JP2006329662A - 質量分析装置およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 真空装置の各種検査を効率的に行うことが可能な質量分析装置１の提供を目的とする。
【解決手段】 質量電荷比ごとの分圧の測定部１２に連結されて測定部１２を制御する電気系部１４に、操作部３０および測定結果の表示部１６を設けた。その操作部３０には、複数種類の質量電荷比ごとの分圧を切り替え表示する表示切替ボタン３２を備えている。また表示部１６は、質量電荷比が２８の窒素ガスの分圧と質量電荷比が３２の酸素ガスの分圧との比率を表示しうるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、質量分析装置およびその使用方法に関するものである。

半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造工程では、様々な真空装置が利用されている。その真空装置のプロセス管理を行うため、四重極型の質量分析装置が使用されている（例えば、特許文献１参照）。質量分析装置は、分析対象ガスに含まれる様々な物質につき、質量電荷比（質量数／電荷数）ごとの分圧を測定する装置である。

図３は、従来技術に係る質量分析装置の概略構成図である。質量分析装置１０１は、分析対象ガスを導入し質量電荷比ごとの分圧を測定する測定部１１２と、その測定部を電気的に制御する電気系部１１４とを備え、測定部１１２を真空装置の内部に配置し、電気系部１１４を真空装置の外部に配置して使用される。また質量分析装置１０１は、真空装置の制御用ＰＣ１６２に接続されている。

この質量分析装置を用いて真空装置のプロセス管理を行うには、真空装置の制御用ＰＣ１６２から質量分析装置１０１を駆動し、運転中の真空装置の内部ガスを導入して質量電荷比ごとの分圧を測定し、その測定結果を制御用ＰＣ１６２に出力して表示させる。そして、表示された測定結果から内部ガスに含まれる物質の種類および量を確認し、真空装置において所定プロセスが実行されているか否かを判断する。
特開平７−３０７３０１号公報

上述した質量分析装置は、真空装置のピンホール検査にも使用される。真空装置のピンホール検査として、ピンホールの有無を検出する空気リーク検査と、ピンホールの位置を検出するＨｅリーク検査とが順に行われる。

真空装置の空気リーク検査を行うには、まず真空装置の内部を真空引きする。次に真空装置の制御用ＰＣ１６２から質量分析装置１０１を駆動し、真空装置の内部ガスを測定して、測定結果を制御用ＰＣ１６２に表示させる。その制御用ＰＣ１６２には、質量電荷比を横軸にとり分圧を縦軸にとったグラフが表示される。そのグラフから、質量電荷比が２８の窒素ガスの分圧と、質量電荷比が３２の酸素ガスの分圧との比率を、作業者が手計算する。そして、その分圧比がほぼ４：１の場合には、ピンホールを介した空気リークがあると判断する。

上述した空気リーク検査でピンホールがあると判断された場合に、ピンホールの位置を検出するためＨｅリーク検査を行う。Ｈｅリーク検査を行うには、まず真空装置の外面の特定位置にＨｅガスを吹き付ける。次に真空装置の制御用ＰＣ１６２から質量分析装置１０１を駆動し、真空装置の内部ガスを測定して、測定結果を制御用ＰＣ１６２に表示させる。表示された測定結果から、内部ガスに含まれるＨｅガスの分圧を確認し、ピンホールを介したＨｅガスのリーク有無を判断する。そして、真空装置の外面の様々な位置にＨｅガスを吹き付け、その都度上記作業を繰り返すことにより、ピンホールの位置を検出する。

しかしながら、空気リーク検査における分圧比の計算は面倒であり、計算ミスが発生する可能性もある。またＨｅリーク検査において、Ｈｅガスを吹き付ける真空装置のチャンバは、質量分析装置の操作および測定結果の表示を行う真空装置の制御用ＰＣ１６２から離間配置されている。そのため、真空装置のチャンバと制御用ＰＣとの間を何度も往復する必要があり、Ｈｅリーク検査に長時間を要することになる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、各種検査を効率的に行うことが可能な質量分析装置およびその使用方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る質量分析装置は、質量電荷比ごとの分圧の測定部に近接して、前記測定部の操作部および測定結果の表示部を設けたことを特徴とする。
この構成によれば、分析対象ガスの存在位置の近傍で質量分析装置の操作および測定結果の確認ができるので、各種検査を効率的に行うことができる。特に、メンテナンス後の真空装置のリーク検査を効率的に行うことができる。

また前記操作部および前記表示部は、前記測定部に連結されて前記測定部を制御する電気系部に配設されていることが望ましい。
この構成によれば、操作部および表示部を測定部に近接して低コストで配設することができる。

また前記表示部は、複数種類の質量電荷比ごとの分圧を切り替え表示しうるようになっていることが望ましい。
この構成によれば、必要な測定結果のみを簡単に確認することができるので、各種検査を効率的に行うことができる。

前記表示部は、質量電荷比が２８の窒素ガスの分圧と質量電荷比が３２の酸素ガスの分圧との比率を表示しうるようになっていることが望ましい。
また質量電荷比が２８の窒素ガスの分圧と質量電荷比が３２の酸素ガスの分圧との比率を、外部機器に出力しうるようになっていることが望ましい。
これらの構成によれば、手計算によることなく窒素ガスと酸素ガスとの分圧比を確認することができるので、空気リーク検査を効率的に行うことができる。

一方、本発明に係る質量分析装置の使用方法は、上述した質量分析装置を用いて、メンテナンス後の真空装置のリーク検査を行うことを特徴とする。
上述した質量分析装置によれば、分析対象ガスの存在位置の近傍で質量分析装置の操作および測定結果の確認ができるので、メンテナンス後の真空装置のリーク検査を効率的に行うことができる。

また前記リーク検査は、真空装置におけるピンホール位置の検出手段として行うことが望ましい。
この構成によれば、検査用ガスを吹き付けるチャンバの近傍で質量分析装置の操作および測定結果の確認ができるので、真空装置のチャンバと制御用ＰＣとの間を何度も往復する必要がなくなる。したがって、ピンホール位置の検出を効率的に行うことができる。

本発明に係る質量分析装置およびその使用方法によれば、分析対象ガスの存在位置の近傍で質量分析装置の操作および測定結果の確認ができるので、運転中の真空装置のプロセス管理だけでなく、メンテナンス後の真空装置のリーク検査を効率的に行うことができる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

（質量分析装置）
図１は、本実施形態に係る質量分析装置の側面図である。本実施形態に係る質量分析装置１は測定部１２および電気系部１４を備え、その電気系部１４には表示部１６および操作部３０が設けられている。

質量分析装置には磁場偏向型や四重極型等が存在するが、本実施形態ではトランスデューサ型の四重極型質量分析装置を例として説明する。四重極型の質量分析装置は、真空中に存在するガスの種類とそれぞれのガスの分圧を計測するものであり、測定部１２の内部にイオン源部、四重極部およびイオン検出部（いずれも不図示）を備えている。質量分析の原理は、まず測定部１２の先端から分析対象ガスを導入する。次に、イオン源部のフィラメントで生成された熱電子により、導入されたガス分子をイオン化する。次に、四重極部における４本のロッドに直流電圧および交流電圧による電場を加え、イオン源部から入射したイオンのうち特定の質量電荷比（質量数／電荷数）をもつイオンのみを通過させる。次にイオン検出部において、四重極部を通過したイオンをイオン電流として検出する。そして、四重極部に印加する電場をスイープさせ、質量電荷比ごとにイオン電流を測定し、ガスの種類とそれぞれのガスの分圧を計測する仕組みとなっている。

上述した測定部１２には、その測定動作を制御する電気系部１４が連結されている。その電気系部１４には、操作部３０および測定結果の表示部１６が設けられている。操作部３０には、測定開始（Ｓｔａｒｔ）ボタン３１および表示切替（ＣＨ）ボタン３２が設けられている。その測定開始ボタン３１を押すと、測定部１２におけるイオン源部のフィラメントに通電され、質量電荷比１〜１００における分圧のスキャン測定を開始する。その後、所定のサンプリングタイムごとに断続的な測定が行われる。

また表示部１６は、数値表示部１７、単位表示部１８および内容表示部２０で構成されている。数値表示部１７において分圧を表示する場合には、単位表示部１８における「Ｐａ」のランプが点灯し、数値表示部１７において分圧比を表示する場合には、単位表示部１８における「％」のランプが点灯するようになっている。これ以外にも、通電状態を示すＰＯＷＥＲランプ、フィラメントの異常や回路上の異常を検知した場合に点灯するＥＲＲＯＲランプが設けられている。

また内容表示部２０には、表示部１６における表示内容を示すための複数のランプが設けられている。操作部３０の表示切替ボタン３２を押すと、表示部１６における表示内容が切り替わり、その表示内容に対応したランプが点灯するようになっている。
Ｈｅランプは、Ｈｅガスの質量電荷比（＝４）に対応する分圧が表示されていることを示すものであり、真空装置のＨｅリーク検査に使用される。Ｈ_２Ｏランプは、水蒸気の質量電荷比（＝１８）に対応する分圧が表示されていることを示すものであり、真空装置の冷却水リーク検査に使用される。Ｎ_２／Ｏ_２ランプは、Ｎ_２（窒素）ガスの分圧とＯ_２（酸素）ガスの分圧との比率が表示されていることを示すものであり、真空装置の空気リーク検査に使用される。ＡＮＹランプは、予め登録された特定ガスの分圧が表示されていることを示すものであり、真空装置の導入ガスリーク検査に使用される。なおデフォルトとして、例えば質量電荷比が４４の特定ガスが登録されている。これ以外にも、Ｎ_２ガスの質量電荷比（＝２８）に対応する分圧が表示されていることを示すＮ_２ランプ、Ｏ_２ガスの質量電荷比（＝３２）に対応する分圧が表示されていることを示すＯ_２ランプ、分析対象対象ガスの全圧が表示されていることを示すＴＰランプが設けられている。

なお質量分析装置１の操作は、操作部３０で行われるだけでなく、配線３を介して外部から行うこともできるようになっている。また測定結果は、表示部１６に表示されるだけでなく、電圧信号に変換され配線３を介して外部に出力しうるようになっている。その際、窒素ガスの分圧と酸素ガスの分圧との比率の０〜１００％を、電圧の０〜１０Ｖに割り当てて出力すればよい。これにより、真空装置のメンテナンス時だけでなく運転中にも空気リークなどの異常を監視することができる。なお測定結果の全てを出力することなく、各種ガスの分圧や分圧比が許容値を超えた場合にのみ、リレーやデジタル信号にて外部に出力するようにしてもよい。

（質量分析装置の使用方法）
次に、本実施形態に係る質量分析装置の使用方法につき、図１および図２を用いて説明する。

図２は、本実施形態に係る質量分析装置を装着した真空装置の概略構成図である。以下には、質量分析装置１を装着する真空装置５０として、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を例に挙げて説明する。ＤＣマグネトロンスパッタ装置（以下「スパッタ装置」という。）は、チャンバ５２の内部にマグネトロン電極５４を備えている。このマグネトロン電極５４は、電極上に配置されたターゲット５６の表面に磁界を印加し、高密度プラズマを発生させるものである。そして、真空ポンプ５８によりチャンバ５２を真空排気し、導入ガス供給手段６０からＡｒガスをチャンバ５２に供給する。これにより、ターゲット５６にＡｒイオンが衝突し、飛び出したターゲット材料が対向する基板５に付着して成膜されるようになっている。このスパッタ装置５０の動作は、チャンバ５２から離間配置された制御用ＰＣ（パーソナルコンピュータ）６２によって制御される。

本実施形態に係る質量分析装置１は、チャンバ５２の側壁部分に装着されている。具体的には、質量分析装置１の測定部１２がチャンバ５２の内部に配置され、電気系部１４がチャンバ５２の外部に配置されている。なお本実施形態では、質量分析装置１の電気系部１４に測定部１２の操作部および測定結果の表示部が配設されているが、質量分析装置１が真空装置５０の制御用ＰＣ６２に接続されて、制御用ＰＣ６２においても測定部１２の操作および測定結果の表示を行うことができるようになっている。
このように装着された質量分析装置１を用いて、真空装置５０の各種検査を行う方法について以下に説明する。

（プロセス管理方法）
最初に、真空装置５０のプロセス管理を行う方法について説明する。まず真空装置５０を運転して成膜処理を開始する。次に、制御用ＰＣ６２から質量分析装置１を駆動して、チャンバ５２の内部ガスの測定を開始する。その測定結果は電圧信号に変換し、制御用ＰＣ６２に出力させる。制御用ＰＣ６２では、質量電荷比を横軸にとり分圧を縦軸にとったグラフを表示する。次に、その測定結果から内部ガスに含まれる物質の種類および量を確認する。すなわち、正常なプロセスによる生成物が所定量だけ含まれているか、また製品に悪影響を及ぼす不純物が多量に含まれていないか確認する。この確認作業は、作業者が目視により、または制御用ＰＣで実行されるプログラムにより行う。このようなプロセス管理を、運転中の真空装置５０において定期的に実施する。

このように、電気系部１４において測定結果を表示するだけでなく、測定結果を電圧信号に変換して制御用ＰＣ６２に出力する構成としたので、従来と同様に制御用ＰＣ６２からプロセス管理を行うことができる。
なお測定結果の全てを制御用ＰＣに出力することなく、予め設定された特定ガスの分圧が許容値を超えた場合にのみ、リレーやデジタル信号等にて制御用ＰＣ６２に出力するようにしてもよい。この場合、制御用ＰＣ６２は測定結果を表示するとともに、作業者に警報を発令する。これにより、プロセス管理をさらに効率的に行うことができる。

（ピンホール検査）
次に、真空装置５０のピンホール検査を行う方法について説明する。真空装置５０のチャンバ５２のメンテナンスに伴って、チャンバ５２にピンホールが発生すると、真空装置５０の機能が阻害されることになる。そこで、真空装置５０のメンテナンス後にピンホール検査を行う。ピンホール検査として、ピンホールの有無を検出する空気リーク検査と、ピンホールの位置を検出するＨｅリーク検査とを順に行う。

真空装置５０の空気リーク検査を行うには、まずチャンバ５２の内部を真空引きする。次に質量分析装置１を駆動し、チャンバ５２の内部ガスを測定して、その測定結果を表示させる。質量分析装置の駆動および測定結果の表示は、質量分析装置１の電気系部１４において行う。具体的には、図１に示す電気系部１４において、まず操作部３０の測定開始ボタン３１を押して測定を開始する。次に表示切替ボタン３２を押して、内容表示部２０のＮ_２／Ｏ_２ランプを点灯させる。これにより、測定された窒素ガスの分圧と酸素ガスの分圧との比率が、表示部１６に表示される。そして、その比率が約４．０（４００％）となった場合には、図２に示すチャンバ５２においてピンホールを介した空気リークがあると判断する。

このように、表示切替ボタン３２を押すだけで窒素ガスの分圧と酸素ガスの分圧との比率を確認することができるので、作業者が分圧比を手計算する必要がない。したがって、真空装置５０の空気リーク検査を効率的に行うことができる。

上述した空気リーク検査でピンホールがあると判断された場合に、ピンホールの位置を検出するためＨｅリーク検査を行う。Ｈｅリーク検査を行うには、まずチャンバ５２の内部を真空引きする。次にチャンバ５２の外面の特定部分にＨｅガスを吹き付ける。具体的には、ピンホールの存在する蓋然性が高いチャンバ５２の溶接部分や可動部分等にＨｅガスを吹き付ける。次に質量分析装置１を駆動し、チャンバ５２の内部ガスを測定して、その測定結果を表示させる。質量分析装置１の駆動および測定結果の表示は、質量分析装置１の電気系部１４において行う。具体的には、図１に示す電気系部１４において、まず操作部３０の測定開始ボタン３１を押して測定を開始する。次に表示切替ボタン３２を押して、内容表示部２０のＨｅランプを点灯させる。これにより、測定されたＨｅガスの分圧が表示部１６に表示される。その分圧の大きさから、ピンホールを介したＨｅガスのリーク有無を判断する。そして、図２に示すチャンバ５２の外面の様々な位置にＨｅガスを吹き付け、その都度上記作業を繰り返すことにより、ピンホールの位置を検出することができる。

このように、検査用のＨｅガスを吹き付けるチャンバ５２の近傍で、質量分析装置の操作および測定結果の確認ができるので、従来のようにチャンバと制御用ＰＣとの間を何度も往復する必要がない。したがって、ピンホール位置の検出を効率的に行うことができる。

（導入ガスリーク検査）
次に、真空装置５０の導入ガスリーク検査を行う方法について説明する。真空装置５０のメンテナンスに伴って、導入ガス供給手段６０からチャンバ５２への導入ガスのリークが発生する場合がある。そこで、真空装置５０のメンテナンス後に導入ガスリーク検査を行う。

真空装置５０の導入ガスリーク検査を行うには、まずチャンバ５２の内部を真空引きする。次に質量分析装置を駆動し、チャンバ５２の内部ガスを測定して、その測定結果を表示させる。質量分析装置の駆動および測定結果の表示は、質量分析装置１の電気系部１４において行う。具体的には、図１に示す電気系部１４において、まず操作部３０の測定開始ボタン３１を押して測定を開始する。次に表示切替ボタン３２を押して、内容表示部２０のＡＮＹランプを点灯させる。なお予め導入ガスの質量電荷比を特定ガスボタン２４に登録しておく。これにより、測定された導入ガスの分圧が表示部１６に表示される。その分圧の大きさから、図２に示すチャンバ５２への導入ガスのリーク有無を判断する。

（冷却水リーク検査）
次に、真空装置５０の冷却水リーク検査を行う方法について説明する。真空装置５０のメンテナンスに伴って、真空装置５０の冷却水配管（不図示）からチャンバ５２への冷却水のリークが発生する場合がある。そこで、真空装置５０のメンテナンス後に冷却水リーク検査を行う。

真空装置５０の冷却水リーク検査を行うには、まずチャンバ５２の内部を真空引きする。次に質量分析装置を駆動し、チャンバ５２の内部ガスを測定して、その測定結果を表示させる。質量分析装置の駆動および測定結果の表示は、質量分析装置１の電気系部１４において行う。具体的には、図１に示す電気系部１４において、まず操作部３０の測定開始ボタン３１を押して測定を開始する。次に表示切替ボタン３２を押して、内容表示部２０のＨ_２Ｏランプを点灯させる。これにより、測定された水蒸気の分圧が表示部１６に表示される。その分圧の大きさから、図２に示すチャンバ５２への冷却水のリーク有無を判断する。

なお上述した空気リーク検査、導入ガスリーク検査および冷却水リーク検査は、同時に行うことも可能である。具体的には、まずチャンバ５２の内部を真空引きする。次に質量分析装置を駆動し、チャンバ５２の内部ガスを測定する。この測定は、質量電荷比１〜１００における分圧のスキャン測定である。そこで、その測定結果を表示させる際に、図１に示す表示切替ボタン３２を繰り返し押して、内容表示部２０Ｎ_２／Ｏ_２ランプ、Ｈ_２ＯランプおよびＡＮＹランプを順に点灯させればよい。これにより、測定されたＮ_２ガスの分圧とＯ_２ガスの分圧との比率、水蒸気の分圧、および導入ガスの分圧が順に表示される。これにより、空気リーク検査、導入ガスリーク検査および冷却水リーク検査を効率的に行うことができる。

以上に詳述したように、本実施形態に係る質量分析装置は、質量電荷比ごとの分圧の測定部に近接して、測定部の操作部および測定結果の表示部を設ける構成とした。この構成によれば、分析対象ガスの存在位置の近傍で質量分析装置の操作および測定結果の確認ができるので、真空装置の各種検査を効率的に行うことができる。特に運転中の真空装置のプロセス管理だけでなく、メンテナンス後の真空装置のリーク検査を効率的に行うことができる。これに伴って、真空装置のメンテナンス後の立ち上げ時間を短縮することができる。

実施形態に係る質量分析装置の側面図である。 実施形態に係る質量分析装置を装着した真空装置の概略構成図である。 従来技術に係る質量分析装置の概略構成図である。

符号の説明

１‥質量分析装置 １２‥測定部 １４‥電気系部 １６‥表示部 ３０‥操作部

Claims (7)

1. 質量電荷比ごとの分圧の測定部に近接して、前記測定部の操作部および測定結果の表示部を配設したことを特徴とする質量分析装置。
2. 前記操作部および前記表示部は、前記測定部に連結されて前記測定部を制御する電気系部に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
3. 前記表示部は、複数種類の質量電荷比ごとの分圧を切り替え表示しうるようになっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の質量分析装置。
4. 前記表示部は、質量電荷比が２８の窒素ガスの分圧と質量電荷比が３２の酸素ガスの分圧との比率を表示しうるようになっていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の質量分析装置。
5. 質量電荷比が２８の窒素ガスの分圧と質量電荷比が３２の酸素ガスの分圧との比率を、外部機器に出力しうるようになっていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の質量分析装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の質量分析装置を用いて、メンテナンス後の真空装置のリーク検査を行うことを特徴とする質量分析装置の使用方法。
7. 前記リーク検査は、真空装置におけるピンホール位置の検出手段として行うことを特徴とする請求項６に記載の質量分析装置の使用方法。

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