JPH0927294A - イオンポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ポンプ本体の小型化と排気性能の向上を同時
に満足し、さらにイオンポンプと粗引きポンプに接続し
て真空の排気系統をコンパクトにできるイオンポンプを
提供する。 【解決手段】 円筒形のポンプケーシング８内に同軸状
に陽極４とその外周に陰極２とが配置され、円筒形のポ
ンプケーシング８内に、陰極２と陽極４及びポンプケー
シング８の円筒面間の半径方向の電界発生手段と、陽極
４及び陰極２の軸と平行な磁界発生手段とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイオンポンプに係り、特
に半導体製造等の電子工業、材料工業分野、或いは加速
器分野において要求される高真空状態を実現するイオン
ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体等の製造、加速器、核融合といっ
た最先端技術分野においては、高真空技術は必要不可欠
な基礎となる技術である。近年では量子効果素子や新機
能材料の製造、あるいは原子を単原子毎に操作するよう
な技術においては、宇宙空間に匹敵するような極めて高
度な真空度（１０^-10 Ｐａ以下）も要求されている。ま
た素粒子物理学の分野では高エネルギーに加速した粒子
の衝突実験により未知の素粒子の発見がなされている
が、この分野においても高度な真空度が要求されてい
る。

【０００３】従来技術として、このような高度な真空空
間を実現するための手段として、ターボ分子ポンプを粗
引きポンプとして、イオンポンプ、サブリメーションポ
ンプあるいはそれらの組み合わせ、またはクライオポン
プ等が高真空排気ポンプとして用いられている。このう
ちイオンポンプについては、従来は気体の電離にペニン
グ放電を用いてきた。

【０００４】図４は、従来の三極型のイオンポンプの構
成を示す、（Ａ）は正面部分透視図であり、（Ｂ）は側
面図である。符号１は接続フランジ、２は陰極、３は磁
石、４は陽極である。符号５は高電圧電源であり、６は
高電圧電源５と陰極２とを接続するための電流導入端子
である。符号８で示すポンプケーシングは角形であり、
陰極２は、チタン等のゲッタ材で構成されており、平板
状を為しており、多数の空隙２Ａを有している。同様に
陽極４も厚い平板状を為しており、多数の円筒状の空隙
４Ａを有している。この例においては磁石３は永久磁石
であり、図４（Ａ）において磁場は平板状の陰極及び陽
極に対して直交方向（図で水平方向）に形成される。従
って、陰極２と陽極４間の電源５によって生じた電場に
より電離された電子は、図５に符号１１で示すように、
磁場に沿って陽極４の空隙４Ａ内及びその周辺を往復運
動することになる。

【０００５】このため陰極及び陽極で構成される電極構
造は矩形となり、それにあわせてポンプケーシングも矩
形となる。このため以下のような問題点があった。

【０００６】イオンポンプは通常排気対象の真空容器
と直接接続されるが、この接続には真空フランジが使用
される。万一放電電極が故障し交換をおこなうことを考
えた場合に、放電電極がこの真空フランジを通り抜けら
れるような構造としなければならない。真空フランジは
一般に円形であるのに対して、イオンポンプのケーシン
グが矩形であるため、排気作用に寄与しない無駄な空間
をポンプ内部に設けてしまいポンプ自体が大きくなる。

【０００７】従来のイオンポンプによる排気作用は、
次のようにして行われていた。まずペニング放電による
放電を発生し、放電により生じた電子を電極間で往復運
動をさせて空間中のガスを電離させる。これにより電離
したガスは陽イオンとなり陰極に向かって加速され、一
部イオンは陰極に衝突し表面の原子をスパッタする。一
般に、イオンポンプの陰極はチタン等の活性な金属で製
作されているため、スパッタされたチタン原子は陽極や
ポンプケーシング内壁等に極めて清浄かつ活性な単原子
層を形成し、空間中のガス分子を捕捉する。また陽イオ
ンのエネルギーが高い場合には陰極表面よりかなり深い
場所まで入り込む。これらの作用により空間中のガスは
ケーシング表面等に形成されたチタン層で捕捉され、
又、陰極に打ち込まれることにより、しだいに排気され
る。このような排気作用で重要なことは、電子の飛行距
離を長くして電離効率を上げることであるが、ペニング
放電では電場と平行な磁場を用いるため電子の有効飛程
を限られた狭い空間内でしか増すことができず、大きな
排気速度が得られにくい。

【０００８】又、従来知られているイオンポンプは、
図６に示すように排気対象の気体をポンプ内にため込ん
で排気するため込み式のポンプであるため、粗引きのポ
ンプ系統１５，１６とは別に真空容器に取り付けられ
る。このため真空容器側に粗引きポンプとは別の取付フ
ランジを別途用意する必要があり、真空排気系全体を大
型化する原因となっていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みて為されたもので、ポンプ本体の小型化と排気
性能の向上を同時に満足し、さらにイオンポンプと粗引
きポンプに接続して真空の排気系統をコンパクトにでき
るイオンポンプを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために本発明は、円筒形のケーシング内に同軸状に円筒
陽極と、その外周に円筒陰極とが配置され、前記円筒形
のケーシング内に、前記円筒陰極と陽極及びケーシング
の円筒面間の半径方向の電場発生手段と、前記円筒陽極
及び陰極の軸と平行な磁場発生手段とを備えたことを特
徴とする。

【００１１】又、前記円筒形のケーシングの両端が開放
され、一方は排気対象の真空容器に接続され、他方は補
助排気のための真空ポンプと接続可能な構造としたこと
を特徴とする。

【００１２】又、前記イオンポンプは、閉止弁を備えた
ことを特徴とする。

【００１３】又、前記ポンプケーシングの外周面に冷却
配管及び加熱ヒータを備えたことを特徴とする。

【００１４】

【作用】請求項１の発明によれば、円筒陽極と円筒陰極
間で電離した電子は、半径方向の電場と軸方向の磁場に
より、円周方向の力を受けトロイダル状の軌跡を描く、
いわゆるマグネトロン放電を行うことで、電子の飛行距
離を長くして、電離効率を上げることができる。これに
より、排気速度を大きくすることができる。又、円筒形
の電極及びケーシングを用いることから、排気作用に寄
与しない無駄な空間を設けることなく、ポンプ自体の構
造をコンパクトなものとすることができ、保守時の放電
電極の交換なども容易である。

【００１５】又、請求項２の発明によれば、イオンポン
プの両端が開放されて補助排気系と接続可能としたこと
から、いわゆるため込み式ではなく、排気対象の真空容
器から補助排気系統に直列に接続することができる。こ
れにより、従来は排気対象の真空容器にイオンポンプ用
の接続口が必要であったが、この接続口が不要となり、
排気系統を含めた全体の小型化ができる。

【００１６】又、請求項３の発明によれば、イオンポン
プに閉止弁を備えたことから、補助排気系で粗引き後、
補助排気系を切離してイオンポンプのみの運転が行なえ
る。又、真空容器側と切離してイオンポンプのガス出し
を補助排気系で行うことも可能である。

【００１７】又、請求項４の発明によれば、ポンプケー
シングの外周面に冷却配管を備えたことから、真空排気
時にポンプケーシングを冷却して排気速度の向上を図る
ことができる。又、加熱ヒータを備えたことから、イオ
ンポンプの加熱脱ガスを容易に行うことができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例について添付図面を
参照しながら説明する。尚、各図中、同一符号は同一又
は相当部分を示す。

【００１９】図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一実施例
のイオンポンプの構造を示し、（Ａ）は、正面から見た
部分透視図であり、（Ｂ）はその側面図である。本実施
例のイオンポンプは、図１（Ａ）に示すように、円筒形
のポンプケーシング８内に同軸状に円筒陽極４とその外
周に円筒陰極２とが配置されている。円筒形ケーシング
８の両端には、それぞれフランジ１Ａ，１Ｂを備え、ケ
ーシング８の両端は開放されている。円筒形の陰極２
は、チタン等のゲッタ材で構成されており、多数のスリ
ット状の空隙２Ａを備えている。円筒形陰極２は、図示
しない絶縁体により円筒陽極４と円筒ケーシング８に対
して離隔して同軸状に配置されている。

【００２０】高電圧電源５は、電流導入端子６から陰極
２に負の高電圧を印加し、陽極４及びケーシング８は接
地されている。従って、同軸状の陽極４と陰極２との円
筒面間には半径方向の電場が形成される。ケーシング８
の外周に配置されたコイル３Ａは円筒状陽極４及び陰極
２の軸方向に平行な磁場を形成する。又、ケーシング８
の外周に冷却配管９及び加熱ヒータ１０がそれぞれ配置
されている。冷却配管９は、ポンプケーシング８を冷却
して、排気速度の向上を図るためのものである。加熱ヒ
ータ１０は、ポンプケーシング８を介してその内壁面を
加熱することにより、イオンポンプの加熱脱ガスに使用
される。

【００２１】図２は、このイオンポンプの動作を説明す
る為の図である。上述したように、円筒陽極４と、円筒
陰極２との間には、高電圧電源５を陰極２と陽極４との
間に接続することにより、半径方向の電場が形成されて
いる。そして、磁場は軸方向に形成されている。

【００２２】円筒間の径方向の電場により、陰極２と陽
極４の間で放電が発生する。放電により生じた電子は円
筒軸上の陽極４に向かって加速されるが、軸方向に磁場
が存在しているため、直交電磁場による電磁力を受けて
電子の軌道は符号１１に示すようなトロコイド軌道とな
る。印加電圧及び磁場の磁束密度を臨界条件式を満たす
ように調整することにより、電子は陽極４に捕らわれる
ことなく、運動を続けることができるようになる。これ
により空間中のガスに衝突し電離をおこすための電子の
有効飛程が長くなり、電離効率が向上するため、排気速
度を大きくすることができる。さらに排気の際にはケー
シング外周面に配置した冷却配管９に水等の冷媒を流
し、ポンプケーシング８の内面を低温に保つため、排気
速度を更に高めることができる。

【００２３】図３は排気系統の構成例であり、本発明の
イオンポンプを用いた場合に可能になる構成例である。
排気対象の真空容器１２には、上記実施例のイオンポン
プ８の一方のフランジが接続され、他方のフランジが閉
止バルブ１３を介してターボ分子ポンプ１５及びドライ
ポンプ１６に接続されている。そして、閉止バルブ１３
は、イオンポンプのケーシング８内に設けるようにして
もよい。又、閉止バルブ１３はイオンポンプの排気側の
みでなく、吸気側にも設けるようにしてもよい。

【００２４】イオンポンプは所定の真空度以下の圧力に
ならないと起動できないため、はじめに補助排気系統の
ターボ分子ポンプ１５及びドライポンプ１６により排気
をおこなう。このときイオンポンプ本体８は、図３に示
すように補助排気系統と直列に接続され、補助排気系統
のターボ分子ポンプ１５及びドライポンプ１６による真
空容器１２の排気は、イオンポンプ本体を通しておこな
われる。そして補助排気系統のポンプによる補助排気の
間にイオンポンプは加熱ヒータ９により加熱されポンプ
内部に吸着したガスの排出をおこなう。この補助排気系
統にて所定の真空度まで圧力が下がった後に加熱ヒータ
９を切り、イオンポンプのケーシングの温度を下げてか
らバルブ１３を閉じ、高電圧電源を接続してイオンポン
プを起動する。

【００２５】尚、上述した実施例においては磁場発生手
段として電磁石コイルを用いているが、永久磁石を用い
てもよいのは勿論のことである。又、上述した実施例に
おいては、ケーシング内に独立した陰極と陽極とを設け
た、いわゆる３極構造の例について説明したが、円筒形
ケージングの中に円筒形の放電電極を備えたイオンポン
プに本発明の趣旨が適用可能であることも勿論のことで
ある。

【００２６】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
マグネトロン放電を用いることで、従来のイオンポンプ
と較べて形状が円筒形となり、保守面と性能面での向上
を図ることができる。

【００２７】まず、イオンポンプケーシングの形状を円
筒形にすることができるため、ポンプ内部の空間を有効
に活用でき、ポンプ自体の小型化を図ることが可能であ
り、さらに放電電極が故障し交換をする際にも作業性が
良い。更に、円筒形ケーシングの両側に吸い込み口と吐
き出し口をそれぞれ設けることで、補助排気系統のポン
プと直列に接続することができるため、真空容器にイオ
ンポンプ用の取り付け口が不要となり、排気系全体とし
てコンパクトなものにすることができる。

【００２８】また、性能面ではマグネトロン放電により
ガスを電離するための電子の有効飛程を極めて長くする
ことができるため、電離効率が上がり排気速度が大きく
なる。加えてイオンポンプケーシング外周の冷却配管を
用いてケーシングを冷却することでケーシング内表面で
のチタン原子やガス分子の吸着効率を上げることが可能
となり、排気速度はさらに大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のイオンポンプの（Ａ）正面
部分透視図、及び（Ｂ）側面図。

【図２】本発明の一実施例のイオンポンプにおける電子
軌道の説明図。

【図３】本発明の一実施例の排気系統の説明図。

【図４】従来のイオンポンプの（Ａ）正面部分透視図、
及び（Ｂ）側面図。

【図５】従来のイオンポンプにおける電子軌道の説明
図。

【図６】従来の排気系統の説明図。

【符号の説明】

１ 接続フランジ ２ 陰極 ３Ａ 電磁石コイル ４ 陽極 ５ 高圧電源 ６ 電流導入端子 ８ ポンプケーシング

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒形のケーシング内に同軸状に円筒陽
   極と、その外周に円筒陰極とが配置され、前記円筒形の
   ケーシング内に、前記円筒陰極と陽極及びケーシングの
   各円筒面間の半径方向の電場発生手段と、前記円筒陽極
   及び陰極の軸と平行な磁場発生手段とを備えたことを特
   徴とするイオンポンプ。
2. 【請求項２】 前記円筒形のケーシングの両端が開放さ
   れ、一方は排気対象の真空容器に接続され、他方は補助
   排気のための真空ポンプと接続可能な構造としたことを
   特徴とする請求項１記載のイオンポンプ。
3. 【請求項３】 前記イオンポンプは、閉止弁を備えたこ
   とを特徴とする請求項２記載のイオンポンプ。
4. 【請求項４】 前記ポンプケーシングの外周面に冷却配
   管及び加熱ヒータを備えたことを特徴とする請求項１乃
   至３のいずれか一項に記載のイオンポンプ。