真空计、冷阴极电离真空计，下面对这几种泵和真空测量系统的特点逐一介绍。

1、干式泵

干式泵是指不用油类或者液体密封的变容式真空泵，其主要特点是无油、无污染，低噪音、低振动，使用寿命长，采用空气冷却，配气镇阀，可抽可凝性气体，在半导体设备中的应用极为广泛，在本真空系统中它的主要是用来预抽离子源、靶室及真空锁腔体，另外它还用作分子泵的前级泵，低温泵再生时的预抽泵。应用到本系统中，可提高设备真空区的洁净度，减少油污染保证工件的成品率。

2、涡轮分子泵

涡轮分子泵是获得高真空和超高真空的的一种机械真空泵，依靠高速运动的叶片将分子驱向排气口为前级泵排走而获得真空，它无需泵油作工作介质，有油润滑轴承的分子泵和无油轴承分子泵。其中无油分子泵可实现任意位置安装，使用非常方便，是获得清洁无油蒸汽污染的超高真空的重要设备。分子泵主要特点是：启动快，从接通电源到正常运行仅需5-6分钟时间；抽速平稳：它具有较大抽速的压强范围宽，在10^-2 –10^-6帕的压强范围内都具有恒定的抽速，因而抽气时间短，达到极限真空的时间也较短；耐空气冲击，在涡轮分子泵抽气过程中真空系统突然漏入大气，对泵的性能不会构成大的威胁，可靠性高。涡轮分子泵的极限压强为10^-8 帕，抽气速率可达几千升／秒。

3、低温泵：

低温泵是利用温度极低的表面冷凝气体、低温吸附气体及捕集气体的机理来抽除真空容器的气体，以获得高真空和超高真空。它具有抽速大、清洁干净、极限真实度高、任意安装位置的优点，在离子溅射等半导体设备中得到了越来越广泛的应用。它的极限真空度可达10^-9 帕。

在离子溅射设备中，真空抽气系统的抽气过程和离子溅射工艺过程中的压强是关系到离子溅射工艺质量的重要指标，因此在离子溅射设备真空系统中真空的测量就显得非常重要，显然，很难用一种真空计来测量所有真空度的范围。在本系统中我们选用热偶真空计来测量低真空10^－1Pa～大气，冷阴极电离真空计测量高真空10^－1Pa～10^－7Pa，现将这两种真空计简单加以介绍。

4、热偶真空计

热偶真空计是一种能较快地测量出系统中压强的低真空范围内的测量工具，它根据低压下气体的热传导与其压强有关的特性来测量压强，它是一种相对真空计，使用范围为10² –10^－1帕。通过改进的设计，测量范围扩大到大气。它的工作原理是这样的：它由通电加热的热丝、与热丝的中点相焊接的一对热电偶组成，热丝通电产生的热量以三种形式损失掉：气体分子的热传导引起的热量损失；热丝的热辐射引起的热量损失；固定热丝的支撑杆产生的固体热传导引起的热量损失。对一定尺寸和结构的热偶真空计规管来讲，后两种形式的热量损失基本上是一定的，而第一种形式的热量损失则随气体的压强变化而变化。这样当热丝的加热电流维持一定时，热丝的温度主要取决于气体的热传导。热丝的中心点温度则由热电偶来测定，即以热电偶上产生的热电势来计算出气体分子的热传导作用，从而指示出气体压强的变化，达到测量压强的目的。根据上述测量压强的原理，热偶真空计包括真空计规管和没量线路两部分。规管中的热丝由钨丝制成，热电偶通常由铜－康铜、镍铬合金－康铜、铂－铂铑合金等构成。当气体压强变化时热丝的温度随之变化，则热电偶上产生的热电势也发生变化，再配以适当的电路就可显示所测量的真空度。

为使热电偶计规管有较长的寿命，规管应垂直安装，否则会引起电极的变形。由于热偶真空计结构简单、操作使用方便，在离子溅射设备中应用较多。

5、冷阴极电离真空计

冷阴极真空计是一种相对真空计，其测量范围是10^－1 ～10^－7帕。电离真空计规管类似于三极管，只是工作状态不同。阴极加上几千伏的负电压，产生场致发射电子，被磁场捕获，与气体分子发生碰撞时引起气体分子电离，产生流向阳极的电流。其电流值与气体的压力和密度有关，实现对真空的测量。冷阴极真空计具有耐冲击、测量范围广、精度高的优点。且易于清洗，非常适合离子溅射系统的真空测量。