JP3842437B2

JP3842437B2 - グロー放電発光分光分析装置

Info

Publication number: JP3842437B2
Application number: JP13656598A
Authority: JP
Inventors: 和明我妻; 秀幸松田; 昇山下
Original assignee: 理学電機工業株式会社
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: JPH11326218A

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。
【０００３】
ここで、試料が絶縁物である場合に、試料を陰極、グロー放電管の陽極管を陽極として、直流高電圧を印加すると、Ａｒイオンによって試料表面がプラスにチャージされて陽極管と同電位になるとそれ以降は放電が起こらないため、分析ができない。そこで、試料が絶縁物である場合には、試料と陽極管との間に高周波の高電圧を印加する。このとき、試料表面は、Ａｒイオンと電子によって交互にプラスとマイナスにチャージされるが、高周波に対するＡｒイオンと電子の移動しやすさの相違から、移動しにくいＡｒイオンと移動しやすい電子によって平均的にはある程度マイナスに印加されることになり、放電が続く。試料が導体である場合にも、高周波電圧を印加する給電手段にコンデンサ等の直流阻止手段を備えることにより、同様に分析できる。
【０００４】
このように、高周波グロー放電発光分光分析において、試料と陽極管との間に誘起される直流電圧成分を自己バイアス電圧と呼ぶ。従来、この自己バイアス電圧は、放電の自己安定条件によって決まり、全く制御しておらず、また、自己バイアス電圧に起因する直流電流がプラズマ中に発生することもなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば、グロー放電発光分光分析方法を具現化した従来の分析装置を用いて、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しようとして、高周波の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すると、スパッタリングされた粒子の励起、発光の程度もその高周波の放電電流値に依存するので、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。したがって、デプスプロファイルについて精密な分析が困難である。
【０００６】
そこで本発明は、自己バイアス電圧を制御して直流電流を発生させ、プラズマ中で活発な電子衝突を誘起させることにより、高感度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。
【０００７】
【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高周波電圧を印加してグロー放電を発生させ、試料をスパッタリングする給電手段と、スパッタリングされた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ている。また、前記給電手段が、高周波電流が流れる給電回路中に直流阻止手段を有している。さらに、この装置は、前記陽極管と試料との間に誘起される直流電圧成分を受けて直流電流を発生させる負荷回路を備え、その負荷回路の直流負荷が抵抗体であり、前記負荷回路が前記給電回路に接続されて、給電回路からの交流電流の流入を阻止する交流阻止手段を有しており、その交流阻止手段がキャパシタンス素子とインダクタンス素子とのＬＣ直列回路である。
【０００８】
請求項１の装置によれば、負荷回路が、自己バイアス電圧を制御して直流電流を発生させ、その直流電流によりプラズマ中に導入される低速電子がスパッタリングされた試料の原子の励起、発光に寄与するので、従来の装置よりも感度が向上する。
【００１１】
【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。
【００１２】
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。
【００１３】
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、試料６をスパッタリングする給電手段１２を備えている。給電手段１２は、１３．５６MHz の高周波電源１８と、高周波電流が流れる給電回路中に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とを有している。高周波電源１８の周波数は、約３〜３０MHz であればよいが、使用が許可されている工業用周波数においては、１３．５６MHz の他、６．７８MHz 、２７．１２MHz が該当する。
【００１４】
また、この装置は、スパッタリングされた試料６から発生する光Ｓの強度を測定する検出手段１４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、この装置は、陽極管３ｄと試料６との間に誘起される直流電圧成分を受けて直流電流を発生させる負荷回路１６を備えている。
【００１５】
負荷回路１６は、直流負荷となる抵抗体２７と、コイルからなるインダクタンス素子２５と、コンデンサからなるキャパシタンス素子２６とを有しており、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２８との間に接続されている。抵抗体２７は、一端がアースされて、他端と前記接続点２８との間にコイルからなる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と抵抗体２７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。ここで、インダクタンス素子２５とキャパシタンス素子２６とのＬＣ直列回路１７は、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となっている。
【００１６】
次に、この装置の動作について説明する。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。
【００１７】
そして、陽極管３ｄと試料６との間に、給電手段１２により高周波電圧を印加する。すると、グロー放電が生じ、アルゴンの陽イオンが生成され、このＡｒイオンにより試料６がスパッタリングされ、そのスパッタリングされた試料６の粒子が、グロー放電により励起され、光Ｓを発生する。このとき、前述した自己バイアス電圧が、試料６を正極として陽極管３ｄとの間に誘起されるが、給電回路中には、キャパシタンス素子１９があるので、自己バイアス電圧によって直流電流が流れることはない。
【００１８】
しかし、本実施形態では、自己バイアス電圧により、適切な抵抗値を有する負荷回路１６に、抵抗体２７のアース側からインダクタンス素子２５側へ向けて、適切な電流値の直流電流（自己バイアス電流）が流れる。これは、陽極管３ｄから試料６へ向けて、その自己バイアス電流の電流値に応じた電子がグロー放電プラズマ中を移動することを意味し、この電子が、特に、励起エネルギーの低い原子線の励起、発光に寄与する。
【００１９】
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。
【００２０】
例えば、図２に、自己バイアス電流値と、波長３５２．４５nmと３４６．１７nmのＮi の原子線（図中Ｎi ＩはＮi の原子線であることを意味する）の発光強度との関係を示す。これによれば、両原子線の発光強度は、自己バイアス電流値が０のとき、すなわち従来技術に比べ、電流値が大きくなるにつれて大きくなり、２０mAでは、６〜８倍にもなっている。一方、分析において妨害線となることが多く励起エネルギーの高いイオン線については、図３に示すように、例えば、４種のＮi のイオン線（図中ＮiII はＮi のイオン線であることを意味する）の発光強度は、自己バイアス電流値が２５mAまで大きくなっても、減少するか、増加してもたかだか１．６倍程度である。さらに、図４に示すように、スペクトル線が存在しない波長４３０．９nmにおける発光強度、すなわちバックグラウンドについても、自己バイアス電流値が２５mAまで大きくなっても、たかだか２倍程度に増加するだけである。
【００２１】
このように、本実施形態の装置によれば、図１の負荷回路１６が、自己バイアス電圧を制御して直流の自己バイアス電流を発生させ、その自己バイアス電流がスパッタリングされた試料６の原子の励起、発光に寄与するので、特に、励起エネルギーの低い原子線において、従来の装置よりも発光強度が数倍に増大し、感度が向上する。また、この自己バイアス電流による発光強度の増大は、試料６のスパッタリング量とは特に相関関係がみられないので、給電手段１２による高周波の放電電流値を下げてゆっくりスパッタリングしつつ、スパッタリングされた試料６の原子を十分に励起、発光させることができ、デプスプロファイルについて精密に分析することも可能となる。また、本実施形態の装置は、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。
【００２２】
なお、負荷回路１６の直流負荷を、抵抗体２７に代えて、定電流制御回路で構成してもよい。この場合には、いっそう高精度で自己バイアス電圧を制御でき、分析もより正確にできる。
【００２３】
【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、負荷回路が、自己バイアス電圧を制御して直流電流を発生させ、その直流電流によりプラズマ中に導入される低速電子がスパッタリングされた試料の原子の励起、発光に寄与するので、従来の装置よりも感度が向上する。特に、デプスプロファイルについての精密な分析に有効である。
【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】自己バイアス電流値とＮi の原子線の発光強度との関係を示す図である。
【図３】自己バイアス電流値とＮi のイオン線の発光強度との関係を示す図である。
【図４】自己バイアス電流値とバックグラウンドとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１…グロー放電管、３ｄ…陽極管、６…試料、１２…給電手段、１４…検出手段、１６…負荷回路、１９…直流阻止手段（キャパシタンス素子）、２５…インダクタンス素子、２７…直流負荷（抵抗体）、Ｓ…試料から発生する光。

Claims

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高周波電圧を印加してグロー放電を発生させ、試料をスパッタリングする給電手段と、
スパッタリングされた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において、
前記給電手段が、高周波電流が流れる給電回路中に直流阻止手段を有し、
前記陽極管と試料との間に誘起される直流電圧成分を受けて直流電流を発生させる負荷回路を備え、
その負荷回路の直流負荷が抵抗体であり、
前記負荷回路が前記給電回路に接続されて、給電回路からの交流電流の流入を阻止する交流阻止手段を有しており、
その交流阻止手段がキャパシタンス素子とインダクタンス素子とのＬＣ直列回路であることを特徴とするグロー放電発光分光分析装置。