JP5222322B2 - Surface analysis method and apparatus - Google Patents

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本発明は、表面分析方法及び装置に関し、さらに詳しくは、表面サンプルをその場で分析可能な表面分析方法及び装置に関する。   The present invention relates to a surface analysis method and apparatus, and more particularly to a surface analysis method and apparatus capable of analyzing a surface sample in situ.

従来、試料表面の分析には種々の方法がある。これを深さ分解能及び空間分解能によって分類すると、図14(出典:小川俊夫監修「高分子の表面改質・解析の新展開」 第167頁、株式会社シーエムシー出版 2007年2月発行。図中矢印Aは説明のため追加。)のように示すことができる。この図においては、高分子の表面分析によく用いられる手法が、検出されるサンプルの面積的な広がり及び表面からの深さ方向に対して、簡潔にまとめられている。例えば、表層から10nmの深さではTOF−SIMS/SIMSが用いられ、10−100nmでは、ESCA(XPS)が適用可能であることが2次元的に把握できる。更に、0.5−10μmでは、顕微IRやFT−IR ATRが適用される。ここで、深さ分解能が共に同じ範囲であるのに対し、空間分解能(即ち面積的な広がり)が異なっており、同じ赤外という光を分析に用いる両方法の特徴が端的に表されている。その他の赤外光分析では、ジョンソン法(KBr微粉末を表面にまぶし溶剤を数滴つけてこすり付け測定する)や高感度反射測定法(IR−RAS)が使用できるが、いずれもこれらの深さ分解能及び空間分解能に規定される範囲を逸脱するものではない。また、10nmあたりから100μmあたりまでは、X線回折による分析が適用可能とされ、全ての分析方法をカバーしているようにも見えるが、X線回折により得られる情報は限られたものである。従って、矢印Aで示す深さ分解能の範囲において、適切な分析方法が欠けていると考えられる。   Conventionally, there are various methods for analyzing a sample surface. When this is classified by depth resolution and spatial resolution, FIG. 14 (Source: Toshio Ogawa, “New Development of Surface Modification and Analysis of Polymers”, page 167, published by CMC Publishing Co., Ltd. in February 2007. The arrow A is added for the sake of explanation.). In this figure, techniques often used for polymer surface analysis are summarized briefly with respect to the area spread of the sample to be detected and the depth direction from the surface. For example, it can be grasped two-dimensionally that TOF-SIMS / SIMS is used at a depth of 10 nm from the surface layer, and that ESCA (XPS) is applicable at 10-100 nm. Furthermore, in 0.5-10 micrometers, microscopic IR and FT-IR ATR are applied. Here, while the depth resolution is in the same range, the spatial resolution (that is, area spread) is different, and the features of both methods using the same infrared light for analysis are directly expressed. . In other infrared light analysis, Johnson method (measured by rubbing KBr fine powder on the surface and applying a few drops of solvent and rubbing) and high sensitivity reflection measurement method (IR-RAS) can be used. It does not deviate from the range defined by the depth resolution and the spatial resolution. Further, from around 10 nm to around 100 μm, analysis by X-ray diffraction can be applied, and it seems that all analysis methods are covered, but information obtained by X-ray diffraction is limited. . Therefore, it is considered that an appropriate analysis method is lacking in the depth resolution range indicated by the arrow A.

一方、表面分析では、表面を剥ぎ取ってそれを集めて測定することが通常行われる。例えば、安全剃刀状の薄い刃体1に鋭利な刃先を形成し、刃の形成面に高反射性の金属膜を設けて採取具としての削ぎ刃を形成する。そして、この刃先で基板の表面から付着物を、採取面に付着させたままの状態で赤外分光分析し、その付着物の同定解析をする発明が開示されている(特許文献1)。ここでは、特殊コーティングが必要となるだけでなく、付着物を削り取った刃の上に付着したものを分析するため、収集した試料全体の情報が得られるのに過ぎない。   On the other hand, in surface analysis, the surface is usually peeled off and collected and measured. For example, a sharp cutting edge is formed on the safety razor-like thin blade 1, and a highly reflective metal film is provided on the blade forming surface to form a cutting blade as a sampling tool. An invention is disclosed in which the attached object is subjected to infrared spectroscopic analysis while being attached to the sampling surface with the cutting edge, and the attached object is identified and analyzed (Patent Document 1). Here, not only a special coating is required, but also the information collected on the blade from which the deposit has been scraped is analyzed, so that only information on the entire collected sample can be obtained.

また、測定光を透過させる材料から成る切刃を切削駆動手段に装着し、前記切刃を試料に切り込ませ、前記切刃のすくい面に切削片を削り起こして載せ、前記切削片を載せたまま前記切刃を切削駆動手段から分離し、前記切削片を前記切刃に載せたままの状態で測定光を当て、前記切削片の分析を行うことを特徴とする試料分析方法が開示されている(特許文献2)。この方法では、切刃を切削駆動手段から分離して分析するので、前記切削片を分離する方法によっては前記切刃に載せることが難しい。更に、前記切刃の移動中に前記切削片を紛失するおそれもあり、測定方法として生産性も低くなる。   In addition, a cutting blade made of a material that transmits measurement light is attached to a cutting drive means, the cutting blade is cut into a sample, the cutting piece is shaved and placed on the rake face of the cutting blade, and the cutting piece is placed thereon. Disclosed is a sample analysis method characterized in that the cutting blade is separated from the cutting driving means, and the cutting piece is analyzed by applying measurement light while the cutting piece is placed on the cutting blade. (Patent Document 2). In this method, since the cutting blade is separated from the cutting drive means and analyzed, it is difficult to place the cutting blade on the cutting blade depending on the method of separating the cutting piece. Furthermore, the cutting piece may be lost during the movement of the cutting blade, and the productivity is lowered as a measuring method.

そして、試料表面を切削するのと正に同時に切削内面のデータを測定するために、測定光が、光源からダイヤモンド切刃の光入出射面を通ってダイヤモンド切刃内に入射し、ダイヤモンド切刃の先端部に照射され、ダイヤモンド切刃の先端部から出て試料の切削ポイントで反射され、ダイヤモンド切刃の先端部を通ってダイヤモンド切刃内に入射し、ダイヤモンド切刃の光入出射面から出て、光検出器で受光されることを特徴とする分析方法が開示されている(例えば、特許文献3)。この方法では、切削ポイントの情報を切削しながら測定できるが、切刃を通して測定光を導入し、切削ポイントからの反射光を前記切刃を通して検出する。このため、光の通る路の設計が複雑になり易く、切刃の設計も容易ではない。   Then, in order to measure the data on the inner surface of the cutting just at the same time as cutting the sample surface, the measurement light enters the diamond cutting blade from the light source through the light incident / exit surface of the diamond cutting blade. Is irradiated at the tip of the diamond cutting edge, is reflected at the cutting point of the sample, is incident on the diamond cutting edge through the tip of the diamond cutting edge, and enters from the light incident / exit surface of the diamond cutting edge. An analysis method is disclosed in which the light is received by a photodetector and disclosed (for example, Patent Document 3). In this method, information on the cutting point can be measured while cutting, but measurement light is introduced through the cutting edge, and reflected light from the cutting point is detected through the cutting edge. For this reason, the design of the path through which light passes tends to be complicated, and the design of the cutting edge is not easy.

また、表面から数百nmのオーダーの試料を切削し、その試料を載せた切刃をFT−IR測定装置へと移動し、測定する分析方法が開示されている(例えば、非特許文献1)。この方法では、切刃を所定の位置まで移動させないと分析できないため、切削しながらの測定ができない。   Further, an analysis method is disclosed in which a sample of the order of several hundreds of nanometers is cut from the surface, the cutting blade on which the sample is placed is moved to an FT-IR measuring apparatus, and measurement is performed (for example, Non-Patent Document 1). . In this method, since the analysis cannot be performed unless the cutting blade is moved to a predetermined position, measurement while cutting cannot be performed.

特開平11−44616号公報JP-A-11-44616 特開2005−114679号公報JP 2005-114679 A 特開2005−195438号公報JP 2005-195438 A

APPLIED SPECTROSCOPY, "Infrared SurfaceAnalysis Using a Newly Developed Thin-Sample Preparation System", Volume63, Number 1, pp. 66-72 (2009)APPLIED SPECTROSCOPY, "Infrared SurfaceAnalysis Using a Newly Developed Thin-Sample Preparation System", Volume 63, Number 1, pp. 66-72 (2009)

上述のように、表面からサブミクロンの深さの情報を得ることが望まれており、特に、表面からの深さを変化させつつその部分の情報を得ることが望まれている。しかるに、従来の分析技術では、赤外光等を用いて表面からサブミクロンの深さの特定の情報を得ることは必ずしも容易ではない。特に、深さを変化させながら、試料の構造や特性等を分析することが困難である。また、一方で切削しながら、一定の面積を持つ切削片の情報を得ることも容易ではない。   As described above, it is desired to obtain information on the submicron depth from the surface, and in particular, it is desired to obtain information on the portion while changing the depth from the surface. However, with conventional analysis techniques, it is not always easy to obtain specific information on the depth of submicrons from the surface using infrared light or the like. In particular, it is difficult to analyze the structure and characteristics of the sample while changing the depth. On the other hand, it is not easy to obtain information on a cutting piece having a certain area while cutting.

このような事情に鑑み、分析方法について鋭意検討したところ、表面から約100から500nmまでのサブミクロンオーダーの領域が、顕微IRやFT−IR ATRによって分析できないとされるのは、赤外光自体が分析できないのではなく、サンプリングに問題があり、これらの分析方法が適用されないことが見出された。即ち、サブミクロンの深さの試料を準備できれば、赤外光による分析は可能である。特に、切削と分析を一体的に行うことによって、特に、SIMSやESCA等のように高真空を必要としない赤外光による分析を適用すれば、切削しながら表層の分析が可能となる。更に、深さを変化させながらの切削により、深さ方向の分析が可能となる。また、測定光の光路を工夫することにより、表層から分離した切削片の分析も可能である。   In view of such circumstances, when the analysis method has been intensively studied, it is considered that the submicron order region from the surface to about 100 to 500 nm cannot be analyzed by microscopic IR or FT-IR ATR. However, it was found that there was a problem with sampling and these analytical methods were not applied. That is, if a sample having a submicron depth can be prepared, analysis using infrared light is possible. In particular, by performing cutting and analysis in an integrated manner, the analysis of the surface layer can be performed while cutting by applying analysis using infrared light that does not require high vacuum, such as SIMS or ESCA. Furthermore, analysis in the depth direction is possible by cutting while changing the depth. Further, by devising the optical path of the measuring light, it is possible to analyze the cut piece separated from the surface layer.

本発明において、試料の表面から切刃を侵入させ、その状態を保ったままでも分析が可能となる分析方法及び分析装置を提供できる。例えば、対象となる試料の表面を切削する切刃と、前記試料から削られた切削片及び前記切刃に分析光を照射可能な光源と、この切削片からの光を通過させる光路とを備え、前記試料若しくは前記切刃を相対的に移動して表面からの深さを変えることができる表面分析装置が提供できる。また、試料と、その表面を切削する切刃とを、前記表面及び前記切刃のすくい面が所定の角度となるように配置し、前記試料若しくは前記切刃を相対的に移動させ、前記切刃により前記表面から切削片を削り出した状態で、分析可能な分析光を前記切削片に照射し、この切削片からの光(反射光及び/又は透過光)を受光し分析を行い、前記相対的な移動から前記切削片が切削される表面からの位置の変化を求める表面分析方法を提供することができる。   In the present invention, it is possible to provide an analysis method and an analysis apparatus that enable analysis even when a cutting blade is inserted from the surface of a sample and the state is maintained. For example, a cutting blade that cuts the surface of a target sample, a cutting piece cut from the sample, a light source that can irradiate the cutting blade with analysis light, and an optical path that allows light from the cutting piece to pass therethrough. It is possible to provide a surface analysis apparatus capable of changing the depth from the surface by relatively moving the sample or the cutting blade. Further, the sample and a cutting edge for cutting the surface thereof are arranged so that the surface and the rake face of the cutting edge are at a predetermined angle, the sample or the cutting edge is relatively moved, and the cutting edge is cut. In a state where the cutting piece is cut out from the surface by the blade, the analysis light that can be analyzed is irradiated to the cutting piece, the light (reflected light and / or transmitted light) from the cutting piece is received and analyzed, and the analysis is performed. It is possible to provide a surface analysis method for obtaining a change in position from a surface on which the cutting piece is cut from relative movement.

具体的には、以下のようなものを提供することができる。
(1)表面分析対象となる試料の表面サンプルを切削する切刃と、前記試料を固定する固定手段と、前記切刃の切削により得られる表面サンプルに分析光を照射可能な光源と、前記分析光が前記表面サンプルに照射されて到達する面であって前記表面サンプルをバックアップするバックアップ面と、前記分析光が照射された前記表面サンプルからのデータ光を分析可能に通過させる光路とを備え、前記固定手段及び/又は前記切刃を相対的に移動することにより、前記表面サンプルの前記試料の表面からの平均深さを調節可能なことを特徴とする表面分析装置を提供することができる。
Specifically, the following can be provided.
(1) A cutting blade for cutting a surface sample of a sample to be analyzed, a fixing means for fixing the sample, a light source capable of irradiating analysis light to a surface sample obtained by cutting the cutting blade, and the analysis A surface on which light is irradiated to reach the surface sample, and a backup surface that backs up the surface sample; and an optical path through which data light from the surface sample irradiated with the analysis light can be analyzed. An average depth of the surface sample from the surface of the sample can be adjusted by relatively moving the fixing means and / or the cutting blade.

ここで、表面サンプルとは、前記試料の表面若しくは表層から得られるサンプルであって、表面からの深さ(算術平均深さ、サンプルの容積若しくは重量パーセントによる平均深さ等を含む)と関連付けることができるものをいう。表面サンプルは、何らかの意味で試料の内部(即ち、バルク部。以下同じ。)からの影響が制限されたサンプルをいい、例えば、赤外光による分析において、試料内部から出てくる赤外光の影響を受けずに、そのサンプル(即ち、表面サンプル)から出てくる赤外光に基づいて分析可能なサンプルであって、少なくともその試料の表面若しくは表層を含んでいるサンプルをいってよい。ここで、表層とは、最表面のコンタミや酸化被膜等の影響を少なくなるように制限することができる表面近傍の部分を意味することができる。従って、表面サンプルを前記試料から分離することは必ずしも必要ではない。   Here, the surface sample is a sample obtained from the surface or surface layer of the sample, and is related to the depth from the surface (including the arithmetic average depth, the average volume by the sample volume or weight percentage, etc.). This is what you can do. The surface sample is a sample in which the influence from the inside of the sample (that is, the bulk portion; the same applies hereinafter) is limited in some way. For example, in the analysis by infrared light, A sample that can be analyzed on the basis of infrared light emitted from the sample (that is, the surface sample) without being affected, and includes at least the surface or surface layer of the sample. Here, the surface layer can mean a portion in the vicinity of the surface that can be limited so as to reduce the influence of contamination, oxide film, and the like on the outermost surface. Therefore, it is not always necessary to separate the surface sample from the sample.

ここで、固定手段は、試料を固定できる固定治具を含んでよい。上記する切刃は、通常の切削工具として用いられるいわゆるバイトと同様な形状をしていてもよい。切刃は、分析光及びデータ光に対して、透過若しくは反射可能な材料から構成されることが好ましい。この分析光とは、分析のために照射される光を含んでよく、いわゆる環境光として室内外の光等も含んでよい。試料に侵入する(又は挿入される)切刃の先端部には、所定の角度の刃先角を備える。この刃先角は、試料表面への侵入のし易さや、表面サンプルの作り易さを考慮した場合は、60°以下が好ましく、45°以下がより好ましく、20°以下が更に好ましい。一方、刃先の加工の困難性や、刃先の欠け易さを考慮すれば、1°以上が好ましく、5°以上がより好ましく、10°以上が更に好ましい。   Here, the fixing means may include a fixing jig capable of fixing the sample. The cutting blade described above may have the same shape as a so-called bite used as a normal cutting tool. The cutting blade is preferably made of a material that can transmit or reflect the analysis light and the data light. The analysis light may include light irradiated for analysis, and may include indoor and outdoor light as so-called environmental light. The tip of the cutting blade that enters (or is inserted) into the sample is provided with a predetermined edge angle. The cutting edge angle is preferably 60 ° or less, more preferably 45 ° or less, and still more preferably 20 ° or less, considering the ease of penetration into the sample surface and the ease of making a surface sample. On the other hand, in consideration of the difficulty in machining the cutting edge and the ease of chipping of the cutting edge, 1 ° or more is preferable, 5 ° or more is more preferable, and 10 ° or more is more preferable.

(2)前記分析光は、赤外光であることを特徴とする上記(1)に記載の表面分析装置を提供することができる。 (2) The surface analysis apparatus according to (1) above, wherein the analysis light is infrared light.

分析光としては、波長の短いものから長いものまで特に限定されないが、赤外吸収を測定する場合は、赤外光若しくは赤外線が好ましい。赤外線は、可視光線の赤色より波長が長く(周波数が低い)、電波より波長の短い電磁波のことである。従って、ミリ波長の電波よりも波長の短い電磁波全般を指し、波長ではおよそ0.7μm〜1mmに分布する。すなわち、可視光線と電波の間に属する電磁波といえる。   The analysis light is not particularly limited from a short wavelength to a long wavelength, but infrared light or infrared light is preferred when measuring infrared absorption. Infrared rays are electromagnetic waves that have a longer wavelength (lower frequency) than visible red light and a shorter wavelength than radio waves. Therefore, it refers to all electromagnetic waves having a wavelength shorter than that of millimeter-wave radio waves, and the wavelength is distributed in the range of about 0.7 μm to 1 mm. That is, it can be said that the electromagnetic wave belongs between visible light and radio waves.

(3)前記切刃の相対的な移動軌跡は、前記試料の表面に対し所定の角度で傾斜することを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の表面分析装置を提供することができる。 (3) The surface analysis apparatus according to (1) or (2) above, wherein the relative movement trajectory of the cutting blade is inclined at a predetermined angle with respect to the surface of the sample. it can.

ここで、移動軌跡とは、移動することにより切刃の先端が仮想的に描く線若しくは面を意味することができる。切刃は所定の刃先角を備える直線的な先端辺を備えてよく、この先端辺に対して垂直な方向に移動(相対移動を含む)する場合は、側面視において移動軌跡は線を描くことになる。相対移動は、系全体から見たときに切刃は静止していても、試料が移動することにより相対的に切刃が移動するように見える場合を含んでよい。   Here, the movement trajectory may mean a line or a surface virtually drawn by the tip of the cutting edge by moving. The cutting edge may have a straight leading edge with a predetermined edge angle, and when moving in a direction perpendicular to the leading edge (including relative movement), the movement locus draws a line in a side view. become. The relative movement may include a case where the cutting blade appears to move relatively as the sample moves even though the cutting blade is stationary when viewed from the entire system.

(4)前記バックアップ面は、前記切刃のすくい面であることを特徴とする上記(1)から(3)いずれかに記載の表面分析装置を提供することができる。 (4) The surface analysis apparatus according to any one of (1) to (3), wherein the backup surface is a rake face of the cutting edge.

ここで、表面サンプルをバックアップするとは、表面サンプルの背面側に位置し、試料の内部から表面サンプルを分離することを意味してもよい。また、表面サンプルに接触可能な状態であることを意味してもよい。表面サンプルは、このバックアップ面に付着(又は接触若しくは密着)していてもよく、離間していてもよい。そして、照射する分析光から見て表面サンプルの背後にあり、試料の内部にこの分析光が届かないようにしてもよい。或いは、試料の内部からの分析可能な光がこの表面サンプルに届かないようにしてもよい。すくい面は、切刃により切削される切削片が載る面であってもよい。例えば、切刃の進行方向に発生する切削片(若しくは切屑)をすくいとるような役割をしている面を意味することができる。   Here, backing up the surface sample may mean that the surface sample is located on the back side of the surface sample and is separated from the inside of the sample. Moreover, it may mean that it is in a state where it can contact the surface sample. The surface sample may be attached (or contacted or adhered) to the backup surface, or may be separated. Then, it may be behind the surface sample as viewed from the analysis light to be irradiated so that the analysis light does not reach the inside of the sample. Alternatively, analyzable light from within the sample may not reach the surface sample. The rake face may be a face on which a cut piece cut by the cutting blade is placed. For example, it can mean a surface that plays a role of scooping cutting pieces (or chips) generated in the traveling direction of the cutting edge.

(5)前記光路は、前記切刃の内部に備えられることを特徴とする上記(1)から(4)の何れかに記載の表面分析装置を提供することができる。このとき、切刃は表面サンプルから出てくる光であるデータ光を透過可能な材料からなることが好ましい。 (5) The surface analysis apparatus according to any one of (1) to (4), wherein the optical path is provided inside the cutting blade. At this time, the cutting blade is preferably made of a material that can transmit data light, which is light emitted from the surface sample.

ここで、データ光とは、分析対象となる試料(例えば、表面サンプル)を分析するための光であり、この試料との相互作用(例えば、吸収、増幅、反射、透過等)後、検出器や分析機器へと送られるべき光のことを意味してよい。つまり、データ光は、試料の影響により、偏光、吸収、増幅等されてよい。   Here, the data light is light for analyzing a sample to be analyzed (for example, a surface sample). After interaction with the sample (for example, absorption, amplification, reflection, transmission, etc.), a detector is used. Or light that should be sent to the analytical instrument. That is, the data light may be polarized, absorbed, amplified, etc. due to the influence of the sample.

(6)前記切刃は、内部に前記光路を形成可能に、少なくとも1つの面で前記データ光を反射することを特徴とする上記(5)に記載の表面分析装置を提供することができる。また、この切刃の形状により、更に、反射を増やして、少なくとも2つの面で前記データ光を閉じ込めるように反射可能にすることもできる。ここで、データ光を閉じ込めるようにとは、切刃に入った光が切刃の外に出ないように反射されるようにという意味であってよい。1つ若しくは2つの面は、切刃の内面であって、切刃の外部(例えば、開放空間)との境界(又は界面)をなすもの(以下「切刃内面」という)のうち少なくとも1つの面を含んでよい。例えば、一旦切刃の内部に入ったデータ光がこのような第1の切刃内面で反射され、切刃内部を進行し切刃の後端側の第2の切刃内面で反射され、反射しない別の切刃内面(境界)を通過して分析に供されてもよい。反射率が低い場合は、反射の度に減衰するので、反射回数が少ない方が好ましい。 (6) The surface analysis apparatus according to (5), wherein the cutting blade reflects the data light on at least one surface so that the optical path can be formed therein. Further, the shape of the cutting edge can further increase reflection so that the data light can be reflected so as to be confined in at least two surfaces. Here, confining the data light may mean that the light entering the cutting blade is reflected so as not to go out of the cutting blade. The one or two surfaces are at least one of the inner surfaces of the cutting blade and that form a boundary (or interface) with the outside (for example, an open space) of the cutting blade (hereinafter referred to as “the inner surface of the cutting blade”). May include a surface. For example, data light that has once entered the inside of the cutting blade is reflected by the inner surface of the first cutting blade, travels inside the cutting blade, is reflected by the second inner surface of the cutting edge at the rear end side of the cutting blade, and is reflected. It may be subjected to analysis by passing through another cutting blade inner surface (boundary). If the reflectivity is low, it is attenuated each time it is reflected, so it is preferable that the number of reflections is small.

(7)表面分析対象となる試料と、該試料の表面から侵入可能な切刃とを、相対的に移動可能に配置する配置工程と、前記試料及び/又は前記切刃を相対的に移動させ、前記切刃を前記試料の前記表面から侵入させる侵入工程と、分析可能な分析光を前記試料の前記表面から照射し、前記切刃を構成する面に到達させる照射工程と、前記切刃を構成する前記面に到達した光を受光し分析を行う分析工程と、前記相対的な移動から前記表面からの位置を算出する算出工程と、を備える表面分析方法を提供することができる。 (7) An arrangement step in which a sample to be subjected to surface analysis and a cutting blade capable of entering from the surface of the sample are arranged to be relatively movable, and the sample and / or the cutting blade are relatively moved. An intrusion step for intruding the cutting blade from the surface of the sample, an irradiation step for irradiating an analysis light that can be analyzed from the surface of the sample and reaching a surface constituting the cutting blade, and the cutting blade It is possible to provide a surface analysis method comprising: an analysis step of receiving and analyzing light reaching the surface to be configured; and a calculation step of calculating a position from the surface from the relative movement.

(8)前記分析光は、赤外光であることを特徴とする上記(7)に記載の表面分析方法を提供することができる。 (8) The surface analysis method according to (7) above, wherein the analysis light is infrared light.

(9)前記侵入工程において、前記切刃を構成する前記面であるすくい面と前記試料の前記表面とが90度未満の侵入角を形成するように侵入させ、前記照射工程において、前記分析光を前記すくい面に略垂直に照射することを特徴とする(7)又は(8)に記載の表面分析方法を提供することができる。 (9) In the intrusion step, the rake face that is the surface constituting the cutting blade and the surface of the sample are intruded so as to form an intrusion angle of less than 90 degrees, and in the irradiation step, the analysis light The surface analysis method according to (7) or (8), wherein the surface of the rake is irradiated substantially perpendicularly to the rake face.

ここで、侵入角とは、表面及び切刃のすくい面がなす角を意味することもできる。切刃は、このすくい面に平行な方向に相対移動し、試料の表面に侵入することもできる。   Here, the penetration angle can also mean an angle formed by the surface and the rake face of the cutting edge. The cutting blade can also move relative to the rake face in a direction parallel to the rake face and enter the surface of the sample.

(10)前記表面から照射され、前記切刃を構成する前記面に到達する光は、前記切刃内部を通って、分析手段へ向かうことを特徴とする上記(7)から(9)のいずれかに記載の表面分析方法を提供することができる。 (10) Any one of the above (7) to (9), wherein the light irradiated from the surface and reaching the surface constituting the cutting blade passes through the inside of the cutting blade and travels to the analysis means The surface analysis method described in the above can be provided.

このように、試料表面から、切刃を挿入し、挿入した状態を保ったままで該試料表面から切刃に向かって分析光をあて、その反射光及び/又は透過光を分析する方法を提供することができる。また、その切刃は、分析光の遮断材を少なくともコーティングすることができる。そして、試料断面から、切刃を挿入し、挿入した状態を保ったままで分析する方法を提供できる。このとき、その切刃を分析光の遮断材とすることもできる。そして、切刃の材質をダイヤモンドとし、そのダイヤモンドの表面を金属膜や窒化物や炭化物や酸化物でコーティングすることもできる。   Thus, a method is provided in which a cutting blade is inserted from a sample surface, and analysis light is applied from the sample surface toward the cutting blade while maintaining the inserted state, and the reflected light and / or transmitted light is analyzed. be able to. Further, the cutting blade can be coated with at least an analysis light blocking material. Then, it is possible to provide a method of analyzing from the sample cross section while inserting the cutting blade and maintaining the inserted state. At this time, the cutting edge can also be used as an analysis light blocking material. The cutting blade can be made of diamond, and the surface of the diamond can be coated with a metal film, nitride, carbide or oxide.

本発明によれば、表面から約100nm以上で、約1μm以下の深さの状態を分析することができる。特に、表面からの深さを変化させつつ、その部分の状態を分析可能である。そして、切削しながら、切削片自体の測定もできる。このような分析には、これまで蓄積された赤外吸光のデータを活用することも可能である。また、照射プローブを工夫すれば、顕微IRに相当する狭い面積での状態分析も、深さ方向の関数として可能である。また、試料からの光の通る路を切刃内とすることで、試料周りの空間の自由度を上げることができる。そして、その場で分析するため、分析用のサンプル作成を別途する必要がない。   According to the present invention, it is possible to analyze a state having a depth of about 100 nm or more and about 1 μm or less from the surface. In particular, the state of the part can be analyzed while changing the depth from the surface. And while cutting, the cutting piece itself can also be measured. For such analysis, it is also possible to utilize infrared absorption data accumulated so far. In addition, if the irradiation probe is devised, state analysis in a narrow area corresponding to the microscopic IR is also possible as a function in the depth direction. Further, by setting the path through which light from the sample passes within the cutting blade, the degree of freedom of the space around the sample can be increased. And since it analyzes on the spot, it is not necessary to prepare the sample for analysis separately.

本発明の1つの実施例である表面分析システムの概略模式図である。It is a schematic diagram of the surface analysis system which is one example of the present invention. 図1の切刃の部分を拡大した部分拡大模式図である。It is the partial expansion schematic diagram which expanded the part of the cutting blade of FIG. 図2の切刃部分を更に拡大しマウント部を示す部分拡大斜視図である。It is the elements on larger scale which expand further the cutting-blade part of FIG. 2, and show a mount part. 図1の表面分析装置を作動させた状態を示す部分概略模式図である。It is a partial schematic diagram which shows the state which operated the surface analyzer of FIG. 本発明の別の実施例の表面分析装置の主要な構成を説明する概略模式図である。It is a schematic diagram explaining the main structures of the surface analyzer of another Example of this invention. 図5の表面分析装置を作動させた状態を示す概略模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which actuated the surface analysis apparatus of FIG. 試料と切刃との相対的な位置関係を示す概略模式図である。It is a schematic diagram which shows the relative positional relationship of a sample and a cutting blade. 本発明の更に別の実施例の表面分析装置の主要な構成を説明する概略模式図である。It is a schematic diagram explaining the main structures of the surface analysis apparatus of another Example of this invention. 本発明のまた別の実施例の表面分析装置の主要な構成を説明する概略模式図である。It is a schematic diagram explaining the main structures of the surface analyzer of another Example of this invention. また別の実施例において用いられ得る切刃の(a)一部破断斜視図及び(b)BB断面図である。It is the (a) partially broken perspective view and (b) BB sectional drawing of the cutting blade which may be used in another Example. 本発明の別の実施例の表面分析装置において、切刃が試料に侵入した状態を示す概略模式図である。In the surface analysis apparatus of another Example of this invention, it is a schematic schematic diagram which shows the state which the cutting blade penetrate | invaded into the sample. 本発明の更に別の実施例の表面分析装置において、切刃が試料に侵入した状態を示す概略模式図である。In the surface analysis apparatus of another Example of this invention, it is a schematic schematic diagram which shows the state which the cutting blade penetrate | invaded into the sample. 本発明の実施例の表面分析装置を用いて試料の表面劣化を測定したときの赤外吸収スペクトルの変遷を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the transition of an infrared absorption spectrum when the surface degradation of a sample is measured using the surface analysis apparatus of the Example of this invention. 各種表面分析法の空間・深さ分解能を示すグラフである(出典:小川俊夫監修「高分子の表面改質・解析の新展開」 第167頁、株式会社シーエムシー出版 2007年2月発行)。It is a graph showing the spatial and depth resolution of various surface analysis methods (Source: supervised by Toshio Ogawa, “New Developments in Surface Modification and Analysis of Polymers”, page 167, issued by CMC Publishing Co., Ltd. in February 2007). 本発明の別の実施例である表面分析システムの概略模式図である。It is a schematic diagram of the surface analysis system which is another Example of this invention. 本発明のまた別の実施例である表面分析システムの概略模式図である。It is a schematic diagram of the surface analysis system which is another Example of this invention. 本発明の更に別の実施例である表面分析システムの概略模式図である。It is a schematic diagram of the surface analysis system which is another Example of this invention.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について詳しく説明するが、これは本発明を理解するために記述されるのであって、本発明の範囲を限定するものではない。同一若しくは関連する要素には同じ符号が付され、重複する説明は割愛される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the embodiments are described for understanding the present invention and do not limit the scope of the present invention. The same or related elements are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.

図1から4は、本発明の1つの実施例である表面分析システムを模式的に示す。表面分析装置(分析装置自体は不図示)を含む分析システム10は、主に、光学系装置12と、切削系装置14と、試料保持系装置16と、から構成される。光学系装置12には、CCDカメラ18が備えられ、自身の照明光若しくは環境光により試料を観測することができる。また、対物レンズ20にて集光される分析光21がプローブを曲げて作られるエルボー22により鉛直下向きに曲げられ照射されるが、その分析光は分析光プローブ24により矢印の先にある光源26から導入される。この光源26としては、例えば、12500〜3800cm−1の領域はタングステン・ヨウ素ランプが、7800〜240cm−1の領域では高輝度セラミック光源を用いることができる。このような分析光プローブ24には、株式会社システムズエンジニアリング製の中赤外PIRファイバーシステムを適用することができる。 1 to 4 schematically show a surface analysis system according to one embodiment of the present invention. The analysis system 10 including a surface analysis device (the analysis device itself is not shown) mainly includes an optical system device 12, a cutting system device 14, and a sample holding system device 16. The optical system device 12 is provided with a CCD camera 18 and can observe a sample with its own illumination light or ambient light. Further, the analysis light 21 collected by the objective lens 20 is irradiated by being bent vertically downward by an elbow 22 formed by bending the probe. It is introduced from. As the light source 26, for example, regions of 12500~3800Cm -1 tungsten-iodine lamps may be to use a high intensity ceramic light source region of 7800~240cm -1. A mid-infrared PIR fiber system manufactured by Systems Engineering Co., Ltd. can be applied to such an analysis light probe 24.

切削系装置14は、切刃32、この切刃32を固定する切刃固定治具34、これを固定する切削系本体36、及び光学的コネクター38から構成される。切刃32は、切削片が載るすくい面相当の上面32aと、切刃固定治具34に面する下面32b(切刃32と異なるもの(空気等の流体及び固体を含む)との界面(又は境界)ということもできる)と、所定の刃先角を備える先端辺32cとを備える。そして、切刃固定治具34に固定されるマウントプレート34aの開口32eを規定する縁部32dにおいて、切刃32は接着固定される。切刃32は、試料を切削可能な硬いものであればよい。但し、分析のために光を透過させる場合は、光透過性である必要がある。この実施例においては、切刃32は、ダイヤモンド製のものであり、先端辺32cは、切刃32の全幅に渡りまっすぐ延びている。しかしながら、オプションとして、上側に丸で囲った部分拡大図のように一部突出する突出部32fを設けることができる。このとき、ベースラインである端辺32gは、先端辺32cに相当する。このような形状にすると、試料に侵入する切刃の部分が幅狭となり、侵入をより容易に行うことができる。一方、突出部32fが小さすぎると表面サンプルとして十分な広さ(面積)を得られないおそれがある。この切刃32は、縦断面が平行四辺形をしており、上面及び下面を水平にして配置した場合、図中幅方向に全体が6のサイズであるとき、2ずつ3つに分け、先端部側の上面の半分は、ダイヤモンドがむき出しの状態である。一方、後端側の半分は、反射材コーティング33(例えば、金等の金属、又は、TiN等のセラミック)が施され、更に後端側の側面も同様な反射材コーティング33がなされている。このようなコーティング材料としては、高い反射率を持つものが好ましい。例えば、オプトシリウス株式会社が販売するSpectralon(登録商標)、Spectraflect(登録商標)、Duraflect(登録商標)、Infragold(登録商標)等を市販されている例としてあげることができる。更に、切刃32の先端部の逃げ角(若しくは逃げ面)側も縦(又は前後)方向pだけダイヤモンドがむき出しとなり、残りの側面及び下面32bの縁部32dも同様な反射材コーティング33がなされている。切刃32の刃先角は45度であり、すくい面に相当する上面32aは水平に配置されている。   The cutting system device 14 includes a cutting blade 32, a cutting blade fixing jig 34 that fixes the cutting blade 32, a cutting system main body 36 that fixes the cutting blade 32, and an optical connector 38. The cutting blade 32 has an interface (or a surface different from the cutting blade 32 (including a fluid such as air and a solid) (or a solid) including a top surface 32a corresponding to a rake surface on which a cutting piece is placed and a cutting blade fixing jig 34. And a tip side 32c having a predetermined cutting edge angle. The cutting blade 32 is bonded and fixed at an edge portion 32d that defines the opening 32e of the mount plate 34a fixed to the cutting blade fixing jig 34. The cutting blade 32 should just be a hard thing which can cut a sample. However, when light is transmitted for analysis, it needs to be light transmissive. In this embodiment, the cutting edge 32 is made of diamond, and the tip side 32 c extends straight over the entire width of the cutting edge 32. However, as an option, it is possible to provide a protruding portion 32f that partially protrudes like a partially enlarged view surrounded by a circle on the upper side. At this time, the end side 32g which is a base line corresponds to the front end side 32c. With such a shape, the portion of the cutting blade that enters the sample becomes narrower, and entry can be performed more easily. On the other hand, if the protrusion 32f is too small, there is a possibility that a sufficient area (area) as a surface sample cannot be obtained. The cutting edge 32 has a parallelogram in the longitudinal section, and when the upper surface and the lower surface are arranged horizontally, when the entire size is 6 in the width direction in the figure, the cutting blade 32 is divided into two parts each in three parts. Half of the top surface on the part side is exposed to diamond. On the other hand, a half of the rear end side is provided with a reflective material coating 33 (for example, a metal such as gold or a ceramic such as TiN), and the side surface on the rear end side is also provided with the same reflective material coating 33. As such a coating material, a material having a high reflectance is preferable. For example, Spectralon (registered trademark), Spectrafect (registered trademark), Durafect (registered trademark), Infragold (registered trademark) and the like sold by Optocilius Corporation can be given as examples. Further, the clearance angle (or clearance surface) side of the tip of the cutting edge 32 is also exposed in the longitudinal (or front-rear) direction p, and the same side surface and the edge 32d of the lower surface 32b are coated with the same reflective material coating 33. ing. The cutting edge 32 has a cutting edge angle of 45 degrees, and the upper surface 32a corresponding to the rake face is disposed horizontally.

尚、ここでは切刃32の材料として硬い試料もカットできるダイヤモンドを例として用いているが、それ以外のセラミックス、金属等を適宜選択して用いることができる。反射する赤外光を用いて分析する場合は、切刃材料が透光性を備える必要はなく、反射に優れるものが好ましい。一方、透過赤外光を用いて分析する場合は、反射が少なく透光性に優れるものが好ましい。例えば、透光性アルミナや単結晶アルミナ(又はサファイア)においては、可視光から波長が6.5μmの光の透光性が期待され、MgFでは波長が0.1〜7.5μm、LiFでは波長が0.1〜9μm、CaFでは波長が0.1〜12μmの光の透光性が期待される。また、Siのように可視光を透過できなくても波長が1.2〜15μmの赤外光が透過可能なものも用いてもよい。特にダイヤモンドは、0.25〜80μmと広い範囲で透光性が期待される。但し、ダイヤモンドは、4〜5.5μmあたりに吸収があるので、適宜補正を行うことが好ましい。異なる材質の切刃を用いた分析も並行して行い、補償することも可能である。また、異なる切刃材料で測定をすることにより、その材料に吸収のある波長の範囲での精度低下を補償することが可能となる。以下、切刃の材料に関して同様である。 Here, as the material of the cutting blade 32, diamond that can cut a hard sample is used as an example, but other ceramics, metals, and the like can be appropriately selected and used. When analyzing using the reflected infrared light, it is not necessary for the cutting blade material to have translucency, and a material excellent in reflection is preferable. On the other hand, when analysis is performed using transmitted infrared light, it is preferable to use a material that has little reflection and excellent translucency. For example, translucent alumina or single crystal alumina (or sapphire) is expected to transmit light having a wavelength of 6.5 μm from visible light, MgF 2 has a wavelength of 0.1 to 7.5 μm, and LiF has a wavelength of 0.1 to 7.5 μm. The translucency of light having a wavelength of 0.1 to 9 μm and CaF 2 having a wavelength of 0.1 to 12 μm is expected. Moreover, you may use the thing which can permeate | transmit infrared light with a wavelength of 1.2-15 micrometers although it cannot permeate | transmit visible light like Si. In particular, diamond is expected to have translucency in a wide range of 0.25 to 80 μm. However, since diamond absorbs around 4 to 5.5 μm, it is preferable to correct appropriately. Analysis using cutting blades of different materials can be performed in parallel and compensated. In addition, by measuring with different cutting edge materials, it is possible to compensate for a decrease in accuracy in a wavelength range where the material absorbs. Hereinafter, the same applies to the material of the cutting blade.

切刃固定治具34は、切刃32と同様分析のために光を透過させる場合は、少なくとも開口32eに対応する部分について光透過性である必要がある。例えば、中空状態となっていてよい。特に、中空ではなく、透光性の材料で詰まっている場合は、光は切刃32から切刃固定治具34へと導かれるので、切刃32の材質とほぼ等しい屈折率の材質がより好ましい。例えば、石英を用いることができる。また、界面32bに、表面の乱反射を防ぐために、屈折率を調節する液体を介在させることもできる。この切刃固定治具34の表面は、同様な反射材コーティング33がなされている。切刃固定治具34は、光学的コネクター38と共に切削系本体36に固定され、これらを通る分析用の光(データ光)はファイバーを通り光学分析装置40へと導かれる。この切削系本体36は、ゴニオメータ42に載置され、好ましい位置に回転固定される。更に、このゴニオメータ42は、XYステージに載置され、図示しないサーボモータ又はステップモータにより水平方向に移動可能となっている。   When the cutting blade fixing jig 34 transmits light for analysis similarly to the cutting blade 32, at least a portion corresponding to the opening 32e needs to be light transmissive. For example, it may be in a hollow state. In particular, when the material is not hollow but is clogged with a translucent material, the light is guided from the cutting blade 32 to the cutting blade fixing jig 34, so that a material having a refractive index substantially equal to the material of the cutting blade 32 is more suitable. preferable. For example, quartz can be used. Further, a liquid for adjusting the refractive index can be interposed in the interface 32b in order to prevent irregular reflection on the surface. A similar reflector coating 33 is formed on the surface of the cutting blade fixing jig 34. The cutting blade fixing jig 34 is fixed to the cutting system main body 36 together with the optical connector 38, and the analysis light (data light) passing through these is guided to the optical analyzer 40 through the fiber. The cutting system main body 36 is placed on the goniometer 42 and is rotationally fixed at a preferred position. Further, the goniometer 42 is placed on an XY stage and can be moved in the horizontal direction by a servo motor or a step motor (not shown).

試料保持系装置16は、試料51の表面が前記切刃32の上面に対して所定の角となるように試料51を固定する試料固定治具52を備える。この試料固定治具52は、真空チャックにより試料51を固定するが、この固定をホットメルト等の接着剤を用いて行うこともできる。この試料固定治具52を所定の角度で傾斜させて固定するハンド54は、圧電素子によりZ軸方向に駆動される圧電素子ステージ56に固定され、更に、この圧電素子ステージ56は、圧電素子によりX軸方向に駆動される圧電素子ステージ58に固定される。これらの圧電素子ステージ56、58は、後述する切刃32による切削において、深さ方向等を調整するために用いられる。そして、この圧電素子ステージ58は、更に、図示しないサーボモータ又はステップモータにより水平方向に移動可能なXステージ62に載置される。上述した切削系装置14及びここで述べた試料保持系装置16は、共にベース64上に固定され、相対位置が確定される。   The sample holding system device 16 includes a sample fixing jig 52 that fixes the sample 51 so that the surface of the sample 51 is at a predetermined angle with respect to the upper surface of the cutting blade 32. The sample fixing jig 52 fixes the sample 51 by a vacuum chuck, but this fixing can also be performed using an adhesive such as hot melt. A hand 54 for inclining and fixing the sample fixing jig 52 at a predetermined angle is fixed to a piezoelectric element stage 56 driven in the Z-axis direction by a piezoelectric element, and the piezoelectric element stage 56 is further fixed by a piezoelectric element. Fixed to the piezoelectric element stage 58 driven in the X-axis direction. These piezoelectric element stages 56 and 58 are used for adjusting the depth direction and the like in cutting with a cutting blade 32 described later. The piezoelectric element stage 58 is further placed on an X stage 62 that can be moved in the horizontal direction by a servo motor or a step motor (not shown). The cutting system device 14 and the sample holding system device 16 described here are both fixed on the base 64 and the relative position is determined.

次に、図4を参照しつつ、切削しながら行う分析方法について述べる。図4では、切刃32の先端が、試料51の表面から所定の深さのところに挿入され、表面サンプルとなる切削片51aが、切刃32のすくい面に付着していることがわかる。残材51bは、ある程度の逃げ角を確保した逃げ面側にある。分析光21は、分析光プローブ24から対物レンズ20を介して切削片51aに照射される。ここで、分析光21の反射光で分析を行う場合は、切削片51aから反射される光がそのまま分析光プローブ24を逆行し、分析されればよいので、詳細な説明は割愛する。この例としては、株式会社システムズエンジニアリング製の中赤外PIRファイバーシステムを分析光プローブ24を用いた場合等である。   Next, an analysis method performed while cutting will be described with reference to FIG. In FIG. 4, it can be seen that the tip of the cutting edge 32 is inserted at a predetermined depth from the surface of the sample 51, and the cutting piece 51 a serving as the surface sample is attached to the rake face of the cutting edge 32. The remaining material 51b is on the side of the flank that ensures a certain clearance angle. The analysis light 21 is applied to the cutting piece 51 a from the analysis light probe 24 through the objective lens 20. Here, when the analysis is performed with the reflected light of the analysis light 21, the light reflected from the cutting piece 51 a may be analyzed by going back through the analysis light probe 24 as it is, and thus the detailed description is omitted. As an example of this, there is a case where a mid-infrared PIR fiber system manufactured by Systems Engineering Co., Ltd. is used with the analysis optical probe 24.

さて、切削片51aに照射された分析光21は、ダイヤモンド製の切刃32内に入り、図中前方の側面において、反射材コーティング33により反射され(21a)、ほぼ水平に後端側に光が進み、後端側の側面で同様に反射材コーティング33により反射され(21b)、下面32bに対してほぼ直角に入射する。ここで、刃先角が45度であるため、すくい面から鉛直に入射した光がほぼ水平に反射されている。この角度を変える場合は、以下に述べる切刃固定治具34内の光路の確保を含めて、光の反射経路を確保することが好ましい。下面32bを超えて切刃内部から出た光は、切刃固定治具34の中空部の前方の壁面において、同様に反射材コーティング33により反射され(21c)、光学的コネクター38へと進む(21d)。この切刃固定治具34の前方の側面も同様に水平に対しほぼ45度の角度を備えるためである。   The analysis light 21 applied to the cutting piece 51a enters the diamond cutting blade 32, and is reflected by the reflecting material coating 33 (21a) on the front side surface in the figure (21a). Is reflected by the reflecting material coating 33 in the same manner on the side surface on the rear end side (21b), and enters the lower surface 32b at a substantially right angle. Here, since the blade edge angle is 45 degrees, light incident vertically from the rake face is reflected almost horizontally. When this angle is changed, it is preferable to secure a light reflection path including securing an optical path in the cutting blade fixing jig 34 described below. The light emitted from the inside of the cutting blade beyond the lower surface 32b is similarly reflected by the reflecting material coating 33 on the wall surface in front of the hollow portion of the cutting blade fixing jig 34 (21c) and proceeds to the optical connector 38 ( 21d). This is because the front side surface of the cutting blade fixing jig 34 also has an angle of approximately 45 degrees with respect to the horizontal.

ここで、光路が切刃32内にある場合の光の反射について考察する。切刃32内から外に光が出る場合、いわゆる入射光iは、切刃32の屈折率n1内を進み、界面に入射角θ1で入射する。切刃32外には空気があると考えると、その屈折率n2はほぼ1に等しく、屈折角θ2を持つとすると、スネルの法則より、次の式が成り立つ。
n1×sin(θ1)=n2×sin(θ2)
例えば、ダイヤモンドを用いた場合、n1=2.42、屈折角θ2=90度とすれば、臨界角θ1は、θ1=sin−1(1/2.42×sin(90))=24.4度となる。従って、25度以上(例えば、45度)の入射角では、全反射となるため、反射材コーティングをしなくてもよい場合もある。この場合は、反射角θ3=θ1となるので、適正に光路を設計することが好ましい。
Here, the reflection of light when the optical path is in the cutting edge 32 will be considered. When light exits from the inside of the cutting blade 32, so-called incident light i travels through the refractive index n1 of the cutting blade 32 and enters the interface at an incident angle θ1. Assuming that there is air outside the cutting edge 32, the refractive index n2 is substantially equal to 1 and if it has a refraction angle θ2, the following equation holds from Snell's law.
n1 × sin (θ1) = n2 × sin (θ2)
For example, when using diamond, if n1 = 2.42 and the refraction angle θ2 = 90 degrees, the critical angle θ1 is θ1 = sin −1 (1 / 2.42 × sin (90)) = 24.4. Degree. Therefore, since the total reflection occurs at an incident angle of 25 degrees or more (for example, 45 degrees), it may not be necessary to coat the reflector. In this case, since the reflection angle θ3 = θ1, it is preferable to design the optical path appropriately.

ここで、相対移動する試料51の動きについて説明する。試料51は真空チャックにより試料固定治具52に固定されているので、この試料固定治具52が矢印52aに移動した場合は、それと同じく移動する。ほぼ平行な表面及び裏面を持つ試料51の表面は、この試料固定治具52の矢印52aとほぼ平行であるので、この試料固定治具52を矢印52a方向に動かしても、切刃32の先端の位置(試料51の表面からの深さ)は変わらない。従って、すくい面に付着する切削片51aの深さは変わらないことになる。尚、矢印52a方向の移動は、Z軸方向の圧電素子ステージ56と、X軸方向の圧電素子ステージ58を連携して動かすことにより実現できる。ここで、深さを変えるためには、試料51の表面と、切刃32のすくい面とを所定の角(ごく表層を分析するためには、好ましくは60°以下であり、より好ましくは45°以下であり、更に好ましくは30°以下である。また、侵入(若しくは挿入)の容易さを考慮すれば、3°以上が好ましく、5°以上がより好ましく、7°以上が更に好ましい)とし、該表面に平行な方向よりもより後方を向く(又は上を向く)移動(例えば、水平に切刃32の先端に向かって移動)すれば、表面からの距離がより深くなり、より深い位置の材料からなる切削片51aを得ることができる。一方、該表面に平行な方向よりもより前方を向く(又は下を向く)移動(例えば、試料51がそのまま下方に鉛直に移動)すれば、表面からの距離がより浅くなり、より浅い位置の材料からなる切削片51aを得ることができる。これらの移動の詳細は、圧電素子により精密に且つ自在に行うことができるので、深さ方向に自在に切削片51aを得ることが出来ることとなる。そして、その分析結果と、この深さデータをリンクさせれば、深さ方向のプロファイリングも可能である。このような移動と深さの関係については別態様につき後述する。   Here, the movement of the sample 51 that relatively moves will be described. Since the sample 51 is fixed to the sample fixing jig 52 by the vacuum chuck, when the sample fixing jig 52 moves to the arrow 52a, it moves in the same manner. Since the surface of the sample 51 having a substantially parallel surface and back surface is substantially parallel to the arrow 52a of the sample fixing jig 52, the tip of the cutting blade 32 can be moved even if the sample fixing jig 52 is moved in the direction of the arrow 52a. The position (depth from the surface of the sample 51) does not change. Therefore, the depth of the cutting piece 51a adhering to the rake face does not change. The movement in the direction of the arrow 52a can be realized by moving the piezoelectric element stage 56 in the Z-axis direction and the piezoelectric element stage 58 in the X-axis direction in cooperation. Here, in order to change the depth, the surface of the sample 51 and the rake face of the cutting edge 32 are set to a predetermined angle (in order to analyze the very surface layer, it is preferably 60 ° or less, more preferably 45 °. Or less, more preferably 30 ° or less, and considering the ease of penetration (or insertion), 3 ° or more is preferable, 5 ° or more is more preferable, and 7 ° or more is more preferable. If the movement is more rearward (or upward) than the direction parallel to the surface (for example, moving horizontally toward the tip of the cutting edge 32), the distance from the surface becomes deeper and the deeper position A cutting piece 51a made of the above material can be obtained. On the other hand, if the movement is more forward (or downward) than the direction parallel to the surface (for example, the sample 51 is moved vertically downward as it is), the distance from the surface becomes shallower, and the shallower position A cutting piece 51a made of a material can be obtained. Since the details of these movements can be precisely and freely performed by the piezoelectric element, the cutting piece 51a can be obtained freely in the depth direction. Profiling in the depth direction is also possible by linking the analysis result and this depth data. Such a relationship between movement and depth will be described later with respect to another aspect.

図15から17は、別の実施例となる表面分析システムをそれぞれ示す。基本構成は、図1と同じであるので、重複する部分は省略する。図15においては、切削系装置14’の切刃31は、図1の切刃32と比べ、後端部が垂直面(後端面)となっている点において異なる。また、この後端部の後端面には反射材コーティングはなされていない。光源26からの光(特に赤外光)は、プローブ24を通り、すくい面上の試料を通って、切刃31内に入り、左下側の反射材コーティング33により反射された光が、切刃31内を抜け、後端面に直接接触するプローブ25の断面からプローブ25内を通過するように配置されている。プローブ25は切削系本体36に固定されて、光学分析装置40へと、分析用の光を導く。一方、図16においては、切削系装置14’’の切刃31は、図15の切刃31と同形であるが、後端面には反射材コーティング33がなされている。光源26からの光(特に赤外光)は、プローブ24を通り、すくい面上の試料を通って、切刃31内に入り、切刃31内を抜け、左下側面に直接接触するプローブ25の断面からプローブ25内を通過するように配置されている。プローブ25は光学分析装置40へと、分析用の光を導く。   FIGS. 15 to 17 each show a surface analysis system according to another embodiment. Since the basic configuration is the same as that in FIG. 1, overlapping portions are omitted. In FIG. 15, the cutting edge 31 of the cutting system device 14 ′ is different from the cutting edge 32 of FIG. 1 in that the rear end portion is a vertical surface (rear end surface). Further, the rear end surface of the rear end portion is not coated with a reflecting material. Light from the light source 26 (especially infrared light) passes through the probe 24, passes through the sample on the rake face, enters the cutting blade 31, and the light reflected by the lower left reflective material coating 33 is converted into the cutting blade. The probe 31 is arranged so as to pass through the probe 25 from a cross section of the probe 25 that passes through the probe 31 and directly contacts the rear end surface. The probe 25 is fixed to the cutting system main body 36 and guides light for analysis to the optical analyzer 40. On the other hand, in FIG. 16, the cutting blade 31 of the cutting system device 14 ″ has the same shape as the cutting blade 31 of FIG. 15, but a reflector coating 33 is formed on the rear end surface. Light (especially infrared light) from the light source 26 passes through the probe 24, passes through the sample on the rake face, enters the cutting blade 31, passes through the cutting blade 31, and directly contacts the lower left side surface. It arrange | positions so that the inside of the probe 25 may be passed from a cross section. The probe 25 guides light for analysis to the optical analyzer 40.

図17においては、図15及び16の光学系を複合したもので、切削系装置14’’’の切刃31の後端面及び左下側面にプローブ25の断面が直接接触しており、それぞれのプローブ25が反射した光及び反射に及ばなかった光を光学分析装置40へと導く。このような複合システムでは、同じ試料であっても切刃31の挿入量を増加させることにより、反射光及び非反射光による分析を行うことができる。これらのようなシステムでは、図1の場合と異なり、切刃内で2回以上の反射をさせる必要がなく、分析用の光の減衰を少なくすることができる。従って、精度も向上すると期待される。   In FIG. 17, the optical system of FIGS. 15 and 16 is combined, and the cross section of the probe 25 is in direct contact with the rear end surface and the lower left side surface of the cutting blade 31 of the cutting system device 14 ′ ″. The light reflected by 25 and the light not reaching the reflection are guided to the optical analyzer 40. In such a complex system, even with the same sample, the amount of insertion of the cutting blade 31 can be increased to perform analysis with reflected light and non-reflected light. In such a system, unlike the case of FIG. 1, it is not necessary to make two or more reflections in the cutting blade, and attenuation of light for analysis can be reduced. Therefore, the accuracy is expected to be improved.

図5及び6は、別の実施例の表面分析装置の主要な構成を説明する概略模式図である。切刃140及び試料150は、共に図示しない固定装置により、それぞれ、固定160され、また、移動170される。分析光である赤外光120は、切刃140のすくい面に照射され、切削片152の分析を行うことができる。この実施例では、刃先角がかなり鋭角的であるので、赤外光120の反射光により分析を行う方がより好ましい。まず、上述するように所定の位置関係に切刃140及び試料150が配置され、切刃140の先端が試料150の表面に食い込み、切削片152及び残材154に分離する。このとき、試料150は上述の場合と同様に圧電素子ステージにより矢印170方向に移動し、刃先は試料150の表面からより深く入り込む。従って、赤外光による分析は、より深い位置の材料の分析となる。この関係を図7の模式図で説明する。切刃140の救い面は水平であり、試料150の表面は角度αで傾斜する。ここで、矢印170方向に移動する距離をdとし、図中、切刃140の先端の食い込み位置から表面に沿った距離をXとし、切刃140の先端の表面からの距離をYとすれば、d=X・cos(α)であり、Y=X・tan(α)である。これらより、Y=d・sin(α)/cos(α)が得られる。ここで、αはほぼ1°程度であれば、cos(α)=1とみなして、Y=d・sin(α)となる。即ち、切削片152において最も深いところは、Y=d・sin(α)であり、仮に算術平均したものを平均深さとすれば、深さ<Y>=d・sin(α)/2である。 5 and 6 are schematic diagrams for explaining the main configuration of a surface analysis apparatus according to another embodiment. Both the cutting blade 140 and the sample 150 are fixed 160 and moved 170 by a fixing device (not shown). The infrared light 120 that is the analysis light is applied to the rake face of the cutting blade 140, and the cutting piece 152 can be analyzed. In this embodiment, since the edge angle is very acute, it is more preferable to perform analysis using reflected light of the infrared light 120. First, as described above, the cutting blade 140 and the sample 150 are arranged in a predetermined positional relationship, and the tip of the cutting blade 140 bites into the surface of the sample 150 and is separated into the cutting piece 152 and the remaining material 154. At this time, the sample 150 is moved in the direction of the arrow 170 by the piezoelectric element stage in the same manner as described above, and the cutting edge enters deeper from the surface of the sample 150. Therefore, analysis by infrared light is analysis of material at a deeper position. This relationship will be described with reference to the schematic diagram of FIG. The rescue surface of the cutting blade 140 is horizontal, and the surface of the sample 150 is inclined at an angle α. Here, if the distance moving in the direction of the arrow 170 is d, in the figure, the distance along the surface from the biting position of the tip of the cutting blade 140 is X, and the distance from the surface of the tip of the cutting blade 140 is Y. , D = X · cos (α), and Y = X · tan (α). From these, Y = d · sin (α) / cos 2 (α) is obtained. Here, if α is approximately 1 °, it is assumed that cos (α) = 1, and Y = d · sin (α). That is, the deepest place in the cutting piece 152 is Y = d · sin (α), and if the average depth is an arithmetic average, the depth <Y> = d · sin (α) / 2. .

図8は、更に別の実施例の表面分析装置の主要な構成を説明する概略模式図である。ここでは、切刃140はすくい面を水平に固定されており(矢印160)、赤外光120はすくい面に向かって照射される。試料150の表面も水平であり、この試料150がほぼ水平に移動する(170)。そのため、試料150の側面から挿入した切刃140は、深さが変わらない切削片152を削り取る。そのため同一深さの切削片152の分析を行うことができる。しかしこの場合は、逃げ角が実質的にないので、残材154が切刃140に損傷を与えるおそれがある。そこで、図9に示すように、固定を行う基板158の上に固定された試料156の右側面を左肩下がりにカットすれば、残材の影響は少なくなる。   FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a main configuration of a surface analysis apparatus according to still another embodiment. Here, the cutting edge 140 has a rake face fixed horizontally (arrow 160), and the infrared light 120 is irradiated toward the rake face. The surface of the sample 150 is also horizontal, and the sample 150 moves substantially horizontally (170). Therefore, the cutting blade 140 inserted from the side surface of the sample 150 scrapes off the cutting piece 152 whose depth does not change. Therefore, it is possible to analyze the cutting piece 152 having the same depth. However, in this case, since there is substantially no clearance angle, the remaining material 154 may damage the cutting blade 140. Therefore, as shown in FIG. 9, if the right side surface of the sample 156 fixed on the substrate 158 to be fixed is cut downward, the influence of the remaining material is reduced.

図10は、また別の実施例の表面分析装置に用いることができる切刃260の(a)部分破断斜視図及び(b)BB断面図を示す。この切刃260においては、先端に突出する突出部32fを備える鋭利部262が設けられ、刃先角γを持つ。その鋭利部262は、切刃先端が試料に侵入すると、その上面に試料の表面サンプルが載ることになる。鋭利部262は、境界264まで延び、すくい面となる上面266を持つ切刃260の本体へと連続する。ここで、逃げ角の基準となる下面268は共に共通し、刃先角γより大きい言わばすくい角(この実施例では45度)を形成する。この下面268とすくい面266は、45度の角度をなしている。そのため、すくい面266に垂直に入った分析光が、例えばダイヤモンド製の切刃内に入射した場合、45度の入射角で下面268を照射し、コーティングにより反射される。そして、やはり45度の反射角で切刃260内をすくい面266に対し平行に進行することができる。   FIG. 10 shows (a) a partially broken perspective view and (b) a BB cross-sectional view of a cutting blade 260 that can be used in a surface analysis apparatus of another embodiment. The cutting blade 260 is provided with a sharp portion 262 having a protruding portion 32f protruding at the tip, and has a cutting edge angle γ. When the tip of the cutting edge enters the sample, the sharp portion 262 places the surface sample of the sample on the upper surface. The sharpened portion 262 extends to the boundary 264 and continues to the main body of the cutting blade 260 having an upper surface 266 that serves as a rake face. Here, the lower surface 268 serving as a reference for the clearance angle is common, and forms a so-called rake angle (45 degrees in this embodiment) that is larger than the blade edge angle γ. The lower surface 268 and the rake surface 266 form an angle of 45 degrees. Therefore, when the analysis light entering perpendicularly to the rake face 266 is incident into, for example, a diamond cutting blade, the lower surface 268 is irradiated at an incident angle of 45 degrees and reflected by the coating. Then, the cutting blade 260 can travel parallel to the rake face 266 with a reflection angle of 45 degrees.

図11は、別の実施例の表面分析装置において、切刃が試料に侵入した状態を概略的に示す。切刃240は、すくい面242に平行な方向である矢印200の向きに試料150の内部に侵入する。このとき試料150の表面150aとすくい面242(又は矢印200)のなす侵入角はα1である。また、切刃240の刃先角は45度である。図示するように、試料150の表面サンプルがすくい面242上に載り(若しくは、表面サンプルがすくい面242にバックアップされ)、分析光120が照射されると、表面サンプルを透過し、切刃240内に侵入する。このとき分析光120はすくい面242に対してほぼ垂直に入射するので、切刃240内に入った光(即ち、データ光)122は、下面248に45度で当たり、45度の反射角で反射され、すくい面にほぼ平行に切刃240内を進行する。   FIG. 11 schematically shows a state in which the cutting blade has entered the sample in the surface analysis apparatus of another embodiment. The cutting blade 240 enters the sample 150 in the direction of the arrow 200 that is parallel to the rake face 242. At this time, the penetration angle formed by the surface 150a of the sample 150 and the rake face 242 (or the arrow 200) is α1. The cutting edge angle of the cutting blade 240 is 45 degrees. As shown in the drawing, when the surface sample of the sample 150 is placed on the rake face 242 (or the surface sample is backed up by the rake face 242) and irradiated with the analysis light 120, the surface sample is transmitted through the cutting edge 240. Break into. At this time, the analysis light 120 is incident on the rake surface 242 substantially perpendicularly, so that the light (that is, the data light) 122 entering the cutting blade 240 hits the lower surface 248 at 45 degrees and has a reflection angle of 45 degrees. Reflected and travels in the cutting blade 240 substantially parallel to the rake face.

図12は、更に別の実施例の表面分析装置において、切刃が試料に侵入した状態を概略的に示す。切刃250は、すくい面252に平行な方向である矢印202の向きに試料150の内部に侵入する。このとき試料150の表面150aとすくい面252(又は矢印202)のなす侵入角はα2である。また、切刃250の刃先角はγである。図示するように、侵入により試料150の表面サンプルがすくい面252上に載り(若しくは、表面サンプルがすくい面252にバックアップされ)、分析光120が照射されると、表面サンプルを透過し、すくい面252で反射して、分析光120の反対方向にデータ光124として進む。このように構成するのは図11に比べ、切刃250の刃先角γは45度に比べかなり小さく、切刃250内をデータ光が通過するのは必ずしも容易ではないからである。しかしながら、刃先角γが小さいため切刃の先端の試料への侵入は容易であり、表面からの距離においてより精度の高い表面サンプルを提供することが可能である。   FIG. 12 schematically shows a state in which a cutting blade has entered a sample in a surface analysis apparatus of still another embodiment. The cutting blade 250 enters the sample 150 in the direction of an arrow 202 that is parallel to the rake face 252. At this time, the penetration angle formed by the surface 150a of the sample 150 and the rake face 252 (or arrow 202) is α2. Further, the cutting edge angle of the cutting edge 250 is γ. As shown in the figure, when the surface sample of the sample 150 is placed on the rake face 252 due to intrusion (or the surface sample is backed up on the rake face 252) and irradiated with the analysis light 120, the surface sample passes through the rake face. The light is reflected at 252 and proceeds as data light 124 in the opposite direction of the analysis light 120. The reason for this is that the edge angle γ of the cutting edge 250 is considerably smaller than 45 degrees compared to FIG. 11, and it is not always easy for data light to pass through the cutting edge 250. However, since the edge angle γ is small, it is easy to enter the sample at the tip of the cutting edge, and it is possible to provide a surface sample with higher accuracy at a distance from the surface.

図13に上述した表面分析システム10(表面分析装置を含んでよい)を用いて試料の表面劣化を測定したときの赤外吸収スペクトルを縦に並べたグラフを示す。縦軸は任意強度であり、横軸は波数を示している。サンプルCは、試料の内部から採取したものであり、サンプルBは表面サンプルのうち深いところから取ったもので、サンプルAはより表面に近いところの表面サンプルである。サンプルAが最も顕著に示すピークは、試料の劣化度合いを表す化合物の結合の伸縮振動に起因するもので、サンプルAで最も劣化が進行していることが分かる。ここで、例えば、傾斜角αが10°であるとし、サンプルAが挿入開始から相対距離dが3μmだけ移動したものであり、サンプルBが更にそこから追加の相対距離dが8μmだけ移動したものであるとすれば、それぞれの平均深さは、0.26μm及び0.69μmであるので、深さによる劣化の度合いが少なくとも定性的に把握可能であり、内部標準を用いれば、表面サンプルの量の多寡を補償可能であるので(例えば、内部標準法)、定性的な把握も可能である。   FIG. 13 shows a graph in which infrared absorption spectra are vertically arranged when the surface degradation of the sample is measured using the surface analysis system 10 (which may include a surface analysis device) described above. The vertical axis represents arbitrary intensity, and the horizontal axis represents wave number. Sample C is taken from the inside of the sample, Sample B is taken from a deep portion of the surface sample, and Sample A is a surface sample closer to the surface. The most prominent peak in sample A is attributed to the stretching vibration of the compound bond representing the degree of deterioration of the sample, and it can be seen that the deterioration is most advanced in sample A. Here, for example, assuming that the inclination angle α is 10 °, the sample A is moved by the relative distance d from the start of insertion by 3 μm, and the sample B is further moved by the additional relative distance d by 8 μm. Since the average depth of each is 0.26 μm and 0.69 μm, the degree of degradation due to the depth can be grasped at least qualitatively. Can be compensated for (for example, internal standard method), so qualitative understanding is also possible.

以上、述べてきたように、本発明の表面分析装置や表面分析システムでは、切削しながら、逐次分析を行うことができ、且つ、その表面からの深さ方向を変数としてとることができる。また、特殊な形状と透過光の反射構造を供えた切刃を用いて、サブミクロンオーダーの深さ方向領域を赤外分析の評価することができ、切削できる材料であれば如何なる材料も分析の対象となり得る。例えば、1)Low−k膜やレジスト膜、有機ELなどの電子材料としての有機材料系膜とそれらに付着した異物の解析や、2)各種プラスチック及び塗膜の表層、深さ方向の解析や、3)ABS、PC、PP、PVCなどの安定剤、酸化防止剤などの深さ方向の解析を行うことができる。更に、4)耐候性試験など耐久性試験による表面から内部にかけての材料の経過時間の変化、内部添加剤の変化を調べることができ、5)これら材料の熱劣化による構造変化、耐水性試験による構造変化等の確認をすることができるだけでなく、6)植物や生体材料の表面から深さ方向の解析も可能となるので、7)食品の表層添加物などを詳細に調べることもできる。   As described above, in the surface analysis apparatus and the surface analysis system of the present invention, it is possible to perform sequential analysis while cutting, and to take the depth direction from the surface as a variable. In addition, using a cutting blade with a special shape and reflection structure for transmitted light, it is possible to evaluate the depth direction region of submicron order by infrared analysis, and any material that can be cut can be analyzed. Can be a target. For example, 1) Analysis of organic material films as electronic materials such as low-k films, resist films, and organic EL, and foreign substances attached to them, 2) Analysis of surface layers and depth directions of various plastics and coatings 3) It is possible to perform analysis in the depth direction of stabilizers such as ABS, PC, PP, PVC, and antioxidants. Furthermore, 4) It is possible to examine changes in the elapsed time of materials from the surface to the interior and changes in internal additives from durability tests such as weather resistance tests, and 5) structural changes due to thermal degradation of these materials, and water resistance tests. Not only can structural changes be confirmed, but 6) analysis in the depth direction from the surface of plants and biomaterials is also possible, so 7) food surface layer additives can be examined in detail.

10 分析システム、 12 光学系装置、 14 切削系装置、
16 試料保持系装置、 21 分析光、
21a、21b、21c、21d 測定光、 24 分析光プローブ、
26 光源、 32、140 切刃、 32a すくい面、
33 反射材コーティング、 51、150 試料、
51a、152 切削片、 52 試料保持治具
10 analysis system, 12 optical system device, 14 cutting system device,
16 Sample holding system device, 21 Analytical light,
21a, 21b, 21c, 21d measurement light, 24 analysis light probe,
26 light source, 32, 140 cutting edge, 32a rake face,
33 Reflector coating, 51, 150 samples,
51a, 152 Cutting piece, 52 Sample holding jig

Claims (4)

表面分析対象となる試料の表面サンプルを切削する切刃と、
前記試料を固定する固定手段と、
前記切刃の切削により得られる表面サンプルに分析光を照射可能な光源と、
前記分析光が前記表面サンプルに照射されて到達する面であって前記表面サンプルをバックアップするバックアップ面と、
前記切刃の内部に備えられる、前記分析光が照射された前記表面サンプルからのデータ光を分析可能に通過させる光路と、を備え、
前記切刃は、内部に前記光路を形成可能に、少なくとも1つの面で前記データ光を反射し、
前記固定手段及び/又は前記切刃を相対的に移動することにより、前記表面サンプルの前記試料の表面からの平均深さを調節可能なことを特徴とする表面分析装置。
A cutting edge for cutting a surface sample of a sample to be analyzed;
Fixing means for fixing the sample;
A light source capable of irradiating analysis light to a surface sample obtained by cutting the cutting blade;
A back-up surface for backing up the surface sample, which is a surface that the analysis light is irradiated to reach the surface sample;
Provided inside of the cutting edge, and an optical path for analyzable pass data light from the surface sample which the analysis light is irradiated,
The cutting blade reflects the data light on at least one surface so that the optical path can be formed therein,
The surface analysis apparatus characterized in that an average depth of the surface sample from the surface of the sample can be adjusted by relatively moving the fixing means and / or the cutting blade.
前記分析光は、赤外光であることを特徴とする請求項1に記載の表面分析装置。   The surface analysis apparatus according to claim 1, wherein the analysis light is infrared light. 前記切刃の相対的な移動軌跡は、前記試料の表面に対し所定の角度で傾斜することを特徴とする請求項1又は2に記載の表面分析装置。   The surface analysis apparatus according to claim 1, wherein the relative movement trajectory of the cutting blade is inclined at a predetermined angle with respect to the surface of the sample. 前記バックアップ面は、前記切刃のすくい面であることを特徴とする請求項1から3いずれかに記載の表面分析装置。   The surface analysis apparatus according to claim 1, wherein the backup surface is a rake face of the cutting edge.
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