(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験体に装着されてその内部の圧力を検出する熱陰極電離真空計であって、
ヘアピン状に成形されたフィラメントと、筒状の輪郭を有するグリッドと、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、
前記フィラメントが、その両自由端を支持ピンに接続して当該支持ピンでのみ支持される状態で前記グリッド内に配置され、フィラメントの頂部を、グリッドの高さの２／５〜３／５の範囲内であるグリッドの母線方向の中央領域に位置させることを特徴とする熱陰極電離真空計。
【請求項２】
前記フィラメントと、グリッドと、イオンコレクタとが金属製の真空隔壁内に収納されることを特徴とする請求項１記載の熱陰極電離真空計。
【請求項３】
前記フィラメントは、タングステンとレニウムとの合金で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱陰極電離真空計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器等の試験体内の圧力（全圧）を測定するための熱陰極電離真空計に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、真空処理装置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）熱陰極電離真空計が一般に知られている。
【０００３】
熱陰極電離真空計は、試験体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、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筒状のイオンコレクタとを備えてなる（例えば、特許文献１参照）。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試験体内の圧力が検出される。
【０００４】
従来、フィラメントは、グリッド内の一側開口側にヘアピン状に折り返す頂部側から挿入され、当該頂部がグリッドの他側開口近傍に位置するように設置されていた（特許文献１、図１参照）。この場合、フィラメントは、グリッドの母線方向の長さと略一致する高さを有するように形成される。これは、グリッド内で熱電子が放出される領域を可能な限り広く取るためであると考えられる。
【０００５】
然しながら、上記従来例のものにてフィラメントに通電したとき、頂部の温度が最も高くなり、その両自由端に向かって温度が低くなる温度勾配を持つため、当該頂部での熱電子の放出量が局所的に多くなる。このため、上記従来例の如く、頂部がグリッドの他側開口近傍に位置するように設置されていると、通電電力が増加してフィラメントが熱変形したときに、熱電子が放出される領域（以下、「熱電子放出領域」という）が変動してグリッド周辺でのみかけのイオン化率が変化し、その結果、熱陰極電離真空計の感度の安定性に欠けるという問題がある。しかも、上記従来例のものでは、グリッドの長さに応じてフィラメントを長くせざるを得ないため、その自重でも熱電子放出領域が変動し易く、一層感度の安定性に欠ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３４３３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、熱変形や自重により熱電子放出領域が変動してもみかけのイオン化率の変化を抑制でき、長時間に亘って感度の安定性が良い熱陰極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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、試験体に装着されてその内部の圧力を検出する熱陰極電離真空計であって、ヘアピン状に成形されたフィラメントと、筒状の輪郭を有するグリッドと、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、前記フィラメントを前記グリッド内にヘアピン状に折り返す頂部側から挿設し、このフィラメントの頂部をグリッドの母線方向の中央領域に位置させることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、フィラメントに直流電流を通電してこのフィラメントを点灯（赤熱）させると、主として頂部から熱電子が放出される。そして、グリッドとフィラメントとの間の電位差に相当するイオン化電圧で熱電子がグリッド側に引き込まれる。このとき、熱電子が最も放出されるフィラメントの頂部をグリッドの母線方向の中央領域に位置させる構成を採用して、フィラメントの挿入方向前方にグリッドで囲繞されてグリッド電位と同等の電位分布の空間が存在するようにしたため、この空間で熱電子がグリッドへと積極的に引っ張れる、言い換えると、イオン化される領域が増える。しかも、フィラメントは、上記従来例のものと比較して半分程度の高さに形成されるため、自重による変形の影響も少ない。従って、通電時間の増加に伴うフィラメントの熱変形や自重により熱電子放出領域が変動しても、みかけのイオン化率は然程変化せず、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。
【００１０】
なお、本発明において、「中央領域」とは、グリッドの母線方向の中点を含むグリッドの母線（高さ）方向における一定の領域をいい、具体的には、グリッドの母線方向の長さ（高さ）の２／５〜３／５の範囲に頂部が位置すればよい。３／５を超えると、電子を引き出すための電場が、電子が放出されやすいフィラメントの頂部に集中しないので、電子の放出効率が低下する、つまり、フィラメントにかかる電力が増大すると共に、イオン化するための電子が飛行する領域が狭くなって感度が悪くなり、しかも、フィラメントが長くなることによる変形が起こりやすくなって感度変化が大きくなる、という不具合が生じる。他方で、２／５より小さいと、電子の飛行距離が長くなると共に、生成されたイオンの飛行距離も長くなるので、高い圧力における荷電粒子（ここでは電子及びイオン）対中性粒子（気体分子）の衝突頻度が多くなることによる感度の低下が起きるという不具合が生じる。
【００１１】
ところで、上記従来例のように、フィラメントと、グリッドと、イオンコレクタとがガラス製の真空隔壁内に収納されていると、このガラス表面に熱電子がチャージアップし、この真空隔壁で囲繞された空間内の電位分布が変化し、イオン化率が低下する等の不具合が生じる。そこで、前記フィラメントと、グリッドと、イオンコレクタとが金属製の真空隔壁内に収納される構成を採用すれば、熱電子のチャージアップを防止して、真空隔壁で囲繞された空間内の電位分布を常時一定に保持されるため、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。
【００１２】
また、本発明においては、前記フィラメントは、タングステンとレニウムとの合金で構成されることが好ましい、これによれば、熱変形や自重による変形を抑制でき、熱電子放出領域の変動を抑制できてよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の電離真空計の構成を模式的に示す図。
【図２】センサ部を拡大して示す模式的に示す図。
【図３】発明品のグリッド内の電位分布を示す図。
【図４】比較品のグリッド内の電位分布を示す図。
【図５】本発明の効果を示す実験結果のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を三極管型の熱陰極電離真空計を例に説明する。以下においては、図示省略の試験体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。
【００１５】
図１及び図２を参照して、熱陰極電離真空計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、有底筒状の金属製の容器（エンベロープ）たるセンサ本体１を備え、その縮径させた上部先端に形成したフランジ１１（及び真空シール）を介して図外の真空チャンバ等の試験体に着脱自在に取り付けられる。センサ本体１としては、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、真空隔壁を構成する。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。
【００１６】
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、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、筒状の輪郭を有するイオンコレクタ４とを備える。フィラメント２としては、このフィラメント２に通電することで点灯（赤熱から白熱）させたときの２０００〜２５００℃の温度範囲において高い機械的強度を有するように、レニウムの重量比が３〜２６重量％であるタングステンとレニウムの合金製で、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。
【００１７】
フィラメント２は、グリッド３内の一側（図１中、下端）開口側に、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２２側から挿入され、当該頂部２２が、グリッド３の母線方向における中点Ｍｐの近傍たる中央領域に位置するように配置されている。なお、「中央領域」とは、グリッド３の母線方向の長さ（高さ）をｌとし、その中点Ｍｐを含むグリッド３の高さ方向における一定の領域をいい、具体的には、グリッド３の高さの２／５〜３／５の範囲に頂部２２が位置すればよい。３／５を超えると、電子を引き出すための電場が、電子が放出されやすいフィラメント２の頂部２２に集中しないので、電子の放出効率が低下する、つまり、フィラメント２にかかる電力が増大すると共に、イオン化するための電子が飛行する領域が狭くなって感度が悪くなり、しかも、フィラメントが長くなることによる変形が起こりやすくなって感度変化が大きくなる、という不具合が生じる。他方で、２／５より小さいと、電子の飛行距離が長くなると共に、生成されたイオンの飛行距離も長くなるので、高い圧力における荷電粒子（ここでは電子及びイオン）対中性粒子（気体分子）の衝突頻度が多くなることによる感度の低下が起きる、という不具合が生じる。
【００１８】
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の線材を円筒形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２２が位置するようになる。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は、接続端子の役割も果たす。
【００１９】
イオンコレクタ４としては、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形状の輪郭を有するよう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は、接続端子の役割も果たす。
【００２０】
他方、制御部Ｃは筐体Ｆ（図２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手段Ｃ１が内蔵されている。制御手段Ｃ１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。
【００２１】
なお、本実施形態では、特に図示して説明しないが、筐体Ｆには上記各電源に導通した出力端子が設けられ、センサ部Ｓと制御ユニットＣとはコネクタ付きケーブルにて接続される。また、センサ部Ｓと制御ユニットＣとを同一の筐体に組み込んで構成することもできる。
【００２２】
次に、上記熱陰極電離真空計の使用例を説明する。センサ部Ｓを、フランジ部１１及び図示省略の真空シールを介して図外の試験体のテストポートに装着した後、試験体内を真空ポンプにより真空排気し、所定真空圧に達すると、圧力測定を開始する。先ず、電源Ｅ１によりフィラメント２に直流電流を通電してフィラメント２を点灯させ、熱電子を放出させる。そして、電源Ｅ２によりグリッド３とフィラメント２との間の電位差に相当するイオン化電圧で熱電子をグリッド３側に引き込む。このとき、熱電子と衝突したグリッド３周辺の気体原子、分子から正イオンが生じる。そして、生じた気体原子、分子の正イオンがイオンコレクタ４で捕集され、このとき、電流計Ａで測定したイオン電流から試験体内の圧力が検出される。なお、熱陰極電離真空計の制御方法やイオン電流からの圧力の算出方法等については、公知のものを利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００２３】
以上、本発明の実施形態によれば、熱電子が最も放出されるフィラメント２の頂部２２をグリッド３の母線方向の中央領域に位置させる構成を採用し、フィラメント２の挿入方向前方にグリッド３で囲繞されてグリッド電位と同等の電位分布の空間が存在するようにしたため、この空間で熱電子がグリッド３へと積極的に引っ張れる、言い換えると、イオン化される領域が増える。しかも、フィラメント２は、上記従来例のものと比較して半分程度の高さに形成されるため、自重による変形の影響も少ない。従って、通電電力の増加に伴うフィラメント２の熱変形や自重により熱電子放出領域が変動しても、みかけのイオン化率は然程変化せず、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。また、センサ部Ｓを金属製の真空隔壁１内に収納したため、熱電子のチャージアップを防止して、真空隔壁１で囲繞された空間内の電位分布を常時一定に保持されるため、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。その上、フィラメント２をタングステンとレニウムとの合金で構成したため、熱変形や自重による変形を一層抑制することができる。
【００２４】
即ち、上記重量比のタングステンとレニウムとの合金は、フィラメント２を点灯させたときの２０００〜２５００℃の温度範囲における剛性、延性が高く、また、比較的化学的にも安定である。従って、上記温度領域となる熱陰極材料としてより適したものである.つまり、熱履歴による構造変化や振動、衝撃による形状変化(断線を含む)が小さく、同時に酸化物被覆をする必要がない。このため、熱陰極電離真空計ＩＧのフィラメント２材として使用した場合における感度変化が少ない。
【００２５】
次に、本発明の効果を確認するために、上記熱陰極電離真空計ＩＧを用いて次の実験を行った。即ち、フィラメント２の頂部２２が、孔軸Ｈａ上でグリッド３の高さ方向の中点Ｍｐに位置し、フィラメント２の両自由端がグリッド３から下方向へと突出するように配置したもの（発明品）と、フィラメント２の頂部２２が孔軸ｈａ上に位置すると共にグリッド３の挿入方向他側に位置してグリッド３の全長に亘ってフィラメント２が収納されるように配置したもの（比較品：上記従来例のものに相当）とを用意した。そして、電源Ｅ１の電力を、フィラメント３を点灯できる電力（通常は５〜１０Ｗ）、電源Ｅ２の電圧を１５０Ｖ、及び電源Ｅ３の電圧を２５Ｖに設定し、グリッド２内部の電位分布を測定した。
【００２６】
図３及び図４は、発明品と比較品との夫々のグリッド３内の電位分布を示す。これによれば、比較品のものでは、第一に熱電子の放出効率が高いフィラメント頂部に対する電場の集中割合が少なく、第二に放出された電子が飛行する領域がフィラメント周辺に限られていることが判る（図４参照）。それに対して、発明品のものでは、第一にフィラメント２の頂部２２における電場の集中割合が図３に比べて高く、熱電子の放出効率が高いことが判る。そして、この空間に電子が飛行し、気体分子のイオン化が起きる。第二にフィラメント２の頂部２２から放出された電子が飛行する空間が比較品（図４参照）と比較して広く、従って、気体イオンが生成される領域が広いことが判る。第三に、生成されたイオンがイオンコレクタ４に引き出される電位配分となっているため、イオンの収集効率が高いことが判る。
【００２７】
次に、上記熱陰極電離真空計ＩＧ（発明品）を用いて他の実験を行った。この実験では、グリッド３として、線径φ１０ｍｍの白金被覆モリブデン線を用い、２４ｍｍの高さを有するようにコイル上に巻回したものを用いた。フィラメント２として、レニウムを２５重量％としたタングステンとレニウムとの合金製のものを用い、フィラメント２の頂部２２がグリッド３の母線方向の中点Ｍｐに位置するように配置した。イオンコレクタ４は、ＳＵＳ３０４製で、φ２０ｍｍ、高さ２４ｍｍの円筒状のものを用いた。
【００２８】
そして、接地電位に対する電源Ｅ１の電位を＋２５Ｖ、電源Ｅ２の電位を１５０Ｖとし、電源Ｅ３の電位を０Ｖとし、イオン化のための電子電流を１ｍＡに制御することとした。そして、上記電離真空計の安定性を調べた結果を図５に示す。図中、△が発明品のものであり、○が市販されているＢＡ真空計の結果である。この場合、発明品の読み値を参照電離真空計の読み値で除した値の経過時間０からの変化を動作時間依存性として示したものである。これによれば、発明品の真空計の安定性は約２００日間で１％以内であることが確認された。なお、ＢＡ真空計の感度は３％程度変化していることが判る。なお、比較実験として、真空隔壁をガラス製とした以外、上記と同条件で、電離真空計の１００日間感度の安定性を測定したところ、約３％の感度変化が確認された。
【００２９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、センサ本体１を備えたものを例に説明したが、センサ部を試験体にそのまま取り付けるような場合にも本発明は適用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
ＩＧ…熱陰極電離真空計、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、２２…頂部、３…グリッド、４…イオンコレクタ、Ａ…電流計、Ｈａ…孔軸、Ｍｐ…（グリッドの母線方向における）中点、Ｅ１〜Ｅ３…電源。
【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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