KR20220089616A - 비행시간 기반 잔류가스 분석장치 - Google Patents

비행시간 기반 잔류가스 분석장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면은, 잔류가스 분석에 비행시간형 방식을 도입하여 필라멘트의 열전자에 의해 발생된 이온들을 한번에 동시에 모두 측정함으로서 식별력이 우수하면서도 실시간 모니터링이 가능한 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 제공하는 것에 있으며, 이러한 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치는, 반도체 또는 디스플레이 공정에서 웨이퍼 또는 글라스가 가공되는 공정챔버;와, 공정챔버의 배기가스관과 연결되어 배기가스가 도입되는 가스 도입부;와, 가스 도입부에서 도입된 가스를 열전자를 이용하여 이온화함과 동시에 이온을 이동시키는 가스 이온화부;와, 가스 이온화부에서 생성된 이온들의 비행경로를 제어하여 측정 감도를 높이게 하는 이온 비행경로 제어부;와, 이온 비행경로 제어부에서 비행경로가 제어된 이온들이 비행공간으로 등속도 이동하는 비행시간 분리부;와, 비행시간 분리부를 통과한 상기 이온을 감지하여 측정하는 이온 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

비행시간 기반 잔류가스 분석장치{Time-of-Flight-Based Residual Gas Analizer}
본 발명은 비행시간 기반 잔류가스 분석장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 잔류가스 분석에 비행시간형 방식을 도입하여 필라멘트의 열전자에 의해 발생된 이온들을 한번에 동시에 모두 측정함으로서 식별력이 우수하면서도 실시간 모니터링이 가능한 비행시간 기반 잔류가스 분석장치에 관한 것이다.
본 발명은 비행시간 기반 잔류가스 분석장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비행시간형 질량분석기에서 분석가능하도록 기체 성분을 이온화하기 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명은 경기도가 지원하며 차세대융합기술연구원에서 전담하는 소재부품장비산업 자립화 연구지원사업의 일환으로 출원된 특허이며, 관련사항은 아래와 같다.
전담기관 : 차세대융합기술연구원(경기도 소재부품장비 연구사업단)
총수행기관 : 2020.06.01~2021.12.31(19개월)
과제명 : TOF(Time-of-flight) 질량분석 방식을 적용한 고속 잔류기체 분석기 개발
연구기관(주관기관) : 주식회사 아스타
연구기관(참여기관) : 원광대학교, 한국기초과학지원연구원
과제관리번호 : AICT-016-T2
일반적으로 반도체 장치 또는 평판디스플레이 장치는 기판 상에 확산, 증착, 사진, 식각, 이온 주입 등의 공정을 선택적이고도 반복적으로 수행하여 제조한다. 이들 제조공정 중에서 식각, 확산, 증착 공정 등은 밀폐된 공정챔버 내에 소정의 분위기에서 공정가스를 투입함으로써 공정챔버 내의 기판 상에서 반응이 일어나도록 공정을 수행하게 된다.
이러한 반도체 공정에서 수율을 향상시키기 위하여 공정 중에 발생하는 사고를 미리 방지하고 장비의 오동작 등을 사전에 방지하기 위해 공정의 상태를 실시간으로 모니터링하여 이상 상태 발생시 공정을 중단시키는 등의 조치를 취하여 불량률을 낮춤으로써 공정을 최적화하는 것이 필요하다.
즉, 공정챔버에서 배기되는 가스의 종류나 농도의 변화를 실시간으로 모니터링하여 공정의 진행 상황 및 공정 장비의 상태를 유추 해석할 수 있으며, 그 결과에 따라 최적의 공정이 이루어지도록 공정 장비를 제거하거나 유지 보수할 수 있다.
이를 위하여, 공정챔버와는 별도로 공정챔버의 배기관에 연결되는 셀프 플라즈마 챔버를 마련하고, 이에 센서부를 설치하여 플라즈마 공정을 모니터링하는 셀프 플라즈마 발광분광기(SPOES, Self-Plasma Optical Emission Spectroscopy)가 사용되고 있다. 셀프 플라즈마 발광분광기(SPOES)의 최대 장점은 공정 장비에 영향을 주지 않으면서 공정을 진단할 수 있고, 장비의 메인 챔버에서 플라즈마 방전이 발생하지 않는 RPS(Remote Plasma System) 등에 적용이 가능하며, 설치, 분해, 이동 및 운용이 용이하고 저렴한 가격 등 많은 장점이 있다.
특히, 플라즈마 이온 발생원을 갖는 QMS-RGA(Quadrupole Mass Spectrometer-Residual Gas Analayzer)가 사용된다. QMS-RGA는 잔류 가스를 샘플링하여 전위차를 이용하여 가속된 전자와 충돌시켜 이온화시킨 후 사중극자 질량분석기(Quadruole Mass Spectrometer)를 이용하여 직류와 교류를 일정하게 유지하며 전압의 크기에 따라 특정의 질량대 전하비(m/z)를 갖는 이온만을 통과하게 하여 질량 스펙트럼을 얻게 된다.
하지만, 종래의 QMS-RGA는 사중극자 방식으로 필라멘트에 전류를 흘려주어 이 때 방출된 열전자를 가속시켜 중성분자 혹은 원자와 충돌하여 이온화가 되며 생성된 이온들은 4개의 평행한 금속봉으로 이루어져 있는 구조에 2개의 전극들을 전기적으로 연결하여 2쌍을 만들고 각각 다른 극성의 전압을 걸어 주어 선택적으로 이온을 통과 시키면서 검출기에서 측정하는 방식으로 동시에 실시간으로 진공 공정내의 가스를 분석하기에는 어려움이 있다.
본 발명의 일 측면은, 잔류가스 분석에 비행시간형 방식을 도입하여 필라멘트의 열전자에 의해 발생된 이온들을 한번에 동시에 모두 측정함으로서 식별력이 우수하면서도 실시간 모니터링이 가능한 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 측면은, 횡방향 및 종방향으로 서로 직교하도록 형성되어 있는 열전자 통과공을 구비한 일렉트론 렌즈를 이용하여, 열전자 통과공의 종횡비를 조절하거나 또는 각 전극에 인가되는 전압을 조정함에 따라 주입되는 가스에 적합하게 최적의 상태로 구현되는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 이온의 비행경로 중간에 이온의 비행경로를 조절해주는 이온 비행경로 제어부를 구비하여 이온들의 측정 감도를 높일 수 있는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치는, 반도체 또는 디스플레이 공정에서 웨이퍼 또는 글라스가 가공되는 공정챔버;와, 상기 공정챔버의 배기가스관과 연결되어 배기가스가 도입되는 가스 도입부;와, 상기 가스 도입부에서 도입된 가스를 열전자를 이용하여 이온화함과 동시에 상기 이온을 이동시키는 가스 이온화부;와, 상기 가스 이온화부에서 생성된 상기 이온들의 비행경로를 제어하여 측정 감도를 높이게 하는 이온 비행경로 제어부;와, 상기 이온 비행경로 제어부에서 비행경로가 제어된 상기 이온들이 비행공간으로 등속도 이동하는 비행시간 분리부;와, 상기 비행시간 분리부를 통과한 상기 이온을 감지하여 측정하는 이온 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 이온화부는, 열전자의 흐름을 생성하는 열전자원 필라멘트;와, 상기 열전자원 필라멘트의 후단에 배치되는 열전자원 리펠러;와, 상기 열전자원 필라멘트의 전단에 배치되어 상기 열전자원 리펠러를 사이에 두고 상기 열전자를 상기 주입되는 가스 측으로 이동시키는 열전자원 콜렉터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 이온화부는, 상기 열전자원 필라멘트 전단에 배치되되 상기 열전자의 비행경로와 초점을 제어하여 상기 열전자 및 주입되는 가스의 이온화율을 높이도록 하는 일렉트론 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 이온화부는, 상기 일렉트론 렌즈에 비행경로와 초점이 제어된 열전자에 의해 상기 주입된 가스로부터 생성된 이온들을 익스트렉터 플레이트에 인가된 전압차에 의해 펄싱되어 상기 이온 검출부 측으로 가속되게 하는 익스트렉터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 익스트렉터는, 상기 이온을 집적(focusing)하여 상기 비행시간 분리부로 방출하는 이온 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비행시간 분리부는, 상기 복수의 반사 전극이 배치된 이온 반사기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이온 비행경로 제어부와 상기 비행시간 분리부 사이에는, 사중극 매스 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치는, 반도체 또는 디스플레이 제조용 공정챔버와, 상기 공정챔버에서 방출되는 배기가스가 도입되는 가스 도입부와, 상기 가스 도입부에서 도입된 가스를 이온화함과 동시에 상기 이온을 가속시키는 가스 이온화부와, 상기 가스 이온화부의 기압 상태를 제어하는 제1터보펌프와, 상기 가스 이온화부에서 생성된 상기 이온들의 비행경로를 제어하여 측정 감도를 높이게 하는 이온 비행경로 제어부와, 상기 이온 비행경로 제어부에서 비행경로가 제어된 상기 이온들이 등속도로 이동하되 복수의 반사 전극이 배치된 이온 반사기를 포함하는 비행시간 분리부와, 상기 비행시간 분리부를 통과한 상기 이온을 감지하여 측정하는 이온 검출부와, 상기 이온 검출부의 기압 상태를 제어하는 제2터보펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치는, 반도체 또는 디스플레이 제조용 공정챔버와, 상기 공정챔버에서 방출되는 배기가스가 도입되는 가스 도입부와, 상기 가스 도입부에서 도입된 가스를 이온화함과 동시에 상기 이온을 가속시키는 가스 이온화부와, 상기 가스 이온화부의 기압 상태를 제어하는 제1터보펌프와, 상기 가스 이온화부에서 생성된 상기 이온들의 비행경로를 제어하여 측정 감도를 높이게 하는 이온 비행경로 제어부와, 상기 이온 비행경로 제어부에서 비행경로가 제어된 상기 이온들이 도입되는 사중극 매스 필터와, 상기 사중극 매스 필터를 통과한 상기 이온들이 등속도로 이동하는 비행시간 분리부와, 상기 비행시간 분리부를 통과한 상기 이온을 감지하여 측정하는 이온 검출부와, 상기 이온 검출부의 기압 상태를 제어하는 제2터보펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치는, 잔류가스 분석에 비행시간형 방식을 도입하여 필라멘트의 열전자에 의해 발생된 이온들을 한번에 동시에 모두 측정함으로서 식별력이 우수하면서도 실시간 모니터링이 가능하게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치는, 횡방향 및 종방향으로 서로 직교하도록 형성되어 있는 열전자 통과공을 구비한 일렉트론 렌즈를 이용하여, 열전자 통과공의 종횡비를 조절하거나 또는 각 전극에 인가되는 전압을 조정함에 따라 주입되는 가스에 적합하게 최적의 상태로 구현되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치는, 이온의 비행경로 중간에 이온의 비행경로를 조절해주는 이온 비행경로 제어부를 구비하여 이온들의 측정 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 상세하게 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치의 이온 이동 비행경로를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치의 일렉트론 렌즈를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치의 익스트렉터를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(Time-of-Flight-Based Residual Gas Analizer, TOF-RGA)를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10)는, 먼저 공정챔버(100)로부터 배출되는 배기가스를 분석하는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(TOF-RGA)이다.
공정챔버(100)는 반도체 또는 디스플레이 공정에서 웨이퍼 또는 글라스가 가공되는 챔버이다. 즉, 배기가스는 공정챔버(100)의 미도시된 배기가스관과 가스 도입부(200)를 통하여 가스 이온화부(300)로 주입된다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10)는 가스 이온화부(300)에서 도입된 배기가스에 열전자가 접촉함으로써 이온화되며, 이후 이온 비행경로 제어부(400)에서 비행경로가 제어되고, 비행시간 분리부(500)에서 이온들이 질량 전하비에 따른 등속도로 이동하는 비행 공간을 비행하면서 이온 검출부(600)에 도달한 뒤 데이터 처리부(미도시)에서 처리되어 잔류가스에 대한 분석을 수행할 수 있다.
비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10)는 고진공 상태인데, 이를 위하여 가스 이온화부(300)는 제1터보펌프(700)와 연결되며, 이온 검출부(600)는 제2터보펌프(800)와 연결되어 고진공상태를 형성할 수 있다. 예를들어, 가스 이온화부(300)와 이온 검출부(600) 내의 고진공 상태의 압력은 10-3 내지 10-6 Torr의 진공도를 가질 수 있다.
한편, 공정챔버(100)에는 정글박스(20)가 연결될 수 있는데, 이러한 정글박스(20)는 반응가스 공급원(21) 및 퍼지용 가스를 공급하는 퍼지가스 공급원(22)이 통과되는 가스의 양을 조절하거나, 통과되는 가스를 선택하여 방출하게 된다.
예를들어, 모노실란(SiH4), 암모니아(NH3) 또는 산화질소(N2O) 등과 같이 반도체장치 제조공정에 사용되는 반응가스를 공급하는 반응가스 공급원(21) 및 퍼지용으로 사용되는 질소(N2)가스, 아르곤(Ar)가스 또는 헬륨(He)가스 등의 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급원(22)이 다수의 유량조절기, 에어밸브 등이 구비되어 공급되는 가스의 양을 조절하거나, 공급되는 가스를 선택하는 정글박스(20)와 개별적으로 연결되어 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 상세하게 나타낸 구성도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치의 이온 이동 비행경로를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 공정챔버(100)로부터 배기가스가 배기가스관(110)을 통하여 배출되는데, 배기가스관(110)에 연결된 가스 도입부(200)로 도입한 배기가스는 온-오프 밸브(210)와 매뉴얼 밸브(220)를 거쳐서 가스 이온화부(300)로 도입된다.
이러한 가스 도입부(200)는, 측정하고자 하는 공정챔버(100)나 공정챔버(100)의 배기가스관(110)에 연결되어 측정하고자 하는 가스의 주입을 제어하는 부분으로 솔레노이드 온-오프 밸브(210), 매뉴얼 밸브(220)로 구성되어 자동으로 배기가스의 이동을 제어 할 수 있도록 구성된 장치이다.
솔레노이드 온-오프 밸브(210)는, 공정챔버(100)에서 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10) 내부로 공급되는 배기가스량을 자동적으로 조절하는데 활용되는 전기 구동 개/폐 밸브이다.
그리고, 매뉴얼 밸브(220)는, 공정챔버(100)에서 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10) 내부로 공급되는 배기가스량을 밸브의 개폐되는 방식을 HAND WHEEL, GEAR BOX, LEVER 등을 사용하여 수동에 의하여 조절하는 밸브이다.
가스 이온화부(300)는, 직육면체 형상의 가스 이온화실(미부호)과, 열전자원 필라멘트(310), 열전자원 리펠러(320), 열전자원 콜렉터(330), 일렉트론 렌즈(340), 익스트렉터(350), 이온 렌즈(360)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치의 가스 이온화부(300)는, 열전자의 흐름을 생성하는 열전자원 필라멘트(310)와, 열전자원 필라멘트(310)의 후단에 배치되는 열전자원 리펠러(320)와, 열전자원 필라멘트(310)의 전단에 배치되어 열전자원 리펠러(320)를 사이에 두고 열전자를 주입되는 가스 측으로 이동시키는 열전자원 콜렉터(330)를 포함하여 구성된다.
열전자원 필라멘트(310)는 가스 이온화부(300) 내부에 유입되는 가스를 이온화하기 위한 열전자를 방출하는 역할을 한다.
이러한 열전자원 필라멘트(310)는 고온의 열방출에 충분한 고온에 가열되는, 텅스텐(tungsten) 혹은 레늄(rhenium) 등의 재질로 형성될 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 가스 이온화부(300)는 기체 시료에 가속된 전자를 충돌시켜 이온을 만드는데, 음극(-)인 텅스텐(W) 혹은 레늄(Re) 필라멘트에 전기를 가하여 열전자를 발생시켜 양극(+)으로 가속시킨다.
이때 가속 전압은 50~70 V/cm로, 이러한 가속 전압은 공정챔버(100)의 배기가스 분자를 이온화시키기에 충분할 뿐만 아니라 여분의 에너지에 의해 많은 조각 이온을 생성되어 분자 구조를 규명하는데 도움을 줄 수 있다.
가속된 전자가 공정챔버(100)의 배기가스 분자와 충돌하면, 공정챔버(100)의 배기가스 분자의 최외각전자가 충돌에 의해 떨어져나가 M+e-→ M++2e-과 같이 양이온이 생성된다.
이러한 열전자원 필라멘트(310)에서 방출된 열전자는 열전자 흐름을 조정하는 적어도 하나의 열전자원 리펠러(320) 및 열전자원 콜렉터(330)의 작용을 받는다.
먼저, 열전자원 필라멘트(310)의 후단에는 열전자원 필라멘트(310)에서 방출되는 열전자가 전방을 향하도록 밀어주는 열전자원 리펠러(320)가 형성된다.
열전자원 리펠러(320)는 원통형으로 형성될 수 있고, 열전자원 필라멘트(310)에 인가된 전압보다 높은 전압이 열전자원 리펠러(320)에 인가되면 열전자원 필라멘트(310)에서 생성된 열전자는 전압차에 의해서 전방으로 이동된다.
또한, 열전자원 필라멘트의 전단에는 열전자원 리펠러(320)를 사이에 두고 열전자를 주입되는 가스 측으로 이동시키는 열전자원 콜렉터(330)가 형성된다.
열전자원 콜렉터(330)는 열전자원 필라멘트(310)에서 생성되는 열전자들을 공정챔버(100)에서 주입되는 배기가스 측으로 공급되게 열전자를 이동시키는 역할을 한다.
열전자원 리펠러(320)에는 리펠러 전압 발생부(미도시)에서 소정의 직류 전압(+V1)이 인가되고 열전자원 콜렉터(330)에는 콜렉터 전압 발생부(미도시)에서 소정의 직류 전압(+V2)이 인가될 수 있다.
따라서, 열전자원 필라멘트(310)에 3~3.5A의 전류가 인가하여 열전자원 필라멘트(310)에서 방출되는 열전자를 열전자원 필라멘트(310) 뒷단의 열전자원 리펠러(320)와 열전자원 필라멘트 앞단의 열전자원 콜렉터(330) 사이에 고전압을 인가하여 열전자원 필라멘트(310)에서 방출되는 열전자를 주입되는 가스쪽으로 열전자를 이동시켜서 주입된 가스를 이온화할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치의 일렉트론 렌즈를 확대하여 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치의 익스트렉터를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치의 가스 이온화부(300)는, 열전자원 필라멘트(310)의 전단에 배치되되 열전자의 경로와 초점을 제어하여 열전자와 주입되는 가스의 이온화율을 높이도록 하는 일렉트론 렌즈(340)와, 열전자에 의해 생성된 이온들을 익스트렉터 플레이트(미부호)에 인가된 전압차에 의해 펄싱되어 이온 검출부(600) 측으로 가속되게 하는 익스트렉터(350)를 더 포함하여 구성된다.
열전자원 콜렉터(330)의 후단에 일렉트론 렌즈(340)를 형성하여 원하는 방향으로 열전자의 경로와 초점을 이동시켜 가스에 충돌시킴으로써 주입되는 가스의 이온화율을 높일 수 있도록 한다.
이러한 일렉트론 렌즈(340)는 다양한 형상 또는 배치구조를 가질 수 있는데, 예를 들어, 일렉트론 렌즈(340)는, 제1 방향(X)-제2 방향(Y) 또는 제2 방향(Y)-제1 방향(X)과 같이 서브 일렉트론 렌즈(341,342,343)들이 서로 직교하는 방향으로 대향 배치되어 있을 때 하나의 일렉트론 렌즈(340)가 형성된다.
즉, (A)에서는 제1방향(X)-제2방향(Y)-제1방향(X)으로 순차적으로 서로 직교하는 방향으로 교차하면서 형성된 서로 동일한 형태의 열전자 통과공(341a,342a,343a)이 형성된 연속한 세 개의 서브 일렉트론 렌즈(340)를 포함하거나, 반대로, (B)에서는 제2방향(Y)-제1방향(X)-제2방향(Y)으로 순차적으로 서로 직교하는 방향으로 교차하면서 형성된 서로 동일한 형태의 열전자 통과공이 형성된 연속한 세 개의 서브 일렉트론 렌즈(341,342,343를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스 이온화부(300)는 횡방향 및 종방향으로 서로 직교하도록 형성되어 있는 열전자 통과공(미부호)을 각각 구비한 일렉트론 렌즈를 이용하여, 열전자 통과공(341a',342a',343a')의 종횡비를 조절하거나 또는 각 전극에 인가되는 전압을 조정함에 따라 주입되는 가스에 적합하게 최적의 상태로 구현할 수 있다.
익스트렉터(350)는 일렉트론 렌즈(340) 후단에 형성되어 가스 이온화부(300)에서 생성된 이온을 유도하여 가스 이온화부(300) 외부로 추출한다.
익스트렉터(350)는 관통 구멍을 구비한 이온 렌즈(360)를 더 포함할 수 있는데, 이러한 이온 렌즈(360)는, 이온을 집적(focusing)하여 비행시간 분리부(500)를 향하여 가스 이온화부(300)의 외부로 방출하는 역할을 한다.
구체적으로 이온 렌즈(360)는, 복수의 링형 전극의 각각에 적절히의 극성 및 크기의 직류 전압 및/또는 고주파 전압이 인가됨으로써 이온이 이온 광축 부근으로 집적(focusing)하여 그 후단에 배치된 비행시간 분리부(500)로 수송된다.
그리고, 가스 이온화부(300)에서 방출된 이온들은 이온 검출부(600)에서의 측정 감도를 높이게 하는 이온 비행경로 제어부(400)에 의해 경로가 제어될 수 있다.
이러한 이온 경로 제어부는, 제1이온 비행경로를 조절하여 이온 검출부(600)로수송되게 하는 제1경로 조절부(미도시) 및 제2이온 비행경로를 조절하여하여 이온 검출부(600)로 수송되게 하는 제2경로 조절부(미도시)를 포함할 수 있다. 이러한 제1경로 조절부 및 제2경로 조절부는 빔 가이드일 수 있다.
제1이온 비행경로와 제2이온 비행경로는 서로 중첩되지 않을 수 있다. 이렇게 복수의 이온들은 제1이온 비행경로 또는 제2이온 비행경로를 통하여 이온 검출부에 동시에 수송되어 분석 효율이 향상되게 할 수 있다.
익스트렉터(350)에 의해 가속되고 이온 비행경로 제어부(400)에 의해 비행경로 제어된 이온들은 비행시간 분리부(500)로 진입할 수 있다.
비행시간 분리부(500)에서, 이온들은 전기장의 영향을 받지 않을 수 있다. 다시 말하면, 비행시간 분리부(500) 안에는 전기장이 형성되지 않을 수 있다. 비행시간 분리부(500) 안에서, 이온들은 등속 운동할 수 있다.
결국, 가스 이온화부(300)에서 출사된 이온은 익스트렉터(350)에 의해 가속되고 비행 공간에 도입되어 비행 공간을 비행하는 과정에서 질량 전하비(m/z)에 따라 분리된다. 동시에 가스 이온화부(300)를 출발한 각종 이온은 질량 전하비(m/z)에 따른 속도를 가지고 비행 공간을 비행한다. 따라서, 비행 공간을 비행하는 동안에 질량 전하비(m/z)가 큰 이온일수록 늦어지고 시간차가 생겨 이온 검출부(600)에 도달한다.
이온을 가속시키기 위해 걸어준 전압을‘V’라 하면 이온의 비행속도는 식(1)와 같이 표현된다.
여기서 n은 이온의 전하 수이고 m은 이온의 질량이다. 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10)의 비행시간 분리부(500)의 길이가 이온의 비행거리이므로 이온이 이온 검출부(600)에 도달하는 시간(t)은 식(2)와 같이 표현된다.
v = (2neV/m)1/2 -----------------(1)
t = L/v = L(m/2neV)1/2 ----------(2)
이온 검출부(600)에 의한 검출 신호를 받은 도시하지 않는 데이터 처리부에서는 미리 구해 둔 교정 정보를 이용하여 비행시간을 질량 전하비로 환산해 예를 들면 질량 스펙트럼을 작성할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10)는 잔류가스 분석에 비행시간형 방식을 도입하여 열전자원 필라멘트(310)에서 생성된 열전자 흐름에 의해 발생된 이온들을 비행공간을 거쳐 이온 검출부(600)에서 한번에 동시에 모두 측정함으로서 식별력이 우수하면서도 실시간 모니터링이 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명의 다른 실시예를 도 6을 참조하여 설명한다. 전술한 일 실시예와 동일한 구성요소를 나타내는 경우에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명은 생략한다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10a)는, 반도체 또는 디스플레이 제조용 공정챔버(100)와, 상기 공정챔버에서 방출되는 배기가스가 도입되는 가스 도입부(200)와, 상기 가스 도입부(200)에서 도입된 가스를 이온화함과 동시에 상기 이온을 가속시키는 가스 이온화부(300)와, 상기 가스 이온화부의 기압 상태를 제어하는 제1터보펌프(700)와, 상기 가스 이온화부에서 생성된 상기 이온들의 비행경로를 제어하여 측정 감도를 높이게 하는 이온 비행경로 제어부(400)와, 상기 이온 비행경로 제어부(400)에서 비행경로가 제어된 상기 이온들이 등속도로 이동하되 복수의 반사 전극(510)이 배치된 이온 반사기를 포함하는 비행시간 분리부(500)와, 상기 비행시간 분리부(500)를 통과한 상기 이온을 감지하여 측정하는 이온 검출부(600)와, 상기 이온 검출부의 기압 상태를 제어하는 제2터보펌프(800)를 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10)는, 비행시간 분리부(500)에 복수의 반사 전극이 배치된 이온 반사기(510)를 포함한 비행 공간이 배치되어 이온 비행경로를 연장하고 질량 분해 능력을 향상시키도록 한 것에 기술적 특징이 있다.
본 발명의 또 다른 실시예를 도 7을 참조하여 설명한다. 전술한 일 실시예와 동일한 구성요소를 나타내는 경우에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명은 생략한다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10b)는, 반도체 또는 디스플레이 제조용 공정챔버(100)와, 상기 공정챔버(100)에서 방출되는 배기가스가 도입되는 가스 도입부(200)와, 상기 가스 도입부에서 도입된 가스를 이온화함과 동시에 상기 이온을 가속시키는 가스 이온화부(300)와, 상기 가스 이온화부의 기압 상태를 제어하는 제1터보펌프(700)와, 상기 가스 이온화부에서 생성된 상기 이온들의 비행경로를 제어하여 측정 감도를 높이게 하는 이온 비행경로 제어부(400)와, 상기 이온 비행경로 제어부(400)에서 비행경로가 제어된 상기 이온들이 도입되는 사중극 매스 필터(900)와, 상기 사중극 매스 필터(900)를 통과한 상기 이온들이 등속도로 이동하는 비행시간 분리부(500)와, 상기 비행시간 분리부를 통과한 상기 이온을 감지하여 측정하는 이온 검출부(600)와, 상기 이온 검출부(600)의 기압 상태를 제어하는 제2터보펌프(800)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이렇게 사중극 매스 필터(900)의 내부에 도입되고 예를 들면 소정의 질량 전하비를 가지는 이온만이 사중극 매스 필터(900)을 통과해 비행 공간에 투입한다. 이렇게 사중극 매스 필터(900)를 통과한 이온은 비행 공간을 비행하고 최종적으로 이온 검출부(600)에 도달하여 잔류 가스의 특성에 맞추어 비행시간 기반 잔류가스 분석장치(10)의 식별력이 우수하도록 제어할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 기반 잔류가스 분석장치는 잔류가스 분석에 비행시간형 방식을 도입하여 필라멘트의 열전자에 의해 발생된 이온들을 한번에 동시에 모두 측정함으로서 식별력이 우수하면서도 실시간 모니터링이 가능하도록 한 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.
10...비행시간 기반 잔류가스 분석장치 100...공정챔버
200...가스 도입부 300...가스 이온화부
400...이온 비행경로 제어부 500...비행시간 분리부
600...이온 검출부 700...제1터보펌프
800...제2터보펌프

Claims (9)

  1. 반도체 또는 디스플레이 공정에서 웨이퍼 또는 글라스가 가공되는 공정챔버;와,
    상기 공정챔버의 배기가스관과 연결되어 배기가스가 도입되는 가스 도입부;와,
    상기 가스 도입부에서 도입된 가스를 열전자를 이용하여 이온화함과 동시에 상기 이온을 이동시키는 가스 이온화부;와,
    상기 가스 이온화부에서 생성된 상기 이온들의 비행경로를 제어하여 측정 감도를 높이게 하는 이온 비행경로 제어부;와,
    상기 이온 비행경로 제어부에서 비행경로가 제어된 상기 이온들이 비행공간으로 등속도 이동하는 비행시간 분리부;와,
    상기 비행시간 분리부를 통과한 상기 이온을 감지하여 측정하는 이온 검출부;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 이온화부는,
    열전자의 흐름을 생성하는 열전자원 필라멘트;와,
    상기 열전자원 필라멘트의 후단에 배치되는 열전자원 리펠러;와,
    상기 열전자원 필라멘트의 전단에 배치되어 상기 열전자원 리펠러를 사이에 두고 상기 열전자를 상기 주입되는 가스 측으로 이동시키는 열전자원 콜렉터;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 이온화부는,
    상기 열전자원 필라멘트 전단에 배치되되 상기 열전자의 경로와 초점을 제어하여 상기 열전자 및 주입되는 가스의 이온화율을 높이도록 하는 일렉트론 렌즈를
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 이온화부는,
    상기 일렉트론 렌즈에 경로와 초점이 제어된 열전자에 의해 상기 주입된 가스로부터 생성된 이온들을 익스트렉터 플레이트에 인가된 전압차에 의해 펄싱되어 상기 이온 검출부 측으로 가속되게 하는 익스트렉터를
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 익스트렉터는,
    상기 이온을 집적(focusing)하여 상기 비행시간 분리부로 방출하는 이온 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 비행시간 분리부는,
    상기 복수의 반사 전극이 배치된 이온 반사기를
    포함하는 것을 특징으로 하는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이온 비행경로 제어부와 상기 비행시간 분리부 사이에는,
    사중극 매스 필터를
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치.
  8. 반도체 또는 디스플레이 제조용 공정챔버와,
    상기 공정챔버에서 방출되는 배기가스가 도입되는 가스 도입부와,
    상기 가스 도입부에서 도입된 가스를 이온화함과 동시에 상기 이온을 가속시키는 가스 이온화부와,
    상기 가스 이온화부의 기압 상태를 제어하는 제1터보펌프와,
    상기 가스 이온화부에서 생성된 상기 이온들의 비행경로를 제어하여 측정 감도를 높이게 하는 이온 비행경로 제어부와,
    상기 이온 비행경로 제어부에서 비행경로가 제어된 상기 이온들이 등속도로 이동하되 복수의 반사 전극이 배치된 이온 반사기를 포함하는 비행시간 분리부와,
    상기 비행시간 분리부를 통과한 상기 이온을 감지하여 측정하는 이온 검출부와,
    상기 이온 검출부의 기압 상태를 제어하는 제2터보펌프를
    포함하는 것을 특징으로 하는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치.
  9. 반도체 또는 디스플레이 제조용 공정챔버와,
    상기 공정챔버에서 방출되는 배기가스가 도입되는 가스 도입부와,
    상기 가스 도입부에서 도입된 가스를 이온화함과 동시에 상기 이온을 가속시키는 가스 이온화부와,
    상기 가스 이온화부의 기압 상태를 제어하는 제1터보펌프와,
    상기 가스 이온화부에서 생성된 상기 이온들의 비행경로를 제어하여 측정 감도를 높이게 하는 이온 비행경로 제어부와,
    상기 이온 비행경로 제어부에서 비행경로가 제어된 상기 이온들이 도입되는 사중극 매스 필터와,
    상기 사중극 매스 필터를 통과한 상기 이온들이 등속도로 이동하는 비행시간 분리부와,
    상기 비행시간 분리부를 통과한 상기 이온을 감지하여 측정하는 이온 검출부와,
    상기 이온 검출부의 기압 상태를 제어하는 제2터보펌프를
    포함하는 것을 특징으로 하는 비행시간 기반 잔류가스 분석장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024017560A1 (de) * 2022-07-18 2024-01-25 Carl Zeiss Smt Gmbh Restgasanalysator, projektionsbelichtungsanlage mit einem restgasanalysator und verfahren zur restgasanalyse

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WO2024017560A1 (de) * 2022-07-18 2024-01-25 Carl Zeiss Smt Gmbh Restgasanalysator, projektionsbelichtungsanlage mit einem restgasanalysator und verfahren zur restgasanalyse

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