JP5669411B2 - 冷陰極電離真空計及びそれを備えた真空処理装置並びに放電開始補助電極 - Google Patents

Description

本発明は、冷陰極電離真空計及び該冷陰極電離真空計を備える真空処理装置並びに放電開始補助電極に係り、特に、補助電極を用いた冷陰極電離真空計及びそれを備える真空処理装置並びに放電開始補助電極に関するものである。

冷陰極電離真空計は、陽極と陰極の間での自己放電により、気体の電離を誘発して、例えば、真空処理装置を構成する真空容器内の気圧を測定するものである。従来、冷陰極型電離真空計としては、ペニング型のもの、マグネトロン型のもの、逆マグネトロン型のものが知られている（特許文献１参照）。特に、マグネトロン型、逆マグネトロン型は、電子のトラップ効率が高く高真空領域においても安定した持続放電が可能な構造であるため高真空域の測定にも適している。

ところで、冷陰極電離真空計において、放電を開始させるために高電圧をかけて電離を誘発する必要がある。しかしながら、冷陰極電離真空計に対して高電圧をかける時期と、持続放電開始に伴い放電電流が流れ始める時期との間には時間の遅れが生じる。この時間の遅れは、計測開始までの時間に影響を与える。

そこで、特許文献２に記載された逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計は、陰極から光電子を放出させるのに充分な電磁放射線を直接照射する放電誘発手段を陰極に設けることで、電圧印加から持続放電開始までの放電誘発時間を短縮している。

特開平１０−１９７１１号公報 特開平０６−２６９６７号公報

特許文献２に記載された冷陰極電離真空計は、放電を誘発する誘発手段としてグローランプ、紫外線照射ランプなどの手段とそのための回路を別途設けているため、装置が複雑化してしまうという不都合がある。

また、マグネトロン型、逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計では荷電粒子のトラップ効果が高いため、真空計の容器壁面がスパッタされやすい。このため、長期間使用した場合には、ランプ表面にスパッタ膜や生成物が付着して紫外線の放射が妨げられることになる。その結果、放電開始の火種となる光電子の発生が減少し、放電が誘発されにくくなってしまうという不都合がある。

そこで、本発明は、装置が複雑化することなく、長期間使用した場合であっても、放電の誘発を短時間で行うことが可能な冷陰極電離真空計及びそれを備える真空処理装置並びに放電開始補助電極を提供することを目的とする。

本発明に係る冷陰極電離真空計は、陽極と、前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、前記放電空間内に配置され、前記陽極及び陰極の少なくとも一方と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、装置が複雑化することなく、放電の誘発を短時間で行うことが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る冷陰極電離真空計を備えた真空処理装置を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷陰極電離真空計を示す横断面図である。 図２のＦ−Ｆ線から見た断面模式図である。 図２のＥ部分を拡大して示す拡大図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷陰極電離真空計に補助電極保護板を用いた適用例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る放電開始補助電極を示す平面図及び側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る放電開始補助電極を示す平面図、側面図及び断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る冷陰極電離真空計を示す横断面図である。 図８のａ−ｂ線から見た断面模式図である。 図８のＣ部分の拡大図である。 本発明の第６の実施形態に係る放電開始補助電極を示す側面図、断面図及び正面図である。 本発明の第７の実施形態に係る放電開始補助電極を示す側面図、断面図及び正面図である。 図１２の放電開始補助電極の拡大図である。 本発明の第８の実施形態に係る放電開始補助電極の側面図、断面図及び正面図である。 本発明の第９の実施形態に係る放電開始補助電極の側面図、断面図及び正面図である。 本発明に係る冷陰極電離真空計の放電開始補助電極と補助電極保護板を用いた実施形態を示す図である。

次に、発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。以下に説明する部材、配置等は本発明を具体化した一例であって、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変できることは勿論である。

（第１の実施形態）
図１乃至４は本発明の第１の実施形態に係る真空処理装置及びその真空処理装置に取り付けられた冷陰極電離真空計を説明する図である。即ち、図１は本発明に係る冷陰極電離真空計を備えた真空処理装置の断面概略図、図２は本発明に係る冷陰極電離真空計の横断面模式図である。図３は図２のＦ−Ｆ線から見た断面模式図、図４は図２のＥ部を拡大して示す拡大図である。なお、図５は補助電極保護板（陰極補助電極保護板）を用いた適用例を示す図である。

図１に示すように真空処理装置Ｓを構成する公知の真空容器の壁面（斜線部）に冷陰極電離真空計が取り付けられている。即ち、冷陰極電離真空計は真空容器の壁面の開口部に気密を保持した状態で取り付けられている。なお、図中符号１は冷陰極電離真空計を構成する測定子容器（陰極）、符号８は接続フランジ、符号１３は真空計動作回路を示す。

本願明細書では、真空処理装置Ｓとしてスパッタリング装置を例に挙げて説明するが、本発明はこの限りではない。例えば、他のＰＶＤ装置やＣＶＤ装置などの成膜装置、若しくはアッシング装置やドライエッチング装置などにも、本発明に係る冷陰極電離真空計は好適に適用可能である。

図２は、本実施形態に係る冷陰極電離真空計の横断面模式図である。なお、図２では図１と同一部分には同一符号を付している。冷陰極電離真空計は逆マグネトロン型真空計であり、陰極（カソード）である測定子容器１と、棒状の陽極２（アノード）と、陰極である測定子容器１の外周に配置された磁場を作る磁性手段としての磁石３と、を主要な構成要素としている。

測定子容器１（陰極）は略円筒状若しくは略管状の金属部材であり、内部の一方側に放電空間９が形成されている。測定子容器１は放電空間９側の一端部が開口され、その逆側の一端部が絶縁部材６によって封止されている。開口された放電空間９側の一端部には接続フランジ８とフィルター８ａが配置されている。フィルター８ａはステンレスなどで形成され、絶縁部材６はアルミナセラミックなどの絶縁石を含んでいる。絶縁部材６には電流導入棒４が気密を保った状態で貫通して固定されている。

測定子容器１の接続フランジ８を真空容器の開口部に取り付けることにより、フィルター８ａを介して真空容器内の空間と測定子容器１内の放電空間９とが通気可能な状態になり、真空容器の内部空間の圧力を測定することができる。磁石３は、測定子容器１の外周を取り囲むようにリング状に形成して取り付けられている。磁石３としてはフェライト磁石などが好適に用いられる。

陽極２は棒状のアノード電極であり、測定子容器（陰極）１の内部に形成された放電空間９内に配置され、一端部側で電流導入棒４に接続されている。電流導入棒４は、測定子容器１の外側で真空計動作回路１３に接続されている。真空計動作回路１３には、電圧を印加する高圧電源１１と、真空計動作回路１３に流れる放電電流を測定する放電電流検出部１２が設けられている。なお、後述するが、棒状の陽極２には放電開始補助電極５（放電開始補助電極板７）が電気的に接続された状態で取り付けられている。ここで、放電開始補助電極とは、陽極や陰極に設けられた電極であって、設けられた電極と同電位になり、電界集中が起こり易くする機能を有するものを含んでいる。また、電気的接続とは、導線を介した接続や、補助電極を陰極や陽極に直接接続することを含む。

図３は放電開始補助電極５の冷陰極電離真空計への取り付け状態を示す模式図であって、図２のＦ−Ｆ線から見た断面模式図である。図４は放電開始補助電極５と測定子容器（陰極）１の壁面との関係を示すために図２のＥ部を拡大して示す。図３、図４では図２と同一部分には同一符号を付している。

放電開始補助電極５は放電開始補助電極板７を有している。放電開始補助電極板７は略リング状の部材であり、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼、ニッケル合金、高融点材料などの耐食性の高い金属薄板で形成されている。放電開始補助電極板７の厚さは１００μｍ以下が好ましく、特に１μｍ〜１０μｍに形成するのが望ましい。厚さは薄い方が、低い電圧で電子を引き出す効果が高い。

放電開始補助電極板７は、図４に示すように中心部分の開口部に陽極２を圧入して取り付けられているため、その開口部の直径は陽極２の直径よりも僅かに小さく形成されている。放電開始補助電極板７と測定子容器（陰極）１の壁面との距離は、特に制限されるものではないが、０．２ｍｍ以上とするのが好ましい。また、圧入に替えて締結部材を用いて、放電開始補助電極板７を陽極２に固定してもよい。

放電開始補助電極板７の絶縁部材６側（真空容器との接続部である接続フランジ８と対向する側）には、カーボンナノチューブ層１０が形成されている。放電空間９側の反対側（絶縁部材６側）にカーボンナノチューブ層１０を形成することで、真空容器側から侵入する荷電粒子による衝撃やスパッタ膜の付着によるカーボンナノチューブ層１０の損傷を防ぐあるいは低減することができる。カーボンナノチューブ層１０は放電開始補助電極板７の外縁部、即ち、測定子容器（陰極）１に対向する位置にもカーボンナノチューブ層が存在するように形成されている。このように構成することで、接続フランジ８側から侵入してくるパーティクルを放電開始補助電極板７がブロックすることになり、パーティクルのカーボンナノチューブ層１０への付着を防ぐあるいは低減することができる。

なお、カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ）は炭素によって作られる６員環ネットワークが単層或いは多層の同軸管状に結合された物質である。カーボンナノチューブは、一般的に、直径がナノメートルオーダーの筒状の形状、鋭い先端、大きなアスペクト比を有し、導電性を示し、電子のトンネル効果を誘発しやすい。本発明においては、カーボンナノチューブ層は電界集中を起こさせる微小な突起電極として用いられている。カーボンナノチューブ先端部への電界集中に起因して、放電の誘発を短時間で行うことが可能な本発明の優れた効果が生じる。

また、図５に示すように、放電開始補助電極５の直径より小さな内径が形成された補助電極保護板２９（陰極補助電極保護板２９）を、放電空間９内部の測定子容器１の底部に取り付けることで、真空容器側から飛来する粒子の衝突や付着によるカーボンナノチューブ層１０の損傷を効果的に防ぐあるいは低減することができる。補助電極保護板２９は、略円板状若しくは矩形状の板状の部材であり、中心部分に円形の開口２９ａが形成されている。この開口２９ａの中央部分に陽極２を差し込むように配設されている。補助電極保護板２９に形成された開口２９ａの内径は、放電開始補助電極５の直径よりも小さいため、真空容器側から侵入した荷電粒子などは、補助電極保護板２９に最初に衝突し、カーボンナノチューブ層１０に直接衝突することが低減される。

さらに、後述するように第１０の実施形態（図１６参照）で使用される補助電極保護板３０（陽極補助電極保護板３０）を、本実施形態に係る冷陰極電離真空計に適用してもよい。この場合、放電開始補助電極５より大きな直径の補助電極保護板３０を、放電開始補助電極５よりも真空容器側の陽極２に取り付けることで、真空容器側から侵入した荷電粒子などを、補助電極保護板３０に最初に衝突させることで、カーボンナノチューブ層１０に直接衝突することを抑制することができる。

ここで、放電開始補助電極板７は導電性物質であってもよい。さらに、放電開始補助電極板７は、カーボンナノチューブを支持し、カーボンナノチューブが当該放電補助電極板が取り付けられた電極に接触する構成をとることができれば、絶縁体や半導体の部材であってもよく、放電開始補助電極板７に導電性物質を使用した場合と同様の効果が得られる。例えば、放電開始補助電極板７の代わりに絶縁体や半導体を用いる場合は、該絶縁体や半導体に対して所定の方向にカーボンナノチューブが配向するような処理を施し、絶縁体や半導体上にカーボンナノチューブ層を上記所定の方向に配向させれば良い。そして、絶縁体や半導体上に形成されたカーボンナノチューブ層を陽極２および陰極としての測定子容器１の少なくとも一方に電気的に接続すれば良い。

このように、本実施形態では、放電開始補助電極板７といったカーボンナノチューブ層１０が形成される部材は導電性である必要は無く、カーボンナノチューブ層１０を支持できる支持部材であればいずれであっても良い。

さて、本実施形態では、陽極２および陰極としての測定子容器１とを近づけたり、陽極２に高電圧を印加しなくても放電を短時間で開始させるために、陽極２および測定子容器１により形成される放電空間９内において局所的に電界集中させることを本質としている。そして、該電界集中のために、放電開始補助電極５を設けており、該放電開始補助電極５による電界集中効果をさらに高めるために、放電開始補助電極５がカーボンナノチューブ層１０を含むようにし、さらに該カーボンナノチューブ層１０を陽極２（あるいは、後述のように陰極としての測定子容器１、およびその双方）に電気的に接続させている。

すなわち、本発明の一実施形態では、放電開始補助電極がカーボンナノチューブ層を有しているので、唯でさえ電界集中を実現可能な放電開始補助電極を、ナノオーダーの突起電極の集合体とすることができる。従って、陽極と陰極との間の距離を長くしたり、電極間への印加電圧をより低くしても、短時間で放電を誘発することができる。

このように、本発明の一実施形態では、放電開始補助電極がカーボンナノチューブ層を有することが大きな特徴の一つである。従って、放電開始補助電極５が放電開始補助電極板７を有することは必ずしも必要ではない。何故ならば、上述のように、放電開始補助電極５がカーボンナノチューブ層１０を有することで、電界集中効果をさらに高めることができるからである。従って、放電開始補助電極板７といったカーボンナノチューブ層１０を支持する機能を有する部材を用いなくても、例えばカーボンナノチューブ層１０を所定の方向に配向するように構成することは原理的に可能であるので、カーボンナノチューブ層１０を支持する部材（例えば、放電開始補助電極板７）を有さないように、カーボンナノチューブ層のみで放電開始補助電極５を構成しても良い。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、放電開始補助電極の構成が図３、図４と異なっている。それ以外の冷陰極電離真空計や真空処理装置の構成は図１、図２と同様である。図６（ａ）は本実施形態に係る放電開始補助電極２５を示す平面図、図６（ｂ）はその側面図である。

図６（ａ）に示すように放電開始補助電極２５を構成する放電開始補助電極板２７には中心部分に棒状の陽極２を挿通するための開口部が設けられている。その開口部の内周に沿って陽極２に取り付けるための弾性を有する支持爪２３が放射状に設けられている。支持爪２３を有することで放電開始補助電極板２７を陽極２に取り付ける際の挿入圧力を均一にでき、組み立てが容易となる他、放電開始補助電極板２７の取り付け位置の精度を向上させることができる。

また、図６（ｂ）に示すように放電開始補助電極２５は、カーボンナノチューブのコーティング層（カーボンナノチューブ層１０）を覆うように保護部材としてのコーティング保護円盤２６を貼付けて一体構造に構成されている。コーティング保護円盤２６はカーボンナノチューブ層１０の表面を保護し、更には余分な電界電子放出を抑えて安定した持続放電電流を得ることを可能とするものである。

更に、放電開始補助電極２５の着脱の際にカーボンナノチューブ層のコーティング面に損傷が生じることを防ぎあるいは低減し、組み立てや修理の際の取扱いが容易となる。コーティング保護円盤２６は、放電開始補助電極板２７と同じ材質で形成でき、厚さは放電開始補助電極板２７と同等以下とするのが好ましい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態では同様に放電開始補助電極の構成が図３、図４と異なっている。それ以外の冷陰極電離真空計や真空処理装置の構成は図１、図２と同様である。

図７（ａ）は本実施形態に係る放電開始補助電極３５を示す平面図、図７（ｂ）はその側面図、図７（ｃ）はその断面図である。本実施形態に係る放電開始補助電極３５は、２つの部材を有する放電開始補助電極板３７を備えている。つまり、放電開始補助電極板３７は、インナ電極部材３８と、その外周側に固着されたアウタ電極部材３９を有する。

即ち、放電開始補助電極板３７は、陽極２に取り付ける部分（インナ電極部材３８）の外周側に、上記実施形態に示す放電開始補助電極板７，２７としての機能を有する電極板（アウタ電極部材３９）を固着した構造を有している。このように２重構造とすることで、厚さ０．２〜５μｍ程度の放電開始補助電極板（アウタ電極部材３９）を、陽極２に容易に取り付けができるようになる。アウタ電極部材３９には図６と同様にカーボンナノチューブ層１０が形成されている。

インナ電極部材３８は、図７（ｃ）に示すように中心部分に陽極２を挿通して取り付ける開口部を有するリング状の部材であり、アウタ電極部材３９はインナ電極部材３８よりも大きな直径を有するリング状の部材である。本実施形態では、図７（ａ）に示すようにインナ電極部材３８には、図６に示した放電開始補助電極板２７と同様に弾性を有する支持爪２３が形成されているが、支持爪２３を形成せずに開口部に陽極２を圧入する構成としても良い。

アウタ電極部材３９は、インナ電極部材３８の絶縁部材６側にスポット溶接などによって取り付けられ、カーボンナノチューブ層１０はアウタ電極部材３９の絶縁部材６側に形成されている。

ここで、アウタ電極部材３９は、厚さが薄いためにカーボンナノチューブ層１０が形成されない状態であっても外周の縁部分にある程度の電界集中が生じると考えられる。また、アウタ電極部材３９を更に薄く形成し、若しくは外周の縁部分に突起を有する形状とすることで、より強い電界集中効果が期待できる。

（第４の実施形態）
次に、本発明に係る放電開始補助電極の作製方法を説明する。まず、放電開始補助電極板７，２７，３７（アウタ電極部材３９）は、フォトエッチング加工、プレス加工、レーザー加工などにより一定の厚さを有する薄板から所定形状に形成する。カーボンナノチューブ層１０は、放電開始補助電極板７，２７，３７の一つの面にカーボンナノチューブを溶かした溶媒を噴霧して、乾燥させることによって形成する。図６に示す保護部材であるコーティング保護円盤２６は放電開始補助電極板２７のカーボンナノチューブ層１０が形成された面にスポット溶接などによって固着する。

なお、図６のコーティング保護円盤２６は図７など他の実施形態の放電開始補助電極に適用しても良い。その場合には、同様に保護部材であるコーティング保護円盤２６を放電開始補助電極板のカーボンナノチューブ層１０が形成された面にスポット溶接などによって固着すれば良い。

また、カーボンナノチューブ層１０は上記方法（噴霧法）以外にも、カーボンナノチューブを溶かした溶媒に放電開始補助電極板７，２７，３７を浸漬させる方法や、ニッケルなどの金属メッキプロセスを利用する方法によっても形成することができる。メッキプロセスを利用する場合には、カーボンナノチューブを溶かした電解漕でメッキ処理を行うことで、カーボンナノチューブが分散されたメッキ層（カーボンナノチューブ層１０）を得ることができる。

次に、放電開始補助電極５，２５，３５（放電開始補助電極板７，２７，３７）の測定子容器１内の陽極２への取り付け方法を説明する。ここでは、放電開始補助電極５を陽極２に取り付ける例を説明するが、他の放電開始補助電極の場合も同様である。放電開始補助電極５を測定子容器１内の陽極２に取り付ける際には、フィルター８ａを取り外した状態で測定子容器１の開口部から放電開始補助電極５を挿入し、放電開始補助電極５の中心部分の開口部に陽極２が挿通するようにして取り付ける。これにより、図２、図４に示すように陽極２に放電開始補助電極５が固定された状態となる。

この際、放電開始補助電極５はカーボンナノチューブ層１０が絶縁部材６側になるように挿入する。これはカーボンナノチューブ層１０を荷電粒子による衝撃やスパッタ膜の付着から保護するためである。放電開始補助電極５は図２に示すように放電空間９の底部付近の位置まで挿入する。フィルター８ａは最後に装着する。

放電開始補助電極２５のように内周側に支持爪２３が形成されている場合の取り付け方法も同様である。この場合には、支持爪２３を測定子容器１の開口部側に折り曲げた状態で挿入する。折り曲げた支持爪２３は、板ばねと同様の作用により陽極２を常時内方に向けて付勢するため、放電開始補助電極２５を陽極２に対して安定的に固定することが可能となる。

陽極２に取り付けた放電開始補助電極を取り出すときには、ペンチやピンセット等の一般工具を用いて放電開始補助電極を陽極２から取り外す。支持爪２３を有する放電開始補助電極板２７の場合は、支持爪２３をペンチやピンセット等の一般工具を用いて内側に起こして陽極２から取り外す。

なお、図２に示すように放電開始補助電極５は、測定子容器１の内部に形成された放電空間９の底部と絶縁部材６との間の位置に支持されているが、放電開始補助電極５の設置場所は放電空間９内であって陽極２の存在範囲内であっても良い。その他の放電開始補助電極２５や３５の場合も同様である。

本発明の冷陰極電離真空計によれば、陽極２にカーボンナノチューブ層１０をコーティングした放電開始補助電極を取り付けることにより、装置が複雑化することなく、放電の誘発を短時間で行うことが可能となる。また、放電開始補助電極は冷陰極電離真空計に交換可能に取り付けているため、放電開始補助電極の劣化により放電が誘発されにくくなったとしても、新たな放電開始補助電極に交換することにより放電が誘発されにくい状態を解消することができる。

（第５の実施形態）
図８乃至１０は本発明の第５の実施形態に係る真空処理装置に取り付けられた冷陰極電離真空計を説明する図である。即ち、図８は本発明に係る冷陰極電離真空計の横断面模式図である。また、図９は図８のａ−ｂ線から見た断面模式図、図１０は図８のＣ部を拡大して示す拡大図である。

図８は本実施形態に係る冷陰極電離真空計の横断面模式図である。本実施形態を含む第５〜１０の実施形態は、放電開始補助電極が陰極である測定子容器１に取り付けられている点で、上述した第１〜４の実施形態とは異なっている。それ以外の冷陰極電離真空計や真空処理装置の構成は第１〜４の実施形態と同様である。図８では図２と同一部分に同一符号を付した。

本実施形態における放電開始補助電極４６は、中央部に開口部４５ａを有する略矩形状の板材である放電開始補助電極板４５を有する。放電開始補助電極板４５は、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼、ニッケル合金、高融点材料などの耐食性の高い金属薄板で形成してもよい。放電開始補助電極板４５の厚さは１００μｍ以下が好ましく、特に、開口部４５ａの周囲の厚さは５〜１０μｍ程度に形成するのが望ましい。厚さは薄い方が、低い電圧で電子を引き出す効果が高い。

放電開始補助電極板４５の外周側には、測定子容器（陰極）１に取り付けるための弾性を有するように形成された支持爪２４が設けられている。支持爪２４は弾性的に変形するものであり、放電開始補助電極板４５の外周から若干飛び出すように形成されている。支持爪２４は、測定子容器（陰極）１の内壁と接触することで、放電開始補助電極板４５を保持し、放電開始補助電極板４５に陰極と同じ電位を提供する。

放電開始補助電極板４５は、外周部分に設けられた支持爪２４が測定子容器（陰極）１の内側に接した状態で取り付けられている。即ち、弾性を有する支持爪２４が測定子容器（陰極）１の内面を外方へ付勢することで放電開始補助電極板４５が測定子容器（陰極）１内に保持されている。放電開始補助電極板４５と陽極２との距離は、特に制限されるものではないが、０．２ｍｍ以上とすることが好ましい。

また、放電開始補助電極板４５の絶縁部材６側には、図１０に示すようにカーボンナノチューブ層１０が形成されている。絶縁部材６側にカーボンナノチューブ層１０を形成することで、真空容器側から侵入する荷電粒子による衝撃やスパッタ膜の付着によるカーボンナノチューブ層１０の損傷を防ぐあるいは低減することができる。

カーボンナノチューブ層１０は放電開始補助電極板４５の開口部４５ａの内側縁部から５ｍｍ程度の幅でリング状にカーボンナノチューブを付着させることで形成されている。即ち、カーボンナノチューブ層１０は陽極２に対向する位置に存在する。

なお、カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ）は炭素によって作られる６員環ネットワークが単層或は多層の同軸管状に結合された物質である。カーボンナノチューブは、一般的に、直径がナノメートルオーダーの筒状の形状、鋭い先端、大きなアスペクト比を有し、導電性を示し、電子のトンネル効果を誘発しやすい。本発明では、カーボンナノチューブ層は電界集中を起こさせる微小な突起電極として用いている。カーボンナノチューブ先端部への電界集中に起因して、放電の誘発を短時間で行うことが可能な本発明の優れた効果が生じる。

次に、本発明に係る放電開始補助電極板４５の作製方法について説明する。放電開始補助電極板４５はフォトエッチング加工、プレス加工、レーザー加工などにより薄板から所定形状に形成する。カーボンナノチューブ層１０は、放電開始補助電極板４５の一方側の面にカーボンナノチューブを溶かした溶媒を噴霧して乾燥させることによって形成する。

カーボンナノチューブ層１０は上記方法（噴霧法）以外にも、カーボンナノチューブを溶かした溶媒に放電開始補助電極板４５を浸漬させる方法や、ニッケルなどの金属メッキプロセスを利用する方法によっても形成することができる。メッキプロセスを利用する場合には、カーボンナノチューブを溶かした電解漕でメッキ処理を行うことで、カーボンナノチューブが分散されたメッキ層を得ることができる。

次に、放電開始補助電極板４５の測定子容器（陰極）１内への取り付け方法について説明する。放電開始補助電極板４５はフィルター８ａを取り外した状態で測定子容器（陰極）１の開口側（接続フランジ８側）から取り付ける。放電開始補助電極板４５の開口部４５ａに陽極２を挿通させた状態で、図８に示すように放電空間９の底部付近の位置まで挿入する。フィルター８ａは最後に装着する。

この際、放電開始補助電極板４５は図１０に示すようにカーボンナノチューブ層１０が測定子容器（陰極）１の絶縁部材６側の段差部分（絶縁部材側の測定子容器１の壁面）１ａと僅かに離間若しくは接するように配置するのが好ましい。これは、カーボンナノチューブ層１０を荷電粒子による衝撃やスパッタ膜の付着から保護するためである。

また、放電開始補助電極板４５を測定子容器（陰極）１に取り付ける場合には、支持爪２４が測定子容器（陰極）１の開口部側に折り曲げられた状態で取り付けられる。折り曲げた支持爪２４は板ばねと同様の作用により測定子容器（陰極）１の内壁を常時外方に向けて付勢するため、放電開始補助電極板４５を測定子容器（陰極）１内の所定位置に安定的に保持することが可能となる。こうして放電開始補助電極板４５は測定子容器（陰極）１内の所定位置に保持された状態となる。

測定子容器（陰極）１に取り付けられた放電開始補助電極板４５を取り出すときには、ペンチやピンセット等の工具を用いて放電開始補助電極板４５を測定子容器（陰極）１から取り外す。この際、支持爪２４を工具によって内側に起こしてから取り外す。なお、放電開始補助電極板４５は測定子容器（陰極）１の段差部分１ａと僅かに離間又は接した位置に配置しているが、放電開始補助電極板４５の設置場所は陽極２の存在範囲内であればよい。

次に、本発明に係る放電開始補助電極板４５を用いた場合の効果について説明する。測定子容器（陰極）１にカーボンナノチューブがコーティングされた放電開始補助電極板４５を取り付けることにより、陽極２に高電圧を印加した際に陽極２に対向するカーボンナノチューブ層１０の一部から電界放出により電子が引き出される。これは、放電開始補助電極板４５の開口部４５ａの周囲に存在するカーボンナノチューブ先端が測定子容器（陰極）１のどの場所よりも電界集中が起こり易い条件となるため、電界電子放出の閾値が下がることに起因するものである。

即ち、カーボンナノチューブをコーティングした放電開始補助電極板４５を用いることで、陽極２と測定子容器（陰極）１との距離を近づけた場合と同様の効果若しくは陽極２に印加する電圧を高めた場合と同様の効果を得ることができる。従って、電界放出や二次電子放出は陽極２への高電圧印加時に発生するため、放電開始のトリガーとなる電子を効率良く供給することができる。その結果、測定子容器（陰極）１と陽極２との間に高圧電源１１による高電圧印加から持続放電開始までの時間を短縮することができる。

このように本実施形態の冷陰極電離真空計によれば、測定子容器（陰極）１側にカーボンナノチューブ層１０をコーティングした放電開始補助電極板４５を取り付けることで、より短時間で放電を誘発させることが可能となる。更に、放電開始補助電極板４５は冷陰極電離真空計に交換可能に取り付けられているため、放電開始補助電極板４５の劣化により放電が誘発されにくくなったとしても、新たな放電開始補助電極板４５に交換することで放電が誘発されにくい状態を解消することができる。

（第６の実施形態）
図１１（ａ）は本発明の第６の実施形態に係る放電開始補助電極を示す側面図、図１１（ｂ）はその断面図、図１１（ｃ）はその正面図である。以下の実施形態においても、第５の実施形態と同様の効果が得られ、各放電開始補助電極５０，５５，６０，６５は第５の実施形態と同様の製造方法及び取扱いをすることができるものとする。

また、以下の実施形態に示す全ての放電開始補助電極５０，５５，６０，６５は図８に示すように測定子容器（陰極）１の内部に着脱可能に取り付けられる。図１１では図８乃至１０と同様の部材、配置等には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。本実施形態に係る放電開始補助電極５０は、上述した放電開始補助電極板４５の開口部４５ａの内側に陽極２側に尖った鋭角突起２１を形成したものである。

鋭角突起２１の表面にカーボンナノチューブをコーティングすることにより、カーボンナノチューブによる電界電子放出効果と鋭角な突起形状による電界電子放出効果との相乗効果により、高電圧を印加してから持続放電開始までの時間を更に短縮できる。符号２４は弾性を有する支持爪である。

（第７の実施形態）
図１２（ａ）は本発明の第７の実施形態に係る放電開始補助電極を示す側面図、図１２（ｂ）はその断面図、図１２（ｃ）はその正面図である。図１２では図１１と同一部分には同一符号を付している。本実施形態に係る放電開始補助電極５５は図１１に示す放電開始補助電極５０の鋭角突起２１を屈曲させたものである。図１３は図１２（ａ）に示すように放電開始補助電極のＤ部付近を拡大して示す。

放電開始補助電極５５は図１３に示すように放電開始補助電極５５に対して４５度程度の角度で鋭角突起２２を屈曲させているが、９０度以内の任意の角度において鋭角突起２２の先端が棒状の陽極２の中心を向くため先端から放電を誘発することができる。この際、カーボンナノチューブの一部が陽極２に対向する位置に来るように鋭角突起２２の陽極２に対向する面にカーボンナノチューブ層１０が形成されている。

図１３に示すように鋭角突起２２が陽極２の軸方向に向かって屈曲していることから、鋭角突起２２の先端から引き出された電子は陽極２の軸方向に平行な磁力線に絡みやすくなり、相対的に飛行距離が伸びると考えられる。そのため、放電開始のトリガーとなる電子を効率良く供給することができる。符号２４は支持爪を示す。

（第８の実施形態）
図１４（ａ）は本発明の第８の実施形態に係る放電開始補助電極を示す側面図、図１４（ｂ）はその断面図、図１４（ｃ）はその正面図である。図１４では図１１と同一部分には同一符号を付している。本実施形態に係る放電開始補助電極６０は、図１１の放電開始補助電極５０にカーボンナノチューブ層１０を保護する保護部材としてのコーティング保護板２８を取り付けて一体構造としたものである。

コーティング保護円盤２８は放電開始補助電極６０のカーボンナノチューブ層１０が形成された面にスポット溶接などによって固着されている。放電開始補助電極６０の着脱の際にはカーボンナノチューブ層１０の保護に気を使う必要がなくなり、取扱いが容易となる。勿論、保護部材のコーティング保護円盤２８は上述の放電開始補助電極板４５、５５などに取り付けることで同様の効果を得ることができる。また、保護部材は後述する放電開始補助電極６５に取り付けても良い。

（第９の実施形態）
図１５（ａ）は本発明の第９の実施形態に係る放電開始補助電極を示す側面図、図１５（ｂ）はその断面図、図１５（ｃ）はその正面図である。図１５では図１１、図１２、図１４と同一部分には同一符号を付している。本実施形態に係る放電開始補助電極６５はアウタ電極部材６６の開口６６ａの周囲にインナ電極部材６７が取り付けられている。即ち、測定子容器（陰極）１に取り付けるアウタ電極部材６６の開口６６ａの内縁部を覆うようにインナ電極部材６７が取り付けられている。

インナ電極部材６７の中心部分の開口６７ａは陽極２を通すための開口であり、アウタ電極部材６６はインナ電極部材６７の外周側に固着されている。アウタ電極部材６６の外周には図１５（ｃ）に示すように測定子容器（陰極）１の内側に着脱可能に取り付けるための支持爪２４が形成されている。

インナ電極部材６７は上述の放電開始補助電極板４５，５０などと同様の機能を有するが、更に薄い板厚の部材から形成されている。このように２重構造とすることで、電子が放出される放電開始補助電極６５のエッジ部分（開口部６７ａの内縁部）の厚さを０．２〜５μｍ程度と、非常に薄く構成することができる。

インナ電極部材６７は、陽極２よりも大きな直径の開口部６７ａを有するリング状の部材であり、アウタ電極部材６６はインナ電極部材６７の開口部６７ａよりも大きな直径の開口６６ａを有するリング状の部材である。本実施形態では、上述のようにアウタ電極部材６６の外周側には図９に示すような放電開始補助電極板４５と同様の支持爪２４が形成されている。また、インナ電極部材６７はアウタ電極部材６６の絶縁部材６側にスポット溶接などによって取り付けられ、カーボンナノチューブ層１０はインナ電極部材６７の絶縁部材６側に形成されている。

なお、インナ電極部材６７は非常に薄いためにカーボンナノチューブ層１０が形成されない状態であっても外周の縁部分にある程度の電界集中が生じると考えられる。インナ電極部材６７を更に薄く形成することでより強い電界集中効果を期待できる。勿論、放電開始補助電極６５に保護部材のコーティング保護円盤２８を取り付け、若しくはインナ電極部材６７の開口部６７ａに鋭角突起２１を設けた構成としてもよい。

（第１０の実施形態）
図１６は本発明に係る冷陰極電離真空計において放電開始補助電極の他に補助電極保護板を用いた実施形態を示す図である。図１６は図８に示す冷陰極電離真空計の測定子容器（陰極）１に放電開始補助電極板４５と補助電極保護板３０を取り付けた状態を示すものであり、図１６（ａ）はその際に図８のａ−ｂ線から見た断面模式図、図１６（ｂ）は図８のＣ部を拡大して示す。

本実施形態では、図１６に示すように陽極２に補助電極保護板３０（陽極補助電極保護板３０）が取り付けられ、測定子容器（陰極）１側には図８と同様に放電開始補助電極４６が取り付けられている。補助電極保護板３０は、放電開始補助電極板４５の開口部４５ａよりも大きな直径を有し、放電開始補助電極板４５よりも真空容器側に取り付けられている。そのため、真空容器側から侵入した荷電粒子などは、補助電極保護板３０に最初に衝突し、カーボンナノチューブ層１０に直接衝突することがなくなる。

従って、衝撃やスパッタ膜の付着によるカーボンナノチューブ層１０の損傷をより効果的に防ぐあるいは低減することができる。勿論、放電開始補助電極５０，５５，６０，６５を備えた場合の冷陰極電離真空計に対しても補助電極保護板３０を用いることで同様の効果を得ることができる。なお、図１６では棒状の陽極２、補助電極保護板３０、放電開始補助電極４６などを示しているが、その他の構成は図８と同様である。

以上のように本発明は、装置が複雑化することなく、放電の誘発を短時間で行うことができる。

Ｓ 真空処理装置
１ 測定子容器（陰極）
２ 陽極
３ 磁石
４ 電流導入棒
５，放電開始補助電極
６ 絶縁部材
７，放電開始補助電極板
８ 接続フランジ
８ａ フィルター
９ 放電空間
１０ カーボンナノチューブ層
１１ 高圧電源
１２ 放電電流検出部
１３ 真空計動作回路

Claims (17)

1. 陽極と、
   前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
   前記放電空間内に配置され、前記陽極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
   を備え、
   前記放電開始補助電極は、前記カーボンナノチューブ層を支持するための支持部材をさらに有し、
   前記支持部材は、前記陽極に取り付けられた放電開始陽極補助電極板であり、
   前記カーボンナノチューブ層は、前記放電開始陽極補助電極板に形成され、
   前記放電開始補助電極は、前記放電開始陽極補助電極板に形成された前記カーボンナノチューブ層を覆うように保護部材を備えていることを特徴とする冷陰極電離真空計。
2. 陽極と、
   前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
   前記放電空間内に配置され、前記陽極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
   を備え、
   前記放電開始補助電極は、前記カーボンナノチューブ層を支持するための支持部材をさらに有し、
   前記支持部材は、前記陽極に取り付けられた放電開始陽極補助電極板であり、
   前記カーボンナノチューブ層は、前記放電開始陽極補助電極板に形成され、
   前記放電開始陽極補助電極板は、中心部分に前記陽極を挿通する開口部と、前記開口部の内周側に配置された弾性を有する支持爪とを備えていることを特徴とする冷陰極電離真空計。
3. 陽極と、
   前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
   前記放電空間内に配置され、前記陽極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
   を備え、
   前記放電開始補助電極は、前記カーボンナノチューブ層を支持するための支持部材をさらに有し、
   前記支持部材は、前記陽極に取り付けられた放電開始陽極補助電極板であり、
   前記カーボンナノチューブ層は、前記放電開始陽極補助電極板に形成され、
   前記カーボンナノチューブ層は、前記放電開始陽極補助電極板の前記陰極が封止された側の面にのみ形成されていることを特徴とする冷陰極電離真空計。
4. 陽極と、
   前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
   前記放電空間内に配置され、前記陽極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
   中心部分に前記陽極を挿通する開口を有し、前記陰極に取り付けられる陰極補助電極保護板と
   を備え、
   前記放電開始補助電極は、前記カーボンナノチューブ層を支持するための支持部材をさらに有し、
   前記支持部材は、前記陽極に取り付けられた放電開始陽極補助電極板であり、
   前記カーボンナノチューブ層は、前記放電開始陽極補助電極板に形成され、
   前記陰極補助電極保護板の開口の内径は前記陽極に取り付けられた前記放電開始補助電極の直径よりも小さいことを特徴とする冷陰極電離真空計。
5. 陽極と、
   前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
   前記放電空間内に配置され、前記陽極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
   を備え、
   前記放電開始補助電極は、前記カーボンナノチューブ層を支持するための支持部材をさらに有し、
   前記支持部材は、前記陽極に取り付けられた放電開始陽極補助電極板であり、
   前記カーボンナノチューブ層は、前記放電開始陽極補助電極板に形成され、
   前記放電開始陽極補助電極板は、中心部分に前記陽極を挿通する開口部を有する第１の電極部材と、前記第１の電極部材の外周側に固着された第２の電極部材とを有し、
   前記カーボンナノチューブ層は、前記第２の電極部材にのみ形成されていることを特徴とする冷陰極電離真空計。
6. 陽極と、
   前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
   前記放電空間内に配置され、前記陽極及び陰極の一方と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
   中心部分に前記陽極を挿通する開口を有し、前記陰極に取り付けられる陰極補助電極保護板と、
   を備え、
   前記陰極補助電極保護板の開口の内径は前記放電開始補助電極の直径よりも小さいことを特徴とする冷陰極電離真空計。
7. 陽極と、
   前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
   前記放電空間内に配置され、前記陽極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
   前記放電開始補助電極の取り付けられた位置からさらに、冷陰極電離真空計に接続された真空容器側の位置に取り付けられる陽極補助電極保護板と、
   を備え、
   前記陽極補助電極保護板の直径は前記放電開始補助電極の直径よりも大きいことを特徴とする冷陰極電離真空計。
8. 陽極と、
   前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
   前記放電空間内に配置され、前記陰極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
   を備え、
   前記放電開始補助電極は、前記陰極に着脱可能に取り付けられ、
   前記放電開始補助電極は、外周に弾性を有する支持爪を備え、前記支持爪が前記陰極の内面を外方に付勢することで前記陰極に保持されていることを特徴とする冷陰極電離真空計。
9. 陽極と、
   前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
   前記放電空間内に配置され、前記陰極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
   を備え、
   前記放電開始補助電極は、前記陰極に着脱可能に取り付けられ、
   前記放電開始補助電極は、前記陽極を通すための開口部を備え、前記開口部の内側縁部に突起が形成されていることを特徴とする冷陰極電離真空計。
10. 前記突起は、前記陽極の所定の方向に向かって屈曲されていることを特徴とする請求項９に記載の冷陰極電離真空計。
11. 前記放電開始補助電極は、前記陽極と対向する位置に前記カーボンナノチューブ層を有することを特徴とする請求項９に記載の冷陰極電離真空計。
12. 陽極と、
    前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
    前記放電空間内に配置され、前記陰極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
    を備え、
    前記放電開始補助電極は、前記陰極に着脱可能に取り付けられ、
    前記放電開始補助電極は、中心部分に前記陽極を通すための開口部を有する第１の電極部材と、前記第１の電極部材の外周側に固着され、前記陰極の内側に支持される第２の電極部材とを有し、前記カーボンナノチューブ層は前記第１の電極部材にのみ形成されていることを特徴とする冷陰極電離真空計。
13. 陽極と、
    前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
    前記放電空間内に配置され、前記陰極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
    を備え、
    前記放電開始補助電極は、前記陰極に着脱可能に取り付けられ、
    前記放電開始補助電極は、前記カーボンナノチューブ層が形成された部分を覆うように保護部材を備えていることを特徴とする冷陰極電離真空計。
14. 陽極と、
    前記陽極とともに放電空間を形成するように配置された陰極と、
    前記放電空間内に配置され、前記陰極と電気的に接続された、カーボンナノチューブ層を有する放電開始補助電極と、
    前記放電開始補助電極の取り付けられた位置からさらに、冷陰極電離真空計に接続された真空容器側の位置に取り付けられる陽極補助電極保護板と、
    を備え、
    前記放電開始補助電極は、前記陰極に着脱可能に取り付けられ、
    前記陽極補助電極保護板の直径は前記放電開始補助電極の開口部よりも大きいことを特徴とする冷陰極電離真空計。
15. 棒状の陽極と、前記陽極を取り囲むように設けられ、前記陽極との間の領域に放電空間を有する陰極と、前記陰極の外周に設けられた磁石と、を有する冷陰極電離真空計に用いる放電開始補助電極であって、
    カーボンナノチューブ層が形成され、外周には前記陰極に着脱可能に取り付けるための支持爪を有することを特徴とする放電開始補助電極。
16. 請求項１に記載の冷陰極電離真空計を備えることを特徴とする真空処理装置。
17. 前記放電開始補助電極は、前記カーボンナノチューブ層が形成された部材をさらに含み、
    前記カーボンナノチューブ層は、前記部材の、前記冷陰極電離真空計に接続された真空容器とは反対側に形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電離真空計。

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