(57)【要約】【課題】従来のグロー放電システムの装置構成や駆動条件を大幅に変更することなく、引き出されるイオンビーム量を増大させ、分析精度がより高いグロー放電質量分析装置を提供する。【解決手段】平板状の固体試料３０と該固体試料３０を保持するためのプランジャー１６との間に第１の磁石１５を配置し、放電領域２７を形成するセル本体２１のイオン引き出し口側に上記放電領域２７を囲んで第２の磁石２６を配置し、第１の磁石１５と第２の磁石２６とは、磁化方向がイオンビームが引き出される方向に平行で、磁極が互いに逆方向を向くように配置することにより、放電領域２７においてグロー放電を発生させた際に、第１の磁石１５と第２の磁石２６とで形成される磁場によって、引き出されるイオンビーム量を増大させる。【選択図】図１
2019185870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有し、前記開口部に一主面を向けて平板状の固体試料を前記開口部とは反対側から保持する保持部材を備えたサンプルホルダーと、
前記サンプルホルダーの前記開口部側に隣接し、前記開口部とは反対側に配置されたイオン引き出し口を有し、放電領域を形成する放電セルと、を備えた、グロー放電質量分析装置に用いられるグロー放電システムにおいて、
前記保持部材の前記固体試料を保持する側に第１の磁石を備え、
前記放電領域の前記イオン引き出し口側に、前記放電領域を囲んで前記放電セルに埋め込まれた第２の磁石を備え、
前記第１の磁石と前記第２の磁石は、磁化方向が前記開口部からイオン引き出し口に向かう方向に平行で、且つ、互いに磁極が逆方向を向いて配置されていることを特徴とするグロー放電システム。
【請求項２】
前記保持部材が磁性ステンレス製のプランジャーであることを特徴とする請求項１に記載のグロー放電システム。
【請求項３】
前記放電セルが、前記イオン引き出し口の前記開口部とは反対側に、引き出し電極を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のグロー放電システム。
【請求項４】
グロー放電によって固体試料より該固体試料の構成原子のイオンビームを引き出すグロー放電システムと、前記イオンビームに含まれるイオンの質量分析を行う質量分析器とを備えたグロー放電質量分析装置において、
前記グロー放電システムが、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のグロー放電システムであることを特徴とするグロー放電質量分析装置。
【請求項５】
さらに、前記グロー放電システムから引き出された前記イオンビームより目的のイオンを分離、選択する磁場システムと、前記磁場システムにおいて選択されたイオンビームのエネルギーを収束させる電場システムと、を有することを特徴とする請求項４に記載のグロー放電質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラットセル式のグロー放電システムと、これを用いたグロー放電質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属や半導体、絶縁物など各種固体試料の分析装置として、グロー放電質量分析装置（ＧＤＭＳ）が知られている。係る分析装置は、グロー放電を利用して固体試料表面をスパッタし、イオン化された該固体試料の構成原子を質量分析計において測定する装置である。
【０００３】
上記分析装置においては、特許文献１に開示されているように、放電セル内に表面が露出するように固体試料を配置し、該放電セル内に不活性ガスを導入してグロー放電を発生させて上記固体試料をスパッタし、放出された原子を放電セル内でイオン化して、該放電セルに設けた開口部からイオンビームとして引き出すグロー放電システムを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−２２０３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
グロー放電質量分析装置において、分析精度を高めるためには、グロー放電システムから引き出すイオンビームのビーム（イオン）量を増やすことが望ましい。
【０００６】
本発明の課題は、従来のグロー放電システムの装置構成や駆動条件を大幅に変更することなく、引き出されるイオンビーム量を増大させ、分析精度がより高いグロー放電質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一は、開口部を有し、前記開口部に一主面を向けて平板状の固体試料を前記開口部とは反対側から保持する保持部材を備えたサンプルホルダーと、
前記サンプルホルダーの前記開口部側に隣接し、前記開口部とは反対側に配置されたイオン引き出し口を有し、放電領域を形成する放電セルと、を備えた、グロー放電質量分析装置に用いられるグロー放電システムにおいて、
前記保持部材の前記固体試料を保持する側に第１の磁石を備え、
前記放電領域の前記イオン引き出し口側に、前記放電領域を囲んで前記放電セルに埋め込まれた第２の磁石を備え、
前記第１の磁石と前記第２の磁石は、磁化方向が前記開口部からイオン引き出し口に向かう方向に平行で、且つ、互いに磁極が逆方向を向いて配置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明のグロー放電システムにおいては、下記の構成を好ましい態様として含む。
前記保持部材が磁性ステンレス製のプランジャーである。
前記放電セルが、前記イオン引き出し口の前記開口部とは反対側に、引き出し電極を有する。
【０００９】
本発明の第二は、グロー放電によって固体試料より該固体試料の構成原子のイオンビームを引き出すグロー放電システムと、前記イオンビームに含まれるイオンの質量分析を行う質量分析器とを備えたグロー放電質量分析装置において、
前記グロー放電システムが、上記本発明のグロー放電システムであることを特徴とする。
【００１０】
本発明のグロー放電質量分析装置においては、さらに、前記グロー放電システムから引き出された前記イオンビームより目的のイオンを分離、選択する磁場システムと、前記磁場システムにおいて選択されたイオンビームのエネルギーを収束させる電場システムと、を有することを好ましい態様として含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のグロー放電システムは、固体試料の背面と、放電セルのイオン引き出し口側とにそれぞれ磁石を配置することによって、従来よりも大幅にビーム量が増大したイオンビームを引き出すことができる。よって、本発明によれば、簡単な装置構成の変更によって、質量分析器で分析するイオンビーム量を増大させ、固体試料の質量分析精度を従来よりも大幅に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のグロー放電システムの一実施形態の構成を模式的に示す図であり、該グロー放電システムから引き出されるイオンビームの中心軸を含む断面の端面図である。
【図２】従来のグロー放電システムの構成を模式的に示す端面図であり、該グロー放電システムから引き出されるイオンビームの中心軸を含む断面の端面図である。
【図３】本発明のグロー放電システムを用いた銅の質量分析の分析チャートを示す図である。
【図４】従来のグロー放電システムを用いた銅の質量分析の分析チャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明について、適宜図面を参照しながら実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また以下の説明において特段説明されていない部分や、図面において特段図示されなかった部分に関しては、当該技術分野の周知或いは公知の技術を適用することができる。
【００１４】
本発明のグロー放電システムは、固体試料の背面と、放電セルのイオン引き出し口側とにそれぞれ磁極が互いに逆方向を向くように磁石を配置したことにより、グロー放電システムから引き出されるイオンビームのビーム量を大幅に増大させたことに特徴を有する。
【００１５】
先ず、図２に、従来のグロー放電システムの構成を示す。図２は、従来のグロー放電システムの一例の構成を模式的に示す図であり、該グロー放電システムから引き出されるイオンビームの中心軸を含む断面の端面図である。
【００１６】
図２のグロー放電システムは、平板状の固体試料３０を用いるフラットセル式のグロー放電システムであり、固体試料３０を保持するためのサンプルホルダー１０と、グロー放電を発生させて固体試料３０からイオンビーム（不図示）を引き出す放電セル２０とを有している。
【００１７】
サンプルホルダー１０は、枠体１１に絶縁リング１２を介して開口部１４ａを有するフロントプレート１４が配置され、固体試料３０は、保持部材であるプランジャー１６によって、その一主面を該開口部１４ａに向けてサンプルアイソレーター１３に押し付けられて保持される。固体試料３０の一主面はその一部が上記開口部１４ａ内に露出する。枠体１１及びプランジャー１６は導電性材料、例えばアルミニウムで構成され、絶縁リング１２は絶縁性材料、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの絶縁性樹脂で構成され、サンプルアイソレーター１３は、開口部１４ａに連通する開口部を有するプレートであり、絶縁性材料、例えばアルミナで構成され、フロントプレート１４は導電性材料、例えばタンタルで構成される。
【００１８】
放電セル２０は、筒状で、一方の開口部がサンプルホルダー１０の開口部であるフロントプレート１４の開口部１４ａ側に該フロントプレート１４に接して隣接し、他方の開口部側がイオン引き出し口側となるセル本体２１を備えている。セル本体２１は、内部が放電領域２７であり、側壁に放電ガスを導入するためのガス導入孔２１ａを備えている。セル本体２１の他方の開口部には、スリットプレート２２と、エンドプレート２３と、セルマウンティングプレート２４と、エクストラクションプレート２５と、が当該順序で配置され、いずれもイオンを外部に引き出すための開口部を有している。図中、２２ａはスリットプレート２２に形成されたスリットであり、放電領域２７からのイオン引き出し口である。放電領域２７は、ガス導入孔２１ａとスリット２２ａとを除いて閉鎖系である。セル本体２１、スリットプレート２２、エンドプレート２３はいずれも導電性材料、例えばタンタルで構成され、セルマウンティングプレート２４は、絶縁性材料、例えばＰＥＥＫなどの絶縁性樹脂で構成される。
【００１９】
上記の構成において、放電領域２７にガス導入孔２１ａより放電ガスとして不活性ガス、例えば高純度のアルゴンガス（純度９９．９９９９％以上）を導入し、枠体１１、プランジャー１６を介して固体試料３０を陰極に、セル本体２１、スリットプレート２２、フロントプレート１４、エンドプレート２３を陽極に設定して所定の電圧を印加する。また、エクストラクションプレート２５は放電領域２７からイオンを引き出すための引き出し電極として、セル本体２１に対して−数十Ｖ〜−１０００Ｖの範囲内の電位に設定する。放電領域２７ではグロー放電が発生し、放電ガスのイオンが固体試料３０の表面をスパッタし、放出された固体試料３０の構成原子は放電領域２７においてプラズマによってイオン化され、スリット２２ａ、開口部２５ａを通過してイオンビームとして引き出される。
【００２０】
グロー放電システムより引き出されたイオンビームは不図示の磁場システムにおいて分析目的のイオンが分離、選択され、選択されたイオンビームは不図示の電場システムにおいてビームエネルギーが収束され、不図示の質量分析器においてイオンビームに含まれるイオンの質量分析が行われ、固体試料３０の組成が測定される。質量分析器としては、二重収束型質量分析計が好ましく用いられる。
【００２１】
次に、本発明のグロー放電システムについて、図１を用いて説明する。図１は、本発明のグロー放電システムの一実施形態の構成を模式的に示す図であり、該グロー放電システムから引き出されるイオンビームの中心軸を含む断面の端面図である。
【００２２】
本発明のグロー放電システムは、後述する第１の磁石及び第２の磁石を加えた以外、基本的な構成は従来のグロー放電システムと同様である。よって、従来のグロー放電システムと異なる部分についてのみ説明し、同じである部分については説明を省略する。
【００２３】
本発明においては、保持部材であるプランジャー１６の固体試料３０側の面に第１の磁石１５が配置されており、該磁石１５を固定するために、プランジャー１６は磁性導電体、例えば磁性ステンレスで構成されている。また、セル本体２１のイオン引き出し口側に溝が形成され、該溝に第２の磁石２６が埋め込まれている。セル本体２１のイオン引き出し口側には上記したように、スリットプレート２２が配置され、これにより、磁石２６は放電領域２７及び外部に表面が露出しないようになっている。
【００２４】
サンプルホルダー１０に配置された第１の磁石１５及び放電セル２０に配置された第２の磁石２６は、磁化方向が開口部１４ａからイオン引き出し口、即ち開口部２５ａに向かう方向（紙面左右方向）に平行で、且つ、互いに磁極が逆方向を向いて配置されている。よって、図１において、第１の磁石１５及び第２の磁石２６は、Ｎ極同士又はＳ極同士が向き合うように配置されている。
【００２５】
本発明においては、上記のように、第１の磁石１５及び第２の磁石２６を配置することによって、放電セル２０内の放電領域２７には、同極同士によって歪みを有する磁場が発生し、その結果、放電領域２７から引き出されるイオンビームのビーム量が増大し、質量分析器において測定されるイオン量が増加するため、分析精度が向上する。
【００２６】
図１のグロー放電システムにおいて、第１の磁石１５，固体試料３０はいずれも円形の平板であり、セル本体２１は円筒状、開口部１４ａ及び開口部２５ａは円形である。また、スリット２２ａは紙面に直交する直線状である。第２の磁石２６は、放電領域２７を囲むリング状である。尚、本願発明においては、係る形状に限定されるものではない。
【００２７】
また、図２のグロー放電システムにおいては、セル本体２１の内径が一定であるのに対し、図１のグロー放電システムにおいては、セル本体２１のイオン引き出し口側が、内径が漸減するテーパー状となっているが、これは、第２の磁石２６を埋め込んだ分、壁面を厚くして強度低下を防止するための構造変更である。
【００２８】
本発明においては、固体試料３０として、導電体や半導体材料は直接分析することができ、また、絶縁体については、金、グラファイト、銀等の導電体をバインダーとして絶縁体と混合し、成型して固体試料３０とし、分析することができる。また、固体平板状の絶縁体であっても、不図示の補助電極を陰極として用いることで、グロー放電を発生させ、分析することができる。
【実施例】
【００２９】
サーモエレメンタル（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｅｌｅｍｅｎｔａｌ）社製のグロー放電質量分析装置「ＶＧ９０００４Ｍｋ４型」のグロー放電システムを、図１の本発明のグロー放電システムに交換して、銅製の固体試料の質量分析を行った。また、同様のグロー放電質量分析装置に、図２の従来のグロー放電システムを用いる以外は全く同じ条件で、同じ銅製の固体試料の質量分析を行った。
【００３０】
銅は通常、同位体であるＣｕ６３とＣｕ６５とをおよそＣｕ６３：Ｃｕ６５＝７：３の質量割合で含んでいる。そのため、銅を測定する際には、従来は含有量の多いＣｕ６３を測定していた。本実施例においても、従来のグロー放電システムを用いた質量分析において、Ｃｕ６３のピーク高さは１．０×１０-9Ａであった。
【００３１】
一方、本発明のグロー放電システムを用いた質量分析では、Ｃｕ６３を測定するとピークが高すぎるため、検出器の保護のため、含有量の少ないＣｕ６５を測定したところ、ピーク高さは１．３×１０-9Ａであり、これをＣｕ６３に換算すると３．０×１０-9Ａであり、従来のグロー放電システムを用いた場合のＣｕ６３のピーク高さの３倍であった。それぞれで得られたＣｕ６５，Ｃｕ６３の分析チャートを図３，図４に示す。
【符号の説明】
【００３２】
１０：サンプルホルダー、１１：枠体、１２：絶縁リング、１３：サンプルアイソレーター、１４：フロントプレート、１４ａ：開口部、１５：第１の磁石、１６：プランジャー、２０：放電セル、２１：セル本体、２１ａ：ガス導入孔、２２：スリットプレート、２２ａ：スリット、２３：エンドプレート、２４：セルマウンティングプレート、２５：エクストラクションプレート、２５ａ：開口部、２６：第２の磁石、２７：放電領域、３０：固体試料
【図１】
2019185870.tif 000003
【図２】
2019185870.tif 000004
【図３】
2019185870.tif 000005
【図４】
2019185870.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月23日(2018.7.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
開口部を有し、前記開口部に一主面を向けて平板状の固体試料を前記開口部とは反対側から保持する保持部材を備えたサンプルホルダーと、
前記サンプルホルダーの前記開口部側に隣接し、前記開口部とは反対側に配置されたイオン引き出し口を有し、放電領域を形成する放電セルと、を備えた、グロー放電質量分析装置に用いられるグロー放電システムにおいて、
前記保持部材の前記固体試料を保持する側に円形で平板の第１の磁石を備え、
前記放電領域の前記イオン引き出し口側に、前記放電領域を囲んで前記放電セルに埋め込まれ前記第１の磁石と同軸配置されたリング状の第２の磁石を備え、
前記第１の磁石と前記第２の磁石は、磁化方向が前記開口部からイオン引き出し口に向かう方向に平行で、且つ、互いに磁極が逆方向を向いて配置されていることを特徴とするグロー放電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の第一は、開口部を有し、前記開口部に一主面を向けて平板状の固体試料を前記開口部とは反対側から保持する保持部材を備えたサンプルホルダーと、
前記サンプルホルダーの前記開口部側に隣接し、前記開口部とは反対側に配置されたイオン引き出し口を有し、放電領域を形成する放電セルと、を備えた、グロー放電質量分析装置に用いられるグロー放電システムにおいて、
前記保持部材の前記固体試料を保持する側に円形で平板の第１の磁石を備え、
前記放電領域の前記イオン引き出し口側に、前記放電領域を囲んで前記放電セルに埋め込まれた前記第１の磁石と同軸配置されたリング状の第２の磁石を備え、
前記第１の磁石と前記第２の磁石は、磁化方向が前記開口部からイオン引き出し口に向かう方向に平行で、且つ、互いに磁極が逆方向を向いて配置されていることを特徴とする。