JPH09304343A

JPH09304343A - 顕微レーザ質量分析計

Info

Publication number: JPH09304343A
Application number: JP8123400A
Authority: JP
Inventors: Kinya Eguchi; 欣也江口; Yoshitada Oshida; 良忠押田; Hirokatsu Yamaguchi; 裕功山口; Aritoshi Sugimoto; 有俊杉本; Fumio Mizuno; 文夫水野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 1997-11-28
Anticipated expiration: 2016-05-17
Also published as: JP3643917B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ光を小さく絞る事ができ、試料の測定
部を十分な解像度で観察できるようになり、また観察し
た特定の位置で発生した原子、分子イオン粒子を高感度
で質量分析できる装置を得ることにある。【解決手段】試料を搭載したステージと、試料の表面
にレーザ光を照射する光学系とを具備し、光学系により
照射され、試料表面から気化した原子、分子イオンを検
出して分析する。光学系は、原子、分子イオンが通過す
る孔が光学系の光軸を中心となるように開けた透過型レ
ンズまたは反射型レンズ系からなり、その光軸を中心軸
とした３種の異なる内径のパイプ群からなり、中間のパ
イプは電気絶縁体で、外側と内側のパイプは電気導電体
からなるイオン制御複合電極構造体を内蔵する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する利用分野】本発明は、試料上の特定箇所
の物質を分析する顕微レーザ質量分析計に関するもの
で、特に半導体、液晶デイスプレイ、メモリデイスク、
回路基板などの微小微小領域の高感度、高分解能で分析
する顕微レーザ質量分析計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の顕微レーザ質量分析計は、特開昭
６３−１４６３３９号公報に記載のように、図１２に示
す系統図のようになっていた。図１２にて、１は質量分
析部、２は試料、６はレーザ光源、１４，１６はダイク
ロイックミラー、２２は集光レンズ、２４はイオン引き
出し電極、３４はイオン検出器である。レーザ光源６か
ら発生したレーザ光はダイクロイックミラー１４，１６
を経て集光レンズ２２と反射レンズ２４とにより、試料
２上に集光される。このレーザ光で励起された原子また
は分子イオンは、引き出し電極２８により加速され、反
射ミラー２４の中央に設けたイオン通過孔２４ａを通
り、質量分析部１で質量分析される。

【０００３】従来の技術では、通常、レーザ光源６と集
光レンズ２２とが質量分析計とは別に外設されており、
レーザ光源６から発生させたレーザ光６を集光レンズ２
２で集光し試料２に照射するためには、反射ミラー２４
が必要となり、しかも、反射ミラー２４の位置が集光レ
ンズ２２との間にあるため、開口数（Numerical Apertu
re、以下Ｎ．Ａ．という）の大なるレンズを用いるのに
制約があった。そのため、試料２を顕微鏡のように精度
よく観察することや試料上の特定の場所にレーザ光を小
さく絞ることが十分できなかった。

【０００４】また、従来技術では、試料で生成した原
子、分子イオンは、引き出し電極２８で加速されて反射
ミラー２４のイオン通過孔２４ａを通過して検出器３４
に入射するようになっているが、生成イオンが、通過孔
２４ａに収束して、ミラー２４を通過させることに対し
て配慮が十分でなかった。

【０００５】前記イオンが、反射ミラー２４に衝突して
大部分が失われて感度が低下することに対する検討が不
十分であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の顕微レーザ
質量分析計では、上記で説明した如く、試料と集光レン
ズとの間に反射鏡が配置され、試料と集光レンズ間の光
路が長いため、集光レンズのＮ．Ａ．はどうしても小さ
く、かつ焦点距離が長いレンズ系を用いなければならな
かった。レーザ光を小さく絞り観察像の解像度を上げる
にはＮ．Ａ．が大きく、レンズの焦点距離が短いものを
用いる必要があり、このため、従来技術ではレーザ光を
小さく絞ることや、観察像の解像度を上げることができ
なかった。Ｎ．Ａ．が大きく、焦点距離が短いレンズと
しては顕微鏡で使われる対物レンズがある。かかるレン
ズを用いることによりレーザ光を小さく絞る事ができ、
分解能の高い良好な観察像を得る事が出来る。ところ
が、レーザ光を照射して試料から生じた原子、分子イオ
ンは光と異なり対物レンズを透過することが出来ない。
このため、レンズの中央に孔を開けてイオンを通過させ
る用に工夫する必要がある。またレーザ質量分析計で分
析するに必要な速度で原子、分子イオン粒子を加速出来
るように工夫する必要がある。またこのレンズ系に開け
た孔を通過する際に壁などに衝突してイオン粒子が失わ
れないように工夫する必要がある。

【０００７】本発明はかかる課題を解決することによ
り、レーザ光を小さく絞る事ができ、試料の測定部を十
分な解像度で観察できるようになり、また観察した特定
の位置で発生した原子、分子イオン粒子を高感度で質量
分析できる装置を提供出来るようにすることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記を達成するために、
本発明の顕微レーザ質量分析計は試料を搭載したステー
ジと、試料の表面にレーザ光を照射する光学系とを具備
し、光学系により照射され、試料表面から気化した原
子、分子イオンを検出して分析するが、光学系は原子、
分子イオンが通過する孔が光学系の光軸を中心となるよ
うに開けた透過型レンズまたは反射型レンズ系からな
り、その光軸を中心軸とした３種の異なる内径のパイプ
群からなり、中間のパイプは電気絶縁体で、外側と内側
のパイプは電気導電体からなるイオン制御複合電極構造
体を内蔵する。

【０００９】

【発明の実施の形態】Ｎ．Ａ．が大きく焦点距離が短い
レンズとしては、顕微鏡で使われる対物レンズが従来か
らある。しかしレンズの口径は小さく中央にイオン粒子
を通す大きな孔を事は出来ない。孔を開けると像の解像
度を悪くし、また、レーザ光を小さく集光することがで
きないので、かかる影響がなく開けるには、孔は非常に
小さい孔となる。本発明では顕微鏡の対物レンズを解像
度、分解能を低下させることなく出来るだけ大きく作
り、このレンズの光軸の中心に原子、分子イオン粒子を
通す孔を出来るだけ小さく開けることにした。そして、
この孔の中を原子、分子イオンが通過出来る様にするた
めのイオン透過パイプ電極を形成することにした。

【００１０】レーザ光の励起により生成した原子、分子
イオン粒子は、出来だけ短い時間で高電圧で高速に加速
する必要がある。また高速に加速された前記イオン粒子
を先のレンズの中央に開けた孔の壁に衝突して損失が出
ない様に通す必要がある。このためには粒子イオンが壁
に衝突しないような電圧を付加するか、好ましくは孔の
中央を通過出来るような電圧を付加しておくようにし
た。さらに好ましくはある特定の箇所にイオンを収束出
来る様な電極群からなる構造体である事が好ましい。こ
の構造体として、３群の電極からなるなるアインツェル
レンズが従来から使われている。本発明ではかかるアイ
ンツェルレンズを出来るだけ小さく作り顕微鏡対物レン
ズの中央に開けた孔に入れる事にした。

【００１１】ところが、高低解像の対物レンズは複数牧
のレンズ構成からなっていて、試料側のレンズ程小さい
レンズでできており、大きな孔を開けることができない
ために、先端部は出来るだけ単純な構造体のパイプ構造
とし、対物レンズの中央部の先端より少し大きく孔が開
ける事が出来るレンズ部にアインツェルレンズ電極構造
体をセットすることにした。

【００１２】このような光学系はレーザ光を顕微鏡の対
物レンズにより試料表面に絞り込み照射することにより
試料表面上に対物レンズの開口数Ｎ．Ａ．と波長できま
る回折限界まで微小に絞り込む事ができる。

【００１３】この結果試料表面上に特定の微小な箇所を
選択的に選んで試料から光学系の原子、分子イオンを発
生させることが容易にできる。顕微鏡用の対物レンズを
用いることにより大きな開口数で、しかも光学系の収差
を小さく保って、よりスポットサイズの小さな照射を可
能にし微細な領域を選択的に光学系の原子、分子イオン
を発生させることができる。しかも、レンズの先端に孔
を開けこの孔を通して原子、分子イオン粒子を分析計へ
と導く事により分析可能である。

【００１４】（集光径）＝１．２２×（波長）／（Ｎ．Ａ．） …（１）対物レンズの中心に開けた孔に、導電性のパイプを設
け、試料とこのパイプとの間に高電圧を加えることによ
りイオンを取り込む。

【００１５】また、このパイプと試料との間に導電性の
光透過膜をコートしたカバーガラスを設け、このカバー
ガラスに電圧を加えてイオン引き出し電極とすることに
よって、試料と引き出し電極との間隔を短くでき、イオ
ン取り込み効率をよくする。

【００１６】対物レンズの先端部は出来るだけ単純な構
造体のパイプ構造とし、対物レンズの中央部の先端より
少し大きく孔が開ける事が出来るレンズの後方部にアイ
ンツェルレンズを含む電極構造体をセットする。これに
よりイオンビームを収束させる。

【００１７】この電極構造体は、もっとも内側に上、
中、下の３つの導電性パイプを互いに絶縁体を挟んで並
べたアインツェルレンズを組み、このアインツェルレン
ズの外側を絶縁性の中間パイプで囲い、さらにその外側
を導電性の外側パイプで覆う。この外側パイプにシール
ド電圧をかけることにより、アインツェルレンズ内部の
電場の乱れを防ぎ、イオン軌道が軸対象になるようにす
る。

【００１８】また、絶縁体及び中間パイプは、ポリイミ
ドで製作することにより、電極間のスペースが狭くても
絶縁耐圧を高くでき、対物レンズ内の狭いスペースにも
電極構造体を組み込むことを可能にする。

【００１９】また、本複合電極構造体の製作にあたり、
上記の外側のパイプは上、下２つのパイプに分割してお
き、２つのパイプの間にアインツェルレンズへの配線を
通すことにより、アインツェルレンズ周辺から配線をな
くし、電場の乱れを防ぐ。

【００２０】実施例１図１に本発明の一実施例の系統図を示す。図１は質量分
析計の全体の構成図である。１は質量分析部、２は試
料、６ａ，６ｂはレーザ光源、７ａ，７ｂはレーザ光、
８は観察照明用光源、９は試料照明光、１０はＴＶカメ
ラ、１５はカメラレンズ、１４、１６は光反射ミラー、
１７は光路、１９は真空容器、２１はイオンビーム、２
２は対物レンズ、２６は試料台、２８は引き出し電極、
２９はイオン電極複合体、３０はイオンリフレクタ、３
４はイオン検出器である。

【００２１】質量分析時にはレーザ光源６ａからのレー
ザ光７ａを対物レンズ２２により試料２の中央部に集光
させる。これにより励起されたイオンビーム２１は質量
分析部１に入射する。イオンビーム２１はイオンリフレ
クタ３０で反射されてイオン検出器３４に入射する。レ
ーザ光７を照射してからイオンがイオン検出器３４に到
達するまでの時間を測定することによって、イオンの飛
行時間が判る。これにより、イオンの質量が分析でき
た。

【００２２】また、試料観察時には観察照明用光源８か
らの光を対物レンズ２２により試料上に入射させる。こ
れによる試料の像をＴＶカメラ１０により観察する。

【００２３】本実施例では、対物レンズ２２はカセグレ
ン型の、倍率が３６倍、Ｎ．Ａ．が０．５のものを用い
た。これの中央に、孔を開けてイオン電極構造体を取り
付けた。レーザ光７ａはＹＡＧレーザの３５５ｎｍを用
いたとき、数式（１）によりスポット径は０．８μｍに
絞ることができた。このように本発明によれば、対物レ
ンズのＮ．Ａ．を大きくでき、レーザ光を微小径に絞る
ことができた。

【００２４】また、本実施例のイオン電極構造体を図４
に示した。２は試料、２８は引き出し電極、２９ａ，２
９ｂ，２９ｃはそれぞれ上電極、中電極、下電極、２９
ｄは先端部電極である。各部の寸法は図中に示した。こ
のように先端部で細く、後方で太い電極構造体とするこ
とによって、先端部が入射光を遮る面積を小さくでき
た。また、この電極構造体と試料２との間に、中央に孔
を開けたカバーガラスに導電体膜を成膜して作成した引
き出し電極２８を設けた。この導電体膜は、入射光が透
過するような厚さとした。これにより、入射光のＮ．
Ａ．を制限することなく引き出し電極を試料の近傍に設
けることができ、試料からの出射イオンを大きな加速度
で引き出すことができた。

【００２５】試料２、引き出し電極２８、先端部電極２
９ｄ、下電極２９ｃ、中電極２９ｂおよび上電極２９ａ
の電位は、それぞれ、０Ｖ，−３０００Ｖ，−３０００
Ｖ，−３０００Ｖ，−８０００Ｖ，−３０００Ｖとし
た。試料２から出射したイオンは、試料２と引き出し電
極２８との間の電場により、引き出し電極２８の孔の中
に引き込まれる。引き出し電極２８、先端部電極２９ｄ
及び下電極２９ｃは等電位であるので、この間ではイオ
ンは加速されず、直進する。本実施例では、イオンを３
０００ｅＶの大きな加速度で引き出しておくことによ
り、中心軸に沿った速度成分に比べて、中心軸から遠ざ
かる速度成分を小さくできた。これにより、イオンが電
極の壁に衝突して感度が低下するのを防ぐことができ
た。先端部電極２９ｄを通過した後のイオンは、下電極
２９ｃ，中電極２９ｂ及び上電極２９ａからなるアイン
ツェルレンズにより集束させた。

【００２６】図４のアインツェルレンズの中電極２９ｂ
と上電極２９ａ及び下電極２９ｃとの絶縁はポリイミド
の中間パイプ１０１ａ及び１０１ｂで行った。絶縁材に
ポリイミドを用いることにより、対物レンズ中の狭い空
間で数千Ｖの電圧をかけたときの放電を防ぐことができ
た。このパイプ１０１ａ，１０１ｂの外側を導電性の外
側パイプ１０２ａ，１０２ｂで覆った。これらのパイプ
は上電極２９ａ及び下電極２９ｂと接続して同電位にし
た。これによりアインツェルレンズを外部の電場からシ
ールドした。また、パイプ１０１ａと１０１ｂ及び１０
２ａと１０２ｂはそれぞれ分割して製作しておき、接合
部から中電極２９ｂへのリード線１０３を導いた。これ
によりリード線１０３がアインツェルレンズの内部の電
場を乱すことを防ぎ、イオンを効率よく質量分析部１に
送ることができた。

【００２７】図７は実施例１におけるポリスチレンビー
ズのレーザマススペクトルである。直径０．３μｍのポ
リスチレンビーズの測定ができ、図７のようにポリスチ
レンのスペクトルが得られた。このように、本発明では
入射光を微小領域に絞り、かつイオンの収集効率を高く
することで、微小な異物の分析を可能にした。

【００２８】実施例２本発明の実施例２のイオン励起部の拡大図を図２に示し
た。本実施例では対物レンズ２２として実施例１のカセ
グレン型対物レンズの代わりに透過型のレンズを用いた
ものである。対物レンズの倍率は１００倍で、Ｎ．Ａ．
は０．８のものを用いた。レーザ光７ａは３５５ｎｍを
用いた。数式（１）からレーザ光のスポット径は０．５
μｍに絞ることができた。このように透過型の対物レン
ズを用いてもＮ．Ａ．を大きくでき、レーザ光を微小径
に絞ることができ、実施例１と同じ効果が得られた。

【００２９】実施例３実施例３を図５に示した。これは図４の先端電極部２９
ｄの部分をなくし、アインツェルレンズを対物レンズ先
端に設けたものである。これは実施例１と同様に試料２
からのイオンを−３０００ｅＶの高加速度で引き出すこ
とができ、イオンを高い効率で収集できた。

【００３０】実施例４実施例４を図６に示した。これは実施例１〜３における
外側パイプ１０１ａ，１０１ｂを上電極２９ａ及び下電
極２９ｃから切り放し、−３０００Ｖを印加すること
で、中電極２９ｂを省いても、アインツェルレンズとし
て作用するようにしたものである。これは実施例１及び
２と同様外側パイプ１０１がシールドとなりアインツェ
ルレンズ内部の電場の乱れを防ぐことが出来た。これに
よりイオンを効率よく収集できたなお、イオン励起部
は、図８〜図１１に示すように、他の構成を採用するこ
ともできる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ光を小さく絞
り、試料の特定部位に集光して照射し生成させた微量イ
オン粒子を収束し高感度で分析し、微細に異物像を高い
分解能にて分析できる顕微レーザ飛行時間型質量分析計
を得ることができる。

【００３２】より詳しく説明すると、対物レンズと試料
との間に物理的、光学的に障害となる配設部材がなく、
焦点距離が小さく、Ｎ．Ａ．が大きい対物レンズを用い
たので、試料上の特定部位にレーザ光を照射することが
でき、イオン粒子を生成させる。

【００３３】また、対物レンズ中央部に通過孔を設けた
ので、前記イオン粒子を、押し出し電極と引き出し電極
とアインツェルレンズとにより集束させて前記中央部の
通過孔へ導くことができ、かつ効率よく質量分析部に導
入させる。

【００３４】また、対物レンズ内にアインツェルレンズ
を設けたので、前記対物レンズと試料との間に間隔があ
っても、前記イオン粒子を、集束させて前記中央部の通
過孔へ導くことができ、かつ効率よく質量分析部に導入
させる。

【００３５】このようにして、Ｓ／Ｎがよい極微小箇所
のマススペクトルが得られる顕微レーザ飛行時間型質量
分析計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るイオン制御組合電極構
造体を内蔵した顕微鏡対物レンズを用いた顕微レーザ質
量分析計の概略構成図。

【図２】本発明の実施例２に係るレーザ質量分析計のイ
オン励起部の拡大図。

【図３】実施例２の対物レンズの拡大図。

【図４】実施例１の複合電極構造体の拡大図。

【図５】実施例３のアインツェルレンズの拡大図。

【図６】実施例４の電極の拡大図。

【図７】マススペクトルの測定例。

【図８】複合電極構造体の他の構成を示す拡大図であ
る。

【図９】複合電極構造体のさらに他の構成を示す拡大図
である。

【図１０】複合電極構造体のさらに他の構成を示す拡大
図である。

【図１１】複合電極構造体のさらに他の構成を示す拡大
図である。

【図１２】従来の顕微レーザ質量分析計の要部略示説明
図。

【符号の説明】

１…質量分析部２…試料６…レーザ光源７…レーザ光８…試料照明用光源９…試料照明光１０…ＴＶカメラ１１…ハーフミラー１３…ビーム拡大器１４…反射ミラー１４ａ…反射ミラーのイオン粒子通過孔１７…光路１８…イオン粒子１９…真空容器２１…イオンビーム２２…対物レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…孔あきレンズ２３…孔あきガラス板２５ａ…ｘ軸偏向電極２５ｂ…ｙ軸偏向電極２６…試料台２７…シールド板２８…イオン引き出し電極（カバーガラス）２９…イオン押しだし電極３０…複合電極構造体３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…アインツェルレンズ３１…イオンリフレクタ３２、３３…イオン軌道曲線３４…イオン検出器３５…静電位分布曲線

フロントページの続き (72)発明者杉本有俊東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者水野文夫茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を搭載したステージと、試料の表面
にレーザ光を照射する光学系とを具備し、光学系により
照射され、試料表面から気化した原子、分子イオンを検
出して分析する顕微レーザ質量分析計において、光学系
は原子、分子イオンが通過する孔が光学系の光軸を中心
となるように開けた透過型レンズまたは反射型レンズ系
からなり、その光軸を中心軸とした３種の異なる内径の
パイプ群からなり、中間のパイプは電気絶縁体で、外側
と内側のパイプは電気導電体からなるイオン制御複合電
極構造体を内蔵することを特徴とした顕微レーザ質量分
析計。
【請求項２】上記イオン制御電極において、最も内側
の電極は上、中、下の３段電気導電体からなり、そのそ
れぞれの電極の間に電気絶縁体を挟んだ構造体であり、
かつ絶縁体の外側には電気導電体である外側のパイプで
覆われている事を特徴とする請求項１記載のイオン制御
複合電極構造体を内蔵した顕微レーザ質量分析計。
【請求項３】上記イオン制御電極において、最も内側
の電極は上、下の２段の電気導電体の電極とその間に電
気絶縁体を挟んだ構造体からなる請求項１記載のイオン
制御複合電極構造体を内蔵した顕微レーザ質量分析計。
【請求項４】上記イオン制御電極において、請求項２
または請求項３のイオン制御電極の下部に電気導電体で
きたパイプを取り付けたことを特徴とする請求項１記載
のイオン制御複合電極構造体を内蔵した顕微レーザ質量
分析計。
【請求項５】上記イオン制御電極において、請求項２
または請求項３または請求項４のイオン制御電極の下部
に導電性の光透過膜をコートしたカバーガラスを取り付
けたことを特徴としする請求項１記載のイオン制御複合
電極構造体を内蔵した顕微レーザ質量分析計。
【請求項６】上記イオン制御電極において、絶縁体は
ポリイミド樹脂からなることを特徴とするイオン制御複
合電極構造体を内蔵した顕微レーザ質量分析計。
【請求項７】上記イオン制御電極において、請求項２
の外側の電極は電気導電体でききた上、下２つのパイプ
からなることを特徴とする請求項２記載のイオン制御複
合電極構造体を内蔵した顕微レーザ質量分析計。