(57)【要約】【課題】分級器により分級された粒子群を質量分析計と計数計で同時に測定した上で、微粒子群の成分の量を精度よく測定することができる微粒子分析装置を提供する。【解決手段】雰囲気中から引き込まれた粒子群を帯電させる荷電装置２と、荷電装置２にて帯電した粒子群を粒子径毎に分級する分級器３と、分級器３により分級された粒子群における成分及び量を測定する質量分析計４と、分級器３により分級された粒子群における粒子数を計数する計数計５と、分級器３により分級された粒子群を質量分析計４に導くための管状の質量分析計側配管６１と、分級器３により分級された粒子群を計数計５に導くための管状の計数計側配管６２とを備える微粒子分析装置４０であって、計数計側配管６２の中心軸と質量分析計側配管６１の導入口の中心軸とが一致するように、計数計側配管６２の内部に質量分析計側配管６１の導入口が配置されるようにする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雰囲気中から引き込まれた粒子群を帯電させる荷電装置と、
前記荷電装置にて帯電した粒子群を粒子径毎に分級する分級器と、
前記分級器により分級された粒子群における成分及び量を測定する質量分析計と、
前記分級器により分級された粒子群における粒子数を計数する計数計と、
前記分級器により分級された粒子群を前記質量分析計に導くための管状の質量分析計側配管と、
前記分級器により分級された粒子群を前記計数計に導くための管状の計数計側配管とを備える微粒子分析装置であって、
前記計数計側配管の中心軸と前記質量分析計側配管の導入口の中心軸とが一致するように、前記計数計側配管の内部に前記質量分析計側配管の導入口が配置されていることを特徴とする微粒子分析装置。
【請求項２】
前記計数計側配管における中心軸と垂直な流通断面積から前記質量分析計側配管における中心軸と垂直な流通断面積を減算した面積は、前記質量分析計側配管における中心軸と垂直な流通断面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の微粒子分析装置。
【請求項３】
前記質量分析計側配管の導入口の壁の先端部は、前記質量分析計側配管における流通断面積を一定としつつ、尖っていることを特徴とする請求項２に記載の微粒子分析装置。
【請求項４】
前記導入口配置位置から前記質量分析計の検出器に粒子群が到達するまでにかかる時間と、前記導入口配置位置から前記計数計の検出面に粒子群が到達するまでにかかる時間とが同じになるように、前記質量分析計側配管の長さと前記計数計側配管の長さとが調整されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の微粒子分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気等の雰囲気中に浮遊する粉塵やミスト等の微粒子を分析する微粒子分析装置に関し、特に粒子径が約０．００１μｍ〜約数μｍの範囲にある微粒子群における粒子数や成分や量等を測定する微粒子分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造プロセスにおける粒子汚染の抑制、大気中における酸性雨やスモッグ等の発生機構の解明、量子ナノ材料の開発等に関連して、大気等の雰囲気中に浮遊する粉塵やミスト等の微粒子群が注目を集めている。
【０００３】
そこで、ナノメータオーダの微粒子群における粒子数や成分等を求める微粒子分析装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。図７は、従来の微粒子分析装置の全体構成を示す概略構成ブロック図である。このような微粒子分析装置１４０は、大気雰囲気中から微粒子（粉塵やミスト等）群を引き込むサンプリング装置１と、引き込まれた微粒子群をコロナ放電又は放射線源により帯電させる荷電装置２と、帯電した微粒子群を粒子径毎に分級する微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）３と、ＤＭＡ３により分級された微粒子群における成分と量とを測定する高周波誘導結合プラズマ質量分析計（ＩＣＰ−ＭＳ）４と、ＤＭＡ３により分級された微粒子群における粒子数を計数するファラデーカップ電流計（ＦＣＥ）５と、微粒子分析装置１４０全体を制御するコンピュータ１５０とを備える。
【０００４】
ＩＣＰ−ＭＳ４とＦＣＥ５とは、ＤＭＡ３に分岐部６を介して並列に接続されている。分岐部６は、機械的や電気的や磁気的な方法により微粒子群の進行方向を選択的に切り替えるものである。これにより、ＤＭＡ３により分級された微粒子群は、ある所定時間帯にはＩＣＰ−ＭＳ４に導入され、また、ある所定時間帯以外の時間帯にはＦＣＥ５に導入されるように、ＩＣＰ−ＭＳ４かＦＣＥ５かのいずれかに導入されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２８８６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したような微粒子分析装置１４０では、ＤＭＡ３により分級された微粒子群を交互にＩＣＰ−ＭＳ４とＦＣＥ５とに導入しているため、ＤＭＡ３により分級された微粒子群をＩＣＰ−ＭＳ４とＦＣＥ５とで同時に測定することができなかった。
また、ＤＭＡ３により分級された微粒子群をＩＣＰ−ＭＳ４とＦＣＥ５とに所定の割合で分配する微粒子分析装置も開示されているが、微粒子群の成分の量を精度よく測定することができないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本件発明者は、ＤＭＡ３により分級された微粒子群をＩＣＰ−ＭＳ４とＦＣＥ５とで同時に測定した上で、微粒子群の成分の量を精度よく測定する方法について検討を行った。その結果、微粒子が、ＩＣＰ−ＭＳ４やＦＣＥ５に導くための配管の内壁面に吸着を起こしていることがわかった。特に、ＩＣＰ−ＭＳ４に導くための配管の流通断面積Ｑ１が小さいため、ＩＣＰ−ＭＳ４に導くための配管の内壁面に吸着を起こしていた。なお、このとき、微粒子のサイズが小さくなればなるほど、配管の内壁面に吸着を起こしていた。よって、配管の内壁面に近いところほど、サイズの小さい粒子が少なくなっていた。
【０００８】
また、微粒子は、気体分子の流れに乗って運ばれるが、気体分子のサイズ及び質量と微粒子のサイズ及び質量とに差があるため、気体分子の流れに乱れが生じると、微粒子の大きさの分布に偏りが生じることになる。
そこで、質量分析計側配管の流通断面積Ｑ１と比較して計数計側配管の流通断面積Ｑ２が大きいので、計数計側配管と質量分析計側配管とを分岐させるのではなく、計数計側配管の中心軸と質量分析計側配管の導入口の中心軸とが一致するように、計数計側配管の内部に質量分析計側配管の導入口を配置することを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明の微粒子分析装置は、雰囲気中から引き込まれた粒子群を帯電させる荷電装置と、前記荷電装置にて帯電した粒子群を粒子径毎に分級する分級器と、前記分級器により分級された粒子群における成分及び量を測定する質量分析計と、前記分級器により分級された粒子群における粒子数を計数する計数計と、前記分級器により分級された粒子群を前記質量分析計に導くための管状の質量分析計側配管と、前記分級器により分級された粒子群を前記計数計に導くための管状の計数計側配管とを備える微粒子分析装置であって、前記計数計側配管の中心軸と前記質量分析計側配管の導入口の中心軸とが一致するように、前記計数計側配管の内部に前記質量分析計側配管の導入口が配置されているようにしている。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明の微粒子分析装置によれば、分級器により分級された微粒子群を質量分析計と計数計とで同時に測定した上で、微粒子群の成分の量を精度よく測定することができる。
【００１１】
（その他の課題を解決するための手段および効果）
また、本発明の微粒子分析装置においては、前記計数計側配管における中心軸と垂直な流通断面積から前記質量分析計側配管における中心軸と垂直な流通断面積を減算した面積は、前記質量分析計側配管における中心軸と垂直な流通断面積より大きいようにしてもよい。
ここで、「計数計側配管における中心軸と垂直な流通断面積Ｑ２」とは、本願では計数計側配管の内部に質量分析計側配管が配置されるが、その質量分析計側配管における流通断面積Ｑ１を含んだもののことをいう。よって、本願では計数計側配管の内壁面と質量分析計側配管の外壁面との間を微粒子群が流通する面積は、（Ｑ２−Ｑ１）となる。
本発明の微粒子分析装置によれば、計数計側配管の内壁面と質量分析計側配管の外壁面との間を微粒子群が流通する面積（Ｑ２−Ｑ１）が、質量分析計側配管における流通断面積Ｑ１より充分に大きいので、計数計側配管の内壁面での吸着等の影響は小さくなる。
【００１２】
そして、本発明の微粒子分析装置においては、前記質量分析計側配管の導入口の壁の先端部は、前記質量分析計側配管における流通断面積を一定としつつ、尖っているようにしてもよい。
本発明の微粒子分析装置によれば、質量分析計側配管における流通断面積Ｑ１を一定としているので、質量分析計側配管の内部での気体分子の流れの乱れ等の影響をなくすことができ、一方、面積（Ｑ２−Ｑ１）が、質量分析計側配管における流通断面積Ｑ１より充分に大きいので、計数計側配管の内部での気体分子の流れの乱れ等の影響は小さくなる。
【００１３】
さらに、本発明の微粒子分析装置においては、前記導入口配置位置から前記質量分析計の検出器に粒子群が到達するまでにかかる時間と、前記導入口配置位置から前記計数計の検出面に粒子群が到達するまでにかかる時間とが同じになるように、前記質量分析計側配管の長さと前記計数計側配管の長さとが調整されているようにしてもよい。
本発明の微粒子分析装置によれば、計数計で得られた信号と、質量分析計で得られた信号とに時間的な差を持たせないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態である微粒子分析装置の全体構成を示す概略構成ブロック図。
【図２】微分型電気移動度分級器の構成を示す図。
【図３】高周波誘導結合プラズマ質量分析計の構成を示す図。
【図４】ファラデーカップ電流計の構成を示す図。
【図５】質量分析計側配管と計数計側配管との構成を示す斜視図。
【図６】質量分析計側配管と計数計側配管との構成を示す断面図。
【図７】従来の微粒子分析装置の全体構成を示す概略構成ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態である微粒子分析装置の全体構成を示す概略構成ブロック図である。また、図２は、微分型電気移動度分級器の構成を示す図であり、図３は、高周波誘導結合プラズマ質量分析計の構成を示す図であり、図４は、ファラデーカップ電流計の構成を示す図である。なお、微粒子分析装置１４０と同様のものについては、同じ符号を付している。
微粒子分析装置４０は、大気雰囲気中から微粒子（粉塵やミスト等）群を引き込むサンプリング装置１と、引き込まれた微粒子群をコロナ放電又は放射線源により帯電させる荷電装置２と、帯電した微粒子群を粒子径毎に分級する微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）３と、ＤＭＡ３により分級された微粒子群における成分とその成分の量とを測定する高周波誘導結合プラズマ質量分析計（ＩＣＰ−ＭＳ）４と、ＤＭＡ３により分級された微粒子群における粒子数を計数するファラデーカップ電流計（ＦＣＥ）５と、微粒子分析装置４０全体を制御するコンピュータ５０とを備える。
【００１７】
ＤＭＡ３は、帯電した微粒子を電気移動度Ｚｐの違いを利用して粒子径毎に分級して取り出すものである。ＤＭＡ３は、絶縁体からなる基部１０と、基部１０に連結されるとともに分級後の微粒子群を排出する環状のスリット１３を有する中心ロッド１１と、基部１０に連結されるとともに微粒子群を導入する環状のスリット１４を有する囲み体１２とを備える。
中心ロッド１１と囲み体１２とは導体からなり、中心ロッド１１は高電圧源１７に接続され、囲み体１２は接地されている。また、囲み体１２の上部には、囲み体１２内を循環するシースエアの吐出口１５が設けられるとともに、シースエアに含まれる不純物を除去するためのフィルタ１６が取り付けられている。
【００１８】
このようなＤＭＡ３によれば、荷電装置２にて帯電した微粒子群は囲み体１２に設けられたスリット１４から導入される。そして、スリット１４から導入された微粒子群は囲み体１２の吐出口１５から吐出されたシースエアとともに軸方向下方に移動し、また中心ロッド１１の外周面と囲み体１２の内周面との間に形成される電場の影響を受けて個々の微粒子の電気移動度Ｚｐに応じた速度で中心軸方向に引き寄せられる。そして、中心ロッド１１のスリット１３に到達した所定の微粒子群のみが外部へ取り出される。
【００１９】
なお、中心ロッド１１に設けられたスリット１３に到達する微粒子の電気移動度Ｚｐは、下記式（１）により算出される。
Ｚｐ＝ｑ・ｌｎ（ｒ２／ｒ１）／（２・π・Ｖ・Ｌ）  ・・・（１）
ここで、ｑはＤＭＡ３に導入されるシースエアの流量、ｒ１、ｒ２はそれぞれ中心ロッド１１の外周面の半径、囲み体１２の内周面の半径である。また、Ｖは中心ロッド１１の外周面と囲み体１２の内周面との間に印加される電圧、Ｌはスリット１３とスリット１４との間の距離である。
【００２０】
また、微粒子の電気移動度Ｚｐと粒子径Ｄｐとの間には、下記式（２）により表される関係がある。
Ｚｐ＝ｎ・ｅ・Ｃｍ／（３・π・μ・Ｄｐ）  ・・・（２）
ここで、ｎは微粒子の電荷量、ｅは電気素量（１．６×１０−１９クーロン）、Ｃｍはカニンガムの補正係数、μは導入されるシースエアの粘性係数である。
【００２１】
よって、式（１）（２）から、ＤＭＡ３から取り出される微粒子の粒子径Ｄｐがシースエアの流量ｑと印加電圧Ｖとに基づいて決定されることになる。
【００２２】
ＩＣＰ−ＭＳ４は、ＤＭＡ３により分級された所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群を分解及びイオン化する高周波誘導結合プラズマ部２０と、分解及びイオン化された微粒子群を４重極マスフィルタ２３に引き込むためのインタフェース部２１及びレンズ部２２と、直流電圧及び高周波電圧が印加される電極を有する４重極マスフィルタ２３と、４重極マスフィルタ２３内を通過した微粒子群を検出する検出器２４とを備える。
高周波誘導結合プラズマ部２０と４重極マスフィルタ２３とはそれぞれＲＦ発振器２７、２８に接続されており、所定の高周波電圧が高周波誘導結合プラズマ部２０内の高周波コイル及び４重極マスフィルタ２３内の電極にそれぞれ印加されるようになっている。
【００２３】
このようなＩＣＰ−ＭＳ４によれば、導入された微粒子群は高周波誘導結合プラズマ部２０に引き込まれ、高周波誘導結合プラズマ部２０により分解及びイオン化がなされる。分解及びイオン化がなされた微粒子群は、インタフェース部２１及びレンズ部２２を介して４重極マスフィルタ２３の中心軸に沿って入射される。このとき、４重極マスフィルタ２３の電極には直流電圧及び高周波電圧が印加され、この電圧印加により４重極マスフィルタ２３内に電場が形成されている。なお、この印加電圧は、コンピュータ５０により掃引され、このような印加電圧、４重極電極間の距離及び周波数等によって決まる条件の下で特定の質量（質量数／電荷量）の微粒子群のみが４重極マスフィルタ２３内を通過して検出器２４において検出される。そして、検出された信号に基づいてコンピュータ５０によりデータ解析が行われ、所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群についての質量分析が行われる。
【００２４】
ＦＣＥ５は、ＤＭＡ３により分級された所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群を捕集するファラデーカップ３０と、ファラデーカップ３０において捕集された微粒子の帯電量を測定するエレクトロメータ４０とからなる。
ファラデーカップ３０は、外部容器３１と内部容器３２とからなる二重の金属容器として構成される。外部容器３１と内部容器３２とには、外部から微粒子群を導入するための導入部３３が設けられ、また内部容器３２には導入部３３から導入された微粒子群を沈積させるためのフィルタ３４が取り付けられている。フィルタ３４は、リード線３５を介してファラデーカップ３０の外部に設けられたエレクトロメータ４０に接続されている。
【００２５】
このようなＦＣＥ５によれば、所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群はファラデーカップ３０の導入部３３を介して導入され、内部容器３２内に取り付けられたフィルタ３４上に沈積する。そして、フィルタ３４上に沈積した微粒子の帯電量は、リード線３５に流れる電流値ｉとしてエレクトロメータ４０により測定される。
【００２６】
なお、測定された電流値ｉと微粒子の個数濃度Ｎとの間には下記式（３）により表される関係がある。
Ｎ＝ｉ／（ｎ・ｅ・ｑ）  ・・・（３）
ここで、ｎは微粒子の電荷量、ｅは電気素量（１．６×１０−１９クーロン）、ｑは導入される気体の流量である。
【００２７】
よって、式（３）から、所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群における粒子数が気体の流量ｑに基づいて決定されることになる。
【００２８】
ところで、微粒子分析装置４０は、ＤＭＡ３により分級された所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群をＩＣＰ−ＭＳ４に導くための質量分析計側配管６１と、ＤＭＡ３により分級された所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群をＦＣＥ５に導くための計数計側配管６２とを備える。図５は、質量分析計側配管６１と計数計側配管６２との構成を示す斜視図であり、図６は、質量分析計側配管６１と計数計側配管６２との構成を示す断面図である。
【００２９】
計数計側配管６２は、例えば直径０．６３５ｃｍ（流通断面積Ｑ２）、長さ４０ｃｍの一直線の円管状の配管であり、中心軸が水平方向となるように配置されている。そして、計数計側配管６２の一端部は、ＤＭＡ３のスリット１３と接続されるとともに、計数計側配管６２の他端部は、ＦＣＥ５の導入部３３に接続されている。これにより、所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群が計数計側配管６２の内部を左方から右方に向かって流通するようになっている。なお、計数計側配管６２の長さは、微粒子群が内壁面に吸着を起こさないように短いほうが好ましい。
【００３０】
質量分析計側配管６１は、例えば直径０．１５９ｃｍ（流通断面積Ｑ１）、長さ２ｃｍの９０°に折れ曲がった円管状の配管（例えばキャピラリ管）であり、中心軸が水平方向となった後、中心軸が垂直方向となるように配置されている。そして、質量分析計側配管６１の一端部である導入口は、計数計側配管６２の中心軸と導入口の中心軸とが一致するように、計数計側配管６２の内部に配置され、質量分析計側配管６１の他端部は計数計側配管６２の壁を貫通した後、ＩＣＰ−ＭＳ４の高周波誘導結合プラズマ部２０に接続されている。また、質量分析計側配管６１の一端部である導入口の壁の先端部は、質量分析計側配管６１における流通断面積Ｑ１を一定としつつ、尖っている。なお、質量分析計側配管６１の長さは、微粒子群が内壁面に吸着を起こさないように短いほうが好ましい。
【００３１】
これにより、計数計側配管６２の内部を左方から右方に向かって流通する微粒子群の一部が、質量分析計側配管６１の導入口から質量分析計側配管６１の内部に導入されて、質量分析計側配管６１の内部を流通するようになっている。このとき、質量分析計側配管６１の導入口から導入される粒子群の一部は、導入口の壁の先端部が質量分析計側配管６１における流通断面積Ｑを一定としつつ尖っているため、気体分子の流れの乱れ等の影響を受けずに質量分析計側配管６１の内部を流通していくことになる（図６参照）。
一方、質量分析計側配管６１の導入口から導入されず質量分析計側配管６１の外壁面と計数計側配管６２の内壁面との間を流通する微粒子群は、計数計側配管６２における流通断面積Ｑ２が質量分析計側配管６１における流通断面積Ｑ１より１６倍以上大きいので、計数計側配管６２の内部での気体分子の流れの乱れ等の影響をあまり受けずに計数計側配管６２の内部を流通していくことになる（図６参照）。
【００３２】
コンピュータ５０はＣＰＵ５１を備え、ＣＰＵ５１が処理する機能をブロック化して説明すると、ＤＭＡ３を制御するＤＭＡ制御部５１ａと、ＩＣＰ−ＭＳ４を制御するとともにＩＣＰ−ＭＳ４から信号を取得するＩＣＰ−ＭＳ制御部５１ｂと、ＦＣＥ５を制御するとともにＦＣＥ５から信号を取得するＦＣＥ制御部５１ｃとを有する。
【００３３】
ＩＣＰ−ＭＳ制御部５１ｂは、ＩＣＰ−ＭＳ４からの信号を用いて、データ解析を行い、所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群における成分とその成分の量を算出する制御を行う。
ＦＣＥ制御部５１ｃは、ＦＣＥ５からの信号を用いて、式（３）から、所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群における粒子数を算出する制御を行う。
【００３４】
このとき、導入口配置位置からＩＣＰ−ＭＳ４の検出器２４に所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群が到達するまでにかかる時間Ｔ１と、導入口配置位置からＦＣＥ５のフィルタ３４に所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群が到達するまでにかかる時間Ｔ２とが同じになるように、質量分析計側配管６１の長さと計数計側配管６２の長さとを調整している。例えば、質量分析計側配管６１の長さと計数計側配管６２の長さとを、基準試料を用いて実験的に調整している。よって、ＣＰＵ５１において、ＦＣＥ５で得られた信号と、ＩＣＰ−ＭＳ４で得られた信号とに時間的な差を持たせないようにしている。
【００３５】
以上のように、微粒子分析装置４０によれば、ＤＭＡ３により分級された所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群をＩＣＰ−ＭＳ４とＦＣＥ５とで同時に測定した上で、所定の粒子径Ｄｐを非常に小さいものとしても、所定の粒子径Ｄｐを有する微粒子群の成分の量を精度よく測定することができる。
【００３６】
＜他の実施形態＞
（１）上述した微粒子分析装置４０では、計数計側配管６２は一直線の円管状の配管であるとともに、質量分析計側配管６１は９０°に折れ曲がった円管状の配管である構成を示したが、計数計側配管が９０°に折れ曲がった円管状の配管であるとともに、質量分析計側配管が一直線の円管状の配管である構成としてもよい。
【００３７】
（２）上述した微粒子分析装置４０では、荷電装置２にて微粒子群をコロナ放電又は放射線源により帯電させている構成を示したが、荷電装置２における帯電の方法はこのようなものに限定されるものではなく、微粒子群を帯電させるための既存の各種の方法を採用してもよい。
【００３８】
（３）上述した微粒子分析装置４０では、微粒子の質量分析はＩＣＰ−ＭＳ４により行われている構成を示したが、これ以外にも、従来から広く知られた各種の質量分析法を用いる構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、大気等の雰囲気中に浮遊する粉塵やミスト等の微粒子群を分析する微粒子分析装置等に使用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
２  荷電装置
３  ＤＭＡ（分級器）
４  ＩＣＰ−ＭＳ（質量分析計）
５  ＦＣＥ（計数計）
４０  微粒子分析装置
６１  質量分析計側配管
６２  計数計側配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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