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公開番号2024059852
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-01
出願番号2024027428,2022517876
出願日2024-02-27,2019-09-20
発明の名称圧力を決定するための方法および圧力センサ
出願人インフィコン・アーゲー
代理人弁理士法人深見特許事務所
主分類G01L 21/30 20060101AFI20240423BHJP(測定;試験)
要約【課題】使用可能な測定範囲が増大した真空圧力センサを提供する。
【解決手段】真空系に流体力学的に接続されており、第1の電極および第2の電極と電気的に接触している試料室内でプラズマを生成し、第1の電極と第2の電極との間でプラズマを通って流れる電流の電流強度を測定し、プラズマから放出される第1の波長範囲の電磁放射線の第1の放射強度を測定し、第1の波長範囲は、第1の化学元素の第1のプラズマ種の少なくとも第1の輝線を含む、第1の放射強度を測定し、プラズマから放出される第2の波長範囲の電磁放射線の第2の放射強度を測定し、第2の波長範囲は、第1の化学元素の第1のプラズマ種または第1の化学元素の第2のプラズマ種の第2の輝線を含み、第2の輝線は、第1の波長範囲外にある、第2の放射強度を測定し、測定された電流強度、測定された第1の放射強度、および測定された第2の放射強度の関数として真空系内の圧力を決定する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
真空系内の圧力を決定するための方法（１００）であって、
ａ）前記真空系に流体力学的に接続された試料室（２０）内でプラズマを生成するステップ（１０１）であって、前記プラズマは、第１の電極および第２の電極と電気的に接触している、生成するステップ（１０１）と、
ｂ）前記第１の電極と前記第２の電極との間で前記プラズマを通って流れる電流の電流強度（Ｃ＿ｐｌａｓｍａ）を測定するステップ（１０２）と、
ｃ）前記プラズマから放出される第１の波長範囲の電磁放射線の第１の放射強度（Ｉ＿１）を測定するステップ（１０３）であって、前記第１の波長範囲は、第１の化学元素の第１のプラズマ種の少なくとも第１の輝線を含む、第１の放射強度（Ｉ＿１）を測定するステップ（１０３）と、
ｄ）前記プラズマから放出される第２の波長範囲の電磁放射線の第２の放射強度（Ｉ＿２）を測定するステップ（１０４）であって、前記第２の波長範囲は、前記第１の化学元素の前記第１のプラズマ種または前記第１の化学元素の第２のプラズマ種の第２の輝線を含み、前記第２の輝線は、前記第１の波長範囲外にある、第２の放射強度（Ｉ＿２）を測定するステップ（１０４）と、
ｅ）測定された前記電流強度（Ｃ＿ｐｌａｓｍａ）、測定された前記第１の放射強度（Ｉ＿１）、および測定された前記第２の放射強度（Ｉ＿２）の関数として前記真空系内の圧力（ｐ）を決定するステップ（１０５）と
を含む、方法（１００）。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
前記ｅ）前記真空系内の圧力を決定するステップ（１０５）において、前記測定された第１の放射強度および前記測定された第２の放射強度に基づいて、前記圧力の推定値（ｐ０）が決定され、圧力－電流強度較正曲線の定義範囲が、前記推定値を含み、前記圧力－電流強度較正曲線が単調である圧力範囲に制限され、制限された前記定義範囲内の前記圧力－電流強度較正曲線に基づいて、および前記測定された電流強度に基づいて、前記真空系内の圧力が決定される、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項３】
前記圧力の推定値（ｐ０）の対数が、次式
ｌｏｇ（ｐ０）＝ａ（Ｉ＿１／Ｉ＿２）＋ｂ
を使用して決定され、
式中、ａおよびｂは、輝線の選択、前記プラズマを生成するために使用される構成、および前記対数の底に依存する所定の係数である、請求項２に記載の方法（１００）。
【請求項４】
真空圧力センサ（１０）であって、
－プラズマを発生させることができる試料室（２０）であって、第１の電極（１）および第２の電極（２）との電気的接触を有する、試料室（２０）と、
－前記第１の電極および前記第２の電極に電気的に接続され、前記試料室に直列に接続された電流測定装置（４２）と、
－波長選択素子（５１、５４）と、
－電磁放射線の放射強度を測定するための第１の検出素子（３１）および第２の検出素子（３２）と
を備え、
前記波長選択素子、前記第１の検出素子、および前記第２の検出素子は、前記第１の検出素子内で、前記試料室から発する第１の波長範囲の電磁放射線のみが到達することができ、前記第２の検出素子内で、前記試料室から発する第２の波長範囲の電磁放射線のみが到達することができるように配置構成されており、
前記第１の波長範囲には、少なくとも、第１の化学元素の第１のプラズマ種の第１の輝線があり、前記第１の化学元素の前記第１のプラズマ種または前記第１の化学元素の第２
のプラズマ種の第２の輝線が、前記第２の波長範囲内にあり、前記第２の輝線は、前記第１の波長範囲外にある、真空圧力センサ（１０）。
【請求項５】
測定室であって、前記試料室を囲み、壁内のまたは前記測定室の壁としての窓（５）を有する測定室（３）を備え、前記窓は、光波長範囲で透過性であり、前記試料室から始まって前記窓をトラバースし、前記第１の検出素子内で終端する連続的な第１の放射線経路が画定され、前記試料室から始まって前記窓をトラバースし、前記第２の検出素子内で終端する連続的な第２の放射線経路が画定される、請求項４に記載の真空圧力センサ（１０）。
【請求項６】
前記第１の検出素子（３１）および／または前記第２の検出素子（３２）は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、電荷結合素子、マルチチャネルプレート、またはチャネル型電子増倍器である、請求項４または５に記載の真空圧力センサ（１０）。
【請求項７】
前記真空圧力センサは、検出器アレイ（３９）を備える小型分光計（３０）を備え、前記第１の検出素子（３１）および前記第２の検出素子（３２）は、前記検出器アレイの要素である、請求項４～６のいずれか１項に記載の真空圧力センサ（１０）。
【請求項８】
前記真空圧力センサが、前記試料室（２０）内に磁場を発生させるための装置（８）を備える、請求項４～７のいずれか１項に記載の真空圧力センサ（１０）。
【請求項９】
第１の電極（１）、第２の電極（２）、および前記試料室内に磁場を発生させるための前記装置（８）の配置構成が、前記電極に電圧を印加することによって、磁場に対して実質的に垂直に前記試料室内に位置整合する電場を発生させることができるように設計されており、特に、前記配置構成がマグネトロンアレイ、逆マグネトロンアレイまたはペニングアレイとして設計されている、請求項８に記載の真空圧力センサ（１０）。
【請求項１０】
前記試料室内のプラズマにエネルギーを供給するためのエネルギー源をさらに備える、請求項４～９のいずれか１項に記載の真空圧力センサ（１０）。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空系内の圧力を決定するための方法、真空圧力センサ、上記方法を実施するための装置、上記方法の適用、および圧力センサの使用に関する。
続きを表示（約 4,000 文字）【背景技術】
【０００２】
標準圧を大幅に下回る圧力を決定することができる真空圧力センサまたは真空計が知られている。既知の真空圧力センサの中でも、いわゆる電離真空計は、測定範囲が特に広い。それらは、気体電離の迂回路を介して圧力を測定する。最初に、残留気体の電離性、したがって真空系内の気体密度が決定される。気体の電離に必要な電子は、熱陰極（熱陰極電離真空計）または冷電極間の独立した気体放電（冷陰極真空計）のいずれかによって生成される。冷電極間の独立した気体放電は約１０
－３
ｍｂａｒの圧力で消滅するため、冷陰極電離ゲージの測定範囲は、独立した電気気体放電における電子経路を実質的に長くし、したがってイオン収量を増大させる磁場を使用するＦ．Ｍ．ＰＥＮＮＩＮＧによるドイツ特許第７１６７１２号に記載された構成によって高真空範囲内の圧力に拡張されている。これらのペニング真空計は広く使用されており、長年にわたってさらに技術的に改善されてきた。
【０００３】
現在一般的に使用されているのは逆マグネトロンの形態のＨＯＢＳＯＮおよびＲＥＤＨＥＡＤ（Ｒｅｄｈｅａｄ，Ｐ．Ａ．（１９５９），Ｔｈｅｍａｇｎｅｔｒｏｎｇａｕｇｅ，ａｃｏｌｄｃａｔｈｏｄｅｖａｃｕｕｍｇａｕｇｅ，Ｃａｎ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．３７，１２６０－１２７１）によって提案された構成である。これは、約１０
－３
ｍｂａｒから超高真空範囲までの圧力範囲をカバーすることができる。ペニング真空計、およびマグネトロンまたは逆マグネトロンアレイに基づく冷陰極真空計は、共通して、電場が本質的に磁場に対して垂直である。
【０００４】
既知の構成の主な問題の１つは、高圧に向かって圧力範囲が制限されていることである。放電の支配的な割合の変化により、電流測定にあいまいさが生じる。これは、電子とイオンの両方が測定電流に寄与することに起因する。圧力に応じて、得られるプラズマの性質が変化する。冷陰極真空計の典型的な圧力－電流強度較正曲線は、約１０
－３
ｍｂａｒ未満の圧力に対して、圧力の増大と共に電流が単調に増大する範囲を示す。これは、測定電流から圧力を一義的に決定することができる使用可能な測定範囲である。この範囲では電子による環電流が支配的である。圧力－電流強度較正曲線は、典型的には約１０
－２
ｍｂａｒにおいて電流最大値を示す。この最大値を超える圧力では、電流は圧力の増大と共に減少する。この圧力範囲では、プラズマ、すなわち電子と正電荷を帯びたイオンとの混合物が支配的である。従来、使用可能な測定範囲は、前述の電流強度最大値を超えて拡張することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、従来技術と比較して改善された、真空圧力を決定するための方法を見出すことであった。本発明のさらなる目的は、代替的な真空圧力センサ、すなわち使用可能な測定範囲が増大した真空圧力センサを提供することであった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の方法によって解決される。
本発明による方法は、真空系内の圧力を決定するための方法である。本方法は、
ａ）真空系に流体力学的に接続された試料室内でプラズマを生成するステップであって
、プラズマは、第１の電極および第２の電極と電気的に接触している、生成するステップと、
ｂ）第１の電極と第２の電極との間でプラズマを通って流れる電流の電流強度を測定するステップと、
ｃ）プラズマから放出される第１の波長範囲の電磁放射線の第１の放射強度を測定するステップであって、第１の波長範囲は、第１の化学元素の第１のプラズマ種の少なくとも第１の輝線を含む、第１の放射強度を測定するステップと、
ｄ）プラズマから放出される第２の波長範囲の電磁放射線の第２の放射強度を測定するステップであって、第２の波長範囲は、第１の化学元素の第１のプラズマ種または第１の化学元素の第２のプラズマ種の第２の輝線を含み、第２の輝線は、第１の波長範囲外にある、第２の放射強度を測定するステップと、
ｅ）測定された電流強度、測定された第１の放射強度、および測定された第２の放射強度の関数として真空系内の圧力を決定するステップと
を含む。
【０００７】
発生したプラズマによって電磁放射線および荷電粒子が生成される。プラズマ中で発生した荷電粒子に基づいて、電流計を用いてプラズマ中を流れる電流を測定することにより、試料室内の粒子密度を決定することができる。試料室内の粒子密度を使用して、試料室内の圧力を推測することができる。試料室は、真空系と試料室との間に圧力平衡があり、試料室内で決定される圧力が真空系内の圧力と一致するように、真空系に流体力学的に接続される。試料室は、試料室内で生成されたプラズマが第１の電極および第２の電極の両方と接触することができるように、互いに隔離された電極間に延在する。電流計は、アンプメータまたは電子カウンタなどの任意の充電率計であってもよい。プラズマを生成するために、多種多様なプラズマ源を使用することができる。電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源、ペニング放電、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）またはグロー放電源などが、本発明による方法に適している。ペニング、マグネトロンおよび逆マグネトロンアレイが、非常にコンパクトに構築することができ、低圧、特に１０
－８
ｍｂａｒまでの圧力でも十分なイオン収量を確保することができるため、プラズマを生成するのに適している。後者の３つのプラズマ源は、ＥｘＢ供給源という総称の下でグループ化される。
【０００８】
本発明者らは、プラズマによって放出される電磁放射線、特に光学範囲内の電磁放射線の２つの異なる賢明に選択された波長範囲内の強度を測定することによって、試料室内の圧力に関する追加の情報が得られ、それによって、電流測定の測定結果への圧力の割り当てのあいまいさを解決することができることを認識した。
【０００９】
電磁放射線の測定強度は、例えば、光学範囲内の放射強度、すなわち可視光、紫外線放射または赤外線放射、特に近赤外範囲からの放射強度を指す。プラズマ中の原子およびイオンは、この波長範囲内の放射線を放出し、これはそれぞれの化学元素に特徴的な輝線を示す。これらの特徴的な輝線の波長は、原子発光分光法（ＡＥＳ）の分野から知られており、測定される気体について調べることができる。用途に応じて、測定される気体は、例えば、窒素、酸素、アルゴンまたはヘリウムであり得る。
【００１０】
本発明によれば、第１の波長範囲の電磁放射線の第１の放射強度が測定され、第２の波長範囲の電磁放射線の第２の放射強度が測定される。第１および第２の波長範囲は、第１の輝線が第１の波長範囲に含まれるが、第２の輝線が除外されるように選択される。しかしながら、第２の波長範囲内では、第２の輝線が観測可能である。第１の波長範囲および第２の波長範囲は、非常に狭くなるように、すなわち、例えば、本質的にそれぞれ第１の輝線および第２の輝線のみがそれぞれの波長範囲内にあるように、それぞれ第１の輝線および第２の輝線の自然線幅よりもわずかに大きくなるように選択することができる。第２の波長範囲は、第１の輝線も第２の波長範囲内にあるように大きく選択することができる
。第１の輝線および第２の輝線は、本明細書では第１の化学元素として参照される同じ化学元素のプラズマ種からの輝線である。それらは、同じ第１のプラズマ種の第１の輝線および第２の輝線であってもよい。代替的に、第２の輝線は、第１のプラズマ種とは異なるが、同じ第１の化学元素のプラズマ種である第２のプラズマ種の輝線であってもよい。本発明にとって、プラズマ種は、化学構造式、それらの電荷状態（例えば、中性、単独電離、二重電離）、および任意選択的にそれらの励起状態によって特徴付けられる気体原子および化学化合物を意味する。元素のプラズマ種は、その構造式中にその元素を含む。例えば、中性窒素分子Ｎ
２
、中性窒素原子ＮＩ、一価イオン窒素原子ＮＩＩ、および二価イオン窒素原子ＮＩＩＩが、化学元素窒素の４つの異なるプラズマ種である。別の例として、中性アルゴン原子ＡｒおよびアルゴンイオンＡｒ
＋
が、化学元素アルゴンの２つの異なるプラズマ種である。本発明による同じ化学元素の１つまたは２つのプラズマ種からの２つの異なる輝線を観察することによって、電流強度に加えて別の圧力依存パラメータを決定することができる。３個以上の原子を有する構造式を有するプラズマ種からの輝線が観察される場合、輝線は、共通の化学元素を有するだけでなく、構造式の可能な限り大きい部分を共有するプラズマ種に属する場合には、有利である。このように、測定された第１の強度および第２の強度からの強度比は、主にプラズマ中の粒子密度、すなわち圧力に依存する。したがって、残留気体の組成への依存が低減される。好ましくは、第１の輝線および第２の輝線は、同じ気体の輝線、すなわち、気体状態またはプラズマ状態の同じ原子または分子の輝線である。
（【００１１】以降は省略されています）

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