CN102630298A - 平均自由程测量装置、真空计和平均自由程测量方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种平均自由程测量装置、真空计和平均自由程测量方法，使得能够直接测量带电粒子的平均自由程。具体地，所公开的平均自由程测量装置配置有：离子源，用于产生离子；集电体(24a)，用于检测具有第一飞行距离(L1)的第一带电粒子的数量，其中所述第一飞行距离为相对于所述发生源的0以上的飞行距离；以及集电体(24b)，用于检测具有比所述第一飞行距离长的第二飞行距离的第二带电粒子的数量。所述平均自由程测量装置的控制单元根据所述第一带电粒子的数量与所述第二带电粒子的数量之间的比值来计算所述平均自由程。

Description

平均自由程测量装置、真空计和平均自由程测量方法

技术领域

本发明涉及一种平均自由程(mean free path)测量装置、真空计和平均自由程测量方法。

背景技术

诸如DRAM和MRAM等的半导体器件的微型化日益发展。为了促进这种半导体器件的制造期间的精细加工，使离子垂直入射到要加工的表面或凹部变得非常重要。例如，如专利文献1的图5所示，在通过溅射来灌封高宽比较高的孔时，如何使溅射粒子相对于孔底垂直入射对于该孔的灌封特性将会产生极大影响。如专利文献1的图5所示，垂直入射到孔底的溅射粒子越多，灌封特性改善得越多。

作为用于实现这种状态的方法，存在所谓的离子溅射法，其中在该离子溅射法中，利用特定方法使溅射粒子离子化并使这些溅射粒子相对于放置有基板的基板保持件垂直入射(参见专利文献2)。为了使离子垂直入射到基板，向基板保持件施加相对于该基板为负的DC偏压或RF功率以针对该基板产生负电压，由此将离子引入该基板保持件内。由此，当产生了100～几百伏的电压时，由于溅射粒子的热能被认为至多约为0.1eV，因此如果在靶材和基板保持件之间没有发生离子的碰撞，则这些离子基本垂直地入射到基板。

然而，实际上，离子由于在靶材和基板保持件之间与其它粒子碰撞而引起散射，这导致入射角变宽。

因此，为了使离子垂直地入射到基板，允许离子在加速区域中不与其它粒子碰撞的情况下到达基板至关重要。

这里，使离子加速的区域是存在于阴极附近的被称为阴极势降或鞘层的区域。放电期间产生的电位变化大部分都在该部位发生。其厚度依赖于放电空间的压力和施加于基板保持件的功率等，并且通常约为10~30mm。

因此，如果允许离子在不发生碰撞的情况下穿过阴极势降或鞘层的区域，则有可能使发散角较小的离子束入射到基板。

这里，将粒子在不发生碰撞的情况下可以移动的平均距离称为平均自由程。

如果已知实际工艺气体的平均自由程，则通过对工艺条件进行调整以使平均自由程长于阴极势降或鞘层的长度，可以获得发散角较小的入射离子。

此外，在干法蚀刻中，这同样适用。为了进行蚀刻从而得到高度各向异性的形状，需要使发散角较小的离子以束状的形状入射到蚀刻面。同样，在这种情况下，如果已知实际蚀刻气体的平均自由程，则通过对工艺条件进行调整以使该平均自由程长于阴极势降或鞘层的长度，可以使发散角较小的离子束入射到蚀刻面。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平8-203827

专利文献2：日本特开2001-35919

专利文献3：日本特开2001-165907

非专利文献

非专利文献1：ジョンF.オハンロン、「真空技術マニュアル」、産業図書株式会社、P7~10

非专利文献2：熊谷寛夫、他3名、「真空の物理と応用」、裳華房、P43~49

发明内容

如上所述，当进行溅射或干法蚀刻时，为了进行更加良好的处理而获得平均自由程，这是有效的。

迄今为止，当获得预定离子在预定气体环境中的平均自由程时，获得温度、预定气体的粒子直径以及预定离子的直径，并使用这些值通过根据气体数密度和压力进行转换来获得平均自由程(参见非专利文献1和2)。换言之，以前并非直接获得平均自由程，而是通过根据温度以及气体的粒子直径和离子直径进行计算来间接获得。因此，如果没有获知离子移动的系统的温度、该离子的直径和环境气体的粒子直径，则无法获得平均自由程。

这里，在气体是分子的情况下，“气体数密度”是每单位体积的分子数，并且在气体是单原子分子的情况下，“气体数密度”是每单位体积的原子数。

此外，特别地，当获得气体或离子的直径时，需要利用单独准备的质谱仪来确定现有成分并根据文献数据获得直径，并且在用于获得平均自由程的计算的先前阶段中，同样需要大量劳动。此外，当环境气体不是一种气体而是混合气体时，需要利用质谱仪来获得各成分的存在比率(成分比率)，并利用加权进行计算，由此获得最终的平均自由程。

如上所述，当无法获知离子的直径、环境气体的粒子直径或温度时，难以根据压力和气体数密度来转换平均自由程，或者即使当已知这三者时，在混合气体的情况下，该转换计算也变得复杂。

平均自由程可以用于各种领域，而不局限于溅射和干法蚀刻。

例如，平均自由程可以表示真空度。存在“气体数密度”、“压力”和“平均自由程”这三种用于表示真空度(真空水平)的方法，并且迄今为止，使用了气体数密度或压力。可以使用环境气体的分子直径和温度作为参数来对这三者进行相互转换，并且这三者在理论上可以表示相同的量，但要利用的现象是不同的甚至在某种程度可以说是完全不同的。

当前，在工业上重要的诸如溅射和干法蚀刻等的工艺中，在这三者之中，平均自由程具有直接关系，其次是气体数密度具有相关性。这是因为气体(中性分子)和离子之间的碰撞、气体自身之间的碰撞以及气体流构成了这些工艺的关键。因此，如果可以直接、精确且简单地获得平均自由程，则可以获得更加有用的真空度表现。

尽管在无需进行复杂计算和测量的情况下利用简单精确的方法直接获得如上所述在各种领域内发挥有效性的平均自由程非常有用，但当前没有提出用于直接获得平均自由程的方法。

本发明是考虑到这种问题而实现的，并且目的在于提供一种能够精确且简单地测量带电粒子的平均自由程的平均自由程测量装置、真空计和平均自由程测量方法。

为了实现该目的，本发明是一种用于测量带电粒子在环境气体中的平均自由程的装置，其特征在于包括：发生源，用于产生所述带电粒子；检测部件，用于检测具有作为0以上的相对于所述发生源的飞行距离的第一飞行距离的第一带电粒子的数量，并检测具有比所述第一飞行距离长的第二飞行距离的第二带电粒子的数量；以及计算部件，用于根据所述第一带电粒子的数量与所述第二带电粒子的数量之间的比值来计算所述平均自由程。

本发明还是一种用于测量真空度的真空计，其特征在于包括：发生源，用于产生带电粒子；检测部件，用于检测具有作为0以上的相对于所述发生源的飞行距离的第一飞行距离的第一带电粒子的数量，并检测具有比所述第一飞行距离长的第二飞行距离的第二带电粒子的数量；以及计算部件，用于根据所述第一带电粒子的数量与所述第二带电粒子的数量之间的比值来计算平均自由程。

本发明还是一种用于测量带电粒子在环境气体中的平均自由程的装置，其特征在于包括：发生源，用于产生所述带电粒子；检测部件，用于检测具有作为0以上的相对于所述发生源的飞行距离的第一飞行距离的第一带电粒子的数量，并检测具有比所述第一飞行距离长的第二飞行距离的第二带电粒子的数量；以及存储部件，用于存储所检测到的所述第一带电粒子的数量和所述第二带电粒子的数量。

本发明还是一种用于测量带电粒子在环境气体中的平均自由程的装置，其特征在于包括：发生源，用于产生所述带电粒子；检测部件，用于检测具有作为0以上的相对于所述发生源的飞行距离的第一飞行距离的第一带电粒子的数量，并检测具有比所述第一飞行距离长的第二飞行距离的第二带电粒子的数量；以及显示部件，用于显示所检测到的第一带电粒子的数量和第二带电粒子的数量。

本发明还是一种用于控制如下装置的控制装置，其中该装置包括：发生源，用于产生带电粒子；以及检测部件，用于检测具有作为0以上的相对于所述发生源的飞行距离的第一飞行距离的第一带电粒子的数量，并检测具有比所述第一飞行距离长的第二飞行距离的第二带电粒子的数量，其特征在于所述控制装置包括：用于控制所述发生源从而产生所述带电粒子、以使所述检测部件检测所述第一带电粒子的数量和所述第二带电粒子的数量的部件；用于获得所述第一带电粒子的数量和所述第二带电粒子的数量的部件；以及计算部件，用于根据所述第一带电粒子的数量与所述第二带电粒子的数量之间的比值来计算平均自由程。

此外，本发明是一种用于测量带电粒子在环境气体中的平均自由程的方法，其特征在于包括以下步骤：从发生源产生所述带电粒子；检测具有作为0以上的相对于所述发生源的飞行距离的第一飞行距离的第一带电粒子的数量，并检测具有比所述第一飞行距离长的第二飞行距离的第二带电粒子的数量；以及根据所述第一带电粒子的数量与所述第二带电粒子的数量之间的比值来计算所述平均自由程。

附图说明

图1A是示出本发明的基本原理的图。

图1B是示出本发明的基本原理的图。

图2A是示出本发明的基本原理的图。

图2B是示出本发明的基本原理的图。

图3是示出本发明的基本结构的图。

图4是示出本发明的基本测量过程的图。

图5是示出根据本发明第一实施例的平均自由程测量装置的图。

图6是示出根据本发明第二实施例的平均自由程测量装置的图。

图7是示出根据本发明第三实施例的平均自由程测量装置的图。

图8是示出本发明第三实施例中的操作的图。

图9是示出根据本发明第四实施例的平均自由程测量装置的图。

图10是示出根据本发明第五实施例的平均自由程测量装置的图。

图11A是示出根据本发明第六实施例的平均自由程测量装置的图。

图11B是示出图11A所示装置的丝(filament)/栅格(grid)的控制电路的图。

图12A是示出根据本发明第七实施例的平均自由程测量装置的图。

图12B是示出图12A所示装置的丝的控制电路的图。

图13A是示出根据本发明第八实施例的平均自由程测量装置的图。

图13B是示出图13A所示装置的各个电极的形状的图。

图13C是示出图13B的线A上的电子束轨迹的图。

图13D是示出图13B的线B上的电子束轨迹的图。

图14A是示出根据本发明第九实施例的平均自由程测量装置的图。

图14B是示出图14A所示的各个电极的形状及其电路的图。

图15A是示出根据本发明第十实施例的平均自由程测量装置的图。

图15B是沿着图15A的线A-A′所得的截面图。

图16是示出根据本发明的平均自由程测量装置中的控制系统的示意结构的框图。

具体实施方式

以下参考附图来详细说明本发明的实施例。同时，在以下所述的附图中，对具有相同功能的部分赋予相同的附图标记并省略对这些部分的重复说明。

在本发明的一个实施例中，使用全新的新原理来直接获得诸如离子和电子等的带电粒子的平均自由程。即，本发明的特征性的新理论的本质在于：对飞行了不同的两个距离(较短距离包括距离0)的带电粒子(离子或电子)因与作为环境气体的中性分子碰撞所引起的衰减量进行测量，并根据带电粒子的比值来计算这些带电粒子的平均自由程(带电粒子在没有发生碰撞的情况下可以行进的距离的平均值)。

衰减是与放射性元素的衰减相同的指数现象，其中当行进了特定时间(飞行距离)时存在量总是变为之前量的特定百分比。习惯地，对于放射性元素，将直到存在量变为一半为止的时间定义为半衰期，但对于平均自由程，将变为1/e(0.37倍)的飞行距离定义为平均自由程。由于衰减如上所述呈指数变化，因此当已知不同的两个飞行距离的衰减量时，可以进行衰减强度(即，平均自由程)的数学计算。

同时，在后面所述的各个实施例中，获得带电粒子(离子或电子)在中性分子中(预定气体环境中)的平均自由程。当带电粒子是离子时，该离子在气体环境(中性分子)中的平均自由程大致等于与该离子相对应的中性分子在气体环境(中性分子)中的平均自由程。因此，通过获得预定离子在预定气体环境(中性气体)中的平均自由程，可以获得与该预定离子相对应的中性分子在该预定气体环境(中性分子)中的平均自由程。

同时，“与离子相对应的中性分子”表示离子的离子化之前的中性分子。

作为实现新原理的基本结构，在带电粒子的飞行轴上设置了相对于用于产生带电粒子的发生源(例如离子源和电子源等)的距离(较短距离包括相对于发生源的距离0)不同的两个集电体(检测器)。此时，当将两个集电体设置在带电粒子的同一飞行轴上时，较近的集电体的结构被配置为能够俘获入射带电粒子的一部分并允许其它部分透过的网格状形状，以使得带电粒子的一部分透过该集电体以到达较远的集电体。只要精确获知网格的透过率以及飞行距离的值就足够了，因而这些值可以为任意值。

当将两个集电体放置在带电粒子的不同飞行轴上时，利用这两个集电体来测量带电粒子数。在这种情况下，可以准备数量与集电体的数量相等的发生源，或者可以在可转动台上设置一个发生源，以使得该可转动台转动从而允许来自该转动台上的发生源的带电粒子进入各个集电体。在这种情况下，可以进行后面要说明的“无衰减校准”。

如上所述，在本发明中，是否将两个集电体设置在带电粒子的同一飞行轴上并不是问题，而重要的是利用以相对于发生源距离不同的方式进行设置的至少两个集电体来分别测量带电粒子数。在本发明中，由于本质是使用带电粒子数之间的比值以消除发生源中的带电粒子的产生量的变化等因素并获得该比值，因此设置了以相对于发生源距离不同的方式所设置的至少两个集电体。

同时，集电体的数量不限于2个，而且可以不小于3个(参见后面所述的第一实施例～第九实施例)。此外，集电体的数量可以是1个，只要该结构使得能够测量带电粒子的至少两个飞行距离即可(参见后面所述的第十实施例)。

换言之，在本发明中，本质是使用带电粒子数之间的比值来获得平均自由程，并且为此，对带电粒子的飞行了第一飞行距离(0以上的距离)的第一带电粒子数进行检测，并且还对带电粒子的飞行了比第一飞行距离长的第二飞行距离的第二带电粒子数进行检测。因此，只要可以测量出第一带电粒子数和第二带电粒子数，集电体的数量或结构可以是任意的。

在新原则的情况下，由于不需要衰减量的绝对值而仅需要衰减量之间的比值，因此即使当原来的带电粒子的发生源的带电粒子量极大改变或者检测侧由于电极的污染或变形而改变时，对衰减量之间的比值也没有影响。即，几乎完全消除了背景以及变化/干扰成分。

此外，除了带电粒子的衰减量之间的比值以外，为了计算平均自由程，仅需要飞行距离，并且可以容易地确定其绝对值，此外该绝对值不会因污染和热而改变。结果，可以以高精度简单地获得平均自由程的绝对值。即，可以认为该原理包含某种测量标准并且通过与该测量标准进行比较来获得绝对值。

如上所述，在新原理的情况下，检测部件被配置为检测具有相对于发生源的飞行距离为0m(但距离的单位为任意)以上的第一飞行距离的带电粒子，并且检测具有比第一飞行距离长的第二飞行距离的带电粒子。作为这种结构，例如，至少设置了用于检测第一飞行距离的带电粒子的第一集电体以及用于检测第二飞行距离的带电粒子的第二集电体。此外，例如，检测部件可被配置为利用单个集电体来检测第一飞行距离的带电粒子和第二飞行距离的带电粒子。

基于所检测到的飞行了第一飞行距离的带电粒子数与所检测到的飞行了第二飞行距离的带电粒子数之间的比值以及第一飞行距离(例如，从发生源到第一集电体的距离)和第二飞行距离(例如，从发生源到第二集电体的距离)，来直接获得平均自由程。因此，由于各种可变成分并未包括在用于计算平均自由程的参数中，因此可以精确地获得该平均自由程。此外，与传统情况不同，由于不需要进行用于获得平均自由程的单独测量(质量分析)等，因此可以简单且容易地获得该平均自由程。同时，在本说明书中，“第一集电体”表示特定两个集电体中的用于对相对于诸如离子源等带电粒子的发生源的飞行距离为0以上的第一飞行距离的带电粒子进行检测的集电体。因此，设置在该发生源内部的内部集电体也可以用作第一集电体。

此外，在本说明书中，“第二集电体”是用于对相对于发生源的飞行距离比第一飞行距离长的第二飞行距离的带电粒子进行检测的集电体，其中该集电体相对于发生源的距离大于第一集电体相对于发生源的距离。

此外，在本说明书中，“内部集电体”表示设置于诸如离子源等的带电粒子的发生源内部的集电体。因此，设置于发生源外部的集电体有时被称为“外部集电体”。

在本发明中，当存在两个集电体时，发生源侧的集电体(包括内部集电体)作为第一集电体，并且另一集电体作为第二集电体。另一方面，当存在三个以上的集电体时，这三个以上的集电体的其中一个(包括内部集电体，但不包括离发生源最远的集电体)作为第一集电体，并且位于相对于发生源的、与作为第一集电体的集电体相对于发生源的距离相比更远的距离处的集电体作为第二集电体。

根据本发明，由于可以精确且简单地直接获得平均自由程，因此在利用平均自由程的各种领域中均可应用更加精确的平均自由程的值。例如，在溅射和干法蚀刻中，可以精确且简单地进行与相对于基板或蚀刻面的发散角较小的离子束的入射有关的调节等。

另外，例如，还可适用于测量真空度的领域。

关于真空度的测量

如上所述，可以利用“气体数密度”、“压力”和“平均自由程”这三个量来表示真空度。传统上，真空度是通过利用离子计(电离真空计)等测量气体数密度或者通过利用隔膜真空计等测量压力(单位面积的壁的按压力)所获得的。

在离子计中，使高速电子与作为环境气体的中性分子碰撞以使外层电子弹飞从而使该分子离子化，并将这些离子收集到集电体(检测器)以测量离子量。由于离子量与环境气体的气体数密度成比例，因此在指定电子的能量和量以及电极的形状和电位的情况下，一旦获得了测量离子量和气体数密度之间的关系(换算值)，就可以根据实际测量的离子量来计算气体数密度。

这里，离子量和气体数密度的换算值通常被称为灵敏度。

另一方面，在隔膜真空计中，对存在于环境气体与内部的真空度充分良好的区域之间的隔膜因环境气体的力(压力)而产生的变形量(作为电气容量的大小)进行电气测量。由于该变形量依赖于环境气体的压力，因此以相同的方式，一旦获得了换算值或换算公式，就可以根据该变形量来计算压力。

如上所述，这两者的测量原理不同并且可适用的真空度的区域不同，但这两者的相同之处在于：都根据依赖于真空度(气体数密度/压力)的量(离子量/变形量)通过换算值或换算公式来计算真空度。

因此，正确测量比例量的绝对值以及换算值或换算公式并未改变对于确保精度是非常重要的，但可以说不可能在所有条件下长时间确保这两者。存在如下问题：在真空中，污染在本质上易发生(最初，膜容易粘附以使真空工艺有效)，并且无法通过与已成为一般测量的基准的标准试样的比较或者有无试样的差而消除背景以及变化/干扰要素。

作为对比，在本发明中，由于利用至少两个集电体所检测到的带电粒子数之间的比值以及作为带电粒子的飞行距离的从发生源到集电体的距离来获得平均自由程，因此可以以背景以及变化/干扰要素几乎完全消除的方式来获得该平均自由程。由于该平均自由程表示真空度，因此根据本发明，可以在消除了背景以及变化/干扰要素的情况下精确地获得真空度。

此外，在利用传统的离子计来测量真空度时，由于空间电荷的影响，因此在1Pa以上时精度开始下降，并且10Pa大致是测量极限。另一方面，在利用隔膜真空计来测量真空度时，由于隔膜的变形量微小，因此在1Pa以下时精度开始下降，并且0.1Pa大致是测量极限。在这两个仪器中，由于精度在溅射和干法蚀刻中频繁使用的1Pa前后的真空度时劣化，因此强烈期望能够精确测量该区域的真空度的真空计。

作为对比，在本发明中，几乎与空间电荷无关地直接获得了作为真空度的平均自由程，此外，在无需使用隔膜的情况下，可以在任意真空度下精确地获得该真空度(平均自由程)。结果，可以良好地测量1Pa前后的真空度。

如上所述，传统离子计和隔膜真空计这两者都通过换算值或换算公式将与真空度(气体数密度/压力)成比例的量(离子量/变形量)转换成真空度，并且正确测量比例量的绝对值以及换算值或换算公式并未改变这两者对于确保精度是不可缺少的。然而，本发明的特征性的新测量原理使得可以在不需要确保以上两者并且还消除了干扰要素的情况下获得真空度(平均自由程)的绝对值。

同时，现在，以同一含义频繁使用表示真空的程度的“真空度”和作为真空度的一个表现的“压力”，但在本说明书中，应当严格区分地使用这两者。此外，经常将压力较低(低压)的状态表示为真空度较高(高真空)并将压力较高(高压)的状态表示为真空度较低(低真空)。然而，为了避免混淆，在本说明书中，应当将压力较低的状态表示为“真空度优良”并且应当将压力较高的状态表示为“真空度差”。

以上给出了一般说明，并且将针对各项给出更加具体的说明。

同时，在以下说明中，说明了使用离子作为带电粒子的情况，但无需说明，带电粒子也可以是电子。

1)计算公式

首先，为了使计算简单，认为无论真空度如何，离子源中所产生的离子数都恒定。

由I₀表示衰减之前的离子数，由I_L1表示飞行距离L1的衰减之后的离子数，由I_L2表示飞行距离L2的衰减之后的离子数，并且由λ表示平均自由程。在图1A中示意性示出这些量。

图1A是用于说明本发明的用于在不依赖于真空度的离子源的情况下获得平均自由程的原理的示意图。在图1A中，作为第一集电体的集电体12a配置于相对于离子源11a的距离L1的位置处，并且作为第二集电体的集电体12b配置于相对于离子源11b的距离L2(L2>L1)的位置处。离子源11a和11b各自产生离子数I₀相同的离子。

同时，图1A是示出本发明的原理的概念图，并且示出以下内容：从离子源11a输出的离子飞行了飞行距离L1以输入至集电体12a并且集电体12a检测衰减之后的离子数I_L1，并且从离子源11b输出的离子飞行了飞行距离L2以输入至集电体12b并且集电体12b检测衰减之后的离子数I_L2。因此，在同一区域内(在真空度相同且温度相同的区域内)，集电体12a和12b可以配置于离子的同一飞行轴上(在这种情况下，单个离子源用作离子源11a和离子源11b)，或者如图1A所示，集电体12a和12b可以配置于离子的不同飞行轴上。然而，在后者情况下，优选进行后面要说明的“无衰减校准”。

因而，

I_L1=I₀·exp(-L 1/λ)(1)

I_L2=I₀·exp(-L2/λ) (2)

并且根据公式(1)或(2)获得了以下公式。

λ=-L1/ln(I_L1/I₀)   (3)

λ=-L2/ln(I_L2/I₀)   (4)

同时，“ln”表示自然对数。通过公式(3)和(4)，可以根据一个集电体内的衰减之后的离子数来获得平均自由程λ。

此外，根据公式(1)和(2)获得了以下公式。

λ=(L2-L1)/ln(I_L1/I_L2)(5)

通过公式(5)，可以根据两个集电体之间的衰减之后的离子数的比较来获得平均自由程。同时，由于公式(5)与I₀无关，因此可期待高精度的测量。换言之，当使用公式(5)时，即使在发生不期望的变动的情况下(即使在I₀突然变动的情况下)，由于该变动并未包括在用于获得平均自由程的参数中，因此即使当发生该变动时也可以获得精确的平均自由程。

2)衰减曲线

图1B的图示出由于图1A的飞行所引起的离子数的衰减的状况。横轴表示环境的真空度，并且纵轴表示飞行之后的离子数。同时，以越朝向右侧真空度越差即气体数密度越大的方式示出横轴，并且由于平均自由程与气体数密度成反比，因此在横轴上，越朝向右侧，平均自由程越短(换言之，被认为是平均自由程的倒数)。在图1B中，附图标记13表示示出在飞行距离较短的情况下离子数I_L1和真空度(平均自由程)之间的关系的曲线图，并且附图标记14表示示出在飞行距离较长的情况下离子数I_L2和真空度(平均自由程)之间的关系的曲线图。

当平均自由程充分长于飞行距离(图1B的左半部分)时，离子数恒定、即不依赖于气体数密度，但当平均自由程短于飞行距离(图1B的右半部分)时，飞行之后的离子数减少(衰减)。当真空度从优良状态改变为较差状态(从横轴的左侧移动至右侧)时，衰减开始(准确地为衰减开始明显)时的真空度位于平均自由程变为与飞行距离一样短的时刻。因此，飞行距离较长导致衰减在平均自由程较长(换言之，以较低的气体数密度=更加优良的真空度=横轴的更左侧)处开始。如根据附图标记13和14可以看出，无论飞行距离如何，衰减自身的形状都相同。这些衰减状况的原因在于：在示出飞行之后的离子数的公式(1)和(2)中，L1和λ之间的比值是指数。

3)存在真空度依赖性的情况

在公式(1)~(5)中，假定离子源中所产生的离子数不依赖于真空度，但在离子计以及基于最普遍的离子计的离子源中，离子数根据真空度而改变。即，在具体说明的情况下，如图2B的左侧部分那样，离子电流的变化具有通过将图1B的曲线乘以真空度的比例分量所给出的形状。图2A是用于说明本发明的用于在离子电流依赖于真空度的离子源的情况下获得平均自由程的原理的示意图，并且图2B是用于说明离子数由于飞行而衰减的状况的图。

在图2A中，真空度依赖型的离子源21a包括栅格22a和丝23a，并且在相对于离子源21a的距离L1的位置处配置有作为第一集电体的集电体24a。将从离子源21a输出的离子束25输入至集电体24a。此外，真空度依赖型的离子源21b包括栅格22b和丝23b，并且在相对于离子源21b的距离L2的位置处配置有作为第二集电体的集电体24b。将从离子源21b输出的离子束25输入至集电体24b。

同时，图2A是以与图1A相同的方式示出本发明的原理的概念图。因此，在同一区域中(在真空度相同且温度相同的区域中)，集电体24a和24b可以配置于离子的同一飞行轴上(在这种情况下，单个离子源用作离子源21a和离子源21b)，或者如图2A所示，集电体24a和24b可以配置于离子的不同飞行轴上。然而，在后者情况下，优选进行后面要说明的“无衰减校准”。

在图2B中，附图标记26表示示出离子源的在衰减之前即在假定无碰撞的情况下的离子电流与真空度之间的关系的曲线图，附图标记27表示示出在飞行距离较短的情况下衰减之后的离子电流(集电体24a所检测到的离子电流)与真空度之间的关系的曲线图，并且附图标记28表示示出在飞行距离较长的情况下衰减之后的离子电流(集电体24b所检测到的离子电流)与真空度之间的关系的曲线图。

如上所述，即使在离子源依赖于真空度的情况下，在公式(3)和(4)中，自然对数中的分母也为I₀，同时作为分子的I_L1和I_L2与I₀成比例，因此即使I₀依赖于真空度，也没有关系。此外，在公式(5)中，消除了原本存在的I₀。结果，即使在使用具有真空度依赖性的离子源的情况下，作为计算公式，也可以直接使用公式(3)、(4)和(5)。

4)具有真空度依赖性的离子源

由于图2A所示的具有真空度依赖性的离子源21a和21b为一般离子源，因此对这些离子源进行说明。离子源21a为圆筒形，并且包括诸如格子状等的允许电子透过的形状的栅格22a以及通过加热来发射热电子的丝23a。向栅格22a施加+100V的电压，并且向丝23a施加约+30V的电压。从丝23a发射的电子向着栅格22a行进，并且大部分电子侵入栅格22a的内部并在内部与环境气体碰撞以产生正电荷的离子。由于大致以栅格22a的电位(+100V)产生这些离子，因此这些离子向着地电位的集电体24a行进，并且流向集电体24a的电流是所产生的离子数(离子电流)。同时，离子源21b相同。

为了获得飞行之前的离子数I₀，将集电体(内部集电体)插入栅格22a和22b内以测量离子电流。该结构与作为B-A计而众所周知的离子计相同。图3是用于说明(离子源的)衰减之前的离子数I₀(离子电流)的测量的图。如图3所示，通过将内部集电体31插入栅格22a(22b)内、使丝23a(23b)发射电子以产生离子并利用内部集电体31测量这些离子，可以获得离子数I₀。

为了获得飞行之后的离子数I_L1和I_L2，通过将集电体(外部集电体)配置于与栅格22a和22b分开特定距离的位置处来测量离子电流。这种结构为图2A所示的结构。

5)用于获得平均自由程的第一种方法

示出用于使用具有真空度依赖性的离子源来获得平均自由程的方法。然而，为了简单，假定满足以下三点。

α：测量所用的离子源位于真空度相同且温度相同的区域内。

β：测量所用的离子源产生相同的离子数。

γ：各个集电体(检测器)的离子检测效率相等。

图4示出与图2B相同的图，但示出了具体数字。在图4中，横轴表示以Pa为单位示出的真空度(约100,000Pa是大气压)。纵轴表示离子电流并且以任意单位示出。

此外，在图4的情况下，在图2A中，较短的飞行距离L1为8mm并且较长的飞行距离L2为60mm，示出了各个因飞行而衰减的离子电流。由直线示出衰减之前的离子电流。作为气体，使用N₂。

即，在图4中，附图标记41表示示出离子源的衰减之前即利用内部集电体31所检测到的离子电流与真空度之间的关系的曲线图。附图标记42表示示出衰减之后且飞行距离L1=8mm时的离子电流(集电体24a所检测到的离子电流)与真空度之间的关系的曲线图。此外，附图标记43表示示出衰减之后且飞行距离L2=60mm时的离子电流(集电体24b所检测到的离子电流)与真空度之间的关系的曲线图。

在图4中，假定真空度存在于线A(0.1Pa)上。根据图4，在该真空度下，利用内部集电体31得出在衰减之前的离子电流为1.1(采用任意单位，以下相同)，并且利用集电体24b得出在由于离子飞行了60mm所引起的衰减之后的离子电流为0.4。将这两者代入公式(4)得到以下公式，

λ=-60/ln(0.4/1.1)=60

并且平均自由程计算为60mm(在这种情况下，由于平均自由程和飞行距离相同，因此离子电流衰减为1/e：0.37倍)。

此外，在图4中，假定真空度存在于线B(0.2Pa)上。根据图4，在该真空度下，利用内部集电体31得出在衰减之前的离子电流为2.4，并且利用集电体24b得出在由于离子飞行了60mm所引起的衰减之后的离子电流为0.33。将这两者代入公式(4)得到以下公式，

λ=-60/ln(0.33/2.4)=30

并且平均自由程计算为30mm。

另一方面，在图4中，当假定真空度存在于线C(1Pa)上时，由于因飞行距离60mm所引起的衰减较大并且在测量中可能发生误差，因此使用飞行距离8mm处的值。根据图4，在该真空度下，利用内部集电体31得出在衰减之前的离子电流为12，并且利用集电体24a得出在由于离子飞行了8mm所引起的衰减之后的离子电流为3.3。将这两者代入公式(3)得到以下公式，

λ=-8/ln(3.3/12)=6

并且平均自由程计算为6mm。

此外，在图4中，假定真空度存在于线D(2Pa)上。根据图4，在该真空度下，利用内部集电体31得出在衰减之前的离子电流为25，并且利用集电体24a得出在由于离子飞行了8mm所引起的衰减之后的离子电流为1.8。将这两者代入公式(3)得到以下公式，

λ=-8/ln(1.8/25)=3

并且平均自由程计算为3mm。

6)用于获得平均自由程的第二种方法

在上述计算中，将飞行距离0处的值设置为衰减之前的值，但在关注由于集电体24a和集电体24b之间的飞行所引起的衰减的情况下，还可以将利用集电体24a所得的值设置为衰减之前的值，并将利用集电体24b所得的值设置为衰减之后的值。在这种情况下，由于不存在诸如从离子源引出的效率等的影响，因此得出较高的精度。这与公式(5)相对应。

在图4中，当假定真空度存在于线B(0.2Pa)上时，根据图4，由于利用集电体24a得到离子电流为1.8并且利用集电体24b得到离子电流为0.33，因此根据公式(5)得到以下公式，

λ=(60-8)/ln(0.33/1.8)=30

并且平均自由程计算为30mm。

同时，图4的虚线44是飞行距离为52mm处的衰减曲线，并且使用该虚线44以及公式(3)得到相同的值(在数学上相当)。

7)平均自由程、气体数密度和压力

可以通过以下公式来对表示真空度的平均自由程、气体数密度和压力这三者进行转换。

气体数密度：n=K1·1/(d²·λ)    (6)

压力：P=K2·n·T=K3·T/(d²·λ) (7)

其中，λ表示平均自由程(m)，d表示主成分的分子直径(m)，T表示温度(绝对温度：K)，并且P(压力)的单位是Pa(1N/m²)。关于常数，

K2=1.38×10^-23J/K(玻尔兹曼常数)，并且K3=K1·K2。

即，为了从平均自由程转换成气体数密度，需要分子直径，并且必须已知气体的种类。在混合气体的情况下，需要针对每种气体进行计算。此外，为了转换成压力，还需要温度。

同时，由于分子直径应当是与碰撞有关的值(有效直径)，因此严格来说，中性分子自身之间的平均自由程不同于离子与中性分子之间的平均自由程，并且该平均自由程还根据离子的动能(速度)而改变，但实际上这两者可被看作相同。然而，由于后面要说明的电子的有效直径显著不同，因此电子的平均自由程变为5.6倍。

8)复合型的离子源

如果一个离子源可以用作用于测量飞行距离为0的离子的离子源(B-A计)和外部集电体要检测的离子的输出源这两者，则在上述假设中，不仅确实满足要求“α：测量所用的离子源位于真空度相同且温度相同的区域内”，还基本满足要求“β：测量所用的离子源产生相同的离子数”。在经济性、操作性和大小方面上的优势也较大。

作为这种离子源，采用专利文献3所公开的复合型的离子源。该复合型的离子源在基本结构方面与通常的B-A计相同，并且包括用于发射热电子的丝、用于引入电子以在内部产生离子的栅格以及所产生的离子流入其内的集电体。然而，在通常的B-A计中，将集电体的长度设置为与栅格的长度(轴方向上的长度)大致相等(不小于4/5)，但在复合型的离子源中，将集电体的长度设置为比栅格的长度短，优选为一半。通常的B-A计中的这些(集电体长度)结构的目的在于尽可能多地收集栅格内所产生的离子，但这些结构并非是真空计的必要特性。此外，在集电体变为一半的复合型的离子源中，尽管灵敏度(换算值)约为一半，但作为真空计也可以确保充分的实用性能。

另一方面，作为离子源(即，用于引出和利用离子的装置)，复合型的离子源也确保了充分的实用性能。此外，完全不具有集电体的离子源(被称为B-A型的离子源)为一般离子源，并且与这些离子源相比较，就作为离子源的性能(离子量等)方面而言，复合型的离子源已被确认为充分发挥了作为离子源的功能。

其原因在于：丝的长度与栅格的长度(轴方向上的长度)大致相同，并且电子在整个轴方向上以大致均匀的量入射到栅格内部，从而在整个轴方向上大致均匀地产生离子。此外，当集电体的长度与栅格的长度大致相等时，所生成的几乎所有离子都流入集电体内。另一方面，当集电体的长度仅为栅格长度的一半时，仅将大致一半的离子收集到集电体，并且其它离子在轴方向上被排出到栅格外部。

可以确认为，除了作为真空计的灵敏度(换算值)为传统离子源的灵敏度的一半以外，复合型的离子源具有与传统离子源的性能大致相同的性能并且充分发挥了作为离子源的功能。

此外，由于将量与内部集电体所测量出的离子量大致相同的离子作为束发射到外部，因此可以利用内部集电体来测量衰减之前的离子电流I₀。然而，严格来说数量并非完全相同，并且期望通过后面要说明的“无衰减校准”来校正该差。

同时，在第一实施例～第三实施例(图5~7)中，采用复合型的离子源。

9)使第一集电体(集电体12a、24a等)可透过

在该测量方法中，必然需要两个以上的集电体(检测器)，但针对各个集电体均准备离子源(离子束)不切实际。为了解决该问题，针对一个离子源(离子束)串联配置两个集电体(将两个集电体配置在离子的同一飞行轴上)，并且利用更靠近离子源的第一集电体来检测一部分离子而允许其余离子直接穿过以向着位于比第一集电体远的位置处的第二集电体行进，这样就足够了。例如，对于第一集电体，给出了网格状、狭缝状或具有至少一个小窗的结构。可选地，第一集电体可以是已形成为薄膜的导电性构件(例如，硅薄膜)。在预定条件下，当带电粒子入射到导电性薄膜时，该导电性薄膜俘获到带电粒子中的一部分，并且其它部分直接透过该膜。如上所述，在本发明中，作为透过型的第一集电体，可以使用任何构件，只要该构件可以检测到入射的带电粒子中的一部分并允许其它部分透过该构件即可。此外，为了计算平均自由程，基于第一集电体对离子的检测率来校准原本的电流。

结果，由于在使用相同离子束的情况下可以获知由于不同的飞行距离所引起的衰减，因此不仅从经济和大小的角度而且从性能角度都可以预期大幅的改进。换言之，即使离子束的特性(诸如强度和离子种类等)改变，由于以相同方式影响这两个集电体，因此该变化与测量结果并不相关。

对于平均自由程的计算，尽管需要两个集电体的检测效率相等(前提γ)，但还可以预先获得各个检测效率并使用这些效率来校准测量值。实际上，当预先获得了真空度充分优良(没有发生衰减)的情况下的两个集电体的离子电流之间的比值时，由于分别用作原始的检测效率，因此将测量值除以该值是有效的。例如，假定如下的结构：在第一集电体处测量出40%的离子，并且其余60%的离子直接透过以到达第二集电体，从而在第二集电体处进行测量。在该结构中，不存在衰减(没有与环境气体碰撞)的情况下的第一集电体和第二集电体之间的比值自然地为4:6。在该结构中，如果在存在衰减的情况下离子电流比值变为8:2，则可以将I_L1:I_L2计算为2(=8÷4):0.33(=2÷6)。通常，当不存在衰减的情况得到了a:b并且存在衰减的情况得到了d:e时，I_L1:I_L2为(d/a):(e/b)。

这样可以大致满足上述要求“β：测量所用的离子源产生相同的离子数”以及“γ：各个集电体的离子检测效率相等”。同时，尽管可以根据诸如网格的透过系数(或小窗的面积比率)等的设计数据来估计无衰减的离子电流比值，但还可以通过实际测量来更加精确地确定该离子电流比值(下一项中的无衰减校准)。

在第一实施例~第八实施例(图5~7、9~11、13~15)中，采用透过型的第一集电体。

10)无衰减校准

为了实现更高的精度，不仅需要对第9)项中透过型的第一集电体的物理离子检测的比率进行校准，还需要对电气检测比率(两个测量电路的放大率之差)进行校准。此外，当要使用I₀(内部集电体的值)时，必须进行针对内部集电体和外部集电体的比率校准。特别地，在污染明显的环境中，担心透过型的第一集电体的开口(例如，网格)的透过系数改变。

然而，可以利用以下方法来容易地对所有这些因素进行校准。首先，在衰减可忽略的优良真空度的状态下测量利用各个集电体所得的离子电流，并且预先将该值设置为初始值(无衰减的值)。然后，在实际测量中，在将实际测量得到的各个离子电流标准化为通过将这些离子电流除以初始值所获得的值之后，进行计算。以与第9)项相同的方式，在无衰减的a:b以及存在衰减的d:e的情况下，I_L1:I_L2为(d/a):(e/b)。

用于获得初始值的处理应当被称为“无衰减校准”。换言之，该无衰减校准是如下过程：利用在第一真空度的状态(例如，优良真空度的状态)下由第一集电体和第二集电体所检测到的带电粒子数的比值来校准在第二真空度的状态(例如，比第一真空度差的真空度的状态)下由第一集电体和第二集电体所检测到的带电粒子数的比值。

关于无衰减校准所需的真空度，需要衰减通常不大于1/10的状态。即，当飞行距离为60mm时，需要不大于0.005Pa(根据图4，已知在0.005Pa下，L=60mm的衰减之后的曲线图和L=0mm的衰减之前的曲线图(在图4中，附图标记41)彼此基本一致，并且衰减很少)，但在溅射方法中，由于有必要暂时设置优良真空度的状态、然后引入气体并且处理开始，因此还可以进行设置，以使得按周期自动进行无衰减校准。

11)真空度范围

从读取误差的角度，在要进行测量的真空度范围中，期望两个飞行距离的离子电流之间的比值通常不小于1.2倍且不大于100倍，换言之，两个飞行距离之差约为平均自由程的0.2倍~4倍(根据ln(I_L1/I_L2)=(L2-L1)/λ以及ln 1.2=0.18<0.2和ln 100=4.6>4，计算出约为0.2倍和4倍程度的值)。例如，当相对于第一集电体和第二集电体的飞行距离分别为第一飞行距离8mm和第二飞行距离60mm时，两个飞行距离之差为52mm。然后，由于期望52mm(飞行距离之差)落入平均自由程的约0.2倍~4倍内，因此真空度的适用范围是如下范围，其中该范围假定平均自由程为52mm的5倍(0.2的倒数)~0.25倍(4的倒数)、即平均自由程为260mm~13mm。在用压力表示的情况下，该范围为0.03Pa~0.5Pa。

当使用内部集电体(飞行距离为0mm)和第一集电体(飞行距离为8mm)时，飞行距离之差为8mm，并且以与上述相同的方式，假定平均自由程为5倍~0.25倍、即40mm~2mm的真空度为可适用范围。在用压力表示的情况下，该范围为0.15Pa~3Pa。

12)真空计校准

在上述第11)项中，由真空度范围所表示的范围是直接测量平均自由程的情况下的范围，但在复合型的离子源中与离子计功能的组合使用可以进一步扩大真空度范围。即，在通常的离子计的测量范围中、即在诸如约1Pa~10^-8Pa等的较宽范围中，可以极其精确地测量真空度。如上述第8)项所示，除了复合型的离子源具有一半的灵敏度(换算值)以外，复合型的离子源的功能/性能与作为传统真空计的离子计(B-A计)的功能/性能相同。然而，原本地，离子计(B-A计)具有在几个数量级以上的较宽范围内保持线性度的优良性能，但另一方面，存在灵敏度(换算值)、即信号量的绝对值易改变的缺陷。图4中示出“衰减之前的离子电流(离子源)”的曲线图41的右45度线与离子计的真空度表现相对应，其中“线性度优良”表示该线笔直并且“灵敏度(换算值)易改变”表示整条线的上下位置容易偏移(由于图4示出双对数图，因此上下位置偏移，但在通常的图中，“线性度改变”表示斜率改变)。

然而，在根据本发明的方法中，尽管测量范围本身较窄，但所获得的真空度非常精确，因此可以在与同时测量出的离子计的值进行比较的情况下使作为离子计的正确灵敏度(换算值)的换算值清楚。换言之，可以正确地重置整条线的上下位置。用于校准其它真空计(仪器)的灵敏度(换算值)的处理应当被称为“真空计校准”。

同时，在已实现精确已知其真空度的值的状态下进行通常的真空度校准。例如，假定首先利用可靠的另一部件将真空度精确设置为α(Pa)，然后测量要校准的真空计的信号(离子计中的离子电流)以得出β(μA)，并且将真空计的灵敏度(换算值)确定为“α/β(Pa/μA)”。之后，在灵敏度(换算值)并未改变的假设下，应当将利用真空计所测量出的X μA设置为X·α/β(Pa)。然而，准备能够确保初始的α(Pa)的“可靠的另一部件”十分困难，并且需要利用更加可靠的其它部件对该部件自身进行校准。

作为对比，在根据本发明的真空计校准中，无需获知真空度，并且容许任意的真空度，只要该真空度包括在发生衰减的范围内即可。然而，必须获知气体的种类。换言之，当真空度落入由第11)项中的真空度范围所示出的范围内时，可以精确地计算出平均自由程，因此可以使用该值来进行校准。例如，当假定真空度未知但N₂的引入已导致平均自由程为60mm时，可以确定压力为1Pa。因此，对调整部件进行调整以使得要校准的另一真空计的显示器显示1(Pa)，这样就足够了。在这种情况下，要求了飞行距离的准确度，但可以容易地实现该准确度。之后，以与通常的校准相同的方式进行校准。

如上所述，本发明所进行的校准不需要特殊装置，另外，可以在较短时间内进行该校准。结果，还可以将真空计校准设置为在实际测量时自动进行。即，在诸如溅射等的大多数工艺中，利用预定气体发生衰减时的真空度，并且在此时进行校准。

13)电子的利用

作为要衰减的带电粒子，不仅可以利用离子还可以利用电子。由于电子的直径较小由此得出平均自由程约为离子的平均自由程的5.6倍，因此当飞行距离相同时，电子可适用于与离子情况相比优良5倍的真空度的测量。用于产生电子的最常用方法是热丝系统，但作为其它电子源，还可以使用诸如间接加热氧化物和场发射型等的任意方法，只要该方法可以产生电子即可。在第六实施例～第十实施例(图11、13~16)中，利用了电子。

14)应对杂散离子和杂散电子的措施

已与环境气体(中性分子)碰撞的离子或电子并未消失，而是仅失去动能并作为杂散离子或杂散电子残留和漂浮在飞行空间中。

结果，当无法快速消除诸如杂散离子和杂散电子等的杂散带电粒子时，这些杂散带电粒子到达集电体并且可能在带电粒子量的测量中引起误差。应对该情况的措施之一是机械措施，并且以如下的方式进行测量：不允许与测量无关的带电粒子进入飞行区域，禁止已失去能量的带电粒子出现于集电体前方，或者在飞行区域附近配置地电位(或略小于0的负电位)的板以吸收杂散带电粒子。在第二实施例和第四实施例～第八实施例(图5、9、10、11和13)中采用该机械方法。

另一措施是电气措施，并且代替通常的直流(DC)，使用锁定(调制同步型)放大器来进行对离子电流(电子电流)的测量。由于对离子(电子)的产生进行调制(间断)并且锁定(调制同步型)放大器仅检测到已与产生同步的交流成分，因此仅可以检测到没有与环境气体碰撞的离子(电子)(在第三实施例中详细进行说明)。锁定(调制同步型)放大器系统在无法配置吸收板并且除碰撞离子(电子)以外特定干扰电流也侵入的情况下是有效的。在第三实施例、第九实施例和第十实施例(图7、8、15和16)中采用该电气方法。

15)精度的劣化原因

精度的劣化原因是存在“除飞行距离以外的真空度依赖性”，并且按照如下考虑可能性以及应对措施。

[1]离子引出效率可能改变，并且使用公式(5)等作为应对措施。

[2]离子张角可能改变，并且通过设置孔径或使用比离子束小的集电体来限制检测角度作为应对措施。在第二实施例、第三实施例以及第四实施例～第九实施例(图6、7、9~11和13~15)中采用该应对措施。

[3]除与分子碰撞以外，诸如离子的库伦(Coulomb)力发散(空间电荷效应)以及中性分子的引出等的原因均有可能，并且针对这些原因，减少离子电流或提高离子的能量(达到不发生离子化的程度)是应对措施。

16)关于控制部

在后面所述的各个实施例中进行说明的用于测量平均自由程的装置1007可以内置于图16所示的控制部1000内。此外，可以经由接口与该控制部相连接。

图16是示出根据本发明一个实施例的控制系统的示意结构的框图。

在图16中，附图标记1000表示作为用于控制装置1007整体的控制部件的控制部。控制部1000具有：CPU 1001，用于执行诸如各种计算、控制和判断等的处理操作；以及ROM 1002，用于存储CPU 1001要执行的各种控制程序等。此外，控制部1000还具有：RAM 1003，用于临时存储CPU 1001的处理操作期间的数据以及输入数据；以及诸如闪速存储器和SRAM等的非易失性存储器1004等。

此外，控制部1000连接有：包括键盘或各种开关的输入操作部1005，用于输入预定命令或数据；以及显示部1006(例如，显示器)，用于进行包括装置1007的输入/设置状态的各种显示。

第一实施例

图5是示出根据本发明第一实施例的用于测量平均自由程的装置1007的图，其中使用复合型的离子源和透过型的集电体。将图5所示的装置1007整体配置于要测量的环境气体中。然而，该图所示的电流计是示意性的，并且实际上配置于环境气体的外部。此外，尽管该图没有示出，但利用作为真空计而众所周知的方法来安装/固定各个电极，并且使所连接的配线导通至空气侧。例如，将各个电极旋拧至绝缘石(陶瓷等)，并且电焊配线(镍线等)经由玻璃密封的导入端子一直延伸至空气侧的控制装置。

在图5中，作为真空计的用于测量平均自由程的装置1007包括复合型的离子源100、透过型的集电体202、以及集电体203。集电体202和203配置于从离子源100输出的离子110的离子飞行轴上。此外，对集电体202进行设置，以使得从离子源100的离子发射面到集电体202的离子检测面的距离为La。因此，集电体202检测到相对于离子源100的飞行距离为La的离子。此外，对集电体203进行设置，以使得从离子源100的离子发射面到集电体203的离子检测面的距离为Lb。因此，集电体203检测到相对于离子源100的飞行距离为Lb的离子。

复合型的离子源100具有：栅格102，其为圆筒形(φ约为10mm、长度约为30mm)且采用诸如格子状(栅格间隔为3mm、透过系数约为95%)等的允许电子透过的形状；丝101，其由φ约为0.2mm的钨线制成，并且在被加热至1800度以上时发射热电子；以及内部集电体201，其由φ约为0.1mm的钨线制成。

向栅格102施加约+100V的电压，向丝101施加约+30V的电压，并且将内部集电体201设置为地电位(接地/地电压。具体地，作为整个真空计的基电位的0V)。从丝101发射的电子向着栅格102行进，并且这些电子中的大部分侵入栅格102的内部，并且在栅格102内与环境气体碰撞以产生正电荷的离子110。由于离子110是大致以栅格102的电位(+100V)所产生，因此这些离子中的一部分流入地电位的内部集电体201内。如上所述，内部集电体201检测衰减之前的离子数作为离子数I_c。然而，由于内部集电体201的长度约为栅格102的轴方向距离的一半并且栅格102的另一端(与集电体202和203相对的一侧)保持开放，因此没有流入内部集电体201的其它离子110被排出到离子源100外部并且向着地电位的集电体202行进。在飞向集电体202期间已与环境气体(中性分子)碰撞的离子110失去动能并且没有到达集电体202，但离子110中的一部分没有发生碰撞并且到达集电体202以被测量为离子电流。即，集电体202检测到在飞行了飞行距离La之后已衰减的离子数I_a。

由于集电体202是以网格状形成的透过型集电体，因此已到达集电体202的位置的离子110的大部分直接向着集电体203行进。与还存在于集电体202和集电体203之间的环境气体发生了碰撞的离子110没有到达集电体203，但离子110中的一部分没有发生碰撞并且到达集电体203以被测量为离子电流。

即，集电体203检测到在飞行了飞行距离Lb之后已衰减的离子数I_b。

集电体202的网格间隔约为0.3mm并且透过系数约为50%。由SUS等制成的网格形状是适当的。集电体203是由诸如SUS等制成的简单金属板。

必须与适用的真空度相对应地选择飞行距离，并且在本实施例中，为了可以进行约1Pa的真空度的测量，将离子源100和集电体202之间的距离La设置为8mm，并将离子源100和集电体203之间的距离Lb设置为60mm。由于距离的误差直接变为测量结果的误差，因此距离精确并且在长时间内不改变很重要。同时，在本实施例中，将距离La和距离Lb的值存储在非易失性存储器1004中。因此，非易失性存储器1004保持如下内容：距离La为8mm并且距离Lb为60mm。此外，由于在离子源100内部设置有内部集电体201，因此离子源100和内部集电体201之间的距离Lc为0。

因此，非易失性存储器1004还存储距离Lc的值(=0mm)。

离子电流和离子束直径并未与测量结果直接相关并且是任意的，但通常将离子电流设置为约1μA(10^-6A)，将离子能量设置为约100eV，并将离子束直径设置为约几mm。电流测量是通常的直流(DC)测量，并且可以以不大于0.1秒的应答速度检测约1nA(10^-9A)~1μA就足够了。然而，由于期望内部集电体201所测量的真空度能够比B-A计所测量的真空度更优良，因此即使应答慢，也期望可以测量出1pA(10^-12A)。

当需要进行高精度的测量时，在计算之前进行“无衰减校准”。这是对透过型的集电体202处的离子110的检测比率、两个测量电路的放大率、以及内部集电体201的离子检测比率进行校准，并且需要设置环境气体的真空度的衰减不大于1/10的状态。在本实施例中，由于飞行距离Lb为60mm，因此需要不大于0.005Pa(根据纵轴表示离子电流且横轴表示真空度的图4，在0.005Pa处，L=60mm的离子衰减之后的曲线图43与0mm的衰减之前的曲线图41基本一致，据此得知即使在作为0.013Pa处的平均自由程的飞行距离60mm的情况下也几乎没有发生衰减)。将除真空度以外的条件设置为与实际测量相同，并且将利用各个集电体所得的离子电流设置为无衰减的初始值。此外，将实际测量得到的各个离子电流标准化为通过将离子电流除以该初始值所获得的值，以用于进行计算。换言之，在无衰减校准用的测量中，内部集电体201检测离子数I_c′，集电体202检测离子数I_a′，并且集电体203检测离子数I_b′。将所检测到的各个离子数I_a′、离子数I_b′和离子数I_c′存储在非易失性存储器1004中。因此，当进行无衰减校准时，控制部1000适当地读出作为初始值存储在非易失性存储器1004中的离子数I_a′、离子数I_b′和离子数I_c′，并将各个测量值分别标准化成通过将各测量值除以所读出的初始值所获得的值，由此进行无衰减校准。

平均自由程的测量的基本过程如下。

首先，对丝101进行加热，以设置成使得适当值的电子到达栅格(并非必须精确得知该值并且并非必须严格将该值设置为恒定)。即，控制部1000对装置1007进行控制以使得离子源100产生离子110。

接着，对分别流入内部集电体201、集电体202和集电体203内的离子的量(离子数I_c、离子数I_a和离子数I_b)进行测量。即，控制部1000对装置1007进行控制从而利用内部集电体201、集电体202和集电体203来检测离子，并且从装置1007获得所检测到的离子数I_c、离子数I_a和离子数I_b以将这些离子数存储在RAM1003中。

最后，在使用公式(3)~(5)的情况下适当地使用所获得的离子数I_c、离子数I_a和离子数I_b以计算平均自由程。其中，当离子量的比值落入1.2倍~100倍内时，将该比值设置为确定值。换言之，控制部1000读出与平均自由程的计算要使用的公式相对应的信息并进行该计算。

例如，当使用公式(3)来进行计算时，内部集电体201用作第一集电体，并且集电体202用作第二集电体。此外，离子数I_c变为离子数I₀，离子数I_a变为离子数I_L1，并且距离La变为飞行距离L1。因此，控制部1000从非易失性存储器1004中读出距离La，从RAM 1003中读出离子数I_c和I_a，并基于所读出的这些值来根据公式(3)计算平均自由程。

此外，当使用公式(4)来进行计算时，集电体201用作第一集电体，并且集电体203用作第二集电体。离子数I_c变为离子数I₀，离子数I_b变为离子数I_L2，并且距离Lb变为飞行距离L2。因此，控制部1000从非易失性存储器1004中读出距离Lb，从RAM1003中读出离子数I_c和I_b，并基于所读出的这些值来根据公式(4)计算平均自由程。

此外，当使用公式(5)来进行计算时，存在模式A和模式B，其中在模式A中，集电体202用作第一集电体并且集电体203用作第二集电体，在模式B中，内部集电体201用作第一集电体并且集电体202用作第二集电体。

模式A的情况

离子数I_a用作离子数I_L1，离子数I_b变为离子数I_L2，距离La变为飞行距离L1，并且距离Lb变为飞行距离L2。因此，控制部1000从非易失性存储器1004中读出距离La和Lb，从RAM 1003中读出离子数I_a和I_b，并基于所读出的这些值来根据公式(5)计算平均自由程。

模式B的情况

离子数I_c变为离子数I_L1，离子数I_a变为离子数I_L2，距离Lc变为飞行距离L 1，并且距离La变为飞行距离L2。因此，控制部1000从非易失性存储器1004中读出距离Lc和La，从RAM 1003中读出离子数I_c和I_a，并基于所读出的这些值来根据公式(5)计算平均自由程。

如上所述，与要使用的公式相对应地，确定所需的测量值。因此，控制部1000根据计算中要使用的公式(即，根据被设置为用于进行计算的公式)来适当地选择和读出各个距离和离子数，并进行该计算。同时，用户可以经由输入操作部1005来进行对要使用的公式的设置。

控制部1000还可以在获得平均自由程时进行无衰减校准。

当进行无衰减校准时，控制部1000根据要使用的公式来从非易失性存储器1004中适当地读出作为初始值的离子数I_a′、离子数I_b′和离子数I_c′，以使用所读出的这些值来进行无衰减校准。例如，当要使用公式(5)时，控制部1000从非易失性存储器1004中读出离子数I_a′和离子数I_b′，使用这两者来进行离子数I_a/离子数I_a′以及离子数I_b/离子数I_b′的标准化，以进行无衰减校准。

同时，控制部1000可以使通过该计算所获得的平均自由程显示在显示部1006上。通过如上所述的显示，用户可以获知此时的真空度。

控制部1000还可以基于所获得的上述平均自由程来根据公式(7)计算与该平均自由程相对应的压力。在这种情况下，对装置1007设置作为用于对装置1007的测量区域的温度进行测量的温度测量部件的温度计，以对装置1007的测量系统的温度进行测量。当气体成分已知时，根据该气体成分的文献数据来获得分子的直径，并且当该成分未知时，利用质谱仪来确定该成分并根据该成分的文献数据来获得分子的直径。换言之，控制部1000可以将直接获得的平均自由程转换成压力，并使转换得到的压力显示在显示部1006上。同时，当成分未知并且质谱仪不可用时，使用N₂的直径来进行计算并将计算结果设置为N₂换算的压力值(N₂换算的压力值是离子计中广泛利用的方法)。

同时，在本实施例中，控制部1000计算平均自由程，但还可使用独立于控制部1000的运算装置(例如，诸如计算机和科学电子计算器等)。换言之，在本发明中，使用比值来获得平均自由程很重要，并且为此，本质在于：使用相对于离子源的距离不同的至少两个集电体，并使用这些集电体所检测到的离子数来根据公式(3)~(5)中的任意公式获得平均自由程。因此，要在何处进行用于获得平均自由程的计算并无任何差别。

在本实施例中，作为离子源100与各个集电体之间的距离的距离La、Lb和Lc是已知的。此外，将各个集电体所检测到的离子数I_a、I_b和I_c保持在RAM 1003这样的存储部件中。因此，当利用控制部1000来获得平均自由程时，可以如上所述进行计算。即，控制部1000从这些存储部件中获得计算平均自由程所需的距离La、Lb和Lc以及离子数I_a、I_b和I_c，以根据公式(3)~(5)中的任意公式来进行计算。

此外，当利用与控制部1000分开设置的计算机来进行计算时以及当该计算机经由网络与控制部1000相连接时，控制部1000发送表示各个集电体所检测到的并存储在RAM 1003中的离子数I_a、I_b和I_c的信息以及表示存储在非易失性存储器1004中的距离La、Lb和Lc的信息，这样就足够了。该计算机通过网络接口等获得这些信息。之后，该计算机可以使用所获得的各信息从而在以与控制部1000相同的方式进行计算的情况下获取平均自由程。

当计算机没有经由网络与控制部1000相连接时，控制部1000将各个集电体所检测到的并存储在RAM 1003中的离子数I_a、I_b和I_c以及存储在非易失性存储器1004中的距离La、Lb和Lc分别显示在显示部1006上，这样就足够了。通过这样进行显示，用户可以使用诸如键盘等的输入部件来将所显示的各信息输入至与控制部1000分开设置的计算机，并使该计算机进行公式(3)~(5)中的任意公式的计算。此时，分开设置的计算机根据利用输入部件的用户输入来获得计算平均自由程所需的距离La、Lb和Lc以及离子数I_a、I_b和I_c，并进行公式(3)~(5)中的任意公式的计算。

此外，通过显示，用户可以基于所显示的信息利用科学电子计算器来进行公式(3)~(5)中的任意公式的计算，以获取平均自由程。在这种情况下，科学电子计算器通过利用该科学电子计算器所拥有的数字小键盘的用户输入来获得计算平均自由程所需的距离La、Lb和Lc以及离子数I_a、I_b和I_c，并进行公式(3)~(5)中的任意公式的计算。

如上所述，在本实施例中，获得了由具有图5所示的本实施例的特征性的装置结构的各个集电体所检测到的离子数I_a、I_b和I_c，并将这些离子数存储在存储部件中。此外，通过适当地读出所存储的离子数以进行上述预定处理，可以进行公式(3)~(5)的计算以精确且简单地获取平均自由程。

此外，可以对本实施例进行配置，以使得将所检测到的离子数(离子电流)显示在与图5的各个集电体相连接的电流计上。在这种情况下，用户经由输入操作部1005将电流计上所显示的值以及与这些值相对应的飞行距离输入至控制部1000，并且进一步输入用于计算平均自由程的指示。基于该用户输入，控制部1000获得离子的飞行距离和离子数，并且根据该用于计算的指示来基于公式(3)~(5)中的任意公式进行平均自由程的计算。可选地，用户可以将电流计上所显示的值输入至科学电子计算器。在这种情况下，该科学电子计算器根据用户输入来获得离子的飞行距离和衰减之后的离子数，并且该科学电子计算器可以执行公式(3)~(5)中的任意公式。

在本实施例中，使用复合型的离子源100，其中该复合型的离子源100发挥了作为离子计的用于测量较宽测量范围的真空度的功能。因此，在进行测量平均自由程并且同时基于离子计功能来测量真空度以对真空计的灵敏度(换算值)进行校准的“真空计校准”时，也可以在离子计的测量范围内、即在约为1Pa~10^-8Pa的较宽范围内进行极其精确的真空度测量。在该“真空计校准”中，在将真空度维持在因已知的气体种类而发生衰减的水平的情况下，进行利用上述方法的平均自由程的测量以及利用离子计功能的真空度(压力)的测量，并且控制部1000通过公式(7)来比较这两个测量结果以对离子计功能的灵敏度(换算值)进行校准。进行校准时的真空度可以是任意(未知)值，只要可以测量平均自由程即可。

如上所述，在本实施例中，利用复合型的离子源和透过型的集电体来实现显著的简化，并且通过“无衰减校准”和“真空计校准”使得可以进行较高精度和较宽范围的测量。

第二实施例

图6是示出根据本发明第二实施例的用于测量平均自由程的装置的图，其中使用复合型的离子源和透过型的集电体，并且设计了应对杂散离子的措施以及应对由于离子张角所引起的精度劣化的措施。离子源100、集电体202和集电体203与第一实施例完全相同，并且测量过程、计算方法、真空度范围等也相同。但在本实施例中，作为应对杂散离子的机械措施，新设置了诸如束角限制板400、杂散离子阻止板401a和401b(两个板)、以及杂散离子吸收板402这三种电极。

束角限制板400的中心部具有孔(φ约为2mm)，并且被设置在离子源100附近(距端部约为2mm)。杂散离子阻止板401a和401b的中心部具有存在网格(网格间隔为1mm，透过系数约为90%)的孔。杂散离子阻止板401a以相对于集电体202分开约2mm的方式进行配置，并且孔的φ约为3mm。另一方面，杂散离子阻止板401b以相对于集电体203分开约2mm的方式进行配置，并且孔的φ约为9mm。杂散离子吸收板402为圆筒形(φ约为10mm)并被设置成与离子110的束同轴。将束角限制板400和杂散离子吸收板402设置为地电位(0V)，并且将杂散离子阻止板401a和401b这两者都设置为比栅格102的电压低5V的+95V的电位。

对束角限制板400以及杂散离子阻止板401a和401b的三个孔进行设置，以使得从离子源100向着束角限制板400的孔观察到的张角以及从离子源100向着杂散离子阻止板401a和401b的两个孔观察到的张角这三者为“同一张角”。特别地，向着杂散离子阻止板401a和401b的孔观察到的张角很重要，并且结果，从到达两个集电体202和203的离子110的离子源100观察到的张角相同。因此，张角受到束角限制板400所限制的离子110的束除非与环境气体碰撞，否则穿过杂散离子阻止板401a和401b的孔以到达集电体202和203。

然而，强制使离子110的已与环境气体碰撞的一部分在行进方向上发生弯曲并且行进到由束角限制板400所限制的张角以外，并且其行进被杂散离子阻止板401a和401b的板状部分(无孔部分)阻挡并吸收。此外，离子110的已与环境气体碰撞的另一部分没有行进到张角以外，但由于动能下降，因此该部分无法穿过施加有高电压(比栅格102的电压略低的电压)的杂散离子阻止板401a和401b的网格部，并且最终被杂散离子吸收板402所吸收。因此，已向着所确定的张角以上的角度扩张的离子110以及失去了初始动能的离子110被阻挡，并且仅使未与环境气体碰撞的离子110到达集电体。如上所述，在本实施例中，对杂散离子进行机械应对措施。

由于依赖于离子张角的精度的劣化的发生是因为真空度改变由此使要引出的离子110的张角改变并影响离子电流值，因此设置为两个集电体202和203(即使在真空度改变的情况下也)总是俘获相同离子束就足够了。为了实现该情况，以与上述应对杂散离子的措施相同的方式，将三个孔(特别地，两个杂散离子阻止板401a和401b的孔)设置为“相同张角”。

同时，束角限制板400并非绝对必不可少。然而，通过设置束角限制板400，可以以不允许无用离子进入离子飞行区域的方式来进行应对杂散离子的早期措施，并且可以以更加确实地固定离子引出角度的方式来彻底进行应对精度劣化原因的措施。此外，由于要在离子源100附近设置地电位的电极，因此还可以预期获得如下效果：从离子源100稳定地引出离子110、即作为引出电极。

如上所述，在本实施例中，实行应对杂散离子的严格措施使得可以大幅改进测量精度。

第三实施例

图7是示出根据本发明第三实施例的用于测量平均自由程的装置的图，其中使用复合型的离子源和透过型的集电体，并且进行应对依赖于离子张角的精度的劣化原因的措施以及应对杂散离子的电气措施。离子源100、集电体202和集电体203与第一实施例基本相同，并且测量过程、计算方法和真空度范围等也相同，但集电体202和集电体203的大小(检测有效面积)是特殊的。此外，作为应对杂散离子的电气措施，新设置了离子消隐(ion blanking)，并且作为电流计，使用锁定(调制同步型)放大器。

对于根据离子张角的精度的劣化，进行设置，从而使集电体202和集电体203这两者的检测有效面积小到能够使这两个检测有效面积恒定地存在于离子110的束中，并且这两个检测有效面积恒定地测量离子110的相同束。该措施与第二实施例中的“相同张角”基本相同。但在第二实施例中，具有特定张角以上的离子110被具有孔的板(杂散离子阻止板401a和401b)所阻挡，但在本实施例中，由于集电体202和203的大小(检测有效面积)被设置为与特定张角相匹配，因此使具有该张角以上的离子110穿过而不进行测量。同时，由于利用三根细线(φ约为0.1mm)悬挂集电体202和集电体203，因此可以忽略张角不小于集电体的离子110的影响。

作为应对杂散离子的电气措施，进行设置，以使得即使当杂散离子流入集电体202和203内时，也无法检测到这些杂散离子。首先，进行设置，以使得将离子消隐501设置在离子源100附近以断续地发射离子110。已知有多个消隐方法用于使带电粒子周期性地断续，并且本实施例采用利用网格的最简单的阻止电位方式。然而，在本实施例中，无需说明，可以使用任意方式，只要可以以间歇周期发射所入射的带电粒子即可。

在本实施例中，离子消隐501的网格的网格间隔为1mm并且透过系数约为90%，并且该网格电连接有电源504以施加矩形电压505。换言之，以约1MHz(10⁶周期/秒)向网格施加0V和100V的电位。当该网格处于100V时，由于离子110无法穿过，因此以约1MHz断续发射离子110。因此，在没有与环境气体碰撞的情况下高速飞行由此在不大于1μsec(10^-6秒)内到达集电体202和203的离子电流具有相同频率的矩形波。

然而，与环境气体进行了碰撞而残留和漂浮在离子飞行区域中并然后在经过了不小于10μsec(10^-5秒)之后到达集电体202和203的离子电流变为基本恒定。换言之，杂散离子产生恒定电流，并且要作为信号的离子电流成为重叠在其上的矩形波。此外，将通过分割阻止电位所获得的电压505(同步信号)输入至锁定(调制同步型)放大器502，并且要测量与该频率同步的交流成分的信号强度。即，仅检测形成交流的原本的信号，并且不检测形成恒定电流的杂散离子。同时，可以利用开关503来选择要作为锁定放大器502的比较对象的集电体。

图8说明了这些状况。

在图8中，附图标记506表示没有与环境气体碰撞时由集电体所检测到的离子电流，附图标记507表示与环境气体发生了碰撞时由集电体所检测到的离子电流。附图标记508表示要作为信号的离子(在没有发生碰撞的情况下到达集电体的离子)，并且附图标记509表示要作为噪声的杂散离子。

在本实施例中，通过集电体202和集电体203的检测有效面积的缩小化来进行应对精度劣化原因的措施，并且利用锁定(调制同步型)放大器502来进行应对杂散离子的措施，从而得到这两者的协同效应。由于该协同效应，即使当没有对第二实施例所需的束角限制板、杂散离子阻止板和杂散离子吸收板设置三个电极时，也可以进行精度改进以及应对杂散离子的措施。然而，各个应对措施也单独发挥效用，并且也可以独立使用。

如上所述，在本实施例中，通过利用简单结构来进行应对精度的劣化和杂散离子的措施，可以大幅改进测量精度。

第四实施例

图9是示出根据本发明第四实施例的用于测量平均自由程的装置的图，其中，该装置不具有离子源并且利用从诸如等离子体等的要测量的环境气体飞来的离子。各个电极与第二实施例(图6)基本相同，并且装置1007包括杂散离子阻止板401a和401b、杂散离子吸收板402以及屏蔽壳603。

屏蔽壳603具有与束角限制板400相同的功能，并且包围整个电极部，使得杂散离子无法入射到该部分。屏蔽壳603具有地电位(0V)。屏蔽壳603是由SUS等制成的金属板(厚度约为1mm)，并且具有如下结构，其中该结构包括位于面向等离子体601的侧面上的孔(φ约为2mm)并且除该孔以外均被密封。将杂散离子阻止板401a和401b的电位设置为可在约+5V~+50V的范围内变化。各电极的其它方面、材料和电位都与第二实施例相同。除离子源以外，以下所述的测量过程与第二实施例的相同，并且计算方法和真空度范围等完全相同。

在本实施例中，装置1007还包括等离子体屏蔽板602以及位于等离子体屏蔽板602内的用于产生等离子体601的部件(未示出)。等离子体601可以利用通常所使用的方法来生成。等离子体(减压等离子体)自然地是在真空容器内产生，但通常作为应对真空容器的内壁以及真空部件的污染的措施而在覆盖有等离子体屏蔽板602的区域内产生，并且在等离子体屏蔽板602的外部(真空容器的内部和该板之间的空间)设置真空泵和真空计。为了充分进行防污染措施，等离子体屏蔽板602的密封度必须高，但另一方面，在这种情况下，存在如下的严重问题：等离子体屏蔽板602内外的真空度不同，并且无法获知相对重要的等离子体屏蔽板602内的真空度。在传统的真空计中，由于需要微小电流的绝对值，因此在来自等离子体601的离子或电子以高浓度存在的等离子体屏蔽板602的内部完全无法设置仪器。然而，在本实施例中，可以以简单结构来实现。

在本实施例中，装置不包括离子源，但通常由于从等离子体的中心部发射能量大约高达10~30eV的正离子，因此使用来自等离子体601的离子120来进行测量。在本发明的方法中，要测量的电流量自身与测量结果无关，并且仅需要第一集电体和第二集电体的电流量的比值。因此，在本实施例中，即使当从未获知电流值并且该值还改变的情况下，也可以毫无问题地进行测量。然而，由于来自等离子体的能量低的离子的存在量较大，因此为了与这些离子区分开，对杂散离子阻止板401a和401b的电位进行调整，从而仅测量能量高的正离子。此外，由于本实施例的离子源不具有与内部集电体相对应的成分并且I₀是未知的，因此根据利用作为第一集电体的集电体202所得的I_L1以及利用作为第二集电体的集电体203所得的I_L2，使用公式(5)来计算平均自由程。

在图9中，将屏蔽壳603内的电极设置为与第二实施例(图6)的电极相同，但还可以将屏蔽壳603的结构设置为与第三实施例(图7)的结构相同。换言之，可以构成将离子消隐501以及集电体202和203设置在屏蔽壳603内的简单结构。但在离子消隐501内施加于网格的低电位(矩形波底边的电位)不为0V而是被设置为可在+5V~+50V的范围变化(同时保持高电位约为100V)以消除低能量的离子120。另外，存在能够通过利用锁定放大器来消除来自等离子体601(和等离子发生装置)的电气影响的优点。

如上所述，在本实施例中，通过利用来自等离子体的离子，可以进行传统上无法进行的等离子体区域的测量。

第五实施例

图10是示出根据本发明第五实施例的用于测量平均自由程的装置的图，并且根据本实施例的装置1007适合于真空度与上述各个实施例的真空度相比更差的区域。在图10中，下侧的图是正视图，并且上侧的图是顶视图。透过型的集电体202与各个实施例中的集电体相同，但作为离子源100，使用整体呈长而薄的形状的简单离子源。离子源100仅具有由SUS等制成的板状(约为8mm×2mm，电子无法透过)的栅格102以及由钨制成的线状(φ约为0.2mm，长度约为8mm)的丝101。同时，本实施例的栅格不同于第三实施例所用的圆筒形且允许电子透过以在内部产生离子的栅格，本实施例的栅格呈板状，在栅格附近进行离子化，因此无需使电子透过。结果，代替网格/格子状，使用简单的封孔板。向栅格102施加+100V的电压，向丝101施加约+30V的电压，并且这两者之间的间隔约为1mm。

从丝101发射的电子310向着栅格102行进，并且在栅格102附近与环境气体碰撞以产生正电荷的离子110。由于离子110是基本以栅格102的电位(+100V)而产生的，因此离子110在与电子310的束相反的方向上向着屏蔽壳603行进。由于屏蔽壳603的前侧(栅格102、丝101侧)包括狭缝(约为8mm×2mm)，因此已到达该狭缝的离子110进入屏蔽壳603内部。将栅格102与屏蔽壳603的前表面之间的间隔大约设置为3mm，并且将屏蔽壳603的前表面和集电体202之间的间隔设置为1mm。集电体202(约为5mm×1.5mm)是由SUS等制成的网格(间隔为0.3mm并且透过系数约为50%)，并且集电体203(约为5mm×1.5mm)是由SUS等制成的板。将集电体202和集电体203之间的间隔精确地设置为5mm。

屏蔽壳603是由SUS等制成的金属板(厚度约为1mm)，并且包围两个集电体202和203，以使得杂散离子不会从外部进入该壳内(当与图9的等离子体的情况相比较时，密封程度较不严密)。屏蔽壳603的形状与烟盒一样长而薄(并且，离子110的束也长而薄)。因此，代替到达位于远处的集电体，在离子的飞行区域内产生的杂散离子易于被屏蔽壳603吸收。此外，屏蔽壳603连接至能够测量流入屏蔽壳603(主要位于前侧的狭缝附近)的离子电流的电流计，并且与图5~7的内部集电体201相对应。屏蔽壳603的前表面具有以与可透过的集电体202相同的方式俘获离子的一部分并允许其它离子透过的结构，并且可以通过进行衰减校正而用作内部集电体。换言之，屏蔽壳603具有阻挡和吸收杂散离子的功能以及内部集电体的功能。同时，关于电位，集电体202和203这两者以及屏蔽壳603均接地(0V)。

板状的栅格和集电体被配置于丝的两侧上的真空计已知为舒尔茨(Schulz)计，其中，该舒尔茨计基于与圆筒形的栅格的离子计相同的原理，但该舒尔茨计的可适用真空度向着更差的真空度偏移且约为0.1Pa~100Pa。即，从丝产生的电子因栅格而加速并与环境气体碰撞以产生离子并且利用集电体收集这些离子以测量离子电流这一原理完全相同。然而，进行如下构造：将栅格形成为板状并被设置到丝附近并且使离子的产生效率较小以降低由于离子所引起的空间电荷的效应，并且还在丝附近设置集电体以使离子的俘获加速从而在比作为离子计的极限的10Pa更差的真空度下可以进行操作。本实施例的栅格102、丝101、以及屏蔽壳603的前部均具有与舒尔茨计基本相同的结构，因此可以测量约0.1Pa~100Pa的范围内的真空度。

本实施例中的平均自由程的测量过程与第一实施例完全相同，并且在需要高精度时预先进行“无衰减校准”方面也完全相同。然而，使飞行距离变短，以使得集电体202和集电体203之间的距离为5mm，并且作为内部集电体的屏蔽壳603的前部与集电体202之间的距离为1mm。因此，利用前者根据公式(5)来进行约为0.4Pa~6Pa的测量，并且利用后者根据公式(3)来进行约为2Pa~30Pa的测量。此外，“真空计校准”也与第一实施例的校准相同，但由于该操作与舒尔茨计相同，因此可以进行约为0.1Pa~100Pa的测量。

如上所述，在本实施例中，可以利用非常简单的结构来进行0.1Pa~100Pa的范围内的高精度测量。

第六实施例

图11A是示出根据本发明第六实施例的用于测量平均自由程的装置的图。同时，图11A中上侧的图是根据本实施例的装置1007的顶视图，并且下侧的图是正视图。图11B是示出图11A所示的装置1007的丝/栅格的控制电路的图。将根据本实施例的装置1007构造为：可以使测量所用的带电粒子在离子和电子之间切换从而可以进行更宽范围的测量。除要施加的电压以外，设置在环境内的部分与第五实施例中的部分相同，但丝/栅格的控制电路被新的控制电路替换。

首先，当利用离子时，以与第五实施例完全相同的方式进行工作，并且根据需要进行“无衰减校准”和“真空计校准”也是相同的。即，如图11B所示，对开关1101和1102进行切换以向丝101施加+30V的电位并向栅格102施加+100V的电位。该切换产生了离子。

接着，当利用电子时，将丝101大约设置为-30V，并且还向栅格102施加与丝101的电位相同的电位。即，如图11B所示，对开关1101和1102进行切换以向丝101和栅格102施加-30V的电位。该切换使电子的行进方向反转，并且电子被引入位于与栅格102相反的一侧(图11A的右侧)的飞行区域中。从丝101发射的电子310被引向地电位的屏蔽壳603，并且从狭缝进入屏蔽壳603的内部。电子310以与诸如随后与环境气体碰撞并到达集电体202和203或进行测量的离子情况相同的方式进行动作，但由于电子的平均自由程是离子的平均自由程的5倍，因此要适用的真空度可能劣化得高达约5倍。同时，与离子相比，电子以较低的碰撞能量产生二次电子发射，但在本实施例中，由于向着集电体的碰撞能量约为30eV，因此电子电流测量中的二次电子发射的影响微小。

因此，在电子的情况下，可以根据公式(5)来利用集电体202和集电体203进行约2Pa~30Pa的测量，并且可以根据公式(3)来利用作为内部集电体的屏蔽壳603的前部以及集电体202进行约10Pa~150Pa的测量。结果，与利用离子的根据公式(5)的约0.4Pa~6Pa相组合，这样使可以直接测量平均自由程的范围扩大为0.4Pa~200Pa。

如上所述，在本实施例中，离子/电子之间的切换使得可以测量0.4Pa~200Pa的较宽范围的平均自由程。

第七实施例

图12A是示出根据本发明第七实施例的用于测量平均自由程的装置的图。图12A中上侧的图是根据本实施例的装置1007的顶视图，并且下侧的图是正视图。图12B是示出图12A所示的装置1007的丝的控制电路的图。根据本实施例的装置1007具有作为电子专用装置的较为简单的结构，并且具有使用相同的丝101的皮拉尼(Pirani)计的功能。除了不存在栅格以外，设置于环境内的部分与第六实施例中的部分相同，但如图12B所示，丝的控制电路被新的控制电路替换。利用电子310来测量平均自由程的操作/过程与第六实施例中的操作/过程完全相同，并且根据需要进行“无衰减校准”和“真空计校准”也相同。

皮拉尼计稳健且非常灵活，并且广泛用于多种应用。皮拉尼计利用了加热后的丝的温度(实际要测量的是具有温度依赖性的阻抗值)依赖于环境的真空度，并且需要对丝进行加热并测量阻抗值。由于可以借用丝加热来测量平均自由程，因此进行新的对丝的阻抗值测量可能就足够了。因此，在本实施例中，如图12B所示，在丝101的控制电路上安装阻抗测量电路1201。

皮拉尼计可适用的真空度的范围约为1Pa~1000Pa宽，但与离子计的情况相同，存在作为灵敏度(换算值)的信号量的绝对值的变化急剧这一缺陷，因此“真空计校准”非常有效。“真空计校准”与第一实施例中的校准相同，并且在维持真空度处于因已知的气体种类而发生衰减的水平的情况下，将平均自由程的测量值与利用皮拉尼计测量得到的值进行比较以对皮拉尼计的灵敏度(换算值)进行校准。作为结果，可以进行约2Pa~150Pa的平均自由程的直接测量以及约1Pa~1000Pa的皮拉尼计测量。

如上所述，在本实施例中，可以通过“真空计校准”利用高度灵活的皮拉尼计来进行高精度的测量。

第八实施例

图13A是示出根据本发明第八实施例的用于测量平均自由程的装置的图。图13A中上侧的图是根据本实施例的装置1007的顶视图，并且下侧的图是正视图。图13B是示出图13A所示的装置的各个电极的形状的图，图13C是示出图13B的线A上的电子束轨迹的图，并且图13D是示出图13B的线B上的电子束轨迹的图。在根据本实施例的装置1007中，使用宽度(面积)较宽的电子源，并且对集电体的形状进行设计，以使得可以在无需“无衰减校准”的情况下进行工作。这是由于以下要求。在温度高达1800°C的丝系统中，存在与环境气体发生反应的问题，并且期望使用能够得到低温的间接加热型氧化物阴极或者其它低温电子源。然而，这种电子源导致亮度(电子的强度、每单位面积和单位角度的电子发射量)大幅下降。此外，根据各应用，存在环境的真空度从未充分优良并且无法使用“无衰减校准”的情况。

电子源300是间接加热型氧化物阴极，其中长度与丝相比约为3倍(约为25mm)并且宽度较宽(约为3mm)。如图13B所示，束角限制板400包括等间隔的约为1.5mm×3mm的四个孔(小窗)。如图13B所示，集电体202包括约为2mm×4mm的、与束角限制板400的孔部分重叠的两个孔(小窗)。如图13B所示，集电体203不具有孔(小窗)。

在图13A中，电子源300的表面、束角限制板400、集电体202和集电体203之间的间隔分别约为5mm、1mm和5mm，并且各自的外形大小大致约为30mm×8mm。在集电体202和集电体203之间设置有杂散电子吸收板412。

束角限制板400、集电体202、集电体203和杂散电子吸收板412各自是厚度约为0.5mm的由SUS等制成的板。电子源300的电位为-30V，并且杂散电子吸收板412的电位为+5V，但将其它全部设置为地电位(0V)。

从电子源300发射的电子310向着束角限制板400行进，并且穿过束角限制板400的四个孔(小窗)。在已穿过束角限制板400的四个孔的电子310中，集电体202检测到已穿过两个孔的电子。另一方面，已穿过其余两个孔的电子还穿过集电体202的孔(小窗)并且由集电体203所检测到。图13C示出前者状况，并且图13D示出后者状况。将集电体202的孔(小窗)的大小设置为大于束角限制板400的大小的原因在于：飞向集电体203的电子310不应该被集电体202所检测到。此外，集电体202具有两个孔(小窗)但这两个孔的位置不对称的原因在于：消除从电子源300发射的电子310的量在长度方向上的不均匀的影响。作为结果，集电体202和集电体203对电子310的检测比率均为50%。

换言之，在本实施例中，孔(开口部)的数量比透过型的集电体202中所设置的孔(开口部)的数量多的束角限制板400位于电子源300和集电体202之间。此外，使束角限制板400中所设置的孔以及集电体202中所设置的孔对准，从而利用集电体202俘获电子中已穿过束角限制板400所设置的孔的部分(例如，50%)并允许其它电子(例如，50%)穿过。

利用电子310对平均自由程的测量的动作/过程以及真空度范围与第七实施例相同。然而，不同于前述实施例中的网格形状，由于在集电体202中孔(小窗)的面积大，并且能精确地估计出其透过系数且该透过系数几乎不因污染而改变，因此没有必要进行无衰减校准。换言之，为了实现集电体202的透过性，利用网格最简单，但在确定重要的透过系数方面存在困难，这可以通过无衰减校准来弥补。作为对比，本实施例采用受到变形/污染略微影响的结构，此外，通过利用板的孔开口处理形成集电体202中要形成的开口并使一个开口的面积较大，尽管变得复杂，但能够通过计算来确定透过系数。结果，进行如下构造：即使当不进行无衰减校准时，也能够以特定水平的精度来进行测量。

此外，由于使用宽度较宽的电子源，因此无法采用过于长而薄的形状，因而在本实施例中，与图11和12不同，需要施加有电位的杂散电子吸收板412。换言之，对于杂散电子，由于集电体202和203以及杂散电子吸收板412之间的距离存在略微差异，因此如果空间处于恒定电位，则大量的杂散电子有可能流入集电体202和203这两者内。因此，向杂散电子吸收板412施加+5V的电位从而积极地吸引电子。结果，杂散电子没有到达集电体202和203这两者，而是被杂散电子吸收板412所吸收。同时，由于在没有与环境气体碰撞的情况下应当到达集电体203的电子的动能为30V，因此这些电子不受杂散电子吸收板412的影响并且利用集电体203进行正常测量。然而，由于电子源的宽度较宽，因此不同于第五实施例～第七实施例，在一定程度上难以准备与内部集电体相对应的电极，并且本发明并未包括该情况。

结果，通过利用集电体202和集电体203来检测电子数，可以根据公式(5)来进行约2Pa~30Pa的测量。然而，由于不存在与内部集电体相对应的电极，因此无法进行更差的真空度的测量。

如上所述，在本实施例中，可以使用低温的间接加热型电子源，并且即使没有进行“无衰减校准”，也可以进行高精度的测量。

第九实施例

图14A是示出根据本发明第九实施例的用于测量平均自由程的装置的图。同时，图14A中上侧的图是根据本实施例的装置1007的顶视图，并且下侧的图是正视图。图14B是示出图14A所示的各个电极的形状及其电路的图。在根据本实施例的装置1007中，除实现了宽的电子源以及省略了“无衰减校准”以外，多个集电体的使用使可适用真空度的范围扩大。基本的结构/操作与图13A~13D中第八实施例的结构/操作相同，但集电体的数量增加并且使用锁定(调制同步型)放大器502。因此，在本实施例中，没有必要使用杂散电子吸收板。

电子源300与第八实施例的电子源完全相同。束角限制板400包括等间隔的约为1mm×2.5mm的10个孔(小窗)。集电体202包括约为1.5mm×3mm的、与束角限制板400中的孔重叠的8个孔(小窗)。以相同的方式，集电体203包括约为2mm×3.5mm的、与集电体202中的孔重叠的6个孔(小窗)。集电体204包括约为2.5mm×4mm的、与集电体203中的孔重叠的4个孔(小窗)。集电体205包括约为3mm×4.5mm的、与集电体204中的孔重叠的2个孔(小窗)。集电体206不具有孔(小窗)。

电子源300的表面与束角限制板400之间的距离约为5mm，并且将从集电体202到集电体203、204、205和206的距离分别设置为0.15mm、0.5mm、1.5mm和5mm。其外形形状大致约为30mm×8mm。束角限制板400和集电体202~206各自均是厚度约为0.5mm的由SUS等制成的板。除电子源300(电子源300的电位为-30V)以外，将所有电极的电位都设置为地电位(0V)。

5个集电体202~206各自仅检测已穿过束角限制板400的10个孔(小窗)的电子310中的、已穿过2个孔(小窗)的电子310。因此，各个集电体的电子310的检测比率为20%。同时，与针对集电体202和203的情况相同，将集电体204~206所检测到的电子数(带电粒子数)存储在RAM 1003中。

由于飞行距离较短并且无法设置杂散电子吸收板，因此在本实施例中，如图14B所示，使用电气消除杂散电子的锁定(调制同步型)放大器502。锁定(调制同步型)放大器的结构/操作与第三实施例(图7和8)中的结构/操作基本相同。然而，代替离子而使用电子，这仅导致极性不同以及在没有发生碰撞的情况下到达集电体的时间较短。对于消隐，代替阻挡用的网格，向电子源300施加±30V的矩形电位，并且以相同方式使束消隐。当然，集电体之间的切换增加。在本实施例中，利用开关1402和1403来进行集电体的切换。即，开关1402用作用于选择比较对象的集电体的开关，并且开关1403用作用于选择真空度范围(电子的飞行距离)的开关。

如图14A和14B所示，随着从集电体202向着集电体206行进，电子的飞行距离变得越长。此外，随着从集电体202向着集电体206行进，各集电体之间的电子的飞行距离也变得越长。因此，根据哪些集电体被设置为第一集电体和第二集电体的选择，可测量的真空度范围不同。

例如，当使用集电体202作为第一集电体并使用集电体203作为第二集电体(集电体之间的距离L2-L1=0.15mm)时，利用各个集电体可得到的真空度范围约为60Pa~900Pa。此外，当使用集电体202作为第一集电体并使用集电体204作为第二集电体(集电体之间的距离L2-L1=0.5mm)时，真空度范围约为20Pa~300Pa。此外，当使用集电体202作为第一集电体并使用集电体205作为第二集电体(集电体之间的距离L2-L1=1.5mm)时，真空度范围约为6Pa~90Pa。此外，当使用集电体202作为第一集电体并使用集电体206作为第二集电体(集电体之间的距离L2-L1=5mm)时，真空度范围约为2Pa~30Pa。(均是根据公式(5)所计算出的。)结果，整体的可适用真空度范围扩大为2Pa~900Pa。

如上所述，在本实施例中，通过在集电体之间进行切换使得可以测量2Pa~900Pa的较宽范围的平均自由程。

第十实施例

图15A是示出根据本发明第十实施例的用于测量平均自由程的装置的图，并且图15B是沿着图15A的线A-A′所得的截面图。本实施例被构造为可利用一个集电体并且同时在无需改变机械结构的情况下测量不同的飞行距离。

改变距离的原理基于以下条件：当存在与行进方向(轴方向)平行的磁场时电子进行螺旋运动，并且螺旋次数依赖于行进方向的速度(动能)。作为带电粒子，还可以利用离子，但由于存在如下问题，因此在本实施例中使用电子：需要强磁场并且螺旋运动(直径)根据气体种类而改变。

在本实施例中，在两个磁体之间设置丝101、包围丝101的丝壳320以及轨迹电位调整板703，并且屏蔽壳603包围整体。磁体是导电性磁体(诸如磁性合金等)，这两个磁体的φ约为60mm×5mm，其中一个磁体用作使电子310远离的反射体，并且另一磁体用作集电体。

前者应当是还用作反射体的磁体701，并且后者应当是还用作集电体的磁体702。这两者的距离约为80mm，并且将这两者之间的磁场调整为16高斯。

丝101是φ约为0.2mm的由钨制成的线并且呈发夹形状(其端部以锐角弯曲)。丝壳320的厚度约为0.3mm并且是约6mm×3mm×30mm的箱，其上具有φ约为1mm的圆形孔，其中，使丝101的端部与该圆形孔的中心一致。这是众所周知的用于形成电子310的细束的方法。丝壳320的圆形孔位于相对于兼用作反射体的磁体701在轴方向上分距约2mm并且相对于轴分距约20mm的位置，并且面向圆周方向。轨迹电位调整板703是双重圆筒(外筒的内径约为φ45mm，内筒的外径约为φ35mm，并且电子在φ35mm和φ45mm之间穿过)，并且通过改变其电位，电子310在轴方向上的速度改变，以使得能够调整电子的螺旋运动的螺旋次数。

轨迹电位调整板703和磁体702之间的距离(轴方向)约为5mm。由于丝壳320和轨迹电位调整板703必须为导电性和非磁性，因此这两者都由SUS制成。

屏蔽壳603由厚度约为5mm的纯铁(或磁性不锈钢)制成，并且不仅用于屏蔽干扰磁场还用作磁体的轭。

首先，按照如下设置各个电极的电位。将兼用作反射体的磁体701的电位设置为-30V，将兼用作集电体的磁体702的电位设置为0V，将丝101的电位设置为-130V，将丝壳320的电位设置为-30V，并且将轨迹电位调整板703的电位设置为0V。在圆周方向上以100V(丝101的电位-130V和丝壳320的电位-30V之间的差)的动能发射电子310，并且由于在轴方向(该图的左右方向)上施加有16高斯的磁场，因此电子310由于洛仑兹(Lorentz)力而进行直径约为40mm的圆周运动。在这两个磁体之间，由于径向方向(该图的上下方向)的电位恒定并且轴方向的磁场也恒定，因此持续进行圆周运动，直到电子到达兼用作集电体的磁体702为止。另一方面，轴方向的电位立即从兼用作反射体的磁体701和丝壳320的-30V改变为轨迹电位调整板703的0V，并且随后恒定，因此电子以30eV的动能进行匀速运动。通过合成径向方向的运动和轴方向的运动，电子进行螺旋运动。

根据模拟结果，获知以下内容。当在轴方向上以30eV的动能行进时，电子310进行基本为1次转动的螺旋运动，直到该电子到达兼用作集电体的磁体702为止。接着，在保持其它条件相同的情况下，仅将轨迹电位调整板703的电位设置为-29V(即，1eV的动能)，并且进行5.5次转动的螺旋运动。如上所述，通过改变轨迹电位调整板703的电位，即使对于同一集电体，实质的飞行距离也可改变。当检测在飞行距离已改变的两个条件下已到达兼用作集电体的磁体702的电子310时，可以以与存在两个集电体的上述实施例相同的方式检测平均自由程。在图15A中，附图标记310a和310b粗略示出该状况。即，当向轨迹电位调整板703施加0V的电位时，从丝壳320发射的电子跟随由附图标记310a所表示的轨迹，进行1次转动的螺旋运动，并且由兼用作集电体的磁体702所检测到。此外，当向轨迹电位调整板703施加-29V的电位时，从丝壳320发射的电子跟随由附图标记310b所表示的轨迹，进行5.5次转动的螺旋运动，并且由兼用作集电体的磁体702所检测到。

已与环境气体碰撞并失去了动能的杂散电子具有较小的螺旋直径并且难以穿过轨迹电位调整板703的内径和外径，因此杂散电子的影响小。此外，由于电子310的针对集电体的碰撞能量约为130eV(与丝101的电位-130V和集电体702的电位0V之间的差基本相对应)，因此二次电子的发射率高，但动能较小的二次电子的螺旋直径小，因此这些电子没有发生散射并且因电位梯度而返回至集电体。因此，二次电子发射的影响小。同时，为了应对磁场强度的变化，在测量之前对丝101的电位(电子310在圆周方向上的动能)进行调整，以使得兼用作集电体的电极702要接收的电子电流变为最大。由于在最大电流的情况下电子310的螺旋直径处于外筒内径和内筒外径的大小的中间，因此可以正确地估计飞行距离。

实际飞行距离是“集电体之间的距离”的平方与“螺旋直径×螺旋次数×π”的平方的总和的平方根。在本实施例中，由于集电体之间的距离为80mm并且螺旋直径为40mm，因此飞行距离在一次螺旋转动时为149mm并且在5.5次螺旋转动时为820mm。然后，在利用L1来表示1次螺旋转动的飞行距离149mm并利用I_L1来表示电子电流、而另一方面利用L2来表示5.5次转动的飞行距离820mm并利用I_L2来表示电子电流的情况下，可以根据公式(5)来获得平均自由程。在1&5.5次转动中，可适用的真空度范围约为0.02Pa~0.3Pa。

更具体地，使针对轨迹电位调整板703所施加的电位以及与该电位相对应的飞行距离相关联地存储在表内。由于利用针对轨迹电位调整板703所施加的电位来确定螺旋次数，因此控制部1000将兼用作集电体的磁体702在向轨迹电位调整板703施加第一电位时所检测到的第一电子数(电子电流)以及兼用作集电体的磁体702在向轨迹电位调整板703施加第二电位时所检测到的第二电子数(电子电流)分别存储在RAM 1003中。随后，控制部1000参考该表并且获得与施加至轨迹电位调整板703的第一电位相对应的第一飞行距离以及与施加至轨迹电位调整板703的第二电位相对应的第二飞行距离(第二飞行距离>第一飞行距离；因此第一飞行距离为L1，并且第二飞行距离为L2)，并且从RAM 1003中获得第一电子数I_L1和第二电子数I_L2。随后，控制部1000以与第一实施例相同的方式来使用公式(5)计算平均自由程。

或者，可以进行构造，以使得显示利用与兼用作集电体的磁体702相连接的电流计所检测到的电子数。在这种情况下，用户将电流计上所显示的值以及与该值相对应的飞行距离经由输入操作部1005输入至控制部1000，并且还输入用于计算平均自由程的指示。控制部1000通过用户的这些输入来获得飞行距离和电子数，并且根据用于计算的指示来根据公式(3)~(5)中的任意公式进行平均自由程的计算。或者，用户可以将电流计上所显示的值输入至科学电子计算器。在这种情况下，根据用户的输入，该科学电子计算器获得电子的飞行距离以及衰减之后的电子数，并且该科学电子计算器可以执行公式(3)~(5)中的任意公式。

在任意情况下，用于计算平均自由程的运算装置(控制部1000、与控制部1000分开设置的计算机和科学电子计算器等)可以根据来自装置1007的发送或者经由诸如键盘或触摸面板等的输入操作部的用户输入来获得电子的飞行距离以及衰减之后的电子数。

如上所述，在本实施例中，可以通过一组集电体来利用任意的飞行距离测量平均自由程。

其它实施例

以上已说明了各个实施例，但本发明的实施例不限于这些实施例，并且当然可以组合或替换各个实施例的各元件。此外，整体结构以及各个电极的形状、大小、材料和施加电压不局限于上述实施例并且可以进行任意选择。

作为整体结构，在离子源(电子源)外部准备(大致)两个集电体，但为了使该结构更加简单，还可以准备内部集电体以及仅一个外部集电体，以使用公式(3)进行计算。同时，由于可以将与内部集电体有关的飞行距离看作0，因此当利用I_L1来表示内部集电体的电流且利用I_L2来表示外部集电体的电流并且定义为L1=0且L2=与外部集电体有关的飞行距离时，可以直接使用公式(5)。即，公式(5)是能够适用于所有这些情况的公式。

离子源不限于上述实施例中的这些离子源，而是可以任意选择放电/等离子体型、磁场(磁控管)型、碱金属型和液态金属型等，只要发射约为mA~nA的电流的离子即可。由于碱金属型以及液态金属型提供了Li和Au这样的特定离子，因此尽管不是环境气体的离子，但这两者均是适用的，其中对于碱金属型，对包含Li氧化物的硅酸铝的烧结体进行加热以放出Li⁺离子等，并且对于液态金属型，向已被加热成液态的Au施加高电压以放出Au⁺离子等。此外，负离子也可接受。还可以从放电/等离子体型、场发射型和光电子发射型等中任意选择电子源，只要发射了与上述实施例相同程度的电流的电子即可。

检测器不局限于上述实施例中的板状和网格状的集电体，而且可以是法拉第(Faraday)杯状集电体、多通道板或电子倍增管。此外，在上述实施例中，设置了一个离子源和多个集电体，但相反，还可以设置一个集电体和多个离子源，以及准备多组的一个离子源和一个集电体(与传统相同的结构)。同时，在具有多个集电体的任意情况下，可以同时进行第一带电粒子数和第二带电粒子数的测量，或者可以通过在短时间内进行切换来测量这两者。当进行第一带电粒子数的测量和第二带电粒子数的测量时，代替利用各个检测电路来测量各个电流，还可以从一开始构造能够测量电流比值的检测电路。

还可以使用用于组装诸如集电体等的电极的方法以及相对于半导体技术进行了改进的精细加工技术(MEMS)，而不局限于利用与上述实施例中制造传统的真空计(离子计和舒尔茨计)相同的机械方法所制造的带电粒子产生结构。根据MEMS，可以容易地缩短飞行距离，并且适合于较差的真空度下的测量。

为了更加严格地进行应对杂散离子(电子)的措施，代替地电位，向杂散离子吸收板施加用以积极吸引附近的杂散离子的电位也是有效的。此外，为了不允许失去了能量的离子到达集电体，代替阻止场，还可以利用偏转电场使这些离子在横向上弯曲。此外，从一开始在偏转方向上设置集电体也是有效的。

用于进行传统型真空计的校准的“真空计校准”不局限于与上述实施例的情况相同地在本发明的装置中所进行的“真空计校准”，而且还可以通过经由线缆连接与其它独立的真空计互换信号来进行。即，例如，装置1007可以将所计算出的平均自由程的值本身或者通过对该平均自由程的值进行转换所获得的压力值发送至其它独立的真空计。结果，在使用现有真空计的情况下，也可以提高测量精度。

为了在不局限于上述实施例中的计算公式的情况下计算平均自由程，还可以利用基于这些计算公式并添加了根据经验所获得的校正项(实验公式)的公式。

此外，这些程序中的平均自由程的计算公式不限于公式(3)、公式(4)或公式(5)，而且可以使用通过对这些公式的一部分进行校正所获得的公式。

如第15)项“精度的劣化原因”所述，必然发生相对于理想状态的“偏移”，其中如果相关的条件(离子电流、离子能量和离子种类等)相同，则“偏移”也通常基本相同。然后，可以通过实验(根据经验)测量该“偏移”，并且获得用于校正该“偏移”的计算公式、即包含有实验公式(校正项)的计算公式。通过使用与包含有实验公式(例如，与乘法有关的实验公式F以及与加法有关的实验公式G)的计算公式(例如，λ=(L2-L1)/ln(I_L1/I_L2)×F+G)相对应的程序，可以进行更高精度的测量。此外，由于校正项依赖于相关的条件，因此通过在若干条件下进行实验，可以获得使用相关的条件作为变量的校正项的函数(例如，实验公式F和G)。使用该函数使得可以以更好的精度进行测量。

作为用于扩大或改变飞行距离的方法，可以利用已知为飞行时间(TOF)质谱仪的用于控制轨迹的各种方法，例如使离子往返运动的反射系统、使离子按同一轨迹环绕的多圈系统或者使离子按螺旋轨迹环绕的螺旋系统等。此外，以下方法也是可行的：使一个集电体在飞行方向的轴上移动的方法；或者在使多个集电体在与该轴垂直的方向(轴上和轴外)进行移动的情况下选择用于进行测量的集电体的方法。

作为测量各成分的真空度所需的质谱仪，不局限于四极型，还可使用能够任意设置离子源/集电体之间的距离的磁场扇形型、飞行时间型和电场/磁场叠加型等。此外，尽管离子源/集电体之间的距离相同，但还可使用可以对大致从离子源产生起直到利用集电体进行检测为止的时间、即有效飞行距离进行任意设置的离子阱型(三维型和二维型)，并且还可以使用离子回旋加速器型。

更多其它实施例

本发明适用于由多个装置(例如，计算机、接口装置、读取器、打印机和装置1007等)构成的系统或者由一个装置构成的设备。

如下处理方法也包括在上述实施例的范畴中：将用于使上述实施例的结构进行工作从而实现上述实施例的控制部1000的功能的程序存储在存储介质中，并且读出该存储介质中所存储的程序作为代码以在计算机上运行。即，计算机可以读取的存储介质也包括在上述实施例的范围中。此外，当然，存储有计算机程序的存储介质以及该计算机程序本身都包括在上述实施例中。

作为存储介质，例如，可以使用软(floppy，注册商标)盘、硬盘、光盘、磁光盘、CD-ROM、磁带、非易失性存储卡和ROM。

另外，在不局限于利用存储介质中所存储的程序单体来进行操作的情况下，与其它软件或扩展板的功能相关联地在O S上进行工作的情况下进行上述实施例的动作也包括在上述实施例的范畴中。

Claims (19)

1.一种用于测量带电粒子在环境气体中的平均自由程的装置，包括：

发生源，用于产生所述带电粒子；

检测部件，用于检测具有第一飞行距离的第一带电粒子的数量，并检测具有比所述第一飞行距离长的第二飞行距离的第二带电粒子的数量，其中所述第一飞行距离为相对于所述发生源的0以上的飞行距离；以及

计算部件，用于根据所述第一带电粒子的数量与所述第二带电粒子的数量之间的比值来计算所述平均自由程。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测部件具有：

第一检测器，用于检测所述第一带电粒子的数量；以及

第二检测器，其与所述第一检测器相比位于距离所述发生源更远的位置处，并用于检测所述第二带电粒子的数量。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测部件具有：

检测器，用于检测所述带电粒子；以及

调整部件，用于调整所述带电粒子从所述发生源到所述检测器的轨迹，

其中，通过利用所述调整部件改变所述带电粒子的飞行距离，所述检测器检测所述第一带电粒子的数量和所述第二带电粒子的数量。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发生源具有：

丝，用于发射电子；

栅格，用于吸引所述电子以在所述栅格的前表面附近产生离子；以及

平板状的引入电极，用于吸引所产生的离子，其中所述引入电极被配置成允许到达所述引入电极的离子中的一部分离子直接穿过。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发生源具有：

电子源，用于发射电子；以及

引入电极，用于引入所发射的电子，其中所述引入电极被配置成允许到达所述引入电极的电子中的一部分电子直接穿过。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述带电粒子是离子；

所述发生源具有：

丝，用于发射热电子；

大致呈圆筒状的栅格，用于吸引所述热电子以在内部产生离子；以及

线状的集电体，其配置于所述栅格的内部；

其中，所述集电体的长度短于所述栅格在轴方向上的长度。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述集电体的长度大约为所述栅格在所述轴方向上的长度的一半。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当利用第一初始值表示在第一真空度下所检测到的第一带电粒子的数量且利用第二初始值表示在所述第一真空度下所检测到的第二带电粒子的数量时，所述计算部件将在比所述第一真空度差的第二真空度下所检测到的第一带电粒子的数量标准化为通过将该第一带电粒子的数量除以所述第一初始值所获得的值，并且将在所述第二真空度下所检测到的第二带电粒子的数量标准化为通过将该第二带电粒子的数量除以所述第二初始值所获得的值，由此获得所述第一带电粒子的数量与所述第二带电粒子的数量之间的比值。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测部件是如下的检测器，其中该检测器被构成为检测到达该检测器的带电粒子中的一部分带电粒子，并允许其它部分的带电粒子直接穿过。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，

所构成的所述检测器具有至少一个开口部；以及

具有至少一个开口部的所述检测器是具有网格状、狭缝状或至少一个窗的检测器。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于吸收与环境气体进行了碰撞而失去了动能的带电粒子的电极。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

用于使带电粒子断续地到达检测器的部件；以及

与该部件同步的锁定放大器、即调制同步型放大器，

其中，所述锁定放大器从所检测到的所述第一带电粒子的数量和所述第二带电粒子的数量消除噪声。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，利用存在于环境气体中的等离子体作为用于产生所述带电粒子的发生源。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发生源能够在将离子作为要产生的带电粒子和将电子作为要产生的带电粒子之间进行切换。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

用于从所计算出的所述平均自由程转换成与所述平均自由程相对应的压力的部件；以及

用于显示转换得到的所述压力的部件。

16.一种用于测量带电粒子在环境气体中的平均自由程的方法，包括以下步骤：

从发生源产生所述带电粒子；

检测具有第一飞行距离的第一带电粒子的数量，并检测具有比所述第一飞行距离长的第二飞行距离的第二带电粒子的数量，其中所述第一飞行距离为相对于所述发生源的0以上的飞行距离；以及

根据所述第一带电粒子的数量与所述第二带电粒子的数量之间的比值来计算所述平均自由程。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，

所述带电粒子是离子；以及

从所述发生源产生所述带电粒子的步骤包括以下步骤：

向所述发生源所具有的丝施加第一电位并向所述发生源所具有的栅格施加比所述第一电位高的第二电位，以将从所述丝发射的电子吸引至所述栅格并在所述栅格的附近产生离子；以及

向所述发生源所具有的平板状的引入电极施加比所述第二电位低的第三电位，其中所述引入电极被配置为允许到达所述引入电极的离子中的一部分离子直接穿过，从而所产生的离子被吸引至所述引入电极并允许所吸引的离子中的一部分从所述引入电极穿过。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，

所述带电粒子是电子；以及

从所述发生源产生所述带电粒子的步骤包括以下步骤：

向所述发生源所具有的丝施加第一电位，以从所述丝产生电子；以及

向所述发生源所具有的平板状的引入电极施加比所述第一电位高的第二电位，其中所述引入电极被配置为允许到达所述引入电极的电子中的一部分电子直接穿过，从而所产生的电子被吸引至所述引入电极并允许所吸引的电子中的一部分从所述引入电极穿过。

19.一种真空容器，包括：

根据权利要求1所述的装置；以及

用于在所述真空容器内产生等离子体的部件，

其中，使用所产生的等离子体作为所述发生源。

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