JP6292565B2 - 粒子分析方法および粒子分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、加速された１次粒子を試料に照射した際に、試料から放出される、分析対象となる２次粒子を分析する粒子分析法および粒子分析装置に関するものである。

加速された１次粒子を試料に照射した際に、試料から放出される２次粒子を分析する方法としては、例えば、２次イオン質量分析器法、スパッタ中性粒子質量分析法等があり、半導体産業、医薬品産業、材料製造産業等、広く産業界で利用されている。２次粒子分析の際、粒子に電荷を与え、一定距離飛行させた際の飛行時間を測定する飛行時間分析法は、多くの粒子を同時に高感度で分析することが可能な分析法であり、飛行時間型（Time-of-flight：TOF）質量分析器として広く利用されている。

ＴＯＦ質量分析器は、測定対象粒子に同じ運動エネルギーを与え、その運動エネルギーにより分析器中で飛行している分析対象粒子が分析器内を通過するために要する時間を測定することで、当該粒子の質量分析を行う装置である。測定対象粒子に適切な飛行速度を持たせる必要があるため、例えば、飛行時間型２次イオン質量分析を行う場合は、１次粒子の試料への衝突により生成した２次イオンに適切なポテンシャルをかけて速度を与える。

スパッタ中性粒子質量分析では、レーザーや電子線等を照射することで、１次粒子の試料への衝突によりスパッタされた中性粒子をイオン化後、ポテンシャルをかけて速度を与える。分析対象粒子の飛行方式により、粒子がほぼ直線状に飛行する直線型、粒子をリフレクターにより反射させる反射型、静電型アナライザーと組み合わせて分解能を高めた方式等、さまざまなバリエーションがある。

分析器内を粒子が飛行する時間（△Ｔ）を測定するためには、測定対象粒子が分析器に入った時刻（Ｔ_１）と、粒子が分析器を通過し終わった時刻（Ｔ_２）とを測定する必要がある。分析器を通過し終わった時刻（Ｔ_２）は、分析器の出口に粒子検出器を設置し、粒子が検出器に到達した時に得られる検出信号により測定できる。測定対象粒子が分析器に入った時刻（Ｔ_１）の測定に関して、１次粒子ビームをパルス化装置によりパルスビーム化し、パルス化の際に使用するパルスジェネレータの信号等を使用する方法が広く用いられている。また、１次粒子が試料に衝突する際に、試料の照射面側から高い確率で放出される２次電子の検出信号を使用する方法も用いられる場合がある。

これらの方法で得られた、測定対象粒子が分析器に入った時刻（Ｔ_１）と、粒子が分析器を通過し終わった時刻（Ｔ_２）に関係する信号の時間差とから飛行時間を求める。このように、分析器内を粒子が飛行する時間（△Ｔ）を測定するためには、測定対象粒子が分析器に入った時刻（Ｔ_１）を測定する必要があり、そのために、１次粒子ビームをパルス化装置によりパルスビーム化したり、１次粒子が試料に衝突する際に試料の照射面側から放出される２次電子を検出したりする必要がある。

D.ブリッグス、M. P. シーア編、志水隆一、二瓶好正 監訳、「表面分析：SIMS −二次イオン質量分析法の基礎と応用―」、２００３年７月１０日第１版第１刷発行、アグネ承風社、第８１頁〜８８頁 Physical Review A、63 (2001) 022902

１次粒子ビームをパルス化する方法として、例えば、非特許文献１に開示された方法が広く用いられている。この方法では、パルスジェネレータ等により制御された電源によって電位の時間変化を制御された平行平板電極の中心部に、電荷を持った１次粒子ビームを通す。そして、平行平板電極の電位制御により１次粒子ビーム軌道を曲げることで、ビーム軌道が平行平板電極の下流に設置されたスリットを瞬間的に横切り、１次粒子ビームをパルス化する。この方法の場合、十分検討されたパルス化装置が必要になる。また、高精度で２次粒子を分析するためには、△Ｔをより精度よく測定する必要があるため、極めてパルス幅短い１次粒子パルスビームを用いる必要がある。したがって、パルス化１次粒子ビームを用いるためには、１次粒子ビームのコリメートの他、制御・調整方法等、精密で複雑な装置とその運用が必要になる。

また、１次粒子ビームのパルス化を必要としない方法として、１次粒子が試料に衝突する際に、試料の照射面側から高い確率で放出される２次粒子の一つである２次電子を検出し、その検出信号を測定対象粒子が分析器に入った時刻として使用する方法がある（非特許文献２）。この方法では、測定対象粒子が分析器に入った時刻を得るために、２次粒子中の２次電子を検出し、その検出信号を適切な方法で分離する必要がある。そのためには、まず、負電荷を試料表面から引き出して正電荷を試料に押し戻す方向の電場をかける必要がある。しかしながら、正２次イオンのように正電荷を持っている２次粒子を分析する場合、正電荷を持つ２次粒子を試料表面から引き出すために、２次電子のような負電荷を試料に押し戻す方向の電場、すなわち、２次電子を試料表面から引き出す電場とは逆方向の電場をかける必要があり、実際上、正電荷を持つ２次粒子の分析が困難となる。このように、パルス化装置のような精密で複雑な装置とその運用を必要としない簡便な装置で、様々な２次粒子分析を行うことは困難であった。

本発明の目的は、１次粒子のパルス化装置のような精密で複雑な装置とその運用を必要としない簡便な装置で、これまで困難であった様々なタイプの２次粒子を高感度・高効率で分析することを可能とする粒子分析法および粒子分析装置を提供することにある。

本発明では、「分析対象となる粒子が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子あるいは光子」を検出した信号、「当該粒子あるいは光子を試料とは別の物質に衝突させることで当該物質より放出される粒子あるいは光子」を検出した信号、または、これらの検出信号の組み合わせ使用することで、１次粒子のパルス化装置のような精密で複雑な装置とその運用を必要としない簡便な装置で、正電荷や負電荷等の様々なタイプの２次粒子を高感度・高効率で分析することを可能とする方法および装置を提供するものである。

すなわち、本発明によれば、「分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子あるいは光子」を検出した信号、「当該粒子あるいは光子を試料とは別の物質に衝突させることで当該物質より放出される粒子あるいは光子」を検出した信号、または、これらの検出信号の組み合わせを使用することで、１次粒子ビームのパルス化を用いることなく、「分析対象となる粒子」が分析器に入った時刻と関連した信号を得ることができる。

また、試料の照射面側から放出される２次電子を検出し、その検出信号を測定対象粒子が分析器に入った時刻として使用する方法とは異なり、本発明によれば、「分析対象となる粒子」を試料表面から分析器に導く電場等のポテンシャル場と、その粒子が分析器に入った時刻と関連した信号を得るために必要なポテンシャル場を、分離して個別に設定可能である。したがって、分析対象となる粒子を引き出す電場を自由に設定できるため、正電荷や負電荷等の様々なタイプの２次粒子分析を行うことが可能となる。

本発明によれば、１次粒子のパルス化装置のような精密で複雑な装置とその運用を必要としない簡便な装置で、これまで困難であった正電荷や負電荷等の様々なタイプの２次粒子を高感度・高効率で分析することができる。

本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

粒子分析装置の一実施例を示す模式図である。 粒子分析装置における分析の流れを説明する図である。 分析の第１の例を示す模式図である。 分析の第２の例を示す模式図である。 分析の第３の例を示す模式図である。 分析の第４の例を示す模式図である。 １次粒子として１２０ ｋｅＶ および５４０ ｋｅＶのエネルギーを持つＣ_６０イオン（炭素原子を６０個集まった荷電粒子集団）を炭素薄膜に照射した場合の、実施例に係る粒子分析装置で得られた負電荷を持つ２次イオンスペクトルである。 １次粒子として１．５ ＭｅＶのＣ_８イオン（炭素原子が８個集まった荷電粒子集団）および２．０ ＭｅＶのＣ_４イオン（炭素原子が４個集まった荷電粒子集団）を炭素薄膜に照射した場合の、実施例に係る粒子分析装置で得られた負電荷を持つ２次イオンスペクトルである。 １次粒子として１２０ ｋｅＶ および５４０ ｋｅＶのエネルギーを持つＣ_６０イオン（炭素原子を６０個集まった荷電粒子集団）を炭素薄膜に照射した場合の、実施例に係る粒子分析装置で得られた正電荷を持つ２次イオンスペクトルである。 １次粒子として１．５ ＭｅＶのＣ_８イオン（炭素原子が８個集まった荷電粒子集団）および２．０ ＭｅＶのＣ_４イオン（炭素原子が４個集まった荷電粒子集団）を炭素薄膜に照射した場合の、実施例に係る粒子分析装置で得られた正電荷を持つ２次イオンスペクトルである。 １次粒子として５．０ ＭｅＶのＣ_６０イオン（炭素原子が６０個集まった荷電粒子集団）および４．０ ＭｅＶのＣ_８イオン（炭素原子が８個集まった荷電粒子集団）を炭素薄膜に照射した場合の、実施例に係る粒子分析装置で得られた正電荷を持つ２次イオンスペクトルである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。

図１は、粒子分析装置の一実施例を示す模式図である。粒子分析装置１００は、粒子源１０と、分析マグネット１１と、加速管１２と、コリメータ１３と、ＴＯＦ管（飛行時間型質量分析器）１４と、第１検出器１５と、第２検出器１６と、プレアンプ１７と、粒子計数システム１８と、電位制御部１９とを備える。また、粒子計数システム１８は、コンピューター２０に接続されている。電位制御部１９は、試料２１、ＴＯＦ管１４、及び、第２検出器１６に接続されている。これにより、電位制御部１９は、試料２１とＴＯＦ管１４との間のポテンシャル場、及び、試料２１と第２検出器１６との間のポテンシャル場を制御することが可能である。

図１に示すように、粒子分析装置１００は、粒子源１０からの１次粒子３１を試料２１に入射し、試料２１の１次粒子照射面側の試料面から放出される「分析対象となる２次粒子」３２をＴＯＦ管１４内で一定距離飛行させ、その飛行時間の測定を行うものである。

試料２１は、例えば、高分子試料、生体高分子試料、生体材料、あるいは、これらの薄膜試料である。また、「分析対象となる２次粒子」３２は、２次的な荷電粒子や、生成した２次中性粒子に電荷を付与してできた荷電粒子等である。

具体的な装置の動きについて説明する。粒子源１０で発生され、分析マグネット１１を通って分離された特定の質量電荷比（ｍ／ｚ）を有する１次粒子３１は、加速管１２で加速され、コリメータ１３を通って細いビームとなり、試料２１に照射される。このように、加速管１２およびコリメータ１３は、１次粒子３１を試料２１に入射させる入射部として機能する。

１次粒子３１の入射によって試料２１の表面から放出された２次粒子３２は、電場等のポテンシャル場に導かれてＴＯＦ管１４に入射する。ポテンシャル場は、電位制御部１９によってＴＯＦ管１４の先端に電位をかけることにより設定される。ＴＯＦ管１４内を飛行した２次粒子３２は、第１検出器１５に入射して検出される。第１検出器１５における検出信号は、プレアンプ１７で増幅され、粒子計数システム１８に入力される。

このとき、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子または光子」３３は、電場等のポテンシャル場に導かれて第２検出器１６に入射する。ポテンシャル場は、電位制御部１９によって第２検出器１６に電位をかけることにより設定される。そして、第２検出器１６における検出信号は、粒子計数システム１８に入力される。粒子計数システム１８は、第１検出器１５における検出信号と第２検出器１６における検出信号から、分析対象となる２次粒子を計数する。

なお、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子または光子」３３は、例えば、電子、イオン、中性粒子、または、これらの組み合わせなどである。また、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子または光子」３３は、（i）試料２１を透過した１次粒子、（ii）１次粒子を構成していた粒子あるいは電荷を帯びた粒子、または、（iii）それらの粒子（すなわち、（i）、（ii）の粒子）から分離した粒子片あるいは電荷を帯びた粒子片でもよい。

なお、図１には、飛行時間型質量分析器として直線型の質量分析器を示したが、質量分析器の種類はこれに限られない。また、粒子計数システム１８としては、一例としてデジタルオシロスコープで構成してもよいが、他の構成でもよい。

次に、図２を用いて、一実施例における分析について説明する。試料２１の１次粒子照射面側の試料面から放出される「分析対象となる２次粒子」３２は、ＴＯＦ管１４内を飛行後、第１検出器１５によって検出される。この検出信号を「分析対象となる２次粒子の検出信号」（第１検出信号）４１とする。その際、「分析対象となる２次粒子」３２のＴＯＦ管１４内での飛行時間を測定するために、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子」３３を第２検出器１６によって検出する。この検出信号を、「分析対象となる２次粒子が分析器（ＴＯＦ管１４）に入った時刻と関連した検出信号」（第２検出信号）４２とする。

なお、「分析対象となる２次粒子」３２は、例えば、試料照射面側から放出される２次イオン、２次中性粒子、２次電子、または、これらの組み合わせである。また、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子」３３は、（i）２次電子、（ii）２次イオン、（iii）２次中性粒子、（iv）試料を透過した１次粒子、（v）１次粒子を構成していた原子、分子、電子等、（vi）試料の中で散乱された原子、分子、電子等、（vii）電磁波、（viii）これらの組み合わせ、などである。

図２に示すように、２次粒子（イオンの場合）の質量をｍ、電荷をｚとするとき、質量電荷比（ｍ／ｚ）の小さな２次粒子は飛行速度が速いため早く第１検出器１５に到達し、質量電荷比（ｍ／ｚ）の大きな２次粒子は飛行速度が遅いため遅れて第１検出器１５に到達する。粒子計数システム１８は、第１検出信号４１および第２検出信号４２を取り込み、第１検出信号４１と第２検出信号４２との時間差を測定する。粒子計数システム１８は、測定された時間差から「分析対象となる２次粒子」３２を分析する。例えば、粒子計数システム１８は、測定された時間差をプロットすることで、ＴＯＦスペクトルを得る。なお、粒子計数システム１８に蓄積されたデータは、コンピューター２０に送信され、コンピューター２０で解析処理が行われてもよい。

一実施例では、第１検出信号４１および第２検出信号４２を含む全ての信号を、粒子計数システム１８あるいはコンピューター２０の記憶媒体（メモリなど）に時系列的で保存する。具体的には、第１検出信号４１と第２検出信号４２との時間差を記憶媒体に取り込み、測定中および測定後に解析を行う。そのため、後から信号データから解析し直す（バックグランドの設定、ノイズ信号の除去、等）ことや、新たな解析（放出された２次粒子の組み合わせ、相関関係、等）を行うことも可能である。

次に、図３〜図６を用いて粒子分析装置の各種態様について説明する。なお、これらの図面では、試料２１、ＴＯＦ管１４、第１検出器１５、第２検出器１６のみを描画し、その他の装置の構成要素は省略している。

図３は、第１の例を示す模式図である。この例では、試料２１の１次粒子照射面側の試料面から放出される「分析対象となる２次粒子」３２を第１検出器１５によって検出し、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子」３３Ａを第２検出器１６によって直接検出する。図３の例は、図１または図２に記載した例と同様である。

図４は、第２の例を示す模式図である。この例では、試料２１の１次粒子照射面側の試料面から放出される「分析対象となる２次粒子」３２を第１検出器１５によって検出し、「試料を透過した１次粒子または１次粒子の破片」３３Ｂを第２検出器１６によって検出する。

図５は、第３の例を示す模式図である。この例では、試料２１の１次粒子照射面側の試料面から放出される「分析対象となる２次粒子」３２を第１検出器１５によって検出する。また、「試料を透過した１次粒子」３３Ｃを別の物質２２に衝突させることにより当該別の物質２２から放出される２次粒子または光子を第２検出器１６によって検出する。図５では、別の物質２２から放出される粒子が２次電子３３Ｄである例が示されている。

なお、別の物質２２は、粒子照射により２次粒子が放出しやすい材料であればよく、例えば、金属材料等である。なお、別の物質２２を発光体とし、透過した１次粒子を発光体に当てて、第２検出器１６によって発光体からの光を検出するようにしてもよい。

なお、図３〜図５の構成を組み合わせることも可能である。したがって、第２検出器１６によって検出する第２検出信号４２は、
（ａ）分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子または光子を、第２検出器１６によって直接検出した信号（図３および図４）、
（ｂ）分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子または光子を試料２１とは別の物質２２に衝突させて、当該別の物質２２より放出される粒子または光子を検出した信号（図５）、あるいは、
（ｃ）これらの信号の組み合わせ（図３〜図５）
のいずれかで構成されてよい。したがって、粒子計数システム１８は、第１検出器１５によって検出する第１検出信号４１と、（ａ）〜（ｃ）のいずれかの第２検出信号４２との時間差を測定するように構成される。

図６は、第４の例を示す模式図である。この例では、試料２１の裏面側に１次粒子３１を照射する。１次粒子照射面と反対側の試料面から放出される２次粒子を「分析対象となる２次粒子」３２として第１検出器１５によって検出する。また、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面（すなわち、１次粒子照射面）から放出される粒子」３３Ｅを第２検出器１６によって検出する。このように、１次粒子照射面と反対側の試料面から放出される２次粒子を「分析対象となる２次粒子」としてもよい。

図７は、１次粒子として１２０ ｋｅＶおよび５４０ ｋｅＶのエネルギーを持つＣ_６０イオン（炭素原子が６０個集まった荷電粒子集団）を炭素薄膜に照射した場合の、実施例に係る粒子分析装置で得られた負電荷を持つ２次イオンスペクトルを示す。また、図８は、１次粒子として１．５ ＭｅＶのＣ_８イオン（炭素原子が８個集まった荷電粒子集団）および２．０ ＭｅＶのＣ_４イオン（炭素原子が４個集まった荷電粒子集団）を炭素薄膜に照射した場合の、実施例に係る粒子分析装置で得られた負電荷を持つ２次イオンスペクトルを示す。

図７および図８の２次イオンスペクトルは、図３の例に対応する構成で得られたものである。図７および図８の例の場合、電位制御部１９によって第２検出器１６に電位をかけることによりポテンシャル場が設定される。すなわち、図２の第２検出信号を得るために、ポテンシャル場は、試料２１の１次粒子照射面と反対側から放出される粒子の中で負電荷を持つ粒子が第２検出器１６に導かれるように、設定されている。

図９は、１次粒子として１２０ ｋｅＶ および５４０ ｋｅＶのエネルギーを持つＣ_６０イオン（炭素原子を６０個集まった荷電粒子集団）を炭素薄膜に照射した場合の、実施例に係る粒子分析装置で得られた正電荷を持つ２次イオンスペクトルを示す。また、図１０は、１次粒子として１．５ ＭｅＶのＣ_８イオン（炭素原子が８個集まった荷電粒子集団）および２．０ ＭｅＶのＣ_４イオン（炭素原子が４個集まった荷電粒子集団）を炭素薄膜に照射した場合の、実施例に係る粒子分析装置で得られた正電荷を持つ２次イオンスペクトルを示す。

図９および図１０の２次イオンスペクトルは、図３の例に対応する構成で得られたものである。図９および図１０の例では、電位制御部１９によってＴＯＦ管１４の先端に電位をかけることによりポテンシャル場が設定される。図２の第１検出信号を得るために、ポテンシャル場は、試料照射面側から放出される正電荷を持った２次粒子が第１検出器１５に導かれるように、設定されている。その他は、図７および図８と同じ条件下である。

図１で説明したように、電位制御部１９は、ＴＯＦ管１４にかける電位と第２検出器１６にかける電位を互いに独立して設定することができる。図７〜図１０の例で説明したように、「分析対象となる２次粒子」３２を試料表面から分析器（ＴＯＦ管１４）に導く電場等のポテンシャル場と独立して、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子」を第２検出器１６に導くポテンシャル場を設定できる。したがって、例えば、「分析対象となる２次粒子」３２を試料表面から分析器に導く電場等のポテンシャル場のみを変えることで、正電荷や負電荷等の様々なタイプの２次粒子を分析することが可能である。

次に、試料の１次粒子照射面と反対側から放出される粒子の中で、試料２１を透過した１次粒子を第２検出器１６によって検出した例について説明する。図１１は、１次粒子として５．０ ＭｅＶのＣ_６０イオン（炭素原子が６０個集まった荷電粒子集団）および４．０ ＭｅＶのＣ_８イオン（炭素原子が８個集まった荷電粒子集団）を炭素薄膜に照射した場合の、実施例に係る粒子分析装置で得られた正電荷を持つ２次イオンスペクトルを示す。図１１の２次イオンスペクトルは、図４の例に対応する構成で得られたものである。

以上の実施例によれば、１次粒子のパルス化装置のような精密で複雑な装置とその運用を必要としない簡便な装置で、これまで困難であった正電荷や負電荷等の様々なタイプの２次粒子分析を行うことができる。

さらに、「分析対象となる２次粒子」３２を試料表面から分析器（ＴＯＦ管１４）に導く電場等のポテンシャル場に影響されずに、図２の第２検出信号４２を得るための粒子を第２検出器１６に導くために必要なポテンシャル場を設定できるため、当該ポテンシャル場および粒子計数システム１８を最適化することで、第２検出信号４２を得るための粒子が放出された試料表面上の位置情報を得ることができる。第２検出信号４２を得るための当該粒子は、「分析対象となる２次粒子」３２が放出された場所の試料裏面ほぼ同じ場所から放出されるため、粒子計数システム１８は、「分析対象となる２次粒子」３２が放出された位置情報を得ることになる。

例えば、粒子計数システム１８は、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側から放出される粒子」の第２検出信号４２に、当該粒子が放出された試料面上の位置に関する情報を付加するように構成される。さらに、粒子計数システム１８は、「分析対象となる２次粒子」３２が放出された位置情報と、「分析対象となる２次粒子」３２の分析情報とをリンクさせることにより、各位置での粒子分析情報を求めることも可能となる。さらには、粒子計数システム１８が、各位置での粒子分析情報をコンピューター２０に送信し、コンピューター２０によって、試料上の粒子分析情報のイメージング化等の可視化等、さらなる高度な分析への応用を行うことも可能となる。

なお、上述した分析方法は、「分析対象となる２次粒子」および「分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側から放出される粒子」が観測される限り、適用可能である。ここで、「分析対象となる２次粒子」の放出量が増大し、より高感度な粒子分析を行うために、１次粒子として、４個以上の原子から成る原子集団または４個以上の原子から成る電荷を持った荷電原子集団を用いることが好ましい。一例として、４個以上の炭素原子から成る原子集団または４個以上の炭素原子から成る電荷を持った荷電原子集団を用いてもよい。

より好ましくは、１次粒子として、８個以上の原子から成る原子集団または８個以上の原子から成る電荷を持った荷電原子集団を用いることである。さらに好ましくは、６０個以上の原子から成る原子集団または６０個以上の原子から成る電荷を持った荷電原子集団を用いることである。

本発明において、複数個から成る原子集団または複数個から成る荷電粒子集団を用いることは以下の点で好ましい。上述した実施例では、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子または光子」３３を第２検出器１６で検出するが、試料２１から放出された全ての粒子または光子３３が、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側から放出される粒子」の第２検出信号４２の発生に寄与するとは限らない。例えば、「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子または光子」３３の一部が第２検出器１６に入射しない場合や、第２検出器１６に入射した場合でも、第２検出器１６内での電荷の生成が不十分で、第２検出信号４２の生成に寄与するために必要な大きさの信号が得られない場合もある。

上述した例では、複数個から成る原子集団または複数個から成る荷電粒子集団を用いることにより、１つの１次粒子３１に対して、多くの「分析対象となる２次粒子３２が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子または光子」３３を得ることができる。また、粒子または光子３３の一部が第２検出信号４２の発生に寄与しない場合でも、同時に試料２１から放出された他の粒子または光子３３がそれを補い、第２検出信号４２を発生させることができる。したがって、第２検出信号４２を得る確率が高くなり、検出効率を上げることができる。これにより、上述した分析方法の適用範囲（適用可能な条件）を広げることも可能となる。

例えば、１次粒子３１を構成する粒子数をＮ、１次粒子３１を構成する粒子１個当たり１個の粒子３３を生成するとして、第２検出器１６における粒子３３の１個当たりの検出確率をｐ（０＜ｐ＜１）とする。このとき、第２検出器１６において少なくとも１つの粒子３３が検出される確率は、Ｎ＝１のとき、ｐであり、Ｎ＝ｎのとき、１−（１−ｐ）^ｎとなり、Ｎが大きくなるほど、検出確率が大きくなる。したがって、複数個から成る原子集団または複数個から成る荷電粒子集団を用いることは非常に有利である。

このように、粒子または光子３３の検出確率を増大させるために、１次粒子として、４個以上の原子から成る原子集団または４個以上の原子から成る電荷を持った荷電原子集団を用いることが好ましい。一例として、４個以上の炭素原子から成る原子集団または４個以上の炭素原子から成る電荷を持った荷電原子集団を用いてもよい。

より好ましくは、１次粒子として、８個以上の原子から成る原子集団または８個以上の原子から成る電荷を持った荷電原子集団を用いることである。さらに好ましくは、６０個以上の原子から成る原子集団または６０個以上の原子から成る電荷を持った荷電原子集団を用いることである。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることがあり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０ ：粒子源
１１ ：分析マグネット
１２ ：加速管
１３ ：コリメータ
１４ ：ＴＯＦ管
１５ ：第１検出器
１６ ：第２検出器
１７ ：プレアンプ
１８ ：粒子計数システム
１９ ：電位制御部
２０ ：コンピューター
２１ ：試料
２２ ：別の物質
３１ ：１次粒子
３２ ：分析対象となる２次粒子
３３ ：分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の試料面から放出される粒子
４１ ：第１検出信号
４２ ：第２検出信号
１００ ：粒子分析装置

Claims (26)

1. ４個以上の原子からなる原子集団または４個以上の原子からなる電荷を有する荷電粒子集団の１次粒子を試料に照射する照射ステップと、
   前記試料における前記１次粒子の照射面側または前記１次粒子の照射面と反対側の面から前記１次粒子に応じて放出される、分析対象となる２次粒子を一定距離飛行させて、前記分析対象となる２次粒子を第１検出信号として検出する第１検出ステップと、
   前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から前記１次粒子に応じて放出される粒子または光子を第２検出信号として検出する第２検出ステップと、
   前記第１検出信号と前記第２検出信号とを用いて、前記分析対象となる２次粒子を計数する計数ステップと、
   を含むことを特徴とする粒子分析方法。
2. 請求項１に記載の粒子分析方法において、
   前記計数ステップは、前記第１検出信号と前記第２検出信号との時間差を測定することを含むことを特徴とする粒子分析方法。
3. 請求項１または２に記載の粒子分析方法において、
   前記第２検出信号は、
   前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子あるいは光子を直接検出した信号、
   前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子あるいは光子を前記試料とは別の物質に衝突させて、当該別の物質より放出される粒子あるいは光子を検出した信号、または、
   これらの信号の組み合わせ、
   であることを特徴とする粒子分析方法。
4. 請求項３に記載の粒子分析方法において、
   前記別の物質より放出される粒子または光子が電子であることを特徴とする粒子分析方法。
5. 請求項３に記載の粒子分析方法において、
   前記別の物質が金属材料であることを特徴とする粒子分析方法。
6. 請求項３に記載の粒子分析方法において、
   前記別の物質が発光体であり、前記第２検出信号が、前記発光体からの光を検出した信号であることを特徴とする粒子分析方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の粒子分析方法において、
   前記１次粒子が、４個以上の炭素原子から成る原子集団、または４個以上の炭素原子から成る電荷を持った荷電原子集団であることを特徴とする粒子分析方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の粒子分析方法において、
   前記分析対象となる２次粒子が、前記１次粒子の照射面側から放出される、２次イオン、２次中性粒子、２次電子、または、これらの組み合わせであることを特徴とする粒子分析方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の粒子分析方法において、
   前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子または光子が、
   前記試料を透過した１次粒子、
   前記１次粒子を構成していた粒子あるいは電荷を帯びた粒子、または、
   それらの粒子から分離した粒子片あるいは電荷を帯びた粒子片、
   であることを特徴とする粒子分析方法。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の粒子分析方法において、
    前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子または光子が、電子、イオン、中性粒子、または、これらの組み合わせであることを特徴とする粒子分析方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の粒子分析方法において、
    前記第２検出信号に、前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子または光子が放出された試料面上の位置に関する情報を付加するステップをさらに含むことを特徴とする粒子分析方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の粒子分析方法において、
    前記試料が、高分子試料、生体高分子試料、生体材料、または、これらの薄膜試料であることを特徴とする粒子分析方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の粒子分析方法において、
    前記第１検出信号を得るためのポテンシャル場と前記第２検出信号を得るためのポテンシャル場を互いに独立して設定するステップをさらに備えることを特徴とする粒子分析方法。
14. ４個以上の原子からなる原子集団または４個以上の原子からなる電荷を有する荷電粒子集団の１次粒子を発生させる粒子源と、
    前記１次粒子を試料に照射する入射部と、
    前記試料における前記１次粒子の照射面側または前記１次粒子の照射面と反対側の面から前記１次粒子に応じて放出される、分析対象となる２次粒子を一定距離飛行させるための飛行時間型質量分析器と、
    前記飛行時間型質量分析器中を飛行した前記分析対象となる２次粒子を検出する第１検出器と、
    前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から前記１次粒子に応じて放出される粒子または光子を検出する第２検出器と、
    前記第１検出器からの第１検出信号と前記第２検出器からの第２検出信号とを用いて、前記分析対象となる２次粒子を計数する粒子計数システムと、
    を備えることを特徴とする粒子分析装置。
15. 請求項１４に記載の粒子分析装置において、
    前記粒子計数システムは、前記第１検出信号と前記第２検出信号との時間差を測定することを特徴とする粒子分析装置。
16. 請求項１４または１５に記載の粒子分析装置において、
    前記第２検出信号は、
    前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子あるいは光子を直接検出した信号、
    前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子あるいは光子を前記試料とは別の物質に衝突させて、当該別の物質より放出される粒子あるいは光子を検出した信号、または、
    これらの信号の組み合わせ、
    であることを特徴とする粒子分析装置。
17. 請求項１６に記載の粒子分析装置において、
    前記別の物質より放出される粒子または光子が電子であることを特徴とする粒子分析装置。
18. 請求項１６に記載の粒子分析装置において、
    前記別の物質が金属材料であることを特徴とする粒子分析装置。
19. 請求項１６に記載の粒子分析装置において、
    前記別の物質が発光体であり、前記第２検出器が、前記発光体からの光を検出することを特徴とする粒子分析装置。
20. 請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の粒子分析装置において、
    前記１次粒子が、４個以上の炭素原子から成る原子集団、または４個以上の炭素原子から成る電荷を持った荷電原子集団であることを特徴とする粒子分析装置。
21. 請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の粒子分析装置において、
    前記分析対象となる２次粒子が、前記１次粒子の照射面側から放出される、２次イオン、２次中性粒子、２次電子、または、これらの組み合わせであることを特徴とする粒子分析装置。
22. 請求項１４〜２１のいずれか一項に記載の粒子分析装置において、
    前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子または光子が、
    前記試料を透過した１次粒子、
    前記１次粒子を構成していた粒子あるいは電荷を帯びた粒子、または、
    それらの粒子から分離した粒子片あるいは電荷を帯びた粒子片、
    であることを特徴とする粒子分析装置。
23. 請求項１４〜２１のいずれか一項に記載の粒子分析装置において、
    前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子または光子が、電子、イオン、中性粒子、または、これらの組み合わせであることを特徴とする粒子分析装置。
24. 請求項１４〜２３のいずれか一項に記載の粒子分析装置において、
    前記粒子計数システムは、前記第２検出信号に、前記分析対象となる２次粒子が放出された試料面と反対側の面から放出される粒子または光子が放出された試料面上の位置に関する情報を付加することを特徴とする粒子分析装置。
25. 請求項１４〜２４のいずれか一項に記載の粒子分析装置において、
    前記試料が、高分子試料、生体高分子試料、生体材料、または、これらの薄膜試料であることを特徴とする粒子分析装置。
26. 請求項１４〜２５のいずれか一項に記載の粒子分析装置において、
    前記飛行時間型質量分析器と前記第２検出器とに電位をかけるための電位制御部をさらに備え、
    前記電位制御部が、前記飛行時間型質量分析器にかける電位と前記第２検出器にかける電位を互いに独立して設定するように構成されていることを特徴とする粒子分析装置。

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