四极质谱计在高、低压力下灵敏度的关系研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:卢耀文

  四极质谱计是一种分压力测量仪器,被广泛应用于各个领域的分压力测量。通常用离子流与灵敏度的比值计算气体分压力的大小,灵敏度在低压力下校准获得,其值为常数。但在高压力下灵敏度不再为常数,用以上方法计算得到分压力值与实际分压力值偏差很大,而真空镀膜、半导体加工等行业恰恰需要用四极质谱计在较高压力下测量气体的分压力值,来确保各种气体成分的比例。为此,作者对四极质谱计的灵敏度进行研究,通过理论分析和实验研究得出了高压力下灵敏度与低压力下灵敏度的关系,从而达到用四极质谱计在高压力下准确测量分压力的目的。

理论分析

  四极质谱计的原理与电离规相似,都是将气体分子电离,并通过离子流的大小指示气体压力值。不同的是四极质谱计具有分离离子的功能,通过四极杆将不同质荷比的离子分离,只有特定质荷比的离子才能到达收集极,一般通过某种气体的离子流与灵敏度的比值计算气体分压力的大小,灵敏度通过离子流与标准压力的比值校准获得。作者将四极质谱计检测到的特定气体主峰离子流值与特定气体的分压力值之比作为灵敏度。在实际计算中离子流和分压力都是扣除本底之后的数值,如式⑴所示

    (1)

  式中S 为灵敏度,单位为A/Pa; IR为到达收集极离子流,单位为A; 为气体分压力,PP单位为Pa;I0为本底离子流;P0为本底气体压力。

对⑴式进行变换,可得分压力的计算公式

  (2)

  由式⑵可知,如果灵敏度为常数,可以方便地获得气体分压力的大小。在低压力下四极质谱计的离子流与气体压力呈线性关系;当压力高于10-3Pa时,离子流与气体压力为非线性关系,不能用式⑵准确计算气体分压力的大小。作者用线性灵敏度S0表示低压力下的灵敏度,用S表示整个测量范围内的灵敏度。

  质谱计在高压力下出现非线性的主要原因,是离子与气体分子或离子间的碰撞及离子间电荷的斥力使部分离子偏离既定轨道,不能到达收集极,造成离子损失,使离子流与气体分压力偏离线性。下面将从理论上进行推导,得出高压力下分压力与离子流的关系,从而提高质谱计高压力下测量的准确性。

  四极质谱计离子源中离子流的大小与气体分压力呈正比关系,如式⑶所示

       IF=KF·PP                 (3)       

  式中 IF为离子源产生的离子流;KF为比例系数;PP为气体的分压力大小。

  由于离子的损失与气体压力和离子流有关,则从离子源飞行到收集极的过程中,离子流的损失用式⑷来表示

dl=KL·P·I·dl (4)

  式中dl为离子所经过的微小距离;dI为dl距离内损失的离子流;KL为损失常数;I 为运动距离为L时的离子流大小; P为质谱计中气体全压力的大小。

  对式⑷进行变换得如下积分公式

(5)

  式中IR为到达收集极的离子流;IF为离子源中形成的离子流;L为离子源到收集极的距离。

对式⑸求解得

(6)

  联立式⑵、⑹得灵敏度与全压力的线性关系

In(S)=KL·P·L+In(KF)    (7)

  令KL•L为常数b,当 趋向于0时,KF的值等于线性灵敏度S0的值,这样可以在低压力下校准获得KF的值。变换式⑺可得灵敏度S与线性灵敏度S0的关系

S=S0·еbp  (8)

  通过式⑻,如果已知S0和b值,可以得到高压力下四极质谱计灵敏度S的值;在低压力下,еbp 的值约等于1,说明该公式也适用与低压力下气体分压力的测量。联合式⑵、式⑻,得到高压力下计算气体分压力的关系式

 (9)

  现在讨论确定b的方法。将式⑻变换可得以下公式

(10)

     b的校准一般用单一气体,因此,上式中P与PP同值,只要在低压力下通过校准获得线性灵敏度S0,用一支全压力规测量P值,将四极质谱计所测气体的离子流IR代入式⑽,就可以得出b值。

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