(57)【要約】【課題】半導体製造プロセス中のガスのモニタリング用のイオン付着質量分析法およびその装置に使用することができる低温で安定した放出金属イオンを得られる金属イオン放出素子を提供する。【解決手段】加熱することにより金属のイオンを発生する金属イオン放出体１５と、金属イオン放出体１５を加熱する加熱機構１４とから構成される金属イオン放出素子１０において、金属イオン放出体１５は、第１の化合物と第２の化合物の混合物の焼結体であり、第１の化合物と第２の化合物は、周期表の３族以上の元素で構成され、第１の化合物および第２の化合物の少なくとも一方が放出する金属イオンとなる金属元素を含み、金属元素は、周期表の３族から１５族のうちのいずれかの金属元素である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属イオンを放出する金属イオン放出体と、前記金属イオン放出体を加熱する加熱機構とから構成される金属イオン放出素子において、
前記金属イオン放出体は、第１の化合物と第２の化合物の混合物の焼結体であり、前記第１の化合物と前記第２の化合物は、周期表の３族以上の元素で構成され、
前記第１の化合物および前記第２の化合物の少なくとも一方が前記金属イオンとなる金属元素を含み、
前記金属元素は、周期表の３族から１５族のうちのいずれかの金属元素であることを特徴とする金属イオン放出素子。
【請求項２】
前記第１の化合物と前記第２の化合物は酸化物であることを特徴とする請求項１記載の金属イオン放出素子。
【請求項３】
前記第１の化合物と前記第２の化合物の混合物の焼結体は、混晶構造を含むことを特徴とする請求項１記載の金属イオン放出素子。
【請求項４】
前記第１の化合物と前記第２の化合物は窒化物であることを特徴とする請求項１記載の金属イオン放出素子。
【請求項５】
前記金属元素はアルミニウムであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属イオン放出素子。
【請求項６】
前記第１の化合物は、前記金属元素をＭで表し、その金属元素Ｍの組成比をＸ、酸素Ｏの組成比をＹで表したときに、化学式ＭＸＯＹと表される酸化物であり、
前記第２の化合物は、化学式ＳｉＯ２で表される二酸化ケイ素であり、
前記第１の化合物と前記第２の化合物のモル比が（２＋ＸＹ）：Ｘ２Ｙであることを特徴とする請求項１〜３，５のいずれか１項に記載の金属イオン放出素子。
【請求項７】
前記第１の化合物は化学式Ａｌ２Ｏ３で表される酸化アルミニウムであり、前記第２の化合物は化学式ＳｉＯ２で表される二酸化ケイ素であり、
前記酸化アルミニウムと前記二酸化ケイ素のモル比が２：３であることを特徴とする請求項６記載の金属イオン放出素子。
【請求項８】
前記加熱機構による加熱温度は、前記第１の化合物と前記第２の化合物のうち、前記金属元素を含む化合物の前記金属イオンが放出開始する温度を越えない温度であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属イオン放出素子。
【請求項９】
前記加熱温度は１５００℃を越えないことを特徴とする請求項８記載の金属イオン放出素子。
【請求項１０】
半導体製造プロセス中のガスモニタリング用イオン付着質量分析装置のイオン源として用いられることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の金属イオン放出素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属イオン放出素子に関し、特に、金属イオンを被測定ガスに付着させて被測定ガスの同定・定量を行う質量分析装置で用いられる金属イオン放出素子に関する。この金属イオン放出素子は、特に、半導体製造プロセス中のガスのモニタリング用イオン付着質量分析装置に適している。
【０００２】
【従来の技術】
被測定試料中の各成分を分解せずに質量分析する方法として、被測定試料に金属イオンを付着させて行う方法が行われている。後述の特許文献１や本出願人に基づく他の特許出願により、試料成分を分解せず親分子の形態で分析できるイオン付着イオン化法および装置が開示されている。
【０００３】
イオン付着イオン化法は、結合エネルギが数ｅＶのガス分子に、０．１ｅＶ程度の低エネルギの正電荷の金属イオンを付着させて、ガス分子（親分子）と金属イオンの合計された質量を分離／検出するものである。ホッジ（Ｈｏｄｇｅｓ）等によってアルカリ金属イオンを被測定試料に付加させると有効に測定できることが提案されて以来、このイオン付着質量分析法のイオン源としてアルカリ金属イオンやアルカリ土類金属等、中でもＬｉイオンが用いられてきた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
図１は従来のイオン付着質量分析装置におけるイオン源の代表的構成例を概略的に示す図である。このイオン源は、中央部に開口１１ａが形成されたアパーチャ１１と、このアパーチャ１１と接続されその内部に空間を有する容器を形成する隔壁１２とで外側部分が形成される。アパーチャ１１と隔壁１２の間には絶縁部材１３が設けられる。イオン源内の空間には、隔壁１２を電気的に絶縁して貫通する電圧印加部（加熱機構）１４と、イオン源内にある電圧印加部１４の任意な位置に取り付けられた球状金属酸化物からなる金属イオン放出体１５と、金属イオン放出体１５と隔壁１２の間の領域であってアパーチャ１１側と反対の領域に配置されたリペラ電極１６とが設けられている。イオン源の隔壁１２には、被検出ガスおよび他のガスをイオン源内に導入するためのガス導入部１７が設けられる。
【０００５】
アパーチャ１１は、隔壁１２と絶縁部材１３により電気的に絶縁され、かつ接地電位に保持されている。電圧印加部１４には、隔壁１２の外部に配置された電源１８，１９が接続され、所要の電圧が印加されている。また、リペラ電極１６にも隔壁１２の外部に配置された電源２０によって必要な電圧が印加されている。外部からの電気配線が隔壁１２を通過するときには、隔壁１２に設けられた絶縁部２１を経由して配線が行れる。また、図１において、金属イオン放出体１５とアパーチャ１１の間の領域２２はイオン付着が行れる領域である。
【０００６】
金属イオン放出体１５は、放出される金属イオンが例えばリチウムイオン（Ｌｉ＋）の場合、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などからなるアルミノケイ酸塩とリチウム（Ｌｉ）を含有した酸化物（化合物）である酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）などとの混合物からなる焼結体で作られている。金属イオン放出体１５は、球状にしてワイヤ（線）状の電圧印加部１４に例えば焼結して固定されている。金属イオン放出体１５の直径は例えば２〜３ｍｍ程度のものである。金属イオン放出体１５と電圧印加部１４から構成される部分を、特に、「金属イオン放出素子１０」と呼ぶことにする。電圧印加部はイリジウム（Ｉｒ）やタングステン（Ｗ）等の高融点金属のワイヤ形構造であり、ここに電流が流れることによりジュール熱が発生するようになっている。
【０００７】
上記のイオン源では、アパーチャ１１は接地電位に保持され、ガス導入部１７を介して被検出ガスとその他のガスの混合ガスが、真空状態にされたイオン付着領域に導入され、内部は１００Ｐａ程度の減圧雰囲気とされる。その他のガスは、金属ガスが付着しにくい例えば窒素（Ｎ２）などのガスであり、金属イオンが被検出ガスに付着する際に生ずる余剰エネルギを奪い去るために導入される。電圧印加部１４には、バイアス電源１９によって、電圧印加部１４が例えば１０Ｖとなるようにバイアス電圧が印加される。さらに金属イオン放出体１５は、加熱電源１８によって電圧印加部１４に電流を流すことにより加熱される。以上により金属イオン放出体１５の表面に金属イオン（例えばＬｉ＋）が生成され、この金属イオンは、接地電位であるアパーチャ１１との間の空間２２に形成された電界に引かれて金属イオン放出体表面から離脱し（放出され）、アパーチャ１１の方向へ移送される。その後、金属イオンはイオン源内に導入された被検出ガスに付着して、被検出ガスをイオン化する。
【０００８】
本願の発明者らによって開示されているように、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）等のアルカリ金属のイオンは、被測定試料中の分子と会合して擬分子イオンを作りやすく、中でもリチウムイオン（Ｌｉ＋）は対象とする分子に対する親和性が最も高いことから、このようなイオン付着質量分析法にリチウムイオンが最も利用されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００９】
リチウムイオンを放出するための金属イオン放出体１５としては、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を１：１：１のモル比の混合物、あるいは酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を１：１：２のモル比で混合したβ−ユークリプタイト型（β−ｅｕｃｒｙｐｔｉｔｅ）、あるいは酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を１：１：４のモル比で混合したスポジュメーム型（ｓｐｏｄｕｍｅｎｅ）の結晶、非晶質あるいはその混合物の焼結体が採用され、中でもβ−ユークリプタイト型（β−ｅｕｃｒｙｐｔｉｔｅ）が最もリチウムイオン（Ｌｉ＋）の放出率が高いことが知られている（例えば、非特許文献３参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特許公報３２３６８７９号
【非特許文献１】
アール・ヴィ・ホッジ（Ｒ．Ｖ．Ｈｏｄｇｅｓ）、ジェー・エル・ビーチャンプ（Ｊ．Ｌ．Ｂｅａｕｃｈａｍｐ）著、「アナリティカルケミストリ（ＡＮＡＬＹＴＩＣＡＬ  ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ）」、第４８卷、６号、１９７６年、８２５〜８２８頁
【非特許文献２】
岩瀬啓一郎、中村恵、藤井敏博著、「ジャーナル・オブ・ヴァキューム・ソサイティ・オブ・ジャパン（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ）」、第４４卷、７号、２００１年、６５５〜６６０頁
【非特許文献３】
ジェー・ピー・ブレウェット（Ｊ．Ｐ．Ｂｌｅｗｅｔｔ）、アーネスト・ジェー・ジョーンズ（Ｅｒｎｅｓｔ  Ｊ．Ｊｏｎｅｓ）著、「フィジカルレビュー（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．）」、第５０卷、１９３６年、４６４〜４６８頁
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体製造プロセスにおいては、製造した半導体素子にアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属が混入すると、その電気的特性が著しく損なわれるため、このような金属を持ち込む要素は極力回避されている。このような半導体製造装置において、その特性向上のため、また、環境問題の観点から、プロセス中のガスをモニタリングすることが近年重要視されてきている。そこで上記のアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を用いない方法が検討されている。
【００１２】
アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属以外の金属イオン源として、上記のジェー・ピー・ブレウェット（Ｊ．Ｐ．ＢＬＥＷＥＴＴ）等（非特許文献３）は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等の周期表の１３族の金属やチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）の４族以上の金属のイオン放出について報告している。これによると、それぞれの金属単独の酸化物をイオン源とした場合には、いずれもそれぞれの融点近傍の高温に加熱する必要があること、一部の金属では安定しないあるいは実用的な温度では放出しないために、これら金属単独の酸化物はイオン源としては不適格であることを述べている。
【００１３】
例えばアルミニウムイオン（Ａｌ＋）のイオン放出をさせるためには、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の粉末を水をバインダとしてフィラメント（電圧印加部）に塗布後加熱により固定するのが一般的であるが、このイオン源においてアルミニウムイオンを放出するためには、およそ１６００℃もの高温にする必要がある。また、イオン放出率は低く、充分な量の放出イオンを得ることができない。ガリウム（Ｇａ）の場合もおよそ１８００℃以上でも充分なイオン放出は起こらず、チタン（Ｔｉ）では不安定で質量分析には不向きであるとされている。すなわち、放出したい金属の酸化物から構成された金属イオン放出素子では、質量分析に寄与できる安定した金属イオン放出を充分得ることはできない。また、このような高温が必要であることは、上記の金属イオン放出体（アルミニウムイオンの場合には酸化アルミニウム）を担持している高融点材料からなる加熱機構であるタングステン（Ｗ）やイリジュウム（Ｉｒ）のフィラメントの寿命低下につながり、また、被測定物質が金属イオン放出体表面やフィラメント表面で分解あるいは表面電離を起しやすくなる。その結果、測定の精度の低下を引き起こすことになる。
【００１４】
一方、プラズマを利用したホローカソード等のイオン源も考案されているが、イオン電流が安定しないことや放出金属イオン以外のイオンや光も発生すること、また装置も大型である等の理由から、イオン付着質量分析法への応用は困難である。
【００１５】
本発明の目的は、上記の問題を鑑み、半導体製造プロセス中のガスのモニタリング用のイオン付着質量分析法およびその装置に使用することができる低温で安定した放出金属イオンを得られる金属イオン放出素子を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る金属イオン放出素子は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００１７】
第１の金属イオン放出素子（請求項１に対応）は、金属イオンを放出する金属イオン放出体と、金属イオン放出体を加熱する加熱機構とから構成される金属イオン放出素子において、金属イオン放出体は、第１の化合物と第２の化合物の混合物の焼結体であり、第１の化合物と第２の化合物は、周期表の３族以上の元素で構成され、第１の化合物および第２の化合物の少なくとも一方が金属イオンとなる金属元素を含み、金属元素は、周期表の３族から１５族のうちのいずれかの金属元素であることで特徴づけられる。
【００１８】
第１の金属イオン放出素子によれば、第１の化合物あるいは第２の化合物を凝縮性が高く、加熱により両者で混晶を作る組み合わせのものを選択すると、その第１の化合物と第２の化合物の混合物の焼結体により形成された金属イオン放出体は加熱機構に担持されやすく、また、第１の化合物あるいは第２の化合物のうちの放出金属イオンを含む化合物よりも低温でその金属イオンを放出することができる。また、第１の化合物と第２の化合物に含まれる金属元素が周期表の３族から１５族のうちのいずれかの金属元素であるため、放出する金属イオンも周期表の３族から１５族のうちのいずれかの金属元素のイオンであるので、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を混入せずにイオン付着質量分析法を行うことができ、半導体製造プロセス中のガスのモニタリング用のイオン付着質量分析装置のイオン源に用いることができる。
【００１９】
第２の金属イオン放出素子（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは第１の化合物と第２の化合物は酸化物であることで特徴づけられる。
【００２０】
第２の金属イオン放出素子によれば、金属イオン放出体が酸化物である第１の化合物と酸化物である第２の化合物との混晶を含む構成で形成されるため、第１の化合物あるいは第２の化合物のうちの放出金属イオンを含む化合物よりも低温でその金属イオンを放出することができる。
【００２１】
第３の金属イオン放出素子（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは第１の化合物と第２の化合物の混合物の焼結体は、混晶構造を含むことで特徴づけられる。
【００２２】
第３の金属イオン放出素子によれば、第１の化合物と第２の化合物の混合物の焼結体は、混晶構造を含むため、第１の化合物あるいは第２の化合物のうちの放出金属イオンを含む化合物よりも低温でその金属イオンを放出することができる。
【００２３】
第４の金属イオン放出素子（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは第１の化合物と第２の化合物は窒化物であることで特徴づけられる。
【００２４】
第４の金属イオン放出素子によれば、金属イオン放出体が窒化物である第１の化合物と窒化物である第２の化合物との混晶を含む構成で形成されるため、第１の化合物あるいは第２の化合物のうちの放出金属イオンを含む化合物よりも低温でその金属イオンを放出することができる。
【００２５】
第５の金属イオン放出素子（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは金属元素はアルミニウムであることで特徴づけられる。
【００２６】
第５の金属イオン放出素子によれば、金属元素がアルミニウムであるため、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を混入せずにイオン付着質量分析法を行うことができ、半導体製造プロセス中のガスのモニタリング用のイオン付着質量分析装置のイオン源に用いることができる。
【００２７】
第６の金属イオン放出素子（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくは第１の化合物は、放出するイオンとなる金属元素をＭで表し、その金属元素Ｍの組成比をＸ、酸素Ｏの組成比をＹで表したときに、化学式ＭＸＯＹと表される酸化物であり、第２の化合物は、化学式ＳｉＯ２で表される二酸化ケイ素であり、第１の化合物と第２の化合物のモル比が（２＋ＸＹ）：Ｘ２Ｙであることで特徴づけられる。
【００２８】
第６の金属イオン放出素子によれば、第１の化合物と第２の化合物のモル比が（２＋ＸＹ）：Ｘ２Ｙであるため、化学式ＭＸＯＹと表される酸化物と化学式ＳｉＯ２で表される二酸化ケイ素である第２の化合物が混晶を含む構成を形成したときに、ケイ素原子（Ｓｉ）とその周りに配置される４つの酸素原子（Ｏ）によって形成される四面体構造のイオン格子中において、混晶を起した記号Ｍで表した金属元素のイオンが四面体構造の中心のＳｉイオンと容易に置換して記号Ｍで表される金属元素のイオンを中心とする四面体構造を有するようになる。また、四面体構造の間に弱く結合した金属元素Ｍが配置されるようになる。そのため、酸素との結合力の弱い記号Ｍで表される金属元素のイオンと四面体構造の間の弱く結合した金属元素Ｍのイオンは、加熱することにより容易に放出させることができる。それにより、質量分析に寄与できる安定した金属イオンを充分得ることができる。
【００２９】
第７の金属イオン放出素子（請求項７に対応）は、上記の構成において、好ましくは第１の化合物は化学式Ａｌ２Ｏ３で表される酸化アルミニウムであり、第２の化合物は化学式ＳｉＯ２で表される二酸化ケイ素であり、酸化アルミニウムと二酸化ケイ素のモル比が２：３であることで特徴づけられる。
【００３０】
第７の金属イオン放出素子によれば、第１の化合物が化学式Ａｌ２Ｏ３で表される酸化アルミニウムであり、第２の化合物は化学式ＳｉＯ２で表される二酸化ケイ素であり、酸化アルミニウムと二酸化ケイ素のモル比が２：３であるため、酸化アルミニウムと二酸化ケイ素が混晶を含む構成を形成したときに、ケイ素原子（Ｓｉ）とその周りに配置される４つの酸素原子（Ｏ）によって形成される四面体構造のイオン格子中において、混晶を形成したアルミニウムイオンが四面体構造の中心のＳｉイオンと容易に置換してアルミニウムイオンを中心とする四面体構造を有するようになる。また、四面体構造の間に弱く結合したアルミニウムイオンが配置される。そのため、酸素との結合力の弱いアルミニウムイオンは、加熱することにより容易に放出させることができる。それにより、質量分析に寄与できる安定したアルミニウムイオンを充分得ることができる。
【００３１】
第８の金属イオン放出素子（請求項８に対応）は、上記の構成において、好ましくは加熱機構による加熱温度は、第１の化合物と第２の化合物のうち、金属元素を含む化合物の金属イオンが放出開始する温度を越えない温度であることで特徴づけられる。
【００３２】
第８の金属イオン放出素子によれば、加熱機構による加熱温度を下げることができるので、加熱機構であるフィラメントの寿命の低下を防ぐことができ、また、被測定物質の金属イオン放出体表面やフィラメント表面での分解あるいは表面電離を起こしにくくし、その結果、測定の精度を上げることができる。
【００３３】
第９の金属イオン放出素子（請求項９に対応）は、上記の構成において、好ましくは加熱温度は、１５００℃を越えないことで特徴づけられる。
【００３４】
第９の金属イオン放出素子によれば、加熱温度は、１５００℃を越えないため、加熱機構であるフィラメントの寿命の低下を防ぐことができ、また、被測定物質の金属イオン放出体表面やフィラメント表面での分解あるいは表面電離を起こしにくくし、その結果、測定の精度を上げることができる。
【００３５】
第１０の金属イオン放出素子（請求項１０に対応）は、上記の構成において、好ましくは半導体製造プロセス中のガスモニタリング用イオン付着質量分析装置のイオン源として用いられることで特徴づけられる。
【００３６】
第１０の金属イオン放出素子によれば、金属イオン放出素子は、半導体製造プロセス中のガスモニタリング用イオン付着質量分析装置のイオン源として用いるようにしたため、半導体製造プロセス中のガスの成分を分解せずに精度良く同定・定量することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３８】
なお、本発明の実施形態にあたっては、金属イオン放出体以外は図１に示す従来装置と構成は同じであるため、図１を用いて説明し、金属イオン放出体以外の構成要素についての説明は省略する。
【００３９】
本実施形態での金属イオン放出素子１０を構成する金属イオン放出体１５は、第１の化合物と第２の化合物の混合物の焼結体からなり、第１の化合物と第２の化合物は、周期表の３族以上の元素で構成され、第１の化合物および第２の化合物の少なくとも一方が放出する金属イオンとなる金属元素を含み、金属元素は、周期表の３族から１５族のうちのいずれかの金属元素である。例えば、第１の化合物は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などであり、第２の化合物は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などである。
【００４０】
金属イオン放出体１５となる第１の化合物と第２の化合物の混合物の焼結体を形成するには、粉末状の第１の化合物と粉末状の第２の化合物を適当なモル比、例えば、第１の化合物は、放出するイオンとなる金属元素をＭで表し、その金属元素Ｍの組成比をＸ、酸素Ｏの組成比をＹで表したときに、化学式ＭＸＯＹと表される酸化物であり、第２の化合物は、化学式ＳｉＯ２で表される二酸化ケイ素であり、第１の化合物と第２の化合物のモル比が（２＋ＸＹ）：Ｘ２Ｙであるように混合し、特に、第１の化合物は化学式Ａｌ２Ｏ３で表される酸化アルミニウムであり、第２の化合物は化学式ＳｉＯ２で表される二酸化ケイ素であるときには、酸化アルミニウムと二酸化ケイ素のモル比が２：３であるように、それぞれの粉末をボールミルなどにより混ぜ合わせ、その混ぜ合わせた粉末を水をバインダとして、フィラメントすなわちワイヤ状の電圧印加部１４を貫通するように球状に成形する。その後、その成形体を乾燥させ、電圧印加部１４を通電させることにより、電圧印加部１４を適当な温度まで加熱し、適当な時間保つことにより、成形体すなわち金属イオン放出体１５を焼結する。例えば、第１の化合物に酸化アルミニウム、第２の化合物に二酸化ケイ素を用いた場合には、混ぜ合わせに、５分、乾燥２０分、電圧印加部１４を１２００℃に加熱し、１時間保つことにより焼結することにより、混晶構造を含む金属イオン放出素子１０を得ることができる。
【００４１】
次に、上記のようにして得られた金属イオン放出素子１０を用いたイオン源の動作を説明する。上記のようにして得られた金属イオン放出素子１０を用いて、図１において電源１８により電圧印加部（加熱機構）１４に電流を流して加熱する。このときの金属イオン放出素子１０の動作加熱温度は、第１の化合物と第２の化合物のうち、放出する金属イオンとなる金属元素を含む化合物のイオンが放出開始する温度を越えない温度である。特に、第１の化合物が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で第２の化合物が二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の場合は、金属イオン放出素子１０の動作加熱温度は、１５００℃以下である。
【００４２】
一方、電源１９により発生した電界により、金属イオンを押出すことにより、金属イオンが放出される。このとき放出された金属イオンは、周期表の３族から１５族のうちのいずれかの金属元素のイオンであり、アルカリ金属やアルカリ土類金属を含んでいない。特に、第１の化合物が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、第２の化合物が酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる金属イオン放出素子１０の場合には、放出する金属イオンがアルミニウムイオンである。
【００４３】
その後、金属イオンをイオン化領域２２へ放出し、そこで被測定物質の各成分分子に付着させる。金属イオンがアルミニウムイオンの場合は、各成分分子にアルミニウムイオンが付着した状態となる。その後例えば図示しない四重極フィルタ等の質量分析部に金属イオンが付着した被測定物質の擬分子イオンを通過させて、検出し、各分子の質量スペクトルを得ることができる。
【００４４】
このように、本発明の金属イオン放出素子１０を用いた場合、第１の化合物あるいは第２の化合物を凝縮性が高く、加熱により両者で混晶を作る組み合わせのものを選択すると、その第１の化合物と第２の化合物の混合物の焼結体により形成された金属イオン放出体１５は電圧印加部１４に担持されやすく、また、第１の化合物あるいは第２の化合物のうちの放出金属イオンを含む化合物よりも低温でその金属イオンを放出することができる。また、第１の化合物と第２の化合物に含まれる金属元素が周期表の３族から１５族のうちのいずれかの金属元素であるため、放出する金属イオンも周期表の３族から１５族のうちのいずれかの金属元素のイオンであるので、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を混入せずにイオン付着質量分析法を行うことができ、半導体製造プロセス中のガスのモニタリング用のイオン付着質量分析装置のイオン源に用いることができる。
【００４５】
特に、放出する金属イオンとなる金属元素がアルミニウムであるため、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を混入せずにイオン付着質量分析法を行うことができ、半導体製造プロセス中のガスのモニタリング用のイオン付着質量分析装置のイオン源に用いることができる。
【００４６】
また、金属イオン放出素子１０の動作加熱温度を下げることができるので、加熱機構であるフィラメントすなわち電圧印加部１４の寿命の低下を防ぐことができ、また、被測定物質の金属イオン放出体表面やフィラメント表面での分解あるいは表面電離を起こしにくくし、その結果、測定の精度を上げることができる。
【００４７】
特に、金属イオン放出体１５を酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が２：３のモル比の混合物の焼結体で形成した場合、金属イオン放出素子１０の動作加熱温度は、１５００℃以下であるため、加熱機構であるフィラメントの寿命の低下を防ぐことができ、また、被測定物質の金属イオン放出体表面やフィラメント表面での分解あるいは表面電離を起こしにくくし、その結果、測定の精度を上げることができる。
【００４８】
さらに、このような金属イオン放出素子１０は、半導体製造プロセス中のガスモニタリング用イオン付着質量分析法およびその装置のイオン源として用いるようにしたため、半導体プロセス中のガスの成分を分解せずに精度良く同定・定量することができる。
【００４９】
次に、実施例として金属イオン放出体１５に第１の化合物に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、第２の化合物に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用いた混合物の焼結体を使用したときのイオン放出に対する実験結果とその考察について述べる。
【００５０】
図１に示す装置における金属イオン放出体１５として、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の種々の組成比での混合物の焼結体を用い、その金属イオン放出体１５をイオン源に使用した場合のアルミニウムイオン放出の実験結果としてアルミニウムイオンの放出量（相対値）を表１に示す。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
この実験は、電圧印加部１４に、各組成での酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の混合物の焼結体を金属イオン放出体１５として固定し、電圧印加部１４を通電し、金属イオン放出体１５を１２００℃に加熱したときの一定時間に放出されるアルミニウムイオンの放出量を測定した。そして、その結果を酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）との組成比を１：０、すなわち、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の場合のアルミニウムイオン放出量を２としたときの相対的な量で表した。
【００５３】
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の組成比が１：１のときには、アルミニウムイオン放出量は１となる。また、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の組成比が２：３のときには、アルミニウムイオン放出量は６となり、さらに、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の組成比が１：２のときにはアルミニウムイオン放出量は０．８となる。図２は、表１の結果を横軸を二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の比で表し、縦軸をアルミニウムイオン放出量の相対値を表したときのグラフである。表１と図２のグラフを見て分かるように、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）に対する二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のモル比を１：１と１：２にすると、電圧印加部１４への担持は容易になるがアルミニウムイオン放出量は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）だけの場合の約半分になり、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のモル比を２：３（１：１．５）にすると酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）だけの場合の約３倍のアルミニウムイオン放出量を得ることができることが分かる。
【００５４】
次に、上記の実験結果について考察する。
【００５５】
ケイ素（Ｓｉ）を含む化合物（ケイ酸塩化合物）の結晶構造は古くから研究され、ケイ素（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）の強力な結合によりＳｉＯ４四面体を最小単位として構成されていることが知られている。これは半径１．３オングストローム（Å）の酸素イオン（Ｏ２−）によって構成される正四面体の中心の空隙にケイ素イオン（Ｓｉ４＋）が配置された構造となっているとされている。表２には、代表的な元素のイオン半径とその酸化物の融点を示したものである。
【００５６】
【表２】
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【００５７】
表２から分かるように、ケイ素（Ｓｉ）のイオン半径は０．４オングストローム（Å）であり、そのイオン半径に近い元素、例えばアルミニウムイオン（Ａｌ３＋）のイオン半径は０．５オングストローム（Å）、０．６オングストローム（Å）であり、チタンイオン（Ｔｉ４＋）のイオン半径は０．７オングストローム（Å）であり、またジルコニウムイオン（Ｚｒ４＋）のイオン半径は０．８オングストローム（Å）であるから、それらのイオンはＳｉＯ４四面体構造のＳｉ４＋と置換されることが知られており、特にアルミニウムイオン（Ａｌ３＋）はＡｌ−同形置換体をなす混晶を作ることがよく知られている。このアルミニウムイオン（Ａｌ３＋）がＳｉＯ４四面体の中心に位置するケイ素イオン（Ｓｉ４＋）と置換した場合、アルミニウムイオン（Ａｌ３＋）は３価のイオンであるため、４価のイオンであるケイ素イオン（Ｓｉ４＋）が中心にある場合よりも四面体を形成する酸素の負の電荷があまった状態にある。一方、複数のＳｉＯ４四面体が頂点の酸素の共有結合により連結する際には結晶空隙を形成していく。このＳｉＯ４四面体のＳｉイオンと置換したＡｌＯ４四面体では、前述の結晶空隙にＡｌイオンを取り込んだ構成となっていて、明確な理由は分からないが、加熱により一価のイオンとして放出されると考えられる。
【００５８】
従来のアルカリ金属イオン放出体は、上記の混晶を含む構成にアルカリ金属の酸化物を混ぜることにより、アルカリ金属イオンを放出させていたが、これは上記の構造が４価のケイ素イオン（Ｓｉ４＋）に比べてアルミニウムイオン（Ａｌ３＋）が価数が１個不足していることに起因してアルカリ金属イオン（Ｌｉ＋，Ｎａ＋，Ｋ＋）が捕獲されやすい事実に関係していると思われる。半導体製造プロセスガスの質量分析用のイオン放出体としては、放出したい元素とケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）以外の元素特に、半導体の電気的特性に影響を及ぼすアルカリ金属が含まれないようにする必要がある。
【００５９】
また、アルミニウムイオンを放出させる場合には酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のモル比が２：３の時に最もイオン放出率が高い。これは、アルミニウム（Ａｌ）とケイ素（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）のイオンの電荷数が関与していると考えられる。すなわち、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）により混晶を含む構成を形成した場合、混晶部分では各イオンの電荷を補償するように各イオンは配置すると考えられる。また、上述したように二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）との混晶を含む構成の場合、混晶部分では一部のアルミニウムイオンはケイ素イオンと酸素イオンで形成される四面体構造のＳｉ４＋と置換した構造をとるため、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が１：１のモル比で混合し、焼結した場合、その結果得られる混晶部分では、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と同量のアルミニウムを中心とする四面体構造をとるとすると、その四面体構造では、ケイ素が４価の正イオンに対して、アルミニウムが３価の正イオンであるため、全体として、ケイ素イオンが中心に配置している場合に比べて１価余分に負に帯電しているため、その四面体構造の付近に、正電荷のアルミニウムイオンが配置されると考えられる。そのため、混晶部分でも酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が１：１のモル比になっていると仮定すると、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を構成する２の割合のＡｌと３の割合のＯのうち１の割合のＡｌと２の割合の酸素、すなわちＡｌＯ２がＳｉＯ２と同様に四面体構造を形成し、残りのＡｌとＯがその四面体構造と電荷補償するように配置される。そのとき、四面体の外側のアルミニウムは近くに負電荷を持つ酸素があるため、混晶部分内で強く束縛された状態と考えられる。そのため、アルミニウムイオンは、加熱したときにも放出しにくいと考えられる。
【００６０】
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のモル比が２：３のときには、混晶部分での酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のモル比も２：３であると仮定すると、Ａｌ２Ｏ３からはＡｌが４で酸素が６の割合で混合し、ＳｉＯ２からはＳｉが３でＯが６の割合で混合される。そのとき、アルミニウムも酸素と四面体を形成するとすると、酸素６にアルミニウム３の割合で四面体を形成するので、残りの１のアルミニウムは、四面体の外側に配置されると考えられる。アルミニウムを中心とする四面体は、負に帯電しているため、その電荷を補償するように、四面体の周りに配置されると考えられる。そして、このアルミニウムは混晶部分内での結合が比較的弱いと考えられ、加熱したときにイオンとして放出しやすいと考えられる。
【００６１】
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のモル比が１：２のときには、混晶部分での酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のモル比も１：２であると仮定すると、Ａｌ２Ｏ３からはＡｌが２で酸素が３の割合で混合し、ＳｉＯ２からはＳｉが２で酸素が４の割合で混合すると考えられる。このとき、ＳｉＯ２と同数のアルミニウムを中心とする四面体を形成するには、酸素が不足している。そのため、混晶部分ではその酸素を補うため、Ａｌイオンの周りにＳｉを中心とする酸素四面体が集まり混晶を形成すると考えられる。そのため、アルミニウムイオンの周りには酸素が多くなり、混晶部分内でのアルミニウムイオンは強く束縛されることになると思われる。それにより、加熱したときのアルミニウムイオンの放出量が少なくなると考えられる。
【００６２】
上記のことから類推して、アルミニウムイオンの放出量の最大となる酸化アルミニウムと二酸化ケイ素のモル比の２：３を一般化すると、第１の化合物は、イオンとなる金属元素をＭで表し、その金属元素Ｍの組成比をＸ、酸素Ｏの組成比をＹで表したときに、化学式ＭＸＯＹと表される酸化物であり、第２の化合物は、化学式ＳｉＯ２で表される二酸化ケイ素であり、第１の化合物と第２の化合物のモル比が（２＋ＸＹ）：Ｘ２Ｙのときが、金属元素を四面体の中心に置換した構造を多く有し、また、その四面体構造の周りに結合が弱い金属元素Ｍが配置された混晶を含む構成を得ることができると考えられ、このとき、混晶部分によって最も多くの金属元素Ｍのイオン放出を起こすことができると考えられる。
【００６３】
図３は、上記の最適なＡｌイオン放出体、すなわち、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）とのモル比が２：３で形成したものを使用して、その放出Ａｌイオン量を測定した結果を示したものである。横軸は、フィラメントの加熱温度であり、縦軸はアルミニウムイオンの放出量をイオン電流の対数で表したものを示す。図３を見て分かるように、加熱機構の温度上昇と共に、Ａｌイオン量の対数値はほぼ直線的に増加し、１２００℃においてイオン付着質量分析に必要なＡｌイオン量（０．２μＡ）を得られることを見出した。この加熱温度は、表２に示すＡｌ酸化物の融点（２０５４℃）やＳｉ酸化物の融点（１７１３℃）よりも充分低く、また、Ａｌ酸化物をイオン源とした場合に必要とする１６００℃よりも低いことが分かる。
【００６４】
上記のように放出したい金属の化合物（酸化物）だけではなく、その金属化合物と元素置換して混晶を含む構成を形成したものであれば、金属化合物単体をイオン源にするよりもはるかに低い温度で、測定に必要な金属イオンを得ることができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、金属イオンを被測定ガスに付着させて被測定ガスの同定・定量を行う質量分析装置において、アルカリ金属の混入を嫌う金属半導体製造プロセス中のガスのモニタリングを行う場合に、低温で安定した放出金属イオンを得られる長寿命の金属イオン放出素子を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の質量分析装置を示す概略回路図である。
【図２】Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２混合比とＡｌイオン放出量の関係を示すグラフである。
【図３】Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２のモル比が２：３の金属イオン放出体をイオン源にしたときの加熱温度とＡｌイオン放出量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０          金属イオン放出素子
１１          アパーチャ
１２          隔壁
１３          絶縁部材
１４          電圧印加部（加熱機構）
１５          金属イオン放出体
１６          リペラ電極
１７          ガス導入部
１８，１９    電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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