质谱仪和通过质谱分析气体的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于通过质谱分析来分析气体（2）的质谱仪（1），包括：可控入口系统（6），用于将待分析的气体（2）从质谱仪（1）外部的处理区域（4）脉冲供给到电离区域（11）中；用于电离在电离区域（11）中待分析的气体（2）的电离装置（14）；离子转移装置（21），用于将电离气体（2a）从所述电离区域（11）经由离子转移区域（20）转移到分析区域（25）中；以及分析仪（26），用于检测所述分析区域（25）中的电离气体（2a）。本发明专利技术还涉及一种用于通过质谱分析来分析气体的相关联的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】质谱仪和通过质谱分析气体的方法相关申请引用本申请要求日期为2018年9月27日的德国专利申请DE102018216623.4的优先权，其全部公开内容通过引用成为本申请的内容。
技术介绍
本专利技术涉及一种通过质谱来分析气体的质谱仪。本专利技术还涉及一种借助于质谱仪、特别是借助于如上所述的质谱仪对气体进行质谱分析的方法。半导体蚀刻（干法蚀刻）是一个化学复杂的过程，其中使用了强腐蚀性气体。为了能够优化这些过程，寻求分析方法、特别是实时方法，以用于观察蚀刻过程并因此能够得出关于发生的反应的结论。进一步有利的是，针对漂移或偏离标准过程来检查相应的正在进行的过程。通过蚀刻材料的变化以及因此反应产物的变化来确定何时到达蚀刻过程的终点也是非常令人感兴趣的。类似的问题也出现在涂覆过程的情况中。从WO2013/104583A2已知一种用于衬底的表面处理（涂覆或蚀刻处理）的设备，该设备具有带离子阱的过程气体分析仪以及用于电离残留气体气氛的气体成分的电离装置，该电离装置布置在用于衬底表面处理的室中。过程气体分析仪可以具有可控入口，用于待检测气体成分的脉冲供给。电离装置位于可控入口的上游。电离气体成分可以经由可能与真空管结合的供给装置（例如呈离子透镜的形式）被供给到过程气体分析仪或离子阱。在过程化学中，同样经常使用或产生腐蚀的高度腐蚀性气体，这些气体必须在产品制造或品质控制过程中进行测量。诸如在WO2013/104583A2中描述的具有脉冲入口的质谱仪对于同时需要长使用寿命和高灵敏度的这种腐蚀性气体混合物的分析是有利的。脉冲气体入口可以与既以脉冲方式又连续地操作的各种类型的分析仪/检测器或质谱仪结合，例如四极质谱仪、三重四极质谱仪、飞行时间（TOF）质谱仪、扫描离子阱质谱仪以及FT（傅立叶变换）质谱仪，特别是FT-IT（离子阱）质谱仪，诸如例如线性离子阱（线性离子阱，LIT）、3D四极离子阱（四极离子阱，QIT）、轨道阱等等。在腐蚀性气体分析中，从过程到分析仪的气体流量应尽可能低，以便尽量减少对在其中检测电离气体的分析仪的损坏。与此相反的是，人们希望将尽可能多的气体带入分析仪以便实现良好的灵敏度的要求，因为为了超过分析仪的检测极限，人们需要最小数量的分析物离子，而分析物离子又是由中性气体成分产生的。为了避免对分析仪的腐蚀，做出了保持分析仪的区域中或分析区域中的压力尽可能低的尝试。这通常这样来实现：通过如此大量减少进入质谱仪的气体流量，使得少量气体不会在可接受的时间段内导致分析仪的任何显著劣化。为此，电离区域中的电离和分析区域中的检测可以在空间上分离，其中电离在较高压力下在电离区域中发生，并且用于检测的离子被转移到存在较低压力的分析区域中。即使在电离区域和分析区域之间没有空间分离的情况下，因为待分析的气体直接在分析仪中或分析区域中被电离，因此与过程压力相比降低压力也是有意义的，特别是在过程压力相对高的情况下。这里的过程压力意指接收容器或过程区域中的压力，它包含待分析的气体，并且位于质谱仪外部。从WO2014/118122A2已知对气体混合物进行电离的实践，该气体混合物将直接在检测器中（例如在离子阱中）进行研究，气体混合物和由电离装置（例如等离子体电离装置）产生的电离气体的离子和/或亚稳定粒子被供给到检测器。WO2015/003819A1同样描述了一种质谱仪，该质谱仪具有用于气体混合物的质谱研究的离子阱和被设计成用于在离子阱中电离待研究的气体的电离装置。质谱仪可以具有可控入口，用于将待研究的气体混合物脉冲供给到离子阱。质谱仪还可以具有减压单元，该减压单元具有至少一个（例如两个、三个或更多个）可以串联连接的模块化压力级，以便在将待研究的气体混合物被供给到离子阱之前降低其气体压力。从DE102014226038A1已知一种减压装置，该减压装置具有真空外壳，该真空外壳具有用于在过程压力下吸入待研究气体的入口，并且具有用于在工作压力下通过质谱分析来分析气体的分析室。真空外壳具有带有减压空间的多个真空部件，这些真空部件可以以模块化方式彼此连接。用于将待研究的气体脉冲供给到分析室中的调制器可以布置在入口开口的区域中。为了电离待研究气体，电离装置可以布置在分析室中和/或可以连接到被布置在分析室中的分析仪。在上面进一步描述的质谱仪的情况下，其中待研究气体的电离发生在分析仪中，有利的是，发生压力的快速变化，使得在电离期间压力仅短暂地高，这可以通过例如使用快速切换的可控阀来实现，待研究气体经由该阀被供给到分析仪中。在这种情况下，气体可以通过打开和关闭阀以受控的方式被准许进入。许多其他具有快速测量时间的非常灵敏的质谱仪（诸如，例如，四极质谱仪、三重四极质谱仪、飞行时间（TOF）质谱仪，例如正交加速（oa）TOF质谱仪等）只有在连续吸入气体的情况下才能以最高的效率工作。不可否认，已经做出在腐蚀性气体环境下同样利用后者质谱仪的尝试，但是已经表明它们的离子源很快被腐蚀性气体损坏并且变得不可用。WO2016/096457A1描述了一种具有电离装置的质谱仪，其中用于处理待电离气体的室布置在用于待电离气体的主入口和次级入口之间。待电离气体的压力降低可以在该室中发生。为此，该室可以有差别地或经由阀（以脉冲方式）泵送。外来气体抑制、粒子过滤和/或粒子处理也可以在室内执行，以便将待电离的气体转化成适合于供应给电离装置的组合物。热去耦也可以发生在该室中，使得从室之后从次级入口中的环境进入的气体的温度不超过最大操作温度。热去耦可以借助于隔热、被动冷却、主动冷却等方式实现。总之，具有脉冲进气的常规质谱仪证明对于腐蚀性气体具有长的使用寿命，但只具有中等的速度（重复率约为10Hz）和灵敏度（ppbV量级（按体积计十亿分之一））。具有连续气体准许进入的常规质谱仪通常具有高速度（重复率高达10kHz）和灵敏度（<pptV的量级），但是在腐蚀性环境中具有短使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的任务本专利技术的任务是提供一种质谱仪，该质谱仪一方面允许高灵敏度，并且另一方面允许在腐蚀性环境中的长使用寿命。本专利技术的主题该问题通过一种质谱仪来解决，该质谱仪包括：可控入口系统，用于将待分析的气体从质谱仪外部的处理区域脉冲供给到电离区域；电离装置，用于将待分析的气体在电离区域中电离；离子转移装置，用于将电离气体从电离区域经由离子转移区域转移到分析区域中；以及分析仪，用于检测分析区域中的电离气体（以及用于通过质谱来分析电离气体）。在根据本专利技术的质谱仪的情况下，执行脉冲采样，即，以脉冲方式从质谱仪外部的处理区域提取待分析的气体。处理区域可以位于例如处理室的内部空间中，在该处理室中例如执行蚀刻处理、涂覆处理、处理室的清洁等。用于待分析气体的可控入口系统、随后的离子转移以及分析仪中气体的检测或分析通常同步且周期性地执行。为了可控入口系统、分析仪和提取装置（见下文）的同步，质谱仪通常具有控制器，该控制器实现质谱仪的周期性操作。入口系统适于相应的电离和分析方法。入口系统、电离方法和分析方法因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于通过质谱来分析气体（2）的质谱仪（1），包括：/n可控入口系统（6），用于将待分析的气体（2）从质谱仪（1）外部的处理区域（4）脉冲供给到电离区域（11）中，/n用于电离在电离区域（11）中待分析的气体（2）的电离装置（14），/n离子转移装置（21），用于将电离气体（2a）从所述电离区域（11）经由离子转移区域（20）转移到分析区域（25）中，以及/n分析仪（26），用于检测所述分析区域（25）中的电离气体（2a）。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180927 DE 102018216623.41.一种用于通过质谱来分析气体（2）的质谱仪（1），包括：
可控入口系统（6），用于将待分析的气体（2）从质谱仪（1）外部的处理区域（4）脉冲供给到电离区域（11）中，
用于电离在电离区域（11）中待分析的气体（2）的电离装置（14），
离子转移装置（21），用于将电离气体（2a）从所述电离区域（11）经由离子转移区域（20）转移到分析区域（25）中，以及
分析仪（26），用于检测所述分析区域（25）中的电离气体（2a）。


2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述入口系统（6）具有管状的、优选温度可控的、可更换的和/或涂覆的部件（9），用于将待分析的气体（2）供给到所述电离区域（11）中。


3.根据权利要求1或2所述的质谱仪，其中，所述入口系统（6）具有过滤装置，优选地呈波纹软管（9）形式的管状部件，特别是由不锈钢制成，用于过滤包含在待分析的气体（2）中的至少一种腐蚀性气体成分，特别是用于过滤腐蚀性气体（3a）。


4.根据前述权利要求中任一项所述的质谱仪，其中，所述入口系统（6）具有可控部件、特别是可控阀（7），所述阀优选地可以在第一切换状态与第二切换状态之间切换，所述第一切换状态用于将待分析的气体（2）脉冲供给到所述电离区域（11）中，所述第二切换状态用于将载气（3c）脉冲供给到所述电离区域（11）中。


5.根据前述权利要求中任一项所述的质谱仪，其中，所述电离装置具有电子源（14），特别是能够以脉冲方式操作的电子源，用于在所述电离区域（11）中电离待分析的气体（2）。


6.根据权利要求5所述的质谱仪，其中，所述电子源（14）被散热器（16）包围，所述散热器具有用于电子束（14a）出现的开口（17）。


7.根据权利要求5或6所述的质谱仪，其中，所述质谱仪（1）被设计成：当所述电子源（14）被操作时，在所述电离装置的温度可控的电离空间（13）中维持低于100℃的温度。


8.根据权利要求5至7中任一项所述的质谱仪，其中，所述电子源（14）具有交换装置（18），用于特别是自动交换所述电子源（14）的灯丝（15），或者其中所述电子源（14）可拆卸地安装到所述质谱仪（1）。


9.根据前述权利要求中任一项所述的质谱仪，其中，所述电离装置具有用于产生电离气体（33）的离子（32a）和/或亚稳定粒子（32b）的等离子体电离装置（31）。


10.根据前述权利要求中任一项所述的质谱仪，其中，所述电离装置（14）具有气体供给装置（31），所述气体供给装置（31）用于将CI气体（32）脉冲或连续地添加到所述电离装置（14）的电离区域（11）中。


11.根据前述权利要求中任一项所述的质谱仪，其中，所述离子转移装置（21）具有离子转移室（22），在所述离子转移室（22）中形成有离子转移区域（20），其中所述离子转移室（22）经由隔膜孔（24）连接至所述电离区域（11），并且优选地经由另一隔膜孔（28）连接至所述分析区域（25）。


12.根据前述权利要求中任一项所述的质谱仪，还包括：泵装置（30a、b、c），用于在所述分析区域（25）中产生压力（PA）并在所述电离区域（11）中产生压力（pI），其中，所述泵装置（30a、b）优选设计成独立于所述分析区域（25）中的压力（PA）来设定所述电离区域（11）中的压力（pI）。


13.根据前述权利要求中任一项所述的质谱仪，其中，所述电离区域（11）中的压力（pI）比所述分析区域（25）中的压力（pA）更大，优选地是所述分析区域中的压力的103至106倍。


14.根据前述权利要求中任一项所述的质谱仪，其中，在所述离子转移装置（21）的离子转移区域（20）中，存在位于所述电离区域（11）中的压力（pI）与分析区域（25）中的压力（pA）之间的压力（pT），其中所述泵装置（30a、b、c）优选地被设计成独立于所述电离区域（11）中的压力（pI）以及所述分析区域（25）中的压力（pA）来设定所述离子转移区域（20）中的压力（pI）。


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【专利技术属性】
技术研发人员：A·H·Y·钟，T·本特，M·阿利曼，R·罗伊特，Y·布拉赫特霍伊泽，
申请(专利权)人：莱宝有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE