JP5545922B2 - Sample analysis method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、クラスターイオンを試料に照射した際に得られる2次粒子を飛行時間型質量分析器で分析する方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for analyzing secondary particles obtained by irradiating a sample with cluster ions with a time-of-flight mass spectrometer.
入射1次粒子と試料との衝突現象により発生した2次イオンの質量分析を行う2次イオン質量分析法、あるいは、スパッタされた中性粒子をイオン化させて得られた2次イオンの質量分析を行うスパッタ中性粒子質量分析法は、半導体産業、医薬品産業、材料製造産業等、広く産業界で利用されている。2次イオン質量分析及びスパッタ中性粒子質量分析法において、生成した粒子を分析する方法として、飛行時間型(Time-of-flight:TOF)質量分析器が広く使用されている。 Secondary ion mass spectrometry that performs mass analysis of secondary ions generated by the collision phenomenon between incident primary particles and the sample, or mass analysis of secondary ions obtained by ionizing sputtered neutral particles Sputtered neutral particle mass spectrometry is widely used in the industry such as the semiconductor industry, the pharmaceutical industry, and the material manufacturing industry. In secondary ion mass spectrometry and sputter neutral particle mass spectrometry, a time-of-flight (TOF) mass spectrometer is widely used as a method for analyzing generated particles.
TOF質量分析器は、測定対象粒子に同じ運動エネルギーを与え、その運動エネルギーにより分析器中を飛行している分析対象粒子が分析器内を通過するのに要する時間を測定することで、当該粒子の質量分析を行う装置である。測定対象粒子に適切な飛行速度を持たせる必要があるため、2次イオン質量分析の場合は、1次粒子の試料への衝突により生成した2次イオンに適切なポテンシャルをかけて速度を与える。スパッタ中性粒子質量分析法では、レーザーや電子線等を照射することで、1次粒子の試料への衝突によりスパッタされた中性粒子をイオン化後、ポテンシャルをかけて速度を与える。分析対象粒子の飛行方式により、粒子がほぼ直線状に飛行する直線型、粒子をリフレクターにより反射させる反射型、静電型アナライザーと組み合わせて分解能を高めた方式等、さまざまなバリエーションがある。 The TOF mass analyzer gives the same kinetic energy to the measurement target particle, and measures the time required for the analysis target particle flying in the analyzer to pass through the analyzer by the kinetic energy. Is a device for performing mass spectrometry. In the case of secondary ion mass spectrometry, it is necessary to give an appropriate potential to the secondary ions generated by the collision of the primary particles with the sample. In the sputtering neutral particle mass spectrometry, neutral particles sputtered by collision of primary particles with a sample are ionized by irradiation with a laser, an electron beam or the like, and then a potential is applied to increase the speed. Depending on the flight method of the particles to be analyzed, there are various variations, such as a linear type in which particles fly almost linearly, a reflective type in which particles are reflected by a reflector, and a method in which resolution is increased in combination with an electrostatic analyzer.
分析器内を粒子が飛行する時間(△t)を測定するためには、測定対象粒子が分析器に入った時刻(t1)と粒子が分析器を通過し終わった時刻(t2)を測定する必要がある。測定対象粒子が分析器に入った時刻に関係する信号として、試料に照射する1次粒子をパルス化する際に使用するパルスジェネレータの信号や1次入射粒子が試料に衝突する際に高い確率で放出される2次電子の検出信号等を使用する場合が多く、また、分析器を通過し終わった時刻に関係する信号としては、質量分析器出口付近に設置された粒子検出器の検出信号等を利用して、その時間差から飛行時間を求めることが多い。従来、分析器中を飛行する測定対象粒子の飛行時間を測定する際に、測定対象粒子が分析器に入った時刻と関連するパルスと、粒子が分析器を通過し終わった時刻と関連するパルスの2つの時間差に比例した波高を持つ出力パルスを発生する装置(時間波高分析器、Time to Amplitude Converter:TAC)を用いて測定している。 In order to measure the time (Δt) during which particles fly in the analyzer, the time (t1) when the measurement target particle enters the analyzer and the time (t2) when the particle has passed through the analyzer are measured. There is a need. As a signal related to the time when the measurement target particle enters the analyzer, the signal of the pulse generator used when pulsing the primary particle irradiated to the sample and the probability that the primary incident particle collides with the sample is high. In many cases, the detection signal of the secondary electrons to be emitted is used, and the signal related to the time when it has passed through the analyzer includes the detection signal of the particle detector installed near the exit of the mass analyzer. In many cases, the flight time is obtained from the time difference. Conventionally, when measuring the time of flight of a measurement target particle flying through the analyzer, a pulse related to the time when the measurement target particle enters the analyzer and a pulse related to the time when the particle finishes passing through the analyzer The measurement is performed using a device (time wave height analyzer, TAC) that generates an output pulse having a wave height proportional to the time difference between the two.
通常、TOF質量分析器を用いた2次粒子質量分析では、2次イオンあるいはスパッタ中性粒子を生成するために照射する1次照射粒子として、数百eV〜30keV程度の入射エネルギーを持つCsイオン、Gaイオン、Oイオン、Arイオン等、一つの原子からなる単原子イオンを照射する。この場合、例えば、2次イオン質量分析の1次イオンとしてよく用いられる10keVの単原子イオン1個当りに発生する2次イオンは、せいぜい0.01程度である。このような1つの入射粒子当りに得られる2次粒子が非常に少なく、さらに、パルス化された1次ビームを用いる場合は1パルス当りの1次粒子数が非常に少ない場合、あるいは、パルス化していない1次ビームを用いる場合は入射粒子強度(単位時間当たりに試料に衝突する1次粒子数)が非常に少ない場合、検出される2次粒子は、それぞれ測定対象粒子が分析器に入った時刻と関連するパルスと粒子が分析器を通過し終わった時刻と関連するパルスを持つことになり、飛行時間を測定することができる。この場合、測定対象粒子が分析器に入った時刻と関連するパルス1つに対して、粒子が分析器を通過し終わった時刻と関連するパルスが一つしか生成しないということが測定の前提になっている。 Usually, in secondary particle mass spectrometry using a TOF mass analyzer, Cs ions having an incident energy of about several hundreds eV to 30 keV are used as primary irradiation particles to generate secondary ions or sputtered neutral particles. Irradiation with a single atom ion composed of one atom such as Ga ion, O ion, Ar ion or the like. In this case, for example, the number of secondary ions generated per 10 keV monoatomic ion, which is often used as a primary ion in secondary ion mass spectrometry, is about 0.01 at most. The number of secondary particles obtained per incident particle is very small, and when a pulsed primary beam is used, the number of primary particles per pulse is very small, or pulsed When a primary beam that is not used is used, the incident particle intensity (the number of primary particles that collide with the sample per unit time) is very small. There will be a pulse associated with the time and a pulse associated with the time when the particles have passed through the analyzer and the time of flight can be measured. In this case, the premise of the measurement is that only one pulse related to the time when the particle has passed through the analyzer is generated for one pulse related to the time when the particle to be measured enters the analyzer. It has become.
試料から放出される2次粒子量が少ないと、測定に時間がかかったり、ノイズに対するシグナルの比が高くなり、データの質が悪くなったり、あるいは、検出限界以下になり、測定できなくなる。これを改善し、分析の精度及び感度を高めるためには、なるべく多くの2次粒子を検出し、スペクトルに反映させる必要があり、2次粒子の生成量や生成効率を高めることが必要である。 If the amount of secondary particles released from the sample is small, the measurement takes time, the signal to noise ratio becomes high, the data quality deteriorates, or the measurement is below the detection limit, and measurement is impossible. In order to improve this and increase the accuracy and sensitivity of analysis, it is necessary to detect as many secondary particles as possible and reflect them in the spectrum, and it is necessary to increase the generation amount and generation efficiency of secondary particles. .
入射粒子を、2個以上の原子から成る原子集団や荷電原子集団として照射し、試料表面に高密度のエネルギー付与を行い、放出される2次荷電粒子数を増大させる方法がある。例えば、特許文献1の図3は、荷電粒子集団として試料に照射した際、試料表面から放出される2次粒子による電流を、入射粒子のビーム電流で規格化して、比電流として表示している。この図では、照射量が少ない時、比電流は1を大きく超えている。入射荷電粒子の電荷は1価であること、正の2次荷電粒子のほとんどは1価のイオンであること、を考慮すると、入射荷電粒子1つに対して、少なくともその数倍以上の数の正の2次荷電粒子を放出していることがわかる。また、このような荷電粒子集団を照射することでより効率的に2次粒子を生成することができるので、特許文献2のように、表面分析の感度を向上させることができる。
There is a method of increasing the number of secondary charged particles to be emitted by irradiating incident particles as an atomic group consisting of two or more atoms or a charged atom group to impart high density energy to the sample surface. For example, in FIG. 3 of
上記のように、1次入射粒子として原子集団を使用する場合、集団1つから複数個の2次粒子が得られる場合がある。これは、入射粒子強度をどんなに弱くしても、複数個の2次荷電粒子が検出される場合もあることを示している。1個の原子集団や荷電原子集団で複数個の2次荷電粒子が検出器に到達する場合にTACによる飛行時間測定を行うと、計数される2次荷電粒子は検出器に1番早く到達したものに限られ、それ以降に検出器に到達した2次粒子による信号が観測されない。このため、数え落としが増加するだけでなく、測定結果がはじめに検出器に到達する2次粒子に偏るため、強度相対比が正確な2次粒子スペクトルを得ることができない。1番早くに検出器に到達した2次粒子による信号しか観測されないということは、2次粒子の飛行時間により、スペクトルに反映する確率が異なることを示している。このように1個の原子集団や荷電原子集団の入射で複数個の2次荷電粒子が生じる場合は、入射粒子強度をどんなに弱くしても、TACを用いると正確なスペクトルを得ることはできない。 As described above, when an atomic group is used as the primary incident particle, a plurality of secondary particles may be obtained from one group. This indicates that a plurality of secondary charged particles may be detected regardless of how weak the incident particle intensity is. When the time of flight is measured by TAC when multiple secondary charged particles reach the detector in one atomic group or charged atomic group, the counted secondary charged particles reach the detector first. The signal due to the secondary particles reaching the detector is not observed after that. For this reason, not only the counting down increases, but the measurement result is biased toward the secondary particles that first reach the detector, so that a secondary particle spectrum with an accurate intensity relative ratio cannot be obtained. The fact that only the signal from the secondary particles that have reached the detector first is observed indicates that the probability of reflection in the spectrum differs depending on the flight time of the secondary particles. In this way, when a plurality of secondary charged particles are generated by the incidence of one atomic group or charged atomic group, an accurate spectrum cannot be obtained using TAC, no matter how weak the incident particle intensity is.
1次入射粒子を原子集団や荷電原子集団として試料に照射することで2次粒子量を増大させ分析感度を高めた飛行時間型2次粒子分析法において、正確なスペクトルを得るためには、2次粒子の計数方法を最適化させる必要がある。本発明は、原子集団照射、荷電原子集団照射と組み合わせて、2次粒子による分析の高感度化と高精度を計った試料分析方法及び分析装置を提供することを目的とする。 In order to obtain an accurate spectrum in a time-of-flight secondary particle analysis method in which the amount of secondary particles is increased by irradiating the sample with primary incident particles as an atomic group or charged atom group to increase the analysis sensitivity, It is necessary to optimize the secondary particle counting method. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a sample analysis method and an analysis apparatus that achieve high sensitivity and high accuracy in analysis using secondary particles in combination with atomic group irradiation and charged atom group irradiation.
本発明は、原子集団又は荷電粒子集団を1次入射粒子として使用した飛行時間型2次イオン質量分析における2次荷電粒子の計数に関して、2次荷電粒子の飛行時間(すなわち、2次荷電粒子の質量/電荷の比)によらず均等な確率で2次荷電粒子を検出することで、高感度かつ正確な2次粒子分析を行うことを可能とするものである。 The present invention relates to the counting of secondary charged particles in time-of-flight secondary ion mass spectrometry using atomic populations or charged particle populations as primary incident particles. By detecting the secondary charged particles with an equal probability regardless of the mass / charge ratio), it is possible to perform highly sensitive and accurate secondary particle analysis.
本発明では、2個以上の原子から成る原子集団あるいは2個以上の原子から成り電荷を持った荷電原子集団(以下、まとめてクラスター粒子という)を1次入射粒子として試料に照射し、当該1次入射粒子1個当たり2次荷電粒子が2個以上得られる場合で、2次荷電粒子の質量分析を飛行時間型分析器で分析する際、2次荷電粒子の飛行時間によらず均等な確率で2次荷電粒子の検出信号を計数することで、正確なスペクトルを得る。2次荷電粒子の検出信号を飛行時間によらず均等な確率で採取する方法としては、2次荷電粒子の検出信号を全数採取する場合と、飛行時間とは無関係なある割合で採取する場合とがある。全数採取する場合は、1次入射粒子が試料に入射する時刻と関連する信号とともに検出信号を採取すれば、2次荷電粒子の検出信号を飛行時間によらず強度の正確なスペクトルを得ることができる。また、信号の取り込みの関係で全信号を採取できない場合でも、信号の取り込みを飛行時間とは関係なく同じ割合で取り込むと、スペクトル中の2次粒子種の相対比は正しく、正確なスペクトルを得ることができる。 In the present invention, a sample is irradiated with a group of atoms composed of two or more atoms or a group of charged atoms composed of two or more atoms (hereinafter collectively referred to as cluster particles) as primary incident particles. When two or more secondary charged particles per secondary incident particle are obtained, when analyzing the mass analysis of secondary charged particles with a time-of-flight analyzer, the probability is equal regardless of the time of flight of the secondary charged particles The accurate spectrum is obtained by counting the detection signal of the secondary charged particles. As a method of collecting the detection signals of secondary charged particles with an equal probability regardless of the flight time, a case where all the detection signals of secondary charged particles are collected, and a case where the detection signals are collected at a certain rate unrelated to the flight time, There is. When all the samples are collected, if a detection signal is collected together with a signal related to the time when the primary incident particles enter the sample, an accurate spectrum of the intensity of the detection signal of the secondary charged particles can be obtained regardless of the flight time. it can. Even if all signals cannot be acquired due to signal capture, if the signal capture is captured at the same rate regardless of the time of flight, the relative ratio of secondary particle types in the spectrum is correct and an accurate spectrum is obtained. be able to.
1次クラスター粒子の入射エネルギーが高くなると、2次粒子の放出量が多くなり、1つの入射粒子に対して複数個の2次粒子が放出される確率がより高くなる。特に、入射エネルギーが30keV以上で、原子集団あるいは荷電原子集団当り2個以上の2次荷電粒子が得られる頻度が高くなり、本発明の有用性が増す。また、1次クラスター粒子のサイズが大きくなると、2次粒子の放出量が多くなり、1つの入射粒子に対して複数個の2次粒子が放出される確率がより高くなる。クラスター粒子を構成する原子の数を4以上とすると、1クラスター粒子当り2個以上の2次荷電粒子が得られる頻度が高くなり、本発明の有用性が増す。 As the incident energy of the primary cluster particles increases, the amount of secondary particles emitted increases, and the probability that a plurality of secondary particles are emitted with respect to one incident particle becomes higher. In particular, when the incident energy is 30 keV or higher, the frequency of obtaining two or more secondary charged particles per atomic group or charged atomic group is increased, and the usefulness of the present invention is increased. Further, as the size of the primary cluster particles increases, the amount of secondary particles emitted increases, and the probability that a plurality of secondary particles are emitted with respect to one incident particle becomes higher. When the number of atoms constituting the cluster particles is 4 or more, the frequency with which two or more secondary charged particles are obtained per cluster particle increases, and the usefulness of the present invention increases.
図1は、本発明による試料分析装置の一実施例を示す模式図である。イオン源10で発生され、分析マグネット11を通って分離された特定の質量/電荷比を有する一次イオンは、加速管12で加速され、コリメータ13を通って細いビームとなり、ホルダー15に保持された試料16に照射される。一次イオン14の入射によって試料16の表面から放出された2次イオン17は、試料表面に形成された電界の中で加速されてTOF管18に入射する。TOF管内を飛行した二次イオンは、マルチチャネルプレート19に入射して検出される。検出信号は、プレアンプ20で増幅され、CFD(コンスタントフラクションディスクリミネータ)21で信号波形を調整されて、デジタルオシロスコープ25に入力される。パルス発生器22から発生したパルスは、高電圧源23とデジタルオシロスコープ25に同時に供給される。高電圧源23は、パルス発生器22から発生したパルスに同期して偏向プレート24に印加する偏向電圧を制御し、一次イオンをパルス化して試料16に入射させる。なお、図1には、飛行時間型質量分析器として直線型の質量分析器を示したが、質量分析器の種類はこれに限られない。また、CFDはデジタルオシロスコープへの信号取り込み設定を容易にするために設置したが、その役割をデジタルオシロスコープ内で行うことも可能であり、必ずしも必要ではない。
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a sample analyzer according to the present invention. Primary ions generated in the ion source 10 and having a specific mass / charge ratio separated through the analysis magnet 11 are accelerated by the accelerating
本実施例では、一次イオンとして荷電原子集団(クラスターイオン)を用いるが、クラスターイオンの代わりに2個以上の原子から成る原子集団を用いてもよい。また入射イオンのエネルギーは30keV以上とする。クラスターイオンを試料に照射する場合、入射条件(入射イオン、エネルギー、試料の種類等)によっては、入射クラスターイオン当り1個を超える確率で2次イオンが発生する場合がある。この場合、2次荷電粒子の質量分析を飛行時間型分析器で分析する際、シングルストップ形式(はじめに検出器に到達した2次イオンしか検出しない方式で、一般的に用いられている)で検出を行うと、はじめに検出された2次イオン、すなわち放出された2次イオンの中で質量/電荷比が一番小さいものしか検出されず、正確な2次イオンスペクトルを採取することができない。これは、クラスターイオン当り1個を超える確率で2次イオンを検出することになる場合、入射粒子の照射強度をどんなに弱めても必ず起こってしまう現象で、シングルストップ形式を使っている限り防ぎようがない。 In this embodiment, a charged atom group (cluster ion) is used as a primary ion, but an atom group composed of two or more atoms may be used instead of the cluster ion. The energy of incident ions is 30 keV or more. When irradiating a sample with cluster ions, depending on the incident conditions (incident ions, energy, sample type, etc.), secondary ions may be generated with a probability exceeding one per incident cluster ion. In this case, when analyzing the mass analysis of secondary charged particles with a time-of-flight analyzer, it is detected in a single-stop format (generally used to detect only secondary ions that have first reached the detector). In this case, only the first detected secondary ion, that is, the one having the smallest mass / charge ratio among the released secondary ions is detected, and an accurate secondary ion spectrum cannot be collected. This is a phenomenon that always occurs when the irradiation intensity of incident particles is weakened when secondary ions are detected with a probability of exceeding one per cluster ion. There is no.
そのため、クラスターイオンを1次イオンとして用いた飛行時間型分析装置では、飛行時間(あるいは質量/電荷比)によらず、均等な確率で2次イオンを検出する計数方法を用いることが必要である。本発明の計数方法は、このような要請に応えることができるものである。 Therefore, in a time-of-flight analyzer using cluster ions as primary ions, it is necessary to use a counting method that detects secondary ions with an equal probability regardless of the time of flight (or mass / charge ratio). . The counting method of the present invention can meet such a demand.
図2は、デジタルオシロスコープ25に入力されるパルス発生器22からの信号と、CFD21からの2次粒子検出信号を摸式的に示した説明図である。図2(a)はパルス発生器22から発生された信号(パルス化タイミング信号)31を表し、図2(b)はCFD21から出力される2次粒子検出信号32,33を表す。1次イオン照射によって試料から放出された2次イオンの質量をm、電荷をzとするとき、質量電荷比(m/z)の小さな2次粒子は飛行速度が速いため早く検出器に到達し、質量電荷比(m/z)の大きな2次粒子は飛行速度が遅いため遅れて検出器に到達する。
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a signal from the
デジタルオシロスコープ25では、図2(c)に示すように、パルス化タイミング信号と2次粒子検出信号を取り込み、各2次粒子検出信号とそれに対応するパルス化タイミング信号との時間差を測定して、時間差をプロットすることで、TOFスペクトルを得る。デジタルオシロスコープ25に蓄積されたデータは、コンピューター26に送信さる。
In the
データ量が多い場合には、デジタルオシロスコープ25内のメモリがいっぱいになったタイミングで、データは外部記憶装置に転送され、その間は計数が止まる。しかし、ある飛行時間の2次粒子がきたら転送を行うという訳ではなく、データ転送のタイミングは2次粒子の飛行時間とは無関係なので、得られる2次粒子信号に飛行時間によるかたよりは生じない。すなわち、データ転送時間以外は全ての信号データを保存しているので、飛行時間に拠らず均等な確率で得られた2次粒子の飛行時間データに基づくスペクトルが得られ、正確な相対強度を有するスペクトルが得られる。
When the amount of data is large, the data is transferred to the external storage device at the timing when the memory in the
また、本発明では、パルス化タイミング信号及び2次粒子検出信号を含む全ての信号を時系列的にメモリに保存しておく。具体的には、検出パルス波形信号と、そのパルス信号が観測された時間と基準時間との時間差を、記憶媒体に取り込み、測定中及び測定後に解析を行う。そのため、後から信号データから解析し直す(バックグランドの設定、ノイズ信号の除去、等)ことや、新たな解析(一つのタイミングパルスに対して2次粒子がいくつでているか、放出された2次粒子の組み合わせ、相関関係、等)を行うことも可能である。 In the present invention, all signals including the pulsed timing signal and the secondary particle detection signal are stored in the memory in time series. Specifically, the detected pulse waveform signal and the time difference between the time when the pulse signal was observed and the reference time are taken into a storage medium, and analysis is performed during and after the measurement. Therefore, it is necessary to reanalyze from the signal data later (background setting, noise signal removal, etc.), new analysis (how many secondary particles are present for one timing pulse, or released 2 Combinations of secondary particles, correlations, etc.) can also be performed.
このように、本発明では、2次荷電粒子を飛行時間型分析器で質量分析する際、試料から放出された2次荷電粒子の検出信号を、検出粒子の飛行時間によらず均等な確率で計数する方法で分析できる。 As described above, in the present invention, when the secondary charged particle is subjected to mass analysis by the time-of-flight analyzer, the detection signal of the secondary charged particle released from the sample is obtained with an equal probability regardless of the flight time of the detected particle. It can be analyzed by counting.
図3は、比較のために、従来多く用いられているシングルストップ形式の計測方法を模式的に示した説明図である。図3(a)はパルス化タイミング信号35を表し、図3(b)は2次粒子検出信号36を表す。図3(c)は、TOFスペクトルを得るために、各2次粒子検出信号とパルス化タイミング信号との時間差を測定する様子を示す図である。図3(b)に示すように、従来のシングルストップ形式の計測法では、パルス化タイミング信号のあと最初に検出器に到達した2次イオン、すなわち放出された2次イオンの中で質量/電荷比が一番小さいものだけが検出され、2番目以降に検出器に到達した2次イオンは破線で示すように検出されない。従って、粒子集団(中性クラスター)やクラスターイオンを試料に照射して、多くの2次粒子が同時に放出された場合にも、最初に検出器に到達した2次粒子の検出信号しか計数されず、計測されるスペクトルに偏りが生じるため、正確なスペクトルが得られない。
FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a single-stop type measuring method that has been widely used for comparison. FIG. 3A shows a
図4は、本発明による試料分析装置の他の実施例を示す模式図である。図1に示した試料分析装置との違いは、パルス発生器と高圧電源がなく、代わりに二次電子検出器27を備える点である。二次電子検出器27の出力は、プレアンプ28、CFD29を介してデジタルオシロスコープ25に入力される。図1に示した装置の場合には1次ビームが連続的なビームであり、それをパルス化するために偏向プレートをパルス駆動して強制的にパルス化したが、本実施例の場合には1次イオンであるクラスターイオンがパルス的に放出される。そのため、クラスターイオンが試料に入射したとき試料から発生される2次電子を2次電子検出器27で検出し、この2次電子検出信号を2次イオンの飛行時間計測のための基準信号として使う。すなわち、図2(a)に示したパルス化タイミング信号31の代わりに、2次電子検出器27の出力を用いる。その他の装置構成及び信号処理の手順は、前記実施例と同様である。
FIG. 4 is a schematic view showing another embodiment of the sample analyzer according to the present invention. The difference from the sample analyzer shown in FIG. 1 is that there is no pulse generator and high-voltage power supply, and a
入射1次粒子として炭素原子が60個集まったC60というクラスターイオン(入射エネルギー:540keV)をパルス化して、有機系高分子(PMMA)試料に照射した。図5に、計測された負2次イオンスペクトルを示す。図の横軸はm/z、縦軸はカウント数であるが、図には100以上のm/zのカウント数を実際の5倍にして表示してある。図5(a)は、従来の方法によって計測された、1番早くに検出器に到達した2次粒子だけで構成されたスペクトルである。この場合、飛行時間の短い2次粒子が優先的に計数されるため、計数される確率は、飛行時間により均等ではない。図5(b)は、図1に示した装置を用いて、放出された2次荷電粒子の検出信号を検出粒子の飛行時間によらず均等な確率で検出する方法で計数して得られたスペクトルである。 C 60 cluster ions (incident energy: 540 keV) in which 60 carbon atoms gathered as incident primary particles were pulsed and irradiated to an organic polymer (PMMA) sample. FIG. 5 shows the measured negative secondary ion spectrum. The horizontal axis in the figure is m / z, and the vertical axis is the count number. In the figure, the count number of 100 or more m / z is shown as being five times the actual number. FIG. 5 (a) is a spectrum composed of only secondary particles that arrived at the detector earliest, measured by a conventional method. In this case, since the secondary particles having a short flight time are preferentially counted, the probability of being counted is not equal to the flight time. FIG. 5B was obtained by counting the detection signals of the secondary charged particles emitted by the apparatus shown in FIG. 1 with a method of detecting with equal probability regardless of the flight time of the detected particles. It is a spectrum.
図5(a)のスペクトルは、図5(b)のスペクトルに比べて、2次粒子のm/zが大きくなると、急激にカウント数が低下している。飛行時間質量分析を行う場合、m/zがより小さい方が先に検出器に到達する。したがって、m/zが大きくなると急激にカウントが低下しているということは、検出器に到達するまでの時間が長い2次粒子の計数率が急激に低下していることを示している。例えば、図5(a)のm/z=185のピーク強度は図5(b)の数%程度であり、従来の計測法では、m/z=185の多くの2次荷電粒子はスペクトルに貢献していない。このように、図5(a)では、検出粒子の飛行時間によらず均等な確率で検出しておらず、飛行時間の長い2次粒子の計数率が低下するため、図5(b)との差が生じる。このため、観測された2次イオンの相対強度が実際と異なるスペクトルになってしまう。一方、図5(b)では、放出された2次荷電粒子の検出信号を検出粒子の飛行時間によらず均等な確率で計数しているので、m/zが大きくなってもカウント数の急激な低下がみられない。本発明のように飛行時間によらず均等な確率で2次粒子を計数することで、図5(b)に示した正確なスペクトルを得ることができる。 In the spectrum of FIG. 5A, the count number is drastically decreased when the m / z of the secondary particles is larger than the spectrum of FIG. When performing time-of-flight mass spectrometry, the smaller m / z reaches the detector first. Therefore, when the m / z increases, the count rapidly decreases, which indicates that the count rate of secondary particles having a long time to reach the detector is rapidly decreased. For example, the peak intensity at m / z = 185 in FIG. 5A is about several percent of FIG. 5B, and in the conventional measurement method, many secondary charged particles at m / z = 185 are in the spectrum. Not contributing. Thus, in FIG. 5 (a), detection is not performed with an equal probability regardless of the flight time of the detected particles, and the counting rate of secondary particles having a long flight time is reduced. The difference occurs. For this reason, the relative intensity of the observed secondary ions is different from the actual spectrum. On the other hand, in FIG. 5B, since the detection signal of the secondary charged particles that are emitted is counted with an equal probability regardless of the flight time of the detected particles, the count number increases rapidly even when m / z increases. There is no significant decline. By counting the secondary particles with an equal probability regardless of the time of flight as in the present invention, the accurate spectrum shown in FIG. 5B can be obtained.
図6から図8に、クラスターイオンの入射条件や試料の種類を変えて、試料から放出された2次粒子の質量スペクトルを従来法と本発明の方法で計測し、得られたスペクトルを比較して示した。図6は試料を生体系高分子(ポリチロシン)試料とした場合のスペクトルである。図7は、試料をPMMAとし、クラスターイオンの入射エネルギーを30keVとしたときの質量スペクトルである。図8は、試料をPMMAとし、クラスターイオンの入射エネルギーを120keVとしたときの質量スペクトルである。いずれの図においても、(a)が従来法で得られたスペクトル、(b)が本発明の方法で得られたスペクトルである。いずれの場合にも、本発明の方法で計測したスペクトルは、従来法で計測したスペクトルと比較して、m/zが大きい領域でカウント数が高く、発明の効果が見られる。なお、図5から図8に示したスペクトル測定では、1次入射粒子としてC60を用いたが、1次入射粒子として用いることのできるクラスター粒子はC60に限られない。 6 to 8, the mass spectrum of secondary particles emitted from the sample is measured by the conventional method and the method of the present invention by changing the cluster ion incidence conditions and the sample type, and the obtained spectra are compared. Showed. FIG. 6 shows a spectrum when the sample is a biological polymer (polytyrosine) sample. FIG. 7 is a mass spectrum when the sample is PMMA and the incident energy of cluster ions is 30 keV. FIG. 8 is a mass spectrum when the sample is PMMA and the incident energy of cluster ions is 120 keV. In any figure, (a) is a spectrum obtained by the conventional method, and (b) is a spectrum obtained by the method of the present invention. In any case, the spectrum measured by the method of the present invention has a higher count in a region where m / z is larger than the spectrum measured by the conventional method, and the effect of the present invention is seen. 5 to 8, C 60 is used as the primary incident particle, but the cluster particles that can be used as the primary incident particle are not limited to C 60 .
本発明の試料分析方法は、高分子試料、生体高分子試料、生体材料、及びこれらの薄膜試料に対して特に有用である。すなわち、有機系試料は2次イオンの放出量が比較的多く、1つの一次粒子から2個以上の2次粒子が得られる頻度が高くなり、本分析法の有用性がより強く発揮できる。 The sample analysis method of the present invention is particularly useful for polymer samples, biopolymer samples, biomaterials, and these thin film samples. That is, the organic sample has a relatively large amount of secondary ions released, and the frequency with which two or more secondary particles are obtained from one primary particle is high, and the usefulness of the present analysis method can be exhibited more strongly.
図1あるいは図4に示した試料分析装置において、偏向プレート24への印加電圧を制御して一次イオン14によって試料表面上を走査すると、試料表面面内分布測定(2次元測定)を行うことができる。また、別の入射粒子で試料表面を削りながら深さ方向分布を測定する試料の深さ方向分布測定(1次元測定)を行うことができる。更に、深さ方向と面内分布を組み合わせた3次元測定を行うこともできる。本発明の計数法と、このような入射のビーム走査を組み合わせることにより、より詳細、かつ高精度な情報を高速に取得することができる。
In the sample analyzer shown in FIG. 1 or 4, when the surface of the sample is scanned with the
10 イオン源
11 分析マグネット
12 加速管
13 コリメータ
14 一次イオン
15 ホルダー
16 試料
17 2次イオン
18 TOF
19 マルチチャネルプレート
20 プレアンプ
21 CFD
22 パルス発生器
23 高電圧源
24 偏向プレート
25 デジタルオシロスコープ
26 コンピューター
27 二次電子検出器
28 プレアンプ
29 CFD
31 パルス化タイミング信号
32,33 2次粒子検出信号
35 パルス化タイミング信号
36 2次粒子検出信号
10 Ion source 11
19
22 Pulse generator 23
31 Pulsed timing signals 32, 33 Secondary
Claims (10)
前記1次入射粒子1パルス当り2個以上生成する2次粒子を飛行時間型質量分析器で分析する分析工程とを有し、
前記分析工程では、前記1次入射粒子をパルス化するパルス化信号を基準時間信号として、前記2次粒子の検出信号を飛行時間によらず均等な確率で計数することを特徴とする試料分析方法。 Pulsing cluster particles composed of a plurality of atoms and irradiating the sample as primary incident particles;
Analyzing a secondary particle generated by two or more pulses per pulse of the primary incident particle with a time-of-flight mass analyzer,
In the analyzing step, the sample analysis method is characterized in that the pulsed signal for pulsing the primary incident particles is used as a reference time signal, and the detection signal of the secondary particles is counted with an equal probability regardless of the flight time. .
前記1次入射粒子1つ当り2個以上生成する2次粒子を飛行時間型質量分析器で分析する工程とを有し、
前記分析工程では、前記1次入射粒子が試料に入射した際に試料から放出される2次電子の検出信号を基準時間信号として、前記2次粒子の検出信号を飛行時間によらず均等な確率で計数することを特徴とする試料分析方法。 Irradiating the sample with cluster particles composed of a plurality of atoms as primary incident particles;
Analyzing a secondary particle generated by two or more per primary incident particle with a time-of-flight mass analyzer,
In the analysis step, a detection signal of secondary electrons emitted from the sample when the primary incident particle enters the sample is used as a reference time signal, and the detection signal of the secondary particles is equal in probability regardless of the flight time. A sample analysis method characterized in that the sample is counted.
前記クラスター粒子を30keV以上に加速し、パルス化して試料に照射する1次粒子入射部と、
前記クラスター粒子の照射によって試料から1パルス当り2個以上発生された2次粒子を分析する飛行時間型質量分析器と、
前記飛行時間型質量分析器中を飛行した前記1パルス当り2個以上の2次粒子を検出する2次粒子検出器と、
前記パルス化のための信号と前記2次粒子検出器で検出された前記1パルス当り2個以上の2次粒子検出信号が入力されるデジタルオシロスコープとを有し、
前記デジタルオシロスコープは、前記パルス化のための信号を基準時間信号とし、1つの基準時間信号に対して検出された前記複数の2次粒子検出信号を前記2次粒子の飛行時間によらず均等な確率で計数することを特徴とする試料分析装置。 A cluster particle generating unit that generates cluster particles composed of four or more atoms;
A primary particle incident part for accelerating the cluster particles to 30 keV or more, pulsing and irradiating the sample;
A time-of-flight mass analyzer that analyzes two or more secondary particles generated per pulse from a sample by irradiation of the cluster particles;
A secondary particle detector for detecting two or more secondary particles per pulse flying in the time-of-flight mass analyzer;
A signal for pulsing and a digital oscilloscope to which two or more secondary particle detection signals per pulse detected by the secondary particle detector are input,
The digital oscilloscope, the signal for the pulsed and the reference time signal, uniform regardless of the detected plurality of secondary particle detection signal with respect to one reference time signal to the time of flight of the secondary particles A sample analyzer characterized by counting with probability.
前記クラスター粒子を30keV以上に加速し、試料に照射する1次粒子入射部と、
前記クラスター粒子の照射によって試料からクラスター粒子1つ当り2個以上発生された2次粒子を分析する飛行時間型質量分析器と、
前記クラスター粒子の照射によって試料から発生された2次電子を検出する2次電子検出器と、
前記飛行時間型質量分析器中を飛行した前記クラスター粒子1つ当り2個以上の2次粒子を検出する2次粒子検出器と、
前記2次電子検出器の検出信号と前記2次粒子検出器で検出された前記クラスター粒子1つ当り2個以上の2次粒子検出信号が入力されるデジタルオシロスコープとを有し、
前記デジタルオシロスコープは、前記2次電子検出器の検出信号を基準時間信号とし、1つの基準時間信号に対して検出された前記複数の2次粒子検出信号を前記2次粒子の飛行時間によらず均等な確率で計数することを特徴とする試料分析装置。 A cluster particle generating unit that generates cluster particles composed of four or more atoms;
Accelerating the cluster particles to 30 keV or more and irradiating the sample with primary particle incident portions;
A time-of-flight mass spectrometer that analyzes two or more secondary particles generated from each sample by irradiation of the cluster particles ,
A secondary electron detector for detecting secondary electrons generated from the sample by irradiation of the cluster particles;
A secondary particle detector for detecting two or more secondary particles per one of the cluster particles flying in the time-of-flight mass analyzer;
A detection signal of the secondary electron detector and a digital oscilloscope to which two or more secondary particle detection signals are input per cluster particle detected by the secondary particle detector;
The digital oscilloscope, the detection signal of the secondary electron detector as a reference time signal, regardless of the detected plurality of secondary particle detection signal with respect to one reference time signal to the time of flight of the secondary particles A sample analyzer that counts with an equal probability.
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