JP2000329634A - 電離真空計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、大気圧から高真空圧までの広範囲
の圧力を同一真空計で測定することを目的としたもので
ある。 【解決手段】 本発明は、真空中の気体分子をイオン化
するために必要な電子を供給するためのフィラメント
と、フィラメントから供給された熱電子を加速させる必
要な電位を形成するグリッド並びにイオン化された気体
の正イオンを収集するイオンコレクタより構成される電
離真空計において、前記グリッドを、ピラニ真空計にお
けるフィラメントの動作をも行えるように構成したこと
を特徴とする電離真空計により課題を解決するものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力測定に関し、特
に大気圧から高真空の動作圧力範囲の広い真空計とする
ことを目的としたピラニ真空計動作を可能とした電離真
空計に関する。

【０００２】

【従来の技術】高真空領域を利用する各種半導体製造装
置や電子デバイス製造装置では、装置の立ち上げ、メン
テナンス並びに各種プロセス条件により、大気圧から高
真空領域にかけての広範囲における圧力測定が必要にな
る。

【０００３】一般に、１０^５ Ｐａ〜１Ｐａ程度の高圧
力領域（低真空領域）ではピラニ真空計等の熱伝導真空
計に代表される気体の輸送現象に基づく真空計が用いら
れている。一方、１Ｐａ以下の低圧力領域（高真空領
域）では、ベアードアルパート真空計（以下Ｂ−Ａ型真
空計と呼ぶ）に代表される電離真空計が用いられてい
る。

【０００４】図３に示すものは、従来技術で１０^５ Ｐ
ａ〜１Ｐａ程度の高圧力領域（低真空領域）の測定に広
く用いられているピラニ真空計である。このピラニ真空
計はＳＵＳ３０４等の金属で構成された測定球容器２内
にフィラメント３が配置されており、測定球容器２の上
部に開口している気体導入口２ａには接続フランジ２ｂ
が設けられ、真空容器１に接続される。その真空容器１
内に残留する気体分子３０を測定球容器２内に導入でき
るように構成されている。

【０００５】真空容器１内を真空排気する場合、高圧力
領域では測定球容器２内に気体分子３０が多量に残留す
るため、フィラメント３に通電して一定温度で発熱させ
ると気体分子３０の衝突によってフィラメント３から熱
が奪われる。奪われる熱量は気体分子３０の密度、即ち
測定球容器２内の圧力に比例するので、その熱量をフィ
ラメント通電パワーの変化から算出すると、測定球容器
２内の圧力測定を行うことができる。他方、図４に示す
ものは従来技術で１Ｐａ以下の低圧力領域（高真空領
域）の測定に用いられるＢ−Ａ型真空計である。

【０００６】図４に示すＢ−Ａ型真空計は、ＳＵＳ３０
４等の金属で構成された測定球容器２内に、イオンコレ
クタ６、フィラメント３、グリッド４の三つの電極が配
置されている。測定球容器２は、上部に開口している気
体導入口２ａに設けられた接続フランジ２ｂによって真
空容器１に接続されており、そこに残留する気体分子を
測定球容器２内に導入できるよう構成されている。低圧
力領域（高真空領域）においてグリッド４に正のグリッ
ド電圧を印加すると共に、フィラメント３を通電加熱す
ると、フィラメント３からグリッド４に向かって熱電子
が放出される。この熱電子はグリッド４に到達する前に
その近傍で往復運動をしながらグリッド４内に蓄積さ
れ、測定球容器２内に残留する気体分子と衝突し、電離
によって正電荷のイオンが生成される。

【０００７】最終的に熱電子がグリッド４に到達する
と、フィラメント３とグリッド４との間にエミッション
電流が流れるが、イオンコレクタ６にフィラメント電位
に対して負の電圧を印加しておくと、正電荷のイオンは
イオンコレクタ６で捕捉され、イオンコレクタ６にはイ
オン電流が流れ込む。各電極の印加電圧を一定電圧と
し、エミッション電流を定電流とすると、グリッド４の
近傍で往復運動をする熱電子の密度が一定になり、生成
するイオンの量が測定球容器２内の気体分子の密度、即
ち圧力に比例するので、イオンコレクタ６に流入するイ
オン電流の大きさを測定することで測定球容器２内の圧
力を測定することができる。

【０００８】

【発明により解決しようとする課題】しかしながら、こ
のようなＢ−Ａ型真空計のフィラメントは、高圧力領域
（低真空領域）において、特に酸素や水分等を多量に含
む雰囲気中で高温に加熱すると、フィラメント３の細り
や焼損による断線を生じ、劣化を早めるおそれがある。
また前述のピラニ真空計では、真空容器１の内壁からの
輻射熱やフィラメント３自身の熱輻射、熱伝導による熱
損失等により、低圧力領域（高真空領域）では気体分子
が関与しない温度変化要因の影響が大きくなり、測定精
度が悪化する。

【０００９】そこで、従来技術による大気圧から高真空
領域にかけての圧力計測は、図５に示すように一つの真
空容器１に１０^５ Ｐａから１Ｐａの高圧力領域（低真
空領域）を測定するピラニ真空計球３１と、１Ｐａ以下
の低圧力領域（高真空領域）を測定する電離真空計球３
２が併設され、圧力範囲に応じて２台の真空計を使い分
けることで広範囲の圧力測定を行っていた。

【００１０】しかしながら、上記従来技術では、図５に
示すように、真空容器１に２種類の真空計を併設しなけ
ればならず、この場合、測定球２台分の設置スペースの
確保が必要となる他、取付位置によって測定位置が異な
ることにより真空容器内の圧力を同一比較することが難
しい場合もある。

【００１１】また、広範囲の圧力領域を測定する場合、
加熱されたフィラメントの動作を利用する前記２種類の
真空計（ピラニ真空計・電離真空計）は、１つの測定対
象、例えば、真空を利用した生産装置に２種類がともに
併設されることから、定期交換、または突然のフィラメ
ントの断線による交換作業は、確実に増大し、それに伴
う生産効率の低下により、総合的なコスト高につながる
という問題点を生じている。

【００１２】本発明は、前記のような問題点を解決し、
単一測定球で大気圧から低圧力領域（高真空領域）にか
けての広範囲の圧力測定を可能とし、しかも、加熱した
フィラメントの動作を利用する２種類の真空計（ピラニ
真空計・電離真空計）を併設、もしくは併用した場合に
比べ、フィラメントの断線頻度を著しく低減させ、耐久
性を高め、長寿命で信頼性の高い真空計を提供すること
にある。

【００１３】

【課題を解決する為の手段】本発明は、電離真空計の基
本構成要素であるグリッドを、電離真空計動作用のグリ
ッドとピラニ真空計動作用のフィラメントとして共用利
用し、単一の真空計で、電離真空計動作とピラニ真空計
動作との間の切り換えを行えるように構成して前記課題
を解決したものである。

【００１４】即ち本発明は、真空中の気体分子をイオン
化するために必要な電子を供給するためのフィラメント
と、フィラメントから供給された熱電子を加速させるに
必要な電位を形成するグリッド並びにイオン化された気
体の正イオンを収集するイオンコレクタより構成される
電離真空計において、前記グリッドをピラニ真空計にお
けるフィラメントの動作をも行えるように構成したこと
を特徴とする電離真空計である。

【００１５】つまり電離真空計動作を行えない１０^５
Ｐａ〜１Ｐａ程度の高圧力領域（低真空領域）では、前
記のような電離真空計の基本構成要素であるグリッドへ
通電し、当該グリッド表面の温度を上げ、当該グリッド
が気体分子によって奪われた熱量から圧力を測定するピ
ラニ真空計として動作させる、すなわち、電離真空計の
基本構成要素であるグリッドに、ピラニ真空計における
フィラメントの動作を行わせるのである。

【００１６】一方、前記のようにピラニ真空計として動
作させている時の圧力測定値が、電離真空計の動作が可
能な圧力になったならば、グリッドをピラニ真空計にお
けるフィラメントとして動作させるための当該グリッド
への通電を停止し、当該グリッドを含む前記のような電
離真空計の基本構成要素である各電極に、電離真空計動
作に必要な電圧を印加し、フィラメントへの通電を行っ
て熱電子を放出させ、電離真空計動作に切り替えるので
ある。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明の好適な実施例を添付図面に
基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示し、
被測定の真空容器の一部と、これに取付けられた真空計
の要部構成を示す。

【００１８】図１において、１は被測定の真空容器であ
る。測定球容器２はＳＵＳ３０４などの金属でできた円
筒状の容器であり、フィラメント３及びグリッド４との
距離を適切に保って電子軌道を最適化するために、ほぼ
２４ｍｍの内径を持ち、接地ケーブルあるいは測定球容
器２の取り付けられる真空容器１を通じてアース電位に
保たれる。

【００１９】前記測定球容器２の上方には気体導入口２
ａが開口し、前記真空容器１との接続用に接続フランジ
２ｂが設けられている。この接続には接続フランジ２ｂ
を設けることなく排気管２ｃをＯリングシールの構造に
よって真空容器１に接続することもできる。前記測定球
容器２の底からは絶縁体５によって絶縁された複数のピ
ンが測定球容器２内に導入され、真空計の各電極の支持
と動作電圧の印加が行われる。

【００２０】前記測定球容器２のほぼ中心軸上には、太
さ約０．２ｍｍのタングステン製のイオンコレクタ６が
グリッド４のコイルのほぼ上端面に突き出るようにピン
７に取り付けられる。このイオンコレクタ６を取り囲ん
で表面に白金がコーティングされた太さ約０．２ｍｍ、
全長約１８０ｍｍのモリブデン線でコイル状に作られた
グリッド４が、ピン８ａ、８ｂで支持されている。

【００２１】前記グリッド４の外側には、太さ約０．１
ｍｍのトリアコートリジウム線を、高さ約１２ｍｍのヘ
アピン状に加工したフィラメント３が、グリッド４から
の距離が２．５ｍｍの位置にピン９ａ、９ｂに支持され
て取り付けられている。

【００２２】また前記構造に対して、電気回路部が設け
られている。この電気回路は、前記構造で電離真空計動
作をする際に用いられる電離真空計回路１０と、電離真
空計動作に於ける電離真空計圧力表示部１１、前記構造
でピラニ真空計動作をする際に用いるピラニ真空計動作
回路１２とピラニ真空計圧力表示部１３とからなってい
る。

【００２３】前記グリッド４に接続されるピン８ａとピ
ン８ｂ間には、電離真空計動作回路１０とピラニ真空計
動作回路１２を切り換えるための動作切換スイッチ１４
が設けられている。

【００２４】前記電離真空計動作回路１０は、フィラメ
ント３から熱電子を発生させるフィラメント動作用電源
１６、フィラメント３から放出された熱電子を蓄積する
ためのグリッド電位電源１７、グリッド４を通電加熱す
るための脱ガス用電源１８、グリッド４に流入する電子
を一定量に制御するためのエミッション制御回路１９及
びイオンコレクタ６とグランド間に接続されたエミッシ
ョン電流計２１で構成されている。

【００２５】前記グリッド４の脱ガスは、脱ガススイッ
チ２２によって電離真空計動作時のみ機能するようにな
っている。前記エミッション制御回路１９は、イオンコ
レクタ電流計２０で計測されたコレクタ電流Ｉｉとエミ
ッション電流計２１で計測されたエミッション電流Ｉｅ
を基に、フィラメント動作用電源１５にフィードバック
がかけられている。前記ピラニ真空計動作回路１２は、
動作切換スイッチ１４によってグリッド４と接続された
場合に機能する。

【００２６】前記構成による真空計では、大気圧から１
Ｐａ程度の高圧力領域（低真空領域）では動作切換スイ
ッチ１４を用いて、グリッド４をピラニ真空計動作回路
１２に接続し、前記測定球容器２の上部に開口した気体
導入口２ａより導入された真空容器１内に残留する気体
分子は、ピラニ真空計動作回路１２により加熱されたグ
リッド４に衝突し、グリッド４より熱を奪う。奪われる
熱量は、気体分子の密度、即ち測定球容器２内の圧力に
比例するので、ピラニ真空計動作回路１２でグリッド４
の温度を定温度に制御することで、グリッド投入パワー
から圧力が計測できる。この時、グリッド４の表面温度
は、大気圧雰囲気中においてグリッド４が焼損や酸化に
よる変質、焼損による断線や細りに至らない温度範囲で
通電加熱を行う。たとえば、グリッド４の表面測度を４
０℃〜５０℃で定温度制御する。

【００２７】次にピラニ真空計圧力表示部１３の表示圧
力が電離真空計動作の可能な圧力に達した場合、動作切
換スイッチ１４を切り換えて、グリッド４を電離真空計
動作回路１０に接続する。ここで前記構成よりなる真空
計は電離真空計動作に切り替わるため、先にピラニ真空
計のフィラメントとして機能していたグリッド４は、電
離真空計のグリッドとして機能し、その他各電極には、
電離真空計動作に必要な電圧の印加並びに通電が開始さ
れる。

【００２８】前記フィラメント３からは、フィラメント
動作電源１５からのパワー供給により、熱電子が放出さ
れる。この熱電子は、グリッドによって測定球容器２内
に蓄積されるが、この際、電子は測定球容器２内の気体
分子と衝突し、電離によって正イオンを生成しながらグ
リッド４に流入する。正イオンはイオンコレクタ６で捕
捉され、イオンコレクタ６にはイオン電流が流れ込む。
この時の圧力は、イオン電流計２０で計測したイオン電
流Ｉｉと、エミッション電流計２１で計測したエミッシ
ョン電流Ｉｅを用いて、真空の圧力Ｐ＝１／Ｓ・Ｉｉ／
Ｉｅの式より求められる。ここでＳは測定球の感度であ
る。

【００２９】次に、圧力が低圧力領域（高真空領域）か
ら高圧力領域（低真空領域）に移行する際には、電離真
空計圧力表示部１１の圧力表示が電離真空計の測定上限
圧力に達した時点で、各電極への通電と電圧印加を停止
し、動作切換スイッチ１４をピラニ真空計動作回路１２
に切り換える。

【００３０】図２は、図１に示した構成を有する真空計
において、ピラニ真空計動作を行った際の圧力変化に対
するグリッド４への投入パワーの変化を測定したデータ
である。測定データから、グリッド投入パワーが、約２
００ｍＷ程度変化することから大気圧から１Ｐａにおけ
る圧力変化を測定できることがわかる。前記データにお
いて、１Ｐａ以下でグリッド４投入パワーが一定になる
が、これはグリッド４の末端からの熱伝導損失とグリッ
ド４の表面からの熱放出損失によるものである。 前記
測定では、グリッド４の表面温度を約５０℃（グリッド
抵抗値：約０．６Ω）で定温度制御を行った。すなわ
ち、本発明においては、ピラニ真空計としての動作から
電離真空計としての動作への切換は、グリッド温度を定
温度とした時のグリッド通電パワーを検出して行う構成
にすることができる。その他に、ピラニ真空計としての
動作から電離真空計としての動作への切換は、グリッド
通電電流を定電流制御とし、グリッド電圧を検出するこ
とで圧力を求めるように構成することも可能であり、ま
た、グリッド電圧を定電圧制御とし、グリッド通電電流
を検出することでも圧力を求めるように構成することも
できる。

【００３１】逆に、本発明において、電離真空計として
の動作からピラニ真空計としての動作へ切り換える場合
には、電離真空計のコレクタに流れ込むイオン電流を検
出して行うように構成することができる。

【００３２】本実施例では電離真空計をＢ−Ａ型真空計
としたが、本発明はグリッドが通電加熱可能な構造であ
れば、その他の電離真空計、例えばエクストラクタ型電
離真空計、または熱フィラメントを用いないコールドカ
ソードゲージ等にも同様に適用することができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の電離真空計では、該電離真空計
の基本構成要素であるグリッドを、電離真空計動作用の
グリッドとピラニ真空計動作用のフィラメントとして共
用利用し、切り換えが行えるように構成したことで、大
気圧から高真空の広い圧力範囲の測定が単一測定球で行
うことができると共に、単一測定球としたことで、真空
容器への設置作業性の向上並びに測定球の設置スペース
やコストを最小に抑えられるなどの効果がある。

【００３４】特に、高圧力領域（低真空領域）では、フ
ィラメントに比べ耐久性があり、通電加熱可能な機能を
有するグリッドでピラニ真空計動作を行うことにより、
断線の頻度が著しく低減し長寿命化がはかられ、しか
も、測定対象に対する取り付け位置の違いから生じる圧
力差の問題も、単一測定球で広範囲の圧力領域が測定で
きるため解消され、信頼性を著しく向上させる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電離真空計の実施の形態を示す構
成図。

【図２】同じく電離真空計において、ピラニ真空計動作
を示す、圧力変化に対するグリッド投入パワーの変化を
測定したグラフ。

【図３】従来のピラニ真空計の概略構成図。

【図４】従来の電離真空計の概略構成図。

【図５】従来の大気圧から高真空にかけての広い圧力範
囲の測定をする場合の真空計の構成図。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ 測定球容器 ２ａ 気体導入口 ２ｂ 接続フランジ ２ｃ 排気管 ３ フィラメント ４ グリッド ５ 絶縁体 ６ イオンコレクタ ７、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂピン １０ 電離真空計動作回路 １１ 電離真空計圧力表示部 １２ ピラニ真空計動作回路 １３ ピラニ真空計圧力表示部 １４ 動作切換スイッチ １５ フィラメント動作用電源 １６ フィラメント電位電源 １７ グリッド電位電源 １８ 脱ガス用電源 １９ エミッション制御回路 ２０ イオンコレクタ電流計 ２１ エミッション電流計 ２２ 脱ガススイッチ ３０ 気体分子 ３１ ピラニ真空計球 ３２ 電離真空計球

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大迫 信治 東京都府中市四谷５丁目８番１号 アネル バ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB08 CC43 CC46 DD20 EE40 FF07 GG11 GG31

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空中の気体分子をイオン化するために
   必要な電子を供給するためのフィラメントと、フィラメ
   ントから供給された熱電子を加速させるのに必要な電位
   を形成するグリッド並びにイオン化された気体の正イオ
   ンを収集するイオンコレクタより構成される電離真空計
   において、前記グリッドをピラニ真空計におけるフィラ
   メントの動作をも行えるように構成したことを特徴とす
   る電離真空計。