CN116615795A - 四极质谱仪及残留气体分析方法 - Google Patents

四极质谱仪及残留气体分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明降低在四极质谱仪中由变压器所引起的温度影响，并具备：离子化部(21)，其将试样离子化；四极部(23)，其具有使由离子化部(21)所产生的离子选择性地通过的两组相向电极(23P)；电压施加部(32)，其向两组相向电极(23P)分别施加将直流电压U与高频电压Vcosωt叠加而得的电压；以及离子检测部(24)，其检测通过四极部(23)的离子，电压施加部(32)具有对高频电压Vcosωt进行变压的变压器(4)，变压器(4)是在环形磁芯(41)卷绕初级绕组(42)和次级绕组(43)而构成的部件，初级绕组(42)由呈板状的金属导体形成。

Description

四极质谱仪及残留气体分析方法
技术领域
本发明涉及一种四极质谱仪及残留气体分析方法。
背景技术
以往，作为四极质谱仪，如专利文献1所示，具有使离子选择性地通过的四极部，在四极部中，对两组相向电极分别施加有将直流电压与高频电压叠加而得的电压。此处，施加于相向电极的高频电压使用变压器来进行升压。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-249172号公报
发明内容
技术问题
另一方面，本申请发明人使用上述四极质谱仪，在预定期间连续测定特定的质荷比(m/z＝40AMU)，结果如图9所示，得知随时间经过而输出电流的峰偏移，成为测定误差。对其原因潜心研究，结果得知，受到变压器所产生的热的影响而对周边的电路基板上的电路零件造成热影响。
因此，本发明是为了解决上述问题点而完成的，其主要课题在于，降低在四极质谱仪中由对高频电压进行变压的变压器所引起的温度影响。
技术方案
即，本发明的四极质谱仪的特征在于，所述四极质谱仪具备：离子化部，其将试样离子化；四极部，其具有两组相向电极，所述两组相向电极使由所述离子化部所产生的离子选择性地通过；电压施加部，其向所述两组相向电极分别施加将直流电压与高频电压叠加而得的电压；以及离子检测部，其检测通过所述四极部的离子，所述电压施加部具有对高频电压进行变压的变压器，所述变压器是在环形磁芯卷绕初级绕组和次级绕组而构成的部件，所述初级绕组由呈板状的金属导体形成。
若为这样的四极质谱仪，则在环形磁芯卷绕初级绕组及次级绕组而构成变压器，在该变压器中由板状的金属导体形成初级绕组，因此可增大在初级绕组中流通高频电流的实效截面积。其结果，可降低初级绕组中的热损耗，可降低由变压器所引起的温度影响。另外，将初级绕组设为板状的金属导体，因此可减少初级绕组的卷绕数，可使卷绕作业变得容易而改善生产性。
作为卷绕于所述环形磁芯的所述次级绕组的具体实施方式，考虑具有：第一次级绕组，其连接于所述两组相向电极中的一组；以及第二次级绕组，其连接于所述两组相向电极中的另一组。
在本发明中，通过对初级绕组使用板状的金属导体呈放射状形成电流路径，从而可降低初级绕组与第一次级绕组的磁耦合与初级绕组与第二次级绕组的磁耦合的偏差，可降低所输出的高频电压的不均一。
为了减小变压器的占位面积(footprint)(具体而言为高频电路基板的安装面积)，并且增大截面积来提高容许磁通量从而降低环形磁芯中的损耗(铁心)及发热，所述环形磁芯优选通过将两个以上的环形磁芯元件层叠而构成。
所述初级绕组优选相对于所述环形磁芯以成为放射状的方式卷绕。
若为该结构，则可增大作为初级绕组的板状的金属导体的截面积，可使本发明的效果更显著。
作为初级绕组的具体实施方式，考虑所述初级绕组在展开的状态下将多个带状部配置成放射状，所述多个带状部卷附于所述环形磁芯。
若为该结构，则可使呈放射状卷绕初级绕组的作业变得容易。
另外，作为初级绕组的另一具体实施方式，优选所述初级绕组具备：基板，其在一面设置有金属导体；中心销部件，其连接于该基板的中央部，并且由配置于所述环形磁芯的中央的金属导体构成；以及多个周边销部件，其连接于所述基板的周缘部，并且由配置于所述环形磁芯的周围的金属导体构成。
若为该结构，则可容易地组装初级绕组。
考虑作为铁心的环形磁芯因铁损而发热。为了使该环形磁芯可高效地向外部散热，优选所述环形磁芯与所述初级绕组之间被具有导热性的粘接剂填充。
为了简化将变压器固定于电路基板的结构，并且使初级绕组的发热自电路基板向外部散热，所述变压器优选通过将所述初级绕组固定于电路基板而被固定于所述电路基板。
在所述四极质谱仪还具备控制部，所述控制部控制本发明的所述电压施加部，所述控制部为了在预定期间连续测定特定的质荷比而控制所述电压施加部的情况下，可使本发明的效果更显著。
另外，本发明的残留气体分析方法的特征在于，使用上述的四极质谱仪对真空腔室内的残留气体进行分析。
技术效果
根据以上所述的本发明，可降低在四极质谱仪中由变压器引起的温度影响。
附图说明
图1为示出将本发明的一个实施方式的四极质谱仪安装于真空腔室的状态的示意图。
图2为示意性地示出该实施方式的四极质谱仪的结构的图。
图3为示意性地示出该实施方式的四极部等的结构的立体图。
图4为示出该实施方式的变压器的结构的截面图。
图5为示出该实施方式的变压器的结构的俯视图。
图6为该实施方式的变压器的分解立体图。
图7为示出该实施方式的变压器的高频电源电路及以往的高频电源电路的图。
图8为示出以往结构的变压器与本实施方式的变压器的发热温度的实验结果的图。
图9为示出使用以往的四极质谱仪在预定期间连续测定特定的质荷比(m/z＝40AMU)的情形时的测定结果的图。
图10为示出变形实施方式的变压器的结构的截面图。
符号说明
100：四极质谱仪
VC：真空腔室
21：离子化部
23：四极部
24：离子检测器
23P：相向电极
32：电压施加部
33：控制部
4：变压器
41：环形磁芯
41a、41b：环形磁芯元件
42：初级绕组
43a：第一次级绕组
43b：第二次级绕组
421：带状部
44：粘接剂
5：高频电路基板
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式的四极质谱仪加以说明。
＜1.整体结构＞
本实施方式的四极质谱仪100例如用于半导体制造工艺中或装置清洁后的真空腔室VC内的气体监视，如图1所示，其安装于真空腔室VC，对该真空腔室VC内的作为试样气体的残留气体进行分析。
具体而言，如图1及图2所示，四极质谱仪100具备：传感器部2，其检测真空腔室VC内的工艺气体或残留气体等试样气体；以及运算部3，其控制传感器部2，并且基于该传感器部2的输出来进行残留气体的分析处理等。
如图2所示，传感器部2具备：离子化部21，其将作为试样气体的残留气体离子化；离子抽取电极22，其设置于离子化部21的外侧，抽取离子；四极部23，其使利用离子抽取电极22从离子化部21导出的离子选择性地通过；以及离子检测部24，其检测通过四极部23的离子。
应予说明，传感器部2具备外壳25，该外壳25从前端侧起依次容纳离子化部21、离子抽取电极22、四极部23及离子检测部24并对其进行保护。在外壳25内，离子化部21、离子抽取电极22、四极部23及离子检测部24配置于一条直线上。在该外壳25的前端壁，设置有用以在安装于真空腔室VC时将真空腔室VC内的残留气体导入至传感器部2内的气体导入口25H。应予说明，外壳25介由封装部件等气密地安装于设置于真空腔室VC的安装孔。由此，外壳25内经由气体导入口25H而与真空腔室VC内的气氛压力成为相同压力，离子化部21、离子抽取电极22、四极部23及离子检测部24暴露于真空腔室VC内的气氛压力。
离子化部21在内部具备灯丝，利用自灯丝释放出的热电子将试样气体离子化。而且，由离子化部21所生成的离子被离子抽取电极22向外部抽取。
离子抽取电极22由单个或多个电极构成。离子抽取电极22设置于离子化部21与四极部23之间，将由离子化部21所生成的离子向四极部23及离子检测部24侧抽取，并且使该离子加速、聚拢。
四极部23根据离子的质荷比(m/z)将经离子抽取电极22加速、聚拢的离子束分离。具体而言，如图3所示，四极部23具有以90°间隔配置的两组相向电极23P。
该四极部23在通过后述的电压施加部32将相向的电极彼此设为相同电位后，在相差90°的各组之间施加将直流电压U与高频电压Vcosωt叠加而得的电压。而且，对于四极部23而言，通过电压施加部32使其U/V比恒定并且使V变化，从而使入射至该相向电极23P内的离子根据质荷比(m/z)选择通过。
离子检测部24是捕捉由四极部23所分离的离子并将其作为离子电流而进行检测的法拉第杯(Faraday cup)。具体而言，离子检测部24用于检测由四极部23所分离的特定成分的离子，并检测该特定成分的试样气体中的分压的绝对值。另外，该离子检测部24用于检测所有的由离子化部21所离子化的试样气体的离子，并检测试样气体的总压的绝对值。
运算部3如上所述，具有运算处理功能及控制功能。如图2所示，该运算部3具备放大器、A/D转换器、D/A转换器、CPU、存储器、通信端口等。而且，运算部3具有数据处理部31，该数据处理部31基于自所述传感器部2的离子检测部24输出的离子电流的电流值来进行质量分析。另外，数据处理部31也能够根据需要将其分析结果发送至通用计算机200(参照图1)等。
另外，如图2所示，运算部3具有作为电压施加部32及控制部33的功能，该电压施加部32对四极部23的两组相向电极23P施加将直流电压U与高频电压Vcosωt叠加而得的电压，该控制部33控制电压施加部32。
电压施加部32在相差90°的各组的相向电极23P间施加将直流电压U与高频电压Vcosωt叠加而得的电压，使其U/V比恒定并且使V变化，且被控制部33控制。该控制部33根据特定的质荷比来控制直流电压U及高频电压Vcosωt，例如能够为了在预定期间连续测定特定的质荷比而控制电压施加部32。
具体而言，如图4所示，电压施加部32具有用以对高频电压进行升压的变压器4，并搭载于用以反馈控制为所期望的高频电压的高频电路基板5。
如图4及图5所示，变压器4是在圆环状的环形磁芯41卷绕初级绕组42及次级绕组43而构成的部件，初级绕组42连接于电源侧，次级绕组43连接于相向电极侧。本实施方式的环形磁芯41通过将环形磁芯元件41a、41b重叠两个而制成双层结构，从而增大环形磁芯41的截面积而增大容许磁通量，降低环形磁芯41中的损耗(铁损)即环形磁芯41的发热。
而且，初级绕组42由呈板状的例如由铜构成的金属导体所形成。另外，次级绕组43由线状的金属导体所形成。此处，如图5所示，次级绕组43具有连接于两组相向电极23P中的一组的第一次级绕组43a、及连接于两组相向电极23P中的另一组的第二次级绕组43b。
在本实施方式的变压器4中，在环形磁芯41以预定的卷绕数卷绕次级绕组43后，在其外侧卷绕有初级绕组42。即，是相对于环形磁芯41在内侧卷绕有次级绕组43，在外侧卷绕有初级绕组42的结构。应予说明，第一次级绕组43a及第二次级绕组43b通过相互沿着地卷绕于环形磁芯41，从而降低与初级绕组42的磁耦合的偏差。
此处，初级绕组42相对于环形磁芯41以成为放射状的方式卷绕(参照图5)。通过呈放射状卷绕，从而可增大初级绕组42的截面积。具体而言，如图6所示，初级绕组42是在展开的状态下将多个带状部421配置成放射状而成的绕组，且是通过将多个带状部421卷附于环形磁芯41而卷绕的结构。根据该结构，以成为放射状的方式卷绕初级绕组42的作业变得容易。
更详细而言，在初级绕组42的中心部，设置有配置于环形磁芯41的中央的芯部422，多个带状部421以自该芯部422呈放射状延伸的方式配置。另外，在带状部421的自由端部421a，形成有插入至高频电路基板5的布线用贯通孔51(参照图4)的插入部421x。
而且，通过将芯部422插入至环形磁芯41的中央，将带状部421以沿着环形磁芯41的外表面的方式弯折，将该插入部421x插入至布线用贯通孔51并进行焊接，从而将变压器4固定于高频电路基板5。即，变压器4构成为，通过将初级绕组42固定于高频电路基板5，从而被固定于高频电路基板5。由此，可简化将变压器4固定于高频电路基板5的结构，并且容易使初级绕组42的发热自高频电路基板5向外部散热。
进而，如图4所示，在变压器4中，环形磁芯41与初级绕组42之间被具有导热性的粘接剂44所填充。由此，容易将环形磁芯41中的因损耗(铁损)而产生的热传至初级绕组42。另外，初级绕组42连接于高频电路基板5，因此可将来自环形磁芯的热经由初级绕组42传递至高频电路基板5，易于从高频电路基板5向外部散热。应予说明，在本实施方式中，在环形磁芯41与初级绕组42之间配置有次级绕组43，因此，次级绕组43被粘接剂44包围。
另外，如图7所示，在本实施方式的高频电路基板5设置有用以对变压器施加所期望的高频电压的高频电源电路。应予说明，图7的上图为本实施方式的高频电源电路，图7的下图为以往的高频电源电路。
以往的高频电源电路是零件数多且必须使用高频用的零件的结构。另外，是在高频振幅的检测器中使用具有温度特性的二极管，且高频电源电路受到温度影响而高频振幅大幅受到温度影响的结构。
相对于此，本实施方式的高频电源电路具有：DDS(Direct Digital Synthesizer：直接数字合成器)；放大器，其将来自该DDS的输出放大并将其输出至变压器；检测器，其检测来自该放大器的高频振幅；以及减法器，其基于该检测器的检测振幅与振幅设定值的差，向DDS输入振幅设定信号。而且，在DDS的振幅设定针脚(自振幅设定针脚流出的电流因所连接的电阻值而变化，对于输出而言，输出其镜像电流而高频振幅发生变化)连接双极型晶体管来代替电阻，自其他电路使自振幅设定针脚流出的电流变化。由此，使自DDS输出的高频振幅变化，从而简化电路结构。
＜本实施方式的效果＞
根据如此构成的本实施方式的四极质谱仪100，在环形磁芯41卷绕初级绕组42及次级绕组43而构成变压器4，在该变压器4中由板状的金属导体形成初级绕组42，因此可增大在初级绕组42中流通高频电流的实效截面积。其结果，可降低初级绕组42中的热损耗，可降低由变压器4所引起的温度影响。另外，将初级绕组42设为板状的金属导体，因此可减少初级绕组42的卷绕数，可使卷绕作业变得容易而改善生产性。
继而，示出以往结构的变压器与本实施方式的变压器的发热温度的实验结果。此处，将高频电压的频率设为14[MHz]，将高频电压的振幅设为900[V]。如图8所示，以往结构的变压器的发热温度为138.9度，相对于此，本实施方式的变压器的发热温度能够抑制为81.2度。
＜其他实施方式＞
例如，所述实施方式的初级绕组是将多个带状部设置成放射状的结构，但也可以设为将一根带状体螺旋状地卷绕于环形铁芯的结构。
另外，初级绕组42的结构也可以为图10所示的结构。具体而言，初级绕组42具备：基板42a，其在一面设置有金属导体42a1；中心销部件42b，其连接于该基板42a的中央部，并且由配置于环形磁芯41的中央的金属导体构成；以及多个(此处为四个)周边销部件42c，其连接于基板42a的周缘部，并且由配置于环形磁芯41的周围的金属导体构成。考虑在基板42a的朝向环形磁芯41的一面贴附例如铜箔等金属导体42a1。根据该结构，电流自中心销部件42b经由基板42a向多个周边销部件42c呈放射状流通。若为这样的结构，则可容易地组装初级绕组42。
另外，所述实施方式是相对于环形磁芯在内侧卷绕次级绕组，在外侧卷绕初级绕组的结构，但也可以相对于环形磁芯在内侧卷绕初级绕组，在外侧卷绕次级绕组，还可以在环形磁芯的周向上的一部分卷绕初级绕组，在周方上除卷绕有初级绕组的部分以外的部分卷绕次级绕组。
进而，所述实施方式是通过将初级绕组固定于电路基板而将变压器固定于电路基板的结构，但例如也可以通过使用固定螺钉等其他方法将变压器固定于电路基板。
除此以外，只要不违背本发明的主旨，则可以进行各种实施方式的变形和/或组合。
工业上的可利用性
根据本发明，可降低在四极质谱仪中由变压器所引起的温度影响。

Claims (10)

1.一种四极质谱仪，其特征在于，具备：
离子化部，其将试样离子化；
四极部，其具有两组相向电极，所述两组相向电极使由所述离子化部所产生的离子选择性地通过；
电压施加部，其向所述两组相向电极分别施加将直流电压与高频电压叠加而得的电压；以及
离子检测部，其检测通过所述四极部的离子，
所述电压施加部具有对高频电压进行变压的变压器，
所述变压器是在环形磁芯卷绕初级绕组和次级绕组而构成的部件，
所述初级绕组由呈板状的金属导体形成。
2.根据权利要求1所述的四极质谱仪，其特征在于，
卷绕于所述环形磁芯的所述次级绕组具有：第一次级绕组，其连接于所述两组相向电极中的一组；以及第二次级绕组，其连接于所述两组相向电极中的另一组。
3.根据权利要求1或2所述的四极质谱仪，其特征在于，
所述环形磁芯通过将两个以上的环形磁芯元件层叠而构成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的四极质谱仪，其特征在于，
所述初级绕组相对于所述环形磁芯以成为放射状的方式卷绕。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的四极质谱仪，其特征在于，
所述初级绕组在展开的状态下将多个带状部配置成放射状，
所述多个带状部卷附于所述环形磁芯。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的四极质谱仪，其特征在于，
所述初级绕组具备：基板，其在一面设置有金属导体；中心销部件，其连接于该基板的中央部，并且由配置于所述环形磁芯的中央的金属导体构成；以及多个周边销部件，其连接于所述基板的周缘部，并且由配置于所述环形磁芯的周围的金属导体构成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的四极质谱仪，其特征在于，
所述环形磁芯与所述初级绕组之间被具有导热性的粘接剂填充。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的四极质谱仪，其特征在于，
所述变压器通过将所述初级绕组固定于电路基板而被固定于所述电路基板。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的四极质谱仪，其特征在于，
所述四极质谱仪还具备控制部，所述控制部控制所述电压施加部，
所述控制部为了在预定期间连续测定特定的质荷比而控制所述电压施加部。
10.一种残留气体分析方法，其特征在于，使用权利要求1至9中任一项所述的四极质谱仪对真空腔室内的残留气体进行分析。
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