JP6983012B2 - イオンポンプ内のイオン軌道操作アーキテクチャ - Google Patents

Description

超高真空は、１０^-7パスカル（１０^-9ミリバール、約１０^-9トル）よりも低い圧力によって特徴付けられる真空形態である。イオンポンプは、超高真空を確立するために一部の設定に使用される。イオンポンプにおいて、円筒形陽極管のアレイは、各管の開口部が陰極板のうちの１つに面するように２つの陰極板の間に配置される。電位は、陽極と陰極の間に印加される。同時に、陰極板の両側の磁石は、陽極円筒体の軸線に位置合わせされた磁場を発生させる。

イオンポンプは、電位と磁場との組合せを通して円筒形陽極内に電子を捕捉することによって作動する。ガス分子が陽極のうちの１つに流れ込む時に、捕捉された電子は、分子に衝突して分子をイオン化させる。得られる正に帯電したイオンは、陰極板のうちの１つに向けて陽極と陰極の間の電位によって加速され、円筒形陽極内の剥離電子を他のガス分子の更に別のイオン化に使用されるように残す。正に帯電したイオンは、最終的には陰極によって捕捉され、それによって真空空間から除去される。典型的には、正に帯電したイオンは、正に帯電したイオンによって陰極からの材料がポンプの真空チャンバの中にスパッタされるスパッタリング事象を通して捕捉される。このスパッタされた材料は、ポンプ内の面を被覆し、ポンプ内を移動する追加の粒子を捕捉するように作用する。すなわち、スパッタされた材料の量を最大にすることが望ましい。

以上の議論は、単に一般的な背景情報に対して提供したものであり、特許請求する主題の範囲を決定するのを助けるために使用するように意図していない。特許請求する主題は、背景技術に示すいずれか又は全ての欠点を解決する実施に制限されない。

イオンポンプは、陽極と、陽極に向けて延びる少なくとも１つの面構造を有する裏打ち面と、陽極と裏打ち面の間に位置決めされ、少なくとも１つの面構造が開口部に位置合わせされるような開口部を有する陰極とを備えている。

更に別の実施形態では、イオンポンプは、開口部を有する円筒形陽極と、円筒形陽極の開口部に位置合わせされた開口部を有する陰極板とを備えている。

更に別の実施形態では、方法は、陽極と陰極の間に第１の電位差を印加して陽極の近くの空間に形成されたイオンを陰極に向けて移動させる段階を含む。第２の電位差が、ポストと陰極の間に印加され、イオンが陰極に向けて移動してイオンを陰極に衝突させるようにイオンを誘導する。

この「発明の概要」は、「発明を実施するための形態」において以下で更に説明する選択された概念を簡素化した形態で紹介するために提供するものである。この「発明の概要」は、特許請求する主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定するように意図しておらず、特許請求する主題の範囲を決定するのを助けるために使用されるようにも意図していない。

イオンポンプの断面図である。 従来技術のイオンポンプの一部分の斜視断面図である。 図２に示すイオンポンプの部分の側面断面図である。 一実施形態によるイオンポンプの一部分の斜視断面図である。 図４に示すイオンポンプの部分の側面断面図である。 図５の陰極板の背面図である。 第２の実施形態によるイオンポンプの一部分の斜視断面図である。 第７に示すイオンポンプの部分の側面断面図である。 図８の陰極板の前面図である。 更に別の実施形態によるイオンポンプの一部分の斜視図である。

図１は、イオンポンプ１００の断面図を提供する。イオンポンプ１００は、真空にされるシステムに接続するための接続フランジ１０６に溶接されたチャンバ壁１０４によって定められた真空チャンバ１０２を備えている。２つのフェライト磁石１０８及び１１０は、チャンバ壁１０４に対して外部に位置付けられ、イオンポンプ１００の両側に装着される。磁束ガイド１１２は、フェライト磁石１０８及び１１０の各々の外側に位置決めされ、矢印１３０及び１３２によって示すようにイオンポンプ１００の下に延びてフェライト磁石１０８及び１１０の各々の外部の間で磁束を案内する。フェライト磁石１０８及び１１０は、真空チャンバ１０２を通過する磁場Ｂを生成する。一部の実施形態により、磁場は、１２００ガウス（．１２テスラ）の強度を有する。

真空チャンバ１０２内では、円筒形陽極１１４のアレイは、各陽極円筒体の開口部が陰極板に面するように２つの陰極板１１６及び１１８の間に位置決めされる。

円筒形陽極１１４及びチャンバ壁１０４は、接地電位に維持されるが、陰極板１１６及び１１８は、電力ケーブル１２２によってイオンポンプ１００に接続された外部電源１２０によって負電位に維持される。一部の実施形態により、円筒形陽極１１４と陰極板１１６及び１１８との間の電位差は、７ｋＶである。

作動中に、フランジ１０６は、真空にされるシステムのフランジに接続される。接続された状態で、真空にされるシステム内の粒子は、真空チャンバ１０２内に進行し、最終的に円筒形陽極１１４のうちの１つの内部に移動する。磁場Ｂ及び陽極１１４と陰極板１１６及び１１８との間の電位の組合せにより、電子は、円筒形陽極１１４の各々内に捕捉される。円筒形陽極１１４内に捕捉されているが、電子は、粒子が円筒形陽極１１４に入る時にそれらが捕捉電子によって衝突されて粒子をイオン化させるように運動している。得られる正に帯電したイオンは、陽極１１４と陰極板１１６及び１１８との間の電位差によって加速され、正に帯電したイオンを円筒形陽極１１４の内部から陰極板１１６及び１１８のうちの一方に向けて移動させる。

図２及び３は、従来技術のイオンポンプの一部分の断面斜視図及び側面断面図を提供する。図２に示す部分は、単一円筒形陽極１１４、陰極板１１６の一部分、及びチャンバ壁１０４の一部分を示している。図２に示すように、従来技術の一部の陰極板は、傾斜面２０２及び２０４のような傾斜面で構成されたターゲット区域２００を含む。ターゲット区域２００内の傾斜面は、陰極板１１６全体を通過せず、代わりに陽イオンが陰極板１１６に衝突する角度を変えるように設計される。傾斜面なしでは、イオンは、ほぼ９０°で陰極板に衝突するであろうと考えられる。傾斜面を陰極板１１６内に切り込むことにより、この角度は、９０°未満の何らかの角度まで低減することができると考えられる。

当業技術では、正に帯電したイオンの全ては、円筒形陽極１１４に面する面である陰極板１１６の面２０８に沿って陰極板１１６に衝突すると考えられている。具体的には、イオンは、ターゲット２００に衝突してターゲット２００からの材料を陰極板１１６から外向きにスパッタさせると考えられている。

しかし、本発明者は、正に帯電したイオンが陰極板に達した時に必ずしもスパッタせず、代わりに図３の経路３００、３０２、及び３０４に示すように陰極板を通過することを発見した。それらの経路によって示すように、陽イオンが陰極板１１６の他方の側に達した状態で、それらは、チャンバ壁１０４と陰極板１１６間の電位差の影響を受け、それらを陰極板１１６に向けて逆戻りさせる。戻る粒子の多くは、再度陰極板１１６を通過し、次に、陽極円筒体１１４と陰極板１１６間の電場によって陰極板１１６に向けて逆戻りさせられる。すなわち、一部のイオンは、最終的にスパッタするまで陰極板１１６を通って前後に振動し続ける。

これらの振動は、加速粒子が直ちにスパッタしないので非効率的である。これに加えて、粒子が陰極板１１６に衝突する角度に対する制御が従来技術では存在しない。この制御の欠如は、陰極板１１６によってスパッタされる材料の量が、粒子が陰極板１１６に衝突する角度に依存するので、非効率的なスパッタリングをもたらす。衝突角度は従来技術の下では制御することができないので、イオンの多くは、最適スパッタリング角度未満で陰極板に衝突する。

様々な実施形態により、粒子が効率的方式で衝突角度の望ましい範囲内で陰極板に衝突するように陰極板に向けて加速される粒子の軌道を制御する電場を形成する構造が、チャンバ壁１０４及び／又は陰極板１１６及び１１８に形成される。一部の実施形態により、構造は、円筒形陽極内の開口部に位置合わせされ開口部を陰極板１１６、１１８に含む。一部の実施形態では、構造は、陰極板内の開口部に向けて真空チャンバ壁１０４から延びる面構造又はポストを更に含む。特に、面構造及びポストは、陰極板に向けて真空チャンバ壁１０４の裏打ち面から延びる。一実施形態により、ポスト及び裏打ち面は、円筒形陽極１１４と同じ電圧に維持され、面構造／ポストと陰極板１１６の間に電圧又は電位差を生成する。この電圧差は、粒子が望ましい衝突角度の範囲で陰極板に衝突して陰極板材料の効率的なスパッタリングを引き起こすように陰極板に向けて移動するイオン粒子の軌道を制御する電場をもたらす。

図４は、一実施形態によるイオンポンプ４００の一部分の斜視断面図を提供する。図５は、図４に示すイオンポンプ４００の部分の側面断面図を提供する。イオンポンプ４００は、円筒形陽極４１４、陰極板４１６、及び真空チャンバ壁４０４を含む。円筒形陽極４１４は、陰極板４１６内の開口部４３４に位置合わせされた開口部４３６を含む。図４及び５に示すように、真空チャンバ壁４０４は、陰極板４１６に面する裏打ち面４３２を含む。ポスト４３０は、裏打ち面４３２から陰極板４１６の開口部４３４に向けて、及び従って円筒形陽極４１４に向けて延びる。一実施形態により、ポスト４３０は、円錐形先端４３１を含み、開口部４３６の軸線及び円筒形陽極４１４の開口部４３４の軸線上に中心がある。

陰極板４１６は、一実施形態では６ｍｍの距離４５６だけ円筒形陽極４１４から分離され、陰極板４１６は、一実施形態では６ｍｍの距離４５８だけ真空チャンバ壁４０４の裏打ち面４３２から分離される。円筒形陽極４１４の開口部４３６は、一実施形態では１９ｍｍの直径４５０を有し、陰極板４１６の開口部４３４は、一実施形態では１２．８ｍｍの直径４５２を有し、ポスト４３０は、一実施形態では６．４ｍｍの直径４５４を有する。ポスト４３０は、一実施形態では６ｍｍの距離４６０だけ裏打ち面４３２から延びる。

図５に示すように、円筒形陽極４１４と陰極板４１６の間に第１の電位差が印加され、第２の電位は、真空チャンバ壁４０４／面構造／ポスト４３０と陰極板４１６の間に印加される。図５では、これら２つの電位差は、接地のような共通電圧にチャンバ壁４０４、面構造／ポスト４０３、及び円筒形陽極４１４を維持することによって同じ値に維持されるが、陰極板４１６は、真空ハウジング壁４０４、面構造／ポスト４３０、及び陽極４１４に対して負電圧に維持される。一実施形態により、陰極板４１６は、真空ハウジング壁４０４、面構造／ポスト４３０、及び陽極４１４に対して−７ｋＶに維持される。他の実施形態では、第１の電位差及び第２の電位差は互いに異なる。

円筒形陽極４１４と陰極板４１６の間の電位差は、陽極４１４の近くの空間に形成された正に帯電したイオンを軌道経路４４０、４４２、４４４、及び４４６のような軌道経路に沿って陰極板４１６に向けて加速させる。ポスト４３０及び開口部４３４の形状及び位置、並びにポスト４３０と陰極板４１６の間の電位差は、正に帯電したイオンが、弧に沿って向きを変えて陰極板４１６の背面４７０に衝突する前に開口部４３４を通過するように、経路４４０、４４２、４４４、及び４４６に沿って陽イオンの軌道を制御する電場を形成する。特に、陽イオンは、衝突角度４７２、４７４、４７６、及び４７８のような衝突角度で面４７４に衝突する。それらの衝突角度の各々は、面４７０からの材料のスパッタリングを最大にするための理想的な衝突角度に関して中心がある衝突角度の範囲にある。異なるイオンは、異なる質量を有することになり、従って、異なる経路を辿って異なる角度で衝突することになることに注意されたい。しかし、従来技術と比較すると、より多くの正に帯電したイオンは、スパッタリングのための理想的な衝突角度により近い衝突角度で面４７０に衝突することになる。

図６は、面４７０を示す陰極板４１６の背面図を提供する。図６では、円形衝突区域４８０は、開口部４３４に関して中心があるように示されており、イオンが陰極板４１６に衝突する区域を表している。開口部４３４のような他の開口部（図示せず）のための追加の衝突区域４８２、４８４、４８６、４８８、４９０、及び４９２も図６に示されている。区域４８０は、一般的に、従来技術の陰極板に関連付けられた衝突区域よりも大きく、従って、イオンは、従来技術よりも様々な実施形態においてよりよく分配されている。

正に帯電したイオンが開口部４３４を通して誘導されるので、陰極板４１６の前面４９５上に「非蒸発性ゲッター（ＮＥＧ）」層４９４を追加することが可能である。前面４９５は、円筒形陽極４１４に面し、ＮＥＧ層４９４は、非荷電粒子と化学的に反応して粒子を捕捉し、それによってイオンポンプの作動を改良するゲッターとして作用する。

図７は、第２の実施形態による斜視断面図を提供し、図８は、イオンポンプ７００の一部分の側面断面図を提供する。イオンポンプ７００は、円筒形陽極７１４、陰極板７１６、及び真空チャンバ壁７０４を含む。イオンポンプ７００のその部分において、図７及び８に示すように、円筒形陽極７１４は、陽極７１４の開口部７３６が陰極板７１６に面するように陰極板７１６に対して位置決めされる。陰極板７１６内の開口部７３４は、円筒形陽極７１４の開口部７３６と同軸であり、従って、これに位置合わせされている。円錐形先端７３１を有する面構造／ポスト７３０は、真空チャンバ壁７０４の裏打ち面７３２から延び、その結果、ポスト７３０は、陰極板７１６の開口部７３４の中にそれを通って陽極７１４に向けて延びる。

陰極板７１６は、一実施形態では６ｍｍの距離７７９だけ円筒形陽極７１４から分離され、陰極板７１６は、一実施形態では６ｍｍの距離７５８だけ真空チャンバ壁７０４の裏打ち面７３２から分離される。円筒形陽極７１４の開口部７３６は、一実施形態では１９ｍｍの直径７５０を有し、陰極板４１６の開口部７３４は、一実施形態では１２．８ｍｍの直径７５２を有し、ポスト７３０は、一実施形態では６．４ｍｍの直径７５４を有する。ポスト７３０は、一実施形態では１２．４ｍｍの距離７６０だけ裏打ち面７３２から延び、一実施形態では３ｍｍの距離７６１だけ陰極板７１６の面７９５を超えて延びる。

図８に示すように、第１の電位差は、円筒形陽極７１４と陰極板７１６の間に印加され、第２の電位は、真空チャンバ壁７０４／面構造／ポスト７３０と陰極板７１６の間に印加される。図８では、これら２つの電位差は、接地のような共通電圧にチャンバ壁７０４、面構造／ポスト７０３、及び円筒形陽極７１４を維持することによって同じ値に維持されるが、陰極板７１６は、真空ハウジング壁７０４、面構造／ポスト７３０、及び陽極７１４に対して負電圧に維持される。一実施形態により、陰極板７１６の電圧は、陽極７１４、真空チャンバ壁７０４、及びポスト７３０の電圧よりも７ｋＶ低い。他の実施形態では、第１の電位差及び第２の電位差は、互いに異なる。

ポスト７３０と陰極板７１６の間の電位差及び陽極７１４と陰極板７１６の間の電位差は、陽極７１４の近くの空間に形成された陽イオンを陰極板７１６に向けて加速させて図８の経路７４０、７４２、７４４、及び７４６のうちの１つのような湾曲経路に沿って移動させる電場を発生させる。これらの湾曲経路は、それぞれの角度７７２、７７４、７７６、及び７７８で陰極板７１６の前面７９５に衝突する陽イオンをもたらす。角度７７２、７７４、７７６、及び７７８は、陰極板１１６からスパッタされる材料の量が最大になる理想的なスパッタリング角度上に中心がある角度の範囲に含まれる。従って、陽極７１４、陰極板７１６、及びポスト７３０によって生成される電場は、陽極７１４に形成されるイオンの軌道を制御し、それによってイオンポンプ７００内のスパッタリングの効率を改善する。

図９は、面７９５、開口部７３４、及びポスト７３０を示す陰極板７１６の前面図である。図９では、ポスト７３０によって生成される電場によって案内されるイオンのための円形衝突区域７８０が示されている。他のポスト及び開口部に関連付けられた追加の衝突区域は、衝突区域７８２、７８４、７８６、７８８、７９０、及び７９２として示されている。

ポスト７３０及び開口部７３４は、イオンを陰極板７１６の前面７９５に誘導するので、背面７７０は、イオンによって影響を受けない。このために、ＮＥＧ層７９４は、背面７７０上に堆積させることができ、陰極板７１６と真空チャンバ壁７０４の間に入り込む粒子をゲッタリングするのに使用することができる。

単に１つの円筒形陽極、１つの陰極板内の１つの開口部、及び１つのポストが、図４、５、７、及び８の実施形態に示されているが、イオンポンプ４００及び７００では、図１に示すように、円筒形陽極のアレイと円筒形陽極のアレイの各側に配置された２つの陰極板とが存在することを当業者は認識するであろう。更に、複数の円筒形陽極の各々に対して、イオンポンプ４００及び７００内に２つの陰極板の各々に対応する開口部が存在する。従って、陰極板に複数の開口部が存在し、各開口部は、複数の円筒形陽極のうちの１つにおけるそれぞれの開口部に位置合わせされる。これに加えて、陰極板の各開口部に対して、陰極板内の開口部に向けて延びてこれに位置合わせされた対応する面構造／ポストと、それぞれの円筒形陽極内の対応する開口部とが存在する。図４及び５の実施形態に対して、それらのポストの各々は、陰極板の手前まで延びる。図７及び８の実施形態に対して、それらのポストの各々は、陰極板内の対応する開口部を通って延びる。

図１０は、イオンポンプ１０００の更に別の実施形態の一部分の斜視断面図を提供する。図１０では、陰極板１０１６の一部分及び真空チャンバ壁１００４の一部分を示している。面構造／ポストのアレイは、真空チャンバ壁１００４の裏打ち面１０９３から陰極板１０１６及び陽極のアレイ（図示せず）に向けて延びる。イオンポンプ１０００では、様々なポストの長さが、図８に示す長さ７６０のような長さを有する一部のポスト、及び図５の４６０のような長さを有する他のポストと共に使用される。従って、複数の面構造の一部は、複数の面構造の他のものよりも陰極板及びそれぞれの陽極に向けてより遠くに延びる。陰極板１０１６では、開口部１０５０、１０５２、及び１０５４のような密集形成で配置された複数の開口部が存在する。開口部１０５０及び１０５４のような開口部の一部に対して、ポスト１０５６及び１０５８のようなポストは、開口部を通って延び、開口部１０５２のような他の開口部に対して、ポスト１０６０は、陰極板１０１６の裏側に留まり、開口部１０５２を通過しない。従って、図１０の実施形態は、図５及び８の実施形態の組合せである。

陰極板１０１６内の開口部の各々は、円筒形陽極に形成された正に帯電したイオンが陰極板１０１６に向けて加速されるように円筒形陽極に位置合わせされる。開口部１０５０及び１０５４を通って延びるポスト１０５６及び１０５８のようにポストが開口部を通って延びる場合に関して、ポスト１０５６、１０５８、陰極板１０１６、及び関連の円筒形陽極によって発生される電場は、衝突区域１０７０及び１０７２のような円形衝突区域を形成する陰極板１０１６の前面１０９５にイオンが衝突するように、正に帯電したイオンの軌道を制御する。類似の衝突区域が、図１０に実線円で示されている。ポスト１０６０及び開口部１０５２のように開口部の中をポストが通らない場合に、ポスト１０６０、陰極板１０１６、及び関連の円筒形陽極によって生成される電場は、正に帯電したイオンが開口部１０５２のための衝突区域１０７４のような円形衝突区域内で背面１０９６に衝突するように、開口部を通して正に帯電したイオンを加速させ、陰極板１０１６の背面１０９６に向けて湾曲して戻させる。背面１０９６上の類似の衝突区域が、図１０に点線円によって示されている。図１０に示すポストのアレイは、従って、陰極板の前面及び背面の両方にイオンの衝突を制御方式で分散し、効率的なスパッタリングを形成し、陰極板１０１６の両面の使用をより効率的にする。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細に変更を行うことができることを認識するであろう。

Claims (15)

1. 陽極と、
   前記陽極に向けて延びる少なくとも１つの面構造を有する裏打ち面と、
   前記陽極と前記裏打ち面の間に位置決めされ、前記少なくとも１つの面構造が開口部に位置合わせされるような開口部を有する陰極と、を備えている、
   ことを特徴とするイオンポンプ。
2. 前記陽極は、円筒体を備え、
   前記陰極内の前記開口部は、前記円筒体内の開口部に位置合わせされる、
   請求項１に記載のイオンポンプ。
3. 前記少なくとも１つの面構造は、前記陰極内の前記開口部の中に延びる、
   請求項１に記載のイオンポンプ。
4. 複数の陽極を更に備え、
   前記陰極は、複数の開口部を更に備え、
   前記裏打ち面は、複数の面構造を更に備え、各面構造が、それぞれの陽極に向けて延び、前記陰極内のそれぞれの開口部に位置合わせされる、
   請求項１に記載のイオンポンプ。
5. 前記複数の陽極の各々が、円筒体を備え、
   前記陰極内の各開口部が、前記複数の陽極のうちの１つにおけるそれぞれの開口部に位置合わせされる、
   請求項４に記載のイオンポンプ。
6. 前記複数の面構造の一部が、該複数の面構造の他のものよりも前記それぞれの陽極に向けてより遠くに延びる、
   請求項４に記載のイオンポンプ。
7. 前記陽極に面する前記陰極の側面上にＮＥＧ材料を更に備えている、
   請求項１に記載のイオンポンプ。
8. 前記裏打ち面に面する前記陰極の側面上にＮＥＧ材料を更に備えている、
   請求項１に記載のイオンポンプ。
9. 開口部を有する円筒形陽極と、
   前記円筒形陽極の前記開口部に位置合わせされた開口部を有する陰極板を有し該陰極版の開口部が前記陰極を欠いている陰極と、
   前記陰極板の開口部に位置合わせされたポストと、を備え、
   前記ポストと陰極板の間の電位差が前記陰極板に向かって動くイオンの軌跡を該イオンが前記陰極板に衝突するように制御する、
   ことを特徴とするイオンポンプ。
10. 前記ポストは、前記陰極板内の前記開口部の中に延びている、
    請求項９に記載のイオンポンプ。
11. 各々がそれぞれの開口部を有する複数の円筒形陽極を更に備え、
    前記陰極板は、前記複数の円筒形陽極のうちのそれぞれの１つにおけるそれぞれの開口部に各々が位置合わせされた複数の開口部を更に備えている、
    請求項９に記載のイオンポンプ。
12. 陽極と陰極の間に第１の電位差を印加して該陽極の近くの空間に形成されたイオンを該陰極に向けて移動する段階と、
    ポストと前記陰極の間に第２の電位差を印加して、前記イオンを該陰極に衝突させるために該イオンが該陰極に向けて移動するように該イオンを誘導する段階と、を含む、
    ことと特徴とする方法。
13. 前記ポストは、前記陰極内の開口部に位置合わせされる、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記陽極は、円筒形であり、前記陰極内の前記開口部は、該円筒体内の開口部に位置合わせされる、
    請求項１３に記載の方法。
15. 前記ポストと前記陰極の間の前記電位差は、該陰極からの材料のスパッタリングを最大にするように設計された角度でイオンを該陰極に衝突させる、
    請求項１２に記載の方法。

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