WO2022123895A1 - 四重極型質量分析計及び残留ガス分析方法 - Google Patents

四重極型質量分析計及び残留ガス分析方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a quadrupole mass spectrometer and a residual gas analysis method.
  • a quadrupole mass analyzer has a quadrupole portion that selectively passes ions, and in the quadrupole portion, each of the two sets of counter electrodes has a quadrupole portion.
  • a voltage obtained by superimposing a DC voltage and a high frequency voltage is applied.
  • the high frequency voltage applied to the counter electrode is boosted by using a transformer.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and its main task is to reduce the temperature effect caused by the transformer that transforms the high frequency voltage in the quadrupole mass analyzer. be.
  • the quadrupole mass analyzer has an ionizing section for ionizing a sample, a quadrupole section having two sets of counter electrodes for selectively passing ions generated in the ionizing section, and the above-mentioned quadrupole mass analyzer.
  • Each of the two sets of counter electrodes is provided with a voltage application unit that applies a voltage obtained by superimposing a DC voltage and a high-frequency voltage, and an ion detection unit that detects ions that have passed through the quadrupole unit.
  • the voltage application unit has a high frequency. It has a transformer that transforms voltage, and the transformer is configured by winding a primary winding and a secondary winding around a toroidal core, and the primary winding is formed of a plate-shaped metal conductor. It is characterized by being done.
  • a primary winding and a secondary winding are wound around a toroidal core to form a transformer, and the primary winding is formed from a plate-shaped metal conductor in this transformer. Therefore, the effective cross-sectional area through which a high-frequency current flows in the primary winding can be increased. As a result, the heat loss in the primary winding can be reduced, and the temperature influence caused by the transformer can be reduced. Further, since the primary winding is a plate-shaped metal conductor, the number of windings of the primary winding can be reduced, the winding work can be facilitated, and the productivity can be improved.
  • Specific embodiments of the secondary winding wound around the toroidal core include a first secondary winding connected to one set of the two sets of counter electrodes and the two sets of the secondary winding. It is conceivable to have a second secondary winding connected to the other set of counter electrodes.
  • a current path radially by using a plate-shaped metal conductor for the primary winding, magnetic coupling between the primary winding and the first secondary winding, and primary winding and the second winding are performed. The variation in the magnetic coupling with the secondary winding can be reduced, and the variation in the output high frequency voltage can be reduced.
  • the toroidal is used.
  • the core is preferably configured by laminating two or more toroidal core elements.
  • the primary winding is wound so as to radiate with respect to the toroidal core.
  • the cross-sectional area of the plate-shaped metal conductor, which is the primary winding can be increased, and the effect of the present invention can be further enhanced.
  • the primary winding has a plurality of strips arranged radially in an unfolded state, and the plurality of strips are wound around the toroidal core. It is possible that it is a thing. With this configuration, the work of winding the primary winding in a radial pattern can be facilitated.
  • the primary winding is connected to a substrate provided with a metal conductor on one surface and a central portion of the substrate, and is connected to the center of the toroidal core. It is desirable to have a central pin member made of a metal conductor arranged in the above, and a plurality of peripheral pin members made of a metal conductor arranged around the toroidal core while being connected to the peripheral edge portion of the substrate. .. With this configuration, the primary winding can be easily assembled.
  • the toroidal core which is the iron core, generates heat due to iron loss.
  • the toroidal core and the primary winding are filled with an adhesive having thermal conductivity.
  • the transformer is provided with the circuit by fixing the primary winding to the circuit board. It is desirable that it is fixed to the substrate.
  • a control unit for controlling the voltage application unit according to the present invention is further provided, and the control unit controls the voltage application unit to continuously measure a specific mass-to-charge ratio over a predetermined period of the present invention. The effect can be made even more remarkable.
  • the residual gas analysis method according to the present invention is characterized in that the residual gas in the vacuum chamber is analyzed by using the above-mentioned quadrupole mass spectrometer.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the state which attached the quadrupole mass spectrometer which concerns on one Embodiment of this invention to a vacuum chamber. It is a figure which shows typically the structure of the quadrupole mass spectrometer of the same embodiment. It is a perspective view which shows typically the structure of the quadrupole part of the same embodiment. It is sectional drawing which shows the structure of the transformer of the same embodiment. It is a top view which shows the structure of the transformer of the same embodiment. It is an exploded perspective view of the transformer of the same embodiment. It is a figure which shows the high frequency power supply circuit of the transformer of the same embodiment, and the conventional high frequency power supply circuit.
  • the quadrupole mass spectrometer 100 of the present embodiment is used, for example, for a gas monitor in a vacuum chamber VC during a semiconductor manufacturing process or after cleaning the apparatus, and is attached to the vacuum chamber VC as shown in FIG.
  • the residual gas which is the sample gas in the vacuum chamber VC, is analyzed.
  • the quadrupole mass spectrometer 100 controls a sensor unit 2 for detecting a sample gas such as a process gas or a residual gas in the vacuum chamber VC, and a sensor unit 2.
  • a calculation unit 3 that performs analysis processing of residual gas based on the output of the sensor unit 2.
  • the sensor unit 2 is provided by an ionization unit 21 for ionizing residual gas as a sample gas, an ion extraction electrode 22 provided outside the ionization unit 21, and an ion extraction electrode 22 for extracting ions. It includes a quadrupole unit 23 that selectively passes ions derived from the ionization unit 21, and an ion detection unit 24 that detects ions that have passed through the quadrupole unit 23.
  • the sensor unit 2 includes a casing 25 that houses and protects the ionization unit 21, the ion extraction electrode 22, the quadrupole unit 23, and the ion detection unit 24 in this order from the tip side.
  • the ionization unit 21, the ion extraction electrode 22, the quadrupole unit 23, and the ion detection unit 24 are arranged in a straight line.
  • the tip wall of the casing 25 is provided with a gas introduction port 25H for introducing the residual gas in the vacuum chamber VC into the sensor unit 2 when attached to the vacuum chamber VC.
  • the casing 25 is airtightly attached to the attachment hole provided in the vacuum chamber VC via a seal member or the like.
  • the pressure inside the casing 25 becomes the same as the atmospheric pressure inside the vacuum chamber VC through the gas introduction port 25H, and the ionization unit 21, the ion extraction electrode 22, the quadrupole portion 23 and the ion detection unit 24 are inside the vacuum chamber VC. Will be exposed to the atmospheric pressure of.
  • the ionization unit 21 has a filament inside and ionizes the sample gas by thermions emitted from the filament. Then, the ions generated by the ionization unit 21 are drawn out by the ion extraction electrode 22.
  • the ion extraction electrode 22 is composed of a single electrode or a plurality of electrodes.
  • the ion extraction electrode 22 is provided between the ionization unit 21 and the quadrupole unit 23, draws the ions generated by the ionization unit 21 to the quadrupole unit 23 and the ion detection unit 24, and accelerates the ions. ⁇ It is to converge.
  • the quadrupole portion 23 separates the ion beam accelerated and converged by the ion extraction electrode 22 according to the charge-to-mass ratio (m / z) of the ions. Specifically, as shown in FIG. 3, the quadrupole portion 23 has two sets of counter electrodes 23P arranged at 90 ° intervals.
  • a voltage application unit 32 which will be described later, provides a voltage in which a DC voltage U and a high frequency voltage Vcos ⁇ t are superimposed between each set having a potential different from each other by 90 °. Applied. Then, the quadrupole portion 23 changes V while keeping its U / V ratio constant by the voltage applying portion 32, so that the ions incident in the counter electrode 23P have a charge-to-mass ratio (m / z). It is to be selected and passed according to the above.
  • the ion detection unit 24 is a Faraday cup that captures the ions separated by the quadrupole unit 23 and detects them as an ion current. Specifically, the ion detection unit 24 is for detecting the ion of the specific component separated by the quadrupole unit 23 and detecting the absolute value of the partial pressure in the sample gas of the specific component. It is also for detecting all the ions of the sample gas ionized by the ionization unit 21 and detecting the absolute value of the total pressure of the sample gas.
  • the calculation unit 3 has a calculation processing function and a control function.
  • the arithmetic unit 3 includes an amplifier, an A / D converter, a D / A converter, a CPU, a memory, a communication port, and the like.
  • the calculation unit 3 has a data processing unit 31 that performs mass spectrometry based on the current value of the ion current output from the ion detection unit 24 of the sensor unit 2. Further, if necessary, the data processing unit 31 can also transmit the analysis result to the general-purpose computer 200 (see FIG. 1) or the like.
  • the arithmetic unit 3 has a voltage application unit 32 and a voltage applied by a voltage obtained by superimposing a DC voltage U and a high frequency voltage Vcos ⁇ t on two sets of counter electrodes 23P of the quadrupole unit 23. It has a function as a control unit 33 that controls the application unit 32.
  • the voltage application unit 32 applies a voltage obtained by superimposing a DC voltage U and a high-frequency voltage Vcos ⁇ t between each pair of counter electrodes 23P that differ by 90 °, and keeps the U / V ratio constant and changes V. Yes, it is controlled by the control unit 33.
  • the control unit 33 controls the DC voltage U and the high frequency voltage Vcos ⁇ t according to a specific mass-to-charge ratio. For example, the voltage application unit 32 is used to continuously measure a specific mass-to-charge ratio over a predetermined period. Can be controlled.
  • the voltage application unit 32 has a transformer 4 for boosting a high frequency voltage, and is mounted on a high frequency circuit board 5 for feedback control to a desired high frequency voltage.
  • the transformer 4 is configured by winding a primary winding 42 and a secondary winding 43 around an annular toroidal core 41, and the primary winding 42 is on the power supply side.
  • the secondary winding 43 is connected to the counter electrode side.
  • the toroidal core 41 of the present embodiment has a double structure in which two toroidal core elements 41a and 41b are stacked to increase the cross-sectional area of the toroidal core 41 and increase the allowable magnetic flux, resulting in a loss (loss in the toroidal core 41). Iron loss), that is, the heat generation of the toroidal core 41 is reduced.
  • the primary winding 42 is formed of a plate-shaped metal conductor made of, for example, copper. Further, the secondary winding 43 is formed of a linear metal conductor. Here, as shown in FIG. 5, the secondary winding 43 is the first secondary winding 43a connected to one set in the two sets of counter electrodes 23P and the other in the two sets of counter electrodes 23P. It has a second secondary winding 43b connected to the set.
  • the primary winding 42 is wound around the secondary winding 43. That is, the secondary winding 43 is wound inside the toroidal core 41, and the primary winding 42 is wound outside.
  • the first secondary winding 43a and the second secondary winding 43b are wound around the toroidal core 41 along each other to reduce the variation in magnetic coupling with the primary winding 42. ..
  • the primary winding 42 is wound so as to radiate with respect to the toroidal core 41 (see FIG. 5).
  • the cross-sectional area of the primary winding 42 can be increased by winding it radially.
  • the primary winding 42 has a plurality of strips 421 arranged radially in the unfolded state, and is wound by winding the plurality of strips 421 around the toroidal core 41. It is a configuration to be done. This configuration facilitates the work of winding the primary winding 42 in a radial pattern.
  • a core portion 422 arranged in the center of the toroidal core 41 is provided, and a plurality of strip-shaped portions 421 are arranged so as to extend radially from the core portion 422.
  • the free end portion 421a of the strip-shaped portion 421 is formed with an insertion portion 421x to be inserted into a wiring through hole 51 (see FIG. 4) of the high frequency circuit board 5.
  • the transformer 4 is fixed to the high frequency circuit board 5. That is, the transformer 4 is configured such that the primary winding 42 is fixed to the high frequency circuit board 5 by being fixed to the high frequency circuit board 5. This makes it possible to easily dissipate the heat generated by the primary winding 42 from the high frequency circuit board 5 to the outside while simplifying the configuration in which the transformer 4 is fixed to the high frequency circuit board 5.
  • the space between the toroidal core 41 and the primary winding 42 is filled with an adhesive 44 having thermal conductivity, as shown in FIG.
  • the primary winding 42 is connected to the high frequency circuit board 5, heat from the toroidal core is easily transferred to the high frequency circuit board 5 via the primary winding 42 and radiated to the outside from the high frequency circuit board 5. can.
  • the secondary winding 43 is arranged between the toroidal core 41 and the primary winding 42, the secondary winding 43 is surrounded by the adhesive 44.
  • the high frequency circuit board 5 of the present embodiment is provided with a high frequency power supply circuit for applying a desired high frequency voltage to the transformer.
  • the upper figure of FIG. 7 is the high frequency power supply circuit of the present embodiment, and the lower figure of FIG. 7 is the conventional high frequency power supply circuit.
  • the conventional high-frequency power supply circuit has a large number of parts and must use high-frequency parts.
  • a diode with temperature characteristics is used for the high-frequency amplitude detector, and the high-frequency power supply circuit is affected by temperature, and the high-frequency amplitude is greatly affected by temperature.
  • the DDS direct digital synthesizer
  • the amplifier that amplifies the output from the DDS and outputs it to the transformer
  • the detection that detects the high frequency amplitude from the amplifier. It has a device and a subtractor that inputs an amplitude setting signal to the DDS based on the difference between the detection amplitude and the amplitude setting value of the detector. Then, connect a bipolar transistor instead of a resistor to the DDS amplitude setting pin (the current flowing out from the amplitude setting pin changes depending on the resistance value to be connected, and the current that mirrors it is output to change the high frequency amplitude). Then, the current flowing out from the amplitude setting pin is changed from another circuit. This changes the high frequency amplitude output from the DDS and simplifies the circuit configuration.
  • the primary winding 42 and the secondary winding 43 are wound around the toroidal core 41 to form the transformer 4, and the transformer 4 is the primary.
  • the winding 42 is formed of a plate-shaped metal conductor, the effective cross-sectional area through which a high-frequency current flows in the primary winding 42 can be increased. As a result, the heat loss in the primary winding 42 can be reduced, and the temperature influence caused by the transformer 4 can be reduced. Further, since the primary winding 42 is a plate-shaped metal conductor, the number of turns of the primary winding 42 can be reduced, the winding work can be facilitated, and the productivity can be improved.
  • the experimental results of the heat generation temperature of the transformer of the conventional configuration and the transformer of the present embodiment are shown.
  • the frequency of the high frequency voltage is 14 [MHz]
  • the amplitude of the high frequency voltage is 900 [V].
  • the heat generation temperature of the transformer of the conventional configuration was 138.9 degrees, whereas the heat generation temperature of the transformer of the present embodiment could be suppressed to 81.2 degrees.
  • the primary winding of the above embodiment has a configuration in which a plurality of strips are provided radially, but a configuration in which one strip is spirally wound around a toroidal coil may be used.
  • the configuration of the primary winding 42 may be the one shown in FIG.
  • the primary winding 42 is connected to a substrate 42a provided with a metal conductor 42a1 on one surface and a central portion of the substrate 42a, and is a central pin member composed of a metal conductor arranged in the center of the toroidal core 41. It includes a 42b and a plurality of (here, four) peripheral pin members 42c made of metal conductors which are connected to the peripheral edge of the substrate 42a and are arranged around the toroidal core 41. It is conceivable to attach a metal conductor 42a1 such as a copper foil to one surface of the substrate 42a facing the toroidal core 41. With this configuration, a current radiates from the central pin member 42b to the plurality of peripheral pin members 42c via the substrate 42a. With such a configuration, the primary winding 42 can be easily assembled.
  • the secondary winding is wound inward with respect to the toroidal core, and the primary winding is wound outside with respect to the toroidal core.
  • the primary winding is wound inward with respect to the toroidal core.
  • the secondary winding may be wound on the outside, or the primary winding may be wound around a part of the toroidal core in the circumferential direction, and the secondary winding may be wound around the part other than the part where the primary winding is wound in the circumferential direction. May be wound around.
  • the transformer is fixed to the circuit board by fixing the primary winding to the circuit board, but the transformer may be fixed to the circuit board by another method such as using a fixing screw. good.

Abstract

本発明は、四重極型質量分析計においてトランスに起因する温度影響を低減するものであり、試料をイオン化するイオン化部（２１）と、イオン化部（２１）で発生したイオンを選択的に通過させる２組の対向電極（２３Ｐ）を有する四重極部（２３）と、２組の対向電極（２３Ｐ）それぞれに直流電圧Ｕ及び高周波電圧Ｖｃｏｓωｔを重畳した電圧を印加する電圧印加部（３２）と、四重極部（２３）を通過したイオンを検出するイオン検出部（２４）とを備え、電圧印加部（２４）は、高周波電圧Ｖｃｏｓωｔを変圧するトランス（４）を有しており、トランス（４）は、トロイダルコア（４１）に一次巻線（４２）及び二次巻線（４３）を巻回して構成されたものであり、一次巻線（４２）は板状をなす金属導体から形成されている。

Description

四重極型質量分析計及び残留ガス分析方法
　本発明は、四重極型質量分析計及び残留ガス分析方法に関するものである。
　従来、四重極型質量分析計としては、特許文献１に示すように、イオンを選択的に通過させる四重極部を有しており、四重極部では、２組の対向電極それぞれに直流電圧及び高周波電圧を重畳した電圧が印加されている。ここで、対向電極に印加される高周波電圧はトランスを用いて昇圧されている。
特開２０１１－２４９１７２号公報
　一方で、本願発明者が上記の四重極型質量分析計を用いて、特定の質量電荷比（ｍ／ｚ＝４０ＡＭＵ）を所定期間に亘って連続測定したところ、図９に示すように、時間経過とともに出力電流のピークがシフトして測定誤差となっていることが分かった。この原因を鋭意検討したところ、トランスにより発生する熱の影響を受けて周辺の回路基板上の回路部品に熱影響を与えていることが分かった。
　そこで本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたものであり、四重極型質量分析計において高周波電圧を変圧するトランスに起因する温度影響を低減することをその主たる課題とするものである。
　すなわち、本発明に係る四重極型質量分析計は、試料をイオン化するイオン化部と、前記イオン化部で発生したイオンを選択的に通過させる２組の対向電極を有する四重極部と、前記２組の対向電極それぞれに直流電圧及び高周波電圧を重畳した電圧を印加する電圧印加部と、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、前記電圧印加部は、高周波電圧を変圧するトランスを有しており、前記トランスは、トロイダルコアに一次巻線及び二次巻線を巻回して構成されたものであり、前記一次巻線は板状をなす金属導体から形成されていることを特徴とする。
　このような四重極型質量分析計であれば、トロイダルコアに一次巻線及び二次巻線を巻回してトランスを構成し、このトランスにおいて一次巻線を板状の金属導体から形成しているので、一次巻線において高周波電流が流れる実効断面積を大きくすることができる。その結果、一次巻線における熱損失を低減することができ、トランスに起因する温度影響を低減することができる。また、一次巻線を板状の金属導体としているので、一次巻線の巻き数を少なくすることができ、巻き作業を容易にして生産性を改善することができる。
　前記トロイダルコアに巻回される前記二次巻線の具体的な実施の態様としては、前記２組の対向電極における一方の組に接続される第１の二次巻線と、前記２組の対向電極における他方の組に接続される第２の二次巻線とを有することが考えられる。
　本発明では、一次巻線に板状の金属導体を用いて放射状に電流経路を形成することで、一次巻線と第１の二次巻線との磁気結合と、一次巻線と第２の二次巻線との磁気結合とのばらつきを低減することができ、出力される高周波電圧のばらつきを低減することができる。
　トランスのフットプリント（具体的には高周波回路基板の実装面積）を小さくしつつ、断面積を大きくして許容磁束を高めてトロイダルコアにおける損失（鉄心）及び発熱を低減するためには、前記トロイダルコアは、２つ以上のトロイダルコア要素を積層することにより構成されていることが望ましい。
　前記一次巻線は、前記トロイダルコアに対して放射状となるように巻回されていることが望ましい。
　この構成であれば、一次巻線である板状の金属導体の断面積を大きくすることができ、本発明の効果をより一層顕著にすることができる。
　一次巻線の具体的な実施の態様としては、前記一次巻線は、展開した状態において複数の帯状部が放射状に配置されたものであり、前記複数の帯状部が前記トロイダルコアに巻き付けられたものであることが考えられる。
　この構成であれば、放射状に一次巻線を巻回する作業を容易にすることができる。
　また、一次巻線の別の具体的な実施の態様としては、前記一次巻線は、一面に金属導体が設けられた基板と、当該基板の中央部に接続されるとともに、前記トロイダルコアの中央に配置される金属導体からなる中心ピン部材と、前記基板の周縁部に接続されるとともに、前記トロイダルコアの周囲に配置される金属導体からなる複数の周辺ピン部材とを備えていることが望ましい。
　この構成であれば、一次巻線を組み立てやすくすることができる。
　鉄心であるトロイダルコアは鉄損によって発熱することが考えられる。このトロイダルコアを効率よく外部に放熱できるようにするためには、前記トロイダルコア及び前記一次巻線の間は、熱伝導性を有する接着剤により充填されていることが望ましい。
　トランスを回路基板に固定する構成を簡単にするとともに、一次巻線の発熱を回路基板から外部に放熱するためには、前記トランスは、前記一次巻線が回路基板に固定されることによって前記回路基板に固定されるものであることが望ましい。
　本発明に係る前記電圧印加部を制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、特定の質量電荷比を所定期間に亘って連続測定すべく前記電圧印加部を制御する場合において、本発明の効果をより一層顕著にすることができる。
　また本発明に係る残留ガス分析方法は、上述した四重極型質量分析計を用いて真空チャンバ内の残留ガスを分析することを特徴とする。
　以上に述べた本発明によれば、四重極型質量分析計においてトランスに起因する温度影響を低減することができる。
本発明の一実施形態に係る四重極型質量分析計を真空チャンバに取り付け状態を示す模式図である。 同実施形態の四重極型質量分析計の構成を模式的に示す図である。 同実施形態の四重極部等の構成を模式的に示す斜視図である。 同実施形態のトランスの構成を示す断面図である。 同実施形態のトランスの構成を示す平面図である。 同実施形態のトランスの分解斜視図である。 同実施形態のトランスの高周波電源回路及び従来の高周波電源回路を示す図である。 従来構成のトランスと本実施形態のトランスの発熱温度の実験結果を示す図である。 従来の四重極型質量分析計を用いて特定の質量電荷比（ｍ／ｚ＝４０ＡＭＵ）を所定期間に亘って連続測定した場合の測定結果を示す図である。 変形実施形態のトランスの構成を示す断面図である。
１００・・・四重極型質量分析計
ＶＣ・・・真空チャンバ
２１・・・イオン化部
２３・・・四重極部
２４・・・イオン検出器
２３Ｐ・・・対向電極
３２・・・電圧印加部
３３・・・制御部
４・・・トランス
４１・・・トロイダルコア
４１ａ、４１ｂ・・・トロイダルコア要素
４２・・・一次巻線
４３ａ・・・第１の二次巻線
４３ｂ・・・第２の二次巻線
４２１・・・帯状部
４４・・・接着剤
５・・・高周波回路基板
　以下に、本発明の一実施形態に係る四重極型質量分析計について、図面を参照して説明する。
＜１．全体構成＞
　本実施形態の四重極型質量分析計１００は、例えば半導体製造プロセス中又は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るものであり、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。
　具体的に四重極型質量分析計１００は、図１及び図２に示すように、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２と、センサ部２を制御するとともに、当該センサ部２の出力に基づいて残留ガスの分析処理等を行う演算部３とを備えている。
　センサ部２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イオン化部２１と、イオン化部２１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２２と、イオン引き出し電極２２によりイオン化部２１から導出されたイオンを選択的に通過させる四重極部２３と、四重極部２３を通過したイオンを検出するイオン検出部２４とを備えている。
　なお、センサ部２は、イオン化部２１、イオン引き出し電極２２、四重極部２３及びイオン検出部２４を先端側からこの順で収容して保護するケーシング２５を備えている。ケーシング２５内において、イオン化部２１、イオン引き出し電極２２、四重極部２３及びイオン検出部２４は一直線上に配置されている。このケーシング２５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２内に導入するためのガス導入口２５Ｈが設けられている。なお、ケーシング２５が真空チャンバＶＣに設けられた取付孔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、ケーシング２５内がガス導入口２５Ｈ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２１、イオン引き出し電極２２、四重極部２３及びイオン検出部２４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２１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２１により、生成されたイオンは、イオン引き出し電極２２によって外部に引き出される。
　イオン引き出し電極２２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２２は、イオン化部２１と四重極部２３との間に設けられ、イオン化部２１により生成されたイオンを四重極部２３及びイオン検出部２４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２３は、イオン引き出し電極２２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（ｍ／ｚ）に応じて分離するものである。具体的には、図３に示すように、四重極部２３は、９０°間隔で配置した２組の対向電極２３Ｐを有している。
　この四重極部２３は、後述する電圧印加部３２により、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とを重畳した電圧が印加される。そして、四重極部２３は、電圧印加部３２によってそのＵ／Ｖ比を一定としつつＶを変化されることにより、その対向電極２３Ｐ内に入射したイオンを電荷対質量比（ｍ／ｚ）に応じて選択通過させるものである。
　イオン検出部２４は、四重極部２３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２４は、四重極部２３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２１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３は、上述の通り、演算処理機能及び制御機能を有する。この演算部３は、図２に示すように、増幅器、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、ＣＰＵ、メモリ、通信ポート等を備えるものである。そして演算部３は、前記センサ部２のイオン検出部２４から出力されるイオン電流の電流値に基づいて質量分析を行うデータ処理部３１を有している。また必要に応じて、データ処理部３１は、その分析結果を汎用コンピュータ２００（図１参照）等に送信することもできる。
　また、演算部３は、図２に示すように、四重極部２３の２組の対向電極２３Ｐに直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖｃｏｓωｔとを重畳した電圧が印加する電圧印加部３２、及び、電圧印加部３２を制御する制御部３３としての機能を有する。
　電圧印加部３２は、９０°異なるそれぞれの組の対向電極２３Ｐ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を変化させるものであり、制御部３３によって制御される。この制御部３３は、特定の質量電荷比に応じて直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖｃｏｓωｔを制御するものであり、例えば、特定の質量電荷比を所定期間に亘って連続測定すべく電圧印加部３２を制御することができる。
　具体的に電圧印加部３２は、図４に示すように、高周波電圧を昇圧するためのトランス４を有し、所望の高周波電圧にフィードバック制御するための高周波回路基板５に搭載されている。
　トランス４は、図４及び図５に示すように、円環状のトロイダルコア４１に一次巻線４２及び二次巻線４３を巻回して構成されたものであり、一次巻線４２は、電源側に接続されており、二次巻線４３は、対向電極側に接続されている。本実施形態のトロイダルコア４１は、トロイダルコア要素４１ａ、４１ｂを２つ重ねて二重構造にすることにより、トロイダルコア４１の断面積を大きくして許容磁束を大きくし、トロイダルコア４１における損失（鉄損）、つまりトロイダルコア４１の発熱を低減している。
　そして、一次巻線４２は、板状をなす例えば銅からなる金属導体から形成されている。また、二次巻線４３は、線状の金属導体から形成されている。ここで、二次巻線４３は、図５に示すように、２組の対向電極２３Ｐにおける一方の組に接続される第１の二次巻線４３ａと、２組の対向電極２３Ｐにおける他方の組に接続される第２の二次巻線４３ｂとを有している。
　本実施形態のトランス４においては、トロイダルコア４１に所定の巻き数で二次巻線４３を巻回した後に、その外側に一次巻線４２が巻回されている。つまり、トロイダルコア４１に対して内側に二次巻線４３が巻回されており、外側に一次巻線４２が巻回された構成である。なお、第１の二次巻線４３ａ及び第２の二次巻線４３ｂは、互いに沿わせてトロイダルコア４１に巻回することにより、一次巻線４２との磁気結合のばらつきを低減している。
　ここで、一次巻線４２は、トロイダルコア４１に対して放射状となるように巻回されている（図５参照）。放射状に巻回する事によって一次巻線４２の断面積を大きくすることができる。具体的に一次巻線４２は、図６に示すように、展開した状態において複数の帯状部４２１が放射状に配置されたものであり、複数の帯状部４２１をトロイダルコア４１に巻き付けることにより巻回される構成である。この構成により、一次巻線４２を放射状となるように巻回する作業が容易となる。
　より詳細には、一次巻線４２の中心部には、トロイダルコア４１の中央に配置される芯部４２２が設けられており、当該芯部４２２から放射状に複数の帯状部４２１が延びるように配置されている。また、帯状部４２１の自由端部４２１ａには、高周波回路基板５の配線用貫通孔５１（図４参照）に差し込まれる差込部４２１ｘが形成されている。
　そして、トロイダルコア４１の中央に芯部４２２を差し込みつつ、帯状部４２１をトロイダルコア４１の外面に沿うように折り曲げて、その差込部４２１ｘを配線用貫通孔５１に差し込んでハンダ付けすることにより、トランス４が高周波回路基板５に固定される。つまり、トランス４は、一次巻線４２が高周波回路基板５に固定されることによって高周波回路基板５に固定される構成としてある。これにより、トランス４を高周波回路基板５に固定する構成を簡単にしつつ、一次巻線４２の発熱を高周波回路基板５から外部に放熱しやすくできる。
　さらに、トランス４において、トロイダルコア４１及び一次巻線４２の間は、図４に示すように、熱伝導性を有する接着剤４４により充填されている。これにより、トロイダルコア４１における損失（鉄損）により生じる熱を一次巻線４２に伝わりやすくしている。また、一次巻線４２は高周波回路基板５に接続されているので、トロイダルコアからの熱を、一次巻線４２を介して高周波回路基板５に伝達し、高周波回路基板５から外部に放熱しやすくできる。なお、本実施形態では、トロイダルコア４１と一次巻線４２との間には二次巻線４３が配置されているので、二次巻線４３は接着剤４４により取り囲まれることになる。
　また、本実施形態の高周波回路基板５には、図７に示すように、トランスに所望の高周波電圧を印加するための高周波電源回路が設けられている。なお、図７の上図が、本実施形態の高周波電源回路であり、図７の下図が、従来の高周波電源回路である。
　従来の高周波電源回路では、部品点数が多く、且つ、高周波用の部品を使用しなければならない構成である。また、高周波振幅の検出器に温度特性を持つダイオードを用いており、高周波電源回路が温度影響を受けて高周波振幅が大きく温度影響を受ける構成であった。
　これに対して、本実施形態の高周波電源回路では、ＤＤＳ（ダイレクト・デジタル・シンセサイザ）と、当該ＤＤＳからの出力を増幅してトランスに出力する増幅器と、当該増幅器からの高周波振幅を検出する検出器と、当該検出器の検出振幅と振幅設定値との差分に基づいてＤＤＳに振幅設定信号を入力する減算器とを有している。そして、ＤＤＳの振幅設定ピン（接続する抵抗値により振幅設定ピンから流出する電流が変化し、出力はそれをミラーリングした電流が出力されて高周波振幅が変化する）に抵抗の代わりにバイポーラトランジスタを接続し、振幅設定ピンから流出する電流を別回路から変化させる。これにより、ＤＤＳから出力する高周波振幅を変化させ、回路構成を簡単にしている。
＜本実施形態の効果＞
　このように構成した本実施形態の四重極型質量分析計１００によれば、トロイダルコア４１に一次巻線４２及び二次巻線４３を巻回してトランス４を構成し、このトランス４において一次巻線４２を板状の金属導体から形成しているので、一次巻線４２において高周波電流が流れる実効断面積を大きくすることができる。その結果、一次巻線４２における熱損失を低減することができ、トランス４に起因する温度影響を低減することができる。また、一次巻線４２を板状の金属導体としているので、一次巻線４２の巻き数を少なくすることができ、巻き作業を容易にして生産性を改善することができる。
　次に、従来構成のトランスと本実施形態のトランスの発熱温度の実験結果を示す。ここで、高周波電圧の周波数を１４［ＭＨｚ］とし、高周波電圧の振幅を９００［Ｖ］とした。図８に示すように、従来構成のトランスの発熱温度は１３８．９度であったのに対して、本実施形態のトランスの発熱温度は８１．２度に抑えることができた。
＜その他の実施形態＞
　例えば、前記実施形態の一次巻線は、複数の帯状部を放射状に設けた構成であったが、１本の帯状体をトロイダルコイルに螺旋状に巻回する構成としても良い。
　また、一次巻線４２の構成は、図１０に示すものであっても良い。具体的に一次巻線４２は、一面に金属導体４２ａ１が設けられた基板４２ａと、当該基板４２ａの中央部に接続されるとともに、トロイダルコア４１の中央に配置される金属導体からなる中心ピン部材４２ｂと、基板４２ａの周縁部に接続されるとともに、トロイダルコア４１の周囲に配置される金属導体からなる複数（ここでは４つ）の周辺ピン部材４２ｃとを備えている。基板４２ａのトロイダルコア４１を向く一面に例えば銅箔等の金属導体４２ａ１を貼り付けることが考えられる。この構成により、中心ピン部材４２ｂから基板４２ａを介して複数の周辺ピン部材４２ｃに放射状に電流が流れることになる。このような構成であれば、一次巻線４２を組み立てやすくすることができる。
　また、前記実施形態は、トロイダルコアに対して内側に二次巻線を巻回し、外側に一次巻線を巻回する構成であったが、トロイダルコアに対して内側に一次巻線を巻回し、外側に二次巻線を巻回しても良いし、トロイダルコアの周方向の一部に一次巻線を巻回し、周方向において一次巻線を巻回した部分以外の部分に二次巻線を巻回しても良い。
　さらに、前記実施形態は、一次巻線を回路基板に固定することによりトランスを回路基板に固定する構成であったが、例えば固定ネジを用いるなどその他の方法によりトランスを回路基板に固定しても良い。
　その他、本発明の趣旨に反しない限り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。
　本発明によれば、四重極型質量分析計においてトランスに起因する温度影響を低減することができる。

Claims (10)

  1. 　試料をイオン化するイオン化部と、
    　前記イオン化部で発生したイオンを選択的に通過させる２組の対向電極を有する四重極部と、
    　前記２組の対向電極それぞれに直流電圧及び高周波電圧を重畳した電圧を印加する電圧印加部と、
    　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、
    　前記電圧印加部は、高周波電圧を変圧するトランスを有しており、
    　前記トランスは、トロイダルコアに一次巻線及び二次巻線を巻回して構成されたものであり、
    　前記一次巻線は板状をなす金属導体から形成されている、四重極型質量分析計。
  2. 　前記トロイダルコアに巻回される前記二次巻線は、前記２組の対向電極における一方の組に接続される第１の二次巻線と、前記２組の対向電極における他方の組に接続される第２の二次巻線とを有する、請求項１に記載の四重極型質量分析計。
  3. 　前記トロイダルコアは、２つ以上のトロイダルコア要素を積層することにより構成されている、請求項１又は２に記載の四重極型質量分析計。
  4. 　前記一次巻線は、前記トロイダルコアに対して放射状となるように巻回されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の四重極型質量分析計。
  5. 　前記一次巻線は、展開した状態において複数の帯状部が放射状に配置されたものであり、
    　前記複数の帯状部が前記トロイダルコアに巻き付けられたものである、請求項１乃至４の何れか一項に記載の四重極型質量分析計。
  6. 　前記一次巻線は、一面に金属導体が設けられた基板と、当該基板の中央部に接続されるとともに、前記トロイダルコアの中央に配置される金属導体からなる中心ピン部材と、前記基板の周縁部に接続されるとともに、前記トロイダルコアの周囲に配置される金属導体からなる複数の周辺ピン部材とを備えている、請求項１乃至４の何れか一項に記載の四重極型質量分析計。
  7. 　前記トロイダルコア及び前記一次巻線の間は、熱伝導性を有する接着剤により充填されている、請求項１乃至６の何れか一項に記載の四重極型質量分析計。
  8. 　前記トランスは、前記一次巻線が回路基板に固定されることによって前記回路基板に固定されるものである、請求項１乃至７の何れか一項に記載の四重極型質量分析計。
  9. 　前記電圧印加部を制御する制御部をさらに備え、
    　前記制御部は、特定の質量電荷比を所定期間に亘って連続測定すべく前記電圧印加部を制御する、請求項１乃至８の何れか一項に記載の四重極型質量分析計。
  10. 　請求項１乃至９の何れか一項に記載の四重極型質量分析計を用いて真空チャンバ内の残留ガスを分析する残留ガス分析方法。
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