JP2010197067A - グロー放電発光分光分析装置およびそれを用いる分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で簡単な構成で従来のグロー放電発光分光分析装置では分析できなかった試料を容易に分析することができるグロー放電発光分光分析装置を提供する。
【解決手段】本発明のグロー放電発光分光分析装置は、陽極管１ｄと、陽極管１ｄに対向する側である試料５の分析面５ｂに当接する分析面陰極２、試料５の分析面５ｂの反対側である背面５ｃに当接する背面陰極７、および試料５の側面５ｄに当接する側面陰極３２のうちの少なくとも２つの陰極と、陽極管１ｄと前記少なくとも２つの陰極との間に電圧を印加する給電手段８とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、試料をスパッタリングしながら、発生した光を分光器で分析するグロー放電発光分光分析装置およびそれを用いる分析方法に関する。

気体圧力が５００〜１３００Ｐａ程度のアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で、二つの電極間に直流または高周波の高電圧を印加すると、グロー放電が起こり、Ａｒイオンが生成される。生成したＡｒイオンは高電界で加速され、陰極表面に衝突し、そこに存在する物質をたたき出す。この現象をスパッタリングと呼ぶが、スパッタされた粒子（原子、分子、イオン）はプラズマ中で励起され、基底状態に戻る際にその元素に固有の波長の光を放出する。この発光を分光器で分光して試料中の元素を同定したり、発光の強度を測定し試料中の元素の量を定量したり、試料の表面膜の深さ方向の元素の分布を測定したりする分析装置が、グロー放電発光分光分析装置である。

特許文献１に記載の従来のグロー放電発光分光分析装置のグロー放電管では、図８に示すように試料５の分析面５ｂが陽極管１ｄに対向し、試料の分析面５ｂの反対側である背面に陰極ブロック７が当接しており、陽極管１ｄと陰極ブロック７との間に給電手段８より電圧が供給されている。一方、特許文献２に記載の従来のグロー放電発光分光分析装置のグロー放電管では、図９に示すように試料５の分析面５ｂが陽極管１ｄに対向するとともに、試料５の分析面５ｂに分析面陰極２が当接しており、陽極管１ｄと分析面陰極２との間に給電手段８より電圧が供給されている。

このように、従来のグロー放電発光分光分析装置では、試料の分析面または試料の分析面の反対側である背面のどちらか一方にのみ陰極が当接し、陽極管と陰極との間に電圧が供給されることによって試料が陰極とほぼ同電位になり、陽極管と試料との間でグロー放電が発生する。直流電圧の印加ではグロー放電が発生しない絶縁性の高い試料、例えば絶縁被膜試料では、高周波の電圧を印加してグロー放電を発生させて分析している。

特開平７−１１０２９９号公報 特開平９−３２９５５２号公報

しかし、従来のグロー放電発光分光分析装置のように試料の分析面または試料の分析面の反対側である背面のどちらか一方にのみに、直流電圧または高周波電圧を印加するだけでは、全くグロー放電が発生しなかったり、正常なグロー放電を起こさなかったりする試料があった。このような試料ではスパッタリングが起こらないか、または均一なスパッタリングが起こらないために分析をすることができなかった。特に、より絶縁性の高い試料、例えばガラス、絶縁基板などでこのような問題が起こっていた。

そこで本発明は、上記問題を解決するために、安価で簡単な構成で従来のグロー放電発光分光分析装置では分析できなかった試料を容易に分析することができるグロー放電発光分光分析装置等を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の装置に係るグロー放電発光分光分析装置は、陽極管と、前記陽極管に対向する側である試料の分析面に当接する分析面陰極、試料の分析面の反対側である背面に当接する背面陰極、および試料の側面に当接する側面陰極のうちの少なくとも２つの陰極と、前記陽極管と前記少なくとも２つの陰極との間に電圧を印加する給電手段とを備える。

本発明の装置によれば、陽極管に対向する側である試料の分析面に当接する分析面陰極、試料の分析面の反対側である背面に当接する背面陰極、および試料の側面に当接する側面陰極のうちの少なくとも２つの陰極と、陽極管との間に電圧を印加することにより、試料が容易に陰極と同電位になり、正常なグロー放電を生じさせることができるので、安価で簡単な構成で従来のグロー放電発光分光分析装置では分析できなかった試料を容易に分析することができる。

グロー放電発光分光分析装置の給電手段が高周波電源であるのが好ましい。この場合には、試料に高周波電圧が印加されるので、より絶縁性の高い試料、例えばガラス、絶縁基板などであっても正常なグロー放電を発生させることができ、高精度の分析をすることができる。

本発明の分析方法に係るグロー放電発光分光分析方法は、本発明のグロー放電発光分光分析装置を用いる分析方法であって、絶縁性物品を試料として分析する分析方法である。本発明のグロー放電発光分光分析方法は、本発明のグロー放電発光分光分析装置と同様の作用・効果を有する。

本発明の第１実施形態のグロー放電発光分光分析装置の概略構成図である。 同分析装置のグロー放電管の縦断面図である。 （ａ）同分析装置のグロー放電管の変形例である分析面陰極の平面図である。（ｂ）同分析面陰極の縦断面図である。 本発明の第２実施形態のグロー放電発光分光分析装置のグロー放電管の縦断面図である。 （ａ）同グロー放電管の側面陰極の配置図である。（ｂ）同グロー放電管の側面陰極の他の配置図である。（ｃ）同グロー放電管の側面陰極のさらなる他の配置図である。 本発明の第３実施形態のグロー放電発光分光分析装置のグロー放電管の縦断面図である。 本発明の第４実施形態のグロー放電発光分光分析装置のグロー放電管の縦断面図である。 従来のグロー放電発光分光分析装置のグロー放電管の縦断面図である。 他の従来のグロー放電発光分光分析装置のグロー放電管の縦断面図である。

以下、本発明の第１実施形態のグロー放電発光分光分析装置について説明する。このグロー放電発光分光分析装置は、図１に示すように、グロー放電を利用したスパッタリングにより試料５中に存在する元素が固有の波長の光Ｌを発生するグロー放電管１０を備え、グロー放電管１０から放射されて、その窓板１３を透過した光Ｌが入射する分光器１５を備えている。分光器１５は、入射スリット１４、この入射スリット１４から入射した光Ｌを波長に応じて異なった回折角度で回折する回折格子１６、回折光を通過させる出射スリット１７および回折光の強度を測定する光電子増倍管１８を備えている。

図２は図１のグロー放電発光分光分析装置におけるグロー放電管１０の一例を示す。図２において、このグロー放電管１０は、共に銅のような導電性材料からなる陽極ブロック１と分析面陰極２とが、樹脂やセラミックのような絶縁物からなる絶縁ブロック３を介して接合されている。陽極ブロック１には陽極管１ｄが一体形成されており、この陽極管１ｄは、絶縁ブロック３を挿通し、分析面陰極２の中心孔２ａから試料５の分析対象面５ａを臨んでいる。試料５は、その分析面５ｂにおける分析対象面５ａを囲むことのできる環状形状となったＯリングのようなシール部材６を介して、試料ホルダを兼ねる背面陰極７により分析面陰極２に気密状態で押し付けられている。試料５は分析面５ｂの分析対象面５ａ以外の領域で分析面陰極２に当接する。

このグロー放電管１０は、陽極管１ｄと一体である陽極ブロック１と、分析面陰極２および背面陰極７との間に給電手段である高周波電源８により高周波の高電圧を印加し、つまり陽極管１ｄと、試料５の分析面５ｂおよび分析面５ｂの反対側である背面５ｃとの間に高周波の高電圧を印加し、グロー放電の発生により生成されるアルゴンの陽イオンを試料５の分析対象面５ａに衝突させて、試料５をスパッタリングする。分析面陰極２と背面陰極７には同一電圧が印加される。なお、分析面陰極２は全体が、導電性の材料で構成されてもよく、また図３に示すようにポリイミドのような絶縁性材料で構成された陰極支持板２ｃの中心孔２ａに沿って導電性の環状の陰極２ｂが埋設されていてもよい。

つぎに、第１実施形態のグロー放電発光分光分析装置を用いる分析方法について説明する。試料５は、例えば絶縁性物品であるガラス板であり、図２に示すようにＯリングのようなシール部材６を介して、試料ホルダを兼ねる背面陰極７により分析面陰極２に気密状態で押し付けられている。試料５は分析面５ｂの分析対象面５ａ以外の領域で分析面陰極２に当接する。陽極管１ｄと、分析面陰極２および背面陰極７との間に、高周波電源８により高周波電圧が印加されると、試料５が陰極２、７とほぼ同電位になり、放電ガスとして流されているアルゴンガスによりグロー放電を生じ、アルゴンの陽イオンが生成される。このグロー放電で生じたプラズマにより、試料５に負の自己バイアス電圧がかかる。その結果、生成されたＡｒイオンは、負電位にある試料５の分析対象面５ａに衝突して、この分析対象面５ａをスパッタリングする。それにより、試料５の分析対象面５ａからたたき出された原子は、Ａｒイオンまたは電子によって励起され、再び基底状態に戻る際に元素固有の光を放射する。

図１に示すように、この試料５からの光Ｌが窓板１３を透過し、入射スリット１４を通り、分光器１５の回析格子１６で分光され、出射スリット１７を通って、試料５から放射される元素固有の光を測定するように配置されたそれぞれの光電子増倍管１８に入射して光強度が測定される。各光電子増倍管１８によって測定された光強度に応じて特定元素の試料５の深さ方向の元素分布を測定する。または、各光電子増倍管１８によって測定された光強度に応じて試料５中の特定元素の含有量を定量する。

第１実施形態のグロー放電発光分光分析装置によれば、陽極管１ｄと、試料５の分析面５ｂおよび試料の分析面の反対側である背面５ｃの両方の面との間に電圧が印加されるので、試料５が容易に陰極２、７と同電位になり正常なグロー放電を生じ、分析対象面５ａが均一にスパッタリングされ、従来のグロー放電発光分光分析装置では分析できなかった試料、例えばガラス板などの絶縁性物品を容易に分析することができる。なお、試料は絶縁物そのものに限らず、従来のグロー放電発光分光分析装置では分析対象面５ａが均一にスパッタリングされなかった、半導体、および母材が絶縁物である、導体膜が表面に形成された絶縁性物品、導体膜が基板中に成膜されたガラス基板、さらにこの基板の表面に導体膜が成膜されたガラス基板なども容易に分析することができる。本願において絶縁性物品とは、絶縁物そのものに限らず母材が絶縁物である物品のことを言う。

以下、本発明の第２実施形態のグロー放電発光分光分析装置について説明する。この実施形態のグロー放電発光分光分析装置は、第１実施形態のグロー放電発光分光分析装置とグロー放電管が異なるだけであるので、異なる構成について図４を用いて以下に説明する。

図４はグロー放電管３０の一例を示す。このグロー放電管３０は、陽極管１ｄが一体形成された陽極ブロック１、分析面陰極２、絶縁ブロック３などの構造は第１実施形態と同様であるが、試料５は、その分析面５ｂにおける分析対象面５ａを囲むことのできる環状形状となったＯリングのようなシール部材６を介して、陰極を兼ねていない試料ホルダ３７により分析面陰極２に気密状態で押し付けられており、試料５の側面５ｄに側面陰極３２が当接している。図５（ａ）〜（ｃ）の側面陰極の各配置図に示すように側面陰極３２は試料５を挟んで試料５の側面５ｄに均等に分布するように配置されるのが好ましい。

このグロー放電管３０は、陽極管１ｄと一体である陽極ブロック１と、分析面陰極２および側面陰極３２との間に給電手段である高周波電源８により高周波の高電圧が印加される。例えば銅からなる分析面陰極２および側面陰極３２を通じ試料５の分析面５ｂおよび試料５の側面５ｄと陽極管１ｄとの間に電圧が印加されるとグロー放電が発生し、放電ガスのアルゴンの陽イオンが試料５の分析対象面５ａに衝突して試料５をスパッタリングする。分析面陰極２と側面陰極３２には同一電圧が印加される。

本発明の第２実施形態によれば、陽極管１ｄと、試料５の分析面５ｂおよび試料５の側面５ｄの両方の面との間に電圧が印加されるので、試料５が容易に陰極２、３２と同電位になり、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

以下、本発明の第３実施形態のグロー放電発光分光分析装置について説明する。この実施形態のグロー放電発光分光分析装置は、第１実施形態のグロー放電発光分光分析装置とグロー放電管が異なるだけであるので、異なる構成について図６を用いて以下に説明する。

図６はグロー放電管５０の一例を示す。このグロー放電管５０は、陽極管１ｄが一体形成された陽極ブロック１および絶縁ブロック３は第１実施形態と、側面電極３２は第２実施形態と同様で、試料５は、その分析面５ｂにおける分析対象面５ａを囲むことのできる環状形状となったＯリングのようなシール部材６を介して、試料ホルダを兼ねる背面陰極７により絶縁性材料で形成された支持ブロック５２に気密状態で押し付けられており、試料５の側面５ｄに側面陰極３２が当接している。

このグロー放電管５０は、陽極管１ｄと一体である陽極ブロック１と、背面陰極７および側面陰極３２との間に給電手段である高周波電源８により高周波の高電圧が印加される。例えば銅からなる背面陰極７および側面陰極３２を通じ試料５の側面５ｄおよび試料５の背面５ｃと陽極管１ｄとの間に電圧が印加されるとグロー放電が発生し、放電ガスのアルゴンの陽イオンが試料５の分析対象面５ａに衝突して試料５をスパッタリングする。背面陰極７と側面陰極３２には同一電圧が印加される。

本発明の第３実施形態によれば、陽極管１ｄと、試料５の側面５ｄおよび試料５の背面５ｃの両方の面との間に電圧が印加されるので、試料５が容易に陰極７、３２と同電位になり、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

以下、本発明の第４実施形態のグロー放電発光分光分析装置について説明する。この実施形態のグロー放電発光分光分析装置は、第１実施形態のグロー放電発光分光分析装置とグロー放電管が異なるだけであるので、異なる構成について図７を用いて以下に説明する。

図７はグロー放電管７０の一例を示す。このグロー放電管７０は、第１実施形態と同様の陽極管１ｄ、分析面陰極２、背面陰極７および第２実施形態と同様の側面電極３２を有しており、試料５は、その分析面５ｂにおける分析対象面５ａを囲むことのできる環状形状となったＯリングのようなシール部材６を介して、試料ホルダを兼ねる背面陰極７により分析面陰極２に気密状態で押し付けられており、試料５の側面５ｄに側面陰極３２が当接している。

このグロー放電管７０は、陽極管１ｄと一体である陽極ブロック１と、分析面陰極２、背面陰極７および側面陰極３２との間に給電手段である高周波電源８により高周波の高電圧が印加される。例えば銅からなる分析面陰極２、背面陰極７および側面陰極３２を通じ試料５の分析面５ｂ、試料５の背面５ｃおよび試料５の側面５ｄと陽極管１ｄとの間に電圧が印加されるとグロー放電が発生し、放電ガスのアルゴンの陽イオンが試料５の分析対象面５ａに衝突して試料５をスパッタリングする。分析面陰極２、背面陰極７および側面陰極３２には同一電圧が印加される。

本発明の第４実施形態によれば、陽極管１ｄと、試料５の分析面５ｂ、試料５の側面５ｄおよび試料５の背面５ｃの三方の面との間に電圧が印加されるので、試料５が容易に陰極２、７、３２と同電位になり、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

第１〜第４の実施形態では、グロー放電発光分光分析装置の給電手段８として高周波電源を用いたが、本発明のグロー放電発光分光分析装置の給電手段８としては直流電源方式または高周波電源方式のどちらであってもよい。試料５がより絶縁性の高い絶縁性物品であれば、給電手段８としては高周波電源が好ましい。

１ 陽極ブロック
１ｄ 陽極管
２ 分析面陰極
５ 試料
５ｂ 試料の分析面
５ｃ 試料の背面
５ｄ 試料の側面
７ 背面陰極
８ 給電手段（高周波電源）
３２ 側面陰極

Claims (3)

1. 陽極管と、
   前記陽極管に対向する側である試料の分析面に当接する分析面陰極、試料の分析面の反対側である背面に当接する背面陰極、および試料の側面に当接する側面陰極のうちの少なくとも２つの陰極と、
   前記陽極管と前記少なくとも２つの陰極との間に電圧を印加する給電手段と、
   を備えたグロー放電発光分光分析装置。
2. 請求項１において、前記給電手段が高周波電源であるグロー放電発光分光分析装置。
3. 請求項１に記載のグロー放電発光分光分析装置を用いて、絶縁性物品である試料を分析するグロー放電発光分光分析方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
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