現(xiàn)代氣相工藝的污染控制要求不斷推動(dòng)四極氣體分析儀的性能極限。四極子技術(shù)正在迅速發(fā)展，并適應(yīng)較低污染水平的規(guī)格。在選擇特定應(yīng)用的傳感器時(shí)，充分了解影響目前不同氣體分析系統(tǒng)的檢測(cè)能力的各種因素是一個(gè)必要的工具。與通常的情況一樣，大多數(shù)選擇都涉及到妥協(xié)，而充分了解與不同檢測(cè)器配置相關(guān)的基本權(quán)衡將使錯(cuò)誤最小化并*大化生產(chǎn)力。

所有的氣相處理裝置都可以受益于添加一個(gè)四極氣體分析儀。由匹配良好的探測(cè)器提供的信息迅速成為該過(guò)程中不可分割的組成部分，大大減少了傳統(tǒng)上屬于大多數(shù)真空故障排除程序的估算測(cè)量。隨著四極桿氣體分析儀變得越來(lái)越便宜，它們正迅速在所有需要嚴(yán)格控制工藝氣體污染水平的行業(yè)中變得普遍。智能軟件界面、較低的檢測(cè)限制和較低的擁有成本是現(xiàn)代儀器中需要尋找的一些功能。

本文的以下部分描述了開放和封閉離子源四極桿質(zhì)譜儀的性能規(guī)范。這些信息的主要目的是介紹為任何氣相應(yīng)用選擇正確的分析儀所需的基本概念，并提出一些必須牢記的基本工作原理，以確保所選儀器的最佳性能。

殘余氣體分析儀析

典型的殘余氣體分析儀（RGA）有一個(gè)開放的離子源（OIS），并直接安裝在一個(gè)真空室上，使整個(gè)傳感器與真空系統(tǒng)的其余部分處于相同的壓力下。較小的物理尺寸使得將 RGA 連接到幾乎任何真空系統(tǒng)都成為可能，包括研究和工藝設(shè)置。最大工作壓力為 10 ^-4 Torr。對(duì)于配備電子倍增器的裝置，最小可檢測(cè)分壓（通常為N ²在28amu處測(cè)量）低至 10 ^-14 Torr。

在高真空應(yīng)用中，如研究室、表面科學(xué)裝置、加速器、航空航天室、掃描顯微鏡、放氣室等，RGAs 被有效地用于監(jiān)測(cè)真空質(zhì)量，它們甚至可以很容易地檢測(cè)到低壓氣體環(huán)境中最微小的雜質(zhì)。痕量雜質(zhì)可以測(cè)量到 10 ^-14 Torr 水平，在沒(méi)有背景干擾的情況下，可以進(jìn)行亞 ppm 的檢測(cè)。在系統(tǒng)故障排除過(guò)程中，RGAs 也被用作非常靈敏的原位氦泄漏探測(cè)器。

在半導(dǎo)體行業(yè)中，RGA 最好用于蒸發(fā)器、濺射器、蝕刻器或任何其他高真空系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通常被泵送到低于 10 ^-5 Torr。他們的主要應(yīng)用是在任何晶圓投入生產(chǎn)之前檢查真空密封的完整性和真空的質(zhì)量。空氣泄漏、虛擬泄漏和許多其他污染物在非常低的水平上很容易破壞晶圓，并且必須在工藝啟動(dòng)之前被檢測(cè)到。隨著半導(dǎo)體工藝變得更加復(fù)雜，它們對(duì)污染物的容忍度也變得越低。工藝室中的殘余氣體分析增加了正常運(yùn)行時(shí)間和生產(chǎn)產(chǎn)量，并降低了擁有成本。

圖 1：OIS 示意圖

開放的離子源（OIS）

在大多數(shù)商用 RGAs 中使用的標(biāo)準(zhǔn)離子源是開放離子源（OIS）。這種電離器被認(rèn)為是 RGA 的“全做"源。自 20 世紀(jì) 50 年代初以來(lái)，它就一直呈圓柱形，軸向?qū)ΨQ的形式存在。通用的 OIS 設(shè)計(jì)原理圖如圖 1 所示。

OIS 滲透到工藝腔室中。燈絲和陽(yáng)極電離網(wǎng)對(duì)周圍的真空室“開放"。真空室中存在的所有分子都可以很容易地穿過(guò)離子源。電離器中的壓力與周圍真空的壓力相同，也與四極桿質(zhì)譜分析儀和離子探測(cè)器中的壓力相同。OIS 對(duì)真空室中的所有氣體分子都是“開放的"。只要總壓力保持在 10 ^?4 Torr以下，它就可以用來(lái)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)氣體水平的變化。由于離子之間的空間電荷排斥力，較高的壓力會(huì)導(dǎo)致靈敏度的降低。

OIS 的性能限制

OIS RGAs 在不影響真空環(huán)境氣體成分的情況下測(cè)量殘留氣體水平。然而，必須記住一些潛在的問(wèn)題，特別是當(dāng)傳感器被常規(guī)用于監(jiān)測(cè)微量雜質(zhì)（ppm 和亞 ppm 水平）或超高真空（UHV，<10 -⁹ Torr）環(huán)境時(shí)。

下面列出了 OIS RGA 對(duì)其背景信號(hào)的不同貢獻(xiàn)方式，從而影響了傳感器的檢測(cè)能力。在適用的情況下描述最小化這些問(wèn)題的方法。

除氣

OIS 是一種熱陰極離子源。燈絲（陰極）必須加熱到高溫（>1300°C），以建立電子發(fā)射電流。在高真空中，加熱燈絲所需的大部分能量通過(guò)輻射過(guò)程耗散到周圍環(huán)境中。因此，整個(gè)電離器和相鄰的真空壁面“發(fā)熱"。升高的溫度導(dǎo)致 OIS 本身和來(lái)自相鄰的腔壁的排氣增加。排氣釋放的氣體可以降低許多重要物種的 OIS RGA 的最小可檢測(cè)分壓（MDPP），包括 H ₂ 、H₂ O、N ₂ 、CO 和二氧化碳。

從熱陰極計(jì)上排氣對(duì)高真空用戶來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)新問(wèn)題。它也存在于貝亞德-阿爾伯特電離儀中，這種電離計(jì)在過(guò)去 50 年里真空室中一直很常見(jiàn)。在大多數(shù)情況下，排氣只會(huì)影響被測(cè)量的氣體混合物的組成。然而，在某些情況下，放氣可能是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，甚至?xí)绊憣?shí)驗(yàn)或過(guò)程的結(jié)果。排氣電離器可以幫助最小化一些背景信號(hào)；然而，這通常只是一個(gè)臨時(shí)的解決方案。

一些 RGA 供應(yīng)商提供其 OIS 的 UHV 版本，其陽(yáng)極（有時(shí)是整個(gè)電離器組件）由鉑包層鉬線制成。這種高度惰性的材料對(duì)許多氣體的吸附量降低，并減少了出氣和 ESD。

水氣是一種常見(jiàn)的干擾，尤其重要，因?yàn)樗窃S多高真空工藝的嚴(yán)重污染源。在超過(guò) 200°C 的長(zhǎng)期烘烤是減少 OIS RGA 中水氣的*佳選擇。

在 OIS 電極排出的 H ₂ 氣體可能會(huì)讓 UHV 狀態(tài)下的用戶擔(dān)心，在 UHV 狀態(tài)下，殘留的氫通常占總氣體混合物成分的 95 %。H ₂ 溶解在大多數(shù) 300 系列不銹鋼中，很容易從熱 OIS 電極排出。OIS 對(duì) H ₂ 背景的貢獻(xiàn)取決于其組成，使用鉑包覆蓋件可以顯著減少。在所有情況下，隨著氣體從電極中耗盡，影響會(huì)隨著時(shí)間的推移而減弱。

電子激發(fā)解吸（ESD）

即使在 RGA 被*底烘烤后，也經(jīng)常在 12、16、19 和 35 amu 處觀察到峰，這是由 OIS 內(nèi)部表面的 ESD 形成的，而不是由氣體物質(zhì)的電子沖擊電離形成的。ESD 對(duì) RGA 性能的影響類似于排氣。

我們可以采取以下幾個(gè)步驟來(lái)最小化其影響：

*高電子能量脫氣——通常是商業(yè)儀器的一種選擇

*鍍金離子器——可以減少許多氣體的吸附，從而降低了 ESD 效應(yīng)。使用鉑包層覆蓋的鉬離子器也是一種替代選擇。

*減少了電子束的范圍。

*減少 OIS 的表面積——使用金屬絲網(wǎng)代替固體穿孔金屬

*避免將離子發(fā)生器暴露在氯和氟化合物中。

背景干擾

與電離器相比，四極質(zhì)量過(guò)濾器組件具有較大的表面積，即使在運(yùn)行過(guò)程中不像電離器那么熱，它仍然可以排氣。OIS 和傳感器都暴露在相同的真空環(huán)境中，這使得電離器對(duì)四極桿組件的其余部分排出的雜質(zhì)非常敏感。對(duì)于許多 RGA 用戶（特別是在 UHV 范圍內(nèi)）來(lái)說(shuō)，一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題是水從未烘焙的 RGA 中排氣。然而，許多其他物質(zhì)也會(huì)影響背景讀數(shù)。例如，如果傳感器最近暴露在大量的氣體中（因?yàn)樗晃皆?SS 表面和解吸只是非常緩慢），可以預(yù)期高 Ar 背景。

電離發(fā)生器對(duì)在熱燈絲中產(chǎn)生的雜質(zhì)也很敏感。氣體分子在燈絲表面會(huì)發(fā)生熱裂解和化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物很容易進(jìn)入電離區(qū)。以這種方式產(chǎn)生的雜質(zhì)通常是離子發(fā)生器表面污染的一個(gè)重要來(lái)源，并對(duì) RGA 的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有嚴(yán)重影響。例如，CO 和 CO 2 是由大多數(shù)熱燈絲發(fā)出的，很容易進(jìn)入電離器和真空系統(tǒng)。

定期烘烤是盡量減少這個(gè)問(wèn)題的*有效的方法。在 200°C 烘烤通?？梢越鉀Q大多數(shù)污染問(wèn)題。如果問(wèn)題仍然存在，則可能需要清潔和/或翻新四極桿傳感器。

分壓系統(tǒng)（PPR）

RGAs 并不局限于對(duì)壓力低于 10 ^-4 Torr 時(shí)的氣體的分析。借助分壓泵、減壓氣體進(jìn)口系統(tǒng)（PPR）可以對(duì)更高的氣體壓力進(jìn)行采樣，該系統(tǒng)包括分壓泵和真空泵。常規(guī)的分壓是針孔和毛細(xì)管，它們可以提供超過(guò) 6 個(gè)數(shù)量級(jí)的壓力降低。真空泵通常由一個(gè)前級(jí)泵和渦輪分子泵組成。RGA、進(jìn)氣系統(tǒng)和泵站構(gòu)成了通常稱為分壓系統(tǒng)（PPR）。這些氣體取樣系統(tǒng)在氣相過(guò)程中很常見(jiàn)，可以從幾個(gè) RGA供應(yīng)商那里獲得。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，PPRs 可以從頭到尾監(jiān)控流程，為每一步都提供必要的信息。

圖 2 中描述的 PPR 系統(tǒng)是一個(gè)典型的減壓裝置的示例，用于將過(guò)程壓力降低到 OIS RGA 可接受的水平。PPR 包含到 RGA 的兩個(gè)入口路徑：用于監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)真空的高電導(dǎo)率路徑（Hi-C），以及用于監(jiān)測(cè)工作壓力下的氣體的低電導(dǎo)率路徑（Lo-C）。

當(dāng)真空系統(tǒng)的壓力低于 10 ^?4 Torr 時(shí)，使用高電導(dǎo)率路徑。在高真空條件下，典型的應(yīng)用是進(jìn)行泄漏測(cè)試和監(jiān)測(cè)腔室的極限真空。例如，在濺射室中，該過(guò)程的第一階段是泵至小于 10 ^?6 Torr。此時(shí)，RGA 可用于檢查背景質(zhì)量的泄漏和污染物。一旦真空質(zhì)量令人滿意，濺射腔室以幾毫托回填氬氣，并開始濺射。

當(dāng)工藝室的壓力超過(guò) 10 ^?4 Torr 時(shí)，使用低電導(dǎo)率路徑。該路徑包含一個(gè)微孔節(jié)流孔，可將壓力降低數(shù)個(gè)量級(jí)到適合 RGA 的水平（通常在 10 ^?5 Torr 左右）。孔徑可用于高達(dá) 10Torr 的工作壓力。有時(shí)會(huì)使用一組節(jié)流孔（或一個(gè)可調(diào)節(jié)的計(jì)量閥）來(lái)調(diào)節(jié)減壓系數(shù)，以適應(yīng)整個(gè)過(guò)程中的不同壓力。例如，在濺射過(guò)程中，Lo-C 路徑可用于監(jiān)測(cè)水蒸氣和碳?xì)浠衔锏乃?，以確保它們不會(huì)超過(guò)降低濺射膜質(zhì)量的某些臨界水平。

分子泵將氣體通過(guò)節(jié)流孔輸送到 RGA，形成壓降。在這些系統(tǒng)中使用的泵通常是非常緊湊，無(wú)油和低維護(hù)。

對(duì)于高于 10 Torr 的壓力，進(jìn)入單級(jí) PPR（如圖 2 樣品樣側(cè)所示）的氣體流速變得非常小，響應(yīng)時(shí)間變慢，無(wú)法做出任何實(shí)際的測(cè)量。在這種情況下，雙級(jí)旁通抽氣取樣采樣系統(tǒng)，具有更大的氣體流速和更快的響應(yīng)速度，是比單級(jí) PPR 更好的選擇。旁通抽氣取樣采樣系統(tǒng)，具有取中壓分析的方式，能夠分析幾個(gè)大氣壓的氣體混合物，可從幾個(gè) RGA 供應(yīng)商獲得該系統(tǒng)。

圖 2：PPR 進(jìn)口系統(tǒng)

PPR 系統(tǒng)的性能限制

PPR 在低于 10 Torr 壓力下的可以很好的進(jìn)行氣體取樣，它們提供的信息通常用于診斷和控制各種行業(yè)中的氣相過(guò)程。隨著價(jià)格的下跌和技術(shù)的發(fā)展，這些儀器正在不斷地尋找新的應(yīng)用領(lǐng)域。

大量的 PPR 系統(tǒng)專門用于檢測(cè)氣體混合物中的微量雜質(zhì)。OIS RGAs 有足夠的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍來(lái)檢測(cè)百萬(wàn)分之一（ppm）級(jí)別的污染物。然而，來(lái)自過(guò)程氣體的干擾和來(lái)自傳感器本身的背景干擾使 PPR 在實(shí)踐中很難檢測(cè)到 ppm 級(jí)別的雜質(zhì)。

背景干擾

分析儀腔室中存在的背景氣體可以掩蓋一些重要?dú)怏w（H ₂ 、H ₂ O、N ₂ 、CO 和 CO ₂ ）的 MDPPs。背景氣體是由于排氣、電子激發(fā)解吸和泵浦系統(tǒng)的有限壓縮比。

為了最好地說(shuō)明這一點(diǎn)，以 10 ^?2 TorrAr 濺射過(guò)程中的水的分析為例。在過(guò)程監(jiān)測(cè)期間，質(zhì)譜儀通常運(yùn)行在約 10 ^?5 Torr 下，對(duì)應(yīng)于 PPR 的 Lo-C 路徑的降低了 3 個(gè)數(shù)量級(jí)。壓降使工藝室中 1 ppm 的水達(dá)到質(zhì)譜儀中的分壓約 10 ^?11 Torr（*全在典型 RGA 的檢測(cè)限范圍內(nèi)）。然而，由于質(zhì)譜儀與工藝氣體分離，PPR 室中的殘余壓力最多為 10 ^?9 Torr（其中大部分是水）。該水位比工藝室中 1 ppm 的水對(duì)應(yīng)的 10 ^?11 Torr 大 100 倍，這意味著在這些“常見(jiàn)"的操作條件下，水蒸氣濃度不能被可靠地檢測(cè)或測(cè)量到 100 ppm 以上。

在分析過(guò)程中，將 RGA 室的工作壓力提高到 5×10 ^?5 Torr ，MDPP 極限可以提高到 20 ppm。然而，在某些情況下，即使是 20 ppm 的 MDPP 限制也可能不夠低。添加一個(gè)具有大泵送速度的低溫泵，已被證明可以極大地減少 PPR 的四極室的水背景。然而，由于泵的高成本，這在實(shí)踐中很少這樣做。對(duì)于其他潛在的干擾氣體，也必須記住同樣的限制。為了在 ppm 水平檢測(cè)到任何物種（10mTorr過(guò)程中 10 ^?8 Torr），PPR 的殘余質(zhì)譜必須在該物種的峰對(duì)應(yīng)的質(zhì)量值處顯示小于 10 ^?11 Torr 的壓力讀數(shù)。在大多數(shù)真空系統(tǒng)中，除非采取必要的預(yù)防措施以盡量減少所有污染源，否則不容易達(dá)到這種水平。對(duì)于 50 amu 以下的質(zhì)量，這個(gè)問(wèn)題通常更為嚴(yán)重，因?yàn)樵跉堄噘|(zhì)譜中總是有背景峰。

盡管 RGA 本質(zhì)上能夠執(zhí)行亞 ppm 的測(cè)量，但在 RGA 的殘余質(zhì)譜中找到背景處于 ppm 水平的位置并不總是容易。

PPR 中背景干擾的一個(gè)常見(jiàn)來(lái)源是傳統(tǒng)油泵回流到 PPR 室的污染。切換到一個(gè)*全無(wú)油的泵站，就消除了這個(gè)問(wèn)題。

空氣的 MDPP 限值通常受到泵站的壓縮比的限制。在大多數(shù) PPR 系統(tǒng)中，N2 水平通常低于10 ^?9 Torr，氧水平大約低5倍。這相當(dāng)于在10 mTorr過(guò)程中，N ₂ @28amm的MDPP水平高于20ppm，O ₂ @32amu 的 MDPP 水平高于 4 ppm。

氫氣通常不可能在 ppm 的水平上檢測(cè)到，因?yàn)樗苋菀讖姆治鰞x上排出，而且它不能被大多數(shù)渦輪泵有效地泵送。一些用于最小化 H 2 背景信號(hào)的技巧包括：使用 Pt 覆蓋鉬 OIS，以及增加一個(gè)特殊的泵站，增加氫的泵送速度。

工藝氣體干擾

在一個(gè)典型的基于 OIS RGA 的 PPR 系統(tǒng)中，ppm 檢測(cè)水平的另一個(gè)限制是由來(lái)自被分析的相同工藝氣體的干擾造成的。

說(shuō)明這一點(diǎn)的最好方法是回到 10 mTorr Ar 濺射過(guò)程中的水分析的例子。我們發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)超過(guò)20 ppm 水平的水是非常困難的，除非 PPR 室被非常小心地烘烤并免受水污染。然而，正如我們將看到的，這只是問(wèn)題的一部分：在濺射系統(tǒng)中使用的 m/e 18 也有嚴(yán)重的干擾。同位素 36 Ar 的含量為 0.34 %。在電子電離過(guò)程中，形成雙電荷氬，在 m/e 20（ ₄₀ Ar⁺⁺）和 m/e 18（ ₃₆ Ar⁺⁺）處產(chǎn)生峰。對(duì)于 70 eV 的電子沖擊能量， ₃₆ Ar ⁺⁺ 的典型水平為 350 ppm。因此，如果你想在基于 Ar 的濺射系統(tǒng)中檢測(cè) ppm 的水，你必須解決兩個(gè)問(wèn)題：傳感器排氣的背景干擾和 ₃₆ Ar ⁺⁺ 在 m/e 18 的干擾。

一個(gè)*底的烘烤可以減少背景水對(duì)低幾十 ppm 水平的貢獻(xiàn)，但消除 ₃₆ Ar ⁺⁺ 干擾需要使用幾種技巧。一些制造商只是選擇監(jiān)測(cè) m/e 17 峰值。對(duì)于 70 eV 的電離電子，這個(gè)峰在 18 amu 時(shí)比主峰小4 倍。這導(dǎo)致了對(duì)水的檢測(cè)的靈敏度的顯著降低。它還增加了豐度靈敏度的問(wèn)題，同時(shí)試圖測(cè)量質(zhì)量 17 的強(qiáng)度旁邊的一個(gè)大的 ₃₆ Ar ⁺⁺ 峰在 18 amu。

一個(gè)更好的選擇（也是推薦給具有可編程電離發(fā)生器電壓的 RGAs 的選擇）是在電子沖擊能量降低到小于 40 eV 時(shí)操作電離發(fā)生器。這個(gè)電離能低于 Ar ⁺⁺ 的外觀勢(shì)（43.5 eV）。例如，在操作35 eV 電子的 RGA 時(shí)，由于 Ar ⁺⁺ ，質(zhì)量為 18、19 和 20 的峰值消失，這是在 36、38 和 40 amu 的Ar ⁺ 檢測(cè)靈敏度降低最小的情況下實(shí)現(xiàn)的。

不同的電子電離能通常用于選擇性地電離氣體混合物中的物質(zhì)。從一般的質(zhì)譜文獻(xiàn)中可以很容易地得到許多不同氣體的電離勢(shì)表。電子能量的減少通常會(huì)給燈絲帶來(lái)額外的工作負(fù)荷，并可能減少其壽命。然而，減少的干擾效應(yīng)抵消了燈絲更換的額外成本。

封閉離子源（CIS）

在需要測(cè)量 10 ^?4 和 10 ^?2 Torr 之間的壓力的應(yīng)用中，通過(guò)用封閉離子源（CIS）采樣系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的 OIS PPR 配置，可以顯著減少背景和工藝氣體干擾的問(wèn)題。一個(gè)通用的 CIS 設(shè)置的橫截面如圖 3 所示。

CIS 電離器位于四極質(zhì)量濾波器的頂部，取代了傳統(tǒng) RGA 中更傳統(tǒng)的 OIS。它由一個(gè)短的氣密管組成，兩個(gè)非常小的電子和離子的出口。電子通過(guò)一個(gè)小尺寸的入口狹縫進(jìn)入電離區(qū)。離子在靠近一個(gè)提取板處形成并被吸引，并通過(guò)一個(gè)小直徑的圓孔離開電離器。氧化鋁環(huán)密封管從四極質(zhì)量組件的其余部分，并為偏置電極提供電絕緣。離子是由電子在過(guò)程壓力下的直接撞擊產(chǎn)生的。與 PPR 系統(tǒng)中使用的泵送系統(tǒng)類似，使燈絲和四極組件的其余部分保持在壓力在 10 ^?5 Torr 以下（20 個(gè)數(shù)量級(jí)的減壓）。該設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，在被四極桿氣相分析儀采用之前，已成功地應(yīng)用于氣相色譜質(zhì)譜儀器多年。大多數(shù)商業(yè)上可用的 CIS 系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為在 10 ^?2 和 10 ^?11 Torr 之間運(yùn)行，并在10 ^?4 和 10 ^?2 Torr 之間的工藝壓力的整個(gè)質(zhì)量范圍內(nèi)提供 ppm 級(jí)的可檢測(cè)性。

圖 3：CIS 的原理圖

PPR 和 CIS 系統(tǒng)之間的差異

在選擇*適合特定工藝應(yīng)用程序的傳感器設(shè)置時(shí)，了解 CIS 設(shè)置和更傳統(tǒng)的基于 OIS RGA 的PPR 之間的性能差異是*不可少的。工藝工程師在為其應(yīng)用程序選擇分析儀配置之前，應(yīng)仔細(xì)權(quán)衡所有差異。

直接抽樣

CIS 陽(yáng)極可以看作是一個(gè)直接連接到工藝室的高電導(dǎo)管。電離區(qū)中的壓力與工藝室中的壓力基本相同。CIS 電離器在過(guò)程壓力下直接通過(guò)電子沖擊產(chǎn)生離子，而質(zhì)譜分析儀的其余部分和燈絲保持在高真空條件下。直接采樣提供了良好的靈敏度（由于可用的大離子密度）和快速的響應(yīng)時(shí)間。“記憶效應(yīng)"，通常與壓力降低和電導(dǎo)孔有關(guān)，是顯著減少的。此外，由于不同氣體分子通過(guò) PPR 孔徑的分子量依賴性擴(kuò)散系數(shù)而引起的分餾效應(yīng)也不存在。

信號(hào)與背景比

由于 CIS 中的采樣壓力通常比傳感器真空系統(tǒng)的其他部分高 20 倍，因此相對(duì)于 OIS PPR 系統(tǒng)，信號(hào)-背景比顯著增加。在測(cè)量諸如水等常見(jiàn)的殘留氣體時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，我們回到 10 ^?2 TorrAr 濺射過(guò)程中的水測(cè)量例子。Ar 氣體在 10 ^?2 Torr 處直接電離（比 OIS PPR 高出三個(gè)數(shù)量級(jí)?。┑谙嗤谋尘跋拢?0 ^?9 Torr）的剩余水。這個(gè)剩余的水信號(hào)現(xiàn)在對(duì)應(yīng)于 CIS 系統(tǒng)中水的100 ppb MDPP 水平。這是一個(gè)相當(dāng)改進(jìn)的 OIS PPR 性能！

直接取樣和差分泵送的結(jié)合為即使是*普遍的殘留氣體提供了 ppm 和亞 ppm 檢測(cè)極限的潛力。對(duì)于其他常見(jiàn)的干擾，如有機(jī)污染物或燈絲的反應(yīng)副產(chǎn)品，源的氣密設(shè)計(jì)降低了電離區(qū)域的可見(jiàn)性，這些氣體提供一個(gè)非常干凈的殘留氣體質(zhì)譜，避免了 OIS PPR 設(shè)置中許多質(zhì)譜重疊。

由 ESD 產(chǎn)生的污染物的干擾在 CIS 中也減少了，因?yàn)橐粋€(gè)要小得多的電子束穿透電離網(wǎng)。此外，大多數(shù)市售的 CIS 的內(nèi)壁都涂有高度惰性的材料，如金、鉑包層和純鉬，它們比不銹鋼吸附更少的雜質(zhì)。

CIS 能夠直接在 mTorr 范圍內(nèi)取樣氣體，并在其整個(gè)質(zhì)量范圍內(nèi)提供 ppm 級(jí)檢測(cè)，這使得 CIS系統(tǒng)成為半導(dǎo)體處理應(yīng)用的*選儀器，如 PVD、CVD 和蝕刻。

離子發(fā)生器污染

在 OIS PPR 體系中，在燈絲上發(fā)生熱裂化或化學(xué)反應(yīng)的樣品分子可以自由地漂移到電離區(qū)。這是電子沖擊電離器的表面污染物的一個(gè)非常重要的來(lái)源。相比之下，CIS 的氣密性設(shè)計(jì)降低了氣體源對(duì)這些污染物氣體的可見(jiàn)性，減少了污染和更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。大多數(shù) CIS 制造商在他們的系統(tǒng)中專門使用鎢絲。W 可以抵抗許多腐蝕性氣體（如 WF 6 ）和活性氣體（如硅烷），最大限度地減少在燈絲上的反應(yīng)，也可以延長(zhǎng)燈絲的壽命。

多用途

當(dāng)與一個(gè)工藝適當(dāng)匹配時(shí)，OIS PPR 和 CIS 系統(tǒng)都是非常通用的儀器，在整個(gè)氣相過(guò)程中提供關(guān)鍵的信息。裝有雙路徑氣體入口的 PPR 系統(tǒng)，可以毫不費(fèi)力地切換高\(yùn)低電導(dǎo)率，從高靈敏度的RGA 操作模式切換到過(guò)程監(jiān)測(cè)模式。

通過(guò)簡(jiǎn)單地改變一些傳感器的電離參數(shù)。CIS 氣體分析儀，即使不像 RGA 那樣敏感，也可以處理工藝室中需要的大多數(shù)殘余氣體分析和泄漏檢查測(cè)試。由于電子入口和離子出口的空穴非常小，CIS 的靈敏度降低。然而，在大多數(shù)情況下，在比 RGA 更高的增益水平上運(yùn)行電子倍增器彌補(bǔ)了靈敏度的降低。典型 MDPP 值的 CIS 系統(tǒng)，配備了一個(gè)可選的電子倍增器，并在 RGA 模式下運(yùn)行，是在 10 ^?11 Torr 左右。這比在 RGA 模式下打開 Hi-C 采樣路徑下操作的 PPRs 可以實(shí)現(xiàn)的 MDPP 值高出大約 20 倍。

CIS 電離器也可以重新配置，用于在線工藝監(jiān)測(cè)和控制，并在使用點(diǎn)驗(yàn)證工藝氣體的純度。在殘余氣體分析過(guò)程中提高電子發(fā)射電流以提高靈敏度，在過(guò)程監(jiān)測(cè)過(guò)程中降低電子發(fā)射電流，以避免在較高壓力下電離體積中的空間電荷飽和效應(yīng)。

CIS 的緊密設(shè)計(jì)使得在較低的電子電離能下操作電離器成為可能。大多數(shù)商用的 CIS 系統(tǒng)提供至少兩個(gè) 70 和 35 eV 的電子能量設(shè)置。70 eV 設(shè)置主要用于泄漏測(cè)試和常規(guī)氣體分析。收集到的質(zhì)譜與用標(biāo)準(zhǔn) RGA 獲得的質(zhì)譜幾乎相同。在過(guò)程監(jiān)測(cè)中使用 35 eV 設(shè)置，以消除過(guò)程氣體干擾峰值。低能量模式的一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用是消除雙電離的 36 Ar ⁺⁺ 峰，該峰干擾了濺射過(guò)程中 18 amu 處的水檢測(cè)。具有用戶可編程電離器電壓的 CIS 系統(tǒng)提供了最高的通用性，因?yàn)樗鼈兛梢员慌渲脼橥ㄟ^(guò)仔細(xì)調(diào)整電子沖擊能量來(lái)選擇性地在氣體混合物中的電離物質(zhì)。

使用 CIS 氣體分析儀進(jìn)行高壓采樣

CIS 分析儀可以直接取樣氣體高達(dá)約 10 ^?2 Torr 壓力水平。壓力上限是由離子中性碰撞的平均自由程的減少來(lái)設(shè)定的，這種碰撞發(fā)生在較高的壓力下，并導(dǎo)致離子的顯著散射和靈敏度的降低。然而，操作并不局限于對(duì)壓力低于 10 ^?2 Torr 時(shí)的氣體進(jìn)行分析。更高的氣體壓力可以通過(guò)分壓進(jìn)氣系統(tǒng)（PPR）來(lái)取樣，就像它用傳統(tǒng)的 RGAs 所做的一樣。一個(gè)與 CIS 分析儀的電導(dǎo)率相匹配的減壓氣體入口系統(tǒng)，將允許傳感器采樣高達(dá) 10 Torr 的氣體壓力。在 PPR 系統(tǒng)的情況下，所付出的代價(jià)是降低采樣速度，在樣品入口的氣體混合物的分流，以及在電離器上可能產(chǎn)生的記憶效應(yīng)。

對(duì)于壓力大于 10 Torr 的情況，進(jìn)入封閉電離器的氣體流量變得非常小，而且時(shí)間響應(yīng)對(duì)于任何實(shí)際測(cè)量來(lái)說(shuō)都太慢。在這些情況下，一個(gè)旁路泵浦氣體采樣系統(tǒng)，具有更大的毛細(xì)管流速和更快的響應(yīng)，是一個(gè)比單一的限制進(jìn)入 CIS 電離器更好的選擇。

結(jié)論

任何真空處理裝置都可以受益于一個(gè)四極桿氣體分析儀。要很好地了解影響目前不同的四極氣體分析系統(tǒng)性能的不同因素，是為任何應(yīng)用選擇最佳傳感器配置的重要工具。四極桿氣體取樣系統(tǒng)可以從幾個(gè)不同的制造商獲得，通常很難決定哪一個(gè)構(gòu)成了一個(gè)工藝的最佳匹配。在大多數(shù)情況下，有不止一種方法來(lái)設(shè)置測(cè)量，而且每個(gè)選擇都涉及到妥協(xié)。更好地理解可用選項(xiàng)之間的基本差異，可以使問(wèn)題最小化，并使生產(chǎn)力*大化。

隨著四極桿氣體分析儀變得越來(lái)越便宜，它們將在所有需要嚴(yán)格控制過(guò)程氣體污染水平的行業(yè)中成為普遍現(xiàn)象。