JP3079494B2 - スパッタイオンポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高真空、超高真空、極
高真空（以下、単に「高真空」と言う）の空間を得るた
めの静止型真空ポンプの一種であるスパッタイオンポン
プに関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタイオンポンプでは、カソードと
アノードの間に存在する強い電界と磁界とで電子の螺旋
運動を起させてガスの電離を促進し発生した正イオンが
カソードを叩いてカソードから２次電子等を放出させ冷
陰極放電すなわちペニング放電状態を維持しながらカソ
ード物質を構成する原子・粒子を跳ね飛ばすスパッタ現
象が生じている。カソード物質として各種ガスと反応し
易い活性な金属、例えばチタンを用いると、ガスがカソ
ードに飛び込んだ直後や、カソード物質がスパッタして
飛行する途中、あるいはスパッタされたカソード物質が
アノードその他へ付着した後、反応性ガスがイオンと結
合して捕捉されるゲッター作用を示す。しかしアルゴン
などの不活性ガスは正イオンになって一旦カソードへ入
射してもスパッタ物質と共に空間に戻ったり、たとえカ
ソード物質内に一時留まってもカソードと化学反応は行
わないので後続のイオンでカソード物質が叩きだされる
ときに空間に再放出されてしまう。

【０００３】一方、図４に示すような、隙間を持つカソ
ード２３を用いたスパッタイオンポンプが提案されてい
るが、このポンプの場合は、カソード２３に斜入射する
正イオン３０が存在し、不活性ガスでもカソード２３で
正電荷を失って弾かれカソード２３の隙間の後方のポン
プシェル２１の壁に中性粒子３１となって飛び込んでそ
こに滞留している間にその上にカソード物質がスパッタ
して来て不活性ガス分子を埋め込むことによる排気作用
をある程度期待できる。後から飛び込んで来る中性粒子
がそれほど大きなエネルギーを持たずスパッタ作用を示
さなければ埋め込まれた不活性ガス分子は再放出されな
くてすむ訳である。

【０００４】なお、このような従来のスパッタイオンポ
ンプの例では、複数の筒を並列に束ねたアノード２２は
ポンプシェル２１と共に接地電位３とし、負電位３２を
与えられたチタン製カソード２３とアノード２２の間の
空間で発生した正イオン３３はカソード２３の隙間を通
り抜けても荷電状態のままでは電位障壁によってポンプ
シェル２１に到達できない。このような正イオン３３は
ポンプシェル２１の前で押し戻されて最後はカソード２
３をイオン衝撃する。その際にも一部は中性粒子化され
てアノード２２やポンプシェル２１に飛び込む。勿論、
カソード２３をまともにイオン衝撃するような正イオン
３４もある。正イオン３３、３４などでイオン衝撃され
るカソード２３からはカソード物質であるチタンがスパ
ッタされ、アノード２２やポンプシェル２１上に被膜を
作り不活性ガス分子の埋め込みや吸着した活性ガスとの
結合作用を営む。なお、磁石１０はペニング放電を起し
やすくするようアノード２２とカソード２３の空間に磁
界を生成させるためにポンプシェル２１の外側の大気中
に設ける。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらイオン化
された不活性ガスの内、上記のような中性粒子を発生す
るのに望ましい態様でカソードに突入する割合はかなり
小さく、従来のスパッタイオンポンプでは例えばアルゴ
ンの排気速度は窒素の排気速度の２０乃至３０％止まり
であった。

【０００６】本発明は従来よりも大きな不活性ガスに対
する排気能力を有するスパッタイオンポンプを提供する
ことを目的とする。さらに本発明は反応性ガスに対して
も従来以上の排気能力を有するスパッタイオンポンプを
得ることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】上記目的を達成するため
に、本発明のスパッタイオンポンプにおいては、ペニン
グ放電を起させるためのアノードと、カソードと、前記
アノードとカソードの対向空間に磁界を発生させる磁石
を備えてなるスパッタイオンポンプにおいて、更に、正
イオン通過用の隙間を有し、かつカソードと同電位の電
子シールド電極と、前記アノード電位とカソード電位と
の中間の電位を与えられ、減速した正イオンを吸引する
と共に、カソードから発したスパッタ物質が堆積可能と
したイオン吸引電極を備えたことを特徴としている。

【０００８】また、本発明のスパッタイオンポンプは、
両端を開口した複数の筒を並列に束ねて構成したアノー
ドの開口方向の一側に板状のスパッタ用カソードを設
け、これらのアノードとカソードの間に比較的大きいイ
オン衝撃用電位差を与え、前記アノードの開口方向の他
側にはアノードに対して比較的小さな負の電位差を与え
て減速した正イオンを吸引するためのイオン吸引電極を
配置し、アノードとイオン吸引電極との中間位置にカソ
ードと同電位で網状などのイオン通過用隙間を有する電
子シールド電極を配し、アノードの筒の開口方向に磁界
が与えられていることを特徴としている。前記イオン吸
引電極は、アノードに対して約１００ボルトの負の電位
とされる。

【０００９】また、このイオン吸引電極としては、アノ
ードに対向する側を開口した有底筒を複数、並列に束ね
て構成することができる。

【００１０】さらに、イオン吸引電極は、流入する正イ
オンによる電流を測定するための電流計を接続して真空
度の目安を表示できるごとくしてもよい。

【００１１】

【作用】１個のイオンの入射によりスパッタされる原子
の数をスパッタ率という。スパッタ率は、イオンのエネ
ルギーにより変化する。イオンエネルギーを低くしてい
くとスパッタ率は急速に低下し、ついにスパッタ現象が
認められなくなる。このエネルギー値をスパッタのしき
いエネルギーと言い、金属でだいたい１０〜３０eVであ
る。１eVは電位差１ボルトの間で加速されて電子１個分
の単位電荷を持つ粒子が得る運動エネルギーである。ス
パッタ率はイオンエネルギーEiが１５０eVくらいまでは
Eiの二乗に、１５０〜４００eVくらいまではEiに、４０
０〜５０００eVくらいまではEiの平方根に比例し、以後
飽和して、Eiが数十keV 以上になると、ついに低下し始
めスパッタを伴わないで固体の中に侵入してしまうイオ
ンの方が多くなる。

【００１２】イオンやカソードの種類によって差はある
が、一般にエネルギーが１００eV程度より小さなイオン
によるスパッタ率は１よりもずっと小さく、数百eVにな
るとスパッタ率は１と同オーダーになりスパッタが盛ん
になる。

【００１３】今、たとえばアルゴンガスを電離して正イ
オン化し１００Ｖ加速してステンレス鋼のイオン吸引電
極に入射させるとスパッタは殆ど生ぜずにアルゴン原子
がイオン吸引電極の表面層にめり込み、入射するアルゴ
ン原子の相当大きな割合が表面層に残る。これらのアル
ゴン原子は不活性なので電極物質としっかり結合してい
る訳ではなく後から荷電粒子で叩かれたり熱エネルギー
を受け取ったりすることにより表面からだんだん離脱す
る傾向を示す。しかしこの表面層にすぐ別の金属層をス
パッタで形成すると、前に表面層に残っていたアルゴン
原子が新しい金属層で埋め込まれ、新しい表面にまた１
００eV程度以下のエネルギーのイオンなどが入射して来
てもそれによるスパッタ作用は小さいので内層に埋め込
まれたアルゴン原子は殆ど放出されることがなくなる。
このようにしてアルゴンのような不活性ガスも効率的に
吸引し続け再放出を防ぐことができる。

【００１４】イオン吸引電極表面にスパッタで新しい金
属層を形成するにはカソードから飛来するスパッタ粒子
を用いればよい。

【００１５】この発明のスパッタイオンポンプにおい
て、中央のアノードと一側のカソード（チタン製）と、
アノードの他側の電子シールド電極との間に束縛された
電子は強磁界で螺旋運動し、その空間内のガスの電離効
率を上げ放電を起し易くなっている。ここで発生したイ
オンのかなりの部分がカソードを叩いてチタンを飛ばし
アノード上及び電子シールド電極を越えてイオン吸引電
極上にチタンのスパッタ膜を形成させることができる。
このチタン膜が不活性ガスの埋め込みや活性ガスとの吸
着化学結合の機能を果たす。イオン吸引電極の電位は、
カソード電位と等しくするとスパッタ作用が激しすぎる
ので、イオン吸引電極へ入射するイオンが大部分１００
eV程度以下のエネルギーとなるようカソードとアノード
の中間の電位でアノードに近い電位とされる。したがっ
て、この発明のスパッタイオンポンプは、（イ）アノー
ド、（ロ）アノードに対し数百ボルト以上負の電位のカ
ソード、（ハ）カソードと同電位の電子シールド電極と
（ニ）アノードとカソードとの中間の電位のイオン吸引
電極の３電位４電極型の構成となる。

【００１６】イオン吸引電極をアノードと同様なスパッ
タ膜形成表面積の大きな、たとえば、筒を多数並列に束
ねた構造にしておくと、活性ガス吸着面積が増え排気速
度が増す。ただし、アノードから見てこの筒の遠い側は
底板を付けて有底筒状とするのが好ましく、イオンが主
に底板に入射吸引されることになる。なお、電子シール
ド電極をくぐり抜けたイオンの内、一部の正イオンは追
い返されてカソードに入射しそこである程度のスパッタ
を起す。電子シールド電極は正イオンが通過できるよう
網状とするが、網状以外の形状、たとえば長溝状、蜂の
巣状などとしてもよい。

【００１７】上記４電極に流れる電子やイオンによる放
電電流等はこれらの電極が存在する領域の真空度の目安
を与えるが、イオン吸引電極が最もスパッタの起るカソ
ードやアノードから遠く離れており、通常は接地電位に
されるポンプシェルに対する電位差も低くでき、絶縁支
持物の汚染防止、隣接電極間強電界による放電発生の抑
制、ノイズ混入の防護等が比較的容易である。従ってこ
のイオン吸引電極の電極電流を計測表示する手段を設け
て真空度の目安を得るようにすれば、測定への擾乱を比
較的小さく抑えることができ、イオンや電子の発生数が
減る、より良い高真空領域まで安定に測定するのに適し
ている。

【００１８】

【実施例】実施例について図面を参照して説明する。図
１は本発明の一実施例の３電位４電極型スパッタイオン
ポンプの本体の断面略図に相互電位関係を付加して示し
た構成説明図である。複数の筒を並列に束ねたアノード
１を真空容器となるポンプシェル２と同じ接地電位３と
する。アノードの一側にはチタン製板状のスパッタ用カ
ソード４を配し、アノード１の他側には網状の電子シー
ルド電極５と、複数の有底筒を並列に束ねたイオン吸引
電極６を配置してある。カソード４と電子シールド電極
５は高い負電位（約−３〜−８KV）が印加してある。イ
オン吸引電極６は比較的低い負電位（約−１００Ｖ）と
し、この電極６に流れる電流を測定するイオン電流計９
が接地電位３との間に接続されている。以上の諸電極は
磁石１０のＮ−Ｓ極間の強い磁界（１０００〜２０００
ガウス）中に置かれる。

【００１９】図２は図１の本体内のガスが電離されて生
じた正イオンの動きを示すイオン動作説明図で、カソー
ド４と電子シールド電極５との間の空間で発生した電子
は負電位のカソード４と電子シールド電極５に反発され
てこの空間内にとどまり、アノード１の筒の軸方向の磁
界により螺旋運動を行いガスを電離して正イオンや電子
を発生させながら最終的にはアノード１に流入する。ア
ノード１とカソード４の間で発生した正イオン１２、１
３等は板状のカソード４の負電位に引かれて加速されカ
ソード４を衝撃し、カソード物質のチタンをスパッタさ
せたり２次電子を放出させたりする。イオンは電子に比
べて重くて低速なので磁界中でもこまかい螺旋運動は示
さないでほぼ直進する。一方、電子シールド電極５寄り
で電離されたガスの正イオン１４、１５等は網状の電子
シールド電極５の負電位に引っぱられて加速され大部分
は電子シールト電極５の網をくぐり抜けてイオン吸引電
極６の方へ向かう。イオン吸引電極６はアノード１と電
子シールド電極５の中間の比較的低い電位としてあるの
で、電子シールド電極５で加速された正イオン１４等を
減速してほぼ１００eV程度以下のエネルギーに落とし、
これら正イオン１４等を受け入れることができる。比較
的低いエネルギーで飛来してくる一部の正イオン１５な
どは押し戻されてカソード４に流入する。イオン吸引電
極６に入る正イオン１４などはエネルギーが１００eV程
度以下のものが多いのでほどんどスパッター現象を生ぜ
ず不活性な原子・分子でもかなりの割合がイオン吸引電
極６の表面層にとどまる。そしてカソード４からスパッ
タされるチタンがその上を覆って付着するとそのまま埋
め込まれてイオン吸引電極６内にしっかりと吸蔵され、
再放出されないことになる。イオン吸引電極６を一枚板
状でなく実施例のように筒状部分を設けておくと、カソ
ード４のチタンがスパッタして形成するスパッタ膜面積
の増大に役立つ。この場合は筒状アノード１に形成され
るスパッタ膜と合わせて活性ガスを吸着するゲッター作
用を営むチタン金属膜の表面積が大きくなり各種活性ガ
スに関しても排気速度の向上がはかれる。

【００２０】図３は実施例のスパッタイオンポンプの概
略的な横断面図である。図中１６は磁石１０、１０をつ
なぐ継鉄で、ポンプシェル２内の空間には矢示１７の方
向で磁界が付与される。

【００２１】なお、上記諸電極を構成する材料はチタン
やステンレス鋼に限定しなくてもよいことは勿論であ
り、電子シールド電極５の構造もスロット状、多孔状そ
の他にすることができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明は、以上に説明したように構成さ
れているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００２３】アルゴンなどの不活性ガスはスパッタで形
成さるチタンなどの活性金属と化学的結合を行えないの
で、スパッタイオンポンプでこれらの不活性ガスを排気
可能にするには先ず何らかの手段で不活性ガスをある表
面層に付着させ、それをスパッタ膜で埋め込むようにす
る必要がある。またこのようにして埋め込まれた不活性
ガスが叩きだされないように高エネルギーの粒子がこの
表面に衝突しないようにしなければならない。本発明の
スパッタイオンポンプでは適当な電位にしたイオン吸引
電極を設けることによりスパッタが起らない程度以下の
エネルギーに制御した不活性ガス等の正イオンのかなり
の割合をイオン吸引電極の表面層に捕捉し、これをカソ
ードからのスパッター金属で埋め込めるので、正イオン
を中性化するという特殊かつ不確実なプロセスに依存し
ている従来のスパッタイオンポンプに比べて、より安定
かつ高速に不活性ガスを排気すすることができる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパッタ−イオンポンプの一実施例の
構成説明図

【図２】上記ポンプ本体内でのイオンの動きを示す説明
図

【図３】実施例の概略横断面図

【図４】従来のスパッタイオンポンプの構成説明図

【符号の説明】

１ アノード４ カソード ５ 電子シールド電極 ６ イオン吸引電極 ９ イオン電流計 １０ 磁石 １２、１３、１４、１５ 正イオン ２１ ポンプシェル ２２ アノード ２３ カソード ３０、３３、３４ 正イオン ３１ 中性粒子

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ペニング放電を起こさせるためのアノ
   ードと、カソードと、前記アノードとカソードの対向空
   間に磁界を発生させる磁石を備えてなるスパッタイオン
   ポンプにおいて、更に正イオン通過用の隙間を有し、か
   つカソードと同電位の電子シールド電極と、前記アノー
   ド電位とカソード電位との中間の電位が与えられ、減速
   した正イオンを吸引すると共に、カソードから発したス
   パッタ物質が堆積可能としたイオン吸引電極を備えたこ
   とを特徴とするスパッタイオンポンプ
2. 【請求項２】 両端を開口した複数の筒を並列に束ねて
   構成したアノードの開口方向の一側に板状のスパッタ用
   カソードを設け、これらのアノードとカソードの間に比
   較的大きいイオン衝撃用電位差を与え、前記アノードの
   開口方向の他側にはアノードに対して比較的小さな負の
   電位差を与えて、減速した正イオンを吸引するためのイ
   オン吸引電極を配置し、アノードとイオン吸引電極との
   中間位置に、カソードと同電位で、イオン通過用隙間を
   有する電子シールド電極を配し、アノードの筒の開口方
   向で磁界が与えられていることを特徴とするスパッタイ
   オンポンプ
3. 【請求項３】 イオン吸引電極は、アノードに対して約
   １００ボルトの負の電位とした請求項１又は２に記載の
   スパッタイオンポンプ
4. 【請求項４】 イオン吸引電極は、アノードと対向する
   側を開口した有底筒を複数、並列に束ねて構成した請求
   項１乃至３の何れかに記載のスパッタイオンポンプ
5. 【請求項５】 イオン吸引電極は、流入する正イオンに
   よる電流を測定するための電流計が接続してある請求項
   １乃至４の何れかに記載のスパッタイオンポンプ