JP4171026B2 - スパッタイオンポンプ - Google Patents

Description

本発明は、スパッタイオンポンプに関し、特に無磁気静電サドルフィールド型スパッタイオンポンプに関する。

スパッタイオンポンプは、真空ポンプの一種である。従来のスパッタイオンポンプは、真空容器において陽極及び陰極の間に高電圧を施して、ガス分子が磁気フィールドで螺旋運動の電子と衝突してイオン化され、該ガスイオンにより陰極がスパッタされて形成された金属原子が陽極の表面に吸着されて、排気動作を行う。しかし、従来のスパッタイオンポンプは大体積、高重量、高コストという欠点があり、磁気が漏れて周辺の測定ツールに損害を与える恐れがある。

中国の清華大学の研究者は、静電サドルフィールドによる制限を利用する電子発振器に基づいて、新たな静電サドルフィールド型スパッタイオンポンプを発明している。この新たな静電サドルフィールド型スパッタイオンポンプは、磁界の特性を利用せずに熱陰極から放電領域へ電子を放出させ、圧強が２×１０^−５Ｔｏｒｒより低くなる場合、ポンプの吸気動作が著しく改善される。しかし、この新たな静電サドル型スパッタイオンポンプは、電子放出の圧強の範囲が狭く、ほぼ１０^−３〜１０^−６であり、構造が複雑になり、電力消費が増加する欠点がある。

従って、簡単な電子放出構造及び小電力消費の無磁気静電サドルフィールド型スパッタイオンポンプを提供することが必要となる。

前記の課題を解決するために、本発明に係るスパッタイオンポンプは、側壁に電子注入孔を有する真空容器と、この真空容器の中心軸に対して対称になるように前記真空容器の中に設置された二本の棒状の陽極電極と、前記電子注入孔に対応して、前記真空容器の外側に設置された少なくとも一つの冷陰極電子放出装置と、を含む。

前記冷陰極電子放出装置は、前記電子注入孔の外壁に設置された冷陰極電子放出体と、前記電子注入孔に対向して設置された二次電子放出極と、を含む。また、前記冷陰極電子放出体は前記二次電子放出極に対向して設置される。

前記冷陰極電子放出体は、例えば、炭素ナノチューブの先端又は炭素ナノチューブの薄膜である。

前記真空容器は、円柱状又は球形状に形成される。

前記二次電子放出極は、凸面が前記電子注入孔に向く凸部をさらに有する。

前記電子注入孔の中心及び前記真空容器の中心軸が形成した平面は、前記二本の棒状の陽極電極の対称面と３０°以下の角度を形成する。

前記棒状の陽極電極は所定の曲率を有して前記真空容器の縦方向に沿って設置され、前記棒状の陽極電極の曲率が前記真空容器の半径の１０倍程度より大きく設定される。

前記真空容器に複数の電子注入孔が同一線上に配列するように設けられてもよい。

前記真空容器は、モリブデンや銅、チタニウムなどのいずれか一種からなる。

前記二次電子放出極は、白金又は銅からなる。

従来技術と比べて、本発明に係るスパッタイオンポンプは次の優れた点がある。
１．炭素ナノチューブなどの電界放出材料を一次電子源として利用するので、従来の熱電子注入技術と比べて、電力消費が減少し、ミリワットのレベル程度に達する。
２．白金又は銅のような二次電子放出係数が高い材料からなる二次電子放出電極を設置することにより、さらに多くの電子を生じて真空容器に注入できる。また、前記の電子がこの二次電子放出極へ戻ることを防止できるので、前記電子を良好に回転して発振させることができる。
３．前記電子注入孔の中心及び前記真空容器の中心軸が形成した平面は、前記二本の棒状の陽極電極の対称面と所定の角度が形成されることにより、イオンが前記二次電子放出極に衝突することを防止することができる。
４．前記棒状の陽極電極は所定の曲率を有するので、電子は縦方向に沿って回転して発振され、前記二次電子放出極へ戻る可能性が減少することができる。
５．磁界の特性を利用しないので、構成を簡単化にでき、コストを低減することができる。

以下、図面を参照して本発明について詳しく説明する。

（実施例１）
図１及び図２に示すように、本発明の実施例１に係るスパッタイオンポンプ１０は、真空容器１１と、二本の棒状の陽極電極１２と、冷陰極電子放出体１３と、板状の二次電子放出極１４と、を含む。

前記真空容器１１は、前記スパッタイオンポンプ１０の陰極として利用される。また、前記真空容器１１の外壁に電子注入孔１１１が設置され、この電子注入孔１１１から注入された電子の漏れを防ぐために、前記真空容器１１の両端部に静電マスク（図示せず）を設ける。前記真空容器１１は筒形状又は球形状で設けられ、モリブデン、スチール、チタニウムなどのいずれか一種からなるが、本実施例において直径が１５ｍｍ、長さが５０ｍｍのチタニウム製の筒形状のものが利用される。前記電子注入孔１１１は、直径が１〜２ｍｍにされるが、１ｍｍが好ましい。

前記二本の棒状の陽極電極１２は前記真空容器１１の中心軸に対称になるように平行に設置される。前記電子注入孔１１１の中心は前記二本の陽極本１２の対称軸に相対して設置される。前記棒状の陽極電極１２はタングステンからなり、直径が０．５ｍｍにされる。前記二本の棒状の陽極電極１２は８ｍｍ離れている。前記棒状の陽極電極１２は所定の曲率を有して前記真空容器１１の縦方向に沿って設置され、前記棒状の陽極１２の曲率が前記真空容器１１の半径の１０倍程度より小さくないように設置され、注入された電子を縦方向に沿って前記真空容器１１の中に回転して発振させるように構成される。

前記冷陰極電子放出１３から放出された電子は前記二次電子放出極１４に達して、前記二次電子放出極１４から生じた二次電子が前記電子注入孔１１１を通して前記真空容器１１に導入されるために、前記二次電子放出極１４は、所定の距離を持って前記電子注入孔に対向して設置される。本実施例に係る二次電子放出極１４は、例えば、白金や銅などのような二次電子放出係数が高い材料からなる。前記冷陰極電子放出体１３は、前記真空容器１１に電気的に接続するように前記電子注入孔１１１の外側に設置される。前記冷陰極電子放出体１３は、一次電子放出源として利用され、前記二次電子放出極１４に対向して設置される。本実施例において、前記冷陰極電子放出体１３は、例えば，炭素ナノチューブ、金属製の先端、非金属製の先端、化合物製の先端などの先端の形状、チューブ形状、棒状などに形成されても、ダイヤモンド又は酸化亜鉛からなる薄膜の形状に形成されてもよい。

図３乃至図５を参照して、本実施例に係るスパッタイオンポンプ１０を使用する場合、前記真空容器１１を接地させ、前記スパッタイオンポンプ１０の寸法によって、例えば、前記棒状の両陽極電極１２の電位を１０００〜１００００Ｖ、前記二次電子放出極１４の電位を４００〜１０００Ｖに調整する。本実施例において、二本の棒状の陽極電極１２の電位を１００００Ｖ、前記二次電子放出極１４の電位を４００Ｖにする。図３乃至図５から見て、本実施例に係る前記スパッタイオンポンプ１０の真空容器１１の中に静電サドルフィールドが形成されるので、前記電子注入孔１１１の傍らに形成された電位により注入の電子が前記二次電子放出極１４に戻ることを防止し、静電サドルフィールドによる電子発振器の動作原理により前記スパッタイオンポンプ１０を機能させる。その結果、本実施例に係るスパッタイオンポンプ１０は、磁気を利用せず、構成が簡単になる。

図６及び図７を参照して、本実施例に係るスパッタイオンポンプ１０が動作する場合、前記冷陰極電子放出体１３から放出された電子は前記第二電子放出極１４に達して、多量の二次電子を励起して形成する。これらの二次電子は前記スパッタイオンポンプ１０の真空容器１１に入って、各電極電位によるサドルフィールドが原因で数回発振され、前記スパッタイオンポンプ１０にある気体分子と衝突してこの気体分子を電離させて高エネルギーのイオンが生じる。前記の高エネルギーのイオンは電界で前記真空容器１１の裏面に衝突してチタニウム原子を飛ばし、該チタニウム原子が前記真空容器１１の裏壁に堆積されてチタニウム膜が形成されるので、気体を吸付し、これにより、吸気機能を実現する。図７に示すように、本実施例に係る二本の棒状の陽極電極１２は所定の曲率を有するので、注入電子は前記真空容器１１に縦方向に沿って発振され、前記電子注入孔１１１へ戻る可能性を減少させることができる。

図８に示すように、本実施例において、前記電子注入孔１１１の傍らの電位分布を変更することにより、さらに注入の電子が電子注入孔１１１へ戻る可能性が減少し、電子の発振の回数を増加するために、凸面が前記電子注入孔１１１に向く三角形の凸部１４１を二次電子放出極１４に設置する。

（実施例２）
図９及び図１０を参照して、本発明の実施例２に係るスパッタイオンポンプ２０は、真空容器２１と、二本の棒状の陽極電極２２と、冷陰極電子放出体２３と、板状の二次電子放出極２４と、を含む。ここで、前記真空容器２１は、前記スパッタイオンポンプ２０の陰極として利用される。また、前記真空容器２１の外壁には電子注入孔２１１が設置される。前記二本の棒状の陽極電極２２は縦方向に沿って、前記真空容器２１の中心軸に対称して平行に設置される。また、前記棒状の陽極電極２２は所定の曲率を有し、前記棒状の陽極電極２２の曲率が前記真空容器２１の半径より１０倍程度大きく設定され、前記冷陰極電子放出体２３から注入された電子を縦方向に沿って前記真空容器２１に回転して発振させるように構成させてもよい。前記電子放出体２３は、前記真空容器２１の電子注入孔２１１の外側に設置され、前記真空容器２１に電気的に接続する。前記冷陰極電子放出２３の電子エミッタ（図示せず）は一次電子源として前記二次電子放出極２４に対向して設置される。本実施例は実施例１と比べて、前記電子注入孔２１１の中心及び前記真空容器２１の中心軸から形成された平面は、前記二本の棒状の陽極電極２２の対称面と３０°以下の角度が形成される。これによれば、注入の電子を前記真空容器２１に縦方向に沿って回転して発振させるので（図１０を参照し）、前記二次電子放出極２４へ戻る可能性が減少する。

本実施例において、前記注入の電子が二次電子放出極２４へ戻る可能性が減少することができ、電子の発振回数を増加するために、さらに実施例１の凸部と類似の構造を設置することもできる。

また、本発明において、前記注入の電子を増加するために、前記真空容器２４に複数の電子注入孔を同一線上に設置してもよい。

従って、本発明に係る冷陰極二次電子注入を利用するスパッタイオンポンプは、構成が簡単で、電極が少なく、排気量が低いので、高真空の領域に利用できる。

本発明の実施例１に係るスパッタイオンポンプの縦方向での断面図である。 本発明の実施例１に係るスパッタイオンポンプの横方向での断面図である。 本発明の実施例１に係るスパッタイオンポンプに形成された電位が横方向に分布された模式図である。 本発明の実施例１に係るスパッタイオンポンプの二次電子放出極の周辺に分布された電位の分布図である。 本発明の実施例１に係るスパッタイオンポンプに形成された電位が縦方向に分布された図である。 本発明の実施例１に係るスパッタイオンポンプに形成された電子が横方向に移動する軌道の図である。 本発明の実施例１に係るスパッタイオンポンプに形成された電子が横方向に移動する軌道の図である。 本発明の実施例１に係る電子注入の機能を有する構造を示す図である。 本発明の実施例２に係るスパッタイオンポンプの横方向での断面図である。 本発明の実施例２に係るスパッタイオンポンプに形成された電子が横方向に沿って移動する軌道の模式図である。

符号の説明

１０，２０ スパッタイオンポンプ
１１，２１ 真空容器
１１１，２１１ 電子注入孔
１２，２２ 棒状の陽極電極
１３，２３ 冷陰極電子放出体
１４，２４ 二次電子放出極

Claims (8)

1. 側壁に電子注入孔を有する真空容器と、
   前記真空容器の中心軸に対して対称になるように前記真空容器に設置された二本の棒状の陽極電極と、を含むスパッタイオンポンプにおいて、
   前記電子注入孔に対応して、前記真空容器の外側に設置された少なくとも一つの冷陰極電子放出装置を含むことを特徴とするスパッタイオンポンプ。
2. 前記冷陰極電子放出装置は、前記電子注入孔の外側に設置された冷陰極電子放出体と、前記電子注入孔に対向して設置された二次電子放出極と、を含み、
   前記冷陰極電子放出体は前記二次電子放出極に対向して設置されることを特徴とする、請求項１に記載のスパッタイオンポンプ。
3. 前記冷陰極電子放出体は、先端の形状又は薄膜の形状になることを特徴とする、請求項２に記載のスパッタイオンポンプ。
4. 前記先端の形状は炭素ナノチューブの先端の形状を含み、前記薄膜の形状はダイヤモンド又は酸化亜鉛からなる薄膜の形状を含むことを特徴とする、請求項３に記載のスパッタイオンポンプ。
5. 前記二次電子放出極は、凸面が前記電子注入孔に向かう凸部を有することを特徴とする、請求項２に記載のスパッタイオンポンプ。
6. 前記電子注入孔の中心及び前記真空容器の中心軸が形成した平面は、前記二本の棒状の陽極電極の対称面と３０°以下の角度を形成することを特徴とする、請求項１に記載のスパッタイオンポンプ。
7. 前記棒状の陽極電極は所定の曲率を有して前記真空容器の縦方向に沿って設置され、前記棒状の陽極電極の曲率が前記真空容器の半径の１０倍程度より大きく設けられることを特徴とする、請求項１に記載のスパッタイオンポンプ。
8. 複数の電子注入孔が同一線上に配列するように前記真空容器に設けられることを特徴とする、請求項１に記載のスパッタイオンポンプ。

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