JP5422485B2

JP5422485B2 - ガス分析計

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Publication number: JP5422485B2
Application number: JP2010122122A
Authority: JP
Inventors: 浩平笹井
Original assignee: Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: JP2011249172A; US20110291002A1

Description

本発明は、四重極質量分析法等を用いたガス分析計に関するものである。

この種のガス分析計として、例えば特許文献１又は非特許文献１に示すように、イオン化部、四重極部、イオン検出部及び交流発生器部を備えるセンサユニットと、このセンサユニットに対してケーブル接続される装置本体とを備えるものがある。

そしてこのガス分析計は、まず、イオン化部に導入された残留ガスは、高温のフィラメントから放出された熱電子によりイオン化される。生成されたイオンは、イオン引き出し電極で加速・収束されて、四重極部に導かれる。四重極部では、例えば４本の円柱形電極に直流及び交流電圧を印加し、イオンがふるいにかけられる。分類されたイオンは、イオン検出部のファラデーカップで電流として検出される。このイオン電流は、残留ガスの量（分圧）に応じて変化するため、残留ガスを精度良く測定することができる。

しかしながら、このガス分析計のイオン電流は、四重極部が配置された雰囲気圧力が高くなると、四重極部内を飛行するイオンと気体との衝突確率が高くなり、イオンが検出部に到達しにくくなり、また、空間電荷の影響などにより検出感度が変化するという問題がある。そのため、雰囲気圧力が所定値（例えば約１×１０^−２〜１×１０^−１Ｐａ）より高くなると、イオン電流の増加が鈍る。そして、イオン電流は、ピーク値を超えると、減少してしまう（図１２参照）。このピーク値を示す雰囲気圧力を最大使用圧力という。

ここで、測定値が雰囲気圧力の変化に比例して増加しなくなった領域においてガス分析計を使用すると、正確な測定値を得ることができないという問題がある。また、近年の半導体プロセスにおいては、ガス分析計の最大使用圧力（約１Ｐａ）よりも大きい圧力（例えば１．２Ｐａ）下で行われることが主流になりつつある。そうすると、ガス分析計が、その最大使用圧力近傍又はそれ以上の圧力の下で使用されることになり、半導体プロセスを正確に行うことが難しいという問題がある。なお、測定値を補正することによって対応することも考えられるが根本的な解決とはならず、補正の精度により測定値が左右してしまうという問題がある。

特表平８−５１００８４号公報池田亨、「特集論文超小型残留ガス分析計ＰｒｅｓｓｕｒｅＭａｓｔｅｒＲＧＡシリーズ」、ＨＯＲＩＢＡＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔｓ、株式会社堀場製作所、２００４年３月、第２８号、ｐ．１２−１５

一方、本願発明者は、補正演算に頼ることなく、ガス分析計の構成を見直すことで最大使用圧力を高圧化することができるのではないかと鋭意検討した結果、図４のイオン検出部の感度と最大使用圧力との相関関係図を実験により得た。そして、本願発明者は、図４に示すように、四重極部に導入するイオン量を少なくしてイオン検出部の信号値（感度）を小さくことによって、最大使用圧力が大きくなることを初めて見出した。

そして本発明は、上記問題点を解決すべく、四重極部に導入されるイオン量と最大使用圧力との関係を用いることによって初めてなされたものであり、最大使用圧力を高圧化することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るガス分析計は、真空チャンバに取り付けられて、当該真空チャンバ内の試料ガスを分析するものであり、試料ガスをイオン化するとともに、そのイオンを外部に導出するためのイオン導出口を有するイオン化部と、前記イオン化部のイオン導出口の外側に設けられて、イオンを引き出すイオン引き出し電極と、前記イオン引き出し電極によりイオン化部から導出されたイオンを選択的に通過させる四重極部と、前記四重極部を通過したイオンを検出するイオン検出部とを備え、前記イオン化部、前記イオン引き出し電極、前記四重極部及び前記イオン検出部が、前記真空チャンバ内の雰囲気圧力に晒されるように配置されており、前記イオン導出口の開口サイズが、前記イオン検出部により得られる信号値がピーク値となる雰囲気圧力を示す最大使用圧力を上げるべく、前記四重極部を構成する４つのポール電極全てに内接する仮想内接円よりも小さく構成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、イオン導出口の開口サイズをポール電極全てに内接する仮想内接円よりも小さくすることによって、四重極部に導入されるイオン量が少なくなりイオン検出部により得られる信号値が小さくなる結果、最大使用圧力を高圧化することができる。具体的には、最大使用圧力を低真空領域まで上げることができる。このようにイオン導出口の開口サイズを小さくすることによって最大使用圧力を低真空領域まで上げることができるのは、図４に示すイオン検出部の感度と最大使用圧力との相関関係図に基づくものである。また、イオン導出口の開口サイズが仮想内接円よりも小さいことから、イオン導出口から出るイオンを四重極部内に導入し易くすることができるので、イオン導出口から出るイオン量そのものが減少しても、そのイオンを有効に活用することができる。さらに、イオン化部、イオン引き出し電極、四重極部及びイオン検出部が、真空チャンバ内の雰囲気圧力に晒されるように配置される構成であることから、差動排気機構が不要であり、ガス分析計をコンパクトに構成することができる。

前記イオン引き出し電極が、イオンが通過する開口部を有しており、当該開口部の開口サイズが、前記仮想内接円よりも小さく、さらに、前記イオン導出口の開口サイズよりも小さく構成されていることが望ましい。上記の通り、イオン導出口を小さくすることによってイオン電流が小さくなることから、イオン検出部により得られる信号のベースラインが低下してしまう問題がある。このベースラインの低下は、四重極部にイオンと同様に導入される電子によって生じると考えられる。このようにイオン引き出し電極の開口部をイオン導出口よりも小さくすることによって、四重極部に導入される電子の量を可及的に小さくすることができ、ベースラインを向上させることができる。

四重極部に導入されるイオンがイオン導出口により制限されることから、その範囲内でできるだけ多くのイオンを導入することがＳＮ比向上の観点から必要である。このときイオン化部内で生成されたイオンを無駄なくイオン導出口に導くことができるようにするためには、前記イオン化部が、当該イオン化部の外部に設けられたグランド電位の周辺部材によって、前記イオン化部に設けられたガス導入部近傍に生じる不等電位領域を低減する不等電位低減構造を有することが望ましい。

このように構成した本発明によれば、補正演算に頼ることなく最大使用圧力を高圧化することができる。

本発明の一実施形態に係るガス分析計の模式的構成図である。同実施形態におけるセンサ部の内部構成図である。同実施形態におけるポール電極、イオン導出口及び開口部の位置関係を示す図である。イオン検出部の感度と最大使用圧力との相関関係を示す図である。イオン導出口の開口径と最大使用圧力の関係を示す図である。イオン引き出し電極の開口部の開口径と最大使用圧力の関係を示す図である。従来のガス分析計の最大使用圧力と本実施形態のガス分析計の最大使用圧力との比較を示す図である。従来のガス分析計の最小使用圧力と本実施形態のガス分析計の最小使用圧力との比較を示す図である。開口部の開口径を変化させた場合のベースライン電圧を示す図である。イオン化部内の電位を示す図である。不等電位低減構造の有無によるＳＮ比を示す図である。従来のガス分析計の測定結果を示す図である。

以下に、本発明に係るガス分析計の一実施形態について、図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態に係るガス分析計１００は、例えば半導体製造プロセス中及び装置クリーニング後の真空チャンバＶＣ内のガスモニタに用いられ、図１に示すように、真空チャンバＶＣに取り付けられて、当該真空チャンバＶＣ内の試料ガスである残留ガスを分析するものである。具体的にこのものは、真空チャンバＶＣ内のプロセスガス又は残留ガス等の試料ガスを検知するセンサ部２１と、センサ部２１を制御するとともに、当該センサ部２１の出力に基づいて残留ガスの分析処理等を行う演算部２２とを有するセンサユニット２を備えている。なお、符号３はセンサユニット２に電力を供給する電源である。

以下にセンサユニット２について説明する。

センサユニット２は、図１に示すように、センサ部２１と当該センサ部２１の後端部に設けられた交流発生器部としての機能を有する演算部２２を備えている。

センサ部２１は、図２に示すように、試料ガスである残留ガスをイオン化するとともに、そのイオンを外部に導出するためのイオン導出口２１１Ａを有するイオン化部２１１と、イオン化部２１１のイオン導出口２１１Ａの外側に設けられて、イオンを引き出すイオン引き出し電極２１２と、イオン引き出し電極２１２によりイオン化部２１１から導出されたイオンを選択的に通過させる四重極部２１３と、四重極部２１３を通過したイオンを検出するイオン検出部２１４とを備えている。なお、センサ部２１は、イオン化部２１１、イオン引き出し電極２１２、四重極部２１３及びイオン検出部２１４を先端側からこの順で収容して保護する保護カバー２１５を備えている。保護カバー２１５内において、イオン化部２１１、イオン引き出し電極２１２、四重極部２１３及びイオン検出部２１４は一直線上に配置されている。この保護カバー２１５の先端壁には、真空チャンバＶＣに取り付けられた際に、真空チャンバＶＣ内の残留ガスをセンサ部２１内に導入するためのガス導入口２１５Ｈが設けられている。なお、保護カバー２１５が真空チャンバＶＣに設けられた取付孔（不図示）にシール部材等を介して気密に取り付けられる。これにより、保護カバー２１５内がガス導入口２１５Ｈを介して真空チャンバＶＣ内の雰囲気圧力と同一圧力なり、イオン化部２１１、イオン引き出し電極２１２、四重極部２１３及びイオン検出部２１４は真空チャンバＶＣ内の雰囲気圧力に晒されることになる。

イオン化部２１１は、内部にフィラメントを備え、フィラメントから放出される熱電子により試料ガスをイオン化するものである。そして、イオン化部２１１により、生成されたイオンは、略円形状をなすイオン導出口２１１Ａからイオン引き出し電極２１２によって外部に引き出される。

イオン引き出し電極２１２は、単一又は複数の電極により構成されている。イオン引き出し電極２１２は、イオン化部２１１と四重極部２１３との間に設けられ、イオン化部２１１により生成されたイオンを四重極部２１３及びイオン検出部２１４側に引き出すとともに、そのイオンを加速・収束させるものである。

四重極部２１３は、イオン引き出し電極２１２で加速・収束されたイオンビームをイオンの電荷対質量比に応じて分離するものである。具体的には、四重極部２１３は、９０°間隔で配置した２組の対向電極（ポール電極２１３Ｐ）からなり、対向するもの同士を同電位とした上で、９０°異なるそれぞれの組の間に直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖｃｏｓωｔとを重畳した電圧を印加し、そのＵ／Ｖ比を一定にするとともにＶを変化させて、その対向電極内に入射したイオンを（質量／電荷数）の比に応じて選択通過させるものである。

イオン検出部２１４は、四重極部２１３により分離されたイオンを捕らえてイオン電流として検出するファラデーカップである。具体的にイオン検出部２１４は、四重極部２１３により分離された特定成分のイオンを検出して、その特定成分の試料ガスにおける分圧の絶対値を検出するためのものである。また、イオン化部２１１によりイオン化された試料ガスのイオンを全て検出して、試料ガスの全圧の絶対値を検出するためのものでもある。

演算部２２は、上述の通り、演算処理機能及び制御機能を有し、さらに交流発生器としての機能を有する。つまり演算部２２は、イオン検出部２１２で検出したイオン電流を、電圧値を示すデジタル電圧信号に変換して、その電圧信号を出力するものである。

演算部２２は、ＣＰＵや内部メモリ等を搭載した回路部（図示せず）を内蔵し、その内部メモリに記憶されたプログラムにしたがって、前記ＣＰＵや周辺機器を作動する。そして、当該演算ユニット３が、前記センサ部２１の出力に基づいて試料ガスの分析処理等を行う。

しかして本実施形態のガス分析計１００において、イオン導出口２１１Ａの開口サイズは、図３に示すように、イオン検出部２１１により得られる信号値がピーク値となる雰囲気圧力を示す最大使用圧力（図１２参照）を上げるべく、四重極部２１３を構成する４つのポール電極２１３Ｐ全てに内接する仮想内接円ＩＣ（本実施形態では０．８８６ｍｍ）よりも小さく構成されている。このようにイオン導出口２１１Ａの開口サイズを仮想内接円ＩＣよりも小さくする構成は、図４に示すイオン検出部の感度と最大使用圧力との相関関係を見出したことに起因する。具体的にイオン導出口２１１Ａの開口径（直径）は、仮想内接円ＩＣの直径（０．８８６ｍｍ）に対して、９０％以下となるように構成されている。なお、イオン導出口２２１Ａを小さくしすぎると、感度が小さくなりすぎて十分な分解能を得ることができないことから、仮想内接円ＩＣの直径に対して例えば３０％以上とすることが考えられる。

また、イオン引き出し電極２１２の開口部２１２Ｈの開口サイズは、仮想内接円ＩＣよりも小さく、且つ、イオン導出口２１１Ａの開口サイズよりも小さく構成されている。具体的にイオン引き出し電極２１２の開口部２１２Ｈの開口径が、仮想内接円ＩＣの直径に対して例えば７０％以下となるように構成されている。

次に、イオン引き出し電極２１２の開口部２１２Ｈの開口径を一定（０．８ｍｍ）に固定して、イオン化部２１１のイオン導出口２１１Ａの開口径を変化させた場合の最大使用圧力（ＵＰＬ）及び感度を図５に示す。この図５に示すように、イオン化部２１１のイオン導出口２１１Ａの開口径を１．２ｍｍから徐々に小さくしていくと、感度が徐々に低下していく一方で、最大使用圧力（ＵＰＬ）が徐々に大きくなっていることが分かる。

なお、図６には、イオン化部２１１のイオン導出口２１１Ａの開口径を一定（１．２ｍｍ）に固定して、イオン引き出し電極２１２の開口部２１２Ｈの開口径を変化させた場合の最大使用圧力（ＵＰＬ）及び感度を示す。この図６に示すように、イオン化部２１１のイオン導出口２１１Ａの開口径を固定してイオン引き出し電極２１２の開口部２１２Ｈの開口径を小さくしても最大使用圧力（ＵＰＬ）が高圧化しない。つまり、ガス分析計１００の最大使用圧力の高圧化には、イオン化部２１１のイオン導出口２１１Ａの開口径が起因していることが分かる。

また、イオン導出口２１１Ａの開口径が１．２ｍｍ（仮想内接円ＩＣより大径）であり、開口部２１２Ｈの開口径が０．８ｍｍである従来のガス分析計の最大使用圧力と、イオン導出口２１１Ａの開口径が０．８ｍｍ（仮想内接円ＩＣより小径）であり、開口部２１２Ｈの開口径が０．１ｍｍである本実施形態のガス分析計の最大使用圧力との比較を図７に示す。この図７から分かるように、従来のガス分析計では、最大使用圧力が０．５Ｐａ〜０．８Ｐａ程度であるが、本実施形態のガス分析計１００では、最大使用圧力が１．０Ｐａ〜１．３Ｐａ程度である。このように本実施形態のガス分析計１００では、最大使用圧力を高圧化することができる。

なお、図８には、ガス分析計を用いて測定することができる最小の雰囲気圧力である最小使用圧力（ＬＯＤ）について示している。従来のガス分析計においては、最小使用圧力が１．０×１０^−６Ｐａ〜１．５×１０^−６Ｐａであるが、本実施形態のガス分析液においては、最小使用圧力が８．４×１０^−７Ｐａ〜５．０×１０^−６Ｐａとなる。このようにガス導出口２１１Ａの開口径を小さくして最大使用圧力を高圧化しても、従来とほぼ同様に、高真空領域（例えば５．０×１０^−６Ｐａ）下においても使用可能である。

次に、イオン検出のバックグラウンド信号となるベースライン電圧に対して、イオン引き出し電極２１２の開口部２１２Ｈの開口径が与える影響について図９を参照して説明する。

図９は、イオン導出口２１１Ａを直径０．８ｍｍに固定して、開口部２１２Ｈの開口径（直径）を０．８ｍｍ、０．６ｍｍ、０．４ｍｍ、０．３ｍｍ、０．１ｍｍとした場合のベースライン電圧を示す。図８から分かるように、開口部２１２Ｈの開口径を小さくすればするほど、ベースライン電圧が、質量／電荷数（ｍ／ｚ）に関わらず一定となっている。この図９から、開口部２１２Ｈの開口径は、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍが好ましく、０．１ｍｍが最も好ましい。このように開口部２１２Ｈの開口径が小さいほど、ベースライン電圧が安定する理由としては、四重極部２１３に導入される電子の量を可及的に小さくすることができ、電子のベースライン電圧が受ける影響を可及的に小さくできるからであると考えられる。

さらに本実施形態のガス分析計１００において、イオン化部２１１は、図２に示すように、イオン化部２１１の外部に設けられたグランド電位の周辺部材（保護カバー２１５）によって、イオン化部２１１に設けられたガス導入部２１１Ｂ近傍に生じる不等電位領域を低減する不等電位低減構造２１６を有する。

本実施形態の不等電位低減構造２１６であるガス導入部２１１Ｂを封じた構造は、イオン化部２１１のガス導入部２１１Ｂ全体を覆うように設けられた構造である。この構造は閉塞板２１６により形成されており、閉塞板２１６には、イオン化部２１１のケーシングと同電圧（例えば７０Ｖ）が印加される。これによって、イオン化部２１１のケーシングに形成されたガス導入部２１１Ｂ近傍に生じる不等電位領域が解消されて、イオン化部２１１内で生成されたイオンが、不等電位領域に停滞すること又は不等電位領域を介してガス導入部２１１ｂから外部に出ることを防止できる。

次に、不等電位低減構造２１６の効果について図１０を参照して説明する。図１０の（Ａ）は、不等電位低減構造２１６を有さない場合のイオン化部２１１内の等電位面を示す図（上段）及びイオン化部２１１のケーシング内の電位を示す図（下段）であり、（Ｂ）は、不等電位低減構造２１６を有する場合のイオン化部２１１内の等電位面を示す図（上段）及びイオン化部２１１のケーシング内の電位を示す図（下段）である。なお、図１０において位置０ｍｍは、グランド電位である保護カバー２１５の位置である。また、イオン化部２１１のケーシングに７０Ｖを印加し、イオン引き出し電極２１２及び四重極部２１３のポール電極２１３Ｐに６４Ｖを印加している。この図１０の（Ａ）から、ガス導入部２１１Ｂ近傍（（Ａ）下段において２２ｍｍ付近）において不等電位領域が形成されていることが分かる。一方で、図１０（Ｂ）では、ガス導入部２１１の位置からケーシング内部に亘って等電位であることが分かる。

ここで、図１１に不等電位低減構造２１６の有無におけるＳＮ比の比較を示す。図１１に示すように、不等電位低減構造２１６を有さない場合には、ＳＮ比が０．５であるにも関わらず、不等電位低減構造２１６を有する場合には、ＳＮ比が５．６に向上されていることが分かる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態のガス分析計１００によれば、イオン導出口２１１Ａの開口サイズをポール電極２１３Ｐ全てに内接する仮想内接円ＩＣよりも小さくすることによって、四重極部２１３に導入されるイオン量が少なくなりイオン検出部２１４により得られる信号値が小さくなる結果、最大使用圧力を高圧化することができる。具体的には、最大使用圧力を低真空領域（例えば１．３Ｐａ）まで上げることができる。また、イオン導出口２１１Ａの開口サイズが仮想内接円ＩＣよりも小さいことから、イオン導出口２１１Ａから出るイオンを四重極部２１３内に導入し易くすることができるので、イオン導出口２１１Ａから出るイオン量そのものが減少しても、そのイオンを有効に活用することができる。さらに、イオン化部２１１、イオン引き出し電極２１２、四重極部２１３及びイオン検出部２１４が、真空チャンバＶＣ内の雰囲気圧力に晒されるように配置される構成であることから、差動排気機構が不要であり、ガス分析計１００をコンパクトに構成することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態の四重極部は４つのポール電極からなるものであったが、１６本のポール電極を縦横４本ずつ配置して９つの四重極部を形成するものであっても良い。この場合、９つの四重極部それぞれに対応してイオン導出口が形成されるとともに、イオン引き出し電極の開口部が形成される。

また、前記実施形態の不等電位低減構造は、ガス導入部を覆うように設けられた遮蔽板に限られず、不等電位がイオン検出信号（イオン電流）に与える影響を実質的に無視できる程度に小径に形成されたガス導入部により構成しても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・ガス分析計
２１１・・・イオン化部
２１１Ａ・・・イオン導出口
２１１Ｂ・・・ガス導入部
２１２・・・イオン引き出し電極
２１２Ｈ・・・開口部
２１３・・・四重極部
２１３Ｐ・・・ポール電極
ＩＣ・・・仮想内接円
２１４・・・イオン検出部
２１５・・・保護カバー（周辺部材）
２１６・・・不等電位低減構造

Claims

真空チャンバに取り付けられて、当該真空チャンバ内の試料ガスを分析するものであり、
試料ガスをイオン化するとともに、そのイオンを外部に導出するためのイオン導出口を有するイオン化部と、
前記イオン化部のイオン導出口の外側に設けられて、イオンを引き出すイオン引き出し電極と、
前記イオン引き出し電極によりイオン化部から導出されたイオンを選択的に通過させる四重極部と、
前記四重極部を通過したイオンを検出するイオン検出部とを備え、
前記イオン化部、前記イオン引き出し電極、前記四重極部及び前記イオン検出部が、前記真空チャンバ内の雰囲気圧力に晒されるように配置されており、
前記イオン導出口の開口サイズが、前記イオン検出部により得られる信号値がピーク値となる雰囲気圧力を示す最大使用圧力を上げるべく、前記四重極部を構成する４つのポール電極全てに内接する仮想内接円よりも小さく構成されているガス分析計。
前記イオン引き出し電極が、イオンが通過する開口部を有しており、当該開口部の開口サイズが、前記イオン化部から出る電子量を低減すべく、前記イオン導出口の開口サイズよりも小さく構成されている請求項１記載のガス分析計。
前記イオン化部が、当該イオン化部の外部に設けられたグランド電位の周辺部材により前記イオン化部のガス導入部近傍に生じる不等電位領域を低減する不等電位低減構造を有する請求項１又は２記載のガス分析計。