JP4451498B2 - 非常に高真空の系において真空を改善するための装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は、その表面においてガスを放出することのできるチャンバを含む、非常に高い真空（超高真空）の系における真空を高める意図のもとになされた改善に関する。
非常に高い真空（すなわち少なくとも１０^-10トル（１０^-8Ｐａ）、そして１０^-13ないし１０^-14（１０^-11ないし１０^-12Ｐａ）のオーダーさえもの）がその中で作り出される加熱チャンバとして用いられる金属の系においてはこのチャンバの金属壁が無尽蔵のガス源を構成する。その金属構造材（例えばステンレス鋼、銅、アルミニウム合金等）の中に含まれている水素はその金属の厚さの中で自由に分散されてそのチャンバを画定している表面において放出される。同様に、この真空チャンバの壁が、粒子加速器の場合のように、粒子によって衝撃された（シンクロトロン、電子又はイオン放射）ときに、その表面において炭化水素類、カーバイド類及び酸化物の分解の後で作り出されたＣＯ、ＣＯ₂、ＣＨ₄のような重い分子種が追い出される。
従ってこのチャンバの中で得られる真空の水準はこのチャンバを画定している表面におけるガスの放出と用いたポンプの排気速度との間の動的平衡により決定される。高真空を作り出すことは、そのチャンバの表面がガスの放出を低下するように極端にクリーンであることを保証することと高い排気速度を適用することとの２つの要求条件を含む。一般に各チャンバの断面の小さい粒子加速器の場合には、各ポンプを互いに近接して配置しなければならないか、又はその搬送能限界を克服するために排気を連続的に適用する必要がある。
このような条件のもとで、できるだけ高い真空を得るための公知の手段は、機械的ポンプにより作り出された真空を補足的排気を、中でもそのチャンバの内側に配置されたゲッターによって適用によって補足することであるが、この物質はその真空チャンバの中に存在する種々のガス（特にＨ₂、Ｏ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｎ₂）と反応することにより化学的に安定な化合物を作り出すことができ、そしてこの反応は対象となる分子種が消失することをもたらし、これは排気効果と同じである。
しかしながら、用いた排気過程に関係なく、また非蒸発的ゲッターの使用により到達できる分配された効率にかかわらず、その真空チャンバの中で得ることができるであろう真空水準はなお、その排気速度（用いた手段に関係なく）とこのチャンバの金属表面からのガスの放出（原因に無関係に）の速度との間の動的平衡によって決定され、言い換えれば、その真空水準は或る与えられた排気速度についてそのチャンバの内側のガスの放出速度に依存したままに留まる。
従ってこのチャンバの内側の超高真空の質を改善するためには、このチャンバの金属壁の表面においてガスが放出される速度を大きく低下させることを試み、そしてそのようにするとともにその排気手段の効率を大きく上昇させるのが望ましい。
従って、本発明の目的は、これらの問題を克服することができ、そしてそのチャンバの内側でガスが放出される速度を低下させ、かつ用いた排気手段の効率を著しく高めることができ、一方非常に高い、又は超高真空（例えば１０^-10ないし１０^-13トル（１０^-8ないし１０^-11Ｐａ）のオーダーの）をより経済的に達成できる改善された技術手段を提供することである。
このような目的ために、本発明は、その表面において種々のガスが放出されるような金属チャンバの中で非常に高い（超高）真空を作り出す能力を高める改善された装置を提供するものであり、その際その表面はこのチャンバを画定する金属壁の少なくとも殆どの表面の上に沈着した被覆よりなり、そしてこの装置は、この被覆がこのチャンバを画定する金属壁の上記表面の上に沈着した非蒸発性のゲッターの少なくとも一つのアンダーコートと、このアンダーコートの上の、ルテニウム及び／又はロジウム及び／又はパラジウム及び／又はオスミウム及び／又はイリジウム及び／又は白金及び／又はこれらの少なくとも１つを含む合金から選ばれた少なくとも１つの触媒の少なくとも１つの薄い層とを含むことを特徴とする。
この型の装置を用いることは、その使用できる触媒本体−そしてこれはそれら触媒本体の低い酸化性に帰することができるが−が空気にさらされたときにこれらはその表面において酸素とほんの僅かしか反応せず、そして不働態化層を除くために加熱による活性化段階を実施する必要がもはや存在しないために本発明の主要な利点をもたらす。
その触媒層の実用寿命に帰することのできるもう一つの利点が存在するが、この寿命はガスの吸収が熱的に可逆的であるので原理的に無制限である。
この触媒層は或るスクリーンを構成し、これがそれ自身いかなるものも形成することなくそのチャンバの壁の金属からのガスの放出を阻止する。更に、粒子加速器の各チャンバにおいては粒子の衝撃又はシンクロトロン放射にさらされるのがこの層であり、そしてこれはスクリーンを形成してそのチャンバの中の真空を汚すような分子種の放出を阻止する。従ってこの系によれば、何らかの原因によるガスの放出はこのチャンバの中で少なくとも大きな程度に防止される。
最後に、上述の型の触媒はそのチャンバの中に存在する分子種について表面ポンピング効果を作り出すもののようである。
パラジウムの合金、そしてより詳細にはパラジウム−銀合金を用いて最も興味ある結果が得られている。
この触媒の層は当業者に公知のいかなる適当な手段によってもそのチャンバの金属壁の上に沈着させることができ、そしてこれは、下に説明するように、対象とする、中でも電着又はカソードスパッタリングによる技術の領域において好都合である。
しかしながら、この触媒はこれが、非蒸発性ゲッターと異なり、選択的なポンピング効果のみを作り出すと言う事実、言い換えればこれがＨ₂及びＣＯ₂と言う特定の分子種はポンピングし得るけれども他の、Ｎ₂及びＣＯのような分子種については必ずしもそうではないと言う事実に現れるような１つの好ましくない特性を有する。けれども、ここで考えられているより特定的な用途の若干（粒子加速器の真空チャンバ）においては、存在する分子種の主体がＨ₂とＣＯとであると言う事実によってこのような選択性は必ずしも不利にはならないであろう。
更に、Ｈ₂分子種についてポンピング効果を示す触媒−それらはいくつか存在する−は低圧におけるものに限られている。しかしながら搬送されるＨ₂の量は温度を低下させることによって改善でき、約２０℃の温度においては分子層のほんのわずかな部分に過ぎない量が温度を低下させると上昇する。例えば達成される結果のために一般に好まれる触媒であるパラジウムでは表面吸着された水素の単分子層についての平衡圧力は外気温度において１０^-7トル（１０^-5Ｐａ）であるけれども液体窒素の沸騰温度（７７°Ｋ）においてはまったく無視できるようになる。
本発明がチャンバ壁の上への非蒸発性ゲッター物質の直接の被覆を提案しているのは、Ｈ₂及びその同位体のような特定の分子種についてのその触媒の不適当なポンピング能力を改善するためである。従って、水素及びその同位体のような上述した全ての分子種は、真空にさらされた表面から触媒の層を通して、外気温度においては比較的長い時間をかけて、或いは約５０ないし７０℃の温度に加熱することによって比較的短い、或る場合には非常に短い時間の間に、より加速された態様でその非蒸発性ゲッターの層まで移送される。従って、Ｈ₂で飽和されたパラジウムの層は約２０℃の外気温度においては１０^-7トル（１０^-5Ｐａ）の真空しか作り出すことができないのに対して、この同じ触媒が７０℃に加熱されると１０^-13トル（１０^-11Ｐａ）の真空を作り出す。
非蒸発性のゲッターの層に関するかぎり、成分物質の選択及びそれがどのように作られるかは、当業者に公知のいずれかの技術手段及びどれが本発明の要求条件に合致するかに基づくことができる。しかしながら好みでは、また特に有利なのは本出願人の名で出願された文書ＦＲ−Ａ−２７５０２４８に開示された方法であり、これについてはより詳細な情報を参照するべきである。
その非蒸発性物質（ＮＥＧ）が特に、水素について高い吸収能と高い拡散能とを有し、そしてもし可能でなときは水素化物形成能を有しなければならないことを重ねて強調するが、更に、このものは、約２０℃において１０^-13トル（１０^-11Ｐａ）よりも低いその水素化物相からの解離圧力を有しなければならない。この物質はまた、真空系の加熱条件（ステンレス鋼チャンバの場合約４００℃、銅及びアルミニウム合金のチャンバの場合２００−２５０℃）と両立できるように、そして約２０℃における空気への暴露に際してのこの物質の安定性と両立できるようにできるだけ低い活性化温度をも有しなければならない。このような条件のもとで、より一般的に言うならばその活性化温度は最高で４００℃であるが１５０℃よりも低くてはならない。
最後に、外気温度において酸素に対して２％よりも多い溶解度限界を有するチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム及びスカンジウムが本発明の目的のための薄い被覆層を形成する手段としての非蒸発性ゲッターとして適している。作り出される効果を組み合わせるようにこれらの物体と他のものとの合金や化合物を使用すること、或いは個々の効果の加算の直接の結果ではない新しい効果を作り出すことさえも考えられるであろうことは明らかである。
本発明によって提供される多層構造は簡単な態様で次のように被覆できる：
○そのチャンバの壁の少なくとも殆ど全ての表面の上に非蒸発性のゲッターの少なくとも１つの薄い層を沈着させ、
○次いで上記ゲッターの層の上に少なくとも１つの触媒の少なくとも１つの薄い層を沈着させ、その際上記触媒はルテニウム及び／又はロジウム及び／又はパラジウム及び／又はオスミウム及び／又はイリジウム及び／又は白金及び／又はこれらの少なくとも１つを含む合金から選ばれ、
○このチャンバを真空系に取り付け、そして
○排気系を用いて真空を形成させる。
ダブルカソードスパッタリングによる沈着の好ましい場合において上に概略説明した各段階の最初にあげたＮＥＧ層は、文書ＦＲ−Ａ−２７５０２４８に記述されているカソードスパッタリングによるゲッターの沈着に適した少なくとも第１の電極によって行なわれる。次に沈着が完了したならばこの第１の電極をそのチャンバより取り除き、そして上述の第２の段階が開始されるに先立って、カソードスパッタリングによる触媒の沈着に適した少なくとも１つの第２の電極と置き換える。ゲッターの層は電極交換の際に導入された外界の空気にさらされるので、排気した後ゲッターの層を活性化し、その後でカソードスパッタリングにより触媒層の沈着を開始させる必要があるであろう。
１例として、この方法は下記の各電解を実施することにより実際に実行することができるであろう：
○チャンバを清浄にし、このチャンバの内側にゲッターの薄い層を沈着させるための装置を配置し、このチャンバの中に相対的真空を作り出し、できるだけ多くの水蒸気を排除するためにこのチャンバを加熱し、次にそのゲッターを、このチャンバを画定している表面の少なくとも大きな部分を覆って薄い層の形で沈着させ、
○このチャンバを大気圧に戻し、そしてゲッターの沈着に用いた装置をこのチャンバから取り除いて触媒を沈着させるための装置をこのチャンバの中に配置し、
○このチャンバの中に相対的真空を作り出し、このチャンバをゲッターの活性化温度よりも低い温度に保ちながらその設備を所望の温度に加熱し、
○この設備の加熱を停止し、そして同時にそのチャンバの温度をゲッターの活性化温度に上昇させてこの温度においてこれを或る予め定められた時間（例えば２ないし２時間）にわたり維持し、そして最後にこのチャンバの温度を外気温度まで低下させ、その際この操作の最後においてその薄い層の表面は清浄であり、そしてガスの熱的放出が鋭く低下し、
○最後に、触媒の少なくとも１つの層をその非蒸発性ゲッター層の上に沈着させる。
電極交換によりもたらされる制約（ゲッター層の外部空気への暴露）を避けるために、最初から非蒸発性ゲッターと触媒物質との両方を同時に組み入れてこれらを次に順に活性化し、それによりゲッターを、次いで触媒を順に、ゲッターの中間処理を行なうことなく沈着させることができ、そしてこの型の電極の一方が回転できるような２重電極を採用してチャンバの全壁にわたる均一な沈着物を作り出すことが考えられるであろう。
最終真空系を取り付けたならば、次にその触媒層の表面を原理的には数層の水蒸気単分子層で被覆するが、これは排気によって除去しなければならない。この除去過程は、その真空系をこれが少なくとも１２０℃の温度、そしてもし可能であれば３００℃までの温度になるように加熱することにより排気を行なうときはより迅速になるであろう。
上に記述したような１つの層の形で用いた触媒はそのチャンバの全長にわたって延び、従って均一な態様での分布されたポンピング作用の利点を保持する。その上に、本発明によって提供される触媒層は大きな空間体積を取らず、そしてそれによりなんらそれ以上の空間を必要とすることなくポンピング効果を作り出すと言う利点をもたらし、このことはこれが、形状寸法的制約が通常はリボンの形のポンピング材の使用を許容しないような条件においてさえ使用できることを意味する。

Claims (6)

1. ガスを表面において放出する金属により画定されたチャンバ内にゲッター効果により非常に高い（超高）真空を作り出すために、前記チャンバの内壁表面の少なくとも一部に沈着させたゲッター機能を有する被覆層を適用して、前記チャンバ内に非常に高い（超高）真空を形成する真空形成方法において、
   以下の連続する各段階（Ａ）〜（Ｄ）、すなわち、
   （Ａ）前記チャンバの内壁表面の少なくとも一部に、カソードスパッタリングによって、非蒸発ゲッターの、金属からなる薄層の少なくとも一つを沈着させ、該非蒸発ゲッターが、チタニウム、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム及びスカンジウム、並びにこれらの少なくとも１つを含む合金または化合物から選ばれた水素及びその同位体を吸着するためのものである段階、
   （Ｂ）前記非蒸発ゲッターの薄層上に、少なくとも１つの触媒の少なくとも１つの薄い層を沈着させ、該触媒がルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム及び白金、並びにこれらの少なくとも１つを含む合金から選ばれたものである段階、
   （Ｃ）前記チャンバを非常に高い（超高）真空を形成するための状態に組み立てる段階、
   （Ｄ）前記非常に高い（超高）真空を形成するための状態に組み立てられたチャンバ内にポンプ系を利用して真空を形成する段階、
   を有し、
   前記被覆層は、一方では前記チャンバの内壁からのガスの放出を停止させ、他方では前記真空が形成された時に前記チャンバ内に存在する水素及びその同位体を吸収するものである
   ことを特徴とする真空形成方法。
2. 前記段階（Ａ）及び（Ｂ）の２つの沈着段階間において前もって沈着させておいた非蒸発ゲッターの薄層を外部空気へ曝すことなく、該非蒸発ゲッターの薄層上に前記触媒を沈着させることを特徴とする請求項１に記載の真空形成方法。
3. 前記段階（Ｂ）での触媒の薄層を沈着させる前に、前記段階（Ａ）での沈着後に外部空気に曝した非蒸発性のゲッターの層を排気し、熱的に活性化することを特徴とする請求項１に記載の真空形成方法。
4. 前記ポンプ系を利用して真空を形成すると同時に、該真空を形成するための真空系を少なくとも１２０℃の温度に加熱して乾燥させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空形成方法。
5. 前記触媒が、パラジウムを含む合金である請求項１〜４のいずれかに記載の真空形成方法。
6. 前記触媒が、パラジウム−銀合金である請求項５に記載の真空形成方法。