WO2016139894A1 - 三極管型電離真空計 - Google Patents

三極管型電離真空計 Download PDF

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宮下　剛
豊昭 中島
万沙洋 福原
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株式会社アルバック
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/30—Vacuum gauges by making use of ionisation effects
    • G01L21/32—Vacuum gauges by making use of ionisation effects using electric discharge tubes with thermionic cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J41/00—Discharge tubes for measuring pressure of introduced gas or for detecting presence of gas; Discharge tubes for evacuation by diffusion of ions
    • H01J41/02—Discharge tubes for measuring pressure of introduced gas or for detecting presence of gas
    • H01J41/04—Discharge tubes for measuring pressure of introduced gas or for detecting presence of gas with ionisation by means of thermionic cathodes

Definitions

  • the present invention relates to a triode ionization vacuum gauge that is mounted on a measurement object such as a vacuum vessel and detects the internal pressure.
  • a triode ionization vacuum gauge is generally known as one that accurately measures a wide pressure range of 1 Pa to 10 ⁇ 6 Pa among the pressures in the vacuum chamber during the vacuum process (see, for example, Patent Document 1).
  • the filament is inserted from the folded top portion side, and is arranged so that the top portion is located in the central region in the generatrix direction of the grid. Also, as the ion collector, in order to collect positive ions as much as possible, the length in the busbar direction is equal to or more than the length in the busbar direction of the grid, and the grid and the ion collector are concentric. Be placed.
  • a vacuum pump is connected to the vacuum partition of the conventional triode-type ionization vacuum gauge, and the vacuum is drawn from the atmospheric pressure to the high vacuum region (pressure of about 10 ⁇ 5 Pa) at a constant pumping speed.
  • the pressure indication value continuously falls to about 10 ⁇ 5 Pa, which is the pressure near the measurement limit (lower limit) value, and then rises again to about 10 ⁇ 4 Pa and reaches equilibrium. did.
  • a measurement error occurs (that is, a pressure higher than the pressure of the actual measurement object is indicated).
  • the inventors of the present invention have made extensive studies, and both ends of the ion collector in the direction of the generatrix are relatively low in the collision probability of positive ions, and become regions where particles (gas molecules) can be stored. It came to know that it originates in becoming the discharge
  • the emitted gas or gas molecules that have become positive ions collide with the ion collector again, and are chemically or physically adsorbed as oxides on the surface of the ion collector (mainly the inner surface).
  • positive ions having releasable energy continuously collide with each other as particles such as neutral molecules, neutral fragment molecules, neutral atoms or ions thereof. While being released as much as possible (that is, it is difficult to deposit as a molecular layer), in the region where the collision probability of positive ions is low, positive ions do not collide continuously.
  • the thickness of the molecular layer is easily maintained.
  • the gas in the vacuum partition changes to a composition corresponding to the exhaust capacity.
  • the composition of the atomic and molecular layers attached to the ion collector surface also changes.
  • the composition changes to an increased composition of water molecules that are difficult to exhaust. Due to this change in composition and the like, in the region where the collision probability of positive ions is low, the adsorption is dominant over the separation, and the deposition proceeds as, for example, a weakly coupled molecular layer (such as an oxide layer). Then, after the pressure has dropped to the pressure near the measurement limit, the amount of particles released gradually increases as positive ions collide with the deposited molecular layer (including adsorbed water molecules, etc.).
  • the pressure indication value rises and then the balance between the release of the particles and the re-adsorption or exhaust of the released particles is maintained, it is considered that the pressure indication value is balanced at a predetermined pressure (for example, 10 ⁇ 4 Pa). . Since the amount of chemical adsorption or physical adsorption on this molecular layer and the amount of particles emitted from this molecular layer depend on the collision probability of positive ions, etc., the ion collision probability is relatively low in the direction of the bus of the ion collector. It can be said that both end portions serve as particle emission sources, leading to an increase in pressure indication value.
  • the present invention has been made based on the above knowledge, and a triode ionization vacuum gauge capable of measuring the pressure of an object to be measured without measurement error by reducing the influence of particles emitted from the surface of an ion collector.
  • the issue is to provide.
  • a triode ionization vacuum gauge of the present invention which is mounted on a measurement object and detects the pressure inside the object, includes a filament, and a grid having a cylindrical contour disposed around the filament.
  • a cylindrical ion collector arranged concentrically around the grid, energizing the filament to turn on the filament to emit thermoelectrons, and to apply a higher potential to the grid around the grid.
  • Positive ions of gas atoms and molecules generated by collision with thermionic electrons are collected by the ion collector, pressure is detected from the ion current at this time, and the particle emission regions at both ends of the ion collector in the generatrix direction are omitted. It is configured as described above.
  • the influence of particles emitted from the surface of the ion collector in the high vacuum region is suppressed as much as possible when the pressure is measured by attaching to the measurement object.
  • the pressure can be measured.
  • particle emission region means that, when measuring pressure from an ion current, the collision probability of positive ions is relatively low, so that it does not contribute much to the collection of ions, but is deposited as a molecular layer on its surface.
  • the area to obtain (in other words, the area where particles (gas molecules) can be stored), and the area where pressure can be measured with little influence of sensitivity reduction even if this is omitted, and the particle emission area as a whole is omitted It includes not only the case where it is partially omitted in a range that does not cause an increase in pressure.
  • the length of the ion collector in the generatrix direction is set in a range of 6% to 80% of the length of the grid in the generatrix direction, and the particle emission region in the ion collector in the generatrix direction is omitted.
  • the length of the ion collector in the bus direction is equal to the length of the grid in the bus direction, both ends of the ion collector having a relatively low probability of collision of positive ions are The length of the ion collector in the generatrix direction can be reduced by a very simple configuration, and the influence of particles emitted from the surface of the ion collector can be suppressed as much as possible.
  • the filament, the grid, and the ion collector are housed in a metal vacuum partition. According to this, the charge-up of the thermoelectrons to the vacuum partition is prevented, and the potential distribution in the space surrounded by the vacuum partition is always kept constant. As a result, the pressure can be measured with a constant sensitivity over a long period of time.
  • mold ionization vacuum gauge of embodiment of this invention The schematic cross section of a sensor part.
  • triode ionization vacuum gauge of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the mounting direction of a sensor unit to be described later with respect to a measurement target (not shown) will be described as upward.
  • the triode-type polar ionization vacuum gauge IG includes a sensor unit S and a control unit C.
  • the sensor unit S includes a sensor body 1 as a bottomed cylindrical metal container as a vacuum partition, and a measurement object such as a vacuum chamber (not shown) via a flange 11 (and a vacuum seal) provided on the sensor body 1. Removably attached to.
  • the sensor body 1 is made of stainless steel, nickel, an alloy of nickel and iron, aluminum alloy, copper, copper alloy, titanium, titanium alloy, tungsten, molybdenum, tantalum, or at least two alloys selected from these. The In this case, the metal sensor body 1 is preferably grounded.
  • the sensor main body 1 is arranged concentrically so as to surround the filament 2, the grid 3 having a cylindrical outline disposed concentrically so as to surround the periphery of the filament 2, and the grid 3. And a cylindrical ion collector 4.
  • the filament 2 is made of a metal such as iridium covered with yttria or tungsten, and is formed by forming a wire having a diameter of 0.1 to 0.2 mm into a hairpin shape. Then, both free ends of the filament 2 are positioned at predetermined positions in the sensor body 1 by support pins 21a and 21b projecting into the sensor body 1 by penetrating the bottom of the sensor body 1 through an insulator (not shown). Supported.
  • the support pins 21a and 21b also serve as connection terminals (electrodes).
  • the filament 2 is inserted into one end (the lower end in FIG. 1) of the grid 3 from the top portion 22a side that is folded back into a hairpin shape at the front end of the filament 2 in the insertion direction.
  • the top portion 22a is arranged so as to be positioned in the vicinity of the midpoint Mp of the length L1 of the grid 3 in the generatrix direction.
  • the grid 3 includes tungsten, molybdenum, molybdenum coated with platinum, tantalum, platinum, iridium, an alloy of platinum and iridium, an alloy of nickel, nickel and iron, stainless steel, or at least two alloys selected from these The product made from is used.
  • a wire rod having a diameter of 0.1 to 0.5 mm is wound in a coil shape so as to have a cylindrical outline. In this case, the top portion 22 a of the filament 2 is positioned on the hole axis Ha of the grid 3.
  • the form of the grid 3 is not limited to this, The thing which assembled
  • seat cylindrically may be sufficient.
  • the grid 3 is also positioned and supported at a predetermined position in the sensor main body 1 by support pins 31 a and 31 b that project through the sensor main body 1 through an insulator (not shown) through the bottom of the sensor main body 1. In this case, the support pins 31a and 31b also serve as connection terminals.
  • the ion collector 4 is made of stainless steel, molybdenum, molybdenum coated with platinum, tantalum, platinum, iridium, an alloy of platinum and iridium, an alloy of nickel, nickel and iron, or at least two alloys selected from these. Is used. A rectangular plate material having a thickness of 50 to 300 ⁇ m is formed into a cylindrical shape.
  • the ion collector 4 is also positioned and supported at a predetermined position in the sensor main body 1 by support pins 41a and 41b projecting into the sensor main body 1 through the bottom of the sensor main body 1 through an insulator (not shown). In this case, the support pins 41a and 41b also serve as connection terminals.
  • control unit C includes a casing F (indicated by a one-dot chain line in FIG. 1), and a control unit Cu including a computer, a memory, a sequencer, and the like is built in the casing F.
  • the control unit Cu performs various controls such as the operation of each power source described later and the ion current value measured by an ammeter A described later to display pressure on a display (not shown), for example.
  • a filament lighting power source E1 for supplying a direct current to the filament 2 to red heat (light) the filament 2 and a higher potential than the filament 2 are applied to the grid 3 with respect to the grid 3.
  • a power source E2 for the grid, a power source E3 that makes the potential of the filament 2 higher than the potential of the ion collector 4, and an ammeter A that measures the ion current flowing through the ion collector 4 are incorporated.
  • the housing F is provided with output terminals that are electrically connected to the power sources E1 to E3, and the sensor unit S and the control unit C are connected by a cable with a connector.
  • the sensor unit S and the control unit C can be incorporated in the same housing.
  • the filament 2 an iridium wire having a length of ⁇ 0.127 mm and a length of 20 mm was formed into a hairpin shape and covered with yttria.
  • the one formed with a length L1 of 20 mm and the ion collector 4 formed by forming a SUS304 plate material with a thickness of 0.1 mm into a cylindrical shape with a diameter of 17 mm, the filament 2, the grid 3, and the ion collector 4 are According to the above embodiment, the cylindrical vacuum partition wall 1 having an inner diameter of ⁇ 25 mm was assembled.
  • the length L2 of the ion collector 4 in the busbar direction is set to 20 mm (100% of the grid length L1: “conventional product”) and the both ends of the ion collector 4 in the busbar direction are omitted.
  • the length L2 in the bus bar direction of the collector 4 is 16 mm (80% of the grid length L1: “test body 1”), and the length L2 in the bus bar direction of the ion collector 4 is 14 mm (70 in the grid length L1).
  • FIG. 3 is a graph showing changes in pressure with time in each triode-type ionization vacuum gauge. According to this, as shown by the dotted line in FIG. 3, in the conventional product, the pressure of the vacuum partition 1 continuously drops to about 10 ⁇ 5 Pa, and then rises again to about 10 ⁇ 4 Pa to reach equilibrium.
  • test bodies 1 to 5 it was confirmed that the pressure of the vacuum partition wall 1 was continuously lowered to about 10 ⁇ 5 Pa and reached equilibrium. Further, the sensitivity of the conventional product and the test bodies 1 to 5 with respect to the reference vacuum gauge was measured, and the sensitivity ratio with respect to the conventional product was determined.
  • the sensitivity ratio of the test body 1 was 100%, and the sensitivity ratio of the test body 2 was 87%.
  • the sensitivity ratio of test body 3 was 75%, the sensitivity ratio of test body 4 was 68%, and the sensitivity ratio of test body 5 was 13%.
  • the sensitivity decreases as the length L2 of the ion collector 4 in the bus bar direction with respect to the length L1 of the grid 3 decreases. It was confirmed that the range does not affect the measurement.
  • the probability of the normal distribution obtained from this k value is 95% because the conventional product is 2 ⁇ , similarly, 89% because the specimen 1 is 1.6 ⁇ , and 84% because the specimen 2 is 1.4 ⁇ .
  • the test body 3 is 1.2 ⁇ , 77%
  • the test body 4 is 1.2 ⁇ , 68%
  • the test body 5 is 0.2 ⁇ , 16%.
  • the value approximates the sensitivity ratio of each of the specimens 1 to 5 described above.
  • the ratio of the length L2 of the ion collector 4 in the busbar direction when the midpoint Mp of the length L1 in the busbar direction of the grid 3 is set to 0% is the horizontal axis, and the collection probability of positive ions in the ion collector 4 is the vertical axis.
  • This case can be represented in a graph as shown in FIG. From the above, in the central region of the ion collector 4, the probability that positive ions collide is relatively high and a large amount of positive ions are collected. On the other hand, as the positive ions move toward both ends from the central region of the ion collector 4, It is considered that the probability of collision is relatively low, and the both ends thereof hardly contribute to the collection of positive ions.
  • a weakly coupled molecular layer (oxidized layer or the like) is deposited at both ends of the ion collector 4 where the positive ion collision probability is low (that is, gas molecules are accumulated), and the pressure near the measurement limit value is reached.
  • the pressure indication increases, and then the release of the particles and the released particles If the re-adsorption of the gas and the balance with the exhaust gas are maintained, it is considered that the equilibrium is obtained at a predetermined pressure (for example, 10 ⁇ 4 Pa).
  • the cylindrical ion collector 4 is concentrically disposed so as to surround the filament 2, so that, for example, ions are extracted by heat removal to the support pins 41 a and 41 b during pressure measurement.
  • the collector 4 has a temperature distribution (adsorption isotherm) from the center in the bus line direction to both ends. Although there should be a difference in the amount of adsorbed particles based on this temperature distribution, the presence of the temperature distribution is difficult to consider as a dominant factor based on the experimental results and the rate of change in detection sensitivity.
  • the influence of soft X-ray generation and incidence at both ends of the ion collector 4 in the generatrix direction can be considered, but this effect is in the pressure range of about 10 ⁇ 6 Pa, which is one digit lower than the measurement limit of the ionization vacuum gauge. It is a dominant phenomenon, and it is difficult to consider it as a dominant factor from the above experimental results.
  • the length L2 of the ion collector 4 in the busbar direction is set to a range of 6% to 80% of the length L1 of the grid 3 in the busbar direction, and the busbar direction of the ion collector 4 is set. Is equal to the length of the filament 2 in the generatrix direction (that is, the conventional product), both ends of the ion collector 4 having a relatively low probability of collision of positive ions with respect to the length L1 of the grid 3 in the generatrix direction.
  • the length L2 of the ion collector 4 in the bus-bar direction is set to be short and is substantially omitted with a very simple configuration.
  • the length L2 of the ion collector 4 in the bus bar direction is shorter than the length L1 of the grid 3 in the bus bar direction
  • the midpoint of the length L2 of the ion collector 4 in the bus bar direction is the length of the grid 3 in the bus bar direction.
  • the pressure in the measurement object can be adjusted without being affected by the decrease in sensitivity. It can be measured accurately.
  • the sensitivity is considered to be less than 10%.
  • the sensitivity is S
  • the ion current flowing through the ion collector 4 is Ii
  • the emission current between the filament 2 and the grid 3 is Ie
  • the pressure is P
  • S decreases as I decreases.
  • the length L2 of the ion collector 4 in the bus-bar direction becomes 6% or less of the length L1 of the grid 3 in the bus-bar direction
  • the sensitivity becomes 10% or less
  • Ii also becomes 10% or less.
  • the filament 22 has the apex 22a and the midpoint of the length L2 of the ion collector 4 in the generatrix direction positioned in the vicinity of the midpoint Mp of the length L1 of the grid 3 in the generatrix direction.
  • the present invention is not limited to this, and the position of the filament 2 with respect to the grid 3 is set upward or downward as long as the electron emission efficiency when energizing the filament 2 to emit thermal electrons does not decrease beyond a predetermined value. Can be appropriately shifted.
  • the filament 2 for example, a straight shape or a coiled shape can be used.
  • the region where the electron emission efficiency is high is the midpoint of the length L 1 of the grid 3 in the generatrix direction. It arrange
  • the length L2 of the ion collector 4 in the generatrix direction is shorter than the length L1 of the grid 3 in the generatrix direction, and the positive ion collision probability is relatively low when measuring pressure from the ion current.
  • the entire particle emission region that does not contribute to the collection of ions and can be deposited as a molecular layer on the surface is omitted has been described as an example, the present invention is not limited to this.
  • the length L2 of the ion collector 4 in the busbar direction and the length L1 of the grid 3 in the busbar direction are made equal, and both are arranged concentrically.
  • the area of the ion collector 4 excluding the range of 6% to 80% of the length L2 in the bus bar direction of the ion collector 4 with respect to the length L1 in the direction should be as large as possible so as not to cause an increase in pressure. May be provided with an opening, and the particle emission region may be partially omitted.
  • the ion collector 4 is described as an example in which a rectangular plate material is formed into a cylindrical shape.
  • the ion collector 4 is not limited to this, and is formed into a cylindrical shape by assembling strip-like wires in a lattice shape. Or a punched metal or a photo-etching sheet formed into a cylindrical shape can be used.
  • the effective collection area of the ion collector 4 only needs to be configured in a ratio along a normal distribution in which 50% of L1 is 1 ⁇ as in the above embodiment, and is appropriately changed depending on the required sensitivity. May be.
  • IG Triode type ionization vacuum gauge
  • S Sensor unit
  • C Control unit
  • 2 Filament
  • 3 ... Grid
  • 4 ... Ion collector
  • A Ammeter
  • Mp Midpoint (in grid bus direction).

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Abstract

　イオンコレクタ表面から放出される粒子の影響を少なくして測定誤差なく測定対象物の圧力を測定することができる三極管型電離真空計を提供する。　三極管型電離真空計ＩＧは、フィラメント２と、フィラメントの周囲に配置される筒状の輪郭を有するグリッド３と、グリッドの周囲に同心に配置される筒状のイオンコレクタ４とを備える。イオンコレクタの母線方向の長さＬ２をグリッドの母線方向の長さＬ１の６％～８０％の範囲に設定し、イオンコレクタの母線方向の両端部における粒子放出領域が省略されるように構成する。

Description

三極管型電離真空計
　本発明は、真空容器等の測定対象物に装着されてその内部の圧力を検出するための三極管型電離真空計に関する。
　スパッタリングや蒸着による成膜等、真空処理装置内で実施される真空プロセスにおいては、測定対象物としての真空チャンバ内の圧力が、例えば製品歩留まりに大きな影響を与える場合がある。真空プロセス中、真空チャンバ内の圧力のうち１Ｐａ～１０－６Ｐａの広い圧力範囲を精度よく測定するものとして、三極管型電離真空計が一般に知られている（例えば特許文献１参照）。
　上記従来例のものは、測定対象物に装着されるガラス製の真空隔壁内に、ヘアピン状に成形されたフィラメントと、フィラメントの周囲に配置される、円筒状の輪郭を有するグリッドと、グリッドの周囲に配置される円筒状のイオンコレクタとを備えている。そして、フィラメントに通電してこのフィラメントを点灯させて熱電子を放出させ、フィラメントより高い電位をグリッドに付与し、このグリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンをイオンコレクタで捕集し、このときのイオン電流から測定対象物の圧力が測定される。この場合、フィラメントはその折り返した頂部側から挿入され、頂部がグリッドの母線方向中央領域に位置するように配置される。また、イオンコレクタとしては、正イオンを可及的に捕集するために、その母線方向の長さがグリッドの母線方向の長さと同等以上ものが用いられ、グリッドとイオンコレクタとは同心状に配置される。
　ここで、上記従来例の三極管型電離真空計の真空隔壁に真空ポンプを接続し、大気圧から高真空領域（１０－５Ｐａ程度の圧力）まで一定の排気速度で真空引きしながら、上記に従い圧力を測定すると、圧力指示値がその測定限界（下限）値付近の圧力である１０－５Ｐａ程度まで連続して下降した後、１０－４Ｐａ程度まで再度上昇して平衡になることが判明した。このような三極管型電離真空計を測定対象物に装着して圧力を測定すると、測定誤差が生じる（即ち、実際の測定対象物の圧力より高い圧力を指示する）という問題を招来する。
　そこで、本発明の発明者らは、鋭意研究を重ね、イオンコレクタの母線方向の両端部は、正イオンの衝突確率が比較的低く、粒子（気体分子）が溜め込まれ得る領域となり、ひいては、正イオンの衝突で放出される粒子の放出源となっていることに起因していることを知見するのに至った。つまり、真空引き当初、グリッドやイオンコレクタに付着している水分などの気体の原子や分子（大気中の成分）も徐々に放出されて排気され（即ち、所謂吸着等温線に沿って吸着量が減少する）、圧力指示値がその測定限界値（例えば、１０－５Ｐａ）まで降下していく。この時点では、イオンコレクタ（主として、内表面）に付着している原子や分子の組成は、大気と連動した組成比率になっていると考えられる。
　放出された気体や正イオンとなった気体分子などはイオンコレクタに再度衝突し、イオンコレクタ表面（主として、内表面）に酸化物などとして化学吸着または物理吸着する。この場合、正イオンの衝突確率が高い領域では、離脱可能なエネルギを持つ正イオンが継続的に衝突することで、中性分子、中性破片分子、中性原子またはそれらのイオンなどの粒子として可及的に放出される（即ち、分子層として堆積し難い）一方で、正イオンの衝突確率が低い領域では、正イオンが継続的に衝突しないことで例えば弱結合の分子層（酸化層など）として、正イオンの衝突確率が高い領域と比較して堆積し易く、分子層の厚さを保持し易い状態となっている。
　更に時間が経過すると、真空隔壁内の気体は排気能力に応じた組成へと変化する。この組成変化に応じてイオンコレクタ表面（主として、内表面）に付着している原子や分子層の組成も変化する。例えば、排気され難い水分子などが増加した組成へと変化する。この組成が変化した事等を起因として、正イオンの衝突確率が低い領域では、離脱より吸着が優勢となり、例えば弱結合の分子層（酸化層など）として堆積が進行する。そして、測定限界値付近の圧力まで下降した後、堆積した分子層（更に吸着した水分子等なども含む）に正イオンが衝突することで放出される粒子の量が徐々に多くなっていくのに従い、圧力指示値が上昇し、その後、粒子の放出と、放出された粒子の再吸着や排気との均衡が保たれると、所定圧力（例えば、１０－４Ｐａ）で平衡になると考えられる。この分子層に化学吸着または物理吸着する量と、この分子層から放出される粒子の量とは正イオンなどの衝突確率に依存するため、イオンの衝突確率が比較的低いイオンコレクタの母線方向の両端部が粒子の放出源となって、圧力指示値の上昇を招いていると言える。
特開２０１３－７２６９４号公報
　本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、イオンコレクタ表面から放出される粒子の影響を少なくして測定誤差なく測定対象物の圧力を測定することができる三極管型電離真空計を提供することをその課題とするものである。
　上記課題を解決するために、測定対象物に装着されてその内部の圧力を検出する本発明の三極管型電離真空計は、フィラメントと、フィラメントの周囲に配置される筒状の輪郭を有するグリッドと、グリッドの周囲に同心に配置される筒状のイオンコレクタとを備え、フィラメントに通電してこのフィラメントを点灯させて熱電子を放出させ、フィラメントより高い電位をグリッドに付与し、このグリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンをイオンコレクタで捕集し、このときのイオン電流から圧力を検出し、イオンコレクタの母線方向の両端部の粒子放出領域が省略されるように構成したことを特徴とする。
　本発明によれば、測定対象物に取り付けて圧力を測定するときに高真空領域でのイオンコレクタ表面から放出される粒子の影響が可及的に抑制され、結果として、正確に測定対象物の圧力を測定することができる。本発明において、「粒子放出領域」とは、イオン電流からの圧力測定時、正イオンの衝突確率が比較的低いことでイオンの捕集にあまり寄与しない一方で、その表面に分子層として堆積し得る領域（言い換えると、粒子（気体分子）が溜め込まれ得る領域）であって、これを省略しても感度低下の影響が少なく圧力を測定できる領域をいい、粒子放出領域を全体として省略する場合だけでなく、圧力上昇を招かない範囲で部分的に省略する場合も含む。
　本発明においては、前記イオンコレクタの母線方向の長さをグリッドの母線方向の長さの６％～８０％の範囲に設定し、イオンコレクタの母線方向の粒子放出領域を省略することが好ましい。これによれば、イオンコレクタの母線方向の長さをグリッドの母線方向の長さと同等とした場合において正イオンの衝突確率が比較的低いイオンコレクタの両端部を、グリッドの母線方向の長さに対するイオンコレクタの母線方向の長さを短く設定するという極めて簡単な構成で実質的に省略することができ、イオンコレクタ表面から放出される粒子の影響を可及的に抑制することができる。なお、グリッドの母線方向長さを８０％より長くすると、イオンコレクタの母線方向の両端部での粒子の放出の影響を受けて測定誤差が生じる一方で、グリッドの母線方向長さを６％より短くすると、著しい感度低下を招き、測定対象物内の圧力を正確に測定できない虞がある。
　また、本発明においては、前記フィラメントと、前記グリッドと、前記イオンコレクタとを金属製の真空隔壁内に収納することが好ましい。これによれば、熱電子の真空隔壁へのチャージアップが防止され、真空隔壁で囲繞された空間内の電位分布が常時一定に保持される。その結果、長時間に亘って一定の感度で圧力を測定することができる。
本発明の実施形態の三極管型電離真空計の構成を説明する模式図。 センサ部の模式断面図。 三極管型電離真空計を真空引きしたときの時間の経過に対する圧力変化を示すグラフ。 グリッドの母線方向の長さに対するイオンコレクタの母線方向の長さの比を横軸、イオンコレクタでの正イオンの収集確率を縦軸とした場合のグラフ。
　以下、図面を参照して、本発明の三極管型電離真空計の実施形態を説明する。以下においては、図示省略の測定対象物に対する後述のセンサ部の装着方向を上方として説明する。
　図１及び図２を参照して、三極管型極電離真空計ＩＧは、センサ部Ｓと制御部Ｃとから構成される。センサ部Ｓは、真空隔壁としての有底筒状の金属製の容器たるセンサ本体１を備え、その上部に設けたフランジ１１（及び真空シール）を介して図外の真空チャンバ等の測定対象物に着脱自在に取り付けられる。センサ本体１としては、ステンレス、ニッケル、ニッケルと鉄との合金、アルミ合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、タングステン、モリブデン、タンタルまたはこれらから選択された少なくとも二種の合金製で構成される。この場合、金属製のセンサ本体１は、アース接地していることが好ましい。
　センサ本体１は、その内部に、フィラメント２と、フィラメント２の周囲を囲うように同心に配置される、円筒状の輪郭を有するグリッド３と、グリッド３の周囲を囲うように同心に配置される、円筒状のイオンコレクタ４とを備える。フィラメント２としては、イットリアで覆ったイリジウムや、タングステンなどの金属製のものが用いられ、φ０．１～０．２ｍｍの線材をヘアピン状に成形してなるものが用いられる。そして、フィラメント２の両自由端が、センサ本体１の底部を図示省略の絶縁体を介して貫通させてセンサ本体１内に突設した支持ピン２１ａ，２１ｂによりセンサ本体１内の所定位置に位置決め支持される。この場合、支持ピン２１ａ，２１ｂは接続端子（電極）の役割も果たす。フィラメント２は、グリッド３の一端（図１中、下端）に、フィラメント２の挿入方向前端のヘアピン状に折り返す頂部２２ａ側から挿入される。この場合、頂部２２ａが、例えば、グリッド３の母線方向の長さＬ１の中点Ｍｐの近傍に位置するように配置される。
　グリッド３としては、タングステン、モリブデン、表面を白金で被覆したモリブデン、タンタル、白金、イリジウム、白金とイリジウムの合金、ニッケル、ニッケルと鉄との合金、ステンレスまたはこれらから選択された少なくとも二種の合金製のものが用いられる。そして、φ０．１～０．５ｍｍの線材を円筒状の輪郭を有するようにコイル状に巻回して構成される。この場合、グリッド３の孔軸Ｈａ上にフィラメント２の頂部２２ａが位置するようにしている。なお、グリッド３の形態はこれに限定されるものではなく、上記線材を格子状に組み付けて円筒状に成形したものやパンチングメタルまたはフォトエッチングシートを筒状に成形したものであってもよい。グリッド３もまた、センサ本体１の底部を図示省略の絶縁体を介して貫通させてセンサ本体１内に突設した支持ピン３１ａ，３１ｂによりセンサ本体１内の所定位置に位置決め支持される。この場合、支持ピン３１ａ，３１ｂは接続端子の役割も果たす。
　イオンコレクタ４としては、ステンレス、モリブデン、表面を白金で被覆したモリブデン、タンタル、白金、イリジウム、白金とイリジウムの合金、ニッケル、ニッケルと鉄との合金またはこれらから選択された少なくとも二種の合金製のものが用いられる。そして、厚さ５０～３００μｍの矩形の板材を円筒状に成形して構成される。イオンコレクタ４もまた、センサ本体１の底部を図示省略の絶縁体を介して貫通させてセンサ本体１内に突設した支持ピン４１ａ，４１ｂによりセンサ本体１内の所定位置に位置決め支持される。この場合、支持ピン４１ａ，４１ｂは、接続端子の役割も果たす。
　他方、制御部Ｃは筐体Ｆ（図１中、一点鎖線で示す）を備え、筐体Ｆ内にはコンピュータ、メモリやシーケンサ等を備えた制御ユニットＣｕが内蔵されている。制御ユニットＣｕは、後述の各電源の作動や後述の電流計Ａにて測定されたイオン電流値を処理して例えば図示省略のディスプレイに圧力を表示する等の各種制御を統括して行う。また、筐体Ｆ内には、フィラメント２に直流電流を通電してフィラメント２を赤熱（点灯）するフィラメント点灯用の電源Ｅ１と、グリッド３に対してフィラメント２より高い電位をこのグリッド３に与えるグリッド用の電源Ｅ２と、フィラメント２の電位をイオンコレクタ４の電位よりも高くする電源Ｅ３と、イオンコレクタ４を流れるイオン電流を測定する電流計Ａとが内蔵されている。なお、本実施形態では、特に図示して説明しないが、筐体Ｆには上記各電源Ｅ１～Ｅ３に導通した出力端子が設けられ、センサ部Ｓと制御部Ｃとはコネクタ付きケーブルで接続される。また、センサ部Ｓと制御部Ｃとを同一の筐体に組み込んで構成することもできる。
　ここで、フィラメント２として、φ０．１２７ｍｍ、２０ｍｍの長さのイリジウム線をヘアピン状に成形し、イットリアで覆ったもの、グリッド３として、φ０．２５ｍｍの白金クラッドモリブデン線を直径φ１０ｍｍ、母線方向の長さＬ１を２０ｍｍに成形したもの及び、イオンコレクタ４として、厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４製の板材を直径φ１７ｍｍの円筒状に成形したものを用い、これらフィラメント２、グリッド３及びイオンコレクタ４を上記実施形態に従い、内径がφ２５ｍｍの円筒状の真空隔壁１に組み付けた。このとき、イオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２を２０ｍｍ（グリッドの長さＬ１の１００％：「従来品」）としたもの並びに、イオンコレクタ４の母線方向両端が省略されるように、イオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２を１６ｍｍ（グリッドの長さＬ１の８０％：「試験体１」）としたもの、イオンコレクタ４の母線方向長さＬ２を１４ｍｍ（グリッドの長さＬ１の７０％：「試験体２」）としたもの、イオンコレクタ４の母線方向長さＬ２を１２ｍｍ（グリッドの長さＬ１の６０％：「試験体３」）としたもの、イオンコレクタ４の母線方向長さＬ２を１０ｍｍ（グリッドの長さＬ１の５０％：「試験体４」）としたもの及び、イオンコレクタ４の母線方向長さＬ２を２ｍｍ（グリッドの長さＬ１の１０％：「試験体５」）としたものの６個の三極管型電離真空計ＩＧを用意した。
　次に、真空隔壁１に図示省略の所謂基準真空計も取り付けて真空ポンプにより一定の排気速度で真空引きしながら、グリッド電圧１５０Ｖ、フィラメント電流２５Ｖ、イオンコレクタ電流０Ｖ及び、エミッション電流１ｍＡで作動させ、基準真空計及び各三極管型電離真空計にて圧力を夫々測定した。図３は、各三極管型電離真空計にて時間の経過に対する圧力の変化を示すグラフである。これによれば、図３中、点線で示すように、従来品では、真空隔壁１の圧力が１０－５Ｐａ程度まで連続して下降した後、１０－４Ｐａ程度まで再度上昇して平衡になることが確認された。それに対して、試験体１～試験体５では、真空隔壁１の圧力が１０－５Ｐａ程度まで連続して下降して平衡になることが確認された。また、基準真空計に対する従来品及び試験体１～５の感度を夫々測定し、従来品に対する感度比を求めたところ、試験体１では感度比が１００％、試験体２では感度比が８７％であり、試験体３では感度比が７５％、試験体４では感度比が６８％であり、試験体５では感度比が１３％であった。その結果、試験体１では、同等の感度が得られるものの、グリッド３の長さＬ１に対するイオンコレクタ４の母線方向長さＬ２を短くするに従い、感度が低下していくが、測定対象物の圧力測定に影響のない範囲であることが確認された。
　イオンコレクタ４の母線方向長さＬ２と感度の関係は、試験体Ｌ１の５０％（グリッド３の母線方向の長さＬ１の中点Ｍｐを０％とすると、－２５％から＋２５％の範囲）を１σとする正規分布に近い値と言える。即ち、試験体Ｌ１の５０％を１σとした場合のｋ値は、従来品が２０ｍｍ÷１０ｍｍ＝２σ、試験体１が１８ｍｍ÷１０ｍｍ＝１．６σ、試験体２が１４ｍｍ÷１０ｍｍ＝１．４σ、試験体３が１２ｍｍ÷１０ｍｍ＝１．２σ、試験体４が１０ｍｍ÷１０ｍｍ＝１σ、試験体５が２ｍｍ÷１０ｍｍ＝０．２σと計算される。このｋ値から求められる正規分布の確率は、従来品が２σであるから９５％、同様に、試験体１が１．６σであるから８９％、試験体２が１．４σであるから８４％、試験体３が１．２σであるから７７％、試験体４が１．２σであるから６８％、試験体５が０．２σであるから１６％である。その結果、上記における各試験体１～５の感度比に近似した値になっていることが判る。
　グリッド３の母線方向の長さＬ１の中点Ｍｐを０％とした場合のイオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２の比を横軸、イオンコレクタ４での正イオンの収集確率を縦軸とした場合をグラフに表すと、図４のようになると考えられる。以上から、イオンコレクタ４の中央領域では、正イオンが衝突する確率が比較的高く、正イオンを多く捕集している一方で、イオンコレクタ４の中央領域からその両端に向かうに従い、正イオンが衝突する比較的確率が低くなり、その両端部では、正イオンの捕集に殆ど寄与しないと考えられる。そして、従来品では、正イオンの衝突確率が低いイオンコレクタ４の両端部で弱結合の分子層（酸化層など）として堆積し（つまり、気体分子が溜め込まれ）、測定限界値付近の圧力まで下降した後、堆積した分子層に正イオンが衝突することで放出される粒子の量が徐々に多くなっていくのに従い、圧力指示値が上昇し、その後、粒子の放出と、放出された粒子の再吸着や排気との均衡が保たれると、所定圧力（例えば、１０－４Ｐａ）で平衡になると考えられる。
　なお、本実施形態のセンサ本体１では、フィラメント２の周囲を囲うように同心に円筒状のイオンコレクタ４が配置されているため、圧力測定時、例えば支持ピン４１ａ，４１ｂへの抜熱によりイオンコレクタ４にはその母線方向中央から両端にかけて温度分布が生じている（吸着等温線）。この温度分布に基づいて粒子の吸着量に差が存在するはずであるが、上記実験結果及び検出感度の変化率からすると、温度分布の存在は支配的な要因と考え難い。また、イオンコレクタ４の母線方向両端での軟Ｘ線の発生とその入射の影響も考えられるが、この影響は、電離真空計の測定限界より一桁低い、１０－６Ｐａ程度の圧力範囲で支配的な現象であり、また、上記実験結果からしても支配的な要因と考え難い。
　そこで、本実施形態では、上記知見に基づき、イオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２をグリッド３の母線方向の長さＬ１の６％～８０％の範囲に設定し、イオンコレクタ４の母線方向の長さをフィラメント２の母線方向の長さと同等とした場合（つまり、従来品）において、正イオンの衝突確率が比較的低いイオンコレクタ４の両端部がグリッド３の母線方向の長さＬ１に対するイオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２を短く設定するという極めて簡単な構成で実質的に省略されるようにした。つまり、イオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２を、グリッド３の母線方向の長さＬ１より短くし、イオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２の中点が、グリッド３の母線方向の長さＬ１の中点Ｍｐの近傍に位置するように配置した場合に、グリッド３の上下方向の端部がイオンコレクタ４の上下端か夫々上方及び下方に突出するようにした。
　これによれば、測定対象物に取り付けて圧力を測定するとき、高真空領域でのイオンコレクタ４表面から放出される粒子の影響が可及的に抑制され、結果として、正確に測定対象物の圧力を測定することができる。しかも、イオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２を、グリッド３の母線方向の長さＬ１の６％～８０％の範囲に設定したため、感度低下の影響を受けずに測定対象物内の圧力を正確に測定することができる。ここで、上記感度比及び図４のグラフから、イオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２がグリッド３の母線方向の長さＬ１の６．３％の場合、感度が１０％を下回ると考えられる。この場合、感度をＳ、イオンコレクタ４を流れるイオン電流をＩｉ、フィラメント２とグリッド３との間のエミッション電流をＩｅ、圧力をＰとすると、Ｉｉ＝Ｉｅ×Ｓ×Ｐの関係式が成立し、Ｓが小さくなる程、Ｉｉも小さくなる。このため、イオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２がグリッド３の母線方向の長さＬ１の６％以下になると、感度が１０％以下になり、Ｉｉも１０％以下と小さくなる。その結果、電気ノイズに弱くなって、微小電流計測回路として高価なものを用いる必要が生じ、グリッド３の母線方向の長さＬ１の６％より短くなると、実用的ではない。他方、グリッド３の母線方向長さを８０％より長くすると、イオンコレクタ４の母線方向の両端部での粒子の放出の影響を受けて測定誤差が生じ得る。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、フィラメント２の頂部２２ａとイオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２の中点とがグリッド３の母線方向の長さＬ１の中点Ｍｐの近傍に位置するものを例に配置しているが、これに限定されるものではなく、フィラメント２に通電して熱電子を放出させるときの電子放出効率が所定値を超えて低下しない範囲でグリッド３に対するフィラメント２の位置を上方または下方に適宜ずらすことができる。また、フィラメント２としては、例えば、ストレート形状のものやコイル状に巻回したものを用いることもでき、この場合、電子放出効率が高い領域が、グリッド３の母線方向の長さＬ１の中点Ｍｐ近傍に位置するように配置される。更に、ヘアピン状に成形されたフィラメント２を用いる場合、その頂部２２ａが最も加熱されるため、熱電子の放出量も最も多いと考えられるので、フィラメント２の頂部２２ａの位置に応じて、正イオンの収集効率が低下しない範囲でグリッド３に対するイオンコレクタ４の位置を上方または下方にずらすことができる。
　また、上記実施形態では、イオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２をグリッド３の母線方向の長さＬ１より短くし、イオン電流からの圧力測定時、正イオンの衝突確率が比較的低いことでイオンの捕集に寄与しない一方でその表面に分子層として堆積し得る粒子放出領域全体を省略するものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、従来例のように、イオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２とグリッド３の母線方向の長さＬ１とを同等にし、両者を同心状に配置しているものにて、グリッド３の母線方向の長さＬ１に対するイオンコレクタ４の母線方向の長さＬ２の６％～８０％の範囲を除くイオンコレクタ４の両端部に、圧力上昇を招かないように可及的に大きな面積となるように開口を設け、粒子放出領域を部分的に省略してもよい。更に、上記実施形態では、イオンコレクタ４として矩形の板材を円筒状に成形したものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、帯状の線材を格子状に組み付けて円筒状に成形したものやパンチングメタルまたはフォトエッチングシートを筒状に成形したものを用いることもできる。この場合、イオンコレクタ４の有効捕集面積が、上記実施形態と同様、Ｌ１の５０％を１σとする正規分布に沿った比率で構成されていればよく、求める感度に応じて適宜変更を加えてもよい。
　ＩＧ…三極管型電離真空計、Ｓ…センサ部、Ｃ…制御部、１…金属製のセンサ本体（真空隔壁）、２…フィラメント、３…グリッド、４…イオンコレクタ、Ａ…電流計、Ｍｐ…（グリッドの母線方向における）中点。

Claims (3)

  1. 　測定対象物に装着されてその内部の圧力を検出する三極管型電離真空計であって、フィラメントと、フィラメントの周囲に配置される筒状の輪郭を有するグリッドと、グリッドの周囲に同心に配置される筒状のイオンコレクタとを備え、フィラメントに通電してこのフィラメントを点灯させて熱電子を放出させ、フィラメントより高い電位をグリッドに付与し、このグリッド周辺で熱電子と衝突して生じた気体原子、分子の正イオンをイオンコレクタで捕集し、このときのイオン電流から圧力を検出するものにおいて、
    　イオンコレクタの母線方向の両端部の粒子放出領域が省略されるように構成したことを特徴とする三極管型電離真空計。
  2. 　前記イオンコレクタの母線方向の長さをグリッドの母線方向の長さの６％～８０％の範囲に設定し、イオンコレクタの母線方向の粒子放出領域を省略したことを特徴とする請求項１記載の三極管型電離真空計。
  3. 　前記フィラメントと、前記グリッドと、前記イオンコレクタとを金属製の真空隔壁内に収納したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の三極管型電離真空計。
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