DE102021204046A1

DE102021204046A1 - Vorrichtung zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases und Lithographieanlage

Info

Publication number: DE102021204046A1
Application number: DE102021204046.2A
Authority: DE
Inventors: Michel Aliman; Albrecht Ranck
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2021-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-10-27
Also published as: WO2022223232A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases (2), umfassend: eine Extraktionseinrichtung (12) zur Extraktion von Ionen (11) des zu untersuchenden Gases (2) aus einer lonenkammer (5), einen Ionen-Detektor (13) zur Detektion der Ionen (11), eine Ionen-Transfereinrichtung (14) zum Transfer der Ionen (11) von der Extraktionseinrichtung (12) zu dem Ionen-Detektor (13) entlang einer Ionen-Transferstrecke (Lm), eine Zuführungseinrichtung (16) zur Zuführung eines Bremsgases (17) zu der lonen-Transferstrecke (Lm), sowie eine Auswerteeinrichtung (21) zur Bestimmung von Transportzeiten (tm) beim Transport der Ionen (11) von der Extraktionseinrichtung (12) zu dem Ionen-Detektor (13) entlang der lonen-Transferstrecke (Lm). Die Vorrichtung (1) ist ausgebildet, einen Druck (pM) entlang der lonen-Transferstrecke (Lm) zwischen einem ersten, niedrigeren Druckbereich (Δp1) und einem zweiten, höheren Druckbereich (Δp2) umzuschalten und die Auswerteeinrichtung (21) ist ausgebildet, in einem ersten Betriebszustand (MS) anhand der Transportzeiten (tm) der Ionen (11) bei dem Druck (pM) in dem ersten Druckbereich (Δp1) eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases (2) durchzuführen und in einem zweiten Betriebszustand (IMS) anhand der Transportzeiten (tm) der Ionen (11) bei dem Druck (pM) in dem zweiten Druckbereich (Δp2) eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung des Gases (2) durchzuführen. Die Erfindung betrifft auch eine Lithographieanlage, insbesondere eine EUV-Lithographieanlage, die mindestens eine solche Vorrichtung (1) aufweist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases, umfassend: eine Extraktionseinrichtung zur Extraktion von Ionen des zu untersuchenden Gases aus einer lonenkammer, einen Ionen-Detektor zur Detektion der Ionen, eine lonen-Transfereinrichtung zum Transfer der Ionen von der Extraktionseinrichtung zu dem Ionen-Detektor entlang einer Ionen-Transferstrecke, eine Zuführungseinrichtung zur Zuführung eines Bremsgases zu der lonen-Transferstrecke, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung von Transportzeiten beim Transport der Ionen von der Extraktionseinrichtung zu dem Ionen-Detektor entlang der lonen-Transferstrecke. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Lithographieanlage, insbesondere eine EUV-Lithographieanlage, die mindestens eine solche Vorrichtung aufweist. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einem Gas auch ein Gasgemisch, d.h. eine Mischung aus zwei oder mehr Gasen verstanden.
In der Massenspektrometrie („Mass Spectrometry“ oder MS) werden Ionen üblicherweise ins Ultrahochvakuum transportiert, um dort das einheitslose Massenladungsverhältnis (m/z, nachfolgend: „mz“) eines geladenen Partikels (in Form eines Ions) mittels der reibungs- oder kollisionsfreien, bekannten Lorentzkraft (1) und des kinetischen Impulserhaltungssatzes (2) bestimmen zu können: $\vec{F} = q . (\vec{E} + v \times \vec{B}) - ξ_{c .} \vec{v}$
$\vec{F} = m H . m z (d \vec{v} / d t)$
wobei mH = 1,66056 × 10^-27 kg die atomare Masseneinheit, $\vec{E}$
die elektrische Feldstärke, $\vec{v}$
die Partikelgeschwindigkeit und $\vec{B}$
die magnetische Feldstärke bezeichnen.
Bei einem höheren Druck stoßen die geladenen Partikel gegen neutrale Moleküle und verursachen sogenannte Stoßverluste, welche in Gleichung (1) durch den Term $(ξ_{c} . \vec{v})$
berücksichtigt werden. Im Hochvakuum ist die mittlere freie Weglänge der geladenen Partikel groß genug, so dass praktisch keine Stöße stattfinden; in diesem Fall kann der Stoßverlustterm $(ξ_{c} . \vec{v})$
vernachlässigt werden.
Im Hochvakuumbereich ergibt sich das Massenladungsverhältnis mz, welches eine Funktion von physikalischen Kenngrößen (z.B. t für sogenannte Time-of-Flight-, TOF-, r für Sektor- und f_ion für lonenresonanz-Massenspektrometer) darstellt: $m z \sim t^{2}$
$m z \sim r^{2}$
$m z \sim ƒ (f_{i o n})$
Im Feinvakuum ist dagegen die mittlere freie Weglänge der Partikel klein gegenüber der Partikelflugzeit, so dass mehrere Stöße stattfinden, bevor diese den Partikel-Detektor erreichen und die durch den Term $(ξ_{c} . \vec{v})$
hervorgerufenen Stoßverluste nicht vernachlässigt werden können; Partikel mit unterschiedlichen Stoßquerschnitten bewegen sich daher unterschiedlich schnell. Diese Information - auch als Driftzeit bezeichnet - ist besonders von Interesse in der sogenannten lonenmobilitätsspektroskopie (Ion-Mobility Spectrometry oder IMS), bei der hauptsächlich die Beweglichkeit der Partikel in einem gegebenen Medium, nachfolgend Bremsgas genannt, gemessen wird. Insbesondere ist es möglich, Partikel gleicher Massen (sogenannte isomere Partikel) aber ungleicher Beweglichkeit messtechnisch zu unterscheiden. Ein Massenspektrometer ist demgegenüber in der Regel nicht in der Lage, zwischen Isomeren zu unterscheiden (z.B. zwischen Kohlenwasserstoffen gleicher Masse aber unterschiedlicher Anordnung).
Geladene Partikel (nachfolgend: Ionen) werden üblicherweise in Ionen-Transferoptiken, die auch als lonen-Transfereinrichtungen (Ion-Guides) bezeichnet werden, z.B. vom Fein- zum Mittelvakuum, elektrisch gebündelt geführt. Wenn die Ionen mit unterschiedlichem Massenladungsverhältnis und/oder lonenquerschnitten durch einen elektrischen oder magnetischen Ion-Guide eingelassen werden, bewegen sie sich durch das bereitgestellte neutrale Medium in Form des Bremsgases (in der Regel einem leichten Edelgas oder Gasgemisch mit einem Massenladungsverhältnis mzc) im Mittel mit unterschiedlichen, statistisch wohl definierten Geschwindigkeiten. Die Driftzeit oder Transportzeit t_m am Ende der lonen-Transferstrecke der Ionen-Transferoptik mit der Länge L_m- in welcher eine rein elektrische Feldstärke $\vec{E_{m}}$
herrscht - kann gemessen werden und als Maß für die Beweglichkeit der Ionen ausgewertet werden; und unter Einbeziehung von Gleichung (1) im Gleichgewichtszustand (bei annähernd gleicher Partikelgleitgeschwindigkeit) ergibt sich für eine Partikelmasse mz der Ladung q ein „Beweglichkeitsfaktor“ oder eine Mobilität K_m: $K_{m} = q / ξ_{c} = L_{m} / (t_{m} . E_{m})$
Die Mobilität Km hängt außer von den Massenladungsverhältnissen (mz, mzc) der Ionen bzw. des Bremsgases auch von den Stoßquerschnitten Ω der Partikel bzw. Ionen, vom Druck p und von der Temperatur T des Bremsgases ab: $K_{m} = ƒ (m z, m z_{c} Ω, p, T) \sim \sqrt{\frac{1}{m z} + \frac{1}{m z_{c}}} \cdot ƒ_{1} (Ω, p, T)$
In der sogenannten Gas-Chromatographie (GC) werden die Moleküle einer Partikelprobe durch eine lange Driftstrecke geleitet (Kapillare mit einem fließenden Trägergas). Der spezifische Streuquerschnitt jeder Molekülsorte führt zu einer charakteristischen Driftzeit t_m, nach der das Molekül in einem Massenspektrometer (MS) detektiert werden kann. Diese als GC-MS bekannte Analysemethode liefert sowohl Informationen über die Massenverteilung als auch über isomere Molekülstrukturen der Partikelprobe.
Massenspektrometrie und lonenmobilitäts-Spektrometrie sind somit komplementäre Messemethoden, die gemäß dem Stand der Technik in unterschiedlichen Geräten und Einsatzfeldern durchgeführt werden. Die Verkopplung dieser beiden Messmethoden in einem so genannten Ionen-Mobilitäts-Massenspektrometer ist für viele Anwendungen von großem Interesse, vgl. beispielsweise den Artikel „Deciphering drift time measurements from travelling wave ion mobility spectrometry studies“, David P. Smith et al., EJMS (European Journal of Mass Spectrometry), 15, 113-130 (2009). Eine solche Verkopplung, bei welcher ein lonen-Mobilitäts-Spektrometer zur Separation der Ionen gemäß ihrer Mobilität und ein Massen-Spektrometer zur Separation der Ionen gemäß ihres Massenladungsverhältnisses hintereinandergeschaltet werden, ist jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden.
Insbesondere für die Massenspektrometrie bringt der Übergang vom Fein- zum Hochvakuumbereich zudem einen erheblichen Aufwand und Herausforderungen mit sich:

• Bereitstellung eines gegenüber dem Feinvakuum-Bereich mindestens um drei Größenordnungen niedrigeren Druckes; d.h. es sind meist Turbomolekularpumpen notwendig
• Bereitstellung einer geeigneten Druckstufe zwischen Fein- und Hochvakuum
• Bereitstellung eines geeigneten Verfahrens und geeigneter Systemkomponenten bei den erschwerten Druckverhältnissen im Hochvakuum mit bekannten Problemen (z.B. Leck, Ausgasung, Temperaturdrift, etc.)
• Anfälligkeit bei Druckbereichsüberschreitung von einigen aktiven Hochvakuum-Systemkomponenten bzw. Partikel-Detektoren (wie z.B. Micro Channel Plates oder Sekundärelektronenvervielfacher, die ein Hochvakuum und einen großen Bauraum benötigen): Degradation, Ladungsüberschlaggefahr, verminderte Betriebszeit, usw.
• hohe Herstellungs-, Betriebs-, Personal- und Servicekosten.

Aus der US 8,953,145 B2 (entsprechend der DE 10 2008 041 592 A1 ) ist eine EUV-Lithographieanlage bekannt geworden, die ein Gehäuse aufweist, das einen Innenraum umschließt. Eine Vakuumerzeugungseinheit dient zur Erzeugung einer Restgasatmosphäre in dem Innenraum und ein Restgasanalysator dient zur Detektion mindestens eines kontaminierenden Stoffes in der Restgasatmosphäre. Der Restgasanalysator weist eine Speichereinrichtung zur Speicherung des kontaminierenden Stoffes auf. Bei der Speichereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Ionenfalle handeln.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und eine EUV-Lithographieanlage mit einer solchen Vorrichtung bereitzustellen, die eine Untersuchung eines Gases sowohl mittels Massenspektrometrie als auch mittels lonenmobilitäts-Spektrometrie in einer kompakten Bauweise ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, welche ausgebildet ist, einen Druck entlang der lonen-Transferstrecke zwischen einem ersten, niedrigeren Druckbereich und einem zweiten, höheren Druckbereich umzuschalten und bei der die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, in einem ersten Betriebsmodus anhand der Transportzeiten der Ionen bei dem Druck in dem ersten Druckbereich eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases durchzuführen und in einem zweiten Betriebsmodus anhand der Transportzeiten der Ionen bei dem Druck in dem zweiten Druckbereich eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung des Gases durchzuführen. Das Umschalten zwischen den beiden Druckbereichen kann durch eine Zuführung des Bremsgases zu der lonen-Transferstrecke mit Hilfe der Zuführungseinrichtung bzw. eine Abführung des Bremsgases von der lonen-Transferstrecke mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung, z.B. einer Vakuum-Pumpe, erfolgen.
Erfindungsgemäß werden die komplementären Messmethoden der Massenspektrometrie und der lonenmobilitäts-Spektroskopie in ein- und derselben Vorrichtung auf einem kompakten Bauraum kombiniert. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung ausgebildet, den Druck entlang der Ionen-Transferstrecke zwischen dem ersten und dem zweiten Druckbereich umzuschalten. Der erste, niedrigere Druckbereich ist so gewählt, dass praktisch keine Stöße stattfinden, d.h. der Stoßverlustterm $(ξ_{c} . \vec{v})$
in Gleichung (1) kann vernachlässigt werden. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung in dem ersten Betriebsmodus anhand der Transportzeit(en) t der Ionen z.B. unter Verwendung der Gleichung (3.1) in bekannter Weise eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases durchführen, d.h. das Massenladungsverhältnis mz bestimmen. Der zweite, höhere Druckbereich ist so gewählt, dass der Stoßverlustterm $(ξ_{c} . \vec{v})$
in Gleichung (1) nicht vernachlässigt werden kann. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung in dem zweiten Betriebsmodus anhand der Gleichungen (4) bzw. (5) bzw. der in dem oben zitierten Artikel von David P. Smith im Detail erläuterten Methode die Mobilität Km der Ionen bestimmen, d.h. eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung der Ionen des zu untersuchenden Gases vornehmen.
Beide spektrometrischen Methoden haben die weiter oben beschriebenen Vorteile, die in der vorliegenden Vorrichtung kombiniert genutzt werden können. Für den Fall, dass das Bremsgas schnell zu- und abgeführt werden kann, kann schnell zwischen einer kollisionsfreien Messung in dem ersten Betriebsmodus und einer kollisionsbehafteten Messung in dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden. Insbesondere bei einer schnellen und alternierenden Messung, d.h. bei einer schnellen Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi können in ein- und derselben Vorrichtung sowohl die die Beweglichkeit der geladenen Partikel bzw. Ionen als auch die deren Massen zeitnah gemessen werden. Mit Hilfe der Vorrichtung können insbesondere Isomere, d.h. Partikel mit derselben Molekülmasse und demselben Massenladungsverhältnis aber mit unterschiedlicher Beweglichkeit, unterschieden werden.
Der Begriff der „Transportzeit“ wird in dieser Anmeldung unabhängig davon verwendet, ob die Vorrichtung in dem ersten Betriebsmodus oder in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, d.h. insbesondere unabhängig davon, ob der lonen-Transferstrecke ein Bremsgas zugeführt wurde oder nicht, d.h. unabhängig vom Partialdruck des Bremsgases.
Bei einer Ausführungsform gilt für einen maximalen Druck p_1max des ersten Druckbereichs und für einen minimalen Druck p_2min des zweiten Druckbereichs: p_2min / p_1max > 100, bevorzugt > 1000. Um in dem ersten Betriebsmodus praktisch keine Stoßverluste und in dem zweiten Betriebsmodus ausreichend große Stoßverluste zu erzeugen, sollte der zweite Druckbereich typischerweise mindestens zwei Größenordnungen, idealerweise mindestens drei Größenordnungen über dem ersten Druckbereich liegen, d.h. die beiden Druckbereiche sollten ausreichend weit auseinanderliegen.
Bei dem ersten Druckbereich handelt es sich typischerweise um den Hochvakuumbereich. Beispielsweise kann der erste Druckbereich unter einem maximalen Druck von 10^-4 mbar und bevorzugt über einem minimalen Druck von 10^-5 mbar liegen. Der maximale Druck und der minimale Druck können aber auch größer oder kleiner als die hier angegebenen Werte sein. Unter dem Begriff „Hochvakuumbereich“ wird im Sinne dieser Anmeldung verstanden, dass praktisch keine Partikelstöße in der Vorrichtung bzw. entlang der Ionen-Transferstrecke stattfinden.
Bei dem zweiten Druckbereich handelt es sich typischerweise um den Mittel- oder Feinvakuumbereich, beispielsweise kann der zweite Druckbereich über einem minimalen Druck von 10^-2 mbar und bevorzugt unter einem maximalen Druck von 10° mbar liegen. Der minimale Druck und insbesondere der maximale Druck können auch kleiner bzw. größer als die hier angegebenen Werte sein. Beispielsweise kann der maximale Druck auch bei 10¹ mbar oder darüber liegen. Der Druck in dem zweiten Druckbereich kann hauptsächlich durch den Partialdruck des Bremsgases bestimmt werden, das über die Zuführungseinrichtung der lonen-Transferstrecke zugeführt wird. Bei dem Bremsgas kann es sich um ein leichtes Edelgas (z.B. um Helium), um ein leichtes Prozessgas (z.B. um Wasserstoff), um ein anderes geeignetes Gas (z.B. um Stickstoff) oder um ein Gasgemisch (z.B. um Luft) handeln.
In dem ersten Betriebsmodus liegt der (untere) Betriebsdruck, d.h. der Druck entlang der lonen-Transferstrecke, bei einem vorgegebenen bzw. einstellbaren Wert innerhalb des ersten Druckbereichs. Im zweiten Betriebsmodus liegt der (obere) Betriebsdruck, d.h. der Druck entlang der lonen-Transferstrecke, bei einem vorgegebenen bzw. einstellbaren Wert innerhalb des zweiten Druckbereichs. Der Betriebsdruck kann ggf. dauerhaft in dem ersten Druckbereich liegen, wenn mit der Vorrichtung nur eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases in dem ersten Betriebsmodus vorgenommen werden soll. Der Betriebsdruck kann ggf. auch dauerhaft in dem zweiten Druckbereich (Fein- oder Mittelvakuum) liegen, wenn mit der Vorrichtung nur eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung durchgeführt werden soll. In Abhängigkeit von der spezifizierten Massen- bzw. Isomeren-Auflösung können die Länge der kollisionsfreien oder kollisionsbehafteten lonen-Transferstrecke und die Druckbereiche, d.h. der erste Druckbereich und der zweite Druckbereich, angepasst werden.
Die Detektion der geladenen Partikel bzw. Ionen kann direkt im Fein-, Mittel- oder Hochvakuumbereich mit Hilfe des Ionen-Detektors erfolgen. Ein geeigneter Ionen-Detektor muss somit gegenüber Druckbereichsüberschreitungen - d.h. auch für Drücke oberhalb des Feinvakuumbereichs - robust ausgelegt sein. Der Ionen-Detektor sollte zudem degradationsfrei arbeiten und benötigt eine Dynamikbereich in der Größenordnung von ca. 5-6 Dekaden, um in beiden Druckbereichen Ionen detektieren zu können.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die lonen-Transferstrecke in einer Messkammer gebildet, wobei die Zuführungseinrichtung zur Zuführung des Bremsgases zu der Messkammer bevorzugt mindestens ein insbesondere regelbares Ventil aufweist. Die Zuführungseinrichtung stellt das Bremsgas, z.B. ein Edelgas oder ein Gasgemisch (s.o.), mit dem notwendigen Partialdruck bereit, um in dem zweiten Betriebszustand in der Messkammer einen gewünschten Partialdruck des Bremsgases zu erzeugen.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine erste Vakuum-Pumpe zum Abpumpen der Messkammer, wobei die erste Vakuum-Pumpe mit der Messkammer bevorzugt über mindestens ein insbesondere regelbares Ventil verbunden ist. Die Vakuum-Pumpe kann mit Hilfe des (regelbaren) Ventils die Messkammer evakuieren. Mit Hilfe der Zuführungseinrichtung bzw. über deren ebenfalls regelbares Ventil kann das Bremsgas der Messkammer zugeführt werden, um den gewünschten Druck in der Messkammer und somit entlang der lonen-Transferstrecke einzustellen. Der Druck in der Messkammer kann auf diese Weise beispielsweise über einen vergleichsweise großen Bereich z.B. zwischen ca. 10^-5 mbar und 10⁰ mbar eingestellt werden. Mit Hilfe der Ventile, bei denen es sich um Absperr-, Durchlass- bzw. Regelventile handeln kann, ist ein schnelles Umschalten zwischen dem ersten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich möglich. Es versteht sich, dass es sich bei den Ventilen der Zuführungseinrichtung und der Vakuum-Pumpe nicht zwingend um getrennte Bauteile handeln muss, vielmehr können diese in Form einer gemeinsamen Ventilanordnung realisiert sein.
Die Steuerung bzw. die Regelung der Ventile der Zuführungseinrichtung und der ersten Vakuum-Pumpe kann von der Auswerteeinrichtung oder von einer separaten Steuerungseinrichtung vorgenommen werden. In der Regel steuert die Auswerteeinrichtung alle Einheiten der Vorrichtung, liest den Ausgang bzw. die Ausgänge des Ionen-Detektors aus und wertet deren Zustand bzw. deren Ergebnisse aus.
In der Messkammer ist typischerweise die Extraktionseinrichtung, die Ionen-Transfereinrichtung und der Teil des Ionen-Detektors angeordnet, der zur Erfassung der Ionen dient und der zu diesem Zweck eine Messelektrodenanordnung mit mindestens einer Messelektrode aufweist. Die lonen-Transferstrecke bildet in der Regel eine gerade Linie, die sich in der lonen-Transfereinrichtung zwischen der Extraktionseinrichtung und dem Ionen-Detektor erstreckt. Die lonen-Transferstrecke kann aber auch z.B. eine kompakte, mäanderartige Form - mit geeignetem elektrischem Feldverlauf entlang der lonen-Transferstrecke - aufweisen.
Die lonen-Transfereinrichtung ist zwischen der Extraktionseinrichtung und dem Ionen-Detektor angeordnet. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Extraktionseinrichtung um eine Elektrode, die einen schnellen Extraktionspuls (z.B. t_E < 100 ns) erzeugt, welcher die Ionen aus der lonenkammer in Richtung auf die lonen-Transfereinrichtung beschleunigt. Die lonen-Transfereinrichtung leitet die Ionen in Richtung auf den Ionen-Detektor bzw. in Richtung auf die Messelektrode(n) des Ionen-Detektors.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die lonenkammer und die Messkammer in einem gemeinsamen Gehäuse gebildet, wobei die lonenkammer bevorzugt über eine Blendenöffnung mit der Messkammer in Verbindung steht. In diesem Fall werden die lonenkammer und die Messkammer in der Regel differentiell gepumpt, d.h. diesen sind autonome Pumpstufen bzw. Vakuum-Pumpen zugeordnet, die es ermöglichen, den Druck in der Messkammer und den Druck in der lonenkammer im Wesentlichen unabhängig voneinander einzustellen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine zweite Vakuum-Pumpe zum Abpumpen der lonenkammer, wobei die zweite Vakuum-Pumpe mit der lonenkammer bevorzugt über mindestens ein insbesondere regelbares Ventil verbunden ist. Mit Hilfe der Vakuum-Pumpe bzw. des (regelbaren) Ventils kann in der lonenkammer ein konstanter Druck, z.B. in der Größenordnung von ca. 10^-2 mbar oder 10^-1 mbar eingestellt werden, was günstig ist, um in der lonenkammer das zu untersuchende Gas zu speichern. Der Druck in der lonenkammer, der mit der zweiten Vakuum-Pumpe eingestellt wird, ist in der Regel größer als der Druck in der Messkammer, die mit der lonenkammer verbunden ist. Es versteht sich, dass die erste und zweite Vakuum-Pumpe nicht als zwei separate Bauteile ausgebildet sein müssen, sondern beispielsweise zwei unterschiedliche Anschlüsse einer gemeinsamen Vakuum-Pumpe bilden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Gas-Einlass zum Einlassen des zu untersuchenden Gases in die lonenkammer, wobei der Gas-Einlass zum Einlassen des zu untersuchenden Gases bevorzugt mindestens ein insbesondere regelbares Ventil aufweist. Das zu untersuchende Gas bzw. die Partikel können über den Gas-Einlass aus einer Probenkammer entnommen werden, in der sich das zu untersuchende Gas befindet. Es ist möglich, dass das zu untersuchende Gas in der Probenkammer bereits im ionisierten Zustand vorliegt. Alternativ wird das zu untersuchende Gas im neutralen Zustand aus der Probenkammer entnommen und der lonenkammer zugeführt, in der dieses ionisiert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist in der lonenkammer eine Ionenfalle zur Speicherung, Akkumulierung und/oder Filterung von Ionen des zu untersuchenden Gases angeordnet. Die in der Ionenfalle gespeicherten Ionen stellen eine räumlich gebündelte Partikel- bzw. lonenquelle dar. Die gespeicherten Ionen können innerhalb einer vorgegebenen Akkumulationszeit gespeichert bzw. akkumuliert werden und zu einem gewünschten Zeitpunkt mit Hilfe der Extraktionseinrichtung aus der lonenkammer in die Messkammer extrahiert werden. Insbesondere kann eine Extraktion von Ionen einer in der Ionenfalle gespeicherten lonenpopulation mehrmals aufeinander folgend durchgeführt werden, wobei die Auswerteeinrichtung zwischen einer ersten Extraktion und einer nachfolgenden zweiten Extraktion von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand (oder umgekehrt) umgeschaltet wird und auch die Druckbereiche entsprechend angepasst werden. Auf diese Weise kann an ein- und derselben lonenpopulation sowohl eine massenspektrometrische Untersuchung als auch eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung durchgeführt werden.
Die Akkumulation der Ionen in der Ionenfalle erhöht die Nachweisgrenze bzw. verbessert das Signal-zu-Rausverhältnis bei der Messung. Mit Hilfe der Ionenfalle können die in die lonenkammer zugeführten Ionen auch gezielt gefiltert werden, d.h. es werden nur Ionen mit bestimmten Massenladungsverhältnissen in der Ionenfalle gespeichert. Grundsätzlich ist auch eine in-situ-Analyse der gespeicherten Ionen in der Ionenfalle möglich, aufgrund des vergleichsweisen großen Drucks in der lonenkammer ist eine solche Analyse aber in der Regel nicht einfach durchzuführen.
Anders als bei der oben beschriebenen GC-MS Methode werden bei der hier beschriebenen Vorrichtung stets - d.h. während der (elektrischen) Separation oder Akkumulation der Ionen in der Ionenfalle, während des Transfers und während der Detektion - geladene Partikel bzw. Ionen mit oder ohne Bremsgaszufuhr beeinflusst. Die Art und der Druck des Bremsgases, die Fließrichtung des Bremsgases sowie die kinetische Energie der Ionen - über die Beschleunigungsspannung der Extraktionseinrichtung - sind frei wählbare bzw. optimierbare Parameter.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine lonisierungseinrichtung zur Ionisierung des zu untersuchenden Gases in der lonenkammer, insbesondere in der Ionenfalle. Die Ionisierung des zu untersuchenden Gases in der lonenkammer kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann die lonisierungseinrichtung zur Elektronenstoßionisation dienen und z.B. als Elektronenkanone ausgebildet sein. Die lonisierungseinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, das zu untersuchende Gas direkt in der Ionenfalle zu ionisieren. Eine solche lonisierungseinrichtung ist aber nicht zwingend erforderlich, vielmehr kann das zu untersuchende Gas der lonenkammer im ionisierten Zustand zugeführt werden, wie dies weiter unten beschrieben wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Ionen-Detektor eine Messelektrodenanordnung, bevorzugt einen Faraday-Becher, zum Erfassen der Ionen und eine Detektionseinrichtung zur Detektion der von der Messelektrodenanordnung erfassten Ionen auf. Die Messelektrodenanordnung weist im einfachsten Fall eine einzelne Messelektrode auf, die als Faraday-Becher ausgebildet ist. Ein solcher Faraday-Becher ermöglicht es, dass alle die durch eine geeignete Eingangsblende eingesaugten Partikel bzw. Ionen praktisch rückstreuungsfrei von der Detektionseinrichtung aufgenommen werden. Die Detektionseinrichtung ist typischerweise als Detektions-Elektronik ausgebildet und kann z.B. zur Detektion der Ionen anhand eines Stroms ausgebildet sein, der von den an der Messelektrodenanordnung erfassten Ionen erzeugt wird. Alternativ kann die Detektionseinrichtung einen Ladungs-Verstärker zur Umwandlung eines von den Ionen erzeugten Ladungssignals in ein Spannungssignal und eine Verstärker-Einrichtung zur Verstärkung des Spannungssignals aufweisen. Die Messelektronik soll vorzugsweise eine schnelle und rauscharme Detektion der Ionen mit einer Dynamik von 5 bis 6 Dekaden bereitstellen.
Bei einer Weiterbildung weist die Messelektrodenanordnung eine zentrale Messelektrode auf, die von einer bevorzugt ringförmigen Hauptelektrode umgeben ist. Es hat sich als günstig erwiesen, mindestens zwei Messelektroden in der Messelektrodenanordnung vorzusehen, wobei eine erste Messelektrode bevorzugt eine zentrale Messelektrode (Fokuselektrode) bildet, die in der Regel einen vergleichsweise geringen Durchmesser aufweist und die hauptsächlich zur Erfassung von stark gekühlten Ionen in dem zweiten Druckbereich (z.B. zwischen 10^-3 mbar und 10^-2 mbar) dient. Eine zweite, in der Regel ringförmige Messelektrode dient hauptsächlich zur Erfassung von schwach gekühlten Ionen in dem ersten Druckbereich (z.B. bei einem Druck von ca. 10^-5 mbar). Die zentrale Messelektrode und die ringförmige Messelektrode sind elektrisch isoliert und bilden gemeinsam einen Faraday-Becher. Die zentrale Messelektrode ist hierbei typischerweise im Zentrum des Bodens des Faraday-Bechers angeordnet.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist die ringförmige Hauptelektrode segmentiert und weist mindestens zwei Ringsegmente, bevorzugt vier Ringsegmente auf. Die Ringsegmente sind in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt und weisen typischerweise einen jeweils gleich großen Flächeninhalt auf. Die Segmentierung der ringförmigen Hauptelektrode z.B. in vier Quadranten ermöglicht eine richtungssensitive Aufzeichnung bzw. Messung des lonenstrahls: Im Idealfall verteilt sich der lonenstrahl gleichanteilig auf alle z.B. vier Segmente bzw. Quadranten. Die Detektionseinrichtung in Form der Detektionselektronik weist typischerweise eine Anzahl von Eingängen (und von Ausgängen) auf, die der Anzahl von elektrisch isolierten Messelektroden bzw. Messelektrodensegmenten entspricht. Im Falle der hier beschriebenen Messelektrodenanordnung mit der zentralen Messelektrode und der in vier Quadranten unterteilten Hauptelektrode weist die Detektionseinrichtung fünf Eingänge auf.
Um den gesamten lonenstrahl zu detektieren, kann die Detektionseinrichtung ausgebildet sein, alle Messelektroden zusammenzuschalten bzw. die Eingänge miteinander zu verbinden. Zur Detektion lediglich der schwach gekühlten Ionen können die Segmente der segmentierten Hauptelektrode zusammengeschaltet werden, während die zentrale Messelektrode die stark gekühlten Ionen gesondert aufzeichnet. Es ist ebenfalls möglich, dass eine oder mehrere der Segmente der Hauptelektrode und die zentrale Messelektrode beliebig kombiniert bzw. zusammengeschaltet werden, um die Drift- oder Flugeigenschaften der Ionen besonders zu analysieren. Beispielsweise können hierbei Drift- oder Flugeigenschaften von Isomeren gemessen und ausgewertet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, im zweiten Betriebsmodus anhand von unterschiedlichen Transportzeiten von Ionen mit gleichem Massenladungsverhältnis isomere Stoffe zu identifizieren. Wird das Massenladungsverhältnis von Ionen, die in der Ionenfalle gespeichert bzw. akkumuliert werden, in einem ersten Experiment bzw. in dem ersten Betriebszustand ohne Stoßprozesse bzw. ohne Bremsgas gewonnen und gegen die Transportzeiten in dem zweiten Betriebszustand aufgetragen, ergibt sich, dass monomere Stoffe eine einheitliche Transportzeit bzw. eine einheitliche Driftzeitspanne mit einem Verteilungsprofil aufweisen, das um eine einzige (mittlere) Transportzeit verteilt ist. Isomere Stoffe weisen dagegen mindestens zwei Driftzeitspannen mit entsprechenden Verteilungsprofilen auf, die um mindestens zwei (mittlere) Transportzeiten konzentriert sind. Daher können mit Hilfe der hier beschriebenen Vorrichtung isomere Stoffe voneinander unterschieden werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Lithographieanlage, insbesondere eine EUV-Lithographieanlage, umfassend: ein Gehäuse, das einen Innenraum umschließt, in dem mindestens ein optisches Element angeordnet ist, sowie mindestens eine Vorrichtung, die wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist und die mit dem Innenraum in Verbindung steht, um der lonenkammer das zu untersuchende, bevorzugt in dem Innenraum ionisierte Gas zuzuführen. In einem Innenraum einer Lithographieanlage, speziell einer EUV-Lithographieanlage, ist typischerweise ein geringer Anteil an Wasserstoff enthalten. Im Belichtungsbetrieb wird aufgrund der dort vorhandenen EUV-Strahlung ein Plasma und somit geladene Partikel bzw. Ionen erzeugt. Die Ionen, die in diesem Fall unmittelbar in dem Gehäuse der Lithographieanlage erzeugt werden, können in diesem Fall in der Regel direkt, d.h. im ionisierten Zustand, über den Gas-Einlass in die lonenkammer der Vorrichtung eingebracht werden. In der lonenkammer können die Ionen des zu untersuchenden Gases in der Ionenfalle gespeichert, akkumuliert und ggf. in-situ nicht destruktiv analysiert werden, wie dies in der eingangs zitierten US 8,953,145 B2 beschrieben ist.
Wie dies weiter oben in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurde, können die Ionen mit Hilfe der Extraktionseinrichtung bzw. mit Hilfe eines schnellen Extraktionspulses aus der lonenkammer extrahiert und der Messkammer zugeführt werden. Über die lonen-Transfereinrichtung gelangen die Ionen zu dem Ionen-Detektor, wobei abhängig vom Betriebszustand der Vorrichtung eine massenspektrometrische Untersuchung oder eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung der Ionen vorgenommen werden kann. Der Druck in dem Innenraum einer EUV-Lithographieanlage kann beispielsweise in der Größenordnung von ca. 3 × 10^-2 mbar bis 10^-1 mbar liegen und wird im Wesentlichen durch den Wasserstoff-Partialdruck bestimmt. Der Druck in der lonenkammer kann in der gleichen Größenordnung oder darunter, z.B. bei ca. 10^-2 mbar, liegen.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführungseinrichtung ausgebildet, der lonen-Transferstrecke als Bremsgas ein in dem Innenraum vorhandenes Gas, insbesondere Wasserstoff, zuzuführen. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird im Betrieb der Vorrichtung in dem Innenraum des Gehäuses ein Wasserstoffplasma gebildet. Der in dem Innenraum des Gehäuses vorhandene Wasserstoff kann daher aus ein- und demselben Gehäuse bzw. derselben Probenkammer entnommen werden wie das zu untersuchende Gas. Der Wasserstoff kann zu diesem Zweck beispielsweise mit Hilfe eines steuerbaren Mikroventils aus dem Innenraum entnommen und der Messkammer zugeführt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist in dem Innenraum eine Strömungsleiteinrichtung angeordnet, die dem Gas-Einlass der Vorrichtung das zu untersuchende Gas mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung der lonen-Transferstrecke ausgerichteten Geschwindigkeit zuführt. Für die Entnahme des ionisierten, zu untersuchenden Gases weist der Gas-Einlass typischerweise ein steuerbares Ventil, z.B. ein Piezo-Ventil, auf. Durch die Strömungsleiteinrichtung kann dafür gesorgt werden, dass die Ionen eine Vorzugsrichtung besitzen, die im Wesentlichen nur eine zur Einlassrichtung durch den Gas-Einlass senkrechte Geschwindigkeitskomponente $\vec{V_{M}}$
aufweist, die senkrecht zur Richtung der (in der Regel geradlinig verlaufenden) Ionen-Transferstrecke verläuft.
Für den (beispielhaften) Fall, dass die Richtung der lonen-Transferstrecke bzw. die Einlassrichtung in X-Richtung verläuft, wird unter einer im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der lonen-Transferstrecke ausgerichteten Geschwindigkeit verstanden, dass für eine Geschwindigkeitskomponente des Gases in X-Richtung V_M,x gilt: V_M,x < V_M,y/10. Hierbei wird zur Vereinfachung davon ausgegangen, dass das Gas nur eine Geschwindigkeitskomponente in Y-Richtung aufweist. Im allgemeinen Fall ist die Geschwindigkeitskomponente in Y-Richtung V_M,y durch den Betrag der vektoriellen Summe aus der Geschwindigkeitskomponente in Y-Richtung V_M,y und der Geschwindigkeitskomponente in Z-Richtung V_M,z zu ersetzen.
Bei der Strömungsleiteinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Rohr oder dergleichen handeln, welches senkrecht zur Öffnung des Gas-Einlasses bzw. des Ventils des Gas-Einlasses ausgerichtet ist, so dass das in dem Innenraum enthaltene Gas im Wesentlichen senkrecht zur Öffnung des Gas-Einlasses an diesem vorbeiströmt und daher die gewünschte Geschwindigkeits-Komponente aufweist. Mit Hilfe der Strömungsleiteinrichtung kann erreicht werden, dass die Geschwindigkeitskomponente der Ionen in Richtung der lonen-Transferstrecke nahezu Null ist, um möglichst lange Transportzeiten der Ionen zu erreichen und auf diese Weise das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
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 schematisch eine Vorrichtung zur massenspektrometrischen und zur ionenmobilitäts-spektrometrischen Untersuchung eines Gases, die eine lonen-Transferstrecke aufweist, der ein Bremsgas zuführbar ist,
2 eine schematische Darstellung des Geschwindigkeitsverlaufs der Ionen entlang der lonen-Transferstrecke in Abhängigkeit vom Druck sowie eines ersten und zweiten Druckbereichs, in denen die Vorrichtung betrieben wird,
3 eine schematische Darstellung einer Messelektrodenanordnung und einer Detektionseinrichtung eines Ionen-Detektors der Vorrichtung von 1,
4a,b schematische Darstellungen von Eingangs- und Ausgangssignalen der Detektionseinrichtung des Ionen-Detektors,
5 eine schematische Darstellung eines Spektrums eines Gemischs aus einem monomeren Stoff und einem isomeren Stoff, sowie
6 eine Darstellung eines Details einer EUV-Lithographieanlage, die ein Gehäuse mit einem Innenraum und eine Vorrichtung zur spektrometrischen Untersuchung eines in dem Innenraum befindlichen, zu untersuchenden Gases aufweist.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases 2, das in einem Innenraum 3a einer Probenkammer 3 enthalten ist. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 4, das eine lonenkammer 5 und eine Messkammer 6 aufweist. Die lonenkammer 5 steht mit der Messkammer 6 über eine Blendenöffnung 7 (Druckstufe) in Verbindung.
In der lonenkammer 5 ist eine Ionenfalle 8 angeordnet. Die Ionenfalle 8 ist im gezeigten Beispiel in bekannter Weise in der Art einer Penning-Falle ausgebildet und weist eine Ringelektrode sowie zwei Deckelelektroden auf. Das von der Probenkammer 3 über einen Gas-Einlass 9 mit Hilfe eines Ventils 9a in die lonenkammer 5 eingelassene Gas 2 wird mit Hilfe einer lonisierungseinrichtung 10 unmittelbar in der Ionenfalle 8 ionisiert. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der lonisierungseinrichtung 10 um eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl erzeugt, der in Richtung auf das Zentrum der Ionenfalle 8 ausgerichtet ist. Durch den Elektronenstrahl wird das Gas 2 innerhalb der Ionenfalle 8 ionisiert, d.h. es werden Ionen 11 des zu untersuchenden Gases 2 innerhalb der Ionenfalle 8 gebildet. Die Ionen 11 werden auf bekannte Weise mit Hilfe von elektrischen bzw. magnetischen Feldern im Zentrum der Ionenfalle 8 konzentriert und somit räumlich gebündelt. Die lonisierungseinrichtung 10 kann ggf. zusätzlich eine Steuerungseinrichtung aufweisen, welche die Ionenfalle 8 ansteuert, um die Ionen 11 zu speichern, zu akkumulieren, etc. Zusätzlich zur Speicherung bzw. zur Akkumulierung der Ionen 11 kann die Ionenfalle 8 auch zur Filterung der Ionen 11 des zu untersuchenden Gases 2 dienen: Beispielsweise können gezielt Ionen 11 mit bestimmten Massenladungsverhältnissen angeregt werden, um diese aus der Ionenfalle 8 zu entfernen.
Die in der Ionenfalle 8 gespeicherten Ionen 11 können mit Hilfe einer Extraktionseinrichtung 12, die im gezeigten Beispiel in Form einer ringförmigen Elektrode ausgebildet ist, aus der lonenkammer 5 extrahiert werden. Die Extraktionseinrichtung 12 ist im gezeigten Beispiel in der Messkammer 6 angeordnet. Durch die Vorgabe einer Beschleunigungsspannung, die an die Extraktionseinrichtung 12 in Form der Elektrode angelegt wird, kann die kinetische Energie der Ionen 11, die aus der lonenkammer 5 extrahiert werden, eingestellt werden.
In der Messkammer 6 ist ein Ionen-Detektor 13 angeordnet, der zur Detektion der aus der lonenkammer 5 extrahierten Ionen 11 dient. Die Ionen 11 werden dem Ionen-Detektor 13 mit Hilfe einer lonen-Transfereinrichtung 14 (Ionen-Optik) entlang einer im Wesentlichen geradlinigen Trajektorie 15 ausgehend von der Extraktionseinrichtung 12 bzw. vom Zentrum der Ionenfalle 8 zugeführt. Ein Abschnitt dieser Trajektorie 15, der sich von der Extraktionseinrichtung 12 über die lonen-Transfereinrichtung 14 bis zu dem Ionen-Detektor 13, genauer gesagt bis zu einer Elektrodenanordnung 22 (s.u.) des Ionen-Detektors 13 erstreckt, bildet eine lonen-Transferstrecke L_m. In einem Abschnitt der Ionen-Transferstrecke L_m innerhalb der lonen-Transfereinrichtung 14 herrscht ein elektrisches Feld mit einer elektrischen Feldstärke $\vec{E_{M}} .$
Das elektrische Feld kann auch dynamische Komponenten - z.B. zur radialen Fokussierung der Ionen - aufweisen.
Die Vorrichtung 1 weist auch eine Zuführungseinrichtung 16 zur Zuführung eines Bremsgases 17 zu der Messkammer 6 und somit zu der Ionen-Transferstrecke L_m auf. Das Bremsgas 17 wird zu diesem Zweck einem Innenraum 18a eines Bremsgasreservoirs 18 entnommen. Für die Entnahme des Bremsgases 17 aus dem Bremsgasreservoir 18 weist die Zuführungseinrichtung 16 ein Ventil 16a auf. Bei dem Bremsgas 17 kann es sich um ein leichtes Edelgas (z.B. um Helium), um ein leichtes Prozessgas (z.B. um Wasserstoff), um ein anderes geeignetes Gas (z.B. um Stickstoff) oder um ein Gasgemisch (z.B. um Luft) handeln.
Die lonenkammer 5 und die Messkammer 6 werden differentiell gepumpt und stehen nur über die Blendenöffnung 7 miteinander in Verbindung. Ein Druck p_I in der lonenkammer 5 und ein Druck p_M in der Messkammer 6 können daher im Wesentlichen unabhängig voneinander eingestellt werden. In der Regel ist der Druck pi in der lonenkammer 5 größer als der Druck p_M in der Messkammer 6.
Die Vorrichtung 1 umfasst auch eine erste Vakuum-Pumpe 19 zum Abpumpen der Messkammer 6, die mit der Messkammer 6 über ein Ventil 19a verbunden ist, sowie eine zweite Vakuum-Pumpe 20 zum Abpumpen der lonenkammer 5, die mit der lonenkammer 5 über ein Ventil 20a verbunden ist. Bei dem Ventil 9a des Gas-Einlasses 9, dem Ventil 16a der Zuführungseinrichtung 16 sowie bei den Ventilen19a, 20a der ersten bzw. der zweiten Vakuum-Pumpen 19, 20 handelt es sich um steuer- oder ggf. regelbare Ventile, die zumindest zwischen zwei Betriebszuständen umschaltbar sind, die zur Absperrung bzw. zum Durchlass von Gas durch einen jeweiligen Strömungsquerschnitt ausgebildet sind.
Mit Hilfe der zweiten Vakuum-Pumpe 20 bzw. des entsprechenden Ventils 20a kann ein Druck pi in der lonenkammer 5 eingestellt und auf einen in der Regel konstanten Wert geregelt werden, der beispielsweise in der Größenordnung von ca. 10^-2 mbar oder darunter liegt. Die Messkammer 6 wird mit Hilfe der ersten Vakuum-Pumpe 19 bzw. des zugehörigen Ventils 19a evakuiert, d.h. mit Hilfe der ersten Vakuum-Pumpe 19 kann der Druck p_M in der Messkammer 6 gesenkt werden. Mit Hilfe der Zuführungseinrichtung 16 bzw. des entsprechenden Ventils 16a kann der Messkammer 6 das Bremsgas 17 zugeführt werden, was den Druck p_M in der Messkammer 6 erhöht. Der Druck p_M in der Messkammer 6 kann mit Hilfe der Zuführungseinrichtung 16 und mit Hilfe der ersten Vakuum-Pumpe 19 in einem großen Wertebereich zwischen ca. 10^-5 mbar und ca. 10⁰ mbar eingestellt werden. Der Druck p_M in der Messkammer 6 wird hierbei im Wesentlichen durch den Partialdruck des Bremsgases 17 in der Messkammer 6 bestimmt.
Die Vorrichtung 1 weist auch eine Auswerteeinrichtung 21 („Measurement Process Unit“) auf, welche unter anderem dazu dient, alle wesentlichen Funktionen der Vorrichtung 1 zu steuern: Die Auswerteeinrichtung 21 dient beispielsweise dazu, das Ventil 9a des Gas-Einlasses 9, das Ventil 16a der Zuführungseinrichtung 16, das Ventil 19a der ersten Vakuum-Pumpe 19 und das Ventil 20a der zweiten Vakuum-Pumpe 20 anzusteuern. Zusätzlich steuert die Auswerteeinrichtung 21 die lonisierungseinrichtung 10 bzw. die Ionenfalle 8, die Extraktionseinrichtung 12 und die lonen-Transfereinrichtung 14 (zur Einstellung der elektrischen Feldstärke $\vec{E_{M}}$
) an. Die Auswerteeinrichtung 21 kann in Form einer geeigneten Hard- und/oder Software realisiert sein. Bei der Auswerteeinrichtung 21 kann es sich beispielsweise um eine Elektronik handeln, die zur digitalen Verarbeitung von Signalen ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung 21 kann über eine Digitalschnittstelle oder dergleichen mit einem Messcomputer in signaltechnischer Verbindung stehen.
Die Auswerteeinrichtung 21 dient auch zur Bestimmung von Transportzeiten t_m beim Transport der Ionen 11 von der Extraktionseinrichtung 12 zu dem Ionen-Detektor 13 entlang der lonen-Transferstrecke L_m. Die Auswerteeinrichtung 21 ermöglicht es, anhand der Transportzeiten t_m wahlweise eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases 2 oder eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung des Gases 2 vorzunehmen. Um dies zu ermöglichen, ist es erforderlich, den Druck p_M in der Messkammer 6 und somit entlang der lonen-Transferstrecke L_m zwischen einem ersten, niedrigeren Druckbereich Δp₁ zweiten, höheren Druckbereich Δp₂ umzuschalten (vgl. 2).
Der erste, niedrigere Druckbereich Δp₁ ist so gewählt, dass praktisch keine Stöße der Ionen 11 stattfinden, d.h. der Stoßverlustterm $(ξ_{c} . \vec{v})$
in der oben angegebenen Gleichung (1) kann vernachlässigt werden. Der zweite, höhere Druckbereich Δp₂ ist so gewählt, dass der Stoßverlustterm $(ξ_{c} . \vec{v})$
in Gleichung (1) nicht vernachlässigt werden kann. Daher kann die Auswerteeinrichtung 21 in einem ersten Betriebsmodus MS, bei dem der Druck p_M in der Messkammer 6 in dem ersten Druckbereich Δp₁ liegt, unter Verwendung der Gleichung (3.1) anhand der Transportzeit(en) t_m der Ionen 11 eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases 2 durchführen, d.h. die Massenladungsverhältnisse mz der Ionen 11 bestimmen. Entsprechend kann die die Auswerteeinrichtung 21 in einem zweiten Betriebsmodus IMS, in dem der Druck p_M in dem zweiten Druckbereich Δp₂ liegt, anhand der Gleichungen (4) bzw. (5) bzw. anhand der in dem oben zitierten Artikel von David P. Smith im Detail erläuterten Methode anhand der Transportzeit(en) t_m der Ionen 11 die Mobilität K_m der Ionen bestimmen, d.h. eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung der Ionen 11 des zu untersuchenden Gases 2 vornehmen.
Im vorliegenden Fall, bei dem das Bremsgas 17 schnell der Messkammer 6 zu- und wieder aus der Messkammer 6 abgeführt werden kann, kann schnell zwischen einer kollisionsfreien Messung in dem ersten Betriebsmodus MS und einer kollisionsbehafteten Messung in dem zweiten Betriebsmodus IMS umgeschaltet werden. Bei einer alternierenden Messung, d.h. bei einer schnellen Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi MS, IMS können in der Vorrichtung 1 daher sowohl die die Beweglichkeit bzw. die Mobilität Km der Ionen 11 als auch deren Massenladungsverhältnisse mz zeitnah gemessen werden.
Der erste Druckbereich Δp₁ liegt in dem in 2 gezeigten Beispiel in einem Intervall zwischen einem minimalen Druck p_1min von 10^-5 mbar und einem maximalen Druck p_2max von 10^-4 mbar („Working Pressure“ WP1, WP2 in 2). Der zweite Druckbereich Δp₂ liegt im gezeigten Beispiel zwischen einem minimalen Druck p_2min von ca. 3 × 10^-2 mbar und einem maximalen Druck p_2max von 10⁰ mbar („Working Pressure“ WP3, WP4 in 2). Es versteht sich, dass die beiden Druckbereiche Δp₁, Δp₂ nicht zwingend den angegebenen Wertebereichen entsprechen müssen, sondern an die jeweilige Anwendung angepasst werden können. Es ist jedoch günstig, wenn die beiden Druckbereiche Δp₁, Δp₂ ausreichend weit voneinander separiert sind, d.h. wenn für den maximalen Druck p_1max des ersten Druckbereichs Δp₁ und für den minimalen Druck p_2min des zweiten Druckbereichs Δp₂ gilt: p_2min / p_1max > 100, bevorzugt > 1000.
Wie in 2 zu erkennen ist, wird durch die Separation des zweiten Druckbereichs Δp₂ von dem ersten Druckbereich Δp₁ um drei Größenordnungen erreicht, dass die Geschwindigkeiten v der Ionen 11 von Werten von ungefähr 2 × 10⁴ m/s in dem ersten Druckbereich Δp₁ auf Werte von ungefähr 0,2 10⁴ m/s in dem zweiten Druckbereich Δp₂ abfallen. Die Ionen 11 weisen somit in dem zweiten Druckbereich Δp₂ durch das Vorhandensein des Bremsgases 17 eine mittlere Geschwindigkeit v auf, die um etwa eine Größenordnung kleiner ist als die Geschwindigkeit v in dem ersten Druckbereich Δp₁.
Der (Betriebs-)Druck p_M in der Messkammer 6 bzw. der Arbeitspunkt kann innerhalb des jeweiligen ersten bzw. zweiten Druckbereichs Δp₁, Δp₂ beliebig eingestellt werden. Der Druck p_M bzw. der Arbeitspunkt in der Messkammer 6 in dem ersten und in dem zweiten Betriebsmodus MS, IMS sowie die Länge der kollisionsfreien oder kollisionsbehafteten lonen-Transferstrecke L_m können an die jeweilige Anwendung, insbesondere an die spezifizierte Massen- bzw. Isomeren-Auflösung (s.u.) angepasst werden.
Die Detektion der Ionen 11 im Fein-, Mittel- oder Hochvakuumbereich, d.h. im gezeigten Beispiel in einem Intervall zwischen ca. 10^-5 mbar und ca. 10⁰ mbar, erfolgt mit Hilfe des Ionen-Detektors 13. Ein geeigneter Ionen-Detektor 13 sollte gegenüber Druckbereichsüberschreitungen - d.h. auch für Drücke oberhalb des Feinvakuumbereichs - robust ausgelegt sein. Der Ionen-Detektor 13 sollte zudem degradationsfrei arbeiten und benötigt eine Dynamikbereich in der Größenordnung von ca. 5-6 Dekaden, um in beiden Druckbereichen Δp₁, Δp₂ die Ionen 11 detektieren zu können.
Ein solcher Ionen-Detektor 13, der eine Messelektrodenanordnung 22 zum Erfassen der Ionen 11 und eine Detektionseinrichtung 25 zur Detektion der von der Messelektrodenanordnung 22 erfassten Ionen 11 aufweist, ist in 1 sowie in 3 dargestellt. Die Messelektrodenanordnung 22 bildet im einfachsten Fall einen Faraday-Becher zur idealerweise rückstreuungsfreien Erfassung der Ionen 11. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel weist die Messelektrodenanordnung 22 eine zentrale Messelektrode 23 (Fokuselektrode) auf, die von einer ringförmigen Hauptelektrode 24 umgeben ist. Die zentrale Messelektrode 23 ist im Zentrum des Bodens des Faraday-Bechers angeordnet und wird von einem ringförmigen Bodenbereich der Hauptelektrode 24 umgeben.
Die zentrale Messelektrode 23 weist einen vergleichsweise geringen Durchmesser auf und dient hauptsächlich zur Erfassung von stark gekühlten Ionen 11 in dem zweiten Druckbereich Δp₂ (z.B. zwischen 10^-1 mbar und 10^-0 mbar). Die ringförmige Hauptelektrode 24, die den Großteil des Faraday-Bechers bildet, dient hauptsächlich zur Erfassung von schwach gekühlten Ionen 11 in dem ersten Druckbereich Δp₁ (z.B. bei einem Druck von ca. 10^-5 mbar). Die zentrale Messelektrode 23 und die ringförmige Messelektrode 24 sind elektrisch isoliert und bilden gemeinsam den Faraday-Becher.
Wie in 3 ebenfalls zu erkennen ist, ist die ringförmige Hauptelektrode 24 segmentiert und weist im gezeigten Beispiel vier Ringsegmente 24a-d (Quadranten) auf. Die vier Ringsegmente 24a-d sind in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt und weisen einen jeweils gleich großen Flächeninhalt auf. Es versteht sich, dass die ringförmige Hauptelektrode 24 auch in weniger oder in mehr Ringsegmente unterteilt sein kann. Die Segmentierung der ringförmigen Hauptelektrode 24 in vier Quadranten 24a-d ermöglicht eine richtungssensitive Aufzeichnung bzw. Messung der Ionen 11, die sich im Wesentlichen entlang der geradlinigen Trajektorie 15 bewegen. Im Idealfall verteilen sich die erfassten Ionen 11 gleichanteilig auf alle vier Quadranten 24a-d.
Die Detektionseinrichtung 25 in Form einer Detektionselektronik weist im gezeigten Beispiel fünf Eingänge auf, die zur elektrischen Kontaktierung der zentralen Messelektrode 23 sowie der vier Quadranten 24a-d der Hauptelektrode 24 der Messelektrodenanordnung 22 dienen, die in 3 auf der rechten Seite in einer Draufsicht dargestellt ist. Um den gesamten lonenstrahl bzw. alle extrahierten Ionen 11 zu detektieren, kann die Detektionseinrichtung 25 alle elektrisch isolierten Messelektroden 23, 24a-d zusammenschalten und die fünf Eingänge miteinander verbinden. Zur Detektion lediglich der schwach gekühlten Ionen 11 können die Quadranten 24a-d der segmentierten Hauptelektrode 24 zusammengeschaltet werden, während die zentrale Messelektrode 23 die stark gekühlten Ionen 11 gesondert aufzeichnet. Es ist ebenfalls möglich, dass eine oder mehrere der Quadranten 24a-d der Hauptelektrode 24 und die zentrale Messelektrode 23 beliebig kombiniert bzw. zusammengeschaltet werden, um die Drift- oder Flugeigenschaften der Ionen 11 besonders zu analysieren. Beispielsweise können hierbei Drift- oder Flugeigenschaften von Isomeren (s.u.) gemessen und ausgewertet werden.
4a,b zeigen beispielhaft jeweils in einem oberen Teilbereich ein lonensignal in Form eines induzierten Stroms I_ION(T) am Eingang der Detektionseinrichtung 25, der von den an der Messelektrodenanordnung 22 erfassten Ionen 11 erzeugt wird, sowie in einem unteren Teilbereich ein Spannungssignal U(t) am Ausgang der Detektionseinrichtung 25. Die Detektionseinrichtung 25 kann beispielsweise einen Ladungs-Verstärker zur Umwandlung eines von den erfassten Ionen 11 erzeugten Ladungssignals in ein Spannungssignal sowie eine Verstärker-Einrichtung zur Verstärkung des Spannungssignals aufweisen; die Messelektronik der Detektionseinrichtung 25 soll vorzugsweise eine schnelle und rauscharme Detektion der Ionen 11 mit einer Dynamik von 5 bis 6 Dekaden bereitstellen.
Das lonensignal I_ION(T) am Eingang der Detektionseinrichtung 25 und das Spannungssignal U(t) am Ausgang der Detektionseinrichtung 25 sind in 4a,b über fünf Größenordnungen dargestellt. Die in 4a,b dargestellte Zeitachse stimmt mit der Transportzeit t_m überein, d.h. der Zeitpunkt t_m = 0 µs entspricht dem Zeitpunkt, an dem die Extraktionseinrichtung 12 mit einem kurzen Spannungspuls mit einer Zeitdauer in der Größenordnung von ca. t_E < 100 ns aktiviert wird, um die Ionen 11 aus der lonenkammer 5 zu extrahieren.
In 4a sowie in 4b - in einem Zeitintervall von 0 µs bis ca. 200 µs - sind das lonensignal I_ION(T) und das Spannungssignal U(t) beispielhaft für einen Druck p_M von 10^-4 mbar im ersten Druckbereich Δp₁ mit lonenmassen zwischen 10 und 1000 und einer Partikelanzahl N z / Elementarladung von 1 × 10², 5 × 10³, 1 × 10³, 1 × 10¹ und 1 × 10⁴ dargestellt. Die Beschleunigungsspannung der Extraktionseinrichtung 12 lag im dargestellten Beispiel bei 50 V und die Ionen-Transferstrecke L_m wies eine Länge von 50 cm auf.
4a zeigt ein Detail der Darstellung von 4b mit höherer Zeitauflösung in einem Zeitintervall der Transportzeit t_m zwischen 49 µs und 53 µs. Wie in 4a zu erkennen ist, treffen in diesem Zeitintervall zwei Ionen 11 mit ähnlichen Massen bzw. ähnlichen Massenladungsverhältnissen mz auf die Messelektrodenanordnung 22 auf. Die Zeitspanne zwischen dem Aufprall der beiden Ionen 11 stellt bei dem hier beschriebenen ersten Betriebsmodus MS, d.h. ohne Stöße mit dem Bremsgas 17, ein Maß für den Massenunterschied zwischen den beiden auftreffenden Ionen 11 dar, da wie weiter oben beschrieben wurde die Transportzeit t_m, d.h. die Zeitspanne zwischen dem Erzeugen des Extraktionspulses der Extraktionseinrichtung 12 und dem Aufprall bzw. dem Erfassen der Ionen 11 an der Messelektrodenanordnung 22, in dem ersten Betriebszustand MS ein Maß für das Massenladungsverhältnis mz der Ionen 11 darstellt.
Wird genügend Bremsgas 17 in die Messkammer 6 eingelassen, ergeben sich jedoch deutlich längere Transportzeiten t_m, wie dies in 4b in einem Zeitintervall zwischen t_m = 200 µs und ca. 1200 µs für einen Druck p_M in der Messkammer 6 von ca. 6 × 10^-2 mbar und einer elektrischen Beschleunigungsfeldstärke E_m mit einem Betrag von ca. 600 V/m dargestellt ist Die Polarität des elektrischen Feldes bzw. der Beschleunigungsfeldstärke E_m hängt vom Vorzeichen der lonenladung ab und wird so gewählt, dass die Ionen 11 in der lonen-Transporteinrichtung 14 abgebremst werden. Die Transportzeiten t_m stellen in diesem Fall gemäß der weiter oben angegebenen Gleichung (4) ein Maß für die Mobilität K_m, der Ionen 11 dar und ermöglichen es, mit Hilfe der Vorrichtung 1 in dem zweiten Betriebszustand IMS eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung des Gases 2 durchzuführen. Die in 4b gezeigten lonensignale I_ION(T) bzw. Spannungssignale U(t) in den beiden Betriebszuständen MS, IMS wurden bei gleicher Partikelpopulation in der Ionenfalle 8 aufgenommen.
Die Auswerteeinrichtung 21 kann auch dazu dienen, die Anzahl der von der Detektionseinrichtung 25 detektierten Ionen 11 in den beiden Betriebszuständen MS, IMS zu bestimmen. Eine quantitative Analyse setzt jedoch voraus, dass die Auflösung bzw. die Dauer der Transportzeiten t_m groß genug ist. Die Auflösung nimmt mit zunehmender Länge der Ionen-Transportstrecke L_m zu.
Die Auswerteeinrichtung 21 kann weiterhin dazu dienen, im zweiten Betriebsmodus IMS anhand von unterschiedlichen Transportzeiten t_2a, t_2b von Ionen 11 mit gleichem Massenladungsverhältnis mz₂ isomere Stoffe 27 zu identifizieren, wie dies anhand eines in 5 dargestellten, beispielhaften Spektrums eines Gemischs aus einem monomeren Stoff 26 und einem isomeren Stoff 27 dargestellt ist. Bei dem in 5 dargestellten Spektrum ist auf der Abszisse das Massenladungsverhältnis mz aufgetragen, das sich in dem ersten Betriebszustand MS ohne Stoßprozesse bzw. ohne das Vorhandensein des Bremsgases 17 in der Messkammer 6 ergibt. Auf der Ordinate sind die Transportzeiten t_m in dem zweiten Betriebszustand IMS für das jeweilige Massenladungsverhältnis mz aufgetragen.
Bei dem monomeren Stoff 26, der ein Massenladungsverhältnis mz₁ aufweist, ergibt sich eine einheitliche Driftzeitspanne mit einem Verteilungsprofil Φ₁(tm), das um eine einzige (mittlere) Transportzeit t₁ verteilt ist. Bei einem isomeren Stoff 27, der ein Massenladungsverhältnis mz₂ aufweist, sind dagegen im gezeigten Beispiel zwei Driftzeitspannen mit entsprechenden Verteilungsprofilen Φ_2a(t_m), Φ_2b(t_m) vorhanden, die um zwei (mittlere) Transportzeiten t_2a, t_2b konzentriert sind. Mit Hilfe der weiter oben beschriebenen Vorrichtung 1 können daher isomere Stoffe 27 identifiziert und von monomeren Stoffen 26 unterschieden werden. Insbesondere können hierbei Partikel bzw. Ionen 11 mit derselben Molekülmasse und demselben Massenladungsverhältnis mz₂, aber mit unterschiedlicher Beweglichkeit, voneinander unterschieden werden.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 kann zur spektrometrischen Untersuchung von Gasen 2 bei unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. 6 zeigt stark schematisiert ein Detail einer EUV-Lithographieanlage 30, die zur Abbildung einer Struktur auf einer Maske auf eine lichtempfindliche Schicht auf einem Wafer dient. In 6 ist von der EUV-Lithographieanlage 30 lediglich eine Gehäuse 3 dargestellt, das einen Innenraum 3a umschließt, in dem beispielhaft ein einzelnes optisches Element 31 angeordnet ist, das als Spiegel ausgebildet ist. Das optische Element 31 in Form des Spiegels dient zur Reflexion von EUV-Strahlung 32, die einen nicht näher dargestellten Strahlengang die EUV-Lithographieanlage 30 durchläuft. In dem Innenraum 3a herrscht im Betrieb der EUV-Lithographieanlage 30 ein Druck p_EUV, der in der Größenordnung von ca. 1 mbar liegt, außerhalb des Gehäuses 3 herrscht Atmosphärendruck. Der Innenraum 3a weist eine Restgasatmosphäre auf, die als Bestandteil u.a. molekularen Wasserstoff H₂ enthält. Aufgrund der hohen Leistung der EUV-Strahlung 32 wird der Wasserstoff H₂ angeregt und bildet ein Wasserstoff-Plasma, das auch andere Bestandteile der Restgasatmosphäre ionisiert.
Bei dem in 6 gezeigten Beispiel ist die Vorrichtung 1, genauer gesagt das Gehäuse 4 der Vorrichtung 1, an die Außenseite des Gehäuses 3 der EUV-Lithographieanlage 30 angeflanscht, um den Gas-Einlass 9 über ein Piezo-Ventil 9a mit dem Innenraum 3a zu verbinden. Das zu untersuchende Gas 2 in dem Innenraum 3a ist aufgrund des Wasserstoff-Plasmas bereits ionisiert und kann daher in ionisiertem Zustand in die lonenkammer 5 der Vorrichtung 1 eingebracht und in der Ionenfalle 8 gespeichert werden. Auf das Vorsehen einer lonisierungseinrichtung in der lonenkammer 5 kann in diesem Fall verzichtet werden.
Bei der in 6 beschriebenen Vorrichtung 1 wird der (molekulare) Wasserstoff H₂, der ebenfalls in dem Innenraum 3a des Gehäuses 3 der EUV-Lithographieanlage 30 enthalten ist, als Bremsgas 17 genutzt. Zu diesem Zweck weist das Gehäuse 3 der EUV-Lithographieanlage 30 einen Gasanschluss auf, der mit der Zuführungseinrichtung 16 der Vorrichtung 1 in Verbindung steht, um den molekularen Wasserstoff H₂ aus dem Innenraum 3a der Messkammer 6 der Vorrichtung 1 zuzuführen. Der Wasserstoff H₂ wird hierbei an einer Position aus dem Gehäuse 4 entnommen, an dem kein bzw. nur ein schwaches Wasserstoff-Plasma vorhanden ist. Auf diese Weise kann auf das Vorsehen eines eigenen Gasreservoirs für das Bremsgas 17 verzichtet werden.
Wie in 6 ebenfalls zu erkennen ist, ist in dem Innenraum 3a des Gehäuses 3 der EUV-Lithographieanlage 30 eine stark schematisiert dargestellte Strömungsleiteinrichtung 33 angeordnet, die dem Gas-Einlass 9 das zu untersuchende Gas 2 mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung X der lonen-Transferstrecke L_m ausgerichteten Geschwindigkeit $\vec{V_{M}}$
zuführt. Die Richtung X der lonen-Transferstrecke L_m stimmt hierbei mit einer Einlassrichtung des Gas-Einlasses 9 überein. Bei der Strömungsleiteinrichtung 33 kann es sich beispielsweise um ein Rohr oder dergleichen handeln, welches quer zur Öffnung des Gas-Einlasses9 bzw. des Ventils 9a des Gas-Einlasses 9 ausgerichtet ist, so dass das in dem Innenraum 3a enthaltene Gas 2 im Wesentlichen quer zur Öffnung des Gas-Einlasses 9 an diesem vorbeiströmt und daher im Wesentlichen nur die gewünschte Geschwindigkeits-Komponente $\vec{V_{M}}$
senkrecht zur Richtung X der lonen-Transferstrecke L_m aufweist: Im gezeigten Beispiel gilt: V_M,x < V_M,y/10. Hierbei wurde zur Vereinfachung davon ausgegangen, dass das Gas 2 keine Geschwindigkeitskomponente in Z-Richtung aufweist. Im allgemeinen Fall ist die Geschwindigkeitskomponente in Y-Richtung V_M,y durch die Resultierende aus der Geschwindigkeitskomponente in Y-Richtung V_M,y und der Geschwindigkeitskomponente in Z-Richtung V_M,z zu ersetzen. Mit Hilfe der Strömungsleiteinrichtung 33 kann erreicht werden, dass die Geschwindigkeitskomponente der Ionen 11 in Richtung der Ionen-Transferstrecke L_m nahezu Null ist, um möglichst lange Transportzeiten t_m der Ionen 11 zu erreichen und auf diese Weise das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Messung zu verbessern.
Die in 6 dargestellte Vorrichtung 1 kann analog zu der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 dazu verwendet werden, wahlweise eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases 2 oder eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung des Gases 2 durchzuführen. Da die Vorrichtung 1 kompakt ist und wenig Bauraum benötigt, kann diese an unterschiedlichen Stellen der EUV-Lithographieanlage 30 angeordnet werden, um eine Restgasanalyse durchzuführen. Insbesondere können auch mehrere Vorrichtungen 1 dazu verwendet werden, an unterschiedlichen Orten der EUV-Lithographieanlage 30 jeweils eine Restgasanalyse durchzuführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8953145 B2 [0011, 0039]
DE 102008041592 A1 [0011]

Claims

Vorrichtung (1) zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases (2), umfassend: eine Extraktionseinrichtung (12) zur Extraktion von Ionen (11) des zu untersuchenden Gases (2) aus einer lonenkammer (5), einen Ionen-Detektor (13) zur Detektion der Ionen (11), eine lonen-Transfereinrichtung (14) zum Transfer der Ionen (11) von der Extraktionseinrichtung (12) zu dem Ionen-Detektor (13) entlang einer Ionen-Transferstrecke (L_m), eine Zuführungseinrichtung (16) zur Zuführung eines Bremsgases (17) zu der lonen-Transferstrecke (L_m), sowie eine Auswerteeinrichtung (21) zur Bestimmung von Transportzeiten (t_m) beim Transport der Ionen (11) von der Extraktionseinrichtung (12) zu dem Ionen-Detektor (13) entlang der lonen-Transferstrecke (L_m) dadurch gekennzeichnet dass die Vorrichtung (1) ausgebildet ist, einen Druck (p_M) entlang der Ionen-Transferstrecke (L_m) zwischen einem ersten, niedrigeren Druckbereich (Δp₁) und einem zweiten, höheren Druckbereich (Δp₂) umzuschalten, und dass die Auswerteeinrichtung (21) ausgebildet ist, in einem ersten Betriebszustand (MS) anhand der Transportzeiten (t_m) der Ionen (11) bei dem Druck (p_M) in dem ersten Druckbereich (Δp₁) eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases (2) durchzuführen und in einem zweiten Betriebszustand (IMS) anhand der Transportzeiten (t_m) der Ionen (11) bei dem Druck (p_M) in dem zweiten Druckbereich (Δp₂) eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung des Gases (2) durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher für einen maximalen Druck p_1max des ersten Druckbereichs (Δp₁) und einen minimalen Druck p_2min des zweiten Druckbereichs (Δp₂) gilt: p_2min / p_1max > 100, bevorzugt > 1000.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der erste Druckbereich (Δp₁) unter einem maximalen Druck (p_1max) von 10^-4 mbar und bevorzugt über einem minimalen Druck (p_1min) von 10^-5 mbar liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der zweite Druckbereich (Δp₂) über einem minimalen Druck (p_2min) von 10^-2 mbar und bevorzugt unter einem maximalen Druck (p_2max) von 10⁰ mbar liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ionen-Transferstrecke (L_m) in einer Messkammer (6) gebildet ist, wobei die Zuführungseinrichtung (16) zur Zuführung des Bremsgases (17) zu der Messkammer (5) bevorzugt mindestens ein insbesondere regelbares Ventil (16a) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, weiter umfassend: eine erste Vakuum-Pumpe (19) zum Abpumpen der Messkammer (6), wobei die erste Vakuum-Pumpe (19) mit der Messkammer (6) bevorzugt über mindestens ein insbesondere regelbares Ventil (19a) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die lonenkammer (5) und die Messkammer (6) in einem gemeinsamen Gehäuse (4) gebildet sind, wobei die lonenkammer (5) bevorzugt über eine Blendenöffnung (7) mit der Messkammer (6) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine zweite Vakuum-Pumpe (20) zum Abpumpen der lonenkammer (5), wobei die zweite Vakuum-Pumpe (20) mit der lonenkammer (5) bevorzugt über mindestens ein insbesondere regelbares Ventil (20a) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen Gas-Einlass (9) zum Einlassen des zu untersuchenden Gases (2) in die lonenkammer (5), wobei der Gas-Einlass (9) zum Einlassen des zu untersuchenden Gases (2) bevorzugt mindestens ein insbesondere regelbares Ventil (9a) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in der lonenkammer (5) eine Ionenfalle (8) zur Speicherung, Akkumulierung und/oder Filterung von Ionen (11) des zu untersuchenden Gases (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine lonisierungseinrichtung (10) zur Ionisierung des zu untersuchenden Gases (2) in der lonenkammer (5), insbesondere in der Ionenfalle (8).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Ionen-Detektor (13) eine Messelektrodenanordnung (22), bevorzugt einen Faraday-Becher, zum Erfassen der Ionen (11) und eine Detektionseinrichtung (25) zur Detektion der von der Messelektrodenanordnung (22) erfassten Ionen (11) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die Messelektrodenanordnung (22) eine zentrale Messelektrode (23) aufweist, die von einer bevorzugt ringförmigen Hauptelektrode (24) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die ringförmige Hauptelektrode (24) segmentiert ist und mindestens zwei Ringsegmente, bevorzugt vier Ringsegmente (24a-d), aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Auswerteeinrichtung (21) ausgebildet ist, in dem zweiten Betriebsmodus (IMS) anhand von unterschiedlichen Transferzeiten (t_2a, t_2b) von Ionen (11) mit gleichem Massenladungsverhältnis (mz₂) isomere Stoffe (27) zu identifizieren.
Lithographieanlage, insbesondere EUV-Lithographieanlage (30), umfassend: ein Gehäuse (3), das einen Innenraum (3a) umschließt, in dem mindestens ein optisches Element (31) angeordnet ist, sowie mindestens eine Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit dem Innenraum (3a) in Verbindung steht, um der lonenkammer (5) das zu untersuchende, bevorzugt in dem Innenraum (3a) ionisierte Gas (2) zuzuführen.
Lithographieanlage nach Anspruch 16, bei welcher die Zuführungseinrichtung (16) ausgebildet ist, der lonen-Transferstrecke (L_m) als Bremsgas (17) ein in dem Innenraum (3a) vorhandenes Gas (3), insbesondere Wasserstoff, zuzuführen.
Lithographieanlage nach Anspruch 16 oder 17, bei welcher in dem Innenraum (3a) eine Strömungsleiteinrichtung (33) angeordnet ist, die ausgebildet ist, dem Gas-Einlass (9) das zu untersuchende Gas (3) mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung (X) der lonen-Transferstrecke (L_m) ausgerichteten Geschwindigkeit (v) zuzuführen.