TWI395935B - 真空量測計 - Google Patents

Description

真空量測計

本發明有關用於高度真空應用之真空量測計。

Bayard－Alpert型之真空量測計為眾所皆知的。通常一熱陰極被使用作為一電子源。此具有許多缺點。一熱陰極通常為燈絲形狀需要以一電流加熱，需要一饋入電路能不斷地供應一相當高饋入電壓。陰極射出電磁輻射會影響量測結果，導致不精確地預測方式且可導致與其它量測之不想要的干擾。一熱陰極亦會傾向釋放所吸收之氣體分子且當加熱時與氣體化學反應，再次地會影響量測結果。它對振動通常為敏感的，其中振動在產業製程中為經常不可避免的。此亦再次導致量測精確性之劣化，且隨著時間經過，甚至會損壞陰極。所發射電子之動能被分佈於一相當廣間隔，減低效率且亦導致量測計之敏感度的變動。

美國專利5,278,510A顯示具有一場發射陰極之通常型式的Bayard－Alpert真空量測計，其中在一本質上圓柱形外殼中，一離子收集器以一軸向電線形狀被設置，以一圓柱形柵狀陽極包圍。於陽極與外殼間發射電子之場發射陰極面向陽極且設有離子收集器。此型式之陰極提供相當優點。它們為機械性強健固態元件，其不產生熱且在一大溫度範圍內運作。一般它們不會造成副作用，其可能影響量測結果，且其係以難以評估與補償之方式產生。

如上述專利文件真空量測計中，場發射陰極為一Spindt型式陰極，具有形狀如具有一平面射極區域之方形板之分離微點。由於此平面構形射極區域可僅相當小的。而且，如從陽極內部所見，特別是從離子收集器之位置所見時，它僅覆蓋一小的立體角度。

對高精確度，特別是在非常低壓下，一高離子化率為需要的。此僅可以一高電子濃度達成，其必須在高速從該小射極區域抽出電子產生，其暗示一高電子流濃度，其依序地需要一高品質射極表面與提升的電場強度。後者需求在材料可造成相當拉力導致磨耗，例如，由於濺鍍，由此減低量測計之使用壽命。而且，需提供高電壓差異在控制電路上造成更嚴峻的設計要求。

本發明之一目的提供一通常型式之真空量測計，其確保在稀薄氣體中高離子產出，係藉在電子發射陰極上之適中需求達成高電子濃度。此目的以申請專利範圍第1項之特色達成。

依據本發明在一真空量測計中，一較大射極區域可被收納於一既定尺寸之外殼中。一電極構形具有較大之射極區域。當該射極表面可使變大，所需之電子流濃度相同地可相當地較小，使得中等場強度通常為足夠的。此減輕陰極上之需求，且容許用於射極表面之材料與結構之較多選擇。

於許多情形相對便宜、容易製造解決方式將變得實際。射極區域可以外殼壁表面上之一射極層被形成，或甚至以壁表面本身被形成，於該情形真空量測計為特別簡單與機械性穩定的。

射極區域為下凹的且部分包圍含有離子收集器之反應區，由陰極射出之電子將仍舊在反應區中，直至它們最後到達陽極。它們將重覆地撞擊反應區中稀薄氣體之分子，且藉以產生可被使用於量測過程中之離子。僅一小部分電子將逃逸且沿一相對短的軌跡抵達外殼，甚至在無特別措施，如保持外殼在低於射極電壓之一電壓，被採取以防止其發生。甚至從陰極具有一適中電子流，反應區中之電子濃度將是高的且確保一高離子產出。

該高可達成離子產出，連同無像氣體分子之吸收之副作用允許量測範圍延伸至非常低濃度。同時，所需的電壓為相當小的，其允許一相當簡單與具有低功率消耗之便宜控制電路使用。

依據第1、2圖之本發明真空量測計之實施例，包括具有一基底板1之一外殼與一安裝在基底板1上之側壁2，該側壁側向包圍一圓柱形反應區3，該反應區在頂部為開啟的以與一真空腔連接，於該處氣體壓力被量測。基底板1與側壁2一起形成外殼。較佳地它們每一者由導電材料組成，特別是不銹鋼或鋁。在反應區3之軸中，一離子收集器4為一直薄軸向燈絲形狀或電線被排列，其以本質上圓柱形柵狀陽極5，例如一螺旋形電線以一距離圍繞。離子收集器4與陽極5每一者由金或合金組成，例如，鎢或不銹鋼之離子收集器4與鎢、白金銥合金或不銹鋼之陽極5。反應區之直徑宜介於1cm與8cm間，且特別介於1cm與6cm間，其高度介於2cm與8cm間，且特別介於2cm與5cm間。

側壁2之較大部分同時作為一支持壁用於一發射電子場發射陰極6，其被附接至它的內表面且實質上將它完全覆蓋。場發射陰極6提供一射極區域，圓柱形之一大下凹表面，其同心地圍繞離子收集器4與陽極5。從反應區3之中心所見，即是，從軸上一點，即，在離子收集器4上，在中等高度，射極區域覆蓋約三分之二之4π全立體角。射極區域包括以一導電材料之射極層7所形成之一射極表面，該導電材料被黏貼至側壁2且電氣連接且覆蓋本質上全部射極區域。絕緣隔片8被分佈於整個射極區域，形成窄的長條其中斷該射極表面。隔片8附有導電材料之一電子可穿透閘極9，其設置於射極表面前面一本質上固定距離，且與射極層7電氣絕緣。該固定距離可介於1 μ m與5mm間，但較佳地為相當小，即，介於1 μ m與200 μ m間，特別介於5 μ m與200 μ m間，例如，約10 μ m。較佳地，射極表面與離子收集器4間之距離為至少20倍於閘極9離射極表面之距離。

離子收集器4、陽極5與閘極9經由絕緣饋通被連接，其可由基底1中玻璃或玻璃－陶瓷至一控制電路10，其亦被電氣連接至接地外殼且經由相同方式連接至射極層7。控制電路10為示意地顯示包括離子收集器4與接地間之一電流表11，用於量測一離子收集器電流I_{I C} ，一電壓源12保持陽極5在高於接地電壓之一陽極電壓V_A ，且經由量測一陽極電流I_A 之一電流表13被連接至地面，且以一輸出電壓V_I 表示，且一可控制電壓源14在閘極9提供一閘極電壓V_G －介於接地電壓與陽極電壓V_A 間－且經由量測一閘極電流I_G 之電流表15，被連接至地面。可控制電壓源14以一整流器16被控制，該整流器比較電流表13之輸出電壓V_I 與參考電壓V_R 。每當代表陽極電流I_A 之電流表13輸出電壓V_I 低於參考電壓V_R 時及反之亦然時，使閘極電壓V_G 增加。故陽極電流I_A 反映從場發射陰極6之電子射出，被使用為一控制電流用於控制閘極電壓V_G 與藉此該電子射出。它在窄界限內，以適當閘極電壓V_G 控制在一設定值被保持固定。或者，閘極電壓V_G 可被脈衝化。

場發射陰極6之射極層7可以各種方式實現。它可為碳奈米管、鑽石狀碳、一金屬或一金屬混合物之設置，該金屬混合物含有，例如，鉬、鎢或鎳或一半導體材料，例如，矽可被覆鍍，例如，以碳化物或鉬覆鍍。於任一情形射極表面應為具有尖銳邊緣而粗糙的或點狀，於該處達成高局部場強度。不用為圓柱形、射極區域之形狀，可為三稜型或，至少部分球形的。射極層可為使用CVD或其他已知方法施加之一薄層。

假如側壁2由金屬組成，較佳地不銹鋼，它可為，由於大尺寸射極區域，足以提供一射極表面，其係單純地以機械方法或，較佳地以蝕刻，例如，以電漿蝕刻或，特別地，以化學蝕刻粗糙化該壁之內表面。一簡單蝕刻製程將，甚至無使用遮罩或其他結構化工具，產生具有尖銳邊緣之粗糙表面與尖端，於該處電場將達到局部最大，其被升高夠大以造成電子射出之一充份位準，且其單純藉顯現壁材料之粗糙面而達成。

當然，它能提供具有以射極區域覆蓋之表面部分的壁，射極區域具有其他形狀，特別是，具有通常彎曲的，即是，例如，下凹球狀或甚至皺狀或上凸形之非平面射極區域。除小規模表面粗糙度其為所要的電氣特性所需求外，該表面可在一較大規模上，為本質上平順或它可為片狀平順或甚至在該些片交會處具有邊緣之片狀平面。整體構形宜為非平面的，如與一整體平面構形相比的話，以便射極表面之區域被增加。射極區域可覆蓋，例如，介於0.5cm² 與80cm² 之間，且特別介於1cm² 與50cm² 之間。

因為該金屬應為耐濺鍍的，閘極9可為由金屬線或一柵、亦為金屬，例如，鎳、鉬或不銹鋼製成之電線網路。另一可能在於提供相等分隔隔片之一相當密集陣列，該些隔片高於射極表面一距離，該距離對應相同物與閘極間所欲求的距離，且該處朝向離開該支撐壁之表面被覆蓋有一起形成閘極之薄金屬膜的補片。於此情形射極區域被分成一間歇射極表面與一補充閘極表面，電場強度在邊界為最大的。隔片可，特別地在後者情形中，亦以CVD或類似方法施加且該些補片以已知之半導體製造方法經由隔片彼此電氣連接，且進而連接至可控制電壓源14。

不使用隔離隔片，其他隔片裝置可被使用如具有一些微米厚度之一多孔性隔片層，例如，具有微孔之陶瓷箔。閘極可接著採取覆蓋隔片層表面之薄金屬膜形狀。

於任一情形，由於射極表面與閘極間之小距離，甚至一相當小閘極電壓V_G ，其可介於200V與1000V間，宜介於200V與600V，例如，300V一強電場被產生於射極表面，視所使用閘極型式而定，其可為相對同質而非異質的。於任一情形，在射極表面之高電場強度相同地造成電子取出，其進而以場發射陰極6與陽極5間之電場被加速。電子撞擊反應區3中稀薄氣體之分子，造成它們離子化。

正離子被吸引至離子收集器4，於該處接納電子，藉以造成離子收集器電流I_{I C} ，其本質上正比於離子被產生之速率。由陰極6射出之電子與在離子化製程中產生之電子最後被吸引至陽極5，造成陽極電流I_A 。從射極表面取出之一部分電子在閘極9被補捉，造成閘極電流I_G 。另一部分電子可逃逸至基底板1或側壁2。此效果不會影響量測結果但可能導致離子化程序之效率降低。然而，由於射極區域之大尺寸與具有以2 π或更多涵蓋之一立體角，即，全部4 π之50%或更多，當從反應區3之中央部分所見，此型式之損失被保持非常小。

使陽極電流I_A 保持固定，離子收集器電流I_{I C} 為反應區3中之氣體分子濃度之量測。然而，藉適當整流該閘極電壓，它亦能保持陰極電流或閘極電流固定。所描述之壓力量測裝置為適於量測壓力範圍從10^{－ 1} mbar至10^{－ 1 3} mbar，且特別從10^{－ 2} mbar至10^{－ 1 1} mbar。

依據本發明示於第3圖之真空量測計實施例非常類似於以上所描述者，僅控制電路10為略為簡單，其中陽極電壓未被分開控制且陽極電流未受監視。對應元件以相同參考編號標示且細節可被發現於依據第1、2圖之壓力量測裝置描述中。

產生閘極電壓V_G 之控制電路10的可控制電壓源14以一整流器16再次被控制，在此比較電流表17之輸出電壓，該電流表從外殼量測一陰極電流I_C ，作為具有固定參考電壓V_R 之一控制電流。陽極5被連接至與閘極9平行之可控制電壓源14，且因此被保持於相同電壓。以電流表11量測之離子收集器電流I_{I C} 再次為反應區3中氣體分子濃度之一量測。陽極5作為形成反應區3中之電場，但它並非絕對需要的。不具陽極之電極構形將通常亦為適當的。

第4，5圖顯示依據本發明具有此等構形之一特別簡單、強健與低成本之真空量測計的第三實施例。控制電路10為類似於第二實施例之一者，但甚至更簡單，除離子收集器電流I_{I C} 外，其再次為反應區3中壓力之一量測，僅閘極電流I_G 被量測與使用於控制閘極電壓V_G 。結果，僅二饋通存在。射極表面以側壁2之內表面的一大部分被形成，其中該側壁2由不銹鋼組成。該表面部已使用化學蝕刻粗糙化且以柵8覆蓋。因此無分離射極層存在。

1．．．基底板

2．．．側壁

3．．．反應區

4．．．離子收集器

5．．．陽極

6．．．陰極

7．．．射極層

8．．．隔片

9．．．閘極

10．．．控制電路

11．．．電流表

12．．．電壓源

13．．．電流表

14．．．可控制電壓源

15．．．電流表

16．．．整流器

17．．．電流表

I_A ．．．陽極電流

I_C ．．．陰極電流

I_{I C} ．．．離子收集器電流

I_G ．．．閘極電流

V_A ．．．陽極電壓

V_G ．．．閘極電壓

V．．．輸出電壓

V_R ．．．參考電壓

以下，本發明參考附圖更詳細解釋，其中該附圖僅顯示實施例。

第1圖顯示依據本發明穿過一真空量測計之第一實施例之軸向切面。

第2圖顯示沿第1圖之II－II穿過真空量測計之橫剖面。

第3圖顯示穿過一真空量測計之第二實施例之一軸向切面，該真空量測計本質上如顯示於第1、2圖之構形，具有一簡化控制電路。

第4圖顯示依據本發明穿過一壓力量測計之第三實施例之一軸向切面；及第5圖顯示沿第4圖之V－V穿過真空量測計之一橫剖面。

1．．．基底板

2．．．側壁

3．．．反應區

4．．．離子收集器

5．．．陽極

6．．．陰極

7．．．射極層

8．．．隔片

9．．．閘極

10．．．控制電路

11．．．電流表

12．．．電壓源

13．．．電流表

14．．．可控制電壓源

15．．．電流表

16．．．整流器

Claims (31)

1. 一種真空量測計，包括：-一外殼，具有導電材料組成之壁且形成一設定一反應區(3)界限之內壁表面，-一場發射陰極(6)，用於將電子射入反應區(3)，具有一至少間歇地被一射極表面佔用之射極區域，-一導電閘極(9)，間歇地覆蓋射極區域且與射極表面電氣絕緣，且以電氣絕緣隔片裝置支撐，該絕緣隔片將它在與射極表面垂直之方向以一本質上固定閘極距離隔開，且一饋通連接至閘極(9)且引導穿過該外殼至外部，及-一離子收集器(4)，設置於離場發射陰極(6)一距離之反應區(3)內部，且一饋通連接至離子收集器(4)且引導穿過該外殼至外部，其特徵為射極區域被設置在壁表面。
2. 如申請專利範圍第1項之真空量測計，其中從位在離子收集器(4)上至少一點所見被射極區域所覆蓋之立體角為至少2π。
3. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中射極區域涵蓋0.5cm² 與80cm² 之間。
4. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中射極區域涵蓋1cm² 與50cm² 之間。
5. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中離子收 集器(4)離射極表面之最小距離為至少20倍閘極距離。
6. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中射極區域為至少部分下凹的。
7. 如申請專利範圍第6項之真空量測計，其中射極區域包括至少一下凹圓柱形表面之一部分。
8. 如申請專利範圍第7項之真空量測計，其中反應區(3)為本質上圓柱形的，以該壁表面之一本質上圓柱形部分側向地設定界限，其至少部分被射極區域佔據，同時離子收集器(4)被設置於反應區(3)之軸附近。
9. 如申請專利範圍第8項之真空量測計，其中反應區(3)之直徑為介於1公分與8公分之間，且其高度為介於2公分與8公分之間。
10. 如申請專利範圍第8項之真空量測計，其中反應區(3)之直徑為介於1公分與6公分之間，且其高度係介於2公分與5公分之間。
11. 如申請專利範圍第8項之真空量測計，其中射極區域本質上全部覆蓋該壁表面之圓柱形部分。
12. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中射極表面一射極層(7)之前表面，該射極層本質上由碳奈米管、鑽石狀碳、一金屬或一金屬混合物或一半導體材料組成。
13. 如申請專利範圍第12項之真空量測計，其中該半導體材料可為矽，該矽可由碳化物或鉬覆鍍。
14. 如申請專利範圍第12項之真空量測計，其中射極層(7)本質上由鉬、鎢或不銹鋼組成。
15. 如申請專利範圍第12項之真空量測計，其中射極層(7)為沉積於壁表面上之一薄層。
16. 如申請專利範圍第12項之真空量測計，其中射極層(7)為沉積於壁表面上之一薄層，其係藉化學氣相沉積或物理氣相沉積法沉積。
17. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中射極表面以至少壁表面本身之部分被形成，具有該壁由一金屬或一合金或不銹鋼組成。
18. 如申請專利範圍第17項之真空量測計，其中射極表面被粗糙化。
19. 如申請專利範圍第17項之真空量測計，其中射極表面以機械方式或藉電漿蝕刻或藉化學蝕刻被粗糙化。
20. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中閘極距離為介於1μm與200μm之間。
21. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中閘極距離為介於5μm與200μm之間。
22. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中閘極(9)為一柵。
23. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中閘極(9)為一電線網孔。
24. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中隔片裝置包括分佈於整個射極區域上之電氣絕緣隔片(8)。
25. 如申請專利範圍第24項之真空量測計，其中閘極本質上由覆蓋該些隔片表面之閘極補片組成。
26. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中隔片裝置包括覆蓋射極表面之一電子可穿透層且置放於射極表面前面。
27. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中更包括一設置於離子收集器(4)與閘極(9)之間的陽極(5)，該陽極(5)宜被構形為圍繞離子收集器(4)之一本質上圓柱形柵。
28. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中離子收集器(4)為一直導電元件。
29. 如申請專利範圍第1或2項之真空量測計，其中更包括設置於外殼外部之一控制電路(10)，該控制電路為電氣導通連接到至少該外殼且，於經由饋通之每一情形中，連接至閘極(9)與連接至離子收集器(4)且適於-保持射極表面於一射極電壓，-保持閘極(9)於高於射極電壓之一閘極電壓(V_G )-保持離子收集器(4)於一集極電壓，其中該集極電壓本質上相等或低於射極電壓，-從離子收集器(4)監控一集極電流(I_IC )。
30. 如申請專利範圍第29項之真空量測計，其中閘極電壓(V_G )為較高於射極電壓200V至1000V之間。
31. 如申請專利範圍第29項之真空量測計，其中閘極電壓(V_G )為較高於射極電壓200V至600V之間。