JP6251127B2 - ガス分析計 - Google Patents

Description

本発明は、フッ素存在下でサンプルガスをイオン化して分析するガス分析計に関するものである。

例えば半導体製造装置では、プロセスチャンバ内に残留しているガスの量を測定し、メンテナンスや品質の管理を行っている。このような目的のために、プロセスチャンバ内からサンプルガスを導入し、そのサンプルガスをイオン源においてイオン化して分析するガス分析計（特許文献１参照）が用いられている。

ところで、前記ガス分析計はフッ素存在下において使用すると、測定精度に影響が出る程度に測定感度が低下するまでの時間や、前記イオン源が物理的に動作不能となるまでの時間が通常の使用環境下に比べて短くなってしまうという問題がある。

この問題の原因について本願発明者らが鋭意検討を行った結果、例えばニッケル、鉄等からなるインコネル（登録商標）で形成されており、サンプルガスが内部に導入されるイオンボックスと、前記イオンボックス内へ自由電子を射出し、サンプルガスをイオン化させるフィラメントと、を具備する前記イオン源では、以下に記載するような現象が生じていることを初めて見出した。

すなわち、フッ素存在下では、前記イオンボックスを形成するニッケルとフッ素が反応してその表面にフッ化物の膜が形成されてしまい、この膜は不導体であるために前記フィラメントから射出された自由電子により帯電することになる。

このため、前記イオンボックスは通常の使用環境下で使用されている場合よりも電位が低くなり、前記フィラメントから射出される自由電子が前記イオンボックスの内部まで導入されにくくなる。

すると、サンプルガスがイオン化される量も小さくなり、ファラデーカップ等の検出器で検出されるサンプルガスのイオンの量も小さくなるため感度低下が生じることになる。

さらに、前記ガス分析計は、前記イオンボックスにおける電位の低下、又は、感度の低下が検出されると、前記フィラメントに印加される電圧を上昇させ、射出される自由電子の量を大きくするように構成されている。このため、前記イオンボックスでフッ化物の膜が形成されて、当該イオンボックスの電位が下がり、感度も低下すると、フィラメントに印加される電圧は大きくなる。したがって、前記フィラメントにかかる負荷が設計されているよりも短時間で大きくなってしまい、この結果、フィラメントの断線に至って動作不能となるまでの時間が短くなっていると考えられる。

特開平９−３２０５１７号公報

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、フッ素存在下であってもイオンボックスへのフッ素による汚染を防ぎ、測定感度を保ったまま高寿命化を実現できるガス分析装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のガス分析装置は、サンプルガスが内部に導入されるイオンボックスを具備し、前記イオンボックスでイオン化されたサンプルガスについて分析するガス分析計であって、前記イオンボックスが、特定金属で形成されており、前記特定金属のフッ化物が前記ガス分析計の測定条件において気体であることを特徴とする。

このようなものであれば、フッ素存在下で使用してもフッ素元素を含む活性種はイオンボックスを形成する特定金属と反応して気化してしまうので、イオンボックスにおいて不導体膜が形成されるようなフッ素による汚染を防ぐことができる。

したがって、フッ素存在下でもイオンボックスにおいて電位の低下が生じ、サンプルガスをイオン化するための自由電子やイオン等が導入されにくくなり、サンプルガスをイオン化しにくくなる現象が発生せず、感度や製品寿命が低下も生じにくい。

例えば前記ガス分析計が半導体製造装置のプロセスチャンバ内の残留ガスを測定する場合に、感度低下や製品寿命が短くなるのを防ぐのに適したガス分析計とするには、前記特定金属のフッ化物が所定の真空度で気化するものであればよい。

前記イオンボックスの立体形状を曲げ加工等の簡単な加工で形成しやすくするとともに、特定金属の使用量を必要最小限としつつ製造コストを低減できるようにするには、前記イオンボックスが、前記特定金属以外の金属で形成された母材を前記特定金属でメッキして形成されているものであればよい。

イオンボックスがフッ素により汚染されることによる感度低下を防ぐとともに、フィラメントが断線して動作不能となるまでの時間を長くするのに効果的なメッキ箇所としては、前記イオンボックスが、イオン化されたサンプルガスを検出する検出部側の底面をなすボトム部材と、上面及び側面をなすトップ部材とから構成されており、前記トップ部材の内側が少なくとも前記特定金属によりメッキされているものが挙げられる。

フッ素が存在していたとしてもガス分析計の感度低下や短寿命化を防ぐとともに、メッキのしやすさや、メッキ後の加工の容易さ等も実現でき、製造を容易できるようにするには、前記特定金属が白金であればよい。

前記イオンボックスと、前記イオンボックスへ自由電子を射出するフィラメントと、がイオン源を構成しており、前記フィラメントが、タングステンを含まず、レニウムで形成されているものであれば、フッ素存在下でも、フッ素と反応して前記フィラメントが短時間でやせ細り断線してしまうのを防ぐことで長寿命化をより実現できる。

ガス分析計の具体的な実施の態様としては、前記イオン源でイオン化されたサンプルガスのイオンを電荷と質量との比に応じて分離する質量分離部と、前記質量分離部を通過したイオンを検出する検出部と、をさらに備えたものが挙げられる。

このように本発明のガス分析計によれば、前記イオンボックスが、フッ素元素由来の活性種と反応し、測定条件下において気化するフッ化物を形成する特定金属で形成されているので、フッ素存在下でも不導体膜が形成されず、この不導体膜に起因する感度低下や短寿命化を防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係るガス分析計の使用用途を示す模式図。 同実施形態に係るガス分析計を示す模式図。 同実施形態におけるガス分析計の詳細を示す模式的斜視図。 同実施形態におけるイオンボックスの構造を示す模式図。 従来のガス分析計におけるフッ素雰囲気下における寿命試験結果及び感度試験結果を示す模式的グラフ。 同実施形態のガス分析計のフッ素雰囲気下における寿命試験結果及び感度試験結果を示す模式的グラフ。

本発明の一実施形態に係るガス分析計１００について各図を参照しながら説明する。

本実施形態のガス分析計１００は、図１に示すように半導体製造装置２００において半導体や液晶パネル、太陽電池等に成膜が行われるプロセスチャンバＣ内の在留ガスの分圧を測定する残留ガス分析装置（ＲＧＡ）である。ここでプロセスチャンバＣは、所定の真空度に減圧された部屋である。

図１に示すようにこのガス分析計１００は、イオン化されたサンプルガスについて分析するガス分析計１００であって、プロセスチャンバＣ内へと挿入されたセンシング機構ＳＮと、プロセスチャンバＣの外部に隣接して設けられる操作表示部Ｄとからなる。ここで、分析するとは、イオンの存在している量や濃度の測定することや、イオンの存在の有無を検出することを含む概念である。

前記センシング機構ＳＮは、図２の模式図及び図３の詳細図に示すように四重極質量分離計をなすものであり、プロセスチャンバＣ内のサンプルガスがイオン化されるイオン源１と、イオンの質量分離が行われる質量分離部２と、前記質量分離部２を通過したイオンを電流として検出する検出部３と、から構成されている。前記操作表示部Ｄは、前記検出部３で検出される電流に基づき、例えば成膜の品質管理に関わる酸素、窒素、水の分圧を算出し、その経時変化を表示するものである。なお、前記プロセスチャンバＣ内には、略真空に保たれているが成膜のための成分ガス等として導入されたフッ素も存在する。

前記イオン源１は、サンプルガスが内部に導入されるイオンボックス１１と、前記イオンボックス１１へ自由電子を射出するフィラメント１２を具備するものである。

前記イオンボックス１１（イオン化室、イオン化部）は、図３に示すように概略扁平六角柱状に形成されており、その各面にサンプルガス及び自由電子が導入される開口が形成された箱体のものであって、その内部でサンプルガスがイオン化されるものである。また、このイオンボックス１１は、鉄及びニッケルを含むインコネル等の合金を母材としてその表面にメッキが施されたものである。前記イオンボックス１１は、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すようにイオン化されたサンプルガスを検出する検出部３側の底面をなすボトム部材１１ａと、上面及び側面をなすトップ部材１１ｂとから構成してある。図４（ａ）に示すように前記ボトム部材１１ａは、平板状の母材にメッキを施した後、一部を折り曲げて形成してある。また、図４（ｂ）に示すように前記トップ部材１１ｂは、平板状の母材にメッキを施した後に、各側面部を折り曲げて扁平六角柱状に形成してある。そして、図４（ｃ）に示すように前記トップ部材１１ｂの底面に前記ボトム部材１１ａを取り付けることで前記イオンボックス１１が形成してある。

より具体的には前記イオンボックス１１は、フッ素元素を含む活性種（例えば、Ｆ＋、フッ素原子、フッ素分子、フッ素イオン等）と反応して、ガス分析計１００の測定条件において気体のフッ化物を形成する金属である特定金属で形成してある。ここで、ガス分析計１００の測定条件とは、例えば、サンプルガスがイオン化されるのに適した温度や圧力等の条件を言う。また、特定金属により形成されているとは、イオンボックス全体が特定金属により形成されていること、特定金属を含む合金で形成されていること、特定金属によりメッキされていることを少なくとも含む概念である。なお、本実施形態ではイオンボックス１１には特定金属によるメッキが施してある。

すなわち、前記イオンボックス１１には、フッ素と反応して所定温度以下の沸点を有するフッ化物を形成する特定金属によりメッキを施してある。ここで所定温度以下の沸点とは、例えば標準状態におけるフッ素化合物の沸点が予め定めた閾値以下となるものを言う。前記閾値はプロセスチャンバＣが置かれている部屋の室温、プロセスチャンバＣ内の温度等に基づいて設定される。本実施形態では、六フッ化白金の標準状態での沸点である６９．１℃を閾値として定めてある。また、前記イオンボックス１１をメッキする特定金属については使用される環境の真空度でフッ化物が気化するものを選んでいる。本実施形態では、後述する長寿命化、感度低下を防ぐとともに、曲げ加工の容易さを両立させるために母材に対して白金（Ｐｔ）をメッキしたものによりイオンボックス１１としている。

前記フィラメント１２は、タングステン（Ｗ）を含まず、レニウム（Ｒｅ）で形成されているものである。このフィラメント１２に印加される電圧は、単位時間当たりのサンプルガスのイオン化能力が略一定に保たれるように、前記検出部３から出力される電流値に基づいてフィードバック制御されるように構成してある。すなわち、前記イオンボックス１１でのイオン化能力が低下すると自動的に印加される電圧が大きくなり、最終的には前記フィラメント１２が切れてしまうまでの間は、この電圧制御が継続されるようにしてある。

前記質量分離部２は、４本の平行なロッド状電極を具備し、相対するロッド状電極の極性を同じにして直流電圧と高周波交流電圧を重畳した電圧を印加して四重極電場を形成してするものである。この四重極電場は、前記イオン源１から入射したイオンのうち分析対象である酸素イオン、水素イオンのみが前記検出部３へと通過し、その他の電荷／質量比を有するイオンはロッド状電極と衝突する等して前記検出部３へと通過しないように形成してある。

前記検出部３は、ファラデーカップを具備し、入射したイオンの数やその電荷に応じた電流を出力するものである。出力される電流値は前記操作表示部Ｄにおいて所定の演算により換算されて残留ガスの有無やその分圧を算出するのに用いられる。

このように構成された本実施形態のガス分析計１００によるフッ素存在下での寿命延長効果、感度低下防止効果について、インコネルで形成され、メッキが行われていないイオンボックスと、タングステンとレニウムの合金で形成されたフィラメントと、を備えた従来のガス分析計と本実施形態のガス分析計１００とを比較しながら説明する。図５のグラフは従来のガス分析計における寿命試験及び感度試験の結果であり、図６のグラフは本実施形態のガス分析計１００における寿命試験及び感度試験の結果である。両方の比較実験においては、測定対象を六フッ化硫黄（ＳＦ６）としており、センシング機構の周囲にはフッ素が存在するようにしてある。また、寿命についてはフィラメントに印加される電流、電圧をモニタリングし、フィラメントが切れてそれらの測定値が検出できなくなる時点により判定している。感度低下については同量のイオンが前記検出部３に入射している場合に前記検出部３から出力される電流値のオーダが１ケタ低下したことにより感度低下が発生したと判定している。

従来のガス分析計では、センシング機構の周囲にフッ素が存在している場合には、図５（ａ）に示されるように６０時間経過後にはフィラメントの断線が生じ寿命に到達している。また、図５（ｂ）に示されるように２０時間経過後には感度の低下が生じている。

一方、本実施形態のガス分析計１００では図６（ａ）に示されるように１２０時間経過後までフィラメント１２の断線は生じておらず、また図６（ｂ）に示されるようにフィラメント１２の断線までの間は感度については略一定に保たれている。

すなわち、図５及び図６の比較から分かるように本実施形態のガス分析計１００であれば、前記イオンボックス１１に白金のメッキが施されていること、フィラメント１２にタングステンが含まれていないことによりフッ素の存在下においても長寿命化を実現するとともに、寿命を迎えるまでの間においては略感度低下を生じさせないようにできている。

このような寿命及び感度の差が生じているのは以下のような現象が生じているためであると考えられる。従来のガス分析計のイオンボックスでは、フッ素が存在するとイオンボックスを形成しているニッケルにより不導体膜が表面に形成され、不導体膜に自由電子が帯電し、イオンボックス内に自由電子が導入されにくくなる。そうすると、サンプルガスのイオン化能力が保たれるようにフィラメントには過大な電圧が印加される続けることになり、フィラメントが短時間で切れる原因となる。また、サンプルガスのイオン化能力が低下しているので感度低下も発生することになる。

これに対して、本実施形態のガス分析計１００では、前記イオンボックス１１をメッキしている白金がフッ素と反応してフッ化物を形成するとともに、すぐに気化するようにしてあるので、前記イオンボックス１１の表面には不導体膜は形成されない。このことによって、フッ素の存在下であっても長寿命化及び感度の維持を実現できている。

また、本実施形態のフィラメント１２にはフッ素と反応し、気化してしまうタングステンを含んでいないので、フッ素存在下でもフィラメント１２が急速にやせ細ることを防ぐことができる。このことも本実施形態のガス分析計１００の長寿命化に貢献している。

その他の実施形態について説明する。

前記実施形態では、前記イオンボックスの表面には白金をメッキしていたが、前記イオンボックスについてその他のフッ素と反応して所定の温度以下で気化するフッ化物を形成する特定金属によりメッキしても構わない。

前記イオンボックスをメッキするための特定金属としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、テクネチウム（Ｔｃ）等の遷移金属のいずれかを挙げることができる。これらの特定金属のフッ化物は、白金とフッ素の化合物である六フッ化白金の沸点よりも低い沸点を有するので気化するので、前記実施形態と同等の効果を奏し得る。また、これらの特定金属、及び、白金単体ではなく、複数種類の特定金属によりメッキしてもよい。また、ガス分析計の測定条件において気体のフッ化物を形成する金属であれば、典型金属を用いても構わない。

加えて、フッ素以外の元素が前記イオンボックスに不導体膜を形成するのを防ぐように、前記イオンボックスを形成する金属を選択してもよい。この場合は、フッ素以外の元素と反応して、ガス分析計の測定条件において気体の化合物を形成する金属で前記イオンボックスを形成すればよい。

前記イオンボックスの全表面に特定金属のメッキを行わなくてもよく、少なくとも一部がメッキされていればよい。例えば、前記イオンボックスの内面側が特定金属によりメッキされていれば、長寿命化と感度低下防止の効果を得ることができる。より具体的には、少なくともトップ部材の内側が特定金属によりメッキされていればよい。また、イオン源の一部に特定金属によるメッキを施したものであってもよい。前記イオンボックスの母材についてもインコネルに限られるものではなく、その他の合金等であってもよい。本発明の効果は、前記イオンボックスの母材の組成においてフッ素と反応して気化しないフッ化物を形成するものを含んでいる場合に顕著となる。

また、イオンボックス自体が特定金属又は特定金属を含む合金で形成されていても構わない。この場合、特定金属がイオンボックスの表面にあり、フッ素元素、又は、フッ素元素由来のイオン等と接触し、反応できるように構成されていればよい。

前記フィラメントについてはタングステンとレニウムの合金を用い、前記イオンボックスにフッ素と反応して容易に気化するフッ化物を形成する特定金属によるメッキを施して、前記ガス分析計を構成してもよい。

前記実施形態では、自由電子によってサンプルガスをイオン化していたが、例えばイオンや放射線等によってサンプルガスをイオン化しても構わない。また、ガス分析計としては、実施形態に示した質量分離部、検出部以外の構成を用いても構わない。また、ガス分析計の用途としては残留ガス分析計だけでなく、その他の用途であっても構わない。要するに、イオン源によりイオン化されたサンプルガスについて分析するガス分析計であれば、本発明の効果を享受できる。

その他、本発明の趣旨に反しない範囲において、様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。

２００・・・半導体製造装置
１００・・・ガス分析計（ＲＧＡ）
１ ・・・イオン源
１１ ・・・イオンボックス
１２ ・・・フィラメント
２ ・・・質量分離部
３ ・・・検出部

Claims (7)

1. サンプルガスが内部に導入されるイオンボックスと、前記イオンボックスへ自由電子を射出するフィラメントと、から構成されたイオン源を具備し、前記イオンボックスにおいて自由電子によって直接イオン化されたサンプルガスについて分析するガス分析計であって、
   前記イオンボックスが、特定金属で形成されており、
   前記特定金属のフッ化物が、前記ガス分析計の測定条件において気体であり、
   前記イオンボックスが、前記特定金属以外の金属で形成された母材を前記特定金属でメッキして形成されていることを特徴とするガス分析計。
2. 前記特定金属のフッ化物が所定の真空度で気化するものである請求項１記載のガス分析計。
3. 前記イオンボックスが、イオン化されたサンプルガスを検出する検出部側の底面をなすボトム部材と、上面及び側面をなすトップ部材とから構成されており、
   前記トップ部材の内側が少なくとも前記特定金属によりメッキされている請求項１記載のガス分析計。
4. 前記特定金属が白金である請求項１乃至３いずれかに記載のガス分析計。
5. 前記フィラメントが、タングステンを含まず、レニウムで形成されている請求項１乃至４いずれかに記載のガス分析計。
6. 前記イオン源でイオン化されたサンプルガスのイオンを電荷と質量との比に応じて分離する質量分離部と、
   前記質量分離部を通過したイオンを検出する検出部と、をさらに備えた請求項５記載のガス分析計。
7. サンプルガスが内部に導入されるイオンボックスを具備し、前記イオンボックスでイオン化されたサンプルガスについて分析するガス分析計を用いたガス分析方法であって、
   前記ガス分析計が、前記イオンボックスが、特定金属で形成されており、前記特定金属のフッ化物が、前記ガス分析計の測定条件において気体であることを特徴とするものであって、
   前記イオンボックスが、フッ素の存在する環境下に配置されている状態で、サンプルガスの分析をすることを特徴とするガス分析方法。