JP2016149279A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】1E-2Pa以上の圧力空間を高精度で分析できる質量分析装置を提供する。
【解決手段】質量分析装置は、イオン化部21でイオン化をフィルタリングするフィルター部22と、フィルター部22を通過した対象ガスのイオンに基づいたイオン検出値を検出するイオン検出部31と、を有し、イオン検出部31は、フィルター部22の中心線Cに沿って配置されたファラディ電極33と、中心線を挟んでファラディ電極33に対向するように設けられた二次電子増倍器34とを備え、ファラディ電極33は、二次電子増倍器34の方向に進む光電子および反射光を遮蔽する遮蔽板41を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は質量分析装置に関する。

ファラディ電極と二次電子増倍器の両方を検出器として有する質量分析計が知られている。このタイプの質量分析計は、測定雰囲気の圧力、求められる感度や安定性などにより適宜使い分けができる。

このタイプの質量分析装置を用いて1E-2 Pa以上の圧力空間を測定する際、イオン化室では被測定ガスのイオン化に伴い真空紫外光が多く発生することが知られている。真空紫外光がイオン検出器に到達すると光電子が発生すると、ファラディ電極で測定するモード（ファラディモード）と二次電子増倍器で測定するモード（二次電子増倍モード）のどちらであっても質量分析の結果得られるマススペクトルのバックグラウンドが上昇する。圧力が高くなるほど真空紫外光の発生量が多くなり、バックグラウンドが上昇しやすくなる。

そこで、二次電子増倍器と同様にファラディ電極も質量分析部の軸線上に配置しない構成が知られている。例えば、特許文献1に開示されている技術によれば、 質量分析部の軸線上には別電極を設け、ファラディ電極には真空紫外光が直接照射しない構造になっている。

米国特許第６０９１０６８号

しかしながら、 特許文献１の技術のように質量分析部の軸線上には別電極を設ける構成では、別電極で反射した真空紫外光がファラディ電極や二次電子増倍器に入射しバックグラウンドの上昇が避けられない。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、1E-2Pa以上の圧力空間の質量分析を高い精度で行うことができる質量分析装置の提供を目的とする。

本発明に係る質量分析装置は、被測定ガスをイオン化するイオン化部と、前記イオン化部でイオン化された前記被測定ガスの成分のうち、予め設定した質量電荷比を有する対象ガスのイオンだけを通過させるフィルター部と、前記フィルター部を通過した前記対象ガスのイオンに基づいたイオン検出値を検出するイオン検出部と、を有し、前記イオン検出部は、前記フィルター部の中心線に沿って配置されたファラディ電極と、前記中心線を挟んで前記ファラディ電極に対向して設けられた二次電子増倍器と、前記ファラディ電極に接続され、前記二次電子増倍器よりも前記イオンの流れの下流側の位置に、前記中心線を遮るように設けられた底部電極と、前記底部電極を介して前記ファラディ電極に接続され、前記二次電子増倍器の方向に進む光電子および反射光を遮蔽する遮蔽部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、マススペクトルのバックグラウンドの上昇を抑制し、 高い検出限界で質量分析ができる質量分析装置を提供できる。

本発明の第1実施形態に係る質量分析装置の概略図である。 図１のイオン検出部の拡大図である。 図２のA-A断面矢視図である。 本発明の第２実施形態に係るイオン検出部の拡大図である。 図４のB-B断面矢視図である。 第２実施形態の変形例であるイオン検出部の拡大図である。 第２実施形態の変形例であるイオン検出部の拡大図である。 第２実施形態の変形例であるイオン検出部の拡大図である。 本発明の第３実施形態に係るイオン検出部の拡大図である。 図９のD-D断面矢視図である。 本発明の第４実施形態に係るイオン検出部の拡大図である。 第４実施形態の変形例であるイオン検出部の拡大図である。 各実施形態の変形例であるイオン検出部の拡大図である。

以下、図面を参照して本願発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（第１実施形態）
図１は質量分析装置の構成概略図、図２は質量分析装置の検出部の拡大図である。質量分析装置１は、円筒状部材であるニップル１１の内側にイオン源（イオン化部）２１、四重極（フィルター部）２２、イオン検出器(イオン検出部)３１を有している。ニップル（ケース）１１は両端にフランジ１２ａ、１２ｂが設けられた円筒状部材であり、ニップル１１内部は真空排気可能に構成されている。ニップル１１の２つのフランジ１２ａ、１２ｂのうち、フランジ１２ａは測定する被測定容器１０１に取り付けるための接続部である。測定時にはニップル１１の内部は被測定容器１０１の内部と連通され、ニップル１１内と被測定容器１０１内（測定空間）の気体（被測定ガス）は同一圧力、同一成分になる。フランジ１２ｂは後述するコントローラ２５に取り付けられるベースフランジ１３に接続されている。イオン源（イオン化部）２１、四重極２２、イオン検出器(イオン検出部)３１は配線を介してベースフランジ１３の外部に配置されているコントローラ２５に接続されており、コントローラ２５はさらに演算部（コンピュータ）２６に接続されている。

ベースフランジ１３にはイオン検出器３１が絶縁材料３２を介して固定されており、イオン検出器３１のベースフランジ１３が取付けられた端部と逆側には不図示の絶縁材料を介して四重極２２と四重極出口アパーチャ２３が固定されている。さらに、四重極２２のイオン検出器３１が取り付けられた端部と逆側には不図示の絶縁材料を介してイオン源２１が取り付けられている。

四重極２２は、被測定ガスの成分のうち、予め設定された質量電荷比を有する対象ガスのイオンを選択的に通過させるフィルターであり、イオン源２１とイオン検出器３１の中間に位置し、4本の金属製円柱ロッド（ロッド）で構成されている。それぞれのロッド２２ａは中心軸Ｃに沿って等間隔に平行に配置される。四重極２２は、各ロッド２２ａに直流電圧と特定周波数の交流電圧を重畳した電圧を印加するコントローラ２５内の電子回路に接続されている。各ロッド２２ａに印加する電圧を設定することで所定の質量電荷比を持つイオンのみを下流のイオン検出器３１側に通過させることができる。さらに電圧を掃引することにより通過するイオンの質量電荷比を変えることができる。

図２にイオン検出器を拡大する。図２は図１に示した質量分析装置１のイオン検出器３１の部分を拡大した模式図である。イオン検出器３１はフィルター部を通過した対象ガスのイオンを検出する部分であり、ファラディ電極３３、二次電子増倍器３４、エレクトロンコレクタ３５を有している。ファラディ電極３３と二次電子増倍器３４とエレクトロンコレクタ３５は絶縁材料３２を介してベースフランジ１３に設けられており、ファラディ電極３３とエレクトロンコレクタ３５の間に二次電子増倍器３４が配置されている。

ファラディ電極３３は中心線Ｃに沿って配置されている。二次電子増倍器３４は中心線Ｃを挟んでファラディ電極３３の電極部分３３ａに対向するように設けられている。ファラディ電極３３は、電極部分３３ａ（第１電極）、拡張部分３３ｂ（第２電極）を有している。電極部分３３ａと拡張部分３３ｂは一体に構成されている。拡張部分３３ｂには、底部電極３３ｃ（第３電極）が一体に接続されている。また、底部電極３３ｃには遮蔽板４１（遮蔽部、第４電極）が一体に接続されている。遮蔽板４１は、底部電極３３ｃで生じた光電子と底部電極３３ｃで反射された反射光のうち、二次電子増倍器３４の方向に進む光電子および反射光を遮蔽する部材である。本実施形態では、電極部分３３ａ、拡張部分３３ｂ、底部電極３３ｃ、遮蔽板４１は一体の電極として構成されており、対象イオンがこれらの電極のいずれかに接触することで、イオンの電流を検出することが出来る。なお本実施形態では遮蔽板４１は板状部材から構成したが、光電子および反射光を遮蔽する部材であればよい。また、遮蔽板４１は平板状部材であるが、底部電極３３ｃに投影された真空紫外光の照射範囲の形状に合わせて湾曲させてもよい。

電極部分３３ａは中心線Ｃに平行に設けられ、中心線Ｃを三方向で囲む板部材であり、二次電子増倍器３４に対向する部分が開放されている。拡張部分３３ｂは中心線Ｃに沿って対象ガスのイオンの流れの下流側に電極部分３３ａが延長された板部材である。拡張部分３３ｂの下流側の端部には底部電極３３ｃが接続されている。拡張部分３３ｂは電極部分３３ａと同様に中心線Ｃに平行に設けられ、中心線Ｃを三方で囲む板部材であり、二次電子増倍器３４の下流側に対向する部分には遮蔽板４１が接続されている。遮蔽板４１は拡張部分３３ｂと底部電極を介して電極部分３３ａに接続されており、ファラディ電極３３と一体に構成されている。

四重極２２を通過したイオンをそのまま検出する場合はファラディ電極３３をコントローラ２５内のエレクトロメータに接続してイオンの入射に伴う電流値（イオン検出値）を計測する。一方、イオンを増倍して検出する場合は、ファラディ電極３３へ適宜プラス側の電位を印加して補助電極として用いながら、二次電子増倍器３４のうちファラディ電極３３に面した箇所にマイナス側の高電圧を印加することでイオンを引き込み、二次電子増倍器３４内部にてイオンを電子に変換し、さらに、その電子を増倍させる。そして、増倍された電子を、コントローラ２５内のエレクトロメータに接続したエレクトロンコレクタ３５に入射させ、イオン検出量を反映した電流値（イオン検出値）として計測する。

ファラディ電極３３の底部（底部電極）に遮蔽板（遮蔽部）４１を設けた結果、真空紫外光の照射に伴いファラディ電極３３の底部から発生し、その後ファラディ電極３３の外部に漏れていた光電子eを遮蔽板４１で吸収することにより、ファラディモード使用時にバックグラウンドの上昇を抑え、高い精度で測定を行うことができる。

図３に図２のA-A断面矢視図を示す。真空紫外光がファラディ電極底部に照射している範囲（照射範囲）のうち、遮蔽板41と遠い側の外周位置Pと、遮蔽板41との距離W（遮蔽板と照射範囲外周部との距離W）と、遮蔽板41の高さH（図２参照）との比率を1:10程度にすれば真空紫外光照射範囲から発生する光電子をファラディ電極に吸収することができると考えられる。すなわち、遮蔽板４１の高さ（H）が、遮蔽板４１と照射範囲外周部Pとの距離（W）の１０倍程度もしくは１０倍以下にできる。

（第２実施形態）
図４，５に第２実施形態を示す。以後の各実施形態は第１実施形態と比べてイオン検出器の構造に主要な相違を有する構成例である。以後の各実施形態では、第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。本実施形態は、遮蔽板４１の立ち上がり位置（遮蔽板４１と底部電極３３ｃの接続位置）を真空紫外光の照射範囲に近づけた構成を有している。図５は図４のB-B断面矢視図を示す。図４のように遮蔽板４１の立ち上がり位置はファラディ電極３３の底部の真空紫外光の照射範囲に近い方が遮蔽板４１の高さを低くすることができ、イオン検出器の小型化に寄与できる。遮蔽板４１の立ち上がり位置をファラディ電極３３の底部の真空紫外光の照射範囲の境界（図４、５を参照）にすると、 遮蔽板４１の高さHはファラディ電極３３の底部の真空紫外光の照射範囲の幅W2（図５に図示）の10倍以下にできる。この場合、真空紫外光照射範囲から発生する光電子をファラディ電極に吸収でき、バックグラウンドの上昇を抑制する十分な効果がある。

図６は第２実施形態の変形例であるイオン検出部の拡大図である。図６のように遮蔽板４１の上部に 返し部５１を取り付けても、図４，５の構成と同様の効果を得ることができる。

図７は第２実施形態の変形例であるイオン検出部の拡大図である。図７のように遮蔽板４１に加えて、第２の遮蔽板５２をファラディカップの閉鎖側に設置すれば、反射光に基づく光電子も遮蔽板４１で吸収することができ、 ファラディモード使用時のバックグラウンドの上昇回避効果を高めることができる。また、図８のように第２の遮蔽板５２の上部に第２返し部５３を取り付けても、図７構成と同様な効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図９は第３実施形態に係るイオン検出部の拡大図、図１０は図９のD-D断面矢視図である。図９、１０のように遮蔽板４１の前面領域に、紙面の手前から奥側に向かう方向の磁場Ｂを印加することで光電子の軌道を曲げ、遮蔽板４１に対向する位置にあるファラディ電極３３の側面３３a、３３ｂに入射させることができる。その結果、遮蔽板４１の高さHを低くすることが可能となり、質量分析装置の小型化が可能となる。磁場Ｂとして４０ガウス程度を印加すれば、遮光版４１の高さHは光電子照射幅Wの１．５〜３倍にできる。また、図１０では磁石の構成例として、一対の永久磁石４２を示したが、磁場Bを印加する磁石４２（磁石部）は１つでもよく、また永久磁石と電磁石のどちらでも構わない。磁石部としての磁石４２は、遮蔽板４１の光電子や反射光が照射される面（遮蔽面）に平行に、かつ二次電子増倍器３４を左手方向に見る方向に磁力線Bを通過させるように設けられている。

（第４実施形態）
図１１は第４実施形態に係るイオン検出部の拡大図である。図１１のように四重極２２の内側を黒色めっきや酸化処理、カーボン蒸着処理など、導電性を維持しつつ黒色に着色することもバックグラウンドの上昇の抑制に効果がある。黒化する箇所の例を図１１に黒化箇所BKとして示した。黒化することで、四重極２２の表面で反射してファラディ電極３３へ照射される真空紫外光を減らすことができる。また、真空紫外光の照射範囲を狭く限定することができるため遮蔽板４１の高さHを低くすることが可能となり、質量分析装置の小型化が可能となる。

上記の遮蔽板４１は光電子のみならず、その表面で真空紫外光が反射して二次電子増倍器３４に到達するのを低減する効果も併せ持つ。そのため、二次電子増倍器モード使用時のバックグラウンドノイズの上昇も低減することができる。

図１２は第４実施形態の変形例である。図１２のように遮蔽板４１の表面を黒色めっきや酸化処理、カーボン蒸着処理など、導電性を維持しつつ黒化することにより、遮蔽板４１の表面で反射し二次電子増倍器３４へ到達する真空紫外光の反射光をさらに低減することができる。黒化する箇所の例を図１２中に黒化箇所BK２として示した。

図１３は上述した実施形態の変形例である。図１３のように、遮蔽板４１の設置、第2遮蔽板５２の接地、磁場Bの印加、四重極内面の黒化（黒化箇所BK）、遮蔽板の黒化BK2は、組み合わせて実施すると相乗的にそれぞれの効果が発揮される。

本発明の質量分析装置によれば、 比較的単純な構造の質量分析装置でありながら、1E-2Pa以上の圧力空間を測定してもマススペクトルのバックグラウンドが上昇せず、 高い検出限界で質量分析を行うことができる。 また、本発明の検出部３１は簡便な構成であるためメンテナンスや製造に必要なコストの上昇を防ぎつつ、 高精度な分圧測定ができる質量分析装置を提供できる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。例えば、本実施形態ではファラディ電極３３に付加した遮蔽板４１は平板であるが、これに限定されず、曲面をしていてもよい。また、遮蔽板４１の側面に取り付けた磁石にヨークを付加してもよい。また、本実施形態では四重極質量分析装置を取り付ける測定対象をスパッタリング装置の場合について説明したが、本発明の質量分析装置は真空蒸着装置やCVD装置のような成膜装置の他、ドライエッチング装置や表面改質装置等の種々の真空装置に用いてもよい。

１１ ニップル
１３ ベースフランジ
２１ イオン源
２２ 四重極
２３ 四重極出口アパーチャ
２５ コントローラ
２６ 演算部（コンピュータ）
３１ イオン検出器
３２ 絶縁材料
３３ ファラディ電極
３３ａ 電極部分
３３ｂ 拡張部分
３３ｃ 底部電極
３４ 二次電子増倍器
３５ エレクトロンコレクタ
４１ 遮蔽板
４２ 磁石
５１ 返し部
５２ 第２の遮蔽板
５３ 第２返し部
B 磁場
BK 黒化箇所

Claims (6)

1. 被測定ガスをイオン化するイオン化部と、
   前記イオン化部でイオン化された前記被測定ガスの成分のうち、予め設定した質量電荷比を有する対象ガスのイオンだけを通過させるフィルター部と、
   前記フィルター部を通過した前記対象ガスのイオンに基づいたイオン検出値を検出するイオン検出部と、を有し、
   前記イオン検出部は、
   前記フィルター部の中心線に沿って配置されたファラディ電極と、
   前記中心線を挟んで前記ファラディ電極に対向して設けられた二次電子増倍器と、
   前記ファラディ電極に接続され、前記二次電子増倍器よりも前記イオンの流れの下流側の位置に、前記中心線を遮るように設けられた底部電極と、
   前記底部電極を介して前記ファラディ電極に接続され、前記二次電子増倍器の方向に進む光電子および反射光を遮蔽する遮蔽部と、を備えることを特徴とする質量分析装置。
2. 遮蔽部の高さが、遮蔽部と照射範囲外周部との距離の１０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
3. 前記イオン検出部は、前記遮蔽部に磁力線を通過させる磁石部をさらに有し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。
4. 前記磁石部は、前記遮蔽部の遮蔽面に平行、かつ前記二次電子増倍器を左手方向に見る方向に磁力線を通過させるように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の質量分析装置。
5. 遮蔽部の高さが、遮蔽部と照射範囲外周部との距離の１．５〜３倍であることを特徴とする請求項３又は４に記載の質量分析装置。
6. 前記フィルター部もしくは前記遮蔽部の真空紫外光が照射される部分を導電性を維持しつつ黒色に着色することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の質量分析装置。