JP6523890B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、質量分析装置に関する。

ＳＮＭＳ（Sputtered Neutral Mass Spectrometry）等の質量分析装置は、試料表面にＦＩＢ（Focused Ion Beam）を照射し、それにより発生する中性粒子にレーザを照射することによってイオン化する。イオン化された粒子は、リフレクトロン内を飛行してＭＣＰ（Micro Channel Plate）で検出される。このときの粒子の飛行時間（ＴＯＦ（Time Of Fright)）に基づいて試料の質量分析を行う。

このような質量分析装置において、レーザが試料に照射されると、試料が熱膨張し、ＦＩＢの照射位置が変わってしまう（ドリフトしてしまう）という問題があった。また、レーザが試料に照射されると、試料に付着している水分等の不純物が気化し、脱ガスする。減圧状態のリフレクトロン内にそのガスが侵入すると、ノイズ（バックグラウンド）が上昇するため、ＳＮ（Signal/Noise）比が劣化する。従って、粒子の検出精度が低下するという問題もあった。

特開２０００−１６２１６４号公報

レーザ照射によって粒子をイオン化させることができ、かつ、粒子の質量分析を精度良く行うことができる質量分析装置を提供する。

本実施形態による質量分析装置は、試料へビームを照射するビーム照射部を備える。レーザ照射部は、試料の表面のうちビームの照射面または該照射面の上方にレーザ光を照射する。レーザ照射部は、レーザ光を少なくとも第１光と第２光とに分離し、第１または第２光の少なくとも一方の偏光状態、光路長または光路方向を調節して第１光および第２光を照射面または該照射面の上方に集光する。検出部は、試料から放出された粒子を検出する。レーザ照射部は、第１光の光路長と第２光の光路長との光路差を可干渉距離未満または可干渉距離以上に切換え可能、第１光の偏向方向と第２光の偏向方向との差を、第１状態と第１状態に対して偏向方向の差において異なる第２状態とに切替え可能、または、第１光の焦点位置と第２光の焦点位置との距離を、第１状態と第１状態に対して距離において異なる第２状態とに切替え可能、である。第１状態における第１光の集光箇所の少なくとも一部と、第１状態における第２光の集光箇所の少なくとも一部とは、同一箇所である。

第１の実施形態による質量分析装置１の構成の一例を示す図。 レーザ照射部４０の構成の一例を示す図。 第２の実施形態によるレーザ照射部２４０の構成の一例を示す図。 第３の実施形態によるレーザ照射部３４０の構成の一例を示す図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による質量分析装置１の構成の一例を示す図である。質量分析装置１は、チャンバ１０と、サンプルホルダ１２と、真空ポンプ２０と、ＦＩＢ照射部３０と、レーザ照射部４０と、リフレクトロン５０と、ＭＣＰ６０と、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）電子銃７０とを備えている。

チャンバ１０は、試料２を収容可能であり、真空ポンプ２０によって減圧される。試料２は、サンプルホルダ１２上に載置可能である。

ＦＩＢ照射部３０は、サンプルホルダ１２上に載置された試料２へイオンビームを照射する。ＦＩＢ照射部３０は、例えば、ガリウム等の一次イオン源からイオンビームを生成し、このイオンビームを静電偏向板およびアパーチャ（図示せず）を用いてパルス化する。さらに、ＦＩＢ照射部３０は、パルス化されたイオンビームを、イオンビームレンズ（図示せず）を用いて集光して試料２へ照射する。試料２にイオンビームを照射すると、試料２から中性粒子が放出（スパッタ）される。以下、イオンビームをＦＩＢともいう。

レーザ照射部４０は、例えば、赤外線レーザを生成し、このレーザ光を複数のレーザ光に分離する。レーザ照射部４０は、分離された複数のレーザ光のうち少なくとも一部のレーザ光の偏光状態、光路長または光路方向を調節した後、その複数のレーザ光を試料２の上方に集光させる。レーザ照射部４０は、試料２から放出された中性粒子にレーザ光を照射するために、試料２の表面のうちイオンビームの照射面の直上、あるいは、イオンビームの照射面にレーザ光を集光または合焦させる。レーザ照射部４０は、試料２から中性粒子が放出されたタイミングでレーザ光を試料２の上方に照射する。これにより、レーザ照射部４０は、試料２から放出された中性粒子へレーザ光を照射することができる。中性粒子は、レーザ光の照射によってイオン化され、光励起イオン（以下、単に、イオンともいう）となる。レーザ照射部４０の構成は、図２を参照して後で説明する。

粒子制御部としてのリフレクトロン５０は、電極板を備え、該電極板に電圧を印加することによって、リフレクトロン５０の内部に電場を発生させる。リフレクトロン５０は、電場によって矢印Ａ１に示すように、イオンを導き、周回させて矢印Ａ２に示すようにＭＣＰ６０へ飛行させる。即ち、リフレクトロン５０は、イオンビームによって試料２から放出されレーザ光によってイオン化された粒子をＭＣＰ６０へ導く。

検出部としてのＭＣＰ６０は、その検出面に衝突したイオンを検出する。これにより、質量分析装置１は、試料２から中性粒子が放出されてからＭＣＰ６０でイオンが検出されるまでの飛行時間ＴＯＦを測定することができる。飛行時間ＴＯＦは、イオンの質量に依存する。従って、飛行時間ＴＯＦを参照することによって、イオンの質量が判明する。これにより、試料２から放出された中性粒子の材質（元素）が判明する。このように、質量分析装置１は、試料２から放出された粒子の質量を検出することによって、試料２の材質を特定することができる。

ＳＥＭ電子銃７０は、試料２の表面の像を得るために電子線を試料２へ照射する。

図２は、レーザ照射部４０の構成の一例を示す図である。レーザ照射部４０は、レーザ光源４１と、ハーフミラー４２と、ミラー４３、４４と、複屈折変調器４５と、集光レンズ４６、４７とを備えている。尚、レーザ光源４１は、レーザ照射部４０の外部に設けられていてもよい。

レーザ光源４１は、例えば、赤外線レーザ光Ｌ０を出力する。

分離部としてのハーフミラー４２は、レーザ光源４１からのレーザ光Ｌ０を第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とに分離（分割）する。第１光Ｌ１は、レーザ光Ｌ０と同じ方向に直進する。第２光Ｌ２は、ハーフミラー４２によって第１光Ｌ１とは異なる方向に反射される。

ミラー４３は、例えば、全反射ミラーであり、第１光Ｌ１を受けて第１光Ｌ１を試料２の方向へ反射する。ミラー４４は、例えば、全反射ミラーであり、第２光Ｌ２を受けて第２光Ｌ２を複屈折変調器４５の方向へ反射する。尚、第１光Ｌ１の光路長と第２光Ｌ２の光路長とは、ほぼ等しいか、あるいは、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２の波長の整数倍だけずれている。但し、第１光Ｌ１の光路長と第２光Ｌ２の光路長との差は、可干渉距離（コヒーレント長）未満である。

変更部としての複屈折変調器４５は、第２光Ｌ２の光路に設けられており、第２光Ｌ２を受けて第２光Ｌ２の偏光状態を変更可能である。複屈折変調器４５は、例えば、ポッケルスセルまたはカーセル等のように入射光の偏光方向を変更する素子でよい。複屈折変調器４５は、第２光Ｌ２の偏光方向を第１光Ｌ１の偏光方向に対してほぼ平行方向（第１方向）とほぼ垂直方向（第２方向）との間で切り換えることができる。偏光方向とは、光の偏光面における磁場ベクトルまたは電場ベクトルの方向である。

集光部としての集光レンズ４６は、ミラー４３からの第１光Ｌ１を試料２の表面のうちイオンビームの照射面または該照射面の上方に合焦するように集光する。焦点の位置は、試料２から放出される中性粒子の位置に適合させればよい。

集光部としての集光レンズ４７は、複屈折変調器４５を通過した第２光Ｌ２を試料２の表面のうちイオンビームの照射面または該照射面の上方に合焦するように集光する。焦点位置は、試料２から放出される中性粒子の位置に適合させればよい。集光レンズ４７の焦点位置は、集光レンズ４６の焦点位置とほぼ同じ位置である。

ここで、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２との偏光状態の変更について説明する。

第１光Ｌ１および第２光Ｌ２の位相が等しく、かつ、第２光Ｌ２の偏光方向が第１光Ｌ１の偏光方向に対してほぼ平行方向である場合、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２が同一箇所に集光したときに第１および第２光Ｌ１、Ｌ２は干渉する。従って、レーザ照射部４０は、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２を試料２の上方に集光させることによって、高い光子密度のレーザ光Ｌ３を試料２から放出された中性粒子に照射することができる。レーザ光Ｌ３は、中性粒子にレーザ光を照射するために、試料２の表面のうちイオンビームの照射面の直上、あるいは、イオンビームの照射面にレーザ光を集光または合焦させる。即ち、レーザ光Ｌ３は、イオンビームの照射面と同一面に向かって照射され、イオンビームの照射面の直上で集光し合焦する。これにより、レーザ光Ｌ３は、試料２から放出された中性粒子をイオン化することができる。

一方、第１光Ｌ１および第２光Ｌ２の位相が等しくても、第２光Ｌ２の偏光方向が第１光Ｌ１の偏光方向に対してほぼ垂直方向である場合、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２が同一箇所に集光したときに第１および第２光Ｌ１、Ｌ２はほとんど干渉しない。従って、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２を試料２の上方に集光しても、レーザ光Ｌ３の光子密度は小さい。従って、試料２は或る程度加熱されるが、試料２からの脱ガスは抑制され得る。尚、光子密度とは、単位時間当たりに単位面積に照射される光子数（光量子束密度）であり、光の強度やエネルギーと異なる。従って、レーザ光Ｌ３は、複屈折変調器４５における切替えによって、光の強度やエネルギーにおいて変わらないものの、光子密度において変化する。

このように、複屈折変調器４５は、第２光Ｌ２の偏光方向を第１光Ｌ１の偏光方向に対してほぼ平行方向とほぼ垂直方向との間で切り換えることによって、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とを集光したときに得られるレーザ光Ｌ３の光子密度を切り換えることができる。

以上のように、本実施形態によるレーザ照射部４０は、レーザ光Ｌ０を第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とに分離し、第２光Ｌ２の偏光状態を調節して第２光Ｌ２と第１光Ｌ１とを試料２の上方に集光する。このとき、レーザ照射部４０は、第１光Ｌ１の偏光方向と第２光Ｌ２の偏光方向とをほぼ平行方向とほぼ垂直方向との間で切り換える。これにより、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とを集光したときに得られるレーザ光Ｌ３の光子密度を切り換えることができる。

第１光Ｌ１の偏光方向と第２光Ｌ２の偏光方向とがほぼ平行方向である場合に、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とが干渉してレーザ光Ｌ３の光子密度は高くなる。従って、イオンの測定中において、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２の偏光方向をほぼ平行方向にすることによって、レーザ光Ｌ３は、試料２から放出された中性粒子をイオン化することができる。一方、第１光Ｌ１の偏光方向と第２光Ｌ２の偏光方向とがほぼ垂直方向である場合に、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とがほとんど干渉せず、レーザ光Ｌ３の光子密度は低くなる。従って、待機中（イオンの非測定時）において、第１および第２光Ｌ２の偏光方向をほぼ垂直方向にすれば、試料２は或る程度加熱されるものの、試料２の脱ガスを抑制することができる。その結果、イオンの検出精度が向上し、正確な質量分析が可能になる。尚、測定中において、レーザ光Ｌ３の光子密度は高いので、試料２からの脱ガスも或る程度発生する。しかし、待機中において、脱ガスは抑制されているので、その分、ノイズが低減し、イオンの検出精度は向上する。

また、本実施形態による質量分析装置１は、レーザ光Ｌ３を試料２へ継続的に照射しながら、待機中と測定中とにおいて、第２光Ｌ２の偏光方向を切り換えている。即ち、レーザ光Ｌ３は、測定中だけでなく、待機中においても試料２に継続的に照射される。これにより、試料２は、測定中だけでなく、待機中においても或る程度加熱されており、測定中と待機中とにおける試料２の温度差が抑制される。その結果、試料２の熱膨張差が低減し、試料２の測定位置の変化（ドリフト）が抑制される。

もし、レーザ照射部４０がイオンの測定中のみレーザ光Ｌ３を試料２へ照射し、待機中においてレーザ光Ｌ３の照射を停止した場合、測定中と待機中とにおいて試料２の温度差が大きくなる。この場合、試料２のドリフトが大きくなり、測定精度が劣化する。

これに対し、本実施形態による質量分析装置１は、測定中と待機中とにおける試料２の温度差を抑制し、試料２のドリフトを抑制することができる。従って、質量分析装置１は、試料２からの脱ガスを可及的に抑制しつつ、試料２のドリフトを抑制することができる。これにより、質量分析の精度の劣化を抑制することができる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態によるレーザ照射部２４０の構成の一例を示す図である。第２の実施形態によるレーザ照射部２４０は、第２光Ｌ２の光路において第１の実施形態のそれと異なる。レーザ照射部２４０は、第２光Ｌ２の光路を変更する光路調整ミラー２４１〜２４４をさらに備えている。光路調整ミラー２４１〜２４４は、例えば、全反射ミラーであり、第２光Ｌ２の光路長を調節（変更）するために設けられている。これにより、第２光Ｌ２の光路長を第１光Ｌ１の光路長と相違させる。第２の実施形態では、光路調整ミラー２４１〜２４４は、第２光Ｌ２の光路長を第１光Ｌ１のそれよりも長くしている。第２の実施形態のその他の構成は、第１の実施形態の対応する構成と同様でよい。

さらに、複屈折変調器４５が第２光Ｌ２の光路に設けられている。複屈折変調器４５は、光の偏光状態を変更するだけでなく、磁場または電場を印加することによって、光路長を或る程度変更することもできる。従って、レーザ照射部２４０は、光路調整ミラー２４１〜２４４を用いて第１光Ｌ１の光路長と第２光Ｌ２の光路長とを相違させ、さらに複屈折変調器４５が第２光Ｌ２の光路長の光路差を調節することによって、第１光Ｌ１の光路長と第２光Ｌ２の光路長との光路差を可干渉距離未満と可干渉距離以上との間で切り換えることができる。

第１光Ｌ１の光路長と第２光Ｌ２の光路長との光路差が可干渉距離未満である場合、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２が同一箇所に集光したときに第１および第２光Ｌ１、Ｌ２は干渉する。一方、第１光Ｌ１の光路長と第２光Ｌ２の光路長との光路差が可干渉距離以上である場合、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２が同一箇所に集光しても第１および第２光Ｌ１、Ｌ２はほとんど干渉しない。

これにより、イオンの測定中において、レーザ照射部２４０は、第１光Ｌ１の光路長と第２光Ｌ２の光路長との光路差が可干渉距離未満にして、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２を干渉させる。これにより、レーザ光Ｌ３は、試料２から放出された中性粒子をイオン化することができる。一方、待機中において、レーザ照射部２４０は、第１光Ｌ１の光路長と第２光Ｌ２の光路長との光路差が可干渉距離以上にして、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２をほとんど干渉させない。これにより、レーザ光Ｌ３は、試料２を或る程度加熱しつつ、試料２の脱ガスを抑制することができる。従って、第２の実施形態は第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態によるレーザ照射部３４０の構成の一例を示す図である。第３の実施形態によるレーザ照射部３４０は、変更部として音響セル３４５を備えている点で第１の実施形態と異なる。第３の実施形態のその他の構成は、第１の実施形態の対応する構成と同様でよい。

音響セル３４５は、音響フォノンで第２光Ｌ２の光路方向を調節（変更）する。これにより、音響セル３４５は、レンズ４７によって集光される第２光Ｌ２の焦点位置を、レンズ４３によって集光される第１光Ｌ１の焦点位置と一致させたり、あるいは、ずらしたりすることができる。

第２光Ｌ２の焦点位置が第１光Ｌ１の焦点位置と一致している場合、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２が同一箇所に集光され、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２は干渉する。一方、第２光Ｌ２の焦点位置が第１光Ｌ１の焦点位置とずれている場合、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２が同一箇所に集光されないので、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２はほとんど干渉しない。

これにより、イオンの測定中において、レーザ照射部２４０は、第２光Ｌ２の焦点位置を第１光Ｌ１の焦点位置と一致させて、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２を干渉させる。これにより、レーザ光Ｌ３は、試料２から放出された中性粒子をイオン化することができる。一方、待機中において、レーザ照射部２４０は、第２光Ｌ２の焦点位置を第１光Ｌ１の焦点位置とずらして、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２をほとんど干渉させない。これにより、レーザ光Ｌ３は、試料２を或る程度加熱しつつ、試料２の脱ガスを抑制することができる。従って、第３の実施形態も第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。第３の実施形態は、第２の実施形態と組み合わせてもよい。

尚、第１〜第３の実施形態において、質量分析装置１は、第２光Ｌ２の偏光状態、光路長または光路方向を変更している。しかし、質量分析装置１は、第１光Ｌ１の偏光状態、光路長または光路方向を変更してもよい。この場合、複屈折変調器４５、光路調整ミラー２４１〜２４４、または、音響セル３４５は、第１光Ｌ１の光路に設けられる。また、質量分析装置１は、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２の両方の偏光状態、光路長または光路方向を変更してもよい。この場合、複屈折変調器４５、光路調整ミラー２４１〜２４４、または、音響セル３４５は、第１および第２光Ｌ１、Ｌ２のそれぞれの光路に設けられる。

また、レーザ光Ｌ０は、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とに分離されているが、レーザ光Ｌ０は、３つ以上の光に分離されてもよい。この場合、レーザ照射部４０は、第１〜第３光の少なくとも一部の偏光状態、光路長または光路方向を調節して第１〜第３光を試料２の上方に集光すればよい。

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・・・質量分析装置、１０・・・チャンバ、１２・・・サンプルホルダ、２０・・・真空ポンプ、３０・・・ＦＩＢ照射部、４０・・・レーザ照射部、４１・・・レーザ光源、４２・・・ハーフミラー、４３、４４・・・ミラー、４５・・・複屈折変調器、４６、４７・・・集光レンズ、５０・・・リフレクトロン、６０・・・ＭＣＰ、７０・・・ＳＥＭ電子銃

Claims (6)

1. 試料へビームを照射するビーム照射部と、
   前記試料の表面のうち前記ビームの照射面または該照射面の上方にレーザ光を照射するレーザ照射部であって、前記レーザ光を少なくとも第１光と第２光とに分離し、前記第１または第２光の少なくとも一方の偏光状態、光路長または光路方向を調節して前記第１光および前記第２光を前記照射面または該照射面の上方に集光するレーザ照射部と、
   前記試料から放出された粒子を検出する検出部と、を備えた質量分析装置であって、
   前記レーザ照射部は、前記第１光の光路長と前記第２光の光路長との光路差を可干渉距離未満または可干渉距離以上に切換え可能、前記第１光の偏向方向と前記第２光の偏向方向との差を、第１状態と第１状態に対して前記偏向方向の差において異なる第２状態とに切替え可能、または、前記第１光の焦点位置と前記第２光の焦点位置との距離を、第１状態と第１状態に対して前記距離において異なる第２状態とに切替え可能、であり、
   前記第１状態における前記第１光の集光箇所の少なくとも一部と、前記第１状態における前記第２光の集光箇所の少なくとも一部とは、同一箇所である質量分析装置。
2. 前記レーザ照射部は、
   前記レーザ光を第１光と第２光とに分離する分離部と、
   前記第１または第２光の光路に設けられ該第１または第２光の少なくとも一方の偏光状態、光路長または光路方向を変更可能な変更部と、
   前記第１光または前記第２光の一方と前記変更部を通過した前記第１光または前記第２光の他方とを前記照射面または該照射面の上方に集光する集光部とを備えた、請求項１に記載の質量分析装置。
3. 前記変更部は、複屈折変調器である、請求項２に記載の質量分析装置。
4. 前記レーザ照射部は、前記第１光の偏光方向と前記第２光の偏光方向とを第１方向と第２方向との間で切換え可能である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の質量分析装置。
5. 前記レーザ照射部は、前記第１または第２光の光路長を長くする光路調整ミラーを含む、請求項２に記載の質量分析装置。
6. 前記変更部は、音響セルである、請求項２に記載の質量分析装置。

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