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ガス分析とは何ですか?また、なぜ必要なのですか?

質量分析を用いた低圧ガス分析

低圧でのガス分析は、真空ポンプからの残留ガスの分析、フランジ接続部でのリークテスト、または真空内の供給ライン（圧縮空気、水）のリークテストの場合に限らず、有効です。また、真空技術の用途とプロセスの幅広い分野でも不可欠です。たとえば、基板にコーティングの薄層を適用する際に使用されるプロセスガスの分析に使用されます。ガスの定性および/または定量分析に使用される装置には、他の真空計と同様に、真空システムに直接接続できる非常に小さい寸法を持つ、特別に開発された質量分析計が含まれます。これらの測定装置のサイズは、ガスの化学分析に使用される質量分析計などの他の質量分析計と区別されます。後者の装置は、たとえば部分圧力測定ユニットとして使用するのには適していません。これは、大きすぎるため、真空チャンバーへの長いコネクターラインが必要で、真空チャンバー自体ではベークアウトできないためです。分析用質量分析計は、例えば分圧測定では分解能の要求がはるかに低いため、不当に大きな投資となります。部分圧力は、混合ガス内の特定のタイプのガスによって加えられる圧力であると理解されています。すべての種類のガスの部分圧力の合計は、全圧力を示します。さまざまな種類のガスの違いは、本質的にモル質量に基づいています。したがって、分析の主な目的は、モル質量に関するシステム内のガスの割合をモル質量に関して定性的に登録し、さまざまな原子番号に関連付けられた個々の種類のガスの量を定量的に決定することです。

一般的に使用されている部分圧力測定装置は、測定システム本体（センサー）とその操作に必要な制御装置で構成されています。センサーには、イオン源、分離システム、イオントラップが含まれています。質量と電荷の異なるイオンの分離は、電場と磁場でイオンが共鳴する現象を利用することがよくあります。

質量分析計の歴史的なレビュー

トムソンが1897年に電子の電荷と質量の比率e/mを決定しようとした最初の試みに続いて、真空技術で多数のさまざまな分析システムが使用されるようになるまでには（1950年代に）かなりの時間がかかりました。これらには、オメガトロン、トパトロン、そして最終的に1958年にポールとスタインヴェーデルによって提案された四重極質量分析計がありました（図4.1を参照）。真空アシストプロセス技術用途での質量分析の最初の使用は、1943年/44年にバッカスの研究にまでさかのぼると思われます。同氏は、カリフォルニア大学放射線研究所で研究を行いました。ウラン同位体を分離するために、デンプスター（1918）の後に180°のセクターフィールド分光計を使用しました。この分光計は「真空分析装置」と呼ばれていました。現在でも、「残留ガス分析装置」（RGA）という同じ用語は、「質量分析計」の代わりに、米国および英国で頻繁に使用されています。現在のプロセス監視用途は、とりわけ半導体部品の製造に見られます。

図4.1a TRANSPECTORセンサー

a：チャネルトロン付き高性能センサー
b：マイクロチャネルプレート付きコンパクトセンサー
c：ファラデーカップ付き高性能センサー

図4.1b TRANSPECTOR XPRセンサー

最初は、制御装置は非常に扱いにくく、無数の操作オプションを提供していました。多くの場合、物理学者のみが処理および使用できました。PCの導入により、制御装置に関する要件は、これまで以上に大きくなりました。当初は、コンピュータとの接続用のインタフェースが装備されていました。後で、センサー動作用の追加の測定回路基板をPCに装備しようとしました。現在のセンサーは、実際には、トランスミッタには、大気側に直接接続された電源装置ユニットが装備されています。その時点からのPCとの通信は、標準のコンピュータポートを介して行われます。操作の利便性は、PC上で動作するソフトウェアによって実現されます。

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