JPH046431A - 真空計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、気体の電離現象を利用した真空計に関し、
特に冷陰極の構造に特徴のある真空計に関する。

［従来の技術］ 従来、最も信頼性の高い真空計として、熱陰極を備えた
電離真空計が知られている。中でもＢ−へゲージはよく
使われており、その他にも熱陰極電離真空計として多く
の種類が知られている。熱陰極電離真空計は、熱陰極か
ら放出された電子によって気体をイオン化し、そのイオ
ンの量に基づいて気体圧力を知るものである。

〔発明が解決しようとする課題］ 上述した従来の熱陰極電離真空計は、測定の信頼度は高
いが、熱的擾乱の問題がある。すなわち、熱陰極によっ
てグリッドや真空計容器などが加熱されて、そこからガ
ス放出が生じ、特に圧力の低い領域では、真の圧力より
も一桁程度大きな圧力を指示してしまうことがある。し
たがって、超高真空や極高真空における圧力測定は極め
て困難となる欠点がある。

これに対して、冷陰極を備えた電離真空計は、上述のよ
うな熱的擾乱の問題は生じないが、高電圧を利用してい
て冷陰極放電の安定性が劣り、測定の信頼度が低い欠点
がある。また、高電圧を利用しているため、冷陰極が正
イオンでスパッタリングされて陰極寿命が短いという問
題もある。

［目的］ 二の発明の目的は、原理的に熱的擾乱のない冷陰極電離
真空計の利点を生かすと共に、冷陰極電離真空計のもつ
上述の欠点を解消した真空計を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は、微細加工による冷陰極エミッタ（例えば、
ＮＩＫＫＥＩ　ＭＩＣＲＯＤＥＶＩＣＥＳ　１９８９年
　１１月号１４９頁　参照）を含む冷陰極電子放出機構
を採用することにより、上述の目的を達成している。す
なわち、この発明は、冷陰極電子放出機構とグリッド機
構とイオンコレクタ機構とを備える真空計において、前
記冷陰極電子放出機構を次のように構成したものである
。この冷陰極電子放出機構は、多数の微小冷陰極と、こ
の微小冷陰極から放出される電子を加速するための多数
の微小加速電極とを備えている。そして、微小冷陰極と
微小加速電極は同一の基板の表面に形成されており、冷
陰極電子放出機構から放出される電子は前記基板の表面
に沿った方向に放出される。

微小冷陰極と微小加速電極は、ＩＣ製造工程なとて使わ
れる微細パターン加工技術を利用して作られる。したが
って、一つの基板に多数の微小冷陰極と微小加速電極を
形成することができる。

微小冷陰極と微小加速電極の数は同じにするのが一般的
であるが、一つの微小加速電極に対して、微小冷陰極の
電子放出部となる先端突起を二つ以上対応させてもよい
。

冷陰極電子放出機構は基板上に形成されるが、この基板
を平板状にすると微細パターン加工が容易になる。また
、冷陰極電子放出機構を環状の基板の上に形成して、コ
イル状のグリッド電極の周囲を取り囲むようにしてもよ
い。

冷陰極電子放出機構は、基板の片面だけではなくて、基
板の両面に形成してもよい。

微小冷陰極は正イオンの衝突を受けやすいので、適当な
イオンシールドを設けるのが好ましい。例えば、基板の
側面に所定の面積のイオンシールドを設ける。このイオ
ンシールドは微小冷陰極と同程度の電位にする。また、
イオンシールドを、微小冷陰極に接続して基板に垂直方
向に突き出して形成してもよい。

［作用］ この真空計の基本的な動作は次の通りである。

冷陰極電子放出機構において、微小冷陰極の先端の突起
から電界放射によって電子が放出され、微小加速電極で
加速される。微小冷陰極と微小加速電極は基板上に並べ
て形成されているので、電子は基板の表面に沿って放出
される。冷陰極電子放出機構から放出された電子は、ク
リッド電極に引っ張られて、グリッド電極の近傍を往復
することによって気体に衝突し、これを電離する。電離
によって生じた正イオンは、イオンコレクタ電極に捕捉
される。このイオンコレクタ電流を測定することによっ
て真空計内の圧力を求めることができる。

この真空計では、多数（例えば、数千から致方）の微小
冷陰極から電子を放出しているので、一つの微小冷陰極
によるエミッタ電流が小さくても、トータルでは多くの
エミッタ電流を得ることができる。また、微小加速電極
を微小冷陰極の極めて近傍に配置できるので、微小冷陰
極付近の電界強度を大きくすることができる。これらの
構成により、この真空計では、安定したエミッタ電流を
得ることができ、冷陰極を利用しているにもかかわらず
測定精度が高い。しかも、この冷陰極電子放出機構によ
って電子を安定的に供給できるので、冷陰極とグリッド
電極との間の印加電圧をあまり高くしなくてもよい。

［実施例］ 次に、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の一実施例の縦断面図である。

この真空計は、主として、真空容器１０と、グリッド機
構２０と、イオンコレクタ機構３０と、冷陰極放出機構
４０とからなる。

真空容器１０は、円筒状の真空筒１１と、イオンコレク
タ電極を貫通固定するためのイオンコレクタ・ステム部
１２と、その他の電極端子を貫通固定するための電極ス
テム部１３と、被測定真空室に取り付けるための接続管
１４とからなり、これらが一体に形成されている。

グリッド機構２０は、コイル状のクリッド電極２１を備
えており、このクリッド電極２１は全体としてほぼ円筒
状になっている。グリッド電極２１の両端は、２本のリ
ート２２．２３に接続固定されている。リート２２．２
３は、絶縁変圧器２６の出力端子に接続され、絶縁変圧
器２６の入力端子には交流電源２５が接続される。交流
電源２５を動作させると、コイル状のクリッド電極２１
に電流が流れて、これか加熱される。グリッド電極２１
の加熱操作は真空計のガス放出のために行う作業であり
、圧力測定時にはグリッド電極２１の加熱は行わない。

クリッド加熱のためには、グリッド電極の形状として、
この実施例のようなコイル状が適している。

リード２２．２３はグリッド電源２４に接続されてグリ
ッド電圧が印加される。グリッドに流入する電流は電流
計２７で測定できる。

イオンコレクタ機構３０は、イオンコレクタ電極３１と
、イオン電流計３２とを含む。イオンコレクタ電極３１
は細長い針状てあり、コイル状のグリッド電極２１の中
心に位置する。

冷陰極電子放出機構４０は、この実施例では、細長い平
板状の基板の上に形成されている。冷陰極電子放出機構
４０の冷陰極はり−ド４３を介して電流計５９とエミッ
タ電源５７に接続され、冷陰極電子放出機構４０の加速
電極はリード線４７を介して電子放出制御装置５０と加
速電源５８に接続されている。以下、この冷陰極電子放
出機構の詳しい構造を第２図〜第４図を参照して説明す
る。

第２図は第１図の■−■線断面図である。冷陰極電子放
出機構４０の基板表面から矢印５５の方向に放出された
電子は、グリッド電極２１に引っ張られて矢印５４のよ
うに往復運動し、やがて、グリッド電極２１に捕捉され
る。

第３図は第２図の冷陰極電子放出機構４０の模式的な拡
大断面図であり、第４図はその正面図である。第３図は
第４図の■−■線断面図となっている。基板４８の表面
４８１には、微小冷陰極４１　（以下、エミッタという
）と微小加速電極４５か多数形成されている。基板４８
はアルミナ等の絶縁体でてきている。エミッタ４１の先
端４１１は尖っており、この先端４］１から電界放射に
よって電子か放出されるようになっている。

多数のエミッタ４１は互いに接続部４２て接続され、接
続部４２の端部にはリート線４３１がボンデインクされ
ている。リード線４３１は第１図のり一ド４３に電気的
に接続されている。加速電極４５は円柱状であり、接続
部４６によって互いに接続されている。接続部４６の端
部にはリード線４７１がボンデインクされている。リー
ド線４７１は第１図のり一ド４７に電気的に接続されて
いる。エミッタ４］の列と加速電極４５の列は互いに平
行になっているが、エミッタ４］−の位置と加速を極４
５の位置は互いにずれていて、エミッタ４１から放出さ
れる電子が加速電極４５の間を通り抜けるようになって
いる。電子は基板４８の表面４８１に沿って放出され、
矢印５５の方向に飛んで行く。

この実施例では、基板の両面に冷陰極電子放出機構を形
成しであるが、片面だけに形成してもよい。

エミッタ４１の先端の曲率半径はできるたけ小さくする
のが好ましく、こうすると電界放射が容易になる。曲率
半径は１μｍ以下にするのが好ましい。エミッタ４１は
モリブデンやタングステンなどの高融点金属材料で作る
のが望ましいが、仕事関数の小さい（すなわち、電界に
よる冷陰極電子放射の能力が高い）材料ならば何でもよ
い。また、エミッタ表面に酸化物被膜を設けるなどして
仕事関数を小さくしてもよい。

基板４８の上に微小なエミッタ４１や加速電極４５を多
数形成するには、ＩＣ製造工程などで使われる微細パタ
ーン加工技術を利用する。すなわち、成膜工程、フォト
レジストの露光・現像によるバターニング工程、エツチ
ング工程などを組み合わせて第３図および第４図に示す
ような冷陰極電子放出機構を形成できる。この微細パタ
ーン加工技術を利用すれば多数のエミッタや加速電極を
安定量産できる。エミッタ４１や加速電極４５の大きさ
は数μｍ〜数十μｍであり、これらが一つの基板４８上
に数千〜数百個形成される。なお、第３図と第４図では
基板４８に対してエミッタ４１や加速電極４５の大きさ
を誇張して描いである。

加速電極４５のほかに別の加速電極４５１を設けてもよ
く、この加速電極４５１は電子をさらにグリッド電極に
向けて加速誘導する必要があるときに用いる。

基板４８の側面にはイオンシールド４４を形成しである
。このイオンシールド４４は、エミッタ４１と同電位に
保たれており、気体の電離によって生じた正イオンがエ
ミッタ４１に衝突するのを防いでいる。すなわち、正イ
オンは、エミッタ４１と比較して大きな面積を有するイ
オンシールド４４に捕捉されて、エミッタ４１のイオン
衝撃はほとんどなくなる。これにより、エミッタ４１の
寿命が長くなる。また、エミッタ４１は、第３図の右方
向から飛来してくる正イオンに対して加速電極４５の後
方にあって、しかも加速電極４５はエミッタ４１よりも
高い電位になっているので、エミッタ４１のイオン衝撃
はこの点ても少なくなる。

グリッド加熱時の蒸発やクリッドのスパッタリングによ
って、グリッドの方向（第３図の右方向）から金属蒸気
が飛来する場合もあるが、その場合でも、この金属蒸気
は基板表面４８１に平行に飛来することになるので、エ
ミッタ４１とグリッド電極４５との間の基板表面４８１
に金属蒸気が付着することは少なくなり、エミッタ４１
とグリッド電極４５との間の絶縁状態が、基板表面に付
着する金属蒸気によって劣化するようなこともない。

必要により、基板表面４８１に溝４８２を設けて、エミ
ッタ４１とグリッド電極４５との絶縁状態が上述の金属
蒸気の影響を受けないようにしてもよい。

第５図は第４図に示すエミッタ４１とその接続部４２の
拡大斜視図である。エミッタ４１の高さと接続部４２の
高さは同しである。第６図はエミッタ４１付近の形状の
変更例である。この例では、接続部４２に垂直に壁４２
１を形成しである。この壁４２１はエミッタ４１と同電
位であって、しかもエミッタ４１よりも大きな面積とな
っているので、正イオンによるイオン衝撃をこの壁４２
１に集めて、エミッタ４１へのイオン衝撃を少なくする
効果がある。

第７図はエミッタ付近の形状の別の変更例である。この
例では、接続部４２の厚さをエミッタ４１よりも薄くす
ることによって、エミッタ４１の先端４１１に電界をよ
り集中させて、電界放射を容易にしている。

次に、この真空計の動作を説明する。

第１図と第２図において、冷陰極電子放出機構４０から
放出された電子はグリッド電極２１に引う張られて、矢
印５４のような往復運動をし、やがてグリッド電極２１
に捕捉される。その間に電子は真空計内の気体に衝突し
てこれを電離する。

電離によって生じた正イオンはイオンコレクタ電極３１
に捕捉される。このときのイオンコレクタ電流は電流計
３２で測定できる。一方、冷陰極電子放出機構４０のエ
ミッタから放出される電子の電流は電流計５９で測定で
きる。また、グリッド電極２１に流入する電子（エミッ
タからの放出電子と気体の電離で生じた電子とを含む）
の電流は電流計２７で測定できる。真空計内の圧力は、
イオンコレクタ電流とエミッタ電流との比、またはイオ
ンコレクタ電流とグリッド電流との比から求めることが
できる。あるいは、イオンコレクタ電流、エミッタ電流
、グリッド電流の三つを利用して圧力を求めてもよい。

第１図の電子放出制御装置５０はエミッタ電流を所定の
値に保つためのものである。すなわち、エミッタ電流が
所定の値よりも低下した場合には、エミッタ電流を増加
させるような働きをする。例えば、エミッタ電流が低下
した場合に加速電極の電位を高くする。

第８図は冷陰極電子放出機構の変更例を示すもので、エ
ミッタと加速電極の付近を示しである。

この例では、一つのエミッタ４１に二つの突起４１３．
４１４を設けである。すなわち、エミッタ４１と加速電
極４５の数は等しいが、突起４１３．４１４の数は加速
電極４５の２倍になっている。この場合、エミッタ４１
の突起４１３と、隣りのエミッタ４１の突起４１４とか
ら放出された電子は、同じ加速電極４５の間を通り抜け
ていくことになる。もちろん、一つの加速電極に対して
３個以上のエミッタ突起を対応させてもよい。

また、エミッタ４１と加速電極４５の相対位置は図示の
位置からずらしてもよい。

第９図は冷陰極電子放出機構の別の変更例を示す。この
例も第８図の例と同様に、一つのエミッタ４１に二つの
突起４１３．４１４を設けであるが、各突起４１３．４
１４は第８図の例よりも鋭角になっていて、突起先端の
電界を強くしている。

第１０図は、冷陰極電子放出機構の基板の各種の形状を
まとめて示した斜視図であり、第１１図はその縦断面図
である。基板４０１．４０２．４０３は、コイル状のク
リッド電極２１を取り囲むようにリング状に構成した例
である。基板４０１は中空円板の形状であり、中空円板
の表面（片面または両面）に冷陰極電子放出機構を形成
しである。基板４０２は中空円筒形状であり、中空円筒
の内周面に冷陰極電子放出機構を形成しである。基板４
０３は、中空の截頭円錐形状であり、その内側円錐面に
冷陰極電子放出機構を形成しである。基板４０４は、コ
イル状のクリッド電極２１の上方に配置した中空円筒形
状の基板であり、その外周面に冷陰極電子放出機構を形
成しである。

基板４０５は、コイル状のグリッド電極２１の下方に垂
直に立てて配置した平板状の基板であり、その両面に冷
陰極電子放出機構を形成しである。

第１１図において各種基板４０１〜４０５の近傍の矢印
は電子の放出方向を示している。いずれの場合も基板の
表面に沿って電子が放出される。第１０図と第１１図に
示した基板の例は、これらのいずれか一つを、または二
つ以上を組み合わせて利用することができる。

結局、この発明では、冷陰極電子放出機構を基板上に固
体素子として形成するようにしたので、冷陰極電子放出
機構を自由な形状にすることができ、また量産も可能と
なる。

この発明の真空計は、冷陰極電子放出機構を採用してい
て熱的擾乱が生じないので、従来の熱陰極電離真空計よ
りも圧力の低い領域を測定することか可能となる。とこ
ろで、真空計の測定限界に影響を及ぼすものとしては、
熱的擾乱以外に、軟Ｘ線の影響かある。すなわち、クリ
ッド電極に電子が入射したときに軟Ｘ線が発生し、この
軟Ｘ線がイオンコレクタ電極に当たるとイオンコレクタ
電極から光電子が放出される。これにより、イオンコレ
クタ電極に光電流が流れ、これが真空計の測定限界を定
める。したがって、熱的擾乱の生しない利点を有するこ
の発明の真空計にあっては、さらに軟Ｘ線の影響を少な
くすることが測定限界を下げる意味で重要となる。この
点を考慮して、以下の第１２図と第１３図の変更例では
、軟Ｘ線の影響を少な（しである。

第１２図はイオンコレクタ電極の変更例を示す。

この例では、イオンコレクタ電極３１の先端たけを点状
に露出するようにしたもので、これにより軟Ｘ線による
測定限界を下げることができる。このようなイオンコレ
クタ電極は、例えば特公昭４２−１４９９２号公報に開
示されている。

第１３図はイオンコレクタ機構の別の変更例を示す。こ
の例では、第１２図の形状のイオンコレクタ電極３１を
採用していて、がっ、Ｘ線シールド３３を設けである。

このＸ線シールド３３は、グリッド電極２１からの軟Ｘ
線がイオンコレクタ電極３１に入射するのを効果的に遮
断できる。正イオンは孔３４を通ってイオンコレクタ電
極３１に到達する。この種のＸ線シールドは、例えば、
天馬らにより雑誌“真空”第１９巻、ｗ、７号（１，９
７６）２２９−２３８頁に示されている。

第１図の実施例は真空容器の中に各種の電極を配置した
例であるが、電極ステム部だけを残して真空容器を取り
去った、いわゆるヌード形にしてもよい。

上述の実施例では、グリッド電極の形状をコイル状とし
たが、その他の形状にしてもよい。

この発明は、電子衝撃によって気体を電離する形式の真
空計であればどのようなものにも適用できる。したかっ
て、大造ゲージ、シュルツゲージ、二極真空計などに適
用できる。

［発明の効果コ 以上説明したようにこの発明の真空計は、同一の基板の
表面に多数の微小冷陰極と多数の微小加速電極を形成し
て冷陰極電子放出機構を構成したので次の効果がある。

（１）熱陰極を使用しないので熱的擾乱がなく、また冷
陰極であるにもかかわらず電子放出が安定している。し
たがって、熱陰極真空計の欠点と従来の冷陰極真空計の
欠点とを同時に解消して、信頼性の高い真空計を得るこ
とができた。これにより、この真空計で超高真空や極高
真空の圧力測定が可能となる。

（２）冷陰極電子放出機構の微小冷陰極や微小加速電極
は基板表面上に微細パターン加工技術によって形成でき
るので、安定量産が可能である。特に、基板表面に沿っ
て電子を放出できるようにしたので、微小冷陰極や微小
加速電極を基板上で平面的に並べて形成することができ
、量産化に適する。

（３）多数の微小冷陰極の先端突起での電界放射によっ
て電子放出が行われるので、所定の電子放出電流を得る
のに、冷陰極とグリッドとの間に高電圧を印加しなくて
済み、正イオン衝撃による冷陰極スパッタリングが少な
い。

したがって、冷陰極の寿命が長い。さらに冷陰極の近傍
に適当なイオンシールドを施せば、冷陰極への正イオン
衝撃はより少なくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の縦断面図、第２図は第１
図のｎ−ｎ線断面図、 第３図は冷陰極電子放出機構の一部の拡大平面断面図、 第４図は第３図に示す部分の正面図、 第５図は微小冷陰極付近の斜視図、 第６図は微小冷陰極付近の変更例の斜視図、第７図は微
小冷陰極付近の別の変更例の斜視図、第８図は冷陰極電
子放出機構の変更例の一部の正面図、 第９図は冷陰極電子放出機構の別の変更例の一部の正面
図、 第１０図は冷陰極電子放出機構の基板の各種形状を示す
斜視図、 第１１図は第１０図に示す部分の縦断面図、第１２図は
イオンコレクタ電極の変更例の正面断面図、 第１３図はイオンコレクタ機構の変更例の正面断面図で
ある。 ２１・・・グリッド電極 ３１・・・イオンコレクタ電極 ４０・・・冷陰極電子放出機構 ４１・・・微小冷陰極（エミッタ） ４５・・・微小加速電極 ４８・・・基板 ４８１・・基板表面 ５５・・・電子放出方向 ２１゛グリンド電極 ３１　イオンコレクタ電極 ４０゛冷陰極電子放出機構 第 第３ 第 図 第 図 第１３ 密

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷陰極電子放出機構とグリッド機構とイオンコレ
   クタ機構とを備える真空計において、 前記冷陰極電子放出機構は、多数の微小冷陰極と、この
   微小冷陰極から放出される電子を加速するための多数の
   微小加速電極とを備えていて、微小冷陰極と微小加速電
   極は同一の基板の表面に形成されており、冷陰極電子放
   出機構から放出される電子は前記基板の表面に沿った方
   向に放出されることを特徴とする真空計。
2. （２）一つの微小加速電極に対して、微小冷陰極の電子
   放出部となる先端突起が二つ以上対応していることを特
   徴とする請求項１記載の真空計。
3. （３）前記グリッド機構のグリッド電極はコイル状であ
   り、前記冷陰極電子放出機構は前記グリッド電極を取り
   囲んでいることを特徴とする請求項１記載の真空計。
4. （４）前記微小冷陰極と前記微小加速電極とが前記基板
   の両面に形成されていることを特徴とする請求項１記載
   の真空計。
5. （５）前記微小冷陰極に正イオンが衝突するのを防ぐた
   めのイオンシールドが、前記基板の側面に形成されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の真空計。
6. （６）前記微小冷陰極に正イオンが衝突するのを防ぐた
   めのイオンシールドが、微小冷陰極に接続されて基板に
   垂直方向に突き出して形成されていることを特徴とする
   請求項１記載の真空計。