WO2022223232A1 - Vorrichtung zur spektrometrischen untersuchung eines gases und lithographieanlage - Google Patents

Vorrichtung zur spektrometrischen untersuchung eines gases und lithographieanlage Download PDF

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WO2022223232A1
WO2022223232A1 PCT/EP2022/057761 EP2022057761W WO2022223232A1 WO 2022223232 A1 WO2022223232 A1 WO 2022223232A1 EP 2022057761 W EP2022057761 W EP 2022057761W WO 2022223232 A1 WO2022223232 A1 WO 2022223232A1
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gas
ions
pressure
chamber
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Michel Aliman
Albrecht Ranck
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Carl Zeiss SMT GmbH
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Carl Zeiss SMT GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/622—Ion mobility spectrometry
    • G01N27/623—Ion mobility spectrometry combined with mass spectrometry

Definitions

  • the invention relates to a device for the spectrometric examination of a gas, comprising: an extraction device for extracting ions of the gas to be examined from an ion chamber, an ion detector for detecting the ions, an ion transfer device for transferring the ions from the extraction device to the ion -Detector along an ion transfer path, a supply device for supplying a braking gas to the ion transfer path, and an evaluation device for determining transport times when transporting the ions from the extraction device to the ion detector along the ion transfer path.
  • a further aspect of the invention relates to a lithography system, in particular an EUV lithography system, which has at least one such device.
  • a gas is also understood to mean a gas mixture, i.e. a mixture of two or more gases.
  • mass spectrometry In mass spectrometry (“mass spectrometry” or MS), ions are usually transported into the ultra-high vacuum to determine the unitless mass charge ratio (m/z, hereafter: “rnz”) of a charged particle (in the form of an ion) using the frictionless or collision-free, well-known Lorentz force (1) and the kinetic law of conservation of momentum (2):
  • the mass charge ratio mz results, which is a function of physical parameters (eg t for so-called time-of-flight, TOF, r for sector and /ion for ion resonance mass spectrometers): mz ⁇ t 2 (3.1) mz ⁇ r 2 (3.2)
  • the mean free path of the particles is small compared to the particle flight time, so that several collisions take place before these reach the particle detector and the collision losses caused by the term (x a .n) cannot be neglected; Particles with different collision cross-sections therefore move at different speeds.
  • This information - also referred to as drift time - is of particular interest in so-called ion mobility spectroscopy (ion mobility spectroscopy or IMS), in which mainly the mobility of the particles in a given medium, hereinafter referred to as brake gas, is measured.
  • IMS ion mobility spectroscopy
  • brake gas mainly the mobility of the particles in a given medium
  • brake gas brake gas
  • a mass spectrometer is usually not able to distinguish between isomers (eg between hydrocarbons of the same mass but different arrangement).
  • ions Charged particles
  • ion transfer optics which are also referred to as ion transfer devices (ion guides), eg from fine to medium vacuum.
  • ion transfer devices ion guides
  • the ions with different mass charge ratios and/or ion cross sections are admitted through an electric or magnetic ion guide, they move through the provided neutral medium in the form of the brake gas (usually a light inert gas or gas mixture with a mass charge ratio mz c ) on average with different, statistically well-defined speeds.
  • Transfer optics with the length L - in which a purely electrical field strength ⁇ ⁇ prevails - can be measured and evaluated as a measure of the mobility of the ions; and taking Equation (1) into account in the state of equilibrium (at approximately the same particle sliding speed) a “mobility factor” or a mobility Km results for a particle mass mz of the charge q.
  • the mobility Km depends not only on the mass charge ratios (mz, mz c ) of the ions or the brake gas, but also on the impact cross sections W of the particles or ions, on the pressure p and on the temperature T of the brake gas:
  • GC gas chromatography
  • MS mass spectrometer
  • Mass spectrometry and ion mobility spectrometry are therefore complementary measurement methods that are carried out in different devices and fields of application according to the state of the art.
  • the coupling of these two measurement methods in a so-called ion mobility mass spectrometer is of great interest for many applications, see for example the article "Deciphering drift time measurements from traveling wave ion mobility spectrometry studies", David P. Smith et al. , EJMS (European Journal of Mass Spectrometry), 15, 113-130 (2009).
  • a coupling in which an ion mobility spectrometer for separating the ions according to their mobility and a mass spectrometer for separating the ions according to their mass charge ratio are connected in series, involves considerable effort.
  • the transition from fine to high vacuum also entails considerable effort and challenges:
  • An EUV lithography system has become known from US Pat. No. 8,953,145 B2 (corresponding to DE 102008041 592 A1), which has a housing which encloses an interior space.
  • a vacuum generation unit is used to generate a residual gas atmosphere in the interior and a residual gas analyzer is used to detect at least one contaminating substance in the residual gas atmosphere.
  • the residual gas analyzer has a storage device for storing the contaminating substance.
  • the storage device can be an ion trap, for example.
  • object of the invention It is the object of the invention to provide a device and an EUV lithography system with such a device that enable a gas to be examined both by means of mass spectrometry and by means of ion mobility spectrometry in a compact design.
  • a device of the type mentioned at the outset which is designed to switch over a pressure along the ion transfer path between a first, lower pressure range and a second, higher pressure range and in which the evaluation device is designed, in a first operating mode, based on the Transport times of the ions at the pressure in the first pressure range to carry out a mass spectrometric examination of the gas and to carry out an ion mobility spectrometric examination of the gas in a second operating mode based on the transport times of the ions at the pressure in the second pressure range.
  • Switching between the two pressure ranges can take place by supplying the braking gas to the ion transfer section using the supply device or removing the braking gas from the ion transfer section using a suitable device, e.g. a vacuum pump.
  • the complementary measurement methods of mass spectrometry and ion mobility spectroscopy are combined in one and the same device in a compact space.
  • the device is designed to switch the pressure along the ion transfer path between the first and the second pressure area.
  • the first, lower pressure range is chosen in such a way that practically no collisions take place, ie the collision loss term (x a .n) in equation (1) can be neglected.
  • the evaluation device in which first operating mode based on the transport time(s) t of the ions, for example using equation (3.1), carry out a mass spectrometric analysis of the gas in a known manner, ie determine the mass charge ratio mz.
  • the second, higher pressure range is chosen in such a way that the impact loss term (x a .n) in equation (1) cannot be neglected.
  • the evaluation device can determine the mobility Km of the ions in the second operating mode using equations (4) or (5) or the method explained in detail in the article by David P. Smith cited above, ie an ion mobility spectrometric method Examination of the ions of the gas to be examined.
  • both spectrometric methods have the advantages described above, which can be used in combination in the present device.
  • the braking gas can be supplied and discharged quickly, it is possible to quickly switch between a collision-free measurement in the first operating mode and a collision-prone measurement in the second operating mode.
  • both the mobility of the charged particles or ions and their masses can be measured promptly in one and the same device.
  • the device can be used to distinguish between isomers, i.e. particles with the same molecular mass and the same mass charge ratio but with different mobility.
  • transport time is used in this application regardless of whether the device is operated in the first operating mode or in the second operating mode, ie in particular regardless of whether the ion transfer section was supplied with a braking gas or not, ie regardless of the partial pressure of the brake gas.
  • P2min / pi max > 100, preferably > 1000.
  • the second pressure range should typically be at least two orders of magnitude, ideally at least three orders of magnitude, above the first pressure range, ie the two pressure ranges should be sufficiently far apart.
  • the first pressure range is typically the high-vacuum range.
  • the first pressure range can be below a maximum pressure of 10 4 mbar and preferably above a minimum pressure of 10 5 mbar.
  • the maximum pressure and the minimum pressure can also be greater or less than the values given here.
  • the term “high-vacuum area” means that there are practically no particle collisions in the device or along the ion transfer path.
  • the second pressure range is typically the medium or fine vacuum range, for example the second pressure range can be above a minimum pressure of 10 2 mbar and preferably below a maximum pressure of 10° mbar.
  • the minimum pressure and in particular the maximum pressure can also be smaller or larger than the values given here.
  • the maximum pressure can also be 10 1 mbar or more.
  • the pressure in the second pressure range can be determined mainly by the partial pressure of the braking gas that is supplied to the ion transfer section via the supply device.
  • the braking gas can be a light inert gas (eg helium), a light process gas (eg hydrogen), another suitable gas (eg nitrogen) or a gas mixture (eg air).
  • the (lower) operating pressure ie the pressure along the ion transfer path
  • the (upper) operating pressure ie the pressure along the ion transfer path
  • the operating pressure can be permanently in the first pressure range if only a mass spectrometric analysis of the gas is to be carried out with the device in the first operating mode.
  • the operating pressure can optionally also be permanently in the second pressure range (fine or medium vacuum) if only an ion mobility spectrometric analysis is to be carried out with the device.
  • the length of the collision-free or collision-prone ion transfer path and the pressure ranges ie the first pressure range and the second pressure range, can be adjusted.
  • the charged particles or ions can be detected directly in the fine, medium or high vacuum range with the help of the ion detector.
  • a suitable ion detector must therefore be designed to be robust when the pressure range is exceeded - i.e. also for pressures above the fine vacuum range.
  • the ion detector should work without degradation and requires a dynamic range of the order of approx. 5-6 decades in order to be able to detect ions in both pressure ranges.
  • the ion transfer path is formed in a measuring chamber, with the supply device for supplying the brake gas to the measuring chamber preferably having at least one valve, in particular a controllable valve.
  • the supply device provides the brake gas, for example an inert gas or a gas mixture (see above), with the necessary partial pressure to generate a desired partial pressure of the brake gas in the measuring chamber in the second operating state.
  • the device comprises a first vacuum pump for pumping out the measuring chamber, the first vacuum pump preferably being connected to the measuring chamber via at least one valve, which can in particular be regulated.
  • the vacuum pump can evacuate the measuring chamber with the help of the (adjustable) valve.
  • the brake gas can be fed to the measurement chamber with the aid of the feed device or via its likewise controllable valve in order to set the desired pressure in the measurement chamber and thus along the ion transfer path.
  • the pressure in the measuring chamber can be set, for example, over a comparatively large range, for example between approximately 10 5 mbar and 10° mbar. Rapid switching between the first pressure range and the second pressure range is possible with the aid of the valves, which can be shut-off, passage or control valves.
  • the valves of the feed device and the vacuum pump do not necessarily have to be separate components, rather they can be implemented in the form of a common valve arrangement.
  • the valves of the feed device and the first vacuum pump can be controlled or regulated by the evaluation device or by a separate control device.
  • the evaluation device controls all units of the device, reads the output or the outputs of the ion detector and evaluates their status or their results.
  • the extraction device, the ion transfer device and the part of the ion detector which is used to detect the ions and which has a measuring electrode arrangement with at least one measuring electrode for this purpose are typically arranged in the measuring chamber.
  • the ion transfer path usually forms a straight line that runs in the ion transfer device between the extraction device and the ion detector extends.
  • the ion transfer path can also, for example, have a compact, meandering shape—with a suitable electrical field profile along the ion transfer path.
  • the ion transfer device is arranged between the extraction device and the ion detector.
  • the extraction device is an electrode that generates a rapid extraction pulse (e.g. t ⁇ 100 ns) that accelerates the ions from the ion chamber in the direction of the ion transfer device.
  • the ion transfer device guides the ions in the direction of the ion detector or in the direction of the measuring electrode(s) of the ion detector.
  • the ion chamber and the measuring chamber are formed in a common housing, with the ion chamber preferably being connected to the measuring chamber via an orifice.
  • the ion chamber and the measuring chamber are usually pumped differentially, i.e. autonomous pump stages or vacuum pumps are assigned to them, which make it possible to set the pressure in the measuring chamber and the pressure in the ion chamber essentially independently of one another.
  • the device comprises a second vacuum pump for pumping out the ion chamber, the second vacuum pump being connected to the ion chamber preferably via at least one valve, which can be regulated in particular.
  • a constant pressure for example of the order of approx. 10 2 mbar or 10 1 mbar, can be set in the ion chamber, which is favorable for the gas to be examined in the ion chamber save.
  • the pressure in the ion chamber, which is set using the second vacuum pump is generally greater than the pressure in the measuring chamber, which is connected to the ion chamber.
  • the first and second Vacuum pump does not have to be designed as two separate components, but can form, for example, two different connections of a common vacuum pump.
  • the device comprises a gas inlet for admitting the gas to be examined into the ion chamber, wherein the gas inlet for admitting the gas to be examined preferably has at least one, in particular controllable, valve.
  • the gas to be examined or the particles can be removed via the gas inlet from a sample chamber in which the gas to be examined is located. It is possible that the gas to be examined is already in the ionized state in the sample chamber. Alternatively, the gas to be examined is removed from the sample chamber in the neutral state and fed to the ion chamber, in which it is ionized.
  • an ion trap for storing, accumulating and/or filtering ions of the gas to be examined is arranged in the ion chamber.
  • the ions stored in the ion trap represent a spatially bundled source of particles or ions.
  • the stored ions can be stored or accumulated within a predetermined accumulation time and extracted from the ion chamber into the measurement chamber at a desired time using the extraction device.
  • an extraction of ions from an ion population stored in the ion trap can be carried out several times in succession, the evaluation device being switched over between a first extraction and a subsequent second extraction from the first operating state to the second operating state (or vice versa) and the pressure ranges also being adjusted accordingly .
  • both a mass spectrometric investigation and an ion mobility spectrometric investigation can be carried out on one and the same ion population.
  • the accumulation of ions in the ion trap increases the detection limit and improves the signal-to-noise ratio during the measurement.
  • the ions fed into the ion chamber can also be specifically filtered, ie only ions with specific mass charge ratios are stored in the ion trap.
  • an in situ analysis of the stored ions in the ion trap is also possible, but due to the comparatively high pressure in the ion chamber, such an analysis is usually not easy to carry out.
  • charged particles or ions are always - i.e. during the (electrical) separation or accumulation of the ions in the ion trap, during the transfer and during the detection - with or without brake gas supply influenced.
  • the type and pressure of the braking gas, the flow direction of the braking gas and the kinetic energy of the ions - via the acceleration voltage of the extraction device - are freely selectable or optimisable.
  • the device comprises an ionization device for ionizing the gas to be examined in the ion chamber, in particular in the ion trap.
  • the gas to be examined can be ionized in the ion chamber in different ways.
  • the ionization device can be used for electron impact ionization and can be designed, for example, as an electron gun.
  • the ionization device can be designed to ionize the gas to be examined directly in the ion trap.
  • such an ionization device is not absolutely necessary; rather, the gas to be examined can be supplied to the ion chamber in the ionized state, as will be described further below.
  • the ion detector has a measuring electrode arrangement, preferably a Faraday cup, for detecting the ions and a detection device for detecting the ions detected by the measuring electrode arrangement.
  • the measuring electrode arrangement has a single measuring electrode which is designed as a Faraday cup.
  • the detection device is typically in the form of detection electronics and can be designed, for example, to detect the ions using a current which is generated by the ions detected at the measuring electrode arrangement.
  • the detection device can have a charge amplifier for converting a charge signal generated by the ions into a voltage signal and an amplifier device for amplifying the voltage signal.
  • the measurement electronics should preferably provide fast and low-noise detection of the ions with a dynamic range of 5 to 6 decades.
  • the measuring electrode arrangement has a central measuring electrode which is surrounded by a preferably ring-shaped main electrode. It has proven to be advantageous to provide at least two measuring electrodes in the measuring electrode arrangement, with a first measuring electrode preferably forming a central measuring electrode (focus electrode), which usually has a comparatively small diameter and is mainly used to detect strongly cooled ions in the second pressure range (eg between 10 3 mbar and 10 2 mbar) is used.
  • a second measuring electrode usually ring-shaped, serves mainly to detect weakly cooled ions in the first pressure range (eg at a pressure of about 10 5 mbar).
  • the central measuring electrode and the ring-shaped measuring electrode are electrically isolated and together form a Faraday A cup.
  • the central measuring electrode is typically arranged in the center of the bottom of the Faraday cup.
  • the ring-shaped main electrode is segmented and has at least two ring segments, preferably four ring segments.
  • the ring segments are distributed uniformly in the circumferential direction and typically each have the same surface area.
  • the segmentation of the ring-shaped main electrode, e.g. into four quadrants, enables a direction-sensitive recording or measurement of the ion beam: In the ideal case, the ion beam is distributed equally over all e.g. four segments or quadrants.
  • the detection device in the form of detection electronics typically has a number of inputs (and outputs) that corresponds to the number of electrically insulated measuring electrodes or measuring electrode segments. In the case of the measuring electrode arrangement described here with the central measuring electrode and the main electrode divided into four quadrants, the detection device has five inputs.
  • the detection device can be designed to interconnect all measuring electrodes or to connect the inputs to one another.
  • the segments of the segmented main electrode can be connected together, while the central measuring electrode records the strongly cooled ions separately. It is also possible for one or more of the segments of the main electrode and the central measuring electrode to be combined or interconnected in any way in order to particularly analyze the drift or flight properties of the ions. For example, drift or flight properties of isomers can be measured and evaluated.
  • the evaluation device is designed to identify isomeric substances in the second operating mode on the basis of different transport times of ions with the same mass charge ratio.
  • a further aspect of the invention relates to a lithography system, in particular an EUV lithography system, comprising: a housing which encloses an interior space in which at least one optical element is arranged, and at least one device which is designed as described above and which is connected to the Interior is connected in order to supply the ion chamber to be examined, preferably in the interior ionized gas.
  • a small proportion of hydrogen is typically present in an interior space of a lithography system, specifically an EUV lithography system. In the exposure mode, due to the EUV radiation present there, a plasma and thus charged particles or
  • the ions which in this case are generated directly in the housing of the lithography system, can in this case generally be introduced directly, ie in the ionized state, into the ion chamber of the device via the gas inlet.
  • the ions of the gas to be examined can be stored in the ion trap, accumulated and possibly internally situ are not analyzed destructively, as is described in US Pat. No. 8,953,145 B2 cited at the outset.
  • the ions can be extracted from the ion chamber with the aid of the extraction device or with the aid of a fast extraction pulse and fed to the measuring chamber.
  • the ions reach the ion detector via the ion transfer device, it being possible for a mass spectrometric examination or an ion mobility spectrometric examination of the ions to be carried out, depending on the operating state of the device.
  • the pressure in the interior of an EUV lithography system can, for example, be on the order of about 3 ⁇ 10 2 mbar to 10 1 mbar and is essentially determined by the hydrogen partial pressure.
  • the pressure in the ion chamber can be of the same order of magnitude or lower, for example about 10 2 mbar.
  • the supply device is designed to supply a gas present in the interior, in particular hydrogen, to the ion transfer path as braking gas.
  • a hydrogen plasma is formed in the interior of the housing during operation of the device.
  • the hydrogen present in the interior of the housing can therefore be taken from one and the same housing or the same sample chamber as the gas to be examined.
  • the hydrogen can be removed from the interior and fed to the measuring chamber with the aid of a controllable microvalve, for example.
  • a flow guide device is arranged in the interior space, which feeds the gas to be examined to the gas inlet of the device at a speed aligned essentially perpendicularly to a direction of the ion transfer path.
  • the gas inlet typically has a controllable valve, for example a piezo valve.
  • the flow guiding device can ensure that the ions have a preferred direction which essentially only has a velocity component which is perpendicular to the inlet direction through the gas inlet has, which runs perpendicularly to the direction of the (usually rectilinear) ion transfer path.
  • a speed aligned essentially perpendicularly to the direction of the ion transfer path is understood to mean that for a speed component of the gas in the X direction V M x holds: V M x ⁇ Y M y /10.
  • V M x ⁇ Y M y /10.
  • the gas only has a velocity component in the Y-direction.
  • the velocity component in the Y direction V M y is to be replaced by the magnitude of the vectorial sum of the velocity component in the Y direction V M y and the velocity component in the Z direction V M z .
  • the flow guide device can be a tube or the like, for example, which is aligned perpendicularly to the opening of the gas inlet or the valve of the gas inlet, so that the gas contained in the interior space is essentially perpendicular to the opening of the gas inlet flows past this and therefore has the desired velocity component.
  • the flow guiding device it is possible to ensure that the velocity component of the ions in the direction of the ion transfer path is almost zero in order to achieve the longest possible transport times for the ions and in this way to improve the signal-to-noise ratio.
  • FIG. 1 shows a schematic of a device for mass spectrometric and ion mobility spectrometric analysis of a gas, which has an ion transfer section to which a brake gas can be fed,
  • Fig. 2 is a schematic representation of the speed profile of
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a measuring electrode arrangement and a detection device of an ion detector of the device from FIG. 1 ,
  • FIG. 4a, b schematic representations of input
  • Fig. 6 shows a representation of a detail of an EUV lithography system, a housing with an interior and a device for spectrometric analysis of a gas to be examined located in the interior.
  • FIG. 1 shows a device 1 for the spectrometric analysis of a gas 2 contained in an interior space 3a of a sample chamber 3.
  • FIG. The device 1 comprises a housing 4 which has an ion chamber 5 and a measurement chamber 6 .
  • the ion chamber 5 is connected to the measuring chamber 6 via an orifice 7 (pressure stage).
  • An ion trap 8 is arranged in the ion chamber 5 .
  • the ion trap 8 is designed in a known manner in the manner of a Penning trap and has a ring electrode and two cover electrodes.
  • the gas 2 admitted into the ion chamber 5 from the sample chamber 3 via a gas inlet 9 with the aid of a valve 9a is ionized directly in the ion trap 8 with the aid of an ionization device 10 .
  • the ionization device 10 is an electron gun which generates an electron beam which is directed towards the center of the ion trap 8 .
  • the gas 2 within the ion trap 8 is ionized by the electron beam, ie ions 11 of the gas 2 to be examined are formed within the ion trap 8 .
  • the ions 11 are concentrated in a known manner with the aid of electric or magnetic fields in the center of the ion trap 8 and are thus spatially bundled.
  • the ionization device 10 may also have a control device which controls the ion trap 8 in order to store and accumulate the ions 11, etc.
  • the ion trap 8 can also be used to filter the ions 11 of the Serve to be examined gas 2: For example, targeted ions 11 with certain mass charge ratios are excited in order to remove them from the ion trap 8.
  • the ions 11 stored in the ion trap 8 can be extracted from the ion chamber 5 with the aid of an extraction device 12, which is designed in the form of a ring-shaped electrode in the example shown.
  • the extraction device 12 is arranged in the measuring chamber 6 in the example shown. By setting an acceleration voltage applied to the extraction device 12 in the form of the electrode, the kinetic energy of the ions 11 extracted from the ion chamber 5 can be adjusted.
  • An ion detector 13 is arranged in the measurement chamber 6 and serves to detect the ions 11 extracted from the ion chamber 5 .
  • the ions 11 are fed to the ion detector 13 with the aid of an ion transfer device 14 (ion optics) along an essentially rectilinear trajectory 15 starting from the extraction device 12 or from the center of the ion trap 8 .
  • An electric field with an electric field strength prevails in a section of the ion transfer path Lm within the ion transfer device 14 .
  • the electric field can also have dynamic components - eg for the radial focusing of the ions.
  • the device 1 also has a supply device 16 for supplying a braking gas 17 to the measuring chamber 6 and thus to the ion transfer path Lm.
  • the brake gas 17 is removed from an interior space 18a of a brake gas reservoir 18 .
  • the Feeding device 16 has a valve 16a.
  • the brake gas 17 can be a light inert gas (eg helium), a light process gas (eg hydrogen), another suitable gas (eg nitrogen) or a gas mixture (eg air).
  • the ion chamber 5 and the measuring chamber 6 are pumped differentially and are only connected to one another via the diaphragm opening 7 .
  • a pressure pi in the ion chamber 5 and a pressure P M in the measuring chamber 6 can therefore be set essentially independently of one another. As a rule, the pressure pi in the ion chamber 5 is greater than the pressure P M in the measuring chamber 6.
  • the device 1 also comprises a first vacuum pump 19 for evacuating the measuring chamber 6, which is connected to the measuring chamber 6 via a valve 19a, and a second vacuum pump 20 for evacuating the ion chamber 5, which is connected to the ion chamber 5 via a valve 20a is connected.
  • the valve 9a of the gas inlet 9, the valve 16a of the feed device 16 and the valves 19a, 20a of the first and second vacuum pumps 19, 20 are control or possibly controllable valves, which are at least between two Operating states are switchable, which are designed to shut off or for the passage of gas through a respective flow cross section.
  • a pressure pi can be set in the ion chamber 5 and regulated to a generally constant value which is, for example, of the order of approx. 10 2 mbar or less.
  • the measuring chamber 6 is evacuated with the aid of the first vacuum pump 19 or the associated valve 19a, ie with the aid of the first vacuum pump 19 the pressure P M in the measuring chamber 6 can be reduced.
  • the brake gas 17 can be supplied to the measuring chamber 6 with the aid of the supply device 16 or the corresponding valve 16a, which increases the pressure P M in the measuring chamber 6 .
  • the pressure P M in the measuring chamber 6 can be adjusted with the aid of the feed device 16 and with the aid of the first vacuum pump 19 in a large value range between approx. 10 5 mbar and approx. 10° mbar.
  • the pressure P M in the measuring chamber 6 is essentially determined by the partial pressure of the brake gas 17 in the measuring chamber 6 .
  • the device 1 also has an evaluation device 21 (“Measurement Process Unit”), which is used, among other things, to control all the essential functions of the device 1:
  • the evaluation device 21 is used, for example, to check the valve 9a of the gas inlet 9, the valve 16a of the feed device 16, the valve 19a of the first vacuum pump 19 and the valve 20a of the second vacuum pump 20 to control.
  • the evaluation device 21 controls the ionization device 10 or the ion trap 8, the extraction device 12 and the ion transfer device 14 (for
  • the evaluation device 21 can be implemented in the form of suitable hardware and/or software.
  • the evaluation device 21 can be, for example, electronics that are designed for the digital processing of signals.
  • the evaluation device 21 can have a signal connection with a measuring computer via a digital interface or the like.
  • the evaluation device 21 is also used to determine transport times tm during the transport of the ions 11 from the extraction device 12 to the ion detector 13 along the ion transfer path Lm carry out an ion mobility spectrometric analysis of the gas 2.
  • it is necessary to switch over the pressure PM in the measuring chamber 6 and thus along the ion transfer path L between a first, lower pressure range Dri and a second, higher pressure range Dr2 (cf. FIG. 2).
  • the first, lower pressure range Dri is selected in such a way that practically no collisions of the ions 11 take place, ie the collision loss term (x a .n) in equation (1) given above can be neglected.
  • the second, higher pressure range Dr2 is chosen in such a way that the impact loss term (x a .n) in equation (1) cannot be neglected. Therefore, in a first operating mode MS, in which the pressure P M in the measuring chamber 6 is in the first pressure range Dri, the evaluation device 21 can carry out a mass spectrometric examination of the gas using equation (3.1) based on the transport time(s) tm of the ions 11 2 perform, ie determine the mass charge ratios mz of the ions 11. Accordingly, the evaluation device 21 in a second operating mode IMS, in which the pressure P M is in the second pressure range Dr2, using equations (4) or (5) or using the article by David P.
  • both the mobility or the mobility Km of the ions 11 and their mass charge ratios mz can be measured in real time in the device 1.
  • the first pressure range Dri lies in an interval between a minimum pressure p-imin of 10 5 mbar and a maximum pressure p2 max of 10 4 mbar ("working pressure" WP1, WP2 in Fig. 2).
  • the second pressure range Dr2 lies between a minimum pressure p2 min of approximately 3 ⁇ 10 2 mbar and a maximum pressure p2 max of 10° mbar (“working pressure” WP3, WP4 in FIG. 2). It goes without saying that the two pressure ranges Dr-i, Dr 2 do not necessarily have to correspond to the specified value ranges, but can be adapted to the respective application.
  • the separation of the second pressure range Dr2 from the first pressure range Dri by three orders of magnitude results in the velocities v of the ions 11 falling from values of approximately 2 ⁇ 10 4 m/s in the first pressure range Dri drop to values of about 0.2 ⁇ 10 4 m/s in the second pressure range Dr2.
  • the ions 11 thus have an average velocity v in the second pressure range Dr2 due to the presence of the braking gas 17, which is smaller by approximately one order of magnitude than the velocity v in the first pressure range Dr-i.
  • the (operating) pressure P M in the measuring chamber 6 or the working point can be set as desired within the respective first or second pressure range Dr-i, Dr2.
  • the pressure P M or the operating point in the measuring chamber 6 in the first and in the second operating mode MS, IMS and the length of the collision-free or collision-prone ion transfer path L can be adapted to the respective application, in particular to the specified mass or isomer Resolution (see below) can be adjusted.
  • a suitable ion detector 13 should be designed to be robust in relation to exceeding the pressure range--ie also for pressures above the fine vacuum range.
  • the ion detector 13 should also work without degradation and requires a dynamic range of the order of approx. 5-6 decades in order to be able to detect the ions 11 in both pressure ranges Dr-i, Dr2.
  • the measuring electrode arrangement 22 forms a Faraday cup for ideally detecting the ions 11 without backscattering.
  • the central measuring electrode 23 is arranged in the center of the bottom of the Faraday cup and is surrounded by an annular bottom area of the main electrode 24 .
  • the central measuring electrode 23 has a comparatively small diameter and is mainly used to detect heavily cooled ions 11 in the second pressure range Dr2 (eg between 10 1 mbar and 10° mbar).
  • the ring-shaped main electrode 24, which forms the majority of the Faraday cup, is mainly used to detect weakly cooled ions 11 in the first pressure range Dri (eg at a pressure of about 10 5 mbar).
  • the central measuring electrode 23 and the ring-shaped measuring electrode 24 are electrically isolated and together form the Faraday cup.
  • the ring-shaped main electrode 24 is segmented and has four ring segments 24a-d (quadrants) in the example shown.
  • the four ring segments 24a-d are circumferential evenly distributed and each have the same surface area.
  • the ring-shaped main electrode 24 can also be divided into fewer or more ring segments.
  • the segmentation of the ring-shaped main electrode 24 into four quadrants 24a-d enables a direction-sensitive recording or measurement of the ions 11, which essentially move along the straight trajectory 15. In the ideal case, the detected ions 11 are distributed equally over all four quadrants 24a-d.
  • the detection device 25 in the form of detection electronics has five inputs in the example shown, which are used to electrically contact the central measuring electrode 23 and the four quadrants 24a-d of the main electrode 24 of the measuring electrode arrangement 22, which are shown on the right-hand side in Fig. 3 in a plan view is shown.
  • the detection device 25 can interconnect all electrically insulated measuring electrodes 23, 24a-d and connect the five inputs to one another.
  • the quadrants 24a-d of the segmented main electrode 24 can be connected together, while the central measuring electrode 23 records the strongly cooled ions 11 separately.
  • one or more of the quadrants 24a-d of the main electrode 24 and the central measuring electrode 23 can be combined or interconnected in any way in order to analyze the drift or flight properties of the ions 11 in particular.
  • drift or flight properties of isomers see below can be measured and evaluated.
  • the detection device 25 can, for example, be a charge amplifier conversion of a charge signal generated by the detected ions 11 into a voltage signal and an amplifier device for amplifying the voltage signal; the measuring electronics of the detection device 25 should preferably provide a fast and low-noise detection of the ions 11 with a dynamic range of 5 to 6 decades.
  • the ion signal lioi ⁇ i(t) at the input of the detection device 25 and the voltage signal U(t) at the output of the detection device 25 are shown in Fig.
  • the ion signal lioi ⁇ i(t) and the voltage signal U(t) are examples for a pressure PM of 10 -4 mbar in the first Pressure range Dri with ion masses between 10 and 1000 and a particle number N z / elementary charge of 1 x 10 2 , 5 x 10 3 , 1 x 10 3 , 1 x 10 1 and 1 x 10 4 are shown.
  • the acceleration voltage of the extraction device 12 was 50 V and the ion transfer path L had a length of 50 cm.
  • FIG. 4a shows a detail of the representation of FIG. 4b with a higher time resolution in a time interval of the transport time tm between 49 ps and 53 ps.
  • two ions 11 with similar masses or similar mass charge ratios mz impinge on the measuring electrode arrangement 22 in this time interval.
  • the time between the impact of the two ions 11 represents a measure of the mass difference between the two impacting ions 11, since, as described above, the transport time tm, ie the time span between Generating the extraction pulse of the extraction device 12 and the impact or the detection of the ions 11 on the measuring electrode arrangement 22, in the first operating state MS represents a measure of the mass charge ratio mz of the ions 11.
  • the transport times tm represent a measure of the mobility Km ⁇ of the ions 11 according to equation (4) given above and enable an ion mobility spectrometric analysis of the gas 2 to be carried out using the device 1 in the second operating state IMS .
  • the ion signals lioi ⁇ i(t) or voltage signals U(t) shown in FIG. 4b in the two operating states MS, IMS were recorded in the ion trap 8 with the same particle population.
  • the evaluation device 21 can also be used to determine the number of ions 11 detected by the detection device 25 in the two operating states MS, IMS.
  • a quantitative analysis presupposes that the resolution or the duration of the transport times tm is large enough. The resolution increases as the length of the ion transport path L increases.
  • the evaluation device 21 can also serve to determine isomeric substances 27 in the second operating mode IMS based on different transport times t2a, t2b of ions 11 with the same mass charge ratio mz2 identify, as shown in Fig. 5, exemplary spectrum of a mixture of a monomeric substance 26 and an isomeric substance 27 is shown.
  • the mass charge ratio mz is plotted on the abscissa, which results in the first operating state MS without impact processes or without the presence of the brake gas 17 in the measuring chamber 6.
  • the transport times tm in the second operating state IMS for the respective mass charge ratio mz are plotted on the ordinate.
  • FIG. 6 shows a highly schematized detail of an EUV lithography system 30, which is used to image a structure on a mask onto a light-sensitive layer on a wafer. Only a housing 3 of the EUV lithography system 30 is shown in FIG. 6, which encloses an interior space 3a, in which an individual optical element 31, which is designed as a mirror, is arranged by way of example. The optical element 31 in the form of the mirror serves to reflect EUV radiation 32, which is not shown in detail Beam path the EUV lithography system 30 passes through.
  • the interior space 3a When the EUV lithography system 30 is in operation, the interior space 3a is at a pressure PEUV of the order of magnitude of approximately 1 mbar; outside the housing 3 there is atmospheric pressure.
  • the interior 3a has a residual gas atmosphere, which contains, among other things, molecular hydrogen H2 as a component. Due to the high power of the EUV radiation 32, the hydrogen H2 is excited and forms a hydrogen plasma, which also ionizes other components of the residual gas atmosphere.
  • the device 1, more precisely the housing 4 of the device 1, is flanged to the outside of the housing 3 of the EUV lithography system 30 in order to connect the gas inlet 9 to the interior via a piezo valve 9a 3a to connect.
  • the gas 2 to be examined in the interior 3a is already ionized due to the hydrogen plasma and can therefore be introduced into the ion chamber 5 of the device 1 in the ionized state and stored in the ion trap 8 .
  • the provision of an ionization device in the ion chamber 5 can be dispensed with.
  • the (molecular) hydrogen H2 which is also contained in the interior 3a of the housing 3 of the EUV lithography system 30, is used as braking gas 17.
  • the housing 3 of the EUV lithography system 30 has a gas connection that is connected to the supply device 16 of the device 1 in order to supply the molecular hydrogen H2 from the interior 3a of the measuring chamber 6 of the device 1 .
  • the hydrogen Fh is removed from the housing 4 at a position where there is no or only a weak hydrogen plasma. In this way, the provision of a separate gas reservoir for the brake gas 17 can be dispensed with.
  • a highly schematized flow guide 33 which supplies the gas 2 to be examined to the gas inlet 9 in a direction which is essentially perpendicular to one direction X of the ion transfer distance Lm aligned speed supplies.
  • the direction X of the ion transfer path Lm corresponds to an inlet direction of the gas inlet 9 .
  • the flow guide device 33 can be, for example, a tube or the like, which is aligned transversely to the opening of the gas inlet 9 or the valve 9a of the gas inlet 9, so that the gas 2 contained in the interior 3a essentially transverse to the Opening of the gas inlet 9 flows past this and therefore essentially only has the desired velocity component V M perpendicular to the direction X of the ion transfer path Lm: In the example shown, the following applies: V M x ⁇ Y M y /10. For the sake of simplicity, it was assumed here that the gas 2 has no velocity component in the Z direction.
  • the velocity component in the Y direction V M y is to be replaced by the resultant of the velocity component in the Y direction V M y and the velocity component in the Z direction V M z .
  • the flow guide device 33 can be used to ensure that the velocity component of the ions 11 in the direction of the ion transfer path Lm is almost zero in order to achieve the longest possible transport times tm for the ions 11 and in this way the signal-to-noise ratio of the measurement to improve.
  • the device 1 shown in FIG. 6 can be used analogously to the device 1 shown in FIG. Since the device 1 is compact and requires little installation space, it can be arranged at different points in the EUV lithography system 30. to carry out a residual gas analysis. In particular, several devices 1 can also be used to carry out a residual gas analysis at different locations of the EUV lithography system 30 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases (2), umfassend: eine Extraktionseinrichtung (12) zur Extraktion von Ionen (11) des zu untersuchenden Gases (2) aus einer Ionenkammer (5), einen Ionen-Detektor (13) zur Detektion der Ionen (11), eine Ionen- Transfereinrichtung (14) zum Transfer der Ionen (11) von der Extraktionseinrichtung (12) zu dem Ionen-Detektor (13) entlang einer Ionen- Transferstrecke (Lm), eine Zuführungseinrichtung (16) zur Zuführung eines Bremsgases (17) zu der Ionen-Transferstrecke (Lm), sowie eine Auswerteeinrichtung (21) zur Bestimmung von Transportzeiten (tm) beim Transport der Ionen (11) von der Extraktionseinrichtung (12) zu dem Ionen- Detektor (13) entlang der Ionen-Transferstrecke (Lm). Die Vorrichtung (1) ist ausgebildet, einen Druck (pM) entlang der Ionen-Transferstrecke (Lm) zwischen einem ersten, niedrigeren Druckbereich (Δp1) und einem zweiten, höheren Druckbereich (Δp2) umzuschalten und die Auswerteeinrichtung (21) ist ausgebildet, in einem ersten Betriebszustand (MS) anhand der Transportzeiten (tm) der Ionen (11) bei dem Druck (pM) in dem ersten Druckbereich (Δp1) eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases (2) durchzuführen und in einem zweiten Betriebszustand (IMS) anhand der Transportzeiten (tm) der Ionen (11) bei dem Druck (pM) in dem zweiten Druckbereich (Δp2) eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung des Gases (2) durchzuführen. Die Erfindung betrifft auch eine Lithographieanlage, insbesondere eine EUV- Lithographieanlage, die mindestens eine solche Vorrichtung (1) aufweist.

Description

Vorrichtung zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases und Lithographieanlage
Bezugnahme auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 102021 204046.2 vom 22. April 2021 , deren gesamter Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases, umfassend: eine Extraktionseinrichtung zur Extraktion von Ionen des zu untersuchenden Gases aus einer lonenkammer, einen lonen-Detektor zur Detektion der Ionen, eine lonen-Transfereinrichtung zum Transfer der Ionen von der Extraktionseinrichtung zu dem lonen-Detektor entlang einer lonen- Transferstrecke, eine Zuführungseinrichtung zur Zuführung eines Bremsgases zu der lonen-Transferstrecke, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung von Transportzeiten beim Transport der Ionen von der Extraktionseinrichtung zu dem lonen-Detektor entlang der lonen-Transferstrecke. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Lithographieanlage, insbesondere eine EUV- Lithographieanlage, die mindestens eine solche Vorrichtung aufweist. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einem Gas auch ein Gasgemisch, d.h. eine Mischung aus zwei oder mehr Gasen verstanden.
In der Massenspektrometrie („Mass Spectrometry“ oder MS) werden Ionen üblicherweise ins Ultrahochvakuum transportiert, um dort das einheitslose Massenladungsverhältnis (m/z, nachfolgend: „rnz“) eines geladenen Partikels (in Form eines Ions) mittels der reibungs- oder kollisionsfreien, bekannten Lorentzkraft (1) und des kinetischen Impulserhaltungssatzes (2) bestimmen zu können:
F = q. (E + V X B) - x c. v (1 )
F = mH.mz ( dv/dt ) (2) wobei mFI = 1 ,66056 x 1027 kg die atomare Masseneinheit, E die elektrische Feldstärke, v die Partikelgeschwindigkeit und B die magnetische Feldstärke bezeichnen.
Bei einem höheren Druck stoßen die geladenen Partikel gegen neutrale Moleküle und verursachen sogenannte Stoßverluste, welche in Gleichung (1) durch den Term (xa. n) berücksichtigt werden. Im Flochvakuum ist die mittlere freie Weglänge der geladenen Partikel groß genug, so dass praktisch keine Stöße stattfinden; in diesem Fall kann der Stoßverlustterm (xa.n) vernachlässigt werden.
Im Hochvakuumbereich ergibt sich das Massenladungsverhältnis mz, welches eine Funktion von physikalischen Kenngrößen (z.B. t für sogenannte Time-of- Flight-, TOF-, r für Sektor- und /ionfür lonenresonanz-Massenspektrometer) darstellt: mz~t 2 (3.1) mz~r 2 (3.2)
Figure imgf000004_0001
Im Feinvakuum ist dagegen die mittlere freie Weglänge der Partikel klein gegenüber der Partikelflugzeit, so dass mehrere Stöße stattfinden, bevor diese den Partikel-Detektor erreichen und die durch den Term (xa.n) hervorgerufenen Stoßverluste nicht vernachlässigt werden können; Partikel mit unterschiedlichen Stoßquerschnitten bewegen sich daher unterschiedlich schnell. Diese Information - auch als Driftzeit bezeichnet - ist besonders von Interesse in der sogenannten lonenmobilitätsspektroskopie (lon-Mobility Spectrometry oder IMS), bei der hauptsächlich die Beweglichkeit der Partikel in einem gegebenen Medium, nachfolgend Bremsgas genannt, gemessen wird. Insbesondere ist es möglich, Partikel gleicher Massen (sogenannte isomere Partikel) aber ungleicher Beweglichkeit messtechnisch zu unterscheiden. Ein Massenspektrometer ist demgegenüber in der Regel nicht in der Lage, zwischen Isomeren zu unterscheiden (z.B. zwischen Kohlenwasserstoffen gleicher Masse aber unterschiedlicher Anordnung).
Geladene Partikel (nachfolgend: Ionen) werden üblicherweise in lonen- Transferoptiken, die auch als lonen-Transfereinrichtungen (Ion-Guides) bezeichnet werden, z.B. vom Fein- zum Mittelvakuum, elektrisch gebündelt geführt. Wenn die Ionen mit unterschiedlichem Massenladungsverhältnis und/oder lonenquerschnitten durch einen elektrischen oder magnetischen Ion- Guide eingelassen werden, bewegen sie sich durch das bereitgestellte neutrale Medium in Form des Bremsgases (in der Regel einem leichten Edelgas oder Gasgemisch mit einem Massenladungsverhältnis mzc) im Mittel mit unterschiedlichen, statistisch wohl definierten Geschwindigkeiten. Die Driftzeit oder Transportzeit tm am Ende der lonen-Transferstrecke der lonen-
Transferoptik mit der Länge L - in welcher eine rein elektrische Feldstärke Έ ^ herrscht - kann gemessen werden und als Maß für die Beweglichkeit der Ionen ausgewertet werden; und unter Einbeziehung von Gleichung (1) im Gleichgewichtszustand (bei annähernd gleicher Partikelgleitgeschwindigkeit) ergibt sich für eine Partikelmasse mz der Ladung q ein „Beweglichkeitsfaktor“ oder eine Mobilität Km. Die Mobilität Km hängt außer von den Massenladungsverhältnissen (mz, mzc) der Ionen bzw. des Bremsgases auch von den Stoßquerschnitten W der Partikel bzw. Ionen, vom Druck p und von der Temperatur T des Bremsgases ab:
Figure imgf000006_0001
In der sogenannten Gas-Chromatographie (GC) werden die Moleküle einer Partikelprobe durch eine lange Driftstrecke geleitet (Kapillare mit einem fließenden Trägergas). Der spezifische Streuquerschnitt jeder Molekülsorte führt zu einer charakteristischen Driftzeit tm, nach der das Molekül in einem Massenspektrometer (MS) detektiert werden kann. Diese als GC-MS bekannte Analysemethode liefert sowohl Informationen über die Massenverteilung als auch über isomere Molekülstrukturen der Partikelprobe.
Massenspektrometrie und lonenmobilitäts-Spektrometrie sind somit komplementäre Messemethoden, die gemäß dem Stand der Technik in unterschiedlichen Geräten und Einsatzfeldern durchgeführt werden. Die Verkopplung dieser beiden Messmethoden in einem so genannten lonen- Mobilitäts-Massenspektrometer ist für viele Anwendungen von großem Interesse, vgl. beispielsweise den Artikel „Deciphering drift time measurements from travelling wave ion mobility spectrometry studies“, David P. Smith et al. , EJMS (European Journal of Mass Spectrometry), 15, 113-130 (2009). Eine solche Verkopplung, bei welcher ein lonen-Mobilitäts-Spektrometer zur Separation der Ionen gemäß ihrer Mobilität und ein Massen-Spektrometer zur Separation der Ionen gemäß ihres Massenladungsverhältnisses hintereinandergeschaltet werden, ist jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden. Insbesondere für die Massenspektrometrie bringt der Übergang vom Fein- zum Hochvakuumbereich zudem einen erheblichen Aufwand und Herausforderungen mit sich:
• Bereitstellung eines gegenüber dem Feinvakuum-Bereich mindestens um drei Größenordnungen niedrigeren Druckes; d.h. es sind meist Turbomolekularpumpen notwendig
• Bereitstellung einer geeigneten Druckstufe zwischen Fein- und Hochvakuum
• Bereitstellung eines geeigneten Verfahrens und geeigneter Systemkomponenten bei den erschwerten Druckverhältnissen im Hochvakuum mit bekannten Problemen (z.B. Leck, Ausgasung, Temperaturdrift, etc.)
• Anfälligkeit bei Druckbereichsüberschreitung von einigen aktiven Hochvakuum-Systemkomponenten bzw. Partikel-Detektoren (wie z.B. Micro Channel Plates oder Sekundärelektronenvervielfacher, die ein Hochvakuum und einen großen Bauraum benötigen): Degradation, Ladungsüberschlaggefahr, verminderte Betriebszeit, usw.
• hohe Herstellungs-, Betriebs-, Personal- und Servicekosten.
Aus der US 8,953,145 B2 (entsprechend der DE 102008041 592 A1) ist eine EUV-Lithographieanlage bekannt geworden, die ein Gehäuse aufweist, das einen Innenraum umschließt. Eine Vakuumerzeugungseinheit dient zur Erzeugung einer Restgasatmosphäre in dem Innenraum und ein Restgasanalysator dient zur Detektion mindestens eines kontaminierenden Stoffes in der Restgasatmosphäre. Der Restgasanalysator weist eine Speichereinrichtung zur Speicherung des kontaminierenden Stoffes auf. Bei der Speichereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine lonenfalle handeln.
Aufgabe der Erfindung Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und eine EUV- Lithographieanlage mit einer solchen Vorrichtung bereitzustellen, die eine Untersuchung eines Gases sowohl mittels Massenspektrometrie als auch mittels lonenmobilitäts-Spektrometrie in einer kompakten Bauweise ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, welche ausgebildet ist, einen Druck entlang der lonen-Transferstrecke zwischen einem ersten, niedrigeren Druckbereich und einem zweiten, höheren Druckbereich umzuschalten und bei der die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, in einem ersten Betriebsmodus anhand der Transportzeiten der Ionen bei dem Druck in dem ersten Druckbereich eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases durchzuführen und in einem zweiten Betriebsmodus anhand der Transportzeiten der Ionen bei dem Druck in dem zweiten Druckbereich eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung des Gases durchzuführen. Das Umschalten zwischen den beiden Druckbereichen kann durch eine Zuführung des Bremsgases zu der lonen-Transferstrecke mit Hilfe der Zuführungseinrichtung bzw. eine Abführung des Bremsgases von der lonen-Transferstrecke mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung, z.B. einer Vakuum-Pumpe, erfolgen.
Erfindungsgemäß werden die komplementären Messmethoden der Massenspektrometrie und der lonenmobilitäts-Spektroskopie in ein- und derselben Vorrichtung auf einem kompakten Bauraum kombiniert. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung ausgebildet, den Druck entlang der lonen- Transferstrecke zwischen dem ersten und dem zweiten Druckbereich umzuschalten. Der erste, niedrigere Druckbereich ist so gewählt, dass praktisch keine Stöße stattfinden, d.h. der Stoßverlustterm (xa.n) in Gleichung (1) kann vernachlässigt werden. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung in dem ersten Betriebsmodus anhand der Transportzeit(en) t der Ionen z.B. unter Verwendung der Gleichung (3.1) in bekannterWeise eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases durchführen, d.h. das Massenladungsverhältnis mz bestimmen. Der zweite, höhere Druckbereich ist so gewählt, dass der Stoßverlustterm (xa.n) in Gleichung (1) nicht vernachlässigt werden kann. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung in dem zweiten Betriebsmodus anhand der Gleichungen (4) bzw. (5) bzw. der in dem oben zitierten Artikel von David P. Smith im Detail erläuterten Methode die Mobilität Km der Ionen bestimmen, d.h. eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung der Ionen des zu untersuchenden Gases vornehmen.
Beide spektrometrischen Methoden haben die weiter oben beschriebenen Vorteile, die in der vorliegenden Vorrichtung kombiniert genutzt werden können. Für den Fall, dass das Bremsgas schnell zu- und abgeführt werden kann, kann schnell zwischen einer kollisionsfreien Messung in dem ersten Betriebsmodus und einer kollisionsbehafteten Messung in dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden. Insbesondere bei einer schnellen und alternierenden Messung, d.h. bei einer schnellen Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi können in ein- und derselben Vorrichtung sowohl die die Beweglichkeit der geladenen Partikel bzw. Ionen als auch die deren Massen zeitnah gemessen werden. Mit Hilfe der Vorrichtung können insbesondere Isomere, d.h. Partikel mit derselben Molekülmasse und demselben Massenladungsverhältnis aber mit unterschiedlicher Beweglichkeit, unterschieden werden.
Der Begriff der „Transportzeit“ wird in dieser Anmeldung unabhängig davon verwendet, ob die Vorrichtung in dem ersten Betriebsmodus oder in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, d.h. insbesondere unabhängig davon, ob der lonen-Transferstrecke ein Bremsgas zugeführt wurde oder nicht, d.h. unabhängig vom Partialdruck des Bremsgases. Bei einer Ausführungsform gilt für einen maximalen Druck p-imax des ersten Druckbereichs und für einen minimalen Druck p2min des zweiten Druckbereichs: P2min / p-i max > 100, bevorzugt > 1000. Um in dem ersten Betriebsmodus praktisch keine Stoßverluste und in dem zweiten Betriebsmodus ausreichend große Stoßverluste zu erzeugen, sollte der zweite Druckbereich typischerweise mindestens zwei Größenordnungen, idealerweise mindestens drei Größenordnungen über dem ersten Druckbereich liegen, d.h. die beiden Druckbereiche sollten ausreichend weit auseinanderliegen.
Bei dem ersten Druckbereich handelt es sich typischerweise um den Hochvakuumbereich. Beispielsweise kann der erste Druckbereich unter einem maximalen Druck von 104 mbar und bevorzugt über einem minimalen Druck von 105 mbar liegen. Der maximale Druck und der minimale Druck können aber auch größer oder kleiner als die hier angegebenen Werte sein. Unter dem Begriff „Hochvakuumbereich“ wird im Sinne dieser Anmeldung verstanden, dass praktisch keine Partikelstöße in der Vorrichtung bzw. entlang der lonen- Transferstrecke stattfinden.
Bei dem zweiten Druckbereich handelt es sich typischerweise um den Mittel oder Feinvakuumbereich, beispielsweise kann der zweite Druckbereich über einem minimalen Druck von 102 mbar und bevorzugt unter einem maximalen Druck von 10° mbar liegen. Der minimale Druck und insbesondere der maximale Druck können auch kleiner bzw. größer als die hier angegebenen Werte sein. Beispielsweise kann der maximale Druck auch bei 101 mbar oder darüber liegen. Der Druck in dem zweiten Druckbereich kann hauptsächlich durch den Partialdruck des Bremsgases bestimmt werden, das über die Zuführungseinrichtung der lonen-Transferstrecke zugeführt wird. Bei dem Bremsgas kann es sich um ein leichtes Edelgas (z.B. um Helium), um ein leichtes Prozessgas (z.B. um Wasserstoff), um ein anderes geeignetes Gas (z.B. um Stickstoff) oder um ein Gasgemisch (z.B. um Luft) handeln. In dem ersten Betriebsmodus liegt der (untere) Betriebsdruck, d.h. der Druck entlang der lonen-Transferstrecke, bei einem vorgegebenen bzw. einstellbaren Wert innerhalb des ersten Druckbereichs. Im zweiten Betriebsmodus liegt der (obere) Betriebsdruck, d.h. der Druck entlang der lonen-Transferstrecke, bei einem vorgegebenen bzw. einstellbaren Wert innerhalb des zweiten Druckbereichs. Der Betriebsdruck kann ggf. dauerhaft in dem ersten Druckbereich liegen, wenn mit der Vorrichtung nur eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases in dem ersten Betriebsmodus vorgenommen werden soll. Der Betriebsdruck kann ggf. auch dauerhaft in dem zweiten Druckbereich (Fein- oder Mittelvakuum) liegen, wenn mit der Vorrichtung nur eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung durchgeführt werden soll. In Abhängigkeit von der spezifizierten Massen- bzw. Isomeren-Auflösung können die Länge der kollisionsfreien oder kollisionsbehafteten lonen-Transferstrecke und die Druckbereiche, d.h. der erste Druckbereich und der zweite Druckbereich, angepasst werden.
Die Detektion der geladenen Partikel bzw. Ionen kann direkt im Fein-, Mittel oder Hochvakuumbereich mit Hilfe des lonen-Detektors erfolgen. Ein geeigneter lonen-Detektor muss somit gegenüber Druckbereichs überschreitungen - d.h. auch für Drücke oberhalb des Feinvakuumbereichs - robust ausgelegt sein. Der lonen-Detektor sollte zudem degradationsfrei arbeiten und benötigt eine Dynamikbereich in der Größenordnung von ca. 5-6 Dekaden, um in beiden Druckbereichen Ionen detektieren zu können.
Bei einerweiteren Ausführungsform ist die lonen-Transferstrecke in einer Messkammer gebildet, wobei die Zuführungseinrichtung zur Zuführung des Bremsgases zu der Messkammer bevorzugt mindestens ein insbesondere regelbares Ventil aufweist. Die Zuführungseinrichtung stellt das Bremsgas, z.B. ein Edelgas oder ein Gasgemisch (s.o.), mit dem notwendigen Partialdruck bereit, um in dem zweiten Betriebszustand in der Messkammer einen gewünschten Partialdruck des Bremsgases zu erzeugen. Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine erste Vakuum-Pumpe zum Abpumpen der Messkammer, wobei die erste Vakuum-Pumpe mit der Messkammer bevorzugt über mindestens ein insbesondere regelbares Ventil verbunden ist. Die Vakuum-Pumpe kann mit Hilfe des (regelbaren) Ventils die Messkammer evakuieren. Mit Hilfe der Zuführungseinrichtung bzw. über deren ebenfalls regelbares Ventil kann das Bremsgas der Messkammer zugeführt werden, um den gewünschten Druck in der Messkammer und somit entlang der lonen-Transferstrecke einzustellen. Der Druck in der Messkammer kann auf diese Weise beispielsweise über einen vergleichsweise großen Bereich z.B. zwischen ca. 105 mbar und 10° mbar eingestellt werden. Mit Hilfe der Ventile, bei denen es sich um Absperr-, Durchlass- bzw. Regelventile handeln kann, ist ein schnelles Umschalten zwischen dem ersten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich möglich. Es versteht sich, dass es sich bei den Ventilen der Zuführungseinrichtung und der Vakuum-Pumpe nicht zwingend um getrennte Bauteile handeln muss, vielmehr können diese in Form einer gemeinsamen Ventilanordnung realisiert sein.
Die Steuerung bzw. die Regelung der Ventile der Zuführungseinrichtung und der ersten Vakuum-Pumpe kann von der Auswerteeinrichtung oder von einer separaten Steuerungseinrichtung vorgenommen werden. In der Regel steuert die Auswerteeinrichtung alle Einheiten der Vorrichtung, liest den Ausgang bzw. die Ausgänge des lonen-Detektors aus und wertet deren Zustand bzw. deren Ergebnisse aus.
In der Messkammer ist typischerweise die Extraktionseinrichtung, die lonen- Transfereinrichtung und der Teil des lonen-Detektors angeordnet, der zur Erfassung der Ionen dient und der zu diesem Zweck eine Messelektrodenanordnung mit mindestens einer Messelektrode aufweist. Die lonen-Transferstrecke bildet in der Regel eine gerade Linie, die sich in der lonen-Transfereinrichtung zwischen der Extraktionseinrichtung und dem Ionen- Detektor erstreckt. Die lonen-Transferstrecke kann aber auch z.B. eine kompakte, mäanderartige Form - mit geeignetem elektrischem Feldverlauf entlang der lonen-Transferstrecke - aufweisen.
Die lonen-Transfereinrichtung ist zwischen der Extraktionseinrichtung und dem lonen-Detektor angeordnet. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Extraktionseinrichtung um eine Elektrode, die einen schnellen Extraktionspuls (z.B. t < 100 ns) erzeugt, welcher die Ionen aus der lonenkammer in Richtung auf die lonen-Transfereinrichtung beschleunigt. Die lonen-Transfereinrichtung leitet die Ionen in Richtung auf den lonen-Detektor bzw. in Richtung auf die Messelektrode(n) des lonen-Detektors.
Bei einerweiteren Ausführungsform sind die lonenkammer und die Messkammer in einem gemeinsamen Gehäuse gebildet, wobei die lonenkammer bevorzugt über eine Blendenöffnung mit der Messkammer in Verbindung steht. In diesem Fall werden die lonenkammer und die Messkammer in der Regel differentiell gepumpt, d.h. diesen sind autonome Pumpstufen bzw. Vakuum-Pumpen zugeordnet, die es ermöglichen, den Druck in der Messkammer und den Druck in der lonenkammer im Wesentlichen unabhängig voneinander einzustellen.
Bei einerweiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine zweite Vakuum-Pumpe zum Abpumpen der lonenkammer, wobei die zweite Vakuum- Pumpe mit der lonenkammer bevorzugt über mindestens ein insbesondere regelbares Ventil verbunden ist. Mit Hilfe der Vakuum-Pumpe bzw. des (regelbaren) Ventils kann in der lonenkammer ein konstanter Druck, z.B. in der Größenordnung von ca. 102 mbar oder 101 mbar eingestellt werden, was günstig ist, um in der lonenkammer das zu untersuchende Gas zu speichern. Der Druck in der lonenkammer, der mit der zweiten Vakuum-Pumpe eingestellt wird, ist in der Regel größer als der Druck in der Messkammer, die mit der lonenkammer verbunden ist. Es versteht sich, dass die erste und zweite Vakuum-Pumpe nicht als zwei separate Bauteile ausgebildet sein müssen, sondern beispielsweise zwei unterschiedliche Anschlüsse einer gemeinsamen Vakuum-Pumpe bilden können.
Bei einerweiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Gas-Einlass zum Einlassen des zu untersuchenden Gases in die lonenkammer, wobei der Gas-Einlass zum Einlassen des zu untersuchenden Gases bevorzugt mindestens ein insbesondere regelbares Ventil aufweist. Das zu untersuchende Gas bzw. die Partikel können über den Gas-Einlass aus einer Probenkammer entnommen werden, in der sich das zu untersuchende Gas befindet. Es ist möglich, dass das zu untersuchende Gas in der Probenkammer bereits im ionisierten Zustand vorliegt. Alternativ wird das zu untersuchende Gas im neutralen Zustand aus der Probenkammer entnommen und der lonenkammer zugeführt, in der dieses ionisiert wird.
Bei einerweiteren Ausführungsform ist in der lonenkammer eine lonenfalle zur Speicherung, Akkumulierung und/oder Filterung von Ionen des zu untersuchenden Gases angeordnet. Die in der lonenfalle gespeicherten Ionen stellen eine räumlich gebündelte Partikel- bzw. lonenquelle dar. Die gespeicherten Ionen können innerhalb einer vorgegebenen Akkumulationszeit gespeichert bzw. akkumuliert werden und zu einem gewünschten Zeitpunkt mit Hilfe der Extraktionseinrichtung aus der lonenkammer in die Messkammer extrahiert werden. Insbesondere kann eine Extraktion von Ionen einer in der lonenfalle gespeicherten lonenpopulation mehrmals aufeinanderfolgend durchgeführt werden, wobei die Auswerteeinrichtung zwischen einer ersten Extraktion und einer nachfolgenden zweiten Extraktion von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand (oder umgekehrt) umgeschaltet wird und auch die Druckbereiche entsprechend angepasst werden. Auf diese Weise kann an ein- und derselben lonenpopulation sowohl eine massenspektrometrische Untersuchung als auch eine ionenmobilitäts- spektrometrische Untersuchung durchgeführt werden. Die Akkumulation der Ionen in der lonenfalle erhöht die Nachweisgrenze bzw. verbessert das Signal-zu-Rausverhältnis bei der Messung. Mit Hilfe der lonenfalle können die in die lonenkammer zugeführten Ionen auch gezielt gefiltert werden, d.h. es werden nur Ionen mit bestimmten Massenladungsverhältnissen in der lonenfalle gespeichert. Grundsätzlich ist auch eine in-situ-Analyse der gespeicherten Ionen in der lonenfalle möglich, aufgrund des vergleichsweisen großen Drucks in der lonenkammer ist eine solche Analyse aber in der Regel nicht einfach durchzuführen.
Anders als bei der oben beschriebenen GC-MS Methode werden bei der hier beschriebenen Vorrichtung stets - d.h. während der (elektrischen) Separation oder Akkumulation der Ionen in der lonenfalle, während des Transfers und während der Detektion - geladene Partikel bzw. Ionen mit oder ohne Bremsgaszufuhr beeinflusst. Die Art und der Druck des Bremsgases, die Fließrichtung des Bremsgases sowie die kinetische Energie der Ionen - über die Beschleunigungsspannung der Extraktionseinrichtung - sind frei wählbare bzw. optimierbare Parameter.
Bei einerweiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine lonisierungseinrichtung zur Ionisierung des zu untersuchenden Gases in der lonenkammer, insbesondere in der lonenfalle. Die Ionisierung des zu untersuchenden Gases in der lonenkammer kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann die lonisierungseinrichtung zur Elektronenstoßionisation dienen und z.B. als Elektronenkanone ausgebildet sein. Die lonisierungseinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, das zu untersuchende Gas direkt in der lonenfalle zu ionisieren. Eine solche lonisierungseinrichtung ist aber nicht zwingend erforderlich, vielmehr kann das zu untersuchende Gas der lonenkammer im ionisierten Zustand zugeführt werden, wie dies weiter unten beschrieben wird. Bei einerweiteren Ausführungsform weist der lonen-Detektor eine Messelektrodenanordnung, bevorzugt einen Faraday-Becher, zum Erfassen der Ionen und eine Detektionseinrichtung zur Detektion der von der Messelektrodenanordnung erfassten Ionen auf. Die Messelektrodenanordnung weist im einfachsten Fall eine einzelne Messelektrode auf, die als Faraday- Becher ausgebildet ist. Ein solcher Faraday-Becher ermöglicht es, dass alle die durch eine geeignete Eingangsblende eingesaugten Partikel bzw. Ionen praktisch rückstreuungsfrei von der Detektionseinrichtung aufgenommen werden. Die Detektionseinrichtung ist typischerweise als Detektions-Elektronik ausgebildet und kann z.B. zur Detektion der Ionen anhand eines Stroms ausgebildet sein, der von den an der Messelektrodenanordnung erfassten Ionen erzeugt wird. Alternativ kann die Detektionseinrichtung einen Ladungs- Verstärker zur Umwandlung eines von den Ionen erzeugten Ladungssignals in ein Spannungssignal und eine Verstärker-Einrichtung zur Verstärkung des Spannungssignals aufweisen. Die Messelektronik soll vorzugsweise eine schnelle und rauscharme Detektion der Ionen mit einer Dynamik von 5 bis 6 Dekaden bereitstellen.
Bei einer Weiterbildung weist die Messelektrodenanordnung eine zentrale Messelektrode auf, die von einer bevorzugt ringförmigen Hauptelektrode umgeben ist. Es hat sich als günstig erwiesen, mindestens zwei Messelektroden in der Messelektrodenanordnung vorzusehen, wobei eine erste Messelektrode bevorzugt eine zentrale Messelektrode (Fokuselektrode) bildet, die in der Regel einen vergleichsweise geringen Durchmesser aufweist und die hauptsächlich zur Erfassung von stark gekühlten Ionen in dem zweiten Druckbereich (z.B. zwischen 103 mbar und 102 mbar) dient. Eine zweite, in der Regel ringförmige Messelektrode dient hauptsächlich zur Erfassung von schwach gekühlten Ionen in dem ersten Druckbereich (z.B. bei einem Druck von ca. 105 mbar). Die zentrale Messelektrode und die ringförmige Messelektrode sind elektrisch isoliert und bilden gemeinsam einen Faraday- Becher. Die zentrale Messelektrode ist hierbei typischerweise im Zentrum des Bodens des Faraday-Bechers angeordnet.
Bei einerweiteren Weiterbildung ist die ringförmige Hauptelektrode segmentiert und weist mindestens zwei Ringsegmente, bevorzugt vier Ringsegmente auf.
Die Ringsegmente sind in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt und weisen typischerweise einen jeweils gleich großen Flächeninhalt auf. Die Segmentierung der ringförmigen Hauptelektrode z.B. in vier Quadranten ermöglicht eine richtungssensitive Aufzeichnung bzw. Messung des lonenstrahls: Im Idealfall verteilt sich der lonenstrahl gleichanteilig auf alle z.B. vier Segmente bzw. Quadranten. Die Detektionseinrichtung in Form der Detektionselektronik weist typischerweise eine Anzahl von Eingängen (und von Ausgängen) auf, die der Anzahl von elektrisch isolierten Messelektroden bzw. Messelektrodensegmenten entspricht. Im Falle der hier beschriebenen Messelektrodenanordnung mit der zentralen Messelektrode und der in vier Quadranten unterteilten Hauptelektrode weist die Detektionseinrichtung fünf Eingänge auf.
Um den gesamten lonenstrahl zu detektieren, kann die Detektionseinrichtung ausgebildet sein, alle Messelektroden zusammenzuschalten bzw. die Eingänge miteinander zu verbinden. Zur Detektion lediglich der schwach gekühlten Ionen können die Segmente der segmentierten Hauptelektrode zusammengeschaltet werden, während die zentrale Messelektrode die stark gekühlten Ionen gesondert aufzeichnet. Es ist ebenfalls möglich, dass eine oder mehrere der Segmente der Hauptelektrode und die zentrale Messelektrode beliebig kombiniert bzw. zusammengeschaltet werden, um die Drift- oder Flugeigenschaften der Ionen besonders zu analysieren. Beispielsweise können hierbei Drift- oder Flugeigenschaften von Isomeren gemessen und ausgewertet werden. Bei einerweiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, im zweiten Betriebsmodus anhand von unterschiedlichen Transportzeiten von Ionen mit gleichem Massenladungsverhältnis isomere Stoffe zu identifizieren. Wird das Massenladungsverhältnis von Ionen, die in der lonenfalle gespeichert bzw. akkumuliert werden, in einem ersten Experiment bzw. in dem ersten Betriebszustand ohne Stoßprozesse bzw. ohne Bremsgas gewonnen und gegen die Transportzeiten in dem zweiten Betriebszustand aufgetragen, ergibt sich, dass monomere Stoffe eine einheitliche Transportzeit bzw. eine einheitliche Driftzeitspanne mit einem Verteilungsprofil aufweisen, das um eine einzige (mittlere) Transportzeit verteilt ist. Isomere Stoffe weisen dagegen mindestens zwei Driftzeitspannen mit entsprechenden Verteilungsprofilen auf, die um mindestens zwei (mittlere) Transportzeiten konzentriert sind. Daher können mit Hilfe der hier beschriebenen Vorrichtung isomere Stoffe voneinander unterschieden werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Lithographieanlage, insbesondere eine EUV-Lithographieanlage, umfassend: ein Gehäuse, das einen Innenraum umschließt, in dem mindestens ein optisches Element angeordnet ist, sowie mindestens eine Vorrichtung, die wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist und die mit dem Innenraum in Verbindung steht, um der lonenkammer das zu untersuchende, bevorzugt in dem Innenraum ionisierte Gas zuzuführen. In einem Innenraum einer Lithographieanlage, speziell einer EUV-Lithographieanlage, ist typischerweise ein geringer Anteil an Wasserstoff enthalten. Im Belichtungsbetrieb wird aufgrund der dort vorhandenen EUV-Strahlung ein Plasma und somit geladene Partikel bzw.
Ionen erzeugt. Die Ionen, die in diesem Fall unmittelbar in dem Gehäuse der Lithographieanlage erzeugt werden, können in diesem Fall in der Regel direkt, d.h. im ionisierten Zustand, über den Gas-Einlass in die lonenkammer der Vorrichtung eingebracht werden. In der lonenkammer können die Ionen des zu untersuchenden Gases in der lonenfalle gespeichert, akkumuliert und ggf. in- situ nicht destruktiv analysiert werden, wie dies in der eingangs zitierten US 8,953,145 B2 beschrieben ist.
Wie dies weiter oben in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurde, können die Ionen mit Hilfe der Extraktionseinrichtung bzw. mit Hilfe eines schnellen Extraktionspulses aus der lonenkammer extrahiert und der Messkammer zugeführt werden. Über die lonen-Transfereinrichtung gelangen die Ionen zu dem lonen-Detektor, wobei abhängig vom Betriebszustand der Vorrichtung eine massenspektrometrische Untersuchung oder eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung der Ionen vorgenommen werden kann. Der Druck in dem Innenraum einer EUV-Lithographieanlage kann beispielsweise in der Größenordnung von ca. 3 x 102 mbar bis 101 mbar liegen und wird im Wesentlichen durch den Wasserstoff-Partialdruck bestimmt. Der Druck in der lonenkammer kann in der gleichen Größenordnung oder darunter, z.B. bei ca. 102 mbar, liegen.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführungseinrichtung ausgebildet, der lonen-Transferstrecke als Bremsgas ein in dem Innenraum vorhandenes Gas, insbesondere Wasserstoff, zuzuführen. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird im Betrieb der Vorrichtung in dem Innenraum des Gehäuses ein Wasserstoffplasma gebildet. Der in dem Innenraum des Gehäuses vorhandene Wasserstoff kann daher aus ein- und demselben Gehäuse bzw. derselben Probenkammer entnommen werden wie das zu untersuchende Gas. Der Wasserstoff kann zu diesem Zweck beispielsweise mit Hilfe eines steuerbaren Mikroventils aus dem Innenraum entnommen und der Messkammer zugeführt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist in dem Innenraum eine Strömungsleiteinrichtung angeordnet, die dem Gas-Einlass der Vorrichtung das zu untersuchende Gas mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung der lonen-Transferstrecke ausgerichteten Geschwindigkeit zuführt. Für die Entnahme des ionisierten, zu untersuchenden Gases weist der Gas-Einlass typischerweise ein steuerbares Ventil, z.B. ein Piezo-Ventil, auf. Durch die Strömungsleiteinrichtung kann dafür gesorgt werden, dass die Ionen eine Vorzugsrichtung besitzen, die im Wesentlichen nur eine zur Einlassrichtung durch den Gas-Einlass senkrechte Geschwindigkeitskomponente
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aufweist, die senkrecht zur Richtung der (in der Regel geradlinig verlaufenden) lonen- T ransferstrecke verläuft.
Für den (beispielhaften) Fall, dass die Richtung der lonen-Transferstrecke bzw. die Einlassrichtung in X-Richtung verläuft, wird unter einer im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der lonen-Transferstrecke ausgerichteten Geschwindigkeit verstanden, dass für eine Geschwindigkeitskomponente des Gases in X-Richtung VM x gilt: VM x < YM y/10. Hierbei wird zur Vereinfachung davon ausgegangen, dass das Gas nur eine Geschwindigkeitskomponente in Y-Richtung aufweist. Im allgemeinen Fall ist die Geschwindigkeitskomponente in Y-Richtung VM y durch den Betrag der vektoriellen Summe aus der Geschwindigkeitskomponente in Y-Richtung VM y und der Geschwindigkeitskomponente in Z-Richtung VM z zu ersetzen.
Bei der Strömungsleiteinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Rohr oder dergleichen handeln, welches senkrecht zur Öffnung des Gas-Einlasses bzw. des Ventils des Gas-Einlasses ausgerichtet ist, so dass das in dem Innenraum enthaltene Gas im Wesentlichen senkrecht zur Öffnung des Gas-Einlasses an diesem vorbeiströmt und daher die gewünschte Geschwindigkeits-Komponente aufweist. Mit Hilfe der Strömungsleiteinrichtung kann erreicht werden, dass die Geschwindigkeitskomponente der Ionen in Richtung der lonen-Transferstrecke nahezu Null ist, um möglichst lange Transportzeiten der Ionen zu erreichen und auf diese Weise das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur massenspektrometrischen und zur ionenmobilitäts-spektrometrischen Untersuchung eines Gases, die eine lonen-Transferstrecke aufweist, der ein Bremsgas zuführbar ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Geschwindigkeitsverlaufs der
Ionen entlang der lonen-Transferstrecke in Abhängigkeit vom Druck sowie eines ersten und zweiten Druckbereichs, in denen die Vorrichtung betrieben wird,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Messelektrodenanordnung und einer Detektionseinrichtung eines lonen-Detektors der Vorrichtung von Fig. 1 ,
Fig. 4a, b schematische Darstellungen von Eingangs- und
Ausgangssignalen der Detektionseinrichtung des lonen-Detektors,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Spektrums eines Gemischs aus einem monomeren Stoff und einem isomeren Stoff, sowie
Fig. 6 eine Darstellung eines Details einer EUV-Lithographieanlage, die ein Gehäuse mit einem Innenraum und eine Vorrichtung zur spektrometrischen Untersuchung eines in dem Innenraum befindlichen, zu untersuchenden Gases aufweist.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases 2, das in einem Innenraum 3a einer Probenkammer 3 enthalten ist. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 4, das eine lonenkammer 5 und eine Messkammer 6 aufweist. Die lonenkammer 5 steht mit der Messkammer 6 über eine Blendenöffnung 7 (Druckstufe) in Verbindung.
In der lonenkammer 5 ist eine lonenfalle 8 angeordnet. Die lonenfalle 8 ist im gezeigten Beispiel in bekannter Weise in der Art einer Penning-Falle ausgebildet und weist eine Ringelektrode sowie zwei Deckelelektroden auf. Das von der Probenkammer 3 über einen Gas-Einlass 9 mit Hilfe eines Ventils 9a in die lonenkammer 5 eingelassene Gas 2 wird mit Hilfe einer lonisierungseinrichtung 10 unmittelbar in der lonenfalle 8 ionisiert. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der lonisierungseinrichtung 10 um eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl erzeugt, der in Richtung auf das Zentrum der lonenfalle 8 ausgerichtet ist. Durch den Elektronenstrahl wird das Gas 2 innerhalb der lonenfalle 8 ionisiert, d.h. es werden Ionen 11 des zu untersuchenden Gases 2 innerhalb der lonenfalle 8 gebildet. Die Ionen 11 werden auf bekannte Weise mit Hilfe von elektrischen bzw. magnetischen Feldern im Zentrum der lonenfalle 8 konzentriert und somit räumlich gebündelt. Die lonisierungseinrichtung 10 kann ggf. zusätzlich eine Steuerungseinrichtung aufweisen, welche die lonenfalle 8 ansteuert, um die Ionen 11 zu speichern, zu akkumulieren, etc. Zusätzlich zur Speicherung bzw. zur Akkumulierung der Ionen 11 kann die lonenfalle 8 auch zur Filterung der Ionen 11 des zu untersuchenden Gases 2 dienen: Beispielsweise können gezielt Ionen 11 mit bestimmten Massenladungsverhältnissen angeregt werden, um diese aus der lonenfalle 8 zu entfernen.
Die in der lonenfalle 8 gespeicherten Ionen 11 können mit Hilfe einer Extraktionseinrichtung 12, die im gezeigten Beispiel in Form einer ringförmigen Elektrode ausgebildet ist, aus der lonenkammer 5 extrahiert werden. Die Extraktionseinrichtung 12 ist im gezeigten Beispiel in der Messkammer 6 angeordnet. Durch die Vorgabe einer Beschleunigungsspannung, die an die Extraktionseinrichtung 12 in Form der Elektrode angelegt wird, kann die kinetische Energie der Ionen 11 , die aus der lonenkammer 5 extrahiert werden, eingestellt werden.
In der Messkammer 6 ist ein lonen-Detektor 13 angeordnet, der zur Detektion der aus der lonenkammer 5 extrahierten Ionen 11 dient. Die Ionen 11 werden dem lonen-Detektor 13 mit Hilfe einer lonen-Transfereinrichtung 14 (lonen- Optik) entlang einer im Wesentlichen geradlinigen Trajektorie 15 ausgehend von der Extraktionseinrichtung 12 bzw. vom Zentrum der lonenfalle 8 zugeführt. Ein Abschnitt dieser Trajektorie 15, der sich von der Extraktionseinrichtung 12 über die lonen-Transfereinrichtung 14 bis zu dem lonen-Detektor 13, genauer gesagt bis zu einer Elektrodenanordnung 22 (s.u.) des lonen-Detektors 13 erstreckt, bildet eine lonen-Transferstrecke Lm. In einem Abschnitt der lonen- Transferstrecke Lm innerhalb der lonen-Transfereinrichtung 14 herrscht ein elektrisches Feld mit einer elektrischen Feldstärke
Figure imgf000023_0001
. Das elektrische Feld kann auch dynamische Komponenten - z.B. zur radialen Fokussierung der Ionen - aufweisen.
Die Vorrichtung 1 weist auch eine Zuführungseinrichtung 16 zur Zuführung eines Bremsgases 17 zu der Messkammer 6 und somit zu der lonen- Transferstrecke Lm auf. Das Bremsgas 17 wird zu diesem Zweck einem Innenraum 18a eines Bremsgasreservoirs 18 entnommen. Für die Entnahme des Bremsgases 17 aus dem Bremsgasreservoir 18 weist die Zuführungseinrichtung 16 ein Ventil 16a auf. Bei dem Bremsgas 17 kann es sich um ein leichtes Edelgas (z.B. um Helium), um ein leichtes Prozessgas (z.B. um Wasserstoff), um ein anderes geeignetes Gas (z.B. um Stickstoff) oder um ein Gasgemisch (z.B. um Luft) handeln.
Die lonenkammer 5 und die Messkammer 6 werden differentiell gepumpt und stehen nur über die Blendenöffnung 7 miteinander in Verbindung. Ein Druck pi in der lonenkammer 5 und ein Druck PM in der Messkammer 6 können daher im Wesentlichen unabhängig voneinander eingestellt werden. In der Regel ist der Druck pi in der lonenkammer 5 größer als der Druck PM in der Messkammer 6.
Die Vorrichtung 1 umfasst auch eine erste Vakuum-Pumpe 19 zum Abpumpen der Messkammer 6, die mit der Messkammer 6 über ein Ventil 19a verbunden ist, sowie eine zweite Vakuum-Pumpe 20 zum Abpumpen der lonenkammer 5, die mit der lonenkammer 5 über ein Ventil 20a verbunden ist. Bei dem Ventil 9a des Gas-Einlasses 9, dem Ventil 16a der Zuführungseinrichtung 16 sowie bei den Ventilen19a, 20a der ersten bzw. der zweiten Vakuum-Pumpen 19, 20 handelt es sich um Steuer- oder ggf. regelbare Ventile, die zumindest zwischen zwei Betriebszuständen umschaltbar sind, die zur Absperrung bzw. zum Durchlass von Gas durch einen jeweiligen Strömungsquerschnitt ausgebildet sind.
Mit Hilfe der zweiten Vakuum-Pumpe 20 bzw. des entsprechenden Ventils 20a kann ein Druck pi in der lonenkammer 5 eingestellt und auf einen in der Regel konstanten Wert geregelt werden, der beispielsweise in der Größenordnung von ca. 102 mbar oder darunter liegt. Die Messkammer 6 wird mit Hilfe der ersten Vakuum-Pumpe 19 bzw. des zugehörigen Ventils 19a evakuiert, d.h. mit Hilfe der ersten Vakuum-Pumpe 19 kann der Druck PM in der Messkammer 6 gesenkt werden. Mit Hilfe der Zuführungseinrichtung 16 bzw. des entsprechenden Ventils 16a kann der Messkammer 6 das Bremsgas 17 zugeführt werden, was den Druck PM in der Messkammer 6 erhöht. Der Druck PM in der Messkammer 6 kann mit Hilfe der Zuführungseinrichtung 16 und mit Hilfe der ersten Vakuum-Pumpe 19 in einem großen Wertebereich zwischen ca. 105 mbar und ca. 10° mbar eingestellt werden. Der Druck PM in der Messkammer 6 wird hierbei im Wesentlichen durch den Partialdruck des Bremsgases 17 in der Messkammer 6 bestimmt.
Die Vorrichtung 1 weist auch eine Auswerteeinrichtung 21 („Measurement Process Unit“) auf, welche unter anderem dazu dient, alle wesentlichen Funktionen der Vorrichtung 1 zu steuern: Die Auswerteeinrichtung 21 dient beispielsweise dazu, das Ventil 9a des Gas-Einlasses 9, das Ventil 16a der Zuführungseinrichtung 16, das Ventil 19a der ersten Vakuum-Pumpe 19 und das Ventil 20a der zweiten Vakuum-Pumpe 20 anzusteuern. Zusätzlich steuert die Auswerteeinrichtung 21 die lonisierungseinrichtung 10 bzw. die lonenfalle 8, die Extraktionseinrichtung 12 und die lonen-Transfereinrichtung 14 (zur
Einstellung der elektrischen Feldstärke Έ ^ ) an. Die Auswerteeinrichtung 21 kann in Form einer geeigneten Hard- und/oder Software realisiert sein. Bei der Auswerteeinrichtung 21 kann es sich beispielsweise um eine Elektronik handeln, die zur digitalen Verarbeitung von Signalen ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung 21 kann über eine Digitalschnittstelle oder dergleichen mit einem Messcomputer in signaltechnischer Verbindung stehen.
Die Auswerteeinrichtung 21 dient auch zur Bestimmung von Transportzeiten tm beim Transport der Ionen 11 von der Extraktionseinrichtung 12 zu dem lonen- Detektor 13 entlang der lonen-Transferstrecke Lm. Die Auswerteeinrichtung 21 ermöglicht es, anhand der Transportzeiten tm wahlweise eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases 2 oder eine ionenmobilitäts- spektrometrische Untersuchung des Gases 2 vorzunehmen. Um dies zu ermöglichen, ist es erforderlich, den Druck PM in der Messkammer 6 und somit entlang der lonen-Transferstrecke L zwischen einem ersten, niedrigeren Druckbereich Dri zweiten, höheren Druckbereich Dr2 umzuschalten (vgl. Fig. 2). Der erste, niedrigere Druckbereich Dri ist so gewählt, dass praktisch keine Stöße der Ionen 11 stattfinden, d.h. der Stoßverlustterm (xa.n) in der oben angegebenen Gleichung (1) kann vernachlässigt werden. Der zweite, höhere Druckbereich Dr2 ist so gewählt, dass der Stoßverlustterm (xa.n) in Gleichung (1) nicht vernachlässigt werden kann. Daher kann die Auswerteeinrichtung 21 in einem ersten Betriebsmodus MS, bei dem der Druck PM in der Messkammer 6 in dem ersten Druckbereich Dri liegt, unter Verwendung der Gleichung (3.1) anhand der Transportzeit(en) tm der Ionen 11 eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases 2 durchführen, d.h. die Massenladungsverhältnisse mz der Ionen 11 bestimmen. Entsprechend kann die die Auswerteeinrichtung 21 in einem zweiten Betriebsmodus IMS, in dem der Druck PM in dem zweiten Druckbereich Dr2 liegt, anhand der Gleichungen (4) bzw. (5) bzw. anhand der in dem oben zitierten Artikel von David P. Smith im Detail erläuterten Methode anhand der Transportzeit(en) tm der Ionen 11 die Mobilität Km der Ionen bestimmen, d.h. eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung der Ionen 11 des zu untersuchenden Gases 2 vornehmen.
Im vorliegenden Fall, bei dem das Bremsgas 17 schnell der Messkammer 6 zu- und wieder aus der Messkammer 6 abgeführt werden kann, kann schnell zwischen einer kollisionsfreien Messung in dem ersten Betriebsmodus MS und einer kollisionsbehafteten Messung in dem zweiten Betriebsmodus IMS umgeschaltet werden. Bei einer alternierenden Messung, d.h. bei einer schnellen Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi MS, IMS können in der Vorrichtung 1 daher sowohl die die Beweglichkeit bzw. die Mobilität Km der Ionen 11 als auch deren Massenladungsverhältnisse mz zeitnah gemessen werden.
Der erste Druckbereich Dri liegt in dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel in einem Intervall zwischen einem minimalen Druck p-imin von 105 mbar und einem maximalen Druck p2maXvon 104 mbar („Working Pressure“ WP1, WP2 in Fig. 2). Der zweite Druckbereich Dr2 liegt im gezeigten Beispiel zwischen einem minimalen Druck p2min von ca. 3 x 102 mbar und einem maximalen Druck p2max von 10° mbar („Working Pressure“ WP3, WP4 in Fig. 2). Es versteht sich, dass die beiden Druckbereiche Dr-i, Dr2 nicht zwingend den angegebenen Wertebereichen entsprechen müssen, sondern an die jeweilige Anwendung angepasst werden können. Es ist jedoch günstig, wenn die beiden Druckbereiche Dr-i, Dr2 ausreichend weit voneinander separiert sind, d.h. wenn für den maximalen Druck p-imax des ersten Druckbereichs Dri und für den minimalen Druck p2min des zweiten Druckbereichs Dr2 gilt: p2min / p-i max > 100, bevorzugt > 1000.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, wird durch die Separation des zweiten Druckbereichs Dr2 von dem ersten Druckbereich Dri um drei Größenordnungen erreicht, dass die Geschwindigkeiten v der Ionen 11 von Werten von ungefähr 2 x 104 m/s in dem ersten Druckbereich Dri auf Werte von ungefähr 0,2 104 m/s in dem zweiten Druckbereich Dr2 abfallen. Die Ionen 11 weisen somit in dem zweiten Druckbereich Dr2 durch das Vorhandensein des Bremsgases 17 eine mittlere Geschwindigkeit v auf, die um etwa eine Größenordnung kleiner ist als die Geschwindigkeit v in dem ersten Druckbereich Dr-i.
Der (Betriebs-)Druck PM in der Messkammer 6 bzw. der Arbeitspunkt kann innerhalb des jeweiligen ersten bzw. zweiten Druckbereichs Dr-i, Dr2 beliebig eingestellt werden. Der Druck PM bzw. der Arbeitspunkt in der Messkammer 6 in dem ersten und in dem zweiten Betriebsmodus MS, IMS sowie die Länge der kollisionsfreien oder kollisionsbehafteten lonen-Transferstrecke L können an die jeweilige Anwendung, insbesondere an die spezifizierte Massen- bzw. Isomeren-Auflösung (s.u.) angepasst werden.
Die Detektion der Ionen 11 im Fein-, Mittel- oder Flochvakuumbereich, d.h. im gezeigten Beispiel in einem Intervall zwischen ca. 10-5 mbar und ca. 10° mbar, erfolgt mit Hilfe des lonen-Detektors 13. Ein geeigneter lonen-Detektor 13 sollte gegenüber Druckbereichsüberschreitungen - d.h. auch für Drücke oberhalb des Feinvakuumbereichs - robust ausgelegt sein. Der lonen-Detektor 13 sollte zudem degradationsfrei arbeiten und benötigt eine Dynamikbereich in der Größenordnung von ca. 5-6 Dekaden, um in beiden Druckbereichen Dr-i, Dr2 die Ionen 11 detektieren zu können.
Ein solcher lonen-Detektor 13, der eine Messelektrodenanordnung 22 zum Erfassen der Ionen 11 und eine Detektionseinrichtung 25 zur Detektion der von der Messelektrodenanordnung 22 erfassten Ionen 11 aufweist, ist in Fig. 1 sowie in Fig. 3 dargestellt. Die Messelektrodenanordnung 22 bildet im einfachsten Fall einen Faraday-Becher zur idealerweise rückstreuungsfreien Erfassung der Ionen 11. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel weist die Messelektrodenanordnung 22 eine zentrale Messelektrode 23 (Fokuselektrode) auf, die von einer ringförmigen Hauptelektrode 24 umgeben ist. Die zentrale Messelektrode 23 ist im Zentrum des Bodens des Faraday-Bechers angeordnet und wird von einem ringförmigen Bodenbereich der Hauptelektrode 24 umgeben.
Die zentrale Messelektrode 23 weist einen vergleichsweise geringen Durchmesser auf und dient hauptsächlich zur Erfassung von stark gekühlten Ionen 11 in dem zweiten Druckbereich Dr2 (z.B. zwischen 101 mbar und 10 ° mbar). Die ringförmige Hauptelektrode 24, die den Großteil des Faraday- Bechers bildet, dient hauptsächlich zur Erfassung von schwach gekühlten Ionen 11 in dem ersten Druckbereich Dri (z.B. bei einem Druck von ca. 105 mbar).
Die zentrale Messelektrode 23 und die ringförmige Messelektrode 24 sind elektrisch isoliert und bilden gemeinsam den Faraday-Becher.
Wie in Fig. 3 ebenfalls zu erkennen ist, ist die ringförmige Hauptelektrode 24 segmentiert und weist im gezeigten Beispiel vier Ringsegmente 24a-d (Quadranten) auf. Die vier Ringsegmente 24a-d sind in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt und weisen einen jeweils gleich großen Flächeninhalt auf. Es versteht sich, dass die ringförmige Hauptelektrode 24 auch in weniger oder in mehr Ringsegmente unterteilt sein kann. Die Segmentierung der ringförmigen Hauptelektrode 24 in vier Quadranten 24a-d ermöglicht eine richtungssensitive Aufzeichnung bzw. Messung der Ionen 11 , die sich im Wesentlichen entlang der geradlinigen Trajektorie 15 bewegen. Im Idealfall verteilen sich die erfassten Ionen 11 gleichanteilig auf alle vier Quadranten 24a-d.
Die Detektionseinrichtung 25 in Form einer Detektionselektronik weist im gezeigten Beispiel fünf Eingänge auf, die zur elektrischen Kontaktierung der zentralen Messelektrode 23 sowie der vier Quadranten 24a-d der Hauptelektrode 24 der Messelektrodenanordnung 22 dienen, die in Fig. 3 auf der rechten Seite in einer Draufsicht dargestellt ist. Um den gesamten lonenstrahl bzw. alle extrahierten Ionen 11 zu detektieren, kann die Detektionseinrichtung 25 alle elektrisch isolierten Messelektroden 23, 24a-d zusammenschalten und die fünf Eingänge miteinander verbinden. Zur Detektion lediglich der schwach gekühlten Ionen 11 können die Quadranten 24a-d der segmentierten Hauptelektrode 24 zusammengeschaltet werden, während die zentrale Messelektrode 23 die stark gekühlten Ionen 11 gesondert aufzeichnet. Es ist ebenfalls möglich, dass eine oder mehrere der Quadranten 24a-d der Hauptelektrode 24 und die zentrale Messelektrode 23 beliebig kombiniert bzw. zusammengeschaltet werden, um die Drift- oder Flugeigenschaften der Ionen 11 besonders zu analysieren. Beispielsweise können hierbei Drift- oder Flugeigenschaften von Isomeren (s.u.) gemessen und ausgewertet werden.
Fig. 4a, b zeigen beispielhaft jeweils in einem oberen Teilbereich ein lonensignal in Form eines induzierten Stroms lioi\i(t) am Eingang der Detektionseinrichtung 25, der von den an der Messelektrodenanordnung 22 erfassten Ionen 11 erzeugt wird, sowie in einem unteren Teilbereich ein Spannungssignal U(t) am Ausgang der Detektionseinrichtung 25. Die Detektionseinrichtung 25 kann beispielsweise einen Ladungs-Verstärker zur Umwandlung eines von den erfassten Ionen 11 erzeugten Ladungssignals in ein Spannungssignal sowie eine Verstärker-Einrichtung zur Verstärkung des Spannungssignals aufweisen; die Messelektronik der Detektionseinrichtung 25 soll vorzugsweise eine schnelle und rauscharme Detektion der Ionen 11 mit einer Dynamik von 5 bis 6 Dekaden bereitstellen.
Das lonensignal lioi\i(t) am Eingang der Detektionseinrichtung 25 und das Spannungssignal U(t) am Ausgang der Detektionseinrichtung 25 sind in Fig.
4a, b über fünf Größenordnungen dargestellt. Die in Fig. 4a, b dargestellte Zeitachse stimmt mit der Transportzeit tm überein, d.h. der Zeitpunkt tm = 0 ps entspricht dem Zeitpunkt, an dem die Extraktionseinrichtung 12 mit einem kurzen Spannungspuls mit einer Zeitdauer in der Größenordnung von ca. fe < 100 ns aktiviert wird, um die Ionen 11 aus der lonenkammer 5 zu extrahieren.
In Fig. 4a sowie in Fig. 4b - in einem Zeitintervall von 0 ps bis ca. 200 ps - sind das lonensignal lioi\i(t) und das Spannungssignal U(t) beispielhaft für einen Druck PM von 10-4 mbar im ersten Druckbereich Dri mit lonenmassen zwischen 10 und 1000 und einer Partikelanzahl N z / Elementarladung von 1 x 102, 5 x 103, 1 x 103, 1 x 101 und 1 x 104 dargestellt. Die Beschleunigungsspannung der Extraktionseinrichtung 12 lag im dargestellten Beispiel bei 50 V und die lonen- Transferstrecke L wies eine Länge von 50 cm auf.
Fig. 4a zeigt ein Detail der Darstellung von Fig. 4b mit höherer Zeitauflösung in einem Zeitintervall der Transportzeit tm zwischen 49 ps und 53 ps. Wie in Fig. 4a zu erkennen ist, treffen in diesem Zeitintervall zwei Ionen 11 mit ähnlichen Massen bzw. ähnlichen Massenladungsverhältnissen mz auf die Messelektrodenanordnung 22 auf. Die Zeitspanne zwischen dem Aufprall der beiden Ionen 11 stellt bei dem hier beschriebenen ersten Betriebsmodus MS, d.h. ohne Stöße mit dem Bremsgas 17, ein Maß für den Massenunterschied zwischen den beiden auftreffenden Ionen 11 dar, da wie weiter oben beschrieben wurde die Transportzeit tm, d.h. die Zeitspanne zwischen dem Erzeugen des Extraktionspulses der Extraktionseinrichtung 12 und dem Aufprall bzw. dem Erfassen der Ionen 11 an der Messelektrodenanordnung 22, in dem ersten Betriebszustand MS ein Maß für das Massenladungsverhältnis mz der Ionen 11 darstellt.
Wird genügend Bremsgas 17 in die Messkammer 6 eingelassen, ergeben sich jedoch deutlich längere Transportzeiten tm, wie dies in Fig. 4b in einem Zeitintervall zwischen tm = 200 ps und ca. 1200 ps für einen Druck PM in der Messkammer 6 von ca. 6 x 102 mbar und einer elektrischen Beschleunigungsfeldstärke E mit einem Betrag von ca. 600 V/m dargestellt ist Die Polarität des elektrischen Feldes bzw. der Beschleunigungsfeldstärke Em hängt vom Vorzeichen der lonenladung ab und wird so gewählt, dass die Ionen 11 in der lonen-Transporteinrichtung 14 abgebremst werden. Die Transportzeiten tm stellen in diesem Fall gemäß der weiter oben angegebenen Gleichung (4) ein Maß für die Mobilität Km - der Ionen 11 dar und ermöglichen es, mit Hilfe der Vorrichtung 1 in dem zweiten Betriebszustand IMS eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung des Gases 2 durchzuführen.
Die in Fig. 4b gezeigten lonensignale lioi\i(t) bzw. Spannungssignale U(t) in den beiden Betriebszuständen MS, IMS wurden bei gleicher Partikelpopulation in der lonenfalle 8 aufgenommen.
Die Auswerteeinrichtung 21 kann auch dazu dienen, die Anzahl der von der Detektionseinrichtung 25 detektierten Ionen 11 in den beiden Betriebszuständen MS, IMS zu bestimmen. Eine quantitative Analyse setzt jedoch voraus, dass die Auflösung bzw. die Dauer der Transportzeiten tm groß genug ist. Die Auflösung nimmt mit zunehmender Länge der lonen- Transportstrecke L zu.
Die Auswerteeinrichtung 21 kann weiterhin dazu dienen, im zweiten Betriebsmodus IMS anhand von unterschiedlichen Transportzeiten t2a, t2b von Ionen 11 mit gleichem Massenladungsverhältnis mz2 isomere Stoffe 27 zu identifizieren, wie dies anhand eines in Fig. 5 dargestellten, beispielhaften Spektrums eines Gemischs aus einem monomeren Stoff 26 und einem isomeren Stoff 27 dargestellt ist. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Spektrum ist auf der Abszisse das Massenladungsverhältnis mz aufgetragen, das sich in dem ersten Betriebszustand MS ohne Stoßprozesse bzw. ohne das Vorhandensein des Bremsgases 17 in der Messkammer 6 ergibt. Auf der Ordinate sind die Transportzeiten tm in dem zweiten Betriebszustand IMS für das jeweilige Massenladungsverhältnis mz aufgetragen.
Bei dem monomeren Stoff 26, der ein Massenladungsverhältnis mzi aufweist, ergibt sich eine einheitliche Driftzeitspanne mit einem Verteilungsprofil 0i(fm), das um eine einzige (mittlere) Transportzeit ti verteilt ist. Bei einem isomeren Stoff 27, der ein Massenladungsverhältnis mz2 aufweist, sind dagegen im gezeigten Beispiel zwei Driftzeitspannen mit entsprechenden Verteilungsprofilen 02a (tm), 02b (tm) vorhanden, die um zwei (mittlere) Transportzeiten t2a, t2b konzentriert sind. Mit Hilfe der weiter oben beschriebenen Vorrichtung 1 können daher isomere Stoffe 27 identifiziert und von monomeren Stoffen 26 unterschieden werden. Insbesondere können hierbei Partikel bzw. Ionen 11 mit derselben Molekülmasse und demselben Massenladungsverhältnis mz2, aber mit unterschiedlicher Beweglichkeit, voneinander unterschieden werden.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 kann zur spektrometrischen Untersuchung von Gasen 2 bei unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Fig. 6 zeigt stark schematisiert ein Detail einer EUV-Lithographieanlage 30, die zur Abbildung einer Struktur auf einer Maske auf eine lichtempfindliche Schicht auf einem Wafer dient. In Fig. 6 ist von der EUV-Lithographieanlage 30 lediglich eine Gehäuse 3 dargestellt, das einen Innenraum 3a umschließt, in dem beispielhaft ein einzelnes optisches Element 31 angeordnet ist, das als Spiegel ausgebildet ist. Das optische Element 31 in Form des Spiegels dient zur Reflexion von EUV-Strahlung 32, die einen nicht näher dargestellten Strahlengang die EUV-Lithographieanlage 30 durchläuft. In dem Innenraum 3a herrscht im Betrieb der EUV-Lithographieanlage 30 ein Druck PEUV, der in der Größenordnung von ca. 1 mbar liegt, außerhalb des Gehäuses 3 herrscht Atmosphärendruck. Der Innenraum 3a weist eine Restgasatmosphäre auf, die als Bestandteil u.a. molekularen Wasserstoff H2 enthält. Aufgrund der hohen Leistung der EUV-Strahlung 32 wird der Wasserstoff H2 angeregt und bildet ein Wasserstoff-Plasma, das auch andere Bestandteile der Restgasatmosphäre ionisiert.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist die Vorrichtung 1 , genauer gesagt das Gehäuse 4 der Vorrichtung 1 , an die Außenseite des Gehäuses 3 der EUV- Lithographieanlage 30 angeflanscht, um den Gas-Einlass 9 über ein Piezo- Ventil 9a mit dem Innenraum 3a zu verbinden. Das zu untersuchende Gas 2 in dem Innenraum 3a ist aufgrund des Wasserstoff-Plasmas bereits ionisiert und kann daher in ionisiertem Zustand in die lonenkammer 5 der Vorrichtung 1 eingebracht und in der lonenfalle 8 gespeichert werden. Auf das Vorsehen einer lonisierungseinrichtung in der lonenkammer 5 kann in diesem Fall verzichtet werden.
Bei der in Fig. 6 beschriebenen Vorrichtung 1 wird der (molekulare) Wasserstoff H2, der ebenfalls in dem Innenraum 3a des Gehäuses 3 der EUV- Lithographieanlage 30 enthalten ist, als Bremsgas 17 genutzt. Zu diesem Zweck weist das Gehäuse 3 der EUV-Lithographieanlage 30 einen Gasanschluss auf, der mit der Zuführungseinrichtung 16 der Vorrichtung 1 in Verbindung steht, um den molekularen Wasserstoff H2 aus dem Innenraum 3a der Messkammer 6 der Vorrichtung 1 zuzuführen. Der Wasserstoff Fh wird hierbei an einer Position aus dem Gehäuse 4 entnommen, an dem kein bzw. nur ein schwaches Wasserstoff-Plasma vorhanden ist. Auf diese Weise kann auf das Vorsehen eines eigenen Gasreservoirs für das Bremsgas 17 verzichtet werden. Wie in Fig. 6 ebenfalls zu erkennen ist, ist in dem Innenraum 3a des Gehäuses 3 der EUV-Lithographieanlage 30 eine stark schematisiert dargestellte Strömungsleiteinrichtung 33 angeordnet, die dem Gas-Einlass 9 das zu untersuchende Gas 2 mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung X der lonen-Transferstrecke Lm ausgerichteten Geschwindigkeit
Figure imgf000034_0001
zuführt. Die Richtung X der lonen-Transferstrecke Lm stimmt hierbei mit einer Einlassrichtung des Gas-Einlasses 9 überein. Bei der Strömungsleiteinrichtung 33 kann es sich beispielsweise um ein Rohr oder dergleichen handeln, welches quer zur Öffnung des Gas-Einlasses9 bzw. des Ventils 9a des Gas-Einlasses 9 ausgerichtet ist, so dass das in dem Innenraum 3a enthaltene Gas 2 im Wesentlichen quer zur Öffnung des Gas-Einlasses 9 an diesem vorbeiströmt und daher im Wesentlichen nur die gewünschte Geschwindigkeits-Komponente VM senkrecht zur Richtung X der lonen-Transferstrecke Lm aufweist: Im gezeigten Beispiel gilt: VM x < YM y/10. Hierbei wurde zur Vereinfachung davon ausgegangen, dass das Gas 2 keine Geschwindigkeitskomponente in Z- Richtung aufweist. Im allgemeinen Fall ist die Geschwindigkeitskomponente in Y-Richtung VM y durch die Resultierende aus der Geschwindigkeitskomponente in Y-Richtung VM y und der Geschwindigkeitskomponente in Z-Richtung VM z zu ersetzen. Mit Hilfe der Strömungsleiteinrichtung 33 kann erreicht werden, dass die Geschwindigkeitskomponente der Ionen 11 in Richtung der lonen- Transferstrecke Lm nahezu Null ist, um möglichst lange Transportzeiten tm der Ionen 11 zu erreichen und auf diese Weise das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Messung zu verbessern.
Die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung 1 kann analog zu der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1 dazu verwendet werden, wahlweise eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases 2 oder eine ionenmobilitäts- spektrometrische Untersuchung des Gases 2 durchzuführen. Da die Vorrichtung 1 kompakt ist und wenig Bauraum benötigt, kann diese an unterschiedlichen Stellen der EUV-Lithographieanlage 30 angeordnet werden, um eine Restgasanalyse durchzuführen. Insbesondere können auch mehrere Vorrichtungen 1 dazu verwendet werden, an unterschiedlichen Orten der EUV- Lithographieanlage 30 jeweils eine Restgasanalyse durchzuführen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases (2), umfassend: eine Extraktionseinrichtung (12) zur Extraktion von Ionen (11) des zu untersuchenden Gases (2) aus einer lonenkammer (5), einen lonen-Detektor (13) zur Detektion der Ionen (11), eine lonen-Transfereinrichtung (14) zum Transfer der Ionen (11) von der Extraktionseinrichtung (12) zu dem lonen-Detektor (13) entlang einer lonen- Transferstrecke (Lm), eine Zuführungseinrichtung (16) zur Zuführung eines Bremsgases (17) zu der lonen-Transferstrecke (Lm), sowie eine Auswerteeinrichtung (21) zur Bestimmung von Transportzeiten (tm) beim Transport der Ionen (11) von der Extraktionseinrichtung (12) zu dem lonen-Detektor (13) entlang der lonen-Transferstrecke (Lm) dadurch gekennzeichnet dass die Vorrichtung (1) ausgebildet ist, einen Druck (PM) entlang der lonen- Transferstrecke (Lm) zwischen einem ersten, niedrigeren Druckbereich (Dr-i) und einem zweiten, höheren Druckbereich (Dr2) umzuschalten, und dass die Auswerteeinrichtung (21) ausgebildet ist, in einem ersten Betriebszustand (MS) anhand der Transportzeiten (tm) der Ionen (11) bei dem Druck (PM) in dem ersten Druckbereich (Dr-i) eine massenspektrometrische Untersuchung des Gases (2) durchzuführen und in einem zweiten Betriebszustand (IMS) anhand der Transportzeiten (tm) der Ionen (11) bei dem Druck (PM) in dem zweiten Druckbereich (Dr2) eine ionenmobilitäts-spektrometrische Untersuchung des Gases (2) durchzuführen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher für einen maximalen Druck p-imax des ersten Druckbereichs (Dr-i) und einen minimalen Druck p2min des zweiten Druckbereichs (Dr2) gilt: p2min / p-i max > 100, bevorzugt > 1000.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der erste Druckbereich (Dr-i) unter einem maximalen Druck (p-imax) von 10'4 mbar und bevorzugt über einem minimalen Druck (p-imin) von 105 mbar liegt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der zweite Druckbereich (Dr2) über einem minimalen Druck (p2min) von 102 mbar und bevorzugt unter einem maximalen Druck (p2max) von 10° mbar liegt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die lonen- Transferstrecke ( L ) in einer Messkammer (6) gebildet ist, wobei die Zuführungseinrichtung (16) zur Zuführung des Bremsgases (17) zu der Messkammer (5) bevorzugt mindestens ein insbesondere regelbares Ventil (16a) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, weiter umfassend: eine erste Vakuum-Pumpe (19) zum Abpumpen der Messkammer (6), wobei die erste Vakuum-Pumpe (19) mit der Messkammer (6) bevorzugt über mindestens ein insbesondere regelbares Ventil (19a) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die lonenkammer (5) und die Messkammer (6) in einem gemeinsamen Gehäuse (4) gebildet sind, wobei die lonenkammer (5) bevorzugt über eine Blendenöffnung (7) mit der Messkammer (6) in Verbindung steht.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine zweite Vakuum-Pumpe (20) zum Abpumpen der lonenkammer (5), wobei die zweite Vakuum-Pumpe (20) mit der lonenkammer (5) bevorzugt über mindestens ein insbesondere regelbares Ventil (20a) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen Gas-Einlass (9) zum Einlassen des zu untersuchenden Gases (2) in die lonenkammer (5), wobei der Gas-Einlass (9) zum Einlassen des zu untersuchenden Gases (2) bevorzugt mindestens ein insbesondere regelbares Ventil (9a) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in der lonenkammer (5) eine lonenfalle (8) zur Speicherung, Akkumulierung und/oder Filterung von Ionen (11 ) des zu untersuchenden Gases (2) angeordnet ist.
11 .Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine lonisierungseinrichtung (10) zur Ionisierung des zu untersuchenden Gases (2) in der lonenkammer (5), insbesondere in der lonenfalle (8).
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der lonen-Detektor (13) eine Messelektrodenanordnung (22), bevorzugt einen Faraday-Becher, zum Erfassen der Ionen (11 ) und eine Detektionseinrichtung (25) zur Detektion der von der Messelektrodenanordnung (22) erfassten Ionen (11 ) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die Messelektrodenanordnung (22) eine zentrale Messelektrode (23) aufweist, die von einer bevorzugt ringförmigen Flauptelektrode (24) umgeben ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die ringförmige Flauptelektrode (24) segmentiert ist und mindestens zwei Ringsegmente, bevorzugt vier Ringsegmente (24a-d), aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Auswerteeinrichtung (21 ) ausgebildet ist, in dem zweiten Betriebsmodus (IMS) anhand von unterschiedlichen Transferzeiten ( t2a , t2b) von Ionen (11) mit gleichem Massenladungsverhältnis ( mz2 ) isomere Stoffe (27) zu identifizieren.
16. Lithographieanlage, insbesondere EUV-Lithographieanlage (30), umfassend: ein Gehäuse (3), das einen Innenraum (3a) umschließt, in dem mindestens ein optisches Element (31) angeordnet ist, sowie mindestens eine Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit dem Innenraum (3a) in Verbindung steht, um der lonenkammer (5) das zu untersuchende, bevorzugt in dem Innenraum (3a) ionisierte Gas (2) zuzuführen.
17. Lithographieanlage nach Anspruch 16, bei welcher die Zuführungseinrichtung (16) ausgebildet ist, der lonen-Transferstrecke (Lm) als Bremsgas (17) ein in dem Innenraum (3a) vorhandenes Gas (3), insbesondere Wasserstoff, zuzuführen.
18. Lithographieanlage nach Anspruch 16 oder 17, bei welcher in dem Innenraum (3a) eine Strömungsleiteinrichtung (33) angeordnet ist, die ausgebildet ist, dem Gas-Einlass (9) das zu untersuchende Gas (3) mit einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung (X) der lonen-Transferstrecke (Lm) ausgerichteten Geschwindigkeit ( v ) zuzuführen.
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