JPH10334847A - 光イオン化質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光イオン化質量分析装置の全検出効率の向上を
図る。 【解決手段】レーザビームを、集光機能を有する第１の
光学素子を通過させて試料上で集光した後、集光機能を
有する第２の光学素子を通過させ、入射光を光軸に垂直
な方向へ変位させて反射する機能を有する第３の光学素
子により反射させ、上記第２の光学素子により再び上記
試料上で集光した後、上記第１の光学素子を通過させ、
入射光を光軸に垂直な方向へ変位させて反射させる機能
を有する第４の光学素子により反射させ、上記第１，第
２，第３，第２，第１，第４の光学素子によって、その
度に試料上で集光させることを複数回繰り返し、最後に
上記いずれかの光学素子を通過せずに外に出す光学系を
用いて中性粒子をイオン化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光イオン質量分析装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、試料中の元素の種類の決定に
使用される測定装置として質量分析装置があり、そのな
かで、試料にイオンビームを照射することによりスパッ
タされる中性粒子をレーザ光によりイオン化し、生成す
るイオンを質量分析する光イオン化質量分析装置が知ら
れている。この光イオン化質量分析法は、試料にイオン
ビームを照射する際、試料より放出される中性粒子が同
時に試料より放出される二次イオンに比べて数が少なく
とも二，三桁多いため、二次イオンの質量スペクトルを
測定することにより元素の種類を決定する二次イオン質
量分析法に比べて感度が格段に向上することが期待され
ている。

【０００３】図２は従来の光イオン化質量分析装置の原
理を説明する図である。以下でその原理を説明する。分
析試料１にイオンガン２から射出される一次イオンビー
ム３を照射すると、分析試料１より中性粒子４と二次イ
オン５が放出される。中性粒子４に、レーザ装置６より
レーザビーム７を照射させると中性粒子４が光励起によ
りイオン化され、光イオン８が生成する。光イオン８を
質量分析計９に導入し質量スペクトルを測定することに
より、試料１の質量分析を行う。

【０００４】光イオン化質量分析法では、スパッタされ
た中性粒子にレーザビームを照射させてイオン化を行う
が、中性粒子を１光子のみでイオン化して高感度の分析
を行うには現在市販されているレーザでは出力不足であ
る。そこで、中性粒子をレーザ光により、一つ、ない
し、複数の励起状態をへて段階的にイオン化する、つま
り、中性粒子を多光子イオン化する方法がとられてい
る。このとき高感度分析が可能であると期待されるレー
ザ出力を得るためには、連続発振のレーザでは全く出力
が足りないため、尖頭出力の高いパルス発振のレーザが
用いられている。

【０００５】ところで、光イオン化質量分析法では、そ
の検出効率は、試料面より放出された中性粒子のうちレ
ーザ照射を受ける割合（レーザ照射率），レーザ照射を
受けた中性粒子のうちレーザ光によりイオン化される割
合（イオン化効率）、および、イオン化された中性粒子
のうち質量分析計に検出される割合の積によって与えら
れる。パルスレーザを使用した場合、レーザビームの直
径が大きくなるとレーザ照射率が増大するが、レーザビ
ームの出力密度が低下するためイオン化効率が減少する
ので、最適なレーザビームの直径のときに分析の検出効
率が最大になることが知られている。しかし、分析対象
の元素の種類によっては、現在市販されている最高出力
のパルスレーザを用いてレーザビーム径を最適値にとっ
ても、なお出力が十分でないため高い検出効率を得るこ
とが困難な状況にある。

【０００６】上記問題点に対して以下の三つの方法が考
案されてきた。

【０００７】一番目の方法（特開昭62−170841号公報）
を図３で説明すると、試料１より放出された中性粒子４
を内壁が反射率の高い物質でコーティングされたイオン
化室２９に貫通させ、イオン化室２９のレーザの入射孔
３０よりレーザ光７を入射させる。この方法では、レー
ザ光がイオン化室２９の内壁により繰り返し反射するの
でレーザ照射を受ける中性粒子の数が増大し、生成する
光イオンの割合が増加する。

【０００８】二番目の方法（特開平2−119040 号公報）
を図４で説明すると、レーザ共振器を構成する２枚の全
反射ミラー３８と４０の間に光イオン化の領域３３を設
け、レーザ共振器内部のレーザ光７を光イオン化に利用
する。この方法では、全反射ミラー１枚と一部透過ミラ
ー１枚からなるレーザ共振器から一部透過ミラーを通じ
てレーザ光を取り出して光イオン化に利用していた従来
の方法に比べて、利用されるレーザ光の強度が格段に高
い。また共振器ミラーによる損失が小さいため複数回の
レーザ光の往復でレーザ光が減衰しにくいのでパルス幅
が長い。したがって、生成する光イオンの数が増大す
る。

【０００９】三番目の方法（特開平3−165447 号公報）
を図５で説明すると、レーザ装置６とチャンバ４２の間
に表面からの入射については透過、裏面からの入射につ
いては反射となるハーフミラー４１を表面がレーザ装置
６に向くように配置し、また、チャンバ４２を挟んで反
射ミラー４０をハーフミラー４１と対向させて配置す
る。この方法では、ハーフミラー４１と反射ミラー４０
との間でレーザ光が繰り返し往復するので、中性粒子の
レーザ照射を受ける割合が増え、生成する光イオンの数
が増大する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】検出効率向上を目的と
した図３，図４，図５で示される上記従来例には以下の
ような問題点がある。

【００１１】図３の従来例では、レーザ光は内壁による
反射のたびに異なる経路を通り、レーザ光は広い空間的
領域を広い時間幅にわたって通過する。そのため、質量
分析計のなかでイオン透過率がもっとも高い飛行時間型
質量分析計を使用する場合、イオンの生成時間幅に広が
りがある上に、イオン化領域が広範囲にわたるため、生
成イオンの飛行時間のばらつきが大きくなり質量分解能
が極めて悪くなる。

【００１２】図４の従来例では、レーザ装置の内部に光
イオン化質量分析装置を組み込むのは容易なことでな
く、現実的ではない。

【００１３】図５の従来例では、ハーフミラー４１と反
射ミラー４０をレーザ光の光軸に垂直に配置した場合、
レーザ光の通過位置が一定するが、ハーフミラー４１か
らの戻り光によりレーザ装置６が損傷を受けてしまうと
いう問題点がある。ハーフミラー４１をレーザ光の光軸
に垂直にならないように配置した場合、上記の問題は生
じないが、イオンの生成時間幅に広がりがある上に、レ
ーザ光の通過位置が一定せず、イオン化の領域が広範囲
にわたるため、飛行時間型質量分析計を使用する場合に
は質量分解能が極めて悪くなる。

【００１４】本発明の目的は、上記課題を解決するため
に考案されたもので、レーザ光を直線上で往復させるこ
とによって生じる上記問題点を有さず、検出効率の向上
を図ることのできる光イオン化質量分析装置を提供する
ことにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明では、イオンビー
ムを試料に照射することによって生成する中性粒子にレ
ーザ装置からのレーザ光を照射してその中性粒子をイオ
ン化し、生成するイオンを質量分析計に導き質量分析す
る光イオン化質量分析装置において、レーザビームが集
光機能を有する第１の光学素子を通過し上記試料上で集
光した後、集光機能を有する第２の光学素子を通過し、
レーザビームを入射光の光軸から少なくとも光軸に垂直
な方向へ変位させて反射させる機能を有する第３の光学
素子により反射され、上記第２の光学素子により再び上
記試料上で集光後、上記第１の光学素子を通過し、レー
ザビームを入射光の光軸から少なくとも光軸に垂直な方
向へ変位させて反射させる機能を有する第４の光学素子
により反射され、再び、上記第１，第２，第３，第２，
第１，第４の光学素子をへて、その度に試料上で集光さ
せることを複数回繰り返し、最後に上記いずれかの光学
素子を通過せずに外に出ていくように構成したことを特
徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
を示す光イオン化質量分析装置の装置構成図である。試
料１の斜め上方には、試料１の表面にスパッタ用のパル
ス一次イオンビーム３を照射するためのイオンガン２
が、試料１の直上には光イオン８を検出するための質量
分析計９が設置されている。４はパルス一次イオンビー
ム３を試料１の表面に照射したとき試料１の表面より放
出される中性粒子であり、５は同時に放出される二次イ
オンである。６はレーザ装置であり、ほぼ平行なパルス
レーザビーム７を放出する。１０，１３はそれぞれ２枚
の平面反射ミラーを直交させて結合させたものである。
１１，１２は集光機能を持つレンズであり、試料１上で
レーザビーム７が焦点を結ぶように、焦点距離が選ばれ
ている。

【００１７】上記第１の実施の形態におけるレーザビー
ムの伝播の仕方を図６をも参照しつつ説明する。レーザ
装置６から放出されたほぼ平行なレーザビーム７は、レ
ンズ１１へ中心を外れてレンズ１１の光軸に平行に入射
するように光路がとられており、上記レンズ１１によっ
て試料１上で集光され、レンズ１２によってほぼ平行な
ビームに戻される。上記レーザビーム７は、平面反射ミ
ラーを２枚直交させて結合させたもの１３により光軸に
垂直な方向へ変位して反射され、レンズ１２によって試
料１上で集光され、レンズ１１によってほぼ平行なビー
ムに戻される。

【００１８】レンズ１１を通過したレーザビーム７は、
平面反射ミラーを２枚直交させて結合させたもの１０に
よって光軸に垂直な方向へ変位して反射され、再びレン
ズ１１に入射される。このとき、上記反射ミラーを２枚
直交させて結合させたもの１０と１３は、上記レンズ１
１，１２の光軸に平行なビームを光軸に平行に反射させ
るので、図６のように上記反射ミラーを２枚直交させて
結合させたもの１０と１３の二つが同時に上記２枚のレ
ンズ１１，１２の中心を通る直線上にない場合、レーザ
ビーム７は試料１上を一往復した後、初めにレーザビー
ム７がレンズ１１に入射したときの位置よりずれた位置
で、レンズ１１の光軸に平行に入射する。

【００１９】したがって、これらの集光，反射，集光，
反射は、レーザビーム７がいずれかの光学素子を通過せ
ず、光学系の外に出ていくまで繰り返される。しかも、
レンズの球面収差を無視し、レーザビームが厳密に平行
なビームであるとしたら、レンズの光軸に平行に入射し
た平行ビームはレンズのどの位置に入射しても同じ点に
集光するので、レーザビーム７は試料１上を通過するた
びに同じ点に集光される。

【００２０】実際には、レーザビーム７は有限のビーム
径をもつため、有限の大きさの発散角か収束角をもつの
で、レンズを通過後の集光点は平行ビームが入射する場
合の集光点よりずれる。例えば、レーザビーム７がわず
かな角度で発散している場合、平行な場合の集光点より
レンズから遠い位置に集光されるので、レーザビーム７
は試料１上を通過するたびに、集光点がずれる。しか
し、上記各光学素子の配置、特に、向きを調整すること
によって、上記レーザビーム７が上記試料１の上である
一つの直線の近くに集光させることができるし、また、
ほぼ同一直線上に集光させることもできる。また、当然
のことながら、レーザビーム７の往復の度に光路がずれ
るので、レーザビームが光路を逆行するようなこともな
い。

【００２１】以上のように構成した第１の実施の形態の
作用を述べる。レーザ光はレンズによって集光させても
光の回折性のため集光点付近で有限の大きさのビームウ
ェストができる。そのため、反射ミラーを２枚直交させ
て結合させたもの１０と１３の間の距離がレーザのパル
ス幅の時間内に光が進む距離に比べて短いときには、レ
ーザビーム７の集光点の位置が試料１上を通過するたび
に変わっても、それがある直線の近くにあるか、ほぼ同
一直線上にある場合には、レーザビーム７は試料１上で
パルスが重なるか、ビームが近接しあう。

【００２２】これはパルスを往復させない従来の場合よ
り光の強度が増大するかレーザビーム径が大きくなるこ
とを意味するので、イオン化効率かレーザ照射率が大き
くなる。したがって、検出効率が大幅に向上する上に、
従来の場合と違って光イオンの生成位置が一定するの
で、質量分析計として飛行時間型質量分析計を利用する
とき、従来より質量分解能が向上することになる。ま
た、レーザビーム７が逆行することがないのでレーザ装
置を損傷してしまうという問題点もない。

【００２３】第２の実施の形態は、図７で示されてお
り、第１の実施の形態との違いは、平面反射ミラーを直
交させて結合させたもの１０，１３のかわりに直角プリ
ズム１４，１５を用いている点である。直角プリズムは
入射光を平行にシフトして折り返すので、この実施の形
態においても、第１の実施の形態と同じ作用がある。

【００２４】第３の実施の形態は、図８で示されてお
り、平面反射ミラーを直交させて結合させたもの１０，
１３や直角プリズム１４，１５のかわりに放物柱面ミラ
ーを組み合わせたものを用いたものである。１６，１７
は、図９で説明するように、それぞれ、その垂直断面が
焦点１８と軸２０を共有する二つの放物線２２，２３に
なる２枚の放物柱面ミラーを２枚組み合わせたもの、お
よび、その垂直断面が焦点１９と軸２１を共有する二つ
の放物線２４，２５になる２枚の放物柱面ミラーを２枚
組み合わせたものである。１６，１７はそれぞれの焦点
１８，１９がレンズ１１，１２の中心を通る直線上にあ
り、上記各光学素子の間隔は焦点１８を仮想点光源とし
て光を発したとき、点２６および焦点１９で集光される
ような間隔になっているものとする。また、レーザ装置
６はレーザビーム７があたかも焦点１８を点光源にして
放射状に出たかのように伝播してレンズ１１に入射する
ように配置されている。

【００２５】上記第３の実施の形態におけるレーザビー
ムの伝播の仕方を図８，図９で説明する。レーザビーム
７はレンズ１１によって試料１上の一点２６で集光さ
れ、レンズ１２によってあたかも焦点１９に集光するか
のように収束しながら２枚の放物柱面ミラーを２枚組み
合わせたもの１７に入射する。ところで、放物線には、
焦点を通る直線の放物線による反射によって得られる直
線が放物線の軸に平行になるという性質がある。この性
質のため、レーザビーム７は２枚の放物柱面ミラーを２
枚組み合わせたもの１７によって、あたかも焦点１９を
点光源とするかのように発散しながら反射される。この
レーザビーム７はレンズ１２によって、試料１上の点２
６で集光され、レンズ１１によってあたかも焦点１８に
集光するかのように収束しながら２枚の放物柱面ミラー
を２枚組み合わせたもの１６に入射する。そして、１７
での反射と同様にして、１６での反射によって、あたか
も点光源１８から出たかのように発散しながらレンズ１
１に入射する。

【００２６】このとき、第１の実施の形態と同様に、２
枚の放物柱面ミラーを２枚組み合わせたもの１６，１７
のそれぞれの結合部の両方が同時に二つの焦点１８，１
９を通る直線上にない場合、レーザビーム７が一往復し
た後のレンズ１１への入射点は初めにレーザビーム７が
入射したときの入射点よりずれる。したがって、これら
の集光，反射，集光，反射は、レーザビーム７がいずれ
かの光学素子を通過せず、光学系の外に出ていくまで繰
り返される。しかも、第１の実施の形態と違って、レー
ザビームはいつでも一点２６に集光する。よって、この
場合にも第１，第２の実施の形態と全く同じ作用があ
る。

【００２７】第１，第２，第３の実施の形態では、レー
ザビーム７をレンズ１１，１２によって試料１上で集光
させるとしているが、図１０のように、レンズ１１，１
２のかわりにレーザビーム７が試料１上で集光するよう
に焦点距離が選ばれた凹面ミラー２７，２８を用いても
よい。この場合でも、第１，第２，第３の実施の形態と
同じ作用がある。

【００２８】また、上記実施の形態において、平面反射
ミラーを２枚結合させたもの１０，１３や放物柱面ミラ
ーを２枚結合させたもの１６，１７にレーザビームが通
過するように開口部を設けてもよい。さらに、平面反射
ミラーを２枚組み合わせたもの，放物柱面ミラーを２枚
組み合わせたもの，直角プリズムから二つを使って光学
系を構成してもよい。この場合にも、上記実施の形態と
全く同じ作用がある。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればレ
ーザ装置から放出されたパルスレーザビームは、試料上
でパルスが重なり合い、光の強度が増してイオン化効率
が増大するか、実効的なビーム幅が大きくなりレーザ照
射率が増大するかによって、全検出効率が向上して、分
析感度がよくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す装置構成図。

【図２】光イオン化質量分析装置の原理を説明する図。

【図３】光イオンの数を増大することを試みた従来の一
例を示す構成図。

【図４】光イオンの数を増大することを試みた従来の一
例を示す構成図。

【図５】光イオンの数を増大することを試みた従来の一
例を示す構成図。

【図６】本発明の一実施の形態におけるレーザビームの
伝播を示す説明図。

【図７】本発明の一実施の形態を示す装置構成図。

【図８】本発明の一実施の形態を示す装置構成図。

【図９】本発明の一実施の形態におけるレーザビームの
伝播を示す説明図。

【図１０】本発明の一実施の形態を示す装置構成図。

【符号の説明】

１…試料、２…イオンガン、３…一次イオンビーム、４
…中性粒子、５…二次イオン、６…レーザ装置、７…レ
ーザビーム、８…光イオン、９…質量分析計、１０，１
３…反射ミラー、１１，１２…レンズ、１４，１５…直
角プリズム、１６，１７…２枚の放物柱面ミラー、２
７，２８…凹面ミラー。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオンビームを試料に照射することによっ
   て生成する中性粒子にレーザ装置からのレーザ光を照射
   してその中性粒子をイオン化し、生成するイオンを質量
   分析計に導き質量分析する光イオン化質量分析装置にお
   いて、レーザビームが集光機能を有する第１の光学素子
   を通過し上記試料上で集光した後、集光機能を有する第
   ２の光学素子を通過し、レーザビームを入射光の光軸か
   ら少なくとも光軸に垂直な方向へ変位させて反射させる
   機能を有する第３の光学素子により反射され、上記第２
   の光学素子により再び上記試料上で集光後、上記第１の
   光学素子を通過し、レーザビームを入射光の光軸から少
   なくとも光軸に垂直な方向へ変位させて反射させる機能
   を有する第４の光学素子により反射され、再び、上記第
   １，第２，第３，第２，第１，第４の光学素子をへて、
   その度に試料上で集光されることを複数回繰り返し、最
   後に上記いずれかの光学素子を通過せずに外に出ていく
   ような光学系を具備したことを特徴とする光イオン化質
   量分析装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の光イオン化質量分析装置に
   おいて、上記第４の光学素子と上記第３の光学素子の間
   隔の２倍が上記レーザビームのパルス幅の時間内に光が
   進む距離に比べて短い光学系を具備したことを特徴とす
   る光イオン化質量分析装置。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の光イオン化質量分
   析装置において、上記第３，第４の光学素子として、２
   枚の平面反射ミラーを直交させたものを用いた光学系を
   具備したことを特徴とする光イオン化質量分析装置。
4. 【請求項４】請求項１または２記載の光イオン化質量分
   析装置において、上記第３，第４の光学素子として、そ
   の垂直断面が軸および焦点が共通で向きがお互いに逆で
   頂点における曲率の大きさが異なる二つの放物線になる
   もので、反射面が２枚の放物柱面の凸面から構成される
   反射ミラーを用い、そのある一つの垂直断面である放物
   線の焦点、および、第１，第２の光学素子の中心がほぼ
   一直線上にある光学系を具備したことを特徴とする光イ
   オン化質量分析装置。
5. 【請求項５】請求項１または２記載の光イオン化質量分
   析装置において、上記第３，第４の光学素子として、直
   角プリズムを用いた光学系を具備したことを特徴とする
   光イオン化質量分析装置。
6. 【請求項６】請求項１または２記載の光イオン化質量分
   析装置において、上記第３，第４の光学素子として、２
   枚の平面反射ミラーを直交させたもので、レーザビーム
   を通過させるための開口を設けたものを用いた光学系を
   具備したことを特徴とする光イオン化質量分析装置。
7. 【請求項７】請求項１または２記載の光イオン化質量分
   析装置において、上記第３，第４の光学素子として、そ
   の垂直断面が軸および焦点が共通で向きがお互いに逆で
   頂点における曲率の大きさが異なる二つの放物線になる
   もので、反射面が２枚の放物柱面の凸面から構成され、
   レーザビームを通過させる開口を設けた反射ミラーを用
   い、そのある一つの垂直断面である放物線の焦点、およ
   び、第１，第２の光学素子の中心がほぼ一直線上にある
   光学系を具備したことを特徴とする光イオン化質量分析
   装置。
8. 【請求項８】請求項１または２記載の光イオン化質量分
   析装置において、上記第３，第４の光学素子として、請
   求項３，４，５，６，７のいずれかで用いられる開口の
   ある反射ミラーか，開口のない反射ミラーか，直角プリ
   ズムのいずれかの光学素子を２種類用いた光学系を具備
   したことを特徴とする光イオン化質量分析装置。
9. 【請求項９】請求項１〜８のいずれか記載の光イオン化
   質量分析装置において、上記第１，第２の光学素子とし
   て、レンズを用いた光学系を具備したことを特徴とする
   光イオン化質量分析装置。
10. 【請求項１０】請求項１〜８のいずれか記載の光イオン
    化質量分析装置において、上記第１，第２の光学素子と
    して、凹面ミラーを用いた光学系を具備したことを特徴
    とする光イオン化質量分析装置。