JP4735052B2

JP4735052B2 - 圧力測定装置

Info

Publication number: JP4735052B2
Application number: JP2005156119A
Authority: JP
Inventors: 浩一相澤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: JP2006329880A

Description

本発明は、圧力測定装置に関するものである。

従来より、中真空から超高真空領域の圧力を測定する代表的な圧力測定装置として、熱陰極電離真空計が知られている。熱陰極電離真空計は、図６に示すように、熱電子を放出するフィラメント（熱陰極）Ｆと、電子を加速し捕集するグリッドＧと、イオンを捕集するコレクタＣとを備えており、フィラメントＦから放出された熱電子を加速して気体を電離させることによって生じるイオン電流を測定し、イオン電流量に基づいて圧力を求めるものであるが、測定圧力範囲の上限を高めたシュルツ型電離真空計でも１００Ｐａ以下でしか使用できなかった。

これに対して、熱陰極電離真空計の基本構成要素を備え、熱電子により生成されたイオンをコレクタで捕集しコレクタに流れるイオン電流に基づいて圧力を求める電離真空計動作と、電離真空計動作を行うときよりもフィラメントの温度を下げフィラメントが気体分子によって奪われた熱量に基づいて圧力を求めるピラニ真空計動作とを切り替えるように構成することにより、従来の熱陰極電離真空計よりも高い圧力領域まで使用できるようにした圧力測定装置が提案されている（特許文献１）。
特開平１０−２１３５０９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された圧力測定装置では、ピラニ真空計動作により測定圧力範囲の上限を高めているので、測定圧力範囲の上限はピラニ真空計と同様に１０^３Ｐａであり、測定圧力範囲の上限を大気圧まで広げることはできなかった。また、従来の熱陰極電離真空計や上記特許文献１に記載された圧力測定装置においては、フィラメントを通電加熱する必要があるので、消費電力が大きく、また、脱ガスの影響を受けてしまうという不具合があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、１００Ｐａから大気圧までの圧力領域において圧力を測定可能な圧力測定装置を提供することにある。

請求項１の発明は、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側とする駆動電圧が印加されたときに電子が通過する電子通過層を有し表面電極を通して電子を放出する電子源であって電子通過層が多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有する弾道電子面放出型電子源と、弾道電子面放出型電子源の表面電極に対向配置され弾道電子面放出型電子源の表面電極を低電位側として表面電極との間にアノード電圧が印加され電子を加速し捕集するアノード電極と、アノード電極に流れる電子電流を検出する電子電流検出手段と、電子電流検出手段により検出された電子電流に基づいて圧力を求める機能を有する演算手段とを備え、アノード電極が少なくともイオンを通過させるための通路を有しており、アノード電極に弾道電子面放出型電子源とは反対側で対向配置されアノード電極を高電位側としてアノード電極との間にコレクタ電圧が印加されるコレクタ電極であって弾道電子面放出型電子源から放出されアノード電極へ向う電子により電離されたイオンを収集するコレクタ電極と、コレクタ電極に流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段とを備え、演算手段は、イオン電流検出手段により検出されたイオン電流に基づいて圧力を求める機能を有し、イオン電流に基づいて求めた圧力が１００Ｐａ以下のときには当該圧力を測定値とし、イオン電流に基づいて求めた圧力が１００Ｐａよりも高いときには電子電流に基づいて求めた圧力を測定値とすることを特徴とする。

この発明によれば、電子を放出する電子源として弾道電子面放出型電子源を用いており、弾道電子面放出型電子源に対向配置されたアノード電極に流れる電子電流を検出する電子電流検出手段により検出された電子電流に基づいて圧力を求めるので、１００Ｐａから大気圧までの圧力領域において圧力の測定が可能となる。また、電子を放出する電子源としてフィラメントを用いる従来の熱陰極電離真空計や圧力測定装置に比べて低消費電力化を図れるとともに、脱ガスの影響を少なくできるという利点もある。

また、この発明によれば、圧力が１００Ｐａよりも高いときには前記アノード電極に流れる電子電流に基づいて求めた圧力を測定値として採用し、圧力が１００Ｐａ以下のときには前記コレクタ電極に流れる電流に基づいて電離真空計と同じ測定原理で求めた圧力を測定値として採用するので、大気圧から高真空まで広い圧力範囲に亘って圧力を測定することが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記弾道電子面放出型電子源における電子放出面および前記アノード電極は、面状であることを特徴とする。

この発明によれば、前記アノード電極での電子の捕集効率を高めることができるので、１００Ｐａから大気圧までの圧力領域における圧力の測定感度の高感度化を図れる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記コレクタ電極は、線状であることを特徴とする。

この発明によれば、前記弾道電子面放出型電子源から放出された電子が前記アノード電極に入射したときに軟Ｘ線が発生しても、当該軟Ｘ線が前記コレクタ電極に入射する可能性が低くなり、軟Ｘ線が前記コレクタ電極に入射したときに発生する光電子による光電子電流がイオン電流に重畳されるのを抑制できて、より低い圧力まで精度良く測定することが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記コレクタ電極の両側それぞれに、前記アノード電極と前記弾道電子面放出型電子源との組が配置されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記演算手段が前記コレクタ電極の両側の前記アノード電極それぞれに流れる電子電流を加算した加算値に基づいて圧力を求めるように構成することにより、１００Ｐａから大気圧までの圧力領域における圧力の測定感度の高感度化を図れ、また、前記コレクタ電極に捕集されるイオンの量が増えて、１００Ｐａ以下の圧力領域における圧力の測定感度の高感度化も図れるので、大気圧から高真空まで広い圧力範囲に亘って測定感度の高感度化を図れる。

請求項１の発明では、１００Ｐａから大気圧までの圧力領域において圧力の測定が可能になるという効果がある。

本実施形態の圧力測定装置は、図１（ａ）に示すように、電界放射により電子を放出する弾道電子面放出型電子源（Ballistic electron Surface-emitting Device：ＢＳＤ）１と、ＢＳＤ１の表面電極７と下部電極５との間に表面電極７を高電位側として駆動電圧を印加する駆動用電圧源Ｖｐｓと、ＢＳＤ１の表面電極７に対向配置されＢＳＤ１との間にＢＳＤ１の表面電極７を低電位側として表面電極７との間にアノード電圧が印加され電子を加速し捕集するアノード電極２０と、アノード電極２０と表面電極７との間に上述のアノード電圧を印加するアノード用電圧源Ｖａと、アノード電極２０に流れる電子電流を検出する電子電流検出手段たる第１の電流センサ２５と、第１の電流センサ２５により検出された電子電流に基づいて圧力を求める機能を有する演算手段たる演算部４０とを備える。

また、本実施形態の圧力測定装置では、上述のアノード電極２０が少なくともイオンを通過させるための通路を有しており、アノード電極２０に弾道電子面放出型電子源１０とは反対側で対向配置されアノード電極２０を高電位側としてアノード電極２０との間にコレクタ電圧が印加されるコレクタ電極３０であってＢＳＤ１から放出されアノード電極２０へ向う電子により電離されたイオンを収集するコレクタ電極３０と、コレクタ電極３０とアノード電極２０との間に上述のコレクタ電圧を印加するコレクタ用電圧源Ｖｃと、コレクタ電極３０に流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段たる第２の電流センサ３５とを備え、上述の演算部４０は、第２の電流センサ３５により検出されたイオン電流に基づいて圧力を求める機能も有し、イオン電流に基づいて求めた圧力が１００Ｐａ以下のときには当該圧力を測定値とし、イオン電流に基づいて求めた圧力が１００Ｐａよりも高いときには電子電流に基づいて求めた圧力を測定値として図示しない表示部に表示させるようになっている。なお、演算部４０は、マイクロコンピュータを主構成とし、当該マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより上記各機能を実現することができる。また、アノード電極２０の上記通路はイオンの他に電子も通過できるので、コレクタ電極３０には、アノード電極２０の上記通路を通過した電子により電離されたイオンも収集される。

ＢＳＤ１は、矩形板状の絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス基板、絶縁性を有するセラミック基板など）３の一表面上に金属膜（例えば、タングステン膜など）からなる下部電極５が形成され、下部電極５上に強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されている。なお、本実施形態におけるＢＳＤ１では、強電界ドリフト層６が電子通過層を構成している。

ＢＳＤ１の強電界ドリフト層６は、後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを行うことにより形成されており、図１（ｂ）に示すように、少なくとも、下部電極５の表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜である多数のシリコン酸化膜（絶縁膜）６４とから構成されると考えられる。ここに、各グレイン５１は、下部電極５の厚み方向に延びている（つまり、絶縁性基板３の厚み方向に延びている）。

上述のＢＳＤ１から電子を放出させるには、表面電極７が下部電極５に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極５との間に上記駆動電圧を駆動用電圧源Ｖｐｓにより印加すれば、下部電極５から強電界ドリフト層６へ注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図１（ｂ）中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ⁻の流れを示す）。ここに、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし大気中に放出される。また、ＢＳＤ１に駆動電圧を印加するとともに、アノード電極２０が表面電極７に対して高電位側となるようにアノード電極２０と表面電極７との間にアノード電圧をアノード用電源Ｖａにより印加しておけば、ＢＳＤ１が駆動電圧により駆動されて表面電極７を通して電子が放出され、表面電極７を通して放出された電子がアノード電圧により加速される。要するに、ＢＳＤ１は、表面電極７と下部電極５との間に表面電極を高電位側とする駆動電圧が印加されたときに電子が通過する電子通過層たる強電界ドリフト層６を有し表面電極７を通して電子を放出する電子源である。

ここにおいて、ＢＳＤ１では、次のようなモデルで電子放出が起こると考えらている。すなわち、表面電極７と下部電極５との間に表面電極７を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極５から強電界ドリフト層６へ電子ｅ⁻が注入される。一方、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ⁻はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図１（ｂ）中の矢印の向き（図１（ｂ）における上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルし放出される。しかして、強電界ドリフト層６では下部電極５から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。

上述の強電界ドリフト層６の形成方法の一例について説明する。

強電界ドリフト層６の形成にあたっては、まず、絶縁性基板３上に形成した下部電極５上にノンドープの多結晶シリコン層を例えばＬＰＣＶＤ法などにより形成した後、上述のナノ結晶化プロセスを行うことにより、多結晶シリコンの多数のグレイン５１（図１（ｂ）参照）と多数のシリコン微結晶６３（図１（ｂ）参照）とが混在する複合ナノ結晶層（以下、第１の複合ナノ結晶層と称す）を形成する。ここにおいて、ナノ結晶化プロセスでは、例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液よりなる電解液を用い、下部電極５を陽極とし、電解液中において多結晶シリコン層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により多結晶シリコン層の主表面に光照射を行いながら、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が１２ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を所定時間（例えば、１０秒）だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン５１およびシリコン微結晶６３を含む第１の複合ナノ結晶層を形成する。

ナノ結晶化プロセスが終了した後に、第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化する上述の酸化プロセスを行うことで、図１（ｂ）のような構成の複合ナノ結晶層（以下、第２の複合ナノ結晶層と称す）からなる強電界ドリフト層６を形成する。酸化プロセスでは、例えば、エチレングリコールからなる有機溶媒中に０．０４ｍｏｌ／ｌの硝酸カリウムからなる溶質を溶かした溶液よりなる電解液を用い、下部電極５を陽極とし、電解液中において第１の複合ナノ結晶層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を流し陽極と陰極との間の電圧が２０Ｖだけ上昇するまで第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む第２の複合ナノ結晶層からなる強電界ドリフト層６を形成するようになっている。なお、本実施形態では、上述のナノ結晶化プロセスを行うことによって形成される第１の複合ナノ結晶層においてグレイン５１、シリコン微結晶６３以外の領域はアモルファスシリコンからなるアモルファス領域となっており、強電界ドリフト層６においてグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外の領域がアモルファスシリコン若しくは一部が酸化したアモルファスシリコンからなるアモルファス領域６５となっているが、ナノ結晶化プロセスの条件によってはアモルファス領域６５が孔となり、このような場合の第１の複合ナノ結晶層は多孔質多結晶シリコン層とみなすことができる。

なお、上述の強電界ドリフト層６では、シリコン酸化膜６４が絶縁膜を構成しており絶縁膜の形成に酸化プロセスを採用しているが、酸化プロセスの代わりに窒化プロセスないし酸窒化プロセスを採用してもよく、窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となり、酸窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。

以上説明したＢＳＤ１では、表面電極７と下部電極５との間に印加する駆動電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができる。また、ＢＳＤ１は、電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電子を高い電子放出効率で放出することができ、高真空に限らず大気圧中でも電子を放出することができる。ここにおいて、アノード電極２０に流れる電子電流をアノード電流と呼ぶことにすれば、例えば、ＢＳＤ１とアノード電極２０との間の距離を２ｍｍ、ＢＳＤ１の駆動電圧を２０Ｖ、アノード電圧を１００Ｖとしたときの圧力とアノード電流の電流密度との関係は図２に示すようになる。図２から分かるように、アノード電流は、圧力が１００Ｐａ以下の圧力では圧力依存性が小さいのに対して、１００Ｐａから大気圧までの圧力領域では圧力の増加とともに減少する傾向にある。

また、本実施形態の圧力測定装置においてコレクタ電極３０にイオン電流が流れる原理は従来の電離真空計と同様の原理であり、コレクタ電極３０に流れるイオン電流は、圧力の減少につれて減少する。

ここにおいて、本実施形態の圧力測定装置では、上述のように、演算部４０が、イオン電流に基づいて求めた圧力が１００Ｐａ以下のときには当該圧力を測定値とし、イオン電流に基づいて求めた圧力が１００Ｐａよりも高いときには電子電流（アノード電流）に基づいて求めた圧力を測定値とするように構成されているので、圧力が１００Ｐａよりも高いときにはアノード電極２０に流れる電子電流に基づいて求めた圧力を測定値として採用し、圧力が１００Ｐａ以下のときにはコレクタ電極３０に流れる電流に基づいて電離真空計と同じ測定原理で求めた圧力を測定値として採用されることとなるから、大気圧から高真空まで広い圧力範囲に亘って圧力を測定することが可能となる。要するに、本実施形態の圧力測定装置では、電子を放出する電子源としてＢＳＤ１を用いており、演算部４０がＢＳＤ１に対向配置されたアノード電極２０に流れる電子電流に基づいて圧力を求める機能を有しているので、１００Ｐａから大気圧までの圧力領域において圧力の測定が可能となる。また、電子を放出する電子源としてフィラメントを用いる従来の熱陰極電離真空計や圧力測定装置に比べて低消費電力化を図れるとともに、脱ガスの影響を少なくできるという利点もある。また、ＢＳＤ１における電子放出面を面状にするとともに、アノード電極２０を全体として面状としておけば、アノード電極２０での電子の捕集効率を高めることができるので、１００Ｐａから大気圧までの圧力領域における圧力の測定感度の高感度化を図れる。なお、アノード電極２０は、少なくともイオンを通過させるための通路を設けつつも電子の捕集面積を大きくできるように全体として面状の形状とすることが望ましく、例えば、メッシュ状の形状としてもよいし、多数の微小な穴が開いた板状の形状としてもよい。

ところで、上述のようにアノード電流の電流密度は圧力が１００Ｐａから大気圧に近づくにつれて減少するが、アノード電流の電流密度はアノード電極２０とＢＳＤ１との間の距離によって変化し大気圧中では図３に示すように変化するので、１００Ｐａから大気圧の圧力領域における圧力の測定感度を高めるには、アノード電極２０とＢＳＤ１との間の距離を５ｍｍ以下に設定して、ＢＳＤ１から放出された電子がアノード電極２０に到達する前にトラップされるのを防止することでアノード電極２０での電子の捕集効率を高めることが望ましい。ここで、ＢＳＤ１とアノード電極２０との間の距離を短くすることにより、アノード電圧を低減できて低消費電力化を図れるという利点もある。

また、上述のコレクタ電極３０を図４に示すように線状の形状としておけば、ＢＳＤ１から放出された電子がアノード電極２０に入射したときに軟Ｘ線が発生しても、当該軟Ｘ線がコレクタ電極３０に入射する可能性が低くなり、軟Ｘ線がコレクタ電極３０に入射したときに発生する光電子による光電子電流がイオン電流に重畳されるのを抑制できて、ノイズが低減されるので、より低い圧力（１０^−８Ｐａ程度）まで精度良く測定することが可能となる。ここにおいて、コレクタ電極３０とアノード電極２０との間の距離は５ｍｍ以下に設定することが望ましく、コレクタ電極３０とアノード電極２０との間の距離を５ｍｍ以下に設定することにより、コレクタ電極３０におけるイオンの捕集効率を高めることができ、比較的高い圧力（１００Ｐａ程度）の圧力まで電離真空計と同様の原理で圧力を測定することができる。なお、図４に示した例では、線状のコレクタ電極３０を３本設けてあるが、コレクタ電極３０の数は特に限定するものではなく、１本でもよい。また、コレクタ電極３０の形状は線状に限らず、例えば、メッシュ状の形状でもよい。

また、図５に示すように、コレクタ電極３０の両側それぞれに、アノード電極２０とＢＳＤ１との組が配置された構成を採用し、上述の演算部４０がコレクタ電極３０の両側のアノード電極２０それぞれに流れる電子電流を加算した加算値に基づいて圧力を求めるように構成することにより、１００Ｐａから大気圧までの圧力領域における圧力の測定感度の高感度化を図れ、また、コレクタ電極３０に捕集されるイオンの量が増えて、１００Ｐａ以下の圧力領域における圧力の測定感度の高感度化も図れるので、大気圧から高真空まで広い圧力範囲に亘って測定感度の高感度化を図れる。

なお、上述のＢＳＤ１は、絶縁性基板３の上記一表面側に下部電極５を形成しているが、絶縁性基板３に代えてシリコン基板などの半導体基板を用い、半導体基板と当該半導体基板の裏面側に積層した導電性層（例えば、オーミック電極）とで下部電極を構成するようにしてもよい。

実施形態を示し、（ａ）は圧力測定装置の概略構成図、（ｂ）は弾道電子面放出型電子源の動作説明図である。同上におけるアノード電流の電流密度と圧力との関係説明図である。同上におけるアノード電流の電流密度と、弾道電子面放出型電子源とアノード電極との距離との関係説明図である。同上の他の構成例の概略構成図である。同上の他の構成例の概略構成図である。従来例を示す熱陰極電離真空計の模式図である。

符号の説明

１弾道電子面放出型電子源（ＢＳＤ）
３絶縁性基板
５下部電極
６強電界ドリフト層
７表面電極
２０アノード電極
２５第１の電流センサ
３０コレクタ電極
３５第２の電流センサ
４０演算部
Ｖｐｓ駆動用電源
Ｖａアノード用電源
Ｖｃコレクタ用電源

Claims

表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側とする駆動電圧が印加されたときに電子が通過する電子通過層を有し表面電極を通して電子を放出する電子源であって電子通過層が多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有する弾道電子面放出型電子源と、弾道電子面放出型電子源の表面電極に対向配置され弾道電子面放出型電子源の表面電極を低電位側として表面電極との間にアノード電圧が印加され電子を加速し捕集するアノード電極と、アノード電極に流れる電子電流を検出する電子電流検出手段と、電子電流検出手段により検出された電子電流に基づいて圧力を求める機能を有する演算手段とを備え、アノード電極が少なくともイオンを通過させるための通路を有しており、アノード電極に弾道電子面放出型電子源とは反対側で対向配置されアノード電極を高電位側としてアノード電極との間にコレクタ電圧が印加されるコレクタ電極であって弾道電子面放出型電子源から放出されアノード電極へ向う電子により電離されたイオンを収集するコレクタ電極と、コレクタ電極に流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段とを備え、演算手段は、イオン電流検出手段により検出されたイオン電流に基づいて圧力を求める機能を有し、イオン電流に基づいて求めた圧力が１００Ｐａ以下のときには当該圧力を測定値とし、イオン電流に基づいて求めた圧力が１００Ｐａよりも高いときには電子電流に基づいて求めた圧力を測定値とすることを特徴とする圧力測定装置。
前記弾道電子面放出型電子源における電子放出面および前記アノード電極は、面状であることを特徴とする請求項１記載の圧力測定装置。
前記コレクタ電極は、線状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧力測定装置。
前記コレクタ電極の両側それぞれに、前記アノード電極と前記弾道電子面放出型電子源との組が配置されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧力測定装置。