(57)【要約】【課題】小粒径カソード材料を使用するイオンポンプ希ガス安定性に関する技術を提供する。【解決手段】方法は、複数のチタンプレートを各プレートに対する粒径を決定するために評価する段階と、閾値サイズよりも大きい平均粒径を有する全てのチタンプレートを複数のチタンプレートから除去する段階とを含む。除去する段階の後で複数のチタンプレートに残っているチタンプレートのうちの１つは、次に、イオンポンプのためのカソードを形成するのに使用される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のチタンプレートを評価して各プレートに対する粒径を決定する段階と、
前記複数のチタンプレートから閾値サイズよりも大きい平均粒径を有する全てのチタンプレートを除去する段階と、
前記除去する段階の後で前記複数のチタンプレートに残っている該チタンプレートのうちの１つを使用してイオンポンプのためのカソードを形成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記閾値粒径は、９のＡＳＴＭ粒数を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数のチタンプレートは、単一等級のチタンプレートを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記閾値サイズよりも大きい粒径を有する前記チタンプレートを除去する段階は、該複数のチタンプレートに残っている該チタンプレートのうちの１つを含有するイオンポンプが希ガス不安定性を招くことになる可能性を低減することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記閾値サイズよりも大きい粒径を有する前記チタンプレートを除去する段階は、該複数のチタンプレートに残っている該チタンプレートのうちの１つを含有するイオンポンプがアルゴン不安定性を招くことになる可能性を低減することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
カソードプレートが閾値サイズよりも小さい平均粒径を有することを要求する段階と、
前記カソードプレートからイオンポンプを構成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記閾値サイズよりも小さい平均粒径を有するカソードプレートが、該閾値サイズよりも大きい平均粒径を有するカソードプレートよりも頻度の少ない希ガス不安定性を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記閾値粒径は、９のＡＳＴＭ粒数を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
カソードプレートが閾値サイズよりも小さい平均粒径を有することを要求する段階は、該カソードプレートのための材料が該材料の該平均粒径を決定するために分析されることを要求する段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記カソードは、チタンで作られることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記カソードは、単一等級のチタンで作られることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
イオンポンプ内のカソードプレートに対する最大平均粒径を設定する段階と、
前記最大粒径よりも小さいか又はそれに等しい平均粒径を有するカソードプレートを使用して前記イオンポンプを構築する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記カソードプレートは、チタンを含有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記最大平均粒径を設定する段階は、前記イオンポンプ内の希ガス不安定性を低減するように該最大平均粒径を設定する段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記イオンポンプ内の希ガス不安定性を低減するように前記最大平均粒径を設定する段階は、該イオンポンプ内のアルゴン不安定性を低減するように該最大平均粒径を設定する段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記最大平均粒径は、９のＡＳＴＭ粒数を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記カソードプレートは、等級２のチタンで作られることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記カソードプレートは、等級５のチタンで作られることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
超高真空は、１０-7パスカル（１０-9ｍｂａｒ、約１０-9トル）よりも低い圧力によって特徴付けられる真空レジームである。イオンポンプは、超高真空を確立するために一部の設定に使用される。イオンポンプでは、円筒アノードチューブのアレイが、各チューブの開口部がカソードプレートのうちの１つに面するように２つのカソードプレート間に配置される。電位は、アノードとカソードの間に印加される。同時に、カソードプレートの両側の磁石が、アノード円筒の軸線に整合した磁場を発生させる。
【０００２】
イオンポンプは、電位と磁場との組合せを通して円筒アノード内で電子を捕捉することによって作動する。ガス分子がアノードのうちの１つに流れ込む時に、捕捉された電子は、分子に衝突して分子をイオン化させる。得られる正に荷電されたイオンは、カソードプレートのうちの１つに向けてアノードとカソード間の電位によって加速され、剥離電子を他のガス分子の更に別のイオン化に使用されるように円筒アノードに残す。正に荷電されたイオンは、最終的にカソードによって捕捉され、かつそれによって真空空間から除去される。典型的に、正に荷電されたイオンは、正に荷電されたイオンがカソードからの材料をポンプの真空チャンバの中にスパッタさせるスパッタリング事象を通して捕捉される。このスパッタ材料は、ポンプ内の面を被覆し、かつポンプ内を移動する追加の粒子を捕捉するように作用する。
【０００３】
以上の議論は、単に一般的な背景情報のために与えており、特許請求する主題の範囲を決定する助けとして使用するように意図していない。特許請求する主題は、「背景技術」に示すいずれか又は全ての欠点を解決する実施に限定されない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
方法は、複数のチタンプレートを評価して各プレートに関する粒径を決定する段階と、複数のチタンプレートから閾値サイズよりも大きい平均粒径を有する全てのチタンプレートを除去する段階とを含む。除去する段階の後に複数のチタンプレートの中に残っているチタンプレートのうちの１つが、次に、イオンポンプのためのカソードを形成するのに使用される。
【０００５】
更に別の実施形態により、方法は、カソードプレートが閾値サイズよりも小さい平均粒径を有することを要求する段階と、そのカソードプレートからイオンポンプを構成する段階とを含む。
【０００６】
更に別の実施形態により、方法は、イオンポンプ内のカソードプレートに対する最大平均粒径を設定する段階と、最大粒径よりも小さい平均粒径を有するカソードプレートを使用してイオンポンプを構築する段階とを含む。
【０００７】
この「発明の概要」は、「発明を実施するための形態」に以下でより詳細に説明する一連の概念を簡素化した形態で導入するために提供したものである。この「発明の概要」は、特許請求する主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定するように意図しておらず、特許請求する主題の範囲を決定する助けとして使用するようにも意図していない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来技術のイオンポンプの断面図である。
【図２】捕捉されたアルゴンがカソードプレートから再放出されていない時の一定のアルゴン源の存在下でのイオンポンプ内の圧力のグラフである。
【図３】捕捉されたアルゴンがカソードプレートから再放出されているがイオンポンプが安定に留まる時の一定のアルゴン源の存在下でのイオンポンプ内の圧力のグラフである。
【図４】捕捉されたアルゴンがカソードプレートから再放出されてイオンポンプが不安定になる時の一定のアルゴン源の存在下でのイオンポンプ内の圧力のグラフである。
【図５】アルゴン不安定性の可能性を低減するようにイオンポンプを製造する方法の図である。
【図６】様々な粒径のチタンカソードプレートから構成されたイオンポンプに対する平均ピークドリフト、最大ピークドリフト、及びピークドリフトの標準偏差の図表である。
【図７】様々な粒径のチタンカソードプレートから構成されたイオンポンプに対するピークドリフト頻度及び不安定性頻度の図表である。
【図８】カソードプレートの面上の垂直構造に対する「マイクロバルクＸ線蛍光分光計」結果のグラフを与える図である。
【図９】様々な粒径のチタンカソードプレートの面の拡大画像を含む図である。
【図１０】様々な粒径のチタンカソードプレートの面上に形成された垂直構造の場所を示すバイナリ画像を含む図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、従来技術のイオンポンプ１００の断面図を提供している。イオンポンプ１００は、真空にされるシステムに接続するための接続フランジ１０６に溶接されたチャンバ壁１０４によって定められた真空チャンバ１０２を含む。２つのフェライト磁石１０８及び１１０が、チャンバ壁１０４の外部に配置され、かつイオンポンプ１００の両側に装着される。磁束ガイド１１２が、フェライト磁石１０８及び１１０の各々の外側に位置決めされ、かつイオンポンプ１００の下に延びて矢印１３０及び１３２によって示すようにフェライト磁石１０８及び１１０の各々の外部の間で磁束を案内する。フェライト磁石１０８及び１１０は、真空チャンバ１０２を通過する磁束Ｂを生成する。
【００１０】
真空チャンバ１０２内では、円筒アノード１１４のアレイが、各アノード円筒の開口部がカソードプレートに面するように２つのカソードプレート１１６及び１１８の間に位置決めされる。
【００１１】
円筒アノード１１４及びチャンバ壁１０４は、接地電位に維持され、一方でカソードプレート１１６及び１１８は、電力ケーブル１２２によってイオンポンプ１００に接続された外部電源１２０によって負電位に維持される。一部の実施形態により、円筒アノード１１４とカソードプレート１１６及び１１８との間の電位差は７ｋＶである。
【００１２】
作動において、フランジ１０６は、真空にされるシステムのフランジに接続される。フランジが接続された状態で、真空にされるシステム内の粒子は、真空チャンバ１０２の中に進行し、かつ最終的に円筒アノード１１４のうちの１つの内部の中に移動する。磁場Ｂと、アノード１１４とカソードプレート１１６及び１１８間の電位との組合せは、電子を円筒アノード１１４の各々の中に捕捉させる。円筒アノード１１４内に捕捉されるが、電子は、粒子が円筒アノード１１４に入る時にそれらが捕捉された電子によって衝突されて粒子をイオン化させるように動いている。得られる正に荷電されたイオンは、アノード１１４とカソードプレート１１６及び１１８間の電位差によって加速され、正に荷電されたイオンを円筒アノード１１４の内部からカソードプレート１１６及び１１８のうちの１つに向けて移動させる。
【００１３】
イオンは、カソードプレート１１６／１１８に衝突し、カソードプレートからの材料をカソードプレート１１６／１１８から離して外向きにスパッタさせ、かつイオンをカソードプレート１１６／１１８内に埋め込ませる。これは、ポンプからイオン除去し、それによってイオンポンプ内の圧力を低減する。
【００１４】
標準イオンポンプでは、カソードプレート１１６及び１１８は、両方ともチタンで作られる。しかし、両方のカソードプレートをチタンで作ると、大量のアルゴンのような希ガスをポンピングする時にポンプ不安定性がもたらされることが見出されている。ポンプ不安定性中に、以前に捕捉されていた希ガスが、イオンポンプがそれらを除去することができるよりも速い速度で、カソードプレートからポンプの中に再放出される。その結果は、１００，０００％ほども大きいポンプ圧力の急上昇が生じる。
【００１５】
この問題に対処するために、従来技術は、カソードプレートの一方がタンタルで構成され、他方がチタンで構成された希ダイオードイオンポンプ（ＤＩポンプ）を作成した。これは、ポンプ不安定性の発生を低減したが、一部のＤＩポンプは、依然としてポンプ不安定性を示している。
【００１６】
図２、図３、及び図４は、ポンプがアルゴンの再放出を受けない時（図２）にポンプがアルゴンの再放出を受けるが放出が小さくて安定しており（図３）、ポンプが再放出を受けて不安定性の期間に入り、そこでは圧力が劇的に上昇する（図４）という条件の下での従来技術のイオンポンプに対するポンプ圧力のグラフを示している。図２、図３、及び図４の各々では、時間は、それぞれの水平軸２００、３００、及び４００に沿って示されており、圧力は、それぞれの垂直軸２０２、３０２、及び４０２上に対数目盛に沿って示されている。図２に示すように、イオンポンプが、アルゴンの一定の入力ストリームに露出されてアルゴンの再放出を受けない時に、ポンプ圧力は、一定のレベル２０４に維持される。図３に示すように、イオンポンプがアルゴンの再放出を受ける時に、ポンプ圧力は、安定レベル２０４で始まり、ピーク３０４を上昇させ、圧力３０４及び２０４間の差は、ピークドリフト３０６として指定されている。圧力の増加中に、アルゴンは、カソードプレートがアルゴンを再捕捉することができるよりも速い速度でカソードプレートから再放出されている。ピーク３０４に達した後に、放出速度は、再捕捉速度よりも小さくなり、圧力は、安定圧力３０８に達するまで再度低下し始める。安定圧力３０８は、図２の安定圧力２０４とは異なり、２つの安定圧力間の差は、ドリフトファイナル３１０と呼ばれていることに注意されたい。従って、ピーク圧力の後でさえも、カソードプレートは、アルゴンをイオンポンプの中に再放出し続け、それによりカソードプレートがアルゴンを再放出していない時に取得可能なより低い圧力レベル２０４にイオンポンプが達するのを防止する。
【００１７】
図４に示すように、時には、アルゴンの再放出は、指数関数的に上昇する可能性があり、安定圧力２０４よりも一桁超えて大きいピークドリフト４０６を有するピーク圧力４０４をもたらす。この急速圧力増加は、超高真空環境を失わせ、それにより超高真空で行われている実験又は製造工程を失敗させる。
【００１８】
従来技術では、希ガス不安定性は、ランダム事象であるように見えた。一部のＤＩポンプは、そのような不安定性を受けたが、他のＤＩポンプはそうではなく、どのＤＩポンプが不安定になる可能性が高いかを予想する方法はなかった。その結果、製造工程を通してポンプ不安定性の発生を低減する方法はなかった。
【００１９】
本発明の実施形態は、チタンカソードプレートがイオンポンプの構成に使用されるように最大粒径を有することを要求することにより、希ガス不安定性を低減する方法を提供する。
【００２０】
金属では、原子は、結晶構造内で互いにリンクされている。典型的に、複数の結晶構造が、金属サンプル内に存在し、かつ互いに異なる向きを有する。各異なる結晶構造は、粒子と呼ばれ、２つの異なる結晶構造が出会う場所は、粒界と呼ばれる。粒子を横切る線に沿った２つの粒界間の距離は、粒径と呼ばれる。金属サンプル内の粒径は、粒子によってかなり異なる。それにも関わらず、一部の金属サンプルは、他の金属サンプルよりも大きい平均粒径を有する。ＡＳＴＭ試験方法Ｅ１１２として公知のサンプルの粒径を評価するための１つの技術は、線に沿った粒界の個数の測定を伴う。この個数は、次に、測定が行われた倍率及び使用された線の長さを補償する関数に適用される。関数によって計算された値は、典型的には、粒数と呼ばれる整数である。粒数は遭遇した粒界の個数に基づくので、より小さい平均粒径を有するサンプルは、より大きい粒数を有し、その理由は、より小さい粒径を有するサンプルの固定長において、より大きい粒径を有するサンプル内よりも多くの粒界が存在することになるからである。従って、２の粒数を有するサンプルは、１０の粒数を有するサンプルよりも大きい粒径を有する。粒径を決定する他の方法は、特定の倍率で単位面積内の粒界の個数を決定する。以下に説明する実施形態では、粒数のためのＡＳＴＭ規格が使用されるが、いずれの規格も使用することができる。
【００２１】
図５は、一実施形態によりイオンポンプを形成する方法を示す。図５の段階５００では、最大粒径が、閾値よりも小さい平均粒径を有することを各カソードプレートに要求することにより、カソードプレートに関して設定される。段階５０２では、チタンのシートが形成され、段階５０４では、シートは、プレートに切断される。段階５０６では、プレートが選択され、段階５０８では、プレートは、その粒径を決定するために評価される。例えば、ＡＳＴＭ方法Ｅ１１２を使用して、平均粒径を表す粒数を決定することができる。平均粒径の同じ組に対してＡＳＴＭ方法とは異なる粒数を生成する代替方法を使用して粒数を形成することができる。段階５１０では、決定された平均粒径は、閾値と比較される。この比較は、段階５０８で決定された粒数を段階５００で与えられた閾値粒数に対して比較する段階を伴うことができる。粒径の代わりに粒数を使用する時に、段階５１０で行われる比較は、プレートの測定された粒数が段階５００で与えられた最小閾値粒数よりも小さいか否かを決定する。
【００２２】
平均粒径が最大粒径閾値を超える場合（又は同等に、粒数が最小粒数閾値よりも小さい場合）、プレートは、段階５１２で除去され、イオンポンプを構築するのに使用されない。段階５１０で平均粒径が最大粒径閾値を超えない場合（又は同等に、粒数が最小粒数閾値よりも小さくない場合）、プレートは、段階５１４でイオンポンプを構築するのに使用される。
【００２３】
段階５１２又は段階５１４の後に、工程は、段階５１６で評価すべき更なるプレートが存在するかを決定する。評価すべき更なるプレートが存在する場合に、工程は、段階５０６に戻って次のプレートを選択する。段階５０８−５１６は、次に、次のプレートに対して繰り返される。全てのプレートが処理された時に、図５の方法は、段階５１８で終了する。
【００２４】
上記実施形態は、平均粒径に対して全てのプレートを試験するが、他の実施形態では、チタンのシートの単一サンプルが試験され、サンプルの平均粒径が閾値を超える場合に、チタンのシート全体が、カソードプレートがシートから形成されないように除去される。サンプルの平均粒径が閾値を超えない場合に、シートは、次に、イオンポンプを構築するのに使用されるプレートに切断される。
【００２５】
一部の実施形態により、平均粒径が閾値粒径よりも小さいことを要求することに加えて、チタンプレートは、特定のＡＳＴＭ等級のものである必要があり、ここで等級は、チタンプレートに存在する他の要素のタイプ及び量を示すが、それ自体は粒径を識別しない。１つの特定の実施形態により、カソードプレートは、ＡＳＴＭ粒数９によって説明される最大平均粒径を有する等級２のチタンで形成しなければならない。
【００２６】
一実施形態により、閾値粒径は、各イオンポンプが９よりも小さくないＡＳＴＭ粒数を有する平均粒径を含有するチタンプレートで構成されるように設定される。９又はそれよりも大きいＡＳＴＭ粒数を有するチタンプレートを使用することにより、本発明者は、希ガス不安定性及び特にアルゴン不安定性の発生が低下し、一部の場合に、生成されたイオンポンプから完全に除去することができることを見出している。従って、希ガス及び特にアルゴンガス不安定性の可能性は、図５の方法により低下する。
【００２７】
９又はそれよりも大きい粒数を有するチタンプレートで構成されたイオンポンプの性能を評価するために、本発明者は、粒数２、８、９、１０、及び１４のチタンプレートでイオンポンプを構成した。各イオンポンプに対するピークドリフトは、次に、最大ピークドリフト、平均ピークドリフト、及びピークドリフトの標準偏差を決定するために測定された。図６は、各粒数に対して平均ピークドリフト、最大ピークドリフト、及びピークドリフトの標準偏差を示す図表を提供している。垂直軸６００は、それぞれアルゴンが放出されない時の安定したイオンポンプのピークドリフト及び標準偏差をピークドリフトと標準偏差のパーセントとして示している。図６では、垂直軸６００は、対数目盛の上に重なっている。粒数２及び８を有するサンプルに対する平均ピークドリフト６０２及び６０４、及び最大ピークドリフト６０６及び６０８は、それぞれ粒数９、１０、及び１４を有するサンプルに対する平均ピークドリフト６１０、６１２、及び６１４、及び最大ピークドリフト６１６、６１８、及び６２０よりもかなり大きい。特に、粒数２及び８を有するサンプルの平均及び最大ピークドリフトは、粒数９、１０、及び１４のサンプルに対するものよりも数桁大きいように示されている。
【００２８】
図７は、粒数２、８、９、１０、及び１４を有するサンプルに対してピークドリフトの頻度及びアルゴン不安定性の頻度のグラフを提供している。頻度は、行われた試験の回数のパーセントとして垂直軸７００上に示されている。ドリフトピークの頻度は、それぞれ粒数２、８、９、１０、及び１４を有するサンプルに対してバー７０２、７０６、７１０、７１２、及び７１４によって示されている。バー７０４及び７０８は、それぞれ粒数２及び８を有するサンプルに対するアルゴン不安定性の頻度を示している。図７に示すように、粒数９、１０、及び１４を有するサンプルは、いずれのアルゴン不安定性も招かないが、粒数２及び８を有するサンプルは、頻繁に不安定性を招き、粒数２のサンプルは、その時間の４０％にわたってアルゴン不安定性を招いた。
【００２９】
粒径に基づく不安定性の根本原因は、スパッタリング中のチタンの面上の垂直構造の構成に関連するように見える。これらの構造は、１つのそのような構造に対する「マイクロバルクＸ線蛍光分光計」結果のグラフを提供する図８に示すようにアルゴンを封入している。図８では、ピーク８００及び８０２は、垂直構造に存在しているアルゴンに関連付けられ、ピーク８０４及び８０６は、垂直構造に存在しているチタンに関連付けられる。垂直構造に見出される封入アルゴンは、構造が圧潰又は破砕する時に放出されると考えられる。しかし、不安定性の根本原因は、様々な実施形態には無関係である。
【００３０】
図９は、それぞれ８、９、１０、及び１４の粒数を有するチタンカソードプレートに対する拡大画像９００、９０２、９０４、及び９０６を提供している。拡大画像では、捕捉されたアルゴンを含有する垂直構造は、カソードプレートの比較的滑らかな面の上の光点として現れる。見ることができるように、粒数８走査９００を粒数９走査９０２と比較すると、粒数８のサンプルの垂直構造の高さは、粒数９のサンプルの垂直構造の高さよりも高いように見える。更に、そのような垂直構造で覆われた面のパーセントは、より大きい粒数（より小さい粒径）と共により小さくなるように見える。これは、粒数８、９、１０、及び１４を有するサンプルの画像１０００、１００２、１００４、及び１００６を提供する図１０により明確に見ることができる。図１０の画像は、図１０よりも低倍率であり、垂直構造は暗領域として示されているが、プレートの平坦な面は白色で示されている。図示のように、粒数８面１０００の３２％が垂直構造で覆われ、粒数９面１００２の３１％が垂直構造で覆われ、粒数１０面１００４の８％が垂直構造で覆われ、粒数１４面１００６の３％が、垂直構造で覆われている。
【００３１】
従って、これらの垂直面の形成及び恐らくは破壊は、より小さい粒径を使用することにより、本発明がこれらの構造のサイズ又は頻度のいずれかを低減し、かつそれによってアルゴン不安定性の発生を低減するという点で、アルゴン不安定性に寄与するように見える。
【００３２】
以上の議論は、アルゴン及びアルゴン不安定性に言及するが、本発明は、あらゆる希ガスと共に使用して希ガス不安定性を低減することができる。
【００３３】
要素は、上述の別々の実施形態として図示又は説明された場合もあるが、各実施形態の各部分は、上述の他の実施形態の全て又は一部と組み合わせることができる。
【００３４】
主題は、構造的特徴及び／又は方法的行為に特定の言語で説明された場合もあるが、添付の特許請求の範囲に定められた主題は、上述の特定の特徴又は行為に必ずしも限定されないことは理解されるものとする。むしろ、上述の特定の特徴及び行為は、特許請求の範囲を実施するための例示的形態として開示したものである。
【００３５】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細に変更を行うことができることを認識するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2019083192000001.pdf