JPH11326218A - グロー放電発光分光分析装置 - Google Patents

グロー放電発光分光分析装置

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JPH11326218A
JPH11326218A JP10136565A JP13656598A JPH11326218A JP H11326218 A JPH11326218 A JP H11326218A JP 10136565 A JP10136565 A JP 10136565A JP 13656598 A JP13656598 A JP 13656598A JP H11326218 A JPH11326218 A JP H11326218A
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秀幸 松田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 自己バイアス電圧を制御して直流電流を発生
させ、プラズマ中で活発な電子衝突を誘起させることに
より、高感度な分析ができるグロー放電発光分光分析装
置を提供する。 【解決手段】 陽極管3dと試料6 との間に高周波電圧を
印加してグロー放電を発生させ、試料6 をスパッタリン
グする給電手段12が、高周波電流が流れる給電回路中に
直流阻止手段19を有する。また、本発明の装置は、前記
陽極管3dと試料6との間に誘起される直流電圧成分を受
けて直流電流を発生させる負荷回路16を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、試料をスパッタ
リングしながら、発生した光を分光器で分析するグロー
放電発光分光分析装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】気体圧力が500〜1300Pa程度の
アルゴン(Ar)雰囲気中で、二つの電極間に直流また
は高周波の高電圧を印加すると、グロー放電が起こり、
Arイオンが生成される。生成したArイオンは高電界
で加速され、陰極表面に衝突し、そこに存在する物質を
たたき出す。この現象をスパッタリングと呼ぶが、スパ
ッタリングされた粒子(原子、分子、イオン)はプラズ
マ中で励起され、基底状態に戻る際にその元素に固有の
波長の光を放出する。この発光を分光器で分光して元素
を同定する分析法が、グロー放電発光分光分析方法と呼
ばれている。
【0003】ここで、試料が絶縁物である場合に、試料
を陰極、グロー放電管の陽極管を陽極として、直流高電
圧を印加すると、Arイオンによって試料表面がプラス
にチャージされて陽極管と同電位になるとそれ以降は放
電が起こらないため、分析ができない。そこで、試料が
絶縁物である場合には、試料と陽極管との間に高周波の
高電圧を印加する。このとき、試料表面は、Arイオン
と電子によって交互にプラスとマイナスにチャージされ
るが、高周波に対するArイオンと電子の移動しやすさ
の相違から、移動しにくいArイオンと移動しやすい電
子によって平均的にはある程度マイナスに印加されるこ
とになり、放電が続く。試料が導体である場合にも、高
周波電圧を印加する給電手段にコンデンサ等の直流阻止
手段を備えることにより、同様に分析できる。
【0004】このように、高周波グロー放電発光分光分
析において、試料と陽極管との間に誘起される直流電圧
成分を自己バイアス電圧と呼ぶ。従来、この自己バイア
ス電圧は、放電の自己安定条件によって決まり、全く制
御しておらず、また、自己バイアス電圧に起因する直流
電流がプラズマ中に発生することもなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、例えば、グロ
ー放電発光分光分析方法を具現化した従来の分析装置を
用いて、試料の深さ方向における成分の含有率の変化等
のいわゆるデプスプロファイルについて精密に分析しよ
うとして、高周波の給電手段による放電電流値を下げて
ゆっくりスパッタリングすると、スパッタリングされた
粒子の励起、発光の程度もその高周波の放電電流値に依
存するので、発光強度も下がり、装置としての感度も悪
くなってしまう。したがって、デプスプロファイルにつ
いて精密な分析が困難である。
【0006】そこで本発明は、自己バイアス電圧を制御
して直流電流を発生させ、プラズマ中で活発な電子衝突
を誘起させることにより、高感度な分析ができるグロー
放電発光分光分析装置を提供することを目的とするもの
である。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に係るグロー放電発光分光分析装置は、ま
ず、陽極管を有するグロー放電管と、前記陽極管と試料
との間に高周波電圧を印加してグロー放電を発生させ、
試料をスパッタリングする給電手段と、スパッタリング
された試料から発生する光の強度を測定する検出手段と
を備えている。また、前記給電手段が、高周波電流が流
れる給電回路中に直流阻止手段を有している。さらに、
この装置は、前記陽極管と試料との間に誘起される直流
電圧成分を受けて直流電流を発生させる負荷回路を備え
ている。
【0008】請求項1の装置によれば、負荷回路が、自
己バイアス電圧を制御して直流電流を発生させ、その直
流電流によりプラズマ中に導入される低速電子がスパッ
タリングされた試料の原子の励起、発光に寄与するの
で、従来の装置よりも感度が向上する。
【0009】請求項2に係るグロー放電発光分光分析装
置は、請求項1の装置において、前記負荷回路の直流負
荷が定電流制御回路である。請求項2の装置によれば、
負荷回路の直流負荷が定電流制御回路であるので、いっ
そう高精度で自己バイアス電圧を制御でき、分析もより
正確にできる。
【0010】請求項3に係るグロー放電発光分光分析装
置は、請求項1または2の装置において、前記直流阻止
手段がキャパシタンス素子であり、前記負荷回路が前記
給電回路に接続されて、給電手段からの交流電流の流入
を阻止する交流阻止手段を有している。請求項3の装置
によっても、請求項1または2の装置と同様の作用効果
が得られる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態のグロ
ー放電発光分光分析装置を図面にしたがって説明する。
まず、この装置の構成について説明する。この装置は、
図1に示すように、グロー放電管として中空陽極型のグ
リムグロー放電管1を用いている。このグリムグロー放
電管1は、支持ブロック(試料6が当接される支持部で
あって、本実施形態では同時に絶縁部である)2と陽極
ブロック3とが、Oリングなどのシール部材11を介し
て接合されている。陽極ブロック3には、中空陽極管3
dが一体形成されており、この陽極管3dは、支持ブロ
ック2に挿通され、試料6の分析面(表面)6aに近接
している。この試料6は、その分析面6aにおける分析
すべき部位を囲む環状形状となったOリングなどのシー
ル部材11を介して、主に陰極ブロック4により支持ブ
ロック2に気密状態で押し付けられる。
【0012】こうして、試料6により陽極管3dを収納
する支持ブロック2の内方空間(グロー放電空間)Vの
開口部を密閉し、この内方空間Vを、図示しない真空排
気装置(減圧手段)により、第1および第2真空排気孔
3b,3cから真空引きするようになっている。さら
に、陽極ブロック3は、アルゴンガス供給孔3aを有し
ており、管内Vがアルゴンの希ガス雰囲気(500〜1
300Pa)とされている。なお、冷却液を、陰極ブロ
ック4の図示しない冷却液導入路からジャケット内に導
入して冷却液排出路まで送給することにより、陰極ブロ
ック4を介し試料6と陽極管3dを冷却している。
【0013】この装置は、陽極ブロック3と陰極ブロッ
ク4をそれぞれ介し、陽極管3dと試料6との間に高周
波電圧を印加してグロー放電を発生させ、試料6をスパ
ッタリングする給電手段12を備えている。給電手段1
2は、13.56MHz の高周波電源18と、高周波電流
が流れる給電回路中に直流電流の流入を阻止する直流阻
止手段であるキャパシタンス素子(コンデンサ)19と
を有している。高周波電源18の周波数は、約3〜30
MHz であればよいが、使用が許可されている工業用周波
数においては、13.56MHz の他、6.78MHz 、2
7.12MHz が該当する。
【0014】また、この装置は、スパッタリングされた
試料6から発生する光Sの強度を測定する検出手段14
を備えている。検出手段14は、試料6から発生する光
Sを分光する分光器20と、その分光された光の強度を
測定する光電子増倍管21とからなる。さらに、この装
置は、陽極管3dと試料6との間に誘起される直流電圧
成分を受けて直流電流を発生させる負荷回路16を備え
ている。
【0015】負荷回路16は、直流負荷となる抵抗体2
7と、コイルからなるインダクタンス素子25と、コン
デンサからなるキャパシタンス素子26とを有してお
り、給電手段12のキャパシタンス素子19と陰極ブロ
ック4間の接続点28との間に接続されている。抵抗体
27は、一端がアースされて、他端と前記接続点28と
の間にコイルからなるインダクタンス素子25が接続さ
れ、インダクタンス素子25と抵抗体27間の接続点
と、アースとの間にキャパシタンス素子26が接続され
ている。ここで、インダクタンス素子25とキャパシタ
ンス素子26とのLC直列回路17は、給電手段12に
よる高周波電流の流入を阻止する交流阻止手段となって
いる。
【0016】次に、この装置の動作について説明する。
まず、試料6の分析面6aを支持ブロック2に当接さ
せ、下方から試料の背面6eに図示しないロボットハン
ド等により陰極ブロック4を押しつけ導通接触させると
ともに、試料6を保持する。また、図示しない減圧手段
により支持ブロック2の内方空間Vが真空引きされ、ア
ルゴンの希ガス雰囲気(500〜1300Pa)にされ
ると、試料の分析面6aは、背面6eにかかる大気圧に
よっても、シール部材11を介して支持ブロック2に押
し付けられ、密着する。
【0017】そして、陽極管3dと試料6との間に、給
電手段12により高周波電圧を印加する。すると、グロ
ー放電が生じ、アルゴンの陽イオンが生成され、このA
rイオンにより試料6がスパッタリングされ、そのスパ
ッタリングされた試料6の粒子が、グロー放電により励
起され、光Sを発生する。このとき、前述した自己バイ
アス電圧が、試料6を正極として陽極管3dとの間に誘
起されるが、給電回路中には、キャパシタンス素子19
があるので、自己バイアス電圧によって直流電流が流れ
ることはない。
【0018】しかし、本実施形態では、自己バイアス電
圧により、適切な抵抗値を有する負荷回路16に、抵抗
体27のアース側からインダクタンス素子25側へ向け
て、適切な電流値の直流電流(自己バイアス電流)が流
れる。これは、陽極管3dから試料6へ向けて、その自
己バイアス電流の電流値に応じた電子がグロー放電プラ
ズマ中を移動することを意味し、この電子が、特に、励
起エネルギーの低い原子線の励起、発光に寄与する。
【0019】このようにして試料6から発生した光S
は、窓板13を透過し、検出手段14の分光器20に入
射して分光され、その強度が光電子増倍管21により測
定される。ここで、試料6から発生する光Sとは、一般
にスパッタリングされた試料の粒子(原子、分子、イオ
ン)が励起され、基底状態に戻る際に放出するその元素
に固有の波長の光をいう。
【0020】例えば、図2に、自己バイアス電流値と、
波長352.45nmと346.17nmのNi の原子線
(図中Ni IはNi の原子線であることを意味する)の
発光強度との関係を示す。これによれば、両原子線の発
光強度は、自己バイアス電流値が0のとき、すなわち従
来技術に比べ、電流値が大きくなるにつれて大きくな
り、20mAでは、6〜8倍にもなっている。一方、分析
において妨害線となることが多く励起エネルギーの高い
イオン線については、図3に示すように、例えば、4種
のNi のイオン線(図中NiII はNi のイオン線である
ことを意味する)の発光強度は、自己バイアス電流値が
25mAまで大きくなっても、減少するか、増加してもた
かだか1.6倍程度である。さらに、図4に示すよう
に、スペクトル線が存在しない波長430.9nmにおけ
る発光強度、すなわちバックグラウンドについても、自
己バイアス電流値が25mAまで大きくなっても、たかだ
か2倍程度に増加するだけである。
【0021】このように、本実施形態の装置によれば、
図1の負荷回路16が、自己バイアス電圧を制御して直
流の自己バイアス電流を発生させ、その自己バイアス電
流がスパッタリングされた試料6の原子の励起、発光に
寄与するので、特に、励起エネルギーの低い原子線にお
いて、従来の装置よりも発光強度が数倍に増大し、感度
が向上する。また、この自己バイアス電流による発光強
度の増大は、試料6のスパッタリング量とは特に相関関
係がみられないので、給電手段12による高周波の放電
電流値を下げてゆっくりスパッタリングしつつ、スパッ
タリングされた試料6の原子を十分に励起、発光させる
ことができ、デプスプロファイルについて精密に分析す
ることも可能となる。また、本実施形態の装置は、従来
の高周波電源を給電手段とする装置をもとに、容易に構
成できる。
【0022】なお、負荷回路16の直流負荷を、抵抗体
27に代えて、定電流制御回路で構成してもよい。この
場合には、いっそう高精度で自己バイアス電圧を制御で
き、分析もより正確にできる。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のグロー放
電発光分光分析装置によれば、負荷回路が、自己バイア
ス電圧を制御して直流電流を発生させ、その直流電流に
よりプラズマ中に導入される低速電子がスパッタリング
された試料の原子の励起、発光に寄与するので、従来の
装置よりも感度が向上する。特に、デプスプロファイル
についての精密な分析に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態のグロー放電発光分光分析
装置を示す概略図である。
【図2】自己バイアス電流値とNi の原子線の発光強度
との関係を示す図である。
【図3】自己バイアス電流値とNi のイオン線の発光強
度との関係を示す図である。
【図4】自己バイアス電流値とバックグラウンドとの関
係を示す図である。
【符号の説明】
1…グロー放電管、3d…陽極管、6…試料、12…給
電手段、14…検出手段、16…負荷回路、19…直流
阻止手段(キャパシタンス素子)、25…インダクタン
ス素子、27…直流負荷(抵抗体)、S…試料から発生
する光。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 陽極管を有するグロー放電管と、 前記陽極管と試料との間に高周波電圧を印加してグロー
    放電を発生させ、試料をスパッタリングする給電手段
    と、 スパッタリングされた試料から発生する光の強度を測定
    する検出手段とを備えたグロー放電発光分光分析装置に
    おいて、 前記給電手段が、高周波電流が流れる給電回路中に直流
    阻止手段を有し、 前記陽極管と試料との間に誘起される直流電圧成分を受
    けて直流電流を発生させる負荷回路を備えたことを特徴
    とするグロー放電発光分光分析装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記負荷回路の直流負荷が定電流制御回路であるグロー
    放電発光分光分析装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または2において、 前記直流阻止手段がキャパシタンス素子であり、 前記負荷回路が前記給電回路に接続されて、給電回路か
    らの交流電流の流入を阻止する交流阻止手段を有してい
    るグロー放電発光分光分析装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10019257C2 (de) * 2000-04-15 2003-11-06 Leibniz Inst Fuer Festkoerper Glimmentladungsquelle für die Elementanalytik

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