專利名稱：一種放電氣體環(huán)境離子真空規(guī)管輔助儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于真空測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高電離真空規(guī)管在放電氣體環(huán)境中 測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度的儀器，同時(shí)該儀器配合離子真空規(guī)管使用，可以測(cè)量放電氣體的電 離度。
技術(shù)背景在真空科學(xué)中，真空的含義是指在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)。人們 通常把這種稀薄的氣體狀態(tài)稱為真空狀況。隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的提供，真空設(shè)施廣泛應(yīng)用 于金屬材料工業(yè)、核能工業(yè)、汽車工業(yè)、食品工業(yè)和建筑工業(yè)等，同時(shí)近年來真空技術(shù)已 從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體、平板顯示(LCD、 PDP)、納米科技、精細(xì)化工等高端產(chǎn)業(yè) 領(lǐng)域。真空區(qū)域的劃分，根據(jù)我國(guó)GB3163-82的規(guī)定低真空105 ~102Pa;中真空102~10 "Pa;高真空10—^10—5Pa;超高真空<l(T5Pa 。真空測(cè)量包括全壓力測(cè)量、分壓力測(cè)量 和真空計(jì)校準(zhǔn)三個(gè)部分，人們通常使用間接測(cè)量壓力的真空計(jì)在各對(duì)應(yīng)真空量程范圍內(nèi)進(jìn) 行測(cè)量，如使用電阻真空規(guī)管(又名皮拉尼真空計(jì))測(cè)量105 10—ipa中低真空壓力，使 用普通型電離真空規(guī)管測(cè)量10" l(TSpa高真空壓力。電離真空規(guī)管的工作原理產(chǎn)生的電子從電場(chǎng)獲得能量，若與氣體分子碰撞，將使氣 體分子以一定幾率發(fā)生電離，產(chǎn)生正離子和次級(jí)電子。其電離幾率與電子能量有關(guān)。電子 在飛行路途中產(chǎn)生的正離子數(shù)，正比于氣體密度n,在一定溫度下正比于氣體的壓力p ，可 根據(jù)離子電流的大小指示真空度。量程為10—1 10 —5Pa的電離真空規(guī)管在測(cè)量高真空中廣為采用，電離真空規(guī)管是通過 電離真空中的氣體，利用氣體在不同氣壓下的電學(xué)特性來測(cè)量真空，它處理的是傳統(tǒng)條件 下表現(xiàn)為絕緣性的氣體，沒有額外的電離源，不呈現(xiàn)等離子體狀態(tài)。但是現(xiàn)在生產(chǎn)科研中 很多裝置自身電源系統(tǒng)會(huì)電離氣體，如微電子工業(yè)、金屬改性、軍工生產(chǎn)等。這類裝置自 身可以電離氣體，增加氣體中的電子離子數(shù)量，從而改變了電離真空規(guī)管所利用的氣體電 學(xué)特性，這是原先的電離真空規(guī)管設(shè)計(jì)沒有考慮到的，如果這種等離子體狀態(tài)下使用電離 真空規(guī)管，會(huì)使測(cè)量產(chǎn)生誤差，甚至出現(xiàn)電流過流，電離真空規(guī)管不能工作的情況。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在研究真空裝置中的放電氣體的等離子體特性和電離真空規(guī)管工作原理的基
礎(chǔ)上，提出一種伴隨電離真空規(guī)管使用，提高電離真空規(guī)管在放電氣體環(huán)境中的準(zhǔn)確性及 穩(wěn)定性的新型儀器，同時(shí)該儀器配合離子真空規(guī)管使用，可以測(cè)量放電氣體的電離度，我 們稱之為新型放電氣體環(huán)境離子真空規(guī)管輔助儀器。電離真空規(guī)管的量程為10"~10—5Pa ，而在這個(gè)壓強(qiáng)區(qū)間內(nèi)，產(chǎn)生的等離子體特別易 于擴(kuò)散，會(huì)分布在整個(gè)裝置空間內(nèi)，就會(huì)有一些等離子體中的電子離子擴(kuò)散進(jìn)電離真空規(guī) 管和腔體的連接口內(nèi)，在電離真空規(guī)管所產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，被收集極接收，而此時(shí)的離 子電流和原來電離真空規(guī)管已經(jīng)標(biāo)定好的和壓強(qiáng)一一對(duì)應(yīng)的離子電流已有出入，測(cè)量準(zhǔn)確 度就會(huì)降低，若進(jìn)入電離真空規(guī)管中的電子和離子太多，還有可能使電離真空規(guī)管出現(xiàn)電 流過流不能工作，甚至損壞。我們基于提高真空材料相容性、減少系統(tǒng)雜質(zhì)、不影響電離 真空規(guī)管接口處流導(dǎo)的考慮下，設(shè)計(jì)出如圖l所示的電離真空規(guī)管輔助儀器。該輔助儀器 包括如下結(jié)構(gòu)單元一個(gè)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的離子屏蔽電極1; 一個(gè)與金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的離子屏蔽電極平行設(shè)置 的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電子屏蔽電極2;離子屏蔽電極1和電子屏蔽電極2兩者構(gòu)成第一級(jí)離 子屏蔽，電子屏蔽電極2與真空室器壁3之間構(gòu)成第二級(jí)電子屏蔽；兩個(gè)絕緣支柱7和6分別設(shè)置于離子屏蔽電極1和電子屏蔽電極2以及電子屏蔽電極 2與真空室器壁3之間，使三者相互絕緣；一個(gè)儀器安裝接口 5設(shè)置于電子屏蔽電極2外側(cè)用于與真空室電離真空規(guī)管接口 4對(duì)接；在離子屏蔽電極1和電子屏蔽電極2之間施加電壓VI ，在電子屏蔽電極2與真空室器 壁3之間施加電壓V2。本發(fā)明中，第二級(jí)電子屏蔽的空間距離L2為第一級(jí)離子屏蔽的空間距離L1的1.5-3 倍。離子屏蔽電極1和電子屏蔽電極2的長(zhǎng)度尺寸D1為真空室電離真空規(guī)管接口尺寸D2 的2-4倍。本發(fā)明中，第一級(jí)離子屏蔽的電壓VI約為30-80伏特，第二級(jí)電子屏蔽的屏蔽電壓 V2約為45-200伏特，是第一級(jí)屏蔽電壓的1.5-2.5倍。離子屏蔽電極1和電子屏蔽電極2 的金屬網(wǎng)的規(guī)格為40-60目。電離氣體產(chǎn)生的等離子體中的電子和離子通過各種方式和自身、中性粒子及電磁場(chǎng)交 換能量，會(huì)有一定的能量分布，這就意味著大部分電子和離子的能量都集中在一定跨度的 區(qū)域，高于這個(gè)區(qū)域或低于這個(gè)區(qū)域的電子和離子都很少，特別是我們?nèi)暨x取這個(gè)區(qū)域的 跨度較大，那么能量在這個(gè)區(qū)域外的電子離子就會(huì)非常少。對(duì)應(yīng)不同的等離子體產(chǎn)生方式， 其電子和離子的能量分布不同。本發(fā)明采用不同的電壓V1和V2實(shí)現(xiàn)兩級(jí)屏蔽，在第一
級(jí)屏蔽中金屬網(wǎng)狀離子屏蔽電極1和金屬網(wǎng)狀電子屏蔽電極2之間電壓V1產(chǎn)生的電場(chǎng)減 速擴(kuò)散過來的等離子體中的離子實(shí)現(xiàn)離子屏蔽。第二級(jí)屏蔽通過金屬網(wǎng)狀電子屏蔽電極2 和真空室器壁之間電壓V2產(chǎn)生的電場(chǎng)減速?gòu)牡入x子體中擴(kuò)散來的電子實(shí)現(xiàn)電子屏蔽。由 于電子在第一級(jí)屏蔽中被屏蔽電壓VI加速，所以第二級(jí)屏蔽電壓V2必須比第一級(jí)屏蔽電 壓VI大。本發(fā)明采用V2為VI的兩倍左右，VI和V2的具體數(shù)值根據(jù)不同等離子體產(chǎn)生 源作相應(yīng)調(diào)節(jié)。通過兩級(jí)屏蔽電壓使等離子體中的電子離子不能夠到達(dá)離子規(guī)接口處，從 而保證電離真空規(guī)管能夠獨(dú)立不受干擾的正常工作。電離規(guī)整體采用離子濺射產(chǎn)額小、二 次電子發(fā)射系數(shù)小、剛性好易加工不易變形的304不銹鋼網(wǎng)0Cr18Ni9，不銹鋼網(wǎng)采用50 目左右規(guī)格，這種設(shè)計(jì)不會(huì)因?yàn)槭褂秒x子規(guī)伴侶在真空環(huán)境中產(chǎn)生額外的有害雜質(zhì)破壞真 空潔凈度，同時(shí)網(wǎng)眼設(shè)計(jì)在達(dá)到阻礙等離子體定向擴(kuò)散的同時(shí)又不會(huì)影響電離真空規(guī)管接 口處的流導(dǎo)，從而使此處與裝置其他部分的壓強(qiáng)保持一致。不銹鋼網(wǎng)片1和2、 2和真空 室壁3之間的距離L1和L2為2-5cm為宜，L2為L(zhǎng)l的1.5-3倍，因?yàn)榫嚯x太大會(huì)占用很 多空間，是真空裝置的利用率下降；反之，若距離太小，而兩塊板之間的電場(chǎng)就會(huì)很大， 就可能產(chǎn)生額外的電離，這些不是我們希望的。同時(shí)為了減少因?yàn)檫吘壭?yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng) 扭曲，不銹鋼網(wǎng)片的長(zhǎng)度尺寸大小應(yīng)為電離真空規(guī)管接口直徑的2-4倍，實(shí)施例中采用兩 倍直徑，如圖所示。該儀器使離子真空規(guī)管測(cè)量的僅是中性氣體壓力，對(duì)應(yīng)電離度高的等 離子體源，本儀器配合離子真空規(guī)管使用，在該儀器開啟和關(guān)閉狀態(tài)下分別記錄電離真空 規(guī)管測(cè)量讀數(shù)，可以獲得被監(jiān)測(cè)氣體的電離度。


圖為放電氣體環(huán)境真空規(guī)管輔助儀器結(jié)構(gòu)圖示。
圖中標(biāo)號(hào)l為離子屏蔽電極，2為電子屏蔽電極，3為真空室器壁，4為真空室電離 真空規(guī)管接口， 5為儀器安裝接口， 6和7為絕緣支撐柱，Dl為屏蔽電極尺寸，D2為真空 室電離真空規(guī)接口尺寸，Ll為離子屏蔽電極和電子屏蔽電極間的距離，L2為電子屏蔽電 極和真空室器壁的距離，Vl為離子屏蔽電壓，V2為電子屏蔽電壓。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)代微電子制造業(yè)采用射頻電感耦合等離子體來完成微電子制造中的刻蝕工藝和絕 緣介質(zhì)沉淀工藝等，使用的真空腔體對(duì)雜質(zhì)的要求很高，本底氣壓為10—spa，工作氣壓為 1()J 10"Pa，在沒產(chǎn)生等離子體之前電離真空規(guī)管會(huì)產(chǎn)生一個(gè)讀數(shù)，在產(chǎn)生等離子體后顯 示讀數(shù)會(huì)有20% 50%的增加。本發(fā)明的電離真空規(guī)管輔助儀器放置在對(duì)應(yīng)電感耦合等離子體環(huán)境中的真空室電離 真空規(guī)管接口處，使電離真空規(guī)管在有等離子體條件下也有較高的準(zhǔn)確度，不因?yàn)榈入x子
體的存在而發(fā)生儀器讀數(shù)偏高的情況。采用50目304不銹鋼網(wǎng)片作為屏蔽電極，不銹鋼 網(wǎng)片1和2之間的距離Ll選取2cm，不銹鋼網(wǎng)片2和真空室壁3之間的距離L2選取4cm， 屏蔽電壓V1選取30V，屏蔽電壓V2選取60V。通過兩級(jí)屏蔽電壓使等離子體中的電子離子不能夠到達(dá)離子規(guī)接口處，從而保證電離 真空規(guī)管能夠獨(dú)立不受干擾的正常工作。電離規(guī)整體采用離子濺射產(chǎn)額小、二次電子發(fā)射 系數(shù)小、剛性好易加工不易變形的304不銹鋼網(wǎng)(0Cr18Ni9)，不銹鋼網(wǎng)采用50目規(guī)格， 這種設(shè)計(jì)不會(huì)因?yàn)槭褂秒x子規(guī)伴侶在真空環(huán)境中產(chǎn)生額外的有害雜質(zhì)破壞真空潔凈度，同 時(shí)網(wǎng)眼設(shè)計(jì)在達(dá)到阻礙等離子體定向擴(kuò)散的同時(shí)又不會(huì)影響電離真空規(guī)管接口處的流導(dǎo)， 從而使此處與裝置其他部分的壓強(qiáng)保持一致。同時(shí)為了減少因?yàn)檫吘壭?yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)扭 曲，不銹鋼網(wǎng)片的尺寸大小應(yīng)為電離真空規(guī)管接口直徑的2-4倍，我們采用兩倍直徑如圖 所示。應(yīng)用于軍工的等離子體推進(jìn)設(shè)備采用脈沖等離子體，此時(shí)會(huì)后很大的等離子體電子離 子遷徙流，電離真空規(guī)管的電流會(huì)在瞬間達(dá)到飽和，儀器真空度數(shù)不能讀出，顯示錯(cuò)誤。 我們同樣采用上述電離真空規(guī)管伴侶放置在對(duì)應(yīng)脈沖等離子體環(huán)境中的真空室電離真空 規(guī)管接口對(duì)應(yīng)處，使電離真空規(guī)管在有等離子體條件下也能夠正常工作，不因?yàn)榈入x子體 的存在而發(fā)生儀器不能正常讀數(shù)的情況。真空規(guī)管伴侶的幾何尺寸和上述應(yīng)用于電感耦合 等離子體環(huán)境中的真空規(guī)管伴侶相同，只是需要變化離子屏蔽電壓V1為80伏特，電子屏 蔽電壓V2為160伏特。對(duì)應(yīng)電子回旋共振等離子體，氣體成分電離程度較高，有時(shí)會(huì)達(dá)到50%，其電學(xué)特性 決定離子真空規(guī)管儀器讀數(shù)偏高嚴(yán)重不能夠正常使用，在開啟本儀器后使用離子真空規(guī)管 測(cè)量，記錄讀數(shù)，此時(shí)讀數(shù)顯示的是電離中性氣體所獲的測(cè)量電流對(duì)應(yīng)的中性氣體壓力， 而電離部分粒子沒有考慮，然后在該儀器開啟狀態(tài)下分別記錄電離真空規(guī)管測(cè)量讀數(shù)，此 時(shí)的壓力測(cè)量已經(jīng)考慮了中性粒子和帶電粒子對(duì)測(cè)量電流的貢獻(xiàn)，通過對(duì)電離真空規(guī)管的 系列定標(biāo)，可以獲得被監(jiān)測(cè)氣體的電離度。
權(quán)利要求
1.一種放電氣體環(huán)境電離真空規(guī)管輔助儀器，其特征在于，包括如下結(jié)構(gòu)單元一個(gè)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的離子屏蔽電極(1)；一個(gè)與金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的離子屏蔽電極平行設(shè)置的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電子屏蔽電極(2)；離子屏蔽電極(1)和電子屏蔽電極(2)兩者構(gòu)成第一級(jí)離子屏蔽，電子屏蔽電極(2)與真空室器壁(3)之間構(gòu)成第二級(jí)電子屏蔽；兩個(gè)絕緣支柱(7和6)分別設(shè)置于離子屏蔽電極(1)和電子屏蔽電極(2)以及電子屏蔽電極(2)與真空室器壁(3)之間，使三者相互絕緣；一個(gè)儀器安裝接口(5)設(shè)置于電子屏蔽電極(2)外側(cè)，用于與真空室電離真空規(guī)管接口(4)對(duì)接；在離子屏蔽電極(1)和電子屏蔽電極(2)之間施加電壓V1，在電子屏蔽電極(2)與真空室器壁(3)之間施加電壓V2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助儀器，其特征在于所述第二級(jí)電子屏蔽的空間距離L2 為第一級(jí)離子屏蔽的空間距離L1的1.5-3倍；所述離子屏蔽電極(1)和電子屏蔽電極(2) 的尺寸Dl為真空室電離真空規(guī)管接口尺寸D2的2-4倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助儀器，其特征在于所述第一級(jí)離子屏蔽的電壓VI為30-80 伏特，第二級(jí)電子屏蔽的屏蔽電壓V2為45-200伏特，是第一級(jí)屏蔽電壓的1.5-2.5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助儀器，其特征在于離子屏蔽電極(1)和電子屏蔽電極(2) 的金屬網(wǎng)的規(guī)格為40-60目。
全文摘要
本發(fā)明屬于真空測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種放電氣體環(huán)境真空規(guī)管輔助儀器。該儀器包括兩個(gè)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電子和離子屏蔽電極；在兩個(gè)屏蔽電極之間以及一個(gè)屏蔽電極和真空室器壁之間施加兩個(gè)屏蔽電壓，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)離子屏蔽和第二級(jí)電子屏蔽；兩個(gè)絕緣支柱和一個(gè)安放于真空室的連接口。該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，能夠很好地解決電離真空規(guī)管在等離子體環(huán)境中讀數(shù)偏高甚至不能工作的問題，提高其測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，可以在放電氣體環(huán)境中提供可靠的真空測(cè)量，同時(shí)配合離子真空規(guī)管使用，測(cè)量放電氣體的電離度，規(guī)避了傳統(tǒng)氣體電離度測(cè)量成本高、設(shè)備復(fù)雜的缺點(diǎn)，是一種易于在工業(yè)界推廣的新型氣體電離度監(jiān)測(cè)儀器。
文檔編號(hào)H01J41/02GK101126668SQ20071004617
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者周前紅, 旭 徐, 李林森, 梁榮慶 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)