JP2013072695A - 熱陰極電離真空計 - Google Patents

Abstract

【課題】従来例の三極管形の熱陰極電離真空計と同等の感度安定性を有すると共に、上記従来例のものよりも測定下限値を低くできるようにした熱陰極電離真空計を提供する。
【解決手段】試験体に装着されてその内部の圧力を検出する熱陰極電離真空計ＩＧは、フィラメント２と、このフィラメント２を囲うように配置される、筒状の輪郭を有するグリッド３と、板状部材で構成され、グリッドの母線方向の延長上に所定間隔を存して当該グリッドの少なくとも一方の開口を覆うように配置されるイオンコレクタ４_１、４_２とを備える。フィラメントに通電してこのフィラメントを点灯させて熱電子を放出させ、フィラメントより高い電位をグリッドに付与し、このグリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンがイオンコレクタで捕集され、このときのイオン電流から圧力を検出する
【選択図】図２

Description

本発明は、真空容器等の試験体内の圧力（全圧）を測定するための熱陰極電離真空計に関する。

スパッタリングや蒸着による成膜等、真空処理装置内で実施される真空プロセスにおいては、真空処理装置の真空チャンバ内の圧力が、例えば製品歩留まりに大きな影響を与える場合がある。真空プロセス中、真空チャンバ内の圧力のうち１Ｐａ〜１０^−５Ｐａの広い圧力範囲を精度よく測定するものとして、（三極管型）熱陰極電離真空計が一般に知られている。

熱陰極電離真空計は、試験体に装着されるガラス製の真空隔壁内に、ヘアピン状に成形されたフィラメントと、フィラメントの周囲に配置される、筒状の輪郭を有するグリッドと、グリッドの周囲に配置される筒状のイオンコレクタとを備えてなる（例えば、特許文献１参照）。そして、フィラメントに通電してこのフィラメントを点灯させて熱電子を放出させ、フィラメントより高い電位をグリッドに付与し、このグリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンをイオンコレクタで捕集し、このときのイオン電流から試験体内の圧力が検出される。

ここで、イオン電流と圧力との間には、Ii=S ・Ie・P（式１）の関係がある（式１中、Iiはイオン電流、Ieは電子電流、Sは感度係数、Pは圧力である）。そして、熱陰極電離真空計の測定限界（測定下限値）を決定する一要因として軟エックス線効果があることが知られている。つまり、フィラメントから放出された電子がイオンコレクタに捕集されたときに軟エックス線が放出される。この軟エックス線がイオンコレクタを照射すると、光電効果によりイオンコレクタから電子が放出される。その結果、疑似イオン電流がイオンコレクタに流れたことになる。従って、上記式１は、Ii=lip+lix=S・Ie・P +lix（式２)とあらわされる。この場合、Iip=S・Ie・P であり、lixは軟エックス線による疑似イオン電流であり、lix=α・β・Ie（式３)であらわされる。αは電子衝撃によりグリッド表面から軟エックス線が放出される確率であり、βは軟エックス線の照射によりイオンコレクタ表面から電子が放出される確率である。

上記式２から、圧力が十分に低くなっても圧力依存性のない軟エックス線によるイオン電流があるため、このイオン電流に対応する圧力以下の値は示さないこととなる。従って、上記従来例の熱陰極電離真空計は、イオンコレクタの表面積が大きく、軟エックス線の照射面積も広いため、軟エックス線による疑似イオン電流も大きくなり、結果として、測定下限値が高く１０^−５Ｐａ程度となる.

ところで、軟エックス線による疑似イオン電流を格段に小さくした真空計として、ＢＡ真空計が従来から知られている（例えば、特許文献２参照）。ＢＡ真空計は、フィラメントをグリッドの外に配置し、イオンコレクタをグリッドの中に配置して構成される。この場合、イオンコレクタを細い線又は針状にすることで、軟エックス線の照射面積を小さくし、軟エックス線による疑似イオン電流を小さくしている。これにより、１０^−８Ｐａ程度の測定下限値が得られる。

そこで、熱陰極電離真空計において、測定下限値を下げるためにはイオンコレクタを細くする必要があるが、イオンコレクタの表面積が小さくなると、正イオンを捕集する確率が低くなってしまう。また、熱陰極電離真空計が、炭化水素系の気体やシロキサンなどの気体雰囲気が形成される試験体に使用される場合、これらが絶縁膜として又は高抵抗膜として堆積し、イオンコレクタに入射したイオンがイオン電流として検出できなくなり、感度が低下する。このようにイオンコレクタの面積が小さいと、イオンコレクタ表面に堆積する絶縁層又は高抵抗膜の堆積速度が速くなり、感度低下が速くなる。即ち、イオンコレクタの表面積が大きいほうが、安定性が良い。

特開２００６−３４３３０５号公報 特開２００２−３９９０２号公報

本発明は、以上の点に鑑み、従来例の三極管形の熱陰極電離真空計と同等の感度安定性を有すると共に、上記従来例のものよりも測定下限値を低くできるようにした熱陰極電離真空計を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、試験体に装着されてその内部の圧力を検出する電離真空計であって、フィラメントと、このフィラメントを囲うように配置される、筒状の輪郭を有するグリッドと、イオンコレクタとを備え、このフィラメントに通電してこのフィラメントを点灯させて熱電子を放出させ、フィラメントより高い電位をグリッドに付与し、このグリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンがイオンコレクタで捕集され、このときのイオン電流から圧力を検出するものにおいて、前記イオンコレクタが板状部材で構成され、グリッドの母線方向の延長上に所定間隔を存して当該グリッドの少なくとも一方の開口を塞ぐように配置されることを特徴とする。

本発明によれば、イオンコレクタをグリッドの少なくとも一方の開口を塞ぐ面積の板状部材で構成したため、ＢＡ真空計と比較してイオンコレクタの表面積が大きくなって、正イオンを捕集する確率が低くなることが抑制される一方で、炭化水素系の気体やシロキサンなどの気体雰囲気が形成される試験体に使用される場合でも感度の低下を防止でき、従来例の熱陰極電離真空計と同等の感度安定性を有する。また、従来例の電離真空計に用いられる筒状のイオンコレクタと比較して、その表面積が小さいため、軟エックス線による疑似イオン電流を小さくでき、結果として、上記従来例のものよりも測定下限値を低くできる。なお、本発明において、所定間隔は、機械的な精度及びグリッド内で生成されたイオンの飛行距離を考慮して設定され、例えば、１〜５ｍｍの範囲で設定される。この間隔が１ｍｍより小さいと、グリッドとイオンコレクタが接触するという機械的な不具合がある一方で、５ｍｍを超えると、イオンの飛行距離が長くなることで、圧力が高くなると、イオン−分子間衝突の確率が増え、圧力が高くなると出力信号対圧力の直線性が失われるという不具合が生じる。

ところで、上記従来例のように、フィラメントと、グリッドと、イオンコレクタとがガラス製の真空隔壁内に収納されていると、このガラス表面に熱電子がチャージアップし、この真空隔壁で囲繞された空間内の電位分布が変化し、イオン化率が低下する等の不具合が生じる。そこで、前記フィラメントと、グリッドと、イオンコレクタとが金属製の真空隔壁内に収納される構成を採用すれば、熱電子のチャージアップを防止して、真空隔壁で囲繞された空間内の電位分布を常時一定に保持されるため、長時間に亘って一定の感度で圧力を測定することができる。

また、本発明においては、前記フィラメントは、タングステンとレニウムとの合金で構成されることが好ましい、これによれば、熱変形や自重による変形を抑制でき、熱電子放出領域の変動を抑制できてよい。

本発明の実施形態の熱陰極電離真空計の構成を模式的に示す図。 センサ部を拡大して示す模式斜視図。 本発明の効果を示す実験結果のグラフ。 本発明の効果を示す他の実験結果のグラフ。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を三極管型の熱陰極電離真空計を例に説明する。以下においては、図示省略の試験体に対する後述のセンサ部の装着方向を上方として説明する。

図１及び図２を参照して、熱陰極電離真空計ＩＧは、センサ部Ｓと制御部Ｃとから構成される。センサ部Ｓは、有底筒状の金属製の容器（エンベロープ）たるセンサ本体１を備え、その縮径させた上部先端に形成したフランジ１１（及びＯリング）を介して図外の真空チャンバ等の試験体に着脱自在に取り付けられる。センサ本体１としては、ステンレス、ニッケル、ニッケルと鉄との合金、アルミ合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、タングステン、モリブデン、タンタルまたはこれらから選択された少なくとも二種の合金で構成され、真空隔壁を構成する。この場合、金属製のセンサ本体１は、アース接地していることが好ましい。

センサ本体１は、その内部に、フィラメント２と、フィラメント２の周囲を囲うように同心に配置される、筒状の輪郭を有するグリッド３と、グリッド３の母線方向（図１中、上下方向）の延長上に所定間隔を存してグリッドの上下の開口３１ａ、３１ｂに平行にかつ当該開口３１ａ、３１ｂを覆うように夫々配置される円板状の（板状部材たる）イオンコレクタ４_１、４_２とを備える。フィラメント２としては、このフィラメント２に通電することで点灯（赤熱）させたときの２０００〜２５００℃の温度範囲において高い機械的強度を有するように、レニウムの重量比が３〜２６重量％であるタングステンとレニウムの合金製で、φ０．１〜０．２ｍｍの線材をヘアピン状に成形してなるものが用いられる。そして、フィラメント２の両自由端が、センサ本体１の底部を図示省略の絶縁体を介して貫通させてセンサ本体１内に突設した支持ピン２１ａ、２１ｂによりセンサ本体1内の所定位置に位置決め支持される。この場合、支持ピン２１ａ、２１ｂは接続端子（電極）の役割も果たす。

フィラメント２は、グリッド３内の下側の開口３１ｂ側に、フィラメント２の挿入方向前端のヘアピン状に折り返す頂部２２側から挿入され、当該頂部２２が、グリッド３の母線方向における中点Ｍｐの近傍たる中央領域に位置するように配置されている。なお、「中央領域」とは、グリッドの母線方向の長さ（高さ）をｌとし、その中点Ｍｐを含むグリッド３の高さ方向における一定の領域をいい、具体的には、グリッド３の高さの２／５〜３／５の範囲に頂部２２が位置すればよい。３／５を超えると、電子を引き出すための電場が、電子が放出されやすいフィラメント２の頂部２２に集中しないので、電子の放出効率が低下する、つまり、フィラメント２にかかる電力が増大すると共に、イオン化するための電子が飛行する領域が狭くなって感度が悪くなり、しかも、フィラメントが長くなることによる変形が起こりやすくなって感度変化が大きくなる、という不具合が生じる。他方で、２／５より小さいと、電子の飛行距離が長くなると共に、生成されたイオンの飛行距離も長くなるので、高い圧力における荷電粒子（ここでは電子及びイオン）対中性粒子（気体分子）の衝突頻度が多くなることによる感度の低下が起きる、という不具合が生じる。

グリッド３としては、タングステン、モリブデン、表面を白金で被覆したモリブデン、タンタル、白金、イリジウム、白金とイリジウムの合金、ニッケル、ニッケルと鉄との合金、ステンレスまたはこれらから選択された少なくとも二種の合金製のものが用いられる。そして、φ０．１〜０．５ｍｍの線材を円筒形状の輪郭を有するようにコイル状に巻回して構成される。この場合、グリッドの孔軸Ｈａ上にフィラメント２の頂部２２が位置するようになる。なお、グリッド３の形態はこれに限定されるものではなく、上記線材を格子状に組み付けて筒状に成形したものやパンチングメタルまたはフォトエッチングシートを筒状に成形したものであってもよい。グリッド３もまた、センサ本体１の底部を図示省略の絶縁体を介して貫通させてセンサ本体１内に突設した支持ピン３１c、３１dによりセンサ本体1内の所定位置に位置決め支持される。この場合、支持ピン３１cは、接続端子の役割も果たす。

イオンコレクタ４_１、４_２は、モリブデン、表面を白金で被覆したモリブデン、タンタル、白金、イリジウム、白金とイリジウムの合金、ニッケル、ニッケルと鉄との合金またはこれらから選択された少なくとも二種の合金製の円板状の板材で構成される。この場合、その厚さ５０〜３００μｍの範囲に設定される。また、イオンコレクタ４_１、４_２のグリッド３との対向面の表面積は、グリッド３の上下方向の開口面積（巻き径から算出される面積）と同等以上に設定されてグリッド３の開口を覆うようになっている。なお、イオンコレクタ４_１、４_２の表面積は、グリッド３の開口面積の１．５倍以下であることが好ましい。１．５倍を超えると、軟エックス線による疑似イオン電流が大きくなり、測定下限値を低くできない。また、所定間隔は、機械的な精度やグリッド３内で生成されたイオンの飛行距離を考慮して設定され、例えば、１〜５ｍｍの範囲で設定される。この間隔が１ｍｍより小さいと、グリッド３とイオンコレクタ４が接触するという機械的な不具合がある一方で、５ｍｍを超えると、イオンの飛行距離が長くなることで、圧力が高くなると、イオンー分子間衝突の確率が増え、圧力が高くなると出力信号対圧力の直線性が失われるという不具合が生じる。

イオンコレクタ４_１、４_２もまた、センサ本体１の底部を図示省略の絶縁体を介して貫通させてセンサ本体１内に突設した支持ピン４１ａ〜４１ｄによりセンサ本体１内の所定位置に位置決め支持される。この場合、支持ピン４１ａ、４１ｃは、接続端子の役割も果たす。なお、イオンコレクタ４_１、４_２の形態は上記に限定されるものではなく、矩形の板材で構成することもでき、また、グリッド３の上下の開口３１ａ、３１ｂのうち少なくとも一方に配置することもできる。

他方、制御部Ｃは筐体Ｆ（図１中、一点鎖線で示す）を備え、筐体Ｆ内にはコンピュータ、メモリやシーケンサ等を備えた制御手段Ｃ１が内蔵されている。制御手段Ｃ１は、後述の各電源の作動や後述の電流計Ａにて測定されたイオン電流値を処理して例えば図示省略のディスプレイに圧力を表示する等の各種制御を統括して行う。また、筐体Ｆ内には、フィラメント２に直流電流を通電してフィラメント２を赤熱（点灯）するフィラメント点灯用の電源Ｅ１と、グリッド３に対してフィラメント２より高い電位を与えるグリッド用の電源Ｅ２と、フィラメント２の電位をイオンコレクタ４_１、４_２の電位よりも高くする電源Ｅ３と、イオンコレクタ４_１、４_２を夫々流れるイオン電流を測定する電流計Ａとが内蔵されている。

なお、本実施形態では、特に図示して説明しないが、筐体Ｆには上記各電源に導通した出力端子が設けられ、センサ部Ｓと制御ユニットＣとはコネクタ付きケーブルにて接続される。また、センサ部Ｓと制御ユニットＣとを同一の筐体に組み込んで構成することもできる。

次に、上記熱陰極電離真空計の使用例を説明する。センサ部Ｓを、フランジ部１１及び図示省略のＯリングを介して図外の試験体のテストポートに装着した後、試験体内を真空ポンプにより真空引きし、所定真空圧に達すると、圧力測定を開始する。先ず、電源Ｅ１によりフィラメント２に直流電流を通電してフィラメント２を点灯させ、熱電子を放出させる。そして、電源Ｅ２によりグリッド３とフィラメント２との間の電位差に相当するイオン化電圧で熱電子をグリッド３側に引き込む。このとき、熱電子と衝突したグリッド３周辺の気体原子、分子から正イオンが生じる。そして、生じた気体原子、分子の正イオンがイオンコレクタ４_１、４_２で夫々捕集され、このとき、電流計Ａで測定したイオン電流から試験体内の圧力が検出される。なお、熱陰極電離真空計の制御方法やイオン電流からの圧力の算出方法等については、公知のものを利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

以上、本発明の実施形態によれば、イオンコレクタ４_１、４_２をグリッド３の少なくとも一方の開口３１ａ、３１ｂを塞ぐ面積の板状部材で構成したため、ＢＡ真空計と比較してイオンコレクタ４_１、４_２の表面積が大きくなって、正イオンを捕集する確率が低くなることが抑制される一方で、炭化水素系の気体やシロキサンなどの気体雰囲気が形成される試験体に使用される場合でも感度の低下を防止でき、従来例の熱陰極電離真空計と同等の感度安定性を有する。また、従来例の電離真空計に用いられる筒状のイオンコレクタと比較して、その表面積が小さいため、軟エックス線による疑似イオン電流を小さくでき、結果として、上記従来例のものよりも測定下限値を低くできる。

また、センサ部Ｓを金属製の真空隔壁１内に収納したため、熱電子のチャージアップを防止して、真空隔壁１で囲繞された空間内の電位分布を常時一定に保持されるため、長時間に亘って一定の感度で圧力を測定することができる。しかも、フィラメント２をタングステンとレニウムとの合金で構成したため、熱変形や自重による変形を一層抑制することができる。即ち、上記重量比のタングステンとレニウムとの合金は、フィラメント２を点灯させてときの２０００〜２５００℃の温度範囲における剛性、延性が高く、また、比較的化学的にも安定である。従って、上記温度領域となる熱陰極材料としてより適したものである。つまり、熱履歴による構造変化や振動、衝撃による形状変化(断線を含む)が小さく、同時に酸化物被覆をする必要がない。このため、熱陰極電離真空計ＩＧのフィラメント２材として使用した場合における感度変化が少ない。

次に、本発明の効果を確認するために、上記熱陰極電離真空計ＩＧを用いて次の実験を行った。この場合、グリッド３として、モリブデン製の網部材を直径φ１０ｍｍ、高さ２４ｍｍに成形したものを用いた。また、フィラメント２としては、その材質がレニウムの重量比を３重量％としたタングステン−レニウム合金製のものを用い、ヘアピン状に成形したフィラメント２の頂部２２がグリッド３の中心に位置するようにグリッド３内に挿設した。イオンコレクタ４_１、４_２としては、その材質がＳＵＳ３０４とし、φ１０ｍｍの板材とした。

接地電位に対する電源Ｅ１の電位を＋２５Ｖ、電源Ｅ２の電位を＋１５０Ｖとし、電源Ｅ３の電位を０Ｖとし、イオン化のための電子電流を１ｍＡに制御することとした。そして、熱陰極電離真空計ＩＧの測定下限値を測定したものを図３に示す。なお、図３中、−□−線は、上記熱陰極電離真空計ＩＧ（発明品）のものである。また、図３には、従来例の熱陰極電離真空計のもの（従来品：図３中、−○−で示すもの）及びＢＡ真空計（比較品：図３中、−△−で示すもの）の測定下限値を測定したものも示している。これによれば、発明品のものは、ＢＡ真空計より圧力の測定下限値は高いが、従来品のものより、圧力の測定下限値が低くなっていることが確認された。

次に、上記と同一の熱陰極電離真空計ＩＧを用いて他の実験を行った。即ち、電離真空計の安定性を示すために、シロキサンに暴露しながら動作させ，その後に窒素に対して校正して感度の変化を測定した。図４には、その測定結果が示され、図４中、−□−線は、発明品、−○−が従来品、−△−が比較品のものである、これによれば、比較品では、約１．５時間のシロキサンへの暴露で約２ケタ感度が低下することが判る。それに対して、発明品では、感度変化が少なく、従来品と同等の安定性を有することが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、センサ本体１を備えたものを例に説明したが、センサ部を試験体にそのまま取り付けるような場合にも本発明は適用することができる。

ＩＧ…熱陰極電離真空計、Ｓ…センサ部、Ｃ…制御部、１…金属製の容器（真空隔壁）、２…フィラメント、３…グリッド、４_１、４_２…イオンコレクタ、Ａ…電流計、Ｈａ…孔軸、Ｍｐ…（グリッドの母線方向における）中点、Ｅ１〜Ｅ３…電源。

Claims (3)

1. 試験体に装着されてその内部の圧力を検出する熱陰極電離真空計であって、
   フィラメントと、このフィラメントを囲うように配置される、筒状の輪郭を有するグリッドと、イオンコレクタとを備え、このフィラメントに通電してこのフィラメントを点灯させて熱電子を放出させ、フィラメントより高い電位をグリッドに付与し、このグリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンがイオンコレクタで捕集され、このときのイオン電流から圧力を検出するものにおいて、
   前記イオンコレクタが板状部材で構成され、グリッドの母線方向の延長上に所定間隔を存して当該グリッドの少なくとも一方の開口を覆うように配置されることを特徴とする熱陰極電離真空計。
2. 前記フィラメントと、グリッドと、イオンコレクタとが金属製の真空隔壁内に収納されることを特徴とする請求項１記載の熱陰極電離真空計。
3. 前記フィラメントは、タングステンとレニウムとの合金で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱陰極電離真空計。

Images