JPH04165320A - Optical device - Google Patents

Optical device

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JPH04165320A
JPH04165320A JP29094090A JP29094090A JPH04165320A JP H04165320 A JPH04165320 A JP H04165320A JP 29094090 A JP29094090 A JP 29094090A JP 29094090 A JP29094090 A JP 29094090A JP H04165320 A JPH04165320 A JP H04165320A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
measurement
cold head
chamber
microscope
sample
Prior art date
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Pending
Application number
JP29094090A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Seiki Sato
清貴 佐藤
Kenji Tokura
健治 都倉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Original Assignee
Clarion Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Clarion Co Ltd filed Critical Clarion Co Ltd
Priority to JP29094090A priority Critical patent/JPH04165320A/en
Publication of JPH04165320A publication Critical patent/JPH04165320A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To facilitate measurement of photo luminescence beams from a semiconductor crystal and to effect measurement of a microregion on a condition in a range of from a normal temperature to a vary low temperature by a method wherein the cold head of a cryopump forms a sample table and placed within the working distance of the objective lens of a microscope through an optical window. CONSTITUTION:A cryostat to produce a very low temperature uses the cold head 15 of a cryopump and the cold head is contained in a chamber 14a. In a system wherein the cold head forms a sample table for measuring a very low temperature, an optical window 12 is located between an objective lens 6 of a microscope installed to the outside of the chamber and the sample table 13, and the sample table is positioned within the working distance of the objec tive lens. Thus, from the outside of the chamber, engineering measurement of the very low temperature in the microregion of a sample can be carried out. This constitution facilitates measurement of the photo luminescence beams of a semiconductor crystal and performs the measurement of the microregion on a condition in a range of from a normal temperature to a very low tempera ture.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、微少領域のフォトルミネセンス光の光学的測
定を可能とした光学装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Field of Application] The present invention relates to an optical device that enables optical measurement of photoluminescence light in a minute area.

[発明の概要コ 本発明は、クライオポンプのコールドヘッドを試料台と
し、光学窓を介して顕微鏡の対物レンズの作動距離内に
置くことにより、半導体結晶などのフォトルミネセンス
光の測定を容易に、かつ微少領域について常温から極低
温の条件で行なうことができるようにしたものである。
[Summary of the Invention] The present invention facilitates the measurement of photoluminescence light from semiconductor crystals by using the cold head of a cryopump as a sample stage and placing it within the working distance of the objective lens of a microscope through an optical window. , and can be carried out in minute areas under conditions ranging from room temperature to extremely low temperatures.

[従来の技術] フォトルミネセンス法は半導体基板や薄膜の不純物、格
子欠陥の種類の固定や格子歪の測定を非破壊、非接触で
行なえるという長所をもち、半導体結晶に関する重要な
情報を得る手段である。このフォトルミネセンス法は励
起レーザー光を試料に当て、試料から発生するフォトル
ミネセンス光(PL光)を測定する。PL光は試料内の
様々のエネルギー準位を反映するが、常温では熱エネル
ギーが外乱要因となって、PL光のピーク波長がブロー
ドとなり、PL光の波長のずれや分裂、スペクトル形状
の変化を詳細に観察することは不可能である。そのため
低温での測定が重要となる。
[Prior art] The photoluminescence method has the advantage of being able to fix the types of impurities and lattice defects in semiconductor substrates and thin films, and to measure lattice strains in a non-destructive and non-contact manner, making it possible to obtain important information about semiconductor crystals. It is a means. This photoluminescence method irradiates a sample with excitation laser light and measures photoluminescence light (PL light) generated from the sample. PL light reflects various energy levels within the sample, but at room temperature thermal energy becomes a disturbance factor, causing the peak wavelength of PL light to become broad, causing shifts in the wavelength of PL light, splitting, and changes in the spectral shape. It is impossible to observe in detail. Therefore, measurement at low temperatures is important.

試料のエネルギー準位を正確に反映したPL光を得るに
は、液体ヘリウム強度(4,2K)から数十にの極低温
が必要となる。低温を得るための装置はクライオスタッ
トと通称されているが、その方法は液体ヘリウムに試料
を直接浸漬したり、液体ヘリウムを溜めたチャンバーの
外壁に試料を貼る方法が採られている。また、液体窒素
を使用して同様の測定が行なわれている。この方法では
温度の調整は甚だむずかしい。
To obtain PL light that accurately reflects the energy level of the sample, extremely low temperatures ranging from liquid helium strength (4.2 K) to tens of degrees are required. The device used to obtain low temperatures is commonly known as a cryostat, and the methods used include immersing the sample directly in liquid helium or attaching the sample to the outer wall of a chamber containing liquid helium. Similar measurements have also been made using liquid nitrogen. Adjusting the temperature with this method is extremely difficult.

微少領域のPL光を測定する装置としては、第2図に示
す装置が知られている。
As a device for measuring PL light in a minute area, the device shown in FIG. 2 is known.

同図において、50はクライオスタット、51は液体窒
素槽、52は液体ヘリウム槽、53はX−Y試料台、5
4は試料、55は顕微鏡、56は対物レンズ、57はハ
ーフミラ−158はミラー、59はフィルター、60は
分光器、61は光検出器、62はArイオンレーザ−1
63はクララセンフィルター、64はビームエキスパン
ダー、65はチョッパー、66はロックイン増幅器、6
7はA−D変換器、68はマイクロコンピュータである
In the figure, 50 is a cryostat, 51 is a liquid nitrogen tank, 52 is a liquid helium tank, 53 is an X-Y sample stage, and 5
4 is a sample, 55 is a microscope, 56 is an objective lens, 57 is a half mirror, 158 is a mirror, 59 is a filter, 60 is a spectrometer, 61 is a photodetector, 62 is an Ar ion laser-1
63 is a Clarasen filter, 64 is a beam expander, 65 is a chopper, 66 is a lock-in amplifier, 6
7 is an A-D converter, and 68 is a microcomputer.

上記構成の装置は、図示するように、真空チャンバー内
に液体窒素補助冷却槽をもつ液体ヘリウム槽を設け、液
体ヘリウム槽の底に純銅製の試料台をつけて、光学窓(
透明な石英ガラス、サファイアガラス、コバールガラス
等を用いたもの)を通して液体ヘリウム槽の底側から顕
微鏡でPL光を集合し、分光器に入れて波長や強度を測
定するものである。
As shown in the figure, the apparatus with the above configuration includes a liquid helium tank with a liquid nitrogen auxiliary cooling tank inside the vacuum chamber, a pure copper sample stage attached to the bottom of the liquid helium tank, and an optical window (
The PL light is collected using a microscope from the bottom of a liquid helium tank through a transparent glass (made of quartz glass, sapphire glass, Kovar glass, etc.), and then put into a spectrometer to measure the wavelength and intensity.

[発明が解決しようとする課題] 上記構成の装置においては、液体ヘリウム槽の下から測
定するのは、液体ヘリウムが絶えず蒸発するため、液体
ヘリウム槽上部は揮発したヘリウムガスに曝されるため
、所望の温度が得られず、また不安定になるためと考え
られる。また顕微鏡からモノクロメータまでは空間を光
が伝播するため、モノクロメータは顕微鏡に近接して設
置されないと、PL光の減衰が起きるため、装置の空間
配置に難点がある。
[Problems to be Solved by the Invention] In the device configured as described above, measurement is performed from the bottom of the liquid helium tank because the liquid helium constantly evaporates and the upper part of the liquid helium tank is exposed to volatilized helium gas. This is thought to be because the desired temperature cannot be obtained and the temperature becomes unstable. Furthermore, since light propagates through space from the microscope to the monochromator, if the monochromator is not installed close to the microscope, the PL light will attenuate, which poses a problem in the spatial arrangement of the device.

[発明の目的] 本発明の目的は、半導体結晶などのフォトルミネセンス
光の光学的測定を容易に、かつ微少領域について常温か
ら極低温の条件で行なうことのできる光学装置を提供す
ることにある。
[Object of the Invention] An object of the present invention is to provide an optical device that can easily optically measure photoluminescence light of semiconductor crystals, etc., and that can perform optical measurements of minute regions from room temperature to extremely low temperatures. .

[課題を解決するための手段] 本発明は、ヘリウム圧縮冷凍機のコールドヘッドをチャ
ンバー内に納め、前記コールドヘッドを極低温測定の試
料台となし、前記チャンバー外に設置した顕微鏡により
、前記試料台に載置した試料の光学的測定をする光学装
置において、前記顕微鏡の対物レンズと前記試料台との
間のチャンバーに透明な光学窓を設け、前記対物レンズ
の作動距離内に前記試料台を位置させることにより、前
記チャンバー外より試料の微少領域の極低温における光
学的測定を可能としたことを特徴とするものである。
[Means for Solving the Problems] The present invention houses a cold head of a helium compression refrigerator in a chamber, uses the cold head as a sample stage for cryogenic measurement, and measures the sample using a microscope installed outside the chamber. In an optical device for optically measuring a sample placed on a table, a transparent optical window is provided in a chamber between an objective lens of the microscope and the sample table, and the sample table is placed within a working distance of the objective lens. By locating the chamber, it is possible to optically measure a minute region of the sample at extremely low temperatures from outside the chamber.

[作用コ 上記構成の光学装置においては、ヘリウム圧縮冷凍機の
コールドヘッドを試料台とし、光学窓を介して試料台を
顕微鏡の対物レンズの作動距離内に置くことにより、試
料の微少領域について常温から極低温の条件で行なうこ
とができる。
[Function] In the optical device with the above configuration, the cold head of the helium compression refrigerator is used as the sample stage, and by placing the sample stage within the working distance of the objective lens of the microscope through the optical window, a minute area of the sample is kept at room temperature. It can be carried out under extremely low temperature conditions.

[実施例] 第1図は、本発明の一実施例による光学装置の構成図で
ある。
[Embodiment] FIG. 1 is a block diagram of an optical device according to an embodiment of the present invention.

同図において、1は顕微鏡、2は集光レンズ、3は励起
光カット用光学フィルター、4はビームエキスパンダー
、5はハーフミラ−16は対物レンズ、7は鏡体押え、
8は励起光源であるArイオンレーザ−19は光ファイ
バー、10は高速フーリエ変換方式分光器、11はX−
Yテーブル、12は透明な石英ガラス、サファイアガラ
ス、コバールガラス等からなる光学窓、14はクライオ
スタット本体、14aはチャンバー、15はコールドヘ
ッド、16は熱シールド、17は熱電対、18はヘリウ
ム圧縮冷凍機、19はマイクロコンピユータ、20は試
料である。
In the figure, 1 is a microscope, 2 is a condensing lens, 3 is an optical filter for cutting excitation light, 4 is a beam expander, 5 is a half mirror, 16 is an objective lens, 7 is a mirror holder,
8 is an Ar ion laser which is an excitation light source; 19 is an optical fiber; 10 is a fast Fourier transform spectrometer; 11 is an X-
Y table, 12 is an optical window made of transparent quartz glass, sapphire glass, Kovar glass, etc., 14 is the cryostat main body, 14a is a chamber, 15 is a cold head, 16 is a heat shield, 17 is a thermocouple, 18 is helium compression freezing 19 is a microcomputer, and 20 is a sample.

上記構成において、ヘリウム圧縮冷凍機を用いて超高真
空ポンプとして使用しているクライオ(低温)ポンプの
コールドヘッド15は、10数にの極低温に到達する。
In the above configuration, the cold head 15 of the cryo (low temperature) pump, which is used as an ultra-high vacuum pump using a helium compression refrigerator, reaches about ten extremely low temperatures.

そのためクライオポンプのコールドヘッド15に試料台
13を設置し、極低温冷却用のクライオスタットとする
ことができる。コールドヘッド15は正立、倒立、横向
きなどの位置を選ばない。
Therefore, the sample stage 13 is installed in the cold head 15 of the cryopump, and it can be used as a cryostat for cryogenic cooling. The cold head 15 can be placed in any position, including upright, inverted, and sideways.

極低温を実現するクライオスタットは、クライオポンプ
のコールドヘッド15を使用し、このコールドヘッドを
チャンバー14a内に納め、コールドヘッドを極低温測
定の試料台となした系において、チャンバー外に設置さ
れた顕微鏡の対物レンズ6と試料台13との間に光学窓
12を設け、対物レンズの作動距離内に試料台を位置さ
せることにより、チャンバー外部から試料の微少領域の
極低温における光学的測定を可能となる。
A cryostat that realizes extremely low temperatures uses the cold head 15 of a cryopump, and this cold head is housed in a chamber 14a.In a system in which the cold head is used as a sample stage for cryogenic measurement, a microscope installed outside the chamber is used. By providing an optical window 12 between the objective lens 6 and the sample stage 13 and positioning the sample stage within the working distance of the objective lens, it is possible to optically measure a minute area of the sample at extremely low temperatures from outside the chamber. Become.

コールドヘッド15は温度調節機構により、12〜30
0Kまで任意の測定温度が選べる。チャンバー14a内
は真空度10−’torr台に保持することができ、チ
ャンバー内の熱シールド16と相俟って、光学窓12か
ら侵入する放射熱以外は遮蔽するようになっている。
The cold head 15 has a temperature control mechanism of 12 to 30
Any measurement temperature can be selected up to 0K. The inside of the chamber 14a can be maintained at a vacuum level of 10-'torr, and together with the heat shield 16 inside the chamber, it is designed to block out all but the radiant heat that enters from the optical window 12.

顕微鏡は正立しており、顕微鏡システムで集光したPL
光は、直接モノクロメータにいれず、顕微鏡のレンズ系
に光ファイバー9を組み入れ、光ファイバーでPL光を
分光器10まで導くことにより、装置の空間的制限を解
放することができる。
The microscope is upright, and the PL focused by the microscope system
The spatial limitations of the apparatus can be released by incorporating the optical fiber 9 into the lens system of the microscope and guiding the PL light to the spectrometer 10 through the optical fiber, instead of directly entering the monochromator.

即ち、光ファイバーの届く距離ならば分光器は顕微鏡に
隣接していても、別の場所に設置されてもよい。
That is, the spectrometer may be installed adjacent to the microscope or at a different location, as long as the optical fiber can reach it.

[発明の効果コ 以上に述べたように、本発明によれば、クライオポンプ
のコールドヘッドを試料台となし、光学窓を介して試料
台を顕微鏡の対物レンズの作動距離内に置くように構成
したので、半導体結晶などのフォトルミネセンス光測定
を容易に、かつ微少領域について常温から極低温の条件
で行なうことができる。また、顕微鏡は正立のままで測
定できる利点もある。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the cold head of the cryopump is used as a sample stage, and the sample stage is configured to be placed within the working distance of the objective lens of the microscope through the optical window. Therefore, photoluminescence light measurement of semiconductor crystals and the like can be easily carried out in minute regions under conditions ranging from room temperature to extremely low temperatures. Another advantage is that the microscope can be used while standing upright.

さらに本発明によれば、顕微鏡のレンズ系に光ファイバ
ーを組み入れたので、顕微鏡視野内の特定領域から出て
くる光を減衰させることなく、容易に測定系に導くこと
ができると共に測定系を顕微鏡と近接する必要はなくな
るので、装置の自由度を大幅に向上させることができる
Furthermore, according to the present invention, since an optical fiber is incorporated into the lens system of the microscope, light emitted from a specific area within the field of view of the microscope can be easily guided to the measurement system without attenuating it, and the measurement system can also be used as a microscope. Since it is no longer necessary to be close to each other, the degree of freedom of the device can be greatly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す光学装置の構成図、第
2図は従来の光学装置の構成図である。 l・・・・・・・・・顕微鏡、2・・・・・・・・・集
光レンズ、3・・・・・・・・・励起光カット用光学フ
ィルター、4・・目・団・ビームエキスパンダー、5・
・・・・・・・・ハーフミラ−16・・・・・・・・・
対物レンズ、7・・・・・・・・・鏡体押え、8・・・
・旧・・Arイオンレーザ−19・・・・・団・光ファ
イバー、IO・・・・・・・・・高速フーリエ&捜方式
分光器、II・・・・・・・・・X−Yテーブル、12
・・・・・・・・・光学窓、13・・・・・・・・・試
料台、14・・・・・・・・・クライオスタット本体、
14a・・・・・・・・・チャンバー、15・旧・・・
・・コールドヘッド、16・・・・・・・・・熱シール
ド、17・・・・旧・・熱電対、18・・・・・・・・
・ヘリウム圧縮冷凍機、19・・・・・・・・・マイク
ロコンピュータ、20・・・・・・・・・試料。 特許出願人    グラリオン株式会社代理人 弁理士
  永 1)武 三 部第1図 f19 第2図 へ2
FIG. 1 is a block diagram of an optical device showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram of a conventional optical device. 1...Microscope, 2...Condensing lens, 3...Optical filter for cutting off excitation light, 4...Eyes, group, Beam expander, 5.
・・・・・・・・・Half mirror-16・・・・・・・・・
Objective lens, 7... Mirror body holder, 8...
・Old...Ar ion laser-19...Group・Optical fiber, IO......Fast Fourier & search method spectrometer, II......X-Y table , 12
......Optical window, 13... Sample stage, 14... Cryostat body,
14a・・・・・・Chamber, 15・Old...
...Cold head, 16...Heat shield, 17...Old thermocouple, 18...
- Helium compression refrigerator, 19... Microcomputer, 20... Sample. Patent Applicant Glarion Co., Ltd. Agent Patent Attorney Nagai 1) Takeshi Part 1 Figure f19 Go to Figure 2 2

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)ヘリウム圧縮冷凍機のコールドヘッドをチャンバ
ー内に納め、前記コールドヘッドを極低温測定の試料台
となし、前記チャンバー外に設置した顕微鏡により、前
記試料台に載置した試料の光学的測定をする光学装置に
おいて、前記顕微鏡の対物レンズと前記試料台との間の
チャンバーに光学窓を設け、前記対物レンズの作動距離
内に前記試料台を位置させることにより、前記チャンバ
ー外より試料の微少領域の極低温における光学的測定を
可能としたことを特徴とする光学装置。
(1) A cold head of a helium compression refrigerator is housed in a chamber, the cold head is used as a sample stand for cryogenic measurement, and a microscope installed outside the chamber is used to optically measure the sample placed on the sample stand. In the optical device for the purpose of An optical device characterized by being capable of optical measurement at extremely low temperatures in a region.
(2)前記顕微鏡に光を測定系に導く光ファイバーを備
えるとともに前記鏡内の光を前記光ファイバーに集光す
る集光レンズを設けた第1請求項記載の光学装置。
(2) The optical device according to claim 1, wherein the microscope is provided with an optical fiber that guides light to the measurement system, and a condenser lens that focuses the light within the mirror onto the optical fiber.
JP29094090A 1990-10-30 1990-10-30 Optical device Pending JPH04165320A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008251667A (en) * 2007-03-29 2008-10-16 Fujitsu Ltd Cooling device for light-emitting/light-receiving element
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