Page 138 - 《真空与低温》2025年第3期

王耀之等：基于 PIC-MCC 方法的溅射离子泵抽速计算方法 409

0.7 −3 3.2.1 入射位置分布
10 Pa
−4
0.6 10 Pa 通过 得到的离子入射位置分布如图
picFoam
−5
10 Pa 所示，该分布与 Ha 等 得到的结果是一致的。从 4
入射离子密度/mm −2 0.4 图中可以得知，在溅射离子泵潘宁放电单元中，大
0.5
[6]
0.3
部分的离子都在阳极筒的中轴线附近入射阴极，且
0.2
0.1 入射离子密度随着半径的增大而减小。大部分的
离子在中心处入射是溅射离子泵实际使用中阴极
0 板被击穿的主要原因。

0 2 4 6 8 10
3.2.2 入射能量分布
半径 r/mm
不同半径下入射离子的平均能量分布如图 5
图 4 不同工作压力下的离子入射密度分布 所示，从图中可以得知，离子入射能量随着半径的
Fig. 4 Ion incidence density distribution under different 增大而增大，这与 Ha 等 的结果相同，而根据 Ha 等
[6]
working pressures 的理论，这种能量的增大可能是在半径较大位置的

5 000 边缘处，电场因靠近阳极板而变强，边缘附近离子

−3
10 Pa
−4
10 Pa 的能量进而变大。
4 000 10 Pa 3.2.3 入射角度分布
−5
入射离子能量 E/eV 3 000 速度方向与阳极筒中轴线的夹角。不同半径下入
离子的入射角度是离子的入射阴极板时，离子
2 000
6 所示，离子的入射角
射离子的平均角度分布如图
1 000 度总体上呈先递减后递增的复杂形状，这种变化与
离子的速度有关，在半径较小时离子的径向速度占
0
0 2 4 6 8 10 主导，入射角度较大，而随着半径的增大径向速度
半径 r/mm 也随之增大，轴向速度逐渐占主导，入射角度降低，
但是在半径较大的边缘区域内，由于电场变强径向
图 5 不同工作压力下的离子入射能量分布
[6]
速度再次占主导，入射角度再次增大 。从离子的
Fig. 5 Distribution of ion incident energy under different work-
ing pressures 入射角度分布可以得到，入射粒子的入射角度都较
[21]
低，而根据田野 的结论，入射角度越接近粒子入
60
−3
10 Pa 射时产生最大溅射产额的夹角 θ max，溅射产额越大，
−4
10 Pa
50 −5
10 Pa 而根据田野的结论，最大溅射产额夹角约为 70°，这
（°） 40 说明大部分的入射离子都以较低的效率溅射钛
入射离子角度/ 30 原子。

3.3 抽速计算
20
结合第 2 节内容，依据入射离子数以及离子的
10 入射参数，对单个溅射离子泵潘宁放电单元的抽速
0 展开计算，并将计算结果与 Hartwig 的理论结果 [2]
0 2 4 6 8 10
作对比，对比结果如图 7 所示，计算结果与理论结
半径 r/mm
果变化趋势相同，一致性良好。
图 6 不同工作压力下的离子入射角度分布 由图 7 可以发现，抽速随工作压力的变化出现
Fig. 6 Distribution of ion incidence angles under different
了拐点。拐点在 Hartwig 的理论抽速计算中同样出
working pressures
现，在其理论中，拐点被认为是磁场与工作压力共
3.2 入射参数 同导致的，当放电空间中磁场保持不变时，存在
离子入射阴极后的入射参数对溅射离子泵的 一个可以获得最佳抽速的工作压力，称为过渡压力。
抽速起着关键作用，为了获得更加准确的结果，需 在磁场条件不发生变化的前提下，当工作压力大于
要对入射参数的分布进行分析与讨论。 过渡压力时，抽速会随工作压力的减小而增大 ，当