JP6027459B2 - 付着物分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体、金属、絶縁体等の固体表面に付着した物質の元素分析を行う分析装置に関し、さらに詳細には、固体表面の付着物をプラズマ化してその発光スペクトルの分析を行う付着物分析装置に関する。

半導体製造過程では、シリコンウェハ等の基板表面をクリーンな状態に保持することが製品の品質や歩留まりを向上させる上で重要である。そのため、基板表面に雰囲気や外部などから物質が付着した場合に、その物質を特定するための迅速かつ高感度な元素分析装置が求められている。また、半導体業界に限らず、金属、ガラス、その他の固体製品を扱う業界等でも、製品表面の汚れ等を分析するための高感度分析装置が求められている。

迅速な表面分析方法としては蛍光Ｘ線分析が知られているが、この分析方法は表面付着物や汚れの分析方法としては感度が十分ではなく、製品表面の汚れを高感度で分析する目的には適用できない。

近年、固体表面にＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）を照射してレーザアブレーションを行い、発生するプラズマの発光をスペクトル検出装置で計測することにより固体の元素分析を行うレーザプラズマ分析法（レーザ誘起プラズマ分光分析法）が迅速かつ高感度な分析手法として知られるようになった。しかしながら、この方法はエネルギー密度の高いレーザビームを固体表面に直接照射することによって固体自体を爆発的に蒸発、原子化、励起させてプラズマ化し、これにより元素分析を行うものであって、固体表面に付着した付着物質の元素分析には使用することができない。

これに対し、物質ごとにレーザアブレーションを生じさせるために必要なエネルギー密度の閾値（レーザアブレーション閾値）が異なることを利用した表面付着物のレーザプラズマ分析方法が開発されている。すなわち、レーザ光源をＹＡＧレーザより波長の長いパルス炭酸ガスレーザ（ＴＥＡ−ＣＯ_２レーザともいう；波長１０．６μｍ）とし、照射するパルス炭酸ガスレーザの出力パワー（エネルギー密度）を適切な値にして基体（固体）の付着物に向けて照射したときに、基体を構成する金属表面にはアブレーションが生じず、基体表面に付着した試料物質のアブレーションだけを選択的に発生させることができる。また、大気圧でパルス炭酸ガスレーザを金属表面に向けて照射すると、雰囲気ガスのガスプラズマを発生させることができる。
そこで、パルス炭酸ガスレーザを基体表面の付着物に向けて照射し、レーザアブレーションにより蒸発させた付着物の粒子を、雰囲気ガスのガスプラズマ中で発光するようにして分析するレーザアブレーション利用の試料分析方法が開示されている（特許文献１参照）。

なお、分析対象となるプラズマの種類を区別するために、ＹＡＧレーザ等を用いて固体内部からの物質をアブレーションによりプラズマ化して分析する場合のプラズマを「レーザ誘起ターゲットプラズマ」と称し、パルス炭酸ガスレーザ等を用いることによって固体内部の物質はプラズマ化させず（アブレーションさせない）、雰囲気ガスだけをプラズマ化して分析する場合のプラズマを「レーザ誘起ガスプラズマ」と称している。
したがって、特許文献１に記載の表面付着物の分析では、パルス炭酸ガスレーザの照射で固体表面の付着物質だけをアブレーションによって蒸発させ、蒸発した付着物質の粒子をレーザ誘起ガスプラズマ中に流れ込ませるようにして、原子化、励起させることによりプラズマ化して分析するようにしている。

また、上記のレーザ誘起ガスプラズマを利用した分析方法の応用例として、土壌中の汚染物質を分析する場合に、図６に示すように、硬質体１０１（アブレーションが発生しにくい金属等）の表面に線状溝１０２（微細な窪みまたは孔）を形成しておき、試料となる土壌１０３を線状溝１０２の中に付着させ、その線状溝１０２に跨るビーム径のパルス炭酸ガスレーザ１０４を直接照射してプラズマ１０５を誘起させ、そのプラズマ発光の分析を行うことが開示されている（特許文献２参照）。

レーザ誘起ガスプラズマを利用したレーザプラズマ分析法によれば、基体となる金属表面（特許文献１）や硬質体表面（特許文献２）に対し、パルス炭酸ガスレーザが直接照射されるようにして、基体や硬質体自体のアブレーションを発生させることなく雰囲気ガスのガスプラズマを発生させている。その上で、付着物質（付着土壌等）にもパルス炭酸ガスレーザが直接照射されることにより付着物質のアブレーションが生じ、付着物質から蒸発した試料粒子がガスプラズマ中に流れ込んで発光することで、これら付着物質の発光スペクトル分析が行われるようにして、迅速かつ高感度な元素分析を行うようにしている。

ところで、パルス炭酸ガスレーザが直接照射された固体表面自体は、たとえアブレーションが生じていなくても、付着物のアブレーションが生じる程度のエネルギー密度のパルス炭酸ガスレーザが直接照射される結果、相当な損傷を受けることになる。

また、半導体基板等の表面に付着した物質を分析する際には、基板表面自体を損なうことなく付着物の分析を行うことが求められるため、基板表面自体にできるだけ損傷を与えることなく付着物の分析を行うことが可能な分析方法が求められる。同様の要求は半導体基板の分析に限らず、さまざまな固体表面の分析において求められる。

そこで、発明者らは、先に、固体表面にダメージを与えることなく付着物を分析できる付着物分析装置の発明について先行出願（特願２０１２−２３３１１６）を行っている。
この先行出願に記載された分析装置について図を用いて説明する。図７は上記文献に記載された付着物分析装置１０の構成を平面視で示す図であり、図８は試料表面近傍を拡大した図である。
まず装置構成について説明する。付着物分析装置１０は、試料Ｓを雰囲気ガス（例えばＨｅガス）で覆うためのチャンバ１１、チャンバ１１内で試料Ｓが載置されるテーブル１２、プラズマの発生に使用するレーザ光源１３、試料Ｓの表面を覆うように設置する金属メッシュ１４（通気口を有する金属製のシート部材）、レーザ光源１３から出射するレーザビームを金属メッシュ１４に対し斜めに照射する第一光路Ｌ１を形成するための光路調整と集光を行う第一照射光学系１５（レーザビーム斜め照射光学系）、レーザ光源１３からのレーザビームの一部が分岐され、第一照射光学系とは別方向から金属メッシュ１４に向けて照射する第二光路Ｌ２を形成するための光路調整と集光を行う第二照射光学系１６（補助レーザビーム照射光学系）、プラズマの発光を検出する光スペクトル測定部１７、装置全体の制御および測定データの処理を行う制御部１８からなる。

プラズマ発生用のレーザ光源１３には、波長が１０．６μｍ、パルス幅が数ナノ秒〜数百ナノ秒、パルスエネルギー数ｍＪ〜数Ｊのパルス炭酸ガスレーザが使用される。

シート部材の金属メッシュ１４は、分析したい領域の試料表面を覆うように取り付けられる。試料表面とは１ｍｍ程度の隙間を開けて設置するのが好ましいが、表面に直接接触させてもよい。金属メッシュ１４の材料としてはアブレーションが生じにくい金属材料であればよく、具体的には例えば白金、銅、ステンレス等が用いられる。
金属メッシュ１４は、図９に示すように、格子状に編まれた開き目１４ｂ（通気口となる空間）が形成されるようにしてあり、第一光路Ｌ１のレーザビームを斜め照射したときに、図１０に示すように、試料表面Ｆが細線１４ａの影となって、第一光路Ｌ１からのレーザビームが直接照射されないようにしてある。

第一照射光学系１５（レーザビーム斜め照射光学系）は、集光レンズ１５ａ、ビームスプリッタ１５ｂ（光路分割手段）、レーザパワー調整用のアッテネータ１５ｃ（減衰器）からなり、レーザ光源１３とチャンバ１１との間に配置され、レーザ光源１３から照射される第一光路Ｌ１のレーザビームを、チャンバ１１内にセットされた金属メッシュ１４のシート面に対し斜めに照射するとともに、シート面近傍に集光するようにしてある。ビームスプリッタ１５ｂは、第一光路Ｌ１の照射光と、第二照射光学系１６の第二光路Ｌ２への照射光との出力パワーの強度比が１０：１程度になるように光路を分割する。なお、ビームスプリッタ１５ｂは、第二照射光学系１６を使用しないときは外される。

第二照射光学系１６（補助レーザビーム照射光学系）は、集光レンズ１６ａ、ミラー１６ｂ，１６ｃ、レーザパワー調整用のアッテネータ１６ｄからなり、ビームスプリッタ１５ｂで分割されたレーザ光源１３からの照射光の一部を、第二光路Ｌ２として、集光レンズ１５ａとは別方向から集光レンズ１６ａを介して金属メッシュ１４に照射する。第二光路Ｌ２で集光レンズ１６ａから照射されるレーザビームは、金属メッシュ１４の通気口（開き目１４ｂ）を通過して直接試料Ｓに表面に照射されるようにしてある。すなわち、ビームスプリッタ１５ｂの分割比を小さくしてレーザビームのエネルギー密度を十分に小さくした上で、試料表面に直接照射する角度で入射するようにして、試料表面にダメージを与えることなく、また、試料表面の付着物質をアブレーションすることなく、試料表面から付着物質が脱離するのを促進させるエネルギーを与えるようにしている。この第二照射光学系１６は、付着物の脱離を促進する目的にのみ使用するレーザビームであり、したがって単独に照射してもガスプラズマが発生しない程度のエネルギー密度にしてある。

光スペクトル測定部１７は、光スペクトル測定器１７ａ（ＯＭＡ）と、チャンバ１１内のプラズマの発光を光スペクトル測定器１７ａに導く光ファイバ１７ｂとからなる。
光スペクトル測定器１７ａは、分光器と、多波長同時に測定可能なフォトダイオードアレイ光検出器とを備えており、測定しようとする波長範囲のプラズマ発光が同時に測定できる。

次にこの付着物分析装置１０による分析動作について説明する。図７、図８に示すように、分析対象の固体試料Ｓの表面上に、通気口を有する金属製のシート部材１４を載置する。そして、シート部材１４近傍の雰囲気ガスをガスプラズマ化することが可能なプラズマ発生用レーザビームＬ１（第一光路Ｌ１のレーザビーム）を、シート部材１４の金属表面に対して斜め方向から照射し、レーザビームＬ１が固体試料Ｓの表面に（細線１４ａの影となるようにして）直接照射されることのないように照射する。これによりシート部材１４自体のアブレーションを生じさせることなく、また、固体試料Ｓ（基板）を損傷させることなく、シート部材近傍の雰囲気ガスをガスプラズマ化する。発生したガスプラズマ中には固体試料Ｓ表面の付着物が脱離しプラズマ化したものが含まれることになる。
なお、このとき、プラズマ発生用レーザビームＬ１とは別に、固体表面の付着物を脱離させる補助としての脱離用レーザビームＬ２（エネルギー密度が十分に小さく固体表面に損傷を与えない第二光路Ｌ２のレーザビーム）を、シート部材１４の通気口を通して固体表面に直接照射するようにして付着物の脱離、プラズマ化を促進させてもよい。
そして、シート部材１４の金属表面近傍に発生したガスプラズマに含まれる固体表面の付着物質に起因する発光の発光スペクトルを計測し、固体試料Ｓ（基板）自体には損傷を与えることなく付着物を分析するようにしている。

特開２００４−３０１５７３号公報 特開２００８−０１４８４３号公報

付着物のスペクトル分析を行う際に、特許文献１、特許文献２に記載されたレーザプラズマ分析方法では、固体試料（基板）に損傷を受けていたが、前記の先行出願（特願２０１２−２３３１１６）に記載の付着物分析装置により、固体試料表面にダメージを与えることなく付着物を分析することができるようになった。しかしながら、先行出願は以下の点でさらなる改良すべき課題を有している。

付着物の検出感度をさらに向上させるには、付着物に起因するプラズマ発光量を増やすことが有効である。プラズマ発光量を増やすにはプラズマ発生面積を広くする必要があり、そのためにはレーザの照射面積が拡大できるようにレーザ光源の出力パワーを上げる必要が生じる。このことはレーザ光学系の大型化、高価格化を招いてしまう。
逆に、本来、装置は小型化が望ましいため、プラズマ発生用のレーザ光源としては、光照射の出力を抑えた小型のレーザ光源を採用したいところであるが、光照射の出力を極端に抑えると、プラズマ発生が不安定になりかねない。

また、付着物脱離用の補助レーザビーム（エネルギー密度が十分に小さく固体表面に損傷を与えないレーザビーム）を照射しながら、プラズマ発生用のレーザ照射を行う場合、図７に示したように、１つのレーザ光源の出射光を分岐して２つの光路に分岐するか、あるいは２つの独立したレーザ光源が必要となり、いずれにしてもレーザ光学系の構成が複雑になる。
さらに、付着物脱離用の補助レーザビームを照射する場合、分析対象物によっては、プラズマ発生用のレーザビームを照射する直前に照射する等、２つのレーザビームを照射するタイミングの調整が必要となる場合があり、タイミング回路を設けるとともにそのタイミング設定を行う必要が生じるため、手間がかかる。

そこで本発明は、既述の付着物分析装置をさらに改良し、検出感度の向上、装置構成の小型化、単純化を図ることを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するためレーザプラズマ分析での各過程を検討した。従来の方法では、固体試料表面から脱離させた付着物質を、その固体表面近傍に発生させたプラズマ内で直ちに励起発光させて検出するようにしていた。これに対し、本発明のレーザプラズマ分析では、付着物を脱離させる離脱（蒸発）過程と、プラズマによる発光分析を行う過程とを時間的に完全に分離して行うことができるように、脱離した付着物質を一旦捕捉する工夫を施し、捕捉後に別過程でプラズマ発光を生じさせ、プラズマ内で捕捉した付着物を発光させて分析する装置を採用するようにした。
すなわち、上記課題を解決するためになされた本発明の付着物分析装置は、固体試料の表面に付着した物質をプラズマ化して分析する付着物分析装置であって、前記固体試料が載置されるとともに当該固体試料を、その表面方向に沿って移動させるための走査機構が設けられたテーブルと、レーザ光源および当該レーザ光源からのレーザビームの出力パワーを調整する減衰器を有し、雰囲気ガスをガスプラズマ化してプラズマを発生させることが可能な第一出力パワーと、第一出力パワーより小さい出力パワーであって前記固体試料表面に照射したときに付着物を脱離させることが可能な第二出力パワーとを、当該減衰器により切り替えて照射するレーザ照射光学系と、前記固体試料の上方位置で当該固体試料表面に対し対向するように配置され、第二出力パワーで照射されたレーザビームを通過させて当該固体試料に照射させるとともに当該固体試料の表面から脱離した付着物を当該固体表面に対面する捕捉面で捕捉する捕捉部材と、前記捕捉部材の前記捕捉面を前記固体表面に向けて保持することが可能であるとともに、付着物が捕捉された当該捕捉面を反転してレーザ照射側に向けた状態に切り替えて保持することが可能な捕捉部材表裏反転保持機構と、付着物が捕捉された前記捕捉面がレーザ照射側に向けられて保持された状態で、第一出力パワーでのレーザ照射により発生したプラズマの発光スペクトルを計測するスペクトル測定部とを備えるようにしている。

本発明によれば、走査可能なテーブル上に分析対象の付着物が付いた固体試料を載置する。この固体試料の上方位置（固体試料の一部分の上方位置でよい）には、捕捉部材表裏反転保持機構によって、捕捉部材が固体試料表面に対向配置するように保持される。レーザ照射光学系は、まず、第二出力パワーでレーザビームを出射し、捕捉部材を通過させて固体試料に照射させる。これにより、固体表面の付着物は脱離し、対向する捕捉部材の捕捉面（固体試料面に向き合う面）に付着されるようになる。なお、第二出力パワーで照射されるレーザビームは、固体表面に直接照射されても付着物が固体表面から脱離できるだけで固体表面には影響を与えることはない程度の出力パワーにしてある。このとき、テーブルを走査しながらレーザビームを照射することにより、たとえ捕捉部材の面積が小さくても、広い固体表面からの付着物を捕捉部材の捕捉面に集中して付着させることができるようになり、捕捉面には走査された固体試料面からの付着物が濃縮されて付着するようになる。
続いて、捕捉部材表裏反転保持機構は、付着物が捕捉された捕捉面を反転させた状態にして捕捉部材を保持する。すなわち、手動または自動操作により捕捉面がレーザ照射側に向くようにして保持する。この状態で、レーザ照射光学系は、第一出力パワーでレーザビームを出射することで、捕捉部材の捕捉面上で雰囲気ガスをガスプラズマ化してプラズマを発生させる。このとき捕捉面に付着した付着物もプラズマ化されてプラズマ内で発光する。なお、第一出力パワーはガスプラズマを生じさせることはできるが、捕捉部材自体のアブレーションは生じないように設定してあるので、捕捉部材自体を構成する物質の影響を受けることはない。
そして、このようにして発光させたプラズマをスペクトル測定部で測定することにより、付着物由来の発光スペクトルを検出することができる。

本発明によれば、捕捉部材を通過するようにして脱離用レーザビーム（第二出力パワーでのレーザビーム）を固体試料に照射し、捕捉部材の捕捉面に存在する付着物を捕捉するが、その際、テーブルを走査して個体試料の広い面積から付着物を脱離させて小さな捕捉面へ集中的に捕捉させることができるので、その後、プラズマ発生用レーザビーム（第一出力パワーでのレーザビーム）を照射して付着物をプラズマ内で発光させたときに、付着物による発光量も増大するようになり、検出感度を高めることができる。
このことについて別の見方をすれば、プラズマ発生用レーザを照射する面積が、捕捉面だけの狭い面積であっても、広範囲の固体試料面に付着している付着物を当該面積内に集中して捕捉できているので、大出力のレーザ光源を用いて大面積に照射することなく、小型のレーザ光源による小面積の照射で、実質的に大面積の照射と同程度の感度で検出することができる。

また、本発明によれば、脱離用レーザビームとプラズマ発生用レーザビームとを同一光源から出射し、減衰器により出力パワーだけを調整すればよいので、光学系の構成が簡単になり、光路調整作業等も容易になる。
また、本発明によれば、付着物を固体試料から脱離させて捕捉部材に付着させる脱離過程と、その後の発光分析過程とを完全に分離しているので、付着物の脱離と発光とのタイミングを調整する必要がなくなり、分析操作が容易になる。

上記発明において、捕捉部材は、第二出力パワーのレーザビームが透過可能な窓材であってもよい。すなわち、照射するレーザ光の波長に応じて、当該波長光を透過する材料を用いればよい。具体的には、レーザ光源にパルス炭酸ガスレーザを用いた場合には、窓材としてＺｎＳｅ、Ｇｅ等を用いることができる。

上記発明において、捕捉部材は、第二出力パワーのレーザビームが通過するためのスリットが形成された金属マスク、または、金属細線で形成されたメッシュであってもよい。
第二出力パワーのレーザビームが照射されると、その一部がスリットやメッシュの開口を通過して固体試料面に照射され、付着物の脱離を促進させることができる。

上記発明において、捕捉部材表裏反転保持機構は、捕捉部材を回転させる回転機構を備えるようにしてもよい。
これにより、捕捉部材を機械的に反転することができる。

本発明の一実施形態である付着物分析装置の全体構成を示す図。 金属メッシュの捕捉部材で分析する際の手順を説明する図。 捕捉部材であるレーザ透過可能な窓材の一例を示す図。 窓材を捕捉部材として分析する際の手順を説明する図。 複数の試料を測定する場合の手順を示すフローチャート。 レーザ誘起ガスプラズマを利用した従来のプラズマ分析方法を示す図。 本発明の前提となる先願発明の付着物分析装置の構成を平面視で示す図。 図７の装置における試料表面近傍を拡大して示す図。 金属メッシュの一例を示す図。 先願発明における金属メッシュとこれに照射されるレーザビームとの関係を示す図。

以下、図面を参照しつつ本発明の付着物分析装置について説明する。図１は本発明の一実施形態である付着物分析装置５０の全体構成を示す図である。

付着物分析装置５０は、主として、試料Ｓを雰囲気ガスで覆うためのチャンバ５１と、チャンバ５１内で試料Ｓが載置されるテーブル５２と、テーブル５２を試料Ｓ面に沿った二次元方向に移動させるためのテーブル走査機構５３と、付着物の脱離およびプラズマ発生に使用するレーザビームＬを出力するレーザ照射光学系５４と、試料Ｓから脱離した付着物を捕捉するため、試料Ｓの上方位置でレーザビームＬが照射される光路上に取り付けられる捕捉部材５５と、捕捉部材５５を保持するとともに上下反転させる回転保持機構５６と、捕捉部材５５の試料Ｓからの高さ位置を調整する昇降機構５７と、発光スペクトルを測定するためのファイバ５８およびＯＭＡ５９からなるスペクトル測定部６０と、装置全体の制御および測定データの処理を行う制御部６１とからなる。

チャンバ５１は、容器本体と蓋（不図示）とにより密閉可能な構造にしてある。容器本体にはレーザビームＬを通過させるための窓５１ａが形成してある。また、雰囲気ガスを供給するボンベ（不図示）を接続するためのガス導入口５１ｂが設けてあり、測定時には所望の雰囲気ガスを充填することができるようにしてある。分析対象となる付着物に含まれない成分であれば雰囲気ガスとして用いることができるが、中でもプラズマの発光寿命が長く、ＳＮ比を高めることが容易なＨｅガスを雰囲気ガスとするのが分析感度の観点から好ましい。あるいは入手容易なＮ_２ガスを雰囲気ガスにしてもよいし、ノイズを問題にしなければ大気（空気）そのものを雰囲気ガスとしてもよい。なお、雰囲気ガスの圧力は、略大気圧下にして測定することにより、強い発光プラズマを分析領域近傍に集中して発生させることができるようになるので好ましい。

チャンバ５１内部に設けられるテーブル５２は、固定具（不図示）により試料Ｓを水平状態で保持することができるようにしてある。テーブル５２はテーブル走査機構５３により二次元方向に並進移動することができるようにしてあり、捕捉部材５５の直下の位置に、試料Ｓの任意の位置の表面部位が移動できるようにしてある。さらに、レーザ照射を避けたい場合には、試料Ｓを捕捉部材５５の直下の位置から退避させることもできるようにしてある。

レーザ照射光学系５４は、レーザ光源６２、減衰器（アッテネータ）６３、レンズ６４により構成される。レーザ光源６２には、波長が１０．６μｍ、パルス幅が数ナノ秒〜数百ナノ秒、パルスエネルギー数ｍＪ〜数Ｊであるガスプラズマ発生に適したパルス炭酸ガスレーザを使用するようにしている。なお、波長が５μｍ以上のレーザ光源であればガスプラズマ発生用として問題なく使用できる。レーザ光源６２の出射口の前にはシャッタ（不図示）が設けてあり、必要なときにシャッタを開いてレーザ照射することができるようにしてある。

減衰器６３は、必要に応じて、レーザ光源６２から出射されたレーザビームの出力パワーを、所望の減衰率で低下させて照射することができるようにしてある。本実施形態では１／５〜１／２０程度、好ましくは１／１０に減衰させて照射する。ここでは制御部６１からの制御信号により、出力パワーを大小に切り替えできるように可変減衰器（バリアブルアッテネータ）を用いるようにしている。すなわち、ガスプラズマを発生させるときには減衰させずに第一出力パワーで照射し、付着物を脱離するときは、減衰器６３を作動させて第一出力パワーよりも小さく（例えば１／１０程度）減衰させた出力パワーであって、付着物の脱離を促進することが可能な第二出力パワーで照射するようにしてある。

レンズ６４は、減衰器６３から出射されたレーザビームを捕捉部材５５に向けて照射するようにレーザビームの光路調整と光束の口径とを調整するようにしてある。

捕捉部材５５は、試料Ｓの直上で試料表面からわずかな隙間（例えば１ｍｍ〜１０ｍｍ）を隔ててレーザビームＬが照射される光路上に取り付けられる。
本実施形態では、捕捉部材５５として、金属メッシュ１４（図９参照）を用いるようにしている。金属メッシュ１４の材料としてはアブレーションが生じにくい金属材料であればよく、具体的には例えば白金、銅、ステンレス等が用いられる。
金属メッシュ１４の形状は、図９に示すように、例えば線径が０．０５〜０．２ｍｍ程度の細線１４ａを格子状に編んで開き目１４ｂ（通気口となる空間）が形成されるようにしてあり、メッシュの空間率は４０〜８０％程度のものが用いられる。レーザビームを照射したときには、レーザビームの一部が開き目１４ｂを通過して試料Ｓに照射される。
なお、金属メッシュ１４に代えて、金属板に多数の細孔を打ち抜いたマスク、金属板に多数のスリットを形成したマスクを用いてもよい。

捕捉部材５５は、回転保持機構５６により回転可能に支持され、回転保持機構５６は昇降機構５７によって上下方向に移動できるようにしてチャンバ５１に支持される。回転保持機構５６、昇降機構５７は制御部６１からの制御信号により駆動される。

スペクトル測定部６０は、光スペクトル測定器５９（ＯＭＡ）と、チャンバ５１内のプラズマの発光を光スペクトル測定器５９に導く光ファイバ５８とからなる。
光スペクトル測定器５９は、分光器と、多波長同時に測定可能なフォトダイオードアレイ光検出器とを備えており、測定しようとする波長範囲のプラズマ発光が同時に測定できるようになっている。

制御部６１はパーソナルコンピュータからなり、装置全体の制御を行うとともに、光スペクトル測定器５９が取得した発光スペクトルデータの解析と表示を行うようにしてある。

次に、付着物分析装置５０による測定動作について説明する。図２は測定動作の各段階を模式的に示した図である。なお説明の便宜上、図２では試料Ｓと捕捉部材５５とを図示し、テーブル５３は図示を省略している。

まず、Ｈｅガスを充填したチャンバ５１内で、試料Ｓをテーブル５２に固定し、図２（ａ）に示すように、捕捉部材５５（金属メッシュ１４）の直下に試料Ｓの一部が配置されるようにする。試料Ｓの表面には付着物Ｆが付着している。付着物Ｆを脱離させる際の出力である第二出力パワーでの照射が行えるように減衰器６３（図１参照）を切り替える。この状態で、レーザ光源６２から第二出力パワーのレーザビームＬ２での照射を行う。
レーザビームＬ２は捕捉部材５５（金属メッシュ１４）に照射され、その一部が通過して試料Ｓに照射される。付着物Ｆはレーザ照射により蒸発するようになり、蒸発した付着物の一部が対向する捕捉部材５５の下面に付着して捕捉される。このとき、テーブル５２を走査して試料Ｓの広い面積が捕捉部材５５の直下にくるようにして、広範囲の付着物Ｆが捕捉部材５５に捕捉されるようにする。

試料Ｓ上の付着物Ｆがほとんど蒸発した状態になると、第二出力パワーでのレーザ照射を停止する。この段階で、図２（ｂ）に示すように捕捉部材５５（金属メッシュ１４）の下面に付着物Ｆが付着している。

続いて、必要に応じて図２（ｃ）に示すようにテーブル走査機構５３により試料Ｓ（テーブル５２）を捕捉部材５５の直下から退避させた後、回転保持機構５６を作動して捕捉部材５５に付着した付着物Ｆが上を向くように反転させる。なお、反転の際に、捕捉部材５５と試料Ｓ（あるいはテーブル５２）とが衝突するおそれのある場合には、昇降機構５７で捕捉部材５５を試料Ｓから遠ざけた上で反転する。このとき、衝突回避のため手動で捕捉部材５５を反転してから再度回転保持機構５６に保持するようにしてもよい。

続いて、第一出力パワーでのレーザ照射が行えるように、減衰器６３の作動状態を切り替える。そして図２（ｄ）に示すように、第一出力パワーのレーザビームＬ１で捕捉部材５５（金属メッシュ１４）に照射する。これにより、捕捉部材５５の上面近傍には雰囲気ガス（Ｈｅガス）によるガスプラズマＰが発生する。このとき捕捉部材５５の上面の付着物Ｆもプラズマ化されて雰囲気ガス中で発光するようになる。

このプラズマ発光をスペクトル測定部６０の光ファイバ５８で集光し、光スペクトル測定器５９によりスペクトルデータを採取する。
このようにして付着物Ｆの発光分析を行うことにより、試料Ｓの全面に付着していた付着物Ｆを、捕捉部材５５に集中的に付着させて発光させることができるので、高感度な測定を行うことができるようになる。

次に、本発明の変形例について説明する。上述した実施形態では、捕捉部材５５として金属メッシュ１４を用いたが、これに代えて、レーザビームを透過する窓材を捕捉部材５５として用いることができる。
図３は窓材の一例を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図である。窓材６６には、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザが透過可能なＺｎＳｅまたはＧｅが用いられ、図９の金属メッシュ１４と同様の方形にすることで、図１の回転保持機構５６によって保持できるようにしてある。

図４は図３に示す窓材６６を用いた場合の測定動作の各段階を、図２と同様に模式的に示した図である。ここでも説明の便宜上、試料Ｓと捕捉部材５５とを図示し、テーブル５３は図示を省略している。

まず、試料Ｓをテーブル５２に固定し、図４（ａ）に示すように捕捉部材５５（窓材６６）の直下に試料Ｓの一部が配置されるようにする。試料Ｓの表面には付着物Ｆが付着している。付着物Ｆを脱離させる際の出力である第二出力パワーでの照射が行えるように減衰器６３（図１参照）を切り替える。この状態で、レーザ光源６２から第二出力パワーのレーザビームＬ２の照射を行う。
レーザビームＬ２は捕捉部材５５（窓材６６）に照射されるが、これを透過（通過）して試料Ｓに照射される。付着物Ｆはレーザ照射により蒸発するようになり、蒸発した付着物が対向する捕捉部材５５（窓材６６）の下面に付着して捕捉される。窓材６６の場合は窓材の全面で捕捉できるので、図２に示した金属メッシュ１４の場合よりも効率よく付着物Ｆを付着させることができる。このときもテーブル５２を走査して試料Ｓの広い面積が捕捉部材５５の直下にくるようにして、広範囲の付着物Ｆが捕捉部材５５に捕捉されるようにする。

試料Ｓ上の付着物Ｆがほとんど蒸発した状態になると、第二出力パワーでのレーザ照射を停止する。この段階で、図４（ｂ）に示すように捕捉部材５５（窓材６６）の下面に付着物Ｆが付着している。

続いて、必要に応じて図４（ｃ）に示すようにテーブル走査機構５３により試料Ｓを捕捉部材５５の直下から退避させた後、回転保持機構５６を作動して捕捉部材５５に付着した付着物Ｆが上を向くように反転する。

続いて、第一出力パワーでのレーザ照射が行えるように、減衰器６３の作動状態を切り替える。そして図４（ｄ）に示すように第一出力パワーのレーザビームＬ１を捕捉部材５５（窓材６６）に照射する。これにより、捕捉部材５５（窓材６６）の上面近傍には雰囲気ガス（Ｈｅガス）によるガスプラズマＰが発生する。このとき、捕捉部材５５（窓材６６）の上面の付着物Ｆもプラズマ化されて雰囲気ガス中で発光するようになる。

このプラズマ発光をスペクトル測定部６０の光ファイバ５８で集光し、光スペクトル測定器５９によりスペクトルデータを採取する。
このようにして付着物Ｆの発光分析を行うことにより、試料Ｓの全面に付着していた付着物Ｆを、捕捉部材５５（窓材６６）に集中的に付着させて発光させることができるので、高感度な測定を行うことができるようになる。

次に、複数の試料を分析する場合の応用例について説明する。本発明では試料Ｓから付着物Ｆを脱離させて捕捉部材に付着させる過程と、捕捉部材に付着物Ｆの発光分析を行う過程とが完全に分離されている。そのため、複数の試料Ｓを分析する際には、複数の捕捉部材５５を用意することにより、複数の試料Ｓについて、各試料Ｓごとに捕捉部材５５を交換しながら、それぞれの捕捉部材５５に付着物を付着させる過程を先に行っておき、後から、付着物Ｆが付着した複数の捕捉部材５５を次々と発光分析にかけることが可能になる。

図５は、この複数の試料Ｓを分析するときの手順を説明するフローチャートである。
試料Ｓの個数と同数の捕捉部材５５を用意する（Ｓ１０１）。試料Ｓを１つずつ装置にセットし、第二出力パワーによるレーザ照射を行って捕捉部材５５に付着物Ｆを付着させる捕捉処理を実行する（Ｓ１０２）。すべての試料Ｓについての捕捉処理が完了するまで捕捉処理を繰り返す（Ｓ１０３）。
その後、付着物Ｆを捕捉した捕捉部材５５を１つずつ装置にセットし、第一出力パワーによるレーザ照射を行って発光分析処理を実行する（Ｓ１０４）。付着物Ｆを捕捉したすべての捕捉部材５５についての発光分析処理が完了するまで発光分析処理を繰り返す（Ｓ１０５）。
このような処理手順により、複数の試料Ｓを効率よく分析することができる。

以上、本発明について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変形実施することができる。

５０ 付着物分析装置
５１ チャンバ
５２ テーブル
５３ テーブル走査機構
５４ レーザ照射光学系
５５ 捕捉部材（金属メッシュ、窓材）
５６ 回転保持機構
５７ 昇降機構
６０ スペクトル測定部
６１ 制御部
６２ レーザ光源（パルス炭酸ガスレーザ）
６３ 減衰器
Ｌ１ 第一出力パワーでのレーザビーム（プラズマ発光用）
Ｌ２ 第二出力パワーでのレーザビーム（付着物脱離用）
Ｆ 付着物
Ｓ 試料

Claims (4)

1. 固体試料の表面に付着した物質をプラズマ化して分析する付着物分析装置であって、
   前記固体試料が載置されるとともに当該固体試料を、その表面方向に沿って移動させるための走査機構が設けられたテーブルと、
   レーザ光源および当該レーザ光源からのレーザビームの出力パワーを調整する減衰器を有し、雰囲気ガスをガスプラズマ化してプラズマを発生させることが可能な第一出力パワーと、第一出力パワーより小さい出力パワーであって前記固体試料表面に照射したときに付着物を脱離させることが可能な第二出力パワーとを、当該減衰器により切り替えて照射するレーザ照射光学系と、
   前記固体試料の上方位置で当該固体試料表面に対し対向するように配置され、第二出力パワーで照射されたレーザビームを通過させて当該固体試料に照射させるとともに当該固体試料の表面から脱離した付着物を当該固体表面に対面する捕捉面で捕捉する捕捉部材と、
   前記捕捉部材の前記捕捉面を前記固体表面に向けて保持することが可能であるとともに、付着物が捕捉された当該捕捉面を反転してレーザ照射側に向けた状態に切り替えて保持することが可能な捕捉部材表裏反転保持機構と、
   付着物が捕捉された前記捕捉面がレーザ照射側に向けられて保持された状態で、第一出力パワーでのレーザ照射により発生したプラズマの発光スペクトルを計測するスペクトル測定部とを備えたことを特徴とする付着物分析装置。
2. 前記捕捉部材は、第二出力パワーのレーザビームが透過可能な窓材である請求項１に記載の付着物分析装置。
3. 前記捕捉部材は、第二出力パワーのレーザビームが通過するためのスリットが形成された金属マスク、または、金属細線で形成されたメッシュである請求項１に記載の付着物分析装置。
4. 前記捕捉部材表裏反転保持機構は、前記捕捉部材を回転させる回転機構を備えている請求項１〜請求項３のいずれかに記載の付着物分析装置。

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