JP3643917B2 - Microscopic laser mass spectrometer - Google Patents

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JP3643917B2
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Description

【0001】
【発明の属する利用分野】
本発明は、試料上の特定箇所の物質を分析する顕微レーザ質量分析計に関するもので、特に半導体、液晶デイスプレイ、メモリデイスク、回路基板などにおける微小領域高感度、高分解能で分析する顕微レーザ質量分析計に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の顕微レーザ質量分析計は、特開昭63−146339号公報に記載のように、図12に示す系統図のようになっていた。図12にて、1は質量分析部、2は試料、6はレーザ光源、14,16はダイクロイックミラー、22は集光レンズ、24はイオン引き出し電極、34はイオン検出器である。レーザ光源6から発生したレーザ光はダイクロイックミラー14,16を経て集光レンズ22と反射レンズ24とにより、試料2上に集光される。このレーザ光で励起された原子または分子イオンは、引き出し電極28により加速され、反射ミラー24の中央に設けたイオン通過孔24aを通り、質量分析部1で質量分析される。
【0003】
従来の技術では、通常、レーザ光源6と集光レンズ22とが質量分析計とは別に外設されており、レーザ光源6から発生させたレーザ光6を集光レンズ22で集光し試料2に照射するためには、反射ミラー24が必要となり、しかも、反射ミラー24の位置が集光レンズ22との間にあるため、開口数(Numerical Aperture、以下N.A.という)の大なるレンズを用いるのに制約があった。そのため、試料2を顕微鏡のように精度よく観察することや試料上の特定の場所にレーザ光を小さく絞ることが十分できなかった。
【0004】
また、従来技術では、試料で生成した原子、分子イオンは、引き出し電極28で加速されて反射ミラー24のイオン通過孔24aを通過して検出器34に入射するようになっているが、生成イオンが、通過孔24aに収束して、ミラー24を通過させることに対して配慮が十分でなかった。
【0005】
前記イオンが、反射ミラー24に衝突して大部分が失われて感度が低下することに対する検討が不十分であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の顕微レーザ質量分析計では、以上に説明した如く、試料と集光レンズとの間に反射鏡が配置され、試料と集光レンズとの間の光路が長いため、集光レンズのN.A.はどうしても小さく、かつ焦点距離が長いレンズ系を用いなければならなかった。
レーザ光を小さく絞って観察像の解像度を上げるにはN.A.が大きく、レンズの焦点距離が短いものを用いる必要が有る。
このため、従来例のように試料と集光レンズとの間に反射鏡が配置されていては、レーザ光を小さく絞ることや、観察像の解像度を上げることができなかった。
N.A.が大きく焦点距離が短いレンズとしては顕微鏡で使われる対物レンズが有る。かかるレンズを用いることによりレーザ光を小さく絞る事ができ、分解能の高い良好な観察像を得ることが出来る。
ところが、レーザ光を照射して試料から生じた原子、分子イオンは光と異なり対物レンズを透過することができない。
このため、レンズの中央に孔を開けてイオンを通過させるように工夫する必要が有る。またレーザ質量分析計で分析するに必要な速度に原子、分子イオンを加速できるように工夫する必要が有る。また、このレンズ系に開けた孔を通過する際に壁などに衝突してイオン粒子が失われないように工夫する必要が有る。
【0007】
本発明はかかる課題を解決することにより、レーザ光を小さく絞る事ができ、試料の測定部を十分な解像度で観察できるようになり、また観察した特定の位置で発生した原子、分子イオン粒子を高感度で質量分析できる装置を提供出来るようにすることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の顕微レーザ質量分析計は、試料を搭載したステージと、前記試料の表面にレーザ光を照射する光学系と、前記レーザ光の照射によって試料表面から気化した原子イオンまたは分子イオンを検出するイオン検出器とを備えた顕微レーザ質量分析計において、
前記光学系は、原子イオンまたは分子イオンを通過させる孔が光軸の中心に開けられたレンズと、上記の孔の中に配置されたイオン制御複合電極構造体とを具備しており、
上記イオン制御複合電極構造体は、導電性の外管と、電気絶縁性の中管と、導電性の内管とからなる3重管状の部材を有しており、かつ、この3重管状の部材よりも試料側に位置せしめてこれと別体に、光軸と同心の管状をなす先端部電極が設けられてなり、
さらに、前記試料と前記先端部電極との間に、光軸と同心の孔を有する導電体膜からなる引き出し電極が配置されていることを特徴とする顕微レーザ質量分析計。
【0009】
【発明の実施の形態】
N.A.が大きく焦点距離が短いレンズとしては、顕微鏡で使われる対物レンズが従来からある。しかしレンズの口径は小さく中央にイオン粒子を通す大きな孔を開ける事は出来ない。孔を開けると像の解像度を悪くし、また、レーザ光を小さく集光することができないので、かかる影響がなく開けるには、孔は非常に小さい孔となる。本発明では顕微鏡の対物レンズを解像度、分解能を低下させることなく出来るだけ大きく作り、このレンズの光軸の中心に原子、分子イオン粒子を通す孔を出来るだけ小さく開けることにした。そして、この孔の中を原子、分子イオンが通過出来る様にするためのイオン透過パイプ電極を形成することにした。
【0010】
レーザ光の励起により生成した原子、分子イオン粒子は、出来だけ短い時間で高電圧で高速に加速する必要がある。
また、高速に加速されたイオン粒子が「レンズに開けられた孔の壁」に衝突して損失を生じることの無いように、該孔を通過させる必要が有る。
このためには、粒子イオンが壁に衝突しないような電圧を印加し、好ましくは孔の中央を通過出来るような電圧を印加しておくようにした。さらに好ましくは、ある特定の箇所にイオンを収束出来る様な電極群からなる構造体を設ける事が好ましい。
上記の構造体として、3群の電極からなるアインツェルレンズが従来から使われている。本発明ではかかるアインツェルレンズを出来るだけ小さく作り、顕微鏡対物レンズの中央に開けた孔に入れる事にした。
【0011】
ところが、高解像度の対物レンズは複数枚のレンズで構成されていて、試料に近い側のレンズ程小さいので、大きい孔を開けることができない。
このため、前記のイオンを収束させるための構造体の先端部はできるだけ単純な形状であるパイプ状とした。
対物レンズの中央部は、先端部に比して大きい孔を開ける事が出来るので、この中央部にアインツェルレンズ電極構造体をセットすることにした。
【0012】
このような光学系はレーザ光を顕微鏡の対物レンズにより試料表面に絞り込み照射することにより試料表面上に対物レンズの開口数N.A.と波長できまる回折限界まで微小に絞り込む事ができる。
【0013】
この結果試料表面上に特定の微小な箇所を選択的に選んで試料から光学系の原子、分子イオンを発生させることが容易にできる。顕微鏡用の対物レンズを用いることにより大きな開口数で、しかも光学系の収差を小さく保って、よりスポットサイズの小さな照射を可能にし微細な領域を選択的に光学系の原子、分子イオンを発生させることができる。しかも、レンズの先端に孔を開けこの孔を通して原子、分子イオン粒子を分析計へと導く事により分析可能である。
【0014】
(集光径)=1.22×(波長)/(N.A.) …(1)
対物レンズの中心に開けた孔に、導電性のパイプを設け、試料とこのパイプとの間に高電圧を加えることによりイオンを取り込む。
【0015】
また、このパイプと試料との間に導電性の光透過膜をコートしたカバーガラスを設け、このカバーガラスに電圧を加えてイオン引き出し電極とすることによって、試料と引き出し電極との間隔を短くでき、イオン取り込み効率をよくする。
【0016】
対物レンズの先端部は出来るだけ単純な構造体のパイプ構造とし、対物レンズの中央部の先端より少し大きく孔が開ける事が出来るレンズの後方部にアインツェルレンズを含む電極構造体をセットする。これによりイオンビームを収束させる。
【0017】
この電極構造体は、もっとも内側に上、中、下の3つの導電性パイプを互いに絶縁体を挟んで並べたアインツェルレンズを組み、このアインツェルレンズの外側を絶縁性の中間パイプで囲い、さらにその外側を導電性の外側パイプで覆う。この外側パイプにシールド電圧をかけることにより、アインツェルレンズ内部の電場の乱れを防ぎ、イオン軌道が軸対象になるようにする。
【0018】
また、絶縁体及び中間パイプは、ポリイミドで製作することにより、電極間のスペースが狭くても絶縁耐圧を高くでき、対物レンズ内の狭いスペースにも電極構造体を組み込むことを可能にする。
【0019】
また、本複合電極構造体の製作にあたり、上記の外側のパイプは上、下2つのパイプに分割しておき、2つのパイプの間にアインツェルレンズへの配線を通すことにより、アインツェルレンズ周辺から配線をなくし、電場の乱れを防ぐ。
【0020】
図1は、本発明の一実施例に係る質量分析計の概要的な構成図である。
1は質量分析部、2は試料、6a,6bはレーザ光源、7a,7bはレーザ光、8は観察照明光、10はTVカメラ、15はカメラレンズ、14,16は光反射ミラー、17は光路、19は真空容器、21はイオンビーム、22は対物レンズ、26は試料台、30はイオンリフレクタ、34はイオン検出器である。
この図1の縮尺では、対物レンズ22内に配置されているイオン電極複合体や、該イオン電極複合体と試料台26との間に配置されている引き出し電極は描写できないが、これらの部材については後に図4を参照して説明する。
【0021】
質量分析時にはレーザ光源6aからのレーザ光7aを対物レンズ22により試料2の中央部に集光させる。これにより励起されたイオンビーム21は質量分析部1に入射する。イオンビーム21はイオンリフレクタ30で反射されてイオン検出器34に入射する。レーザ光7を照射してからイオンがイオン検出器34に到達するまでの時間を測定することによって、イオンの飛行時間が判る。これにより、イオンの質量が分析できた。
【0022】
また、試料観察時には観察照明用光源8からの光を対物レンズ22により試料上に入射させる。これによる試料の像をTVカメラ10により観察する。
【0023】
本実施例では、対物レンズ22はカセグレン型の、倍率が36倍、N.A.が0.5のものを用いた。これの中央に、孔を開けてイオン電極構造体を取り付けた。レーザ光7aはYAGレーザの355nmを用いたとき、数式(1)によりスポット径は0.8μmに絞ることができた。このように本発明によれば、対物レンズのN.A.を大きくでき、レーザ光を微小径に絞ることができた。
【0024】
また、本実施例のイオン電極構造体を図4に示した。2は試料、28は引き出し電極、29a,29b,29cはそれぞれ上電極、中電極、下電極、29dは先端部電極である。各部の寸法は図中に示した。このように先端部で細く、後方で太い電極構造体とすることによって、先端部が入射光を遮る面積を小さくできた。また、この電極構造体と試料2との間に、中央に孔を開けたカバーガラスに導電体膜を成膜して作成した引き出し電極28を設けた。この導電体膜は、入射光が透過するような厚さとした。これにより、入射光のN.A.を制限することなく引き出し電極を試料の近傍に設けることができ、試料からの出射イオンを大きな加速度で引き出すことができた。
【0025】
試料2、引き出し電極28、先端部電極29d、下電極29c、中電極29bおよび上電極29aの電位は、それぞれ、0V,−3000V,−3000V,−3000V,−8000V,−3000Vとした。試料2から出射したイオンは、試料2と引き出し電極28との間の電場により、引き出し電極28の孔の中に引き込まれる。引き出し電極28、先端部電極29d及び下電極29cは等電位であるので、この間ではイオンは加速されず、直進する。本実施例では、イオンを3000eVの大きな加速度で引き出しておくことにより、中心軸に沿った速度成分に比べて、中心軸から遠ざかる速度成分を小さくできた。これにより、イオンが電極の壁に衝突して感度が低下するのを防ぐことができた。先端部電極29dを通過した後のイオンは、下電極29c,中電極29b及び上電極29aからなるアインツェルレンズにより集束させた。
【0026】
図4のアインツェルレンズの中電極29bと上電極29a及び下電極29cとの絶縁はポリイミドの中間パイプ101a及び101bで行った。絶縁材にポリイミドを用いることにより、対物レンズ中の狭い空間で数千Vの電圧をかけたときの放電を防ぐことができた。このパイプ101a,101bの外側を導電性の外側パイプ102a,102bで覆った。これらのパイプは上電極29a及び下電極29bと接続して同電位にした。これによりアインツェルレンズを外部の電場からシールドした。また、パイプ101aと101b及び102aと102bはそれぞれ分割して製作しておき、接合部から中電極29bへのリード線103を導いた。これによりリード線103がアインツェルレンズの内部の電場を乱すことを防ぎ、イオンを効率よく質量分析部1に送ることができた。
【0027】
図7は実施例1におけるポリスチレンビーズのレーザマススペクトルである。直径0.3μmのポリスチレンビーズの測定ができ、図7のようにポリスチレンのスペクトルが得られた。このように、本発明では入射光を微小領域に絞り、かつイオンの収集効率を高くすることで、微小な異物の分析を可能にした。
【0028】
実施例2
本発明の実施例2のイオン励起部の拡大図を図2に示した。本実施例では対物レンズ22として実施例1のカセグレン型対物レンズの代わりに透過型のレンズを用いたものである。対物レンズの倍率は100倍で、N.A.は0.8のものを用いた。レーザ光7aは355nmを用いた。数式(1)からレーザ光のスポット径は0.5μmに絞ることができた。このように透過型の対物レンズを用いてもN.A.を大きくでき、レーザ光を微小径に絞ることができ、実施例1と同じ効果が得られた。
【0029】
実施例3
実施例3を図5に示した。これは図4の先端電極部29dの部分をなくし、アインツェルレンズを対物レンズ先端に設けたものである。これは実施例1と同様に試料2からのイオンを−3000eVの高加速度で引き出すことができ、イオンを高い効率で収集できた。
【0030】
実施例4
実施例4を図6に示した。これは実施例1〜3における外側パイプ101a,101bを上電極29a及び下電極29cから切り放し、−3000Vを印加することで、中電極29bを省いても、アインツェルレンズとして作用するようにしたものである。これは実施例1及び2と同様外側パイプ101がシールドとなりアインツェルレンズ内部の電場の乱れを防ぐことが出来た。これによりイオンを効率よく収集できた
なお、イオン励起部は、図8〜図11に示すように、他の構成を採用することもできる。
【0031】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ光を小さく絞り、試料の特定部位に集光して照射し生成させた微量イオン粒子を収束し高感度で分析し、微細に異物像を高い分解能にて分析できる顕微レーザ飛行時間型質量分析計を得ることができる。
【0032】
より詳しく説明すると、対物レンズと試料との間に物理的、光学的に障害となる配設部材がなく、焦点距離が小さく、N.A.が大きい対物レンズを用いたので、試料上の特定部位にレーザ光を照射することができ、イオン粒子を生成させる。
【0033】
また、対物レンズ中央部に通過孔を設けたので、前記イオン粒子を、引き出し電極と、先端部電極と、アインツェルレンズとにより収束させて前記中央部の通過孔へ導くことができ、かつ、効率よく質量分析部に導入させる。
【0034】
また、対物レンズ内にアインツェルレンズを設けたので、前記対物レンズと試料との間に間隔があっても、前記イオン粒子を、集束させて前記中央部の通過孔へ導くことができ、かつ効率よく質量分析部に導入させる。
【0035】
このようにして、S/Nがよい極微小箇所のマススペクトルが得られる顕微レーザ飛行時間型質量分析計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るイオン制御組合電極構造体を内蔵した顕微鏡対物レンズを用いた顕微レーザ質量分析計の概略構成図。
【図2】本発明の実施例2に係るレーザ質量分析計のイオン励起部の拡大図。
【図3】実施例2の対物レンズの拡大図。
【図4】実施例1の複合電極構造体の拡大図。
【図5】実施例3のアインツェルレンズの拡大図。
【図6】実施例4の電極の拡大図。
【図7】マススペクトルの測定例。
【図8】複合電極構造体の他の構成を示す拡大図である。
【図9】複合電極構造体のさらに他の構成を示す拡大図である。
【図10】複合電極構造体のさらに他の構成を示す拡大図である。
【図11】複合電極構造体のさらに他の構成を示す拡大図である。
【図12】従来の顕微レーザ質量分析計の要部略示説明図。
【符号の説明】
1…質量分析部
2…試料
6…レーザ光源
7…レーザ光
8…試料照明用光源
9…試料照明用光
10…TVカメラ
11…ハーフミラー
13…ビーム拡大器
14…反射ミラー
14a…反射ミラーのイオン粒子通過孔
17…光路
18…イオン粒子
19…真空容器
21…イオンビーム
22…対物レンズ
22a,22b,22c…孔あきレンズ
23…孔あきガラス板
25a…x軸偏向電極
25b…y軸偏向電極
26…試料
27…シールド板
28…イオン引き出し電極(カバーガラス)
29…先端部電極
30…複合電極構造体
30a,30b,30c…アインツェルレンズ
31…イオンリフレクタ
32,33…イオン軌道曲線
34…イオン検出器
35…静電位分布曲線
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a microscopic laser mass spectrometer for analyzing a substance at a specific location on a sample, and in particular, a microscopic laser mass for analyzing a minute region in a semiconductor, a liquid crystal display, a memory disk, a circuit board, etc. with high sensitivity and high resolution. Related to analyzers.
[0002]
[Prior art]
A conventional microscopic laser mass spectrometer has a system diagram shown in FIG. 12 as described in JP-A-63-146339. In FIG. 12, 1 is a mass spectrometer, 2 is a sample, 6 is a laser light source, 14 and 16 are dichroic mirrors, 22 is a condensing lens, 24 is an ion extraction electrode, and 34 is an ion detector. Laser light generated from the laser light source 6 passes through the dichroic mirrors 14 and 16 and is collected on the sample 2 by the condenser lens 22 and the reflection lens 24. The atomic or molecular ions excited by the laser light are accelerated by the extraction electrode 28, pass through the ion passage hole 24 a provided in the center of the reflection mirror 24, and subjected to mass analysis by the mass analysis unit 1.
[0003]
In the prior art, the laser light source 6 and the condenser lens 22 are usually provided separately from the mass spectrometer. The laser light 6 generated from the laser light source 6 is condensed by the condenser lens 22 and the sample 2 is collected. In order to irradiate the lens, a reflecting mirror 24 is necessary, and the position of the reflecting mirror 24 is between the condenser lens 22 and a lens having a large numerical aperture (hereinafter referred to as NA). There were restrictions on using. For this reason, it has not been possible to observe the sample 2 with high precision like a microscope or to narrow the laser beam to a specific location on the sample.
[0004]
In the prior art, atoms and molecular ions generated in the sample are accelerated by the extraction electrode 28, pass through the ion passage hole 24a of the reflection mirror 24, and enter the detector 34. However, it has not been sufficiently considered to converge on the passage hole 24a and pass the mirror 24.
[0005]
Insufficient examination has been conducted on the fact that the ions collide with the reflecting mirror 24 and most of them are lost and the sensitivity is lowered.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional microscope laser mass spectrometer, as described above, the reflecting mirror is arranged between the sample and the condenser lens, because of the long optical path between the sample and the condenser lens, N. of the condenser lens A. Had to use a lens system with a small focal length and a long focal length.
In order to increase the resolution of the observation image by narrowing down the laser beam, A. It is necessary to use a lens with a large focal length of the lens.
For this reason, if the reflecting mirror is arranged between the sample and the condenser lens as in the conventional example, the laser beam cannot be reduced to a small size and the resolution of the observation image cannot be increased.
N. A. There is an objective lens used in a microscope as a lens having a large focal length and a short focal length. By using such a lens, the laser beam can be narrowed down and a good observation image with high resolution can be obtained.
However, atom and molecular ions generated from the sample upon irradiation with laser light cannot be transmitted through the objective lens unlike light.
For this reason, it is necessary to devise so that a hole is made in the center of a lens and an ion is allowed to pass through. In addition, it is necessary to devise so that atoms and molecular ions can be accelerated to a speed necessary for analysis with a laser mass spectrometer. In addition, it is necessary to devise so that ion particles are not lost by colliding with a wall or the like when passing through a hole formed in the lens system.
[0007]
By solving this problem, the present invention makes it possible to narrow down the laser beam and to observe the measurement part of the sample with sufficient resolution, and to detect atoms and molecular ion particles generated at a specific observed position. An object of the present invention is to provide an apparatus capable of mass spectrometry with high sensitivity.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a microscopic laser mass spectrometer according to the present invention includes a stage on which a sample is mounted, an optical system that irradiates the surface of the sample with laser light, and atoms vaporized from the surface of the sample by irradiation with the laser light. In a microscopic laser mass spectrometer equipped with an ion detector for detecting ions or molecular ions,
The optical system includes a lens in which a hole through which atomic ions or molecular ions pass is opened at the center of the optical axis, and an ion control composite electrode structure disposed in the hole.
The ion control composite electrode structure has a triple tubular member composed of a conductive outer tube, an electrically insulating middle tube, and a conductive inner tube. It is positioned on the sample side with respect to the member and is provided separately from this, and a tip electrode having a tubular shape concentric with the optical axis is provided,
Further, a microscopic laser mass spectrometer characterized in that an extraction electrode made of a conductive film having a hole concentric with the optical axis is disposed between the sample and the tip electrode.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
N. A. As a lens having a large focal length and a short focal length, an objective lens used in a microscope has been conventionally used. However, the diameter of the lens that can not open a large hole through the ion particles in the small center. If the hole is opened, the resolution of the image is deteriorated, and the laser beam cannot be condensed so that the hole is very small to be opened without such influence. In the present invention, the objective lens of the microscope is made as large as possible without degrading the resolution and resolution, and the hole through which atoms and molecular ion particles are passed is made as small as possible at the center of the optical axis of this lens. Then, an ion permeable pipe electrode was formed to allow atomic and molecular ions to pass through the hole.
[0010]
The resulting atoms by the excitation of the laser beam, the molecular ion particles, it is necessary to highly accelerated at a high voltage in a short time only Ru can.
Moreover, it is necessary to pass through the hole so that the ion particles accelerated at high speed do not collide with the “wall of the hole opened in the lens” and cause a loss.
For this purpose, a voltage is applied so that the particle ions do not collide with the wall, and preferably a voltage that can pass through the center of the hole is applied . More preferably, it is preferable to provide a structure including an electrode group that can focus ions at a specific location.
As the above structure, an Einzel lens composed of three groups of electrodes has been conventionally used. Maybe only a small work can be such an Einzel lens in the present invention, it was to be placed in a hole drilled in the center of the microscope objective lens.
[0011]
However, the high-resolution objective lens is composed of a plurality of lenses, and the smaller the lens closer to the sample , the larger the hole cannot be made.
For this reason, the tip part of the structure for converging the ions is formed in a pipe shape that is as simple as possible.
Since the central portion of the objective lens can have a larger hole than the tip portion, the Einzel lens electrode structure is set in the central portion.
[0012]
In such an optical system, the numerical aperture of the objective lens on the surface of the sample is reduced by irradiating the surface of the sample with laser light through the objective lens of the microscope. A. And can be narrowed down to the diffraction limit determined by the wavelength.
[0013]
As a result, it is possible to easily select specific minute portions on the sample surface and generate atoms and molecular ions of the optical system from the sample. By using an objective lens for a microscope, it is possible to irradiate with a smaller spot size with a large numerical aperture and to keep the aberration of the optical system small, and to selectively generate atomic and molecular ions of the optical system in a fine area. be able to. Moreover, analysis can be performed by opening a hole at the tip of the lens and introducing atomic and molecular ion particles to the analyzer through the hole.
[0014]
(Condensed diameter) = 1.22 × (wavelength) / (NA) (1)
A conductive pipe is provided in the hole formed in the center of the objective lens, and ions are taken in by applying a high voltage between the sample and the pipe.
[0015]
In addition, by providing a cover glass coated with a conductive light-transmitting film between the pipe and the sample, and applying a voltage to the cover glass to form an ion extraction electrode, the distance between the sample and the extraction electrode can be shortened. Improve ion uptake efficiency.
[0016]
The tip of the objective lens has a pipe structure with a simple structure as much as possible, and an electrode structure including an Einzel lens is set at the rear of the lens where a hole can be made slightly larger than the tip of the center of the objective lens. This converges the ion beam.
[0017]
This electrode structure is composed of an Einzel lens in which the inner, upper, middle, and lower three conductive pipes are arranged with an insulator therebetween, and the outside of the Einzel lens is surrounded by an insulating intermediate pipe, Further, the outside is covered with a conductive outer pipe. By applying a shield voltage to the outer pipe, the electric field in the Einzel lens is prevented from being disturbed, and the ion trajectory becomes the axis target.
[0018]
Further, the insulator and the intermediate pipe are made of polyimide, so that the withstand voltage can be increased even if the space between the electrodes is narrow, and the electrode structure can be incorporated into the narrow space in the objective lens.
[0019]
In manufacturing this composite electrode structure, the outer pipe is divided into two upper and lower pipes, and wiring to the Einzel lens is routed between the two pipes. Wiring is removed from the electric field to prevent disturbance of the electric field.
[0020]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.
1 is a mass spectrometer, 2 is a sample , 6a and 6b are laser light sources, 7a and 7b are laser light, 8 is observation illumination light, 10 is a TV camera, 15 is a camera lens, 14 and 16 are light reflecting mirrors, and 17 is An optical path, 19 is a vacuum vessel, 21 is an ion beam, 22 is an objective lens, 26 is a sample stage, 30 is an ion reflector, and 34 is an ion detector.
1, the ion electrode composite disposed in the objective lens 22 and the extraction electrode disposed between the ion electrode composite and the sample stage 26 cannot be drawn. Will be described later with reference to FIG.
[0021]
At the time of mass analysis, the laser light 7a from the laser light source 6a is condensed on the center of the sample 2 by the objective lens 22. The ion beam 21 thus excited is incident on the mass analyzer 1. The ion beam 21 is reflected by the ion reflector 30 and enters the ion detector 34. By measuring the time from when the laser beam 7 is irradiated until the ions reach the ion detector 34, the flight time of the ions can be determined. Thereby, the mass of the ion was able to be analyzed.
[0022]
At the time of sample observation, light from the observation illumination light source 8 is incident on the sample by the objective lens 22. The sample image is observed by the TV camera 10.
[0023]
In this embodiment, the objective lens 22 is a Cassegrain type lens with a magnification of 36 times, N.P. A. Of 0.5 was used. At the center of this, a hole was made and an ion electrode structure was attached. When the laser beam 7a was 355 nm of YAG laser, the spot diameter could be narrowed down to 0.8 μm according to Equation (1). Thus, according to the present invention, the N.I. A. The laser beam could be reduced to a very small diameter.
[0024]
The ion electrode structure of this example is shown in FIG. 2 is a sample, 28 is an extraction electrode, 29a, 29b, and 29c are upper electrodes, middle electrodes, lower electrodes, and 29d are tip electrodes. The dimensions of each part are shown in the figure. Thus, by making the electrode structure thin at the tip and thick at the rear, the area where the tip blocks the incident light can be reduced. In addition, a lead electrode 28 formed by forming a conductor film on a cover glass having a hole in the center was provided between the electrode structure and the sample 2. The conductor film was made thick enough to transmit incident light. Thereby, the N.I. A. The extraction electrode can be provided in the vicinity of the sample without limiting the above, and the emitted ions from the sample can be extracted with a large acceleration.
[0025]
The potentials of the sample 2, the extraction electrode 28, the tip electrode 29d, the lower electrode 29c, the middle electrode 29b, and the upper electrode 29a were 0 V, −3000 V, −3000 V, −3000 V, −8000 V, and −3000 V, respectively. Ions emitted from the sample 2 are drawn into the holes of the extraction electrode 28 by the electric field between the sample 2 and the extraction electrode 28. Since the extraction electrode 28, the tip electrode 29d, and the lower electrode 29c are equipotential, the ions are not accelerated during this time but travel straight. In this embodiment, by extracting ions with a large acceleration of 3000 eV, the velocity component moving away from the central axis can be made smaller than the velocity component along the central axis. As a result, it was possible to prevent ions from colliding with the electrode wall and lowering the sensitivity. The ions after passing through the tip electrode 29d were focused by an Einzel lens composed of the lower electrode 29c, the middle electrode 29b, and the upper electrode 29a.
[0026]
Insulation between the middle electrode 29b of the Einzel lens of FIG. 4 and the upper electrode 29a and the lower electrode 29c was performed by polyimide intermediate pipes 101a and 101b. By using polyimide as the insulating material, it was possible to prevent discharge when a voltage of several thousand volts was applied in a narrow space in the objective lens. The outside of the pipes 101a and 101b was covered with conductive outer pipes 102a and 102b. These pipes were connected to the upper electrode 29a and the lower electrode 29b so as to have the same potential. This shielded the Einzel lens from an external electric field. The pipes 101a and 101b and the pipes 102a and 102b were separately manufactured, and the lead wire 103 from the joint portion to the middle electrode 29b was led. As a result, the lead wire 103 was prevented from disturbing the electric field inside the Einzel lens, and ions could be efficiently sent to the mass analyzer 1.
[0027]
FIG. 7 is a laser mass spectrum of polystyrene beads in Example 1. Measurement of polystyrene beads having a diameter of 0.3 μm was possible, and a polystyrene spectrum was obtained as shown in FIG. As described above, in the present invention, it is possible to analyze minute foreign matters by narrowing incident light to a minute region and increasing ion collection efficiency.
[0028]
Example 2
The enlarged view of the ion excitation part of Example 2 of this invention was shown in FIG. In this embodiment, a transmissive lens is used as the objective lens 22 instead of the Cassegrain type objective lens of the first embodiment. The objective lens has a magnification of 100 times. A. Used 0.8. The laser beam 7a was 355 nm. From the formula (1), the spot diameter of the laser beam could be reduced to 0.5 μm. Even if a transmission type objective lens is used in this way, N.I. A. The laser beam can be reduced to a very small diameter, and the same effect as in Example 1 was obtained.
[0029]
Example 3
Example 3 is shown in FIG. This eliminates the tip electrode portion 29d of FIG. 4 and provides an Einzel lens at the tip of the objective lens. As in Example 1, ions from the sample 2 could be extracted at a high acceleration of −3000 eV, and ions could be collected with high efficiency.
[0030]
Example 4
Example 4 is shown in FIG. In this example, the outer pipes 101a and 101b in the first to third embodiments are cut off from the upper electrode 29a and the lower electrode 29c, and -3000V is applied so that the middle electrode 29b can be omitted even if the middle electrode 29b is omitted. It is. As in the first and second embodiments, the outer pipe 101 serves as a shield and can prevent disturbance of the electric field inside the Einzel lens. As a result, ions can be collected efficiently, and the ion exciter can employ other configurations as shown in FIGS.
[0031]
【The invention's effect】
According to the present invention, a laser beam can be narrowed down, focused on a specific part of a sample and irradiated to generate a trace amount of ion particles that can be focused and analyzed with high sensitivity, and a microscopic image that can finely analyze a foreign object image with high resolution. A laser time-of-flight mass spectrometer can be obtained.
[0032]
More specifically, there is no disposing member that is physically and optically obstructed between the objective lens and the sample, the focal length is small, and N.I. A. Since a large objective lens is used, a specific part on the sample can be irradiated with laser light, and ion particles are generated.
[0033]
In addition, since the passage hole is provided in the central portion of the objective lens, the ion particles can be led to the central passage through the extraction electrode, the tip electrode, and the Einzel lens, and Efficient introduction into the mass spectrometer.
[0034]
In addition, since the Einzel lens is provided in the objective lens, the ion particles can be focused and guided to the passage hole in the central portion even if there is a gap between the objective lens and the sample, and Efficient introduction into the mass spectrometer.
[0035]
Thus, it is possible to provide a microscopic laser time-of-flight mass spectrometer that can obtain a mass spectrum of an extremely minute portion having a good S / N.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a microscopic laser mass spectrometer using a microscope objective lens incorporating an ion control combined electrode structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of an ion excitation unit of a laser mass spectrometer according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged view of an objective lens of Example 2.
4 is an enlarged view of the composite electrode structure of Example 1. FIG.
5 is an enlarged view of an Einzel lens of Example 3. FIG.
6 is an enlarged view of an electrode of Example 4. FIG.
FIG. 7 shows an example of mass spectrum measurement.
FIG. 8 is an enlarged view showing another configuration of the composite electrode structure.
FIG. 9 is an enlarged view showing still another configuration of the composite electrode structure.
FIG. 10 is an enlarged view showing still another configuration of the composite electrode structure.
FIG. 11 is an enlarged view showing still another configuration of the composite electrode structure.
FIG. 12 is a schematic diagram for explaining a main part of a conventional microscopic laser mass spectrometer.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Mass analyzer 2 ... Sample 6 ... Laser light source 7 ... Laser light 8 ... Sample illumination light source 9 ... Sample illumination light 10 ... TV camera 11 ... Half mirror 13 ... Beam expander 14 ... Reflection mirror 14a ... Reflection mirror 14 Ion particle passage hole 17 ... Optical path 18 ... Ion particle 19 ... Vacuum container 21 ... Ion beam 22 ... Objective lens 22a, 22b, 22c ... Perforated lens 23 ... Perforated glass plate 25a ... X-axis deflection electrode 25b ... Y-axis deflection electrode 26 ... Sample stand 27 ... Shield plate 28 ... Ion extraction electrode (cover glass)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 29 ... Tip part electrode 30 ... Composite electrode structure 30a, 30b, 30c ... Einzel lens 31 ... Ion reflector 32, 33 ... Ion trajectory curve 34 ... Ion detector 35 ... Electrostatic potential distribution curve

Claims (2)

試料を搭載したステージと、前記試料の表面にレーザ光を照射する光学系と、前記レーザ光の照射によって試料表面から気化した原子イオンまたは分子イオンを検出するイオン検出器とを備えた顕微レーザ質量分析計において、
前記光学系は、原子イオンまたは分子イオンを通過させる孔が光軸の中心に開けられたレンズと、上記の孔の中に配置されたイオン制御複合電極構造体とを具備しており、
上記イオン制御複合電極構造体は、導電性の外管と、電気絶縁性の中管と、導電性の内管とからなる3重管状の部材を有しており、かつ、この3重管状の部材よりも試料側に位置せしめてこれと別体に、光軸と同心の管状をなす先端部電極が設けられてなり、
さらに、前記試料と前記先端部電極との間に、光軸と同心の孔を有する導電体膜からなる引き出し電極が配置されていることを特徴とする顕微レーザ質量分析計。
Microscopic laser mass comprising a stage on which a sample is mounted, an optical system for irradiating the surface of the sample with laser light, and an ion detector for detecting atomic ions or molecular ions vaporized from the surface of the sample by the irradiation of the laser light In the analyzer
The optical system includes a lens in which a hole through which atomic ions or molecular ions pass is opened at the center of the optical axis, and an ion control composite electrode structure disposed in the hole.
The ion control composite electrode structure has a triple tubular member composed of a conductive outer tube, an electrically insulating middle tube, and a conductive inner tube. It is positioned on the sample side with respect to the member and is provided separately from this, and a tip electrode having a tubular shape concentric with the optical axis is provided,
Further, a microscopic laser mass spectrometer characterized in that an extraction electrode made of a conductive film having a hole concentric with the optical axis is disposed between the sample and the tip electrode.
前記イオン制御複合電極構造体の導電性内管が、光軸方向に3分割されていて、分割された内管相互の間に、電気絶縁体が介装されていることを特徴とする、請求項1に記載した顕微レーザ質量分析計。  The conductive inner tube of the ion control composite electrode structure is divided into three in the optical axis direction, and an electrical insulator is interposed between the divided inner tubes. The microscopic laser mass spectrometer according to Item 1.
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