JPH05332934A

JPH05332934A - 分光装置

Info

Publication number: JPH05332934A
Application number: JP16670892A
Authority: JP
Inventors: Kanji Fujiwara; 幹治藤原
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1992-06-03
Filing date: 1992-06-03
Publication date: 1993-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】集光させたレーザー光のほぼ焦点上に試料を
配置することができ、測定精度の向上を図ることのでき
る分光装置を提供すること。【構成】ラマン分析を行うためのレーザー光２と、焦
点合わせを行うための参照光とを共通化している。その
ため、レーザー光の光路上には、第１，第２のハーフミ
ラー３，４を傾斜配置している。そして、第１のハーフ
ミラーの下方には、集光レンズ１５，画像検出装置１６
が配置している。また、第２のハーフミラーの下方に
は、対物レンズ５を介して試料６が配置され、この試料
６はＺステージ８により上下移動する。これにより、レ
ーザー光は集光されて試料に照射し、発生したラマン散
乱光の一部は第２，第１のハーフミラーを介して画像検
出装置に入射する。そして、その画像データを制御装置
１７に送り、受光したビーム径が最小になるように制御
信号を発し、対物レンズ，Ｚステージを上下動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分光装置に関するもの
で、より具体的にはラマン分光装置や赤外分光装置等の
分光装置におけるレーザー光によって照射された試料か
らのラマン光等を適切に分光器に導入するための改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】分光装置（ラマン分光装置）は、レーザ
ー光を試料に照射し、その試料から発生するラマン散乱
光を分光器で分析することにより、試料の表面状態（例
えばウエハーやＩＣ上での微小部分での歪み等の欠損状
態）の検出や、物質の同定等が行うことができるように
なっている。そして、上記レーザー光を試料に照射する
際には、係るレーザー光をレンズ（集光光学系）にて集
光した後、照射するようにしている。従って、理想的に
はレンズの焦点位置上に試料を位置させることで、係る
位置関係を保つことにより綺麗に結象され、正確な測定
が行えるようになる。

【０００３】また、実際の測定にあたっては、試料のあ
る１点のみに対して行うのでは無く、所定の平面エリア
内に対して順次レーザー光を照射していきながら、発生
するラマン散乱光を逐次測定していくようになってい
る。そして、その平面移動は、例えば試料をＸＹステー
ジ上に載置し、そのＸＹステージを所定方向に移動する
ことにより行える。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したごとく、試
料、より具体的にはレーザー光の照射位置をレンズの焦
点位置に配置するのが望ましいが、実際には、試料自身
の傾きや、ステージの傾きから、レーザー光が試料上で
焦点を結ばなくなり、結象されずにぼやけてしまう。従
って、試料からのラマン光は分光器スリット上に結象出
来なくなりラマン光はみかけ上弱くなる。よって、同一
試料で平坦（歪み等がない）な表面上であっても、レー
ザー光を照射した位置により照射エネルギーに強弱が生
じ、発生するラマン光にも強弱が生じて正確な測定がで
なくなり、さらには、発生するラマン光の強度が弱くな
り過ぎ検知不能となるおそれもある。

【０００５】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、集光させたレーザー
光のほぼ焦点上に試料を配置することができ、測定精度
の向上を図ることのできる分光装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る分光装置では、レーザー光を所定
の集光光学系を介して集光させて試料に照射させ、その
照射に基づいてその試料から発生する戻り光を分光器に
入射することにより分析処理を行う分光装置において、
前記集光光学系と前記試料との距離を変更する駆動手段
と、前記集光光学系を介して前記試料に参照光を照射す
る手段と、前記参照光の前記試料からの戻り光を受ける
画像検出手段と、その画像検出手段の出力を受け、所定
の画像処理をするとともにその処理結果に基づいて前記
集光光学系の焦点を合わすべく前記駆動手段の駆動を制
御する制御手段とを備えた。

【０００７】

【作用】測定対象の試料に対して集光光学系を介して参
照光を照射させ、その戻り光を画像検出装置で受け取
る。そして、その受け取った画像データに対して所定の
画像処理を行うことにより、参照光を用いて集光光学系
の焦点が合っているか否か、すなわち、焦点上に試料が
位置しているか否かの判断を行う。そして、一致してい
ない時には、駆動手段を適宜作動させて焦点が一致する
ように試料と参照光を集光する光学系とを相対移動させ
て両者の距離を自動調整することができる。これによ
り、実際に分析処理を行うべくレーザー光を出射させる
と、集光光学系を通ったレーザー光は試料表面で最も集
光され、測定精度が向上する。

【０００８】

【実施例】以下本発明に係る分光装置について添付図面
を参照にして詳述する。図１は、本発明に係るラマン分
光装置の第１実施例を示している。同図に示すように、
まず光源１から出射されたレーザー光２の光路上に、４
５度傾斜状態で第１のハーフミラー３を配置している。
この第１のハーフミラー３は、例えば１：１程度のもの
を用い、出射されたレーザー光２の５０％がそのまま透
過するようになっている。

【０００９】また、この透過したレーザー光２の光路上
には、４５度傾斜状態（上記第１のハーフミラー３とは
逆向き）で第２のハーフミラー４が配置されている。こ
の第２のハーフミラー４は、例えば１：９程度のものを
用い、上記レーザー光の１０％程度を反射させ、その進
路を９０度変換して下方に向けるようになっている。そ
して、その第２のハーフミラー４の下方所定位置には、
集光光学系たる対物レンズ５が上下移動可能に配置され
ており、この対物レンズ５により、レーザー光２が集光
され、所定位置で焦点を結ぶようになっている。そし
て、その焦点位置近傍に試料６を載置するためのＸＹス
テージ７が配置され、試料６を水平平面内の所定方向に
移動できるようになっている。

【００１０】さらに、本発明では、そのＸＹステージ７
の下方にＺステージ８を配置し、このＺステージ８を上
下移動することにより、ＸＹステージ７ひいては試料６
を上下移動できるようになっている。そして、そのＺス
テージ８並びに対物レンズ５を適宜移動させることによ
り、焦点を合わせることができるようになっている。す
なわち、本例では駆動手段が対物レンズ５並びにＺステ
ージ８の両方に設置したが、本発明では少なくとも一方
に設けてあれば良い。

【００１１】一方、第２のハーフミラー４の上方所定位
置には、反射鏡９が、第２のハーフミラー４と平行に配
置されている。そして、この反射鏡９では、レーザー光
２を照射することにより試料６にて発生するラマン散乱
光１０の光路を４５度変換して水平方向に向けるように
なっている。そしてその水平方向を進むラマン散乱光１
０の前方には、所定のレンズ１１並びにスリット１２を
介して分光器１３が配置され、その分光器１３の出力が
コンピュータ１４に接続されている。

【００１２】ここで本発明では、上記第１のハーフミラ
ー３を所定位置に配置したことを特徴とするとともに、
その第１のハーフミラー３の下方所定位置に集光レンズ
１５並びにＣＣＤ等の画像検出装置１６を配置したこと
を特徴としている。そして、この画像検出装置１６に
て、試料６から発生したラマン散乱光の一部を受けと
り、所定の画像解析を行うようになっている。さらに、
この画像検出装置１６の出力が制御装置１７に入力さ
れ、その制御装置１７からの制御信号が上記対物レンズ
５及びＺステージ８に入力され、その上下移動が制御さ
れるようになっている。なお、上記画像検出装置１６の
受光面は、集光レンズ１５の焦点位置に配置している。
また、本例では、上記レーザー光２が焦点合わせ用の参
照光を兼ねている。

【００１３】次に、上記した実施例の作用について説明
する。まず、分光器１３によるラマン分析に先立ち、焦
点合わせを行う。すなわち、光源１から参照光としての
レーザー光２を出射させると、上述したごとく第１，第
２のハーフミラー３，４並びらに対物レンズ５を介し
て、出射されたレーザー光２の大部分が絞り込まれた状
態で試料６の所定位置に照射される。そして、その照射
にともないラマン散乱光１０が発生し、そのラマン散乱
光１０は、対物レンズ５を通過することにより平行光束
になり、第２のハーフミラー４に至る。すると、そのラ
マン散乱光の大部分はそのまま第２のハーフミラー４を
透過するが、その一部がそこにおいて反射され、その進
路が９０度変換されて水平方向、すなわち、元きた経路
をそのまま戻ることになる。そして、その反射されたラ
マン散乱光は、第１のハーフミラー３に至り、そこにお
いて再度反射されて進路が９０度変換され、下方に移動
する。そして、その下方に進むラマン散乱光１０は、集
光レンズ１５にて集光され、画像検出装置１６に入射さ
れる。

【００１４】この時、画像検出装置１６は、集光レンズ
１５の焦点位置に配置されていることから、その画像検
出装置１６に入射された光は、試料６から発生した時の
ラマン散乱光の状態、すなわち、試料６へのレーザー光
２の照射状態と等価であり、画像検出装置１６へ入射さ
れた光の像（スポット径）の大小は、そのまま対物レン
ズ５の焦点位置上に試料６が位置しているか否かに対応
し、その像が小さいほど焦点があっているといえる。

【００１５】そこで、画像検出装置１６に入射された画
像データは、制御部１７内の画像処理部１７ａに送ら
れ、そこにおいて微分或いは積分その他の画像処理を行
い、スポット（光の明るい部分（受光部分））の面積を
求め、その算出結果を次段のバッファ１７ｂならびに判
定部１７ｃに送り、判定部１７ｃでは、バッファ１７ｂ
に格納された１つ前の算出結果と今回の算出結果とか
ら、焦点が合う方向にあるか、ずれていく方向にあるか
を判断し、その判断結果に基づいて駆動制御手段１８を
介して上記対物レンズ５及びまたはＺステージ８を所定
量上下移動させる。そして、上記面積が最小（前回と今
回の算出結果の差の極性が反転した時）になる位置でそ
の移動を停止する。そして、この停止した時が焦点が最
もあった位置関係にある。これによりオートフォーカス
処理が完了する。また、この時判定部１７ｃは、処理完
了信号をコンピュータ１４に送る。

【００１６】次いで、この状態のまま分光器１３に入射
するラマン散乱光１０に対し、コンピュータ１４を用い
てラマン分析処理を行い、試料の同定や表面状態の検知
などの通常の所定の処理を行う。すなわち、上記処理完
了信号発生後のレーザー光２は、通常の分析処理におけ
る光となる。

【００１７】以上のようにて、本例では、焦点合わせを
行うための参照光の光源とラマン分析を行うための光源
とを共通化するとともに、実際に分析を行う箇所にレー
ザー光を照射して焦点合わせを行い、その焦点合わせを
行った後も機械的な切替処理等がないため、極めて正確
に焦点合わせを行うことができ、その後の分析処理の精
度が向上する。

【００１８】図２は本発明に係る分析装置の第２実施例
を示している。本例では、上記した実施例と相違して、
第１実施例における第１のハーフミラーをなくすととも
に、第１実施例における反射鏡の替りに第３のハーフミ
ラー２０を配置している。また、第３のハーフミラー２
０の上方には、第１実施例における集光レンズ１５ａ並
びに画像検出装置１６ａとを配置している。

【００１９】そして、上記第３のハーフミラー２０は、
基本的には第１のハーフミラーと同様で１：９９程度の
ものを用い、第２のハーフミラー４を透過してきたラマ
ン散乱光の大部分を反射させて分光器１３へ入射させる
とともに、ラマン散乱光の一部をそのまま透過させるよ
うになっている。そして、その透過したラマン散乱光を
上記集光レンズ１５ａを介して画像検出装置１６ａに取
り込み、上記第１実施例と同様に制御装置１７を用いて
画像処理をしつつ焦点合わせを行うようになっている。

【００２０】本例では、上記した第１実施例に比し、使
用する部品点数の削減を図ることができる。なお、その
他の構成ならびに作用は上記した第１実施例と同様であ
るので、その説明を省略する。

【００２１】図３は、本発明に係る分光装置の第３実施
例を示している。同図に示すように、本例では、上記各
実施例と相違して、焦点合わせ用の参照光を発生するた
めの光源を別途配置している。すなわち、参照光用の光
源２２としては、例えばタングステンランプなどが用い
られ、その光源２２から水平方向に向けて出射された参
照光がレンズ２３にて平行光束にされるようになってい
る。そして、その平行光束は、試料６等の上方所定位置
に配置された第４のハーフミラー２４に入射され、そこ
においてその進路が９０度変換され、下方に向けて進む
ようになっている。

【００２２】さらに、本例では、第４のハーフミラー２
４の下方、すなわち、上記第２実施例における第３のハ
ーフミラーの設置位置に、切替鏡２５を配設している。
この切替鏡２５は、通常のラマン分析時には、図示の状
態に位置し発生するラマン散乱光を分光器１３に入射さ
せるようにし、焦点合わせ時には、所定方向に移動し
て、その光路から外れるようになっている。これによ
り、光源２２から出射し、第４のハーフミラー２４で方
向変換された参照光は、切替鏡２５にてその進路を遮ら
れることなく進み、第２のハーフミラー４並びに対物レ
ンズ５を介して試料６に照射されるようになっている。

【００２３】また、係る参照光が試料６に照射されて反
射された戻り光（反射光）は、上記と逆の経路を通って
戻り第４のハーフミラー２４に至り、ここにおいて透過
し、その上方に配置された画像検出装置２６に入射する
ようになっている。

【００２４】次に、本例の作用について説明すると、ま
ず切替鏡２５を移動させて光路から外した状態で光源２
２から焦点合わせ用の参照光を出射し、対物レンズ５を
介して試料６に照射させる。そして、試料からの反射光
を画像検出装置２６で受け、制御装置１７′にて所定の
画像処理を行う。

【００２５】この時、本例では、上記した各実施例と相
違して、受けとった画像データのコントラストを検出す
るようにしている。すなわち、焦点があっているほど反
射光の強度が強いため、参照光の照射された部分のその
周囲との明暗の差が大きくなるので、上記コントラスト
が最大になるようにＸＹステージ７及びまたは対物レン
ズ５を移動するようにしている。そして、コントラスト
が最大の時に焦点があったと判断し、制御装置がコンピ
ュータに完了信号を送るとともに切替鏡２５に対してラ
マン分析位置に移動するように制御信号を発する。

【００２６】これにより、切替鏡２５は所定位置（試料
６の上方）に移動する。そして、光源１から出射された
ラマン光２が試料６に照射されることにより生じるラマ
ン散乱光１０が、切替鏡２５で反射されて分光器１３へ
入射され、そこにおいてラマン分析処理がされる。

【００２７】なお、上記した各実施例では、いずれもラ
マン分析処理をする都度、その前処理として焦点合わせ
を行うようにしたが、例えば、一度焦点合わせをしたな
ら、その周辺において急に相対的な高さ位置、すなわ
ち、対物レンズ５と試料６との距離が変動することも少
ないため、実際の使用に際してはラマン分析処理を所定
回数行う毎に焦点合わせをするようにしても良い。

【００２８】また、例えば別途記憶装置を設け、ＸＹス
テージ７を作動させて、複数箇所で焦点合わせを行い、
その処理を行った位置座標と焦点位置とをペアにして上
記記憶装置に格納し、実際のラマン分析にあたっては、
その記憶装置に格納したデータに基づいて焦点合わせを
行いつつ分析処理を行うようにしても良い。

【００２９】さらにまた、上記した各実施例では、いず
れも顕微鏡を用いたミクロ測定方式のラマン分光装置に
適用した例について説明したが、本発明はこれに限ら
ず、例えばマクロ測定方式のラマン分光装置に適用して
もよい。そして、マクロ方式の場合、上記したように対
物レンズがないため、例えば図４に示すようにレーザー
光２を集光光学系たる集光レンズ３０を介して集光させ
て、試料６に照射させ、その試料６から発生するラマン
散乱光をカメラレンズ３１を介して平行光束にするとと
もに、所定の光学系を介して分光器３２に入射させるよ
うになる。すなわち、上記した対物レンズが、集光レン
ズ３０とカメラレンズ３１との分離した状態となる。そ
して、例えばカメラレンズ３１の上方にハーフミラー３
３を介して画像検出装置３４等を設置し、ラマン散乱光
のビーム径を最小にするように制御することである。な
お、この例では第２実施例に対応したものを示したが、
その他の実施例に対応させても同様のものを構成するこ
とができる。

【００３０】なお、上記した実施例及び変形例では、い
ずれもラマン分光装置に適用した例について説明した
が、本発明はこれに限ることなく、例えば赤外分光器そ
の他の種々のタイプの分光装置に適用することができ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る分光装置で
は、測定対象の試料に対して参照光を照射させ、その戻
り光を画像検出装置で受けるとともに所定の画像処理を
行うことにより、焦点が一致しているか否かの判断を行
い、一致していない時には、一致するように試料とレー
ザー光を集光する光学系とを相対移動させて両者の距離
を自動調整することができる。これにより、分析処理時
における集光させたレーザー光のほぼ焦点上に試料を配
置することができ、測定精度の向上を図ることができ
る。

【００３２】そして、分光測定用のレーザーを焦点合わ
せ用の参照光として利用した場合には、そのまま分光測
定に移ることができ、測定精度がより向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る分光装置の第１実施例を示す図で
ある。

【図２】本発明に係る分光装置の第２実施例を示す図で
ある。

【図３】本発明に係る分光装置の第３実施例を示す図で
ある。

【図４】本発明に係る分光装置の変形例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１光源２レーザー光５対物レンズ６試料８Ｚステージ１３分光器１６，１６ａ，２６，３４画像検出装置１７，１７ａ制御装置２２光源３０集光レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光を所定の集光光学系を介して
集光させて試料に照射させ、その照射に基づいてその試
料から発生する戻り光を分光器に入射することにより分
析処理を行う分光装置において、前記集光光学系と前記試料との距離を変更する駆動手段
と、前記集光光学系を介して前記試料に参照光を照射する手
段と、前記参照光の前記試料からの戻り光を受ける画像検出手
段と、その画像検出手段の出力を受け、所定の画像処理をする
とともにその処理結果に基づいて前記集光光学系の焦点
を合わすべく前記駆動手段の駆動を制御する制御手段と
を備えた分光装置。
【請求項２】前記参照光が、分光処理を行うための前
記レーザー光を用いてなる請求項１に記載の分光装置。
【請求項３】前記画像処理が、前記戻り光の面積を算
出するもので、かつ前記制御手段が前記算出した面積を
最小にするように駆動手段を駆動し、前記距離を調整す
るようにした請求項１または２に記載の分光装置。
【請求項４】前記画像処理が、前記戻り光とその周囲
との輝度の差を算出するもので、かつ前記制御手段が前
記算出した輝度の差を最大にするように駆動手段を駆動
し、前記距離を調整するようにした請求項１または２に
記載の分光装置。