特許 7343944 ガス分析装置および制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-05

(45)【発行日】2023-09-13

(54)【発明の名称】ガス分析装置および制御方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/62 20210101AFI20230906BHJP

   H01J 49/00 20060101ALI20230906BHJP

   H01J 49/04 20060101ALI20230906BHJP

【ＦＩ】

G01N27/62 E

H01J49/00 360

H01J49/04 220

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2022578402

(86)(22)【出願日】2022-01-25

(86)【国際出願番号】 JP2022002616

(87)【国際公開番号】W WO2022163635

(87)【国際公開日】2022-08-04

【審査請求日】2023-03-06

(31)【優先権主張番号】P 2021013409

(32)【優先日】2021-01-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】509339821

【氏名又は名称】アトナープ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102934

【弁理士】

【氏名又は名称】今井 彰

(72)【発明者】

【氏名】高橋 直樹

【審査官】吉田 将志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１３０５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０１６８５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２００５－５１２２７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／６２

Ｈ０１Ｊ ４９／００ － Ｈ０１Ｊ ４９／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス分析装置の制御方法であって、
当該ガス分析装置は、サンプルガスのイオン流を生成するイオン化装置と、
前記イオン化装置から供給される前記イオン流を連続または断続的に分析する分析計と、
前記イオン化装置の出口から前記分析計の入口に対し前記イオン流を非直線的に導く遮光性能を備えた第１のイオン経路と、
前記第１のイオン経路を介して前記分析計の質量フィルターに至る前記イオン流の経路の少なくとも一部の経路における前記イオン流を電場または磁場により断続的に阻止および解放する阻止装置とを有し、
当該方法は、
前記第１のイオン経路による遮光性能と共に、前記阻止装置により前記イオン流の通過が阻止された状態で前記分析計の前記質量フィルターにより検出対象の質量電荷比を含む第１の検出データを取得することと、
前記第１のイオン経路による遮光性能と共に、前記阻止装置により前記イオン流の通過が解放された状態で前記分析計の前記質量フィルターにより前記検出対象の質量電荷比を含む第２の検出データを取得することと、
前記第２の検出データと前記第１の検出データとの差分を含む検出結果を出力することとを有する、方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法において、
前記第１の検出データおよび前記第２の検出データはスペクトルデータを含む、方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の方法において、
前記阻止装置は、イオン流を非直線で導くエネルギーフィルターを含み、
前記第１の検出データを取得することは、前記エネルギーフィルターに全てのエネルギーのイオンが通過を阻止する電位を設定することを含み、
前記第２の検出データを取得することは、前記エネルギーフィルターを所定のエネルギーのイオンが通過する電位に設定することを含む、方法。

【請求項4】

サンプルガスのイオン流を生成するイオン化装置と、
前記イオン化装置から供給されるイオン流を連続または断続的に分析する分析計と、
前記イオン化装置の出口から前記分析計の入口に対し前記イオン流を非直線的に導く遮光性能を備えた第１のイオン経路と、
前記第１のイオン経路を介して前記分析計の質量フィルターに至る前記イオン流の経路の少なくとも一部の経路における前記イオン流を電場または磁場により断続的に阻止および解放する阻止装置と、
当該ガス分析装置を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、前記第１のイオン経路による遮光性能と共に、前記阻止装置により前記イオン流の通過が阻止された状態で前記分析計の前記質量フィルターにより検出対象の質量電荷比を含む第１の検出データを取得する第１の機能と、
前記第１のイオン経路による遮光性能と共に、前記阻止装置により前記イオン流の通過が解放された状態で前記分析計の前記質量フィルターにより前記検出対象の質量電荷比を含む第２の検出データを取得する第２の機能と、
前記第２の検出データと前記第１の検出データとの差分を含む検出結果を出力する第３の機能とを含む、ガス分析装置。

【請求項5】

請求項４に記載のガス分析装置において、
前記イオン化装置は、前記サンプルガスをプラズマイオン化する装置を含む、ガス分析装置。

【請求項6】

請求項５に記載のガス分析装置において、
前記イオン化装置は、誘電性の壁体構造を含み、減圧されたサンプルチャンバーであって、監視対象のプロセスから前記サンプルガスが流入するサンプルチャンバーと、
前記誘電性の壁体構造を介して電場および磁場の少なくともいずれかにより前記サンプルチャンバー内でプラズマを生成する高周波供給装置と、
前記高周波供給装置より供給される高周波の周波数および電力を制御するプラズマコントローラとを含み、
前記第１のイオン経路は、前記サンプルチャンバーの出口と前記分析計の入口と接続する経路を含む、ガス分析装置。

【請求項7】

請求項６に記載のガス分析装置において、
前記プラズマコントローラは、前記高周波供給装置により供給される高周波の周波数を変化させて前記サンプルチャンバー内でプラズマを点火する機能を含む、ガス分析装置。

【請求項8】

請求項４ないし７のいずれか１項に記載のガス分析装置において、
前記阻止装置は、阻止電位発生装置およびエネルギーフィルターのいずれかを含む、ガス分析装置。

【請求項9】

請求項４ないし７のいずれか１項に記載のガス分析装置において、
前記阻止装置は、イオン流を非直線で導くエネルギーフィルターを含み、
前記第１の機能は、前記エネルギーフィルターに全てのエネルギーのイオンが通過を阻止する電位を設定し、
前記第２の機能は、前記エネルギーフィルターを所定のエネルギーのイオンが通過する電位に設定する、ガス分析装置。

【請求項10】

サンプルガスのイオン流を生成するイオン化装置と、
前記イオン化装置から供給されるイオン流を連続または断続的に分析する分析計と、
前記イオン化装置の出口から前記分析計の入口に対し前記イオン流を非直線的に導く遮光性能を備えた第１のイオン経路と、
前記第１のイオン経路を介して前記分析計の質量フィルターに至る前記イオン流の経路の少なくとも一部の経路における前記イオン流を電場または磁場により断続的に阻止および解放する阻止装置とを有するガス分析装置と、
前記ガス分析装置を制御するプログラムを実行する制御装置とを有するシステムにおいて、
前記制御するプログラムは、前記第１のイオン経路による遮光性能と共に、前記阻止装置により前記イオン流の通過が阻止された状態で前記分析計の前記質量フィルターにより検出対象の質量電荷比を含む第１の検出データを取得することと、
前記第１のイオン経路による遮光性能と共に、前記阻止装置により前記イオンの通過が解放された状態で前記分析計の前記質量フィルターにより前記検出対象の質量電荷比を含む第２の検出データを取得することと、
前記第２の検出データと前記第１の検出データとの差分を含む検出結果を出力することとを実行する命令を含む、システム。

【請求項11】

請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記阻止装置は、イオン流を非直線で導くエネルギーフィルターを含み、
前記第１の検出データを取得することは、前記エネルギーフィルターに全てのエネルギーのイオンが通過を阻止する電位を設定することを含み、
前記第２の検出データを取得することは、前記エネルギーフィルターを所定のエネルギーのイオンが通過する電位に設定することを含む、システム。

【請求項12】

サンプルガスのイオン流を生成するイオン化装置と、
前記イオン化装置から供給されるイオン流を連続または断続的に分析する分析計と、
前記イオン化装置の出口から前記分析計の入口に対し前記イオン流を非直線的に導く遮光性能を備えた第１のイオン経路と、
前記第１のイオン経路を介して前記分析計の質量フィルターに至る前記イオン流の経路の少なくとも一部の経路における前記イオン流を電場または磁場により断続的に阻止および解放する阻止装置とを有するガス分析装置の制御用のプログラムであって、
前記第１のイオン経路による遮光性能と共に、前記阻止装置により前記イオン流の通過が阻止された状態で前記分析計の前記質量フィルターにより検出対象の質量電荷比を含む第１の検出データを取得することと、
前記第１のイオン経路による遮光性能と共に、前記阻止装置により前記イオンの通過が解放された状態で前記分析計の前記質量フィルターにより前記検出対象の質量電荷比を含む第２の検出データを取得することと、
前記第２の検出データと前記第１の検出データとの差分を含む検出結果を出力することとを実行する命令を有する、プログラム。

【請求項13】

請求項１２に記載のプログラムにおいて、
前記阻止装置は、イオン流を非直線で導くエネルギーフィルターを含み、
前記第１の検出データを取得することは、前記エネルギーフィルターに全てのエネルギーのイオンが通過を阻止する電位を設定することを含み、
前記第２の検出データを取得することは、前記エネルギーフィルターを所定のエネルギーのイオンが通過する電位に設定することを含む、プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス分析装置およびその制御方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

日本国特開１９９６－７８２９号には、プラズマ質量分析装置のイオン偏向レンズの構成を簡単にし、調整を容易にすることが記載されている。そのため、ノズルからのイオンの出射方向に対して略垂直に設けた第１及び第２電極板の間に、端面を斜めに切断した円筒状の中間電極を設け、各電極に直流電圧を印加する。両電場が傾斜し、イオンは両電場により偏向される。一方、プラズマ光は直進するため、第２電極板により遮蔽される。

【発明の開示】

【0003】

サンプルガスをイオン化してサンプルガスに含まれる成分を検出する分析装置においてノイズを低減するとともに、ノイズが低減された検出結果を提供できるソフトウェア（制御方法、測定方法）、およびそのソフトウェアに適したハードウェアの提供が要望されている。

【0004】

本発明の一態様は、サンプルガスのイオン流を生成するイオン化装置と、イオン化装置から供給されるイオン流を連続または断続的に分析する分析計と、イオン化装置から分析計の入口に対しイオン流を非直線的に導く第１のイオン経路と、第１のイオン経路を介して分析計の質量フィルターに至るイオン流の経路の少なくとも一部の経路におけるイオン流を電場または磁場により断続的に阻止および解放する阻止装置とを有し、イオン流が阻止された状態とイオン流が阻止されていない状態との測定を可能とするガス分析装置である。イオン化装置は、サンプルガスをプラズマイオン化する装置を含んでもよく、阻止装置は、阻止電位発生装置およびエネルギーフィルターのいずれかを含んでもよい。

【0005】

このガス分析装置においては以下の制御方法を採用することが可能であり、イオン化装置からの光の影響および他のノイズの影響を抑制した精度の高い測定が可能となる。この制御方法は、以下のステップを含む。
１．阻止装置によりイオン流の通過が阻止された状態で分析計により第１の検出データを取得すること。
２．阻止装置によりイオン流の通過が阻止されていない状態、すなわちイオン流の通過が解放された状態で分析計により第２の検出データを取得すること。
３．第２の検出データと第１の検出データとの差分を含む検出結果を出力すること。第１の検出データおよび第２の検出データはスペクトルデータを含んでもよい。

【0006】

イオン化の際に発生する光は直線的に進むのに対し、第１の経路によりイオン流を非直線的に導く（曲がるように、屈曲するように導く）ことにより、分析計においてノイズとなる光の影響を抑制でき、分析精度を向上できる。しかしながら、第１の経路では、イオン流を導くために、光を完全に遮断（遮光）することは不可能であり、漏光あるいは迷光などによりイオン化の際に発生する光の一部が分析計に到達し、測定結果に影響を与えるノイズの要因となる可能性がある。本発明においては、ノイズを低減するために遮光性能をさらに高める代わりに、あるいはそれとともに、イオン流を阻止（遮断）した状態でバックグラウンドの測定結果（第１の検出データ）を取得し、イオン流を積極的には阻止しない状態の第２の検出データとを差分を得ることにより、ノイズ成分がさらに低減された、精度の高い測定結果を取得できるようにする。

【0007】

ガス分析装置は、当該ガス分析装置を制御する制御装置を有し、制御装置は、阻止装置によりイオン流の通過が阻止された状態で分析計により第１の検出データを取得する第１の機能と、阻止装置によりイオン流の通過が解放された状態で分析計により第２の検出データを取得する第２の機能と、第２の検出データと第１の検出データとの差分を含む検出結果を出力する第３の機能とを含んでもよい。

【0008】

典型的には、制御装置はプログラムを実行する装置であり、制御するプログラムは、阻止装置によりイオン流の通過が阻止された状態で分析計により第１の検出データを取得することと、阻止装置によりイオン流の通過が解放された状態で分析計により第２の検出データを取得することと、第２の検出データと第１の検出データとの差分を含む検出結果を出力することとを実行する命令を含む。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】ガス分析装置の一例の外観を示す斜視図であり、図１（ａ）は右前方、図１（ｂ）は左前方を示す。

【図2】ガス分析装置のハウジングを展開して内部の概略構成を示す斜視図。

【図3】ガス分析装置の概略構成を示すブロック図。

【図4】ガス分析装置により得られるデータのいくつかの例を示す図。

【図5】ガス分析装置の制御方法の概要を示すフローチャート。

【図6】ガス分析装置の他の例の概略構成を示す図。

【発明の実施の形態】

【0010】

図１（ａ）および図１（ｂ）に、ガス分析装置の外観を右前方および左前方から見た様子を示している。このガス分析装置１は、イオン化装置（イオン源）としてマイクロプラズマ生成装置と電子衝撃（ＥＩ）イオン源とを備えたハイブリッドタイプである。ガス分析装置１のサイズおよび重量の一例は、長さ４００ｍｍ、幅２９７ｍｍ、高さ３４１ｍｍ、重さ１５ｋｇであり、２４ＶＤＣ（３５０Ｗ）の電力の供給を受けて動作する。ガス分析装置１は、プラズマ生成用のサンプルインレット３ａと、ＥＩイオン化用のサンプルインレット３ｂとを含み、側面にデータ入出力用のいくつかのポート４を含む。

【0011】

図２に、ガス分析装置１の上部ハウジング２ａおよび側面パネル２ｂを外した状態を示している。ガス分析装置１は、モニタリング対象のプロセスから供給された測定対象のサンプルガス（サンプリングガス、ガスサンプル）をイオン化するイオン化ユニット（イオン生成ユニット）１０と、生成されたイオン（イオン流）を介してサンプルガスを分析する分析ユニット（分析計）２０と、分析ユニット２０の制御モジュール３０と、ガス分析装置１を制御して測定データを出力するシステムコントローラ（プルグラマブルロジックコントローラー、ＰＬＣ）５０と、排気システム６０とを含む。

【0012】

図３に、ガス分析装置１を含むシステムの一例として、プロセスモニター１００の概略構成を示している。ガス分析装置１は、モニタリング対象のプラズマプロセスが実施されるプロセスチャンバー１０１から供給されるサンプルガス９を分析する。プロセスチャンバー１０１において実施されるプラズマプロセスは、典型的には、様々な種類の膜あるいは層を基板の上に生成する工程や、基板をエッチングする工程であり、ＣＶＤ（化学蒸着、Chemical Vapor Deposition）またはＰＶＤ（物理蒸着、Physical Vapor Deposition）を含む。プラズマプロセスは、レンズ、フィルターなどの光学部品を基板として様々な種類の薄膜を積層するプロセスであってもよい。

【0013】

例えば、半導体においては、近年では、記憶容量の増大、ロジック速度の向上、低電力化などの要求から、半導体チップ構造が三次元化している。このため、半導体プロセス制御では、プロセスがさらに複雑になり、原子レベルの品質が求められ、計測モニタコストが増大することが課題となっている。プロセスマッチング、成膜時の遷移点計測、エッチングのエンドポイントの検出には反応物や副生成物を含むガスの監視が重要であり、現在標準的に採用されているプラズマ発光計測（Optical Emission Spectroscopy、ＯＥＳ）では、総合的にプロセスをモニターすることは難しいとされている。一方で、通常の熱フィラメントを採用したイオン源の残留ガス分析計、質量分析計では、半導体ガスによるダメージによる寿命が問題となる。

【0014】

本例のガス分析装置１を用いたプロセスモニターシステム１００においては、過酷な環境下においてもリアルタイムモニタを行い、信頼性の高い測定結果を提供することで革新的なプロセス制御を提供できる。ガス分析装置１は、半導体チップ製造におけるスループットを劇的に向上させ、歩留まり率を最大化することを目的に開発されたトータルソリューションプラットホームとして機能する。上記のように、本例のガス分析装置１は、設置面積が非常に小さいことから、チャンバー１０１に直接接続して現場で使用することが可能である。また、現在、半導体製造プロセス装置で主に取り入れられている標準的なプロトコル、例えば、イーサーキャット（Ｅｉｔｈｅｒ ＣＡＴ）プロトコルをＰＬＣ５０に搭載することができ、プロセス機器制御システム１００に統合することが可能である。

【0015】

ガス分析装置１は、サンプルガス９のイオン（イオン流）１７を生成するイオン化装置１０と、イオン化装置１０から供給されるイオン１７を分析する分析計（分析ユニット）２０とを含む。イオン化装置１０は、プロセスからサンプル入力３ａを介して供給される測定対象のサンプルガス９のプラズマ（マイクロプラズマ）１９を生成してイオン流１７として分析ユニット２０へ供給するプラズマ生成ユニット（プラズマ生成装置）１１を含む。プラズマ生成ユニット１１は、誘電性の壁体構造１２ａを備え、測定対象のサンプルガス９が流入するチャンバー（サンプルチャンバー）１２と、誘電性の壁体構造１２ａを介して高周波電場および／または磁場により、減圧されたサンプルチャンバー１２内でプラズマ１９を生成する高周波供給装置（ＲＦ供給機構）１３と、高周波の周波数および電力を制御するプラズマコントローラ１６とを含む。

【0016】

本例のガス分析装置１は、プロセス１００から供給されるサンプルガス９を連続して、または短い周期で断続的に分析することができる質量分析型の分析装置である。分析ユニット２０は、イオン化されたサンプルガス（サンプルガスイオン）の流れ（イオン流）１７を質量電荷比によりフィルタリングするフィルターユニット（質量フィルター、本例においては四重極部）２５と、フィルタリングされたイオンを検出するディテクタユニット２６とを含む。ガス分析装置１は、さらに、フィルターユニット２５およびディテクタユニット２６を収納した真空容器（ハウジング）４０と、ハウジング４０の内部を適当な負圧条件（真空条件）に維持する排気システム６０を含む。本例の排気システム６０は、ターボモレキュラポンプ（ＴＭＰ）６１と、ルーツポンプ（吸引段、Ｄｒａｇ ｓｔａｇｅ）６２とを含む。排気システム６０は、プラズマ生成装置１１のサンプルチャンバー１２の内圧も制御するスプリットフロータイプである。排気システム６０の多段のＴＭＰ６１のうち、チャンバー１２の内圧に適した負圧となる段、またはルーツポンプ６２の入力がチャンバー１２と連通し、チャンバー１２の内圧が制御されるようになっている。

【0017】

本例の質量フィルター２５は、質量電荷比によるフィルタリング用の双曲電場を形成するために内側が双曲面に仕上げられた４本の円筒または円柱状の電極（ハイパークアッド、ＨｙｐｅｒＱｕａｄ）２５ａを含む。四重極タイプの質量フィルター２５は、複数の疑似双曲電場を形成するように多数、例えば９本の円柱状の電極を、マトリクス（アレイ）を形成するように配置したものであってもよい。ディテクタユニット２６は、ファラデーカップ（ＦＣ、Faraday Cap）と二次電子増倍器（ＳＥＭ、Secondary Electron Multiplier）とを含み、これらを組み合わせて、または、切り替えて使用することができる。ディテクタユニット２６は、チャンネル型二次電子増倍器（ＣＥＭ、Channel Electron Multiplier）、マイクロチャンネルプレート（ＭＰ、Microchannel Plate）などの他のタイプであってもよい。

【0018】

本例のプラズマ生成ユニット１１は、ハウジング４０の内部に一体に組み込まれたプラズマ生成用のサンプルチャンバー１２を含む。チャンバー１２の外郭はハステロイ製であり、内部に絶縁された円筒電極が挿入され、その内部でプラズマ１９が生成される。減圧されたサンプルチャンバー１２には、監視対象のプロセスチャンバー１０１からサンプル入力３ａを介してサンプルガス９のみが流入し、サンプルチャンバー１２の内部でプラズマ（マイクロプラズマ）１９が形成される。すなわち、プラズマ生成ユニット１１においては、アルゴンガスなどのアシストガス（サポートガス）は用いられずに、サンプルガス９のみにより分析用のプラズマ１９が生成される。サンプルチャンバー１２の壁体１２ａは誘電性の部材（誘電体）から構成されており、その一例は、石英（Ｑｕａｒｔｚ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および窒化ケイ素（ＳｉＮ_３）などのプラズマに対して耐久性が高い誘電体である。

【0019】

プラズマ生成ユニット１１のプラズマ生成する装置（ＲＦ供給機構）１３は、サンプルチャンバー１２の内部で、プラズマトーチを用いずに、誘電性の壁体構造１２ａを介して電場および／または磁場によりプラズマ１９を生成する。ＲＦ供給機構１３の一例は高周波（ＲＦ、Radio Frequency）電力でプラズマ１９を励起する機構である。ＲＦ供給機構１３の例としては、誘電結合プラズマ（ＩＣＰ、Inductively Coupled Plasma）、誘電体バリア放電（ＤＢＤ、Dielectric Barrier Discharge）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ、Electron Cyclotron Resonance）などの方式を挙げることができる。これらの方式でプラズマを生成するＲＦ供給装置１３は、高周波電源と、ＲＦ場形成ユニットとを含んでもよい。ＲＦ場形成ユニットの典型的なものは、サンプルチャンバー１２に沿って配置されたコイルを含む。

【0020】

本例のプラズマ生成ユニット１１のプラズマコントローラ１６は、ＲＦ供給装置１３により供給されるＲＦ場の周波数を調整して（マッチングさせて）プラズマを維持するマッチング制御ユニット１６ａと、マッチングの状態のＲＦ周波数を変化させて点火する機能（点火ユニット）１６ｂとを含む。点火ユニット１６ｂは、例えば、マッチング周波数よりも高い周波数で高パワーの高周波電力をパルス状に短時間、例えば１０ｍｓ程度投入することでプラズマを、ＲＦ供給装置１３を用いて点火できる。このため、従来のグロー放電用の電極を設けたり、圧電素子などの高電圧刺激を与える機構を設けたりしなくても容易にプラズマを点火できる。プラズマが点火した後は、ＲＦ供給装置１３を定常動作状態に移行することでプラズマを生成して維持できる。なお、プラズマ生成ユニット１１は、アルゴンガスなどのアシストガスによる誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を形成しサンプルガスを導入してイオン化するタイプであってもよい。

【0021】

本例のサンプルチャンバー１２の内圧は、プラズマが生成しやすい圧力、例えば、０．０１－１ｋＰａの範囲であってもよい。プロセスチャンバー１０１の内圧が１－数１００Ｐａ程度に管理される場合、サンプルチャンバー１２の内圧は、それより低い圧力、例えば、０．１－数１０Ｐａ程度に管理されてもよく、０．１Ｐａ以上、または０．５Ｐａ以上、１０Ｐａ以下、または５Ｐａ以下に管理されてもよい。例えば、サンプルチャンバー１２は内部が、１－１０ｍＴｏｒｒ（０．１３－１．３Ｐａ）程度に減圧されてもよい。サンプルチャンバー１２を上記の程度の減圧に維持することにより、サンプルガス９のみで、低温でプラズマ１９を生成することが可能である。サンプルチャンバー１２は、マイクロプラズマ１９を生成できる程度の小型の、例えば、数ｍｍから数１０ｍｍ程度のチャンバー（ミニチュアチャンバー）であってもよい。サンプルチャンバー１２の容量を小さくすることにより、リアルタイム性に優れたガス分析装置１を提供できる。サンプルチャンバー１２は、円筒状であってもよい。

【0022】

ガス分析装置１は、イオン化装置１０のプラズマ生成装置１１、典型的にはチャンバー１２の出口１８から分析計（分析ユニット）２０の入口２７に対しイオン流１７を非直線的に導く第１のイオン経路４１と、分析ユニット２０の入口２７からフィルターユニット２５に対して所定の角度、典型的にはフィルターユニット２５の電極２５ａと平行に入力するようにイオン流１７を導く第２のイオン経路４２とを含む。第１のイオン経路４１は、第１の静電レンズ群４３を含み、電場によりサンプルチャンバー（プラズマチャンバー）１２に形成されたプラズマ１９からチャンバー出口１８を通してイオン流１７を抽出し、チャンバー出口（チャンバー開口）１８に対して非直線の位置に設けられた入口（開口）２７へイオン流１７を導く。分析ユニット２０の入口２７は、障壁２７ａに設けられた開口となっており、入口（開口）２７を通過したイオン流１７のみが分析ユニット２０に導入されるようになっている。本例においてチャンバー出口１８に対して分析ユニット２０の入口２７は、第２のイオン経路４２から見て、あるいは四重極フィルター２５の中心軸に対して、それぞれの開口が重ならない程度にシフト（直交する方向に移動）して配置されており、第１のイオン経路４１がそれらの開口１８および２７の間を、イオン流１７を曲げて導くように設けられている。一方、チャンバー出口１８から漏れ出る光は、障壁２７ａにより分析ユニット２０に対して遮光されるようになっている。

【0023】

イオン流１７の経路は、電場の影響を受けて曲がるのに対し、チャンバー出口１８から漏れ出すプラズマ１９の励起発光による光は電場の影響を受けずに直進する。したがって、チャンバー出口１８に対してシフトした位置に、イオン流１７をフィルターユニット２５に導く開口２７を設け、イオン流１７は非直線的に（曲げて）導く第１のイオン経路４１をそれらの間に設けることにより、チャンバー出口１８から直線的に放出されるプラズマの励起光が分析ユニット２０の入口（開口）２７に到達することを抑制できる。そのため、プラズマの励起光がディテクタ２６、本例では、ファラデーカップ（ＦＣ）と二次電子倍増器（ＳＥＭ）との組み合わせ、に到達して質量スペクトルのバックグランド信号（ノイズ）となる二次電子が生成されることを抑制できる。

【0024】

イオン流１７を非直線的に、曲げて（屈曲させて）導く第１のイオン経路４１は、直進する光を遮ることができるものであればよく、イオン流１７を一度屈曲するように導くものであってもよく、さらに屈曲させてチャンバー出口１８と分析ユニット２０の入口２７とが直線的に並ぶように導くものであってもよい。また、この第１のイオン経路４１は、イオン流１７としての方向を制御すればよく、個々のイオンの移動方向を制御するような精度あるいは口径を備えている必要はなく、そのような制御あるいはフィルタリングが行われないように設計された経路であってもよい。

【0025】

第２のイオン経路４２は、第２の静電レンズ群４４と、それらの間に配置されたエネルギーフィルター２８とを含む。第２の静電レンズ群４４は、第１のイオン経路４１との間に設けられた障壁２７ａの開口２７を経て第２のイオン経路４２に流入したイオン流１７の方向を制御する。エネルギーフィルター２８は、ベッセルボックス（Ｂｅｓｓｅｌ－Ｂｏｘ）であってもよく、ＣＭＡ（Cylindrical Mirror Analyzer）であってもよく、ＣＨＡ（Concentric Hemispherical Analyzer）であってもよい。ベッセルボックスタイプのエネルギーフィルター２８は、円筒電極と円筒電極の中心部に配置した円板形電極（円筒電極と同電位）、円筒電極の両端に配置した電極とから構成され、円筒電極と両端電極の電位差Ｖｂａによって作られる電場と円筒電極の電位Ｖｂｅとによって特定の運動エネルギーを持つイオンのみを通過させるバンドパスフィルターとして動作する。また、プラズマ生成の際に発生する軟Ｘ線や気体イオン化の際に発生する光が円筒電極中心に配置されている円板形電極により直接イオン検出器（ディテクタ）２６に入射することを阻止でき、ノイズを低減できる。また、エネルギーフィルター２８により、イオン生成部あるいは外部で生成され、フィルターユニット２５に対して中心軸と平行に入射するイオンや中性粒子なども排除できるので、それらの検出を抑制できる構造となっている。

【0026】

さらに、エネルギーフィルター２８は、電場の制御により、第２のイオン経路４２を通過してフィルターユニット２５に入力される予定の全ての運動エネルギーを持つイオン（イオン流）１７の通過を阻止することが可能である。したがって、エネルギーフィルター２８は、第１のイオン経路４１を介して分析計２０の質量フィルター２５に至るイオン流１７の経路の少なくとも一部の経路におけるイオン流１７を電場または磁場により断続的に阻止および解放する阻止装置２９として機能する。エネルギーフィルター２８の代わりに、または協働して、第２のイオン経路４２においてイオン流１７の方向を制御する第２の静電レンズ群４４の一部または全部の電場（電位）を制御して阻止電位として用い、質量フィルター２５に至るイオン流１７を断続的に阻止したり解放したりする阻止装置（阻止電位発生装置）２９として機能させてもよい。

【0027】

本例のガス分析装置１のイオン化装置１０は、さらに、プロセスからサンプル入力３ｂを介して供給される測定対象のサンプルガス９を電子衝撃によりイオン化するフィラメント（ＥＩイオン源）１５を含む。ＥＩイオン源１５は高真空で動作し、モニタリング対象のプロセスチャンバー１０１におけるプロセスが高真空でマイクロプラズマ１９の生成が難しい条件の場合、ガス分析装置１の到達圧力での動作、さらには、感度補正を目的として使用できる。プラズマイオン化用のサンプル入力３ａと、ＥＩイオン化用のサンプル入力３ｂとへのサンプルガス９の供給は、上流に設けられたバルブ１０３ａおよび１０３ｂにより、プロセスコントローラ１０５により自動的に切り替えることができる。

【0028】

一実施例では、プロセスコントローラ１０５が、プロセスチャンバー１０１の内圧が高い、例えば、１Ｐａ以上で，反応性プロセスの場合にはバルブ１０３ａを開いてガス分析装置１にサンプルガス９を供給し、さらに、ガス分析装置１の制御装置（ＰＬＣモジュール）５０を介してサンプルガス９のプラズマ１９を生成してイオン流１７を引き出して質量分析を行う。この際、ＥＩイオン源（フィラメント）１５は点灯せず、バルブ（ポート）１０３ｂは閉鎖される。プロセスチャンバー１０１の内圧が低い、例えば、到達圧力などで測定するときには、プロセスコントローラ１０５がプラズマ側のポート（バルブ）１０３ａを閉じて、ＥＩ側のポート１０３ｂを開いてサンプルガス９を供給し、制御装置５０によりフィラメントを点灯して（ＥＩ作動させて）イオン流１７を生成し、質量分析を行う。

【0029】

ガス分析装置１は、システムコントローラ（システム制御装置、ＰＣＬモジュール）５０の下で分析ユニット２０の各モジュールを制御する制御装置（ユニットコントローラ、モジュールコントローラ、コントロールボックス、制御モジュール）３０を含む。ユニットコントローラ３０は、第１の静電レンズ群４３の電位を制御する第１のレンズ制御装置（制御ユニット、制御機能、回路、モジュール）３１と、第２の静電レンズ群４４の電位を制御する第２のレンズ制御装置（制御ユニット）３２と、エネルギーフィルター２８の電位を制御するエネルギーフィルター制御装置（エネルギーフィルタ制御ユニット）３３と、フィラメント電流および電圧を制御するフィラメント制御装置（フィラメント制御ユニット）３４と、質量フィルター２５のＲＦおよびＤＣ電圧を制御するフィルター制御装置（四重極フィルタ制御ユニット）３５と、ディテクタ２６を制御して検出電流を取得するディテクタ制御装置（ディテクタ制御ユニット）３６とを含む。本例においては、例えば、第１の静電レンズ４３および第２の静電レンズ４４の制御条件は分析ユニット２０により質量スペクトルを取得する条件と同じに設定してイオン流１７を通過させ、エネルギーフィルター２８のみの条件を変えることにより、分析ユニット２０の質量フィルター２５に流入するイオン流１７を阻止したり解放したりすることができる。

【0030】

ガス分析装置１を制御するシステム制御装置（ＰＬＣモジュール）５０は、ＣＰＵおよびメモリ５９などのコンピュータ資源を含み、プログラム（制御用プログラム）５５をダウンロードして実行することによりガス分析装置１を制御する。プログラム５５は、阻止装置２９によりイオン流１７の通過が阻止された状態で分析ユニット（分析計）２０により第１の検出データ７１を取得する処理（第１の処理）を行う第１のモジュール（第１の機能）５１と、阻止装置２９によりイオン流１７の通過が阻止されていない状態（イオン流１７の通過が解放された状態）で分析ユニット２０により第２の検出データ７２を取得する処理（第２の処理）を行う第２のモジュール（第２の機能）５２と、第２の検出データ７１と第１の検出データ７２との差分を含む検出結果７３を出力する処理（第３の処理）を行う第３のモジュール（第３の機能）５３としてＰＬＣモジュール５０を機能させるための命令を含む。

【0031】

図４に、質量スペクトル（スペクトルデータ、スペクトラ）のいくつかの例を模式的に示している。図４（ａ）は、本例のガス分析装置１ではなく、イオン流１７を曲げて導くような第１のイオン経路を有しない、従来型の質量分析装置により得られる検出結果の一例である。すなわち、プラズマ１９の発光を遮光せずに分析ユニット２０にイオン流１７を入力して得られる質量スペクトル７９の一例である。質量スペクトル７９のピーク幅Ｐ１も広く、オフセット量Ｐ２も大きく、プラズマ１９の発光がディテクタ２６に届いていることによるノイズが、検出される質量スペクトルの精度を低下させていることがわかる。

【0032】

図４（ｂ）は、本例のガス分析装置１において検出結果として得られる質量スペクトルの一例である。この質量スペクトル７８は、阻止装置２９によりイオン流１７の通過が阻止されていない状態（解放された状態）で計測されたデータ（第２の計測データ）７２を模式的に示したものである。分析ユニット２０により第１のイオン経路４１においてイオン流１７を非直線的に導くことにより、直線的に進むプラズマ１９の発光の影響を抑制することが可能となる。このため、質量スペクトル７８のピークが鋭くなり（幅が狭くなり）、オフセット（ノイズフロアー）量Ｐ２が減少していることがわかる。さらに、このガス分析装置１においては、エネルギーフィルター２８により質量フィルター２５に入力されるイオン１７のエネルギーを選別することが可能である。このため、よりシャープなピークを持った質量スペクトを得ることができる。

【0033】

図４（ｃ）は、本例のガス分析装置１において検出結果として得られるスペクトル７７であるが、阻止装置２９によりイオン流１７の通過が阻止された状態で分析ユニット２０により計測されたデータ（第１の検出データ）７１を模式的に示したものである。すなわち、スペクトル７７は、エネルギーフィルター２８の条件を全てのエネルギーのイオンが通過しないように設定し、阻止装置２９として機能させた状態で、ディテクタ２６により得られる検出スペクトルの一例である。第１のイオン経路４１において、イオン流１７は開口２７に向かって非直線的に導かれる。しかしながら、検出対象の様々な質量電荷比（ｍ／ｚ）のイオンを含むイオン流１７を分析ユニット２０に、計測に十分な量を供給するためにはイオン流１７の偏向角度および／または開口２７の面積を、遮光を優先して選択できないこともある。特に、携帯可能なコンパクトなガス分析装置１を実現しようとするとイオン流１７の長さおよび角度が、遮光のために十分に確保できないことがある。

【0034】

また、ガス分析装置１の内部において迷光は、ほぼ必ず発生し、質量フィルター２５によりフィルタリングされないイオンがディテクタ２６に到達することもある。したがって、ガス分析装置１の固有のノイズは常に発生する可能性があり、そのようなノイズを全てハードウェアで阻止することは難しい。ガス分析装置１においては、ＰＬＣ５０の第１のモジュール（機能）５１により、質量フィルター２５に対し、設計通りに入力するイオン流１７を阻止装置２９により阻止して計測を行う。このプロセスにおいて得られたデータ（第１の検出データ）７１を、ガス分析装置１における、計測条件に固有のノイズ（オフセット）とすることができる。

【0035】

図４（ｄ）は、ＰＬＣ５０の第３のモジュール（機能）５３により、第２のモジュール５２によりイオン流１７が阻止装置２９により阻止されていない状態で測定された第２の検出データ７２（図４（ｂ））と、第１のモジュール５１によりイオン流１７が阻止装置２９により阻止された状態で取得された第１の検出データ７１（図４（ｃ））と、の差分の質量スペクトル７６を示す。第２の検出データ７２として得られた質量スペクトル７８から、第１の検出データ７１として得られた分析装置１の固有のノイズスペクトル（バックグラウンドスペクトル）７７を差し引くことにより、オフセットを含むノイズの影響がほぼ見られない、精度の高い質量スペクトル７６を得ることができ、それを検出結果７３として出力することができる。

【0036】

図５に、ガス分析装置１において、オフセット（ノイズ）をキャンセルした計測結果を出力する処理に関する制御方法の概要を示している。ステップ８１において、第１のモジュール５１によりオフセット（ノイズ）に関する第１の検出データ７１を取得するか否かを判断する。ガス分析装置１は、基本的には連続してイオン流１７を生成でき、そのイオン流１７を連続して、または短時間の繰り返しによる平均化を図るために断続的に分析することができる。したがって、ほぼ同じ条件で、イオン流１７を遮断（阻止）した状態の測定と、イオン流１７を解放した（阻止しない）状態の測定とを繰り返し行うことができる。オフセットに関する第１の検出データ７１は、精度を優先して、質量スペクトルに関する第２の検出データ７２を取得する都度、取得してもよく、測定に要する時間を優先して所定の測定回数あるいは時間が経過したときに定期的に、あるいは測定条件が変わったとき、ガス分析装置１が起動したときなどの限られたタイミングで取得してもよい。

【0037】

第１の検出データ７１を取得する場合は、ステップ８２において、エネルギーフィルター２８を阻止装置２９として機能する条件に設定し、ステップ８３において、エネルギーフィルター２８によりイオン１７の通過が阻止された状態で分析ユニット（分析計）２０により第１の検出データ７１を取得する。オフセット（ノイズ）に関する第１の検出データ７１ではなく、オフセットも含めた質量スペクトルに関する第２の検出データ７２を取得する場合は、第２のモジュール５２により、ステップ８４において、エネルギーフィルター２８を所定の条件でイオン流１７のエネルギー選別を行うように設定し、ステップ８５において、イオン流１７が阻止されていない状態で分析ユニット２０により質量スペクトルに関する第２の検出データ７２を取得する。さらに、ステップ８６において、第３のモジュール５３により、オフセットを含めて得られた第２の検出データ７２から、オフセットに関する第１の検出データ７１を差し引いた質量スペクトルを検出結果７３として出力する。

【0038】

この分析装置１においては、イオン流１７を曲げて導く第１のイオン経路４１により、プラズマ１９の発光の影響は抑制されており、第２の検出データ７２に含まれる質量スペクトル７８のピークは鋭く、オフセット量も小さい。したがって、イオン流１７を遮断して得られる第１の検出データ７１に含まれる、限られたバックグランドの情報をほぼ単純に差し引くことにより、複雑な処理を経ずに、よりシャープで、オフセット量の小さな質量スペクトを得ることができる。

【0039】

図６にガス分析装置１のいくつかの異なる例を示している。図６（ａ）に示したガス分析装置１は、イオン流１７の経路（第１のイオン経路）４１を、静電レンズ群に代わり制御するイオンガイド装置（ガイドユニット）４５を用いて構成した例を示している。このガイドユニット４５はイオン経路４１の周囲を構成する、例えば円筒状の電極４７と、その内部に配置された偏向用の電極４６ａおよび４６ｂとを含む。ガイドする対象のイオンがプラス電荷である場合、円筒状の周囲電極４７は正電位、例えば１００Ｖ程度に維持され、偏向用の電極４６ａおよび４６ｂは接地電位、例えば０Ｖに維持される。これらの電極により構成される電場に沿ってイオン流１７の方向は制御され、図面上、上下にシフトして非直線状に２回曲げられて分析ユニット２０の開口２７へ導かれる。したがって、イオン化装置１０であるプラズマ生成装置１１のチャンバー出口１８からイオン流１７を、分析ユニット２０の入口の開口２７に対し非直線的に導き、直線的に進むプラズマ光の影響を抑制できる。

【0040】

図６（ｂ）に示したガス分析装置１は、イオン経路４１に配置されたエネルギーフィルター２８を、イオン化装置１０であるプラズマ生成装置１１のチャンバー出口１８からイオン流１７を非直線で導く電場を形成する装置と、イオン流１７を阻止する阻止装置２９として機能させるように設けた装置である。上述したように、ベッセルボックスタイプのエネルギーフィルター２８は、円筒電極と円筒電極の中心部に配置した円板形電極と、円筒電極の両端に配置した電極とから構成され、イオン流１７は、円筒電極中心に配置されている円板形電極を避けるように非直線に導かれる。典型的には、イオン流１７は、エネルギーフィルター２８の入口から出口に向かって、円板形電極の周囲を迂回して通過するように、屈曲した流路でエネルギーフィルター２８を通過する。このため、円筒電極中心に配置されている円板形電極によりプラズマ生成の際に発生する軟Ｘ線や気体イオン化の際に発生する光が直にディテクタ２６に入射することを阻止できる。したがって、これらの構成のガス分析装置１においても、プラズマ生成装置１１においては発生する光による影響を、イオン流１７を非直線的に導くことにより抑制できる。さらに、イオン流１７を阻止した状態でオフセット（ノイズ）を測定することにより、残存するノイズ成分についても効率よく除去することが可能となり、より精度の高い質量スペクトルを検出結果として出力することができる。

【0041】

なお、上記では、ガス分析ユニット２０の質量フィルター２５として四重極タイプを採用した例を説明しているが、質量フィルター２５は、イオントラップ、ウィーン（Ｗｉｅｎ）フィルターなどの他のタイプであってもよい。

【0042】

また、上記においては、本発明の特定の実施形態を説明したが、様々な他の実施形態および変形例は本発明の範囲および精神から逸脱することなく当業者が想到し得ることであり、そのような他の実施形態および変形は以下の請求の範囲の対象となり、本発明は以下の請求の範囲により規定されるものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】