CN107407611B - 三极管型电离真空计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可减少从离子收集器表面释放的粒子的影响并无测量误差地测量出测量对象物的压力的三极管型电离真空计。三极管型电离真空计(IG)，具有灯丝(2)；配置在灯丝周围的具有筒状的轮廓的栅极(3)；以及在栅极周围同心配置的筒状的离子收集器(4)。离子收集器的母线方向的长度(L2)设定在栅极的母线方向的长度(L1)的6％～80％的范围内，省去离子收集器的母线方向的两端部的粒子释放区域。

Description

三极管型电离真空计

技术领域

本发明涉及一种安装在真空容器等测量对象物上并用于检测其内部压力的三极管型电离真空计。

背景技术

在通过溅射或气相沉积进行成膜等在真空处理装置内实施的真空工艺中，作为测量对象物的真空室内的压力有时对例如产品生产率有很大影响。真空工艺中，作为精度良好地测量真空室内压力中1Pa～10^-6Pa的大压力范围的产品，通常已知的是三极管型电离真空计(例如参照专利文献1)。

上述以往例子中的三极管型电离真空计具有在安装在测量对象物上的玻璃材质的真空隔壁内形成为发针状的灯丝；配置在灯丝周围的具有圆筒状轮廓的栅极；以及配置在栅极周围的圆筒状的离子收集器。并且，给灯丝通电使该灯丝发光并释放热电子，施加给栅极高于灯丝的电位，由离子收集器捕捉在该栅极周边与热电子碰撞产生的气体原子、分子的正离子，根据此时的离子电流测量出测量对象物的压力。此时，灯丝从其折叠的顶部侧插入，配置为顶部位于栅极的母线方向中央区域。再有，作为离子收集器，为了尽可能地捕捉正离子，使用其母线方向的长度与栅极母线方向的长度相等的离子收集器，栅极和离子收集器配置为同心状。

其中，已知上述以往例子的三极管型电离真空计的真空隔壁上连接有真空泵，一边以固定的排气速度从大气压抽真空到高真空区域(10^-5Pa左右的压力)，一边如上所述地测量压力，在压力指示值持续下降到其测量限界(下限)值附近的压力10^-5Pa左右后，再次上升到10^-4Pa左右并达到平衡。将这样的三极管型电离真空计安装在测量对象物上测量压力时，会带来产生测量误差(即指示压力高于实际的测量对象物的压力)的问题。

此处，本发明的发明人经过反复研究，认识到其原因是离子收集器的母线方向的两端部正离子的碰撞概率较低，成为粒子(气体分子)堆积的区域，甚至成为因正离子碰撞而释放粒子的释放源。即最初抽真空时，也逐渐释放并排出栅极或离子收集器上附着的水分等气体的原子或分子(大气中的成分)(即吸附量沿所谓的吸附等温线减少)，压力指示值下降到其测量界限值(例如10^-5Pa)。可知，在该时间点，离子收集器(主要是内表面)上附着的原子或分子的组成变为与大气关联的组成比率。

释放的气体或成为正离子的气体分子等再次碰撞离子收集器，作为氧化物等化学吸附或物理吸附在离子收集器表面(主要是内表面)。此时，在正离子的碰撞概率高的区域，由于具有可脱离能量的正离子不断碰撞，作为中性分子、中性碎片分子、中性原子或它们的离子等的粒子被尽可能地释放(即难以作为分子层堆积)，另一方面，在正离子的碰撞概率低的区域，由于正离子不是不断碰撞，例如作为弱结合的分子层(氧化层等)，与正离子的碰撞概率高的区域相比容易堆积，呈容易保持分子层的厚度的状态。

经过更多的时间时，真空隔壁内的气体变为与排气能力对应的组成。根据该组成的变化附着在离子收集器表面(主要是内表面)上的原子或分子层的组成也改变。例如变为増加了难于排气的水分子等的组成。该组成的改变等导致在正离子的碰撞概率低的区域内，吸附比脱离更有优势，例如作为弱结合的分子层(氧化层等)而进行堆积。并且，可知在下降到测量界限值附近的压力后，随着因正离子碰撞而在堆积的分子层(也包含进一步吸附的水分子等)上释放的粒子量不断增加，压力指示值上升，此后，只要保障粒子释放和释放的粒子的再吸附或排气均衡，就会在规定的压力(例如10^-4Pa)下达到平衡。由于化学吸附或物理吸附在该分子层上的量和从该分子层上释放的粒子量依赖于正离子等的碰撞概率，所以离子的碰撞概率较低的离子收集器的母线方向的两端部成为粒子的释放源，导致压力指示值上升。

现有技术文献

专利文献

【专利文献1】专利公开2013-72694号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明是基于以上的认知而形成的，其目的是提供一种可减少从离子收集器表面释放的粒子的影响并无误差地测量出测量对象物的压力的三极管型电离真空计。

解决技术问题的手段

为解决上述技术问题，安装在测量对象物上检测其内部压力的本发明的三极管型电离真空计，具有：灯丝；配置在灯丝周围的具有筒状轮廓的栅极；以及在栅极周围同心配置的筒状离子收集器；给灯丝通电使该灯丝发光并释放热电子，施加给栅极高于灯丝的电位，由离子收集器捕捉在该栅极周边与热电子碰撞产生的气体原子、分子的正离子，根据此时的离子电流检测压力，省去离子收集器的母线方向的两端部的粒子释放区域。

采用本发明，当安装在测量对象物上测量压力时，从高真空区域内的离子收集器表面释放的粒子的影响被尽可能地抑制，其结果是可正确测量出测量对象物的压力。在本发明中，所谓“粒子释放区域”是指根据离子电流进行压力测量时，由于正离子的碰撞概率较低而对离子的捕捉没什么帮助，其表面上作为分子层而堆积得到的区域(换言之粒子(气体分子)堆积得到的区域)，且即便将其省去了对灵敏度下降的影响也很小，可测量压力的区域，不仅是整体省去粒子释放区域的情况，也包含在不引起压力上升的范围内省去一部分的情况。

在本发明中，优选将所述离子收集器的母线方向的长度设定在栅极的母线方向的长度的6％～80％的范围内，省去离子收集器的母线方向的粒子释放区域。由此，当设定为离子收集器的母线方向的长度与栅极的母线方向的长度相等时，可采用设定离子收集器的母线方向的长度比栅极的母线方向的长度短的极为简单的结构而实质上省去正离子的碰撞概率较低的离子收集器的两端部，可尽可能地抑制从离子收集器表面释放的粒子的影响。此外，存在一旦栅极的母线方向长度长于80％，就会受到离子收集器的母线方向的两端部的粒子释放的影响而产生测量误差，另一方面，一旦栅极的母线方向长度短于6％，就会导致灵敏度显著下降，无法正确测量测量对象物内压力的问题。

再有，在本发明中，优选将所述灯丝、所述栅极、以及所述离子收集器收纳在金属材质的真空隔壁内。由此，防止热电子对真空隔壁的过度充电，使真空隔壁所围绕的空间内的电位分布总是保持固定。其结果是可以以固定的灵敏度长时间测量压力。

附图说明

图1是说明本发明的实施方式的三极管型电离真空计的结构的示意图。

图2是传感器部的剖面示意图。

图3是表示将三极管型电离真空计抽真空时压力变化对经过的时间的图表。

图4是以离子收集器的母线方向的长度与栅极的母线方向的长度的比为横轴、以离子收集器上的正离子的收集概率为纵轴时的图表。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的三极管型电离真空计的实施方式。下述内容中，以对图示省略的测量对象物的下述传感器部的安装方向为上方进行说明。

参照图1和图2，三极管型电离真空计IG由传感器部S和控制部C构成。传感器部S具有作为真空隔壁的是有底筒状的金属材质的容器的传感器本体1，经设置在其上部的凸缘11(及真空密封件)装卸自如地安装在图外的真空室等的测量对象物上。传感器本体1由不锈钢、镍、镍铁合金、铝合金、铜、铜合金、钛、钛合金、钨、钼、钽或者从这些中选出的至少两种合金制成。此时，金属材质的传感器本体1优选接地。

传感器本体1内部具有灯丝2、同心配置为围绕灯丝2的周围具有圆筒状轮廓的栅极3、以及同心配置为围绕栅极3周围的圆筒状离子收集器4。作为灯丝2可使用覆盖氧化钇的铱或钨等金属材质的灯丝，也可使用将Φ0.1～0.2mm的线材制成为发针状的灯丝。并且，使灯丝2的两自由端经省略图示的绝缘体贯通传感器本体1的底部，并通过传感器本体1内突出设置的支撑销21a、21b定位支撑在传感器本体1内的规定位置。此时，支撑销21a、21b也起到连接端子(电极)的作用。灯丝2从灯丝2的插入方向前端的折叠成发针状的顶部22a侧插入到栅极3的一端(图1中的下端)。此时，顶部22a例如配置为位于栅极3的母线方向的长度L1的中点Mp的附近。

作为栅极3，使用钨、钼、表面涂敷铂的钼、钽、铂、铱、铂铱合金、镍、镍铁合金、不锈钢或从这些中选出的至少两种合金制成的栅极。并且，形成为将Φ0.1～0.5mm的线材卷绕成具有圆筒状轮廓的线圈状。此时，灯丝2的顶部22a位于栅极3的孔轴Ha上。此外，栅极3的形状并不仅限于此，也可以是将上述线材组装成格子状制成圆筒状的栅极或是将冲孔金属或光蚀刻板制成筒状的栅极。再有，栅极3也经省略图示的绝缘体贯通传感器本体1的底部，并通过传感器本体1内突出设置的支撑销31a、31b定位支撑在传感器本体1内的规定位置。此时，支撑销31a、31b也起到连接端子的作用。

作为离子收集器4，使用不锈钢、钼、表面涂敷铂的钼、钽、铂、铱、铂铱合金、镍、镍铁合金或从这些中选出的至少两种合金制成的离子收集器。并且，形成为将50～300μm厚的矩形的板材制成圆筒状。再有，离子收集器4也经省略图示的绝缘体贯通传感器本体1的底部，并通过传感器本体1内突出设置的支撑销41a、41b定位支撑在传感器本体1内的规定位置。此时，支撑销41a、41b也起到连接端子的作用。

另一方面，控制部C具有框体F(图1中点划线所示)，框体F中内置有包括计算机、存储器或定序器等的控制单元Cu。控制单元Cu统一进行下述的各电源的操作或处理以下述的电流计A测量的离子电流值，并在如省略图示的显示器上显示压力等的各种控制。再有，框体F中内置有给灯丝2通直流电流使灯丝2红热(发光)的灯丝发光用的电源E1；向栅极3施加高于灯丝2的电位的栅极用的电源E2；使灯丝2的电位高于离子收集器4的电位的电源E3；以及测量流过离子收集器4的离子电流的电流计A。此外，在本实施方式中，虽无特殊图示说明，框体F上设置有导通上述各电源E1～E3的输出端子，传感器部S和控制部C通过带连接器的电缆连接。再有，传感器部S和控制部C也可构成为安装在同一框体内。

此处，作为灯丝2，使用由Φ0.127mm、20mm长的铱线制成发针状并涂敷氧化钇的灯丝，作为栅极3，使用将Φ0.25mm的铂包钼线制成直径Φ10mm、母线方向的长度L1为20mm的栅极，以及作为离子收集器4，使用将0.1mm厚的SUS304材质的板材制成直径Φ17mm的圆筒状的离子收集器，按照上述实施方式将这些灯丝2、栅极3及离子收集器4组装到内径为Φ25mm的圆筒状的真空隔壁1内。此时，准备了六个三极管型电离真空计IG，分别是离子收集器4的母线方向的长度L2设置为20mm(栅极的长度L1的100％：“以往例子”)的产品；以及离子收集器4的母线方向两端被省去的、离子收集器4的母线方向的长度L2设置为16mm(栅极的长度L1的80％：“试验体1”)的产品、离子收集器4的母线方向长度L2设置为14mm(栅极的长度L1的70％：“试验体2”)、离子收集器4的母线方向长度L2设置为12mm(栅极的长度L1的60％：“试验体3”」)的产品、离子收集器4的母线方向长度L2设置为10mm(栅极的长度L1的50％：“试验体4”的产品、以及离子收集器4的母线方向长度L2设置为2mm(栅极的长度L1的10％：“试验体5”)的产品。

接着，在真空隔壁1上也安装图示省略的所谓基准真空计，通过真空泵以固定的排气速度抽真空，并同时以栅极电压150V、灯丝电流25V、离子收集器电流0V及发射电流1mA来进行操作，分别测量基准真空计及各三极管型电离真空计内的压力。图3是示出各三极管型电离真空计中相对于经过的时间的压力变化的图表。由此，图3中如虚线所示，在以往产品中，已确认在真空隔壁1的压力持续下降到10^-5Pa左右后，会再次上升到10^-4Pa左右并达到平衡。与之相对，已确认在试验体1～试验体5中，在真空隔壁1的压力持续下降到10^-5Pa左右后达到平衡。再有，分别测量以往产品和试验体1～5对于基准真空计的灵敏度，求出相比以往产品的灵敏度比时，得到试验体1的灵敏度比是100％，试验体2的灵敏度比是87％，试验体3的灵敏度比是75％，试验体4的灵敏度比是68％，试验体5的灵敏度比是13％。其结果是确认了在试验体1中虽然可得到同样的灵敏度，但随着与栅极3的长度L1相比离子收集器4的母线方向长度L2缩短而灵敏度下降，但是在对测量对象物的压力测量没有影响的范围。

离子收集器4的母线方向长度L2和灵敏度的关系可以说是接近将试验体L1的50％(设置栅极3的母线方向的长度L1的中点Mp为0％，则在-25％到+25％的范围)设置为1σ的正态分布的值。即当将试验体L1的50％设置为1σ时的k值计算为以往产品是20mm÷10mm＝2σ，试验体1是18mm÷10mm＝1.6σ，试验体2是14mm÷10mm＝1.4σ，试验体3是12mm÷10mm＝1.2σ，试验体4是10mm÷10mm＝1σ，试验体5是2mm÷10mm＝0.2σ。根据该k值求的正态分布的概率是根据以往产品是2σ得95％，同样地，根据试验体1是1.6σ得89％，根据试验体2是1.4σ得84％，根据试验体3是1.2σ得77％，根据试验体4是1.2σ得68％，根据试验体5是0.2σ得16％。其结果是判断出呈与上述的各试验体1～5的灵敏度比是近似值。

在图表中表示以栅极3的母线方向的长度L1的中点Mp设置为0％时的离子收集器4的母线方向的长度L2的比为横轴，以离子收集器4上的正离子收集概率为纵轴的情况，则可知如图4所示。从上述内容可知在离子收集器4的中央区域正离子碰撞的概率较高，捕捉到很多正离子，但随着从离子收集器4的中央区域向其两端，正离子碰撞概率较低，在其两端部处，对正离子的捕捉几乎没有帮助。并且，在以往产品中，在正离子的碰撞概率低的离子收集器4的两端部作为弱结合分子层(氧化层等)堆积(即气体分子堆积)，在下降到测量界限值附近的压力后，随着通过正离子与堆积的分子层碰撞而释放的粒子的量逐渐增加，压力指示值上升，此后一旦保持粒子的释放和释放的粒子的再吸附或排气的均衡，则在规定压力(例如、10^-4Pa)下达到平衡。

此外，在本实施方式的传感器本体1中，由于围绕灯丝2的周围同心配置有圆筒状的离子收集器4，所以在压力测量时，通过对例如支撑销41a、41b储热而在离子收集器4上从其母线方向中央到两端产生温度分布(吸附等温线)。基于该温度分布粒子的吸附量应该存在差异，但从上述实验结果和检测灵敏度的变化率看，难以将温度分布的存在作为主导性因素。再有，也可考虑在离子收集器4的母线方向两端的软X线的产生及其入射的影响，但该影响比电离真空计的测量界限低了一个数量级，是在10^-6Pa左右的压力范围内主导的现象，再有，即便根据上述实验结果也难以认为是主导性因素。

此处，在本实施方式中，基于上述认识，在将离子收集器4的母线方向的长度L2设定在栅极3的母线方向的长度L1的6％～80％的范围内，将离子收集器4的母线方向的长度设定为与灯丝2的母线方向的长度等长时(即以往产品)，正离子的碰撞概率较低的离子收集器4的两端部通过设定离子收集器4的母线方向的长度L2相比栅极3的母线方向的长度L1短这一极为简单的结构而实质上被省去。即当配置为使离子收集器4的母线方向的长度L2比栅极3的母线方向的长度L1短，离子收集器4的母线方向的长度L2的中点位于栅极3的母线方向的长度L1的中点Mp附近时，栅极3的上下方向的端部从离子收集器4的上下端或各自的上方和下方突出。

由此，当安装在测量对象物上测量压力时，由高真空区域内的离子收集器4表面所释放的粒子的影响被尽可能地抑制，其结果是可正确测量出测量对象物的压力。并且，由于离子收集器4的母线方向的长度L2设定在栅极3的母线方向的长度L1的6％～80％的范围内，所以不会受到灵敏度下降的影响而可正确测量出测量对象物内的压力。此处，根据上述灵敏度比和图4的图表，可知当离子收集器4的母线方向的长度L2是栅极3的母线方向的长度L1的6.3％时，灵敏度低于10％。此时，设定灵敏度为S、流过离子收集器4的离子电流为Ii、灯丝2和栅极3之间的发射电流为Ie、压力为P的话，则Ii＝Ie×S×P的关系式成立，S越小Ii也越小。因此，一旦离子收集器4的母线方向的长度L2变为栅极3的母线方向的长度L1的6％以下，则灵敏度下降到10％以下，Ii也减小到10％以下。其结果是电气噪声减弱，作为微小电流测量电路需要使用高价的产品，一旦短于栅极3的母线方向的长度L1的6％，则不实用。另一方面，一旦使栅极3的母线方向长度长于80％，则受到离子收集器4的母线方向的两端部的粒子的释放的影响而可能产生测量误差。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不仅限于上述的实施方式。在上述实施方式中，以灯丝2的顶部22a和离子收集器4的母线方向的长度L2的中点位于栅极3的母线方向的长度L1的中点Mp附近的实施方式为例进行的配置，但并不仅限于此，也可在给灯丝2通电使其释放热电子时的电子释放效率不下降到超过规定值的范围内向上方或下方适当移动灯丝2相对于栅极3的位置。再有，作为灯丝2，例如可使用直线性或卷绕成线圈形的产品，此时，配置为电子释放效率高的区域位于栅极3的母线方向的长度L1的中点Mp附近。进而，在使用形成为发针状的灯丝2时，由于其顶部22a是最受到加热的部分，可知热电子的释放量也最多，所以根据灯丝2的顶部22a的位置，可在正离子的收集效率不下降的范围内向上方或下方移动离子收集器4相对于栅极3的位置。

再有，在上述实施方式中，以设置离子收集器4的母线方向的长度L2比栅极3的母线方向的长度L1短，在根据离子电流进行压力测量时，由于正离子的碰撞概率较低而无助于离子的捕捉，省去在其表面堆积成为分子层的粒子释放区域整体的实施方式为例进行了说明，但并不仅限于此。例如、向以往例子那样，设置离子收集器4的母线方向的长度L2和栅极3的母线方向的长度L1等长，将两者配置为同心状，在与栅极3的母线方向的长度L1相比离子收集器4的母线方向的长度L2的6％～80％的范围之外的离子收集器4的两端部，设置尽可能大面积的开口以便不导致压力上升，也可以部分省去粒子释放区域。进而，在上述实施方式中，作为离子收集器4，以将矩形的板材制成圆筒状的离子收集器4为例进行了说明，但并不仅限于此，也可使用将帯状的线材组装成格子状制成圆筒状的离子收集器或将冲孔金属或光蚀刻板制成筒状的离子收集器。此时，离子收集器4的有效捕捉面积与上述实施方式同样地，只要按沿着以L1的50％为1σ的正态分布的比率来构成即可，也可根据求的灵敏度加以适当改变。

附图标记说明

IG…三极管型电离真空计、S…传感器部、C…控制部、1…金属材质的传感器本体(真空隔壁)、2…灯丝、3…栅极、4…离子收集器、A…电流计、Mp…(栅极的母线方向的)中点。

Claims (3)

1.一种三极管型电离真空计，是安装在测量对象物上检测其内部压力的三极管型电离真空计，具有灯丝；配置在灯丝周围的具有筒状轮廓的栅极；以及在栅极周围同心配置的筒状离子收集器；给灯丝通电使该灯丝发光并释放热电子，施加给栅极高于灯丝的电位，以离子收集器捕捉在该栅极周边与热电子碰撞产生的气体原子、分子的正离子，根据此时的离子电流检测压力，所述三极管型电离真空计，其特征在于：

省去离子收集器的母线方向的两端部的粒子释放区域。

2.根据权利要求1所述的三极管型电离真空计，其特征在于：

所述离子收集器的母线方向的长度设定在栅极母线方向的长度的6％～80％的范围内，省去离子收集器的母线方向的粒子释放区域。

3.根据权利要求1或2所述的三极管型电离真空计，其特征在于：

将所述灯丝、所述栅极以及所述离子收集器收纳在金属材质的真空隔壁内。