(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を搭載したステージと、前記試料の表面にレーザ光を照射する光学系と、前記レーザ光の照射によって試料表面から気化した原子イオンまたは分子イオンを検出するイオン検出器とを備えた顕微レーザ質量分析計において、
前記光学系は、原子イオンまたは分子イオンを通過させる孔が光軸の中心に開けられたレンズと、上記の孔の中に配置されたイオン制御複合電極構造体とを具備しており、
上記イオン制御複合電極構造体は、導電性の外管と、電気絶縁性の中管と、導電性の内管とからなる３重管状の部材を有しており、かつ、この３重管状の部材よりも試料側に位置せしめてこれと別体に、光軸と同心の管状をなす先端部電極が設けられてなり、
さらに、前記試料と前記先端部電極との間に、光軸と同心の孔を有する導電体膜からなる引き出し電極が配置されていることを特徴とする顕微レーザ質量分析計。
【請求項２】
前記イオン制御複合電極構造体の導電性内管が、光軸方向に３分割されていて、分割された内管相互の間に、電気絶縁体が介装されていることを特徴とする、請求項１に記載した顕微レーザ質量分析計。
【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、回路基板などにおける微小領域を高感度、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２２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 Aperture、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】
従来の顕微レーザ質量分析計では、以上に説明した如く、試料と集光レンズとの間に反射鏡が配置され、試料と集光レンズとの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って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有る。
このため、従来例のように試料と集光レンズとの間に反射鏡が配置されていては、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有る。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ことが出来る。
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できない。
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ように工夫する必要が有る。またレーザ質量分析計で分析するに必要な速度に原子、分子イオンを加速できるように工夫する必要が有る。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有る。
【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】
上記の目的を達成するため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、前記試料の表面にレーザ光を照射する光学系と、前記レーザ光の照射によって試料表面から気化した原子イオンまたは分子イオンを検出するイオン検出器とを備えた顕微レーザ質量分析計において、
前記光学系は、原子イオンまたは分子イオンを通過させる孔が光軸の中心に開けられたレンズと、上記の孔の中に配置されたイオン制御複合電極構造体とを具備しており、
上記イオン制御複合電極構造体は、導電性の外管と、電気絶縁性の中管と、導電性の内管とからなる３重管状の部材を有しており、かつ、この３重管状の部材よりも試料側に位置せしめてこれと別体に、光軸と同心の管状をなす先端部電極が設けられてなり、
さらに、前記試料と前記先端部電極との間に、光軸と同心の孔を有する導電体膜からなる引き出し電極が配置されていることを特徴とする顕微レーザ質量分析計。
【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開ける事は出来ない。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、出来る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、高速に加速されたイオン粒子が「レンズに開けられた孔の壁」に衝突して損失を生じることの無いように、該孔を通過させる必要が有る。
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印加し、好ましくは孔の中央を通過出来るような電圧を印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を設ける事が好ましい。
上記の構造体として、３群の電極から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、高解像度の対物レンズは複数枚のレンズで構成されていて、試料に近い側のレンズ程小さいので、大きい孔を開けることができない。
このため、前記のイオンを収束させるための構造体の先端部はできるだけ単純な形状であるパイプ状とした。
対物レンズの中央部は、先端部に比して大きい孔を開ける事が出来るので、この中央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】
図１は、本発明の一実施例に係る質量分析計の概要的な構成図である。
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、２２は対物レンズ、２６は試料台、３０はイオンリフレクタ、３４はイオン検出器である。
この図１の縮尺では、対物レンズ２２内に配置されているイオン電極複合体や、該イオン電極複合体と試料台２６との間に配置されている引き出し電極は描写できないが、これらの部材については後に図４を参照して説明する。
【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，２９ｂ，２９ｃはそれぞれ上電極、中電極、下電極、２９ｄ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２９ｄ、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，−３０００Ｖ，−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３０００ｅＶ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１０２ａ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０．５μｍ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２９ｄ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、引き出し電極と、先端部電極と、アインツェルレンズとにより収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…試料照明用光
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…先端部電極
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
【図１】
0003643917.tif 000002
【図２】
0003643917.tif 000003
【図３】
0003643917.tif 000004
【図４】
0003643917.tif 000005
【図５】
0003643917.tif 000006
【図６】
0003643917.tif 000007
【図７】
0003643917.tif 000008
【図８】
0003643917.tif 000009
【図９】
0003643917.tif 000010
【図１０】
0003643917.tif 000011
【図１１】
0003643917.tif 000012
【図１２】
0003643917.tif 000013