JP4187321B2

JP4187321B2 - ガス分析方法

Info

Publication number: JP4187321B2
Application number: JP28352398A
Authority: JP
Inventors: 斎藤　　一也; 幸恵佐藤
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: JP2000097910A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量分析計及び全圧計により真空槽内のガス分析を行うガス分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に、従来例のガス分析装置１０の概略図を示す。真空槽４には、真空槽４内を真空排気するための真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）５と真空ポンプ（ロータリポンプ）６が接続されている。更に、真空槽４には、全圧（真空）計３と、ガスを構成する原子・分子のイオン電流値を質量電荷比の違いによって測定する質量分析計２と、この質量分析計２の感度を較正するために用いられる較正用ガスの導入設備１が流量調整バルブ７及びバルブ８を介して接続されている。
【０００３】
そして、ターボ分子ポンプ５及びロータリポンプ６によって真空排気を行い、真空槽４内に設置された被測定試料からガスが放出され、この時の全圧計３と質量分析計２による測定からガスの分析が行われる。
【０００４】
ところで、質量分析計２の感度は全圧計３に比べ変化し易く、定量的な測定値を得るためには、基準となる全圧計３に対する較正が必要となる。図５を参照して、この質量分析計２の較正について説明する。まず、通常、真空槽４を真空ポンプ５及び６により排気し、較正を行う上で問題とならない程度まで圧力を下げる。このとき、真空槽４を図示しない加熱機構によりベーキング（加熱脱ガス処理）して槽内壁に吸着した水を積極的に脱離させる場合がある。次いで、較正用ガス導入設備１から較正用ガス（Ｎ₂ 、Ａｒ、Ｈｅ等）を、バルブ８を開けて導入し、圧力を流量調整バルブ７によって調整する。このときの真空槽４内の圧力Ｐcal を全圧計３で測定し、この圧力に対し質量分析計２により、導入した較正ガスに対応する質量電荷比ｍ／ｅのイオン電流値Ｉcal を測定する。この測定によって得られた値から質量分析計２の較正係数Ｃｍ（＝Ｐcal ／Ｉcal ）を求める。この較正係数Ｃｍを使うことにより、その後の質量分析計２によって測定されるイオン電流値Ｉｍを分圧Ｐｍに換算することが可能になる。この換算式は、Ｐｍ＝Ｉｍ・Ｃｍで与えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のガス分析方法における質量分析計２の較正では、較正用ガスの導入設備１を別途必要であり、コスト高になり、また、実際の試料を用いた測定とは別に較正を行っているため、較正を行うために時間及び手間がかかるという問題があった。
【０００６】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、特別に較正用のガスを導入せずに、実試料による測定の直前または測定中に質量分析計の較正をすることができるガス分析方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題は、真空槽と質量分析計と全圧計と真空ポンプとを備えたガス分析装置により、前記真空ポンプにより前記真空槽を排気するときに、前記真空槽内に導入されている試料から放出されるガスを前記質量分析計及び前記全圧計によりそのガス成分を測定するようにしたガス分析方法において、前記真空槽の内壁又は前記試料から放出される水に対して、前記質量分析計により測定される全イオン電流値に対する水のイオン電流値の割合の値が所定値以上で、前記全圧計により測定される圧力値と前記質量分析計により測定される全イオン電流値との比から前記質量分析計に対する較正係数を求めるようにしたことを特徴とするガス分析方法、によって解決される。
【０００８】
または、真空槽と質量分析計と全圧計と真空ポンプとを備えたガス分析装置により、前記真空ポンプにより前記真空槽を排気するときに、前記真空槽内に導入されている試料から放出されるガスを前記質量分析計及び前記全圧計によりそのガス成分を測定するようにしたガス分析方法において、前記試料から放出されるガスに対して、前記質量分析計により測定される全イオン電流値に対する前記ガスのイオン電流値の割合の値が所定値以上で、前記全圧計により測定される圧力値と前記質量分析計により測定される全イオン電流値との比から前記質量分析計に対する較正係数を求めるようにしたことを特徴とするガス分析方法、によって解決される。
【０００９】
つまり、本発明は試料を交換する際に真空槽内に導入される水分が、あるいは、試料から放出されるガスが、真空槽内の残留ガスの主成分であるときに、質量分析計を較正することにより、較正用ガス導入設備が不要となり、また別途時間を要することなく質量分析計の較正が行える。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施の形態によるガス分析装置２０の概略図を示し、図５に示す従来例のガス分析装置１０と共通する部分については同一の符号を付してある。真空槽４には、槽内を真空排気するための真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）５と真空ポンプ（ロータリポンプ）６、更に、全圧（真空）計３と質量分析計２が接続されている。つまり、このガス分析装置２０が従来例のガス分析装置１０の構成と異なるところは、較正用ガスの導入設備１を設けていないことにある。
【００１２】
次に、このガス分析装置２０を用いてのガス分析方法について説明する。
【００１３】
ベーキングされた真空槽４内に試料１１を新たに設置する際、真空槽４は大気に曝され、この時、大気中の水分が真空槽４内の壁に吸着する。その後、真空ポンプ５、６を用いて真空槽４内を真空排気する時、吸着した水分子が脱離し、真空槽４内の残留ガスの主成分となる。このとき、全圧計３により真空槽４内の圧力と、質量分析計２により各質量電荷比ｍ／ｅに対するイオン電流値を測定する。
【００１４】
図２に、試料の交換後、排気開始からの圧力及び真空槽４内に存在する質量電荷比ｍ／ｅ＝２（Ｈ₂ ）、１８（Ｈ₂ Ｏ）、２８（ＣＯ）、４４（ＣＯ₂ ）の各ガスのイオン電流値の測定結果を示す。排気時間（横軸に示される）が長くなるにつれて真空槽４内の圧力（図２において一点鎖線で示される）は徐々に低下する。この時の真空槽４内の残留ガスの主成分は水分子であり、図２中において、水分子の主ピークであるｍ／ｅ＝１８に対応する。
【００１５】
図３は、排気開始からの、ｍ／ｅ＝１〜１００の全イオン電流値ＩＣ（Total ）に対する、水に対応するｍ／ｅ＝１７、１８のイオン電流値の合計ＩＣ（H₂O ）（＝ＩＣ（ｍ／ｅ＝１７）＋ＩＣ（ｍ／ｅ＝１８））の比率、すなわち真空槽４内の残留ガス全体に対する水分子の割合を示している。これによると、排気時間（横軸に示される）が長くなると残留ガス全体に対する水分子の割合が減少してくる。
【００１６】
更に、図３には、このとき測定された全圧Ｐと全イオン電流値ＩＣ（Total ）との比率Ｐ／ＩＣ（Total ）も併せて示した。この比率Ｐ／ＩＣ（Total ）は、上記従来例の較正係数（感度係数）Ｃｍ（＝Ｐcal ／Ｉcal ）に対応するものである。なお、全圧Ｐの値は水の相対感度比１．２５で補正した後の値（全圧計３の指示値を１．２５で割った値）である。
【００１７】
図３において、排気時間５時間を過ぎた頃以降で比率Ｐ／ＩＣ（Total ）は上昇する。排気時間１時間の時の値より１０％だけＰ／ＩＣ（Total ）が上昇したときの水分子の割合ＩＣ（H₂O ）／ＩＣ（Total ）は０．６７であった。そして、残留ガス全体に対する水分子の割合が０．６７以下の場合には、比率Ｐ／ＩＣ（Total ）の変化は大きく、この部分のＰ／ＩＣ（Total ）の値を較正係数として使用しても安定した較正結果が得られない。従って、本実施の形態において質量分析計２の較正を行う条件として、水分子の割合ＩＣ（H₂O ）／ＩＣ（Total ）が、最低でも、真空槽４内の残留ガス全体に対して０．６５以上である必要がある。また、この割合ＩＣ（H₂O ）／ＩＣ（Total ）が０．８以上では非常に安定したＰ／ＩＣ（Total ）が得られており、この部分のＰ／ＩＣ（Total ）の値を較正係数として使用すれば、精度良く質量分析計２の較正ができ、続けて行われる試料１１の安定した測定が可能となる。このように、本実施の形態によるガス分析方法では、別途較正用ガス（Ｎ₂ 、Ａｒ、Ｈｅ等）の導入を必要とせず、また一連の実試料１１の測定のプロセス中で質量分析計２の較正を済ませることができる。
【００１８】
図４は、本発明の有効性を示す測定結果である。これは、長期間にわたる試料の測定において、１ケ月ごとに、基準となる同一試料（ステンレス鋼製のチャンバー）を取り付けて、そのときの質量分析計により測定された水のイオン電流値と上述した本発明に係る較正方法により求めた水分圧の結果を示す。
【００１９】
１ケ月経つごとに、同一のステンレス鋼製のチャンバーを室温において湿度５０％の大気に１時間曝した後、１時間排気した時点での残留ガス分析を行った。この基準試料（ステンレス鋼製のチャンバー）の測定を行わない期間は、他の試料を用いてのガス分析が行われている。この実験では、同一のステンレス鋼製のチャンバー、かつ同じ条件における測定であり、測定値の変化は非常に少ないと考えられるが、図４において、水のイオン電流値は時間の経過と共に減少し、つまりこれは、質量分析計の感度が劣化していることになる。一方、図４において、本発明に係る較正により得られた水分圧（較正係数と、質量分析計により測定された水のイオン電流値との積で得られる）の値はほぼ一定である。つまり、質量分析計の感度の劣化のため測定される水のイオン電流値が変化しても、本発明に係る較正により、質量分析計の感度の劣化を補正できており、安定した水分圧の値が求められている。
【００２０】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。上記第１の実施の形態では、試料交換時に真空槽４に導入される水を較正用ガスに用いたが、試料１１によっては、試料１１から放出される別のガスが真空槽４内の残留ガスの主成分になる場合がある。例えば、試料１１が水素吸蔵材料では水素が主成分となる。本実施の形態では、水の代わりにこの水素を用いて質量分析計２の較正を行う。本実施の形態においても第１の実施の形態と同じガス分析装置２０で同じ操作手順でガス分析が行われ、そして、試料１１は水素吸蔵材料である。水を用いたときと同様に、水素吸蔵材料から放出される水素の割合がある一定以上のときの、変化の小さいＰ／ＩＣ（Total ）の値を較正係数として使用して質量分析計２の較正を行う。本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に別途較正用ガスの導入を必要とせず、また一連の実試料１１の測定のプロセス中で質量分析計２の較正を済ませることができる。
【００２１】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。
【００２２】
以上の各実施の形態で示すガス分析装置２０におけるガス分析に限らず、例えば、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）付質量分析計を用いたプロセスモニタ、昇温脱離測定装置（一定の昇温速度で試料面の温度を上げ、そのときのガス放出量を測定し、得られるガス放出量のパターンを分析する装置）等で、かつ大気ベント・真空を繰り返す装置等におけるガス分析でも本発明を適用することができる。
【００２３】
また、上記第２の実施の形態では、試料１１が水素吸蔵材料で、これから放出される水素を較正用ガスに用いたが、これに限ることなく、他の試料を用いて、これから放出される別のガスを較正用ガスに用いてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のガス分析方法によれば、試料交換時に真空槽内に導入される水、または試料から放出されるガスを用い、かつ試料交換時、または試料交換後分析開始までの間に質量分析計の較正を行うため、別途較正用に時間を割くことなく、また較正用ガス導入設備を必要としないで安定した質量分析計の較正ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるガス分析装置の構成を示す概略図である。
【図２】同ガス分析装置において、排気開始からの圧力及び質量電荷比２、１８、２８、４４のイオン電流値の測定結果を示すグラフである。
【図３】同ガス分析装置において、排気開始からの、全イオン電流値に対する水のイオン電流値の割合及び全圧と全イオン電流値の比率を示すグラフである。
【図４】同一試料を１か月ごとに用いて長期間に渡り測定した水のイオン電流値と本発明に係る較正により求めた水分圧の結果を示すグラフである。
【図５】従来例のガス分析装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
２質量分析計
３全圧計
４真空槽
５真空ポンプ
６真空ポンプ
１１試料
２０ガス分析装置

Claims

真空槽と質量分析計と全圧計と真空ポンプとを備えたガス分析装置により、前記真空ポンプにより前記真空槽を排気するときに、前記真空槽内に導入されている試料から放出されるガスを前記質量分析計及び前記全圧計によりそのガス成分を測定するようにしたガス分析方法において、前記真空槽の内壁又は前記試料から放出される水に対して、前記質量分析計により測定される全イオン電流値に対する水のイオン電流値の割合の値が０．６５以上で、前記全圧計により測定される圧力値と前記質量分析計により測定される全イオン電流値との比から前記質量分析計に対する較正係数を求めるようにしたことを特徴とするガス分析方法。
前記質量分析計により測定される全イオン電流値に対する水のイオン電流値の割合の値が０．８以上であることを特徴とする請求項１に記載のガス分析方法。