JP4339948B2

JP4339948B2 - 熱陰極電離真空計

Info

Publication number: JP4339948B2
Application number: JP04803299A
Authority: JP
Inventors: 真也岩間
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: JP2000241281A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定誤差を低減し、超高真空の測定に適した熱陰極電離真空計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５を参照して従来の熱陰極電離真空計の一例を説明する。この熱陰極電離真空計は、１０^-10Torr程度までの超高真空の圧力測定に使用できるＢ−Ａ型真空計である。図５において、容器５１は、一端開口部５１ａを介して、真空チャンバを形成する容器５２に接続されている。容器５１の内部空間は真空チャンバの内部空間と連通している。容器５１の内部には、絶縁体の端壁５３に固定されたグリッド（陽極）５４とフィラメント（陰極）５５とイオンコレクタ５６が配置される。グリッド５４はコイル形態に形成され、ほぼ円筒状の形状を有する。フィラメント５５はグリッド５４の外側に配置され、線状のイオンコレクタ５６はグリッド５４の中心軸の位置に配置される。グリッド５４の２つの端子５４ａ，５４ｂ、フィラメント５５の２つの端子５５ａ，５５ｂ、イオンコレクタ５６の端子５６ａは端壁５３から外部へ引き出される。これらの端子は端壁５３に気密に固定されている。
【０００３】
グリッド５４の端子５４ａとアースの間には、バイアス電圧を与えるための第１直流電源５７と第２直流電源５８の並列回路が切替えスイッチ５９を介して接続されている。スイッチ５９の切替えによってグリッド５４へ印加されるいずれかのバイアス用直流電源が選択される。第１直流電源５７は圧力測定時のバイアス用電源であり、第２直流電源５８は、圧力測定中断時における後述する「ガス出し」時のバイアス用電源である。さらに、端子５４ａと端子５４ｂの間にはスイッチ６０を介して「ガス出し」に用いられる電流源６１が接続されている。イオンコレクタ５６の端子５６ａとアースの間には電流計６２が接続されている。フィラメント５５の端子５５ａとアースの間にはバイアス用の直流電源６３が接続され、さらに端子５５ａと端子５５ｂの間にフィラメント５５を加熱するための電流源６４が接続されている。
【０００４】
上記構成で、加熱されたフィラメント５５は熱電子を発生する。フィラメント５５から発した熱電子は、フィラメント５５とグリッド５４の電位差によって加速され、グリッド５４に向かって飛来する。その間、熱電子が、空間中のガス分子と衝突すると、ガス分子はイオン化され、アース電位に保持されたイオンコレクタ５６によって集められる。その結果、イオンコレクタ５６ではイオン電流が流れ、当該イオン電流の電流値が電流計６２によって測定される。Ｂ−Ａ型真空計の容器５１内の圧力が高いほど、熱電子とガス分子の衝突頻度が大きく、そのため、電流計６２で測定される電流値が圧力に比例することになる。従って、電流計６２で測定されるイオン電流値に真空計特有の感度係数を乗じることにより圧力値を表示することが可能となる。
【０００５】
ところで、上記の熱陰極電離真空計では、容器５１の内部の汚れ、特にグリッド５４の表面に吸着されるガス分子によって、測定された圧力値に測定誤差が生じるという不具合があった。すなわち、グリッド５４の表面に吸着されたガス分子が、フィラメント５５から放出された熱電子によってグリッド表面上でイオン化され、かかるイオンがイオンコレクタ５６に流れ込んでイオン電流として検出され、実際の値よりも圧力が高く表示され、測定誤差となるのである。この現象は「Electron Stimulated Desorption (ESD)による測定誤差」として知られている。この現象は、図６のＢ部に示されるように、ガス出し終了後に（Ａ部）、一旦低下した圧力測定値が次第に上昇するということでわかる。
【０００６】
図５に示された熱陰極電離真空計では、圧力測定の或る段階、一般的に、測定の誤差の要因が圧力測定に影響を与え始める圧力領域に達した段階で、一定の短い時間の間、グリッド５４の表面上に吸着したガス分子を強制脱離させ、いわゆる「ガス出し」と呼ばれる操作が通常行われていた。このガス出しは、グリッド表面における吸着ガス分子を脱離させるための操作である。かかるガス出しの操作には二種類の方法がある。
【０００７】
第１の方法は、スイッチ６０をオンして電流源６１によりグリッド５４に電流を流し、グリッド５４を発熱させて吸着ガス分子を脱離させる方法である（グリッド通電方式）。第２の方法は、スイッチ５９を第２直流電源５８側に接続し、通常の圧力測定時よりも高いバイアス電圧（一般的には５００Ｖ）をグリッド５４に印加し、さらにフィラメント５５の加熱用電流源６４の電力を高める方法である（電子衝撃方式）。第２の方法によれば、フィラメント５５から通常の圧力測定よりも多くの電子を取出し、通常の圧力測定よりも高い電圧で加速して熱電子をグリッド５４にぶつけ、電子衝撃エネルギによってグリッド５４を加熱してグリッドから吸着ガス分子を脱離させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のＢ−Ａ型真空計において、グリッド５４の表面におけるＥＳＤ現象の発生を抑制し、従来実施されていた「ガス出し操作」を不必要とした、測定誤差を低減させ測定精度を向上させた信頼性の高い熱陰極電離真空計を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明（請求項１に対応）に係る熱陰極電離真空計は、上記目的を達成するため、ガス分子が導入される容器の内部に、グリッドと、当該グリッドの外側に位置するフィランメントと、前記グリッドの内側に位置するイオンコレクタを備え、圧力測定時、前記グリッドと前記フィラメントは、前記グリッドが第１正電位に保たれ、前記フィラメントが第１正電位よりも小さい第２正電位に保たれるように、通電・加熱される熱陰極電離真空計において、圧力測定期間中、０．５ｍＷ／ｍｍ ² から１０ｍＷ／ｍｍ ² の範囲内に設定した単位面積当りの電力が前記グリッドに常時供給されることによって、前記グリッドは、圧力測定を中断して前記グリッド表面における吸着ガスを離脱させるためのガス出し操作が不要となっていることを特徴とする。
【００１０】
上記熱陰極電離真空計では、グリッドに対して圧力測定中に、常時、所定範囲の小さい電力を供給したため、グリッド表面が必要以上に活性化されるのを防ぎ、グリッド表面にガス分子が吸着するのを阻止できる。
【００１１】
第２の本発明（請求項２に対応）に係る熱陰極電離真空計は、ガス分子が導入される容器内のグリッドとフィランメントとイオンコレクタに対して設けられ、圧力測定時、前記グリッドを第１正電位に保つ第１電源と、前記フィラメントを第１正電位よりも小さい第２正電位に保つ第２電源と、前記フィラメントを加熱する第３電源と、イオンコレクタに流れるイオン電流を測定する電流計とからなる給電・測定回路を備えた熱陰極電離真空計において、圧力測定期間中、０．５ｍＷ／ｍｍ ² から１０ｍＷ／ｍｍ ² の範囲内に設定した単位面積当りの電力を前記グリッドに常時供給する第４電源を備えていることによって、前記グリッドは、圧力測定を中断して前記グリッド表面における吸着ガスを離脱させるためのガス出し操作が不要となっていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は本発明の代表的な実施形態を示す。図１で、図５で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。本実施形態による電離真空計は、超高真空を測定できるＢ−Ａ型真空計であり、熱陰極電離真空計の一例を示している。
【００１４】
図１において、容器５１は、一端開口部５１ａを介して、真空チャンバを形成する容器５２に連通状態で接続されている。容器５１の内部には、絶縁体の端壁５３に固定されたグリッド（陽極）５４とフィラメント（陰極）５５とイオンコレクタ５６が配置され、グリッド５４はコイル形態であって円筒状の形状を有し、フィラメント５５はグリッド５４の外側に配置され、線状のイオンコレクタ５６はグリッド５４の中心軸の位置に配置される。グリッド５４の２つの端子５４ａ，５４ｂ、フィラメント５５の２つの端子５５ａ，５５ｂ、イオンコレクタ５６の端子５６ａは気密に固定された端壁５３から外部へ引き出される。
【００１５】
グリッド５４の端子５４ａとアースの間には、バイアス電圧を与えるための直流電源１１が接続されている。さらに端子５４ａと端子５４ｂの間には電流源１２が接続されている。イオンコレクタ５６の端子５６ａとアースの間には電流計６２が接続され、フィラメント５５の端子５５ａとアースの間にはバイアス用の直流電源１３が接続され、さらに端子５５ａと端子５５ｂの間にフィラメント加熱用の電流源１４が接続されている。かかる給電・測定回路によって、グリッド５４は直流電源１１によって例えば約１８０Ｖの正電位に保持され、フィラメント５５は直流電源１３によって例えば約４５Ｖの正電位に保持されている。またフィラメント５５は電流源１４によって通電・加熱されているが、このとき電流源１４によって供給される加熱電力はフィラメント５５の熱電子による電子放出電流が比較的小さくなるように設定されている。通電・加熱されたフィラメント５５は熱電子を発生し、この熱電子は、フィラメント５５とグリッド５４の電位差によって加速され、グリッド５４に向かって飛来する。その間、熱電子が、空間中のガス分子と衝突すると、ガス分子はイオン化され、アース電位に保持されたイオンコレクタ５６によって集められる。その結果、イオンコレクタ５６ではイオン電流が流れ、当該イオン電流の電流値が電流計６２によって測定される。電流計６２で測定されるイオン電流値に真空計特有の感度係数を乗じることにより圧力値が表示される。
【００１６】
前述の電流源１２は、グリッド５４に対してグリッドの単位表面積（ｍｍ²）あたり０．５〜１０ｍＷ／ｍｍ²の範囲の電力を圧力測定中に常時供給するように設定されている。電流源１２は、グリッド５４を適度の活性化状態で常時加熱するための電源であり、グリッド表面にガス分子が必要以上に吸着されるのを防止する電源である。
【００１７】
上記のＢ−Ａ型真空計の給電・測定回路による、小電力による常時加熱の方法について説明する。
【００１８】
グリッド５４には、圧力測定の間、常時、０．５〜１０ｍＷ／ｍｍ²の範囲の電力が供給され、グリッド５４は加熱された状態にある。従来の通常のグリッドのガス出しを行うためにグリッドに供給された電力は約１５ｍＷ／ｍｍ²であるので、本実施形態による供給電力は十分に小さい電力である。０．５〜１０ｍＷ／ｍｍ²の範囲に含まれる電力をグリッド５４に供給すれば、グリッド５４の表面は必要以上に活性化されることはない。すなわち、かかる比較的小さい電力をグリッド５４に供給し続けることにより、グリッド表面に入射するガス分子はエネルギを与えられて短時間でグリッド表面から脱離することになり、その結果、グリッド表面におけるガス分子の吸着量を、所望の少ない状態に保つことが可能となる。このため、低圧力領域でフィラメント５５からの電子放出電流を低くしても、ＥＳＤ現象による圧力測定誤差を小さく抑えることができる。
【００１９】
グリッド５４に対する上記の加熱電力供給範囲は、実験で得られた図２と図３に示すデータに基づいて、最適な供給値の範囲として見出されたものである。図２と図３は脱ガス電力とＥＳＤによる測定誤差（圧力指示値の増加分）の関係を示す。ここで脱ガス電力は、電流源１２によってグリッド５４に供給される電力の意味である。図２では電子放出電流が０．４ｍＡのグラフ２１が示され、図３では電子放出電流が０．１ｍＡと１ｍＡのグラフ３１，３２が示されている。これらのグラフから明らかなように、グリッド５４に供給する電力は、０．５ｍＷ／ｍｍ²以上であることが望ましく、かつ１０ｍＷ／ｍｍ²を越えると効果が減少することが判る。
【００２０】
以上のように、圧力測定中グリッド５４に常時供給される加熱電力は、従来の通常のガス出し用の電力に比較して十分に小さいものであるので、大きな電力のグリッド加熱電源を必要としない。また従来の通常のガス出し時にように一時的に急激な圧力上昇（図６のＡ部で示した圧力上昇）がないので、圧力測定を妨げることがなく、測定対象である真空チャンバへの影響も生じない。さらに、低圧力領域でＥＳＤによる測定誤差を小さくするためにフィラメント５５において高い電子放出電流を用いる必要もない。加えて、従来のガス出しのように、ガス出し終了後に圧力指示値が上昇するという不具合も生じない。
【００２１】
上記の給電・測定回路の構成では、圧力測定の際に、従来のようなガス出しのためのスイッチをオン・オフする操作が不要になるので、操作を簡単化できるという利点を有する。
【００２２】
図４は、表面積約１００ｍｍ²のグリッドを備える熱陰極電離真空計を２つ用いて、第１の熱陰極電離真空計は本発明による構成（小電力による常時加熱）を備え、第２の熱陰極電離真空計は従来の構成（大電力による一時的加熱）を備え、実際の真空チャンバにおけるポンプダウン時の圧力測定を同時に行いながら、それらの効果の比較を行ったデータを示す。図４において、グラフ４１が第１の熱陰極電離真空計の測定結果（小電力による常時加熱）、グラフ４２が第２の熱陰極電離真空計の測定結果（大電力による一時的加熱による通常ガス出し）をそれぞれ示している。
【００２３】
第１の熱陰極電離真空計では、常時２００ｍＷの電力でグリッドの通電加熱を行った。このとき、グリッドの単位表面積（ｍｍ²）のあたりの加熱電力は２ｍＷ／ｍｍ²となる。第２の熱陰極電離真空計では、圧力降下中の適当な時点において２回それぞれ９分間ずつ１．２Ｗの電力でグリッドを通電加熱した。このとき、グリッドの単位表面積（ｍｍ²）のあたりの加熱電力は１２ｍＷ／ｍｍ²となる。
【００２４】
図４に示すごとく、第２の熱陰極電離真空計による測定結果（グラフ４２）は、ガス出し時に大きな圧力上昇を示し、さらに排気の最終過程で、第１の熱陰極電離真空計に比較して高い圧力を示す。これに対して第１の熱陰極電離真空計による測定結果（グラフ４１）は、前述のＥＳＤ現象による測定誤差が少なく、より真に近い圧力を示している。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、熱陰極電離真空計において、圧力測定中、常時、グリッドに所定範囲の電力を供給して加熱し、グリッド表面を所望の活性化状態に保つため、グリッド表面のガス分子の吸着量を少ない状態に保つことができ、その結果、ＥＳＤ現象の発生を抑制することができるため、測定誤差の少ない圧力測定を行うことができる。従来のように一時的ガス出しための大きな電力の加熱電源を必要とせず、また一時的な大電力によるガス出しに起因する急激な圧力上昇がない。さらに被測定真空チャンバの圧力の監視を連続的に行うことができる．加えて、グリッドを活性化しても被測定真空チャンバに影響を与えることがなく、低い電子放出電流での動作でもＥＳＤ現象による測定誤差の少ない圧力測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す構成図である。
【図２】脱ガス電力とＥＳＤによる測定誤差の関係の一例を示すグラフである。
【図３】脱ガス電力とＥＳＤによる測定誤差の関係の他の例を示すグラフである。
【図４】本発明による小電力による常時加熱方法と従来のガス出し方法を比較して示したグラフである。
【図５】従来のＢ−Ａ型真空計の一例を示す構成図である。
【図６】従来のＢ−Ａ型真空計の圧力測定特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１１，１３バイアス用直流電源
１２グリッド加熱用電流源
１４フィラメント加熱用電流源
５１電離真空計の容器
５２真空チャンバの容器
５４グリッド
５５フィラメント
５６イオンコレクタ
６２電流計

Claims

ガス分子が導入される容器の内部に、グリッドと、当該グリッドの外側に位置するフィランメントと、前記グリッドの内側に位置するイオンコレクタを備え、圧力測定時、前記グリッドと前記フィラメントは、前記グリッドが第１正電位に保たれ、前記フィラメントが第１正電位よりも小さい第２正電位に保たれるように、通電・加熱される熱陰極電離真空計において、
圧力測定中、０．５ｍＷ／ｍｍ ² から１０ｍＷ／ｍｍ ² の範囲内に設定した単位面積当りの電力が前記グリッドに常時供給されることによって、前記グリッドは、圧力測定を中断して前記グリッド表面における吸着ガスを離脱させるためのガス出し操作が不要となっていることを特徴とする熱陰極電離真空計。
ガス分子が導入される容器内のグリッドとフィランメントとイオンコレクタに対して設けられ、圧力測定時、前記グリッドを第１正電位に保つ第１電源と、前記フィラメントを第１正電位よりも小さい第２正電位に保つ第２電源と、前記フィラメントを加熱する第３電源と、イオンコレクタに流れるイオン電流を測定する電流計とからなる給電・測定回路を備えた熱陰極電離真空計において、
圧力測定中、０．５ｍＷ／ｍｍ ² から１０ｍＷ／ｍｍ ² の範囲内に設定した単位面積当りの電力を前記グリッドに常時供給する第４電源を備えていることによって、前記グリッドは、圧力測定を中断して前記グリッド表面における吸着ガスを離脱させるためのガス出し操作が不要となっていることを特徴とする熱陰極電離真空計。