JP4172561B2 - Gas analyzer - Google Patents

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JP4172561B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、CVD・エッチングなどの半導体、電子部品用薄膜加工プロセスで使用されるガスの質量分析を、装置に損傷を与えずに行うことを目的としたガス分析装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来ガス分析装置は、励起ビームを発生する励起源部、導入された被分析ガスをその励起ビームによりイオン化するイオン化部、そのイオン化部内部のイオン化領域にて発生したイオンビームを質量に応じて分離・検出する質量分析部により構成されている。通常励起源としては電子源が用いられ、また質量分析部としては、四重極型質量分析計が用いられる。この時、電子の運動エネルギーは70eV、イオンの運動エネルギーは20eVで使われることが多い。
【0003】
更に、プロセス最中に分析を行うインプロセスガス分析装置によって必要な構成は、イオン化部をクローズド型とすることである。このクローズド型イオン化源とは、イオン化部内部はプロセスチャンバー内雰囲気と同等或いは減圧状態の10−3torr程度にしたまま、励起源部と質量分析部を差動排気によって10−5torr以下の低圧状態に保つことの出来るものである。これは、10−5torr以上の高い圧力では励起源部と質量分析部で放電が発生し損傷が生じてしまう為である。このような従来のインプロセスガス分析装置を図6に示す。
【0004】
半導体・電子部品用薄膜加工プロセスのひとつであるスパッターにおいては、この従来のインプロセスガス分析装置においても問題なく動作させることが出来る。
【0005】
また、従来技術としてオリフィスやバルブを設けて、分析対象ガスの導通量を段階的に制御可能とするガス導通量制御装置に接続したガス分析装置が開示されている(特開平10−89599号)。
【0006】
【発明により解決しようとする課題】
前記従来のガス分析装置は、付着性ガスを使用するCVDや、腐食性ガスを使用するエッチングにおいては、従来のインプロセスガス分析装置では動作圧力範囲内とは言え、励起源部や質量分析部の各部分にこれらのガスが直接流れ込むために大きな損傷が生じ、すぐに使用できなくなる。前記励起源部や質量分析部はフィラメントなどの高温部や精密な電界を発生させる電極類、表面での二次電子発生現象を利用した検出器などにより構成されており、これらがわずかな異物の付着や腐食により正常な動作が出来なくなる問題点があった。
【0007】
【課題を解決する為の手段】
元来空間において、ある粒子が他の粒子に衝突せずに自由に飛び回れる行程(長さ)の平均値は、平均自由行程と呼ばれている。中性であるガス分子の平均自由行程の大きさは、ガスの密度(圧力)に反比例し、ガス分子の直径の平方に反比例する。
【0008】
また平均自由行程を容器空間の代表寸法により割った値は、クヌーセン数と呼ばれている。クヌーセン数が0.01より小さい場合には、ガスの流れは粘性流となり、ガス分子は互いに衝突しながら一方向に流れ、川の流れに似た状態である。これに対して、クヌーセン数が1より大きい場合には、ガスの流れは分子流となり、ガスはあらゆる方向にすばやく拡散する。この両者の間では中間流となる。
【0009】
従って、あるガスを特定領域に侵入させたくない時には、別のガスを特定領域から粘性流の状態で流れ出すようにすればよいことが知られている。これは、従来から付着性・腐食性ガスのシールドとして広く使われている技術である。
【0010】
しかしながら、最近の精密な研究からは、完全な粘性流ではなくてもクヌーセン数が0.6程度の中間流領域でも特定ガスの拡散を十分に防止できることが実証されており、クヌーセン数が1以下であれば、拡散防止効果があるものと推測される。
【0011】
ここにおいて本発明者は、エネルギーの高い電子やイオンの実効平均自由行程は、中性のガスの平均自由行程よりもかなり長くすることが出来るとの知見を得た。そこで、ある領域を特定な圧力及び厚みとすることにより、そこでは電子やイオンは通過できるがガスは通過しにくいようにすることが出来ると共に、不活性なガスをこの領域に導入し、通過部分では不活性なガスがクヌーセン数1以下で流れ出すようにすれば、この領域を付着性ガスや腐食性ガスに対する障壁(バリア)とすることが出来ることに想到したのである。
【0012】
即ち、このような状態のバリア領域を励起源部とイオン化部及び質量分析部とイオン化部の接続部に設けることにより、付着性ガスや腐食性ガスが励起源部や質量分析部に侵入しないようにすることが出来る。
【0013】
前記において、付着性ガスや腐食性ガスはイオンとしてのみ質量分析部入り込むことになり、このイオンが装置を損傷させ得ることになる。しかしながら、どんな励起源を使用してもガスがイオン化される割合は5桁以下と非常に少なく、この発明ではその非常に微量なイオンのみが質量分析部へ入ることになる。つまり、従来例と比較すると5桁以上も長い寿命を持つことになり、実用的にはほとんど無視することが出来るとの確信を得て、鋭意研究の結果この発明を完成したのである。
【0014】
即ちこの発明はプロセスチャンバー内雰囲気と同等あるいは減圧状態の10 −3 torr程度のイオン化領域に導入された被分析ガスを10 −5 torr以下の低圧状態の励起源部から放出される励起ビームによりイオン化し、これにより生じたイオンビームを10 −5 torr以下の低圧状態の質量分析部で質量に応じて分離・検出して質量分析を行うガス分析装置であって、
前記イオン化領域に、バリアガスが導入される第一のバリア領域、真空ポンプの吸入側が接続されている第一の差圧領域、前記質量分析部を順次直列に連結すると共に、バリアガスが導入される第二のバリア領域、真空ポンプの吸入側が接続されている第二の差圧領域、前記励起源部を順次直列に連結し、
前記第一のバリア領域、第二のバリア領域が、いずれも
(1)励起ビームが通過する長さ及び、イオンビームが通過する長さであるバリア領域の厚みよりも、励起ビーム及びイオンビームのバリア領域での実効平均自由行程が大きく、
(2)バリア領域の厚みよりも、被分析ガスのバリア領域での平均自由行程が小さく、
(3) 被分析ガスのバリア領域でのクヌーセン数が1以下であり、
(4) バリア領域の圧力がイオン化領域の圧力よりも高く、バリア領域からイオン化領域へバリアガスが流れている、
条件を満足することにより、励起ビーム及びイオンビームは前記各バリア領域を通過できるが被分析ガスは前記各バリア領域を通過できないようにしたことを特徴とするガス分析装置である。
またイオンビーム、および励起ビームが荷電ビームである時においては励起ビームも含む少なくとも一つに対して、通過するバリア領域の面積が小さくなるように、これらのビームを収束する為の収束レンズを設けたものであり、イオンビーム、および励起ビームが荷電ビームである時においては、励起ビームも含む少なくとも一つに対して、加速機構を設けて通過するバリア領域の通過時間が小さくなるように、これらのビームの運動エネルギーを増加させたものである。更に前記ビームが正電荷である場合には、バリアガスとして正イオンになりにくいガスを、またこれらのビームが負電荷である場合には、バリアガスとして負イオンになりにくいガスを選択したものであり、質量分析部は、四重極型質量分析計としたものである。
【0015】
前記における電子、イオンの実効平均自由行程について説明する。室温でアルゴン(Ar)ガスが1×10−2torr(10mtorr)の圧力となっている領域では、Arガス自体の平均自由行程は8mmである。これに対して同圧力のArガス中における電子の平均自由行程は、運動エネルギー15eVの時には11mm、100eVの時には約50mm、1000eVの時には約200mmとなる。
【0016】
中性のガス同士に比べて荷電粒子の場合にはクーロン力による相互作用が強くなるが、一方、運動エネルギーが高くなると通過速度が速くなり、ガスと作用する時間が短くなる。そのため、荷電粒子の場合には加速させてやることにより、その平均自由行程を長くすることが出来る。
【0017】
ただし、イオンの場合には電子より直径が大きいので衝突する確率が増えること、及びガスとの電荷交換により電荷を失う効果が出てくることのために、電子ほど平均自由行程を長くすることは出来ない。同じ1×10−2torrの圧力のArガス中におけるArイオンの平均自由行程は、運動エネルギー−400eVの時、約8mmでガス同士と同じ大きさとなる。
【0018】
しかし、この電荷交換の効果はガスとイオンの種類が異なる場合には減少することが知られている。例えば、ほぼ同条件でのNOガス中Nイオンでは、平均自由行程は約40mm、Arガス中のNaイオンでは、50eVでも28mmとかなり長くなっている。
【0019】
特に、ガスのイオン化ポテンシャルがイオンのそれよりも高い場合には、電荷交換は非常に発生しにくくなることが容易に推測される。このような電荷交換では全体のエネルギーが大きくなるからである。一般に付着性ガスや腐食性ガスでは、イオン化ポテンシャルが小さく、イオン化しやすいものが多い。そこで、バリアガスとしてイオン化しにくいガスを使用すれば、電荷交換効果の分に関して平均自由行程を長くすることが出来る。
【0020】
また、大きな運動エネルギーを持つイオンの場合には、たとえガスに衝突しても、その進行方向はほとんど変化しないと考えられる。ガスの運動エネルギーはわずか0.04eV程度なので、400eVに加速されたイオンとは運動エネルギーに4桁もの差があるからである。したがって、イオンが加速された方向から大きく変化せずに進める長さ、即ち実効的な平均自由行程(実効平均自由行程)は、通常定義の平均自由行程よりも桁違いに大きくなるのである。
【0021】
以上により、イオン化しにくいバリアガスを選択し、かつ電子・イオンを適度に加速させることにより、電子・イオンの実効平均自由行程をガスの平均自由行程よりも何倍も大きく出来ることが推測された。
【0022】
【発明の実施の形態】
この発明は、プロセスチャンバー内雰囲気と同等あるいは減圧状態の10 −3 torr程度のイオン化領域に導入された被分析ガスを10 −5 torr以下の低圧状態の励起源部から放出される励起ビームによりイオン化し、これにより生じたイオンビームを10 −5 torr以下の低圧状態の質量分析部で質量に応じて分離・検出して質量分析を行うガス分析装置であって、
前記イオン化領域に、バリアガスが導入される第一のバリア領域、真空ポンプの吸入側が接続されている第一の差圧領域、前記質量分析部を順次直列に連結すると共に、バリアガスが導入される第二のバリア領域、真空ポンプの吸入側が接続されている第二の差圧領域、前記励起源部を順次直列に連結し、
前記第一のバリア領域、第二のバリア領域が、いずれも
(1)励起ビームが通過する長さ及び、イオンビームが通過する長さであるバリア領域の厚みよりも、励起ビーム及びイオンビームのバリア領域での実効平均自由行程が大きく、
(2)バリア領域の厚みよりも、被分析ガスのバリア領域での平均自由行程が小さく、
(3) 被分析ガスのバリア領域でのクヌーセン数が1以下であり、
(4) バリア領域の圧力がイオン化領域の圧力よりも高く、バリア領域からイオン化領域へバリアガスが流れている、
条件を満足することにより、励起ビーム及びイオンビームは前記各バリア領域を通過できるが被分析ガスは前記各バリア領域を通過できないようにしたことを特徴とするガス分析装置である。
【0023】
前記において、イオンビーム、および励起ビームが荷電ビームである時においては励起ビームも含む少なくとも一つに対して、収束レンズを設け、通過するバリア領域の面積が小さくなるように、これらのビームを収束するようにしたガス分析装置である。
【0024】
更にイオンビーム、および励起ビームが荷電ビームである時においては、励起ビームも含む少なくとも一つに対して、加速機構を設けて通過するバリア領域の通過時間が小さくなるように、これらのビームの運動エネルギーを増加させ、前記ビームが正電荷である場合には、バリアガスとして正イオンになりにくいガスを、またこれらのビームが負電荷である場合には、バリアガスとして負イオンになりにくいガスを選択するようにしたガス分析装置である。
【0025】
【実施例1】
この発明の実施例を図1、2について説明する。図1は全体図を示し、図2は質量分析部とイオン化部との接続部付近の拡大・詳細図である。励起源部である電子発生部と質量分析部との接続部付近の拡大・詳細図は省略するが、基本は図2と同等である。
【0026】
即ちプロセスチャンバー1にオリフィス2を介して、イオン化部3の一側を連結し、該イオン化部3に収束レンズ4を設置すると共に、前記イオン化部3の他側にオリフィス5を介してバリア領域6を連結し、バリア領域6にオリフィス7を介して差圧領域8を連結し、差圧領域8にオリフィス9を介して質量分析部10を連結する。
【0027】
前記イオン化部3には、オリフィス11、12、13を介してバリア領域14、差圧領域15及び電子発生部16を順次直列に連結する。前記イオン化部3、差圧領域8、1、電子発生部16、質量分析部10は夫々真空ポンプ17、18、19の吸入側を接続してある。
【0028】
前記バリア領域6、14はArが導入され、1×10−1torrの圧力に保たれている。バリア領域6、14からはオリフィス5、11を通して1×10−3torrの圧力のイオン化部3にArが流れ出ている。バリア領域6、14の厚み、オリフィス5、11の直径とも2mm程度である。バリア領域6、14では、ガスの平均自由行程は0.8mm、クヌーセン数は0.4程度となる。したがって、ガスはこのバリア領域6、14をほとんど通過することが出来ない。即ち、イオン化部3に存在する付着性・腐食性の被分析ガスは、電子発生部16や質量分析部10には侵入することがほとんどない。
【0029】
しかしながら、大きな実効平均自由行程を持つ電子やイオンは、このバリア領域6、14を通過することが出来る。即ち、電子発生部16から放出される電子ビームやイオン化部3から放出されるイオンビーム(イオン化された被分析ガス)はバリア領域6、14を通過して、本来の機能を果たすことが出来る。
【0030】
電子ビーム及びイオンビームは、収束レンズ4、20によってバリア領域6、14で最小径となるように収束されている。これにより、これらのビームが通過するオリフィス5、11の開口径を小さくし、バリアガスの流出量を少なくして真空ポンプ17、18、19の負荷を軽減している。
【0031】
オリフィス7、9、12、13からは反対側の電子発生部16および質量分析部10にもArガスが流れ出るが、これは差圧領域8、15において差動排気されている。このため、電子発生部16および質量分析部10の圧力は10−5torrであり、その主成分はArとなっている。ちなみに、従来例での質量分析部と電子発生部の圧力も10−5torrであるが、この主成分は付着性・腐食性の被分析ガスであり、決定的に異なっている。その他の動作については、従来例と同じである。なお、30はイオン化領域であって、電子ビームによって被分析ガスがイオン化される領域である。イオンビームは、このイオン化領域から発生する。図2中25、および26は排気パイプ、27はバリアガスの給送パイプである。
【0032】
【実施例2】
この発明の他の実施例を図3について説明する。図2に対応する質量分析部とイオン化部との接続部付近の拡大・詳細図のみ示した。電子発生部と質量分析部との接続部付近の拡大・詳細図は省略するが、基本は図2と同等である。この実施例では、実施例1に対して電子発生部(第2電子発生部24)が加えられている。その他の構成・動作は、実施例1と同じである。
【0033】
図3に示す実施例は、実施例1の差圧領域8にオリフィス9を介して第2イオン化領域21を連結すると共に、該第2イオン化領域にオリフィス22、23を介して質量分析部10と、第2電子発生部24を連結した装置であり、他の諸装置は実施例1と同一である。図3中25、26は真空ポンプ17、18と夫々連結する排気パイプ、27はバリアガスの給送パイプ、28は四重極型質量分析計である。
【0034】
前記においてオリフィス9を通過したイオンビームには、バリア領域6を通過した時に電荷交換されて中性となってしまった被分析ガスも含まれているが、質量分析部10ではイオン化されたガスしか分離・検出できない。そこで実施例2では、中性となった被分析ガスを第2電子発生部24により再びイオン化する。第2イオン化領域21にてイオン化された被分析ガスは、四重極型質量分析計28にて質量分析される。第2電子発生部24・第2イオン化領域21・四重極型質量分析計28の構成・動作は、図6の従来例と同様となる。これにより、感度を向上させることが出来る。
【0035】
また、第2電子発生部24を利用して、最適なバリアガスの導入量を設定することが出来る。即ち、前記電子発生部16を動作させずに、第2電子発生部24のみを動作させておき、バリアガスの導入量を徐々に減らしてバリア領域6の圧力を下げていく。この時、ある導入量から被分析ガス部に侵入し始め、被分析ガス部が検出されてくる。したがって、この値よりやや高い値が、被分析ガスを阻止し、かつイオンが通過しやすい最適なバリアガス導入量となる。
【0036】
【実施例3】
この発明の他の実施例を図4について説明する。図2に対応する質量分析部とイオン化部との接続部付近の拡大・詳細図のみ示した。電子発生部と質量分析部1との接続部付近の拡大・詳細図は省略するが、基本は図2と同等である。即ち実施例1に対して、バリアガス流路が加えられ、バリア領域がイオン化部出口付近に局在化されている。また差圧領域および差圧用真空ポンプは除かれている。加速電極でイオンビームの運動エネルギー増加と開き角低減が図られている。さらに、収束レンズが電磁式として具体化されている。その他の構成・動作は、実施例1と同じである。
【0037】
加速電極29の入力はシールド用ガス導入系31中を通過して、電源32と連結する。またバリアガスの給送パイプ27の先端にバリアガス流路33の一端面を連結し、該バリアガス流路33の他端はバリア領域38に入る。またバリアガス流路33はチューブ35を介して質量分析部10と連通させてある。
【0038】
バリアガス流路33は、軸対称な複数あるいは環状の流路から成り、イオン化部出口付近にバリアガスが集中するような構造となっている。したがってバリア領域38はイオン化部3の出口に局在し、イオン化部3の出口を完全に密閉する栓の役目を果たす。更に、ここではイオン化部3側への強い流れが発生している。このため、質量分析部10への被分析ガスの侵入は完全に阻止される。しかしながら、大きな実効平均自由行程を持つ電子やイオンは、このバリヤ領域38を通過することが出来る。
【0039】
また、バリア領域38と質量分析部10のガスの通過しやすさ、即ちコンダクタンスは、実施例1に比べてかなり小さくなっている。これは、バリア領域38から質量分析部10までの距離が長くなり形状が単なるオリフィスからチューブ35に変更していること、チューブ35の内径をより小さくしていることによる。このコンダクタンスの減少とバリア領域38でのイオン化部3側への強い流れの効果により、差圧領域8および差圧用真空ポンプ18が不要になっている。
【0040】
この実施例のイオン化領域30は、約400Vの正電位が印加されている加速電極29により囲まれている。このため正電荷をもつイオンビームの運動エネルギーは400eV以上となり、実効平均自由行程が長くなる。その結果、バリア領域38での損失が減り、通過するイオンビームの割合がより高くなる。ただし、イオンビームがこの高い運動エネルギーのまま四重極型質量分析計28を通過すると正常な質量分析が行われなくなるので、四重極型質量分析計28のベース電位として約400Vの正電位を印加し四重極型質量分析計内ではイオンビームを減速させる。この減速・計測技術はよく知られた技術である。なお、負電荷を持つイオンビームの場合には、加速電極29には負電位が印加される。
【0041】
加速電極29の出口は細く絞られており、すぐ外側に引出し電極が設置されている。このため、イオン化領域30からイオンビームが効率よく引き出され、イオンビームの開き角が低減されている。そのため、チューブの内径は小さくなっているのに関わらず、通過イオンビーム量はあまり減少していない。加速電極29の配線部にはシールドガスが流されており被分析ガスによる劣化を防いでいる。
【0042】
電磁式の収束レンズは、被覆線を使用したコイルと磁極のみで構成されている。したがって、高電圧の電極や絶縁石を必要とする静電式とは異なり、被分析ガスによる劣化が少ない。
【0043】
【実施例4】
この発明の他の実施例を図5について説明する。図2に対応する質量分析部10とイオン化部との接続部付近の拡大・詳細図のみ示した。電子発生部と質量分析部との接続部付近の拡大・詳細図は省略するが、基本は図2と同等である。実施例3に対して、収束レンズが静電式となり、そこにバリアガス流路37が組み込まれている。また、イオン化部3の全体が細長くなり、排気パイプ25の接続口が左側終端に取り付けられている。イオン化領域39とパイプまでの距離は約40mm、有効内径は約5mmである。また、バリアガスはイオン化部のほぼ全体に広がっており、およそ1×10−2torrとなっている。
【0044】
43は被分析ガスの給送パイプであって、これはイオン化領域39よりやや右側に取り付けられている。被分析ガスのイオン化領域での圧力寄与は約1×10−3torrであり、バリアガスに比べて十分の1となっている。
【0045】
なお、加速電極の設置有無は任意であるが、図5では除かれている。その他の構成・動作は、実施例3と同じである。即ち四重極型質量分析計28を設置した質量分析部10と、イオン化部3との間をチューブ40で連結し、前記イオン化部3の外側にはバリアガス流路37が収束レンズ42を介して設置されている。前記イオン化部3の先端にイオン化領域39が連設され、該イオン化領域39に真空ポンプ17の排気パイプ25を連結する。図5中41は絶縁石である。
【0046】
イオン化部内の状況を詳しく説明する。バリアガス流路37は質量分析部10に近い領域に位置し、かつイオン化領域39は真空ポンプ17の接続口近くにある。そのため、イオン化領域39の圧力は、イオン化部の中での「質量分析部10寄り(右寄り)の大部分の領域」に比べてわずかに低い。また、バリアガスは、「質量分析部10寄り(右寄り)の大部分の領域」からイオン化領域39に流れている。そこで、本実施例では、「質量分析部10寄り(右寄り)の大部分の領域」をバリア領域38とみなすことが出来る。このバリア領域38でのガスの平均自由行程は8mm、クヌーセン係数は0.2となる。また、イオン化部3の有効内径が長手方向の距離に比べて4分の1と短いこと、バリアガス流路37が軸対称であることからバリア領域38でのバリアガスの流れはほぼ均一となる。したがって、被分析ガスはバリアガスの流れに従って導入口よりイオン化領域39側(左側)にのみ移動していき、質量分析器10側(右側)には拡散しない。即ち、質量分析部10には被分析ガスが侵入しない。しかしながら、大きな実効平均自由行程を持つ電子やイオンは、このバリヤ領域38を通過することが出来る。
【0047】
更に、収束レンズ42も被分析ガスに曝されることがない。このため、絶縁石41の劣化が発生せず、収束レンズ42として構造が簡単で安価な静電式を使用することが出来る。また、質量分析部10との圧力差は2桁と小さいので差圧領域が必要なく、しかも接続口のチューブ40も実施例3とほど細長くする必要がない。
【0048】
この発明は、上記実施例1、2、3、4に限らず、以下のように変更することが出来る。被分析ガスのイオン化のための励起源としては、電子以外にイオン・光(紫外線・レーザなど)あるいはプラズマなどによる加熱や放電なども使用できる。励起源の種類によっては被分析ガスにより劣化しないものもあるが、その場合はバリア領域を設置しない。逆に非常に劣化しやすい励起源の場合には、励起源にのみバリア領域を設置することも出来る。
【0049】
イオンビームのエネルギー増加のためには、加速電極によりイオン化領域の電位を上げる機構以外に、イオン化領域と質量分析部の間の電位を下げる機構も利用できる。
【0050】
質量分析方式としては、四重極型以外に磁場型も使用できる。バリアガスとしてはAr以外にHe・NあるいはSFなど多種類のガスを利用できる。被分析ガスのイオン化部への導入としては、オリフィスやパイプを経てガスの流れとして導入するもの以外に、極微小口径のオリフィスと大排気の真空パイプを組み合わせて分子線として導入する方法、あるいは圧力が十分に低いプロセスチャンバーとはイオン化部との間に何の隔壁を設けない方法も利用できる。
【0051】
更に、被分析ガスのソースとしては、10〜10−1torrのプロセスチャンバー以外に、あらゆる場所のあらゆる圧力にも適用できる。即ち、真空装置に限らず大気環境の直接分析やガスクロマト装置との接続など大気圧状態の被分析ガスの分析にも使用できる。ただし、いずれの場合にもイオン化領域の圧力は、バリア領域の圧力より低く、質量分析部や励起源側からイオン化領域側へバリアガスが流れている必要がある。
【0052】
【発明の効果】
この発明によれば、付着性ガスや腐食性ガスが励起源部や質量分析部に侵入するのを防止することが出来るので、質量分析部や電子発生部を損傷することなく、インプロセス中に容易にガスを分析できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例の概念図。
【図2】同じく図1のイオン化部、バリア領域、差圧領域及び質量分析部の拡大概念図。
【図3】同じく他の実施例のイオン化部、バリア領域、差圧領域及び質量分析部の拡大概念図。
【図4】同じく他の実施例のイオン化部、イオン化領域、バリアガス流路及び質量分析部の拡大概念図。
【図5】同じく他の実施例のイオン化部、バリア領域、収束レンズ及び質量分析部の拡大概念図。
【図6】従来の質量分析装置の概念図。
【符号の説明】
1 プロセスチャンバー
2、5、7、9、11、12、13 オリフィス
3 イオン化部
4、20、42 収束レンズ
6、14、38 バリア領域
8、15 差圧領域
10 質量分析部
16 電子発生部
17、18、19 真空ポンプ
21 第2イオン化領域
22、23 オリフィス
24 第2電子発生部
25、26 排気パイプ
27 バリアガスの給送パイプ
28 四重極型質量分析計
29 加速電極
30、39 イオン化領域
31 シールドガス用ガス導入系
32 電源
33、37 バリアガス流路
34 オリフィス
35、40 チューブ
41 絶縁石
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas analyzer intended to perform mass analysis of gases used in thin film processing processes for semiconductors and electronic parts such as CVD / etching without damaging the apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventional gas analyzers separate an excitation source that generates an excitation beam, an ionization unit that ionizes the introduced analyte gas using the excitation beam, and an ion beam that is generated in the ionization region inside the ionization unit according to mass. -It consists of a mass spectrometer to detect. Usually, an electron source is used as the excitation source, and a quadrupole mass spectrometer is used as the mass analyzer. At this time, the kinetic energy of electrons is often 70 eV, and the kinetic energy of ions is often 20 eV.
[0003]
Furthermore, a necessary configuration of the in-process gas analyzer that performs analysis during the process is that the ionization unit is a closed type. This closed ionization source is a low pressure of 10 −5 torr or less by differential evacuation between the excitation source and the mass analyzer while the inside of the ionization unit is about 10 −3 torr which is the same as the atmosphere in the process chamber or in a reduced pressure state. It can be kept in a state. This is because at a high pressure of 10 −5 torr or more, discharge occurs in the excitation source unit and the mass analysis unit, resulting in damage. Such a conventional in-process gas analyzer is shown in FIG.
[0004]
Sputtering, which is one of thin film processing processes for semiconductor / electronic parts, can be operated without any problem even in this conventional in-process gas analyzer.
[0005]
Further, as a prior art, there is disclosed a gas analyzer connected to a gas conduction amount control device that is provided with an orifice or a valve and can control the conduction amount of an analysis target gas in a stepwise manner (Japanese Patent Laid-Open No. 10-89599). .
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional gas analyzer, in the CVD using the adhesive gas and the etching using the corrosive gas, although the conventional in-process gas analyzer is within the operating pressure range, the excitation source unit and the mass analyzer unit Since these gases flow directly into each part of the battery, a great deal of damage occurs and it cannot be used immediately. The excitation source section and mass spectrometry section are composed of a high-temperature section such as a filament, electrodes that generate a precise electric field, a detector that utilizes secondary electron generation on the surface, and the like. There was a problem that normal operation could not be performed due to adhesion or corrosion.
[0007]
[Means for solving the problems]
The average value of the stroke (length) in which a certain particle can fly freely without colliding with other particles in the original space is called an average free stroke. The magnitude of the mean free path of a gas molecule that is neutral is inversely proportional to the density (pressure) of the gas and inversely proportional to the square of the diameter of the gas molecule.
[0008]
The value obtained by dividing the mean free path by the representative dimension of the container space is called the Knudsen number. When the Knudsen number is smaller than 0.01, the gas flow becomes a viscous flow, and the gas molecules flow in one direction while colliding with each other, which is similar to a river flow. On the other hand, when the Knudsen number is larger than 1, the gas flow becomes a molecular flow, and the gas diffuses quickly in all directions. There is an intermediate flow between the two.
[0009]
Therefore, it is known that when it is not desired to allow a certain gas to enter a specific region, another gas may flow out from the specific region in a viscous flow state. This is a technique that has been widely used as a shield for adhesive and corrosive gases.
[0010]
However, recent precise research has demonstrated that the diffusion of a specific gas can be sufficiently prevented even in an intermediate flow region having a Knudsen number of about 0.6, even if it is not a perfect viscous flow. If so, it is presumed to have a diffusion preventing effect.
[0011]
Here, the present inventor has found that the effective mean free path of electrons and ions with high energy can be made considerably longer than the mean free path of neutral gas. Therefore, by setting a certain area to a specific pressure and thickness, electrons and ions can pass therethrough but gas cannot pass easily. Then, it was conceived that if an inert gas flows out with a Knudsen number of 1 or less, this region can be used as a barrier against adhesive gas and corrosive gas.
[0012]
That is, by providing the barrier region in such a state at the connection between the excitation source unit and the ionization unit and the mass analysis unit and the ionization unit, the adhering gas and the corrosive gas do not enter the excitation source unit and the mass analysis unit. Can be made.
[0013]
In the above, the adhesion gas or corrosive gases will be entering the only mass analyzer as the ion, this ion will be capable of damaging the device. However, no matter what excitation source is used, the rate at which the gas is ionized is very small, 5 digits or less, and in the present invention, only a very small amount of ions enter the mass spectrometer. In other words, the present invention has been completed as a result of earnest research, with the conviction that it has a life longer by 5 digits or more than the conventional example and can be practically ignored.
[0014]
That is, the present invention ionizes the analyte gas introduced into the ionization region of about 10 −3 torr, which is equivalent to the atmosphere in the process chamber or in a reduced pressure state, by the excitation beam emitted from the excitation source portion in the low pressure state of 10 −5 torr or less . A gas analyzer that performs mass spectrometry by separating and detecting the ion beam generated thereby in accordance with the mass in a low-pressure mass analyzer of 10 −5 torr or less ,
A first barrier region into which the barrier gas is introduced, a first differential pressure region to which a suction side of a vacuum pump is connected, and the mass spectrometer are sequentially connected in series to the ionization region, and a barrier gas is introduced into the ionization region. A second barrier region, a second differential pressure region to which the suction side of the vacuum pump is connected, and the excitation source unit sequentially connected in series;
Both of the first barrier region and the second barrier region are (1) the length of the excitation beam and the ion beam that are longer than the length of the barrier region that is the length that the excitation beam passes and the length that the ion beam passes. The effective mean free path in the barrier area is large,
(2) The mean free path in the barrier region of the gas to be analyzed is smaller than the thickness of the barrier region,
(3) The Knudsen number in the barrier region of the gas to be analyzed is 1 or less,
(4) The pressure in the barrier region is higher than the pressure in the ionization region, and the barrier gas flows from the barrier region to the ionization region.
By satisfying the conditions, an excitation beam and an ion beam can pass through each barrier region, but a gas to be analyzed cannot pass through each barrier region.
In addition, when the ion beam and the excitation beam are charged beams, a converging lens for converging these beams is provided so that the area of the barrier region that passes through the at least one including the excitation beam is reduced. When the ion beam and the excitation beam are charged beams, the at least one including the excitation beam is provided with an acceleration mechanism so that the transit time of the barrier region is reduced. The kinetic energy of the beam is increased. Furthermore, when the beam is positively charged, a gas that is unlikely to become positive ions is selected as a barrier gas, and when these beams are negatively charged, a gas that is unlikely to become negative ions is selected as a barrier gas. The mass spectrometer is a quadrupole mass spectrometer.
[0015]
The effective mean free path of electrons and ions will be described. In a region where argon (Ar) gas is at a pressure of 1 × 10 −2 torr (10 mtorr) at room temperature, the mean free path of Ar gas itself is 8 mm. On the other hand, the mean free path of electrons in Ar gas at the same pressure is 11 mm when the kinetic energy is 15 eV, about 50 mm when 100 eV, and about 200 mm when 1000 eV.
[0016]
In the case of charged particles as compared with neutral gases, the interaction due to the Coulomb force becomes stronger. On the other hand, the higher the kinetic energy, the faster the passing speed and the shorter the time for acting with the gas. Therefore, in the case of charged particles, the mean free path can be lengthened by accelerating.
[0017]
However, in the case of ions, since the diameter is larger than the electron, the probability of collision increases, and the effect of losing the charge due to the charge exchange with the gas appears, so that the mean free path becomes longer as the electron. I can't. The average free path of Ar ions in Ar gas at the same pressure of 1 × 10 −2 torr is about 8 mm when the kinetic energy is −400 eV, which is the same as that of the gases.
[0018]
However, it is known that the effect of this charge exchange decreases when the types of gas and ion are different. For example, for N 2 ions in NO gas under almost the same conditions, the mean free path is about 40 mm, and for Na ions in Ar gas, the length is as long as 28 mm even at 50 eV.
[0019]
In particular, when the ionization potential of the gas is higher than that of the ions, it is easily assumed that charge exchange hardly occurs. This is because such charge exchange increases the overall energy. In general, many adhesive gases and corrosive gases have a low ionization potential and are easily ionized. Therefore, if a gas that is difficult to ionize is used as the barrier gas, the mean free path can be lengthened with respect to the charge exchange effect.
[0020]
Further, in the case of ions having a large kinetic energy, it is considered that the traveling direction hardly changes even if they collide with a gas. This is because the kinetic energy of the gas is only about 0.04 eV, so there is a difference of 4 orders of magnitude in kinetic energy from the ions accelerated to 400 eV. Therefore, the length of the ion that travels without changing greatly from the accelerated direction, that is, the effective mean free path (effective mean free path) is orders of magnitude larger than the normally defined mean free path.
[0021]
From the above, it has been estimated that the effective mean free path of electrons and ions can be made many times larger than the mean free path of gases by selecting a barrier gas that is difficult to ionize and appropriately accelerating electrons and ions.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention ionizes a gas to be analyzed introduced into an ionization region of about 10 −3 torr equivalent to the atmosphere in a process chamber or in a reduced pressure state by an excitation beam emitted from an excitation source portion in a low pressure state of 10 −5 torr or less . A gas analyzer that performs mass spectrometry by separating and detecting the ion beam generated thereby in accordance with the mass in a low-pressure mass analyzer of 10 −5 torr or less ,
A first barrier region into which the barrier gas is introduced, a first differential pressure region to which a suction side of a vacuum pump is connected, and the mass spectrometer are sequentially connected in series to the ionization region, and a barrier gas is introduced into the ionization region. A second barrier region, a second differential pressure region to which the suction side of the vacuum pump is connected, and the excitation source unit sequentially connected in series;
Both of the first barrier region and the second barrier region are (1) the length of the excitation beam and the ion beam that are longer than the length of the barrier region that is the length that the excitation beam passes and the length that the ion beam passes. The effective mean free path in the barrier area is large,
(2) The mean free path in the barrier region of the gas to be analyzed is smaller than the thickness of the barrier region,
(3) The Knudsen number in the barrier region of the gas to be analyzed is 1 or less,
(4) The pressure in the barrier region is higher than the pressure in the ionization region, and the barrier gas flows from the barrier region to the ionization region.
By satisfying the conditions, an excitation beam and an ion beam can pass through each barrier region, but a gas to be analyzed cannot pass through each barrier region.
[0023]
In the above, when the ion beam and the excitation beam are charged beams, a focusing lens is provided for at least one including the excitation beam, and these beams are converged so that the area of the barrier region passing therethrough becomes small. It is the gas analyzer which was made to do.
[0024]
Further, when the ion beam and the excitation beam are charged beams, the motion of these beams is reduced so that the transit time of the barrier region passing through the acceleration mechanism is reduced for at least one including the excitation beam. When the energy is increased and the beam is positively charged, a gas that does not easily become positive ions is selected as a barrier gas, and when these beams are negatively charged, a gas that is unlikely to become negative ions is selected as a barrier gas. This is a gas analyzer.
[0025]
[Example 1]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an overall view, and FIG. 2 is an enlarged and detailed view of the vicinity of a connecting portion between a mass analyzing unit and an ionizing unit. Although an enlarged and detailed view of the vicinity of the connection portion between the electron generating portion and the mass analyzing portion, which is an excitation source portion, is omitted, the basics are the same as FIG.
[0026]
That is, one side of the ionization unit 3 is connected to the process chamber 1 via the orifice 2, the focusing lens 4 is installed on the ionization unit 3, and the barrier region 6 is connected to the other side of the ionization unit 3 via the orifice 5. The differential pressure region 8 is connected to the barrier region 6 via the orifice 7, and the mass spectrometer 10 is connected to the differential pressure region 8 via the orifice 9.
[0027]
A barrier region 14, a differential pressure region 15, and an electron generator 16 are sequentially connected in series to the ionization unit 3 through orifices 11, 12, and 13. The ionization unit 3, the differential pressure regions 8, 1 5 , the electron generation unit 16, and the mass analysis unit 10 are connected to the suction sides of the vacuum pumps 17, 18, and 19, respectively.
[0028]
The barrier regions 6 and 14 are introduced with Ar and maintained at a pressure of 1 × 10 −1 torr. Ar flows from the barrier regions 6 and 14 through the orifices 5 and 11 to the ionization unit 3 having a pressure of 1 × 10 −3 torr. Both the thickness of the barrier regions 6 and 14 and the diameter of the orifices 5 and 11 are about 2 mm. In the barrier regions 6 and 14, the mean free path of gas is about 0.8 mm and the Knudsen number is about 0.4. Therefore, the gas can hardly pass through the barrier regions 6 and 14. That is, the adherent / corrosive gas to be analyzed present in the ionization unit 3 hardly enters the electron generation unit 16 or the mass analysis unit 10.
[0029]
However, electrons and ions having a large effective mean free path can pass through the barrier regions 6 and 14. That is, the electron beam emitted from the electron generator 16 and the ion beam emitted from the ionizer 3 (ionized analyte gas) can pass through the barrier regions 6 and 14 and perform their original functions.
[0030]
The electron beam and the ion beam are converged by the converging lenses 4 and 20 so as to have a minimum diameter in the barrier regions 6 and 14. Thereby, the opening diameters of the orifices 5 and 11 through which these beams pass are reduced, the outflow amount of the barrier gas is reduced, and the load on the vacuum pumps 17, 18 and 19 is reduced.
[0031]
Ar gas also flows out from the orifices 7, 9, 12, and 13 into the electron generation unit 16 and the mass analysis unit 10 on the opposite side, but this is differentially evacuated in the differential pressure regions 8 and 15. For this reason, the pressure of the electron generation part 16 and the mass spectrometry part 10 is 10 < -5 > torr, The main component is Ar. Incidentally, the pressure of the mass analyzing unit and the electron generating unit in the conventional example is also 10 −5 torr, but this main component is an adherent / corrosive gas to be analyzed and is decisively different. Other operations are the same as in the conventional example. In addition, 30 is an ionization area | region, Comprising: Analytical gas is ionized by an electron beam. An ion beam is generated from this ionization region. In FIG. 2, 25 and 26 are exhaust pipes, and 27 is a barrier gas feed pipe.
[0032]
[Example 2]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Only an enlarged and detailed view of the vicinity of the connecting portion between the mass spectrometric section and the ionizing section corresponding to FIG. 2 is shown. Although an enlarged and detailed view of the vicinity of the connecting portion between the electron generating unit and the mass analyzing unit is omitted, the basics are the same as in FIG. In this embodiment, an electron generator (second electron generator 24) is added to the first embodiment. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment.
[0033]
In the embodiment shown in FIG. 3, the second ionization region 21 is connected to the differential pressure region 8 of the first embodiment via an orifice 9, and the mass analyzer 10 is connected to the second ionization region via orifices 22 and 23. The second electron generator 24 is connected, and other devices are the same as those in the first embodiment. In FIG. 3, 25 and 26 are exhaust pipes connected to the vacuum pumps 17 and 18, respectively, 27 is a barrier gas feed pipe, and 28 is a quadrupole mass spectrometer.
[0034]
In the above, the ion beam that has passed through the orifice 9 includes the analyte gas that has been neutralized due to charge exchange when it has passed through the barrier region 6. Cannot be separated or detected. Therefore, in Example 2, the gas to be analyzed that has become neutral is ionized again by the second electron generator 24. The analyte gas ionized in the second ionization region 21 is subjected to mass analysis by a quadrupole mass spectrometer 28. The configuration and operation of the second electron generator 24, the second ionization region 21, and the quadrupole mass spectrometer 28 are the same as in the conventional example of FIG. Thereby, sensitivity can be improved.
[0035]
In addition, the optimum amount of introduced barrier gas can be set by using the second electron generation unit 24. That is, only the second electron generating unit 24 is operated without operating the electron generating unit 16, and the pressure in the barrier region 6 is decreased by gradually reducing the amount of introduced barrier gas. At this time, the gas to be analyzed begins to enter from a certain introduction amount, and the gas to be analyzed is detected. Therefore, a value slightly higher than this value is the optimum barrier gas introduction amount that prevents the gas to be analyzed and allows ions to easily pass through.
[0036]
[Example 3]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Only an enlarged and detailed view of the vicinity of the connecting portion between the mass spectrometric section and the ionizing section corresponding to FIG. 2 is shown. Although an enlarged and detailed view of the vicinity of the connecting portion between the electron generating unit and the mass analyzing unit 1 is omitted, the basics are the same as in FIG. That is, a barrier gas flow path is added to Example 1, and the barrier region is localized in the vicinity of the ionization portion outlet. Also, the differential pressure region and the differential pressure vacuum pump are excluded. The acceleration electrode increases the kinetic energy of the ion beam and reduces the opening angle. Furthermore, the converging lens is embodied as an electromagnetic type. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment.
[0037]
The input of the acceleration electrode 29 passes through the shielding gas introduction system 31 and is connected to the power source 32. One end face of the barrier gas flow path 33 is connected to the tip of the barrier gas supply pipe 27, and the other end of the barrier gas flow path 33 enters the barrier region 38. Further, the barrier gas flow path 33 is communicated with the mass spectrometer 10 via the tube 35.
[0038]
The barrier gas flow path 33 is composed of a plurality of axially symmetric or annular flow paths, and has a structure in which the barrier gas concentrates in the vicinity of the ionization portion outlet. Therefore, the barrier region 38 is localized at the outlet of the ionization part 3 and serves as a plug that completely seals the outlet of the ionization part 3. Further, here, a strong flow toward the ionization unit 3 is generated. For this reason, invasion of the gas to be analyzed into the mass spectrometer 10 is completely prevented. However, electrons and ions having a large effective mean free path can pass through the barrier region 38.
[0039]
Further, the ease of gas passage, that is, the conductance of the barrier region 38 and the mass analysis unit 10 is considerably smaller than that of the first embodiment. This is because the distance from the barrier region 38 to the mass analyzer 10 is increased, the shape is changed from a simple orifice to the tube 35, and the inner diameter of the tube 35 is made smaller. The differential pressure region 8 and the differential pressure vacuum pump 18 are not required due to the effect of the decrease in conductance and the strong flow toward the ionization unit 3 in the barrier region 38.
[0040]
The ionization region 30 of this embodiment is surrounded by an acceleration electrode 29 to which a positive potential of about 400 V is applied. For this reason, the kinetic energy of an ion beam having a positive charge is 400 eV or more, and the effective mean free path becomes long. As a result, the loss in the barrier region 38 is reduced, and the proportion of the ion beam that passes through is increased. However, if the ion beam passes through the quadrupole mass spectrometer 28 with this high kinetic energy, normal mass analysis cannot be performed. Therefore, a positive potential of about 400 V is set as the base potential of the quadrupole mass spectrometer 28. When applied, the ion beam is decelerated in the quadrupole mass spectrometer. This deceleration / measurement technique is a well-known technique. In the case of an ion beam having a negative charge, a negative potential is applied to the acceleration electrode 29.
[0041]
The exit of the acceleration electrode 29 is narrowed down, and the extraction electrode is installed just outside. For this reason, the ion beam is efficiently extracted from the ionization region 30, and the opening angle of the ion beam is reduced. Therefore, although the inner diameter of the tube is small, the amount of passing ion beam does not decrease so much. A shield gas is passed through the wiring portion of the acceleration electrode 29 to prevent deterioration due to the gas to be analyzed.
[0042]
The electromagnetic converging lens is composed only of a coil using a covered wire and a magnetic pole. Therefore, unlike the electrostatic type that requires high-voltage electrodes and insulating stones, there is little deterioration due to the gas to be analyzed.
[0043]
[Example 4]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Only an enlarged and detailed view of the vicinity of the connecting portion between the mass analyzing unit 10 and the ionizing unit corresponding to FIG. 2 is shown. Although an enlarged and detailed view of the vicinity of the connecting portion between the electron generating unit and the mass analyzing unit is omitted, the basics are the same as in FIG. In contrast to Example 3, the converging lens is an electrostatic type, and a barrier gas flow path 37 is incorporated therein. Moreover, the whole ionization part 3 becomes elongate, and the connection port of the exhaust pipe 25 is attached to the left end. The distance between the ionization region 39 and the pipe is about 40 mm, and the effective inner diameter is about 5 mm. In addition, the barrier gas spreads over almost the entire ionization portion, and is approximately 1 × 10 −2 torr.
[0044]
Reference numeral 43 denotes an analysis gas feed pipe, which is attached to the right side of the ionization region 39. The pressure contribution in the ionization region of the gas to be analyzed is about 1 × 10 −3 torr, which is 1 as compared with the barrier gas.
[0045]
In addition, although the installation presence or absence of an acceleration electrode is arbitrary, it is removed in FIG. Other configurations and operations are the same as those in the third embodiment. That is, the mass analyzer 10 in which the quadrupole mass spectrometer 28 is installed and the ionization unit 3 are connected by a tube 40, and a barrier gas channel 37 is connected to the outside of the ionization unit 3 through a converging lens 42. is set up. An ionization region 39 is connected to the tip of the ionization unit 3, and the exhaust pipe 25 of the vacuum pump 17 is connected to the ionization region 39. In FIG. 5, reference numeral 41 denotes an insulating stone.
[0046]
The situation inside the ionization unit will be described in detail. The barrier gas channel 37 is located in a region near the mass analyzer 10, and the ionization region 39 is near the connection port of the vacuum pump 17. For this reason, the pressure in the ionization region 39 is slightly lower than the “most region near the mass analysis unit 10 (rightward)” in the ionization unit. In addition, the barrier gas flows from the “most region near the mass analysis unit 10 (rightward)” to the ionization region 39. Therefore, in this embodiment, “a large area near the mass analyzer 10 (rightward)” can be regarded as the barrier area 38. The mean free path of gas in the barrier region 38 is 8 mm, and the Knudsen coefficient is 0.2. Further, since the effective inner diameter of the ionization unit 3 is as short as a quarter of the distance in the longitudinal direction and the barrier gas flow path 37 is axisymmetric, the flow of the barrier gas in the barrier region 38 becomes substantially uniform. Therefore, the gas to be analyzed moves only from the inlet to the ionization region 39 side (left side) according to the flow of the barrier gas, and does not diffuse to the mass analyzer 10 side (right side). That is, the gas to be analyzed does not enter the mass spectrometer 10. However, electrons and ions having a large effective mean free path can pass through the barrier region 38.
[0047]
Further, the converging lens 42 is not exposed to the gas to be analyzed. For this reason, the insulating stone 41 is not deteriorated, and the convergent lens 42 can be an electrostatic type that is simple in structure and inexpensive. Further, since the pressure difference with the mass analyzer 10 is as small as two digits, a differential pressure region is not required, and the connection port tube 40 does not need to be as elongated as in the third embodiment.
[0048]
The present invention is not limited to the first, second, third, and fourth embodiments, and can be modified as follows. As an excitation source for ionization of the gas to be analyzed, heating or discharge using ions, light (ultraviolet light, laser, etc.) or plasma can be used in addition to electrons. Some types of excitation sources are not degraded by the gas to be analyzed, but in that case, no barrier region is provided. On the other hand, in the case of an excitation source that is very easily deteriorated, a barrier region can be provided only in the excitation source.
[0049]
In order to increase the energy of the ion beam, a mechanism for lowering the potential between the ionization region and the mass analyzer can be used in addition to the mechanism for raising the potential of the ionization region by the acceleration electrode.
[0050]
As a mass spectrometry method, a magnetic field type can be used in addition to the quadrupole type. As the barrier gas, various gases such as He · N 2 or SF 6 can be used in addition to Ar. Introducing the gas to be analyzed into the ionization part is a method of introducing a molecular beam by combining a very small diameter orifice and a large exhaust vacuum pipe in addition to the gas flow through the orifice or pipe, or pressure. A method in which no partition wall is provided between a sufficiently low process chamber and an ionization part can be used.
[0051]
Further, the gas to be analyzed can be applied to any pressure in any place other than the process chamber of 10 to 10 −1 torr. That is, it can be used not only for a vacuum apparatus but also for analysis of a gas to be analyzed in an atmospheric pressure state such as a direct analysis of an atmospheric environment or a connection with a gas chromatography apparatus. However, in any case, the pressure in the ionization region is lower than the pressure in the barrier region, and the barrier gas needs to flow from the mass analyzer or the excitation source side to the ionization region side.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, the adhering gas and the corrosive gas can be prevented from entering the excitation source unit and the mass analyzing unit, so that the in-process can be performed without damaging the mass analyzing unit and the electron generating unit. The gas can be easily analyzed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of an embodiment of the present invention.
2 is an enlarged conceptual view of the ionization unit, barrier region, differential pressure region, and mass analysis unit of FIG.
FIG. 3 is an enlarged conceptual diagram of an ionization unit, a barrier region, a differential pressure region, and a mass analysis unit of another embodiment.
FIG. 4 is an enlarged conceptual diagram of an ionization unit, an ionization region, a barrier gas channel, and a mass analysis unit of another embodiment.
FIG. 5 is an enlarged conceptual diagram of an ionization unit, a barrier region, a converging lens, and a mass analysis unit of another embodiment.
FIG. 6 is a conceptual diagram of a conventional mass spectrometer.
[Explanation of symbols]
1 Process chamber 2, 5, 7, 9, 11, 12, 13 Orifice 3 Ionization unit 4, 20, 42 Converging lens 6, 14, 38 Barrier region 8, 15 Differential pressure region 10 Mass analysis unit 16 Electron generation unit 17, 18, 19 Vacuum pump 21 Second ionization region 22, 23 Orifice 24 Second electron generator 25, 26 Exhaust pipe 27 Barrier gas feed pipe 28 Quadrupole mass spectrometer 29 Accelerating electrode 30, 39 Ionization region 31 Shielding gas Gas introduction system 32 Power source 33, 37 Barrier gas flow path 34 Orifice 35, 40 Tube 41 Insulating stone

Claims (5)

プロセスチャンバー内雰囲気と同等あるいは減圧状態の10 −3 torr程度のイオン化領域に導入された被分析ガスを10 −5 torr以下の低圧状態の励起源部から放出される励起ビームによりイオン化し、これにより生じたイオンビームを10 −5 torr以下の低圧状態の質量分析部で質量に応じて分離・検出して質量分析を行うガス分析装置であって、
前記イオン化領域に、バリアガスが導入される第一のバリア領域、真空ポンプの吸入側が接続されている第一の差圧領域、前記質量分析部を順次直列に連結すると共に、バリアガスが導入される第二のバリア領域、真空ポンプの吸入側が接続されている第二の差圧領域、前記励起源部を順次直列に連結し、
前記第一のバリア領域、第二のバリア領域が、いずれも
(1)励起ビームが通過する長さ及び、イオンビームが通過する長さであるバリア領域の厚みよりも、励起ビーム及びイオンビームのバリア領域での実効平均自由行程が大きく、
(2)バリア領域の厚みよりも、被分析ガスのバリア領域での平均自由行程が小さく、
(3) 被分析ガスのバリア領域でのクヌーセン数が1以下であり、
(4) バリア領域の圧力がイオン化領域の圧力よりも高く、バリア領域からイオン化領域へバリアガスが流れている、
条件を満足することにより、励起ビーム及びイオンビームは前記各バリア領域を通過できるが被分析ガスは前記各バリア領域を通過できないようにしたことを特徴とするガス分析装置。
The gas to be analyzed introduced into the ionization region of about 10 −3 torr equivalent to the atmosphere in the process chamber or in a reduced pressure state is ionized by an excitation beam emitted from an excitation source portion in a low pressure state of 10 −5 torr or less. A gas analyzer that performs mass spectrometry by separating and detecting the generated ion beam according to mass in a low-pressure mass analyzer of 10 −5 torr or less ,
A first barrier region into which the barrier gas is introduced, a first differential pressure region to which a suction side of a vacuum pump is connected, and the mass spectrometer are sequentially connected in series to the ionization region, and a barrier gas is introduced into the ionization region. A second barrier region, a second differential pressure region to which the suction side of the vacuum pump is connected, and the excitation source unit sequentially connected in series;
Both of the first barrier region and the second barrier region are (1) the length of the excitation beam and the ion beam that are longer than the length of the barrier region that is the length that the excitation beam passes and the length that the ion beam passes. The effective mean free path in the barrier area is large,
(2) The mean free path in the barrier region of the gas to be analyzed is smaller than the thickness of the barrier region,
(3) The Knudsen number in the barrier region of the gas to be analyzed is 1 or less,
(4) The pressure in the barrier region is higher than the pressure in the ionization region, and the barrier gas flows from the barrier region to the ionization region.
By satisfying the conditions, an excitation beam and an ion beam can pass through each barrier region, but a gas to be analyzed cannot pass through each barrier region.
イオンビーム、および励起ビームが荷電ビームである時においては励起ビームも含む少なくとも一つに対して、通過するバリア領域の面積が小さくなるように、これらのビームを収束する為の収束レンズを設けたことを特徴とする請求項1記載のガス分析装置。  When the ion beam and the excitation beam are charged beams, a converging lens for converging these beams is provided so that the area of the barrier region that passes through the at least one including the excitation beam is reduced. The gas analyzer according to claim 1. イオンビーム、および励起ビームが荷電ビームである時においては励起ビームも含む少なくとも一つに対して、加速機構を設けて通過するバリア領域の通過時間が小さくなるように、これらのビームの運動エネルギーを増加させたことを特徴とする請求項1記載のガス分析装置。  When the ion beam and the excitation beam are charged beams, the kinetic energy of these beams is reduced so that the transit time of the barrier region passing through the acceleration mechanism is reduced for at least one including the excitation beam. The gas analyzer according to claim 1, wherein the gas analyzer is increased. 前記ビームが正電荷である場合には、バリアガスとして正イオンになりにくいガスを、またこれらのビームが負電荷である場合には、バリアガスとして負イオンになりにくいガスを選択したことを特徴とする請求項1、2、3の何れか1項記載のガス分析装置。  When the beam has a positive charge, a gas that does not easily become positive ions is selected as a barrier gas. When these beams have a negative charge, a gas that does not easily become negative ions is selected as a barrier gas. The gas analyzer according to any one of claims 1, 2, and 3. 質量分析部は、四重極型質量分析計としたことを特徴とする請求項1記載のガス分析装置。  The gas analyzer according to claim 1, wherein the mass analyzer is a quadrupole mass spectrometer.
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