特開 2022-9412 焼結非多孔質カソードおよびこれを含むスパッタイオン真空ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022009412

(43)【公開日】2022-01-14

(54)【発明の名称】焼結非多孔質カソードおよびこれを含むスパッタイオン真空ポンプ

(51)【国際特許分類】

   H01J 41/20 20060101AFI20220106BHJP

【ＦＩ】

H01J41/20

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021173171

(22)【出願日】2021-10-22

(62)【分割の表示】P 2018537638の分割

【原出願日】2017-02-15

(31)【優先権主張番号】UB2016A000885

(32)【優先日】2016-02-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(71)【出願人】

【識別番号】511020829

【氏名又は名称】サエス・ゲッターズ・エッセ・ピ・ア

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】トンマーゾ・ポルチェッリ

(72)【発明者】

【氏名】ファブリツィオ・シヴィエロ

(72)【発明者】

【氏名】アレッサンドロ・ガリートニョッタ

【テーマコード（参考）】

5C038

【Ｆターム（参考）】

5C038AA03

5C038AA14

(57)【要約】

【課題】ＳＩＰまたは高真空もしくは超高真空の用途および装置のための他の真空ポンピング要素において使用するのに有用なカソードを提供する。
【解決手段】本発明は、カソード電極組成物であって、例えば、能動的要素としてそれらを含むスパッタイオン真空ポンピングシステムのような、いくつかの真空装置に使用するのに適した極めて高い希ガスのポンピング速度および容量を示すポンピング機構を提供するのに適したカソード電極組成物に関する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

平均原子質量Ｗを有する非多孔質カソード（２２，２２’）であって、前記カソードはスパッタイオンポンプ（３）における電極として使用するのに適しており、その化学組成中に２つの異なる金属元素
ｉ）前記カソードの総原子数Ｑの原子百分率で表される量ｑ１において原子質量Ｗ１を有するＭ１、および
ｉｉ）前記カソードの総原子数Ｑの原子百分率で表される量ｑ２において原子質量Ｗ２を有するＭ２の焼結バルク混合物を含み、
前記化学組成は、Ｍ１およびＭ２とは異なる追加の金属元素を、総原子数Ｑに対して３原子％未満の累積量で含み、
Ｍ１およびＭ２はいずれも、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、希土類元素、ニッケルまたはモリブデンの中から選択され、ｑ１、ｑ２、Ｗ１およびＷ２は、Ｗ＝Ｗ１×ｑ１＋Ｗ２×ｑ２で定義されるカソードの原子質量が８０から１６０ａｍｕの範囲に含まれるような方法で選択される、カソード（２２，２２’）。

【請求項2】

その平均原子質量Ｗは、１００から１６０ａｍｕの範囲に含まれる、請求項１に記載のカソード（２２，２２’）。

【請求項3】

Ｍ１およびＭ２とは異なる前記金属元素は、アルミニウム、銅、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ニッケル、希土類元素、ハフニウム、鉄、コバルト、バナジウムの中から選択される、請求項１に記載のカソード（２２，２２’）。

【請求項4】

前記２つの金属元素Ｍ１およびＭ２はいずれも、チタン、タンタルおよびジルコニウムの中から選択される、請求項１に記載のカソード（２２，２２’）。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一項に記載のカソード（２２，２２’）の少なくとも一対を能動的ポンピング要素として含むスパッタイオンポンプシステム（３）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、いくつかの真空用途のための希ガスの極めて高いポンピング速度および容量を示すポンピング機構を提供するのに適したカソード電極組成物に関する。

【背景技術】

【0002】

１９５０年代から、スパッタイオンポンプ（ＳＩＰｓ）は技術的応用の幅広い範囲において、高真空（ＨＶ）または超高真空（ＵＨＶ）状態（すなわち、それぞれ１０^－５ｍｂａｒおよび１０^－９ｍｂａｒより低い圧力）を維持するための効率的で信頼性の高い方法として採用されている。

【0003】

一般に「ダイオード」ポンプと呼ばれる最も簡単な構成において、ＳＩＰは、２つのＴｉカソード板の間に配置されたステンレス鋼円筒形アノードのアレイを取り囲む真空エンベロープからなる。その動作原理は、電場および磁場の同時印加に依存しており、その複合作用はポンプ内部の残留ガスのイオン化をもたらす。高い運動エネルギーを有する気体イオンは次いで、いくつかの異なる化学収着または物理収着機構によって、カソードおよびアノードの両方においてポンピングされ得る。

【0004】

ＳＩＰｓは、大部分の気体種を効率的にポンピングすることができ、それらは化学反応性気体（例えば、Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２）の収着において特に有効である。しかしながら、それらの使用は、それらの作用機序によって決定される多くの欠点も示唆し得る。

【0005】

まず初めに、ＳＩＰのポンピング速度は一定ではなく、その動作圧力の範囲にわたって変化する。それは通常、より低い圧力から約１０^－６ｍｂａｒまでは増大し、次いで圧力が増加し続けるにつれて減少し始める。

【0006】

同時に、一貫性のあるポンピング速度の低下はまた、低圧、特にＵＨＶシステムの主な残留気体であるＨ_２を有する低圧において典型的である。

【0007】

従来のダイオードＳＩＰのもう１つの重要な態様は、空気中の希ガスの中で最も一般的なＡｒに特に重点を置いた希ガスの収着で示されており、そのポンピング速度は一般に公称のＮ_２ポンピング速度の２から５％に過ぎない。

【0008】

さらに、ダイオードＳＩＰによる比較的少量のＡｒの収着は、いわゆるアルゴン不安定性の開始をもたらし、カソードから以前にポンピングされたＡｒの突然の放出によって引き起こされる周期的な圧力バーストからなる望ましくない現象をもたらし得る。２つの異なるカソード（例えば、１つのカソードがチタンで作られ、１つのカソードとタンタルで作られる）の使用がアルゴン不安定性の問題を軽減し、より高いＡｒのポンピング速度を確実にする、いわゆる「ノーブルダイオード」ＳＩＰの開発のおかげでこの制限は回避された。それにもかかわらず、この改善は、１５から２０％まで低減される化学反応性気体の収着率の損失のみにより可能である。Ｔａ－Ｔｉノーブルダイオードを除いて、しかしながら、他のカソード材料に頼っているこれらの提案された解決法はどれも、いかなる市販品に実装されていなかった。ＳＩＰ技術の改良は、ポンプの、特に電極の形状変更から代わりにもたらされ、「三極管」ＳＩＰはその重要な例である。

【0009】

ダイオードおよびノーブルダイオードＳＩＰｓの上述した制限に起因して、（１つ以上の非蒸発性ゲッター（ＮＥＧ）ポンプと組み合わせて使用されるときに主なＳＩＰの目的の１つである）希ガスのポンピングは特に重要である。典型的なＵＨＶ条件下で動作するシステムでは、ゲッタリング不可能な気体に起因した気体負荷は全圧力のわずかなパーセンテージしか含まず、それ故、その動作寿命にわたってＳＩＰのポンプ性能に影響を与えない。しかしながら、用途によっては、ゲッタリング不可能なガスのより大きな負荷を扱う必要がある場合がある（例えば、ポータブル質量分析計、ヘリウムイオン顕微鏡、誘導結合プラズマ質量分光器）。

【0010】

アルゴンの不安定性とは別に、その機能の間に、ＳＩＰは、一般に、先に収着された気体のその内面からの望ましくない逆流（ｒｅｇｕｒｇｉｔａｔｉｏｎ）を生じやすい。ＳＩＰの機能の間に、先にポンピングされた気体（ゲッタリング可能およびゲッタリング不可能の両方）の逆流はまた、ＮＥＧポンプとの相乗的な組み合わせの観点から課題である。これは、ＮＥＧによってポンピングされないが、ＳＩＰによるそのイオン化がＨ_２を生成するＣＨ_４の場合に主に当てはまり、これはゲッタリング可能な気体の代わりである。この観点から、ＮＥＧポンプがその最大容量に達する前に担うことができるＳＩＰによって放出される気体量は、ポンピングシステムの特徴付けの間に無視すべきではない重要な態様になる（すなわち、システムは少なくともＳＩＰおよびＮＥＧポンプまたはカートリッジを含む）。

【0011】

過去数十年間に、その製造における技術的および経済的な欠点を必然的に含む幾何学的形状の変更を余儀なくされることなく、いくつかの対象の気体に対するポンピング効率を改善するために、ダイオードＳＩＰｓのカソード材料を変更する可能性の評価について多くの努力がなされてきた。ＳＩＰ技術に関する最も初期の調査以来、Ｔｉは、その化学的反応性並びにその利用可能性および価格に起因して、最も適切なカソード材料として確認されている。また、Ｍｇ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕなど他の材料も実験したが、Ｔｉは空気に対して提供されるポンピング速度の点において明らかに優れていることが判明した。

【0012】

米国特許第３，１４７，９１０号明細書は、加熱によって結合されたチタンまたはジルコニウム粒子からなるカソード電極としての多孔質ポンピング体を含む真空ポンプ装置を開示している。前記カソード電極は、極めて高い分子水素吸収率を有しているが、限られた希ガスのポンピング効率および先に収着したＨ_２以外の気体の望ましくない逆流に関連する欠点を維持している。

【0013】

英国特許出願公開第１，０３５，２０１号明細書は、チタン、ハフニウム、ジルコニウムおよびトリウムの中から選択された少なくとも１つの活性金属と組み合わせてタングステンから形成された１つ以上の自立型焼結収着部材を含む真空装置を開示している。英国特許出願公開第１，０３５，２０１号明細書では、高温への暴露の効果として、それらの変形または損傷を避ける焼結収着部材の寿命を改善するために必要なタングステンの使用を説明している。しかしながら、英国特許出願公開第１，０３５，２０１号明細書で説明された焼結収着部材は、タングステンの高コストおよび高融点に関連するいくつかの製造上の欠点を示しており、この文献は、限られた希ガスのポンピング効率および先に収着した気体の望ましくない逆流という他の欠点の克服については言及していない。

【0014】

米国特許第３，５４２，４８８号明細書は、カソード部材を有するスパッタイオンポンプを説明しており、各部材は、例えば、いわゆる「グリッド・ファッション」において、異なる金属組成を有する少なくとも２種類の異なる構造要素の組立体から構成されている。米国特許第３，５４２，４８８号明細書は、４４種の異なる金属元素を列挙し、前記組み立てられたカソードの効果を、窒素、酸素、水蒸気などの活性気体の収着の増加として説明しており、標準のバルクカソード構造と比較した場合の幾何学的解の複合、および蒸気相における２つ以上のスパッタリング可能な金属の合金化を制御することの困難性によって必然的に影響を受ける収着性能を有することを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】米国特許第３，１４７，９１０号明細書

【特許文献2】英国特許出願公開第１，０３５，２０１号明細書

【特許文献3】米国特許第３，５４２，４８８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

従来技術の上述した欠点を克服する、ＳＩＰまたは高真空もしくは超高真空の用途および装置のための他の真空ポンピング要素において使用するのに有用なカソードを提供することが本発明の主要な目的である。

【0017】

前記カソードを含み、および容易に制御可能な収着性能を有しており、その上、希ガス収着における効率および先に収着した気体の限られた望ましくない逆流を示すＳＩＰを提供することがさらに本発明の目的である。

【0018】

前記カソードを含む少なくとも１つのスパッタイオンポンピング要素を備える複合ポンピングシステムを提供することはまた本発明の目的である。

【0019】

本発明をよりよく理解し、その利点を理解するために、添付の図面を参照して多数の実施形態の非限定的な例を以下に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】ＳＩＰの特徴表示のための実験的テストベンチの配置図を示している。

【図2】本発明の可能な実施形態における電極の配置図を示している。

【図3】図２の可能な実施形態における電極を示す組み立てられたポンプの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

好ましい実施形態によれば、本発明は、平均原子質量Ｗを有するカソードからなり、前記カソードは、スパッタイオンポンプにおける電極として使用するのに適しており、その化学組成において、少なくとも二つの異なる元素Ｍ１およびＭ２であって、カソードの総原子数Ｑの原子百分率で表される量ｑ１にある原子質量Ｗ１を有するＭ１およびカソードの総原子数Ｑの原子百分率で表される量ｑ２にある原子質量Ｗ２を有するＭ２の焼結バルク混合物を含み、Ｍ１およびＭ２は共に、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、希土類元素、ニッケルまたはモリブデンの中から選択され、ｑ１、ｑ２、Ｗ１およびＷ２は、Ｗ＝Ｗ１×ｑ１＋Ｗ２×ｑ２で定義されるカソードの原子質量が８０から１６０ａｍｕの範囲に含まれるような方法で選択される。

【0022】

本発明による好ましい実施形態において、カソードは、８０から１６０ａｍｕ、好ましくは１００から１６０ａｍｕの範囲に含まれる平均原子質量Ｗを有している。前記平均原子質量Ｗは、カソードの化学組成における金属元素成分Ｍ１およびＭ２のそれぞれの原子質量Ｗ１およびＷ２の和として定義され、それぞれは、カソードの全体の原子数Ｑに対してそれらの原子百分率の関数で重み付けされている。換言すれば、カソードの前記平均原子質量は、式Ｗ＝Ｗ１×ｑ１＋Ｗ２×ｑ２によって定義される。

【0023】

本発明によれば、カソードは、２つ以上の金属元素で作られたバルク複合材料からなり、それらの少なくとも２つは、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、希土類元素、ニッケルまたはモリブデンの一覧から選択される。より好ましくは、前記少なくとも２つの金属元素は、チタン、タンタルおよびジルコニウムの中から選択される２つである。

【0024】

本発明によるいくつかの特定の実施形態では、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、希土類元素、ニッケルまたはモリブデンの中から選択された２つの異なる金属元素Ｍ１およびＭ２は、焼結バルクカソードの３％（原子百分率）未満の累積量で、先に権利を主張した金属元素の一覧に厳密に限定されず、Ｍ１およびＭ２とは異なる１つ以上の追加の金属元素と混合することができる。この限られた量の追加の金属元素は、たとえそれらが高い原子質量を有する元素を含んでいても、Ｍ１およびＭ２のみを考慮した和Ｗ１×ｑ１＋Ｗ２×ｑ２に依然として近似できるカソードの平均原子質量Ｗにわずかに影響を与えるだけである。チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、希土類元素、ニッケルまたはモリブデンに加えて、前記追加の元素は、銅、アルミニウム、鉄、コバルトの中から選択することができる。

【0025】

本発明によるカソードは、粉末の高温一軸圧縮（ＨＵＰ）焼結によって製造することができる。ＨＵＰプロセスと同じ利点を有するカソードを製造するために使用するのに適した代替技術は、熱間等方圧縮（ＨＩＰ）焼結および金属射出成形（ＭＩＭ）である。ＨＵＰ、ＨＩＰまたはＭＩＭ技術の選択は、過去に提案された他の解法とは異なり、ＳＩＰｓ用のカソードを製造する新しい方法をもたらす。実際のところ、ＨＵＰプロセスは、純粋なＴｉカソードが純粋なＴａカソードに対向している従来のノーブルダイオードＳＩＰの設計とは対照的に、２つの異なる金属が均一に分布しているカソードの対を作ることを可能にする。また、必要に応じて、毎回それらの２つのみを使用する代わりに、各カソードを構成する元素の数を増やすことも可能である。さらに、焼結される混合物中の各元素の原子百分率は容易に調整することができる。

【0026】

ＨＵＰ焼結プロセスは、例えば、焼結される金属粉末を含有する鋳型に一軸圧縮および熱を同時に加えることにある。ホットプレスは、気孔率を大幅に減少させ、バルク密度を得ることを可能にしており、さらに、従来のプレスまたは焼結プロセスと比較して、より良好な機械的特性およびより均一な微細構造をもたらす。さらに、ＨＵＰ技術は、合金を使用することなく、バルク密度を有する異なる材料の混合物を製造するための良い方法であり、これは異なる物理的および化学的特性を有する新たな化合物を代わりにもたらし得る。本発明による焼結非多孔質バルクカソードを得るために、８００℃から１２００℃の温度、１から４時間続く４０から１００ｂａｒ／ｃｍ^２の一軸圧力を適用することができる。

【0027】

本発明によるカソードであって、スパッタイオンポンプ構成で使用するのに適したカソードは、前記カソードが含まれる必要のある最終装置の設計に関連した要求に応じて、特別な制限なく焼結され、および成形されることができる。

【0028】

第２の態様において、本発明は、能動的ポンピング要素として請求項１に記載のカソードを含むスパッタイオンポンプからなる。

【0029】

本発明は、以下の非限定的な実施例によってさらに説明される。

【0030】

実施例１－本発明によるカソード
本発明によるカソードのいくつかの対（Ｓ１からＳ４）は、適用される一軸圧力が数十バールの規模であると同時に、一般に数百℃の範囲の処理温度を選択するＨＵＰプロセスによって製造された。

【0031】

ＨＵＰプロセスの終わりに、各カソードは研磨され、必要に応じて、適切なアルカリ性洗剤（Ｍ－Ａｅｒｏ－ＮＳ、Ａｒｍ＆Ｈａｍｍｅｒ）を用いて超音波浴中で慎重に洗浄された。その後、カソードの各対は、Ｈ_２の脱ガス速度を減少させることを主な目的として、真空中アニール熱処理を受けた。アニーリングの温度と時間の長さの異なる組み合わせが試験されている。

【0032】

表１は、試験された構成および対応する熱処理を要約している。

【0033】

【表1】

【0034】

実施例２－本発明によらないカソード
技術的効果の証拠を与えるのに有用な本発明によらない第１セットのカソードは、チタンのみ、ジルコニウムのみ、またはタンタルのみで作られた市販の電極（板形状）である。

【0035】

本発明によらない第２セットの焼結カソードは、単一金属（Ｃ２）の粉末または権利を主張した範囲の外の平均原子質量を有するジルコニウムおよびチタンの粉末の混合物（Ｃ４）を使用してＨＵＰプロセスによって製造された。

【0036】

表２は、ＨＵＰプロセスによって製造されたカソードが使用されたときに考慮された構成および対応する熱処理を要約している。

【0037】

特に、チタンの市販のカソード（Ｃ１）を用いた標準的なダイオード構成、および粉末のＨＵＰプロセスによるチタンのみで作られたカソード（Ｃ２）を用いた同じ構成が検討されている。ノーブルダイオードの構成は、タンタルおよびチタンの市販のカソード（Ｃ５）を二つ一組にして考慮されている。

【0038】

【表2】

【0039】

実施例３－希ガス収着性能の比較
図１の配置図を有する実験的テストベンチが、ＳＩＰの特徴表示に使用されている。このシステムは、２６．７リットルの容積を有する主真空容器１で作られており、残留気体分析のためのファイファー Ｐｒｉｓｍａ Ｐｌｕｓ四重極型質量分析計２および試験用のＳＩＰ３が設置されている。

【0040】

システム全体は、ファイファーバキューム ＨｉＰａｃｅ ３００ターボ分子ポンプ５に直列に接続されたエドワーズ ＸＤＳ １０スクロールポンプ４によりポンピングされ、これはＮ_２に対して２６０ ｌ／ｓの公称ポンピング速度を提供する。システムへの気体漏れは、自社で製造した自動バルブ６、６’、６”によって制御される。２つのホットカソード ベアード・アルパートゲージ グランビル・フィリップス ３６０／３７０ Ｓｔａｂｉｌ－Ｉｏｎ（登録商標）７、７’が、それぞれ気体入口８の近傍に、およびＳＩＰ３およびＱＭＳ２に近い主要な空間に配置されている。それらの作動圧力範囲は、１０^－２Ｔｏｒｒから１０^－１０Ｔｏｒｒである。

【0041】

特徴表示すべき新しいＳＩＰの設置のために必要なあらゆる排気の後に、およびいずれの収着試験を行う前に、真空システム全体はアドホックオーブンによって焼き固められる。試験すべき注入ラインおよびＳＩＰも、磁石なしで、焼き固められる。採用された手順は、１８０℃で１０時間続くベークアウトを含み、これは典型的には１０^－１０から１０^－９Ｔｏｒｒの範囲の基底圧に到達するのに十分である。

【0042】

組み立てられたポンプにおける電極の配置図が図２に示されている。それは、２つのカソード板２２、２２’間に位置するステンレス鋼で作られた４つの同一の円筒形アノード２１，２１’、２１”、２１’’’のアレイを含み、電極を取り囲むステンレス鋼の真空エンベロープの寸法は６０×６２×４２ｍｍである。図２の電極の実施形態を示す組み立てられたポンプの断面図が図３に示されており、ＣＦ３５フランジ２３を介して真空システムに接続され、磁石は、カソード２２、２２’に対応して、真空エンベロープ２４の外側に配置される。

【0043】

【表3】

【0044】

表３に示された実験結果は、本発明による全ての試料（Ｓ１からＳ４）が、各カソードがＨＵＰカソードの２つの成分のうちの１つで作られているカソードの対応する対より高い性能を有することを明らかに示している（Ｓ１およびＳ２対Ｃ５、Ｓ３およびＳ４対Ｃ３）。（Ｃ１、Ｃ３）これとは対照的に、単一の金属のみの粉末を用いたＨＵＰプロセスの使用（Ｃ２）は、同じ金属の市販のカソード（Ｃ１）を用いた構成と比較した場合、収着性能を危うくすることを示している。

【0045】

本発明による試料（Ｓ１からＳ４）は、２つの金属の混合粉末で作られ、権利を主張したものの外にある平均原子質量を有するＨＵＰカソード（Ｃ４）の使用に対してより良好な性能を示しており、本発明で得られた改善は、ノーブルダイオード構成（Ｃ５）に匹敵するか、またはそれより優れているが、ポンピング装置の構造の複雑な修正を必要とせず、すなわち「ダイオード」スパッタイオンポンプの「単純な」構造を維持する、希ガス収着性能を達成することを可能にしている。

【符号の説明】

【0046】

１ 主真空容器
２ 四重極型質量分析計
３ スパッタイオンポンプ
４ スクロールポンプ
５ ターボ分子ポンプ
６、６’ 自動バルブ
７、７’ ホットカソード
２１ 円筒形アノード
２２、２２’ 非多孔質カソード
２３ フランジ

【図1】

【図2】

【図3】

【外国語明細書】