DE112005001120T5

DE112005001120T5 - Austauschbarer Anodenmantel für eine Ionenquelle

Info

Publication number: DE112005001120T5
Application number: DE112005001120T
Authority: DE
Inventors: Robert E. Ellefson; Louis C. Frees
Original assignee: Inficon Inc
Current assignee: Inficon Inc
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2007-04-26
Also published as: GB0622336D0; US20050258374A1; WO2005114701A3; WO2005114701A2; JP2007538376A; GB2434027A; GB2434027B; US7041984B2

Abstract

Ionenquelle für ein Masseanalysesystem, wobei die Ionenquelle aufweist:
einer Einrichtung zum Bilden eines Elektronenstroms;
einer Anode mit einem Innenbereich, in welchen der gebildete Elektronenstrom injiziert wird, wobei der Elektronenstrom in einem Anodenbereich endet, und in welchem Ionen gebildet werden; und
einem lösbaren Anodenmantel, wobei die Anodenabdeckung in den Anodeninnenbereich einsetzbar und derart ausgebildet ist, dass er den Elektronenstrom aufnimmt.

Description

Sachgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Massenanalysatoren und insbesondere einen austauschbaren Anodenmantel für eine Ionenquelle, wie sie beispielsweise bei der Halbleiterprozessüberwachung verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Es ist bekannt, dass bestimmte Halbleiterwaferüberwachungsvorgänge Massenspektrometer oder andere Geräte verwenden, um das Vorhandensein und die relative Menge von Prozessgasen zu bestimmen. Einige dieser Prozesse, beispielsweise diejenigen, welche Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) verwenden, enthalten flüchtiges Silizium und/oder andere Spezies, welche einen Verlust der Empfindlichkeit des den Prozess überwachenden Massenspektrometers in relativ kurzer Zeit bewirken können, das heißt, im Vergleich mit der durchschnittlichen Lebensdauer einer üblicherweise in Verbindung mit dem Spektrometer verwendeten Ionenquelle. Einfacher ausgedrückt, besteht das daraus folgende Problem darin, dass die Ionenquelle die erforderliche Empfindlichkeit im Gegensatz zu der normalen oder typischen Lebensdauer (beispielsweise Monate) innerhalb von Tagen verlieren kann, wodurch ein vorzeitiger Austausch derselben erforderlich ist.
Dieser zuvor erwähnte Verlust an Empfindlichkeit ist auf das Ansammeln von isolierenden Ablagerungen im Inneren der Anode der Ionenquelle zurückzuführen. Typische Ionenquellen sind in den 1 und 2 dargestellt, während 3 ein diese aufweisendes Massenanalysatorsystem 31 zeigt. Zur besseren Beschreibbarkeit der Probleme wird auf jede der Figuren Bezug genommen.
Zunächst sind in den 1 und 2 zwei Ionenquellen 10, 30 dargestellt. Elemente, die in jeder der Quellen verwendet werden, sind aus Gründen der Klarheit mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Hinsichtlich der Unterschiede zwischen den dargestellten Ionenquellen 10, 30 ist festzustellen, dass eine Ionenquellenhersteller austauschbare Anoden verwenden, bei welchen das gesamte Element ausgetauscht oder zum Reinigen entnommen wird, wie beispielsweise in einer Ionenquelle, welche von Leybold Inficon, East Syracuse, NY für deren Q-Mass-Sensorsystem hergestellt wurde. Üblicherweise weisen diese Spektrometereinheiten für organische Masse einen Gaseinlass auf, der sich von einem Gaschromatographen oder einer anderen Form von Auslass aus erstreckt und in der Seite der Anode (d.h. seitlich) mündet, wie in 1 dargestellt, welche einen Bereich der bekannten Ionenquelle 10 darstellt.
Jedoch weisen, insbesondere für Vakuumverarbeitungsanwendungen, Prozessanalysatoren, die auf Restgasanalysatoren (RGA) basieren, wie beispielsweise der von Inficon, Inc. hergestellte Compact Process Monitor, üblicherweise eine geschlossene Ionenquelle 30 auf, wie beispielsweise in 2 dargestellt.
Jede der Ionenquellen 10, 30 weist eine Elektronenstromerzeugungseinrichtung auf, wobei es sich im vorliegenden Fall um ein Heizfilament 14 handelt, das üblicherweise aus Wolfram oder einem ähnlichen Material besteht, das einen Elektronenstrom bildet, der in die Struktur der Anode 18 bzw. 32 gerichtet ist. Wie zuvor erwähnt, ist die Anode 19 der Ionenquelle 10 der 1 austauschbar, wobei die Anode in der Figur sowohl im montierten, als auch im demontierten Zustand dargestellt ist, während die geschlossene Ionenquelle 30 der 2 eine feste Anode 32 mit einer Stützstruktur, beispielsweise eine abgedichtete Scheibe 34 am oberen Ende, aufweist.
Elektronen, die von dem Heizfilament 14 jedes Ionenvolumens 10, 30 gebildet werden, werden in ein Ionisierungsvolumen oder -bereich im Inneren der Anode 18, 32 ausgestoßen. Das Potential der Anode 18, 32 ist in bezug auf das Filament und einen (nicht dargestellten) Ionenabweiser positiv. Reagensgase aus einer Abscheidekammer oder einer anderen zu überwachenden Quelle werden in das Ionisierungsvolumen geliefert. Wie zuvor für die Ionenquelle 10 erwähnt, werden die Gase seitlich durch einen Port 22 zugeführt, während die Gase bei der Ionenquelle 30 axial zugeführt werden; das heißt, die Gase werden in einer Richtung 27 eingeleitet, die im wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Elektronenstroms durch die Anode 32 verläuft.
Ein exemplarisches Massenanalysesystem 31 ist in der 3 dargestellt, bei dem ein Sensor 33, welcher den Ionendetektor und den Quadrupol-Massendetektor enthält, in bezug auf eine Vakuumtestkammer 35 und eine Vakuumpumpe 37 angeordnet ist, welche die Reagensgase in das Ionisiervolumen zieht. Gas aus dem Prozess 20 wird der geschlossenen Ionenquelle 30 mittels einer Strömungsregelöffnung 21 zugeleitet. Weitere Details bezüglich des genannten Systems sind in dem US-Patent 5 889 281 angegeben, dessen gesamter Inhalt durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Anmeldung ist.
In jeder Ionenquelle 10, 30 werden die in den Grenzen des Ionisiervolumens gebildeten Ionen durch ein geeignetes Potential durch eine Ionenlinsenanordnung gezogen, welche mindestens eine Fokusplatte oder einen Extraktor 24 und eine parallele und konzentrische Austrittslinse 29 aufweist. Die Platte 24, die ein weniger positives Potential als die Anode 18, 32 hat, dient der Beschleunigung der gebildeten positiven Ionen zu einem fokussierten Ionenstrahl 26 durch konzentrische Öffnungen 28 in der Ionenlinsenanordnung entlang einer Achse 25 zu einem Massenfilter oder einem anderen Gerät (in den 1 und 2 nicht dargestellt), wie beispielsweise ein Quadrupol. In der Linsensanordnung jeder Ionenquelle 10, 30 sind Isolatoren 38 vorgesehen, um Gasleckagen zu verhindern. Bei Quadrupol-Massenspektrometern (im folgenden als QMS bezeichnet), hängt insbesondere die Empfindlichkeit (das heißt, der erkannte Ionenstrom im Verhältnis zu dem Ionenquellenteildruck) extrem von der Ionenenergie ab.
In beiden Fällen kann der die Anodenoberfläche erwärmende Elektronenstrahl die Bildung einer isolierenden Ablagerungsschicht 39 aus den überwachten CVD-Reagensgasen induzieren. Anschließend akkumuliert der gleiche Elektronenstrahl Elektronen auf der isolierten Ablagerungsschichtoberfläche 39, wobei eine negative Oberflächenladung gebildet und ein elektrisches Potential erzeugt wird, das in bezug auf die Anode negativ ist.
Üblicherweise wird eine geschlossene Ionenquelle 30, wie in 2 dargestellt, die zur Prozessüberwachung dient, zum Erzeugen von Ionen mit ungefähr 6–8 Elektronenvolt an Ionenenergie betrieben. Die Ionenenergie der resultierenden Ionen, die in den Massenanalysator (in 2 nicht dargestellt) eintreten, wird durch das negative Potential reduziert, das durch den zuvor beschriebenen Isolierschichteffekt erzeugt wird, wodurch die Empfindlichkeit in QMS-Einheiten mit geschlossenen Ionenquellen drastisch verringert wird.
Es existieren zwei herkömmliche Lösungen zur Behebung des genannten Problems, die gegenwärtig entsprechend dem Stand der Technik praktiziert werden. Die erste Lösung sieht den vollständigen Austausch der Ionenquelle vor. Diese Lösung ist extrem kostspielig, da die Ionenquelle neben der Anode eine Reihe von anderen Elementen enthält. Diese erste Lösung ist ebenfalls zeitaufwendig. Die zweite Lösung sieht den Austausch der Standardanode vor. Die letztere Lösung erfordert die Demontage der Ionenquelle zusätzlich zu dem Austausch der Anode. Höchstwahrscheinlich erfordert die letztere Lösung auch den Austausch des Heizdrahts, wodurch zusätzliche Reparaturkosten entstehen.
Bei der Ionenquelle 10 ist der Seiteneingang oder der seitliche Eingang für das Reagensgas durch den Port 22 für das Entfernen der Anode 18 entlang der Achse 25 des Ionenstrahls 26 geeignet. Bei der geschlossenen Ionenquelle 30, bei der die Reagensgase entlang der Ionenstrahlachse 25 in die Quelle eintreten, ist die Anode 32 üblicherweise ein einstückiger Teil der Ionenquelle 30. Die Demontageabfolge für das Austauschen der Anode 32 erfordert vor dem Austausch das Entfernen einer Reihe von Bauteilen, einschließlich der abdich tenden Scheibe 34, einer (nicht dargestellten) Druckfeder, des Heizfilaments 14 und anschließend der eigentlichen Anodenstruktur. Das Austauschen der Anode 32 für Ionenquellen mit axialem Gaseinlass stellt daher eine erhebliche Umbauarbeit der Ionenquellenanordnung dar. Wie erwähnt, wird mindestens die Anodenanordnung ausgetauscht, jedoch erfordert höchstwahrscheinlich auch das Filament 14 einen Austausch. Dies ist insbesondere zutreffend, wenn das Filament aus Wolfram besteht, da dieser brüchig ist und die Gefahr eines Brechens des Filament bei der Montage besteht. Ein neuer (d.h. nicht erwärmter) Wolframdraht ist erheblich weniger brüchig als ein bereits erwärmtes Filament. Oftmals entscheidet sich ein Benutzer dafür, die gesamte Ionenquelle auszutauschen, anstatt vor Ort eine Demontage durchzuführen.
Überblick über die Erfindung
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Probleme des Standes der Technik zu überwinden.
Es ist eine weitere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nutzdauer einer Ionenquelle für ein Massenspektrometer oder ein ähnliches Gerät zu verlängern, indem der Austausch eines in bezug auf die Anodenstruktur ohne Beeinträchtigung der Gesamtempfindlichkeit der Ionenquelle einsetzbaren Wegwerfbauteils vor Ort ermöglicht wird.
Daher und gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ionenquelle für ein Masseanalysesystem vorgesehen, wobei die Ionenquelle aufweist:
eine Einrichtung zur Bildung eines Elektronenstroms;
eine Anode mit einem Innenbereich, in den der gebildete Elektronenstrom injiziert wird, wobei der Elektronenstrom in dem Anodenbereich endet, und in welchem Ionen gebildet werden, und
einen lösbaren Anodenmantel, der in den inneren Anodenbereich einsetzbar und derart ausgebildet ist, dass er den Elektronenstrom aufnimmt.
Nach einem anderen bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein austauschbarer Anodenmantel für eine Ionenquelle offenbart, wobei die Ionenquelle eine Einrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstroms aufweist, die in bezug auf den Innenraum einer Anodenstützstruktur angeordnet ist, wobei der Mantel lösbar in Eingriff mit der Ionenquelle bringbar und derart ausgebildet ist, dass er in die Anodenstützstruktur passt.
Vorzugsweise weist der austauschbare oder opferbare Anodenmantel einen hülsenartigen Bereich auf, der in das Innere der festen Anode der Ionenquelle eingesetzt ist, wobei der Mantel ferner Indexierungseinrichtungen aufweist, um den Mantel in bezug auf die Elektronenstromerzeugungseinrichtung, beispielsweise das Filament, auszurichten, wenn der Mantel auf die Anode platziert wird. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Mantel eine Indexierungseinrichtung und eine Spanneinrichtung auf, die jeweils durch einen an einem Ende des Mantels geformten T-förmigen Schlitz gebildet sind, der auf eine Referenzeinrichtung an der Anodenstruktur ausgerichtet wird. Ein am entgegengesetzten Ende des Mantels gebildeter seitlicher Schlitz wird bei einer geschlossenen Ionenquelle automatisch in bezug auf die Elektronenstromerzeugungseinrichtung ausgerichtet, wenn der T-förmige Schlitz anfangs mit der Referenzeinrichtung an der Anodenstruktur ausgerichtet wird.
Der Mantel weist eine Einrichtung auf, die sein Einführen und Entnehmen ermöglicht, ohne das Demontieren der Ionenquelle zu erfordern; das heißt, der Mantel kann unmittelbar an der festen Anode angebracht und von dort mittels eines für das Entfernen vorgesehenen Werkzeugs abgenommen werden.
Vorzugsweise ist der Mantel derart ausgebildet, dass er in eng passendem Gleitsitz im Inneren der Anode angeordnet ist, so dass kein Gas entlang dem Weg zwischen dem Inneren der Ionenquellenanode und der Außenseite des Mantels zur Niederdruckseite der Ionenquellenanode austreten kann.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist eine Ionenquellenanordnung für ein Gasanalysesystem vorgesehen, wobei die Anordnung aufweist:
eine Ionenquelle mit wenigstens einem Draht, einer Anodenstruktur, in welche ein durch das Filament gebildeter Elektronenstrahl eintritt, einen Gasport, der das Eintreten von Prozessgasen für die Analyse ermöglicht, und mehrere Anodenmäntel, wobei ein Anodenmantel in das Innere der Anodenstruktur einsetzbar ist, wobei jeder der Mäntel aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und Einrichtungen aufweist, die das Eintreten zumindest eines Teils des Elektronenstroms in das Innere der Anodenstruktur ermöglichen.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verbessern der Empfindlichkeit einer verunreinigten Ionenquelle offenbart, wobei die Ionenquelle eine Anodenstruktur aufweist, welche einen Innenbereich begrenzt, wobei der Anodeninnenbereich einen Elektronenstrom empfängt und in diesem Bereich Ionen gebildet werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Einsetzen eines austauschbaren Anodenmantels in die Anodenstruktur, derart dass der Mantel im Anodeninnenbereich angeordnet ist und den Elektronenstrom empfängt, wobei der Mantel aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, welches das Bilden von isolierenden Ablagerungen aus dem Elektronenstrom an einer Innenfläche desselben anstatt an der Innenseite der Anodenstruktur ermöglicht.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der Anodenmantel, wie hierin beschrieben, ermöglicht, die gesamte Nutzdauer der Ionenquelle ohne wesentliche Demontage oder Austausch kritischer Bauteile zu realisieren.
Ein weiterer unmittelbarer Vorteil, der durch die vorliegende Erfindung erreicht wird, besteht darin, dass der (die) hier beschriebene(n) Anodenmantel (-mäntel) auf eine Art und Weise hergestellt werden können, welche die Emission des Elektronenstrahls in den Anodenbereich je nach der Anwendung der Ionenquelle der Hardware (beispielsweise Massenspektrometer), die verwendet wird, wirksam regelt.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der beschriebene Mantel die Empfindlichkeit der Ionenquelle nicht wesentlich beeinträchtigt, wenn der Mantel zu Anfang installiert wird, d.h. vor der Verunreinigung. Ferner sind eine Methodik und eine Ausbildung beschrieben, die den Mantel wirksam in bezug auf den gebildeten Elektronenstrahl der Ionenquelle beim Einsetzen desselben automatisch zentriert und ausrichtet.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine effektive Verunreinigungskontrolle durch Verwenden eines wegwerfbaren Bauteils durchgeführt wird, ohne die Gesamtempfindlichkeit der Ionenquelle zu opfern oder wesentlich zu beeinträchtigen.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel erreicht die Wiederherstellung der Ionenquellenempfindlichkeit mittels eines gegenüber den bekannten Verfahren des Austauschens der vollständigen Ionenquelle oder der Anode kostengünstigen Austauschelements und eines demgegenüber zeitsparenden Austauschverfahrens.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile ergeben sich deutlich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die in Zusammenhang mit den zugehörigen Zeichnungen zu lesen ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine geschnittene Teilseitenansicht einer bekannten Ionenquelle;
2 ist eine geschnittene Teilseitenansicht einer anderen bekannten Ionenquelle;
3 zeigt eine Ionenquelle, wie sie in einem Massenspektrometersystem zur Verwendung in einem Halbleiterüberwachungsprozess eingesetzt wird;
4(a) ist eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ionenquelle mit einem austauschbaren Anodenmantel, der gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
4(b) und 4(c) zeigen Seitenansichten des Anodenmantels von 4(a);
5 ist eine perspektivische Darstellung des Entfernens des Mantels der 4(a)–4(c) aus einer Ionenquelle gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 ist eine perspektivische Darstellung das Anbringens/Austauschens des Anodenmantels der 4(a)–4(c) an der Ionenquelle der 5;
7 ist eine Seitenansicht eines Anodenmantels nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Seitenansicht eines Anodenmantels gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 ist eine Seitenansicht eines Anodenmantels, der gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsbeispiele hinsichtlich des austauschbaren Anodenmantels sowie hinsichtlich der Formen der Ionenquellen beschrieben, mit welchen die beschriebenen Mäntel verwendet werden können. Es ist aus der nachfolgenden Erörterung für den Fachmann auf diesem Gebiet jedoch leicht ersichtlich, dass andere Modifikationen und Variationen innerhalb des Rahmens der angestrebten Erfindung möglich sind. Ferner werden in der Erörterung wiederholt bestimmte Ausdrücke verwendet, wie "unten", "seitlich", "über", "unter", "Seite" und dergleichen. Diese Begriffe sollen einen Bezugsrahmen hinsichtlich der zugehörigen Zeichnungen schaffen und sind nicht übermäßig einschränkend zu verstehen, es sei denn, das Gegenteil ist ausdrücklich erwähnt.
Die 4(a) zeigt eine geschlossene Ionenquelle 40, wie sie zuvor in 2 dargestellt wurde. Im Rahmen der vorliegenden Erörterung sind ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Wie zuvor weist die Ionenquelle 40 eine Anodenstruktur 32 auf, die in bezug auf ein Heizfilament 14 ausgerichtet ist, welcher zur Bildung von Elektronen dient, die in einen Innenbereich der Anode projiziert werden. Die Ionenquelle 40 weist fernen eine Ionenlinsenanordnung auf, die eine Fokusplatte 24 und eine konzentrische Ausgangslinse umfasst, die jeweils Öffnungen 28 haben, welche einen extrahierten Ionenstrahl 26 von dem Anodenbereich zu einem (nicht dargestellten) Massefilter fokussieren und richten. Reagensgase treten axial in den Anodenbereich ein, das heißt, vom oberen Bereich der Anodenstruktur in zur Achse 25 des Ionenstrahls 26 paralleler Richtung. Die Anordnung ist mittels einer Dichtscheibe 24 abgedichtet, welche am oberen Ende der Anodenstruktur angebracht ist, und ferner sind Isolatoren 38 in der Ionenlinsenanordnung angebracht.
Die Anordnung weist ferner einen in den 4(a)–4(b) dargestellten opferbaren Anodenmantel 44 auf, der gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der Anodenmantel 44 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist durch ein zylindrisches hülsenartiges Ge häuse 48 gebildet, das zwei offene Enden 52, 56 hat, welche des weiteren einen hohlen Innenraum 60 bilden. Der Mantel 44 besteht aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material, obwohl der Mantel nach diesem speziellen Ausführungsbeispiel aus Edelstahl 304 mit Goldplattierung besteht. Der Mantel 44 ist aus im folgenden näher erklärten Gründen dünnwandig und relativ leicht, wobei der Mantel derart bemessen ist, dass er eng in das Innere der festen Anodenstruktur 32 der Ionenquelle 40 und insbesondere des Anodenraums passt, in welchem Ionen gebildet werden, wie in 4(a) dargestellt.
Wie insbesondere in den 4(b) und 4(c) dargestellt, weist der Anodenmantel 44 ferner einen T-förmigen Schlitz 64 mit einem vertikalen Teil 68 und einem horizontalen oder seitlichen Teil 72, wobei sich der Schlitz nahe eines ersten oder oberen offenen Endes 52 erstreckt, sowie einen seitlichen Schlitz 76 auf, der nahe einem gegenüberliegenden zweiten oder unteren offenen Ende 56 ausgebildet ist. Der T-förmige Schlitz 64 ist gegenüber dem übrigen Außendurchmesser des Mantels mit einem großen Durchmesser ausgebildet, um sowohl als Einrichtung zum Spannen, als auch zum Halten des Mantels 44 in Position zu dienen, wenn dieser eingesetzt ist. Der T-förmige Schlitz 64 ist derart ausgebildet, dass ein Einsetz-/Entfernungswerkzeug 80, 5, daran angreifen kann, um den Mantel in bezug auf die Anodenstruktur zu montieren/anzubringen, wie im folgenden ausführlicher beschrieben. Der seitliche Schlitz 76 des Mantels 44 ist zum Ausrichten mit der Elektronenerzeugungsquelle (im vorliegenden Fall dem Heizfilament 14, 4(a)) der Ionenquelle 40, 4(a), bemessen, um es Elektronen zu ermöglichen, das Innere der Anode 32, 4(a), auf die übliche Weise zu durchdringen. Jedoch bildet sich aufgrund des Vorhandenseins des Anodenmantels jegliche isolierende Ablagerung, die sich üblicherweise aus den von der Oberfläche adsorbierten Spezies und/oder den Spezies in der Gasphase an der Innenseite der Anode bildet, nunmehr an der Innenseite der leitfähigen Innenfläche der Anode während Elektronen auf die Innenwand des Mantels 44 treffen, Ionenenergie abgeben, die Wandtemperatur erhöhen und die Bildung von Ablagerungen ermöglichen.
Die 5 und 6 zeigen das Entfernen und das anschließende Austauschen eines erfindungsgemäßen opferbaren Anodenmantels 44 in Zusammenhang mit einer geschlossenen Ionenquelle 40A, ähnlich der zuvor beschriebenen. Ein hierbei verwendetes Einsetz-/Entfernungswerkzeug 80 ist durch ein zylindrisches Teil mit zwei gegenüberliegenden Enden gebildet, nämlich einem Einsetzende 88 und einem Entfernungsende 84.
Zunächst Bezug nehmend auf 5 ist bei der dort dargestellten Vorrichtung bereits vorausgesetzt, dass ein zuvor beschriebener opferbarer Anodenmantel 44 bereits in bezug auf die feste Anodenstruktur 32A der geschlossenen Ionenquelle 40A vorhanden ist. Das Einsetz-/Entfernungswerkzeug 80 dieses besonderen Ausführungsbeispiels hat einen Durchmesser, der zum Angreifen an der Innenseite der Anodenstruktur 32A und der Innenseite des bereits eingesetzten Anodenmantels 44 bemessen ist. Das Werkzeug 80 wird in die Anode eingeführt, bis ein von dem Werkzeug abstehender Ausrichtungsaufhebungsstift 92 am horizontalen Teil 72 des T-förmigen Schlitzes 64 durchschlägt. Das Werkzeug 80 wird sodann um seine Mittelachse gedreht, bis es gegen das Ende des horizontalen Teils 72 des T-förmigen Schlitzes 64 schlägt. Es ist für ein lineares Entfernen unerheblicht, ob das Werkzeug 80 im Uhrzeigersinn oder entgegen denselben gedreht wird. Sobald der Werkzeugausrichtungsaufhebungsstift 92 mit dem seitlichen Teil 72 des T-förmigen Schlitzes 64 zusammengreift, kann der Mantel 44 durch Zurückziehen des Einsetz-/Entfernungswerkzeugs in Richtung 101 wie dargestellt aus dem Inneren der Anode gezogen werden.
Wie in 6 dargestellt, kann danach ein neuer Anodenmantel 44 den entfernten Mantel von 5 ersetzen. Das Einsetzen erfolgt mittels des Werkzeugs 80 und insbesondere eines Werkzeugausrichtungseinsetzstifts 94, der radial von der Außenseite des Werkzeugs absteht. Der Ausrichtungseinsetzstift 94 wird bei diesem Ausführungsbeispiel zunächst entlang dem vertikalen Teil 68 des T-förmigen Schlitzes 64 des opferbaren Anodenmantels 44 ausgerichtet. Der seitliche Schlitz 76 des Mantels 44 wird bei diesem Ausführungsbeispiel automatisch mit dem (nicht dargestellten) Filament der Ionenquelle 40A ausgerichtet, indem eine kleine Umfangskerbe 102 an dem höchsten unkt der festen Anode 32A vorgesehen wird. Diese Kerbe 102 ist derart ausgebildet, dass das Eingreifen des Werkzeugausrichtungseinsetzstifts 94 des Entfernungs-/Einsetzwerkzeugs 80 in diese den seitlichen Schlitz 76 am unteren Ende des Mantels 44 automatisch mit der Elektronenstromquelle (beispielsweise dem Filament) der Ionenquelle 40A ausrichtet oder indexiert. Danach erfolgt das axiale Einsetzen in Richtung 108, wobei das Einsetzende das Einsetzen bis zu einer vorbestimmten axialen Strecke in der Anodenstruktur mittels einer Schulter 105. Die Höhe des Anodenmantels 44 ist geringfügig größer als diejenige der Anode 32, so dass der Mantel im vollständig eingesetzten Zustand sehr leicht über das obere Ende der Anode nach außen ragt, wodurch sichergestellt ist, dass der Mantel vollständig eingesetzt ist.
Als solches wird der Elektroneneingangsschlitz des Mantels 44 durch das Einsetzen wirksam automatisch in bezug auf den Filament 14 ausgerichtet und zentriert, ohne dass zusätzliche Hilfsmittel oder eine Prüfung erforderlich sind.
Vorzugsweise ist der hier beschriebene opferbare oder austauschbare Anodenmantel 44 im Betrieb zu Anfang in das Innere der Anodenstruktur einer Ionenquelle eingesetzt, wobei die Anodenstruktur ferner die Umfangskerbe 102 aufweist. Die Dicke des Mantels 44 muss ausreichend dünn sein, um die Empfindlichkeit der Ionenquelle zu bewahren, die teilweise durch die Abmessungen des Ionisierungsbereichs in der Anode geregelt ist.
Prüfuntersuchungen wurden zum Prüfen der Verwendung eines Prototyps des opferbaren Mantels, wie des zuvor beschriebenen Mantels, in einer Ionenquellenanordnung durchgeführt. Bei diesen Untersuchungen handelte es sich bei der Ionenquelle um eine von Inficon, Inc. hergestellte CVD-Version einer geschlossenen Ionenquelle. Die Untersuchungen wurden unter Verwendung eines Phase 2 Compact Process Monitor durchgeführt, der mit einem Quadrupol-Massefilter ausgerüstet war, um die Empfindlichkeit sowohl bei nicht vorhandenem opferbarem Anodenmantel, als auch unter Einschluss des zuvor beschriebenen Mantels 44 zu bestimmen.
Ein zweiter Vergleich wurde unter Verwendung einer verunreinigten Ionenquelle durchgeführt, die vor und nach dem Einsetzen eines zuvor beschriebenen opferbaren Anodenmantels gemessen wurde.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der opferbare Anodenmantel so ausgebildet sein, dass er den Strom der Elektronen in das Ionisiervolumen regelt. Eine Mehrzweck- oder "universelle" Ionenquelle 110 ist in den 7–9 dargestellt, die einzeln mehrere Anodenmäntel verschiedener Größe und Ausbildung aufnehmen kann. Die Ionenquelle 110 ist vom geschlossenen Typ und weist eine Anodenstruktur 114 sowie ein Filament 115 aus, der als eine Elektronenquelle dient. Die Quelle 110 weist ferner eine Ionenlinsenanordnung auf, die eine leitfähige Fokusplatte 118 und eine Ionenaustrittslinse 122 umfasst, die jeweils eine konzentrische Öffnung 126 haben, welche einen Ionenstrahl 130 durchlassen. Prozessreagensgase treten die Ionenquelle 110 axial (in bezug auf den gebildeten Ionenstrahl 130) durch die Anodenstruktur 114 ein und treten durch die Ionenlinsenanordnung sowie das Filament aus. Die Ionenquelle 110 ist ansonsten gegen Gasaustritt durch eine Dichtplatte 135, die am oberen Ende der Anodenstruktur 114 angebracht ist, und Isolatoren 139 abgedichtet, die an der Ionenlinsenanordnung vorgesehen sind.
Nach einer in 7 dargestellten Variante ist ein opferbarer Anodenmantel 140 als zylindrisches Hülsenteil vorgesehen, das derart ausgebildet und bemessen ist, dass es in das Innere der Anodenstruktur 114 passt. Der Mantel 140 ist eine dünnwandige Struktur aus einem elektrisch leitfähigen Material und weist zwei gegenüberliegende offene Enden auf, die einen hohlen Innenraum begrenzen. Ein Elektroneneingangsschlitz 147 ist am unteren Ende desselben vorgesehen, der mit dem Filament 115 ausgerichtet ist, um den Eintritt gebildeter Ionen in den Innenraum der Anodenstruktur 114 zu ermöglichen. Wie zuvor beschrieben, bildet jegliche isolierende Ablagerung aus den Reagensgasen statt im Inneren der Anodenstruktur 114 eine Schicht 149 an der Innenfläche einer gegenüberliegenden Wand des Mantels 140, das heißt, gegenüber dem Elektroneneingangsschlitz 147, wobei der Mantel durch die elektrische Leitfähigkeit diesen Vorgang fördert. Der Mantel 140 ist in den Figuren sowohl im montierten, als auch im demontierten Zustand dargestellt, wobei der Mantel in der Richtung 145 einsetzbar und entnehmbar ist.
8 zeigt eine andere Variante eines opferbaren Mantels 150 zur Verwendung in einer Ionenquelle 110. Bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel ist die Ausbildung des Mantels 150 völlig identisch mit derjenigen in 7, mit der Ausnahme, dass der seitliche Elektroneneingangsschlitz am unteren Ende des Mantels durch eine kleinere Öffnung 154 ersetzt ist, welche den Einlass von Elektronen in die geschlossene Ionenquelle regelt, beispielsweise zur Verwendung in PVD-Prozessen (Physical Vapor Deposition). Die kleinere Elektroneneingangsöffnung 154 reduziert das Leiten von Gas aus dem Elektroneneingang und erhöht somit den Druck in dem Anodenbereich.
Ein in 9 dargestellter dritter Mantel 160 ist von ähnlichem Aufbau wie die vorherigen Mäntel 140, 150, jedoch ist bei diesem Mantel der seitliche Elektroneneingangsschlitz weggelassen und das offene untere Ende des Mantels ist durch eine einzelne oder mehrere Gasausströmöffnungen 164 im unteren Ende des Mantels 160 ersetzt. Die letztere Ausbildung ist dahingehend nützlich, dass nur ein molekularer Gasstrahl durch den Anodenbereich strömt. Bei jeder der vorgenannten Mantelausbildungen ist jedoch lediglich eine einzige Anodenstruktur und Ionenoptikanordnung erforderlich.
Die übrige Ausgestaltung jedes der vorgenannten Mäntel weist ein oberes offenes Ende mit einem zuvor beschriebenen T-förmigen Schlitz 166 auf, wobei die Anodenstruktur 114 ähnlich mit einer Umfangskerbe 116 ausgebildet sein kann, die nur in 9 dargestellt ist, um das Indexieren jedes Mantels 140, 150, 160 in bezug auf das Filament 115 zu ermöglichen. Ein Einsetzwerkzeug, wie in den 5 und 6 dargestellt, kann daher nach Bedarf zum einfachen Einsetzen und Entfernen der Mäntel 140, 150, 160 in bezug auf die Ionenquelle 110 verwendet werden, um entweder die Verunreinigung zu regeln und die Lebensdauer der Ionenquelle zu erhöhen, oder um verschiedene Anwendungen durchzuführen, unter anderem PVD.
Es ist offensichtlich, dass zahlreiche Variationen und Modifikationen innerhalb des durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmten Rahmens der beschriebenen Erfindung für den Fachmann auf diesem Gebiet erkennbar sind. Beispielsweise existieren andere Formen von Ionenquellen, bei denen die Anode weder zylindrisch ist, noch die lange Achse konzentrisch mit der langen Achse des Sensors ist. Das vorgenannte Anodenmantelkonzept kann auch bei diesen Ionenquellen nützlich sein. In diesen Fällen kann eine Rückhaltefeder in den Mantelquerschnitt selbst eingesetzt werden, oder eine andere Einrichtung, wie beispielsweise eine Schraube oder dergleichen, kann den Mantel in Position halten. Auf ähnliche Weise kann ein Federeffekt erreicht werden, indem das obere Ende des Mantels leicht gestaucht wird, bis es im Querschnitt leicht oval ist. Eine Feder kann ebenfalls durch Anordnen zweier paralleler Schnitte in der langen Achse des Zylinders gebildet werden, wodurch ein Ansatz geformt wird, der leicht nach außen gebogen werden kann, um die Rückhaltekraft zu verbessern.
Darüber hinaus können gleichzeitig andere Ausrichteinrichtungen beispielsweise durch Verwenden des Ansatzes gebildet werden, oder es ist möglicherweise keine andere Ausrichtung als eine visuell erfolgende Ausrichtung erforderlich.
Zusammenfassung
Ein lösbarer Anodenmantel ist in den Innenraum der Anode einer Ionenquelle eingesetzt. Die Abdeckung ermöglicht das Leiten von Elektronen in die Anode, wobei jede Art von isolierenden Ablagerungen an der Innenseite des Anodenmantels anhaften, wodurch die Nutzdauer der Anode ohne vorzeitiges Austauschen oder Reparieren verlängert wird.

Claims

Ionenquelle für ein Masseanalysesystem, wobei die Ionenquelle aufweist: einer Einrichtung zum Bilden eines Elektronenstroms; einer Anode mit einem Innenbereich, in welchen der gebildete Elektronenstrom injiziert wird, wobei der Elektronenstrom in einem Anodenbereich endet, und in welchem Ionen gebildet werden; und einem lösbaren Anodenmantel, wobei die Anodenabdeckung in den Anodeninnenbereich einsetzbar und derart ausgebildet ist, dass er den Elektronenstrom aufnimmt.
Ionenquelle nach Anspruch 1, ferner mit einer Ionenextraktionseinrichtung zum Extrahieren von Ionen aus dem Anodenbereich.
Ionenquelle nach Anspruch 2, mit einer Einrichtung zum Einlassen mindestens eines Reagensgases aus einem von dem System überwachten Prozess.
Ionenquelle nach Anspruch 3, bei der das mindestens eine Reagensgas in bezug auf einen von der Ionenextraktionseinrichtung erzeugten Strahl gebildeter Ionen axial eingelassen wird.
Ionenquelle nach Anspruch 1, bei welcher der lösbare Anodenmantel eine Innenfläche aufweist, auf welche in den Anodenbereich eintretende Elektroden treffen und dort Energie abgeben und an dem Ablagerungen aus oberflächenadsorbierten Spezies und/oder Spezies in Gasphase anhaften können.
Ionenquelle nach Anspruch 1, bei welcher der lösbare Anodenmantel eine Elektroneneingangseinrichtung aufweist, um das Eintreten mindestens eines Teils des erzeugten Elektronenstrahls in den Anodenbereich zu ermöglichen, wenn der Mantel in diesen eingesetzt ist.
Ionenquelle nach Anspruch 1, bei der die Elektroneneingangseinrichtung mindestens einen in dem lösbaren Anodenmantel vorgesehenen seitlichen Schlitz aufweist.
Ionenquelle nach Anspruch 1 mit einer Einsetz- und Auszieheinrichtung, um den Anodenmantel wahlweise in den Anodenbereich einzusetzen oder aus diesem zu entfernen.
Ionenquelle nach Anspruch 8, bei welcher die Einsetz- und Auszieheinrichtung mindestens einen Befestigungs- und Entnahmeschlitz, der an einem Ende des lösbaren Anodenmantels ausgebildet ist, und ein Einsetz-/Entnahmewerkzeug aufweist, welches mindestens einen Stift zum Eingreifen in den mindestens einen Befestigungs- und Entnahmeschlitz aufweist.
Ionenquelle nach Anspruch 6, mit einer Einrichtung zum Ausrichten der Elektroneneingangseinrichtung des lösbaren Anodenmantels mit der den Elektronenstrahl bildenden Einrichtung, wenn der Mantel in den Anodenbereich eingesetzt wird.
Ionenquelle nach Anspruch 10, bei der die Ausrichteinrichtung eine Referenzeinrichtung an der Anode aufweist, wobei die Referenzeinrichtung nach dem anfänglichen Anbringen des Mantels mit einem Bereich des Einsetzwerkzeugs ausgerichtet wird, um den Mantel in bezug auf die den Elektronenstrom bildende Einrichtung zu indexieren, wenn ein Mantel daran angebracht wird.
Ionenquelle nach Anspruch 1, bei welcher der Mantel ein hülsenartiges Teil umfasst, das in das Innere der Anode passend bemessen ist.
Ionenquelle nach Anspruch 1, bei welcher die den Elektronenstrom bildende Einrichtung ein Heizfilament umfasst.
Ionenquelle nach Anspruch 1, bei welcher der Anodenmantel aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Austauschbarer Anodenmantel für eine Ionenquelle, wobei die Ionenquelle eine Einrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstroms aufweist, welche in bezug auf den Innenraum einer Anodenstützstruktur angeordnet ist, wobei der Mantel lösbar in Eingriff mit der Ionenquelle bringbar und in die Anodenstützstruktur passend ausgebildet ist.
Anodenmantel nach Anspruch 15, mit einer Einrichtung zum automatischen Indexieren des austauschbaren Anodenmantels in bezug auf die den Elektronenstrom erzeugende Einrichtung der Ionenquelle, wenn der Mantel in die Anodenstruktur eingesetzt wird.
Anodenmantel nach Anspruch 16, bei dem der Mantel ein zylindrisches Hülsenteil mit einem Durchmesser ist, der in den Innenraum der Anodenstruktur passend bemessen ist.
Anodenmantel nach Anspruch 17, bei dem der Mantel aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Anodenmantel nach Anspruch 18, mit einem ersten Schlitz, der derart bemessen ist, dass er das Strömen von Elektronen, die von der den Elektronenstrom bildenden Einrichtung kommen, in den Innenraum der Anode und den Innenraum des Mantels ermöglicht, derart dass isolierende Ablagerungen aus eintretenden Reagensgasen an der Innenfläche des Anodenmantels haften.
Anodenmantel nach Anspruch 19, mit einem zweiten Schlitz, der zum Zusammengreifen mit einem Werkzeug für das selektive Entfernen oder Einsetzen des Mantels in bezug auf eine Ionenquelle bemessen ist.
Anodenmantel nach Anspruch 20, bei dem der zweite Schlitz zum Zusammengreifen mit einem Stift des Werkzeugs im wesentlichen T-förmig ausgebildet ist, wobei das Zusammengreifen des zweiten Schlitzes mit dem Stift sowohl das Einsetzen, als auch das Entfernen des Mantels in bezug auf die Ionenquelle ermöglicht.
Ionenquellenanordnung für ein Gasanalysesystem, wobei die Anordnung aufweist: eine Ionenquelle mit mindestens einem Filament, eine Anodenstruktur mit einem Innenbereich, in welchen ein von dem Filament kommender Strahl gebildeter Elektronen eintritt, einen Gasport, der den Eintritt von Prozessgasen für die Analyse ermöglicht, und mehrere austauschbare Anodenmäntel, wobei ein Anodenmantel in den Innenraum der Anodenstruktur einsetzbar ist, wobei jeder der Mäntel aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und eine Einrichtung aufweist, um zumindest einem Teil des Elektronenstrahls das Eintreten in den Innenraum der Anodenstruktur zu ermöglichen.
Ionenquellenanordnung nach Anspruch 22, mit einer Einrichtung zum Extrahieren von Ionen aus dem Innenbereich der Anodenstruktur.
Ionenquellenanordnung nach Anspruch 22, bei der die Ionenquelle eine geschlossene Ionenquelle ist.
Ionenquellenanordnung nach Anspruch 22, bei der mindestens einer der austauschbaren Anodenmäntel eine Öffnung aufweist, die derart bemessen ist, dass sie das Eintreten mindestens eines Teils des Elektronenstrahls in den Anodeninnenbereich ermöglicht.
Ionenquellenanordnung nach Anspruch 22, bei der mindestens einer der austauschbaren Anodenmäntel einen Gasausströmport aufweist.
Ionenquellenanordnung nach Anspruch 25, bei der die Öffnung ein seitlicher Schlitz ist.
Ionenquellenanordnung nach Anspruch 22, bei der jeder der Anodenmäntel die in den Anodenbereich eintretenden Elektronen regelt, wobei die Ionenquelle zum Überwachen von PVD- und CVD-Prozessen geeignet ist.
Ionenquellenanordnung nach Anspruch 25, mit einer Einrichtung zum automatischen Indexieren der Öffnung in bezug auf die den Elektronenstrom erzeugende Einrichtung, wenn der Mantel in die Anodenstruktur eingesetzt wird.
Ionenquellenanordnung nach Anspruch 22, bei der jeder der austauschbaren Anodenmäntel das Ansammeln von Oberflächenablagerungen im Inneren der Anode verhindert, wenn er in den Anodeninnenbereich der Ionenquelle eingesetzt ist.
Verfahren zum Verbessern der Empfindlichkeit einer verunreinigten Ionenquelle, wobei die Ionenquelle eine Anodenstruktur aufweist, welche einen Innenbereich begrenzt, wobei der Anodeninnenbereich einen Elektronenstrom aufnimmt, wobei in diesem Bereich Ionen gebildet werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einsetzen eines austauschbaren Anodenmantels in die Anodenstruktur, derart dass der Mantel in dem Anodeninnenbereich angeordnet ist und den Elektronenstrom empfängt, wobei der Mantel aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, das die Bildung isolierender Ablagerungen aus dem Elektronenstrom an einer Innenfläche desselben anstelle des Inneren der Anodenstruktur ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem der austauschbare Anodenmantel ein hülsenartiges Element ist, wobei der Einsetzschritt die folgenden Schritte umfasst: Anordnen eines Endes des austauschbaren Anodenmantels an einem Ende eines Einsetzwerkzeugs; und Einsetzen des Mantels in die Anodenstruktur.
Verfahren nach Anspruch 32, ferner mit dem Schritt des Ausrichtens einer Elektroneneingangseinrichtung des lösbaren Anodenmantels in bezug auf eine einen Elektronenstrom bildende Einrichtung der Ionenquelle während des Einsetzschritts.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem der Ausrichtschritt die folgenden Schritte umfasst: Anbringen eines Endes des austauschbaren Anodenmantels an dem Ende eines Einsetzwerkzeugs, wobei dieser Anbringschritt die folgenden zusätzlichen Schritte umfasst: Ausrichten eines Stifts des Einsetzwerkzeugs mit einem Montageschlitz des Mantels; und Schieben des Mantels über das Einsetzwerkzeug, derart dass der Stift in dem Montageschlitz positioniert ist; und Ausrichten des Montagestifts mit einer Referenzeinrichtung an der Anodenstruktur, wobei das Einsetzen des Mantels die Elektronen eingangseinrichtung des Mantels automatisch mit der den Elektronenstrahl bildenden Einrichtung ausrichtet.
Verfahren nach Anspruch 34, mit dem Schritt des Entfernens des Mantels nach einer vorbestimmten Zeitdauer zum Austauschen desselben.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem der Schritt des Entfernens die folgenden Schritte umfasst: Ausrichten eines Entfernungswerkzeugs mit dem Mantel, so dass ein T-förmiger Schlitz des Mantels mit einem Stift des Entfernungswerkzeugs ausgerichtet ist; Drehen des Werkzeugs um eine Mittelachse, um das Eingreifen des Stifts in den Schlitz zu ermöglichen; und Axiales Entfernen des lösbaren Anodenmantels aus der Anodenstruktur.