JP2007322159A - Optical fiber probe, photodetector, and photodetection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノオーダの計測・加工を目的とした、光ファイバープローブ及び光検出装置及び光検出方法に関する。 The present invention relates to an optical fiber probe, a photodetection device, and a photodetection method for the purpose of nano-order measurement and processing.
近年、STM(走査型トンネル顕微鏡)、AFM(走査型原子間力顕微鏡)をはじめとするSPM(走査型プローブ顕微鏡)技術により、ナノオーダの計測・加工が行われている。このSPMの中にあって、回折限界以下の微小領域での光学的特性を検出することが可能な近接場光学顕微鏡は、バイオテクノロジーなど様々な分野での測定・評価装置として用いられている。また、上記の近接場光学顕微鏡の技術を応用した、光記録装置や微細加工装置の研究開発も進められている。 In recent years, nano-order measurement and processing have been performed by SPM (scanning probe microscope) technology including STM (scanning tunneling microscope) and AFM (scanning atomic force microscope). A near-field optical microscope that is capable of detecting optical characteristics in a very small region below the diffraction limit in this SPM is used as a measurement / evaluation apparatus in various fields such as biotechnology. Research and development of optical recording devices and microfabrication devices applying the above-mentioned near-field optical microscope technology are also underway.
近接場光学顕微鏡では、回折限界以下の寸法の微細構造体をプローブとして用い、プローブ先端部を照明することでその近傍に近接場光を発生させる。この状態でプローブを試料面上で走査させることにより、プローブ近傍に局在している近接場光と試料面との電磁気的な相互作用により散乱あるいは試料面を透過した近接場光を検出することで、試料面の光学的情報(光強度、スペクトル、偏光等)を得ることができる。 In the near-field optical microscope, a fine structure having a size equal to or smaller than the diffraction limit is used as a probe, and near-field light is generated in the vicinity thereof by illuminating the probe tip. By scanning the probe on the sample surface in this state, the near-field light scattered or transmitted through the sample surface can be detected by the electromagnetic interaction between the near-field light localized near the probe and the sample surface. Thus, optical information (light intensity, spectrum, polarization, etc.) of the sample surface can be obtained.
近接場光学顕微鏡は、一般に、コア周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有し、当該突出部に例えば金(Au)や銀(Ag)等の金属により被覆された光プローブを備え、光の波長を越えた分解能を有する光学像を得ることができる。 A near-field optical microscope generally has a protruding portion in which a sharpened core is protruded at one end of an optical fiber provided with a cladding around the core, and the protruding portion has, for example, gold (Au) or silver (Ag). An optical image having a resolution exceeding the wavelength of light can be obtained by providing an optical probe coated with a metal such as.
また、上記近接場光学顕微鏡により試料の微小領域における物性を測定する場合には、試料表面の光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光を検出して試料の形状を測定する。そして、全反射条件下で試料に光が照射されることにより生じたエバネッセント光を上述した光プローブにより散乱させ、散乱光に変換する。上記散乱光は、光プローブが形成されている突出部を通じ光ファイバのコアに導かれ、光ファイバのもう一方の射出端に接続された検出器により検出される。すなわちこの近接場光学顕微鏡は、光プローブにより散乱と検出の双方を行うことができる。 When measuring the physical properties of a sample in a micro area using the near-field optical microscope, the shape of the sample is measured by detecting evanescent light localized in an area smaller than the wavelength of light on the sample surface. Then, the evanescent light generated by irradiating the sample with light under the total reflection condition is scattered by the above-described optical probe and converted into scattered light. The scattered light is guided to the core of the optical fiber through the protruding portion where the optical probe is formed, and is detected by a detector connected to the other exit end of the optical fiber. That is, this near-field optical microscope can perform both scattering and detection by an optical probe.
従来の近接場光学顕微鏡においては、高分解能で測定ができるものの測定範囲が数十μm程度と非常に狭いというデメリットがある。
近年、シリコンウエハ欠陥検査等の用途において、先に示した低分解能の測定の後、近接場光を利用した高分解能の測定へ切り替え、同一試料の測定・検査を継続して行えることが求められており、このような要求に対して、対物レンズによる観察系を含む通常の光学顕微鏡装置に、近接場光検出用光プローブを組み込んだ構成の装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
上記特許文献1に記載の従来技術においては、対物レンズによる広範囲測定により特定した、物性測定を望む微小領域に対して、近接場光検出用の光プローブを位置合わせした上で近接場光測定(高分解能測定)を実施する装置であるが、先に述べた位置合わせは非常に困難であり、長時間を要すると考えられる。
Although the conventional near-field optical microscope can measure with high resolution, there is a demerit that the measurement range is as narrow as about several tens of μm.
In recent years, in applications such as silicon wafer defect inspection, it has been required to switch to high-resolution measurement using near-field light after the low-resolution measurement described above, and continue to measure and inspect the same sample. In response to such a demand, an apparatus having a configuration in which an optical probe for detecting near-field light is incorporated in a normal optical microscope apparatus including an observation system using an objective lens has been proposed (for example, see Patent Document 1). ).
In the prior art described in
上述の問題点に対して、本発明者らによる先願技術1(特許文献2及び先願1(特願2005−29652))では、その解決案を提供している。すなわち、この先願技術1では、通常の伝搬光を利用した広範囲測定に必要な光スポットと、高分解能測定に必要な近接場光スポットのそれぞれを射出可能な射出面を備えた光プローブを用いて測定を行う構成とすることにより、困難な光プローブ位置合わせ工程が不要となるため、測定・検査工程の高速化を実現できる。
In the prior application technology 1 (
また、本発明者による別の先願技術2(先願2(特願2005−380273))では、通常伝搬光による測定の更なる高S/N比化を実現している。上述の先願技術1における通常伝搬光による測定では、試料に射出した光の試料面における反射、散乱、透過光量の変化を検出するものであり、特にバイオ試料のような、位相物体を測定する場合には、S/N比の確保が難しいことが考えられる。これに対して先願技術2(先願2)では、干渉光学系の導入により、試料透過光の位相変化を検出できる構成とすることで、通常伝搬光による測定の際、反射、散乱、透過光量変化が発生しにくい位相物体試料である場合にも測定を行なうことができ、S/N比の向上が可能な光検出装置を提供することができる。
In addition, in another prior application technique 2 (prior application 2 (Japanese Patent Application No. 2005-380273)) by the present inventor, a further higher S / N ratio of measurement using normal propagation light is realized. In the measurement using the normal propagation light in the
本発明は上記先願技術2における光検出装置に更に改良を施したものである。しかし、上述の先願技術2における光学系は、多数の部品で構成されるマルチパスの干渉光学系であり、高S/N比測定を実現するためには、光学調整誤差や振動、環境変動(空気擾乱など)への慎重な対策を講じる必要があることから、このことが高コスト化の要因となる。
The present invention is a further improvement of the photodetection device in the
本発明は上記事情に鑑みなされてものであり、上述の先願技術2における光検出装置に更に改良を施して、簡便かつ環境変動に対して強い干渉光学系を実現し、低コストな光検出装置を提供することを目的としている。
より詳しく述べると、本発明は、通常伝搬光による測定の際、反射、散乱、透過光量変化が発生しにくい位相物体試料の測定とS/N比の向上を、複雑な光学系構成を伴うことなく可能とする光ファイバプローブを提供することを目的とし、さらには、上記光ファイバプローブを用いることにより、通常伝搬光による測定の際、反射、散乱、透過光量変化が発生しにくい位相物体試料の測定とS/N比の向上を簡便な光学系構成にて可能とする光検出装置及び光検出方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and further improves the light detection device in the above-mentioned
More specifically, the present invention involves the measurement of a phase object sample in which reflection, scattering, and transmitted light amount change are unlikely to occur and the improvement of the S / N ratio with a complicated optical system configuration when measuring with normal propagation light. In addition, by using the above-mentioned optical fiber probe, it is possible to obtain a phase object sample in which reflection, scattering, and transmitted light amount change are unlikely to occur during measurement using normal propagation light. An object of the present invention is to provide a photodetection device and a photodetection method that enable measurement and improvement of the S / N ratio with a simple optical system configuration.
上述の目的を達成するため、本発明は以下のような技術的手段を採っている。
本発明の第1の手段は、光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバの、通常伝搬光を射出する射出面と近接場光を滲出させる射出面を同心面状に有し、前記近接場光を滲出させる射出面に、前記滲出のための被覆層が形成され、さらに前記通常伝搬光を射出する射出面に、前記射出面に入射した光の一部を反射し、別の一部を透過させる被覆層を備える光ファイバープローブにおいて、前記通常伝搬光を射出する射出面に入射した光のうち、前記射出面にて反射され、前記光ファイバに再度戻り伝搬する光の強度と、前記射出面から射出され、被測定面にて反射し、前記射出面を透過した後、前記光ファイバに再度戻り伝搬する光の強度とが、同一になるような前記被覆層を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
The first means of the present invention has an exit surface for emitting normal propagation light and an exit surface for leaching near-field light concentrically in an optical fiber having a core for propagating light emitted from a light source, A coating layer for the exudation is formed on the exit surface from which the near-field light is exuded, and a part of the light incident on the exit surface is reflected on the exit surface from which the normal propagation light is emitted. In the optical fiber probe provided with a coating layer that partially transmits, the intensity of the light that is reflected by the exit surface out of the light that is incident on the exit surface that emits the normal propagation light and propagates back to the optical fiber, and The coating layer is provided so that the intensity of the light emitted from the exit surface, reflected by the surface to be measured, transmitted through the exit surface, and returned to the optical fiber again is the same. And
本発明の第2の手段は、第1の手段の光ファイバプローブにおいて、前記通常伝搬光を射出する射出面と、前記近接場光を滲出させる射出面とを同心面状に有し、前記近接場光を滲出させる射出面に、前記滲出のための被覆層が形成され、さらに前記通常伝搬光を射出する射出面に、前記射出面に入射した光の一部を反射し、別の一部を透過させる被覆層を備え、前記通常伝搬光を射出する射出面が外周側で、かつ光の伝搬する光軸に対する射出面における法線の傾斜角が各射出面で異なることを特徴とする。 According to a second means of the present invention, in the optical fiber probe of the first means, the exit surface for emitting the normal propagation light and the exit surface for exuding the near-field light are concentrically arranged, and the proximity A coating layer for the exudation is formed on the exit surface from which the field light is leached, and a part of the light incident on the exit surface is reflected on the exit surface from which the normal propagation light is emitted. And the normal surface has an emission surface that emits normal propagation light, and the normal surface has an inclination angle different from each other on the optical axis along which the light propagates.
本発明の第3の手段は、第1または第2の手段の光ファイバープローブにおいて、前記通常伝搬光を射出する射出面の被覆層は、金属の薄膜によって形成されて成ることを特徴とする。
また、本発明の第4の手段は、第1または第2の手段の光ファイバープローブにおいて、前記通常伝搬光を射出する射出面の被覆層は、誘電体の単層膜もしくは多層膜によって形成されて成ることを特徴とする。
A third means of the present invention is characterized in that, in the optical fiber probe of the first or second means, the covering layer on the exit surface for emitting the normal propagation light is formed of a metal thin film.
According to a fourth means of the present invention, in the optical fiber probe of the first or second means, the covering layer on the exit surface for emitting the normal propagation light is formed of a dielectric single layer film or a multilayer film. It is characterized by comprising.
本発明の第5の手段は、「光を射出する光源」と、「前記射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバの前記コア先端に光を射出する光プローブが形成されて成る光ファイバプローブ」と、「前記光ファイバのコアを伝搬した伝搬光、あるいは前記コア先端から滲出した近接場光の何れかに基づくスポットが被測定面に形成されるように、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させる移動制御手段、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させる移動制御手段」と、「前記被測定面からの戻り光を検出する検出手段」と、を備える光検出装置において、前記光ファイバプローブが、「通常伝搬光を射出する射出面と近接場光を滲出させる射出面を同心面状に有し、前記近接場光を滲出させる射出面に、前記滲出のための被覆層が形成され、さらに前記通常伝搬光を射出する射出面に、前記射出面に入射した光の一部を反射し、別の一部を透過させる被覆層を備える光ファイバープローブ」であって、「前記通常伝搬光を射出する射出面に入射した光のうち、前記射出面にて反射され、前記光ファイバに再度戻り伝搬する光の強度と、前記射出面から射出され、前記被測定面にて反射し、前記射出面を透過した後、前記光ファイバに再度戻り伝搬する光の強度とが、同一になるような前記被覆層を備える光ファイバプローブ」であることを特徴とする。 According to a fifth means of the present invention, there is provided an optical fiber comprising: a “light source that emits light”; and an “optical probe that emits light at the tip of the core of an optical fiber having a core that propagates the emitted light”. Probe "and" the optical fiber probe is placed on the surface to be measured so that a spot based on either the propagating light propagated through the core of the optical fiber or the near-field light leached from the tip of the core is formed on the surface to be measured. " A movement control means for moving in a direction approaching / separating from the measurement surface, or a movement control means for moving the measurement surface in a direction approaching / separating from the optical fiber probe; A detecting means for detecting the return light of the optical fiber probe, wherein the optical fiber probe has a concentric surface that emits normal field light and an exit surface that exudes near-field light. A coating layer for the exudation is formed on the exit surface from which the near-field light is exuded, and a part of the light incident on the exit surface is reflected on the exit surface from which the normal propagation light is emitted. An optical fiber probe having a coating layer that transmits another part of the optical fiber probe, wherein “of the light incident on the exit surface that emits the normal propagation light, is reflected by the exit surface and is again reflected on the optical fiber. The intensity of the light that propagates back and the intensity of the light that is emitted from the exit surface, reflected by the measured surface, transmitted through the exit surface, and then propagates back to the optical fiber again are the same. It is an optical fiber probe provided with the above coating layer.
本発明の第6の手段は、第5の手段の光検出装置において、前記光ファイバプローブが、「前記通常伝搬光を射出する射出面と、前記近接場光を滲出させる射出面とを同心面状に有し、前記近接場光を滲出させる射出面に、前記滲出のための被覆層が形成され、さらに前記通常伝搬光を射出する射出面に、前記射出面に入射した光の一部を反射し、別の一部を透過させる被覆層を備え、前記通常伝搬光を射出する射出面が外周側で、かつ光の伝搬する光軸に対する射出面における法線の傾斜角が各射出面で異なる構成の光ファイバプローブ」であることを特徴とする。 According to a sixth means of the present invention, in the light detection apparatus according to the fifth means, the optical fiber probe may be configured such that “the exit surface that emits the normal propagation light and the exit surface that exudes the near-field light are concentric. A coating layer for the exudation is formed on the exit surface from which the near-field light is exuded, and a part of the light incident on the exit surface is formed on the exit surface from which the normal propagation light is emitted. A coating layer that reflects and transmits another part is provided, the exit surface that emits the normal propagation light is on the outer peripheral side, and the inclination angle of the normal line on the exit surface with respect to the optical axis through which the light propagates is It is an optical fiber probe having a different configuration.
本発明の第7の手段は、第5の手段の光検出装置において、前記光ファイバープローブのコアに前記光源から射出された光を伝搬させ、前記コアを伝搬した伝搬光に基づくスポットが被測定面に形成されるように、前記移動制御手段により、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させ、前記2つの光における干渉光強度変化を検出することを特徴とする。 According to a seventh means of the present invention, in the photodetector of the fifth means, the light emitted from the light source is propagated to the core of the optical fiber probe, and the spot based on the propagated light propagated through the core is a surface to be measured. The movement control means moves the optical fiber probe toward or away from the surface to be measured, or moves the surface to be measured toward or away from the optical fiber probe. It moves to the direction which separates, The interference light intensity change in said two lights is detected, It is characterized by the above-mentioned.
本発明の第8の手段は、第6の手段の光検出装置において、前記光ファイバープローブのコアに前記光源から射出された光を伝搬させ、前記コアを伝搬した伝搬光に基づくスポットが被測定面に形成されるように、前記移動制御手段により、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させ、前記2つの光における干渉光強度変化を検出することを特徴とする。 According to an eighth means of the present invention, in the light detection device of the sixth means, the light emitted from the light source is propagated to the core of the optical fiber probe, and the spot based on the propagated light propagated through the core is a surface to be measured. The movement control means moves the optical fiber probe toward or away from the surface to be measured, or moves the surface to be measured toward or away from the optical fiber probe. It moves to the direction which separates, The interference light intensity change in said two lights is detected, It is characterized by the above-mentioned.
本発明の第9の手段は、第7または第8の手段の光検出装置において、前記干渉光強度が一定の値となるように、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させながら、前記被測定面の表面方向に、前記光ファイバプローブと前記被測定面を相対移動させることを特徴とする。
また、本発明の第10の手段は、第9の手段の光検出装置において、前記一定の値を、前記光ファイバプローブと前記被測定面とを近接・離間する方向へ相対移動させた際に生じる干渉光強度信号変化の極小値、極大値の中間・中央値とすることを特徴とする。
According to a ninth means of the present invention, in the photodetector of the seventh or eighth means, the optical fiber probe is moved closer to or away from the surface to be measured so that the interference light intensity becomes a constant value. The optical fiber probe and the surface to be measured are moved relative to each other in the surface direction of the surface to be measured while moving the surface to be measured toward or away from the optical fiber probe. It is made to move.
According to a tenth means of the present invention, in the photodetector of the ninth means, the fixed value is relatively moved in a direction in which the optical fiber probe and the surface to be measured are moved toward and away from each other. It is characterized in that it is set to the intermediate value / median value of the minimum value and maximum value of the generated interference light intensity signal change.
本発明の第11の手段は、光検出方法であって、光を射出する光源と、第1の手段の光ファイバープローブを用い、前記光ファイバープローブのコアに光源から射出された光を伝搬させ、前記コアを伝搬した伝搬光に基づくスポットが被測定面に形成されるように、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させ、前記2つの光における干渉光強度変化を検出することを特徴とする。 The eleventh means of the present invention is a light detection method, wherein the light emitted from the light source is propagated to the core of the optical fiber probe using the light source emitting light and the optical fiber probe of the first means, The optical fiber probe is moved in a direction approaching / separating from the surface to be measured so that a spot based on the propagation light propagated through the core is formed on the surface to be measured, or the surface to be measured is moved to the light It is moved in the direction approaching / separating from the fiber probe, and the interference light intensity change in the two lights is detected.
本発明の第12の手段は、光検出方法であって、光を射出する光源と、第2の手段の光ファイバープローブを用い、前記光ファイバープローブのコアに前記光源から射出された光を伝搬させ、前記コアを伝搬した伝搬光に基づくスポットが被測定面に形成されるように、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させ、前記2つの光における干渉光強度変化を検出することを特徴とする。 The twelfth means of the present invention is a light detection method, wherein the light emitted from the light source is propagated to the core of the fiber optic probe using the light source emitting light and the optical fiber probe of the second means, The optical fiber probe is moved in a direction approaching / separating from the surface to be measured so that a spot based on the propagation light propagated through the core is formed on the surface to be measured, or the surface to be measured is moved to the surface to be measured The optical fiber probe is moved toward and away from the optical fiber probe, and the interference light intensity change in the two lights is detected.
本発明の第13の手段は、第11または第12の手段の光検出方法において、前記干渉光強度が一定の値となるように、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させながら、前記被測定面の表面方向に、前記光ファイバプローブと前記被測定面を相対移動させることを特徴とする。
また、本発明の第14の手段は、第13の手段の光検出方法において、前記一定の値を、前記光ファイバプローブと前記被測定面とを近接・離間する方向へ相対移動させた際に生じる干渉光強度信号変化の極小値、極大値の中間・中央値とすることを特徴とする。
According to a thirteenth means of the present invention, in the light detection method of the eleventh or twelfth means, the optical fiber probe is moved closer to or away from the surface to be measured so that the interference light intensity becomes a constant value. The optical fiber probe and the surface to be measured are moved relative to each other in the surface direction of the surface to be measured while moving the surface to be measured toward or away from the optical fiber probe. It is made to move.
According to a fourteenth means of the present invention, in the light detection method of the thirteenth means, when the fixed value is relatively moved in the direction of approaching / separating the optical fiber probe and the surface to be measured. It is characterized in that it is set to the intermediate value / median value of the minimum value and maximum value of the generated interference light intensity signal change.
本発明の光ファイバプローブでは、プローブから射出された後、試料にて反射し再度プローブにて収集された光と、プローブから射出されずに、プローブの内面(被覆薄膜)にて反射された光との干渉光強度の変化を検出することを可能とする被覆層を備えることにより、通常伝搬光による測定の際、反射、散乱、透過光量変化が発生しにくい位相物体試料の測定とS/N比の向上を、複雑な光学系構成を伴うことなく可能とすることができる。
そして、本発明では、前記被覆層を金属膜で形成することにより、単層膜の簡便な膜構成にて所望の反射・透過特性を備える被覆層を実現可能な光ファイバプローブを提供することができる。
また、本発明では、前記被覆層を誘電体で形成することにより、吸収損失のない、所望の反射・透過特性を備える被覆層を実現可能な光ファイバプローブを提供することができる。
In the optical fiber probe of the present invention, after being emitted from the probe, the light reflected by the sample and collected again by the probe, and the light reflected by the inner surface (coated thin film) of the probe without being emitted from the probe By providing a coating layer that can detect a change in the intensity of interference light with respect to a phase object sample that is unlikely to undergo reflection, scattering, or transmitted light amount change during measurement with normal propagation light, and S / N The ratio can be improved without a complicated optical system configuration.
According to the present invention, there is provided an optical fiber probe capable of realizing a coating layer having desired reflection / transmission characteristics with a simple film configuration of a single layer film by forming the coating layer from a metal film. it can.
Further, according to the present invention, it is possible to provide an optical fiber probe capable of realizing a coating layer having desired reflection / transmission characteristics without absorption loss by forming the coating layer with a dielectric.
本発明の光検出装置では、プローブから射出された後、試料にて反射し再度プローブにて収集された光と、プローブから射出されずにプローブの内面(被覆薄膜)にて反射された光との干渉光強度の変化を検出することを可能とする被覆層を有する光ファイバプローブを備えることにより、通常伝搬光による測定の際、反射、散乱、透過光量変化が発生しにくい位相物体試料の測定とS/N比の向上を簡便な光学系構成にて可能とすることができる。
そして、本発明では、干渉光強度が一定の値となるように光ファイバプローブと被測定面を相対移動させることにより、干渉信号のダイナミックレンジの範囲以上の高低差を有する試料の形状計測が可能な光検出装置を提供することができる(なお、干渉光信号は、プローブ−試料間距離が入射光波長の1/2を周期とした正弦波信号であるため、干渉信号測定においては1/4波長分の距離変化が測定ダイナミックレンジとなる)。
また、本発明では、上記の「一定の値」を、光ファイバプローブと被測定面とを近接・離間する方向へ相対移動させた際に生じる干渉光強度信号変化の極小値、極大値の中間・中央値とすることにより、プローブ−試料間距離の変化に対する干渉信号感度が最高となるため、より高感度な測定が可能な光検出装置を提供することができる。
In the light detection device of the present invention, after being emitted from the probe, the light reflected by the sample and collected again by the probe, and the light reflected from the inner surface (coated thin film) of the probe without being emitted from the probe Measurement of a phase object sample that is less likely to cause reflection, scattering, and transmitted light intensity changes when measuring with normal propagating light by providing an optical fiber probe with a coating layer that can detect changes in interference light intensity And the S / N ratio can be improved with a simple optical system configuration.
In the present invention, the shape of a sample having a height difference exceeding the dynamic range of the interference signal can be measured by relatively moving the optical fiber probe and the measurement surface so that the interference light intensity becomes a constant value. (The interference light signal is a sine wave signal whose probe-sample distance is a period of 1/2 of the incident light wavelength. Therefore, in interference signal measurement, the interference light signal is 1/4. The change in distance for the wavelength is the measurement dynamic range).
In the present invention, the “fixed value” is the intermediate value between the minimum value and the maximum value of the interference light intensity signal change that occurs when the optical fiber probe and the measurement surface are moved relative to each other in the approaching / separating direction. -By setting the median value, the sensitivity of the interference signal with respect to the change in the distance between the probe and the sample is maximized, so that it is possible to provide a photodetection device capable of measuring with higher sensitivity.
本発明の光検出方法では、プローブから射出された後、試料にて反射し再度プローブにて収集された光と、プローブから射出されずにプローブの内面(被覆薄膜)にて反射された光との干渉光強度の変化を検出することを可能とする被覆層を有する光ファイバプローブを用いることにより、通常伝搬光による測定の際、反射、散乱、透過光量変化が発生しにくい位相物体試料の測定とS/N比の向上を簡便な光学系構成にて可能とすることができる。
そして、本発明では、干渉光強度が一定の値となるように光ファイバプローブと被測定面を相対移動させることにより、干渉信号のダイナミックレンジの範囲以上の高低差を有する試料の形状計測が可能な光検出方法を実現することができる。
また、本発明では、上記の「一定の値」を、光ファイバプローブと被測定面とを近接・離間する方向へ相対移動させた際に生じる干渉光強度信号変化の極小値、極大値の中間・中央値とすることにより、プローブ−試料間距離の変化に対する干渉信号感度が最高となるため、より高感度な測定が可能な光検出方法を実現することができる。
In the light detection method of the present invention, after being emitted from the probe, the light reflected by the sample and collected again by the probe, and the light reflected from the inner surface (coated thin film) of the probe without being emitted from the probe By using an optical fiber probe with a coating layer that can detect changes in the intensity of interference light, measurement of a phase object sample that is less likely to cause reflection, scattering, or transmitted light intensity changes during measurement with normal propagation light And the S / N ratio can be improved with a simple optical system configuration.
In the present invention, the shape of a sample having a height difference exceeding the dynamic range of the interference signal can be measured by relatively moving the optical fiber probe and the measurement surface so that the interference light intensity becomes a constant value. A simple light detection method can be realized.
In the present invention, the “fixed value” is the intermediate value between the minimum value and the maximum value of the interference light intensity signal change that occurs when the optical fiber probe and the measurement surface are moved relative to each other in the approaching / separating direction. -By setting the median value, the sensitivity of the interference signal with respect to the change in the probe-sample distance is maximized, so that it is possible to realize a photodetection method capable of measuring with higher sensitivity.
以下、本発明の構成、動作及び作用を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration, operation and action of the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
まず、本発明の光ファイバプローブと、その光ファイバプローブを備えた光検出装置の概要及び測定過程(光検出方法)を、図1の光検出装置の概略構成図に基いて説明する。
図1に示す光検出装置1は、例えば試料の微小領域における光学物性を測定する近接場光学顕微鏡等に適用され、光を射出する光源11と、光源11から射出された光の光路中に配置されたビームスプリッタ12と、ビームスプリッタ12を透過した光の光路中に配置された1/2波長板18a及び1/4波長板18bと、1/2波長板18aと1/4波長板18bを通過した光を集光して試料2における被測定面2aに照射する光ファイバプローブ13と、被測定面2aからの戻り光を検出する光検出器14と、を備えている。
First, the outline and measurement process (light detection method) of the optical fiber probe of the present invention and the light detection apparatus including the optical fiber probe will be described based on the schematic configuration diagram of the light detection apparatus in FIG.
A
光源11は、不図示の電源装置を介して受給した駆動電源に基づき光を発振する。また、光波長変換部17では、光源11から射出される光の波長を切り替えが可能であり、後述するように、波長を変更することによる光スポット径制御の際に使用する。
The
ビームスプリッタ12は、光源11から射出された光を透過させて、被測定面2aへ導くとともに、被測定面2aからの戻り光を反射させて光検出器14へ導く。このビームスプリッタ12を透過した光は1/2波長板18a、1/4波長板18bへ入射される。
The
光源11から射出された直線偏光の光は、1/2波長板18aと1/4波長板18bを通過して偏光状態を調整され、光ファイバプローブのコア31へ入射される。ここで波長板18a,18bは、光プローブ31内の光導波部21が曲率を有する場合に生じる導波光の偏光の乱れ(楕円化及び回転)を調整し、突出部22に入射する光を直線偏光にする役割を担う。なお、1/2波長板18aと1/4波長板18bは、いずれも後述する近接場光測定にて用いる。
The linearly polarized light emitted from the
光ファイバプローブ13へ入射した光は、一部がプローブ射出面にて反射し、さらに別の一部がプローブから射出され試料面2aにて反射した後、プローブ射出面を再度透過し光ファイバプローブ13の内部へ戻り、2つの光はファイバコア31内で合波し、干渉しながら共に光検出器14に入射し、干渉縞を形成する。通常伝搬光においては、干渉縞が形成されていることによる干渉強度信号の変化を検出する。測定の詳細は後述する。
A part of the light incident on the
光ファイバプローブ13は、光導波部21と、遮光性被覆層33で覆われた突出部(光プローブ部)22とを備えている。光導波部21は、コア31の周囲にクラッド32が設けられた光ファイバにて構成されている。コア31及びクラッド32は、それぞれ二酸化シリコン系ガラスから成り、ゲルマニウム、リン等を添加することにより、コア31よりもクラッド32の屈折率が低くなるように組織制御されている。
The
突出部(光プローブ部)22は光導波部21の一端においてクラッドから突出させた円錐形状のコアによって成り、第1のテーパ部20a(通常伝搬光を射出する射出面)、第2のテーパ部20b(近接場光を滲出させる射出面)にて構成されている。
The protruding portion (optical probe portion) 22 is composed of a conical core protruding from the clad at one end of the
光ファイバプローブ13は、光検出装置1のプローブ制御部15に装着されている。このプローブ制御部15は、例えば移動制御手段としての3軸アクチュエータ等により構成され、光ファイバプローブ13を被測定面2aに対して近接・離間させる方向に移動させる、あるいは水平方向に走査させる。なお、このプローブ制御部15は、光ファイバプローブ13を被測定面2aに対して近接・離間する方向に移動させる代わりに、被測定面2aを光ファイバプローブ13に対して近接・離間する方向へ移動させる構成としても良い。
The
光検出器14は、被測定面2a(例えば、被測定対象となる位相物体がマウントされている)からの戻り光、及び不図示の参照鏡からの反射光を併せて受光し、干渉縞強度情報を取得する。これを光電変換することにより、干渉光強度分布信号を生成する。この光検出器14により生成された干渉光強度分布信号を基に作成した画像は、不図示の表示装置上に表示される。ユーザは、不図示の表示装置上に表示される画像に基づき、被測定面2a上の位相物体の詳細を測定、観察することができる。
The
次に、光ファイバプローブ13の構成についてより詳しく述べる。
図1に示す光検出装置1の光ファイバプローブ13の拡大説明図を図2に示す。まず、図2(a)に基づき、光ファイバプローブ13の第1テーパ部20a(通常伝搬光を射出する射出面)の構成と、伝搬光により形成される光スポット特性、及び伝搬光による干渉光信号特性について説明する。
Next, the configuration of the
FIG. 2 is an enlarged explanatory view of the
まず、光スポット特性について述べる。コア31内を伝搬する光41(以下、伝搬光と言う)は、光ファイバプローブ13に達した後、第1テーパ部20aを介して光ファイバプローブ外に射出される。ここで、光ファイバプローブ13の第1テーパ部20aの表面は、円錐テーパ形状であり、第1テーパ部20aの表面の法線43と伝搬光の光軸42との成す角θ1(以下、傾斜角θ1)が伝搬光における全反射角未満、かつ0度より大きい形状である。このことにより、光ファイバプローブ13に入射した伝搬光の大部分が、遮光性被覆層33を透過した後、屈折光として光ファイバプローブ13の外部に射出され、射出された光は、光ファイバプローブ13の先端から数百nm〜数μm程度離れた位置で集光し、高い光強度を有する光スポットを形成する。
First, the light spot characteristics will be described.
ちなみに、図2(a)のように第1のテーパ部20aが円錐テーパ形状を成す光ファイバプローブ13の代替として、図2(b)に示すように、第1のテーパ部20aが曲面形状を成す光ファイバプローブ13としてもよい。また、先願技術1の特許文献2にて開示されているような近接場光滲出面を持たない、もしくは近接場光滲出面と通常伝搬光射出面が同一角度のテーパ面で構成されている構成でも同様の光スポット形成機能を得ることができる。
Incidentally, as an alternative to the
光ファイバプローブ13の先端から離れた位置で集光し、高い光強度を有する光スポットを形成する現象は、傾斜角θが伝搬光における全反射角未満である際に固有の現象である。従来の傾斜角θが全反射角以上に形成されてなる光ファイバプローブにおいては、プローブ先端部近傍で最も高く、プローブ先端から離れるにつれ光強度は急速に低下し、光強度の低い光スポットしか形成し得ない。
The phenomenon of condensing light at a position away from the tip of the
光ファイバプローブ先端−集光スポット間距離は、第1のテーパ部20aの傾斜角により制御できる。
図6に、第1テーパ部の傾斜角毎の、光プローブ先端−集光スポット間距離の推移の一例を示す。同図は第1テーパ部20aの屈折率1.53、射出媒質が空気である場合であり、全反射角40°を境にそれを下回る入射角度において、光ファイバプローブ13の先端から数百nm〜数μm程度離れた位置で集光していることを表している。
また、集光スポットを光ファイバプローブ13の先端から離れた位置に形成するには、第1テーパ部20a(通常伝搬光を射出する射出面)と第2テーパ部20b(近接場光を滲出させる射出面)の直径比(図2(a)中のAでBを除したもの)を比較的小さい値に留める必要がある。図7に、前記直径比(B/A)を変化させた際の、光ファイバプローブ先端−集光スポット間距離の推移の一例を示す。図7から、直径比を0.25以下とすることで、集光スポットを光ファイバプローブの先端から離れた位置に形成できることがわかる。
The distance between the tip of the optical fiber probe and the focused spot can be controlled by the inclination angle of the
FIG. 6 shows an example of the transition of the distance between the tip of the optical probe and the focused spot for each inclination angle of the first taper portion. The figure shows a case where the refractive index of the
Further, in order to form the focused spot at a position away from the tip of the
また、上記光スポット径は、第1テーパ部20aの根元の径D、傾斜角θ、及び、伝搬光の波長によって制御できる。このことを利用し、必要な測定分解能と同程度の光スポット径をとるように第1テーパ部20aの根元の径D、傾斜角θ、及び、伝搬光の波長を決定する。
光スポット径を小さくする場合、第1テーパ部20aの根元の径Dを小さく、傾斜角θを大きくすること、及び、伝搬光に波長の短い光を用いることにより実現できる。逆に、光スポット径を大きくする場合には、第1テーパ部20aの根元の径Dを大きく、傾斜角θを小さくすること、及び、伝搬光に波長の長い光を用いればよい。
The light spot diameter can be controlled by the diameter D of the base of the
The light spot diameter can be reduced by reducing the base diameter D of the
図8に、第1テーパ部20aの傾斜角が10°の場合における、伝搬光の波長を変化させた際の、光スポット径の推移を示す。任意のスポット径を形成する一例として数値の具体例を示すと、屈折率が1.53の第1テーパ部20aから空気中に光が射出される場合において、光スポット径を0.4μm(半値全幅)に制御する際は、第1テーパ部20aの根元径Dを2μm、傾斜角20度、伝搬光の波長を0.4μmとすればよい。ちなみに、この場合において、光ファイバプローブ先端−集光スポット間距離は1.2μmとなる。
FIG. 8 shows the transition of the light spot diameter when the wavelength of the propagating light is changed when the inclination angle of the first
次に、光プローブ干渉光信号の特性について説明する。
本発明の光ファイバプローブにおいては、図3(a)のような原理で光干渉が生じることを利用する。光ファイバプローブに入射した光は、通常伝搬光射出面20aに付設された被覆膜により、(1) のプローブ内部反射光と、(2) の試料表面反射光に分離される。(2) の光は先に述べたように集光され試料表面上に光スポットを形成し、試料によって反射され、再度前記被覆膜を透過し、(1) の光と共にファイバ内を導波し戻る。この際、同一の光路をとる(1)及び(2)の光は互いに干渉することで、先に示した図1における光検出器14では干渉光信号が検出される。この干渉光信号は図3(a)におけるWDの変化に対し、入射光波長の1/2周期で正弦波状に変化する信号であり、図3(b)の式におけるIとして表わされる。WDの微小な変化や試料面上に配置された微小な位相物体の有無により、式におけるφ2が変化することで、Iの変化として検出することができる。
Next, characteristics of the optical probe interference optical signal will be described.
The optical fiber probe of the present invention utilizes the fact that optical interference occurs on the principle as shown in FIG. The light incident on the optical fiber probe is separated into (1) probe internal reflected light and (2) sample surface reflected light by the coating film attached to the normal propagation
ここで、本発明の測定方法を実施するには、干渉光強度変化のコントラストを高い値とする必要がある。図3(b)の式から、コントラストを最大とする条件はI1=I2である。このことを考慮し、例えば図3(a)における射出面20aの被覆層が金属単層膜であれば、その膜厚を調整することで先の条件を実現できる。一例として図4に、被測定面の反射率が100%、プローブの傾斜角を15deg、被覆層の材質をAuとした場合の、被覆層の膜厚に対してのI1とI2の差、及び干渉光強度のコントラストの変化を示す。図4より、膜厚が18nm程度の際に、光強度差がゼロとなりコントラストが極大値をとることがわかる。この図に基づき、例えばコントラストを0.5以上とする膜厚範囲(図より10〜26nm程度)の膜厚を選択することで、高感度、高S/N比での測定が可能になる。
Here, in order to implement the measurement method of the present invention, it is necessary to set the contrast of the interference light intensity change to a high value. From the equation of FIG. 3B, the condition for maximizing the contrast is I1 = I2. Considering this, for example, if the coating layer of the
ちなみに、射出面20aの被覆層の材質を、先に述べたような金属ではなく誘電体膜とすることで、膜での吸収損失が無いことにより、金属の場合と同等の高いコントラストを得ることができる。この場合は、誘電体膜を多層膜とし、層数、積層材質を適切に選択することで実現できる。
By the way, the material of the coating layer of the
被覆層が金属であることにより吸収損失が生じることについて述べたが、この場合においても、遮光性被覆層33の複素屈折率の分散特性を考慮し、光透過率を最大値あるいはその近傍の値とする波長を選択することで、光ファイバプローブ13から射出される光の光強度を向上させることができ、吸収損失による光干渉強度の低下を最小限に抑制することができる。一般に、光透過率分布は図9のような凸形状を成す。ここで、本発明の光検出装置及び光検出方法に係る「光透過率を最大値の近傍の値とする波長」とは、光透過率が、最大値T0の1/2の値(T1)をとる際の波長をλ11、λ12、とした場合の、λ11以上λ12以下の波長帯(図9における灰色の網掛け部)に収まる波長のことをいう。例えばAuの場合には、480〜700nm程度の波長帯に収まる波長の光を選択することが望ましい。
Although it has been described that an absorption loss occurs when the coating layer is made of metal, in this case as well, the light transmittance is set to a maximum value or a value in the vicinity thereof in consideration of the dispersion characteristics of the complex refractive index of the light-shielding
上述の光スポット特性、及び干渉光信号特性を考慮した上で光ファイバプローブ13の各パラメータ(入射光波長、テーパ角、膜厚、等)を調整することにより、高い横分解能でかつ高感度、高S/N比の伝搬光(広範囲)測定が可能となる。
By adjusting each parameter (incident light wavelength, taper angle, film thickness, etc.) of the
次に、図2(a)に基づき、光ファイバプローブ13の第2テーパ部20b(近接場光を滲出させる射出面)の構成について説明する。
コア31内を伝搬する光41(以下、伝搬光と言う)のうち、ファイバ光軸近傍の成分は、光ファイバプローブ13に達した後、第2テーパ部20bに入射する。ここで、光ファイバプローブ13の第2テーパ部20bの表面は、円錐テーパ形状であり、第2テーパ部20bの表面の法線43と伝搬光の光軸42との成す角θ2(以下、傾斜角θ2)が伝搬光における全反射角以上、かつ90度未満となる形状である。このことにより、光ファイバプローブ13に入射した伝搬光の大部分が、遮光性被覆層33と光ファイバプローブ13のコア31との界面で反射するが、この際、一部の光は遮光性被覆層33の表面に滲出し、遮光性被覆層33に沿って光ファイバプローブ13の先端部に向けて伝搬し、前記先端部に局在する表面プラズモンとなる。以上の過程で得られた表面プラズモンにより、光ファイバプローブ13の先端部近傍において近接場光スポットを形成できる。
ここで、遮光性被覆層33は、如何なる材質であってもよいが、表面プラズモンによる近接場光の増強効果が得られること、及び化学的安定性に優れることからAu薄膜とすることが望ましい。
Next, based on FIG. 2A, the configuration of the second
Of the light 41 propagating in the core 31 (hereinafter referred to as propagating light), the component in the vicinity of the fiber optical axis reaches the
Here, the light-shielding
例えばAu薄膜の場合、図10に示すように、近接場光強度の波長依存性がある。そこで、上述の依存性に基づいた入射光波長を選択することで、光ファイバプローブ13から射出される光の光強度を向上させることができる。一般に、光透過率分布は図10のような凸形状を成す。ここで、本発明の光検出装置及び光検出方法に係る「光透過率を最大値の近傍の値とする波長」とは、光透過率が、最大値P0の1/2の値(P1)をとる際の波長をλ11、λ12、とした場合の、λ11以上λ12以下の波長帯(図10における灰色の網掛け部)に収まる波長のことをいう。例えばAuの場合には、480〜700nm程度の波長帯に収まる波長の光を選択することが望ましい。
For example, in the case of an Au thin film, as shown in FIG. 10, there is wavelength dependence of near-field light intensity. Therefore, the light intensity of the light emitted from the
また、近接場光スポットの光強度は、上述の光波長依存性と同様、図11に示すような前記テーパ部の傾斜角θ2に対する依存性が有る。上述の依存性を考慮した傾斜角θ2を選択することで、発生する近接場光強度を向上させることができる。ここで、本発明の光検出装置及び光検出方法に係る「近接場光強度を最大値の近傍の値とする傾斜角」とは、近接場光強度が、最大値P0の1/2の値(P1)をとる際の傾斜角をθa、θb、とした場合の、θa以上θb以下の範囲(図11における灰色の網掛け部)に収まる傾斜角のことをいう。例えば遮光性被覆層33がAu、入射光波長が532nmの場合には、45°〜55°程度の傾斜角θ2とすることが望ましい。
Further, the light intensity of the near-field light spot has a dependency on the inclination angle θ 2 of the tapered portion as shown in FIG. By selecting the inclination angle θ 2 in consideration of the above-described dependence, the generated near-field light intensity can be improved. Here, the “tilt angle that makes the near-field light intensity a value close to the maximum value” according to the light detection apparatus and the light detection method of the present invention means that the near-field light intensity is ½ of the maximum value P 0 . This means an inclination angle that falls within the range of θ a to θ b (gray shaded portion in FIG. 11) when the inclination angle when taking the value (P 1 ) is θ a , θ b . For example, when the light-shielding
さらに、先に挙げた図2(a)などの光ファイバプローブ13のように、第2テーパ部20b(近接場光を滲出させる射出面)を遮光性被覆層33によって全て覆うのではなく、図5に示すように、光ファイバプローブ13の先端だけ遮光性被覆層33が付いていない(微小開口23を有している)光ファイバプローブとしてもよい。
上述の第2テーパ部20bの構成により、高強度な近接場光スポットが得られることから、高S/N比での近接場光測定が可能となる。
Further, as in the
With the configuration of the second
次に、以上のような構成からなる光検出装置における測定過程について概説する。
まず、光検出装置1における伝搬光測定(広範囲測定)の位相差測定過程を示す。図1において、光源11から射出された直線偏光成分を有する波長λの光は、ビームスプリッタ12を透過し、1/2波長板18aと1/4波長板18bを透過し、光ファイバプローブ13へ入射される。光ファイバプローブ13に入射された光は、そのままコア31内を伝搬し、光ファイバプローブ13の突出部22から射出された光は、光ファイバプローブ13の先端から離れた位置で集光し、光スポットを形成する。
ここで、プローブ制御部15により光ファイバプローブ13を被測定面に対して近接・離間させる方向に移動させ、前述した集光により形成された光スポットの位置に試料2の被測定面2aの位置を一致させる。この際に用いられる光ファイバプローブ先端−集光スポット間距離の情報については、予め実験等により取得しておく。
Next, an outline of the measurement process in the photodetection device having the above configuration will be described.
First, a phase difference measurement process of propagation light measurement (wide range measurement) in the
Here, the
次にプローブ制御部15により、光ファイバプローブ13を被測定面2a(ここで試料2の被測定面2aは十分に平坦であり、被測定対象である位相物体がマウントされている)に対して水平方向に走査する。光ファイバプローブ13から射出された光は、被測定面2aにて反射し再び光ファイバプローブ13内を戻り光として伝搬し、1/4波長板18bと1/2波長板18aを透過し、ビームスプリッタ12で反射されて光検出器14に入射する。前記戻り光は、被測定面2a上に存在する位相物体試料に入射して透過し、被測定面2aの表面にて反射し、再び前記位相物体を透過して得られるものであり、前記位相物体の位相差情報を含んでいる。この前記戻り光と、図3(a)で示したプローブ内部反射光とを併せて、光検出器14にて干渉光強度情報として検出することで、ユーザは被測定面2a上の位相物体により生じた位相差情報を不図示の表示装置上に表示される画像から得ることができる。
Next, the
なお、本発明の光検出装置1では、光ファイバプローブ13を試料2の被測定面2aに対して水平方向に走査する際、光ファイバプローブ13の被測定面2aに対する高さを固定することで(プローブ−試料間距離は試料の凹凸により変化する)、かかる測定中において近接・離間方向への制御が不要となる。これは、先に示したプローブ先端−集光スポット間距離の長さ(数百nm〜数μm程度)と相俟って、より高速な走査が可能となり、測定時間の大幅な短縮につながる。さらに、従来の近接場光測定時と比較した場合、測定点一点当たりの測定範囲が広いことから、同一の測定点数、測定ライン(走査ライン)数において広範囲の測定を実現できる。
In the
さらに、光ファイバプローブ13からの射出光が集光していない場合と比較して、より多くの被測定面2aからの戻り光を得られ、その結果、S/N比の向上に伴う高コントラストな測定結果をユーザに提供できる。
以上のことにより、伝搬光(広範囲)測定時における、効率的な光検出と高速化を可能とする光検出装置及び光検出方法を実現することができる。
Furthermore, compared with the case where the light emitted from the
As described above, it is possible to realize a light detection apparatus and a light detection method that enable efficient light detection and high speed at the time of propagation light (wide range) measurement.
次に、光検出装置1における伝搬光測定(広範囲測定)の形状測定過程の一例を示す。
図1において、光源11から射出された直線偏光成分を有する波長λの光は、ビームスプリッタ12を透過し、1/2波長板18aと1/4波長板18bを透過し、光ファイバプローブ13へ入射される。光ファイバプローブ13に入射された光は、そのままコア31内を伝搬し、光ファイバプローブ13の突出部22から射出された光は、光ファイバプローブ13の先端から離れた位置で集光し、光スポットを形成する。
ここで、プローブ制御部15により光ファイバプローブ13を試料2の被測定面2aに対して近接・離間させる方向に移動させ、前述した集光により形成された光スポットの位置に被測定面2aの位置を一致させる。この際に用いられるプローブ先端−集光スポット間距離の情報については、予め実験等により取得しておく。
Next, an example of the shape measurement process of propagation light measurement (wide range measurement) in the
In FIG. 1, light having a wavelength λ having a linearly polarized light component emitted from the
Here, the
次にプローブ制御部15により、光ファイバプローブ13を被測定面2a(ここで試料2の被測定面2aは凹凸を有する面とする)に対して水平方向に走査する。この際、被測定面2aの形状分布に応じて光路長(図3(a)におけるWD)が変化することに伴い干渉光強度が変動するが、この変動を一定値とするようにWDをサーボ制御する。すなわちWDを一定に保ちながら水平方向走査を行う。この際の光ファイバプローブ13の軌跡をマッピングすることで被測定面2aの形状分布を取得することができる。
Next, the
また、前記一定値を、上記光ファイバプローブ13と上記被測定面2aとを近接・離間する方向へ相対移動させた際に生じる干渉光強度信号変化の極小値、極大値の中間・中央値とすることにより、プローブ−試料間距離の変化に対する干渉信号感度が最高となるため、より高感度な形状測定が可能となる。
Further, a minimum value of the interference light intensity signal change generated when the
なお、前述の位相測定手順のところで述べた、「光ファイバプローブ13の被測定面2aに対する高さ(Z座標)を固定」した測定方法を形状測定に適用した場合、干渉光信号変動の周期性から、その半周期分(入射光波長の1/4)の位相変化の範囲に測定ダイナミックレンジが限定されてしまうが、上記の形状測定方法を用いることで、干渉光信号変動の位相変化の範囲に限定されない広い測定ダイナミックレンジを得ることができる。
When the measurement method described in the above-described phase measurement procedure “fixing the height (Z coordinate) of the
以上のことにより、伝搬光(広範囲)測定時において、位相物体の分布及び微小な段差形状分布の高感度、高S/N比の測定を可能とする光検出装置及び光検出方法を実現することができる。前述の先願技術2では干渉光学系の構築にあたり、参照鏡等の部品の付加が必要であったが、本発明の構成により、光ファイバプローブ13の被覆層33に工夫を施すのみの簡便な構成にて干渉光学系を実現することができる。
As described above, it is possible to realize a light detection apparatus and a light detection method capable of measuring a phase object distribution and a minute step shape distribution with high sensitivity and a high S / N ratio at the time of propagation light (wide range) measurement. Can do. In the above-described
次に、光検出装置1における近接場光測定(高分解能測定)の測定過程を示す。
図1において、光源11から射出された直線偏光成分を有する光は、ビームスプリッタ12を透過し、1/2波長板18aと1/4波長板18bにより偏光成分を制御された上で、光ファイバプローブ13へ入射される。光ファイバプローブ13に入射された光は、そのままコア31内を伝搬し、光ファイバプローブ19の遮光性被覆層33に入射する。このとき、遮光性被覆層33の射出端側にエバネッセント波としての近接場光が滲出する。近接場光が滲出している状態で、プローブ制御部15により、光ファイバプローブ13を被測定面2aに対して近接する方向に移動させる。このとき、光ファイバプローブ13の先端と試料2の被測定面2aとの距離が、光源11から射出される光の波長λの1/4以下となる場合において、光ファイバプローブ13から滲出した近接場光が被測定面2a上に照射され、被測定面2a上には近接場光による微小な光スポットが形成される。光スポットを形成した近接場光は、遮光性被覆層33を透過して光ファイバプローブ13のコア31内を伝搬し、1/4波長板18bと1/2波長板18aを透過し、ビームスプリッタ12で反射されて光検出器14に導かれる。以上のようにして、試料2の被測定面2aの高分解能測定を行う。
Next, a measurement process of near-field light measurement (high resolution measurement) in the
In FIG. 1, light having a linearly polarized component emitted from a
以上のことから、本発明の光検出装置1においては、装着された一つの光ファイバプローブ13を試料2の被測定面2aに対して近接・離間する方向に移動させることにより、伝搬光によるスポット又は近接場光によるスポットを選択的に切り替えて被測定面2a上に形成させることができるため、一つの光ファイバプローブ13により、伝搬光を利用した広範囲測定と、近接場光を利用した高分解能測定の双方を実現することができる。
From the above, in the
上述のように、本発明では、近接場光を利用した高分解能測定を実現し得る測定システムにおいて、広範囲測定のみに使用する光ファイバプローブを別途配置する必要がなくなることから、装置規模、あるいは台数の縮減を図ることが可能となり、ひいては製造コストを大幅に削減することが可能となる。 As described above, according to the present invention, in the measurement system capable of realizing high-resolution measurement using near-field light, it is not necessary to separately arrange an optical fiber probe used only for wide-range measurement. Can be reduced, and as a result, the manufacturing cost can be greatly reduced.
1:光検出装置
2:試料
2a:被測定面
11:光源
12:ビームスプリッタ
13:光ファイバプローブ
14:光検出器
15:プローブ制御部
17:光波長変換部
18a:1/2波長板
18b:1/4波長板
20a:第1テーパ部(通常伝搬光を射出する射出面)
20b:第2テーパ部(近接場光を滲出させる射出面)
21:光導波部(光ファイバ)
22:突出部(光プローブ部)
31:コア
32:クラッド
33:被覆層
41:コア内を伝搬する光(伝搬光)
42:伝搬光の光軸
43:法線
A:第1テーパ部の直径
B:第2テーパ部の直径
D:第1テーパ部の根元の径
WD:プローブ−試料間距離
1: Photodetector 2:
20b: 2nd taper part (exit surface which exudes near-field light)
21: Optical waveguide (optical fiber)
22: Protruding part (optical probe part)
31: Core 32: Clad 33: Covering layer 41: Light propagating in the core (propagating light)
42: Optical axis of propagating light 43: Normal A: Diameter of the first taper part B: Diameter of the second taper part D: Diameter of the base of the first taper part WD: Distance between probe and sample
Claims (14)
前記通常伝搬光を射出する射出面に入射した光のうち、前記射出面にて反射され、前記光ファイバに再度戻り伝搬する光の強度と、前記射出面から射出され、被測定面にて反射し、前記射出面を透過した後、前記光ファイバに再度戻り伝搬する光の強度とが、同一になるような前記被覆層を備えることを特徴とする光ファイバープローブ。 An optical fiber having a core for propagating light emitted from a light source has an exit surface for emitting normal propagation light and an exit surface for leaching near-field light concentrically, and the exit surface for leaching the near-field light. Further, a coating layer for the exudation is formed, and a coating layer that reflects a part of the light incident on the emission surface and transmits another part is provided on the emission surface that emits the normal propagation light. In optical fiber probe,
Of the light incident on the exit surface that emits the normal propagation light, the intensity of the light that is reflected by the exit surface and propagates back to the optical fiber, and the light that is emitted from the exit surface and reflected by the surface to be measured An optical fiber probe comprising the coating layer such that the intensity of the light transmitted through the exit surface and returning to the optical fiber is the same.
前記通常伝搬光を射出する射出面と、前記近接場光を滲出させる射出面とを同心面状に有し、前記近接場光を滲出させる射出面に、前記滲出のための被覆層が形成され、さらに前記通常伝搬光を射出する射出面に、前記射出面に入射した光の一部を反射し、別の一部を透過させる被覆層を備え、前記通常伝搬光を射出する射出面が外周側で、かつ光の伝搬する光軸に対する射出面における法線の傾斜角が各射出面で異なることを特徴とする光ファイバープローブ。 The optical fiber probe according to claim 1,
The exit surface that emits the normal propagation light and the exit surface that exudes the near-field light are concentric, and a coating layer for the exudation is formed on the exit surface that exudes the near-field light. The exit surface for emitting the normal propagation light further includes a coating layer that reflects part of the light incident on the exit surface and transmits another part, and the exit surface for emitting the normal propagation light has an outer periphery. An optical fiber probe characterized in that the angle of inclination of the normal line on the exit surface with respect to the optical axis through which light propagates is different for each exit surface.
前記通常伝搬光を射出する射出面の被覆層は、金属の薄膜によって形成されて成ることを特徴とする光ファイバープローブ。 The optical fiber probe according to claim 1 or 2,
The optical fiber probe according to claim 1, wherein the coating layer on the exit surface for emitting the normal propagation light is formed of a metal thin film.
前記通常伝搬光を射出する射出面の被覆層は、誘電体の単層膜もしくは多層膜によって形成されて成ることを特徴とする光ファイバープローブ。 The optical fiber probe according to claim 1 or 2,
The optical fiber probe according to claim 1, wherein the covering layer on the emission surface for emitting the normal propagation light is formed of a single layer film or a multilayer film of a dielectric.
前記射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバの前記コア先端に光を射出する光プローブが形成されて成る光ファイバプローブと、
前記光ファイバのコアを伝搬した伝搬光、あるいは前記コア先端から滲出した近接場光の何れかに基づくスポットが被測定面に形成されるように、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させる移動制御手段、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させる移動制御手段と、
前記被測定面からの戻り光を検出する検出手段と、
を備える光検出装置において、
前記光ファイバプローブが、通常伝搬光を射出する射出面と近接場光を滲出させる射出面を同心面状に有し、前記近接場光を滲出させる射出面に、前記滲出のための被覆層が形成され、さらに前記通常伝搬光を射出する射出面に、前記射出面に入射した光の一部を反射し、別の一部を透過させる被覆層を備える光ファイバープローブであって、
前記通常伝搬光を射出する射出面に入射した光のうち、前記射出面にて反射され、前記光ファイバに再度戻り伝搬する光の強度と、前記射出面から射出され、前記被測定面にて反射し、前記射出面を透過した後、前記光ファイバに再度戻り伝搬する光の強度とが、同一になるような前記被覆層を備える光ファイバプローブであることを特徴とする光検出装置。 A light source that emits light;
An optical fiber probe in which an optical probe for emitting light is formed at the tip of the core of an optical fiber having a core for propagating the emitted light;
The optical fiber probe is placed on the surface to be measured so that a spot based on either the propagating light propagated through the core of the optical fiber or the near-field light exuding from the tip of the core is formed on the surface to be measured. Movement control means for moving in the direction of approaching / separating, or movement control means for moving the measured surface in the direction of approaching / separating with respect to the optical fiber probe,
Detecting means for detecting return light from the surface to be measured;
In a photodetection device comprising:
The optical fiber probe has an exit surface for emitting normal propagation light and an exit surface for leaching near-field light concentrically, and a coating layer for leaching is formed on the exit surface for leaching the near-field light. An optical fiber probe comprising a coating layer that is formed and further reflects a part of light incident on the exit surface and transmits another part on an exit surface that emits the normal propagation light,
Of the light incident on the exit surface from which the normal propagation light exits, the intensity of the light that is reflected by the exit surface and propagates back to the optical fiber and is emitted from the exit surface, and is measured at the measured surface. An optical detection apparatus comprising: an optical fiber probe including the coating layer that has the same intensity of light that is reflected and transmitted through the exit surface and then propagates back to the optical fiber.
前記光ファイバプローブが、前記通常伝搬光を射出する射出面と、前記近接場光を滲出させる射出面とを同心面状に有し、前記近接場光を滲出させる射出面に、前記滲出のための被覆層が形成され、さらに前記通常伝搬光を射出する射出面に、前記射出面に入射した光の一部を反射し、別の一部を透過させる被覆層を備え、前記通常伝搬光を射出する射出面が外周側で、かつ光の伝搬する光軸に対する射出面における法線の傾斜角が各射出面で異なる構成の光ファイバプローブであることを特徴とする光検出装置。 The light detection device according to claim 5,
The optical fiber probe has an exit surface for emitting the normal propagation light and an exit surface for exuding the near-field light in a concentric plane, and the exit surface for exuding the near-field light is used for the exudation. A coating layer that reflects a part of the light incident on the exit surface and transmits another part is provided on the exit surface that emits the normal propagation light. An optical detection device comprising: an optical fiber probe having a configuration in which an exit surface to be emitted is on an outer peripheral side and a normal inclination angle of the exit surface with respect to an optical axis through which light propagates is different for each exit surface.
前記光ファイバープローブのコアに前記光源から射出された光を伝搬させ、
前記コアを伝搬した伝搬光に基づくスポットが被測定面に形成されるように、前記移動制御手段により、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させ、
前記2つの光における干渉光強度変化を検出することを特徴とする光検出装置。 The light detection device according to claim 5,
Propagating light emitted from the light source to the core of the optical fiber probe,
Moving the optical fiber probe in a direction approaching / separating from the surface to be measured by the movement control means so that a spot based on the propagation light propagated through the core is formed on the surface to be measured; or Moving the surface to be measured in the direction of approaching / separating from the optical fiber probe;
A photodetector for detecting interference light intensity change in the two lights.
前記光ファイバープローブのコアに前記光源から射出された光を伝搬させ、
前記コアを伝搬した伝搬光に基づくスポットが被測定面に形成されるように、前記移動制御手段により、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させ、
前記2つの光における干渉光強度変化を検出することを特徴とする光検出装置。 The light detection device according to claim 6.
Propagating light emitted from the light source to the core of the optical fiber probe,
Moving the optical fiber probe in a direction approaching / separating from the surface to be measured by the movement control means so that a spot based on the propagation light propagated through the core is formed on the surface to be measured; or Moving the surface to be measured in the direction of approaching / separating from the optical fiber probe;
A photodetector for detecting interference light intensity change in the two lights.
前記干渉光強度が一定の値となるように、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させながら、前記被測定面の表面方向に、前記光ファイバプローブと前記被測定面を相対移動させることを特徴とする光検出装置。 The photodetection device according to claim 7 or 8,
The optical fiber probe is moved in the direction of approaching / separating from the surface to be measured so that the interference light intensity becomes a constant value, or the surface to be measured is An optical detection apparatus, wherein the optical fiber probe and the surface to be measured are moved relative to each other in the direction of the surface of the surface to be measured while moving in a direction away from each other.
前記一定の値を、前記光ファイバプローブと前記被測定面とを近接・離間する方向へ相対移動させた際に生じる干渉光強度信号変化の極小値、極大値の中間・中央値とすることを特徴とする光検出装置。 The light detection device according to claim 9, wherein
The fixed value is a minimum value of the interference light intensity signal change that occurs when the optical fiber probe and the surface to be measured are moved relative to each other in the approaching / separating direction, and an intermediate / median value of the maximum value. A photodetection device.
前記光ファイバープローブのコアに光源から射出された光を伝搬させ、
前記コアを伝搬した伝搬光に基づくスポットが被測定面に形成されるように、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させ、
前記2つの光における干渉光強度変化を検出することを特徴とする光検出方法。 Using a light source that emits light and the optical fiber probe according to claim 1,
Propagating the light emitted from the light source to the core of the optical fiber probe,
The optical fiber probe is moved in a direction approaching / separating from the surface to be measured so that a spot based on the propagation light propagated through the core is formed on the surface to be measured, or the surface to be measured is moved to the surface to be measured Move it toward and away from the optical fiber probe,
An optical detection method, comprising: detecting an interference light intensity change in the two lights.
前記光ファイバープローブのコアに前記光源から射出された光を伝搬させ、
前記コアを伝搬した伝搬光に基づくスポットが被測定面に形成されるように、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させ、
前記2つの光における干渉光強度変化を検出することを特徴とする光検出方法。 Using a light source that emits light and the optical fiber probe according to claim 2,
Propagating light emitted from the light source to the core of the optical fiber probe,
The optical fiber probe is moved in a direction approaching / separating from the surface to be measured so that a spot based on the propagation light propagated through the core is formed on the surface to be measured, or the surface to be measured is moved to the surface to be measured Move it toward and away from the optical fiber probe,
An optical detection method, comprising: detecting an interference light intensity change in the two lights.
前記干渉光強度が一定の値となるように、前記光ファイバプローブを前記被測定面に対して近接・離間する方向へ移動させるか、あるいは前記被測定面を前記光ファイバプローブに対して近接・離間する方向へ移動させながら、前記被測定面の表面方向に、前記光ファイバプローブと前記被測定面を相対移動させることを特徴とする光検出方法。 The light detection method according to claim 11 or 12,
The optical fiber probe is moved in the direction of approaching / separating from the surface to be measured so that the interference light intensity becomes a constant value, or the surface to be measured is A light detection method, wherein the optical fiber probe and the surface to be measured are moved relative to each other in the direction of the surface of the surface to be measured while moving in a separating direction.
前記一定の値を、前記光ファイバプローブと前記被測定面とを近接・離間する方向へ相対移動させた際に生じる干渉光強度信号変化の極小値、極大値の中間・中央値とすることを特徴とする光検出方法。 The light detection method according to claim 13.
The fixed value is a minimum value of the interference light intensity signal change that occurs when the optical fiber probe and the surface to be measured are moved relative to each other in the approaching / separating direction, and an intermediate / median value of the maximum value. A featured light detection method.
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---|---|---|---|
JP2006150205A JP2007322159A (en) | 2006-05-30 | 2006-05-30 | Optical fiber probe, photodetector, and photodetection method |
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WO2015033681A1 (en) * | 2013-09-05 | 2015-03-12 | 株式会社日立製作所 | Scanning probe microscope and sample observation method using same |
RU2718404C1 (en) * | 2019-09-27 | 2020-04-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Method of measuring microrelief of dissimilar surface |
-
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JPWO2015033681A1 (en) * | 2013-09-05 | 2017-03-02 | 株式会社日立製作所 | Scanning probe microscope and sample observation method using the same |
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