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 測量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度的儀器，同時該儀器配合離子真空規(guī)管使用，可以測量放電氣體的電 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 。真空測量包括全壓力測量、分壓力測量 和真空計(jì)校準(zhǔn)三個部分，人們通常使用間接測量壓力的真空計(jì)在各對應(yīng)真空量程范圍內(nèi)進(jìn) 行測量，如使用電阻真空規(guī)管(又名皮拉尼真空計(jì))測量105 10—ipa中低真空壓力，使 用普通型電離真空規(guī)管測量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，會使測量產(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，同時該儀器配合離子真空規(guī)管使用，可以測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 ，而在這個壓強(qiáng)區(qū)間內(nèi)，產(chǎn)生的等離子體特別易 于擴(kuò)散，會分布在整個裝置空間內(nèi)，就會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)生的電場作用下，被收集極接收，而此時的離 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)一一對應(yīng)的離子電流已有出入，測量準(zhǔn)確 度就會降低，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)單元一個金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的離子屏蔽電極1; 一個與金屬網(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)成第二級電子屏蔽；兩個絕緣支柱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，第二級電子屏蔽的空間距離L2為第一級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，第一級離子屏蔽的電壓VI約為30-80伏特，第二級電子屏蔽的屏蔽電壓 V2約為45-200伏特，是第一級屏蔽電壓的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、中性粒子及電磁場交 換能量，會有一定的能量分布，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，高于這個區(qū)域或低于這個區(qū)域的電子和離子都很少，特別是我們?nèi)暨x取這個區(qū)域的 跨度較大，那么能量在這個區(qū)域外的電子離子就會非常少。對應(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)兩級屏蔽，在第一
級屏蔽中金屬網(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)生的電場減速從等離子體中擴(kuò)散來的電子實(shí)現(xiàn)電子屏蔽。由 于電子在第一級屏蔽中被屏蔽電壓VI加速，所以第二級屏蔽電壓V2必須比第一級屏蔽電 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)散的同時又不會影響電離真空規(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Ll的1.5-3倍，因?yàn)榫嚯x太大會占用很 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就會很大， 就可能產(chǎn)生額外的電離，這些不是我們希望的。同時為了減少因?yàn)檫吘壭?yīng)產(chǎn)生的電場 扭曲，不銹鋼網(wǎng)片的長度尺寸大小應(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)管測量的僅是中性氣體壓力，對應(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)管測量讀數(shù)，可以獲得被監(jiān)測氣體的電離度。


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)管會產(chǎn)生一個讀數(shù)，在產(chǎn)生等離子體后顯 示讀數(shù)會有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)散的同時又不會影響電離真空規(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。同時為了減少因?yàn)檫吘壭?yīng)產(chǎn)生的電場扭 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，此時會后很大的等離子體電子離 子遷徙流，電離真空規(guī)管的電流會在瞬間達(dá)到飽和，儀器真空度數(shù)不能讀出，顯示錯誤。 我們同樣采用上述電離真空規(guī)管伴侶放置在對應(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。對應(yīng)電子回旋共振等離子體，氣體成分電離程度較高，有時會達(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 測量，記錄讀數(shù)，此時讀數(shù)顯示的是電離中性氣體所獲的測量電流對應(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)管測量讀數(shù)，此 時的壓力測量已經(jīng)考慮了中性粒子和帶電粒子對測量電流的貢獻(xiàn)，通過對電離真空規(guī)管的 系列定標(biāo)，可以獲得被監(jiān)測氣體的電離度。
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)單元一個金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的離子屏蔽電極(1)；一個與金屬網(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)成第二級電子屏蔽；兩個絕緣支柱(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電子屏蔽的空間距離L2 為第一級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離子屏蔽的電壓VI為30-80 伏特，第二級電子屏蔽的屏蔽電壓V2為45-200伏特，是第一級屏蔽電壓的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。該儀器包括兩個金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電子和離子屏蔽電極；在兩個屏蔽電極之間以及一個屏蔽電極和真空室器壁之間施加兩個屏蔽電壓，實(shí)現(xiàn)第一級離子屏蔽和第二級電子屏蔽；兩個絕緣支柱和一個安放于真空室的連接口。該儀器結(jié)構(gòu)簡單、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量，同時配合離子真空規(guī)管使用，測量放電氣體的電離度，規(guī)避了傳統(tǒng)氣體電離度測量成本高、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)測儀器。
文檔編號H01J41/02GK101126668SQ20071004617
公開日2008年2月20日 申請日期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 申請人:復(fù)旦大學(xué)