JPH08273586A

JPH08273586A - イオン源及びこれを用いた大気圧イオン化質量分析装置

Info

Publication number: JPH08273586A
Application number: JP7075006A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Shimada; 和彦島田; Kazuaki Mizogami; 員章溝上; Keiji Hasumi; 啓二蓮見; Katsumi Kuriyama; 克己栗山; Yasuhiro Mitsui; ▲泰▼裕三井; Takashi Irie; 隆史入江; Kazuo Nakano; 和男中野; Takeshi Tajima; 武但馬
Original assignee: Hitachi Tokyo Electronics Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Renesas Eastern Japan Semiconductor Inc
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】大気圧イオン化質量分析装置のイオン源からの
不純物の発生を低減し、高純度ガス中の極微量不純物の
測定を可能にする。【構成】イオン源を構成する部品の表面のうち少なくと
もイオン化室に組み込まれた時にイオン化室内部に面す
る部分の高低差を抑え、且つその材質をガスやガスに含
まれる不純物の吸着量が少ないものとする。部品の表面
の平坦化は、針状電極２０を把持する電流導入端子４等
の面を面一とし、またを接ガス部の金属部材の表面粗さ
を表面の凹凸にして最大０．５μｍ以下に抑える。さら
に、絶縁部材６に密度２．７ｇ／ｃｍ²以下、吸水率０
％の高密度セラミックスを使用して付着水分量を極力抑
え、ガス導入・排出口の接続部シール材１５には脱ガス
性の低い１．０×１０^-3（Ｐａ・ｌ／ｓｅｃ）以下（１
２０℃時）の材料を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガス中の不純物を測定す
る質量分析装置に関する技術であって、特にシラン系ガ
スのような高純度ガス中の極微量の不純物の測定に適し
た大気圧イオン化質量分析装置（ＡＰＩＭＳ）及びその
イオン源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体の微細化に伴い、半導体製造工程
で使用するガスにも高純度化の要求が強くなってきてい
る。これらのガス中の不純物測定には、目的のガスをイ
オン化する確立の高い大気圧を利用して分析を行なう大
気圧イオン化質量分析装置が用いられている。この装置
は、例えば特開平６−３１００９１号公報に記載されて
いるように、試料導入部、イオン化部、差動排気部、分
析部及び検出部から構成されている。測定に際しては、
試料導入部で導入したガスに対してイオン化部でコロナ
放電などによりガスをイオン化し、このイオンが差動排
気部を通り、真空状態の分析部に導入され、検出部でイ
オン強度を信号として測定する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ガス中の極微量不純物
の測定においては、イオン源からのアウトガス、特に水
分の放出量が測定の検出限界を決める重要な要素であ
る。従来の大気圧イオン化質量分析装置、特にシラン系
ガス中の極微量不純物測定に適したイオン源は、図１に
示す様な構造になっている。キャリアガス１は、導入口
２より第１イオン化室３に入り、電流導入端子４に固定
された針２０への高電圧印加で発生される針２０先端表
面でのコロナ放電によりイオン化される。イオンは圧力
差により穴径約０．１ｍｍ程度のスリット５を通り、絶
縁部材６に隔てられた第２イオン化室７の方向へ流れ、
残りのガスは排気口８へ流れる。一方、反応ガス９は、
導入口１０より第２イオン化室に入り、キャリアガスイ
オンとイオン分子反応を行なう。ここで用いられている
電流導入端子を図２に示すが、絶縁部材１１とフランジ
１２の間を接続する接続部材１３の部分にはデッドゾー
ン１４があった。このイオン源に１０００ｍｌ／ｍｉ
ｎ．のキャリアガスを流した場合、イオン源からｐｐｔ
（体積比：１０×１０^-12）オーダーの不純物（水分の
場合は数ｐｐｂ（体積比：１０×１０^-9））が発生して
しまう。原因はキャリアガスがイオン化する際、デッド
ゾーンの壁に大気中の水分や洗浄液の残り等が付着して
いるため、これらの不純物が壁からガス中に少しずつ脱
離して混ざるために測定感度を上げることができないと
いう問題があった。また、接ガス部の金属部材の表面、
及び絶縁部材６の表面には、大気中の水分が多量に付着
しており、この水分がガスの流れによって少しずつ脱離
して混ざるために測定感度を上げることができないとい
う問題もあった。さらには、ガス導入・排出口の接続部
シール材１５が反応ガスに直接接することから、シール
材内部から発生するアウトガスが反応ガスに混ざってし
まい、測定感度を上げることができない問題もあった。

【０００４】本発明の目的は、イオン源からの不純物の
発生を極力低減し、試料の分析、特にシラン系ガスに含
まれる極微量不純物の測定を可能にするイオン源並びに
これを用いた質量分析計（特に大気圧イオン化質量分析
計を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明ではイオン源を構成する部品の形状並びに材
質を、イオン源における物質、特にガス（試料ガス又は
キャリアガス）の滞留や付着の抑制に適したものにす
る。イオン源の部品の形状は、当該部品の表面のうち少
なくともイオン化室に組み込まれたときにイオン化室内
部に面する部分の高低差を抑え、望ましくは平坦化する
ことにより、イオン源における物質の滞留や付着の抑制
に適したものとなる。部品の表面の平坦化は、巨視的に
は相互に隣接してイオン化室を構成する各部品の表面が
面一となるように設計するとよく、また微視的には各部
品のイオン化室に面する表面の高低差を当該表面の機械
的又は化学的研磨により１μｍ以下に抑制するとよい。
部品の材質として、イオン化室に面する表面へのガスや
ガスに含まれる不純物の吸着量が少なく、また材質その
ものが吸蔵するガスなどの不純物量が少ない材料を選択
し、イオン源に組み込まれる部品の少なくともイオン化
室に面する部分を当該材料で形成することが、イオン源
における物質の滞留や付着の抑制に適する。このように
形成された本発明のイオン源は、質量分析装置、特に大
気圧イオン化質量分析装置や液体クロマトグラフ質量分
析装置に組み込むことにより、その効果を発揮する。

【０００６】本願においては、上記課題を解決する手段
として以下のような構成のイオン源を構成した。イオン
源の構成部品の一つである電流導入端子４（ガスをイオ
ン化する電極を把持する）と本体１６とをシール１７す
る際に、デッドゾーン１４を極力減らす構造とする。し
たがって、ガスの流路は極力凹部を無くす。また接ガス
部の金属部材は、表面粗さを表面の凹凸にして最大０．
５μｍ（ＪＩＳ規格：０．５Ｓ）以下になるように極力
抑える。これらにより、ガス流路の表面積を極力少なく
することができ大気などによる付着水分量を減らせるこ
とができる。

【０００７】さらに、金属部材間に設けられる絶縁部材
６に密度２．７ｇ／ｃｍ²以下、吸水率が略０％の高密
度セラミックスを使用することにより、付着水分量を極
力抑え、ガス導入・排出口の接続部シール材１５には脱
ガス性の低い１．０×１０^-3（Ｐａ・ｌ／ｓｅｃ）以下
（１２０℃時）の材料を用いる。同様な材料で、試料
（例えば、試料ガス）、又はキャリアガスをイオン化す
るための電極が固定される絶縁部材を形成してもよい。

【０００８】

【作用】デッドゾーンの壁から大気中の水分や洗浄液の
残り等が付着しているため、これらの不純物が壁からガ
ス中に少しずつ脱離して混ざるのを極力防ぐために、デ
ッドゾーンの部分を極力小さくして不純物の付着する表
面積を少なくすることによりガス中への不純物の混合量
を極力減らすことにした。また、接ガス部の金属部材の
表面、及び絶縁部材の表面に大気中の水分が多量に付着
しているため、この水分がガスの流れによって少しずつ
脱離して混ざるのを極力防ぐためには、各部材の表面積
を極力少なくすることにより表面への付着水分量を減ら
せるようにする。そのためには、各部材の表面粗さをで
きるかぎり小さくした。さらに、シール材内部から発生
するアウトガスが反応ガスに混ざってしまう問題に対し
ては、シール材の材質を脱ガス性の低い物に変えること
により、アウトガスが反応ガスに混ざる量を極力減らす
ことにした。

【０００９】

【実施例】図４は本発明による大気圧イオン化質量分析
装置のイオン源の一実施例を示す断面図である。本実施
例のイオン源においては、図２に示す従来の電流導入端
子に代えて、イオン化室のデッドゾーンを極力少なくす
るように改良した図３に示す構造の電流導入端子を組み
込んだ。接続部材１３は、第１イオン化室３内部に面す
る表面を平坦にすることにより、従来のイオン源に比べ
て第１イオン化室３内部におけるデッドゾーンを抑制し
ている。デッドゾーンの深さは、従来の電流導入端子
（図２）では約９．５ｍｍであったが、改良された電流
導入端子（図３）をイオン源に装着した本実施例では
３．０ｍｍと少なくなった。

【００１０】キャリアガス１、反応ガス９の流れは、今
までのイオン源と同じである。キャリアガスは、導入口
２より第１イオン化室３に入るが、図１の１４に示すよ
うなデッドゾーンを極力減らすことにより測定感度を向
上させている。また、図４に斜線で示してあるガス流路
は水分が付着する表面積を極力抑え、ガス中に混入する
水分量を減らす対策を講じている。その１つとして本実
施例では、本体１６を構成する部品をはじめ、針２０、
接続部材１３、スリット５などのイオン化室を構成する
金属部品の第１イオン化室に面する表面（所謂、接ガス
部）に電解研磨を施し、各部品の接ガス部を表面におけ
る凹凸の落差が０．５μｍ以下になるように平坦化し
た。これら金属製の部品の接ガス部の平坦化は、バフ仕
上げでも同様の効果がある。

【００１１】また、図４に示す絶縁部材６の材質をアル
ミナから密度２．７ｇ／ｃｍ²のセラミックスに変更
し、ガス導入・排出部の接続部シール材１５をバイトン
ゴムのＯ−リングから脱ガス性が１．０×１０^-3（Ｐａ
・ｌ／ｓｅｃ）））以下のＯ−リングに変更することに
より測定感度を向上させている。

【００１２】本実施例のイオン源を大気圧イオン化質量
分析に組み込んだときに、本願発明によって得られる効
果を以下に説明する。図５は、従来のイオン源（図１）
と本実施例によるイオン源（図４）との水分ドライダウ
ン特性（水切れ特性）の比較結果を示す。比較実験は、
両方のイオン源とも導入口２、１０を大気開放して、ガ
ス流路を１５分間大気暴露させた後、導入口２、１０か
ら純窒素を１０００ｃｃ／ｍｉｎ．の流量にて流し、イ
オン源内の水分の減少状態を調べた。図５の横軸は純窒
素を流し始めてからの時間、縦軸はイオン源内の水分濃
度を示している。この結果、双方のイオン源に同じ純窒
素を流しながらも不純物である水分の濃度の減少は、従
来のイオン源より本実施例のイオン源の方が明らかに速
かった。また、双方における水分濃度の差は測定開始よ
り１桁以上開いていた。これらの結果より、本発明のイ
オン源はイオン源内部に導入されたガスによる汚染の影
響を受けにくいため、大気圧質量分析装置に組み込むこ
とにより試料ガス中の微量不純物の測定感度（検出限界
濃度）の向上が行えることは明らかである。

【００１３】本実施例ではシラン系ガス分析用イオン源
を例に本発明のイオン源の効果を述べたが、本発明をバ
ルクガス等の分析用イオン源に応用し、またこれを大気
圧イオン化質量分析装置に組み込んだ場合にも上述の効
果があることは言うまでもない。

【００１４】最後に、本発明のイオン源の応用例とし
て、本実施例において図４に開示したイオン源を大気圧
イオン化質量分析装置に組み込んだ例を説明する。図６
は、大気圧イオン化質量分析装置を用いた半導体プロセ
スガスの純度管理用のガス分析システムの全体構成を示
す。大気圧イオン化質量分析装置は、イオン源２０１
（図４に示した構成を簡略化して示す）、質量分析部２
０２、イオン源２０１と分析領域２０２を結合する差動
排気部２０３で構成されている。イオン源で生成された
イオンは、差動排気部２０３を経て質量分析部２０２に
導入され、マスアナライザ（質量分析計）２０４で質量
分離された後、検出器２０５でイオン電流として検出さ
れる。イオン電流は増幅器２０６で増幅後、記録計２０
７、計算機２０８等に記録される。差動排気部２０３
と、質量分析部２０２はそれぞれ真空ポンプ２０９、２
１０で排気される。本実施例の大気圧イオン化質量分析
装置は、大気圧あるいは高圧のイオン源２０１と、イオ
ン源２０１より低圧に（真空に）保たれた差動排気部２
０３と、差動排気部２０３より低圧に（高い真空に）保
たれた質量分析部２０２とで構成されているが、質量分
析部２０２を排気する真空ポンプ２１０の排気容量を高
めることにより、差動排気部２０３を省き、イオン源２
０１と質量分析部２０２とを直接結合してもよい（但
し、装置の小型化の観点では、本実施例の構成の法が優
れている）。

【００１５】イオン源２０１には、一次イオン発生する
ためのキャリアガス１（例えば、窒素ガス、アルゴンガ
ス、水素ガス）と分析対象である反応ガス９（例えば、
モノシランガス、ジシランガス、アルシンガス、フォス
フィンガス）が導入される。キャリアガス１は、ガス源
２１１から、圧力調整器２１２、流量調整器２１３によ
って圧力と流量を制御した後、モレキュラーシーブスや
液体窒素トラップなどの純化装置２１４によって、水分
などの分析妨害物質が除去されてイオン源２０１へ導入
される。キャリアガス１の一部は、イオン源２０１内に
おいてイオン化される。キャリアガス１は、イオン化し
たキャリアガスは、イオン源２０１内に形成された電場
により差動排気部２０３側へ流れ、イオン化されないキ
ャリアガスは、差動排気部２０３側へ流れるか、又は流
量調整器２１５と排気管２１６を通って除害装置に流れ
る。反応ガス９は、ガス源２１７から、遮断弁２１８を
通り、圧力調整器２１９、流量調整器２２０によってそ
の圧力と流量が制御された後、イオン源２０１へ導入さ
れる。反応ガス９中の不純物は、イオン源２０１内にお
いて、キャリアガスのイオンとイオン−分子反応を起こ
すことによりイオン化され、イオン源２０１内の電場で
差動排気部２０３側へ流れた後、質量分析部２０２で分
析される。この装置は特開平６−３１００９１号公報に
記載のように、イオン源２０１内において針状電極２０
が設置される領域と反応ガスのイオン化を行なう領域を
開口を有する電極２１で仕切っているため、反応ガスに
よる針状電極２０の汚染の問題が解消される。この装置
に本発明を応用した本実施例によれば、純化装置２１４
によってキャリアガス１から除去し切れなかった不純物
の影響、即ち当該不純物による反応ガスの質量スペクト
ルへの干渉を大幅に低減できる。

【００１６】なお、イオン化されない（即ち中性の）又
は上記イオン−分子反応で電荷を失ったキャリアガス１
の一部と反応ガス９の一部は混じりあった状態で流量測
定器２２１を通った後、排気管２１６を通って、除外装
置へ流れる。排気管２１６には常に窒素ガスが供給され
ているため、窒素ガスが排気管内に淀まないようになっ
ている。また、この装置は筐体２２４によって囲まれて
おり、筐体は排気ダクトにつながっている。この排気ダ
クトは筐体内部の空気を吸入するものである。排気ダク
トの入り口にセンサ２２２が設置され、反応ガス９の漏
洩を検知するとコントローラ２２３を介して遮断弁２１
８を閉じる制御信号２２５を発し、反応ガス９のイオン
源２０１への供給を遮断できるようになっている。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、イオン源内においてア
ウトガスを発生させる要因を少なくすることにより、イ
オン源から発生する不純物の量を低減できる。その結
果、従来このアウトガスにより検出することができなか
った、即ち検出信号がバックグラウンドノイズに埋もれ
ていたｐｐｔ以下の高純度ガス中の極微量不純物の測定
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のイオン源の構造を示す断面図である。
（ａ）は平面の、（ｂ）は正面の、夫々の断面を示して
いる。

【図２】従来のイオン源に使われていた電流導入端子の
構造を示す断面図である。

【図３】本発明に使われている電流導入端子の構造の一
実施例を示す断面図である。

【図４】本発明によるイオン源の一実施例を示す断面図
である。（ａ）は平面の、（ｂ）は正面の、夫々の断面
を示している。

【図５】イオン源内のガス流路を大気暴露させた後、純
窒素を流した時のイオン源内の水分量変化を、従来のイ
オン源と本発明の実施例によるイオン源で比較した測定
結果。

【図６】本発明のイオン源が組み込まれた大気圧イオン
化質量分析装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１…キャリアガス、２…キャリアガス導入口、３…第１
イオン化室、４…電流導入端子、５…スリット、６…絶
縁部材、７…第２イオン化室、８…キャリアガス排気
口、９…反応ガス（被測定試料）、１０…反応ガス導入
口、１１…絶縁部材、１２…フランジ、１３…接続部
材、１４…デッドゾーン、１５…シール材、１６…本
体、１７…シール部、１８…従来のイオン源内における
水分量の経時変化、１９…本発明のイオン源内における
水分量の経時変化、２０…針（電極）、２０１…イオン
源、２０２…質量分析部、２０３…差動排気部、２０４
…マスアナライザ（質量分析計）、２０５…検出器、２
０６…増幅器、２０７…記録計、２０８…計算機、２０
９、２１０…真空ポンプ、２１１、２１７…ガス源、２
１２、２１９…圧力調整器、２１８…遮断弁、２１３、
２１５、２２０…流量調整器、２１４…純化装置、２１
６…排気管、２２１…流量測定器、２２２…ガス漏洩セ
ンサ、２２３…コントローラ、２２４…筐体、２２５…
制御信号。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者蓮見啓二東京都青梅市藤橋３丁目３番地の２日立東京エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者栗山克己東京都青梅市藤橋３丁目３番地の２日立東京エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者三井 ▲泰▼裕東京都小平市上水本町５丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者入江隆史東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者中野和男東京都青梅市藤橋３丁目３番地の２日立東京エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者但馬武東京都青梅市藤橋３丁目３番地の２日立東京エレクトロニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シール面を有する側にデッドゾーンを有し
ないことを特徴とする電流導入端子を持つ大気圧イオン
化質量分析装置用イオン源。
【請求項２】イオン源内部の絶縁部材としてセラミック
ス材料を含むことを特徴とする電流導入端子を持つイオ
ン源。
【請求項３】絶縁部材に密度２．７ｇ／ｃｍ²以下の高
密度セラミックスを有することにより、絶縁部材からの
アウトガスを低減させることを特徴とする電流導入端子
を持つイオン源。
【請求項４】接ガス部の金属部材が、表面粗さが最大
０．５Ｓ以下に調整されていることを特徴とする電流導
入端子を持つイオン源。
【請求項５】ガス導入・排出部の接続部シールには、脱
ガス性の低い１．０×１０^-3（Ｐａ・ｌ／ｓｅｃ）以下
（１２０℃時）の材質の材料を用いることを特徴とした
イオン源。
【請求項６】イオン化室と、該イオン化室からのイオン
を分析する質量分析計を有する大気圧イオン化質量分析
装置において、該イオン化室の絶縁部材をセラミックス
材で形成したことを特徴とする大気圧イオン化質量分析
装置。