JP2017107816A

JP2017107816A - 熱電子放出用フィラメント、四重極質量分析計、及び残留ガス分析方法

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Publication number: JP2017107816A
Application number: JP2015242477A
Authority: JP
Inventors: 浩平笹井; Kohei Sasai; 俊広池山; Toshihiro Ikeyama; 利彰酒井; Toshiaki Sakai
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2017-06-15
Also published as: EP3179502A1; US20170169981A1; US10026582B2

Abstract

【課題】長寿命を担保できる熱電子放出用フィラメントを提供すること、及びこの熱電子放出用フィラメントを使用した質量分析計の分析精度を向上すること。
【解決手段】電流が流れる芯材２１１Ａと、前記芯材２１１Ａの表面を覆うように形成された電子放出層２１１Ｂとを具備する熱電子放出用フィラメント２１１であって、前記電子放出層２１１Ｂがガスを実質的に遮断する緻密さを有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば質量分析計に用いる熱電子放出用フィラメントに関するものである。

この種の熱電子放出用フィラメントとしては、イリジウムからなる芯材の表面を電子放出物質である酸化イットリウムにより被膜して電子放出層を形成したものが知られている。特許文献１及び非特許文献１に示されるように、従来、前記電子放出層は、芯材の表面に電気泳動法により被覆してある。

しかしながら、熱電子放出用フィラメントが、例えば、半導体プロセスチャンバの残留ガス分析計等の質量分析計に使用される場合には、チャンバ内の洗浄に使用されたフッ素ガス等の腐食性ガスが、分析するガスに含まれる可能性がある。このような場合、電気泳動法で形成された電子放出層は緻密性がないので、電子放出層の隙間から腐食性ガスが侵入して芯材に到達し、芯材が腐食されて熱電子放出用フィラメントが想定寿命より早く切れてしまう恐れがある。

そこで、芯材を腐食から守るために電子放出層を厚くすると、熱電子を放出するために熱電子放出用フィラメントを加熱する際に温度制御が難しくなるので、熱電子放出用フィラメントを加熱し過ぎてしまい、熱ストレスによりやはり熱電子放出用フィラメントが想定寿命より早く切れてしまう恐れがある。

また、熱電子放出用フィラメントの寿命を延ばすために、半導体プロセスチャンバ内に残留した濃度の低いガスをさらに希釈してから、質量分析計によって分析することも考えられているようではあるが、分析精度が悪化するという問題が生じる。

特開２０１２−００３９７６号公報

高橋直樹「残留ガス分析計としての四極子形質量分析計」、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．、Ｖｏｌ．４８（２００５）、ｐ６１１−６１８

本発明は上記の問題を解決すべくなされたものであり、長寿命を担保できる熱電子放出用フィラメントを提供すること、及びこの熱電子放出用フィラメントを使用した質量分析計の分析精度を向上することを主たる目的とする。

本発明に係る熱電子放出用フィラメントは、電流が流れる芯材と、前記芯材の表面を覆うように形成された電子放出層とを具備するものであって、前記電子放出層がガスを実質的に遮断する緻密さを有することを特徴とする。

このようなものであれば、ガスを遮断する緻密性を有する電子放出層によって芯材の表面が覆われているので、腐食性ガスに直接曝されても芯材の腐食を抑制することができ、熱電子放出用フィラメントの寿命を延ばすことができる。

また、電子放出層が緻密なので、電子放出層を必要以上に厚くしなくてもガスを遮断することができ、熱ストレス等による熱電子放出用フィラメントの断線を抑え、熱電子放出用フィラメントの寿命を延ばすことができる。

さらに、腐食性ガスに直接曝されても芯材の腐食を抑制することができるので、この熱電子放出用フィラメントを使用した質量分析計でガスを希釈せず直接分析することができ、質量分析計の分析精度を向上できる。

前記電子放出層はＣＶＤ法、ＰＶＤ法、または溶射法のいずれか１つにより形成されたものであることが望ましい。

ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、または溶射法のいずれか１つを用いることで、ガスを実質的に遮断する緻密性を有する電子放出層を芯材の表面に形成することができる。

ＣＶＤ法及びＰＶＤ法で電子放出層を形成する際には、電子放出層の成分を一度ガス化して細かくしてから芯材に固着させて電子放出層を形成するので、緻密な電子放出層を形成することができる。

また、溶射法においても電子放出層の成分を数ナノメートル単位の粒子として吹き付けるので、緻密な電子放出層を形成することができる。

溶射により電子放出層を形成する際には、コーティング材料の噴出強度が強く芯材の剛性が必要なので、細い芯材を用いる場合には、使用できない可能性がある。

また、電子放出層の材料に高いエネルギーを持った粒子を衝突させ、物理的に材料をはじき飛ばして芯材の表面に積層するＰＶＤ法や、電子放出層の材料を溶解して射出し、芯材の表面に積層する溶射法では、一度に芯材の一側面にしか緻密な膜を形成できないので、少しずつ面を変えて電子放出層を形成する必要があり、電子放出用フィラメントを製作するのにコストや手間がかかる。

一方、ＣＶＤ法は電子放出層の材料を含むガスに熱や光又は高周波を与えて、反応性を高めることで芯材の表面に固着させ、電子放出層を形成する方法であるので、真空チャンバ内に充満したガスと触れている芯材の表面全体に緻密な電子放出層を、コストや手間をかけずに一度に形成できるので、本発明の熱電子放出用フィラメントの製作に特に有効である。

前記熱電子放出用フィラメントの形状は線状であることが望ましい。

熱電子放出用フィラメントが、芯材の腐食による切れに弱い線状のものである場合には、本発明による熱電子放出用フィラメントの延命効果を顕著に発揮することができる。

前記電子放出層の厚さは１μｍから３０μｍであることが望ましい。

電子放出層の厚さが１μｍより薄いと、電子放出層がすぐに蒸発してしまい膜の緻密性が下がりやすいので、芯材が腐食によって断線して熱電子放出用フィラメントが短時間で切れることが生じ得る。また、電子放出層の厚さが３０μｍより厚いと、前述したように、熱ストレスによる熱電子放出用フィラメントの断線が起こる恐れがある。そこで、電子放出層の厚さが１μｍから３０μｍであれば、これらの不具合が起きないので、熱電子放出用フィラメントの寿命を延ばすことができる。

前記熱電子放出用フィラメントの前記芯材がイリジウムからなり、前記電子放出層が酸化イットリウムからなるものであることが望ましい。

イリジウムは化学に安定で、一般的な芯材の材料であるタングステンと比較して酸化による断線が起こりにくいので、芯材の材料に適している。一方で、イリジウムは熱電子放出効率が悪い。そこで、イリジウム芯材の表面を電子放出物質である酸化イットリウムの電子放出層で被覆すれば、熱電子放出効率を向上することができるので、断線が起こりにくく、さらに熱電子放出効率も良い熱電子放出用フィラメントを提供することができる。

前記熱電子放出用フィラメントを具備した質量分析計が四重極型質量分析計であることが望ましい。

また、前記四重極型質量分析計を用いた分析方法は、半導体プロセスチャンバ内の残留ガスを分析する残留ガス分析方法であることが望ましい。

このような四重極型質量分析計及び残留ガス分析方法であれば、チャンバ内のガスを直接分析に供することができるので質量分析計の分析精度を向上できる。

このように構成した本発明によれば、ガスを遮断する緻密性を有する電子放出層によって芯材の表面が覆われているので、腐食性ガスの存在下でも芯材の腐食を抑制することができ、熱電子放出用フィラメントの寿命を延ばすことができる。

また、本発明に係る熱電子放出用フィラメントは、電子放出層が緻密であり、電子放出層を必要以上に厚くしなくてもガスを遮断することができるので、熱ストレスによる熱電子放出用フィラメントの断線を抑え、熱電子放出用フィラメントの寿命を延ばすことができる。

さらに、本発明の熱電子放出用フィラメントを使用した質量分析計によれば、ガスを希釈することなく直接分析することができるので、その結果、分析精度を向上できる。

本発明の一実施形態に係る残留ガス分析計の半導体プロセスチャンバへの取付け状態を表す模式図。同実施形態に係る残留ガス分析計の内部構造の模式図。同実施形態に係る熱電子放出用フィラメントの断面図。

以下に、本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。

本実施形態に係る熱電子放出用フィラメント２１１は、例えば、半導体プロセスチャンバＣ等に取り付けられ、チャンバＣ内の残留ガスを分析する残留ガス分析計ＲＧＡに用いられるものである。

前記残留ガス分析計ＲＧＡは、例えば、四重極型質量分析計であり、ケーシング１と、ケーシング１の内部に収容されたセンサ部２およびデータ処理回路３とを具備する。

前記ケーシング１は、図１に示すように、直径がおよそ２〜３ｃｍで長さがおよそ５ｃｍの筒状であり、その先端面がチャンバＣの内部に配置されるように取り付けられて前記センサ部２を収容するセンサ部カバー１１と、チャンバＣ外に取り付けられて前記データ処理回路３を収容するデータ処理回路カバー１２とを具備する。

チャンバＣ内に配置された前記センサ部カバー１１の前記先端面には、チャンバＣ内のガスを前記センサ部２内に導入するためのガス導入口１１１が設けられている。

前記センサ部２は、図２に示すように、電子衝突によりガスをイオン化するイオン化部２１と、イオン化部２１で発生したイオンをイオン化部２１から引き出して加速、収束させるイオン引き出し電極２２と、イオン引き出し電極２２によって加速、収束されたイオンを円柱状の４本の電極により発生する高周波電場によって電荷対質量比に応じて分離する四重極部２３と、四重極部２３で分離されたイオンを捕らえて電流値として検出し、その電流値をデータ処理回路３に出力する検出部２４とを具備する。

前記イオン化部２１は、コイル状に成形されて、その端部が図示しない電源装置を内蔵したデータ処理回路カバー１２に接続された線状の熱電子放出用フィラメント２１１と、熱電子放出用フィラメント２１１の内側にあって、熱電子放出用フィラメント２１１から放出された熱電子を集めて加速する筒状のグリッド電極２１２とを具備する。

前記熱電子放出用フィラメント２１１は、例えば、先端に開口を持つ六角柱状のグリッド電極２１２の側面に、前記六角柱状のグリッド電極２１２の軸方向に対してほぼ垂直に配置された前記熱電子放出用フィラメント２１１のコイル状の部分が沿うように配置されている。

前記グリッド電極２１２の構造は、六角柱状のものに限らず、円筒状や断面が他の多角形や異形となるような筒状のものでも良い。

前記熱電子放出用フィラメント２１１は線状のものであれば良く、形はコイル状のものに限らず、リング状やヘアピン状など他の形のものでも良い。

前記熱電子放出用フィラメント２１１は、図３に示すように、電流が流れる芯材２１１Ａと、芯材２１１Ａの表面全体を覆うように形成された電子放出層２１１Ｂとを具備するものである。

前記芯材２１１Ａは、例えば、イリジウムを主要な成分とする太さが７０μｍから１３０μｍのものであり、不純物を含んでいても良い。

前記電子放出層２１１Ｂは例えば、酸化イットリウムを主要な成分とするものであり、不純物を含んでいても良い。前記電子放出層２１１Ｂは、例えばＣＶＤ法によって形成された、ガスを実質的に遮断する原子レベルの緻密性を有する、厚さがおよそ２μｍの層である。前述したように、電子放出層２１１Ｂの厚さが１μｍより薄い場合や３０μｍより厚い場合には、電子放出層２１１Ｂがすぐに蒸発してしまう可能性や、熱ストレスによって熱電子放出用フィラメント２１１が断線する可能性があるので、電子放出層２１１Ｂの厚さは１μｍから３０μｍであることが望ましい。

ＣＶＤ法による電子放出層２１１Ｂの形成方法は、例えば、以下のようなものである。熱電子放出用フィラメント２１１のイリジウム芯材２１１Ａを、芯材２１１Ａの表面全体が真空チャンバ内の空間に曝されるように１本ずつ、又は複数本起立するように固定し、又は吊るす等して、電子放出層２１１Ｂの材料となる酸素とイットリウムを含むガスを真空チャンバ内で加熱することにより反応性を高めて、芯材２１１Ａの表面に固着させ、芯材２１１Ａの表面全体を覆う緻密な酸化イットリウムの電子放出層２１１Ｂを形成する。

前記電子放出層２１１Ｂを芯材２１１Ａの表面に形成するための方法として本実施形態では、ＣＶＤ法を用いているが、ガスを実質的に遮断する緻密性を有する電子放出層２１１Ｂを形成できるＰＶＤ法や溶射法を使用しても良い。

前記データ処理回路３は、増幅器、Ａ／Ｄコンバータ、ＣＰＵ、メモリ、通信ポート等を備えるものであり、前記センサ部２から出力された電流値に基づいて質量分析を行う。また必要に応じて、その分析結果を汎用コンピュータ等に送信する。

前記データ処理回路３は、１つの装置であっても、有線または無線で互いに接続された複数の装置であっても良く、その一部として汎用コンピュータを使用するものとしても良い。

このように構成した本実施形態の熱電子放出用フィラメント２１１によれば、半導体プロセスチャンバＣの洗浄のために使用されたフッ素ガス等の腐食性ガスが残留ガス分析計ＲＧＡで分析するガス中に存在したとしても、ガスが透過する隙間が実質的にはほぼない緻密性を有する電子放出層２１１Ｂによって芯材２１１Ａの表面全体が覆われているので、芯材２１１Ａの腐食を抑制することができ、熱電子放出用フィラメント２１１の寿命を延ばすことができる。

また、前記電子放出層２１１Ｂの厚さを１μｍから３０μｍにすることで、電子放出層２１１Ｂが蒸発して前記芯材２１１Ａが腐食性ガスに曝されるのを防ぐとともに、熱ストレス等による前記熱電子放出用フィラメント２１１の断線を抑えることができるので、熱電子放出用フィラメント２１１の寿命を延ばすことができる。

さらに、本実施形態の熱電子放出用フィラメント２１１を使用した残留ガス分析計ＲＧＡによれば、チャンバＣ内のガスを希釈せずに直接分析できるので、分析精度を向上することができる。

前記電子放出層２１１Ｂを表面に形成するための方法としてＣＶＤ法を用いることで、芯材２１１Ａの表面全体に緻密な電子放出層２１１Ｂを一度に全面に形成できる。

前記熱電子放出用フィラメント２１１がコイル状である場合には、複雑な表面にも一度に緻密な電子放出層２１１Ｂを形成できるＣＶＤ法が特に適している。

また、酸化イットリウムの粒子をＣＶＤ法により前記芯材２１１Ａの表面に固着させることにより、ナノメートルオーダー以下の前記電子放出層２１１Ｂを形成することができる。

次に、本実施形態に係る熱電子放出用フィラメント２１１の延命効果について、以下の試験を用いて説明する。

本発明に係る熱電子放出用フィラメント２１１の一例として、イリジウム芯材２１１Ａを厚さが２０μｍ以下の酸化イットリウムの電子放出層２１１Ｂにより被覆した太さが７５μｍの熱電子放出用フィラメント２１１を用意し、この熱電子放出用フィラメント２１１を備えた残留ガス分析装置ＲＧＡを１×１０^−３ＰａのＳＦ_６雰囲気下で５００時間連続して使用する試験を行った。

その結果、熱電子放出用フィラメント２１１は抵抗値が１０％増加し、線径が５％減少したものの、断線することなく５００時間連続使用が可能であった。さらに、５００時間後の分析感度についても、分析開始時と比較して８０％以上維持することができた。

なお、本発明は前記実施例に限られるものではない。

例えば、電流が流れる芯材と、前記芯材の表面を覆うように形成された電子放出層とを具備する熱電子放出用フィラメントであって、前記電子放出層がＣＶＤ法、ＰＶＤ法、又は溶射法のいずれか１つにより形成されたものである熱電子放出用フィラメントとしても良い。

本発明に係る熱電子放出用フィラメントは四重極型質量分析計に限らず、電子イオン化法を用いる他の質量分析や、電子ビームを使う走査電子顕微鏡等にも用いることができる。

前記芯材の素材は、イリジウムに限らず、レニウムタングステン合金やタングステン等でも良い。

前記電子放出層の成分としては、酸化イットリウムに限らず、トリウム等の仕事関数が低く、融点が高い物質であれば良い。

前記熱電子放出層の厚みを厚くするとそれに従って緻密性が向上するので、前記熱電子放出層の厚みは１μｍから３０μｍに限らず、例えば３０μｍ以上としたもの等、この範囲外のものでも良い。前記熱電子放出層の厚みは、特に１μｍから１５μｍのものであれば好ましく、１μｍから５μｍのものであればさらに好ましい。

また、熱電子放出用フィラメントの形状は、線状のものに限らず、リボン状など他の形状のものでも良い。

その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形が可能である。

２１１・・・熱電子放出用フィラメント
２１１Ａ・・・芯材
２１１Ｂ・・・電子放出層
ＲＧＡ・・・残留ガス分析計

Claims

電流が流れる芯材と、前記芯材の表面を覆うように形成された電子放出層とを具備する熱電子放出用フィラメントであって、
前記電子放出層がガスを実質的に遮断する緻密さを有することを特徴とする熱電子放出用フィラメント。
前記電子放出層がＣＶＤ法、ＰＶＤ法、又は溶射法のいずれか１つにより形成されたものである請求項１記載の熱電子放出用フィラメント。
形状が線状である請求項１又は２記載の熱電子放出用フィラメント。
前記電子放出層の厚さが１μｍから３０μｍである請求項１、２又は３記載の熱電子放出用フィラメント。
前記芯材がイリジウムからなり、前記電子放出層が酸化イットリウムからなる請求項１、２、３、又は４記載の熱電子放出用フィラメント。
請求項１記載の熱電子放出用フィラメントを具備した四重極型質量分析計。
請求項６記載の四重極型質量分析計を用いて半導体プロセスチャンバ内の残留ガスを分析する残留ガス分析方法。