Vacuum Technology Book, Volume II

6.3.2 이온 소스

매스 필터에서 분석되기 전에 기체는 우선 전자 충격에 의햐 여 이온 소스에서 이온화됩니다(그림 6.6). 전자는 전기적으 로 가열된 음극(필라멘트)에서 방출됩니다. 전압은 양극과 음 극 사이에서 적용되어 전자를 가속합니다. 양극과 음극 사이 의 형성 공간에 존재하는 중성 기체 분자들은 전자들 사이의 충돌에 의하여 이온화도고, 싱글 및 다중 양이온을 형성합니 다. 충돌하는 전자들의 에너지는 형성되는 이온의 수와 유형 에 모두 중대한 영향을 미칩니다.

축 방향 이온 소스를 통과하는 섹션

그림 6.6: 축 방향 이온 소스를 통과하는 섹션

중성 입자의 이온화는 10~30eV의 최소 전자 에너지에서 시 작합니다(출현 전위). 전자 에너지가 상승하고(가속 전압), 해 당 기체 유형에 따라 50~150eV에서 최대치에 도달하고, 에 너지가 계속 상승하면서 다시 느리게 감소하면, 형성된 이온 의 수는 빠르게 증가합니다. 이온이 생성된 이후에 질량 분석 기의 감도가 가능한 한 커지면 70~100eV의 전자 에너지가 일반적으로 사용됩니다.

전자 에너지의 기능으로써의 이온화

그림 6.7: 전자 에너지의 기능으로써의 이온화

기체 구성 성분 $K$의 이온 전류 $I_{K+}$ 는 다음 관계에서 계산될 수 있습니다.

\[I_{K+}=i_{\bar{}} \cdot I_e \cdot s \cdot p_K\]

공식 6-13: 이온 전류

실제 경우:

$i_{\bar{}}$ 전자 전류(방출 전류), in A
$I_e$ 전자의 평균 경로 길이, cm
$s$ K의 차동 이온화 효과 횡단면 1/(cm · hPa)
$p_K$ 기체 구성 성분 K의 분압, hPa

복잡한 분자를 이온화할 때에는 많은 유형의 이온이 형성됩 니다. 싱글 및 다중 전하 분자 이온(ABC+,ABC++)이외에 다 음과 같은 조각 이온도 발생합니다.

  • ABC+ 2e-
  • ABC++ + 3e-
  • AB+ + C + 2e-
  • BC+ + A + 2e-
  • A+ + BC + 2e-
  • C+ + AB + 2e-
  • B+ + A + C + 2e-

이런 유형 이외에도 AC+ 와 같은 재조합 이온들이 형성되는 것도 가능합니다. 개별 유형 이온들의 발생 및 상대적 빈도는 일정한 유형의 분자의 특성이자 분자 확인 시 중요한 역할을 하며 따라서 질적 기체 분석 시 도움이 됩니다. 그림 6.8은 70eV의 전자 에너지에서 기록된 단일 분자 CO2 의 조각 이온 분배(균열 패턴 또는 조각 패턴)을 보여줍니다.

이온 소스와 최적의 필라멘트 재료의 선택은 측정 업무에서 부과한 요구조건에 기초합니다. 어플리케이션은 종종 이온 소스에 모순되는 요구조건을 부과합니다. 최적의 결과에 도 달하기 위하여 이온 소스는 현재 업무와 일치해야 합니다. 그 결과 레늄(Re), 텅스텐 또는 산화이트륨화 이리듐(Y2O3/Ir) 으로 만들어진 음극이 거의 모두 장착될 수 있는 이온 소스의 다른 유형의 개발로 이어졌습니다. 텅스텐(W) 음극은 UHV 범위에서 또는 레늄(Re)의 증기압이 방해 효과를 낼 수 있는 곳에서 선호됩니다. 그러나 텅스텐/탄소/산소 사이클로 인한, 즉 W2C의 형성으로 인한 텅스텐 음극의 취성을 고려해야 합 니다. 산화이트륨화 이리듐은 과거에 사용되었던 순수 금속 음극 대신 현재 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이 음극이

CO<sub>2</sub> 의 조각 이온 분배

그림 6.8: CO2 의 조각 이온 분배

재료 온도 적용 가능 기체 비고
Y2 O3 / lr 1,300 °C 불활성 기체, 기체/ O2, NOx, SOx O2 의 고농도에 둔감한 할로겐 사용 시 짧은 사용 수명은 O2 또는 H2O 배경에서 약간의 CO / CO2 를 생성합니다.
W 1,800 °C 불활성 기체, H2, 할로겐, 프레온 O2 어플리케이션 사용 시 짧은 사용 수명은 O2 또는 H2O 배경에서 약간의 CO / CO2 를 생성하고, C는 취성을 유발합니다.
Re 1,800 °C 불활성 기체, 탄화수소, H2, 할로겐,, 프레온 탄화수소와 함께 사용 시 재료의 증발로 약 3개월 의 사용 수명

표 6.1: 필라멘트 재료와 사용

제공하는 이점은 훨씬 낮은 작동 온도 및 공기 유입에 대한 상대적 둔감성입니다. 결과적으로 이런 음극의 실행에서 선 호되는 분야는 감온성 물질(예: 금속 유기 합성물)의 분석 또 는 고농도 산소를 함유한 기체 혼합물에서의 오염물 분석입 니다.

다양한 이온 소스가 어플리케이션 속성 및 분야를 기초로 하 여 아래에 설명되어 있습니다. 이온 소스의 공통점은 최대 150V의 전위에 연결될 수 있다는 것입니다. 이렇게 되면 EID 이온(EID = 전자 충격 탈착, ESD = 전자 자극 탈착으로도 알 려짐)으로 인해 신호 배경을 피할 수 있습니다. 이 기술은 나 중에 상세하게 설명됩니다.

축 방향 이온 소스

이 이온 소스는 매우 튼튼한 기계적 설계와 높은 감도가 특징 입니다. 이 이온 소스는 개방형 구조로 인해 기본적으로 고진 공 시스템에서의 잔류 기체 분석을 위해 사용됩니다. 그림 6.6은 축 방향 이온 소스의 구성도를 보여줍니다. 음극(1)은 Wehnelt 전극(2)의 구멍 속에 배열되어 있고, 한 쪽은 이 전 극에 연결되어 있습니다. 양극(3)으로 가속화된 전자는 형성 영역(4)에서 기체 분자를 이온화합니다. 양이온은 추출 구멍 (5)을 통하여 매스 필터에 도달합니다. 상대적으로 개방된 구 조 덕분에 탈착과 표면 반응을 통하여 오직 소량의 위조만 발 생합니다.

그리드 이온 소스

그리드 이온 소스

그림 6.9: 그리드 이온 소스

그리드 이온 소스는 UHV 또는 심지어 XHV 어플리케이션에 서 잔류 기체 검사에 사용됩니다. 극단적인 개방 구조와 재료 선택은 무척 낮은 내부 기체 방출을 보장합니다. 이 이온 소 스엔 기체 제거를 위하여 동시에 가열될 수 있는 두 개의 텅 스텐 필라멘트가 장착되어 있습니다. 10-11 hPa 이하의 압력 에서 작업이 수행될 경우엔 특히 이 목적을 위하여 높은 수준 으로 기체 제거된 봉 시스템이 사용되어야 합니다. 10-10 hPa 이하의 압력 범위에서의 측정은 소위 EID(전자 충격 탈착) 이 온에 의해 위조될 수 있습니다 [32]. 이 (H+, O+, F+, Cl+) 이온 들은 표면에 종종 가해지는 고성능 전자 충격에 의하여 직접 탈착됩니다. EID 이온은 UHV 장비 또는 이온 소스의 초기에 발생하는 흡착된 코팅으로부터 발생하고, 보통 초기 에너지 가 몇 eV 정도입니다. 이런 속성은 약 100eV의 에너지를 가 진 기체상에서 생겨나는 이온과 비교하여 EID 이온을 억제 하기 위하여 필드 축 전압을 신중히 선택함으로서 사용됩니 다(그림 6.10).

Discrimination of EID ions

그림 6.10: EID 이온의 판별

크로스 빔 이온 소스

Crossbeam ion source

그림 6.11: 크로스 빔 이온 소스

크로스 빔 이온 소스(그림 6.11)는 분자 빔이 시스템 축에 수직으로 그리고 평행으로 직접 통과하는 것을 허용합니다. 이 시스템은 사전 선택 가능한 에너지(0 – 120eV)를 왼쪽 또 는 오른쪽 필라멘트(1)에서 형성 영역(3)으로 방출합니다. 필 라멘트 전위에 있는 Wehnelt 실린더(4)는 전자가 환경으로 산란하는 것을 방지합니다. 전자 에너지가 폭 넓은 한계 내에 서 설정될 수 있기 때문에 이 이온 소스는 출현 전위를 결정 하는 데에 사용될 수 있습니다. 크로스 빔 이온 소스는 이온 이 매스 필터로 들어가는 조건을 매우 정밀하게 유지합니다. 크로스 빔 이온 소스는 번들 분자 빔의 진단에 사용됩니다. 이 공정에서 분자 빔이 주입 판 축에 수직인 형성 영역으로 주입됩니다(그림 6.11). 비이온화 중성 기체 분자는 이온 소스(7)를 통과한 후 펌프 또는 응축용 콜드 트랩으로 보내집 니다. 이런 유형의 이온 소스가 있는 질량 분석기는 분자 빔 에피택시용 „계수율계“로 사용되기도 합니다.

기체 기밀 이온 소스

위에서 설명한 이온 소스 중 일부는 기체 기밀 버전에서도 사 용 가능합니다. 기체 기밀 이온 소스는 오직 소량의 기체 표 본만 사용 가능할 경우 또는 잔류 기체에 의해 생성된 신호 배경이 효과적으로 억제되어야 할 경우에 사용됩니다. 이 구 성에서 기체 유입 시스템(예: 가열식 모세관)와 이온 소스는 서로 잘 맞아야 합니다. 유입 기체 부피는 형성 영역의 압력 을 결정하며, 이 압력은 이온 소스의 전도성에 의하여 둘러싸 고 있는 진공실에서 배가 될 수 있습니다. 작동 원리는 이제 예시에 의하여 축 방향 이온 소스를 사용하여 제시됩니다.

기체 기밀 축 방향 이온 소스

그림 6.12: 기체 기밀 축 방향 이온 소스

분석되어야 할 기체는 대지 전위에 있는 금속 모세관(6)과 절 연 튜브(5)를 경유하여 형성 영역(4)으로 직접 도입됩니다. 절연은 와셔(7)에 의해 제공됩니다. 진공실에 대한 전도성은 약 1 l/s입니다.

SPM 이온 소스

그림 6.13: SPM 이온 소스

스퍼터 공정 모니터(SPM) 이온 소스

이 이온 소스에서 형성 영역(7)은 공정 챔버와 직접 연결되어 있습니다. 분석기엔 음극 공간(5)을 약 10-5 hPa로 비우는 소 형 터보 펌핑 스테이션(1)이 장착되어 있습니다. 전자는 기체 를 이온화하기 위하여 작은 구멍들을 통하여 낮은 압력 측면 에서 형성 영역(7)으로 주입됩니다. 따라서 형성된 이온은 낮 은 압력 측면에 난 작은 구멍을 통하여 매스 필터로 추출됩니 다. 이 이온 소스는 스퍼터링 공정에서 기체의 구성을 검사하 는 데에 두 가지 중요한 이점을 제공합니다. 한 편으로는 최 대 세 단계 더 높은 이온 소스 압력에서 분석이 수행됩니다. 다시 말해 더 높은 공정 압력이 진공실에서 허용될 수 있습니 다. 또 한편으로는 고온 필라멘트가 스퍼터링 공정과 직접 접 촉하지 않습니다. 이것은 민감한 공정 동안 열음극에 의한 오 염을 방지합니다.

표준 PrismaPlus 이온 소스

파이퍼 베큠의 PrismaPlus 질량 분석기엔 이 튼튼하고 매우 민감한 이온 소스가 장착되어 있습니다. 이것은 특히 잔류 기 체 분석에 적합한 이온 소스입니다. 설계는 두 개의 음극이 있어서 신뢰할 수 있는 작동을 보이는 그리드 소스의 설계와 비교 가능합니다. 축 방향 기체 유입구가 있는 기체 기밀 버 전 뿐만 개방형 버전 모두 사용 가능합니다.

PrismaPlus 이온 소스

그림 6.14: PrismaPlus 이온 소스

여기서 설명된 모든 이온 소스는 전자 충격에 의하여 이온화 합니다. 이온 소스는 다음과 같이 두 개의 집단으로 분류될 수 있습니다.

  • 개방형 이온 소스는 분석될 기체가 고진공에서 < 1 · 10-4 hPa일 경우에 사용됩니다
  • 폐쇄형 이온 소스는 분석적 어플리케이션에서, 예를 들면 표본 기체의 소량의 부피만 사용 가능할 경우에 또는 질량 분석기 진공 시스템의 배경 효과를 줄이기 위하여 사용됩 니다.

폐쇄형 이온 소스는 더 높은 압력 기체를 분석하기 위하여 다 르게 펌프된 시스템과 조합하여 사용됩니다(그림 6.13).

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