JP2007324134A

JP2007324134A - 改良された磁石アセンブリを有するスパッタ・イオン・ポンプ

Info

Publication number: JP2007324134A
Application number: JP2007145763A
Authority: JP
Inventors: Luca Bonmassar; ボンマサーレルカ; Michele Mura; ムーラミケーレ
Original assignee: Varian SpA
Current assignee: Varian SpA
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2007-12-13
Also published as: DE602006002264D1; US20070280834A1; EP1863068B1; EP1863068A1

Abstract

【課題】低圧でも満足なポンピング速度を提供できるとともに、限られた全体的な寸法および重量を有するスパッタ・イオン・ポンプを提供する。
【解決手段】スパッタ・イオン・ポンプ１は、陽極のポンプ・セルの両端部に配置された主磁石９ａ、９ｂと、ポンプ・セルの片側のみに配置された補助磁石１１；１１’、１１”とを含む改良された磁石アセンブリを有し、これにより、アセンブリは非対称構成となっている。改良された磁石アセンブリを有するスパッタ・イオン・ポンプは、ポンプ自体の寸法、重量、および製造コストを抑えつつ、低圧でも高いポンピング速度を達成できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、改良された磁石アセンブリを有するスパッタ・イオン・ポンプに関する。

本特許出願は、２００６年６月１日に欧州特許庁に出願された欧州特許出願第０６４２５３７７．６号の優先権を主張している。
図１に示した従来のスパッタ・イオン・ポンプ１０は、高真空状態を作り出す装置である。従来のスパッタ・イオン・ポンプ１０は、複数の中空の円筒形ポンプ・セル４０からなる少なくとも１つの陽極３０と、セル４０の両端部に位置しており、例えば、チタンで作られたプレートからなる陰極５０とを収容する真空容器２０を含む。ポンプ１０は、陰極電位より高い電位を陽極に印加する手段６０を含む。磁石７０は、容器２０の外部のポンプ・セル４０の両端部に位置しており、ポンプ・セルの軸に平行な磁場を生成する。

動作時に、電位差が陽極３０と陰極５０との間に印加されるとき（通常、３〜９ｋＶ）、陽極セル４０と陰極５０との間に強い電場領域が生成され、陰極から電子が放出される。その後、電子は、陽極セル内に捕捉される。電子は、ポンプ・セル４０内部のガス分子と衝突して、ガス分子をイオン化する。電場のために、結果として生じる陽イオンは、陰極５０により引き付けられ、その表面に衝突する。陰極５０を形成するチタン板とのイオン衝突は、「スパッタリング」現象、すなわち、陰極表面からのチタン原子の放出をもたらす。

磁場Ｂを作る磁石７０の存在により、電子に螺旋軌道を付与して、陰極と陽極との間の軌道経路長を増加させることができ、その結果、ポンプ・セル内部のガス分子と衝突して、このような分子をイオン化する確率を高めることができる。
従来のイオン・ポンプは、低圧においてポンピング速度が大幅に低下する特徴がある。多くの異なるパラメータが、イオン・ポンプのポンピング速度に影響するとともに、パラメータが作用される。このようなパラメータの１つは、磁場強度である。

この点で、下記特許文献１は、付加的な磁石を設けることにより磁場強度を変更するイオン・ポンプを開示している。さらに詳細には、この特許で開示されたイオン・ポンプは、ポンプ・セルの両端部に配置された反対極性の主磁石と、ポンプ・セルの２つの対向する側部に、主磁石に対して垂直に配置された補助磁石とを含んでいる。あるいは、ポンプ・セルの他の２つの対向する側部に、付加的な補助磁石を主磁石と他の補助磁石との両方に対して垂直に、設けることができる。

高強度磁場を実現するために、主磁石および補助磁石の垂直な組を含む磁気アセンブリを使用することは、例えば、下記特許文献２の教示により公知である。
下記特許文献１で与えられている解決法は、ポンプ・セルにおける高速を保持するために、主磁石の全幅にわたって比較的一定の磁場特性を提供することにより改良された動作性能を示している。ポンプ・セルの２つ、または４つの側部に沿って補助磁石を備えているために、寸法（大きさ）および重量の大幅な増加をもたらしている。
米国特許第６，８３５，０４８号明細書米国特許第４，９３７，５４５号明細書

したがって、本発明の目的は、低圧でも満足なポンピング速度を提供できるとともに、限られた全体的な寸法および重量を有するスパッタ・イオン・ポンプを提供することにより先行技術の欠点を克服することである。
本発明の他の目的は、製造するのに簡単で安価なスパッタ・イオン・ポンプを提供することである。

出願人により行われた実験的研究は、ポンプ・セルの片側だけに配置された補助磁石を設けることにより、磁気アセンブリの非対称構成となるにもかかわらず、磁場強度の増加を確保するとともに、低圧においても対応するポンピング速度の増加を確保するには十分であることを示した。
ポンプ・アセンブリの上述の非対称構成により、対称構成の磁気アセンブリを有する上記特許文献１で開示されたポンプと比較して、寸法、重量、および製造コストを抑えたイオン・ポンプを得ることができる。

本発明のスパッタ・イオン・ポンプのさらなる特徴および利点は、添付図面を参照することにより、非制限的な例として与えられた本発明のいくつかの好ましい実施形態の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。
図２および図３を参照すると、本発明の第１の実施形態に係るスパッタ・イオン・ポンプが示されている。イオン・ポンプ１は、陰極を形成するプレート、および陽極を形成するポンプ・セルを収容する真空容器３を含む。図１に示した先行技術に基づいて作られた真空容器３およびその中に収容されている構成要素については、さらに説明しない。

真空容器３は、ポンプ１と排出されるべき容器とを接続する接続フランジ５に接続され、電源装置に対するポンプ接続用の高圧電気フィードスルー７を備えている。
主磁石９ａ、９ｂは、真空容器３の外部の円筒状陽極ポンプ・セルの両端部に位置しており、ポンプ・セルの軸に平行な磁場を生成する。
本発明によれば、低圧でも高いポンピング速度を実現するために、容器３の中に収容されたポンプ・セルの片側のみに、１つ以上の磁石を含む補助磁石アセンブリ１１を設けている。さらに詳細には、図示された例では、接続フランジ５の反対側の容器３の底部にのみ、補助磁石アセンブリ１１を備えている。

補助磁石アセンブリ１１内の磁石（すなわち補助磁石）は、主磁石９ａ、９ｂにより生成される磁場に対して直交方向の磁場を生成するように配置されており、それによって、主磁石のエッジ効果を低減する。補助磁石１１は永久磁石であることが好ましい。
図２および図３に示したように、ポンプ１は、容器３と関連する略Ｕ字状支持構造１３を備えており、主磁石および補助磁石９ａ、９ｂ、１１は、ねじ１５によりその構造に固定されている。

特に図３を参照すると、図示された実施形態では、補助磁石アセンブリ１１は、隣り合わせに配置され、かつ反対極性を有する２つの補助磁石１１’、１１”を含んでいる。
図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、図１（先行技術）の構成に基づいて作られたポンプと、図２および図３に示した実施形態に基づいて作られたポンプの縦断面における横方向磁場成分の強度（テスラ）とが、それぞれ示されている。点線の長方形は、ポンプ陽極を形成するポンプ・セルにより占有される領域に対応している。

明らかにわかるように、補助磁石１１を設けることにより、磁場強度の大幅な増加をもたらす。さらに詳細には、補助磁石１１により、横方向磁場成分が臨界値（図示された例では０．１４テスラ）を超えている領域が大幅に増加し、この臨界値を超えると、ポンプ・セルの最大効率が達成される。
２つの異なるポンピングモード、すなわち、高磁場（ＨＭＦ）モードおよび低磁場（ＬＭＦ）モードが、スパッタ・イオン・ポンプと関連することが公知である。イオン・ポンプ内の磁場が臨界値を下回るとき、ＨＭＦポンピングモードからＬＭＦポンピングモードへの移行が起こり、結果としてポンピング速度が低下する。磁場の臨界値は圧力の関数であり、さらに詳細には、圧力が減少するにつれて、磁場の臨界値は増加するため、圧力が減少するときに臨界値を上回る状態を維持することは、次第に難しくなる。

したがって、より強い磁場（図示された例では、特に０．１４テスラより強い磁場）は、超低圧でもＨＭＦポンピングモードを維持することになり、その結果、ポンピング速度が向上する。
この点で、図５では、図２および図３のイオン・ポンプのポンピング速度対圧力の挙動が示され、図１の構成に基づいて作られた先行技術のポンプの挙動と比較されている。本発明のイオン・ポンプが、補助磁石のないポンプのポンピング速度を約２０％上回るポンピング速度を達成できるとしても、両方の曲線が、１０^−６から１０^−８ｍｂａｒ（１０^−４ないし１０^−６Ｐａ）の圧力範囲で実質的に同じ挙動を有することが理解することができる。

しかしながら、主要な差異を、１０^−８から１０^−９ｍｂａｒ（１０^−６ないし１０^−７Ｐａ）の圧力範囲で認めることができる。本発明のポンプの場合では、圧力が減少するにつれて、ポンピング速度も減少するが、ポンピング速度の減少は一定限度に抑えられる。これに対して、補助磁石がない場合には、ポンピング速度は非常に大きく減少する。したがって、１０^−９ｍｂａｒ（１０^−７Ｐａ）近傍の圧力では、本発明のポンプのポンピング速度は、補助磁石のないポンプのポンピング速度の約２倍であるが、その他の圧力では同じである。

ここで再び図４Ｂを参照すると、横方向磁場成分の強度は、先行技術の解決法と比較して、ポンプ・セルにより占有される領域のより広い部分で臨界値を超えており、特に、本発明の補助磁石の非対称配置にもかかわらず、このような強度は、補助磁石アセンブリ１１に最近接する面だけでなく、領域の中央部分全体にわたって臨界値を超えていることに注目すべきである。

その結果、上述したように、ポンプ・セルの片側に配置された、数を減らした補助磁石を用いることで、結果として、上記特許文献１で開示されたイオン・ポンプと比較して、寸法、重量、および製造コストを一定限度に抑えることにより、低圧でも満足できるポンピング速度を有するスパッタ・イオン・ポンプを得ることができる。
図６および図７を参照すると、ポンプ１の第２の好ましい実施形態が示されている。第２の実施形態によると、補助磁石１１を設けたことによる磁場をポンプ内に閉じ込めるために、補助磁石１１の反対側の真空容器３の側部にプレート１７を設けてある。プレート１７は強磁性材料で構成されている。

図６および図７では、補助磁石１１は、ポンプ１の底面部に配置され、プレート１７は、ポンプの上面部に位置しており、ねじ１９により支持構造１３に固定され、接続フランジ５の首部が通過できるように形成されている。
上述の説明は、非限定的な例として与えられたものであり、かつさまざまな変更および変形は、本発明が基づいている発明原理の中に含まれうることは明らかである。一例として、本発明の範囲を逸脱することなく、２つ以外の多くの補助磁石を設けることができ、または真空容器の異なる側部に補助磁石を配置できる。

先行技術のイオン・ポンプの横断面の概略図である。本発明の第１の実施形態のイオン・ポンプの概略斜視図である。図２のイオン・ポンプの概略側面図である。先行技術のポンプおよび図２のポンプのそれぞれの縦断面における横方向磁場成分の挙動を示すグラフである。先行技術のポンプおよび図２のポンプのそれぞれの縦断面における横方向磁場成分の挙動を示すグラフである。、圧力の関数として先行技術のイオン・ポンプおよび図２のイオン・ポンプのポンピング速度の挙動を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係るイオン・ポンプの概略斜視図である。図６のイオン・ポンプの概略側面図である。

Claims

真空容器（３）と、
前記真空容器の内部に位置しており、かつ複数のポンプ・セルを含む陽極と、
前記真空容器の内部に位置しており、かつ前記ポンプ・セルの両端部に、各端部から離間して配置されたプレートを含む陰極と、
前記ポンプ・セルの両端部に配置されて、前記ポンプ・セルと同軸の磁場を生成する主磁石（９ａ、９ｂ）と、
前記ポンプ・セルの片側のみに配置された補助磁石（１１；１１’、１１”）であって、前記主磁石（９ａ、９ｂ）および当該補助磁石（１１；１１’、１１”）により形成される磁気アセンブリに非対称構成を提供する補助磁石（１１；１１’、１１”）とを含む、スパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が、前記真空容器（３）の底部に配置されている、請求項１に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
２つの前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が設けられており、かつ反対極性で配置されている、請求項１に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が永久磁石である、請求項２に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が永久磁石である、請求項３に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記主磁石（９ａ、９ｂ）および前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が、前記真空容器（３）に固定された大略的にＵ字状の支持構造（１３）の中に収容されている、請求項１に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記主磁石（９ａ、９ｂ）および前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が、前記真空容器（３）に固定された大略的にＵ字状の支持構造（１３）の中に収容されている、請求項４に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記主磁石（９ａ、９ｂ）および前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が、前記真空容器（３）に固定された大略的にＵ字状の支持構造（１３）の中に収容されている、請求項５に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記ポンプ（１）が、前記真空容器（３）の前記補助磁石（１１；１１’、１１”）と反対側に位置するプレート（１７）をさらに含む、請求項１に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記プレート（１７）が、前記補助磁石（１１；１１’、１１”）で生成される前記磁場を閉じ込める強磁性材料で作られている、請求項９に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記ポンプ（１）が、前記容器（３）の前記補助磁石（１１；１１’、１１”）と反対側に位置する強磁性材料（１７）のプレートをさらに含む、請求項２に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記ポンプ（１）が、前記真空容器（３）の前記補助磁石（１１；１１’、１１”）と反対側に位置する強磁性材料（１７）のプレート（１７）をさらに含む、請求項３に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記主磁石（９ａ、９ｂ）および前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が、前記真空容器（３）に固定された大略的にＵ字状の支持構造（１３）の中に収容されている、請求項１０に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記主磁石（９ａ、９ｂ）および前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が、前記真空容器（３）に固定された大略的にＵ字状の支持構造（１３）の中に収容されている、請求項１１に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記主磁石（９ａ、９ｂ）および前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が、前記真空容器（３）に固定された大略的にＵ字状の支持構造（１３）の中に収容されている、請求項１２に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が永久磁石である、請求項１３に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が永久磁石である、請求項１４に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。
前記補助磁石（１１；１１’、１１”）が永久磁石である、請求項１５に記載のスパッタ・イオン・ポンプ（１）。