JP4189290B2

JP4189290B2 - グロー放電分析方法およびこれに用いるグロー放電分析装置

Info

Publication number: JP4189290B2
Application number: JP2003311836A
Authority: JP
Inventors: 彰弘平野; 龍人中村; 至宜内田
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: JP2005077384A

Description

この発明は、グロー放電分析方法に関するものである。

特開平１１−３２６２１６号公報

グロー放電管の陽極の筒部と対向して試料を配置し、アルゴンガス流の減圧下で高周波電源からの高周波電圧を試料に印加してグロー放電を発光させるグロー放電分析装置では、試料表面が放電発光部シール用のＯリングに当接した状態で、放電発光部が陽極の筒部と試料との間に形成されており、この放電発光部に試料表面のスパッタ予定の面（スパッタリング面）を臨ませながら、アルゴンイオンをその面に衝突させることにより試料表面がスパッタリングされ、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元素固有の発光が行われ、この発光はグロー放電管に連接された分光器方向に導出され、試料の深さ方向の元素分析が行われる。そして、放電発光部がＯリング径よりも小さく、シールされない程度の大きさの小片試料の分析を可能にするために、小片試料表面のスパッタリング面を露出させた状態で小片試料の残りの部分を導電製の樹脂で覆って樹脂体を形成し、スパッタリング面と面一に形成された樹脂面をＯリングを介して試料保持部材に押しつけながら、前記スパッタリング面を放電発光部に臨ませるように構成したものが提案されている（前記特許文献１参照）。

しかし、高周波電圧の小片試料への印加により、小片試料を覆う樹脂は加熱され易く、加熱後は樹脂が冷めて固まるため、小片試料に熱履歴が残り、小片試料本来の組成から変化するおそれがある。また、小片試料は、これを覆う樹脂によって保持されているが、樹脂は前記加熱により溶けたり、炭化したりしてもろくなり、前記保持部材に対する押圧によって小片試料を保持できなくなるおそれがあるとともに、スパッタリング面を放電発光部に臨ませるのが難しく、また、前記保持部材および樹脂面間のＯリングによるシールが悪くなってリークが発生し放電発光部の真空度が悪くなる。

この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、放電発光部がシールされない程度の大きさの小片試料であっても加熱により溶けたり、炭化したり、組成変化したりすることのない状態で分析することが可能なグロー放電分析方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明のグロー放電分析方法は、電圧印加電極を兼ねた試料押圧部材によって絶縁性の試料保持部材に形成の貫通孔の開放端及び該貫通孔内に挿通されたグロー放電管の陽極円筒部の大気開放側を封止するように、Ｏリングを介して試料を前記試料保持部材に押圧することにより、この試料のスパッタ予定の面を前記グロー放電管の陽極円筒部と試料との間の隙間に形成される放電発光部に臨ませて、この放電発光部において発生するグロー放電による放電発光を分析するグロー放電分析方法であって、前記放電発光部がシールされない程度の大きさの小片試料を、そのスパッタ予定面が露出される状態で、偏平円柱状の金属塊の一方面の中央部に埋設して前記Ｏリングの径よりも大きい外径の測定部材を形成するにあたり、ディスク状台座の小片試料載置面と測定部材の外径に相当する内径を有し、かつ、測定部材の高さよりも高い筒状枠体の内周面とで形成される筒状空間の中央の前記載置面上に小片試料を載置した状態で、前記筒状空間内にＩｎ，Ｐｂ，Ｓｎ等の軟らかい金属の多数の粒を該空間を満たすまで充填し、かつ、この充填状態で前記筒状空間内の多数の金属粒を粒間に隙間が無くなるまで加圧することにより、前記小片試料が金属塊の一方面の中央部にそのスパッタ予定面と金属塊の一方面とが面一になるように該金属塊によって包み埋設されてなる測定部材を形成し、この測定部材に含まれる前記小片試料の前記スパッタ予定の面を前記放電発光部に臨ませて所定の分析を行なうことを特徴としている（請求項１）。

この発明のグロー放電分析方法では、試料のスパッタ予定の面を露出させた状態で、試料をＩｎ，Ｐｂ等の軟らかい金属の多数の粒を加圧してなる金属塊中に埋設することによって、前記スパッタ予定の面を試料と陽極との間に形成される放電発光部に臨ませることができる。例えば、前記放電発光部がシールされない程度の大きさの小片試料のスパッタ予定の面に連なる金属面をＯリングを介して保持部材に押しつけながら、小片試料のスパッタ予定の面を前記放電発光部に臨ませることができ、それによって、小片試料の分析が可能となる。また、従来のように導電性の樹脂ではなく、小片試料を、導電性に優れた金属で包むので、小片試料に熱がかかり難くなり、小片試料の組成変化のおそれがなくなる。更に、小片試料を包埋する前記金属は、加熱により溶けたり、炭化したりしてもろくなるおそれはないので、例えば、前記保持部材に対する押圧によって小片試料を保持できて、常時小片試料のスパッタ予定の面を前記放電発光部に臨ませることができ、また、前記保持部材および樹脂面間のＯリングによるシールを良好にできる。すなわち、分析可能な減圧状態（真空度）まで前記放電発光部をシールすることができる。

以下、この発明の実施形態を、図を参照しながら説明する。なお、それによってこの発明は限定されるものではない。

図１〜図３は、この発明の一実施形態を示す。
図１、図２において、グロー放電分析装置では、グロー放電管１の陽極２と対向して試料３が配置されており、低圧下において試料表面に不活性ガスＩＧが供給され、試料３と陽極２との間の放電発光部４において発生するグロー放電による放電発光が分析される。試料３は、大気開放された陽極円筒部５側を封止するように設けられる。すなわち、この実施形態では、電圧印加電極を兼ねた試料押圧部材６によって、絶縁性の試料保持部材７に形成された貫通孔８の開放端を封止するように、Ｏリング９を介して試料３を前記保持部材７に押圧することで試料３のスパッタ予定の面を前記放電発光部４に臨ませることができる。前記放電発光部４は、陽極円筒部５と試料３との間の隙間に形成されている。前記押圧部材６は、図示していない高周波電源に接続されている。１０は、金属材料よりなるランプボディ１１に形成される不活性ガスＩＧの導入路で、ランプボディ１１に形成される貫通孔１２に連通している。不活性ガスＩＧとしては例えばアルゴンガスが用いられ、貫通孔１２、陽極２の中央に設けた孔５ａおよび陽極円筒部５内を介して前記放電発光部４を満たすように構成されている。そして、前記保持部材７および試料３間をＯリングによりシールする形で試料３のスパッタ予定の面を前記放電発光部４に臨ませ、排気系統を動作させてランプボディ２内の空間を真空引きする。１３，１４は、ランプボディ１１に形成される真空排気流路である。その後、不活性ガス導入路１５から例えばアルゴンガスをランプボディ１１内の空間に満たし、アルゴンガス流の減圧下で高周波電源からの１３ＭＨｚ程度の高周波電圧を押圧部材６を介して試料３に印加する。これにより、陽極２と試料３との間に予備放電が生じ、これに基づいてアルゴンイオンが生成し、このアルゴンイオンが高電界で加速され、試料３の表面（スパッタ予定の面）に衝突して、所定のスパッタリングが行われ、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元素固有の発光が放電発光部４において行われ、この発光は符号Ｌで示す光として、グロー放電管１に連接された分光器１６方向に導出され、試料３の深さ方向の元素分析が行われる。

なお、放電発光部４において発光した光Ｌは、光学レンズ１７によって入射スリット１８で焦点を結ぶ。入射スリット１８を通った光は回折格子１９によって、波長に応じた回折を行い、元素特有のスペクトルに分けられたスペクトル光は出射スリット２０、光電子増倍管（フォトマル）２１を経て電気的に計測される。

図３は、放電発光部がシールされない程度の大きさの小片試料３に対してこの発明のグロー放電分析方法を適用し、それによって形成される測定部材２２を示している。
この測定部材２２は、例えばＩｎ（インジウム）等の軟らかい金属よりなる偏平な円柱状の金属塊２３と、この金属塊２３中に含まれた、放電発光部４がシールされない程度の大きさの小片試料２４とよりなる。この小片試料２４は、小片試料２４におけるスパッタ予定の面（試料面）Ｍを露出させた状態で、金属塊２３の一方面Ｎの中央部に包まれている。なお、前記金属塊２３の一方面Ｎとスパッタ予定の面（試料面）Ｍができるだけ面一になるよう形成するのが好ましい。一方、前記金属塊２３の外径Ｒは、前記Ｏリング９の径よりも大に設定されている。そのため、Ｏリング９を介して金属塊２３の一方面Ｎを前記保持部材７に押しつけながら、小片試料２４のスパッタ予定の面（試料面）Ｍを放電発光部４に臨ませることができるとともに、分析可能な減圧状態まで放電発光部４をシールすることができる。

而して、前記測定部材２２を得るために、測定部材２２の外径Ｒに相当する内径を有し、測定部材２２の高さよりも高い偏平な筒状枠体３０と、この筒状枠体３０が載置されるディスク状の台座３１と、油圧機等の押圧機３２と、例えばＩｎの多数の粒３３とが用いられる。Ｉｎは、軟らかい金属であるので、０．５〜３ｍｍ径の粒に成形できる。筒状枠体３０と台座３１は、真鍮等の金属で成形されている。

すなわち、図３（Ａ）に示すように、下から順に台座３１、筒状枠体３０および押圧機３２を配置し、台座３１の上面中央に小片試料２４が横置き状態で載置されるとともに、小片試料２４を筒状枠体３０の中央位置に収容するように上方から筒状枠体３０を台座３１の小片試料載置面Ｌ上に載置する。台座３１の上方には押圧機３２が位置している。続いて、図３（Ｂ）に示すように、筒状枠体３０の内周面Ｋと台座３１の前記載置面Ｌとで形成される高さＪで径がＮの筒状空間Ｓに、筒状枠体３０の中央に小片試料２４が横置きに位置する状態で、多数のＩｎよりなる粒３３をトレイ３４から、筒状空間Ｓを満たす程度にまで充填する。図３（Ｃ）は、Ｉｎよりなる粒３３が筒状空間Ｓに充填された状態を示す。続いて、図３（Ｄ）に示すように、粒３３，３３間に形成されている隙間が無くなるまで、押圧機３２のビストン３２ａにより上方から筒状空間Ｓ内の多数のＩｎよりなる粒３３に圧力を加える。これにより、Ｉｎの金属塊２３の一方面Ｎの中央部に小片試料２４が包まれてなる測定部材２２を得ることができる。続いて、筒状枠体３０と台座３１を取り外すと、測定部材２２は筒状枠体３０に固定されている。図３（Ｅ）は、筒状枠体３０から取り出された測定部材２２を示す。

なお、スパッタ予定の面（試料面）Ｍと金属塊２３の一方面Ｎ間に形成される段差は、台座３１の前記小片試料載置面Ｌの平滑度を予め考慮しておけば、分析に支障のないレベルまで小さくでき、面Ｍ，Ｎ同士をフラットにできる。

次に、この発明のグロー放電分析装置の特徴的構成について説明する。
図２において、４０は、光電子増倍管（フォトマル）２１からの出力信号を入力して試料３の深さ方向の元素分析の演算を行う演算部を有するコントローラである。４１は、コントローラ４０の演算結果に基づいて測定部材２２の深さ方向の元素分析結果のデータ（図４参照）を表示する表示部である。測定部材２２の小片試料３は例えば鉄鋼試料である。図４において、鉄元素（Ｆｅ）とともに酸素元素（Ｏ）が小片試料３の表面に出現するのは小片試料３が錆を有するからである。また、４２は、プリンタ部である。更に、コントローラ４０はこの発明では、測定部材２２の金属塊２３を構成する元素（Ｉｎ）の分析データを表示部４１上で削除および／または着色するよう、あるいは、金属塊２３を構成する元素（Ｉｎ）および小片試料２４の元素（Ｆｅ，Ｏ等）分析データを表示部上で元素ごとに色を変えて表示するよう制御信号Ａを出力する制御部を有している。

なお、この発明では、Ｉｎ以外に、Ｐｂ，Ｓｎ等の軟らかい金属粒を用いることもできる。

この発明の一実施形態で用いたグロー放電管を示す要部構成説明図である。上記実施形態で用いた分光器を示す構成説明図である。上記実施形態における測定部材の成形工程を、順を追って示す構成説明図である。上記実施形態によって得られた測定部材の深さ方向の元素分析結果を示す図である。

符号の説明

１グロー放電管
２陽極
４放電発光部
２２測定部材
２３金属塊
２４小片試料
３０筒状枠体
３１ディスク状の台座
３３金属の粒
Ｍスパッタ予定の面
ＩＧ不活性ガス
Ｓ筒状空間

Claims

電圧印加電極を兼ねた試料押圧部材によって絶縁性の試料保持部材に形成の貫通孔の開放端及び該貫通孔内に挿通されたグロー放電管の陽極円筒部の大気開放側を封止するように、Ｏリングを介して試料を前記試料保持部材に押圧することにより、この試料のスパッタ予定の面を前記グロー放電管の陽極円筒部と試料との間の隙間に形成される放電発光部に臨ませて、この放電発光部において発生するグロー放電による放電発光を分析するグロー放電分析方法であって、前記放電発光部がシールされない程度の大きさの小片試料を、そのスパッタ予定面が露出される状態で、偏平円柱状の金属塊の一方面の中央部に埋設して前記Ｏリングの径よりも大きい外径の測定部材を形成するにあたり、ディスク状台座の小片試料載置面と測定部材の外径に相当する内径を有し、かつ、測定部材の高さよりも高い筒状枠体の内周面とで形成される筒状空間の中央の前記載置面上に小片試料を載置した状態で、前記筒状空間内にＩｎ，Ｐｂ，Ｓｎ等の軟らかい金属の多数の粒を該空間を満たすまで充填し、かつ、この充填状態で前記筒状空間内の多数の金属粒を粒間に隙間が無くなるまで加圧することにより、前記小片試料が金属塊の一方面の中央部にそのスパッタ予定面と金属塊の一方面とが面一になるように該金属塊によって包み埋設されてなる測定部材を形成し、この測定部材に含まれる前記小片試料の前記スパッタ予定の面を前記放電発光部に臨ませて所定の分析を行なうことを特徴とするグロー放電分析方法。