JP2017027939A - 電子増倍検出器を用いた小型四重極アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】対象のガスイオンを、低い濃度で検出することができる小型四重極アレイガスセンサを提供する。【解決手段】四重極アレイガスセンサ１００は、電圧が印加されて、第１チャンバ１０２内のガスイオン１１８を第１チャンバの第１端部１１４から第１チャンバの第２端部１１６に向かう方向に移動させる複数の等間隔のロッド１１２ａ〜ｎを収容する第１チャンバと、第１チャンバの第２端部に連結されて、少なくとも１つのイオン検出器を有する第２チャンバ１０４とを含んでおり、イオンは、第１チャンバから、第１チャンバと第２チャンバとの間の複数のチャンネルを通って、第２チャンバを通過して、少なくとも１つのイオン検出器１２４で検出される。ロッドに印加される電圧は、ロッドの第１サブセットに印加される第１電圧と、ロッドの第２サブセットに印加される第２電圧とを含んでもよく、第１及び第２の電圧のそれぞれがＤＣ成分及びＡＣ成分を含む。【選択図】図１

Description

本出願は四重極質量フィルタの分野に関し、より具体的には小型四重極質量フィルタアレイの分野に関する。

四重極残留ガスセンサは周知であり、真空状態、例えば１×１０^−５Ｔｏｒｒ以下の圧力のチャンバ内の特定のガスの存在を検出し、その量を測定するために使用される。従来の四重極残留ガスセンサは、正方形構成のセラミック製の基台に精密に配置されて取り付けられている長さの等しい４本の平行なロッドを含み、そのためロッドの中心が開口又はチャンネルになって、ロッドの全長に延びている四重極を形成する。電子源は、四重極の一端で、チャンバ内の雰囲気ガス分子の一部と衝突してイオン化する電子を生成する。その後、これらのイオンの一部は質量分析のためにチャンネルに入射してから、四重極の他端に位置するコレクタに到達する。コレクタに衝突するイオンは、イオンの数に比例して、そのためチャンバ内のガス分子の個数に比例して、コレクタで電位を生成する。コレクタを外部回路に接続すると、それによりコレクタに衝突するイオンの量に比例する電流が発生する。

チャンネル内では、対角に向かい合うロッドに同じ極性のＡＣ電圧及びＤＣ電圧の組み合わせを印加することによって、その質量電荷比に応じてイオンがフィルタリングされる。同じ振幅であるが反対極性のＡＣ電圧及びＤＣ電圧が、他方の対角に向かい合うロッドに印加される。四重極の４本の平行なロッドに印加される電圧は、チャンネル内の４本のロッド間に、特定の質量電荷比を有するイオンのみがチャンネルの全長を進んでコレクタまで行きつける電場を発生するように調整される。他の質量電荷比を有するイオンは電場によってチャンネルから４本の平行なロッドの１つに引き寄せられて、中和される。そのため、ロッドの電圧を異なる質量電荷比に合わせて調整し、その電圧でコレクタに衝突するイオンによって発生する電流を分析することにより、四重極を低圧又は真空状態のチャンバ内の異なるガスの存在を検出するために使用することができる。これらのガスを感知できることは、惑星探査、半導体チップの製造、工業加工、環境モニタリング、石油化学製品及びシェールガスのアプリケーションを含め、多様なアプリケーションに有用である。

チャンバ内にどのガスが存在するかを判断する必要がある多くのアプリケーションでは、チャンバ内の圧力は先行技術のセンサを操作するために必要な圧力よりも実質的に高い。例えば、半導体デバイスの製造で使用される薄膜形成法では、前述した先行技術のセンサを操作するために必要な圧力よりも圧力が２桁も大きいチャンバで、膜を形成させることが多い。しかし、センサの感度を最大化するには、イオンがチャンネルでコレクタまで進まなければならない長さは、イオンの平均自由行程よりも短くなければならない。イオンの平均自由行程とは、イオンが別の分子粒子に衝突するまでにその環境を直線状に進む平均距離である。チャンネル長さは、好ましくは、粒子の平均自由行程よりも短くし、それによって調整した質量電荷比を有するイオンが別の粒子に衝突し、チャンネルから逸れ、又は中和される確率を最小化しなければならない。このように逸れた調整イオンはコレクタに衝突しないため、コレクタで検出される電流は低くなる。イオンなどの粒子の平均自由行程は、平均自由行程が粒子が置かれる環境の雰囲気圧力に反比例するよく知られた公式で計算することができる。そのため、従来の４本のロッド（各ロッドは長さ約１５ｃｍで、１ｃｍ径である）の四重極残留ガスセンサは、イオン源とコレクタとの間のチャンネルの長さよりも大きい平均自由行程を得ることができるように、比較的低い圧力、例えば５×１０^−５Ｔｏｒｒで操作する。

より高い圧力での操作を可能にする四重極フィルタを提供する１つの方法は、イオンが進む距離を短くするためにフィルタのコンポーネントを小型化することである。小型化することにより、質量分析するイオンの受容面積が小さくなるため、必然的に計器の感度が低下することになる。平行に操作するように四重極のアレイを組み立てることは、小型化により失われた感度をある程度回復させる１つの方法である。これは数十年前に提案されたが、従来の製作手法を使用して四重極のアレイを組み立てるのは難しかった。これはＦｅｒｒａｎに付与された米国特許第５，６１３，２９４号に記載されるように、ロッドをガラス製筐体に保持し、フォトエッチング加工した薄いプレートを用いて反対極性の電圧をロッドへ交互に接続するコストの安いガラス−金属封止技術を使用して対処してきた。この特許は、４×４アレイのロッド（平均して長さ１５ｍｍで、１ｍｍ径）、合計１６本をマトリックス状のパターンに配置することにより形成される四重極のアレイ（そのうち９個）を有するガスセンサを開示している。

Ｆｅｒｒａｎが開示する四重極アレイは、ファラデーカップを用いて、ロッドを含むチャンバの端部に到達する対象イオンを検出する。ファラデーカップによる検出は多くの状況で有用であるが、電子増倍管など、より感度の高い別の検出器を使用することがより望ましい場合もある。電子増倍管及びマイクロチャンネルプレートなどの電子増倍型の検出器は、その内面に高抵抗性のコーティングを含む。入射する荷電粒子（例、イオン及び電子）の光子（例、ＵＶ及びＸ線）は表面に衝突すると電子を放出し、二次電子放出プロセスにより、それが更に多くの電子を放出する電子雪崩をトリガする。これらの電子は、検出器の入口と出口との間の高い電圧バイアスにより、出口に向かって運ばれる。ゲインとも呼ばれる電子イオン変換は、印加される電圧に応じて数桁の大きさを達成することができる。

しかし、小型化とセンサ筐体の端部に装着される複数のロッドのために、Ｆｅｒｒａｎが開示する四重極アレイは電子増倍管に対応していない。

したがって、対象のガスイオンを、できればはるかに低い濃度で検出するために電子増倍管を使用することができ、Ｆｅｒｒａｎが教示したもののような小型四重極アレイを提供することが望ましい。

本明細書に説明されるシステムによると、ガスセンサは、第１チャンバ内のガスイオンを第１チャンバの第１端部から第１チャンバの第２端部へ移動させる電圧が印加される複数の等間隔のロッドを収容する第１チャンバと、第１チャンバの第２端部に連結され、少なくとも１つのイオン検出器を有する第２チャンバと、を含み、イオンは、第１チャンバから第１チャンバと第２チャンバとの間の複数のチャンネルを通って第２チャンバへ向かって移動し、少なくとも１つのイオン検出器によって検出される。ロッドに印加される電圧は、ロッドの第１サブセットに印加される第１電圧と、ロッドの第２サブセットに印加される第２電圧とを含んでもよく、第１及び第２の電圧はそれぞれＤＣ成分及びＡＣ成分を含む。第１及び第２の電圧のＤＣ成分は同じでもよく、第１及び第２の電圧のＡＣ成分は同じ周波数及び大きさ並びに１８０度の相対位相を有し、ＡＣ成分の大きさはＤＣ成分の大きさの約６倍にしてもよい。少なくとも１つのイオン検出器は電子増倍管又はマイクロチャンネルプレートを含んでもよい。少なくとも１つのイオン検出器はオンアクシス又はオフアクシスでもよい。ガスセンサは第２チャンバに設けられるファラデーカップも含んでもよい。少なくとも１つのイオン検出器はオフアクシスにしてもよい。

以下の通り述べられる図面のいくつかの図を参照して、システムの実施形態を説明する。
図１は、本明細書で説明するシステムのある実施形態による２つのチャンバとともに使用する小型四重極質量フィルタアレイを示す模式図である。 図２は、本明細書で説明するシステムのある実施形態による電子増倍管及び検出器を使用する小型四重極質量フィルタアレイを示す模式図である。 図３は、本明細書で説明するシステムのある実施形態による、電子の流れに対してオンアクシスで設けられる電子増倍管及び検出器を使用する小型四重極質量フィルタアレイを示す模式図である。 図４は、本明細書で説明するシステムのある実施形態によるマイクロチャンネルプレート及び電子検出器を使用する小型四重極質量フィルタアレイを示す模式図である。 図５は、本明細書で説明するシステムのある実施形態による、電子の流れに対してオフアクシスで設けられるマイクロチャンネルプレート及び電子検出器を使用する小型四重極質量フィルタアレイを示す模式図である。

図１を参照すると、四重極アレイガスセンサ１００は、第１チャンバ１０２と第２チャンバ１０４とを有する。本明細書で説明するように、チャンバ１０２、１０４はイオンの検出を容易にするために、真空（例：１．５×１０^−２Ｔｏｒｒ以下）で維持される。チャンバ１０２、１０４は気密スリーブ１０５ａ、１０５ｂで接続してもよい。チャンバ１０２は、参照により本明細書に組み込まれるＦｅｒｒａｎに付与された米国特許第５，６１３，２９４号の四重極アレイガスセンサとともに使用されるチャンバと同様なものであるが、ロッド、及び、一定の電極の機械的な支持を提供し、それに適切な電圧を印加するように意図された金属ピンを含む他のコンポーネントを支持するために使用される同じガラス筐体に埋め込まれている新たなイオン搬送チャンネルを特徴とする。センサ１００で分析するガスの進入を制御するためにインレット１０６を使用してもよい。インレット１０６のバルブ１０８を開くとガスがチャンバ１０２に進入し、閉じるとチャンバ１０２を密閉する。

チャンバ１０２は四重極アレイを形成する複数の埋め込みロッド１１２ａ〜１１２ｎを含む。本明細書の実施形態では、４×４のアレイで等間隔に離間している１６本のロッド１１２ａ〜１１２ｎがあるが、当然、本明細書で説明するシステムは任意の数のロッドで実施してもよい。本明細書の実施形態では、第１電圧を受ける第１バス（図示せず）及び第２電圧を受ける第２バス（図示せず）をそれぞれ１６本のロッド１１２ａ〜１１２ｎのうちの８本にそれぞれ接続して、どの１つの四重極アレイエレメント（ロッド１１２ａ〜１１２ｎのうち四角形を形成する４つの隣接するもののグループ）でも、ロッド１１２ａ〜１１２ｎのうち互いに対角に取り付けられているものに同じ電圧が印加されるようにする。

本明細書の実施形態では、チャンバ１０２、１０４のそれぞれは、内部に中実のガラスシールが形成されて気密シールを提供する中空円筒形の金属体又はケーシングから構成してもよい。チャンバ１０２、１０４のそれぞれは、およそ５／８インチの直径を有してもよく、長さは約１／２インチから５／８インチであってもよい。ガラスシールのために選択される材料は、センサ１００の組み立て後に、ガラスシールがロッド１１２ａ〜１１２ｎ及び他のコンポーネントを構造的に安定な位置及び向きにしっかりと保持するように選択することができる。また、ガラスシールのために使用される材料は、ロッド１１２ａ〜１１２ｎ及び他のコンポーネント並びにケーシングの内壁に真空気密シールを提供するように選択することもできる。ガラスシールを形成するために使用される材料は、円盤形で、ロッド１１２ａ〜１１２ｎ及び他のコンポーネントのそれぞれのための穴を有する予備成形されたガラスブランク又はガラスビードであってもよい。予備成形されたガラスビードは加熱して、ガラスを溶融させて、ロッド１１２ａ〜１１２ｎ及び他のコンポーネント並びにケーシングの内壁にしっかりと接合する強化ガラスシールにしてもよい。強化ガラスシールを形成するために使用されるガラスビードは、ベースケーシングの熱係数と同様な熱係数を有し、オーブンで加熱したときに適切な挙動を有するように選択してもよい。センサ１００の他の材料によって、またセンサ１００の予想される使用の温度範囲によって、ガラスビードには様々な種類のガラスを使用してもよい。例えば、ある実施形態では、ケーシングはステンレススチールでもよく、ガラスビードはステンレススチールの温度係数に近い比較的高い温度係数を有するバリウムアルカリガラスであってもよい。

ロッド１１２ａ〜１１２ｎに印加される電圧は、ＡＣ成分及びＤＣ成分の両方を有してもよい。第１及び第２の電圧のＤＣ成分は、四重極アレイエレメント（前述したロッド１１２ａ〜１１２ｎのうち４本のグループ）によって形成されるチャンネルの中心で、例えば、ＤＣ５５ボルトの一定のＤＣ電位を供給することができる。第１及び第２の電圧のＡＣ成分は同じ振幅及び周波数を有してもよいが、第１及び第２の電圧は互いに１８０度の位相差を有してもよい。このように、どの時点でも、第１電圧及び第２電圧のＡＣ成分の合計はゼロに等しくなる。また、ＡＣ電圧及びＤＣ電圧は、ＡＣ成分のピークトゥピーク値がＤＣ成分の値の約６倍になるように選択してもよい。本明細書の実施形態では、ＡＣ成分及びＤＣ成分は、各四重極エレメントで形成されるチャンネルの中心でＤＣ５５ボルトがなお維持され、ＡＣ電圧がＤＣ成分の６倍になる限り、それぞれ変えることができる。近似比６：１を維持しながらＡＣ電圧及びＤＣ電圧の両方をスキャンすると、原子質量単位（ＡＭＵ）でイオン存在量対質量電荷比のスペクトルを生成することができる。

チャンバ１０２は、チャンバ１０２の第１端部１１４に、又はその付近に、電子エミッタ１１３ａ、１１３ｂを含む。エミッタ１１３ａ、１１３ｂは、タングステン又は白金などの適切なフィラメント材料から、従来のフィラメントワインディング法により形成されるフィラメントコイルとすることができる。フィラメントコイルは、電子エミッタとして作用する、二酸化イットリウムなどのコーティングを施した、イリジウムなどのベースメタルからなることができる。当然、適切な電子源を使用してもよい。電子エミッタ１１３ａ、１１３ｂは電子源を提供して、センサ１００によって検出するために、チャンバ１０２内のガス分子をイオン化する。

外部回路（図示せず）は、バス（前述）を介してロッド１１２ａ〜１１２ｎに電圧を供給して、四重極エレメントのそれぞれを、特定の原子質量単位（ＡＭＵ）及び質量電荷比を有する特定のイオンに合わせて調整させる。これにより特定のイオン（存在する場合）をチャンバ１０２の第２端部１１６に向かって進ませる。一般に、チャンバ１０２内に存在する可能性があるが、同じＡＭＵ及び質量電荷比をもたない他のイオンは、電場によってチャンネルからロッド１１２ａ〜１１２ｎの１つに引き寄せられて、中和される。

所望のＡＭＵ及び質量電荷比をもち、チャンバ１０２の第２端部１１８に到達する複数のイオン１１６は第２端部１１６で複数のチャンネル１２２ａ〜１２２ｎを通過して、第２チャンバ１０４に入る。本明細書の実施形態では、チャンネル１２２ａ〜１２２ｎは、イオン１１８をチャンネル１２２ａ〜１２２ｎに通過させてチャンバ１０４に入らせるように偏向されている金属管を含む。本明細書の他の箇所でより詳細に説明するように、チャンバ１０４に入るイオン１１８は検出器１２４で検出される。ロッド１１２ａ〜１１２ｎの電圧が適切に調整されるときに、特定のＡＭＵ及び質量電荷比をもち、検出器１２４に衝突するイオンの数は、当初チャンバ１０２内にあり、対応するＡＭＵ及び質量電荷比をもつガス分子の数に正比例する。そのため、センサ１００に接続される外部電子機器を適切に較正することにより、センサ１００の使用者はチャンバ１０２内にどの特定のガスが存在するかだけでなく、特定のガスがどれくらい存在するかも判定することができる。

図２を参照すると、チャンバ１０４の検出器１２４が電子増倍管２０２及びコレクタ２０４によって提供される実施形態が示されている。電子増倍管２０２は、例えば真空管構造を利用する従来の電子増倍管であってもよい。電子増倍管は、光子、例えば、ＵＶ及びイオン源からの他の浮遊粒子によって生じるノイズの低減に寄与するオフアクシス構成で取り付けられている。電子増倍管２０２はチャンネル１２２ａ〜１２２ｎを通過するイオン１１８を受け取り、その結果として、電子をコレクタ２０４に供給する。コレクタ２０４に供給される電子の量は、電子増倍管２０２によって受け取られるイオンの量に比例する。電子増倍管２０２及びコレクタ２０４はどちらも当業界で周知の従来のコンポーネントである。コレクタ２０４はチャンバ１０４の外側部分に張り出して、コレクタ２０４によって受け取られる電子の数の表示を供給する従来の回路（図示せず）に接続してもよい。回路は、ディスプレイ、コンピュータ等など、オペレータに表示できる、及び／又は、コレクタ２０４の出力に対応する値を保存／記録できる受信機（図示せず）に信号を供給してもよい。

いくつかの実施形態では、チャンバ１０４は、電子増倍管２０２をオフに調整しているときに、イオン１１８を検出するファラデーカップ２０６を含んでもよい。この二重検出法は、ファラデーカップ信号を使用して電子増倍管２０２のゲインを較正するのに便利である。他の実施形態では、ファラデーカップ２０６は存在せず、その場合、イオン１１８はもっぱら電子増倍管２０２及びコレクタ２０４によって検出される。

図３を参照すると、電子増倍管３０２がチャンバ１０４内に、チャンネル１２２ａ〜１２２ｎ及びイオン１１８の流れに対してオンアクシスに設けられている代替実施形態が示されている。図２の実施形態と同様に、電子増倍管３０２からの出力は回路（図示せず）に連結されているコレクタ３０４に供給され、当該回路は電子増倍管３０２に衝突するイオン１１８に対応する表示及び／又はデータを供給する。

図４を参照すると、チャンバ１０４にオンアクシスに、そしてチャンネル１２２ａ〜１２２ｎ及びイオン１１８の流れに対してオンアクシスに設けられているマイクロチャンネルプレートデバイス４０２を利用する異なる実施形態が示されている。マイクロチャンネルプレート４０２は、ガスイオンの衝突に応答して、電子を供給することができる。図２及び図３の実施形態と同様に、マイクロチャンネルプレートデバイス４０２からの出力は回路（図示せず）に連結されているコレクタ４０４に供給され、当該回路は電子増倍管４０２に衝突するイオン１１８に対応する表示及び／又はデータを供給する。マイクロチャンネルプレートデバイス４０２は、典型的には厚さ２ｍｍの高抵抗性の材料から作られ、一方の面から反対の面まで通じ、表面全体に密に分布する微小な管又はスロット（マイクロチャンネル）の規則的なアレイの厚板とすることができる。マイクロチャンネルは直径約１０マイクロメートルで、約１５マイクロメートル離間させてもよい。

図４は、シェブロン構成で、すなわち互いに１８０°回転してシェブロン（ｖ字状）形状を作る傾斜チャンネルで組み立てられる２枚のマイクロチャンネルプレート４０２のスタックを示す。チャンネル間の角度はデバイスのイオンフィードバックを減じる。シェブロン形マイクロチャンネルプレートアセンブリでは、第１プレートから出る電子は次のプレートでカスケードを開始する。直線チャンネルのマイクロチャンネルプレートアセンブリより優れたシェブロン形マイクロチャンネルプレートアセンブリの利点は、所定の電圧でのゲインが大幅に高いことである。２枚のマイクロチャンネルプレートは一緒にプレスするか、又はその間に小さな隙間を設けて複数のチャンネルに電荷を分散させることができる。

図５を参照すると、チャンバ１０４内に設けられて、チャンネル１２２ａ〜１２２ｎ及びイオン１１８の流れに対してオフアクシスであるマイクロチャンネルプレートデバイス５０２を利用する異なる実施形態が示されている。図２、図３及び図４の実施形態と同様に、マイクロチャンネルプレートデバイス５０２からの出力は回路（図示せず）に連結されているコレクタ５０４に供給され、当該回路は電子増倍管５０２に衝突するイオン１１８に対応する表示及び／又はデータを供給する。図２の実施形態と同じく、チャンネル１２２ａ〜１２２ｎを流れるイオン１１８を検出するために、ファラデーカップ５０６を任意で使用してもよい。他の実施形態では、マイクロチャンネルプレートデバイス５０２がチャンバ１０４内にオフアクシスで設けられていても、ファラデーカップは使用しない。

本明細書で述べる様々な実施形態は、本明細書で説明するシステムに関連した適切な組み合わせで互いに組み合わせてもよい。本発明の他の実施形態は、本明細書で開示する本発明の明細又は実施を検討することにより当業者には明らかであろう。明細及び例は単なる例示的なものと見なされ、本発明の真の範囲及び精神は以下の請求項によって示されることが意図される。

Claims (7)

1. ガスセンサであって、
   第１チャンバ内のガスイオンを第１チャンバの第１端部から第１チャンバの第２端部へ向かって移動させる電圧が印加される複数の等間隔のロッドを収容する第１チャンバと、
   前記第１チャンバの前記第２端部に連結され、少なくとも１つのイオン検出器を有する第２チャンバと、を備え、
   イオンは、前記第１チャンバから前記第１チャンバと前記第２チャンバとの間の複数のチャンネルを通って前記第２チャンバへ移動し、前記少なくとも１つのイオン検出器によって検出される、ガスセンサ。
2. 前記ロッドに印加される電圧は、前記ロッドの第１サブセットに印加される第１電圧と、前記ロッドの第２サブセットに印加される第２電圧とを含み、第１及び第２の電圧それぞれがＤＣ成分及びＡＣ成分を含む、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記第１及び第２の電圧のＤＣ成分は同じであり、前記第１及び第２の電圧のＡＣ成分は同じ周波数及び大きさ並びに１８０度の相対位相を有し、前記ＡＣ成分の大きさは前記ＤＣ成分の大きさの約６倍である、請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記少なくとも１つのイオン検出器は、電子増倍管及びマイクロチャンネルプレートのうちの１つを含む、請求項１に記載のガスセンサ。
5. 前記少なくとも１つのイオン検出器は、オンアクシス及びオフアクシスのうちの１つである、請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記第２チャンバに設けられているファラデーカップを更に備える、請求項４に記載のガスセンサ。
7. 前記少なくとも１つのイオン検出器はオフアクシスである、請求項６に記載のガスセンサ。

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