イオン検出器及びこれを備えた四重極型質量分析計並びにファラデーカップ
【課題】ファラデーカップと二次電子増倍管を備えるイオン検出器において、小型化・低価格化を可能とする。
【解決手段】イオンビームが通過する開口部１２を有する筐体１１と、開口部１２を通るイオンビームの飛行方向延長線上に位置するファラデーカップ２０と、飛行方向延長線からそれた方向にイオンビームの入射部３２を有する二次電子増倍管３０とを備えるイオン検出器１０であって、ファラデーカップ２０は、飛行方向延長線上に位置する底板部２１と、底板部２１の周囲に設けられた側板部２２ａ，２２ｂと、側板部２２ａ，２２ｂに囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部２３とを有し、側板部２２ａ，２２ｂは、入射部３２に近い側から遠い側に向かって高さが連続的または段階的に増大し、仕切り板部２３は、入射部３２から遠い側板部２２ｂの高さよりも低く、かつ入射部３２に近い側板部２２ａの高さよりも高く形成されている。
【解決手段】イオンビームが通過する開口部１２を有する筐体１１と、開口部１２を通るイオンビームの飛行方向延長線上に位置するファラデーカップ２０と、飛行方向延長線からそれた方向にイオンビームの入射部３２を有する二次電子増倍管３０とを備えるイオン検出器１０であって、ファラデーカップ２０は、飛行方向延長線上に位置する底板部２１と、底板部２１の周囲に設けられた側板部２２ａ，２２ｂと、側板部２２ａ，２２ｂに囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部２３とを有し、側板部２２ａ，２２ｂは、入射部３２に近い側から遠い側に向かって高さが連続的または段階的に増大し、仕切り板部２３は、入射部３２から遠い側板部２２ｂの高さよりも低く、かつ入射部３２に近い側板部２２ａの高さよりも高く形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファラデーカップを備えるイオン検出器及びこれを備えた四重極型質量分析計並びにファラデーカップに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に質量分析計は、試料からイオンを発生させるイオン源と、イオン源で発生したイオンを質量電荷比（ｍ／ｚ）に従って分離する質量分離部と、イオンを検出するイオン検出器とを備えて構成されている。なかでも四重極型質量分析計は、質量分離部が四重極を構成するものであり、広く使用されている（例えば特許文献１〜３参照）。
【０００３】
四重極型質量分析計用の質量分離部は、４本の棒状電極が格子状に対称かつ平行に配置された形状をしており、対向に位置する棒状電極が同電位となるように配線されている。二対の棒状電極には、同じ大きさで正負が逆の直流電圧Ｕと位相が１８０°異なる交流電圧Ｖｃｏｓωｔとが重畳した電圧が印加される（＋Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔおよび−Ｕ−Ｖｃｏｓωｔ）。ＵおよびＶの大きさによって、イオン源から質量分離部に入射したイオンのうち、特定のｍ／ｚを持つイオンのみが質量分離部を通過して、イオン検出器に到達する。それ以外のイオンは、棒状電極に衝突するか、棒状電極より外側の空間に導かれる。
また、ＵとＶの比を一定に保ちながら、それらの電圧の大きさを変化させることで、イオン検出器に到達するイオンの種類をそのｍ／ｚに応じて選別することができる。
【０００４】
イオン検出器としては、ファラデーカップ（ＦＣ）や二次電子増倍管（ＳＥＭ）が知られている（例えば特許文献４〜６、非特許文献１〜２参照）。ファラデーカップは、イオンが電極と衝突したときに発生する二次電子を測定系外に漏らさないようにカップ状に形成され、入射したイオンを電流として直接検出することができる。二次電子増倍管は、多段のダイノードを備え、初段のダイノードはイオンを電子に変換し、２段目以降は二次電子を増幅し、最終的に増幅された二次電子の量に基づいてイオンの量を測定するので、微弱なイオン流を高精度で検出可能である。このため、イオンの量が多い場合にはファラデーカップを使用し、イオンの量が少ない場合には二次電子増倍管を使用するように、ファラデーカップと二次電子増倍管とを切り替えて使用することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２０９１８１号公報
【特許文献２】特開２００８−１８６７６５号公報
【特許文献３】特開平８−７８３２号公報
【特許文献４】特開２００１−３５１５６６号公報
【特許文献５】特開２００６−２２１８７６号公報
【特許文献６】特開２０００−６５９４２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】特許庁 標準技術集 質量分析技術（マススペクトロメトリー）、“１−５−２−１ ファラデーカップ”、［ｏｎｌｉｎｅ］、インターネット＜ＵＲＬ： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｐｏ．ｇｏ．ｊｐ／ｓｈｉｒｙｏｕ／ｓ＿ｓｏｎｏｔａ／ｈｙｏｕｊｕｎ＿ｇｉｊｕｔｓｕ／ｍａｓｓ／１−５−２．ｐｄｆ＞
【非特許文献２】特許庁 標準技術集 質量分析技術（マススペクトロメトリー）、“１−５−３−１ 多段ダイノード型二次電子増倍管”、［ｏｎｌｉｎｅ］、インターネット＜ＵＲＬ： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｐｏ．ｇｏ．ｊｐ／ｓｈｉｒｙｏｕ／ｓ＿ｓｏｎｏｔａ／ｈｙｏｕｊｕｎ＿ｇｉｊｕｔｓｕ／ｍａｓｓ／１−５−３．ｐｄｆ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、半導体製造や液晶パネル製造等のスパッタ装置に付属して設置されるプロセス監視用のガス分析計として、質量分析計（特に四重極型質量分析計）を利用するため、質量分析器の小型化及び低価格化が求められている。従来、ファラデーカップは、非特許文献１に記載されているように、イオン流を受け入れる方向に開口するとともに、その前方側に二次電子抑制電極を置くことで二次電子をカップ内に抑えるようにしている。
【０００８】
イオン検出器の小型化のため、カップから分離した二次電子抑制電極を置くことなくファラデーカップを使用した場合、プロセス圧力（全圧）が比較的高くなると（例えば０．１〜１．０Ｐａ程度）、イオンが入射した際に発生する二次電子の影響でベースラインが上昇してしまい、各ガス分圧の検出限界レベルが悪くなる現象が発生する。二次電子の漏れ出しを防ぐためには、ファラデーカップの深さ（奥行き）を深くする手法もあるが、イオン検出器が大型化するという問題を生じる。また、二次電子抑制電極を設置するのは、コスト増の観点からも好ましくない。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ファラデーカップと二次電子増倍管を備え、かつ小型化・低価格化が可能なイオン検出器及びこれを備えた四重極型質量分析計並びにファラデーカップを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明は、イオンビームが通過する開口部を有する筐体と、前記開口部を通るイオンビームの飛行方向延長線上に位置するファラデーカップと、前記飛行方向延長線からそれた方向にイオンビームの入射部を有する二次電子増倍管とを備えるイオン検出器であって、前記ファラデーカップは、前記飛行方向延長線上に位置する底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有し、前記側板部は、前記二次電子増倍管の入射部に近い側から遠い側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記二次電子増倍管の入射部から遠い側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記二次電子増倍管の入射部に近い側における前記側板部の高さよりも高く形成されていることを特徴とするイオン検出器を提供する。
また、本発明は、本発明のイオン検出器を備えることを特徴とする四重極型質量分析計を提供する。
また、本発明は、底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有することを特徴とするファラデーカップを提供する。この場合、前記側板部は、一方の側から他方の側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記他方の側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記一方の側における前記側板部の高さよりも高く形成されているものとすることができる。なお、ファラデーカップの側板部がすべて同じ高さでも良い。
また、本発明は、イオンビームが通過する開口部を有する筐体と、前記開口部を通るイオンビームの飛行方向延長線上に位置するファラデーカップと、前記飛行方向延長線からそれた方向にイオンビームの入射部を有する二次電子増倍管とを備えるイオン検出器に用いられるファラデーカップであって、前記ファラデーカップは、前記飛行方向延長線上に位置する底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有し、前記側板部は、前記二次電子増倍管の入射部に近い側から遠い側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記二次電子増倍管の入射部から遠い側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記二次電子増倍管の入射部に近い側における前記側板部の高さよりも高く形成されていることを特徴とするファラデーカップを提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、二次電子抑制電極を省略して、二次電子増倍管の入射部を筐体の開口部の近くに配置することができるとともに、仕切り板部により、二次電子の漏れ出しを効果的に抑制することができる。したがって、イオン検出器を小型化及び低価格化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のイオン検出器の一形態例を示す断面図である。
【図２】図１のイオン検出器に用いられるファラデーカップを示す斜視図である。
【図３】イオン検出器の改変例を示す断面図である。
【図４】イオン検出器の改変例を示す断面図である。
【図５】イオン検出器の改変例を示す断面図である。
【図６】ファラデーカップの改変例を示す断面図である。
【図７】ファラデーカップの改変例を示す断面図である。
【図８】ファラデーカップの改変例を示す断面図である。
【図９】イオン検出器の改変例を示す断面図である。
【図１０】イオン検出器の改変例を示す断面図である。
【図１１】四重極型質量分析計の一例を示す斜視図である。
【図１２】比較例のイオン検出器を示す断面図である。
【図１３】比較例のイオン検出器を用いて測定した質量スペクトルのグラフである。
【図１４】実施例１のイオン検出器を用いて測定した質量スペクトルのグラフである。
【図１５】比較例のイオン検出器を用いて測定した最小検出レベルのグラフである。
【図１６】実施例１のイオン検出器を用いて測定した最小検出レベルのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施の形態例に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明のイオン検出器の一形態例を示す断面図であり、図２は、本形態例のイオン検出器に用いられるファラデーカップを示す斜視図である。
【００１４】
図１に示すイオン検出器１０は、イオンビームが通過する開口部１２を有する筐体と、開口部１２を通るイオンビームの飛行方向（図１中、開口部１２を通る実線の矢印で示す。）の延長線上に位置するファラデーカップ２０と、飛行方向延長線からそれた方向（図１中、二点鎖線の矢印で示す。）にイオンビームの入射部３２を有する二次電子増倍管３０を備える。
【００１５】
一般に、ファラデーカップ２０は測定対象となるイオンの量が多い場合に使用され、二次電子増倍管３０は測定対象となるイオンの量が少ない場合に使用される。開口部１２を通過したイオンビームは、ファラデーカップ２０又は二次電子増倍管３０のいずれかに入射される。その切り替えは、イオンビームを二次電子増倍管３０に入射させるときには、開口部１２から入射部３２へ向かう方向に電界を印加し、イオンビームをファラデーカップ２０に入射させるときには、その電界の印加を停止することによって、行うことができる。
【００１６】
図１に示すように、二次電子増倍管３０は、多段のダイノード３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，・・・を備え、初段のダイノード３１ａはイオンを電子に変換し、２段目以降のダイノード３１ｂ，３１ｃ，・・・は二次電子を増幅し、二次電子増倍管３０は、最終的に増幅された二次電子の量に基づいてイオンの量を測定する。入射部３２は、初段のダイノード３１ａと２段目のダイノード３１ｂとの間に設けられる。
【００１７】
図１及び図２に示すように、ファラデーカップ２０は、飛行方向延長線上に位置する底板部２１と、底板部２１の周囲に設けられた側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、これらの側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃに囲まれたカップ内部を複数の空間に区画する仕切り板部２３を有する。本形態例の場合、底板部２１は矩形状（詳しくは矩形の板状）であり、底板部２１の辺ごとに４面の側板部が設けられている。
なお、ファラデーカップの底板部の形状は、矩形（正方形または長方形）や菱形等の四角形に限定されるものではなく、六角形や八角形等の多角形、円形、楕円形等とすることもできる。
【００１８】
本形態例のファラデーカップ２０の側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側の側板部２２ａから遠い側の側板部２２ｂに向かって、高さが連続的または段階的に増大している。具体的には、入射部３２に近い側の側板部２２ａは、入射部３２から遠い側の側板部２２ｂよりも高さが低くなっている。また、側板部２２ａと側板部２２ｂとの間の側板部２２ｃは、図２では高さが連続的に増大している。特に図示しないが、側板部２２ｃを例えば階段状の形状として、側板部２２ｃの高さが段階的に増大する構成とすることもできる。
【００１９】
ファラデーカップ２０の側板部の高さが二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側から遠い側に向かって増大していることにより、図１に示すように、イオンビームを開口部１２から入射部３２まで、印加電界等によって曲げて飛行させるときに、ファラデーカップ２０に衝突するおそれが抑制される。したがって、筐体１１の開口部１２からファラデーカップ２０までの距離をより短くすることができる。
なお、本発明において、ファラデーカップの側板部の高さとは、底板部が側板部と垂直な平面（平板状）であれは、底板部からの高さとして良い。後述するように、底板部自体が側板部に対して傾斜している場合には、側板部と垂直な仮想の平面を基準として高さを定義しても良い。
【００２０】
筐体１１の開口部１２からファラデーカップ２０の底板部２１までの距離が短ければ、筐体１１内において、ファラデーカップ２０の底板部２１より後方（図１の下方）に、二次電子増倍管３０を設定するスペースを確保し、さらには、筐体１１をより小型化することができる。
そしてこの場合に、筐体１１の内面とファラデーカップ２０との間で、二次電子増倍管３０の入射部３２に向かうイオンビームの通過断面積を確保するため、ファラデーカップ２０において、二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側の側板部２２ａの高さを低くしているのである。
このため、本発明においてイオン検出器１０に二次電子増倍管３０を用いない場合は、ファラデーカップ２０の側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、すべて同じ高さでも良い。
【００２１】
しかしながら、このようにファラデーカップ２０の入射部３２に近い側の側板部２２ａの高さが低いと、ファラデーカップ２０を用いてイオンを検出する場合に二次電子が測定系外に漏れ、イオンの検出が不正確になる。このため、本形態例においては、側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃに囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部２３をファラデーカップ２０に設けている。これにより、ファラデーカップ２０の内部空間の各点から、ファラデーカップ２０の底板部２１、側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ又は仕切り板部２３のいずれかの電極に到達するまでの距離が短くなり、ファラデーカップ２０内で発生した二次電子をより確実に捕捉し、イオンの検出限界レベルの上昇を抑制することができる。
なお、本実施形態に係るイオン検出器１０が、二次電子増倍管３０を備えていない場合、即ちファラデーカップ２０のみを備えている場合においても、同様にファラデーカップ２０に当該仕切り板部２３を設けることにより、ファラデーカップ２０内で発生した二次電子の捕捉をより確実に行うことができる。
【００２２】
ファラデーカップ２０の材質は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ等）の金属（導体）が挙げられる。側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、隣接するもの同士が互いに結合しているとともに、底板部２１とも結合している。また、仕切り板部２３は、隣接する側板部２２ｃと結合しているとともに、底板部２１とも結合している。これにより、ファラデーカップ２０の底板部２１、側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ及び仕切り板部２３は、一体の電極を構成している。
【００２３】
また、ファラデーカップ２０は、いずれか一箇所（例えば底板部２１）が電流計に接続されているほかは、電気的接続を有せず、特許文献６のように電圧が印加されてはいない。
【００２４】
したがって、仕切り板部２３によって内部が複数の空間に区画されたファラデーカップ２０は、それぞれの内部空間を囲む部分がより幅狭のファラデーカップとして機能する。例えば図２に示す例では、側板部２２ａと仕切り板部２３との間の部分が１つのファラデーカップとして機能し、側板部２２ｂと仕切り板部２３との間の部分がもう１つのファラデーカップとして機能し、これら複数のファラデーカップが並列接続されるので、入射したイオンにより生じる電流の合計値を検出することができる。
【００２５】
本形態例の場合、仕切り板部２３は、入射部３２に近い側板部２２ａと入射部３２から遠い側板部２２ｂとの間の中央部に設けられている。仕切り板部２３から側板部２２ａまでの間隔と仕切り板部２３から側板部２２ｂまでの間隔は、必ずしも等しくある必要はないが、仕切り板部２３を１つのみ設ける場合にいずれかの側板部２２ａ，２２ｂまでの間隔が空きすぎると、間隔が広い側で二次電子の漏れ出しが増大するおそれがあるので、間隔を同程度とすることが好ましい。
【００２６】
また、仕切り板部２３は、二次電子増倍管３０の入射部３２から遠い側における側板部２２ｂの高さよりも低く、かつ二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側における側板部２２ａの高さよりも高く形成されている。
このように、ファラデーカップ２０の側板部及び仕切り板部の高さが二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側から遠い側に向かって増大していることにより、ファラデーカップ２０のイオン捕集効率を上げるとともに、図１に示すように、イオンビームを開口部１２から入射部３２まで、印加電界等によって曲げて飛行させるときに、ファラデーカップ２０に衝突するおそれが抑制される。
【００２７】
なお、本発明において、ファラデーカップの仕切り板部の高さは、側板部の高さと同様に定義することができる。すなわち、底板部が側板部と垂直な平面（平板状）であれは、ファラデーカップの仕切り板部の高さを底板部からの高さとして定義することができる。また、後述するように、底板部自体が側板部に対して傾斜している場合、あるいは仕切り板部が底板部に対して傾斜している場合には、側板部と垂直な仮想の平面を基準として、仕切り板部の高さを定義しても良い。
【００２８】
本発明のイオン検出器は、質量分析計や加速器等、正負のイオンを検出する機器に用いることができる。また、本発明のイオン検出器は、イオン以外の荷電粒子（電荷をもった素粒子等）を検出するために用いることもできる。
本発明のイオン検出器を利用可能な機器の具体例としては、四重極型質量分析計や、四重極型質量分析計を利用したガス分析計等が挙げられる。
【００２９】
図１１に四重極型質量分析計９の一例を示す。この四重極型質量分析計９は、イオン源５と、質量分離部７と、イオン検出部８を備える。
イオン源５は、電子源であるカソード電極１と、このカソード電極１に対して正の電位に制御されたアノード電極２と、アノード電極２の内部においてイオンが生成されるイオン化室３と、イオン化室３からイオンの一部を引き出す引き出し電極４を備える。
カソード電極１は、略円筒状のアノード電極２の円周面を略半周強程度囲うように線状に形成されている。アノード電極２は、グリッド状に形成されており、その内部はイオン化室３として構成されている。アノード電極２の質量分離部７側である一端の近傍には、引き出し電極４が配置されている。
【００３０】
質量分離部７は、四本の棒状電極６が格子状に対称かつ平行に配置された形状をしており、対向して位置する棒状電極６が同電位、隣接して位置する棒状電極６が反対符号の同電位となるように配線されている。
イオン検出部８には、本発明のイオン検出器が設けられる。
【００３１】
質量分析計９は、図示しない真空装置内に収容されており、真空装置内を図示しない真空ポンプなどにより排気し、質量分析計９が動作可能となる、所定（上限）圧力以下の低圧下にする。その後、電子源であるカソード電極１からアノード電極２に向けて電子を放出する。またカソード電極１及びアノード電極２をある一定の電位に設定すると、カソード電極１から放出された電子の一部は、アノード電極２に到達する前に気体分子と衝突し、気体をイオン化しイオンを生成する。
このようにしてイオン化室３内で生成されたイオンの一部は、引き出し電極４により質量分離部７に導入され、イオンの質量電荷比（ｍ／ｚ）によって分離され、目的のイオンがイオン検出部８に導入される。
イオン検出部８では、上述したイオン検出器１００において、ファラデーカップ２０又は二次電子増倍管３０によりイオンが検出され、電流値に基づきイオンの量が求められる。このイオンの検出量は、イオン化室３に導入されたガスの分圧に比例して増減するので、イオン検出器１００による検出量に基づき、ガス分圧を測定することができる。
【００３２】
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
図３のイオン検出器１０Ａは、仕切り板部２３を複数（例えば３つ）有するファラデーカップ２０Ａを備える。図３の場合、３つの仕切り板部２３によりファラデーカップ２０Ａが４つのファラデーカップを結合した構成となり、二次電子の漏れ出しによる感度の低下を抑制することができる。
仕切り板部２３が複数ある場合、各仕切り板部２３の高さは、二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側から遠い側に向かって、連続的または段階的に増大させる。
【００３３】
図４のイオン検出器１０Ｂは、ファラデーカップ２０Ｂの仕切り板部２３の上端部に、該仕切り板部２３と対向する側板部２２ａ，２２ｂに向かって屈曲した縁部２４を有する。この縁部２４は、仕切り板部２３からカップの内部空間に向かって突出するので、二次電子の漏れ出しをより効率的に抑制することができる。ただし、仕切り板部２３の突出高さ、及び縁部２４の長さが大きいと、ファラデーカップ２０に入射するイオンビームをも妨げるおそれがあるので、縁部２４の仕切り板部２３からの突出寸法は、適宜調整することが望ましい。
図４の例では、縁部２４は、仕切り板部２３の両側に断面Ｔ字型に形成されており、仕切り板部２３の左右両側で発生した二次電子の漏れ出し抑制に有効である。
【００３４】
図５のイオン検出器１０Ｃは、ファラデーカップ２０Ｃの仕切り板部２３が底板部２１から傾斜している。この仕切り板部２３は、入射部３２から遠い側の側板部２２ｂに向かって傾斜しているので、二次電子の漏れ出しをより効率的に抑制することができる。ただし、傾斜角度が大きすぎると、ファラデーカップ２０に入射するイオンビームをも妨げるおそれがあるので、縁部２４の仕切り板部２３からの傾斜角度は、適宜調整することが望ましい。
【００３５】
本発明のファラデーカップは、側板部と仕切り板部との間の角度は特に限定されない。
図２に示すファラデーカップ２０の場合、仕切り板部２３は、入射部３２に近い側の側板部２２ａ及び入射部３２から遠い側の側板部２２ｂに対して平行である。
図６のファラデーカップ２０１は、仕切り板部２３が、入射部３２に近い側の側板部２２ａ、入射部３２から遠い側の側板部２２ｂ、及び底板部２１に結合されるように形成されている。
また、図７のファラデーカップ２０２は、仕切り板部２３が、底板部２１の対角線に沿って形成されている。
【００３６】
図８のファラデーカップ２０３は、底板部２１が円形状で、側板部２２が円筒状に形成され、側板部２２の高さは、入射部３２に近い側の位置２２ａで最も低く、入射部３２から遠い側の位置２２ｂで最も高くなっている。
このように底板部２１が矩形状でなくても、図２に示すファラデーカップ２０と同様の効果を奏する。
【００３７】
図９のイオン検出器１０Ｅは、ファラデーカップ２０Ｅの底板部２１が、仕切り板部２３が形成された中央部に向かって深くなるように傾斜して形成されている。
また、図１０のイオン検出器１０Ｆは、ファラデーカップ２０Ｆの底板部２１が、仕切り板部２３が形成された中央部に向かって浅くなるように傾斜して形成されている。
このように底板部２１が平板状でなくても、図２に示すファラデーカップ２０と同様の効果を奏する。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
図１に示すように、ファラデーカップ２０に仕切り板部２３を設けた実施例に係るイオン検出器１０と、図１２に示すように、ファラデーカップ２００に仕切り板部を設けていない比較例に係るイオン検出器１００とを作製した。ファラデーカップ２０の材質は、いずれもＳＵＳ（肉厚０．１ｍｍ）である。底板部２１は、側板部２２ａ，２２ｂに対して垂直である。また、仕切り板部２３は、底板部２１に対して垂直であり、側板部２２ａ，２２ｂに対して平行である。
【００３９】
実施例１に係るイオン検出器１０の場合、入射部３２に近い側の側板部２２ａの高さは１．５ｍｍ、入射部３２から遠い側の側板部２２ｂの高さは５．７ｍｍ、仕切り板部２３の高さは３．０ｍｍである。側板部２２ａから側板部２２ｂまでの距離（側板部２２ａ，２２ｂの肉厚を含む。）は、５．０ｍｍである。仕切り板部２３の位置は、側板部２２ａと側板部２２ｂとの間の中間の位置である。
実施例２は、仕切り板部２３の高さを４．０ｍｍとした他は、実施例１と同様である。
実施例３は、仕切り板部２３の高さを５．０ｍｍとした他は、実施例１と同様である。
【００４０】
比較例に係るイオン検出器１００の場合、入射部３２に近い側の側板部２２ａの高さは１．５ｍｍ、入射部３２から遠い側の側板部２２ｂの高さは４．３ｍｍである。側板部２２ａから側板部２２ｂまでの距離（側板部２２ａ，２２ｂの肉厚を含む。）は、５．０ｍｍである。
【００４１】
実施例及び比較例のイオン検出器１０，１００をそれぞれ図１１に示す四重極型質量分析計９に組み込み、ガス分圧を測定した。
アノード電極２には、形状が直径７．５ｍｍ、高さが１２ｍｍの円筒形状のもので、モリブデンのメッシュで構成したものを採用する。アノード電極２の電位は接地電位に対して＋６０Ｖ、カソード電極１の電位は接地電位に対して＋２０Ｖに設定し、カソード電極１とアノード電極２の間に流れる電子電流は、０．１ｍＡで一定となるように調整している。
【００４２】
図１３は、比較例のイオン検出器１００を備えた四重極型質量分析計９を用いて、低圧下（全圧８．４×１０−６Ｐａ）及び高圧下（全圧１．０５Ｐａ）のガスについて測定した質量スペクトルを示す。ここで、質量スペクトルは、横軸をｍ／ｚ、縦軸をイオン電流値として表示したグラフである。
図１３から、比較例のイオン検出器１００を用いると、高圧下では低圧下よりイオン電流値のベースライン（ノイズ）が増大し、シグナルのＳ／Ｎ比が低下して、検出限界レベルが悪くなることが分かる。
【００４３】
図１４は、実施例１のイオン検出器１０を備えた四重極型質量分析計９を用いて、低圧下（全圧３．６３×１０−６Ｐａ）及び高圧下（全圧１．０３Ｐａ）のガスについて測定した質量スペクトルを示す。
図１４から、実施例１のイオン検出器１０を用いると、イオン電流値のベースライン（ノイズ）は、高圧下でも低圧下と同程度であり、同程度の検出限界レベルで測定可能であることが分かる。
【００４４】
また、四重極型質量分析計９のイオン化室３内の圧力が０．４ＰａとなるようにＡｒガスを導入した際の最小検出レベルの確認を実施した。
最小検出レベルは、質量スペクトルにおいて、ガス中に存在しない質量数であるｍ／ｚ＝１０について求めた分圧を３分間続けて測定したときの最大値に対応する圧力値として定義する。
なお、全圧は、アルゴン（４０Ａｒ）に対応する質量数であるｍ／ｚ＝４０について求めた分圧として測定し、３分間の測定中、一定であることを確認した。同様に、３６Ａｒに対応する質量数であるｍ／ｚ＝３６についても計測し、この分圧の測定値も一定であることを確認した。
【００４５】
図１５は、比較例のイオン検出器を用いて測定した最小検出レベルを示す。また、図１６は、実施例１のイオン検出器を用いて測定した最小検出レベルを示すグラフである。
比較例のイオン検出器を用いた場合の最小検出レベルは、図１５に示すように、１．０８×１０−５Ｐａであった。また、実施例のイオン検出器を用いた場合の最小検出レベルは、図１６に示すように、２．６０×１０−６Ｐａであった。
図１６に示す測定例においては、測定スピードを５００ｍｓｅｃ／ａｍｕとしている。
【００４６】
表１は、比較例（仕切り板部；なし）と、実施例１（仕切り板部；高さ３ｍｍ）、実施例２（仕切り板部；高さ４ｍｍ）、実施例３（仕切り板部；高さ５ｍｍ）について、ファラデーカップの感度（ＦＣ感度）、二次電子増倍管の感度（ＳＥＭ感度）、二次電子増倍管に印加する電圧（ＳＥＭ電圧）、全圧０．４Ｐａにおける最小検出分圧を比較したものである。表１のＳＥＭ感度及びＳＥＭ電圧は、定格感度１．００×１０−４Ａ／Ｐａが得られるときの値を示す。
表１に示す測定例においては、測定スピードを５００ｍｓｅｃ／ａｍｕとしている。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１から、実施例１〜３は、いずれも比較例より最小検出分圧が低くなっている。このことから、仕切り板部の高さに関わらず、ＦＣの中央部に仕切り板部を設けることにより、最小検出分圧を低減できたことが分かる。
定格感度が得られるときのＳＥＭ電圧は、実施例２（高さ４ｍｍ）及び実施例３（高さ５ｍｍ）のときには比較例よりも若干高いが、実施例１（高さ３ｍｍ）では比較例と同程度のＳＥＭ電圧で定格感度が得られた。ＳＥＭ電圧は高ければ高いほど、イオン電流を増幅させなければならず、感度低下を招く。したがって、実施例１によれば、ＦＣに仕切りを設けてもＳＥＭに向かうイオンの流れを妨害することがなく、ＳＥＭ感度の低下を招くことがないことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、質量分析計や加速器等、荷電粒子（正負のイオンや電荷をもった素粒子等）を検出するために利用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
９…四重極型質量分析計、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１００…イオン検出器、１１…筐体、１２…開口部、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆ，２００，２０１，２０２，２０３…ファラデーカップ、２１…底板部、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…側板部、２３…仕切り板部、３０…二次電子増倍管、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…ダイノード、３２…入射部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファラデーカップを備えるイオン検出器及びこれを備えた四重極型質量分析計並びにファラデーカップに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に質量分析計は、試料からイオンを発生させるイオン源と、イオン源で発生したイオンを質量電荷比（ｍ／ｚ）に従って分離する質量分離部と、イオンを検出するイオン検出器とを備えて構成されている。なかでも四重極型質量分析計は、質量分離部が四重極を構成するものであり、広く使用されている（例えば特許文献１〜３参照）。
【０００３】
四重極型質量分析計用の質量分離部は、４本の棒状電極が格子状に対称かつ平行に配置された形状をしており、対向に位置する棒状電極が同電位となるように配線されている。二対の棒状電極には、同じ大きさで正負が逆の直流電圧Ｕと位相が１８０°異なる交流電圧Ｖｃｏｓωｔとが重畳した電圧が印加される（＋Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔおよび−Ｕ−Ｖｃｏｓωｔ）。ＵおよびＶの大きさによって、イオン源から質量分離部に入射したイオンのうち、特定のｍ／ｚを持つイオンのみが質量分離部を通過して、イオン検出器に到達する。それ以外のイオンは、棒状電極に衝突するか、棒状電極より外側の空間に導かれる。
また、ＵとＶの比を一定に保ちながら、それらの電圧の大きさを変化させることで、イオン検出器に到達するイオンの種類をそのｍ／ｚに応じて選別することができる。
【０００４】
イオン検出器としては、ファラデーカップ（ＦＣ）や二次電子増倍管（ＳＥＭ）が知られている（例えば特許文献４〜６、非特許文献１〜２参照）。ファラデーカップは、イオンが電極と衝突したときに発生する二次電子を測定系外に漏らさないようにカップ状に形成され、入射したイオンを電流として直接検出することができる。二次電子増倍管は、多段のダイノードを備え、初段のダイノードはイオンを電子に変換し、２段目以降は二次電子を増幅し、最終的に増幅された二次電子の量に基づいてイオンの量を測定するので、微弱なイオン流を高精度で検出可能である。このため、イオンの量が多い場合にはファラデーカップを使用し、イオンの量が少ない場合には二次電子増倍管を使用するように、ファラデーカップと二次電子増倍管とを切り替えて使用することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２０９１８１号公報
【特許文献２】特開２００８−１８６７６５号公報
【特許文献３】特開平８−７８３２号公報
【特許文献４】特開２００１−３５１５６６号公報
【特許文献５】特開２００６−２２１８７６号公報
【特許文献６】特開２０００−６５９４２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】特許庁 標準技術集 質量分析技術（マススペクトロメトリー）、“１−５−２−１ ファラデーカップ”、［ｏｎｌｉｎｅ］、インターネット＜ＵＲＬ： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｐｏ．ｇｏ．ｊｐ／ｓｈｉｒｙｏｕ／ｓ＿ｓｏｎｏｔａ／ｈｙｏｕｊｕｎ＿ｇｉｊｕｔｓｕ／ｍａｓｓ／１−５−２．ｐｄｆ＞
【非特許文献２】特許庁 標準技術集 質量分析技術（マススペクトロメトリー）、“１−５−３−１ 多段ダイノード型二次電子増倍管”、［ｏｎｌｉｎｅ］、インターネット＜ＵＲＬ： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｐｏ．ｇｏ．ｊｐ／ｓｈｉｒｙｏｕ／ｓ＿ｓｏｎｏｔａ／ｈｙｏｕｊｕｎ＿ｇｉｊｕｔｓｕ／ｍａｓｓ／１−５−３．ｐｄｆ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、半導体製造や液晶パネル製造等のスパッタ装置に付属して設置されるプロセス監視用のガス分析計として、質量分析計（特に四重極型質量分析計）を利用するため、質量分析器の小型化及び低価格化が求められている。従来、ファラデーカップは、非特許文献１に記載されているように、イオン流を受け入れる方向に開口するとともに、その前方側に二次電子抑制電極を置くことで二次電子をカップ内に抑えるようにしている。
【０００８】
イオン検出器の小型化のため、カップから分離した二次電子抑制電極を置くことなくファラデーカップを使用した場合、プロセス圧力（全圧）が比較的高くなると（例えば０．１〜１．０Ｐａ程度）、イオンが入射した際に発生する二次電子の影響でベースラインが上昇してしまい、各ガス分圧の検出限界レベルが悪くなる現象が発生する。二次電子の漏れ出しを防ぐためには、ファラデーカップの深さ（奥行き）を深くする手法もあるが、イオン検出器が大型化するという問題を生じる。また、二次電子抑制電極を設置するのは、コスト増の観点からも好ましくない。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ファラデーカップと二次電子増倍管を備え、かつ小型化・低価格化が可能なイオン検出器及びこれを備えた四重極型質量分析計並びにファラデーカップを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明は、イオンビームが通過する開口部を有する筐体と、前記開口部を通るイオンビームの飛行方向延長線上に位置するファラデーカップと、前記飛行方向延長線からそれた方向にイオンビームの入射部を有する二次電子増倍管とを備えるイオン検出器であって、前記ファラデーカップは、前記飛行方向延長線上に位置する底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有し、前記側板部は、前記二次電子増倍管の入射部に近い側から遠い側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記二次電子増倍管の入射部から遠い側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記二次電子増倍管の入射部に近い側における前記側板部の高さよりも高く形成されていることを特徴とするイオン検出器を提供する。
また、本発明は、本発明のイオン検出器を備えることを特徴とする四重極型質量分析計を提供する。
また、本発明は、底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有することを特徴とするファラデーカップを提供する。この場合、前記側板部は、一方の側から他方の側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記他方の側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記一方の側における前記側板部の高さよりも高く形成されているものとすることができる。なお、ファラデーカップの側板部がすべて同じ高さでも良い。
また、本発明は、イオンビームが通過する開口部を有する筐体と、前記開口部を通るイオンビームの飛行方向延長線上に位置するファラデーカップと、前記飛行方向延長線からそれた方向にイオンビームの入射部を有する二次電子増倍管とを備えるイオン検出器に用いられるファラデーカップであって、前記ファラデーカップは、前記飛行方向延長線上に位置する底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有し、前記側板部は、前記二次電子増倍管の入射部に近い側から遠い側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記二次電子増倍管の入射部から遠い側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記二次電子増倍管の入射部に近い側における前記側板部の高さよりも高く形成されていることを特徴とするファラデーカップを提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、二次電子抑制電極を省略して、二次電子増倍管の入射部を筐体の開口部の近くに配置することができるとともに、仕切り板部により、二次電子の漏れ出しを効果的に抑制することができる。したがって、イオン検出器を小型化及び低価格化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のイオン検出器の一形態例を示す断面図である。
【図２】図１のイオン検出器に用いられるファラデーカップを示す斜視図である。
【図３】イオン検出器の改変例を示す断面図である。
【図４】イオン検出器の改変例を示す断面図である。
【図５】イオン検出器の改変例を示す断面図である。
【図６】ファラデーカップの改変例を示す断面図である。
【図７】ファラデーカップの改変例を示す断面図である。
【図８】ファラデーカップの改変例を示す断面図である。
【図９】イオン検出器の改変例を示す断面図である。
【図１０】イオン検出器の改変例を示す断面図である。
【図１１】四重極型質量分析計の一例を示す斜視図である。
【図１２】比較例のイオン検出器を示す断面図である。
【図１３】比較例のイオン検出器を用いて測定した質量スペクトルのグラフである。
【図１４】実施例１のイオン検出器を用いて測定した質量スペクトルのグラフである。
【図１５】比較例のイオン検出器を用いて測定した最小検出レベルのグラフである。
【図１６】実施例１のイオン検出器を用いて測定した最小検出レベルのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施の形態例に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明のイオン検出器の一形態例を示す断面図であり、図２は、本形態例のイオン検出器に用いられるファラデーカップを示す斜視図である。
【００１４】
図１に示すイオン検出器１０は、イオンビームが通過する開口部１２を有する筐体と、開口部１２を通るイオンビームの飛行方向（図１中、開口部１２を通る実線の矢印で示す。）の延長線上に位置するファラデーカップ２０と、飛行方向延長線からそれた方向（図１中、二点鎖線の矢印で示す。）にイオンビームの入射部３２を有する二次電子増倍管３０を備える。
【００１５】
一般に、ファラデーカップ２０は測定対象となるイオンの量が多い場合に使用され、二次電子増倍管３０は測定対象となるイオンの量が少ない場合に使用される。開口部１２を通過したイオンビームは、ファラデーカップ２０又は二次電子増倍管３０のいずれかに入射される。その切り替えは、イオンビームを二次電子増倍管３０に入射させるときには、開口部１２から入射部３２へ向かう方向に電界を印加し、イオンビームをファラデーカップ２０に入射させるときには、その電界の印加を停止することによって、行うことができる。
【００１６】
図１に示すように、二次電子増倍管３０は、多段のダイノード３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，・・・を備え、初段のダイノード３１ａはイオンを電子に変換し、２段目以降のダイノード３１ｂ，３１ｃ，・・・は二次電子を増幅し、二次電子増倍管３０は、最終的に増幅された二次電子の量に基づいてイオンの量を測定する。入射部３２は、初段のダイノード３１ａと２段目のダイノード３１ｂとの間に設けられる。
【００１７】
図１及び図２に示すように、ファラデーカップ２０は、飛行方向延長線上に位置する底板部２１と、底板部２１の周囲に設けられた側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、これらの側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃに囲まれたカップ内部を複数の空間に区画する仕切り板部２３を有する。本形態例の場合、底板部２１は矩形状（詳しくは矩形の板状）であり、底板部２１の辺ごとに４面の側板部が設けられている。
なお、ファラデーカップの底板部の形状は、矩形（正方形または長方形）や菱形等の四角形に限定されるものではなく、六角形や八角形等の多角形、円形、楕円形等とすることもできる。
【００１８】
本形態例のファラデーカップ２０の側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側の側板部２２ａから遠い側の側板部２２ｂに向かって、高さが連続的または段階的に増大している。具体的には、入射部３２に近い側の側板部２２ａは、入射部３２から遠い側の側板部２２ｂよりも高さが低くなっている。また、側板部２２ａと側板部２２ｂとの間の側板部２２ｃは、図２では高さが連続的に増大している。特に図示しないが、側板部２２ｃを例えば階段状の形状として、側板部２２ｃの高さが段階的に増大する構成とすることもできる。
【００１９】
ファラデーカップ２０の側板部の高さが二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側から遠い側に向かって増大していることにより、図１に示すように、イオンビームを開口部１２から入射部３２まで、印加電界等によって曲げて飛行させるときに、ファラデーカップ２０に衝突するおそれが抑制される。したがって、筐体１１の開口部１２からファラデーカップ２０までの距離をより短くすることができる。
なお、本発明において、ファラデーカップの側板部の高さとは、底板部が側板部と垂直な平面（平板状）であれは、底板部からの高さとして良い。後述するように、底板部自体が側板部に対して傾斜している場合には、側板部と垂直な仮想の平面を基準として高さを定義しても良い。
【００２０】
筐体１１の開口部１２からファラデーカップ２０の底板部２１までの距離が短ければ、筐体１１内において、ファラデーカップ２０の底板部２１より後方（図１の下方）に、二次電子増倍管３０を設定するスペースを確保し、さらには、筐体１１をより小型化することができる。
そしてこの場合に、筐体１１の内面とファラデーカップ２０との間で、二次電子増倍管３０の入射部３２に向かうイオンビームの通過断面積を確保するため、ファラデーカップ２０において、二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側の側板部２２ａの高さを低くしているのである。
このため、本発明においてイオン検出器１０に二次電子増倍管３０を用いない場合は、ファラデーカップ２０の側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、すべて同じ高さでも良い。
【００２１】
しかしながら、このようにファラデーカップ２０の入射部３２に近い側の側板部２２ａの高さが低いと、ファラデーカップ２０を用いてイオンを検出する場合に二次電子が測定系外に漏れ、イオンの検出が不正確になる。このため、本形態例においては、側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃに囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部２３をファラデーカップ２０に設けている。これにより、ファラデーカップ２０の内部空間の各点から、ファラデーカップ２０の底板部２１、側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ又は仕切り板部２３のいずれかの電極に到達するまでの距離が短くなり、ファラデーカップ２０内で発生した二次電子をより確実に捕捉し、イオンの検出限界レベルの上昇を抑制することができる。
なお、本実施形態に係るイオン検出器１０が、二次電子増倍管３０を備えていない場合、即ちファラデーカップ２０のみを備えている場合においても、同様にファラデーカップ２０に当該仕切り板部２３を設けることにより、ファラデーカップ２０内で発生した二次電子の捕捉をより確実に行うことができる。
【００２２】
ファラデーカップ２０の材質は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ等）の金属（導体）が挙げられる。側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、隣接するもの同士が互いに結合しているとともに、底板部２１とも結合している。また、仕切り板部２３は、隣接する側板部２２ｃと結合しているとともに、底板部２１とも結合している。これにより、ファラデーカップ２０の底板部２１、側板部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ及び仕切り板部２３は、一体の電極を構成している。
【００２３】
また、ファラデーカップ２０は、いずれか一箇所（例えば底板部２１）が電流計に接続されているほかは、電気的接続を有せず、特許文献６のように電圧が印加されてはいない。
【００２４】
したがって、仕切り板部２３によって内部が複数の空間に区画されたファラデーカップ２０は、それぞれの内部空間を囲む部分がより幅狭のファラデーカップとして機能する。例えば図２に示す例では、側板部２２ａと仕切り板部２３との間の部分が１つのファラデーカップとして機能し、側板部２２ｂと仕切り板部２３との間の部分がもう１つのファラデーカップとして機能し、これら複数のファラデーカップが並列接続されるので、入射したイオンにより生じる電流の合計値を検出することができる。
【００２５】
本形態例の場合、仕切り板部２３は、入射部３２に近い側板部２２ａと入射部３２から遠い側板部２２ｂとの間の中央部に設けられている。仕切り板部２３から側板部２２ａまでの間隔と仕切り板部２３から側板部２２ｂまでの間隔は、必ずしも等しくある必要はないが、仕切り板部２３を１つのみ設ける場合にいずれかの側板部２２ａ，２２ｂまでの間隔が空きすぎると、間隔が広い側で二次電子の漏れ出しが増大するおそれがあるので、間隔を同程度とすることが好ましい。
【００２６】
また、仕切り板部２３は、二次電子増倍管３０の入射部３２から遠い側における側板部２２ｂの高さよりも低く、かつ二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側における側板部２２ａの高さよりも高く形成されている。
このように、ファラデーカップ２０の側板部及び仕切り板部の高さが二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側から遠い側に向かって増大していることにより、ファラデーカップ２０のイオン捕集効率を上げるとともに、図１に示すように、イオンビームを開口部１２から入射部３２まで、印加電界等によって曲げて飛行させるときに、ファラデーカップ２０に衝突するおそれが抑制される。
【００２７】
なお、本発明において、ファラデーカップの仕切り板部の高さは、側板部の高さと同様に定義することができる。すなわち、底板部が側板部と垂直な平面（平板状）であれは、ファラデーカップの仕切り板部の高さを底板部からの高さとして定義することができる。また、後述するように、底板部自体が側板部に対して傾斜している場合、あるいは仕切り板部が底板部に対して傾斜している場合には、側板部と垂直な仮想の平面を基準として、仕切り板部の高さを定義しても良い。
【００２８】
本発明のイオン検出器は、質量分析計や加速器等、正負のイオンを検出する機器に用いることができる。また、本発明のイオン検出器は、イオン以外の荷電粒子（電荷をもった素粒子等）を検出するために用いることもできる。
本発明のイオン検出器を利用可能な機器の具体例としては、四重極型質量分析計や、四重極型質量分析計を利用したガス分析計等が挙げられる。
【００２９】
図１１に四重極型質量分析計９の一例を示す。この四重極型質量分析計９は、イオン源５と、質量分離部７と、イオン検出部８を備える。
イオン源５は、電子源であるカソード電極１と、このカソード電極１に対して正の電位に制御されたアノード電極２と、アノード電極２の内部においてイオンが生成されるイオン化室３と、イオン化室３からイオンの一部を引き出す引き出し電極４を備える。
カソード電極１は、略円筒状のアノード電極２の円周面を略半周強程度囲うように線状に形成されている。アノード電極２は、グリッド状に形成されており、その内部はイオン化室３として構成されている。アノード電極２の質量分離部７側である一端の近傍には、引き出し電極４が配置されている。
【００３０】
質量分離部７は、四本の棒状電極６が格子状に対称かつ平行に配置された形状をしており、対向して位置する棒状電極６が同電位、隣接して位置する棒状電極６が反対符号の同電位となるように配線されている。
イオン検出部８には、本発明のイオン検出器が設けられる。
【００３１】
質量分析計９は、図示しない真空装置内に収容されており、真空装置内を図示しない真空ポンプなどにより排気し、質量分析計９が動作可能となる、所定（上限）圧力以下の低圧下にする。その後、電子源であるカソード電極１からアノード電極２に向けて電子を放出する。またカソード電極１及びアノード電極２をある一定の電位に設定すると、カソード電極１から放出された電子の一部は、アノード電極２に到達する前に気体分子と衝突し、気体をイオン化しイオンを生成する。
このようにしてイオン化室３内で生成されたイオンの一部は、引き出し電極４により質量分離部７に導入され、イオンの質量電荷比（ｍ／ｚ）によって分離され、目的のイオンがイオン検出部８に導入される。
イオン検出部８では、上述したイオン検出器１００において、ファラデーカップ２０又は二次電子増倍管３０によりイオンが検出され、電流値に基づきイオンの量が求められる。このイオンの検出量は、イオン化室３に導入されたガスの分圧に比例して増減するので、イオン検出器１００による検出量に基づき、ガス分圧を測定することができる。
【００３２】
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
図３のイオン検出器１０Ａは、仕切り板部２３を複数（例えば３つ）有するファラデーカップ２０Ａを備える。図３の場合、３つの仕切り板部２３によりファラデーカップ２０Ａが４つのファラデーカップを結合した構成となり、二次電子の漏れ出しによる感度の低下を抑制することができる。
仕切り板部２３が複数ある場合、各仕切り板部２３の高さは、二次電子増倍管３０の入射部３２に近い側から遠い側に向かって、連続的または段階的に増大させる。
【００３３】
図４のイオン検出器１０Ｂは、ファラデーカップ２０Ｂの仕切り板部２３の上端部に、該仕切り板部２３と対向する側板部２２ａ，２２ｂに向かって屈曲した縁部２４を有する。この縁部２４は、仕切り板部２３からカップの内部空間に向かって突出するので、二次電子の漏れ出しをより効率的に抑制することができる。ただし、仕切り板部２３の突出高さ、及び縁部２４の長さが大きいと、ファラデーカップ２０に入射するイオンビームをも妨げるおそれがあるので、縁部２４の仕切り板部２３からの突出寸法は、適宜調整することが望ましい。
図４の例では、縁部２４は、仕切り板部２３の両側に断面Ｔ字型に形成されており、仕切り板部２３の左右両側で発生した二次電子の漏れ出し抑制に有効である。
【００３４】
図５のイオン検出器１０Ｃは、ファラデーカップ２０Ｃの仕切り板部２３が底板部２１から傾斜している。この仕切り板部２３は、入射部３２から遠い側の側板部２２ｂに向かって傾斜しているので、二次電子の漏れ出しをより効率的に抑制することができる。ただし、傾斜角度が大きすぎると、ファラデーカップ２０に入射するイオンビームをも妨げるおそれがあるので、縁部２４の仕切り板部２３からの傾斜角度は、適宜調整することが望ましい。
【００３５】
本発明のファラデーカップは、側板部と仕切り板部との間の角度は特に限定されない。
図２に示すファラデーカップ２０の場合、仕切り板部２３は、入射部３２に近い側の側板部２２ａ及び入射部３２から遠い側の側板部２２ｂに対して平行である。
図６のファラデーカップ２０１は、仕切り板部２３が、入射部３２に近い側の側板部２２ａ、入射部３２から遠い側の側板部２２ｂ、及び底板部２１に結合されるように形成されている。
また、図７のファラデーカップ２０２は、仕切り板部２３が、底板部２１の対角線に沿って形成されている。
【００３６】
図８のファラデーカップ２０３は、底板部２１が円形状で、側板部２２が円筒状に形成され、側板部２２の高さは、入射部３２に近い側の位置２２ａで最も低く、入射部３２から遠い側の位置２２ｂで最も高くなっている。
このように底板部２１が矩形状でなくても、図２に示すファラデーカップ２０と同様の効果を奏する。
【００３７】
図９のイオン検出器１０Ｅは、ファラデーカップ２０Ｅの底板部２１が、仕切り板部２３が形成された中央部に向かって深くなるように傾斜して形成されている。
また、図１０のイオン検出器１０Ｆは、ファラデーカップ２０Ｆの底板部２１が、仕切り板部２３が形成された中央部に向かって浅くなるように傾斜して形成されている。
このように底板部２１が平板状でなくても、図２に示すファラデーカップ２０と同様の効果を奏する。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
図１に示すように、ファラデーカップ２０に仕切り板部２３を設けた実施例に係るイオン検出器１０と、図１２に示すように、ファラデーカップ２００に仕切り板部を設けていない比較例に係るイオン検出器１００とを作製した。ファラデーカップ２０の材質は、いずれもＳＵＳ（肉厚０．１ｍｍ）である。底板部２１は、側板部２２ａ，２２ｂに対して垂直である。また、仕切り板部２３は、底板部２１に対して垂直であり、側板部２２ａ，２２ｂに対して平行である。
【００３９】
実施例１に係るイオン検出器１０の場合、入射部３２に近い側の側板部２２ａの高さは１．５ｍｍ、入射部３２から遠い側の側板部２２ｂの高さは５．７ｍｍ、仕切り板部２３の高さは３．０ｍｍである。側板部２２ａから側板部２２ｂまでの距離（側板部２２ａ，２２ｂの肉厚を含む。）は、５．０ｍｍである。仕切り板部２３の位置は、側板部２２ａと側板部２２ｂとの間の中間の位置である。
実施例２は、仕切り板部２３の高さを４．０ｍｍとした他は、実施例１と同様である。
実施例３は、仕切り板部２３の高さを５．０ｍｍとした他は、実施例１と同様である。
【００４０】
比較例に係るイオン検出器１００の場合、入射部３２に近い側の側板部２２ａの高さは１．５ｍｍ、入射部３２から遠い側の側板部２２ｂの高さは４．３ｍｍである。側板部２２ａから側板部２２ｂまでの距離（側板部２２ａ，２２ｂの肉厚を含む。）は、５．０ｍｍである。
【００４１】
実施例及び比較例のイオン検出器１０，１００をそれぞれ図１１に示す四重極型質量分析計９に組み込み、ガス分圧を測定した。
アノード電極２には、形状が直径７．５ｍｍ、高さが１２ｍｍの円筒形状のもので、モリブデンのメッシュで構成したものを採用する。アノード電極２の電位は接地電位に対して＋６０Ｖ、カソード電極１の電位は接地電位に対して＋２０Ｖに設定し、カソード電極１とアノード電極２の間に流れる電子電流は、０．１ｍＡで一定となるように調整している。
【００４２】
図１３は、比較例のイオン検出器１００を備えた四重極型質量分析計９を用いて、低圧下（全圧８．４×１０−６Ｐａ）及び高圧下（全圧１．０５Ｐａ）のガスについて測定した質量スペクトルを示す。ここで、質量スペクトルは、横軸をｍ／ｚ、縦軸をイオン電流値として表示したグラフである。
図１３から、比較例のイオン検出器１００を用いると、高圧下では低圧下よりイオン電流値のベースライン（ノイズ）が増大し、シグナルのＳ／Ｎ比が低下して、検出限界レベルが悪くなることが分かる。
【００４３】
図１４は、実施例１のイオン検出器１０を備えた四重極型質量分析計９を用いて、低圧下（全圧３．６３×１０−６Ｐａ）及び高圧下（全圧１．０３Ｐａ）のガスについて測定した質量スペクトルを示す。
図１４から、実施例１のイオン検出器１０を用いると、イオン電流値のベースライン（ノイズ）は、高圧下でも低圧下と同程度であり、同程度の検出限界レベルで測定可能であることが分かる。
【００４４】
また、四重極型質量分析計９のイオン化室３内の圧力が０．４ＰａとなるようにＡｒガスを導入した際の最小検出レベルの確認を実施した。
最小検出レベルは、質量スペクトルにおいて、ガス中に存在しない質量数であるｍ／ｚ＝１０について求めた分圧を３分間続けて測定したときの最大値に対応する圧力値として定義する。
なお、全圧は、アルゴン（４０Ａｒ）に対応する質量数であるｍ／ｚ＝４０について求めた分圧として測定し、３分間の測定中、一定であることを確認した。同様に、３６Ａｒに対応する質量数であるｍ／ｚ＝３６についても計測し、この分圧の測定値も一定であることを確認した。
【００４５】
図１５は、比較例のイオン検出器を用いて測定した最小検出レベルを示す。また、図１６は、実施例１のイオン検出器を用いて測定した最小検出レベルを示すグラフである。
比較例のイオン検出器を用いた場合の最小検出レベルは、図１５に示すように、１．０８×１０−５Ｐａであった。また、実施例のイオン検出器を用いた場合の最小検出レベルは、図１６に示すように、２．６０×１０−６Ｐａであった。
図１６に示す測定例においては、測定スピードを５００ｍｓｅｃ／ａｍｕとしている。
【００４６】
表１は、比較例（仕切り板部；なし）と、実施例１（仕切り板部；高さ３ｍｍ）、実施例２（仕切り板部；高さ４ｍｍ）、実施例３（仕切り板部；高さ５ｍｍ）について、ファラデーカップの感度（ＦＣ感度）、二次電子増倍管の感度（ＳＥＭ感度）、二次電子増倍管に印加する電圧（ＳＥＭ電圧）、全圧０．４Ｐａにおける最小検出分圧を比較したものである。表１のＳＥＭ感度及びＳＥＭ電圧は、定格感度１．００×１０−４Ａ／Ｐａが得られるときの値を示す。
表１に示す測定例においては、測定スピードを５００ｍｓｅｃ／ａｍｕとしている。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１から、実施例１〜３は、いずれも比較例より最小検出分圧が低くなっている。このことから、仕切り板部の高さに関わらず、ＦＣの中央部に仕切り板部を設けることにより、最小検出分圧を低減できたことが分かる。
定格感度が得られるときのＳＥＭ電圧は、実施例２（高さ４ｍｍ）及び実施例３（高さ５ｍｍ）のときには比較例よりも若干高いが、実施例１（高さ３ｍｍ）では比較例と同程度のＳＥＭ電圧で定格感度が得られた。ＳＥＭ電圧は高ければ高いほど、イオン電流を増幅させなければならず、感度低下を招く。したがって、実施例１によれば、ＦＣに仕切りを設けてもＳＥＭに向かうイオンの流れを妨害することがなく、ＳＥＭ感度の低下を招くことがないことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、質量分析計や加速器等、荷電粒子（正負のイオンや電荷をもった素粒子等）を検出するために利用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
９…四重極型質量分析計、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１００…イオン検出器、１１…筐体、１２…開口部、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆ，２００，２０１，２０２，２０３…ファラデーカップ、２１…底板部、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…側板部、２３…仕切り板部、３０…二次電子増倍管、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…ダイノード、３２…入射部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームが通過する開口部を有する筐体と、前記開口部を通るイオンビームの飛行方向延長線上に位置するファラデーカップと、前記飛行方向延長線からそれた方向にイオンビームの入射部を有する二次電子増倍管とを備えるイオン検出器であって、
前記ファラデーカップは、前記飛行方向延長線上に位置する底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有し、前記側板部は、前記二次電子増倍管の入射部に近い側から遠い側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記二次電子増倍管の入射部から遠い側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記二次電子増倍管の入射部に近い側における前記側板部の高さよりも高く形成されていることを特徴とするイオン検出器。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン検出器を備えることを特徴とする四重極型質量分析計。
【請求項３】
底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有することを特徴とするファラデーカップ。
【請求項４】
前記側板部は、一方の側から他方の側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記他方の側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記一方の側における前記側板部の高さよりも高く形成されていることを特徴とするファラデーカップ。
【請求項５】
イオンビームが通過する開口部を有する筐体と、前記開口部を通るイオンビームの飛行方向延長線上に位置するファラデーカップと、前記飛行方向延長線からそれた方向にイオンビームの入射部を有する二次電子増倍管とを備えるイオン検出器に用いられるファラデーカップであって、
前記ファラデーカップは、前記飛行方向延長線上に位置する底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有し、前記側板部は、前記二次電子増倍管の入射部に近い側から遠い側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記二次電子増倍管の入射部から遠い側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記二次電子増倍管の入射部に近い側における前記側板部の高さよりも高く形成されていることを特徴とするファラデーカップ。
【請求項１】
イオンビームが通過する開口部を有する筐体と、前記開口部を通るイオンビームの飛行方向延長線上に位置するファラデーカップと、前記飛行方向延長線からそれた方向にイオンビームの入射部を有する二次電子増倍管とを備えるイオン検出器であって、
前記ファラデーカップは、前記飛行方向延長線上に位置する底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有し、前記側板部は、前記二次電子増倍管の入射部に近い側から遠い側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記二次電子増倍管の入射部から遠い側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記二次電子増倍管の入射部に近い側における前記側板部の高さよりも高く形成されていることを特徴とするイオン検出器。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン検出器を備えることを特徴とする四重極型質量分析計。
【請求項３】
底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有することを特徴とするファラデーカップ。
【請求項４】
前記側板部は、一方の側から他方の側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記他方の側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記一方の側における前記側板部の高さよりも高く形成されていることを特徴とするファラデーカップ。
【請求項５】
イオンビームが通過する開口部を有する筐体と、前記開口部を通るイオンビームの飛行方向延長線上に位置するファラデーカップと、前記飛行方向延長線からそれた方向にイオンビームの入射部を有する二次電子増倍管とを備えるイオン検出器に用いられるファラデーカップであって、
前記ファラデーカップは、前記飛行方向延長線上に位置する底板部と、前記底板部の周囲に設けられた側板部と、前記側板部に囲まれた内部を複数の空間に区画する仕切り板部とを有し、前記側板部は、前記二次電子増倍管の入射部に近い側から遠い側に向かって、高さが連続的または段階的に増大し、前記仕切り板部は、前記二次電子増倍管の入射部から遠い側における前記側板部の高さよりも低く、かつ前記二次電子増倍管の入射部に近い側における前記側板部の高さよりも高く形成されていることを特徴とするファラデーカップ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−１７７１２０（Ｐ２０１０−１７７１２０Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０２６５（Ｐ２００９−２０２６５）
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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