JP3188925B2 - レーザイオン化中性粒子質量分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、被分析物である固体
試料にイオンビームを当てることによりスパッタされる
粒子のうち、電荷を持たない中性粒子を光イオン化した
粒子とし、この粒子の質量スペクトルを測定することで
試料の質量分析を行うレーザイオン化中性粒子質量分析
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】質量分析は電磁気的相互作用を利用して
原子・分子のイオンを質量の違いによって分析する方法
であり、原子や分子は通常電子衝撃でイオン化するが、
イオンビームによる衝撃でイオン化する方法もある。質
量分析において、イオンビームにより固体試料表面から
スパッタされる２次イオンを検出する２次イオン質量分
析法は、固体試料中の不純物の濃度を表面から深さ方向
に測定することができる高感度微量分析法である。この
２次イオン質量分析法は、分子量の大きい物質の分析な
ど、電子衝撃では分子イオンが分解し易く、質量の大き
いイオンができにくい場合に用いられ、イオンビームと
してＡｒ＋やＸｅ＋を照射して試料の分子を発生させて
いる。

【０００３】しかし、この２次イオン質量分析法は、２
次イオンの発生効率が試料のマトリックスに大きく依存
するため、定量性に問題があることが欠点としてある。
これに対し、イオンビームによるスパッタリングにより
２次イオンと同時に発生する中性粒子の発生効率は、試
料のマトリックスに余り依存しないため、それを検出す
る中性粒子質量分析法は定量性の良い分析法である。し
かし、測定感度は２次イオン質量分析法の方が優れてい
る。このように、感度の点で優れている２次イオンと定
量性に優れる中性粒子を同一の検出装置で検出すること
ができれば、両者の欠点を補う有効な手段になり得る。

【０００４】本発明者らは、特開平３−２９１５９９号
公報よび特開平４−５６５７号公報に示されているよう
に、２次イオンと中性粒子とを高効率に測定するレーザ
イオン化質量分析装置を発明している。この装置では、
中性粒子をレーザ光により光励起イオンとし、この光励
起イオンと２次イオンとを同一の検出部で検出すること
を特徴とするが、光励起イオンを検出する場合には、２
次イオンの検出がバックグラウンド（ノイズ）となる。
そこで、光励起イオンを検出する場合の２次イオンの除
去が必要となる。

【０００５】以下、従来のレーザイオン化質量分析装置
について説明する。図６は、このレーザイオン化質量分
析装置の構成を示す構成図である。同図において、１は
イオンビーム発生部、２はイオンビーム発生部１により
生成されたイオンビーム、３はイオンビーム２を収束す
る静電レンズ、４は収束されたイオンビーム２を走査す
る走査電極、５は分析対象の試料、６は試料５を載置す
る試料台、７はイオンビーム２の照射によるスパッタリ
ングにより試料５より生成する中性粒子、８はイオンビ
ーム２の照射によるスパッタリングにより試料５より生
成する２次イオンである。

【０００６】また、９ａは中性粒子７を光励起するため
のパルスレーザ１０を出射するレーザ生成部、１１はパ
ルスレーザ１０の照射により光励起されてイオン化した
光励起イオン、１２は試料台６との電位差により生成し
た２次イオン８，光励起イオン１１を引き出して導く引
き出し電極、１３は引き出し電極１２により導かれた２
次イオン８，光励起イオン１１を導入してそれらを質量
分離する質量分析部、１４は検出したイオンに対応して
それらを電気パルス化するイオン検出器、１５はイオン
検出器１４が出力する電気パルスのパルスを計数するパ
ルス計数部、１６はパルス計数部１５が計数した結果を
記憶するなどの処理をするデータ処理部である。

【０００７】そして、１７はパルスレーザ１０を検出す
るレーザ検出部、１８はレーザ検出部１７がパルスレー
ザ１０を検出したときに出力する発光信号、１９は発光
信号を検出することにより検出信号２０を出力するトリ
ガ信号発生部、２１は検出信号２０をトリガ信号とする
イオン検出器１４とパルス計数部１５との間に設けられ
た信号ゲートである。

【０００８】イオンビーム発生部１より発生したイオン
ビーム２は、静電レンズ３により収束され、走査電極４
により振動させられて試料５表面上を走査しながら衝撃
する。これにより試料５表面は、イオンビーム２により
均一に衝撃される。イオンビーム２の衝撃により中性粒
子７と２次イオン８が生成し、中性粒子７は、パルスレ
ーザ１０によりイオン化され光励起イオン１１となる。
これら２次イオン８と光励起イオン１１は、引き出し電
極１２によりイオン化領域から引き出され、質量分析部
１３に入力する。そこで質量分離された後、イオン検出
器１４で検出されて電気パルス化され、パルス計数部１
５で計数される。この計数により得られた計数値は、デ
ータ処理部１６に記録される。

【０００９】ここで、中性粒子７による質量分析を行お
うとすると、中性粒子７がパルスレーザ１０によりイオ
ン化された光励起イオン１１の検出に対して、２次イオ
ン８の存在はノイズとなる。このため、２次イオン８の
除去が必要となる。以下に、このレーザイオン化質量分
析装置における２次イオン８の除去動作を説明する。光
励起イオン１１が発生しているときはパルスレーザ１０
が照射されているので、これをレーザ検出部１７が検出
して発光信号１８を出力する。トリガ信号発生部１９は
この発光信号１８を受けると、所定の時間の後、所定の
時間幅で検出信号２０を出力する。

【００１０】そして、信号ゲート２１がこの検出信号２
０を受けることによりゲートを開き、これによりパルス
計数部１５はイオン検出器１４が出力する電気パルスを
うけてこのパルスを計数する。これにより、パルス計数
部１５は検出信号２０は出力されたときから、この出力
が終了するときまで、イオン検出器１４が出力する電気
パルスを計数する。以上のことにより、２次イオン８の
検出は、パルスレーザ１０が出射されて光励起イオン１
１が発生しているときだけとなる。

【００１１】２次イオン８は、図７に示すように、連続
に発生しているが、光励起イオン１１はパルスレーザ１
０によるイオン化の度に発生するため、パルス状に発生
する。単位時間当たりの発生量は、光励起イオンの方が
２次イオンに比べて大きいので、光励起イオン１１が発
生しているときだけ、これらのイオンを検出するように
すれば、検出される２次イオン８の量は光励起イオン１
１の量に比較して小さくできる。

【００１２】発生した光励起イオン１１は、引き出し電
極１２により引き出され、質量分析部１３を通過してか
ら検出されるため、光励起イオンの発生と検出との間に
は時間差が生じる。この時間差は、光励起イオンの質量
や引き出し電極１２がイオンを引き出すときの引き出し
電極１２と試料第４ａとの電位差（引き出し電圧）から
予想することができる。そこで、レーザ検出部１７は、
パルスレーザ１０を検出してから発生した光励起イオン
１１がイオン検出器１４まで到達するまでの時間後に発
光信号１８を出力するようにすれば、光励起イオン１１
が発生している時間の間だけイオン検出器１４がイオン
検出をするようにできる。

【００１３】検出信号２０（発光信号１８）が出力され
ている時間においては、光励起イオン１１と同様に２次
イオン８も検出されるが、その他の時間において２次イ
オン８は検出されなくなる。検出信号２０の出力される
時間をＴ１、検出信号２０が出力されない時間をＴ２と
すると（図７）、２次イオン８の検出量Ｉｄは発生量Ｉ
ｇに対して以下に示す式により示される。 Ｉｄ＝Ｉｇ×Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２） すなわち、Ｔ１の値を小さくするほど２次イオン８の検
出量は小さくなるのに対して、光励起イオン１１が発生
している時間以下にＴ１を小さくしなければ光励起イオ
ン１１の検出量は変化しない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来は、以上のように
構成されていたので、２次イオンの検出が残るという問
題があった。すなわち、２次イオンの検出を減少させる
ことはできるが、残ってしまうため、より精度を上げた
分析ができないという問題があった。

【００１５】この発明は以上のような問題点を解消する
ためになされたものであり、２次イオンの検出量をより
減少させることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明のレーザイオン
化質量分析装置は、動作信号を受けることによりパルス
レーザ発生手段に所定時間後にレーザ発振をさせるレー
ザ制御手段と、動作信号を受けることにより、光励起イ
オンが生成し始める時刻以前よりその光励起イオンが全
て生成し終わる時刻以後までの時間、試料台とイオン引
き出し手段との間の電位差を光励起イオンを引き出すこ
とが可能となる電位とする電位制御手段と、動作信号を
受けることにより、光励起イオンがイオン検出手段に到
達し始めてから全てが到達し終わるまでの時間、イオン
検出器にイオン検出動作を行わせる検出制御手段とを有
することを特徴とする。

【００１７】

【作用】検出は、光励起された光励起イオンを全て検出
する時間の間行われ、イオン検出手段に光励起イオンよ
り早く到達する２次イオンは検出されない。

【００１８】

【実施例】以下、この発明の１実施例を図を参照して説
明する。図１は、この発明の１実施例であるレーザイオ
ン化質量分析装置の構成を示す構成図である。同図にお
いて、２２は信号パルス発生部、２３は信号パルス発生
部２２より出力されるパルス信号（動作信号）であり、
このパルス信号２３によりレーザ生成部９はパルスレー
ザ１０を出力する。また、２４は試料台６と引き出し電
極１２との間の電位差をＥ１とＥ２とに制御する電位差
制御部、２５はパルス信号２３を受けることにより検出
信号２０を出力するトリガ信号発生部であり、他は図６
と同様である。

【００１９】光励起イオン１１が最も効率的に引き出し
電極１２により引き出される状態が電位差Ｅ１であり、
電位差Ｅ２の状態は２次イオン８が充分に引き出し電極
１２により引き出すことはできない状態である。ここ
で、光励起イオン１１を最も効率的に引き出すことがで
きる電位差と、２次イオンを最も効率的に引き出すこと
ができる電位差とは異なるものである。

【００２０】以下、この実施例１のレーザイオン化質量
分析装置の動作を図２を用いて説明する。図２（ａ）に
示すように、信号パルス発生部２２がパルス信号２３を
出力すると、図２（ｂ）に示すように、このパルス信号
２３を受けたレーザ生成部９が所定の時間の後にパルス
レーザ１０を出力する。このことにより、発生イオン
は、図２（ｃ）に示すように、パルスレーザ１０による
光励起イオン９と連続して発生している２次イオン８と
なる。

【００２１】一方、電位差制御部２４は、パルス信号２
３を受けると、図２（ｄ）に示すように、所定時間後に
時間Ｔ１のあいだ電位差Ｅ１を引き出し電極１２と試料
台５との間に設定し、Ｔ１時間後にこの電位差をＥ２に
戻す。このことにより、引き出し電極１２が引き出すイ
オンは、図２（ｅ）のようになる。発生したイオンは、
引き出し電極１２により引き出されて質量分析部１４に
導かれるが、２次イオン８は光励起イオン１１より早く
イオン検出器１４に到達する。 したがって、このまま
イオン検出をすると、検出されるイオンの状態は図２
（ｆ）に示すようになる。

【００２２】一方、同時にパルス信号２３を受けたトリ
ガ信号発生部２５は、図２（ｇ）に示すように、これよ
り所定時間遅れて時間Ｔ２のあいだ検出信号２０を出力
し、この検出信号２０を受けた信号ゲート２１はゲート
を開ける。このことにより、イオン検出器１４が検出し
て電気パルスに変換されたイオンは、時間Ｔ２の間だけ
パルス計数部１５で計数されることになる。以上のこと
により、検出されるイオンには、図２（ｈ）に示すよう
に、２次イオンがほとんど無い状態のものとなる。

【００２３】図３は、試料台６と引き出し電極１２との
電位差がＥ１となっている時間Ｔ１（図２）と、２次イ
オン８と光励起イオン１１の引き出し量を示す相関図で
ある。図３に示すように、光励起イオン１１の引き出し
量は、約５μｓ以下となると急激に減少するが、２次イ
オン８は徐々に減少している。ここで、時間Ｔ１を５μ
ｓとすると、光励起イオン１１の方が２次イオン８より
引き出し量が多い状態となる。このように、時間Ｔ１を
調節することにより光励起イオン１１の検出量を低下さ
せずに、２次イオン８の引き出し量を減少させることが
できる。

【００２４】ところで、前述したように、発生した２次
イオン８と光励起イオン１１とでは２次イオン８の方が
速度が早いので、図４に示すように、イオン検出器１４
には２次イオン８の方が早く到達する。したがって、時
間Ｔ１と実際にイオン検出器１４に到達するイオン到達
量との関係は、図５に示すようになり、時間Ｔ１を５μ
ｓにすると、２次イオン８はほとんど検出されないこと
になる。

【００２５】すなわち、図２（ｄ），（ｆ）において、
時間Ｔ１を短くすることは、イオン検出器１４に到達す
る２次イオンの量を示す幅Ｗが小さくなることになり、
この幅Ｗが小さくなると、図２（ｆ）において、２次イ
オン８と光励起イオン１１との交わる領域が小さくなる
ことになる。そして、時間Ｔを図５における５μｓとな
るようにすれば、図２（ｆ）における２次イオン８と光
励起イオン１１との交わる領域が無くなることになり、
２次イオン８を完全に除去することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、イオンビームを照射することにより発生する中性粒
子をレーザにより光励起して光励起イオンとして検出す
るとき、同時に発生する２次電子を完全に除去できると
いう効果がある。従って、イオンビームの衝撃で試料の
マトリクスにあまり依存しない中性粒子を、２次イオン
の無い状態で精度良く検出できるので、感度が優れた定
量性の良い質量分析が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施例であるレーザイオン化中性
粒子質量分析装置の構成を示す構成図である。

【図２】図１のレーザイオン化中性粒子質量分析装置の
動作を説明するためのタイミングチャートである。

【図３】イオン引き出し時間と引き出されるイオンの量
との相関を示す相関図である。

【図４】２次イオンと光励起イオンの発生してからの時
刻と、イオン検出器が検出するイオン強度との関係を示
す相関図である。

【図５】イオン検出器の検出時間と、検出されるイオン
の量との相関を示す相関図である。

【図６】従来のレーザイオン化中性粒子質量分析装置の
構成を示す構成図である。

【図７】従来のレーザイオン化中性粒子質量分析装置の
動作を説明するためのタイミングチャートである。

【符号の説明】

１ イオンビーム発生部 ２ イオンビーム ３ 静電レンズ ４ 走査電極 ５ 試料 ６ 試料台 ７ 中性粒子 ８ ２次イオン ９ レーザ生成部 １０ パルスレーザ １１ 光励起イオン １２ 引き出し電極 １３ 質量分析部 １４ イオン検出器 １５ パルス計数部データ処理部 １６ データ処理部 ２０ 検出信号 ２１ 信号ゲート ２２ パルス発生部 ２３ パルス信号 ２４ 電位差制御部 ２５ トリガ信号発生部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 49/26 G01N 27/62 H01J 49/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空中の試料台上に載置された被分析対
   象物に照射することにより、前記被分析対象物から２次
   イオンおよび中性粒子を生成させるためのスパッタリン
   グを起こすイオンビームを発生するイオンビーム生成手
   段と、前記イオンビームの衝撃により生成した中性粒子
   を光励起して光励起イオンとするためのパルスレーザを
   生成するパルスレーザ発生手段と、前記試料台との電位
   差により前記２次イオンおよび光励起イオンをそれぞれ
   の発生領域より引き出すイオン引き出し手段と、前記イ
   オン引き出し手段により引き出された前記２次イオンお
   よび光励起イオンを質量分析する質量分析手段と、前記
   質量分析手段により質量分析された前記２次イオンおよ
   び光励起イオンの検出，計量などの検出動作をするイオ
   ン検出手段とからなるレーザイオン化中性粒子質量分析
   装置において、 動作信号を受けることにより前記パルスレーザ発生手段
   に所定時間後にレーザ発振をさせるレーザ制御手段と、 前記動作信号を受けることにより、前記光励起イオンが
   生成し始める時刻以前よりその光励起イオンが全て生成
   し終わる時刻以後までの時間、前記試料台とイオン引き
   出し手段との間の電位差を前記光励起イオンを引き出す
   ことが可能となる電位とする電位制御手段と、 前記動作信号を受けることにより、前記光励起イオンが
   前記イオン検出手段に到達し始めてから全てが到達し終
   わるまでの時間、前記イオン検出手段にイオン検出動作
   を行わせる検出制御手段とを有することを特徴とするレ
   ーザイオン化中性粒子質量分析装置。