JP4595571B2 - Micro Raman spectroscopy apparatus and micro Raman spectroscopy measurement method - Google Patents

Micro Raman spectroscopy apparatus and micro Raman spectroscopy measurement method Download PDF

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本発明は、例えば直角散乱光の測定を可能にした顕微ラマン分光装置、及び顕微ラマン分光測定方法に関する。   The present invention relates to a microscopic Raman spectroscopic device and a microscopic Raman spectroscopic measurement method that enable measurement of, for example, right-angle scattered light.

ラマン分光測定(ラマン散乱測定)は、レーザー光源からの光束を試料に照射し、光束が照射された箇所から発生するラマン散乱光のスペクトルが、試料中に存在する化学種や分子によって異なるのを利用して、試料表面の二次元的な物性の分布解析を行う方法である。このようなラマン分光測定法によれば、分子・結晶構造の精密解析が可能であることが、現在、広く一般に知られている。例えば工業的には、ポリシリコンの結晶性の議論や、高移動度を有する歪みSiの品質管理、デバイスの作り込みで生じる応力の解析などに、非常に有効な手段であることが知られている。   Raman spectroscopic measurement (Raman scattering measurement) irradiates a sample with a light beam from a laser light source, and the spectrum of Raman scattered light generated from the part irradiated with the light beam varies depending on the chemical species and molecules present in the sample. This is a method for analyzing the distribution of two-dimensional physical properties on the sample surface. At present, it is widely known that such a Raman spectroscopic measurement method enables precise analysis of a molecular / crystal structure. For example, industrially, it is known to be a very effective means for discussion of crystallinity of polysilicon, quality control of strained Si having high mobility, and analysis of stress generated by device fabrication. Yes.

また、近年では、有機物分子の構造解析手段の主要な測定装置として、ラマン散乱を利用する試みが一次の停滞期を終えて活発になってきている。このようにラマン散乱測定に対する期待が大きくなってきている背景には、ラマン散乱が持つ有用性を大幅に引き出す新たな測定方法として、顕微鏡とラマン分光器とを組み合わせた顕微ラマン分光器の普及が進んでいることにある。   In recent years, attempts to use Raman scattering as a main measuring device for the structure analysis means of organic molecules have become active after the first stagnation period. As a result of the growing expectation for Raman scattering measurement, the spread of microscopic Raman spectrometers that combine microscopes and Raman spectrometers is a new measurement method that greatly draws on the usefulness of Raman scattering. It is in progress.

顕微ラマン分光器を利用すると、ラマンシグナルの検出感度が飛躍的に増加するのみでなく、測定領域を水平方向で直径約1μm弱まで絞り込むことが可能になり、さらに、共焦点顕微鏡の機構を利用することで、深さ分解能を2μm程度にまで高めることができる。したがって、微小空間の測定を可能にすることができる。
そして、近年におけるレーザーやCCD検出器の作製技術の発展により、ラマン分光装置は、赤外分光器と同様に汎用分析装置としての汎用性を有し、かつ価格も安価になってきている。これにより、研究開発の分野のみでなく、製造現場でのインライン装置としての利用の検討が行われるなど、その利用範囲が拡がろうとしている。
Using a microscopic Raman spectrometer not only dramatically increases the detection sensitivity of the Raman signal, but also enables the measurement region to be narrowed down to about 1 μm in diameter in the horizontal direction, and uses the mechanism of a confocal microscope. By doing so, the depth resolution can be increased to about 2 μm. Therefore, it is possible to measure a minute space.
With recent developments in laser and CCD detector fabrication techniques, Raman spectroscopes have versatility as general-purpose analyzers and are cheaper than infrared spectrographs. As a result, not only in the field of research and development, but also as an in-line device at the manufacturing site is being examined, the range of use is being expanded.

このような背景のもとで、近年のデバイス微小化により、測定が顕微ラマン分光装置でないと困難である場合が増加してきており、顕微ラマン分光器の設計に関する技術も多く提案されている(例えば、特許文献1〜4参照、)。
特開2000−55809号公報 特開平11−190695号公報 特開平9−119865号公報 特開平5−223637号公報
Under these circumstances, due to recent device miniaturization, cases where measurement is difficult without a microscopic Raman spectroscope have increased, and many techniques relating to the design of microscopic Raman spectrometers have been proposed (for example, , See Patent Documents 1 to 4).
JP 2000-55809 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-190695 Japanese Patent Laid-Open No. 9-119865 Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-223637

しかしながら、これらの技術では、いずれのものも、単に汎用の顕微鏡に分光器とレーザーとを組み合わせただけのものであり、レーザー光を測定サンプル(試料)に照射し、この入射方向と180°異なる方向に散乱した散乱光を検出するという、一般に「バックスキャッタリング」と呼ばれる光学配置で測定(観測)するだけの構成になっている。
一般に、光の散乱強度Iを、入射光の偏光E、散乱光の偏光成分Es、分極テンソルに比例するテンソル成分を有するラマンテンソルRを用いて表すと、
I∝|E・R・Es|
となる。ここで、ラマンテンソルRは、各結晶系、活性振動により既に求められている。
However, all of these technologies are simply a combination of a spectroscope and a laser in a general-purpose microscope, and the measurement sample (specimen) is irradiated with laser light and is 180 ° different from the incident direction. The configuration is such that the scattered light scattered in the direction is detected (observed) in an optical arrangement generally called “backscattering”.
In general, when the light scattering intensity I is expressed using a Raman tensor R having incident light polarization E 1 , scattered light polarization component Es, and a tensor component proportional to the polarization tensor,
I∝ | E 1 , R, Es |
It becomes. Here, the Raman tensor R has already been obtained by each crystal system and active vibration.

測定する結晶系において所望の活性振動を観測(測定)するためには、入射光と散乱光の偏光成分を選択し、散乱光強度が生じる光学系によって測定を行う必要がある。そのため、カメラレンズを用いる一般のラマン散乱測定装置(ラマン分光装置)では、バックスキャッタリングのみでなく、入射光と散乱光とが直角となる直角散乱配置も併用し、これによって固有の構造により生じる固有原子・分子振動を観測するようにしている。
また、特異な測定物(試料)に対しては、入射光と散乱光とが同一方向となる前方散乱配置などを併用する必要になることもある。
In order to observe (measure) a desired active vibration in a crystal system to be measured, it is necessary to select a polarization component of incident light and scattered light and perform measurement using an optical system that generates scattered light intensity. Therefore, a general Raman scattering measuring device (Raman spectroscopic device) using a camera lens uses not only backscattering but also a right angle scattering arrangement in which incident light and scattered light are perpendicular to each other, thereby causing an inherent structure. Observing the proper atomic / molecular vibrations.
In addition, for a specific measurement object (sample), it may be necessary to use a forward scattering arrangement in which incident light and scattered light are in the same direction.

ところが、従来の顕微ラマン分光装置(顕微ラマン散乱装置)は、前述したように単に光学顕微鏡と分光器・レーザーを有するラマン検出システムとを単純に組み合わせただけのものであるため、光軸が1次元でのみ調整可能な構成となっている。したがって、入射光とラマン散乱光とを顕微鏡分離した場合に生じる光学距離の直角散乱配置での測定を行うことができず、直角反射測定を行うことが原理的に不可能となっている。   However, since a conventional microscopic Raman spectroscopic device (microscopic Raman scattering device) is simply a combination of an optical microscope and a Raman detection system having a spectroscope / laser as described above, the optical axis is one. It can be adjusted only in dimension. Therefore, it is impossible to perform the measurement in the right angle scattering arrangement of the optical distance generated when the incident light and the Raman scattered light are separated by a microscope, and it is impossible in principle to perform the right angle reflection measurement.

このように、従来の顕微ラマン分光装置において直角散乱配置での測定を行うことができない原因としては、機械的構成が複雑になり、また、その光軸合わせが非常に困難になってしまうことなどが挙げられる。
すなわち、一般のラマン分光装置では、直角散乱配置で測定を行おうとした場合、そのカメラレンズ(集光レンズ)と試料との間の距離を10〜20cm程度とするため、カメラレンズが複数あってもこれらが物理的に干渉しあうといったことがないが、顕微ラマン分光装置では、対物レンズと試料との間の距離を1mm程度とするため、対物レンズを複数(二個)配置しようとすると、これらが物理的に干渉してしまい、試料に対しての前記距離での配置が困難であった。
As described above, the reason why the conventional microscopic Raman spectroscopic apparatus cannot perform the measurement in the right angle scattering configuration is that the mechanical configuration becomes complicated and the optical axis alignment becomes very difficult. Is mentioned.
That is, in a general Raman spectroscopic device, when measurement is performed in a right angle scattering arrangement, the distance between the camera lens (condensing lens) and the sample is about 10 to 20 cm, so there are a plurality of camera lenses. However, they do not physically interfere with each other. However, in the microscopic Raman spectroscopic apparatus, the distance between the objective lens and the sample is about 1 mm. These interfered physically, and it was difficult to dispose at the above distance with respect to the sample.

また、顕微ラマン分光装置で直角散乱配置による測定を行おうとした場合、試料に対する焦点調整をナノメートルレベルで3次元的に行うことが必要であり、従来のラマン装置での直角散乱測定における焦点調整がmmレベルであるのに比較し、焦点調整能力が大幅に向上したシステムが必要となる。
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、例えば直角散乱光の測定を可能にした顕微ラマン分光装置、及び顕微ラマン分光測定方法を提供することにある。
In addition, when measuring with a right angle scattering arrangement with a microscopic Raman spectroscopic device, it is necessary to adjust the focus of the sample three-dimensionally at the nanometer level, and focus adjustment in the right angle scattering measurement with a conventional Raman device is required. Compared to the mm level, a system in which the focus adjustment capability is greatly improved is required.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a micro-Raman spectroscopic device and a micro-Raman spectroscopic measurement method that enable measurement of, for example, right-angle scattered light.

前記目的を達成するため本発明の顕微ラマン分光装置は、ラマン散乱光を励起する励起用レーザー光を、第1の光学系を介して試料に照射し、該試料からのラマン散乱光を、第2の光学系を介して分光器で分光する顕微ラマン分光装置であって、
前記第1の光学系に前記励起用レーザー光を集光する入射側対物レンズが設けられ、
前記第2の光学系に前記ラマン散乱光を集光する出射側対物レンズが設けられ、
前記入射側対物レンズと前記試料との間を通る前記励起用レーザー光の第1の光軸と、前記試料と前記出射側対物レンズとの間を通る前記ラマン散乱光の第2の光軸とがなす角度が、所定の角度に調整されてなることを特徴としている。
なお、前記所定の角度が、略直角であってもよい。
In order to achieve the above object, a microscopic Raman spectroscopic device of the present invention irradiates a sample with excitation laser light for exciting Raman scattered light via a first optical system, and applies Raman scattered light from the sample to the first. A microscopic Raman spectroscopic device for performing spectroscopic spectroscopy using a spectroscope through two optical systems,
An incident-side objective lens that condenses the excitation laser light is provided in the first optical system,
An exit-side objective lens for condensing the Raman scattered light is provided in the second optical system;
A first optical axis of the excitation laser light passing between the entrance-side objective lens and the sample; and a second optical axis of the Raman scattered light passing between the sample and the exit-side objective lens; The angle formed by is adjusted to a predetermined angle.
The predetermined angle may be a substantially right angle.

この顕微ラマン分光装置によれば、励起用レーザー光を集光する入射側対物レンズとは別に、ラマン散乱光を集光する出射側対物レンズを設けたので、従来のようにバックスキャッタリングでなく、例えば前記所定の角度を略直角とすることで、入射光と散乱光とが直角となる直角散乱配置での測定、すなわち直角散乱光の測定が可能になる。   According to this microscopic Raman spectroscope, since the exit-side objective lens for condensing the Raman scattered light is provided separately from the entrance-side objective lens for condensing the excitation laser beam, it is not backscattering as in the prior art. For example, by setting the predetermined angle to a substantially right angle, measurement in a right angle scattering arrangement in which incident light and scattered light are at right angles, that is, measurement of right angle scattered light becomes possible.

また、前記顕微ラマン分光装置においては、前記試料を配置するサンプルステージが備えられ、該サンプルステージは、前記試料を配置するための面として、前記第1の光軸及び第2の光軸に対してそれぞれに略45°の角度をなすステージ面を有し、該ステージ面を、前記第1の光軸に沿って移動させる機構と第2の光軸に沿って移動させる機構とを備えているのが好ましい。
このようにすれば、サンプルステージを第1の光軸に沿って移動させることで、試料に対しての励起用レーザー光の焦点合わせが可能になり、さらにサンプルステージを第1の光軸、第2の光軸のそれぞれに沿って移動させることで、試料に対しての第2の光軸についての焦点合わせも可能になる。
The microscopic Raman spectroscopic apparatus includes a sample stage on which the sample is arranged. The sample stage serves as a surface on which the sample is arranged with respect to the first optical axis and the second optical axis. Each having a stage surface having an angle of approximately 45 °, and a mechanism for moving the stage surface along the first optical axis and a mechanism for moving the stage surface along the second optical axis. Is preferred.
In this way, by moving the sample stage along the first optical axis, the excitation laser beam can be focused on the sample, and the sample stage can be moved to the first optical axis and the first optical axis. By moving along each of the two optical axes, the second optical axis can be focused on the sample.

また、前記顕微ラマン分光装置においては、前記試料を配置するサンプルステージが備えられ、該サンプルステージは、前記第1の光軸及び第2の光軸に対してそれぞれに略45°の角度をなす第1ステージ面を有し、該第1ステージ面の前記角度を維持した状態で前記第1の光軸に沿って移動するZステージと、該Zステージの前記第1ステージ面上にてその縦方向及び横方向に移動可能に設けられ、前記第1ステージ面と平行な第2ステージ面を有して該第2ステージ面上に前記試料を配置するXYステージと、を備えてなるのが好ましい。
このようにすれば、Zステージを移動させることで励起用レーザー光に対する焦点合わせを行うことができ、さらにこのZステージの移動とXYステージの移動とを組み合わせることで、試料に対しての第2の光軸についての焦点合わせも可能になる。
Further, the micro Raman spectroscopic apparatus includes a sample stage on which the sample is arranged, and the sample stage forms an angle of approximately 45 ° with respect to the first optical axis and the second optical axis, respectively. A Z stage having a first stage surface and moving along the first optical axis in a state where the angle of the first stage surface is maintained; and a vertical direction of the Z stage on the first stage surface of the Z stage And an XY stage that has a second stage surface parallel to the first stage surface and that arranges the sample on the second stage surface. .
In this way, it is possible to perform focusing on the excitation laser light by moving the Z stage, and further, by combining the movement of the Z stage and the movement of the XY stage, the second movement with respect to the sample is performed. It is also possible to focus on the optical axis.

また、前記顕微ラマン分光装置においては、前記入射側対物レンズには、その前記試料側の端部の側面に、試料側に行くに連れて漸次径が小さくなるように前記第1の光軸に対して45°未満の角度をなす斜面が形成されており、前記出射側対物レンズには、その前記試料側の端部の側面に、試料側に行くに連れて漸次径が小さくなるように前記第2の光軸に対して45°未満の角度をなす斜面が形成されており、前記入射側対物レンズと前記出射側対物レンズとは、それぞれの斜面が対向させられて配置されているのが好ましい。
このようにすれば、入射側対物レンズと出射側対物レンズとが、その第1の光軸と第2の光軸とが略直角となるように配置されても、それぞれの斜面が対向させられているので、これら入射側対物レンズと出射側対物レンズとが互いに物理的に干渉してしまうことが回避される。
In the microscopic Raman spectroscopic device, the incident-side objective lens has the first optical axis on the side surface of the sample-side end so that the diameter gradually decreases toward the sample side. An inclined surface having an angle of less than 45 ° is formed with respect to the exit-side objective lens, so that the diameter gradually decreases toward the sample side on the side surface of the end portion on the sample side. An inclined surface having an angle of less than 45 ° with respect to the second optical axis is formed, and the incident-side objective lens and the exit-side objective lens are arranged with their inclined surfaces facing each other. preferable.
In this way, even if the entrance-side objective lens and the exit-side objective lens are arranged so that the first optical axis and the second optical axis are substantially perpendicular, the respective inclined surfaces are made to face each other. Therefore, it is avoided that the entrance-side objective lens and the exit-side objective lens physically interfere with each other.

また、前記顕微ラマン分光装置においては、前記出射側対物レンズを介して前記第2の光軸を通り、前記試料の配置場所に光軸合わせ用のレーザー光を照射する光軸合わせ用レーザー光源を備えているのが好ましい。
このようにすれば、励起用レーザー光を試料の配置場所に照射するとともに、光軸合わせ用のレーザー光を試料の配置場所に照射することで、励起用レーザー光の光軸である第1の光軸と、光軸合わせ用のレーザー光の光軸となる前記ラマン散乱光の第2の光軸とを軸合わせすることができる。
Further, in the microscopic Raman spectroscopic device, an optical axis alignment laser light source that irradiates a laser beam for optical axis alignment to the arrangement position of the sample through the second optical axis via the emission side objective lens. It is preferable to provide.
According to this configuration, the first laser beam, which is the optical axis of the excitation laser light, is irradiated by irradiating the sample arrangement location with the excitation laser beam and irradiating the sample arrangement location with the laser beam for optical axis alignment. The optical axis can be aligned with the second optical axis of the Raman scattered light that is the optical axis of the laser light for optical axis alignment.

なお、この顕微ラマン分光装置においては、前記の光軸合わせ用のレーザー光の波長が、前記のラマン散乱光を励起する励起用レーザー光の波長と異なっているのが好ましい。
このようにすれば、励起用レーザー光と光軸合わせ用のレーザー光とを試料の配置場所に同時に照射した際、これらレーザー光が波長が異なることで例えば色が異なることにより、これらレーザー光の焦点位置やその重なり具合などを目視によって確認することが可能になる。
In this microscopic Raman spectroscopic apparatus, it is preferable that the wavelength of the laser beam for aligning the optical axis is different from the wavelength of the excitation laser beam for exciting the Raman scattered light.
In this way, when the laser beam for excitation and the laser beam for aligning the optical axis are simultaneously irradiated on the sample arrangement location, the laser light has different wavelengths, for example, the colors are different, and thus It becomes possible to visually confirm the focal position and the overlapping state thereof.

また、前記顕微ラマン分光装置においては、前記第1の光軸上の、前記試料の配置場所と反対の側に、該試料の配置場所での前記励起用レーザー光の照射位置と前記光軸合わせ用のレーザー光の照射位置とを観察するための観察部が、備えられているのが好ましい。
このようにすれば、観察部より試料の配置場所を目視あるいはCCDカメラ等で観察することで、例えば励起用レーザー光の光軸である第1の光軸と、光軸合わせ用のレーザー光の光軸となる前記ラマン散乱光の第2の光軸とを容易に軸合わせすることが可能になる。
Further, in the microscopic Raman spectroscopic apparatus, the irradiation position of the excitation laser light at the sample arrangement position and the optical axis alignment on the side opposite to the sample arrangement position on the first optical axis. It is preferable that an observation unit for observing the irradiation position of the laser beam for use is provided.
In this way, by observing the arrangement location of the sample visually or with a CCD camera or the like from the observation unit, for example, the first optical axis that is the optical axis of the excitation laser beam and the laser beam for optical axis alignment It becomes possible to easily align the second optical axis of the Raman scattered light that becomes the optical axis.

また、前記顕微ラマン分光装置においては、前記第2の光軸上の、前記試料の配置場所と反対の側に、該試料の配置場所での前記励起用レーザー光の照射位置と前記光軸合わせ用のレーザー光の照射位置とを観察するための観察部が、備えられていてもよい。
このようにしても、観察部より試料の配置場所を目視あるいはCCDカメラ等で観察することで、励起用レーザー光の光軸である第1の光軸と、光軸合わせ用のレーザー光の光軸となる前記ラマン散乱光の第2の光軸とを容易に軸合わせすることが可能になる。
Further, in the microscopic Raman spectroscopic device, the irradiation position of the excitation laser light at the sample placement location and the optical axis alignment on the second optical axis on the side opposite to the sample placement location. An observation unit for observing the irradiation position of the laser beam for use may be provided.
Even in this case, by observing the arrangement position of the sample visually or with a CCD camera or the like from the observation unit, the first optical axis that is the optical axis of the excitation laser beam and the light of the laser beam for optical axis alignment It becomes possible to easily align the second optical axis of the Raman scattered light serving as the axis.

また、前記顕微ラマン分光装置においては、前記第1の光軸上の、前記入射側対物レンズに対して前記試料と反対の側に、該第1の光軸を通って前記入射側対物レンズで集光された前記試料からのラマン散乱光を、前記分光器に導入する第3の光学系が接続されているのが好ましい。
このようにすれば、励起用レーザー光を入射側対物レンズを介して試料に照射し、この入射方向と180°異なる方向に散乱した散乱光を再度入射側対物レンズを通して第3の光学系に導くことにより、バックスキャッタリングでの測定(観測)も可能になる。
Further, in the microscopic Raman spectroscopic device, the incident-side objective lens passes through the first optical axis on the first optical axis on the side opposite to the sample with respect to the incident-side objective lens. A third optical system for introducing Raman scattered light from the collected sample into the spectroscope is preferably connected.
In this case, the sample is irradiated with the excitation laser light through the incident-side objective lens, and the scattered light scattered in a direction different from the incident direction by 180 ° is guided again to the third optical system through the incident-side objective lens. Thus, measurement (observation) by backscattering is also possible.

本発明の顕微ラマン分光測定方法は、ラマン散乱光を励起する励起用レーザー光を、第1の光学系を介して試料に照射し、該試料からのラマン散乱光を、第2の光学系を介して分光器で分光する顕微ラマン分光測定方法であって、
前記励起用レーザー光を、前記第1の光学系に設けた入射側対物レンズで集光して前記試料に照射する工程と、
前記試料で励起したラマン散乱光を、前記第2の光学系に設けた出射側対物レンズで集光して前記分光器に導入する工程と、を有してなり、
前記入射側対物レンズと前記試料との間を通る前記励起用レーザー光の第1の光軸と、前記試料と前記出射側対物レンズとの間を通る前記ラマン散乱光の第2の光軸とがなす角度を、所定の角度に調整しておくことを特徴としている。
なお、前記所定の角度を、略直角としてもよい。
The microscopic Raman spectroscopic measurement method of the present invention irradiates a sample with excitation laser light for exciting Raman scattered light via a first optical system, and applies Raman scattered light from the sample to a second optical system. A microscopic Raman spectroscopic measurement method in which spectroscopy is performed with a spectroscope,
A step of condensing the excitation laser light with an incident-side objective lens provided in the first optical system and irradiating the sample;
A step of condensing the Raman scattered light excited by the sample with an exit-side objective lens provided in the second optical system and introducing it into the spectrometer.
A first optical axis of the excitation laser light passing between the entrance-side objective lens and the sample; and a second optical axis of the Raman scattered light passing between the sample and the exit-side objective lens; Is characterized in that the angle formed by is adjusted to a predetermined angle.
The predetermined angle may be a substantially right angle.

この顕微ラマン分光測定方法によれば、励起用レーザー光を、第1の光学系に設けた入射側対物レンズで集光して試料に照射し、該試料で励起したラマン散乱光を、第2の光学系に設けた出射側対物レンズで集光して分光器に導入するので、従来のようにバックスキャッタリングでなく、例えば前記所定の角度を略直角とすることで、入射光と散乱光とが直角となる直角散乱配置での測定、すなわち直角散乱光の測定を行うことが可能になる。   According to this microscopic Raman spectroscopic measurement method, excitation laser light is collected by an incident-side objective lens provided in the first optical system and irradiated onto a sample, and Raman scattered light excited by the sample is converted into second Since the light is collected by the exit-side objective lens provided in the optical system and introduced into the spectroscope, the incident light and the scattered light are not generated by backscattering as in the prior art, for example, by setting the predetermined angle to a substantially right angle. It becomes possible to perform measurement in a right angle scattering arrangement in which and are perpendicular, that is, measurement of right angle scattered light.

また、前記顕微ラマン分光測定方法においては、前記試料の配置場所となるサンプルステージ上の所定位置に対し、前記第1の光軸と前記第2の光軸とを合わせる光軸合わせ工程を備え、前記光軸合わせ工程は、前記励起用レーザー光を、前記入射側対物レンズを介して前記サンプルステージ上の所定位置に集光させてその焦点位置を合わせる工程と、光軸合わせ用のレーザー光を、前記出射側対物レンズを介して前記サンプルステージ上の所定位置に集光させ、その焦点位置を、前記励起用レーザー光の焦点位置に合わせる工程と、を備えているので好ましい。
励起用レーザー光の焦点位置に光軸合わせ用のレーザー光の焦点位置が合うのを、例えば目視やCCDカメラ等で確認することにより、励起用レーザー光の光軸である第1の光軸と、光軸合わせ用のレーザー光の光軸となる前記ラマン散乱光の第2の光軸とを容易に軸合わせすることができる。
Further, the micro Raman spectroscopic measurement method includes an optical axis alignment step of aligning the first optical axis and the second optical axis with respect to a predetermined position on the sample stage where the sample is arranged, The optical axis alignment step includes: condensing the excitation laser light at a predetermined position on the sample stage via the incident-side objective lens and adjusting the focal position; and optical axis alignment laser light. And a step of condensing at a predetermined position on the sample stage via the emission side objective lens and adjusting the focal position to the focal position of the excitation laser light.
The first optical axis, which is the optical axis of the excitation laser light, is checked by, for example, visual observation or a CCD camera to confirm that the focal position of the laser light for optical axis alignment matches the focal position of the excitation laser light. The second optical axis of the Raman scattered light that becomes the optical axis of the laser beam for optical axis alignment can be easily aligned.

以下、本発明の顕微ラマン分光装置及び顕微ラマン分光測定方法を詳しく説明する。
図1は、本発明の顕微ラマン分光装置の一実施形態を示す図であって、図1中符号1は顕微ラマン分光装置である。この顕微ラマン分光装置1は、励起用レーザー光を出射する励起用レーザー光源2と、この励起用レーザー光源2から出射された励起用レーザー光を試料に導入するための第1の光学系3と、前記試料からのラマン散乱光を分光器4に導入するための第2の光学系5を備えて構成されたものである。なお、前記試料は、サンプルステージ6上に配置されるようになっている。
Hereinafter, the micro Raman spectroscopic apparatus and micro Raman spectroscopic measurement method of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a microscopic Raman spectroscopic apparatus according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a microscopic Raman spectroscopic apparatus. The microscopic Raman spectroscopic device 1 includes an excitation laser light source 2 that emits excitation laser light, and a first optical system 3 that introduces the excitation laser light emitted from the excitation laser light source 2 into a sample. The second optical system 5 for introducing Raman scattered light from the sample into the spectroscope 4 is provided. The sample is arranged on the sample stage 6.

励起用レーザー光源2に光学的に接続される第1の光学系3は、減光フィルター7と、三つの半透過鏡8、9、10と、入射側対物レンズ11とを備えてなるもので、前述したように励起用レーザー光源2から出射した励起用レーザー光をサンプルステージ6上の試料に導入するための光路を構成するものである。そして、このような構成のもとに第1の光学系3は、特に入射側対物レンズ11と試料との間を通る励起用レーザー光の光路、すなわち第1の光軸を形成するものとなっている。   The first optical system 3 optically connected to the excitation laser light source 2 includes a neutral density filter 7, three semi-transmissive mirrors 8, 9, and 10, and an incident-side objective lens 11. As described above, the optical path for introducing the excitation laser beam emitted from the excitation laser light source 2 into the sample on the sample stage 6 is configured. With this configuration, the first optical system 3 forms an optical path of excitation laser light that passes between the incident-side objective lens 11 and the sample, that is, the first optical axis. ing.

試料に光学的に接続される第2の光学系5は、出射側対物レンズ12と、三つの半透過鏡13、14、15と、フィルター16と、集光レンズ17とを備えてなるもので、前述したように試料からのラマン散乱光を分光器4に導入する光路を構成するものである。そして、このような構成のもとに第2の光学系5は、特に試料と出射側対物レンズ12との間を通るラマン散乱光の光路、すなわち第2の光軸を形成するものとなっている。   The second optical system 5 that is optically connected to the sample includes an exit-side objective lens 12, three semi-transmissive mirrors 13, 14, 15, a filter 16, and a condenser lens 17. As described above, the optical path for introducing the Raman scattered light from the sample into the spectroscope 4 is configured. With this configuration, the second optical system 5 forms an optical path of Raman scattered light that passes between the sample and the exit-side objective lens 12, that is, the second optical axis. Yes.

前記第1の光学系3における減光フィルター7は、特に励起用レーザー光源2から出射される励起用レーザー光の強度が強い場合に設けられるもので、励起用レーザー光の強度を弱めることにより、試料に対し適正な強度のレーザー光が照射されるよう、調整するものである。
この減光フィルター7に続く半透過鏡8は、減光フィルター7を通ってきた励起用レーザー光の光路、すなわち第1の光軸を直角に曲げるように配置されたもので、その反射面と反対の側には、観察口18が接続されている。なお、この半透過鏡8については、後述するように試料に対しての実際の測定(観測)を行う場合には、この半透過鏡8に代えて反射鏡を用い、減光フィルター7を通ってきた励起用レーザー光を全反射させるようにしてもよい。
The neutral density filter 7 in the first optical system 3 is provided particularly when the intensity of the excitation laser light emitted from the excitation laser light source 2 is strong. By reducing the intensity of the excitation laser light, Adjustment is made so that laser light of an appropriate intensity is irradiated onto the sample.
The semi-transparent mirror 8 following the neutral density filter 7 is arranged so as to bend the optical path of the excitation laser light that has passed through the neutral density filter 7, that is, the first optical axis at a right angle. An observation port 18 is connected to the opposite side. As for the semi-transmissive mirror 8, as will be described later, when actual measurement (observation) is performed on the sample, a reflective mirror is used instead of the semi-transmissive mirror 8 and the sample passes through the neutral density filter 7. The excitation laser beam may be totally reflected.

観察口(観察部)18は、観察者が目視により、あるいはCCDカメラ等の機器によって観察するための窓である。この観察口18の光路は、前記半透過鏡8を通って前記第1の光軸に一致したものとなっており、したがって観察口18は、第1の光軸上に配置されたものとなっている。このような構成のもとに観察口18は、サンプルステージ6上に配置される試料、あるいはこれの配置場所での、前記励起用レーザー光の照射位置や、後述する光軸合わせ用のレーザー光の照射位置を観察することができるようになっている。   The observation port (observation unit) 18 is a window for an observer to observe visually or with a device such as a CCD camera. The optical path of the observation port 18 passes through the semi-transmissive mirror 8 and coincides with the first optical axis. Therefore, the observation port 18 is arranged on the first optical axis. ing. Based on such a configuration, the observation port 18 is provided with the excitation laser light irradiation position at the sample placed on the sample stage 6 or the place where the sample is placed, and a laser beam for optical axis alignment described later. The irradiation position can be observed.

前記半透過鏡8に続く半透過鏡9は、半透過鏡8を通ってきた励起用レーザーをそのまま通過させ、第1の光軸中を伝搬させるものである。また、この半透過鏡9は、後述するように本実施形態の顕微ラマン分光装置1でバックスキャッタリングによる測定(観測)を行うようにした場合に、試料から第1の光軸を戻ってきたラマン散乱光を、前記分光器4に導入するべく、これを反射して第3の光学系19に導入するものである。したがって、バックスキャッタリングによる測定(観測)を行うことなく、ラマン散乱光のうちの直角散乱光成分(以下、直角散乱光と記す)のみを測定する場合には、この半透過鏡9の配置を省略してもよい。   The semi-transmissive mirror 9 following the semi-transmissive mirror 8 allows the excitation laser that has passed through the semi-transmissive mirror 8 to pass therethrough and propagates in the first optical axis. Further, the semi-transmission mirror 9 returns from the sample to the first optical axis when measurement (observation) is performed by backscattering with the microscopic Raman spectroscopic apparatus 1 of the present embodiment as will be described later. In order to introduce the Raman scattered light into the spectroscope 4, it is reflected and introduced into the third optical system 19. Therefore, in the case of measuring only the right-angle scattered light component (hereinafter referred to as right-angle scattered light) of the Raman scattered light without performing measurement (observation) by backscattering, the arrangement of the semi-transmissive mirror 9 is changed. It may be omitted.

第3の光学系19は、前記半透過鏡9と、反射鏡20と、前記第2の光学系5における半透過鏡14とを備えてなるもので、試料から第1の光軸を戻ってきたラマン散乱光を、前記半透過鏡9と反射鏡19と半透過鏡14とをこの順に反射させることで前記第2の光学系5に導入し、分光器4に導入させるものである。   The third optical system 19 includes the semi-transmissive mirror 9, the reflective mirror 20, and the semi-transmissive mirror 14 in the second optical system 5, and returns from the sample to the first optical axis. The Raman scattered light is introduced into the second optical system 5 by being reflected by the semi-transmissive mirror 9, the reflecting mirror 19, and the semi-transmissive mirror 14 in this order, and is then introduced into the spectroscope 4.

前記半透過鏡9に続く半透過鏡10は、半透過鏡9を通ってきた励起用レーザーをそのまま通過させ、第1の光軸中を伝搬させるものである。また、この半透過鏡10は、第1の光軸と直交する方向に設けられた、ハロゲンランプ等からなる白色光源21に光学的に接続されたもので、この白色光源21から出射した白色光を反射し、第1の光軸中に導入してこれを伝搬することにより、サンプルステージ6上の試料に白色光を照射するようになっている。   The semi-transmissive mirror 10 following the semi-transmissive mirror 9 allows the excitation laser that has passed through the semi-transmissive mirror 9 to pass through as it is and propagates in the first optical axis. The transflective mirror 10 is optically connected to a white light source 21 such as a halogen lamp provided in a direction orthogonal to the first optical axis. White light emitted from the white light source 21 Is reflected in the first optical axis and propagated through the first optical axis to irradiate the sample on the sample stage 6 with white light.

入射側対物レンズ11は、第1の光軸を通ってきた励起用レーザー光、さらには前記白色光を集光し、サンプルステージ6上の試料、あるいはこれの配置場所に照射させるものである。この入射側対物レンズ11は、前記試料あるいはこれの配置場所に対し、その先端側が1mm程度の間隔となるように配置されたもので、図2に示すように微小な凸レンズからなるレンズ本体11aと、これを保持する略円筒状の保持部材11bとを有して形成されたものである。   The incident-side objective lens 11 condenses the excitation laser beam that has passed through the first optical axis, and further the white light, and irradiates the sample on the sample stage 6 or the location of the sample. The entrance-side objective lens 11 is arranged with a distance of about 1 mm on the tip side with respect to the sample or the place where the sample is placed, and as shown in FIG. And a substantially cylindrical holding member 11b for holding it.

レンズ本体11aは、保持部材11bの先端部に保持固定されたもので、その光軸が前記第1の光軸に一致するようにして第1の光学系3内に配置されたものである。保持部材11bは、ステンレス等の、剛性が強く安定した金属によって形成されたもので、その先端部が、先端側、すなわち試料側に行くに連れて漸次径が小さくなるよう、斜面11cを形成したものである。斜面11cは、前記第1の光軸、すなわちこれに一致するレンズ本体11aの光軸に対して、45°未満の角度、例えば35〜40°程度の角度をなすように形成されたものである。ここで、斜面11cの形成方法としては、先端部全体が先端に行くに連れて窄まるように絞って加工しておくともに、保持部材11bの肉厚についても、先端に行くに連れて薄くなるようにするなどの手法を用いるのが好ましい。なお、図2に示した例では、略円筒状に形成された保持部材11bの先端部において、その全周に亘って斜面11cを形成したが、例えば保持部材を角筒状に形成した場合など、その一つの面のみを斜面とするようにしてもよい。   The lens body 11a is held and fixed at the distal end of the holding member 11b, and is disposed in the first optical system 3 so that its optical axis coincides with the first optical axis. The holding member 11b is formed of a metal having high rigidity and stability, such as stainless steel, and the inclined surface 11c is formed so that the tip gradually decreases in diameter toward the tip side, that is, the sample side. Is. The inclined surface 11c is formed so as to form an angle of less than 45 °, for example, about 35 to 40 ° with respect to the first optical axis, that is, the optical axis of the lens body 11a corresponding to the first optical axis. . Here, as a method of forming the inclined surface 11c, the entire tip portion is squeezed so as to be narrowed as it goes to the tip, and the thickness of the holding member 11b also becomes thinner as it goes to the tip. It is preferable to use a technique such as In the example shown in FIG. 2, the inclined surface 11 c is formed over the entire circumference at the tip of the holding member 11 b formed in a substantially cylindrical shape. For example, when the holding member is formed in a rectangular tube shape, etc. Only one of the surfaces may be a slope.

また、前記第2の光学系5における出射側対物レンズ12も、図2に示した入射側対物レンズ11と同じ構成に形成されたもので、レンズ本体12aと保持部材12bとからなり、保持部材12bの先端部に斜面11cを形成したものである。
これら入射側対物レンズ11と出射側対物レンズ12とは、図3に示すようにそれぞれの先端側(レンズ本体11a、12a側)が、試料を配置するサンプルステージ6に向くようにして配設されたものである。
Further, the exit-side objective lens 12 in the second optical system 5 is also formed in the same configuration as the entrance-side objective lens 11 shown in FIG. 2, and includes a lens body 12a and a holding member 12b. A slope 11c is formed at the tip of 12b.
As shown in FIG. 3, the entrance-side objective lens 11 and the exit-side objective lens 12 are arranged such that their distal ends (lens main bodies 11a, 12a side) face the sample stage 6 on which the specimen is placed. It is a thing.

すなわち、これら入射側対物レンズ11と出射側対物レンズ12とは、入射側対物レンズ11と試料との間を通る励起用レーザー光の光路となる第1の光軸と、試料と出射側対物レンズ12との間を通るラマン散乱光の光路となる第2の光軸とが、所定の角度、本実施形態では略直角となるように調整されている。ここで、略直角とは、例えば80〜100°程度の比較的広い範囲を許容するものである。すなわち、試料から励起された直角散乱光は、比較的広い範囲に亘って放射状に出射することから、前記した80〜100°程度の範囲であれば、この直角散乱光が第2の光軸を通って出射側対物レンズ12に良好に入射するようになるからである。   That is, the entrance-side objective lens 11 and the exit-side objective lens 12 are composed of a first optical axis serving as an optical path of excitation laser light passing between the entrance-side objective lens 11 and the sample, and the sample and the exit-side objective lens. The second optical axis, which is the optical path of the Raman scattered light passing between the two, is adjusted to be a predetermined angle, that is, a substantially right angle in the present embodiment. Here, the term “substantially perpendicular” means that a relatively wide range of about 80 to 100 ° is allowed. That is, since the right-angle scattered light excited from the sample is emitted radially over a relatively wide range, the right-angle scattered light has the second optical axis in the range of about 80 to 100 °. This is because the light enters the exit-side objective lens 12 through the light.

出射側対物レンズ12に続く半透過鏡13は、図1に示すように、出射側対物レンズ12で集光された直角散乱光をそのまま通過させ、第2の光軸中を伝搬させるものである。また、この半透過鏡13は、第2の光軸と直交する方向に設けられた、ハロゲンランプ等からなる白色光源22に光学的に接続されたもので、この白色光源22から出射した白色光を反射し、第2の光軸中に導入してこれを伝搬することにより、サンプルステージ6上の試料に白色光を照射するようになっている。   As shown in FIG. 1, the semi-transmissive mirror 13 following the exit-side objective lens 12 allows the right-angle scattered light collected by the exit-side objective lens 12 to pass through as it is and propagates in the second optical axis. . The semi-transmissive mirror 13 is optically connected to a white light source 22 made of a halogen lamp or the like provided in a direction orthogonal to the second optical axis. The white light emitted from the white light source 22 is , And is introduced into the second optical axis and propagated therethrough so that the sample on the sample stage 6 is irradiated with white light.

前記半透過鏡13に続く半透過鏡14は、半透過鏡13を通ってきた直角散乱光をそのまま通過させ、第2の光軸中を伝搬させるものである。また、この半透過鏡14は、後述するように本実施形態の顕微ラマン分光装置1でバックスキャッタリングによる測定(観測)を行うようにした場合に、試料から第1の光軸を戻り、さらに前記第3の光学系19を通ってきたラマン散乱光を、前記分光器4に導入するべく、これを反射して第2の光学系5(第2の光軸)に導入するものである。したがって、このバックスキャッタリングによる測定(観測)を行う場合には、この半透過鏡14に代えて反射鏡を用いるようにしてもよい。また、バックスキャッタリングによる測定(観測)を行うことなく、ラマン散乱光のうちの直角散乱光成分(以下、直角散乱光と記す)のみを測定する場合には、この半透過鏡14の配置を省略してもよい。   The semi-transmissive mirror 14 following the semi-transmissive mirror 13 allows the right-angle scattered light that has passed through the semi-transmissive mirror 13 to pass through as it is and propagates in the second optical axis. In addition, the semi-transmission mirror 14 returns the first optical axis from the sample when the measurement (observation) by backscattering is performed by the microscopic Raman spectroscopic apparatus 1 of the present embodiment, as will be described later. In order to introduce the Raman scattered light that has passed through the third optical system 19 into the spectroscope 4, it is reflected and introduced into the second optical system 5 (second optical axis). Therefore, when performing measurement (observation) by this backscattering, a reflecting mirror may be used instead of the semi-transmissive mirror 14. Further, in the case of measuring only the right-angle scattered light component (hereinafter, referred to as right-angle scattered light) of the Raman scattered light without performing measurement (observation) by backscattering, the arrangement of the semi-transmissive mirror 14 is changed. It may be omitted.

前記半透過鏡14に続く半透過鏡15は、半透過鏡14を通ってきた直角散乱光をそのまま透過させ、第2の光軸中を伝搬させるものである。また、この半透過鏡15には、その直角散乱光を透過させる側の面、すなわち分光器4側の面と反対側の面に、試料に対して第2の光軸を合わせるための光軸合わせ用の光路、すなわち第4の光学系23が光学的に接続されている。この第4の光学系23は、第2の光軸と光学的に接続する光軸を有することにより、第2の光学系5の一部を構成するもので、半透過鏡24を備えたものである。この半透過鏡24には、光軸合わせ用のレーザー光を出射する光軸合わせ用レーザー光源25と、観察口26とがそれぞれ光学的に接続されている。   The semi-transmissive mirror 15 following the semi-transmissive mirror 14 transmits the right-angle scattered light that has passed through the semi-transmissive mirror 14 as it is, and propagates it in the second optical axis. The semi-transparent mirror 15 has an optical axis for aligning the second optical axis with respect to the sample on the surface that transmits the right-angle scattered light, that is, the surface opposite to the surface on the spectroscope 4 side. The optical path for alignment, that is, the fourth optical system 23 is optically connected. The fourth optical system 23 is a part of the second optical system 5 by having an optical axis that is optically connected to the second optical axis, and includes a semi-transmissive mirror 24. It is. An optical axis alignment laser light source 25 that emits an optical axis alignment laser beam and an observation port 26 are optically connected to the semi-transmissive mirror 24, respectively.

光軸合わせ用レーザー光源25は、半透過鏡24の反射面側に光学的に接続されたもので、後述するように試料あるいはその配置場所に対する第2の光軸を合わせるために、光軸合わせ用レーザー光を出射(照射)するためのものである。この光軸合わせ用のレーザー光については、その波長が、前記励起用レーザー光の波長と異なっているのが好ましい。このように波長を変え、特にこれらレーザー光が互いに異なる色を呈するようにしておくことにより、後述するように光軸合わせの際、これらレーザー光の焦点位置(スポット)の重なり具合などを目視によって確認することが容易になる。   The laser light source 25 for optical axis alignment is optically connected to the reflecting surface side of the semi-transparent mirror 24, and aligns the optical axis in order to align the second optical axis with respect to the sample or its location as will be described later. For emitting (irradiating) a laser beam for use. The wavelength of the laser beam for aligning the optical axis is preferably different from the wavelength of the excitation laser beam. By changing the wavelength in this way, and in particular, by making these laser beams exhibit different colors, the alignment of the focal positions (spots) of these laser beams can be visually observed during optical axis alignment as will be described later. It becomes easy to confirm.

観察口(観察部)26は、半透過鏡24の前記反射面と反対の側に光学的に接続されたもので、前記の観察口(観察部)18と同様に、観察者が目視により、あるいはCCDカメラ等の機器によって観察するための窓である。この観察口26の光路は、前記半透過鏡24を通って前記半透過鏡15に至り、ここで直角方向に反射することにより、前記第2の光軸に一致したものとなっており、したがって観察口26は、第2の光軸上に配置されたものとなっている。このような構成のもとに観察口26は、前記観察口18と同様に、サンプルステージ6上に配置される試料、あるいはこれの配置場所での、前記光軸合わせ用のレーザー光の照射位置や、前記励起用レーザー光の照射位置を観察することができるようになっている。   The observation port (observation unit) 26 is optically connected to the side opposite to the reflection surface of the semi-transmissive mirror 24, and the observer can visually observe the same as the observation port (observation unit) 18. Or it is a window for observing with apparatuses, such as a CCD camera. The optical path of the observation port 26 reaches the semi-transmissive mirror 15 through the semi-transmissive mirror 24, and is reflected in a right angle direction so as to coincide with the second optical axis. The observation port 26 is disposed on the second optical axis. Under such a configuration, similarly to the observation port 18, the observation port 26 irradiates the sample placed on the sample stage 6 or the irradiation position of the laser beam for optical axis alignment at the place where the sample is placed. In addition, the irradiation position of the excitation laser beam can be observed.

前記半透過鏡15に続くフィルター16は、励起用レーザー光と同一の波長であるレイリー光を除去するもので、これによってレイリー光より強度が4〜5桁小さいラマン光を選択的に透過させるものである。なお、このようにレイリー光を除去してラマン光を選択的に透過させるものであれば、フィルター16に代えて公知の除去装置を用いてもよい。
集光レンズ17は、前記フィルター16を透過してきたラマン光を集光して分光器4に導入するものであり、分光器4は、導入したラマン光を波長成分に分解し、ラマンスペクトルを得るものである。
The filter 16 following the semi-transmissive mirror 15 removes Rayleigh light having the same wavelength as the excitation laser light, thereby selectively transmitting Raman light whose intensity is 4 to 5 orders of magnitude smaller than the Rayleigh light. It is. As long as the Rayleigh light is removed and the Raman light is selectively transmitted in this way, a known removal device may be used instead of the filter 16.
The condensing lens 17 condenses the Raman light transmitted through the filter 16 and introduces it into the spectroscope 4, and the spectroscope 4 decomposes the introduced Raman light into wavelength components to obtain a Raman spectrum. Is.

試料を配置するための前記サンプルステージ6は、図3に示したように、Zステージ27とXYステージ28とを有して構成されたもので、XYステージ28上に、例えば結晶薄膜などの試料Sを配置するものである。Zステージ27は、前記の第1の光軸及び第2の光軸に対してそれぞれに略45°の角度(例えば40〜50°の範囲)をなす第1ステージ面27aを有し、この第1ステージ面27a上に前記XYステージ28を設けたものである。また、このZステージ27には、該Zステージ27をその第1ステージ面27aの前記角度を維持した状態で、前記第1の光軸に沿って、すなわち前記入射側対物レンズ11の光軸に沿って図3中矢印Z方向に移動(昇降)させる公知の移動機構(図示せず)が設けられており、これによって第1の光軸を通って導入される励起用レーザー光の、焦点調整が行えるようになっている。   As shown in FIG. 3, the sample stage 6 for arranging a sample is configured to include a Z stage 27 and an XY stage 28, and a sample such as a crystal thin film is formed on the XY stage 28. S is arranged. The Z stage 27 has a first stage surface 27a that forms an angle of approximately 45 ° (for example, a range of 40 to 50 °) with respect to the first optical axis and the second optical axis, respectively. The XY stage 28 is provided on one stage surface 27a. Further, the Z stage 27 is arranged along the first optical axis, that is, to the optical axis of the incident-side objective lens 11 with the Z stage 27 maintained at the angle of the first stage surface 27a. 3 is provided with a known moving mechanism (not shown) for moving (up and down) in the direction of arrow Z in FIG. 3, thereby adjusting the focus of the excitation laser beam introduced through the first optical axis. Can be done.

XYステージ28は、前記Zステージ27の第1ステージ面27a上において、その縦方向及び横方向、すなわち図3中に示す矢印X方向及びY方向に移動可能に設けられたもので、前記第1ステージ面27aと平行な第2ステージ面28aを有してなるものであり、この第2ステージ面28a上に試料Sを配置するものである。ここで、前記X方向とは、前記Zステージ27の第1ステージ面27aにおいて、該Zステージ27の移動方向(第1の光軸方向)に沿う(向かう)方向であり、Y方向とは、第1ステージ面27aにおいて、X方向と直交する方向、すなわち、Zステージ27の移動方向と直交する方向である。このような構成のもとにサンプルステージ6は、Zステージ27の移動とXYステージ28のX方向の移動とを組み合わせることで、第2ステージ面28a上の試料Sの配置場所を、第2の光軸に沿って移動させることができるようになっている。
なお、XYステージ28には、前記Zステージ27を移動させる移動機構とは別の移動機構が設けられており、これによってZステージ27の移動とは別に、独立した状態で第1ステージ面27a上においてX方向及びY方向に移動可能となっている。
The XY stage 28 is provided on the first stage surface 27a of the Z stage 27 so as to be movable in the vertical and horizontal directions, that is, the arrow X and Y directions shown in FIG. The second stage surface 28a is parallel to the stage surface 27a, and the sample S is arranged on the second stage surface 28a. Here, the X direction is a direction along (toward) the moving direction (first optical axis direction) of the Z stage 27 on the first stage surface 27a of the Z stage 27, and the Y direction is In the first stage surface 27 a, the direction is perpendicular to the X direction, that is, the direction perpendicular to the moving direction of the Z stage 27. Based on such a configuration, the sample stage 6 combines the movement of the Z stage 27 and the movement of the XY stage 28 in the X direction, so that the arrangement location of the sample S on the second stage surface 28a is changed to the second stage surface 28a. It can be moved along the optical axis.
The XY stage 28 is provided with a moving mechanism that is different from the moving mechanism for moving the Z stage 27, so that, independently of the movement of the Z stage 27, the XY stage 28 is independent on the first stage surface 27 a. In FIG. 7, the movement in the X direction and the Y direction is possible.

次に、このような構成からなる顕微ラマン分光装置1の使用方法に基づき、本発明の顕微ラマン分光測定方法の一実施形態を説明する。
まず、直角散乱光の測定を行う場合について説明する。このように直角散乱光の測定を行う場合、特に半透過鏡9や半透過鏡14をそれぞれの光路(光軸)上から外しておき、第1の光学系3、第2の光学系5と第3の光学系19との光学的接続を遮断しておく。そして、実際に試料Sについての測定(観察)を行うに先立ち、光軸合わせ工程として、前記試料Sの配置場所となるサンプルステージ6上の所定位置に対し、前記第1の光軸と前記第2の光軸とを合わせる処理を行う。なお、この光軸合わせ工程では、サンプルステージ6の試料を配置する場所、すなわちXYステージ28の第2ステージ面28a上に、光軸合わせ用のサンプルとして、例えば単結晶シリコン薄膜などを配置しておく。
Next, one embodiment of the micro Raman spectroscopic measurement method of the present invention will be described based on the method of using the micro Raman spectroscopic apparatus 1 having such a configuration.
First, the case of measuring right-angle scattered light will be described. When measuring right-angle scattered light in this manner, the semi-transmissive mirror 9 and the semi-transmissive mirror 14 are removed from the respective optical paths (optical axes), and the first optical system 3 and the second optical system 5 The optical connection with the third optical system 19 is cut off. Prior to the actual measurement (observation) of the sample S, as the optical axis alignment step, the first optical axis and the first optical axis are aligned with respect to a predetermined position on the sample stage 6 where the sample S is arranged. The process of aligning with the optical axis 2 is performed. In this optical axis alignment step, for example, a single crystal silicon thin film or the like is arranged as a sample for optical axis alignment on the second stage surface 28a of the XY stage 28 where the sample of the sample stage 6 is arranged. deep.

この光軸合わせ工程では、まず、前記励起用レーザー光を、前記入射側対物レンズ11を介して前記サンプルステージ6上の所定位置、ここでは前記のサンプル上に集光させ、その焦点位置を合わせる。このとき、白色光源21を点灯させて白色光を前記サンプル上に照射し、これによって前記励起用レーザー光のサンプル上での照射位置が、観察口18から視認できるようにしておく。そして、このようにして励起用レーザー光のサンプル上での照射位置をスポットとして視認することにより、励起用レーザー光の焦点合わせを行う。   In this optical axis alignment step, first, the excitation laser light is condensed on a predetermined position on the sample stage 6, here the sample, via the incident-side objective lens 11, and the focal position is adjusted. . At this time, the white light source 21 is turned on to irradiate the sample with white light so that the irradiation position of the excitation laser beam on the sample can be viewed from the observation port 18. Then, the excitation laser beam is focused by visually recognizing the irradiation position of the excitation laser beam on the sample as a spot.

具体的には、励起用レーザー光のスポット径を目視あるいはCCDカメラ等で観察することにより、焦点が合っているか否かを確認する。このとき、焦点が合っていない場合には、サンプルステージ6のZステージ27を移動させることで、焦点を調整する。Zステージ27は、前述したように第1の光軸に沿って移動することから、この第1の光軸を通って導入される励起用レーザー光の焦点調整を行うことができる。また、このとき、観察口18が第1の光軸上に設けられていることから、観察口18からはスポットの中心位置がずれてしまうことなく、一定の位置にあるスポットを視認し続けることができ、したがって容易に焦点調整を行えるようになっている。   Specifically, it is confirmed whether the spot diameter of the excitation laser beam is in focus by visual observation or observation with a CCD camera or the like. At this time, when the focus is not achieved, the focus is adjusted by moving the Z stage 27 of the sample stage 6. Since the Z stage 27 moves along the first optical axis as described above, the focus of the excitation laser light introduced through the first optical axis can be adjusted. At this time, since the observation port 18 is provided on the first optical axis, the center position of the spot is not deviated from the observation port 18 and the spot at a certain position is continuously viewed. Therefore, focus adjustment can be easily performed.

また、このような焦点調整と同時に、あるいは前後して、この焦点、すなわちスポットの中心を、例えば半透過鏡8の角度やサンプルステージ6を調整することにより、予め設定された適切な位置に合わせる。ただし、通常これは予め装置において調整されているので、その場合には省略してもよい。   Simultaneously with or before and after such focus adjustment, this focus, that is, the center of the spot, is adjusted to an appropriate preset position by adjusting the angle of the semi-transparent mirror 8 or the sample stage 6, for example. . However, since this is normally adjusted in the apparatus in advance, it may be omitted in that case.

次いで、励起用レーザー光の照射を続けたままで、光軸合わせ用のレーザー光を、出射側対物レンズ12を介して前記サンプルステージ6上の所定位置、すなわち前記のサンプル上に集光させ、その焦点位置を、前記励起用レーザー光の焦点位置に合わせる。このとき、白色光源22を点灯させて白色光を前記サンプル上に照射し、これによって前記光軸合わせ用レーザー光のサンプル上での照射位置が、観察口26から視認できるようにしておく。そして、このようにして光軸合わせ用のレーザー光のサンプル上での照射位置をスポットとして視認することにより、第1の光軸と第2の光軸との間の光軸合わせを行う。   Next, while continuing the irradiation of the excitation laser beam, the laser beam for optical axis alignment is condensed on a predetermined position on the sample stage 6, that is, on the sample, via the exit-side objective lens 12, The focal position is adjusted to the focal position of the excitation laser beam. At this time, the white light source 22 is turned on to irradiate the sample with white light so that the irradiation position of the optical axis alignment laser light on the sample can be viewed from the observation port 26. Then, the optical axis alignment between the first optical axis and the second optical axis is performed by visually recognizing the irradiation position on the sample of the laser beam for optical axis alignment as a spot.

すなわち、出射側対物レンズ12の位置(角度)を微調整して光軸合わせ用レーザー光のスポットの位置を調整し、これを励起用レーザー光のスポットに重ね合わせることで、第1の光軸と第2の光軸とを合わせる。このとき、光軸合わせ用のレーザー光と励起用レーザー光とはその波長が異なり、これらレーザー光は互いに異なる色を呈するようになっているので、これらレーザー光のスポットの重なり具合を特に目視によって容易に確認することができる。ここで、この目視などによる確認作業は、観察口18または観察口26から視認することで行うことができる。   That is, the position (angle) of the exit-side objective lens 12 is finely adjusted to adjust the position of the optical axis alignment laser beam spot, and this is superposed on the excitation laser beam spot, whereby the first optical axis. And the second optical axis are aligned. At this time, the laser beam for alignment of the optical axis and the laser beam for excitation have different wavelengths, and these laser beams have different colors. It can be easily confirmed. Here, the confirmation work by visual observation or the like can be performed by visually recognizing from the observation port 18 or the observation port 26.

なお、出射側対物レンズ12の位置の微調整で良好に光軸を合わせられない場合、励起用レーザー光の光路が正常より大きくずれていることが考えられる。したがって、その場合には半透過鏡8の角度を調整する。そして、励起用レーザー光と光軸合わせ用レーザー光とが中心対象でガウス分布の拡散状態にあるか否かを、Zステージ27を移動させることで確認し、拡散状態にない場合には、半透過鏡8の角度を再度調整する。
また、この第1の光軸と第2の光軸との光軸合わせについては、基本的には前述したように出射側対物レンズ12の位置(角度)調整で行うが、必要に応じて、サンプルステージ6のZステージ27やXYステージ28を微移動させることで、光軸合わせの微調整を行うようにしてもよい。
Note that if the optical axis cannot be satisfactorily adjusted by fine adjustment of the position of the emission-side objective lens 12, it is possible that the optical path of the excitation laser beam is largely deviated from normal. Therefore, in that case, the angle of the semi-transmissive mirror 8 is adjusted. Then, it is confirmed by moving the Z stage 27 whether the excitation laser beam and the optical axis alignment laser beam are in a gaussian diffusion state at the center object. The angle of the transmission mirror 8 is adjusted again.
The optical axis alignment between the first optical axis and the second optical axis is basically performed by adjusting the position (angle) of the exit-side objective lens 12 as described above. Fine adjustment of the optical axis alignment may be performed by finely moving the Z stage 27 and the XY stage 28 of the sample stage 6.

このようにして光軸合わせを行ったら、サンプルステージ6上から前記サンプルを外し、測定対象となる試料Sを所定位置、すなわちXYステージ28の第2のステージ面28a上に配置する。このとき、例えばサンプルステージ6のZステージ27を移動させて、前記サンプルと試料Sとの交換を行った場合、交換後、Zステージ27を元の位置に戻し、さらに前述した手法によって再度焦点合わせを行う。
そして、さらに試料S中において特にその測定位置を選択したい場合、Zステージ27を固定した状態で、XYステージ28をX方向、Y方向にそれぞれ適宜移動させることで、励起用レーザー光の焦点位置であるスポットを測定位置に合わせる。なお、このような調整は、観察口18からの目視、あるいはCCDカメラによる撮影などで行うことができる。
After optical axis alignment is performed in this manner, the sample is removed from the sample stage 6 and the sample S to be measured is placed on a predetermined position, that is, on the second stage surface 28 a of the XY stage 28. At this time, for example, when the Z stage 27 of the sample stage 6 is moved and the sample and the sample S are exchanged, after the exchange, the Z stage 27 is returned to the original position, and the focusing is performed again by the method described above. I do.
Further, when it is desired to select the measurement position in the sample S in particular, the XY stage 28 is appropriately moved in the X direction and the Y direction while the Z stage 27 is fixed, so that the excitation laser light is focused at the focal position. Align a spot with the measurement position. Such adjustment can be performed by visual observation from the observation port 18 or by photographing with a CCD camera.

このようにして焦点合わせを行い、さらに試料S中における測定位置の選択を行ったら、必要に応じて半透過鏡8を反射鏡に交換した後、前記励起用レーザー光源2から励起用レーザー光を出射させる。すると、励起用レーザー光は第1の光学系3中を通って入射側対物レンズ11に至り、ここで集光された後、前記試料Sを照射する。すると、試料Sが励起してラマン散乱光を生じる。
このラマン散乱光のうち特に直角散乱光は、第1の光軸に対し略直角方向に位置した第2の光軸を有する出射側対物レンズ12に集められ、さらに第2の光学系19を通って分光器4に導入され、ここで波長成分に分解されてラマンスペクトルとして測定される。
After performing focusing in this way and further selecting the measurement position in the sample S, the semi-transparent mirror 8 is replaced with a reflecting mirror as necessary, and then the excitation laser light 2 is emitted from the excitation laser light source 2. Let it emit. Then, the excitation laser light passes through the first optical system 3 and reaches the incident-side objective lens 11, where it is condensed and then irradiates the sample S. Then, the sample S is excited to generate Raman scattered light.
Of the Raman scattered light, particularly right-angle scattered light is collected by the exit-side objective lens 12 having the second optical axis positioned substantially perpendicular to the first optical axis, and further passes through the second optical system 19. Then, it is introduced into the spectroscope 4, where it is decomposed into wavelength components and measured as a Raman spectrum.

また、この顕微ラマン分光装置1にあっては、直角散乱光の測定だけでなく、前記の第3の光学系19を用いることにより、励起用レーザー光の入射方向と180°異なる方向に散乱した散乱光を測定する、バックスキャッタリングでの測定(観測)を行うこともできる。このようにバックスキャッタリングでの測定(観測)を行う場合、第1の光学系3および第2の光学系5と第3の光学系19とを光学的に接続するべく、先に光路(光軸)上から外しておいた半透過鏡9や半透過鏡14をそれぞれ図1に示した位置に戻し、その光軸を対応する光学系における光軸に合わしておく。なお、半透過鏡14については、これを反射鏡に代えておくのが好ましい。   Further, in this microscopic Raman spectroscopic device 1, not only the measurement of the right-angle scattered light but also the scattering by the direction different from the incident direction of the excitation laser beam by 180 ° by using the third optical system 19 described above. Measurement (observation) by backscattering for measuring scattered light can also be performed. When performing measurement (observation) by backscattering in this way, the optical path (light) is first connected to optically connect the first optical system 3 and the second optical system 5 to the third optical system 19. The semi-transparent mirror 9 and the semi-transparent mirror 14 removed from the axis are returned to the positions shown in FIG. 1, and their optical axes are aligned with the optical axes in the corresponding optical system. In addition, about the semi-transmissive mirror 14, it is preferable to replace this with a reflective mirror.

また、サンプルステージ6については、これをそのまま用いることもできるものの、特に試料Sを配置するステージ面が、第1の光軸に直交して入射側対物レンズ11と正対するものに交換するのが好ましい。
このようなサンプルステージを用いてこれに試料Sを配置したら、従来と同様にして焦点合わせ等を行った後、励起用レーザー光源2から励起用レーザー光を出射することで、バックスキャッタリング測定を行う。
Further, although the sample stage 6 can be used as it is, the stage surface on which the sample S is arranged is particularly exchanged to one that is orthogonal to the first optical axis and directly faces the incident-side objective lens 11. preferable.
When the sample S is arranged on such a sample stage, focusing is performed in the same manner as in the prior art, and then excitation laser light is emitted from the excitation laser light source 2 to perform backscattering measurement. Do.

このようにして励起用レーザー光を出射すると、このレーザー光が入射側対物レンズ11を介して試料Sを照射し、この照射部を励起させてラマン散乱光を生じさせる。このラマン散乱光のうち、特に入射方向と180°異なる方向に散乱した散乱光は、再度入射側対物レンズ11を通って半透過鏡9に至り、ここで反射して第3の光学系19に導かれる。そして、反射鏡20で反射し、さらに半透過鏡14(または反射鏡)で反射することにより第2の光学系5を通って分光器4に導入され、ここで波長成分に分解されてラマンスペクトルとして測定される。   When the excitation laser light is emitted in this way, the laser light irradiates the sample S through the incident-side objective lens 11 and excites the irradiated portion to generate Raman scattered light. Of this Raman scattered light, particularly scattered light scattered in a direction 180 ° different from the incident direction passes through the incident-side objective lens 11 again to reach the semi-transmissive mirror 9, where it is reflected to the third optical system 19. Led. Then, the light is reflected by the reflecting mirror 20 and further reflected by the semi-transmissive mirror 14 (or reflecting mirror) to be introduced into the spectroscope 4 through the second optical system 5, where it is decomposed into wavelength components and Raman spectrum. As measured.

このような顕微ラマン分光装置1による顕微ラマン分光測定方法にあっては、励起用レーザー光を、第1の光学系3に設けた入射側対物レンズ11で集光して試料Sに照射し、該試料Sで励起したラマン散乱光を、第2の光学系5に設けた出射側対物レンズ12で集光して分光器4に導入するので、従来のようにバックスキャッタリングでなく、入射光と散乱光とが直角となる直角散乱配置での測定、すなわち直角散乱光の測定を行うことができる。   In such a micro Raman spectroscopic measurement method using the micro Raman spectroscopic device 1, the excitation laser light is condensed by the incident side objective lens 11 provided in the first optical system 3 and irradiated onto the sample S. Since the Raman scattered light excited by the sample S is collected by the exit-side objective lens 12 provided in the second optical system 5 and introduced into the spectrometer 4, incident light is not used instead of backscattering as in the prior art. And a measurement in a right angle scattering arrangement in which the scattered light is at right angles, that is, a measurement of a right angle scattered light can be performed.

また、入射側対物レンズ11及び出射側対物レンズ12の先端部に、それぞれ斜面11c、12cを設けているので、これら入射側対物レンズ11と出射側対物レンズ12とをその第1の光軸と第2の光軸とが略直角となるように配置しても、それぞれの斜面11c、12cを対向させることにより、互いに物理的に干渉してしまうことを回避することができる。したがって、従来では対物レンズと試料との間の距離を1mm程度とすることが非常に困難であったが、本発明はこれを回避し、前述したような直角散乱光の測定を可能にすることができる。   In addition, since the inclined surfaces 11c and 12c are provided at the distal ends of the entrance-side objective lens 11 and the exit-side objective lens 12, respectively, the entrance-side objective lens 11 and the exit-side objective lens 12 are connected to the first optical axis. Even if it arrange | positions so that a 2nd optical axis may become a substantially right angle, it can avoid interfering physically mutually by making each inclined surface 11c and 12c oppose. Therefore, in the past, it was very difficult to set the distance between the objective lens and the sample to about 1 mm, but the present invention avoids this and enables the measurement of the right-angle scattered light as described above. Can do.

また、励起用レーザー光源2とは別に、光軸合わせ用のレーザー光を出射する光軸合わせ用レーザー光源25を備えているので、励起用レーザー光を試料Sの配置場所に照射するとともに、光軸合わせ用のレーザー光を試料Sの配置場所に照射することにより、励起用レーザー光の光軸である第1の光軸と、光軸合わせ用のレーザー光の光軸となるラマン散乱光(直角散乱光)の第2の光軸とを容易に軸合わせすることができる。
したがって、このような光軸合わせ機構を備えていることなどにより、観察口18、26で目視等により観察しつつ、サンプルステージ6を調整することなどによって光軸合わせや焦点調整が行えるので、特に直角散乱配置による測定を行う場合にも、試料に対する焦点調整を例えばナノメートルレベルで3次元的に行うことが可能になる。
In addition to the excitation laser light source 2, an optical axis alignment laser light source 25 that emits an optical axis alignment laser beam is provided. By irradiating the arrangement position of the sample S with the laser beam for axis alignment, the first optical axis that is the optical axis of the excitation laser beam and the Raman scattered light that becomes the optical axis of the laser beam for optical axis alignment ( The second optical axis of the (right-angle scattered light) can be easily aligned.
Accordingly, by providing such an optical axis alignment mechanism, the optical axis alignment and focus adjustment can be performed by adjusting the sample stage 6 while observing with the observation ports 18 and 26 by visual observation or the like. Even in the case of performing the measurement by the right angle scattering arrangement, it is possible to adjust the focus on the sample three-dimensionally at the nanometer level, for example.

また、このように観察口18、26からの目視等によって観察しつつ光軸合わせや焦点調整が行えるので、比較的容易にこれらの操作を行うことができる。すなわち、従来では、例えば一般のラマン分光装置にあっても特に光軸合わせには高度な熟練を要し、熟練に基づく勘に頼って光軸合わせを行っているのが実状であったが、本発明では、一般のラマン分光装置より格段に精度が要求されるにもかかわらず、前述したように光軸合わせ用レーザー光源25を備えたことにより、高い熟練度を要することなく十分容易に光軸合わせ等の操作を行うことができる。   In addition, since the optical axis can be adjusted and the focus can be adjusted while observing by visual observation from the observation ports 18 and 26 as described above, these operations can be performed relatively easily. That is, in the past, even in general Raman spectroscopic devices, for example, a high level of skill is required especially for optical axis alignment, and the actual situation is that optical axis alignment is performed depending on intuition based on skill, In the present invention, the optical axis alignment laser light source 25 is provided as described above, although the accuracy is much higher than that of a general Raman spectroscope, so that light can be easily and easily emitted without requiring a high level of skill. Operations such as axis alignment can be performed.

また、特にこの顕微ラマン分光装置で直角散乱測定を行うことができるようにしたことにより、以下の優れた効果が得られる。
(1)顕微ラマン分光装置による直角散乱測定を結晶構造の微細領域・詳細観察に適用することで、サブμm領域で生じている結晶構造を現状の不完全な測定から完全な測定手段に変えることができ、したがって、μm以下のレベルで作製されるデバイスで生じる結晶構造の制御を、完全に観察する手法を確立することができる。
In particular, the following excellent effects can be obtained by making it possible to perform the right angle scattering measurement with this microscopic Raman spectroscope.
(1) Changing the crystal structure generated in the sub-μm region from the current incomplete measurement to a complete measuring means by applying the right angle scattering measurement by the microscopic Raman spectroscopic device to the fine region and detailed observation of the crystal structure. Therefore, it is possible to establish a method for completely observing the control of the crystal structure generated in a device manufactured at a level of μm or less.

具体的には、現在μm〜サブμmオーダーで開発が進行しているデバイスにおいて、以下に示す各種の測定を可能にすることで、従来では一般のラマン分光装置を用いて大きなサンプルの測定から推定していたことを、サブμmレベルで行うことが可能になる。
・FeRAMに用いられる誘電体の結晶構造及び配向性
・アクチュエーターとして用いられる誘電体の結晶構造及び配向性
・SAWデバイスとして用いられるセラミックスの結晶構造及び配向性
・高温または低温成長で作製されるポリシリコンに含まれる、結晶構造・結晶欠陥の同定及び配向性
・粉末触媒で生じる個々の粒子間で生じる結晶構造の差異
・有機トランジスタや有機EL素子に使用される高分子の分子構造
Specifically, in devices currently under development on the order of μm to sub-μm, it is possible to make various measurements as shown below, and it has been estimated from the measurement of large samples using a conventional Raman spectrometer. This can be done at the sub-μm level.
・ Crystal structure and orientation of dielectrics used in FeRAM ・ Crystal structure and orientation of dielectrics used as actuators ・ Crystal structure and orientation of ceramics used as SAW devices ・ Polysilicon produced by high or low temperature growth・ Identification and orientation of crystal structure and crystal defects ・ Difference in crystal structure between individual particles produced by powder catalyst ・ Molecular structure of polymers used in organic transistors and organic EL devices

(2)バックスキャッタリング測定より試料Sへの光の浸入距離が短い、直角散乱光の測定(直角反射測定)を行うことで、現在のバックスキャッタリング測定より、(1/√2)倍の薄い厚さを有するサンプルの測定が可能になる。
すなわち、励起用レーザー光が試料Sを励起させるために必要な光の浸入距離が一定であるとすると、図4に示すようにバックスキャッタリング測定の場合、試料Sに対して励起用レーザー光L1が真っ直ぐ入射し、入射方向と反対方向にラマン散乱光R1が出射する。このとき、前記の光の浸入距離をd1とする。
一方、直角散乱光の測定の場合、試料Sに対して励起用レーザー光L2が45°の角度で入射し、この入射方向と直角な方向にラマン散乱光R2が出射する。このとき、前記の光の浸入距離をd2とすると、前述したように励起用レーザー光が試料Sを励起させるための光の浸入距離が一定であることから、d1=d2となる。
しかし、前記のd2は試料Sにおける表面からの距離、すなわち深さを示すものでないことから、このd2から試料Sにおいて測定に必要な実際の厚さ(深さ)d3を算出すると、d3=(1/√2)d2となり、前述したようにバックスキャッタリング測定の場合の厚さ(d1)の(1/√2)倍の厚さとなるのである。
(2) By measuring right angle scattered light (right angle reflection measurement), which has a shorter light penetration distance into the sample S than backscattering measurement, it is (1 / √2) times higher than current backscattering measurement. Measurement of a sample having a small thickness is possible.
That is, assuming that the penetration distance of light necessary for exciting the sample S to excite the sample S is constant, as shown in FIG. 4, in the case of backscattering measurement, the excitation laser beam L1 for the sample S is used. Is incident straight, and Raman scattered light R1 is emitted in the direction opposite to the incident direction. At this time, let the penetration distance of the light be d1.
On the other hand, in the case of measuring the right-angle scattered light, the excitation laser light L2 is incident on the sample S at an angle of 45 °, and the Raman scattered light R2 is emitted in a direction perpendicular to the incident direction. At this time, if the penetration distance of the light is d2, d1 = d2 because the penetration distance of the light for exciting the sample S by the excitation laser light is constant as described above.
However, since d2 does not indicate the distance from the surface of the sample S, that is, the depth, when the actual thickness (depth) d3 required for the measurement in the sample S is calculated from this d2, d3 = ( 1 / √2) d2, which is (1 / √2) times the thickness (d1) in the case of backscattering measurement as described above.

このように、従来に比べ薄い厚さを有するサンプルの測定が可能になると、新たな科学・テクノロジーへの展望を開くことができる。
例えば、レーザー光の波長をより短波長化することによってもレーザー光の浸入距離を短くすることが可能だが、有機物などに多くみられる発光現象を伴う測定物に対してはこれを使用することができない。よって、有機積層薄膜など発光現象が伴い、従来では観測することができなかった機能性有機薄膜について、実際の薄膜状態(サブμm〜10nmレベル)での分子構造を、(1/√2)倍高い深さ分解能で同定することが可能になる。
In this way, if a sample having a thinner thickness than before can be measured, a new perspective for science and technology can be opened.
For example, it is possible to shorten the laser light penetration distance by shortening the wavelength of the laser light, but this can be used for a measurement object with a light emission phenomenon that is often seen in organic matter. Can not. Therefore, the molecular structure in the actual thin film state (sub-μm to 10 nm level) is (1 / √2) times higher than that of a functional organic thin film that cannot be observed in the past due to a light emitting phenomenon such as an organic laminated thin film. Identification with high depth resolution is possible.

(3)出射側対物レンズ12を用いることで、その大きな立体角によって大きなラマンシグナルが得られるので、通常のバックスキャッタリングでのラマン測定と同一時間でも同程度のラマンシグナルが得られるようになる。したがって、通常のラマン分光装置での直角散乱測定より2桁短い測定時間で観測を行うことができ、これにより測定のスループットが2桁向上する。よって、一般のラマン分光装置を用いた直角散乱光の測定では、ラマンシグナルを検出するCCD素子のノイズレベルよりも小さいラマンシグナルしか得られなかった以下の物質についても、本発明の顕微ラマン分光装置によれば、その直角散乱光を測定することでの観測が可能となる。その結果、分光学的に完全な結晶構造解析を行うことが可能になる。
・各種触媒などに用いられる微粒子
・ラマン活性成分が小さな有機物
(3) Since a large Raman signal can be obtained with the large solid angle by using the emission-side objective lens 12, a similar Raman signal can be obtained even in the same time as the Raman measurement in normal backscattering. . Therefore, observation can be performed in a measurement time that is two orders of magnitude shorter than that of normal scattering measurement using a normal Raman spectroscopic device, thereby improving the measurement throughput by two orders of magnitude. Therefore, the microscopic Raman spectroscopic device of the present invention is also applicable to the following substances that can obtain only a Raman signal smaller than the noise level of the CCD element that detects the Raman signal in the measurement of the right angle scattered light using a general Raman spectroscopic device. According to the above, observation is possible by measuring the right-angle scattered light. As a result, it becomes possible to perform a spectroscopically complete crystal structure analysis.
-Fine particles used in various catalysts-Organic substances with small Raman active ingredients

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない限り種々の変形が可能である。例えば、前記実施形態では出射側対物レンズ12を、その光軸(第2の光軸)が入射側対物レンズ11の光軸(第1の光軸)に対して略直角となるように配置したが、図5に示すように出射側対物レンズ12の光軸(第2の光軸)を、試料Sを挟んで入射側対物レンズ11と反対の側に配し、これら第1の光軸と第2の光軸とを一致させてこれらのなす角度を略180°にしてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the exit-side objective lens 12 is arranged so that its optical axis (second optical axis) is substantially perpendicular to the optical axis (first optical axis) of the incident-side objective lens 11. However, as shown in FIG. 5, the optical axis (second optical axis) of the exit-side objective lens 12 is arranged on the side opposite to the entrance-side objective lens 11 with the sample S interposed therebetween, and these first optical axis and The angle formed by matching the second optical axis may be approximately 180 °.

このように出射側対物レンズ12を配置することで、本発明の顕微ラマン分光装置にあっては、前方反射測定(散乱角度180°)についても行うことが可能になる。なお、この前方反射測定を行う場合には、試料を保持するサンプルステージ30として、前記入射側対物レンズ11の光軸(第1の光軸)と出射側対物レンズ12の光軸(第2の光軸)とを結ぶ光軸上に貫通孔31を形成したものを用いるのが好ましい。   By arranging the exit-side objective lens 12 in this manner, the microscopic Raman spectroscopic device of the present invention can also perform forward reflection measurement (scattering angle 180 °). When performing this forward reflection measurement, as the sample stage 30 holding the sample, the optical axis (first optical axis) of the incident-side objective lens 11 and the optical axis (second optical axis) of the emission-side objective lens 12 are used. It is preferable to use a through hole 31 formed on the optical axis connecting the optical axis).

本発明の顕微ラマン分光装置の一実施形態を模式的に示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows typically one Embodiment of the micro Raman spectroscopy apparatus of this invention. 入射側対物レンズ又は出射側対物レンズの概略構成図である。It is a schematic block diagram of an entrance side objective lens or an exit side objective lens. 各対物レンズ及びサンプルステージの概略構成図である。It is a schematic block diagram of each objective lens and a sample stage. 直角散乱光測定とバックスキャッタリング測定との比較図である。It is a comparison figure of a right-angle-scattered light measurement and a backscattering measurement. 前方反射測定を行う場合の出射側対物レンズの配置の説明図である。It is explanatory drawing of arrangement | positioning of the output side objective lens in the case of performing a front reflection measurement.

符号の説明Explanation of symbols

1…顕微ラマン分光装置、2…励起用レーザー光源、3…第1の光学系、4…分光器、5…第2の光学系、6…サンプルステージ、11…入射側対物レンズ、11c…斜面、12…出射側対物レンズ、12c…斜面、18…観察口(観察部)、19…第3の光学系、25…光軸合わせ用レーザー光源、26…観察口(観察部)、27…Zステージ、27a…第1ステージ面、28…XYステージ、28a…第2ステージ面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Microscopic Raman spectroscopy apparatus, 2 ... Excitation laser light source, 3 ... 1st optical system, 4 ... Spectroscope, 5 ... 2nd optical system, 6 ... Sample stage, 11 ... Incident side objective lens, 11c ... Slope , 12 ... exit-side objective lens, 12c ... slope, 18 ... observation port (observation part), 19 ... third optical system, 25 ... optical axis alignment laser light source, 26 ... observation port (observation part), 27 ... Z Stage, 27a ... first stage surface, 28 ... XY stage, 28a ... second stage surface

Claims (10)

ラマン散乱光を励起する励起用レーザー光を、第1の光学系を通して試料に照射し、該試料からのラマン散乱光を、第2の光学系を通して分光器で分光する顕微ラマン分光装置であって、
前記第1の光学系を通った前記励起用レーザー光を集光する入射側対物レンズと、
前記ラマン散乱光を集光し前記第2の光学系に入射させる出射側対物レンズと、
前記試料を配置するためのステージ面を有するサンプルステージと、
を含み、
前記入射側対物レンズと前記試料との間を通る前記励起用レーザー光の光軸である第1の光軸と、前記試料と前記出射側対物レンズとの間を通る前記ラマン散乱光の光軸である第2の光軸とがなす角度は、略直角であり、
前記サンプルステージは、前記ステージ面を前記第1の光軸に沿って移動させる機構と、前記ステージ面を前記第2の光軸に沿って移動させる機構と、を含むことを特徴とする顕微ラマン分光装置。
The excitation laser light for exciting the Raman scattered light, Raman microspectroscopy that through the first optical system is irradiated to the sample, the Raman scattered light from the sample, which spectroscope through the second optical system A device,
An incident-side objective lens that condenses the excitation laser light that has passed through the first optical system ;
An exit-side objective lens that collects the Raman scattered light and makes it incident on the second optical system ;
A sample stage having a stage surface for placing the sample;
Including
Said first optical axis is the optical axis of the excitation laser beam passing between the incident-side objective lens and the sample, the optical axis of the Raman scattered light passing between the sample and the emission side objective lens The angle formed by the second optical axis is substantially a right angle ,
The sample stage includes a mechanism for moving the stage surface along the first optical axis, and a mechanism for moving the stage surface along the second optical axis. Spectrometer.
前記ステージ面は、前記第1の光軸に対して略45°の角度をなし、前記第2の光軸に対して略45°の角度をなすことを特徴とする請求項1記載の顕微ラマン分光装置。 2. The micro-Raman according to claim 1 , wherein the stage surface forms an angle of about 45 degrees with respect to the first optical axis and forms an angle of about 45 degrees with respect to the second optical axis. Spectrometer. 前記サンプルステージは、前記第1の光軸及び第2の光軸に対してそれぞれに略45°の角度をなす第1ステージ面を有し、該第1ステージ面の前記角度を維持した状態で前記第1の光軸に沿って移動するZステージと、該Zステージの前記第1ステージ面上にてその縦方向及び横方向に移動可能に設けられ、前記第1ステージ面と平行な第2ステージ面を有して該第2ステージ面上に前記試料を配置するXYステージと、を備えてなることを特徴とする請求項記載の顕微ラマン分光装置。 The sample stage has a first stage surface that forms an angle of approximately 45 ° with respect to the first optical axis and the second optical axis, respectively, and maintains the angle of the first stage surface. A Z stage that moves along the first optical axis, and a second stage that is movable in the vertical and horizontal directions on the first stage surface of the Z stage, and is parallel to the first stage surface. Raman spectroscopic apparatus according to claim 1, characterized in that it comprises an XY stage, the placing the sample with a stage surface on the second stage surface. 前記入射側対物レンズには、その前記試料側の端部の側面に、試料側に行くに連れて漸次径が小さくなるように前記第1の光軸に対して45°未満の角度をなす斜面が形成されており、
前記出射側対物レンズには、その前記試料側の端部の側面に、試料側に行くに連れて漸次径が小さくなるように前記第2の光軸に対して45°未満の角度をなす斜面が形成されており、
前記入射側対物レンズと前記出射側対物レンズとは、それぞれの斜面が対向させられて配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の顕微ラマン分光装置。
The incident-side objective lens has an inclined surface that forms an angle of less than 45 ° with respect to the first optical axis so that the diameter gradually decreases toward the sample side on the side surface of the end portion on the sample side. Is formed,
The exit-side objective lens has an inclined surface having an angle of less than 45 ° with respect to the second optical axis so that the diameter gradually decreases toward the sample side on the side surface of the end portion on the sample side. Is formed,
The microscopic Raman spectroscopic apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the incident-side objective lens and the emission-side objective lens are arranged with their inclined surfaces facing each other.
前記出射側対物レンズを介して前記第2の光軸を通り、前記試料の配置場所に光軸合わせ用のレーザー光を照射する光軸合わせ用レーザー光源を備えたことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の顕微ラマン分光装置。 2. An optical axis alignment laser light source that irradiates a laser beam for optical axis alignment at a position where the sample is disposed through the second optical axis via the emission-side objective lens. The micro Raman spectroscopic apparatus according to any one of to 4 . 前記の光軸合わせ用のレーザー光の波長が、前記のラマン散乱光を励起する励起用レーザー光の波長と異なることを特徴とする請求項記載の顕微ラマン分光装置。 6. The micro Raman spectroscopic apparatus according to claim 5 , wherein a wavelength of the laser beam for aligning the optical axis is different from a wavelength of the excitation laser beam for exciting the Raman scattered light. 前記第1の光軸上の、前記試料の配置場所と反対の側に、該試料の配置場所での前記励起用レーザー光の照射位置と前記光軸合わせ用のレーザー光の照射位置とを観察するための観察部が、備えられていることを特徴とする請求項5又は6記載の顕微ラマン分光装置。 The irradiation position of the excitation laser beam and the irradiation position of the laser beam for aligning the optical axis are observed on the first optical axis on the opposite side of the sample from the arrangement position of the sample. The microscopic Raman spectroscopic apparatus according to claim 5 , further comprising an observation unit for performing the operation. 前記第2の光軸上の、前記試料の配置場所と反対の側に、該試料の配置場所での前記励起用レーザー光の照射位置と前記光軸合わせ用のレーザー光の照射位置とを観察するための観察部が、備えられていることを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の顕微ラマン分光装置。 The irradiation position of the excitation laser beam and the irradiation position of the laser beam for aligning the optical axis are observed on the second optical axis on the side opposite to the arrangement position of the sample. The microscopic Raman spectroscopic apparatus according to any one of claims 5 to 7 , further comprising an observation unit for performing the operation. 前記第1の光軸上の、前記入射側対物レンズに対して前記試料と反対の側に、該第1の光軸を通って前記入射側対物レンズで集光された前記試料からのラマン散乱光を、前記分光器に導入する第3の光学系が接続されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の顕微ラマン分光装置。 Raman scattering from the sample collected by the incident-side objective lens through the first optical axis on the first optical axis on the side opposite to the sample with respect to the incident-side objective lens light, Raman spectroscopy apparatus according to any one of claims 1 to 8, a third optical system to be introduced into the spectroscope is characterized in that it is connected. ラマン散乱光を励起する励起用レーザー光を、第1の光学系を通して試料に照射し、該試料からのラマン散乱光を、第2の光学系を通して分光器で分光する顕微ラマン分光測定方法であって、
前記励起用レーザー光を、前記第1の光学系に設けた入射側対物レンズで集光して前記試料に照射する工程と、
前記試料で励起したラマン散乱光を、前記第2の光学系に設けた出射側対物レンズで集光して前記分光器に導入する工程と、を有し、
さらに、前記入射側対物レンズと前記試料との間を通る前記励起用レーザー光の第1の光軸と、前記試料と前記出射側対物レンズとの間を通る前記ラマン散乱光の第2の光軸とがなす角度を、所定の角度に調整しておくとともに、前記試料の配置場所となるサンプルステージ上の所定位置に対し、前記第1の光軸と前記第2の光軸とを合わせる光軸合わせ工程を備えてなり、
前記光軸合わせ工程は、前記励起用レーザー光を、前記入射側対物レンズを通して前記サンプルステージ上の所定位置に集光させてその焦点位置を合わせる工程と、
光軸合わせ用のレーザー光を、前記出射側対物レンズを通して前記サンプルステージ上の所定位置に集光させ、その焦点位置を、前記励起用レーザー光の焦点位置に合わせる工程と、を備えたことを特徴とする顕微ラマン分光測定方法。
The excitation laser light for exciting the Raman scattered light, Raman microspectroscopy that through the first optical system is irradiated to the sample, the Raman scattered light from the sample, which spectroscope through the second optical system A measuring method,
A step of condensing the excitation laser light with an incident-side objective lens provided in the first optical system and irradiating the sample;
Raman scattered light excited by the sample, the second emission-side objective lens provided in the optical system and focused to have a, a step of introducing into the spectrometer,
Furthermore, the first optical axis of the excitation laser beam passing between the incident-side objective lens and the sample, and the second light of the Raman scattered light passing between the sample and the emission-side objective lens The angle formed by the axis is adjusted to a predetermined angle, and the first optical axis and the second optical axis are aligned with a predetermined position on the sample stage where the sample is placed. With an alignment process,
The optical axis alignment step is a step of focusing the excitation laser light through the incident-side objective lens on a predetermined position on the sample stage to adjust the focal position thereof;
A step of condensing the laser beam for optical axis alignment at a predetermined position on the sample stage through the emission-side objective lens, and adjusting the focal position to the focal position of the excitation laser beam. Characteristic micro-Raman spectroscopy measurement method.
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