JP3790363B2 - Glow discharge optical emission spectrometer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
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(13.56MHz が使用されてきた)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、スパッタリングされた粒子(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元素を同定する分析法が、グロー放電発光分光分析方法と呼ばれている。このグロー放電発光分光分析方法を具現化した分析装置を用いて、試料の深さ方向における成分の含有率の変化等のいわゆるデプスプロファイルについて精密に分析する要望が高まっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の装置では、試料のスパッタリングと、スパッタリングされた粒子の励起、発光とを、単一の給電手段により行っているため、精密に分析しようとして、給電手段による放電電流値または放電電力を下げてゆっくりスパッタリングすると、発光強度も下がり、装置としての感度も悪くなってしまう。すなわち、デプスプロファイルについて精密な分析が困難である。
【0004】
そこで本発明は、デプスプロファイルについて精密な分析ができるグロー放電発光分光分析装置を提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係るグロー放電発光分光分析装置は、まず、陽極管を有するグロー放電管と、前記陽極管と試料との間に直流または交流の電圧を印加してグロー放電を発生させ、10 mA 以下の放電電流値で試料をスパッタリングする第1給電手段を備えている。また、前記陽極管と試料との間に30〜100 MHz の範囲で前記第1給電手段よりも周波数の高い高周波電圧を印加する第2給電手段を備えている。さらに、試料から発生する光の強度を測定する検出手段を備えている。
【0006】
請求項1の装置によれば、試料のスパッタリングは主として第1給電手段で行い、スパッタリングされた試料の原子の励起、発光は主として第2給電手段で行うことができるので、第1給電手段による放電電流値を下げてゆっくりスパッタリングしても、第2給電手段による試料の原子の発光強度は従来ほどは下がらず、低いスパッタレートでの装置の感度が従来よりも向上する。したがって、デプスプロファイルについて精密な分析ができる。なお、第1給電手段と第2給電手段との周波数の比較において、第1給電手段が直流電圧を印加するものであるときは、その周波数は0と考える。
【0008】
請求項2に係るグロー放電発光分光分析装置は、請求項1の装置において、前記第2給電手段による印加電圧を、所定の周波数で変調させ、前記第2給電手段による印加電圧の大小による前記検出手段の検出信号の差を算出する測光手段を備えている。請求項2の装置によれば、第1および第2給電手段の放電による発光強度から、妨害線となりうる第1給電手段の放電による発光成分が除去され、第2給電手段の放電による発光成分のみが検出されるので、いっそう精密な分析ができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態のグロー放電発光分光分析装置を図面にしたがって説明する。まず、この装置の構成について説明する。この装置は、図1に示すように、グロー放電管として中空陽極型のグリムグロー放電管1を用いている。このグリムグロー放電管1は、支持ブロック(試料6が当接される支持部であって、本実施形態では同時に絶縁部である)2と陽極ブロック3とが、Oリングなどのシール部材11を介して接合されている。陽極ブロック3には、中空陽極管3dが一体形成されており、この陽極管3dは、支持ブロック2に挿通され、試料6の分析面(表面)6aに近接している。この試料6は、その分析面6aにおける分析すべき部位を囲む環状形状となったOリングなどのシール部材11を介して、主に陰極ブロック4により支持ブロック2に気密状態で押し付けられる。
【0010】
こうして、試料6により陽極管3dを収納する支持ブロック2の内方空間(グロー放電空間)Vの開口部を密閉し、この内方空間Vを、図示しない真空排気装置(減圧手段)により、第1および第2真空排気孔3b,3cから真空引きするようになっている。さらに、陽極ブロック3は、アルゴンガス供給孔3aを有しており、管内Vがアルゴンの希ガス雰囲気(500〜1300Pa)とされている。なお、冷却液を、陰極ブロック4の図示しない冷却液導入路からジャケット内に導入して冷却液排出路まで送給することにより、陰極ブロック4を介し試料6と陽極管3dを冷却している。
【0011】
この装置は、陽極ブロック3と陰極ブロック4をそれぞれ介し、陽極管3dと試料6との間に直流電圧を印加してグロー放電を発生させ、主として試料6をスパッタリングする第1給電手段10を備えている。第1給電手段10は、直流電源16と、後述する第2給電手段12による高周波電流の流入を阻止する交流阻止手段、例えばインダクタンス素子(コイル)25とキャパシタンス素子(コンデンサ)26とのLC直列回路17とからなる。また、この装置は、陽極ブロック3と陰極ブロック4をそれぞれ介し、陽極管3dと試料6との間に高周波電圧を印加してグロー放電を発生させ、主として、第1給電手段10によりスパッタリングされた試料6の原子を励起して光Sを発生させる第2給電手段12を備えている。第2給電手段12は、40.68MHz の高周波電源18と、第1給電手段10による直流電流の流入を阻止する直流阻止手段であるキャパシタンス素子(コンデンサ)19とからなる。
【0012】
直流電源16は、正極がアースされており、負極と、第2給電手段12のキャパシタンス素子19と陰極ブロック4間の接続点との間にインダクタンス素子25が接続され、インダクタンス素子25と直流電源16間の接続点と、アースとの間にキャパシタンス素子26が接続されている。
【0013】
さらに、この装置は、試料6から発生する光Sの強度を測定する検出手段14とを備えている。検出手段14は、試料6から発生する光Sを分光する分光器20と、その分光された光の強度を測定する光電子増倍管21とからなる。さらにまた、この装置は、第2給電手段12による印加電圧を、所定の周波数、例えば1kHz で変調させ、第2給電手段12による印加電圧の大小による検出手段14の検出信号の差を算出する測光手段15を備えている。測光手段15は、以下のパルス波発生器22、ロックインアンプ23およびコンピュータ24を有する。
【0014】
パルス波発生器22は、前記所定の周波数(1kHz )のパルス波を発生して、第2給電手段12の高周波電源18とロックインアンプ23に送信する。そのパルス波を受けた第2給電手段12は、陽極管3dと試料6との間に印加する40.68MHz の高周波電圧を、1kHz で変調させる。より具体的には、例えば本実施形態では、1kHz で断続させる。ロックインアンプ23は、パルス波発生器22のパルス波を受けて、検出手段14からの検出信号について、500μsec ごとの第2給電手段12による印加電圧が印加されるときのものAと印加されないときのものBとの差A−Bを算出して、コンピュータ24に送信する。コンピュータ24は、ロックインアンプ23からのアナログ信号をデジタル信号に変換し、その変換したデジタル信号の記憶、処理して、表示手段27への表示を行う。
【0015】
次に、この装置の動作について説明する。今、この装置を用いて、ある試料6の成分Cu のデプスプロファイルについて精密に分析するとする。まず、試料6の分析面6aを支持ブロック2に当接させ、下方から試料の背面6eに図示しないロボットハンド等により陰極ブロック4を押しつけ導通接触させるとともに、試料6を保持する。また、図示しない減圧手段により支持ブロック2の内方空間Vが真空引きされ、アルゴンの希ガス雰囲気(500〜1300Pa)にされると、試料の分析面6aは、背面6eにかかる大気圧によっても、シール部材11を介して支持ブロック2に押し付けられ、密着する。
【0016】
そして、陽極管3dと試料6との間に、第1給電手段10により直流電圧を印加すると同時に、第2給電手段12により40.68MHz の高周波電圧を印加する。すると、まず、第1給電手段10の直流電圧によりグロー放電が生じ、アルゴンの陽イオンが生成され、主として、このArイオンにより試料6がスパッタリングされる。さらに、そのスパッタリングされた試料6の原子が、主として、第2給電手段12の高周波電圧によるグロー放電により、励起され光Sを発生する。
【0017】
ここで、図2に、直流放電の電流値とCu の原子線(324.8nm)近傍の発光強度との関係について、直流電圧のみを印加する従来技術(左)と、直流電圧および高周波電圧(40.68MHz )を印加する本実施形態(右)とを比較したものを示す。これによると、12.5mA以上の高い直流放電電流値、すなわち速いスパッタレートにおいては、両者にあまり差はないが、10mA以下の低い直流放電電流値、すなわちゆっくりとしたスパッタレートにおいては、顕著な差がみられ、特に、精密なデプスプロファイル分析に適する8mA,6mAにおいては、従来技術では発光強度がほとんど測定されないが、本実施形態では発光強度の測定が可能である。8mA,6mAにおける本実施形態でのCu の原子線(324.8nm)の発光強度は、図2においては、20mAにおける発光強度と同じレンジで表示しているため小さく見えるが、レンジを拡大すれば、実際の測定には十分な強度である。
【0018】
図3に、直流放電電流値と、本実施形態におけるCu の原子線(324.8nm)の発光強度の従来技術における同発光強度に対する比との関係を示す。8mA,6mA,4mAでは、本実施形態は、従来技術の10倍以上の発光強度が得られることが分かる。このような作用効果が生じるのは、直流の放電電流値を下げていくと、スパッタリングがゆっくりになるだけでなく、スパッタリングされた試料の粒子の励起、発光も沈滞化するのに対し、40.68MHz の高周波電圧の印加による放電が加わっていれば、そのような高周波の放電では、Arイオンに十分なエネルギーが蓄積されないため試料のスパッタリングにはあまり寄与しないが、直流の放電によりスパッタリングされた試料の原子の励起、発光には寄与するからである。
【0019】
しかも、このような高周波の放電が励起、発光に寄与するのは、低い励起エネルギーで励起される原子線のみであり、高い励起エネルギーでないと励起されず妨害線となることが多いイオン線等は含まれない。したがって、例えば6mAの直流放電と40.68MHz の高周波の放電とを重ねて用いれば、特定の例えばCu の原子線のみについて、妨害線の影響を受けることなく、ゆっくりとしたスパッタレートで、十分な発光強度が得られる。
【0020】
このような作用効果を得るべく、本実施形態の装置では、図1の第1給電手段10の直流電源16による放電電流値は、本分析においては6mAとし、第2給電手段12の高周波電源16の周波数は40.68MHz とする。なお、この周波数は、13.56MHz よりも高いことが好ましく、約30〜100MHz であることがより好ましいが、使用が許可されている工業用周波数においては、該当するものが40.68MHz しかないため、これを用いている。
【0021】
さて、このようにして試料6から発生した光Sは、窓板13を透過し、検出手段14の分光器20に入射して分光され、その強度が光電子増倍管21により測定される。ここで、試料6から発生する光Sとは、一般にはスパッタリングされた試料の粒子(原子、分子、イオン)が励起され、基底状態に戻る際に放出するその元素に固有の波長の光をいうが、本実施形態においては、第2給電手段12の高周波放電の励起による原子線の他に、第1給電手段10の直流放電の励起による原子線等も多少は含まれる可能性があり、その場合には、分析線たる原子線に対して妨害線となるイオン線等も含まれうる。
【0022】
そこで、本実施形態では、測光手段15により、第2給電手段12による印加電圧を、所定の周波数1kHz で断続させ、第2給電手段12による印加電圧が印加されるときと印加されないときとの検出手段14の検出信号の差を算出する。これにより、第1および第2給電手段10,12の放電による発光強度から、妨害線となりうる第1給電手段10の放電による発光成分が除去され、第2給電手段12の放電による発光成分のみが検出されるので、いっそう精密な分析ができる。
【0023】
なお、本実施形態の装置は、第1給電手段10が印加する電圧が直流電圧であるので、従来の直流電源を給電手段とする装置をもとに、容易に構成できる。しかし、印加する電圧が直流電圧である場合と、13.56MHz の高周波電圧である場合とは、グロー放電によるスパッタリング、励起、発光等の状況が近似しているので、第1給電手段は、13.56MHz の高周波電圧を印加するものであってもよい。この場合には、従来の高周波電源を給電手段とする装置をもとに、容易に構成できる。ここで、工業用周波数において、13.56MHz 以外に、第2給電手段が印加する高周波電圧よりも周波数が低いことを条件に、6.78MHz または27.12MHz の採用が考えられる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のグロー放電発光分光分析装置によれば、試料のスパッタリングは主として第1給電手段で行い、スパッタリングされた試料の原子の励起、発光は主として第2給電手段で行うので、第1給電手段による放電電流値または放電電力を下げてゆっくりスパッタリングしても、第2給電手段による試料の原子の発光強度は従来ほどは下がらず、低いスパッタレートでの装置の感度が従来よりも向上する。したがって、デプスプロファイルについて精密な分析ができる。また、プラズマ中での試料の発光効率が試料表面の組成変化の影響を受けにくく、いっそうデプスプロファイルについて精密な分析ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態のグロー放電発光分光分析装置を示す概略図である。
【図2】直流放電の電流値とCu の原子線(324.8nm)近傍の発光強度との関係について、従来技術(左)と本実施形態(右)とを比較した図である。
【図3】直流放電電流値と、本実施形態におけるCu の原子線の発光強度の従来技術における同発光強度に対する比との関係を示す。
【符号の説明】
1…グロー放電管、3d…陽極管、6…試料、10…第1給電手段、12…第2給電手段、14…検出手段、15…測光手段、S…試料から発生する光。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a glow discharge optical emission spectrometer that analyzes generated light with a spectroscope while sputtering a sample.
[0002]
[Prior art]
When a direct current or high frequency (high frequency of 13.56 MHz) is applied between two electrodes in an argon (Ar) atmosphere with a gas pressure of about 500 to 1300 Pa, glow discharge occurs and Ar ions are generated. Is done. The generated Ar ions are accelerated by a high electric field, collide with the cathode surface, and knock out the substances present there. This phenomenon is called sputtering, and the sputtered particles (atoms, molecules, ions) are excited in the plasma and emit light having a wavelength specific to the element when returning to the ground state. An analysis method for identifying elements by spectroscopically analyzing the emitted light is called a glow discharge emission spectroscopy method. There is an increasing demand for precise analysis of a so-called depth profile such as a change in the content of a component in the depth direction of a sample using an analyzer that embodies this glow discharge emission spectroscopic analysis method.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional apparatus, since the sputtering of the sample and the excitation and emission of the sputtered particles are performed by a single power supply means, the discharge current value or the discharge power by the power supply means is to be analyzed accurately. If it is lowered and sputtered slowly, the light emission intensity also decreases, and the sensitivity as a device also deteriorates. That is, it is difficult to accurately analyze the depth profile.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a glow discharge emission spectroscopic analyzer capable of performing a precise analysis of a depth profile.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a glow discharge optical emission spectrometer according to claim 1 first applies a direct current or alternating voltage between a glow discharge tube having an anode tube and the anode tube and a sample. First power supply means for generating glow discharge and sputtering the sample with a discharge current value of 10 mA or less is provided. Moreover, the 2nd electric power feeding means which applies a high frequency voltage whose frequency is higher than the said 1st electric power feeding means in the range of 30-100 MHz between the said anode tube and a sample is provided. Furthermore, a detection means for measuring the intensity of light generated from the sample is provided.
[0006]
According to the apparatus of the first aspect, the sputtering of the sample is mainly performed by the first power supply means, and the excitation and emission of the atoms of the sputtered sample can be mainly performed by the second power supply means. Even if the current value is lowered and the sputtering is performed slowly, the emission intensity of the atoms of the sample by the second power feeding means is not lowered as much as the conventional one, and the sensitivity of the apparatus at a low sputtering rate is improved as compared with the conventional one. Therefore, a precise analysis can be performed on the depth profile. In the comparison of the frequency between the first power supply means and the second power supply means, when the first power supply means applies a DC voltage, the frequency is considered to be zero.
[0008]
A glow discharge emission spectroscopic analysis apparatus according to
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a glow discharge optical emission spectrometer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of this apparatus will be described. As shown in FIG. 1, this apparatus uses a hollow anode type grim glow discharge tube 1 as a glow discharge tube. The Grimm glow discharge tube 1 includes a support block (a support portion with which the
[0010]
Thus, the opening of the inner space (glow discharge space) V of the
[0011]
This apparatus includes first power feeding means 10 for generating a glow discharge by applying a DC voltage between an
[0012]
The
[0013]
Further, this apparatus is provided with detection means 14 for measuring the intensity of the light S generated from the
[0014]
The
[0015]
Next, the operation of this apparatus will be described. Now, it is assumed that the depth profile of the component Cu of a
[0016]
Then, a DC voltage is applied between the
[0017]
Here, FIG. 2 shows the relationship between the current value of DC discharge and the emission intensity in the vicinity of the Cu atomic beam (324.8 nm), the conventional technique in which only a DC voltage is applied (left), the DC voltage and the high-frequency voltage ( 40.68 MHz) is compared with the present embodiment (right). According to this, at a high DC discharge current value of 12.5 mA or more, that is, a fast sputtering rate, there is not much difference between them, but at a low DC discharge current value of 10 mA or less, that is, at a slow sputtering rate, it is remarkable. There is a difference, and in particular, at 8 mA and 6 mA suitable for precise depth profile analysis, the light emission intensity is hardly measured by the conventional technique, but the light emission intensity can be measured in this embodiment. The emission intensity of the Cu atomic beam (324.8 nm) in this embodiment at 8 mA and 6 mA appears to be small in FIG. 2 because it is displayed in the same range as the emission intensity at 20 mA. It is strong enough for actual measurement.
[0018]
FIG. 3 shows the relationship between the DC discharge current value and the ratio of the emission intensity of the Cu atomic beam (324.8 nm) in the present embodiment to the emission intensity in the prior art. It can be seen that at 8 mA, 6 mA, and 4 mA, the present embodiment provides a light emission intensity that is 10 times or more that of the prior art. Such an operational effect is caused not only by slowing the sputtering as the direct current discharge current value is lowered, but also by suppressing the excitation and emission of particles of the sputtered sample. If discharge due to application of a high frequency voltage of 68 MHz is applied, such high frequency discharge does not contribute much to the sputtering of the sample because sufficient energy is not accumulated in Ar ions, but the sample sputtered by direct current discharge This is because it contributes to the excitation and emission of atoms.
[0019]
Moreover, such high-frequency discharges contribute to excitation and emission only with atomic beams that are excited with low excitation energy, and ion beams that are often not disturbed without high excitation energy. Not included. Therefore, for example, if a direct current discharge of 6 mA and a high frequency discharge of 40.68 MHz are used in an overlapping manner, only a specific atomic beam of Cu, for example, is sufficiently affected by a slow sputter rate without being affected by interference lines. Luminous intensity can be obtained.
[0020]
In order to obtain such effects, in the apparatus of the present embodiment, the discharge current value by the
[0021]
Now, the light S generated from the
[0022]
Therefore, in the present embodiment, the photometric means 15 makes the applied voltage by the second power feeding means 12 intermittent at a predetermined frequency of 1 kHz, and detection when the applied voltage by the second power feeding means 12 is applied or not applied. The difference between the detection signals of the
[0023]
In addition, since the voltage applied by the first power supply means 10 is a DC voltage, the apparatus according to the present embodiment can be easily configured based on an apparatus using a conventional DC power supply as the power supply means. However, when the applied voltage is a direct current voltage and when it is a high frequency voltage of 13.56 MHz, the conditions of sputtering, excitation, light emission, etc. by glow discharge are approximated. A high frequency voltage of .56 MHz may be applied. In this case, it can be easily configured on the basis of a device using a conventional high frequency power supply as a power feeding means. Here, in the industrial frequency, in addition to 13.56 MHz, 6.78 MHz or 27.12 MHz may be adopted on the condition that the frequency is lower than the high-frequency voltage applied by the second feeding unit.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the glow discharge optical emission spectrometer of the present invention, the sputtering of the sample is mainly performed by the first power supply means, and the excitation and emission of the atoms of the sputtered sample are mainly performed by the second power supply means. Even if the discharge current value or discharge power by the first power supply means is lowered and the sputtering is performed slowly, the emission intensity of the atoms of the sample by the second power supply means does not decrease as much as in the prior art, and the sensitivity of the apparatus at a low sputter rate is higher than in the past Will also improve. Therefore, a precise analysis can be performed on the depth profile. In addition, the luminous efficiency of the sample in the plasma is hardly affected by the composition change on the sample surface, and the depth profile can be analyzed more precisely.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a glow discharge optical emission spectrometer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram comparing the prior art (left) and the present embodiment (right) with respect to the relationship between the current value of DC discharge and the emission intensity in the vicinity of the Cu atomic beam (324.8 nm).
FIG. 3 shows the relationship between the DC discharge current value and the ratio of the emission intensity of the Cu atomic beam in the present embodiment to the emission intensity in the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Glow discharge tube, 3d ... Anode tube, 6 ... Sample, 10 ... 1st electric power feeding means, 12 ... 2nd electric power feeding means, 14 ... Detection means, 15 ... Photometry means, S ... Light emitted from a sample.
Claims (2)
前記陽極管と試料との間に直流または交流の電圧を印加してグロー放電を発生させ、10 mA 以下の放電電流値で試料をスパッタリングする第1給電手段と、
前記陽極管と試料との間に30〜100 MHz の範囲で前記第1給電手段よりも周波数の高い高周波電圧を印加する第2給電手段と、
試料から発生する光の強度を測定する検出手段とを備えたグロー放電発光分光分析装置。A glow discharge tube having an anode tube;
First feeding means for generating a glow discharge by applying a DC or AC voltage between the anode tube and the sample, and sputtering the sample with a discharge current value of 10 mA or less ;
A second power feeding means for applying a high-frequency voltage having a frequency higher than that of the first power feeding means in a range of 30 to 100 MHz between the anode tube and the sample;
A glow discharge emission spectroscopic analysis apparatus comprising: a detection unit that measures the intensity of light generated from a sample.
前記第2給電手段による印加電圧を、所定の周波数で変調させ、前記第2給電手段による印加電圧の大小による前記検出手段の検出信号の差を算出する測光手段を備えたグロー放電発光分光分析装置。 In claim 1 ,
A glow discharge emission spectroscopic analysis apparatus comprising a photometric means for modulating a voltage applied by the second power feeding means at a predetermined frequency and calculating a difference between detection signals of the detecting means depending on the magnitude of the voltage applied by the second power feeding means. .
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