(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスをイオン化するイオン化部と、
前記イオン化部でイオン化された前記被測定ガスの成分のうち、予め設定された質量電荷比を有する対象ガスのイオンを選択的に通過させるフィルター部と、
前記フィルター部を通過した前記対象ガスのイオンに基づいたイオン検出値を検出するイオン検出部と、
前記イオン化部で前記被測定ガスがイオン化する際に生じる真空紫外光に基づいた光検出値を検出する光検出部と、
前記光検出値及び前記イオン検出値を用いて前記対象ガスの分圧を算出する演算部と、を備え、
前記光検出部は、
入射した前記真空紫外光に応じた光電流値を検出する真空紫外光検出器と、
前記真空紫外光検出器へのイオンの入射を阻止するイオン阻止電極と、を有していることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
前記真空紫外光検出器は、検出面を前記イオン化部内での熱電子の放出方向に平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項３】
前記真空紫外光検出器はアース電位であり、前記イオン阻止電極は正電位であり、
前記イオン阻止電極は、前記真空紫外光検出器の検出面に平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。 
【請求項４】
前記光検出部は、前記イオン化部から前記フィルター部へ前記対象ガスのイオンが移動する方向に対して側方または上方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析装置を用いて１Ｐａ前後の圧力空間を測定する際、イオンが四重極を通過するときにガス分子と衝突し、そのイオンの進行方向が乱されることがある。平均自由行程が短い圧力条件のときにこの現象が現れやすい。【０００３】
圧力が約１Ｅ−２Ｐａ以下では四重極内でイオンが気体に衝突する確率は小さいのでイオン検出器にイオンが到達する効率の低下は無視できる。しかし、圧力が約１Ｅ−２Ｐａ以上ではイオン検出器にイオンが到達する効率の低下が無視できなくなる。そのため、圧力が約１Ｅ−２Ｐａ以上では、実際の分圧よりも低い圧力に相応するイオン電流値が検出されることになる。【０００４】
例えば、スパッタリングプロセスが行われる１ＰａのＡｒガスの平均自由行程は６．４ｍｍであり、四重極内のガス分子とイオンの衝突が生じやすい。すなわち、１Ｐａ前後の圧力のガス分析では、イオンが四重極を通過し難くなるためイオン検出器で検出されるイオン量が減衰してイオン源で発生したイオン量に比例しなくなり、圧力とイオン検出量との間のリニアリティが確保できなくなる。【０００５】
そこで、質量分析の測定値を補正するために質量分析時に全圧を測定し、予め測定しておいた全圧とイオン検出量との相関曲線に照合することによって、イオン検出量を補正する装置が知られている。例えば、特許文献１、２に開示されている技術によれば、質量分析装置のイオン源で生成したイオンを質量分析部に通さずに測定して全圧を測定している。また、特許文献３に開示されている技術は、被測定ガスをイオン化する際にイオン化室で発生した真空紫外光を質量分析部の先に配置されたイオン検出器に照射し、その結果発生した光電子の検出値（特許文献３におけるピークが出現しない質量電荷比に対応するイオン電流値に相当）から全圧を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５８８９２８１号明細書
【特許文献２】米国特許第６６４２６４１号明細書
【特許文献３】特許第４９３２５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１、２の技術のように質量分析装置のイオン源で生成したイオンを質量分析部に通すことなく測定するためにはイオン源の構造が複雑になり部品点数が増え、コストが増加する問題があった。また、特許文献３の技術のように、イオン源で発生した真空紫外光を質量分析部の先に配置されたイオン検出器に照射して全圧を算出するには真空紫外光の量が充分でなければならない。ところが、イオン検出器に照射される真空紫外光は質量分析時にはノイズとなるため質量分析の精度を上げる観点からは真空紫外光は抑制すべきものであり、精度よく全圧を測定することが困難であるという問題があった。【０００８】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、単純な構造で精度良く全圧を測定し、高精度な質量分析を行うことができる質量分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る質量分析装置は、被測定ガスをイオン化するイオン化部と、前記イオン化部でイオン化された前記被測定ガスの成分のうち、予め設定された質量電荷比を有する対象ガスのイオンを選択的に通過させるフィルター部と、前記フィルター部を通過した前記対象ガスのイオンに基づいたイオン検出値を検出するイオン検出部と、前記イオン化部で前記被測定ガスがイオン化する際に生じる真空紫外光に基づいた光検出値を検出する光検出部と、前記光検出値及び前記イオン検出値を用いて前記対象ガスの分圧を算出する演算部と、を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、比較的単純な構造の質量分析装置でありながら、精度の良い全圧測定および質量分析を行うことができる質量分析計を提供できる。また本発明によれば、比較的単純な構成であるため、メンテナンスコストや製造コストの上昇を抑えられる質量分析計を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る質量分析装置の構成概略図である。
【図２Ａ】図１のイオン源を拡大した模式図である。
【図２Ｂ】図１のイオン源の断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る質量分析装置による分圧の測定方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る質量分析装置で検出されたＡｒイオンの補正前の検出イオン電流値と全圧の関係図である。
【図５】本発明の実施形態に係る質量分析装置による真空紫外光の検出光電流値と全圧との関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本願発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００１３】
図１は質量分析装置の構成概略図、図２Ａおよび図２Ｂは図１に示した質量分析装置のイオン源の部分を拡大した模式図である。質量分析装置１はニップル１１の内側にイオン源（イオン化部）２１、四重極（フィルター部）２３、イオン検出器（イオン検出部）２５、全圧測定部（光検出部）３１の４つの主要構成要素が配置されて構成されている。ニップル１１は両端にフランジ１３ａ，１３ｂが設けられた円筒状部材であり、ニップル１１内部は真空排気可能に構成されている。ニップル１１の２つのフランジ１３ａ，１３ｂのうち、フランジ１３ａは測定する被測定容器１０１に取り付けるための接続部である。測定時にはニップル１１の内部は被測定容器１０１の内部と連通され、ニップル１１内と被測定容器１０１内（測定空間）の気体（被測定ガス）は同一圧力、同一成分になる。フランジ１３ｂは後述するコントローラ２７に取り付けられるベースフランジ１４に接続されている。イオン検出器(イオン検出部)２５と全圧測定部（光検出部）３１はケーブルを介してニップル１１の外部に配置されているコントローラ２７に接続されている。
【００１４】
ベースフランジ１４にはイオン検出器２５が不図示の絶縁材料を介して固定されており、イオン検出器２５のベースフランジ１４に取付けられた端部と逆側には不図示の絶縁材料を介して四重極２３が固定されている。さらに、四重極２３のイオン検出器２５が取り付けられた端部と逆側には絶縁材料２４とイオンチャンバベース３３を介してイオン源２１が取り付けられている。
【００１５】
イオン源（イオン化部）２１は、被測定容器１０１内から導入した被測定ガスをイオン化する構成であり、四重極２３側に設けられたイオンチャンバベース３３に設けられている。イオンチャンバベース３３にはフィラメント３５とエレクトロンコレクタ３６とイオンチャンバ３７が設けられており、フィラメント３５とエレクトロンコレクタ３６の間にイオンチャンバ３７が配置されている。フィラメント３５を通電加熱して熱電子ｅを発生させ、その熱電子ｅを気体に衝突させることによって、被測定ガスがイオン化される。イオン源２１でイオン化されたイオンはイオン源２１内に設けられた電位勾配により、四重極２３に向けて送り出される。
【００１６】
全圧測定部（光検出部）３１は、全圧に応じた検出光電流値（光検出値）を検出する構成であり、イオンチャンバベース３３に取り付けられており、フィラメント３５からの熱電子ｅの放出方向の側方に位置するように配置されている。全圧測定部３１を熱電子ｅの放出方向の側方に配置しているため、全圧測定部３１への電子の入射が少なく、かつイオンチャンバ３７内での被測定ガスのイオン化の際に生じる電磁波（真空紫外光）が入射しやすい。
【００１７】
四重極（フィルター部）２３は、予め設定された質量電荷比を有する対象ガスのイオンを選択的に通過させるフィルターであり、イオン源２１とイオン検出器２５の中間に位置し、４本の金属製円柱ロッド（ロッド）２３ａで構成されている。それぞれのロッド２３ａは中心軸Ｃに沿って等間隔に平行に配置される。四重極２３は、各ロッド２３ａに直流電圧と特定周波数の交流電圧を重畳した電圧を印加する電源に接続されている。各ロッド２３ａに印加する電圧を設定することで所定の質量電荷比を持つイオンのみをイオン検出器２５側に通過させることができる。さらに電圧を掃引することにより通過するイオンの質量電荷比を変えることができる。
【００１８】
イオン検出器（イオン検出部）２５は、入射した対象ガスのイオンによる検出イオン電流値（イオン検出値）を検出する装置である。イオン検出器２５と全圧測定部(光検出部)３１はコントローラ２７にケーブルを介して接続されており、コントローラ２７はさらに演算部（コンピュータ）２８に接続されている。
【００１９】
演算部２８は、コントローラ２７に接続され、少なくともコンピュータを含んで構成されている。イオン検出器２５で検出されたイオン電流がコントローラ２７に入力されると、コントローラ２７は演算部２８に該イオン電流に基づいて電算処理させ、演算部２８は処理結果として質量電荷比ごとの検出イオン電流値を出力または表示する。検出イオン電流値は入射イオン量を表しており、検出イオン電流値から測定対象となる真空容器内の気体の成分（対象ガス）を知ることができる。また、演算部２８は、イオン検出器２５により検出された検出イオン電流値および全圧測定部３１により検出された検出光電流値を用いて、対象ガスに関する修正イオン電流値を算出するとともに、修正イオン電流値を用いて対象ガスの正確な分圧を算出する機能を有する。なお、本実施形態では、演算部２８をコントローラ２７と別体として構成したが、コントローラ２７と演算部２８と一体として構成しうる。また、コントローラ２７、演算部２８は質量分析装置１と別体として構成されているが質量分析装置の一部として構成しうる。
【００２０】
図２Ａおよび図２Ｂに基づいてイオン源２１についてさらに詳しく説明する。図２Ａは図１に示した質量分析装置１のイオン源２１の部分を拡大した模式図であり、図２Ｂは図２Ａ中のＡ−Ａ方向の断面図である。上述した通り、イオン源２１はイオンチャンバベース３３にイオンチャンバ３７、フィラメント３５、エレクトロンコレクタ３６が取り付けられて主要部を構成している。
【００２１】
イオンチャンバベース３３は、四重極２３側に設けられた絶縁材料２４に取り付けらており、イオンチャンバ３７や全圧測定部３１などを取り付ける導電性部材である。イオンチャンバ３７は、イオンチャンバベース３３に取付けられた直方体の箱状の部材であり、熱電子（ｅ）、イオン（ion）、真空紫外光（l）が通り抜けられるように所定位置に開口が設けられている。例えば、イオンチャンバ３７がフィラメント３５およびエレクトロンコレクタ３６に対向する面には、熱電子ｅが通るための開口が設けられている。イオンチャンバ３７がイオン検出器２５に対向する面には、イオンが通るための開口が設けられている。イオンチャンバ３７が全圧測定部３１に対向する面には、真空紫外光lが通るための開口が設けられている。フィラメント３５とエレクトロンコレクタ３６はイオンチャンバベース３３を挟んで対向するように取り付けられている。エレクトロンコレクタ３６はフィラメント３５から放出された熱電子ｅを吸収し熱電子ｅの放出量を測定するための電極を兼ねている。
【００２２】
全圧測定部３１はフィラメント３５からの熱電子ｅが入射しない位置に取り付けられている。すなわち、全圧測定部３１は、フィラメント３５からエレクトロンコレクタ３６に向かう方向に対して側方（例えば、略垂直な方向）に設けられている。このような配置により、フィラメント３５からエレクトロンコレクタ３６に移動する熱電子ｅが全圧測定部３１に入射することを抑制できる。全圧測定部３１は、真空紫外光lの真空紫外光検出器４１とイオン阻止電極４３を備えている。全圧測定部３１は、イオン源２１で熱電子を用いて気体をイオン化する際に付随して発生する真空紫外光lを利用してイオン源２１内の圧力（全圧）に応じた信号を検出する装置である。フィラメント３５から放出された熱電子ｅはイオンチャンバ３７内で被測定ガスに衝突して被測定ガスをイオン化する。イオンチャンバ３７内でイオン化されたガスイオンは四重極２３を介してイオン検出器２５へ向かって移動する。イオンチャンバ３７内で生じた真空紫外光lの一部は全圧測定部３１の真空紫外光検出器４１に入射する。イオンチャンバ３７内での真空紫外光lの発生量は被測定ガスの全圧に比例する。全圧測定部３１では真空紫外光lを測定するので、圧力が高くなってもイオンを測定する場合のように検出精度が落ちることはない。真空紫外光lは、気体分子などと衝突して軌道が乱されることはないからである。
【００２３】
また、全圧測定部３１はイオン源２１からイオン検出器２５に向かう方向に対して側方（例えば、略垂直な方向）に設けられている。このような構成により、特許文献３のようなイオン検出器２５において真空紫外光lの検出を行う形態よりも、イオン源２１の近傍で真空紫外光lの検出を行うことができる。そのため、真空紫外光lの強度を大きくしなくとも高精度な全圧測定が可能であり、真空紫外光lがイオン検出においてノイズになることを抑制することができる。
【００２４】
真空紫外光検出器４１は、検出面に入射した電磁波（真空紫外光l）の量に応じて生じる光電効果の電流が検出されるように構成されたコレクターであり、イオン源２１の近傍に設けられている。そのため、感度良く真空紫外光lを検出することができる。真空紫外光lを受けて光電子を発生させる検出面は、フィラメント３５からの熱電子ｅの放出方向に平行に配置されている。これにより、検出面に入射する熱電子ｅおよびイオンの数を低減することができる。イオン阻止電極４３は、イオン源で発生したイオンが真空紫外光検出器に入射することを阻止する部材である。イオン阻止電極は、イオン源と真空紫外光検出器との間に配置されたメッシュ状の部材であり、イオンが真空紫外光検出器４１に入射しないように正電位が印加される。本実施形態のイオン阻止電極４３は、真空紫外光検出器の検出面と平行に配置されている。このような構成により、イオン源で発生したイオンは正電位を有するイオン阻止電極４３により真空紫外光検出器４１に到達することを妨げられるが、イオン化に付随して発生する真空紫外光はイオン阻止電極４３のメッシュの隙間を通過して真空紫外光検出器４１で検出される。
【００２５】
イオン阻止電極４３は真空紫外光検出器４１から光電子が放出しやすくなる機能も併せ持っている。すなわち、真空紫外光検出器４１の電位はアース電位である一方、イオン源２１内でイオンが生成するイオンチャンバ３７の電位はプラス数Ｖであることが多い。そこでプラス数Ｖのエネルギーを持つイオンが真空紫外光検出器４１に接触するのを阻止するためにイオン阻止電極４３にはそれよりも高い電位（例えば、プラス十数〜数十Ｖ）を印加している。その結果、プラスの電位を持つ電極が真空紫外光検出器４１の直近に存在することになるので、真空紫外光検出器４１からは光電子が引き出されやすくなる。
【００２６】
ここで、図３に示すフローチャートに基づいて本実施形態の質量分析装置での分圧測定補正式の導出過程を説明する。まず、全圧測定部３１により検出された真空紫外光lの検出電流値（検出光電流値）とイオン検出器２５により検出された検出イオン電流値から、対象ガスの正確な分圧を示すイオン電流値（補正値）を得る手法について説明する。
【００２７】
イオン源２１で生じたイオンがイオン検出器２５に到達する効率の低下をF-1とすると、検出イオン電流値（イオン電流値）Idから正確な分圧を示すイオン電流値Icを求める補正係数はFとなり次の式(1)が成立する。
【００２８】
【数１】
0005922256.tif 000002
【００２９】
気体の平均自由行程をλとするとF-1はexp(-A/λ)で表すことができ、さらに、λは全圧Ptに反比例するためexp(-a・Pt)となる。従って次の式(2)が成立する。
【００３０】
【数２】
0005922256.tif 000003
【００３１】
一方、真空紫外光lの検出電流値Iuは全圧Ptに比例するため、式(3)のように表される。
【００３２】
【数３】
0005922256.tif 000004
【００３３】
これらを解くとIcはIdとIuの関数として式(4)のように表される。
【００３４】
【数４】
0005922256.tif 000005
【００３５】
このようにして、真空紫外光lの検出電流値（検出光電流値）Iuと検出イオン電流値Idから正確な分圧を示すイオン電流値（修正イオン電流値）Icを得ることができる。係数ａ、ｂは気体の成分ごとに算出し、質量分析装置１のコントローラ２７に保存する。係数ａ、ｂの算出および保存は質量分析装置１の被測定ガスの測定前に行われる。
【００３６】
スパッタリング成膜プロセスにおいてプロセスガスの主成分であるArを例にして、本実施形態に係る質量分析装置１を用いるプロセスガスの分圧の測定方法を説明する。まず、図３のフローチャート中の予備測定Ｓ１の部分を説明する。なお、本実施形態の測定対象ガスはArに限定されない。Ar以外のガスを測定する場合は測定するガス（対象ガス）の補正関数を別途求めればよい。
【００３７】
質量分析装置１を取り付けた真空容器１０１を一旦、高真空(例えば1E-6Pa)まで排気した後にArを導入する。そして、Arガスに起因するイオンである質量電荷比m/z 40の検出イオン電流値を各圧力で測定するとともに（ステップＳ１１）、真空紫外光lの検出光電流値を各圧力で測定する（ステップＳ１２）。予備測定段階での全圧測定は他の圧力計（例えばキャパシタンスダイアフラム真空計など）で行う。これらの測定を高真空から全圧2.6Pa程度まで続け、図４の実線Ｂのような、圧力に対するArイオンのイオン電流値（検出イオン電流値）のグラフ、及び、図５の圧力に対する真空紫外光の検出電流値（検出光電流値）のグラフを得る。なお、図４中の破線Ａは四重極内でイオンが気体に衝突しないと仮定した場合の検出イオン電流値である。
【００３８】
質量電荷比m/z 40の検出イオン電流値と全圧のグラフから式(2)の係数aを得る（ステップＳ１３）。例示の場合は、次の式(5)となる。
【００３９】
【数５】
0005922256.tif 000006
【００４０】
次に、真空紫外光lの検出光電流値と全圧のグラフから式(3)の係数bを得る（ステップＳ１４）。例示の場合は、次の式(6)となる。
【００４１】
【数６】
0005922256.tif 000007
【００４２】
最後に、 式(4)に係数aと係数bを入れて、IcをIdとIuから求める換算式を得る（ステップＳ１５）。例示の場合は、次の式(7)となる。
【００４３】
【数７】
0005922256.tif 000008
【００４４】
次に、図３のフローチャート中の本測定Ｓ２の部分を説明する。ここではＡｒの検出イオン電流値（イオン検出値）を補正する場合について説明する。質量分析装置１を駆動して質量電荷比m/z 40の検出イオン電流値を測定するとともに（ステップＳ２１）、真空紫外光の検出光電流値（光検出値）を測定する（ステップＳ２２）。その後、検出イオン電流値Idおよび検出光電流値IuをステップＳ１５で取得された換算式に代入して補正後の分圧に関するイオン電流値（修正イオン電流値）Icを算出する（ステップＳ２３）。そして、算出されたIcを用いて分圧を補正し、出力する（ステップＳ２４）。
【００４５】
本実施形態では、予備測定Ｓ１と本測定Ｓ２とを連続して行う例を示しているが、予備測定Ｓ１により換算式を確定した後、本測定Ｓ２を複数回行ってもよい。また、換算式が既に得られている場合には、予備測定Ｓ１を行わず、本測定Ｓ２のみを行ってもよい。
【００４６】
本発明の質量分析装置１によれば、イオン化に伴って発生する真空紫外光を用いて全圧測定を行うため、イオンを四重極に通すことなく、測定空間内の全圧を測定できる。このため、測定圧力が高い場合でも精度良く全圧を測定することができる。また、全圧測定に用いる真空紫外光をイオン検出器とは別個に設けられた全圧測定部で検出するため、真空紫外光の強度を大きくしなくとも全圧測定が可能であり、真空紫外光がイオン検出のノイズとなることを抑制することができる。また、本発明の全圧測定部３１は簡便な構成であるためメンテナンスや製造に必要なコストの上昇を防ぎつつ、高精度な分圧測定ができる質量分析装置を提供できる。
【００４７】
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。例えば、本実施形態ではイオン源２１に対して真空紫外光を検出する真空紫外光検出器４１は側方の一箇所に設けられているが、これに限定されず、真空紫外光検出器４１は上方の一箇所に、あるいは複数個所若しくは円筒状に設けられてもよい。また、本実施形態では四重極質量分析装置を取り付ける測定対象をスパッタリング装置の場合について説明したが、本発明の質量分析装置は真空蒸着装置やCVD装置のような成膜装置の他、ドライエッチング装置や表面改質装置等の種々の真空装置に用いてもよい。
【図１】
0005922256.tif 000009
【図２Ａ】
0005922256.tif 000010
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
0005922256.tif 000013
【図５】
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