JP2008046132A - 分光システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来の分光系よりも適応範囲の広い分光法を提供する。
【解決手段】幾つかの実施形態では、機械的及び／又は光学ズーム機構がモノクロメータ・システムのために提供される。例えば、第１の分解能を得るために、可動な検出器システムは、分散素子に対して検出器を位置付ける。次に、第２の異なる分解能を得るために、検出器システムは、分散素子に対して検出器を位置付ける。幾つかの実施形態では、複数の励起波長を使用することで、第１の試料領域の分光法が行われる。複数の励起波長を有する光を受信するようにするべく、複数の検出器が位置付けられる。
【選択図】図９Ａ

Description

関連出願の相互参照：本出願は、米国特許出願第１１／２６８，１４８号（この参照によって本発明に含まれるものとする）の一部継続出願である。

技術分野：本発明は、一般に、分光法に関し、特に、分光法（例えば、ラマン分光法）のためのモノクロメータ・システムに関するものである。

多くの技術が、物質に関する情報を得るために使用されている。使用される技術の１つとして、ラマン分光法がある。ラマン分光法では、分析される物質の表面にレーザー光が入射される。光のほとんどは、表面から弾性的に散乱する（レイリー散乱と呼ばれる）。しかしながら、光の一部は、物質の表面又はその付近で物質と相互作用し、物質の振動、回転、及び／又は他の低周波モードの励起により、非弾性的に散乱する。非弾性的に散乱した光は、入射レーザー光と比較して、周波数がより小さな（ラマン・ストークスとも呼ばれ、入射陽子による物質モードの励起に相当する）又はより大きな（反ストークスとも呼ばれ、入射陽子とすでに励起している物質モードとの相互作用に相当する）波長にシフトする。シフトの量は、励起波長に無関係であり、ストークス及び反ストークス線は、励起信号から同じ程度で離れている。

ラマン分光法は、波長がシフトした光を検知することで行われる。目的の波長の光（ラマンシフトレーザー光など）を検知するために、分光システムには、モノクロメータが含まれる。図１は、従来技術に係るラマン分光システム１００の簡単な例を示す。レーザー光源１１０は、台１３０に設けられた試料１２０を照射する。試料１２０から反射された光１１５は、弾性的に散乱した光（レイリー散乱光と呼ばれる場合がある）と、非弾性的に（ラマン）散乱した光とを含む。ラマン散乱光を単離するために、システム１００は、モノクロメータ１０５（回折格子１４０、ノッチ・フィルタ１５５などのフィルタ装置、及び／又はスリット１０７、及び固定の検出器１５０を含む）を含む。試料１２０の異なる領域を分析するために、台１３０は、入射光に対して試料を相対的に移動させるように使用され得る。

光１１５は、回転可能な回折格子１４０に入射される。回折格子１４０は、光をその波長に応じて分散する。図１では、回折格子１４０及び検出器の１５０の相対位置は、他の波長λ_１、λ_２、及びλ_３を検知することなく、目的のλ_ｄを検知するために選択される。ラマンシフトは比較的小さいので、システム１００には、検出器１５０の前に設置され、かつ強いレイリー散乱構成要素を励起波長でろ過するように構成されたノッチ・フィルタ１５５も含まれる。

異なる種類の検出器も使用されることがある。旧式の分光システムでは、光電子増倍管（photomultiplier tubes：ＰＭＴｓ）が一般的であった。しかしながら、ＰＭＴｓは、受信した光信号を検出器表面全体の上に一体化する。それに対して、新規の分光システムでは、一般的に、電荷結合素子（charge coupled device：ＣＣＤ）アレイ検出器、相補型金属酸化膜半導体（complementary metal oxide semiconducter：ＣＭＯＳ）検出器、及びフォトダイオード・アレイ検出器などのアレイ検出器が使用される。

目的の波長を検出するために（及び／又は多くの波長をスキャンするために）、検出器１５０が固定されている状態で、既存のシステムの一部が回折格子１４０を回転させる。例えば、波長λ_１、λ_２、及びλ_３に関心がある場合、図１に示されている波長の範囲をスキャンするために、回折格子１４０が回転され得る。既存の分光システムでは、特定の測定（すなわち、回折格子１４０のある回転角で回収されたデータ）のための波長分解能は、一定である。目的の波長範囲に関するデータをより多く得るために使用できた従来のシステムの１つの方法は、回折格子１４０を回転させることにより検出器で光をスキャンすることであった。低分解能システムでは、最初に使用者は、第１の角度範囲内で第１のスピードで回折格子１４０を回転することで、波長を速くスキャンできる。目的の波長範囲を同定した後、使用者はさらに１つ以上のスキャンを実施することができる。低スピードで（また、通常は、より小さな角度範囲内で）スキャンを行うことにより、分光の分解能を増加させることができる。

通常、一つの特徴として、分光システムは、複数の波長の入射光を受け且つ波長分散光を発するように位置付けられた(固定の又は回転可能な反射回折格子、伝達回折格子、プリズム、又は他の分散素子のような)分散素子を含む。このシステムは、さらに、少なくとも波長分散光の一部を受けるように構成された検出器を含み、前記少なくとも波長分散光の一部は発散する分散光を含む。このシステムは、さらに、前記検出器が前記発散する分散光の所望の部分を受け入れる位置になるように構成された(モータ回転及び直並進台のような)可動検出器マウントを含み、前記検出器は前記可動検出器マウントに取り付けられる。前記可動検出器マウント(例えば、モータ回転及び直並進台)は、前記検出器の所望位置の指標である信号を受け取り、前記所望位置にて前記発散する分散光の所望部分を受け取るように前記検出器を位置付けるように構成されたコントローラを含むことも可能である。

前記可動検出器マウントは、予め決められた分解能を達成するべく、前記分散素子から予め決められた光学路長さの位置に前記検出器を位置付けるように構成することができる。前記検出器は、第１の分解能を達成するべく、前記分散素子から予め決められた第１の光学路長さの位置に位置づけ、次に、第２の分解能を達成するべく、前記分散素子から予め決められた第２の光学路長さの位置に位置付けることができる。前記第２の分解能は、前記第１の分解能よりも高くすることが可能であり、前記第２の光学路長さは前期第１の光学路長さよりも長くすることができる。

前記可動検出器マウントは、前記分散素子に対して予め決められた第１の角度関係を有する第１の位置に前記検出器を位置付けるように構成することができ、さらに、前記分散素子に対して予め決められた第２の角度関係を有する第２の位置に前記検出器を位置付けるように構成することができる。

このシステムは、さらに、相異なる励起波長の光を利用した深さプロファイリング(profiling)を実施するように構成することができる。例えば、複数の波長には、第１の起波長と第２の励起波長が含まれる。このシステムは、前記第１の励起波長に関係する第１の位置に前記検出器を移動し、第１の深さに対する第１の試料領域の１以上の物理的特性の指標である分光データを得るように構成することができる。このシステムは、前記第２の励起波長に関係する第２の位置に前記検出器を移動し、第２の深さに対する第１の試料領域の１以上の物理的特性の指標である分光データを得るように構成することができる。前記第１の励起波長に関係する第１の位置は、前記第１の試料領域からのラマン変位光(Raman shifted light)を受ける位置よりなり、該ラマン変位光は、前記第１の励起波長で前記第１の試料領域に入射する固定状(inelstically)散乱光よりなる。

前記複数の波長には、第１の励起波長と第２の励起波長を含むことができ、このシステムは、さらに、少なくとも、前記発散する分散光の一部を受け取るように構成された他の検出器を備えることもできる。このシステムは、前記他の検出器を前記発散する分散光の異なる所望部分を受け取る位置に位置付けるよう構成された他の可動検出器マウントを含むこともできる。前記他の検出器は、前記他の可動検出器マウントに取り付けることができる。前記発散する分散光の前記所望部分は、前記第１の励起波長に関係する光よりなり、前記発散する分散光の前記異なる所望部分は、前記第２の励起波長に関係する光よりなる．

前記分散素子、前記検出器、及び前記可動検出器マウントは、１つのモノクロメータ内に含まれる。このシステムは、さらに、試料マウント及び第１の励起波長で光を発するように構成された光源より成る。前記光源は、前記第１の励起波長で前記試料マウント上の試料に向けて光を伝達するように位置付けることができ、前記分散素子は、前記第１の励起波長の前記光の受け入れに応じて前記試料から散乱する光を受け取るように位置付けることができる。前記試料から散乱する前記光は、レイリー(Rayleigh)散乱光とラマン(Raman)散乱光とよりなる。

このシステムは、さらに、前記検出器に隣接して光ストッパーを備えることも可能である。光ストッパーは、第１の時点において、第１の励起周波数の光が前記検出器に受け取られるのを可能とするように構成され、さらに、異なる第２の時点において、前記第１の励起周波数の光が前記検出器によって受け取られるのを事実上阻止するように構成することができる。このシステムは、さらに、前記第１の時点において、前記光ストッパーを前記検出器から離して位置付けるように構成された作動機構を備えることも可能である。

このシステムは、１以上の付加的な光学素子を含むことができる。例えば、このシステムは、さらに、前記分散素子に関して、光の入射にともない、表面から反射する光を受け取り、受け取った光を反射するように位置付けられた湾曲した鏡を備えることも可能である。このシステムは、さらに、第２の鏡を備えることもでき、該第２の鏡は、前記分散素子からの分散光を受け取り、この受け取った分散光を発散する分散光として反射するように構成される。

通常、他の特徴として、モノクロメータ・システムは、複数の波長の光を受け取り、波長に応じて複数の波長を分散するように構成された分散素子を含むことができる。このシステムは、さらに、所望の分光分解能の指標である情報を受け取り、前記所望の分光分解能の指標である１以上の信号を発するように構成されたコントローラを備えることができる。このシステムは、さらに、少なくとも１つの光学ズーム機構と機械的機構よりなるズーム機構を備えることができ、該ズーム機構は前記分散素子に対して可動なす区無くとも１つの素子を含む。前記ズーム機構は、前記コントローラと接続することができ、前記所望の分光分解能の指標である１以上の信号の受信に応じて前記少なくとも１つの素子を移動するように構成することができる。

例えば、前記ズーム機構は、前記分散素子に対して可動な検出器マウントを含む機械的ズーム機構を備えることも可能である。前記検出器マウントは、前記所望の分光分解能の指標である１以上の信号を受け取り、前記所望の分光分解能に関係する位置に前記検出器を移動するように構成された位置コントローラを含むことも可能である。

他の例として、前記ズーム機構は、少なくとも１つの可動光学素子を含む光学ズーム機構を備えることも可能であり、該光学ズーム機構は、前記所望の分光分解能の指標である１以上の信号を受け取り、前記分散素子に対する少なくとも１つの可動光学素子を前記所望の分光分解能に関係する位置に移動するように構成されている。このモノクロメータ・システムは、試料から散乱されるラマン変位光を受け取るように構成された検出器を含むことも可能である。

通常、他の特徴として、モノクロメータ・システムは、複数の励起波長の光の受け入れに応じて試料表面の第１の領域から散乱する光を受け取り、波長に応じて受け取った光を分散するように構成された光学システムを備えることが可能である。このシステムは、さらに、第１の可動検出器マウントに取り付けられた第１の検出器と第２の可動検出器マウントに取り付けられた第２の検出器とを備えることも可能である。前記第１の可動検出器マウントは、前記複数の励起波長の第１の励起波長に関係する第１の位置に前記第１の検出器を移動するように構成することが可能である。前記第２の可動検出器マウントは、前記複数の励起波長の異なる第２の励起波長に関係する第２の位置に前記第２の検出器を移動するように構成することが可能である。

前記第１の検出器は、さらに、第１の時点で、前記第１の励起波長の光の受け入れに応じて前記試料表面の前記第１の領域から散乱する光の受け入れた一部を検出するように構成可能であり、一方、前記第２の検出器は、さらに、前記第１の時点で、前記第２の励起波長の光の受け入れに応じて前記試料表面の前記第１の領域から散乱する光の受け入れた一部を検出するように構成可能である。

前記光学システムは、伝達回折格子、反射回折格子、及びプリズムよりなる群から選択した分散素子を備えることが可能である。前記第１の時点で、前記第１の励起波長の光の受け入れに応じて前記試料表面の前記第１の領域から散乱する光の受け入れた一部には、発散する光又は事実上平行な光を含んでもよい。

前記第１の検出器は、さらに、前記第１の時点で、前記第１の励起波長の光の受け入れに応じて少なくとも前記試料表面の第２の領域から散乱する光を受け入れるように構成することが可能である。前記光学システムは、前記試料表面の前記第１の領域から散乱する光を受け取るように位置付けられた第１の光ファイバーと前記試料表面の前記第２の領域から散乱する光を受け取るように位置付けられた第２の光ファイバーを含むことも可能である。

前記第１の検出器は、ＣＣＤアレイ検出器、フォトダイオード・アレイ検出器、及びＣＭＯＳ検出器よりなる群から選択される検出器のようなアレイ検出器とすることも可能である。前記光学システムは、発散する光が前記第１の検出器内に受け取られるように発散する光を反射するように構成した平坦な鏡を含んでもよい。

前記第１の時点で、前記第１の励起波長の光の受け入れに応じて前記試料表面の前記第１の領域から散乱する光は、第１の深さに下方に延在する前記試料表面の前記第１の領域の一部から散乱することが可能であり、一方、第１の時点で、前記第２の励起波長の光の受け入れに応じて前記試料表面の前記第１の領域から散乱する光は、前記第１の深さとは異なる第２の深さに下方に延在する前記試料表面の前記第１の領域の一部から散乱することが可能である。このようにして、このシステムは、前記試料の深さプロファイル(profile)を生ずるように構成することが可能である。

通常、他の特徴として、分光法は、分光計測用の第１の所望分解能の指標である情報を受け取る過程を含むことが可能である。この方法は、さらに、少なくともズーム装置の一部分を分散素子に対して前記第１の所望分解能に基づいて位置付ける過程を含むことが可能である。この方法は、さらに、前記検出器による前記第１の所望分解能を有する第１の分光データを得る過程を含むことが可能である。この方法は、さらに、分光計測用の第２の所望分解能の指標である情報を受け取る過程と、前記少なくともズーム装置の一部分を前記第２の所望分解能に基づいて前記分散素子に対して位置付ける過程とを含むことも可能である。この方法は、さらに、前記検出器による前記第２の所望分解能を有する第２の分光データを得る過程を含むことも可能である。

この方法は、さらに、前記分光計測用用の第１の所望波長範囲の指標である情報を受け取る過程を含むことが可能であり、ここで、該第１の所望波長範囲は第１の極値波長(すなわち、前記範囲の最大値又は最小値の１つ)から第２の極値波長(前記範囲の最大値又は最小値の他の１つ)へと延在する。この方法は、さらに、前記検出器を前記分散素子に対して前記第１の極値波長に基づいて位置付ける過程、及び、前記検出器により前記第１の所望分解能を有する第１の無難工データを得る過程を含むことができ、前記第１の極値波長に基づく位置から第２の極値波長に基づく位置まで前記検出器を前記分散素子に関して走査する過程を含むことが可能である。

この方法は、さらに、前記分光計測用の第２の所望波長範囲の指標である情報を受け取る過程を含むことが可能であり、該第２の所望波長範囲は初期極値波長から最終関連極値波長へと延在する。前記第２所望波長範囲は、前記第１所望波長範囲よりも小さい範囲とすることが可能である。この方法は、さらに、前記検出器を前記分散素子に関して前記初期極値波長に基づいて配置することを含む。この分光方法は、ラマン分光方法であり得る。

一般に、他の態様では、分光方法は、第１の励起波長及び第２の励起波長を含む複数の実質的に別個の励起波長を有する励起光線を生成するステップを含んでいる。この方法は、前記励起光線を試料の第１の領域から散乱させるステップと、前記励起光線を波長に従って分散させるステップとをさらに含む。また、この方法は、前記第１の励起波長に関連する光線を受光するように配置された第１の検出器によって、前記分散された光線における第１の部分を受光するステップと、前記第２の励起波長に関連する光線を受光するように配置された第２の検出器によって、前記分散された光線における前記第１の部分とは異なる第２の部分を受光するステップとをさらに含む。この方法は、前記試料の前記第１の領域の１つ又はそれ以上の特性を、前記第１及び前記第２の部分に基づいて決定するステップとを含む。

前記励起光線を前記試料の第１の領域から散乱させるステップは、第１の励起波長を有する光線を、前記試料の前記第１の領域における第１の深さから散乱させるステップと、第２の励起波長を有する光線を前記試料の前記第１の領域における第２の深さから散乱させるステップとを含む。前記試料の第１の領域の１つ又はそれ以上の特性を、前記第１及び前記第２の部分に基づいて決定するステップは、前記試料の前記第１の領域の深さプロファイルを作成するステップを含む。前記深さプロファイルは、前記試料の前記第１の領域における前記第１の深さの１つ又はそれ以上の物理的特性を示すデータ、及び前記試料の前記第１の領域における前記第２の深さの１つ又はそれ以上の物理的特性を示すデータを含む。

本発明のこれらの及び他の特徴及び利点については、添付した図面を参照しつつ行われる以下の詳細な説明により明らかになるであろう。

ここで開示するシステム及び方法は、従来の分光系よりも適応範囲の広い分光法を提供し得る。

光学分光計において、モノクロメータは関心のある特定の波長や波長幅を分離するために使用される。一般的に、使用者は用途に応じて特定のモノクロメータを選択する。例えば、ラマン分光法では大型で高分解能なモノクロメータが一般的に使用され、関心のあるラマンピークに対して分解能が高いデータを得ることができる。他の使用形態では、使用者は小型で使い易い低分解能なモノクロメータを使用しても良い。

適応範囲を広くするために、ここで開示するシステム及び方法は、拡大／縮小機能を備えたモノクロメータ及び分光計を含む。その結果、低及び高分解能な分光法が可能となる。

図２は、モノクロメータ２０５の平面図である。図２に示すように、発散光が検出器２５０に入射するため、この系２００の分解能は回折格子２４０と検出器２５０の間の距離に依存する。

検出器２５０が、回折格子２４０と比較的近い距離ｄ_１の位置に設けられているとき、比較的大きな立体角からの光を捕らえる。これによって、物質の低分解能の像（すなわち、反射光の比較的広い波長幅）が得られる。しかし、検出器２５０が、回折格子２４０と比較的遠い距離ｄ_２の位置に設けられているとき、比較的小さな立体角からの光を捕らえる。捕らえられた光は狭い範囲の波長幅を有し、物質の高分解能の像が得られる。

図３は、実施形態に係る拡大／縮小機能を備えた分光系３００を示す。系３００は、台３３０の上に載せられた試料３２０と、モノクロメータ・システム３０５とを含む。モノクロメータ・システム３０５は、光３１５を波長に応じて分散するように構成された回折格子３４０のような波長分散機構を含む。モノクロメータ３５０は、可動式検出器３５０を更に含む。使用者は、所望のスペクトル分解能を得るために可動式検出器３５０の位置を調整することができる。例えば、使用者はコンピュータといったユーザインターフェースによって、所望の位置を示す１以上のパラメータを分光系に与えることができ、系３００の１以上の制御装置（図示しない）が当該１以上のパラメータに基づき検出器３５０を位置させることができる。いくつかの実施形態では、使用者は少なくとも部分的に１以上のマニュアル制御（例えば、ノブ、レバーまたは他のマニュアル制御要素）によって検出器３５０を位置させることができる。

例えば、第１の時間ｔ_１のときに、検出器３５０を回折格子３４０から距離ｄ_１の位置に位置させることができ、検出器３５０は試料３２０の低分解能データを得ることができる。低分解能データは、関心のある１以上の波長領域を決定するために分析されてもよい。その後の時間ｔ_２のときに、検出器３５０を回折格子３４０からの距離ｄ_１と異なる位置に位置することができ、検出器３５０は試料３２０（または高分解能が必要な異なる試料）の高分解能データを得ることができる。

モノクロメータ３０５は更に、回折格子３４０と検出器３５０との間の相対角度を変更することができるように構成してもよい。相対角度の変更は、検出器３５０を所望の位置に整列させるため（例えば、ラマンシフトした光を捕らえるために）、及びまたは検出器３５０を横断する光線を走査するために使用してもよい。相対角度変更の動作は、固定された回折格子３４０に対して回転する検出器３５０によって行うことができる。代りに（または付加的に）、回折格子３４０が回転してもよい。更に、上記したように、反射回折格子以外の透過型回折格子やプリズムといった分散要素が用いられてもよい。

回折格子３４０が固定された実施形態は、いくつかの装置に対して一般的に有利であるかもしれない。例えば、いくつかの分光系では、多くの付加的な光学要素（例えば、平面鏡や曲面鏡）が回折格子３４０と共に用いることができる。可動式検出器３５０を組み合わせることによって、使いやすさを向上させることができる。関心のある波長での信号を検出するために、使用者は光学系の要素を移動させることよりもむしろ、関心がある波長の分散角度を計算し、及びまたは所望の分解能を決定することが必要であり、それに応じて検出器３５０は適当な位置に置かれる。

検出器３５０は、様々な方法によって移動させることができる。例えば、検出器３５０は要望どおりの移動（例えば、放射状及びまたは角運動）をするためにマウントとしての台３７０の上に設置することができる。ある実施形態では、台３７０はモータによって回転や直線移動する台とすることができる。台は、台３７０の所望の位置を示す信号を受け、受けた信号に応じて台を移動させるために構成された制御装置を含んでもよい。

また、系３００は入射スリットを含んでもよい（図示せず）。狭い入射スリットは、分解能を向上させるために使用することができるが、検出に利用できる光量は減少する可能性がある。より大きな入射スリットは、検出に利用できる光量を増加させるが、分解能は期待するよりも低い可能性がある。

図４Ａは、モノクロメータ・システム４０５の実施形態を示している。系４０５は、入射スリット４０７（上記したように、特定の装置に対して選択されたスリット幅を有しても良い）を通過した光（分析対象の光を含む）を受光する。光は曲面鏡４０９によって反射され、それから透過型回折格子４４０といった分散要素に入射する。分散光は平面鏡４１１によって反射される。検出器４５０は、反射光のそれぞれの成分を受光することができる。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、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）検出器または他のタイプの検出器であって良い。

従来の系は、平面鏡４１１の代りに曲面鏡を使用していることを除いて、図４Ａに示す光学系と似た光学系を用いている。それらの系では、分散光は曲面鏡で波長が異なる平行光線として反射される。曲面鏡を平面鏡４１１に取り替えることによって、分散光は分岐し、異なる距離で光を捕らえることによって異なる分解能を有した測定が可能となる。

図４Ｂは、検出器４５０の３つの異なる放射状の位置において得ることができる、分解能の相違を示している。鏡４１１に最も近い第１位置（回折格子４４０からの光路長が最も短い）では、低分解能のスペクトルを得ることができ、広い波長幅を含む。鏡４１１からの最も離れた第２位置では、波長幅が狭い高分解能のスペクトルを得ることができる。中間の位置である第３位置では、中程度の分解能を得ることができる。

図４Ｃは、モノクロメータ４０５の他の実施形態に係る透視図である。モノクロメータ４０５は、試料からの光を受けるための入射スリット４０７を含む。受光は曲面鏡４０９に入射し、それから回折格子４４０によって分散される。図４Ａに記載のモノクロメータと対照的に、平面鏡４１１は省略されている。分散光は検出器４５０に入射する。検出器４５０は、低分解能のために回折格子４４０に近づけて配置することができ、または高分解能のために回折格子４４０と離れて配置することができる。

いくつかの実施形態では、光学的拡大／縮小機能は、上記明細書及び図３、４Ａ、４Ｃに記載した機械的拡大／縮小機能の代替または付加として使用しても良い。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設けられた少なくとも１以上の光学要素とを含んで良い。少なくとも１以上の光学要素は、第１固定レンズと、第２可動レンズとを含んで良く、検出器での光の分散を増加させ（分解能を増加させるための拡大）、または減少させる（分解能を減少させるための縮小）。ある実施形態では、カメラシステムのための市販されている拡大／縮小レンズ・アセンブリを使用しても良い。しかし、使用する波長が過度にガラスによって吸収される場合には、他のレンズ材料が必要となる場合がある。例えば、石英や他のＵＶ適合物質が使用することができる。

上記したように、以前の分光系では、強いレイリー散乱レーザー信号を取り除くためにノッチ・フィルタを用いることができ、その結果ラマン信号を分析することができた。しかし、図３や図４Ａ、及び明細書中で上記したような可動式検出器を用いた系では、容易でより正確な分光キャリブレーションが可能な異なる手法を用いることができる。

ラマン分光法のために、励起波長λ_ｅｘｃ及びラマン波長λ_{Ｒａｍａｎ}の差をΔλと表す。効率良く、且つ正確にλ_{Ｒａｍａｎ}を決定するため、λ_ｅｘｃにおけるレイリー散乱信号を検出器５５０の位置を較正するために使用することができる。

例えば、検出器５５０は最初に回折格子５４０から少し離れた位置に設けることができ、その結果、レイリー散乱光とラマン散乱光が検出器５５０の幅に亘って捕らえられる（例えば、両方の信号が同時に検出されるほどに分解能は低い）。検出器５５０には、強いレイリー散乱信号が検出され、検出器５５０上に位置するまで回折格子５４０に対して角度を変更することができる。その結果、ラマン散乱光もまた検出器５５０によって捕らえられる。ラマン及びレイリー散乱光の相対位置は、ストークス線、反ストークス線またはそれらの両方によって検出することができることに注意されたい。

一度、検出器５５０を所定の位置に位置させたときには、光ストッパ５５２をアクチュエータ５５４（例えば、マイクロメータ）によって、レイリー散乱光を十分に遮断できる位置に移動させることができる。結果、ラマンピークは検出器５５０に捕らえられる。ラマンピークは、検出された測定に対する参照波長として与えられるレイリーピークの位置に対して測定されるため、分光法はより正確となる。

図５に示すように、回折格子５４０に対する検出器５５０の角度回転能力は、複数の波長での分光を実施するために使用されても良い。異なる波長の光が、試料を異なる深さまで浸透するため、大きな利点をもたらす。より大きな波長は試料の内部までより深く浸透し、より小さい波長は試料表面近くで試料と相互作用する。その結果、同時に複数の波長を使用することによって、試料の深さプロファイルを得ることができる。

図６は、複数波長での分光を実施するために使用され得る分光系６００を模式的に示す平面図である。光源６１０は、１以上の波長を有する励起光を与える。例えば、光源６１０は、複数の励起波長の光を発生するレーザー（例えば、アルゴンイオンレーザー）であって良く、または複数の波長の光を発生する複数のレーザーを組み合わせても良い。図６に示すように、３つの異なる励起波長に対応した３つの波長λ_１、λ_２、λ_３を有する信号は回折格子６４０によって分散される。いくつかの実施形態では、単一の可動式検出器６５０は立ち代って次々に波長λ_１、λ_２、λ_３のそれぞれを検出するべく、回折格子６４０に対して角度を有して配置され得る。他の実施形態では、波長λ_１、λ_２、λ_３のそれぞれを同時に測定するべく、異なる３つの検出器６５０，６５０’，６５０’’が配置されても良い。

一方、従来の系の一部では、回折格子は、目的の波長の光が固定された検出器に入射されるように回転される。このような系では、複数の波長で試料のデータを得るのは困難であるかもしれない。例えば、第１の光源を使用することで、第１の波長で第１セットの試料データが得られ得る。次に、光源が交換され、第２の波長で第２セットの試料データが得られ得る。しかしながら、新しい光源のために系を較正する必要があり、また、第１セットのデータが第２セットのデータと相関関係にあるようにする必要がある。したがって、従来の系は、複数の波長で試料を同時に励起させる方法と比較して、より困難及び不正確である。

図７は、系７００の他の実施方法を示す。系７００は、ラマン散乱光に関して、より優れた信号対ノイズ比を提供することができる。鏡面的に散乱した光が検出器７５０、７５０’、７５０’’に入射されないようにするべく、系７００にはスリット７２２が含まれる。平行ビームが、回折格子７４０に入射される。回折格子７４０は、光をその波長にしたがって分散する。図７は、検出器７５０、７５０’、７５０’’ （もちろん、様々な数の検出器を使用することができる）で目的の３つの波長が検出される様子を例示している。

図８は、台８３０に設置された試料８２０を複数の波長により励起するための系８００の他の実施形態を示している。最初に、試料８２０から反射された光は、１つ以上の光学要素８２３に入射される。光学要素８２３は、試料８２０から反射された光をスリット８２２の中を伝わるようにすることができる。次に、光は、鏡８０９から回折格子８４０に反射され得る。分散された光は、平坦な鏡８００から反射されても良く、目的の波長が検出器８５０、８５０’、８５０’’で検出される。図４Ａの実施方法と同様に、幾つかの実施形態では、平坦な鏡８１１は省略することができる。

図９Ａ〜９Ｃは、１つ以上のモノクロメータ９０５で深さプロファイルな結果を得るために使用することができる系の異なった実施形態を示す。例えば、図９Ａでは、１つ以上のレーザー９１０からの光は、複数の励起波長（例えば、３つの異なる波長）を含む。光は、台９３０に設置された試料９２０に入射される。反射された光は、１つ以上の光ファイバ９２８に入射され、検出器９５０、９５０’、及び９５０’’が取り付けられた個々のモノクロメータ９０５Ａ、９０５Ｂ、及び９０５Ｃに伝達される。

図９Ｂでは、台９３０の上の試料９２０から反射された光は、複数の光ファイバから成るファイバ・バンドル９２９に受光される。次に、目的の波長の光は、個々のモノクロメータ９０５Ａ、９０５Ｂ、及び９０５Ｃ、又は単一モノクロメータ９０５（複数の波長を検出するように構成されている）に伝達される。

図９Ｃでは、ビーム拡大器を組み込むことで、試料９２０のより大きな領域がある時間にて分析され得る。ファイバ・バンドル９２９は、試料９２０の異なる領域から光を受光し、その光を、検出器（検出器９５０、９５０’、及び９５０’’など）が取り付けられている複数のモノクロメータ、又は単一モノクロメータ９０５に伝達し得る。図９Ｃに示されているような分光系は、半導体の産業で特に有用であり得る。試料９２０がシリコン・ウエハなどの半導体試料である場合は、ウエハの異なる領域（例えば、ファイバ・バンドル９２９における９本のファイバに対応する９の異なる領域）を同時に分析することができる。図９Ｄは、ウエハの複数の領域についての同時ラマン分光法に対応するＣＣＤ出力の例を示す。図９Ｄが示すように、試料の各領域に対応する検出器ピクセルは、シリコンのラマンシフト５２０ｃｍ^−１に対応する信号を示す。

図１０は、台１００５上に設置された試料１０１０へ多波長の光線を照射する、他の分光系１０００を示す図である。台１００５は、Ｘ、Ｙ、θ台である。光源１０２０は、多波長アルゴンイオンレーザー１０２１、回折格子１０２２（例えば、１２００ｍｍ^−１回折格子）、及び平行レンズ・アセンブリ１０２３を含む。多波長の光線は、光ファイバ・アセンブリ１０５０によって、試料１０１０に入射される。試料１０１０から反射された光線（反射光線及びラマン散乱光線）は、光ファイバ・アセンブリ１０５０を通って、スリット・アセンブリ１０５２へ伝達される。そして、前記光線は、湾曲した集束ミラー１０５４によって、分散素子である回折格子１０５６（例えば、１２００ｍｍ^−１回折格子）へ反射される。回折格子１０５６は、異なる波長の光線を分散させる。回折格子１０５６から出射された分岐光線は、検出器１０５８Ａ、１０５８Ｂ及び１０５８Ｃによって受光される。

上述した系１０００及び技術は、様々な方法で構成することができる。例えば、図１０は、特定の用途で使用される、２つの異なる検出器を用いる形態を示している。分解能を等しくさせる形態では、検出器１０５８Ａ、１０５８Ｂ及び１０５８Ｃは、回折格子１０５６に対して、異なる波長について同一の分解能が得られるような距離に配置される。距離を等しくさせる形態では、検出器１０５８Ａ、１０５８Ｂ及び１０５８Ｃは、回折格子１０５６から等しい距離に配置されている。

図１１は、異なる波長を生成するための異なるレーザーを備えた系１１００の一実施形態を示す。第１のアルゴンイオンレーザー１１２１Ａは、４５７．９ｎｍの波長の光線を生成する。第２のアルゴンイオンレーザー１１２１Ｂは、４８８．０ｎｍの波長の光線を生成する。第３のアルゴンイオンレーザー１１２１Ｃは、５１４．５ｎｍの波長の光線を生成する。前記光線は、光学要素１１２６Ａ、１１２６Ｂ及び１１２６Ｃ（ミラー又は回折格子）によって、回折格子１１２２（例えば、１２００ｍｍ^−１回折格子）へ反射される。上述したように、前記光線は、その後、平行レンズ・アセンブリ１１２３によって、平行化される。

多波長の光線は、光ファイバ・アセンブリ１１５０によって、台１１０５上に設置された試料１１１０に入射される。試料１１１０から反射された光線（反射光線及びラマン散乱光線）は、光ファイバ・アセンブリ１１５０を通って、スリット・アセンブリ１１５２へ伝達される。図１１に示す実施形態では、ファイバ・アセンブリ１１５０の異なるファイバが、異なる波長の光線を試料１１１０へ伝達させる。そして、ファイバ・アセンブリ１１５０の１つのファイバが、試料１１１０から反射された光線をスリット・アセンブリ１１５２へ伝達させる。

前記光線は、湾曲した集束ミラー１１５４によって、分散素子である回折格子１１５６（例えば、１２００ｍｍ^−１回折格子）へ反射される。回折格子１１５６は、異なる波長の光線を分散させる。回折格子１０５６から出射された分岐光線は、検出器１１５８Ａ、１１５８Ｂ及び１１５８Ｃによって受光される。図１１では、検出器の配置に関しては、分解能を等しくさせる形態、及び、距離を等しくさせる形態の両方を示している。

実際に使用される系は、特定の分光用途に調整されている。例えば、ラマン分光系の場合は、信頼性の面から、光学要素が固定されていることが望ましい。しかし、他の光学用途（例えば、光ルミネッセンス用途）では、検出すべき波数の範囲が広い場合は、分散素子が回転可能であることが望ましい。

同様に、ある用途では、回転素子は、他の光学要素を介することなく使用される（又は、スリット又は同様の機構のみを介して使用される）。また、より散乱された光線を検出器で受光する系では、前記光線と付加的な光学要素（例えば、ミラー及びレンズ）との相互作用に起因する減衰がないので、目的とする信号の大きさは大きくなる。しかし、ある用途では、付加的な光学要素は、さらなる減衰にも関わらず、ノイズ率においてより良好な信号を生成する。

実施において、上記の手法及びそれらのバリエーションは、少なくとも部分的にコンピュータソフトウェアによる命令として行われても良い。このような命令は、少なくとも１以上の機械的に読み取り可能な記憶媒体または記憶装置に記録され、例えば少なくとも１以上のコンピュータ処理装置によって実行され、装置を作動し、上記した機能及び操作を実行する。

多くの実施形態について記載した。少数の実施形態についてのみ詳細に開示したが、他の修飾は可能であり、ここでの開示はこのような修飾をすべて包含するように意図しており、特に当業者にとっても予想可能である。例えば、様々なタイプの光学要素をモノクロメータ及び分光系に使用しても良い。

また、「means」の語を使用した請求項は米国特許法第１１２条の第６項に基づき解釈されることを意図している。更に、請求項において制限されていない場合には、明細書により制限して請求項を解釈するべきではない。従って、他の実施形態は請求項の範囲に含まれる。

従来技術に係るラマン分光システムを示す平面図である。 モノクロメータを示す平面図である。 ある実施形態に係る分光ステップの概略平面図である。 ある実施形態に係るモノクロメータ・システムの平面図である。 分光システムにおいて、検出器の３つの異なる放射状の位置において得ることができる、分解能の相違を示す図である。 ある実施形態に係るモノクロメータを示す斜視図である。 分光システムのある実施形態を示す平面図である。 多波長を検出するための分光システムのある実施形態を示す平面図である。 多波長を検出するための分光システムの他の実施形態を示す平面図である。 多波長を検出するための分光システムの別の実施形態を示す平面図である。 多波長を検出するための分光システムのある実施形態を示す斜視図である。 多波長を検出するための分光システムのある実施形態を示す斜視図である。 多波長を検出するための分光システムの一実施形態を示す斜視図である。 ウエハの複数の領域の同時ラマン分光法に対応するＣＣＤ出力の例を示す図である。 等しい距離及び等しい分解能の構成の両方を示す分光システムのある実施形態を示す平面図である。 複数のレーザーが組み込まれた分光システムのある実施形態を示す平面図である。

Claims (15)

1. モノクロメータ・システムであって、
   複数の励起波長を有する光線を受光したときに試料表面の第１領域から散乱された光を受光する、及び、前記受光した光を波長に従って分散させるように構成された光学系と、
   第１の移動可能検出器マウントの上に載置された第１の検出器と、
   第２の移動可能検出器マウントの上に載置された第２の検出器とを備えており、
   前記第１の移動可能検出器マウントは、複数の励起波長の内の第１の励起波長に関連する第１の位置に前記第１の検出器を移動させるように構成され、
   前記第２の移動可能検出器マウントは、複数の励起波長の内の第２の励起波長に関連する第２の位置に前記第１の検出器を移動させるように構成され、
   前記第１の検出器は、前記第１の励起波長の光線を最初に受光したときに前記試料表面の前記第１の領域から散乱された光線の受光された部分を検出するように構成され、
   前記第２の検出器は、前記第２の励起波長の光線を最初に受光したときに前記試料表面の前記第１の領域から散乱された光線の受光された部分を検出するように構成されたことを特徴とするシステム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記光学系は、透過型回折格子、反射型回折格子及びプリズムから成る群より選択される分散体を含むことを特徴とするシステム。
3. 請求項２に記載のシステムであって、
   前記第１の励起波長の光線を最初に受光したときに前記試料表面の前記第１の領域から散乱された光線の前記受光された部分は、分岐光線を含むことを特徴とするシステム。
4. 請求項３に記載のシステムであって、
   前記第１の励起波長の光線を最初に受光したときに前記試料表面の前記第１の領域から散乱された光線の前記受光された部分は、実質的に平行な光線を含むことを特徴とするシステム。
5. 請求項２に記載のシステムであって、
   前記第１の検出器は、前記第１の励起波長の光線を最初に受光したときに前記試料表面の少なくとも第２の領域から散乱された光線を検出するように構成されていることを特徴とするシステム。
6. 請求項５に記載のシステムであって、
   前記光学系は、前記試料表面の前記第１の領域から散乱された光線を受光するために設置された第１の光ファイバと、前記試料表面の前記第２の領域から散乱された光線を受光するために設置された第２の光ファイバとを含むことを特徴とするシステム。
7. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記第１の検出器は、ＣＣＤアレイ検出器、フォトダイオード・アレイ検出器及びＣＭＯＳ検出器から成る群より選択される検出器を含むことを特徴とするシステム。
8. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記光学系は、前記第１の検出器に受光させるべく分岐光を反射するように構成された平面鏡を含むことを特徴とするシステム。
9. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記第１の励起波長の光線を最初に受光したときに前記試料表面の前記第１の領域から散乱された前記光線は、第１の深さで下向きに延びる、前記試料表面の前記第１の領域の一部から散乱され、
   前記第２の励起波長の光線を最初に受光したときに前記試料表面の前記第１の領域から散乱された前記光線は、前記第１の深さとは異なる第２の深さで下向きに延びる、前記試料表面の前記第１の領域の一部から散乱されることを特徴とするシステム。
10. 分光方法であって、
    第１の励起波長及び第２の励起波長を含む複数の実質的に別個の励起波長を有する励起光線を生成するステップと、
    前記励起光線を前記試料の第１の領域から散乱させるステップと、
    前記励起光線を波長に従って分散させるステップと、
    前記第１の励起波長に関連する光線を受光するように配置された第１の検出器によって、前記分散された光線の第１の部分を受光するステップと、
    前記第２の励起波長に関連する光線を受光するように配置された第２の検出器によって、前記分散された光線における前記第１の部分とは異なる第２の部分を受光するステップと、
    前記試料の前記第１の領域の１つ又はそれ以上の特性を前記第１及び前記第２の部分に基づいて決定するステップとを含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記励起光線を試料の第１の領域から散乱させるステップは、
    第１の励起波長を有する光線を前記試料の前記第１の領域における第１の深さから散乱させるステップと、
    第２の励起波長を有する光線を前記試料の前記第１の領域における第２の深さから散乱させるステップとを含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記試料の第１の領域の１つ又はそれ以上の特性を前記第１及び前記第２の部分に基づいて決定するステップは、前記試料の前記第１の領域の深さプロファイルを作成するステップを含むことを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記深さプロファイルは、前記試料の前記第１の領域における前記第１の深さの１つ又はそれ以上の物理的特性を示すデータ、及び前記試料の前記第１の領域における前記第２の深さの１つ又はそれ以上の物理的特性を示すデータを含むことを特徴とする方法。
14. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記第１の励起波長に関連する光線を受光するように配置された第１の検出器によって、前記分散された光の第１の部分を受光するステップ、及び、前記第２の励起波長に関連する光線を受光するように配置された第２の検出器によって、前記分散された光線における前記第１の部分とは異なる第２の部分を受光するステップの前に、
    前記第１の検出器及び前記第２の検出器を、分散器から実質的に等しい距離に配置するステップを含むことを特徴とする方法。
15. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記第１の励起波長に関連する光線を受光するように配置された第１の検出器によって、前記分散された光の第１の部分を受光するステップ、及び、前記第２の励起波長に関連する光線を受光するように配置された第２の検出器によって、前記分散された光線における前記第１の部分とは異なる第２の部分を受光するステップの前に、
    前記第１の検出器及び前記第２の検出器を、実質的に等しい分解能を提供するように選択された、分散器に対して異なる距離に配置するステップを含むことを特徴とする方法。

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