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Patent Searching and Data


Title:
PIRANI GAUGE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/035123
Kind Code:
A1
Abstract:
Provided is a Pirani gauge, which is improved in responsibility to an abrupt pressure rise and which is freed from a restriction of an measuring element container in the mounting direction on a vacuum container. The Pirani gauge is equipped, in the measuring element container, with a heat filament made of a metal wire and a heat filament support for supporting the heat filament, so that the Pirani gauge measures the pressure of a gas from the calorie which is taken away from the heat filament by gas molecules impinging upon the heat filament. The Pirani gauge is characterized in that the measuring element container is filled therein with a metal material and has a first cylindrical hole and a second cylindrical hole formed therein, and in that the heat filament is inserted into the first cylindrical hole whereas the heat filament support is inserted into the second cylindrical hole.

Inventors:
KAWASAKI, Yohsuke (2-5-1 KurigiAsao-ku, Kawasaki-sh, Kanagawa 50, 2158550, JP)
Application Number:
JP2008/066660
Publication Date:
March 19, 2009
Filing Date:
September 16, 2008
Export Citation:
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Assignee:
CANON ANELVA TECHNIX CORPORATION (2-5-1 Kurigi, Asao-ku Kawasaki-sh, Kanagawa 50, 2158550, JP)
キヤノンアネルバテクニクス株式会社 (〒50 神奈川県川崎市麻生区栗木2-5-1 Kanagawa, 2158550, JP)
International Classes:
G01L21/12
Attorney, Agent or Firm:
OKABE, Masao et al. (No. 602, Fuji Bldg.2-3, Marunouchi 3-chom, Chiyoda-ku Tokyo, 100-0005, JP)
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Claims:
 金属線からなる熱フィラメント(7)、該熱フィラメントを支持する熱フィラメント支持体、及び該熱フィラメントと該支持体を収容する細長い測定子容器とからなり、該測定子容器の一端は被測真空容器に結合する手段を含み、該測定子容器の他端は該測定子容器の外部の制御回路に該熱フィラメントと該支持体を電気的に接続し該熱フィラメントと該支持体を気密保持する手段(13)を含み、該測定子容器内で該一端から該他端へ長手方向に該熱フィラメントと該支持体とが延在しているピラニ真空計において、
 該測定子容器は内部が金属材料で充填され、該充填金属材料部に該熱フィラメントを収容している長手方向に開けられた第1の孔と該支持体を収容している長手方向に開けられた第2の孔とが設けられ、
 該測定子容器の該一端の被測真空容器との結合部は該長手方向に窪んだ凹状空間を有し、該凹状空間で該熱フィラメントの一端と該熱フィラメント支持体の一端とが結合されているピラニ真空計。
 前記第1の孔の周囲の金属材料の厚さが、前記第2の孔に面した部分を除いて2mm以上である請求項1に記載のピラニ真空計。
 前記第1の孔と前記第2の孔とが、円筒形である請求項1に記載のピラニ真空計。
 前記第1の孔と前記第2の孔とが、その長手方向にわたって連通し連通個所は幅2mm以下のスリットをなしている請求項1に記載のピラニ真空計。
 前記第1の孔の内壁と該熱フィラメントとの距離が3mm以内である請求項1に記載のピラニ真空計。
 前記熱フィラメントはその長さ方向80%以上が該第1の孔内に収容されている請求項1に記載のピラニ真空計。
 該測定子容器の外壁に接触して取付けられた温度センサを含み、該温度センサの取付け個所の該測定子容器の外壁は凹状の窪みとなっている請求項1に記載のピラニ真空計。
 金属線からなる熱フィラメント(7)、該熱フィラメントを支持する熱フィラメント支持体、及び該熱フィラメントと該支持体の長さ方向の80%以上を被う細長い測定子容器を含むピラニ真空計であって、該真空計の一端は被測真空容器に結合する手段を含み、該真空計の他端は該測定子容器の外部の制御回路に該熱フィラメントと該支持体を電気的に接続し該熱フィラメントと該支持体を気密保持する手段(13)を含み、該真空計内で該一端から該他端へ長手方向に該熱フィラメントと該支持体とが延在しているピラニ真空計において、
 該測定子容器は金属材料であり、該熱フィラメントを収容している長手方向に開けられた第1の孔と該支持体を収容している長手方向に開けられた第2の孔とが設けられた筒状部材であり、
 前記第1の孔の内壁と該熱フィラメントとの距離が3mm以内であり、
 前記第1の孔の周囲の測定子容器の厚さが、前記第2の孔に面した部分を除いて2mm以上であるピラニ真空計。
 前記第1の孔と前記第2の孔とが、その長手方向にわたって連通し連通個所は幅2mm以下のスリットをなしている請求項8に記載のピラニ真空計。
Description:
ピラニ真空計

 本発明は気体の熱伝導を利用して、低真 から高真空領域の圧力測定に広く利用され ピラニ真空計に関する。

 従来のピラニ真空計は、特許文献1にも記載 されているように、真空中に金属線からなる 熱フィラメントを張り、これを加熱する。熱 フィラメントを高温とした状態で、熱フィラ メントよりも低温の気体分子が高温の熱フィ ラメントに衝突すると、衝突した気体分子が 熱フィラメントから熱量を奪い去る。これに より、熱フィラメントの温度が変化する。こ の奪い去られた熱量に相当する温度変化を電 気的に変換し、熱フィラメントの電気抵抗の 変化として検知し、更に電気抵抗の変化を圧 力値に換算して気体の圧力を測定するもので ある。現在市販されている一般的なピラニ真 空計では、熱フィラメントの温度が常に一定 になるように、印加する電力を制御回路によ って自動的に調節するものが多くなっている 。この方式は定温度型ピラニ真空計と呼ばれ るが、気体分子が熱フィラメントから奪い去 る熱量を常に補いながら損失熱量を計測して いることになる。この場合、熱フィラメント の温度を一定にするように印加される電力を 測定して気体の圧力に換算している。
 従来の真空計では、約10 4 Pa付近以上から大気圧までの気体領域におい 取り付け姿勢、すなわち、フィラメントが 直か水平かによって、測定圧力値に大きな いが生じる問題があった。それに対して、 ィラメントの長さの80%以上を筒で覆うこと より、姿勢の違いによる測定圧力値のばら きを小さくする真空計が提案されている(特 許文献2)

特許第3188752号公報

国際公報2006/057148号パンフレット

 しかしながら、特許文献2に記載されたピ ラニ真空計においても、以下に示すような問 題がある。

 第1の問題は、真空容器内へのガス導入な どにより、気体の圧力が中真空以下から低真 空にまで急激に圧力が上昇した場合、正常な 圧力値を示すまでに数十秒から数分を要する という問題である。ここでの、中真空とは10P a程度の圧力であり、低真空とは1000Pa以上の 力である。ピラニ真空計が正常な圧力値を すまでの間は、圧力指示値が一時的に正常 圧力値よりも高い圧力値を示す。気体の圧 が急激に上昇した場合、気体分子の急激な れは、熱フィラメントに衝突するだけでは く、熱フィラメントを内蔵する容器(以下、 測定子容器」という。)の内壁等にも衝突し ながら流れる。このために、気体分子が測定 子定子容器の内壁等からも熱量を奪い去り、 測定子容器の温度が急激に下がるためである と考えられる。

 一般に、熱フィラメント7から奪い去られる 熱量Qは下記の式で表される。
   Q=K C ・P・(T f -T w )+K R ・(T f 4 -T w 4 )+端損失(1)
ここで
   K C :気体により輸送される熱量の熱伝導係数
   P:気体の圧力
   T f :フィラメントの温度
   T w :フィラメント周囲の壁の温度
   K R :熱輻射係数

 上記式(1)の第1項は、測定子容器内の気体分 子が熱フィラメントから奪い去る熱伝導損失 である。ここで、気体により輸送される熱量 の熱伝導係数K C は、定数であり、フィラメントの温度T f は、制御回路によって一定になるよう制御さ れている。また、フィラメント周囲の壁の温 度T w は、ピラニ真空計の設置された周囲の温度に よって決定されるものである。

 上記式の第2項は熱フィラメント7から測 子容器の内壁への熱輻射による損失である また、第3項は熱フィラメント7が接続される 熱フィラメントを支持する部材や、これに接 続されるリード線などを伝導して外部に逃げ る熱伝導損失である。

 つまり、前記式(1)によれば、熱フィラメン の周囲の壁の温度T w が下がれば、熱フィラメントから奪い去られ る熱量Qも大きくなり、熱量Qに比例して気体 圧力も高く表示されることになる。しかし 測定子容器の温度降下は、一時的なもので り、気体分子の急激な流れが収まった後、 十秒から数分を要して、測定子容器内の温 と同じ温度に上昇すると考えられる。

 本発明の目的は上記の課題を解決するこ である。すなわち、本発明の目的は、真空 器への取り付け方向の制約を無くするとと に、急激な圧力上昇に対する応答性を向上 せたピラニ真空計を提供することにある。

 また、本発明の他の目的は、使い勝手を 上させたピラニ真空計を提供することにあ 。

 本発明に従うピラニ真空部は金属線から る熱フィラメント、熱フィラメントを支持 る熱フィラメント支持体、及び該熱フィラ ントと該支持体を収容する細長い細長い測 子容器とからなり、該測定子容器の一端は 測真空容器に結合する手段を含み、該測定 容器の他端は該測定子容器の外部の制御回 に該熱フィラメントと該支持体を電気的に 続し該熱フィラメントと該支持体を気密保 する手段を含み、該測定子容器内で該一端 ら該他端へ長手方向に該熱フィラメントと 支持体とが延在しており、該測定子容器は 部が金属材料で充填され、該充填金属材料 に該熱フィラメントを収容している長手方 に開けられた第1の孔と該支持体を収容して いる長手方向に開けられた第2の孔とが設け れ、該測定子容器の該一端の被測真空容器 の結合部は該長手方向に窪んだ凹状空間を し、該凹状空間で該熱フィラメントの一端 該熱フィラメント支持体の一端とが結合さ ている。

 第1の本発明の実施例では第1の孔と前記第2 孔とが、円筒形である。
 本発明の実施例の1つでは、第1の孔と前記 2の孔とが、その長手方向にわたって連通し 通個所は幅1mm以下のスリットをなしている
 本発明の実施例の他のものでは、該測定子 器の外壁に接触して取付けられた温度セン を含み、該温度センサの取付け個所の該該 定子容器の外壁は凹状の窪みとなっている

 本発明の第2の側面に従うピラニ真空計は、
 金属線からなる熱フィラメント(7)、該熱フ ラメントを支持する熱フィラメント支持体 及び該熱フィラメントと該支持体の長さ方 の80%以上を被う細長い測定子容器を含むピ ニ真空計であって、該真空計の一端は被測 空容器に結合する手段を含み、該真空計の 端は該測定子容器の外部の制御回路に該熱 ィラメントと該支持体を電気的に接続し該 フィラメントと該支持体を気密保持する手 (13)を含み、該真空計内で該一端から該他端 へ長手方向に該熱フィラメントと該支持体と が延在しているピラニ真空計である。そして 該測定子容器は金属材料であり、該熱フィラ メントを収容している長手方向に開けられた 第1の孔と該支持体を収容している長手方向 開けられた第2の孔とが設けられた筒状部材 あり、
 前記第1の孔の内壁と該熱フィラメントとの 距離が3mm以内であり、
 前記第1の孔の周囲の測定子容器の厚さが、 前記第2の孔に面した部分を除いて2mm以上で る。 

 本発明のピラニ真空計によれば、気体の 力が10Pa程度の中真空以下から1000Pa以上の低 真空まで急激に上昇した場合にも追従性よく 応答する。また、真空容器への測定子容器の 取り付け方向の制約が少なくなり使い勝手が 向上する。

本発明に係る第1の実施形態を示す圧力 測定子構成図である。 本発明に係る第1の実施の形態を示す圧 力測定子、A-A’断面よりハーメチック端子側 を臨む図である。 本発明に係る第1の実施の形態を示す圧 力測定子、B-B’断面よりハーメチック端子側 を臨む図である。 本発明に係る第2の実施形態を示す圧力 測定子構成図である。 本発明に係る第2の実施の形態を示す圧 力測定子、C-C’断面よりハーメチック端子側 を臨む図である。 本発明に係る第2の実施の形態を示す圧 力測定子、D-D’断面よりハーメチック端子側 を臨む図である。 本発明に係る第3の実施形態を示す圧力 測定子構成図である。 本発明に係る第3の実施の形態を示す圧 力測定子、E-E’断面よりハーメチック端子側 を臨む図である。 本発明に係る第3の実施の形態を示す圧 力測定子、F-F’断面よりハーメチック端子側 を臨む図である。 本発明に係る第1の実施形態のピラニ真空計 従来技術のピラニ真空計において、真空容 へのガス導入により高真空圧力からl×10 4 Pa程度まで圧力を急激に上昇させた時の圧力 示値の安定化を測定したデータを示すグラ である。 本発明に係る第1の実施形態のピラニ真空計 従来技術のピラニ真空計において、真空容 へのガス導入により高真空圧力から3×10 4 Pa程度まで圧力を急激に上昇させた時の圧力 示値の安定化を測定したデータを示すグラ である。 図10で測定した比較例のピラニ真空計 構造を示す図である。

符号の説明

 1 測定子容器
 2 フランジ
 3 真空容器
 4 Oリング
 5 測定子容器開口部
 6 焼結フィルタ
 7 熱フィラメント
 8 第1の円筒穴
 9 熱フィラメント支持体
 10 第2の円筒穴
 13 ハーメチック端子
 14 ベース板
 15 絶縁スペーサー
 16 制御回路
 17 温度センサ
 20 内部測定子容器
 21  突部支持部

 以下、図面を参照して本発明を実施する めの最良の形態について詳細に説明する。

 図1、図2、図3は本発明の第1の実施形態を 示す。具体的には、図1、図2、図3は、真空容 器の一部と、これに取付けられたピラニ真空 計の要部構成を示す。

 図1、図2、図3において測定子容器1の一端 は被測真空容器3と結合するためのフランジ2 真空容器3と接続される。本実施形態ではフ ランジ2の接合部の真空封止はOリング4のシー ルによって保持している。測定子容器1のフ ンジ2側は測定子容器の長手方向に窪んだ凹 空間を形成して開口しており、被測真空容 3と接続される。測定子容器の凹状空間部5 は真空容器3からの汚れや反応生成物が熱フ ラメント7に付着することを防止するための ステンレス製の焼結フィルタ6が設置されて り、真空容器3中の気体分子はこの焼結フィ タ6を通過し、測定子容器1内部に到達する 又、凹状空間部で熱フィラメント7と支持体9 のそれぞれの一端が接続されている。測定子 容器の内部は金属材料で充填されているが、 測定子容器1には熱フィラメント7が接触せず 挿通される第1の円筒穴8と、導電性金属の フィラメント支持体9が接触せずに挿通され 第2の円筒穴10の二つの円筒穴が設けられて る。熱フィラメント7の長さ方向の80%以上が 第1の円筒穴8に収容され、本実施例では第1の 円筒穴8の内径は4mm、第2の円筒穴10の内径は1. 6mmであるが第1の円筒穴8の内壁と熱フィラメ トとの間の距離は3mm以内にすべきである。3 mm以内にすると、熱フィラメントの周囲で発 する気体の対流の影響を抑制することがで 、真空容器への測定子容器の取付け方向の 約をなくすことができる。そして、第1の円 筒穴の周囲は容器金属材料で充填されている が、その厚さは本実施例3.4mmであり、この厚 は2mm以上好ましくは3mm以上が望ましい。測 子容器1の材質としては、ステンレス、アル ミニウム、銅などの熱伝導率が高い金属材質 を利用する。測定子容器開口部5の反対側に 熱フィラメント7を支持する熱フィラメント 持体9がハーメチック端子13に取付けられて る。ハーメチック端子13と測定子容器1とは 合され気密性が保たれている。ハーメチッ 端子13のベース板14の素材はFe/Ni合金である タングステン線などの金属線より成るの熱 ィラメント7を支持する熱フィラメント支持 体9の素材は、コバール合金である。熱フィ メント支持体9は、熱フィラメントの支持と に制御回路16からの電流を供給するリード として機能しており、ガラス製の絶縁スペ サー15でベース板14と絶縁されつつ、保持さ ている。また熱フィラメント支持体9の大気 側は熱フィラメント7の温度を一定に制御す ための制御回路16に接続されている。測定子 容器1の外壁には温度センサ17が設けられ、熱 フィラメントの温度の検出し制御回路16に提 している。熱フィラメント7の温度を一定に 保持するために必要な熱フィラメント7への 給電力量を測定することで気体の圧力を算 する定温度型ピラニ真空計として機能する 真空容器3内の気体分子は測定子容器開口部5 を通って焼結フィルタ6を通過し、熱フィラ ント7の表面に衝突する。熱フィラメント7に 衝突した気体分子は熱フィラメント7から熱 奪い去り、測定子容器1の第1の円筒穴8の内 に衝突し熱を受け渡す。気体分子が多けれ 、即ち気体の圧力が高ければ、熱フィラメ ト7に衝突する気体分子の数も多くなり、気 分子の衝突によって熱フィラメント7から第 1の円筒穴8の内壁へ奪い去られる熱量も増す とになる。このときの熱フィラメント7から 奪い去られる熱量Qは前記式(1)と同様である

 熱フィラメント支持体9が挿通する第2の円 穴10を設けることにより、熱フィラメント7 第1の円筒穴8の中央に挿通することが可能と なる。また、これにより、熱フィラメント7 第1の円筒穴8の内壁との距離を真空容器への 測定子容器1の取り付け方向の制約を受けな 距離3mm以下にすることができる。同時に、 1の円筒穴8と第2の円筒穴10を2つ設けた構造 したことで、気体分子の流れ易さ、即ちコ ダクタンスを大きくすることができ、急激 気体の圧力変化に対しても応答性良く圧力 示値が安定することが可能となっている。
 図10、図11には高真空圧力から真空容器内へ ガスを導入し、圧力を図10においてはl×10 4 Pa並びに図11においては3×10 4 Pa程度まで急激に上昇させた際の圧力指示値 安定性を測定したデータを示す。図10、図11 では図12に示す比較例としてのピラニ真空計( ○マーカ)と、第2の実施形態のピラニ真空計( ●マーカ)について比較している。図12では、 図1と同じ構成部品は同じ符号で示されてい 。測定子容器1は中空の円筒形である。その 器の空間内に熱フィラメント7と支持体9を バーする円筒状の筒20で覆い、フィラメント 7が垂直か水平かにより測定圧力値が変化し いよう、フィラメント7と筒20の最も近接し 内壁との間を約3mm以下としている。筒の肉 は2mm未満である。すなわち、例えば、図10で 、比較例のピラニ真空計ではガス導入後、一 時的に高い圧力を示し、その後、約30~40秒程 の時間をかけて安定する。これに対し、第2 の実施形態のピラニ真空計では、一時的に高 い圧力を示すことはなく、5秒以内で追従性 く圧力指示値が安定することがわかる。図11 においても比較例のピラニ真空計に対して、 第2の実施形態のピラニ真空計においては短 時間で圧力指示値が安定することがわかる

 図4、図5、図6は本発明の第2の実施形態を示 す。図4、図5、図6において、第1の実施形態 同一の要素には同一の符号を付している。 実施形態では、第1の実施形態と同様に熱フ ラメントを挿通する第1の円筒穴と熱フィラ メント支持体を挿通する第2の円筒穴を有し いる。しかし、それら2つの円筒穴の一部が 通しており、連通個所はスリット状でその リット幅はこの実施例では第2の円筒穴の内 径より小さいが、必ずしもそうでなくとも2mm 以下であることが好ましいとしている。即ち 、熱フィラメントの軸に対して垂直な面の断 面形状がだるま状であるような構造となって いる。
  この第2の実施形態によれば、熱フィラメ トと熱フィラメント支持体とを一体に測定 容器1へ取り付け、取り外しを行うことがで き、メンテナンス性が向上する。また、第2 円筒穴を設けたことにより、コンダクタン が大きくなり、圧力測定の応答性が良くな 。なお、このとき、第1の円筒穴の内周にお て、第2の円筒穴との重なり部は第1の円筒 の第2の円筒穴との重なり部の長さは、第1の 円筒穴の内周の1/8以下となるようにすること が好ましい。
 その他の構成及び作用は第1の実施形態の場 合と同じである。

 図7、図8、図9は本発明の第3の実施形態を 示す。図7、図8、図9において、第1の実施形 と同一の要素には同一の符号を付している 本実施形態では、第1の実施形態と同様の構 となっている。しかし、温度センサを設置 る測定子容器1外壁の取り付け部分を凹状の 形状とし、温度センサ17を測定子容器1の内壁 に近づけて設置した構造となっている。この 第3の実施形態によれば、温度センサと測定 容器1内壁との熱伝導距離が短くできるため 度追従性が向上する。その他の構成及び作 は第1の実施形態の場合と同じである。なお 、実施形態3では、温度センサを測定子容器1 壁に設けた凹状部分に設置したが、測定子 器1外壁に埋め込む方式としても構わない。

 なお、円筒穴は、真円の断面形状を有す 穴ばかりではなく、楕円の断面形状を有す 穴、多角形の断面形状を有する穴、自由形 を有する穴であってもよい。

 本発明は、従来の半導体製造装置、電子 バイス製造装置、熱処理装置、表面処理装 等のチェンパー内の圧力測定装置、或いは 気ライン、ガス導入ラインにおける圧力測 装置として利用が可能である。