JPH047558Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は、質量分析計を利用してガス中の不
純物を分析する分析装置に関するものである。

〔従来の技術〕

質量分析計を利用してガス中の不純物を分析す
る分析装置としては、分析室に試料ガスを直接導
入して不純物の分圧を測ることにより不純物を分
析する装置と、質量分析計とガスクロマトグラフ
とを組み合わせ、ガスクロカラムの分離、濃縮効
果によつて不純物を分析する装置（以下
「GCMS」という）とがある。

前者は、さらに分析室の真空排気システムの違
いから、ターボ分子ポンプと油回転ポンプとを組
み合わせたものと、油拡散ポンプと油回転ポンプ
とを組み合わせたものとに区別されるが、いずれ
のタイプによつても、試料ガスを流さない場合の
分析室の到逹真空度は10^-8〜10^-9Torrであり、
分析室構成部材からの脱ガスを完全排気をするこ
とができず、その脱ガス成分であるH₂、O₂、
N₂、CO、CO₂等が残存する。したがつて、試料
ガス分析時に、分析室にはバツクグラウンドとし
て上記H₂、O₂、N₂、CO、CO₂等が存在すること
となり、試料ガス中の測定対象不純物成分が、こ
れらのバツクグラウンド成分と同種の成分である
場合の検出においては、その不純物成分がバツク
グラウンドの分圧以上の分圧をもつ濃度でなけれ
ばならないため、最小分析濃度は、数ppmが限度
である。

一方、一般に前者よりも最小分析濃度が小さい
（分析精度が高い）といわれるGCMSにおいて
も、ガスクロカラム等のリークならびにカラム部
材および充填剤からの脱ガスを完全に防ぐことは
できないため、大気成分であるO₂、N₂等を分析
対象物とした場合には、0.1ppm以下の濃度につ
いては正確な分析ができないこと、ppmオーダー
またはそれ以下の定量については、数10〜数
100ppmオーダーで作成した検量線から推定して
定量するので信頼性に乏しいこと等の限界があ
る。

〔考案が解決しようとする問題点〕

一方、近年、半導体工業等において用いられる
ガス、例えばH₂ガス等は、６ナイン（純度
99.9999％）、７ナイン、さらには８ナインといつ
た高純度のものが要求されるようになつており、
この要求に応えるべくガス中の不純物成分が、
個々について1ppbのレベルまで検出でき、しか
もすべての不純物成分についての分析が可能であ
るような分析装置が必要となつてきた。

しかしながら、従来の分析装置、例えば分析室
に試料ガスを直接導入する装置においては、油拡
散ポンプと油回転ポンプを組み合わせて分析室を
真空排気するタイプと、ターボ分子ポンプと油回
転ポンプを組み合わせて真空排気するタイプのい
ずれのタイプでも、すでに述べたように分析室の
真空度が10^-8〜10_-9Torrに限られているため、
不純物の最小分析濃度がppmオーダーに限られて
いる。また、GCMSにおいても、すでに述べた
ようにガスクロカラム等のリークならびに脱ガス
防止に限界があること、ppmオーダーまたはそれ
以下の検量線は推定によつていること等の理由に
よりppbオーダーで正確な分析値を与えることは
困難である。

このように、従来の分析装置は、いずれも試料
ガスの不純物をppbオーダーで正確に分析でき
ず、上記産業界の要求に充分応えることはできな
い。

この考案は、このような事情に鑑みなされたも
ので、ガス中の不純物成分が個々について1ppb
のレベルまで検出でき、しかもすべての不純物成
分についての分析が可能であるような分析装置の
提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この考案のガス中
の不純物分析装置は、質量分析計の分析管が接続
されている分析室の排気部と、油回転ポンプの吸
気部とが、オイルレスターボ分子ポンプとゲート
バブルと冷却トラップと油拡散ポンプをこの順で
備えた流路で接続され、ソープシヨンポンプまた
はダイヤフラムポンプ等のオイルレスポンプが、
切換手段を備えた分岐流路によつて上記流路に接
続されており、分析室の真空度を10^-11Torr以下
に設定しうるようになつているという構成をとる
ものである。

つぎに、この考案を実施例にもとづいて詳しく
説明する。

第１図はこの考案の一実施例の構成を示してい
る。１は分析室で、最小検知分圧が10^-13〜10^-14
Torr、分解能がＭ／△Ｍ＝2000程度の質量分析
計（図示せず）の分析管２と電離真空計のヌード
ゲージ３とが接続されている。上記分析室１はケ
ーシング４で被覆されており、ケーシング４と分
析室１との間の空間には、液体窒素が導入され
る。これは、上記分析室１内を液体窒素で超低温
に冷却し、常温では実現出来ない高真空状態を実
現するために設けられたものである。５はベーク
用ヒータであり、上記ケーシング４に液体窒素を
導入するに先立つて上記分析室１を加熱し、分析
室構成部材に吸蔵されているO₂等の吸蔵ガスを
追い出すことにより分析室の真空度を高める作用
をする。上記分析室１の排気口６はオイルレスタ
ーボ分子ポンプ７の吸気口８に接続されており、
このオイルレスターボ分子ポンプ７の排気口９は
油の逆拡散を防止するためのゲートバルブ１０お
よび冷却トラツプ１１を備えた流路Ａを介して油
拡散ポンプ１２の吸気口１３に接続されている。
上記油拡散ポンプ１２は、10^-8Torr以下の真空
では分析室１内の残留ガスの殆どがH₂になるこ
とに鑑み、H₂を効率よく排気するために用いら
れる。油拡散ポンプ１２の排気口１４から油回転
ポンプ１５に延びる流路Ｂには、ピラニー真空計
１７とストツプバルブ１８とが設けられている。
１９はリークバルブでゲートバルブ１０と冷却ト
ラツプ１１を結ぶ流路Ａから延びるリーク流路Ｃ
に設けられており、油拡散ポンプ１２の真空状態
を解除する時に開成するようになつている。上記
リーク路Ｃは不活性ガスボンベ（図示せず）と接
続されておりリークバルブ１９を開成するとAr、
N₂といつた不活性ガスが油拡散ポンプ１２に流
入し、油の酸化、水分混入等による劣化を起すこ
となく真空状態を解除しうるようになつている。

ストツプバルブ１８と油回転ポンプ１５とを結
ぶ流路からはリーク流路Ｄが延びており空気中に
開放されている。リークバルブ２０を開成すると
油回転ポンプ１５に空気が流入して真空状態を解
除するようになつている。

オイルレスターボ分子ポンプ７の排気口９とゲ
ートバルブ１０を結ぶ流路にはストツプバルブ２
２、ピラニー真空計１６を備えた分岐流路Ｅを介
してソープシヨンポンプ２１が接続されており、
分析室１ならびにオイルレスターボ分子ポンプ７
の粗引きの際に使用される。一方、試料ガスを分
析室１に導入するための入口２３は、ストツプバ
ルブ２４、フイルター２５、バリアブルリークバ
ルブ２６、ゲートバルブ２７をこの順に備えた流
路Ｆによつて分析室１に接続されている。この流
路Ｆは、分岐流路ＧとＨとを備えており、流路Ｇ
はストツプバルブ２８を介してパージ用高純度
Arの流入口２９に接続されている。流路Ｈはパ
ージバルブ３０を有しており、パージバルブ３０
の開成により排気口となる。

この構成において、試料ガスとして、例えば
N₂ガスを導入してその不純物成分の分析を行う
場合、つぎのような操作によつて行う。この場
合、理解を容易にするため、操作を、(イ)真空度の
調整、(ロ)検量線の作成、(ハ)試料ガスの分析、の３
段階に分けて説明する。

(イ) 真空度の調整 まず、ストツプバルブ２８を開成し、パージ用
高純度Arを充分流して流路全体をパージした上
でストツプバルブ２８を閉じる。このとき、ベー
ク用ヒータ５のスイツチを入れ、分析室１内を加
熱して分析室構成部材に吸蔵されている吸蔵ガス
をつぎの真空排気時に追い出すようにする。

つぎに、粗引きおよび本引きからなる真空排気
を行い、分析室１内を高真空状態にする。上記粗
引きは、ゲートバルブ１０を閉じた状態で、スト
ツプバルブ２２を開きソープシヨンポンプ２１を
作動させ、流路Ｅを利用して行う。ピラニー真空
計１６が1Torr程度になつたところでオイルレス
ターボ分子ポンプ７を始動させ、充分な回転数に
なるまで待機する。その間に冷却トラツプ１１、
油拡散ポンプ１２、油回転ポンプ１５からなるオ
イルレスターボ分子ポンプ７の排気ラインの作動
準備を行う。まず冷却トラツプ１１に液体窒素を
入れストツプバルブ１８を開けて油回転ポンプ１
５を作動させる。ピラニー真空計１７が1Torr程
度になつたところで油拡散ポンプ１２を始動さ
せ、油拡散ポンプ１２が充分な排気能力を持つ状
態になるまで待機する。

油拡散ポンプ１２が充分な排気能力を持つ状態
になり、すでに始動を開始してあつたオイルレス
ターボ分子ポンプ７が充分な回転数になればスト
ツプバルブ２２を閉じ、ゲートバルブ２２を閉
じ、ゲートバルブ１０を開ける。これで流路Ｅを
利用した分析室１およびオイルレスターボ分子ポ
ンプ７の粗引きが完了し、同時に流路Ａ、Ｂを利
用した本引きに移る。

このような流路を変えた粗引きを行うことによ
り分析室１に対する油の逆流を防止する。すなわ
ち、オイルレスのソープシヨンポンプ２１を使用
して1Torr程度まで粗引きした後、真空状態で性
能を発揮するオイルレスターボ分子ポンプ７を始
動させ充分な回転数になり油の逆流を阻止しうる
状態になつたところで、ソープシヨンポンプ２１
から油拡散ポンプ１２および油回転ポンプ１５の
流路に切換えることにより、油拡散ポンプ１２お
よび油回転ポンプ１５から分析室１への油の逆流
を完全に防止しうる。その結果、分析室１内は、
気化した逆流油によつて汚染されることなく、長
時間にわたつて超高真空下にあつても正確な分析
結果が得られることになる。

なお、分析室１内への油の浸入を防ぐためにオ
イルレスの磁気浮上式ターボ分子ポンプを使用
し、これと油回転ポンプと組み合わせ、双方を駆
動し粗引きを行つても分析室１内への油の浸入は
完全には防止できない。すなわち、上記磁気浮上
式ターボ分子ポンプは、高回転で高真空度の状態
にならないと充分に性能を発揮しないのであり、
それまでは油回転ポンプから分析室１への油の逆
流を遮断できない。

つぎに、上記の状態から油拡散ポンプ１２およ
び油回転ポンプ１５からなる排気流路Ａ、Ｂを利
用して排気をすすめ、分析室１内が10^-9Torr程
度の真空になつたら、さきに入れておいたベーク
用ヒータ５のスイツチを切りケーシング４に液体
窒素を導入し分析室１内を超低温に冷却して、分
析室１内を10^-11Torr以下の真空度にする。分析
室１内の圧力の読み取りは電離真空計のヌードゲ
ージ３によつて行う。

(ロ) 検量線の作成 N₂ガスの分析を始める前に、予測される対象
不純物成分について検量線を作成する。まず、対
象不純物成分、例えばCO₂が0.1％含まれた高純
度Arガスを作製して、これを標準ガスとする。
この場合、標準ガス１に対しCO₂は１c.c.で、正
確に取扱い得る量なので精度よく作製できる。つ
ぎに、この標準ガスを試料ガス入口２３から、前
記の真空度調整によつて10^-11Torrにされた分析
室に、10^-10〜10^-7Torrの圧力範囲で導入する。
そして、この圧力範囲で、質量分析計の出力電流
値を読み取り、圧力と出力電流値の関係図を作成
する。

ここに、標準ガス中のCO₂濃度は0.1％だから、
CO₂の分圧も標準ガスの圧力の１／1000である。
したがって、上記圧力と出力電流値の関係図は、
CO₂の分圧と出圧電流値の関係図に変換すること
ができる。この関係図が分析の際、不純物の定量
に用いる検量線となる。同様にしてCO₂以外にも
分析すべき不純物成分があれば、それについての
検量線を作成する。検量線は測定対象とする不純
物成分の個々について作成してもよいし、あるい
はモル比を明らかにした混合ガスとして作成して
もよい。

(ハ) 試料ガスの分析 分析開始までに、すでに述べたような分析室１
の真空度調整を行い、分析室が10^-11Torr以下に
なつていることを確認した上でストツプバルブ２
８を開成してパージ用高純度Arを導入し、バリ
アブルリークバルブ２６を調整して分析室内を
10^-8Torrにする。ここで、10^-11Torr以下の超真
空度に排気した分析室１に試料ガスを導入する
と、分析室１内の分析管近傍のバツクグランドの
分圧は、導入試料ガスの流れにより脱ガス成分の
拡散が抑えられることにより、導入する前よりも
一桁程度低い圧力になるため、Arを10^-8Torrに
導入した場合のバツクグランドの分圧は10^-12
Torr以下となり、しかも排気しにくいH₂のみと
なる。この状態で分析室一内のガスの測定をすれ
ば高純度Ar中に1ppm程度の不純物成分があつた
としても分圧としては10^-14Torrになり検出され
ず、Ar以外にはバツクグランド成分だけが検出
されることになる。すなわち10^-12Torr以下のH₂
のみが検出される。この状態が確認できれば試料
ガスの分析準備完了となる。次にストツプバルブ
２８を閉じてストツプバルブ２４を開くことによ
りパージ用高純度Arから試料ガスに切換え、試
料ガスN₂を分析室１に導入し、バリアブルリー
クバルブ２６で調整して10^-4Torrの圧力で分析
する。試料ガス中の対象不純物成分がH₂である
ときは10^-12Torr以下では分析精度がでないが、
他の不純物成分については10^-12Torr以下でも分
析精度は充分にでるといえる。このときの質量分
析計の出力電力値を読み取り、さきに準備してお
いた検量線に照らして不純物の分圧に換算すれ
ば、以下の算出式により不純物の濃度を知ること
ができる。

（算出式） 不純物の濃度_(ppb)＝不純物の分圧（Torr）
×10⁹／分析室の圧力（Torr） この式にあてはめて考えれば、不純物成分が
H₂のときは10ppb、不純物成分がH₂以外の場合
には1ppb程度の濃度まで正確に分析できる。

なお、上記の実施例は、初期の粗引きを行うソ
ープシヨンポンプ２１を流路Ｅを介してオイルレ
スターボ分子ポンプ７の排気口９とゲートバルブ
１０を結ぶ流路に接続しているが、第２図に示す
ように、ソープシヨンポンプ２１を、流路E′を介
して、油拡散ポンプ１２の排気口１４とストツプ
バルブ１８を結ぶ流路に接続してもよい。このよ
うにしても前記実施例と同様の効果を得ることが
できる。

また、上記２つの実施例では、いずれも初期の
粗引きポンプとしてソープシヨンポンプを用いて
いるが、これに代えてオイルレスダイヤフラムポ
ンプを用いてもよい。

〔考案の効果〕

以上のように、この考案のガス中の不純物分析
装置は、分析室の排気部と油回転ポンプの吸気部
とを、オイルレスターボ分子ポンプ、ゲートバル
ブ、冷却トラツプ、油拡散ポンプを備えた流路で
接続し、ソープシヨンポンプ（またはオイルレス
ダイヤフラムポンプ）を切換手段を備えた分岐流
路によつて上記流路に接続しているため、分析室
内を、10^-11Torrという高真空にでき、1ppbのレ
ベルまでガス中の不純物を分析することができ
る。しかも、この装置によれば、定量分析のため
に用いられる不純物の分圧と質量分析計の出力電
流値の関係図の作成も容易であり、極微量分析に
おいても標準ガスの範囲内での定量となり、従来
のGCMSよりもはるかに信頼性の高い分析が可
能となる。また、前記切換手段の操作により、分
析室を粗引きする際、ソープシヨンポンプを使用
するため始動、停止を繰り返してもオイルレスタ
ーボ分子ポンプならび分析室への油の逆流がな
く、長期にわたつて分析精度が損なわれることが
ないのである。このように、この考案のガス中の
不純物分析装置は、ガス中の不純物成分につい
て、H₂で10ppb、他の成分で1ppb程度まで正確
に分析でき、しかもすべての不純物成分について
の分析ができる。したがって、半導体産業等で用
いられる、６ナイン、７ナイン、さらには８ナイ
ンといつた高純度ガスの分析に極めて有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の一実施例を示した構成図、
第２図はソープシヨンポンプの接続位置を変えた
実施例の構成図である。 １……分析室、２……質量分析計の分析管、７
……オイルレスターボ分子ポンプ、１０……ゲー
トバルブ、１１……冷却トラツプ、１２……油拡
散ポンプ、１５……油回転ポンプ、２１……ソー
プシヨンポンプ、Ｅ、E′……分岐流路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 質量分析計の分析管が接続されている分析室の
   排気部と、油回転ポンプの吸気部とが、オイルレ
   スターボ分子ポンプとゲートバルブと冷却トラツ
   プと油拡散ポンプをこの順で備えた流路で接続さ
   れ、ソープシヨンポンプまたはダイヤフラムポン
   プ等のオイルレスポンプが、切換手段を備えた分
   岐流路によつて上記流路に接続されており、分析
   室の真空度を10^-11Torr以下に設定しうるように
   なつていることを特徴とする質量分析計を利用し
   たガス中の極微量不純物分析装置。