CN108831821A - 四极杆质谱仪及其灵敏度下降的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可尽快判断离子源灵敏度下降的低成本四极杆质谱仪及其灵敏度下降的判断方法。分析受检体内气体成分的四极杆质谱仪具有：离子源；四极杆部，其由在周方向上以规定间隔配置的四个柱状电极构成；第一离子收集器，其捕捉通过了四极杆部的规定质量数的气体离子；以及第二离子收集器，其捕捉离子源生成的气体离子；根据第一离子收集器中流通的第一离子电流值测量受检体内规定质量数的气体分压，根据第二离子收集器中流通的第二离子电流值测量受检体内总压；还具有判断装置，以不影响气体分析的规定范围内的灵敏度为基准灵敏度，基于基准灵敏度设置判断值，当第一离子电流值与第二离子电流值的比小于等于判断值时，判断为灵敏度下降。

Description

四极杆质谱仪及其灵敏度下降的判断方法

技术领域

本发明涉及一种分析受检体内的气体成分的四极杆质谱仪及用于判断其灵敏度下降的判断方法。

背景技术

在通过溅射或蒸镀进行成膜处理等的真空处理装置内所进行的真空处理中，除处理时的压力外，真空室(受检体)内残留的气体成分(残留气体成分)有时也对薄膜质量等造成很大影响。一直以来使用四极杆质谱仪来分析这样的残留气体成分。

这种四极杆质谱仪例如在专利文献1中已知。所述四极杆质谱仪具有：离子源，其具有灯丝和栅网，将气体离子化；四极杆部，其由在周方向上以规定间隔配置的四个柱状电极构成；以及第一离子收集器，其捕捉通过了四极杆部的规定质量数的气体离子；所述四极杆质谱仪可根据第一离子收集器中流通的第一离子电流值测量受检体内的规定质量数的气体分压。再有，在所述四极杆质谱仪中，还具有第二离子收集器，其捕捉离子源所生成的气体离子，也可根据流通第二离子收集器的第二离子电流值来测量受检体内的总压。

此处，已知在使用上述四极杆质谱仪分析受检体内残留的气体成分时，受检体内的分子或原子附着在栅网上造成栅网污染，该污染导致灵敏度降低，这使得待测量的规定质量数的气体分压指示值逐渐减小。像这样在指示值变小的状态下继续分析残留的气体成分的话，有时无法检测出比如受检体出现了真空泄露的情况，会对受检体内正在进行的真空处理造成很大影响。

因此，一直以来采用的是向受检体内定期导入含有规定的气体成分的校正气体，通过测量校准气体成分来判断灵敏度下降的方式(例如参照专利文献2)。但是，这需要暂时中断受检体内进行的真空处理，因此，不但有损批量生产，而且还存在需要校正气体设备等导致成本上升的问题。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本专利第5669324号公报

【专利文献2】日本专利公开平9－55185号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

鉴于以上内容，本发明的课题是提供一种可尽快判断灵敏度下降的四极杆质谱仪及其灵敏度下降的判断方法。

解决技术问题的手段

为解决上述课题，分析受检体内的气体成分的四极杆质谱仪，其特征在于，具有：离子源，其具有灯丝和栅网，并将气体离子化；四极杆部，其由在周方向上以规定间隔配置的四个柱状电极构成；第一离子收集器，其捕捉通过了四极杆部的规定质量数的气体离子；以及第二离子收集器，其捕捉离子源所生成的气体离子；所述四极杆质谱仪构成为根据第一离子收集器中流通的第一离子电流值测量受检体内的规定质量数的气体分压，并且根据第二离子收集器中流通的第二离子电流值来测量受检体内的总压；所述四极杆质谱仪具有判断装置，该判断装置以不影响气体成分的分析的规定范围内的灵敏度为基准灵敏度，基于基准灵敏度设置判断值，当第一离子电流值与第二离子电流值的比小于等于所述判断值时，判断为灵敏度下降。

此处，在可测量规定质量数的气体分压和总压的四极杆质谱仪中，受检体内的分子或原子附着在栅网上造成栅网污染，一旦该污染导致灵敏度下降，则规定质量的气体分压的指示值比总压的指示值变小得更快。着眼于这一情况，在本发明中，可通过下述方式判断灵敏度是否下降：求出第一离子电流值与第二离子电流值的比，基于基准灵敏度设置判断值(例如基准灵敏度乘以通过实验或经验确定的系数后的结果)，比较所述比和所述判断值。像这样，在本发明中，由于使用四极杆质谱仪来测量受检体内的规定质量数的气体分压或总压，所以可根据随时测量的第一离子电流值和第二离子电流值的变化判断出灵敏度下降，因此无需暂时中断受检体内正在进行的真空处理，且无需在上述以往例子中使用的校正气体设备等就可快速判断出灵敏度下降。

在本发明中，如果设置为选择通过了四极杆部的规定质量数的气体离子中第一离子电流值最大的值作为所述第一离子电流值，则能可靠地尽快判断出灵敏度下降。另一方面，如果使用通过了四极杆部的规定质量数的气体离子的总和作为所述第一离子电流值，则即使是在判断时受检体内的真空气氛的总压和分压相同的情况下，也能做出正确判断，是有利的。

再有，为了解决上述课题，本发明的用于使用四极杆质谱仪判断离子源的灵敏度下降的判断方法，其特征在于，所述四极杆质谱仪使用离子源将受检体内的气体离子化，使用第一离子收集器捕捉通过了四极杆部的规定质量数的气体离子，根据此时离子收集器中流通的第一离子电流值测量气体分压，所述判断方法包括收集工序，其通过第二离子收集器捕捉受检体内离子化后的气体；判断工序，其以不影响气体成分分析的规定范围内的灵敏度作为基准灵敏度，将第一离子电流值与第二离子收集器中流通的第二离子电流值的比与小于基准灵敏度的判断值进行比较，如果是小于等于所述判断值，则判断为灵敏度下降。

附图说明

图1是说明本发明实施方式的四极杆质谱仪的传感器部和控制单元的连接的侧视图。

图2是示出使用本实施方式的四极杆质谱仪测量离子电流值以及总压的变化的图。

图3是示出四极杆质谱仪的灵敏度下降的判断方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施方式的四极杆质谱仪MA。此外，下面以下述的传感器部S对省略图示的受检体的安装方向为上方进行说明。

参照图1，四极杆质谱仪MA由传感器部S和控制单元C构成。传感器部S具有圆盘状支撑体1。支撑体1是铝或不锈钢等金属材质的，其上表面的外周边部设置有O型环11。支撑体1上设置有第一离子收集器2。第一离子收集器2由法拉第杯构成，所述法拉第杯捕捉通过下述的四极杆部3的各电极到达的规定质量数的气体原子或气体分子的离子。第一离子收集器2与竖直设立在支撑体1的连接端子21配线连接。

在第一离子收集器2上设置有四极杆部3。四极杆部3由在周方向以规定间隔配置的四个圆柱形电极31构成，所述电极31在上下方向上延伸。相对的电极31电连接，相对的电极31与竖直设立在支撑体1上的两个连接端子32a、32b配线连接。四极杆部3上设置有离子源4，离子源4具有灯丝41和栅网43。栅网43是将组装成格子状的金属细丝安装成圆筒形而成，并与竖直设立在支撑体1上的连接端子42a配线连接。灯丝41具有三个金属支撑销44a～44c，其在周方向上以规定间隔配置悬挂在省略图示的支撑框体上；以及两个灯丝单片41a、41b，所述灯丝单片41a、41b分别连接在中央的支撑销44a和两侧的支撑销44b、44c之间；所述灯丝41整体上围住栅网43外周的一半左右。此时，中央的支撑销44a为灯丝共用，该支撑销44a与竖直设立在支撑体1上的连接端子45b配线连接，并且两侧的支撑销44b、44c与竖直设立在支撑体1上的连接端子45a配线连接。

在离子源4和四极杆部3之间，隔着聚焦电极5，其有效地汇聚朝向四极杆部3的离子。聚焦电极5由带中央开口的金属板构成，支撑销44a和聚焦电极5通过配线W连接并与灯丝41的电位和聚焦电极5的电位相等。在离子源4的上方，设置有板状的第二离子收集器6，所述第二离子收集器6隔着栅网43与第一离子收集器2相对配置。第二离子收集器6与上下贯通地设置在支撑体1上的连接端子61相连。

另一方面，控制单元C具有框体F(图1中以点划线表示)，框体F中内置有控制部C1，所述控制部C1包括电脑、存储器或定序器等。控制部C1统一控制：下文所述的各电源的工作；省略图示的电源电路中的开关元件的切换；执行下文所述的流程图导致的灵敏度下降的判断；以及下文所述的灵敏度下降的通知等。因此，控制部C1相当于权利要求书中的判断装置。再有，在框体F中内置有点亮灯丝用的电源E1和栅网用的电源E2，所述电源E1给灯丝41通直流电流点亮灯丝41，所述电源E2对栅网43施加高于灯丝41的电位。来自电源E1的正极侧的输出与连接端子45a相连接，所述连接端子45a与两侧的支撑销44b、44c相连通，再有，来自电源E2的正极侧的输出与栅网用的连接端子42a连接，其负极侧接地。

框体F中内置DC+RF电源E3，所述DC+RF电源E3向电性结合的电极31、31分别施加直流电压和高频电压，DC+RF电源E3的输出与电极31、31分别连接。再有，框体F中内置电源E4，所述电源E4向灯丝41施加电位从而在灯丝41和栅网43之间形成规定的电位差，来自电源E4的正极侧的输出与来自电源E2的正极侧的输出连接，来自电源E4的负极侧的输出与来自电源E1的负极侧的输出相连。此时，该负极侧的输出上连接有来自连接端子45b的配线，所述连接端子45b与灯丝共用的支撑销44a相连通。再有，框体F内设置有电流计22和电流计62，所述电流计22与第一离子收集器2相连接并测量该第一离子收集器2中流通的第一离子电流值，所述电流计62与第二离子收集器6相连接并测量该第二离子收集器6中流通的第二离子电流值。对于上述四极杆质谱仪MA的使用例，下面以设置对省略图示的受检体进行成膜处理的真空室，并分析真空室内残留的气体成分的情况为例进行说明。

在真空室的规定位置安装传感器部S后，对真空室进行真空排气。当将真空室真空排气到规定压力时，开始四极杆质谱仪MA对气体分压和总压的测量。通过电源E1给灯丝41通电，使灯丝41释放出热电子。并且，通过电源E2向栅网43施加正电压，吸入释放出的热电子。此时，由与热电子碰撞的灯丝周围的气体原子、分子产生气体离子。在以相当于栅网43和四极杆部3的电位差的加速电压加速气体离子的同时，所述气体离子并由聚焦电极5汇聚并被吸入四极杆部3。并且，在通过电源E3向四极杆部3的电极31、31施加直流和交流重叠的规定电压时，气体离子按其质荷比到达第一离子收集器2，通过电流计22测量第一离子收集器2中流通的第一离子电流值。另一方面，离子源4上产生的气体离子的一部分到达第二离子收集器6，通过电流计62测量第二离子收集器6中流通的第二离子电流值。将这些第一离子电流值和第二离子电流值输入控制部C1，通过控制部C1分别根据第一离子电流值计算出受检体内的规定质量数的气体分压以及根据第二离子电流值计算出总压。

然而，在使用上述四极杆质谱仪MA对受检体内残留的气体成分进行分析时，受检体内的分子或原子附着到栅网43上使其受到污染，该污染导致灵敏度下降。因此，需要使上述四极杆质谱仪MA预先构成为通过尽快判断灵敏度下降，可精度良好地随时分析气体成分。此外，在灵敏度下降的情况下，例如虽然会进行离子源4的更换或清洁等，但由于这可使用公知方法，所以此处省略详细说明。

此处，根据本申请的发明人的实验，测量栅网43受到污染时H₂、H₂O、O₂、Ar、CO₂、N₂+CO这些特定的气体离子的第一离子电流值以及第二离子电流值的变化，发现如图2所示，第二离子电流值比第一离子电流值减小得更快。可知其原因是由于第一离子收集器2上气体离子的入射面积比第二离子收集器6上的入射面积小，所以在随着栅网43的污染，离子源4上气体离子的产生位置发生变化时，到达第一离子收集器2的离子量比到达第二离子收集器6的离子量先减少。

因此，在本实施方式中，以不影响气体成分的分析的规定范围内的灵敏度为基准灵敏度，求出第一离子电流值与第二离子电流值的比，基于基准灵敏度设置判断值，如果该比小于等于所述判断值，则判断为灵敏度下降。此时，基准灵敏度根据四极杆质谱仪MA而任意设置，再有，判断值使用例如基准灵敏度乘以通过实验或经验求出的系数得到的结果。进而，用于判断灵敏度下降的判断装置设置为作为程序组装在控制部C1中，以一定的周期或任意设置的周期对灵敏度下降与否进行判断。下面参照图3，具体说明作为判断装置的控制部C1对灵敏度下降的判断步骤。

在测量受检体内的气体分压和总压期间，一旦开始灵敏度下降与否的判断，则进入步骤1，选择作为灵敏度下降与否的判断对象的规定质量数的气体离子。例如自动选择第一离子电流值最大作为判断对象，但对控制部C1，也可根据真空室内进行的处理适当选择H₂、H₂O、O₂、Ar、CO₂、N₂+CO这些特定的气体离子设置。

一旦选择了作为判断对象的气体离子，则进入步骤2，判断受检体内的总压是否在规定压力(例如1×10^－5Pa)以上，当总压低于规定压力时，进入步骤3，结束灵敏度下降与否的判定。这是由于存在下述可能，即在总压低于规定压力时，通常第一离子收集器2中流通的第一离子电流值降低，从而无法精度良好地判断灵敏度下降与否。此时，控制部C1也可设置为通过液晶显示器或扬声器等图外的通知装置来通知无法判断灵敏度下降与否的消息。在接收到该通知后，更换或清洁离子源4。

另一方面，当受检体内的总压在规定压力以上时，进入步骤4，判断从测量气体分压和总压开始是否经过了规定的待机时间t，如果经过了待机时间t，则进入步骤5，获取第一离子电流值I₁和第二离子电流值I₂的测量数据。此时，控制部C1例如分别求出单位时间内的第一离子电流值和第二离子电流值的平均数值，获取并将其作为测量数据第一离子电流值I₁、第二离子电流值I₂。此外，为了精度更好地判断灵敏度下降与否，也可进一步在规定的待机时间内多次获取上述测量数据，求出多次获取的测量数据的平均值，使用求得的结果作为测量数据第一离子电流值I1和第二离子电流值I2。

当在上述步骤5中获取了测量数据时，进入步骤6，求出第一离子电流值I₁与第二离子电流值I₂的比(I₁/I₂)，进而进入步骤7，判断比(I₁/I₂)是否大于判断值。此时的判断值是用于判断灵敏度下降而任意设置的值，例如以不影响气体分析的规定范围内的灵敏度为基准灵敏度，将该基准灵敏度乘以通过实验或经验求得的系数得到的值(例如基准灵敏度的1/10)预先设置在控制部C1中。并且，在比(I₁/I₂)大于判断值时，进入步骤8，判断为灵敏度正常而结束灵敏度下降的判断。另一方面，在比(I₁/I₂)小于等于判断值时，进入步骤9，判断为灵敏度下降，与上述步骤3同样地对此进行通知。此时，例如由于离子源4受到污染，所以需要对其进行更换或清洁。

采用上述实施方式，由于可使用四极杆质谱仪MA根据为了测量受检体内的规定质量数的气体分压或总压而随时测量的第一离子电流值和第二离子电流值的变化判断灵敏度下降，所以无需暂时中断受检体内进行的真空处理，并且，不需要上述已往例子中使用的校正气体设备等，就可尽快判断灵敏度下降与否。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不仅限于此，可在不超出本发明技术思想的范围内进行适当变形。在上述实施方式中，是将第一离子电流值与第二离子电流值的比(I₁/I₂)和判断值进行比较，但也可通过将第一离子电流值与根据第二离子电流值算出的受检体内的总压(TP)的(I₁/TP)的比和判断值进行比较来判断灵敏度下降。

在上述实施方式中，第一离子电流值选择了最大的值作为用于判断灵敏度下降的第一离子电流值，但当知道受检体内的气体成分时，也可在判断开始前预设作为判断对象的气体离子，获取其第一离子电流值的测量数据。再有，作为第一离子电流值，如果使用通过四极杆部3的规定质量数的气体离子的总和，则即使在判断时的受检体内的真空气氛的总压和分压相等时，也可做出正确判断，是有利的。

再有，在上述实施方式中，虽然说明了在离子源4的上方设置第二离子收集器6的装置，但并不仅限于此。例如，也可在支撑体上设置总压测量用的第二离子收集器，并在其上方设置离子源，再在其上方设置四极杆部，隔着离子源与第二离子收集器相对设置分压测量用的第一离子收集器。

附图标记说明

MA…四极杆质谱仪、2…第一离子收集器、3…四极杆部、31…电极、4…离子源、41…灯丝、43…栅网、6…第二离子收集器、C1…控制部(判断装置)。

Claims (4)

1.一种四极杆质谱仪，用于分析受检体内的气体成分，所述四极杆质谱仪的特征在于，具有：

离子源，其具有灯丝和栅网，并将气体离子化；

四极杆部，其由在周方向上以规定间隔配置的四个柱状电极构成；

第一离子收集器，其捕捉通过了四极杆部的规定质量数的气体离子；以及

第二离子收集器，其捕捉离子源所生成的气体离子；

所述四极杆质谱仪根据第一离子收集器中流通的第一离子电流值测量受检体内规定质量数的气体分压，并且根据第二离子收集器中流通的第二离子电流值来测量受检体内的总压；

所述四极杆质谱仪还具有判断装置，该判断装置以不影响气体成分分析的规定范围内的灵敏度为基准灵敏度，基于基准灵敏度设置判断值，当第一离子电流值与第二离子电流值的比小于等于所述判断值时，判断为灵敏度下降。

2.根据权利要求1所述的四极杆质谱仪，其特征在于，

选择通过了四极杆部的规定质量数的气体离子中第一离子电流值最大的值作为所述第一离子电流值。

3.根据权利要求1所述的四极杆质谱仪，其特征在于，

使用通过了四极杆部的规定质量数的气体离子的总和作为所述第一离子电流值。

4.一种判断方法，用于使用四极杆质谱仪判断离子源的灵敏度下降，所述四极杆质谱仪使用离子源将受检体内的气体离子化，使用第一离子收集器捕捉通过了四极杆部的规定质量数的气体离子，根据此时离子收集器中流通的第一离子电流值测量气体分压，所述判断方法的特征在于，包括：

捕捉工序，其通过第二离子收集器捕捉受检体内离子化后的气体；以及

判断工序，其以不影响气体成分分析的规定范围内的灵敏度作为基准灵敏度，将第一离子电流值与第二离子收集器中流通的第二离子电流值的比和小于基准灵敏度的判断值进行比较，如果小于等于所述判断值，则判断为灵敏度下降。