KR102614315B1 - 질량 분석기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시료 도입부, 상기 시료 도입부와 연결되며, 상기 시료 도입부로부터 도입된 시료를 이온화시키도록 구성되는 이온화부, 상기 이온화부에 인접하는 추출 렌즈 구조체 및 상기 추출 렌즈 구조체로부터 추출된 이온 빔을 가이딩하도록 구성되는 제1 및 제2 가이딩 렌즈들을 포함하는 이온 렌즈부, 및 상기 이온 빔을 검출하도록 구성되는 검출부를 포함하되, 상기 추출 렌즈 구조체의 중심축은 제1 방향으로 연장되는 제1 축이고, 상기 제1 가이딩 렌즈의 중심축은 상기 제1 축과 제1 거리만큼 이격되는 제2 축이고, 상기 제2 가이딩 렌즈의 중심축은 상기 제2 축과 제2 거리만큼 이격되는 제3 축인 질량 분석기를 제공한다.

Description

질량 분석기{MASS SPECTROMETER}
본 발명은 질량 분석기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 제1 중심축을 갖는 추출 렌즈 구조체, 상기 제1 중심축과 이격된 제2 중심축을 갖는 제1 가이딩 렌즈, 및 상기 제2 중심축과 이격된 제3 중심축을 갖는 제2 가이딩 렌즈를 포함하는 질량 분석기에 관한 것이다.
반도체 제조 현장에서 공정 상태를 확인하기 위하여 여러 이온 또는 원소의 농도, 분포 등을 측정 및 분석할 수 있는 방법이 요구되고 있다. 또한, 대기 및 수질의 오염이 가속화됨에 따라 환경 현장에서 오염 정도 등을 측정 및 분석할 수 있는 방법이 요구되고 있다. 이러한 측정 및 분석을 위해 질량 분석기(mass spectrometer)가 사용될 수 있다.
질량 분석기는 질량 분석으로 화학 작용제 등을 식별 또는 분석하는 기기이다. 이러한 질량 분석기는 물질의 질량을 질량 대 전하의 비(mass-to-charge ratio)로 측정하여 시료의 구성성분을 분석할 수 있다. 질량 분석기 내에서 다양한 방법을 사용하여 시료가 이온화될 수 있다. 이온화된 시료는 전기장 및/또는 자기장을 지나면서 가속화될 수 있다. 즉, 이온화된 시료의 일부 또는 전부는 전기장 및/또는 자기장 등에 의해 경로가 휘어질 수 있다. 검출기는 이온화된 시료를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 기술적 과제는 분석 대상 이온들의 투과율(transmission efficiency)이 높고 분해능(resolution) 및 측정 정확도가 개선된 질량 분석기를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 질량 분석기는 시료 도입부, 상기 시료 도입부와 연결되며, 상기 시료 도입부로부터 도입된 시료를 이온화시키도록 구성되는 이온화부, 상기 이온화부에 인접하는 추출 렌즈 구조체 및 상기 추출 렌즈 구조체로부터 추출된 이온 빔을 가이딩하도록 구성되는 제1 및 제2 가이딩 렌즈들을 포함하는 이온 렌즈부, 및 상기 이온 빔을 검출하도록 구성되는 검출부를 포함하되, 상기 추출 렌즈 구조체의 중심축은 제1 방향으로 연장되는 제1 축이고, 상기 제1 가이딩 렌즈의 중심축은 상기 제1 축과 제1 거리만큼 이격되는 제2 축이고, 상기 제2 가이딩 렌즈의 중심축은 상기 제2 축과 제2 거리만큼 이격되는 제3 축일 수 있다.
상기 제1 가이딩 렌즈의 내부 공간은 상기 제1 가이딩 렌즈의 전면 개구로부터 상기 제1 방향으로 연장되는 제1 공간, 상기 제1 공간으로부터 상기 제1 방향에 대하여 기울어진 방향으로 연장되는 제2 공간, 및 상기 제2 공간으로부터 상기 제1 가이딩 렌즈의 후면 개구를 향해 상기 제1 방향으로 연장되는 제3 공간을 포함할 수 있다.
상기 제1 공간의 중심축은 상기 제1 축과 일치하고, 상기 제2 공간의 중심축은 상기 제1 축에 대하여 기울기를 가지며, 상기 제2 축과 교차하고, 상기 제3 공간의 중심축은 상기 제3 축과 일치할 수 있다.
상기 제1 가이딩 렌즈는 균일한 개구 폭을 갖는 복수의 이온 렌즈들을 포함할 수 있다.
상기 제1 가이딩 렌즈는 상기 추출 렌즈 구조체와 상기 제2 가이딩 렌즈 사이의 제1 부분, 및 상기 제1 부분과 상기 제2 가이딩 렌즈 사이에서 상기 제1 부분과 일체로 연결되는 제2 부분을 포함하되, 상기 제1 부분은 속이 빈 기둥 형상을 그의 중심축을 포함하는 평면으로 자른 것과 같은 형상을 갖고, 상기 제2 부분은 속이 빈 기둥 형상을 갖고, 상기 제2 축은 상기 제2 부분의 내부 공간의 중심축으로 정의될 수 있다.
상기 제1 부분의 하부는 상기 추출 렌즈 구조체와 상기 제2 부분 사이의 빈 공간을 향해 열릴 수 있다.
상기 제2 부분은 상기 제2 가이딩 렌즈와 접촉할 수 있다.
상기 제2 가이딩 렌즈는 관통 홀을 갖는 판 형상을 갖고, 상기 제3 축은 상기 관통 홀의 중심축으로 정의될 수 있다.
상기 제1 거리 및 상기 제2 거리 각각은 1 mm 내지 3 mm일 수 있다.
상기 제2 거리는 상기 제1 거리보다 작을 수 있다.
상기 이온화부 및 상기 이온 렌즈부 사이의 인터페이스부, 및 상기 이온 렌즈부 및 상기 검출부 사이의 질량 분리부를 더 포함할 수 있다.
상기 추출 렌즈 구조체는 상기 인터페이스부에 인접하는 제1 추출 렌즈, 및 상기 제1 추출 렌즈와 상기 제1 가이딩 렌즈 사이의 제2 추출 렌즈를 포함하되, 상기 제1 및 제2 추출 렌즈들 각각은 속이 빈 콘 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 추출 렌즈는 그의 측벽을 관통하여 그의 내측벽을 노출시키는 적어도 하나 이상의 측면 개구를 가질 수 있다.
상기 시료 도입부는 액체 상태의 시료를 에어로졸(aerosol) 상태로 바꾸도록 구성되는 네뷸라이저, 및 상기 네뷸라이저와 연결되며, 온도 제어를 통해 상대적으로 크기가 작은 에어로졸만이 상기 이온화부로 이동할 수 있도록 에어로졸의 흐름을 제어하도록 구성되는 스프레이 챔버를 포함할 수 있다.
상기 이온화부는 상기 시료 도입부의 상기 스프레이 챔버와 연결되고, 가장 안쪽에 배치되는 제1 튜브, 단부가 상기 이온 렌즈부를 향하고, 가장 바깥쪽에 배치되는 제3 튜브, 상기 제1 튜브 및 상기 제3 튜브 사이에 배치되는 제2 튜브, 및 상기 제3 튜브의 외부를 감싸는 나선 형상을 갖는 유도 코일을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 질량 분석기는 제1 중심축을 갖는 추출 렌즈 구조체, 상기 제1 중심축과 이격된 제2 중심축을 갖는 제1 가이딩 렌즈, 및 상기 제2 중심축과 이격된 제3 중심축을 갖는 제2 가이딩 렌즈를 포함하는 이온 렌즈부에 의해 분석 대상 이온들의 투과율을 높일 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 질량 분석기의 분해능 및 측정 정확도가 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 질량 분석기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부를 설명하기 위한 확대도로, 도 1의 A 부분에 대응된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부를 보다 상세하게 설명하기 위한 확대도로, 도 2의 B 부분에 대응된다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부 내에서의 이온 빔의 경로 및 투과율을 설명하기 위한 시뮬레이션 그림들이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부를 설명하기 위한 확대도로, 도 1의 A 부분에 대응된다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부 내에서의 이온 빔의 경로 및 투과율을 설명하기 위한 시뮬레이션 그림들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 '상(上)에' 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 질량 분석기의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 질량 분석기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 질량 분석기는 시료 도입부(10), 이온화부(20), 인터페이스부(30), 이온 렌즈부(40), 반응부(50), 질량 분리부(60) 및 검출부(70)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 질량 분석기는 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma; ICP)를 이용하는 질량 분석기인 것으로 도시 및 설명되었으나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 본 발명에 따른 질량 분석기는 이하에서 도시 및 설명하는 이온 렌즈부(40)를 포함하는 다양한 방식의 질량 분석기일 수 있다.
시료 도입부(10)는 네뷸라이저(11) 및 스프레이 챔버(12)를 포함할 수 있다. 네뷸라이저(11)는 액체 상태의 시료를 에어로졸(aerosol) 상태로 바꾸어 스프레이 챔버(12) 내부로 주입할 수 있다. 스프레이 챔버(12)는 네뷸라이저(11)와 연결될 수 있다. 스프레이 챔버(12)는 시료의 변동을 줄이고, 후술하는 이온화부(20)로 이동하는 시료의 크기 및 양을 일정하게 할 수 있다. 구체적으로, 스프레이 챔버(12)는 온도 제어를 통해 상대적으로 크기가 큰 에어로졸을 제거하고 상대적으로 크기가 작은 에어로졸만이 이온화부(20)로 이동할 수 있도록 에어로졸의 흐름을 제어할 수 있다. 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 가스 공급관을 통해 네뷸라이저(11) 및/또는 스프레이 챔버(12)에 캐리어 가스(carrier gas)가 공급될 수 있다. 캐리어 가스는 시료가 플라즈마(P)로 도입되도록 할 수 있다.
이온화부(20)는 시료 도입부(10)와 연결될 수 있다. 이온화부(20)는, 예를 들어, 플라즈마 토치(plasma torch)로 지칭될 수 있다. 이온화부(20)는 제1 튜브(21), 제2 튜브(22), 제3 튜브(23) 및 유도 코일(26)을 포함할 수 있다.
제1 튜브(21)는 시료 도입부(10)의 스프레이 챔버(12)와 연결될 수 있고, 이온화부(20)의 가장 안쪽에 배치될 수 있다. 제3 튜브(23)는 이온화부(20)의 가장 바깥쪽에 배치될 수 있고, 제2 튜브(22)는 제1 튜브(21)와 제3 튜브(23) 사이에 배치될 수 있다. 제2 튜브(22) 및 제3 튜브(23)는 각각 제1 가스 공급관(24) 및 제2 가스 공급관(25)과 연결될 수 있다. 제1 내지 제3 튜브들(201, 202, 203)은 각각 제1 방향(D1)으로 연장되는 속이 빈 기둥 형상을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 튜브들(201, 202, 203)은, 제1 방향(D1)과 직교하는 평면으로 자른 단면적 관점에서, 중심축들이 서로 일치하는 동심원 형상을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 튜브들(201, 202, 203)은, 예를 들어, 석영(Quartz), 알루미나(Alumina), 플래티넘(Platinum) 또는 사파이어(Sapphire)로 이루어질 수 있다.
제1 튜브(21)를 통해 시료 및 캐리어 가스가 이동할 수 있고, 제1 가스 공급관(24) 및 제2 튜브(22)를 통해 보조 가스(auxiliary gas)가 이동할 수 있으며, 제2 가스 공급관(25) 및 제3 튜브(23)를 통해 냉각 가스(coolant gas)가 이동할 수 있다. 보조 가스는 플라즈마(P)와의 접촉으로 제1 및 제2 튜브들(201, 202)의 단부가 손상되는 것을 방지 또는 최소화할 수 있다. 냉각 가스는 플라즈마(P)와의 접촉으로 제3 튜브(23)의 내벽이 손상되는 것을 방지 또는 최소화할 수 있다. 캐리어 가스, 보조 가스 및 냉각 가스는, 예를 들어, 아르곤(Ar)을 포함할 수 있다.
유도 코일(26)은, 예를 들어, 제3 튜브(23) 외부를 적어도 2회 이상 감싸는 나선 형상을 가질 수 있다. 유도 코일(26)은 이온화부(20) 내부에 시간적으로 변화하는 강한 전자기장을 생성할 수 있다. 유도 코일(26)에 의해 생성된 전자기장은 내부의 가스를 방전시켜 플라즈마(P)를 생성할 수 있다. 고온의 플라즈마(P)는 시료 도입부(10)로부터 도입된 에어로졸 상태의 시료를 이온화시킬 수 있다.
실시예들에 따르면, 이온화부(20)는 유도 코일(26)과 연결되는 고전력의 RF 전원 및 유도 코일(26)과 제3 튜브(23)의 외벽 사이의 차폐판을 더 포함할 수 있다.
인터페이스부(30)는 이온화부(20)에서 생성된 플라즈마(P)로부터 이온화된 시료를 이온 빔의 형태로 추출할 수 있다. 인터페이스부(30)는 제1 방향(D1)으로 이온화부(20)에 인접할 수 있다. 인터페이스부(30)는 챔버(CH)에 연결될 수 있다. 인터페이스부(30)는 이온화부(20)와 챔버(CH) 사이에 제공될 수 있다. 인터페이스부(30)는 이온 빔을 추출하는 샘플러 콘(sampler cone) 및 스키머 콘(skimmer cone)을 포함할 수 있다. 샘플러 콘 및 스키머 콘은, 예를 들어, 제1 방향(D1)으로 갈수록 제2 방향(D2)으로의 폭이 커지는 속이 빈 콘 형상을 가질 수 있다.
챔버(CH)의 내부에 이온 렌즈부(40), 반응부(50), 질량 분리부(60) 및 검출부(70)가 제공될 수 있다. 챔버(CH)의 내부는 진공 상태로 유지될 수 있다. 이온 렌즈부(40), 반응부(50), 질량 분리부(60) 및 검출부(70) 중 적어도 하나 이상은, 예를 들어, 챔버(CH) 내부의 서브-챔버들 내에 제공될 수 있고, 서브-챔버들은 챔버(CH)의 내부와 다른 진공 상태로 유지될 수 있다. 이온 렌즈부(40), 반응부(50), 질량 분리부(60) 및 검출부(70)는, 예를 들어, 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이온 렌즈부(40)는 인터페이스부(30)와 반응부(50) 사이에 제공될 수 있다. 실시예들에 따르면, 이온 렌즈부(40)의 적어도 일부는 인터페이스부(30)와 연결 및/또는 중첩될 수 있다. 이온 렌즈부(40)는 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있고, 하나 이상의 렌즈를 통해 포톤, 중성 입자 등을 차단하고 분석 대상이 되는 이온들(이하, 분석 대상 이온들)의 경로를 제어할 수 있다. 이하에서, 도 2, 도 3 및 도 6을 참조하여 이온 렌즈부(40)의 세부 구성에 대하여 상세히 설명한다.
반응부(50)는 이온 렌즈부(40)와 질량 분리부(60) 사이에 제공될 수 있다. 반응부(50)는 충돌/반응 셀(collision/reaction cell)로 지칭될 수 있다. 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 가스 공급관을 통해 반응부(50)에 충돌/반응 가스가 공급될 수 있다. 충돌/반응 가스는 반응부(50) 내부의 다양한 이온들과 충돌할 수 있고, 방해 이온들(예를 들어, 40Ar, 40Ar16O, 38ArH 등)을 비방해종으로 변환시키거나 분석 대상 이온들을 다른 질량을 갖는 이온들로 변환시킬 수 있다.
질량 분리부(60)는 반응부(50)와 검출부(70) 사이에 제공될 수 있다. 질량 분리부(60)는, 예를 들어, 사중극자(quadrupole) 방식, 이중 집속 자기 섹터(double focusing magnetic sector) 방식 또는 비행시간(time-of-flight) 방식을 이용할 수 있고, 이온들을 질량 대 전하 비(m/z)에 따라 분리할 수 있다. 도시된 바와 달리, 이온 렌즈부(40)와 반응부(50) 사이에 또 다른 질량 분리부(60)가 추가로 제공될 수 있다.
검출부(70)는 질량 분리부(60)의 말단과 인접할 수 있고, 질량 분리부(60)에서 분리된, 분석 대상 이온들의 질량 스펙트럼을 검출할 수 있다. 검출부(70)는, 예를 들어, 채널 전자 증배기(channel electron multiplier), 패러데이 컵(Faraday cup) 또는 이산 다이노드 전자 증배기(discrete dynode electron multiplier)를 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부를 설명하기 위한 확대도로, 도 1의 A 부분에 대응된다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부를 보다 상세하게 설명하기 위한 확대도로, 도 2의 B 부분에 대응된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부(40)는 추출 렌즈 구조체(ES), 제1 가이딩 렌즈(GL1) 및 제2 가이딩 렌즈(GL2)를 포함할 수 있다. 추출 렌즈 구조체(ES)는 제1 추출 렌즈(EL1) 및 제2 추출 렌즈(EL2)를 포함할 수 있다. 제1 추출 렌즈(EL1), 제2 추출 렌즈(EL2), 제1 가이딩 렌즈(GL1) 및 제2 가이딩 렌즈(GL2)는 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있다. 이때, 추출 렌즈들(EL1, EL2)의 개수 및 가이딩 렌즈들(GL1, GL2)의 개수는 예시적인 것일 뿐이고, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
추출 렌즈 구조체(ES)는 인터페이스부(30)에 인접하게 배치될 수 있다. 제1 추출 렌즈(EL1)는 인터페이스부(30)와 제2 추출 렌즈(EL2) 사이에 제공될 수 있고, 제2 추출 렌즈(EL2)는 제1 추출 렌즈(EL1)와 제1 가이딩 렌즈(GL1) 사이에 제공될 수 있다. 제1 및 제2 추출 렌즈들(EL1, EL2) 각각은, 예를 들어, 제1 방향(D1)으로 갈수록 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3)으로의 폭이 커지는 속이 빈 콘 형상을 가질 수 있다.
추출 렌즈 구조체(ES)의 중심축(즉, 제1 및 제2 추출 렌즈들(EL1, EL2) 각각의 중심축)은 제1 방향(D1)으로 연장되는 제1 축(AX1)으로 정의될 수 있다. 제1 추출 렌즈(EL1)의 중심축은 제2 추출 렌즈(EL2)의 중심축과 일치할 수 있다. 제1 및 제2 추출 렌즈들(EL1, EL2) 각각은 제1 축(AX1)을 중심으로 대칭적인 형상을 가질 수 있다. 제1 및 제2 추출 렌즈들(EL1, EL2) 각각은 전면 및 후면에 개구들을 가질 수 있다. 본 명세서에서, 전면은 이온화부(20) 및 인터페이스부(30)를 향하는 방향(즉, 제1 방향(D1)의 반대 방향)의 면을 의미하고, 후면은 반응부(50)를 향하는 방향(즉, 제1 방향(D1))의 면을 의미한다. 전면 및 후면은 제1 방향(D1)과 직교하고 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3)과 나란한 면들일 수 있다.
제1 추출 렌즈(EL1)는 인터페이스부(30)를 향하는 제1 전면 개구(110), 및 제1 가이딩 렌즈(GL1)를 향하는 제1 후면 개구(130)를 가질 수 있다. 제1 전면 개구(110)의 직경은 제1 후면 개구(130)의 직경보다 작을 수 있다. 실시예들에 따르면, 제1 추출 렌즈(EL1)는 그의 측벽을 관통하여 그의 내측벽을 노출시키는 적어도 하나 이상의 측면 개구를 가질 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
제2 추출 렌즈(EL2)는 제1 추출 렌즈(EL1)의 제1 전면 개구(110)를 향하는 제2 전면 개구(210), 및 제1 가이딩 렌즈(GL1)를 향하는 제2 후면 개구(230)를 가질 수 있다. 제2 전면 개구(210)의 직경은 제2 후면 개구(230)보다 작을 수 있다. 제2 전면 개구(210)의 직경은 제1 후면 개구(130)의 직경보다 작을 수 있다.
제2 추출 렌즈(EL2)의 적어도 일부는 제1 추출 렌즈(EL1)와 제2 방향(D2)으로 중첩될 수 있다. 다시 말하면, 제2 추출 렌즈(EL2)의 적어도 일부는 제1 추출 렌즈(EL1)의 내부에 위치할 수 있다.
제1 및 제2 추출 렌즈들(EL1, EL2)에 제1 전압 인가부들이 각각 연결될 수 있다. 실시예들에 따르면, 제1 전압 인가부들은 제1 추출 렌즈(EL1)의 제1 후면 개구(130) 및 제2 추출 렌즈(EL2)의 제2 후면 개구(230)에 각각 인접할 수 있다. 제1 전압 인가부들 각각에 인가된 전압에 의해 제1 및 제2 추출 렌즈들(EL1, EL2)은 이온화부(20) 및 인터페이스부(30)를 통과한 이온 빔을 추출할 수 있다.
제1 및 제2 가이딩 렌즈들(GL1, GL2)은 반응부(50)에 인접하게 배치될 수 있다. 제1 가이딩 렌즈(GL1)는 추출 렌즈 구조체(ES)와 제2 가이딩 렌즈(GL2) 사이에 제공될 수 있고, 제2 가이딩 렌즈(GL2)는 제1 가이딩 렌즈(GL1)와 반응부(50) 사이에 제공될 수 있다. 실시예들에 따르면, 제1 가이딩 렌즈(GL1)는 추출 렌즈 구조체(ES)의 제2 추출 렌즈(EL2)와 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 및 제2 가이딩 렌즈들(GL1, GL2) 각각은 전면 및 후면에 개구들을 가질 수 있다.
제1 가이딩 렌즈(GL1)는 제2 추출 렌즈(EL2)의 제2 후면 개구(230)를 향하는 제3 전면 개구(310), 및 제2 가이딩 렌즈(GL2)를 향하는 제3 후면 개구(330)를 가질 수 있다. 제3 전면 개구(310)의 직경은 제3 후면 개구(330)의 직경과 실질적으로 동일할 수 있다.
제3 전면 개구(310)로부터 제3 후면 개구(330)로 이어지는 제1 가이딩 렌즈(GL1)의 내부 공간의 중심축은 제1 방향(D1)으로 연장되며 제1 축(AX1)과 제3 방향(D3)으로 이격되는 제2 축(AX2)으로 정의될 수 있다. 제2 축(AX2)과 제3 전면 개구(310)의 최고점 사이의 거리는 제2 축(AX2)과 제3 후면 개구(330)의 최저점 사이의 거리와 동일할 수 있다. 본 명세서에서, 제1 가이딩 렌즈(GL1)의 중심축은 제1 가이딩 렌즈(GL1)의 내부 공간의 중심축을 의미한다. 제2 축(AX2)은 제1 축(AX1)으로부터 제3 방향(D3)으로 제1 거리(OAD1)만큼 이격될 수 있다. 제1 거리(OAD1)는, 예를 들어, 약 1 mm 내지 약 3 mm일 수 있다.
제1 가이딩 렌즈(GL1)의 내부 공간은 제3 전면 개구(310)로부터 제1 방향(D1)으로 연장되는 제1 공간(GL1P1), 제1 공간(GL1P1)으로부터 제1 방향(D1)에 대하여 기울어진 방향으로 연장되는 제2 공간(GL1P2), 및 제2 공간(GL1P2)으로부터 제3 후면 개구(330)를 향해 제1 방향(D1)으로 연장되는 제3 공간(GL1P3)을 포함할 수 있다.
제1 공간(GL1P1)의 중심축(P1AX)은 제1 축(AX1)과 일치할 수 있다. 제2 공간(GL1P2)의 중심축(P2AX)은 제1 축(AX1)에 대하여 기울기를 가질 수 있다. 제2 공간(GL1P2)의 중심축(P2AX)은 제2 축(AX2)과 교차할 수 있다. 제3 공간(GL1P3)의 중심축(P3AX)은 제2 공간(GL1P2)의 중심축(P2AX)에 대하여 기울기를 가질 수 있고, 제1 공간(GL1P1)의 중심축(P1AX)과 평행할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 가이딩 렌즈(GL1)는 균일한 개구 폭을 갖는 복수의 이온 렌즈들의 집합과 같을 수 있다. 이때, 제1 공간(GL1P1)의 중심축(P1AX)은 제1 공간(GL1P1)의 개구들의 중심들을 연결한 선이고, 제2 공간(GL1P2)의 중심축(P2AX)은 제2 공간(GL1P2)의 개구들의 중심들을 연결한 선이며, 제3 공간(GL1P3)의 중심축(P3AX)은 제3 공간(GL1P3)의 개구들의 중심들을 연결한 선이다. 복수의 이온 렌즈들의 개구들은 제3 전면 개구(310)와 제3 후면 개구(330) 사이에 배열될 수 있다. 이때, 제1 공간(GL1P1)의 중심축(P1AX), 제2 공간(GL1P2)의 중심축(P2AX), 및 제3 공간(GL1P3)의 중심축(P3AX)에서 전기장의 세기는 균일할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 제2 가이딩 렌즈(GL2)는 그의 일 영역을 관통하는 관통 홀(400)을 갖는 판 형상을 가질 수 있다. 판 형상을 갖는 제2 가이딩 렌즈(GL2)는 관통 홀(400)을 통해서, 제1 가이딩 렌즈(GL1)에 의해 경로가 휘어지는 분석 대상 이온들을 손실 없이 끌어당길 수 있다. 관통 홀(400)의 중심축은 제3 축(AX3)으로 정의될 수 있다. 본 명세서에서, 제2 가이딩 렌즈(GL2)의 중심축은 관통 홀(400)의 중심축을 의미한다. 제3 축(AX3)은 제1 가이딩 렌즈(GL1)의 제3 공간(GL1P3)의 중심축(P3AX)과 일치할 수 있다. 제3 축(AX3)은 제1 축(AX1)과 평행할 수 있다. 제3 축(AX3)은 제2 축(AX2)으로부터 제3 방향(D3)으로 제2 거리(OAD2)만큼 이격될 수 있다. 제2 거리(OAD2)는, 예를 들어, 약 1 mm 내지 3 mm일 수 있다. 실시예들에 따르면, 제2 거리(OAD2)는 제1 거리(OAD1)와 다를 수 있다. 예를 들어, 제2 거리(OAD2)는 제1 거리(OAD1)보다 작을 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
제1 및 제2 가이딩 렌즈들(GL1, GL2)에 제2 전압 인가부들이 각각 연결될 수 있다. 제2 전압 인가부들 각각에 인가된 전압에 의해 제1 및 제2 가이딩 렌즈들(GL1, GL2)은 제1 및 제2 추출 렌즈들(EL1, EL2)를 통과한 이온 빔의 경로를 제어할 수 있다. 제2 전압 인가부들 각각의 전압은 이온들의 에너지 별로 최적의 경로를 결정하기 위해 조정될 수 있다.
구체적으로, 제1 및 제2 추출 렌즈들(EL1, EL2)을 통과한 이온 빔 중에서, 전하를 가진 이온들은 제2 전압 인가부들 각각에 인가된 전압에 의해 경로가 휘어져 제2 가이딩 렌즈(GL2)의 관통 홀(400)을 통해 반응부(50)로 향할 수 있고, 직진성을 갖는 포톤, 중성 입자 등은 제1 축(AX1)을 따라 제1 방향(D1)으로 진행하여 제2 가이딩 렌즈(GL2)의 후면 개구를 통과하지 못하고 차단될 수 있다. 본 발명에 따른 질량 분석기의 제1 및 제2 가이딩 렌즈들(GL1, GL2)은 포톤, 중성 입자, 준 안정 이온(metastable ion) 등을 차단하고 분석 대상 이온들의 경로를 제어할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 질량 분석기의 측정 정확도가 개선될 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부 내에서의 이온 빔의 경로 및 투과율을 설명하기 위한 시뮬레이션 그림들이다.
보다 구체적으로, 도 4는 제1 방향(D1) 및 제3 방향(D3)과 나란한 평면으로 자른 단면을 나타내는 시뮬레이션 그림이고, 도 5는 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)과 나란한 평면으로 자른 단면을 나타내는 시뮬레이션 그림이다. 이때, 공간 전하 효과에 의한 전류는 약 2 μA이며, 분석 대상 이온들을 포함하는 이온 빔(IB)은 약 40 amu(atomic mass unit) 내지 약 238 amu의 질량 범위를 갖는 것으로 설정되었다.
도 4 및 도 5에서 이온 렌즈들(EL1, EL2, GL1, GL2)을 통과하는 이온들의 투과율을 측정하기 위한 목적으로 후단에 검출기(D)를 배치한 것으로 도시 및 설명되나, 본 발명에 따른 질량 분석기는 이에 제한되지 않으며 이온 렌즈들(EL1, EL2, GL1, GL2)과 검출기(D) 사이에는 반응부(50, 도 1 참조) 및 질량 분리부(60, 도 1 참조)가 제공될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 시뮬레이션 상에서 이온 빔(IB)은 100%의 투과율로 검출기(D)에 도달할 수 있다. 다시 말하면, 제1 축(AX1)을 중심축으로 하는 추출 렌즈 구조체(ES), 제1 축(AX1)과 이격되는 제2 축(AX2)을 중심축으로 하는 제1 가이딩 렌즈(GL1), 및 제2 축(AX2)과 이격되는 제3 축(AX3)을 중심축으로 하는 제2 가이딩 렌즈(GL2)에 의해, 이온 빔(IB)은 온전하게 검출기(D)를 향해 진행할 수 있다. 제2 가이딩 렌즈(GL2)의 전단에서, 이온 빔(IB)의 제3 방향(D3)으로의 폭은 제2 가이딩 렌즈(GL2)의 관통 홀(400, 도 2 참조)의 제3 방향(D3)으로의 폭보다 작거나 같을 수 있고, 이온 빔(IB)의 제2 방향(D2)으로의 폭은 제2 가이딩 렌즈(GL2)의 관통 홀(400, 도 2 참조)의 제2 방향(D2)으로의 폭보다 작거나 같을 수 있다.
본 발명에 따른 질량 분석기는 분석 대상 이온들의 투과율을 높임으로써 분해능 및 측정 정확도를 개선할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부를 설명하기 위한 확대도로, 도 1의 A 부분에 대응된다. 이하에서, 설명의 편의를 위하여 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고 차이점에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 제1 가이딩 렌즈(GL1)는, 예를 들어, 제2 추출 렌즈(EL2)와 제2 가이딩 렌즈(GL2) 사이에 제공되는 제1 부분(GL1a), 및 제1 부분(GL1b)과 일체로 연결되며 제1 부분(GL1a)과 제2 가이딩 렌즈(GL2) 사이에 제공되는 제2 부분(GL1b)을 포함할 수 있다. 제2 부분(GL1b)은 제1 부분(GL1a)의 후면에 연결되어 서로 일체를 이룰 수 있다. 제1 부분(GL1a)은 제2 추출 렌즈(EL2)와 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제2 부분(GL1b)은 제2 가이딩 렌즈(GL2)와 접촉할 수 있다.
제1 부분(GL1a)은 속이 빈 기둥 형상을 그의 중심축을 포함하는 평면으로 자른 것과 같은 형상을 가질 수 있다. 제2 부분(GL1b)은 속이 빈 기둥 형상(예를 들어, 속이 빈 원기둥 형상)을 가질 수 있다. 제1 부분(GL1a)의 하부는 제2 추출 렌즈(EL2)와 제2 부분(GL1b) 사이의 빈 공간을 향해 열릴 수 있고, 제1 부분(GL1a)의 상부는 외부로부터 차단될 수 있다. 본 명세서에서, 하부는 제3 방향(D3)의 반대 방향을 향하는 부분을 의미하고, 상부는 제3 방향(D3)을 향하는 부분을 의미한다. 제2 추출 렌즈(EL2)와 제2 부분(GL1b) 사이에 빈 공간이 제공됨으로써, 분석 대상 이온들의 경로가 안정화될 수 있다.
제1 가이딩 렌즈(GL1)의 제2 부분(GL1b)의 내부 공간의 중심축은 제1 방향(D1)으로 연장되며 제1 축(AX1)과 제3 방향(D3)으로 이격되는 제2 축(AX2)으로 정의될 수 있다. 제1 가이딩 렌즈(GL1)의 제1 부분(GL1a)은 제2 축(AX2)과 제3 방향(D3)으로 이격될 수 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 제1 부분(GL1a)은 제2 축(AX2)보다 아래로 연장될 수도 있다. 본 명세서에서, 제1 가이딩 렌즈(GL1)의 중심축은 제1 가이딩 렌즈(GL1)의 제2 부분(GL1b)의 내부 공간의 중심축을 의미한다. 제2 축(AX2)은 제1 축(AX1)으로부터 제3 방향(D3)으로 제1 거리(OAD1)만큼 이격될 수 있다. 제2 축(AX2)은 제2 가이딩 렌즈(GL2)의 관통 홀(400)의 중심축인 제3 축(AX3)으로부터 제3 방향(D3)으로 제2 거리(OAD2)만큼 이격될 수 있다. 제1 거리(OAD1) 및 제2 거리(OAD2) 각각은, 예를 들어, 약 1 mm 내지 약 3 mm일 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 질량 분석기의 이온 렌즈부 내에서의 이온 빔의 경로 및 투과율을 설명하기 위한 시뮬레이션 그림들이다.
보다 구체적으로, 도 7은 제1 방향(D1) 및 제3 방향(D3)과 나란한 평면으로 자른 단면을 나타내는 시뮬레이션 그림이고, 도 8은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)과 나란한 평면으로 자른 단면을 나타내는 시뮬레이션 그림이다. 이때, 공간 전하 효과에 의한 전류는 약 2 μA이며, 분석 대상 이온들을 포함하는 이온 빔(IB)은 약 40 amu(atomic mass unit) 내지 약 238 amu의 질량 범위를 갖는 것으로 설정되었다.
도 7 및 도 8에서 이온 렌즈들(EL1, EL2, GL1, GL2)을 통과하는 이온들의 투과율을 측정하기 위한 목적으로 후단에 검출기(D)를 배치한 것으로 도시 및 설명되나, 본 발명에 따른 질량 분석기는 이에 제한되지 않으며 이온 렌즈들(EL1, EL2, GL1, GL2)과 검출기(D) 사이에는 반응부(50, 도 1 참조) 및 질량 분리부(60, 도 1 참조)가 제공될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 시뮬레이션 상에서 이온 빔(IB)은 약 82.5%의 투과율로 검출기(D)에 도달할 수 있다. 다시 말하면, 제1 축(AX1)을 중심축으로 하는 추출 렌즈 구조체(ES), 제1 축(AX1)과 이격되는 제2 축(AX2)을 중심축으로 하는 제1 가이딩 렌즈(GL1), 및 제2 축(AX2)과 이격되는 제3 축(AX3)을 중심축으로 하는 제2 가이딩 렌즈(GL2)에 의해, 이온 빔(IB)은 높은 투과율로 검출기(D)를 향해 진행할 수 있다. 제2 가이딩 렌즈(GL2)의 전단에서, 이온 빔(IB)의 제3 방향(D3)으로의 폭은 제2 가이딩 렌즈(GL2)의 관통 홀(400, 도 2 참조)의 제3 방향(D3)으로의 폭보다 작거나 같을 수 있고, 이온 빔(IB)의 제2 방향(D2)으로의 폭은 제2 가이딩 렌즈(GL2)의 관통 홀(400, 도 2 참조)의 제2 방향(D2)으로의 폭보다 작거나 같을 수 있다.
본 발명에 따른 질량 분석기는 분석 대상 이온들의 투과율을 높임으로써 분해능 및 측정 정확도를 개선할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (15)

  1. 시료 도입부;
    상기 시료 도입부와 연결되며, 상기 시료 도입부로부터 도입된 시료를 이온화시키도록 구성되는 이온화부;
    상기 이온화부에 인접하는 추출 렌즈 구조체 및 상기 추출 렌즈 구조체로부터 추출된 이온 빔을 가이딩하도록 구성되는 제1 및 제2 가이딩 렌즈들을 포함하는 이온 렌즈부; 및
    상기 이온 빔을 검출하도록 구성되는 검출부를 포함하되,
    상기 추출 렌즈 구조체의 중심축은 제1 방향으로 연장되는 제1 축이고,
    상기 제1 가이딩 렌즈의 중심축은 상기 제1 축과 제1 거리만큼 이격되는 제2 축이고,
    상기 제2 가이딩 렌즈의 중심축은 상기 제2 축과 제2 거리만큼 이격되는 제3 축이며,
    상기 제1 가이딩 렌즈의 내부 공간은:
    상기 제1 가이딩 렌즈의 전면 개구로부터 상기 제1 방향으로 연장되는 제1 공간;
    상기 제1 공간으로부터 상기 제1 방향에 대하여 기울어진 방향으로 연장되는 제2 공간; 및
    상기 제2 공간으로부터 상기 제1 가이딩 렌즈의 후면 개구를 향해 상기 제1 방향으로 연장되는 제3 공간을 포함하는 질량 분석기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 공간의 중심축은 상기 제1 축과 일치하고,
    상기 제2 공간의 중심축은 상기 제1 축에 대하여 기울기를 가지며, 상기 제2 축과 교차하고,
    상기 제3 공간의 중심축은 상기 제3 축과 일치하는 질량 분석기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 가이딩 렌즈는 균일한 개구 폭을 갖는 복수의 이온 렌즈들을 포함하는 질량 분석기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 가이딩 렌즈는 관통 홀을 갖는 판 형상을 갖고,
    상기 제3 축은 상기 관통 홀의 중심축으로 정의되는 질량 분석기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 거리 및 상기 제2 거리 각각은 1 mm 내지 3 mm인 질량 분석기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 거리는 상기 제1 거리보다 작은 질량 분석기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온화부 및 상기 이온 렌즈부 사이의 인터페이스부; 및
    상기 이온 렌즈부 및 상기 검출부 사이의 질량 분리부를 더 포함하는 질량 분석기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 추출 렌즈 구조체는 상기 인터페이스부에 인접하는 제1 추출 렌즈, 및 상기 제1 추출 렌즈와 상기 제1 가이딩 렌즈 사이의 제2 추출 렌즈를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 추출 렌즈들 각각은 속이 빈 콘 형상을 갖는 질량 분석기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 추출 렌즈는 그의 측벽을 관통하여 그의 내측벽을 노출시키는 적어도 하나 이상의 측면 개구를 갖는 질량 분석기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 시료 도입부는:
    액체 상태의 시료를 에어로졸(aerosol) 상태로 바꾸도록 구성되는 네뷸라이저; 및
    상기 네뷸라이저와 연결되며,온도 제어를 통해 상대적으로 크기가 작은 에어로졸만이 상기 이온화부로 이동할 수 있도록 에어로졸의 흐름을 제어하도록 구성되는 스프레이 챔버를 포함하는 질량 분석기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 이온화부는:
    상기 시료 도입부의 상기 스프레이 챔버와 연결되고, 가장 안쪽에 배치되는 제1 튜브;
    단부가 상기 이온 렌즈부를 향하고, 가장 바깥쪽에 배치되는 제3 튜브;
    상기 제1 튜브 및 상기 제3 튜브 사이에 배치되는 제2 튜브; 및
    상기 제3 튜브의 외부를 감싸는 나선 형상을 갖는 유도 코일을 포함하는 질량 분석기.
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