TW202223974A - 四極型質量分析器及殘留氣體分析方法 - Google Patents
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Abstract
本發明減小四極型質量分析器中由變壓器所引起的溫度影響，包括：電離部21，將試樣電離；四極部23，具有使由電離部21所產生的離子選擇性地通過的、兩組相向電極23P；電壓施加部32，向兩組相向電極23P分別施加將直流電壓U及高頻電壓Vcosωt疊加的電壓；以及離子檢測部24，檢測通過四極部23的離子，電壓施加部32具有對高頻電壓Vcosωt進行變壓的變壓器4，變壓器4是於環形鐵心41捲繞一次繞組42及二次繞組43而構成，一次繞組42由呈板狀的金屬導體所形成。
Description
本發明是有關於一種四極型質量分析器及殘留氣體分析方法。
先前，作為四極型質量分析器，如專利文獻1所示，具有使離子選擇性地通過的四極部，四極部中，對兩組相向電極分別施加有將直流電壓及高頻電壓疊加的電壓。此處，施加於相向電極的高頻電壓是使用變壓器（transformer）來升壓。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2011-249172號公報
[發明所欲解決之課題]
另一方面，本案發明者使用所述四極型質量分析器，於既定期間連續測定特定的質荷比（m/z＝40AMU），結果如圖9所示，得知隨時間經過而輸出電流的波峰偏移，成為測定誤差。對其原因潛心研究，結果得知，受到變壓器所產生的熱的影響而對周邊的電路基板上的電路零件造成熱影響。
因此，本發明是為了解決所述問題點而成，其主要課題在於，減小四極型質量分析器中由對高頻電壓進行變壓的變壓器所引起的溫度影響。
[解決課題之手段]
即，本發明的四極型質量分析器包括：電離部，將試樣電離；四極部，具有兩組相向電極，所述兩組相向電極使所述電離部所產生的離子選擇性地通過；電壓施加部，對所述兩組相向電極分別施加將直流電壓及高頻電壓疊加的電壓；以及離子檢測部，檢測通過所述四極部的離子，所述電壓施加部具有對高頻電壓進行變壓的變壓器，所述變壓器是於環形鐵心（toroidal core）捲繞一次繞組及二次繞組而構成，所述一次繞組由呈板狀的金屬導體所形成。
若為此種四極型質量分析器，則於環形鐵心捲繞一次繞組及二次繞組而構成變壓器，於該變壓器中由板狀的金屬導體形成一次繞組，故而可增大一次繞組中流動高頻電流的實效剖面積。其結果為，可減少一次繞組的熱損失，減小由變壓器所引起的溫度影響。另外，將一次繞組設為板狀的金屬導體，故而可減少一次繞組的圈數，可使捲繞作業容易而改善生產性。
作為捲繞於所述環形鐵心的所述二次繞組的具體的實施態樣，可想到具有：第一二次繞組，連接於所述兩組相向電極中的一個組；以及第二二次繞組，連接於所述兩組相向電極中的另一個組。
本發明中，藉由對一次繞組使用板狀的金屬導體放射狀地形成電流路徑，從而可減小一次繞組與第一二次繞組的磁耦合、和一次繞組與第二二次繞組的磁耦合的偏差，可減小所輸出的高頻電壓的不均一。
為了減小變壓器的封裝（footprint，具體而言為高頻電路基板的封裝面積），並且增大剖面積提高容許磁通而減少環形鐵心的損失（鐵心）及放熱，所述環形鐵心較理想為藉由將兩個以上的環形鐵心要素積層而構成。
所述一次繞組較理想為對所述環形鐵心以成為放射狀的方式捲繞。
若為該結構，則可增大作為一次繞組的板狀的金屬導體的剖面積，可使本發明的效果更顯著。
作為一次繞組的具體實施態樣，可想到所述一次繞組是於經展開的狀態下將多個帶狀部配置成放射狀而成，所述多個帶狀部卷附於所述環形鐵心。
若為該結構，則可使放射狀地捲繞一次繞組的作業容易。
另外，作為一次繞組的另一具體實施態樣，較理想為所述一次繞組包括：基板，於一面設有金屬導體；中心銷構件，連接於所述基板的中央部，並且包含配置於所述環形鐵心的中央的金屬導體；以及多個周邊銷構件，連接於所述基板的周緣部，並且包含配置於所述環形鐵心的周圍的金屬導體。
若為該結構，則可容易地組裝一次繞組。
可想到作為鐵心的環形鐵心因鐵損而放熱。為了使該環形鐵心可高效率地向外部散熱，較理想為所述環形鐵心及所述一次繞組之間由具有導熱性的接著劑所填充。
為了使將變壓器固定於電路基板的結構簡單，並且使一次繞組的放熱自電路基板向外部散放，所述變壓器較理想為藉由將所述一次繞組固定於電路基板而固定於所述電路基板。
於下述情形時，可使本發明的效果更顯著，即：更包括控制本發明的所述電壓施加部的控制部，所述控制部為了於既定期間連續測定特定的質荷比而控制所述電壓施加部。
另外，本發明的殘留氣體分析方法的特徵在於，使用所述四極型質量分析器對真空腔室內的殘留氣體進行分析。
[發明的效果]
根據以上所述的本發明，可減小四極型質量分析器中由變壓器引起的溫度影響。
以下，參照圖式對本發明的一實施形態的四極型質量分析器加以說明。
＜1. 總體結構＞
本實施形態的四極型質量分析器100例如用於半導體製造製程中或裝置清潔後的真空腔室VC內的氣體監視，如圖1所示，安裝於真空腔室VC，對該真空腔室VC內的作為試樣氣體的殘留氣體進行分析。
具體而言，四極型質量分析器100如圖1及圖2所示，包括：感測器部2，探測真空腔室VC內的製程氣體或殘留氣體等試樣氣體；運算部3，控制感測器部2，並且基於該感測器部2的輸出來進行殘留氣體的分析處理等。
感測器部2如圖2所示，包括：電離部21，將作為試樣氣體的殘留氣體電離；離子抽出電極22，設於電離部21的外側，抽出離子；四極部23，使由離子抽出電極22從電離部21導出的離子選擇性地通過；以及離子檢測部24，檢測通過四極部23的離子。
此外，感測器部2包括外殼25，該外殼25從頂端側開始依次收容電離部21、離子抽出電極22、四極部23及離子檢測部24並保護。於外殼25內，電離部21、離子抽出電極22、四極部23及離子檢測部24配置於一直線上。於所述外殼25的頂端壁，設有用以在安裝於真空腔室VC時將真空腔室VC內的殘留氣體導入至感測器部2內的氣體導入口25H。再者，外殼25經由密封構件等氣密地安裝於設於真空腔室VC的安裝孔。藉此，外殼25內經由氣體導入口25H而與真空腔室VC內的環境壓力為相同壓力，電離部21、離子抽出電極22、四極部23及離子檢測部24暴露於真空腔室VC內的環境壓力下。
電離部21於內部包括燈絲，藉由自燈絲釋出的熱電子將試樣氣體電離。而且，由電離部21所生成的離子由離子抽出電極22向外部抽出。
離子抽出電極22包含單個或多個電極。離子抽出電極22設於電離部21與四極部23之間，將由電離部21所生成的離子向四極部23及離子檢測部24側抽出，並且使該離子加速、聚攏。
四極部23將經離子抽出電極22加速、聚攏的離子束根據離子的荷質比（m/z）分離。具體而言，如圖3所示，四極部23具有以90°間隔配置的兩組相向電極23P。
該四極部23由後述的電壓施加部32將相向的電極彼此設為相同電位後，於相差90°的各組之間施加將直流電壓U與高頻電壓Vcosωt疊加的電壓。而且，對於四極部23，藉由電壓施加部32使其U/V比一定並且使V變化，由此使入射至所述相向電極23P內的離子根據荷質比（m/z）選擇通過。
離子檢測部24為捕捉由四極部23所分離的離子並作為離子電流而檢測的法拉第杯（Faraday cup）。具體而言，離子檢測部24用於檢測由四極部23所分離的特定成分的離子，並檢測該特定成分的試樣氣體的分壓的絕對值。另外，該離子檢測部24用於檢測所有的由電離部21所電離的試樣氣體的離子，並檢測試樣氣體的總壓的絕對值。
運算部3如上文所述，具有運算處理功能及控制功能。該運算部3如圖2所示，包括放大器、類比-數位（Analog Digital，A/D）轉換器、數位-類比（Digital Analog，D/A）轉換器、中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）、記憶體、通訊埠等。而且，運算部3具有資料處理部31，該資料處理部31基於自所述感測器部2的離子檢測部24輸出的離子電流的電流值來進行質量分析。另外，資料處理部31視需要亦可將其分析結果發送至通用電腦200（參照圖1）等。
另外，運算部3如圖2所示，具有作為電壓施加部32及控制部33的功能，所述電壓施加部32對四極部23的兩組相向電極23P施加將直流電壓U與高頻電壓Vcosωt疊加的電壓，所述控制部33控制電壓施加部32。
電壓施加部32於相差90°的各組的相向電極23P間施加將直流電壓U與高頻電壓Vcosωt疊加的電壓，使其U/V比一定並且使V變化，且由控制部33進行控制。該控制部33根據特定的質荷比來控制直流電壓U及高頻電壓Vcosωt，例如可為了於既定期間連續測定特定的質荷比而控制電壓施加部32。
具體而言，電壓施加部32如圖4所示，具有用以對高頻電壓進行升壓的變壓器4，搭載於用以反饋控制為所需的高頻電壓的高頻電路基板5。
變壓器4如圖4及圖5所示，是於圓環狀的環形鐵心41捲繞一次繞組42及二次繞組43而構成，一次繞組42連接於電源側，二次繞組43連接於相向電極側。本實施形態的環形鐵心41藉由將環形鐵心要素41a、環形鐵心要素41b重疊兩個製成雙層結構，從而增大環形鐵心41的剖面積而增大容許磁通，減少環形鐵心41的損失（鐵損）、即環形鐵心41的放熱。
而且，一次繞組42由呈板狀的例如包含銅的金屬導體所形成。另外，二次繞組43由線狀的金屬導體所形成。此處，二次繞組43如圖5所示，具有連接於兩組相向電極23P中的一個組的第一二次繞組43a、及連接於兩組相向電極23P的另一個組的第二二次繞組43b。
本實施形態的變壓器4中，於環形鐵心41以既定的圈數捲繞二次繞組43後，於其外側捲繞有一次繞組42。即，為對環形鐵心41於內側捲繞有二次繞組43，於外側捲繞有一次繞組42的結構。再者，第一二次繞組43a及第二二次繞組43b藉由相互靠近地捲繞於環形鐵心41，從而減少與一次繞組42的磁耦合的偏差。
此處，一次繞組42對環形鐵心41以成為放射狀的方式捲繞（參照圖5）。藉由捲繞成放射狀，從而可增大一次繞組42的剖面積。具體而言，一次繞組42如圖6所示，為於經展開的狀態下將多個帶狀部421配置成放射狀而成，且為藉由將多個帶狀部421卷附於環形鐵心41而捲繞的結構。根據該結構，以成為放射狀的方式捲繞一次繞組42的作業變容易。
更詳細而言，於一次繞組42的中心部，設有配置於環形鐵心41的中央的芯部422，多個帶狀部421以自該芯部422放射狀地延伸的方式配置。另外，於帶狀部421的自由端部421a，形成有插入至高頻電路基板5的配線用貫通孔51（參照圖4）的、插入部421x。
而且，藉由將芯部422插入至環形鐵心41的中央，將帶狀部421以沿著環形鐵心41的外表面的方式彎折，將所述插入部421x插入至配線用貫通孔51並進行焊接，從而將變壓器4固定於高頻電路基板5。即，變壓器4設為下述結構：藉由將一次繞組42固定於高頻電路基板5，從而固定於高頻電路基板5。藉此，可使將變壓器4固定於高頻電路基板5的結構簡單，並且容易使一次繞組42的放熱自高頻電路基板5向外部散放。
進而，變壓器4中，如圖4所示，環形鐵心41及一次繞組42之間由具有導熱性的接著劑44所填充。藉此，容易將環形鐵心41的因損失（鐵損）而產生的熱傳至一次繞組42。另外，一次繞組42連接於高頻電路基板5，故而可將來自環形鐵心的熱經由一次繞組42傳遞至高頻電路基板5，自高頻電路基板5向外部容易地散放。再者，本實施形態中，於環形鐵心41與一次繞組42之間配置有二次繞組43，故而二次繞組43由接著劑44包圍。
另外，於本實施形態的高頻電路基板5，如圖7所示，設有用以對變壓器施加所需的高頻電壓的高頻電源電路。再者，圖7的上圖為本實施形態的高頻電源電路，圖7的下圖為先前的高頻電源電路。
先前的高頻電源電路為零件數多且必須使用高頻用的零件的結構。另外，為下述結構，即：高頻振幅的檢測器使用具有溫度特性的二極體，高頻電源電路受到溫度影響，高頻振幅大幅度地受到溫度影響。
相對於此，本實施形態的高頻電源電路具有：直接數位合成器（Direct Digital Synthesis，DDS）；放大器，將來自所述DDS的輸出放大並輸出至變壓器；檢測器，檢測來自所述放大器的高頻振幅；以及減法器，基於所述檢測器的檢測振幅與振幅設定值的差量，向DDS輸入振幅設定信號。而且，對DDS的振幅設定接腳（自振幅設定接腳流出的電流因連接的電阻值而變化，關於輸出，輸出其鏡像電流而高頻振幅變化）連接雙極電晶體（bipolar transistor）代替電阻，自其他電路使自振幅設定接腳流出的電流變化。藉此，使自DDS輸出的高頻振幅變化，使電路結構簡單。
＜本實施形態的效果＞
根據如此構成的本實施形態的四極型質量分析器100，於環形鐵心41捲繞一次繞組42及二次繞組43而構成變壓器4，於該變壓器4中由板狀的金屬導體形成一次繞組42，故而可增大一次繞組42中流動高頻電流的實效剖面積。其結果為，可減少一次繞組42的熱損失，可減小由變壓器4所引起的溫度影響。另外，將一次繞組42設為板狀的金屬導體，故而可減少一次繞組42的圈數，可使捲繞作業容易而改善生產性。
繼而，表示先前結構的變壓器與本實施形態的變壓器的放熱溫度的實驗結果。此處，將高頻電壓的頻率設為14[MHz]，將高頻電壓的振幅設為900[V]。如圖8所示，先前結構的變壓器的放熱溫度為138.9度，相對於此，本實施形態的變壓器的放熱溫度可抑制於81.2度。
＜其他實施形態＞
例如，所述實施形態的一次繞組為將多個帶狀部設置成放射狀的結構，但亦可設為將一根帶狀體螺旋狀地捲繞於環狀鐵心的結構。
另外，一次繞組42的結構亦可為圖10的（a）及圖10的（b）所示。具體而言，一次繞組42包括：基板42a，於一面設有金屬導體42a1；中心銷構件42b，連接於所述基板42a的中央部，並且包含配置於環形鐵心41的中央的金屬導體；以及多個（此處為四個）周邊銷構件42c，連接於基板42a的周緣部，並且包含配置於環形鐵心41的周圍的金屬導體。可想到，於基板42a的朝向環形鐵心41的一面貼附例如銅箔等金屬導體42a1。根據該結構，電流自中心銷構件42b經由基板42a向多個周邊銷構件42c放射狀地流動。若為此種結構，則可容易地組裝一次繞組42。
另外，所述實施形態為對環形鐵心於內側捲繞二次繞組，於外側捲繞一次繞組的結構，但亦可對環形鐵心於內側捲繞一次繞組，於外側捲繞二次繞組，或亦可於環形鐵心的圓周方向的一部分捲繞一次繞組，於圓周方向捲繞有一次繞組的部分以外的部分捲繞二次繞組。
進而，所述實施形態為藉由將一次繞組固定於電路基板而將變壓器固定於電路基板的結構，但例如亦可藉由使用固定螺桿等其他方法將變壓器固定於電路基板。
除此以外，只要不違背本發明的主旨，則亦可進行各種實施形態的變形或組合。
[產業上的可利用性]
根據本發明，可減小四極型質量分析器中由變壓器所引起的溫度影響。
2:感測器部
3:運算部
4:變壓器
5:高頻電路基板
21:電離部
22:離子抽出電極
23:四極部
23P:相向電極
24:離子檢測器
25:外殼
25H:氣體導入口
31:資料處理部
32:電壓施加部
33:控制部
41:環形鐵心
41a、41b:環形鐵心要素
42:一次繞組
42a:基板
42a1:金屬導體
42b:中心銷構件
42c:周邊銷構件
43:二次繞組
43a:第一二次繞組
43b:第二二次繞組
44:接著劑
51:配線用貫通孔
100:四極型質量分析器
200:通用電腦
421:帶狀部
421a:自由端部
421x:插入部
422:芯部
VC:真空腔室
圖1為表示將本發明的一實施形態的四極型質量分析器安裝於真空腔室的狀態的示意圖。
圖2為示意性地表示所述實施形態的四極型質量分析器的結構的圖。
圖3為示意性地表示所述實施形態的四極部等的結構的立體圖。
圖4為表示所述實施形態的變壓器的結構的剖面圖。
圖5為表示所述實施形態的變壓器的結構的平面圖。
圖6為所述實施形態的變壓器的分解立體圖。
圖7為表示所述實施形態的變壓器的高頻電源電路及先前的高頻電源電路的圖。
圖8為表示先前結構的變壓器與本實施形態的變壓器的放熱溫度的實驗結果的圖。
圖9為表示使用先前的四極型質量分析器於既定期間連續測定特定的質荷比（m/z＝40AMU）的情形時的測定結果的圖。
圖10的（a）及圖10的（b）為表示變形實施形態的變壓器的結構的剖面圖。
4:變壓器
5:高頻電路基板
32:電壓施加部
41:環形鐵心
41a、41b:環形鐵心要素
42:一次繞組
43:二次繞組
44:接著劑
51:配線用貫通孔
421:帶狀部
422:芯部
Claims (10)
- 一種四極型質量分析器，包括： 電離部，將試樣電離； 四極部，具有兩組相向電極，所述兩組相向電極使由所述電離部所產生的離子選擇性地通過； 電壓施加部，向所述兩組相向電極分別施加將直流電壓及高頻電壓疊加的電壓；以及 離子檢測部，檢測通過所述四極部的離子， 所述電壓施加部具有對高頻電壓進行變壓的變壓器， 所述變壓器是於環形鐵心捲繞一次繞組及二次繞組而構成， 所述一次繞組由呈板狀的金屬導體所形成。
- 如請求項1所述的四極型質量分析器，其中捲繞於所述環形鐵心的所述二次繞組包括：第一二次繞組，連接於所述兩組相向電極中的一個組；以及第二二次繞組，連接於所述兩組相向電極中的另一個組。
- 如請求項1或請求項2所述的四極型質量分析器，其中所述環形鐵心是藉由將兩個以上的環形鐵心要素積層而構成。
- 如請求項1至請求項3中任一項所述的四極型質量分析器，其中所述一次繞組對所述環形鐵心以成為放射狀的方式捲繞。
- 如請求項1至請求項4中任一項所述的四極型質量分析器，其中所述一次繞組是於經展開的狀態下將多個帶狀部配置成放射狀而成， 所述多個帶狀部卷附於所述環形鐵心。
- 如請求項1至請求項4中任一項所述的四極型質量分析器，其中所述一次繞組包括：基板，於一面設有金屬導體；中心銷構件，連接於所述基板的中央部，並且包含配置於所述環形鐵心的中央的金屬導體；以及多個周邊銷構件，連接於所述基板的周緣部，並且包含配置於所述環形鐵心的周圍的金屬導體。
- 如請求項1至請求項6中任一項所述的四極型質量分析器，其中所述環形鐵心及所述一次繞組之間由具有導熱性的接著劑所填充。
- 如請求項1至請求項7中任一項所述的四極型質量分析器，其中所述變壓器是藉由將所述一次繞組固定於電路基板而固定於所述電路基板。
- 如請求項1至請求項8中任一項所述的四極型質量分析器，更包括： 控制部，控制所述電壓施加部， 所述控制部為了於既定期間連續測定特定的質荷比而控制所述電壓施加部。
- 一種殘留氣體分析方法，使用如請求項1至請求項9中任一項所述的四極型質量分析器對真空腔室內的殘留氣體進行分析。
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