JPH0499929A - Highly sensitive raman spectroscope, adjusting method and measuring method - Google Patents

Highly sensitive raman spectroscope, adjusting method and measuring method

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JPH0499929A
JPH0499929A JP21849790A JP21849790A JPH0499929A JP H0499929 A JPH0499929 A JP H0499929A JP 21849790 A JP21849790 A JP 21849790A JP 21849790 A JP21849790 A JP 21849790A JP H0499929 A JPH0499929 A JP H0499929A
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谷野 浩史
Hideyo Ogushi
秀世 大串
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Abstract

PURPOSE:To realize high detecting efficiency by forming each minute area on the photodetecting surface of a position detecting type photomultiplier in a manner corresponding to a signal of each wavelength so as to simultaneously measure the Raman spectrum at the low noise level near to a limit. CONSTITUTION:A standard sample for adjustment use having a grid pattern is provided at the position of a sample. At this time, it should be confirmed that the whole area of the pattern of a spot illuminated by a laser is observed without distortion at the position of an incident slit 12. Then, a switching mirror 17A of a single spectroscope 17 is switched to the adjusting side, and a focal length of a telescope 20 for adjusting an astigmatism correction optical system 3 is adjusted. The grid pattern is confirmed with use of a mercury lamp or the like. The optical system 3 is finely adjusted by a fine adjustment mechanism 14. When a laser light 7 is condensed into a circle on a sample 10, an image on the slit 12 is confirmed. Then, the mirror 17 is switched and the image of the spectrum on the detector of a position detecting type photomultiplier 18 is measured. The position of the detector at this time is adjusted by a fine adjustment mechanism 19.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、半導体、金属、無機材料、有機材料、生体等
のラマン散乱測定方法および装置に関し、特に、半導体
や有機材料の超薄膜、または表面や界面上の微量な原子
や分子からの、微弱なラマン信号の検出と評価に好適な
高感度ラマン分光装置、ラマン分光器の調整方法および
測定方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a method and apparatus for measuring Raman scattering of semiconductors, metals, inorganic materials, organic materials, living organisms, etc., and particularly relates to ultra-thin films of semiconductors and organic materials, or The present invention relates to a high-sensitivity Raman spectrometer, a Raman spectrometer adjustment method, and a measurement method suitable for detecting and evaluating weak Raman signals from trace amounts of atoms and molecules on surfaces and interfaces.

[従来の技術] ラマン分光法は、物質のミクロな構造や電子状態に関す
る豊富な情報を与える手法として強力な手段であり、近
年ますますその利用が盛んになってきている。しかしそ
の最大の弱点は信号強度が大変弱いことであり、このた
め測定対象が信号の比較的強いもの、レーザ・ダメージ
の少ないものに限定されてきた。もし現在の技術では測
定困難な、サブモルイヤの超薄膜、微量不純物、または
表面や界面の微量分子などがラマン分光で測定可能にな
れば、その影響は計り知れない。即ち、電子分光、イオ
ン散乱、走査トンネル顕微鏡などの手法では知ることの
できない、原子または分子レベルでのミクロな結合状態
に関する情報が得られることになるだろう。ここで提示
される装置とその調整方法および測定方法は、これまで
夢物語にすぎなかった上記のような測定を可能とする初
めてのものである。ここではまず従来の測定方法の原理
と装置性能の限界について述べ、続いて本発明がいかに
してその限界を打破したかについて述べる。
[Prior Art] Raman spectroscopy is a powerful method for providing a wealth of information regarding the microstructure and electronic state of substances, and its use has become increasingly popular in recent years. However, its biggest weakness is that the signal strength is very weak, and for this reason, the measurement targets have been limited to those with relatively strong signals and those with little laser damage. If Raman spectroscopy were to be able to measure ultrathin films, trace impurities, and trace molecules on surfaces and interfaces, which are difficult to measure with current technology, the impact would be immeasurable. In other words, it will be possible to obtain information about microscopic bonding states at the atomic or molecular level that cannot be obtained using techniques such as electron spectroscopy, ion scattering, and scanning tunneling microscopy. The device, its adjustment method, and measurement method presented here are the first to make the above-mentioned measurements possible, which until now were only a pipe dream. Here, we will first describe the principles of conventional measurement methods and the limitations of device performance, and then describe how the present invention overcomes these limitations.

ラマン分光測定装置においては、分光すべきラマン散乱
光をレーザ光やレイリー散乱光から効果的に分離し、か
つ十分な分解能で、微弱な信号光を検出する必要がある
。半導体などのラマン信号光は、主としてレーザ光より
約10−10−1O00’ぐらい離れた位置に現れるが
、このような領域では1枚のグレーティングを用いたシ
ングル分光器ではレイリー散乱光を除去しきれないので
、ダブル分光器が多く利用されている。しかし、ダブル
分光器は光電子増倍管を用いたフォトン・カウンティン
グによるシングル・チャンネルの測定には適しているが
、近年進歩してきた多重検出器には適当でない。その理
由は、多重検出を行うには、中間スリットを十分法(し
ておく必要があるが、こうするとダブル分光器の迷光除
去能力が著しく低下して、散乱光が強(なりすぎ使用に
耐えなくなる。このために、差分散型ダブル分光器とシ
ングル分光器を接続したトリプル・ポリクロメータ(ス
ペクトログラフ)が用いられるようになった。ここで差
分数とは、2枚のグレーティングを逆向きに設置し、−
旦分光した光を再び白色光に戻すような光学配置のこと
で、中間スリットの幅の中に入る光のみを透過させるこ
とから、一種のバンド・パス・フィルタになる。中間ス
リットの幅をシングル分光器の出口に設置した多重検出
器の幅に対応させておくことにより、レイリー光の除去
されたラマン信号が効率良く検出できる。このようなト
リプル分光器と多重検出器の組み合わせにより、従来の
ダブル分光器とフォトン・カウンティング用光電子増倍
管では測定不可能だった微弱信号の検出が可能になって
きた。
In a Raman spectrometer, it is necessary to effectively separate the Raman scattered light to be analyzed from laser light and Rayleigh scattered light, and to detect weak signal light with sufficient resolution. Raman signal light from semiconductors etc. mainly appears at a position approximately 10-10-1000' away from the laser light, but in such a region, a single spectrometer using a single grating cannot completely remove Rayleigh scattered light. Therefore, double spectrometers are often used. However, although the double spectrometer is suitable for single-channel measurements by photon counting using a photomultiplier tube, it is not suitable for the multiple detectors that have been advanced in recent years. The reason for this is that in order to perform multiple detection, the intermediate slit must be sufficiently spaced, but this will significantly reduce the ability of the double spectrometer to remove stray light, and the scattered light will become strong (unable to be used too much). For this reason, a triple polychromator (spectrograph), which connects a differential dispersion type double spectrometer and a single spectrometer, came to be used. Install and -
This is an optical arrangement that converts the previously separated light back into white light, and because it only transmits light that falls within the width of the intermediate slit, it becomes a type of band pass filter. By making the width of the intermediate slit correspond to the width of the multiplex detector installed at the exit of the single spectrometer, the Raman signal from which Rayleigh light has been removed can be efficiently detected. This combination of triple spectrometers and multiple detectors has made it possible to detect weak signals that were impossible to measure with conventional double spectrometers and photomultiplier tubes for photon counting.

即ち、フォトン・カウンティングでは、検出器のノイズ
・レベルが1−20力ウント/秒存在するため、それ以
下の強度の信号は検出不可能であるが、多重検出を行う
と分光器が停止しているため積算によるノイズの除去が
効率良(行え、冷却されたイメージ・インテンシファイ
ヤ付きフォトダイオード・アレイ(以下II−PDAと
略す)や電荷結合素子検出器(以下CODと略す)や位
置検出型光電子増倍管を用いると、通常の光電子増倍管
換算で0.1力ウント/秒程度の信号も現在検出可能で
ある。
That is, in photon counting, the noise level of the detector is 1-20 volts/second, so signals with lower intensity cannot be detected, but if multiple detection is performed, the spectrometer will stop. This makes it possible to efficiently remove noise through integration, and it is possible to use photodiode arrays with cooled image intensifiers (hereinafter abbreviated as II-PDA), charge-coupled device detectors (hereinafter abbreviated as COD), and position detection types. If a photomultiplier tube is used, it is currently possible to detect a signal of about 0.1 force count/second in terms of a normal photomultiplier tube.

上記のようなシステムにより、様々な薄膜のラマン検出
が可能になった。たとえばラングミュア・プロジェット
膜の1モルイヤからの信号検出について、トリプル分光
器とII−PDA、あるいはトリプル分光器と冷却され
た電荷結合素子検出器(以下CODと略す)による報告
がある。
Systems such as those described above have enabled Raman detection of various thin films. For example, there are reports on signal detection from a 1 molar layer of a Langmuir-Prodgett film using a triple spectrometer and II-PDA, or a triple spectrometer and a cooled charge-coupled device detector (hereinafter abbreviated as COD).

またゲルマニウムの数モルレイヤからのラマン信号検出
が、トリプル分光器と位置検出型光電子増倍管によりな
されている。
In addition, Raman signal detection from several molar layers of germanium is performed using a triple spectrometer and a position-detecting photomultiplier tube.

このように、ダブル分光器とフォトン・カウンティング
用光電子増倍管を用いた旧来の方法に対し、トリプル・
ポリクロメータとエニーPDAまたはCCDまたは位置
検出型光電子増倍管のいずれかの多重検出器を用いるこ
とにより、従来よりも2−3桁弱い、光電子増倍管換算
で0.1力ウント/秒程度の信号の検出ができるように
なってきている。
In this way, compared to the traditional method using a double spectrometer and a photomultiplier tube for photon counting, triple
By using a polychromator and multiple detectors such as any PDA, CCD, or position-detecting photomultiplier tube, the power output is about 0.1 nt/sec in terms of photomultiplier tube, which is 2-3 orders of magnitude weaker than conventional ones. It has become possible to detect signals such as

[発明が解決しようとする課題] しかし、以上の測定例は高感度とはいってもいずれも信
号強度で0.1力ウント/秒の領域である。また、これ
までの測定は比較的信号の強い計り易い系を吟味選定し
て信号検出に成功しており、0.1力ウント/秒以下の
信号しか持たない系での検出は困難であった。より信号
強度の弱い多様な物質のモルイヤあるいはサブモルイヤ
の超薄膜や、表面に吸着されたわずかな分子からのラマ
ン信号を検出するには、さらに微弱な領域での信号検出
、すなわち0.01力ウント/秒あるいはさらにそれ以
下のレベルでの測定を可能ならしめることが必要不可欠
である。
[Problems to be Solved by the Invention] However, although the above measurement examples are highly sensitive, the signal strength is in the region of 0.1 force/count/second. In addition, in previous measurements, signal detection has been successful by carefully selecting systems with relatively strong signals that are easy to measure, and it has been difficult to detect systems with signals of less than 0.1 force count/second. . In order to detect Raman signals from ultra-thin films of various materials with weaker signal strength, such as molya or sub-molya, or from a small number of molecules adsorbed on the surface, signal detection in an even weaker region, that is, 0.01 force und. It is essential to be able to perform measurements at speeds of 1/sec or even lower.

そこで、本発明の目的は、トリプル分光器と多重検出器
を用いたラマン分光において、なかでも位置検出型光電
子増倍管の特性と付加光学系の吟味検討により、従来の
最高水準よりもさらに2−3桁以上の超高感度すなわち
0.001力ウント/秒あるいは0.0001力ウント
/秒レベルでの、高精度の高感度ラマン分光装置および
測定方法を提供せんとするものである。本発明の他の目
的は、超高感度での、二次元データを持っラマン分光を
可能とし、通常の一次元データによるラマン分光では不
可能な高速測定や、精度の高い差分ラマン分光を可能と
することにある。
Therefore, the purpose of the present invention is to improve Raman spectroscopy using a triple spectrometer and multiple detectors by carefully examining the characteristics of the position-detecting photomultiplier tube and the additional optical system. - It is an object of the present invention to provide a highly accurate and sensitive Raman spectroscopic device and measurement method with ultra-high sensitivity of three orders of magnitude or more, that is, at the level of 0.001 force units/second or 0.0001 force units/second. Another object of the present invention is to enable ultra-high sensitivity Raman spectroscopy with two-dimensional data, and to enable high-speed measurements and highly accurate differential Raman spectroscopy that are impossible with ordinary Raman spectroscopy using one-dimensional data. It's about doing.

[課題を解決するための手段] このような目的を達成するために、本発明装置は、励起
光を試料に照射してラマン信号の検出な行うラマン分光
装置において、前記試料からの散乱光を集光する集光光
学系と、前記集光光学系からの出力光を入射スリットを
介して受光し、その受光した光に対して、ラマン・シフ
トが10〜100100O’と比較的に低波数のスペク
トル領域でも、レイリー散乱による迷光を十分除去して
良好なスペクトルを測定することができる、フィルタ用
の差分散型ダブル分光器および該ダブル分光器の次段に
配置されたシングル分光器を有するトリプル・ポリクロ
メータの形態の分光光学系と、マイクロ・チャンネルプ
レートおよびその後段の二次元の位置検出機構を有し、
高エネルギー粒子線などによるパルス・ノイズの影響を
うけないフォトン・カウンティング用の低雑音光電子増
倍管であって、前記マイクロ・チャンネル・プレートに
よって前記分光光学系からの出力光を受光して増幅し、
その増幅出力信号を二次元の位置検出機構に導き、微小
領域の二次元配列としてイメージを検出して各微小領域
でのダーク・ノイズを著しく低く抑えた位置検出型光電
子増倍管と、前記試料上の微小な照射領域からの各波長
の信号光が、前記分光器の収差による像ぼけを受けるこ
となく前記位置検出型光電子増倍管の受光面上の各微小
領域上に1対1対応で転送されるようにするシリンドリ
カル・レンズを有する非点収差補正光学系と、前記非点
収差補正光学系の微調を行うときに切り替えミラーで位
置検出型光電子増倍管の前記受光面と等価な位置に配置
される調整用テレスコープと、前記位置検出型光電子増
倍管の受光面が前記分光器の焦点面に正確に位置するよ
うに位置と方位について微調整を行う微調整機構とを具
え、前記位置検出型光電子増倍管の受光面上の各微小領
域が各波長の信号に相当する形で、極限的に低いノイズ
・レベルでラマンスペクトルが同時計測されるようにし
たことを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, the device of the present invention is a Raman spectrometer that detects a Raman signal by irradiating a sample with excitation light. A condensing optical system that condenses light, and a condensing optical system that receives output light from the condensing optical system through an entrance slit, and has a relatively low wave number with a Raman shift of 10 to 100100 O' for the received light. Even in the spectral domain, the triple spectrometer has a differential dispersion type double spectrometer for filtering and a single spectrometer placed next to the double spectrometer, which can sufficiently remove stray light due to Rayleigh scattering and measure good spectra.・Equipped with a spectroscopic optical system in the form of a polychromator, a micro channel plate, and a two-dimensional position detection mechanism in the subsequent stage,
A low-noise photomultiplier tube for photon counting that is not affected by pulse noise caused by high-energy particle beams, etc., which receives and amplifies the output light from the spectroscopic optical system by the micro-channel plate. ,
The amplified output signal is guided to a two-dimensional position detection mechanism, and the image is detected as a two-dimensional array of minute regions, thereby suppressing dark noise in each minute region to an extremely low level. Signal light of each wavelength from the upper minute irradiation area is placed in one-to-one correspondence on each minute area on the light-receiving surface of the position-detecting photomultiplier tube without image blurring due to aberrations of the spectroscope. an astigmatism correcting optical system having a cylindrical lens that allows the astigmatism to be transferred, and a switching mirror used to finely adjust the astigmatism correcting optical system to a position equivalent to the light receiving surface of the position detection type photomultiplier tube. and a fine adjustment mechanism that finely adjusts the position and orientation so that the light receiving surface of the position detection photomultiplier tube is accurately positioned at the focal plane of the spectrometer, The Raman spectrum is simultaneously measured at an extremely low noise level, with each micro region on the light receiving surface of the position detection photomultiplier tube corresponding to a signal of each wavelength. .

上記ラマン分光装置を調整するための本発明ラマン分光
装置調整方法は、前記入射スリットを直視するテレスコ
ープで前記試料の像をモニターしながら、励起光が当該
試料上に正しく集光されており、その散乱光が正確に一
前記入射スリット上に転送されていることを確認し、前
記試料の位置に、グリッド・パターンを持つ調整用標準
試料を設置し、前記入射スリットの位置でパターンの全
領域が歪みなく観察されることを確認し、前記シングル
分光器の出口に配置されている前記切り替えミラーを調
整側に切り替え、前記非点収差補正光学系調整用テレス
コープの焦点距離を調整して、前記グリッド・パターン
を確認し、前記入射スリット上の全領域で前記グリッド
・パターンの縦横のパターンが全て一様に像ぼけなく転
送されるように、前記非点収差補正光学系の微調整を行
い、励起光が正しく前記試料上に微小な円形スポットと
して集光されていることを前記入射スリットの位置で再
度確認し、この励起光によるラマン信号やプラズマ発光
などのスペクトルと、背景光として前記入射スリット全
体に一様に入射された線発光とを同時に、前記位置検出
型光電子増倍管で測定し、両スペクトルがひずみなく直
交したパターンを形成するように前記位置検出型光電子
増倍管の位置を微動して、前記テレスコープにより予め
調整した焦点面と等価な位置に前記位置検出型光電子増
倍管の受光面が来るように、前後移動、あおりおよび前
記位置検出型光電子増倍管の軸方向の回転の微調整を順
次交互に行って、最終的には前記受光面上で信号の広が
りが最小でかつスペクトル分解能も最良の状態となるよ
うに調整することを特徴とする。
In the Raman spectrometer adjustment method of the present invention for adjusting the Raman spectrometer, the excitation light is correctly focused on the sample while monitoring the image of the sample with a telescope that looks directly at the entrance slit, Confirm that the scattered light is accurately transferred onto the incident slit, and then set up a standard sample for adjustment with a grid pattern at the position of the sample, and measure the entire area of the pattern at the position of the incident slit. is observed without distortion, the switching mirror disposed at the exit of the single spectrometer is switched to the adjustment side, and the focal length of the astigmatism correction optical system adjustment telescope is adjusted, The grid pattern is confirmed, and the astigmatism correction optical system is finely adjusted so that the vertical and horizontal patterns of the grid pattern are uniformly transferred over the entire area on the entrance slit without image blurring. , confirm again at the position of the entrance slit that the excitation light is correctly focused as a minute circular spot on the sample, and compare the spectrum of the Raman signal and plasma emission caused by this excitation light with the incident light as background light. The line emission uniformly incident on the entire slit is simultaneously measured by the position detection type photomultiplier tube, and the position detection type photomultiplier tube is positioned so that both spectra form an orthogonal pattern without distortion. The axis of the position-sensing photomultiplier tube is moved back and forth, tilted, and adjusted so that the light-receiving surface of the position-sensing photomultiplier tube is at a position equivalent to the focal plane adjusted in advance by the telescope. The present invention is characterized in that the fine adjustment of the rotation in the direction is sequentially and alternately performed, and the adjustment is finally made so that the spread of the signal on the light receiving surface is minimized and the spectral resolution is also in the best condition.

本発明のラマン分光方法は、上記のようにラマン分光装
置を調整した後に、試料に前記励起光を照射して、前記
位置検出型光電子増倍管より位置特定型データ信号を取
り出して信号処理装置に蓄積し、その蓄積された信号に
基づいて前記試料についてのラマン分光測定結果を求め
ることを特徴とする。
In the Raman spectroscopy method of the present invention, after adjusting the Raman spectrometer as described above, a sample is irradiated with the excitation light, a position-specific data signal is extracted from the position-detecting photomultiplier tube, and the signal processing device The method is characterized in that the Raman spectroscopic measurement results for the sample are obtained based on the accumulated signals.

本発明ラマン分光方法の他の形態は、前記励起光として
一次元のライン形状のレーザ光を用い、該レーザ光を前
記試料上に一次元のライン状に集光し、その−次元ライ
ン状励起光を前記位置検出型光電子増倍管の受光面上に
空間分解能を保ったまま転送し、位置分解スペクトルを
二次元イメージデータ信号として取り出して信号処理装
置に蓄積し、その蓄積された信号に対して一次元的位置
に関する差分処理を施して、前記試料上の一次元的位置
によるラマンスペクトルの微小変化を検出することを特
徴とする。
Another form of the Raman spectroscopy method of the present invention uses a one-dimensional line-shaped laser beam as the excitation light, focuses the laser beam on the sample in a one-dimensional line shape, and excites the -dimensional line-shaped laser beam. The light is transferred onto the light receiving surface of the position-detecting photomultiplier tube while maintaining the spatial resolution, and the position-resolved spectrum is extracted as a two-dimensional image data signal and stored in a signal processing device. The method is characterized in that a differential process regarding one-dimensional position is performed on the sample to detect minute changes in the Raman spectrum due to the one-dimensional position on the sample.

[作 用] 多重検出器のうち、アナログ検出器であるII−PDA
やCCDは、強いパルス・ノイズに対してそのエネルギ
ーに比例した応答を示すので、通常は、長時間微弱な信
号を積算しているうちにパルス・ノイズがスペクトルの
あちこちに現れ、無視できない数になってしまう。経験
的にはこれは光電子増倍管換算でチャンネルあたり0.
001−0.01力ウント/秒のノイズになる。これら
は主として宇宙からの高エネルギー粒子線によるものな
ので、避けることは困難である。ひとつの対策として測
定を数回繰り返し、再現しないピークについてはこれを
取り除く、ソフトウェアによる解決方法があるにはある
が、信号そのものを損なうおそれもあり、抜本的な解決
策とはいえない。これに対して、位置検出型光電子増倍
管のようなデジタル検出器においては、信号は常にフォ
トン・カウンティングによってひとつひとつ数えられて
おり、普通は波高弁別器によってエネルギーの高いもし
くは低いノイズと正しい信号とを選別して測定しており
、またたとえ宇宙線ノイズがカウントされたとしてもア
ナログ検出器と異なり1カウントと数えられるだけであ
るために、超微弱信号の検出にはこれがもっとも適当で
ある。
[Function] II-PDA which is an analog detector among multiple detectors
CCDs and CCDs respond to strong pulse noise in proportion to its energy, so normally, while integrating weak signals over a long period of time, pulse noise appears all over the spectrum and becomes a non-negligible number. turn into. Empirically, this is 0.00000000000000000000000000000000,000,000,000,000,000,000,000,000,00,000,000,000,000,000,000,000,000, in terms of photomultiplier tubes per channel.
This results in a noise of 0.001-0.01 force-counts/sec. These are mainly caused by high-energy particle beams from space, so it is difficult to avoid them. One solution is to repeat the measurement several times and remove peaks that do not recur, using software, but this is not a fundamental solution as it may damage the signal itself. In contrast, in digital detectors such as position-sensitive photomultiplier tubes, the signals are constantly counted one by one by photon counting, and a pulse-height discriminator is usually used to distinguish high- or low-energy noise from true signals. This is the most suitable method for detecting ultra-weak signals because even if cosmic ray noise is counted, it only counts as one count, unlike analog detectors.

しかしながら、従来においてはこの位置検出型光電子増
倍管の特性が十分吟味検討されておらず、このためにそ
の最高性能ばII−PDAやCCDと同水準にあると考
えられてきた。ここで我々は位置検出型光電子増倍管の
原理に帰り、超高感度ラマン分光を可能とする超低ノイ
ズのラマン分光装置を構成できることを見い出して本発
明を完成した。
However, in the past, the characteristics of this position detection type photomultiplier tube have not been sufficiently examined, and for this reason, its maximum performance has been considered to be on the same level as II-PDA and CCD. Here, we returned to the principles of position-detecting photomultiplier tubes and discovered that it is possible to construct an ultra-low-noise Raman spectrometer that enables ultra-high sensitivity Raman spectroscopy, thereby completing the present invention.

位置検出型光電子増倍管においては、そのノイズ・レベ
ルは、通常の光電子増倍管と同様に主として光電面付近
での何らかの光または電子ノイズによっており、これは
最低でも10−20力ウント/秒程度である。これ以上
の低ノイズ化は技術的に困難であることが従来知られて
いる。従って、1024x1024ビクセルの二次元配
列でビクセル位置を特定すると、そこでのノイズはビク
セルあたり1−2X10−5力ウント/秒である。
In position-sensitive photomultiplier tubes, the noise level, like in regular photomultiplier tubes, is primarily due to some optical or electronic noise near the photocathode, which is at least 10-20 volts/sec. That's about it. It has been known that it is technically difficult to further reduce noise. Therefore, if we identify the pixel locations in a two-dimensional array of 1024 x 1024 pixels, the noise there will be 1-2 x 10-5 forces/sec per vixel.

さて多重検出によるラマン分光においては、位置検出型
光電子増倍管は単なる一次元の多重検出器として用いら
れてきた。位置検出型光電子増倍管の受光面上でスペク
トルの方向をX軸にそれに垂直な方向をY軸に取ると、
通常の分光器では、スペクトルは各波長でY軸方向に2
00−400ビクセル分広がっており、これを足し合わ
せて一次元のデータとしている。Y軸方向に全1024
ビクセル足し合わせたとしたら、各チャンネルでのノイ
ズは1−2X10−2力ウント/秒となり、信号の存在
する中央の200−400ビクセル分のみ足し合わせた
としても2−8X10−”カウント7秒となる。このよ
うなノイズ・レベルはII−PDAや高感度CCDの値
とそれほど違わず、これまで特に位置検出型光電子増倍
管が他よりもとりわけて超高感度であるとは考えられて
いなかったのはうなずける。
Now, in Raman spectroscopy using multiple detection, a position-detecting photomultiplier tube has been used as a simple one-dimensional multiple detector. If we take the direction of the spectrum as the X-axis and the direction perpendicular to it as the Y-axis on the light-receiving surface of a position-detecting photomultiplier tube, we get
In a normal spectrometer, the spectrum is divided into two parts in the Y-axis direction at each wavelength.
It is spread by 00 to 400 pixels, and these are added together to form one-dimensional data. Total 1024 in Y-axis direction
If you add up the pixels, the noise in each channel will be 1-2 x 10-2 counts/second, and even if you add only the central 200-400 pixels where the signal exists, it will be 2-8 x 10-'' counts/second. Such noise levels are not much different from those of II-PDAs or high-sensitivity CCDs, and until now it was not thought that position-sensing photomultiplier tubes were especially ultra-sensitive compared to others. That makes sense.

ところがもし、スペクトルのY軸方向への広がりを極端
にせばめることができたとしたら、チャンネルあたりの
ノイズは著しく減少するはずである。たとえばY軸方向
への広がりを5ビクセル以下にすることができれば、チ
ャンネルあたり5−10XIO−5力ウント/秒のノイ
ズ・レベルとすることができ、II−PDAやCCDに
おける0、001−0.01力ウント/秒程度のパルス
・ノイズもないことから、極限的な微弱光の高感度ラマ
ン分光が可能となる。
However, if the spread of the spectrum in the Y-axis direction could be extremely narrowed, the noise per channel should be significantly reduced. For example, if the spread in the Y-axis direction can be reduced to 5 pixels or less, the noise level can be 5-10XIO-5 force counts/second per channel, which is 0,001-0. Since there is no pulse noise on the order of 0.01 ton/sec, high-sensitivity Raman spectroscopy of extremely weak light is possible.

このようなY軸方向のひろがりを抑えるためには、非点
収差のない分光器を作成すればよい。非点収差は、分光
器を構成する光学部品がレンズなどの透過型ではな(ミ
ラーやグレーティングなど1 つ の反射型であるために生じている。このため同一の光軸
上に全光学部品を並べることができず、球面鏡などの全
対称な光学部品を使用すると、縦横の焦点距離が異なっ
て来る。検出器の受光面をスペクトル分解能が最高にな
っているX軸方向での焦点位置に置いて観測すると、Y
軸方向にはこの位置が焦点ではないために像が広がって
しまうのである。このような非点収差を補正する理論的
に最良の方法は楕円面鏡を用いた光学系を使用するもの
であるが、非常に高価かつ調整が困難で狂い易く、改造
や修正が容易でないなどの理由で特にトリプル・ポリク
ロメータとしては非現実的であり、これまでに製造され
た例はなく、今後もありえないであろう。次に考えられ
る方法としては、非点収差を持つ光学系の外部にシリン
ドリカル・レンズのような一方向のみに光を集束させる
補正光学系を付加し、X軸方向には全く影響を及ぼすこ
となく、Y軸方向の焦点距離をX軸方向の焦点距離に一
致するように修正する方法が知られている。シングル分
光器に対してはしばしば用いられる手法であるが、トリ
プル分光器でも原理的に全(同一の手法で補正が可能で
あると考えられる。
In order to suppress such spread in the Y-axis direction, it is sufficient to create a spectroscope without astigmatism. Astigmatism occurs because the optical components that make up the spectrometer are not transmission type, such as lenses, but instead are reflective type, such as mirrors and gratings.For this reason, all optical components are arranged on the same optical axis. If a fully symmetrical optical component such as a spherical mirror is used, the vertical and horizontal focal lengths will be different.Place the detector's light-receiving surface at the focal position in the X-axis direction, where the spectral resolution is highest. When observed, Y
In the axial direction, this position is not the focal point, so the image spreads out. The theoretically best way to correct such astigmatism is to use an optical system using an ellipsoidal mirror, but this is extremely expensive, difficult to adjust, easily goes awry, and is not easy to modify or correct. For this reason, it is particularly unrealistic as a triple polychromator, and there has never been one manufactured so far, and it will never be possible in the future. The next possible method is to add a correction optical system such as a cylindrical lens that focuses light in only one direction to the outside of the optical system that has astigmatism, without affecting the X-axis direction at all. , a method is known in which the focal length in the Y-axis direction is corrected to match the focal length in the X-axis direction. Although this method is often used for single spectrometers, it is thought that it is possible in principle to perform correction using the same method for triple spectrometers as well.

そこで、前記目的を達成するために、本発明の高感度ラ
マン測定装置は、ラマン光の集光光学系とトリプル・ポ
リクロメータの入射スリットの間に、スリットの溝に沿
った軸の方向に集光することのできるシリンドリカル・
レンズを備えた非点収差補正光学系を配置し、このシリ
ンドリカル・レンズをその光軸に沿って微動可能とし、
切り替えミラーによって検出器受光面と等価な位置に置
かれた、CCDカメラを備えたテレスコープを使用して
、非点収差補正光学系の微調を行うことができる。これ
により、ポリクロメータの出口の位置検出型光電子増倍
管の検出器の受光面上での、分光器の凹面鏡から来る非
点収差による像の広がりを完全に補正して、通常は帯状
をなすスペクトルを細い直線上のスペクトルとし、さら
に分光器に対する検出器の前後上下左右の位置と上下左
右のあおりと光軸まわりの回転の六自由度を微調整でき
るような微動機構を備えて、この線状スペクトル全体が
ちょうど検出器の受光平面上に来るようにすることがで
き、かつ位置検出型光電子増倍管のイメージを構成する
ビクセルの二次元配列のX方向にちょうど線状スペクト
ルが観測されるように精密調整を行い、さらにこのイメ
ージ全体もしくは必要な部分を二次元イメージとしてつ
まりスペクトル情報をX方向に、空間分布情報をY方向
に持つ二次元データとしてコンピュータのメモリ上に取
り込んで、長時間の積算と各種のデジタル・データ処理
ができるようにしたので、以上のような適切な調整を行
い、適切な測定方法を行うことによって本発明の目的を
完全に達成することができる。
Therefore, in order to achieve the above object, the high-sensitivity Raman measuring device of the present invention has a Raman beam focused between the focusing optical system and the input slit of the triple polychromator in the direction of the axis along the groove of the slit. Cylindrical material that can emit light
An astigmatism correction optical system equipped with a lens is arranged, and this cylindrical lens can be moved slightly along its optical axis.
Fine adjustment of the astigmatism correction optical system can be performed using a telescope equipped with a CCD camera placed at a position equivalent to the detector light-receiving surface by means of a switching mirror. This completely corrects the spread of the image on the light-receiving surface of the detector of the position-detecting photomultiplier tube at the exit of the polychromator due to astigmatism caused by the concave mirror of the spectrometer, and normally forms a band-shaped image. The spectrum is a spectrum on a thin straight line, and it is equipped with a fine movement mechanism that allows fine adjustment of the six degrees of freedom of the front, back, top, bottom, left and right positions of the detector relative to the spectrometer, as well as the rotation around the optical axis. The entire spectrum can be made to lie exactly on the acceptance plane of the detector, and a linear spectrum can be observed exactly in the X direction of the two-dimensional array of pixels that constitute the image of the position-detecting photomultiplier tube. Then, the entire image or the necessary parts are imported into the computer's memory as a two-dimensional image, that is, two-dimensional data with spectral information in the X direction and spatial distribution information in the Y direction, and then stored for a long time. By making the above-mentioned appropriate adjustments and using an appropriate measurement method, the object of the present invention can be completely achieved.

なお、本発明においては、ラマン分光法の長所として、
測定対象は固体、液体、気体、半導体。
In addition, in the present invention, as an advantage of Raman spectroscopy,
Measurement targets include solids, liquids, gases, and semiconductors.

金属、無機物、有機物、生体、植物、鉱物、化石などを
問わないが、以下では産業応用上量も影響が大きいと思
われる、半導体の場合を対象とした実施例を中心に述べ
る。
The present invention may be applied to metals, inorganic substances, organic substances, living organisms, plants, minerals, fossils, etc., but below we will mainly discuss examples targeting semiconductors, where the amount of industrial application seems to have a large influence.

[実施例] 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する
[Example] Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and the like.

(実施例1) 第1図は、本発明の一実施例を適用した超高感度ラマン
分光測定装置の構成図である。
(Example 1) FIG. 1 is a configuration diagram of an ultra-high sensitivity Raman spectrometer to which an example of the present invention is applied.

このラマン分光装置は、 単色レーザ7から集光レンズ8とビーム入射用小ミラー
(または小プリズム)9を経て試料10に至る照射光学
系1と、 試料10から散乱された信号光を集光レンズ系11で入
射スリット12に導く集光光学系2と、集光光学系2の
途中に設置された非点収差補正用シリンドリカル・レン
ズ13とその回転、平行移動、あおりを再現性よく調整
する微動機構14からなる非点収差補正用光学系3と、 入射スリットを直視するCCDカメラを備えたテレスコ
ープ15を持つ差分散型ダブル分光器16にシングル分
光器17を接続したトリプル・ポリクロメータの分光光
学系4と、 位置検出型光電子増倍管(PS−PMT)の検出器18
とその回転、平行移動、あおりを再現性よ(調整し固定
する微動機構19と検出器位置での非点収差が最小にな
るよう非点補正光学系を調整するためのCCD付き微調
機構付きテレスコープ20からなる検出系5と、 検出器18の信号を受けて位置特定型データ信号として
蓄積する信号処理装置21から二次元データ解析用計算
機22に至る信号処理回路系6とからなる。
This Raman spectrometer includes an irradiation optical system 1 that extends from a monochromatic laser 7 through a condensing lens 8 and a small mirror (or small prism) 9 for beam incidence to a sample 10, and a condensing lens for transmitting signal light scattered from the sample 10. A condensing optical system 2 that guides a condensing optical system 11 to an entrance slit 12, a cylindrical lens 13 for astigmatism correction installed in the middle of the condensing optical system 2, and a fine movement that adjusts its rotation, translation, and tilt with good reproducibility. Spectroscopy of a triple polychromator in which a single spectrometer 17 is connected to a differential dispersion type double spectrometer 16 having an astigmatism correction optical system 3 consisting of a mechanism 14 and a telescope 15 equipped with a CCD camera that looks directly at the entrance slit. Optical system 4 and position detection photomultiplier tube (PS-PMT) detector 18
A fine adjustment mechanism 19 that adjusts and fixes the rotation, parallel movement, and tilt of the lens and a telescope with a CCD fine adjustment mechanism that adjusts the astigmatism correction optical system to minimize astigmatism at the detector position. It consists of a detection system 5 consisting of a scope 20, and a signal processing circuit system 6 extending from a signal processing device 21 that receives signals from the detector 18 and stores them as position specific data signals to a two-dimensional data analysis computer 22.

第2図は、位置検出型光電子増倍管(PSP M T、
)の検出器18の一例を示す概略図である。12乃至2
5mm径の受光面23に入射されたフォトンは、光電子
に変換され、3−5枚のマイクロ・チャンネル・プレー
ト24により位置情報を保ったまま多段増幅され、最後
にレジステイブ・アノード25に生じる抵抗分割比から
電子の到達位置を計算しつつフォトン・カウンティング
により検出される。
Figure 2 shows a position detection photomultiplier tube (PSP M T,
) is a schematic diagram showing an example of a detector 18. 12 to 2
Photons incident on the 5 mm diameter light receiving surface 23 are converted into photoelectrons, multistage amplified while maintaining positional information by 3-5 micro channel plates 24, and finally resistive division generated in the resistive anode 25. It is detected by photon counting while calculating the arrival position of the electron from the ratio.

レジステイブ・アノードによる位置検出は12乃至25
mm角の正方形に対し、25ミクロン単位で512X5
12乃至1024x1024ピクセルの座標として求め
られるが、位置分解能は主としてマイクロ・チャンネル
の太さによって決まり、40−70ミクロン程度である
。通常は入射スリット幅を100ミクロン以上に取って
測定することが多く、検出器の分解能は十分である。
Position detection by resistive anode is 12 to 25
512 x 5 in 25 micron units for a mm square
Although the coordinates are determined as 12 to 1024 x 1024 pixels, the positional resolution is mainly determined by the thickness of the microchannel, which is about 40-70 microns. Usually, measurement is performed with an entrance slit width of 100 microns or more, and the resolution of the detector is sufficient.

以下では、簡単のため、ダブル分光器16の焦点距離と
シングル分光器17の焦点距離を50cm、位置検出型
光電子増倍管18の検出器のイメージング単位を25ミ
クロン角で1024ビクセルX1024ビクセルとして
述べる。
In the following, for simplicity, the focal length of the double spectrometer 16 and the single spectrometer 17 will be described as 50 cm, and the imaging unit of the detector of the position detection photomultiplier tube 18 will be described as 25 microns square, 1024 pixels x 1024 pixels. .

(実施例2) 本測定装置は、通常のラマン装置としての調整に加え、
請求項2に記載されたような調整が必要である。
(Example 2) In addition to the adjustment as a normal Raman device, this measurement device
An adjustment as described in claim 2 is necessary.

まず、入射スリット12を直視するテレスコープ20で
試料10の像をモニターしながら、レーザ・ビーム7が
試料上に正しく集光されており、その散乱光が正しくス
リット12上に転送されていることを確認する。顕微集
光光学系を使用している場合も同様である。
First, while monitoring the image of the sample 10 with a telescope 20 that looks directly into the entrance slit 12, check that the laser beam 7 is correctly focused on the sample and that its scattered light is correctly transferred onto the slit 12. Check. The same applies when using a microscope focusing optical system.

この試料位置に、グリッド・パターンを持つ調整用標準
試料を設置し、第3図(a)に示すように入射スリット
12の位置でレーザ照射スポット12Aのパターンの全
領域が歪みなく観察されることを確認する。これは集光
光学系2の各種収差による歪みがないことを確認する作
業である。
A standard sample for adjustment with a grid pattern is installed at this sample position, and the entire area of the pattern of the laser irradiation spot 12A is observed without distortion at the position of the entrance slit 12, as shown in FIG. 3(a). Check. This is a task to confirm that there is no distortion due to various aberrations in the condensing optical system 2.

次に、最終段のシングル分光器の出口にある切り替えミ
ラー17Aを調整側に切り替え、非点収差補正用光学系
3調整用のCCD付き微調機構付きテレスコープ20の
焦点距離を調整して、水銀ランプなどの単色光を照明に
利用してグリッド・パターンを確認する。もし非点収差
補正用光学系3が使用されていない時には、パターンは
第3図(b)に示すようにスリットの溝方向のみに観測
され、溝に垂直な方向のパターンは完全にぼけている。
Next, switch the switching mirror 17A at the exit of the final stage single spectrometer to the adjustment side, adjust the focal length of the telescope 20 with a CCD fine adjustment mechanism for adjusting the astigmatism correction optical system 3, and Check the grid pattern using monochromatic light such as a lamp for illumination. If the astigmatism correction optical system 3 is not used, the pattern is observed only in the direction of the slit groove, as shown in Figure 3(b), and the pattern in the direction perpendicular to the groove is completely blurred. .

これは分光器全体を構成する光学系の非点収差のために
、縦横で分光器の焦点距離が異なるためである。非点収
差補正用光学系3のシリンドリカル・レンズ13が分光
器収差に対して適当な焦点距離を持ち、かつ正しい位置
と向きに設置されるならば、第3図(C)に示すように
パターンは二次元像として観測される。ここでさらにス
リット上の全領域で縦横のパターンが全て確実に転送さ
れるように、非点収差補正用光学系3のあおりや平行移
動の微調整を微動機構14により行う。これにより、検
出器受光面の位置で10ミクロン以下の精度で非点収差
のない状態を作り出すことができる。
This is because the focal length of the spectrometer differs in the vertical and horizontal directions due to astigmatism in the optical system that makes up the entire spectrometer. If the cylindrical lens 13 of the astigmatism correction optical system 3 has an appropriate focal length for the spectrometer aberration and is installed in the correct position and orientation, a pattern as shown in FIG. 3(C) will be formed. is observed as a two-dimensional image. Here, fine adjustment of tilting and parallel movement of the astigmatism correcting optical system 3 is performed by the fine movement mechanism 14 so that all the vertical and horizontal patterns are reliably transferred over the entire area on the slit. Thereby, a state without astigmatism can be created at the position of the detector light-receiving surface with an accuracy of 10 microns or less.

第4図(a)に示すようにレーザ光7を試料10上に円
形に集光し、これを入射スリット12上の像で確認し、
ミラーを切り替えて位置検出型光電子増倍管18の検出
器上のスペクトルのイメージを見ると、非点収差補正用
光学系3が使用されていない時には、第4図(b)に示
すような結果になる。ここで各ラインは試料からのラマ
ン散乱光あるいはレーザからのプラズマ発光線である。
As shown in FIG. 4(a), the laser beam 7 is focused circularly on the sample 10, and this is confirmed by the image on the entrance slit 12.
When we switch the mirrors and look at the image of the spectrum on the detector of the position-detecting photomultiplier tube 18, when the astigmatism correction optical system 3 is not used, the result is as shown in Fig. 4(b). become. Here, each line is a Raman scattered light from a sample or a plasma emission line from a laser.

非点収差が補正されていないのでY軸方向に200ピク
セルはど広がっている。非点収差補正用光学系3を設置
して同じ測定をすると第4図(C)のようになる。この
時、さらに背景光としてスリット全体に一様に入射され
た水銀ランプもしくはネオンランプやアルゴンランプな
どからの線発光を第5図(a)のように同時に測定する
と第5図(b)のようになる。このような2種の発光を
用いると、検出器5の位置の調整を受光面の広い範囲に
対して精度良く行うことができる。両スペクトルがひず
みなく直交したパターンを形成するように検出器の位置
を微動機構19により微動して、先はどテレスコープ2
0で調整した焦点面と等価な位置に検出器5の受光面が
来るように調整する。この時、受光面全体が正しい位置
に来るためには、検出器の前後移動だけでなくあおりが
重要である。さらに後のデータ処理のためには、二次元
位置検出の軸方向とスペクトル方向が対応している必要
があるので、回転の微調も重要である。なお検出器自体
の像歪みが発生しているときには、位置検出機構の回路
を調整して、これを最少にする必要がある。これらの微
調を順次交互に進め、最終的には検出器受光面上で信号
の広がりが最小でかつスペクトル分解能も最良の状態に
することができる。
Since astigmatism has not been corrected, the image is spread out by 200 pixels in the Y-axis direction. If the same measurement is performed with the astigmatism correcting optical system 3 installed, the result will be as shown in FIG. 4(C). At this time, if we simultaneously measure the line emission from a mercury lamp, neon lamp, argon lamp, etc. that is uniformly incident on the entire slit as background light as shown in Figure 5(a), the result will be as shown in Figure 5(b). become. By using such two types of light emission, the position of the detector 5 can be adjusted accurately over a wide range of the light receiving surface. The position of the detector is slightly moved by the fine movement mechanism 19 so that the two spectra form orthogonal patterns without distortion.
The light receiving surface of the detector 5 is adjusted so that it is at a position equivalent to the focal plane adjusted in 0. At this time, in order for the entire light-receiving surface to be in the correct position, it is important not only to move the detector back and forth but also to tilt it. Further, for later data processing, it is necessary that the axial direction of two-dimensional position detection corresponds to the spectral direction, so fine adjustment of rotation is also important. Note that when image distortion occurs in the detector itself, it is necessary to minimize this by adjusting the circuit of the position detection mechanism. By sequentially and alternately performing these fine adjustments, it is possible to finally obtain the minimum signal spread and the best spectral resolution on the detector light-receiving surface.

以下では、このようにして調整を行った装置を用いた測
定の例について述べる。
Below, an example of measurement using a device adjusted in this manner will be described.

照射光学系1によって試料10上に照射されるレーザ光
のスポットを微小な円形とする。マクロな集光系2では
10−100ミクロンぐらいの径、顕微鏡を用いた集光
系2では1−10ミクロンぐらいの大きさが利用できる
。簡単のために、100倍の対物レンズを持つ顕微鏡を
利用した場合を考えると、試料上の1ミクロンのレーザ
・スポットが幅100ミクロンに開いた分光器入口スリ
ット上に100ミクロン径で転送できる。
The spot of laser light irradiated onto the sample 10 by the irradiation optical system 1 is made into a minute circle. A diameter of about 10 to 100 microns can be used in the macro condensing system 2, and a diameter of about 1 to 10 microns can be used in the condensing system 2 using a microscope. For simplicity, consider the case where a microscope with a 100x objective lens is used, so that a 1 micron laser spot on the sample can be transferred onto a spectrometer entrance slit with a width of 100 microns and a diameter of 100 microns.

非点収差補正光学系3が正しく調整されていれば、この
100ミクロン径のスポットは、この光が単色光の場合
には、イメージング検出器上に約100ミクロン径の像
として転送される。この時、検出器5の光電子増倍過程
によって決まる位置分解能40−70ミクロンを考慮し
ても、25ミクロン単位で5−8ピクセルの範囲に信号
が集中している。調整が正しく行われていれば、各波長
の信号はそれぞれのスペクトル位置に上記5−8ピクセ
ルの広がりを持って横一列に並ぶ。
If the astigmatism correction optical system 3 is properly adjusted, this 100 micron diameter spot will be transferred onto the imaging detector as an approximately 100 micron diameter image if this light is monochromatic. At this time, even considering the positional resolution of 40-70 microns determined by the photoelectron multiplication process of the detector 5, the signals are concentrated in a range of 5-8 pixels in units of 25 microns. If the adjustment is done correctly, the signals of each wavelength will be aligned horizontally at each spectral position with a spread of 5 to 8 pixels.

従って、縦方向にこの5−8ピクセルについて足し合わ
せた一次元データを求めれば、ラマン・データとなる。
Therefore, if one-dimensional data is obtained by adding up these 5 to 8 pixels in the vertical direction, it becomes Raman data.

ここで位置検出型光電子増倍管18のダーク・ノイズは
、ピクセルあたりで1−2X10−’カウント/秒程度
であるから、ラマン・データのチャンネルあたりで5−
15X10−5力ウント/秒となる。こうして0.00
1力ウント/秒程度の信号ならば一桁以上のSN比で、
また0、0001力ウント/秒の信号でも十分に検出で
きるようになる。
Here, the dark noise of the position-detecting photomultiplier tube 18 is about 1-2 x 10-' counts/sec per pixel, so the number of dark noises per channel of Raman data is about 5-
15 x 10-5 force-counts/sec. Thus 0.00
If the signal is about 1 ton/sec, the signal to noise ratio is more than one digit.
Furthermore, even a signal of 0,0001 force/count/second can be detected satisfactorily.

第6図および第7図は、単結晶シリコンの520cm−
’付近のピークについて、試料10に入射されるレーザ
の強度を一桁づつ下げ、同時に測定時間を十倍づつ増大
させながら測定した例である。このようにすれば、非常
に微弱なラマン信号を再現性良く定量的に作り出すこと
ができ、装置の定量的な評価が可能となる。ここでは顕
微集光光学系2を用い、ビーム径を試料10上で1ミク
ロンに絞って測定した。第6図は本発明の装置を用いた
測定例で、第7図には比較のため、II−PDAを同じ
分光系に接続して測定した例を示す。II−PDAによ
る測定では、10μWの時パルス・ノイズが無視できな
くなってきており、1μWではこのノイズのため測定不
能になっている。これらはそれぞれ光電子増倍管換算で
0.1力ウント/秒と0.01力ウント/秒の信号強度
に対応している。一方、本発明の装置によれば、100
nWの時には高いSN比で良好なスペクトルが得られて
おり、10nWの時でも十分なSN比で信号が検出され
ている。これらはそれぞれ0.001力ウント/秒、0
.0001力ウント/秒の信号強度に相当している。こ
のような測定は、本発明の装置によらない限り達成不可
能なもので、これまでは夢物語にすぎなかった画期的な
結果である。
Figures 6 and 7 show 520cm-
This is an example in which the peak near ' is measured while decreasing the intensity of the laser incident on the sample 10 one order at a time and increasing the measurement time ten times at the same time. In this way, a very weak Raman signal can be quantitatively generated with good reproducibility, making it possible to quantitatively evaluate the device. Here, the measurement was performed using the microscope focusing optical system 2 with the beam diameter narrowed down to 1 micron on the sample 10. FIG. 6 shows an example of measurement using the apparatus of the present invention, and FIG. 7 shows an example of measurement using II-PDA connected to the same spectroscopic system for comparison. In the measurement by II-PDA, pulse noise becomes impossible to ignore at 10 μW, and measurement becomes impossible at 1 μW due to this noise. These correspond to signal intensities of 0.1 force-count/second and 0.01 force-count/second, respectively, in terms of photomultiplier tubes. On the other hand, according to the device of the present invention, 100
At nW, a good spectrum with a high SN ratio was obtained, and even at 10 nW, a signal was detected with a sufficient SN ratio. These are respectively 0.001 force und/sec and 0
.. This corresponds to a signal strength of 0,001 volts/sec. Such measurements are impossible to achieve except with the device of the present invention, and are groundbreaking results that were previously only a pipe dream.

さらに超薄膜への具体的な応用例として、第8図に、本
装置を用いて測定された、砒化ガリウム単結晶上に成長
させた3モルイヤの砒化アルミニウムからのラマン・ス
ペクトルを示す。砒化ガリウムの強いスペクトルの上に
明瞭に砒化アルミニウムからの信号ピークが観測されて
いる。
Furthermore, as a specific example of application to ultra-thin films, FIG. 8 shows a Raman spectrum from 3 molia of aluminum arsenide grown on a gallium arsenide single crystal, measured using this apparatus. A signal peak from aluminum arsenide is clearly observed above the strong spectrum of gallium arsenide.

ピーク強度から推定すると、このままの状態でも1モル
イヤの砒化アルミニウムからの信号が検出可能であると
推定されるだけでなく、純粋な砒化ガリウムとの差分ス
ペクトルを求めることにより、サブモルイヤからのラマ
ン信号検出も十分可能であることが推定される。
Estimating from the peak intensity, it is not only estimated that a signal from 1 molar aluminum arsenide can be detected even in this state, but also Raman signal detection from sub-molar It is presumed that this is also possible.

なお、II−PDAやCCDなどのアナログ検出器では
、第7図にみられるような、主として宇宙線の影響と思
われるパルス・ノイズを避けることは本質的に不可能で
あり、例えば数回測定を繰返して再現しないピークを除
去するなどの、ソフトウェアによる事後処理を行うこと
以外に消すことができないが、本発明のように位置検出
型光電子増倍管18を用いる場合にはフォトン・カウン
ティングを行っているので、宇宙線のような高エネルギ
ーのノイズでも、1力ウント以上には計数されず、超高
感度の測定が可能となっている。しかし、もしこの位置
検出型光電子増倍管検出器18を従来のように、通常の
II−PDAと同様な多重検出器として用いた場合には
、チャンネルあたり200−400ピクセルを縦に加算
することになり、2−8X10−3力ウント/秒のノイ
ズは避けられない。すなわち0.1力ウント/秒の信号
に対してSNNiO250程度となり、II−PDAや
CCDの検出器と比べてあまり変わらないことになる。
Note that with analog detectors such as II-PDA and CCD, it is essentially impossible to avoid pulse noise, which is thought to be mainly caused by cosmic rays, as seen in Figure 7. This cannot be erased except by performing post-processing using software, such as repeating the process to remove peaks that do not recur.However, when using the position-detecting photomultiplier tube 18 as in the present invention, photon counting is performed. Therefore, even high-energy noise such as cosmic rays is not counted as more than 1 force count, making ultra-high sensitivity measurements possible. However, if this position-sensitive photomultiplier tube detector 18 is used as a multiplex detector like a normal II-PDA, 200-400 pixels per channel will be added vertically. , and a noise of 2-8 x 10-3 force/sec is unavoidable. That is, the SNNiO is about 250 for a signal of 0.1 force/count/second, which is not much different from that of II-PDA or CCD detectors.

このように、−次元検出器としてラマン分光に使用する
従来の用法では、PS−PMTの持つ超高感度二次元検
出器としての本来の性能は用いられていなかった。
As described above, in the conventional method of using the PS-PMT as a -dimensional detector for Raman spectroscopy, the original performance of the PS-PMT as an ultra-high sensitivity two-dimensional detector is not utilized.

本発明においては、この位置検出型光電子増倍管18の
最高性能を引き出すべく、検出器5の微調機構19、非
点収差補正用光学系3、同光学系の微調機構14、二次
元データ解析装置22などを適切に組合わせ用いた点に
本発明の特徴があリ、これによって従来よりも2−3桁
以上弱い信号の検出が可能となった。この2−3桁とい
う数字は応用上大変重要であり、サブモルイヤ・レベル
の超薄膜などからの微弱なラマン信号検出がこれによっ
て初めて可能となった。
In the present invention, in order to bring out the highest performance of this position detection type photomultiplier tube 18, a fine adjustment mechanism 19 of the detector 5, an optical system 3 for astigmatism correction, a fine adjustment mechanism 14 of the optical system, and two-dimensional data analysis are provided. The present invention is characterized by the use of appropriate combinations of devices 22 and the like, which makes it possible to detect signals that are two to three orders of magnitude weaker than conventional methods. These 2-3 digits are very important in practical applications, and for the first time, it has become possible to detect weak Raman signals from ultra-thin films on the sub-molecular level.

(実施例3) 次に、請求項4に記載された測定法の場合には、上記の
調整に加えてさらに以下の調整を行う。
(Example 3) Next, in the case of the measurement method described in claim 4, in addition to the above adjustment, the following adjustment is further performed.

まず、レーザ光7を試料10に入射するための集光レン
ズ8として、シリンドリカル・レンズを使用し、試料上
にライン状の照射を行なう。入射スリット12を直視す
るテレスコープ20でこのラインが正しくスリット12
上に転送されていることを確認する。またここでレーザ
・ビームが次元方向に一様に試料10上に照射されてい
ることが重要である。
First, a cylindrical lens is used as the condensing lens 8 for making the laser beam 7 incident on the sample 10, and the sample is irradiated in a line shape. With the telescope 20 that looks directly at the entrance slit 12, this line is correctly aligned with the slit 12.
Make sure it is transferred above. Moreover, it is important here that the laser beam is uniformly irradiated onto the sample 10 in the dimensional direction.

レーザのプラズマ発光などをも利用して、検出器5上の
二次元イメージがひずみな(得られていることを確認す
る。ひずみの原因としては、検出器5の受光面が分光器
の焦点面から傾いている場合と検出器5それ自体の位置
検出時の画像ひずみの場合とがある。両者がそれぞれ最
小になるよう調整する。測定に使用される受光面積が広
がる分だけ、請求項2の調整を、請求項3の測定のため
に行った場合よりも、さらに厳密に行なう必要がある。
Confirm that the two-dimensional image on the detector 5 is obtained using plasma emission from a laser.The cause of the distortion is that the light-receiving surface of the detector 5 is located at the focal plane of the spectrometer. There are two cases: the image is distorted when the detector 5 itself is tilted, and the image is distorted when detecting the position of the detector 5 itself.Adjust so that both are minimized. It is necessary to carry out the adjustment more strictly than in the case of the measurement according to claim 3.

第9図に示すのは、シリコン単結晶のある領域にイオン
・ビーム照射によってダメージを与え、アモルファス化
した領域ともとの単結晶領域を同時に測定した例である
。第9図(a、 )は試料と照射領域の概略図で、太さ
200LLmのアモルファス領域に直角に長さ約1mm
のレーザ光の照射領域を設定した。イメージング測定の
結果を第9図(b)に示す。スペクトルはX方向に与え
られており、Y方向に試料上の空間分布が測定されてい
る。第9図(a)の非照射領域■、照射領域II。
FIG. 9 shows an example in which a region of a silicon single crystal is damaged by ion beam irradiation, and the amorphous region and the original single crystal region are simultaneously measured. Figure 9 (a,) is a schematic diagram of the sample and the irradiation area, with a length of about 1 mm perpendicular to the amorphous area with a thickness of 200 LLm.
The laser beam irradiation area was set. The results of the imaging measurement are shown in FIG. 9(b). The spectrum is given in the X direction, and the spatial distribution on the sample is measured in the Y direction. Non-irradiated area (■) and irradiated area II in FIG. 9(a).

非照射領域IIIがそれぞれ第9図(b)の工、II、
IIIに対応している。第10図はそれぞれ非照射領域
■と照射領域IIでのラマン・スペクトルを切りだした
ものである。イオン照射領域の上下では結晶シリコンか
らの520cm−’のフォノンのピークが観測されてい
るが、イオン照射領域ではこのピークは消失し、はぼア
モルファス化していることがわかる。この例では両者の
差はあまりにも明瞭であるが、■とIIの差分スペクト
ルを取れば、たとえ両者の差がごくわずかであってもこ
れを検出することができる。同時に異なる部位の測定を
行っているので、測定時間が短縮されるだけでなく、測
定条件が厳密に同一になり、高い精度で差分ラマンのス
ペクトル評価が可能になる。
The non-irradiated areas III are respectively shown in FIG. 9(b),
Compatible with III. FIG. 10 shows Raman spectra in the non-irradiated area (2) and the irradiated area (II), respectively. Although a 520 cm-' phonon peak from crystalline silicon is observed above and below the ion irradiation region, this peak disappears in the ion irradiation region, indicating that the region has become almost amorphous. In this example, the difference between the two is too clear, but if the difference spectrum between ■ and II is taken, it can be detected even if the difference between the two is very small. Since measurements are taken at different sites at the same time, not only is the measurement time shortened, but the measurement conditions are strictly the same, making it possible to evaluate differential Raman spectra with high precision.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、従来の世界最高
性能の装置で測定可能な最も弱い信号よりもさらに2−
3桁以上微弱な信号を検出できる。本発明では、照射光
学系、集光光学系、非点収差補正用光学系、分光光学系
、検出系、信号処理回路系を上述したように、適切に組
合せ用い、かつ調整することによって、本発明の著しく
高い検出能力が実現されるものである。通常この種の装
置では20%とか50%あるいは2倍といった検出能力
の向上でも著しい進歩とみなされることが多いことから
もわかるように、2−3桁の向上がいかに画期的なもの
であるかは明らかである。
[Effect of the Invention] As explained above, according to the present invention, the weakest signal measurable with the conventional world's highest performance device is 2-
Can detect signals that are three orders of magnitude weaker or more. In the present invention, the irradiation optical system, the condensing optical system, the astigmatism correction optical system, the spectroscopic optical system, the detection system, and the signal processing circuit system are appropriately combined and adjusted as described above. The significantly higher detection capability of the invention is realized. Normally, for this type of device, an improvement of 20%, 50%, or even double the detection capability is often considered a significant advance, which shows how revolutionary an improvement of 2-3 orders of magnitude is. It is obvious.

またこの同じ精度でラマン・スペクトルの一次元分布イ
メージを測定することができ、試料の場所依存性を一度
に測定したり、2個以上の試料を同時に測定して直接比
較したり、さらに差分スペクトルを求めてわずかなスペ
クトルの差異を抽出したりすることができる。
It is also possible to measure one-dimensional distribution images of Raman spectra with this same precision, allowing you to measure the location dependence of a sample at once, measure two or more samples simultaneously and directly compare them, and even use difference spectra. can be used to extract slight spectral differences.

このように、本発明によれば、ラマン分光法の大きな欠
点である、信号強度の弱さを克服して、原子・分子レベ
ルの情報を与える、超薄膜などのラマン分光が初めて可
能であり、半導体評価の分野のみにとどまらず、多様な
分野でラマン分光の応用可能性を大いに広げることに多
大の貢献をするものと期待される。すなわち、本発明は
、モノレイヤあるいはサブモルイヤ・レベルの半導体、
金属、有機物などの超薄膜や、金属、半導体などの表面
に吸着した分子、原子や、半導体、セラミックスなどに
含まれる極微量の不純物などのラマン散乱スペクトルに
よる物性評価に極めて有効である。
As described above, according to the present invention, it is possible for the first time to perform Raman spectroscopy using ultra-thin films, etc., which overcomes the weak signal strength, which is a major drawback of Raman spectroscopy, and provides information at the atomic and molecular level. It is expected that this work will make a significant contribution to greatly expanding the applicability of Raman spectroscopy not only in the field of semiconductor evaluation but also in a variety of other fields. That is, the present invention provides monolayer or submolayer level semiconductors,
It is extremely effective for evaluating the physical properties of ultra-thin films of metals, organic substances, etc., molecules and atoms adsorbed on the surfaces of metals, semiconductors, etc., and minute amounts of impurities contained in semiconductors, ceramics, etc. using Raman scattering spectra.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明ラマン分光装置の一実施例を示す構成
図である。 第2図は、本発明に用いられる位置検出型光電子増倍管
の一例の原理図である。 第3図は、非点収差補正用光学系を調整する際に使用さ
れるグリッド・パターンの転送イメージの説明図であり
、第3図(a)は入射スリットで確認されるイメージを
示し、第3図(b)は非点収差補正を行っていない時に
検出器と等価な位置に置かれた調整用テレスコープで観
測されるイメージを示し、第3図(c)は非点収差補正
の調整を完全に行った時に期待されるイメージを示す。 第4図(a)、(b)、(c)は、位置検出型光電子増
倍管で得られるスペクトル説明図であり、第4図(a)
は入射スリット上で試料の像を眺めた時のレーザ光のス
ポットを示し、第4図(b)は非点収差補正用光学系を
使用しないときに得られる検出器のイメージを示し、第
4図(c)は非点収差補正用光学系を使用したときの検
出器のイメージを示す。 第5図(a)、(b)は、請求項2の調整方法のうち、
試料上に円形スポットとして照射されたレーザからのラ
マン信号やプラズマ発光工とスリット全域を一様に照射
する水銀ランプやネオンランプやアルゴンランプなどの
発光線IIを同時に計測した時の検出器のイメージの説
明図である。 第6図および第7図は、シリコン単結晶のラマン・スペ
クトル図を示し、第6図は本発明の装置による測定例、
第7図は同一の光学系にII−PDA検出器を設置して
測定した例であす、いずれも、試料上での入射レーザ強
度を順次−桁ずつ減少させていき、同時に測定時間を一
部ずつ増大させることで全信号量を一定に保ちながら、
微弱信号の検出限界を定量的に調べた例である。 第8図は、本装置を用いて測定された砒化ガリウム単結
晶上に成長させた3モルイヤの砒化アルミニウムからの
ラマン・スペクトルの図であり、砒化ガリウムの強いス
ペクトルの上に明瞭に砒化アルミニウムからの信号ピー
クが観測されている。 第9図(a)および(b)は、イオン照射によって一部
をアモルファス化させたシリコン単結晶のラマン・スペ
クトルの一次元空間分布イメージを測定した例の説明図
であり、第9図(a)は試料と照射領域、第9図(b)
は位置検出型光電子増倍管の二次元イメージである。 第10図は、第9図(b)の非照射領域工と照射領域I
Iのデータを処理して得られたラマン・スペクトルの図
である。 1・・・照射光学系、 2・・・集光光学系、 3・・・非点収差補正用光学系、 4・・・分光光学系、 5・・・検出系、 6・・・信号処理回路系。 指定代理人 工業技術院電子技術総合研究所長(b) (C) 第3図 入射スリット12 す照射スポット12A ラマン・スペクトル方向 第4 図 ラマン・シフト(cm”) 第6 図 ラマン・シフト(cm−1) 々な Pツ 路オ 手続?j−1’j正書 (方式) 平成」年/フ月15;)日 2゜ 発明の名称 高感度ラマン分光装置 調整方法 および測定方法 3゜ 補正をする者 4゜ 指定代理人 (発送口) 補正の対象 図面 7゜ 補正の内容 図面第9図 (b) を別図のとおり補正する。 以 」ニ
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the Raman spectrometer of the present invention. FIG. 2 is a principle diagram of an example of a position detection type photomultiplier tube used in the present invention. FIG. 3 is an explanatory diagram of the transferred image of the grid pattern used when adjusting the astigmatism correction optical system, and FIG. 3(a) shows the image confirmed by the entrance slit, Figure 3 (b) shows the image observed with the adjustment telescope placed at the same position as the detector when astigmatism correction is not being performed, and Figure 3 (c) shows the image observed when astigmatism correction is being adjusted. This shows the expected image when the process is completed. FIGS. 4(a), (b), and (c) are explanatory diagrams of spectra obtained with a position-detecting photomultiplier tube, and FIG. 4(a)
Figure 4(b) shows the spot of the laser beam when viewing the image of the sample on the entrance slit, and Figure 4(b) shows the image of the detector obtained when the astigmatism correction optical system is not used. Figure (c) shows an image of the detector when using an optical system for correcting astigmatism. FIGS. 5(a) and 5(b) show the adjustment method according to claim 2,
An image of the detector when simultaneously measuring the Raman signal from the laser irradiated as a circular spot on the sample, the plasma light emitting beam, and the emission line II from a mercury lamp, neon lamp, argon lamp, etc. that uniformly irradiates the entire slit area. FIG. 6 and 7 show Raman spectra of silicon single crystals, and FIG. 6 shows an example of measurement using the apparatus of the present invention.
Figure 7 shows an example of measurement with a II-PDA detector installed in the same optical system. While keeping the total signal amount constant by increasing the
This is an example of quantitatively investigating the detection limit of weak signals. Figure 8 is a Raman spectrum from aluminum arsenide grown on a gallium arsenide single crystal of 3 molia measured using this device. signal peaks are observed. FIGS. 9(a) and 9(b) are explanatory diagrams of an example in which one-dimensional spatial distribution images of the Raman spectrum of a silicon single crystal partially made amorphous by ion irradiation were measured. ) is the sample and irradiation area, Figure 9(b)
is a two-dimensional image of a position-sensitive photomultiplier tube. Figure 10 shows the non-irradiation area work and the irradiation area I in Figure 9(b).
1 is a diagram of a Raman spectrum obtained by processing data of I. 1... Irradiation optical system, 2... Condensing optical system, 3... Astigmatism correction optical system, 4... Spectroscopic optical system, 5... Detection system, 6... Signal processing Circuit system. Designated agent: Director, Electronics Research Institute, Agency of Industrial Science and Technology (b) (C) Figure 3: Entrance slit 12 Irradiation spot 12A Raman spectrum direction Figure 4: Raman shift (cm”) Figure 6: Raman shift (cm-) 1) Various P-to-Route Procedures?j-1'j Orthographic (Method) Heisei''/Fu. Person 4゜Designated agent (shipping port) Drawing subject to amendment 7゜Contents of amendment Drawing 9 (b) will be amended as shown in the attached drawing. I”d

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)励起光を試料に照射してラマン信号の検出を行うラ
マン分光装置において、 前記試料からの散乱光を集光する集光光学系と、 前記集光光学系からの出力光を入射スリットを介して受
光し、その受光した光に対して、ラマン・シフトが10
〜1000cm^−^1と比較的に低波数のスペクトル
領域でも、レイリー散乱による迷光を十分除去して良好
なスペクトルを測定することができる、フィルタ用の差
分散型ダブル分光器および該ダブル分光器の次段に配置
されたシングル分光器を有するトリプル・ポリクロメー
タの形態の分光光学系と、 マイクロ・チャンネルプレートおよびその後段の二次元
の位置検出機構を有し、高エネルギー粒子線などによる
パルス・ノイズの影響をうけないフォトン・カウンティ
ング用の低雑音光電子増倍管であって、前記マイクロ・
チャンネル・プレートによって前記分光光学系からの出
力光を受光して増幅し、その増幅出力信号を二次元の位
置検出機構に導き、微小領域の二次元配列としてイメー
ジを検出して各微小領域でのダーク・ノイズを著しく低
く抑えた位置検出型光電子増倍管と、前記試料上の微小
な照射領域からの各波長の信号光が、前記分光器の収差
による像ぼけを受けることなく前記位置検出型光電子増
倍管の受光面上の各微小領域上に1対1対応で転送され
るようにするシリンドリカル・レンズを有する非点収差
補正光学系と、 前記非点収差補正光学系の微調を行うときに切り替えミ
ラーで位置検出型光電子増倍管の前記受光面と等価な位
置に配置される調整用テレスコープと、 前記位置検出型光電子増倍管の受光面が前記分光器の焦
点面に正確に位置するように位置と方位について微調整
を行う微調整機構と を具え、前記位置検出型光電子増倍管の受光面上の各微
小領域が各波長の信号に相当する形で、極限的に低いノ
イズ・レベルでラマンスペクトルが同時計測されるよう
にしたことを特徴とする高感度ラマン分光装置。 2)請求項1記載のラマン分光装置を用いて、高感度ラ
マン分光測定を行うためのラマン分光装置の調整方法で
あって、 前記入射スリットを直視するテレスコープで前記試料の
像をモニターしながら、励起光が当該試料上に正しく集
光されており、その散乱光が正確に前記入射スリット上
に転送されていることを確認し、 前記試料の位置に、グリッド・パターンを持つ調整用標
準試料を設置し、前記入射スリットの位置でパターンの
全領域が歪みなく観察されることを確認し、 前記シングル分光器の出口に配置されている前記切り替
えミラーを調整側に切り替え、前記非点収差補正光学系
調整用テレスコープの焦点距離を調整して、前記グリッ
ド・パターンを確認 し、前記入射スリット上の全領域で前記グリッド・パタ
ーンの縦横のパターンが全て一様に像ぼけなく転送され
るように、前記非点収差補正光学系の微調整を行い、 励起光が正しく前記試料上に微小な円形スポットとして
集光されていることを前記入射スリットの位置で再度確
認し、この励起光によるラマン信号やプラズマ発光など
のスペクトルと、背景光として前記入射スリット全体に
一様に入射された線発光とを同時に、前記位置検出型光
電子増倍管で測定し、両スペクトルがひずみなく直交し
たパターンを形成するように前記位置検出型光電子増倍
管の位置を微動して、前記テレスコープにより予め調整
した焦点面と等価な位置に前記位置検出型光電子増倍管
の受光面が来るように、前後移動、あおりおよび前記位
置検出型光電子増倍管の軸方向の回転の微調整を順次交
互に行って、最終的には前記受光面上で信号の広がりが
最小でかつスペクトル分解能も最良の状態となるように
調整する ことを特徴とするラマン分光装置の調整方法。 3)請求項1記載のラマン分光装置を用いてラマン分光
を測定するにあたり、前記ラマン分光装置を請求項2記
載の方法で調整し、次いで試料に前記励起光を照射して
、前記位置検出型光電子増倍管より位置特定型データ信
号を取り出して信号処理装置に蓄積し、その蓄積された
信号に基づいて前記試料についてのラマン分光測定結果
を求めることを特徴とする高感度ラマン分光方法。 4)請求項1記載のラマン分光装置を用いてラマン分光
を測定するにあたり、前記ラマン分光装置を請求項2記
載の方法で調整し、前記励起光として一次元のライン形
状のレーザ光を用い、該レーザ光を前記試料上に一次元
のライン状に集光し、その一次元ライン状励起光を前記
位置検出型光電子増倍管の受光面上に空間分解能を保っ
たまま転送し、位置分解スペクトルを二次元イメージデ
ータ信号として取り出して信号処理装置に蓄積し、その
蓄積された信号に対して一次元的位置に関する差分処理
を施して、前記試料上の一次元的位置によるラマンスペ
クトルの微小変化を検出することを特徴とする高感度ラ
マン分光方法。
[Claims] 1) A Raman spectrometer that detects a Raman signal by irradiating a sample with excitation light, comprising: a condensing optical system that condenses scattered light from the sample; The output light is received through the entrance slit, and the Raman shift of the received light is 10.
A differential dispersion type double spectrometer for filters that can sufficiently remove stray light due to Rayleigh scattering and measure good spectra even in a relatively low wavenumber spectral region of ~1000 cm^-^1, and the double spectrometer It has a spectroscopic optical system in the form of a triple polychromator with a single spectrometer placed next to it, a micro channel plate, and a two-dimensional position detection mechanism in the subsequent stage. A low-noise photomultiplier tube for photon counting that is not affected by noise,
The channel plate receives and amplifies the output light from the spectroscopic optical system, guides the amplified output signal to a two-dimensional position detection mechanism, detects an image as a two-dimensional array of micro regions, and detects the image in each micro region. A position-detecting photomultiplier tube with extremely low dark noise and signal light of each wavelength from a minute irradiation area on the sample are transmitted to the position-detecting type photomultiplier tube without image blurring due to aberrations of the spectroscope. an astigmatism correcting optical system having a cylindrical lens that allows electrons to be transferred onto each minute area on a light receiving surface of a photomultiplier tube in a one-to-one correspondence; and when performing fine adjustment of the astigmatism correcting optical system. an adjustment telescope placed at a position equivalent to the light-receiving surface of the position-detecting photomultiplier tube using a switching mirror; and a fine adjustment mechanism for finely adjusting the position and orientation so that each micro region on the light receiving surface of the position detection type photomultiplier tube corresponds to a signal of each wavelength, and has an extremely low A highly sensitive Raman spectrometer characterized by simultaneous measurement of Raman spectra at noise levels. 2) A method for adjusting a Raman spectrometer for performing high-sensitivity Raman spectrometry using the Raman spectrometer according to claim 1, the method comprising: monitoring an image of the sample with a telescope that directly views the entrance slit; , confirm that the excitation light is correctly focused on the sample, and that the scattered light is accurately transferred onto the entrance slit, and place a standard sample for adjustment with a grid pattern at the position of the sample. and confirm that the entire pattern area can be observed without distortion at the position of the entrance slit, and switch the switching mirror placed at the exit of the single spectrometer to the adjustment side to correct the astigmatism. Adjust the focal length of the optical system adjustment telescope to check the grid pattern, and make sure that the vertical and horizontal patterns of the grid pattern are uniformly transferred over the entire area on the entrance slit without image blurring. Then, fine-tune the astigmatism correction optical system, reconfirm at the entrance slit position that the excitation light is correctly focused on the sample as a minute circular spot, and confirm that the Raman light generated by this excitation light is The spectra of signals, plasma emission, etc. and the line emission uniformly incident on the entire entrance slit as background light are simultaneously measured with the position detection type photomultiplier tube, and a pattern in which the two spectra are perpendicular to each other without distortion is obtained. The position of the position detection type photomultiplier tube is slightly moved so that the light receiving surface of the position detection type photomultiplier tube is at a position equivalent to the focal plane adjusted in advance by the telescope. By sequentially and alternately fine-tuning the movement, tilting, and axial rotation of the position-detecting photomultiplier tube, the final result is that the signal spread on the light-receiving surface is minimized and the spectral resolution is the best. A method for adjusting a Raman spectrometer, the method comprising adjusting the Raman spectrometer so that 3) When measuring Raman spectroscopy using the Raman spectrometer according to claim 1, the Raman spectrometer is adjusted by the method according to claim 2, and then the sample is irradiated with the excitation light, and the position detection type A high-sensitivity Raman spectroscopy method, characterized in that a position specific data signal is extracted from a photomultiplier tube, stored in a signal processing device, and a Raman spectroscopic measurement result for the sample is obtained based on the stored signal. 4) When measuring Raman spectroscopy using the Raman spectrometer according to claim 1, adjusting the Raman spectrometer according to the method according to claim 2, and using a one-dimensional line-shaped laser beam as the excitation light, The laser beam is focused onto the sample in a one-dimensional line, and the one-dimensional linear excitation light is transferred onto the light-receiving surface of the position-detecting photomultiplier tube while maintaining the spatial resolution. The spectrum is extracted as a two-dimensional image data signal and accumulated in a signal processing device, and the accumulated signal is subjected to differential processing regarding the one-dimensional position to detect minute changes in the Raman spectrum due to the one-dimensional position on the sample. A highly sensitive Raman spectroscopy method that detects
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JPH07101190B2 (en) 1995-11-01

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