기체 분석이란 무엇이며 왜 필요합니까?
질량 분석 장비를 사용하는 저압에서의 기체 분석
낮은 압력에서의 기체 분석은 진공 펌프의 잔류 기체 분석, 플랜지 연결부의 누출 테스트 또는 진공 상태의 공급 라인(압축 공기, 물)에 대해 유용합니다. 또한 광범위한 진공 기술 응용 분야 및 공정에 있어 필수적입니다. 예를 들어 기판에 얇은 코팅 층을 도포하는 데 사용되는 공정 기체의 분석에서 기체의 정성적 및/또는 정량적 분석에 사용되는 장비에는 다른 진공 게이지와 마찬가지로 진공 시스템에 직접 연결할 수 있는 매우 작은 크기의 특수 개발된 질량 분광계가 포함되어 있습니다. 그 크기는 기체에 대한 화학 분석에 사용되는 것과 같은 다른 질량 분광계와 구별됩니다. 후자의 장치는 크기가 너무 크기 때문에 부분 압력 측정 장치로 사용할 때 적합하지 않고, 진공 챔버에 긴 커넥터 라인이 필요하며 진공 챔버 자체로는 베이크아웃할 수 없습니다. 분석 질량 분광계에 대한 투자는 예를 들어 부분 압력 측정에 대한 요구 사항이 훨씬 덜 엄격하기 때문에 매우 유용합니다. 부분 압력은 기체 혼합물 내의 특정 기체 유형에 의해 가해지는 압력으로 알려져 있습니다. 모든 기체 유형에 대한 총 부분 압력이 총 압력을 이룹니다. 다양한 기체 유형의 구분은 기본적으로 해당 분자 질량을 기반으로 합니다. 따라서 분석의 주요 목적은 분자 질량과 관련하여 시스템 내의 기체 비율을 정성적으로 기록하고 다양한 원자 수와 관련된 개별 기체 유형의 양을 정량적으로 측정하는 것입니다.
일반적으로 사용되는 부분 압력 측정 장치는 측정 시스템(센서)과 작동에 필요한 제어 장치로 구성됩니다. 센서는 이온 소스, 분리 시스템 및 이온 트랩으로 구성됩니다. 질량과 전하가 다른 이온의 분리는 전기 및 자기장에서 이온의 공명을 유발하는 현상을 활용함에 따라 영향을 받는 경우가 많습니다.
질량 분광계에 대한 역사적 검토
1897년 톰슨이 처음으로 전자에 대한 질량 대비 전하비 e/m을 확인하고자 시도한 이후 오랜 시간(1950년대)이 흘러서야 다양한 분석 시스템이 진공 기술에 사용되었습니다. 여기에는 오메가트론, 토파트론, 그리고 1958년 폴과 스타인베델이 제안한 사중극자 질량 분광계에 이르렀습니다(그림 4.1 참조). 처음 진공 보조 공정 기술 분야에서 질량 분석 장비를 사용한 것은 1943~44년 배커스의 연구로 거슬러 올라갑니다. 그는 캘리포니아 대학교 방사선 연구소에서 연구를 실시했습니다. 우라늄 동위원소를 분리하고자 했던 그는 뎀스터(1918) 이후 180° 섹터 필드 분광계를 사용했으며, 이를 “진공 분석기”라고 했습니다. 오늘날에도 “잔류 기체 분석기”(RGA)라는 유사한 용어가 주로 미국과 영국에서 “질량 분광계” 대신 주로 사용됩니다. 오늘날 공정 모니터링 분야를 반도체 부품 생산에서 확인할 수 있습니다.
그림 4.1a TRANSPECTOR 센서
A: 채널트론이 장착된 고성능 센서
B: 마이크로 채널플레이트가 장착된 소형 센서
C: 패러데이 컵이 장착된 고성능 센서
그림 4.1b TRANSPECTOR XPR 센서
처음에는 제어 장치가 상당히 둔하고, 수많은 조작 옵션이 제공되었습니다. 물리학자만이 이를 처리하고 사용할 수 있었던 경우가 많았습니다. PC의 도입으로 제어 장치에 대한 요구 사항은 더욱 커졌습니다. 처음에는 컴퓨터에 연결할 수 있는 인터페이스가 장착되어 있었습니다. 나중에는 PC에 센서 작동을 위한 추가 측정 회로 기판을 설치하려는 시도가 이루어졌습니다. 오늘날의 센서는 대기 측에 직접 연결된 전원 공급 장치가 장착된 송신기에 있으며, 해당 지점에서 PC와의 통신은 표준 컴퓨터 포트를 통해 이루어집니다. PC에서 실행되는 소프트웨어를 통해 편리한 작동이 가능합니다.
