JP2019139956A - Ion source for mass spectrometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、試験体内のガス成分を分析する質量分析計用のイオン源に関する。 The present invention relates to an ion source for a mass spectrometer that analyzes a gas component in a test body.
スパッタリングや蒸着による成膜等、真空処理装置内で実施される真空プロセスにおいては、真空処理装置の真空チャンバ内の圧力だけでなく、この真空チャンバ内に残留する気体の組成(ガス成分)が大きな影響を与える場合がある。このように真空チャンバ内に残留するガス成分を分析するために、質量分析計が従来から広く利用されている。 In a vacuum process performed in a vacuum processing apparatus such as film formation by sputtering or vapor deposition, not only the pressure in the vacuum chamber of the vacuum processing apparatus but also the composition (gas component) of the gas remaining in the vacuum chamber is large. May have an effect. In order to analyze the gas component remaining in the vacuum chamber as described above, a mass spectrometer has been widely used.
質量分析計として四重極型のものを例に説明すると、質量分析計は、真空チャンバ等の試験体に着脱自在に装着されるセンサ部と、センサ部を制御する制御ユニットとから構成されている。試験体に対してセンサ部の装着する方向を上方として、センサ部は、下端に設けられてイオンを捕集するイオン検出部と、このイオン検出部の上側に設けられた、4本の円柱状の電極が周方向に所定間隔で配置されてなる四重極部(質量分離部)と、この四重極部の上側に設けられたイオン源とを備える。イオン源は、金属製のメッシュ状部材を筒状に成形してなるグリッドと、グリッドの周囲に配置したフィラメントとから構成される(例えば、特許文献1参照)。この場合、グリッド用の材料としては、モリブデンや白金被覆のモリブデンが一般に用いられる。 A quadrupole type mass spectrometer will be described as an example. The mass spectrometer is composed of a sensor unit that is detachably attached to a test body such as a vacuum chamber, and a control unit that controls the sensor unit. Yes. The sensor unit is attached to the test body in the upper direction, the sensor unit is provided at the lower end and collects ions, and four cylindrical shapes provided above the ion detection unit. Are provided with a quadrupole portion (mass separation portion) in which the electrodes are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction, and an ion source provided on the upper side of the quadrupole portion. An ion source is comprised from the grid formed by shape | molding metal mesh-shaped members in a cylinder shape, and the filament arrange | positioned around the grid (for example, refer patent document 1). In this case, molybdenum or platinum-coated molybdenum is generally used as the grid material.
ここで、上記種の真空処理装置においては、その内部で実施される処理に応じて多種多様な材料やガスが用いられ、これらは汚染物質としてセンサ部の各構成部品に付着する場合がある。ここで、イオン源のグリッドに関しては、そのグリッド自体の温度が低く、その温度分布も一様でないことから、汚染物質がグリッド表面に付着し易く、しかも、グリッド表面に一様に付着しない。そして、グリッド表面に局所的に付着した汚染物質の表面に負の電荷が形成されると、グリッド内側のイオン化室の電位分布が変わり、これに起因してイオンが発生する場所が変化する。結果として、上記質量分析計の感度がイオン源でのガス成分のイオン化効率やイオン源から四重極部へとイオンを導く効率等で決定されることから、感度低下を引き起こして測定の信頼性を損なうという問題が生じる。 Here, in the vacuum processing apparatus of the above type, various materials and gases are used depending on the processing performed therein, and these may adhere to each component of the sensor unit as a contaminant. Here, regarding the grid of the ion source, since the temperature of the grid itself is low and the temperature distribution is not uniform, the contaminants easily adhere to the grid surface and do not adhere uniformly to the grid surface. When a negative charge is formed on the surface of the contaminant that locally adheres to the grid surface, the potential distribution of the ionization chamber inside the grid changes, and this changes the location where ions are generated. As a result, the sensitivity of the mass spectrometer is determined by the ionization efficiency of the gas components at the ion source and the efficiency of guiding ions from the ion source to the quadrupole. The problem of damaging
このような問題の解決策として、グリッドへの通電によりその内部抵抗でグリッド自体を加熱することで、その表面に付着した分子、原子を除去することが提案される(例えば、特許文献2参照)。然し、これでは、電源を別途設ける必要がある等、部品点数が増加してコスト高を招く。 As a solution to such a problem, it is proposed to remove molecules and atoms attached to the surface by heating the grid itself with its internal resistance by energizing the grid (see, for example, Patent Document 2). . However, this increases the number of parts, such as the need to provide a separate power source, resulting in high costs.
本発明は、以上の点に鑑み、グリッド加熱用の電源等を備えることなく、所定の感度を維持し得る高寿命かつ低コストの質量分析計用のイオン源を提供することをその課題とするものである。 In view of the above points, it is an object of the present invention to provide a long-life and low-cost ion source for a mass spectrometer that can maintain a predetermined sensitivity without providing a power source for grid heating or the like. Is.
上記課題を解決するために、本発明の質量分析計用のイオン源は、試験体内のガス成分を分析する質量分析計用のイオン源であって、通電により熱電子を放出するフィラメントと、このフィラメントとの電位差で熱電子を引き込むグリッドとを備え、グリッドは、300Kでの熱伝導率が173W/(m・K)以上となる材料で構成されることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an ion source for a mass spectrometer of the present invention is an ion source for a mass spectrometer that analyzes a gas component in a test body, and a filament that emits thermal electrons when energized, And a grid that draws thermoelectrons with a potential difference from the filament, and the grid is made of a material having a thermal conductivity of 300 W or more at 173 K / (m · K).
本発明によれば、フィラメントに通電することで熱電子を放出する際、このフィラメントからの輻射熱でグリッド自体も加熱される。このとき、グリッドの材料として、例えば銅、金、銀や白金といった300Kでの熱伝導率が173W/(m・K)以上となるものを用いることで、グリッド自体の温度は、モリブデン等の材料で構成されている従来例のものと比較して高く且つ、その全体に亘って略均等なものになる。このため、グリッドの表面に汚染物質を付着し難くすることができる。結果として、本発明の質量分析計用のイオン源は、別の加熱用電源等を備えることなく、所定の感度を維持し得る高寿命かつ低コストなものとなる。 According to the present invention, when the thermoelectrons are emitted by energizing the filament, the grid itself is also heated by the radiant heat from the filament. At this time, as a material of the grid, for example, a material such as copper, gold, silver, or platinum that has a thermal conductivity at 300 K of 173 W / (m · K) or more is used. It is higher than that of the conventional example, and is substantially equal throughout. For this reason, it is possible to make it difficult for contaminants to adhere to the surface of the grid. As a result, the ion source for the mass spectrometer of the present invention has a long lifetime and low cost that can maintain a predetermined sensitivity without providing another heating power source or the like.
ところで、質量分析計にイオン源を組み付ける場合、導電性材料からなる円盤状の支持台上にグリッドを予め固定配置し、この状態で組み付けることが一般である。この場合、グリッドは、スポット溶接により支持台に固定されているが、グリッドの材料を例えば銅にすると、スポット溶接等を利用して支持台に固定することができない。そこで、本発明において、前記グリッドは、前記材料と異なる別の導電性材料から構成される支持体を更に備え、この支持体を介して支持台に固定可能とすることが好ましい。これによれば、支持体を、モリブデン等の質量分析計用のイオン源の構成部品として従来から用いられている材料とすれば、カシメ等の公知の方法でグリッドに支持体を取り付けた後、従来例と同様に、スポット溶接を利用して支持台に固定することができる。 By the way, when assembling an ion source to a mass spectrometer, it is common to fix and arrange a grid in advance on a disk-shaped support base made of a conductive material. In this case, although the grid is fixed to the support base by spot welding, if the material of the grid is, for example, copper, it cannot be fixed to the support base using spot welding or the like. Therefore, in the present invention, it is preferable that the grid further includes a support body made of another conductive material different from the material, and can be fixed to the support base via the support body. According to this, if the support is a material conventionally used as a component of an ion source for a mass spectrometer such as molybdenum, after attaching the support to the grid by a known method such as caulking, Similar to the conventional example, it can be fixed to the support base using spot welding.
また、前記グリッドが筒状の輪郭を持つような場合には、前記支持体は、前記グリッドをその母線方向両端から挟持する爪片を有していれば、例えば搬送時の振動で支持体からグリッドが脱落するといった不具合を招来することなく、グリッドが確実に保持される構成が実現でき、有利である。 Further, in the case where the grid has a cylindrical outline, if the support has a claw piece that clamps the grid from both ends in the generatrix direction, for example, the support can be separated from the support by vibration during transportation. A configuration in which the grid is securely held can be realized without incurring problems such as dropping off of the grid, which is advantageous.
以下、図面を参照して、四重極型質量分析計を例に、本発明の質量分析計用のイオン源の実施形態を説明する。以下においては、図1に示す姿勢で図外の試験体に対して後述のセンサ部Suが装着されるものとし、その装着方向前方を上方として説明する。 Hereinafter, an embodiment of an ion source for a mass spectrometer of the present invention will be described with reference to the drawings, taking a quadrupole mass spectrometer as an example. In the following description, it is assumed that a sensor unit Su described later is mounted on a test body (not shown) in the posture shown in FIG.
図1を参照して、Suは、本実施形態のイオン源が組み付けられた四重極型質量分析計のセンサ部であり、図外の制御ユニットによりその作動が制御されるようになっている。制御ユニットとしては公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。センサ部Suは、アルミニウムやステンレス等の金属製でその上面外周縁部にOリングが設けられた円板状の支持体(図示せず)を有し、支持体の上方に、イオンコレクタ1が組み付けられている。イオンコレクタ1は、例えば、後述の四重極部2の各電極21〜24を通過して到達する所定質量数のガス原子やガス分子のイオンを捕集するファラデーカップで構成される。イオンコレクタ1の上方には四重極部2が組み付けられている。四重極部2は、周方向に90度間隔で配置された上下方向に延びる4本の円柱状の電極21〜24で構成されている。この場合、相対する電極21,23及び22,24が電気的に夫々接続されている。
Referring to FIG. 1, Su is a sensor unit of a quadrupole mass spectrometer in which the ion source according to the present embodiment is assembled, and its operation is controlled by a control unit (not shown). . Since a known control unit can be used, further explanation is omitted. The sensor unit Su has a disk-like support (not shown) made of a metal such as aluminum or stainless steel and provided with an O-ring on the outer peripheral edge of the upper surface thereof, and the
四重極部2の上方には、フォーカス電極3が組み付けられており、後述のグリッド5より低い電位に常時保持されて、四重極部2に入射するイオンの拡散を抑制するようになっている。そして、フォーカス電極3の上方に、本実施形態のイオン源ISが組み付けられている。イオン源ISは、通電により熱電子を放出するフィラメント4と、このフィラメント4との電位差で熱電子を引き込むグリッド5とを備える。フィラメント4は、例えば、イリジウムからなる母材金属の表面をメッキ処理により酸化イットリウムで被覆したものであり、グリッド5外周の半分程度を囲うように円弧状に形成されたものである。この場合、フィラメント4は、円盤状の第1支持台41に周方向に所定間隔で立設した3本の金属製の支持ピン42で支持され、この状態で組み付けられる。
A focus electrode 3 is assembled above the
グリッド5は、図2にも示すように、300Kでの熱伝導率が173W/(m・K)以上となる材料、例えば金、銀、銅または白金といった金属の細線を格子状に組み付けた後、筒状に成形したものである。なお、例えば銅製でシート状の所謂パンチングメタルを筒状に成形して構成することもできる。筒状の輪郭を持つグリッド5は、同様に筒状の輪郭を持つ支持体6内に内挿されて保持されるようになっている。
As shown in FIG. 2, the
支持体6は、グリッド5の上下方向両端に位置するリング状の枠部61,61と、枠部61,61相互の間を連結する支柱部62と、金属製のメッシュ材を筒状に成形した後、枠部61,61及び支柱部62に夫々固定される筒部63とで構成されている。また、枠部61,61には、上下方向で位相を一致させて(本実施形態では、180度ずらして2本の)爪片64が突設されている。この場合、支持体6は、上記従来例のイオン源のように例えばモリブデンで構成することができる。そして、支持体6の筒部63にグリッド5を内挿した後、爪片64をかしめることで、当該爪片64によってグリッド5がその上下(母線)方向両端から挟持され、グリッド5と支持体6とが電気的に接続される。そして、この状態で下側に位置する爪片64を介して円盤状の第2支持台65にスポット溶接等により固定され、この状態で組み付けられる。
The
上記センサ部Suを真空チャンバ等の試験体の所定位置に装着し、その内部のガス分圧の測定を行うときには、フィラメント4に通電し、フィラメント4から熱電子を放出させる。この場合、フィラメント4からの輻射熱でグリッド5自体も加熱される。このとき、グリッド5の材料として、例えば銅、金、銀や白金といった300Kでの熱伝導率が173W/(m・K)以上となるものを用いることで、グリッド5自体の温度は、モリブデン等の材料で構成されている従来例のものと比較して高く且つ、その全体に亘って略均等なものになる。
When the sensor unit Su is mounted at a predetermined position of a test body such as a vacuum chamber and the gas partial pressure is measured, the
次に、グリッド5に正電圧を印加し、放出された熱電子を引き込むことで、熱電子と衝突したフィラメント4周辺の気体原子、分子からガスイオンが生じる。ガスイオンは、グリッド5と四重極部2との電位差に相当する加速電圧で加速されながら、フォーカス電極3により収束され、四重極部2へと引き込まれる。そして、四重極部2の電極21〜24に直流と交流とが重畳した所定電圧を印加していくと、ガスイオンがその質量電荷比ごとにイオンコレクタ1へと到達し、イオンコレクタ1を流れるイオン電流値が図外の電流計により測定される。これにより、イオン電流値から試験体内の所定質量数のガス分圧が算出される。
Next, by applying a positive voltage to the
以上で説明したように、本実施形態のイオン源ISによれば、ガス分圧測定時におけるグリッド5自体の温度が比較的高く且つ、その全体に亘って略均等なものになるため、グリッド5の表面に汚染物質を付着し難くすることができる。結果として、別の加熱用電源等を備えることなく、所定の感度を維持し得る高寿命かつ低コストなものとなる。また、グリッド5を上記の如く、支持体6で保持する構成を採用すれば、スポット溶接により円盤状の第2支持台65(支持台)に固定でき、しかも、爪片64によってグリッド5がその母線方向両端から挟持されていることで、例えば搬送時の振動で支持体6からグリッド5が脱落するといった不具合を招来することはない。
As described above, according to the ion source IS of the present embodiment, the temperature of the
次に、本発明の効果を確認するために、上記実施形態のセンサ部Suを持つ質量分析計を用いて次の実験を行った。即ち、質量分析計に搭載するイオン源ISのグリッド5として、銅製のパンチングメタルを筒状に成形したものを用い、モリブデン製の支持体6内に内挿した後、同様にモリブデン製の第2支持台65にスポット溶接により接合したものを用意した(発明品)。比較実験として、爪片を設けていない状態のモリブデン製の支持体をグリッドとして用いた(従来品)。また、本実験では、質量分析計が動作可能な圧力範囲で且つ、一定量のガスを導入した一定圧力下で行い、また、グリッド5の近傍に、汚染源となる有機物を塗布した金属片を配置し、その状態でのガス分圧の測定を行った。この場合、フィラメント4が点灯すると、輻射熱により金属片の温度も上昇し、有機物の蒸発により、グリッド5への汚染が促進されるようにしている。そして、発明品と従来品とで、試験開始直後の感度からの相対感度を評価することで感度変動を夫々取得し、その結果を図3に示す。
Next, in order to confirm the effect of the present invention, the following experiment was performed using a mass spectrometer having the sensor unit Su of the above embodiment. That is, as the
これによれば、同一条件下において、従来品では15分程度で、相対感度が0.01%程度まで低下していることが判る。それに対して、発明品では、60%程度までの低下に留まっていることが確認され、従来品よりも、はるかに高い相対感度を維持できることが確認された。 According to this, it can be seen that, under the same conditions, the relative sensitivity of the conventional product is reduced to about 0.01% in about 15 minutes. On the other hand, it was confirmed that the product of the invention remained at a drop of about 60%, and it was confirmed that a much higher relative sensitivity than that of the conventional product could be maintained.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変形することができる。上記実施形態では、グリッド5が筒状の輪郭を持つものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、他の形態を持つ従来例のどのようなグリッドにも本発明を適用することができる。また、上記実施形態では、グリッド5が筒状の輪郭を持つ場合の支持体6として、枠部61,61と、支柱部62と、筒部63と、爪片64とを備えるものを例に説明したが、質量分析計のセンサ部Suに部品として組み付けられるように第2支持台65にスポット溶接等により固定でき且つ、例えば輸送時の振動を受けても破損しないものであれば、上記に限定されるものではない。
The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified without departing from the scope of the technical idea of the present invention. In the above embodiment, the case where the
例えば、上記実施形態の支持体6の筒部63として、金属製のメッシュ材を筒状に成形したものを利用しているが、フィラメント4の点灯時の熱電子の移動を許容するものであれば、これに限定されるものではなく、パンチングメタル等を利用することもでき、また、現状の質量分析計に使用されているモリブデン製のグリッドに爪片64等を設けて、支持体6として構成することもできる。
For example, as the
また、上記実施形態では、支持体6として、銅製等のグリッド5をその両端から挟持するために爪片64を有するものを例に説明したが、例えば輸送時の破損を筒部63だけで防止できるのであれば、これを省略したり、他方で、例えば、支柱部と爪片とを一体に形成するようにしてもよい。更に、支持体6に対するグリッド5の固定方法は上記かしめによるものに限定されるものではない。また、グリッド5を内挿した後、爪片64によりグリッド5をその上下(母線)方向両端から挟持するものを例に説明したが、例えば、グリッドの母線方向一端にだけ支持体を設けるようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the
Su…四重極型質量分析計のセンサ部、IS…イオン源、1…イオンコレクタ、2…四重極部、4…フィラメント、5…グリッド、6…支持体、64…爪片、65…第2支持台(支持台)。 Su ... sensor unit of quadrupole mass spectrometer, IS ... ion source, 1 ... ion collector, 2 ... quadrupole part, 4 ... filament, 5 ... grid, 6 ... support, 64 ... claw piece, 65 ... Second support base (support base).
Claims (3)
グリッドは、300Kでの熱伝導率が173W/(m・K)以上となる材料で構成されることを特徴とする質量分析計用のイオン源。 An ion source for a mass spectrometer that analyzes a gas component in a test body, comprising a filament that emits thermoelectrons when energized, and a grid that draws thermoelectrons with a potential difference from the filament,
The grid is made of a material having a thermal conductivity of 173 W / (m · K) or more at 300 K, and is an ion source for a mass spectrometer.
前記支持体は、前記グリッドをその母線方向両端から挟持する爪片を有することを特徴とする質量分析計用のイオン源。
The ion source for a mass spectrometer according to claim 2, wherein the grid has a cylindrical outline.
The ion source for a mass spectrometer, wherein the support has a claw piece for clamping the grid from both ends in the generatrix direction.
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