DE102018216623A1

DE102018216623A1 - Massenspektrometer und Verfahren zur massenspektrometrischen Analyse eines Gases

Info

Publication number: DE102018216623A1
Application number: DE102018216623.4A
Authority: DE
Inventors: Anthony Hin Yiu Chung; Thorsten Benter; Michel Aliman; Rüdiger Reuter; Yessica Brachthäuser
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02
Also published as: EP3857589A1; WO2020064201A1; CN113169028A; US11791147B2; JP2022503960A; KR20210062680A; US20220005682A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer (1) zur massenspektrometrischen Analyse eines Gases (2), umfassend: ein steuerbares Einlasssystem (6) zum gepulsten Zuführen des zu analysierenden Gases (2) aus einem Prozessbereich (4) außerhalb des Massenspektrometers (1) in einen Ionisierungsbereich (11), eine Ionisierungseinrichtung (14) zur Ionisierung des zu analysierenden Gases (2) in dem Ionisierungsbereich (11), eine lonentransfereinrichtung (21) zum Transferieren des ionisierten Gases (2a) von dem Ionisierungsbereich (11) über einen lonentransferbereich (20) in einen Analysebereich (25) und einen Analysator (26) zur Detektion des ionisierten Gases (2a) in dem Analysebereich (25). Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren zur massenspektrometrischen Analyse eines Gases (2).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer zur massenspektrometrischen Analyse eines Gases. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur massenspektrometrischen Analyse eines Gases mittels eines Massenspektrometers, insbesondere eines Massenspektrometers wie oben beschrieben.
Das Ätzen von Halbleitern (dry etch) ist ein chemisch komplexes Verfahren, bei dem stark ätzende Gase zum Einsatz kommen. Um diese Prozesse optimieren zu können, sucht man nach Analyseverfahren, insbesondere nach Echtzeitverfahren, um den Ätzvorgang zu beobachten und auf diese Weise Schlüsse auf die stattfindenden Reaktionen ziehen zu können. Daneben ist es vorteilhaft, den jeweils ablaufenden Prozess im Hinblick auf eine Drift bzw. eine Abweichung von einem Standard-Prozess zu untersuchen. Auch ist es von großem Interesse, das Erreichen eines Endpunkts des Ätzprozesses durch eine Änderung des geätzten Materials und damit einer Änderung der Reaktionsprodukte zu erkennen. Ähnliche Fragestellungen stellen sich auch bei Beschichtungsprozessen.
Aus der WO 2013/104583 A2 ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung (Beschichtung bzw. Ätzbehandlung) eines Substrats bekannt geworden, die einen Prozessgasanalysator mit einer Ionenfalle sowie mit einer Ionisierungseinrichtung zur Ionisierung eines gasförmigen Bestandteils einer Restgasatmosphäre aufweist, die in einer Kammer für die Oberflächenbehandlung des Substrats angeordnet ist. Der Prozessgasanalysator kann einen steuerbaren Einlass zum gepulsten Zuführen des zu detektierenden gasförmigen Bestandteils aufweisen. Dem steuerbaren Einlass ist die Ionisierungseinrichtung vorgeschaltet. Die ionisierten Gasbestandteile können dem Prozessgasanalysator bzw. der Ionenfalle über eine Zuführungseinrichtung z.B. in Form einer Ionenoptik, ggf. in Kombination mit einem Vakuumrohr, zugeführt werden.
In der Prozesschemie werden ebenfalls häufig ätzende, hoch korrosive Gase eingesetzt bzw. produziert, die bei der Herstellung eines Produkts bzw. bei der Qualitätskontrolle vermessen werden müssen. Massenspektrometer mit einem gepulsten Einlass, wie sie in der WO 2013/104583 A2 beschrieben sind, sind für die Analyse solcher korrosiver Gasmischungen mit langen Standzeit-Anforderungen bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit vorteilhaft. Der gepulste Gaseinlass kann mit unterschiedlichen Arten von Analysatoren/Detektoren bzw. Massenspektrometern kombiniert werden, die sowohl gepulst als auch kontinuierlich betrieben werden, beispielsweise Quadrupol-Massenspektrometer, Triple-Quadrupol-Massenspektrometer, Flugzeitmassenspektrometer (Time-of-Flight, TOF), scannende lonenfallenmassenspektrometer sowie FT(Fourier-Transformations)-Massenspektrometer, insbesondere FT-IT (ion trap)-Massenspektrometer, wie etwa lineare lonenfallen (linear ion trap, LIT), 3D-Quadrupol-lonenfallen (quadrupole ion trap, QIT), Orbitraps, ...
Bei der Analyse von korrosiven Gasen sollte der Gasfluss vom Prozess zum Analysator insgesamt möglichst gering sein, um Beschädigungen an dem Analysator zu minimieren, in dem das ionisierte Gas detektiert wird. Dem steht die Anforderung gegenüber, dass man möglichst viel Gas in den Analysator bringen will, um eine gute Empfindlichkeit zu erreichen, da für die Überschreitung des Detektions-Limits des Analysators eine Mindestanzahl von Analyt-Ionen benötigt wird, die wiederum aus den neutralen Gasbestandteilen erzeugt werden.
Um Korrosion am Analysator zu vermeiden, versucht man den Druck im Bereich des Analysators bzw. in dem Analysebereich so gering wie möglich zu halten. Dies wird für gewöhnlich dadurch erreicht, dass der Gasfluss in das Massenspektrometer so stark reduziert wird, dass die geringe Gasmenge in einem akzeptablen Zeitraum keine nennenswerte Degradierung des Analysators verursachen kann. Zu diesem Zweck kann eine räumliche Trennung der Ionisation in einem Ionisierungsbereich und der Detektion in einem Analysebereich durchgeführt werden, wobei die Ionisation in dem lonisierungsbereich bei einem höheren Druck erfolgt und die Ionen zur Detektion in den Analysebereich transferiert werden, in dem ein geringerer Druck herrscht.
Auch für den Fall, dass keine räumliche Trennung zwischen dem lonisationsbereich und dem Analysebereich erfolgt, weil das zu untersuchende Gas unmittelbar im Analysator bzw. im Analysebereich ionisiert wird, ist eine Reduzierung des Drucks gegenüber dem Prozessdruck sinnvoll, insbesondere wenn der Prozessdruck vergleichsweise groß ist. Als Prozessdruck wird hier der Druck im Rezipienten bzw. im Prozessbereich bezeichnet, der das zu analysierende Gas enthält und der sich außerhalb des Massenspektrometers befindet.
Aus der WO 2014/118122 A2 ist es bekannt, ein zu untersuchendes Gasgemisch unmittelbar in einem Detektor, beispielsweise in einer Ionenfalle, zu ionisieren, dem das Gasgemisch und Ionen und /oder metastabile Teilchen eines lonisierungsgases zugeführt werden, die von einer Ionisierungseinrichtung, beispielsweise einer Plasmaionisierungseinrichtung, erzeugt werden.
In der WO 2015/003819 A1 ist ebenfalls ein Massenspektrometer mit einer Ionenfalle zur massenspektrometrischen Untersuchung eines Gasgemischs und mit einer Ionisierungseinrichtung beschrieben, die zur Ionisierung des zu untersuchenden Gases in der Ionenfalle ausgebildet ist. Das Massenspektrometer kann einen steuerbaren Einlass zum gepulsten Zuführen des zu untersuchenden Gasgemischs zu der Ionenfalle aufweisen. Das Massenspektrometer kann auch eine Druckreduzierungseinheit mit mindestens einer, beispielsweise mit zwei, drei oder mehr in Serie schaltbaren modularen Druckstufen aufweisen, um den Gasdruck des zu untersuchenden Gasgemischs zu reduzieren, bevor dieses der Ionenfalle zugeführt wird.
Eine Druckreduzierungseinrichtung mit einem Vakuum-Gehäuse mit einer Einlassöffnung für den Einlass eines zu untersuchenden Gases bei einem Prozessdruck und mit einem Analyseraum für die massenspektrometrische Untersuchung des Gases bei einem Arbeitsdruck ist aus der DE 10 2014 226 038 A1 bekannt geworden. Das Vakuum-Gehäuse weist eine Mehrzahl von modular miteinander verbindbaren Vakuum-Bauteilen mit Druckreduzierungsräumen auf. Im Bereich der Einlassöffnung kann ein Modulator zur gepulsten Zuführung des zu untersuchenden Gases in den Analyseraum angeordnet sein. Zur Ionisierung des zu untersuchenden Gases kann eine Ionisierungseinrichtung in dem Analyseraum angeordnet und/oder mit einem in dem Analyseraum angeordneten Analysator verbunden sein.
Bei den weiter oben beschriebenen Massenspektrometern, bei denen die Ionisierung des zu untersuchenden Gases im Analysator erfolgt, ist es günstig, wenn eine schnelle Änderung des Drucks erfolgt, so dass der Druck nur kurzfristig während der Ionisation hoch ist, was beispielsweise durch den Einsatz eines schnell schaltenden, steuerbaren Ventils erreicht werden kann, über welches das zu untersuchende Gas in den Analysator geführt wird. Der Einlass des Gases kann in diesem Fall durch das Öffnen und das Schließen des Ventils kontrolliert werden.
Viele andere sehr empfindliche Massenspektrometer mit schnellen Messzeiten wie z.B. Quadrupol-Massenspektrometer, Triple-Quadrupol-Massenspektrometer, Time-of-Flight(TOF)-Massenspektrometer, beispielsweise orthogonal acceleration (oa)TOF-Massenspektrometer, ... arbeiten mit höchster Effizienz nur im Dauergaseinlassbetrieb. Es wurde zwar versucht, die letztgenannten Massenspektrometer auch unter einer korrosiven Gasumgebung einzusetzen, es hat sich aber gezeigt, dass deren Ionenquellen sehr schnell beschädigt und von dem korrosiven Gas unbrauchbar gemacht wurden.
In der WO 2016/096457 A1 ist ein Massenspektrometer mit einer Ionisierungseinrichtung beschrieben, bei der zwischen einem primären Einlass und einem sekundären Einlass für ein zu ionisierendes Gas eine Kammer zur Behandlung des zu ionisierenden Gases angeordnet ist. In der Kammer kann eine Druckreduzierung des zu ionisierenden Gases erfolgen. Zu diesem Zweck kann die Kammer differentiell gepumpt oder über ein Ventil (gepulst) gepumpt werden. In der Kammer kann auch eine Fremdgasunterdrückung, eine Partikelfilterung und/oder eine Partikelbehandlung durchgeführt werden, um das zu ionisierende Gas in eine für die Zuführung zu der Ionisierungseinrichtung geeignete Zusammensetzung überzuführen. Auch kann in der Kammer eine Wärmeentkopplung erfolgen, damit die Temperatur des aus der Umgebung eintretenden Gases in dem sich an die Kammer anschließenden sekundären Einlass eine maximale Betriebstemperatur nicht überschreitet. Die Wärmeentkopplung kann durch eine Wärme-Isolierung, eine passive Kühlung, eine aktive Kühlung etc. erfolgen.
Zusammenfassend weisen konventionelle Massenspektrometer mit gepulstem GasEinlass eine hohe Standzeit gegen korrosive Gase auf, haben aber eine moderate Geschwindigkeit (Repetitionsrate von ca. 10 Hz) und Empfindlichkeit (Größenordnung ppbV (parts per billion by volume)). Konventionelle Massenspektrometer mit einem Dauergaseinlass haben in der Regel eine hohe Geschwindigkeit (Repetitionsraten von bis zu 10k Hz) und Empfindlichkeit (Größenordnung < pptV), weisen aber eine geringe Standzeit in korrosiver Umgebung auf.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Massenspektrometer bereitzustellen, welches einerseits eine hohe Empfindlichkeit und andererseits eine lange Standzeit in korrosiver Umgebung erlaubt.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Massenspektrometer, umfassend: ein steuerbares Einlasssystem zum gepulsten Zuführen des zu analysierenden Gases aus einem Prozessbereich außerhalb des Massenspektrometers in einen lonisierungsbereich, eine Ionisierungseinrichtung zur Ionisierung des zu analysierenden Gases in dem lonisierungsbereich, eine lonentransfereinrichtung zum Transfer des ionisierten Gases von dem lonisierungsbereich über einen lonentransferbereich in einen Analysebereich, sowie einen Analysator zur Detektion des ionisierten Gases in dem Analysebereich (sowie zur massenspektrometrischen Analyse des ionisierten Gases).
Bei dem erfindungsgemäßen Massenspektrometer wird eine gepulste Probenentnahme durchgeführt, d.h. das zu analysierende Gas wird gepulst aus dem Prozessbereich außerhalb des Massenspektrometers entnommen. Der Prozessbereich kann sich beispielsweise in einem Innenraum einer Prozess-Kammer befinden, in der beispielsweise ein Ätzprozess, ein Beschichtungsprozess, eine Reinigung der Prozess-Kammer, etc. durchgeführt wird.
Das steuerbare Einlasssystem für das zu analysierende Gas, der sich anschließende lonentransfer sowie die Detektion bzw. die Analyse des Gases in dem Analysator werden typischerweise synchronisiert und periodisch ausgeführt. Das Massenspektrometer weist zur Synchronisation des steuerbaren Einlasssystems, des Analysators sowie der Extraktionseinrichtung (s.u.) in der Regel eine Steuerungseinrichtung auf, die einen periodischen Betrieb des Massenspektrometers ermöglicht. Das Einlasssystem wird der jeweiligen Ionisations- und Analysenmethode angepasst. Einlasssystem, Ionisationsmethode und Analysenmethode werden so zu einem Gesamtsystem Massenspektrometer.
Unter einem steuerbaren Einlasssystem wird verstanden, dass das Einlasssystem zumindest zwischen zwei Zuständen (geöffnet/geschlossen) umgeschaltet werden kann. Zu diesem Zweck kann das Einlasssystem beispielsweise ein schnell schaltendes, steuerbares Ventil aufweisen. Insbesondere kann das Ventil ausgebildet sein, z.B. über eine Zeitdauer von ca. 10 µs bis > 1 s den geöffneten oder den geschlossenen Zustand einzunehmen. Die Möglichkeit, die Öffnungsdauer des Ventils einzustellen bietet die Möglichkeit, nur genau dann Gas in das Massenspektrometer einzulassen, wenn prozessrelevante Daten bzw. Messwerte zu erwarten sind. Für den Fall, dass das Ende z.B. eines Ätzprozesses erkannt werden soll, ist bereits im Vorhinein ungefähr bekannt, zu welchem Zeitpunkt der Endpunkt des Ätzprozesses erreicht wird. Daher ist eine Beobachtung des Ätzprozesses für die Erkennung des Endpunkts nur in einem kleinen Zeitfenster erforderlich, in dem das steuerbare Ventil geöffnet wird. Auf diese Weise kann die Menge an in das Massenspektrometer eingeleitetem korrosivem Gas stark reduziert werden und der Gasfluss von korrosiven Gasen in den Analysebereich kann auf ein Minimum reduziert werden.
Abhängig vom verwendeten Analysator kann auf diese Weise periodisch das Signal einer Ionensorte oder ein ganzes Spektrum mit Signalen von mehreren Ionensorten aufgenommen werden. Da die Sampling-Rate bzw. die Periodendauer bekannt ist, kann das Nutzsignal durch Techniken wie z.B. Lock-In oder Mehrkanal-Einzelionenzählung deutlich verstärkt werden, so dass eine Detektion bzw. eine Analyse des Gases mit hoher Empfindlichkeit erreicht werden kann. Durch die gepulste Zuführung in den lonisierungsbereich kann das Massenspektrometer insbesondere auch vorteilhaft zur Analyse von Gasen verwendet werden, die korrosive Gasbestandteile aufweisen, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Bei einer Ausführungsform weist das steuerbare Einlasssystem ein rohrförmiges, bevorzugt temperierbares, austauschbares und/oder beschichtetes Bauteil zur Zuführung des zu analysierenden Gases in den lonisierungsbereich auf. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das zu analysierende Gas über ein rohrförmiges, insbesondere schlauchförmiges Bauteil in den lonisierungsbereich zugeführt wird. Ein solches Bauteil kann im Gegensatz zu anderen Bauteilen des Massenspektrometers in der Regel schnell und kostengünstig ausgetauscht werden. Zu diesem Zweck ist das rohrförmige Bauteil typischerweise lösbar mit der Ionisierungseinrichtung des Massenspektrometers verbunden. Gegebenenfalls kann gemeinsam mit dem rohrförmigen Bauteil auch ein steuerbares Ventil ausgetauscht werden, welches an dem rohrförmigen Bauteil angebracht ist. Es hat sich ebenfalls als günstig erwiesen, wenn das rohrförmige Bauteil aktiv, beispielsweise mittels einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung, z.B. in Form eines Peltier-Elements, temperierbar ist. Auf diese Weise kann abhängig von dem zu überwachenden Prozess bzw. von dem Analyten in dem Prozessbereich eine geeignete Temperatur festgelegt werden, um eine Kondensation oder Zersetzung des zu analysierenden Gases bzw. der zu analysierenden Gasbestandteile in dem Einlasssystem zu reduzieren oder zu induzieren.
Gleiches gilt für das Vorsehen einer Beschichtung an der Innenseite des rohrförmigen Bauteils: Die Beschichtung ist aus einem Material gebildet, welches vom zu überwachenden Prozess bzw. von dem jeweils zu analysierenden Gas bzw. Gasbestandteil abhängig ist. Das Material der Beschichtung wird hierbei derart gewählt, dass die neutralen Moleküle bzw. Atome des zu analysierenden Gases bzw. der entsprechenden Gasbestandteile möglichst ungehindert in den lonisierungsbereich eintreten können, ohne mit der Oberfläche an der Innenseite des rohrförmigen Bauteils eine chemische Reaktion einzugehen. Es ist aber alternativ ebenso möglich, die Oberfläche an der Innenseite des rohrförmigen Bauteils bzw. die Beschichtung so zu gestalten, dass eine Reaktion bewusst induziert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das steuerbare Einlasssystem eine Filtereinrichtung, bevorzugt ein rohrförmiges Bauteil in Form eines Wellschlauchs, insbesondere aus Edelstahl, zur Filterung mindestens eines in dem zu analysierenden Gas enthaltenen korrosiven Gasbestandteils, insbesondere zur Filterung (mindestens) eines Ätzgases, auf. Bei einem zu überwachenden Prozess in Form eines Ätzprozesses ist es nicht zwingend erforderlich, die Menge des eigentlichen Ätzgases zu bestimmen, da dieses in der Regel bewusst und in bekannter Konzentration dem Ätzprozess zugeführt wird. Es ist daher erstrebenswert, den Eintritt der eigentlichen Ätzgase in das Massenspektrometer zu verhindern bzw. zu reduzieren. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein (passiver) Filter in Form eines geeigneten Filtermaterials (Absorbers) verwendet werden, an dem sich das Ätzgas anlagert und/oder mit dem Ätzgas reagiert, so dass dieses sich umwandelt und seine ätzende Wirkung verliert. Auch ein aktiver Filter in Form eines Gaswäschers (scrubber), bei dem das zu analysierende Gas mit einem Flüssigkeitsstrom in Kontakt gebracht wird, kann zu diesem Zweck verwendet werden. Ein Ätzgas kann nicht nur in einem Ätzprozess zum Ätzen eines Substrats oder dergleichen verwendet werden, sondern auch zu einem anderen Zweck, beispielsweise zur Reinigung einer Prozess-Kammer, in welcher der Prozessbereich gebildet ist.
Eine Filterwirkung kann bereits erzielt werden, wenn die Zuleitung des steuerbaren Einlasses aus einem Edelstahl-Wellschlauch gebildet ist. Da in dem Massenspektrometer typischerweise eine Vielzahl von Komponenten aus Edelstahl besteht, kann der Edelstahl in der Zuleitung bzw. an dem Edelstahl-Wellschlauch als Opfer-Material dienen, welcher mit dem Ätzgas reagiert, bevor dieses mit anderen Komponenten des Massenspektrometers in Berührung kommt. Der Edelstahl-Wellschlauch kann im Gegensatz zu anderen Komponenten in dem Massenspektrometer schnell und kostengünstig ausgetauscht werden. Der Edelstahl-Wellschlauch weist zudem ein großes Oberflächen-zu-Volumenverhältnis auf, so dass wenig Gas mit viel Oberfläche reagieren kann.
Bei einer Ausführungsform weist das Einlasssystem ein steuerbares Bauteil, insbesondere ein steuerbares Ventil, auf, welches bevorzugt zwischen einem ersten Schaltzustand zum gepulsten Zuführen des zu analysierenden Gases in den Ionisierungsbereich und einem zweiten Schaltzustand zum gepulsten Zuführen eines Trägergases in den lonisierungsbereich umschaltbar ist. Das Einlasssystem kann grundsätzlich aus beliebig vielen Komponenten bestehen. Neben dem schaltbaren Bauelement, das beispielsweise als Ventil ausgebildet sein kann, weist das Einlasssystem typischerweise eine Zuführungsleitung vom Rezipienten zu dem schaltbaren Bauelement sowie eine weitere Zuführungsleitung zum Zuführen des zu analysierenden Gases von dem schaltbaren Bauelement zu dem Ionisierungsbereich auf. Bei dem schaltbaren Bauelement kann es sich an Stelle eines Ventils auch um einen Modulator beispielweise in Form eines Choppers handeln, der Gaspulse in Form von Molekülpaketen aus einem kontinuierlichen Molekularstrahl erzeugt.
Bevorzugt ist das steuerbare Ventil als 3-Wege-Ventil ausgebildet, welches zwischen einem ersten Schaltzustand zum gepulsten Zuführen des zu analysierenden Gases in den lonisierungsbereich und einem zweiten Schaltzustand zum gepulsten Zuführen eines Trägergases in den lonisierungsbereich umschaltbar ist. In diesem Fall handelt es sich bei dem (schnell) schaltbaren Ventil um ein 3-Wege-Ventil. Das Einlasssystem weist in diesem Fall eine weitere Zuführungsleitung auf, um dem schaltbaren Ventil in dem zweiten Schaltzustand das Trägergas zuzuführen. Das Trägergas wird dem lonisierungsbereich typischerweise in den Pulspausen des zu analysierenden Gases zugeführt, d.h. immer dann, wenn dem lonisierungsbereich kein zu analysierendes Gas zugeführt wird. Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt der verwendeten Ionisierungseinrichtung konstant gehalten werden. Zudem kann das Trägergas eine positive, spülende Wirkung in dem lonisierungsbereich bzw. in einer lonisierungs-Kammer erzeugen. Als Trägergas kann beispielsweise ein Inertgas verwendet werden.
Die Ionisierungseinrichtung umfasst grundsätzlich eine lonisierungs-Kammer zur Ionisierung des Analyten, d.h. des zu ionisierenden Gases, und einem Primärladungserzeuger. Bei dem Primärladungserzeuger kann es sich beispielsweise um eine Elektronenquelle bzw. ein Filament zur Erzeugung von Elektronen, eine VUV-Strahlungsquelle, eine UV-Laserquelle oder um eine Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Ionen sowie von elektrisch angeregten, metastabilen Teilchen handeln. Der Primärladungserzeuger kann direkt an die Ionisierungs-Kammer gekoppelt sein und so direkt auf den Analyten einwirken oder indirekt, beispielsweise über mindestens eine Druckstufe, mit der lonisierungs-Kammer in Verbindung stehen. Ist eine Druckstufe vorhanden, kann ein Reaktandgas (z.B. H₂) zugegeben werden, um das, was der Primärladungserzeuger erzeugt (UVNUV-Strahlung, Elektronen, Ionen, elektrisch angeregte bzw. metastabile Teilchen) in Reaktandionen (z.B. H₃ ⁺) überzuführen. Diese Reaktandionen werden der lonisierungs-Kammer zugeführt, um dort über eine chemische Ionisation Analytionen (z.B. [M+H]⁺) zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform weist die Ionisierungseinrichtung eine insbesondere gepulst betreibbare Elektronenquelle zur Ionisierung des zu analysierenden Gases in dem lonisierungsbereich auf. Die Elektronenquelle weist typischerweise ein Filament (Glühdraht) auf, das auf hohe Temperaturen von z.B. bis zu 2000°C aufgeheizt wird, um durch den glühelektrischen Effekt Elektronen bzw. einen Elektronenstrahl zu erzeugen. Die Elektronenquelle kann beispielsweise mit Hilfe von Ablenkeinheiten gepulst betrieben werden, um einen jeweiligen Gaspuls optimal zu sampeln, d.h. den Elektronenstrahl synchronisiert mit dem Einlasssystem und der Extraktionseinrichtung (s.u.) zu erzeugen und eine unnötige Belastung des Ionisierungsbereichs bzw. des Massenspektrometers durch den Elektronenstrahl zu minimieren.
Bei einer Weiterbildung ist die Elektronenquelle von einer Wärmesenke umgeben, die eine Öffnung zum Austritt eines Elektronenstrahls bzw. von Elektronen aufweist.
Die hohe Temperatur des Filaments kann zu einer unerwünschten Thermolyse von Bestandteilen des zu ionisierenden Gases führen, die durch die Wärmesenke verringert werden kann. Die Wärmesenke kann aus einem Material gebildet sein, welches einen hohen Wärmeleitkoeffizienten aufweist, beispielsweise aus Metallen oder Metalllegierungen, wie etwa Kupfer, Messing, Aluminium oder Edelstahl, um die Wärme aus der Umgebung des Filaments abzuführen. Die Wärmesenke umschließt den Filament idealerweise in der Art einer Abschirmung zu dem lonisierungsbereich hin, so dass lediglich durch die Öffnung energiereiche Elektronen in den lonisierungsbereich gelangen können. Die Wärmesenke kann zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit oberflächenbehandelt sein, etwa durch aufbringen von beispielsweise weiteren Metall-, Metalloxid-, Metallnitridschichten etc.
In einer weiteren Weiterbildung ist das Massenspektrometer ausgebildet, in einem temperierbaren lonisierungsraum der Ionisierungseinrichtung beim Betrieb der Elektronenquelle eine Temperatur von weniger als 100°C aufrechtzuerhalten. Aufgrund der hohen Temperatur des Filaments erzeugt die Elektronenquelle nicht nur Elektronen, sondern auch Wärmestrahlung, die zu dem weiter oben beschriebenen Problem der Thermolyse führen kann. Die Wärmestrahlung sollte daher von der Ionisierungs-Kammer ferngehalten werden, um dort eine definierte Temperatur bzw. einen definierten Temperaturbereich einstellen zu können, der möglichst nicht durch den Betrieb der Elektronenquelle beeinflusst wird. Dies kann z.B. durch die weiter oben beschriebene Abschirmung erreicht werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Elektronenquelle bzw. das Filament möglichst weit von der lonisierungs-Kammer, genauer gesagt von dem temperierbaren lonisierungsraum, beabstandet angeordnet werden. Für die Reduzierung der Heizwirkung kann auch ein vergleichsweise geringer Emissionsstrom der Elektronenquelle eingestellt werden, der beispielsweise bei nicht mehr als ca. 1 mA liegt. Bei dem temperierbaren lonisierungsraum kann es sich um einen Behälter handeln, der innerhalb der Ionisierungs-Kammer bzw. innerhalb des Ionisierungsbereichs angeordnet ist. Alternativ kann ggf. die gesamte lonisierungs-Kammer den temperierbaren Ionisierungsraum bilden. Für die Temperierung des Ionisierungsraums kann das Massenspektrometer beispielsweise eine kombinierte Heiz-/Kühleinrichtung aufweisen, um in dem Ionisierungsraum eine vorgegebene Temperatur bzw. einen vorgegebenen Temperaturbereich aufrecht zu erhalten.
Bei einer weiteren Weiterbildung umfasst die Elektronenquelle eine Austauscheinrichtung zum insbesondere automatisierten Austausch eines Filaments der Elektronenquelle oder die Elektronenquelle ist lösbar an dem Massenspektrometer angebracht. Bei hohen Arbeitsdrücken ist ein Filament in der Regel anfällig für das Durchbrennen. Daher ist es günstig, wenn ein Filament mit Hilfe einer Austauscheinrichtung ausgetauscht werden kann. Die Austauscheinrichtung kann zu diesem Zweck ein Schleusensystem aufweisen, um zu verhindern, dass beim Austausch des Filaments der Druck in dem lonisierungsbereich ansteigt. Beispielsweise kann zu diesem Zweck die Öffnung in der Wärmesenke bzw. der Abschirmung während des Austauschs des Filaments verschlossen werden. Auf diese Weise kann der Druck in dem Analysebereich aufrechterhalten werden, d.h. das Vakuum in dem Analysebereich wird beim Austausch des Filaments nicht gebrochen. Alternativ kann die gesamte Elektronenquelle ausgetauscht werden, wenn das Filament durchbrennt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Ionisierungseinrichtung eine Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Ionen und/oder von metastabilen Teilchen eines lonisierungsgases auf. Die Plasmaerzeugungseinrichtung kann wie in der eingangs zitierten WO 2014/118122 A2 beschrieben ausgebildet sein, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Zusätzlich kann in dem lonisierungsbereich eine Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Glimmentladung (DC-Plasma) angeordnet sein, so dass der lonisierungsbereich einen Sekundärplasmabereich bildet, wie dies in der eingangs zitierten WO 2016/096457 A1 beschrieben ist, die ebenfalls in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Durch die Ionen und/oder die metastabilen Teilchen des lonisierungsgases kann eine chemische Ionisierung des zu analysierenden Gases, z.B. durch Stoßionisation und/oder durch Ladungsaustauschionisation, erfolgen. Die Plasmaerzeugungseinrichtung kann einen steuerbaren Gaseinlass aufweisen, welcher zur gepulsten Zuführung des Ionisierungsgases in die Plasmaionisierungseinrichtung und somit der Ionen und/oder der metastabilen Teilchen des lonisierungsgases in den Ionisierungsbereich dient. Der steuerbare Gaseinlass kann mit dem gepulsten Einlasssystem und der Extraktionseinrichtung (s.u.) mit Hilfe der Steuerungseinrichtung synchronisiert sein, wie dies auch bei der Elektronenquelle der Fall ist.
Die Plasmaerzeugungseinrichtung kann direkt mit einer Ionisierungs-Kammer gekoppelt sein, in die das zu analysierende Gas für die Ionisation eingebracht wird. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann zwischen der Plasmaerzeugungseinrichtung und der Ionisierungs-Kammer ein Reaktionsraum (eine Druckstufe) gebildet sein, der ein Reaktandgas zugegeben wird, um die Ionen und/oder metastabilen Teilchen des lonisierungsgases in Reaktand-Ionen überzuführen, die in die Ionisierungs-Kammer überführt werden, um durch chemische Ionisation Analytionen zu erzeugen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Ionisationseinrichtung einen Gaseinlass zur kontinuierlichen oder gepulsten Zuführung von Cl-Gas (Cl = chemische Ionisation) in den Ionisierungsbereich der Ionisierungseinrichtung auf. Die Zuführung kann von einer Steuerungseinrichtung gesteuert unabhängig oder synchronisiert mit dem Einlasssystem erfolgen. Das Cl-Gas kann zur gezielten chemischen Ionisation genutzt werden. Das Ionisieren des Analyten erfolgt in diesem Fall nicht direkt durch den Elektronenstrahl, sondern es wird zuerst das Cl-Gas durch den Elektronenstrahl ionisiert und dann die Ladungen vom Cl-Gas auf den Analyten übertragen. Durch geschickte Wahl des Cl-Gases kann so gezielt die Ionisation von Matrixbestandteilen bzw. Analytmolekülen mit geringem oder fehlendem Reaktionsquerschnitt unterdrückt oder ausgeschlossen werden (Schwellenspektroskopie), wobei die Schwelle in diesem Fall von gewählten Cl-Gas abhängt. Werden z.B. Matrixgase mit hohen lonisationsenergien eingesetzt, z.B. Argon oder Stickstoff, kann man durch Wahl eines passenden Cl-Gases, das sich zur Ladungsübertragung eignet, die Bildung großer Mengen an Matrixionen unterdrücken und so insbesondere beim Einsatz einer FT-Ionenfalle eine Überfüllung der Falle verhindern. Analoges gilt für den Einsatz von Reaktandgasen, die Reaktandionen zur Protonierung erzeugen; hier ist die Protonenaffinität der Matrix- und Analytmoleküle ausschlaggebend. Als Cl-Gase können beispielsweise Argon, Methan, Isobutan oder Ammoniak verwendet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die lonentransfereinrichtung eine lonentransferkammer auf, in welcher der lonentransferbereich gebildet ist, wobei die lonentransferkammer über eine Blendenöffnung mit dem Ionisierungsbereich und bevorzugt über eine weitere Blendenöffnung mit dem Analysebereich verbunden ist. Im einfachsten Fall (z.B. bei einem Restgasanalysator) handelt es sich bei der lonentransfereinrichtung um eine Blende. In einer komplexeren Ausführungsform weist die lonentransfereinrichtung eine lonentransferkammer auf, die beispielsweise einen lonentrichter, eine Blende, einen ersten Mehrpol zur lonenkühlung, eine weitere Blende, einen zweiten Mehrpol zur Kühlung und zum Transport incl. Filterfunktion, eine weitere Blende, einen dritten Mehrpol zur Führung der Ionen sowie eine Ionenoptik zur Einkopplung in den Analysator aufweisen kann. Alle diese durch eine jeweilige Blende getrennten Druckstufen können differentiell gepumpt werden, um den Neutralgasanteil bezogen auf den lonenanteil zu verringern. Auf diese Weise, d.h. durch differentielles Pumpen der lonentransferkammer, kann zwischen dem Druck in dem Analysebereich und dem Druck in dem Ionisierungsbereich eine Druckdifferenz erzeugt werden, die in der Größenordnung von mehr als 10⁶ liegt. Die Blendenöffnungen, welche die einzelnen Druckstufen voneinander trennen, können nicht beliebig klein sein, weil ansonsten nicht genügend Ionen durch die Blendenöffnungen hindurchtreten können bzw. man die Ionen sehr stark fokussieren müsste, was sich nach dem Austritt der Ionen aus der lonentransferkammer als ungünstig erweisen würde.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Massenspektrometer eine Pumpeinrichtung zur Erzeugung eines Drucks in dem Analysebereich und zur Erzeugung eines Drucks in dem Ionisierungsbereich auf, wobei die Pumpeinrichtung bevorzugt ausgebildet ist, den Druck in dem Ionisierungsbereich unabhängig vom Druck in dem Analysebereich einzustellen. Die Ionisierung sollte bei einem möglichst hohen Druck erfolgen, um eine hohe Sensitivität bei der Messung zu erhalten, während in dem Analysebereich ein geringer Druck günstig ist. Die (unabhängige) Einstellung des Drucks in dem Ionisierungsbereich ist günstig, da ein optimaler Gasdruck in dem Ionisierungsbereich vom zu überwachenden Prozess, beispielsweise von der Konzentration des Analyten, sowie von der Effizienz der Ionisierung des jeweiligen Analyten abhängig ist.
Die Pumpeinrichtung kann eine erste (Vakuum-)Pumpe zum Pumpen des Analysebereichs und eine zweite (Vakuum-)Pumpe zum Pumpen des Ionisierungsbereichs aufweisen, um die Einstellung des Drucks in dem Ionisierungsbereich unabhängig vom Druck in dem Analysebereich zu ermöglichen. Alternativ kann die Pumpeinrichtung eine so genannte Split-Flow-Pumpe aufweisen, d.h. eine Pumpe, die zwei oder mehr Ausgänge zur Erzeugung von zwei unterschiedlichen Gasdrücken in dem Analysebereich und in dem Ionisierungsbereich aufweist. Die Einstellung der effektiven Pumpleistung bzw. des Drucks in den beiden Bereichen kann z.B. über die Wahl der Pumpe (Pumpleistung) oder durch Geometrieanpassungen erfolgen. Statisch kann dies z.B. durch Anpassung der Pumpquerschnitts (Durchmesser der Verbindung zwischen Vakuumkammer und Pumpe) erfolgen. Eine dynamische Anpassung ist beispielsweise durch den Einsatz von Regelventilen oder Parallelschaltung von Ventilen mit unterschiedlichem Leitwert möglich.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Druck in dem Ionisierungsbereich größer als ein Druck in dem Analysebereich. Bevorzugt ist der Druck in dem Ionisierungsbereich um einen Faktor zwischen 10³ und 10⁶ größer als ein Druck in dem Analysebereich. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es günstig, die Ionisierung bei einem möglichst großen Druck durchzuführen, um eine hohe Sensitivität bei der Messung zu erhalten. Der Druck in dem Ionisierungsbereich kann beispielsweise in der Größenordnung von 1 mbar oder darüber liegen, während der Druck in dem Analysebereich beispielsweise in der Größenordnung von ca. 10^-6 mbar oder darunter liegen kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform herrscht im lonentransferbereich der lonentransfereinrichtung ein Druck, der zwischen dem Druck in dem Ionisierungsbereich und dem Druck in dem Analysebereich liegt, wobei die Pumpeinrichtung bevorzugt ausgebildet ist, den Druck in dem lonentransferbereich unabhängig von dem Druck in dem Ionisierungsbereich und dem Druck in dem Analysebereich einzustellen. Die lonentransfereinrichtung bzw. die lonentransferstufe hat neben einer ionenoptischen Funktion die zusätzliche Funktion einer vakuumseitigen Entkopplung des Analysebereichs vom Ionisierungsbereich. Der lonentransferbereich kann beispielsweise einen Druck aufweisen, der ungefähr dem Mittelwert (bezogen auf den Druckexponenten) zwischen dem Druck in dem Ionisierungsbereich und dem Druck in dem Analysebereich entspricht. Beispielsweise kann der Druck in dem lonentransferbereich bei ca. 10^-2 mbar - 10^-4 mbar liegen, wenn die Drücke in dem Ionisierungsbereich und in dem Analysebereich in der oben angegebenen Größenordnung liegen. Es ist in der Regel erforderlich, den lonentransferbereich zusätzlich (differentiell) zu pumpen; auch hier kommen bevorzugt mehrstufige Splitflowpumpen zum Einsatz, die dann z.B. eine angepasste Einlassöffnung für den Ionisierungsbereich, eine Einlassöffnung für den lonentransferbereich und eine Einlassöffnung für den Analysebereich aufweisen. Eine Einstellung der Drücke kann auch hier wie oben beschrieben erfolgen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Massenspektrometer eine steuerbare Extraktionseinrichtung zur gepulsten Extraktion des ionisierten Gases aus dem Ionisierungsbereich in den lonentransferbereich auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, weist das Massenspektrometer typischerweise eine Steuerungseinrichtung zur Synchronisation der Extraktionseinrichtung mit dem steuerbaren Einlasssystem und dem Analysator auf, um einen periodischen Betrieb des Massenspektrometers zu ermöglichen.
Bei einer Weiterbildung weist die Extraktionseinrichtung eine Elektrodenanordnung zur (gepulsten) Beschleunigung und bevorzugt zur Fokussierung (oder Defokussierung) des ionisierten Gases in Richtung auf den lonentransferbereich, insbesondere in Richtung auf die Blendenöffnung, auf. Die Elektrodenanordnung weist typischerweise mindestens zwei Elektroden, ggf. drei oder mehr Elektroden auf, zwischen denen eine Spannung angelegt werden kann, um das zu ionisierende Gas entlang einer Beschleunigungsstrecke zwischen jeweils zwei der Elektroden zu beschleunigen und ggf. zu fokussieren bzw. zu defokussieren. Die Elektroden weisen jeweils eine Öffnung auf, durch die das ionisierte Gas hindurchtreten kann. Der Durchmesser der Öffnungen in den Elektroden kann in Richtung auf den lonentransferbereich bzw. in Richtung auf die Blendenöffnung zwischen dem Ionisierungsbereich und dem lonentransferbereich abnehmen. Die Blendenöffnung und die Öffnungen der Elektroden sind typischerweise entlang einer gemeinsamen Sichtlinie (einer Geraden) angeordnet, auf der auch die weitere Blendenöffnung des Analysators sowie die Ionisierungseinrichtung angeordnet sind.
Durch die gepulste Beschleunigung des ionisierten Gases kann insbesondere innerhalb von Teilintervallen eines jeweiligen Messzeitintervalls, in dem das steuerbare Einlasssystem geöffnet ist, das ionisierte Gas gezielt aus dem lonisierungsbereich in den lonentransferbereich extrahiert werden. Dazu kann an die Elektroden eine zusätzliche Wechselspannung angelegt werden, die in der Regel im Radiofrequenzbereich (RF) liegt. Die Elektroden können zu diesem Zweck auch in einer trichterförmigen Anordnung hintereinandergeschaltet sein. Je nach Anwendung kann eine Anordnung der Elektroden entlang einer gemeinsamen Sichtlinie auch ungünstig sein, da diese ein ungehindertes Durchdringen von neutralen Teilchen und Strahlung z.B. Licht zulässt. Führt dies zu Problemen, sollte auf eine Anordnung entlang einer Sichtlinie verzichtet werden.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Massenspektrometer eine Steuerungseinrichtung zur synchronisierten Ansteuerung des steuerbaren Einlasssystems und der Extraktionseinrichtung derart, dass die Extraktionseinrichtung kein ionisiertes Gas aus dem Ionisierungsbereich extrahiert, wenn das steuerbare Einlasssystem geschlossen ist. Der Analysator kann auch bei geschlossenem Einlasssystem ein Massen-Spektrum bzw. Massen-Spektren aufnehmen, die einem Hintergrund-Signal (Rausch-Signal) des Massenspektrometers entsprechen. Die Steuerungseinrichtung synchronisiert hierbei das steuerbaren Einlasssystem, beispielsweise ein steuerbares Ventil des Einlasssystems, mit der synchronisierten Extraktionseinrichtung. Dies ist insbesondere für den Fall günstig, dass auch bei geschlossenem Einlasssystem eine Ionisierung des Gases in dem lonisierungsbereich erfolgt, d.h. wenn die Ionisierungseinrichtung kontinuierlich betrieben wird und nicht mit dem steuerbaren Einlasssystem synchronisiert ist. Wie weiter unten beschrieben wird, ist es ebenfalls möglich, dass die Ionisierungseinrichtung gepulst betrieben wird, so dass diese nur aktiv ist, wenn das steuerbare Einlasssystem geöffnet ist.
Bei einer Ausführungsform ist der Analysator ausgebildet, zur massenspektrometrischen Analyse des Gases ein in mindestens einem Messzeitintervall bei geöffnetem Einlasssystem aufgenommenes Massen-Spektrum mit einem in mindestens einem Messzeitintervall bei geschlossenem Einlasssystem aufgenommenen Massen-Spektrum zu vergleichen. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann bei geschlossenem Einlasssystem ein Hintergrund-Spektrum des Analysators aufgenommen werden und mit dem sowohl das Hintergrund-Spektrum als auch das Signal-Spektrum des zu analysierenden Gases enthaltenden Massen-Spektrum bei geöffnetem Einlasssystem verglichen werden. Durch den Vergleich kann das Signal-zu-Rauschverhältnis verbessert werden. Der Vergleich kann beispielsweise darin bestehen, das Massen-Spektrum bei geschlossenem Einlasssystem vom Massen-Spektrum bei geöffnetem Einlasssystem zu subtrahieren (oder umgekehrt). Es versteht sich, dass auch andere, komplexere Möglichkeiten für den Vergleich der Massen-Spektren bestehen als die Subtraktion.
Bei einer Ausführungsform ist der Analysator zur kontinuierlichen Analyse des ionisierten Gases ausgebildet und die Steuerungseinrichtung steuert die Extraktionseinrichtung während der gesamten Dauer eines jeweiligen Messzeitintervalls bei geöffnetem Einlasssystem zur Extraktion des Gases aus dem Ionisierungsbereich an. Bei einem kontinuierlich betriebenen Analysator kann die Aufnahme eines Massen-Spektrums kontinuierlich während der gesamten Dauer eines jeweiligen Messzeitintervalls erfolgen. Daher ist es sinnvoll, auch während der gesamten Dauer des Messzeitintervalls ionisiertes Gas aus dem Ionisierungsbereich in den Analysebereich zu transferieren, um eine möglichst große Empfindlichkeit bei der Analyse zu erreichen.
Bei einer Weiterbildung ist der Analysator zwischen einem Signalkanal bei geöffnetem Einlasssystem und einem Hintergrundkanal bei geschlossenem Einlasssystem umschaltbar und ausgebildet, zur Analyse des Gases ein resultierendes Massen-Spektrum aus einer Mehrzahl von Messzeitintervallen des Signalkanals zu bilden, ein resultierendes Massen-Spektrum aus einer Mehrzahl von Messzeitintervallen des Hintergrundkanals zu bilden sowie die resultierenden Massen-Spektren des Signalkanals und des Hintergrundkanals zur massenspektrometrischen Analyse des Gases miteinander zu vergleichen. Der kontinuierlich betriebene Analysator nimmt kontinuierlich Massen-Spektren auf bzw. akkumuliert die aufgenommenen Mess- bzw. Intensitätswerte des detektierten ionisierten Gases. Durch das Umschalten zwischen dem Signalkanal und dem Hintergrundkanal können die jeweils bei geöffnetem bzw. bei geschlossenem Einlasssystem aufgenommenen Massen-Spektren bzw. Intensitätswerte getrennt aufsummiert bzw. akkumuliert werden.
Für die Bildung eines jeweiligen resultierenden Massen-Spektrums kann beispielsweise ein (ggf. gewichteter) Mittelwert oder die Summe aus den Massen-Spektren bzw. den akkumulierten Intensitätswerten der jeweiligen Messzeitintervalle des Signalkanals bzw. des Hintergrundkanals gebildet werden. Durch die Summenbildung und den Vergleich der resultierenden Massen-Spektren kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis erhöht werden. Die Anzahl der Messzeitintervalle, aus denen das resultierende Massen-Spektrum gebildet wird, kann vorab festgelegt werden. Die Anzahl kann beispielsweise so gewählt werden, dass während des gesamten Zeitintervalls, aus dem das resultierende Massen-Spektrum gebildet wird, keine Veränderungen der Zusammensetzung des zu analysierenden Gases zu erwarten sind, d.h. die Zeitskala, auf welcher der zu analysierende Prozess abläuft, ist größer als die Zeitskala, in der das resultierende Massen-Spektrum gebildet wird. Durch die Bildung der resultierenden Massen-Spektren einer vorgegebenen Anzahl von Messzeitintervallen kann ein gleitender Mittelwert bei der Analyse realisiert werden. Alternativ kann die Anzahl der Messzeitintervalle nicht vorgegeben werden, d.h. es werden die Intensitätswerte aller Messzeitintervalle vom Beginn der Messung an aufsummiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Analysator zur gepulsten Analyse des ionisierten Gases ausgebildet und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, die Extraktionseinrichtung in einer Mehrzahl von Teilintervallen eines Messzeitintervalls bei geöffnetem Einlasssystem zur Extraktion des Gases aus dem Ionisierungsbereich anzusteuern. Wird der Analysator gepulst betrieben, kann in ein- und demselben Messzeitintervall mehrmals ionisiertes Gas aus dem Ionisierungsbereich extrahiert und dem Analysator zugeführt werden. Der Analysator integriert bzw. summiert in diesem Fall nur über die Intensitätswerte, die in dem jeweiligen Teilintervall sowie ggf. in einem nachfolgenden (weiteren) Teilintervall, in dem kein ionisiertes Gas aus dem Ionisierungsbereich extrahiert wird, bevor erneut eine Extraktion erfolgt. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn der Analysator eine zerstörungsfreie Detektion des zu analysierenden, ionisierten Gases ermöglicht, da in diesem Fall die in dem jeweiligen Teilintervall dem Analysebereich zugeführte Gasmenge ggf. auch mehrmals analysiert werden kann.
Bei einer Weiterbildung ist der Analysator ausgebildet, ein resultierendes Massen-Spektrum aus einer Mehrzahl von Teilintervallen eines Messzeitintervalls bei geöffnetem Einlasssystem zu bilden und ein resultierendes Massen-Spektrum aus einer Mehrzahl von Teilintervallen eines dem Messzeitintervall vorausgehenden oder nachfolgenden Messzeitintervalls bei geschlossenem Einlasssystem zu bilden, sowie die beiden resultierenden Massen-Spektren zur massenspektrometrischen Analyse miteinander zu vergleichen.
Aufgrund des gepulsten Betriebs des Analysators kann auch das Messzeitintervall des Hintergrundkanals in mehrere Teilintervalle unterteilt werden, in denen jeweils ein Massen-Spektrum des Hintergrundkanals aufgenommen wird. Aus den in den jeweiligen Teilintervallen des Messzeitintervalls des Hintergrundkanals aufgenommenen Massenspektren kann ein resultierendes Massen-Spektrum gebildet werden, welches der Summe bzw. dem Mittelwert der in den Teilintervallen aufgenommenen Massen-Spektren entspricht. Gleiches gilt für die in (und ggf. zusätzlich nach) den jeweiligen Teilintervallen des Messzeitintervalls bei geöffnetem Einlasssystem aufgenommenen Massen-Spektren. Bei einem gepulst betriebenen Analysator wird in diesem Beispiel somit zur Bildung eines jeweiligen resultierenden Massen-Spektrums nicht über die Massen-Spektren mehrerer Messzeitintervalle summiert bzw. ein Mittelwert gebildet, sondern über mehrere Teilintervalle ein- und desselben Messzeitintervalls. Auf diese Weise kann ebenfalls das Signal-zu-Rauschverhältnis verbessert werden.
Es versteht sich, dass die massenspektrometrische Analyse des Gases in dem Analysator auch auf andere als die weiter oben vorgeschlagene Weise erfolgen kann. Für den Fall, dass die Aufnahmegeschwindigkeit der Massen-Spektren nicht ausreichend ist, um während eines Messzeitintervalls mehrmals ein Massen-Spektrum aufzunehmen, kann auch ein gepulst betriebener Analysator auf die weiter oben im Zusammenhang mit dem kontinuierlich betriebenen Analysator beschriebene Weise betrieben werden. In jedem Fall kann durch das gepulst betriebene Einlasssystem bzw. durch die gepulste Extraktion eine für einen jeweiligen Typ von Analysator optimierte Signal-zu-Hintergrund-Differenzierung erfolgen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Analysator ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Quadrupol-Analysator, Triple-Quadrupol-Analysator, Time-of-Flight(TOF)-Analysator, insbesondere orthogonal acceleration TOF-Analysator, scannender Quadrupol-lonenfallen-Analysator, Fourier-Transformations-lonenfallen-Analysator, d.h. FT-IT(lon-trap)-Analysator. Grundsätzlich können alle gängigen Arten von Massen-Analysatoren mit dem steuerbaren Einlasssystem bzw. mit der steuerbaren lonisierungseinrichtung/Extraktionseinrichtung gekoppelt werden. Ein jeweiliger Typ von Analysator kann über eine jeweils geeignete lonentransfereinrichtung mit der Ionisierungseinrichtung gekoppelt werden, wie etwa RF-Multipole, RF-Ionentrichter, elektrostatische Linsensysteme oder Kombinationen dieser Einrichtungen. Das hier beschriebene Massenspektrometer kann modular aufgebaut werden, d.h. der Analysator, die lonentransfereinrichtung sowie die Ionisierungseinrichtung können lösbar miteinander verbunden werden.
Bei einem Quadrupol-Analysator werden typischerweise vier zylindrische Stäbe dazu genutzt, in einem Quadrupol-Feld eine Massenfilterung vorzunehmen, d.h. es werden nur Ionen mit bestimmten Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen durch den Quadrupol hindurchgelassen und gelangen zu einem nachgeschalteten Detektor. Beim so genannten triple Quadrupol-Analysator sind drei Quadrupole nacheinander angeordnet: Ein erster Quadrupol dient als Massenfilter zur Selektion einer bestimmten Art von Ionen. Ein zweiter Quadrupol dient als Kollisionskammer zur Fragmentierung der Ionen und ein dritter Quadrupol dient als weiterer Massenfilter zur Selektion eines bestimmten Ionen-Fragments. In einer weiteren Ausführung des Triple-Quadrupolmassenspektrometers dient der erste Quadrupol zum Filtern sehr großer Ionensignale, der Zweite als Massenfilter und der Dritte zum möglichst verlust- und abblildungsfehlerfreien Überführen der Ionen in den Detektor.
Bei einem Time-of-Flight-Analysator wird das Masse-zu-Ladungsverhältnis von Ionen anhand einer Messung der Flugzeit im stoßfreien Raum bestimmt. Zu diesem Zweck werden die Ionen typischerweise in einem elektrischen Feld beschleunigt und am Ende der Flugstrecke von einem Detektor detektiert. Bei einem „orthogonal acceleration“ TOF-Analysator erfolgt die Beschleunigung der Ionen senkrecht zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung der Ionen beim Eintritt in den Analysator.
Bei der klassischen Quadrupol-Ionenfalle (Paul-Falle, QIT) werden die Ionen des zu analysierenden Gases in einem Quadrupol-Feld gespeichert, welches typischerweise zwischen zwei Deckel-Elektroden und einer Ringelektrode gebildet wird. Die in der Ionenfalle gespeicherten Ionen können gezielt aus der Ionenfalle entfernt und einem Detektor zugeführt werden, der in dem Analysebereich angeordnet ist. Zu diesem Zweck kann das RF- bzw. DC-Potential zwischen den Elektroden geeignet (scannend) variiert werden, beispielsweise in der Art einer Rampe bzw. einer linearen Funktion. Hierbei können Ionen in axialer Richtung aus der Ionenfalle entfernt und einem Detektor zugeführt werden.
Bei einem FT-Ionenfallen-Analysator wird der durch die gefangenen Ionen auf den Messelektroden generierte Induktionsstrom zeitabhängig detektiert und verstärkt. Anschließend wird diese Zeitabhängigkeit z.B. über eine Frequenztransformation wie z.B. über eine (Fast-)Fourier-Transformation in den Frequenzraum überführt und die Massenabhängigkeit der Resonanzfrequenzen der Ionen genutzt, um das Frequenzspektrum in ein Massenspektrum umzuwandeln. Massenspektrometrie mittels einer Fourier-Transformation kann zur Durchführung schneller Messungen grundsätzlich mit unterschiedlichen Typen von lonenfallen durchgeführt werden, wobei die Kombination mit der so genannten Orbitrap am häufigsten ist. Orbitraps basieren auf den von Kingdon eingeführten lonenfallen. Alle beschriebenen Typen von Analysatoren können in der Regel sowohl gepulste als auch kontinuierliche Ionenströme verarbeiten; dabei ist zu beachten, dass die jeweils höchste Effizienz des Gesamtspektrometers bestehend aus Einlasssystem, Ionisierungseinrichtung, Ionentransfereinrichtung und Analysator nur dann erreicht wird, wenn kontinuierlich arbeitende Analysatoren (Quadrupol-, triple Quadrupolanalysatoren) mit kontinuierlich betriebenen Einlass-, lonisations- und Transferstufen betrieben werden und gepulst arbeitende Analysatoren (Flugzeitanalysatoren und lonenfallen) mit gepulsten Einlass-, Ionisations- und Transferstufen betrieben werden. Prinzipiell sind alle Kombinationen möglich, allerdings nur unter zum Teil drastischem Verlust der Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur massenspektrometrischen Analyse eines Gases mittels eines Massenspektrometers, insbesondere mittels eines Massenspektrometers wie weiter oben beschrieben, umfassend: Gepulstes Zuführen des zu analysierenden Gases aus einem Prozessbereich außerhalb des Massenspektrometers in einen Ionisierungsbereich, Ionisieren des zu analysierenden Gases in dem Ionisierungsbereich, bevorzugt gepulstes Extrahieren des ionisierten Gases aus dem Ionisierungsbereich in einen lonentransferbereich, Transferieren des ionisierten Gases aus dem lonentransferbereich in einen Analysebereich, sowie Detektieren des ionisierten Gases in dem Analysebereich zur massenspektrometrischen Analyse des Gases bzw. Durchführen der massenspektrometrischen Analyse des detektierten Gases. Wie weiter oben in Zusammenhang mit dem Massenspektrometer beschrieben wurde, kann durch die gepulste Gasprobenentnahme aus dem Prozessbereich die Menge von korrosivem Gas, beispielsweise von Ätzgas, reduziert werden, die mit Komponenten des Massenspektrometers in Kontakt kommt.
Bei einer Variante umfasst das Verfahren: Ansteuern des steuerbaren Einlasses und der Extraktionseinrichtung derart, dass die Extraktionseinrichtung kein ionisiertes Gas aus dem Ionisierungsbereich extrahiert, wenn das steuerbare Einlasssystem geschlossen ist. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann auf diese Weise bei geschlossenem Einlasssystem ein Massen-Spektrum bzw. mehrere Massen-Spektren aufgenommen werden, die einem Hintergrund-Signal (Rausch-Signal) des Massenspektrometers entsprechen.
Bei einer weiteren Variante wird zur massenspektrometrischen Analyse des Gases mindestens ein in mindestens einem Messzeitintervall bei geöffnetem Einlasssystem aufgenommenes Massen-Spektrum mit mindestens einem in mindestens einem Messzeitintervall bei geschlossenem Einlasssystem aufgenommenen Massen-Spektrum verglichen. Wie weiter oben in Zusammenhang mit dem Massenspektrometer beschrieben wurde, kann auf diese Weise das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Abhängig vom kontinuierlichen oder gepulsten Betrieb des Analysators kann eine Steuerung bzw. eine massenspektrometrische Analyse auf die weiter oben im Zusammenhang mit dem Massenspektrometer beschriebene Weise erfolgen:

Bei einem kontinuierlich betriebenen Analysator kann beispielsweise während der gesamten Dauer eines jeweiligen Messzeitintervalls bei geöffnetem Einlasssystem Gas aus dem lonisierungsbereich extrahiert werden. Der Analysator kann zwischen einem Signalkanal und einem Hintergrundkanal umgeschaltet werden und zur Analyse des Gases aus einer Mehrzahl von während eines jeweiligen Messzeitintervalls des Signalkanals aufgenommenen Massen-Spektren ein resultierendes Massen-Spektrum bilden, aus einer Mehrzahl von während eines jeweiligen Messzeitintervalls des Hintergrundkanals aufgenommenen Massen-Spektren ein resultierendes Massen-Spektrum bilden und die beiden resultierenden Massen-Spektren des Signalkanals und des Hintergrundkanals zur massenspektrometrischen Analyse miteinander vergleichen.

Wenn der Analysator zur gepulsten Analyse des ionisierten Gases ausgebildet ist, kann die Extraktionseinrichtung in einer Mehrzahl von Teilintervallen während eines Messzeitintervalls bei geöffnetem Einlasssystem zur Extraktion des Gases aus dem lonisierungsbereich angesteuert werden. Aus einer Mehrzahl von Teilintervallen innerhalb eines Messzeitintervalls bei geöffnetem Einlasssystem kann ein resultierendes Massen-Spektrum gebildet werden. Aus einer Mehrzahl von Teilintervallen eines dem Messzeitintervall vorausgehenden oder nachfolgenden Messzeitintervalls bei geschlossenem Einlasssystem kann ebenfalls ein resultierendes Massen-Spektrum gebildet werden. Die beiden resultierenden Massen-Spektren können zur massenspektrometrischen Analyse miteinander verglichen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt

1 eine schematische Darstellung eines Massenspektrometers, welches ein steuerbares Einlasssystem mit einem schaltbarem Ventil, eine Ionisierungseinrichtung mit einer Elektronenquelle und mit einem temperierbaren Ionisierungsraum; eine steuerbare Extraktionseinrichtung und einen Analysator umfasst,
2 eine schematische Darstellung analog zu 1 mit einer Ionisierungseinrichtung, welche eine Plasmaionisierungseinrichtung aufweist,
3 schematische Darstellungen des zeitlichen Verlaufs der Ansteuerung des gepulsten Einlasses, der Extraktionseinrichtung, sowie eines kontinuierlich betriebenen Analysators, sowie
4 schematische Darstellungen analog zu 3 bei einem gepulst betriebenen Analysator.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
In 1 ist schematisch ein Massenspektrometer 1 zur massenspektrometrischen Analyse eines Gases 2 dargestellt. Das Gas 2 weist einen korrosiven Gasbestandteil 3a in Form eines reaktiven Ätzgases und ein beim Ätzen eines Substrats gebildetes Ätzprodukt 3b auf. Das Gas 2 befindet sich in einem Prozessbereich 4 außerhalb des Massenspektrometers 1, der den Innenraum einer Prozess-Kammer 5 bildet, von der in 1 nur ein Teilbereich dargestellt ist. Das Massenspektrometer 1 ist über ein Einlasssystem 6 mit der Prozess-Kammer 5 verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise über einen Flansch gebildet werden. An Stelle eines Gases 2, welches bei einem Ätzprozess erzeugt wird, kann mittels des Massenspektrometers 1 auch ein Gas 2 analysiert werden, welches bei einem Beschichtungsprozess, bei der Reinigung der Prozess-Kammer 5, etc. gebildet wird.
Das Einlasssystem 6 ist steuerbar, d.h. das Einlasssystem 6 weist ein schnell schaltendes Ventil 7 auf, über welches das Einlasssystem 6 geöffnet oder geschlossen werden kann. Das Ventil 7 kann mit Hilfe einer Steuerungseinrichtung 8 angesteuert werden. Bei der Steuerungseinrichtung 8 kann es sich beispielsweise um eine Datenverarbeitungsanlage (Hardware, Software etc.) handeln, die geeignet programmiert ist, um die Steuerung des Einlasssystems 6 sowie weiterer Funktionen des Massenspektrometers 1 zu ermöglichen (s.u.).
Für die massenspektrometrische Analyse des Gases 2 ist es in der Regel nicht erforderlich, den korrosiven Gasbestanteil 3a, d.h. das Ätzgas, zu detektieren, da dieses dem Ätzprozess mit bekannter Konzentration zugeführt wird. Der korrosive Gasbestandteil 3a kann zudem Komponenten des Massenspektrometers 1 durch seine korrosive Wirkung schädigen. Um dies zu verhindern, weist das steuerbare Einlasssystem 6 eine Filtereinrichtung zur Filterung des korrosiven Gasbestandteils 3a auf, die im gezeigten Beispiel in Form eines rohrförmigen Bauteils, z.B. eines Edelstahl-Wellschlauchs 9, ausgebildet ist. Der Wellschlauch 9 weist eine vergleichsweise große Oberfläche in Bezug auf das Volumen auf und ermöglicht es daher, dass das Gas 2 entlang einer großen Oberfläche mit dem Material des Wellschlauchs 9 reagieren kann.
Der Wellschlauch 9 ist lösbar, z.B. über eine Schraubverbindung, mit dem Massenspektrometer 1 verbunden, so dass dieser leicht und kostengünstig ausgetauscht werden kann. Durch die Reaktion des korrosiven Gasbestandteils 3a mit dem Wellschlauchmaterial 9 werden nachfolgende Komponenten des Massenspektrometers 1, die nicht so leicht ausgetauscht werden können wie der Wellschlauch 9, vor der Wirkung des korrosiven Gasbestandteils 3a geschützt. Das Material des Wellschlauchs 9 dient somit als Opfer-Material.
Bei dem korrosiven Gasbestandteil 3a kann es sich beispielsweise um folgende Gase handeln:

Hauptgruppe VII: Halogene (z.B. F₂, Cl₂, Br₂), Interhalogene (z.B. FCl, ClF₃), Halogenolefine (z.B. CF₄), Halogenwasserstoffe (z.B. HF, HCl, HBr). Hauptgruppe VI: Halogensauerstoffsäuren (z.B. HOCI, HClOx), Chalkohalogenide (z.B. SF₆). Hauptgruppe V: Oxihalogenide (z.B. POCl₃), Hydride (PH₃, AsH₃), Halogenide (z.B. NF₃, PCl₃). Hauptgruppe IV: Hydride (z.B. Silane, Si_nH_m), Halogenide (z.B. SiF₄, SiCl₄). Hauptgruppe III: Hydride (z.B. Borane B_nH_m), Halogenide (z.B. BCl₃).

Das rohrförmige Bauteil in Form des Wellschlauchs 9 kann neben der Filterwirkung für den korrosiven Gasbestandteil 3a auch ausgebildet sein, die Zersetzung oder Kondensation des eigentlich interessierenden Gasbestandteils 3b, hier in Form des Ätzprodukts, zu reduzieren. Zu diesem Zweck weist der Wellschlauch 9 an seiner Innenseite eine Beschichtung 9a auf. Das Material der Beschichtung 9a ist von dem zu analysierenden Gasbestandteil 3b abhängig. Für unterschiedliche Arten von Ätzprodukten bzw. für unterschiedliche Arten von Ätzprozessen können unterschiedliche Arten von Materialien für die Beschichtung 9a verwendet werden. Es können unterschiedliche Arten von Wellschläuchen 9 mit einer jeweils angepassten Beschichtung 9a vorgehalten werden, wobei in Abhängigkeit von dem jeweils zu analysierenden Gasbestandteil 3b ein jeweils angepasster Wellschlauch 9 in das Massenspektrometer 1 eingebracht wird. Dem Wellschlauch 9 ist eine Temperiereinrichtung 10 in Form eines Heizelements zugeordnet, welche den Wellschlauch 9 auf eine für den Durchtritt des Gases 2 bzw. des zu analysierenden Gasbestandteils 3b geeignete Temperatur aufheizt. Die Temperiereinrichtung 10 steht mit der Steuerungseinrichtung 8 in Verbindung, um die Temperatur des Wellschlauchs 9 angepasst an die Art des zu analysierenden Gasbestandteils 3b zu wählen.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist das schaltbare Ventil 7 als 3-Wege-Ventil ausgebildet, d.h. diesem kann über einen weiteren Einlass ein Trägergas 3c zugeführt werden. Die Steuerungseinrichtung 8 ist konfiguriert, das 3-Wege-Ventil 7 zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umzuschalten. In dem ersten Schaltzustand wird dem Ionisierungsbereich 11 das zu analysierende Gas 2 zugeführt, während in dem zweiten Schaltzustand dem Ionisierungsbereich 11 das Trägergas 3c zugeführt wird. Das Trägergas 3c wird zu diesem Zweck dem schaltbaren Ventil 7 über eine weitere Zuführungsleitung zugeführt, und zwar in den Pulspausen, in denen dem Ionisierungsbereich 11 kein zu analysierendes Gas 2 zugeführt wird. Dem Ionisierungsbereich 11 werden das zu analysierende Gas 2 und das Trägergas 3c somit alternierend zugeführt. Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt der verwendeten Ionisierungseinrichtung (s.u.) konstant gehalten werden. Zudem kann das Trägergas 3c eine positive, spülende Wirkung in dem Ionisierungsbereich 11 erzeugen. Als Trägergas 3c kann beispielsweise ein Inertgas verwendet werden.
Über das steuerbaren Einlasssystem 6 mit dem rohrförmigen Bauteil 9 in Form des Wellschlauchs gelangt das Gas 2, idealer Weise nur der zu analysierende Gasbestandteil 3b, in einen Ionisierungsbereich 11, der den Innenraum einer Ionisierungs-Kammer 12 des Massenspektrometers 1 bildet. Der Wellschlauch 9 endet in einem schematisch angedeuteten, zu zwei Seiten hin offenen temperierbaren Ionisierungsraum 13 (Behälter), der Teil einer Ionisierungseinrichtung 14 ist, die zur Ionisierung des Gases 2 in dem Ionisierungsbereich 11 dient. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel weist die Ionisierungseinrichtung 14 eine Elektronenquelle 14 mit einem Filament (Glühdraht) 15 auf. Die Ionisierungseinrichtung 14 steht mit der Steuerungseinrichtung 8 in signaltechnischer Verbindung, um eine nicht bildlich dargestellte Ablenkeinrichtung, beispielsweise eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, anzusteuern, um einen aus dem Filament 15 austretenden Elektronenstrahl 14a zeitweise abzulenken, so dass dieser nicht durch eine Öffnung 17 in einer den Filament 15 umgebenden Abschirmung 16 in den Behälter 13 austreten kann, um das Gas 2 zu ionisieren. Die Elektronenquelle 14 kann somit gepulst betrieben werden, d.h. es wird nur dann ein Elektronenstrahl 14a in den Ionisierungsbereich 11 eingestrahlt, wenn dies für die massenspektrometrische Analyse des Gases 2 sinnvoll ist, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Die Abschirmung 16 des Filaments 15 ist im gezeigten Beispiel als Wärmesenke ausgebildet, d.h. diese ist aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten gebildet, beispielsweise aus Kupfer, Messing, Aluminium oder Edelstahl (jeweils ggf. mit einer Beschichtung), um Wärme aus der Umgebung des Filaments 15 abzuführen. Die Wärmesenke 16 bzw. die Abschirmung ermöglicht es zudem, die Umgebung des Filaments 15 von dem lonisierungsbereich 11 zu trennen, d.h. diese steht nur über die Öffnung 17 mit dem Ionisierungsbereich 11 in Verbindung. Durch die Wärmesenke 16 wird ermöglicht, dass der temperierbare lonisierungsraum 13 bzw. der Ionisierungs-Behälter auch bei eingeschalteter Elektronenquelle 14 auf einer gewünschten Temperatur T bzw. in einem gewünschten Temperaturintervall gehalten wird. Die Temperatur T bzw. der Temperaturbereich in dem temperierbaren Ionisierungsraum 13 können beispielsweise bei weniger als ca. 100°C liegen, es sind aber auch höhere Temperaturen möglich. Für die Temperierung weist die Ionisierungseinrichtung 14 typischerweise eine nicht bildlich dargestellte Heiz- und/oder Kühleinrichtung auf.
Die Wärmesenke bzw. die Abschirmung 16 ist vorteilhaft, wenn das Filament 15 mit Hilfe einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Austauscheinrichtung 18 idealerweise automatisiert ausgetauscht werden soll. Für den Austausch des Filaments 15 kann die Austauscheinrichtung 18 eine Transporteinrichtung zum Transport des Filaments 15 an eine Austauschposition aufweisen, an welcher das Filament 15 automatisiert oder ggf. manuell ausgetauscht werden kann. Um beim Austausch des Filaments 15 das Vakuum bzw. den Unterdruck in dem Massenspektrometer 1 nicht zu brechen, kann die Austauscheinrichtung 18 eine Schleuse aufweisen. Gegebenenfalls kann eine Blende als Schleuse dienen, welche die Öffnung 17 in der Wärmesenke 16 verschließt, so dass der Innenraum der Wärmesenke 16 nicht mehr mit dem Ionisierungsbereich 11 in Verbindung steht. Alternativ kann ggf. die gesamte Elektronenquelle 14 inklusive Wärmesenke 16 ausgetauscht werden, wenn diese eine lösbare Komponente des Massenspektrometers 1 darstellt.
Wie in 1 ebenfalls zu erkennen ist, weist das Massenspektrometer 1 auch eine steuerbare Extraktionseinrichtung 19 zur gepulsten Extraktion des ionisierten Gases 2a aus dem Ionisierungsbereich 11 in einen lonentransferbereich 20 einer lonentransfereinrichtung 21 auf, der in einer lonentransfer-Kammer 22 gebildet ist. Die Extraktionseinrichtung 19 weist im gezeigten Beispiel eine Elektrodenanordnung mit drei Elektroden 23a-c zur gepulsten Beschleunigung und ggf. Fokussierung des ionisierten Gases 2a in Richtung auf den lonentransferbereich 20 auf. Die Extraktionseinrichtung 19 bzw. die drei Elektroden 23a-c stehen mit der Steuerungseinrichtung 8 in signaltechnischer Verbindung, um an die Elektroden 23a-c ein gewünschtes Potential anzulegen und auf diese Weise eine gewünschte Beschleunigungsspannung zwischen benachbarten Elektroden 23a-c zu erzeugen, um das ionisierte Gas 2a mit einer geeigneten (vom Masse-zu-Ladungsverhältnis abhängigen) Beschleunigung (gepulst) aus dem Ionisierungsbereich 11 in den lonentransferbereich 20 zu extrahieren.
Für den Durchtritt des ionisierten Gases 2a weisen die Elektroden 23a-c jeweils eine zentrische Blendenöffnung auf. Der Durchmesser der jeweiligen Öffnungen in den Elektroden 23a-c nimmt in Richtung auf den lonentransferbereich 20 ab, um das ionisierte Gas 2a auf eine Blendenöffnung 24 in einer Kammerwand zu konzentrieren, die zwischen der lonentransfer-Kammer 22 und der lonisierungs-Kammer 12 gebildet ist. Die lonentransfereinrichtung 21 weist eine nicht bildlich dargestellte Ionenoptik auf, um das ionisierte Gas 2a möglichst berührungsfrei in einen Analysebereich 25 eines Analysators 26 zu transferieren. Der lonentransferbereich 20 ist mit dem Analysebereich 25, genauer gesagt mit einer Wand einer Analyse-Kammer 27, über eine weitere Blendenöffnung 28 verbunden.
Die Blendenöffnung 24, die weitere Blendenöffnung 28 und die Öffnungen in den Elektroden 23a-c, genauer gesagt deren jeweilige Mittelpunkte, liegen auf einer Sichtlinie 29 (d.h. auf einer Geraden).
Das Massenspektrometer 1 umfasst eine Pumpeinrichtung in Form von mindestens zwei, im gezeigten Beispiel drei Vakuum-Pumpen 30a,b,c, die unabhängig voneinander mittels der Steuerungseinrichtung 8 angesteuert werden können. Alternativ kann die Pumpeinrichtung als mehrstufige Splitflowpumpe ausgebildet sein. Auf diese Weise kann ein Druck p_I in dem Ionisierungsbereich 11 unabhängig von einem Druck p_A in dem Analysebereich 25 eingestellt werden. Dies ist günstig, da insbesondere der Druck p_I in dem Ionisierungsbereich 11 abhängig vom zu analysierenden Gas 2 und somit von dem mittels des Massenspektrometers 1 zu überwachenden Prozess festgelegt werden sollte. Die lonentransfereinrichtung 21 wird im gezeigten Beispiel ebenfalls durch eine Vakuum-Pumpe 30c differentiell gepumpt. Auf diese Weise bildet sich in dem lonentransferbereich 20 ein statischer Druck p_T aus, der zwischen dem Druck p_A in dem Analysebereich 25 und dem Druck p_I in dem Ionisierungsbereich 11 liegt. Somit werden die Neutralen im Ionentransferbereich 20 möglichst effizient abgepumpt und das ionisierte Gas 2a möglichst verlustfrei in den Analysebereich 25 überführt.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Druck p_A in dem Analysebereich 25 und der Druck p_I in dem Ionisierungsbereich 11 eine große Druckdifferenz aufweisen. Der Druck p_I in dem Ionisierungsbereich 11 kann beispielsweise - abhängig von der gewählten Ionisierungsmethode - um einen Faktor, der zwischen 10³ und 10⁶ liegt, größer sein als der Druck p_A in dem Analysebereich 25. Der Druck p_I in dem Ionisierungsbereich 11 kann um einen Faktor von 10², ggf. von 10³, kleiner sein als ein Druck pu in dem Prozessbereich 4 in der Prozess-Kammer 5. Beispielsweise kann der Druck pu in dem Prozessbereich 4 bei ca. 1000 mbar liegen, der Druck pi in dem Ionisierungsbereich 11 bei ca. 1 mbar, der Druck p_T in dem lonentransferbereich 20 bei ca. 10^-3 mbar und der Druck p_A in dem Analysebereich 25 kann bei ca. 10^-6 mbar oder darunter liegen. Um diese Druckdifferenzen aufrecht erhalten zu können und um die Blendenöffnungen zwischen den Druckstufen, beispielsweise die Blendenöffnung 24 zwischen dem Ionisierungsbereich 11 und der lonentransferkammer 22 bzw. die weitere Blendenöffnung 24 zwischen der lonentransferkammer 22 und dem Analysebereich 25, möglichst groß und damit möglichst transparent für Ionen machen zu können, wird die lonentransfereinrichtung 21, genauer gesagt die lonentransferkammer 22, in den meisten Fällen gepumpt. Insbesondere können in der Ionentransferkammer 22 Felderzeugungseinrichtungen, z.B. in Form von Multipolen, angeordnet sein, um die Ionen möglichst verlustfrei in den Analysebereich 25 zu transportieren und neutrale Teilchen möglichst effizient abzupumpen, so dass diese nicht in den Analysebereich 25 gelangen.
Das in 1 gezeigte Massenspektrometer 1 weist eine zusätzliche Gaszuführung 31 für die kontinuierliche oder gepulste Zuführung von Cl-Gas 32 aus einem Gas-Reservoir 33 in den Ionisierungsbereich 11, genauer gesagt in den temperierbaren Ionisierungsraum 13, auf. Das Gas-Reservoir 33 steht beispielhaft für eine Einrichtung zur Bereitstellung des Cl-Gases 32, wobei eine Zuführung z.B. über eine Leitung ebenso möglich ist. Die zusätzliche Gaszuführung 31 weist ein weiteres Ventil 34 zur Steuerung des Zuflusses des Cl-Gases 32 auf und wird über die Steuerungseinrichtung 8 gesteuert. Das Cl-Gas 32 dient zur gezielten chemischen Ionisation in dem temperierbaren Ionisierungsraum 13. In diesem Fall erfolgt die Ionisierung nicht direkt durch den Elektronenstrahl 14a, sondern es wird zunächst das Cl-Gas 32 durch den Elektronenstrahl 14a ionisiert und dann werden - ggf. zeitlich versetzt - die Ladungen von dem Cl-Gas 32 auf den zu analysierenden Gasbestandteil 3b übertragen.
2 zeigt ein Massenspektrometer 1, welches wie das in 1 gezeigte Massenspektrometer 1 ausgebildet ist und sich lediglich in der Art der Ionisierungseinrichtung 14 unterscheidet: Die Ionisierungseinrichtung 14 weist eine Plasmaionisierungseinrichtung 35 zur Erzeugung von Ionen 36a und/oder von metastabilen Teilchen 36b eines lonisierungsgases 37 auf. Das Ionisierungsgas 37, bei dem es sich beispielsweise um ein Edelgas, z.B. um Helium, handeln kann, ist in einem Gas-Reservoir 38 gespeichert und kann über einen steuerbaren Gaseinlass 39 der Plasmaionisierungseinrichtung 35 zugeführt werden. Die Ionen 36a und die metastabilen Teilchen 36b des Ionisierungsgases 37 treten aus der Plasmaionisierungseinrichtung 35 aus und in den Ionisierungsbereich 11 ein, um das zu analysierende Gas 2 durch Stoßionisation und/oder durch LadungsaustauschIonisation zu ionisieren. Auch die in 2 gezeigte Ionisierungseinrichtung 14 kann gepulst betrieben werden, indem der steuerbare Gaseinlass 39 mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 8 geöffnet oder geschlossen wird, wobei der steuerbare Gaseinlass 39 typischerweise nur geöffnet wird, wenn auch das Einlasssystem 6 zur Zuführung des zu ionisierenden Gases 2 in den Ionisierungsbereich 11 geöffnet ist.
Bei der in 2 gezeigten Ionisierungseinrichtung 14 werden die Ionen 36a und die metastabilen Teilchen 36b des Ionisierungsgases 37 in einen Reaktionsraum 40 überführt, in dem ein Druck herrscht, der zwischen dem Druck in der Plasmaionisierungseinrichtung 31 und dem Druck in dem Ionisierungsraum 13 liegt. Dem Reaktionsraum 40 wird ein Reaktandgas, z.B. Wasserstoff, zugeführt. Der Gasfluss in den Reaktionsraum 40 sowie die jeweiligen Eintritts- und Austrittsblendendurchmesser legen den Druck in dem Reaktionsraum 40 fest. Das Reaktandgas wird vom Ionisierungsgas 37 durch Stoßionisation und/oder Ladungsaustausch in Reaktandionen überführt, z.B. in H₃ ⁺. Diese gelangen über die Austrittsblende des Reaktionsraums 40 in den Ionisierungsraum 13 innerhalb des Ionisierungsbereichs 11, wo sie durch chemische Ionisation die Analytionen, z.B. [M+H]⁺, des Analyten M erzeugen.
Der Analysator 26, der zur Detektion des ionisierten Gases 2a bzw. von Bestandteilen des ionisierten Gases 2a dient, kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein: Beispielsweise kann es sich um einen Quadrupol-Analysator, einen Triple-Quadrupol-Analysator, einen Time-of-Flight(TOF)-Analysator, z.B. einen orthogonal acceleration TOF-Analysator, einen scannenden Quadrupol-Ionenfallen-Analysator, einen Fourier-Transformations-Ionenfallen-Analysator, beispielsweise einen FT-IT)-(ion trap) Analysator oder um eine andere Art von herkömmlichem Analysator 26 handeln.
3 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Ansteuerung des gepulsten Einlasses 6 („A“ in 3 oben), der Extraktionseinrichtung 19 („B“ in 3 in der Mitte), sowie eines kontinuierlich betriebenen Analysators 26 („C“ in 3 unten). Der Analysator 26 wird hierbei mittels der Steuerungseinrichtung 8 mit dem gepulsten Einlasssystem 6 und der Extraktionseinrichtung 19 synchronisiert. Wie in 3 oben zu erkennen ist, wird das steuerbare Einlasssystem 6 periodisch zwischen einem geöffneten Schaltzustand (oberer Signalpegel in 3 oben) während erster Messzeitintervalle M1 (Dauer Δt_M1 ) und einem geschlossenen Schaltzustand (unterer Signalpegel in 3 oben) während zweiter Messzeitintervalle M2 (Dauer Δt_M2 ) umgeschaltet. Die Dauer der ersten und zweiten Messzeitintervalle M1, M2 kann gleich oder unterschiedlich gewählt werden, wobei die Dauer Δt_M1 , Δt_M2 der Messzeitintervalle M1, M2 typischerweise in der Größenordnung von Mikrosekunden bis Sekunden liegt.
Die Extraktionseinrichtung 19 wird synchronisiert mit dem steuerbaren Einlasssystem 6 angesteuert, d.h. diese wird ebenfalls während der Dauer Δt_M1 eines jeweiligen ersten Messzeitintervalls M1 aktiviert (oberer Signalpegel in 3 Mitte) und während der Dauer Δt_M2 eines jeweiligen zweiten Messzeitintervalls M2 (unterer Signalpegel in 3 Mitte) ausgeschaltet. Dem Analysebereich 25 wird somit kein ionisiertes Gas 2a aus dem Ionisierungsbereich 11 zugeführt, wenn das steuerbare Einlasssystem 6 geschlossen ist. Bei geöffnetem Einlasssystem 6 wird hingegen während der gesamten Dauer Δt_M1 eines jeweiligen ersten Messzeitintervalls M1 ionisiertes Gas 2a aus dem Ionisierungsbereich 11 entnommen bzw. extrahiert und dem Analysebereich 25 zugeführt.
Wie in 3 unten zu erkennen ist, wird der Analysator 26 periodisch zwischen einem ersten Messkanal K1 (Signalkanal) mit ersten Messzeitintervallen M1 und einem zweiten Messkanal K2 (Hintergrundkanal) mit zweiten Messzeitintervallen M2 umgeschaltet, und zwar zeitgleich mit der Umschaltung des steuerbaren Einlasses 6 und der Extraktionseinrichtung 19. Bei dem kontinuierlich betriebenen Analysator 26 wird ein resultierendes Massen-Spektrum MS1 aus Mess-Signalen bzw. Massen-Spektren einer vorgegebenen Anzahl von ersten Messzeitintervallen M1 gebildet. Entsprechend wird ein resultierendes Massen-Spektrum MS2 aus Mess-Signalen bzw. Massen-Spektren einer vorgegebenen Anzahl von zweiten Messzeitintervallen M2 gebildet. Die resultierenden Massen-Spektren MS1, MS2 stellen die Summe der in den jeweiligen Messzeitintervallen M1, M2 kontinuierlich aufgenommenen Mess-Signale dar. Im gezeigten Beispiel wird das resultierende Massen-Spektrum MS1, MS2 aus jeweils zwei Messzeitintervallen M1, M2 des Signalkanals K1 bzw. des Hintergrundkanals K2 gebildet, es versteht sich aber, dass die Anzahl der Messzeitintervalle M1, M2, die für die Summenbildung verwendet werden, in der Regel größer ist und abhängig von der Geschwindigkeit des in der Prozess-Kammer 5 durchgeführten Prozesses festgelegt wird. Gegebenenfalls kann die Summenbildung auch über alle Messzeitintervalle M1, M2 von Beginn der Messung an erfolgen. Zur Bildung der resultierenden Massen-Spektren MS1, MS2 kann an Stelle einer Summenbildung auch ein - ggf. gewichteter - Mittelwert aus den in den jeweiligen Messzeitintervallen M1, M2 aufgenommenen Messwerten gebildet werden.
Zur massenspektrometrischen Analyse des Gases 2 wird das in dem Signalkanal K1 aufgenommene resultierende Massen-Spektrum MS1 mit dem in dem Hintergrundkanal K2 aufgenommenen resultierenden Massen-Spektrum MS2 verglichen, genauer gesagt wird das in dem Hintergrundkanal K2 aufgenommene Massen-Spektrum MS2, welches auf Hintergrundrauschen zurückzuführen ist, von dem in dem Signalkanal K1 aufgenommenen Massen-Spektrum MS1 subtrahiert. Das in dem Signalkanal K1 aufgenommene Massen-Spektrum MS1 weist einen Signalanteil auf, der den Masse-zu-Ladungs-Verhältnissen von in dem zu analysierenden Gas 2 enthaltenen ionisierten Gasbestandteilen entspricht, sowie einen Rauschanteil, der bei der Darstellung von 3 zur Vereinfachung nicht dargestellt ist. Im einfachsten Fall wird bei dem Vergleich das Massen-Spektrum MS2 des Hintergrundkanals K2 vom Massen-Spektrum MS1 des Signalkanals K1 subtrahiert, um das Masse-zu-Ladungsverhältnis zu verbessern. Es versteht sich, dass der Vergleich zwischen den beiden Massen-Spektren MS1, MS2 nicht auf eine bloße Subtraktion beschränkt bleiben muss, sondern ggf. komplexere Verknüpfungen zwischen den beiden Massen-Spektren MS1, MS2 durchgeführt werden können, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
4 zeigt analog zu 3 den zeitlichen Verlauf der Ansteuerung des gepulsten Einlasses 6 („A“ in 4 oben), der Extraktionseinrichtung 19 („B“ in 4 in der Mitte), sowie eines gepulst betriebenen Analysators 26 („C“ in 4 unten). Der Analysator 26 wird hierbei ebenfalls mittels der Steuerungseinrichtung 8 mit dem gepulsten Einlasssystem 6 und der Extraktionseinrichtung 19 synchronisiert. Wie in 4 oben zu erkennen ist, wird das steuerbare Einlasssystem 6 periodisch zwischen einem geöffneten Schaltzustand (oberer Signalpegel in 4 oben) während erster Messzeitintervalle M1 (Dauer Δt_M1 ) und einem geschlossenen Schaltzustand (unterer Signalpegel in 4 oben) während zweiter Messzeitintervalle M2 (Dauer Δt_M2 ) umgeschaltet.
Die Extraktionseinrichtung 19 wird synchronisiert mit dem steuerbaren Einlasssystem 6 angesteuert, d.h. diese wird allerdings lediglich während der Dauer Δt_T1 eines jeweiligen ersten Teilintervalls T1 eines ersten Messzeitintervalls M1 aktiviert (oberer Signalpegel in 4 Mitte), während die Extraktionseinrichtung 19 während der Dauer Δt_T2 eines jeweiligen zweiten Teilintervalls T2 eines jeweiligen ersten Messzeitintervalls M1 inaktiv ist, so dass kein ionisiertes Gas 2a aus dem Ionisierungsbereich 11 in den Analysebereich 25 eintreten kann. Die Anzahl der ersten/zweiten Teilintervalle T1, T2 eines jeweiligen ersten Messzeitintervalls M1 kann abhängig von der Geschwindigkeit des Analysators 26 variieren und z.B. bei zehn oder mehr liegen. Wie in 3 wird auch in 4 dem Analysebereich 25 kein ionisiertes Gas 2a zugeführt, wenn das steuerbare Einlasssystem 6 während eines entsprechenden zweiten Messzeitintervalls M2 geschlossen ist.
Im gepulsten Betrieb nimmt der Analysator 26 jeweils während der Dauer Δt_T1 eines jeweiligen ersten Teilintervalls T1, in dem das ionisierte Gas 2 in den Analysebereich 25 transferiert wird, sowie während der Dauer Δt_T2 eines sich anschließenden zweiten Teilintervalls T2 jeweils ein Massen-Spektrum auf. Aus den in den jeweiligen Teilintervallen T1, T2 aufgenommenen Massen-Spektren des ersten Messzeitintervalls M1 wird ein resultierendes Massen-Spektrum MS1 durch Summen- oder Mittelwertbildung gebildet, welches in 4 links unten dargestellt ist. Während der Dauer Δt_T entsprechender Teilintervalle T eines zweiten, auf das erste folgenden Messzeitintervalls M2 wird ebenfalls eine Anzahl von Massen-Spektren bzw. eine Signal-Intensität aufgenommen und über die Anzahl der Teilintervalle T des zweiten Messzeitintervalls M2 aufsummiert oder gemittelt, um ein resultierendes Massen-Spektrum MS2 zu bilden. Die ersten Messzeitintervalle M1 bilden somit einen Signalkanal K1 und die zweiten Messzeitintervalle M2 einen Hintergrundkanal K2 des Analysators 26.
Wie weiter oben in Zusammenhang mit 3 beschrieben wurde, können das resultierende Massen-Spektrum MS1 des ersten Messzeitintervalls M1 und das resultierende Massen-Spektrum MS2 des zweiten Messzeitintervalls M2 miteinander verglichen werden, beispielsweise indem die beiden resultierenden Massen-Spektren MS1, MS2 voneinander subtrahiert werden. Auf diese Weise kann auch bei dem in 4 gezeigten gepulsten Betrieb des Analysators 26 das Masse-zu-LadungsVerhältnis verbessert werden. In der Regel ist es nur sinnvoll, die Massen-Spektren MS1, MS2 benachbarter erster und zweiter Messzeitintervalle M1, M2 miteinander zu vergleichen. An Stelle des nachfolgenden zweiten Messzeitintervalls M2 wäre es daher auch möglich, das dem jeweiligen ersten Messzeitintervall M1 vorausgehende zweite Messzeitintervall M2 für die Durchführung des Vergleichs zu verwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/104583 A2 [0003, 0004]
WO 2014/118122 A2 [0008, 0033]
WO 2015/003819 A1 [0009]
DE 102014226038 A1 [0010]
WO 2016/096457 A1 [0013, 0033]

Claims

Massenspektrometer (1) zur massenspektrometrischen Analyse eines Gases (2), umfassend: ein steuerbares Einlasssystem (6) zum gepulsten Zuführen des zu analysierenden Gases (2) aus einem Prozessbereich (4) außerhalb des Massenspektrometers (1) in einen Ionisierungsbereich (11), eine Ionisierungseinrichtung (14) zur Ionisierung des zu analysierenden Gases (2) in dem Ionisierungsbereich (11), eine Ionentransfereinrichtung (21) zum Transferieren des ionisierten Gases (2a) von dem lonisierungsbereich (11) über einen lonentransferbereich (20) in einen Analysebereich (25), und einen Analysator (26) zur Detektion des ionisierten Gases (2a) in dem Analysebereich (25).
Massenspektrometer nach Anspruch 1, bei dem das Einlasssystem (6) ein rohrförmiges, bevorzugt temperierbares, austauschbares und/oder beschichtetes Bauteil (9) zur Zuführung des zu analysierenden Gases (2) in den Ionisierungsbereich (11) aufweist.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Einlasssystem (6) eine Filtereinrichtung, bevorzugt ein rohrförmiges Bauteil in Form eines Wellschlauchs (9), insbesondere aus Edelstahl, zur Filterung mindestens eines in dem zu analysierenden Gas (2) enthaltenen korrosiven Gasbestandteils, insbesondere zur Filterung eines Ätzgases (3a), aufweist.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Einlasssystem (6) ein steuerbares Bauteil, insbesondere ein steuerbares Ventil (7), aufweist, welches bevorzugt zwischen einem ersten Schaltzustand zum gepulsten Zuführen des zu analysierenden Gases (2) in den Ionisierungsbereich (11) und einem zweiten Schaltzustand zum gepulsten Zuführen eines Trägergases (3c) in den Ionisierungsbereich (11) umschaltbar ist.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ionisierungseinrichtung eine insbesondere gepulst betreibbare Elektronenquelle (14) zur Ionisierung des zu analysierenden Gases (2) in dem Ionisierungsbereich (11) aufweist.
Massenspektrometer nach Anspruch 5, bei dem die Elektronenquelle (14) von einer Wärmesenke (16) umgeben ist, die eine Öffnung (17) zum Austritt eines Elektronenstrahls (14a) aufweist.
Massenspektrometer nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher das Massenspektrometer (1) ausgebildet ist, in einem temperierbaren Ionisierungsraum (13) der Ionisierungseinrichtung beim Betrieb der Elektronenquelle (14) eine Temperatur von weniger als 100°C aufrechtzuerhalten.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die Elektronenquelle (14) eine Austauscheinrichtung (18) zum insbesondere automatisierten Austausch eines Filaments (15) der Elektronenquelle (14) aufweist oder bei dem die Elektronenquelle (14) lösbar an dem Massenspektrometer (1) angebracht ist.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ionisierungseinrichtung eine Plasmaionisierungseinrichtung (31) zur Erzeugung von Ionen (32a) und/oder von metastabilen Teilchen (32b) eines Ionisierungsgases (33) aufweist.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ionisierungseinrichtung (14) eine Gaszuführung (31) zur gepulsten oder kontinuierlichen Zugabe von Cl-Gas (32) in den lonisierungsbereich (11) der Ionisierungseinrichtung (14) aufweist.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die lonentransfereinrichtung (21) eine lonentransferkammer (22) aufweist, in welcher der lonentransferbereich (20) gebildet ist, wobei die lonentransferkammer (22) über eine Blendenöffnung (24) mit dem Ionisierungsbereich (11) und bevorzugt über eine weitere Blendenöffnung (28) mit dem Analysebereich (25) verbunden ist.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Pumpeinrichtung (30a,b,c) zur Erzeugung eines Drucks (p_A) in dem Analysebereich (25) und zur Erzeugung eines Drucks (p_I) in dem Ionisierungsbereich (11), wobei die Pumpeinrichtung (30a,b) bevorzugt ausgebildet ist, den Druck (p_I) in dem Ionisierungsbereich (11) unabhängig vom Druck (p_A) in dem Analysebereich (25) einzustellen.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Druck (p_I) in dem Ionisierungsbereich (11) größer ist, bevorzugt um einen Faktor zwischen 10³ und 10⁶ größer ist, als ein Druck (p_A) in dem Analysebereich (25).
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem lonentransferbereich (20) der lonentransfereinrichtung (21) ein Druck (p_T) herrscht, der zwischen dem Druck (p_I) in dem Ionisierungsbereich (11) und dem Druck (p_A) in dem Analysebereich (25) liegt, wobei die Pumpeinrichtung (30a,b,c) bevorzugt ausgebildet ist, den Druck (p_I) in dem lonentransferbereich (20) unabhängig vom Druck (p_I) in dem Ionisierungsbereich (11) und vom Druck (p_A) in dem Analysebereich (25) einzustellen.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine steuerbare Extraktionseinrichtung (19) zur gepulsten Extraktion des ionisierten Gases (2a) aus dem Ionisierungsbereich (11) in den lonentransferbereich (20).
Massenspektrometer nach Anspruch 15, bei dem die Extraktionseinrichtung (19) eine Elektrodenanordnung (23a-c) zur Beschleunigung und bevorzugt zur Fokussierung des ionisierten Gases (2a) in Richtung auf den lonentransferbereich (20), insbesondere in Richtung auf die Blendenöffnung (24), aufweist.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 15 oder 16, weiter umfassend: eine Steuerungseinrichtung (8) zur synchronisierten Ansteuerung des steuerbaren Einlasssystems (6) und der Extraktionseinrichtung (19) derart, dass die Extraktionseinrichtung (19) kein ionisiertes Gas (2a) aus dem Ionisierungsbereich (11) extrahiert, wenn das Einlasssystem (6) geschlossen ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 17, bei welchem der Analysator (26) ausgebildet ist, zur massenspektrometrischen Analyse des Gases (2) ein in mindestens einem Messzeitintervall (M1) bei geöffnetem Einlasssystem (6) aufgenommenes Massen-Spektrum (MS1) mit einem in mindestens einem Messzeitintervall (M2) bei geschlossenem Einlasssystem (6) aufgenommenen Massen-Spektrum (MS2) zu vergleichen.
Massenspektrometer nach Anspruch 17 oder 18, bei dem der Analysator (26) zur kontinuierlichen Analyse des ionisierten Gases (2a) ausgebildet ist und bei dem die Steuerungseinrichtung (8) die Extraktionseinrichtung (19) während der gesamten Dauer (Δt_M1) eines jeweiligen Messzeitintervalls (M1) bei geöffnetem Einlasssystem (6) zur Extraktion des ionisierten Gases (2a) aus dem Ionisierungsbereich (11) ansteuert.
Massenspektrometer nach Anspruch 19, bei dem der Analysator (26) zwischen einem Signalkanal (K1) und einem Hintergrundkanal (K2) umschaltbar und ausgebildet ist, zur Analyse des Gases (2) ein resultierendes Massen-Spektrum (MS1) aus einer Anzahl von Messzeitintervallen (M1) des Signalkanals (K1) zu bilden und ein resultierendes Massen-Spektrum (MS2) aus einer Anzahl von Messzeitintervallen (M2) des Hintergrundkanals (K2) zu bilden sowie die beiden resultierenden Massen-Spektren (MS1, MS2) des Signalkanals (K1) und des Hintergrundkanals (K2) zur massenspektrometrischen Analyse miteinander zu vergleichen.
Massenspektrometer nach Anspruch 17 oder 18, bei welchem der Analysator (26) zur gepulsten Analyse des ionisierten Gases (2a) ausgebildet ist und bei dem die Steuerungseinrichtung (8) ausgebildet ist, die Extraktionseinrichtung (11) in einer Mehrzahl von Teilintervallen (T1) während eines Messzeitintervalls (M1) bei geöffnetem Einlassystem (6) zur Extraktion des ionisierten Gases (2a) aus dem Ionisierungsbereich (11) anzusteuern.
Massenspektrometer nach Anspruch 21, bei welchem der Analysator (26) ausgebildet ist, ein resultierendes Massen-Spektrum (MS1) aus einer Mehrzahl von Teilintervallen (T1, T2) innerhalb eines Messzeitintervalls (M1) bei geöffnetem Einlasssystem (6) zu bilden und ein resultierendes Massen-Spektrum (MS2) aus einer Mehrzahl von Teilintervallen (T) eines dem Messzeitintervall (M1) vorausgehenden oder nachfolgenden Messzeitintervalls (M2) bei geschlossenem Einlasssystem (6) zu bilden, sowie die beiden resultierenden Massen-Spektren (MS1, MS2) zur massenspektrometrischen Analyse miteinander zu vergleichen.
Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Analysator (26) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Quadrupol-Analysator, Triple-Quadrupol-Analysator, Time-of-Flight(TOF)-Analysator, insbesondere orthogonal acceleration TOF-Analysator, scannender Quadrupol-lonenfallen-Analysator und Fourier-Transformations-lonenfallen-Analysator.
Verfahren zur massenspektrometrischen Analyse eines zu analysierenden Gases (2) mittels eines Massenspektrometers (1), insbesondere mittels eines Massenspektrometers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Gepulstes Zuführen des zu analysierenden Gases (2) aus einem Prozessbereich (4) außerhalb des Massenspektrometers (1) in einen Ionisierungsbereich (11) über ein Einlasssystem (6), Ionisieren des zu analysierenden Gases (2) in dem Ionisierungsbereich (11), bevorzugt gepulstes Extrahieren des ionisierten Gases (2a) aus dem Ionisierungsbereich (11) in einen lonentransferbereich (20) mittels einer Extraktionseinrichtung (19), Transferieren des ionisierten Gases (2a) aus dem lonentransferbereich (11) in einen Analysebereich (25), sowie Detektieren des ionisierten Gases (2a) in dem Analysebereich (25) zu dessen massenspektroskopischer Analyse.
Verfahren nach Anspruch 24, weiter umfassend: Ansteuern des steuerbaren Einlasssystems (6) und der Extraktionseinrichtung (19) derart, dass die Extraktionseinrichtung (19) kein ionisiertes Gas (2a) aus dem Ionisierungsbereich (11) extrahiert, wenn das Einlasssystem (6) geschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, bei dem zur massenspektrometrischen Analyse des Gases (2) mindestens ein in mindestens einem Messzeitintervall (M1) bei geöffnetem Einlasssystem (6) aufgenommenes Massen-Spektrum (MS1) mit mindestens einem in mindestens einem Messzeitintervall (M2) bei geschlossenem Einlasssystem (6) aufgenommenen Massen-Spektrum (MS2) verglichen wird.