JP3750767B2 - Ion pump - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中に残留する気体分子又は原子を電子の衝突でイオン化し、該発生イオンを陰極と陽極の2極間に印加した電界の働きによって加速して陰極表面に衝突させて捕捉することにより、残留気体分子又は原子数を減じる構成のスパッターイオンポンプ及びこれに類するイオンポンプに関する。
【0002】
【従来の技術】
電気的なコントロールだけで運転できるイオンポンプは、超高真空、あるいは油汚染のない清浄真空の作成には欠くことのできない真空ポンプとして広く普及している。しかし、従来においては、真空中の残留気体分子又は原子をイオン化し、このイオンを積極的にポンピングするだけのイオンポンプはまだ現われておらず、現在入手できるイオンポンプはイオン衝撃時のスパッター作用の2次現象を利用するスパッターイオンポンプである。
【0003】
このスパッターイオンポンプは、その発明者にちなんで名付けられたペニングセルで構成されている。このセルは二つの平行な陰極とそれらの中間に置かれた円筒状陽極とから成り、陽極の軸は陰極の平行面に垂直である。数キロボルトの電界が陽極と陰極との間に加えられ、キロガウス程度の磁界が陽極軸の方向に加えられた放電によってポンプ作用が持続される。放電によって発生した電子は、円筒内の電界と磁界で形成されるポテンシャルの谷間にトラップされ、螺旋運動をしながら残留気体分子を効率良くイオン化する。残留気体分子の排気は、発生イオンを電界の作用によって加速して陰極に叩き込む(1)イオン注入作用と、イオン衝突時のスパッターされた陰極材料原子により電極及びその周辺に形成される新鮮な金属膜に、活性気体が吸着する(2)化学吸着作用と、さらにはスパッターリングによって発生した中性破片分子と原子の巻き込み効果によって気体分子を固体中に埋め込めこむ(3)堆積作用の3つの作用によって排気されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の排気作用において、(1)のイオン注入作用によって排気されると、陰極上で先に埋め込まれたガス分子が、スパッターの進行と共に再び表面に現れて再放出されてしまうため、一時的に安定な捕捉にすぎないという問題を生じる。
【0005】
この問題を解消するため、スパッターイオンポンプの主な排気は、(2)化学吸着作用によって行われている。(2)化学吸着作用による排気を行うために、陰極の材料として、真空中に残留する代表的なガス分子、水素、メタン、水、窒素、一酸化炭素、酸素、二酸化炭素を、水素化物、酸化物、窒化物、炭化物などの化合物の形で陰極に化学吸着して固定することのできるチタン金属等が用いられている。
【0006】
また、化学的に不活性なヘリウムやアルゴンガスは主に、(3)堆積効果によって排気されている。
【0007】
しかし、不活性ガスに対する排気速度は、(2)化学吸着作用によって排気される窒素や酸素の排気速度の1〜2%程度であり、この点は、イオンポンプの最大の欠点となっている。
【0008】
このような不活性ガスに対する排気速度が小さいという問題を解決するために、(3)堆積効果を増して不活性ガスに対する排気速度を増大させる方法が試みられている。その方法の1つとして、陰極に凸凹を形成し、イオンのスパッター効率を向上させて堆積速度を増して再放出を防ぐ方法があげられる。
【0009】
また、2つ目の方法として、陰極をハネカム格子状とし、また、前記陰極の裏側に中性スパッター原子を堆積させる新たなコレクターを加えた3極構造とし、エネルギーの高いイオンを減速させて、コレクターを高速イオンが衝撃しないようにして再放出を防ぐ方法があげられる。
【0010】
しかし、前述したような方法では、陰極の構造が複雑となり、磁場の方向の深さが大きくなるので、より強い磁石が要求されるようになり、装置全体が大型化して、装置のライフサイクルも短くなり、コストの増大を招くという問題を生じている。
【0011】
また、スパッターイオンポンプは、スパッター収率の高いアルゴンガス等の高質量原子の分圧が高い状態においてその効果が発揮できるのであって、圧力が低くなってスパッター原子が少なくなった状態では、排気速度は著しく低下するという問題を有する。特にヘリウムや水素の様な軽い原子又は分子の場合は、スパッター収率が非常に小さく、前記原子又は分子自体も後方散乱されやすいので、超高真空領域での排気速度は極端に小さくなり、逆に低真空状態で排気したガスを再放出するガス放出源となってしまう。
【0012】
一方、(1)のイオン注入作用による排気は、従来において以下のような問題点を生じている。
【0013】
一般に、真空ポンプは、たびたび大気に曝され、このときの大気中の活性な酸素が優先的に陰極表面に化学的に吸着することによって、陰極表面は厚い酸化層に被われる。この酸化層の厚さは、曝される時間、湿度及び温度によって異なるが、100オングストローム以上に達する場合がある。
【0014】
前記酸化層は、水の吸着性が非常に高く、かなりポーラスなため、大気中に存在するアルゴンや炭化水素系なども同時に陰極表面に吸着される。
【0015】
例えば、従来において、イオンポンプからの放出ガスを少なくするために、ポンプを含む真空装置全体のベークが行われる。通常の排気を行うための200℃〜450℃程度のベークを行うと、陰極表面に物理吸着されている結合の弱いガス分子は、簡単に陰極から脱離する。しかし、化学吸着によって陰極表面に形成された酸化膜は、450℃以下の低温のベークではイオンポンプから除去されず、逆に表面が緻密で強硬な酸化膜に変質してしまう。そして、変質の過程で酸化層に取り込まれた炭化水素は、炭化物などの形で陰極表面に残ることになる。
【0016】
また、数キロボルトで加速されたイオンが固体表面に侵入できる深さは、せいぜい数10オングストロームであるから、スパッターイオンポンプスタート時の(1)イオン注入作用による排気は、この酸化層に対して行われることになる。ところが、酸化層のガス溶解度は、金属等に比べて1/100〜1/1000(岩波書店「超高真空の物理」98〜100頁参照)と桁違に小さいため、(1)イオン注入作用によって排気される気体分子は、即ち、酸化層に溶解できるガス量は、非常に小さいこととなり、直ちに飽和値に達してガスの再放出が起こるため、イオンポンプの排気速度はたちまち低下するという問題を生じる。
【0017】
また、(1)イオン注入作用の場合は、イオン注入と同時にイオン衝撃によって、酸化膜の一部が破壊されるので、イオンを含む化学吸着性の非常に高いラジカル破片分子が立体角180゜でセル内に飛散し、周辺を汚染して真空悪化を起こすという問題を生じる。これらの破片分子は、セル内で再びイオン化されて加速し、陰極を再びスパッターし、同時に発生する中性ラジカル種とともに陰極表面を再酸化する。
【0018】
前述したスパッターによる酸化層破壊及び再酸化の同時進行と共に、セル中心部の陰極酸化膜は、除々に薄くなり、陰極の金属原子自体がスパッターされるようになる。
【0019】
そして、この状態に達して初めてスパッターイオンポンプが、本来の(2)に示す化学吸着作用による排気が開始される。
【0020】
このため、以下に記載するような種々の問題点が生じることになる。
【0021】
第1にスパッター開始時に多量の有害ガスが真空チャンバー内に排出されるので、真空装置が汚染される。
【0022】
第2にセルの中心部以外の陰極表面は、酸化物が残った状態なので(2)化学吸着による排気は全くおこらず、たとえ、不活性ガスがイオン注入されたとしても酸化層であるため、溶解量は桁違いに小さい。
【0023】
第3にセルの中心からスパッターされた金属原子だけが(2)化学吸着作用による排気に寄与できるが、中心部の酸化物の破壊が終わって汚染ガス分子数が減った状態では、セル内の真空が良くなった状態であるから、スパッターされる陰極金属原子数も少なくなり、真空装置内の残留気体分子に対する排気速度が低下する。
【0024】
第4に純金属のみのスパッターが起こるのは、セルの中心部だけなので、この部分の金属消耗が大きくなり、浸食が進むと穴が開いてしまうため、陰極材料の板厚を1mm以上厚くしなければならない。陰極材料の板厚を1mm以上に厚くすると、陰極材料の利用効率は、非常に悪くなり、また、ガス源にもなるという問題を生じる。
【0025】
第5にアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスは、この酸化物破壊と再吸着酸化の同時進行によって、破片分子間に取り込まれた時の(3)堆積効果によって排気されることとなるため、スパッターによる酸化物破壊が終わった状態だと、(3)堆積効果による不活性ガスに対する排気速度は極端に小さくなる。
【0026】
第6に、(3)堆積効果によって排気されたアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスは、陰極の縁及び陽極表面等のイオンの飛来しないセル内部に、スパッター中性破片分子間に挟み込まれた状態で捕捉される。スパッターが起こりやすい金属、また、スパッターを起こしやすくした凸凹陰極やハネカム格子状陰極の3極構造等なども、不活性ガスを分子間に挟み込む状態で捕捉しているにすぎない。このため、凸凹陰極等の構造は、不活性ガスに対する捕捉力が弱く、わずかな温度上昇でも捕捉分子が固体表面を離れてしまい、不活性ガスの再放出が起こりやすい。
【0027】
第7に、圧力が低下した状態での不活性ガスに残された唯一の排気作用は、(1)イオン注入による排気であるが、ほとんどの陰極表面は、ガス溶解度が桁違いに小さい酸化層で被われており、ガス溶解度の大きい金属露出面がセルの中心部だけであり、さらに、この部分は、最もイオン衝撃によるガスの再放出が起こりやすいところであるから、圧力が低くなって超高真空領域に達すると、不活性ガスに対する排気速度がゼロになってしまう。
【0028】
このように、従来のスパッターイオンポンプは真空が良くなるに従って排気速度の低下を招き、超高真空では、不活性ガスに対する排気速度が低下し、ほとんどなくなってしまうという欠陥を有する。
【0029】
これは、イオンポンプ内に存在するイオン化したイオン原子又は分子を(1)イオン注入作用によって直接陰極の金属内部に排気するのではなく、イオン衝撃によってスパッターされた原子の(2)化学吸着作用と、(3)堆積作用の2次現象による排気作用に頼っているためであると考えられる。
【0030】
また、(1)イオン注入作用による陰極の金属への排気をほとんど不可能としている最大の要因は、イオンポンプの陰極材料表面が酸化膜で被われていることであると考えられる。
【0031】
そこで、本発明は、前記問題点に鑑みて、ポンプスタート時に汚染スパッター破片分子の発生を防止し、残留気体分子又は原子とスパッター原子との化学結合による(2)化学吸着作用及び(3)堆積作用による不活性ガスの陰極への捕捉を抑えるとともに、陰極表面の酸化物除去・表面不純物濃度低下手段を備えることにより、イオン原子及びイオン分子を陰極の内部に直接注入し、溶解及び拡散する機能を増大して、不活性ガスに対する排気速度を向上し、活性ガスと不活性ガス種の違いによる排気速度の差違を縮小して、低圧の超高真空における排気速度の低下を改善したイオンポンプを提供することを目的とする。
【0032】
【課題を解決するための手段】
本願第1請求項に記載した発明は、真空中に残留する気体分子又は原子が、電子の衝突によってイオン化され、この発生したイオンが、陽極と陰極の2極間に印加した電界の作用により加速されて前記陰極表面に衝突して捕捉されることによって、真空中に残留する気体分子又は原子の数を減じるイオンポンプにおいて、印加による加速電界の有無に拘わらず、前記陰極を形成する材料の一部又は全部に通電し、陰極自体の自己発熱により該陰極の温度が500℃以上に昇温させる手段を備えている構成のイオンポンプである。
【0033】
このように本発明のイオンポンプは、印加による加速電界の有無に拘わらず、前記陰極を形成する材料の一部又は全部に通電し、陰極自体の自己発熱により該陰極の温度が500℃以上に昇温することにより、陰極材料自体に溶解している水素又は炭素の原子を熱拡散させ、陰極表面酸化物と反応して陰極表面酸化物が分解又は還元を促進させ、前記陰極表面酸化物を除去することができる。また、本発明を用いれば、ポンプを大気に一端曝した後にポンプを作動させる場合であっても、前もって通電により陰極表面の酸化物を除去して陰極の金属表面を露出させることができるため、その後加速電圧を印加することにより残留する気体分子又は原子をイオン化し、金属表面に直接前記イオンを注入することができる。このため、従来のように、イオン注入時の酸化物破壊によるスパッター破片分子の発生を防止することができ、真空悪化と周辺汚染を防止することができる。さらに、表面酸化物の除去が、従来のように陰極の中心だけでなく、陰極前領域に拡大することができるので、気体の溶解度が酸化物に比べて桁違いに大きい金属内部にイオンを直接注入し、拡散することができ、排気速度を飛躍的に増大することができる
【0037】
この場合の分解反応又は還元反応は、陰極材料自体に溶解している水素又は炭素の原子と酸化物との静かな反応であるため、反応が促進しても、水又は一酸化炭素が発生するのみであり、従来のような、ラジカルなスパッターによる破片分子の発生をなくし、セル周辺の汚染を防止することができる。
【0038】
また、陰極を500℃以上に昇温することにより、水素又は炭素の原子及びイオン注入された気体原子の金属内部での熱拡散が活発となるため、イオン注入によって排気できる不活性ガス量を、従来の方法と比較して桁違いに大きくすることができる。
【0041】
本願第請求項に記載した発明は、前記請求項記載の発明において、前記昇温させる手段は、複数の陰極を直列に接続して形成した接続陰極の開放両端に接続した電源からの通電による一斉発熱を用いる手段である構成のイオンポンプである。
【0042】
このように、複数の陰極を用いる場合は、各陰極を直列に接続した接続陰極を用いることにより、該接続陰極の開放両端からの通電加熱によって、陰極を発熱させることができるので、陰極が多くなった場合でも、通電用の同一電流規格の真空端子をポンプ壁に1本ないし2本増設するだけで一斉に通電することができ、簡易な構造を用いて陰極昇温の目的を達成することができる。
【0043】
本願第請求項に記載した発明は、前記請求項1又は2記載の発明において、前記陰極は、前記陽極の略断面に近似する平面形状であり、厚さ0.1mm以下の板状に形成されている構成のイオンポンプである。
【0044】
このように陰極が、厚さ0.1mm以下の薄板状に形成されていると、抵抗を大きくできるので、少ない電流で500℃以上の高温に加熱することが容易となる。
【0045】
本願第請求項に記載した発明は、前記請求項1乃至いずれか記載の発明において、前記陰極は、室温における水素ガス溶解度が1.0[cm(STP)cm−1atm−1]以上で、かつ5KeVのアルゴンイオンによるスパッター収率が2.0以下の単体金属及びそれらの金属を含有する合金を用いて形成されている構成のイオンポンプである。
【0046】
このように、水素ガス溶解度の高い単体金属及びそれらの金属を含有する合金を用いて陰極が形成されていると、前記各金属は、金属内部に溶解されている水素量が多いため、昇温によって容易にそれらの水素原子が陰極表面に拡散して、表面酸化物を還元し、水分子として酸化物を真空中に放出させることができ、その後のイオン注入作用を向上することができる。
【0047】
また、前記水素の溶解度が大きい金属は、アルゴンやヘリウムガスが溶解する溶解度も大きい傾向にあるので、多量の排気ガスを吸収することができる。
【0048】
更に、前記水素の溶解度が大きい金属は、スパッター収率も小さい傾向にあるので、陰極の中心部だけが浸食される割合が小さくなり、陰極の板厚を薄く形成することが可能となり、本願第5請求項に記載したように陰極を厚さ0.1mm以下の薄板状に形成することも可能となる。また、スパッターされた原子による堆積効果によって、弱い捕捉力で捕捉される不活性ガスの割合を低減することができる。
【0051】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の具体例を図面を参照しながら、詳細に説明する。
【0052】
図1は、本発明の具体例に係り、イオンポンプの概略構成図を示す。
【0053】
図1に示すように、本例にイオンポンプ21は、3連のペニングセルを並べて形成されている。イオンポンプ21の陽極22は、金属性の円筒A1,A2,A3の3個の陽極22の円周同士を互いに溶接して一体化した3連陽極で、真空端子23を通じて真空外に配置された高圧電源E1のプラス側に接続されている。
【0054】
また、イオンポンプ21の陰極24は、水素溶解性が高く、また、高融点の金属性円盤で、1セルにつき2枚1組の円盤が3組K1,K1’、K2,K2’、K3,K3’が前記各陽極22の円筒A1,A2,A3に対応する両側の位置に平行に配置されている。すなわち、2枚1組の円盤が3組であるから計6枚の円盤形状の陰極が間に陽極22を挟んで一方の側にK1,K2,K3が配列され、他方の側にK1’,K2’,K3’が配列されている。これらの連続配列された陰極は、長めの陰極接続線25で一連に結合され、1つの接続陰極26を形成している。
【0055】
尚、本例の3連のペニングセルは上下方向に形成されている磁界B中に設置されていることになる。
【0056】
また、本例においては、3連の場合を説明したが、単セルを用いる場合は、陰極として2枚の円盤、複数nセルの場合は、2n枚の円盤を陰極接続線によって接続して接続陰極を形成することになる。
【0057】
その他、前記陽極の円筒直径とほぼ同幅となる金属板材を、陽極を平行に挟む形でU字状に曲げ、前述したような接続陰極の代わりに用いることも可能である。
【0058】
該接続陰極26の両端は真空端子27,28を通じて真空外の加熱電源E2に接続され、電気的ループを形成している。そして、高圧電源E1の印加の有無とは独立してスイッチS2の開閉により任意に各陰極24に通電し、加熱することができる。また、接続陰極26の両端に結合されている一方の真空端子28は、高圧電源E1のマイナス側に接続されている。このため、イオン加速用電界スイッチS1を開閉することにより、陽極22と陰極24の間に電界を自由に印加することができる。
【0059】
また、前記イオンポンプ21が大気圧に曝され、この大気圧から排気が開始された場合、イオンポンプ21内の各陰極24の表面には、酸化膜241が形成される。
【0060】
本例のように6枚の円盤で形成された接続陰極26は、加熱電源E2を備えたループ回路になっているので、高圧電源E1の印加の有無、すなわち、スイッチS1の開閉に関係なく、加熱電源E2の電圧を調整して、接続陰極26の円盤K1,K1’、K2,K2’、K3,K3’を500℃以上に昇温することができる。特に、前記接続陰極26を800℃程度の高温に昇温した場合は、各陰極24に溶解している水素原子の熱拡散が非常に活発となるので、水素は容易に陰極表面に拡散して、固体表面において、以下に記載する化学反応の形式で酸化物を還元する。
【0061】
MO(酸化膜)+2H(拡散水素原子)→H2O(水)+M(金属)
このように、酸化膜(MO)が陰極に溶解している水素の拡散によって還元されるので、陰極24の金属(M)表面が真空中に露出する。
【0062】
その後、スイッチS1を閉じて、陽極22と陰極24の間に加速電界を形成すると前記2極間22,24の間の各セル内で放電が起こり、陽極22の円筒A1,A2,A3で発生した陽イオンが陰極24に向かって加速されて該陰極24の金属表面に注入されて捕捉される。
【0063】
前記陰極24の表面に捕捉される気体分子及び気体原子により表面濃度が上昇した場合は、加熱電源E2から再び各陰極24に電流を流して、陰極24を500℃〜600℃程度に昇温すると、捕捉された気体分子又は気体原子の陰極24内部への熱拡散が促進するため、陰極24表面の不純物濃度を低下させることができる。この場合、陰極24に捕捉された気体分子又は気体原子の一部が再放出されてしまうが、高圧電源E1のスイッチS1を閉じたままの状態でイオンポンプ21を作動させることにより、気体分子の再放出と同時に直ちに排気することができ、排気速度を向上することができる。
【0064】
例えば、陰極24に800℃以上の高温加熱を持続した場合、この温度は、イオン注入によって飽和に達した表面の不活性ガスを真空中に再放出することのできる十分な温度となるため、イオンポンプ21は再生可能となり、陰極材料の消耗を抑えることができる。
【0065】
陰極24の材料は、室温における水素ガス溶解度が1.0[cm(STP)cm−1atm−1]以上の単体金属及びそれらの金属を含有する合金等を用いると、それらの金属は、1000℃以上に加熱することのできる高融点金属であるため、多量の拡散水素が発生し、表面酸化物241を短時間で還元して陰極24の金属表面を真空中に露出することができ、排気速度を向上することができる。
【0068】
また、本例においては、従来においてスパッターイオンポンプに用いられているペニングセル型のイオンポンプの例を示したが、ペニングセル型に限らず、磁界を使わないオービトロン型のイオンポンプに用いることも可能である。
【0069】
次に、図1に記載したスパッターイオンポンプタイプのイオンポンプを搭載した、図2に示す真空装置1において、実際に真空装置の排気を測定した実験の結果を図面に基づいて説明する。
【0070】
図2は、イオンポンプ2を搭載した真空装置1の概略構成図であり、図3は、本実験に用いた真空装置1に搭載された単セルのイオンポンプ2の概略構成を示す斜視図である。
【0071】
図2に示すように、真空装置1には、後述するタンタル金属製単セルタイプのイオンポンプ2が真空チャンバー3に設置されている。チャンバー3には、前記イオンポンプ2の他に排気量100リットル/秒の非蒸発型ゲッターポンプ(NEGポンプ)4と、BAゲージ5、四重極型残留ガス分析計6が取り付けられている。
【0072】
また、チャンバー3には、メタル製のカットバルブ9を介して、粗引き系であるターボ分子ポンプ7とロータリーポンプ8が設けられている。前記バルブ9を閉じた時、ゲージ5及び残留ガス分析計6を含めた真空容器1の全容積は2リットルである。
【0073】
また、チャンバー3には、微小リークバルブ10が取り付けられており、前記リークバルブ10を通じてガスボンベ11から純アルゴンガスや、純ヘリウムガスが真空チャンバー3内に導入できるようになっている。
【0074】
また、図2中12,12は、真空装置外に置かれたイオンポンプ2用の永久磁石であり、永久磁石12,12の2磁極間の中心における磁束密度は、2.3キロガウスである。
【0075】
図3に示すように、本例のイオンポンプ2は、陽極22の一つの円筒A1及び陰極24の1組の円盤K1,K1’によって構成されている単セルタイプのイオンポンプである。尚、図3中点描き部分は、陰極24表面の酸化物241を表す。
【0076】
このイオンポンプ2は、陽極22として、厚さ0.1mmのタンタル金属板を丸めた円筒A1を用いており、円筒の直径は7mm、高さは5mmである。また、陰極24として、厚さ0.1mmのタンタル金属板の円盤K1,K1’を用いており、円盤の直径は8mmである。また、円盤K1,K1’を接続する陰極接続線25も同じく幅2mmのタンタル金属板を用いている。
【0077】
そして、陽極22の円筒A1は、真空端子23を通じて5KVの高圧電源E1のプラス側にスイッチS1を介して接続されている。また、陰極24の2枚の円盤K1,K1’は、陰極接続線(板)25で結合され、他端は真空端子27,28を通じて加熱電源E2にスイッチS2を介して接続されている。
【0078】
E1のマイナス側とE2のいずれか一方には、アース電位、すなわち、真空装置1に接続される。
【0079】
次に、前記真空装置1を用いた実験方法および実験結果を図面に基づいて説明する。
【0080】
図4は、本例のイオンポンプのアルゴンに対する排気による圧力降下を示し、アルゴンガス圧(Pa)と時間(分)の関係を示す図であり、図5は、一旦排気されたアルゴンの陰極昇温に伴う再放出を示し、アルゴンガス圧(Pa)と陰極の温度(℃)の関係を示す図である。
【0081】
先ず、大気圧から排気を開始する場合は、図2に示す真空装置1のカットバルブ9を開いてターボ分子ポンプ7でチャンバー3内部を10-6Paまで排気する。その後、チャンバー3、イオンポンプ2、NEGポンプ4、ゲージ5、残留ガス分析計6、バルブ9,10の全体を250℃でベーク排気し、NEGポンプ4を活性化した後、真空装置1全体を冷却し、室温に放置すると、チャンバー3は、10-9Pa台の超高真空状態に達する。この状態でバルブ9を閉じると真空状態は多少悪化し、10-8Pa台でほぼ一定の値になる。この時の残留ガスの主成分は、水素、メタン、一酸化炭素、アルゴンである。
【0082】
次に、この10-8Pa台の超真空状態からリークバルブ10を通じて純アルゴンガスを約2×10-4Paの圧力まで導入する。この時、NEGポンプ4は、全くアルゴンを排気しないので、残留ガスの99.9%はアルゴンガスとなる。また、この状態で真空チャンバー3を放置しても圧力はほとんど変化しない。
【0083】
そして、この状態で、図3に示すイオンポンプ2の回路のスイッチS1を閉じて、陽極22の円筒A1と陰極24の円盤K1,K1’間に5KVの電界を印加すると、両極間に放電が起こり、放電によって発生した電子は、円筒内の電界と磁界で形成されるポテンシャルの谷間にトラップされる。そして、トラップされた電子は、螺旋運動をしながらアルゴン原子を効率良くイオン化する。
【0084】
排気始動直後、アルゴンイオンのスパッターにより、陰極24の円盤K1,K1’表面に形成された酸化膜が破壊される。このとき多量の汚染ガスが放出され、圧力は一旦1×10-3Paまで急激に上昇する。その後、汚染ガスはポンプ作用により除々に下がり始める。10-3Pa台の急激な圧力上昇時の分圧を観察すると、一酸化炭素、水、メタン、種々の炭化水素、酸素等が観察されるのに対し、逆にアルゴンの分圧は急激に減少している。その後、全体の圧力も除々に低下し、1×10-6Paでそれ以下に下がらなくなる。 この圧力下での残留ガス成分は、メタン、アルゴンがほぼ同じ割合で含まれている。前記1×10-6Paに達するまでに要する時間は、約30分であり、この間のアルゴンガス圧(Pa)の変化は図4の曲線Oに示される。
【0085】
排気開始直後に放出される活性な汚染ガスは、本例のイオンポンプの他にNEGポンプ4でも排気されるが、NEGポンプ4は、アルゴンを一切排気しないので、図4の曲線Oは、陰極22の円盤K1,K1’の酸化膜が除去されない状態でのアルゴンガスに対する排気速度曲線を示すことになる。
【0086】
この場合、排気開始直後に放出されたメタン、水、一酸化炭素などの分圧も、アルゴン分圧と同じ割合で低下するので、酸化膜241を除去しない状態からの排気動作は、従来のスパッターイオンポンプと同じ働きをしていることがわかる。すなわち、アルゴンイオンは、タンタル金属製の陰極24の円盤K1,K1’の表面酸化物241をはぎ取りながら、この汚染ガスの働きによる堆積効果によって排気されていることが確認できる。
【0087】
アルゴン分圧が安定した1×10-6PaでスイッチS1を開いて、ポンプを停止させ、数時間放置すると、系の圧力は、約1.5×10-6Paまでわずかに上昇する。
【0088】
この状態から、スイッチS2だけ閉じて(この時、高圧電源スイッチS1は開いておく)、陰極24の円盤K1,K1’に電流を流して、陰極の温度を除々に上昇させて陰極より再放出されるアルゴンガスの圧力上昇を測定する。
【0089】
この場合の測定結果は、図5の曲線Xのようになる。陰極温度は、陰極の裏側に熱電対温度計を取り付けて測定している。陰極の温度が600℃に達すると、アルゴンは、100%再放出され、アルゴン分圧は、排気前と同じ圧力まで上昇する。これは、陰極24の円盤K1,K1’の表面層に排気されていたアルゴン原子とともに、堆積効果より弱い捕捉力で陽極22に捕捉されていたアルゴン原子も、昇温した陰極24の輻射熱ですべて放出してしまうためと考えられる。同時に水、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなども多量に放出し、これらのガス放出も加わるため、真空装置1全体の圧力は、アルゴン導入時の10-4Pa台よりも一桁高い10-3Pa台まで上昇する。
【0090】
次に、本例の酸化物除去・表面不純物濃度低下手段を用いた実験結果を説明する。
【0091】
先ず、図2に示す真空装置1のカットバルブ9を開いた後、イオンポンプ2の真空端子27,28から陰極24の円盤K1,K1’間に電流を流して、陰極24の温度を800℃以上に上昇させて約1分間保持する。この時多量の水素、水、及び、一酸化炭素が放出されるが、約10秒間でこれらのガスの放出はほぼ終了する。
【0092】
この時、発生する水と一酸化炭素は、下記の反応式で示される反応により排出されていると考えられる。
【0093】
MO(酸化膜)+2H(熱拡散水素原子)→H2O(水)+M(金属)
MO(酸化膜)+C(熱拡散炭素原子)→CO(一酸化炭素)+M(金属)すなわち、陰極24の表面酸化物241は、陰極中に溶解している水素原子又は炭素原子の熱拡散により、前記各原子と反応して還元されて、水又は一酸化炭素となって排出されていると考えられる。
【0094】
その後、スイッチS2を開いて、陰極24の円盤K1,K1’の温度を室温に戻した後、バルブ9を閉じて、リークバルブ10から純アルゴンガスを再び同じ圧力の約2×10-4Paまで導入し、スイッチS1を閉じて再びイオンポンプ2を作動させると、アルゴンガスの分圧は、図4の曲線Mに示すような排気曲線が得られる。この時のアルゴンガスの圧力は、約3分間で一挙に10-8Pa台まで直線的に降下する 。
【0095】
ここで、酸化物除去手段を用いない図4の曲線Oに示す場合と、酸化物除去手段を用いた図4の曲線Mに示す場合を比較すると、アルゴンガスに対する排気作用がほぼ飽和に達するまでに要する時間は、酸化物除去手段を用いた場合は、酸化物除去手段を用いない場合の約1/10の時間で済むことが確認でき、これは10-8Pa台までの排気速度が一定であることを示している。
【0096】
図4に示す曲線Mから計算されたアルゴンガスに対する排気速度は、約0.1リットル/秒である。この排気速度の値は、従来の1インチセルの単セルポンプのアルゴンに対する排気速度の約10倍である。このため、本例で用いた超小型セルサイズ7mm×5mmのイオンポンプセルの大きさと一般的なイオンポンプセルの大きさの比較から単純に計算されるイオンポンプの排気速度は、従来のイオンポンプの排気速度と比較して50〜60倍程度高くなっていることが確認できる。
【0097】
その後、スイッチS1を切ってポンプを停止して放置すると、圧力は、3×10-7Paまで、約1桁上昇する。このように、圧力上昇が大きいのは、酸化膜が除去されて、表面のアルゴン原子の出入りが自由になったことを意味していると考えられる。
【0098】
このように、ポンプ停止後は、圧力が上昇するが、一定に達して安定となる圧力の値は、1桁低い。
【0099】
次に、この状態から再び陰極24の円盤K1,K1’に電流を流して陰極温度を上昇させながら、陰極から再放出されるアルゴンガス圧をグラフにすると、図5に示す曲線Yのようなアルゴンガス再放出曲線が得られる。
【0100】
図5に示すように、同じ600℃の温度で放出されるアルゴンガスの分圧を曲線Xと曲線Yで比較すると、酸化物除去手段を用いた曲線Yと、酸化物除去手段を用いない曲線Xとでは、酸化物除去手段を用いた曲線Yの方が、酸化物除去手段を用いない曲線Xよりも約1桁アルゴンガスの再放出が小さくなり、800℃まで昇温してもアルゴンガスの再放出は飽和値に達しないことが確認できる。これは、アルゴン原子がタンタル金属の内部に拡散しているためであると考えられる。
【0101】
すなわち、本例の酸化物除去手段を用いたイオンポンプ2は、従来のスパッターイオンポンプと全く異なる原理で排気されているものと結論づけることができる。
【0102】
本例においては、図4及び図5に示すように、アルゴンガスに対する排気特性及び陰極昇温による再放出特性を確認したが、ヘリウムガスにおいても、アルゴンガスに対する排気特性及び陰極昇温による再放出特性と同様の各特性を示すことが確認されており、本発明における排気の原理の正しさを裏付けることができる。
【0103】
次に、陰極24の表面に捕捉したアルゴン原子の陰極内部への熱拡散による表面不純物濃度低下手段を用いた結果を以下に記載する。
【0104】
前述したように、陰極24の円盤K1,K1’に通電加熱を行い、酸化膜241の除去を行った後、アルゴンガスを排気した場合、チャンバー3内のアルゴンガスの圧力は、数分で2×10-4Paから10-8Pa台に一挙に降下する。しかし、圧力は約6×10-8Paに達した後は、これ以上は下がらない。
【0105】
この一定値に圧力が到達した状態で、イオンポンプ2のスイッチS1を閉じたままの状態でスイッチS2を閉じて、一挙に陰極温度を600℃まで上昇して数秒間保持した後、スイッチS2を再び開く。すなわち、陰極24の円盤K1,K1’に対して間欠昇温を行うと、間欠昇温した瞬間、排気されたアルゴンガスの一部が放出されるため、チャンバー3のアルゴンガス圧は一旦10-5Pa台まで上昇する。その後、アルゴンガス圧は10-8Pa〜10-9Pa台まで急激に下がる。
【0106】
また、イオンポンプ動作中で600℃の間欠昇温処理を行った後にポンプ2を停止し、陰極24の円盤K1、K1’を再び800℃まで昇温させると、アルゴンガスの再放出の圧力は、間欠昇温する前の圧力よりも再放出の圧力の方が低くくなることが確認できた。
【0107】
このことは、間欠昇温時に、それまでに注入され表面に捕捉されているアルゴン原子の一部が陰極内部に熱拡散して、表面層におけるアルゴン濃度が低下していることを示すと考えられる。
【0108】
このように、従来のベーキング(最大450℃)を行っただけのイオンポンプの排気特性と、本例のように、イオンポンプの陰極を一度800℃に昇温し、表面酸化物除去・表面不純物濃度低下を行った後の排気特性を比較すると、イオンポンプの陰極を800℃まで昇温して酸化物除去・表面不純物濃度低下を行った後のポンプ動作時の到達真空は、陰極昇温を行わない場合のポンプ動作時の到達真空と比較して、圧力値を約2桁低く下げることができる。
【0109】
また、ポンプ停止後の昇温によるガスの再放出も1桁低い結果得ることができ、本例においては、ガスの再放出を抑えてイオンポンプの排気速度の低下を防止していることが確認できる。
【0110】
これらの効果は、従来の行われていた単なる脱ガス作用を行うために陰極の昇温を行った結果ではなく、陰極を500℃以上、望ましくは800℃程度の高温の熱処理することによって、陰極内部に溶解している水素又は酸素の原子が熱拡散し、陰極表面の酸化物を還元して、陰極表面酸化物を消失させたためであると考えられる。
【0111】
従来において、前記真空装置1を用いて2×10-4Pa台からのアルゴン及びヘリウムガス排気を10数回繰り返すと、ポンプ排気速度、到達真空が共に低下する傾向が確認されており、これは陰極表面にアルゴン原子が多量に吸蔵されてくるためであると考えられる。
【0112】
本例のイオンポンプにおいては、陰極を通電加熱することによってこの溶解アルゴンを排出することができるので、繰り返し同じ性能を回復することができる。
【0113】
更に、本例のイオンポンプ2は、ポンプ動作途中において、陰極に600℃程度の間欠昇温を行えば、それまでに排気されて表面層に捕捉されているアルゴン原子を、陰極内部に熱拡散させて、排気能力を回復させることができる。
【0114】
このように、本発明は、陰極表面の酸化物除去・表面不純物濃度低下手段を備え、陰極を500℃以上に昇温して陰極自体に溶解している水素又は炭素の原子を熱拡散させるため、陰極表面の酸化物と水素又は炭素の原子が反応して陰極酸化物を除去する。この時に発生するのは、水及び一酸化炭素のみとなるので、従来のようにスパッター破片分子によるポンプセル周辺の汚染を防止することができる。
【0115】
また、陰極を500℃以上に昇温すると、水素原子等の熱拡散と酸化物が除去されてイオン注入されやすくなった状態でイオン注入された気体分子が金属内部で熱拡散を起こしやすくなる温度であるため、イオン注入によって排気できる不活性ガス量を従来と比較して桁違いに大きくすることができ、従来において高真空になるとともに排気速度が低下するという問題を解決することができる。
【0116】
尚、本例のイオンポンプの陰極として構造寸法はまったく同一で、材料をニオブ、ジルコニウム、ハフニウムに変えた実験を行ったところ、ほぼタンタルと同じ結果が得られた。また、従来から使用されてきたチタンは前記4つの金属に比べ到達圧力、排気速度が共に数分の1悪いことが確認できた。これは、酸化物が安定で分解反応又は還元反応が起こりにくくなるためであると考えることができる。また、酸化膜を形成しない金や銀、高融点金属ではあるが水素溶解度の小さいタングステンやモリブデンでは本発明の性能をまったく発揮することはできなかった。
【0117】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、真空中に残留する気体分子又は原子が、電子の衝突によってイオン化され、この発生したイオンが、陽極と陰極の2極間に印加した電界の作用により加速されて前記陰極表面に衝突して捕捉されることによって、真空中に残留する気体分子又は原子の数を減じるイオンポンプにおいて、印加による加速電界の有無に拘わらず、前記陰極を形成する材料の一部又は全部に通電し、陰極自体の自己発熱により該陰極の温度が500℃以上に昇温することにより、陰極材料自体に溶解している水素又は炭素の原子が熱拡散し、陰極表面酸化物と反応して陰極表面酸化物が分解又は還元され、前記陰極表面酸化物を除去することができるポンプである。本発明のポンプは、ポンプを大気に一端曝した後にポンプを作動させる場合であっても、前もって通電により陰極表面の酸化物を除去して陰極の金属表面を露出させることができるため、その後加速電圧を印加することにより残留する気体分子又は原子をイオン化し、金属表面に直接前記イオンを注入することができる。このため、従来のように、イオン注入時の酸化物破壊によるスパッター破片分子の発生を防止することができ、真空悪化と周辺汚染を防止することができる効果がある。更に、表面酸化物の除去が、従来のように陰極の中心だけでなく、陰極前領域に拡大することができるので、気体の溶解度が酸化物に比べて桁違いに大きい金属内部にイオンを直接注入し、拡散することができ、排気速度を飛躍的に増大する効果もある
【0126】
本願第請求項に記載した発明は、前記請求項記載の発明において、前記昇温させる手段は、複数の陰極を直列に接続して形成した接続陰極の開放両端に接続した電源からの通電による一斉発熱を用いる手段である構成のイオンポンプである。
【0127】
このように、複数の陰極を用いる場合は、各陰極を直列に接続した接続陰極を用いることにより、該接続陰極の開放両端からの通電加熱によって、陰極を発熱させることができるので、陰極が多くなった場合でも、通電用の同一電流規格の真空端子をポンプ壁に1本ないし2本増設するだけで一斉に通電することができ、簡易な構造を用いて陰極昇温の目的を達成することができる。
【0128】
本願第請求項に記載した発明は、前記請求項1又は2記載の発明において、前記陰極は、前記陽極の略断面に近似する平面形状であり、厚さ0.1mm以下の板状に形成されている構成のイオンポンプである。
【0129】
このように陰極が、厚さ0.1mm以下の薄板状に形成されていると、抵抗を大きくできるので、少ない電流で500℃以上の高温に加熱することが容易となる。
【0130】
本願第請求項に記載した発明は、前記請求項1乃至いずれか記載の発明において、前記陰極は、室温における水素ガス溶解度が1.0[cm(STP)cm−1atm−1]以上で、かつ5KeVのアルゴンイオンによるスパッター収率が2.0以下の単体金属及びそれらの金属を含有する合金を用いて形成されている構成のイオンポンプである。
【0131】
このように、水素ガス溶解度の高い単体金属及びそれらの金属を含有する合金を用いて陰極が形成されていると、前記各金属は、金属内部に溶解されている水素量が多いため、昇温によって容易にそれらの水素原子が陰極表面に拡散して、表面酸化物を還元し、水分子として酸化物を真空中に放出させることができ、その後のイオン注入作用を向上することができる。
【0132】
また、前記水素の溶解度が大きい金属は、アルゴンやヘリウムガスが溶解する溶解度も大きい傾向にあるので、多量の排気ガスを吸収することができる。
【0133】
更に、前記水素の溶解度が大きい金属は、スパッター収率も小さい傾向にあるので、陰極の中心部だけが浸食される割合が小さくなり、陰極の板厚を薄く形成することが可能となり、本願第5請求項に記載したように陰極を厚さ0.1mm以下の薄板状に形成することも可能となる。また、スパッターされた原子による堆積効果によって、弱い捕捉力で捕捉される不活性ガスの割合を減らすことができ、陰極昇温によって発生する不活性ガスの再放出を低減することができる。
【0136】
このように、本発明のイオンポンプによれば、1:イオンポンプ始動時の初期ガス放出放出を抑えることができる。2:イオンの打ち込める部分は酸化膜が減じられた陰極金属全面の単位面積当たりのガス吸蔵能力を飛躍的に高めることができ、ガス種による排気速度の差違を縮小することができる。3:ガス溶解度の非常に高い金属内に直接イオンが注入されるので金属内部に速やかに拡散し、再放出されにくくなる。4:スパッター原子による堆積効果によらない排気法のため、真空が良くなって圧力の低い状態でも再放出を小さくでき、排気能力が低下しない。5:スパッターによる陰極金属の消耗度が小さいので、陰極の交換が不必要である。6:陰極を凸凹にしたり、3極構造にしたりする必要がない。7:還元時の昇温時に前回排気したガスを陰極固体内部に自己拡散できる等の利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体例に係り、3連セル型を用いたイオンポンプの概略構成図である。
【図2】本発明の具体例に係り、性能試験用の真空装置の概略構成図である。
【図3】本発明の具体例に係り、単セル型を用いたイオンポンプの概略構成を示す斜視図である。
【図4】本発明の具体例に係り、図2に示す装置を用いて試験を行った結果であり、時間(分)とアルゴンガス圧(Pa)の排気による圧力降下の関係を示す図である。
【図5】本発明の具体例に係り、図2に示す装置を用いて試験を行った結果であり、陰極の温度(℃)上昇に対するアルゴンガス圧(Pa)の再放出の関係を示す図である。
【符号の説明】
1 真空装置
2 イオンポンプ
3 真空チャンバー
4 NEGポンプ
5 BAゲージ
6 四重極型残留ガス分析計
7 ターボ分子ポンプ
8 ロータリーポンプ
9 カットバルブ
10 リークバルブ
11 ガスボンベ
12 イオンポンプ用永久磁石
21 イオンポンプ
22 陽極
23 真空端子
24 陰極
25 陰極接続線
26 接続陰極
27 真空端子
28 真空端子
A1 陽極の円筒
A2 陽極の円筒
A3 陽極の円筒
K1 陰極の円盤
K1’ 陰極の円盤
K2 陰極の円盤
K2’ 陰極の円盤
K3 陰極の円盤
K3’ 陰極の円盤
S1 スイッチ
S2 スイッチ
E1 高圧電源
E2 加熱電源
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, gas molecules or atoms remaining in a vacuum are ionized by collision of electrons, and the generated ions are accelerated by the action of an electric field applied between two electrodes, the cathode and the anode, and collide with the cathode surface and captured. The present invention relates to a sputter ion pump configured to reduce the number of residual gas molecules or atoms, and an ion pump similar thereto.
[0002]
[Prior art]
Ion pumps that can be operated only by electrical control are widely used as vacuum pumps that are indispensable for creating ultra-high vacuum or clean vacuum free from oil contamination. However, conventionally, an ion pump that ionizes residual gas molecules or atoms in a vacuum and actively pumps the ions has not yet appeared, and currently available ion pumps do not perform sputtering action during ion bombardment. This is a sputter ion pump that uses a secondary phenomenon.
[0003]
This sputter ion pump is composed of a Penning cell named after the inventor. This cell consists of two parallel cathodes and a cylindrical anode placed between them, the axis of the anode being perpendicular to the parallel plane of the cathode. An electric field of several kilovolts is applied between the anode and the cathode, and the pumping action is sustained by a discharge in which a magnetic field of about kilogauss is applied in the direction of the anode axis. Electrons generated by the discharge are trapped in a potential valley formed by an electric field and a magnetic field in the cylinder, and efficiently ionize residual gas molecules while performing a spiral motion. Residual gas molecules are evacuated by accelerating the generated ions by the action of an electric field and striking them into the cathode. (1) Ion implantation action and fresh metal formed in and around the electrode by sputtered cathode material atoms during ion collision The active gas is adsorbed on the film (2) The chemical adsorption action, and further, the gas molecules are embedded in the solid by the effect of entrapment of neutral fragment molecules and atoms generated by sputtering. (3) Three actions of deposition action Has been exhausted by.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional evacuation action, when the gas is evacuated by the ion implantation action of (1), the gas molecules previously embedded on the cathode appear again on the surface as the sputtering progresses and are re-emitted. The problem arises that it is only temporarily stable capture.
[0005]
In order to solve this problem, the main exhaust of the sputter ion pump is performed by (2) chemical adsorption. (2) In order to perform exhaust by chemisorption, as a cathode material, representative gas molecules remaining in vacuum, hydrogen, methane, water, nitrogen, carbon monoxide, oxygen, carbon dioxide, hydride, Titanium metal or the like that can be chemisorbed and fixed to the cathode in the form of a compound such as an oxide, nitride, or carbide is used.
[0006]
Further, chemically inert helium and argon gas is mainly exhausted by (3) deposition effect.
[0007]
However, the exhaust rate for the inert gas is about 1-2% of the exhaust rate of nitrogen or oxygen exhausted by (2) chemisorption, and this is the biggest drawback of the ion pump.
[0008]
In order to solve such a problem that the exhaust speed with respect to the inert gas is small, (3) a method of increasing the exhaust speed with respect to the inert gas by increasing the deposition effect has been attempted. As one of the methods, there is a method in which unevenness is formed on the cathode to improve ion sputtering efficiency and increase the deposition rate to prevent re-emission.
[0009]
In addition, as a second method, the cathode is formed in a honeycomb lattice shape, and a tripolar structure in which a new collector for depositing neutral sputtered atoms is added to the back side of the cathode, and ions having high energy are decelerated, There is a method for preventing re-emission by preventing high-speed ions from bombarding the collector.
[0010]
However, in the method as described above, the structure of the cathode is complicated and the depth in the direction of the magnetic field is increased, so that a stronger magnet is required, the entire apparatus is enlarged, and the life cycle of the apparatus is also increased. There is a problem of shortening and increasing the cost.
[0011]
The sputter ion pump can exert its effect in a state where the partial pressure of high mass atoms such as argon gas having a high sputter yield is high. The problem is that the speed is significantly reduced. In particular, in the case of light atoms or molecules such as helium and hydrogen, the sputtering yield is very small, and the atoms or molecules themselves are easily backscattered. In other words, it becomes a gas emission source for re-emissioning the gas exhausted in a low vacuum state.
[0012]
On the other hand, the exhaust by the ion implantation action (1) has caused the following problems.
[0013]
In general, the vacuum pump is often exposed to the atmosphere, and the active oxygen in the atmosphere at this time is preferentially chemically adsorbed on the cathode surface, so that the cathode surface is covered with a thick oxide layer. The thickness of this oxide layer depends on the exposure time, humidity and temperature, but may reach 100 angstroms or more.
[0014]
Since the oxide layer has a very high water adsorptivity and is quite porous, argon, hydrocarbons, etc. present in the atmosphere are simultaneously adsorbed on the cathode surface.
[0015]
For example, conventionally, in order to reduce the gas released from the ion pump, the entire vacuum apparatus including the pump is baked. When baking at about 200 ° C. to 450 ° C. for normal exhaust is performed, weakly bonded gas molecules physically adsorbed on the cathode surface are easily desorbed from the cathode. However, the oxide film formed on the cathode surface by chemical adsorption is not removed from the ion pump by baking at a low temperature of 450 ° C. or lower, and on the contrary, the surface is transformed into a dense and hard oxide film. The hydrocarbons taken into the oxide layer in the process of alteration remain on the cathode surface in the form of carbides.
[0016]
Further, since the depth at which ions accelerated at several kilovolts can penetrate the solid surface is at most several tens of angstroms, (1) exhaust by ion implantation at the start of the sputter ion pump is performed on this oxide layer. It will be. However, the gas solubility of the oxide layer is 1/100 to 1/1000 (see Iwanami Shoten “Physics of Ultra High Vacuum” on pages 98 to 100) compared to metals, etc. The amount of gas molecules that are exhausted by the gas, that is, the amount of gas that can be dissolved in the oxide layer is very small, and since the saturation value is reached immediately and gas re-emission occurs, the exhaust speed of the ion pump decreases immediately. Produce.
[0017]
In the case of (1) ion implantation, since a portion of the oxide film is destroyed by ion bombardment at the same time as ion implantation, radical fragment molecules having extremely high chemisorbability including ions are present at a solid angle of 180 °. There is a problem that it scatters in the cell, contaminates the surrounding area and causes vacuum deterioration. These fragment molecules are ionized again in the cell and accelerate, resputtering the cathode and reoxidizing the cathode surface with the simultaneously generated neutral radical species.
[0018]
Along with the simultaneous progress of the oxide layer destruction and re-oxidation due to the above-mentioned sputtering, the cathode oxide film in the center of the cell gradually becomes thinner, and the cathode metal atoms themselves are sputtered.
[0019]
Only after this state is reached, the sputter ion pump begins to exhaust by the chemical adsorption action shown in (2).
[0020]
For this reason, various problems as described below occur.
[0021]
First, since a large amount of harmful gas is discharged into the vacuum chamber at the start of sputtering, the vacuum device is contaminated.
[0022]
Secondly, since the oxide surface remains on the cathode surface other than the central part of the cell, (2) no exhaustion by chemisorption occurs, and even if an inert gas is ion-implanted, it is an oxide layer. The amount of dissolution is orders of magnitude smaller.
[0023]
Third, only metal atoms sputtered from the center of the cell can contribute to (2) exhaust by chemisorption, but in a state where the number of pollutant gas molecules has decreased after the destruction of oxide at the center, Since the vacuum is improved, the number of cathode metal atoms to be sputtered is reduced, and the exhaust speed for residual gas molecules in the vacuum apparatus is lowered.
[0024]
Fourthly, since only pure metal is sputtered only at the center of the cell, the metal consumption of this portion increases, and as erosion progresses, holes are opened. Therefore, the thickness of the cathode material is increased by 1 mm or more. There must be. When the plate thickness of the cathode material is increased to 1 mm or more, the utilization efficiency of the cathode material becomes very bad and a problem arises that it becomes a gas source.
[0025]
Fifth, an inert gas such as argon or helium is exhausted by (3) deposition effect when it is taken in between the fragment molecules due to the simultaneous progress of this oxide destruction and re-adsorption oxidation. In the state where the oxide breakdown due to (3) is finished, (3) the exhaust speed for the inert gas due to the deposition effect becomes extremely small.
[0026]
Sixth, (3) an inert gas such as argon or helium exhausted by the deposition effect is sandwiched between sputtered neutral fragment molecules inside the cell where ions do not fly, such as the edge of the cathode and the surface of the anode. Captured. Metals that are prone to spatter, and the three-pole structure of an uneven cathode and a honeycomb lattice cathode that are easily sputtered are only captured in a state where an inert gas is sandwiched between molecules. For this reason, the structure such as the uneven cathode has a weak trapping force for the inert gas, and even when the temperature rises slightly, the trapping molecules leave the solid surface, and the inert gas is likely to be re-released.
[0027]
Seventh, the only exhaust action left in the inert gas when the pressure is reduced is (1) exhaust by ion implantation, but most of the cathode surface has an oxide layer with an order of magnitude lower gas solubility. The exposed metal surface with high gas solubility is only at the center of the cell, and this part is the place where gas re-emission is most likely to occur due to ion bombardment. When the vacuum region is reached, the exhaust speed for the inert gas becomes zero.
[0028]
As described above, the conventional sputter ion pump has a defect that the exhaust speed is lowered as the vacuum is improved, and the exhaust speed with respect to the inert gas is lowered and is almost lost in the ultra-high vacuum.
[0029]
This is because (2) chemisorption of atoms sputtered by ion bombardment, rather than (1) exhausting the ionized ion atoms or molecules present in the ion pump directly into the cathode metal by ion implantation. (3) It is thought that this is because it relies on the exhaust action due to the secondary phenomenon of the deposition action.
[0030]
In addition, (1) the biggest factor that makes it impossible to exhaust the cathode to the metal by the ion implantation action is considered to be that the cathode material surface of the ion pump is covered with an oxide film.
[0031]
Therefore, in view of the above problems, the present invention prevents the generation of contaminating sputtered debris molecules at the start of the pump, and (2) chemical adsorption action and (3) deposition by chemical bonding between residual gas molecules or atoms and sputtered atoms. The function to suppress the trapping of inert gas by the action and to inject ionic atoms and ionic molecules directly into the cathode for dissolution and diffusion by providing means for removing oxide on the cathode surface and reducing the surface impurity concentration. An ion pump that improves the pumping speed for inert gas, reduces the pumping speed difference due to the difference between the active gas and the inert gas species, and improves the decrease in pumping speed in low pressure ultra-high vacuum The purpose is to provide.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
In the invention described in claim 1 of the present application, gas molecules or atoms remaining in a vacuum are ionized by electron collision, and the generated ions are accelerated by the action of an electric field applied between two electrodes, an anode and a cathode. In the ion pump that reduces the number of gas molecules or atoms remaining in the vacuum by being collided with and captured by the cathode surface, regardless of the presence or absence of an acceleration electric field by application, There is provided means for energizing a part or all of the material forming the cathode and increasing the temperature of the cathode to 500 ° C. or more by self-heating of the cathode itself. It is an ion pump of composition.
[0033]
Thus, the ion pump of the present invention, regardless of the presence or absence of an acceleration electric field by application, By energizing a part or all of the material forming the cathode and raising the temperature of the cathode to 500 ° C. or more by self-heating of the cathode itself, hydrogen or carbon atoms dissolved in the cathode material itself are removed. The cathode surface oxide can be decomposed by heat and reacted with the cathode surface oxide to promote decomposition or reduction, thereby removing the cathode surface oxide. In addition, if the present invention is used, even if the pump is operated after being exposed to the atmosphere, the oxide on the cathode surface can be removed in advance by energization to expose the metal surface of the cathode. Thereafter, by applying an acceleration voltage, the remaining gas molecules or atoms can be ionized, and the ions can be directly implanted into the metal surface. For this reason, unlike the conventional case, generation of sputtered fragment molecules due to oxide breakdown during ion implantation can be prevented, and vacuum deterioration and peripheral contamination can be prevented. Furthermore, the removal of surface oxides can be extended not only to the center of the cathode as in the prior art, but also to the region in front of the cathode. Can be injected and diffused, can greatly increase the exhaust speed .
[0037]
In this case, the decomposition reaction or reduction reaction is a quiet reaction between an oxide of hydrogen or carbon dissolved in the cathode material itself and an oxide, so that water or carbon monoxide is generated even if the reaction is accelerated. However, it is possible to eliminate the generation of fragment molecules due to radical sputtering as in the prior art and to prevent contamination around the cell.
[0038]
Moreover, since the thermal diffusion inside the metal of hydrogen or carbon atoms and ion-implanted gas atoms becomes active by raising the temperature of the cathode to 500 ° C. or higher, the amount of inert gas that can be exhausted by ion implantation is increased. Compared with the conventional method, the size can be increased by orders of magnitude.
[0041]
No. of this application 2 The invention recited in the claims is directed to the claims. 1 In the described invention, The means for raising the temperature is: Connected to the open ends of a connection cathode formed by connecting multiple cathodes in series Power supply It is an ion pump of the structure which is a means using the simultaneous heat_generation | fever by electricity supply from.
[0042]
As described above, when a plurality of cathodes are used, since the cathodes can be heated by energization heating from the open ends of the connection cathodes by using the connection cathodes in which the cathodes are connected in series, there are many cathodes. Even in this case, it is possible to energize all at once by adding one or two vacuum terminals with the same current standard for energization to the pump wall, and achieve the purpose of raising the cathode temperature using a simple structure. Can do.
[0043]
No. of this application 3 The invention described in claim 1 is the invention described in claim 1. Or 2 In the described invention, the cathode is an ion pump having a planar shape approximating a substantially cross section of the anode and formed in a plate shape having a thickness of 0.1 mm or less.
[0044]
Thus, when the cathode is formed in a thin plate shape having a thickness of 0.1 mm or less, the resistance can be increased, so that it is easy to heat to a high temperature of 500 ° C. or more with a small current.
[0045]
No. of this application 4 The invention described in the claims is the first to the first aspects. 3 In any one of the inventions, the cathode has a hydrogen gas solubility at room temperature of 1.0 cm. 2 (STP) cm -1 atm -1 ] And the sputtering yield by argon ions of 5 KeV is 2.0 or less Simple metal And the ion pump of the structure currently formed using the alloy containing those metals.
[0046]
Thus, hydrogen gas solubility is high Simple metal When the cathode is formed using an alloy containing these metals, the amount of hydrogen dissolved in the metal is large in each metal. By diffusion, the surface oxide can be reduced, and the oxide can be released into the vacuum as water molecules, and the subsequent ion implantation action can be improved.
[0047]
In addition, since the metal having a high hydrogen solubility tends to have a high solubility for dissolving argon or helium gas, a large amount of exhaust gas can be absorbed.
[0048]
Furthermore, since the metal having a high hydrogen solubility tends to have a low sputtering yield, the rate of erosion of only the central portion of the cathode is reduced, and the cathode thickness can be reduced. As described in the fifth aspect, the cathode can be formed into a thin plate having a thickness of 0.1 mm or less. Moreover, the ratio of the inert gas trapped with a weak trapping force can be reduced by the deposition effect by the sputtered atoms.
[0051]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0052]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an ion pump according to a specific example of the present invention.
[0053]
As shown in FIG. 1, in this example, the ion pump 21 is formed by arranging three penning cells. The anode 22 of the ion pump 21 is a triple anode in which the circumferences of the three anodes 22 of the metallic cylinders A 1, A 2, A 3 are integrated with each other, and are arranged outside the vacuum through the vacuum terminal 23. It is connected to the positive side of the high-voltage power supply E1.
[0054]
Further, the cathode 24 of the ion pump 21 has high hydrogen solubility, and is a high melting point metal disk, and one set of two disks per cell consists of three sets K1, K1 ', K2, K2', K3, K3 'is arranged in parallel to the positions on both sides corresponding to the cylinders A1, A2, A3 of each anode 22. That is, since there are three sets of two disks, a total of six disk-shaped cathodes are arranged with K1, K2, K3 on one side with the anode 22 in between, and K1 ', K2 'and K3' are arranged. These continuously arranged cathodes are connected in series by a long cathode connection line 25 to form one connection cathode 26.
[0055]
In addition, the triple Penning cell of this example is installed in the magnetic field B formed in the up-down direction.
[0056]
Further, in this example, the case of three stations has been described. However, when a single cell is used, two disks are connected as cathodes, and in the case of a plurality of n cells, 2n disks are connected by a cathode connection line. A cathode will be formed.
[0057]
In addition, a metal plate having the same width as the cylindrical diameter of the anode may be bent in a U shape so as to sandwich the anode in parallel, and used instead of the connection cathode as described above.
[0058]
Both ends of the connection cathode 26 are connected to a heating power source E2 outside the vacuum through vacuum terminals 27 and 28 to form an electric loop. Independent of the application of the high-voltage power supply E1, the cathode 24 can be energized and heated arbitrarily by opening and closing the switch S2. One vacuum terminal 28 coupled to both ends of the connection cathode 26 is connected to the negative side of the high-voltage power supply E1. Therefore, an electric field can be freely applied between the anode 22 and the cathode 24 by opening and closing the ion acceleration field switch S1.
[0059]
Further, when the ion pump 21 is exposed to atmospheric pressure and evacuation is started from the atmospheric pressure, an oxide film 241 is formed on the surface of each cathode 24 in the ion pump 21.
[0060]
Since the connection cathode 26 formed of six disks as in this example is a loop circuit provided with a heating power source E2, regardless of whether or not the high voltage power source E1 is applied, that is, whether the switch S1 is opened or closed, By adjusting the voltage of the heating power source E2, the disks K1, K1 ′, K2, K2 ′, K3, K3 ′ of the connection cathode 26 can be heated to 500 ° C. or higher. In particular, when the connection cathode 26 is heated to a high temperature of about 800 ° C., the thermal diffusion of hydrogen atoms dissolved in each cathode 24 becomes very active, so that hydrogen easily diffuses to the cathode surface. On the solid surface, the oxide is reduced in the form of the chemical reaction described below.
[0061]
MO (oxide film) + 2H (diffusion hydrogen atom) → H 2 O (water) + M (metal)
Thus, since the oxide film (MO) is reduced by the diffusion of hydrogen dissolved in the cathode, the metal (M) surface of the cathode 24 is exposed in vacuum.
[0062]
After that, when the switch S1 is closed and an accelerating electric field is formed between the anode 22 and the cathode 24, discharge occurs in each cell between the two electrodes 22, 24, and is generated in the cylinders A1, A2, A3 of the anode 22. The cations are accelerated toward the cathode 24 and injected into the metal surface of the cathode 24 to be captured.
[0063]
When the surface concentration increases due to gas molecules and gas atoms trapped on the surface of the cathode 24, when a current is again supplied from the heating power source E2 to each cathode 24, the temperature of the cathode 24 is raised to about 500 ° C to 600 ° C. Further, the thermal diffusion of trapped gas molecules or gas atoms into the cathode 24 is promoted, so that the impurity concentration on the surface of the cathode 24 can be lowered. In this case, some of the gas molecules or gas atoms trapped by the cathode 24 are re-emitted, but by operating the ion pump 21 with the switch S1 of the high-voltage power supply E1 kept closed, The exhaust can be immediately performed simultaneously with the re-release, and the exhaust speed can be improved.
[0064]
For example, if the cathode 24 is kept at a high temperature of 800 ° C. or higher, this temperature is sufficient to allow the inert gas on the surface that has reached saturation by ion implantation to be re-emitted into the vacuum. The pump 21 can be regenerated and consumption of the cathode material can be suppressed.
[0065]
The material of the cathode 24 has a hydrogen gas solubility at room temperature of 1.0 [cm. 2 (STP) cm -1 atm -1 ]More than Simple metal In addition, when an alloy containing these metals is used, these metals are refractory metals that can be heated to 1000 ° C. or higher, so that a large amount of diffused hydrogen is generated and the surface oxide 241 is formed in a short time. By reducing, the metal surface of the cathode 24 can be exposed in vacuum, and the exhaust speed can be improved.
[0068]
In this example, an example of a Penning cell type ion pump conventionally used for a sputter ion pump has been shown. However, the present invention is not limited to the Penning cell type and can be used for an orbitron type ion pump that does not use a magnetic field. is there.
[0069]
Next, the result of an experiment in which the exhaust of the vacuum apparatus was actually measured in the vacuum apparatus 1 shown in FIG. 2 equipped with the ion pump of the sputter ion pump type described in FIG. 1 will be described based on the drawings.
[0070]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the vacuum apparatus 1 on which the ion pump 2 is mounted, and FIG. 3 is a perspective view illustrating a schematic configuration of the single-cell ion pump 2 mounted on the vacuum apparatus 1 used in this experiment. is there.
[0071]
As shown in FIG. 2, in the vacuum apparatus 1, a tantalum metal single cell type ion pump 2 described later is installed in a vacuum chamber 3. In addition to the ion pump 2, a non-evaporable getter pump (NEG pump) 4 having a displacement of 100 liters / second, a BA gauge 5, and a quadrupole residual gas analyzer 6 are attached to the chamber 3.
[0072]
The chamber 3 is provided with a turbo molecular pump 7 and a rotary pump 8 which are roughing systems via a metal cut valve 9. When the valve 9 is closed, the total volume of the vacuum vessel 1 including the gauge 5 and the residual gas analyzer 6 is 2 liters.
[0073]
Further, a minute leak valve 10 is attached to the chamber 3, and pure argon gas or pure helium gas can be introduced into the vacuum chamber 3 from the gas cylinder 11 through the leak valve 10.
[0074]
2, 12 and 12 are permanent magnets for the ion pump 2 placed outside the vacuum apparatus, and the magnetic flux density at the center between the two magnetic poles of the permanent magnets 12 and 12 is 2.3 kilogauss.
[0075]
As shown in FIG. 3, the ion pump 2 of this example is a single cell type ion pump constituted by one cylinder A 1 of the anode 22 and a set of disks K 1 and K 1 ′ of the cathode 24. 3 represents the oxide 241 on the surface of the cathode 24.
[0076]
This ion pump 2 uses a cylinder A1 obtained by rolling a tantalum metal plate having a thickness of 0.1 mm as the anode 22, and the cylinder has a diameter of 7 mm and a height of 5 mm. Further, as the cathode 24, tantalum metal plate disks K1, K1 ′ having a thickness of 0.1 mm are used, and the diameter of the disk is 8 mm. Further, the cathode connection line 25 for connecting the disks K1, K1 ′ is also made of a tantalum metal plate having a width of 2 mm.
[0077]
The cylinder A1 of the anode 22 is connected through the vacuum terminal 23 to the plus side of the 5 KV high-voltage power supply E1 via the switch S1. The two disks K1, K1 ′ of the cathode 24 are connected by a cathode connection line (plate) 25, and the other end is connected to the heating power source E2 through the vacuum terminals 27, 28 via the switch S2.
[0078]
Either the negative side of E1 or E2 is connected to the ground potential, that is, the vacuum apparatus 1.
[0079]
Next, an experimental method and experimental results using the vacuum apparatus 1 will be described with reference to the drawings.
[0080]
FIG. 4 shows the pressure drop due to the exhaust of the ion pump of this example with respect to argon, and shows the relationship between the argon gas pressure (Pa) and time (minutes). FIG. 5 shows the cathode rise of the argon once exhausted. It is a figure which shows the re-emission accompanying temperature and shows the relationship between argon gas pressure (Pa) and the temperature of a cathode (° C.).
[0081]
First, when exhausting from the atmospheric pressure, the cut valve 9 of the vacuum apparatus 1 shown in FIG. -6 Exhaust to Pa. Thereafter, the chamber 3, the ion pump 2, the NEG pump 4, the gauge 5, the residual gas analyzer 6, and the valves 9 and 10 are baked and exhausted at 250 ° C., and the NEG pump 4 is activated. When cooled and left at room temperature, chamber 3 is 10 -9 It reaches the ultra high vacuum state of Pa level. When the valve 9 is closed in this state, the vacuum state is somewhat deteriorated. -8 The value is almost constant at Pa level. The main components of the residual gas at this time are hydrogen, methane, carbon monoxide, and argon.
[0082]
Next, this 10 -8 About 2 × 10 pure argon gas from the ultra-vacuum state on the Pa level through the leak valve 10 -Four Introduced up to a pressure of Pa. At this time, since the NEG pump 4 does not exhaust argon at all, 99.9% of the residual gas becomes argon gas. Further, even if the vacuum chamber 3 is left in this state, the pressure hardly changes.
[0083]
In this state, when the switch S1 of the circuit of the ion pump 2 shown in FIG. 3 is closed and a 5 KV electric field is applied between the cylinder A1 of the anode 22 and the disks K1 and K1 ′ of the cathode 24, a discharge is generated between the two electrodes. The electrons generated by the discharge are trapped in the valley of the potential formed by the electric and magnetic fields in the cylinder. The trapped electrons efficiently ionize argon atoms while performing a spiral motion.
[0084]
Immediately after the exhaust is started, the oxide film formed on the surfaces of the disks K1 and K1 ′ of the cathode 24 is destroyed by the sputtering of argon ions. At this time, a large amount of polluted gas is released, and the pressure is 1 × 10 once. -3 It rises rapidly to Pa. Thereafter, the pollutant gas gradually begins to drop due to the pump action. 10 -3 When observing the partial pressure at the time of a rapid pressure rise in the Pa range, carbon monoxide, water, methane, various hydrocarbons, oxygen, etc. are observed, whereas the argon partial pressure decreases rapidly. Yes. After that, the overall pressure gradually decreased and 1 × 10 -6 It will not drop below that at Pa. The residual gas component under this pressure contains methane and argon at almost the same rate. 1 × 10 -6 The time required to reach Pa is about 30 minutes, and the change in the argon gas pressure (Pa) during this period is shown by a curve O in FIG.
[0085]
The active pollutant gas released immediately after the start of exhaust is exhausted by the NEG pump 4 in addition to the ion pump of this example. However, since the NEG pump 4 does not exhaust any argon, the curve O in FIG. An exhaust velocity curve for argon gas in a state where the oxide films of 22 disks K1 and K1 ′ are not removed is shown.
[0086]
In this case, the partial pressures of methane, water, carbon monoxide, etc. released immediately after the start of exhausting also decrease at the same rate as the argon partial pressure. Therefore, the exhaust operation from the state where the oxide film 241 is not removed is performed by conventional sputtering. It can be seen that it works the same as the ion pump. That is, it can be confirmed that the argon ions are exhausted by the deposition effect due to the action of this pollutant gas while stripping the surface oxides 241 of the disks K1, K1 ′ of the cathode 24 made of tantalum metal.
[0087]
1 × 10 with stable argon partial pressure -6 When the switch S1 is opened at Pa, the pump is stopped and left for several hours, the pressure of the system is about 1.5 × 10 -6 Slightly increases to Pa.
[0088]
From this state, only the switch S2 is closed (at this time, the high-voltage power switch S1 is opened), and a current is passed through the disks K1, K1 'of the cathode 24 to gradually raise the cathode temperature and re-emit from the cathode. Measure the pressure increase of the argon gas.
[0089]
The measurement result in this case is as shown by curve X in FIG. The cathode temperature is measured by attaching a thermocouple thermometer on the back side of the cathode. When the cathode temperature reaches 600 ° C., argon is 100% re-released and the argon partial pressure rises to the same pressure as before evacuation. This is because the argon atoms trapped by the anode 22 with a trapping force weaker than the deposition effect as well as the argon atoms exhausted on the surface layers of the disks K1 and K1 ′ of the cathode 24 are all radiated by the radiant heat of the cathode 24. This is thought to be due to release. At the same time, a large amount of water, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, and the like are released, and these gases are also released. Therefore, the pressure of the entire vacuum apparatus 1 is 10 when argon is introduced. -Four 10 orders of magnitude higher than Pa -3 It rises to Pa level.
[0090]
Next, experimental results using the means for removing oxide and reducing the surface impurity concentration of this example will be described.
[0091]
First, after the cut valve 9 of the vacuum apparatus 1 shown in FIG. 2 is opened, a current is passed between the vacuum terminals 27 and 28 of the ion pump 2 and the disks K1 and K1 ′ of the cathode 24 to set the temperature of the cathode 24 to 800 ° C. Raise to above and hold for about 1 minute. At this time, a large amount of hydrogen, water, and carbon monoxide are released, but the release of these gases is almost completed in about 10 seconds.
[0092]
At this time, the generated water and carbon monoxide are considered to be discharged by the reaction represented by the following reaction formula.
[0093]
MO (oxide film) + 2H (thermal diffusion hydrogen atom) → H 2 O (water) + M (metal)
MO (oxide film) + C (thermal diffusion carbon atom) → CO (carbon monoxide) + M (metal) That is, the surface oxide 241 of the cathode 24 is formed by thermal diffusion of hydrogen atoms or carbon atoms dissolved in the cathode. It is considered that they are reduced by reacting with each of the above atoms and discharged as water or carbon monoxide.
[0094]
Thereafter, the switch S2 is opened, the temperature of the disks K1, K1 'of the cathode 24 is returned to room temperature, the valve 9 is closed, and pure argon gas is again supplied from the leak valve 10 to about 2 × 10 at the same pressure. -Four When the pressure is introduced to Pa, the switch S1 is closed and the ion pump 2 is operated again, the partial pressure of the argon gas is an exhaust curve as shown by the curve M in FIG. The pressure of the argon gas at this time is 10 at a time in about 3 minutes. -8 It descends linearly to Pa level.
[0095]
Here, when the case shown by the curve O in FIG. 4 without using the oxide removing means is compared with the case shown by the curve M in FIG. 4 using the oxide removing means, the exhaust action for the argon gas is almost saturated. It can be confirmed that when the oxide removing means is used, the time required for this is about 1/10 of the time required when the oxide removing means is not used. -8 It shows that the exhaust speed up to Pa level is constant.
[0096]
The pumping speed for argon gas calculated from the curve M shown in FIG. 4 is about 0.1 liter / second. This pumping speed value is about 10 times the pumping speed for argon of a conventional 1-inch cell single cell pump. For this reason, the pumping speed of the ion pump that is simply calculated from the comparison of the size of the ion pump cell of the ultra-small cell size of 7 mm × 5 mm used in this example and the size of a general ion pump cell is the conventional ion pump. It can be confirmed that it is about 50 to 60 times higher than the exhaust speed.
[0097]
After that, when the switch S1 is turned off and the pump is stopped and left to stand, the pressure is 3 × 10 -7 Up to Pa, it increases by about one digit. Thus, the large pressure rise is considered to mean that the oxide film was removed and that the argon atoms on the surface became free.
[0098]
Thus, after the pump is stopped, the pressure increases, but the value of the pressure that reaches a certain level and becomes stable is one digit lower.
[0099]
Next, when the argon gas pressure re-emitted from the cathode is graphed while increasing the cathode temperature by supplying current again to the disks K1, K1 ′ of the cathode 24 from this state, a curve Y shown in FIG. An argon gas re-release curve is obtained.
[0100]
As shown in FIG. 5, when the partial pressure of the argon gas released at the same temperature of 600 ° C. is compared between the curve X and the curve Y, the curve Y using the oxide removing means and the curve not using the oxide removing means With X, the curve Y using the oxide removing means has a smaller re-release of argon gas by about one digit than the curve X without using the oxide removing means, and even if the temperature is raised to 800 ° C., the argon gas It can be confirmed that the re-release of does not reach the saturation value. This is presumably because argon atoms are diffused inside the tantalum metal.
[0101]
That is, it can be concluded that the ion pump 2 using the oxide removing means of the present example is evacuated based on a completely different principle from the conventional sputter ion pump.
[0102]
In this example, as shown in FIG. 4 and FIG. 5, the exhaust characteristic for argon gas and the re-release characteristic due to cathode temperature rise were confirmed. It has been confirmed that each characteristic is similar to the characteristic, and the correctness of the principle of exhaust in the present invention can be confirmed.
[0103]
Next, the results of using a means for reducing the surface impurity concentration by thermal diffusion of argon atoms trapped on the surface of the cathode 24 into the cathode will be described below.
[0104]
As described above, when the electrodes K 1 and K 1 ′ of the cathode 24 are energized and heated to remove the oxide film 241 and then the argon gas is exhausted, the pressure of the argon gas in the chamber 3 is 2 in a few minutes. × 10 -Four Pa to 10 -8 Descent to Pa level at once. However, the pressure is about 6 × 10 -8 After reaching Pa, it does not go any further.
[0105]
With the pressure reaching this constant value, the switch S2 of the ion pump 2 is closed, the switch S2 is closed, the cathode temperature is increased to 600 ° C. and held for several seconds, and then the switch S2 is turned on. Open again. That is, when intermittent heating is performed on the disks K1, K1 'of the cathode 24, a part of the exhausted argon gas is released at the moment when the intermittent heating is performed. -Five It rises to Pa level. Thereafter, the argon gas pressure was 10 -8 Pa-10 -9 It drops rapidly to Pa level.
[0106]
Further, when the pump 2 is stopped after the intermittent temperature raising process at 600 ° C. during the ion pump operation and the disks K 1 and K 1 ′ of the cathode 24 are raised again to 800 ° C., the pressure for re-releasing the argon gas becomes It was confirmed that the re-release pressure was lower than the pressure before the intermittent temperature increase.
[0107]
This is considered to indicate that the argon concentration in the surface layer is reduced due to thermal diffusion of some of the argon atoms that have been injected and trapped on the surface during the intermittent temperature rise. .
[0108]
In this way, the exhaust characteristics of an ion pump that has just been baked (up to 450 ° C.) and, as in this example, the temperature of the ion pump cathode is once raised to 800 ° C. to remove surface oxides and surface impurities. Comparing the exhaust characteristics after concentration reduction, the ultimate vacuum during pump operation after raising the temperature of the cathode of the ion pump to 800 ° C. to remove the oxide and lowering the surface impurity concentration The pressure value can be lowered by about two orders of magnitude compared to the ultimate vacuum during pump operation when not performed.
[0109]
In addition, it was confirmed that the gas re-release due to the temperature rise after stopping the pump was an order of magnitude lower. In this example, it was confirmed that the re-release of the gas was suppressed to prevent the exhaust speed of the ion pump from being lowered. it can.
[0110]
These effects are not the result of raising the temperature of the cathode in order to perform the simple degassing action that has been conventionally performed, but by performing a heat treatment of the cathode at a temperature of 500 ° C. or higher, preferably about 800 ° C. This is presumably because hydrogen or oxygen atoms dissolved inside thermally diffused to reduce the oxide on the cathode surface and disappear the oxide on the cathode surface.
[0111]
Conventionally, the vacuum apparatus 1 is used for 2 × 10. -Four When argon and helium gas evacuation from the Pa stage is repeated 10 times, it is confirmed that both the pump exhaust speed and the ultimate vacuum decrease, and a large amount of argon atoms are occluded on the cathode surface. it is conceivable that.
[0112]
In the ion pump of this example, this dissolved argon can be discharged by energizing and heating the cathode, so that the same performance can be recovered repeatedly.
[0113]
Further, in the ion pump 2 of this example, if the cathode is intermittently heated to about 600 ° C. during the pump operation, the argon atoms that have been exhausted and trapped in the surface layer are thermally diffused inside the cathode. Thus, the exhaust capacity can be recovered.
[0114]
As described above, the present invention includes means for removing oxide on the cathode surface and lowering the surface impurity concentration, so that the temperature of the cathode is raised to 500 ° C. or higher to thermally diffuse hydrogen or carbon atoms dissolved in the cathode itself. The oxide on the cathode surface reacts with hydrogen or carbon atoms to remove the cathode oxide. Since only water and carbon monoxide are generated at this time, it is possible to prevent contamination around the pump cell due to sputtered debris molecules as in the prior art.
[0115]
Further, when the temperature of the cathode is raised to 500 ° C. or higher, the temperature at which the gas molecules that are ion-implanted easily cause thermal diffusion inside the metal in a state where the thermal diffusion such as hydrogen atoms and the oxide are removed and the ions are easily implanted. Therefore, the amount of inert gas that can be evacuated by ion implantation can be increased by orders of magnitude compared to the conventional case, and the problem that the evacuation speed is reduced while the vacuum is increased in the conventional case can be solved.
[0116]
As the cathode of the ion pump of this example, the structural dimensions were exactly the same, and when the experiment was performed by changing the material to niobium, zirconium, or hafnium, the same result as that of tantalum was obtained. In addition, it has been confirmed that titanium that has been used in the past has both an ultimate pressure and an exhaust speed that are a few times worse than those of the four metals. This can be considered to be because the oxide is stable and the decomposition reaction or the reduction reaction hardly occurs. Further, the performance of the present invention could not be exhibited at all with gold or silver that does not form an oxide film, or with tungsten or molybdenum that has a high melting point but low hydrogen solubility.
[0117]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, gas molecules or atoms remaining in a vacuum are ionized by electron collision, and the generated ions are accelerated by the action of an electric field applied between two electrodes, an anode and a cathode. In the ion pump that reduces the number of gas molecules or atoms remaining in the vacuum by colliding with the cathode surface and being captured, regardless of the presence or absence of an accelerating electric field by application, By energizing a part or all of the material forming the cathode and raising the temperature of the cathode to 500 ° C. or more by self-heating of the cathode itself, hydrogen or carbon atoms dissolved in the cathode material itself are The pump is capable of thermally diffusing and reacting with the cathode surface oxide to decompose or reduce the cathode surface oxide and remove the cathode surface oxide. Even if the pump of the present invention is operated after the pump is once exposed to the atmosphere, the oxide on the cathode surface can be removed by energization in advance to expose the metal surface of the cathode, so that acceleration is performed thereafter. By applying a voltage, residual gas molecules or atoms can be ionized, and the ions can be directly implanted into the metal surface. For this reason, unlike the conventional case, it is possible to prevent the generation of sputtered debris molecules due to oxide breakdown during ion implantation, and it is possible to prevent the deterioration of the vacuum and the surrounding contamination. Furthermore, the removal of surface oxides can be extended not only to the center of the cathode as in the prior art, but also to the region in front of the cathode. Can be injected and diffused, and has the effect of dramatically increasing the exhaust speed .
[0126]
No. of this application 2 The invention recited in the claims is directed to the claims. 1 In the described invention, The means for raising the temperature is: Connected to the open ends of a connection cathode formed by connecting multiple cathodes in series Power supply It is an ion pump of the structure which is a means using the simultaneous heat_generation | fever by electricity supply from.
[0127]
As described above, when a plurality of cathodes are used, since the cathodes can be heated by energization heating from the open ends of the connection cathodes by using the connection cathodes in which the cathodes are connected in series, there are many cathodes. Even in this case, it is possible to energize all at once by adding one or two vacuum terminals with the same current standard for energization to the pump wall, and achieve the purpose of raising the cathode temperature using a simple structure. Can do.
[0128]
No. of this application 3 The invention described in claim 1 is the invention described in claim 1. Or 2 In the described invention, the cathode is an ion pump having a planar shape approximating a substantially cross section of the anode and formed in a plate shape having a thickness of 0.1 mm or less.
[0129]
Thus, when the cathode is formed in a thin plate shape having a thickness of 0.1 mm or less, the resistance can be increased, so that it is easy to heat to a high temperature of 500 ° C. or more with a small current.
[0130]
No. of this application 4 The invention described in the claims is the first to the first aspects. 3 In any one of the inventions, the cathode has a hydrogen gas solubility at room temperature of 1.0 cm. 2 (STP) cm -1 atm -1 ] And the sputtering yield by argon ions of 5 KeV is 2.0 or less Simple metal And the ion pump of the structure currently formed using the alloy containing those metals.
[0131]
Thus, hydrogen gas solubility is high Simple metal When the cathode is formed using an alloy containing these metals, the amount of hydrogen dissolved in the metal is large in each metal. By diffusion, the surface oxide can be reduced, and the oxide can be released into the vacuum as water molecules, and the subsequent ion implantation action can be improved.
[0132]
In addition, since the metal having a high hydrogen solubility tends to have a high solubility for dissolving argon or helium gas, a large amount of exhaust gas can be absorbed.
[0133]
Furthermore, since the metal having a high hydrogen solubility tends to have a low sputtering yield, the rate of erosion of only the central portion of the cathode is reduced, and the cathode thickness can be reduced. As described in the fifth aspect, the cathode can be formed into a thin plate having a thickness of 0.1 mm or less. Further, the deposition effect by the sputtered atoms can reduce the ratio of the inert gas trapped with a weak trapping force, and the inert gas re-emission generated by the cathode temperature rise can be reduced.
[0136]
As described above, according to the ion pump of the present invention, it is possible to suppress the initial gas release and discharge at the time of 1: starting the ion pump. 2: The portion where ions can be implanted can dramatically increase the gas storage capacity per unit area of the entire surface of the cathode metal where the oxide film is reduced, and the difference in pumping speed due to the gas species can be reduced. 3: Since ions are directly implanted into a metal having a very high gas solubility, it diffuses quickly into the metal and is less likely to be re-emitted. 4: Since the exhaust method does not depend on the deposition effect by the sputtered atoms, the re-emission can be reduced even when the vacuum is improved and the pressure is low, and the exhaust capability is not lowered. 5: Since the degree of consumption of the cathode metal by sputtering is small, it is not necessary to replace the cathode. 6: The cathode does not need to be uneven or have a tripolar structure. 7: It has the advantage that the previously exhausted gas can be self-diffused into the cathode solid at the time of temperature increase during reduction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ion pump using a triple cell type according to a specific example of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a vacuum device for performance testing according to a specific example of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of an ion pump using a single cell type according to a specific example of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a result of a test performed using the apparatus shown in FIG. 2 according to an example of the present invention, and showing a relationship between time (minutes) and pressure drop due to argon gas pressure (Pa) exhaust. is there.
FIG. 5 is a result of a test conducted using the apparatus shown in FIG. 2 according to a specific example of the present invention, and shows a relationship between re-emission of argon gas pressure (Pa) with respect to a rise in cathode temperature (° C.). It is.
[Explanation of symbols]
1 Vacuum equipment
2 Ion pump
3 Vacuum chamber
4 NEG pump
5 BA gauge
6 Quadrupole residual gas analyzer
7 Turbo molecular pump
8 Rotary pump
9 Cut valve
10 Leak valve
11 Gas cylinder
12 Permanent magnet for ion pump
21 Ion pump
22 Anode
23 Vacuum terminal
24 Cathode
25 Cathode connection line
26 Connecting cathode
27 Vacuum terminal
28 Vacuum terminal
A1 Anode cylinder
A2 Anode cylinder
A3 Anode cylinder
K1 Disc of cathode
K1 'cathode disc
K2 cathode disc
K2 'cathode disc
K3 cathode disc
K3 'cathode disc
S1 switch
S2 switch
E1 High voltage power supply
E2 Heating power source

Claims (4)

真空中に残留する気体分子又は原子が、電子の衝突によってイオン化され、この発生したイオンが、陽極と陰極の2極間に印加した電界の作用により加速されて前記陰極表面に衝突して捕捉されることによって、真空中に残留する気体分子又は原子の数を減じるイオンポンプにおいて、
印加による加速電界の有無に拘わらず、前記陰極を形成する材料の一部又は全部に通電し、陰極自体の自己発熱により該陰極の温度が500℃以上に昇温させる手段を備えていることを特徴とするイオンポンプ。
The gas molecules or atoms remaining in the vacuum are ionized by the collision of electrons, and the generated ions are accelerated by the action of the electric field applied between the two electrodes of the anode and the cathode and collide with the cathode surface and captured. In an ion pump that reduces the number of gas molecules or atoms remaining in the vacuum by
Regardless of the presence or absence of an accelerating electric field due to application, a means is provided for energizing a part or all of the material forming the cathode and raising the temperature of the cathode to 500 ° C. or more by self-heating of the cathode itself. A featured ion pump.
前記昇温させる手段は、複数の陰極を直列に接続して形成した接続陰極の開放両端に接続した電源からの通電による一斉発熱を用いる手段であることを特徴とする前記請求項1記載のイオンポンプ。 2. The ion according to claim 1, wherein the means for raising the temperature is a means using simultaneous heat generation by energization from a power source connected to open ends of a connection cathode formed by connecting a plurality of cathodes in series. pump. 前記陰極は、前記陽極の略横断面に近似する平面形状であり、厚さ0.1 mm 以下の板状に形成されていることを特徴とする前記請求項1又は2記載のイオンポンプ。3. The ion pump according to claim 1 , wherein the cathode has a planar shape that approximates a substantially transverse section of the anode and is formed in a plate shape having a thickness of 0.1 mm or less . 前記陰極は、室温における水素ガス溶解度が1.0[cm (STP)cm −1 atm −1 ]以上で、かつ5KeVのアルゴンイオンによるスパッター収率が2.0以下の単体金属及びそれらの金属を含有する合金を用いて形成されていることを特徴とする前記請求項1乃至3いずれか記載のイオンポンプ。 The cathode has a hydrogen gas solubility at room temperature of 1.0 [cm 2 (STP) cm −1 atm −1 ] or more, and a single metal having a sputtering yield of 5 KeV argon ions or less and 2.0 or less thereof The ion pump according to any one of claims 1 to 3, wherein the ion pump is formed using an alloy containing .
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