(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）における検出器であって、
前記検出器は、
ビームラインの下流方向に移動するイオンを受け入れるように構成され、
ａ）前記ビームラインからオフセットして配置されたステアリング電極と、
ｂ）前記ビームラインに対して前記ステアリング電極の反対側に少なくとも部分的に配置された第１のイオン受入電極と、
ｃ）前記ビームラインから少なくとも部分的にオフセットして配置され、前記ステアリング電極の少なくとも一部から前記ビームラインを介して向かい側に少なくとも部分的に配置され、かつ前記ステアリング電極の少なくとも一部の上流に少なくとも部分的に配置された第２のイオン受入電極と、
ｄ）前記ビームラインと前記第２のイオン受入電極との間に少なくとも部分的に配置されたシールド電極と、
ｅ）前記シールド電極に電位を印加するソースと、を備えることを特徴とする検出器。
【請求項２】
前記シールド電極は、前記ビームラインに対して斜めに配置されていることを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項３】
前記第１のイオン受入電極と、前記第１のイオン受入電極に電気的に接続されたチャネルとを有する電子マルチプライヤを更に含むことを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項４】
前記第１のイオン受入電極及び前記第２のイオン受入電極の両方に電気的に接続された読出電極を更に含むことを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項５】
前記第１のイオン受入電極に電位を選択的に印加する電源を更に含むことを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項６】
前記第１のイオン受入電極は最遠下流収集ポイントを有する導電性コーンを含み、前記シールド電極は前記最遠下流収集ポイントの上流に少なくとも部分的に延びていることを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項７】
前記ステアリング電極に電位を選択的に印加するステアリング電源を更に含むことを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項８】
前記ステアリング電極を含み、前記最遠下流収集ポイントを有するマルチチャネルプレートを更に含むことを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項９】
前記シールド電極は前記最遠下流収集ポイントの少なくとも部分的に上流に延びていることを特徴とする請求項８記載の検出器。
【請求項１０】
前記第２のイオン受入電極は前記ビームラインから完全にオフセットして配置されていることを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項１１】
前記ステアリング電極及び前記シールド電極はグリッドを各々含むことを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項１２】
残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）であって、
ａ）イオンソースと、
ｂ）開口部を有し、前記開口部を通過するビームラインを定めるアナライザ部と、
ｃ）前記開口部を介して下流方向に移動するイオンを受け入れるように構成された検出部と、を備え、
前記検出部は、
i）前記ビームラインからオフセットして配置されたステアリング電極と、
ii）前記ビームラインに対して前記ステアリング電極の反対側に少なくとも部分的に配置された第１のイオン受入電極と、
iii）前記ビームラインから少なくとも部分的にオフセットして配置され、前記ステアリング電極の少なくとも一部から前記ビームラインを介して向かい側に少なくとも部分的に配置され、かつ前記ステアリング電極の少なくとも一部の上流に少なくとも部分的に配置された第２のイオン受入電極と、
iv）前記ビームラインと前記第２のイオン受入電極との間に少なくとも部分的に配置されたシールド電極と、
v）前記シールド電極に電位を印加するソースと、を備えることを特徴とするＲＧＡ。
【請求項１３】
ａ）前記検出器は、前記第１のイオン受入電極及びコレクタプレートを有する電子マルチプレクサと、前記第１のイオン受入電極及び前記コレクタプレートの両方に電気的に接続された読出電極とを更に含み、
ｂ）前記ＲＧＡは、前記第１のイオン受入電極に選択電位を印加する電源と、前記検出器の前記ステアリング電極に選択電位を印加するステアリング電源とを更に含むことを特徴とする請求項１２記載のＲＧＡ。
【請求項１４】
モードコマンドを受信し、前記モードコマンドに応答して前記アナライザ部を出発するイオンを前記電子マルチプライヤに向かって又は離れるように制御するために電源及びステアリング電源を動作するように適合されたコントローラを更に含むことを特徴とする請求項１３記載のＲＧＡ。
【請求項１５】
前記アナライザ部は四重極質量フィルタを含むことを特徴とする請求項１３記載のＲＧＡ。
【請求項１６】
前記ステアリング電極及び前記シールド電極はグリッドを各々含むことを特徴とする請求項１２記載のＲＧＡ。
【請求項１７】
前記第１のイオン受入電極は、最遠下流収集ポイントを有する導電性コーンを含み、前記シールド電極は前記最遠下流収集ポイントの上流に少なくとも部分的に延びていることを特徴とする請求項１２記載のＲＧＡ。
【請求項１８】
前記ステアリング電極を含み、前記最遠下流収集ポイントを有するマルチチャネルプレートを更に含むことを特徴とする請求項１２記載のＲＧＡ。
【請求項１９】
前記シールド電極は前記最遠下流収集ポイントの上流に少なくとも部分的に延びていることを特徴とする請求項１８記載のＲＧＡ。
【請求項２０】
残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）における検出器であって、
前記検出器は、
ビームラインの下流方向に移動するイオンを受け入れるように構成され、
ａ）読出電極と、
ｂ）前記ビームラインからオフセットして配置されたステアリング電極と、
ｃ）前記ステアリング電極に電位を選択的に印加するステアリング電源と、
ｄ）i）前記ビームラインに対して前記ステアリング電極の反対側に少なくとも部分的に配置され、最遠下流収集ポイントを有する第１のイオン受入電極と、
ii）前記読出電極に電気的に接続され、前記第１のイオン受入電極から電子を収集するように構成されたコレクタプレートと、
iii）前記第１のイオン受入電極の少なくとも一部に電圧を選択的に印加するように構成された電源と、を含む電子マルチプライヤと、
ｅ）前記読出電極に電気的に接続され、前記ビームラインから少なくとも部分的にオフセットして配置され、前記ステアリング電極の少なくとも一部から前記ビームラインを介して向かい側に少なくとも部分的に配置され、かつ前記ステアリング電極の少なくとも一部の上流に少なくとも部分的に配置された第２のイオン受入電極を含むファラデーカップと、
ｆ）前記ビームラインと前記第２のイオン受入電極との間に少なくとも部分的に配置され、前記最遠下流収集ポイントの上流に少なくとも部分的に延びるシールド電極と、
ｇ）前記シールド電極に電位を印加するソースと、を備えることを特徴とする検出器。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１２年１２月１９日に発明の名称「デュアル検出型残留ガスアナライザ(Dual-Detection Residual Gas Analyzer)」で出願された米国仮特許出願第６１／７３９，４９２号の利益及び優先権を主張し、当該仮出願の全体が参照されて本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、チャンバ内のガス濃度又はガス分圧を測定することに関する。
【背景技術】
【０００３】
様々な処理又は装置において残留ガスアナライザ（ＲＧＡ：residual gas analyzer）を有する真空チャンバ及び他の真空システムを使用することができる。例としては、物理蒸着（ＰＶＤ：physical vapor deposition）装置、化学蒸着（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）装置、及び原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）装置を含む半導体又は非半導体用のコーティング装置、リーク検出、例えば、石油掘削現場で使用される大気測定システム、食品又は医薬品分析システム、化学兵器検出器、粒子加速器、及び研究開発機器がある。
【０００４】
例えば、半導体、例えば、集積回路のトランジスタを製造する処理には、非常に低い圧力下で行われる多数の処理が含まれる。これらの圧力は、一般的に「真空チャンバ」と呼ばれるもの内に維持される。一般に、真空チャンバは、ポンプシステム、例えば、クライオポンプ(cryo pump)又はターボポンプ(turbopump)を含むものに接続された筐体（エンクロージャ）である。ポンプシステムは、例えば、ベース圧力用の１０-8Ｔｏｒｒ又は処理中に５ｍＴｏｒｒの非常に低い圧力を維持する。ポンプシステムは、チャンバ内において選択ガスを特定の濃度で維持することができる。「真空ツール」は、１つ以上の真空チャンバとその真空チャンバ内外にワークピースを転送する設備とを含む装置である。真空ツールの例、特にクラスタツールは、アプライド マテリアルズ（登録商標）製のＥＮＤＵＲＡ（登録商標）  ＰＶＤ装置である。例えば、銅（Ｃｕ）及び窒化タンタル（Ｔａ(Ｎ））を被覆するためのＰＶＤ法は、例えば、〜５ｍＴｏｒｒの真空状態を必要とする。本開示を通して、「真空」は大気（１ａｔｍ（気圧）＝７６０Ｔｏｒｒ）よりもはるかに低い圧力、例えば、２０Ｔｏｒｒより低圧を指す。
【０００５】
様々なシリコンウエハの半導体処理工場（Ｆａｂ）は、分圧アナライザ（ＰＰＡ：partial pressure analyzer）、例えば、残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）を使用して真空チャンバを試験する。ＲＧＡは、チャンバ内の原子（例えば、アルゴンガス）、分子、又は他の荷電粒子に質量分析を行ってこれらの分子の組成又はそれらの分圧を決定する。ＲＧＡは、特定の特性を有するイオンを選択するために四重極質量分析計又は他のフィルタと、選択されたイオンを検出又はカウントする検出器とを含むことができる。ＲＧＡは、半導体製造、特にＰＶＤ処理において、その場プロセス(in-situ process)の監視のために広く使用される。ＣＶＤ又はエッチング処理のためのＰＰＡの使用中には、入力ガスのタイミング及び濃度を監視し、反応生成物を監視し、不用物を排除し、例えば、処理及びツールの適切な作用の間にリーク、残留汚染物質、及び混入物質をチェックして処理チャンバを評価することがプロセス化学に続く。ＣＶＤ／エッチング利用のためのＰＡＡは、クローズドイオンソース（ＣＩＳ：closed ion source）又はオープンイオンソース（ＯＩＳ：open ion source）を使用することができる。改良型のＲＧＡ又はＲＧＡ検出器が継続的に必要とされる。
【発明の概要】
【０００６】
残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）における検出器は、ビームラインに沿って下流方向に移動するイオンを受け入れ、ビームラインからオフセット(offset)して配置されたステアリング電極を含むように構成される。第１のイオン受入電極はビームラインに対してステアリング電極の反対側に少なくとも部分的にある。第２のイオン受入電極おいては、ビームラインから少なくとも部分的にオフセットして配置され、ステアリング電極の少なくとも一部からビームラインを介して向かい側に少なくとも部分的に配置され、かつステアリング電極の少なくとも一部の上流に少なくとも部分的に配置されている。シールド電極はビームラインと第２のイオン受入電極との間に少なくとも部分的に配置されている。ソースはシールド電極に電位を印加する。残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）は、イオンソース、アナライザ部、及び上記したような検出器を含んでいる。
【０００７】
様々な態様によれば、残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）は、ビームラインの下流方向に移動するイオンを受け入れるように構成された検出器を備え、検出器は、ビームラインからオフセットして（外れて）配置されたステアリング電極と、ビームラインに対してステアリング電極の反対側に少なくとも部分的に配置された第１のイオン受入電極と、ビームラインから少なくとも部分的にオフセットして配置され、ステアリング電極の少なくとも一部からビームラインを介して向かい側に少なくとも部分的に配置され、かつステアリング電極の少なくとも一部の上流に少なくとも部分的に配置された第２のイオン受入電極と、ビームラインと第２のイオン受入電極との間に少なくとも部分的に配置されたシールド電極と、シールド電極に電位を印加するソースとを備える。
【０００８】
シールド電極はビームラインに対して斜めに配置されても良い。検出器は、第１のイオン受入電極と、第１のイオン受入電極に電気的に接続されたチャネルとを有する電子マルチプライヤ（増倍器）を含んでも良い。検出器は、第１のイオン受入電極と第２のイオン受入電極との両方に電気的に接続された読出電極を含んでも良い。検出器は、第１のイオン受入電極に電位を選択的に印加する電源を含んでも良い。第１のイオン受入電極は最遠下流収集ポイントを有する導電性コーンを含んでも良く、シールド電極は、最遠下流収集ポイントの上流に少なくとも部分的に延びても良い。検出器は、ステアリング電極に電位を選択的に印加するステアリング電源を含んでも良い。検出器は、ステアリング電極を含み最遠下流収集ポイントを有するマルチチャネルプレートを含んでも良い。シールド電極は、最遠下流収集ポイントの上流に少なくとも部分的に延びても良い。第２のイオン受入電極はビームラインから完全にオフセットして配置しても良い。ステアリング電極及びシールド電極は、グリッドを各々含んでも良い。
【０００９】
様々な態様によれば、イオンソースと、開口部を有し開口部を通過するビームラインを定めるアナライザ部と、開口部を介して下流方向に移動するイオンを受け入れるように構成された検出部とを備える残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）が設けられ、検出器は、ビームラインからオフセットして配置されたステアリング電極と、ビームライン対してステアリング電極の反対側に少なくとも部分的に配置された第１のイオン受入電極と、ビームラインから少なくとも部分的にオフセットして配置され、ステアリング電極の少なくとも一部からビームラインを介して向かい側に少なくとも部分的に配置され、かつステアリング電極の少なくとも一部の上流に少なくとも部分的に配置された第２のイオン受入電極と、ビームラインと第２のイオン受入電極との間に少なくとも部分的に配置されたシールド電極と、シールド電極に電位を印加するソースとを備える。
【００１０】
検出器は、第１のイオン受入電極及びコレクタプレートを有する電子マルチプライヤと、第２のイオン受入電極とコレクタプレートの両方に電気的に接続された読出電極とを更に含んでも良く、ＲＧＡは第１のイオン受入電極に選択電位を印加する電源と、検出器のステアリング電極に選択電位を印加するステアリング電源とを更に含んでも良い。ＲＧＡは、モードコマンドを受信し、そのモードコマンドに応答してアナライザ部を出発するイオンを電子マルチプライヤに向かって又は離れるように制御するために電源及びステアリング電源を動作するように適合されたコントローラを含んでも良い。アナライザ部は、四重極質量フィルタを含んでも良い。ステアリング電極及びシールド電極は、グリッドを各々含んでも良い。第１のイオン受入電極は最遠下流収集ポイントを有する導電性コーンを含んでも良く、シールド電極は最遠下流収集ポイントの上流に少なくとも部分的に延びても良い。ＲＧＡは、ステアリング電極を含み最遠下流収集点を有するマルチチャネルプレートを含んでも良く、シールド電極は、その最遠下流収集ポイントの上流に少なくとも部分的に延びても良い。
【００１１】
様々な態様によれば、残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）には、ビームラインの下流方向に移動するイオンを受け入れるように構成された検出器が備えられ、検出器は、読出電極と、ビームラインからオフセットして配置されたステアリング電極と、ステアリング電極に電位を選択的に印加するステアリング電源と、第１のイオン受入電極、コレクタプレート、及び電源を含む電子マルチプライヤと、読出電極に電気的に接続された第２のイオン受入電極を含むファラデー(Faraday)カップと、ビームラインと第２のイオン受入電極との間に少なくとも部分的に配置されたシールド電極と、シールド電極に電位を印加するソースとを備える。第１のイオン受入電極はビームラインに対してステアリング電極の反対側に少なくとも部分的に配置され、最遠下流収集ポイントを有する。コレクタプレートは、読出電極に電気的に接続され、第１のイオン受入電極から電子を収集するように構成されている。電源は第１のイオン受入電極の少なくとも一部に電圧を選択的に印加するように構成されている。第２のイオン受入電極は、ビームラインから少なくとも部分的にオフセットして配置され、ステアリング電極の少なくとも一部からビームラインを介して向かい側に少なくとも部分的に配置され、かつステアリング電極の少なくとも一部の上流に少なくとも部分的に配置されている。
【００１２】
様々な態様は、従来の方式と比較して増加した感度及びノイズ除去を有利に提供する。様々な態様は、電子マルチプライヤ及びファラデーカップの両方を使用してガス圧力の広い範囲に亘って効果的な測定を有利に提供する。
【００１３】
この発明の概要は、本明細書において１つ以上の例示的な実施形態に応じて開示された内容の概要を提供するだけのものであり、特許請求の範囲を解釈するため、又は本発明の範囲を定義又は限定するための案内としての役割はなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。この発明の概要は、以下の詳細な説明において更に説明される簡略化した形式の概念の例示的な選択を紹介するために提供される。この発明の概要は、特許請求の範囲に示された構成の主要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図しておらず、特許請求の範囲に示された構成の範囲を決定する助けとして使用されることを意図している。特許請求の範囲に示された構成は、背景技術に記載されたいずれかの又は全ての欠点を解決する実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
以下の詳細な説明及び図面と併用されると本発明の上記及び他の目的、特徴、及び利点はより明らかになる。図面では図に共通する同一の特徴を示すために可能な場合に同一の参照番号が用いられている。
【００１５】
【図１】図１は、例示的なクラスタツール及び残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）の概略図である。
【００１６】
【図２】図２は、様々な態様によるＲＧＡの概略図である。
【００１７】
【図３】図３は、図２に示した検出器の斜視図である。
【００１８】
【図４】図４は、ＲＧＡ用の例示的な検出器の概略図である。
【図５】図５は、ＲＧＡ用の例示的な検出器の概略図である。
【図６】図６は、ＲＧＡ用の例示的な検出器の概略図である。
【００１９】
【図７】図７は、様々な態様によるＲＧＡ用の検出器の斜視図、及び関連したコンポーネントの概略図である。
【００２０】
【図８】図８は、様々な態様によるＲＧＡ用の検出器内の電極の不等角投影図である。
【００２１】
【図９】図９は、様々な態様によるＲＧＡ用の検出器の概略図である。
【００２２】
【図１０】図１０は、ＲＧＡ用の例示的な検出器の側面断面図である。
【００２３】
【図１１】図１１は、種々の態様によるＲＧＡ用の例示的な検出器、フィードスルー、及び関連するコンポーネントの概略図である。
【００２４】
添付の図面は、図示を目的としたものであり、必ずしも一定の縮尺ではない。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、２つのロードロック１７１，１７２を持つクラスタツールを示す。図示されているクラスタツールは、半導体の製造に用い得るものである。しかし、真空チャンバや真空システムは、前項で論じた技術の適用分野のような半導体製造以外の技術の実施にも用い得ると理解される。さらに、クラスタツールの形状に制限はなく、直線型や単体の真空チャンバも使われ得る。本実施例では、矢印で示すように、シリコンウェハ１３３や他の基板（本明細書においては全て“ウェハ”と呼ぶ）は、チャンバであるロードロックを通過してツールへ出し入れされる。プロセスチャンバ１４１、１４２、１４３、１４４内でウェハは、様々な操作を施される。ウェハはこれらのプロセスチャンバ間を、搬送チャンバ１５０内のロボットアーム又は他のアクチュエータによって搬送される。搬送チャンバ１５０は、ポンプ１３０、例えば真空ポンプによって、例えば１０-7Ｔｏｒｒ以下のようなきわめて低い圧力に保たれる。
【００２６】
このシステムは、メインフレームアッセンブリ（ロードロック、搬送チャンバ、プロセスチャンバ）と、一連の遠隔サポート機器（ＲＦ電源、真空ポンプ、熱交換器、コンピュータ）を含む。プロセスチャンバは、エッチング、化学蒸着（ＣＶＤ）、熱工程、又は他のプロセス向けに構成されたものでも良い。ガス供給源１３５は、ポンプ１３０が動作して、所望の気相成分をチャンバ１へ供給できる。ある例において、ガス供給源１３５がアルゴンガス（Ａｒ）又は窒素ガス（Ｎ2）を供給すると、チャンバ１内は、大気の代わりに低圧のアルゴンまたは窒素で満たされる。ツールは１０ｍＴｏｒｒ以下に真空引きされた中央の一つのチャンバの周囲に３乃至４のプロセスチャンバを含んでも良い。ツールのアイドル時は、選択された雰囲気を維持するため、ガスはチャンバを介して排気されても良い。
【００２７】
ＲＧＡ１２０は、チャンバ１内の雰囲気を測定するように構成されている。ＲＧＡ１２０はチャンバ１内に測定プローブを持つ。図中ではダイアモンド形状に表されている。ＲＧＡ１２０の構成要素の例は後述する引用文献中の米国特許第６０９１０６８号明細書に記載されている。
【００２８】
機器コントローラ１８６は、レシピを遂行するため、クラスタツール及びそのチャンバ、ポンプ１３０、ガス供給源１３５の動作を制御する。「レシピ」とは、ウェハがある特定のチャンバ内にあるとき、実施されるべきウェハの動きや運転のシーケンスである。レシピの例は、Herrmannらの文献「クラスタツールの性能におけるプロセス変更の影響評価、ＩＥＥＥ  ，Transactions on Semiconductor Manufacturing （ＩＳＳＮ  ０８９４−６５０７），  ｖｏｌ．１３，ｎｏ．２，Ｍａｙ  ２０００  」に記載されており、本明細書の参考文献に組み込まれている。機器コントローラ１８６は、本明細書に記載の機能を遂行するため、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＰＬＤ (programmable-logic device)，  ＰＬＡ (programmable-logic array)，ＰＡＬ (programmable array logic），ＦＰＧＡ (field-programmable gate array)，ＡＳＩＣ (Application-specific integrated circuit)，  又は他の演算ロジックデバイスがプログラムされ、配線され、配置されていても良い。ＲＧＡコントローラ１８７は、機器コントローラ１８６に接続されている。ＲＧＡコントローラ１８７又は機器コントローラ１８６は、ホストコントローラ（図示せず）に、例えばＳＥＣＳ通信などを経由して、接続されていても良い。ホストコントローラ又は機器コントローラ１８６は、ＲＧＡコントローラ１８７へ情報を提供することができる。ＲＧＡコントローラ１８７は、ＲＧＡ１２０及び１２１を制御し、これらのＲＧＡから情報を収集する。例えば、コントローラ１８７は、電源２３５又は他の電力、電圧、電流の供給又は本明細書で述べるような供給源を作動させる。様々な態様において、機器コントローラ１８６とＲＧＡコントローラ１８７は、２つのロジックモジュールであり、サブルーチンであり、スレッドであり、または別のシングルコントローラのプロセス構成要素である。
【００２９】
ここで用いられた残留ガスの分析装置と測定技術の例は、以下の文献に記載されている。米国特許出願公開第２００３／０００８４２２号明細書，「真空製造プロセスにおける非過渡プロセスの異常検出」(Detection of nontransient processing anomalies in vacuum manufacturing process)，２００３／１／９ 公開；米国特許第６４６８８１４号明細書，「真空製造プロセスにおける非過渡プロセスの異常検出」(Detection of nontransient processing anomalies in vacuum manufacturing process)，  ２００２／１０／２２公開；  米国特許第６７４０１９５号明細書，「真空製造プロセスにおける非過渡プロセスの異常検出」 (Detection of nontransient processing anomalies in vacuum manufacturing process)，  ２００４／５／２５公開；  米国特許第７７１９６８１号明細書；米国特許出願第２００５／０２５６６５３号明細書，「ウェハ処理のプロセス間検知」(Inter-process sensing of wafer outcome)，  ２００５／１１／１７  公開；  米国特許第７２５７４９４号明細書，「ウェハ処理のプロセス間検知」(Inter-process sensing of wafer outcome)，２００７／８／１４  公開；米国特許出願公開第２００９／００１４６４４号明細書，「分圧アナライザ向けＩＮ−ＳＩＴＵイオンソースクリーニング」(IN-SITU ION SOURCE CLEANING FOR PARTIAL PRESSURE ANALYZERS USED IN PROCESS MONITORING)，２００９／１／１５公開；米国特許第５８５００８４号明細書，「ガス分析システム向けイオンレンズアセンブリ」(Ion lens assembly for gas analysis system)，  １９９８／１２／１５  公開；米国特許第５８８９２８１号明細書，「四重極質量分析計におけるイオン電流の直線化手法」(Method for linearization of ion currents in a quadrupole mass analyzer)，１９９９／３／３０公開；  米国特許第５８０８３０８号明細書，「デュアルイオンソース」(Dual ion source)，１９９８／９／１５公開；米国特許出願公開第２００５／０２５８３７４号明細書，「イオンソース向け交換可能なアノードライナー」(Replaceable anode liner for ion source)，２００５／１１／２４  公開；米国特許出願公開第２００２／０１５３８２０号明細書，「共有電子ビームの全圧及び分圧測定装置」(Apparatus for measuring total pressure and partial pressure with common electron beam)，２００２／１０／２４公開；米国特許第４６９２６３０号明細書，「電子ビームによる励起ガスの分圧測定向け波長特定検出システム」(Wavelength specific detection system for measuring the partial pressure of a gas excited by an electron beam)，１９８７／９／８  公開；米国特許第４９８８８７１号明細書，「真空チャンバ向けガス分圧センサ」(Gas partial pressure sensor for vacuum chamber)，１９９１／１／２９  公開；米国特許第６６４２６４１号明細書，「共有電子ビームによる全圧及び分圧測定装置」(Apparatus for measuring total pressure and partial pressure with common electron beam)，２００３／１１／４  公開；  米国再発行特許発明第３８１３８号明細書，「四重極質量分析計におけるイオン電流の直線化手法」(Method for linearization of ion currents in a quadrupole mass analyzer)，２００３／６／１０；  米国特許第７０４１９８４号明細書，「イオンソース向け交換可能なアノードライナー」(Replaceable anode liner for ion source)，２００６／５／９  公開；及び米国特許第７４４３１６９号明細書，各開示事項は、参照されて本明細書に組み込まれる。
【００３０】
ＲＧＡコントローラ１８７、機器コントローラ１８６、のいずれか一方又は両方は、記憶装置を含むか又は適切に接続されていても良い。記憶装置にはレシピや測定結果が保存され、レシピのシーケンスを実行することができる。ＲＧＡコントローラ１８７は、ツールのバルブやその他の可動部品を制御するために、機器コントローラ１８６に指示を出すことができる。機器コントローラ１８６は、ツールのチャンバスリットバルブや他の可動部品を制御することができ、ＲＧＡやＲＧＡ空気圧バルブが設置されていれば、ＲＧＡ空気圧バルブを制御するために、ＲＧＡコントローラ１８７へ指示を出すことができる。あるケースにおいて、ＲＧＡの結果、チャンバ内へ空気がリークしたような場合、機器コントローラ又はホストコントローラ（例えば工業用ＰＣやＨＭＩ）へ更なる処置を発信することができる。ＲＧＡ空気圧バルブは、ＲＧＡのホストチャンバからイオンソースへのガスの流れを制御するために使用される。
【００３１】
図２は、ＲＧＡの概略図である。本実施例においては、電子は負電圧に引き付けられる正イオンを生成する。本開示を通して、正電圧に引き付けられる負イオンも同様に使用され得る。残留ガスアナライザは、混合ガス中の各ガスの分圧を個別に測定する。ＲＧＡシステムは、高真空下で動作するプローブ（パーツ２１０、２２０、２３０）、プローブを操作する電子機器類（例えばセンサ２４０）、及び外部コンピュータ（図示せず）と協働してデータの表示と電子機器の制御を行うソフトウェアを含む。高真空は、図１に示されたクラスタツールのようなツールによって提供される。高真空はまた、ＲＧＡで測定されるサンプルを保持するように設計された、特殊目的のチャンバによっても提供される。例えば、ＢＴＥＸ（ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン）のような危険な蒸気の測定である。ＲＧＡはイオンソース２１０、アナライザ部２２０、及び検出器２３０を含む。イオンソース２１０は、電子１３を発生する加熱されたフィラメント１２を有する。これらの電子は、真空システム中（例えば図中の１９）でガス分子と衝突し、実行電荷を帯びさせ、すなわちイオンを生成する。単一の電子が分子から取り除かれると、親分子イオンを生成する。加えて、入射電子の十分なエネルギーが分子又は原子から１つより多くの電子を放出させた場合、複数の電荷を持ったイオンも生成し得る。加えて、入射電子が化学結合を切断して電子を引き離すのに十分なエネルギーを持っている場合があり、フラグメントイオンを生成する。
【００３２】
アナライザ部２２０は、例えばリニア四重極質量フィルタ５１を有しても良い。イオンはイオンソース２１０で生成され、四重極質量フィルタ５１へ移動し、各質量実行電荷比に従って分けられる。本明細書において、質量を「ｍ」、実行電荷を「ｚ」と表示する。「質量対電荷」に関して、本明細書においては、質量と実行電荷の比、すなわちm/zのことを指す。様々な態様において、ＲＧＡは、一般的な原子のイオンよりも、例えば１よりはるかに大きいz値（z＞＞＋１）を持つたんぱく質やウィルスのような、帯電した粒子の検出に用いられる。例えば、小さいタンパク質は１０乃至２０のz値を持ち得（ｚ＝１０−２０）、大きいタンパク質は３０乃至４０のz値を持ち得（ｚ＝３０−４０）、ウィルスは１００より大きいz値を持ち得る（z＞１００）。例えば、質量１２５００ａｍｕ、電荷１５のタンパク質はm/z値が８３３（m/z＝８３３）となる。他の態様においては、アナライザ２２０は直線型の四重極質量フィルタではなくて四重極アナライザを有しても良く、磁気セクタアナライザ、イオントラップ、もしくは飛行時間型アナライザを有しても良い。
【００３３】
選択された質量電荷比を持ったイオンが、イオン検出器２３０へ到達する。アナライザ部２２０を通って送られたイオンは、検出器２３０へ衝突し、電荷を失い、ガス成分に比例した電流を引き出す。このようにしてガス成分が特定される。「スマートセンサ」設計と協働するＲＧＡの電子機器（図示せず；センサ２４０を含むか又は操作できるように接続されていても良い）が、システムソフトウアと外部コンピュータによって、センサのアウトプットを変換して表示する。このソフトウェアは、プロセスモニタリング、統計的プロセス制御、又は質量キャリブレーションのようなメンテナンス工程に使用することができる。アナライザを連続運転し、異なるm/z比のサンプリングをすることにより、複数のガス成分を分析できる。例えば、二酸化炭素イオン（ＣＯ2+）はm/z＝４４、窒素ガスイオン（Ｎ2+）はm/z＝２８、酸素イオン（Ｏ2+）はm/z＝３２である。アルゴンは同位体を複数持つため、アルゴン雰囲気の測定においては、通常、ある程度のm/z＝３６、少量のm/z＝２８、及び多くのm/z＝４０のイオンが見られる。
【００３４】
イオンソース２１０の様々な態様において、フィラメント１２を含む電子エミッタ１１は電子１３を発生し、電子は開口部又はスリット１５を通り抜けてイオン化チャンバ１７内の、希薄ガスで満たされたイオン化ボリューム１９へ導入される。電子はガス分子と相互作用し、一部をイオン化する。このように生成したイオンは、イオン加速器２３によって加速し、四重極質量フィルタ５１又は他の機器によって集められイオンビームとなる。典型的なイオンレンズアセンブリ２７は、一連の同心円上の平たく薄い部品を有し、この部品には、イオンソースの一方の端に平行に間隔をあけて配置された、イオン加速器２３と出口レンズ２９も含まれる。イオンソースは、内面が円柱状で、イオン化ボリューム１９を定義づけるアノードを有する。
【００３５】
デュアルイオンソースの様々な態様において、デュアルイオンソースは、共通のイオンボリュームを共有した、２つの従来型イオンソースの左右対称な組み合わせを有する。共通の電子エミッタ（又は別々のエミッタ）からの電子は２つの開口部からイオンボリュームへ進入し、二箇所でイオンを生成する。二枚の異なる加速器プレートは、必要であれば電気的に接続されていても良く、イオンビームをイオン化ボリュームの外側のそれぞれ異なる方向へ引き出す。１番目のイオンビームは、イオンボリューム内のガスの全イオン圧を測定するために、総電流コレクタへ導入され、２番目のイオンビームは、アナライザ部へ導入される。アナライザ部は、本明細書において質量分析計、四重極フィルタ、もしくはイオン流を取り扱うか又は分析する他の機器として定義されている。イオンソースの更なる詳細は、前述の参考文献の米国特許第５８５００８４号明細書に記載されている。
【００３６】
様々な態様において、アナライザ部２２０は、四重極質量フィルタ５１を有する。四重極質量フィルタは、４本の平行な電極（図示せず）を有し、イオンを各成分の速度で、電極の軸Ａに対して垂直に振動させる。電極の駆動波形は、イオンが、一つ以上の電極に衝突して電荷を失う値や、開口部２２１を通り抜ける位置にならないような値以外の選択されたm/z比（選択された許容範囲内で）をもつように選択される。本明細書において開口部(aperture)は、イオンが通る実際の開口部のことを指す。従って、開口部２２１を通り抜けるイオンは、選択された許容範囲内の、選択された質量／電荷比を持つ。本明細書において、これらのイオンは、アナライザ部２２０によって質量／電荷比が選択されることから、「質量選択イオン」(mass selected ions)と呼ぶ。質量選択イオンは、選択されたm/zを持つ物質が、ボリューム１９内に存在するかどうかを決定するために検出される。本明細書において、「上流」と「下流」は成分の相対的な位置関係を示す。上流の成分は、下流の成分と比較して、矢印Ａに平行な方向において、イオンソース２１０に近い。例えば、検出器２３０は、四重極質量フィルタ５１の下流にある。イオンは通常、ＲＧＡ内を下流に向かって動く。開口部２２１を通って検出器２３０へ向かう平均的なイオンの経路を、本明細書において、「ビームライン」と呼ぶ。イオンは概して、示されたように、開口部２２１からビームラインに沿って検出器２３０へ向かう。四重極質量フィルタと検出器を用いたＲＧＡの実施例において、検出器のビームラインは、四重極質量フィルタの軸の延長である。異なるイオンは、異なる軌道を持つ；ビームラインは、全てのイオンが同じ道又は軌道に沿って動くことを許容しない。イオンは平均して、例えばアナライザ部２２０から検出器２３０へ向かうように、ビームラインの下流方向へ移動する。「上流」は、例えば検出器２３０からアナライザ部２２０へ向かうように、下流と反対の方向である。
【００３７】
図２は、検出器を様々な態様に従って示している。検出器２３０は、ファラデーカップ２３７と電子増幅器２３３の２つの検出デバイスを含む。このようにカップと増幅器の両方を用いる構成をここでは「デュアル検出」または「ＥＭ／ＦＣ」構造と呼ぶ。カップ又は増幅器のいずれか一方を用いる構成の場合、ここでは「シングル検出」と呼ぶ。ファラデーカップ２３７は電極であり、開口部２２１からファラデーカップ２３７の方を見ると、平板である。イオンがファラデーカップ２３７に当たると、直ちにその電荷を預け、対応する電荷と入れ替わる。（直ちにファラデーカップを帯電させる）ファラデーカップ２３７が導電性の表面を持ち、質量選択されたイオンが衝突するように配置された場合を除いて、「カップ」という語は、ファラデーカップ２３７の形状を限定するものではない。入れ替わった電荷は、読出電極２３１に沿って流れ、計測されて、ファラデーカップ上のイオンの発生率が決定される。
【００３８】
示された実施例において、イオンソース２１０は、原子又は分子を電子によってたたき、その原子又は分子の別の電子を払い出し、正イオンを生成する。この正イオンはアナライザ２２０を通り、矢印で「イオン」と示されているように、ファラデーカップへ衝突する。ファラデーカップ２３７は、１つ以上の、例えば金属のような導電性材料のパネルを含む。イオンがファラデーカップ２３７へ衝突すると、電子をファラデーカップの外側へ引っ張り、ファラデーカップ外の読出電極２３１上に正の規約電流を発生させる。読出電極２３１はセンサ２４０に接続されており、センサ２４０は、電流を測定又は選択した時間内の電流を積算し、結果として蓄積した電荷を測定する。ある態様、例えば極めて低い圧力下の状況では、センサ２４０は、イオンの個別の衝撃と連動する電流の個別のパルスをカウントできる。センサ２４０は、アナログ又はデジタルの電子機器を含んでも良い。様々な態様において、読出電極２３１は、真空チャンバの内側と外側の間のフィードスルーピン（図示せず）を通して接続される。センサ２４０は電位計である。
【００３９】
様々な例において、ファラデーカップ２３７は、「軸上(on-axis)」構造である。すなわち、ファラデーカップ２３７の少なくとも一部が、軸Ａに平行且つ開口部を通り抜ける軸（「ビームライン」とラベル記載された）に沿っている。この軸を、四重極質量フィルタ５１を用いる構成において、「四重極軸」と呼ぶ：四重極軸は、四重極質量フィルタ５１の中心を十分に下まで伸びる。この軸に沿ったファラデーカップ２３７の一部は、開口部２２１からのイオンの進路上に、直接的に位置する。種々の軸上構成は、例えば偏向電圧が使われていないような種々の軸外(off-axis)構造よりも、高い割合の質量選択されたイオンを捕捉することを可能にする。種々の軸外構造は、以下に記載する。一方で、軸上の一部は、開口部２２１を通過するフォトン、中性原子、又は分子の進路上にも位置し、その結果シグナルにベースラインオフセットが必要となる。示された例は、軸上部分２３８を含んだ軸上ファラデーカップ２３７を使用している。
【００４０】
他の実施例において、ファラデーカップ２３７は「軸外」である。すなわち、ファラデーカップ２３７のいかなる部分も直接的に開口部２２１からのＡ軸に沿っていない。それでもイオンは捕捉される。たとえ電源２３５が働いていなくても（後述する）である。これは開口部２２１に存在するイオンは全てが一直線にＡ軸に沿って進むわけではないためである。そのかわり、これらのイオンは、統計的分布により表されるようなふるまいで散開する。軸外ファラデーカップは、このような質量選択され、開口部２２１からカップの方へ進むイオンを捕捉することになる。種々の軸外カップは、種々の軸上構成よりも、低い割合の質量選択されたイオンを捕捉する。しかしながら、軸外構造は、ノイズに対する感度は低い。この軸外構造の捕捉確率が相対的に低下することは、以下に述べるように、偏向電圧の使用を軽減し得る。
【００４１】
ファラデーカップ２３７のようなファラデーカップは、運転寿命が長く、極めて単純である。しかしながら、センサ２４０（例えば電位計）のノイズ以下の電流や電荷を生成するようなイオンの衝突を測定することには有効ではない。さらに、弱い電流もまとめて測定するには、測定時間の延長が必要になりうる。極めて弱い電流の測定又はより高速な測定には、電子マルチプライヤ２３３を使用できる。
【００４２】
本願で示されているもう一つの検出デバイスは、「チャネル電子マルチプライヤ」である。電子マルチプライヤ２３３は、コーン２３４と、１つ以上のチャネル２３６を有する。コーン２３４とチャネル２３６は、導電性を有する。チャネル２３６は、直接電流を流すことができるか、又は、例えばそれ自体が電流を通す小さい電極の周囲のカバーであっても良い。電源２３５によって、コーン２３４とチャネル２３６の間に高い直流（ＤＣ）電圧が印加される。（本開示を通して、直流電圧や直流バイアスに関しては、ゼロ以外の直流成分による交流（ＡＣ）波形を含むことができる。）  示された実施例において、電源２３５は、コーン２３４の、開口部２２１に最も近い端部へバイアスをかける。この端部は開いており、正イオンを引き付けるために負の電圧がかかっており、点線の「イオン」の矢印で示されている。電源２３５に取り付けられた電極は、本願の表示では点線で示されているが、これは電子マルチプライヤ２３３及びその構成要素から視覚的に区別するためである。ある例においては、コーン２３４の開口端は、−８００ＶＤＣから−３０００ＶＤＣのバイアスがかけられる。マルチプライやチャネル２３６の各出口、本実施例の２３６Ｅはそれぞれ、接地されているか又はわずかに接地電圧以下である（もしくは別の選択された基準電位である）。示された実施例において、各マルチプライヤチャネル２３６の出口は、この例ではピンである接地コンタクト２３６Ｇを介して接地されている。このように、コーン２３４の内側の各正イオンの衝突は、多くの電子を放出する。電子は、チャネル２３６から読出電極２３１へ降下する。電子が電子マルチプライヤ２３３の、例えば１ｍｍ2より小のような単一の集中した領域へ衝突しないように電子マルチプライヤ２３３が質量選択イオンが広がるような形状にされかつバイアスされた導電性領域を有する場合を除いて、「コーン」という語は電子マルチプライヤ２３３の形状を限定するものではない。
【００４３】
電子マルチプライヤは、１０3乃至１０7のゲインをもつ（各電子がイオン衝突コーン２３４を通って読出電極２３１に到達する際に）。しかしながら、イオン衝突を繰り返すと、次第にコーン２３４が消耗し、目的のゲインを維持するためには、電源２３４から累進的により高い規模の電圧をかけることが必要となる。高い電圧によって、コーン２３４に衝突する電子の運動エネルギーが増大し、経時変化が加速する。コーン２３４にコニカル形状を用いることで、イオンの打撃が空間へ広がり、電子マルチプライヤの寿命が長くなる。さらに、電子マルチプライヤ２３３は、ノイズの要因となりやすい。ファラデーカップ２３７はそのようことはない。電子の生成と吸収の繰り返しによりランダムノイズが増大し、電源２３５のノイズがこの信号と一体化し得る。さらに、コーン２３４内でイオンの衝突毎に放出される電子の数は一定ではなく、測定される電子とイオン衝突との間の相関関係に対して、ノイズが上乗せされる。
【００４４】
ファラデーカップ２３７と電子マルチプライヤ２３３は、異なった相対的優位性を有する。したがって、示された実施例において、ファラデーカップ２３７と電子マルチプライヤ２３３は、電源２３５が駆動していれば、イオンが電子マルチプライヤ２３３へ引き込まれ、測定されるように配置されている。電源２３５が駆動していないか又はマイナス駆動しているとき（すなわちコーン２３４の開口端部にプラス電圧がかかっている場合）イオンは、ファラデーカップ２３７へ引き込まれ、測定される。この優位性によって、シングルＲＧＡにおける双方の測定デバイスの長所を手に入れることができる。本開示を通して、「ＥＭモード」は、デュアル検出型ＲＧＡ検出器が、電子マルチプライヤを使用して測定するように構成又は運転していることを表す。「ＦＣモード」は、デュアル検出型ＲＧＡ検出器が、ファラデーカップを使用して測定するように構成又は運転していることを表す。
【００４５】
様々な態様において、読出電極２３１は、ファラデーカップ２３７と電子マルチプライヤ２３３の両方に接続されている。様々な態様において、ファラデーカップ２３７は、正イオンの衝突を測定して、正の規約電流を生成し、電子マルチプライヤ２３３は、繰り返される電子の衝突のみを効果的に測定して、負の規約電流を生成する。示された実施例において、読出電極２３１は、ファラデーカップ２３７に機械的に接続されている。チャネル２３６の末端２３６Ｅは空いており、各電子は、チャネル２３６を末端の２３６Ｅから出発し、シグナルコレクタプレート２３１Ｐに衝突する。プレート２３１Ｐは、読出電極２３１の一部であるか、あるいは機械的かつ電気的に読出電極２３１に接続されている。この衝撃が読出電極２３１の電荷を動かし、読出シグナルを生成する。
【００４６】
図３は、検出器２３０（図２）の透過図である。電子マルチプライヤ２３３、コーン２３４、チャネル２３６、ファラデーカップ２３７及び読出電極２３１が図２に示されている。ステアリンググリッド３５３は、たとえばワイヤメッシュであり、バイアスがかけられることによって、イオンを制御してコーン２３４の方へ向かわせ、又は遠ざけても良い。例えば、グリッド３５３がマイナス駆動されているとき、正に帯電して進んでくる質量選択イオンを、ファラデーカップから遠ざかり、コーン２３４へ向かう方向へ引き付ける。
【００４７】
図４は、代表的な検出器４３０を示している。開口部２２１、コーン２３４、チャネル２３６、及びセンサ２４０は図２に示したものと同じである。開口部２２１から扇型に広がる点線は質量選択イオンであり、ある例において、例えば以下に述べるグリッド４５３のように電子を制御するような高い電圧がかけられておらず、扇形に広がっている様子を示している。検出器４３０は、ビームラインからオフセットした位置に電子マルチプライヤ４３３を有し、軸上のファラデーカップを有する。この例においてファラデーカップ４３７は、ビームラインの延長線上、電子マルチプライヤのコーン２３４の反対側にある。また、他の構成を使用することもできる。
【００４８】
グリッド４５３は、ビームラインからオフセットして、ビームラインに平行に配置されている。グリッド４５３は、離間した円の集合として図示されており、複数の離間した電極又は他の導電性のセグメントを含むことを示している。グリッド４５３の例は、平行に離間したワイヤの配列；グリッドを形成するような角度に設けられた２つの配列；、又は切り出された複数の孔を有する金属のシートのような導電性のシートを含む。グリッド４５３の電極又はセグメントは、ＤＣ電源、例えば電源２３５（図２）（本明細書では、ステアリング電源と称する）に電気的に接続されている。グリッド４５３はイオンを制御するステアリング電極の一例である。特に、ステアリング電源がアクティブな場合、グリッド４５３は質量選択イオンを引きつけ、ビームラインから逸れさせるとともに電子マルチプライヤ４３３のコーン２３４に向けて制御する。ステアリング電源がアクティブでない場合、グリッド４５３はイオンを制御しない。グリッド４５３はまた、イオンをビームラインから逸れさせてファラデーカップ４３７に向かう方向にするためにステアリング電源によって正に駆動されうる。様々な態様において、グリッド４５４は電子マルチプライヤ４３３のコーン２３４の前方に配列されている。グリッド４５３はまた、イオンをコーン２３４内に向かわせるため、ＤＣ電源に接続されている。
【００４９】
ファラデーカップ４３７は、読出電極２３１に電気的に接続されたプレート４３９を含む。ファラデーカップ４３７はまた、グリッド４５７とこれに電気的に接続されたシールド４５８とを含む。グリッド４５７及びシールド４５８は、例えば接地などの選択された電位に保持されており、プレート４３９を囲み、任意の形状とすることができる。プレート４３９はイオン受入電極の一例である。グリッド４５７は上流に面して配置されている。
【００５０】
検出器４３０のＦＣモードにおいて、グリッド４５３（ステアリング電極）は動いていないか又は正の電圧で動作している。結果として、質量選択イオンはファラデーカップ４３７に向けて移動し、そしてグリッド４５７に向けて移動する。イオンの一部はグリッド４５７に衝突し、例えばグランドタイのようなグリッド４５７に電気的に接続された電位源に吸収される。他のイオンはグリッド４５７の開口部を通過してプレート４３９に衝突し、プレート４３９に電気的に接続された読出電極２３１上に電流を生成する。
【００５１】
検出器４３０のＥＭモードにおいて、イオンはファラデーカップ４３７から離れる方向に向かう。しかしながら、例えばグリッド４５３、ステアリング電極上の電圧によって供給される電界にように、電界はまだファラデーカップ４３７の近くに存在する。グリッド３５７及びシールド４５８は、グリッド４５３及びコーン２３４に電気的に接続された１以上の電圧電源（例えばＤＣステアリング電源又は電子マルチプライヤコーン電源）からプレート４３９内への高電圧のノイズカップリングを有利に低減する。これは同様に、検出器４３０がＥＭモードで動作している間、読出電極２３１上へのプレート４３９を介したノイズカップリングを有利に低減する。
【００５２】
図４に示す構成は、ファラデーカップ４３７にグリッド４５７がないシステムと比べて、ノイズカップリングの低減されたデュアル検出を提供する。加えて、グリッド４５３によって提供される追加のイオン計がコーン２３４をＥＭモードにおいて低圧で動作させつつイオンを効果的に制御したままにすることを可能とするので、グリッド４５３（ステアリング電極）は、グリッド４５３がないシステムと比べて検出器４３０のサイズが低減されるのを可能にする。すなわち、グリッド４５３が無い場合、イオンを電子マルチプライヤ４３３に向けて制御する電界は、コーン２３４に印加される高電圧により供給される必要がある。グリッド４５３がある場合、フィールドのいくつかはグリッド４５３に印加される高電圧により供給され、コーン２３４により生成される電界の大きさを削減し、グリッド４５３がないシステムと比較して所定の性能レベルでコーン２３４上の電圧を削減することを可能とする。
【００５３】
しかし、この構成では、プレート４３９は開口部２２１から空間的に離間している。ビームラインに沿ったプレート４３９と開口部２２１との間の距離は距離４９７として示されている。点線の「イオン」ラインによって示されるようにイオンが広がっているため、距離４９７が大きくなればなるほど、プレート４９７によって捕捉されるイオンの割合は減少する。一例では、ファラデーカップ４３７は質量選択イオンのうち半分を損ない、ＦＣ専用シングル検出器の感度が１．０ｍＡ／ｔｏｒｒであるのと比べて、例えば０．５ｍＡ／ｔｏｒｒの感度となる。それゆえ、削減されたノイズカップリング及び従来の方式よりも高い感度（質量選択イオンの捕捉の割合と関連付けられている）を有する検出器が継続的に必要となる。
【００５４】
図５は、様々な態様に応じた検出器５３０を示している。開口部２２１、コーン２３４、チャネル２３６、及びセンサ２４０は、図２に示されている通りである。検出器５３０は、電子マルチプライヤ５３３と、ビームラインの反対側に配置された軸外ファラデーカップ５３７とを有する。
【００５５】
検出器５３０は、少なくとも部分的にビームラインと電子マルチプライヤのコーン２３５との間に配置されたステアリング電極の他の例であるグリッド５５３を含む。グリッド５５３は、グリッド４５３（図４）を参照して上述したような機械的デザインを有することができる。グリッド５５３は、正または負の電圧を提供することができるステアリング電源に接続されている。ＥＭモードでは、電源は負の電圧（例えば−６００ＶＤＣから−２５００ＶＤＣ）を供給し、グリッド５５３は質量選択イオンを、点線のイオンの矢印によって示されるように電子マルチプライヤ５３３のコーン２３４の方向に導く。
【００５６】
ＦＣモードにおいて、電源は正の電圧（例えば、＋１００ＶＤＣから＋２５０ＶＤＣ）を供給し、グリッド５３３は質量選択イオンを、実線のイオンの矢印で示されるようにイオン受入電極の他の一例であるプレート５３９に向けて導く。この例では、プレート５３９は、ビームラインに対してグリッド５５３、ステアリング電極の反対側に配置されている。この構成は、軸上カップのいくつかの欠点を招くことなく、従来の軸外カップよりも増加した感度を有利に提供する。グリッド５５７及びシールド５５８は、グリッド４５７及びシールド４５８（図４）を参照して上述したように、プレート５３９を囲み、接地又は別の固定バイアスで保持される。これは、例えば選択されたポテンシャルへの低インピーダンス接続を用いて、又はＤＣ電圧源のような電位のソースを用いて実現することができる。グリッド５５７はシールド電極の一例である。距離５９７は、ビームラインに沿ったプレート５３９及び開口部２２１の間の距離である。距離５９７は、距離４９７（図４）よりもはるかに小さく、また感度を向上させる。プレート５３９は、機械的に接続されているいないに拘わらず、どのような形や向きであるかに拘わらず、イオンの衝突を受け、対応する電荷を読出電極２３１に転送する任意の数のセグメントを含むことができる。
【００５７】
ポイント５４４は、「最遠下流収集ポイント」である。本明細書で使用する用語「最遠下流収集ポイント」は、イオンを収集可能なビームライン（例えば軸Ａ）に沿って開口部２２１から最も遠いコーン２３４上の点（又は他のイオン受入電極）、すなわちコーン２３４の開口部上のイオンから最も遠い下流点を意味する。図示されるように、プレート５３９、グリッド５５７、及びシールド５５８は、部分的にポイント５４４の上流にあり、部分的に下流にある。一例では、イオン受入電極（プレート５３９）は、ステアリング電極５５３の少なくとも一部に対して、少なくとも部分的に上流にある。この空間的関係の他の例は、図５及び図６に示されている。
【００５８】
破線は、イオン経路４８１上を移動するイオンとグリッド５５７の平面との間の角度である、角度θを示している。角度θは、図６を参照して以下に更に説明される。９０°においては最小の数のイオンがプレート５３９よりむしろグリッド５５７に衝突するので、感度はθが９０°に近づくにつれて増加する。これはまた以下に説明する。
【００５９】
図６は、様々な態様における別の検出器６３０を示す。開口部２２１、チャネル２３６、及びセンサ２４０は図２に示されている通りである。グリッド５５３は図５に示されている通りである。検出器４３０は、ビームラインの反対側に配置された電子マルチプライヤ６３３及びファラデーカップ６３７を有する。グリッド６５３は、ビームラインと電子マルチプライヤ６３３のコーン６３４との間に配置されている。グリッド６５３は、電子マルチプライヤ６３３又はファラデーカップ６３７の方向にイオンを導くよう駆動することが可能なステアリング電極である。
【００６０】
ファラデーカップ６３７は、質量選択イオンが衝突するプレート６３９を含む。プレート６３９は依然としてイオン受入電極の他の一例である。ファラデーカップ６３７は軸上又は軸外とすることができる。図示の例では、イオン受入電極（プレート６３９）は、ビームラインからオフセットしてステアリング電極（グリッド６５３）の反対側にある。
【００６１】
プレート６３９は、開口部２２１に面した１又は複数の表面を除いて、シールド６５８に囲まれている（直接的に又は間接的に）。グリッド６５７は、シールド電極の一例であり、少なくとも部分的に開口部２２１とそれらの表面との間に配置されている。グリッド６５７及びシールド６５８は、上述したように、プレート６３９を囲み、接地されるか又は選択されたバイアスに保たれる。
【００６２】
グリッド６５７は、実質的にビームライン軸Ａに平行ではない。グリッド６５７は開口部２２１に面するように、すなわち、プレート６３９と反対側におけるグリッド６５７の法線が上流を指し示す成分を有するように、傾斜している。これは、開口部２２１からのイオンがグリッド６５７に近づき、グリッド６５７の法線にさらに近くなるため、改良されたイオン計を提供する。破線は、イオン経路４８１上を移動するイオンとグリッド６５７の平面との間の角度である角度φを示す。角度φは角度θ（図５）よりも９０°に近い。；角度θは比較のために括弧内に示されている。それゆえ、他の全てを同じとした場合、グリッド５５７（図５）よりもグリッド６５７を通る質量選択イオンの割合の方が高い。これは、グリッド５５７、６５７を構成する個々の要素（例えば、ワイヤ）が厚みを持っている（そして１次元ではない）からである。結果として、イオンがより斜めにグリッドに近づけば近づくほど、イオンの通過に利用できるイオン経路に対して垂直なエリアの割合は低くなる。極限において、角度θが９０°だった場合、イオンはグリッド５５７を通過することができない（イオンはグリッドの表面よりもエッジに近づく）。一例では、グリッド５５７、６５７は同じ要素からできており（例えば、実質的に円形の断面を有するワイヤ）、同じ間隔で同じように配置されている。角度φは角度θよりも９０°により近いため、グリッド６５７の方がグリッド５５７よりもイオンの通過に利用できるエリアの割合がより高い。検出器６３０はそれゆえ検出器５３０と比べて改良された感度を提供する。距離６９７はビームラインに沿ったプレート６３９と開口部２２１との間の距離である。距離６９７は距離４９７よりも小さく、検出器４３０と比べて改良された感度を検出器６３０に提供する。
【００６３】
上述したように、検出器６３０は、ステアリング電極のさらなる一例であるグリッド６５３を含む。ある感度において、図５においてグリッド５５３に印加されるよりもより低振幅の電圧が、イオンを回転させるため、図６においてステアリング電極によってグリッド６５３に有利に印加されうる。これは、電子がグリッド６５７（図６）の平面に垂直になるために通らなければならない角度Φが、電子がグリッド５５７（図５）の平面に垂直になるために通らなければならない角度Θよりも小さいからである。それゆえ、より低い大きさの電界、より低い電圧が必要となる。この低電圧は、ＦＣモードにおけるＤＣ電源からのノイズカップリングを低減する。これは、非常に低い電流において特に重要である。様々な態様において、マルチチャネルプレート（ＭＣＰ）電子マルチプライヤがチャネル電子マルチプライヤの代わりに用いられている（例えば図９及び１０を参照して以下に説明するように）。プレート６３９とグリッド６５３又はコーン６３４上の高電圧との間の距離の増加は、またノイズを低減するが、開口部２２１からのイオンの直接経路においてプレート６３９が小さい場合に、収集効率を低下させることになる。
【００６４】
さらに図６を参照すると、ここに示した態様では、プレート６３９は２つの垂直セグメントと１つの水平セグメントとを有している。プレート６３９は、曲線を含む任意の向きや形状のセグメントをいくつ有していてもよい。少なくとも１つのセグメントを軸上のセグメントとすることができ、軸上のセグメントが全くないとすることもできる。各セグメントは、グリッド６５７に対して平行、軸Ａに対して平行、又は異なる向きとすることができる。任意のセグメントと開口部２２１のセンターとの間の軸Ａに垂直な距離は、軸Ａに対するグリッド６５７の角度を得るように、選択することができる。
【００６５】
本項では、検出器６３０は、開口部２２１から出て開口部２２１の中心線の下のビームライン軸Ａ（図２）に平行に移動する質量選択イオンの視点から考察される（「イオンの視点」）。グリッド６５３及びコーン６３３は前部かつ上部にあり、グリッド６５７は前部かつ下部にある。プレート６３９は、上記の通り、任意の数及び傾きのセグメントを有することができる。プレート６３９は、実質的に軸Ａと垂直で、軸上（バックセグメントの上端がまっすぐ前方である）又は軸外（バックセグメントの上端がまっすぐ前方よりも低いため、イオンが逸らされない場合にバックセグメントの上を通過する）に位置したバックセグメントを有していてもよい。プレート６３９はボトムセグメント（この視点からは「床」）を有しても有しなくてもよく、左右に側壁を有しても有しなくてもよい。任意のセグメントが軸Ａに平行であってもよいし（例えば、左右の壁及び床の３つのスペースで、無限の数の平面が軸Ａと平行である）、平行でなくてもよい（例えば、プレート６３９は、切り取られた狭い面がベースの下流となるように横が回転した、ベースが取り除かれて側面が先端の切り取られたピラミッドであってもよい）。プレート６３９は描かれている水平のセグメントのみ含んでもよい。プレート６３９は左右の側面及び背面（奥側）を有し、底面を有していなくてもよい。四重極質量フィルタ５１（図２）に用いられる軸外のファラデーカップの様々な態様において、ファラデーカップのどの部分も、軸Ａに平行な軸に沿った四重極軸の開口部２２１の半径の中には配置されていない。
【００６６】
図８は、様々な態様における電極８３９の不等投影図である。電極８３９は、「イオンの視点」において、底面８０１、左側面８０２、右側面８０３及び背面８０４を有する。破線は、平面上に示されたイオンの経路の投影を示している。電極８３９はプレート６３９のようなイオン受け入れ電極の一例である。
【００６７】
再び図６を参照すると、電子マルチプライヤ６３３は、コーン６３４及びチャネル２３６を有する。様々な態様において、コーン６３４は最遠下流収集ポイント６４４を有する（図２を参照して上述したように、イオンは一般的に下流を移動する）。最遠下流収集ポイント６４４は、ポイント５４４を参照して上記で説明したように、コーン６３４がイオンを収集できる最遠下流収集ポイントである。コーン６３４がその最遠下流収集の範囲で軸Ａに対して垂直なまっすぐな角を有する場合、最遠下流収集ポイント６４４は複合的なポイントを表す。様々な態様において、最遠下流収集ポイント６４４は、プレート６３９上のどの点及びどのセグメントよりも、より遠い下流又は全く遠くない上流である。これは、最遠下流収集ポイント６４４から延びる、図の平面における軸Ａに垂直な一点鎖線で絵的に表現される。距離６９４は、最遠下流収集ポイント６４４がプレート６３９又はその任意のセグメントの下流である距離であり、負でない又は正であることができる。様々な態様において、最遠下流収集ポイント６４４は、シールド６５８のどのポイントよりも、グリッド６５７のどのポイントよりも、より遠い下流又は全く遠くない上流である。
【００６８】
様々な態様において、プレート６３９は少なくとも部分的に最遠下流収集ポイント６４４の上流に延びている。ファラデーカップ６３７は軸外であり、ファラデーカップ６３７内にイオンを制御するため、高振幅のバイアスがグリッド６５３に印加される。これらの態様のいくつかにおいて、プレート６３９は、「イオンの視点」の項で上述したように、左右の壁（図示せず）を含む。
【００６９】
図７は、図６に示す検出器６３０の斜視図である。検出器６３０、コーン６３４、チャネル２３６、グリッド６５３、グリッド６５７及びシールド６５８は図６に示されている通りである。従来のシステムと比べてプレート６３９が開口部２２１により近いため、検出器６３０は様々な態様において、改良された感度を提供する。プレート６３９が遮蔽されているため、それらは改良されたノイズ除去を提供する。それらはまた、グリッド６５７がイオンストリームに対してより垂直に近い角度に設定されており、プレート６３９に衝突する数に比べてグリッド６５７に衝突するイオンの数を減少させるため、改良された感度を提供する。
【００７０】
図７はまた、検出器６３０の実装の特徴を示す。コネクタ７１０はコーン６３４及びグリッド６５３に高電圧を運ぶ。コネクタ７２０は、センサ２４０に信号を運ぶため、読出電極２３１に電気的に接続されている。これは図１１を参照して以下に説明する。
【００７１】
図６及び図７に示されるのと同様の本発明の検出器を、様々な比較のための検出器と比較して試験する実験が行われた。実験は、２つの異なる試験システムを含んだものである。いずれの試験システムにおいても、ＦＣ専用検出器の性能が測定され、ＥＭ／ＦＣ検出器のＦＣモードの性能が測定された。性能は、以下にｍＡ／ｔｏｒｒで報告される平均感度として測定された。その結果は：
【表１】
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【００７２】
表に示すように、システム１では、ＦＣモードはＦＣ専用検出器と比べて顕著に感度が低い。しかし、システム２において実装される本発明の検出器では、ＦＣモードはシステム２におけるＦＣ専用検出器と実質的に同じ感度を提供する。また、本発明の検出器は、システム１のいずれの検出器と比較しても大幅に感度が向上している。
【００７３】
図９は、様々な態様における検出器９３０の概略図である。開口部２２１、グリッド６５７とファラデーカップ６３７、シールド６５８、プレート６３９、読出電極２３１、及びセンサ２４０は、図６に示されている通りである。図２−７におけるチャネル電子マルチプライヤの代わりに、マルチチャネルプレート電子マルチプライヤ８５０が用いられる。電子マルチプライヤ８５０は垂直配向の多数の導電性のチャネルを含む（この図において）。電源２３５は、開口部２２１に最も近いチャネルの両端に負のＤＣバイアスを印加する。チャネルの反対側の端（この図における上端部）は接地されているか又は低振幅のバイアスがかかっている。各チャネルにおいて、電子増倍処理は、チャネル電子マルチプライヤにおける処理と類似して行われる（例えば、図６のマルチプライヤ６３３）。加速された電子は、チャネルの頂点から現れ、少なくともいくつかはコレクタ８５１、例えば導電性のプレートに衝突する。電流はその後、読出電極２３１を通ってコレクタ８５１へ又はコレクタ８５１から流れ、センサ２４０によって計測される。例は、上記で参照した米国特許番号６０９１０６８に記載されている。
【００７４】
図１０は、例示的な検出器の正面の断面図である。検出器は、マルチチャネルプレート１０３０、ファラデーカップ１０７０、ファラデーカップスペーサ１０７５、及びディフレクタ１０８０を有する。ファラデーカップ１０７０は、アナライザ部２２０（図２）の中心線（一点鎖線）上の導電性のディフレクタ１０８０を含む。ディフレクタ１０８０はＥＭモードにおいて電界を形成し（それゆえイオン収集の効率を改善することができ）、ＦＣモードにおいてイオンを直接（軸上で）収集することができる。
【００７５】
図１１は、検出器１１３０の実装の特徴を示す。コネクタ７１０は高電圧を伝送し、コネクタ７２０はセンサ７４０の読出信号を伝送する。フィードスルー１１４０は、真空チャンバの側壁における（例えば２．７５”）ポートを塞ぐ機械的特徴を有する。このポートは、真空中に置かれるイオンソース、アナライザ（例えば、四重極質量フィルタ、及びイオン検出器又はコレクタ）を含むＲＧＡのセンサ部分の測定を可能とする。フィードスルー１１４０は、検出器１１３０のコネクタ７１０、７２０とそれぞれ対となるコネクタ１１１０、１１２０を含む。これは、検出器１１３０がフィードスルーの例えば溶接部を破壊することなく、取り付けられ又は取り除かれるのを可能とする。電源２３５はコネクタ１１１０に接続され、センサ２４０はコネクタ１１２０に接続される。様々な態様において、フィードスルー１１４０及び検出器１１３０のケースは、図１１における接地線で示されるように、接地される（例えば、各々の導電性のケースの間における直接の機械的な接触により接地される）。様々な態様において、コネクタ７１０、７２０はばねがついたコンセントであり、コネクタ１１１０、１１２０はピンである。様々な態様において、コネクタ１１１０、１１２０は、絶縁体１１５０、例えばピンコネクタ１１１０、１１２０の周囲の環状電気絶縁体によって、互いに絶縁され、フィードスルー１１４０の接地セクションから絶縁されている。
【００７６】
本発明は、本明細書に記載の態様の組合せを含む。「特定の態様」（または「実施形態」）などへの参照は、本発明の少なくとも１つの態様で存在する特徴を指す。「１つの態様」または「特定の態様」などの別の参照は、必ずしも同じ態様の参照を含むものではないが、そのような態様は、そう示されているか当業者に容易に明らかでない限り、相互に排他的ではない。「方法」または「複数の方法」などの言及において用いられている単数または複数は、これに制限されない。「または」の単語は、そうでない旨を明示的に言及していない限り、非排他的な意味で本明細書では使用されている。
【００７７】
本発明は、その特定の好ましい態様を特に参照して詳細に説明してきたが、本発明の精神及び範囲内で当業者によって変形、組合せ、および修正が可能であることが理解されるであろう。
【要約】残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）における検出器は、ビームラインに沿って下流方向に移動するイオンを受け入れるように構成され、ビームラインからオフセットして配置されたステアリング電極を含む。第１のイオン受入電極はビームラインに対してステアリング電極の反対側に少なくとも部分的にある。第２のイオン受入電極は、ビームラインから少なくとも部分的にオフセットして配置され、ステアリング電極の少なくとも一部からビームラインを介して向かい側に少なくとも部分的に配置され、かつステアリング電極の少なくとも一部の上流に少なくとも部分的に配置されている。シールド電極はビームラインと第２のイオン受入電極との間に少なくとも部分的に配置されている。ソースはシールド電極に電位を印加する。残留ガスアナライザ（ＲＧＡ）は、イオンソース、アナライザ部、及び上記したような検出器を含んでいる。
【選択図】図６【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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