JP4196367B2 - Ionization gauge - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧力測定に関し、特に大気圧から高真空の動作圧力範囲の広い真空計とすることを目的としたピラニ真空計動作を可能とした電離真空計に関する。
【0002】
【従来の技術】
高真空領域を利用する各種半導体製造装置や電子デバイス製造装置では、装置の立ち上げ、メンテナンス並びに各種プロセス条件により、大気圧から高真空領域にかけての広範囲における圧力測定が必要になる。
【0003】
一般に、105 Pa〜1Pa程度の高圧力領域(低真空領域)ではピラニ真空計等の熱伝導真空計に代表される気体の輸送現象に基づく真空計が用いられている。一方、1Pa以下の低圧力領域(高真空領域)では、ベアードアルパート真空計(以下B−A型真空計と呼ぶ)に代表される電離真空計が用いられている。
【0004】
図3に示すものは、従来技術で105 Pa〜1Pa程度の高圧力領域(低真空領域)の測定に広く用いられているピラニ真空計である。このピラニ真空計はSUS304等の金属で構成された測定球容器2内にフィラメント3が配置されており、測定球容器2の上部に開口している気体導入口2aには接続フランジ2bが設けられ、真空容器1に接続される。その真空容器1内に残留する気体分子30を測定球容器2内に導入できるように構成されている。
【0005】
真空容器1内を真空排気する場合、高圧力領域では測定球容器2内に気体分子30が多量に残留するため、フィラメント3に通電して一定温度で発熱させると気体分子30の衝突によってフィラメント3から熱が奪われる。奪われる熱量は気体分子30の密度、即ち測定球容器2内の圧力に比例するので、その熱量をフィラメント通電パワーの変化から算出すると、測定球容器2内の圧力測定を行うことができる。他方、図4に示すものは従来技術で1Pa以下の低圧力領域(高真空領域)の測定に用いられるB−A型真空計である。
【0006】
図4に示すB−A型真空計は、SUS304等の金属で構成された測定球容器2内に、イオンコレクタ6、フィラメント3、グリッド4の三つの電極が配置されている。測定球容器2は、上部に開口している気体導入口2aに設けられた接続フランジ2bによって真空容器1に接続されており、そこに残留する気体分子を測定球容器2内に導入できるよう構成されている。低圧力領域(高真空領域)においてグリッド4に正のグリッド電圧を印加すると共に、フィラメント3を通電加熱すると、フィラメント3からグリッド4に向かって熱電子が放出される。この熱電子はグリッド4に到達する前にその近傍で往復運動をしながらグリッド4内に蓄積され、測定球容器2内に残留する気体分子と衝突し、電離によって正電荷のイオンが生成される。
【0007】
最終的に熱電子がグリッド4に到達すると、フィラメント3とグリッド4との間にエミッション電流が流れるが、イオンコレクタ6にフィラメント電位に対して負の電圧を印加しておくと、正電荷のイオンはイオンコレクタ6で捕捉され、イオンコレクタ6にはイオン電流が流れ込む。各電極の印加電圧を一定電圧とし、エミッション電流を定電流とすると、グリッド4の近傍で往復運動をする熱電子の密度が一定になり、生成するイオンの量が測定球容器2内の気体分子の密度、即ち圧力に比例するので、イオンコレクタ6に流入するイオン電流の大きさを測定することで測定球容器2内の圧力を測定することができる。
【0008】
【発明により解決しようとする課題】
しかしながら、このようなB−A型真空計のフィラメントは、高圧力領域(低真空領域)において、特に酸素や水分等を多量に含む雰囲気中で高温に加熱すると、フィラメント3の細りや焼損による断線を生じ、劣化を早めるおそれがある。また前述のピラニ真空計では、真空容器1の内壁からの輻射熱やフィラメント3自身の熱輻射、熱伝導による熱損失等により、低圧力領域(高真空領域)では気体分子が関与しない温度変化要因の影響が大きくなり、測定精度が悪化する。
【0009】
そこで、従来技術による大気圧から高真空領域にかけての圧力計測は、図5に示すように一つの真空容器1に105 Paから1Paの高圧力領域(低真空領域)を測定するピラニ真空計球31と、1Pa以下の低圧力領域(高真空領域)を測定する電離真空計球32が併設され、圧力範囲に応じて2台の真空計を使い分けることで広範囲の圧力測定を行っていた。
【0010】
しかしながら、上記従来技術では、図5に示すように、真空容器1に2種類の真空計を併設しなければならず、この場合、測定球2台分の設置スペースの確保が必要となる他、取付位置によって測定位置が異なることにより真空容器内の圧力を同一比較することが難しい場合もある。
【0011】
また、広範囲の圧力領域を測定する場合、加熱されたフィラメントの動作を利用する前記2種類の真空計(ピラニ真空計・電離真空計)は、1つの測定対象、例えば、真空を利用した生産装置に2種類がともに併設されることから、定期交換、または突然のフィラメントの断線による交換作業は、確実に増大し、それに伴う生産効率の低下により、総合的なコスト高につながるという問題点を生じている。
【0012】
本発明は、前記のような問題点を解決し、単一測定球で大気圧から低圧力領域(高真空領域)にかけての広範囲の圧力測定を可能とし、しかも、加熱したフィラメントの動作を利用する2種類の真空計(ピラニ真空計・電離真空計)を併設、もしくは併用した場合に比べ、フィラメントの断線頻度を著しく低減させ、耐久性を高め、長寿命で信頼性の高い真空計を提供することにある。
【0013】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、電離真空計の基本構成要素であるグリッドを、電離真空計動作用のグリッドとピラニ真空計動作用のフィラメントとして共用利用し、単一の真空計で、電離真空計動作とピラニ真空計動作との間の切り換えを行えるように構成して前記課題を解決したものである。
【0014】
即ち本発明は、真空中の気体分子をイオン化するために必要な電子を供給するためのフィラメントと、フィラメントから供給された熱電子を加速させるに必要な電位を形成するグリッド並びにイオン化された気体の正イオンを収集するイオンコレクタより構成される電離真空計において、前記グリッドをピラニ真空計におけるフィラメントの動作をも行えるように構成したことを特徴とする電離真空計である。
【0015】
つまり電離真空計動作を行えない105 Pa〜1Pa程度の高圧力領域(低真空領域)では、前記のような電離真空計の基本構成要素であるグリッドへ通電し、当該グリッド表面の温度を上げ、当該グリッドが気体分子によって奪われた熱量から圧力を測定するピラニ真空計として動作させる、すなわち、電離真空計の基本構成要素であるグリッドに、ピラニ真空計におけるフィラメントの動作を行わせるのである。
【0016】
一方、前記のようにピラニ真空計として動作させている時の圧力測定値が、電離真空計の動作が可能な圧力になったならば、グリッドをピラニ真空計におけるフィラメントとして動作させるための当該グリッドへの通電を停止し、当該グリッドを含む前記のような電離真空計の基本構成要素である各電極に、電離真空計動作に必要な電圧を印加し、フィラメントへの通電を行って熱電子を放出させ、電離真空計動作に切り替えるのである。
【0017】
【実施例】
以下に、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示し、被測定の真空容器の一部と、これに取付けられた真空計の要部構成を示す。
【0018】
図1において、1は被測定の真空容器である。測定球容器2はSUS304などの金属でできた円筒状の容器であり、フィラメント3及びグリッド4との距離を適切に保って電子軌道を最適化するために、ほぼ24mmの内径を持ち、接地ケーブルあるいは測定球容器2の取り付けられる真空容器1を通じてアース電位に保たれる。
【0019】
前記測定球容器2の上方には気体導入口2aが開口し、前記真空容器1との接続用に接続フランジ2bが設けられている。この接続には接続フランジ2bを設けることなく排気管2cをOリングシールの構造によって真空容器1に接続することもできる。前記測定球容器2の底からは絶縁体5によって絶縁された複数のピンが測定球容器2内に導入され、真空計の各電極の支持と動作電圧の印加が行われる。
【0020】
前記測定球容器2のほぼ中心軸上には、太さ約0.2mmのタングステン製のイオンコレクタ6がグリッド4のコイルのほぼ上端面に突き出るようにピン7に取り付けられる。このイオンコレクタ6を取り囲んで表面に白金がコーティングされた太さ約0.2mm、全長約180mmのモリブデン線でコイル状に作られたグリッド4が、ピン8a、8bで支持されている。
【0021】
前記グリッド4の外側には、太さ約0.1mmのトリアコートリジウム線を、高さ約12mmのヘアピン状に加工したフィラメント3が、グリッド4からの距離が2.5mmの位置にピン9a、9bに支持されて取り付けられている。
【0022】
また前記構造に対して、電気回路部が設けられている。この電気回路は、前記構造で電離真空計動作をする際に用いられる電離真空計回路10と、電離真空計動作に於ける電離真空計圧力表示部11、前記構造でピラニ真空計動作をする際に用いるピラニ真空計動作回路12とピラニ真空計圧力表示部13とからなっている。
【0023】
前記グリッド4に接続されるピン8aとピン8b間には、電離真空計動作回路10とピラニ真空計動作回路12を切り換えるための動作切換スイッチ14が設けられている。
【0024】
前記電離真空計動作回路10は、フィラメント3から熱電子を発生させるフィラメント動作用電源16、フィラメント3から放出された熱電子を蓄積するためのグリッド電位電源17、グリッド4を通電加熱するための脱ガス用電源18、グリッド4に流入する電子を一定量に制御するためのエミッション制御回路19及びイオンコレクタ6とグランド間に接続されたエミッション電流計21で構成されている。
【0025】
前記グリッド4の脱ガスは、脱ガススイッチ22によって電離真空計動作時のみ機能するようになっている。前記エミッション制御回路19は、イオンコレクタ電流計20で計測されたコレクタ電流Iiとエミッション電流計21で計測されたエミッション電流Ieを基に、フィラメント動作用電源15にフィードバックがかけられている。前記ピラニ真空計動作回路12は、動作切換スイッチ14によってグリッド4と接続された場合に機能する。
【0026】
前記構成による真空計では、大気圧から1Pa程度の高圧力領域(低真空領域)では動作切換スイッチ14を用いて、グリッド4をピラニ真空計動作回路12に接続し、前記測定球容器2の上部に開口した気体導入口2aより導入された真空容器1内に残留する気体分子は、ピラニ真空計動作回路12により加熱されたグリッド4に衝突し、グリッド4より熱を奪う。奪われる熱量は、気体分子の密度、即ち測定球容器2内の圧力に比例するので、ピラニ真空計動作回路12でグリッド4の温度を定温度に制御することで、グリッド投入パワーから圧力が計測できる。この時、グリッド4の表面温度は、大気圧雰囲気中においてグリッド4が焼損や酸化による変質、焼損による断線や細りに至らない温度範囲で通電加熱を行う。たとえば、グリッド4の表面測度を40℃〜50℃で定温度制御する。
【0027】
次にピラニ真空計圧力表示部13の表示圧力が電離真空計動作の可能な圧力に達した場合、動作切換スイッチ14を切り換えて、グリッド4を電離真空計動作回路10に接続する。ここで前記構成よりなる真空計は電離真空計動作に切り替わるため、先にピラニ真空計のフィラメントとして機能していたグリッド4は、電離真空計のグリッドとして機能し、その他各電極には、電離真空計動作に必要な電圧の印加並びに通電が開始される。
【0028】
前記フィラメント3からは、フィラメント動作電源15からのパワー供給により、熱電子が放出される。この熱電子は、グリッドによって測定球容器2内に蓄積されるが、この際、電子は測定球容器2内の気体分子と衝突し、電離によって正イオンを生成しながらグリッド4に流入する。正イオンはイオンコレクタ6で捕捉され、イオンコレクタ6にはイオン電流が流れ込む。この時の圧力は、イオン電流計20で計測したイオン電流Iiと、エミッション電流計21で計測したエミッション電流Ieを用いて、真空の圧力P=1/S・Ii/Ieの式より求められる。ここでSは測定球の感度である。
【0029】
次に、圧力が低圧力領域(高真空領域)から高圧力領域(低真空領域)に移行する際には、電離真空計圧力表示部11の圧力表示が電離真空計の測定上限圧力に達した時点で、各電極への通電と電圧印加を停止し、動作切換スイッチ14をピラニ真空計動作回路12に切り換える。
【0030】
図2は、図1に示した構成を有する真空計において、ピラニ真空計動作を行った際の圧力変化に対するグリッド4への投入パワーの変化を測定したデータである。測定データから、グリッド投入パワーが、約200mW程度変化することから大気圧から1Paにおける圧力変化を測定できることがわかる。前記データにおいて、1Pa以下でグリッド4投入パワーが一定になるが、これはグリッド4の末端からの熱伝導損失とグリッド4の表面からの熱放出損失によるものである。 前記測定では、グリッド4の表面温度を約50℃(グリッド抵抗値:約0.6Ω)で定温度制御を行った。すなわち、本発明においては、ピラニ真空計としての動作から電離真空計としての動作への切換は、グリッド温度を定温度とした時のグリッド通電パワーを検出して行う構成にすることができる。その他に、ピラニ真空計としての動作から電離真空計としての動作への切換は、グリッド通電電流を定電流制御とし、グリッド電圧を検出することで圧力を求めるように構成することも可能であり、また、グリッド電圧を定電圧制御とし、グリッド通電電流を検出することでも圧力を求めるように構成することもできる。
【0031】
逆に、本発明において、電離真空計としての動作からピラニ真空計としての動作へ切り換える場合には、電離真空計のコレクタに流れ込むイオン電流を検出して行うように構成することができる。
【0032】
本実施例では電離真空計をB−A型真空計としたが、本発明はグリッドが通電加熱可能な構造であれば、その他の電離真空計、例えばエクストラクタ型電離真空計、または熱フィラメントを用いないコールドカソードゲージ等にも同様に適用することができる。
【0033】
【発明の効果】
本発明の電離真空計では、該電離真空計の基本構成要素であるグリッドを、電離真空計動作用のグリッドとピラニ真空計動作用のフィラメントとして共用利用し、切り換えが行えるように構成したことで、大気圧から高真空の広い圧力範囲の測定が単一測定球で行うことができると共に、単一測定球としたことで、真空容器への設置作業性の向上並びに測定球の設置スペースやコストを最小に抑えられるなどの効果がある。
【0034】
特に、高圧力領域(低真空領域)では、フィラメントに比べ耐久性があり、通電加熱可能な機能を有するグリッドでピラニ真空計動作を行うことにより、断線の頻度が著しく低減し長寿命化がはかられ、しかも、測定対象に対する取り付け位置の違いから生じる圧力差の問題も、単一測定球で広範囲の圧力領域が測定できるため解消され、信頼性を著しく向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電離真空計の実施の形態を示す構成図。
【図2】同じく電離真空計において、ピラニ真空計動作を示す、圧力変化に対するグリッド投入パワーの変化を測定したグラフ。
【図3】従来のピラニ真空計の概略構成図。
【図4】従来の電離真空計の概略構成図。
【図5】従来の大気圧から高真空にかけての広い圧力範囲の測定をする場合の真空計の構成図。
【符号の説明】
1 真空容器
2 測定球容器
2a 気体導入口
2b 接続フランジ
2c 排気管
3 フィラメント
4 グリッド
5 絶縁体
6 イオンコレクタ
7、8a、8b、9a、9bピン
10 電離真空計動作回路
11 電離真空計圧力表示部
12 ピラニ真空計動作回路
13 ピラニ真空計圧力表示部
14 動作切換スイッチ
15 フィラメント動作用電源
16 フィラメント電位電源
17 グリッド電位電源
18 脱ガス用電源
19 エミッション制御回路
20 イオンコレクタ電流計
21 エミッション電流計
22 脱ガススイッチ
30 気体分子
31 ピラニ真空計球
32 電離真空計球[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to pressure measurement, and more particularly to an ionization vacuum gauge that enables Pirani vacuum gauge operation for the purpose of providing a vacuum gauge with a wide operating pressure range from atmospheric pressure to high vacuum.
[0002]
[Prior art]
In various semiconductor manufacturing apparatuses and electronic device manufacturing apparatuses that use a high vacuum region, pressure measurement in a wide range from atmospheric pressure to high vacuum region is required depending on start-up, maintenance, and various process conditions.
[0003]
Generally, in a high pressure region (low vacuum region) of about 10 5 Pa to 1 Pa, a vacuum gauge based on a gas transport phenomenon typified by a heat conduction vacuum gauge such as a Pirani vacuum gauge is used. On the other hand, in a low pressure region (high vacuum region) of 1 Pa or less, an ionization vacuum gauge represented by a Baird Alpert vacuum gauge (hereinafter referred to as a BA type vacuum gauge) is used.
[0004]
What is shown in FIG. 3 is a Pirani vacuum gauge widely used in the measurement of a high pressure region (low vacuum region) of about 10 5 Pa to 1 Pa in the prior art. In this Pirani vacuum gauge, a
[0005]
When the
[0006]
In the BA type vacuum gauge shown in FIG. 4, three electrodes of an
[0007]
When the thermoelectrons finally reach the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the filament of such a BA type vacuum gauge is heated to a high temperature in a high pressure region (low vacuum region), particularly in an atmosphere containing a large amount of oxygen, moisture, etc., the
[0009]
Therefore, the pressure measurement from the atmospheric pressure to the high vacuum region according to the prior art is performed by measuring a high pressure region (low vacuum region) from 10 5 Pa to 1 Pa in one
[0010]
However, in the above prior art, as shown in FIG. 5, two types of vacuum gauges must be provided in the
[0011]
In the case of measuring a wide pressure range, the two types of vacuum gauges (Pirani vacuum gauge and ionization vacuum gauge) that use the action of a heated filament are one measuring object, for example, a production apparatus using a vacuum. As both types are installed together, periodic replacement or replacement work due to sudden filament breakage will surely increase, resulting in a problem of total cost increase due to a decrease in production efficiency. ing.
[0012]
The present invention solves the above-mentioned problems, enables a wide range of pressure measurement from atmospheric pressure to low pressure region (high vacuum region) with a single measuring sphere, and utilizes the operation of a heated filament. Compared to the case where two types of vacuum gauges (Pirani vacuum gauge and ionization vacuum gauge) are installed or used together, the filament breakage frequency is significantly reduced, durability is improved, and a long-life and highly reliable vacuum gauge is provided. There is.
[0013]
[Means for solving the problems]
The present invention uses a grid, which is a basic component of an ionization vacuum gauge, as a grid for ionization vacuum gauge operation and a filament for Pirani vacuum gauge operation, and a single vacuum gauge, ionization vacuum gauge operation and Pirani vacuum The present invention solves the above-mentioned problems by switching between metering operations.
[0014]
That is, the present invention provides a filament for supplying electrons necessary for ionizing gas molecules in a vacuum, a grid for forming a potential necessary for accelerating the thermal electrons supplied from the filament, and an ionized gas. In the ionization vacuum gauge constituted by an ion collector for collecting positive ions, the grid is configured so that the operation of the filament in the Pirani vacuum gauge can also be performed.
[0015]
In other words, in the high pressure region (low vacuum region) of about 10 5 Pa to 1 Pa where ionization vacuum gauge operation cannot be performed, the grid, which is the basic component of the ionization vacuum gauge as described above, is energized to raise the temperature of the grid surface. The grid is operated as a Pirani vacuum gauge that measures pressure from the amount of heat deprived by gas molecules, that is, the grid, which is a basic component of the ionization vacuum gauge, operates the filament in the Pirani vacuum gauge.
[0016]
On the other hand, if the pressure measurement value when operating as a Pirani gauge as described above becomes a pressure at which the ionization gauge can operate, the grid for operating the grid as a filament in the Pirani gauge The voltage necessary for the operation of the ionization gauge is applied to each electrode, which is the basic component of the ionization gauge as described above, including the grid, and the filament is energized to supply thermionic electrons. Release and switch to ionization gauge operation.
[0017]
【Example】
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, showing a part of a vacuum container to be measured and a configuration of a main part of a vacuum gauge attached thereto.
[0018]
In FIG. 1, 1 is a vacuum vessel to be measured. The measuring
[0019]
A
[0020]
An
[0021]
On the outside of the
[0022]
An electric circuit portion is provided for the structure. This electric circuit includes an ionization
[0023]
Between the
[0024]
The ionization vacuum
[0025]
The degassing of the
[0026]
In the vacuum gauge having the above-described configuration, the
[0027]
Next, when the display pressure of the Pirani vacuum gauge
[0028]
Thermal electrons are emitted from the
[0029]
Next, when the pressure shifts from the low pressure region (high vacuum region) to the high pressure region (low vacuum region), the pressure display of the ionization vacuum gauge
[0030]
FIG. 2 is data obtained by measuring a change in power applied to the
[0031]
On the contrary, in the present invention, when switching from the operation as the ionization vacuum gauge to the operation as the Pirani vacuum gauge, the ion current flowing into the collector of the ionization vacuum gauge can be detected and performed.
[0032]
In this embodiment, the ionization vacuum gauge is a B-A type vacuum gauge. However, in the present invention, other ionization vacuum gauges such as an extractor type ionization vacuum gauge or a hot filament may be used as long as the grid can be heated by energization. The same can be applied to a cold cathode gauge that is not used.
[0033]
【The invention's effect】
In the ionization vacuum gauge of the present invention, the grid, which is a basic component of the ionization vacuum gauge, is commonly used as a grid for operating the ionization vacuum gauge and a filament for operating the Pirani vacuum gauge, and can be switched. In addition to being able to perform measurement over a wide pressure range from atmospheric pressure to high vacuum with a single measurement sphere, the single measurement sphere improves installation workability in the vacuum vessel and the installation space and cost of the measurement sphere There are effects such as minimizing.
[0034]
In particular, in the high pressure region (low vacuum region), the Pirani vacuum gauge operation is performed with a grid that is more durable than the filament and has a function that can be heated and energized, thereby significantly reducing the frequency of disconnection and extending the service life. In addition, the problem of the pressure difference caused by the difference in the mounting position with respect to the measurement object is also eliminated because a wide pressure range can be measured with a single measurement ball, and the reliability is remarkably improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of an ionization vacuum gauge according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing changes in the power supplied to the grid with respect to pressure changes, showing the operation of the Pirani gauge in the same ionization gauge.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a conventional Pirani gauge.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a conventional ionization vacuum gauge.
FIG. 5 is a configuration diagram of a vacuum gauge in the case of measuring a wide pressure range from a conventional atmospheric pressure to a high vacuum.
[Explanation of symbols]
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