JP6358726B1 - グロー放電システムとそのイオン引き出し構造、グロー放電質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のグロー放電システムの装置構成や駆動条件を大幅に変更することなく、引き出されるイオンビーム量を増大させ、分析精度がより高いグロー放電質量分析装置を提供する。
【解決手段】放電セル２０のイオン引き出し口に配置され、引き出し電極として作用するエクストラクションプレート２５を、開口部２５に放電領域２７に向かって突出する突出部２６ａを有し、放電領域２７側に配置される第１のプレート２６と、該第１のプレート２６とは外周縁において接続され、開口部２５側では間隙を介して配置する第２のプレート２８とで構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、グロー放電システムとそのイオン引き出し構造、及び、該グロー放電システムを用いたグロー放電質量分析装置に関する。

金属や半導体、絶縁物など各種固体試料の分析装置として、グロー放電質量分析装置（ＧＤＭＳ）が知られている。係る分析装置は、グロー放電を利用して固体試料表面をスパッタし、イオン化された該固体試料の構成原子を質量分析計において測定する装置である。

上記分析装置においては、特許文献１に開示されているように、放電セル内に表面が露出するように固体試料を配置し、該放電セル内に不活性ガスを導入してグロー放電を発生させて上記固体試料をスパッタし、放出された原子を放電セル内でイオン化して、該放電セルに設けた開口部からイオンビームとして引き出すグロー放電システムを有している。

特開２０１７−２２０３６０号公報

グロー放電質量分析装置において、分析精度を高めるためには、グロー放電システムから引き出すイオンビームのビーム（イオン）量を増やすことが望ましい。

本発明の課題は、従来のグロー放電システムの装置構成や駆動条件を大幅に変更することなく、引き出されるイオンビーム量を増大させ、分析精度がより高いグロー放電質量分析装置を提供することにある。

本発明の第一は、放電領域を形成する導電性のセル本体と、前記セル本体とは少なくとも絶縁部材を介して接続され、イオン引き出し口を有する導電性のエクストラクションプレートと、を有する、グロー放電質量分析装置に用いられるグロー放電システムのイオン引き出し構造であって、
前記エクストラクションプレートが、外周縁において互いに接続された第１のプレートと第２のプレートとからなり、
前記第１のプレートが前記放電領域側に配置され、前記イオン引き出し口から前記放電領域に向かって筒状に突出する突出部を有し、
前記第１のプレートと前記第２のプレートのいずれか一方が前記外周縁において他方に向かって突出し、前記外周縁を除く領域において前記第１のプレートと前記第２のプレートとが互いに間隙を介して配置していることを特徴とする。

本発明のグロー放電システムのイオン引き出し構造は、前記セル本体と前記絶縁部材との間に、スリットを有する導電性のスリットプレートと、開口部を有する導電性のエンドプレートと、が当該順序で配置され、
前記エンドプレートが、前記開口部を有する平板に前記開口部から外周側に所定の距離を介した位置に外部に向かって筒状に突出する突出部を設けた形状であること、を好ましい態様として含む。

本発明の第二は、上記本発明のグロー放電システムのイオン引き出し構造を有することを特徴とするグロー放電システムである。

本発明の第三は、グロー放電によって固体試料より該固体試料の構成原子のイオンビームを引き出すグロー放電システムと、前記イオンビームに含まれるイオンの質量分析を行う質量分析器とを備えたグロー放電質量分析装置において、
前記グロー放電システムが、上記本発明のグロー放電システムであることを特徴とする。

本発明のグロー放電質量分析装置においては、さらに、前記グロー放電システムから引き出された前記イオンビームより目的のイオンを分離、選択する磁場システムと、前記磁場システムにおいて選択されたイオンビームのエネルギーを収束させる電場システムと、を有すること、を好ましい態様として含む。

本発明のグロー放電システムは、イオン引き出し構造を特定の構造とすることによって、従来よりも大幅にビーム量が増大したイオンビームを引き出すことができる。よって、本発明によれば、簡単な装置構成の変更によって、質量分析器で分析するイオンビーム量を増大させ、固体試料の質量分析精度を従来よりも大幅に高めることができる。

本発明のグロー放電システムの一実施形態の構成を模式的に示す図であり、該グロー放電システムから引き出されるイオンビームの中心軸を含む断面の端面図である。 従来のグロー放電システムの構成を模式的に示す端面図であり、該グロー放電システムから引き出されるイオンビームの中心軸を含む断面の端面図である。 図１の放電セルの拡大図である。 本発明のグロー放電システムを用いた銅の質量分析の分析チャートを示す図である。 従来のグロー放電システムを用いた銅の質量分析の分析チャートを示す図である。

本発明について、適宜図面を参照しながら実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また以下の説明において特段説明されていない部分や、図面において特段図示されなかった部分に関しては、当該技術分野の周知或いは公知の技術を適用することができる。

本発明のグロー放電システムは、グロー放電質量分析装置に用いられるシステムであり、本発明はそのイオン引き出し構造に特徴を有する。本発明のグロー放電システムは、放電領域を形成する導電性のセル本体と、該セル本体とは少なくとも絶縁部材を介して接続され、イオン引き出し口を有する導電性のエクストラクションプレートと、を有する。そして、本発明においては、エクストラクションプレートを、イオン引き出し口から放電領域に向かって筒状に突出する突出部を有する第１のプレートと、該第１のプレートとはイオン引き出し口側で間隙を有する第２のプレートとで構成したことにより、グロー放電システムから引き出されるイオンビームのビーム量を大幅に増大させたことに特徴を有する。

先ず、図２に、従来のグロー放電システムの構成を示す。図２は、従来のグロー放電システムの一例の構成を模式的に示す図であり、該グロー放電システムから引き出されるイオンビームの中心軸を含む断面の端面図である。

図２のグロー放電システムは、固体試料３０を保持するためのサンプルホルダー１０と、グロー放電を発生させて固体試料３０からイオンビーム（不図示）を引き出す放電セル２０とを有している。

サンプルホルダー１０は、枠体１１に絶縁リング１２を介して開口部１４ａを有するフロントプレート１４が配置され、固体試料３０は、保持部材であるプランジャー１６によって、その一主面を該開口部１４ａに向けてサンプルアイソレーター１３に押し付けられて保持される。固体試料３０の一主面はその一部が上記開口部１４ａ内に露出する。枠体１１及びプランジャー１６は導電性材料、例えばアルミニウムで構成され、絶縁リング１２は絶縁性材料、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの絶縁性樹脂で構成され、サンプルアイソレーター１３は、開口部１４ａに連通する開口部を有するプレートであり、絶縁性材料、例えばアルミナで構成され、フロントプレート１４は導電性材料、例えばタンタルで構成される。

放電セル２０は、筒状で、一方の開口部がサンプルホルダー１０の開口部であるフロントプレート１４の開口部１４ａ側に該フロントプレート１４に接して隣接し、他方の開口部側がイオン引き出し口側となるセル本体２１を備えている。セル本体２１は、内部が放電領域２７であり、側壁に放電ガスを導入するためのガス導入孔２１ａを備えている。セル本体２１の他方の開口部には、スリットプレート２２と、エンドプレート４１と、セルマウンティングプレート２４と、エクストラクションプレート４２と、が当該順序で配置され、それぞれイオンを外部に引き出すための開口部を有している。図中２２ａはスリットプレート２２に形成されたスリットである。放電領域２７は、ガス導入孔２１ａとスリット２２ａとを除いて閉鎖系である。セル本体２１、スリットプレート２２、エンドプレート４１はいずれも導電性材料、例えばタンタルで構成される。セルマウンティングプレート２４は絶縁性材料、例えばＰＥＥＫなどの絶縁性樹脂で構成される絶縁部材である。

上記の構成において、放電領域２７にガス導入孔２１ａより放電ガスとして不活性ガス、例えば高純度のアルゴンガス（純度９９．９９９９％以上）を導入し、枠体１１、プランジャー１６を介して固体試料３０を陰極に、セル本体２１、スリットプレート２２、エンドプレート４１、フロントプレート１４を陽極に設定して所定の電圧を印加する。また、エクストラクションプレート４２は放電領域２７からイオンを引き出すための引き出し電極として、セル本体２１に対して−数十Ｖ〜−１０００Ｖの範囲内の電位に設定する。放電領域２７ではグロー放電が発生し、放電ガスのイオンが固体試料３０の表面をスパッタし、放出された固体試料３０の構成原子は放電領域２７においてプラズマによってイオン化され、スリット２２ａ、開口部４１ａ、４２ａを通過してイオンビームとして引き出される。

グロー放電システムより引き出されたイオンビームは不図示の磁場システムにおいて分析目的のイオンが分離、選択され、選択されたイオンビームは不図示の電場システムにおいてビームエネルギーが収束され、不図示の質量分析器においてイオンビームに含まれるイオンの質量分析が行われ、固体試料３０の組成が測定される。質量分析器としては、二重収束型質量分析計が好ましく用いられる。

次に、本発明のグロー放電システムについて、図１、図３を用いて説明する。図１は、本発明のグロー放電システムの一実施形態の構成を模式的に示す図であり、該グロー放電システムから引き出されるイオンビームの中心軸を含む断面の端面図であり、図３は、図１中の放電セル２０の拡大図である。

本発明のグロー放電システムは、後述するように、放電セルのイオン引き出し構造を変更した以外、基本的な構成は従来のグロー放電システムと同様である。よって、従来のグロー放電システムと異なる部分についてのみ説明し、同じである部分については説明を省略する。

本発明においては、イオンを引き出すための引き出し電極であるエクストラクションプレート２５が、第１のプレート２６と第２のプレート２８とからなり、互いに外周縁において接続されている。第１のプレート２６は、放電領域２７側に配置され、イオン引き出し口である開口部２５ａから放電領域２７に向かって筒状に突出する突出部２６ａを有している。また、第１のプレート２６と第２のプレート２８のいずれか一方が外周縁において他方に向かって突出することで、外周縁を除く領域において間隙ｔ３を介して配置している。図１，図３の実施形態においては、第１のプレート２６が、外周縁において第２のプレート２８側に突出して間隙ｔ３を形成しているが、本発明においては、第２のプレート２８が、外周縁において第１のプレート２６側に突出していても良い。

上記の構造を有することにより、本発明のグロー放電システムによって引き出されるイオンビームのビーム量は増大する。

さらに好ましくは、スリットプレート２２とセルマウンティングプレート２４間に配置されるエンドプレート２３が、図３に示すように、開口部２３ａを有する平板に、開口部２３ａから外周側に所定の距離を介した位置に外部に向かって筒状に突出する突出部２３ｂを設けた形状である。即ち、図２の従来の構造においては、エンドプレート４１は、開口部４１ａが、厚さ方向全体において放電領域２７から外部に向かって内径が広がるテーパー状であったが、本発明においては、該テーパー部分を一部欠いて段差を形成した形状としている。

エンドプレート２３が係る形状を有していることによって、本発明のグロー放電システムによって引き出されるイオンビームのビーム量はより増大する。

図３に示した各部位の好ましい寸法は、ｔ１が０．４〜０．６ｍｍ、ｔ２が１．５〜２．５ｍｍ、ｔ３が０．４〜０．６ｍｍ、ｔ４が０．４〜０．６ｍｍ、ｔ５が１．５〜２．２ｍｍ、ｔ６が０．５〜１．５ｍｍ、ｔ７が１．４〜１．６ｍｍ、ｔ８が０．５〜１．５ｍｍである。

図１のグロー放電システムにおいて、固体試料３０は円形の平板であり、セル本体２１、突出部２３ｂ、２６ａはいずれも円筒状、開口部１４ａ、開口部２３ａ、２５ａはいずれも円形である。また、スリット２２ａは紙面に直交する直線状である。尚、本願発明においては、必ずしも係る形状に限定されるものではない。

尚、図１に示したグロー放電システムは、平板状の固体試料３０を用いるフラットセル式のグロー放電システムであるが、本発明は、フラットセル式に限定されるものではなく、不図示のピンセル式の棒状の固体試料を分析する方式のグロー放電システムにも適用することができる。

本発明においては、固体試料３０として、導電体や半導体材料は直接分析することができ、また、絶縁体については、金、グラファイト、銀等の導電体をバインダーとして絶縁体と混合し、成型して固体試料３０とし、分析することができる。また、固体平面状の絶縁体であっても、不図示の補助電極を陰極として用いることで、グロー放電を発生させ、分析することができる。

サーモエレメンタル（Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｍｅｎｔａｌ）社製のグロー放電質量分析装置「ＶＧ９０００Ｍｋ４型」のグロー放電システムを、図１の本発明のグロー放電システムに交換して、銅製の固体試料の質量分析を行った。また、同様のグロー放電質量分析装置に、図２の従来のグロー放電システムを用いる以外は全く同じ条件で、同じ銅製の固体試料の質量分析を行った。各部位の寸法は、ｔ１＝０．５ｍｍ、ｔ２＝２ｍｍ、ｔ３＝０．５ｍｍ、ｔ４＝０．５ｍｍ、ｔ５＝２．０ｍｍ、ｔ６＝０．５ｍｍ、ｔ７＝１．５ｍｍ、ｔ８＝１．０ｍｍ、ｔ１１＝０．５ｍｍ、ｔ１２＝１．５ｍｍ、ｔ１３＝３．５ｍｍである。また、開口部２５ａの内径は５．０ｍｍ、スリット２２ａの幅は０．１６ｍｍで長さは１．０ｍｍである。

銅は通常、同位体であるＣｕ６３とＣｕ６５とをおよそＣｕ６３：Ｃｕ６５＝７：３の質量割合で含んでいる。そのため、銅を測定する際には、従来は含有量の多いＣｕ６３を測定していた。本実施例においても、従来のグロー放電システムを用いた質量分析において、Ｃｕ６３のピーク高さは１．０×１０^-9Ａであった。

一方、本発明のグロー放電システムを用いた質量分析では、Ｃｕ６３を測定するとピークが高すぎるため、検出器の保護のため、含有量の少ないＣｕ６５を測定したところ、ピーク高さは１．１×１０^-9Ａであり、これをＣｕ６３に換算すると２．５×１０^-9Ａであり、従来のグロー放電システムを用いた場合のＣｕ６３のピーク高さの２倍以上であった。それぞれで得られたＣｕ６５，Ｃｕ６３の分析チャートを図４，図５に示す。

１０：サンプルホルダー、１１：枠体、１２：絶縁リング、１３：サンプルアイソレーター、１４：フロントプレート、１４ａ：開口部、１６：プランジャー、２０：放電セル、２１：セル本体、２１ａ：ガス導入孔、２２：スリットプレート、２２ａ：スリット、２３，４１：エンドプレート、２３ａ：開口部、２３ｂ：突出部、２４：セルマウンティングプレート、２５，５２：エクストラクションプレート、２５ａ，４１ａ，５２ａ：開口部、２６：第１のプレート、２６ａ：突出部、２７：放電領域、２８：第２のプレート、３０：固体試料

Claims (5)

1. 放電領域を形成する導電性のセル本体と、前記セル本体とは少なくとも絶縁部材を介して接続され、イオン引き出し口を有する導電性のエクストラクションプレートと、を有する、グロー放電質量分析装置に用いられるグロー放電システムのイオン引き出し構造であって、
   前記エクストラクションプレートが、外周縁において互いに接続された第１のプレートと第２のプレートとからなり、
   前記第１のプレートが前記放電領域側に配置され、前記イオン引き出し口から前記放電領域に向かって筒状に突出する突出部を有し、
   前記第１のプレートと前記第２のプレートのいずれか一方が前記外周縁において他方に向かって突出し、前記外周縁を除く領域において前記第１のプレートと前記第２のプレートとが互いに間隙を介して配置していることを特徴とするグロー放電システムのイオン引き出し構造。
2. 前記セル本体と前記絶縁部材との間に、スリットを有する導電性のスリットプレートと、開口部を有する導電性のエンドプレートと、が当該順序で配置され、
   前記エンドプレートが、前記開口部を有する平板に前記開口部から外周側に所定の距離を介した位置に外部に向かって筒状に突出する突出部を設けた形状であることを特徴とする請求項１に記載のグロー放電システムのイオン引き出し構造。
3. 請求項１又は２に記載のグロー放電システムのイオン引き出し構造を有することを特徴とするグロー放電システム。
4. グロー放電によって固体試料より該固体試料の構成原子のイオンビームを引き出すグロー放電システムと、前記イオンビームに含まれるイオンの質量分析を行う質量分析器とを備えたグロー放電質量分析装置において、
   前記グロー放電システムが、請求項３に記載のグロー放電システムであることを特徴とするグロー放電質量分析装置。
5. さらに、前記グロー放電システムから引き出された前記イオンビームより目的のイオンを分離、選択する磁場システムと、前記磁場システムにおいて選択されたイオンビームのエネルギーを収束させる電場システムと、を有することを特徴とする請求項４に記載のグロー放電質量分析装置。

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