현대의 기체상 공정에 대한 오염 제어 요구 사항은 사중극자 가스 분석기의 성능 한계를 지속적으로 높이고 있습니다. 사중극자 기술은 더 낮은 오염 수준 사양에 맞게 빠르게 발전하고 적응하고 있습니다. 현재 사용 가능한 다양한 가스 분석 시스템의 감지 기능에 영향을 미치는 다양한 요소를 잘 이해하는 것은 특정 응용 분야에 대한 센서를 선택할 때 필수적인 도구입니다. 일반적으로 그렇듯이 대부분의 선택에는 절충안이 포함되며, 다양한 검출기 구성과 관련된 기본적인 장단점을 잘 이해하면 실수를 최소화하고 생산성을 극대화할 수 있습니다.
모든 기체상 처리 설정은 4중극자 기체 분석기를 추가하면 이점을 얻을 수 있습니다. 잘 일치하는 검출기에 의해 전달된 정보는 신속하게 프로세스의 필수 부분이 되어 전통적으로 대부분의 진공 문제 해결 절차의 일부였던 추측의 양을 크게 줄입니다. 4중극자 가스 분석기는 가격이 저렴해지면서 공정 가스의 오염 수준을 엄격하게 제어해야 하는 모든 산업 분야에서 빠르게 보편화되고 있습니다. 스마트 소프트웨어 인터페이스, 낮은 검출 한계, 소유 비용 절감은 현대 기기에서 찾아야 할 기능 중 일부입니다.
이 문서의 다음 섹션에서는 개방형 및 폐쇄형 이온 소스 사중극자 질량분석기의 성능 사양을 설명합니다. 이 정보의 주요 목적은 기체상 응용 분야에 적합한 분석기를 선택하는 데 필요한 기본 개념을 소개하고 선택한 기기의 최적 성능을 보장하기 위해 염두에 두어야 할 기본 작동 원리 중 일부를 제시하는 것입니다.
잔류 가스 분석기
원형 잔류 가스 분석기(RGA)에는 개방형 이온 소스(OIS)가 있으며 진공 챔버에 직접 장착되어 전체 센서가 진공 시스템의 나머지 부분과 동일한 압력을 유지합니다. 물리적 크기가 작기 때문에 연구 및 공정 설정을 포함한 거의 모든 진공 시스템에 RGA를 부착하는 것이 가능합니다. 최대 작동 압력은 10−4 Torr입니다. 최소 감지 가능한 분압(일반적으로 28 amu에서 N2에 대해 측정)은 전자 증배기가 장착된 장치의 경우 10-14 Torr만큼 낮습니다.
연구실, 표면 과학 장비, 가속기, 항공우주실, 주사 현미경, 가스 배출실 등과 같은 고진공 응용 분야에서 RGA는 진공 품질을 모니터링하는 데 효과적으로 사용되며 저압에서 가장 미세한 불순물도 쉽게 감지할 수 있습니다. 가스 환경. 미량 불순물은 10-14 Torr 수준까지 측정할 수 있으며 배경 간섭이 없는 경우 subppm 검출이 가능합니다. 시스템 문제 해결 중에 RGA는 매우 민감한 현장 헬륨 누출 감지기로도 사용됩니다.
반도체 산업에서 RGA는 증발기, 스퍼터링 장치, 식각 장치 또는 정기적으로 10−5 Torr 미만으로 펌핑되는 기타 고진공 시스템에 가장 잘 사용됩니다. 주요 용도는 웨이퍼가 공정에 투입되기 전에 진공 씰의 무결성과 진공 품질을 확인하는 것입니다. 공기 누출, 가상 누출 및 매우 낮은 수준의 기타 많은 오염 물질은 웨이퍼를 쉽게 손상시킬 수 있으므로 프로세스가 시작되기 전에 감지해야 합니다.
반도체 공정이 더욱 정교해짐에 따라 오염 물질에 대한 내성도 낮아졌습니다. 공정 챔버의 잔류 가스 분석은 가동 시간과 생산 수율을 높이고 소유 비용을 절감합니다.
개방형 이온 소스(OIS)
대부분의 상업적으로 이용 가능한 RGA에 사용되는 표준 이온 소스는 개방형 이온 소스(OIS)입니다. 이 이온화 장치는 RGA의 "만능" 소스로 간주됩니다. 그것은 1950년대 초반부터 원통형, 축 대칭 버전으로 존재해 왔습니다. 일반적인 OIS 설계의 개략도가 그림 1에 나와 있습니다.
OIS는 공정 챔버에 침투합니다. 필라멘트 와이어와 양극 와이어 케이지는 주변 진공 챔버에 "개방"되어 있습니다. 진공 챔버에 존재하는 모든 분자는 이온 소스를 통해 쉽게 이동할 수 있습니다. 이온화 장치의 압력은 주변 진공의 나머지 부분과 동일하며 사중극자 질량 분석기 및 이온 검출기의 압력과도 동일합니다. OIS는 모든 기체에 "개방"되어 있습니다.
진공 챔버의 분자. 전체 압력이 10−4 Torr 미만으로 유지되는 한 변화하는 가스 수준을 모니터링하고 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 압력이 높을수록 이온 사이의 공간 전하 반발로 인해 감도가 감소합니다.
OIS의 성능 제한
OIS RGA는 진공 환경의 가스 구성에 영향을 주지 않고 잔류 가스 수준을 측정하는 데 탁월한 성능을 발휘합니다. 그러나 특히 센서를 일상적으로 사용하여 미세한 미량 불순물(ppm 및 하위ppm 수준) 또는 초고진공(UHV, <10−9 Torr) 환경을 모니터링하는 경우 몇 가지 잠재적인 문제를 염두에 두어야 합니다.
다음은 OIS RGA가 배경 신호에 기여하여 센서의 감지 기능에 영향을 미칠 수 있는 다양한 방식의 목록입니다. 이러한 문제를 최소화하는 방법은 해당될 때마다 설명됩니다.
Outgassing
OIS는 열음극 이온 소스입니다. 전자 방출 전류를 생성하려면 필라멘트 와이어(음극)를 고온(>1300°C)으로 가열해야 합니다. 고진공 상태에서는 필라멘트를 가열하는 데 필요한 대부분의 에너지가 복사 과정을 통해 주변으로 소산됩니다. 결과적으로 전체 이온화 장치와 인접한 벽이 "뜨거워집니다". 온도가 상승하면 OIS 자체와 인접한 챔버 벽에서 가스 방출이 증가합니다. 가스 방출로 인해 방출되는 가스는 H2, H2O, N2, CO 및 CO2를 포함한 많은 중요한 종에 대해 OIS RGA의 최소 감지 가능한 부분 압력(MDPP)을 저하시킬 수 있습니다.
열음극 게이지에서 가스 방출은 고진공 사용자에게 새로운 문제가 아닙니다. 이는 지난 50년 동안 진공 챔버에서 흔히 사용되었던 Bayard-Alpertionization 게이지에도 존재합니다. 대부분의 경우, 가스 방출은 측정 중인 가스 혼합물의 구성에만 영향을 미칩니다. 그러나 어떤 상황에서는 가스 방출이 심각한 문제가 될 수 있으며 심지어 실험이나 공정의 결과에 영향을 미칠 수도 있습니다. 이온화 장치의 가스를 제거하면 일부 배경 신호를 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 이는 일반적으로 임시 해결책으로만 작동합니다.
일부 RGA 공급업체는 백금 클래드 몰리브덴 와이어로 만든 양극(경우에 따라 전체 이온화 장치 어셈블리)이 포함된 OIS의 UHV 버전을 제공합니다. 이 고도로 불활성인 물질은 많은 가스에 대한 흡착 감소를 나타내며 가스 방출 및 ESD를 감소시킵니다.
수분 가스 배출은 자주 발생하는 방해 요소이며, 이는 많은 고진공 공정에서 심각한 오염원이기 때문에 특히 중요합니다. 200°C 이상의 온도에서 밤새 베이크아웃하는 것은 OIS RGA에서 발생하는 물의 방출을 최소화하는 최선의 선택입니다.
OIS 전극에서 발생하는 H2 가스 방출은 일반적으로 잔류 수소가 총 가스 혼합물 구성의 95%에 달하는 UHV 체제에서 작업하는 사용자에게 문제가 될 수 있습니다. H2는 대부분의 300 시리즈 스테인리스강에 용해되며 뜨거운 OIS 전극에서 쉽게 가스를 배출할 수 있습니다. H2 배경에 대한 OIS의 기여도는 그 구성에 따라 다르며 백금 클래드 구성 요소를 사용하면 크게 줄일 수 있습니다. 모든 경우에 가스가 전극에서 고갈됨에 따라 시간이 지남에 따라 효과가 감소합니다.
전자 자극 탈착(ESD)
RGA가 완전히 베이킹 후에도 12, 16, 19 및 35 amu에서 피크가 자주 관찰됩니다. 이는 기체 종의 전자 충격 이온화보다는 OIS 내부 표면의 ESD에 의해 형성됩니다. ESD는 가스 방출과 유사한 방식으로 RGA 성능에 영향을 미칩니다.
효과를 최소화하기 위해 여러 단계를 취할 수 있습니다.* 높은 전자 에너지를 사용한 탈기(보통 시중에서 판매되는 기기에서는 옵션임)
* 이온화 장치를 금도금 - 많은 가스의 흡착을 감소시켜 ESD 효과를 감소시킵니다. 백금클래드 몰리브덴 이온화 장치를 사용하는 것도 대안입니다.
* 전자빔의 범위를 줄입니다.
* OIS의 표면적을 줄입니다. 예를 들어 단단한 천공 금속 대신 철망을 사용합니다.
* 이온화 장치를 염소화 및 불소화 화합물에 노출시키지 마십시오.
배경 간섭
4중극 매스 필터 어셈블리는 이온화 장치에 비해 표면적이 넓고 작동 중에 이온화 장치만큼 뜨거워지지 않더라도 여전히 가스를 방출할 수 있습니다. OIS가 센서의 나머지 부분과 동일한 진공 환경에 노출된다는 사실로 인해 이온화 장치는 사중극자 어셈블리의 나머지 부분에서 방출되는 불순물에 민감하게 됩니다. 많은 RGA 사용자(특히 UHV 범위)에게 심각한 문제는 굽지 않은 RGA에서 H2O가 방출된다는 것입니다.
그러나 다른 많은 종들도 배경 판독값에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 센서가 최근에 대량의 가스에 노출된 경우 높은 Ar 배경이 예상될 수 있습니다(이는 SS 표면에 흡착되는 경향이 있고 매우 천천히 탈착되기 때문입니다).
이온화 장치는 핫필라멘트에서 생성된 불순물에도 민감합니다. 가스 분자는 필라멘트 표면에서 열 분해 및 화학 반응을 겪을 수 있으며, 반응 생성물은 쉽게 이온화 영역으로 들어갈 수 있습니다. 이러한 방식으로 생성된 불순물은 일반적으로 이온화 장치 표면을 오염시키는 중요한 원인이며 RGA의 장기 안정성에 심각한 영향을 미칩니다. 예를 들어 CO와 CO2는 대부분의 뜨거운 필라멘트에서 방출되며 이온화 장치와 진공 시스템으로 쉽게 유입됩니다.
정기적인 베이크아웃은 이 문제를 최소화하는 가장 효율적인 방법입니다. 200°C에서 밤새 베이크아웃하면 대부분의 오염 문제가 해결됩니다. 문제가 지속되면 4중극 센서를 청소 및/또는 수리해야 할 수도 있습니다.
부분압력감소(PPR) 시스템
RGA는 10−4 Torr 미만의 압력에서 가스 분석에만 국한되지 않습니다. 제한 장치와 진공 펌프 패키지로 구성된 차동 펌핑, 감압 가스 흡입 시스템(PPR)을 사용하여 더 높은 가스 압력을 샘플링할 수 있습니다. 일반적인 제한 사항은 핀홀과 모세관으로, 이는 6 디케이드 이상의 압력 감소를 제공할 수 있습니다. 진공 펌프 패키지는 일반적으로 포어라인 펌프의 지원을 받는 터보분자 펌프로 구성됩니다. 결합된 RGA, 가스 흡입 시스템 및 펌핑 스테이션은 일반적으로 부분 압력 감소(PPR) 시스템을 구성합니다. 이러한 가스 샘플링 시스템은 가스상 공정에서 일반적으로 사용되며 여러 RGA 공급업체에서 구입할 수 있습니다. 적절하게 설계된 PPR은 처음부터 끝까지 프로세스를 모니터링하여 모든 단계에서 필수 정보를 제공할 수 있습니다.
그림 2에 묘사된 PPR 시스템은 공정 압력을 OIS RGA에 허용되는 수준으로 낮추는 데 사용되는 일반적인 압력 감소 설정의 예입니다. PPR에는 RGA에 대한 두 개의 입구 경로가 포함되어 있습니다. 하나는 기본 진공을 모니터링하는 높은 전도도 경로(Hi-C)이고 다른 하나는 작동 압력에서 가스를 모니터링하는 낮은 전도도 경로(Lo-C)입니다.
높은 컨덕턴스 경로는 진공 시스템의 압력이 10−4 Torr 미만일 때 사용됩니다. 고진공에서 일반적인 응용 분야는 누출 테스트 및 챔버의 최종 진공 모니터링입니다. 예를 들어, 스퍼터링에서
챔버에서 공정의 첫 번째 단계는 10−6 Torr 미만으로 펌프다운하는 것입니다. 이 시점에서 RGA를 사용하여 누출 및 오염 물질에 대한 배경 품질을 확인할 수 있습니다. 진공 품질이 만족스러우면 스퍼터링 챔버는 몇 mTorr의 아르곤으로 채워지고 스퍼터링이 시작됩니다.
낮은 전도도 경로는 프로세스 챔버의 압력이 10−4 Torr 이상일 때 사용됩니다. 이 경로에는 압력을 수십 년 동안 RGA에 적합한 수준(일반적으로 약 10-5 Torr)으로 줄이는 미세 구멍 오리피스가 포함되어 있습니다.
조리개는 10Torr만큼 큰 작동 압력에 사용할 수 있습니다. 프로세스에 따라 다양한 압력에 대한 압력 감소 계수를 조정하기 위해 구멍 배열(또는 조정 가능한 계량 밸브)이 때때로 사용됩니다. 예를 들어, 스퍼터링 공정 중에 Lo-C 경로를 사용하여 수증기와 탄화수소 수준을 모니터링하여 스퍼터링된 필름의 품질을 저하시키는 특정 임계 수준을 초과하지 않도록 할 수 있습니다.
한 쌍의 펌프가 구멍을 통해 RGA로 가스를 끌어당겨 압력 강하를 설정합니다. 이러한 시스템에 사용되는 펌프는 일반적으로 매우 컴팩트하고 오일이 없으며 유지 관리가 적습니다.
10 Torr보다 높은 압력의 경우 단일 단계 PPR(예: 그림 2 참조)의 샘플 입구 측으로 유입되는 가스 유속은 매우 작아지고 실제 측정에 비해 시간 응답이 너무 느려집니다. 이러한 경우, 훨씬 더 큰 가스 유량과 더 빠른 응답을 제공하는 이중 단계 바이패스 펌프 가스 샘플링 시스템이 단일 단계 PPR보다 더 나은 선택입니다. 최대 여러 기압의 가스 혼합물을 분석할 수 있는 중간 압력 중간 단계를 갖춘 바이패스 펌핑 가스 샘플링 시스템을 여러 RGA 공급업체에서 구입할 수 있습니다.
PPR 시스템의 성능 제한
PPR은 10Torr 미만의 압력에서 가스 샘플링 작업을 훌륭하게 수행합니다. 이들이 제공하는 정보는 다양한 산업 분야에서 기체상 공정을 진단하고 제어하는 데 일상적으로 사용됩니다. 가격이 하락하고 기술이 발전함에 따라 장비는 지속적으로 새로운 응용 분야를 찾고 있습니다.
다수의 PPR 시스템은 가스 혼합물의 미량 불순물을 검출하는 데 사용됩니다. OIS RGA는 백만분율(ppm) 수준의 오염 물질을 감지할 수 있는 적절한 감도와 동적 범위를 갖추고 있습니다. 그러나 프로세스 가스의 간섭과 센서 자체의 배경 간섭으로 인해 실제로 PPR을 사용하여 불순물의ppm 수준을 감지하는 것이 어려울 수 있습니다.
배경 간섭
분석실에 존재하는 배경 가스는 일부 중요한 가스(H2, H2O, N2,CO 및 CO2)의 MDPP를 가릴 수 있습니다. 배경 가스는 가스 방출, 전자 자극 탈착 및 펌핑 시스템의 유한 압축비로 인해 발생합니다.
이 점을 가장 잘 설명하기 위해 10-2 Torr Ar 스퍼터링 공정에서 물 분석을 예로 들어보겠습니다.
프로세스 모니터링 중에 질량 분석계는 일반적으로 PPR의 Lo-C 경로 전반에 걸쳐 30년 감소 인자에 해당하는 약 10-5 Torr에서 실행됩니다. 압력 강하는 프로세스 챔버의 물 1ppm을 질량 분석기의 부분압력 약 10-11Torr(일반적인 RGA의 검출 한계 내)로 가져옵니다. 그러나 공정 가스로부터 분리된 질량 분석계를 사용하면 PPR 챔버의 잔류 압력은 기껏해야 10-9 Torr 정도입니다(대부분 물임). 이 수위는 공정 챔버 내 수분 1ppm에 해당하는 10-11Torr보다 100배 더 큽니다. 즉, 이러한 "공통" 환경에서는 수증기 농도를 100ppm보다 더 안정적으로 감지하거나 측정할 수 없습니다.
작동 조건.
MDPP 한계는 분석 중에 RGA 챔버의 작동 압력을 5 x 10-5 Torr로 증가시켜 20ppm으로 향상시킬 수 있습니다. 그러나 물에 대한 MDPP 한도가 20ppm이라도 경우에 따라 충분히 낮지 않을 수 있습니다. 물의 펌핑 속도가 빠른 아크로펌프를 추가하면 PPR의 사중극자 챔버의 물 배경을 획기적으로 최소화하는 것으로 입증되었습니다. 그러나 이는 펌프 비용이 높기 때문에 실제로 수행되는 경우가 거의 없습니다. 다른 잠재적인 간섭 가스에 대해서도 동일한 제한 사항을 염두에 두어야 합니다. 모든 화학종을 ppm 수준(10mTorr 공정에서 10−8Torr)으로 검출하려면 PPR의 잔류 질량 스펙트럼이 해당 화학종의 피크에 해당하는 질량 값에서 10−11Torr 미만의 압력 판독값을 보여야 합니다. . 모든 오염원을 최소화하기 위해 필요한 예방 조치를 취하지 않는 한 대부분의 진공 시스템에서는 이러한 수준을 쉽게 달성할 수 없습니다. 문제는 일반적으로 잔류 질량 스펙트럼에 항상 배경 피크가 있는 50 amu 미만의 질량에서 더 심각합니다.
RGA가 본질적으로 sub-ppm 측정을 수행할 수 있더라도 RGA의 잔류 질량 스펙트럼에서 배경이ppm 수준인 위치를 찾는 것이 항상 쉬운 것은 아닙니다.
PPR의 배경 간섭의 일반적인 원인은 기존의 오일 기반 러핑 펌프에서 PPR 챔버로 역류하는 펌프 오일로 인한 오염입니다.
완전히 오일이 없는 펌핑 스테이션으로 전환하면 이 문제가 해결됩니다.
공기에 대한 MDPP 한계는 일반적으로 펌핑 스테이션의 압축비에 의해 제한됩니다. 대부분의 PPR 시스템에서 N2 수준은 일반적으로 10−9 Torr 미만이며 산소 수준은 약 5배 더 낮습니다. 이는 10mTorr 공정에서 N2 @ 28 amu의 경우 20ppm, O2 @ 32 amu의 경우 4ppm보다 나은 MDPP 수준에 해당합니다.
수소는 분석기에서 쉽게 가스를 배출하고 대부분의 터보 펌프에 의해 효과적으로 펌핑되지 않기 때문에 일반적으로 ppm 수준에서 감지하는 것이 불가능합니다. H2 배경 신호를 최소화하는 데 사용되는 몇 가지 트릭에는 Pt Clad Molybdenum OIS 사용, 수소 펌핑 속도가 향상된 특수 펌핑 스테이션 추가 등이 있습니다.
공정 가스 간섭
일반적인 OIS RGA 기반 PPR 시스템에서 ppm 검출 수준에 대한 다른 제한은 분석 중인 동일한 공정 가스의 간섭으로 인해 발생합니다.
이 점을 설명하는 가장 좋은 방법은 10mTorr Ar 스퍼터링 공정의 수분 분석 사례로 돌아가는 것입니다. 우리는 PPR 챔버가 매우 조심스럽게 구워지고 물 오염으로부터 보호되지 않는 한 20ppm 수준 이상의 물을 감지하는 것이 매우 어렵다는 것을 확인했습니다.
그러나 앞으로 살펴보겠지만 이는 문제의 일부일 뿐입니다. 스퍼터링 시스템에 사용된 것과 동일한 Ar로 인해 m/e 18에서도 심각한 간섭이 발생합니다. 동위원소 36 Ar은 0.34%로 존재합니다.
전자 이온화 과정에서 이중 전하를 띤 아르곤이 형성되어 m/e 20(40Ar++) 및 m/e 18(36Ar++)에서 피크가 발생합니다.
70eV 전자 충격 에너지의 경우 일반적인 36Ar++ 수준은 350ppm입니다. 따라서 Ar 기반 스퍼터링 시스템에서 수분의ppm 수준을 검출하려면 두 가지 문제를 해결해야 합니다.
문제: 센서에서 배출되는 물의 배경 기여와 36Ar++의 m/e 18 간섭.
철저한 베이크아웃으로 배경수를 줄일 수 있습니다.
낮은 수십ppm 수준에 기여하지만 36Ar++ 간섭을 제거하려면 몇 가지 트릭을 사용해야 합니다. 일부 제조업체는 [OH]+ 물 조각으로 인해 m/e 17 피크를 모니터링하도록 선택합니다. 70eV 이온화 전자의 경우 이 피크는 18amu의 주요 피크보다 4배 작습니다.
이로 인해 수분 감지 감도가 크게 감소합니다. 또한 18amu에서 큰 36Ar++ 피크 옆에 질량 강도를 측정하려고 시도하는 동안 존재비 감도 문제도 추가됩니다.
더 나은 옵션(그리고 프로그래밍 가능한 이온화 장치 전압을 갖춘 RGA에 권장되는 옵션)은 전자 충격 에너지를 40eV 미만으로 줄인 상태에서 이온화 장치를 작동하는 것입니다. 이 이온화 에너지는 Ar++의 출현 전위(43.5eV)보다 낮습니다. 예를 들어, Ar++로 인해 질량 18, 19, 20의 피크는 35eV로 RGA를 작동하는 동안 사라집니다.
이는 36, 38 및 40 amu에서 Ar+ 검출 감도를 최소한으로 감소시키면서 달성됩니다.
가스 혼합물의 종을 선택적으로 이온화하기 위해 다양한 전자 이온화 에너지가 일상적으로 사용됩니다. 다양한 가스에 대한 이온화 전위가 포함된 표는 일반 질량 분석 문헌에서 쉽게 확인할 수 있습니다.
전자 에너지의 감소는 일반적으로 필라멘트에 추가 작업을 부과하고 수명을 단축시킬 수 있습니다.
그러나 감소된 간섭 효과는 필라멘트 교체에 따른 추가 비용을 상쇄합니다.
폐쇄형 이온 소스(CIS)
10−4 ~ 10−2 Torr 사이의 압력 측정이 필요한 응용 분야에서는 기존 OIS PPR 구성을 폐쇄 소스(CIS) 샘플링 시스템으로 교체하면 배경 및 프로세스 가스 간섭 문제를 크게 줄일 수 있습니다. generic CIS 설정의 단면이 그림 3에 나와 있습니다.
CIS 이온화 장치는 기존 RGA에 사용되는 기존 OIS를 대체하는 4중극자 질량 필터 위에 위치합니다. 그것은 전자의 입구와 이온의 출구를 위한 두 개의 매우 작은 구멍이 있는 짧고 기밀한 튜브로 구성됩니다. 전자는 작은 크기의 입구를 통해 이온화 영역으로 들어갑니다. 이온은 단일 추출 플레이트에 가깝게 형성되어 단일 추출 플레이트에 이끌려 작은 직경의 원형 구멍을 통해 이온화 장치에서 빠져나갑니다. 알루미나는 사중극자 질량 어셈블리의 나머지 부분에서 튜브를 링밀폐하고 편향된 전극에 전기 절연을 제공합니다. 이온은 공정 압력에서 직접 전자 충격에 의해 생성됩니다.
PPR 시스템에 사용되는 것과 유사한 펌핑 시스템은 필라멘트와 사중극자 어셈블리의 나머지 부분을 10−5 Torr(20년 동안의 압력 감소) 미만의 압력으로 유지합니다.
디자인은 매우 간단하며 수년 동안 가스 크로마토그래피 질량 분석법에 성공적으로 적용되었습니다.
사중극자 가스 분석기에 채택되기 전의 장비입니다. 대부분의 상용 CIS 시스템은 10-2~10-11 Torr 사이에서 작동하도록 설계되었으며 10-4~10-2 Torr 사이의 공정 압력에 대해 전체 질량 범위에 걸쳐 ppm 수준의 감지 가능성을 제공합니다.
PPR과 CIS 시스템의 차이점
특정 프로세스 애플리케이션에 가장 적합한 센서 설정을 선택할 때 CIS 설정과 보다 전통적인 OIS RGA 기반 PPR 간의 성능 차이를 이해하는 것이 필수적입니다. 프로세스 엔지니어는 해당 응용 분야에 맞는 분석기 구성을 선택하기 전에 모든 차이점을 신중하게 고려해야 합니다.
직접 샘플링
CIS 양극은 공정 챔버에 직접 연결된 높은 전도성 튜브로 볼 수 있습니다. 이온화 영역의 압력은 공정 챔버의 압력과 사실상 동일합니다. CIS 이온화 장치는 프로세스 압력에서 직접 전자 충격에 의해 이온을 생성하는 반면 나머지 질량 분석기와 필라멘트는 고진공 상태로 유지됩니다. 직접 샘플링은 우수한 감도(사용 가능한 이온 밀도가 높기 때문에)와 빠른 응답 시간을 제공합니다. 일반적으로 압력 감소 및 전도도 오리피스와 관련된 "메모리 효과"가 크게 감소됩니다. 또한 PPR aperture를 통한 다양한 가스 분자의 분자량 의존적 확산으로 인한 분별 효과가 없습니다.
신호 대 배경 비율
CIS의 샘플링 압력은 일반적으로 센서의 나머지 진공 시스템보다 20년 더 높기 때문에 신호 대 배경 비율은 OIS PPR 시스템에 비해 크게 증가합니다. 이는 물과 같은 일반적인 잔류 가스를 측정할 때 특히 중요합니다. 이 점을 설명하기 위해 10−2 Torr Ar 스퍼터링 공정의 수분 측정 사례로 돌아갑니다.
Ar 가스는 10-2 Torr(OIS PPR보다 3배 더 높은 크기)에서 직접 이온화되지만 동일한 배경(10-9 Torr)의 잔류 물에서 이온화됩니다. 이 잔류 물 신호는 이제 CIS 시스템의 물에 대한 100ppb MDPP 수준에 해당합니다. 이는 OISPPR 성능에 비해 상당히 향상된 것입니다!
직접 샘플링과 차동 펌핑의 조합은 가장 널리 퍼져 있는 잔류 가스에 대해서도 ppm 및 sub-ppm 검출 한계에 대한 가능성을 제공합니다. 유기 오염물질이나 필라멘트 생성물에 의한 반응과 같은 기타 일반적인 간섭의 경우 소스의 기밀 설계는 가스에 대한 이온화 영역의 가시성을 줄여 매우 깨끗한 잔류 가스 스펙트럼을 제공하며 스펙트럼 중복이 많이 발생하지 않습니다. OIS PPR 설정에서 일반적입니다.
훨씬 작은 전자 빔이 이온화 부피를 통과하기 때문에 CIS에서는 ESD에 의해 생성된 오염 물질의 간섭도 감소합니다. 또한 대부분의 상용 CIS 내부 벽은 금, 백금 클래드, 순수 몰리브덴과 같은 불활성 물질로 코팅되어 있어 스테인리스강보다 불순물을 덜 흡수합니다.
mTorr 범위에서 가스를 직접 샘플링하고 전체 질량 범위에 걸쳐ppm 수준의 검출성을 제공하는 CIS의 능력으로 인해 CIS 시스템은 PVD, CVD 및 에칭과 같은 반도체 처리 응용 분야에서 가장 선호되는 장비가 되었습니다.
이온화 장치 오염
OIS PPR 시스템에서는 필라멘트에서 열 균열이나 화학 반응이 발생한 샘플 분자가 이온화 영역으로 자유롭게 이동합니다. 이는 전자 충격 이온화 장치의 표면 오염 물질의 매우 중요한 원인입니다. 대조적으로, CIS의 기밀 설계는 오염 가스에 대한 소스의 가시성을 줄여 오염을 줄이고 장기적 안정성을 향상시킵니다. 대부분의 CIS 제조업체는 시스템에 텅스텐 필라멘트만을 사용합니다. W는 많은 부식성 가스(예: WF6) 및 반응성 가스(예: 실란)에 저항하여 배경에 영향을 미치는 필라멘트의 반응을 최소화하여 필라멘트 수명을 연장시킵니다.
다용성
OIS PPR과 CIS 시스템은 공정에 적절하게 결합되면 전체 기체상 공정에 걸쳐 중요한 정보를 제공하는 매우 다재다능한 장비입니다. 이중 경로 가스 유입구가 장착된 PPR 시스템은 Hi-C에서 Lo-C 샘플 경로로 간단히 전환하여 매우 민감한 RGA 작동 모드에서 프로세스 모니터링 모드로 쉽게 전환할 수 있습니다.
센서의 이온화 매개변수 중 일부를 간단히 변경하면 aCIS에서 다양한 작동 모드를 쉽게 구현할 수도 있습니다. CIS 가스 분석기는 RGA만큼 민감하지는 않지만 공정 챔버에 필요한 대부분의 잔류 가스 분석 및 누출 검사 테스트를 처리할 수 있습니다. 전자 입구와 이온 출구를 위한 구멍이 매우 작기 때문에 CIS의 감도는 OIS에 비해 감소합니다. 그러나 대부분의 경우 RGA보다 더 높은 게인 레벨에서 전자 증배기를 실행하면 감도가 감소합니다.
선택적 전자 증배기가 장착되고 RGA 모드에서 작동되는 CIS 시스템의 일반적인 MDPP 값은 10-11 Torr 정도입니다. 이는 Hi-C 샘플링 경로가 열린 RGA 모드에서 작동하는 PPR을 통해 달성할 수 있는 MDPP 값보다 약 20배 더 높습니다.
CIS 이온화 장치는 온라인 공정 모니터링 및 제어, 사용 시점의 공정 가스 순도 검증을 위해 재구성될 수도 있습니다. 감도를 높이기 위해 잔류 가스 분석 중에 전자 방출 전류가 증가하고, 더 높은 압력에서 이온화 부피의 공간 전하 포화 효과를 방지하기 위해 프로세스 모니터링 중에 감소됩니다.
CIS의 긴밀한 설계로 인해 OIS보다 낮은 전자 이온화 에너지에서 이온화 장치를 작동할 수 있습니다. 상업적으로 이용 가능한 대부분의 CIS 시스템은 70eV와 35eV의 두 가지 이상의 전자 에너지 설정을 제공합니다. 70 eV 설정은 누출 테스트 및 일상적인 가스 분석에 주로 사용됩니다. 수집된 스펙트럼은 표준 RGA로 얻은 스펙트럼과 사실상 동일합니다. 35eV 설정은 공정 모니터링 중에 공정 가스 간섭 피크를 제거하는 데 사용됩니다. 저에너지 모드의 일반적인 적용은 스퍼터링 공정에서 18 amu에서 수분 검출을 방해하는 이중 이온화된 36Ar++ 피크를 제거하는 것입니다. 사용자가 프로그래밍할 수 있는 이온화 장치 전압을 갖춘 CIS 시스템은 전자 충격 에너지를 신중하게 조정하여 가스 혼합물의 화학종을 선택적으로 이온화하도록 구성할 수 있으므로 가장 높은 다양성을 제공합니다.
CIS 가스 분석기를 사용한 고압 샘플링
CIS 분석기는 최대 약 10−2 Torr압력 수준까지 가스를 직접 샘플링할 수 있습니다. 압력 상한은 이온-중성 충돌에 대한 평균 자유 경로를 감소시켜 설정됩니다. 이는 더 높은 압력에서 발생하며 이로 인해 이온이 크게 산란되고 감도가 감소합니다. 그러나 작업은 10−2 Torr 미만의 압력에서 가스 분석에만 국한되지 않습니다. 기존 RGA와 마찬가지로 차동 펌핑식 감압 가스 유입 시스템(PPR)을 사용하여 더 높은 가스 압력을 샘플링할 수 있습니다. CIS 분석기의 컨덕턴스와 일치하는 감압 가스 유입 시스템을 통해 센서는 최대 10Torr의 가스 압력을 샘플링할 수 있습니다. PPR 시스템의 경우와 마찬가지로, 패널티는 샘플링 속도 감소, 샘플 입구에서 가스 혼합물의 분류 및 이온화 장치에서 발생할 수 있는 메모리 효과입니다.
10 Torr보다 높은 압력의 경우 폐쇄형 이온화 장치로의 가스 유량이 극도로 작아지고 실제 측정에 비해 시간 응답이 너무 느려집니다. 이러한 경우 훨씬 더 큰 유리 유량과 더 빠른 반응을 제공하는 바이패스 펌핑 가스 샘플링 시스템이 CIS 이온화 장치에 대한 단일 제한보다 훨씬 더 나은 선택입니다.
결론
모든 진공 처리 설정은 4중극자 가스 분석기를 추가하면 이점을 얻을 수 있습니다. 현재 사용 가능한 다양한 사중극자 가스 분석 시스템의 성능에 영향을 미치는 다양한 요소를 잘 이해하는 것은 모든 응용 분야에 가장 적합한 센서 구성을 선택할 때 필수적인 도구입니다. 사중극자 가스 샘플링 시스템은 여러 제조업체에서 제공되며 어떤 시스템이 프로세스에 가장 적합한지 결정하기 어려운 경우가 많습니다. 대부분의 경우 측정을 설정하는 방법은 여러 가지가 있으며 각 선택에는 절충안이 포함됩니다. 사용 가능한 옵션 간의 기본적인 차이점을 잘 이해하면 문제가 최소화되고 생산성이 최대화됩니다.
4중극자 가스 분석기는 가격이 저렴해짐에 따라 공정 가스의 오염 수준을 엄격하게 제어해야 하는 모든 산업 분야에서 보편화될 것입니다.
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