イメージ測光グロー放電発光分光法を用いた三次元元素マッピング装置の開発

イメージ測光グロー放電発光分光法を用いた三次元

元素マッピング装置の開発

著者

我妻 和明

研究成果報告毒

イメージ湘光グロー放電発光分光法を用いた

三次元元素マッピング装置の開発

平成1 8- 1 9年度科学研究費補助金(基盤研究(B))

平成20年4月

研究代表登

我妻 和明

(東北大学･金属材料研究所)

研究成果報告書

イメージ淵光グロー放電発光分光法を用いた

三次元元素マッピング装置の開発

平成18-19年度科学研究費補助金(基盤研究(B) )

平成20年4月

研究代表者

我妻 和明

(東北大学金属材料研究所)

1.まえがき 表記､科学研究費補助金に関する研究組織及び研究経費を以下に示す｡ (1)研究組織 研究代表者:我妻 和明(東北大学金属材料研究所､教授) 研究分担者:朴 賢固(Park Hyunkook) (東北大学金属材料研究所､助教) 研究分担者:松田 秀幸(東北大学金属材料研究所､助教) 研究協力者:北岡 千鶴(東北大学大学院環境科学研究科博士前期課程) 研究協力者:銭谷 嘉高(東北大学大学院環境科学研究科博士前期課程) (2)研究経費 科学研究費補助金(基盤研究(B) ) 平成18年度 直接経費:ll,100千円 間接経費:3,330千円 平成1 9年度 直接経費:2,100千円  間接経費:630千円 計   直接経費: 13,200千円 間接経費:3,960千円 2.研究目的 本研究は､グロー放電プラズマ発光分析法を測定原理とする元素分析装置において､従来 装置では得ることができなかった面方向の元素分布情報を得るため､イメージ型分光器とC CD検出器から構成される新たな分析･計測システムの開発を目的とする｡ 半導体等の電子工業産業においては､製品の深さ方向および面方向の三次元元素マッピン グに対する分析要望が高い｡さらに､これらの分析情報をオンサイトで迅速に得ることがで きる分析手段があれば､製品の歩留まり向上や製造工程における資源の有効活用･エネルギ ー効率の改善に大きく寄与するものと期待されている｡本研究では､このような分析情報を 得る方法として､グリム型グロー放電プラズマを試料原子のサンプリング源および発光励起 源とし､発光プラズマ像を2次元分光するための分光システムから構成される新しい発光分 析装置を設計開発する｡これにより､素材産業における元素分析のオンラインモニタリング を可能とする､深さ方向と面方向の元素分布に関する情報を高速応答する分析手段が得られ る｡ 3.研究方法 本研究は平成1 8年度から平成1 9年度にわたる2年間の研究計画に従って行われた｡研

究初年度の平成1 8年には､イメージ分光装置およびグロー放電プラズマ発光源を設計製作 し､試料原子から得られる発光スペクトル像を解析して､その分光特性や最適測定条件を検 討した｡平成1 9年度は､イメージ分光測光装置を用いて､実際試料として亜鉛メッキ鋼板 を用いて､空間分解能に与える各種放電パラメータの影響を解析し､元素分析の精度向上を めざす研究開発を行った｡さらに平成1 9年度は､関連研究としてグロー放電プラズマと同 様に､発光像に空間分布を有するレ-ザ誘起プラズマからの発光の最適測定条件を詳細に検 討するため､ 2次元イメージ分光器を使用してプラズマ像の直接観察を行った｡ 以下に年度毎の研究成果を示す｡ 4.平成1 8年度め研究成果 (1)イメージ分光測光装置 グロー放電プラズマの分光像を直接観察するために､ 2次元イメージ分光器を用いた測定 装置を組み立てた｡ 2次元イメージ分光器とは､光源の空間分布をそのままの形を維持した まま分光し(特定の波長の光のみ選択し) ､ CCD検出器上にその像を得るものである｡通 常の分光器ではレンズ系等により光源光を集光するために､光源全体の平均的な発光強度は 得られるが､その空間分布を得ることはできない｡グロー放電プラズマのように不均一な発 光現象を解析するためには､プラズマの分光像は極めて有益な情報であるo 図1は測定系の構成図である｡イメージ分光器は分光計器(秩) 12580型であり､ CCD検出

器はpCO Corp. Semicam370ED-H型を用いた｡グロー放電管は中空陽極8mm､電極間距離0･ 4mm

のものを使用した｡放電用電源は松定精密(秩) HEOPT-B60-Ll型を用い､その放電電圧波形

を制御するため菊水電子(秩) 4502型波形発生器を使用した｡放電ガスは純アルゴンである｡

また関連研究に使用した､ Nd:YAGレ-ザはLOTIS TII製LS-2137型(532 mm, 70 mJ/pulse)を

用いた｡図2は測定装置の外観写真である｡プラズマからの発光は､イメージ分光器に取り 付けられたコリメータ光学系によりプラズマからの発光を集光することなく分光素子へと 導くことができ､ CCD検出器上で2次元像として得られる｡ (2)グロー放電プラズマからの発光部位の空間分布 いくつかの純金属試料を用いて､グロー放電プラズマからの発光像を測光解析したところ､ その発光分布は一様ではなく､中心部が最も強く同心円状の分布を持っていることが分かっ た｡これはスパッタリング特性に起因するものではなく､プラズマの負グロー部の励起効率 の差異が原因であるとの結論を得た｡詳細な研究成果は論文(1)にて､また国際学会報告と して(1)､さらに国内学会では(1)(2)にて報告した｡

図1測定装置の構成図

図2イメージ測光グロー放電プラズマ発光分析装置

5.平成1 9年度の研究成果

試料として亜鉛メッキ鋼板を使用し､様々な放電条件にて亜鉛及び鉄の発光線強度の空間 分布を測定して､その空間分解能を評価した｡その結果､空間分解能を向上させるためには グロー放電をパルス状に点灯することが必須条件であり､その周波数はできるだけ低い値が 望ましいこと,またパルスのデューティ比も低い値が望ましいことが分かった｡但し､パル ス放電の周波数やデューティ比を小さくすると発光強度も低下するため､検出器の感度の許 容範囲内で測定を行う必要がある0本研究で用いた測定装置では､周波数10Hz､デューティ 比10%程度が実用範囲であり､この時の空間分解能として0. 8-1. 3mmの値が得られた｡詳細な 研究成果は論文(2)にて報告する予定である｡また国内学会としては､ 2008年5月開催の日本 分析化学会討論会にて公表する予定である｡ (2)関連研究:減圧レ-ザ誘起プラズマからの分光イメージ像の解析 単発レ-ザ誘起プラズマからの2次元イメージ像を解析したところ､発光強度は試料表面 近傍で最大となっているが､プラズマが測定セル中を膨張するときにも銅原子の発光は引き 続き観測され､プラズマは6-8mmの大きさ(プラズマブルーム)を持つことがわかったoこ れにより､減圧レ-ザ誘起プラズマを用いた発光分析における最適分析部位に関する情報を 得た｡詳細な研究成果は論文(3) (4)にて､また国際学会報告として(2) (3)､さらに国内学会 では(3) (4) (5)にて報告した｡ 6.研究発表 原著論文

1. Y. Zenitaniand K･ Wagatsuma: "SpatialIy-resolved Observation of Glow Discharge plasma for

Atomic Emission Spectrometry",Analytical Sciences, 24, (2008), 5551557･

2. Y. Zenitani and K･ Wagatsuma: "Depth Profiting of Metallic Coatings Evaluated from

spatially-resolved Measurement in Glow Discharge Optical Emission Spectrometryn, Analytical

ScienceS, 24, (2008), in submission･

3. C. Kitaokaand K･ Wagatsuma: "Two-dimensional Observation of Emission Spectra Excited from

Laser Induced Plasmasandthe Application to Emission Spectrometric Analysisn,Analytical

Sciences, 23, (2007), 1261-1265･

4. C. Kitaoka and K･ Wagatsuma: "Optimum Observation Conditions of Emission Spectra from

Laser Induced PIasmas Evaluated by Using a Two-dimensionally Imaging Spectrographn, Analytical Sciences, 24 No.6, (2008), in press･

総説･解説論文 1.我妻和明:"プラズマと分光分析ⅠV.直流放電プラズマとその発光分析への応用",分光 研究, 56 (2007), 188-196. 2.我妻和明: …素材産業における分析･解析技術の動向'',検査技術, 10,No.6(2006),ト5. 3.我妻和明: "プラズマ発光分析法 -V-ザ誘起プラズマを新しい励起源としで',ぶん せき, No. 10 (2006), 27-31. 4.我妻和明: …計測科学の新展開… ,ぶんせき,No. ll (2006),558. 国際会議発表

I. Y∴Zenitani and JK･ Wagatsuma:一一Optimization of experimental conditions in pulsed glow

discharge plasma optical emission spectrometry, The 1 3th lntemationaI Symposium on Advanced Techniques and Applications: Masan, Korea: Nov. I-3, 2007･

2.I C. Kitaoka and K･ Wagatsuma : I-ObseⅣation of two-dimentional emission images斤om

laser-induced plasmas when varylng gas SPeCiesand pressure '', The 12thInternational Symposium on Advanced Techniquesand Applications: Masan, Korea: Nov･ 911 1, 2006･

3. C. Kitaoka and KI Wagatsuma: -10bservation of two-dimensional image of emission spectra斤om

low-pressure laser-induced plasmas (keynote, invited lecture) '', The 9thAsian ConfTerence on

Analytical Science: Jeju Island, Korea: Nov･ 418, 2007･

国内学会発表 1.銭谷嘉高､我妻和明:"パルスグロー放電プラズマ発光分析法の実験条件の最適化" ､ 日本分析化学会第5 6回年会､徳島､ 9/19-9/21, 2007. 2.銭谷嘉高､我妻和明: ''時間分解測光法によるパルスグロー放電プラズマの解析" ､ 日本分析化学会第6 8回討論会､宇都宮､ 5/19-5/20, 2007. 3.北岡千鶴､我妻和明: " 2次元イメージ分光器を用いたレーザー誘起プラズマの最適 分析条件の検討… ､日本鉄鋼協会第1 5 5回春季講演大会､東京､ 3/26-3/28,2008. 4.北岡千鶴､我妻和明: ``イメージ分光器を用いた減圧レ-ザ誘起プラズマの観察2-プラ ズマガスの効果- ",日本分析化学会第5 5回年会､大阪､ 9/20-22､ 2006. 5.北岡千鶴､我妻和明: "イメージ分光器を用いた減圧レ-ザ誘起プラズマの観察'',日 本分析化学会第9 7回討論会､秋田､ 5/13-14､ 2006.

別添資料

2007､ 2008年発表の論文別刷

1.グロー放電発光分析法

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