JP2012132886A - Method and device for measuring optical characteristics of dielectric on metal thin film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表面に誘電体が形成された金属薄膜に対して励起光を照射することによって、金属薄膜表面に発生する表面プラズモン光を用いて、金属薄膜上に形成された誘電体の光学特性である誘電率εdを測定するための金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法及び金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置に関する。 The present invention relates to optical characteristics of a dielectric formed on a metal thin film using surface plasmon light generated on the surface of the metal thin film by irradiating the metal thin film having a dielectric formed on the surface with excitation light. The present invention relates to a method for measuring optical characteristics of a dielectric on a metal thin film and an apparatus for measuring optical characteristics of a dielectric on a metal thin film for measuring a dielectric constant εd.
従来、薄膜などの光学特性を測定するための方法としては、例えば、特許文献1や特許文献2などに開示されたエリプソメーターを用いた方法が知られている。
図18は、エリプソメーター100を用いて、薄膜102の光学特性を測定する原理を説明するための概略図である。
Conventionally, as a method for measuring optical characteristics of a thin film or the like, for example, a method using an ellipsometer disclosed in Patent Document 1 or Patent Document 2 is known.
FIG. 18 is a schematic diagram for explaining the principle of measuring the optical characteristics of the thin film 102 using the ellipsometer 100.
エリプソメーター100では、薄膜102に対して、偏光した入射光104を入射角φで照射する。そして、薄膜102で反射された反射光106を検知することによって、反射光106の偏光状態を測定する。 The ellipsometer 100 irradiates the thin film 102 with polarized incident light 104 at an incident angle φ. Then, the polarization state of the reflected light 106 is measured by detecting the reflected light 106 reflected by the thin film 102.
そして、入射光104と反射光106の偏光の変化として位相差Δと反射振幅比角ψを求める。この位相差Δと反射振幅比角ψ(通常は、(ψ,Δ)として表される。以下、本明細書においても(ψ,Δ)と記載する)は、入射光104の波長λ、入射角φ、薄膜102の膜厚d、そして、薄膜102の光学特性に依存している。 Then, a phase difference Δ and a reflection amplitude ratio angle ψ are obtained as changes in polarization of the incident light 104 and the reflected light 106. The phase difference Δ and the reflection amplitude ratio angle ψ (usually expressed as (ψ, Δ). Hereinafter, also described as (ψ, Δ) in this specification) are the wavelength λ of the incident light 104 and the incident angle. It depends on the angle φ, the film thickness d of the thin film 102, and the optical characteristics of the thin film 102.
薄膜の光学特性としては、数1で表される複素屈折率と、数2で表される複素誘電関数があげられる。 As the optical characteristics of the thin film, there are a complex refractive index expressed by Formula 1 and a complex dielectric function expressed by Formula 2.
一方で、極微小な物質の検出を行うための検体検出装置として、ナノメートルレベルなどの微細領域中で電子と光とが共鳴することにより、高い光出力を得る現象(表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)を応用した表面プラズモン共鳴装置(以下、「SPR装置」と言う)が知られている。 On the other hand, as a specimen detection apparatus for detecting extremely minute substances, electrons and light resonate in a fine region such as a nanometer level, thereby obtaining a high light output (surface plasmon resonance (SPR: 2. Description of the Related Art A surface plasmon resonance device (hereinafter referred to as “SPR device”) applying Surface Plasmon Resonance is known.
また、表面プラズモン共鳴(SPR)現象を応用した表面プラズモン励起増強蛍光分光法(SPFS:Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy)の原理に基づき、SPR装置よりもさらに高精度に物質の検出を行えるようにした表面プラズモン増強蛍光分光測定装置(以下、「SPFS装置」と言う)もよく知られている。 In addition, based on the principle of surface plasmon excitation enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) using surface plasmon resonance (SPR) phenomenon, it is possible to detect a substance with higher accuracy than an SPR device. The surface plasmon enhanced fluorescence spectrometer (hereinafter referred to as “SPFS device”) is also well known.
この表面プラズモン励起増強蛍光分光法(SPFS)は、光源より照射したレーザー光などの励起光が、金属薄膜表面で全反射減衰(ATR:attenuated total reflectance)する条件において、金属薄膜表面に表面プラズモン光(疎密波)を発生させることによって、光源より照射した励起光が有するフォトン量を数十倍〜数百倍に増やして、表面プラズモン光の電場増強効果を得るようになっている。 In this surface plasmon excitation enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS), the surface plasmon light is applied to the surface of the metal thin film under the condition that excitation light such as laser light irradiated from a light source is attenuated by total reflection (ATR) on the surface of the metal thin film. By generating (dense wave), the photon amount of excitation light irradiated from the light source is increased to several tens to several hundred times, and the electric field enhancement effect of surface plasmon light is obtained.
そして、この電場増強効果により、金属薄膜近傍の金属薄膜近傍に捕捉したアナライトと結合(標識)した蛍光物質を効率良く励起させ、この蛍光を観察することによって、極微量、極低濃度のアナライトを検出する方法である。 This electric field enhancement effect efficiently excites the fluorescent substance bound (labeled) with the analyte trapped in the vicinity of the metal thin film in the vicinity of the metal thin film, and observes this fluorescence, thereby allowing an extremely low concentration of the analyte to be analyzed. This is a method for detecting light.
ところで、このような表面プラズモン光の電場増強効果の指標である電場増強度の絶対値を知ることは、例えば、表面プラズモン励起増強蛍光分光法(SPFS)を用いた、血液検査などの臨床試験のような、高精度の検出が要求される分野においては、電場増強度の絶対値を用いて、検出データを補正することにより、アナライトの検出の測定精度を向上するためには重要である。 By the way, to know the absolute value of the electric field enhancement intensity, which is an index of the electric field enhancement effect of such surface plasmon light, for example, in clinical tests such as blood tests using surface plasmon excitation enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS). In such a field where high-precision detection is required, it is important to improve the measurement accuracy of analyte detection by correcting detection data using the absolute value of the electric field enhancement intensity.
しかしながら、この増強電場は、非伝播光であるため、直接観察することは不可能であり、電場増強の可視化の検討が従来よりなされている。
例えば、非特許文献1(「Surface plasmons at single nanoholes in Au films」, Yin et al., Appl. Phys. Lett., vol. 85, No. 3, 19 July 2004, pp. 468-469)では、入射させた励起光によって発生したプラズモン光と励起光との干渉による干渉縞を、近接場プローブを用いて観察して、電場増強度を測定する試みがなされている。
However, since this enhanced electric field is non-propagating light, direct observation is impossible, and visualization of the electric field enhancement has been conventionally studied.
For example, in Non-Patent Document 1 ("Surface plasmons at single nanoholes in Au films", Yin et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 85, No. 3, 19 July 2004, pp. 468-469), Attempts have been made to measure electric field enhancement by observing interference fringes caused by interference between plasmon light and excitation light generated by incident excitation light using a near-field probe.
すなわち、この非特許文献1の方法では、図19に示したように、誘電体200の上面に金属薄膜(金膜)202を形成するとともに、この中央部分にピンホール204を形成している。そして、誘電体200の真下から、誘電体200を介して、誘電体200の上面に形成した金属薄膜(金膜)202に、励起光206を照射している。 That is, in the method of Non-Patent Document 1, as shown in FIG. 19, a metal thin film (gold film) 202 is formed on the upper surface of the dielectric 200, and a pinhole 204 is formed in the central portion. Then, the excitation light 206 is applied to the metal thin film (gold film) 202 formed on the upper surface of the dielectric 200 through the dielectric 200 from directly below the dielectric 200.
そして、この入射させた励起光206によって、ピンホール204のエッジ部分204aで発生したプラズモン光201と励起光206との干渉による干渉縞を、ピンホール204の直上に配置した近接場プローブ210によって観察している。 Then, an interference fringe due to interference between the plasmon light 201 and the excitation light 206 generated at the edge portion 204 a of the pinhole 204 by the incident excitation light 206 is observed by the near-field probe 210 arranged immediately above the pinhole 204. is doing.
その結果、図20に示したように、同心円状の干渉縞が観察され、これにより、電場増強度を測定(推定)するようになっている。 As a result, as shown in FIG. 20, concentric interference fringes are observed, whereby the electric field enhancement is measured (estimated).
ところで、上述するような干渉縞の干渉縞ピッチ(干渉縞の間隔)は、金属薄膜(金膜)202の光学特性だけに依存するわけではなく、金属薄膜上に存在する、例えば、空気、水、蛍光体などの金属薄膜上媒体の光学特性にも影響を受ける。 By the way, the interference fringe pitch (interference fringe spacing) of the interference fringes as described above does not depend only on the optical characteristics of the metal thin film (gold film) 202, but is present on the metal thin film, for example, air, water, etc. It is also affected by the optical properties of the medium on the metal thin film such as phosphor.
すなわち、金属薄膜の光学特性が既知であれば、その金属薄膜上に存在する媒体の光学特性を測定することができる。
一方で、上述したエリプソメーターを用いた方法では、入射角変化や偏光変化、薄膜のモデルなどの設定が必要なパラメータが非常に多く、解析が複雑となり、測定に要する時間も多大となる。さらに、装置コストも大きくなるため、容易に薄膜の光学特性を測定することはできなかった。
That is, if the optical characteristics of the metal thin film are known, the optical characteristics of the medium existing on the metal thin film can be measured.
On the other hand, in the method using the above-described ellipsometer, there are a large number of parameters that need to be set, such as a change in incident angle, a change in polarization, and a thin film model, so that the analysis becomes complicated and the time required for measurement becomes great. Furthermore, since the cost of the apparatus is increased, the optical characteristics of the thin film cannot be easily measured.
また、非特許文献1に開示される電場増強度を測定する方法では、図19に示したように、誘電体200の斜め下方から、入射角を変えて、誘電体200を介して、誘電体200の上面に形成した金属薄膜(金膜)202に、励起光208を照射した場合には、例えば、図21に示したように、干渉縞が同心円状とはならず、これにより、正確な電場増強度を測定(推定)することが困難な場合が生じてしまうことになる。 Further, in the method of measuring the electric field enhancement disclosed in Non-Patent Document 1, as shown in FIG. 19, the incident angle is changed from obliquely below the dielectric 200, and the dielectric is passed through the dielectric 200. When the thin metal film (gold film) 202 formed on the upper surface of 200 is irradiated with the excitation light 208, for example, as shown in FIG. 21, the interference fringes are not concentric. It may be difficult to measure (estimate) the electric field enhancement.
また、非特許文献1の電場増強度を測定する方法では、ピンホール204のエッジ部分204aで発生したプラズモン光201と励起光206との干渉による干渉縞であるので、真の測定したい金属薄膜(金膜)202の平面上(平面方向)の電場増強度を測定することができない。 In the method of measuring the electric field enhancement in Non-Patent Document 1, since the interference fringes are caused by the interference between the plasmon light 201 generated at the edge portion 204a of the pinhole 204 and the excitation light 206, the metal thin film (true) to be measured ( The electric field enhancement on the plane (plane direction) of the (gold film) 202 cannot be measured.
さらに、ピンホール204のエッジ部分204aの形状の違いによって、電場増強度が変化してしまうので、電場増強度の絶対値の測定は、現実的に困難である。
また、金属薄膜(金膜)202にピンホール204を設けなければならず、例えば、マイクロチップなどの測定部材として使用する場合には、製造工程が煩雑となり、コストも高くつくことにもなる。
Further, since the electric field enhancement varies depending on the shape of the edge portion 204a of the pinhole 204, it is practically difficult to measure the absolute value of the electric field enhancement.
In addition, the pinhole 204 must be provided in the metal thin film (gold film) 202. For example, when used as a measurement member such as a microchip, the manufacturing process becomes complicated and the cost increases.
本発明では、金属薄膜上に形成された誘電体の光学特性、特に、誘電体の誘電率を正確かつ容易に測定することができる金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法及び金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置を提供することを目的とする。 In the present invention, a method for measuring optical characteristics of a dielectric on a metal thin film, and a dielectric on a metal thin film, which can accurately and easily measure the optical characteristics of the dielectric formed on the metal thin film, in particular, the dielectric constant of the dielectric. An object of the present invention is to provide an optical property measuring apparatus.
さらに、従来のように、薄膜にピンホールやエッジを設ける必要がなく、真の測定したい薄膜の平面上(平面方向)の電場増強度を測定することができ、この測定した電場増強度に基づいて、金属薄膜の光学特性を正確かつ容易に測定することができる金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法及び金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置を提供することを目的とする。 Furthermore, unlike conventional methods, it is not necessary to provide pinholes or edges in the thin film, and it is possible to measure the electric field enhancement on the plane (plane direction) of the thin film to be truly measured. Based on this measured electric field enhancement An object of the present invention is to provide an optical property measuring method for a dielectric on a metal thin film and an optical property measuring apparatus for the dielectric on a metal thin film, which can accurately and easily measure the optical properties of the metal thin film.
本発明は、前述したような従来技術における課題及び目的を達成するために発明されたものであって、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法は、
金属薄膜の下方に配置された誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させるとともに、
前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光とは別の第2の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第2の光を発生させ、
前記表面プラズモン光と前記第2の光とによる干渉縞を発生させ、
前記干渉縞の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定し、
前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜上誘電体の光学特性を算出することを特徴とする。
The present invention was invented in order to achieve the above-described problems and objects in the prior art, and the method for measuring the optical properties of a dielectric on a metal thin film according to the present invention includes:
Irradiating the first excitation light toward the metal thin film through a dielectric member disposed below the metal thin film, generating surface plasmon light on the surface of the metal thin film,
Irradiating a second excitation light different from the first excitation light toward the metal thin film to generate a second light on the metal thin film surface,
Generating interference fringes by the surface plasmon light and the second light;
Measuring the interference fringe pitch and propagation length of the interference fringes;
The optical characteristic of the dielectric on the metal thin film is calculated based on the interference fringe pitch and the propagation length.
また、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法は、
金属薄膜の下方に配置された誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させ、前記表面プラズモン光の伝搬長を測定し、
前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に前記表面プラズモン光を発生させるとともに、前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光とは別の第2の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第2の光を発生させて、前記表面プラズモン光と前記第2の光とによる干渉縞を発生させ、前記干渉縞の干渉縞ピッチを測定し、
前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜上誘電体の光学特性を算出することを特徴とする。
Moreover, the optical property measuring method of the dielectric on the metal thin film of the present invention is
A first excitation light is irradiated toward the metal thin film through a dielectric member disposed below the metal thin film to generate surface plasmon light on the surface of the metal thin film, and the propagation length of the surface plasmon light Measure and
Irradiating the first excitation light toward the metal thin film through the dielectric member, the surface plasmon light is generated on the surface of the metal thin film, and the first thin film is directed toward the metal thin film. Irradiating a second excitation light different from the excitation light to generate a second light on the surface of the metal thin film to generate an interference fringe due to the surface plasmon light and the second light, and the interference Measure the fringe pitch of the fringes,
The optical characteristic of the dielectric on the metal thin film is calculated based on the interference fringe pitch and the propagation length.
また、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置は、
金属薄膜の下方に配置された誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、光源より第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させる第1の励起光発生装置と、
前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光とは別の第2の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第2の光を発生させる第2の励起光発生装置と、
前記表面プラズモン光と前記第2の光とによる干渉縞を発生した際に、干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定し、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜上誘電体の光学特性を算出する光学特性測定装置とを備えることを特徴とする。
In addition, the optical property measuring apparatus of the dielectric on a metal thin film of the present invention is
Generation of first excitation light that generates surface plasmon light on the surface of the metal thin film by irradiating the metal thin film with first excitation light from a light source through a dielectric member disposed below the metal thin film. Equipment,
A second excitation light generator for generating second light on the surface of the metal thin film by irradiating the metal thin film with a second excitation light different from the first excitation light;
When an interference fringe is generated by the surface plasmon light and the second light, an interference fringe pitch and a propagation length are measured, and based on the interference fringe pitch and the propagation length, an optical of the dielectric on the metal thin film is measured. And an optical characteristic measuring device for calculating the characteristic.
また、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置は、
金属薄膜の下方に配置された誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、光源より第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させる第1の励起光発生装置と、
前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光とは別の第2の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第2の光を発生させる第2の励起光発生装置と、
前記表面プラズモン光を発生した際に、前記表面プラズモン光の伝搬長を測定するとともに、前記表面プラズモン光と前記第2の光とによる干渉縞を発生した際に、前記干渉縞の干渉縞ピッチを測定し、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜上誘電体の光学特性を算出する光学特性演算装置とを備えることを特徴とする。
In addition, the optical property measuring apparatus of the dielectric on a metal thin film of the present invention is
Generation of first excitation light that generates surface plasmon light on the surface of the metal thin film by irradiating the metal thin film with first excitation light from a light source through a dielectric member disposed below the metal thin film. Equipment,
A second excitation light generator for generating second light on the surface of the metal thin film by irradiating the metal thin film with a second excitation light different from the first excitation light;
When the surface plasmon light is generated, the propagation length of the surface plasmon light is measured, and when an interference fringe is generated by the surface plasmon light and the second light, an interference fringe pitch of the interference fringe is set. And an optical characteristic calculation device that measures and calculates the optical characteristic of the dielectric on the metal thin film based on the interference fringe pitch and the propagation length.
また、本発明では、前記干渉縞ピッチλbeat及び前記伝搬長δを、下記式、すなわち、 Further, in the present invention, the interference fringe pitch λ beat and the propagation length δ are expressed by the following equation:
このように構成することによって、誘電体部材を介して、誘電体部材上に形成された金属薄膜に向かって、光源より第1の励起光である下側励起光を照射し、金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させるとともに、誘電体部材の上面に形成された金属薄膜に向かって、第1の励起光とは別の第2の励起光、例えば、外部より、上側励起光を直接照射して、金属薄膜表面に伝播光を発生させることができる。 With this configuration, the lower excitation light, which is the first excitation light, is irradiated from the light source toward the metal thin film formed on the dielectric member through the dielectric member, and the surface of the metal thin film is irradiated. The surface plasmon light is generated, and the second excitation light different from the first excitation light, for example, the upper excitation light is directly irradiated from the outside toward the metal thin film formed on the upper surface of the dielectric member. Thus, propagating light can be generated on the surface of the metal thin film.
そして、表面プラズモン光と第2の光との、表面プラズモン光が走る方向である金属薄膜の平面に平行な方向の波数成分が異なることに起因して、干渉光の干渉縞が発生する。
この際、第2の励起光である、例えば、上側励起光の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定することによって、金属薄膜上誘電体の光学特性(金属薄膜上誘電体の誘電率εd)を測定(推定)することができる。
Then, interference fringes of interference light are generated due to the difference in the wave number component between the surface plasmon light and the second light in the direction parallel to the plane of the metal thin film, which is the direction in which the surface plasmon light travels.
At this time, by measuring the interference fringe pitch and the propagation length when the contrast of the interference fringe is maximized while changing the amount of the second excitation light, for example, the upper excitation light, the dielectric on the metal thin film is measured. Optical characteristics (dielectric constant εd of dielectric on metal thin film) can be measured (estimated).
従って、従来のように、金属薄膜にピンホールやエッジを設ける必要がなく、真の測定したい金属薄膜の平面上(平面方向)の電場増強度を測定することができ、この時に生じる干渉縞の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定するだけで、金属薄膜上誘電体の光学特性(金属薄膜上誘電体の誘電率εd)を測定(推定)することができる。 Therefore, it is not necessary to provide pinholes or edges in the metal thin film as in the prior art, and the electric field enhancement on the plane (plane direction) of the metal thin film to be measured can be measured. By simply measuring the interference fringe pitch and propagation length, the optical characteristics of the dielectric on the metal thin film (dielectric constant εd of the dielectric on the metal thin film) can be measured (estimated).
また、本発明では、前記第2の励起光が、前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって照射され、前記金属薄膜表面に前記第2の光を発生させる励起光であることを特徴とする。 In the present invention, the second excitation light is an excitation light that is emitted toward the metal thin film through the dielectric member and generates the second light on the surface of the metal thin film. Features.
また、本発明では、前記第2の励起光が、前記誘電体部材を介さずに、前記金属薄膜の上側から直接照射して、前記金属薄膜表面に前記第2の光を発生させる励起光であることを特徴とする。 Further, in the present invention, the second excitation light is irradiated directly from the upper side of the metal thin film without passing through the dielectric member to generate the second light on the surface of the metal thin film. It is characterized by being.
また、本発明では、前記第2の励起光が、前記第1の励起光と同一の光源から分光された励起光であることを特徴とする。
このように構成することによって、例えば、ハーフミラーなどの分光手段を備えるだけでよいので、装置のコンパクト化を図ることができる。
Further, the present invention is characterized in that the second excitation light is excitation light dispersed from the same light source as the first excitation light.
By configuring in this way, for example, it is only necessary to provide a spectroscopic means such as a half mirror, so that the apparatus can be made compact.
しかも、第2の励起光である、例えば、上側励起光を、第1の励起光である下側励起光と同一の光源から分光するので、下側励起光と正確に、同じ位相の上側励起光を誘電体部材の上面に形成された金属薄膜に向かって直接照射することができ、正確な光学特性(金属薄膜上誘電体の誘電率εd)を測定(推定)することができる。 In addition, for example, the upper excitation light that is the second excitation light is split from the same light source as the lower excitation light that is the first excitation light, so that the upper excitation with exactly the same phase as the lower excitation light. Light can be directly irradiated toward the metal thin film formed on the upper surface of the dielectric member, and accurate optical characteristics (dielectric constant εd of the dielectric on the metal thin film) can be measured (estimated).
また、本発明では、前記第2の励起光が、前記第1の励起光の光源とは別の光源に由来する励起光であることを特徴とする。
このように構成することによって、第2の励起光である、例えば、上側励起光が、第1の励起光である下側励起光の光源とは別の光源に由来する上側励起光とすることができ、容易に上側励起光の光量を変えることができ、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定することによって、金属薄膜上誘電体の光学特性(金属薄膜上誘電体の誘電率εd)を測定(推定)することができる。
In the present invention, the second excitation light is excitation light derived from a light source different from the light source of the first excitation light.
By configuring in this way, for example, the upper excitation light that is the second excitation light is the upper excitation light derived from a light source different from the light source of the lower excitation light that is the first excitation light. By measuring the interference fringe pitch and propagation length when the interference fringe contrast is maximized, the optical characteristics of the dielectric on the metal thin film (on the metal thin film) can be easily changed. The dielectric constant εd) of the dielectric can be measured (estimated).
また、本発明では、前記第1の励起光を、前記誘電体部材に入射する前に、所定のビーム形状に整形することを特徴とする。
このように構成することによって、第1の励起光を、例えば、矩形光線や集束光線など、ビームプロファイルが急峻な形状に整形することができ、伝搬長の測定精度を向上させることができる。
Further, the present invention is characterized in that the first excitation light is shaped into a predetermined beam shape before entering the dielectric member.
With this configuration, the first excitation light can be shaped into a shape having a steep beam profile such as a rectangular ray or a focused ray, and the measurement accuracy of the propagation length can be improved.
また、本発明では、前記金属薄膜上誘電体中に、電場増強度測定用部材を配置して、
前記電場増強度測定用部材を、前記表面プラズモン光と前記第2の光との干渉光によって励起させ、前記電場増強度測定用部材に現れる干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする。
In the present invention, an electric field enhancement member is disposed in the dielectric on the metal thin film,
The interference fringe pitch of the interference fringes appearing on the electric field enhancement measurement member excited by the interference light between the surface plasmon light and the second light, or the interference fringe pitch. And measuring the propagation length.
また、本発明では、前記電場増強度測定用部材が、蛍光物質であることを特徴とする。
また、本発明では、前記電場増強度測定用部材が、光散乱物質であることを特徴とする。
In the present invention, the electric field enhancement measuring member is a fluorescent material.
In the present invention, the electric field enhancement measuring member is a light scattering material.
このように構成することによって、蛍光物質や光散乱物質が表面プラズモン光と第2の光との干渉光によって励起され、蛍光や散乱光として干渉縞が生じるため、例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの素子を用いた光検出手段によって干渉縞を測定することができる。 With this configuration, the fluorescent material or the light scattering material is excited by the interference light between the surface plasmon light and the second light, and interference fringes are generated as the fluorescence or the scattered light. For example, a CCD (Charge Coupled Device) Interference fringes can be measured by photodetection means using elements such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).
また、本発明では、前記表面プラズモン光と前記第2の光との干渉光を、近接場プローブを用いて検出し、
前記近接場プローブによって検出された干渉光の干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする。
In the present invention, the interference light between the surface plasmon light and the second light is detected using a near-field probe,
The interference fringe pitch of the interference fringes detected by the near-field probe, or the interference fringe pitch and the propagation length are measured.
このように構成することによって、例えば、近接場プローブの先端に蛍光物質を付着して近接場プローブの高さ位置を変えることにより、所定の高さ位置で、蛍光物質を励起させることができ、これにより、増強された蛍光を近接場プローブによって検出することができ、蛍光として検出された干渉光の干渉縞の前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することができる。 By configuring in this way, for example, by attaching a fluorescent substance to the tip of the near-field probe and changing the height position of the near-field probe, the fluorescent substance can be excited at a predetermined height position, Thereby, the enhanced fluorescence can be detected by the near-field probe, and the interference fringe pitch and the propagation length of the interference fringes of the interference light detected as the fluorescence can be measured.
また、本発明では、前記干渉縞ピッチの測定、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長の測定は、前記第2の励起光の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となった時に測定することを特徴とする。 In the present invention, the measurement of the interference fringe pitch, or the measurement of the interference fringe pitch and the propagation length is performed when the contrast of the interference fringe becomes maximum while changing the light amount of the second excitation light. It is characterized by doing.
このように構成することによって、干渉縞ピッチ及び伝搬長の測定精度を向上することができる。
また、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法では、前記金属薄膜上に光学特性が既知の電場増強度測定用部材を形成した状態で、
前記金属薄膜の下方に配置された誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に前記表面プラズモン光を発生させるとともに、
前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光とは別の前記第2の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に前記第2の光を発生させ、
前記表面プラズモン光と前記第2の光とによる前記干渉縞を発生させ、
前記干渉縞の前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定し、
前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜の光学特性を算出した後、
前記金属薄膜上に形成された電場増強度測定用部材を除去し、被測定部材である金属薄膜上誘電体を金属薄膜上に配置して、金属薄膜上誘電体の光学特性を測定することを特徴とする。
By configuring in this way, the measurement accuracy of the interference fringe pitch and the propagation length can be improved.
In the method for measuring optical properties of a dielectric on a metal thin film according to the present invention, a member for measuring electric field enhancement having known optical properties is formed on the metal thin film.
Irradiating the first excitation light toward the metal thin film through a dielectric member disposed below the metal thin film, generating the surface plasmon light on the surface of the metal thin film,
Irradiating the second excitation light different from the first excitation light toward the metal thin film to generate the second light on the metal thin film surface,
Generating the interference fringes by the surface plasmon light and the second light;
Measuring the interference fringe pitch and the propagation length of the interference fringes;
After calculating the optical properties of the metal thin film based on the interference fringe pitch and the propagation length,
Removing the electric field enhancement measuring member formed on the metal thin film, placing the dielectric on the metal thin film as the member to be measured on the metal thin film, and measuring the optical characteristics of the dielectric on the metal thin film. Features.
このように、金属薄膜の光学特性が未知の場合であっても、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置と同様な構成の装置を用いて、光学特性が既知の電場増強度測定用部材を金属薄膜上に形成することによって、容易に金属薄膜の光学特性(金属薄膜の屈折率n及び消衰係数k)を測定(推定)することができる。 As described above, even when the optical characteristics of the metal thin film are unknown, the electric field enhancement measurement with the known optical characteristics is performed using the apparatus having the same configuration as the optical characteristic measuring apparatus for the dielectric on the metal thin film of the present invention. By forming the member for use on the metal thin film, the optical characteristics (the refractive index n and the extinction coefficient k of the metal thin film) of the metal thin film can be easily measured (estimated).
このため、同一の装置を用いて、金属薄膜の光学特性を測定した後、金属薄膜上の電場増強度測定用部材を除去し、被測定部材である金属薄膜上誘電体を金属薄膜上に配置して金属薄膜上誘電体の光学特性を測定することができる。 For this reason, after measuring the optical characteristics of the metal thin film using the same apparatus, the member for measuring the electric field enhancement on the metal thin film is removed, and the dielectric on the metal thin film as the member to be measured is placed on the metal thin film. Thus, the optical characteristics of the dielectric on the metal thin film can be measured.
本発明によれば、表面プラズモン共鳴(SPR)現象や表面プラズモン励起増強蛍光分光法(SPFS)の原理に基づいて、電場増強度を測定することによって、エリプソメーターのように複雑なパラメータ設定や解析をすることなく、金属薄膜上誘電体の光学特性である誘電率εdを正確かつ容易に測定(推定)することができる。 According to the present invention, complicated parameter setting and analysis like an ellipsometer is performed by measuring electric field enhancement based on the principle of surface plasmon resonance (SPR) phenomenon and surface plasmon excitation enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS). The dielectric constant εd, which is the optical characteristic of the dielectric on the metal thin film, can be measured (estimated) accurately and easily.
以下、本発明の実施の形態(実施例)を図面に基づいてより詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments (examples) of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
1.電場増強度測定用部材として、蛍光物質を用いた実施例
図1は、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図、図2は、図1の部分拡大図、図3は、金属薄膜上誘電体の光学特性を算出する流れを説明するフローチャートである。
1. FIG. 1 shows an outline of an apparatus for measuring optical properties of a dielectric on a metal thin film, for explaining a method for measuring optical properties of the dielectric on a metal thin film according to the present invention. FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1, and FIG. 3 is a flowchart for explaining the flow of calculating the optical characteristics of the dielectric on the metal thin film.
1−1.金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の構成
図1において、符号10は、全体で本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置を示している。
図1、図2に示したように、金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10は、略三角形のプリズム形状の誘電体部材12を備えており、この誘電体部材12の水平な上面12aに、光学特性(屈折率n及び消衰係数k、もしくは、誘電率εm)が既知の金属薄膜14が形成されている。そして、この金属薄膜14の上面に、測定対象である誘電体15が形成されており、この誘電体15の中に、電場増強度測定用部材として、蛍光物質層17が形成されている。
1-1. Configuration of Optical Property Measuring Device for Dielectric Material on Metal Thin Film In FIG. 1, reference numeral 10 denotes the optical property measuring device for a dielectric material on a metal thin film as a whole.
As shown in FIGS. 1 and 2, the optical property measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film includes a dielectric member 12 having a substantially triangular prism shape, and a horizontal upper surface 12 a of the dielectric member 12. A metal thin film 14 having a known optical characteristic (refractive index n and extinction coefficient k or dielectric constant εm) is formed. A dielectric 15 as a measurement target is formed on the upper surface of the metal thin film 14, and a fluorescent material layer 17 is formed in the dielectric 15 as a member for measuring electric field enhancement.
また、誘電体部材12の一方の側面12bの側には、光源20が配置されており、この光源20からの光22の一部を透過して、残りの光を反射させる、例えば、ハーフミラーから構成される分光器24が設けられている。 Further, a light source 20 is arranged on one side surface 12b side of the dielectric member 12, and a part of the light 22 from the light source 20 is transmitted and the remaining light is reflected. For example, a half mirror A spectroscope 24 is provided.
この分光器24を透過した第1の励起光である下側励起光26は、可変減光(ND)フィルター28を介して、その光量が一定量となるように調整された後、誘電体部材12の外側下方から、誘電体部材12の側面12bに入射して、誘電体部材12を介して、誘電体部材12の上面12aに形成された金属薄膜14に向かって、所定の入射角(共鳴角)α1で照射されるようになっている。 The lower excitation light 26, which is the first excitation light transmitted through the spectroscope 24, is adjusted so that the amount of light becomes a constant amount via a variable attenuation (ND) filter 28, and then a dielectric member. 12 enters the side surface 12b of the dielectric member 12 from below the outer side of the dielectric member 12, and passes through the dielectric member 12 toward the metal thin film 14 formed on the upper surface 12a of the dielectric member 12. (Angle) is irradiated with α1.
この金属薄膜14に照射された下側励起光26により、図2の拡大図に示したように、金属薄膜14の表面14aにおいて、金属薄膜14の表面14aに平行な方向に、表面プラズモン光(疎密波)30が発生することになる。 As shown in the enlarged view of FIG. 2, surface plasmon light (in the direction parallel to the surface 14 a of the metal thin film 14 is generated on the surface 14 a of the metal thin film 14 by the lower excitation light 26 irradiated on the metal thin film 14. (Sparse / dense wave) 30 is generated.
一方、光源20からの光22のうち、分光器24で分光された残りの光32は、位相シフト板36を透過した後、ミラー37で反射され、可変減光(ND)フィルター35を介して、誘電体部材12の外側上方から、誘電体部材12の上面12aに形成された金属薄膜14の表面14aに向かって、所定の入射角α2(臨界角以下の角度)で照射されるようになっている。 On the other hand, of the light 22 from the light source 20, the remaining light 32 split by the spectroscope 24 passes through the phase shift plate 36, is reflected by the mirror 37, and passes through the variable dimming (ND) filter 35. Then, irradiation is performed at a predetermined incident angle α2 (an angle less than the critical angle) from the upper outside of the dielectric member 12 toward the surface 14a of the metal thin film 14 formed on the upper surface 12a of the dielectric member 12. ing.
また、誘電体部材12の下方の他方の側面12cの側には、下側励起光26が、金属薄膜14によって反射された金属薄膜反射光38を受光する受光手段40が備えられている。 On the other side 12 c below the dielectric member 12, a light receiving means 40 is provided for receiving the metal thin film reflected light 38 reflected by the metal thin film 14 from the lower excitation light 26.
さらに、測定部材18の上方には、後述するように、蛍光物質層17で励起された蛍光による干渉縞のコントラストを検出するために、蛍光物質層17からの蛍光の発光強度を検出する、例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの素子を用いた光検出手段42が備えられている。 Further, above the measuring member 18, as will be described later, in order to detect the contrast of interference fringes due to fluorescence excited by the fluorescent material layer 17, the emission intensity of the fluorescence from the fluorescent material layer 17 is detected, for example, Further, a light detection means 42 using an element such as a CCD (Charge Coupled Device) or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) is provided.
なお、光源20、分光器24、可変減光(ND)フィルター28によって、第1の励起光発生装置として、下側励起光発生装置46が構成されるとともに、位相シフト板36、可変減光(ND)フィルター35、ミラー37で、第2の励起光発生装置として、上側励起光発生装置48が構成されている。 The light source 20, the spectroscope 24, and the variable attenuation (ND) filter 28 constitute a lower excitation light generator 46 as a first excitation light generator, and a phase shift plate 36, variable attenuation ( The ND) filter 35 and the mirror 37 constitute an upper excitation light generator 48 as a second excitation light generator.
さらに、上記の光検出手段42は、コンピュータのCPUなどの光学特性演算装置50に接続されており、後述するように、電場増強度測定用部材の所定の高さ位置における電場増強度を換算して推定する演算処理が行われるようになっている。 Further, the light detection means 42 is connected to an optical characteristic calculation device 50 such as a CPU of a computer, and converts the electric field enhancement at a predetermined height position of the electric field enhancement measuring member as will be described later. The calculation process to be estimated is performed.
この場合、光源20から照射される励起光としては、特に限定されるものではないが、レーザー光が好ましく、波長200〜900nm、0.001〜1000mWのLDレーザー、または、波長230〜800nm、0.01〜100mWの半導体レーザーが好適である。 In this case, although it does not specifically limit as excitation light irradiated from the light source 20, A laser beam is preferable and wavelength 200-900 nm, 0.001-1000 mW LD laser, or wavelength 230-800 nm, 0 A semiconductor laser of 0.01 to 100 mW is suitable.
また、誘電体部材12としては、特に限定されるものではないが、光学的に透明な、例えば、ガラス、セラミックスなどの各種の無機物、天然ポリマー、合成ポリマーなどを用いることができ、化学的安定性、製造安定性、光学的透明性の観点から、二酸化ケイ素(SiO2)または二酸化チタン(TiO2)を含むものが好ましい。 In addition, the dielectric member 12 is not particularly limited, but may be optically transparent, for example, various inorganic materials such as glass and ceramics, natural polymers, synthetic polymers, and the like, which are chemically stable. From the viewpoints of performance, production stability, and optical transparency, those containing silicon dioxide (SiO 2 ) or titanium dioxide (TiO 2 ) are preferred.
また、この実施例では、略三角形のプリズム形状の誘電体部材12を用いたが、半円形状、楕円形状にするなど誘電体部材12の形状は、適宜変更が可能である。
なお、金属薄膜14としては、特に限定されるものではないが、例えば、金、銀、アルミニウム、銅、および白金や、これらの金属の合金とすることができる。
In this embodiment, the substantially triangular prism-shaped dielectric member 12 is used. However, the shape of the dielectric member 12 can be changed as appropriate, such as a semicircular shape or an elliptical shape.
In addition, although it does not specifically limit as the metal thin film 14, For example, it can be set as gold | metal | money, silver, aluminum, copper, platinum, and the alloy of these metals.
特に、金のように酸化に対して安定であり、かつ、後述するように、表面プラズモン光(疎密波)による電場増強が大きくなる金属に関しては、より精度よく誘電体15の光学特性を測定することができる。 In particular, with respect to a metal that is stable against oxidation, such as gold, and has a large electric field enhancement due to surface plasmon light (dense wave), as will be described later, the optical characteristics of the dielectric 15 are measured with higher accuracy. be able to.
また、金属薄膜14の形成方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法、蒸着法(抵抗加熱蒸着法、電子線蒸着法など)、電解メッキ、無電解メッキ法などが挙げられる。好ましくは、スパッタリング法、蒸着法を使用するのが、薄膜形成条件の調整が容易であるので望ましい。 In addition, the method for forming the metal thin film 14 is not particularly limited, and examples thereof include a sputtering method, a vapor deposition method (resistance heating vapor deposition method, electron beam vapor deposition method, etc.), electrolytic plating, electroless plating method, and the like. . It is preferable to use a sputtering method or a vapor deposition method because it is easy to adjust the thin film formation conditions.
さらに、金属薄膜14の厚さとしては、特に限定されるものではないが、好ましくは、金:5〜500nm、銀:5〜500nm、アルミニウム:5〜500nm、銅:5〜500nm、白金:5〜500nm、および、それらの合金:5〜500nmの範囲内であるのが望ましい。 Further, the thickness of the metal thin film 14 is not particularly limited, but preferably, gold: 5 to 500 nm, silver: 5 to 500 nm, aluminum: 5 to 500 nm, copper: 5 to 500 nm, platinum: 5 ˜500 nm and their alloys: preferably in the range of 5 to 500 nm.
なお、電場増強効果の観点からは、より好ましくは、金:20〜70nm、銀:20〜70nm、アルミニウム:10〜50nm、銅:20〜70nm、白金:20〜70nm、および、それらの合金:10〜70nmの範囲内の金属薄膜であれば、より正確に誘電体15の計測を行うことができる。 From the viewpoint of the electric field enhancement effect, more preferably, gold: 20 to 70 nm, silver: 20 to 70 nm, aluminum: 10 to 50 nm, copper: 20 to 70 nm, platinum: 20 to 70 nm, and alloys thereof: If the metal thin film is in the range of 10 to 70 nm, the dielectric 15 can be measured more accurately.
金属薄膜14の厚さが上記範囲内であれば、表面プラズモン光(疎密波)が発生し易くより精度よく誘電体15の光学特性を測定することができる。また、このような厚さを有する金属薄膜14であれば、大きさ(縦×横)の寸法、形状は、特に限定されない。 If the thickness of the metal thin film 14 is within the above range, surface plasmon light (dense wave) is likely to be generated, and the optical characteristics of the dielectric 15 can be measured with higher accuracy. In addition, as long as the metal thin film 14 has such a thickness, the size (vertical x horizontal) size and shape are not particularly limited.
一方、蛍光物質層17を構成する蛍光物質としては、所定の励起光を照射するか、または電界効果を利用することで励起し、蛍光を発する物質であれば、特に限定されない。なお、本明細書において、「蛍光」とは、燐光など各種の発光も含まれる。 On the other hand, the fluorescent material constituting the fluorescent material layer 17 is not particularly limited as long as it is a material that emits fluorescence by irradiating predetermined excitation light or using a field effect to emit light. In the present specification, “fluorescence” includes various types of light emission such as phosphorescence.
このような蛍光物質を単独で、または、基材中に含ませた状態で、金属薄膜14の上面の誘電体15中に、蛍光物質層17が所定の厚さに形成されている。
この場合、金属薄膜14の上面の誘電体15中に、蛍光物質層17を所定の厚さに形成する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、以下に挙げるような方法を用いることができる。
A fluorescent material layer 17 is formed in a predetermined thickness in the dielectric 15 on the upper surface of the metal thin film 14 in a state where such a fluorescent material is contained alone or in a base material.
In this case, the method of forming the fluorescent material layer 17 in a predetermined thickness in the dielectric 15 on the upper surface of the metal thin film 14 is not particularly limited. For example, the following method is used. Can do.
すなわち、誘電体15として用いられる光透過性樹脂(ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリスチレン、ポリビニルブチラールなど)と蛍光色素とを溶媒(ケトン類、芳香族類、エステル類、含ハロゲン系炭化水素類など)中で混合することにより、誘電体15中に、蛍光物質層17を形成することができる。なお、上記の樹脂はタンパク質等が非特異的に吸着しにくいという利点も有する。 That is, a light-transmitting resin (polyacrylate, polymethacrylate, polystyrene, polyvinyl butyral, etc.) used as the dielectric 15 and a fluorescent dye as a solvent (ketones, aromatics, esters, halogen-containing hydrocarbons, etc.) The phosphor layer 17 can be formed in the dielectric 15 by mixing in the dielectric 15. In addition, said resin also has the advantage that protein etc. cannot adsorb | suck nonspecifically.
または、誘電体15がヒドロキシ基を有する誘電体(ポリマー、または酸化チタン、二酸化ケイ素など)である場合、シランカップリング剤を誘電体に反応させ、必要であれば、カルボキシメチルデキストラン等の蛍光色素を担持できる分子を介して、蛍光色素をアミンカップリング法等の公知の手法に従って結合させる方法や、誘電体15に蛍光色素を蒸着させる方法により、蛍光色素を含有する(蛍光色素からなる)薄層を積層させることができる。 Alternatively, when the dielectric 15 is a dielectric having a hydroxy group (polymer, titanium oxide, silicon dioxide, etc.), a silane coupling agent is reacted with the dielectric, and if necessary, a fluorescent dye such as carboxymethyldextran A thin film containing a fluorescent dye (consisting of a fluorescent dye) by a method in which a fluorescent dye is bound according to a known method such as an amine coupling method or a method in which a fluorescent dye is vapor-deposited on the dielectric 15 Layers can be stacked.
もしくは、あらかじめ蛍光色素を蒸着させたり配合したりした材料で薄層(例えば、樹脂、ゼラチン等を用いたプレート、シートもしくはフィルム)を調製しておき、これを積層することによって誘電体15を形成してもよい。 Alternatively, a dielectric layer 15 is formed by preparing a thin layer (for example, a plate, sheet, or film using resin, gelatin, etc.) with a material in which a fluorescent dye is vapor-deposited or blended in advance, and laminating it. May be.
1−2.金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法について
このように構成される本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10を用いた、金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法について、図3に示すフローチャートに沿って説明する。
1-2. Method for Measuring Optical Properties of Dielectric Material on Metal Thin Film FIG. 3 shows a method for measuring the optical properties of dielectric material on a metal thin film using the optical property measuring apparatus 10 for dielectric material on a metal thin film according to the present invention. It demonstrates along the flowchart shown.
先ず、光源20から、光22を照射して分光器24を透過した第1の励起光である下側励起光26を、可変減光(ND)フィルター28を介して、その光量が一定量となるように調整された後、誘電体部材12の外側下方から、誘電体部材12の側面12bに入射させる。そして、誘電体部材12を介して、誘電体部材12の上面12aに形成された金属薄膜14に向かって、所定の入射角(共鳴角)α1で照射される。 First, the lower excitation light 26, which is the first excitation light irradiated from the light source 20 and transmitted through the spectroscope 24, passes through a variable dimming (ND) filter 28, and the amount of light becomes a constant amount. After being adjusted, the light is incident on the side surface 12 b of the dielectric member 12 from the lower outside of the dielectric member 12. Then, it is irradiated through the dielectric member 12 toward the metal thin film 14 formed on the upper surface 12a of the dielectric member 12 at a predetermined incident angle (resonance angle) α1.
これにより、図2の拡大図に示したように、金属薄膜14の表面14aにおいて、金属薄膜14の表面14aに平行な方向に、表面プラズモン光(疎密波)30が発生する。
なお、この場合、所定の入射角(共鳴角)α1を決定するには、以下の方法を用いることができる。
As a result, as shown in the enlarged view of FIG. 2, surface plasmon light (dense wave) 30 is generated on the surface 14 a of the metal thin film 14 in a direction parallel to the surface 14 a of the metal thin film 14.
In this case, the following method can be used to determine the predetermined incident angle (resonance angle) α1.
すなわち、金属薄膜14上に表面プラズモン光(疎密波)30が生じる際には、第1の下側励起光26と金属薄膜14中の電子振動とがカップリングし、金属薄膜反射光38のシグナルが変化(光量が減少)することとなるため、受光手段40で受光される金属薄膜反射光38のシグナルが変化(光量が減少)する地点を見つければよい。 That is, when surface plasmon light (dense wave) 30 is generated on the metal thin film 14, the first lower excitation light 26 and the electronic vibration in the metal thin film 14 are coupled to each other, and the signal of the metal thin film reflected light 38. Therefore, it is only necessary to find a point where the signal of the metal thin film reflected light 38 received by the light receiving means 40 changes (decreases the amount of light).
一方、光源20からの光22のうち、分光器24で分光された残りの光32は、位相シフト板36を透過した後、所定の角度で配置されたミラー37で反射され、可変減光(ND)フィルター35を介して、誘電体部材12の上面12aに形成された金属薄膜14の表面14aに向かって、所定の入射角α2(臨界角以下の角度)で照射されるようになっている。 On the other hand, of the light 22 from the light source 20, the remaining light 32 dispersed by the spectroscope 24 is transmitted through the phase shift plate 36 and then reflected by a mirror 37 disposed at a predetermined angle, thereby being variable dimming ( ND) is irradiated at a predetermined incident angle α2 (an angle less than the critical angle) toward the surface 14a of the metal thin film 14 formed on the upper surface 12a of the dielectric member 12 through the filter 35. .
すなわち、上側励起光34は、位相シフト板36、可変減光(ND)フィルター35を介して、図2の拡大図に示したように、金属薄膜14の表面14aに、所定の入射角α2で別の第2の励起光として照射されるようになっている。 That is, the upper excitation light 34 passes through the phase shift plate 36 and the variable dimming (ND) filter 35 to the surface 14a of the metal thin film 14 at a predetermined incident angle α2 as shown in the enlarged view of FIG. It is irradiated as another second excitation light.
なお、この場合、上側励起光34は、下側励起光26と同じ位相の上側励起光34を、金属薄膜14の表面14aに照射するようになっている。
これにより、図2の拡大図に示したように、金属薄膜14の表面14aにおける電場増強度測定用部材の所定高さ位置において、第2の光として伝播光44を発生させるようになっている。
In this case, the upper excitation light 34 irradiates the surface 14 a of the metal thin film 14 with the upper excitation light 34 having the same phase as the lower excitation light 26.
Thereby, as shown in the enlarged view of FIG. 2, the propagating light 44 is generated as the second light at the predetermined height position of the electric field enhancement measuring member on the surface 14a of the metal thin film 14. .
なお、この場合、上側励起光34の位相が、下側励起光26の位相と同じ位相となるように、位相シフト板36を調整するようになっている。
さらに、位相シフト板36を光軸と直交する方向に移動することで、ある測定点1箇所での干渉縞の明暗の変化をみることができる。
In this case, the phase shift plate 36 is adjusted so that the phase of the upper pumping light 34 is the same as the phase of the lower pumping light 26.
Furthermore, by moving the phase shift plate 36 in a direction orthogonal to the optical axis, it is possible to see the change in the brightness of the interference fringes at one measurement point.
なお、所定の入射角α2の角度は、金属薄膜14の表面14aにおける電場増強度測定用部材の所定高さ位置において伝播光44を発生させる臨界角以下の角度であればよく、特に限定されるものではない。 The angle of the predetermined incident angle α2 is not particularly limited as long as it is an angle equal to or smaller than the critical angle at which the propagating light 44 is generated at a predetermined height position of the electric field enhancement measuring member on the surface 14a of the metal thin film 14. It is not a thing.
そして、図2の拡大図に示したように、上側励起光34による伝播光44と表面プラズモン光(疎密波)30による干渉縞(干渉光)が発生する。
ところで、このような伝播光44と表面プラズモン光の干渉光は、近接場光なので、そのままでは直接見ることができない。このため、金属薄膜14上の誘電体15中に電場増強度測定用部材として蛍光物質層17を設けている。
Then, as shown in the enlarged view of FIG. 2, the propagation light 44 by the upper excitation light 34 and the interference fringes (interference light) by the surface plasmon light (dense wave) 30 are generated.
By the way, since the interference light of such propagation light 44 and surface plasmon light is near-field light, it cannot be directly seen as it is. For this reason, a fluorescent material layer 17 is provided in the dielectric 15 on the metal thin film 14 as a member for measuring electric field enhancement.
この誘電体15中の蛍光物質層17の蛍光物質が、伝播光44と表面プラズモン光(疎密波)30による干渉光によって効率良く励起されることになり、蛍光として干渉縞を観察することができるようになる。 The fluorescent material of the fluorescent material layer 17 in the dielectric 15 is efficiently excited by the interference light by the propagation light 44 and the surface plasmon light (dense wave) 30, and interference fringes can be observed as fluorescence. It becomes like this.
この原理を用いて、上側励起光34の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定することによって、金属薄膜上誘電体15の光学特性(誘電体の誘電率εd)を測定(推定)するようになっている。 By using this principle and measuring the interference fringe pitch and propagation length when the contrast of the interference fringe is maximized while changing the amount of the upper excitation light 34, the optical characteristics (dielectric material) of the dielectric 15 on the metal thin film are measured. Is measured (estimated).
なお、上側励起光34の光量を変えながら干渉縞ピッチ等を推定することは必須ではないが、干渉縞のコントラストが最大となる時に測定した方が干渉縞ピッチ及び伝搬長の測定精度を向上することができ好ましい。 Although it is not essential to estimate the interference fringe pitch and the like while changing the light amount of the upper excitation light 34, the measurement accuracy of the interference fringe pitch and the propagation length is improved when the interference fringe contrast is maximized. Can be preferable.
具体的には、可変減光(ND)フィルター35によって、上側励起光34の光量を変えることによって、誘電体15中の蛍光物質層17による蛍光の発光強度を、例えば、CCDやCMOSなどの素子を用いた光検出手段42によって検出する。 Specifically, by changing the amount of the upper excitation light 34 by the variable dimming (ND) filter 35, the emission intensity of the fluorescence by the fluorescent material layer 17 in the dielectric 15 is changed to an element such as a CCD or CMOS. It is detected by the light detection means 42 using
この光検出手段42によって検出された蛍光発光干渉パターン49は、図4の模式図に示したようになる。
なお、図4の模式図において、蛍光発光干渉パターン49の高さは、蛍光物質層17による蛍光の発光強度を示している。また、金属薄膜14の下方には誘電体部材12(屈折率n2)が配置されているが、図4の模式図では省略している。
The fluorescence emission interference pattern 49 detected by the light detection means 42 is as shown in the schematic diagram of FIG.
In the schematic diagram of FIG. 4, the height of the fluorescence emission interference pattern 49 indicates the fluorescence emission intensity by the fluorescent material layer 17. A dielectric member 12 (refractive index n2) is disposed below the metal thin film 14, but is omitted from the schematic diagram of FIG.
このように検出された蛍光発光干渉パターン49から、干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δを計測する。
ここで、干渉縞のピッチλbeatは、図4に示したように、蛍光発光干渉パターンのA点からB点までの距離、すなわち、干渉縞のうち明るい縞の中心から、その隣の明るい縞の中心までの距離である。
From the fluorescence emission interference pattern 49 thus detected, the pitch λ beat and the propagation length δ of the interference fringes are measured.
Here, as shown in FIG. 4, the pitch λ beat of the interference fringes is the distance from the point A to the point B of the fluorescence emission interference pattern, that is, the bright fringe next to it from the center of the bright fringe among the interference fringes. The distance to the center of
また、伝搬長δは、図4に示したように、下側励起光26の端部Cから蛍光発光干渉パターンの発光強度が最大値の1/e倍(eはネイピア数)となった点Dまでの距離である。 Further, as shown in FIG. 4, the propagation length δ is such that the emission intensity of the fluorescence emission interference pattern from the end C of the lower excitation light 26 is 1 / e times the maximum value (e is the number of Napier). The distance to D.
なお、本実施例においては、伝搬長δの測定を上述するように、干渉光の干渉縞を用いて測定しているが、第2の励起光としての上側励起光34を照射することなく、第1の励起光である下側励起光26のみを、誘電体部材12を介して金属薄膜14に照射して、金属薄膜14の表面14aに表面プラズモン光30を発生させ、この状態で表面プラズモン光30の伝搬長δを測定することもできる。 In this embodiment, the propagation length δ is measured using the interference fringes of the interference light as described above, but without irradiating the upper excitation light 34 as the second excitation light, Only the lower excitation light 26 that is the first excitation light is irradiated onto the metal thin film 14 through the dielectric member 12 to generate the surface plasmon light 30 on the surface 14a of the metal thin film 14, and in this state the surface plasmon The propagation length δ of the light 30 can also be measured.
この場合も、伝搬長δは上述する干渉光の場合と同様に、下側励起光26の端部Cから表面プラズモン光30の発光強度が最大値の1/e(eはネイピア数)となった点までの距離を求めることにより測定することができる。 Also in this case, similarly to the case of the interference light described above, the propagation length δ is 1 / e (e is the number of Napiers) of the emission intensity of the surface plasmon light 30 from the end C of the lower excitation light 26. It can be measured by determining the distance to the point.
実際に伝搬長δを測定する際には、第1の励起光である下側励起光26の端部Cの位置などの検出精度が干渉光の干渉縞ピッチに影響されることなく、容易に精度の高い測定ができることから、このように干渉光を発生させることなく伝搬長δを測定することが実用上は好ましい。 When actually measuring the propagation length δ, the detection accuracy such as the position of the end C of the lower excitation light 26, which is the first excitation light, can be easily detected without being affected by the interference fringe pitch of the interference light. Since the measurement can be performed with high accuracy, it is practically preferable to measure the propagation length δ without generating interference light.
このように、干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δを計測することによって、以下の数8及び数9の関係式から、表面プラズモン波数ベクトルの実数値Kspp’及び虚数値Kspp’’を算出することができる。 In this way, by measuring the interference fringe pitch λ beat and the propagation length δ, the real value Kspp ′ and the imaginary value Kspp ″ of the surface plasmon wave number vector are calculated from the following equations 8 and 9. Can do.
すなわち、表面プラズモン波数ベクトルは数10のように表すことができる。 That is, the surface plasmon wave number vector can be expressed as in Expression 10.
この数10及び数11により、数12のように、誘電体15の誘電率εdを算出することができる。 From the equations 10 and 11, the dielectric constant εd of the dielectric 15 can be calculated as in the equation 12.
1−3.干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δの測定方法
上述した、干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δの測定方法としては、特に限定されず、公知の様々な方法を用いることができるが、以下のような方法を用いることによって、より精度よく測定を行うことができる。
1-3. Interference fringe pitch described above lambda beat and the measuring method of propagation length [delta], as a method of measuring the interference fringes pitch lambda beat and propagation length [delta], is not particularly limited, it may be used various known methods, as follows By using a simple method, measurement can be performed with higher accuracy.
本実施例において、励起光22の波長λ0が633nm、誘電体15の屈折率n1が1.33、上記励起光の入射角α2が45°とした場合、蛍光発光干渉パターンの干渉縞ピッチλbeatの平均値はおよそ1.28μm、伝搬長δの平均値は3.2μmとなる。 In this embodiment, when the wavelength λ 0 of the excitation light 22 is 633 nm, the refractive index n1 of the dielectric 15 is 1.33, and the incident angle α2 of the excitation light is 45 °, the interference fringe pitch λ beat of the fluorescence emission interference pattern. The average value is about 1.28 μm, and the average value of the propagation length δ is 3.2 μm.
このとき、図5に示すように、誘電体15の光学特性(誘電率εd)が変化した場合の干渉縞ピッチλbeatの変化は、およそ0.001μmオーダー、伝搬長δの変化は、およそ0.1μmオーダーである。 At this time, as shown in FIG. 5, when the optical characteristic (dielectric constant εd) of the dielectric 15 is changed, the change of the interference fringe pitch λ beat is about 0.001 μm, and the change of the propagation length δ is about 0. .1 μm order.
このため、光検出手段42の光学倍率を、例えば、100〜200倍に増加させるとともに、光検出手段42で測定する範囲を、例えば、1mmとして複数の干渉縞を測定することによって、干渉縞ピッチλbeatの変化量を積算させる。 For this reason, while increasing the optical magnification of the light detection means 42 to, for example, 100 to 200 times, and measuring the plurality of interference fringes with the range measured by the light detection means 42 being, for example, 1 mm, the interference fringe pitch. Accumulate the amount of change in λ beat .
このように、測定範囲を1mmとすることによって、干渉縞ピッチλbeatの変化量は、数13のように、0.78μmに増加することになる。 Thus, by setting the measurement range to 1 mm, the amount of change in the interference fringe pitch λ beat increases to 0.78 μm as shown in Equation 13.
例えば、光検出手段42を、画素サイズ14μm角のCCDカメラとすると、156μmは、約11画素分に相当するため、十分な測定分解能を得ることができ、精度よく干渉縞ピッチλbeatを測定することができる。 For example, if the light detection means 42 is a CCD camera having a pixel size of 14 μm square, 156 μm corresponds to about 11 pixels, so that sufficient measurement resolution can be obtained and the interference fringe pitch λ beat can be measured with high accuracy. be able to.
一方で、励起光22の波長λ0を長くすることで、伝搬長δを増加させることができる。
例えば、励起光22の波長λ0を633nmから780nmとすることによって、伝搬長δの平均値は3.2μmから13μmに増加する(実測値)。
On the other hand, the propagation length δ can be increased by increasing the wavelength λ 0 of the excitation light 22.
For example, when the wavelength λ 0 of the excitation light 22 is changed from 633 nm to 780 nm, the average value of the propagation length δ increases from 3.2 μm to 13 μm (actual measurement value).
このため、伝搬長δの変化はおよそ0.1μmオーダーからおよそ0.5μmオーダーに増加することになる。
上述したように、光検出手段42の光学倍率を、200倍に増加させると、0.5μm×200=100μmと、伝搬長δの変化量は拡大されて光検出手段42で検出することができる。
For this reason, the change of the propagation length δ increases from about 0.1 μm order to about 0.5 μm order.
As described above, when the optical magnification of the light detection means 42 is increased to 200 times, the change amount of the propagation length δ is expanded to 0.5 μm × 200 = 100 μm and can be detected by the light detection means 42. .
例えば、光検出手段42を、画素サイズ14μm角のCCDカメラとすると、100μmは、約7画素分に相当するため、十分な測定分解能を得ることができ、精度よく伝搬長δを測定することができる。 For example, if the light detection means 42 is a CCD camera having a pixel size of 14 μm square, 100 μm corresponds to about 7 pixels, so that sufficient measurement resolution can be obtained and the propagation length δ can be measured with high accuracy. it can.
2.電場増強度測定用部材として、蛍光物質を用いた変更例
図6は、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
2. FIG. 6 is a schematic diagram of an optical property measuring apparatus for a dielectric on a metal thin film, for explaining a method for measuring the optical properties of the dielectric on a metal thin film according to the present invention. It is the schematic which shows typically.
この変形例の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10は、図1〜図5に示した金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。 The optical property measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film according to this modification has basically the same configuration as the optical characteristic measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film shown in FIGS. Since the same is applied to the same component, the same reference numeral is assigned to the same component, and detailed description thereof is omitted.
2−1.金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の構成
この変形例では、図6に示すように、上側励起光34を、下側励起光26の光源20とは別の光源52によって照射するように構成している。このように構成することによって、下側励起光26の光源20とは別の光源52に由来する上側励起光34とすることができるため、容易に上側励起光34の光量を変えることができ、実施例1と同様な測定方法を実施することによって、精度よくかつ容易に誘電体15の光学特性を測定(推定)することができる。
2-1. Configuration of Optical Property Measuring Device for Dielectric Material on Metal Thin Film In this modification, as shown in FIG. 6, the upper excitation light 34 is irradiated by a light source 52 different from the light source 20 of the lower excitation light 26. is doing. By configuring in this way, the upper excitation light 34 derived from the light source 52 different from the light source 20 of the lower excitation light 26 can be obtained, so that the light amount of the upper excitation light 34 can be easily changed, By performing the same measurement method as in the first embodiment, the optical characteristics of the dielectric 15 can be measured (estimated) with high accuracy and ease.
なお、図示しないが、他の実施例の場合にも、上側励起光34を、下側励起光26の光源20とは別の光源52によって照射するように構成することもできる。 Although not shown, the upper excitation light 34 may be irradiated by a light source 52 different from the light source 20 of the lower excitation light 26 also in other embodiments.
3.電場増強度測定用部材として、蛍光物質を用いた変更例
図7は、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
3. FIG. 7 is a schematic diagram of an optical property measuring apparatus for a dielectric on a metal thin film, for explaining the optical property measuring method for a dielectric on a metal thin film according to the present invention. It is the schematic which shows typically.
3−1.金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の構成
この変形例では、図7に示すように、分光器24を透過した第1の下側励起光26は、減光(ND)フィルター28を介して、その光量が一定量となるように調整された後、誘電体部材12の外側下方から、誘電体部材12の側面12bに入射して、誘電体部材12を介して、誘電体部材12の上面12aに形成された金属薄膜14に向かって、所定の入射角(共鳴角)α1で照射されるようになっている。
3-1. Configuration of Optical Property Measuring Device for Dielectric Material on Metal Thin Film In this modification, as shown in FIG. 7, the first lower excitation light 26 transmitted through the spectroscope 24 passes through a neutral density (ND) filter 28. After the light quantity is adjusted so as to be a certain amount, the light is incident on the side surface 12b of the dielectric member 12 from the lower outside of the dielectric member 12, and the upper surface of the dielectric member 12 is interposed via the dielectric member 12. The metal thin film 14 formed on 12a is irradiated with a predetermined incident angle (resonance angle) α1.
一方、光源20からの光22のうち、分光器24で分光された残りの光32は、ミラー37で反射され、可変減光(ND)フィルター35、位相シフト板36を介して、誘電体部材12の外側下方から、誘電体部材12の側面12bに入射して、誘電体部材12を介して、誘電体部材12の上面12aに形成された金属薄膜14の表面14aに向かって、所定の入射角α2(臨界角以下の角度)で照射されるようになっている。 On the other hand, of the light 22 from the light source 20, the remaining light 32 split by the spectroscope 24 is reflected by the mirror 37, and passes through a variable attenuation (ND) filter 35 and a phase shift plate 36, and is a dielectric member. The light enters the side surface 12b of the dielectric member 12 from below the outer side of the dielectric member 12, and passes through the dielectric member 12 toward the surface 14a of the metal thin film 14 formed on the upper surface 12a of the dielectric member 12. Irradiation is performed at an angle α2 (an angle less than the critical angle).
すなわち、可変減光(ND)フィルター35、位相シフト板36を介して、誘電体部材12の外側下方から、誘電体部材12の側面12bに入射した光は、第2の下側励起光33として、金属薄膜14の表面14aに、所定の入射角α2で照射されるようになっている。 That is, the light incident on the side surface 12 b of the dielectric member 12 from the lower outside of the dielectric member 12 through the variable dimming (ND) filter 35 and the phase shift plate 36 is used as the second lower excitation light 33. The surface 14a of the metal thin film 14 is irradiated at a predetermined incident angle α2.
このように2つの励起光26、34を、両方とも、誘電体部材12の側面12bに入射して、金属薄膜14の下方から照射するように構成した場合にも、実施例1と同様に、干渉光の干渉縞を測定することができる。 As described in the first embodiment, when the two excitation lights 26 and 34 are both incident on the side surface 12b of the dielectric member 12 and irradiated from the lower side of the metal thin film 14 as described above, Interference fringes of interference light can be measured.
このような構成の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10を用いて、実施例1と同様な測定方法を実施することによって、精度よくかつ容易に誘電体15の光学特性を測定(推定)することができる。 By using the optical property measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film having such a configuration, the optical property of the dielectric 15 can be measured (estimated) accurately and easily by performing the same measurement method as in Example 1. can do.
なお、図示しないが、他の実施例の場合にも、2つの励起光26、34を、両方とも、誘電体部材12の側面12bに入射して、金属薄膜14の下方から照射するように構成することもできる。 Although not shown, in the case of other embodiments, the two excitation lights 26 and 34 are both incident on the side surface 12b of the dielectric member 12 and irradiated from below the metal thin film 14. You can also
4.電場増強度測定用部材として、蛍光物質を用いた変形例
図8は、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
4). FIG. 8 is a schematic diagram of an optical property measuring apparatus for a dielectric on a metal thin film, for explaining the optical property measuring method for a dielectric on a metal thin film according to the present invention. It is the schematic which shows typically.
この変形例の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10は、図1〜図5に示した金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。 The optical property measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film according to this modification has basically the same configuration as the optical characteristic measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film shown in FIGS. Since the same is applied to the same component, the same reference numeral is assigned to the same component, and detailed description thereof is omitted.
4−1.金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の構成
この変形例では、可変減光(ND)フィルター28を透過した下側励起光26が、誘電体部材12の側面12bに入射する前に、ビーム整形レンズ29を透過して、下側励起光26を所定のビーム形状に整形するように構成されている。
4-1. Configuration of Optical Property Measuring Device for Dielectric Material on Metal Thin Film In this modification, before the lower excitation light 26 transmitted through the variable dimming (ND) filter 28 enters the side surface 12b of the dielectric member 12, beam shaping is performed. The lower excitation light 26 is configured to be shaped into a predetermined beam shape through the lens 29.
このように、ビーム整形レンズ29を用いて、ビーム形状を、例えば、矩形ビームや集束ビームなど、ビームプロファイルが急峻な所定のビーム形状に整形することによって、伝搬長δの測定精度を向上させることができる。 In this way, by using the beam shaping lens 29, the beam shape is shaped into a predetermined beam shape having a steep beam profile, such as a rectangular beam or a focused beam, thereby improving the measurement accuracy of the propagation length δ. Can do.
このような構成の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10を用いて、実施例1と同様な測定方法を実施することによって、精度よくかつ容易に誘電体15の光学特性を測定(推定)することができる。 By using the optical property measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film having such a configuration, the optical property of the dielectric 15 can be measured (estimated) accurately and easily by performing the same measurement method as in Example 1. can do.
5.電場増強度測定用部材として、光散乱物質を用いた実施例
図9は、本発明の別の実施例の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図、図10は、図9の部分拡大図、図11は、金属薄膜上誘電体の光学特性を算出する流れを説明するフローチャートである。
5. Example Using Light Scattering Material as Member for Measuring Electric Field Strength Enhancement FIG. 9 is a diagram of a dielectric on a metal thin film for explaining a method for measuring optical properties of the dielectric on a metal thin film according to another embodiment of the present invention. FIG. 10 is a schematic diagram schematically showing the outline of the optical property measuring apparatus, FIG. 10 is a partially enlarged view of FIG. 9, and FIG. 11 is a flowchart for explaining the flow of calculating the optical property of the dielectric on the metal thin film.
この実施例の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10は、図1〜図5に示した金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。 The optical property measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film according to this embodiment has basically the same configuration as the optical characteristic measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film shown in FIGS. Since the same is applied to the same component, the same reference numeral is assigned to the same component, and detailed description thereof is omitted.
5−1.金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の構成
実施例1では、金属薄膜14の上面にある誘電体15中に、電場増強度測定用部材として、蛍光物質層17が形成されていたが、この実施例では、誘電体15中に、蛍光物質層17の代わりに、電場増強度測定用部材として、光散乱物質層57が形成されている。
5-1. Configuration of Optical Property Measuring Device for Dielectric Material on Metal Thin Film In Example 1, the fluorescent material layer 17 was formed as a member for measuring the electric field enhancement in the dielectric 15 on the upper surface of the metal thin film 14, In the embodiment, a light scattering material layer 57 is formed in the dielectric 15 instead of the fluorescent material layer 17 as a member for measuring electric field enhancement.
そして、光散乱物質層57の光散乱物質を励起させ、これにより増強された散乱光を光検出手段42によって検出して、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δを測定するように構成されている。 Then, the light scattering material of the light scattering material layer 57 is excited, and the scattered light enhanced thereby is detected by the light detection means 42, and the interference fringe pitch λ beat and propagation when the interference fringe contrast is maximized. It is configured to measure the length δ.
この場合、光散乱物質としては、例えば、金コロイド、酸化チタン、シリコン、SiO2(ガラス)などの微粒子を用いることができる。 In this case, fine particles such as gold colloid, titanium oxide, silicon, and SiO 2 (glass) can be used as the light scattering material.
5−2.金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法について
このように構成される本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10を用いた、金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法について、図11に示すフローチャートに沿って説明する。
5-2. About the optical characteristic measuring method of the dielectric on a metal thin film About the optical characteristic measuring method of the dielectric on a metal thin film using the optical characteristic measuring apparatus 10 of the dielectric on a metal thin film of the present invention configured as described above, FIG. It demonstrates along the flowchart shown.
実施例1と同様にして、図9に示したように、先ず、光源20から、光22を照射して、誘電体部材12の上面12aに形成された金属薄膜14に向かって、所定の入射角(共鳴角)α1で照射して、図10の拡大図に示したように、金属薄膜14の表面14aにおいて、金属薄膜14の表面14aに平行な方向に、表面プラズモン光(疎密波)30を発生させる。 As in the first embodiment, as shown in FIG. 9, first, light 22 is irradiated from the light source 20 toward the metal thin film 14 formed on the upper surface 12 a of the dielectric member 12. Irradiated at an angle (resonance angle) α1, as shown in the enlarged view of FIG. 10, surface plasmon light (dense wave) 30 is formed on the surface 14a of the metal thin film 14 in a direction parallel to the surface 14a of the metal thin film 14. Is generated.
一方、上側励起光34を、図9、図10に示したように、金属薄膜14の表面14aに、所定の入射角α2(臨界角以下の角度)で照射して、金属薄膜14の表面14aにおける電場増強度測定用部材の所定高さ位置において、伝播光44を発生させる。 On the other hand, as shown in FIGS. 9 and 10, the upper excitation light 34 is irradiated onto the surface 14a of the metal thin film 14 at a predetermined incident angle α2 (an angle less than the critical angle), so that the surface 14a of the metal thin film 14 is irradiated. The propagating light 44 is generated at a predetermined height position of the member for measuring the electric field strength at.
そして、図10の拡大図に示したように、上側励起光34による伝播光44と表面プラズモン光30の、表面プラズモン光30が走る方向である金属薄膜14の表面14aに平行な方向の波数成分が異なることに起因して、干渉光の干渉縞を発生させる。 Then, as shown in the enlarged view of FIG. 10, the wave number component in the direction parallel to the surface 14 a of the metal thin film 14, which is the direction in which the surface plasmon light 30 travels, of the propagation light 44 by the upper excitation light 34 and the surface plasmon light 30. Due to the difference, interference fringes of interference light are generated.
この干渉縞は近接場光なので、そのままでは直接見ることができないため、本実施例においては、金属薄膜14の上面の誘電体15中に、電場増強度測定用部材として、光散乱物質層57が形成されており、上側励起光34による伝播光44と、下側励起光26による表面プラズモン光(疎密波)30による干渉縞(干渉光)によって、誘電体15中の光散乱物質層57を励起させる。 Since this interference fringe is near-field light and cannot be seen directly as it is, in this embodiment, a light scattering material layer 57 is provided in the dielectric 15 on the upper surface of the metal thin film 14 as a member for measuring electric field strength. The light scattering material layer 57 in the dielectric 15 is excited by the formed propagation light 44 by the upper excitation light 34 and interference fringes (interference light) by the surface plasmon light (dense wave) 30 by the lower excitation light 26. Let
この原理を用いて、上側励起光34の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δを測定することによって、誘電体15の光学特性を測定(推定)するようになっている。 Using this principle, the optical characteristics of the dielectric 15 are measured by measuring the interference fringe pitch λ beat and the propagation length δ when the contrast of the interference fringe is maximized while changing the light amount of the upper excitation light 34 ( Estimated).
そして、実施例1と同様にして、干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δから、誘電体15の光学特性(誘電体15の誘電率εd)を測定(推定)することができる。 In the same manner as in the first embodiment, the optical characteristics of the dielectric 15 (dielectric constant εd of the dielectric 15) can be measured (estimated) from the pitch λ beat and the propagation length δ of the interference fringes.
6.誘電体中に電場増強度測定用部材を形成しない場合の実施例
図12は、本発明の別の実施例の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図、図13は、図12の部分拡大図、図14は、金属薄膜上誘電体の光学特性を算出する流れを説明するフローチャートである。
6). FIG. 12 is a diagram illustrating a method for measuring the optical characteristics of a dielectric on a metal thin film according to another embodiment of the present invention. FIG. 13 is a partial enlarged view of FIG. 12, and FIG. 14 is a flowchart for explaining the flow of calculating the optical characteristics of the dielectric on the metal thin film.
この実施例の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10は、図1〜図5に示した金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。 The optical property measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film according to this embodiment has basically the same configuration as the optical characteristic measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film shown in FIGS. Since the same is applied to the same component, the same reference numeral is assigned to the same component, and detailed description thereof is omitted.
6−1.金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の装置構成
実施例1では、金属薄膜14の上面にある誘電体15中に、電場増強度測定用部材として、蛍光物質層17が形成され、蛍光物質層17からの蛍光の発光強度を、例えば、CCDやCMOSなどの素子を用いた光検出手段42によって検出していたが、この実施例では、誘電体15中には、蛍光物質層17が形成されておらず、電場増強度測定手段として、近接場プローブ54を用いている。
6-1. Apparatus Configuration of Optical Property Measuring Device for Dielectric Material on Metal Thin Film In Example 1, a fluorescent material layer 17 is formed as a member for measuring electric field enhancement in dielectric 15 on the upper surface of metal thin film 14, and the fluorescent material layer In this embodiment, the fluorescent material layer 17 is formed in the dielectric 15, although the light emission intensity of the fluorescence from the light is detected by the light detection means 42 using an element such as a CCD or CMOS. However, the near-field probe 54 is used as an electric field enhancement measurer.
例えば、近接場プローブ54の先端に電場増強度測定用部材として蛍光物質55を付着して、近接場プローブ54の高さ位置を変えることにより、所定の高さ位置で、蛍光物質を励起させることができ、これにより、増強された蛍光を近接場プローブ54によって検出することができる。 For example, the fluorescent material 55 is attached to the tip of the near-field probe 54 as a member for measuring the electric field intensity, and the fluorescent material is excited at a predetermined height position by changing the height position of the near-field probe 54. This allows enhanced fluorescence to be detected by the near-field probe 54.
このため、実施例1と同様な原理を用いて、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δを測定することによって、誘電体15の光学特性(誘電体の誘電率εd)を測定(推定)するようになっている。 For this reason, by using the same principle as in the first embodiment, by measuring the interference fringe pitch λ beat and the propagation length δ when the interference fringe contrast is maximized, the optical characteristics of the dielectric 15 (dielectric dielectric) The rate εd) is measured (estimated).
6−2.金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法について
このように構成される本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10を用いた、金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法について、図14に示すフローチャートに沿って説明する。
6-2. Method for Measuring Optical Properties of Dielectric Material on Metal Thin Film FIG. 14 shows a method for measuring optical properties of dielectric material on a metal thin film using the optical property measuring apparatus 10 for dielectric material on a metal thin film according to the present invention. It demonstrates along the flowchart shown.
実施例1と同様にして、図12に示したように、先ず、光源20から、光22を照射して、誘電体部材12の上面12aに形成された金属薄膜14に向かって、所定の入射角(共鳴角)α1で照射して、図13の拡大図に示したように、金属薄膜14の表面14aにおいて、金属薄膜14の表面14aに平行な方向に、表面プラズモン光(疎密波)30を発生させる。 As in the first embodiment, as shown in FIG. 12, first, light 22 is irradiated from the light source 20 toward the metal thin film 14 formed on the upper surface 12 a of the dielectric member 12. Irradiated at an angle (resonance angle) α1, as shown in the enlarged view of FIG. 13, surface plasmon light (dense wave) 30 is formed on the surface 14a of the metal thin film 14 in a direction parallel to the surface 14a of the metal thin film 14. Is generated.
一方、上側励起光34を、図12、図13に示したように、金属薄膜14の表面14aに、所定の入射角α2(臨界角以下の角度)で照射して、金属薄膜14の表面14aにおける所定の高さ位置において伝播光44を発生させる。 On the other hand, as shown in FIGS. 12 and 13, the upper excitation light 34 is irradiated onto the surface 14a of the metal thin film 14 at a predetermined incident angle α2 (an angle less than the critical angle), so that the surface 14a of the metal thin film 14 is irradiated. The propagating light 44 is generated at a predetermined height position in FIG.
そして、図13の拡大図に示したように、上側励起光34による伝播光44と表面プラズモン光30の、表面プラズモン光30が走る方向である金属薄膜14の表面14aに平行な方向の波数成分が異なることに起因して、干渉光の干渉縞を発生させる。 And as shown in the enlarged view of FIG. 13, the wave number component of the direction parallel to the surface 14a of the metal thin film 14 which is the direction which the surface plasmon light 30 of the propagation light 44 by the upper side excitation light 34 and the surface plasmon light 30 runs. Due to the difference, interference fringes of interference light are generated.
この干渉縞は近接場光なので、そのままでは直接見ることができないため、本実施例においては、近接場プローブ54の先端に蛍光物質55を付着して、近接場プローブ54を所定の高さ位置まで接近させることによって、上側励起光34による伝播光44と、下側励起光26による表面プラズモン光(疎密波)30による干渉縞(干渉光)によって、近接場プローブ54の先端に付着した蛍光物質55を励起させる。 Since this interference fringe is near-field light and cannot be seen directly, in this embodiment, a fluorescent substance 55 is attached to the tip of the near-field probe 54 to bring the near-field probe 54 to a predetermined height position. By approaching, the fluorescent material 55 attached to the tip of the near-field probe 54 by the propagation light 44 by the upper excitation light 34 and the interference fringes (interference light) by the surface plasmon light (dense wave) 30 by the lower excitation light 26. Is excited.
この原理を用いて、上側励起光34の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δを測定することによって、誘電体15の光学特性を測定(推定)するようになっている。 Using this principle, the optical characteristics of the dielectric 15 are measured by measuring the pitch λ beat and the propagation length δ of the interference fringe when the contrast of the interference fringe is maximized while changing the amount of the upper excitation light 34. (Estimate).
そして、実施例1と同様にして、干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δから、誘電体15の光学特性(誘電体の誘電率εd)を測定(推定)することができる。 In the same manner as in the first embodiment, the optical characteristics (dielectric constant εd of the dielectric) of the dielectric 15 can be measured (estimated) from the pitch λ beat and the propagation length δ of the interference fringes.
7.金属薄膜の光学特性が未知の場合の実施例
図15は、本発明の別の実施例の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図、図16は、図15の部分拡大図、図17は、金属薄膜上誘電体の光学特性を算出する流れを説明するフローチャートである。
7). FIG. 15 is a diagram illustrating an optical characteristic measuring apparatus for a dielectric on a metal thin film, for explaining a method for measuring the optical characteristics of the dielectric on a metal thin film according to another embodiment of the present invention. FIG. 16 is a partially enlarged view of FIG. 15, and FIG. 17 is a flowchart for explaining the flow of calculating the optical characteristics of the dielectric on the metal thin film.
この実施例の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10は、図1〜図5に示した金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。 The optical property measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film according to this embodiment has basically the same configuration as the optical characteristic measuring apparatus 10 for a dielectric on a metal thin film shown in FIGS. Since the same is applied to the same component, the same reference numeral is assigned to the same component, and detailed description thereof is omitted.
実施例1では、金属薄膜14の光学特性(金属薄膜の屈折率n及び消衰係数k)が既知であったが、この実施例では、金属薄膜14の光学特性が未知の場合において、本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置を用いて、金属薄膜14の光学特性を測定(推定)した後、金属薄膜14の上面に形成した誘電体15の光学特性を測定(推定)する。 In Example 1, the optical characteristics of the metal thin film 14 (the refractive index n and the extinction coefficient k of the metal thin film) are known. In this example, the present invention is used when the optical characteristics of the metal thin film 14 are unknown. After measuring (estimating) the optical characteristics of the metal thin film 14 using the optical characteristic measuring apparatus for dielectric on metal thin film, the optical characteristics of the dielectric 15 formed on the upper surface of the metal thin film 14 are measured (estimated).
7−1.金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置の装置構成
この実施例においては、基本的には実施例1の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10と同じ構成の装置を用いることができる。
7-1. Apparatus Configuration of Optical Property Measuring Apparatus for Dielectric on Metal Thin Film In this embodiment, an apparatus having the same configuration as that of the optical characteristic measuring apparatus 10 for dielectric on a metal thin film according to the first embodiment can be used.
なお、この実施例では、先ず、金属薄膜14の光学特性を測定するため、金属薄膜14の上面には、電場増強度測定用部材として、光学特性が既知の蛍光物質層16が形成されている。 In this embodiment, first, in order to measure the optical characteristics of the metal thin film 14, a fluorescent material layer 16 having a known optical characteristic is formed on the upper surface of the metal thin film 14 as a member for measuring the electric field enhancement. .
そして、実施例1と同様な原理を用いて、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δを測定することによって、金属薄膜14の光学特性(金属薄膜の屈折率n及び消衰係数k)を測定(推定)するようになっている。 Then, using the same principle as in Example 1, the interference fringe pitch λ beat and the propagation length δ when the interference fringe contrast is maximized are measured to determine the optical characteristics of the metal thin film 14 (the refractive index of the metal thin film). n and extinction coefficient k) are measured (estimated).
7−2.金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法について
このように構成される本発明の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置10を用いた、金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法について、図17に示すフローチャートに沿って説明する。
7-2. About the optical characteristic measuring method of the dielectric on a metal thin film About the optical characteristic measuring method of the dielectric on a metal thin film using the optical characteristic measuring apparatus 10 of the dielectric on a metal thin film of the present invention configured as described above, FIG. It demonstrates along the flowchart shown.
実施例1と同様にして、図15に示したように、先ず、光源20から、光22を照射して、誘電体部材12の上面12aに形成された金属薄膜14に向かって、所定の入射角(共鳴角)α1で照射して、図16の拡大図に示したように、金属薄膜14の表面14aにおいて、金属薄膜14の表面14aに平行な方向に、表面プラズモン光(疎密波)30を発生させる。 As in the first embodiment, as shown in FIG. 15, first, light 22 is irradiated from the light source 20 toward the metal thin film 14 formed on the upper surface 12 a of the dielectric member 12. Irradiated at an angle (resonance angle) α1, as shown in the enlarged view of FIG. 16, surface plasmon light (dense wave) 30 is formed on the surface 14a of the metal thin film 14 in a direction parallel to the surface 14a of the metal thin film 14. Is generated.
一方、上側励起光34を、図15、図16に示したように、金属薄膜14の表面14aに、所定の入射角α2(臨界角以下の角度)で照射して、金属薄膜14の表面14aにおける所定高さ位置において伝播光44を発生させる。 On the other hand, as shown in FIGS. 15 and 16, the upper excitation light 34 is irradiated onto the surface 14a of the metal thin film 14 at a predetermined incident angle α2 (an angle less than the critical angle), so that the surface 14a of the metal thin film 14 is irradiated. The propagating light 44 is generated at a predetermined height position in FIG.
そして、図16の拡大図に示したように、上側励起光34による伝播光44と表面プラズモン光30の、表面プラズモン光30が走る方向である金属薄膜14の表面14aに平行な方向の波数成分が異なることに起因して、干渉光の干渉縞を発生させる。 Then, as shown in the enlarged view of FIG. 16, the wave number component in the direction parallel to the surface 14 a of the metal thin film 14, which is the direction in which the surface plasmon light 30 travels, of the propagating light 44 by the upper excitation light 34 and the surface plasmon light 30. Due to the difference, interference fringes of interference light are generated.
この干渉縞は近接場光なので、そのままでは直接見ることができないため、金属薄膜14上に電場増強度測定用部材として光学特性が既知の蛍光物質層16を設けている。
この金属薄膜14上の蛍光物質層16の蛍光物質が、伝播光44と表面プラズモン光(疎密波)30による干渉光によって効率良く励起されることになり、蛍光として干渉縞を観察することができるようになる。
Since this interference fringe is near-field light and cannot be directly seen as it is, a fluorescent material layer 16 having a known optical characteristic is provided on the metal thin film 14 as a member for measuring the electric field intensity.
The fluorescent material of the fluorescent material layer 16 on the metal thin film 14 is efficiently excited by the interference light caused by the propagating light 44 and the surface plasmon light (dense wave) 30, and interference fringes can be observed as fluorescence. It becomes like this.
この原理を用いて、上側励起光34の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δを測定することによって、金属薄膜14の光学特性(金属薄膜の屈折率n及び消衰係数k)を測定(推定)するようになっている。 Using this principle, the optical characteristic (metal) of the metal thin film 14 is measured by measuring the pitch λ beat and the propagation length δ of the interference fringe when the contrast of the interference fringe becomes maximum while changing the light amount of the upper excitation light 34. The refractive index n and extinction coefficient k) of the thin film are measured (estimated).
具体的には、実施例1と同様にして、干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δを計測することによって、上記の数8及び数9の関係式から、表面プラズモン波数ベクトルの実数値Kspp’及び虚数値Kspp’’を算出することができる。 Specifically, by measuring the interference fringe pitch λbeat and the propagation length δ in the same manner as in the first embodiment, the real values Kspp ′ and imaginary values of the surface plasmon wave number vector are obtained from the relational expressions of the above equations 8 and 9. The numerical value Kspp '' can be calculated.
そして、表面プラズモン波数ベクトルは、数14のように近似することができる。 The surface plasmon wave number vector can be approximated as shown in Equation 14.
数14より、数15の関係式が得られる。 From Expression 14, the relational expression of Expression 15 is obtained.
なお、上記において、「金属薄膜上媒体」とは、表面プラズモン光及び伝播光が発生する金属薄膜上の媒体であって、上述するように金属薄膜上に上側励起光側媒体として蛍光物質層が形成されている場合には、その蛍光物質層が該当し、表面プラズモン光及び伝播光が発生する領域である金属薄膜上に、蛍光物質層などが形成されていない場合(例えば、実施例6の場合など)には、例えば、空気や水が金属薄膜上媒体に該当する。 In the above, the “medium on the metal thin film” is a medium on the metal thin film in which surface plasmon light and propagating light are generated. As described above, the fluorescent material layer is formed on the metal thin film as the upper excitation light side medium. When formed, the fluorescent material layer corresponds to the case where the fluorescent material layer or the like is not formed on the metal thin film which is a region where surface plasmon light and propagation light are generated (for example, in Example 6). For example, air or water corresponds to the medium on the metal thin film.
このようにして、金属薄膜14の光学特性が測定できた後に、金属薄膜14上の光学特性が既知の蛍光物質層16を除去し、実際に光学特性を測定したい誘電体15を金属薄膜14上に配置する。 In this way, after the optical characteristics of the metal thin film 14 can be measured, the phosphor layer 16 whose optical characteristics are already known on the metal thin film 14 is removed, and the dielectric 15 whose optical characteristics are actually to be measured is placed on the metal thin film 14. To place.
この状態(すなわち、図1と同じ状態)において、実施例1と同様にして、干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δから、誘電体15の光学特性(誘電体の誘電率εd)を測定(推定)することができる。 In this state (ie, the same state as in FIG. 1), the optical characteristics (dielectric constant εd of the dielectric) of the dielectric 15 are measured (estimated) from the interference fringe pitch λ beat and the propagation length δ in the same manner as in the first embodiment. )can do.
以上、本発明の好ましい実施の形態を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、本実施例では、電場増強度測定用部材として蛍光物質や光散乱物質を用いて光検出手段や近接場プローブによって干渉縞を検出しているが、干渉縞を検出し、干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定することができるものであれば構わないなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this. For example, in this embodiment, a fluorescent material or a light scattering material is used as a member for measuring electric field enhancement. Although the interference fringes are detected by the light detection means and the near-field probe, any interference fringes can be detected and the interference fringe pitch and propagation length can be measured. Various changes can be made within the range.
本発明は、例えば、金膜や銀膜などの金属薄膜の上面に配置される蛍光体などの誘電体の誘電率εdを、エリプソメーターのように複雑なパラメータ設定や解析をすることなく、正確かつ容易に測定(推定)することができる。 The present invention, for example, accurately determines the dielectric constant εd of a dielectric such as a phosphor disposed on the upper surface of a metal thin film such as a gold film or a silver film without performing complicated parameter setting and analysis as in an ellipsometer. And it can be measured (estimated) easily.
10 光学特性測定装置
12 誘電体部材
12a 上面
12b 側面
12c 側面
14 金属薄膜
14a 表面
15 金属薄膜上誘電体
16 蛍光物質層
17 蛍光物質層
18 測定部材
20 光源
22 光
24 分光器
26 下側励起光
28 フィルター
29 ビーム整形レンズ
30 表面プラズモン光
32 光
33 第2の下側励起光
34 上側励起光
35 フィルター
36 位相シフト板
37 ミラー
38 金属薄膜反射光
40 受光手段
42 光検出手段
44 伝播光
46 下側励起光発生装置
48 上側励起光発生装置
49 蛍光発光干渉パターン
50 光学特性演算装置
52 光源
54 近接場プローブ
55 蛍光物質
57 光散乱物質層
100 エリプソメーター
102 金属薄膜
104 入射光
106 反射光
200 誘電体
201 プラズモン光
204 ピンホール
204a エッジ部分
206 励起光
208 励起光
210 近接場プローブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical characteristic measuring apparatus 12 Dielectric member 12a Upper surface 12b Side surface 12c Side surface 14 Metal thin film 14a Surface 15 Metal thin film top dielectric 16 Fluorescent material layer 17 Fluorescent material layer 18 Measuring member 20 Light source 22 Light 24 Spectrometer 26 Lower excitation light 28 Filter 29 Beam shaping lens 30 Surface plasmon light 32 Light 33 Second lower excitation light 34 Upper excitation light 35 Filter 36 Phase shift plate 37 Mirror 38 Metal thin film reflected light 40 Light receiving means 42 Photodetection means 44 Propagating light 46 Lower excitation Light generation device 48 Upper excitation light generation device 49 Fluorescence emission interference pattern 50 Optical characteristic calculation device 52 Light source 54 Near-field probe 55 Fluorescent material 57 Light scattering material layer 100 Ellipsometer 102 Metal thin film 104 Incident light 106 Reflected light 200 Dielectric 201 Plasmon Light 204 Pinhole 204a Edge 206 excitation light 208 the excitation light 210 near field probe
Claims (26)
前記金属薄膜の下方に配置された誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させるとともに、
前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光とは別の第2の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第2の光を発生させ、
前記表面プラズモン光と前記第2の光とによる干渉縞を発生させ、
前記干渉縞の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定し、
前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜上誘電体の光学特性を算出することを特徴とする金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法。 An optical property measurement method for measuring optical properties of a dielectric on a metal thin film formed on a metal thin film,
Irradiating the first excitation light toward the metal thin film through the dielectric member disposed below the metal thin film, generating surface plasmon light on the surface of the metal thin film,
Irradiating a second excitation light different from the first excitation light toward the metal thin film to generate a second light on the metal thin film surface,
Generating interference fringes by the surface plasmon light and the second light;
Measuring the interference fringe pitch and propagation length of the interference fringes;
An optical property measurement method for a dielectric on a metal thin film, wherein the optical property of the dielectric on the metal thin film is calculated based on the interference fringe pitch and the propagation length.
前記金属薄膜の下方に配置された誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させ、前記表面プラズモン光の伝搬長を測定し、
前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に前記表面プラズモン光を発生させるとともに、前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光とは別の第2の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第2の光を発生させて、前記表面プラズモン光と前記第2の光とによる干渉縞を発生させ、前記干渉縞の干渉縞ピッチを測定し、
前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜上誘電体の光学特性を算出することを特徴とする金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法。 An optical property measurement method for measuring optical properties of a dielectric on a metal thin film formed on a metal thin film,
Propagation of the surface plasmon light is generated by irradiating a first excitation light toward the metal thin film through a dielectric member disposed below the metal thin film to generate surface plasmon light on the surface of the metal thin film. Measure the length
Irradiating the first excitation light toward the metal thin film through the dielectric member, the surface plasmon light is generated on the surface of the metal thin film, and the first thin film is directed toward the metal thin film. Irradiating a second excitation light different from the excitation light to generate a second light on the surface of the metal thin film to generate an interference fringe due to the surface plasmon light and the second light, and the interference Measure the fringe pitch of the fringes,
An optical property measurement method for a dielectric on a metal thin film, wherein the optical property of the dielectric on the metal thin film is calculated based on the interference fringe pitch and the propagation length.
前記電場増強度測定用部材を、前記表面プラズモン光と前記第2の光との干渉光によって励起させ、前記電場増強度測定用部材に現れる干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法。 In the dielectric on the metal thin film, an electric field strength measuring member is disposed,
The interference fringe pitch of the interference fringes appearing on the electric field enhancement measurement member excited by the interference light between the surface plasmon light and the second light, or the interference fringe pitch. The method for measuring optical characteristics of a dielectric on a metal thin film according to any one of claims 1 to 8, wherein the propagation length is measured.
前記近接場プローブによって検出された干渉光の干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法。 Detecting interference light between the surface plasmon light and the second light using a near-field probe;
9. The metal thin film according to claim 1, wherein the interference fringe pitch of the interference fringes detected by the near-field probe, or the interference fringe pitch and the propagation length are measured. Method for measuring optical properties of upper dielectric.
前記金属薄膜の下方に配置された誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に前記表面プラズモン光を発生させるとともに、
前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光とは別の前記第2の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に前記第2の光を発生させ、
前記表面プラズモン光と前記第2の光とによる前記干渉縞を発生させ、
前記干渉縞の前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定し、
前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜の光学特性を算出した後、
前記金属薄膜上に形成された電場増強度測定用部材を除去し、被測定部材である金属薄膜上誘電体を金属薄膜上に配置して、金属薄膜上誘電体の光学特性を測定することを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法。 In a state where a member for measuring electric field enhancement having known optical properties is formed on the metal thin film,
Irradiating the first excitation light toward the metal thin film through a dielectric member disposed below the metal thin film, generating the surface plasmon light on the surface of the metal thin film,
Irradiating the second excitation light different from the first excitation light toward the metal thin film to generate the second light on the metal thin film surface,
Generating the interference fringes by the surface plasmon light and the second light;
Measuring the interference fringe pitch and the propagation length of the interference fringes;
After calculating the optical properties of the metal thin film based on the interference fringe pitch and the propagation length,
Removing the electric field enhancement measuring member formed on the metal thin film, placing the dielectric on the metal thin film as the member to be measured on the metal thin film, and measuring the optical characteristics of the dielectric on the metal thin film. 14. The method for measuring optical characteristics of a dielectric on a metal thin film according to any one of claims 1 to 13.
前記金属薄膜の下方に配置された誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、光源より第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させる第1の励起光発生装置と、
前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光とは別の第2の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第2の光を発生させる第2の励起光発生装置と、
前記表面プラズモン光と前記第2の光とによる干渉縞を発生した際に、干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定し、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜上誘電体の光学特性を算出する光学特性測定装置とを備えることを特徴とする金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置。 An optical property measuring apparatus for measuring optical properties of a dielectric on a metal thin film formed on a metal thin film,
First excitation light that irradiates the metal thin film with first excitation light from a light source through a dielectric member disposed below the metal thin film to generate surface plasmon light on the surface of the metal thin film. A generator,
A second excitation light generator for generating second light on the surface of the metal thin film by irradiating the metal thin film with a second excitation light different from the first excitation light;
When an interference fringe is generated by the surface plasmon light and the second light, an interference fringe pitch and a propagation length are measured. Based on the interference fringe pitch and the propagation length, an optical of the dielectric on the metal thin film An optical characteristic measuring device for a dielectric on a metal thin film, comprising: an optical characteristic measuring device for calculating characteristics.
前記金属薄膜の下方に配置された誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、光源より第1の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させる第1の励起光発生装置と、
前記金属薄膜に向かって、前記第1の励起光とは別の第2の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第2の光を発生させる第2の励起光発生装置と、
前記表面プラズモン光を発生した際に、前記表面プラズモン光の伝搬長を測定するとともに、前記表面プラズモン光と前記第2の光とによる干渉縞を発生した際に、前記干渉縞の干渉縞ピッチを測定し、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜上誘電体の光学特性を算出する光学特性演算装置とを備えることを特徴とする金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置。 An optical property measuring apparatus for measuring optical properties of a dielectric on a metal thin film formed on a metal thin film,
First excitation light that irradiates the metal thin film with first excitation light from a light source through a dielectric member disposed below the metal thin film to generate surface plasmon light on the surface of the metal thin film. A generator,
A second excitation light generator for generating second light on the surface of the metal thin film by irradiating the metal thin film with a second excitation light different from the first excitation light;
When the surface plasmon light is generated, the propagation length of the surface plasmon light is measured, and when an interference fringe is generated by the surface plasmon light and the second light, an interference fringe pitch of the interference fringe is set. An apparatus for measuring optical characteristics of a dielectric on a metal thin film, comprising: an optical characteristic calculator that measures and calculates an optical characteristic of the dielectric on the metal thin film based on the interference fringe pitch and the propagation length.
前記第2の励起光が、前記第1の励起光と同一の光源からの光が前記分光器によって分光された励起光であることを特徴とする請求項15から19のいずれかに記載の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置。 The optical characteristic measurement device further comprises a spectroscope that separates light from a light source,
20. The metal according to claim 15, wherein the second excitation light is excitation light obtained by separating light from the same light source as the first excitation light by the spectrometer. Equipment for measuring optical properties of dielectric on thin film.
前記第1の励起光を、前記誘電体部材に入射する前に、前記ビーム整形レンズによってビーム形状に整形することを特徴とする請求項15から21のいずれかに記載の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置。 The first excitation light generator further includes a beam shaping lens,
The dielectric material on a metal thin film according to any one of claims 15 to 21, wherein the first excitation light is shaped into a beam shape by the beam shaping lens before entering the dielectric member. Optical property measuring device.
前記金属薄膜上誘電体中に、電場増強度測定用部材を配置して、
前記電場増強度測定用部材を、前記表面プラズモン光と前記第2の光との干渉光によって励起させ、前記電場増強度測定用部材に現れる干渉縞を前記光検出手段によって検出して、
前記光学特性演算装置において、前記干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする請求項15から22のいずれかに記載の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置。 The optical characteristic calculation device further includes a light detection means,
In the dielectric on the metal thin film, an electric field strength measuring member is disposed,
The electric field enhancement measurement member is excited by interference light between the surface plasmon light and the second light, and interference fringes appearing on the electric field enhancement measurement member are detected by the light detection means,
23. The dielectric on metal thin film according to claim 15, wherein the interference fringe pitch of the interference fringes or the interference fringe pitch and the propagation length are measured in the optical characteristic calculation device. Optical property measuring device.
前記表面プラズモン光と前記第2の光との干渉光を、前記近接場プローブを用いて検出し、
前記光学特性演算装置において、前記近接場プローブによって検出された干渉光の干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする請求項14から21のいずれかに記載の金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置。 The optical property calculation device further comprises a near-field probe,
Detecting interference light between the surface plasmon light and the second light using the near-field probe;
The optical characteristic calculation device measures the interference fringe pitch of the interference fringes detected by the near-field probe, or the interference fringe pitch and the propagation length. An apparatus for measuring optical properties of a dielectric on a metal thin film according to any one of the above.
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