CN117716232A - 用于质谱仪的宽范围电子轰击离子源 - Google Patents

Abstract

一种用于质谱仪的宽范围离子源包括第一部分和定位于第一部分下游的第二部分。第一部分包括阳极和定位在阳极附近并且相对于阳极固定就位的第一丝。第一丝暴露于处理室的压力。第一电子排斥器具有至少部分圆形形状。第二部分包括管状阳极、围绕管状阳极的第二丝、限定开口的提取透镜和用于将离子传导到容积中的聚焦透镜。

Description

用于质谱仪的宽范围电子轰击离子源

与相关申请的交叉引用/优先权要求

本申请涉及具有相同标题的于2021年3月24日提交的共同拥有的临时专利申请No.63/165,412，并请求享有其优先权。所述申请的全部内容通过引用并入。

技术领域

本公开大体上涉及用于质谱仪的离子源，并且具体地涉及能够在高压和低压下操作的宽范围电子轰击离子源。

背景技术

电子轰击离子源是残余气体分析仪的标准配置。尽管有许多不同构造的电子轰击离子源可用，但它们通常分为两类：(1)开放式离子源(OIS)；以及(2)封闭式离子源(CIS)。

开放式离子源直接暴露于真空环境，并且具有使气体能够容易地到达电离区域的电导率(电导率尽可能高)。开放式离子源产生大量离子，并且因此表现出高灵敏度。归因于丝寿命和平均自由程长度的考虑，开放式离子源直接暴露于真空环境而将开放式离子源的最大压力限制为约1E-3mbar。开放式离子源电离真空环境中的所有气体，诸如工艺气体、从室壁解吸的气体以及质谱仪本身释放的气体。在低压下，工艺气体可能与残余气体成分重叠，并且因此难以量化。对于工艺气体中丰度低但也存在于残余气体中的成分来说也是如此。

另一方面，当工艺气体的压力高于质谱仪的最大允许压力时和/或当待分析的气体成分与残余气体成分重叠时，使用封闭式离子源。具有封闭式离子源的系统需要单独的泵送系统，以在离子源的敏感容积与质谱仪真空室的其余部分之间产生压差。封闭式离子源具有的真空电导率为1l/s，或在极端情况下为0.1l/s。由于丝和分析仪区域通过差动泵送保持在低压下，因此离子源的电离区域可在高于1E-3mbar的压力下操作。这允许将这种离子源直接连接到例如半导体工具中的溅射工艺。然而，与开放式离子源相比，封闭式离子源的缺点是它们具有低灵敏度或较差的最小可检测分压(MDPP)。为了获得低电导率，电子进入开口必须保持较小，使得丝产生的电子的仅一部分才可进入电离容积。与开放式离子源相比，封闭式离子源具有较小的电离容积。

上文提到的问题的解决方案是在具有广泛变化的压力的单个真空系统上安装两(2)个完整的质谱仪系统。然而，在质谱仪的两(2)根丝之间切换需要停用第一丝并且激活第二丝。这导致第一丝停用和第二丝激活之间存在时滞。备选地，可将使用阀进行适应性减压的质谱仪系统安装到单个真空系统中。然而，归因于阀的真空电导率有限，故这些阀在基础压力下存在问题。

这些只是与当前用于质谱分析的开放式离子源和封闭式离子源相关联的问题中的一些。

发明内容

目前使用的离子源在高压范围或低压范围中操作。相比之下，所公开的离子源能够在低压以及高压范围两者内工作。低压范围内的更高灵敏度得到低压工艺步骤的检测极限的改进。

宽范围电子轰击离子源(宽范围离子源)的实施例包括定位在处理容积或处理室中的一根或多根丝，其具有到达电离容积的高产量的电子。一根或多根附加丝定位于质谱仪的差动泵容积中。控制宽范围离子源的操作，以便为当前压力条件选择正确的离子源模式。

用于在质谱仪系统中使用宽范围离子源测量高压水平下的工艺气体组分和低压水平下的残余气体的方法的实施例包括将质谱仪设置为低压下的操作模式，使用第一丝电流将第一丝加热至预定发射电流，以及测量残余气体组分。检查真空系统和质谱仪系统的清洁度并关闭第一丝电流。然后将质谱仪设置为高压条件下的操作模式。使用第二丝电流将第二丝加热至预定发射电流并测量工艺气体组分。检查工艺气体的清洁度并监测工艺中由该工艺创建的产品的存在。

在实施例中，宽范围离子源具有0.1l/s的电导率，仅用于在处理室与质谱仪容积之间建立1000倍的压降。这种减压是通过在离子形成室中仅使用2×0.5mm的小孔用于电子注入和1mm的一个孔用于离子提取来实现的。具有0.5mm直径的孔极大地限制了进入离子形成室的电子通量。离子形成室的另一侧有大工艺开口，而不会产生附加的压降。附加的丝安装在这个大开口的前面。来自该丝的电子可不受任何限制地到达电离容积，并且因此从该丝发射的几乎所有电子都会产生期望量的离子。

用于质谱仪的宽范围离子源的实施例包括第一部分，该第一部分包括阳极并且包括定位在阳极附近并且相对于阳极固定就位的第一丝。第一丝暴露于处理室的压力，并且第一电子排斥器具有至少部分圆形形状。第二部分定位在第一部分的下游，并且包括管状阳极、围绕管状阳极的第二丝、限定开口的提取透镜和构造成将离子传导到容积中的聚焦透镜。

用于在质谱仪系统中使用宽范围离子源测量工艺气体组分和残余气体的方法的实施例包括将宽范围离子源的第一部分构造成包括阳极和定位于阳极附近并且相对于阳极和电子排斥器固定就位的第一丝。第一丝暴露于处理室的压力。将第一丝加热至第一预定发射电流以测量低压条件下的残余气体组分。将宽范围离子源的第二部分构造成定位于第一部分的下游，并且包括管状阳极、围绕管状阳极的第二丝、限定开口的提取透镜和构造成将离子传导到容积的聚焦透镜。将第二丝加热至第二预定发射电流以测量高压条件下的工艺气体的组分。然后监测由工艺创建的产品。

附图说明

可通过参照实施例对以上简要概括的本发明进行更具体的描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，将注意到，附图仅示出了本发明的典型实施例，并且因此不认作是限制其范围，因为本发明可允许其它同样有效的实施例。因此，为了进一步理解本发明的性质和目的，可参照结合附图阅读的以下详细描述，在附图中：

图1A示意性地示出了定位于质谱仪中的宽范围离子源的实施例的横截面视图；

图1B示意性地示出了定位于质谱仪中的宽范围离子源的实施例的横截面视图；

图2A示出了宽范围离子源的实施例的俯视透视图；

图2B示出了图2A的宽范围离子源的实施例的透视侧视图；

图3A示出了构造成至少部分地支承宽范围离子源的凸缘的实施例的俯视透视图；

图3B示出了图3A的凸缘的仰视透视图；

图3C示出了构造成联接到凸缘的电连接器的实施例的透视图；

图4A示意性地示出了在质谱分析组件的实施例中使用的宽范围离子源的实施例；

图4B示意性地示出了用于质谱分析组件的宽范围离子源的实施例；

图4C示意性地示出了用于质谱分析组件的宽范围离子源的实施例；

图5A示出了由第一离子源供应装置和第二离子源供应装置在以低压模式操作时在宽范围离子源中产生的电势的实例；

图5B示出了由第一离子源供应装置和第二离子源供应装置在以高压模式操作时在宽范围离子源中产生的电势的实例；

图6示出了仅用封闭式离子源分析样品后生成的示例性波谱；以及

图7示出了使用宽范围离子源分析基本上相同的样品之后生成的示例性波谱。

具体实施方式

以下论述涉及用于质谱仪的宽范围电子轰击离子源的各种实施例。应当理解，本文中描述的版本是体现如本文中详述的某些发明构想的实例。为此，其它变型和改型对于技术人员来说将是显而易见的。另外，在整个论述中使用了某些用语，以便提供关于附图的合适的参考框架。诸如“上”、“下”、“向前”、“向后”、“内部”、“外部”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“第一”、“第二”等的这些用语并不旨在限制这些构想，除非特别指出。本文中使用的用语“大约”或“大致”可指所要求保护或公开的值的80％-125％的范围。关于附图，它们的目的在于描绘用于质谱仪的宽范围电子轰击离子源的显著特征并且没有具体按比例提供。

所公开的宽范围离子源通过使一根或多根丝直接暴露于工艺压力和使一根或多根丝定位在差动泵真空壳体中而组合了开放式离子源和封闭式离子源的优点。转向图1A-3C，描绘了具有带有第一端102和第二端102的宽范围离子源100的质谱仪10的一部分的横截面的示意图。如图所示，宽范围离子源100大体上包括在第一端101处的第一部分200和在第二端102处的第二部分300。

参看图1A-2B，宽范围离子源100的第一部分200用作开放式轴向离子源。第一部分200大体上包括阳极202，其包括丝206(或阴极)和排斥器208。如图所示，阳极202可至少部分地包括限定多个开口的栅格，并且丝206可包括具有排斥器208的盘绕铼丝。丝206可联接到一个或多个固定部件210，固定部件210将丝206相对于阳极202和排斥器208固定就位，使得排斥器208围绕或大部分围绕丝206。如图所示，阳极202和排斥器208大体上可形成圆形形状。固定部件210可保持或联接至一个或多个连接器插脚212，连接器插脚212联接到诸如陶瓷绝缘体的支承件。在实施例中，固定部件210可限定一个或多个固定结构211，诸如使得固定部件210能够联接到连接器插脚212的孔或环。丝206定位成使得其暴露于处理室12的压力(图1B)。

仍然参看图1A-2B，宽范围离子源100的第二部分300包括限定多个电子入口孔的管状阳极302。管状阳极302从凸缘16的前侧16a延伸至凸缘16的后侧16b。在实施例中，电子入口孔可为大致0.5mm的直径。第二丝304(阴极)至少部分地围绕管状阳极302。如图所示，第二丝304朝向宽范围离子源100的第二端102定位。第二部分300进一步包括限定大致1mm直径的孔或孔径的提取透镜306和用于将离子传导到四极质谱仪18的容积或室中的聚焦透镜308。第二部分300的构件中的一个或多个可至少部分地定位在差动泵送室14内。如图1B中所示，宽范围离子源100沿宽范围离子源轴线W延伸，使得第一部分200的至少一部分定位在第一端101处，并且第二部分300的至少一部分定位在第二端102处。图3A-C示出了可用于支承宽范围离子源100的实施例的凸缘16'的实例。在该实施例中，凸缘16'限定一个或多个馈通开口17，其可容纳用于通信和/或控制宽范围离子源100的构件或定位于四极质谱仪18或差动泵真空室14中的其它构件的设备。在实施例中，设备可包括布线或管道或任何其它装置或通信和/或控制。如图所示，电连接器50可用于建立与宽范围离子源的第一部分200的电连接。

一个或多个陶瓷绝缘体可邻近第一部分200和/或第二部分300的构件定位。如图1A-3C中可见，陶瓷绝缘体150定位成在第二部分300的管状阳极302与真空室14的凸缘16之间产生密封。另一个陶瓷绝缘体152可定位成在管状阳极302与提取透镜306之间产生密封。陶瓷绝缘体154可进一步定位成使第一部分200的其它构件与凸缘16和/或宽范围离子源100的其它构件绝缘。

在图4A中所示的实施例中，第一部分200的构件中的一个或多个可使用第一组控制器来控制，并且第二部分300的一个或多个构件可由单独的第二组控制器来控制。例如，第一组控制器可与四极质谱仪的控制器类似或相同，并且用于操作第一部分200的构件，诸如丝206、排斥器208和阳极202。同样地，第二组控制器可与四极质谱仪的控制器类似或相同，并且用于操作第二部分300的一个或多个构件，诸如丝304、管状阳极302、提取透镜306和聚焦透镜308。在第一部分200的丝206的操作期间，第二部分300供应装置的参数将需要设置为与其操作参数不同的参数。类似地，当使用宽范围离子源的第二部分300进行样品分析时，第一部分200的参数设置为与其操作/分析参数不同的参数。这些调整可手动完成或通过使用第一组控制器和第二组控制器的软件命令来完成。在实施例中，第一组控制器和第二组控制器可使得能够存储第一部分200构件和第二部分300构件的预设设置，使得第一部分200和第二部分300的此“非操作参数”可预编程并且由第一组控制器和第二组控制器存储。

图4B中示出了包括宽范围离子源100的四极质谱仪的另一个实施例。在该实施例中，另一个凸缘16'定位在处理室12内，其可类似于图3A中所示的凸缘16。凸缘16'包括一个或多个馈通件17'，使得用于第一部分200的连接件(气氛布线)209可馈送出处理室12并且到达离子源供应装置250。向第二部分300供应的连接件(气氛布线)309可经由限定在四极基座凸缘19B中的一个或多个馈通件20传递至另一离子源供应装置350。真空布线沿四极杆系统400(示意性地示出)定位到离子供应装置300。

图4C中示出了包括宽范围离子源100的四极质谱仪的又一实施例。在该实施例中，如图3A中所示。凸缘16包括一个或多个馈通件17。用于第一部分200的连接件209可穿过凸缘16的一个或多个馈通件17并且到达离子源供应装置250供应装置。用于第二部分300的连接件309不需要穿过凸缘16并将第二部分300连接到另一个离子源供应装置350。在该实施例中，到离子源供应装置250,350的两个连接件209,309都可穿过四极基座凸缘19C。连接件209,309可为真空布线和/或操作宽范围离子源100所需的任何其它布线。在其它实施例中，连接件209,309可不同地延伸或安装以适应其上安装有宽范围离子源100的不同装置的几何形状和/或装置所在的空间的构造。

图5A示出了配备有以“低压”模式操作的宽范围离子源100的质谱仪10的实施例的参数的实例。在该实施例中，质谱仪10具有用于控制第一部分200的构件的第一组控制器和用于控制第二部分300的构件的第二组控制器。除了单独的控制器组之外，第一部分200和第二部分300还可分别具有单独的离子源供应装置250,350(图4)。如图所示，丝(或阴极)206处于阴极电势，其由高达3.7A的电流(保护电流)加热以释放电子。电子移动到宽范围离子源100的第一端101处的阳极202。如图所示，阳极202处于电势“离子参考1”。从丝206到阳极202的电子电流调节到预定值，在此情况下为2.0mA(发射电流)。由与电子碰撞产生的正离子通过为离子源供应装置350设置的电势加速并聚焦到质谱仪。

为了使用两个单独的质谱仪检查低压(启动条件)下的气体组分，启动具有开放式离子源的质谱仪。使用电流加热丝，使得电子从丝向阳极发射。电子电流稳定到预定的发射电流。测量残余气体组分并检查系统的清洁度。另外，还可进行具有改进检测极限的氦泄漏测试。然后，在引入压力高于1E-3mbar的任何气体之前，关闭质谱仪，并且尤其是丝电流。为了在高于1E-3mbar的压力下检查气体组分，启动具有封闭式离子源的质谱仪并且用丝电流加热丝。然后检查从丝朝向阳极发射的电子，并将该电流稳定到预定的发射电流。对工艺气体组分进行测量，并检查工艺气体和工艺产生的产品的清洁度。质谱仪(包括丝电流)关闭，并且系统准备再次切换到低压分析。

在具有单个质谱仪的系统中，检查低压下的气体组分通过在低压设置下启动质谱仪开始，例如图5A中指示的那些。使用预定的丝电流来加热丝，例如图5B中对于“IS 716A”指示的。检查从丝到阳极的电子发射并且将其稳定在预定的发射电流。测量残余气体组分并检查系统的清洁度。测量完成后，质谱仪关闭。如果质谱仪，并且尤其是丝电流，在高压气体(1E-3mbar以上)引入系统中时操作，则质谱仪可能会受损坏。例如，质谱仪的丝可能损坏，使得必须关闭整个质谱仪以便更换损坏的丝。为了使用具有单个质谱仪的系统检查高压下的气体组分，质谱仪在高压设置(或高压模式)下启动，诸如图5B中对于IS716B指示的。使用预定的丝电流来加热丝，诸如图5B中对于IS716B指示的。检查从丝朝向阳极发射的电子并且将其稳定在预定的发射电流值。测量工艺气体的组分并且检查工艺气体的清洁度。针对由该工艺创建的产品来检查系统。测量完成后以及当期望切换回低压模式时关闭丝，因为热丝可能会影响在低压模式下测量的残余气体组分。如果丝处于激活状态或处于加热状态，则切换到低压模式不会损坏丝。

图6和图7展示了所公开的宽范围离子源100与封闭式离子源相比的灵敏度。图6和图7中所示的两个波谱是在分析仪室和处理室中在5E-6mbar压力下以几乎相同的气体组分获取的。对于图6和图7两者的波谱，均使用1800V的SEM电压。残余气体峰是由用于在原型设置中对宽范围离子源100的轴向部分进行布线的不完全真空兼容的构件造成的。宽范围离子源100的强度为封闭式离子源的强度的大约20倍。对于法拉第测量，确定以下灵敏度：

灵敏度(仅封闭式离子源)＝2.2E-6A/mbar

灵敏度(宽范围离子源)＝4.0E-5A/mbar。

宽范围离子源的改进的灵敏度得到在处理室中的低压下更好的检测极限。宽范围波谱示出了从丝蒸发的铼在质量数185和187m/e上的附加峰。这些峰可用于高质量范围内的质量标度校准。

尽管已经参照某些示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域中的技术人员将理解，在不脱离可得到书面描述和附图的支持的本发明的精神和范围的情况下，可在其中实现各种细节的改变。此外，在参照特定数量的元件描述示例性实施例的情况下，应当理解的是，可利用少于或多于特定数量的元件来实践示例性实施例。

Claims (16)

1.一种用于在质谱仪系统中使用宽范围离子源测量高压水平下的工艺气体组分和低压水平下的残余气体的方法，所述方法包括：

将质谱仪设置为低压下的操作模式；

使用第一丝电流将第一丝加热至预定发射电流；

测量残余气体组分；

检查真空系统和所述质谱仪系统的清洁度；

关闭流向所述第一丝的第一丝电流；

将所述质谱仪设置为高压条件下的操作模式；

使用第二丝电流将第二丝加热至预定发射电流；

测量工艺气体组分；

检查所述工艺气体的清洁度；以及

监测由所述工艺创建的产品的存在。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

关闭流向所述第二丝的第二丝电流；以及

将所述质谱仪的设置更改回低压条件下的操作模式。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一丝和所述第二丝中的一者是开放式离子源的一部分。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一丝电流与所述第二丝电流相同。

5.一种用于质谱仪的宽范围离子源，所述宽范围离子源包括：

第一部分，所述第一部分包括阳极并且包括，

定位于所述阳极附近并且相对于所述阳极固定就位的第一丝，其中所述第一丝暴露于处理室的压力，

包括至少部分圆形形状的第一电子排斥器；以及

第二部分，所述第二部分定位于所述第一部分下游并且包括管状阳极，所述第二部分包括，

围绕所述管状阳极的第二丝，

限定开口的提取透镜，以及

构造成将离子传导到容积中的聚焦透镜。

6.根据权利要求5所述的宽范围离子源，其特征在于，所述管状阳极限定多个电子进入开口。

7.根据权利要求5所述的宽范围离子源，其特征在于，所述第一丝和所述第二丝中的至少一者包括线圈。

8.根据权利要求7所述的宽范围离子源，其特征在于，所述线圈包括铼。

9.根据权利要求5所述的宽范围离子源，其特征在于，所述宽范围离子源进一步包括至少一个陶瓷绝缘体，所述陶瓷绝缘体构造成在所述管状阳极与所述提取透镜之间产生密封。

10.一种在质谱仪系统中使用宽范围离子源测量工艺气体组分和残余气体的方法，所述方法包括：

将所述宽范围离子源的第一部分构造成包括阳极和定位于所述阳极附近并且相对于所述阳极和电子排斥器固定就位的第一丝，其中所述第一丝暴露于处理室的压力；

将所述第一丝加热至第一预定发射电流以测量低压条件下的残余气体组分；

将所述宽范围离子源的第二部分构造成定位于所述第一部分下游并且包括，

管状阳极，

围绕所述管状阳极的第二丝，

限定开口的提取透镜，以及

构造成将离子传导到容积中的聚焦透镜；

将所述第二丝加热至第二预定发射电流以测量高压条件下的工艺气体的组分；以及

监测由工艺创建的产品的存在。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

检查真空系统和所述质谱仪系统的清洁度；以及

检查所述工艺气体的清洁度。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一丝和所述第二丝中的一者是开放式离子源的一部分。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述管状阳极构造成限定多个电子进入开口。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述第一丝和所述第二丝中的至少一者构造为线圈。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述线圈包括铼。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将至少一个陶瓷绝缘体构造成在所述管状阳极与所述提取透镜之间产生密封。