JP6367091B2 - 質量分析装置および質量分析方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、質量分析装置および質量分析方法に関する。

試料中の元素を特定するための測定装置として質量分析装置が用いられている。特に、高感度の質量分析を実現する装置として、試料にイオンビームを照射することによりスパッタされる中性粒子をレーザ光によりイオン化し、生成したイオンの質量スペクトルを測定することにより試料の質量分析を行うレーザイオン化質量分析ナノスコープ（Ｌａｓｅｒ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ＭＡｓｓ ｎａｎｏＳｃｏｐｅ： ＬＩＭＡＳ）が知られている。

しかしながら、中性粒子のイオン化の際にチャンバ内のガスや浮遊物にもレーザ光が照射され、これらの物質も同時にイオン化されてしまう。その結果、スペクトルのバックグラウンドが上がってしまい、さらなる高感度化の阻害要因になるという問題があった。

特開平６−１２４６８０号公報

本発明が解決しようとする課題は、分析の感度を向上させることできる質量分析装置および質量分析方法提供することである。

実施形態の質量分析装置は、チャンバと、荷電粒子ビーム源と、レーザ光源と、質量分析手段と、光学系と、を持つ。チャンバは試料を収容する。荷電粒子ビーム源は、荷電粒子ビームを生成して試料に照射する。レーザ光源は、荷電粒子ビームの照射により試料から放出する中性粒子にレーザ光を照射する。複数の窓は、試料が保持される側のチャンバの壁面に設けられ、レーザ光を該壁面に対して略垂直方向に通過させる。ミラーは、窓を通過してチャンバ内に入射したレーザ光を、中性粒子が放出される領域に入射させるように、入射方向に対して略垂直方向に反射する。質量分析手段は、レーザ光の照射によりイオン化された中性粒子を検出して試料の質量を分析する。

実施形態１による質量分析装置の概略構成を示すブロック図の一例。 図１に示す質量分析装置の一変形例を示すブロック図の一例。 実施形態２による質量分析装置の概略構成を示すブロック図の一例。 実施形態３による質量分析装置の概略構成を示すブロック図の一例。 実施形態４による質量分析装置の概略構成を示すブロック図の一例。

以下、実施の一形態について図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。

添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる箇所がある点に留意されたい。これらの相違点は、当業者であれば以下の説明と公知の技術を参酌して適宜に設計変更することができる。

（１）実施形態１
図１は、実施形態１による質量分析装置の概略構成を示すブロック図の一例である。図１に示すように、本実施形態の質量分析装置１は、イオンビームガン２０と、レーザ光源ＬＧ１，ＬＧ２と、質量分析器３０とを含む。イオンビームガン２０、質量分析器３０、および、分析対象である試料Ｓ１は、チャンバＣＢ内に設置される。チャンバＣＢは、質量分析に先立ち、図示しない真空ポンプにより真空引きされる。

試料Ｓ１は、図示しない試料ホルダに保持されてチャンバＣＢの壁面近傍、図１に示す例では頂部壁面の近傍に設置される。

イオンビームガン２０は、イオンビームを生成して試料Ｓ１に照射する。イオンビームの照射により試料Ｓ１の表面がスパッタされ、これにより試料Ｓ１から二次粒子ＮＰが飛び出す。本実施形態において、イオンビームは例えば荷電粒子ビーム源に対応し、イオンビームガン２０は例えば荷電粒子ビーム源に対応する。

レーザ光源ＬＧ１，ＬＧ２は、チャンバＣＢ外に設置され、それぞれ、パルスビームのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を生成し、チャンバＣＢ外からチャンバＣＢ壁面の窓ＷＤ１，ＷＤ２に向けて出射する。窓ＷＤ１，ＷＤ２は、チャンバＣＢ壁面のうち試料Ｓ１に近接した領域において、試料Ｓ１を間に挟むように設けられる。

チャンバＣＢ内でのレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の光路上にはミラーＭＲ１，ＭＲ２が設置される。これにより、レーザ光源ＬＧ１，ＬＧ２から出射したレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２は、窓ＷＤ１，ＷＤ２を透過してミラーＭＲ１，ＭＲ２で反射し、二次粒子ＮＰが飛び出した領域ＲＮＰに入射する。

レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の照射により二次粒子ＮＰはイオン化される。
質量分析器３０は、イオン化された二次粒子ＮＰの質量スペクトルを測定し、測定結果に基づいて試料Ｓ１の質量分析を行う。本実施形態の測定方法において質量分析器３０は例えば質量分析手段に対応する。

本実施形態の質量分析装置１によれば、試料Ｓ１の近傍に設けられた窓ＷＤ１，ＷＤ２を介してレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２が短い光路長で二次粒子ＮＰに照射する。これにより、例えば図３に示す窓ＷＤ５，ＷＤ６のように試料Ｓ１から遠い位置に設けられた窓を経由してレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を導入する場合と比較してチャンバ内でレーザ光に照射されるガスや浮遊物の量を減らすことができる。その結果、スペクトルのバックグラウンドの上昇を抑制でき、分析の感度を向上させることできる。

短い光路長を実現できるのであれば、例えば図２に変形例として示す質量分析装置２のように、チャンバＣＢ内にミラーを設置することなく、窓ＷＤ３，ＷＤ４を経由して、二次粒子ＮＰが飛び出す領域ＲＮＰにレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２を直接照射することも可能である。この場合は、ミラーのコンタミネーションによる照射強度の低下を回避することが可能になる。

本実施形態では、試料Ｓ１がチャンバＣＢの頂部壁面の近傍に設置され、イオンビームガン２０および質量分析器３０がチャンバＣＢの底部に配置された例を取り挙げた。しかしながら、これらの要素の配置は図１および図２に示す例に限るものでは決してなく、例えば、試料Ｓ１をチャンバＣＢの底部壁面の近傍に配置し、イオンビームガン２０および質量分析器３０をチャンバＣＢの頂部に設置してもよい。この点は、以下の実施形態２乃至４についても同様である。

（２）実施形態２
図３は、実施形態２による質量分析装置の概略構成を示すブロック図の一例である。図３に示す質量分析装置３は、上述した質量分析装置１および２と同様のイオンビームガン２０および質量分析器３０を含む。本実施形態の質量分析装置３は、パルスビームを出射する単一のレーザ光源ＬＧ３と、二次粒子ＮＰが飛び出す領域ＲＮＰでレーザが干渉するように光学素子が配置された光学系と、をさらに含む。

レーザ光源ＬＧ３からのレーザ光が透過する窓ＷＤ５，ＷＤ６は、本実施形態において、領域ＲＮＰを間に挟んで対向するようにチャンバＣＢの互いに反対側の側面に設けられている。

本実施形態の質量分析装置３の光学系は、ハーフミラーＨＭ１と、３つのミラーＭＲ３〜ＭＲ５を含む。ハーフミラーＨＭ１およびミラーＭＲ５は、窓ＷＤ５，ＷＤ６に対応するようにチャンバＣＢの側面外側に配置される。ミラーＭＲ３，ＭＲ４は、チャンバＣＢの上方に位置するように、ハーフミラーＨＭ１およびミラーＭＲ５の直上にそれぞれ配置される。

このような光学系の構成により、レーザ光源ＬＧ３からのレーザ光が通過する光路は、ハーフミラーＨＭ１で２つの光路ＬＰ１，ＬＰ２に分岐する。

光路ＬＰ１は、ハーフミラーＨＭ１から領域ＲＮＰへ直行する光路である。レーザ光源ＬＧ３から出射したレーザ光のうち、ハーフミラーＨＭ１を透過したレーザ光は光路ＬＰ１を進行し、窓ＷＤ５を通過して領域ＲＮＰへ入射する。

光路ＬＰ２は、チャンバＣＢの上方を迂回して窓ＷＤ６を経由して領域ＲＮＰへ至る光路である。レーザ光源ＬＧ３から出射したレーザ光のうち、ハーフミラーＨＭ１で反射したレーザ光は、ミラーＭＲ３，ＭＲ４で反射し、光路ＬＰ１の延長線上に配置されたミラーＭＲ５で再び反射し、窓ＷＤ６を通過して領域ＲＮＰへ入射する。

本実施形態において、これら２つの光路ＬＰ１，ＬＰ２は、各光路を通ったレーザ光が領域ＲＮＰで干渉するように詳細経路および光路長が調整されている。これにより、試料Ｓ１から飛び出した二次粒子ＮＰが多数分布する領域ＲＮＰにおいてレーザ光の強度が強まるので、スペクトルのバックグラウンドが相対的に低下し、分析の感度を向上させることできる。

（３）実施形態３
前述した実施形態２のような複数のレーザ光の干渉に加え、凸レンズを通過させればレーザ光の強度をさらに強めることが可能になる。このような構成を実現した装置の一例を実施形態３による質量分析装置として説明する。

すなわち、図４に示すように、本実施形態の質量分析装置４は、イオンビームガン２０、質量分析器３０、単一のレーザ光源ＬＧ３、および、領域ＲＮＰでレーザ光が干渉するように配置された光学系に加え、凸レンズＬＳを含む。

レーザ光源ＬＧ３からのレーザ光をチャンバＣＢ内へと通す窓ＷＤ１０は、本実施形態ではチャンバＣＢの頂部壁面に設けられている。

試料Ｓ２は、図示しない試料ホルダに保持されて窓ＷＤ１０の真下に設置される。本実施形態で使用される試料Ｓ２は、レーザ光が透過可能な透過率を有する物質で構成される。

本実施形態において、光学系は、ハーフミラーＨＭ２、ミラーＭＲ５および凸レンズＬＳを含む。凸レンズＬＳは、ハーフミラーＨＭ２およびミラーＭＲ５の下方で窓ＷＤの直上に設置される。

レーザ光源ＬＧ３からのレーザ光が通過する光路は、ハーフミラーＨＭ２で２つの光路ＬＰ３，ＬＰ４に分岐する。

レーザ光源ＬＧ３から出射した後ハーフミラーＨＭ２で反射したレーザ光は、光路ＬＰ３を通過して凸レンズＬＳに入射し、屈折して窓ＷＤ１０および試料Ｓ２を透過し、領域ＲＮＰで試料Ｓ２から飛び出した二次粒子ＮＰに入射する。

また、レーザ光源ＬＧ３から出射した後ハーフミラーＨＭ２を透過したレーザ光は、光路ＬＰ４に進み、ミラーＭＲ５で反射した後凸レンズＬＳに入射し、屈折して窓ＷＤ１０および試料Ｓ２を透過し、領域ＲＮＰで試料Ｓ２から飛び出した二次粒子ＮＰに入射する。

本実施形態においても、２つの光路ＬＰ３，ＬＰ４は、各光路を通ったレーザ光が領域ＲＮＰで干渉するように詳細経路および光路長が調整されている。さらに、凸レンズＬＳは、自身を通過したレーザ光が窓ＷＤ１０および試料Ｓ２を透過して領域ＲＮＰで集光するように屈折率が調整されている。

このように、本実施形態の質量分析装置４によれば、レーザ光の干渉に加えて凸レンズＬＳのレンズ作用によって、試料Ｓ２から飛び出した二次粒子ＮＰが多数分布する領域ＲＮＰにおいてレーザ光の強度がさらに強まる。これにより、スペクトルのバックグラウンドがさらに低下するので、分析の感度をさらに向上させることできる。

（４）実施形態４
図５は、実施形態４による質量分析装置の概略構成を示すブロック図の一例である。図４との対比により明らかなように，本実施形態の質量分析装置５は、図４に示す構成に加え、ハーフミラーＨＭ３および３つのミラーＭＲ７，ＭＲ１１，ＭＲ１２、並びに、マニピュレータ４０がさらに設けられた光学系を含む。

ハーフミラーＨＭ３およびミラーＭＲ７は、ハーフミラーＨＭ２を透過したレーザ光がミラーＭＲ５に入射するまでの経路上に設置される。ミラーＭＲ１１，ＭＲ１２は、試料Ｓ２に対して垂直な方向、すなわち図５の矢印ＡＲの方向においてハーフミラーＨＭ３およびミラーＭＲ７に離隔して設置される。図５に示す例では、ミラーＭＲ１１，ＭＲ１２は、ハーフミラーＨＭ３およびミラーＭＲ７の上方に設置されている。

レーザ光源ＬＧ３から出射した後ハーフミラーＨＭ２を透過したレーザ光は、光路ＬＰ５に進み、ハーフミラーＨＭ３に入射する。ハーフミラーＨＭ３で反射したレーザ光は、４つのミラーＭＲ１１，ＭＲ１２，ＭＲ７，ＭＲ５で反射した後凸レンズＬＳに入射し、屈折して窓ＷＤ１０および試料Ｓ２を透過し、領域ＲＮＰで試料Ｓ２から飛び出した二次粒子ＮＰに入射する。

マニピュレータ４０は、ミラーＭＲ１１，ＭＲ１２に連結され、これらのミラーＭＲ１１，ＭＲ１２を試料Ｓ２に対して垂直な方向、すなわち図５の矢印ＡＲの方向で所望の距離だけ移動させる。これにより、ハーフミラーＨＭ２で分岐する２つの光路ＬＰ３，ＬＰ５のうち、ハーフミラーＨＭ２を透過したレーザ光が進行する光路ＬＰ５の光路長が調整され、これにより、２つのレーザ光が干渉可能となる空間的範囲を制御することが可能になる。

マニピュレータ４０は、例えば、ピエゾ素子を含むＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ） などを用いて構成することができる。本実施形態において、マニピュレータ４０は例えば光路長調整機構に対応する。

本実施形態の質量分析装置５の光学系以外の構成は、図４に示す質量分析装置４と実質的に同一である。

このように、本実施形態の質量分析装置５によれば、ミラーＭＲ１１，ＭＲ１２に連結され、ハーフミラーＨＭ２を透過したレーザ光が進行する光路ＬＰ５の光路長を調整するマニピュレータ４０を備えるので、複数のレーザ光が干渉可能となる空間的範囲を制御することができる。これにより、試料Ｓ２から飛び出した二次粒子ＮＰが多数分布する領域ＲＮＰ中の所望の空間的範囲でレーザ光の強度を強めることができる。これにより、より高精度の質量分析が可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１〜５…質量分析装置、２０…イオンビームガン、３０…質量分析器、ＣＢ…チャンバ、ＨＭ１〜ＨＭ３…ハーフミラー、ＬＢ１，ＬＢ２…レーザ光、ＬＧ〜ＬＧ３…レーザ光源、ＭＲ１〜ＭＲ５，ＭＲ７，ＭＲ１１，ＭＲ１２…ミラー、ＷＤ１〜ＷＤ６，ＷＤ１０…窓。

Claims (2)

1. 試料を収容するチャンバと、
   荷電粒子ビームを生成して試料に照射する荷電粒子ビーム源と、
   前記荷電粒子ビームの照射により前記試料から放出する中性粒子にレーザ光を照射するレーザ光源と、
   前記試料が保持される側の前記チャンバの壁面に設けられ、前記レーザ光を該壁面に対して略垂直方向に通過させる複数の窓と、
   前記窓を通過して前記チャンバ内に入射したレーザ光を、前記中性粒子が放出される領域に入射させるように、入射方向に対して略垂直方向に反射するミラーと、
   レーザ光の照射によりイオン化された中性粒子を検出して前記試料の質量を分析する質量分析手段と、
   を備える質量分析装置。
2. 前記複数の窓は、前記試料を間に挟むように前記チャンバの壁面に設けられている、請求項１に記載の質量分析装置。

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