CN107407612A - 三极管型电离真空计 - Google Patents

三极管型电离真空计 Download PDF

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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轮廓的栅极(3)；以及在栅极周围同心配置的筒状离子收集器(4)。还具有：灯丝发光用的电源(E1)；施加给栅极高于灯丝电位的栅极用的电源(E2)；以及使灯丝电位高于离子收集器电位的电源(E3)。给灯丝的供给电力设置在4W以下，控制灯丝和栅极之间的发射电流在2mA～10mA的范围内。

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，有时作为测量对象物的真空室内的压力例如对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、非专利文献1)。
这种三极管型电离真空计在安装在测量对象物上的玻璃材质的真空隔壁(壳体)内具有灯丝；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离子收集器。并且，通过灯丝发光用电源给灯丝通直流电使灯丝红热并释放热电子，通过栅极用电源施加给栅极高于灯丝的电位，并同时通过其他电源使灯丝电位高于离子收集器电位，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试验体内的压力。
作为离子收集器，由于通常用于尽可能地捕捉正离子，所以使用其母线方向长度大于等于栅极母线方向长度的离子收集器，将栅极和离子收集器配置为同心状。此处，在上述非专利文献1所公开的三极管型电离真空计中，一旦要得到2mA左右的发射电流，则需要将给灯丝的供给电力设定为9W左右(此时，可知离子收集器的表面温度超过400℃)。
然而，近年来，为了更便于使用等，也需要使这种电离真空计小型化，随之，在真空隔壁本身尺寸减小的同时，组装在其内部的灯丝、栅极以及离子收集器的尺寸也被缩小。此时，一旦按上述向灯丝供给超过9W的电力，则玻璃制成的真空隔壁会被加热到超过70℃的温度，在三极管型电离真空计的处理方面不优选。为此，想到将给灯丝的供给电力设置为上述以往例子的一半以下(例如4W)以避免使真空隔壁被加热到规定温度(例如50℃)以上，其中，如上述专利文献1中所公开的，如果适当选择例如灯丝的材质，可以以低温得到规定的发射电流(即可以以高灵敏度测量压力)，可防止真空隔壁被过度加热。
但是，已知的是，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)，一边例如以4W以下的电力给灯丝供给电力，以将发射电流控制为1mA，用上述小型化的三极管型电离真空计来测量压力的话，则在压力指示值持续下降到作为其测量界限(下限)值附近的压力的10-5Pa左右之后，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(即指示的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，认识到其原因是虽然灯丝的供给电力较高(例如9W)，在离子收集器表面温度超过400℃时不会产生上述问题，但由于降低了灯丝的供给电力，离子收集器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的表面(主要是内表面)上。此时，在正离子碰撞概率高的区域，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(即难以堆积为分子层)，另一方面，在正离子碰撞概率低的区域，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)，与正离子碰撞概率高的区域相比容易堆积，呈容易保持分子层厚度的状态。
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。例如变为难于排气的水分子等増加的组成。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)上释放的粒子的量不断增加，压力指示值上升，此后，只要保障粒子的释放和释放的粒子的再吸附和排气均衡，就会在规定压力(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的量依赖于正离子等的碰撞概率，所以离子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
非专利文献
【非专利文献1】真空第40巻第11号(1997)「二等标准电离真空计的后继球(VS－1A)的开发」
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。
解决技术问题的手段
为了解决上述技术问题，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；给灯丝通直流电使该灯丝红热的灯丝发光用电源；施加给栅极高于灯丝电位的栅极用电源；以及使灯丝电位高于离子收集器电位的电源；其特征在于，给灯丝的供给电力设置在4W以下，控制灯丝和栅极之间的发射电流在2mA～10mA的范围内。
采用本发明，在给应防止对真空隔壁的加热的灯丝的供给电力设定在4W以下的状态下，通过将发射电流设定在2mA以上，使得正离子的生成量增加，即便以较低的发射电流，在正离子的碰撞概率低的离子收集器的两端部正离子也会持续碰撞，抑制堆积为弱结合的分子层(氧化层等)。其结果是在组装在测量对象物上测量压力时，可尽可能地抑制从高真空区域内的离子收集器表面释放的粒子的影响，正确测量出测量对象物的压力。此外，一旦将发射电流设定为超过10mA的值，则给灯丝的供给电力将超过4W，真空隔壁的温度也会超过50℃。
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示出改变发射电流时试验体内的压力对经过的时间的图表。
图5是示出改变发射电流时的离子收集器的表面温度的图表。
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，以对未图示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壳体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测量对象物上。壳体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的合金制成。此时，金属材质的壳体1优选接地。
壳体1内部具有灯丝2、同心配置为围绕灯丝2的周围的具有圆筒状轮廓的栅极3、以及同心配置为围绕栅极3的周围的圆筒状离子收集器4。作为灯丝2可使用用氧化钇覆盖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的两自由端经未图示的绝缘体贯通壳体1的底部，并通过壳体1内突出设置的支撑销21a、21b定位支撑在壳体1内的规定位置上。此时，支撑销21a、21b也起到连接端子(电极)的作用。灯丝2从其插入方向前端的折叠成发针状的顶部22a一侧插入到栅极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母线方向的长度的中点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的合金制成的栅极。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也经未图示的绝缘体贯通壳体1的底部，并通过壳体1内突出设置的支撑销31a、31b定位支撑在壳体1内的规定位置上。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的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。此时，为了尽可能地捕捉正离子，离子收集器4的母线方向的长度与栅极3的母线方向的长度相等。再有，离子收集器4也经未图示的绝缘体贯通壳体1的底部，并通过壳体1内突出设置的支撑销41a、41b定位支撑在壳体1内的规定位置上。此时，支撑销41a、41b也起到连接端子的作用。此外，离子收集器4的形状并不仅限于此，也可以是将带状线材组装成格子状制成圆筒状的离子收集器或是将冲孔金属或光蚀刻板制成筒状的离子收集器。
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A1测量的离子电流值，并在如未图示的显示器上显示压力等各种控制。再有，框体F中内置有给灯丝2通直流电使灯丝2红热(发光)的灯丝发光用电源E1；向栅极3施加高于灯丝2电位的栅极用电源E2；使灯丝2电位高于离子收集器4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A1。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也可构成为组装在同一框体内。
此处，为将三极管型电离真空计IG构成为即便灯丝2的供给电力在4W以下也能得到规定的发射电流，对于灯丝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，对于栅极3，使用将Φ0.25mm的铂包钼线制成直径Φ10mm、母线方向长度L1为20mm的栅极，以及对于离子收集器4，使用将0.1mm厚的SUS304材质的板材制成直径Φ17mm、高度20mm的圆筒状离子收集器，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的圆筒状的金属制成的壳体1内制备出试验体。
接着，在通过真空泵以固定的排气速度将壳体1内抽真空的同时，将发射电流设定为1mA并进行操作，测量出试验体内的压力。此时，栅极电压为150V、灯丝电压为25V、离子收集器电压为0V，测量压力期间，来自电源E1的灯丝电流和电压被适当控制在给灯丝2的供给电压不超过4W的范围内，以使得发射电流保持在1mA。图3是示出相对于经过的时间的试验体内压力变化的图表。由此，图3中如虚线所示，已确认在壳体1的压力指示值持续下降到10-5Pa左右后，会再次上升到10-4Pa左右并达到平衡。在该状态下，只将栅极电压从150V变为800V，则虽然指示出稍低一点的压力，但很快就上升到原来的压力。由此，可知压力上升的原因并不是由栅极3导致的。
接着，适当控制来自电源E1的灯丝电流和电压并间隔规定时间间隔将发射电流分别变为0.01mA、1mA、2mA、3mA以及0.5mA，分别测量相对于经过的时间的试验体内的压力，其结果如图4所示。由此，可知一旦增大发射电流，则指示的压力下降。再有，再将发射电流设定为2mA时，测量试验体内的压力相对于经过的时间的变化，确认如图3中实线所示，壳体1的压力指示值连续下降到10－5Pa附近，以此维持平衡。
接着，测量适当控制来自电源E1的灯丝电流和电压并改变发射电流时的离子收集器4的表面温度，其结果如图5所示，由此，即便将发射电流设定在10mA，离子收集器4的温度也在250℃以下，此时壳体1的温度为40℃左右。此外，将发射电流设定在10mA时的灯丝的供给电力是3.2W。
从上述内容可知存在由于灯丝2因发射电流的增加而被加热，所以栅极3或离子收集器4被加热并且温度上升，从其表面释放的粒子的影响减少的可能性，但此时离子收集器4上升温度至多增加100℃左右，壳体1上升的温度至多增加20℃左右，并且看不到改变发射电流后紧接着的压力变化。可知其结果是一旦将发射电流设置在2mA以上，则正离子的生成量増加，即便以较低的发射电流，在正离子的碰撞概率低的离子收集器4的两端部正离子也会持续碰撞，抑制堆积为弱结合的分子层(氧化层等)。
因此，在本实施方式中，基于上述已知内容，三极管型电离真空计IG(即灯丝2和栅极3)构成为即便灯丝2的供给电力在4W以下也能得到规定的发射电流，在电源E2的负的输出侧设置有测量流过灯丝2和栅极3之间的发射电流的其他电流计A2，测量压力期间，通过控制单元Cu控制电源E1使得灯丝2的供给电力在4W以下且以电流计A2测量的发射电流在2mA～10mA的范围内。
采用上述实施方式，正离子的生成量増加，即便以较低的发射电流，在正离子的碰撞概率低的离子收集器4的两端部正离子也会持续碰撞，抑制堆积为弱结合的分子层(氧化层等)。其结果是在组装在测量对象物上测量压力时，可尽可能地抑制从高真空区域内的离子收集器4表面释放的粒子的影响，正确测量出对象物的压力。此外，一旦将发射电流设定为超过10mA的值，则给灯丝的供给电力将超过4W，真空隔壁的温度也会超过50℃。再有，由于将灯丝2、栅极3、以及离子收集器4收纳在金属材质的壳体1内，将防止热电子对壳体1的过度充电，使壳体1所围绕的空间内的电位分布总是保持固定。其结果是可以长时间以固定的灵敏度测量压力。
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母线方向长度的中点位于栅极3的母线方向长度中点Mp附近的实施方式为例进行了配置，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或下适当移动灯丝2相对于栅极3的位置。再有，对于灯丝2，例如可使用直线形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母线方向长度中点Mp附近。
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…金属材质的壳体(真空隔壁)、2…灯丝、3…栅极、4…离子收集器、A1,A2…电流计。

Claims (2)

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，其具有：
灯丝；配置在灯丝周围的具有筒状轮廓的栅极；在栅极周围同心配置的筒状离子收集器；给灯丝通直流电使灯丝红热的灯丝发光用电源；施加给栅极高于灯丝电位的栅极用电源；以及使灯丝电位高于离子收集器电位的电源；给灯丝的供给电力设置在4W以下；所述三极管型电离真空计，其特征在于：
控制灯丝和栅极之间的发射电流在2mA～10mA的范围内。
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：
所述灯丝、所述栅极，以及所述离子收集器收纳在金属制成的真空隔壁内。
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GR01 Patent grant
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