JP2007132934A - 分光システム - Google Patents

Abstract

【課題】低解像度と高解像度の両方で分光分析を行うことが可能な、各種用途の要求に柔軟に対応できる分光分析のためのシステムと技術を提供する。
【解決手段】分光分析用のシステムにおいて、モノクロメータシステムのための機械的及び／または光学的ズームメカニズムを用いて検出器と分散要素の相対位置を変えられるようにする。例えば、可動検出器システムが、検出器を分散要素に対して動かして、第１の解像度を得るための第１の位置に配置させ、次に、検出器を、第２の解像度を得るための第２の位置に配置させる。別の態様では、あるサンプルの領域の分光分析を複数の励起波長を用いて行う。この場合、複数の励起波長のそれぞれに関連する光を受光する位置に対応する検出器を複数配置して各励起波長の光を同時に検出可能とし得る。
【選択図】 図３

Description

本発明は、分光分析法に関し、特に分光分析（例えばラマン分光法）用のモノクロメータシステムに関するものである。

材料に関する情報を取得するために多くの技術が用いられる。使用される技術の１つはラマン分光法である。ラマン分光法では、例えば特許文献１に記載のように分析対象の材料表面上にレーザー光を照射する。大部分の光は、表面から弾性散乱する（レイリー散乱とも称する）。しかし、光の一部は材料の表面及びその近傍で材料と相互作用し、材料の振動、回転、及び／または他の低周波モードの励起により非弾性散乱する。この非弾性散乱光は、入射レーザー光に対して波長がシフトされている。この波長シフトは、（ラマンストークスシフトとも称する、入射光子による材料モードの励起に対応した）周波数の低下か、または（アンチストークスラマンシフトとも称する、既に励起した材料モードと入射光子との相互作用に応じた）周波数の上昇である。シフトの大きさは、励起波長とは無関係であり、ストークス線とアンチストークス線は、励起信号から同じ大きさだけずれる。

ラマン分光分析は、この波長がシフトした光を検出することによって行う。ラマンシフトレーザー光のように、目的の特定波長の光を検出するために、分光システムはモノクロメータを備える。

図１は、従来技術によるラマン分光システム１００の一例を単純化して示したものである。レーザー光源１１０はステージ１３０上に載置されたサンプル１２０を照射する。サンプル１２０から反射された光１１５は、非弾性（ラマン）散乱光とともに、（レイリー散乱光とも称する）弾性散乱された光を含む。ラマン散乱光を分離するために、システム１００は、回析格子１４０を備えるモノクロメータ１０５、ノッチフィルタ１５５及び／またはスリット１０７のようなフィルタリング機構、及び固定された検出器１５０を備える。サンプル１２０の異なる複数の領域を分析するために、ステージ１３０を用いて、入射光に対してサンプルを動かしてもよい。

光１１５は回転可能な回析格子１４０に入射する。この回析格子１４０は光をその波長に応じて分散させる。図１では、回析格子１４０と検出器１５０の相対的な位置が、所望の波長λｄを検出するが他の波長λ１、λ２、及びλ３は検出しないように選択される。ラマンシフトは比較的小さいことから、システム１００は、検出器１５０の前に配置されて、励起周波数における強力なレイリー散乱光成分をフィルタリングするように構成されたノッチフィルタ１５５も備えている。

異なる種類の検出器を用いることもできる。旧式の分光システムでは、増倍型光電管（ＰＭＴ）が一般的であった。しかし、ＰＭＴは検出器の表面全体で受け取った光信号を全て一緒に検知してしまう。これに対して、より新型の分光システムは通常、電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイ検出器、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）検出器、及びフォトダイオードアレイ検出器のようなアレイ検出器を用いている。

所望の波長を検出する（及び／または多数の波長をスキャンする）ために、いくつかの既存のシステムは検出器１５０を固定して回折格子１４０を回転させる。例えば、波長λ１、λ２、及びλ３を対象としている場合は、図１に示すように、回折格子１４０を回転させてその範囲の波長をスキャンさせることができる。

既存の分光システムでは、特定の測定（即ち、回折格子１４０の特定の回転角度で収集されたデータ）のための波長解像度が固定されている。

従来型のシステムを用いて目的の特定の波長範囲についてのデータをより多く得る方法の１つは、回折格子１４０を回転させることによって検出器を横断させて光をスキャンすることであった。低解像度のシステムの場合は、ユーザは、初めの段階として、回折格子を第１の角度範囲において第１の速度で回転させることによって、複数の波長を高速でスキャンすることができる。目的の波長範囲を特定したのち、ユーザは１回以上の追加のスキャンを行うことができる。このスキャンをより低速で（かつ通常はより小さい角度範囲において）行うことによって、分光分析の解像度を高めることができる。
米国特許第６０６７１５４号明細書

従って本発明の目的は、低解像度と高解像度の両方で分光分析を行うことを可能とし、既存の分光システムより高い柔軟性をもって各種用途の要求に対応できる分光分析のためのシステムと技術を提供することにある。

本発明の或る態様では、分光システムが、複数の波長を含む光を受光し、波長分散光を伝達する位置に配置された分散要素（例えば、固定された又は回転可能な、反射回折格子、透過回折格子、プリズム、または他の分散要素）を含む。前記システムはさらに、前記波長分散光の少なくとも一部を受光するべく構成された検出器であって、前記分散光の少なくとも一部は、発散分散光を含む、該検出器を含む。前記システムはさらに、前記検出器を、前記発散分散光の所望の部分を受光する位置に配置するべく構成された可動検出器マウント手段であって、前記検出器は、前記可動検出器マウント手段の上に載置される、該可動検出器マウント手段を含む。前記可動検出器マウント手段（例えば、モータ駆動の回転・直線運動ステージ）は、前記検出器の所望の位置を示す信号を受け取り、かつ前記検出器を、前記所望の位置において前記発散分散光の前記所望の部分を受光する位置に配置するべく構成されたコントローラを含む

前記可動検出器マウント手段は、前記検出器を、予め定められた解像度を得るための前記分散要素からの予め定められた光路長の位置に配置するべく構成され得る。前記検出器は、第１の解像度を得るための前記分散要素からの予め定められた第１の光路長の位置に配置され、次に第２の解像度を得るための前記分散要素からの予め定められた第２の光路長の位置に配置されてもよい。前記第２の解像度は前記第１の解像度より高く、前記第２の光路長は前記第１の光路長より長いものであり得る。

前記可動検出器マウント手段は、前記検出器を、前記分散要素に対して予め定められた第１の相対角度をなす第１の位置に配置するべく構成され、かつ前記検出器を、前記分散要素に対して異なる予め定められた第２の相対角度をなす第２の位置に配置するべく構成され得る。

前記システムは、異なる励起波長の光を用いた深さ方向の特性プロファイリングを行うべく構成され得る。例えば、前記複数の波長は、第１励起波長及び第２励起波長を含み得る。前記システムは、前記検出器マウント手段を前記第１励起波長を関連する第１の位置に動かして、第１のサンプル領域の第１の深さまでの１以上の物理的特性を示す分光分析データを取得するべく構成され得る。前記第１励起波長に関連する前記第１の位置は、前記第１のサンプル領域からのラマンシフト光を受光する位置を含み得、前記ラマンシフト光は前記第１励起波長で前記第１のサンプル領域に入射する非弾性散乱光を含み得る。

前記複数の波長は、第１励起波長及び第２励起波長を含み得、前記システムはさらに、前記発散分散光の少なくとも一部を受光するべく構成された別の検出器と、前記別の検出器を、前記発散分散光の異なる所望の部分を受光する位置に配置するべく構成された別の可動検出器マウント手段であって、前記別の検出器は、前記別の可動検出器マウント手段の上に載置される、該別の可動検出器マウント手段とを有し得る。前記発散分散光の前記所望の部分は、前記第１励起波長に関連する光を含み、前記発散分散光の前記異なる所望の部分は、前記第２励起波長に関連する光を含み得る。

前記分散要素、前記検出器、及び前記可動検出器マウント手段は、モノクロメータに含められ得る。前記システムはさらに、サンプルマウント手段と、第１励起波長で光を発生するべく構成された光源とをさらに有し得る。前記光源は、前記サンプルマウント手段上のサンプルに前記第１励起波長で光を伝達する位置に配置され、前記分散要素は、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプルからの散乱光を受光する位置に配置され得る。前記サンプルからの散乱光は、レイリー散乱光及びラマン散乱光を含み得る。

前記検出器に隣接する光ストッパをさらに有し得る。前記光ストッパは、第１の時間において第１の励起周波数の光を前記検出器で受光され得るようにし、かつ第２の時間において前記第１励起波長の光が前記検出器で実質的に受光されないように構成され得る。前記システムは、前記第１の時間において前記光ストッパを前記検出器から離れた位置に配置するべく構成された駆動機構をさらに有し得る。

前記システムは、表面から反射された光を受光し、かつ前記分散要素には入射光として入射した光を受光して反射するべく構成された曲面ミラーをさらに含み得る。前記システムは、第２のミラーをさらに有し得、前記第２のミラーは前記分散要素からの分散光を受光し、かつ受光した前記分散光を発散分散光として反射するべく構成され得る。

本発明の別の態様では、モノクロメータシステムが、複数の波長を含む光を受光し、かつ前記複数の波長をその波長に応じて分散させるべく構成された分散要素と、

所望の分光分析解像度を示す情報を受け取り、かつその所望の分光分析解像度を示す１以上の信号を発生するべく構成されたコントローラと、１以上の光学的ズームメカニズムと、機械的メカニズムとを含むズームメカニズムであって、前記分散要素に対して可動の１以上の要素を含み、前記コントローラと通信して前記所望の分光分析解像度を示す１以上の信号の受信に応じて前記１以上の要素を動かすべく構成されている、該ズームメカニズムとを有し得る。

例えば、前記ズームメカニズムは、前記分散要素に対して可動検出器マウント手段を含む機械的メカニズムを含み得る。前記検出器マウント手段は、前記所望の分光分析解像度を示す１以上の信号を受け取り、かつ前記検出器マウント手段を前記所望の分光分析解像度に関連する位置に動かすべく構成された位置コントローラを含み得る。

別の例では、前記ズームメカニズムは、１以上の可動光学要素を含む光学的ズームメカニズムを含み、前記光学的ズームメカニズムは、前記所望の分光分析解像度を示す１以上の信号を受け取り、かつ前記１以上の可動光学要素を、前記所望の分光分析解像度に関連する前記分散要素に対する相対位置に動かすべく構成され得る。前記モノクロメータシステムは、サンプルから散乱されたラマンシフト光を受光するべく構成された検出器をさらに含み得る。

本発明の別の態様では、モノクロメータシステムが、複数の励起波長における光の受光に応じてサンプル表面の第１の領域から散乱された光を受光し、かつ前記受光した光をその波長に応じて分散させるべく構成された光学システムを含み得る。前記システムは、第１可動検出器マウント手段に載置された第１検出器と、第２可動検出器マウント手段に載置された第２検出器とを有し得る。前記第１可動検出器マウント手段は、前記第１検出器を、前記複数の励起波長のうちの第１励起波長に関連する第１の位置に動かすべく構成され得る。前記第２可動検出器マウント手段は、前記第２検出器を、前記複数の励起波長のうちの異なる第２励起波長に関連する第２の位置に動かすべく構成され得る。

前記第１検出器はさらに、第１の時間において、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１領域から散乱された光の受光された部分を検出するべく構成され、前記第２検出器はさらに、第１の時間において、前記第２励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１領域から散乱された光のなかの受光された部分を検出するべく構成され得る。

前記光学システムは、透過型回折格子、反射型透過格子、及びプリズムからなる群から選択された分散要素を含み得る。前記第１の時間において、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１の領域から散乱された光のなかの受光された部分は、発散光または実質的な平行光を含み得る。

前記第１の検出器はさらに、前記第１の時間において、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の少なくとも第２の領域から散乱された光を受光するべく構成され得る。前記光学システムが、前記サンプル表面の前記第１の領域から散乱された光を受光する位置に配置された第１の光ファイバーと、前記サンプル表面の前記第２の領域から散乱された光を受光する位置に配置された第２の光ファイバーとを含み得る。

前記第１検出器は、ＣＣＤアレイ検出器、フォトダイオードアレイ検出器、及びＣＭＯＳ検出器からなる群から選択された検出器を含み得る。前記光学システムは、発散光を前記第１の検出器において受光されるように反射するべく構成された平面ミラーを含み得る。

前記第１の時間において、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１の領域から散乱された光が、前記サンプル表面の前記第１の領域の一部から第１の深さに達するまで散乱され、前記第１の時間において、前記第２励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１の領域から散乱された光が、前記サンプル表面の前記第１の領域の一部から第１の深さと異なる第２の深さに達するまで散乱され得る。従って、前記システムは、サンプルの深さ方向の特性プロファイルを生成するべく構成され得る。

本発明の別の態様では、分光分析方法が、分光測定のための第１の所望の解像度を示す情報を受け取る過程を含み得る。前記方法は、前記第１の所望の解像度に基づき、ズーム装置の少なくとも一部を分散要素に対して位置決めする過程も含み得る。前記方法はさらに、前記検出器を用いて、前記第１の所望の解像度を有する第１の分光分析データを取得する過程を含み得る。前記方法はさらに、分光測定のための第２の所望の解像度を示す情報を受け取る過程と、前記第２の所望の解像度に基づき、ズーム装置の少なくとも一部を前記分散要素に対して位置決めする過程とを含み得る。前記方法はさらに、前記検出器を用いて、前記第２の所望の解像度を有する第２の分光分析データを取得する過程を含み得る。

前記方法は、前記分光測定のための第１の所望の波長範囲を示す情報を受け取る過程であって、前記第１の所望の波長範囲は、第１の極値波長（その範囲の最小値または最大値）から第２の極値波長（その範囲の最小値または最大値の他方）までの範囲である、該過程を含み得る。前記方法はさらに、前記第１の極値波長に基づき、前記検出器を前記分散要素に対して位置決めする過程を含み得、前記検出器を用いて、前記第１の所望の解像度を有する第１の分光分析データを取得する前記過程は、前記第１の極値波長に基づく前記位置から前記第２の極値波長に基づく位置まで、前記検出器を前記分散要素に対してスキャンする過程を含み得る。

前記方法はさらに、前記分光測定のための第２の所望の波長範囲を示す情報を受け取る過程であって、前記第２の所望の波長範囲は、初めの極値波長から最後の関連する極値波長までの範囲であり、該過程を含み得る。前記第２の所望の波長範囲は、前記第１の所望の波長範囲より小さいものであり得る。前記方法はさらに、前記初めの極値波長に基づき、前記検出器を前記分散要素に対して位置決めする過程を含み得る。前記分光分析方法は、ラマン分光法であり得る。

本発明の別の態様では、分光分析方法が、第１励起波長及び第２励起波長を含む、複数の実質的に異なる励起波長を含む励起光を発生する過程を含み得る。前記方法はさらに、サンプルの第１の領域から前記励起光を散乱させる過程と、前記散乱光を波長に応じて分散させる過程とを含み得る。前記方法はさらに、前記第１励起波長に関連する光を受光する位置に配置された第１の検出器において、前記分散光の第１の部分を受光する過程と、前記第２励起波長に関連する光を受光する位置に配置された第２の検出器において、前記分散光の異なる第２の部分を受光する過程とを含み得る。前記方法はさらに、前記第１の部分及び前記第２の部分に基づき、前記サンプルの前記第１の領域の１以上の特性を決定する過程を含み得る。

サンプルの第１の領域からの前記励起光を散乱させる前記過程は、前記サンプルの前記第１の領域の第１の深さから前記第１励起波長を有する光を散乱させる過程と、前記サンプルの前記第１の領域の異なる第２の深さから前記第２励起波長を有する光を散乱させる過程とを含み得る。前記第１の部分及び前記第２の部分に基づき、前記サンプルの前記第１の領域の１以上の特性を決定する前記過程は、前記サンプルの前記第１の領域の深さ方向の特性プロファイルを発生する過程を含み得る。前記深さ方向の特性プロファイルは、前記サンプルの前記第１の領域の前記第１の深さにおける１以上の物理的特性を示すデータと、前記サンプルの前記第１の領域の前記第２の深さにおける１以上の物理的特性を示すデータとを含み得る。

上記のような本発明の分光分析システムでは、ズームイン／ズームアウト能力を有する分光計とモノクロメータを用いることにより、低解像度と高解像度の両方で分光分析を行うことが可能となる。従って、既存の分光システムによって得られるものより柔軟性のより高い分光分析が可能となる。

本発明の他の特徴及び利点は、以下の実施例の詳細な説明を添付の図面とともに参照することによって一層容易に理解されよう。

以下に本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して説明する。尚、図面における類似の符号は類似の要素を示す。

光学分光計の場合、モノクロメータを用いて特定の波長または目的の波長範囲を分離する。一般的には、ユーザが期待される用途に基づいて特定のモノクロメータを選択する。例えば、ラマン分光法の用途のためには、通常は大きくて嵩張るが高解像度のモノクロメータを用いて、目的のラマンピークのための高解像度のデータを得る。他の用途のためには、ユーザはコンパクトで容易に使用できる低解像度のモノクロメータを選択してもよい。

本発明の目的である強化された柔軟性を得るために、以下に説明するシステムと技術には、ズームイン／ズームアウト能力を有する分光計とモノクロメータの設計が含まれる。この結果、低解像度と高解像度の両方で分光分析を行うことができる。

図２は、モノクロメータ２０５の平面図であり、システム２００の解像度が回折格子２４０と検出器２５０との間の距離に応じて決まる、検出器２５０に入射する発散光のための方法を示す。

検出器２５０が回折格子２４０に比較的近い距離ｄ１に位置しているときには、検出器は比較的大きい立体角からの光を捕捉する。このことにより、比較的低解像度の材料の「像」（即ち、反射光の比較的大きい波長範囲）が得られる。しかし、検出器２５０が回折格子２４０から比較的遠い距離ｄ２に位置しているときには、検出器は比較的小さい立体角からの光を捕捉する。捕捉された光には、より狭い波長範囲が含まれ、より解像度の高い材料の像が得られる。

図３は、いくつかの実施例による、ズームイン／ズームアウト能力を組み込んだ分光システム３００の図である。システム３００は、ステージ３３０上に載置されたサンプル３２０と、モノクロメータシステム３０５とを備える。モノクロメータシステム３０５は、波長に応じて入射光３１５を分散させるように構成された回折格子３４０のような波長分散メカニズムを備える。モノクロメータ３５０には、可動式の検出器３５０も備えられている。ユーザは、所望のスペクトル解像度を得るために可動式検出器３５０の位置を調節することができる。例えば、ユーザはコンピュータ等のユーザインタフェースを介して分光システムに対する所望のポジショニングを表示する１以上のパラメータを入力でき、システム３００の１以上のコントローラ（図示せず）がその１以上のパラメータに基づいて検出器３５０を位置決めし得る。

例えば、第１の時間ｔ１において、検出器３５０が回折格子３４０から距離ｄ１の位置に配置されて、検出器３５０がサンプル３２０の低解像度のデータを取得し得る。この低解像度のデータを解析して、１以上の目的波長領域を決定し得る。第２の時間ｔ２において、検出器３５０は回折格子３４０から異なる距離ｄ１の位置に配置されて、検出器３５０が、サンプル３２０の（またはより高解像度のデータが必要な異なるサンプルの）高解像度のデータを得ることができる。

モノクロメータ３０５は、回折格子３４０と検出器３５０との間の相対的な角度のずれを提供するように構成されてもよい。相対的角度を動かすことで、所望の位置（ラマンシフト光を捕捉するための位置）に検出器３５０を位置合わせしたり、かつ／または検出器３５０を横断してビームをスキャンすることができる。相対的角度の動きは、回折格子３４０を固定した状態で、回折格子３４０の周囲に検出器３５０を回転させることによって得られる。代わりに（或いは、それに加えて）、回折格子３４０を回転させてもよい。さらに、上述のように、反射回折格子ではなく、透過格子やプリズムのような分散要素を用いてもよい。

回折格子３４０が固定された実施形態は、いくつかの用途のためには特に有益であり得る。例えば、いくつかの分光システムにおいて、多数の追加の光学要素（例えば平面ミラー、曲面ミラー等）を回折格子３４０とともに用いることができる。可動式検出器３５０を組み入れることで、使用が一層容易になり得る。目的波長のシグナルを検出するために光学システムの要素を動かすのではなく、ユーザが目的波長の分散角度を計算し、かつ／または所望の解像度を決定して、それに従って検出器３５０を位置決めしさえすればよい。

検出器３５０はさまざまな方式で動かすことができる。例えば、検出器３５０を所望の動き（径方向及び／または角度の動き）を提供するステージ３７０上に載置することができる。いくつかの実施形態では、ステージ３７０はモータ駆動で回転運動・直線運動するステージであり得る。そのステージは、ステージ３７０の所望の位置を示す信号を受け取り、それに応じてステージを動かすべく構成されたコントローラを備え得る。

システム３００は、入口スリット（図示せず）も備える。細い入口スリットは、解像度を改善するために用いられるが、検出のために利用できる光量を低下させ得る。大きい入口スリットは、検出のために利用できる光の量を増加させるが、解像度が所望のレベルより低くなり得る。

図４Ａは、モノクロメータシステム４０５の或る実施形態を示す。システム４０５は、入光スリット４０７（上述のように特定の用途のために選択された幅を有し得る）を通して（解析対象の光を含む）光を受光する。光は曲面ミラー４０９から反射された後、透過格子４４０等の分散要素に入射される。分散光は平面ミラー４１１から反射される。反射光の異なる複数の部分が検出器４５０によって受光され得る。検出器４５０は、ＣＣＤアレイ検出器、フォトダイオードアレイ検出器、ＣＭＯＳ検出器、または他の種類の検出器であり得る。

既存のシステムのなかには、図４Ａに示す光学システムに類似しているが、平面ミラー４１１の代わりに曲面ミラーが使用されている点で異なっているものがある。それらのシステムでは、曲面ミラーで反射された分散光は、その幅方向にわたって波長の異なる平行な複数のビーム光となる。曲面ミラーを平面ミラー４１１に置き換えることによって分散光は発散し、異なる距離における光を捕捉することで異なる解像度での測定が可能となる。

図４Ｂは、検出器４５０の異なる径方向の３つの位置において得られる、異なる解像度を示す。ミラー４１１に最も近い（即ち回折格子４４０への光路長が最も短い）第１位置では、低解像度で、広い波長範囲を含むスペクトルが得られる。ミラー４１１から最も遠い第２位置では、高解像度で狭い波長範囲を含むスペクトルが得られる。中間の距離の第３位置では、中程度の解像度のスペクトルが得られる。

図４Ｃは、モノクロメータ４０５の別の実施形態の斜視図である。モノクロメータ４０５は、サンプルからの光を受け取るための入光スリット４０７を備える。受光された光は曲面ミラー４０９に入射し、次に格子４４０で分散される。図４Ａのモノクロメータと異なり、平面ミラー４１１が省略されている。分散光は検出器４５０に入射し、検出器４５０は、低い解像度のための格子４４０により近い位置または高解像度のための格子４４０からより遠い位置に配置され得る。

いくつかの実施形態では、図３、図４Ａ，及び図４Ｃに示す上述の機械的ズームイン／ズームアウト能力の代わりに、或いはそれに追加する形で、光学的ズームイン／ズームアウト能力を用いることができる。例えば、モノクロメータは固定された検出器と、分散要素と検出器との間に配置された１以上の光学要素を備え得る。１以上の光学要素は、第１固定レンズ及び第２可動レンズとを備えて、検出器における光の分散度を高めたり（解像度を高めるためのズームイン）、低下（解像度を低下させるためのズームアウト）させることを可能とし得る。いくつかの実施形態では、市販のカメラシステム用のズームイン／ズームアウトレンズアセンブリを使用し得る。しかし、使用される波長がガラスによって過度に吸収される用途では、他のレンズ材料が必要となる場合もある。例えば、水晶や他のＵＶ適合性材料が必要となり得る。

上述のように、従来の分光システムでは、ノッチフィルタを用いて強いレイリー散乱レーザー信号を除去し、ラマン信号を分析できるようにしている。しかし、上述の図３及び図４Ａに示すシステムのような可動式検出器を組み入れたシステムの場合には、より容易でかつより正確な分光較正を可能にする、異なる技術を用いる。

ラマン分光法の場合には、ステージ５３０上に載置されたサンプル５２０から反射された光を分光分析する分光システム５００を示す図５に記載のように、励起波長λexc、及びラマン波長λRamanの波長の差がΔλで表される。λRamanを効率的かつ正確に決定するために、波長λexcのレイリー散乱シグナルを用いて、検出器５５０の位置を較正し得る。

例えば、検出器５５０は、初めに、レイリー散乱光とラマン散乱光の両方を検出器の幅の範囲で捕捉できるような、回折格子５４０からある距離の位置に配置される（例えば、両信号を同時に検出できるだけ十分に低い解像度とする）。検出器５５０は、格子５４０に対する角度を変えるように動かされて、強いレイリー散乱シグナルが検出されるとともに、ラマン散乱光も検出器５５０で捕捉されるような位置に配置され得る。ラマン散乱光とレイリー散乱光の相対位置は、ストークス線、アンチストークス線、またはその両方が検出されたか否かに応じて決まってくる。

一旦検出器５５０が位置決めされると、光ストッパ５５２は、レイリー散乱光が十分のブロックされる位置までアクチュエータ５５４（例えばマイクロメータ）によって動かされる。次に得られたラマンピークを検出器５５０を用いて捕捉し得る。このことでより正確な分光分析が可能となり得る。測定のための波長の基準としての役目を果たすレイリーピークが検出された位置に対してのラマンピークが測定されることになるからである。

図５に示すような、検出器５５０を回転させて格子５４０に対する角度を変える能力は、複数の波長で分光分析を行うためにも利用することができる。このことは、異なる波長の光が異なる深さまでサンプルに侵入することで非常に有益となり得る。波長が長くなるほど材料により深く侵入し、波長が短くなるほどサンプルの表面に近いサンプル材料と相互作用することになる。この結果、同時に複数の波長を用いて材料の深さ方向の特性プロファイルを得ることができる。

図６は、ステージ６３０上に載置されたサンプル６２０から反射された光の複数の波長での分光分析を行うために使用できる、単純化された分光システム６００の平面図である。光源６１０は、２以上の波長を有する励起光を提供する。例えば、光源６１０は、複数の励起波長で光を発生するレーザー（例えばアルゴンイオンレーザー）であるか、或いは複数の波長の光を発する複数のレーザーを含み得る。図６において、３つの異なる励起波長に対応する３つの波長λ１、λ２、及びλ３を有するシグナルが、格子６４０によって分散されている。実施形態のなかには、波長λ１、λ２、及びλ３をそれぞれ順番に検出するように、１つの可動式検出器６５０が回折格子６４０に対する角度を位置決めされ得るものがある。また他の実施形態として、波長λ１、λ２、及びλ３を同時に検出するように、３つの異なる検出器６５０、６５０’、６５０”が配置され得るものもある。

これに対して、既存のシステムのなかには、目的の波長が固定された検出器に入射するように回折格子を回転させるものがある。そのようなシステムでは、複数の波長のサンプルデータを取得することが非常に複雑になり得る。例えば、第１の光源を用いて第１のサンプルデータの組を取得し得る。次にその光源を変更して、第２の波長で得られる第２のサンプルデータの組を取得し得る。しかし、新しい光源のためにシステムの較正が必要であり、第２のデータの組は第１の組と相互関係を有する。従って、既存のシステムは、複数の波長でサンプルの励起を同時に行う場合より複雑でしかも精度は劣る。

図７は、ラマン散乱光のより良好なＳ／Ｎ比を提供し得る、ステージ７３０上に載置されたサンプル７２０の分光分析を行うシステム７００の別の実施形態を示す。システム７００は、鏡面反射による散乱光が検出器７５０、７５０’、７５０”に入射しないようにするスリット７２２を備える。コリメートされたビームは格子７４０に入射し、そこで波長に応じて光が分散される。図７は、３つの目的の波長が検出器７５０、７５０’、７５０”で検出される例を示している（もちろん、検出器の数を変えてもよい）。

図８は、複数の波長の励起のためのシステムの別の実施形態８００を示す。ステージ８３０上に載置されたサンプル８２０で反射された光は、初めに１以上の光学要素８２３に入射させて、サンプル８２０からの光を、それがスリット８２２を通過するように集束させることができる。次に光をミラー８０９から回折格子８４０に向けて反射させ得る。次に分散光を平面ミラー８００から反射させ、目的の波長を検出器８５０、８５０’、８５０”で検出されるようにする。図４の場合と同様に、平面ミラー８１１は実施形態によっては省略することができる。

図９Ａ〜図９Ｃは、１以上のモノクロメータ９０５を用いて深さ方向の特性プロファイル情報を得るために用いられるシステムの異なる実施形態を示す。例えば、図９Ａでは、１以上のレーザー９１０から光が複数の励起波長（例えば３つの異なる波長）を含む。その光はサンプル９２０に入射され、サンプルはステージ９３０上に載置される。反射光は１以上の光ファイバー９２８上に入射されて、別々のモノクロメータ９０５Ａ、９０５Ｂ、９０５Ｃに伝達される。各モノクロメータはそれぞれに関連する検出器９５０、９５０’、９５０”を有する。

図９Ｂにおいては、ステージ９３０上のサンプル９２０から反射された光が複数の光ファイバーから構成されたファイバー束９２９に受光される。次に目的の波長は個々のモノクロメータ９０５Ａ、９０５Ｂ、９０５Ｃか、複数の波長を検出するべく構成された１個のモノクロメータ９０５に伝達される。

図９Ｃでは、光源９１０の後にビーム拡大器９１３を組み入れることによって、サンプル９２０のより大きい面積が特定の時間に分析され得る。ファイバー束９２９は、サンプル９２０の異なる複数の領域からの光を受光し、かつその光を複数のモノクロメータ、または複数の関連する検出器（例えば検出器９５０、９５０’、９５０”）を備えた１個のモノクロメータ９０５に伝達させ得る。図９Ｃに示すもののような分光システムは、半導体産業においてとくに有用であり得る。サンプル９２０が、シリコンウエハ等の半導体サンプルである場合、ウエハ上の異なる領域（例えば、ファイバー束９２９の９本のファイバーに対応する、異なる９つの領域）を、一度に解析し得る。図９Ｄは、ウエハの複数の領域に対する同時ラマン分光分析に対応するＣＣＤの出力の一例を示す。図９Ｄに示すように、複数のサンプル領域のそれぞれに対応する検出器ピクセル群は、シリコンの５２０ｃｍ^−１ラマンシフトに対応する信号を示す。

使用される実際のシステムは、特定の分光分析の用途に応じて改変され得る。例えば、ラマン分光システムの場合には、固定された光学要素を備えたシステムが、その信頼性ゆえに望ましいものであり得る。しかし、他の分光分析の用途（例えば、光ルミネセンスの用途）では、検出される波の数の範囲が、分散要素の回転が望ましいものとなるほど十分に大きいものであり得る。

同様に、用途によっては、他の光学要素を用いずに分散要素のみ（即ちスリットか類似のメカニズムのみ）を用いる。そのようなシステムは、検出器においてより多くの散乱光を受光し得るが、所望のシグナルの大きさはより大きくなり得る。ミラーやレンズのような追加の光学要素と光との相互作用を原因とする光の減衰が起こらないからである。しかし、用途によっては、追加の光学要素を用いたほうが、それを原因とする減衰にも関わらずよりＳ／Ｎ比が改善されることもある。

実施に際しては、上述の技術及びそれらの変形を、少なくとも部分的にコンピュータソフトウェア命令として実装することができる。そのような命令は、１以上の機械が読み出し可能な媒体か装置に記憶されて、例えば１以上のコンピュータプロセッサによって実行されたり、或いは上述した機能と動作を機械に行なわせるようにすることができる。

複数の実施形態について記載してきた。上記の説明において、実施形態の一部についてはより詳細に説明したが他の変更した形態も可能であり、本明細書の開示内容は全ての改変した実施形態、特に当業者が予測可能であり得るあらゆる改変実施形態を開示しようと意図したものではない。例えば、モノクロメータと分光システムにおいて多くの種類の光学要素を使用できる。

従来技術によるラマン分光システムの平面図。 モノクロメータの平面図。 いくつかの実施形態による、分光システムの概略平面図。 いくつかの実施形態による、モノクロメータシステムの平面図。 分光システムにおける検出器の３つの異なる径方向の位置についての解像度の差を示す図。 いくつかの実施形態による、モノクロメータシステムの斜視図。 分光システムの実施形態の平面図。 複数の波長を検出する分光システムの一実施形態の平面図。 複数の波長を検出する分光システムの別の実施形態の平面図。 複数の波長を検出する分光システムの別の実施形態の平面図。 複数の波長を検出する分光システムの実施形態の平面図。 複数の波長を検出する分光システムの実施形態の平面図。 複数の波長を検出する分光システムの実施形態の斜視図。 サンプルの複数の位置の分光分析のためのＣＣＤディスプレイを示す図。

符号の説明

１００ ラマン分光システム（従来技術）
１０５ モノクロメータ
１０７ スリット
１１０ レーザー光源
１１５ 反射光
１２０ サンプル
１３０ ステージ
１４０ 回析格子
１５０ 検出器
１５５ ノッチフィルタ
２０５ モノクロメータ
２４０ 回折格子
２５０ 検出器
３００ 分光システム
３０５ モノクロメータシステム
３１５ 入射光
３２０ サンプル
３３０ ステージ
３４０ 回折格子
３５０ 可動式検出器
３７０ ステージ
４０５ モノクロメータシステム
４０７ スリット
４０９ 曲面ミラー
４１１ 平面ミラー
４４０ 透過格子
４５０ 検出器
５００ 分光システム
５２０ サンプル
５３０ ステージ
５４０ 回折格子
５５０ 検出器
５５２ 光ストッパ
５５４ アクチュエータ
６００ 分光システム
６１０ 光源
６２０ サンプル
６３０ ステージ
６４０ 回折格子
６５０、６５０’、６５０” 検出器
７００ 分光システム
７２０ サンプル
７２２ スリット
７３０ ステー
７４０ 回折格子
７５０、７５０’、７５０” 検出器
８００ 分光システム
８０９ ミラー
８１１ 平面ミラー
８２０ サンプル
８２２ スリット
８２３ 光学要素
８３０ ステージ
８４０ 回折格子
８５０、８５０’、８５０” 検出器
９０５Ａ、９０５Ｂ、９０５Ｃ モノクロメータ
９１０ レーザー
９２０ サンプル
９２８ 光ファイバー
９２９ ファイバー束
９３０ ステージ
９５０、９５０’、９５０” 検出器

Claims (40)

1. 分光システムであって、
   複数の波長を含む光を受光し、波長分散光を伝達する位置に配置された分散要素と、
   前記波長分散光の少なくとも一部を受光するべく構成された検出器であって、前記分散光の少なくとも一部は、発散分散光を含む、該検出器と、
   前記検出器を、前記発散分散光の所望の部分を受光する位置に配置するべく構成された可動検出器マウント手段であって、前記検出器は、前記可動検出器マウント手段の上に載置される、該可動検出器マウント手段とを有することを特徴とする分光システム。
2. 前記分散要素は、反射回折格子、透過回折格子、及びプリズムから選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記分散要素は、回転可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記分散要素は、固定されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記可動検出器マウント手段は、前記検出器を、予め定められた解像度を得るための前記分散要素からの予め定められた光路長の位置に配置するべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記可動検出器マウント手段は、前記検出器を、第１の解像度を得るための前記分散要素からの予め定められた第１の光路長の位置に配置するべく構成され、かつ第２の解像度を得るための前記分散要素からの予め定められた第２の光路長の位置に配置するべく構成されており、前記第２の解像度は前記第１の解像度より高く、前記第２の光路長は前記第１の光路長より長いことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記可動検出器マウント手段は、前記検出器を、前記分散要素に対して予め定められた第１の相対角度をなす第１の位置に配置するべく構成され、かつ前記検出器を、前記分散要素に対して異なる予め定められた第２の相対角度をなす第２の位置に配置するべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記複数の波長は、第１励起波長及び第２励起波長を含み、
   前記システムは、前記検出器マウント手段を前記第１励起波長を関連する第１の位置に動かして、第１のサンプル領域の第１の深さまでの１以上の物理的特性を示す分光分析データを取得するべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記第１励起波長に関連する前記第１の位置は、前記第１のサンプル領域からのラマンシフト光を受光する位置を含み、前記ラマンシフト光は前記第１励起波長で前記第１のサンプル領域に入射する非弾性散乱光を含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記複数の波長は、第１励起波長及び第２励起波長を含み、
    前記システムはさらに、
    前記発散分散光の少なくとも一部を受光するべく構成された別の検出器と、
    前記別の検出器を、前記発散分散光の異なる所望の部分を受光する位置に配置するべく構成された別の可動検出器マウント手段であって、前記別の検出器は、前記別の可動検出器マウント手段の上に載置される、該別の可動検出器マウント手段とを有し、
    前記発散分散光の前記所望の部分は、前記第１励起波長に関連する光を含み、前記発散分散光の前記異なる所望の部分は、前記第２励起波長に関連する光を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
11. 前記分散要素、前記検出器、及び前記可動検出器マウント手段は、モノクロメータに含められることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
12. サンプルマウント手段と、第１励起波長で光を発生するべく構成された光源とをさらに有し、
    前記光源は、前記サンプルマウント手段上のサンプルに前記第１励起波長で光を伝達する位置に配置され、
    前記分散要素は、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプルからの散乱光を受光する位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
13. 前記サンプルからの散乱光は、レイリー散乱光及びラマン散乱光を含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記検出器に隣接する光ストッパをさらに有し、
    前記光ストッパは、第１の時間において第１の励起周波数の光を前記検出器で受光され得るようにし、かつ第２の時間において前記第１励起波長の光が前記検出器で実質的に受光されないように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
15. 前記システムは、前記第１の時間において前記光ストッパを前記検出器から離れた位置に配置するべく構成された駆動機構をさらに有することを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. 前記可動検出器マウント手段が、モータ駆動の回転・直線運動ステージを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
17. 前記モータ駆動の回転・直線運動ステージが、前記検出器の所望の位置を示す信号を受け取り、かつ前記検出器を、前記所望の位置において前記発散分散光の前記所望の部分を受光する位置に配置するべく構成されたコントローラを含むことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
18. 表面から反射された光を受光し、かつ前記分散要素には入射光として入射した光を受光して反射するべく構成された曲面ミラーをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
19. 第２のミラーをさらに有し、前記第２のミラーは前記分散要素からの分散光を受光し、かつ受光した前記分散光を発散分散光として反射するべく構成されていることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
20. モノクロメータシステムであって、
    複数の波長を含む光を受光し、かつ前記複数の波長をその波長に応じて分散させるべく構成された分散要素と、
    所望の分光分析解像度を示す情報を受け取り、かつその所望の分光分析解像度を示す１以上の信号を発生するべく構成されたコントローラと、
    １以上の光学的ズームメカニズムと、機械的メカニズムとを含むズームメカニズムであって、前記分散要素に対して可動の１以上の要素を含み、前記コントローラと通信して前記所望の分光分析解像度を示す１以上の信号の受信に応じて前記１以上の要素を動かすべく構成されている、該ズームメカニズムとを有することを特徴とするモノクロメータシステム。
21. 前記ズームメカニズムは、前記分散要素に対して可動検出器マウント手段を含む機械的メカニズムを含み、
    前記検出器マウント手段は、前記所望の分光分析解像度を示す１以上の信号を受け取り、かつ前記検出器マウント手段を前記所望の分光分析解像度に関連する位置に動かすべく構成された位置コントローラを含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
22. 前記ズームメカニズムは、１以上の可動光学要素を含む光学的ズームメカニズムを含み、
    前記光学的ズームメカニズムは、前記所望の分光分析解像度を示す１以上の信号を受け取り、かつ前記１以上の可動光学要素を、前記所望の分光分析解像度に関連する前記分散要素に対する相対位置に動かすべく構成されていることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
23. 前記モノクロメータシステムは、サンプルから散乱されたラマンシフト光を受光するべく構成された検出器をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
24. モノクロメータシステムであって、
    複数の励起波長における光の受光に応じてサンプル表面の第１の領域から散乱された光を受光し、かつ前記受光した光をその波長に応じて分散させるべく構成された光学システムと、
    第１可動検出器マウント手段に載置された第１検出器と、
    第２可動検出器マウント手段に載置された第２検出器とを有し、
    前記第１可動検出器マウント手段は、前記第１検出器を、前記複数の励起波長のうちの第１励起波長に関連する第１の位置に動かすべく構成され、前記第２可動検出器マウント手段は、前記第２検出器を、前記複数の励起波長のうちの異なる第２励起波長に関連する第２の位置に動かすべく構成されており、
    前記第１検出器はさらに、第１の時間において、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１領域から散乱された光の受光された部分を検出するべく構成され、前記第２検出器はさらに、第１の時間において、前記第２励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１領域から散乱された光のなかの受光された部分を検出するべく構成されていることを特徴とするモノクロメータシステム。
25. 前記光学システムが、透過型回折格子、反射型透過格子、及びプリズムからなる群から選択された分散要素を含むことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
26. 前記第１の時間において、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１の領域から散乱された光のなかの受光された部分が、発散光を含むことを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
27. 前記第１の時間において、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１の領域から散乱された光のなかの受光された部分が、実質的な平行光を含むことを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
28. 前記第１の検出器がさらに、前記第１の時間において、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の少なくとも第２の領域から散乱された光を受光するべく構成されていることを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
29. 前記光学システムが、
    前記サンプル表面の前記第１の領域から散乱された光を受光する位置に配置された第１の光ファイバーと、
    前記サンプル表面の前記第２の領域から散乱された光を受光する位置に配置された第２の光ファイバーとを含むことを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
30. 前記第１検出器が、ＣＣＤアレイ検出器、フォトダイオードアレイ検出器、及びＣＭＯＳ検出器からなる群から選択された検出器を含むことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
31. 前記光学システムが、発散光を前記第１の検出器において受光されるように反射するべく構成された平面ミラーを含むことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
32. 前記第１の時間において、前記第１励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１の領域から散乱された光が、前記サンプル表面の前記第１の領域の一部から第１の深さに達するまで散乱され、
    前記第１の時間において、前記第２励起波長の光の受光に応じて前記サンプル表面の前記第１の領域から散乱された光が、前記サンプル表面の前記第１の領域の一部から第１の深さと異なる第２の深さに達するまで散乱されることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
33. 分光分析方法であって、
    分光測定のための第１の所望の解像度を示す情報を受け取る過程と、
    前記第１の所望の解像度に基づき、ズーム装置の少なくとも一部を分散要素に対して位置決めする過程と、
    前記検出器を用いて、前記第１の所望の解像度を有する第１の分光分析データを取得する過程と、
    分光測定のための第２の所望の解像度を示す情報を受け取る過程と、
    前記第２の所望の解像度に基づき、ズーム装置の少なくとも一部を前記分散要素に対して位置決めする過程と、
    前記検出器を用いて、前記第２の所望の解像度を有する第２の分光分析データを取得する過程とを含むことを特徴とする方法。
34. 前記分光測定のための第１の所望の波長範囲を示す情報を受け取る過程であって、前記第１の所望の波長範囲は、第１の極値波長から第２の極値波長までの範囲である、該過程と、
    前記第１の極値波長に基づき、前記検出器を前記分散要素に対して位置決めする過程とをさらに含むことを特徴とし、
    前記検出器を用いて、前記第１の所望の解像度を有する第１の分光分析データを取得する前記過程が、前記第１の極値波長に基づく前記位置から前記第２の極値波長に基づく位置まで、前記検出器を前記分散要素に対してスキャンする過程を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
35. 前記分光測定のための第２の所望の波長範囲を示す情報を受け取る過程であって、前記第２の所望の波長範囲は、初めの極値波長から最後の関連する極値波長までの範囲であり、前記第２の所望の波長範囲は、前記第１の所望の波長範囲より小さい、該過程と、
    前記初めの極値波長に基づき、前記検出器を前記分散要素に対して位置決めする過程とをさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
36. 前記分光分析方法が、ラマン分光法であることを特徴とする請求項３４に記載に方法。
37. 分光分析方法であって、
    第１励起波長及び第２励起波長を含む、複数の実質的に異なる励起波長を含む励起光を発生する過程と、
    サンプルの第１の領域から前記励起光を散乱させる過程と、
    前記散乱光を波長に応じて分散させる過程と、
    前記第１励起波長に関連する光を受光する位置に配置された第１の検出器において、前記分散光の第１の部分を受光する過程と、
    前記第２励起波長に関連する光を受光する位置に配置された第２の検出器において、前記分散光の異なる第２の部分を受光する過程と、
    前記第１の部分及び前記第２の部分に基づき、前記サンプルの前記第１の領域の１以上の特性を決定する過程とを含むことを特徴とする方法。
38. サンプルの第１の領域からの前記励起光を散乱させる前記過程が、
    前記サンプルの前記第１の領域の第１の深さから前記第１励起波長を有する光を散乱させる過程と、
    前記サンプルの前記第１の領域の異なる第２の深さから前記第２励起波長を有する光を散乱させる過程とを含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
39. 前記第１の部分及び前記第２の部分に基づき、前記サンプルの前記第１の領域の１以上の特性を決定する前記過程が、前記サンプルの前記第１の領域の深さ方向の特性プロファイルを発生する過程を含むことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
40. 前記深さ方向の特性プロファイルが、
    前記サンプルの前記第１の領域の前記第１の深さにおける１以上の物理的特性を示すデータと、
    前記サンプルの前記第１の領域の前記第２の深さにおける１以上の物理的特性を示すデータとを含むことを特徴とする請求項３８に記載の方法。

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