JP5269879B2 - サンプル表面を検査する分光画像形成方法及びシステム - Google Patents

Description

発明はサンプル表面を検査する分光画像形成方法及びシステムに関する。

それは特にラマン分光法において有用である。それは燐光、蛍光又はカソードルミネッセンスのような他の形式の分光法において同様に使用することができる。

ラマン分光法はサンプルについての分子特有の情報を提供する分析技術である。単色の光又は放射がサンプルに当たったときに、サンプルは光と相互作用する。入射放射の一部はサンプルにより散乱される可能性がある。散乱された放射は放射周波数が不変のままである弾性成分と、変更された周波数を有する非弾性成分の両方を含む可能性がある。弾性散乱成分はレーリー散乱と呼ばれる。非弾性成分は、それが分子結合の振動と相互作用する光により生じる場合、ラマン散乱と呼ばれる。

先行するラマン分析装置は非特許文献１と特許文献１に述べられる。サンプルはレーザからの単色光により照射され、散乱光は、結果として生じるラマンスペクトルの特定の放射を選択するためにモノクロメータを通される。モノクロメータは入射スリットを備え、装置の光学系がサンプル上の照明点又は線の像をその上にフォーカスする。さらなる光学系が入射スリットの像を出射スリット上にフォーカスする。入射スリットと出射スリットの間に、モノクロ−メータは回折格子のような分散装置を有し、これは周波数に従って入射ラマンスペクトルを角度範囲に分離する効果を有する。従って、出射スリットと回折格子の相対配置はラマンスペクトル中の関心のある所望の線を選択する。

顕微ラマン分光法は、サブミクロンレベルの大きさまでの微細サンプルを分析するその能力により過去１０年間に好評を博した。顕微ラマン分光において、励起ビームはフォーカス及び集光光学部品として働く対物レンズの中にガイドされ、信号ビームがそこからガイドされる。

もう一つの先行技術のラマン顕微鏡は特許文献２に述べられる。それは無限遠補正された光学顕微鏡への付属品とし取り付けられた小型のラマン分光計を開示している。分光計の大きさを小さくするために、この分光計はレーザダイオード、小さい口径を有する小さい光学部品及びＣＣＤ検出器を備える。

ラマンバンドの強度はサンプル面積又は体積内の各スポットについてのスペクトルを測定することによりサンプルの２次元面積又は３次元体積にわたりマッピングされてもよく、それによりサンプルの２次元又は３次元ラマン画像を生成する。分光画像はサンプル上の成分分布を可視化するのに有用である。２次元スペクトルマッピングはサンプルをＸＹ方向に移動するか、あるいは直交走査軸を有する一対のガルバノミラーを用いてレーザスポットを移動することにより行うことができる。

それにもかかわらず、古典的なＣＣＤ検出器では、ＣＣＤ検出器から中央ユニットにデータを転送する処理は遅い。たとえ画素上で検出されたエネルギーが高強度を有して短い露出時間をもたらしたとしても秒当たりわずか数スペクトルしか得られない。分光データはＣＣＤ検出器から中央ユニットにスペクトルごとに送られる。５０点ｘ５０点の精細度を有するラマン画像を得るのにおよそ２時間を必要とする。古典的なラマン顕微鏡を用いてラマン画像を得るのに必要な時間は非常に重要である。

仏国特許第２２５３４１０号明細書 米国特許第７１０２７４６号明細書

M. Delhaye and P. Dhamelincourt, "Raman Microprobe and Microscopewith Laser Excitation", Journal of Raman Spectroscopy, Vol. 3 (1975), p.33-43

本発明の一つの目的はサンプル表面の２次元マップを得るのに必要な時間を減少させることを可能にする、サンプル表面を検査する分光画像形成システムを提供することにある。

サンプル表面を走査するのに必要な時間とＣＣＤ検出器から画像形成装置にデータを転送するのに必要な時間は著しく減少する。

そのような分光画像形成システムにより、例えば５０点ｘ５０点の精細度を有するラマン画像を１０分未満で得ることが可能である。

本発明のもう一つの目的は、サンプル表面において分光特性を有する一つ又はいくつかの元素の場所を、たとえその元素の大きさがマイクロメータのオーダであったとしても、迅速に特定することを可能にする分光画像形成方法を提供することにある。

この分光画像形成方法は燐光、蛍光又はカソードルミネッセンスのような他の分光方法に対して一般化及び適用することができる。

このために、発明は、
発光を生み出すためにサンプル表面が励起ビームで照射され、
前記発光が集光されてエネルギーを有する発光ビームを形成し、
前記サンプル表面の分光画像を得るために前記発光ビームのエネルギーが測定される
第１のステップａ）を含むサンプル表面を検査する分光画像形成方法に関する。
発明によれば、
前記第１のステップａ）において、前記サンプル表面上の走査領域を照明しかつ前記走査領域上の前記発光ビームのエネルギーを測定するために前記励起ビームは前記サンプル表面上を二方向ＸとＹに走査され、前記走査領域の平均分光画像を得るために前記発光ビームのエネルギーは前記励起ビームが前記走査領域上を走査している間に時間ｔの間積分され、
前記分光画像形成方法はさらに、
前記先行する第１のステップａ）が前記サンプル表面の一つ又はいくつかの他の走査領域に対して繰り返され、各走査領域が少なくとも一つの他の走査領域に隣接する第２のステップｂ）と、
前記測定されたエネルギーにおいて一つ又はいくつかの情報が選択される第３のステップｃ）と、
少なくとも、選択された情報が前記走査領域内に検出されたとき、この一つ以上の走査領域がいくつかの更に小さな走査領域に分割される第４のステップｄ）と
を含み、
前記先行するステップａ）ないしｄ）は少なくとも小分割走査領域に適用される。

この分光画像形成方法は、サンプル表面上の一つ又はいくつかの元素の場所を迅速に特定することを可能にする。情報が検出されないサンプル領域は処理されない。処理は一つ又はいくつかの被検元素の一つ以上の特有情報を含むサンプル領域に限定される。高精度で元素の場所を迅速に特定することが可能である。全ての関心のある被検元素の場所が特定される２次元マップは１０分未満で得られる。

種々の実施例によれば、本発明はまた以下の特徴に関し、これらは別個に、あるいは全てのそれらの技術的な考え得る組合せとして考慮される。すなわち、
前記発光ビームのエネルギーは、いくつかの垂直画素線といくつかの水平画素線を備える検出手段を用いて測定され、前記水平画素線の一つは読み出し線であり、各画素線はいくつかの画素を含み、前記第１のステップａ）の測定工程は、
ｅ）前記発光ビームの前記時間ｔの間積分されたエネルギーを受ける少なくとも一つの水平画素線の画素を分極し、前記少なくとも一つの水平画素線の各画素に蓄積された電荷量を発生させるステップと、
ｆ）前記分極された水平画素線の全ての画素の前記電荷量を同時に前記読み出し線に向かって転送するステップと、
ｇ）前記読み出し線の各画素の前記電荷量を、各電荷量を張力値に変換可能な電気デバイスに向かって転送するステップと
を含み、
前記ステップｆ）とｇ）が、前記画素の前記電荷量の転送速度を制御する、制御手段を備える記憶手段により制御され、
前記ステップｇ）の後に、前記読み出し線の各画素の前記張力値が前記記憶手段に記憶され、前記記憶手段はＭ本の水平画素線に対応する張力値量を記憶することができ、
前記走査領域の平均分光画像を得るためにＭ本の水平画素線に対応する前記記憶された張力値量は画像形成装置に向かって送られる。

それは、検出手段と画像形成装置間のデータ転送に必要な時間を減少させることを可能にし、データ速度を増加させる。データ速度はデータ転送処理の速度であり、通常はＨｚで表される。

２５０に昇るスペクトルが記憶手段に記憶でき、画像形成装置に同時に送られる。発明による方法は秒当たり２５０に昇るスペクトルの処理（取得ステップ＋データ転送）を可能にする。
前記第２のステップｂ）の間、前記第１のステップａ）は前記サンプル表面の四つの走査領域に適用され、前記四つの走査領域は隣接し、
前記第４のステップｄ）の間、少なくとも、選択された情報が前記四つの走査領域の前記少なくとも一つにおいて検出されれば、前記四つの走査領域の少なくとも一つは四つの更に小さな走査領域に分割され、
前記先行するステップａ）ないしｄ）は前記四つの小分割走査領域に適用され、
前記ステップａ）ないしｇ）は自動的に実現され、
前記ステップａ）において、前記走査領域は前記励起ビームにより連続的に走査され、
サンプル表面を検査する前記分光画像形成方法はラマン特性を有するサンプル表面を検査するラマン画像形成方法であり、前記励起ビームはラマン散乱光を生み出すことができる単色光であり、前記ラマン散乱光は集光されてエネルギーを有するラマン散乱光ビームを形成し、前記エネルギーは、サンプル表面のラマン画像を得るためにフィルタリング及び測定される。

本発明はまた、
対物光学系を含む顕微装置又は全体観察装置と、
前記サンプル表面に入射しかつ発光を生み出す励起ビームを発生させることができる励起光源と、前記発光を集光してエネルギーを有する発光ビームを形成することができる集光手段と、前記サンプル表面の分光画像を得るために前記発光ビームのエネルギーを測定できる、少なくとも一つの画素線を備える検出手段とを備える分光計を含む筐体と、
前記顕微装置又は全体観察装置の前記対物光学系と前記分光計の間に設けられ、前記サンプル表面上の走査領域を照明するために前記励起ビームの光路中に設けられかつ二方向ＸとＹに前記サンプル表面を走査できる走査手段と
を備えるサンプル表面を検査する分光画像形成システムに関する。

発明によれば、
前記励起ビームが走査領域上を走査している間に、前記走査領域上で測定された前記発光ビームのエネルギーが前記検出手段の前記画素線の画素について積分されて各画素線に対する平均分光データを生成し、
記憶手段が前記検出手段に接続され、各画素線の前記平均分光データが前記記憶手段に向かって転送され、前記記憶手段はＭ本の画素線の平均分光データを記憶することができるメモリを備え、
画像形成装置が前記記憶手段に接続され、前記走査領域の平均分光画像を得るためにＭ本の画素線の前記平均分光データは前記画像形成装置に向かって同時に送られる。

種々の実施例によれば、本発明はまた以下の特徴に関し、これらは別個に、あるいは全てのそれらの技術的な考え得る組合せとして考慮される。すなわち、
前記記憶手段は前記画素線の前記平均分光データの転送速度を制御する制御手段を備え、
前記記憶手段はフィールドプログラマブル・ゲートアレイモジュール（ＦＰＧＡ）であり、
前記分光計は顕微装置又は全体観察装置に対する付属品であり、前記筐体は前記顕微装置又は全体観察装置に挿脱自在であり、
前記走査手段は二つのガルバノミラーを備え、
サンプル表面を検査する前記分光画像形成システムはラマン特性を有するサンプル表面を検査するラマン画像形成システムであり、前記分光計は、
ラマン散乱光を生み出すために前記サンプル表面を単色光ビームで照明することができる単色光源と、
前記ラマン散乱光を集光してエネルギーを有するラマン散乱光ビームを形成する集光手段と、
前記サンプル表面のラマン画像を得るために前記ラマン散乱光ビームのエネルギーをフィルタリング及び測定できるフィルタリング手段及び検出手段と
を備えるラマン分光計である。

走査手段を検出手段の記憶手段と連携させることにより、ラマン画像のような分光画像を良好な精度で（５０点ｘ５０点）１０分未満で得ることが可能になる。分光画像を得るのに必要な時間は著しく減少する。ガルバノミラーのような走査手段を使用することにより、サンプル表面を走査するのに必要な時間ｔを減少させることが可能になる。また、ＦＰＧＡのような記憶手段を使用することにより、検出器からＦＰＧＡにデータを転送するのに必要な時間及びＦＰＧＡから画像形成装置にデータを転送するのに必要な時間を減少させることが可能になる。

この分光画像形成システムはサンプル表面上の元素の場所を特定する上記の分光画像形成方法に適用されるときに特に有用である。１０分未満でサンプル表面の関心のある元素の全てを２次元マップ上に可視化することができる。

発明の説明は以下の図面により図解される。

発明の一つの実施例による分光画像形成システムの模式表現である。 発明の一つの実施例による分光画像形成方法の模式表現である。 発明のもう一つの実施例による分光画像形成方法の模式表現である。 発明の一つの実施例による分光画像形成方法の測定工程の模式表現である。

図１は発明の一つの実施例による、サンプル１の表面２を検査する分光画像形成システムの模式表現である。

分光画像形成システムは顕微装置又は全体観察装置を備え、これは特許文献２に述べられるように無限遠補正顕微鏡であってもよい。

無限遠補正された顕微鏡において、サンプル１から集められた可視光は、レンズであってもよい対物光学系５によりコリメートされ、通常は観察装置１８内に位置する結像レンズ（図示せず）により像として形成される。光は対物光学系５と結像レンズの間でコリメートされるので、この領域に多くの部品が像質に実質的に影響することなく挿入できる。

分光画像形成システムは分光計を含む筐体６を備える。分光画像形成システムの筐体６は動かないように顕微装置又は全体観察装置にしっかりと固定されてもよい。あるいは、分光計は顕微装置又は全体観察装置に対する付属品であってもよい。分光計を含む筐体６は顕微装置又は全体観察装置に挿脱自在である。

分光計は、サンプル表面２に入射して発光を生み出す励起ビーム８を発生させる励起源７を備える。

それは、励起ビーム８を顕微装置又は全体観察装置の対物光学系５に向けるための、励起ビームの光路中に取り付けられたフィルタリング手段２２を備えてもよい。フィルタリング手段２２はダイクロイックミラー、一つまたはいくつかの穴が設けられたミラー、ホログラフィックフィルタ、干渉フィルタ及びビームスプリッタのグループから選択される。

それは、発光を集光してエネルギーを有する発光ビーム９を形成することができる集光手段を備える。分光計の集光手段は顕微装置又は全体観察装置の対物光学系５を含んでもよい。発明の好ましい実施例において、励起ビーム８と発光ビーム９は共通光路の中に結合される。フィルタリング手段２２は発光ビーム９を分光計に向け直す。

発明のもう一つの考え得る実施例において、励起ビーム８と発光ビーム９は共通光路の中に結合されない。

分光計は分散手段、スリット、ノッチフィルタ及びミラーのような分光手段１９を備えてもよい。

分光計はサンプル表面２の分光画像を得るために発光ビーム９のエネルギーを測定することができる検出手段１０を備える。検出手段１０は少なくとも一つの画素線を備えるＣＣＤ検出器であってもよい。

励起ビーム８によるサンプル表面２の照明、発光の集光、及び発光ビーム９のエネルギーの測定の諸工程は分光画像形成方法の第１のステップａ）に含まれる。

ＣＣＤ検出器又はイメージセンサ（電荷結合デバイス）は光パターン（像）を電荷パターン（電子画像）に変換することができる電子デバイスである。ＣＣＤは電荷を収集し、蓄積し、ある素子から別の素子に搬送する能力を有するいくつかの別個の素子から成る。これはシリコンの感光特性と共にイメージセンサを設計するのに使用される。各感光素子は画の要素（画素）を表す。半導体技術と設計ルールを用いて画素の線又はマトリックスを形成する構造が作られる。チップの縁にある一つ以上の増幅器を備える電子デバイス１７はＣＣＤ検出器から信号を収集する。センサを光パターンで露光した後に、各画素の電荷を次々と転送するパルス列を線ごとに電子デバイス１７に与えることにより電子画像が得られる。電子デバイス１７は電荷を電圧に変換する。外部電子機器がこの出力信号をモニタ又はフレームグラバーに適した形式に変換することになる。ＣＣＤ検出器は極めて低いノイズ値を有する。

分光画像形成システムは顕微装置又は全体観察装置の対物光学系５とフィルタリング手段２２の間に設けられた走査手段１１を備える。走査手段１１はサンプル表面２上の走査領域３を照明するために励起ビーム８の光路内に設けられかつサンプル表面２を二方向ＸとＹに空間的に走査することを可能にする。走査手段１１は好ましくは分光画像形成システムの筐体６内に含まれる。それは異なる筐体に含まれてもよい。

好ましい実施例において、走査領域３は四辺形を有するが、円形でも楕円形でも別の形状でもよい。より好ましい実施例において、走査領域３は近似的に正方形を有する。

走査手段１１は、それぞれの直交走査軸Ａ１、Ａ２を有する第１のガルバノミラー１４ａと第２のガルバノミラー１４ｂを備えてもよい。図１の例において、第１のガルバノミラー１４ａの直交走査軸Ａ１は平面（Ｘ，Ｙ）に平行であり、サンプル１と第１のガルバノミラー１４ａの間の光路に垂直である。言い換えれば、第１のガルバノミラー１４ａの直交走査軸Ａ１は図１を含む紙面に垂直である。第１のガルバノミラー１４ａの回転は方向Ｘにサンプル表面２を走査することを可能にする。第２のガルバノミラー１４ｂの直交走査軸Ａ２は平面（Ｘ，Ｙ）に対して傾斜し、図１を含む紙面に平行である。第２のガルバノミラー１４ｂの回転は方向Ｙにサンプル表面２を走査することを可能にする。

走査領域３は励起ビーム８により連続的に走査されても、段階的に走査されてもよい。

走査手段１１は顕微装置又は全体観察装置の通常の使用を可能にするため、例えばサンプル１の通常の光学検査を可能にするために取り外すことができる。これらを目的として、顕微装置又は全体観察装置はサンプル１を照明するために走査手段１１の位置の上に白色光の光源２０を備えてもよい。代わりの実施例において、走査手段１１は光源２０の上に位置してもよい。

分光計が顕微装置又は全体観察装置に対する付属品である実施例において、顕微装置又は全体観察装置の通常の使用を可能にするために分光計を含む筐体６は顕微装置又は全体観察装置から引き出し自在であってもよい。

図１の例において、励起ビーム８は励起ビーム８を反射するミラー２１に向かって送られる。反射された励起ビーム８は励起ビーム８を第２のガルバノミラー１４ｂに送るフィルタリング手段２２に向けられる。第２のガルバノミラー１４ｂで反射された後に、励起ビーム８は第１のガルバノミラー１４ａでも反射され、顕微装置又は全体観察装置の対物光学系５を通過してサンプル表面２に向けられる。

励起ビーム８はサンプル表面２に入射し、サンプル表面２で反射又は散乱され、発光（ラマン分光法の場合は散乱光）を生み出す。発光の一部は顕微装置又は全体観察装置の対物光学系５により集光され、第１のガルバノミラー１４ａに向けられる発光ビーム９を発生させる。発光ビーム９はフィルタリング手段２２に向けられ、次いで分光画像形成装置の分光手段１９に向けられる。発光ビーム９のエネルギーは次いで検出手段１０により測定され、サンプル表面２の分光画像を生成する。

発明の一つの実施例において、走査領域３上を二方向ＸとＹに励起ビーム８を走査している間に、走査領域３上で測定された発光ビーム９のエネルギーは検出手段１０の一つ以上の画素線の画素について積分され、画素線に対する平均分光データを生成する。平均分光データは平均スペクトルを表す。走査領域３の平均スペクトルは時間ｔの間検出手段により記録及び積分される。時間ｔは積分期間を表す。時間ｔは秒のオーダである。

検出手段１０はいくつかの垂直画素線といくつかの水平画素線を備え、図４に図解されるように画素のマトリックス１６を形成する。水平画素線の一つは読み出し線１５である。各画素線はいくつかの画素を含む。

図４は分光画像形成方法の測定工程の模式表現である。この例では、ＣＣＤ検出器である検出手段１０は四つの水平画素線と五つの垂直画素線を備える。検出手段１０はもっと多くの画素線を備えても、もっと少ない画素線を備えてもよい。

分光画像形成方法の第１のステップａ）の測定工程は、
ｅ）発光ビーム９の時間ｔの間積分されたエネルギーを受ける少なくとも一つの水平画素線の画素を分極し、前記少なくとも一つの水平画素線の各画素に蓄積された電荷量を発生させるステップと、
ｆ）読み出し線１５に向かって前記分極された水平画素線の全ての画素の電荷量を同時に転送するステップと、
ｇ）読み出し線１５の各画素の電荷量を電気デバイス１７に向かって転送するステップと
を含み、電気デバイス１７は前記読み出し線の各電荷量を張力値に変換できる。

古典的なＣＣＤ検出器では、上記の処理は遅い。画素上で検出されたエネルギーがたとえ短い露光時間をもたらす高強度を有したとしても秒当たり数スペクトルしか得られない。この処理は電気デバイス１７の入力における隘路をもたらす。

この欠陥を克服するために、分光画像形成システムは検出手段１０に接続された記憶手段１２を備える。記憶手段１２は分光画像形成システムの筐体６内に統合されてもされなくてもよい。

各画素線の平均分光データは記憶手段１２に向かって転送される。記憶手段１２はＭ本の画素線に対応する張力値の量を記憶できるメモリを備える。一つの考え得る実施例において、走査領域３の各スペクトルは水平画素線について記録される（スペクトル当たり一本の水平画素線）。Ｍは５０ないし２５０本の画素線であってもよい。Ｍは好ましくは２５０本の画素線に等しい。あるいは、スペクトルは画素のマトリックス上で測定されてもよい。ステップｇ）の後、読み出し線１５の各画素の張力値が記憶手段１２に記憶される。

画像形成装置１３が記憶手段１２に接続される。画像形成装置１３はモニタに接続された中央ユニットであってもよい。Ｍ本の画素線に対応する記憶された張力値は画像形成装置１３に同時に送られる。それは検出手段１０と画像形成装置１３の間のデータ転送に必要な時間を減少させ、データ速度を増加させることを可能にする。古典的には、分光データはスペクトルごとに検出手段１０から画像形成装置１３に送られ、長時間のデータ転送をもたらす。

発明の考え得る実施例によれば、ステップｆ）とステップｇ）は制御手段を備える記憶手段１２により制御される。記憶手段１２の制御手段は画素の電荷量の転送速度を制御する。このために、記憶手段１２の制御手段は第１のクロックＣＬＫ１と第２のクロックＣＬＫ２を備える。

第１のクロックＣＬＫ１は分極された水平画素線の全ての画素の電荷量を読み出し線１５に向かって同時に転送するステップｆ）を制御する。クロックサイクルの間、分極された水平画素線の全ての画素の電荷は読み出し線１５に向かって転送される。このために、記憶手段１２の制御手段は検出手段１０にパルスを送る。第１のクロックＣＬＫ１の周波数はおよそ９μｓ／線に等しい。

第２のクロックＣＬＫ２は読み出し線１５の各画素の電荷量を電気デバイス１７に向かって転送するステップｇ）を制御する。クロックサイクルの間、読み出し線１５の一つの画素の電荷は電気デバイス１７向かって転送される。このために、記憶手段１２の制御手段は検出手段１０にパルスを送る。第２のクロックＣＬＫ２の周波数はおよそ１μｓ／画素に等しい。

記憶手段１２はフィールドプログラマブル・ゲートアレイモジュール（ＦＰＧＡ）であってもよい。ＦＰＧＡはプログラマブルロジック・コンポーネントとプログラマブルインターコネクトを含む半導体デバイスである。プログラマブルロジック・コンポーネントはＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＮＯＴのような基本論理ゲート、あるいはデコーダや単純な数学関数のようなもっと複雑な組合せ関数の機能を複製するようにプログラムされてもよい。ほとんどのＦＰＧＡにおいて、これらのプログラマブルロジック・コンポーネント（又は論理ブロック）はメモリ素子も含み、これは単純なフリップフロップでも、もっと完全なメモリブロックであってもよい。ＦＰＧＡはプログラマブルＩ／Ｏブロックにより囲まれたロジックセルアレイを含む。それは数万のロジックセルを含んでもよく、もっと多数のフリップフロップさえ含んでもよい。ＦＰＧＡはサブ５００ＭＨｚのクロック速度で起動できる。

あるいは、記憶手段１２はコンプレックス・プログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）のような別のプログラマブルデバイスであってもよい。

記憶手段１２は分光画像形成システムの測定工程を加速することを可能にする。それはＣＣＤ検出器内の電荷の転送を直接制御する。

記憶手段１２はＣＣＤ検出器のヘッド、すなわちＣＣＤ検出器チップの近傍に位置すると都合がよい。それは高速動作によるノイズを抑制することを可能にする。分光画像形成システムは秒当たり２５０に昇るスペクトルを処理できる。

特定の実施例において、サンプル１の表面２を検査する分光画像形成システムはラマン画像形成システムであり、サンプル表面２はラマン特性を有する。分光計はラマン分光計である。ラマン散乱光を生み出すために、励起源７はサンプル表面２を単色光ビーム８で照明することができる単色光源７である。

ラマン分光計はラマン散乱光を集光してエネルギーを有するラマン散乱光ビーム９を形成することができる集光手段を備える。集光手段は顕微装置又は全体観察装置の対物光学系５を備えてもよい。

ラマン分光計は分散格子（表示されず）のような散乱光ビーム９を分散する手段を備えてもよい。それは、ラマン散乱光ビーム９のエネルギーを選択することができる例えばスリットのような表示されない選択手段を備えてもよい。それは、ラマン散乱光ビーム９のエネルギーをフィルタリングすることができるノッチフィルタのようなフィルタリング手段（表示されず）を備えてもよい。ノッチフィルタは散乱光ビーム９のレーリー放射を排除することを可能にする。

サンプル表面のラマン画像を得るために、ラマン分光計はラマン散乱光ビーム９のエネルギーを測定することができる検出手段１０を備える。ラマン分光計の検出手段１０はＣＣＤ検出器である。

あるいは、サンプル１の表面２を検査する分光画像形成システムは燐光画像形成システムでも蛍光画像形成システムでもカソードルミネッセンス画像形成システムでもよい。

分光画像形成システムがカソードルミネッセンス画像形成システムである実施例において、走査手段１１は二つの垂直回転軸をそれぞれ有する一対の偏向器にある。サンプル表面２は電子ビームでスパッタされ、発光を生み出す。発光は顕微装置又は全体観察装置の対物光学系５により集光されてエネルギーを有する発光ビーム９を形成する。

電子ビームの経路は、対物光学系５を通過する発光ビーム９の光路とは異なる。

上に引用された他の実施例において、励起光ビーム８の光路は、サンプル表面２と第２のガルバノミラー１４ｂの間では発光ビーム９の光路と同一である。

発明はまた、発光を生み出すために、サンプル表面２が励起ビーム８で照明される上記の第１のステップａを含むサンプル１の表面２を検査する分光画像形成方法に関する。発光は次いで集光されてエネルギーを有する発光ビーム９を形成する。また発光ビーム９のエネルギーはサンプル表面２の分光画像を得るために測定される。

図２に表される発明の考え得る実施例によれば、第１のステップａ）において、サンプル表面２上の走査領域３を照明し、走査領域３上での発光ビーム９のエネルギーを測定するために、励起ビーム８はサンプル表面２上を二方向ＸとＹに走査される。走査領域３の平均分光画像を得るために、発光ビーム９のエネルギーは時間ｔ（積分期間）に対応して、励起ビーム８が走査領域３上を走査する間積分される。時間ｔは秒のオーダである。

分光画像形成方法はさらに、先行する第１のステップａ）がサンプル表面２の一つ又はいくつかの他の走査領域３に対して繰り返される第２のステップｂ）を含む。各走査領域３は少なくとも一つの他の走査領域３に隣接する。

分光画像形成方法はまた、測定されたエネルギーにおいて一つ又はいくつかの情報が選択される第３のステップｃ）と、少なくとも、一片の選択情報が走査領域３内に検出されれば、一つ以上の走査領域３がいくつかの小領域４に分割される第４のステップｄ）とを含む。例えば、選択情報はスペクトル帯域又は波長のようなスペクトル情報であってもよい。例えば、選択情報は第１の被検元素の波長と第２の被検元素の波長にあってもよい。選択情報はサンプル表面２上に場所が特定されようとする一つまたはいくつかの元素に特有である。

先行するステップａ）ないしｄ）は少なくとも小分割走査領域４に適用される。先行するステップａ）ないしｄ）は所望の解像力に達するまで繰り返されてもよい。

この分光画像形成方法は、サンプル表面２上の一つ又はいくつかの元素の場所を迅速に特定することを可能にする。情報を含まないサンプル領域は処理されない。処理は一つ又はいくつかの被検元素の一つ以上の特有情報を含むサンプル領域に限定される。高精度かつ高解像力で元素の場所を迅速に特定することが可能である。全ての被検元素の場所が特定される２次元マップは１０分未満で得られる。

この方法は、記憶手段１２と走査手段１１を備える上記の分光画像形成システムを使用するときに特に効率的である。

図２の特定の実施例において、第２のステップｂ）の間に、第１のステップａ）がサンプル表面２の四つの走査領域３に適用される。四つの走査領域３は隣接している。

方向Ｘに二つの走査領域３が選択され、方向Ｙに二つの走査領域３が選択される。より正確には、方向Ｘに二つの点が選択され、方向Ｙに二つの点が選択される。各選択点はそれぞれの走査領域３のおよそ中心に局在する。

励起ビーム８はサンプル表面２の各選択点の周りに±１２．５μｍの距離を置いて二方向ＸとＹに走査されてもよい。それぞれ２５μｍｘ２５μｍの表面を有する四つの走査領域３の画像が得られる。

四つの走査領域３の一つが場所を特定しようとする一つ又はいくつかの元素に特有の情報を少なくとも含むかどうかが判定される。

四つの走査領域３の一つが上に引用された情報を含めば、この領域は四つの更に小さな走査領域４、すなわち方向Ｘに二つの更に小さな走査領域４と方向Ｙに二つの更に小さな走査領域４に分割される。

励起ビーム８は更に小さな走査領域４のそれぞれの中心に局在する点の周りに±６．２５μｍの距離を置いて二方向ＸとＹに走査されてもよい。それぞれ１２．５μｍｘ１２．５μｍの表面を有する四つの更に小さな走査領域４の画像が得られる。

四つの更に小さな走査領域４の一つが場所を特定しようとする一つ又はいくつかの元素に特有の情報を少なくとも含むかどうかが判定される。

四つの更に小さな走査領域４の一つが、場所を特定しようとする一つまたはいくつかの元素に特有の情報を含めば、先行する工程が一つ以上の更に小さな走査領域４に対して繰り返される。

所望の精度に達したとき、あるいは第２のステップｂ）の後に情報がないときに処理は停止される。

場所を特定しようとする一つまたはいくつかの元素に特有の情報を含む走査領域３は四つより多い走査領域４に分割されても、四つより少ない更に小さな走査領域４に分割されてもよい。分割数は工程中に変化してもよい。

元素の場所を特定する分光画像形成方法のステップａ）ないしｇ）は自動的に実現されても、手動的に実現されてもよい。

図３に表される発明のもう一つの考え得る実施例によれば、第３のステップｃ）と第４のステップｄ）は第２のステップｂ）の前に実行される。

励起ビーム８がサンプル表面２の走査領域３上を二方向ＸとＹに走査される第１のステップａ）の後に、測定されたエネルギーにおいて一つまたはいくつかの情報が選択される第３のステップｃ）と、少なくとも、選択情報が走査領域３内で検出されれば、一つ以上の走査領域３がいくつかの更に小さな走査領域４に分割される第４のステップｄ）とが適用される。図３の例において、一つの走査領域３のみが走査され、四つの更に小さな走査領域４に分割される。

次いで、先行する第１のステップａ）がサンプル表面２の一つまたはいくつかの他の走査領域３又は更に小さな走査領域４に対して繰り返される第２のステップｂ）が適用される。更に小さな走査領域４のそれぞれは少なくとも一つの他の更に小さな走査領域４に隣接する。励起ビーム８はサンプル表面２の四つの更に小さな走査領域４上を二方向ＸとＹに走査される。

先行するステップａ）ないしｄ）は少なくとも小分割走査領域４に適用される。先行するステップａ）ないしｄ）は所望の解像力に達するまで繰り返されてもよい。

従って、少なくとも、選択情報が四つの更に小さな走査領域４の一つにおいて検出されれば、この走査領域はいくつかの他の更に小さな走査領域４に分割される。

図２の例で述べられたように、場所が特定されようとする一つまたはいくつかの元素特有の情報を含む走査領域３は四つより多い走査領域４に分割されても、四つより少ない走査領域４に分割されてもよい。分割数は工程中に変化してもよい。

結論として、走査手段を検出手段の記憶手段と連携させることにより、ラマン画像のような分光画像を良好な精度で（５０点ｘ５０点）１０分未満で得ることが可能になる。分光画像を得るのに必要な時間は著しく減少する。ガルバノミラーのような走査手段を使用することにより、サンプル表面を走査するのに必要な時間ｔを減少させることが可能になる。また、ＦＰＧＡモジュールのような記憶手段を使用することにより、検出器からＦＰＧＡモジュールにデータを転送するのに必要な時間及びＦＰＧＡモジュールから画像形成装置にデータを転送するのに必要な時間を減少させることが可能になる。

この分光画像形成システムはサンプル表面上の元素の場所を特定する上記の方法に適用されるときに特に有用である。１０分未満でサンプル表面の関心のある元素の全てを２次元マップ上に可視化することができる。

１ サンプル
２ サンプル表面
３ 走査領域
４ 更に小さな走査領域
５ 対物光学系
６ 筐体
７ 励起源
８ 励起ビーム
９ 発光ビーム
１０ 検出手段
１１ 走査手段
１２ 記憶手段
１３ 画像形成装置
１４ａ 第１のガルバノミラー
１４ｂ 第２のガルバノミラー
１５ 読み出し線
１６ 画素のマトリックス
１７ 電気デバイス
１８ 観察装置
１９ 分光手段
２０ 光源
２１ ミラー
２２ フィルタリング手段
Ａ１ 直交走査軸
Ａ２ 直交走査軸
ＣＬＫ１ 第１のクロック
ＣＬＫ２ 第２のクロック

Claims (12)

1. 発光を生み出すためにサンプル表面（２）が励起ビーム（８）で照射され、
   前記発光が集光されてエネルギーを有する発光ビーム（９）を形成し、
   前記サンプル表面（２）の分光画像を得るために前記発光ビーム（９）のエネルギーが測定される
   第１のステップａ）を含むサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成方法であって、
   前記第１のステップａ）において、前記サンプル表面（２）上の走査領域（３）を照明しかつ前記走査領域（３）上の前記発光ビーム（９）のエネルギーを測定するために、前記励起ビーム（８）は、該励起ビーム（８）の光路に配置された走査手段（１１）を用いて、前記サンプル表面（２）上を二方向ＸとＹに走査され、前記走査領域（３）の平均分光画像を得るために前記発光ビーム（９）のエネルギーは前記励起ビーム（８）が前記走査領域（３）上を走査している間に時間ｔの間積分され、
   前記分光画像形成方法はさらに、
   前記先行する第１のステップａ）が前記サンプル表面（２）の一つ又はいくつかの他の走査領域（３）に対して繰り返され、各走査領域（３）が少なくとも一つの他の走査領域（３）に隣接する第２のステップｂ）と、
   前記測定されたエネルギーにおいて一つ又はいくつかの情報が選択される第３のステップｃ）と、
   少なくとも、選択された情報が前記走査領域（３）内に検出されれば、一つ以上の走査領域（３）がいくつかの更に小さな小分割走査領域（４）に分割される第４のステップｄ）と
   を含み、
   前記先行するステップａ）ないしｄ）は少なくとも小分割走査領域（４）に適用される
   ことを特徴とするサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成方法。
2. 前記発光ビーム（９）のエネルギーは、いくつかの垂直画素線といくつかの水平画素線を備える検出手段（１０）を用いて測定され、前記水平画素線の一つは読み出し線（１５）であり、各画素線はいくつかの画素を含み、前記第１のステップａ）の測定工程は、
   ｅ）前記発光ビーム（９）の前記時間ｔの間積分されたエネルギーを受ける少なくとも一つの水平画素線の画素を分極し、前記少なくとも一つの水平画素線の各画素に蓄積された電荷量を発生させるステップと、
   ｆ）前記分極された水平画素線の全ての画素の前記電荷量を同時に前記読み出し線（１５）に向かって転送するステップと、
   ｇ）前記読み出し線（１５）の各画素の前記電荷量を、各電荷量を張力値に変換可能な電気デバイス（１７）に向かって転送するステップと
   を含む請求項１に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成方法であって、
   前記ステップｆ）とｇ）が、前記画素の前記電荷量の転送速度を制御する、制御手段を備える記憶手段（１２）により制御され、
   前記ステップｇ）の後に、前記読み出し線（１５）の各画素の前記張力値が前記記憶手段（１２）に記憶され、前記記憶手段（１２）はＭ本の水平画素線に対応する張力値量を記憶することができ、
   前記走査領域（３）の平均分光画像を得るためにＭ本の水平画素線に対応する前記記憶された張力値量は画像形成装置（１３）に向かって送られる
   ことを特徴とする請求項１に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成方法。
3. 前記第２のステップｂ）の期間中、前記第１のステップａ）は前記サンプル表面（２）の四つの走査領域（３）に適用され、前記四つの走査領域（３）は隣接し、
   前記第４のステップｄ）の間、選択された情報が前記四つの走査領域（３）の少なくとも一つの走査領域（３）において検出されたとき、前記四つの走査領域（３）の前記少なくとも一つの走査領域（３）は四つの更に小さな走査領域（４）に分割され、
   前記先行するステップａ）ないしｄ）は前記四つの小分割走査領域（４）に適用される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成方法。
4. 前記ステップａ）ないしｇ）は自動的に実現されることを特徴とする請求項１ないし３に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成方法。
5. 前記ステップａ）において、前記走査領域（３）は前記励起ビーム（８）により連続的に走査されることを特徴とする請求項１ないし４に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成方法。
6. サンプル（１）の表面（２）を検査する前記分光画像形成方法はラマン特性を有するサンプル（１）の表面（２）を検査するラマン画像形成方法であり、前記励起ビーム（８）はラマン散乱光を生み出すことができる単色光であり、前記ラマン散乱光は集光されてエネルギーを有するラマン散乱光ビーム（９）を形成し、前記エネルギーは、サンプル表面（２）のラマン画像を得るためにフィルタリング及び測定されることを特徴とする請求項１ないし５に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成方法。
7. 対物光学系（５）を含む顕微装置又は全体観察装置と、
   サンプル表面（２）に入射しかつ発光を生み出す励起ビーム（８）を発生させることができる励起光源（７）と、前記発光を集光してエネルギーを有する発光ビーム（９）を形成することができる集光手段と、前記サンプル表面（２）の分光画像を得るために前記発光ビーム（９）のエネルギーを測定できる、少なくとも一つの画素線を備える検出手段（１０）とを備える分光計を含む筐体（６）と、
   前記顕微装置又は全体観察装置の前記対物光学系（５）と前記分光計の間に設けられ、前記サンプル表面（２）上の走査領域（３）を照明するために前記励起ビーム（８）の光路中に設けられかつ二方向ＸとＹに前記サンプル表面（２）を走査できる走査手段（１１）と
   を備えるサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成システムであって、
   前記検出手段（１０）は、前記励起ビーム（８）が走査領域（３）上を走査している間に、平均分光データを生成する手段を備え、前記走査領域（３）上で測定された前記発光ビーム（９）のエネルギーが前記検出手段（１０）の前記少なくとも一つの画素線の画素について積分されて前記画素線に対する平均分光データを生成し、
   記憶手段（１２）が前記検出手段（１０）に接続され、各画素線の前記平均分光データが前記記憶手段（１２）に向かって転送され、前記記憶手段（１２）はＭ本の画素線の平均分光データを記憶することができるメモリを備え、
   画像形成装置（１３）が前記記憶手段（１２）に接続され、前記走査領域（３）の平均分光画像を得るためにＭ本の画素線の前記平均分光データは前記画像形成装置（１３）に向かって同時に送られる
   ことを特徴とするサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成システム。
8. 前記記憶手段（１２）は前記画素線の前記平均分光データの転送速度を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項７に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成システム。
9. 前記記憶手段（１２）はフィールドプログラマブル・ゲートアレイモジュール（ＦＰＧＡ）であることを特徴とする請求項７又は８に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成システム。
10. 前記分光計は顕微装置又は全体観察装置に対する付属品であり、前記筐体（６）は前記顕微装置又は全体観察装置に挿脱自在であることを特徴とする請求項７ないし９に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成システム。
11. 前記走査手段（１１）は二つのガルバノミラー（１４ａ、１４ｂ）を備えることを特徴とする請求項７ないし１０に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成システム。
12. サンプル（１）の表面（２）を検査する前記分光画像形成システムはラマン特性を有するサンプル（１）の表面（２）を検査するラマン画像形成システムであり、前記分光計は、
    ラマン散乱光を生み出すために前記サンプル表面（２）を単色光ビーム（８）で照明することができる単色光（７）源と、
    前記ラマン散乱光を集光してエネルギーを有するラマン散乱光ビーム（９）を形成する集光手段と、
    前記サンプル表面のラマン画像を得るために前記ラマン散乱光ビーム（９）のエネルギーをフィルタリング及び測定できるフィルタリング手段（２２）及び検出手段（１０）と
    を備えるラマン分光計である
    ことを特徴とする請求項７ないし１１に記載のサンプル（１）の表面（２）を検査する分光画像形成システム。

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