(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中の気体分子をイオン化するために必要な電子を供給するためのフィラメントと、フィラメントから供給された熱電子を加速させるのに必要な電位を形成するグリッド並びにイオン化された気体の正イオンを収集するイオンコレクタより構成される電離真空計において、前記グリッドをピラニ真空計におけるフィラメントの動作をも行えるように構成したことを特徴とする電離真空計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧力測定に関し、特に大気圧から高真空の動作圧力範囲の広い真空計とすることを目的としたピラニ真空計動作を可能とした電離真空計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高真空領域を利用する各種半導体製造装置や電子デバイス製造装置では、装置の立ち上げ、メンテナンス並びに各種プロセス条件により、大気圧から高真空領域にかけての広範囲における圧力測定が必要になる。
【０００３】
一般に、１０５  Ｐａ〜１Ｐａ程度の高圧力領域（低真空領域）ではピラニ真空計等の熱伝導真空計に代表される気体の輸送現象に基づく真空計が用いられている。一方、１Ｐａ以下の低圧力領域（高真空領域）では、ベアードアルパート真空計（以下Ｂ−Ａ型真空計と呼ぶ）に代表される電離真空計が用いられている。
【０００４】
図３に示すものは、従来技術で１０５  Ｐａ〜１Ｐａ程度の高圧力領域（低真空領域）の測定に広く用いられているピラニ真空計である。このピラニ真空計はＳＵＳ３０４等の金属で構成された測定球容器２内にフィラメント３が配置されており、測定球容器２の上部に開口している気体導入口２ａには接続フランジ２ｂが設けられ、真空容器１に接続される。その真空容器１内に残留する気体分子３０を測定球容器２内に導入できるように構成されている。
【０００５】
真空容器１内を真空排気する場合、高圧力領域では測定球容器２内に気体分子３０が多量に残留するため、フィラメント３に通電して一定温度で発熱させると気体分子３０の衝突によってフィラメント３から熱が奪われる。奪われる熱量は気体分子３０の密度、即ち測定球容器２内の圧力に比例するので、その熱量をフィラメント通電パワーの変化から算出すると、測定球容器２内の圧力測定を行うことができる。他方、図４に示すものは従来技術で１Ｐａ以下の低圧力領域（高真空領域）の測定に用いられるＢ−Ａ型真空計である。
【０００６】
図４に示すＢ−Ａ型真空計は、ＳＵＳ３０４等の金属で構成された測定球容器２内に、イオンコレクタ６、フィラメント３、グリッド４の三つの電極が配置されている。測定球容器２は、上部に開口している気体導入口２ａに設けられた接続フランジ２ｂによって真空容器１に接続されており、そこに残留する気体分子を測定球容器２内に導入できるよう構成されている。低圧力領域（高真空領域）においてグリッド４に正のグリッド電圧を印加すると共に、フィラメント３を通電加熱すると、フィラメント３からグリッド４に向かって熱電子が放出される。この熱電子はグリッド４に到達する前にその近傍で往復運動をしながらグリッド４内に蓄積され、測定球容器２内に残留する気体分子と衝突し、電離によって正電荷のイオンが生成される。
【０００７】
最終的に熱電子がグリッド４に到達すると、フィラメント３とグリッド４との間にエミッション電流が流れるが、イオンコレクタ６にフィラメント電位に対して負の電圧を印加しておくと、正電荷のイオンはイオンコレクタ６で捕捉され、イオンコレクタ６にはイオン電流が流れ込む。各電極の印加電圧を一定電圧とし、エミッション電流を定電流とすると、グリッド４の近傍で往復運動をする熱電子の密度が一定になり、生成するイオンの量が測定球容器２内の気体分子の密度、即ち圧力に比例するので、イオンコレクタ６に流入するイオン電流の大きさを測定することで測定球容器２内の圧力を測定することができる。
【０００８】
【発明により解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＢ−Ａ型真空計のフィラメントは、高圧力領域（低真空領域）において、特に酸素や水分等を多量に含む雰囲気中で高温に加熱すると、フィラメント３の細りや焼損による断線を生じ、劣化を早めるおそれがある。また前述のピラニ真空計では、真空容器１の内壁からの輻射熱やフィラメント３自身の熱輻射、熱伝導による熱損失等により、低圧力領域（高真空領域）では気体分子が関与しない温度変化要因の影響が大きくなり、測定精度が悪化する。
【０００９】
そこで、従来技術による大気圧から高真空領域にかけての圧力計測は、図５に示すように一つの真空容器１に１０５  Ｐａから１Ｐａの高圧力領域（低真空領域）を測定するピラニ真空計球３１と、１Ｐａ以下の低圧力領域（高真空領域）を測定する電離真空計球３２が併設され、圧力範囲に応じて２台の真空計を使い分けることで広範囲の圧力測定を行っていた。
【００１０】
しかしながら、上記従来技術では、図５に示すように、真空容器１に２種類の真空計を併設しなければならず、この場合、測定球２台分の設置スペースの確保が必要となる他、取付位置によって測定位置が異なることにより真空容器内の圧力を同一比較することが難しい場合もある。
【００１１】
また、広範囲の圧力領域を測定する場合、加熱されたフィラメントの動作を利用する前記２種類の真空計（ピラニ真空計・電離真空計）は、１つの測定対象、例えば、真空を利用した生産装置に２種類がともに併設されることから、定期交換、または突然のフィラメントの断線による交換作業は、確実に増大し、それに伴う生産効率の低下により、総合的なコスト高につながるという問題点を生じている。
【００１２】
本発明は、前記のような問題点を解決し、単一測定球で大気圧から低圧力領域（高真空領域）にかけての広範囲の圧力測定を可能とし、しかも、加熱したフィラメントの動作を利用する２種類の真空計（ピラニ真空計・電離真空計）を併設、もしくは併用した場合に比べ、フィラメントの断線頻度を著しく低減させ、耐久性を高め、長寿命で信頼性の高い真空計を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、電離真空計の基本構成要素であるグリッドを、電離真空計動作用のグリッドとピラニ真空計動作用のフィラメントとして共用利用し、単一の真空計で、電離真空計動作とピラニ真空計動作との間の切り換えを行えるように構成して前記課題を解決したものである。
【００１４】
即ち本発明は、真空中の気体分子をイオン化するために必要な電子を供給するためのフィラメントと、フィラメントから供給された熱電子を加速させるに必要な電位を形成するグリッド並びにイオン化された気体の正イオンを収集するイオンコレクタより構成される電離真空計において、前記グリッドをピラニ真空計におけるフィラメントの動作をも行えるように構成したことを特徴とする電離真空計である。
【００１５】
つまり電離真空計動作を行えない１０５  Ｐａ〜１Ｐａ程度の高圧力領域（低真空領域）では、前記のような電離真空計の基本構成要素であるグリッドへ通電し、当該グリッド表面の温度を上げ、当該グリッドが気体分子によって奪われた熱量から圧力を測定するピラニ真空計として動作させる、すなわち、電離真空計の基本構成要素であるグリッドに、ピラニ真空計におけるフィラメントの動作を行わせるのである。
【００１６】
一方、前記のようにピラニ真空計として動作させている時の圧力測定値が、電離真空計の動作が可能な圧力になったならば、グリッドをピラニ真空計におけるフィラメントとして動作させるための当該グリッドへの通電を停止し、当該グリッドを含む前記のような電離真空計の基本構成要素である各電極に、電離真空計動作に必要な電圧を印加し、フィラメントへの通電を行って熱電子を放出させ、電離真空計動作に切り替えるのである。
【００１７】
【実施例】
以下に、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示し、被測定の真空容器の一部と、これに取付けられた真空計の要部構成を示す。
【００１８】
図１において、１は被測定の真空容器である。測定球容器２はＳＵＳ３０４などの金属でできた円筒状の容器であり、フィラメント３及びグリッド４との距離を適切に保って電子軌道を最適化するために、ほぼ２４ｍｍの内径を持ち、接地ケーブルあるいは測定球容器２の取り付けられる真空容器１を通じてアース電位に保たれる。
【００１９】
前記測定球容器２の上方には気体導入口２ａが開口し、前記真空容器１との接続用に接続フランジ２ｂが設けられている。この接続には接続フランジ２ｂを設けることなく排気管２ｃをＯリングシールの構造によって真空容器１に接続することもできる。前記測定球容器２の底からは絶縁体５によって絶縁された複数のピンが測定球容器２内に導入され、真空計の各電極の支持と動作電圧の印加が行われる。
【００２０】
前記測定球容器２のほぼ中心軸上には、太さ約０．２ｍｍのタングステン製のイオンコレクタ６がグリッド４のコイルのほぼ上端面に突き出るようにピン７に取り付けられる。このイオンコレクタ６を取り囲んで表面に白金がコーティングされた太さ約０．２ｍｍ、全長約１８０ｍｍのモリブデン線でコイル状に作られたグリッド４が、ピン８ａ、８ｂで支持されている。
【００２１】
前記グリッド４の外側には、太さ約０．１ｍｍのトリアコートリジウム線を、高さ約１２ｍｍのヘアピン状に加工したフィラメント３が、グリッド４からの距離が２．５ｍｍの位置にピン９ａ、９ｂに支持されて取り付けられている。
【００２２】
また前記構造に対して、電気回路部が設けられている。この電気回路は、前記構造で電離真空計動作をする際に用いられる電離真空計回路１０と、電離真空計動作に於ける電離真空計圧力表示部１１、前記構造でピラニ真空計動作をする際に用いるピラニ真空計動作回路１２とピラニ真空計圧力表示部１３とからなっている。
【００２３】
前記グリッド４に接続されるピン８ａとピン８ｂ間には、電離真空計動作回路１０とピラニ真空計動作回路１２を切り換えるための動作切換スイッチ１４が設けられている。
【００２４】
前記電離真空計動作回路１０は、フィラメント３から熱電子を発生させるフィラメント動作用電源１６、フィラメント３から放出された熱電子を蓄積するためのグリッド電位電源１７、グリッド４を通電加熱するための脱ガス用電源１８、グリッド４に流入する電子を一定量に制御するためのエミッション制御回路１９及びイオンコレクタ６とグランド間に接続されたエミッション電流計２１で構成されている。
【００２５】
前記グリッド４の脱ガスは、脱ガススイッチ２２によって電離真空計動作時のみ機能するようになっている。前記エミッション制御回路１９は、イオンコレクタ電流計２０で計測されたコレクタ電流Ｉｉとエミッション電流計２１で計測されたエミッション電流Ｉｅを基に、フィラメント動作用電源１５にフィードバックがかけられている。前記ピラニ真空計動作回路１２は、動作切換スイッチ１４によってグリッド４と接続された場合に機能する。
【００２６】
前記構成による真空計では、大気圧から１Ｐａ程度の高圧力領域（低真空領域）では動作切換スイッチ１４を用いて、グリッド４をピラニ真空計動作回路１２に接続し、前記測定球容器２の上部に開口した気体導入口２ａより導入された真空容器１内に残留する気体分子は、ピラニ真空計動作回路１２により加熱されたグリッド４に衝突し、グリッド４より熱を奪う。奪われる熱量は、気体分子の密度、即ち測定球容器２内の圧力に比例するので、ピラニ真空計動作回路１２でグリッド４の温度を定温度に制御することで、グリッド投入パワーから圧力が計測できる。この時、グリッド４の表面温度は、大気圧雰囲気中においてグリッド４が焼損や酸化による変質、焼損による断線や細りに至らない温度範囲で通電加熱を行う。たとえば、グリッド４の表面測度を４０℃〜５０℃で定温度制御する。
【００２７】
次にピラニ真空計圧力表示部１３の表示圧力が電離真空計動作の可能な圧力に達した場合、動作切換スイッチ１４を切り換えて、グリッド４を電離真空計動作回路１０に接続する。ここで前記構成よりなる真空計は電離真空計動作に切り替わるため、先にピラニ真空計のフィラメントとして機能していたグリッド４は、電離真空計のグリッドとして機能し、その他各電極には、電離真空計動作に必要な電圧の印加並びに通電が開始される。
【００２８】
前記フィラメント３からは、フィラメント動作電源１５からのパワー供給により、熱電子が放出される。この熱電子は、グリッドによって測定球容器２内に蓄積されるが、この際、電子は測定球容器２内の気体分子と衝突し、電離によって正イオンを生成しながらグリッド４に流入する。正イオンはイオンコレクタ６で捕捉され、イオンコレクタ６にはイオン電流が流れ込む。この時の圧力は、イオン電流計２０で計測したイオン電流Ｉｉと、エミッション電流計２１で計測したエミッション電流Ｉｅを用いて、真空の圧力Ｐ＝１／Ｓ・Ｉｉ／Ｉｅの式より求められる。ここでＳは測定球の感度である。
【００２９】
次に、圧力が低圧力領域（高真空領域）から高圧力領域（低真空領域）に移行する際には、電離真空計圧力表示部１１の圧力表示が電離真空計の測定上限圧力に達した時点で、各電極への通電と電圧印加を停止し、動作切換スイッチ１４をピラニ真空計動作回路１２に切り換える。
【００３０】
図２は、図１に示した構成を有する真空計において、ピラニ真空計動作を行った際の圧力変化に対するグリッド４への投入パワーの変化を測定したデータである。測定データから、グリッド投入パワーが、約２００ｍＷ程度変化することから大気圧から１Ｐａにおける圧力変化を測定できることがわかる。前記データにおいて、１Ｐａ以下でグリッド４投入パワーが一定になるが、これはグリッド４の末端からの熱伝導損失とグリッド４の表面からの熱放出損失によるものである。  前記測定では、グリッド４の表面温度を約５０℃（グリッド抵抗値：約０．６Ω）で定温度制御を行った。すなわち、本発明においては、ピラニ真空計としての動作から電離真空計としての動作への切換は、グリッド温度を定温度とした時のグリッド通電パワーを検出して行う構成にすることができる。その他に、ピラニ真空計としての動作から電離真空計としての動作への切換は、グリッド通電電流を定電流制御とし、グリッド電圧を検出することで圧力を求めるように構成することも可能であり、また、グリッド電圧を定電圧制御とし、グリッド通電電流を検出することでも圧力を求めるように構成することもできる。
【００３１】
逆に、本発明において、電離真空計としての動作からピラニ真空計としての動作へ切り換える場合には、電離真空計のコレクタに流れ込むイオン電流を検出して行うように構成することができる。
【００３２】
本実施例では電離真空計をＢ−Ａ型真空計としたが、本発明はグリッドが通電加熱可能な構造であれば、その他の電離真空計、例えばエクストラクタ型電離真空計、または熱フィラメントを用いないコールドカソードゲージ等にも同様に適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の電離真空計では、該電離真空計の基本構成要素であるグリッドを、電離真空計動作用のグリッドとピラニ真空計動作用のフィラメントとして共用利用し、切り換えが行えるように構成したことで、大気圧から高真空の広い圧力範囲の測定が単一測定球で行うことができると共に、単一測定球としたことで、真空容器への設置作業性の向上並びに測定球の設置スペースやコストを最小に抑えられるなどの効果がある。
【００３４】
特に、高圧力領域（低真空領域）では、フィラメントに比べ耐久性があり、通電加熱可能な機能を有するグリッドでピラニ真空計動作を行うことにより、断線の頻度が著しく低減し長寿命化がはかられ、しかも、測定対象に対する取り付け位置の違いから生じる圧力差の問題も、単一測定球で広範囲の圧力領域が測定できるため解消され、信頼性を著しく向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電離真空計の実施の形態を示す構成図。
【図２】同じく電離真空計において、ピラニ真空計動作を示す、圧力変化に対するグリッド投入パワーの変化を測定したグラフ。
【図３】従来のピラニ真空計の概略構成図。
【図４】従来の電離真空計の概略構成図。
【図５】従来の大気圧から高真空にかけての広い圧力範囲の測定をする場合の真空計の構成図。
【符号の説明】
１  真空容器
２  測定球容器
２ａ  気体導入口
２ｂ  接続フランジ
２ｃ  排気管
３  フィラメント
４  グリッド
５  絶縁体
６  イオンコレクタ
７、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂピン
１０  電離真空計動作回路
１１  電離真空計圧力表示部
１２  ピラニ真空計動作回路
１３  ピラニ真空計圧力表示部
１４  動作切換スイッチ
１５  フィラメント動作用電源
１６  フィラメント電位電源
１７  グリッド電位電源
１８  脱ガス用電源
１９  エミッション制御回路
２０  イオンコレクタ電流計
２１  エミッション電流計
２２  脱ガススイッチ
３０  気体分子
３１  ピラニ真空計球
３２  電離真空計球
【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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