저는 QMS를 취미 삼아 즐기고 있어서 누가 QMS 이야기를 꺼내면 아주 흥분이 됩니다. 조금전에도 중고로 구입한 Inficon H100M과 역시 그렇게 구한 Transpector-2 module (각기 다른 세트로 튜닝이 되어서 판매되었던 따로따로 제품)을 서로 매칭시키느라고 QMS head를 분해하고 일부 오염된 부분을 세척한 후 다시 조립하여 저진공(10E-6 Torr) 범위에서 튜닝을 마치고 고진공 범위(10E-9 Torr)에서 electron multiplier를 켜고 재튜닝 작업을 하려고 시스템을 베이킹하고 있는 가운데 아래의 글을 읽고 몇자 적어봅니다.

우선 어느 회사의 제품인지 모델명을 알면 더 정확히 답변을 할 수 있겠지만, 짐작으로 적어보면, RGA mode는 QMS에 내장되어 있는 필라멘트에서 방출되는 전자로 입사하는 중성 입자들을 이온화 시킨후 적당한 에너지를 갖도록 조정하여 quadrupole 내부로 집어넣는 모드의 동작을 말할 것입니다. 이때에 필요한 전압들은 필라멘트에 –70V 에서 –100V 정도, anode chamber (제조사에 따라서 ion chamber라고 하는 경우도 있음)에 +30V, 여기서 이온을 인출하는 전극(extraction or focus plate)에 –20V, 그리고 quadrupole과의 사이에 있는 마지막 전극에 –30V정도를 인가합니다. 마지막 전극을 접지로 운영하는 경우도 있고, 구멍의 크기를 줄여서 분해능을 좋게 하는 제품도 있읍니다.

이때에 플라즈마에서 생긴 이온이 들어오게 되면 이온원을 운좋게 통과할 확률이 아주 낮습니다. 첫째, 필라멘트에서 나오는 많은 전자들에 의한 중성화 확률과, 둘째, 전위 구조상 이온챔버(anode chamber)가 retarding grid로 작용하기 때문에 이를 넘어가는 이온은 그 이상의 에너지를 가진 이온들만 가능하고, 필라멘트에 인가된 음의 전위가 이온의 궤적을 휘게 만들어서 그 다음의 focus plate의 작은 구멍을 제대로 통과할 수 있는 입사각을 갖기가 어려워집니다. 이 부분이 문제를 일으킵니다. 에너지가 높고, 입사각이 제대로 맞지 않는 이온들이 q-pole내에서 예정된 운동을 제대로 하지 못하므로 질량 분해가 제대로 되지 않고 검출기(Faraday cup or Electron multiplier)에 도달하므로 두루 뭉실한 질량 스펙트럼을 얻게 됩니다. 즉, 이온 광학에 문제가 생기게 되는 거지요. 따라서 플라즈마에서 방출되는 이온을 제대로 관찰하려면 필라멘트만 끄면 되는 것이 아니라 필라멘트와 anode chamber, focus plate등에 인가되는 전압들을 모두 재조정해주어야 합니다. 그리고 q-pole에 인가되는 bias도 U+V*cos(wt) + PZ (pole zero) 에서 pole zero 전위를 조정해야 제대로된 스펙트럼을 얻을 수 있읍니다. Hiden 사의 자료에 보면 이 값을 pole bias라고 표현하고 있지요. 즉, 일정한 길이(대개 150mm내외)의 q-pole을 지나면서 지정된 값보다 가벼운 질량의 이온과 무거운 질량의 이온을 걸러 내려면 대개 2 MHz내외의 주파수로 흔들어야 하는데, 에너지가 높아서 빠른 이온들은 이 정도의 거리에서 몇번 흔들리지 않고 검출기에 도달합니다. 따라서 질량 분해가 제대로 되지 않지요. 플라즈마를 켜면 가스 압력이 비교적 높을때 전하교환 충돌에 의한 fast neutral이 생기면 질량 분해능이 나빠져서 피크들이 높은 background를 갖고 뭉게지게 되는 원인이 됩니다.

질문에서 언급한 전자에너지 조절의 문제:
일반적인 QMS에서는 전자에너지를 NIST database (70eV spectra) 기준으로 세팅해놓습니다. 방출전류는 대개 1 mA – 2 mA정도. 그런데 전자에너지를 낮추는 경우 (AMS: Appearance mass spectroscopy)에는 필라멘트 주변의 열전자들이 잘 빠져나가지 못하고 공간 전하를 구성하게 되므로 70eV에서는 아무 문제가 없던 것이 10eV등으로 낮추면 같은 양의 방출전류를 얻기 위해서 회로에서 필라멘트의 가열 전류를 증가시킴니다. 결과적으로 필라멘트의 온도가 올라가고 수명이 많이 단축됩니다. 대개 중성 라디칼이 플라즈마에서 얼마나 생기는 지 관찰하고 싶을때 필라멘트의 에너지를 라디칼 분해에 필요한 것보다 에너지를 낮추어서 측정하면 플라즈마에서 발생된 라디칼만 측정이 되도록 하는 것이지요. 질문하신 분의 QMS에서 어떻게 전위들을 조절하는지 모르지만 전자에너지만 0으로 하고, anode chamber의 전위는 그대로 20 – 30 V 수준으로 남아있다면 retarding field grid의 역할을 할 것 입니다.즉 이 값 이상의 운동 에너지를 갖는 이온들만 들어오게 되겠지요. 그러나 ion mode라는 것이 따로 정의되어 있다면 각 전극에 걸리는 값을 조절하여 일정한 범위의 에너지를 갖는 이온들이 모두 포커스되어 검출될 수 있도록 설계되어 있을 것입니다.

두번째 질문: 이온을 못들어오게 하는 기능
앞에서 자세히 설명한 전극의 양전위를 이용하면 가능합니다.
Hiden 사의 경우 PSM의 저가형 모델에는 이런식으로 구현이 되어 있고, 일반적인 QMS에서는 이런 기능은 대개 없읍니다. 심지어 위에서 언급한 필라멘트의 수명 문제와 이온의 포커스 문제로 전자의 에너지를 고정시켜 놓은 모델이 많습니다.

이온의 에너지를 제대로 보려면 고가 모델인 Hiden EQP나 Balzers PPM-421 (최근에 Inficon의 catalog에 포함된 것으로 미루어 모델을 팔아버린듯?!!) 을 써야 합니다. 가격이 Mercedes Benz 한대 값과 맞먹으니 좀 아쉽지만. 한국기술교육대학교의 반도체 장비 기술 교육 센터(SETEC)에서 운영하는 플라즈마 기술 교육 강좌에서는 2001년의 2차 강좌 (6월초로 예정)부터 Hiden사의 지원을 받아서 EQP model을 직접 SETEC에 있는 ICP etcher에 연결해서 실습을 할 수 있도록 진행중입니다. 전시회등에서도 대개 catalog 전시를 하기때문에 직접 시연을 볼 수 없었던 분들에게 도움이 될 것으로 생각합니다.