JP4642621B2 - 分光装置 - Google Patents

Description

本発明は、同一光源からの光のスペクトル中の遠隔波長域にある複数スペクトルの同時測定を可能にする分光装置に関する。

図７に従来のツェルニー・ターナー形分光器の光学配置を示す。
入口スリットＳを有するスリット板（１）から入射した発散光は凹面反射鏡であるコリメータ鏡ＭＣ（２）で平行光となって反射され、平面グレーティングＧ（３）に入射し、波長毎に同一角度の平行光として回折される。凹面反射鏡であるカメラ鏡ＭＫ（２０）はこの回折光を受けて、焦点面ＦＰ（２１）上に入射スリット像を波長順にスペクトルとして結像する。なお、特許文献１は、クロス・ツェルニー・ターナー形の分光装置である。
この種の分光装置はラマン分光の測定（特許文献２）に利用されている。
特開２００１−１３３３２７号公報 特開平１０−３１８９２３号公報

図６に、輝線スペクトルであってそのピーク群が大きく離間した２つの波長（波数）領域に現れている例を示してある。
あるマルチチャンネル光検出器（ＭＣＤ）を前述した焦点面ＦＰ（２１）に配置して分光測定を行う場合、同時測定の可能な波長範囲は、分光器の焦点距離と分光器内に設置されたグレーティングの刻線密度により定まる。
例えば、可視域における測定の場合、通常刻線密度１２００ｇｒ（溝：以下同様）／ｍｍ程度のグレーティングが用いられるが、このとき焦点距離２５ｃｍクラスの分光器において、２５μｍ幅の受光部を１０００チャンネル持つ２５ｍｍ幅のＭＣＤを受光素子として測定をする場合、同時測定ができる波長範囲は約８００Åになる。

前述の図６に例示するような、５０００〜５２００Åと６８００〜７０００Åとに現われるスペクトルを同時測定する場合、波長域としては８００Åを超えてしまう。
そのため従来は以下に記すような（Ａ）から（Ｃ）のいずれかの方法によることを余儀なくされていた。

（Ａ）刻線密度の小さいグレーティングを用い、５０００〜７０００Åのような広い波長域が同時に測定できるようにしたとする。これを前述の図７の分光装置を例にすると、
グレーティングの刻線密度を１２００ｇｒ／ｍｍから５００ｇｒ／ｍｍとすれば波長範囲は８００Åから１９２０Åへと拡大し、このスペクトルの同時測定はほぼ可能となる。しかし分光系の分解能に関して、スペクトル線分散は４割程度に下がるので、ＭＣＤの１チャンネル当りの受光波長範囲は０．８Åから２Åへと２．５倍拡大し、スペクトル測定の分解能が劣化する。また、ＭＣＤは中央部の大部分が利用されずに無駄になる。

（Ｂ）グレーティングの回転（波長駆動）を行い、二つの波長域のスペクトルを別々に測定する。分光測定で波長駆動を行うのは測定波長域内での時間的逐次測定に他ならず、要求されるタイムスケールの長短により、あるいは実用になったとしても本質的に同時測定とは言い得ない。分光器の波長精度・再現性は、可動機構を持たず、光路の固定されたスペクトログラフより明らかに不利となる。

（Ｃ）ＭＣＤを複数個使用する。ＭＣＤは高価であり、多数揃えるとすれば装置の価格が大幅に上がる。また現実には、かさばる受光素子を狭い冷却槽内に収める等の寸法的制約もあって、複数個の受光器を分光器の焦点面に配置する位置的自由度は全く限られたものになる。

上述した理由により、大きく離れた異なる波長域のスペクトルを同時測定するには従来用いられてきた装置を以てしては不可能である。

本発明は、分光装置の光学要素の形状配列を画期的に改善することにより前述した問題を解決する。
本発明の目的は、１つの光源から発した光のスペクトルを複数箇所の離間した波長域で、スペクトル分解能を損なわずに同時測定する分光装置を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明による請求項１記載の分光装置は、
ツェルニー・ターナー形分光装置で、少なくとも入射スリット，コリメータ鏡，グレーティング，カメラ鏡，入射スリットの共役面に配置される単一の検出器がこの順で配置されており、不連続に離間した第１の波長域と第２の波長域に現れるスペクトルを同時に測定するための分光装置であって、
前記カメラ鏡は、前記第１の波長域に現れるスペクトル（以下、第１のスペクトルまたは第１スペクトルと称する）および前記第２の波長域に現れるスペクトル（以下、第２のスペクトルまたは第２スペクトルと称する）に対応するようにそれぞれ分離されて設けられている第１スペクトル用の第１カメラ鏡および第２スペクトル用の第２カメラ鏡とからなり、
前記第１カメラ鏡と前記検出器との間に設けられた第１の光路調整手段と、
前記第２カメラ鏡と前記検出器との間に設けられ、前記第２のスペクトルを前記検出器上の前記第１のスペクトルに近接して前記検出器に結像する第２の光路調整手段と、
を有するものである。

本発明による請求項２記載の分光装置は、請求項１記載の分光装置において前記第１および第２の光路調整手段は反射鏡である。
本発明による請求項３記載の分光装置は、請求項１記載の分光装置において、前記検出器はＭＣＤであって、前記第１および第２の光路調整手段は前記第１および第２のスペクトルを直列的または並列的に配置するように設けられている。

本発明による請求項４記載の分光装置は、請求項３記載の分光装置において、
前記ＭＣＤは一次元ＭＣＤであって、前記第１および第２のスペクトルが直列的に配置されるものであるか、
前記ＭＣＤは二次元ＭＣＤであって、前記第１および第２のスペクトルが並列的に配置されるものである。
本発明による請求項５記載の分光装置は、請求項１記載の分光装置において、
前記第１および第２のスペクトルは、半導体表面をレーザ光で励起したときに発生するレーリー光とラマン光である。

本発明による請求項１記載の分光装置は、スペクトル分解能を損なわずに遠隔波長域にある複数のスペクトルを同時に測定することができる。
本発明による請求項２記載の分光装置によれば、前記第１および第２の光路調整手段は反射鏡とすることができる。
本発明による請求項３記載の分光装置によれば、前記検出器はＭＣＤであって、第１および第２の光路調整手段は前記第１および第２のスペクトルを直列的または並列的に配置することができる。

本発明による請求項４記載の分光装置によれば、前記ＭＣＤは一次元ＭＣＤとし、前記第１および第２のスペクトルを直列的に配置するか、前記ＭＣＤは二次元ＭＣＤとし、前記第１および第２のスペクトルを並列的に配置することができる。
本発明による請求項５記載の分光装置によれば、前記第１および第２のスペクトルは、半導体表面をレーザ光で励起したときに発生するレーリー光とラマン光とすることができる。

以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による分光装置の第１の実施例を示す斜視図であり、図２は前記実施例の平面光路図である。
この実施例装置はツェルニー・ターナー形分光装置で、少なくとも入射スリットを形成するスリット板１，コリメータ鏡２，グレーティング３，第１カメラ鏡４，第２カメラ鏡５，入射スリットの共役面に配置される検出器（ＭＣＤ）８がこの順で配置されている。
前記スリットには、隔たった波数域に同時に現れる第１および第２のスペクトルを含む光が入射する。

第１スペクトル用の第１カメラ鏡４および第２スペクトル用の第２カメラ鏡５は、前記第１および第２のスペクトルに対応するようにそれぞれ分離されて設けられている。第１の光路調整手段６は、第１スペクトル用の第１カメラ鏡４と検出器８との間に設けられている。第２の光路調整手段７は第２スペクトル用の第２カメラ鏡５と検出器８との間に設けられ、前記第２のスペクトルを検出器８上の前記第１のスペクトルに近接して結像させる。第１および第２の光路調整手段６，７は反射鏡であり、相対位置は調整可能である。
第１および第２の光路調整手段は、前記第１および第２のスペクトルを直列的に配置するように設けられている。

図５に、先に説明した光路を持つ分光装置でシリコン結晶のラマンスペクトルを測定した例を示す。０ｃｍ^-1レーリー線と、５２０ｃｍ^-1のシリコンのラマン線が同時に測定、記録されている。
同一図面上に続けて描かれているが、４００ｃｍ^-1以上の領域と０ｃｍ^-1近辺の領域とは互いに独立である。ちなみにシリコンの場合、５２０ｃｍ^-1近辺以下の波数域にラマン線が現れることはない。

図３は、本発明による分光装置の第２の実施例を示す斜視図であり、図４は前記実施例の平面光路図である。
この実施例の構成の多くはさきに説明した第１の実施例と共通するが、第１および第２の光路調整手段１６，１７と検出器（ＭＣＤ）１８との関係が異なっている。
図３，４に示した光学配置は、第１のスペクトル用の第１カメラ鏡４と第１の光路調整手段１６により検出器１８上に形成される第１のスペクトルの、分散方向に直角な方向に僅かにずらした至近位置に、第２のスペクトルを形成する。
第２のスペクトルは、第２のスペクトル用の第２カメラ鏡５と第２の光路調整手段１７により検出器１８上に形成される
第２の光路調整手段１７は、第２カメラ鏡５に対して仰角または俯角と僅かな捩れを持たせることにより、検出器１８の受光面上に両スペクトル分散像が平行に結像するように設定できる。

前記第１の実施例において、前記ＭＣＤは一次元ＭＣＤであって、前記第１および第２のスペクトルを直列的に配置するように構成できる。
また、前記第２の実施例において、前記ＭＣＤは二次元ＭＣＤとし、前記第１および第２のスペクトルを並列的に配置することもできる。

前記第１および第２の実施例で、光路調整手段として平面鏡６，７や１６，１７を使用する例を示したが、片面にアルミニウム等の金属を蒸着したプリズムを使用することもできる。この場合スペクトルの分散は増強され、プリズムの材質による波長フィルタ効果が現われる。
なお、通常のツェルニー・ターナー形の分光器を例にして説明したが、クロス・ツェルニー・ターナー形の分光器にも同様に適用できる。

本発明による装置は安価に提供でき、安定確実に動作するものであるから、半導体製造分野において、半導体の特性を測定する分野で広く利用できる。

本発明による分光装置の第１の実施例を示す斜視図である。 前記実施例の平面光路図である。 本発明による分光装置の第２の実施例を示す斜視図である。 前記実施例の平面光路図である。 前記第１の実施例装置のＭＣＤ上のスペクトル分布の例を示すグラフである。 離間した波長域に現れるスペクトル分布の例を示すグラフである。 従来の分光装置の平面光路図である。

符号の説明

１ 入射スリット板
２ コリメータ鏡（凹面反射鏡）
３ グレーティング（回折格子）
４ 第１スペクトル用の第１カメラ鏡
５ 第２スペクトル用の第２カメラ鏡
６ 第１の光路調整手段
７ 第２の光路調整手段
８ 検出器（ＭＣＤ）（一次元）
１６ 第１の光路調整手段
１７ 第２の光路調整手段
１８ 検出器（ＭＣＤ）（二次元）
２０ カメラ鏡（ＭＫ）
２１ 焦点面（ＦＰ）

Claims (5)

1. ツェルニー・ターナー形分光装置で、少なくとも入射スリット，コリメータ鏡，グレーティング，カメラ鏡，入射スリットの共役面に配置される単一の検出器がこの順で配置されており、不連続に離間した２箇所の波長域に現れる第１および第２のスペクトルを同時に測定するための分光装置であって、
   前記カメラ鏡は、
   前記第１および第２のスペクトルに対応するようにそれぞれ分離されて設けられている第１スペクトル用の第１カメラ鏡および第２スペクトル用の第２カメラ鏡とからなり、
   前記第１カメラ鏡と前記検出器との間に設けられた第１の光路調整手段と、
   前記第２カメラ鏡と前記検出器との間に設けられ前記第２のスペクトルを前記検出器上に結像した前記第１のスペクトルに近接して前記検出器に結像させるための第２の光路調整手段と、
   を有する分光装置。
2. 前記第１および第２の光路調整手段は反射鏡である請求項１記載の分光装置。
3. 前記検出器はＭＣＤであって、前記第１および第２の光路調整手段は前記第１および第２のスペクトルを直列的または並列的に配置するように設けられている請求項１記載の分光装置。
4. 前記ＭＣＤは一次元ＭＣＤであって、前記第１および第２のスペクトルが直列的に配置されるものであるか、
   前記ＭＣＤは二次元ＭＣＤであって、前記第１および第２のスペクトルが並列的に配置されるものである請求項３記載の分光装置。
5. 前記第１および第２のスペクトルは、半導体表面をレーザ光で励起したときに発生するレーリー光とラマン光である請求項１記載の分光装置。

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