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シミュレーションによる電離計の性能向上

半導体製造, 素粒子物理学研究, その他の重要なプロセスは, 高真空または超高真空 (HV/UHV) 状態で行われます. HV/UHV 環境で圧力を測定するためのより優れたイオン化ゲージの開発を支援するために, リヒテンシュタインの機器メーカー INFICON は, マルチフィジックス モデリングを使用して, その優れた新しい設計をテストし, 改良しました.

Alan Petrillo著
2023年6月

発明はしばしば競争の一形態になります. 発明は, 価値ある目標に向かって努力するクリエイティブな人々の間の競争と考えることができます. しかし, どんなに激しい競争相手であっても, 成功を追求する方法については何らかの合意が必要です. 徒競走のすべてのランナーが同じストップウォッチで時間を計られるのと同じように, 他の分野の競争相手もゴールまでの進捗を測定する標準化されたツールに頼っています.

技術革新を目指す多くの人にとって, 真空ゲージは不可欠なツールの 1 つです. 高真空および超高真空 (HV/UHV) 環境は, 多くの工業製品の研究, 精製, 製造に使用されています. しかし, 革新者は, 自社の施設の真空チャンバーの圧力レベルが他の施設の圧力レベルと本当に一致していることをどのように確認できるでしょうか. これらの基準を満たすための共通の基準と信頼できるツールがなければ, 真空チャンバーとテスト対象製品の両方の主要なパフォーマンス メトリックを比較できない可能性があります.

世界的な競争で勝利したプロトタイプ

これらの潜在的な不一致が, 図1のデバイスが非常に重要な理由です. INFICONによって製造されたイオンリファレンスゲージ080（IRG080）は, HV/UHV環境で圧力を定量化するためのより良いツールを開発する多国籍プロジェクトの結果です.

既存のイオン化ゲージよりも精度, 堅牢性, 再現性に優れたこのセンサーの開発は, 欧州計量革新研究プログラム (EMPIR) (参照 1) によって調整されました. EMPIR は, 民間企業と政府研究機関による共同プロジェクトで, ヨーロッパの “研究革新システムを世界規模でより競争力のあるものにする” ことを目的としています (参照 2). プロジェクト参加者は複数のオプションを検討した結果, INFICON の設計がパフォーマンス目標を最もよく満たすという結論に達しました.

電離真空計プロジェクトに参加した組織は以下のとおりです（文献3）.

• Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) — ドイツ • Cesky Metrologicky Institut Brno (CMI) — チェコ共和国 • Institut za Kovinske Materiale in Tehnologije (IMT) — スロベニア • Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) — フランス • Research Institutes of Sweden AB (RISE) — スウェーデン • European Organization for Nuclear Research (CERN) — ヨーロッパ •Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade Nova de Lisboa (FCT-UNL) — ポルトガル •VACOM Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH — ドイツ •INFICON Aktiengesellschaft — リヒテンシュタイン

VACOM と INFICON は, ゲージのプロトタイプを設計および構築した 2 つの計測器メーカーです.

イオン化によるガス密度の測定

“真空では何も起こらない” というのはよく聞く表現ですが, 実際には, ほとんど何もない空間から多くの有用なものが生まれます. “真空プロセスを必要としないハイテク製品はほとんどありません.”と, INFICONのセンサー技術責任者, Martin Wüest氏は言います.

“真空”という用語は, 理論上の絶対的な不在を表すことができますが, HV/UHV の用語が示すように, 実際の空間の空虚さは通常, 程度の問題です. さまざまな程度の真空を測定するには, 圧力レベルを決定するためのさまざまな方法が必要です. “条件に応じて, 特定の圧力測定方法が他の方法よりも効果的です”と Wüest 氏は言います. “大気圧に近い圧力では, 容量性ダイヤフラムゲージを使用できます. 中程度の真空では, 対流によって発生する熱伝達を測定できます.” これらのアプローチはいずれも, HV (0.1 パスカル (Pa) 未満の圧力として定義) または UHV (10-6 Pa 未満) の圧力レベルでは効果的ではありません.

“HV/UHV 圧力では, ダイヤフラムを動かすのに十分な粒子が存在せず, 熱伝達を確実に測定することもできません. そこで, イオン化を利用してガス密度とそれに対応する圧力を決定します”と Wüest 氏は説明します.

最も一般的に使用される HV/UHV 圧力測定ツールは, Bayard–Alpert熱フィラメント電離真空計 (図 2) で, 真空チャンバー内に設置されます. この機器の心臓部は, フィラメント (または熱陰極), グリッド, イオンコレクターの 3つの部品で構成されています. 動作は, まずフィラメントに低電圧電流を供給して加熱することから始まります. フィラメントが熱くなると, 電子が放出され, より高い電圧が供給されているグリッドに引き寄せられます. グリッドに向かって流れる電子やグリッド内を流れる電子の一部は, 真空チャンバー内を循環している浮遊ガス分子と衝突します. ガス分子と衝突した電子はイオンを形成し, コレクターに向かって流れます. コレクター内のこの測定可能なイオン電流は, チャンバー内のガス分子の密度に比例します.

“理想気体の法則に従って, 密度を圧力に変換できます” とWüest氏は言います. “圧力は, イオン電流を電子電流で割り, さらにチャンバー内のガスに応じて調整される感度係数で割った値に比例します.”

既存のゲージは熱や乱暴な取り扱いに敏感

良いツールとはどのようなものでしょうか. ハンマー, のこぎり, 巻尺を手に, 作業中の大工を想像してみてください. これらの器具はどれも酷使による傷があるかもしれませんが, 多少のへこみや傷があっても, ツールの役目は果たせます. 残念ながら, ベヤードアルパートイオン化ゲージについては同じことが言えません. これらの機器の動作原理は正確ですが, 日常的な使用や取り扱いによって校正が簡単に損なわれてしまいます.

“典型的なイオン化ゲージには, バネ仕掛けの張力で保持された微細な金属構造が含まれています” と Wüest 氏は言います. “デバイスを使用するたびに, フィラメントが 1200 ～ 2000°C に加熱されます. これがバネの金属に影響し, フィラメントの形状が歪む可能性があります. これにより, 電子の流れの開始位置と電子がたどる経路が変わります.”

熱に敏感なことに加え, Bayard–Alpertゲージのコア部品は簡単に位置ずれを起こします. これにより, 10 ～ 20% の測定不確実性が生じます. これは許容できないほど大きな変動範囲です. “その結果, ほとんどの真空チャンバー システムは過剰に構築されます.” と Wüest 氏は言います. また, ゲージを頻繁に再調整する必要があるため, 貴重な開発時間と費用も無駄になります.

ベンチマーク設計のシミュレーションモデルの構築

プロジェクトチームは, ゲージを使用して窒素ガスを検出する場合の測定不確実性の目標を 1% 以下に設定しました. もう 1つの重要な目標は, 各ゲージと検出されるガス種のガス感度係数を再調整する必要をなくすことでした. 新しい設計のパフォーマンスは, 小さな衝撃の影響を受けず, 複数のメーカーで再現可能である必要がありました. これらの野心的な目標を達成するために, プロジェクト チームはまず HV/UHV 測定の研究に専念しました. その研究では, 260 件の関連研究を幅広く検討しました. 検討を完了した後, プロジェクトパートナーは, イオン化ゲージ設計の現在のベストプラクティスを取り入れた 1つの設計を選択しました. INFICON の IE514 抽出型ゲージです.

ポルトガルのリスボンにある NOVA 大学, 欧州研究機関 CERN, INFICON はそれぞれ, IE514 設計のシミュレーション モデルを開発しました (図 3). 各モデルによって生成された結果は, IE514 ゲージの物理プロトタイプのテスト結果と比較され, 新しい設計に進む前にモデルの精度が確認されました.

シミュレーションを専門とする INFICON のエンジニア, Francesco Scuderi 氏は, COMSOL Multiphysics^®ソフトウェアを使用して IE514 をモデル化しました (図 4). このモデルにより, フィラメントからの熱電子放出と, それらの電子によるガスのイオン化を分析できるようになりました. また, このモデルは, 生成されたイオンがコレクターに向かう経路を粒子追跡するためにも使用できます. これらのシミュレーション出力を使用して, Scuderi 氏は, 放出された電子ごとに検出されるイオンの数に基づいて, 予想される感度係数を計算することができました. これは, モデルの全体的な忠実度を実際のテスト結果と比較するための便利な指標です.

“モデルの形状とメッシュを構築した後, シミュレーションの境界条件を設定します” と Scuderi 氏は説明します. “電子放出とフィラメント温度の結合関係を表現しようとしています. フィラメント温度はフィラメントの長さ全体にわたって約 1400 ～ 2000°C の範囲で変化します. この変化は熱電子的に電子の分布と電子がたどる経路に影響します.” (図 5 ～ 6)

“熱条件と電界をシミュレートしたら, レイ トレーシング シミュレーションを開始できます” と Scuderi 氏は続けます. “ソフトウェアを使用すると, グリッドへの電子の流れと, その結果生じる結合加熱効果を追跡できます.” 次に, モデルを使用して, ガス粒子と衝突する電子の割合を計算します. そこから, 図 7 に示すように, 結果として生じるイオンの粒子追跡を実行して, コレクターに向かう経路を追跡できます.

“次に, 循環する電子の量とイオンの数および位置を比較します. これにより, コレクター内のイオン電流の値を推定し, 感度係数を計算できます” と Scuderi 氏は言います.

INFICON のモデルは, ベンチマークプロトタイプのテスト結果と密接に一致するシミュレーション値を生成するという素晴らしい仕事をしました. これにより, チームは, モデル化された設計の変更が, イオン化エネルギー, 電子とイオンの経路, 放出電流と透過電流, 感度などの主要な指標にどのように影響するかを観察することができました.

シミュレーションにより, より正確で堅牢かつ再現性の高いゲージが実現

INFICON の設計プロセスの最終製品である IRG080 には, 既存のBayard–Alpertゲージと同じ部品が多数組み込まれていますが, 主要なパーツの外観はかなり異なります. たとえば, 新しい設計のフィラメントは, 細いワイヤーではなく, 固体の吊り下げられたディスクです. グリッドは繊細なワイヤーケージではなく, より強力な成形金属パーツで作られています. コレクターは, イオンを引き付ける単一のピンまたはロッドと, 電子の流れをコレクターからファラデーカップに向ける固体金属リングの 2つの部品で構成されています. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用した粒子追跡シミュレーションによって改良されたこの配置により, イオンと電子のパスが適切に分離され, 精度が向上します.

INFICON は 13 個のプロトタイプを製作し, プロジェクトコンソーシアムによる評価を受けました. テストの結果, IRG080 は測定の不確実性を 1% 未満に抑えるという目標を達成しました. 感度に関しては, IRG080 はベンチマークより 8 倍優れた性能を発揮しました. 同様に重要な点として, INFICON のプロトタイプは複数のテストセッションで一貫した結果を生み出し, ベンチマークゲージより 13 倍優れた感度再現性を実現しました. プロジェクト中に 23 個の同一ゲージが製作され, テストされました. これにより, INFICON が HV/UHV 条件を測定するためのより正確で堅牢かつ再現性の高いツールを作成したことが確認されました.

イオンゲージ プロジェクトの完了時に, INFICON チームは印象的なトロフィー, つまり IRG080 を掲げました. Martin Wüest 氏は控えめに, “これは当社の能力を示す良い例だと考えています” と述べました.

もちろん, この成功はチームだけのものではありません. INFICONはパートナーの洞察力とサポートから恩恵を受けました. その結果, より広範な科学と製造のコミュニティは, より一貫したHV/UHV条件の計測から恩恵を受けることになります. このプロジェクト全体は, 最終的に全員が勝利するコンテストの喜ばしい例です.