JP2011003425A - イオンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はイオンポンプに関し、漏れ磁場の影響を受け難く、排気速度を向上させ、また残留ガスのイオン化を促進することができるイオンポンプを提供することを目的としている。
【解決手段】その一端に真空室と接続するためのフランジ１４が、他端に電極導入端子２１が取り付けられた円筒状のポンプチェンバ１０と、該ポンプチェンバ１０の内部中央に配置され、その一端が前記電極導入端子２１を介して高電圧と接続される金属棒１３と、前記ポンプチェンバ１０の外周面に間隔を空けてリング状にかつ表面磁極の方向が同じになるように取り付けられたリング状磁石と、該リング状磁石の外側に巻回された磁性体ヨーク２４とを具備して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明はイオンポンプに関し、更に詳しくは残留ガスのイオン化と排気を行なうイオンポンプ関する。

従来、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分析装置、イオン顕微鏡、２次イオン質量分析装置などの細かく集束された電子線又はイオン源を用いる荷電粒子ビーム装置においては、分解能を向上させるために電界放射形の荷電粒子源を用いることが行われる。この電界放射型荷電粒子源を安定に動作させるためには、該荷電粒子源の内部空間を超高真空状態に維持する必要があり、そのために従来は、電界放射型荷電粒子源の真空外壁に直接排気口を設け、該排気口に接続用配管を介して、イオンポンプなどの超高真空ポンプを接続し、それによって、電界放射形荷電粒子源の内部空間を所要の高真空に排気する方式が採られている。

図３はイオンポンプの外観構成例を示す図である。図において、１はポンプチェンバであり、その内部でガス等を壁面に吸着させて高真空状態を作るためのものである。２は該ポンプチェンバ１を上下に挟む永久磁石である。３は電子顕微鏡等の真空装置（図示せず）と接続するためのフランジ、４はポンプチェンバ１内の特定の部分に高圧を印加するための高圧導入端子である。

ポンプチェンバ１内にはセルとチタン板が組み込まれており、セルには高圧導入端子４より＋５〜６ｋＶの高圧が印加されている。図４はポンプチェンバ１の構成例を示す図である。図において、７は複数設けられた円筒状のセルである。８，８’はこれらセル７を挟むように配置されたチタン板である。そして、図に矢印で示す向きに磁場が形成されている。この磁場は、図３に示す永久磁石２により形成される。

円筒が並んだセル７の両側にチタン板８，８’を取り付け、これを四角形の真空チェンバ１に組み込み、このチェンバ１にコンフラット等の接続用フランジ３を設けている。このフランジ３を介して被排気チェンバに取り付けるようになっている。このセル７は碍子等を用いてチェンバ１から電気的に浮かす構造を持ち、該チェンバ１に取り付けた高圧導入端子４から高圧が印加される。

このセル７の両サイドに取り付けられたチタン板８，８’はチェンバ内面と接触し、グランド電位となっている。この真空チェンバ１の外側には、セル７及びチタン板８，８’を挟むように両側にＳ極とＮ極が向かい合うように永久磁石と磁路を構成するためのヨーク（図示せず）が取り付けられている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

セル７の各円筒内では、磁場に拘束され螺旋運動をしている電子は、残留ガスをイオン化する。この残留ガスイオンは、高圧電圧によりチタン板８，８’に向けて加速され、チタン原子をスパッタリングする。このスパッタリングされたチタン原子はセル等に付着し、残留ガスを吸着する。この結果、チェンバ内は漸次残留ガスが少なくなり、高真空状態が形成されることになる。

図５は他のイオンポンプの例を示す図で、オービトロンポンプの外観構成例を示す図である。このポンプは、ポンプチェンバ１０と、チタン棒１３と、フィラメント１２から構成されている。１４は真空装置と接続されるためのフランジである。１１はフィラメント１２を加熱するための電圧を導入する電圧導入端子である。チタン棒１３は、ポンプチェンバ１０の内部中央に配置され、高圧導入端子１５から高圧電源１６が印加されるようになっている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

フィラメント１２が加熱されることにより、該フィラメント１２から放出された電子は、高圧電源１６からの電圧により加速され、チタン棒１３に衝突する。該チタン棒１３は加熱され、蒸発しポンプチェンバ１０の内壁に吸着する。ポンプチェンバ１０内の残留ガスの一部は電子でイオン化され、壁面に向かって加速され、壁面に吸着される。また、壁面に衝突した残留ガスも吸着される。このようにして、ポンプチェンバ１０の内壁にイオン化された残留ガス及び残留ガスはポンプチェンバ１０の内壁に吸着される結果、チェンバ内の残留ガスは少なくなり、高真空状態が形成されることになる。

従来のこの種の装置としては、筒状ポンプハウジングの内壁がカソード電極面を構成し、また筒状ポンプハウジング内にアノード電極を設け、カソード電極とアノード電極との間に高電圧を印加することにより、筒状ポンプハウジングの内壁に沿って空間に高磁場、高電圧のマグネトロン放電を発生させ、ゲッター材を連続的に又は間欠的に放電面へ堆積するように構成されたスパッタイオンポンプが知られている（例えば特許文献１参照）。

また、互いに対向するように配置され、導電性を有する又は導電性膜を付けた一対の磁石と、これら磁石を取り囲むと共に一部に開口部が形成された、導電性を有する磁気シールドケースと、前記磁石のそれぞれの対向面に形成された一対のカソード電極と、カソード電極の間に配置されたアノード電極と、アノード電極に取り付けられた剛性のあるアノード引き出し端子と、アノード引き出し端子４８を前記磁気シールドケースに電気的に絶縁した状態で支持するための絶縁支持部材とを備えることを特徴とする技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

また、荷電粒子源の近傍を超高真空排気するために、イオンポンプが鏡筒部真空容器内に内蔵されており、このイオンポンプは、マグネットユニット、ヨーク、電極等より構成されており、上記マグネットユニット自体が上記真空容器内に内蔵されており、かつ上記ヨークの内側空間内に上記荷電粒子源からの荷電粒子線を集束、偏向させるための荷電粒子線集束光学系が配置された技術が知られている（例えば特許文献３参照）。

特開平７−３１２２０２号公報（段落０００８） 特開平９−２１３２１６号公報（段落００２４） 特開平５−２８９４４号公報（段落００１２〜００１３）

図３，図４に示したイオンポンプの場合、ポンプチェンバに取り付けられた永久磁石の磁場がフランジ方向に漏れるという問題があった。このイオンポンプを走査電子顕微鏡などの鏡筒に取り付けた時、この漏れ磁場により電子線が曲げられるという不具合が発生する。特に、電子線の加速電圧を低加速で使用する場合、漏れ磁場の影響を受けやすい。また、ポンプチェンバはパイプとフランジを介して取り付けられるため、例えばポンプチェンバ内では、排気速度が３５Ｌ／ｓ（Ｌはリットル，ｓは秒）あっても、フランジ部では２０Ｌ／ｓに落ち、大きさ、重量のわりには排気速度が得られないという問題があった。

また、図５に示すオービトロンポンプの場合、チタン棒が加熱されるので、ポンプの温度上昇によるガスが発生するという問題があった。また、電子の空間滞在時間が短く、残留ガスをイオン化する効率が悪かった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、漏れ磁場の影響を受け難く、排気速度を向上させ、また残留ガスのイオン化を促進することができるイオンポンプを提供することを目的としている。

本願発明は上述した目的を達成するため、以下のような構成を採っている。
（１）請求項１記載の発明は、その一端に真空室と接続するためのフランジが、他端に電極導入端子が取り付けられた円筒状のポンプチェンバと、該ポンプチェンバの内部中央に配置され、その一端が前記電極導入端子を介して高電圧と接続される金属棒と、前記ポンプチェンバの外周面に間隔を空けてリング状にかつ表面磁極の方向が同じになるように取り付けられたリング状磁石と、該リング状磁石の外側に巻回された磁性体ヨークと、を具備して構成されることを特徴とする。

（２）請求項２記載の発明は、前記金属棒はチタンよりなり、負の高電圧が印加されることを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記金属棒を構成するセンター軸の外側に金属膜を円柱形に丸めて挿入し、センター軸はチタンよりなり、正の高電圧が印加されることを特徴とする。

（４）請求項４記載の発明は、前記金属棒の材料として、チタン又はステンレス又はアルミニウムを用いることを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、チェンバ内に形成される磁場の磁力線に沿って電子が螺旋運動をして残留ガスをイオン化し、イオン化した残留ガスが金属棒をスパッタし、ポンプチェンバ内壁に金属（例えばチタン）面が蒸着され、蒸着されたポンプチェンバの内壁が活性化するので、イオン化された残留ガスと残留ガスがポンプチェンバ内壁に付着するので、残留ガスのイオン化を促進することができる。また、ポンプチェンバの最外側に磁性体ヨークを設けたので、磁界が外に漏れることを防ぐことができる。更に、フィラメントを必要としないため、金属棒が加熱されるのを防止することができるので、ガス発生を抑制することができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、チタン棒に負の高電圧を印加することで、イオン化された残留ガスを金属棒に加速衝突せしめ、スパッタリングさせ、ポンプチェンバ内壁面に金属面を形成させることができ、この金属面にイオン化された残留ガスと、残留ガスを衝突させて、チェンバ内のガスを減らし、高真空状態を作り出すことができる。

（３）請求項３記載の発明によれば、金属棒であるセンター軸に正の高電圧を印加することで、イオン化された残留ガスを金属面に加速衝突せしめ、スパッタリングさせ、ポンプチェンバ内壁面に活性化された金属面を形成させることができ、この金属面にイオン化された残留ガスと、残留ガスを衝突させて、チェンバ内のガスを減らし、高真空状態を作り出すことができる。

（４）金属棒として、チタン又はステンレス又はアルミニウムを用いると、その表面が活性化され、残留ガスイオン及び残留ガスを吸着することが容易になり、高真空化が可能となる。

本発明の第１の実施例を示す構成図である。 本発明の第２の実施例を示す構成図である。 イオンポンプの外観構成例を示す図である。 ポンプチェンバの構成例を示す図である。 オービトロンポンプの外観構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例を示す構成図である。図５と同一のものは、同一の符号を付して示す。（ａ）が全体構成を、（ｂ）が磁石を取り去った状態を示す図である。図において、１０はポンプチェンバ、１３は該ポンプチェンバ１０の内部中央に配置された金属棒としてのチタン棒、１４は前記ポンプチェンバ１０の一端に取り付けられた真空装置（図示せず）と接続するためのフランジ、２１は該ポンプチェンバ１０の他端に取り付けた高圧電圧を印加するための電極導入端子である。２２は高圧を発生させる高圧電源であり、電極導入端子２１を介してチタン棒１３に印加されるようになっている。

２０はポンプチェンバ１０の周囲に巻回されるリング状磁石である。このリング状磁石２０は永久磁石であり、表面磁極の方向が同じになるように取り付けられている。図では、４個のリング状磁石２０が取り付けられているが、この数に限るものではない。図のＮ極からＳ極に表示されている矢印は磁力線である。２４はリング状磁石２０の外側に設けられ、リング磁石２０を取り囲むように巻回配置されたヨークである。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

ポンプチェンバ１０内に存在する電子ｅは、リング状磁石の磁場に拘束され、図に示す磁力線に沿って直径１ｍｍ以下の螺旋運動を行なう。一部の電子は最終的にはポンプチェンバ１０の内壁に衝突して吸収されるが、残りの電子はポンプチェンバ１０内に残存する残留ガスと衝突してこの残留ガスをイオン化する。イオン化されたプラスの残留ガスイオンは、高圧電源２２から印加される負の高電圧によりチタン棒１３に向けて加速され、数ｋＶの加速電圧を持ち、チタン棒１３に衝突する。

プラス残留ガスイオンがチタン棒１３に衝突すると、チタン棒１３の表面をスパッタリングし、スパッタリングされたチタンはポンプチェンバ１０の内壁に付着する。この動作を繰り返すと、ポンプチェンバ１０の内壁にはチタン面が形成される。このチタン面は、活性化されているので、このチタン面に、残留ガスイオンや、残留ガスが吸着する。この動作が繰り返されると、ポンプチェンバ１０内、ひいては真空室の残留ガスがチタン面に吸着されるので、ガスの濃度が漸次低くなり、真空室は徐々に高真空状態になる。

本発明では、リング状磁石２０の外部に形成されるヨーク２４にを覆われているために、外部に漏れる磁場は小さく抑えることができる。また、本発明によれば、図５に示すように、電子を発生たせるためのフィラメントが不要なので、チタン棒１３が加熱されることはなくなる。この結果、ガスの発生を抑えることができる。

このように、本発明によれば、チェンバ内に形成される磁場の磁力線に沿って電子が螺旋運動をして残留ガスをイオン化し、イオン化した残留ガスがチタン棒をスパッタリングし、ポンプチェンバ内壁に金属（例えばチタン）面が蒸着され、蒸着されたポンプチェンバの内壁が活性化するので、イオン化された残留ガスと残留ガスががポンプチェンバ内壁に付着し、残留ガスのイオン化を促進することができる。また、ポンプチェンバの最外側に磁性体ヨークを設けたので、磁界が外に漏れることを防ぐことができる。更に、フィラメントを必要としないため、金属棒が加熱されるのを防止することができるので、ガス発生を抑制することができる。

上述の実施例では、金属棒としてチタンを用いた場合を例にとった。しかしながら、本発明では金属棒はチタン棒に限るものではなく、ガス放出の少ない金属棒であれば、他の種類の金属棒を用いることができる。例えばステンレスやアルミニウムの金属棒を用いることができる。金属棒として、チタン又はステンレス又はアルミニウムを用いると、その表面が活性化され、残留ガスイオン及び残留ガスを吸着することが容易になり、高真空化が可能となる。
（実施例２）
図２は本発明の第２の実施例を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１０はポンプチェンバ、２０は該ポンプチェンバ１０の外周に沿って巻回されるリング状磁石である。このリング状磁石２０は永久磁石であり、表面磁極の方向が同じになるように取り付けられている。図では、４個のリング状磁石２０が取り付けられているが、この数に限るものではない。図のＮ極からＳ極に表示されている矢印は磁力線である。２４はリング状磁石２０の外側に設けられ、リング磁石２０を取り囲むように巻回配置されたヨークである。

１４は真空装置（図示せず）と接続するためのフランジ、３０はポンプチェンバ１０の内部中央に配置されたセンター軸である。該センター軸３０としては、例えばチタン、ステンレス、アルミニウム等のガス放出の少ない金属が用いられる。２６はポンプチェンバ１０の内側に円柱形に丸めて挿入されるチタン板である。ポンプチェンバ１０とチタン板２６の代わりに、チェンバ１０自体をステンレスとしてもよい。

２１はセンター軸３０に高電圧を印加するための電極導入端子である。２２Ａは高圧電源であり、電極導入端子２１を介してセンター軸３０に高電圧が印加されるようになっている。図１に示す第１の実施例では、高圧電源２２の印加電圧は負の高電圧であったが、本実施例では、正の高電圧としている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

ポンプチェンバ１０内に存在する電子ｅは、リング状磁石２０の磁場に拘束され、磁力線に沿って、直径１ｍｍ以下の螺旋運動を行なう。一部の電子は、最終的にはセンター軸３０に衝突し、吸収されるが、他の電子はポンプチェンバ１０内に存在する残留ガスと衝突し、残留ガスをイオン化する。

このイオン化されたプラスイオンは、ポンプチェンバ１０内の壁面のチタン板２６に向けて加速され、数ｋＶの加速電圧を持ち、正の高電圧のためにチタン板２６のチタン面に衝突する。この時、チタン板２６のチタン面がセンター軸３０や対向するチタン面に向けてスパッタリングされ、チタン板２６の表面を活性化させる。このチタン面を活性化させ、残留ガスイオンや残留ガスを吸着する。残留ガスのイオン化やチタン面での残留ガスイオンの衝突で発生した電子は、リング状磁石２０の磁場に拘束され、電子雲を作る。

センター軸に正の高電圧を印加することで、イオン化された残留ガスをチタン面に加速衝突させ、スパッタリングさせ、ポンプチェンバ内壁面のチタン面を活性化させることができ、このチタン面にイオン化された残留ガスと、残留ガスを衝突させて、チェンバ内のガスを減らし、高真空状態を作り出すことができる。

実施例１では、チタン棒を円筒チェンバ（実施例のポンプチェンバ）の内部中央に配置したので、チタン棒と円筒壁面間の空間に電界と磁場により拘束された電子雲を発生させることができた。このため、従来のイオンポンプのようなセルが不要になり、寸法的にも小さくすることができるようになった。また、磁場を発生する永久磁石はヨークで覆われているので、漏れ磁場を少なくすることができる。

チタン棒を円筒チェンバのセンター軸に持ってくることはオービトロンポンプと同じであるが、本発明では電界と磁場でプラズマを発生させるので、オービトロンポンプのように電子を発生するフィラメントが不要で、またチタン棒の加熱温度も低く高真空や超高真空も得やすい。

実施例２では、チタン面は円筒面側では、センター軸にはプラス電圧を印加している。この場合も、上記同様円筒内の電子は磁場に拘束され、実施例１と同様に電子雲を発生し、イオンポンプとしての残留ガスのイオン化と排気を行なうことができる。

１０ ポンプチェンバ
１３ チタン棒
１４ フランジ
２０ リング状磁石
２１ 電極導入端子
２２ 高圧電源
２４ ヨーク

Claims (4)

1. その一端に真空室と接続するためのフランジが、他端に電極導入端子が取り付けられた円筒状のポンプチェンバと、
   該ポンプチェンバの内部中央に配置され、その一端が前記電極導入端子を介して高電圧と接続される金属棒と、
   前記ポンプチェンバの外周面に間隔を空けてリング状にかつ表面磁極の方向が同じになるように取り付けられたリング状磁石と、
   該リング状磁石の外側に巻回された磁性体ヨークと、
   を具備して構成されるイオンポンプ。
2. 前記金属棒には、負の高電圧が印加されることを特徴とする請求項１記載のイオンポンプ。
3. 前記金属棒を構成するセンター軸の外側に金属面を円柱形に丸めて挿入し、金属棒はチタンよりなり、正の高電圧が印加されることを特徴とする請求項１記載のイオンポンプ。
4. 前記金属棒の材料として、チタン又はステンレス又はアルミニウムを用いることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに１項に記載のイオンポンプ。

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