特表 2024-544369 質量分析器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-29

(54)【発明の名称】質量分析器

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/06 20060101AFI20241122BHJP

   H01J 49/10 20060101ALI20241122BHJP

   H01J 49/04 20060101ALI20241122BHJP

   H01J 49/26 20060101ALI20241122BHJP

【ＦＩ】

H01J49/06 700

H01J49/10 500

H01J49/04 500

H01J49/26

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024532238

(86)(22)【出願日】2022-12-01

(85)【翻訳文提出日】2024-05-29

(86)【国際出願番号】 KR2022019397

(87)【国際公開番号】W WO2023101479

(87)【国際公開日】2023-06-08

(31)【優先権主張番号】10-2021-0171064

(32)【優先日】2021-12-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522261075

【氏名又は名称】ヨンインエース カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000051

【氏名又は名称】弁理士法人共生国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】カン，ソンウォン

(72)【発明者】

【氏名】イ，フン

(72)【発明者】

【氏名】ジョン，ユン ジン

(72)【発明者】

【氏名】ウ，ジュ

(72)【発明者】

【氏名】イ，ヒョン－サン

(72)【発明者】

【氏名】イ，ジングン

(57)【要約】

【課題】分解能及び測定正確度が改善された質量分析器を提供する。
【解決手段】試料導入部、試料導入部と連結され、試料導入部から導入された試料をイオン化させるように構成されるイオン化部、イオン化部に隣接する抽出レンズ及び抽出レンズから抽出されたイオンビームをガイディングするように構成されるガイディングレンズを含むイオンレンズ部、及びイオンビームを検出するように構成される検出部を含み、抽出レンズはイオン化部に向かう前面開口、ガイディングレンズに向かう背面開口、及び前面開口と背面開口との間の側面開口を有する質量分析器を提供する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料導入部と、
前記試料導入部と連結され、前記試料導入部から導入された試料をイオン化させるように構成されるイオン化部と、
前記イオン化部に隣接する抽出レンズ及び前記抽出レンズから抽出されたイオンビームをガイディングするように構成されるガイディングレンズを含むイオンレンズ部と、
前記イオンビームを検出するように構成される検出部と、を含み、
前記抽出レンズは、前記イオン化部に向かう前面開口、前記ガイディングレンズに向かう背面開口、及び前記前面開口と前記背面開口との間の側面開口を有する、ことを特徴とする質量分析器。

【請求項2】

前記側面開口は、複数提供され、
前記側面開口の各々は、前記前面開口から前記背面開口に向かう第１方向に行くほど、前記第１方向と直交する第２方向への幅が増加する、ことを特徴とする請求項１に記載の質量分析器。

【請求項3】

前記前面開口の直径は、前記背面開口の直径より小さい、ことを特徴とする請求項１に記載の質量分析器。

【請求項4】

前記イオン化部及び前記イオンレンズ部の間のインターフェイス部と、
前記イオンレンズ部及び前記検出部の間の質量分離部と、をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の質量分析器。

【請求項5】

前記抽出レンズは、前記インターフェイス部に隣接し、前記側面開口を有する第１抽出レンズ、及び前記第１抽出レンズと前記ガイディングレンズとの間の第２抽出レンズを含み、
前記第１及び第２抽出レンズの各々は、第１軸を中心軸にする対称的な形状を有し、
前記第１抽出レンズの少なくとも一部は、前記インターフェイス部と重畳される、ことを特徴とする請求項４に記載の質量分析器。

【請求項6】

前記インターフェイス部は、スキマーコーンを含み、
前記スキマーコーンは、前記第１抽出レンズと離隔される第１部分、及び前記第１抽出レンズの少なくとも一部を囲む第２部分を含む、ことを特徴とする請求項５に記載の質量分析器。

【請求項7】

前記スキマーコーンの前記第１部分は、中空のコーン形状を有し、
前記スキマーコーンの前記第２部分は、中空の円柱形状を有し、
前記スキマーコーンの前記第１部分の背面は、前記第１抽出レンズの前面と第１距離程離隔される、ことを特徴とする請求項６に記載の質量分析器。

【請求項8】

前記第１距離は、０．５ｍｍ乃至２ｍｍである、ことを特徴とする請求項７に記載の質量分析器。

【請求項9】

前記スキマーコーンの前記第１部分の内側壁と前記第１軸がなす第１角度は、前記第１抽出レンズの内側壁と前記第１軸がなす第２角度より大きい、ことを特徴とする請求項６に記載の質量分析器。

【請求項10】

前記第１角度は、２０°より大きく３０°より小さく、
前記第２角度は、１０°より大きく２０°より小さい、ことを特徴とする請求項９に記載の質量分析器。

【請求項11】

前記第２抽出レンズの少なくとも一部は、前記第１抽出レンズと重畳され、
前記第２抽出レンズの前面は、前記第１抽出レンズの前面と第２距離程離隔される、ことを特徴とする請求項５に記載の質量分析器。

【請求項12】

前記第２距離は、１０ｍｍ乃至１５ｍｍである、ことを特徴とする請求項１１に記載の質量分析器。

【請求項13】

前記ガイディングレンズは、前記第１軸を中心軸とし、前記第２抽出レンズと離隔される第１ガイディングレンズ、及び前記第１軸と離隔される第２軸を中心軸とする第２ガイディングレンズを含む、ことを特徴とする請求項５に記載の質量分析器。

【請求項14】

前記試料導入部は、
液体状態の試料をエアロゾル（ａｅｒｏｓｏｌ）状態に変更するように構成されるネブライザーと、
前記ネブライザーと連結され、温度制御を通じて相対的にサイズが小さいエアロゾルのみが前記イオン化部に移動できるようにエアロゾルの流れを制御するように構成されるスプレーチャンバーを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の質量分析器。

【請求項15】

前記イオン化部は、
前記試料導入部の前記スプレーチャンバーと連結され、最も内側に配置される第１チューブと、
端部が前記イオンレンズ部に向かい、最も外側に配置される第３チューブと、
前記第１チューブ及び前記第３チューブの間に配置される第２チューブと、
前記第３チューブの外部を囲む螺旋形状を有する誘導コイルと、を含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の質量分析器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は質量分析器に係り、より具体的に半導体製造現場で使用される、イオンレンズを含む質量分析器に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造現場で工程状態を確認するために様々なイオン又は元素の濃度、分布等を測定及び分析できる方法が要求されている。また、大気及び水質の汚染が加速化されることによって環境現場で汚染程度等を測定及び分析できる方法が要求されている。このような測定及び分析のために質量分析器（ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）が使用される。

【0003】

質量分析器は質量分析で化学作用剤等を識別又は分析する機器である。このような質量分析器は物質の質量を質量対電荷の比（ｍａｓｓ－ｔｏ－ｃｈａｒｇｅ ｒａｔｉｏ）で測定して試料の構成成分を分析する。質量分析器内で様々な方法を使用して試料がイオン化される。イオン化された試料は電気場及び／又は磁気場を経て加速化される。即ち，イオン化された試料の一部又は全部は電気場及び／又は磁気場等によって経路が曲がる。検出器はイオン化された試料を検出する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の一技術的課題は分解能（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）及び測定正確度が改善された質量分析器を提供することにある。
本発明が解決しようとする課題は以上で言及された課題に制限されなく、言及されないその他の課題は下の記載から該当技術分野で通常の知識を有する者に明確に理解されるべきである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上述した技術的課題を解決するために本発明の実施形態による質量分析器は試料導入部、前記試料導入部と連結され、前記試料導入部から導入された試料をイオン化させるように構成されるイオン化部、前記イオン化部に隣接する抽出レンズ、及び前記抽出レンズから抽出されたイオンビームをガイディングするように構成されるガイディングレンズを含むイオンレンズ部、及び前記イオンビームを検出するように構成される検出部を含み、前記抽出レンズは前記イオン化部に向かう前面開口、前記ガイディングレンズに向かう背面開口、及び前記前面開口と前記背面開口との間の側面開口を有する。

【0006】

前記側面開口は複数提供され、前記側面開口の各々は前記前面開口から前記背面開口に向かう第１方向に行くほど、前記第１方向と直交する第２方向への幅が増加する。

【0007】

前記前面開口の直径は前記背面開口の直径より小さい。

【0008】

前記イオン化部及び前記イオンレンズ部の間のインターフェイス部、及び前記イオンレンズ部及び前記検出部の間の質量分離部をさらに含む。

【0009】

前記抽出レンズは前記インターフェイス部に隣接し、前記側面開口を有する第１抽出レンズ、及び前記第１抽出レンズと前記ガイディングレンズとの間の第２抽出レンズを含み、前記第１及び第２抽出レンズの各々は第１軸を中心軸にする対称的な形状を有し、前記第１抽出レンズの少なくとも一部は前記インターフェイス部と重畳される。

【0010】

前記インターフェイス部はスキマーコーンを含み、前記スキマーコーンは前記第１抽出レンズと離隔される第１部分、及び前記第１抽出レンズの少なくとも一部を囲む第２部分を含む。

【0011】

前記スキマーコーンの前記第１部分は中空のコーン形状を有し、前記スキマーコーンの前記第２部分は中空の円柱形状を有し、前記スキマーコーンの前記第１部分の背面は前記第１抽出レンズの前面と第１距離程離隔される。

【0012】

前記第１距離は０．５ｍｍ乃至２ｍｍであり得る。

【0013】

前記スキマーコーンの前記第１部分の内側壁と前記第１軸がなす第１角度は前記第１抽出レンズの内側壁と前記第１軸がなす第２角度より大きい。

【0014】

前記第１角度は２０°より大きく３０°より小さく、前記第２角度は１０°より大きく２０°より小さい。

【0015】

前記第２抽出レンズの少なくとも一部は前記第１抽出レンズと重畳され、前記第２抽出レンズの前面は前記第１抽出レンズの前面と第２距離程離隔される。

【0016】

前記第２距離は１０ｍｍ乃至１５ｍｍであり得る。

【0017】

前記ガイディングレンズは前記第１軸を中心軸とし、前記第２抽出レンズと離隔される第１ガイディングレンズ、及び前記第１軸と離隔される第２軸を中心軸にする第２ガイディングレンズを含む。

【0018】

前記試料導入部は液体状態の試料をエアロゾル（ａｅｒｏｓｏｌ）状態に変更するように構成されるネブライザー、及び前記ネブライザーと連結され、温度制御を通じて相対的にサイズが小さいエアロゾルのみが前記イオン化部に移動できるようにエアロゾルの流れを制御するように構成されるスプレーチャンバーを含む。

【0019】

前記イオン化部は前記試料導入部の前記スプレーチャンバーと連結され、最も内側に配置される第１チューブ、端部が前記イオンレンズ部に向かい、最も外側に配置される第３チューブ、前記第１チューブ及び前記第３チューブの間に配置される第２チューブ、及び前記第３チューブの外部を囲む螺旋形状を有する誘導コイルを含む。

【発明の効果】

【0020】

本発明による質量分析器の抽出レンズは空間電荷効果（ｓｐａｃｅ ｃｈａｒｇｅ ｅｆｆｅｃｔ）によって広がっていくアルゴンイオンの少なくとも一部を、側面開口を通じて放出させることができる。したがって、本発明による質量分析器の分解能及び測定正確度が改善できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施形態による質量分析器を説明するための概念図である。

【図2】本発明の実施形態による質量分析器のイオンレンズ部を説明するための拡大図であって、図１のＡ部分に対応する。

【図3】本発明の実施形態による質量分析器のイオンレンズ部の第１抽出レンズをより詳細に説明するための斜視図である。

【図4】本発明の実施形態による質量分析器のイオンレンズ部をより詳細に説明するための拡大図であって、図２のＢ部分に対応する。

【図5】本発明の実施形態による質量分析器のイオンレンズ部内でのイオンビームの経路及び透過率（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を説明するためのシミュレーション図である。

【図6】本発明の実施形態による質量分析器のイオンレンズ部内でのイオンビームの経路及び透過率（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を説明するためのシミュレーション図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明を実施するための最善の形状を示す図面は図２である。
本発明の構成及び効果を十分に理解するために、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。

【0023】

本発明は以下で開示される実施形態に限定されることなく、様々な形態で具現でき、多様な修正及び変更を加えることができる。単なる、本実施形態の説明を通じて本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野の通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。

【0024】

添付した図面で構成要素は説明の簡易化のためにそのサイズが実際より拡大して示しており、各構成要素の比率は誇張されるか、或いは縮小される。
本明細書で使用された用語は実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限しようとすることではない。また、本明細書で使用される用語は特に定義されない限り、該当技術分野で通常の知識を有する者に通常的に公知された意味として解釈される。

【0025】

本明細書で、単数形は文句で特別に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使用される‘含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）’及び／又は‘含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）は言及された構成要素、段階、動作、及び／又は素子は１つ以上の他の構成要素、段階、動作、及び／又は素子の存在又は追加を排除しない。
本明細書である層が他の層‘上に’にあると言及される場合に、それは他の層の上面に直接形成されるか、或いはそれらの間に第３の層が介在されてもよい。

【0026】

本明細書で第１、第２等の用語が多様な領域、層等を記述するために使用されるが、これらの領域、層がこのような用語によって限定されてはならない。これらの用語は単なる所定領域又は層を他の領域又は層と区別させるために使用されただけである。したがって、いずれか一実施形態で第１部分として言及された部分が他の実施形態では第２部分として言及されることもあり得る。ここに説明され、例示される実施形態はその相補的な実施形態も含む。明細書の全体に亘って同一の参照番号で表示された部分は同一の構成要素を示す。

【0027】

以下、図面を参照して本発明による質量分析器の実施形態に対して詳細に説明する。

【0028】

図１は本発明の実施形態による質量分析器を説明するための概念図である。
図１を参照すれば、本発明による質量分析器は試料導入部１０、イオン化部２０、インターフェイス部３０、イオンレンズ部４０、反応部５０、質量分離部６０、及び検出部７０を含む。本発明による質量分析器は誘導結合プラズマ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ；ＩＣＰ）を利用する質量分析器であるとして図示及び説明するが、これは単なる例示的なものであり、本発明はこれに制限されず、本発明による質量分析器は以下では図示及び説明するイオンレンズ部４０を含む様々な方式の質量分析器であり得る。

【0029】

試料導入部１０はネブライザー１１及びスプレーチャンバー１２を含む。ネブライザー１１は液体状態の試料をエアロゾル（ａｅｒｏｓｏｌ）状態に変えてスプレーチャンバー１２の内部に注入する。スプレーチャンバー１２はネブライザー１１と連結される。スプレーチャンバー１２は試料の変動を低減し、後述するイオン化部２０に移動する試料のサイズ及び量を一定にする。具体的に、スプレーチャンバー１２は温度制御を通じて相対的にサイズが大きいエアロゾルを除去し、相対的にサイズが小さいエアロゾルのみがイオン化部２０に移動できるようにエアロゾルの流れを制御する。実施形態によれば、少なくとも１つのガス供給管を通じてネブライザー１１及び／又はスプレーチャンバー１２にキャリヤーガス（ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ）が供給される。キャリヤーガスは試料がプラズマＰに導入されるようにする。

【0030】

イオン化部２０は試料導入部１０と連結される。イオン化部２０は、例えばプラズマトーチ（ｐｌａｓｍａ ｔｏｒｃｈ）と指称される。イオン化部２０は第１チューブ２１、第２チューブ２２、第３チューブ２３、及び誘導コイル２６を含む。

【0031】

第１チューブ２１は試料導入部１０のスプレーチャンバー１２と連結され、イオン化部２０の最も内側に配置される。第３チューブ２３はイオン化部２０の最も外側に配置され、第２チューブ２２は第１チューブ２１と第３チューブ２３との間に配置される。第２チューブ２２及び第３チューブ２３は各々第１ガス供給管２４及び第２ガス供給管２５と連結される。第１乃至第３チューブ２１、２２、２３は各々第１方向Ｄ１に延長される中空の柱形状を有する。第１乃至第３チューブ２１、２２、２３は、第１方向Ｄ１と直交する平面で切断した断面視において、中心軸が互いに一致する同心円形状を有する。第１乃至第３チューブ２１、２２、２３は、例えば石英（Ｑｕａｒｔｚ）、アルミナ（Ａｌｕｍｉｎａ）、プラチナ（Ｐｌａｔｉｎｕｍ）、又はサファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）で成される。

【0032】

第１チューブ２１を通じて試料及びキャリヤーガスが移動し、第１ガス供給管２４及び第２チューブ２２を通じて補助ガス（ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｇａｓ）が移動し、第２ガス供給管２５及び第３チューブ２３を通じて冷却ガス（ｃｏｏｌａｎｔ ｇａｓ）が移動する。補助ガスはプラズマＰとの接触によって第１及び第２チューブ２１、２２の端部の破損が防止又は最小化できる。冷却ガスはプラズマＰとの接触によって第３チューブ２３の内壁の破損が防止又は最小化できる。キャリヤーガス、補助ガス、及び冷却ガスは、例えばアルゴン（Ａｒ）を含む。

【0033】

誘導コイル２６は、例えば第３チューブ２３の外部を少なくとも２回以上囲む螺旋形状を有する。誘導コイル２６はイオン化部２０の内部に時間的に変化する強い電磁気場を生成する。誘導コイル２６によって生成された電磁気場は内部のガスを放電させてプラズマＰを生成する。高温のプラズマＰは試料導入部１０から導入されたエアロゾル状態の試料をイオン化させる。

【0034】

実施形態によれば、イオン化部２０は誘導コイル２６と連結される高電力のＲＦ電源及び誘導コイル２６と第３チューブ２３の外壁との間の遮蔽板をさらに含む。

【0035】

インターフェイス部３０はイオン化部２０で生成されたプラズマＰからイオン化された試料をイオンビームの形態で抽出する。インターフェイス部３０は第１方向Ｄ１でイオン化部２０に隣接する。インターフェイス部３０はチャンバーＣＨに連結される。インターフェイス部３０はイオン化部２０とチャンバーＣＨとの間に提供される。インターフェイス部３０はイオンビームを抽出するサンプラーコーン（ｓａｍｐｌｅｒ ｃｏｎｅ）及びスキマーコーン（ｓｋｉｍｍｅｒ ｃｏｎｅ）を含む。サンプラーコーン及びスキマーコーンは、例えば第１方向Ｄ１に行くほど、第２方向Ｄ２への幅が大きくなる中空のコーン形状を有する。

【0036】

チャンバーＣＨの内部にイオンレンズ部４０、反応部５０、質量分離部６０、及び検出部７０が提供される。チャンバーＣＨの内部は真空状態に維持される。イオンレンズ部４０、反応部５０、質量分離部６０、及び検出部７０の中で少なくとも１つ以上は、例えばチャンバーＣＨの内部のサブチャンバー内に提供され、サブチャンバーはチャンバーＣＨの内部と異なる真空状態に維持される。イオンレンズ部４０、反応部５０、質量分離部６０、及び検出部７０は、例えば第１方向Ｄ１に沿って配列されるが、本発明はこれに制限されない。

【0037】

イオンレンズ部４０はインターフェイス部３０と反応部５０との間に提供される。実施形態によれば、イオンレンズ部４０の少なくとも一部はインターフェイス部３０と連結及び／又は重畳される。イオンレンズ部４０は少なくとも１つ以上のレンズを含み、１つ以上のレンズを通じてフォトン、中性粒子等を遮断し、分析対象になるイオン（以下、分析対象イオン）の経路を制御する。以下では図２乃至図４を参照してイオンレンズ部４０の細部構成に対して詳細に説明する。

【0038】

反応部５０はイオンレンズ部４０と質量分離部６０との間に提供される。反応部５０は衝突／反応セル（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ／ｒｅａｃｔｉｏｎ ｃｅｌｌ）と指称される。実施形態によれば、少なくとも１つのガス供給管を通じて反応部５０に衝突／反応ガスが供給される。衝突／反応ガスは反応部５０の内部の様々なイオンと衝突し、妨害イオン（例えば、４０Ａｒ、４０Ａｒ１６Ｏ、３８ＡｒＨ等）を非妨害種に変換させるか、或いは分析対象イオンを異なる質量を有するイオンに変換させる。

【0039】

質量分離部６０は反応部５０と検出部７０との間に提供される。質量分離部６０は、例えば四重極子（ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ）方式、二重集束磁気セクタ（ｄｏｕｂｌｅ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｃｔｏｒ）方式、又は飛行時間（ｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔ）方式を利用でき、イオンを質量対電荷比（ｍ／ｚ）に応じて分離する。図示とは異なり、イオンレンズ部４０と反応部５０との間にその他の質量分離部６０が追加に提供されることもできる。

【0040】

検出部７０は質量分離部６０の末端と隣接し、質量分離部６０で分離された、分析対象イオンの質量スペクトルを検出する。検出部７０は、例えばチャンネル電子増倍器（ｃｈａｎｎｅｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）、ファラデーカップ（Ｆａｒａｄａｙ ｃｕｐ）、又は離散ダイノード電子増倍器（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｄｙｎｏｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）を利用する。

【0041】

図２は本発明の実施形態による質量分析器のイオンレンズ部を説明するための拡大図であって、図１のＡ部分に対応する。図３は本発明の実施形態による質量分析器のイオンレンズ部の第１抽出レンズをより詳細に説明するための斜視図である。

【0042】

図１及び図２を参照すれば、本発明による質量分析器のイオンレンズ部４０は第１抽出レンズＥＬ１、第２抽出レンズＥＬ２、第１ガイディングレンズＧＬ１、及び第２ガイディングレンズＧＬ２を含む。第１抽出レンズＥＬ１、第２抽出レンズＥＬ２、第１ガイディングレンズＧＬ１、及び第２ガイディングレンズＧＬ２は第１方向Ｄ１を沿って配列される。この時、抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２の数及びガイディングレンズＧＬ１、ＧＬ２の数は単なる例示的なものであり、本発明はこれに制限されない。

【0043】

第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２はインターフェイス部３０に隣接するように配置される。第１抽出レンズＥＬ１はインターフェイス部３０と第２抽出レンズＥＬ２との間に提供され、第２抽出レンズＥＬ２は第１抽出レンズＥＬ１と第１ガイディングレンズＧＬ１との間に提供される。第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２の各々は、例えば第１方向Ｄ１に行くほど、第２方向Ｄ２への幅が大きくなる中空のコーン形状を有する。第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２の各々の中心軸は第１方向Ｄ１に延長される第１軸ＡＸ１と一致する。第１抽出レンズＥＬ１の中心軸は第２抽出レンズＥＬ２の中心軸と一致する。第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２の各々は第１軸ＡＸ１を中心に対称的な形状を有する。第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２の各々は前面及び背面に開口を有する。本明細書で、前面はイオン化部２０及びインターフェイス部３０に向かう方向（即ち、第１方向Ｄ１の反対方向）の面を意味し、背面は反応部５０に向かう方向（即ち、第１方向Ｄ１）の面を意味する。前面及び背面は第１方向Ｄ１と直交し、第２方向Ｄ２と平行な面である。

【0044】

第１抽出レンズＥＬ１はインターフェイス部３０に向かう第１前面開口１１０、及び第１ガイディングレンズＧＬ１に向かう第１背面開口１３０を有する。第１前面開口１１０の直径は第１背面開口１３０の直径より小さい。

【0045】

図２及び図３を参照すれば、第１抽出レンズＥＬ１は側面開口１５０を有する。側面開口１５０は第１前面開口１１０と第１背面開口１３０との間に位置する。実施形態によれば、第１抽出レンズＥＬ１は複数の側面開口１５０を有する。側面開口１５０の各々は第１抽出レンズＥＬ１の側壁を貫通し、第１抽出レンズＥＬ１の内側壁を露出させる。側面開口１５０の各々は第１方向Ｄ１に行くほど、第２方向Ｄ２への幅が増加する。側面開口１５０の各々は第１前面開口１１０に向かう角で第１幅Ｗ１を有し、第１背面開口１３０に向かう角で第２幅Ｗ２を有する。第１幅Ｗ１は第２幅Ｗ２より小さい。

【0046】

誘導結合プラズマ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ；ＩＣＰ）を利用する質量分析器で、プラズマは大部分アルゴン（Ａｒ）を含む多原子イオン（ｐｏｌｙａｔｏｍｉｃ ｉｏｎｓ）（以下、アルゴンイオン）で成されるが、アルゴンイオンは半導体製造現場での分析対象イオン（例えば、カドミウムイオン（Ｃｄ＋）、鉛イオン（Ｐｂ＋）等の金属イオン）に対するノイズとして作用する。また、アルゴンイオンは分析対象イオンとのクーロン相互作用（Ｃｏｕｌｏｍｂ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）によって第１軸ＡＸ１から遠くなる方向に広がるが、この時第１抽出レンズＥＬ１の内側壁にアルゴンイオンが衝突する場合（即ち、側面開口１５０がない場合）、レンズ電圧の状態を変更させる。本発明による質量分析器の第１抽出レンズＥＬ１は空間電荷効果によって広がっていくアルゴンイオンの少なくとも一部を、側面開口１５０を通じて放出させる。したがって、本発明による質量分析器の分解能及び測定正確度が改善できる。

【0047】

再び図１及び図２を参照すれば、第２抽出レンズＥＬ２は第１抽出レンズＥＬ１の第１前面開口１１０に向かう第２前面開口２１０、及び第１ガイディングレンズＧＬ１に向かう第２背面開口２３０を有する。第２前面開口２１０の直径は第２背面開口２３０より小さい。第２前面開口２１０の直径は第１背面開口１３０の直径より小さい。

【0048】

第２抽出レンズＥＬ２の少なくとも一部は第１抽出レンズＥＬ１と第２方向Ｄ２に重畳される。再び言えば、第２抽出レンズＥＬ２の少なくとも一部は第１抽出レンズＥＬ１の内部に位置する。

【0049】

第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２に第１電圧印加部が各々連結される。実施形態によれば、第１電圧印加部は第１抽出レンズＥＬ１の第１背面開口１３０及び第２抽出レンズＥＬ２の第２背面開口２３０に各々隣接する。第１電圧印加部の各々に印加された電圧によって第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２はイオン化部２０及びインターフェイス部３０を通過したイオンビームを抽出する。

【0050】

第１及び第２ガイディングレンズＧＬ１、ＧＬ２は反応部５０に隣接するように配置される。第１ガイディングレンズＧＬ１は第２抽出レンズＥＬ２と第２ガイディングレンズＧＬ２との間に提供され、第２ガイディングレンズＧＬ２は第１ガイディングレンズＧＬ１と反応部５０との間に提供される。実施形態によれば、第１ガイディングレンズＧＬ１は第２抽出レンズＥＬ２と第１方向Ｄ１に互いに離隔される。第１及び第２ガイディングレンズＧＬ１、ＧＬ２の各々は前面及び背面に開口を有する。第２ガイディングレンズＧＬ２で、背面開口の直径は前面開口の直径より小さい。

【0051】

第１ガイディングレンズＧＬ１の中心軸は第１軸ＡＸ１と一致する。より具体的に、第１ガイディングレンズＧＬ１の中心軸は後述する第１ガイディングレンズＧＬ１の第１部分ＧＬ１ａの中心軸として定義される。第１ガイディングレンズＧＬ１の中心軸は第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２の各々の中心軸と一致する。第２ガイディングレンズＧＬ２の中心軸は第１軸ＡＸ１と平行であり、第１軸ＡＸ１と第２方向Ｄ２に離隔される第２軸ＡＸ２と一致する。第２ガイディングレンズＧＬ２の中心軸は第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２及び第１ガイディングレンズＧＬ１の各々の中心軸と異なる。但し、これは単なる例示的なものであり、本発明はこれに制限されず、第２ガイディングレンズＧＬ２の中心軸は第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２及び第１ガイディングレンズＧＬ１の各々の中心軸と一致してもよい。第２ガイディングレンズＧＬ２の背面開口は第２軸ＡＸ２が通るところに位置する。

【0052】

第１ガイディングレンズＧＬ１は、例えば第２抽出レンズＥＬ２と第２ガイディングレンズＧＬ２との間に提供される第１部分ＧＬ１ａ、及び第２部分ＧＬ１ｂと一体に連結され、第２ガイディングレンズＧＬ２と第２方向Ｄ２に重畳される第２部分ＧＬ１ｂを含む。第２部分ＧＬ１ｂは第１部分ＧＬ１ａの背面に連結されて互いに一体をなす。第１部分ＧＬ１ａは第２ガイディングレンズＧＬ２と第１方向Ｄ１に互いに離隔される。第２部分ＧＬ１ｂは第２ガイディングレンズＧＬ２と第２方向Ｄ２に互いに離隔される。

【0053】

第１部分ＧＬ１ａは中空の柱形状（例えば、中空の円柱形状）を有する。第２部分ＧＬ１ｂは中空の柱形状をその中心軸を含む平面で切断したような形状を有する。第２部分ＧＬ１ｂの下部は第２ガイディングレンズＧＬ２に向かって開き、第２部分ＧＬ１ｂの上部は外部から遮断される。本明細書で、下部は第２方向Ｄ２の反対方向に向かう部分を意味し、上部は第２方向Ｄ２に向かう部分を意味する。

【0054】

第２ガイディングレンズＧＬ２は、第１ガイディングレンズＧＬ１の第２部分ＧＬ１ｂと類似に、中空の柱形状をその中心軸を含む平面で切断したような形状を有する。但し、第１ガイディングレンズＧＬ１の第２部分ＧＬ１ｂと異なり、第２ガイディングレンズＧＬ２の上部は第１ガイディングレンズＧＬ１の第２部分ＧＬ１ｂに向かって開き、第２ガイディングレンズＧＬ２の下部は外部から遮断される。実施形態によれば、第２ガイディングレンズＧＬ２は第１ガイディングレンズＧＬ１の第１部分ＧＬ１ａと物理的に連結される。

【0055】

第１及び第２ガイディングレンズＧＬ１、ＧＬ２に第２電圧印加部が各々連結される。第２電圧印加部の各々に印加された電圧によって第１及び第２ガイディングレンズＧＬ１、ＧＬ２は第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２を通過したイオンビームの経路を制御する。第２電圧印加部の各々の電圧はイオンのエネルギー別に最適の経路を決定するために調整される。

【0056】

具体的に、第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２を通過したイオンビームの中で、電荷を有するイオンは第２電圧印加部の各々に印加された電圧によって経路が曲がって第２ガイディングレンズＧＬ２の背面開口を通じて反応部５０に向かい、直進性を有するフォトン、中性粒子等は第１軸ＡＸ１に沿って第１方向Ｄ１に進行して第２ガイディングレンズＧＬ２の背面開口を通過せずに遮断される。本発明による質量分析器の第１及び第２ガイディングレンズＧＬ１、ＧＬ２はフォトン、中性粒子、準安定イオン（ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ ｉｏｎ）等を遮断し、分析対象イオンの経路を制御する。したがって、本発明による質量分析器の測定正確度が改善される。

【0057】

図４は本発明の実施形態による質量分析器のイオンレンズ部をより詳細に説明するための拡大図であって、図２のＢ部分に対応する。
図４を参照すれば、イオンレンズ部４０の少なくとも一部はインターフェイス部３０と第２方向Ｄ２に重畳される。さらに言えば、イオンレンズ部４０の少なくとも一部はインターフェイス部３０の内部に位置する。

【0058】

インターフェイス部３０はスキマーコーンＳＣを含む。スキマーコーンＳＣは第１方向Ｄ１に行くほど、第２方向Ｄ２への幅が大きくなる中空のコーン形状を有する第１部分ＳＣａ、及び第１部分ＳＣａと連結され、第１方向Ｄ１に行くほど、第２方向Ｄ２への幅が一定の中空の柱形状を有する第２部分ＳＣｂを含む。第２部分ＳＣｂは第１抽出レンズＥＬ１の少なくとも一部を囲む。

【0059】

第１部分ＳＣａの背面ＳＣａｂは第１抽出レンズＥＬ１の前面ＥＬ１ｆと第１方向Ｄ１に互いに離隔される。第１部分ＳＣａの背面ＳＣａｂと第１抽出レンズＥＬ１の前面ＥＬ１ｆの離隔距離は第１距離ＳＤ１として定義され、第１距離ＳＤ１は、例えば約０．５ｍｍ乃至約２ｍｍである。

【0060】

スキマーコーンＳＣの内部空間は第１部分ＳＣａ内の第１空間ＳＣＰ１及び第２空間ＳＣＰ２、第２部分ＳＣｂ内の第３空間ＳＣＰ３を含む。第１空間ＳＣＰ１は、例えば第１方向Ｄ１に行くほど、第２方向Ｄ２への幅が大きくなるコーン形状の空間である。第２空間ＳＣＰ２及び第３空間ＳＣＰ３の各々は、例えば第１方向Ｄ１に行くほど、第２方向Ｄ２への幅が一定の柱形状の空間である。第１空間ＳＣＰ１の背面での第２方向Ｄ２への幅は第２空間ＳＣＰ２の第２方向Ｄ２への幅より小さい。第２空間ＳＣＰ２の第２方向Ｄ２への幅は第３空間ＳＣＰ３の第２方向Ｄ２への幅より小さい。第１抽出レンズＥＬ１の少なくとも一部は第３空間ＳＣＰ３内に提供される。第１抽出レンズＥＬ１の前面ＥＬ１ｆは第２空間ＳＣＰ２の背面（即ち、スキマーコーンＳＣの第１部分ＳＣａの背面ＳＣａｂ）と第１方向Ｄ１に互いに離隔される。

【0061】

スキマーコーンＳＣの第１部分ＳＣａの内側壁（即ち、第１空間ＳＣＰ１の側壁）と第１軸ＡＸ１がなす第１角度ａ１は第１抽出レンズＥＬ１の内側壁と第１軸ＡＸ１がなす第２角度ａ２より大きい。第１角度ａ１は、例えば２０°より大きく３０°より小さい。第２角度ａ２は、例えば１０°より大きく２０°より小さい。

【0062】

アルゴンイオンの入射角は約２２°以下であり、分析対象イオンの最大入射角は約１５°以下である。本明細書で、入射角はスキマーコーンＳＣの前面から広がっていくイオンの経路と第１軸ＡＸ１がなす角度を意味する。本発明による質量分析器のスキマーコーンＳＣ及び第１抽出レンズＥＬ１はアルゴンイオンの少なくとも一部を第１抽出レンズＥＬ１の外側壁に沿って放出させる。再び言えば、スキマーコーンＳＣの第１部分ＳＣａの背面ＳＣａｂと第１抽出レンズＥＬ１の前面ＥＬ１ｆが互いに第１距離ＳＤ１くらい離隔される点及び第１角度ａ１が第２角度ａ２より大きい点によって、第１抽出レンズＥＬ１の内部空間に進行するアルゴンイオンの量が減少される。特に、スキマーコーンＳＣの第１部分ＳＣａの背面ＳＣａｂと第１抽出レンズＥＬ１の前面ＥＬ１ｆが互いに第１距離ＳＤ１程離隔される点によって電子が拡散されて第１抽出レンズＥＬ１の外側壁に沿って放出され、準中性状態（ｑｕａｓｉ－ｎｅｕｔｒａｌｓｔａｔｅ）でずれたアルゴンイオン及び分析対象イオンが互いにさらに強く反発し、相対的に軽いアルゴンイオンが第１軸ＡＸ１から遠くなる方向によりよく広がる。したがって、本発明による質量分析器の分解能及び測定正確度が改善される。

【0063】

第２抽出レンズＥＬ２の前面ＥＬ２ｆは第１抽出レンズＥＬ１の前面ＥＬ１ｆと第１抽出レンズＥＬ１の背面ＥＬ１ｂとの間に位置する。第２抽出レンズＥＬ２の前面ＥＬ２ｆと第１抽出レンズＥＬ１の前面ＥＬ１ｆの離隔距離は第２距離ＳＤ２として定義され、第２距離ＳＤ２は、例えば約１０ｍｍ乃至約１５ｍｍである。

【0064】

本発明による質量分析器の第１及び第２抽出レンズＥＬ１、ＥＬ２はアルゴンイオンの少なくとも一部を第２抽出レンズＥＬ２の外側壁に沿って放出させる。再び言えば、第２抽出レンズＥＬ２の前面ＥＬ２ｆと第１抽出レンズＥＬ１の前面ＥＬ１ｆが互いに第２距離ＳＤ２くらい離隔される点によって、第２抽出レンズＥＬ２の内部空間に進行するアルゴンイオンの量が減少される。したがって、本発明による質量分析器の分解能及び測定正確度が改善される。

【0065】

第１抽出レンズＥＬ１の背面ＥＬ１ｂは第２抽出レンズＥＬ２の前面ＥＬ２ｆと第２抽出レンズＥＬ２の背面ＥＬ２ｂとの間に位置する。第１抽出レンズＥＬ１の背面ＥＬ１ｂはインターフェイス部３０の外部に位置する。第２抽出レンズＥＬ２の背面ＥＬ２ｂは第１抽出レンズＥＬ１の背面ＥＬ１ｂから第１方向Ｄ１に離隔される。

【0066】

図５及び図６は本発明の実施形態による質量分析器のイオンレンズ部内でのイオンビームの経路及び透過率を説明するためのシミュレーション図である。
より具体的に、図５はアルゴンイオンの経路及び透過率を説明するためのシミュレーション図であり、図６は分析対象イオンの経路及び透過率を説明するための図面である。図５及び図６でイオンレンズＥＬ１、ＥＬ２、ＧＬ１、ＧＬ２を通過するイオンの透過率を測定するために後段に検出器Ｄを配置したものとして図示及び説明するが、本発明による質量分析器はこれに制限されず、イオンレンズＥＬ１、ＥＬ２、ＧＬ１、ＧＬ２と検出器Ｄとの間には反応部５０（図１参照）及び質量分離部６０（図１参照）が提供されることができる。

【0067】

図５を参照すれば、本発明による質量分析器のイオンレンズ部に約１０００個のアルゴンイオンを含む第１イオンビームＩＢ１が入射される場合、検出器Ｄでは約３３個のアルゴンイオンが検出される。即ち、第１イオンビームＩＢ１の透過率は約３．３％である。この時、空間電荷効果による電流は約１６０μＡであると設定された。

【0068】

第１イオンビームＩＢ１の経路を参照すれば、アルゴンイオンの少なくとも一部は第１抽出レンズＥＬ１の側面開口１５０を通じて、そして第２抽出レンズＥＬ２の外側壁に沿って放出される。また、アルゴンイオンの少なくとも一部は中心軸がずれた第１及び第２ガイディングレンズＧＬ１、ＧＬ２によって第２ガイディングレンズＧＬ２の背面開口を通過できない。

【0069】

図６を参照すれば、本発明による質量分析器のイオンレンズ部に約１０００個のカドミウムイオンを含む第２イオンビームＩＢ２、及び約１０００個の鉛イオンを含む第３イオンビームＩＢ３が入射される場合、検出器Ｄでは約７９９個のカドミウムイオン及び約８９１個の鉛イオンが検出される。即ち、第２イオンビームＩＢ２の透過率は約７９．９％であり、第３イオンビームＩＢ３の透過率は約８９．１％である。この時、空間電荷効果による電流は考慮されなかった。

【0070】

図５及び図６を参照すれば、本発明による質量分析器のイオンレンズ部はアルゴンイオンの透過率を効率的に減少させるのと同時に、分析対象イオンの透過率を増加させる。したがって、本発明による質量分析器の分解能及び測定正確度が改善される。

【0071】

以上、添付した図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更しなくとも、他の具体的な形態に実施されることを理解できる。したがって、以上で記述した実施形態はすべての面で例示的なことであり、限定的ではないと理解しなければならない。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明は質量分析器に関するものである。より詳しくは、半導体製造現場で使用される、イオンレンズを含む質量分析器に利用可能である。

【符号の説明】

【0073】

１０ 試料導入部
１１ ネブライザー
１２ スプレーチャンバー
２０ イオン化部
２１ 第１チューブ
２２ 第２チューブ
２３ 第３チューブ
２４ 第１ガス供給管
２５ 第２ガス供給管
２６ 誘導コイル
３０ インターフェイス部
４０ イオンレンズ部
５０ 反応部
６０ 質量分離部
７０ 検出部
１１０ 第１前面開口
１３０ 第１背面開口
１５０ 側面開口
２１０ 第２前面開口
２３０ 第２背面開口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】