JP2015046305A - 中性粒子質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポストイオン化効率を向上させつつ、二次イオンのバックグラウンドを低減させた中性粒子質量分析装置を提供する。
【解決手段】中性粒子質量分析装置は、試料台１０とイオンビーム源２０とメッシュ電極３０とレーザ光源４０と制御部５０と分析部６０とからなる。メッシュ電極３０は、試料から放出される試料由来の粒子のうち、二次イオンを試料側に押し戻す。レーザ光源４０は、試料台１０とメッシュ電極３０との間で試料台の表面に平行にレーザ光を照射可能なものであり、試料由来の粒子をイオン化する。制御部５０は、メッシュ電極電位を二次イオンを押し戻し可能な電位に設定した状態でイオンビームを照射後、所定の時間後にメッシュ電極電位を反転させると共に、レーザ光を照射するように制御する。分析部６０は、レーザ光源からのレーザ光によりイオン化される試料を質量分析する。
【選択図】図１

Description

本発明は中性粒子質量分析装置に関し、特に、試料をスパッタし試料由来の粒子をイオン化して質量分析する中性粒子質量分析装置に関する。

中性粒子質量分析装置（ＳＮＭＳ装置）は、イオンビームを試料表面に照射することでスパッタし、この際に放出される試料由来の粒子のうち、中性の原子や分子に対してレーザを照射することで光吸収等によりイオン化してポストイオンを生成させ、質量分析するものである。スパッタにより最初からイオンとして放出される二次イオンを分析する二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ装置）に比べて、中性粒子質量分析装置は定量性が良く、分析対象物質によっては感度も高いことが知られている。

ここで、中性粒子質量分析装置は、スパッタにより最初からイオンとして放出される二次イオンに由来する信号（ＳＩＭＳ信号）を適切に除去しなければ、それがバックグラウンドノイズとなり実質的な感度が低くなってしまうという問題がある。

このようなＳＩＭＳ信号を除去する従来技術としては、二次イオンとポストイオンの運動エネルギの差異を利用する方法と、ポストイオン化前の電気的に中性な性質を利用する方法とが存在する。前者としては、例えば静電反射器（リフレクトロン）によるエネルギ分離法が古くから知られている。また、特許文献１に開示のような、試料上空付近で静電シャッタを用いて分離するものもある。

また、後者としては、特許文献２に開示のような、二次イオンを電荷を与えた押し戻し電極により折り返させ、電界に影響を受けず通過した中性原子や中性分子に対してレーザを照射することでイオン化するものがある。

特開平５−０６２６４３号公報 特開平４−１３８６４９号公報

しかしながら、静電反射器によるエネルギ分離法については、一般的に二次イオンとポストイオンのエネルギ差が小さいため、分離度合いは必ずしも良いものではなかった。また、特許文献１の技術は、静電シャッタまでの短い距離においても、イオンの質量の違いによる到達時間差がある為、特定の質量範囲にのみ効果が限定されるものであった。そして、特許文献２の技術は、押し戻し電極を通過した中性原子や中性分子に対してレーザを照射しているため、試料表面から大きく離れ、粒子密度が希薄な位置でイオン化することになるため、ポストイオン化の効率が低下してしまっていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、ポストイオン化効率を向上させつつ、二次イオンのバックグラウンドを低減させ実質的な感度を向上させた中性粒子質量分析装置を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による中性粒子質量分析装置は、真空チャンバ内に提供され試料が配置される試料台と、試料台に配置される試料をスパッタするためにイオンビームを照射するイオンビーム源と、イオンビーム源からのイオンビームによりスパッタされることで試料から放出される試料由来の粒子のうち、二次イオンを試料側に押し戻すためのメッシュ電極と、試料台とメッシュ電極との間で試料台の表面に平行にレーザ光を照射可能なレーザ光源であって、試料由来の粒子にレーザ光を照射し、試料由来の粒子をイオン化するレーザ光源と、イオンビーム源のイオンビーム照射タイミング制御と、メッシュ電極の電位制御と、レーザ光源のレーザ光照射タイミング制御とを行う制御部であって、メッシュ電極電位を二次イオンを押し戻し可能な電位に設定した状態でイオンビームを照射後、所定の時間後にメッシュ電極電位を反転させると共に、レーザ光を照射するように制御する制御部と、レーザ光源からのレーザ光によりイオン化される試料を質量分析する分析部と、を具備するものである。

ここで、メッシュ電極は、試料台と分析部との間に着脱自在に構成されても良い。

さらに、分析部のメッシュ電極側に、イオン化される試料を分析部に引き込むための引き込み電極を有し、該引き込み電極は、イオン化される試料を引き込み可能な電位に設定されれば良い。

ここで、引き込み電極は、イオン化される試料がメッシュ電極側から分析部に引き込まれるような電位勾配となるように電位が設定されれば良い。

本発明の中性粒子質量分析装置には、ポストイオン化効率を向上させつつ、二次イオンのバックグラウンドを低減させ実質的な感度を向上可能であるという利点がある。

図１は、本発明の中性粒子質量分析装置の構成を説明するための概略ブロック図である。 図２は、本発明の中性粒子質量分析装置の制御部によるイオンビーム照射とメッシュ電極電位とレーザ光照射のタイミングチャートである。 図３は、本発明の中性粒子質量分析装置とメッシュ電極を有さない従来例とを比較するための分析結果である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の中性粒子質量分析装置の構成を説明するための概略ブロック図である。本発明の中性粒子質量分析装置は、試料をイオン化してその質量を分析するものであり、図示の通り、試料台１０と、イオンビーム源２０と、メッシュ電極３０と、レーザ光源４０と、制御部５０と、分析部６０とから主に構成されている。

試料台１０には分析対象の試料が配置されている。試料台１０は、ターゲットとなる試料へのイオンビーム照射位置を適宜調整可能なマニピュレータを有していることが好ましい。また、試料台１０は真空チャンバ内に提供され、真空状態に置かれる。

イオンビーム源２０は、試料台１０に配置される試料をスパッタするためにイオンビームを照射するものである。イオンビーム源２０としては、試料から原子や分子が放出されるビームであれば良く、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置等、一般に入手可能なものを用いることができる。例えば、液体金属のガリウムイオン源からイオンビームを取り出し、集束させた上で、ナノスケールの精度で試料にパルス状に照射させれば良い。イオンビーム源２０により試料台１０に配置される試料にイオンビームを照射すると、試料から試料由来の粒子が放出される。

メッシュ電極３０は、本発明の最も特徴的な構成要素であり、イオンビーム源２０からのイオンビームによりスパッタされることで試料から放出される試料由来の粒子のうち、二次イオンを試料側に押し戻すために用いられる。即ち、メッシュ電極３０は、二次イオンを静電的に押し戻すように、二次イオンの荷電と同極の電位の高電圧が印加される。ここで、後述するように、メッシュ電極３０は、その電位が二次イオンを押し戻し可能な電位と、これを反転させて引き込み可能な電位とを切り替えるように制御される。具体的には、メッシュ電極３０には高電圧源３１が接続される。高電圧源３１は、正負のパルス電圧を所定のタイミングで印加可能なものである。制御部５０の制御信号によりパルスタイミングが制御され、メッシュ電極３０が所定の電位となるように構成されている。

ここで、メッシュ電極３０は、網目状の電極であるが、開口率（メッシュ電極の全面積に対する開口部の割合）が高いことが好ましい。開口率が高いほど、発生したイオンが効率良くメッシュ電極３０を通過できる。例えば、９０％の開口率のメッシュ電極を用いることが可能である。開口率を上げるために目を粗くし過ぎると、メッシュ電極により生ずる電界が歪んでしまう。逆に、開口率が低いと、ポストイオンが通過できない割合が増えてしまう。したがって、目を細かく細くして開口率を上げることが好ましい。また、メッシュ電極３０の材料は、導電性を有すれば良く、例えば銅やアルミニウム、タングステン等、加工が容易で薄膜状に形成可能なものであれば良い。なお、メッシュ電極３０は、試料に対して電界が均一に印加できるように、円形又は六角形等の細かい穴を金属平板にパンチングにより形成したものであれば良い。

また、試料表面に近いほど試料由来の粒子が拡散する前に効率良く後述のレーザ光源４０のレーザ光を照射できるため、メッシュ電極３０はなるべく試料表面に近い位置に配置されることが好ましい。但し、後述のようにレーザ光を試料台１０とメッシュ電極３０との間に通さなければいけないため、レーザ光が通る程度の高さにメッシュ電極３０が配置されれば良い、例えば、試料台１０表面とメッシュ電極３０との間の距離は、２ｍｍ〜５ｍｍ程度であれば良い。なお、この距離は、後述の分析部６０への引き込み電極が試料台１０表面からどの程度の距離に設置されているかに依存する。

レーザ光源４０は、試料台１０とメッシュ電極３０との間で試料台１０の表面に平行にレーザ光を照射可能なものである。レーザ光源４０により試料由来の粒子にレーザ光を照射し、試料由来の粒子をポストイオン化する。イオンビーム源２０からのイオンビームにより放出される試料由来の粒子は、等方的ではないが散逸して飛んでいく。これは、概ね距離の２乗に比例して密度が低下すると考えられる。したがって、レーザ光源４０のレーザ光は、試料台の表面近くに照射することで、効率良く試料由来の粒子をイオン化することができる。例えば、レーザ光と試料台表面の間隔は、１ｍｍ程度であれば良い。これにより、試料台１０とメッシュ電極３０との間にレーザ光を照射可能となる。そして、レーザ光源４０からのレーザ光の波長は、試料由来の粒子が吸収可能な波長であれば良く、例えば紫外から赤外領域であれば良い。例えば、レーザ光源４０としては、紫外線レーザ発生装置を用いることが可能であり、紫外光域のレーザ光をパルス状に照射できるものであれば良い。

制御部５０は、イオンビーム源２０のイオンビーム照射タイミング制御と、メッシュ電極３０の電位制御と、レーザ光源４０のレーザ光照射タイミング制御とを行うものである。制御部５０は、まず、メッシュ電極３０の電位を二次イオンを押し戻し可能な電位に設定した状態でイオンビーム源２０からイオンビームを照射するよう制御する。そして、所定の時間後にメッシュ電極電位を反転させると共に、レーザ光源４０からレーザ光を照射するように制御する。

図２に、本発明の中性粒子質量分析装置の制御部によるイオンビーム照射とメッシュ電極電位とレーザ光照射のタイミングチャートを示す。イオンビーム源２０のイオンビーム照射タイミングは、イオンビームがパルス状に照射されるように、所定時間ＯＮ状態とする。メッシュ電極３０は、二次イオンに対しては押し戻すように作用し、中性粒子に対してはポストイオン化後に引き込み電極として作用するように、その電位の極性を切り替えるように制御する。例えば、図２の例では、正イオンを検出するために、まず正電位の状態としておき、イオンビームパルスによりスパッタされて放出される正極の二次イオンを静電的に試料側に押し戻す。なお、このメッシュ電極３０の正電位は、イオンビームパルス照射時には印加せず、イオンビームパルス照射後速やかに印加するように制御しても良い。そして、イオンビームパルスを照射後、所定の時間後にメッシュ電極電位を負電位に反転させる。この所定時間は、試料がスパッタされて試料由来の粒子が放出されメッシュ電極３０に到達する時間よりも短い時間である。また、一旦放出された二次イオンが押し戻されるまでの時間よりも長い時間である。そして、二次イオンが押し戻された後に、メッシュ電極電位を負電位に反転させ、その後レーザ光がパルス状に照射されるように、所定時間ＯＮ状態とされる。このレーザパルスにより中性粒子が正極にポストイオン化される。これにより、負電位のメッシュ電極３０側にポストイオンが引き込まれ、光励起イオンのみを分析部６０に導くことが可能となる。ポストイオン化時にはメッシュ電極３０による押し戻し電界が無いため、原理的には押し戻し電界による検出信号強度への低下は一切起こらない。

このようにポストイオン化された試料由来の粒子が、分析部６０により分析される。分析部６０は、レーザ光源４０からのレーザ光によりイオン化された試料を質量分析するものである。分析部６０は、例えばセクター磁場型質量分析装置、飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦ−ＭＳ）、四重極型質量分析装置（ＱＭＳ）等、種々の装置が適用可能である。分析部６０には、例えば分析部先端、即ち、メッシュ電極側に、イオン化される試料を分析部６０に引き込むための引き込み電極６１が設けられる。そして、この引き込み電極６１は、イオン化された試料を引き込み可能な電位に設定されれば良い。例えば、正極にイオン化されたポストイオンに対して、負電位の引き込み電界とすることで、分析部６０にポストイオンを引き込む。なお、引き込み電極６１は定電位であっても良いし、二次イオンを確実に押し戻すように、メッシュ電極３０と同様のタイミングで正負電位制御されても良い。ここで、本発明の中性粒子質量分析装置では、分析部への引き込み段階ではメッシュ電極も同じ引き込み電界となっているため、分析部６０の引き込み電極６１は、イオン化される試料がメッシュ電極３０側から分析部６０に引き込まれるような電位勾配となるように、その電位が適宜設定されれば良い。

ここで、本発明の中性粒子質量分析装置と、メッシュ電極を有さない場合の中性粒子質量分析装置とを比較するための分析結果を図３に示す。図３は、本発明の中性粒子質量分析装置とメッシュ電極を有さない従来例とを比較するための分析結果であり、図３（ａ）が本発明のイオン化スペクトルであり、図３（ｂ）が従来例のイオン化スペクトルである。なお、ここでいう従来例は、メッシュ電極を有さないものであり、分析部の引き込み電極を用いてこの電位を反転させて二次イオンに印加することで二次イオンを押し戻そうとしたものである。また、試料としては、一般的な金属材料、具体的にはインジウムを用いた。

図３から分かる通り、従来例では所定のタイミングで押し戻し電界を印加しているにも関わらず、明らかに二次イオン信号が残存している。これに対して、本発明の中性粒子質量分析装置では、二次イオン信号は無視できるほど減衰していることが分かる。これは、本発明の中性粒子質量分析装置のメッシュ電極により、ポストイオン化効率を向上させつつ、二次イオンのバックグラウンドを低減させ実質的な感度が向上したことに他ならない。

なお、ここでいう従来例では、図３に示される程度の二次イオンを押し戻す効果を得るために、押し戻し電極には１０００Ｖ〜２０００Ｖ程度の高電圧を印加する必要があったが、本発明の中性粒子質量分析装置では、メッシュ電極には１００Ｖ〜４００Ｖ程度の電圧の印加で十分な効果が得られた。したがって、機器の複雑化や高コスト化を避けることもできる。

このように、本発明の中性粒子質量分析装置は、ポストイオン化効率を向上させつつ、二次イオンのバックグラウンドを低減させ実質的な感度を向上させた質量分析が可能となる。

ここで、メッシュ電極３０は、試料台１０と分析部６０との間に着脱自在に構成されても良い。メッシュ電極３０は薄膜構造であり、試料台１０と分析部６０の間で適切に設置したり退避させたりすることが可能とである。例えば、スライド機構等を設けることで、メッシュ電極３０を着脱自在とし、中性粒子質量分析にも二次イオン質量分析にも用いることが可能となる。これにより、より汎用性が高いものとなる。

なお、本発明の中性粒子質量分析装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１０ 試料台
２０ イオンビーム源
３０ メッシュ電極
３１ 高電圧源
４０ レーザ光源
５０ 制御部
６０ 分析部
６１ 引き込み電極

Claims (4)

1. 試料をイオン化してその質量を分析する中性粒子質量分析装置であって、該中性粒子質量分析装置は、
   真空チャンバ内に提供され試料が配置される試料台と、
   前記試料台に配置される試料をスパッタするためにイオンビームを照射するイオンビーム源と、
   イオンビーム源からのイオンビームによりスパッタされることで試料から放出される試料由来の粒子のうち、二次イオンを試料側に押し戻すためのメッシュ電極と、
   前記試料台とメッシュ電極との間で前記試料台の表面に平行にレーザ光を照射可能なレーザ光源であって、試料由来の粒子にレーザ光を照射し、試料由来の粒子をイオン化するレーザ光源と、
   イオンビーム源のイオンビーム照射タイミング制御と、メッシュ電極の電位制御と、レーザ光源のレーザ光照射タイミング制御とを行う制御部であって、メッシュ電極電位を二次イオンを押し戻し可能な電位に設定した状態でイオンビームを照射後、所定の時間後にメッシュ電極電位を反転させると共に、レーザ光を照射するように制御する制御部と、
   前記レーザ光源からのレーザ光によりイオン化される試料を質量分析する分析部と、
   を具備することを特徴とする中性粒子質量分析装置。
2. 請求項１に記載の中性粒子質量分析装置において、前記メッシュ電極は、試料台と分析部との間に着脱自在に構成されることを特徴とする中性粒子質量分析装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の中性粒子質量分析装置であって、さらに、前記分析部のメッシュ電極側に、イオン化される試料を分析部に引き込むための引き込み電極を有し、該引き込み電極は、イオン化される試料を引き込み可能な電位に設定されることを特徴とする中性粒子質量分析装置。
4. 請求項３に記載の中性粒子質量分析装置において、前記引き込み電極は、イオン化される試料がメッシュ電極側から分析部に引き込まれるような電位勾配となるように電位が設定されることを特徴とする中性粒子質量分析装置。