JP6131113B2 - 冷陰極電離真空計及び内壁保護部材 - Google Patents

冷陰極電離真空計及び内壁保護部材 Download PDF

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Description

本発明は、冷陰極電離真空計及び冷陰極電離真空計の陰極の内壁を保護する内壁保護部材に関する。
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、冷陰極電離真空計は使用に伴う自己スパッタリング効果によって、測定子容器の内壁に容器材料を主成分とした絶縁性の膜が生成することが知られている。該内壁に絶縁性の膜が生じると放電が阻害され、圧力測定精度が低下するおそれがあるため、定期的なメンテナンスが必要である。
そこで、特許文献2に記載された冷陰極電離真空計は、測定子容器の内側を覆うように組みつけられた筒状のスペーサによってカソード(測定子容器)内壁への絶縁性の膜の付着を防いでいる。また、放電特性を改善する点火補助具を、円筒状のスペーサと金属ブロックによって挟み込んで支持する構造によってメンテナンス性の向上が図られている。上記筒状のスペーサは、ステンレス鋼等の金属材料である。
特開平10−19711号公報 特開2008−304361号公報
上述のように、特許文献2に開示された技術においては、放電空間で発生するプラズマによるスパッタ作用や該スパッタによる付着物の生成から測定子容器の内壁を保護するために、筒状のスペーサを設けている。すなわち、中空部を有する、カソードとしての測定子容器の内壁を覆うようにスペーサが設けられており、アノードとしての軸電極がスペーサの中空部に挿入されている。よって、該筒状のスペーサの中空部が放電空間となる。しかしながら、該スペーサは、高い剛性が求められており、その厚みが厚くなっている。従って、厚いスペーサの分だけ放電空間が小さくなる。よって、スペーサが無い形態における放電空間を確保するためには、厚いスペーサを考慮して測定子容器の径を大きくしなければならず、装置の大型化に繋がってしまう。すなわち、所定の放電空間を得るためには、厚いスペーサの分だけ測定子容器を大きくする必要がある。
また、筒状のスペーサの径が設計値よりも小さい場合、スペーサがガタついてしまうことがある。このようなガタつきの原因となる、スペーサと測定子容器の内壁との間に形成された隙間を埋めるようにO−リングなどを用いて、スペーサのアライメントを行なわなければならない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、所定の放電空間を形成するにあたり装置の大型化を低減し、測定子容器の内壁への付着を低減するための部材のガタつきの低減を簡便に実現することが可能な冷陰極電離真空計及び内壁保護部材を提供することにある。
本発明の一態様によれば、放電空間を形成すべく一方の電極を円筒状の他方の電極が囲むように配置された2つの電極と、前記放電空間に配置され、前記他方の電極の周方向の内壁面を保護する電極保護部材と、を備え、前記電極保護部材は、導電性を有する板状の弾性部材を前記内壁面の前記周方向の形状に沿って円筒形状に弾性変形させた保護部を有し、前記保護部による付勢力が前記内壁面に印加されることによって、前記保護部は前記他方の電極に係止されていることを特徴とする冷陰極電離真空計が提供される。
本発明の他の態様によれば、一方の電極を円筒状の他方の電極が囲むように配置された2つの電極の間の放電空間に配置され、前記他方の電極の周方向の内壁面を保護する電極保護部材であって、前記電極保護部材は、導電性を有する板状の弾性部材である保護部を有し、前記保護部は、前記放電空間に配置された際に、前記内壁面の前記周方向の形状に沿って円筒形状に弾性変形し、前記保護部による付勢力が前記内壁面に印加されることによって、前記保護部は前記他方の電極に係止されていることを特徴とする電極保護部材が提供される。
本発明によれば、所定の放電空間を形成するにあたり装置の大型化を低減し、測定子容器の内壁への付着を低減するための部材のガタつきの低減を簡便に実現することができる。
本発明の一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概略図である。 本発明の一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III−III線矢視断面模式図である。 (a)、(b)は、本発明の一実施形態に係る内壁保護部材の説明図である。 (a)、(b)は、本発明の一実施形態に係る内壁保護部材を測定子容器に取り付ける手順を示す説明図である。 (a)、(b)は、本発明の一実施形態に係る内壁保護部材の構成例を示す図である。 本発明の一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。
以下、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乃至図6は本発明の第1の実施形態に係る真空処理装置及びそれ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。また、図3は図2のIII−III線から見た断面図(矢視図)、図4(a)、(b)は内壁保護部材の概略図、図5(a)、(b)は内壁保護部材を測定子容器に取り付ける手順を示す説明図、図6は内壁保護部材の他の構成例を示す図である。
図1に示すように真空処理装置Sが備える真空容器101の壁面に、本実施形態に係る冷陰極電離真空計100が取り付けられている。即ち、冷陰極電離真空計100は、真空容器101の壁面の開口部分に気密を保持した状態で取り付けられている。なお、図中の符号1は冷陰極電離真空計100が備える測定子容器(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の例としてスパッタリング装置を説明するが、本発明はこの限りではない。例えば、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の冷陰極電離真空計は好適に適用できる。
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、図3は図2のIII−III矢視断面図である。なお、図2,図3では図1と同一部分には同一符号を付している。本実施形態に係る冷陰極電離真空計100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、を構成要素として有している。
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、測定子容器(陰極)1の中空部の内壁面7に囲まれた空間に放電空間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が設けられている。フィルター8aはステンレスメッシュなどで形成され、絶縁部材6はアルミナセラミックなどの絶縁石から構成されている。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。また、フィルター8aに隣接する位置には磁場を調整するポールピース14が配置されている。
測定子容器(陰極)1の接続フランジ8を真空容器の開口部分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101内の空間と測定子容器(陰極)1内の放電空間9とが通気可能な状態になり、真空容器101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(陰極)1の外周側を取り囲むようにリング状に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の永久磁石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内部に形成された放電空間9内に配設され、一端部側が電流導入棒4に接続されている。電流導入棒4は、測定子容器(陰極)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。また、測定子容器1の内側には内壁に沿って、上記内壁面7を保護する電極保護部材としての内壁保護部材5が設けられている。
図4(a)、(b)は、内壁保護部材5の拡大図であり、図4(a)は、内壁保護部材5の、測定子容器(陰極)1に取り付ける前(例えば、保存される状態)の斜視図であり、図4(b)は、内壁保護部材5の測定子容器(陰極)1に取り付けた後の斜視図であって、内壁保護部材5以外の部材を省略した図である。内壁保護部材5は、導電性を有し、測定子容器(陰極)1の内壁面7の形状に沿って弾性変形が可能である部材である。例えば、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を内壁保護部材5として用いることができる。図4(a)に示されるように、内壁保護部材5は、板状の保護部5aと、該保護部5aの一方端5cにおいて、保護部5aの面内の法線方向に延在するトリガ電極部5bとを有している。
内壁保護部材5は、ばね性(弾性)を有する板状材料であるため、図4(b)に示すように測定子容器1の内壁面7の形状に合わせて変形させてから測定子容器1の内部に挿入される。すなわち、保護部5aの一方端5cと保護部5aの他方端5dとが接触するように保護部5aを変形させて、トリガ電極部5bが内側になるような円筒形状を形成し、この状態で測定子容器(陰極)1の中空部に挿入すると、内壁保護部材5は、ばね性による復元力によって保護部5aが広がろうとする力(付勢力)によって測定子容器1の内側(内壁面7)に係止される。すなわち、内壁保護部材5は、測定子容器(陰極)1により囲まれた放電空間9に面する測定子容器(陰極)1の壁面(内壁面7)を覆い、上記付勢力によって、内壁面7の周方向に沿って弾性変形した状態で測定子容器(陰極)1に係止される。よって、上記付勢力によって内壁保護部材5は内壁面7に当接することになり、該内壁保護部材5は測定子容器(陰極)1と電気的に接続される。その結果、図3に示すように、測定子容器1の内壁面7は、内壁保護部材5により覆われることになり、自己スパッタリング効果により内壁面7への絶縁物の付着を防止、ないしは低減することができる。また、この係止状態においては、内壁保護部材5による付勢力が自発的に常に内壁面7に印加されているので、内壁保護部材5と内壁面7との間を隙間無く密着させること、ないしは該隙間を低減することができる。内壁保護部材5の表面にカーボンナノチューブや合成ダイヤモンドなどを成膜することで、放電開始を補助するトリガ機能を増加できる。
(内壁保護部材の詳細な説明)
内壁保護部材5は、測定子容器1の内壁面7を覆うように配置される保護部5aと、保護部5aの端部に設けられた突起状部材であるトリガ電極部5bとを有している。測定子容器(陰極)1と陽極2との間で起こった放電によりプラズマが生成されるのだが、トリガ電極部5bは、上記放電を開始し易くするための部材である。上記トリガ電極部5bは、内壁保護部材5が内壁面7に係止された状態(内壁面7を覆っている状態)で陽極2に向かって張り出すように、保護部5aに接続されている。また、保護部5aとトリガ電極部5bとは、同一の部材(一体もの)であっても良いし、別個の部材であっても良い。同一の部材である場合は、例えば、板状のSUS304の縁部を折り曲げることにより、トリガ電極部5bを形成しても良い。保護部5aとトリガ電極部5bとを別個の部材とする場合は、導電性を有し、測定子容器(陰極)1の内壁面7の形状に沿って弾性変形される保護部5aの面内の一領域(例えば、少なくとも1端部、対向する端部の間のいずれかの領域など)に、導電性を有するトリガ電極部5bを設ければ良い。
なお、内壁面7を保護するだけであれば、上記トリガ電極部5bを設けなくても良いことは言うまでもない。
本実施形態では、保護部5aは矩形状の板状部材であり、導電性の高い高融点材料である。保護部5aの厚さは0.1mm程度であるが、作業者によって容易に変形できる程度の強度であればよい。すなわち、保護部5aには、導電性を有し、かつ弾性変形することが求められている。保護部5aは矩形状の平板であるが、真空容器101内壁と内壁保護部材5との間の領域からの排気速度を早めるために、保護部5aに開口を設けても良い。
トリガ電極部5bは、測定子容器(陰極)1への係止時に陽極2に向かって張り出している。トリガ電極部5bの陽極2に対向する先端が尖っている方が低い電圧で電子を引き出す効果が高い。同様に、トリガ電極部5bの陽極2に対向する部分の厚さは100μm程度が好ましく、特に、トリガ電極部5bの陽極2に対向する先端部分はさらに薄く形成されるのが望ましい。厚さが薄い方が、低い電圧で電子を引き出す効果が高いためである。また、トリガ電極部5bの個数は1つに限らず、複数設けられていても良い。この場合は、例えば、図4(a)において、保護部5a上において、保護部5aの一方端5cに設けられたトリガ電極部5bとは別の位置に、他のトリガ電極部5bを設ければ良い。
本実施形態では、内壁保護部材5のトリガ電極部5bは、保護部5aの一方の端部が直角(保護部5aの面内の法線方向)に折り曲げられた部分であり、測定子容器(陰極)1に取り付けられた状態で、保護部5aから放電空間9の中心に向かって延びるように設けられている。そのため、放電空間9の中心に近い領域で放電させることができ、より確実な放電の開始を行うことができる。なお、トリガ電極部5bの延在方向は、上記法線方向に限らない。本実施形態では、測定子容器(陰極)1よりも放電空間9の中心側で放電トリガを形成できれば良く、保護部5aの面内方向から所定の角度をなす方向にトリガ電極部5が延在していれば、測定子容器(陰極)1よりもその内側(陽極2側)にて放電を開始することができる。よって、これが実現できる方向である保護部9aの面内方向から所定の角度をなす方向であれば、トリガ電極部5bの延在方向として採用することができる。すなわち、測定子容器(陰極)1に取り付けられた際に、該測定子容器(陰極)1の中空部の内側に延在するようにトリガ電極部5bが延在すれば良いのである。また、トリガ電極部5bを幅の狭い板状とすることで、放電空間9内の電界不均一を最小限に抑えることができ、トリガ電極部5bを設置したことによる放電特性の影響を最小限に抑えることができる。
上述のトリガ電極部5bは陽極2に対向する先端が直線状に形成されているが、先端に突起を形成しても良い。例えば、内壁保護部材5が測定子容器(陰極)1に取り付けられたときに、1つ若しくは複数の突起が陽極2の軸方向(長手方向)に並ぶ構成でもよい。ただし、長期間の使用によって真空計測定子内部へのスパッタ膜や生成物が付着した場合であっても、放電の誘発を短時間で行うためには複数の突起がトリガ電極部5bに形成される方が望ましい。
(内壁保護部材の取り付け・取り外し手順)
図5(a)、(b)は内壁保護部材5を測定子容器1に取り付ける手順を示す説明図である。図5(a)に示すように、陽極2が測定子容器(陰極)1の中空部に挿入され、磁石3が放電空間9となる空間を取り囲むように設けられた構成を用意する。次いで、図4(a)の状態で保存されている内壁保護部材5を、図4(b)のように変形させて、フランジ側のポールピース14が取り外された測定子容器1内に挿入することで、内壁保護部材5は測定子容器1に取り付けられる。次いで、ポールピース14およびCリング15を設けることにより、図5(b)に示すように冷陰極電離真空計100が形成される。なお、内壁保護部材5の長手方向の長さL1と、測定子容器1の中空部における放電空間9の長手方向の長さL2とを同じ長さに設定すれば、内壁保護部材5の位置出しを容易に行うことができる。
上述のように、本実施形態では、自己スパッタリング効果により生じた粒子が内壁面7に付着することを低減するために、導電性を有し、内壁面7の形状に沿って弾性変形することで測定子容器(陰極)1に電気的に接続された内壁保護部材5を用いている。すなわち、本実施形態では、内壁面7を保護する部材に対して剛性は要求されておらず、むしろその逆で弾性変形することが求められている。従って、内壁保護部材5の厚みを厚くする必要がなく、その厚みを薄くすることができる。従って、所定サイズの放電空間を形成するにあたり、実質的に放電空間9を区画する内壁保護部材5の厚さを薄くできるので、測定容器(陰極)1の大型化を低減することができ、装置の大型化を低減することができる。
また、内壁保護部材5を図4(a)の状態から図4(b)の状態に変形させて測定子容器(陰極)1の中空部に挿入した際に、内壁保護部材5と内壁面7との間に空間(隙間)が形成されていても、保護部5aの弾性変形による付勢力により内壁保護部材5が外側に広がることで、上記空間が潰されることになる。その結果、内壁保護部材5と内壁面7とが接する領域が形成され、該接する領域においては、内壁保護部材5は、上記付勢力を内壁面7に対して印加することになる。円筒状に弾性変形された内壁保護部材5は円筒の中心から径方向に向かって広がろうとするので、上記力は、内壁面7にとっては、測定子容器1の中空部の円周方向の全域に亘って印加されることになる。該力によって、内壁保護部材5は測定子容器(陰極)1に保持されることになる。すなわち、本実施形態では、弾性変形による付勢力は、内壁保護部材5を内壁面7に保持するための保持力としても機能する。このように、本実施形態では、内壁保護部材5が内壁面7に対して自立的に接触し、かつ内壁保護部材5が内壁面7に対して保持力としての付勢力を印加しているので、内壁保護部材5を内壁面7に対して安定して係止させることができる。すなわち、ガタつきを抑えるための部材を設けなくても、内壁保護部材5の測定子容器(陰極)1への装着時のガタつきを低減することができる。
また、本実施形態では、図4(b)のように変形させた内壁保護部材5を、測定子容器(陰極)1内の放電空間9に相当する領域に挿入するだけで、内壁保護部材5が弾性変形により広がることで自立してアライメントをしてくれる。よって、製造誤差などにより、内壁保護部材5の長手方向の長さL1にバラツキがあっても、上記ガタつきを抑えた状態で内壁保護部材5を内壁面7に対して良好に係止させることができる。
さて、特許文献2に記載された冷陰極電離真空計は、円筒状のスペーサや金属ブロックと、測定子容器の内側との間に隙間ができると、該隙間からのガスによって測定精度が低下することから、構成部品に高い寸法精度が要求される。そのため、コスト低減が困難であるという問題がある。
これに対して本実施形態では、図4(b)に示すような測定子容器(陰極)1への係止時の内壁保護部材5は常に広がろうとしており、内壁保護部材5と内壁面7との間の隙間を小さくするように内壁保護部材5は機能している。よって、内壁保護部材5を内壁面7に対して密着させることができ、測定精度の低下の原因となるガス溜まりの形成を低減することができる。また、上述のように、内壁保護部材5は、上記広がりの結果、安定した位置で自らその広がりを止める。よって、内壁保護部材5の寸法精度が高くなくても、自身の寸法(長さL1)に応じて自ら最適な位置に位置決めする。よって、内壁保護部材5の寸法精度が高くなくても、良好に内壁保護部材5を係止させることができるので、コストを低減することができる。
(第2の実施形態)
図6(a)、(b)は、内壁保護部材の他の構成例であり、図4(a)、(b)に図示された内壁保護部材に替えてこの内壁保護部材を用いることができる。図6(a)は、測定子容器(陰極)1に取り付ける前の状態(例えば、保存される状態)の内壁保護部材60の斜視図である。図6(b)は、内壁保護部材60の測定子容器(陰極)1に取り付けた後の斜視図であって、内壁保護部材60以外の部材を省略した図である。この内壁保護部材60は、導電性を有し、かつ弾性変形可能な矩形状の薄い板部材を複数個所で折り曲げて構成したものである。
内壁保護部材60の折り曲げられた部分のうち、図6(b)に示すように変形させた際に陽極2に接近する部分61がトリガ電極部として作用する。また、図6(b)において、上記折り曲げられた部分のうち外側に向いている部分62は、測定子容器(陰極)1に当接する。すなわち、部分62は、内壁保護部材60が測定子容器(陰極)1に係止された状態で、内壁面7に接触する凸部である。本実施形態では、該凸部としての部分62を有しているので、内壁保護部材60と内壁面7との間に隙間が形成されるため、内壁面7と内壁保護部材60との間の領域を素早く真空排気できる。なお、本実施形態に部分62は、鋭角に折り曲げられた凸部であるが、凸部の先端を扁平もしくは湾曲形状にしても良い。
(第3の実施形態)
図7は本発明の第3の実施形態に係る冷陰極電離真空計200の断面概略図である。上述した第1の実施形態と同様の構成や部材には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。本実施形態に係る冷陰極電離真空計200は、絶縁部材7で固定されたピラニゲージフィラメント31を内蔵した、いわゆる複合型真空計であり、低真空から中真空領域ではピラニ真空計として計測し、中真空から高真空領域を冷陰極電離真空計として計測することで、低真空から高真空まで測定することができるように構成されている。
本実施形態に係る冷陰極電離真空計には内壁保護部材5が取り付けられているが、第2の実施形態に係る内壁保護部材60等、本発明に係る内部保護部材を取り付けられることはもちろんである。このように、内壁保護部材5などを複合型真空計に搭載した場合でも、上述した第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、測定子容器(陰極)1には、ピラニゲージフィラメント31と放電空間9とを連通する通気穴33が設けられている。本実施形態では、トリガ電極部5bが該通気穴33を塞がないように、内壁保護部材5を装着することが望ましい。
(その他の実施形態)
上記実施形態では、棒状電極2を陽極とし、それを囲む測定子容器1を陰極としているが、棒状電極2を陰極とし、測定子容器1を陽極としても良い。すなわち、本発明では、放電空間を形成すべく一方の電極を他方の電極が囲むように配置された2つの電極を用いれば良いのである。
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 内壁保護部材
5a 保護部
5b トリガ電極部
6 縁部材
7 内壁面
9 放電空間
11 電源
12 放電電流検出部
13 真空計動作回路
100、200 冷陰極電離真空計

Claims (8)

  1. 放電空間を形成すべく一方の電極円筒状の他方の電極が囲むように配置された2つの電極と、
    前記放電空間に配置され、前記他方の電極の周方向の内壁面を保護する電極保護部材と、を備え、
    前記電極保護部材は、導電性を有する板状の弾性部材を前記内壁面の前記周方向の形状に沿って円筒形状に弾性変形させた保護部を有し、
    前記保護部による付勢力が前記内壁面に印加されることによって、前記保護部は前記他方の電極に係止されていることを特徴とする冷陰極電離真空計。
  2. 前記電極保護部材は、前記保護部に接続され、前記保護部が前記他方の電極を覆っている状態で前記一方の電極に向かって張り出したトリガ電極部を有す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。
  3. 前記トリガ電極部は、複数設けられることを特徴とする請求項2に記載の冷陰極電離真空計。
  4. 前記電極保護部材は、
    前記電極保護部材が前記他方の電極を覆っている状態で、前記内壁面に接触する凸部を有してい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。
  5. の電極円筒状の他方の電極が囲むように配置された2つの電極の間の放電空間に配置され、前記他方の電極の周方向の内壁面を保護する電極保護部材であって、
    前記電極保護部材は、導電性を有する板状の弾性部材である保護部を有し、
    前記保護部は、前記放電空間に配置された際に、前記内壁面の前記周方向の形状に沿って円筒形状に弾性変形し、前記保護部による付勢力が前記内壁面に印加されることによって、前記保護部は前記他方の電極に係止されていることを特徴とする電極保護部材。
  6. 前記電極保護部材は、前記保護部に接続され、前記保護部が前記他方の電極を覆っている状態で前記一方の電極に向かって張り出したトリガ電極部を有していることを特徴とする請求項5に記載の電極保護部材。
  7. 前記トリガ電極部は、複数設けられることを特徴とする請求項6に記載の電極保護部材。
  8. 前記電極保護部材は、
    前記電極保護部材が前記他方の電極を覆っている状態で、前記内壁面に接触する凸部を有していることを特徴とする請求項5に記載の電極保護部材。
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