[发明专利]高气压差分抽气粒子束质谱测量系统

说明书

技术领域

本发明属于分析仪器领域，具体涉及一种高气压差分抽气粒子束质谱测量系统。

背景技术

质谱仪是一种用于检验真空中气体化学成分的测量设备，一般由电离室、四极杆、检测器和数据采集处理单元组成。真空中的气体分子被电离室中由灯丝热发射的电子电离成离子，由数据采集处理单元控制四极杆选择对应的离子收集离子电流即可知道真空中对应分子的化学成分和含量。为了减少离子传输过程中的碰撞损失，以及电子倍增检测器能够正常工作，质谱仪的工作气压一般要求小于1×10^-4Pa。

等离子体，尤其是用于半导体刻蚀的多种分子气体产生的等离子体中含有各种不同的活性粒子，对这些粒子相对含量的测量和控制对于优化等离子体参数以至于优化刻蚀工艺至关重要。而质谱仪正是一种测量气相粒子成分的诊断方法，是等离子体中活性粒子相对含量测量的首选方法。然而，等离子体放电时气压一般在1Pa至100Pa，无法直接使用质谱仪测量。

为了克服等离子体本身的高气压环境和质谱仪低工作气压之间的矛盾，人们采用了差分抽气粒子束取样的方法。传统的取样方法是直接用一个锥形孔取样器将等离子体取样成粒子束到质谱仪所在的真空腔体，再由质谱仪测量取样粒子束的质谱，通过取样器实现的差分抽气可以保持等离子体腔体和质谱仪腔体之间的气压差。当取样器孔径在100微米时，可以保持5个量级左右的气压差。这种方法称为两级差分抽气粒子束质谱，优点是结构简单，但由于质谱仪腔体器壁放气和粒子束散射等导致所得质谱本底信号过强，信噪比较低，无法可靠地测量等离子体中含量较少的粒子。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的本底信号过强、信噪比低、测量结果不准确等技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种高气压差分抽气粒子束质谱测量系统。

为了实现上述目的，根据本发明实施例的高气压差分抽气粒子束质谱测量系统，包括:真空及取样模块、质谱仪模块和斩束锁相放大模块，其中所述真空及取样模块包括：真空腔；分子泵和电离真空计，所述分子泵和所述电离真空计与所述真空腔相连；和取样器，所述取样器用于将待测样品导入所述真空腔，所述质谱仪模块包括：电离室，所述电离室位于所述真空腔内且位置与所述取样器对应；四极杆，所述四极杆位于所述真空腔内且与所述电离室相连；检测器，所述检测器位于所述真空腔内且与所述四极杆相连；和数据采集处理单元，所述数据采集处理单元与所述检测器电性连接，所述斩束锁相放大模块包括：斩束片和电机，所述斩束片和所述电机位于所述真空腔内，所述电机带动所述斩束片绕所述斩束片的中心转动，所述斩束片的局部位于所述取样器和所述电离室之间；发光二极管和光电二极管，所述发光二极管和所述光电二极管相对应地设置在所述斩束片的两侧，用于提供同步参考信号；和锁相放大器，所述锁相放大器分别与所述数据采集处理单元和所述光电二极管电性连接。

根据本发明实施例的高气压差分抽气粒子束质谱测量系统，至少具有如下优点：

（1）使用斩束锁相放大方法实现了所得质谱信号的放大，这种方法有效地提高了测量结果的信噪比。

（2）不采用复杂的多级差分抽气设计，而仅采用两级差分抽气设计。一方面，该设计通过尽可能地减小取样器与电离室之间的距离使得取样得到的分子束全部进入电离室被质谱仪测量，测量灵敏度高。另一方面该设计仅需要一套真空泵系统，在减小系统体积的同时大大节约了系统硬件成本，也节约了测量时抽真空操作的时间,使得该系统有更好的可移植性.

（3）通过尽可能紧凑的布置使得整个系统体积小，真空腔体内表面积小，减小了真空腔内各部件本身的放气量从而降低了质谱仪测量的本底信号,测量结果准确可靠。

另外，根据本发明实施例的高气压差分抽气粒子束质谱测量系统还具有如下附加技术特征：

在本发明的一个实施例中，还包括：换热循环模块，所述换热循环模块用于在测量前使所述高气压差分抽气粒子束质谱测量系统升温，并且用于在测量时使所述高气压差分抽气粒子束质谱测量系统降温。

在本发明的一个实施例中，所述斩束片为均布多个扇形孔的金属片。

在本发明的一个实施例中，所述取样器的取样孔径为50-100μm。

在本发明的一个实施例中，所述检测器为电子倍增检测器。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：