JP6200840B2

JP6200840B2 - 熱陰極電離真空計

Info

Publication number: JP6200840B2
Application number: JP2014058711A
Authority: JP
Inventors: 宮下　剛; 剛宮下; 豊昭中島; 高橋　直樹; 直樹高橋; 永田　寧; 寧永田; 万沙洋福原
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: JP2015184058A

Description

本発明は、真空容器等の試験体内の圧力（全圧）を測定するための熱陰極電離真空計に関する。

スパッタリングや蒸着による成膜等、真空処理装置内で実施される真空プロセスにおいては、真空処理装置の真空チャンバ内の圧力が、例えば製品歩留まりに大きな影響を与える場合がある。真空プロセス中、真空チャンバ内の圧力のうち１Ｐａ〜１０^−５Ｐａの広い圧力範囲を精度よく測定するものとして、（三極管型）熱陰極電離真空計が一般に知られている。

熱陰極電離真空計は、試験体に装着されるガラス製の真空隔壁内に、ヘアピン状に成形されたフィラメントと、フィラメントの周囲に配置される、筒状の輪郭を有するグリッドと、グリッドの周囲に配置される筒状のイオンコレクタとを備える（例えば、特許文献１参照）。そして、フィラメントに通電してこのフィラメントを点灯させて熱電子を放出させ、フィラメントより高い電位をグリッドに付与し、このグリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンをイオンコレクタで捕集し、このときのイオン電流から試験体内の圧力を検出する。フィラメントの周囲にグリッドを配置するのは、グリッド内の電位を安定させて上記正イオンをイオンコレクタに流れ込み易くするためである。

ここで、イオン電流と圧力との間には、Ｉｉ=Ｓ・Ｉｅ・Ｐ（式１）の関係がある（式１中、Ｉｉはイオン電流、Ｉｅは電子電流、Ｓは感度係数、Ｐは圧力である）。そして、熱陰極電離真空計の測定限界（測定下限値）を決定する一要因として軟エックス線効果があることが知られている。つまり、フィラメントから放出された電子がグリッドに捕集されたときに軟エックス線が放出される。この軟エックス線がイオンコレクタを照射すると、光電効果によりイオンコレクタから電子が放出される。その結果、疑似イオン電流がイオンコレクタに流れたことになる。従って、上記式１は、Ｉｉ=ｌｉｐ+ｌｉｘ=Ｓ・Ｉｅ・Ｐ +Ｉｉｘ（式２)とあらわされる。この場合、ｌｉｐ=Ｓ・Ｉｅ・Ｐであり、ｌｉｘは軟エックス線による疑似イオン電流であり、ｌｉｘ=α・β・Ｉｅ（式３)であらわされる。αは電子衝撃によりグリッド表面から軟エックス線が放出される確率であり、βは軟エックス線の照射によりイオンコレクタ表面から電子が放出される確率である。

上記式２から、圧力が十分に低くなっても圧力依存性のない軟エックス線によるイオン電流があるため、このイオン電流に対応する圧力以下の値は示さないこととなる。従って、上記従来例の熱陰極電離真空計は、イオンコレクタの表面積が大きく、軟エックス線の照射面積も広いため、軟エックス線による疑似イオン電流も大きくなり、結果として、測定下限値が高く１０^−５Ｐａ程度となる。

ところで、軟エックス線による疑似イオン電流を格段に小さくした真空計として、ＢＡ真空計が従来から知られている（例えば、特許文献２参照）。ＢＡ真空計は、フィラメントをグリッドの外に配置し、イオンコレクタをグリッドの中に配置して構成される。この場合、イオンコレクタを細い線又は針状にすることで、軟エックス線の照射面積を小さくし、軟エックス線による疑似イオン電流を小さくしている。これにより、１０^−８Ｐａ程度の測定下限値が得られる。

熱陰極電離真空計において測定下限値を下げるためには、イオンコレクタを細くする必要があるが、イオンコレクタの表面積が小さくなると、正イオンを捕集する確率が低くなってしまう。また、熱陰極電離真空計が、炭化水素系の気体やシロキサンなどの気体雰囲気が形成される試験体に使用される場合、これらが絶縁膜として又は高抵抗膜として堆積し、イオンコレクタに入射したイオンがイオン電流として検出できなくなり、感度が低下する。このようにイオンコレクタの面積が小さいと、イオンコレクタ表面に堆積する絶縁層又は高抵抗膜の堆積速度が速くなり、感度低下が速くなる。即ち、イオンコレクタの表面積が大きいほうが、安定性が良い。

そこで、上記従来例の三極管型の熱陰極電離真空計と同等の感度安定性を有すると共に、上記従来例のものよりも測定下限値を低くできるようにした熱陰極電離真空計が例えば特許文献３で知られている。このものは、イオンコレクタが板状部材を備え、グリッドの母線方向の延長上に所定間隔を存して当該グリッドの少なくとも一方の開口を覆うように配置され、フィラメントとグリッドとイオンコレクタとが金属製の真空隔壁内に格納されている。これにより、ＢＡ真空計と比較してイオンコレクタの表面積が大きくなって、正イオンを捕集する確率が低くなることが抑制されて感度の低下を防止でき、従来例の熱陰極電離真空計と同等の感度安定性を有し、しかも、従来例の電離真空計に用いられる筒状のイオンコレクタと比較して、その表面積が小さいため、軟エックス線による疑似イオン電流を小さくでき、結果として、上記従来例のものよりも測定下限値を低くできる。

然しながら、上記特許文献３記載のものでは、圧力測定に寄与するエミッション電流（＝エミッション電流 − イオン電流の流入）が少なくなってしまい、実際の圧力より低い圧力を指示することが判明した。これは、グリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンが、グリッドとフィラメントとの電位勾配により、フィラメントに流れ込んでしまうことに起因していると考えられる。このような影響は、比較的イオン電流の生成量が多い高圧力側で表れ易くなり、その結果、０．１Ｐａ以上でリニアリティが悪く、１Ｐａが測定限界の圧力となっている。

特開２００６−３４３３０５号公報特開２００２−３９９０２号公報特開２０１３−７２６９５号公報

本発明は、以上の点に鑑み、従来例の三極管型の熱陰極電離真空計と同等の感度安定性を有すると共に、上記従来例のものよりも測定下限値を低くできるという機能を持ちながら、１Ｐａを超える圧力までリニアリティを持って圧力測定が可能な熱陰極電離真空計を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、フィラメントと筒状の輪郭を有するグリッドとイオンコレクタとを備え、フィラメントに通電してこのフィラメントを点灯させて熱電子を放出させ、フィラメントより高い電位をグリッドに付与し、このグリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンをイオンコレクタで捕集し、このときのイオン電流から圧力を検出する本発明の熱陰極電離真空計は、イオンコレクタが板状部材を備え、板状部材が、グリッドの母線方向の延長上に所定間隔を存して当該グリッドの少なくとも一方の開口を覆うように配置され、グリッドの周囲にフィラメントが配置され、グリッド及びフィラメントの周囲を囲うようにグランド電位のシールド部材が配置されることを特徴とする。

本発明によれば、グリッドの周囲にフィラメントを配置し、フィラメントの周囲にグランド電位のシールド部材を配置する構成を採用したため、グリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンは、主としてシールド部材へと流入し、フィラメントに流入することが効果的に抑制される。その結果、１Ｐａを超える圧力までリニアリティを持って圧力測定をすることができる。また、フィラメントをグリッドの周囲に配置するため、上記従来例とは異なり、フィラメントを複数本設ける構成を取ることも可能となり、有利である。シールド部材は、グランド電位にできるものであれば、その材質等は問わない。この場合、内部にフィラメントとグリッドとイオンコレクタとが格納される金属製の真空隔壁を接地してグランド電位のシールド部材として兼用することもできる。なお、イオンコレクタをグリッドの少なくとも一方の開口を覆う面積の板状部材で構成したため、従来例の三極管型の熱陰極電離真空計と同等の感度安定性を有すると共に、上記従来例のものよりも測定下限値を低くできるという機能は従来例と同等のままである。ここで、本発明において、所定間隔は、機械的な精度及びグリッド内で生成されたイオンの飛行距離を考慮して設定され、例えば、１〜５ｍｍの範囲で設定される。この間隔が１ｍｍより小さいと、グリッドとイオンコレクタが接触するという機械的な不具合が生じる虞がある一方で、５ｍｍを超えると、イオンの飛行距離が長くなり、圧力が高いときにイオン一分子間衝突の確率が増えて出力信号対圧力の直線性が失われるという不具合が生じる。

本発明においては、前記イオンコレクタは、グリッド内を挿通する支柱で支持され、イオンコレクタと支柱とをグランド電位とする構成を採用することができる。この場合、前記支柱に、当該支柱を絶縁し、その外表面が導電性を持つ筒体を外挿し、支柱の外表面の電位をフィラメント電位以上で、グリッド電位以下としておけば、グリッド内の電位をより一層安定させることができ、熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンをイオンコレクタへとより流れ込み易くできてよい。他方で、前記イオンコレクタは、グリッド内を挿通する支柱で支持され、この支柱を絶縁物とする構成を採用することもできる。

本発明の実施形態の熱陰極電離真空計の構成を模式的に示す図。本発明の効果を示す実験結果のグラフ。本発明の効果を示す他の実験結果のグラフ。本発明の実施形態の変形例に係る熱陰極電離真空計の構成を模式的に示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を三極管型の熱陰極電離真空計を例に説明する。以下においては、図外の試験体に対する後述のセンサ部Ｓの装着方向を上方として説明する。

図１を参照して、熱陰極電離真空計ＩＧは、センサ部Ｓと制御部Ｃとから構成される。センサ部Ｓは、有底筒状の容器（エンベロープ）としてのセンサ本体１を備え、その縮径させた上部先端に形成したフランジ１１（及びＯリング）を介して図外の真空チャンバ等の試験体に着脱自在に取り付けられる。センサ本体１は、例えば、ステンレス、ニッケル、ニッケルと鉄との合金、アルミ合金などの金属製のものが用いられ、接地されている。本実施形態では、真空隔壁としてのセンサ本体１が、後述のグリッド３及びフィラメント２_１，２_２の周囲を囲うように配置されるグランド電位のシールド部材を兼用する。そして、センサ本体１内には、２本のフィラメント２_１，２_２と、筒状の輪郭を有するグリッド３と、イオンコレクタ４_１，４_２と、イオンコレクタ４_１，４_２を支持する支柱５とが設けられている。

グリッド３としては、タングステン、モリブデン、表面を白金で被覆したモリブデン、タンタル、白金、イリジウム、白金とイリジウムの合金、ニッケル、ニッケルと鉄との合金、ステンレスまたはこれらから選択された少なくとも二種の合金製のものが用いられる。そして、φ０．１〜０．５ｍｍの線材を円筒形状の輪郭を有するようにコイル状に巻回して構成される。なお、グリッド３の形態はこれに限定されるものではなく、上記線材を格子状に組み付けて筒状に成形したものやパンチングメタルまたはフォトエッチングシートを筒状に成形したものであってもよい。グリッド３は、図示省略の絶縁体を介してセンサ本体１内に突設させた支持ピン３１ａでセンサ本体１内の所定位置に位置決め支持される。この場合、支持ピン３１ａは、接続端子の役割も果たす。

イオンコレクタ４_１，４_２は、グリッド３の母線方向（図１中、上下方向）の延長上に所定間隔を存してグリッド３の上下の開口に平行に夫々配置される、厚さが５０〜１０００μｍの範囲の円板状の板状部材で構成されている。イオンコレクタ４_１，４_２のグリッド３との対向面の表面積は、グリッド３の上下方向の開口面積（巻き径から算出される面積）と同等以上に設定されてグリッド３の開口を覆うようになっている。イオンコレクタ４_１，４_２は、モリブデン、表面を白金で被覆したモリブデン、タンタル、白金、イリジウム、白金とイリジウムの合金、ニッケル、ニッケルと鉄との合金またはこれらから選択された少なくとも二種の合金製である。

各イオンコレクタ４_１，４_２の表面積は、グリッド３の開口面積の１．５倍以下であることが好ましい。１．５倍を超えると、軟エックス線による疑似イオン電流が大きくなり、測定下限値を低くできない。また、上記所定間隔は、機械的な精度やグリッド３内で生成されたイオンの飛行距離を考慮して設定され、例えば、１〜５ｍｍの範囲で設定される。この間隔が１ｍｍより小さいと、グリッド３とイオンコレクタ４_１，４_２が接触するという機械的な不具合がある一方で、５ｍｍを超えると、イオンの飛行距離が長くなることで，圧力が高くなると、イオン一分子間衝突の確率が増え、圧力が高くなると出力信号対圧力の直線性が失われるという不具合が生じる。イオンコレクタ４_１，４_２の形態は上記に限定されるものではなく、矩形の板材で構成することもでき、また、グリッド３の上側または下側のうち少なくとも一方に配置することもできる。

支柱５は、図示省略の絶縁体を介してセンサ本体１内に突設され、下側のイオンコレクタ４_２の中央を貫通して上側のイオンコレクタ４_１の下面中央に連結され、イオンコレクタ４_１，４_２をセンサ本体１内の所定位置に位置決め保持するようになっている。支柱５は、イオンコレクタ４_１，４_２を保持する機械的強度を持つ１〜３ｍｍの金属製の棒状部材で構成され、例えば、イオンコレクタ４_１，４_２と同様の材料で構成することができる。この場合、支柱５は、接続端子の役割も果たし、接地されてイオンコレクタ４_１，４_２と支柱５がグランド電位となっている。なお、支柱５は絶縁物で構成することもでき、また、例えば、所謂無機絶縁ケーブルで構成することもできる。

フィラメント２_１，２_２は、グリッド３の周囲にて当該グリッド３と同心となる仮想円周上に周方向に１８０度間隔で二本設けられている。フィラメント２_１，２_２としては、表面をイットリアで覆ったイリジウムやタングステンなどの金属製のものが用いられ、例えば、φ０．１〜０．２ｍｍの範囲のものをヘアピン状に成形して設置される。フィラメント２_１，２_２は、用途等を考慮して異なる材質のものを用いることができる。そして、各フィラメント２_１，２_２の両自由端が、センサ本体１内に突設させた支持ピン２１ａ，２１ｂによりセンサ本体1内の所定位置に位置決め支持される。この場合、支持ピン２１ａ，２１ｂは接続端子（電極）の役割も果たす。

制御部Ｃは筐体Ｆ（図１中、一点鎖線で示す）を備え、筐体Ｆ内にはコンピュータ、メモリやシーケンサ等を備えた制御手段Ｃｕが内蔵されている。制御手段Ｃｕは、後述の各電源の作動や後述の電流計Ａにて測定されたイオン電流値を処理して例えば図示省略のディスプレイに圧力を表示する等の各種制御を統括して行う。また、筐体Ｆ内には、スイッチング素子ＳＷを備えてフィラメント２_１，２_２のうちいずれか一方に直流電流を通電してフィラメント２_１，２_２を赤熱（点灯）するフィラメント点灯用の電源Ｅ１と、グリッド３に対してフィラメント２_１，２_２より高い電位を与えるグリッド用の電源Ｅ２と、フィラメント２の電位をイオンコレクタ４_１，４_２の電位よりも高くする電源Ｅ３と、支柱５に接続されてイオンコレクタ４_１，４_２を夫々流れるイオン電流を測定する電流計Ａとが内蔵されている。なお、本実施形態では、特に図示して説明しないが、筐体Ｆには上記各電源に導通した出力端子が設けられ、センサ部Ｓと制御部Ｃとはコネクタ付きケーブルにて接続される。また、センサ部Ｓと制御部Ｃとを同一の筐体に組み込んで構成することもできる。以下に、本実施形態の熱陰極電離真空計ＩＧの使用例を説明する。

センサ部Ｓを、フランジ部１１及び図示省略のＯリングを介して図外の試験体のテストポートに装着した後、試験体内を真空ポンプにより真空引きし、所定真空圧に達すると、圧力測定を開始する。先ず、スイッチング素子ＳＷを適宜切り替えてフィラメント２_１，２_２のうちいずれか一方に電源Ｅ１により直流電流を通電して一方のフィラメント２_１（２_２）を点灯させ、熱電子を放出させる。そして、電源Ｅ２によりグリッド３とフィラメント２_１（２_２）との間の電位差に相当するイオン化電圧で熱電子をグリッド３内に引き込む。このとき、熱電子と衝突したグリッド３周辺の気体原子、分子から正イオンが生じる。そして、生じた気体原子、分子の正イオンがイオンコレクタ４_１、４_２及び支柱５で夫々捕集され、このとき、電流計Ａで測定したイオン電流から試験体内の圧力が検出される。なお、熱陰極電離真空計ＩＧの制御方法やイオン電流からの圧力の算出方法等については、公知のものを利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

以上、本実施形態によれば、グリッド３の周囲にフィラメント２_１，２_２を配置し、フィラメント２_１，２_２の周囲に、グリッド３とフィラメント２_１，２_２とを格納するグランド電位のセンサ本体１が位置する構成を採用したため、グリッド３周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンは、主としてシールド部材としてのセンサ本体１へと流入し、フィラメント２_１，２_２に流入することが効果的に抑制される。その結果、１Ｐａを超える圧力までリニアリティを持って圧力測定をすることができる。また、フィラメント２_１，２_２をグリッド３の周囲に配置するため、上記従来例とは異なり、フィラメント２_１，２_２を２本以上設ける構成を取ることも可能となり、有利である。なお、イオンコレクタ４_１，４_２をグリッド３の上下の各開口を覆う面積の板状部材で構成したため、従来例の三極管型の熱陰極電離真空計と同等の感度安定性を有すると共に、上記従来例のものよりも測定下限値を低くできるという機能は従来例と同等のままである。

次に、本発明の効果を確認するために、上記熱陰極電離真空計ＩＧを用いて次の実験を行った。この場合、センサ本体１として内径がφ２３ｍｍのステンレス製のものを用い、接地してグランド電位とした。また、グリッド３としては、モリブデン製で直径φ１０ｍｍになるように線材をコイル状に成形したものを用いた。また、フィラメント２_１，２_２としては、タングステン製のものを用いた。また、イオンコレクタ４_１、４_２としては、φ１０ｍｍのニッケル製の板材を用い、支柱５としては、φ２ｍｍのタングステン製のものを用いた。

接地電位に対する電源Ｅ１の電位を＋２５Ｖ、電源Ｅ２の電位を＋１５０Ｖ、電源Ｅ３の電位を０Ｖとし、イオン化のための電子電流を１．０Ｅ−０２Ｐａ以下の圧力では１ｍＡに、また、１．０Ｅ−０２Ｐａ以上の圧力では１０μＡに制御することとした。そして、熱陰極電離真空計ＩＧの測定下限値を測定したものを図２に示す。これによれば、上記熱陰極電離真空計ＩＧは、１Ｐａ以下では感度が多少低下しているものの、５Ｐａまでは測定が可能であった。また、１．０Ｅ−０６Ｐａ〜１．０Ｅ＋００Ｐａの範囲内においてリニアリティがあることが確認された。

次に、上記と同一の熱陰極電離真空計ＩＧを用いて他の実験を行った。即ち、電離真空計の安定性を示すために、シロキサンに暴露しながら動作させ、その後に窒素に対して校正して感度の変化を測定した。図３には、その測定結果が示されている。図３中、−□−線が上記熱陰極電離真空計ＩＧのものであり、−○−線が従来例に係る熱陰極電離真空計のものであり、−△−線が従来例のＢＡ真空計のものある、これによれば、本実施形態のものは、感度変化が少なく、従来品と同等の安定性を有することが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、センサ本体１を備えたものを例に説明したが、センサ部Ｓを試験体にそのまま取り付けるような場合にも本発明は適用することができる。また、上記実施形態では、支柱５をグランド電位とするものを例に説明したが、図４に示す変形例のように、金属製の支柱５に、当該支柱５を絶縁し、その外表面が導電性を持つ筒体６を外挿してもよい。この場合、筒体６としては、筒状の碍子の外表面に金属膜が成膜されたものや、筒状に成形した金属板の内側に碍子を設けたり、または、絶縁体層を成膜したものが利用できる。そして、筒体６を支持ピン６１ａに電気的に接続し、電源Ｅ４により筒体６の外表面の電位をフィラメント２_１，２_２電位以上で、グリッド３電位以下にする。これによれば、グリッド３内の電位をより一層安定させることができ、熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンをイオンコレクタ４_１，４_２へとより流れ込み易くできる。

更に、上記実施形態では、真空隔壁としての金属製のセンサ本体１がシールド部材を兼用するものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス等の絶縁物製の真空隔壁を用いる場合には、真空隔壁の内周に、シールド部材としての金属製の板材やメッシュ部材を配置した構成を採用することもできる。

ＩＧ…熱陰極電離真空計、Ｓ…センサ部、Ｃ…制御部、１…金属製の容器（真空隔壁）、２_１，２_２…フィラメント、３…グリッド、４_１，４_２…イオンコレクタ、５…支柱、６…筒体、Ａ…電流計、Ｅ１〜Ｅ４…電源。

Claims

フィラメントと筒状の輪郭を有するグリッドとイオンコレクタとを備え、フィラメントに通電してこのフィラメントを点灯させて熱電子を放出させ、フィラメントより高い電位をグリッドに付与し、このグリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンをイオンコレクタで捕集し、このときのイオン電流から圧力を検出する熱陰極電離真空計であって、
イオンコレクタが板状部材を備え、板状部材が、グリッドの母線方向の延長上に所定間隔を存して当該グリッドの少なくとも一方の開口を覆うように配置されるものにおいて、
グリッドの周囲にフィラメントが配置され、グリッド及びフィラメントの周囲を囲うようにグランド電位のシールド部材が配置されることを特徴とする熱陰極電離真空計。
前記イオンコレクタは、グリッド内を挿通する支柱で支持され、イオンコレクタと支柱とをグランド電位としたことを特徴とする請求項１記載の熱陰極電離真空計。
前記支柱に、当該支柱を絶縁し、その外表面が導電性を持つ筒体を外挿し、支柱の外表面の電位をフィラメント電位以上で、グリッド電位以下としたことを特徴とする請求項２記載の熱陰極電離真空計。
前記イオンコレクタは、グリッド内を挿通する支柱で支持され、この支柱を絶縁物としたことを特徴とする請求項１記載の熱陰極電離真空計。