JP2014202677A - 赤外吸収測定装置及び赤外吸収測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定時間を長大化させずに良好なＳ／Ｎ比で測定結果を得ることができる赤外吸収測定装置及び赤外吸収測定方法を提供する。
【解決手段】赤外吸収測定装置は、赤外レーザ光（単波長の赤外ビーム）の試料５への照射と非照射とを繰り返し、赤外光を吸収して膨張する試料５の表面の照射時と非照射時との間の変位量を、ＡＦＭ１を用いて検出する。赤外吸収測定装置は、赤外レーザ光の連続的な照射の持続時間を変化させながら検出を行い、変位量が所定の条件を満たすための持続時間を特定する。また、赤外吸収測定装置は、連続的な照射の持続時間を固定した上で、赤外レーザ光の波長を変化させながら試料５の変位量を検出することで、赤外吸収を測定する。連続的な照射の持続時間を、変位量が大きくなる適切な長さに定めることができ、測定時間が長大化せずにＳ／Ｎ比が良好になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、物質中の微少部分の赤外吸収を測定する赤外吸収測定装置、及び赤外吸収測定方法に関する。

赤外吸収分析は、物質に赤外光を照射し、物質中の分子の振動又は回転に対応して物質に吸収された赤外光のスペクトルを求め、物質の化学構造を調べる手法である。従来、集積回路上の配線等、微少な対象に対しても赤外吸収分析を行う方法が開発されている。特許文献１には、波長を変更しながら単波長の赤外光を試料上の微少な部分へ照射し、照射された部分が赤外光を吸収して膨張する変化を検出する技術が開示されている。この技術では、赤外光の照射を断続的に行い、赤外光を照射して試料が膨張したときの試料表面の高さの変化を走査型プローブ顕微鏡を用いて検出している。赤外光として、赤外レーザが用いられることがあり、パルスレーザが用いられることもある。

特開平２−６９６４３号公報

赤外光としてパルスレーザを用いた場合は、測定結果がインパルス応答になるので、ノイズが発生し易いという問題がある。また、試料に連続して赤外光を照射する時間が短い場合は、試料の膨張が小さく、測定結果のＳ／Ｎ比が悪い。逆に、赤外光を照射する時間が長い場合は、測定時間が長大化する。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、測定時間を長大化させずに良好なＳ／Ｎ比で測定結果を得ることができる赤外吸収測定装置及び赤外吸収測定方法を提供することにある。

本発明に係る赤外吸収測定装置は、単波長の赤外ビームを発生する赤外ビーム発生部と、試料への赤外ビームの照射及び非照射を繰り返し切り替える切り替え部とを備える赤外吸収測定装置において、赤外ビームを吸収して膨張する試料表面の非照射時に比べた変位量を検出する変位検出部と、前記切り替え部による連続的な照射の持続時間を調整する照射時間調整部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る赤外吸収測定装置は、前記赤外ビーム発生部は、赤外ビームの波長を変更することが可能であり、前記赤外ビーム発生部に赤外ビームの波長を固定させた上で、前記照射時間調整部に前記持続時間を順次変化させながら前記変位検出部に前記変位量を検出させ、前記変位量が所定の条件を満たすための持続時間を特定する照射時間特定部と、前記照射時間調整部に、前記切り替え部による連続的な照射の持続時間を前記照射時間特定部が特定した持続時間に固定させた上で、前記赤外ビーム発生部に赤外ビームの波長を順次変化させながら前記変位検出部に前記変位量を検出させる赤外吸収測定部とを更に備えることを特徴とする。

本発明に係る赤外吸収測定装置は、前記照射時間特定部は、前記変位量が所定量以上になる持続時間の内で最短の持続時間を特定するように構成してあることを特徴とする。

本発明に係る赤外吸収測定装置は、前記切り替え部は、赤外ビームの光路を開閉するチョッパを用いて構成してあり、前記照射時間調整部は、前記チョッパが赤外ビームの光路を開閉する周波数を調整するように構成してあり、前記変位検出部は、試料の赤外ビームが照射される部分の変位に応じた信号を生成し、生成した信号から、前記周波数に基づいた同期検波により、前記変位量を示す信号を生成するように構成してあることを特徴とする。

本発明に係る赤外吸収測定装置は、前記照射時間調整部は、前記周波数を順次増大させることによって前記周波数を調整するように構成してあることを特徴とする。

本発明に係る赤外吸収測定装置は、前記変位検出部は走査型プローブ顕微鏡を含んでいることを特徴とする。

本発明に係る赤外吸収測定装置は、前記赤外ビーム発生部は、連続的に赤外レーザ光を発生するレーザ素子と、赤外レーザ光の波長を変更するための外部共振器とを有することを特徴とする。

本発明に係る赤外吸収測定装置は、試料の赤外ビームが照射される部分を変更しながら、赤外ビームの波長に対する前記変位量の関係を表したスペクトルを生成して、試料上の前記スペクトルの分布を生成するスペクトル分布生成部を更に備えることを特徴とする。

本発明に係る赤外吸収測定方法は、試料へ単波長の赤外ビームを断続的に照射し、試料の赤外吸収を測定する方法において、赤外ビームの連続的な照射の持続時間を調整し、赤外ビームを吸収して膨張する試料表面の非照射時に比べた変位量を検出することを特徴とする。

本発明においては、赤外吸収測定装置は、単波長の赤外ビームの試料への照射と非照射とを切り替えて試料表面の変位量を検出して赤外吸収を測定する際に、赤外ビームの連続的な照射の持続時間を調整しながら測定を行う。赤外ビームの連続的な照射の持続時間を適切な値に変更することが可能となる。

本発明においては、赤外吸収測定装置は、赤外ビームの連続的な照射の持続時間を変化させながら測定を行い、試料表面の変位量が所定の条件を満たすための持続時間を特定する。また、赤外吸収測定装置は、赤外ビームの連続的な照射の持続時間を特定した持続時間に固定した上で、赤外ビームの波長を変化させながら試料表面の変位量を検出する。赤外ビームの連続的な照射の持続時間を適切な値に定めることが可能となる。

また、本発明においては、赤外ビームの連続的な照射の持続時間を、試料の表面の変位量が所定量以上になる持続時間の内で最短の持続時間に特定する。これにより、試料の表面の変位量が適切となり、しかも長すぎない適切な持続時間に、持続時間を定めることが可能となる。

また、本発明においては、赤外吸収測定装置は、試料への赤外ビームの照射と非照射とを切り替えるために、チョッパで光路を開閉し、光路の開閉の周波数に基づいた同期検波により、試料の表面の変位量を示す信号を生成する。また、赤外吸収測定装置は、光路の開閉の周波数を調整することにより、赤外ビームの連続的な照射の持続時間を変化させる。これにより、赤外ビームの連続的な照射の持続時間を容易に調整することができる。

また、本発明においては、赤外吸収測定装置は、光路の開閉の周波数を順次増大させることによって、周波数を調整する。これにより、周波数の増大に応じた変位量の変化を容易に検出して、適切な周波数を容易に求めることができる。

また、本発明においては、赤外吸収測定装置は、走査型プローブ顕微鏡を利用することにより、試料の表面の変位量を高精度に検出する。

また、本発明においては、赤外吸収測定装置は、レーザ素子及び外部共振器を用いて、波長を変更することができる単波長の赤外ビームを発生させる。

また、本発明においては、赤外吸収測定装置は、赤外ビームの波長と試料表面の変位量との関係を表すスペクトルを生成し、試料上のスペクトルの分布を生成する。これにより、試料上の化学構造の分布を分析することが可能となる。

本発明にあっては、赤外ビームの連続的な照射の持続時間を適切に定めることが可能となるので、試料表面の変位量をある程度の大きさに保ちながら、赤外吸収の測定に必要な時間が短縮される。従って、測定時間を長大化させずに良好なＳ／Ｎ比で赤外吸収を測定することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

赤外吸収測定装置の構成を示すブロック図である。 赤外吸収測定装置が実行する処理の手順を示すフローチャートである。 試料５の表面の高さ変動の例を模式的に示す特性図である。 赤外レーザ光の光路が開閉される周波数と試料の高さ変動量との関係を模式的に示す特性図である。 試料の高さ変動量のスペクトルを模式的に示す特性図である。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、赤外吸収測定装置の構成を示すブロック図である。赤外吸収測定装置は、試料５の微少部分へ赤外レーザを照射し、赤外光を吸収した試料５の微少部分の膨張をＡＦＭ（Atomic Force Microscope 、原子間力顕微鏡）を利用して検出する装置である。赤外吸収測定装置は、ＡＦＭ１を備えており、ＡＦＭ１は、試料５が載置される試料台１５と、カンチレバー１１と、レーザ光源１２と、光センサ１３と、ＡＦＭ１の信号処理及び動作制御を行うＡＦＭ処理部１４とを含んでいる。ＡＦＭ１は、ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope 、走査型プローブ顕微鏡）の一種である。

カンチレバー１１は、先端に設けられた探針を試料５の表面に近づける。レーザ光源１２は、カンチレバー１１の先端にレーザ光を照射し、光センサ１３は、カンチレバー１１の先端から反射したレーザ光を検出する。図１中には、レーザ光を破線で示している。試料５の表面が膨張してカンチレバー１１の探針と試料５表面との距離が近くなった場合、原子間力によってカンチレバー１１がたわみ、光センサ１３でレーザ光を検出する位置がずれ、ＡＦＭ処理部１４はカンチレバー１１のたわみを検出する。カンチレバー１１のたわみ量の変化は、探針と試料５表面との距離の変化に対応し、膨張した試料５の表面の高さ変動に対応する。ＡＦＭ処理部１４は、カンチレバー１１のたわみが一定になるように、試料台１５又はカンチレバー１１を上下に移動させる制御を行う。このとき、ＡＦＭ処理部１４は、試料台１５又はカンチレバー１１の上下移動に応じた信号を出力する。試料台１５又はカンチレバー１１の移動量は、試料５の表面の高さ変動に対応するので、ＡＦＭ処理部１４が出力する信号は、試料５の表面の高さ変動に応じた信号である。

赤外吸収測定装置は、赤外レーザ光を発生するレーザ素子２１と、外部共振器２２とを備えている。レーザ素子２１は、連続的に赤外レーザ光を発生するように半導体を用いて構成されており、例えばＱＣＬ（Quantum Cascade Laser 、量子カスケードレーザ）である。外部共振器２２は、内部に図示しないグレーティング及びミラーを含み、グレーティングの傾きを変更することで、レーザ素子２１が発生する赤外レーザ光の波長を調整することが可能である。例えば、外部共振器２２は、赤外レーザ光の波長を２μｍ〜２５μｍの範囲で調整する。赤外吸収測定装置では、外部共振器２２から出射した赤外レーザ光を試料５へ照射する。図１中には、赤外レーザ光を一点鎖線で示している。レーザ素子２１には、レーザ素子２１を動作させるためのレーザドライバ２３が接続されており、外部共振器２２には、外部共振器２２のグレーティングの動作を制御するグレーティング制御部２４が接続されている。赤外吸収測定装置は、赤外線レーザ光を試料５へ照射するための図示しない光学系を備えており、光学系及びＡＦＭ１は、試料５の赤外レーザ光が照射された部分の高さ変動をＡＦＭ１が検出するように構成されている。レーザ素子２１、外部共振器２２、レーザドライバ２３及びグレーティング制御部２４は、本発明における赤外ビーム発生部に対応する。

赤外吸収測定装置は、外部共振器２２から出射した赤外レーザ光の光路を開閉するチョッパ３１を備えている。チョッパ３１は、赤外レーザ光を遮断する材料で構成され、図示しないモータの回転軸に連結された複数の羽根を含む羽根車であり、モータの動作によって回転する。回転方向の羽根の間は隙間になっており、赤外レーザ光が通過する。チョッパ３１は、回転する羽根が赤外レーザ光の光路の途中を通過する位置に配置されている。回転するチョッパ３１の羽根が光路上にある瞬間は、光路が遮断され、赤外レーザ光は試料５へは照射されない。回転するチョッパ３１の羽根が光路上に無い瞬間は、光路が開放され、赤外レーザ光は羽根の間の隙間を通過して試料５へ照射される。このようにして、試料５への赤外レーザ光の照射と非照射とが繰り返し切り替えられる。例えば、チョッパ３１は、赤外レーザ光が試料５へ照射される時間と非照射の時間とが等しくなるように構成されている。なお、チョッパ３１は何れか一方の時間がより長くなるように構成されていてもよい。また、チョッパ３１は、羽根車ではなく、回転軸周りに赤外レーザ光を遮断する部材と赤外レーザ光を通過させる部材とを配した円板であってもよい。

チョッパ３１には、チョッパ３１の動作を制御するチョッパ制御部３２が接続されている。また、チョッパ制御部３２には、チョッパ制御部３２がチョッパ３１を回転させる周波数を制御する周波数制御部３３が接続されている。チョッパ３１は、本発明における切り替え部に対応し、チョッパ制御部３２及び周波数制御部３３は、本発明における照射時間調整部に対応する。

赤外吸収測定装置は、ロックインアンプ３４を備えており、ロックインアンプ３４にはＡＦＭ処理部１４及び周波数制御部３３が接続されている。ロックインアンプ３４は、ＡＦＭ処理部１４が出力した信号を入力される。また、周波数制御部３３は、チョッパ３１が赤外レーザ光の光路を開閉する周波数を示す信号をロックインアンプ３４へ入力する。赤外レーザ光の光路が開閉される周波数は、例えば、チョッパ３１の回転の周波数の整数倍である。ロックインアンプ３４は、周波数制御部３３から入力された信号を参照信号とした同期検波を行うことにより、ＡＦＭ処理部１４から入力された信号から、赤外レーザ光の光路が開閉される周波数で変動する信号を選択し、選択した信号の振幅を示す信号を出力する。なお、周波数制御部３３は、チョッパ３１の回転の周波数を示す信号をロックインアンプ３４へ入力し、ロックインアンプ３４は、チョッパ３１の回転の周波数から赤外レーザ光の光路が開閉される周波数を計算する処理を行ってもよい。

試料５の表面は、赤外レーザ光を照射されたときに赤外レーザ光を吸収して膨張し、非照射時に収縮する。このため、ＡＦＭ１が検出する試料５の表面の高さ変動は、赤外レーザ光の光路が開閉される周波数で変動を繰り返し、ＡＦＭ処理部１４が出力する信号は、赤外レーザ光の光路が開閉される周波数で変動する。この信号の振幅は、赤外レーザ光の照射時の試料５の表面の高さと、非照射時の試料５の表面の高さとの間の変動量に対応する。以下、この変動量を試料５の高さ変動量と言う。従って、ロックインアンプ３４が出力する信号は、試料５の表面の高さ変動量を示す信号である。ＡＦＭ１及びロックインアンプ３４は、本発明における変位検出部に対応する。

ロックインアンプ３４には、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter 、アナログ−デジタル変換器）３５が接続されており、ＡＤＣ３５は周波数制御部３３に接続されている。ＡＤＣ３５は、ロックインアンプ３４が出力した信号をデジタル信号に変換し、周波数制御部３３へ入力する。周波数制御部３３は、赤外吸収測定装置の全体を制御する制御部４に接続されている。制御部４は、演算部及び記憶部を含み、パーソナルコンピュータ等のコンピュータを用いて構成されており、情報の出力、使用者による操作の受け付け、赤外吸収測定装置の各部の制御、及び各種の信号処理を行うことができる。周波数制御部３３は、ＡＤＣ３５から入力された信号を制御部４へ入力する。即ち、制御部４には、試料５の高さ変動量を示す信号が入力される。制御部４には、レーザドライバ２３及びグレーティング制御部２４が接続されており、制御部４はレーザドライバ２３及びグレーティング制御部２４の動作を制御する。また、制御部４には、試料台１５を移動させるステッピングモータ等の駆動部２５が接続されている。駆動部２５は、試料台１５を水平面方向に移動させる。制御部４は、駆動部３４の動作を制御して、試料台１５の水平面方向への移動を制御する。

図２は、赤外吸収測定装置が実行する処理の手順を示すフローチャートである。試料５が試料台１５に載置された状態で、制御部４は、グレーティング制御部２４の動作を制御して、外部共振器２２が調整する赤外レーザ光の波長を固定する（Ｓ１）。固定される波長の値は、予め制御部４に記憶されている。又は、使用者が制御部４を操作して、固定される波長の値を定めてもよい。例えば、試料５の材質がある程度明らかであり、試料５で吸収される赤外光の波長がある程度判明している場合に、吸収されることが判明している赤外光の波長の値を使用してもよい。また例えば、試料５に対して予備的に赤外吸収分析を行っておき、吸収されることが判明した赤外光の波長の値を使用してもよい。

制御部４は、次に、周波数制御部３３を制御して、チョッパ制御部３２にチョッパ３１を回転させると共に、チョッパ３１の回転の周波数を順次変化させる。このとき、周波数制御部３３は、回転の周波数を小さい周波数から大きい周波数へ順次変化させる。例えば、周波数を初期値から順次増大させる。制御部４は、同時に、レーザドライバ２３にレーザ素子２１を駆動させ、更にＡＦＭ１に試料５の表面の高さ変動を検出させる。赤外レーザ光は試料５へ断続的に照射され、連続的な照射の持続時間は順次変更される。ＡＦＭ１が検出した試料５の表面の高さ変動に応じた信号はロックインアンプ３４へ入力され、ロックインアンプ３４は、そのときの赤外レーザ光の光路が開閉される周波数で同期検波を行って、試料５の高さ変動量を示す信号を出力する。ロックインアンプ３４が出力した信号は、ＡＤＣ３５及び周波数制御部３３を経由して制御部４へ入力される。このようにして、赤外吸収測定装置は、赤外レーザ光の光路が開閉される周波数を変化させながら、赤外レーザ光を照射された試料５の高さ変動量を検出する（Ｓ２）。

図３は、試料５の表面の高さ変動の例を模式的に示す特性図である。図中の横軸は経過時間を示し、縦軸は試料５の表面の高さを示す。赤外レーザ光が試料５へ照射されている時間と照射されていない非照射の時間とが交互に現れる。図３中には、照射の持続時間と非照射の持続時間とが同じ長さで変化しない例を示している。赤外レーザ光の照射が連続的に持続している間は、試料５が赤外光を吸収して膨張し、高さが増大する。逆に、非照射の間は、試料５は収縮し、高さは減少する。図３に示すように、試料５の表面の高さは、赤外レーザ光の光路が開閉される周波数で変動する。ＡＦＭ１が出力する高さ変動に応じた信号も、同じ周波数で変動する。実際には、ＡＦＭ１が出力した信号には、カンチレバー１１を振動させる周波数で変動する信号又はノイズ等の種々の周波数で変動する信号が重畳されている。ロックインアンプ３４は、赤外レーザ光の光路が開閉される周波数で変動する信号の振幅を検出する。赤外レーザ光の光路が開閉される周波数で変動する信号は、試料５の表面の高さ変動に応じた信号であり、信号の振幅は、試料５の高さ変動量に対応する。即ち、ロックインアンプ３４が検出した信号の振幅は、高さ変動量に対応する。ロックインアンプ３４は、検出した信号の振幅に対応する高さ変動量を示す信号を出力する。

図４は、赤外レーザ光の光路が開閉される周波数と試料５の高さ変動量との関係を模式的に示す特性図である。図中の横軸は赤外レーザ光の光路が開閉される周波数を示し、縦軸は試料５の高さ変動量を示す。周波数が低いほど、照射時に赤外レーザ光が連続的に試料５へ照射される持続時間が長くなり、周波数が高いほど、照射の持続時間が短くなる。連続的な照射の持続時間が長いほど、試料５は多くの赤外光を吸収して膨張し、試料５の高さ変動量は大きくなる。但し、連続的な照射の持続時間がある程度長い場合は、試料５の高さ変動量はほぼ飽和する。従って、図４に示すように、周波数が低い領域では試料５の高さ変動量はほぼ飽和し、周波数が高い領域では試料５の高さ変動量はゼロに近づく。赤外吸収測定装置は、例えば、１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲で光路開閉の周波数を変化させる。

制御部４は、次に、光路開閉の周波数に対する試料５の高さ変動量の検出結果から、高さ変動量のスペクトルを生成するために使用する光路開閉の周波数を特定する（Ｓ３）。高さ変動量のスペクトルを良好なＳ／Ｎ比で生成するためには、試料５の高さ変動量は大きい方が望ましく、測定時間を短くするには、連続的な照射の持続時間は短い方が望ましい。従って、ステップＳ３では、制御部４は、試料５の高さ変動量の値がある程度以上大きくなる周波数の内で可及的に高い周波数を特定する。例えば、制御部４は、所定量以上の高さ変動量が得られる周波数の内で最大の周波数を特定する。高さ変動量の所定量としては、例えば、赤外レーザ光を試料５に連続的に照射する持続時間を最大にした場合に得られる高さ変動量の９８％等の値を用いる。また例えば、制御部４は、周波数の増加に対する高さ変動量の傾きがゼロより小さい所定の値以下になる周波数を特定する。ステップＳ２で回転の周波数を小さい周波数から大きい周波数へ順次変化させるので、周波数が小さい状態では高さ変動量が大きくなるために高さ変動量の値又は傾きの変化を判定し易く、これらを検出して、容易に適切な周波数を求めることができる。このように周波数を特定することにより、スペクトルを生成するための連続的な照射の持続時間が、高さ変動量が所定量以上になる持続時間の内で最短の持続時間に特定される。

制御部４は、次に、周波数制御部３３を制御して、チョッパ３１の回転の周波数を固定させて、赤外レーザ光の光路が開閉される周波数をステップＳ３で特定した周波数に固定する（Ｓ４）。制御部４は、次に、固定した周波数でチョッパ３１を回転させると共に、グレーティング制御部２４の動作を制御して、外部共振器２２が調整する赤外レーザ光の波長を順次変化させながら、レーザドライバ２３にレーザ素子２１を駆動させ、更にＡＦＭ１に試料５の表面の高さ変動を検出させる。連続的な照射の持続時間が固定された上で赤外レーザ光は試料５へ断続的に照射され、試料５の高さ変動量を示す信号が、ＡＦＭ１が検出した試料５の表面の高さ変動に応じた信号から、固定された光路開閉の周波数で同期検波され、制御部４へ入力される。このようにして、赤外吸収測定装置は、赤外レーザ光の波長を変化させながら、赤外レーザ光を照射された試料５の高さ変動量を検出する（Ｓ５）。制御部４は、次に、入力された信号が示す試料５の高さ変動量と赤外レーザ光の波長とを対応づけて、試料５の表面の高さ変動量と赤外光の波長との関係を表したスペクトルを生成する（Ｓ６）。制御部４は、生成したスペクトルを示すデータを記憶する。

図５は、試料５の高さ変動量のスペクトルを模式的に示す特性図である。図中の横軸は赤外光の波長を示し、縦軸は試料５の高さ変動量を示す。試料５が赤外光を吸収する量は、波長によって異なり、赤外光の吸収量が大きいほど試料５の高さ変動量は大きくなる。このため、試料５の高さ変動量は、赤外レーザ光を照射された部分での各波長の赤外光の吸光度にほぼ対応する。従って、試料５の高さ変動量のスペクトルは、試料５の赤外レーザ光を照射された部分での赤外吸収スペクトルに相当する。なお、制御部４が生成するスペクトルは、横軸に波長を用いたスペクトルに限るものではなく、横軸にエネルギー、周波数又は波数を用いたスペクトルであってもよい。

制御部４は、次に、赤外レーザ光での試料５の走査が終了したか否かを判定する（Ｓ７）。走査が終了していない場合は（Ｓ７：ＮＯ）、制御部４は、駆動部２５を制御して、試料台１５を水平方向に移動させることにより、試料５を水平方向に移動させる（Ｓ８）。試料５が水平方向に移動することにより、試料５の赤外レーザ光を照射される部分の位置が変更される。制御部４は、次に、処理をステップＳ５へ戻し、試料５の別の部分での高さ変動量のスペクトルを生成する。

ステップＳ７で試料５の走査が終了している場合は（Ｓ７：ＹＥＳ）、制御部４は、生成したスペクトルと試料５上の各部分とを対応づけることによって、試料５上のスペクトル分布を生成する（Ｓ９）。生成したスペクトル分布は、高さ変動量のスペクトルの二次元分布であり、試料５上の赤外吸収スペクトルの分布に相当する。赤外吸収スペクトルは、物質の化学構造によって異なるので、スペクトル分布から化学構造の分布を調べることが可能となる。ステップＳ９が終了した後は、制御部４は、生成したスペクトル分布を示すデータを記憶し、処理を終了する。なお、制御部４は、必要に応じて、スペクトル分布を出力する処理を行ってもよい。

以上詳述した如く、赤外吸収測定装置は、試料５への赤外レーザ光の照射と非照射とを切り替えて試料５の高さ変動量を検出する際に、赤外レーザ光の連続的な照射の持続時間を変化させながら検出を行い、高さ変動量が所定の条件を満たすための持続時間を特定する。また、赤外吸収測定装置は、赤外レーザ光の連続的な照射の持続時間を特定した持続時間に固定した上で、赤外レーザ光の波長を変化させながら試料５の高さ変動量を検出する。赤外レーザ光の連続的な照射の持続時間として、試料５の高さ変動量がほぼ飽和するような持続時間を特定することにより、高さ変動量が可及的に大きくなり、測定される赤外吸収スペクトルのＳ／Ｎ比が良好となる。また、高さ変動量が大きい持続時間の内で可及的に短い持続時間を特定することにより、赤外吸収スペクトルの測定に必要な時間が短縮される。従って、赤外吸収測定装置は、測定時間を長大化させずに良好なＳ／Ｎ比で赤外吸収スペクトルを得ることが可能となる。

また、赤外吸収測定装置は、試料５への赤外レーザ光の照射と非照射とを切り替えるために、チョッパ３１で赤外レーザ光の光路を開閉し、光路の開閉の周波数に基づいた同期検波により、試料５の高さ変動量を示す信号を生成する。チョッパ３１の回転の周波数を調整することにより、光路の開閉の周波数を調整し、赤外レーザ光の連続的な照射の持続時間を容易に調整することができる。適切な周波数を特定することにより、赤外レーザ光の連続的な照射の持続時間を適切に特定することができる。また、光路の開閉の周波数に基づいた同期検波を行うことで、試料５の高さ変動量の大きさを高精度に測定することができる。

また、赤外吸収測定装置は、ＳＰＭの一種であるＡＦＭを利用することにより、試料５の高さ変動量を高精度に検出することができる。また、赤外吸収測定装置は、レーザ素子２１及び外部共振器２２を用いて、波長を変更することができる赤外レーザ光を発生している。自由電子レーザ等の波長可変レーザ、又は波長の異なる複数のレーザを用いる場合に比べて、レーザ光源を小型・安価に構成することができる。レーザ素子２１は連続的に赤外レーザ光を発生するので、パルスレーザを用いた場合に比べて、ノイズが減少し、測定結果のＳ／Ｎ比が改善される。また、赤外吸収測定装置は、試料５上の赤外吸収スペクトルの分布を生成する。赤外吸収スペクトルの分布に基づき、試料５上の化学構造の分布を分析することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、チョッパ３１の回転の周波数を変更することで赤外レーザ光の光路の開閉の周波数を変更する方法を示したが、赤外吸収測定装置は、その他の方法で光路の開閉の周波数を変更してもよい。例えば、羽根の数が異なるチョッパに交換することで光路の開閉の周波数を変更してもよい。また例えば、赤外レーザ光を通過させる部材の一周当たりの数を半径方向に変化させておき、赤外レーザ光が通過する位置と回転軸との距離を変更することにより、光路の開閉の周波数を変更してもよい。また、赤外吸収測定装置は、チョッパ３１を用いる方法以外の方法で、試料５への赤外レーザ光の照射と非照射とを切り替える形態であってもよい。例えば、赤外吸収測定装置は、シャッタを用いて赤外レーザ光を遮断することによって照射と非照射とを切り替える形態であってもよく、また、レーザ素子２１のオンとオフとを繰り返すことによって照射と非照射とを切り替える形態であってもよい。また、本実施の形態においては、赤外レーザ光の連続的な照射の持続時間を周期的に調整する形態を示したが、赤外吸収測定装置は、連続的な照射の持続時間を非周期的に調整する形態であってもよい。

また、赤外吸収測定装置は、半導体レーザ以外のレーザを用いた形態であってもよい。また、赤外吸収測定装置は、外部共振器２２を用いた方法以外の方法で赤外レーザ光の波長を変更する形態であってもよい。例えば、赤外吸収測定装置は、自由電子レーザ又は光パラメトリック発振レーザ等の波長可変レーザを用いた形態であってもよく、また、波長の異なる複数のレーザを用いた形態であってもよい。また、本実施の形態においては、赤外レーザ光を上側から試料５へ照射する形態を示したが、赤外吸収測定装置は、下側から赤外レーザ光を試料５へ照射する形態であってもよい。また、赤外吸収測定装置は、レーザ光以外の単波長の赤外ビームを利用する形態であってもよい。例えば、赤外吸収測定装置は、白色ランプ光又はシンクロトロン放射光等の複数波長を含む光から分光器を用いて単波長光を分光した光を利用する形態であってもよい。また、赤外吸収測定装置は、波長にある程度の幅をもつ光を利用してもよい。

また、本実施の形態においては、単波長の赤外ビームの波長を変更しながら赤外吸収を測定する形態を示したが、赤外吸収測定装置は、波長を固定した単波長の赤外ビームを用いて赤外吸収を測定する形態であってもよい。この形態であっても、固定された単波長の赤外吸収を測定し、試料別に異なる赤外吸収に基づいて物質の分析を行うことができる。また、赤外吸収測定装置は、試料５の高さ変動に加えて、周期的な赤外ビームの照射に対して高さ変動の位相がずれる位相ずれをも検出する形態であってもよい。この位相ずれは、例えば、チョッパ３１が赤外レーザ光の光路を開閉する周波数を示す信号と試料５の高さ変動に応じた信号とを制御部４で比較することによって検出される。検出された位相ずれに基づいて、複数の層を持つ試料の層別の分別、又は同じ波長の光を吸収する試料の分別等の分析を行うことが可能である。

また、本実施の形態においては、レーザ光を用いてカンチレバー１１のたわみを検知することにより試料５の表面の高さ変動を検出する形態を示したが、ＡＦＭ１は、自己検出プローブを用いた形態等、その他の方法で試料５の表面の高さ変動を検出する形態であってもよい。また、本実施の形態においては、試料５の表面の変位量として高さ変動量を検出する形態を示したが、赤外吸収測定装置は、試料５の表面の変位量として水平方向の変位量を検出する形態であってもよい。例えば、赤外吸収測定装置は、接触式のＡＦＭを用いて、赤外ビームの照射時に膨張した試料５の表面の水平方向の変位を検出し、試料５の表面の照射時の水平方向の位置と非照射時の水平方向の位置との間の変位量を検出する形態であってもよい。また、赤外吸収測定装置は、ＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope 、走査型トンネル顕微鏡）又はＳＮＯＭ（Scanning Near field Optical Microscope、走査型近接場光顕微鏡）等、ＡＦＭ以外のＳＰＭを用いた形態であってもよい。また、赤外吸収測定装置は、ＳＰＭ以外の方法で試料５の表面の変位量を検出する形態であってもよい。例えば、赤外吸収測定装置は、共焦点レーザ顕微鏡を用いた形態であってもよい。

１ ＡＦＭ
２１ レーザ素子
２２ 外部共振器
２３ レーザドライバ
２４ グレーティング制御部
２５ 駆動部
３１ チョッパ
３２ チョッパ制御部
３３ 周波数制御部
３４ ロックインアンプ
４ 制御部

Claims (9)

1. 単波長の赤外ビームを発生する赤外ビーム発生部と、試料への赤外ビームの照射及び非照射を繰り返し切り替える切り替え部とを備える赤外吸収測定装置において、
   赤外ビームを吸収して膨張する試料表面の非照射時に比べた変位量を検出する変位検出部と、
   前記切り替え部による連続的な照射の持続時間を調整する照射時間調整部と
   を備えることを特徴とする赤外吸収測定装置。
2. 前記赤外ビーム発生部は、赤外ビームの波長を変更することが可能であり、
   前記赤外ビーム発生部に赤外ビームの波長を固定させた上で、前記照射時間調整部に前記持続時間を順次変化させながら前記変位検出部に前記変位量を検出させ、前記変位量が所定の条件を満たすための持続時間を特定する照射時間特定部と、
   前記照射時間調整部に、前記切り替え部による連続的な照射の持続時間を前記照射時間特定部が特定した持続時間に固定させた上で、前記赤外ビーム発生部に赤外ビームの波長を順次変化させながら前記変位検出部に前記変位量を検出させる赤外吸収測定部と
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の赤外吸収測定装置。
3. 前記照射時間特定部は、前記変位量が所定量以上になる持続時間の内で最短の持続時間を特定するように構成してあること
   を特徴とする請求項２に記載の赤外吸収測定装置。
4. 前記切り替え部は、赤外ビームの光路を開閉するチョッパを用いて構成してあり、
   前記照射時間調整部は、前記チョッパが赤外ビームの光路を開閉する周波数を調整するように構成してあり、
   前記変位検出部は、試料の赤外ビームが照射される部分の変位に応じた信号を生成し、生成した信号から、前記周波数に基づいた同期検波により、前記変位量を示す信号を生成するように構成してあること
   を特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の赤外吸収測定装置。
5. 前記照射時間調整部は、前記周波数を順次増大させることによって前記周波数を調整するように構成してあること
   を特徴とする請求項４に記載の赤外吸収測定装置。
6. 前記変位検出部は走査型プローブ顕微鏡を含んでいること
   を特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の赤外吸収測定装置。
7. 前記赤外ビーム発生部は、
   連続的に赤外レーザ光を発生するレーザ素子と、
   赤外レーザ光の波長を変更するための外部共振器と
   を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一つに記載の赤外吸収測定装置。
8. 試料の赤外ビームが照射される部分を変更しながら、赤外ビームの波長に対する前記変位量の関係を表したスペクトルを生成して、試料上の前記スペクトルの分布を生成するスペクトル分布生成部を更に備えること
   を特徴とする請求項１乃至７の何れか一つに記載の赤外吸収測定装置。
9. 試料へ単波長の赤外ビームを断続的に照射し、試料の赤外吸収を測定する方法において、
   赤外ビームの連続的な照射の持続時間を調整し、
   赤外ビームを吸収して膨張する試料表面の非照射時に比べた変位量を検出すること
   を特徴とする赤外吸収測定方法。

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