(57)【要約】【課題】小型化が可能な四重極型質量分析計を提供する。【解決手段】本発明の四重極型質量分析計１は、絶縁性で環状の電極ホルダ１２の内周面に固定して配された、４本の電極柱１３からなる四重極１４を備え、前記四重極に直流電圧と交流電圧を印加し、イオン化装置１１によって気体のイオンを生成し、前記イオンを前記四重極の間を通過させ、コレクタ１５、１６で収集して質量分析を行う四重極型質量分析計であって、前記電極ホルダに設けられた貫通孔を有し、前記コレクタ１５、１６の配線が、該貫通孔を通して配されていること、を特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性で環状の電極ホルダの内周面に固定して配された、４本の電極柱からなる四重極を備え、
前記四重極に直流電圧と交流電圧を印加し、イオン化装置によって気体のイオンを生成し、前記イオンを前記四重極の間を通過させ、コレクタで収集して質量分析を行う四重極型質量分析計であって、
前記電極ホルダに設けられた貫通孔を有し、前記コレクタの配線が、該貫通孔を通して配されていること、を特徴とする四重極型質量分析計。
【請求項２】
前記配線が、前記貫通孔内においてセラミックパイプ及びシ−ルドパイプによって順に被覆されており、
さらに、前記シ−ルドパイプがグランドと接続されていること、を特徴とする請求項１に記載の四重極型質量分析計。
【請求項３】
前記電極ホルダが、前記電極柱の長さ方向において両端部にそれぞれ配され、電極柱の長さ方向の中央部分は露出されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の四重極型質量分析計。
【請求項４】
前記電極ホルダが、前記電極柱の長さ方向において略全体を覆うように配されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の四重極型質量分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、四重極型質量分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空中に発生、導入、または残留する気体を高い精度で分析する場合に四重極型質量分析計１００が使用される。図１４は四重極型質量分析計１００の概略図であり、イオン源部（イオン化装置）１１０と、四重極電極部１２０と、検出部１６０とからなっている。
【０００３】
分析されるべき気体Ｇがイオン源部１１０においてイオン化され、加速電極によって加速され、引出し電極によって四重極電極部１２０の方へ引き出される。四重極電極部１２０は互いに平行に配置された４本の円柱状電極（以降、電極柱と略す）１３０が絶縁性の一対の電極ホルダ１４０に固定されており、対向する電極柱１３０を結線して一方には＋［Ｕ＋Ｖｃｏｓ（ωｔ）］、他方には−［Ｕ＋Ｖｃｏｓ（ωｔ）］で示される直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖｃｏｓ（ωｔ）とを重畳させたものが印加される。この電圧印加により四重極電極部１２０の内部空間に電場が形成されるが、イオン源部１１０で生成したイオンは、このイオン源部１１０が内蔵する引出し電極の電圧で四重極電極部１２０の中心軸（ｚ軸とする）に沿って入射されｚ軸方向へ進む間に、四重極電極部１２０内の電場によってｘ軸方向およびｙ軸方向への力を受ける。
【０００４】
直流電圧Ｕ、高周波電圧Ｖｃｏｓ（ωｔ）、四重電極間距離２ｒ０（ｒ０は四重極電極部１２０の中心軸から電極柱１３０までの距離）の条件のもとで、ある特定のｍ／ｅ（質量電荷比）を有するイオンのみがｘ軸方向、ｙ軸方向ともに限定された振幅の軌道１５０を辿って四重極電極部１２０を通過できる。それ以外のｍ／ｅを有するイオンは振幅が増大して電極柱１３０に捕らえられるか、電極柱１３０の間を通り抜けて脱出するかの何れかとなり、検出部１６０には到達できない。四重極電極部１２０を通過したイオンは検出部１６０における二次電子増倍管などで検出され、そのイオン電流に比例した信号に変換されて、例えば、データロギング用のソフトウェアにて、そのデータが取得され、質量スペクトルが得られる。
【０００５】
このような四重極型質量分析計１００において、分圧の測定上限を上げるためには、電極柱１３０の長さを平均自由工程よりも短くする必要がある（例えば、特許文献１参照）。分解能と周波数と電極柱１３０の長さと加速電圧には、
ｍ／Δｍ=０．０５×ｆ２×Ｌ２×ｍ／ｅ／（２×Ｅｉ）
の関係がある。ここで、ｆは電極柱１３０に印加する高周波電圧の周波数、Ｌは電極柱１３０の長さ、Ｅｉはイオンの加速電圧である。したがって、電極柱１３０が短い場合でも、分解能を得るためには、周波数を大きくする必要がある。
【０００６】
また、電極柱１３０に印加する高周波電圧は、
Ｖ=７．２１９×ｍ×ｒ０２×ｆ２
のように表され、周波数が大きくなると、高周波電圧も大きくなる。ここで、２×ｒ０  は、電極柱１３０間の距離である。
【０００７】
他方、全圧の測定下限を下げようとする技術は良く知られている（例えば、特許文献２参照）。全圧を測定するためには、イオン源に全圧コレクタを設置する必要がある。
全圧コレクタの配線は、電極柱１３０に印加するための直流電圧＋高周波電圧の配線と並行に配線されることになる（例えば、特許文献３、図６参照）。
【０００８】
分圧の測定上限を上げるためには、上述のように、電極柱の長さを短くする必要があり、必然的に四重極型質量分析計自体を小型化する必要がある。このような場合、ｒ０  を小さくしすぎると、感度が下がるので、周波数を上げるため、高周波電圧は大きくなる。また、全圧コレクタの配線は、電極柱に印加するための直流電圧＋高周波電圧の配線間の距離が短くなり、微小な電流を測定している全圧は、高周波電圧のノイズを受けやすくなる。そのために、全圧の測定下限が下がらない。
【０００９】
また、電極柱は、セラミック等で出来た電極ホルダで固定する必要がある（例えば、特許文献４参照）。この電極ホルダの外側にイオン源の配線を通すと、質量分析計自体が大きくなる。さらに、それぞれの配線は、セラミックパイプ等で絶縁する必要があり、組立時間及び、イオン源の交換時に時間を要する。
【００１０】
このように従来の四重極型質量分析計を小型化した場合、全圧コレクタの配線と電極柱の距離が必然的に短くなるため、ノイズの影響をより受けやすく、全圧の測定下限を下げることが困難となる。また、四重極型質量分析計の小型化の妨げとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第２８８８９８４号公報
【特許文献２】特開２００７−３３５１８８号公報
【特許文献３】特許第２５２２６４１号公報
【特許文献４】特許第３４５７１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、小型化が可能な四重極型質量分析計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】
【００１３】
本発明の請求項１に記載の四重極型質量分析計は、絶縁性で環状の電極ホルダの内周面に固定して配された、４本の電極柱からなる四重極を備え、前記四重極に直流電圧と交流電圧を印加し、イオン化装置によって気体のイオンを生成し、前記イオンを前記四重極の間を通過させ、コレクタで収集して質量分析を行う四重極型質量分析計であって、前記電極ホルダに設けられた貫通孔を有し、前記コレクタの配線が、該貫通孔を通して配されていること、を特徴とする。
本発明の請求項２に記載の四重極型質量分析計は、請求項１において、前記配線が、前記貫通孔内においてセラミックパイプ及びシ−ルドパイプによって順に被覆されており、さらに、前記シ−ルドパイプがグランドと接続されていること、を特徴とする。
本発明の請求項３に記載の四重極型質量分析計は、請求項１又は２において、前記電極ホルダが、前記電極柱の長さ方向において両端部にそれぞれ配され、電極柱の長さ方向の中央部分は露出されてなることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の四重極型質量分析計は、請求項１又は２において、前記電極ホルダが、前記電極柱の長さ方向において略全体を覆うように配されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、コレクタの配線を、電極ホルダに設けられた貫通孔を通して配することで、小型化が可能な四重極型質量分析計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の四重極型質量分析計の一構成例（第一実施形態）を模式的に示す図。
【図２】図１に示す四重極型質量分析計において、質量検出部の一例を示す図。
【図３】図１に示す四重極型質量分析計において、質量検出部の他の一例を示す図。
【図４】本発明の四重極型質量分析計の一構成例（第二実施形態）を模式的に示す図。
【図５】図４に示す四重極型質量分析計において、質量検出部の一例を示す図。
【図６】図４に示す四重極型質量分析計において、質量検出部の他の一例を示す図。
【図７】実験例３で用いた四重極型質量分析計において、質量検出部の一例を示す図。
【図８】実験例４で用いた四重極型質量分析計において、質量検出部の一例を示す図。
【図９】四重極型質量分析計により測定した全圧指示値と、そのときの真空槽内の圧力（全圧）との関係を示す図。
【図１０】四重極型質量分析計により測定した全圧指示値と、そのときの真空槽内の圧力（全圧）との関係を示す図。
【図１１】四重極型質量分析計により測定した全圧指示値と、そのときの真空槽内の圧力（全圧）との関係を示す図。
【図１２】四重極型質量分析計により測定した全圧指示値と、そのときの真空槽内の圧力（全圧）との関係を示す図。
【図１３】四重極型質量分析計により測定した全圧指示値と、そのときの真空槽内の圧力（全圧）との関係を示す図。
【図１４】従来の四重極型質量分析計の一構成例を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の四重極型質量分析計の好適な実施の形態について説明する。
【００１７】
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の四重極型質量分析計の一構成例（第一実施形態）を模式的に示す図である。また、図２は、図１に示す四重極型質量分析計１Ａ（１）において質量検出部１０Ａ（１０）の一構成例を模式的に示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
図１に示すように、四重極型質量分析計１Ａ（１）は有底の金属製の容器２を有している。この容器２は一方が開口２ａされた円筒形状からなり、内部に質量検出部１０が配置され、前記開口２ａ側が真空槽（図示略）に取り付けられるようになっている。
【００１８】
前記質量検出部１０Ａ（１０）は、イオン化装置１１と、絶縁性で環状の電極ホルダ１２と、電極ホルダ１２の内周面に固定して配された、４本の電極柱１３からなる四重極１４と、分圧測定用のコレクタ電極（以下、分圧コレクタ電極と略す。「コレクタ」とも略称する）１５と、全圧測定用のコレクタ電極（以下、全圧コレクタ電極と略す。「コレクタ」とも略称する）１６とを有している。
この四重極型質量分析計１Ａ（１）は、前記四重極１４に直流電圧と交流電圧を印加し、イオン化装置１１によって気体のイオンを生成し、該イオンを前記四重極１４の間を通過させ、分圧コレクタ電極１５で収集して質量分析を行う。
【００１９】
０
電極ホルダ１２は、絶縁物が円筒形状に成形されて構成されており、その円筒の両端（図１では上下端）にはスリット１８、１９がそれぞれ配され、各スリットの中央付近には小孔１８ａ、１９ａがそれぞれ設けられている。すなわち、スリット１８の小孔１８ａは容器２の開口２ａ側に向けられ、スリット１９の小孔１９ａは分圧コレクタ電極１５に向けられている。
四重極１４は、金属製円柱からなる４本の電極柱１３で構成されており、電極ホルダ１１の内部に配置されている。また、四重極１４を構成する４本の電極柱１３は、それぞれ電極ホルダ１１の中心軸線に沿った方向に向けられており、互いに所定間隔を開けて電極ホルダ１１内部の壁面にネジ止め固定されている。
【００２０】
この四重極型質量分析計１Ａ（１）は、図２に示すように、質量検出部１０Ａ（１０）において、前記電極ホルダ１２に設けられた貫通孔２０を有し、前記全圧コレクタ電極１６の配線２１が、該貫通孔２０を通して配されていることを特徴とする。
本発明の四重極型質量分析計１Ａ（１）では、全圧コレクタ電極１６の配線２１を、電極ホルダ１２に設けられた貫通孔２０を通して配することで、小型化が可能である。
【００２１】
なお、図１及び図２に示すように、本実施形態の四重極型質量分析計１Ａ（１）では、前記電極ホルダ１２が、前記電極柱１３の長さ方向において両端部にそれぞれ配され、電極柱１３の長さ方向の中央部分は露出されてなる。
このような四重極型質量分析計１Ａ（１）は、例えば残留ガス分析計として用いられる。
【００２２】
イオン化装置１１は、熱フィラメントであり、電極ホルダ１２のスリット１８の小孔１８ａ付近であって、その小孔１８ａと、容器２の開口２ａとの間の位置に配置されている。イオン化装置１１には、全圧コレクタ電極１６が配されている。
【００２３】
真空槽の内部に存する気体は、容器２の開口２ａを通って容器２の内部に進入するため、容器２内部の雰囲気は、真空槽の内部の雰囲気と同じになっている。従って、イオン化装置１２周囲の雰囲気は、真空槽の内部の雰囲気と同じ組成、及び同じ圧力になっている。
【００２４】
そして、イオン化装置１１に通電し、イオン化装置１１から熱電子を放出させると、その熱電子がイオン化装置１１周囲に存する気体分子に衝突し、イオンが生成される。
【００２５】
スリット１８は、小孔１８ａを有しており、その小孔は、四重極１４を構成する４本の電極柱１３の間に位置している。
イオン化装置１２によって生成されたイオンは、スリット１８の小孔１８ａを通過して四重極１４の内部に進入する。
【００２６】
四重極１４を構成する各電極柱１３には、直流バイアス電圧に所定周波数の交流電圧が重畳された電圧が印加されており、四重極１４の内部に進入したイオンは、直流バイアス電圧の大きさと、交流電圧の大きさと、その周波数に応じた質量電荷比を有するものだけが、四重極１４の間を通過するようになっている。従って、それらの大きさを変化させると、所望の質量電荷比のイオンだけを通過させることができる。
【００２７】
電極ホルダ１１と分圧コレクタ電極１５との間にはスリット１９が配置されている。したがって、四重極１４の内部を通過したイオンはスリット１９の小孔１９ａに向かって飛行し、小孔１９ａを通過して分圧コレクタ電極１５に入射する。
【００２８】
分圧コレクタ電極１５にイオンが入射するとイオン電流が生成され、イオン電流が演算部３で検出されると、表示装置４に、そのときの質量電荷比とそれに応じたイオン電流の大きさが表示される。イオン電流の値は、入射イオンの量に比例するため、イオン電流の大きさからその質量電荷比を有するイオンの量が分かり、その結果、真空槽内の各気体の分圧等が認識可能となる。なお、上記演算部３は、イオン電流値を補正する補正関数を備えることにより、現実の分圧を測定可能となっている。
【００２９】
そして上述したように、本発明の四重極型質量分析計１Ａ（１）では、前記電極ホルダ１２に設けられた貫通孔２０を有し、全圧コレクタ電極１６の配線２１が、該貫通孔２０を通して配されている（図２参照）。このように、全圧コレクタ電極１６の配線２１を電極ホルダ１２に設けられた貫通孔２０を通して配することで、小型化が可能となる。
【００３０】
さらに本発明では、図３に示すように、質量検出部１０Ｂ（１０）において、全圧コレクタ電極１６の配線２１が、貫通孔２０内においてセラミックパイプ２２及びシ−ルドパイプ２３によって順に被覆されており、さらに、前記シ−ルドパイプ２３が、グランド３０と金属ワイヤ（又は箔）３２により接続されていることが好ましい。このグランド３０は、例えば四重極型質量分析計のベ−スフランジ３１に設けられており、シ−ルドパイプ２３とグランド３０とは、例えば金属ワイヤ（又は箔板）３２により接続されている。
全圧コレクタ電極１６の配線２１をセラミックパイプ２２及びシ−ルドパイプ２３で被覆し、さらにシ−ルドパイプ２３をグランド３０と接続することで、配線２１が電極柱１３に接近した場合でも、高周波電圧のノイズ成分をカットすることが可能である。これにより、四重極型質量分析計１を小型化した場合であっても、高周波電圧の影響を抑制し、全圧の測定下限を下げることが可能である。
【００３１】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の四重極型質量分析計の第二実施形態について説明する。
なお、以下の説明では、上述した第一実施形態と異なる部分について主に説明し、第一実施形態と同様の部分については、その説明を省略する。
【００３２】
図４は、本実施形態の四重極型質量分析計１Ｂ（１）の一構成例を模式的に示す図である。また、図５は、図４に示す四重極型質量分析計１Ｂ（１）において質量検出部１０Ｃ（１０）の一構成例を模式的に示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
前述した第一実施形態では、電極ホルダ１２が、前記電極柱１３の長さ方向において両端部にそれぞれ配され、電極柱１３の長さ方向の中央部分は露出されていたが、本実施形態の四重極型質量分析計１Ｂ（１）では、質量検出部１０Ｃ（１０）において、電極ホルダ１２が、前記電極柱１３の長さ方向において略全体を覆うように配されてなる。
このような四重極型質量分析計１Ｂ（１）は、例えばプロセスモニタとして用いられる。
【００３３】
この四重極型質量分析計１Ｂ（１）においても、前記電極ホルダ１２に設けられた貫通孔２０を有し、前記全圧コレクタ電極１６の配線２１が、該貫通孔２０を通して配されている。全圧コレクタ電極１６の配線２１を、電極ホルダ１２に設けられた貫通孔２０を通して配することで、小型化が可能である。
【００３４】
さらに、図６に示すように、質量検出部１０Ｄ（１０）において、全圧コレクタ電極１６の配線２１が、前記貫通孔２０内においてセラミックパイプ２２及びシ−ルドパイプ２３によって順に被覆されており、さらに、前記シ−ルドパイプ２３がグランドと接続されていることが好ましい。
全圧コレクタ電極１６の配線２１をセラミックパイプ２２及びシ−ルドパイプ２３で被覆し、さらにシ−ルドパイプ２３をグランド３０と接続することで、配線２１が電極柱１３に接近した場合でも、高周波電圧のノイズ成分をカットすることが可能である。これにより、質量分析計を小型化した場合であっても、高周波電圧の影響を抑制し、全圧の測定下限を下げることが可能である。
【実施例】
【００３５】
上述したような構成の四重極型質量分析計を真空槽に取り付け、真空槽を排気して到達圧力時（１０−７Ｐａ台）から１ＰａまでＡｒガスを導入した際に、四重極型質量分析計により測定した全圧指示値と、そのときの真空槽内の圧力（全圧）との関係を評価した。その結果を図９〜図１２に示す。
【００３６】
図９は、図５に示したように、全圧コレクタ電極の配線を、電極ホルダの貫通孔に通して配した構成の四重極型質量分析計による測定結果である。これを、実験例１とした。
【００３７】
図１０は、図６に示したように、全圧コレクタ電極の配線をセラミックパイプ及びシ−ルドパイプによって順に被覆し、さらにシ−ルドパイプをグランドと接続するとともに、該配線を電極ホルダの貫通孔に通して配した構成の四重極型質量分析計による測定結果である。これを、実験例２とした。
【００３８】
図１１は、図７に示すように、全圧コレクタ電極の配線をセラミックパイプによって被覆し、該配線を電極ホルダの外部に配した構成の四重極型質量分析計による測定結果である。これを、実験例３とした。
【００３９】
図１２は、図８に示すように、全圧コレクタ電極の配線をセラミックパイプ及びシ−ルドパイプによって順に被覆し、さらにシ−ルドパイプをグランドと接続するとともに、該配線を電極ホルダの外部に配した構成の四重極型質量分析計による測定結果である。これを、実験例４とした。
【００４０】
なお、この評価においては、全圧コレクタ電極の配線を被覆するセラミックパイプとして、セラミックからなる厚み０．２ｍｍのパイプを用いた。また、シ−ルドパイプとしては、ＳＵＳ３０４からなる厚み０．１６ｍｍのパイプを用いた。さらに、シ−ルドパイプ−グランド部の接続には、ＳＵＳ３０４からなる厚み０．０５ｍｍの金属箔を用いた。
【００４１】
また、実験例１〜実験例４の結果（図９〜図１２）を重ね合わせて示したものが図１３である。
図９〜図１３からわかるように、全圧コレクタ電極の配線を、電極ホルダの貫通孔に通して小型化した場合（実験例１）、配線が電極柱に接近することにより高周波電圧のノイズ成分の影響がやや増えるものの、全圧コレクタ電極の配線をシ−ルドすることで（実験例２）、配線が電極柱に接近した場合でも、高周波電圧のノイズ成分をカットすることが可能であることがわかる。
【００４２】
具体的には、全圧の測定下限が、１０−５Ｐａ台（実験例３）から１０−６Ｐａ台（実験例４）と１桁もの低減が可能である。
これらの結果より、本発明では、質量分析計を小型化した場合であっても、高周波電圧の影響を抑制し、全圧の測定下限を下げることが可能であることがわかった。
【００４３】
以上、本発明の四重極型質量分析計について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、四重極型質量分析計に広く適用可能である。特に、半導体製造装置（スパッタ装置）のような、到達圧力の良い（１０−６Ｐａ台）装置の残留ガスの分析に用いられる場合、全圧測定ができるため好適である。
【符号の説明】
【００４５】
１  四重極型質量分析計、１０  質量検出部、１１  イオン化装置、１２  電極ホルダ、１３  電極柱、１４  四重極、１５  分圧コレクタ電極（コレクタ）、１６  全圧コレクタ電極（コレクタ）、２０  貫通孔、２１  配線、２２  セラミックパイプ、２３  シ−ルドパイプ、３０  グランド。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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