(57)【要約】【課題】真空中に、等電位の２枚の電極と、それら２枚の電極の間にそれらの電極の電位より負の電位に保たれたグリッド電極を設け、２枚の電極間をイオンが共振往復運動する構造のイオン共振型質量分析計において、電極構造を簡単小型化し、尚且つイオン検出の安定化と高感度化と高分解能化を大幅に達成出来る質量分析計。【解決手段】２枚の電極の一方の電極近傍を電極面に平行に走るパルス化された電子線を、分析されるべきガス粒子に衝突させてイオン化する事と、電極間のイオン共振往復振動を電極に接続された電気的共振回路にて検出し、更に検出信号を、前記パルス周期に同期した同期検波する事，又グリッド電極の位置を２枚の平行平板電極の中央からずらす事によって飛翔電子線が加減速電場によって偏向を受け難い構造とする事によって、課題を解決した。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に、２枚の平行平板電極と該平行平板電極の中間に、該平行平板電極と平行にグリッド電極とを設置し、２枚の該平行平板電極を直流的に等電位とし、該グリッド電極は該平行平板電極に対して負の電位に保ち、２枚の該平行平板電極の一方の電極近傍を、該電極面に沿って電子線をパルス的に照射して、分析されるガス粒子をイオン化し、イオン化された粒子の該平行平板電極の間での共振往復運動を電気的に測定することを特徴とするイオン共振型質量分析計。
【請求項２】
前記グリッド電極は平行平板電極の中間に、該平行平板電極と平行にかつ、一方の平行平板電極に近づけて設置され、２枚の該平行平板電極の内、グリッド電極から遠い方の平行平板電極の近傍を、該電極面に沿って電子線をパルス的に照射して、分析されるガス粒子をイオン化し、イオン化された粒子の該平行平板電極の間での共振往復運動を電気的に測定することを特徴とする請求項１記載のイオン共振型質量分析計。
【請求項３】
前記平行平板電極に電気的共振回路を接続し、前記電子線の照射によって発生したイオンの、前記２枚の平行平板電極間での共振運動を高周波電気信号として検知することを特徴とする請求項１記載のイオン共振型質量分析計。
【請求項４】
前記電気的共振回路で検出した高周波電気信号に、パルス的に照射される前記電子線の照射パルス周期に同期した同期検波を加える事を特徴とする請求項１記載のイオン共振型質量分析計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は，質量分析計型のガス分析計に関するものである。更に詳述すれば，真空機器のリーク検出器，真空機器内の残留ガスの成分分析計，あるいはガスに含まれる微量ガスの分析計等に関する。これらは、例えば、半導体製造現場等で用いられる真空を用いた製造装置等のリーク検査、メンテナンス作業、真空機器のガス分圧測定，あるいは環境測定における毒性ガスの迅速検知，真空技術における清浄真空の達成等に利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガス分析のための質量分析計はさまざまな動作原理のものが用いられている。例えば，四重極質量分析計，扇形磁場型質量分析計、タイムオブフライト型質量分析計，オメガトロン型質量分析計、あるいはイオン共振型質量分析計など数種類である。それぞれの装置に於いては，性能に一長一短があり、目的に応じて用いられて来た。
【０００３】
真空を用いる技術においては、単に真空度を計測する全圧測定のみならず、真空の質を計測、管理する事が必要となってきている。例えば、半導体産業における半導体製造装置に於いては、残留ガス、特に製造工程で邪魔になる有害ガスを検知して極小に抑える事が、ミクロンオーダー、サブミクロンオーダーまで微小化された半導体回路の作成において、特に重要である。
【０００４】
真空の質の管理とは、真空容器内の真空圧力そのものの厳密な計測を初めとして、その計測対象ガス中に残留する微量不純物ガスの成分濃度を分析、計測し、管理する事である。これらの分析、計測、管理が満足するレベルに達しないと、例えば半導体製造産業に於いては、経済的に要求される製造歩留まりを達成する事は不可能である。
【０００５】
半導体製造技術に限らず、真空技術を利用する分野に於いては、何れに於いても、真空の質管理の重要性はますます高まってきており、その目的にかなった新しい真空度測定器、成分ガスの同定分析と、それぞれの構成ガスの分圧測定を行う事の出来る質量分析計が要求されて来たわけである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これまで、真空度全圧測定、あるいは成分ガスの同定分析、分圧測定には、色々な分析計が用いられて来たが、それらに共通して言える事は，電極構成が複雑で，重量が重くかさばり，高価な事であった。電極構造の複雑なる事は，真空計測装置として、特に高真空、超高真空の計測に於いては、致命的な欠点を持つ事であると、指摘されている。
【０００７】
真空中で使用する機器においては，機器の管壁あるいは、真空容器内に具備された，電極などの部品の表面に吸着したガスが装置の稼動中に真空雰囲気中に放出して，思わぬ悪影響の原因となる。特に，高真空、超高真空機器に於いては、真空容器の壁面や機器部品表面から発生するガスを最小にする為の種々の工夫がこれまで成されては来たが、これらの機器においては、わずかな吸着ガスが発生しても、非常に大きな障害になるものである。成分ガスの同定及び分圧測定真空計の電極構造が、複雑であることは、これらの構造物の表面積が大きくなる事につながり、多量のガス放出の原因となる。また機器の大型化は，使用の簡便さを損ねる。真空装置の構造としては、構造が単純で、真空雰囲気中に曝される部分の表面積が出来るだけ小さい事が要求される。
【０００８】
１９５９年から１９６０年台初頭、西ドイツの真空機器メーカー［ライボルト社］からＦａｒｖｉｔｒｏｎ［商品名］の名称で発表された電場だけを用いたイオン共振型質量分析計があったが現在、この質量分析計型ガス分析装置は殆ど用いられていない。
【０００９】
イオン共振型質量分析計は、Ｔｒｅｔｎｅｒにより発表された、電場中でのイオンの共振現象を利用した質量分析計である。（Ｚ．Ａｎｇｅｗ．Ｐｈｙｓ．１１３９５（１９５９））。被検査物質中のガス分子は、加速された電子の衝突を受けてイオン化され、イオンの走行方向に放物線状電位分布を持つ電場の中へ入れられる。放物線状電位分布の電場は、入り口側電極と其れと同電位の終端電極、また、該両電極の中央に置かれ、両電極の電位より低い電位の中央電極によって作られている。終端電極の外側に更に、信号検知電極が備えられる。
【００１０】
初め、電子との衝突によって作られたイオンは、入り口側電極を通過後中央電極に向けて加速を受け、中央電極の位置で最大速度を持つ。中央電極を通過後は、終端電極へ向けて減速される。終端電極の位置で速度零となったイオンは、運動方向を反転して、今度は前に減速電場として働いた電場が加速電場として働き、中央電極を通り越した後は、入り口側電極へ向けて減速を受けながら進む。このようにして、入り口側電極と終端電極の間をイオンは往復振動する事になる。
【００１１】
上記のような、イオンの振動運動は、放物線状電位分布の電場中における荷電粒子の振動運動として、広くバルクハウゼン・クルツ振動（略してＢ−Ｋ振動）の名前で知られている。荷電粒子の共振振動数は、電場分布が一定であれば、荷電粒子の持つ比電荷　ｍ／ｅ　によって決まる。
【００１２】
イオンを連続的に作らず、パルス状にして、間欠的に出し、そのパルス周波数を、丁度イオンのＢ−Ｋ振動数に同調させるようにすると、一群のイオン雲が入り口側電極に来るたびに新しいイオンが付け加わってイオンは増加し、共振現象を起こす。この共振イオン雲の両電極間の振動は、信号検知電極に於いて電気信号として検知される。
【００１３】
以上がＴｒｅｔｎｅｒにより提供されたイオン共振型質量分析計の原理であるが、これを高真空、超高真空に用いるのは、大きな欠点が存在した。
【００１４】
加速電子線の飛翔方向と、イオンの振動方向が一致しているため、電子線との衝突で作られたイオンが入り口側電極の位置で持つ入射運動エネルギーの分布によって、振動エネルギーの分布が影響を受け、得られる質量分析スペクトルの最終分解能を悪くする事になる。
【００１５】
Ｔｒｅｔｎｅｒの提唱したイオン振動型質量分析計の電極構造は極めて複雑である。真空雰囲気中に具備される構成要素で見ると、電子線発生用電子銃、電子線加速電極、電子線コレクター電極、入り口電極、中央電極、終端電極、及び信号検知電極である。構成要素が多い事は、その構成分品に吸着するガス量を多くし、高真空、超高真空の雰囲気中でのガス発生を極端に多くする。
【００１６】
本発明は，電極構造を小型でかつ、シンプルが構造となして、構造体表面の吸着ガスの量を極度に少なくする事を可能とし、小型軽量で低コストの質量分析計を実現する事を目的にする。
【００１７】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明にかかる質量分析計は、上記の目的を達成するために，次のように構成される。そのため、本発明の質量分析計は、先ず、以下のような動作原理で作動する。
▲１▼　荷電粒子に直流電場を印加して、特定の質量のイオンだけを電子線の飛翔方向に直行する方向でＢ−Ｋ振動させて分離する。
▲２▼　更に，この際のイオン生成に関して照射する電子線が電場の為に受ける偏向を殆ど無くする電極構造とする。
▲３▼　分離したイオンの振動を外部の共振回路によって検知する。
▲４▼　振動の検知に同期検波の手法を用いる。
【００１８】
第１のイオン共振型質量分析装置（請求項１に対応）は、イオンのＢ−Ｋ共振振動を電子線の飛翔方向に対して直行する方向で行う点である。従来のＴｒｅｔｎｅｒ型（Ｆａｒｖｉｔｒｏｎ商品名）質量分析計では、イオンは、加速電子の飛翔方向と同じ方向で振動させられており、この振幅を長く取ることで、振動数を測定可能範囲に抑えている。本発明においては、後述する如く、電子線の飛翔方向と、イオンの振動方向とは互いに直行する方向に取られており、これにより電極構造を著しく単純化し、小さくする事を可能にした。
【００１９】
これによって、従来適応が困難とされていた、イオン共振型質量分析装置の高真空、超高真空への適用を可能となし、その応用範囲を極めて拡大する事が出来た。
【００２０】
第２のイオン共振型質量分析装置（請求項２に対応）は、イオンのＢ−Ｋ共振振動を電子線の飛翔方向に対して直行する方向で行い、更に電子線の飛翔が、イオンの加減速電場の影響を殆ど受けない構造となっている。即ち、本第２実施例では、イオン振動の加減速電場が電子線に及ぼす影響を殆ど無い構造とした事で、イオン化個所によって生じるイオン振動数の偏差を無視できる程度に小さくする事が出来た。これによって、イオンの質量分解能を向上する事が出来、その応用範囲を極めて拡大する事が出来た。
【００２１】
第３のイオン共振型質量分析装置（請求項３に対応）は、イオン雲の検出に関して、イオン共振振動用の加減速電極そのものを電気的共振回路の一部の構成部品となし、イオン雲の共振振動を、両電極間の変位電流として検出する事である。これにより、イオン検知用の電極を特別に具備する必要が無くなり、更に単純な電極構造を可能にした。
【００２２】
更に第４のイオン共振型質量分析装置（請求項４に対応）は、電気信号検知に同期検波方式を採用している事である。電子線発生パルスのパルス周期に同期した同期検波を行う事で、検出信号に含まれる外乱ノイズは遮断され、非常に安定した、高感度の測定を可能にした。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１，図２，及び図３は共に、本発明の構造と動作原理を説明するためのものである。図１は，本発明の動作原理を示す鳥瞰図、図２は第１実施例を示す断面図であり，図３は第２実施例を示す。いずれの実施例においても，本発明の特徴であるイオン共振用の加減速電場発生用の平行平板電極を電気的共振回路の一部に組み合わせた構造を取っている。図中，１−Ａ，１−Ｂは平行平板電極、２はグリッド電極、３は電子線，４は正イオン，５は電子線発生用の熱フィラメント，６は電子線コントロール電極，７は電子線トラップ，８は真空容器，１０はパルス電源，１１はイオンの加減速電源、１２は電気的共振回路である。
【００２４】
この動作原理についは、図１，図２を用いて先ず説明を加える。１〜７までの各要素は真空ポンプで排気される真空容器に収められている。
熱フィラメント５から放出した電子はパルス電源１０で加速され，コントロール電極６を通過して電子線３となる。該電子線３は、平行平板電極１の一方の電極１−Ｂ近傍を通ってトラップ７に流入する。途中で真空容器内に残留するガス分子に衝突してこれをイオン化し，正イオン４を発生させる。
【００２５】
正イオン４は電子線３の飛翔方向に対して直行する方向に向けて、イオン加減速電源１１によって印可された加減速電場によって先ず加速され，グリッド電極２に向かって移動する。イオン４がグリッド電極２を通過した時点で，今度は同じイオン加減速電源１１によって印可された加減速電場は減速作用をイオンに与える。イオンはここで減速されつつ平行平板電極１のもう一枚の電極１−Ａ方向に飛翔する。イオンが平行平板電極１−Ａに到着した時点で、その速度は零となり，ここで反転して，再びグリッド電極２に向かう。このとき、イオン加減速電源１１によって印可された加減速電場は加速場として働く。かくて正イオン４はグリッド電極２を中心にして，２枚の平行平板電極１−Ａ，１−Ｂの間で振動を繰り返す。
【００２６】
図２では模式的に正イオン４が振動しながら右方向へ移動するような感じに描いてあるが，これは説明の便の為であって、実際は右方向への移動は行わずに一箇所で上下振動をする。電子線３とガス粒子の衝突は、電子線の飛翔距離全体に渡って引き起こされる。イオンの振動は、それぞれのイオンのイオン化した位置において、電子線３の方向に直行する方向で行われる。それらが最終的な検出信号に寄与する事になり、イオン化された粒子全部が信号強度に寄与する。
【００２７】
その際の振動数は正イオン４の質量の関数であって、振動数（周波数）をｆ，平行平板電極１の極間距離をＬ，イオン加減速電源１１の電圧をＶ，正イオン４の質量をＭとすれば，ｆ∝［√（Ｖ／Ｍ）］／Ｌの関係となる。
【００２８】
ここで電子を加速するパルス電源１０の周期を掃引すれば，パルス周波数が上記のｆと同期したところで，２枚の平行平板電極１の間には定常的に，質量数Ｍの正イオン４のＢ−Ｋ型共振振動が持続する。質量の小さいイオンは高い周波数で，大きいイオンは低い周波数で振動する事になる。
【００２９】
このイオン振動を電気的共振回路１２が検知する。さらに電気的共振回路１２の出力を，電子を加速するパルス電源１０のパルス周期に同期させる同期検波をする事によって，イオン共振とは関係の無い外乱ノイズ、あるいは電気的共振回路１２に発生するハーモニックス等を除去する事が出来て，検知の信頼性が格段に向上する。
【００３０】
以上で説明を加えた第１実施例においては，グリッド電極は，平行平板電極１−Ａ，１−Ｂの中間に配置され，特にその配置位置に関しての特定を行っておらない。一つの推奨される位置としては、平行平板電極１−Ａ，　１−Ｂの中央位置である。グリッド電極がこの位置に置かれる場合は、構造がシンプルである事、グリッド電極と両平行平板電極との間の電場分布が対称であり、イオン振動の数学的取り扱いが単純化できるなどの特徴がある。
【００３１】
次に第２実施例について、図３を用いて説明する。この第２実施例の特徴は、グリッド電極の配置にある。グリッド電極は、飛翔電子線近傍の電極から離れた位置に置かれる。すなわち、グリッド電極は、両電極の中央位置に配置されるのではなく、中央から外れて、飛翔電子線に遠ざけて置かれる。このような配置により、電子線は、加減速用電極の作る電場の影響を少なくする事が出来、電子線飛翔軌跡の偏向を極小に抑える事が出来る。
【００３２】
第２実施例の動作原理は，図３に示すとおりである。図中の各要素の働きは図２の各要素と同様であるが，グリッド電極の位置が，両加減速電極間１−Ａ，１−Ｂの中央におかれている図２の第１実施例と異なり，本第２実施例においては、それが平行平板電極１−Ａの近傍に，これと平行に張られている。
【００３３】
本発明のイオン振動型質量分析装置に於いては、グリッド電極２に印加したイオンの加減速電源１１によって、平行平板電極１―Ａ，１−Ｂ電極面にほぼ垂直に電場が作られており、これによって電子線はＢ電極に向かって偏向される。更に厳密に言うと、コントロール電極６の付近で発生したイオンは、トラップ７に近い所で生じたイオンよりも、１−Ｂ電極から離れたところで発生する事になる。これは、イオンの発生場所に応じてイオン振動数の誤差を生み、ひいては質量分析計の質量分解能の低下を招く。所が、図３で示す第２実施例に於いては、グリッド電極２を２つの平行平板電極の中心から偏って張って、Ｂ電極側の電場を弱くし、Ｂ電極の近傍を電子線３を走らす。これによって、電子線３の偏向は少なく、質量分解能の低下も生じない。
【００３４】
電子線とガス粒子が衝突した個所で、ガス粒子のイオン化は引き起こされるが、電子線の走る位置における電場強度を弱くする電極構造であるため、電子線はその走る軌跡全体に渡って、偏向を受ける事が殆どない。従って、イオン化の起きる位置は、加減速電場の方向内においては常に一定である。この事は、イオンの共振周波数偏差を極小にする事につながり、イオンの質量分解能を低下させない
【００３５】
上記の構造物は、例えば口径１１４ｍｍの標準ＩＣＦフランジに取りつけ、そのまま真空容器の中に収める事が可能である。このような構成によって、真空容器中の残留ガス分析を、容易に行う事が出来る構造簡単なイオン共振型質量分析計を提供する事ができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明ではイオンの共振振動が、電子線の飛翔方向とは直行する方向に選ばれているため，大きな空間を必要とせず，装置の小型化が実現できた。かつ分離したイオンの検出をイオン共振用電極と組み合わせた外部の電気的共振回路で行うために，イオン検知用電極を不要とし、電極構造が非常に簡単となった。また同期検波方式の検知回路は、外乱ノイズに影響され無い計測方法の実現を可能にした。これは装置を小型化し、そこから発生するガスを少なくする事ができたので、高真空、超高真空への利用を可能にした。また電極の小型軽量化による製造コストの削減と高感度の測定により使用範囲の拡大に大きな効果があった。
更に又、第２実施例においては，飛翔電子線が偏向を殆ど受けない構造にした事から，質料分解能を上げる事ができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電極構造を原理的に示す鳥瞰図
【図２】本発明の動作原理図（実施例１）
【図３】本発明の動作原理図（実施例２）
【符号の説明】
１−Ａ，１−Ｂ　平行平板電極
２　グリッド電極
３　電子線
４　正イオン
５　電子線発生用熱フィラメント
６　電子線加速用コントロール電源
７　電子線トラップ
８　真空容器
１０　パルス電源
１１　イオンの加減速電源
１２　共振回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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