KR20210007002A

KR20210007002A - 역 마그네트론 소스를 통한 기체 분석

Info

Publication number: KR20210007002A
Application number: KR1020207037694A
Authority: KR
Inventors: 제라르도 에이. 브루커; 티모시 씨. 스위니; 클린턴 엘. 퍼시
Original assignee: 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2021-01-19
Also published as: JP6964202B2; EP3803934A1; JP2021520045A; TW202004174A; EP4375635A2; US10928265B2; CN112204696B; TWI811370B; WO2019231765A1; EP3803934B1; US20190368959A1; KR102325810B1; CN112204696A; WO2019231765A9

Abstract

전체 압력 냉음극 이온화 게이지(total pressure cold cathode ionization gauge)가 개시된다. 역 마그네트론 전극 설계는 수소, 헬륨 및 물과 같은 하나 이상의 기체들의 부분 압력과 함께, 고진공 시스템에서 전체 기체 압력을 동시에 검출하고 측정할 수 있다. 덧붙여, 헬륨 누출 검출기와 같은 누출 검출기는 이온 검출 통로로의 기체 주입 통로의 콤팩트한 역류 배열(compact counterflow arrangement)로 개시된다.

Description

역 마그네트론 소스를 통한 기체 분석

본 출원은 2018년 5월 29일에 출원된 미국 가출원 제62/677,386호의 이익을 주장하고, 2018년 8월 10일에 출원된 미국 가출원 제62/717,634호의 이익을 주장하는, 2019년 4월 29일에 출원된 미국 정규출원 제16/397,436호의 계속 출원이며 이에 대한 우선권을 주장한다. 위 출원들의 전체 교시는 본원에 참조로 통합된다.

고진공 프로세스들에서 트러블 슈팅(trouble shooting)을 용이하게 하기 위한 지속적인 요구가 있다. 고진공 프로세스들은 통상적으로 대기압으로부터 진공 챔버의 펌프다운(pumpdown)으로 시작하는 작업 흐름에 따른다. 사용자는 펌프다운 동안 진공 챔버의 압력을 추적하고, 전체 압력이 목표 압력을 충족할 때 진공 프로세스 또는 실험이 시작될 수 있다. 일반적으로, 미리 지정된 시간 범위 내에서 목표 압력이 충족될 것으로 예상된다. 예상된 기간이 지난 후에 목표 압력에 도달되지 않거나, 또는 이에 도달하는데 평소보다 더 오래 걸리는 경우, 진공 시스템 사용자는 진공 챔버의 트러블 슈팅을 해야 한다. 종종, 트러블 슈팅은 이온화 게이지(ionization gauge)를 사용하는 것뿐만 아니라, 헬륨 누출 검출기를 사용하여 그리고 때때로는, 수위를 측정하는 고가의 잔류 기체 분석기(Residual Gas Analyzer)를 사용하여, 진공을 깨야 하는 필요성을 요구한다.

그러므로, 고진공 프로세스들의 트러블 슈팅에 수반되는 시간 및 비용을 감소시키는 장비를 제공하기 위한 지속적인 요구가 있다.

전체 압력 냉음극 이온화 게이지(total pressure cold cathode ionization gauge)가 개시된다. 역 마그네트론 전극 설계는 수소, 헬륨 및 물과 같은 하나 이상의 기체들의 부분 압력과 함께, 고진공 시스템에서 전체 기체 압력을 동시에 검출하고 측정할 수 있다. 냉음극 이온화 게이지는 열음극(hot cathode)에 대한 어느 요구 없이, 순수 전자 플라즈마를 생성하기 위해 및 기체 분자들과의 전자 충격을 통해 이온들을 생성하기 위해, 역 마그네트론 방전이 있는 냉 이온화 소스를 포함한다.

일 실시예에서, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지가 제공된다. 진공 게이지는 양극 전극, 및 양극 전극의 길이를 둘러싸고, 음극 전극 조립체와 양극 전극 사이의 방전 공간에 전기장을 생성하도록 위치되는 음극 전극 조립체를 포함한다. 전기장을 가로지르는 자기장을 정의하기 위해 자석 조립체가 위치된다. 기체 이온들이 방전 공간에서 전기장에 의해 음극 전극 조립체를 향한 방향으로 가속되게 형성되도록, 음극 전극 조립체 내의 개구부는 모니터링된 챔버로부터 방전 공간으로 기체의 유입을 허용하도록 위치된다. 음극 전극 조립체 내의 소스 개구는 기체 이온들의 일부를 음극 전극 조립체 외부로 방출하도록 위치된다. 자석 조립체는 기체 이온들의 질량 대 전하 비율을 기초로 이온들 중 방출된 부분을 각을 이루게 변위시키도록 위치된다. 검출기는 이온들 중 방출된 부분의 변위된 이온 성분을 검출하기 위해 위치된다. 이온 전류 측정 회로는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결되고, 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령(receipt)으로부터 생성된 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된다.

추가적으로 관련된 실시예들에서, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지는 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력의 표시를 제공하는 전체 압력 디스플레이; 및 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고 모니터링된 챔버로부터의 기체의 부분 압력의 표시를 제공하는 부분 압력 디스플레이를 더 포함할 수 있다. 진공 게이지는 모니터링된 챔버로부터 음극 전극 조립체 내의 개구부로 기체를 흐르게 하도록 위치된 기체 주입 통로(gas inlet passage)를 더 포함할 수 있고, 이온들 중 방출된 부분은 기체 주입 통로에서 모니터링된 챔버로부터의 기체의 유동에 반대인 방향으로 이동한다. 검출기는 기체 주입 통로의 측면 엣지 또는 기체 주입 통로의 중앙에 위치될 수 있다. 진공 게이지는 소스 개구와 검출기 사이에 위치된 정전식 차폐 그리드(electrostatic shield grid)를 더 포함할 수 있다. 진공 게이지는 소스 개구와 검출기 사이에 위치된 에너지 필터 그리드를 더 포함할 수 있다. 검출기는 이온 차폐물(ion shield), 검출기 개구 및 패러데이 수집기(Faraday collector)를 포함할 수 있다. 진공 게이지는 하나보다 많은 검출기를 포함할 수 있으며, 상기 하나보다 많은 검출기의 각각은 이온들 중 방출된 부분의 하나보다 많은 서로 다른 변위된 이온 성분들 중 상이한 하나를 검출하도록 위치된다. 진공 게이지는, 패러데이 수집기들의 어레이들을 포함하는, 하나보다 많은 검출기를 포함할 수 있다. 진공 게이지는 소스 개구와 패러데이 수집기들의 어레이 사이에 위치하는 에너지 필터 그리드를 포함할 수 있다. 검출기는 전자 증배기(electron multiplier)를 포함할 수 있다. 진공 게이지는 하나보다 많은 소스 개구를 포함할 수 있다.

다른 관련된 실시예들에서, 진공 게이지는 전력 공급 장치, 및 전력 공급 장치와 양극 전극 사이에 전기적으로 연결된 전류 제한 저항기를 포함할 수 있는 전류 제한 회로를 포함할 수 있다. 양극 전압 제어 회로는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류에 독립적으로 양극 전극의 정전압을 유지하도록 구성될 수 있다. 양극 전압 제어 회로는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류를 기초로 양극 전극의 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 강자성 재료를 포함할 수 있는 자기장 연장 조립체는 자기장을 음극 전극 조립체 외부로 연장시키도록 위치될 수 있다. 검출기에 바이어스 전압을 인가하는 전압원을 포함할 수 있는 고역 통과 이온 에너지 필터는 원하는 임계 에너지보다 높은 에너지들을 갖는 이온들만이 검출기에 도달하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 전압원은 양극 전극의 전압을 기초로 고역 통과 이온 에너지 필터의 바이어스 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 저역 통과 이온 에너지 필터는 원하는 임계 에너지보다 낮은 에너지들을 갖는 이온들만이 검출되도록 구성될 수 있다. 저역 통과 이온 에너지 필터는 전압-바이어스된 편향기 플레이트(voltage-biased deflector plate) 및 검출기의 수집기 플레이트(collector plate)를 포함할 수 있다. 편향기 플레이트는 이온들 중 방출된 부분의 변위된 이온 성분의 빔의 경로에 수직일 수 있거나; 또는 이온들 중 방출된 부분의 변위된 이온 성분의 빔의 경로에 대해, 변위된 이온 성분의 빔의 축에서 벗어나는 수집기 플레이트와 각을 이룰 수 있다. 자석 조립체는 전기장을 가로지르는 자기장 및 음극 전극 조립체 외부의 외부 자기장 모두를 정의하도록 위치된 한 쌍의 편평한 플레이트 자석을 포함할 수 있다. 자석 조립체는 원통형 자석을 포함할 수 있고, 상기 원통형 자석은 음극 전극 조립체를 둘러싸고 소스 개구와 일치하는 개구부를 포함하며, 상기 원통형 자석은 전기장을 가로지르는 자기장 및 음극 전극 조립체 외부의 외부 프린지 자기장(external fringe magnetic field) 모두를 정의한다.

추가적인 관련된 실시예들에서, 진공 게이지는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류에 적어도 기초하여 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력을 결정하도록 구성된 전체 압력 결정 회로를 더 포함할 수 있다. 소스 개구 그리드는 소스 개구 위에 위치될 수 있다. 플럭스 제어 검출기(flux control detector)는 이온들 중 방출된 부분의 일부(fraction)를 수집하도록 위치될 수 있고; 플럭스 피드백 회로는 플럭스 제어 검출기로부터 수신된 전류를 기초로 양극 전극에 전력을 공급하기 위해 전기적으로 연결된 고전압 전력 공급 장치를 조정하도록 구성될 수 있다. 자기 섹터 또는 사중극자 필터(quadrupole filter)는 소스 개구와 검출기 사이에 위치될 수 있고; 상기 소스 개구는 기체 이온들을 비행 시간 질량 분석기(time-of-flight mass spectrometer), 이온 트랩(ion trap) 또는 무선 주파수 동적 이온 트랩으로 방출하도록 위치될 수 있다.

다른 관련된 실시예들에서, 변위된 이온 성분들은: 헬륨 이온들, 수소 이온들, 물 이온들 및 잔류 기체 이온들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 변위된 이온 성분들은 모니터링된 챔버로부터의 기체의 다른 성분들로부터 분리된 헬륨 이온들을 포함할 수 있다. 변위된 이온 성분들은 모니터링된 챔버로부터의 기체의 다른 성분들로부터 분리된 물 이온들을 포함할 수 있거나; 또는 각각 서로 분리되고 모니터링된 챔버로부터의 기체의 다른 성분들로부터 분리되는, 변위된 헬륨 이온들 및 변위된 물 이온들 모두를 포함할 수 있다.

추가적인 관련된 실시예들에서, 진공 게이지는 음극 회전 결합물(cathode rotation coupling)을 포함할 수 있다. 전자적으로 제어되는 액추에이터는 음극 회전 결합물에 결합될 수 있다. 한 쌍의 평행한 플레이트들 또는 한 쌍의 만곡된 플레이트들과 같은 이온 빔 편향기는 소스 개구와 검출기 사이에 위치될 수 있다. 편향기 전력 공급 장치는 이온 빔 편향기의 한 쌍의 편향기 플레이트들 사이에 정전기장을 생성하기 위해 이온 빔 편향기에 전기적으로 연결될 수 있다. 편향기 전력 공급 장치는 (i) 이온 빔 편향기의 제2 편향기 플레이트의 접지 전압에 관련된 이온 빔 편향기의 제1 편향기 플레이트에 양의 편향기 바이어스 전압을 제공하거나, (ii) 제2 편향기 플레이트의 접지 전압에 대해 제1 편향기 플레이트에 음의 편향기 바이어스 전압을 제공하거나, 또는 (iii) 제1 편향기 플레이트에 제1 편향기 바이어스 전압을 제공하고, 제2 편향기 플레이트에 제2 편향기 바이어스 전압을 제공하도록 전기적으로 연결될 수 있다.

다른 관련된 실시예들에서, 편향기 제어 회로는 편향기 전력 공급 장치에 편향기 제어 신호를 공급하도록 구성될 수 있다. 편향기 제어 회로는 이온 빔 편향기가 이온들 중 방출된 부분의 변위된 이온 성분의 편향을 변화시키게 하기 위해 편향기 전력 공급 장치의 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 편향기 제어 회로는 (i) 시간에 따른 전압의 삼각 톱니 변화(triangular sawtooth variation), 또는 (ii) 다른 이온 성분들에 대해 변위된 이온 성분의 피크 폭 및 시간-위치를 제어하기 위한 전압 파형을 기초로, 편향기 전력 공급 장치의 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 편향기 제어 회로는 편향기 전력 공급 장치의 전압이 스캔 될 때 이온 빔 편향기가 검출기에 의해 검출될 복수의 이온 성분들을 연속적으로 편향시키게 하기 위해 편향기 전력 공급 장치의 전압을 스캔하도록 구성될 수 있다. 편향기 제어 회로는 복수의 이온 성분들의 질량 스펙트럼의 검출을 허용하기 위해 편향기 전력 공급 장치의 전압을 스캔하도록 구성될 수 있다. 이온 성분들 중 하나는 잔류 기체일 수 있고; 진공 게이지는 검출기에 의해 생성된 전류를 기초로 잔류 기체 부분 압력을 결정하도록 구성된 잔류 기체 부분 압력 측정 회로를 더 포함할 수 있다. 이온 성분들 중 하나는 물일 수 있고; 진공 게이지는 검출기에 의해 생성된 전류를 기초로 물 부분 압력을 결정하도록 구성된 물 부분 압력 측정 회로를 더 포함할 수 있다. 이온 성분들 중 하나는 헬륨일 수 있고; 진공 게이지는 검출기에 의한 헬륨의 검출에 의해 생성된 전류를 기초로 헬륨 부분 압력을 결정하도록 구성된 헬륨 부분 압력 측정 회로를 더 포함할 수 있다. 자동 기준선 조정 회로(automatic baseline correction circuit)는 헬륨 부분 압력의 기준선 조정을 수행하도록 구성될 수 있다. 이온 성분들 중 하나는 수소일 수 있다.

추가적인 관련된 실시예들에서, 편향기 제어 회로는 이온 빔 편향기가 상이한 에너지들 및 공통 이온 성분 질량을 갖는 변위된 이온 성분들이 검출기의 검출기 개구를 통해 집속되게 지향시키기 위해 편향기 전력 공급 장치의 전압을 제어하도록 구성될 수 있다. 진공 게이지는 음극 회전 결합물 및 액추에이터를 더 포함할 수 있다. 상기 엑추에이터는 상이한 에너지들을 갖는 변위된 이온 성분들이 편향기 전력 공급 장치의 전압에서 검출기로 지향되도록 음극 회전 결합물을 사용하여 음극 전극 조립체를 회전시키도록 구성된다. 상기 편향기 전력 공급 장치의 전압은 상이한 에너지들을 갖는 변위된 이온 성분들이 검출기의 검출기 개구를 통해 집속되게 한다. 집속되는 상이한 에너지들을 갖는 변위된 이온 성분들은 물 이온 성분을 포함할 수 있고, 잔류 기체 이온 성분을 포함할 수 있다. 편향기 제어 회로는 양극 전극의 전압이 변할 때 다른 이온 성분들에 대해 검출기에서 변위된 이온 성분의 시간-위치를 변경하지 않으면서 이온 빔 편향기가 변위된 이온 성분을 검출기로 지향시키게 하기 위해, 양극 전극의 전압이 변할 때 편향기 전력 공급 장치의 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 진공 게이지는 원하는 임계 에너지보다 더 높은 에너지들을 갖는 이온들만이 검출되는 것을 허용하도록 구성된 고역 통과 이온 에너지 필터를 더 포함할 수 있다. 고에너지 필터 제어 회로는 양극 전극의 전압에 비례하게 고역 통과 이온 에너지 필터의 바이어스 전압을 감소시키도록 구성될 수 있다.

추가적인 관련된 실시예들에서, 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결된 부분 압력 디스플레이는 모니터링된 챔버로부터의 기체의 부분 압력의 표시를 제공할 수 있고; 부분 압력 결정 회로는 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 적어도 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 전류에 기초하여 모니터링된 챔버로부터의 기체의 부분 압력을 결정하도록 구성될 수 있다. 진공 게이지는: 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력의 표시를 제공하는 전체 압력 디스플레이; 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고 모니터링된 챔버로부터의 기체의 부분 압력 표시를 제공하는 부분 압력 디스플레이; 및 이온 전류 측정 회로를 포함하는 모듈형 유닛(modular unit)에 포함될 수 있다. 진공 게이지는 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고 모니터링된 챔버로부터의 기체 내의 물의 부분 압력의 표시를 제공하는 물 부분 압력 디스플레이를 더 포함할 수 있고; 모니터링된 챔버에서의 기체의 물 백분율의 표시를 제공하는 물 백분율 디스플레이를 포함할 수 있다. 물 백분율 결정 회로는: 적어도 (i) 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르고 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 전체 전류, (ii) 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 전류, 및 (iii) 소스 개구의 단면적 대 기체 이온들에 노출된 음극 전극 조립체의 일부의 표면적의 비율에 기초하여 물 백분율을 결정하도록 구성될 수 있다. 진공 게이지는 모니터링된 챔버로부터의 물의 부분 압력 대 모니터링된 챔버로부터의 잔류 기체의 부분 압력의 비율의 표시를 제공하는 잔류 기체 대 물 비율 디스플레이; 및 적어도 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 전류를 기초로, 물의 압력 대 잔류 기체의 부분 압력의 비율을 결정하도록 구성되는 잔류 기체 대 물 비율 결정 회로를 더 포함할 수 있다. 자석 조립체는 전기장를 가로지르는 축에 대해 방사상으로 대칭일 수 있다.

추가적인 관련된 실시예들에서, 이온 전류 측정 회로는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류 및 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류 모두를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 이온 전류 측정 회로를 포함할 수 있다. 이온 전류 측정 디바이스는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류로부터의 제1 이온 전류 신호 및 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류로부터의 제2 이온 전류 신호를 포함하는 복수의 이온 전류 신호들을 수신하도록 전기적으로 연결될 수 있는 멀티플렉서(multiplexer)를 포함할 수 있다. 이온 전류 측정 회로는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 제1 이온 전류 측정 회로, 및 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 제2 이온 전류 측정 회로를 포함할 수 있다. 이온 전류 측정 회로는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 제1 전류계(ammeter), 및 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 제2 전류계를 포함할 수 있다. 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지는: (i) 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류의 감소, 및 (ii) 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 전류의 증가 모두의 동시적인 발생을 결정하도록 구성된 이중 신호 누출 검출 회로를 더 포함할 수 있다. 이중 신호 누출 검출 디스플레이는 이중 신호 누출 검출 회로에 의해 결정된 동시적인 발생을 기초로 하는 누출에 대한 압력 데이터의 표시를 포함할 수 있다.

다른 관련된 실시예들에서, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지는 검출기의 길이를 둘러싸는 검출기 차폐물을 더 포함할 수 있으며, 상기 검출기 차폐물은 검출기 개구를 포함한다. 진공 게이지는 검출기 개구를 둘러싸거나 이를 덮는 에너지 필터 그리드를 포함할 수 있다. 검출기 차폐 전기적 커넥터는 검출기 차폐물에 바이어스 전압을 인가하는 전압원과 검출기 차폐물 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 진공 게이지는 검출기 차폐 회전 결합물을 더 포함할 수 있고; 검출기 회전 결합물을 더 포함할 수 있다. 길이가 검출기 차폐물에 의해 둘러싸인 검출기는 패러데이 수집기를 포함할 수 있으며, 상기 패러데이 수집기는 측면 차폐물을 포함하는 패러데이 컵을 포함할 수 있다. 검출기 차폐물은 접지될 수 있다. 진공 게이지는 자석 회전 결합물을 더 포함할 수 있다.

추가적인 관련된 실시예들에서, 자기장 연장 조립체는 소스 개구로부터 검출기를 향해 세로로(longitudinally) 연장하는 방향으로 자기장을 연장시키도록 위치될 수 있다. 자기장 연장 조립체는 자석 조립체와 검출기 사이의 자기장을 증가시키도록 위치된 자석을 포함할 수 있고; 소스 개구와 검출기 사이에서 연장되는 통로 외부의 적어도 일부를 둘러싸는 자기 요크(magnetic yoke)를 포함할 수 있다. 자석 조립체는 음극 조립체 위로 연장되고 소스 개구로부터 검출기를 향해 세로로 연장하는 방향으로 연장하는 모놀리식 자석(monolithic magnet)을 포함할 수 있다.

다른 관련된 실시예들에서, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지는 전체 압력이 임계 전체 압력보다 높을 때 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력을 측정하기 위해 연결된 고압 전체 압력 센서를 더 포함하는 조합 게이지의 일부를 포함할 수 있고, 상기 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지는 전체 압력이 고압 전체 압력 센서의 임계 전체 압력보다 낮을 때 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력을 측정하기 위해 연결될 수 있다. 고압 전체 압력 센서는 피라니 전체 압력 센서(Pirani total pressure sensor), 또는 피라니 게이지 및 피에조 차압 센서(Piezo differential pressure sensor)의 조합을 포함할 수 있으며, 임계 전체 압력은 약 10^-4 Torr 또는 약 10^-5 Torr 중 하나일 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, 양극 전극 및 양극 전극의 길이를 둘러싸고 음극 전극 조립체와 양극 전극 사이의 방전 공간에 전기장을 생성하도록 위치되는 음극 전극 조립체를 포함하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지가 제공된다. 전기장을 가로지르는 자기장을 정의하기 위해 자석 조립체가 위치된다. 기체 이온들이 방전 공간에서 전기장에 의해 음극 전극 조립체를 향한 방향으로 가속되게 형성되도록, 음극 전극 조립체 내의 개구부는 모니터링된 챔버로부터 방전 공간으로 기체의 유입을 허용하도록 위치된다. 음극 전극 조립체 내의 소스 개구는 기체 이온들의 일부를 음극 전극 조립체 외부로 방출하도록 위치된다. 자석 조립체는 기체 이온들의 질량 대 전하 비율을 기초로 이온들 중 방출된 부분을 각을 이루게 변위시키도록 위치된다. 검출기는 이온들 중 방출된 부분의 변위된 이온 성분을 검출하기 위해 위치된다. 이온 전류 측정 회로는 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된다. 기체 주입 통로는 모니터링된 챔버로부터 음극 전극 조립체 내의 개구부로 기체를 흐르게 하도록 위치되며, 이온들 중 방출된 부분은 기체 주입 통로에서 모니터링된 챔버로부터의 기체의 유동에 반대인 방향으로 이동한다.

추가적인 관련된 실시예들에서, 변위된 이온 성분들은 모니터링된 챔버로부터의 기체의 다른 성분들로부터 분리된 헬륨 이온들을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, 역 마그네트론 냉음극 이온화 소스가 제공된다. 이온화 소스는 양극 전극; 양극 전극의 길이를 둘러싸고 음극 전극 조립체와 양극 전극 사이의 방전 공간에 전기장을 생성하도록 위치되는 음극 전극 조립체; 및 전기장을 가로지르는 자기장을 정의하도록 위치된 자석 조립체를 포함한다. 기체 이온들이 방전 공간에서 전기장에 의해 음극 전극 조립체를 향한 방향으로 가속되게 형성되도록, 음극 전극 조립체 내의 개구부는 챔버로부터 방전 공간으로 기체의 유입을 허용하도록 위치된다. 음극 전극 조립체 내의 소스 개구는 기체 이온들의 일부를 음극 전극 조립체 외부로 방출하도록 위치된다. 자기 섹터, 사중극자 질량 필터, 비행 시간 질량 분석기, 이온 트랩 또는 무선 주파수 동적 이온 트랩은 소스 개구로부터 방출되는 기체 이온들을 수신하도록 위치된다.

추가적인 관련된 실시예들에서, 기체 주입 통로는 모니터링된 챔버로부터 음극 전극 조립체 내의 개구부로 기체를 흐르게 하도록 위치될 수 있으며, 이온들 중 방출된 부분은 기체 주입 통로에서 모니터링된 챔버로부터의 기체의 유동에 반대인 방향으로 이동한다. 이온화 소스는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 이온 전류 측정 회로를 더 포함할 수 있다. 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결된 전체 압력 디스플레이는 챔버로부터의 기체의 전체 압력의 표시를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, 모니터링된 챔버 내의 기체로부터 전체 압력 및 부분 압력을 측정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 음극 전극 조립체와 양극 전극 사이의 방전 공간에 전기장을 생성하기 위해, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 전압을 인가하는 것을 포함하며, 상기 음극 전극 조립체는 상기 양극 전극의 길이를 둘러싼다. 자기장은 자석 조립체를 사용하여 전기장을 가로질러 정의된다. 기체 이온들이 방전 공간에서 음극 전극 조립체를 향하는 방향으로 전기장에 의해 가속되게 형성되도록, 음극 전극 조립체 내의 개구부를 통해 모니터링된 챔버로부터 방전 공간으로의 기체의 유입이 허용된다. 기체 이온들의 일부는 음극 전극 조립체 내의 소스 개구를 통해 음극 전극 조립체 외부로 방출된다. 이온들 중 방출된 부분은 자석 조립체를 사용하여 기체 이온들의 질량 대 전하 비율을 기초로 각을 이루게 변위된다. 이온들 중 방출된 부분의 변위된 이온 성분은 검출기를 사용하여 검출된다. 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류는 이온 전류 측정 회로를 사용하여 측정되고; 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력의 표시는 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 전체 전류를 기초로 디스플레이된다. 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류는 이온 전류 측정 회로를 사용하여 측정되고; 모니터링된 챔버로부터의 기체의 부분 압력의 표시는 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 전류를 기초로 표시된다.

추가적인 관련된 실시예들에서, 방법은 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류에 독립적인 양극 전극의 정전압을 유지하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 원하는 임계 에너지보다 높은 에너지들을 갖는 이온들 중 방출된 부분의 이온들만이 검출기에 도달하는 것을 허용하기 위해 고역 통과 이온 에너지 필터링을 수행하는 것; 또는 원하는 임계 에너지보다 낮은 에너지들을 갖는 이온들 중 방출된 부분의 이온들만이 검출기에 도달하는 것을 허용하기 위해 저역 통과 이온 에너지 필터링을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 모니터링된 챔버를 포함하는 진공 시스템을 진단하는 것을 더 포함할 수 있으며, 상기 방법은 이온 전류 측정 회로를 사용하여 검출기에서 물 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류를 측정하는 것, 및 이온 전류 측정 회로를 사용하여 검출기에서 잔류 기체 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류를 측정하는 것을 더 포함할 수 있다.

전술한 것은 유사한 참조 부호가 상이한 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 지칭하는 첨부 도면들에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예들의 다음의 더욱 특정한 설명로부터 명백해질 것이다. 도면들은 축적일 필요는 없으며, 실시예들을 예시할 때 위치되는 대신에 강조한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 단면 투사도이다.
도 2a는 도 1의 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 횡단면 평면도이다.
도 2b는 도 1의 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 투영도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 기체 주입 통로에서 이온들의 역류가 있고 측면-장착된 검출기를 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 중앙에-장착된 검출기를 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 두 개의 측면-장착된 검출기들을 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 두 개의 소스 개구들 및 두 개의 측면-장착된 검출기들을 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 단일 패러데이 수집기 검출기를 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 패러데이 수집기들의 어레이를 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른, 기체 주입 통로가 이온 검출 통로와 분리된 통로인 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른, 저역 통과 이온 에너지 필터 및 고역 통과 에너지 필터를 사용하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다.
도 11a는 본 발명의 실시예에 따른, 사용될 수 있는 예시적인 치수들을 예시하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다.
도 11b는 본 발명의 실시예에 따른, 사용될 수 있는 예시적인 치수들을 예시하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 자석 조립체 및 전극 조립체의 개략적인 측단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른, 전체 양극 전류 및 검출된 이온 전류 모두를 측정하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 전기 다이어그램(electrical diagram)이다.
도 13a는 본 발명의 실시예에 따른, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에서 전자 방전 플라즈마로부터 이온들의 생성을 예시하는 개략도이다.
도 13b는 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에서 원통형 자석 조립체의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른, 편평한 원통형 자석들을 사용하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 측면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에 사용될 수 있는, 소스 개구의 단면적 대 기체 이온들에 노출된 음극 전극 조립체의 일부의 표면적의 비율의 결정을 예시하는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른, 소스 개구 그리드를 사용하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 측면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른, 플럭스 제어 회로를 사용하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 측면도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른, 자기 섹터와 사용되는 역 마그네트론 냉음극 이온화 소스의 개략도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 사중극자 질량 필터와 사용되는 역 마그네트론 냉음극 이온화 소스의 개략도이다.
도 20a는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사 방향으로 지향되고 연장된 소스 개구를 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 측면도이고, 도 20b는 이의 투영도이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른, 이온 빔 편향기를 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다.
도 22a는 본 발명의 실시예에 따른, 조합된 관점에서 이온 성분들의 분리를 예시하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이고, 도 22b는 성분에 의해 분리된 이온 성분들의 개략적인 평면도이다.
도 23a는 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이고, 도 23b는 음극 전극 조립체 외부로 연장되는 외부 자기장을 도시하는 전극 조립체 및 자석 조립체의 개략적인 측면도이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 헬륨에 대한 전체 압력 응답의 그래프이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 헬륨에 대한 전체 압력 감도 대 양극 직경의 그래프이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 헬륨에 대한 부분 압력 민감도 대 양극 크기의 그래프이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 교정 곡선에 대해 사용될 수 있는 정규화된 전류(로그 스케일) 대 기준 압력을 도시하는 그래프이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에 의한 (물을 포함하는) 잔류 기체들, 헬륨 및 수소 이온 성분들의 각도 분해능을 도시하는 그래프이다.
도 29는 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에서 양극 전압 및 전류 제한 저항기를 예시하는 개략적인 전기 다이어그램이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지와 사용되는 제어 유닛의 개략적인 전기 다이어그램이다.
도 31a는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 구성요소의 개략적인 블록도이다.
도 31b는 본 발명의 실시예에 따른 프로세스 보드의 개략적인 블록도이다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 신호 누출 검출 회로의 사용을 예시하는 전체 압력 전류 및 부분 압력 전류의 그래프들의 도면이다.
도 33은 본 발명의 실시예에 따른, 검출기 차폐물을 포함하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 수직 단면도이다.
도 34는 본 발명의 실시예에 따른, 검출기 차폐물을 포함하는 도 33의 진공 게이지의 투명한 투영도이다.
도 35는 본 발명의 실시예에 따른, 검출기 차폐물을 포함하는 도 33 및 34의 진공 게이지의 투명한 수직 단면도이다.
도 36은 본 발명의 실시예에 따른, 도 33 내지 35의 진공 게이지의 수평 절반 단면도이다.
도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양극 전기 연결을 통해 취해진 도 33 내지 36의 진공 게이지의 수평 절반 단면도이다.
도 38은 본 발명의 실시예에 따른, 검출기 차폐물의 회전 결합물을 예시하는 도 33 내지 37의 진공 게이지의 평면도이고, 도 39는 이의 저면도이다.
도 40 및 41은 본 발명의 실시예에 따른, 진공 게이지를 사용하여 다른 잔류 기체들로부터 물의 분리를 도시하는 그래프들이다.
도 42 및 43은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 게이지의 전체 압력 감도를 도시하는 그래프들이다.
도 44는 본 발명의 실시예에 따른 잔류 기체 분석기(RGA) 및 진공 게이지를 사용하는 누출 검출의 비교를 도시하는 그래프들의 도면이다.
도 45는 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지의 구성요소들의 예시적인 치수들을 도시하는 수직 단면도이다.
도 46은 본 발명의 실시예에 따른, 소스 개구로부터 검출기를 향해 세로로 연장하는 방향으로 자기장을 연장시키도록 위치된 자기장 연장 조립체를 도시하는 수직 단면도이다.
도 47 및 48은 본 발명의 실시예에 따른, 이중 신호 누출 검출 기술의 사용을 위한 개념적인 기초인 도출에 사용되는 공기 누출이 있는 개념적인 진공 시스템 및 헬륨 누출이 있는 개념적인 진공 시스템의 개략도이다.
도 49는 본 발명의 실시예에 따른, 검출기에 의해 검출될 이온 성분들을 편향시키기 위해 이온 빔 편향기를 사용하는 진공 게이지의 개략적인 투영도이다.
도 50은 본 발명의 실시예에 따른, 다른 이온 성분을 검출기로 편향시키는 도 49의 진공 게이지의 개략적인 투영도이다.
도 51은 본 발명의 실시예에 따른, 도 50의 진공 게이지의 평면도이다.
도 52는 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지에서 편향기 플레이트 상의 전압을 스캔함으로써 생성된 전체 스펙트럼 범위의 그래프이다.
도 53은 본 발명의 실시예에 따른 편향기를 사용하는 진공 게이지의 측면도이다.
도 54는 본 발명의 실시예에 따른 편향기를 사용하는 진공 게이지의 평면도이다.
도 55는 본 발명의 실시예에 따른 편향기를 사용하는 진공 게이지의 투영도이다.
도 56은 본 발명의 실시예에 따른 편향기를 사용하는 진공 게이지의 평면도이다.
도 57은 본 발명의 실시예에 따른 편향기를 사용하는 진공 게이지의 투영도이다.
도 58은 본 발명의 실시예에 따른 편향기를 사용하는 진공 게이지의 평면도이다.
도 59는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 치수들을 도시하는, 진공 게이지의 구성요소들의 개략도이고, 도 60은 이의 단면도이다. 도 60은 도 59의 라인 A-A를 따른 진공 게이지의 단면도이다.
도 61은 본 발명의 일 실시예에 따른, 음극 전극 조립체 위로 연장되고 소스 개구로부터 검출기를 향해 세로로 연장하는 방향으로 연장하는 모놀리식 자석을 포함하는 진공 게이지의 투영이다.
도 62는 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지를 갖는 자기 요크의 사용을 예시하는 개략도이다.
도 63은 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지에서 편향기를 사용하여 이온 성분들의 에너지 집속을 예시하는 개략도이다.
도 64는 본 발명의 실시예에 따른 전기 제어 회로의 개략도이다.
도 65는 본 발명의 실시예에 따른, 도 64의 전기 제어 회로에 사용되는 프로세서의 개략적인 블록도이다.
도 66은 본 발명의 실시예에 따른, 편향기 제어 회로의 개략적인 블록도이다.
도 67은 본 발명의 실시예에 따른, 양극 전압 제어 회로의 개략적인 블록도이다.
도 68은 본 발명의 실시예에 따른, 펌프다운 진단 프로세서에 의해 구현되는 프로세스 흐름의 예시의 개략도이다.
도 69는 본 발명의 실시예에 따른, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지가 조합 게이지의 일부인 시스템의 개략적인 블록도이다.

예시적인 실시예들에 대한 설명은 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따라, 역 마그네트론 전극 설계를 갖는 전체 압력 냉음극 이온화 게이지는, 수소, 헬륨 및 물과 같은 하나 이상의 기체들의 부분 압력들과 함께, 고진공 시스템에서 전체 기체 압력을 동시에 검출하고 측정할 수 있다. 냉음극 이온화 게이지는 열음극에 대한 어떠한 요구 없이, 순수 전자 플라즈마를 생성하기 위해 및 기체 분자들과의 전자 충격을 통해 이온들을 생성하기 위해, 역 마그네트론 방전이 있는 냉 이온화 소스를 포함한다. 냉음극 이온화 게이지는 진공 시스템의 트러블 슈팅을 위해, 헬륨 누출 검출, 물 백분율 측정 및 아래에 설명된 다른 용도를 위해 사용될 수 있다. 덧붙여, 저온 이온화 소스는 자기 섹터들, 사중극자 질량 필터들 및 아래에 설명된 다른 시스템들에 대한 소스로서 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지(1000)의 단면 투영도이다. 도 2a는 도 1의 진공 게이지(1000)의 횡단면 평면도이고 도 2b는 이의 투영도이다.

도 1, 2a 및 2b의 실시예를 참조로, 진공 게이지(1000)는 양극 전극(1002) 및 상기 양극 전극(1002)의 길이를 둘러싸는 음극 전극 조립체(1004)를 포함한다. 상기 음극 전극 조립체(1004)는 예를 들어, 원통형 형상일 수 있고, 양극 전극(1002)의 길이를 완전히 또는 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 대안적으로, 정사각형 형상과 같은 비-원통 형상이 음극 전극 조립체(1004)에 대해 사용될 수 있다. 음극 전극 조립체(1004)는 단일의 음극 전극일 수 있거나, 또는 함께 음극 전극 조립체(1004)를 형성하는 (두 개의 절반-실린더들과 같은) 두 개 이상의 음극 전극 섹션들로 형성될 수 있다. 상기 음극 전극 조립체(1004)는, 양극 전극(1002)과 음극 전극 조립체(1004) 사이에 전압이 인가될 때, 음극 전극 조립체(1004)와 양극 전극(1002) 사이의 방전 공간(1005)에 전기장을 생성하도록 위치된다. 각각 양극 전극(1002) 및 음극 전극 조립체(1004)에 대한 두 개의 분리된 접지 절연된 피드스루들(1024 및 1026)이 도 1에 도시되어 있지만, 양 전극들(1002 및 1004)이 접지 절연될 필요가 없고, 전기 피드스루 연결들(1024 및 1026)이 양 측들로부터 보다는 단일 피드스루 지점을 통해 진공 구성요소들로 들어갈 수 있음이 인식될 것이다. 상기 전기 피드스루들(1024 및 1026)은 양극 전극(1002)과 음극 전극 조립체(1004) 각각에 연결하기 위한 나사산 금속 커넥터(threaded metal connector, 1165) 및 양극 전극(1002)과 음극 전극 조립체(1004)의 각각에 유선 연결들이 만들어질 수 있는 내부 보어(internal bore, 1168)를 포함하는 절연체(1167)(예를 들어, PEEK 폴리머 또는, 예를 들어, 베스펠 유리(Vespel glass) 또는 알루미나와 같은 세라믹으로 제조된 플라스틱 절연체 등)를 포함할 수 있다.

도 1, 2a 및 2b의 실시예를 계속하면, 자기장 및 전기장이 교차장 배열이고 전기장 라인들이 자기장 라인들에 수직이도록, 자석 조립체(1006)는 전기장을 가로지르는 자기장을 정의하도록 위치된다. 예를 들어, 도 1에서, 전기장은 양극 전극(1002)과 음극 전극 조립체(1004) 사이에서 방사 방향(1007a)으로 연장될 수 있는 한편, 자기장은 상기 자석 조립체(1006)의 두 개의 편평한 플레이트 자석들(1006a 및 1006b) 사이에서 수직으로 연장되어, 상기 자기장은 전기장에 수직인 방향(1007b)으로 연장한다. 편평한 플레이트 자석들(1006a 및 1006b)이 도시되어 있지만, 교차장 자기장을 제공하기 위해 다른 형상들의 자석들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 기체 이온들이 음극 전극 조립체(1004)를 향하는 방향으로 전기장에 의해 가속되게 방전 공간(1005)에 형성되도록, 음극 전극 조립체(1004) 내의 개구부(1008)는 모니터링된 챔버(미도시)로부터 방전 공간(1005)으로의 기체의 유입을 허용하도록 위치된다. 예를 들어, 플랜지(1009)는 기체가 기체 유입 통로(1028)를 통해 음극 전극 조립체(1004) 내의 개구(1008)로 이동하도록, 모니터링된 챔버(미도시)로부터의 기체의 소스에 부착하는데 사용될 수 있다. 음극 전극 조립체(1004) 내의 소스 개구(1010)는 방전 공간(1005)에 형성된 기체 이온들의 일부를 음극 전극 조립체(1004) 외부로 방출하도록 위치된다. 도 1, 2a 및 2b에서, 소스 개구(1010)는 두 개의 소스 개구 플레이트들(1011)(이 중 하나는 도 1의 단면도에 도시되고, 두 개는 도 2b에 도시됨) 사이의 수직 슬릿에 의해 형성되지만, 다양한 상이한 가능한 형상들의 소스 개구들(1010)이 사용될 수 있음이 인식될 것이다.

상기 자석 조립체(1006)는 예를 들어, 방사 방향(1007a)을 가로지르는 교차장 방향(1007b)으로 자기장을 정의함으로써, 기체 이온들의 질량 대 전하 비율을 기초로 이온들 중 방출된 부분을 각을 이루게 변위시키도록 위치된다. 검출기(1012)는, 헬륨, 수소, 물 또는 (질소와 같이) 물보다 높은 분자량의 하나 이상의 잔류 기체들의 이온들의 분리된 스트림과 같이, 변위된 이온 성분의 분리된 이온 스트림일 수 있는 이온들 중 방출된 부분의 변위된 이온 성분을 검출하도록 위치된다. 본원에서 사용된, "잔류 기체"는 물보다 높은 분자량의 이온 성분이다. 상기 검출기(1012)는 예를 들어, 이온 차폐물(1018)(도 2a 참조), 검출기 개구(1020)(도 2a 참조) 및 패러데이 수집기(1022)(도 2a 참조)를 포함할 수 있다. 아래에서 더 논의되는 바와 같이, (예를 들어, 제1 전류 측정 회로(12014)를 포함할 수 있는, 도 12 참조) 이온 전류 측정 회로는 양극 전극(1002)과 음극 전극 조립체(1004) 사이에 흐르는 전체 전류 I _total (도 12 참조)를 측정하기 위해 전기적으로 연결된다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 상기 전체 전류 I _total 는 모니터링된 챔버에서 기체의 전체 압력을 결정하는 데 사용된다. 덧붙여, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, (예를 들어, 제2 전류 측정 회로(12016)를 포함할 수 있는, 도 12 참조) 이온 전류 측정 회로는 검출기(1012)에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류 I_signal을 측정하기 위해 전기적으로 연결된다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 검출기(1012)로부터의 상기 전류 I _signal 는, 헬륨, 수소, 물 또는 질소의 부분 압력과 같이, 모니터링된 챔버에서 기체의 부분 압력을 결정하기 위해 사용된다. 이러한 방식으로, 진공 게이지는 헬륨, 수소, 물 또는 질소와 같은 성분들에 대한 전체 압력 게이지 및 부분 압력 게이지의 기능을 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 기체 주입 통로(3028)에서 이온들의 역류가 있고 측면-장착된 검출기(3012)를 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지(3000)의 개략적인 평면도이다. 상기 기체 주입 통로(3028)는 모니터링된 챔버(미도시)로부터 음극 전극 조립체(3004) 내의 개구부(1008)(도 1 참조)로 기체를 흐르게 하도록 위치된다. 음극 전극 조립체(3004) 외부로 방출되는 이온들의 부분(3030)은 기체 주입 통로(3028)에서 모니터링된 챔버로부터의 기체의 유동 방향(3034)과 반대인 방향(3032)으로 이동한다. 검출기(3012)는 기체 주입 통로(3028)의 측면 엣지에 위치된다. 대안적으로, 도 4의 실시예에 도시된 바와 같이, 검출기(4012)는 기체 주입 통로(4028)의 중앙에 위치될 수 있다. 도 3의 실시예로 돌아가면, 진공 게이지(3000)는 양극 전압에 대해 접지 전압으로 바이어스된 접지 그리드 메시(grounding grid mesh)와 같은 정전식 차폐 그리드(3036)를 포함할 수 있다. 정전식 차폐 그리드(3036)는 소스 개구(3010)와 검출기(3012) 사이에 위치된다. 정전식 차폐 그리드(3036)는 음극 전극 조립체와 검출기 개구(3020) 사이에 전기장이 없는 영역을 제공하는 것을 보조할 수 있다. 정전식 차폐 그리드(3036) 없이, 검출기 개구(3020)에 인가된 바이어스 전압에 대한 변경은 이온 궤적에 대한 변경을 야기하고 검출기 개구(3020)를 통한 이온 빔의 결합물에 영향을 미칠 수 있으며, 상기 영향은 정전식 차폐 그리드(3036)를 사용하여 완화되거나 제거될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 변위된 이온 성분(3038)은 검출기 개구(3020)를 통해 지향되고, 헬륨의 부분 압력과 같이 이온 성분(3038)의 부분 압력을 결정하기 위해 측정되는 전류 I ⁺ _He 를 생성한다.

도 4의 실시예에 도시된 바와 같이, 변위된 이온 성분들(4038)은 그의 질량 대 전하 비율을 기초로 상이한 이온 스트림들로 분리되며, 상기 상이한 이온 스트림들은 소스 개구(4010)로부터 멀리 이동할 때 서로로부터 점점 더 갈라진다(diverge). 이온들의 운동 방향을 가로지르는 자기장은 오른손 법칙에 따라 이온들에 힘을 가한다. 예를 들어, 도 4에서, 변위된 이온 성분(4038a)은 수소 이온들로 이루어지고, 4038b는 헬륨 이온들로 이루어지며, 4038c는 물 이온으로 이루어지고, 4038d는 잔류 기체로 이루어진다. 도 4에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 검출기(4012)는 원하는 변위된 이온 성분(4038b)(여기서, 헬륨)이 검출되도록 위치된다. 덧붙여, 본원에서의 실시예들에 따라, (예를 들어, 기체 주입 통로의 중심 축에 관련된) 소스 개구(4010)의 각도는 원하는 변위된 이온 성분(4038b)이 검출되도록 유사하게 조정될 수 있다.

도 5의 실시예에 도시된 바와 같이, 진공 게이지(5000)는 하나보다 많은 검출기(5012a, 5012b)를 포함할 수 있으며, 상기 하나보다 많은 검출기(5012a, 5012b)의 각각은 이온들 중 방출된 부분의 하나보다 많은 상이한 변위된 이온 성분들(5038a-d) 중 상이한 하나를 검출하도록 위치된다. 예를 들어, 도 5에서, 하나의 검출기(5012a)는 헬륨의 부분 압력의 측정을 허용하기 위해 전류 I ⁺ _He 가 생성되도록 헬륨 이온(5038b)을 검출하도록 위치되는 한편, 다른 검출기(5012b)는 물의 부분 압력의 측정을 허용하기 위해 전류 I ⁺ _H2O 가 생성되도록 물 이온들(5038c)을 검출하도록 위치된다. 도 5에서, 양 검출기들(5012a, 5012b)은 기체 주입 통로(5028)의 측면에 장착되지만, 이들 중 하나 이상이 중앙에 장착될 수 있다.

도 6의 실시예에 도시된 바와 같이, 진공 게이지(6000)는 하나보다 많은 소스 개구(6010a, 6010b) 및 하나보다 많은 검출기(6012a, 6012b)를 포함할 수 있다. 이 경우, 각 소스 개구(6010a, 6010b)는 소스 개구들(6010a, 6010b)로부터 방출된 변위된 이온 성분들을 상이한 이온 스트림들로 분리한다. 예를 들어, 소스 개구(6010a)는 방출된 이온들을 수소(6038a), 헬륨(6038b), 물(6038c) 및 잔류 기체들(6038d)의 변위된 이온 성분들(6038a-d)로 분리하는 한편; 소스 개구(6010b)는 그의 방출된 이온들을 수소(6038e), 헬륨(6038f), 물(6038g) 및 잔류 기체들(6038h)의 변위된 이온 성분들(6038e-h)로 분리한다. 다수의 검출기들(6012a, 6012b)은 상이한 방출된 이온 스트림들을 기초로, 하나보다 많은 기체의 부분 압력들의 측정으로부터 전류들이 생성될 수 있도록, 상이한 이온 성분을 검출하도록 위치될 수 있다. 예를 들어, 도 6에서, 물의 스트림(6038c)은 전류 I ⁺ _H2O 가 물의 부분 압력의 측정을 허용하기 위해 생성되도록 검출기(6012a)로 지향된 것으로 도시 되는 한편, 스트림(6038f)은 전류 I ⁺ _He 가 헬륨의 부분 압력의 측정을 허용하기 위해 생성되도록 검출기(6012b)로 지향된다. 도 6에서, 양 검출기들(6012a, 6012b)은 기체 주입 통로(6028)의 측면에 장착되지만, 이들 중 하나 이상은 또한 중앙에 장착될 수 있다. 본 발명에 따른 실시예들에서, 변위된 이온 성분들(6038)은 헬륨 이온들, 수소 이온들, 물 이온들 및 질소 이온들 및 산소 이온들과 같은 잔류 기체 이온들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 변위된 이온 성분들(6038)은 모니터링된 챔버로부터의 기체의 다른 성분들로부터 분리된 헬륨 이온들을 포함할 수 있다. 변위된 이온 성분들(6038)은 모니터링된 챔버로부터의 기체의 다른 성분들로부터 분리된 물 이온들을 포함할 수 있거나; 각각 서로 분리되고 모니터링된 챔버로부터의 기체의 다른 성분들로부터 변위된 헬륨 이온들 및 변위된 물 이온들 모두를 포함할 수 있다.

도 7의 실시예에 도시된 바와 같이, 진공 게이지(7000)는 패러데이 수집기(7022)를 갖는 검출기(7012)를 포함할 수 있다. 검출기는 이온 차폐물(7018), 검출기 개구(7020)(여기서 및 본원의 다른 도면들에서, 검출기 슬릿으로 지칭되지만, 다른 형상들의 검출기 개구가 사용될 수 있음이 인식될 것이다) 및 패러데이 수집기(7022)를 포함한다. 본원에서 논의된 패러데이 수집기들은 저렴한 비용으로 편평한 플레이트로서 설계될 수 있지만, 패러데이 컵들을 사용하여 개선된 성능이 획득될 수 있다. 패러데이 컵들은 이온 충돌로부터 초래될 수 있는 2차 전자들을 포획(capture)할 수 있으며, 이를 통해 이온 전류에 더욱 선형인 응답을 제공할 수 있다. 도 7에서, 단일 패러데이 수집기(7022)만이 사용된다.

대안적으로, 도 8의 실시예에 도시된 바와 같이, 진공 게이지(8000)는 또한 패러데이 수집기들의 어레이(8040)에 하나보다 많은 검출기들을 포함할 수 있다. 여기서, 소스 개구(8010)로부터 방출된 이온들의 스트림(8030)은 양극 전압에 대한 접지 전압으로 바이어스된 접지 그리드 메시와 같은 정전식 차폐 그리드(8036)를 통해 이동할 수 있고, 그 후 패러데이 수집기들의 어레이(8040)에 도달하기 전에 양극 전압에 대해 바이어스 전압으로 에너지 필터 그리드(8042)를 통해 이동할 수 있다. 상기 정전식 차폐 그리드(8036)는 도 3의 정전식 차폐 그리드(3036)에 유사한 이점들을 제공할 수 있다. 상기 에너지 필터 그리드(8042)는 양극 전압에 대해 바이어스 전압에 있음으로써 고에너지 필터링에 사용될 수 있으며, 상기 에너지 필터 그리드(8042)는 패러데이 수집기들의 어레이(8040)에 고역 통과 이온 에너지 필터링을 적용하며, 이를 통해 아래에서 도 11a에서 항목(11054)에 관련되어 설명될 단일 검출기에 대한 고역 통과 이온 에너지 필터링에 유사한 역할을 한다. 본원에서 교시된 다른 진공 게이지들은 또한 패러데이 수집기 어레이(8040)가 사용되는지에 관계없이, 소스 개구와 검출기 사이에 위치된 에너지 필터 그리드(8022)를 사용할 수 있다. 패러데이 수집기들의 어레이(8040)는 예를 들어, 패러데이 수집기들을 형성하는 금속 스트립들(8046)을 갖는, 세라믹과 같은 유전체 기판(8044)을 포함할 수 있다. 금속 스트립(8046)은 예를 들어, 두께가 약 0.025인치이고 약 0.01인치의 간격만큼 분리될 수 있다. 다른 예시에서, 패러데이 수집기 어레이는 (예를 들어, 두께가 약 0.025인치인) 금속 스트립(8046) 사이에, 예를 들어, 폭이 약 0.010인인 에어 갭을 추가함으로써 구현될 수 있으며, 이는 인접한 수집기들 사이의 크로스토크(crosstalk)를 회피할 수 있다. 패러데이 수집기들에 대한 전기적 연결들(8048)을 사용하여, 어레이(8040)에서 패러데이 수집기들의 각각에서 수신된 이온 전류는 그 후, 멀티플렉서(30124)에 공급될 수 있다(아래의 도 30 참조). 다른 실시예에서, 검출기(8040)는 패러데이 수집기 대신에 또는 이에 추가하여 전자 증배기를 포함할 수 있다. 전자 증배기는 향상된 검출 제한들 및 더욱 빠른 데이터 취득 속도들과 같은 장점들을 제공할 수 있다.

도 9의 실시예에 도시된 바와 같이, 대안적인 기하학적 구조에서, 기체 주입 통로(9028)는 이온 검출 통로(9050)로부터 분리된 통로일 수 있어서, 음극 전극 조립체(9004) 외부로 방출되는 이온들의 부분(9030)은 도 3의 실시예의 역류 배열에 반대인, 기체 주입 통로(9028)에서 모니터링된 챔버로부터의 기체의 유동 방향(9034)에 일반적으로 평행하거나 다른 각도인 유동 방향(9032)으로 이동한다. 병렬 유동의 다른 대안적인 기하학적 구조에서, 기체 주입부(gas inlet)은 음극 전극 조립체(9004)에 또는 그 근처에 있을 수 있어서, 들어오는 기체는 방출된 이온들이 기체 유동 및 방출된 이온 성분들의 역류가 있는 것 보다, 검출기를 향해 이동하는 방출된 이온들과 동일한 방향(9032)으로 소스로부터 검출기로 흐른다. 하지만, 병렬 흐름 구성의 잠재적인 단점은 음극 전극 조립체(9004) 및/또는 양극 전극 그 자체가 들어오는 기체 유동에 낮은 전도도의 장벽을 제공할 수 있으며, 이를 통해 더욱 큰 주입 기체 연결을 요구한다는 것이다. 또한, 음극이 기체 유동과 검출기 사이에 위치되는 경우, 검출기를 펌핑하는 것을 어렵게 할 수 있는 전도도 제한이 있다. 검출기에 어느 기체 배출(outgassing)이 있는 경우, 상기 영역에서의 압력이 증가하고 디바이스의 성능에 영향을 미칠 것이다. 음극에 대한 방식에서 더욱 작은 검출기를 가짐으로써, 이는 계속 높은 전도도를 갖고 잘 펌핑된 상태로 남는다(디바이스는 연결된 챔버에서 진공으로부터 플랜지(1009)(도 1 참조)를 통해 펌핑된다는 것을 이해한다). 이는 더욱 높은 압력들이 중성-이온 충돌들을 통해 변위된 이온 빔들에 영향을 미칠 수 있기 때문에 유리하다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 저역 통과 이온 에너지 필터(10052)를 사용하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지(10000)의 개략적인 평면도이다. 음극 전극 조립체(10004) 외부로 방출된 이온 스트림(10030)은 저에너지 및 고에너지 이온 모두를 포함하여, 그의 전체 이온 전류는 저에너지 이온들의 전류 I _LE 에 고에너지 이온들의 전류 I _HE 를 더한 것에 동일하다. 이온 스트림(10030)(또는 그것의 각을 이루게 변위된 부분, 도 10은 이온 성분들의 각도 변위를 생략하도록 단순화된 것임을 이해한다)은 검출기 개구(10020)를 통해 이동한다. 저역 통과 이온 에너지 필터(10052)는 원하는 임계 에너지보다 낮은 에너지들을 갖는 이온들만이 검출되는 것을 허용하도록 구성된다. 예를 들어, 저역 통과 이온 에너지 필터(10052)는 전압-바이어스된 편향기 플레이트(10056) 및 검출기의 수집기 플레이트(10058)를 포함할 수 있다. 저에너지 이온들의 전류 I _LE 가 검출되도록, 편향기 플레이트(10056)상의 전압 바이어스 V _HE 에 의해 결정된 임계 값보다 낮은 에너지들을 갖는 이온들(10060)은 수집기 플레이트(10058)로 편향된다. 편향기 플레이트(10056)는 이온들 중 방출된 부분의 검출된 이온 성분의 빔(10030)의 경로에 수직(도시되지 않음)일 수 있거나; 도 10에 도시된 바와 같이, 빔(10030)의 경로에 대해, 변위된 이온 성분의 빔(10030)의 축을 벗어난 수집기 플레이트(10058)와 각을 이룰 수 있다(즉, 편향된 이온들(10060)을 수집하기 위해 위치된 수집기 플레이트(10058)의 적어도 일부를 포함함). 예를 들어, 저에너지 이온 전류 측정 회로(10016a) 및 고에너지 이온 전류 측정 회로(10016b) (예를 들어, 각각 전류계일 수 있는)를 포함할 수 있는 이온 전류 측정 회로는 저에너지 이온들로부터의 이온 전류 I _LE 및 고에너지 이온들로부터의 이온 전류 I _HE 를 측정하기 위해 전기적으로 연결된다.

도 11a는 본 발명의 실시예에 따른, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이고, 도 11b는 자석 조립체 및 전극 조립체의 (양극 전극의 중심을 통한 수직선을 통한) 개략적인 측단면도이며, 각각 사용될 수 있는 예시적인 치수를 예시한다. 다양한 상이한 가능한 치수들이 본 발명에 따른 실시예들에서 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다; 예를 들어, 다른 예시적인 실시예의 치수들은 도 59 및 60에 관련하여 아래에 도시 된다. 도 11a 및 11b의 실시예는 예를 들어, 잔류 기체들로부터 헬륨을 분리하는데 유용할 수 있는 한편, 도 59 및 60의 실시예는 수소, 헬륨, 물 및 하나 이상의 상이한 잔류 기체들을 포함하는 더욱 다양한 성분들을 서로 분리하는 데 유용할 수 있다. 도 11a의 예시에서, 양극 전극(11002)은 예를 들어, 약 0.25인치와 약 0.5인치 사이의 가령, 약 0.4인치의 직경(외부 직경); 및 예를 들어, 약 0.5인치의 높이를 가질 수 있다. 음극 전극 조립체(11004)는 예를 들어, 약 0.85인치와 약 1.5인치 사이의 가령 약 0.89인치의 내부 직경; 및 (0.89인치의 내부 직경에 대해 약 1인치의 외부 직경과 같은) 음극 전극의 두께를 기초로 하는 대응하는 외부 직경; 및 예를 들어, 약 1인치의 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 소스 개구(11010)는 약 0.005인치와 약 0.02인치 사이의 가령, 약 0.007인치의 폭을 가질 수 있다. 검출기 개구(11020)는 예를 들어, 약 0.01인치와 약 0.03인치의 사이의 폭 가령, 약 0.025인치의 폭을 가질 수 있다. 소스 개구(11010)는 예를 들어, 검출기(11012)로부터 약 1인치와 약 2인치 사이의 가령, 약 1.6인치의 비행 경로 거리(11064)에 위치될 수 있다. 양극 전극(11002)과 음극 전극 조립체(11004) 사이의 갭은 예를 들어, 약 0.25인치보다 클 수 있다. 상이한 치수들이 사용될 수 있다; 예를 들어, 더욱 높은 분해능 디바이스는 증가된 비행 경로 거리를 통해, 증가된 디바이스의 길이를 가질 수 있다.

도 11a의 실시예에서, 고에너지 이온들의 전류 I _HE 가 검출되도록, 검출기의 개구(11020)에 바이어스 전압 V _HE 을 인가함으로써 고역 통과 에너지 필터(11054)가 구현된다. 고역 통과 이온 에너지 필터(11054)는 원하는 임계 에너지보다 높은 에너지들을 갖는 이온들만이 검출되는 것을 허용하도록 구성된다. 예를 들어, 고역 통과 이온 에너지 필터(11054)는 고에너지 이온들의 전류 I _HE 가 검출되도록, 바이어스 전압 V _HE 을 검출기의 개구에 인가하는 전압원을 포함할 수 있다. 저역 통과 이온 에너지 필터(10052)(도 10 참조)가 단독으로 사용될 수 있거나, 고역 통과 이온 에너지 필터(11054)가 단독으로 사용될 수 있거나(도 11a 참조) 또는 양자가 함께 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 실시예에서 고역 통과 이온 에너지 필터 및 저역 통과 이온 에너지 필터 중 선택하는 것에서, 선택은 냉음극 마그네트론 방전에서 이온 에너지들의 분포에 의해 구동될 수 있다. 에너지 분포는 작은 직경의 양극들에 대해 고에너지 이온들을 향해 가중되는 것(양극에 더 가깝게 생성되는 것)으로부터 큰 직경의 양극들에 대해 저에너지 이온들을 향해 가중되는 것(음극에 가깝게 형성되는 것)으로 변경되는 것이 발견된다. 에너지 분포를 측정하는 것은 각 소스 설계에 대해 수행할 수 있으며, 그 후, 결과들은 저역 통과 및 고역 통과 이온 에너지 필터링 중 선택하는 것뿐만 아니라, 선택된 필터링 모드 또는 모드들에 대해 사용될 적절한 에너지 임계치들을 선택하는데 사용될 수 있다.

도 11b의 실시예를 참조로, 자석 조립체(11006)는 예를 들어, 자기장의 중심에서 약 600 Gauss와 약 1500 Gauss 사이의 자기장 강도 가령, 약 950 Gauss 강도로 자기장을 가할 수 있다. 자석 조립체(11006)는 예를 들어, 약 2인치의 직경 및 약 0.25인치의 두께의 치수들을 갖고, 약 2인치의 거리만큼 분리되며, 약 0.25인치의 중심 홀들을 포함하는 두 개의 편평한 플레이트 자석들(11006a 및 11006b)을 포함할 수 있다. 도 11b에 도시되지 않았지만, 양극 전극 및 음극 전극 조립체는 예를 들어, 자석 조립체(11006) 내의 홀들을 통해 연장하는 전극에 의해 지지될 수 있다.

이온 성분들의 개선된 분해능을 제공하기 위해, 본 발명에 따른 실시예는 예를 들어, 검출기 개구에서 이온 성분 빔의 공간 분포의 반치전폭의 폭(full width half maximum)에 동일한 검출기 개구 폭을 사용할 수 있다. 덧붙여, 소스 개구는 소스 개구와 검출기 사이의 거리에 걸쳐 분해될 이온 성분들의 각도 확산보다 작은 각도 확산을 갖도록 크기 조정될 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른, 전체 양극 전류 및 검출된 이온 전류 모두를 측정하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 전기 다이어그램(electrical diagram)이다. 음극 전극 조립체(12004)는, 가드 링(guard ring, 12066)과 같이, 접지 전위에 있다. 양극 전극(12002)은 양극 전압 V _anode 에서 바이어스된다. 이온 전류 측정 회로(12170)는 양극 전극(12002)과 음극 전극 조립체(12004) 사이에 흐르는 전체 전류 I _total 를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 제1 이온 전류 측정 회로(12014)를 포함한다. 예를 들어, 도 12에서 제1 이온 전류 측정 회로(12014)는 양극 전극(12002)을 통해 흐르는 전체 전류를 측정하기 위해 연결된 전류계일 수 있으며, 상기 전체 전류는 양극 전극(12002)과 음극 전극 조립체(12004) 사이에 흐르는 전체 전류에 동일하다. 대안적으로, 전류계는 음극 전극 조립체(12004)로부터 접지로 흐르는 전체 전류를 측정하기 위해 연결될 수 있고, 상기 전류계는 마찬가지로, 양극 전극(12002)과 음극 전극 조립체(12004) 사이에 흐르는 전체 전류에 동일한 전류를 측정할 것이다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 상기 전체 전류 I _total 는 모니터링된 챔버에서의 기체의 전체 압력을 결정하는 데 사용된다. 이온 전류 측정 회로(12170)는 검출기(12012)에서 변위된 이온 성분(12030)의 수령으로부터 생성된 전류 I _signal 를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 제2 이온 전류 측정 회로(12016)를 포함한다. 예를 들어, 제2 이온 전류 측정 회로(12016)는 검출기(12012)에서 변위된 이온 성분(12030)의 수령으로부터 생성된 전류 I _signal 를 측정하기 위해 연결된 전류계일 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 검출기(12012)로부터의 전류 I _signal 는 헬륨, 수소, 물 또는 질소의 부분 압력과 같은 모니터링된 챔버에서의 기체의 부분 압력을 결정하는 데 사용된다. 본원에서 사용된 바와 같이, "이온 전류 측정 회로"는 각각 제1 이온 전류 측정 회로 및 제2 이온 전류 측정 회로로서 기능을 하는 제1 및 제2 전류계와 같은 별도의 제1 및 제2 이온 전류 측정 회로들을 사용하거나; 또는 제1 이온 전류 측정 회로 및 제2 이온 전류 측정 회로 모두의 기능들을 수행하는 단일 이온 전류 측정 회로를 사용하여; 또는 제1 이온 전류 측정 회로 및 제2 이온 전류 측정 회로 또는 집합적으로 이온 전류 측정 회로의 기능들을 수행하기 위해 하나 이상의 상이한 이온 전류 측정 회로들의 구성요소의 임의의 조합을 사용하여 구현될 수 있음이 인식되어야 한다. 예를 들어, 두 개의 전류들 I _total 및 I _signal 은 단일 이온 전류 측정 회로에 공급될 수 있고, 상기 단일 이온 전류 측정 회로는 동시에 또는 상이한 시간들에 양 전류들의 측정을 제공할 수 있으며, 이에 따라 이온 전류 측정 회로의 역할을 수행할 수 있다. 일 예시에서, 멀티플렉서는 상이한 이온 전류 신호들을 공통 전류 측정 채널로 공급하는데 사용될 수 있으며, 상기 멀티플렉서는 이온 전류 신호들을 통해 시퀀싱하고(sequencing), 각각에 특정 인덱스를 제공할 수 있다. 다른 예시에서, 아래에서 더 논의되는 도 30을 참조로, 이온 전류 측정 회로(12170)는 예를 들어, 양극에서의 전체 이온 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(30120a, I2V I_T(양극)) 또는 음극에서의 전류 대 전압 변환기(30120b, I2V I_T(음극))(도 30 참조); 부분 압력 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(30122, I2V I_PP); 및 아날로그 대 디지털 변환기 및 멀티플렉서(30124)를 포함할 수 있다. 상기 멀티플렉서(30124)(도 30 참조)는 예를 들어, 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류로부터 제1 이온 전류 신호 I _T 를 수신하고, 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류로부터 제2 이온 전류 신호 I _PP 를 수신하기 위해 전기적으로 연결될 수 있다. 이온 전류 측정 회로(12170)의 다른 배열들이 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결될 수 있고, 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결될 수 있음이 인식될 것이다.

도 13a는 본 발명의 실시예에 따른, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에서 전자 방전 플라즈마로부터 이온들의 생성을 예시하는 개략도이다. 여기서, 순수 전자 플라즈마(13068)는 양극 전극(13002)이 교차장 자기장의 존재 하에 +HV 전압으로 바이어스 될 때 생성되어, 순환하는 전자들(e ^- , 13070)이 기체 분자(M, 13072)와 충돌하며, 기체 이온화로부터 기체 이온들(M ⁺ , 13074)의 특정 생성을 초래한다. 결국, 기체 이온들(13074)은 양극 전극(1302)과 음극 전극 조립체(13004) 사이에 생성되는 전기장에 기인하여, 음극 전극 조립체(13004)를 향하는 방향으로 방사상으로 가속된다. 도 13a에서, 원통형 자석 조립체(13006)가 도시 되지만, (위의 도 11b에서와 같이) 음극 전극 조립체(13004)의 상부 및 하부에 위치된 한 쌍의 편평한 플레이트 자석과 같이 다른 배열들의 자석이 사용될 때, 유사한 고려 사항이 적용된다는 것이 이해된다.

도 13a의 실시예의 동작에서, 이온들은 순수 전자 플라즈마의 전자들보다 훨씬 무겁기 때문에 자기장에 의해 음극에 접근하는 것이 방지되지 않는 한편, 전자들은 자기장에 기인하여 프로세스되기 때문에 양극에 도달하는 것이 방지된다. 훨씬 무거운 이온들은 형성된 이후 즉시, 및 전기장을 따라가는 이후 즉시 음극에 도달하는 것을 방지하지 않는 횡방향-변위(lateral displacement)만을 겪는다. 전자 플라즈마(13068)는 압력에 독립적이며, 이온들은 기체 밀도에 비례하는 이온들의 형성 속도로 기체 분자들로부터 생성된다. 순수 전자 플라즈마(13068)에서 전자 밀도가 거의 전적으로 압력에 독립적이기 때문에, 이온 형성의 속도는 기체 부분 압력, 또는 더욱 정확하게는 이온화 영역에서의 기체 밀도에 엄격하게 관련된다는 결론에 이르게 된다.

도 13b는 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지 내의 원통형 자석 조립체(13006)의 개략도이다. 여기서, 측면 슬릿(13010) 또는 다른 형상의 소스 개구(13010)가 원통형 자석 조립체(130006)에 형성되며, 이는 그 형상이 초기에 소스 개구(13010)의 형상에 의존하는 이온 리본(13076)이 소스 개구(13010)로부터 방출되는 것을 가능하게 한다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 편평한 원통형 링 자석들(14006a 및 14006b)을 사용하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 측면도이다. 여기서, 편평한 원통형 자석(14006a 및 14006b)은 음극 전극 조립체(14004)의 일부 위에만 위치되지만, 다른 실시예들에서 자석들은 또한 도 11b에서와 같이, 전체가 음극 전극 조립체(14004) 위 및 아래에 위치될 수 있다. 기체 이온들(14074)은 양극 전극(1402)과 음극 전극 조립체(14004) 사이에 생성된 전기장에 기인하여 음극 전극 조립체(14004)를 향하는 방향으로 가속되고, 기체 이온들의 일부는 소스 개구(14010)를 통해 빠져나가며, 최종적으로 검출기(14012)에 도달한다. 원형 소스 개구(14010)(여기서, 예를 들어, 직경이 0.078인치이지만 다른 치수들이 사용될 수 있음) 또는 다른 형상의 소스 개구(14010)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 전류계와 같은 이온 전류 측정 회로(14016)를 포함할 수 있는 이온 전류 측정 회로는 검출기(14012)에서 기체 이온들(14074)의 수령으로부터 생성된 전류 I _signal 를 측정하기 위해 전기적으로 연결된다.

본 발명에 따른 실시예에서, (도 1의 자석 조립체(1006)와 같은) 자석 조립체는 예를 들어, 방사상으로 대칭인 자석 조립체를 포함함으로써 대칭일 수 있다. 이는 예를 들어, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 불연속성을 감소시키거나 방지하는 데 도움을 줄 수 있다. 본원에서 사용된, 자석 조립체는, 자석 조립체가 축에 대해 예를 들어, 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이의 전기장 라인들에 수직으로 정렬된 축에 대해 어느 양만큼 회전될 때, 그의 외형이 변경되지 않는 경우, "방사상으로 대칭이다." 예를 들어, 원통형 자석 조립체, 방사상으로 대칭인 원통형 설계의 한 쌍의 편평한 플레이트 자석들 또는 전기장에 대해 교차장 배열로 정렬된 방사상 대칭의 축이 사용될 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에 사용될 수 있는, 소스 개구의 단면적 대 기체 이온들에 노출된 음극 전극 조립체의 일부의 표면적의 비율의 결정을 예시하는 개략도이다. 상기 비율은 도 15에 도시 되고, 반경을 사용하여 원형 소스 개구(15010)의 면적 및 직경과 음극 전극 조립체(15004)의 실린더의 부분(15078)의 높이에 기초하여 결정된 음극 전극 조립체(15004)의 실린더의 부분(15078)의 펼쳐진 표면(unrolled surface)의 면적의 간단한 추정치를 기초로 결정된다. 상기 비율의 결정은 기체 이온들에 노출되는 음극 전극 조립체(15004)의 부분(15078) 및 소스 개구(15010)의 형상을 기초로 변할 것이다.

본 발명의 실시예에 따라, 도 15에서 결정된 비율은 다양한 측정들 및 이들 측정을 기초로 자동화된 방식으로 이루어진 후속 결정들을 수행하는데 사용될 수 있다. 구체적으로, 소스 개구(15010)를 빠져나가는 이온들의 전류 I _signal 및 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류 I _total 에 대해, 비율 I _signal /I _total 이 상수이고, 이는 양극 전압의 압력에 따라 변경되지 않고, 도 15에서 결정된 비율에 동일하다는 것을 나타낸다. 즉, I _signal /I _total 은 소스 개구의 단면적 대 기체 이온들에 노출된 음극 전극 조립체의 부분의 표면적의 비율에 동일하다. 이는 비율 I _signal /I _total 이 역 마그네트론 소스 설계의 기하학적 인자들에 의해 전적으로 결정되기 때문이다 - 즉, 소스 개구를 빠져나가는 방전 공간에서 생성된 이온들의 비율은 소스 개구의 면적 대 전체 이온 플럭스에 노출된 면적의 비율에 전적으로 의존한다. 그러므로, 도 15에서 결정된 기하학적 비율은 본 발명에 따른 실시예에 대해, 다양한 측정들 및 이들 측정을 기초로 하는 자동화된 방식으로 이루어진 후속 결정들을 수행하는데 유용한 비율 I _signal /I _total 을 알기 위해 사용될 수 있다. 일 예시에서, 상기 비율이 양극 전압 및 압력에 독립적이고 기하학적 구조에 의해 정의된다는 사실은 전체 양극(또는 음극) 전류가 측정되는 경우 이온 빔에서 이온 전류의 양을 정확하게 아는 것이 가능하다는 것을 나타낸다. 덧붙여, 예를 들어, 상기 비율을 사용하여 질량 분리기 처리량 및 검출기 효율의 교정이 수행할 수 있다.

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 소스 개구 그리드(16080)를 사용하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 측면도이다. 여기서, 자기장(B, 16082) 및 전기장(E, 16084)의 교차장 배열이 도시된다. 기체 분자들과 순수 전자 플라즈마(16068)의 충돌에 의해 생성된 이온들(16074)은 소스 개구(16010)를 향해 가속된다. 예를 들어, 접지된 그리드일 수 있는 소스 개구 그리드(16080)는 소스 개구(16010)를 덮을 수 있고 더욱 원통형으로 균일한 전기장을 제공하기 위해 사용될 수 있다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 플럭스 제어 회로(17086)를 사용하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 측면도이다. 플럭스 제어 검출기(17088)는 이온들(17030)의 방출된 부분의 일부를 수집하도록 위치된다. 플럭스 피드백 회로(17090)는 전류계(17094)에 의해 측정된 전류 I _s 와 같은, 플럭스 제어 검출기(17088)로부터 수신된 전류를 기초로, 양극 전극에 전력을 공급하기 위해 전기적으로 연결된 고전압 전력 공급 장치(17092)를 조정하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 소스에 의해 방출되는 이온들의 플럭스는 원하는 수준으로 제어될 수 있다. 상기 플럭스 제어 회로(17086)는 예를 들어, 위에서 설명된 진공 게이지들의 소스들의 원리들을 기초로, 역 마그네트론 냉음극 이온화 소스가 자기 섹터의 소스(도 18 참조), 잔류 기체 분석기(RGA) 또는 이온 소스를 수반하는 다른 설정들로서 사용되는 경우 유용할 수 있다.

도 18은 본 발명의 실시예에 따른 자기 섹터(18096)와 사용되는 역 마그네트론 냉음극 이온화 소스의 개략도이다. 여기서, 상술한 진공 게이지들의 소스들의 원리들을 기초로 하는 냉음극 이온화 소스(18098)는 자기 섹터(18096)로 지향되는 이온들을 생성하기 위해 사용된다. 이온들은 감속되거나 집속될 수 있으며, 하나 이상의 에너지 개구들(18100)을 통해 지향될 수 있다. 패러데이 컵 또는 다른 검출기와 같은 검출기(18012)는 냉음극 이온화 소스(18098)의 소스 개구(18010)로부터 자기 섹터(18096)의 다른 측면에 위치될 수 있다. 전류는 전위계(electrometer) 또는 전하 증폭기(18102)에 의해 측정될 수 있다. 자기 섹터(18096) 내에서, 이온들은 그들의 질량 대 전하 비율을 기초로 수소, 헬륨 및 물 이온 성분 스트림들과 같은 성분 스트림들(18038)로 분리된다.

도 19는 본 발명의 실시예에 따른 사중극자 질량 필터와 사용되는 역 마그네트론 냉음극 이온화 소스의 개략도이다. 도 18의 실시예에 유사한 방식으로, 상술한 진공 게이지들의 소스들의 원리들에 기초한 냉음극 이온화 소스(19098)는 사중극자 질량 필터(19104)로 지향되는 이온들을 생성하기 위해 사용된다. 사중극자 질량 필터들은 필터 조립체에 들어가는 이온들에 대한 방향 및 속도 확산 측면에서 상대적으로 관용성이 있다(forgiving). 본 발명에 따른 실시예의 자석 조립체에 의해 야기되는 이온들의 작은 횡방향-변위는 사중극자 필터를 통한 이온 처리량을 감소시키기에 충분하지 않다. 이온은 감속되거나 집속될 수 있고 하나 이상의 에너지 개구들(19100)을 통해 지향될 수 있다. 패러데이 컵 또는 다른 검출기와 같은 검출기(19012)는 냉음극 이온화 소스(19098)의 소스 개구(19010)로부터 사중극자 질량 필터(19104)의 다른 측면에 위치될 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예들에서, 냉음극 이온화 소스(19098)의 소스 개구(19010)는 예를 들어, 기체 이온들을 (도 19의 사중극자 질량 필터(19104) 대신에) 비행 시간 질량 분석기, 이온 트랩 또는 무선 주파수 동적 이온 트랩으로 방출하도록 위치되거나, 다른 목적들을 위한 이온들의 소스로서 사용될 수 있다. 상기 냉음극 이온화 소스(19098)는 부분 압력 또는 전체 압력 중 하나 또는 둘 모두를 측정하기 위해 이온 전류 측정 회로와 함께 또는 상기 이온 전류 측정 회로 없이 사용될 수 있다. 하지만, 냉음극 이온화 소스(19098)를 추가하는 것은 전체 압력을 보고하는 유용한 능력을 야기하며, 이는 자기 섹터들, 사중극자 질량 필터들 및 다른 디바이스들과 같은 디바이스들에 유용한 추가일 수 있다. 예를 들어, 사중극자 질량 분석기와 이러한 저온 소스를 사용하는 것은 전체 전류가 알려진 경우 방출되는 이온 플럭스를 알 수 있다는 장점을 제공할 수 있다. 즉, 전체 압력 전류를 측정하는 것은 사중극자 질량 분석기로 가는 이온 플럭스의 측정을 제공할 수 있으며, 이는 감도 또는 질량 분석기 처리량의 드리프트에 대해 디바이스를 검사하기 위한 능력을 제공한다. 이는 예를 들어, 자기 섹터 질량 분석기들과 분리된 독립적인 전체 압력 게이지들의 사용에 대한 요구를 제거할 수 있다. 냉음극 이온화 소스(18098 또는 19098)가 자기 섹터, 사중극자 질량 필터, 비행 시간 질량 분석기, 이온 트랩, 무선 주파수 동적 이온 트랩으로 또는 다른 목적들을 위한 이온들의 소스로서 방출하는데 사용되는 경우, 자석 조립체가 방출된 이온들을 각을 이루게 변위시켜야 하는 것이 요구되지 않을 수 있고, 진공 게이지보다 더 작은 자석들이 잠재적으로 사용될 수 있다. 이러한 디바이스들의 초점은 압력의 Torr 당 만들어지는 이온들의 감도에 있을 수 있으며, 자기 섹터 또는 다른 디바이스 그 자체와 같은 다른 수단들에 의해 상기 이온들의 분리가 수행된다.

도 20a는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사 방향으로 지향되고 연장된 소스 개구를 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 측면도이고, 도 20b는 이의 투영도이다. 여기서, 이온들은 예를 들어, 비-자기 심(non-magnetic shim)에 의해 분리될 수 있는 자석 조립체(20006a 및 20006b)의 두 개의 원통형 부분들 사이에서 방사 방향으로 연장된 소스 개구(20010)를 통해 방출된다. 소스 개구(20010)의 다른 구성들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 소스 개구는 홀, 또는 자기장의 방향에 수직인 방향으로 또는 자기장의 방향에 평행한 방향으로 연장하는 연장된 슬롯일 수 있거나; 축 방향으로 연장되거나 방사상으로 연장된 리본 형상의 이온 빔들이 사용될 수 있다.

도 21은 본 발명의 실시예에 따른 이온 빔 편향기(21106)를 갖는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이다. 여기서, 한 쌍의 평행한 플레이트들(21106a 및 21106b)과 같은 이온 빔 편향기(21106)는 소스 개구(21010)와 검출기 개구(21020) 사이에 위치된다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 이러한 이온 빔 편향기(21106)는 이온 빔(21030)을 편향시키고, 예를 들어, 이온 빔(21030)에서의 이온 성분에 대한 개선된 신호를 허용하기 위해 에너지 집속을 수행하는데 사용될 수 있다.

도 22a는 본 발명의 실시예에 따른, 조합된 관점에서 이온 성분들의 분리를 예시하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이고, 도 22b는 하나의 성분씩 분리된 이온 성분들의 개략적인 평면도이다. 여기서, 변위된 이온 성분들(22038)은 그들의 질량 대 전하 비율을 기초로 상이한 이온 스트림들로 분리되며, 이는 소스 개구(22010)로부터 멀리 이동할 때 서로로부터 점점 더 갈라진다. 예를 들어, 변위된 이온 성분(22038a)은 수소 이온들로 이루어지고, 22038b는 헬륨 이온들로 이루어지며, 22038c는 질소 이온들로 이루어진다. 원하는 변위된 이온 성분(22038b)(여기서, 헬륨)이 검출되도록, 검출기(22012) 위치가 결정되고, 소스 개구(22010)의 각도가 결정된다. 도 22a의 조합된 도면 및 도 22b의 분리된 도면에서, 수소(22038a), 헬륨(22038b) 및 질소(22038c)의 상대적인 질량 대 전하 비율에 기초한 성분들(22038a-c)의 분리가 관찰될 수 있으며, 상기 성분들의 질량 대 전하 비율을 기초로, 수소(22038a)가 소스 개구(22010)의 방향으로부터 가장 큰 크기로 각을 이루게 변위되고, 그 다음은 헬륨(22038b), 그 다음은 질소(22038c)가 후속한다.

도 23a는 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 개략적인 평면도이고, 도 23b는 음극 전극 조립체 외부로 연장되는 외부 자기장을 도시하는 전극 조립체 및 자석 조립체의 개략적인 측면도이다. 여기서, 자기장 경계(23108)는 음극 전극 조립체(2304) 외부에서 계속 강한 자기장을 나타내기 위해 사용된다. 이는 예를 들어, 자기장이 음극 전극 조립체(23004) 외부에 외부 자기장을 생성하기 위해 음극 전극 조립체(23004) 외부의 거리에 대해 일부 강도를 가지고 연장하도록, (도 23a 및 23b에서 2인치 대 1인치와 같이) 음극 전극 조립체(23004)에 대한 것보다 자석 조립체(23006)에 대해 더 큰 직경을 사용함으로써 생성될 수 있다. 이는 이온 성분들의 분해(resolution)를 허용하기 위해 이온 성분 스트림들의 각도 분리를 촉진하는(encourage) 데 사용된다. 자석 조립체(23006)는 전기장을 가로지르는 자기장 및 음극 전극 조립체(23004) 외부의 외부 자기장 모두를 정의하도록 위치된 편평한 플레이트 자석을 포함할 수 있다. 자석 조립체(23006)의 장(field)을 확장하기 위해 강자성 구성요소들을 사용하는 것을 포함하여, 외부 자기장을 생성하기 위해 다른 자기 배열들이 사용될 수 있다. 원통형 자석 조립체에 대해, 예를 들어, 원통형 자석 외부의 프린지 장이 원통형 음극 조립체 외부로 장을 확장시킬 수 있다. 일부 버전들에서, 자석 조립체는 전기장을 가로지르는 자기장 및 음극 전극 조립체 외부의 외부 자기장 모두를 정의하는 하나의 조립체를 포함할 수 있다. 대안적으로, 자기 조립체의 별도의 구성요소, 또는 강자성 연장물들 또는 추가적인 자석들과 같은 추가적인 구성요소들이 음극 전극 조립체 외부의 외부 자기장을 강화하거나, 확장하거나 또는 조정하는데 사용될 수 있다.

도 24는 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 헬륨에 대한 전체 압력 응답의 그래프이다. 방전 공간 내의 전체 헬륨 압력(Torr)은 수평 축에 도시되는 한편, 전체 측정된 이온 전류(마이크로 암페어)는 수직 축에 도시된다. 도 24의 곡선은 압력의 고유한 판독이 측정된 전류를 기초로 이루어질 수 있도록, 압력 불연속성이 없는 바람직한 특성을 갖는다. 본 발명의 실시예에 따라, 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류는, 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력의 예를 들어, 1 암페어/토르(A/Torr)보다 큰 전류를 포함할 수 있다. 모니터링된 챔버로부터의 측정된 기체의 전체 압력은 예를 들어, 10^-9와 10^-2 Torr 사이의 압력, 가령, 10^-8과 10^-3 Torr 사이의 전체 압력을 포함할 수 있다. 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 측정된 부분 압력은 예를 들어, 10^-8 Torr와 2 x 10^-5 Torr 사이일 수 있다. 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 전류는 예를 들어, 모니터링된 챔버로부터의 기체의 기체 성분의 부분 압력의 10^-4 암페어/토르(A/Torr)보다 큰 전류를 포함할 수 있다. 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 전류는 예를 들어, 모니터링된 챔버로부터의 기체의 헬륨 기체 성분의 부분 압력의 2.5 x 10^-4 암페어/토르(A/Torr)보다 큰 전류를 포함할 수 있다. 모니터링된 챔버로부터의 기체는 예를 들어, 10^-4 Torr보다 큰 전체 헬륨 압력을 포함할 수 있다. 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류는 예를 들어, 약 200 마이크로 암페어 미만 가령, 약 175 마이크로 암페어 미만일 수 있다.

도 25는 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 헬륨에 대한 전체 압력 감도 대 양극 직경의 그래프이다. 순수 헬륨 기체에 대한 전체 압력 민감도(암페어/토르)는 수직 축에 도시되고, 양극 직경(인치)은 수평 축에 도시된다. 양극 직경이 0.1인치를 초과하는 것과 0.5인치를 넘는 것 사이로 도시된 증가하는 양극 직경은 헬륨에 대한 전체 압력 감도를 증가시키는 경향이 있다. 하지만, 너무 큰 양극은 전체 압력 응답에서의 불연속성을 잠재적으로 촉진할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 헬륨에 대해 적어도 1 암페어/토르의 전체 압력 감도가 바람직하다.

도 26은 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 헬륨에 대한 부분 압력 민감도 대 양극 크기의 그래프이다. 헬륨에 대한 암페어/토르 단위인 부분 압력 감도는 수직 축에 도시되고, 인치 단위인 양극 크기는 수평 축에 도시된다. 여기서, 양극 직경이 0.1인치를 초과하는 것 0.5인치를 넘는 것 사이로 도시된 증가하는 양극 크기는 헬륨에 대한 부분 압력 감도를 증가시키는 경향이 있다.

도 27은 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 교정 곡선으로 사용될 수 있는 곡선의 타입인, 정규화된 전류(로그 스케일) 대 기준 압력의 예시를 도시하는 그래프이다. 전체 압력 결정 회로(30142)(도 30 참조)는 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력 대 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 전체 전류에 관련된 특정 교정 곡선 또는 공칭 교정 곡선을 기초로 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력을 결정하도록 구성될 수 있다. 여기서, "특정 교정 곡선"은 개별적인 진공 게이지에 특정한 압력 대 전류에 관련된 교정 커브인 한편, "공칭 교정 곡선"은 진공 게이지의 그룹 또는 타입에 대해 일반화되는 압력 대 전류에 관련된 교정 곡선이다.

도 28은 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에 의한 (물을 포함하는) 잔류 기체, 헬륨 및 수소 이온 성분들의 각도 분해능을 도시하는 그래프이다. 소스 개구의 각도(도)는 기체 주입 통로의 중심 축에 대해 수평 축 상에 도시되고, 검출된 부분 압력 전류(나노 암페어)는 수직 축 상에 도시된다. 도 28의 스펙트럼에 대해, 소스 중심 자석이, 자석의 직경 외부의 프린징 자기장에 의존하여 사용되었다. 분해능은 (물 및 질소를 포함하는) 잔류 기체 피크(28110), 헬륨 피크(28112) 및 수소 피크(28114) 사이에서 관찰될 수 있다. 검출기 또는 하나보다 많은 검출기의 위치를 기초로, 이들 피크 중 하나 이상이 이들 기체 성분들 중 하나 이상의 부분 압력을 측정하기 위해 검출될 수 있다.

도 29는 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에서 양극 전압 및 전류 제한 저항기를 예시하는 개략적인 전기 다이어그램이다. 전류 제한 저항기(29114)와 같은 전류 제한 회로는 양극 전극(29002)을 통과하는 전체 압력 전류 I _T 를 제한하기 위해 사용된다. 예를 들어, 7.5MΩ 저항기 또는 다른 저항기의 값 R _L 이 사용될 수 있다. 고전압 전력 공급 장치 전압 V _PS 이 인가되고, 전압 V _a 이 양극에서 달성된다. 양극 전압 제어 회로(29164)는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류에 독립적인 양극 전극의 정전압을 유지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 양극 전극에 인가되는 양극 전압 V _A 은 전력 공급 장치 전압 - 제한 저항에서 전압 강하를 기초로 즉, 관계식 V _A = V _PS - R _L (I _T )를 기초로 양극 전압 제어 회로(29164)에 의해 설정될 수 있으며, 여기서 V _PS 는 고전압 양극 전력 공급 장치 전압이고, R _L 은 전류 제한 저항기의 저항이며, I _T 는 (가령, 양극을 통한) 전체 압력 전류이다. 전류 제한 저항기가 없는 경우, 10^-4 Torr를 초과하는 압력들에 대한 전체 이온 전류는 상기 전체 이온 전류가 상대적으로 짧은 기곤에 센서를 파괴시킬 수 있을 정도로, 잠재적으로 너무 클 수 있다. 그러므로, 양극 전극을 통한 전류를 예를 들어, 약 200 마이크로 암페어 미만 가령, 약 175 마이크로 암페어 미만의 전류로 제한하는 것은 본 발명에 따른 실시예의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 30은 본 발명의 실시예에 따른 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지와 사용되는 제어 유닛의 개략적인 전기 다이어그램이다. 양극으로부터 음극으로의 전체 이온 전류인 전체 전류 I _T 는 모니터링되는 챔버로부터의 기체의 전체 압력에 비례하며, 예를 들어, 룩업 테이블을 사용하여 전체 압력을 결정하는 데 사용될 수 있다. 전체 전류 I _T 의 범위는 예를 들어, 약 10nA과 250μA 사이일 수 있다. 전체 전류 I _T 는 예를 들어, 양극에서의 전체 이온 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(30120a, I2V I _T (양극)) 또는 음극에서의 전류 대 전압 변환기(30120b, I2V I _T (음극))에 의해 측정될 수 있다. 패러데이 컵 수집기와 같은 검출기(30012)로부터의 부분 압력 전류인 부분 압력 전류 I _PP 는 모니터링된 챔버의 기체의 부분 압력에 비례하며, 예를 들어, 선형 관계를 사용하여 또는 룩업 테이블(lookup table)을 사용하여 결정될 수 있다. 부분 압력 전류 I _PP 는 예를 들어, 약 10pA와 약 100nA 사이의 범위에 있을 수 있다. 7.5 MΩ 저항기와 같은 저항 R _L 또는 다른 값을 갖는 전체 전류 제한 저항기(30114)는 양극 전극(30002)을 통한 전류를 제한하기 위해 사용된다. 전압 V _PS 는 양극 고전압 전력 공급 장치(30116)의 전압이고, 예를 들어, 0V와 약 2500V 사이이고 약 250μA의 최대 전류를 가질 수 있다. 동작에서, 전압 V _PS 은 예를 들어, 약 500V와 약 2000V 사이의 전압에서 양극 전극을 바이어스하도록 구성될 수 있다. 전압 V _Slit 은 검출기 바이어스 전력 공급 장치(30118)에 의해 인가되며, 예를 들어, 0V와 약 1000V사이이고 10μA의 전류를 가질 수 있다. 예를 들어, 약 2500V 미만인 양극 전압을 유지하는 것은 공기 대 진공 전기 피드스루에 대한 설계 및 재료 선택들을 단순화시킬 수 있다. 통상적인 양극 전압은 예를 들어, 약 1600V일 수 있다. (도 11의 11054와 같은) 고역 통과 이온 에너지 필터를 사용할 때, 검출기 바이어스 전력 공급 장치(30118)에 대한 전압 V _Slit 과 같은 검출기 바이어스 전압은 양극 전압에 대해 설정될 수 있다. 예를 들어, 약 600V의 검출기 개구 전압 V _Slit 은 양극 전압이 약 1600V일 때 검출기를 바이어스하는데 사용될 수 있으며, 600 대 1600의 유사한 비율이 예를 들어, 다른 값들의 V _Slit 및 양극 전압에 대한 V _Slit 대 양극 전압의 비율로 스케일링하는데 사용될 수 있다. 양극 전극(30002)에 인가되는 양극 전압 V _A 는 관계식 V _A = V _PS - R _L (I _T )를 기초로 설정될 수 있으며, 여기서 V _PS , R _L 및 IT는 예를 들어, 양극 전압 제어 회로(29164)를 사용하여 위와 같다(도 29 참조). 전체 이온 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(30120a, I2V I _T (양극))는 예를 들어, 약 10nA와 약 250μA 사이의 전류를 전달할 수 있다. 부분 압력 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(30122, I2V I _PP )는 예를 들어, 약 1pA와 약 100mA 사이의 전류를 전달할 수 있다. 아날로그 대 디지털 변환기 및 멀티플렉서(A2D + MPLX, 30124)는 아날로그 신호들을 디지털 신호들로 변환하고, V _PS , V _Slit , V _A , I _T 및 I _PP 를 포함하는 신호들을 다중화한다. 라우드스피커와 같은 오디오 출력 디바이스(30126)는 예를 들어, 모니터링된 챔버로부터의 부분 압력 또는 헬륨 누출률에 비례하는 비트 주파수를 가질 수 있다. 휴먼 입력/출력 인터페이스(30128)는 예를 들어: (예를 들어, 디폴트가 압력 측정 및 전체 압력인 경우) 양극 및 검출기 개구에 대한 고전압을 턴 온(turns on)하는 버튼 HV ON/OFF(30130); 검출기 개구에서 빔을 중앙에 위치시키도록 양극 전압을 설정하는 버튼 TP/LDQ(30132); 및 기준선 오프셋 신호를 제거하는 부분 압력 측정 신호를 제로화하는 버튼 LD 제로(30134)를 포함할 수 있다. 입력/출력 구성요소(30136)는 예를 들어, 컴퓨터 디스플레이 및 제어기 프로그램에 대한 인터페이스와 같은, 컴퓨터 인터페이스를 포함할 수 있다. 프로세스 보드(30138)는 입력/출력 인터페이스(30128), 디스플레이(30140), 오디오 출력(30126), 양극 전압 전력 공급 장치(30116), 아날로그 대 디지털 변환기 및 멀티플렉서(30124), 검출기 바이어스 전력 공급 장치(30118), 전체 이온 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(30120a) 및 부분 압력 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(30122)와 통신하고 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.

도 31a 및 31b는 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이(31140) 및 프로세스 보드(31138)의 개략적인 블록도들이다. 도 31a에서, 디스플레이는 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력의 표시를 제공하는 전체 압력 디스플레이(31150); 및 예를 들어, 헬륨 부분 압력일 수 있는 모니터링된 챔버로부터의 기체의 부분 압력의 표시를 제공하는 부분 압력 디스플레이(31152)를 포함한다. 디스플레이(31150 및 31152)는 예를 들어, 도 30의 회로를 통해 이온 전류 측정 회로와 간접적으로 전기적으로 연결된다. 디스플레이(31140)는 또한, 모니터링된 챔버로부터의 기체 내의 물의 부분 압력의 표시를 제공하는 물 부분 압력 디스플레이(31154)를 포함할 수 있고; 모니터링된 챔버에서 기체의 물 백분율의 표시를 제공하는 물 백분율 디스플레이(31156)를 포함할 수 있다. 잔류 기체 부분 압력과 같은 다른 성분 부분 압력들이 디스플레이될 수 있음이 인식될 것이다. 디스플레이(31140)는 또한, 모니터링된 챔버로부터 물의 부분 압력 대 챔버 내의 모든 잔류 기체들의 부분 압력들의 합의 비율의 표시를 제공하는 잔류 기체 대 물 비율 디스플레이(31158)를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이(31140)는 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 이중 신호 누출 검출 회로(31166)에 의해 이루어진 결정을 기초로, 누출의 표시를 제공하는 이중 신호 누출 검출 디스플레이(31170)를 포함할 수 있다. 이들 디스플레이는 예를 들어, 도 30에서의 회로를 통해, 이온 전류 측정 회로와 유사하게 간접적으로 전기적으로 연결된다.

도 31b에서, 프로세스 보드(31138)는 제1 전류 측정 요소에 의해 측정된 전체 전류에 적어도 기초하여 모니터링된 챔버로부터의 기체의 전체 압력을 결정하도록 구성된 전체 압력 결정 회로(31142)를 포함한다. 예를 들어, 회로(31142)는 측정된 전류를 전체 압력에 관련시키는 교정 곡선을 구현하는 룩업 테이블(31144)을 포함할 수 있다. 프로세스 보드(31138)는 또한, 제2 전류 측정 요소에 의해 측정된 전류에 적어도 기초하여, 모니터링된 챔버로부터의 기체의 부분 압력을 결정하도록 구성된 부분 압력 결정 회로(31146)를 포함한다. 예를 들어, 회로(31146)는 측정된 전류를 부분 압력에 관련시키는 교정 곡선을 구현하는 룩업 테이블(31148)을 포함할 수 있다. 물 백분율 결정 회로(31160)는 적어도 (i) 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 전체 전류, (ii) 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 부분 압력 전류, 및 (iii) (도 15에 대해 도시된 바와 같이) 기체 이온들에 노출된 음극 전극 조립체의 일부의 표면적에 대한 소스 개구의 단면적의 비율에 기초하여 물 백분율을 결정하도록 구성될 수 있다. 잔류 기체 대 물 비율 결정 회로(31162)는 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 부분 압력 전류에 적어도 기초하여 물의 부분 압력 대 잔류 기체들의 부분 압력을 결정하도록 구성될 수 있다. 물 부분 압력 측정 회로(31164)는 예를 들어, 그 자체의 LUT를 포함하는 부분 압력 회로(31146)에 유사한 방식으로 구현될 수 있다. 이중 신호 누출 검출 회로(31166)는 (i) 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르고 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 전체 전류의 감소, 및 (ii) 검출기에서 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 전류의 증가 모두의 동시 발생을 결정하도록 구성될 수 있다. 그렇게 하기 위해, 상기 이중 누출 검출 회로(31166)는 예를 들어, 시간에 걸쳐 이러한 압력이 감소하고 증가함을 나타내는 데이터를 저장하는 LUT(31168), 또는 이들을 결합한 것을 기초로 하는 결과들을 포함할 수 있다.

도 32는 본 발명의 실시예에 따른 (도 31b의) 이중 신호 누출 검출 회로(31166)의 사용을 예시하는 전체 압력 전류 및 부분 압력 전류의 그래프의 도면이다. (도 31b의) 이중 신호 누출 검출 회로(31166)는 누출이 있는 진공 시스템 주위에 헬륨을 분사하면서 누출들을 검출하기 위해, 예를 들어, 전체 압력 강하를 기초로 하는 전류 및 부분 압력 증가를 기초로 하는 전류 모두를 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예는 전형적인 진공 시스템 누출로부터, 전체 및 부분 압력 모두에서 보완 신호를 획득한다. 예를 들어, 누출 지점 주변에 헬륨이 분사될 때, 전체 압력의 강하 및 부분 압력의 증가가 존재한다. 이중 응답의 상기 분류는 누출의 검출 시 더욱 높은 정도의 신뢰도를 제공하며, 사용자가 실제 누출들에 기인하지 않을 수 있는 신호 과도 상태들(signal transients)의 다른 소스들을 무시하는데 도움을 준다. 상업적으로 이용 가능한 대부분의 이온화 게이지들은 누출 검출 동안 전체 압력의 변경들을 모니터링하는데 요구되는 디스플레이의 분해능을 갖지 않는다. 이러한 상업적으로 이용 가능한 전체 압력 센서들의 대부분은 소수점 하나의 압력 분해능을 가지며, 전체 압력 디스플레이를 보는 것만으로는 작은 누출의 검출을 제공하는데 충분하지 않다. 즉, 전체 압력 게이지는 헬륨과 같은 기체가 작은 누출 지점 주변에 분사될 때 발생하는 큰 전체 압력 수들 사이의 일반적으로 작은 차이를 검출하기 위한 디스플레이에서의 충분한 분해능을 갖지 않는다.

도 32를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이중 신호 누출 검출의 개념이 예시된다. 예를 들어, 진공 시스템이 공기의 누출을 가질 때, 공기 기체는 상기 누출을 통해 들어오고, 시스템이 그의 최종 압력에 도달하는 것을 막는다. 진공 시스템의 무결성이 훼손되고 최종 압력이 획득될 수 없다. 누출 주변에 헬륨이 분사될 때, 공기의 전체 또는 일부가 헬륨으로 대체된다. 헬륨이 공기보다 가볍기 때문에(80% 대 20%의 질소 대 산소의 비율 즉, N₂/O₂::80/20%을 가짐), 헬륨의 누출은 대체된 공기의 누출보다 질량의 제곱근의 비율 즉, 2.7배만큼 더 높다. 하지만, 또한, 들어오는 헬륨은 공기보다 5.5배 덜 효율적으로 이온화된다. 이는 헬륨이 공기를 대체할 때, 이온화 게이지로부터의 전체 압력 판독 값(total pressure reading)이 5.5/2.7배, 즉 약 2배 감소함을 의미한다. 결과적으로, 공기가 누출을 통해 들어올 때, 기체는 헬륨으로 (완전히 또는 부분적으로) 대체되고, 이는 전체 압력 판독 값이 떨어질 것으로 예상된다. 다른 한편으로, 동일한 누출을 통해 헬륨이 시스템 내로 흐를 때, 소스에서 더욱 많은 헬륨이 이용 가능해지기 때문에 헬륨 부분 압력 신호는 증가한다. 전체 압력 강하 및 부분 압력의 증가의 이 조합은 명백히 또는 증가된 신뢰도로, 시스템에서의 누출의 존재를 나타내는데 사용될 수 있다. 도 32는 누출이 헬륨으로 분사될 때 전체 압력(상단 트레이스)이 감소하는 한편 부분 압력(하단 트레이스)이 증가함을 개략적으로 예시하는 그래프를 도시한다.

본 발명의 실시예에 따라, 이중 신호 누출 검출 회로(31166)(도 31b 참조), 및 LUT(31168)과 같은 협력 메모리, 또는 본원에서 교시된 하나보다 많은 다른 프로세서 또는 회로가 조합되어, 프로세서에서 인코딩된 명령어들을 사용하는 이중 신호 검출 절차를 구현하는데 사용된다. 이러한 절차들은 예를 들어, 전체 및 부분 압력 신호들 모두가 그의 존재를 지원할 때 누출 검출이 확인되는 것을 포함할 수 있다. 두 개의 신호들은 또한, 개선된 신호 대 잡음비를 갖는 더욱 높은 누출 검출 신호를 제공하는 전체 압력 강하 및 부분 압력 증가와 결합될 수 있다. 일 예시에서, 사용자가 누출 검사를 수행할 준비가 될 때, 전체 압력 및 부분 압력 데이터 측정치들은 0이 된다. 누출에서 헬륨이 분사되면, 하나의 채널(전체 압력 또는 부분 압력) 또는 결합된 두 개의 채널들이 누출을 검출하기 위해 사용된다. 두 개가 결합될 때, 차이 신호 진폭들이 예를 들어, 더해지고 곱해질 수 있다. 이들의 도함수들이 부호 및 진폭(즉, 실제 누출들과 별도의 드리프트) 에 대해 프로세서에 의해 분석될 수 있다. 다른 예시에서, 신호들은 상호 상관될 수 있고, 상기 상호 상관 신호는 프로세서에 의해 분석된다. 두 개의 신호들이 일시적으로 동일하지만 부호가 반대이므로, 누출이 있을 때 이들 신호는 매우 잘 상관되는 한편, 어느 잡음도 상관 시험에 통과하지 못할 것이다.

그 다음, 본 발명의 실시예에 따라, 공기 누출이 있는 진공 시스템에 대해, 기체 유입 지점에서의 공기를 더욱 가벼운 헬륨 기체로 대체하는 것이 챔버 내의 전체 압력이 증가하게 하지만, 질소/산소에 관련된 헬륨의 감소된 이온화 효율에 기인하여 이온화에 의해 보고된 압력이 강하되게 한다는 것을 증명하는 도출이 제공된다. 또한, 이는 전체 압력에서의 강하와 부분 압력에서의 증가 사이에 고정된 비율이 있음을 나타낸다. 도출은 헬륨의 부분 압력의 증가와 이온화 게이지의 나타난 압력에서의 대응하는 강하 간에 3.3배의 비율을 추정한다. 이는 질소 기체에 대해 교정된 이온화 게이지(산소 기체와 동일한 교정) 및 헬륨 기체에 대해 교정된 부분 압력에 대한 것이다. 도출을 기초로 하는 결론은 공기 누출이 순수한 헬륨 누출로 대체되는 시스템에서 전체 압력의 강하 및 부분 압력의 증가 사이에 예측 가능한 관계가 있다는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 도출은 도 47 및 48을 참조로 이루어진다.

도 47은 공기 누출이 있는 진공 시스템을 도시한다. S는 초당 리터 단위의 펌핑 속도이다. Q_outgas는 챔버의 벽으로부터의 분자 기체 배출 속도(Torr Liter/second)이다. Q_Air는 누출 지점을 통한 챔버로의 공기의 분자 유속(Torr Liter/second)이다.

챔버의 전체 압력은 다음과 같다:

[수학식 1]

도 48은 헬륨 누출(동일한 누출)이 있는 진공 시스템을 도시한다. 여기서, 챔버의 전체 압력은 다음과 같다:

[수학식 2]

Qoutgas와 S가 동일하게 유지되는 경우,

[수학식 3]

각각 30amu 및4amu인 공기 및 헬륨의 질량 M_air와 M_He에 대해 다음을 획득한다:

[수학식 4]

및:

[수학식 5]

압력 변경(실제 전체 압력)은 다음으로 주어진다:

[수학식 6]

결론들은 공기가 헬륨으로 대체될 때, 헬륨이 누출을 통해 더 빠르게 확산되기 때문에, 챔버 내의 압력이 증가한다는 것이다. 헬륨은 다음에 의해 주어진 챔버에 추가적인 압력량을 제공한다.

[수학식 7]

그 다음, 측정된 전체 압력(이온화 게이지)이 결정된다. 이온화 게이지에 의해 측정되고 보고된 압력은 1인 질소에 대한, 실제 기체 압력 및 기체 이온화 효율(ionization efficiency of the gas, IEG)의 곱에 의해 결정된다. 여기서 IEG, Air는 1이고 IEG, He는 0.18이다. "간접적인" 압력 측정이 수행된다.

(물이 기체 배출 성분인 것으로 가정하면) 공기에 대해 측정된 전체 압력은 다음과 같다.

[수학식 8]

[수학식 9]

헬륨에 대해, 배출 기체 수준에 변경이 없다고 가정한다:

[수학식 10]

[수학식 11]

[수학식 12]

그로부터 다음과 같다.

[수학식 13]

그리고, IEG, He가 0.18이고 IEG, Air가 1로 주어지면, 이는 다음과 같다:

[수학식 14]

따라서, 디스플레이된 압력의 감소는 다음과 같이 주어진다:

[수학식 15]

후속하는 결론은 헬륨이 공기를 대체할 때 챔버 내의 전체 압력이 증가하더라도, 이온화 게이지에 의해 보고된 측정 압력은 위의 수학식(15)에 주어진 식에 의해 감소한다는 것이다.

그 다음, 측정된 부분 압력이 평가된다. 부분 압력의 증가는 챔버 내의 헬륨 부분 압력의 직접적인 보고이다.

[수학식 17]

[수학식 18]

결론은 공기의 헬륨으로의 대체는 누출 시, 전체 압력이 강하되고 부분 압력이 상승하게 한다:

[수학식 19]

따라서:

[수학식 20]

수학식 20의 이 조건은 시스템에 누출이 존재하고 공기가 헬륨으로 대체될 때마다 충족되어야 한다.

그러면, 도출의 일반적인 결론은 측정된 전체 압력의 강하와 헬륨의 부분 압력의 증가 사이의 수학적 상관 관계가 예상된다는 것이다.

실제로, 본 발명의 실시예에 따라, 다음 절차가 후속될 수 있다. 사용자가 헬륨 누출을 측정할 준비가 되면, 예를 들어, 사용자는 (버튼 또는 키와 같은) 진공 게이지의 사용자 인터페이스를 이용하여(engage) 다음 두 개의 것들: (i) 헬륨의 부분 압력 신호를 0으로 설정하는 것, 및 (ii) 전체 압력을 측정하는 것을 할 수 있다. 사용자가 헬륨을 분사하기 시작할 때, (이중 신호 누출 검출 회로와 같은) 시스템은 이제, 부분 압력 신호의 증가 및 전체 압력의 감소를 동시에 찾는다. 누출이 실제 누출이도록, 두 변경들 사이에 예측 가능한 비율이 있어야 한다. 위의 도출은 명목상으로 예상하는 것을 도시한다. 이는 예를 들어, 사용자가 시스템 주변에서 누출 검사를 할 때 두 개의 과도 상태들을 비교하기 위한 최소 개시 단계일 수 있다. 이 기술을 사용할 때, 이는 예를 들어, 전체 압력이 강하되고, 부분 압력이 증가되며, 두 변경들의 비율이 상기 시스템에 대해 예상되는 경우에만 누출이 있는 것으로 고려될 수 있다. 측정시 시스템에 대한 전체 및 부분 교정들이 얼마나 정확한지에 의존하여, 주어진 진공 게이지에 대한 비율들의 주기적인 재교정이 수행될 수 있으며, 시스템이 먼저 사용되기 전에, 이러한 실시예의 작업 구현을 위해 공장 교정이 사용되어야 한다. 정확한 비율은 전체 및 부분 압력의 교정이 어떻게 이루어졌는지에 의존하여 변경될 수 있으나, 본 발명에 따른 이러한 실시예의 사용에서, 두 개의 측정량들의 강하 및 상승 사이에 고정된 비율이 있을 것으로 예상된다.

예를 들어, 실시예의 이중 신호 누출 검출 기술은 실제 누출이 아니지만 다른 방식으로 그렇게 보일 수 있는 경우들을 구분하는 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, 챔버가 밸브를 통해 헬륨을 포함하는 별도의 챔버와 연결된 것을 가정한다. 밸브가 개방되고 헬륨이 들어오는 것을 허용하지만, 그 후 폐쇄된다. 밸브의 폐쇄 전후에 비해, 전체 및 부분 압력이 모두 강하되지만, 상기 변경은 누출에 기인하지 않는다. 이러한 경우는 본원에서 교시된 이중 신호 누출 검출 기술을 사용하여 구분될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 진공 게이지는 도 12, 30, 31a 및 31b 및 64 내지 67의 전자 장치들, 제어 및 디스플레이 구성요소들 중 임의의 것 또는 전부와 함께 진공 게이지 그 자체를 포함하는 모듈형 유닛에 포함될 수 있다. 예를 들어, 모듈형 유닛은 전체 압력 디스플레이(31150), 부분 압력 디스플레이(31152)(도 31a 참조) 및 이온 전류 측정 회로(12170)(도 12 참조) 및 도 64-67의 회로들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

도 33은 본 발명의 실시예에 따른, 검출기 차폐물을 포함하는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 수직 단면도이다. 이 실시예는 또한, 도 34의 투명한 투영도, 도 35의 투명한 수직 단면도, 도 36의 수평 절반 단면도, 도 37의 수평 절반 단면도(여기서, 절반 단면은 양극 전기 연결을 통해 취해짐)를 참조로 논의될 것이다.

도 33 내지 37에 예시된 실시예들에서, 도 33을 참조로, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지는 검출기(33012)의 길이를 둘러싸는 검출기 차폐물(33170)을 더 포함한다. 상기 검출기 차폐물(33170)은 검출기 차폐물(33170)에 형성된 검출기 개구(33020)를 통해 이온들에 노출되는 부분을 제외하고, 예를 들어, 음극 전극 조립체(33004) 외부로 방출되는 이온들에 노출될 검출기(33012)의 길이의 전체 표면을 둘러싸는 원통형 형상의 검출기 차폐물일 수 있다. 검출기 차폐물(33170)은 검출기(33012)를 동축으로 둘러쌀 수 있다. 검출기 개구(33020)는 예를 들어, 약 0.025인치의 폭을 가질 수 있지만, 다양한 치수들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 검출기 개구(33020)의 폭은 예를 들어, 요구되는 감도 및 질량 분해능을 기초로 결정될 수 있다. 검출기 차폐 전기적 커넥터(33172)는 검출기 차폐물(33170)과 바이어스 전압을 검출기 차폐물(33170)에 인가하는 전압원(도 33에 도시되지 않음) 사이에 전기적으로 연결될 수 있어서, 검출기 차폐물(33170)은 그에 의해, 본원의 다른 곳에서 교시된 것과 유사한 방식으로 고역 통과 이온 에너지 필터가 된다. 검출기 차폐 회전 결합물(33174)은 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에 대한 검출기 차폐물(33170)의 기계적인 연결에 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 33에서, 검출기 차폐 회전 결합물(33174)은 검출기 차폐 전기적 커넥터(33172)에 기계적으로 결합된다. 검출기 회전 결합물(33176)은 검출기(33012)의 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 기계적인 연결에 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 33에서, 검출기 회전 결합물(33176)은 이온 전류 측정 회로에 대한 검출기(33012)의 검출기 전기적 연결(33178)에 기계적으로 결합된다. 예를 들어, 소스 개구(33010)는 약 0.010인치의 폭을 포함할 수 있지만, 다른 치수들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 길이가 검출기 차폐물(33170)에 의해 둘러싸인 검출기(33012)는 패러데이 수집기를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 패러데이 수집기는 예를 들어, 패러데이 수집기 검출기(33012)의 "컵" 형상을 형성하기 위해 하나 이상의 측면 차폐물들을 포함함으로써, 패러데이 컵을 포함할 수 있다. 패러데이 수집기 검출기(33012)에 대한 이러한 측면 차폐물들 및 컵 형상은 예를 들어, 2차 전자들을 수집하고 검출된 신호에서 비-선형성을 제거하는데 도움을 줄 수 있다. 이러한 패러데이 수집기는 펨토-암페어(Femto-Ampere) 범위에서와 같이 낮은 누설 전류를 달성할 수 있으며, 이는 낮은 헬륨 부분 압력 신호들의 측정을 허용한다. 덧붙여, 자석 회전 결합물(33182)은 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지에 대한 자석 조립체(33006)의 기계적인 연결에 포함될 수 있다. 양극 전기 핀(33024)은 양극 전극(30002)에 전기적으로 연결되고, 음극 전기 핀(33026)은 음극 전극 조립체(33004)에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 도체(미도시)는 피드스루 커넥터(33026)의 음극 전기 핀으로부터 음극 전극 조립체(33004)로 이어질 수 있고, 도체(미도시)는 피드스루 커넥터(33024)의 양극 전기 핀으로부터 양극 전기 커넥터(34184)로 이어질 수 있다(도 34 참조). 알루미나 세라믹 또는 플라스틱(예를 들어, PEEK) 절연체와 같은 절연체(33025)는 예를 들어, 양극 전기 핀(33024)을 둘러쌀 수 있다. 음극 피드스루 커넥터(33026), 양극 피드스루 커넥터(33024) 및 검출기 차폐 전기적 연결(33172) 및 검출기 전기 연결(33178)에 대한 연결들은 예를 들어, BNC 커넥터들(동축 케이블에 대해 사용되는 고속 연결/분리 커넥터들인 Bayonet Neill-Concelman 커넥터), 또는 센서에 고정되고 외부 박스에 의해 둘러싸인 인쇄 회로 기판들 상의 커넥터들에 직접적으로 들어가는 커넥터 핀들을 통해 만들어질 수 있다. 다른 예시에서, 음극 피드스루 커넥터(33026)로의 연결을 위해, SMB(SubMiniature 버전 B) 커넥터가 사용될 수 있다. 검출기 차폐 전기적 연결(33172)은 예를 들어, 미국 캘리포니아주 헤이워드의 MDC Vacuum Products, LLC에서 상용화된 것 같은 중간 전력 고전압 커넥터(또는 "MHV" 커넥터)를 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 1400V의 양극 전압이 사용될 수 있고, 예를 들어, 450V의 검출기 차폐물 바이어스 전압이 사용될 수 있어서, 검출기 차폐물은 고에너지 필터링을 제공한다. 예를 들어, 패러데이 수집기(또는 다른 검출기)는 그의 전위계 연결에 의해 접지 전위로 유지될 수 있다.

도 34의 투명한 투영도에서 및 도 35의 수직 투명 섹션에서의 유사하게 넘버링된 구성요소들(35182, 35174 및 35176)에서, 자석 회전 결합물(34182), 검출기 차폐 회전 결합물(34174) 및 검출기 회전 결합물(34176)이 도시된다. 도 34에 도시된 바와 같이, 이들 회전 결합물들(34182, 34174 및 34176)은 예를 들어, 나사들(34188)이 연장되고 나사들(34188)이 회전 결합물들에 결합된 각각의 구성요소들을 회전시키기 위해 회전되는 슬롯들(34186)을 사용하여 형성될 수 있다. 플레이트가 회전하는 동안 진공을 유지하기 위해 O-링 시일(seal)이 사용될 수 있다. 도 38은 도 33 내지 도 37의 진공 게이지의 평면도이고 도 39는 이의 저면도이며, 검출기 차폐물의 회전 결합물(38174, 39174)을 더 예시한다. 구성요소들을 회전시키는 능력은 예를 들어, 구성요소들을 서로에 대해 회전시킴으로써 검출기 개구 및 검출기의 위상 조정(phasing)을 허용한다. 예를 들어, 16도와 같은 최대 20도의 회전은 이온 성분들의 편향 각도를 허용하기 위해 자석 회전 결합물(34182)에 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 1250 Gauss의 중심장(central field)에 대해, 11도의 헬륨 편향이 측정되었다. 본원에서 회전 결합물들이 교시되지만, 대안적인 실시예들은 회전 결합물을 갖지 않는 고정된 위치 구성요소로서 회전 결합물과 함께 도시된 구성요소들 중 하나 이상을 유지할 수 있다.

양극 전기 커넥터(36184)는 도 36의 수평 절반 단면도 및 절반 단면이 양극 전기 커넥터(37184)를 통해 취해지는 도 37의 수평 절반 단면도에 더 예시된다. 양극 전기 커넥터(37184)는 예를 들어, 양극 전극(33002)에 (예를 들어, 도체(미도시)를 통해) 직접적으로 전기적으로 연결되는(도 33 참조), (예를 들어, 미국 델라웨어주의 CRS Holdings, Inc.의 상표인 Kovar®로 제조된) 고전압 커넥터 핀(37184a)을 포함할 수 있다. 상기 고전압 커넥터 핀(37184a)은 예를 들어, 에어 갭(37184b)에 의해 둘러싸이고, 이는 결국 알루미나 절연체 또는 세라믹 절연체와 같은 절연체(37184c)에 의해 둘러싸인다. SS304 엔벨로프(envelope)와 같은 엔벨로프(37184d)는 양극 전기 커넥터(37184)의 외부를 둘러싸고, 예를 들어, 진공 게이지로부터 연장되는 블록에 TIG 용접될 수 있다. 적합한 양극 전기 커넥터(37184)의 예시는 미국 캘리포니아주 헤이워드의 MDC Vacuum Products, LLC에서 상용화된 것과 같은 중간 전력 고전압 커넥터(또는 "MHV"커넥터)이다.

다양한 형태들의 전기적 연결이 본원에서 논의되지만, 예시된 것보다 다른 형태들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 양극 및 음극 연결들은 서로 반대가 아닌 진공 게이지의 동일한 측면으로부터 만들어질 수 있다. 다른 예시에서, 생산을 위해 신호 전자 장치 보드(signal electronics board)는 진공 게이지의 일 측에 있을 수 있고 고전압 전자 장치 보드는 진공 게이지의 다른 측에 있을 수 있다.

도 45를 참조로, 상기 도면은 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지의 구성요소들의 예시적인 치수들을 도시하는 수직 단면도이다. 이들 치수들은 검출기 개구(45020)의 (여기서, 예를 들어, 약 0.490인치인) 높이(45190) 및 소스 개구(45010)의 (여기서, 예를 들어, 약 0.820인치인) 높이(45192)를 포함한다. 하지만, 다른 치수들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 진공 게이지 내에 노출된 유전체 표면들이 있지 않더라도, 이온 성분 빔이 소스를 떠날 때 발산하기 때문에, 검출기 개구(45020)에 대해 더 큰 길이가 통상적으로 소스 개구(45010)의 길이보다 사용될 것이다. 예를 들어, (아래의) 도 60의 실시예에서, 소스 개구는 길이가 약 0.350인치일 수 있고, 검출기 개구는 길이가 약 0.400인치일 수 있다.

도 46은 본 발명의 실시예에 따른, 소스 개구(46020)로부터 검출기(46010)를 향해 세로로 연장하는 방향(화살표(46196)으로 표시됨)으로 자기장을 연장시키도록 위치된 자기장 연장 조립체(46194)를 도시하는 수직 단면도이다. 이 실시예에서, 자기장 확장 조립체(46194)는 예를 들어, 헬륨 및 잔류 기체와 같은 하나 이상의 이온 성분을 분해하기 위한 추가적인 능력을 제공하기 위해, 예를 들어, 검출기(46010)를 향해 이동하는 이온 성분들의 추가적인 분리를 제공할 수 있다. 이 예시에서, 자기장 연장 조립체는 자석 데크(magnet deck, 46197)에 부착된 영구 자석들(46194)을 포함한다. 일 구현에서, 영구 자석들(46194)은 길이가 1.5인치이고, 폭이 0.75인치이며, 높이가 0.125인치 내지 0.25인치인 치수들을 갖는 네오디뮴 재료의 N45 등급 직사각형 자석이었지만, 다양한 상이한 배열들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다.

도 40 및 41로 돌아가면, 상기 도면들은 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지를 사용하여 다른 잔류 기체로부터 물의 분리를 도시하는 그래프이다. 상기 도면들에서, 물보다 높은 분자량들을 갖는 모든 잔류 기체들은 가장 큰 피크들에 포함된다(하지만, 도 40에서 잔류 기체들의 주요 구성요소이므로 상기 피크에 대해 약어(shorthand label) "N2"가 사용된다). 기체 주입 통로의 중심 축에 대한 소스 개구의 각도(도)가 수평 축에 도시되고, 선형 피코-전류계에 의해 제공되는 검출된 부분 압력 전류(볼트)가 수직 축에 도시된다. 물의 추가적인 분리를 제공하기 위해, 실시예에서, 전체 압력 게이지에서 자기장을 증가시키거나, 물을 분리하는 데 도움이 되도록 자기장 확장을 추가하거나, 둘 모두를 수행할 수 있다. 이러한 자기장 확장들의 예시는 도 46에 대하여 설명된다. 자기장이 너무 많이 증가되면, 바람직하지 않은 불연속들이 초래될 수 있으며, 그러므로 도 46의 실시예는 예를 들어, 물의 분리를 보조하는데 유용할 수 있다. 헬륨 피크의 각 측에서 기준선 신호를 통해 다른 피크들로부터 헬륨 피크의 많은 양의 분리는 헬륨 신호의 자동 제로화를 허용하며, 이는 자동화된 헬륨 감지 및 헬륨 누출 검출에 대한 장점을 제공한다.

도 40의 그래프에 대해, 자석 조립체는 0.25인치 중심 홀을 갖고 두께가 0.375인치이고 직경이 2인치인 두 개의 자석들을 사용하였다. 냉음극 게이지에서 내부장은 1250 Gauss였다. 물 이온 성분("H2O")은 잔류 기체들의 나머지로부터 명확하게 분리되기 시작하는 것으로 관찰된다. 양극의 전압은 1200V이고 검출기의 바이어스 전압은 225V였다.

도 41의 그래프는 본 발명에 따른 실시예에 의해 달성된 물 분해 스펙트럼의 유사한 그래프를 도시한다. 진공 시스템은 2 x 10^-6 Torr 잔류 기체 기본 압력이었다. 1 x 10^-5 Torr의 헬륨이 추가되었다. 양극의 전압은 1200V이고 검출기의 바이어스 전압은 225V였다. 물이 다른 잔류 기체들로부터 분리되기 시작하였다. 헬륨은 잔류 기체들의 나머지로부터 명확하게 분해된다. 물 왼쪽에 대한 피크는 물보다 높은 질량을 갖는 모든 잔류 기체들이다.

도 42 및 43은 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지의 전체 압력 감도를 도시하는 그래프들이다. 압력(Torr)은 수평 축에 있으며, 수직 축에는 전류(마이크로 암페어)가 있다. 도 42에서, 하나가 7.6M-Ohm의 제한 저항기를 갖고 하나가 제한 저항기를 갖지 않는 두 개의 곡선들이 도시된다. 두께가 0.25인치이고 직경이 2인치인 자석들을 사용하여 950 Gauss의 자기장이 달성되었다. 양극 전압은 1400V였고 검출기 바이어스 전압은 470V였다. 달성된 전체 압력 감도는 3.5A/Torr였다. 7.6M-Ohm 제한 저항기로 130 마이크로-Amp의 최대 전류가 사용되었다. 그래프는 전체 압력 감도에 불연속성이 없음을 도시한다. 도 43에서, 직경이 2인치이고 두께가 0.375인치인 자석들을 통해 1450 Gauss의 자기장이 사용되었다. 양극 전압은 1400V였고 검출기 바이어스 전압은 470V였다. 7.6M-Ohm 전류 제한 저항기와 함께 130 마이크로 Amp의 최대 전류가 사용되었다. 8 x 10^-5 Torr에서 불연속성이 있었지만, 5.5A/Torr의 전체 압력 감도가 발견되었다.

본 발명의 실시예를 통한 실험들에서, 1 x 10^-10 Torr 표준편차의 부분 압력 전류 잡음이 획득되었다. 초당 100 리터의 펌프를 가정하면, 1 x 10^-8 Torr Liter/초의 누출 검출 제한이 획득된다. 두께가 0.25인치인 자석을 사용한 실험들은 압력 곡선에서 불연속성이 없으며 표준 냉음극 게이지들과 호환 가능한 양호한 자기들을 달성한다. 두께가 0.375인치인 자석들을 사용한 실험들은 위에서 언급된 하나의 불연속성과, 증가된 부분 압력 감도를 제공한다.

도 44는 본 발명의 실시예에 따른 잔류 기체 분석기(RGA) 및 진공 게이지를 사용하는 누출 검출의 비교를 도시하는 그래프들의 도면이다. 두 개의 왼쪽 패널에서의 그래프들은 RGA를 사용하여 획득된 한편, 오른쪽 패널들에서의 그래프들은 1 x 10^-8 Torr 누출이 있는 본 발명에 따른 실시예를 사용하여 획득되었다. (수직 축 상의 압력(Torr) 대 수평 축 상의 시간의) 유사한 곡선들의 형상은 본 발명의 실시예가 RGA에 유사한 성능을 갖는다는 것을 나타낸다. 다른 실험들에서, 1 x 10^-10 Torr의 누출에 대해 생산에 사용된 현재 RGA와 비교하여 본 발명의 실시예에 의해 누출들의 빠르고 정확한 검출과 함께 유사한 성능이 획득되었다.

도 49는 본 발명의 실시예에 따라 검출기에 의해 검출될 이온 성분들을 편향시키기 위해 이온 빔 편향기(49106)를 사용하는 진공 게이지의 개략적인 투영도 도면이다. 한 쌍의 평행한 플레이트들(49106a 및 49106b) 또는 한 쌍의 만곡된 플레이트들과 같은 이온 빔 편향기(49106)는 소스 개구(49010)와 검출기(49012) 사이에 위치된다. 이러한 이온 빔 편향기(49106)는 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 이온 성분들을 편향시키고 에너지 집속을 수행하기 위해 사용될 수 있다.

본원에서의 이전 실시예들에서와 같이, 변위된 이온 성분들(49038)은 상이한 이온 성분들로 분리되며, 이들이 소스 개구(49010)로부터 더 멀어짐에 따라 서로 점점 더 갈라진다. 역 마그네트론 냉음극 방전 전극 구성에서, 음극 전극 조립체(49004)는 양극 전극(49002)을 둘러싼다. (자석 조립체를 사용하여 생성된, 도 49에 도시되지 않음) 축 자기장은 양극 전극(49002)에 중심을 두고, 방사형 전기장은 고전압 전위 V _anode 를 양극 전극(49002)에 인가함으로써 확립된다. (전기장의 방향(49007a) 및 자기장의 방향(49007b)으로 표시된) 전기장 및 자기장의 교차장 배열을 통해, 순수 전자 플라즈마(49068)가 양극 전극(49002)을 둘러싸게 확립된다. 순수 전자 플라즈마(49068)에 들어가는 기체 분자들은 세차 전자들(precessing electrons)에 의해 이온화되고 방사형 전기장에 의해 음극 전극 조립체(49004)를 향해 즉시 가속되는 이온들을 형성한다. 소스 내부의 자기장은 전자들이 타이트한 원형 궤적들에서 세차 운동을 하게 하도록 충분히 높지만(예를 들어, 1kGauss), 더욱 무거운 이온들에 적은 영향을 미치며, 상기 전자들이 음극 전자 조립체(49004)를 향해 비행할 때, 그들의 궤적들의 약간 질량에 의존하는 전기 편향을 생성한다. 음극 벽에 위치된 수직 슬릿과 같은 소스 개구(49010)는 이온 성분들(49038)의 얇은 조각(thin sliver)이 소스를 빠져 나가도록 허용한다. 추가적인 자석들(도 49에 미도시됨)을 사용하여, 자기장은 소스 개구(49010)와 검출기(49012) 사이의 비행 영역으로 확장되어 이온들의 질량 의존적 편향을 개별 이온 성분(49038b-d)으로 증가시킨다. 가벼운 이온들은 더 무거운 이온들보다 더욱 많이 굴절된다. 예를 들어, 변위된 이온 성분(49038b)은 헬륨 이온들로 만들어지고, 49038c는 물 이온들로 만들어지며, 49038d는 질소와 산소와 같은 잔류 기체로 만들어진다. 추가적인 자석들을 사용한 이온 성분들의 이러한 증가된 편향은 예를 들어, 잔류 기체 이온들(49038d)의 나머지로부터 물 이온들의 분리를 허용할 수 있다. 검출기(49012)는 검출기 개구(49020)를 통해 검출기(49012)에 도달하는 이온 플럭스에 비례하는 이온 전류를 생성하는 금속 패러데이 수집기 절반 실린더(49022)를 포함한다. 상기 이온 전류는 검출기에 도달하는 이온 성분(49038d)의 부분 압력 전류 I _PP 이다. 또한, 전체 압력 전류 I _T 가 도 49에 도시된다.

덧붙여, 도 49의 실시예에서, 이온 빔 편향기(49106)는 이온 성분들(49038b, 49038c 및 49038d)을 검출기 개구(49020)로 조향시키기 위해 사용된다. 한편, 편향기 플레이트(49106b)가 접지된 편향기 플레이트(49106a)에 대해 양으로 바이어스된 "푸셔(pusher)" 배열을 가정하면, 자기장은 이온 성분의 궤적들을 아래로(도 51의 평면도 참조) 곡선화하고, 편향기 플레이트들(49106a 및 49106b) 사이의 전기장은 이온 성분의 궤적들을 도 51을 참조로 정전기적으로 위 방향으로 조향시킨다. 도 49에서, 예를 들어, 잔류 기체 성분(49038d)이 검출되도록 편향기 플레이트(49106a, 49106b) 사이의 전압 차이가 설정된다. 접지에서 양 편향기 플레이트들(49106a 및 49106b)을 통해, 모든 이온들은 소스 개구의 각도와 자기장으로부터 이온 성분들의 편향의 양을 기초로, 검출기 개구(49020)에 들어가지 못할 것이다(miss). 그러나, 편향기 플레이트 중 하나로서, 여기서는 푸셔 편향기 플레이트(49106b)의 전압이 이 예시에서 접지된 다른 편향기 플레이트(49106a)에 대해 변경될 때(여기서는, 양의 방향으로 증가될 때), 이온 성분들(49038b, 49038c 및 49038d)은 위로(또는 전압 변경에 의존하여 아래로) 조향되며(steered), 상이한 이온 성분들이 검출기 개구(49020)를 통과하는(clear) 것을 허용한다. 도 49에서, 푸셔 편향기 플레이트(49106b)는 잔류 기체 이온 성분(49038d)이 검출기 개구(49020)에 도달하기 위한 전압으로 설정된다. 대조적으로, 도 50 및 도 51(평면도)에서, 검출기(49020)에 대해 상이한 이온 성분 이 경우, 물 이온 성분(50038c(도 50) 및 51038c(도 51))이 이용 가능해지도록, 편향기 플레이트(49106b)상의 전압이 증가된다. 편향기 플레이트(49106b) 상의 전압의 추가적인 증가를 통해, 헬륨 이온 성분(49038b)은 검출기 개구(49020)에 도달하고 신호를 생성할 것이다. 따라서, 편향기(49106)는 검출기(49012)로 다중 이온 성분 종들을 순차적으로 가져올 수 있도록, 이온 성분 조향을 허용한다. 도 49-51의 예시에서, 편향기 플레이트(49106b)는 접지된 편향기 플레이트(49106a)에 대해 양의 전압으로 스윕되는(swept) 푸셔 편향기 플레이트이다. 다른 배열들이 사용될 수 있다: 예를 들어, 하나의 플레이트는 접지된 다른 플레이트에 대해 음의 전압일 수 있거나; 또는 두 플레이트 모두가 상이한 전압들에서 바이어스 될 수 있다. 도 49-51의 예시에서, 푸셔 편향기 플레이트에 대해, 이온 성분들은 예를 들어, 자기장에 의해 야기된 편향을 기초로, 소스 개구(49010)로부터 나타나고 푸셔 편향기 플레이트(49106b)를 향해 비행할 수 있다. 이 예시에서, 편향기 플레이트들(49106a, 49106b)이 턴 오프되면, 검출기 개구(49020)에 도달하는 이온 성분들은 없다. 푸셔 편향기 플레이트(49106b) 전압이 양의 전압으로 스윕될 때, 이온 성분들은 검출기 개구(49020)로 밀려나기 시작한다. 더욱 무거운 이온들이 먼저 검출기 개구(49020)에 들어가는 한편, 더욱 가벼운 이온 성분들은 더욱 가벼운 이온 성분들이 검출기 개구(49020)에 도달하도록 더욱 높은 전압들이 이온 성분들을 스윕하는 것을 요구한다.

푸셔 편향기 플레이트(49106b)의 전압을 스캔하고 편향기 플레이트의 전압에 대한 (부분 압력 전류와 같은) 이온 성분 신호를 플로팅하는 것과 같이, 편향기 플레이트 중 하나 또는 둘 모두의 전압을 스캔하는 것은 도 52에 도시된 실시간 질량 스펙트럼의 생성을 허용한다. 도 52는 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지에서 편향기 플레이트 상의 전압을 스캔함으로써 생성된 전체 스펙트럼 범위의 그래프이다. 피코 전류계 전류 대 전압 컨버터에 의해 제공된 검출된 부분 압력 전류(볼트)는 수직 축에 도시되고, (편향기 전압이 톱니 파형으로 스윕되기 때문에) 편향기 플레이트에서의 전압에 선형적으로 관련된 시간(초)은 수평축에 도시된다. 이 예시에서, 아세톤이 모니터링된 챔버에 첨가되고 진공 게이지를 사용하여 분석되었다. 공기(52110a), 물(52110b), 헬륨(52112), 수소(52114) 및 아세톤(52115)의 별도의 이온 성분 피크들이 실시간 질량 스펙트럼에서 생성되었다.

도 49로 돌아가면, 검출기 차폐 전기적 커넥터(49172)는 검출기 차폐물(49170)과 검출기 차폐물 바이어스 전압을 검출기 차폐물(49170)에 인가하는 전압원(49198) 사이에 전기적으로 연결되어, 검출기 차폐물(49170)이 그에 의해 고역 통과 이온 에너지 필터가 된다. 고역 통과 이온 에너지 필터를 사용하여, 검출기 차폐물 바이어스 전압보다 높은 에너지들을 갖는 이온들만이 검출기 개구(49020)의 평면을 통과할 수 있으며 나머지는 회전될 수 있다. 검출기 차폐물 바이어스 전압을 증가시키는 것은 편향기 전압 스윕 동안 검출기(49012)에 도달할 수 있는 이온들의 에너지 분포 또는 확산을 좁히며, 전압이 증가할 때 더욱 좁은 질량 피크를 초래한다.

도 53의 측면도, 도 54, 56 및 58의 평면도 및 도 55 및 57의 투영도들을 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 편향기를 사용하는 진공 게이지의 구성요소가 논의된다. 진공 피드스루들(54024, 54026, 54201, 54023(도 54 참조) 및 53205(도 53 참조))은 진공 게이지의 전극 조립체를 위한 전기적 연결들 및 구조적인 지지 모두를 제공한다. 진공 피드스루들은 예를 들어, 미국 캘리포니아주 헤이워드의 MDC Vacuum Products, LLC에서 상용화된 표준 진공 구성요소들을 사용하여 만들어질 수 있다. 진공 피드스루들은 양극 피드스루(54024) 음극 피드스루(54026), 편향기 플레이트 피드스루(54201), 검출기 필터 피드스루(54203) 및 검출기 전류 피드스루(53205)를 포함한다(도 53 참조). 하나의 편향기 플레이트(54106b)가 편향기 플레이트 피드스루(54201)를 통한 전기적 연결에 의해 바이어스되는 동안, 다른 편향기 플레이트(58106a)(도 58 참조)는 접지된다. 여기서, 편향기 플레이트(58106a)(또는 도 58의 다른 편향기 플레이트(58106b))는 58106b에 도시된 바와 같이 얇은 플레이트의 기하학적 구조를 가질 필요가 없지만, 그 대신 58106a에서와 같이 블록의 기하학적 구조를 가질 수 있다는 점이 주목된다. 편향기 플레이트들 또는 블록들(58106a 및 58106b)은 불규칙한 드리프트를 유발할 수 있는 유전체 코팅들로 쉽게 코팅되지 않는 재료(예를 들어, 스테인리스 강)로 만들어져야 한다; 예를 들어, 산화물 패시베이션 층들이 불규칙한 드리프트를 유발하는 경우 알루미늄은 적합하지 않을 수 있다. 검출기 필터 피드스루(54203)(도 54 참조)는 여기에서 필터 플레이트로서 구현되는 검출기 고에너지 필터(54042)에 연결된다. 진공 게이지는 또한, 패러데이 수집기(53022)의 적어도 일부를 둘러싸는 접지된 검출기 차폐물(53221)(도 53 참조)을 포함한다. 접지된 검출기 차폐물(57221)(도 57 참조)은 이온 성분들이 검출기 고에너지 필터(57042)의 개구(57263)를 통해 도달하는 검출기 개구(57020)를 포함한다. 대안적인 배열들에서, 검출기 개구(57020)는 검출기 고에너지 필터(57042) 뒤의 검출기에 있을 수 있거나, 또는 그 자체가 검출기 고에너지 필터(57042) 내의 개구(57263)일 수 있다는 것이 인식될 것이다. 에너지 필터 그리드(미도시)는 검출기 개구(57020)를 둘러싸거나 또는 덮을 수 있다. 덧붙여, 진공 게이지는 전자적으로 제어되는 액추에이터(54209) 또는 수동으로 제어되는 액추에이터에 결합될 수 있는, 음극 회전 결합물(54207)(도 54)을 포함할 수 있다. 액추에이터(54209)는 음극 회전 결합물(54207)을 사용하여 음극 전극 조립체(5404)를 회전시키도록 구성되며, 이는 소스 개구(55010)의 회전 각도를 조정하기 위한 능력을 제공한다(도 55 참조). 음극 회전 결합물(54207)(도 54)은 예를 들어, 음극 전극 조립체(55004)가 장착되는 회전 테이블(55211)(도 55 참조)(도 58에서 58211로 도시됨)을 포함할 수 있다. 액추에이터(54209)(도 54 참조)는 소스 개구(55010)(도 55)의 회전 각도를 조정하기 위해 회전 테이블(55211)(도 55)을 회전시키는 로드(54213)를 포함한다. 로드(54213)(도 54 참조)는 음극 회전이 조정될 때 진공을 유지하는 O-링 시일(54215) 내에서 회전한다. 도 54에서, 로드(54213)는 O-링 시일(54215)을 통과하고 회전 테이블(55211)(도 55)을 작동시키는 플랜지(54217)를 미는 것으로 도시된다. 로드(54213)의 나사산 단부(54265)가 회전될 때, 결과는 회전 테이블(55211)(도 55)의 회전을 야기하기 위해 플랜지(54217)를 미는 로드(54213)의 단부의 선형 병진이다. 회전 테이블(55211)은 로드(54213)가 들어갈 때(retracted) 돌아가기 위해 스프링(56275)(도 56)으로부터 스프링 장력을 받는다.

도 56을 참조로, 모니터링된 챔버로부터의 기체가 진공 게이지로 주입되는 기체 주입 통로(56028)가 도시된다. 접지된 검출기 차폐물(55221)(도 55 참조)의 표면은 기울어지거나 또는 다른 방식으로 기체 주입 통로(56028)(도 56)를 지나오는 들어오는 기체에 더욱 개방된 기체 전도도의 경로를 제공하도록 형상을 가질 수 있다. 또한, 접지된 편향기 플레이트(56106a)가 예를 들어, 엔벨로프(56269)의 일부로서 부착될 수 있는 게이지의 엔벨로프(56269) 및 플레이트 고정물들(56267)이 도 56에 도시된다. 장착 플레이트(56339)는 양극 전극, 음극 전극 조립체, 진공 피드스루들 및 검출기 구성요소들을 포함하는 편향기 플레이트(56106a) 이외의 구성요소들의 대부분을 장착하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 장착 플레이트(56339)는 고무 O-링들, 초고진공(Ultrahigh Vacuum)을 위한 금속 개스킷(metal gasket)으로 밀봉되거나 또는 심지어 그 자리에 용접될 수 있다. 장착 플레이트(56339)에 구성요소들을 장착하는 것은 시험 및 제조 중의 문제들을 해결하기 위한 능력을 제공하고, 사용자들에게 그 분야(field)의 진공 게이지를 유지하기 위한 능력을 제공한다. 장착 플레이트(56339) 및 엔벨로프(56269)는 예를 들어, 가능한 가장 낮은 투자율을 갖는 스테인리스 강으로 제조될 수 있다. 푸셔 편향기 플레이트(56106b) 및 검출기 고에너지 필터(56042)의 전기 절연을 제공하는 전기 절연체들(56271)이 도시된다. 스폿 용접된 푸시-온(push-on) 커넥터들(56273)은 편향기 플레이트 피드스루(56201) 및 검출기 필터 피드스루(56203)의 단부들에 도시된다. 푸시-온 커넥터들(56273)은 전기적인 연결에 추가하여 플레이트들의 정렬을 제공한다. 음극 전극 조립체(56004)의 상부에서 개구부들(5608)은 기체가 음극 전극 조립체(56004)의 내부에 있게 한다. 스프링(56275)은 도 57에 더 도시된 바와 같이 음극 회전 테이블(55211)(도 55)에 부착된다(스프링(57275) 참조). 스프링(56275)은 액추에이터(54209)(도 54)의 미는 힘에 반대로, 음극 회전 테이블(55211)을 당기는 힘을 제공한다. 도 53을 참조로, 멈춤 나사(set screw, 53277)는 회전 각도를 고정하기 위해 회전 테이블의 잠금을 허용한다. 음극 회전 테이블은 또한, 그의 위치를 고정하기 위해 스폿 용접될 수도 있다. 절연 포스트들(insulation posts, 53279)은 음극 전극 조립체(53004)의 전기 절연을 제공하고, 양극 대 음극 전류가 음극 전극 조립체에서 측정될 때 사용될 수 있다. 대안적으로, 절연 포스트들(53279)은 예를 들어, 양극 대 음극 전류가 양극 전극에서 측정될 때 생략될 수 있다.

도 55를 참조로, 절연체 슬리브(55281)는 패러데이 수집기(55022)에 기계적인 지지를 제공한다. 절연체 슬리브(55281) 및 패러데이 수집기(55022)를 만들 때, 수집기에 충분한 기계적인 지지를 제공하고 수집기를 경량으로 제조함으로써 패러데이 수집기(55022)의 진동을 제거하는 것이 바람직하다. 이는 수집기에 의해 측정된 전류들에서 고주파 AC 전류 성분들의 발생을 감소시킨다. 예를 들어, 소스 개구(55010)는 약 0.005인치 폭 x 0.350인치 높이의 치수들을 가질 수 있다. 소스(55010)의 폭은 진공 게이지의 궁극적인 질량 분해능에 영향을 미친다. 예를 들어, 소스 개구(55010)는 화학적 식각에 의해 0.0005인치 두께의 시트 금속 상에서 제조될 수 있다.

도 57을 참조로, (와이어(미도시)와 같은) 전기 연결은 음극 전극 조립체(57004)에 대한 전기 연결을 완료하기 위해, 음극 피드스루(57026)의 단부로부터 음극 전극 조립체(57004)로 연장될 수 있다. 와이어는 음극 전극 조립체(57004)의 회전을 수용하도록 감길 수 있다.

도 59는 진공 게이지의 구성요소의 개략도이고, 도 60은 본 발명의 실시예에 따른, 일부 예시적인 치수들을 도시하는 단면도이다. 도 60은 도 59의 라인 A-A를 따른 진공 게이지의 단면도이다. 도 59를 참조로, 치수들의 일부 예시들은 다음과 같다: 양극 전극(59002)과 접지된 검출기 차폐물(59221) 사이의 길이는 약 2.020인치이고; 편향기 플레이트들(59106a 및 59106b) 사이의 거리는 약 0.635인치이고; 접지된 편향기 플레이트(59106a)와 소스 개구(59010)로부터 패러데이 수집기(59022)로 연장되는 중심 축(59219) 사이의 거리는 약 0.470인치이고; 중심 축(59219)과 푸셔 편향기 플레이트(59106b) 사이의 거리는 약 0.165인치이다. 도 60을 참조로, 일부 예시적인 치수들은 다음과 같다: 음극 전극 조립체(60004)의 높이는 약 0.750인치이고; 양극 전극(60002)의 높이는 약 0.500인치이고; 양극 전극(60002) 및 음극 전극 조립체(60004)의 상부 및 하부 각각 사이의 간격 높이는 약 0.125인치이고; 음극 전극 조립체(60004)의 내경은 약 0.930인치이고; 양극 전극(60002)의 외경은 약 0.400인치이고; 양극 전극(60002)과 접지된 검출기 차폐물(60221) 사이의 길이는 약 2.020인치이고; 소스 개구(60010)와 접지된 검출기 차폐물(60221) 사이의 비행 경로의 길이는 약 1.545인치이고; 소스 개구(60010)와 고에너지 필터(60042) 사이의 길이는 약 1.455인치이고; 검출기 개구의 두께는 약 0.005인치이고; 소스 개구(60010)로부터 검출기 전류 피드스루(60205)로의 거리는 약 1.743인치이다. 일부 추가적인 예시적인 치수들은 다음과 같다: 검출기 개구(57020)(도 53 참조)는 폭이 약 0.010인치이고 높이가 0.400인치일 수 있고; 소스 개구(60010)는 폭이 약 0.005인치이고 높이가 0.350인치일 수 있다. 전술한 내용은 예시적인 치수들이고 다른 치수들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다.

본 발명의 실시예들에 따른 자기장 연장 조립체를 위한 다음의 논의되는 배열들이 있다. 도 46을 참조로 위에서 논의된 바와 같이, 하나 이상의 자석들(46194)과 같은 자기장 연장 조립체는 음극 전극 조립체 위의 자석 조립체에 추가하여 소스 개구(46020)로부터 검출기(46010)를 향해 세로로 연장하는 방향(46196)으로 자기장을 연장하는 데 사용될 수 있다. 자기장 연장 조립체(46194)는 자석 조립체와 검출기(46010) 사이의 자기장을 증가시키도록 위치될 수 있다. 예를 들어, 진공 시스템에서 잔류 기체들의 나머지로부터 물의 분리를 허용할 수 있다. 자기장 확장 조립체(46194) 없이, 이온 성분 비행 경로로 연장되는 소스로부터 프린징 자기장들만을 통해, 진공 게이지는 헬륨 및 수소와 같은 가벼운 기체들을 시스템의 잔류 기체들의 나머지로부터 분리만을 할 수 있다. 자기장 확장 조립체(46194)를 통해, 일 예시에서, 자기장은 소스(양극 전극 및 음극 전극 조립체)의 영역에서 약 1000 Gauss일 수 있고, 검출기(46010)에 더 가까운 곳에서는 약 1300 Gauss일 수 있다.

도 61에 도시된 다른 실시예에서, 자석 조립체는 음극 전극 조립체(61004) 위로 연장되고 소스 개구로부터 검출기를 향해 세로로 연장하는 방향(도 46의 방향(46196)을 참조)으로 연장하는 모놀리식 자석(61225)을 포함할 수 있다. 모놀리식 자석(61225)의 자기장은 예를 들어, 전체적으로 1 kGauss일 수 있으며, 다른 잔류 기체들로부터 분리되는 물을 관찰하기에 충분한 이온 성분들의 분리를 제공할 수 있다. 추가적인 질량 분리를 위한 비행 경로에서의 추가적인 자기 강도는 도 46에서와 같이 비행 경로에 다른 자석 또는 도 62에 도시된 자기 요크의 추가 또는 이들 모두를 통해 획득될 수 있다. 도 61에서, 음극 전극 조립체(61004)를 회전시키기 위해(예를 들어, 마이크로 미터를 사용하여) 작동될 수 있는 음극 핸들(61341)이 또한 도시된다.

도 62는 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지를 갖는 자기 요크(62227)의 사용을 예시하는 개략도이다. 자기 요크(62227)는 소스 개구와 검출기 사이에서 연장되는 통로(62229)의 외부의 적어도 일부를 둘러싼다. 마그네틱 요크(62227)는 이온 성분들의 비행 경로를 통해 이어지는 플럭스 라인들의 수를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 비행 경로에서 자기 강도를 증가시키며, 질량 분리를 보조한다. 덧붙여, 자기 요크(62227)는 진공 게이지 주변의 외부장을 감소시킬 수 있으며, 이는 사용자의 다른 장비 또는 프로세스들을 간섭하지 않는데 유용할 수 있다.

도 63은 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지에서 정전기 편향기를 사용하는 이온 성분들의 에너지 집속 능력들을 예시하는 개략도이다. 에너지 집속에서, 상이한 에너지들 및 공통 이온 성분 질량을 갖는 이온 성분들은 검출기의 검출기 개구(63020)를 통해 집속된다. 예를 들어, 저에너지 물 이온들 및 고에너지 물 이온들과 같은 공통 이온 성분의 저에너지 이온들(63231) 및 고에너지 이온들(63233)은 검출기 개구(63020)를 통해 집속될 수 있다. 다른 예시에서, 저에너지 잔류 기체 이온들 및 고에너지 잔류 기체 이온들은 검출기 개구(63020)를 통해 집속될 수 있다. 이러한 에너지 집속을 수행하기 위해, 편향기 제어 회로(도 65에서의 65241 참조)는 이온 빔 편향기가 검출기 개구(63020)를 통해 집속될 상이한 에너지들 및 공통 이온 성분 질량을 갖는 이온 성분들(63231 및 63233)을 지향시키게 하기 위해 편향기 전력 공금 장치(도 64의 64235 참조)의 전압을 제어하도록 구성된다. 진공 게이지는 상이한 에너지들의 이온 성분들이 검출기 개구(63020)를 통해 집속되게 하는 검출기 전력 공급 장치(도 64의 64235)의 전압에서 상이한 에너지들의 이온 성분들이 검출기 개구(63020)에 지향되도록, 음극 전극 조립체를 회전하도록 구성된 음극 회전 결합물(도 54의 54207 참조) 및 액추에이터(54209)를 포함할 수 있다. 음극 회전 결합물(54207)을 사용하여 소스 개구를 회전시키는 것은 예를 들어, 25amu와 35amu 사이에서 잔류 기체 피크들에 대한 에너지 집속을 포함하기 위한 질량 스펙트럼의 회전을 허용한다. 에너지 집속의 하나의 기술에서, 소스 개구는 음극 회전 결합물(54207)을 사용하여 회전되는 한편, 예를 들어, 도 52에서와 같은 질량 스펙트럼에서 잔류 기체 신호를 관찰한다. 올바른 회전에 도달하면 잔류 기체 피크가 점점 더 좁아지고 높아지며, 이는 에너지 집속이 있을 때 발생해야 한다. 각 이온 성분 질량에 대해, 에너지 집속을 제공하는 편향기 전력 공급 장치의 특정 전압이 있다. 음극 회전 결합물(54207)은 관심 이온 성분의 이온 빔이 상기 관심 이온 성분이 또한 에너지 집속되는 편향기 전력 공급 장치의 전압에서 검출기 개구에 도달하도록, 음극 전극 조립체를 회전시키는데 사용될 수 있다. 일 예시에서, 음극 회전 결합물(54207)은 진공 게이지의 제조 동안 사용될 수 있고, 원하는 회전 예를 들어, 물 및 잔류 기체들 중 하나 이상에 대해 에너지 집속을 제공하는 회전으로 설정될 수 있다.

도 64는 본 발명의 실시예에 따른 전기 제어 회로의 개략도이다. 전기 제어 회로는 양극 고전압 전력 공급 장치(64116), (편향기 푸셔 고전압 전력 공급 장치와 같은) 편향기 전력 공급 장치(64235), 검출기 고에너지 필터 전력 공급 장치(64118), 아날로그 대 디지털 변환기(64124), 프로세서(64138), 디지털 대 아날로그 변환기(64237), DC 전력 공급 장치(64239), 전체 압력 이온 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(64120), 부분 압력 이온 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(64122), 및 릴레이 및 디지털 입력/출력 유닛(64128)을 포함한다. 양극 고전압 전력 공급 장치(64116)는 양극 피드스루(64024)를 통해 양극 전극(6402)에 연결된다. 전체 압력 이온 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(64120)는 음극 피드스루(64026)를 통해 음극 전극 조립체(64004)에 연결된다. 편향기 전력 공급 장치(64235)는 편향기 플레이트 피드스루(64201)를 통해 편향기 플레이트(64106b)(여기서, 푸셔 편향기 플레이트)에 연결된다. 검출기 고에너지 필터 전력 공급 장치(64118)는 검출기 필터 피드스루(64203)를 통해 검출기 고에너지 필터(64042)에 연결된다. 부분 압력 이온 전류에 대한 전류 대 전압 변환기(64122)는 검출기 전류 피드스루(64205)를 통해 패러데이 수집기(64022)에 연결된다. 하나의 편향기 플레이트(64106b)가 편향기 플레이트 피드스루(64201)를 통해 편향기 전력 공급 장치(64235)에 대한 전기적인 연결에 의해 바이어스되는 동안, 다른 편향기 플레이트(64106a)는 접지된다. 프로세서(64138)는 디지털 대 아날로그 변환기(64237)에 공급하고 디지털 대 아날로그 변환기(64237)가 편향기 전력 공급 장치(64235)에 대한 아날로그 제어를 제공하기 위해 결국 사용하는 디지털 편향기 제어 신호들을 통해 편향기 전력 공급 장치(64235)의 동작을 제어하는 편향기 제어 회로(65241)(도 65 참조)를 포함한다. 프로세서(64138)는 또한, 예를 들어, 전체 압력 아날로그 출력, 퍼센트 물 아날로그 출력 및 헬륨(또는 다른 성분) 부분 압력 아날로그 출력을 포함할 수 있는 아날로그 출력들(64243)을 제공하는 데 사용되는 디지털 신호들을 디지털 대 아날로그 변환기(64237)로 제공하기 위해, 다른 구성요소들로부터 수신된 디지털 신호들의 처리를 제공한다. 프로세서(64138)는 또한 목표 기본 압력 경보, 헬륨 누출 경보 및 펌프-다운 경보와 같은 디지털 경보(64245)를 디지털 입력/출력 유닛(64128)에 제공하기 위해 다른 구성요소들로부터 수신된 신호들의 디지털 신호 처리를 수행한다. 프로세서(64138)와 연관된 원격 디스플레이(64140) 및 오디오 출력(64126)이 제공된다. 아날로그 대 디지털 변환기(64124)는 또한 도 69의 조합 게이지에 대해 설명된 바와 같이, 피라니(Pirani) 또는 피라니 피에조(Pirani Piezo) 게이지와 같은 고압 게이지로부터 아날로그 신호(64255)를 수신하도록 연결될 수 있다.

편향기 전력 공급 장치(64235)는 이온 빔 편향기의 편향기 플레이트들(64106a 및 64106b) 사이에 정전기장을 생성하도록 전기적으로 연결된다. 푸셔 편향기 플레이트(64106b)가 도 64에 도시되어 있지만, 다음의 배열들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다: (i) 편향기 전력 공급 장치(64235)는 제2 편향기 플레이트(64106a)의 접지 전압에 대해 제1 편향기 플레이트(64106b)에 양의 편향기 바이어스 전압을 제공할 수 있거나, 또는 (ii) 제2 편향기 플레이트(64106b)의 접지 전압에 대해 제1 편향기 플레이트(64106a)에 음의 편향기 바이어스 전압을 제공하거나, 또는 (iii) 제1 편향기 플레이트(64106b)에 제1 편향기 바이어스 전압을 제공하고 제2 편향기 플레이트(64106a)에 제2 편향기 바이어스 전압을 제공할 수 있다.

편향기 제어 회로(65241)(도 65)는 편향기(64106a/b)가 이온 성분의 편향을 변화시키게 하기 위해 편향기 전력 공급 장치(64235)의 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 편향기 제어 회로(65241)(도 65)는 (i) 시간에 따른 전압의 삼각 톱니 변화, 또는 (ii) 변위된 이온 성분의 다른 이온 성분에 대한 피크 폭 및 시간적 위치를 제어하기 위한 전압 파형을 기초로 편향기 전력 공급 장치(64235)의 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 편향기 전력 공급 장치(64235)의 다른 변형이 사용될 수 있음을 인식될 것이다; 예를 들어, 선형 또는 비선형 변형들이 사용될 수 있다. 편향기 전압은 또한, 시간에 대한 피크 이동을 제거하기 위해 압력에 따라 변할 수 있다. 편향기 제어 회로(65241)(도 65)는 편향기 전력 공급 장치(64235)의 전압이 스캔될 때 편향기(64106a/b)가 검출기에 의해 연속적으로 검출될 복수의 이온 성분을 편향시키게 하기 위해 편향기 전력 공급 장치(64235)의 전압을 스캔하도록 구성될 수 있다. 편향기 제어 회로(65241)(도 65)는 복수의 이온 성분들(예를 들어, 도 52에서와 같이)의 질량 스펙트럼의 검출을 허용하기 위해 편향기 전력 공급 장치(64235)의 전압을 스캔하도록 구성될 수 있다. 편향기 제어 회로(65241)(도 65)는 양극 전극(64002)의 전압이 변할 때 다른 이온 성분들에 대해 검출기에서의 이온 성분의 시간-위치를 변경하지 않으면서 편향기(64106a/b)가 이온 성분을 검출기로 지향시키게 하기 위해, 양극 전극(64002)의 전압이 변할 때 편향기 전력 공급 장치(64235)의 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 이에 관련하여 양극 전압이 감소할 때, 이온 성분들의 에너지가 감소하고 자기 편향에 대한 그들의 곡률 반경이 증가한다; 따라서 이온 성분들이 검출기에 도달하는 전기장이 변한다. 따라서, 편향기 제어 회로(65241)(도 65)을 사용하여 편향기 전력 공급 장치(64235)의 전압 시간 의존성을 조정함으로써, 편향기는 이온 성분들이 양극 전압에 독립적인 다른 이온 성분들에 대해 검출기에 동시에 도달하게 할 수 있다. 덧붙여, 양극 전압이 떨어질 때 그러므로, 이온 성분들의 에너지가 감소할 때, 검출기 고에너지 필터 제어 회로(65295)(도 65)를 사용하여 검출기 고에너지 필터 전력 공급 장치(64118)의 전압이 조정되어야 한다.

검출기 고에너지 필터 전력 공급 장치(64118)는 양극 전극(6402)의 전압을 기초로 검출기 고에너지 필터(64042)의 바이어스 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서의 검출기 고에너지 필터 제어 회로(65295)(도 65 참조)는 디지털 대 아날로그 변환기(64237)에 의해 처리된 디지털 신호를 생성할 수 있으며, 이는 결국 검출기 고에너지 필터(64042)의 바이어스 전압을 변화시키기 위해 검출기 고에너지 필터 전력 공급 장치(64118)에 아날로그 제어 신호들을 제공한다. 예를 들어, 양극의 전압이 떨어질 때, 고에너지 필터(64042)의 바이어스 전압은 이온 성분들에 대한 일관된 신호들을 유지시키기 위해 감소될 수 있다.

도 65는 본 발명의 실시예에 따른 도 64의 전기 제어 회로에서 사용되는 프로세서(65138)의 개략적인 블록도이다. 프로세서(65138)는 편향기 제어 회로(65241), 검출기 고에너지 필터 제어 회로(65295), 검출기에 의해 생성된 전류를 기초로 잔류 기체 부분 압력을 결정하도록 구성된 잔류 기체 부분 압력 측정 회로(65247); 검출기에 의해 생성된 전류를 기초로 물 부분 압력을 결정하도록 구성된 물 부분 압력 측정 회로(65164); 검출기에 의한 헬륨의 검출에 의해 생성된 전류를 기초로 헬륨 부분 압력을 결정하도록 구성된 헬륨 부분 압력 측정 회로(65251); 헬륨 부분 압력의 기준선 조정을 수행하도록 구성된 자동 기준선 조정 회로(65253); 및 펌프-다운 진단 프로세서(65297)를 포함하며, 그의 동작은 도 68을 참조하여 설명된다. 잔류 기체 부분 압력 측정 회로(65247), 물 부분 압력 측정 회로(65164) 및 헬륨 부분 압력 측정 회로(65251)는 예를 들어, 부분 압력 회로(31146)(도 31 참조)에 유사한 방식으로 예를 들어, 부분 압력 회로(31146)에 대한 룩업 테이블들(LUT's)을 포함하여 구현될 수 있다. 헬륨 부분 압력이 헬륨 부분 압력 측정 회로(65251)에 의해 결정되기 전에, 자동 기준선 조정 회로(65253)가 예를 들어, 질량 스펙트럼의 헬륨 피크(도 52 참조)로부터 기준을 감산하는데 사용될 수 있다.

도 66은 본 발명의 실시예에 따른 편향기 제어 회로(66241)의 개략적인 블록도이다. 편향기 제어 회로(66241)는 예를 들어, 시간에 따른 편향기 전압의 삼각 톱니 변화를 생성하는 톱니 전압 프로세서(66283)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 편향기 제어 회로(66241)는 변위된 이온 성분의 다른 이온 성분에 대한 피크 폭 및 시간적 위치를 제어하기 위해 전압 파형을 생성하는 피크 폭 제어 프로세서(66285)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 편향기 제어 회로(66241)는 검출기에 의해 연속적으로 검출될 복수의 이온 성분들을 편향시키고 예를 들어, 복수의 이온 성분들의 질량 스펙트럼의 검출을 허용하기 위해 편향기 전력 공급 장치의 전압을 스캔하는, 편향기 전압 스캐닝 프로세서(66287)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 편향기 제어 회로(66241)는 예를 들어, 양극 전압에 따라 선형적으로 변화시킴으로써 양극의 전압이 변할 때 편향기 전력 공급 장치의 전압을 변화시키는 양극 전압 편향기 제어 프로세서(66289)를 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 양극 전압 제어 회로(도 29의 29164 참조)는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류 I _T 를 기초로 양극 전극(29002)의 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 도 67의 양극 전압 제어 회로(67164)는 저전압 설정 회로(67291) 및 고전압 설정 회로(67293)를 포함한다. 이들은 전체 압력이 증가될 때 양극 전압이 강하하기 시작하는 경우 사용될 수 있으며, 이는 전류 제한 저항기가 사용할 때 발생한다. 일 예시에서, 양극 고전압 전력 공급 장치(64116)(도 64 참조)는 양극 전압 제어 회로(67164)로부터의 신호들을 기초로 하는 두 개의 상이한 전압 설정들로 동작할 수 있으며, 이는 예를 들어, 양극 전압 제어 회로(67164)의 저전압 설정 회로(67291) 및 고전압 설정 회로(67293)로부터 제어 신호들을 수신하는 구성요소들을 포함할 수 있다. 여기에서, 두 개의 전압 설정들은 10^-5 Torr와 같이 전자적으로 저장된 임계 압력보다 낮은 전체 압력에 대응하는 전체 전류 I _T 에 대한 저전압 설정, 및 전자적으로 보다 저장된 임계 압력 보다 높은 압력들에 대한 고전압 설정이다. 예를 들어, 저전압은 1400V인 한편, 고전압 설정은 2000V 또는 2500V일 수 있다. 다른 버전에서, 누출 검출이 시작되기 전에 양극 고전압 공급 바이어스는 저압 동작을 위해 선택된 양극 전압에 동일한 양극 전압을 제공하도록 고정될 수 있다.

도 68은 본 발명의 실시예에 따른 펌프-다운 진단 프로세서(65297)(도 65)에 의해 구현되는 프로세스 흐름의 예시의 개략도이다. 프로세스 흐름에서, 사용자는 부품들 또는 샘플들을 모니터링된 챔버에 적재하고(68301) 펌프-다운이 시작된다(68303). (여기서, VIS(진공 무결성 시스템, vacuum integrity system)으로 표시된) 진공 게이지가 시작되고 프로세서(65297)는 펌프-다운 상태 모드로 들어간다(68305). 68307에서, 프로세서(65297)는 목표 기본 압력에 도달했는지를 결정한다. 그러한 경우, 68309에서 펌프-다운 상태 표시기는 (예를 들어, 도 64의 원격 디스플레이(64140)를 통해 녹색 또는 다른 색상 표시기로) 사용자에게 이를 표시하도록 제공될 수 있으며, 진공 프로세스는 68311을 계속한다. 그렇지 않은 경우, 펌프-다운 상태 표시기는 마찬가지로, 68313에서 (예를 들어, 도 64의 원격 디스플레이(64140)를 통해 노란색 또는 다른 색상 표시기로) 사용자에게 경고를 표시할 수 있다. 프로세서(65297)는 68315에서 물 농도가 예상대로인지 결정한다. 그렇지 않은 경우, 68317에서 예상되지 않은 펌프-다운 지연이 있는지가 결정된다. 그러한 경우, 68319에서 베이크 아웃 절차가 수행된다. 그렇지 않은 경우, 68307에서 목표 기본 압력에 도달했는지가 다시 결정된다. 68315에서 물 농도가 예상대로인 경우, 프로세서(65297)는 68321에서 잔류 물 농도가 예상대로인지를 결정한다. 그러한 경우, 68323에서 펌프-다운이 계속되고 프로세스는 단계 68307로 돌아간다. 그렇지 않은 경우, 68325에서 펌프-다운 상태 표시기가 (예를 들어, 도 64의 원격 디스플레이(64140)를 통해 빨간색 또는 다른 색상 표시기로) 경고 상태로 설정될 수 있다. 프로세서(65297)는 그 후, 68327에서 헬륨 누출 검사 모드로 들어간다. 헬륨 누출이 발견되지 않으면, 68329에서 내부 오염의 근본 원인 진단(68331)이 프로세서(65297)에 의해 이루어지고, 사용자는 챔버를 환기시키고 이를 세척한다(68332). 헬륨 누출이 발견되면, 68333에서 예를 들어, 경보 표시기(64245)(도 64 참조)를 사용하거나 또는 원격 디스플레이(64140)를 통해 헬륨 누출 경보가 발행된다. 그 다음, 68335에서 프로세서(65297)에 의해 대기 누출의 근본 원인 진단이 이루어지고, 사용자는 68337에서 누출을 정확히 찾고 이를 수리한다. 일 예시에서, 일반적인 경험으로(as a rule of thumb), 헬륨 누출은 모니터링된 챔버의 목표 기본 압력의 약 27%에서 헬륨 누출 검출 경보 임계치를 설정함으로써 진단될 수 있다. 다른 알람 임계치들이 프로세서(65297)에 의해 설정될 수 있음이 인식될 것이다. 도 68의 프로세스 흐름에서, 사용자 정의 가능한 값들은: 목표 기본 압력; 퍼센트 물 임계치; 잔류물들 부분 압력 임계치(펌프-다운 상태 모드); 및 헬륨 부분 압력 임계치(헬륨 검출 모드)를 포함한다.

그 다음에, 본 발명의 실시예에 따른 압력, 양극 전압, 검출기 개구 전압 및 피크 위치들 사이의 관계가 논의된다.

양극 전압은 디바이스의 감도에 직접적으로 영향을 미친다. 동일한 압력에 대해, 방전 임피던스가 양극 전압에 따라 거의 변하지 않는 경우, 양극 전압이 증가할 때 전체 압력 전류(I _T )가 더 높아진다. 양극 전압이 증가하면 감도가 증가한다. 하지만, 감도의 상기 증가는 분해능을 희생시킨다. 양극 전압의 증가는 분해능의 감소를 초래한다. 일 예시에서, 양극 전압은 Va=1500V이다. 이는 표준 전자 장치들로 제어될 수 있는 전압이며, 극도의 절연 및 간격들을 요구하지 않고, 더욱 저렴한 절연체들을 사용한다. 예를 들어, 양극 전압은 2500V만큼 높을 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 기기의 동작 동안, 양극 전압은 일정하게 유지되지 않고, 오히려 전류 제한 저항기에 기인하여 압력이 증가하기 때문에 강하된다. 이는 이온들의 에너지가 압력에 따라 변한다는 것을 의미한다. 따라서, 검출기 에너지 필터링은 예를 들어, 검출기 고에너지 필터 제어 회로(65295)(도 65)를 사용하여 이온이 패러데이 수집기에 여전히 도달하도록 조정되어야 한다.

편향기 전압은 편향기 제어 회로(66241)(도 66)를 사용하여 저분해능 스펙트럼을 제공하기 위해 스윕되거나 또는 단일 이온 모니터링을 위해 고정 값으로 설정될 수 있다. 일 예시에서, 스캔 조건들은 더욱 짧은 편향기 플레이트들(예를 들어, 1인치 길이)의 경우 0V 내지 700V이고, 더욱 긴 편향기 플레이트(예를 들어, 1.5인치 길이)에 대해서는 0V 내지 500V일 수 있다. 편향기 플레이트들이 함께 더욱 가깝게 위치되거나 더 길어지는 경우, 편향기 전압이 감소한다. (예를 들어, 도 52에서와 같이) 생성된 질량 스펙트럼은 예를 들어, 편향기 전압 V _d 에 대해 그래프로 도시된 부분 압력 전류 판독치(I _PP )를 도시할 수 있다. 예를 들어, 2.5초의 표준 스캔 속도에 대해, 통상적인 피크 폭은 100msec(물 및 불순물들) 내지 300msec(헬륨 및 수소)이다. 전류 제한 저항기를 갖는 유닛의 압력을 통해 양극 전압이 변할 때, 이온 에너지들이 변하고 특정 질량을 검출하는데 요구되는 편향기 전압도 변해야 한다. 하지만, 그 효과는 그다지 크지 않고, 양극 전압 값이 강하할 때 스캔으로부터 이온들이 손실되지 않는 것으로 밝혀졌다. 양극 전압이 강하할 때, 이온들은 움직이고 위치와 폭을 변경시키지만, 그 결과는 예측 가능하며 분해능에 심각한 영향을 미치지 않는다.

일 예시에서, 편향기 제어 회로(66241)(도 66)를 사용하여 편향기 플레이트들이 2.5 초 내에 0V와 500V 사이에서 스캔된다. 소스 개구의 회전 배향은 (예를 들어, 30amu 범위에서와 같이) 물 및 잔류 기체들에 대해, 편향기들이 질량 분리를 제공할뿐만 아니라 예를 들어, 음극 회전 결합물(54207)(도 54)을 사용하여 추가적인 에너지 집속을 제공하도록 주의 깊게 최적화된다. 즉, 물 및 잔류 기체들이 상기 이온들에 대한 정전기 에너지 집속을 제공하는 편향기 전압에서 검출기에 도달하도록 소스 개구의 회전이 주의 깊게 조정된다. 평행한 플레이트들에 대해, 모든 이온 질량들이 단일 스윕 동안 에너지 집속을 경험하는 것은 아니다. 물에 대한 더욱 높은 분해능 요구가 있는 경우, 헬륨 및 수소가 에너지에 잘 집속되지 않더라도 물이 에너지에 집속되도록 소스 개구 배향이 선택될 수 있다. 예시적인 절차는 다음과 같다: 스캔이 시작되고 시스템이 동일한 양의 질소 및 물로 가압된다. 소스 개구의 회전 배향은 질소 피크(28 amu)와 물 피크(18 amu) 사이에 최적의 밸리 분리가 관찰될 때까지 음극 회전 결합물(54207)(도 54)을 사용하여 변경된다. 이상적인 에너지 집속 회전 각도에 도달할 때, 피크들은 더 날카로워지고 피크들 사이의 밸리는 낮아지며 진폭은 높아진다.

검출기 고에너지 필터(64042)(도 64 참조)가 분해능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 일 예시에서, 상이한 종들에 대해 상이한 검출기 고에너지 필터 전압들이 사용될 수 있다. 물 및 잔류 기체들의 분해능을 위해, 1500V의 양극 전압에 대해, 검출기 고에너지 필터(64042)는 예를 들어, 850V와 1100V 사이의 바이어스 전압을 가질 수 있다. 이는 잔류물들로부터 물을 분리하는데 필요한 요구되는 분해능을 지원하는데 필요한 상당한 양의 에너지 필터링을 제공한다. 하지만, 이는 압력이 증가하는 경우 양극 전압이 떨어지기 때문에, 적절한 감도가 있도록 고에너지 필터 전압이 조정되어야 함을 의미한다. 양극 전압이 압력을 통해 변하기 때문에, 고에너지 필터 전압 값은 예를 들어, 검출기 고에너지 필터 제어 회로(65295)를 사용하여 양극 전압에 대한 선형 관계로 조정될 수 있다. 일 예시에서, 고에너지 필터 전압은 검출기 고에너지 필터 제어 회로(65295)를 사용하여 양극 전압에 비례하여 감소되도록 감소될 수 있다. 예를 들어, 임의의 압력에서 양극 전압은 고에너지 필터 제어 회로(65295)에 의해, 양극 고전압 전력 공급 장치(64116)의 전압에서 전류 제한 저항기를 통한 전압 강하를 뺀 값으로 계산될 수 있다. 예를 들어, 양극 고전압 전력 공급 장치의 전압이 1500V이고 검출기 필터 고전압 전력 공급 장치(64118)가 고진공에서 800V에서 시작하면, 검출기 필터 고전압 전력 공급 장치(64118)의 전압은: V_F=(800/1500) *(1500-R_I * I_T)로서 조정되며, 여기서 V_F는 검출기 고전압 전력 공급 장치(64118)의 전압이고, R_I는 전류 제한 저항기의 저항이며, I_T는 전류 제한 저항기를 통한 전체 전류이다.

도 69는 본 발명의 실시예에 따른, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지가 조합 게이지(69257)의 일부인 시스템의 개략적인 블록도이다. 조합 게이지(69257)는 전체 압력이 약 10^-4 Torr 또는 약 10^-5 Torr와 같은 임계 값 전체 압력보다 클 때 모니터링된 챔버(69261)로부터의 기체의 전체 압력을 측정하기 위해 연결되는 고압 전체 압력 센서(69259), 및 전체 압력이 고압 전체 압력 센서의 임계 압력보다 낮을 때 모니터링된 챔버(69261)로부터의 기체의 전체 압력을 측정하기 위해 연결되는 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지(69000)를 포함한다. 고압 전체 압력 센서는 예를 들어, 피라니 전체 압력 센서, 또는 피라니 게이지 및 피에조 차압 센서의 조합을 포함할 수 있으며, 임계 전체 압력은 예를 들어, 약 10^-4 Torr 또는 약 10^-5 Torr 중 하나일 수 있다. 일 예시에서, 조합 피라니 피에조 센서는 미국 매사추세츠주 앤도버의 MKS Instruments, Inc.에 의해 상용화된 Series 901P MicroPirani^TM/Piezo Load Lock Transducer일 수 있다. 고압 전체 압력 센서로부터의 아날로그 신호(64255)는 도 64의 아날로그 대 디지털 변환기(64124)에 의해 수신될 수 있다. 이러한 조합 게이지에서 피라니 또는 조합 피라니 피에조 전체 압력 센서(69259)의 사용은 예를 들어, 진공 게이지(6900)의 동작이 대기압으로부터 펌프-다운에 따르는 것을 허용할 수 있다. 조합 게이지(69257)의 제어 논리 회로는 모니터링된 챔버(69261)의 압력이 진공 게이지(69000)가 턴 온되기에 안전할 때 - 임계 전체 압력보다 낮을 수 있음 -, 진공 게이지(69000)를 턴 온하는데 사용될 수 있다. 피라니 또는 다른 고압 전체 압력 센서(69259)는 진공 게이지의 과압 보호를 제공할 수도 있다. 큰 누출들이 있는 시스템들에 대해, 헬륨 기체의 열전도도가 공기 또는 오염 물질들과 같은 보통의 잔류 기체들의 열전도율보다 훨씬 크다는 아이디어를 기초로, 피라니 또는 다른 고압 전체 압력 센서(69259)가 헬륨 누출 검출을 수행하는데 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, 본원에서 교시된 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지는 양극 전극과 음극 전극 조립체 사이의 전체 전류를 기초로 전체 압력을 결정하지 않으면서 사용된다. 그 대신에, 진공 게이지는 예를 들어, 헬륨 누출 검출을 위해 헬륨의 부분 압력과 같은 부분 압력 측정에 사용된다. 이러한 실시예에서, 모니터링된 챔버로부터 음극 전극 조립체 내의 개구부로 기체를 흐르게 하도록 위치된 기체 유입 통로를 사용하는 것이 유리하며, 이온들 중 방출된 부분은 예를 들어, 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이, 기체 주입 통로에서 모니터링된 챔버로부터의 기체의 유동에 반대인 방향으로 이동한다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, 전체 압력은 (양극 전극과 음극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류에 적어도 부분적으로 기초하면서) 압력의 측정치로서 방전의 임피던스를 사용하여 결정된다. 이 경우, 양극 전압뿐만 아니라 양극으로부터 음극으로의 전류가 측정되며, 임피던스는 옴의 법칙을 사용하여 결정된다. 예를 들어, 임피던스를 사용하는 것은 제한 저항기에 기인한 압력을 통해 변할 수 있는 양극 전압에 의존하지 않는다는 장점을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예의 사용에서, 진공 게이지는 고진공 시스템의 트러블 슈팅을 보조하기 위해 사용될 수 있다. 고진공 시스템의 동작을 위한 표준 작업 흐름은 펌프-다운으로 시작된다. 펌프-다운 절차 동안, 시스템이 밀봉되고(즉, 모든 입력 밸브가 닫힘) 압력은 시간에 걸쳐 모니터링되면서, 시스템은 펌핑되고 지정된 시간 내에 목표 기본 압력을 달성하게 한다. 목표 압력이 예상 시간 내에 실제로 달성되면, 진공 시스템의 무결성이 검증되고, 프로세스 또는 실험이 시작될 수 있다. 다른 한편으로, 예상 시간 이후 목표 압력이 달성되지 못하는 경우, 진공 시스템의 무결성이 면밀히 검토된다. 이 상황은 예를 들어, 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있는 시나리오를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지는 진공 시스템 소유자가 보통의 펌프-다운보다 낮은 펌프-다운에 의해 유발된 진공 무결성 문제에 대한 가능한 근본 원인을 즉시 진단하는 것을 허용한다. 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지를 사용하면, 사용자는 느린 펌프-다운이 시스템의 공기 누출 또는 물의 기체 배출(건조 옵션이 이용 가능한 경우)에 의해 야기되는지를 즉시 진단할 수 있다. 문제가 실제로 누출인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지는 이제, 누출의 원인을 정확히 찾는데 사용될 수 있다. 누출이 검출되지 않으면 진공 사용자는 오염원들의 식별 및 베이크 아웃들을 통한 기체 배출의 감소로 유도된다(directed). 그러므로, 본 발명의 실시예에 따른 진공 게이지는 진공 시스템 무결성 진단들 동안 추측 작업을 제거하는 데 도움이되도록 사용될 수 있다.

이전 작업과 대조적으로, 전체 압력 측정 실시예는 - 부분 압력을 측정하는 것에 부가하여 - 약 10^-9 Torr과 약 10^-2 Torr 사이 가령, 약 10^-8과 약 10^-3 Torr사이의 전체 압력들의 범위에 걸쳐 모니터링되는 챔버의 전체 압력 측정을 허용하는 한편, 이전 게이지들은 고진공 시스템들에 대한 중요한 압력 범위인 10^-6 Torr 초과에서 예측할 수 없는 감도 변경들에 직면하였다. 전체 압력 범위에 대한 정확한 압력 측정을 위해, 순수 전자 플라즈마(도 13A의 13068 참조)는 동작 동안 전자 밀도 및/또는 형상을 변경하지 않아야 한다. 형상의 변경들은 불연속성들로 알려진 이온 신호의 갑작스러운 변경들로 이어진다. 불연속성들은 설계에 존재할 때 큰 압력 범위들에 대해 전체 압력을 측정하는 능력을 제한한다. 불연속성을 감소시키거나 또는 방지하기 위해 다수의 기술들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 그들의 체적 전체에 균일한 자화를 갖는 고품질 자석들이 사용될 수 있다. 자기장은 자기장 강도에서 약 1 kGauss 이하로 유지될 수 있다. 불연속들을 최소화하기 위해 자석 회전은 조정되거나 회전될 수 있다. 양극 전압은 불연속 지점들을 피하기 위해 (예를 들어, 도 29의 양극 전압 제어 회로(29164)를 사용하여) 제어될 수 있다. 덧붙여, 실시예가 센서를 사용하여 전체 압력 범위에 걸쳐 전체 압력을 측정하는 것을 허용하도록, 방사상 대칭 자석 조립체와 같은 대칭 자석 조립체의 사용은 불연속성을 줄이거나 회피하는데 도움을 준다.

본 발명에 따른 실시예들은 고진공 시스템에서 사용될 수 있다. 본원에서 사용되는 "고진공 시스템"은 모니터링된 챔버에서의 기체가 약 10^-9 Torr 내지 약 10^-2 Torr의 압력을 포함하는 시스템이다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "약"으로 주어진 수치 값으로 표시된 수치를 나타내는 숫자는 예를 들어, 주어진 수치 값의 약 10% 이내, 가령, 주어진 수치의 약 5% 이내, 예를 들어, 주어진 숫자 값의 약 1% 이내이거나 또는 주어진 수치 값에 동일할 수 있다.

전술한 방법들 및 시스템들의 일부는 예를 들어, 본원에서 논의된 진단들 및 제어 기술들의 자동화된 구현을 허용하기 위해 하나 이상의 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 기술들은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는 단일 컴퓨터에 제공되거나 또는 다수의 컴퓨터들 사이에 분산되는 경우, 임의의 적절한 프로세서 또는 프로세서들의 집합에서 실행될 수 있다.

예시적인 실시예들이 특히 도시되고 설명되었지만, 본 명세서의 예시적인 실시예의 특징들이 본원의 교시 및 첨부된 청구범위에 따라 결합될 수 있음이 통상의 기술자들에 의해 이해될 것이다.

본원에서 언급된 모든 특허들, 공개된 출원들 및 참조문헌들의 교시들은 그 전체가 참조로 통합된다.

예시적인 실시예들이 특히 도시되고 설명되었지만, 통상의 기술자는 첨부된 청구항들에 의해 포함된 실시예들의 범주를 벗어나지 않으면서, 형태 및 세부사항들에 대한 다양한 변경들이 그 안에서 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지(inverted magnetron cold cathode ionization vacuum gauge)로서,
양극 전극;
상기 양극 전극의 길이를 둘러싸는 음극 전극 조립체로서, 상기 음극 전극 조립체는 상기 음극 전극 조립체와 상기 양극 전극 사이의 방전 공간에 전기장을 생성하도록 위치된, 음극 전극 조립체;
상기 전기장을 가로지르는 자기장을 정의하기 위해 위치된 자석 조립체;
기체 이온들이 상기 방전 공간에서 상기 전기장에 의해 상기 음극 전극 조립체를 향한 방향으로 가속되게 형성되도록, 모니터링된 챔버로부터 상기 방전 공간으로 기체의 유입을 허용하도록 위치되는 상기 음극 전극 조립체 내의 개구부(opening);
상기 기체 이온들의 일부를 상기 음극 전극 조립체 외부로 방출하도록 위치되는 상기 음극 전극 조립체 내의 소스 개구(source aperture);
상기 기체 이온들의 질량 대 전하 비율을 기초로 상기 이온들 중 상기 방출된 부분을 각을 이루게(angularly) 변위시키도록 위치되는 자석 조립체;
상기 이온들 중 상기 방출된 부분의 변위된 이온 성분을 검출하도록 위치되는 검출기; 및
상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결되고, 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령(receipt)으로부터 생성된 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결되는 이온 전류 측정 회로를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서,
상기 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고, 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 전체 압력의 표시를 포함하는 전체 압력 디스플레이; 및
상기 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고, 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 부분 압력의 표시를 포함하는 부분 압력 디스플레이를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 모니터링된 챔버로부터 상기 음극 전극 조립체 내의 상기 개구부로 상기 기체를 흐르게 하도록 위치된 기체 주입 통로(gas inlet passage)를 더 포함하고, 상기 이온들 중 상기 방출된 부분은 상기 기체 주입 통로에서 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 유동에 반대인 방향으로 이동하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제3항에 있어서, 상기 검출기는 상기 기체 주입 통로의 측면 엣지에 위치되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제3항에 있어서, 상기 검출기는 상기 기체 주입 통로의 중앙에 위치되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 소스 개구와 상기 검출기 사이에 위치된 정전식 차폐 그리드(electrostatic shield grid)를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 소스 개구와 상기 검출기 사이에 위치된 에너지 필터 그리드(energy filter grid)를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 검출기는:
이온 차폐물;
검출기 개구; 및
패러데이 수집기(Faraday collector)를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 하나보다 많은 검출기를 포함하고, 상기 하나보다 많은 검출기의 각각은 상기 이온들 중 상기 방출된 부분의 하나보다 많은 상이한 변위된 이온 성분들 중 상이한 하나를 검출하도록 위치되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 하나 보다 많은 검출기를 포함하고, 상기 하나 보다 많은 검출기는 패러데이 수집기들의 어레이를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제10항에 있어서, 상기 소스 개구와 상기 패러데이 수집기들의 어레이 사이에 위치된 에너지 필터 그리드를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 검출기는 전자 증배기(electron multiplier)를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 하나 보다 많은 소스 개구를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서,
전력 공급 장치(power supply); 및
상기 전력 공급 장치와 상기 양극 전극 사이에 전기적으로 연결된 전류 제한 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제14항에 있어서, 상기 전류 제한 회로는 전류 제한 저항기를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 상기 전체 전류에 독립적인 상기 양극 전극의 정전압(constant voltage)을 유지하도록 구성되는 양극 전압 제어 회로를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 상기 전체 전류를 기초로 상기 양극 전극의 전압을 변화시키도록 구성되는 양극 전압 제어 회로를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 자기장을 상기 음극 전극 조립체 외부로 연장시키도록 위치된 자기장 연장 조립체를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제18항에 있어서, 상기 자기장 연장 조립체는 강자성 재료를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 원하는 임계 에너지보다 더 높은 에너지들을 갖는 이온들만이 검출되는 것을 허용하도록 구성된 고역 통과 이온 에너지 필터를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제20항에 있어서, 상기 고역 통과 이온 에너지 필터는 바이어스 전압을 상기 검출기에 인가하는 전압원을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제20항에 있어서, 상기 양극 전극의 전압을 기초로 상기 고역 통과 이온 에너지 필터의 바이어스 전압을 변화시키도록 구성되는 전압원을 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 원하는 임계 에너지보다 더 낮은 에너지들을 갖는 이온들만이 검출되는 것을 허용하도록 구성된 저역 통과 이온 에너지 필터를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제23항에 있어서, 상기 저역 통과 이온 에너지 필터는:
전압-바이어스된 편향기 플레이트; 및
상기 검출기의 수집기 플레이트를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제24항에 있어서, 상기 편향기 플레이트는 상기 이온들 중 상기 방출된 부분의 상기 변위된 이온 성분의 빔의 경로에 수직인, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제24항에 있어서, 상기 편향기 플레이트는 상기 이온들 중 상기 방출된 부분의 변위된 이온 성분의 빔의 경로에 대해 각을 이루고, 상기 수집기 플레이트는 상기 변위된 이온 성분의 상기 빔의 축으로부터 벗어나는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 자석 조립체는 상기 전기장을 가로지르는 상기 자기장 및 상기 음극 전극 조립체 외부의 외부 자기장 모두를 정의하도록 위치된 편평한 플레이트 자석을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 자석 조립체는 원통형 자석을 포함하고, 상기 원통형 자석은 상기 음극 전극 조립체를 둘러싸고 상기 소스 개구와 일치하는 개구부를 포함하며, 상기 원통형 자석은 상기 전기장을 가로지르는 상기 자기장 및 상기 음극 전극 조립체 외부의 외부 프린지 자기장(external fringe magnetic field) 모두를 정의하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 적어도 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류에 기초하여 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 전체 압력을 결정하도록 구성된 전체 압력 결정 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 소스 개구 위의 소스 개구 그리드를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 소스 개구와 상기 검출기 사이에 위치된 자기 섹터를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 소스 개구와 상기 검출기 사이에 위치된 사중극자 질량 필터(quadrupole mass filter)를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 소스 개구는: 비행 시간 질량 분석기(time-of-flight mass spectrometer), 이온 트랩(ion trap) 또는 무선 주파수 동적 이온 트랩 중 적어도 하나로 상기 기체 이온들을 방출하도록 위치되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 변위된 이온 성분들은: 헬륨 이온들, 수소 이온들, 물 이온들 및 잔류 기체 이온들 중 적어도 하나를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제34항에 있어서, 상기 변위된 이온 성분들은 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 다른 성분들로부터 분리된 헬륨 이온들을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제34항에 있어서, 상기 변위된 이온 성분들은 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 다른 성분들로부터 분리된 물 이온들을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제34항에 있어서, 상기 변위된 이온 성분들은 각각 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 다른 성분들로부터 및 서로로부터 분리된 헬륨 이온들 및 변위된 물 이온들 모두를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 음극 회전 결합물(cathode rotation coupling)을 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제38항에 있어서, 상기 음극 회전 결합물에 전자적으로 제어되는 액추에이터를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 소스 개구와 상기 검출기 사이에 위치된 이온 빔 편향기를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제40항에 있어서, 상기 이온 빔 편향기는 한 쌍의 평행한 플레이트들을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제40항에 있어서, 상기 이온 빔 편향기는 한 쌍의 만곡된 플레이트들을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제40항에 있어서, 상기 이온 빔 편향기의 한 쌍의 편향기 플레이트들 사이에 정전기장을 생성하기 위해 상기 이온 빔 편향기에 전기적으로 연결되는 편향기 전력 공급 장치를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제43항에 있어서, 상기 편향기 전력 공급 장치는: (i) 상기 이온 빔 편향기의 제2 편향기 플레이트의 접지 전압에 대해 상기 이온 빔 편향기의 제1 편향기 플레이트에 양의 편향기 바이어스 전압을 제공하거나, (ii) 상기 제2 편향기 플레이트의 상기 접지 전압에 대해 상기 제1 편향기 플레이트에 음의 편향기 바이어스 전압을 제공하거나, 또는 (iii) 상기 제1 편향기 플레이트에 제1 편향기 바이어스 전압을 제공하고, 상기 제2 편향기 플레이트에 제2 편향기 바이어스 전압을 제공하도록 전기적으로 연결되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제43항에 있어서, 상기 편향기 전력 공급 장치에 편향기 제어 신호를 공급하도록 구성된 편향기 제어 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제45항에 있어서, 상기 편향기 제어 회로는, 상기 이온 빔 편향기가 상기 이온들 중 상기 방출된 부분의 변위된 이온 성분의 편향을 변화시키게 하기 위해, 상기 편향기 전력 공급 장치의 전압을 변화시키도록 구성되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제46항에 있어서, 상기 편향기 제어 회로는: (i) 시간에 따른 상기 전압의 삼각 톱니 변화(triangular sawtooth), 또는 (ii) 다른 이온 성분들에 대해, 상기 변위된 이온 성분의 피크 폭 및 시간-위치를 제어하기 위한 전압 파형을 기초로, 상기 편향기 전력 공급 장치의 상기 전압을 변화시키도록 구성되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제46항에 있어서, 상기 편향기 제어 회로는 상기 편향기 전력 공급 장치의 상기 전압이 스캔될 때 상기 이온 빔 편향기가 상기 검출기에 의해 검출될 복수의 이온 성분들을 연속적으로 편향시키게 하도록 상기 편향기 전력 공급 장치의 전압을 스캔하도록 구성되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제48항에 있어서, 상기 편향기 제어 회로는 상기 복수의 이온 성분들의 질량 스펙트럼의 검출을 허용하기 위해 상기 편향기 전력 공급 장치의 상기 전압을 스캔하도록 구성되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제48항에 있어서, 상기 이온 성분들 중 하나는 잔류 기체인, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제50항에 있어서, 상기 검출기에 의해 생성된 전류를 기초로 잔류 기체 부분 압력을 결정하도록 구성된 잔류 기체 부분 압력 측정 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제48항에 있어서, 상기 이온 성분들 중 하나는 물인, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제48항에 있어서, 상기 검출기에 의해 생성된 전류를 기초로 물 부분 압력을 결정하도록 구성된 물 부분 압력 측정 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제48항에 있어서, 상기 이온 성분들 중 하나는 헬륨인, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제54항에 있어서, 상기 검출기에 의한 상기 헬륨의 검출에 의해 생성된 전류를 기초로 헬륨 부분 압력을 결정하도록 구성된 헬륨 부분 압력 측정 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제55항에 있어서, 상기 헬륨 부분 압력의 기준선 조정(baseline correction)을 수행하도록 구성된 자동 기준선 조정 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제48항에 있어서, 상기 이온 성분들 중 하나는 수소인, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제45항에 있어서, 상기 편향기 제어 회로는, 상기 이온 빔 편향기가 상이한 에너지들 및 공통 이온 성분 질량을 갖는 변위된 이온 성분들이 상기 검출기의 검출기 개구를 통해 집속되게 지향하도록, 상기 편향기 전력 공급 장치의 전압을 제어하도록 구성되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제58항에 있어서,
음극 회전 결합물; 및
상이한 에너지들을 갖는 상기 변위된 이온 성분들이, 상기 검출기의 상기 검출기 개구를 통해 집속되게 하는 상기 편향기 전력 공급 장치의 상기 전압에서, 상기 검출기로 지향되도록, 상기 음극 회전 결합물을 사용하여 상기 음극 전극 조립체를 회전시키도록 구성된 액추에이터를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제58항에 있어서, 집속될 상이한 에너지들을 갖는 상기 변위된 이온 성분들은 물 이온 성분을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제58항에 있어서, 집속될 상이한 에너지들을 갖는 상기 변위된 이온 성분들은 잔류 기체 이온 성분을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제45항에 있어서, 상기 편향기 제어 회로는 상기 양극 전극의 전압이 변할 때, 다른 이온 성분들에 대해, 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 시간-위치를 변경하지 않으면서, 상기 이온 빔 편향기가 상기 변위된 이온 성분을 상기 검출기로 지향시키게 하기 위해, 상기 양극 전극의 전압이 변할 때 상기 편향기 전력 공급 장치의 전압을 변화시키도록 구성되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제40항에 있어서, 음극 회전 결합물을 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제40항에 있어서, 원하는 임계 에너지보다 더 높은 에너지들을 갖는 이온들만이 검출되는 것을 허용하도록 구성된 고역 통과 이온 에너지 필터를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제64항에 있어서, 상기 고역 통과 이온 에너지 필터의 바이어스 전압을 상기 양극 전극의 전압에 비례하게 변화시키도록 구성되는 고에너지 필터 제어 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서,
상기 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고, 상기 모니터링된 챔버로부터의 기체의 부분 압력의 표시를 포함하는 부분 압력 디스플레이; 및
적어도 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 상기 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 전류에 기초하여 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 상기 부분 압력을 결정하도록 구성되는 부분 압력 결정 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지는 모듈형 유닛에 포함되고, 상기 모듈형 유닛은,
상기 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고, 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 전체 압력의 표시를 포함하는 전체 압력 디스플레이; 및
상기 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고, 상기 모니터링된 챔버로부터의 기체의 부분 압력의 표시를 포함하는 부분 압력 디스플레이; 및
상기 이온 전류 측정 회로를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서,
상기 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고, 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체에서 물의 부분 압력의 표시를 포함하는 물 부분 압력 디스플레이를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서,
상기 모니터링된 챔버 내의 상기 기체의 물 백분율의 표시를 포함하는 물 백분율 디스플레이를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제69항에 있어서,
적어도 (i) 상기 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 상기 전체 전류, (ii) 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 상기 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 전류, 및 (iii) 상기 소스 개구의 단면적 대 상기 기체 이온들에 노출된 음극 전극 조립체의 일부의 표면적의 비율에 기초하여 상기 물 백분율을 결정하도록 구성된 물 백분율 결정 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서,
상기 모니터링된 챔버로부터의 물의 부분 압력 대 상기 모니터링된 챔버로부터의 잔류 기체들의 부분 압력의 비율의 표시를 포함하는 잔류 기체 대 물 비율 디스플레이; 및
적어도 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 상기 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 전류에 기초하여, 상기 물의 부분 압력 대 상기 잔류 기체들의 부분 압력을 결정하도록 구성되는 잔류 기체 대 물 비율 결정 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 자석 조립체는 상기 전기장을 가로지르는 축에 대해 방사상으로 대칭인, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 이온 전류 측정 회로는 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 상기 전체 전류로부터의 제1 이온 전류 신호 및 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 상기 전류로부터의 제2 이온 전류 신호를 포함하는 복수의 이온 전류 신호들을 수신하도록 전기적으로 연결된 멀티플렉서(multiplexer)를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 이온 전류 측정 회로는 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 상기 전체 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 제1 이온 전류 측정 회로, 및 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 상기 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 제2 이온 전류 측정 회로를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 이온 전류 측정 회로는 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 상기 전체 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 제1 전류계, 및 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 상기 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 제2 전류계를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, (i) 상기 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 상기 전체 전류의 감소, 및 (ii) 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 상기 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 상기 전류의 증가, 모두의 동시적인 발생을 결정하도록 구성되는 이중 신호 누출 검출 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제76항에 있어서, 상기 이중 신호 누출 검출 회로에 의해 결정된 동시적인 발생을 기초로 하는 누출에 대한 압력 데이터의 표시를 포함하는 이중 신호 누출 검출 디스플레이를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 검출기의 길이를 둘러싸는 검출기 차폐물을 더 포함하고, 상기 검출기 차폐물은 검출기 개구를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제78항에 있어서, 상기 검출기 개구를 둘러싸거나 또는 덮는 에너지 필터 그리드를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제78항에 있어서, 상기 검출기 차폐물과, 상기 검출기 차폐물에 바이어스 전압을 인가하는 전압원 사이에 전기적으로 연결되는 검출기 차폐 전기적 커넥터를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제78항에 있어서, 검출기 차폐 회전 결합물(detector shield rotation coupling)을 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제78항에 있어서, 검출기 회전 결합물을 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제78항에 있어서, 상기 검출기는 패러데이 수집기를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제83항에 있어서, 상기 패러데이 수집기는 측면 차폐물을 포함하는 패러데이 컵(Faraday cup)을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제78항에 있어서, 상기 검출기 차폐물은 접지된, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 자석 회전 결합물을 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 소스 개구로부터 상기 검출기를 향해 세로로 연장하는 방향으로 상기 자기장을 연장시키도록 위치된 자기장 연장 조립체를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제87항에 있어서, 상기 자기장 연장 조립체는 상기 자석 조립체와 상기 검출기 사이의 자기장을 증가시키기 위해 위치된 자석을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제87항에 있어서, 상기 자기장 연장 조립체는 상기 소스 개구와 상기 검출기 사이에서 연장하는 통로의 외부의 적어도 일부를 둘러싸는 자기 요크(magnetic yoke)를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 자석 조립체는 상기 음극 조립체 위로 연장되고 상기 소스 개구로부터 상기 검출기를 향해 세로로 연장하는 방향으로 연장하는 모놀리식 자석(monolithic magnet)을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제1항에 있어서, 상기 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지는 전체 압력이 임계 전체 압력보다 높을 때 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 상기 전체 압력을 측정하기 위해 연결된 고압 전체 압력 센서를 더 포함하는 조합 게이지의 일부를 포함할 수 있고, 상기 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지는 상기 전체 압력이 상기 고압 전체 압력 센서의 임계 전체 압력보다 낮을 때 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 상기 전체 압력을 측정하기 위해 연결되는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제91항에 있어서, 상기 고압 전체 압력 센서는 피라니 전체 압력 센서(Pirani total pressure sensor) 또는 피라니 게이지 및 피에조 차압 센서(Piezo differential pressure sensor)의 조합을 포함하고, 상기 임계 전체 압력은 약 10^-4 Torr 또는 약 10^-5 Torr 중 하나인, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지(inverted magnetron cold cathode ionization vacuum gauge)로서,
양극 전극;
상기 양극 전극의 길이를 둘러싸는 음극 전극 조립체로서, 상기 음극 전극 조립체는 상기 음극 전극 조립체와 상기 양극 전극 사이의 방전 공간에 전기장을 생성하도록 위치된, 음극 전극 조립체;
상기 전기장을 가로지르는 자기장을 정의하기 위해 위치된 자석 조립체;
기체 이온들이 상기 방전 공간에서 상기 전기장에 의해 상기 음극 전극 조립체를 향한 방향으로 가속되게 형성되도록, 모니터링된 챔버로부터 상기 방전 공간으로 기체의 유입을 허용하도록 위치되는 상기 음극 전극 조립체 내의 개구부;
상기 기체 이온들의 일부를 상기 음극 전극 조립체 외부로 방출하도록 위치되는 상기 음극 전극 조립체 내의 소스 개구;
상기 기체 이온들의 질량 대 전하 비율을 기초로 상기 이온들 중상기 방출된 부분을 각을 이루게 변위시키도록 위치되는 자석 조립체;
상기 이온들 중 상기 방출된 부분의 변위된 이온 성분을 검출하도록 위치되는 검출기;
상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결되는 이온 전류 측정 회로; 및
상기 모니터링된 챔버로부터 상기 음극 전극 조립체 내의 상기 개구부로 상기 기체를 흐르게 하도록 위치된 기체 주입 통로로서, 상기 이온들 중 상기 방출된 부분은 상기 기체 주입 통로에서 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 유동에 반대인 방향으로 이동하는, 기체 주입 통로를 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
제93항에 있어서, 상기 변위된 이온 성분들은 상기 모니터링된 챔버로부터의 기체의 다른 성분들로부터 분리된 헬륨 이온들을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지.
역 마그네트론 냉음극 이온화 소스로서,
양극 전극;
상기 양극 전극의 길이를 둘러싸는 음극 전극 조립체로서, 상기 음극 전극 조립체는 상기 음극 전극 조립체와 상기 양극 전극 사이의 방전 공간에 전기장을 생성하도록 위치된, 음극 전극 조립체;
상기 전기장을 가로지르는 자기장을 정의하기 위해 위치된 자석 조립체;
상기 기체 이온들이 상기 방전 공간에서 상기 전기장에 의해 상기 음극 전극 조립체를 향한 방향으로 가속되게 형성되도록, 챔버로부터 상기 방전 공간으로 기체의 유입을 허용하도록 위치된 상기 음극 전극 조립체 내의 개구부;
상기 기체 이온들의 일부를 상기 음극 전극 조립체 외부로 방출하도록 위치되는 상기 음극 전극 조립체 내의 소스 개구; 및
상기 소스 개구로부터 방출되는 상기 기체 이온들을 수신하도록 위치되는 자기 섹터, 사중극자(quadrupole) 질량 필터, 비행 시간 질량 분석기, 이온 트랩 또는 무선 주파수 동적 이온 트랩을 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 소스.
제95항에 있어서,
상기 모니터링된 챔버로부터 상기 음극 전극 조립체 내의 상기 개구부로 상기 기체를 흐르게 하도록 위치된 기체 주입 통로로서, 상기 이온들 중 상기 방출된 부분은 상기 기체 주입 통로에서 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 유동에 반대인 방향으로 이동하는, 기체 주입 통로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 소스.
제95항에 있어서,
상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류를 측정하기 위해 전기적으로 연결된 이온 전류 측정 회로를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 소스.
제97항에 있어서,
상기 이온 전류 측정 회로와 전기적으로 연결되고, 상기 챔버로부터 상기 기체의 전체 압력의 표시를 포함하는 전체 압력 디스플레이를 더 포함하는, 역 마그네트론 냉음극 이온화 소스.
모니터링된 챔버 내의 기체로부터 전체 압력 및 부분 압력을 측정하는 방법으로서, 상기 방법은:
양극 전극과 상기 양극 전극의 길이를 둘러싸는 음극 전극 조립체 사이의 방전 공간에 전기장을 생성하기 위해, 역 마그네트론 냉음극 이온화 진공 게이지의 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 전압을 인가하는 것;
자석 조립체를 사용하여 상기 전기장을 가로지르는 자기장을 정의하는 것;
상기 기체 이온들이 상기 음극 전극 조립체를 향하는 방향으로 상기 전기장에 의해 가속되게 상기 방전 공간에 형성되도록, 상기 음극 전극 조립체 내의 개구부를 통해 상기 모니터링된 챔버로부터 상기 방전 공간으로의 기체의 유입을 허용하는 것;
상기 기체 이온들의 일부를 상기 음극 전극 조립체 내의 소스 개구를 통해 상기 음극 전극 조립체 외부로 방출하는 것;
상기 자석 조립체를 사용하여 상기 기체 이온들의 질량 대 전하 비율을 기초로 상기 이온들 중 상기 방출된 부분을 각을 이루게 변위하는 것;
검출기를 사용하여 상기 이온들 중 상기 방출된 부분의 변위된 이온 성분을 검출하는 것;
이온 전류 측정 회로를 사용하여 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 전체 전류를 측정하는 것;
상기 이온 전류 측정 회로에 의해 측정된 상기 전체 전류를 기초로 상기 모니터링된 챔버로부터의 상기 기체의 전체 압력의 표시를 디스플레이하는 것;
상기 이온 전류 측정 회로를 사용하여 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류를 측정하는 것; 및
적어도 상기 검출기에서 상기 변위된 이온 성분의 수령으로부터 생성되고 상기 이온 전류 측정 회로에 의해 측정되는 상기 전류에 기초하여 상기 모니터링된 챔버로부터의 기체의 부분 압력의 표시를 디스플레이하는 것을 포함하는, 방법.
제99항에 있어서, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 조립체 사이에 흐르는 상기 전체 전류에 독립적인 상기 양극 전극의 정전압을 유지하는 것을 더 포함하는, 방법.
제99항에 있어서, 원하는 임계 에너지보다 더 높은 에너지들을 갖는 상기 이온들 중 상기 방출된 이온들만이 상기 검출기에 도달하는 것을 허용하도록 고역 통과 이온 에너지 필터링을 수행하는 것을 더 포함하는, 방법.
제99항에 있어서, 원하는 임계 에너지보다 더 낮은 에너지들을 갖는 상기 이온들 중 상기 방출된 이온들만이 상기 검출기에 도달하는 것을 허용하도록 저역 통과 이온 에너지 필터링을 수행하는 것을 더 포함하는, 방법.
제99항에 있어서, 상기 모니터링된 챔버를 포함하는 진공 시스템을 진단하는 것을 더 포함하고, 상기 방법은 상기 이온 전류 측정 회로를 사용하여 상기 검출기에서 물 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류를 측정하는 것, 및 상기 이온 전류 측정 회로를 사용하여 상기 검출기에서 잔류 기체 이온 성분의 수령으로부터 생성된 전류를 측정하는 것을 더 포함하는, 방법.