真空中の個々の残留ガスの分圧を測定するために使用される決定的な装置は、残留ガス分析計（RGA）です。RGAは、真空チャンバーの低圧環境で動作し、その化学組成を詳細に分析するために特別に設計された小型の質量分析計です。
標準的な真空計はシステム内の全圧を教えてくれますが、その圧力にどのガスが寄与しているかについては何も教えてくれません。RGAは、真空の組成の「指紋」を提供することでこれを解決し、単純な圧力値を強力な診断およびプロセス制御ツールに変えます。
残留ガス分析計の仕組み
RGAはすべてのガスを一度に測定するわけではありません。代わりに、質量電荷比によって分子を体系的に識別し、一度に1つの質量で真空環境の全体像を構築します。
原理：分子から信号へ
RGAの核となる機能は、中性ガス分子を特定の質量に対応する測定可能な電気信号に変換することです。これは3つの主要なステップで達成されます。
ステップ1：イオン化
真空チャンバーからのガス分子はRGAのイオン源に漂い込みます。ここで、熱いフィラメントが電子の流れを放出し、それがガス分子と衝突して電子を叩き出し、正に帯電したイオンを生成します。
ステップ2：質量フィルタリング（四重極）
これらの新しいイオンは質量フィルター、最も一般的には四重極に加速されます。この装置は4本の平行な金属棒で構成されています。これらの棒には高周波（RF）と直流（DC）電圧の組み合わせが印加され、複雑な電場を生成します。これにより、単一の特定の質量電荷比のイオンのみが安定した経路を持ち、通過することができます。
異なる質量を持つ他のすべてのイオンは棒に偏向され、中和されます。
ステップ3：検出とスペクトル
フィルターを正常に通過したイオンは、通常はファラデーカップまたは電子増倍管である検出器に衝突します。これにより、衝突するイオンの数に比例した微小な電流が生成されます。
四重極棒の電圧を体系的に掃引することにより、RGAは一連の質量をスキャンします。結果として得られるデータはスペクトルとしてプロットされ、各質量の分圧（またはイオン電流）を示し、真空中の分子の棒グラフを作成します。
圧力測定値だけでは不十分な理由
真空の組成を知ることは、トラブルシューティング、品質保証、およびプロセス制御にとって非常に重要です。RGAは、全圧計では提供できない直接的で実用的な洞察を提供します。
リーク検出
システムが目標圧力に達しない場合、RGAは即座に原因を特定できます。空気漏れの典型的な兆候は、質量28（窒素）と質量32（酸素）のピークが特徴的な約4:1の大気比で存在することです。
汚染監視
RGAは汚染物質に対して非常に敏感です。ポンプ油の逆流による炭化水素、不適切な洗浄による溶剤、さらには指紋からのアウトガスを検出でき、敏感なプロセスを台無しにする可能性のある汚染源を特定して排除することができます。
プロセス検証
物理蒸着（PVD）や半導体製造のようなプロセスでは、真空の純度が最も重要です。RGAは、水蒸気や酸素のような不要な反応性ガスが十分に除去されていることを確認し、アルゴンなどの意図されたプロセスガスの正確な分圧を確認します。
アウトガス分析
高真空システムで最も一般的な残留ガスは水蒸気（質量18）であり、これはチャンバー壁からゆっくりと脱着します。RGAを使用すると、このアウトガスの速度を監視し、システムが十分に「乾燥」してプロセス準備が整った時期を判断できます。
トレードオフと制限の理解
強力である一方で、RGAは操作上のニュアンスを尊重する必要がある洗練された装置です。
相対測定と絶対測定
RGAは非常に正確な相対測定値を提供し、異なるガスの比率を示します。しかし、Torrまたはmbarでの正確な絶対分圧測定値を得るには、RGAは感度が異なるため、各特定のガス種に対して校正する必要があります。
動作圧力範囲
RGAは大気圧では動作できません。最大動作圧力は通常10⁻⁴ Torr程度です。RGAの熱いフィラメントをより高い圧力にさらすと、急速に焼損します。
フィラメント寿命
イオン源フィラメントは消耗品であり、寿命が限られています。その寿命は、より高い圧力または反応性ガスでの動作によって短縮されます。
スペクトル解釈にはスキルが必要
RGAスペクトルは常に単純ではありません。大きな分子はイオン化中に小さな帯電した断片に分解されることがあり、これは「クラッキング」として知られる現象です。たとえば、二酸化炭素（CO₂、質量44）はCO（28）、O（16）、C（12）のピークも生成し、これらは他のガスと重なる可能性があります。
目標に合った適切な選択をする
RGAに投資する前に、真空分析の主なニーズを定義することが重要です。
- 全圧を知ることが主な焦点の場合：標準的な真空計（ピラニ、熱電対、イオンゲージなど）が適切で費用対効果の高いツールです。
- リークや汚染の問題のトラブルシューティングが主な焦点の場合：RGAは、問題を引き起こしている特定のガスを特定するための不可欠な診断ツールです。
- ガスに敏感なプロセスの制御が主な焦点の場合：RGAは、リアルタイム監視、プロセスの純度と再現性の確保のために不可欠です。
最終的に、RGAは真空システムを不透明な箱から透明で制御可能な環境に変えます。
要約表：
| RGAの主要機能 | 主な利点 |
|---|---|
| リーク検出 | 窒素（28）と酸素（32）のピークを介して空気漏れを特定 |
| 汚染監視 | 炭化水素、溶剤、その他の汚染物質を検出 |
| プロセス検証 | 純度を確認し、プロセスガスの分圧を監視 |
| アウトガス分析 | 水蒸気やその他の脱着ガスを追跡し、システムの準備状況を確認 |
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