高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統，包括:真空及取樣模塊、質譜儀模塊和斬束鎖相放大模塊，其中真空及取樣模塊包括：真空腔、分子泵和電離真空計和取樣器，取樣器用于將待測樣品導入真空腔，質譜儀模塊包括：電離室、四極桿、檢測器和數據采集處理單元，斬束鎖相放大模塊包括：斬束片和電機，斬束片和電機位于真空腔內，電機帶動斬束片繞斬束片的中心轉動，斬束片的局部位于取樣器和電離室之間；發光二極管和光電二極管，發光二極管和光電二極管相對應地設置在斬束片的兩側，用于提供同步參考信號；和鎖相放大器，鎖相放大器分別與數據采集處理單元和光電二極管電性連接。該系統具有結構緊湊，準確可靠，可移植性好的優點。
【專利說明】高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于分析儀器領域，具體涉及一種高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統。【背景技術】
[0002]質譜儀是一種用于檢驗真空中氣體化學成分的測量設備，一般由電離室、四極桿、檢測器和數據采集處理單元組成。真空中的氣體分子被電離室中由燈絲熱發射的電子電離成離子，由數據采集處理單元控制四極桿選擇對應的離子收集離子電流即可知道真空中對應分子的化學成分和含量。為了減少離子傳輸過程中的碰撞損失，以及電子倍增檢測器能夠正常工作，質譜儀的工作氣壓一般要求小于IX 10_4Pa。
[0003]等離子體，尤其是用于半導體刻蝕的多種分子氣體產生的等離子體中含有各種不同的活性粒子，對這些粒子相對含量的測量和控制對于優化等離子體參數以至于優化刻蝕工藝至關重要。而質譜儀正是一種測量氣相粒子成分的診斷方法，是等離子體中活性粒子相對含量測量的首選方法。然而，等離子體放電時氣壓一般在IPa至lOOPa，無法直接使用質譜儀測量。
[0004]為了克服等離子體本身的高氣壓環境和質譜儀低工作氣壓之間的矛盾，人們采用了差分抽氣粒子束取樣的方法。傳統的取樣方法是直接用一個錐形孔取樣器將等離子體取樣成粒子束到質譜儀所在的真空腔體，再由質譜儀測量取樣粒子束的質譜，通過取樣器實現的差分抽氣可以保持等離子體腔體和質譜儀腔體之間的氣壓差。當取樣器孔徑在100微米時，可以保持5個量級左右的氣壓差。這種方法稱為兩級差分抽氣粒子束質譜，優點是結構簡單，但由于質譜儀腔體器壁放氣和粒子束散射等導致所得質譜本底信號過強，信噪比較低，無法可靠地測量等離子體中含量較少的粒子。
【發明內容】
[0005]本發明旨在至少解決現有技術中存在的本底信號過強、信噪比低、測量結果不準確等技術問題之一。為此，本發明的目的在于提出一種高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統。
[0006]為了實現上述目的，根據本發明實施例的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統，包括:真空及取樣模塊、質譜儀模塊和斬束鎖相放大模塊，其中所述真空及取樣模塊包括:真空腔；分子泵和電離真空計，所述分子泵和所述電離真空計與所述真空腔相連；和取樣器，所述取樣器用于將待測樣品導入所述真空腔，所述質譜儀模塊包括:電離室，所述電離室位于所述真空腔內且位置與所述取樣器對應；四極桿，所述四極桿位于所述真空腔內且與所述電離室相連；檢測器，所述檢測器位于所述真空腔內且與所述四極桿相連；和數據采集處理單元，所述數據采集處理單元與所述檢測器電性連接，所述斬束鎖相放大模塊包括:斬束片和電機，所述斬束片和所述電機位于所述真空腔內，所述電機帶動所述斬束片繞所述斬束片的中心轉動，所述斬束片的局部位于所述取樣器和所述電離室之間；發光二極管和光電二極管，所述發光二極管和所述光電二極管相對應地設置在所述斬束片的兩側，用于提供同步參考信號；和鎖相放大器，所述鎖相放大器分別與所述數據采集處理單元和所述光電二極管電性連接。
[0007]根據本發明實施例的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統，至少具有如下優點:
[0008](I)使用斬束鎖相放大方法實現了所得質譜信號的放大，這種方法有效地提高了測量結果的信噪比。
[0009](2)不采用復雜的多級差分抽氣設計，而僅采用兩級差分抽氣設計。一方面，該設計通過盡可能地減小取樣器與電離室之間的距離使得取樣得到的分子束全部進入電離室被質譜儀測量，測量靈敏度高。另一方面該設計僅需要一套真空泵系統，在減小系統體積的同時大大節約了系統硬件成本，也節約了測量時抽真空操作的時間，使得該系統有更好的可移植性.[0010](3)通過盡可能緊湊的布置使得整個系統體積小，真空腔體內表面積小，減小了真空腔內各部件本身的放氣量從而降低了質譜儀測量的本底信號，測量結果準確可靠。
[0011]另外，根據本發明實施例的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統還具有如下附加技術特征:
[0012]在本發明的一個實施例中，還包括:換熱循環模塊，所述換熱循環模塊用于在測量前使所述高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統升溫，并且用于在測量時使所述高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統降溫。
[0013]在本發明的一個實施例中，所述斬束片為均布多個扇形孔的金屬片。
[0014]在本發明的一個實施例中，所述取樣器的取樣孔徑為50-100μπι。
[0015]在本發明的一個實施例中，所述檢測器為電子倍增檢測器。
[0016]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0018]圖1是本發明實施例的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統的結構示意圖；
[0019]圖2是本發明實施例的采樣器與電離室的放大示意圖；和
[0020]圖3是本發明實施例的斬束片的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0022]如圖1所示，根據本發明實施例的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統，包括:真空及取樣模塊、質譜儀模塊和斬束鎖相放大模塊三個模塊。
[0023]真空及取樣模塊可以包括:真空腔111、分子泵112、電離真空計113和取樣器114。分子泵112和真空腔111相連，用于保持腔體的真空度。電離真空計113與真空腔111相連，用于測量腔體內的真空度。取樣器114用于將待測樣品從樣品腔00導入真空腔111。通常地，高氣壓的待測樣品(例如等離子體)經過取樣器111到達真空腔111內以后，被取樣器114分開的兩個真空空間的氣壓相差6個量級，所以在待測樣品氣壓為IPa至IOOPa時質譜儀模塊所在的真空空間滿足質譜儀小于IX KT4Pa的工作氣壓要求。
[0024]質譜儀模塊可以包括:電離室121、四極桿122、檢測器123和數據采集處理單元124。電離室121位于真空腔111內且電離室121的位置與取樣器114對應。如圖2所示，待測樣品經過取樣器114后成為一束錐形的粒子束進入質譜儀電離室121。四極桿122位于真空腔111內且與電離室121相連。檢測器123位于真空腔111內且與四極桿122相連。數據采集處理單元124與檢測器123電性連接。需要說明的是，數據采集處理單元124可以設置在真空腔111的內部或者外部，優選設置在真空腔111的外部以便于維護和檢修。
[0025]斬束鎖相放大模塊可以包括:斬束片131、電機132、發光二極管133、光電二極管134和和鎖相放大器135。斬束片131和電機132位于真空腔內，電機132帶動斬束片131繞斬束片131的中心轉動，斬束片131的局部位于取樣器114和電離室121之間，因此斬束片131隨電機轉動時可以周期性地放行和阻攔待測樣品的粒子束。發光二極管133和光電二極管134相對應地設置在斬束片131的兩側，用于提供同步參考信號。需要說明的是，發光二極管133和光電二極管134可以設置在真空腔111的內部和外部。當設置在真空腔111的外部時，需要使真空腔111的局部采用透明材料以便于光信號透過。鎖相放大器135分別與數據采集處理單元124和光電二極管134電性連接。
[0026]下面結合圖1描述該實施例的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統的工作過程。如圖1所示，在取樣的粒子束從取樣器114到電離室121的途中，斬束片131對粒子束進行斬束調制，電機132帶動斬束片131旋轉形成周期性調制。因此，質譜儀模塊測量到的實際上是經過周期性調制的信號。發光二極管133 —直處于發光狀態，光電二極管134通過探測被斬束器周期性調制的光信號，并將其轉換為電信號，即可記錄斬束片對粒子束進行調制的周期性信號。將光電二極管記錄的調制信號和質譜儀測得的被調制的粒子束信號接入鎖相放大器135，即可實現質譜測量結果的鎖相放大，實現了比一般質譜儀更好的信噪比。通過直流電源(圖中未畫出)為電動機和發光二極管提供電源，通過調節電動機供電電壓即可調節其轉速進而調節調制周期。
[0027]上述實施例的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統至少具有如下優點:
[0028](I)使用斬束鎖相放大方法實現了所得質譜信號的放大，這種方法有效地提高了測量結果的信噪比。
[0029](2)不采用復雜的多級差分抽氣設計，而僅采用兩級差分抽氣設計。一方面，該設計通過盡可能地減小取樣器與電離室之間的距離使得取樣得到的分子束全部進入電離室被質譜儀測量，測量靈敏度高。另一方面該設計僅需要一套真空泵系統，在減小系統體積的同時大大節約了系統硬件成本，也節約了測量時抽真空操作的時間，使得該系統有更好的可移植性.[0030](3)通過盡可能緊湊的布置使得整個系統體積小，真空腔體內表面積小，減小了真空腔內各部件本身的放氣量從而降低了質譜儀測量的本底信號，測量結果準確可靠。
[0031]在本發明的一個實施例中，高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統還可以包括:換熱循環模塊。換熱循環模塊用于在測量前使高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統升溫，以使真空腔內各部件表面原本吸附的氣體受熱后盡可能地蒸發后被分子泵抽走。換熱循環模塊還用于在測量時使高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統降溫，以使真空腔內各部件表面殘余的物質不蒸發逸出，有利于降低本底信號，不至于覆蓋被測量等離子體中的含量較少的粒子產生的微弱信號。具有換熱循環模塊的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統可以實現微弱信號的測量。換熱循環模塊可以包括在真空腔體111外側的一個液體夾層和一臺與夾層連接的制冷制熱循環器。
[0032]在本發明的一個實施例中，斬束片131可以為均布多個扇形孔的金屬片。如圖3所示，該斬束片131為一個具有四個扇形孔的不銹鋼片。
[0033]在本發明的一個實施例中，取樣器114的取樣孔徑可以為50-100 μ m。
[0034]在本發明的一個實施例中，檢測器123可以為電子倍增檢測器。
[0035]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0036]此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
[0037]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0038]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0039]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例進行結合和組合。
[0040]盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權利要求】
1.一種高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統，其特征在于，包括:真空及取樣模塊、質譜儀模塊和斬束鎖相放大模塊，其中 所述真空及取樣模塊包括:真空腔；分子泵和電離真空計，所述分子泵和所述電離真空計與所述真空腔相連；和取樣器，所述取樣器用于將待測樣品導入所述真空腔， 所述質譜儀模塊包括:電離室，所述電離室位于所述真空腔內且位置與所述取樣器對應；四極桿，所述四極桿位于所述真空腔內且與所述電離室相連；檢測器，所述檢測器位于所述真空腔內且與所述四極桿相連；和數據采集處理單元，所述數據采集處理單元與所述檢測器電性連接， 所述斬束鎖相放大模塊包括:斬束片和電機，所述斬束片和所述電機位于所述真空腔內，所述電機帶動所述斬束片繞所述斬束片的中心轉動，所述斬束片的局部位于所述取樣器和所述電離室之間；發光二極管和光電二極管，所述發光二極管和所述光電二極管相對應地設置在所述斬束片的兩側，用于提供同步參考信號；和鎖相放大器，所述鎖相放大器分別與所述數據采集處理單元和所述光電二極管電性連接。
2.如權利要求1所述的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統，其特征在于，還包括:換熱循環模塊，所述換熱循環模塊用于在測量前使所述高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統升溫，并且用于在測量時使所述高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統降溫。
3.如權利要求1或2所述的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統，其特征在于，所述斬束片為均布多個扇形孔的金屬片。
4.如權利要求1-3所述的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統，其特征在于，所述取樣器的取樣孔徑為50-100 μ m。
5.如權利要求1-3所述的高氣壓差分抽氣粒子束質譜測量系統，其特征在于，所述檢測器為電子倍增檢測器。
【文檔編號】G01N27/64GK103592360SQ201310495825
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月21日 優先權日:2013年10月21日
【發明者】王振斌, 胡大為, 蒲以康 申請人:清華大學