HPQ3高压残余气体分析仪拆解
Arutoria2023/09/16原创 拆机鉴赏 IP:辽宁
关键词
真空四极杆质谱仪残余气体分析仪

在市场销售的各种残余气体分析仪中,基于四极杆质量分析器的RGA普遍要求工作压力低于E-4Torr,以830/835VQM为代表的离子阱RGA要求工作压力低于E-5Torr。这意味着在高于此压力的工况下,这些残余气体分析仪需要使用额外的分子泵组进行differential pumping

为实现PVD、CVD、等离子清洗、半导体蚀刻等工艺环境下残余气体分析仪的直接应用,MKS、Inficon等公司开发了一系列高压残余气体分析仪(HPQ系列、XPR系列)。此类RGA可以在E-2Torr的压力下稳定工作,且可以直接与PVD的工艺腔连接而无需差速系统。

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通常情况下,四极杆的杆长L影响着四极杆的分辨能力。四极杆长增加,使离子在四极场经历足够多的高频周期数得到充分分离,从而可提高分辦本领。同时也要求进入四极杆的离子在z轴方向具有足够高的初始动能得以飞出四极杆被collector收集。当工作压力升高时,离子和中性气体分子之间会发生更频繁的碰撞,离子的动能被损失,在xy平面上的振幅变小,分辨本领显著降低,甚至无法飞出四极杆,且检测高质量离子时会出现RF放电,从而使仪器无法正常工作。

高压残余气体分析仪采用杆长不足20mm的微型四极杆作为质量分析器,牺牲一定的质量范围和分辨能力,以允许分析器得以在E-2Torr的高压力下稳定工作,实现PVD等工艺下的无差速系统在线气体质量分析。

本文笔者以MKS HPQ3的analyzer为例进行拆解,HPQ3基于EI离子源、微型四极杆质量分析器和Faraday cup检测器,固有emiss. current 0.7mA,质量范围1-100amu,一般工作压力E-3Torr。HPQx的质量分析器体积不足手掌大,比大多数有源真空计更小且更紧凑。

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拆除灯丝组件连接器

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取下灯丝组件,该灯丝组件包含两根涂氧化钇的铱灯丝,工作温度相对于钨灯丝更低,可有效延长高压力环境使用的寿命

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拆除离子源固定螺栓

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取下推斥极,推斥极上加负电压,将灯丝发射的热电子推向轴心与中性气体分子碰撞电离

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阳极cage露出,笼上加正电压

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取下阳极盘绝缘垫片

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拆除阳极cage

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取下提取极绝缘垫片和支撑

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拆除提取极,提取极加负电压用于引出碰撞电离出的正离子

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拆除离子源固定盘,盘中心的小孔用于引出正离子

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EI离子源组件完全拆除,工作原理参考下图

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移除离子源组件后,四极杆组件露出

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拆除四极杆固定盘螺栓

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取下四极杆固定盘

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取出四极杆及陶瓷固定支架、RF电极

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拆下四极杆支座螺栓

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取出四极杆支座

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拆除与feedthrough连接的法拉第杯

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拆解完成,HPQ3分析器共分为EI离子源、微型四极杆质量分析器、法拉第杯离子检测器三部分,结构简单紧凑,维护方便。

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来自:仪器与装备 / 拆机鉴赏
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~~空空如也
qiuzheru1
10个月2天前 IP:瑞士
925332

感谢介绍,恰好在某涉及CVD设备的项目中在考虑加装这种低真空RGA。目前的土办法是在腔里点一个大功率Argon plasma,然后看发射光谱。


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RodTech
10个月2天前 IP:英国
925333

一步到位?

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可以看到channeltron


这么小的四级杆一般效率低,装电子倍增补偿一下才能用,楼主拆的居然是直接法拉第杯的,比较的猛。。

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Arutoria作者
10个月1天前 IP:辽宁
925338
引用RodTech发表于2楼的内容
一步到位?可以看到channeltron这么小的四级杆一般效率低,装电子倍增补偿一下才能用,楼主拆的...

文中尺寸的四极杆配合无增益的FC尚且具有E-5A/Torr@Ar的灵敏度,仅比常见尺寸的RGA低了一个数量级。HPQx系列应用于高压力的特殊工况,在E-2~E-6Torr的压力范围内总离子流会在E-7~E-11Amps的水平,完全不需要倍增器来放大信号

另外,RGA的cem通常在E-7A时饱和,在这个压力水平开启cem几乎没有增益的空间,即使加上偏压也会显著消耗cem的寿命。。。 XPR3 FC下的灵敏度过低仅E-7A/Torr因此附加了一个MCP把sensitivity拉到了E-3A/Torr,HPQ3是完全没有这个必要的

这种没有differential系统的RGA不同于带有进样系统的质谱仪,total pressure产生的信号强度相当高,所以并不是任何情况都要加一个倍增器才有好效果。。

常见的RGA产品里,830/835VQM使用了单cem collector,这导致VQM要完全放弃高压力下的质量分析,仅在E-5Torr以下才能正常工作

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RodTech
10个月1天前 IP:英国
925353
引用Arutoria发表于3楼的内容
文中尺寸的四极杆配合无增益的FC尚且具有E-5A/Torr@Ar的灵敏度,仅比常见尺寸的RGA低了一...

835挺耐用的高压区,倍增也没那么短命,它的分辨率高不需要很好的灵敏度就能完成测量,有没有倍增其实影响不大。说起来我好几次忘关 5mbar左右灯丝烤几个小时,啥事没有。


现在流行芯片级四级杆了,可以像素化,mems做硅结构,嵌入钨钢杆。过阵子有空我发个详细拆机图。

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Arutoria作者
10个月0天前 IP:辽宁
925430
引用RodTech发表于4楼的内容
835挺耐用的高压区,倍增也没那么短命,它的分辨率高不需要很好的灵敏度就能完成测量,有没有倍增其实影...

看了徐版的回复,我想有些问题需要做测试。。

首先VQM超压会自动关闭灯丝,阈值在5E-4Torr。之前测试时关了SIP,Prisma还在工作,VQM会立刻停掉灯丝供电并进行overpressure报错,即使在不与PC通讯、不连接外源真空规、断开总压模拟输入时过压保护也存在

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这里5E-5~5E-4Torr被认为是没有理由开启VQM的压力范围,VQM只有倍增器一种检测器,所以此时一些高分压气体产生的峰会将倍增器饱和以至于无法得出可用的数据,因此VQM并不兼容高压力使用

而>5E-4Torr的压力被认为是“extreme over pressure”,即可能损坏灯丝、倍增器,造成电极结构产生电弧的状态,在此压力下运行VQM会自动停机并报错,因此VQM无法在超压状态保持点亮灯丝正常工作的状态

另外,VQM设置倍增器目的是增加灵敏度测量微弱离子流信号,从而将工作压力范围扩展到XHV。而灵敏度的高低与分辨本领并无关系,并不存在因为分辨率高就可以舍弃灵敏度的说法

Prisma在中段质量的分辨率也一样很高,以44amu@CO₂⁺为例,Prisma的峰宽恒定为0.5amu,830VQM实测为0.4amu(R=130),但这并不影响在压力低于1E-7Torr时基于法拉第杯的Prisma无法正常工作

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CEM的寿命有限不是说被强离子流饱和一次就会出现什么明显的折寿现象。以RGA常用的通道倍增器为例,一般在1~3KV的偏压范围内提供10~1E+6的增益,而长期在高压力下给倍增器加偏压会快速的污染和消耗其活性表面减弱其增益能力

调谐过程中,软件会自动做calibration并拉高EM偏压以维持原增益水平,因此短期内并不会看到倍增器性能的变化,直到偏压加到2500V以上仍然无法恢复原增益时倍增器报废。。

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这种情况并不罕见,像一些上一代的transpector经常出现加到2.8KV仍然无法恢复原增益水平的情况

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而新的CEM通常在1KV的偏压下即可提供1000倍放大增益

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RodTech
10个月0天前 IP:英国
925436
引用Arutoria发表于5楼的内容
看了徐版的回复,我想有些问题需要做测试。。首先VQM超压会自动关闭灯丝,阈值在5E-4Torr。之前...

当压力迅速到几mbar时,会产生毫无信号的状态,vqm是不会自动保护的。。。我们也用不到倍增器坏的那一天,这玩意太脆弱而且距离管径很近,都是同学拆装的时候怼坏的,还好维修很良心。。。坏了有三四次了。


ion trap跟四级杆比,离子个数少不少,实际上要损失许多的througput,因为这问题我们又换成四级杆了。但是好在噪音是“功率谱”,按照每amu分下去的,分辨率一高,检测极限就低了。


你居然买到了原装的线,835和830的线经常坏,贵得很。。。

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Arutoria作者
10个月0天前 IP:辽宁
925438
引用RodTech发表于6楼的内容
当压力迅速到几mbar时,会产生毫无信号的状态,vqm是不会自动保护的。。。我们也用不到倍增器坏的那...

用四极杆时有遇到过噪声的问题,有时堆积成一个平台确实很影响检测限。。 但如果是做残余气体分析这种不怎么要求快扫描的,可以通过降低扫描速度解决问题,在0.5-1s/amu的扫描速度下噪声会很快被压下去

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Arutoria作者
10个月0天前 IP:辽宁
925439
引用RodTech发表于6楼的内容
当压力迅速到几mbar时,会产生毫无信号的状态,vqm是不会自动保护的。。。我们也用不到倍增器坏的那...

用四极杆时有遇到过噪声的问题,有时堆积成一个平台确实很影响检测限。。 但如果是做残余气体分析这种不怎么要求快扫描的,可以通过降低扫描速度解决问题,在0.5-1s/amu的扫描速度下噪声会很快被压下去

IMG_3521.jpeg

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RodTech
9个月29天前 IP:英国
925445
引用Arutoria发表于7楼的内容
用四极杆时有遇到过噪声的问题,有时堆积成一个平台确实很影响检测限。。 但如果是做残余气体分析这种不怎...

嗯这个噪声明显的时候已经慢了,835vqm可以快速的扫很宽,然而我们不开电离源,离子是别的地方飘进去的,这时候个数有限,四级杆优势就体现了。


还有一种搞法比较简洁,就是用汤姆逊抛物线质朴,加一个alpha闪烁屏,用相机看

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Y2569
4个月17天前 IP:四川
929933

您好,因为我没有HPQ探杆实物,请问,图中的尺寸是多少(红色标注)?我用于RF电压上限分析。 无标题.png

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