JP2654841B2

JP2654841B2 - 真空計

Info

Publication number: JP2654841B2
Application number: JP9501590A
Authority: JP
Inventors: 立男麻蒔
Original assignee: ANERUBA KK
Current assignee: ANERUBA KK
Priority date: 1990-04-12
Filing date: 1990-04-12
Publication date: 1997-09-17
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JPH03293533A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、気体の電離現象を利用した真空計に関
し、特に、電場と磁場が交差した空間で回転電子電流を
生じさせ、これによって気体の電離を増加させる形式
（以下、交差電磁界形という。）の真空形に関する。

［従来の技術］気体の電離現象を利用した真空計には、熱陰極をもっ
た真空計と、もたない真空計とがある。熱陰極をもった
真空計は信頼度が高いためによく用いられているが、熱
陰極により真空系を乱すという欠点がある。これに対し
て、熱陰極をもたない真空計は、真空系を乱さないとい
う点で優れている。この種の真空計には多くの種類があ
るが、中でもペニング真空計やマグネトロン真空計に代
表される交差電磁界形真空計が最も多く用いられてい
る。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、交差電磁界形真空計は、高電圧を用い
る必要があること、信頼度が低いことなどの欠点があっ
た。信頼度の問題は、本願出願人の出願による特願平１
−39270号の真空計によってほとんど解決された。しか
し、高電圧を使用する点はそのままであり、その結果、
冷陰極放電が不安定になったり、正イオンによる陰極ス
パッタリングによって陰極寿命が短くなったりするなど
の問題があった。

［目的］この発明の目的は、上述の欠点を解消して、（１）印加電圧を低くでき、あるいは、同じ印加電圧な
らば高い感度の得られる真空計、（２）冷陰極放電の安定した真空計、（３）陰極スパッタリングの少ない長寿命の真空計、（４）高電圧を用いないことによる安全かつ信頼度の高
い真空計、を提供することにある。

［課題を解決するための手段］この発明は、微細加工による冷陰極エミッタ（例え
ば、NIKKEI MICRODEVICES 1989年 11月号 149頁参
照）を交差電磁界形真空計の冷陰極に適用することによ
って、上述の目的を達成することができた。すなわち、
この発明の真空計は、交差電磁界形の真空計において、
陰極を、基板上に形成された多数の微小冷陰極によって
構成したことを特徴としている。

微小冷陰極とは、IC製造工程などで使われる微細パタ
ーン加工技術を利用して作られる冷陰極を指す。したが
って、一つの基板上に多数の微小冷陰極を形成すること
ができる。

多数の微小冷陰極は、基板上に円形に沿って配置する
ことができる。この場合、複数の同心円に沿って配置す
ることができる。

この発明においては、上述の特願平１−39270号の真
空計で採用した回転電子電流測定手段を設けることがで
きる。

［作用］微小冷陰極は先端が鋭く尖っていて、ここから電界放
射によって電子が飛び出す。微小冷陰極は、例えば10μ
ｍピッチで数千個あるいは数万個のオーダーで配置でき
るので、ひとつの微小冷陰極によるエミッタ電流が小さ
くても、多数の微小冷陰極による合計のエミッタ電流を
大きくとることができ、安定した放電が可能となる。微
小冷陰極と陽極との間に印加する電圧は、従来の交差電
磁界形真空計と比較して小さくて済む。

この真空計の動作例は次の通りである。それぞれの微
小冷陰極の先端から飛び出した電子は、この微小冷陰極
の近傍に形成された加速電極で加速され、その後、陽極
に向かう。陽極の近傍には電場と交差する磁場が形成さ
れているので、電子は磁場の影響を受けて回転運動をす
る。この回転電子が真空計内の気体分子に衝突すると気
体分子が電離し、そのとき発生した正イオンはイオンコ
レクタに集まる。このイオンコレクタ電流を測定するこ
とによって真空計内の圧力を求めることができる。ある
いは、イオンコレクタを省略して陽極電流を測定しても
よい。

［実施例］次に、図面を用いてこの発明の実施例を説明する。

第１図は、この発明の一実施例の縦断面図である。こ
の真空計は、主として、真空容器10と、この真空容器10
の外側に設けた磁場設定手段20と、陽極機構30と、イオ
ンコレクタ機構40と、冷陰極機構50とからなり、これら
により交差電磁界形の冷陰極電離真空計を構成してい
る。

真空容器10は、円筒状の放電管11と、被測定真空室に
取り付けるための接続管12と、各種の電気接続端子を貫
通固定するためのステム部13とからなり、これらが一体
に形成されている。

磁場設定手段20は、二つの円環状の永久磁石21とその
間のヨーク23とからなる。永久磁石21の作る磁場22は、
陽極電極31の内部では、陽極電極31の中心線34に沿うよ
うになっている。ヨーク23には環状の凹所が形成されて
いて、この凹所にセンサコイル70が収容されている。こ
のセンサコイル70は、後述する回転電子電流を測定する
ためのもので、2000ターン巻かれている。

磁場設定手段は、第２図に示すように複数の永久磁石
211〜214を、同じ磁極が互いに向かい合うように配置し
て、空間適な交番磁場221を形成するようにしてもよ
い。永久磁石211〜214の間にはヨーク231〜233を配置す
る。

第１図に戻って、陽極機構30は、円筒状の陽極電極31
と、リード32と、陽極電源33とからなる。この実施例で
は、陽極電極31の直径は26mm、長さは30mmである。陽極
電源33は、陽極電極31をイオンコレクタや冷陰極に対し
て所定の電圧に保つためのもので、図示の例では直流電
源を用いている。陽極電極31への印加電圧は例えば200
〜300Vである。なお、上述のセンサコイル70を使用して
回転電子電流を測定するような圧力測定法を選択する場
合は、陽極電源33として、直流電源と交流電源とを直列
に接続したものを用いる。

イオンコレクタ機構40は、円板状のイオンコレクタ電
極41と、リード42と、イオンコレクタ電流を測定する電
流計43とからなる。イオンコレクタ電極41は接地されて
いる。

冷陰極機構50は、円板状の基板55の上に形成された多
極電子放出機構と、エミッタ電源542と、加速電源572と
からなる。多極電子放出機構のエミッタとエミッタ電源
542とはリード543で接続され、多極電子放出機構の加速
電極と加速電源572とはリード線573およびリード574で
接続されている。

第３図は基板55の平面図であり、円形に沿って形成さ
れた外側の多極電子放出機構58と、内側の多極電子放出
機構59とがあり、これらが同心状に配置されている。基
板55の直径は陽極電極31の内径にほぼ等しくなってお
り、陽極電極31が円筒形状になっているのに合わせて多
極電子放出機構も円形に沿って配置されている。多極電
子放出機構には、微細パターン加工技術によって形成さ
れた多数の微小冷陰極（以下、エミッタという）が含ま
れている。外側の多極電子放出機構58に含まれる多数の
エミッタは、円筒面をなす電子放出面581に沿って配置
されており、内側の多極電子放出機構59に含まれる多数
のエミッタは、円筒面をなす電子放出面591に沿って配
置されている。

第４図は第３図のIV−IV線で切断した拡大垂直断面図
であり、第５図は第４図のＶ−Ｖ線で切断した平面断面
図である。第４図と第５図において、基板55上には、先
端の尖ったエミッタ54が円形に沿って多数形成され、エ
ミッタ54の上面にはシールド電極53が形成される。シー
ルド電極53からは、ひさし531が突き出している。この
シールド電極53は、正イオンがエミッタ54に突入するの
を防いでいる。したがって、エミッタ54がスパッタリン
グされることがなく、エミッタ54の寿命が長い。また、
基板55上には、環状の加速電極ベース575が形成され、
その上に円柱状の加速電極57が立っている。エミッタ5
4、シールド電極53、加速電極ベース575、加速電極57
は、いずれも導電性材料で形成されている。加速電極ベ
ース575は絶縁体56を介して基板55上に形成されてお
り、基板55からは絶縁されている。加速電極ベース575
の端部はパッド部576になっており、このパッド部576
に、金線からなるリード線571がボンディングされてい
る。このリード線571は第１図のリード線573とリード57
4を介して加速電源572に接続されている。

エミッタ54の先端から電界放射によって放出された電
子は、加速電極57によって加速されてから第１図の陽極
電極31に向かって飛んで行く。すなわち、第４図および
第５図において電子はまず矢印541の方向に放出され
る。加速電極57の間を通り抜けた電子は、陽極電極31の
作る電場に引っ張られて第４図の上方に向かうと共に、
第１図の磁場22の影響を受けて、らせん形状を描きなが
ら飛んで行く。

この実施例のように多極電子放出機構を配置すると、
電子は、電子放出面581から第４図の矢印52の方向、す
なわち基板55の中心方向に放出される。

エミッタ54はモリブデンやタングステンなどの高融点
金属材料で作るのが望ましいが、仕事関数の小さい（す
なわち、電界による冷陰極電子放射の能力が高い）材料
なら何でもよい。また、エミッタ表面に酸化物被膜を設
けるなどして仕事関数を小さくするのも好ましい。

基板55の直径は10〜25mmである。電子放出面581、591
の直径は特に制限はなく、また多極電子放出機構58、59
を２重に限らず、３重以上の同心状に配置してもよい。
エミッタ54は基板全体で数万個のオーダーで配置するこ
とができ、隣り合うエミッタ54同士の間隔は10μｍ程度
である。エミッタ先端部の曲率半径はできるだけ小さく
するのが好ましく、実施例では0.1μｍ以下とした。隣
り合う加速電極57同士の間隔もエミッタ間隔と同様に10
μｍ程度であり、円柱状の加速電極57の直径は１μｍ、
高さは２〜３μｍである。エミッタ54の先端から電子放
出面581までの距離は15μｍである。このような微小形
状のエミッタや加速電極を形成するには、IC製造工程で
使われる微細パターン加工技術を利用する。すなわち、
成膜工程、フォトレジストの露光・現像によるパターニ
ング工程、エッチング工程などを組み合わせて、第４図
および第５図に示すような多極電子放出機構を形成す
る。この微細パターン加工技術を利用すれば多数の微小
冷陰極を安定量産できる。

次に、この真空計の動作を説明する。

この真空計は10^-4Torr以下の圧力測定に適しているの
で、その圧力になったら、各電源を動作させる。例え
ば、第１図の陽極電極31に300Vを印加し、第４図のエミ
ッタ54に10Vを、加速電極57に50Vを印加する。陽極電極
31の中心における磁場の強さは300ガウスとする。エミ
ッタ54から放出された電子は、矢印541のような軌跡を
描き、陽極電極31の内部で、通常の交差電磁界形真空計
と同様な放電を生じさせる。気体の電離によって生じた
正イオンは、電位の最も低いイオンコレクタ電極41に捕
捉される。このときのイオンコレクタ電流を電流計43で
測定することによって圧力を求めることができる。例え
ば、圧力が１×10^-6Torrのときに５×10^-7Aのイオンコ
レクタ電流を得ることができた。この真空計は、電界放
射を利用した多極の電子放出機構を用いているので、電
子放射が安定しており、安定な放電が得られた。また、
低電圧動作（通常200〜300V）なので安全であり、シー
ルド電極53のスパッタリングも少なく（エミッタ54のス
パッタリングはほとんどない）、長寿命の運転ができ
た。

以上述べた動作条件はほんの一例である。加速電極57
とエミッタ54の距離をもっと小さくすれば、加速電圧を
さらに低下させることができる。シールド電極53のひさ
し531をもっと延ばして加速電極57を覆うようにすれ
ば、陽極電圧はもっと高くてもよい。陽極電圧を高くし
たときは磁場も大きくするのが望ましい。

次に、第１図に戻って、センサコイル70に関連した構
成を説明する。センサコイル70の二つのリード線は、バ
ンドパスフィルタ71を通してから互いに接続してループ
を構成する。このループに電流計72を挿入する。バンド
パスフィルタ71は、センサコイル70の出力電流のうち、
陽極電極31に印加する交流の周波数と異なる周波数のノ
イズを除去するためのものである。このセンサコイル70
を利用して回転電子電流を測定するには、陽極電極31に
直流分と交流分とからなる陽極電圧を印加する。この交
流分により回転電子電流は変動し、この変動によってセ
ンサコイル70に交流電流が誘起される。この誘起電流が
電流計72で検出される。回転電子電流の変動割合は、回
転電子電流の強度に比例するので、センサコイル70での
誘起電流の大きさを求めることによって回転電子電流を
求めることができる。ここで、真空計の感度係数をＳ、
イオンコレクタ電流をIc、回転電子電流Irとすると、真
空計内部の圧力Ｐは次式で求めることができる。

Ｐ＝（1/S）（Ic/Ir）第６図は別の実施例の縦断面図である。この実施例が
第１図の実施例と異なる点は、イオンコレクタが無くて
冷陰極機構50が２組あることと、陽極電極31が円筒状で
なくてリング状であることと、磁場設定手段20の形状が
異なること、などである。第１図の実施例に対応する部
分には同一の符号を付けてある。

２組の冷陰極機構50はリング状の陽極電極31を挟んで
対向するように配置されている、磁場設定手段20は第７
図に示すように、２個の永久磁石21がコの字形のヨーク
23の両端に固定されていて、Ｎ極とＳ極が向かい合って
いる。したがって、第６図において磁場設定手段20によ
る磁場22は、リング状の陽極電極31の中心線に沿うよう
に延びており、陽極電極31の中心部で外側にふくらんで
いる（なお、第１図の実施例では磁場22は陽極電極31の
中心部で内側にふくらんでいる）。この実施例ではイオ
ンコレクタがないので、陽極電極31を接地電位として電
流計35で陽極電流を測定して、これをもとにして圧力を
求めている。冷陰極機構50のエミッタはエミッタ電源54
2により負の電位が印加され、加速電極は加速電源572に
よりエミッタよりも高い電位が印加されている。

この実施例では気体の電離によって生じた正イオンは
そのほとんどが最終的に冷陰極機構50のエミッタに流入
し、一方、電子は陽極電極31に流入することになる。し
たがって、陽極電流を測定するということは放電電流を
測定していることになる。

この発明は上述の実施例に限定することなく、多くの
変形が可能である。陽極の形状は円筒状の代わりに角筒
状としてもよい。その場合は、第３図の電子放出面58
1、591を四角形にしてもよい。電子放出面581、591の形
状は、任意の形状とすることができ、円形などの特定の
形状の電子放出面を基板上に多数配置してもよい。要す
るに陽極電極に向けて電子放射ができればよい。電子放
出面からの電子放出方向は、第４図では矢印52の方向、
すなわち円形基板の中心方向に向いているが、円形基板
の外周に向かって電子放出するようにエミッタを配置し
てもよい。異なる電子放出面に対して電子放出方向を中
心方向と外周方向とに分けてもよい。また、２組の冷陰
極機構がある場合に、一方の冷陰極機構では電子放出方
向を基板の中心に向け、他方の冷陰極機構では電子放出
方向の基板の外周に向けることもできる。

電子放出方向の望ましい態様としては、陽極電極の内
部の磁力線が膨らんでいる方向に電子放出をすることで
あり、こうすれば放電強度が大きくなって望ましい。こ
の点で、第１図の実施例では電子放出方向52を基板の中
心に向けるのが望ましく、第５図の実施例では電子放出
方向52を基板の外周に向けるのが望ましい。

シールド電極53、加速電極57、エミッタ54の形状も各
種の変更が可能である。例えば、シールド電極53の高
さ、ひさし531の突き出し量、ひさし531と加速電極57と
の距離、加速電極57の高さや形状、エミッタ54の先端部
の形状などについて各種の変更が可能である。

真空容器10は、放電管11と接続管12とを無くしてステ
ム部13だけとした、いわゆるヌード形とすることができ
る。この場合は、陽極電極や冷陰極などの真空計の要素
を被測定真空系内に挿入して圧力測定をする。

磁場設定手段としては永久磁石の代わりに電磁石を用
いていもよい。

［発明の効果］以上説明したようにこの発明の真空計は、交差電磁界
形の真空計において陰極を多数の微小冷陰極で形成した
ことにより、従来の交差電磁界形の冷陰極電離真空形と
比較して次の効果がある。

（１）放電が安定する。

（２）陰極と陽極との間に印加する電圧が小さくて済
む。従来の真空計が数kV必要であるのに対して、この発
明では数百Ｖでよい。

（３）印加電圧が小さいので、正イオンによる陰極スパ
ッタリングが少なくなり、寿命が長い。

また、この真空計に回転電子電流測定手段を設ける
と、上述の効果に加えて、圧力測定精度が向上し、信頼
性が増す。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の縦断面図、第２図は磁場設定手段の変更例の縦断面図、第３図は冷陰極機構の基板の平面図、第４図は第３図のIV−IV線で切断した拡大垂直断面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線で切断した平面断面図、第６図は別の実施例の縦断面図、第７図は第６図の磁場設定手段の斜視図である。 20……磁場設定手段 31……陽極電極 41……イオンコレクタ電極 50……冷陰極機構 54……エミッタ 55……基板 57……加速電極 70……センサコイル

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】陰極と、陽極と、陰極と陽極とで作られた
電場と交差するような磁場を形成する磁場設定手段とを
有する真空計において、前記陰極が、基板上に形成された多数の微小冷陰極から
なることを特徴とする真空計。
【請求項２】前記多数の微小冷陰極は、基板上に円形に
沿って配置されていることを特徴とする請求項１記載の
真空計。
【請求項３】前記多数の微小冷陰極は、複数の同心円に
沿って配置されていることを特徴とする請求項２記載の
真空計。
【請求項４】前記電場と前記磁場の作用によって生じる
回転電子電流を測定する手段を有することを特徴とする
請求項１記載の真空計。