6.3 중극자 질량 분석기(QMS)

6.3.1 4중극자 매스 필터

중극자 질량 분석기의 필터 시스템은 정사각형 모양으로 배 열된 4개의 병렬 봉으로 구성되어 있습니다. 공식 6.5를 보 면, (+) 또는 (-)로 지정된 마주보는 봉들의 각 쌍이 서로에게 연결되어 있습니다. 두 쌍의 봉 사이에서는 다음과 같이 직류 부분 U 와, 진폭 V 와 주파수 f=\omega/2\pi 를 가진 교류 부분으로 구성된 전압이 적용됩니다.

U_{quad}=U+V\cdot\mbox{cos}\omega t

공식 6-5: 4중극자 편향 전압

이 지점에서는 작동 원리의 간단한 현상적 설명만 제공됩니 다. 더 자세한 설명은 별책을 참조하십시오[29, 30, 31].

그림 6.5: 4중극자 질량 분석기의 작동 원리

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이상적인 4중극자 필드는 쌍곡선 프로필을 가진 봉이 필요합 니다. 그러나 실제로는 봉 반경이 필드 반경 r 0 의 1.144배인 실린더형 봉이 사용됩니다(필드 반경에 대한 정의는 그림 6.5를 참조하십시오). 전기 4중극자 필드가 봉 사이에서 형성 됩니다. 다양한 질량을 가진 이온들이 대략 동일한 에너지로 봉 시스템으로 축 방향으로 분사되어 균일한 속도로 봉 시스 템을 통과하여 이동합니다. 적용된 4중극자 필드는 이온들을 X 및 Y 방향으로 변류시켜 이온들이 매스 필터를 통하여 Z 축 주위로 나선형 궤적을 따르게 합니다. 궤적 진동의 진폭이 필드 반경 r 0 보다 작을 경우, 이온들은 감지기에 도달합니다. 진폭이 이 값을 초과할 경우, 이온들은 봉 또는 주위 표면에 서 방전하고 필터를 통과하지 않습니다.

동작의 방정식을 풀기 위하여 4중극자의 매개변수(직류 전압 U, 교류 진폭 V, 필드 반경 r₀, 각 주파수 ω=2πf) )와 이온의 매개변수(전하 Q=z⋅e, 질량 m=M\cdot m_{u} ). )를 결함한 두 개 의 무차원 변수 a와 q가 도입됩니다.

a=\frac{8\cdot Q\cdot U}{m\cdot r_0^2\cdot\omega^2}

공식 6-6: 안정성 매개변수 a

q=\frac{4\cdot Q\cdot V}{m\cdot r_0^2\cdot\omega^2}

공식 6-7: 안정성 매개변수 q

이와 같은 단순화와 함께 수학에서 잘 알려진 솔루션인 마 티유의 미분 방정식이 얻어집니다. 이 방정식은 그림 6.6에 서 두 개의 제한적인 곡선에 의하여 형성된 삼각형 아래에 위 치한 안정성 매개변수 a와 q의 쌍에 대한 진동 진폭 r_{max} < r_0 을 사용하여 안정적인 궤적 범위를 계산하는 데에 사용될 수 있습니다. 이 범위 이외의 모든 솔루션은 점점 커지는 진동 증폭을 낳고 따라서 4중극자 필터 봉에서 이온의 중화가 일 어납니다. 두 개의 방정식을 서로 나누면 다음과 같은 등식이 얻어집니다. a/q=2U/V . 이것이 매스 필터의 소위 부하 라 인 경사입니다.

그림 6.6: 4중극자 필터의 안정성 다이어그램

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한계에 도달하면 부하 라인은 다음 값일 때 최대치에 도달합 니다.ap= 0.237 및 qp= 0.706.4중극자 필터는 전압비가UV 일 때에만 투명해집니다 =ap2⋅qp < 0.1678다시 말해 이 때는 부하 라인이 안정성 범위와 교차합니다. 매개변수 a와 q가 부하 라인 위의 삼각형 안에 위치한 모든 이온은 감지기에 도달합니다.

비 mu/e 를 원자 질량 단위 mu = 1.6605 · 10^-27 kg 과 전하량 e = 1.6022 · 10^-19 A · s (mu/e =1.0365 · 10^-8 kg A^-1 s^-1)사이 에 도입하여 이를 해당 이온의 무차원 질량 수 M으로 곱하면 안정성 삼각형이 정점에 달했을 때 전압 Up 과 Vp 에 대한 다 음 조건이 얻어집니다(상수 ku = 1.2122 · 10^-8 kg A^-1 s^-1 및 k_v = 7.2226 · 10^-8 kg A^-1 s^-1 일 경우).

U_{p}=k_{u}\cdot M\cdot r_0^2\cdot f^2

공식 6-8: 안정성 조건 U

V_{p}=k_{v}\cdot M\cdot r_0^2\cdot f^2

공식 6-9: 안정성 조건 V

안정성 조건은 고정 주파수일 경우 4중극자 필터에서 전압과 질량 사이에 직접적인 비례 관계가 있으며 다양한 전압 진폭 으로 선형 질량 척도가 얻어진다는 것을 보여줍니다.

직류 전압 차단으로 U = 0, 일 경우, q < 0.905 이면 이온의 모 든 궤적은 안정됩니다. 공식 6-3에 따르면 다음 경우에 이온은 모두 질량이 됩니다.

M>\frac{k_{H}\cdot V}{r_0^2\cdot f^2}

공식 6-10: 하이 패스 조건

여기서k_H = 1.0801 · 10⁷ A s kg^-1은 상수입니다. 따라서 필 터는 이 작동 모드에서 하이 패스로 작용합니다. RF 진폭 V 가 증가하면 더 무거운 유형의 이온들이 불안정해져서 가벼 운 질량을 갖기 시작하고 따라서 분리되어 떨어져나갑니다. 이런 작동 모드는 완전한 스펙트럼을 만들어 전체 압력 측정 이 수행되게 합니다.

이온 주입 조건은 필터를 통한 이온의 전달에 중요합니다. 이 온은 봉 시스템의 중앙과 가능한 한 가까운 영역에서 4중극 자로 들어가야 하고 이상적으로는 봉의 축과 평행하도록 움 직여야 합니다.

필드 직경(봉 사이의 거리)이 클수록 4중극자(봉 길이)는 더 길어지고, 이런 조건을 수행하기가 더 쉬워집니다. 또한 기하 학적 정확성(생산 허용치)은 봉 치수가 커질수록 도달하기가 더 쉽습니다.

6.1.4.1에 설명된 파이퍼 베큠 이온 소스는 높은 투명성으로 따라서 높은 감도로 바뀝니다.
실제 작동 시, 비 U/V 는 실제 솔루션 M/ΔM 이 일정한 상태 를 유지하지는 않지만 라인 폭
ΔM 신 일정한 상태를 유지 하는 방식으로 질량 수의 기능으로 활성화됩니다. 이는 해상 도가 질량 수에 비례하여 증가함을 의미합니다. 공식 6-9(V 는 M에 비례)에 따라 4중극자(섹터 필드 질량 분석기와 반대 로)는 선형 질량 척도를 산출합니다.

N_{HF}\approx\frac{C}{Q}\cdot M^2\cdot f^5\cdot r_0^4

공식 6-11: RF 전력

f 및r₀ 의 전력이 높으면 요구되는 RF 전력이 증가합니다 필 드 반경 r₀ 이 확대되면 발생하는 상대적 기계 허용치가 줄어 들고, 따라서 개선된 행동이 나타납니다. 기본적으로 f0 및 r₀ 은 가능한 한 크게 선택하는 것이 좋습니다. 하지만 공식 6-11에 따르면 이렇기 때문에 RF 전력에서 이와 연관된 증가 는 제한이 있습니다. 봉 시스템의 확대는 더 낮은 작동 주파 수를 허용하지만, 생산 단위의 크기가 일정한 실제 치수를 초 과해서는 안 됩니다.

요구되는 질량 범위와 원하는 해상도는 필터의 치수와 선택 된 작동 주파수에 의해 좌우됩니다. 봉 직경이 6, 8 및 16mm 이고 이와 대략 일치하는 전자를 가진 장치들은 요구조건을 최대한 만족시키기 위하여 사용 가능합니다.

다음은 해상도와 기계적 정밀성 사이의 관계에 대해 간단한 여담입니다. 안정성 다이어그램이 정점에 달했을 때 즉 해상 도가 높을 때 작동하는 4중극자 매스 필터에 대하여 생각해 봅시다. 다음 방정식은 공식 6-8

U= 1.2122 · 10-8 \frac{\mbox{kg}}{\mbox{A}\cdot\mbox{s}}\cdot M\cdot r_0^2\cdot f^2

을 직류 진폭일 경우에, 공식 6-9

V= 7.2226 · 10-8 \frac{\mbox{kg}}{\mbox{A}\cdot\mbox{s}}\cdot M\cdot r_0^2\cdot f^2

을 교류 진폭일 경우에 적용합니다. 여기서M 은 이온의 질량 을, r₀ 은 필드 반경을, f 는 필터가 작동되는 주파수를 지정합 니다. 전압 U 와 V 는 모두 주파수 f와 마찬가지로 “원하는 만 큼 정확히” 설정되고 유지될 수 있다는 이상적인 가정 하에 서입니다.
그 결과는 다음과 같습니다. M=c_{k}\cdot\frac{1}{r_0^2}
이 때 c_k 는 상수입니다. 미분, M 에 의한 나눗셈, 값의 결정에 따르면, r₀ 에 의한 필터 분산은 다음과 같습니다.

\frac{dM}{M}=\frac{2\cdot\delta r_0}{r_0}

공식 6-12: 분산

필드 반경 r₀ 이 매스 필터의 길이에 따라 dr0 = 0.03 mm 변화 한다고 가정해봅시다. 이제 이 변화가 크기가 다른 두 개의 매스 필터에 영향을 미친다고 생각해봅시다. 최적의 전달일 경우 분석기에서 설정된 해상도(ΔM/M= 1/100),= 1/100 선택)은 r₀. 의 변동으로 생긴 분산보다는 더 커야 합니다. 필드 반경이 3mm인 필터일 경우, 결과는 dM/M = 2 · 0.03 mm / 3 mm = 0.02, 입니다. 다시 말해 불완전한 기하학으로 인한 분 산이 원하는 해상도에 도달하는 것을 방해합니다. 필드 반경 이 이보다 더 큰 12mm인 다른 필터일 경우, 결과는 dM/M = 2 · 0.03 mm / 3 mm = 0.005이고, 기하학이 원하는 해상도에 도달하는 것을 방해하지 않습니다. 달리 말하면, 두 개의 필 터에ΔM/M = 0.01 의 해상도가 설정되어 있을 경우에 첫 번 째 경우에서는 대부분의 이온이 필터를 통과할 수 없습니다. 두 번째 4중극자에 대한 더 큰 필터일 경우에는 모든 이온이 필터를 통과할 수 있습니다.

이 단순화된 오류 계산이 전달에 기여할 수 있는 모든 효과를 결코 고려하지 않는다 할지라도 다음과 같은 여러 가지 기본 적인 관계는 보여줍니다.

필드 반경은 선택된 질량 범위에 따라 전체 필터 길이에 대하여 1% 더 큰 상태로 유지되어야 합니다. 필드 반경의 변동은 전송 손실을 유발합니다.
봉 시스템의 치수가 더 크게 선택될수록 절대적 기계적 허 용치의 영향은 더 작아집니다.
인접한 질량이 차별화되는 질량 범위가 클수록 매스 필터 의 상대적 정확성과 관련된 요구조건은 더 엄격해집니다.

요약

4중극자 매스 필터는 양이온과 음이온에 대한 동적 매스 필 터입니다. 질량 척도는 RF 전압의 적용된 진폭에 선형입니 다. 질량 해상도는 직류 전압 U와 고주파수 전압 진폭 V 사이 의 비에 의하여 편리하게 전기적으로 설정될 수 있습니다. 소 형 치수와 가벼운 중량으로 인하여 4중극자 질량 분석기는 순수 잔류 기체 분석기로써 그리고 더 높은 품질로 설계된 기 체 분석용 센서로써 모두 적합합니다./p>

6.3.2 이온 소스

매스 필터에서 분석되기 전에 기체는 우선 전자 충격에 의햐 여 이온 소스에서 이온화됩니다(그림 6.6). 전자는 전기적으 로 가열된 음극(필라멘트)에서 방출됩니다. 전압은 양극과 음 극 사이에서 적용되어 전자를 가속합니다. 양극과 음극 사이 의 형성 공간에 존재하는 중성 기체 분자들은 전자들 사이의 충돌에 의하여 이온화도고, 싱글 및 다중 양이온을 형성합니 다. 충돌하는 전자들의 에너지는 형성되는 이온의 수와 유형 에 모두 중대한 영향을 미칩니다.

그림 6.6: 축 방향 이온 소스를 통과하는 섹션

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중성 입자의 이온화는 10~30eV의 최소 전자 에너지에서 시 작합니다(출현 전위). 전자 에너지가 상승하고(가속 전압), 해 당 기체 유형에 따라 50~150eV에서 최대치에 도달하고, 에 너지가 계속 상승하면서 다시 느리게 감소하면, 형성된 이온 의 수는 빠르게 증가합니다. 이온이 생성된 이후에 질량 분석 기의 감도가 가능한 한 커지면 70~100eV의 전자 에너지가 일반적으로 사용됩니다.

그림 6.7: 전자 에너지의 기능으로써의 이온화

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기체 구성 성분 K 의 이온 전류 I_K+ 는 다음 관계에서 계산될 수 있습니다.

I_{K+}=i_{\bar{}}\cdot I_{e}\cdot s\cdot p_{K}

공식 6-13: 이온 전류

실제 경우:

i¯ 전자 전류(방출 전류), in A
I_{e 전자의 평균 경로 길이, cm}
s K의 차동 이온화 효과 횡단면 1/(cm · hPa)
p_{K 기체 구성 성분 K의 분압, hPa}

복잡한 분자를 이온화할 때에는 많은 유형의 이온이 형성됩 니다. 싱글 및 다중 전하 분자 이온(ABC⁺,ABC⁺⁺)이외에 다 음과 같은 조각 이온도 발생합니다.

ABC⁺ 2e^-
ABC⁺⁺ + 3e^-
AB⁺ + C + 2e^-
BC⁺ + A + 2e^-
A⁺ + BC + 2e^-
C⁺ + AB + 2e^-
B⁺ + A + C + 2e^-

이런 유형 이외에도 AC⁺ 와 같은 재조합 이온들이 형성되는 것도 가능합니다. 개별 유형 이온들의 발생 및 상대적 빈도는 일정한 유형의 분자의 특성이자 분자 확인 시 중요한 역할을 하며 따라서 질적 기체 분석 시 도움이 됩니다. 그림 6.8은 70eV의 전자 에너지에서 기록된 단일 분자 CO₂ 의 조각 이온 분배(균열 패턴 또는 조각 패턴)을 보여줍니다.

그림 6.8: CO₂ 의 조각 이온 분배

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이런 유형 이외에도 AC⁺ 와 같은 재조합 이온들이 형성되는 것도 가능합니다. 개별 유형 이온들의 발생 및 상대적 빈도는 일정한 유형의 분자의 특성이자 분자 확인 시 중요한 역할을 하며 따라서 질적 기체 분석 시 도움이 됩니다. 그림 6.8은 70eV의 전자 에너지에서 기록된 단일 분자 CO₂ 의 조각 이온 분배(균열 패턴 또는 조각 패턴)을 보여줍니다.

이온 소스와 최적의 필라멘트 재료의 선택은 측정 업무에서 부과한 요구조건에 기초합니다. 어플리케이션은 종종 이온 소스에 모순되는 요구조건을 부과합니다. 최적의 결과에 도 달하기 위하여 이온 소스는 현재 업무와 일치해야 합니다. 그 결과 레늄(Re), 텅스텐 또는 산화이트륨화 이리듐(Y₂O₃/Ir) 으로 만들어진 음극이 거의 모두 장착될 수 있는 이온 소스의 다른 유형의 개발로 이어졌습니다. 텅스텐(W) 음극은 UHV 범위에서 또는 레늄(Re)의 증기압이 방해 효과를 낼 수 있는 곳에서 선호됩니다. 그러나 텅스텐/탄소/산소 사이클로 인한, 즉 W₂C의 형성으로 인한 텅스텐 음극의 취성을 고려해야 합 니다. 산화이트륨화 이리듐은 과거에 사용되었던 순수 금속 음극 대신 현재 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이 음극이

재료	온도	적용 가능 기체	비고
Y2 O₃ / lr	1,300 °C	불활성 기체, 기체/ O2, NOx, SOx	O2 의 고농도에 둔감한 할로겐 사용 시 짧은 사용 수명은 O2 또는 H2O 배경에서 약간의 CO / CO2 를 생성합니다.
W	1,800 °C	불활성 기체, H2, 할로겐, 프레온	O2 어플리케이션 사용 시 짧은 사용 수명은 O2 또는 H2O 배경에서 약간의 CO / CO2 를 생성하고, C는 취성을 유발합니다.
Re	1,800 °C	불활성 기체, 탄화수소, H2, 할로겐,, 프레온	탄화수소와 함께 사용 시 재료의 증발로 약 3개월 의 사용 수명

표 6.1: 필라멘트 재료와 사용

제공하는 이점은 훨씬 낮은 작동 온도 및 공기 유입에 대한 상대적 둔감성입니다. 결과적으로 이런 음극의 실행에서 선 호되는 분야는 감온성 물질(예: 금속 유기 합성물)의 분석 또 는 고농도 산소를 함유한 기체 혼합물에서의 오염물 분석입 니다.

다양한 이온 소스가 어플리케이션 속성 및 분야를 기초로 하 여 아래에 설명되어 있습니다. 이온 소스의 공통점은 최대 150V의 전위에 연결될 수 있다는 것입니다. 이렇게 되면 EID 이온(EID = 전자 충격 탈착, ESD = 전자 자극 탈착으로도 알 려짐)으로 인해 신호 배경을 피할 수 있습니다. 이 기술은 나 중에 상세하게 설명됩니다.

축 방향 이온 소스

이 이온 소스는 매우 튼튼한 기계적 설계와 높은 감도가 특징 입니다. 이 이온 소스는 개방형 구조로 인해 기본적으로 고진 공 시스템에서의 잔류 기체 분석을 위해 사용됩니다. 그림 6.6은 축 방향 이온 소스의 구성도를 보여줍니다. 음극(1)은 Wehnelt 전극(2)의 구멍 속에 배열되어 있고, 한 쪽은 이 전 극에 연결되어 있습니다. 양극(3)으로 가속화된 전자는 형성 영역(4)에서 기체 분자를 이온화합니다. 양이온은 추출 구멍 (5)을 통하여 매스 필터에 도달합니다. 상대적으로 개방된 구 조 덕분에 탈착과 표면 반응을 통하여 오직 소량의 위조만 발 생합니다.

그리드 이온 소스

그리드 이온 소스는 UHV 또는 심지어 XHV 어플리케이션에 서 잔류 기체 검사에 사용됩니다. 극단적인 개방 구조와 재료 선택은 무척 낮은 내부 기체 방출을 보장합니다. 이 이온 소 스엔 기체 제거를 위하여 동시에 가열될 수 있는 두 개의 텅 스텐 필라멘트가 장착되어 있습니다. 10^-11 hPa 이하의 압력 에서 작업이 수행될 경우엔 특히 이 목적을 위하여 높은 수준 으로 기체 제거된 봉 시스템이 사용되어야 합니다. 10^-10 hPa 이하의 압력 범위에서의 측정은 소위 EID(전자 충격 탈착) 이 온에 의해 위조될 수 있습니다 [32]. 이 (H⁺, O⁺, F⁺, Cl⁺) 이온 들은 표면에 종종 가해지는 고성능 전자 충격에 의하여 직접 탈착됩니다. EID 이온은 UHV 장비 또는 이온 소스의 초기에 발생하는 흡착된 코팅으로부터 발생하고, 보통 초기 에너지 가 몇 eV 정도입니다. 이런 속성은 약 100eV의 에너지를 가 진 기체상에서 생겨나는 이온과 비교하여 EID 이온을 억제 하기 위하여 필드 축 전압을 신중히 선택함으로서 사용됩니 다(그림 6.10).

그림 6.9: 그리드 이온 소스
그림 6.10: EID 이온의 판별

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크로스 빔 이온 소스

크로스 빔 이온 소스(그림 6.11)는 분자 빔이 시스템 축에 수직으로 그리고 평행으로 직접 통과하는 것을 허용합니다. 이 시스템은 사전 선택 가능한 에너지(0 – 120eV)를 왼쪽 또 는 오른쪽 필라멘트(1)에서 형성 영역(3)으로 방출합니다. 필 라멘트 전위에 있는 Wehnelt 실린더(4)는 전자가 환경으로 산란하는 것을 방지합니다. 전자 에너지가 폭 넓은 한계 내에 서 설정될 수 있기 때문에 이 이온 소스는 출현 전위를 결정 하는 데에 사용될 수 있습니다. 크로스 빔 이온 소스는 이온 이 매스 필터로 들어가는 조건을 매우 정밀하게 유지합니다. 크로스 빔 이온 소스는 번들 분자 빔의 진단에 사용됩니다. 이 공정에서 분자 빔이 주입 판 축에 수직인 형성 영역으로 주입됩니다(그림 6.11). 비이온화 중성 기체 분자는 이온 소스(7)를 통과한 후 펌프 또는 응축용 콜드 트랩으로 보내집 니다. 이런 유형의 이온 소스가 있는 질량 분석기는 분자 빔 에피택시용 „계수율계“로 사용되기도 합니다.

그림 6.11: 크로스 빔 이온 소스

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기체 기밀 이온 소스

위에서 설명한 이온 소스 중 일부는 기체 기밀 버전에서도 사 용 가능합니다. 기체 기밀 이온 소스는 오직 소량의 기체 표 본만 사용 가능할 경우 또는 잔류 기체에 의해 생성된 신호 배경이 효과적으로 억제되어야 할 경우에 사용됩니다. 이 구 성에서 기체 유입 시스템(예: 가열식 모세관)와 이온 소스는 서로 잘 맞아야 합니다. 유입 기체 부피는 형성 영역의 압력 을 결정하며, 이 압력은 이온 소스의 전도성에 의하여 둘러싸 고 있는 진공실에서 배가 될 수 있습니다. 작동 원리는 이제 예시에 의하여 축 방향 이온 소스를 사용하여 제시됩니다.

분석되어야 할 기체는 대지 전위에 있는 금속 모세관(6)과 절 연 튜브(5)를 경유하여 형성 영역(4)으로 직접 도입됩니다. 절연은 와셔(7)에 의해 제공됩니다. 진공실에 대한 전도성은 약 1 l/s입니다.

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스퍼터 공정 모니터(SPM) 이온 소스

이 이온 소스에서 형성 영역(7)은 공정 챔버와 직접 연결되어 있습니다. 분석기엔 음극 공간(5)을 약 10^-5 hPa로 비우는 소 형 터보 펌핑 스테이션(1)이 장착되어 있습니다. 전자는 기체 를 이온화하기 위하여 작은 구멍들을 통하여 낮은 압력 측면 에서 형성 영역(7)으로 주입됩니다. 따라서 형성된 이온은 낮 은 압력 측면에 난 작은 구멍을 통하여 매스 필터로 추출됩니 다. 이 이온 소스는 스퍼터링 공정에서 기체의 구성을 검사하 는 데에 두 가지 중요한 이점을 제공합니다. 한 편으로는 최 대 세 단계 더 높은 이온 소스 압력에서 분석이 수행됩니다. 다시 말해 더 높은 공정 압력이 진공실에서 허용될 수 있습니 다. 또 한편으로는 고온 필라멘트가 스퍼터링 공정과 직접 접 촉하지 않습니다. 이것은 민감한 공정 동안 열음극에 의한 오 염을 방지합니다.

그림 6.13: SPM 이온 소스

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표준 PrismaPlus 이온 소스

파이퍼 베큠의 PrismaPlus 질량 분석기엔 이 튼튼하고 매우 민감한 이온 소스가 장착되어 있습니다. 이것은 특히 잔류 기 체 분석에 적합한 이온 소스입니다. 설계는 두 개의 음극이 있어서 신뢰할 수 있는 작동을 보이는 그리드 소스의 설계와 비교 가능합니다. 축 방향 기체 유입구가 있는 기체 기밀 버 전 뿐만 개방형 버전 모두 사용 가능합니다.

그림 6.14: PrismaPlus 이온 소스

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여기서 설명된 모든 이온 소스는 전자 충격에 의하여 이온화 합니다. 이온 소스는 다음과 같이 두 개의 집단으로 분류될 수 있습니다.

개방형 이온 소스는 분석될 기체가 고진공에서 < 1 · 10^-4 hPa일 경우에 사용됩니다
폐쇄형 이온 소스는 분석적 어플리케이션에서, 예를 들면 표본 기체의 소량의 부피만 사용 가능할 경우에 또는 질량 분석기 진공 시스템의 배경 효과를 줄이기 위하여 사용됩 니다.

폐쇄형 이온 소스는 더 높은 압력 기체를 분석하기 위하여 다 르게 펌프된 시스템과 조합하여 사용됩니다(그림 6.13).

6.3.3 감지기

질량 대 전하 비 를 기초로 하여 봉 시스템에서 분리된 이온 은 다양한 유형의 감지기를 사용하여 다음과 같이 전기적으 로 감지될 수 있습니다.

전기계 증폭기를 사용하여 이온 전류의 직접 측정을 위한 Faraday 컵에 의하여
독립 다이노드가 있는 개별 설계의 2차 전자 증배기(SEM) 를 사용하여
연속 2차 전자 증배기(C-SEM)에 의하여

감지기 선택은 기본적으로 감지 감도, 감지 속도, 신호 대 잡 음 비와 관련된 요구조건에 기초합니다. 그러나 감지기 선택 은 안정성, 열 및 화학적 저항, 공간 요구조건과 관련된 다른 어플리케이션 지정 요구조건에 좌우되기도 합니다.

Faraday 컵

가장 단순한 경우, 이온은 Faraday 수집기(Faraday 컵)에 부 딪치며, 전기 전하를 잃습니다.

그림 6.15: Faraday 컵의 작동 원리

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그 결과로 만들어진 전류는 민감한 전류-전압 변환기(전기계 증포기)에 의하여 이온 전류에 비례하여 전압으로 변환됩니 다. Faraday 컵과 전기계 증폭기의 감도는 일반적으로 K= 10^-4 A/hPa. 의 순서입니다. 전류 증폭기의 입력 저항 R o은 극 단적으로 높아질 필요가 있습니다. 일반 배선 용량 C 를 사용 하면 0.1 s < θ < 100 s. 의 범위에서는 시간 상수 \pi=R\cdot C 가 됩니다. 시간 상수에 따라 측정 한계는 1 · 10^-16 과 1 · 10 ^-14 A 사이이며, 따라서

p_min = 10^-10 hPa 순서의 최소 분압이 감지 될 수 있습니다. 전체 압력이 10^-8 hPa 이하인 UHV 시스템에 서는 이런 일이 보통입니다.
자체의 단순하고 튼튼한 설계 이외에도 Faraday 감지기는 장기 안정성과 고온을 견디는 능력이 특징입니다. 시간 상수 를 작게 유지하고 다른 간섭 효과를 피하기 위하여 전기계 증 폭기가 분석기에 직접 연결되고 자체 출력 신호가 데이터 분 석 시스템에 직접 공급됩니다. 이것이 Faraday 컵이 파이퍼 베큠 진공 질량 분석기에 존재하는 이유이기도 합니다. 그러 나 이것은 양이온 탐지에만 적합합니다.

극단적으로 작은 이온 전류가 측정될 경우 또는 극단적으로 높은 측정 속도가 요구될 경우, 물리적 전치 증폭기가 소위 이차 전자 증배기가 사용됩니다.

2차 전자 증배기(SEM)

그림 6.16은 이 증배기(SEM = 2차 전자 증배기)의 일반적 인 구조를 보여줍니다. 실린더형 모양의 판금 조각들(다이노 드)은 낮은 수준의 전자 작업 기능이 가능한 층으로 코팅되어 있습니다. 이온 또는 전자는 자체 운동 에너지에 따라 이 층 에 부딪칠 때 다수의 2차 전지를 생성합니다. 다중 단계의 직 렬 연결은 단일 이온으로부터 무수한 전자를 생산하게 합니 다. 약 100V의 양전압은 전자를 가속하기 위하여 다이노드 사이에 적용됩니다. 이런 배열의 기술적 실행은 개별 다이노 드가 이 전압의 탭에 연결된 상태에서 저항 체인에 의하여 고 전압(약 1,000 – 3,000V)을 공급함으로써 이루어집니다. 높 은 양전압 막대는 빠져나가는 전자들을 대략적인 대지 전위 에서 유지하기 위하여 접지됩니다. 이런 유형의 배열은 10 7 의 전류 증폭 인자를 생산합니다.

그림 6.16: 2차 전자 증배기(SEM)

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2차 전자 증배기는 Faraday 컵에 다음 이점을 제공합니다.

계기의 감도를 극도로 증가시켜 최대
K = 10 A/hPa 의 감 도 증가를 허용합니다.
이것은 다운스트림 전기계 증폭기를 사용하여 더 짧은 간 격으로 더 낮은 분압이 스캔될 수 있음을 의미합니다
신호 대 잡음 비는 전기계 증폭기의 비보다 훨씬 더 높은 데, 이는 감지 한계가 몇 단계 더 낮을 수 있음을 의미합니 다. 이것은 더 낮은 암전류(잡음 수준)가 높은 증폭에서 도 달될 수 있을 경우에만 적용됩니다. 자체의 감도 증가는 작은 값입니다.

그러나 SEM에도 다음과 같은 단점이 있습니다.

자체 증폭은 활성 층에서의 오염 또는 화학적 변화로 인해 바뀔 수 있습니다.
충돌을 일으키는 전자(전환 인자)의 수(약 1~5개의 전자) 는 이온 에너지(질량 판별)에 따라 다릅니다.

이런 효과의 결과로 증폭이 변화합니다. 결과적으로 SEM은 때때로 보정되어야 합니다. 증폭의 변화는 고전압을 수정함 으로써 쉽게 조정될 수 있습니다. 전환 인자는 첫 번째 다이 노드에 다양한 이온들의 에너지를 동일하게 만드는 개별 고 전압을 공급함으로써 일정하게 유지될 수 있습니다.

2차 전자 증배기를 사용하면 매우 빠른 측정이 가능합니다. 표 6.2에서 볼 수 있듯이 측정 속도는 Faraday 컵을 사용할 때보다 훨씬 더 높습니다.

전류 증폭기로 작동하는 것 이외에도 개별 다이노드 SEM 역 시 이온 계수기로 적합합니다. 이런 설정에서는 10개 당 1 이 온이라는 매우 낮은 계수율에 도달할 수 있습니다. 높은 계수 율도 가능하며, 전류 증폭기로써의 작동과 비교하면 매우 폭 넓은 동적 범위를 만들어냅니다.

	PrismaPlus	SEM 217이 있는 HiQuad	SEM 218이 있는 HiQuad
감지기	Faraday / C-SEM	Faraday / SEM	Faraday / 전환 다이노드가 있는 SEM
Faraday 컵의 최대 압력	10^-3 hPa	10^-4 hPa	10^-4 hPa
SEM, C-SEM의 최대 압력	10^-5 hPa	10^-5 hPa	10^-5 hPa
최대 측정 속도 / u	2 ms	125 µs	125 µs
베이크 아웃 온도(최대)	300 °C	400 °C	400 °C
계수 작업	아니오	예(옵션)	예(옵션)
양이온의 탐지	예	예	예
음이온의 탐지	아니오	예	아니오

표 6.2: 감지기와 속성

계수 모드에서 SEM의 속도는 동적 범위의 상한을 제한합니 다. 펄스 폭이 20ns일 경우, 비선형성은 초 당 106 이벤트의 계수율에서 시작합니다. 자체 펄스 폭이 주어지면 SEM은 계 수기로 적합합니다.
모든 2차 전자 증배기가 공통적으로 갖고 있는 것은 10-5 hPa 이하의 압력에서 작동되도록 제한되어 있다는 것입니 다. 이보다 더 높은 압력에서는 다이노드의 물 층이 작동 시 열분해로 이어질 수 있고 따라서 때 이른 에이징을 촉진할 수 있습니다. 고전압이 관련됨으로써 SEM을 파괴할 수 있는 기 체 방전이 p > 10-5 hPa의 높은 압력에서 일어날 수 있습니 다.

연속 2차 전자 증배기(C-SEM)

C-SEM(그림 6.17)은 내부가 높은 저항 및 낮은 작동 기능 을 가진 전도 층으로 코팅된 유리 튜브로 구성되어 있습니다. 튜브의 길이를 통과하여 균일한 전압 경도를 얻기 위하여 층 에 고전압이 적용됩니다. 4중극자 시스템에서 발생한 이온은 전환 다이노드로 이동하여 튜브에서 전자 더미를 촉발하는 2 차 전자를 생성합니다. 2,500V의 증폭 전압에서 106 의 전류 증폭 인자에 도달합니다.

그림 6.17: 연속 2차 전자 증배기(C-SEM)의 작동 원리

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여기서는 증폭과 암전류 역시 신호 대 잡음 비를 통제하고, 10⁶ 의 최대 전류/암전류 비가 전류 증폭 인자입니다. 4중극자 의 축과 비교해 가벼운 오프셋을 보이는 C-SEM 배열로 인해 Faraday 컵 뿐만 아니라 C-SEM도 다음에 서로 분석기에서 사용될 수 있습니다. 필요하면 감지기의 전환도 가능합니다.

6.3.4 진공 시스템

이온은 중성 기체 입자와의 충돌 없이 4중극자 필터를 통과 할 수 있어야 합니다. 4중극자 질량 분석기의 작동을 위해서 는 p < 10^-4 hPa의 압력에 도달하는 평균 경로 길이가 요구됩 니다. 이것은 압력 모니터가 있는 적절한 펌핑 스테이션을 필 요로 합니다. 최적의 감도를 가진 기체 분석을 수행하기 위해 서는 낮은 기본 압력이 필요할 뿐만 아니라 잔류 기체에 장비 의 벽에서 탈착되어 나오는 피할 수 없는 분압이 포함되어야 합니다. 이 유형의 잔류 기체 스펙트럼과 낮은 기본 압력은 터보 드래그 펌핑 스테이션으로 더 잘 도달됩니다(Figure 4.27). 추가적인 전체 압력 측정기는 질량 분석기가 과도하게 높은 압력에서 가압되지 않도록 보호합니다. 이런 시스템을 설정할 때는 부적합한 흐름 조건에서 시작되는 위조를 피하 기 위하여 기체 유입구, 밸브, 펌프, 측정 계기의 적절한 배열 에 주의를 기울여야 합니다. 높은 압력에서 작동하는 진공 공 정의 과정 동안에는 측정 시스템을 환기시키는 개별 펌핑 스 테이션이 종종 요구됩니다. 터보 드래그 펌프와 격막 펌프가 있는 소형 펌핑 스테이션이 이런 목적으로 사용됩니다.

6.3.5 유입 시스템

분석될 기체는 종종 대기압에서부터 질량 분석기(MS)의 작 동 압력보다 더 낮은 압력으로 감소되어야 합니다. 질량 분석 기로 모니터링되는 많은 진공 기술 공정은
p > 10^-4 hPa 의 압력 범위에서 일어납니다. 4중극자 질량 분석기의 필수 요 소는 따라서 특수 어플리케이션에 적합한 기체 유입 시스템 입니다. 해당 압력 경도에 따라 다양한 압력 감소 절차가 사 용됩니다.

기체 혼합물은 가능할 경우 디믹싱 없이 질량 분석기에 유입 되어야 합니다

p > 10 hPa의 압력에서는 다운스트림 기체 유입 밸브를 사용하여 층류 흐름이 우세한 (가열 가능) 모세관에 의하 여 압력이 감소합니다. 어떤 환경에서는 추가 펌프에 의한 압력 감소가 필수적입니다.
p < 10 hPa 의 압력에서는 터보분자 펌프를 사용하여 다르 게 펌프된 구멍 및 질량 분석기로 압력이 감소합니다.
p < 10^-4 hPa 의 압력에서는 질량 분석기가 개방형 이온 소 스를 가진 공정 챔프에 직접 설치될 수 있습니다.

압력 감소를 위하여 구멍이 사용될 경우 자체의 기체 유형 의 존 전도성은 펌프로 향하는 흐름 경로의 동등한 기체 유형 의 존 전도성에 의하여 상쇄됩니다. 이는 QMS의 농도가 진정한 기체 구성을 반영함을 의미합니다.

유입 시스템	압력 범위	제품 예시	특성
압력 감소 없음	10 ^-12 to 10 ^{- 4} hPa	PrismaPlus QMG 220, HiQuad QMG 700	시스템에서 들어온 기체는 모두 이온화 부피로 표시되게 하는 개방형 구조 이온 소스
SPM 이온 소스	10 ^{- 9} to 10 hPa	PrismaPlus SPM 220, HiQuad SPM 700	스퍼터 공정을 분석하기 위한 특수 이온 소스. 이 시스템은 압력 감소 없이 10-2 hPa의 스퍼터 압 력에서 직접 기체를 분석합니다.
모세관 유입구	100 to 1,100 hPa, 모세관 길이와 다운스트림 구 멍에 따라 달라짐	OmniStar, ThermoStar, 유입 시스템 GES 020 및 GES 010	차동 펌프 유입 시스템, 낮은 질량 판별, 변화하 는 표본 압력에 부적합
구멍 유입	0.01 to 10 hPa,구멍 직경과 관련	PrismaPlus HPA 220	직경 0.01~0.5mm의 구멍, 단순하고 튼튼한 설 계, 질량 판별, 다양한 구멍 직경을 가질 수 있는 변화하는 유입구 압력, 빠르게 변화하는 기체 구 성 성분에 부적합
도징 밸브	0.1 to 1,000 hPa	PrismaPlus HPA 220, 기체 도징 밸브 UDV 040, UDV 146	도징 밸브는 매우 폭 넓은 측정 범위에 대한 기체 유입에 적합하고, 차동 펌프 밸브 역시 빠르게 변 화하는 기체 구성 성분의 분석을 허용합니다.
압력 조절 가능 기체 유입구	10 ^{- 3} to 1,000 hPa	RVC 300이 있는 EVR 016 압력 조절 유입구가 있는 OmniStar	차동 펌프 유입 시스템, 조절 밸브가 있는 제어 루프와 압력 측정으로 구성, 비교적 큰 불감 부 피, 느린 반응

표 6.3: 다양한 기체 유입 시스템과 그 속성

6.3.6 어플리케이션 주의사항

질량 분석기 분석은 진공 어플리케이션 만큼 다양합니다. 위 에서 설명한 가열된 모세관이 있는 기체 유입 시스템은 최대 대기압의 압력 범위에서의 기체 분석을 위하여 사용됩니다. 기체 흐름은 진공 환경의 배경 잡음을 줄이기 위하여 기체 기 밀 이온 소스에 직접 운반됩니다. 기체 빔은 크로스 빔 이온 소스를 통과하여 지나가고, 빔은 진공 펌프 또는 트랩으로 빠 져 나갑니다.

그림 6.18: 기체 유입 시스템과 크로스 빔 이온 소스가 있는 QMS
그림 6.19: 다양한 기체 유입구가 있는 차동 펌프 QMS

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p < 10 hPa 의 압력(식각, 스퍼터링 또는 다른 코팅 공정)에서 는 구멍이나 밸브를 경유하여 기체가 질량 분석기로 유입됩 니다. 터보 펌프는 압력 감소를 위하여 측정 시스템에 부착됩 니다. 부식성 기체에는 특수한 버전들이 있습니다.

매우 낮은 압력에서는, 특히 UHV 범위에서는, 표면 영역이 특히 작아서 탈기체율이 낮은(그리드 이온 소스) 개방형 이 온 소스가 사용됩니다. 기체 농도가 낮기 때문에 4중극자 축 에 수직으로 배열된 2차 전자 증배기(SEM)가 감지기로 사용 되어야 합니다. 신호 대 잡음 비를 개선하기 위하여 유입되는 중성 입자를 펌프 다운하는 터보 펌프가 SEM 맞은 편에 부 착됩니다.

2차 이온 질량 분광 분석(SIMS)은 특별한 경우를 보여줍니 다. 이 공정에서 이온은 교대로 양전하 또는 음전하 2차 이온 을 방출하는 표면에 투사됩니다. 이 이온들은 이온 소스 없는 QMS에 의하여 직접 감지됩니다. 앞 섹션에서 설명된 측정 배열은 이 경우에도 사용됩니다.