特許 6031502 電離真空計および圧力測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6031502

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】電離真空計および圧力測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 21/32 20060101AFI20161114BHJP

   G01L 21/34 20060101ALN20161114BHJP

【ＦＩ】

   G01L21/32

   !G01L21/34

【請求項の数】22

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-266942(P2014-266942)

(22)【出願日】2014年12月29日

(62)【分割の表示】特願2011-527884(P2011-527884)の分割

【原出願日】2009年9月11日

(65)【公開番号】特開2015-62035(P2015-62035A)

(43)【公開日】2015年4月2日

【審査請求日】2015年1月22日

(31)【優先権主張番号】61/192,684

(32)【優先日】2008年9月19日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】592053963

【氏名又は名称】エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】ＭＫＳ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100087941

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 修司

(74)【代理人】

【識別番号】100086793

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 雅士

(74)【代理人】

【識別番号】100112829

【弁理士】

【氏名又は名称】堤 健郎

(74)【代理人】

【識別番号】100144082

【弁理士】

【氏名又は名称】林田 久美子

(74)【代理人】

【識別番号】100154771

【弁理士】

【氏名又は名称】中田 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100155963

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 大輔

(72)【発明者】

【氏名】カーマイケル・ラリー・ケー

(72)【発明者】

【氏名】ウェバー・ジェシー・エー

(72)【発明者】

【氏名】ヘンリー・ジョン・エイチ

(72)【発明者】

【氏名】スコット・マイケル・エヌ

(72)【発明者】

【氏名】ブラッカー・ジェラルド・エー

(72)【発明者】

【氏名】ヴァン・アントワープ・ケネス・ディー

【審査官】 濱本 禎広

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−０８３６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１２９９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６６８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−０１１３３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ ７／００−２３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧力を測定する電離真空計であって、
電子を放出する電子源と、
イオン化空間を形成する陽極と、
前記電子と前記イオン化空間における気体との衝突によって生成されるイオンを収集する収集電極と、
測定チャンバーの中で圧力を測定する電離真空計の動作時に、前記電子源からの放出電流を、測定された圧力にさらされた、電離真空計とは別の装置によってユーザ特有の処理として実行される処理のためのユーザが定めた、圧力および圧力以外の動作パラメータに応答して能動的に制御するコントローラであって、前記ユーザが定めた動作パラメータが処理工程で起こる変化を予測した制御信号である、コントローラと、
を備える、電離真空計。

【請求項2】

請求項１に記載の電離真空計において、前記コントローラが、さらに、前記電子源からの放出電流を、圧力の関数として制御する、電離真空計。

【請求項3】

請求項２に記載の電離真空計において、前記コントローラが、前記放出電流を、圧力に基づいて無段階に制御する、電離真空計。

【請求項4】

請求項２に記載の電離真空計において、前記圧力の関数が、ユーザによって選択可能である、電離真空計。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか一項に記載の電離真空計において、前記動作パラメータが、測定される気体雰囲気における気体の化学種である、電離真空計。

【請求項6】

請求項１に記載の電離真空計において、前記収集電極を流れる収集電極電流を一定に維持するように前記放出電流が制御され、かつ、前記放出電流が圧力を表す、電離真空計。

【請求項7】

請求項６に記載の電離真空計において、前記収集電極電流が、第１の圧力範囲では一定のレベルに保持され、第２の圧力範囲では可変である、電離真空計。

【請求項8】

請求項１に記載の電離真空計において、前記動作パラメータが処理工程で起こる圧力変化を予測した制御信号である、電離真空計。

【請求項9】

請求項１〜８のいずれか一項に記載の電離真空計において、さらに、
メモリに記憶されてユーザによって選択される複数の放出電流プロファイル、
を備える、電離真空計。

【請求項10】

請求項１〜９のいずれか一項に記載の電離真空計において、前記収集されたイオンから、圧力信号が形成される、電離真空計。

【請求項11】

請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電離真空計において、前記別の装置は、分析装置またはクラスター装置である、電離真空計。

【請求項12】

気体の圧力を測定する方法であって、
電子源から電子を生成する過程と、
測定チャンバーの中で圧力を測定する電離真空計の動作時に、前記電子源からの放出電流を、測定された圧力にさらされた、電離真空計とは別の装置によってユーザ特有の処理として実行される処理のためのユーザが定めた、圧力および圧力以外の動作パラメータに基づいて動的に調節する過程であって、前記ユーザが定めた動作パラメータが処理工程で起こる変化を予測した制御信号である、過程と、
前記電子を、前記電離真空計のイオン化空間を形成する陽極に送ってイオンを形成する過程と、
前記イオンを前記電離真空計に収集する過程と、
を含む、圧力測定方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の圧力測定方法において、さらに、
前記電子源からの放出電流を、圧力の関数として制御する過程、
を含む、圧力測定方法。

【請求項14】

請求項１３に記載の圧力測定方法において、前記放出電流が、圧力に基づいて無段階に調節される、圧力測定方法。

【請求項15】

請求項１３または１４に記載の圧力測定方法において、前記圧力の関数が、ユーザによって選択される、圧力測定方法。

【請求項16】

請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の圧力測定方法において、前記動作パラメータが、測定される気体雰囲気における気体の化学種である、圧力測定方法。

【請求項17】

請求項１２に記載の圧力測定方法において、前記収集電極を流れる前記収集電極電流を一定に維持するように前記放出電流が調節され、かつ、前記放出電流が圧力を表す、圧力測定方法。

【請求項18】

請求項１７に記載の圧力測定方法において、前記収集電極電流が、第１の圧力範囲では一定のレベルに保持され、第２の圧力範囲では可変である、圧力測定方法。

【請求項19】

請求項１２に記載の圧力測定方法において、前記動作パラメータが処理工程で起こる圧力変化を予測した制御信号である、圧力測定方法。

【請求項20】

請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の圧力測定方法において、複数の放出電流プロファイルがメモリに記憶されてユーザによって選択される、圧力測定方法。

【請求項21】

請求項１２〜２０のいずれか一項に記載の圧力測定方法において、さらに、
前記収集されたイオンから、圧力信号を形成する過程、
を含む、圧力測定方法。

【請求項22】

請求項１２〜２１のいずれか一項に記載の圧力測定方法において、
前記別の装置は、分析装置またはクラスター装置である、圧力測定方法。

【発明の詳細な説明】

【関連出願】

【0001】

本願は、2008年9月19日出願の米国仮特許出願第61/192,684号の利益を主張するものである。この米国仮特許出願の全教示内容は、参照によって本願に組み込んだものとする。

【技術分野】

【0002】

電離真空計、特に、ベアード−アルパート（ＢＡ）型電離真空計は、超低圧を測定する最も一般的な非磁場型の測定手段であり、世界中で普及している。このような電離真空計は、1952年に発行された特許文献１に開示されている。同文献の全教示内容は、参照によって本願に組み込んだものとする。典型的な電離真空計は、電子源として陰極フィラメント、陽極、およびイオンを収集する収集電極（コレクター電極）を備えている。ＢＡ型電離真空計では、電子源は、イオン化空間の外側、または円筒状の陽極スクリーンによって形成される陽極体積空間の外側に配置される。イオンを収集する収集電極は、陽極体積空間内に配置され、電子は電子源から陽極に移動し、陽極内で往来ないし循環して、その結果、陽極内に保持される。

【0003】

この移動時に、電子は、測定される圧力を形成する気体雰囲気を構成する気体の分子および原子と衝突する。このような電子と気体との接触により、イオンが生成される。このようにして生成されたイオンは、イオンを収集する収集電極（一般的には接地されている）に引き寄せられる。気体雰囲気内の気体の圧力は、イオン電流および電子電流から式：Ｐ＝（１／Ｓ）（Ｉ_ｉｏｎ／Ｉ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}）によって算出される。ここで、Ｓは１／Ｔｏｒｒ単位の係数であり、個々の真空計の構成、電気パラメータ、圧力範囲によって定まる。

【0004】

二重フィラメント構造の熱陰極電離真空計では、一般的に、各フィラメントは第１電流約４ｍＡと第２電流約１００μＡの互いに異なる２種類の放出電流（エミッション電流）で動作する。一般的に、電離真空計は、ユーザによって予め手作業で設定された調節可能な圧力レベルに基づき、これら２種類の電流レベルの間を切り換える。他のシステムでは、ユーザによって特定された最大レベルから最小レベルまでの１０段階によって放出電流が変化させられる。このように複数の電流レベルを設ける理由は、動作時の様々な圧力範囲に合わせて電離真空計を最適な感度にするためである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許第２６０５４３１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

典型的な電離真空計の動作寿命は、害のない気体雰囲気で動作させた場合、約１０年に達する。しかしながら、過度に高い圧力下で、または電子源である陰極の電子放出特性を劣化させる種類の気体内で動作させた場合、そのような電離真空計は数分または数時間で故障する。真空計が置かれる気体雰囲気によっては、そのような気体雰囲気と陰極との相互作用によって動作寿命が低下ある場合がある。また、陰極の酸化物コーティングは、水蒸気に曝されることで劣化する可能性がある。酸化物コーティングが劣化すると、陰極によって生成される電子の数が急激に減少する。タングステン陰極は、水蒸気によって完全に焼き切れてしまう場合がある。

【0007】

電離真空計を高圧下で動作させた場合、例えば、アルゴンで１０^−４Ｔｏｒｒ超の圧力下で動作させた場合にはスパッタリングが問題となる。スパッタリングが高圧下で問題となるのは、大量の気体がイオン化するからである。スパッタリングは、イオンと電離真空計の構成品との衝突エネルギーによって引き起こされる。例えば、高エネルギーのイオンは、電離真空計のコレクター柱体を形成するタングステン材に衝突する。このとき、コレクター柱体の表面やコレクター外囲体の表面から原子が放出される。このように放出された原子は、真空計の陰極フィラメントや真空計の他の構成品を被覆してしまう可能性があり、極めて望ましくない。

【0008】

単位時間あたりのスパッタリング率は、特定の圧力下で陰極フィラメントに供給される特定の放出電流の関数であることが判明している。低いスパッタリング率が望ましいが、正確に圧力を測定するためにフィラメントからの放出電流を十分に確保することが望ましい。電離真空計の動作時に十分な信号を得るために、十分な量の放出電流が必要であり、さらに、複数の圧力測定範囲にわたって高感度な電離真空計を提供する必要がある。

【0009】

古くなったり汚染されたりした陰極フィラメントから所望のレベルの放出電流を生成するには、今まで以上の高温に陰極フィラメントを加熱しなければならない。このような過剰な加熱は、陰極フィラメントにさらなる歪力をかけるため、陰極フィラメントの故障を引き起こす。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、圧力を測定する電離真空計であって、電子源（例えば、陰極フィラメント）と、陽極と、収集電極（コレクター電極）とを備える電離真空計を提供する。なお、陰極フィラメントの歪力を軽減しながら、所定の圧力レベルでの動作において真空計またはその構成品がスパッタリングによって損傷することのないように、電子源からの放出電流を動的に変化させてよい。

【0011】

本発明にかかる圧力を測定する電離真空計は、電子を放出する電子源と、イオン化空間を形成する陽極と、前記電子と前記イオン化空間における気体との衝突によって生成されるイオンを収集する収集電極とを備える。コントローラにより、動作時に、前記電子源からの放出電流を、動作時に検出される圧力以外の、検出パラメータに応答して能動的に制御する。変形例として、または、この構成に加えて、コントローラは、バイアス電圧を含む、エンドユーザによって選択可能な動作プロファイルを形成してもよい。また、コントローラは、動作時に処理工程で起こる圧力変化を予測した制御信号に応答して前記電子源からの放出電流を制御してもよい。

【0012】

前記コントローラは、前記放出電流を、圧力の関数として制御してもよい。制御は、連続可変の制御であっても、ステップ関数制御であってもよい。前記圧力の関数は、ユーザによって選択可能であってもよい。

【0013】

前記圧力以外のパラメータは、測定される気体雰囲気中の気体の化学種であってもよい。

【0014】

前記圧力以外のパラメータは、陰極の形態の電子源の温度であってもよい。前記放出電流は、動作開始時に徐々に増加するように制御されてもよい。前記陰極の温度は、前記陰極の電気抵抗、赤外線センサ、陰極の光学パラメータによって表示されるものであってもよい。

【0015】

前記圧力以外のパラメータは、前記収集電極を流れる収集電極電流であってもよい。前記放出電流は、前記収集電極電流を一定に維持するように制御されてもよく、この場合、前記放出電流が圧力を表す。前記収集電極電流は、第１の圧力範囲では一定のレベルに保持され、第２の圧力範囲では可変とされてもよい。また、前記第２の範囲において、前記放出電流は、一定であっても可変であってもよい。

【0016】

複数の放出電流プロファイルが、メモリに記憶されてユーザによって選択されてもよい。

【0017】

本発明にかかる電離真空計は、装置内で基板に処理を行うために当該装置を真空引きする過程において使用されてもよい。本発明にかかる電離真空計は、分析装置を用いてプロセスパラメータを測定する過程において使用されてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】放出電流を動的に調節する、本発明の電離真空計を示す概略図である。

【図2】放出電流−圧力の複数のプロットを示すグラフである。

【図3】フィラメントのパラメータを検出するセンサを備える、本発明にかかる電離真空計を示す概略図である。

【図4】陰極フィラメントに供給される電流を動的に調節する一方法を示すフローチャートである。

【図5】気体センサを備える電離真空計の一実施形態を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明の前述のおよびその他の目的、特徴および利点は、添付の図面に示された本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明から明らかになる。図面における同一の符号は、異なる図においても、同一の部分（構成要素）を指している。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、むしろ、本発明の原理を示すことに重点を置いている。

【0020】

本発明の好ましい実施形態についての説明を以下に示す。

【0021】

図１に示すように、本発明にかかる電離真空計１００は、一般的に、少なくとも１つの電子源１０５、および少なくとも１つの収集電極（コレクター電極）１１０を備える。電子源１０５と少なくとも１つの収集電極１１０とは、任意で、測定チャンバ１１７内の気体の分子や原子（例えば、陽イオン）が電子源１０５を劣化させるのを防止する分離材料１１５によって互いに隔てられてもよい。電離真空計１００は、さらに、イオン化体積空間（イオン化空間）を有しており、特には、柱体１１２，１１４によって支持された陽極１２０内にそのようなイオン化体積空間を有する。陽極１２０の構成品および収集電極１１０の構成品には他にも様々な構成が考えられ、本発明にかかる電離真空計１００は、図１に限定されない。一実施形態において、電離真空計１００は、ベアード−アルパート（ＢＡ）型の電離真空計、または熱陰極フィラメントの形態の電子源１０５を用いて陽極１２０のグリッド（陽極グリッド）に電子を放出する電離真空計１００である。ただし、電離真空計１００は、特定の電離真空計の構成に限定されず、本発明は、様々な種類の電離真空計を包含する。

【0022】

ベアード−アルパート（ＢＡ）型の電離真空計１００は、一定の電子１２５の流れによって気体分子をイオン化させるコンセプトに基づいた真空計である。負電荷を有する図示の電子１２５は、熱陰極１０５から、良好な制御下の選択可能な生成量で生成され、正帯電した陽極１２０に向かって放出または加速される。電子１２５は、陽極１２０に移動し、陽極１２０内で往来ないし循環し、その結果、電子１２５は、陽極１２０のイオン化体積空間内に保持される。電子１２５は、この空間内で気体分子と衝突し、正に帯電したイオン（陽イオン）を形成する。これらのイオンは、少なくとも１つの収集電極１１０によって収集される。収集電極１１０は、ほぼ接地電位に設定されているため、正に帯電した陽極１２０に対して負の電位を有する。しかしながら、収集電極１１０は、必ずしもこの構成に限定されず、陽極１２０に対して様々な電位差を有し得る。陽極−陰極の電位差を一定とし、電子の放出電流も一定とした場合、形成される陽イオンの量は、電離真空計１００内の気体密度と直接相関する。収集電極１１０からの信号は電流計１３５によって検出される。電流計１３５は、全ての圧力読取値について、圧力単位に換算される。

【0023】

陰極１０５の形状は、線状リボン、線状ワイヤ、直線リボン、曲線リボン、ヘアピンワイヤ、または当該技術分野において許容可能な陰極のその他の形状とされる。一実施形態において、陰極１０５は、陰極の加熱用の電源１１３からの電流で抵抗加熱されて、白熱する。熱電子放出により生成された電子１２５は、陽極１２０に向かうように、測定チャンバ１１７に放出、加速、または方向付けされてもよい。電子１２５は、陽極１２０のイオン化体積空間１３０に到達して陽極１２０に進入するための十分なエネルギーを有する。

【0024】

コントローラ１０５ａは、陰極バイアス用の電源１０５ｂに接続されており、陰極のバイアス電圧を約３０ボルトに維持する。通常動作時では、電源１１３からの加熱用電圧も、コントローラ１０５ａによって制御される。陰極１０５が十分に加熱されると、コントローラ１０５ａは、当該陰極の加熱を制御して適切な電子電流を維持する。陰極のバイアス電圧電源１０５ｂと、陽極バイアス電圧電源１３０ａとにより、陽極１２０と陰極１０５との間に、電子１２５を陽極１２０のグリッドに加速させるための十分な電位差が形成される。イオン化は、定格設計エネルギーを上回るエネルギー幅およびこれを下回るエネルギー幅の両方で生じる。1962年のSaul Dushman著の「Scientific Foundations of Vacuum Technique」の、電離真空計に関するSection 5.7を参照されたい。

【0025】

ユーザインターフェース２１５は、少なくとも１つのボタン、少なくとも１つのノブ、またはタッチスクリーンインターフェースを有するものであってもよい。ユーザインターフェース２１５は、パーソナルコンピュータであってもよい。本発明の電離真空計１００は、半導体の処理作業やフラットパネルディスプレイの製造のための、クラスター装置（クラスターツール）の気体雰囲気やスパッタリング蒸着の気体雰囲気などで使用可能である。このような気体雰囲気で用いられる気体の化学種および具体的な動作パラメータ（圧力、温度、気体の化学種、製造工程のその他の用途特化パラメータを含む）は、極秘とされている。電離真空計の用途や用途の実行方法は、個々の製造者の利益のために企業秘密である。製造者は、これら極秘のパラメータによって競争上の優位を得ている場合があるので、第三者に明らかにすることに消極的である。そのため、本発明にかかる電離真空計１００では、ユーザインターフェース２１５により、企業秘密を第三者に明らかにすることなく製造者はそれぞれのユーザごとに定めた電離真空計の複数の動作パラメータを設定・変更できるようにしている。

【0026】

一実施形態において、ユーザは、電離真空計のパラメータ、例えば、放出電流やイオン化ポテンシャルなどを選択することができる。ユーザは、単一の放出電流値または放出電流値の範囲や、単一のイオン化ポテンシャル値またはイオン化ポテンシャル値の範囲を選択することができる。このような選択は、ユーザインターフェース２１５を有する入力装置によって行われる。

【0027】

他の実施形態において、電離真空計１００の用途の種類は、入力装置のユーザインターフェース２１５を用いて特定することができる。電離真空計１００の用途の種類は、クラスター装置の気体雰囲気の気体の種類、気体の混合物や、その時点でクラスター装置内で実行されている工程（例えば、スパッタリング蒸着）などのことを指す。この実施形態において、電離真空計１００は、陰極励起電圧用の電源１１３、陰極励起電流の電流計２２５、陰極／陽極の電流計２３０、陽極バイアス電圧電源１３０ａ、および電流計１３５を備える。この場合、特定の高圧下の（固有の動作パラメータを有する）スパッタリング処理用途において、陰極励起電圧用の電源１１３、陰極励起電流の電流計２２５を流れる電流、陰極／陽極の電流計２３０を流れる電流、および陽極バイアス電圧電源１３０ａのうちの少なくとも１つを、メモリ１０７に記憶された設定に基づいて、コントローラ１０５ａによって互いに独立して操作してもよい。この入力に応答して、コントローラ１０５ａは、メモリ１０７に記憶された参照テーブルにアクセスして、気体の化学種またはクラスター装置用途に対して最適な、予めプログラムされた電離真空計の各種構成品の設定値を読み出す。その後、コントローラ１０５ａは、メモリ１０７に記憶された最適のパラメータ、またはユーザがプログラムしたパラメータにしたがい、前述した電離真空計の各種構成品の少なくとも１つを制御する。

【0028】

他の可変パラメータには、陰極の温度、圧力範囲の上限、収集電極電流、信号対ノイズ比、気体イオン化のピークレベル、放出電流の下限、気体の種類、工程、用途などが含まれる。

【0029】

電離真空計１００のコントローラ１０５ａは、さらに、フィードバック機能を有するものであってもよい。コントローラは、電離真空計の各種構成品の少なくとも１つのパラメータを監視し、所望のパラメータがメモリ１０７に記憶されたトリガ値に達し、トリガ値を超えたり、トリガ値と一致したりした場合、コントローラ１０５ａは電離真空計１００の少なくとも１つの設定を変更してもよい。例えば、コントローラ１０５ａは、陰極１０５の温度を監視するように構成してもよい。コントローラ１０５ａは、当該陰極の温度とメモリ１０７に記憶された所定の温度トリガ値とを比較してもよい。陰極の温度がその所定のトリガ値を上回った場合、コントローラ１０５ａは、陰極の温度が低下するように放出電流を制御し、かつ、信号対ノイズ比を許容可能な範囲に維持しながらスパッタリングを軽減するためにその他のパラメータを変化させる。このような陰極温度の上限に対応するトリガ値は、アルゴンガスとその他の種類の気体とで異なってもよく、また、気体の化学種の混合物の種類、またはクラスター装置もしくはチャンバで検出される圧力によって変化させてもよい。これらのさらなるパラメータは、不揮発性メモリ１０７にプロファイルとして記憶されていてもよい。好ましくは、複数の異なるプロファイルがメモリ１０７に記憶されており、コントローラ１０５ａによってアクセスされるか、あるいは、ユーザによってユーザインターフェース２１５を介して選択可能である。

【0030】

好ましくは、コントローラ１０５ａは、加熱用の電圧の電源１１３に接続されており、電離真空計のスパッタリングを軽減し、その寿命が向上するように、陰極１０５からの放出電流を、検出される圧力レベルに基づいて動的に制御する。例えば、図２に示すような少なくとも１つのプロファイルが、ユーザによって選択可能にメモリ１０７に記憶されていてもよい。検出される圧力は、電流計１３５（電離真空計１００そのもの）から読み取ってもよいし、別の真空計から読み出してもよい。コントローラ１０５ａは、図２に示すように、放出電流を圧力に基づいて調節してもよい。

【0031】

図２は、数１０桁にわたる動作圧力に対する、陰極１０５からの放出電流を示すグラフであり、各プロットには２００，２０５，２１０，２１５の参照符号が付されている。放出電流の第１のプロット２００は、前に述べた、既存の先行技術に基づく、陰極からの二段階の放出電流を示したものである。この場合、１０^−９Ｔｏｒｒから約１０^−６Ｔｏｒｒの圧力範囲における放出電流は約４．０ｍＡに設定され、１０^−５Ｔｏｒｒから約１０^−１Ｔｏｒｒの圧力範囲における陰極からの放出電流は約０．１ｍＡに設定されている。このような先行技術に基づく放出電流は、電離真空計１００の気体圧力の程度によっては、許容できないレベルのスパッタリングを引き起こす可能性がある。

【0032】

本発明の電離真空計１００は、当該電離真空計１００の寿命が向上するように、陰極からの放出電流を圧力の関数（圧力を変数とする関数）として変化させる。このように圧力に基づいて放出電流を動的に変化させることにより、高圧下での動作による電離真空計１００の自己スパッタリング現象を軽減または最小限に抑えることができる。例えば、第２のプロット２０５のように、放出電流プロットを、無段階に変化する「式をベースにした」プロットとしてもよい。この場合、１０^−９Ｔｏｒｒの圧力での放出電流は約１０．０ｍＡであり、約１０^−８Ｔｏｒｒの圧力での放出電流は約０．１ｍＡ超であり、約１０^−５Ｔｏｒｒから約１０^−１Ｔｏｒｒの圧力範囲における陰極からの放出電流は約０．０１ｍＡに設定される。このプロットは、高圧下での動作による許容できないレベルのスパッタリングを防ぎながら、放出電流を、圧力を検出するための比較的強い信号が得られる許容可能なレベルに設定することができるので、有利である。

【0033】

例えば、第３のプロット２１０のように、放出電流プロットを、多段階のプロットとしてもよい。この場合、１０^−９Ｔｏｒｒから約１０^−７Ｔｏｒｒの圧力範囲での放出電流は約１０．０ｍＡであり、約１０^−７Ｔｏｒｒから約１０^−５Ｔｏｒｒの圧力範囲での放出電流は約１．０ｍＡに設定される。さらに、第３の段階である約１０^−５Ｔｏｒｒから約１０^−３Ｔｏｒｒの圧力範囲での放出電流は約０．０３ｍＡであり、約１０^−３Ｔｏｒｒから１０^−２Ｔｏｒｒの圧力範囲での図１の電子源１０５（例えば、陰極）からの放出電流は約０．０１ｍＡに設定される。次の段階である１０^−２Ｔｏｒｒから約１０^−１Ｔｏｒｒの圧力範囲での放出電流は約０．００３ｍＡに設定される。比較的に高圧な範囲では、この多段階のプロット２１０における陰極からの放出電流は、先行技術に基づく二段階のプロット２００の陰極からの放出電流に比べてごく僅かに過ぎない。この構成は極めて有利である。これにより、電離真空計１００は、高圧下での動作による許容できないレベルのスパッタリングを防ぎながら、放出電流を、圧力を検出するための十分に強い信号が得られる適切なレベルに設定することができる。

【0034】

例えば、第４のプロット２１５のように、放出電流プロットを、無段階にかつ動的に変化する直線状のプロットとしてもよい。この場合、１０^−９Ｔｏｒｒから約１０^−７Ｔｏｒｒの圧力範囲において放出電流は約１０．０ｍＡから約１．０ｍＡに変化する。約１０^−７Ｔｏｒｒから約１０^−５Ｔｏｒｒの圧力範囲において陰極１０５からの放出電流は約１．０ｍＡから約０．１ｍＡに変化する。約１０^−５Ｔｏｒｒから約１０^−３Ｔｏｒｒの圧力範囲において放出電流は約０．１〜０．０１ｍＡである。約１０^−３Ｔｏｒｒから１０^−１Ｔｏｒｒの圧力範囲において陰極１０５からの放出電流は約０．０１ｍＡから０．００１ｍＡに設定される。

【0035】

一般的に、陰極フィラメントは、イリジウムでコーティングされたタングステンまたは非コーティングのタングステンで構成される。コーティングされたタングステンは６００℃から１０００℃の温度範囲で動作して赤色またはオレンジ色に発光する。一方、非コーティングのタングステン製の陰極は、１５００℃から２０００℃の温度範囲で動作して黄色に発光する。古くなったり汚染されたりすると、陰極の電子放出効率が低下する。所望の放出電流を維持するには、電源１１３を介して陰極に印加される励起電圧を増加させ、陰極の温度を上昇させて電子放出量を増やす方法が考えられる。しかしながら、陰極を加熱し過ぎると、故障に陥る可能性がある。

【0036】

ある実施形態では、陰極の温度が検出され、その温度が高過ぎると、励起電圧が減らされて放出電流が低下される。この場合、放出電流は、選択された放出電流プロファイルで定まる最適な放出電流を下回るので、感度が低下する。しかしながら、このような感度の低下は、陰極フィラメントの破壊のコストを回避できることを考慮すると、十分に許容可能である。

【0037】

陰極フィラメントの温度は、その電気抵抗に直接関係している。つまり、陰極フィラメントの温度は、電源１１３の励起電圧に対する電流計２２５を流れる陰極電流の比によって検出することができる。図３に、温度検出手段の他の例を示す。センサ２４０は、例えば、温度読取可能な赤外線センサであってもよい。あるいは、センサ２４０は、カラーセンサであってもよい。イリジウムでコーティングされたタングステンは、高温になり過ぎると黄色に発光する。非コーティングのタングステン製の陰極は、高温になり過ぎると白色に発光する。これらの発光色が検出されると、システムは電源１１３を介した励起電圧を減少させることにより、放出電流を減少させて陰極の温度を低下させる。

【0038】

動作時、陰極１０５は、現在の放出レベル（エミッションレベル）から、目標の放出レベルに切り換えられたり、目標の放出レベルにまで増加されたりするときがある。一般的に、現在の放出レベル値と目標の放出レベル値とが比較的に近接していれば問題はない。しかしながら、現在の放出レベルと目標の放出レベルとの間が所定量の差で離れており、陰極１０５の単位時間あたりの温度変化が急激になると、陰極に歪力がかかり（そのような温度変化が原因）、陰極１０５が損傷してしまう可能性がある。

【0039】

この実施形態において、好ましくは、陰極１０５の温度変化がコントローラ１０５ａによって検出され、当該陰極の所定の温度差または歪力が検出されると、コントローラ１０５ａは、陰極が損傷しないように当該陰極からの放出電流を正確に制御する。第１の実施形態において、コントローラ１０５ａは、放出電流を、現在のレベルから目標のレベルにまで、前述したような一連の段階的に、線形的に、もしくは非線形的に、または電離真空計の変数を用いた所定の式によって動的に制御する。

【0040】

他の実施形態では、陰極１０５の電圧または電流の変化がコントローラ１０５ａによって検出され、現在のレベルと目標のレベルとの間で検出される電流差が所定に達すると、コントローラ１０５ａは、陰極からの放出電流を、電源１１３の励起電圧を用いて動的に制御する。コントローラ１０５ａは、放出電流を、現在のレベルから目標のレベルにまで、前述したような一連の段階的に、線形的に、または非線形的に増加させるものとされてもよい。

【0041】

他の実施形態において、陰極１０５は、陰極の温度、陰極に供給される電圧、陰極に供給される電流、および放出電流（電流計２３０によって検出される陰極／陽極の電流）のうちの少なくとも１つが、特定のパーセンテージ変化または所定の変化率を超えないものとされる。陰極に供給される特定の電圧値もしくは特定の電流量、または陰極からの電流値が、コントローラ１０５ａによって検出される。特定のパーセンテージ変化または所定の変化率の目標設定値を超えると、コントローラ１０５ａは陰極に供給される加熱用の電流を調節するように加熱用の電源１１３を動的に制御し、これにより、放出電流の量を、目標設定値を超えないように減少させる。コントローラ１０５ａは、所定のレベルの放出電流を上限とし、それ以上放出電流が増加しないようにしてもよい。放出電流は、陰極の歪力による陰極フィラメントの損傷を防いだり、あるいは、スパッタリングを防いだりするために、所望の設定値を超えないようにされる。

【0042】

本発明の教示内容は、高真空下において陽極電圧および放出電流を上昇させて真空計の内壁や内表面を清浄するために多くの電子を生成する、電離真空計１００の脱ガスモード時の動作も包含する。この場合、陰極１０５からの脱ガス用の放出電流を、前述したように動的に制御してもよい。

【0043】

図４に、本発明の一方法を示す。この方法はフィードバック信号を受けることにより、陰極１０５の加熱用の電源１１３から当該陰極に電流が供給され、陰極への電流量が増加する（ステップ４０２）。陰極が古くなったり汚染されたりしている場合、所望の放出電流を得るために、当該陰極を高温に加熱することがある。しかしながら、加熱によって高温になり過ぎると、陰極は故障してしまう可能性がある。したがって、陰極の故障を防ぐために、コントローラにより、感度の低下を犠牲にして、所望のプロファイルが示すレベルよりも低いレベルに放出電流を減らしてもよい。

【0044】

例示的な一実施形態では、陰極の加熱用の電流は、例えば、図２のプロファイルのうちの１つに示されたように放出電流を増加させるように制御される（ステップ４０２）。陰極に対する電圧および電流の印加が検出されて（ステップ４０５）、コントローラ１０５ａに信号が送信される。次に、電圧の読出し値および電流の読出し値を用いて、コントローラ１０５ａは陰極の抵抗値および陰極の温度を求める（ステップ４１０）。この温度は、メモリ１０７に記憶された、陰極の目標の温度値と比較される（ステップ４１５）。動作時、陰極が調節されて、陰極の現在の温度値と目標の温度値との差が閾値を超えると、放出電流は、所望量に調節される代わりに、陰極の損傷を招かないように、かつ、スパッタリングを軽減するように、所望量と異なるレベルに動的に調節される（ステップ４２０）。このような動的な調節は、特定の式にしたがって行なわれてもよいし、または線形的に、複数の段階的に、もしくは非線形的に行われてもよい。好ましくは、このようなデータは、図１に示すような不揮発性の形態のメモリ１０７に記憶される。メモリ１０７には、比較のステップ４１５で使用する、各種用途に対応した複数の動的な放出電流プロファイルが記憶されてもよい。

【0045】

なお、電離真空計１００の陰極には、様々な材料、様々な陰極の型式、様々な種類（ブランド）が使用されてもよい。陰極の型式や種類を検出し、コントローラ１０５ａに信号を送信するように構成してもよい。センサ２４０は、陰極からの発光量、赤外線波長、白熱状態の陰極からの光の光学パラメータなどを検出してもよい。型式や種類をセンサによって検出するものとしてもよいし、ユーザが種類を入力するものとしてもよい。

【0046】

コントローラ１０５ａは、信号に基づいて、陰極の歪力を防いだりスパッタリングを軽減したりするために、参照レベルの電流値を用いて、陰極に供給する適切な電流を決定する。動作時、陰極の種類や型式が検出されると、陰極に供給される電流は、その特定の陰極材料および／または種類に歪力がかからない許容可能なレベルに基づき、陰極の損傷を生じないように動的に調整される。このような動的な調節は、特定の式にしたがって行なわれてもよいし、または線形的に、複数の段階的に、もしくは非線形的に行われてもよい。

【0047】

図５に示す本発明の他の例示的な実施形態では、電離真空計内の気体の化学種が検出され、その気体の化学種を示す信号がコントローラ１０５ａに送信される。この気体の化学種がセンサ１１９によって検出され、特定の化学種または化学種の組合せを示す信号がコントローラ１０５ａに送信される構成であってもよい。センサ１１９は、例えば、光学センサであっても残留気体分析装置であってもよい。コントローラ１０５ａは、信号に基づいて、陰極の加熱用の電源１１３から陰極に供給される適切な電力を決定する。コントローラ１０５ａは、検出された気体の化学種に応じて、メモリ１０７に記憶された参照レベルや複数の所定の放出電流目標値を特定し、適切な陰極の加熱用の電流を当該陰極に供給する。このような目標のレベルは、コントローラ１０５ａによってアクセス可能な、不揮発性メモリ１０７に書き込まれてもよい。

【0048】

陰極１０５の動作時間を監視し、陰極の動作時間を示す信号がコントローラ１０５ａに送信されてもよい。動作時間は記録されてもよいし、連続的に監視されてもよい。他の実施形態において、動作時間は手動で監視され、ユーザによって許容可能なデジタルフォーマットで手入力されてコントローラに送信される。コントローラ１０５ａは、このような時間情報に基づいて、陰極に供給する許容可能な電流レベルを決定する。動作時、陰極１０５に供給される電流が調節され、現在以上の電流の上昇が陰極に歪力をかけたり陰極を損傷さたりする可能性を表す所定の閾値を、動作時間のパラメータが超えると、陰極に供給される電流は、陰極の損傷を生じないように動的に調整される。このような動的な調節は、前述したように、特定の式にしたがって行なわれてもよいし、または線形的に、複数の段階的に、もしくは非線形的に行われてもよい。

【0049】

一実施形態において、収集電極電流（収集電極を流れる電流）は、ある圧力範囲において一定の最小値に維持される。陰極フィラメント１０５からの放出電流は、収集電極電流がそのような一定のレベルに維持されるように、コントローラ１０５ａによって閉ループフィードバック制御システムを介して連続的に調節される。圧力の変化は、収集電極電流の変化を引き起こす傾向がある。そのような収集電極電流の変化をコントローラが検出し、コントローラは、そのような変化を相殺するように陰極からの放出電流を調節する。このようにして、収集電極電流は、一定のレベルに維持される。

【0050】

さらなる実施形態において、収集電極１１０を流れる電流の一定値は、複数の異なる目標電流値から択一的に選択可能である。好ましくは、そのような目標値は、圧力範囲に応じて選択される。これは、調節された放出電流を、前もって特定された圧力範囲に対して最小限に抑えながら、高い信号対ノイズ比を得るためである。

【0051】

好ましくは、電離真空計１００は、放出電流の変化量が圧力に対して容易に追随かつ変化するように、比較的小さい電子放出時定数を有する。

【0052】

さらなる実施形態において、電離真空計１００は、ある圧力範囲では一定の収集電極電流で動作し、他の異なる圧力範囲では可変の収集電極電流で動作するように構成される。収集電極電流が十分な信号対ノイズ比を有する高圧下では、収集電極電流を一定にした状態で、コントローラ１０５ａが圧力に応じて放出電流を連続的に変化させるための、十分に強い信号が得られる。この場合、圧力の変化は放出電流の変化で表わされる。低圧下では、信号対ノイズ比が低過ぎるために収集電極１１０が強い信号を形成できない場合がある。よって、低圧下では、電離真空計１００は収集電極電流を一定制御から可変制御に切り換えるように構成され、放出電流が、収集電極電流を最適な強度にするように選択される。これにより、低圧下での圧力の測定がより正確になる。よって、低圧下では、圧力の測定には収集電極１１０からの電流が用いられる。

【0053】

場合によっては、一定の収集電極電流と可変の放出電流との組合せが適した圧力範囲と、可変の収集電極電流と一定の放出電流との組合せが適した圧力範囲との間に、いずれの組合せによっても圧力の測定を上手く行える重複した圧力範囲が存在する場合がある。この場合、コントローラ１０５ａは、アルゴリズムを用いて電離真空計１００の少なくとも１つの変数（因子）を監視し、そのアルゴリズムの結果に基づいて、そのような重複した圧力範囲における動作モードを正確に選択するように構成されてもよい。これは、そのような重複した圧力範囲における、一定の収集電極電流モードと可変の収集電極電流モードとの間の持続的な往来を防止するためである。

【0054】

好ましくは、電離真空計１００は、基準圧（高真空）とそれよりも高い処理用圧力（大半はミリトール（ｍＴｏｒｒ）範囲）の両方の圧力を測定することができる。しかしながら、電離真空計１００はこれに限定されず、様々な処理パラメータが本発明の範囲内で測定可能とされる。電離真空計１００は、フラットパネルディスプレイの製造、磁気媒体工程、太陽電池、光学コーティング工程、半導体製造工程、およびその他の製造処理工程での圧力測定に使用することができる。このような処理には、物理気相成長法、プラズマ気相成長法（ＰＶＤ）、化学気相成長法（ＣＶＤ）、原子層体積法（ＡＬＤ）、プラズマエッチ工程、注入工程、酸化／拡散、窒化物形成、真空リソグラフィ、ドライ剥離工程、エピタキシ工程（ＥＰＩ）、急速熱処理（ＲＴＰ）工程、極紫外線リソグラフィ工程などが含まれる。好ましくは、電離真空計１００は、１種以上の分析装置、例えば、顕微鏡や質量分析計などと共に使用可能である。質量分析計には、ガスクロマトグラフ装置（ＧＣ）、液体クロマトグラフ装置（ＬＣ）、イオントラップ装置、磁気セクター型分析計装置、二重集束型装置、飛行時間型装置（ＴＯＦ）、回転磁場型装置、イオン移動度型装置、線形四重極型装置およびその他を含んでもよい。

【0055】

電離真空計１００およびクラスター装置と共にまたはクラスター装置なしに使用可能な表面分析装置には、走査型電子顕微鏡、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＯＳ／ＸＰＳ）、走査型オージェ電子顕微鏡装置（Ａｕｇｅｒ／ＳＡＭ）、グロー放電質量分析装置（ＧＤＭＳ）、電子分光装置（ＥＳＣＡ）、原子間力顕微鏡／走査型プローブ顕微鏡装置（ＡＦＭ／ＳＰＭ）、フーリエ変換赤外分光装置（ＦＴＩＲ）、波長分散型Ｘ線分光装置（ＷＤＳ）、誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰＭＳ）、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）、中性子放射化分析装置（ＮＡＡ）、計測装置などが含まれる。上記のリストは全てを網羅しておらず、電離真空計１００は、上記のリストに挙げられていない他の装置と共に使用することも可能である。

【0056】

本発明を、好ましい実施形態を用いて詳細に図示および説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲を逸脱することなく、これらの形態および細部に対して様々な変更を行えることを理解できるであろう。例えば、本発明は、他の形態の電離真空計にも適用可能であり、例えば、
・ ベアード−アルパート（ＢＡ）型：陽極の内側にイオン収集手段を備え、陽極の外側に陰極を配置した構造の真空計；
・ 三極管型：陽極の内側に陰極を備え、陽極の外側にイオン収集手段を備えた構造の真空計；
・ シュルツ−フェルプス（Schultz-Phelps）型：一枚の平坦なプレート状の陽極と、これと平行に配置された一枚の平坦なプレート状のイオン収集手段と、これらの間に配置された陰極とを備えた構造の真空計；
・ 高圧用構造：高圧下で陽極の外側で生成されるイオンを収集するための追加のイオン収集手段を陽極の外側に配置した構造の真空計；
などに適用可能である。

【0057】

さらに、冷陰極などの他の種類の電子源も使用可能である。また、コントローラは、真空計と一体化されていてもよいし、あるいは、別体であってもよく、例えば、ホストコンピュータのプログラミング内に含まれるものであってもよい。上記の実施形態はつぎの態様１〜１２を含む。
［態様１］
前記電子源が陰極を有しており、前記パラメータが陰極の温度である、電離真空計。
［態様２］
前記放出電流が、動作開始時に徐々に増加するように制御される、電離真空計。
［態様３］
前記陰極の温度が、前記陰極の電気抵抗によって表示される、電離真空計。
［態様４］
前記陰極の温度が、赤外線センサによって表示される、電離真空計。
［態様５］
前記陰極の温度が、前記陰極の光学パラメータによって表示される、電離真空計。
［態様６］
前記パラメータが、前記収集電極を流れる収集電極電流である、電離真空計。
［態様７］
前記電子源が陰極を有しており、前記パラメータが、前記電子源の陰極の温度である、圧力測定方法。
［態様８］
前記放出電流が、動作開始時に徐々に増加するように調節される、圧力測定方法。
［態様９］
前記陰極の温度が、前記陰極の電気抵抗によって表示される、圧力測定方法。
［態様１０］
前記陰極の温度が、赤外線センサによって表示される、圧力測定方法。
［態様１１］
前記陰極の温度が、前記陰極の光学パラメータによって表示される、圧力測定方法。
［態様１２］
前記パラメータが、前記収集電極を流れる収集電極電流である、圧力測定方法。

【符号の説明】

【0058】

１００ 電離真空計
１０５ 電子源（陰極）
１２０ 陽極
１２５ 電子
１１０ 収集電極（コレクター電極）
１０５ａ コントローラ
１０５ｂ 陰極バイアス電圧電源、
１３０ａ 陽極バイアス電圧電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】