JPWO2009035123A1 - ピラニ真空計 - Google Patents

Abstract

急激な圧力上昇に対する応答性を向上させるとともに、真空容器への測定子容器の取り付け方向の制約を無くしたピラニ真空計を提供する。金属線からなる熱フィラメントと該熱フィラメントを支持する熱フィラメント支持体とを測定子容器の内部に有し、気体分子が前記熱フィラメントに衝突することによって前記熱フィラメントから奪い去る熱量から気体の圧力を測定するピラニ真空計において、前記測定子容器内部は金属材料が充填しており、その内部に第１の円筒穴と第２の円筒穴とを設け、前記熱フィラメントを前記第１の円筒穴に挿通し、前記フィラメント支持体を第２の円筒穴に挿通したことを特徴とする。

Description

本発明は気体の熱伝導を利用して、低真空から高真空領域の圧力測定に広く利用されるピラニ真空計に関する。

従来のピラニ真空計は、特許文献１にも記載されているように、真空中に金属線からなる熱フィラメントを張り、これを加熱する。熱フィラメントを高温とした状態で、熱フィラメントよりも低温の気体分子が高温の熱フィラメントに衝突すると、衝突した気体分子が熱フィラメントから熱量を奪い去る。これにより、熱フィラメントの温度が変化する。この奪い去られた熱量に相当する温度変化を電気的に変換し、熱フィラメントの電気抵抗の変化として検知し、更に電気抵抗の変化を圧力値に換算して気体の圧力を測定するものである。現在市販されている一般的なピラニ真空計では、熱フィラメントの温度が常に一定になるように、印加する電力を制御回路によって自動的に調節するものが多くなっている。この方式は定温度型ピラニ真空計と呼ばれるが、気体分子が熱フィラメントから奪い去る熱量を常に補いながら損失熱量を計測していることになる。この場合、熱フィラメントの温度を一定にするように印加される電力を測定して気体の圧力に換算している。
従来の真空計では、約１０^４Pa付近以上から大気圧までの気体領域において取り付け姿勢、すなわち、フィラメントが垂直か水平かによって、測定圧力値に大きな違いが生じる問題があった。それに対して、フィラメントの長さの８０％以上を筒で覆うことにより、姿勢の違いによる測定圧力値のばらつきを小さくする真空計が提案されている（特許文献２）
特許第３１８８７５２号公報 国際公報２００６／０５７１４８号パンフレット

しかしながら、特許文献２に記載されたピラニ真空計においても、以下に示すような問題がある。

第１の問題は、真空容器内へのガス導入などにより、気体の圧力が中真空以下から低真空にまで急激に圧力が上昇した場合、正常な圧力値を示すまでに数十秒から数分を要するという問題である。ここでの、中真空とは１０Ｐａ程度の圧力であり、低真空とは１０００Ｐａ以上の圧力である。ピラニ真空計が正常な圧力値を示すまでの間は、圧力指示値が一時的に正常な圧力値よりも高い圧力値を示す。気体の圧力が急激に上昇した場合、気体分子の急激な流れは、熱フィラメントに衝突するだけではなく、熱フィラメントを内蔵する容器（以下、「測定子容器」という。）の内壁等にも衝突しながら流れる。このために、気体分子が測定子定子容器の内壁等からも熱量を奪い去り、測定子容器の温度が急激に下がるためであると考えられる。

一般に、熱フィラメント７から奪い去られる熱量Ｑは下記の式で表される。
Ｑ＝Ｋ_Ｃ・Ｐ・（Ｔ_ｆ−Ｔ_ｗ）＋Ｋ_Ｒ・（Ｔ_ｆ ^４−Ｔ_ｗ ^４）＋端損失（１）
ここで
Ｋ_Ｃ：気体により輸送される熱量の熱伝導係数
Ｐ：気体の圧力
Ｔ_ｆ：フィラメントの温度
Ｔ_ｗ：フィラメント周囲の壁の温度
Ｋ_Ｒ：熱輻射係数

上記式（１）の第１項は、測定子容器内の気体分子が熱フィラメントから奪い去る熱伝導損失である。ここで、気体により輸送される熱量の熱伝導係数Ｋ_Ｃは、定数であり、フィラメントの温度Ｔ_ｆは、制御回路によって一定になるよう制御されている。また、フィラメント周囲の壁の温度Ｔ_ｗは、ピラニ真空計の設置された周囲の温度によって決定されるものである。

上記式の第２項は熱フィラメント７から測定子容器の内壁への熱輻射による損失である。また、第３項は熱フィラメント７が接続される熱フィラメントを支持する部材や、これに接続されるリード線などを伝導して外部に逃げる熱伝導損失である。

つまり、前記式（１）によれば、熱フィラメントの周囲の壁の温度Ｔ_ｗが下がれば、熱フィラメントから奪い去られる熱量Ｑも大きくなり、熱量Ｑに比例して気体の圧力も高く表示されることになる。しかし、測定子容器の温度降下は、一時的なものであり、気体分子の急激な流れが収まった後、数十秒から数分を要して、測定子容器内の温度と同じ温度に上昇すると考えられる。

本発明の目的は上記の課題を解決することである。すなわち、本発明の目的は、真空容器への取り付け方向の制約を無くするとともに、急激な圧力上昇に対する応答性を向上させたピラニ真空計を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、使い勝手を向上させたピラニ真空計を提供することにある。

本発明に従うピラニ真空部は金属線からなる熱フィラメント、熱フィラメントを支持する熱フィラメント支持体、及び該熱フィラメントと該支持体を収容する細長い細長い測定子容器とからなり、該測定子容器の一端は被測真空容器に結合する手段を含み、該測定子容器の他端は該測定子容器の外部の制御回路に該熱フィラメントと該支持体を電気的に接続し該熱フィラメントと該支持体を気密保持する手段を含み、該測定子容器内で該一端から該他端へ長手方向に該熱フィラメントと該支持体とが延在しており、該測定子容器は内部が金属材料で充填され、該充填金属材料部に該熱フィラメントを収容している長手方向に開けられた第１の孔と該支持体を収容している長手方向に開けられた第２の孔とが設けられ、該測定子容器の該一端の被測真空容器との結合部は該長手方向に窪んだ凹状空間を有し、該凹状空間で該熱フィラメントの一端と該熱フィラメント支持体の一端とが結合されている。

第１の本発明の実施例では第１の孔と前記第２の孔とが、円筒形である。
本発明の実施例の１つでは、第１の孔と前記第２の孔とが、その長手方向にわたって連通し連通個所は幅１mm以下のスリットをなしている。
本発明の実施例の他のものでは、該測定子容器の外壁に接触して取付けられた温度センサを含み、該温度センサの取付け個所の該該測定子容器の外壁は凹状の窪みとなっている。

本発明の第２の側面に従うピラニ真空計は、
金属線からなる熱フィラメント（７）、該熱フィラメントを支持する熱フィラメント支持体、及び該熱フィラメントと該支持体の長さ方向の８０％以上を被う細長い測定子容器を含むピラニ真空計であって、該真空計の一端は被測真空容器に結合する手段を含み、該真空計の他端は該測定子容器の外部の制御回路に該熱フィラメントと該支持体を電気的に接続し該熱フィラメントと該支持体を気密保持する手段（１３）を含み、該真空計内で該一端から該他端へ長手方向に該熱フィラメントと該支持体とが延在しているピラニ真空計である。そして該測定子容器は金属材料であり、該熱フィラメントを収容している長手方向に開けられた第１の孔と該支持体を収容している長手方向に開けられた第２の孔とが設けられた筒状部材であり、
前記第１の孔の内壁と該熱フィラメントとの距離が３ｍｍ以内であり、
前記第１の孔の周囲の測定子容器の厚さが、前記第２の孔に面した部分を除いて２ｍｍ以上である。

本発明のピラニ真空計によれば、気体の圧力が１０Ｐａ程度の中真空以下から１０００Ｐａ以上の低真空まで急激に上昇した場合にも追従性よく応答する。また、真空容器への測定子容器の取り付け方向の制約が少なくなり使い勝手が向上する。

本発明に係る第１の実施形態を示す圧力測定子構成図である。 本発明に係る第１の実施の形態を示す圧力測定子、Ａ−Ａ’断面よりハーメチック端子側を臨む図である。 本発明に係る第１の実施の形態を示す圧力測定子、Ｂ−Ｂ’断面よりハーメチック端子側を臨む図である。 本発明に係る第２の実施形態を示す圧力測定子構成図である。 本発明に係る第２の実施の形態を示す圧力測定子、Ｃ−Ｃ’断面よりハーメチック端子側を臨む図である。 本発明に係る第２の実施の形態を示す圧力測定子、Ｄ−Ｄ’断面よりハーメチック端子側を臨む図である。 本発明に係る第３の実施形態を示す圧力測定子構成図である。 本発明に係る第３の実施の形態を示す圧力測定子、Ｅ−Ｅ’断面よりハーメチック端子側を臨む図である。 本発明に係る第３の実施の形態を示す圧力測定子、Ｆ−Ｆ’断面よりハーメチック端子側を臨む図である。 本発明に係る第１の実施形態のピラニ真空計と従来技術のピラニ真空計において、真空容器へのガス導入により高真空圧力からｌ×１０^４Ｐａ程度まで圧力を急激に上昇させた時の圧力指示値の安定化を測定したデータを示すグラフである。 本発明に係る第１の実施形態のピラニ真空計と従来技術のピラニ真空計において、真空容器へのガス導入により高真空圧力から３×１０^４Ｐａ程度まで圧力を急激に上昇させた時の圧力指示値の安定化を測定したデータを示すグラフである。 図１０で測定した比較例のピラニ真空計の構造を示す図である。

符号の説明

１ 測定子容器
２ フランジ
３ 真空容器
４ Ｏリング
５ 測定子容器開口部
６ 焼結フィルタ
７ 熱フィラメント
８ 第１の円筒穴
９ 熱フィラメント支持体
１０ 第２の円筒穴
１３ ハーメチック端子
１４ ベース板
１５ 絶縁スペーサー
１６ 制御回路
１７ 温度センサ
２０ 内部測定子容器
２１ 突部支持部

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１、図２、図３は本発明の第１の実施形態を示す。具体的には、図１、図２、図３は、真空容器の一部と、これに取付けられたピラニ真空計の要部構成を示す。

図１、図２、図３において測定子容器１の一端は被測真空容器３と結合するためのフランジ２で真空容器３と接続される。本実施形態ではフランジ２の接合部の真空封止はＯリング４のシールによって保持している。測定子容器１のフランジ２側は測定子容器の長手方向に窪んだ凹状空間を形成して開口しており、被測真空容器３と接続される。測定子容器の凹状空間部５には真空容器３からの汚れや反応生成物が熱フィラメント７に付着することを防止するためのステンレス製の焼結フィルタ６が設置されており、真空容器３中の気体分子はこの焼結フィルタ６を通過し、測定子容器１内部に到達する。又、凹状空間部で熱フィラメント７と支持体９のそれぞれの一端が接続されている。測定子容器の内部は金属材料で充填されているが、測定子容器１には熱フィラメント７が接触せずに挿通される第１の円筒穴８と、導電性金属の熱フィラメント支持体９が接触せずに挿通される第２の円筒穴１０の二つの円筒穴が設けられている。熱フィラメント７の長さ方向の８０％以上が第１の円筒穴８に収容され、本実施例では第１の円筒穴８の内径は４mm、第２の円筒穴１０の内径は１．６mmであるが第１の円筒穴８の内壁と熱フィラメントとの間の距離は３mm以内にすべきである。３mm以内にすると、熱フィラメントの周囲で発生する気体の対流の影響を抑制することができ、真空容器への測定子容器の取付け方向の制約をなくすことができる。そして、第１の円筒穴の周囲は容器金属材料で充填されているが、その厚さは本実施例３．４mmであり、この厚さは２mm以上好ましくは3ｍｍ以上が望ましい。測定子容器１の材質としては、ステンレス、アルミニウム、銅などの熱伝導率が高い金属材質を利用する。測定子容器開口部５の反対側には熱フィラメント７を支持する熱フィラメント支持体９がハーメチック端子１３に取付けられている。ハーメチック端子１３と測定子容器１とは接合され気密性が保たれている。ハーメチック端子１３のベース板１４の素材はＦｅ／Ｎｉ合金である。タングステン線などの金属線より成るの熱フィラメント７を支持する熱フィラメント支持体９の素材は、コバール合金である。熱フィラメント支持体９は、熱フィラメントの支持と共に制御回路１６からの電流を供給するリード線として機能しており、ガラス製の絶縁スペーサー１５でベース板１４と絶縁されつつ、保持されている。また熱フィラメント支持体９の大気側は熱フィラメント７の温度を一定に制御するための制御回路１６に接続されている。測定子容器１の外壁には温度センサ１７が設けられ、熱フィラメントの温度の検出し制御回路１６に提供している。熱フィラメント７の温度を一定に保持するために必要な熱フィラメント７への供給電力量を測定することで気体の圧力を算出する定温度型ピラニ真空計として機能する。真空容器３内の気体分子は測定子容器開口部５を通って焼結フィルタ６を通過し、熱フィラメント７の表面に衝突する。熱フィラメント７に衝突した気体分子は熱フィラメント７から熱を奪い去り、測定子容器１の第１の円筒穴８の内壁に衝突し熱を受け渡す。気体分子が多ければ、即ち気体の圧力が高ければ、熱フィラメント７に衝突する気体分子の数も多くなり、気体分子の衝突によって熱フィラメント７から第１の円筒穴８の内壁へ奪い去られる熱量も増すことになる。このときの熱フィラメント７から奪い去られる熱量Ｑは前記式（１）と同様である。

熱フィラメント支持体９が挿通する第２の円筒穴１０を設けることにより、熱フィラメント７は第１の円筒穴８の中央に挿通することが可能となる。また、これにより、熱フィラメント７と第１の円筒穴８の内壁との距離を真空容器への測定子容器１の取り付け方向の制約を受けない距離３ｍｍ以下にすることができる。同時に、第１の円筒穴８と第２の円筒穴１０を２つ設けた構造としたことで、気体分子の流れ易さ、即ちコンダクタンスを大きくすることができ、急激な気体の圧力変化に対しても応答性良く圧力指示値が安定することが可能となっている。
図１０、図１１には高真空圧力から真空容器内へガスを導入し、圧力を図１０においてはｌ×１０^４Ｐａ並びに図１１においては３×１０^４Ｐａ程度まで急激に上昇させた際の圧力指示値の安定性を測定したデータを示す。図１０、図１１では図１２に示す比較例としてのピラニ真空計（○マーカ）と、第２の実施形態のピラニ真空計（●マーカ）について比較している。図１２では、図１と同じ構成部品は同じ符号で示されている。測定子容器１は中空の円筒形である。その容器の空間内に熱フィラメント７と支持体９をカバーする円筒状の筒２０で覆い、フィラメント７が垂直か水平かにより測定圧力値が変化しないよう、フィラメント７と筒２０の最も近接した内壁との間を約３mm以下としている。筒の肉厚は２mm未満である。すなわち、例えば、図１０で、比較例のピラニ真空計ではガス導入後、一時的に高い圧力を示し、その後、約３０〜４０秒程度の時間をかけて安定する。これに対し、第２の実施形態のピラニ真空計では、一時的に高い圧力を示すことはなく、５秒以内で追従性良く圧力指示値が安定することがわかる。図１１においても比較例のピラニ真空計に対して、第２の実施形態のピラニ真空計においては短い時間で圧力指示値が安定することがわかる。

図４、図５、図６は本発明の第２の実施形態を示す。図４、図５、図６において、第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付している。本実施形態では、第１の実施形態と同様に熱フィラメントを挿通する第１の円筒穴と熱フィラメント支持体を挿通する第２の円筒穴を有している。しかし、それら２つの円筒穴の一部が連通しており、連通個所はスリット状でそのスリット幅はこの実施例では第２の円筒穴の内径より小さいが、必ずしもそうでなくとも２ｍｍ以下であることが好ましいとしている。即ち、熱フィラメントの軸に対して垂直な面の断面形状がだるま状であるような構造となっている。
この第２の実施形態によれば、熱フィラメントと熱フィラメント支持体とを一体に測定子容器１へ取り付け、取り外しを行うことができ、メンテナンス性が向上する。また、第２の円筒穴を設けたことにより、コンダクタンスが大きくなり、圧力測定の応答性が良くなる。なお、このとき、第１の円筒穴の内周において、第２の円筒穴との重なり部は第１の円筒穴の第２の円筒穴との重なり部の長さは、第1の円筒穴の内周の1/８以下となるようにすることが好ましい。
その他の構成及び作用は第１の実施形態の場合と同じである。

図７、図８、図９は本発明の第３の実施形態を示す。図７、図８、図９において、第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付している。本実施形態では、第１の実施形態と同様の構造となっている。しかし、温度センサを設置する測定子容器１外壁の取り付け部分を凹状の形状とし、温度センサ１７を測定子容器１の内壁に近づけて設置した構造となっている。この第３の実施形態によれば、温度センサと測定子容器１内壁との熱伝導距離が短くできるため温度追従性が向上する。その他の構成及び作用は第１の実施形態の場合と同じである。なお、実施形態３では、温度センサを測定子容器１外壁に設けた凹状部分に設置したが、測定子容器１外壁に埋め込む方式としても構わない。

なお、円筒穴は、真円の断面形状を有する穴ばかりではなく、楕円の断面形状を有する穴、多角形の断面形状を有する穴、自由形状を有する穴であってもよい。

本発明は、従来の半導体製造装置、電子デバイス製造装置、熱処理装置、表面処理装置等のチェンパー内の圧力測定装置、或いは排気ライン、ガス導入ラインにおける圧力測定装置として利用が可能である。

Claims (9)

1. 金属線からなる熱フィラメント（７）、該熱フィラメントを支持する熱フィラメント支持体、及び該熱フィラメントと該支持体を収容する細長い測定子容器とからなり、該測定子容器の一端は被測真空容器に結合する手段を含み、該測定子容器の他端は該測定子容器の外部の制御回路に該熱フィラメントと該支持体を電気的に接続し該熱フィラメントと該支持体を気密保持する手段（１３）を含み、該測定子容器内で該一端から該他端へ長手方向に該熱フィラメントと該支持体とが延在しているピラニ真空計において、
   該測定子容器は内部が金属材料で充填され、該充填金属材料部に該熱フィラメントを収容している長手方向に開けられた第１の孔と該支持体を収容している長手方向に開けられた第２の孔とが設けられ、
   該測定子容器の該一端の被測真空容器との結合部は該長手方向に窪んだ凹状空間を有し、該凹状空間で該熱フィラメントの一端と該熱フィラメント支持体の一端とが結合されているピラニ真空計。
2. 前記第１の孔の周囲の金属材料の厚さが、前記第２の孔に面した部分を除いて２ｍｍ以上である請求項１に記載のピラニ真空計。
3. 前記第１の孔と前記第２の孔とが、円筒形である請求項１に記載のピラニ真空計。
4. 前記第１の孔と前記第２の孔とが、その長手方向にわたって連通し連通個所は幅２mm以下のスリットをなしている請求項１に記載のピラニ真空計。
5. 前記第１の孔の内壁と該熱フィラメントとの距離が３mm以内である請求項１に記載のピラニ真空計。
6. 前記熱フィラメントはその長さ方向８０％以上が該第１の孔内に収容されている請求項１に記載のピラニ真空計。
7. 該測定子容器の外壁に接触して取付けられた温度センサを含み、該温度センサの取付け個所の該測定子容器の外壁は凹状の窪みとなっている請求項１に記載のピラニ真空計。
8. 金属線からなる熱フィラメント（７）、該熱フィラメントを支持する熱フィラメント支持体、及び該熱フィラメントと該支持体の長さ方向の８０％以上を被う細長い測定子容器を含むピラニ真空計であって、該真空計の一端は被測真空容器に結合する手段を含み、該真空計の他端は該測定子容器の外部の制御回路に該熱フィラメントと該支持体を電気的に接続し該熱フィラメントと該支持体を気密保持する手段（１３）を含み、該真空計内で該一端から該他端へ長手方向に該熱フィラメントと該支持体とが延在しているピラニ真空計において、
   該測定子容器は金属材料であり、該熱フィラメントを収容している長手方向に開けられた第１の孔と該支持体を収容している長手方向に開けられた第２の孔とが設けられた筒状部材であり、
   前記第１の孔の内壁と該熱フィラメントとの距離が３ｍｍ以内であり、
   前記第１の孔の周囲の測定子容器の厚さが、前記第２の孔に面した部分を除いて２ｍｍ以上であるピラニ真空計。
9. 前記第１の孔と前記第２の孔とが、その長手方向にわたって連通し連通個所は幅２mm以下のスリットをなしている請求項８に記載のピラニ真空計。

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