JP2717279B2 - 距離を光学的エネルギに、更に電気的エネルギに変換するセンサ、および、これを用いた表面走査装置 - Google Patents
距離を光学的エネルギに、更に電気的エネルギに変換するセンサ、および、これを用いた表面走査装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 この発明は、その請求項１の前文によれば、ある所定
の波長のレーザ項を使用しながら、距離を光学的エネル
ギ量に変換し、次いで前記光学的エネルギ量を電気的な
量に変換するための光学的センサに関するものである。
また、この発明は、前記センサによって被計測体の表面
を走査するための装置に関するものである。
の波長のレーザ項を使用しながら、距離を光学的エネル
ギ量に変換し、次いで前記光学的エネルギ量を電気的な
量に変換するための光学的センサに関するものである。
また、この発明は、前記センサによって被計測体の表面
を走査するための装置に関するものである。
上述されたタイプのセンサは、例えば、J.Opt.Soc.A
m.B 2/9（1985）1538−1540において；ジェイ・ウエッ
セル（J.Wessel）による論文“表面が増強された光学的
顕微鏡による検査法（Surface enhanced optical micro
scopy）”に開示されている。その動作においては、こ
の既知のセンサは表面のプラズモン（plasmon）、より
一般的にはポラリトン（polariton）が利用されている
が、これらは、例えば、“現代物理学春季号（Spring T
racts in Modern Physics）"88（1980）165において、
エイチ・ラエサ（H.Raether）によって規定されてい
る。この既知のセンサについての動作原理は、各種の論
文で検討されていることの影響で、ラーマン（Raman）
による消散法の修正されたものに基づいている。前記論
文としては、例えば、次のものがある。即ち、J.Chem.P
hys.73/7（1980）3023−3037における、ジェイ・ガース
テン（J.Gersten）およびエイ・ニッツアン（A.Nitza
n）による、“粗表面上で吸収された分子によって増強
されるラーマン消散についての電気磁気学的な理論（El
ectromagnetic thory of enhanced Raman scattering b
y molecules adsorbed on rough surfaces）”、Solid
State Comm.39/8（1981）903−906における、アール・
ラッピン（R.Ruppin）による、“表面バンプ近傍の電界
増強（Electric field enhancement near a surface bu
mp）”、J.Chem.Phys.76/1（1982）751−752における、
ピー・エフ・リアオ（P.F.Liao）およびエイ・オカウン
（A.Wokaun）による、“ラーマンの消散で増強された表
面における避雷針効果（Lightning rod effect in surf
ace enhanced Raman scattering）”、または、Phys.Re
v.Lett.48/14（1982）957−961における、エイ・オカウ
ン（A.Wokaun）、ジェイ・ピー・ゴードン（J.P.Gordo
n）およびピー・エフ・リアオ（P.F.Liao）による、
“ラーマンの消散で増強された表面における放射ダンピ
ング（Radiation damping in surface−enhanced Raman
scattering）”。
m.B 2/9（1985）1538−1540において；ジェイ・ウエッ
セル（J.Wessel）による論文“表面が増強された光学的
顕微鏡による検査法（Surface enhanced optical micro
scopy）”に開示されている。その動作においては、こ
の既知のセンサは表面のプラズモン（plasmon）、より
一般的にはポラリトン（polariton）が利用されている
が、これらは、例えば、“現代物理学春季号（Spring T
racts in Modern Physics）"88（1980）165において、
エイチ・ラエサ（H.Raether）によって規定されてい
る。この既知のセンサについての動作原理は、各種の論
文で検討されていることの影響で、ラーマン（Raman）
による消散法の修正されたものに基づいている。前記論
文としては、例えば、次のものがある。即ち、J.Chem.P
hys.73/7（1980）3023−3037における、ジェイ・ガース
テン（J.Gersten）およびエイ・ニッツアン（A.Nitza
n）による、“粗表面上で吸収された分子によって増強
されるラーマン消散についての電気磁気学的な理論（El
ectromagnetic thory of enhanced Raman scattering b
y molecules adsorbed on rough surfaces）”、Solid
State Comm.39/8（1981）903−906における、アール・
ラッピン（R.Ruppin）による、“表面バンプ近傍の電界
増強（Electric field enhancement near a surface bu
mp）”、J.Chem.Phys.76/1（1982）751−752における、
ピー・エフ・リアオ（P.F.Liao）およびエイ・オカウン
（A.Wokaun）による、“ラーマンの消散で増強された表
面における避雷針効果（Lightning rod effect in surf
ace enhanced Raman scattering）”、または、Phys.Re
v.Lett.48/14（1982）957−961における、エイ・オカウ
ン（A.Wokaun）、ジェイ・ピー・ゴードン（J.P.Gordo
n）およびピー・エフ・リアオ（P.F.Liao）による、
“ラーマンの消散で増強された表面における放射ダンピ
ング（Radiation damping in surface−enhanced Raman
scattering）”。
電磁的な効果を使用して、先行のセンサにより被計測
体の表面を走査するための走査装置は、例えば、Appl.P
hys.Lett.49/23（1986）1587−1589における、シー・シ
ー・ウイリアムス（C.C.Williams）およびエイチ・ケイ
・ウイックラマシング（H.K.Wickramasinghe）による、
“熱的な側面部の走査（Scanning thermal profile
r）”に開示されている。
体の表面を走査するための走査装置は、例えば、Appl.P
hys.Lett.49/23（1986）1587−1589における、シー・シ
ー・ウイリアムス（C.C.Williams）およびエイチ・ケイ
・ウイックラマシング（H.K.Wickramasinghe）による、
“熱的な側面部の走査（Scanning thermal profile
r）”に開示されている。
更に別異の関連のある文献としては、例えば次のもの
がある。即ち、Chem.Phys.Lett.85/4（1982）396−403
における、ピー・ケイ・アラビンド（P.K.Aravind）、
アール・ダブリュ・レンデル（R.W.Rendell）およびエ
イチ・メチウ（H.Metiu）による、“表面が増強された
顕微鏡による検査における領域を増強するための新規な
幾何学的形状（A new geometry for field enhancement
in surface−enhanced spectroscopy）”、Pnys.Rev.2
5/10（1982）6281−6290における、ピー・シー・ダス
（P.C.Das）およびジェイ・アイ・ガーステン（J.I.Ger
sten）による、“表面形状の共鳴（Surface shape reso
nances）”、および、Surface Science 127（1983）108
−118における、アール・ラッピン（R.Ruppin）によ
る、“基板上の小球体の表面モードおよび光学的吸収
（Surface modes and optical absorption of a small
sphere above a substate）”である。
がある。即ち、Chem.Phys.Lett.85/4（1982）396−403
における、ピー・ケイ・アラビンド（P.K.Aravind）、
アール・ダブリュ・レンデル（R.W.Rendell）およびエ
イチ・メチウ（H.Metiu）による、“表面が増強された
顕微鏡による検査における領域を増強するための新規な
幾何学的形状（A new geometry for field enhancement
in surface−enhanced spectroscopy）”、Pnys.Rev.2
5/10（1982）6281−6290における、ピー・シー・ダス
（P.C.Das）およびジェイ・アイ・ガーステン（J.I.Ger
sten）による、“表面形状の共鳴（Surface shape reso
nances）”、および、Surface Science 127（1983）108
−118における、アール・ラッピン（R.Ruppin）によ
る、“基板上の小球体の表面モードおよび光学的吸収
（Surface modes and optical absorption of a small
sphere above a substate）”である。
また、EP−Ａ−0112402およびEP−Ａ−0185782には、
光導波管を薄い金属フィルムで部分的に被覆して、前記
の光導波管を近傍の領域での光学的な適用のために使用
することも開示されている。しかしながら、前記の金属
被覆は前記の光導波管の先端には設けられていない。そ
れだけではなく、EP−Ａ−0185782においては、点検さ
れるべき対象に隣接して配置された、その先端をカバー
しないために、該導波管上に開口部を設けることが明白
に開示されており、これに対して、EP−Ａ−0112402に
おいては、同じ目的で小さい開口部を露出させるため
に、金属化された部分を可塑的に変形させることが明白
に開示されている。
光導波管を薄い金属フィルムで部分的に被覆して、前記
の光導波管を近傍の領域での光学的な適用のために使用
することも開示されている。しかしながら、前記の金属
被覆は前記の光導波管の先端には設けられていない。そ
れだけではなく、EP−Ａ−0185782においては、点検さ
れるべき対象に隣接して配置された、その先端をカバー
しないために、該導波管上に開口部を設けることが明白
に開示されており、これに対して、EP−Ａ−0112402に
おいては、同じ目的で小さい開口部を露出させるため
に、金属化された部分を可塑的に変形させることが明白
に開示されている。
これらの先行技術から知られることは、センサから、
連続的な誘電媒体を通して、点検されるべき対象に向け
て、中断されない光路を設けること、および、どのよう
な金属媒体でも前記光路に介在することを防止するこ
と、または、金属媒体が介在しているときには、それを
排除することである。これから明らかに追従されること
は、前記先行技術において使用される現象は、ラーマン
効果であり、場合によっては光の拡散である。
連続的な誘電媒体を通して、点検されるべき対象に向け
て、中断されない光路を設けること、および、どのよう
な金属媒体でも前記光路に介在することを防止するこ
と、または、金属媒体が介在しているときには、それを
排除することである。これから明らかに追従されること
は、前記先行技術において使用される現象は、ラーマン
効果であり、場合によっては光の拡散である。
この先行技術における主要な欠点は、消散された光が
ラーマンの消散光または拡散光のいずれにしても、偏向
した光を容易には分離することができないことである。
この簡単な分離手段や方法を欠くことは、該方法の感度
に不足をもたらすとともに、この先行技術に基づく原理
の使用がなされるときに、主要な実験上の問題が生じる
ものである。実際、この原理は何年も前から既に知られ
ているけれども、その実施または作業可能な適用への効
果的な変形は現在まで達成されることがなかった。
ラーマンの消散光または拡散光のいずれにしても、偏向
した光を容易には分離することができないことである。
この簡単な分離手段や方法を欠くことは、該方法の感度
に不足をもたらすとともに、この先行技術に基づく原理
の使用がなされるときに、主要な実験上の問題が生じる
ものである。実際、この原理は何年も前から既に知られ
ているけれども、その実施または作業可能な適用への効
果的な変形は現在まで達成されることがなかった。
かくして、この出願の目的は、センサおよびこのセン
サを使用するための装置を提供することにある。ここ
で、再放射された光は容易にかつ効果的に入射光から分
離されるものであり、その結果として、距離を光学的エ
ネルギの量に変換すること、および、後者を電気的な量
に変換することの感度は、先行技術の装置に比べて高く
なる。
サを使用するための装置を提供することにある。ここ
で、再放射された光は容易にかつ効果的に入射光から分
離されるものであり、その結果として、距離を光学的エ
ネルギの量に変換すること、および、後者を電気的な量
に変換することの感度は、先行技術の装置に比べて高く
なる。
この目的、および、以下の説明から明らかにされる他
の目的は、この発明によって達成される。この発明によ
るセンサは、請求項１において挙げられた特徴の組み合
わせによって特徴付けられるものである。前記センサに
よる非計測体の表面を走査するための装置の代替的な実
施例は、それぞれの代替的な請求項14ないし17において
挙げられた特徴の組み合わせによって特徴付けられるも
のである。前記センサの好適な実施例は、請求項２ない
し13において特徴付けられており、また、前記装置の好
適な実施は、請求項18ないし20において特徴付けられて
いる。
の目的は、この発明によって達成される。この発明によ
るセンサは、請求項１において挙げられた特徴の組み合
わせによって特徴付けられるものである。前記センサに
よる非計測体の表面を走査するための装置の代替的な実
施例は、それぞれの代替的な請求項14ないし17において
挙げられた特徴の組み合わせによって特徴付けられるも
のである。前記センサの好適な実施例は、請求項２ない
し13において特徴付けられており、また、前記装置の好
適な実施は、請求項18ないし20において特徴付けられて
いる。
先行技術とは対照的に、この発明によるセンサは、薄
い金属フィルムで被覆された検知小片からなるものであ
る。この検知小片のバルク材料は、誘電体材料、半導体
材料または金属材料である。この小片の表面を金属化さ
せることで、該小片周辺近傍の電磁界について、強い電
磁界の増強するという結果がもたらされる。この増強
は、小片表面の大きい曲率と、それ自体が導電表面に直
交している電界線の傾向とに基づくものである（これ
が、先に引用された文献のあるもので検討された避雷針
効果である）。更に、入射する放射線は小片における局
所集中のプラズマ共鳴を励起する。この結果として小片
からの放射線の増強がもたらされ、このような共鳴が避
雷針効果と組み合わされたときには、100,000倍までの
極めて大きい電界の増強が小片の近傍において発生され
る。言うまでもなく、このような増強効果は、その小片
には金属フィルムが被覆されておらず、金属で形成され
ていないような先行技術のセンサには、完全に欠如して
いるものである。
い金属フィルムで被覆された検知小片からなるものであ
る。この検知小片のバルク材料は、誘電体材料、半導体
材料または金属材料である。この小片の表面を金属化さ
せることで、該小片周辺近傍の電磁界について、強い電
磁界の増強するという結果がもたらされる。この増強
は、小片表面の大きい曲率と、それ自体が導電表面に直
交している電界線の傾向とに基づくものである（これ
が、先に引用された文献のあるもので検討された避雷針
効果である）。更に、入射する放射線は小片における局
所集中のプラズマ共鳴を励起する。この結果として小片
からの放射線の増強がもたらされ、このような共鳴が避
雷針効果と組み合わされたときには、100,000倍までの
極めて大きい電界の増強が小片の近傍において発生され
る。言うまでもなく、このような増強効果は、その小片
には金属フィルムが被覆されておらず、金属で形成され
ていないような先行技術のセンサには、完全に欠如して
いるものである。
入射する放射線が金属フィルムまたは小片内のプラズ
モンを励起して、該フィルムの共鳴と小片の共鳴とが合
致しているときには、その増強が最強になる。
モンを励起して、該フィルムの共鳴と小片の共鳴とが合
致しているときには、その増強が最強になる。
この第１の要求を満たすためには、同じ値の周波数依
存性の誘電率において、小片およびフィルムの双方にプ
ラズマ共鳴が生じるように、小片の形状と寸法、およ
び、フィルムの厚みが選択されねばらなない。薄いフィ
ルムについて共鳴が現れる条件は、フィルムの複合屈折
率、その厚み、および、フィルム基板の屈折率の関数に
よるものである。小片が誘電材料で形成されていて、そ
の形状が球体に近似しているときには、幾つかの共鳴モ
ードの存在に基づいて、共鳴が生じる幾つかの誘電率が
ある。金属のときには、プラズマ共鳴が相当に広いとい
う事実から、所望の合致は更に容易にされる。小片が金
属で形成されるときには、小片の形状と寸法、および、
フィルムの厚みは、プラズマ共鳴が生じるように選択さ
れねばならない。
存性の誘電率において、小片およびフィルムの双方にプ
ラズマ共鳴が生じるように、小片の形状と寸法、およ
び、フィルムの厚みが選択されねばらなない。薄いフィ
ルムについて共鳴が現れる条件は、フィルムの複合屈折
率、その厚み、および、フィルム基板の屈折率の関数に
よるものである。小片が誘電材料で形成されていて、そ
の形状が球体に近似しているときには、幾つかの共鳴モ
ードの存在に基づいて、共鳴が生じる幾つかの誘電率が
ある。金属のときには、プラズマ共鳴が相当に広いとい
う事実から、所望の合致は更に容易にされる。小片が金
属で形成されるときには、小片の形状と寸法、および、
フィルムの厚みは、プラズマ共鳴が生じるように選択さ
れねばならない。
その第２の要求を満たすためには、注入光およびプラ
ズモンの周波数およびウエーブ・ベクトルは合致されね
ばならない。可視光については、銅、銀または金のよう
な低いプラズマ周波数を有する金属について、この条件
を満たすことができる。金属フィルムが使用されるとき
には、この金属フィルムの一方の側に隣接する媒体の屈
折率は、ガラスのときのように、１とは充分に異なるも
のでなければならない。次いで、その入射角を適切に調
節することで、合致をさせることができる。プラズモン
の励起が現れるのは、検知器小片における減少した屈折
および強力に増強された消散である。
ズモンの周波数およびウエーブ・ベクトルは合致されね
ばならない。可視光については、銅、銀または金のよう
な低いプラズマ周波数を有する金属について、この条件
を満たすことができる。金属フィルムが使用されるとき
には、この金属フィルムの一方の側に隣接する媒体の屈
折率は、ガラスのときのように、１とは充分に異なるも
のでなければならない。次いで、その入射角を適切に調
節することで、合致をさせることができる。プラズモン
の励起が現れるのは、検知器小片における減少した屈折
および強力に増強された消散である。
共鳴周波数およびダンピングの双方は、検知器小片の
周囲の光学的な特性に依存するものである。平板上の金
属被覆された球体の実効的な共鳴誘電率は、平板が誘電
体または金属のいずれであっても、該平板が球体の表面
からの距離が半径の半分以下であれば、急速な変化を示
す。この例においては、前記の金属被覆された球体は検
知器小片に対応しており、また、前記の平板は被計測体
の表面に対応している。検知器小片が光によって励起さ
れて、該検知器小片に対する被計測体からの距離が変動
するときには、観測の可能な共鳴の外れが生じる。検知
器小片を被計測体の表面の近傍に移動させるのに先立っ
て、プラズモンに対する光の結合が最適になったときに
は、共鳴誘電率が変動を開始する臨界的な距離におい
て、消散強度の鋭い減少が生じる。検知器小片を被計測
体の表面の近傍に移動させるのに先立って、プラズモン
に対する光の結合が適当な方向において幾らか外れたと
きには、この装置で観測されることは、始めに共鳴状態
を通って鋭い消散のピークを生じ、次いで、前述された
ように消散強度の鋭い減少を示すことである。
周囲の光学的な特性に依存するものである。平板上の金
属被覆された球体の実効的な共鳴誘電率は、平板が誘電
体または金属のいずれであっても、該平板が球体の表面
からの距離が半径の半分以下であれば、急速な変化を示
す。この例においては、前記の金属被覆された球体は検
知器小片に対応しており、また、前記の平板は被計測体
の表面に対応している。検知器小片が光によって励起さ
れて、該検知器小片に対する被計測体からの距離が変動
するときには、観測の可能な共鳴の外れが生じる。検知
器小片を被計測体の表面の近傍に移動させるのに先立っ
て、プラズモンに対する光の結合が最適になったときに
は、共鳴誘電率が変動を開始する臨界的な距離におい
て、消散強度の鋭い減少が生じる。検知器小片を被計測
体の表面の近傍に移動させるのに先立って、プラズモン
に対する光の結合が適当な方向において幾らか外れたと
きには、この装置で観測されることは、始めに共鳴状態
を通って鋭い消散のピークを生じ、次いで、前述された
ように消散強度の鋭い減少を示すことである。
結果として生じる共鳴カーブのピークまたは傾斜のい
ずれかは、検知器小片と被計測体の表面との間の距離を
安定化するために使用することができる。この適用と、
例えばUS−Ａ−4343993から知られている“走査トンネ
ル型顕微鏡”（STM）の動作上の概念との間には幾らか
の類似性がある。そのために、このモードで動作される
ときには、この発明のセンサを用いた表面走査型装置も
“光学的トンネル型顕微鏡”（OTM）と呼ぶことができ
る。STMに類似して、OTMにおけるセンサの位置決め信号
は、地形的な情報と、位置に対する光学的特性との組み
合わされた関数である。そして、再びSTMに類似して、
これら２個の変数はOTMにおける距離変調によって分離
される。しかしながら、OTMおよびSTMによって達成され
る範囲および正確性は、著しく異なるものである。OTM
によって付与される、検知器小片と被計測体の表面との
間の距離の範囲は、典型的には１〜50nmであり、また、
距離制御による達成が許容される正確性は、約0,1nmで
ある。かくして、OTMの範囲はSTMの範囲の10〜100倍の
大きさになり、また、その正確性は低くなる。10nmの程
度の水平分解能が達成される。それが依存するものは、
センサ小片の寸法、および、その最も低い部分における
曲率半径である。
ずれかは、検知器小片と被計測体の表面との間の距離を
安定化するために使用することができる。この適用と、
例えばUS−Ａ−4343993から知られている“走査トンネ
ル型顕微鏡”（STM）の動作上の概念との間には幾らか
の類似性がある。そのために、このモードで動作される
ときには、この発明のセンサを用いた表面走査型装置も
“光学的トンネル型顕微鏡”（OTM）と呼ぶことができ
る。STMに類似して、OTMにおけるセンサの位置決め信号
は、地形的な情報と、位置に対する光学的特性との組み
合わされた関数である。そして、再びSTMに類似して、
これら２個の変数はOTMにおける距離変調によって分離
される。しかしながら、OTMおよびSTMによって達成され
る範囲および正確性は、著しく異なるものである。OTM
によって付与される、検知器小片と被計測体の表面との
間の距離の範囲は、典型的には１〜50nmであり、また、
距離制御による達成が許容される正確性は、約0,1nmで
ある。かくして、OTMの範囲はSTMの範囲の10〜100倍の
大きさになり、また、その正確性は低くなる。10nmの程
度の水平分解能が達成される。それが依存するものは、
センサ小片の寸法、および、その最も低い部分における
曲率半径である。
その結果として、OTMの態様で動作されるときには、
この発明の表面走査装置によって、STMは光学的には適
当ではない表面の検査が許容される。STMおよびOTMの双
方が動作可能な範囲においては、OTMによって、より迅
速な走査をもって、より大きい走査の範囲が許容され
て、動揺に対する感度が低くされる。更に、導電表面を
有する被計測体を使用するために、OTMはSTMよりも制限
を受けることがない。
この発明の表面走査装置によって、STMは光学的には適
当ではない表面の検査が許容される。STMおよびOTMの双
方が動作可能な範囲においては、OTMによって、より迅
速な走査をもって、より大きい走査の範囲が許容され
て、動揺に対する感度が低くされる。更に、導電表面を
有する被計測体を使用するために、OTMはSTMよりも制限
を受けることがない。
更に、他の動作モードで使用するときの、この発明に
よる表面走査装置の適用は、下記に記述される通りであ
る。
よる表面走査装置の適用は、下記に記述される通りであ
る。
この発明による表面走査装置は、光学的蓄積手段のた
めの書き込み／読み取りヘッドとして使用することがで
きる。小型化された実施例においては、光学的センサが
回転している光学的ディスク上を飛ぶようにされる。平
均的な消散強度がある所定の値に維持されるように、そ
の距離の制御がなされる。読み取り動作の達成は、消散
強度の変動を記録することによってなされる。磁気−光
学的媒体または電子−光学的媒体とともに使用するため
に、複屈折を変動させる感度の達成は、検知光の経路内
に適当な偏向素子を介在させることによってなされる。
書き込み動作の達成は、通常の光学的蓄積装置において
使用されると同様な態様で、励起強度を増大させること
によってなされる。そのビット・サイズは,100nmまたは
それ以下に制限されて、これまで考えられていたよりも
遥かに大きい蓄積密度を達成するようにされる。
めの書き込み／読み取りヘッドとして使用することがで
きる。小型化された実施例においては、光学的センサが
回転している光学的ディスク上を飛ぶようにされる。平
均的な消散強度がある所定の値に維持されるように、そ
の距離の制御がなされる。読み取り動作の達成は、消散
強度の変動を記録することによってなされる。磁気−光
学的媒体または電子−光学的媒体とともに使用するため
に、複屈折を変動させる感度の達成は、検知光の経路内
に適当な偏向素子を介在させることによってなされる。
書き込み動作の達成は、通常の光学的蓄積装置において
使用されると同様な態様で、励起強度を増大させること
によってなされる。そのビット・サイズは,100nmまたは
それ以下に制限されて、これまで考えられていたよりも
遥かに大きい蓄積密度を達成するようにされる。
また、この発明の表面走査装置は、距離の調節がなさ
れるヘッド／ディスク・アセンブリとしても使用するこ
とができる。光学的センサは磁気読み取り／書き込みヘ
ッドに組み込まれていて、ディスク上のフライイング・
ヘッドの高度の能動的な制御を達成するようにされる。
この高度制御の原理は、トンネル効果センサが使用され
る同様な表面走査装置に関連して知られている。この発
明による表面走査装置の利点は、その光学的センサの大
きい動作範囲のために、トンネル効果センサの場合に比
べて、臨界度を遥かに低くして移動させることである。
れるヘッド／ディスク・アセンブリとしても使用するこ
とができる。光学的センサは磁気読み取り／書き込みヘ
ッドに組み込まれていて、ディスク上のフライイング・
ヘッドの高度の能動的な制御を達成するようにされる。
この高度制御の原理は、トンネル効果センサが使用され
る同様な表面走査装置に関連して知られている。この発
明による表面走査装置の利点は、その光学的センサの大
きい動作範囲のために、トンネル効果センサの場合に比
べて、臨界度を遥かに低くして移動させることである。
この発明の表面走査装置は、また、線の追従または試
験のための装置において使用することもできる。光学的
な特性に対するその感度のために、光学的センサは、例
えば、集積回路上の金属線を追跡するように動作され
る。この適用においては、50nm以下の厚みを有する絶縁
層は、追跡上の問題を生じることはない。追跡されてい
る線の欠陥は、地形的な特性または光学的な特性におけ
る変動に相当するものとして検知される。
験のための装置において使用することもできる。光学的
な特性に対するその感度のために、光学的センサは、例
えば、集積回路上の金属線を追跡するように動作され
る。この適用においては、50nm以下の厚みを有する絶縁
層は、追跡上の問題を生じることはない。追跡されてい
る線の欠陥は、地形的な特性または光学的な特性におけ
る変動に相当するものとして検知される。
以下に、添付図面を参照しながら、この発明の実施例
の説明がなされる。
の説明がなされる。
第１図を参照すると、レーザ光２に対して透明なセン
サ本体１からなる光学的センサＳが概略的に示されてい
る。レーザ光２の波長の選択は、他のパラメータの選択
に関連してなされる。これは以下の説明から明らかにさ
れるものであって、好適には、可視光スペクトルの範囲
内で選択される。
サ本体１からなる光学的センサＳが概略的に示されてい
る。レーザ光２の波長の選択は、他のパラメータの選択
に関連してなされる。これは以下の説明から明らかにさ
れるものであって、好適には、可視光スペクトルの範囲
内で選択される。
センサ本体１は、前記レーザ光２に対する光導波管と
して形成されている。第１図の実施例においては、この
光導波管は実質的に長方形の断面を有する、実質的なプ
リズムの形式のものにされているけれども、ここで理解
されるべきことは、センサ本体１に対して光導波管の効
果を生じるものであれば、他のいかなる断面でも使用で
きるということである。センサ本体１は、その垂直方向
において、下方表面５および上方表面６によって境界が
付けられている。これらの表面の双方は、第１図の実施
例においては、実質的に平面にされている。また、セン
サ本体１には光入口側３および第１の光出口側４も設け
られており、これらはそれぞれに実質的に平面的な表面
として形成されている。
して形成されている。第１図の実施例においては、この
光導波管は実質的に長方形の断面を有する、実質的なプ
リズムの形式のものにされているけれども、ここで理解
されるべきことは、センサ本体１に対して光導波管の効
果を生じるものであれば、他のいかなる断面でも使用で
きるということである。センサ本体１は、その垂直方向
において、下方表面５および上方表面６によって境界が
付けられている。これらの表面の双方は、第１図の実施
例においては、実質的に平面にされている。また、セン
サ本体１には光入口側３および第１の光出口側４も設け
られており、これらはそれぞれに実質的に平面的な表面
として形成されている。
光入口側３においてセンサ本体１にレーザ光を注入す
ること、および、第１の光出口側４においてセンサ本体
１を通して誘導された光を抽出することを容易にするた
めに、センサ本体１の断面がそれぞれの側３および４の
近傍において拡大されている。例えば、第１図で参照数
字７および８によって示されているように、センサ本体
１の上方表面６の両端部を上方にずらせることにより、
センサ本体１の断面は、それぞれの側３および４に向け
て、次第に増大するようにされている。
ること、および、第１の光出口側４においてセンサ本体
１を通して誘導された光を抽出することを容易にするた
めに、センサ本体１の断面がそれぞれの側３および４の
近傍において拡大されている。例えば、第１図で参照数
字７および８によって示されているように、センサ本体
１の上方表面６の両端部を上方にずらせることにより、
センサ本体１の断面は、それぞれの側３および４に向け
て、次第に増大するようにされている。
センサ本体１には、当該センサ本体１内で回折した光
に対する第２の光出口側10が設けられている。この第２
の光出口側10は、上方表面６において、例えば、実質的
にその中央部に設けられており、また、入口側３および
第１の出口側４から等しい間隔がおかれている。
に対する第２の光出口側10が設けられている。この第２
の光出口側10は、上方表面６において、例えば、実質的
にその中央部に設けられており、また、入口側３および
第１の出口側４から等しい間隔がおかれている。
第２の光出口側10においてセンサ本体１を離れる当該
光部分の光学的エネルギを、電線12上に伝達される電気
的な検知信号に変換するために、検知器手段11が設けら
れている。光学的検知要素の技術においては良く知られ
ていることから、検知器手段11および電線12は概略的に
示されている。
光部分の光学的エネルギを、電線12上に伝達される電気
的な検知信号に変換するために、検知器手段11が設けら
れている。光学的検知要素の技術においては良く知られ
ていることから、検知器手段11および電線12は概略的に
示されている。
第１図の実施例においては、検知手段11は、第２の光
出口側10に隣接する、センサ本体１の上方表面６上に配
列されている。しかしながら、この検知器手段11は、セ
ンサ本体１から検知器手段11に向けて必要とされる光伝
達を達成させるために、他の態様でセンサ本体１におい
て配列することができる。
出口側10に隣接する、センサ本体１の上方表面６上に配
列されている。しかしながら、この検知器手段11は、セ
ンサ本体１から検知器手段11に向けて必要とされる光伝
達を達成させるために、他の態様でセンサ本体１におい
て配列することができる。
第２図の実施例においては、検知器手段11の少なくと
も一部分が、センサ本体１内に配置されたものとして示
されており、また、センサ本体１の上方表面６の近傍に
おいて、その統合された部分として形成されている。
も一部分が、センサ本体１内に配置されたものとして示
されており、また、センサ本体１の上方表面６の近傍に
おいて、その統合された部分として形成されている。
例えば、センサ本体１の材料が半導体であり、その内
部および／または上部において、例えば、半導体装置の
利用技術において知られているエピタキシャル技術およ
び／または拡散技術および／または他の技術によって検
知器手段11が形成されるときには、これらの第１図およ
び第２図の実施例は特に有用である。
部および／または上部において、例えば、半導体装置の
利用技術において知られているエピタキシャル技術およ
び／または拡散技術および／または他の技術によって検
知器手段11が形成されるときには、これらの第１図およ
び第２図の実施例は特に有用である。
第３図の実施例においては、検知器手段11がセンサ本
体１から間隔をおいて示されていて、第２の光出口側10
において光導波管13で連結されている。
体１から間隔をおいて示されていて、第２の光出口側10
において光導波管13で連結されている。
再び第１図を参照すると、例えば、下方表面５の実質
的に中央部にあり、入口側３および第１の出口側４から
それぞれに等しい間隔にあるように、基準側14は当該セ
ンサ本体１の下方表面で５で規定されている。各例にお
いて、基準側14は第２の光出口側10の実質的に反対側に
配置されて、それぞれの側14および10がセンサ本体１を
横切って対向するようにされる。
的に中央部にあり、入口側３および第１の出口側４から
それぞれに等しい間隔にあるように、基準側14は当該セ
ンサ本体１の下方表面で５で規定されている。各例にお
いて、基準側14は第２の光出口側10の実質的に反対側に
配置されて、それぞれの側14および10がセンサ本体１を
横切って対向するようにされる。
検知小片15は、基準側14において、センサ本体１に隣
接して配置されている。それは実質的に凸状で丸められ
た形式のものである。この検知小片15の主要な大きさ
は、レーザ光２の波長の半分以下にされており、そし
て、この主要な大きさは、例えば、小片が実質的に球体
として形成されているときには、その半径に相当するよ
うにされ、また、小片が楕円体として形成されていると
きには、その主軸に相当するようにされ、または、小片
が円錐体またはピラミッドとして形成されているときに
はその高さに相当するようにされる。前記の波長に依存
して、検知小片の主要の大きさは５〜500nmであるよう
に、好適には20〜100nmであるようにすることができ
る。
接して配置されている。それは実質的に凸状で丸められ
た形式のものである。この検知小片15の主要な大きさ
は、レーザ光２の波長の半分以下にされており、そし
て、この主要な大きさは、例えば、小片が実質的に球体
として形成されているときには、その半径に相当するよ
うにされ、また、小片が楕円体として形成されていると
きには、その主軸に相当するようにされ、または、小片
が円錐体またはピラミッドとして形成されているときに
はその高さに相当するようにされる。前記の波長に依存
して、検知小片の主要の大きさは５〜500nmであるよう
に、好適には20〜100nmであるようにすることができ
る。
第１図で示されているように、検知小片15は誘電体材
料で形成することができるが、この場合においては特に
便宜なものであり、従って、検知小片をラテックス小球
体にすることが好適である。しかしながら、検知小片15
は金属で形成することもできる。ここで、プラズモンま
たはポラリトンの励起による光の吸収は、レーザ光２の
波長でなされる。そして、この場合には、検知小片15を
同一または別異の金属で被覆することができる。これら
の場合については第２図および第３図に示されている。
料で形成することができるが、この場合においては特に
便宜なものであり、従って、検知小片をラテックス小球
体にすることが好適である。しかしながら、検知小片15
は金属で形成することもできる。ここで、プラズモンま
たはポラリトンの励起による光の吸収は、レーザ光２の
波長でなされる。そして、この場合には、検知小片15を
同一または別異の金属で被覆することができる。これら
の場合については第２図および第３図に示されている。
それぞれの場合において、検知小片15が形成される材
料、該小片の主要な大きさ、および、使用されるレーザ
光２の波長は、プラズモンまたはポラトリンの励起によ
る光の吸収が、選択された波長において、検知小片15で
達成されるような態様で、相互に考慮して選択される。
これらの材料、主要な大きさ、および、波長の適切な選
択は、先に指摘されたような、エイチ・ラエサ、ピー・
ケイ・アラビンド、アール・ダブリュ・レンドネルおよ
びエイチ・メチウ、および、ピー・シー・ダスおよびジ
ェイ・アイ・ガーステンによる教示に従って決定され
る。また、減衰した全反射（ピー・ケイ・アラビンド、
アール・ダブリュ・レンドネルおよびエイチ・メチウに
よって記述されたATR）の計測のような、この分野では
既知の計測を、ガラス基板上に分散した関連のある小片
によって形成された層において消散した光強度の統計的
な計測と組み合わせることによっても決定される。ここ
で観測された反射性は表面のプラズモンを表しており、
また、消散された強度は局部的に集中したプラズモンを
表している。
料、該小片の主要な大きさ、および、使用されるレーザ
光２の波長は、プラズモンまたはポラトリンの励起によ
る光の吸収が、選択された波長において、検知小片15で
達成されるような態様で、相互に考慮して選択される。
これらの材料、主要な大きさ、および、波長の適切な選
択は、先に指摘されたような、エイチ・ラエサ、ピー・
ケイ・アラビンド、アール・ダブリュ・レンドネルおよ
びエイチ・メチウ、および、ピー・シー・ダスおよびジ
ェイ・アイ・ガーステンによる教示に従って決定され
る。また、減衰した全反射（ピー・ケイ・アラビンド、
アール・ダブリュ・レンドネルおよびエイチ・メチウに
よって記述されたATR）の計測のような、この分野では
既知の計測を、ガラス基板上に分散した関連のある小片
によって形成された層において消散した光強度の統計的
な計測と組み合わせることによっても決定される。ここ
で観測された反射性は表面のプラズモンを表しており、
また、消散された強度は局部的に集中したプラズモンを
表している。
連続的な薄いフィルム16がセンサＳの下方部分に沈積
されて、その上に被覆層を形成するようにされている。
この薄いフィルム16は検知小片15をほぼ完全にカバーす
るようにされている。即ち、基準側14の直近傍を除く実
質的に全部分をカバーするようにされている。そして、
この基準側14において、検知小片15がセンサ本体１の下
方表面５と接触するようにされている。また、この薄い
フィルム16は、基準側14の近傍におけるセンサ本体１の
下表表面５を、レーザ光２の波長の倍数（例えば、波長
の12倍またはそれ以上の）としてのその放射方向の距離
まで、少なくとも部分的にカバーしている。実際には、
部分的または全面的のいずれにしても、薄いフィルム16
で下方表面５をカバーすることは、前述された基準側14
周囲の極めて小さいカバー部分を除いて、センサＳへの
適用のためには不適当である。後述されるその光学的な
機能を別として、薄いフィルム16はセンサ本体１の下方
表面５に固着された検知小片15を維持する上での助けに
なる。
されて、その上に被覆層を形成するようにされている。
この薄いフィルム16は検知小片15をほぼ完全にカバーす
るようにされている。即ち、基準側14の直近傍を除く実
質的に全部分をカバーするようにされている。そして、
この基準側14において、検知小片15がセンサ本体１の下
方表面５と接触するようにされている。また、この薄い
フィルム16は、基準側14の近傍におけるセンサ本体１の
下表表面５を、レーザ光２の波長の倍数（例えば、波長
の12倍またはそれ以上の）としてのその放射方向の距離
まで、少なくとも部分的にカバーしている。実際には、
部分的または全面的のいずれにしても、薄いフィルム16
で下方表面５をカバーすることは、前述された基準側14
周囲の極めて小さいカバー部分を除いて、センサＳへの
適用のためには不適当である。後述されるその光学的な
機能を別として、薄いフィルム16はセンサ本体１の下方
表面５に固着された検知小片15を維持する上での助けに
なる。
薄いフィルム16は金属で形成されていて、プラズモン
またはポラトリンの励起による光の吸収が、レーザ光２
の波長において達成される。薄いフィルム16の厚みはレ
ーザ光２の波長の半分以下である。前記の波長に依存し
て、薄いフィルム16の厚みは５〜100nmである。その厚
みの選択は、連続的なフィルムに互いには隣接しない島
が全く存在しないことを許容するのに充分なようにせね
ばならない（いかなる混乱も回避するために。ここで強
調されることは、この後者の条件は、基板上に拡散され
た層上で上述されたように消散した強度を観測するため
の条件とは全く反対であるということである）。
またはポラトリンの励起による光の吸収が、レーザ光２
の波長において達成される。薄いフィルム16の厚みはレ
ーザ光２の波長の半分以下である。前記の波長に依存し
て、薄いフィルム16の厚みは５〜100nmである。その厚
みの選択は、連続的なフィルムに互いには隣接しない島
が全く存在しないことを許容するのに充分なようにせね
ばならない（いかなる混乱も回避するために。ここで強
調されることは、この後者の条件は、基板上に拡散され
た層上で上述されたように消散した強度を観測するため
の条件とは全く反対であるということである）。
検知小片15および薄いフィルム16の適当な寸法や材料
の選択の仕方に関して先になされた説明から明らかにな
ることは、この発明の好適な実施例においては、センサ
Ｓはレーザ光２とともに使用するように適合されてお
り、該レーザ光の波長は可視光スペクトル内で選択され
ている。次いで、このセンサＳの薄いフィルム16は、
金、銀および銅から選択された金属から形成されてお
り、より好適には、このセンサＳの薄いフィルムは、10
0nm以下の厚みの金から形成されている。このセンサＳ
の検知小片15は、ラテックスその他の誘電性材料、また
は、金、銀および銅から選択された金属から形成されて
おり、前記の波長に依存して、その主要な大きさは、５
〜500nmまたは好適には20〜100nmにされている。
の選択の仕方に関して先になされた説明から明らかにな
ることは、この発明の好適な実施例においては、センサ
Ｓはレーザ光２とともに使用するように適合されてお
り、該レーザ光の波長は可視光スペクトル内で選択され
ている。次いで、このセンサＳの薄いフィルム16は、
金、銀および銅から選択された金属から形成されてお
り、より好適には、このセンサＳの薄いフィルムは、10
0nm以下の厚みの金から形成されている。このセンサＳ
の検知小片15は、ラテックスその他の誘電性材料、また
は、金、銀および銅から選択された金属から形成されて
おり、前記の波長に依存して、その主要な大きさは、５
〜500nmまたは好適には20〜100nmにされている。
再び第１図を参照すると、ここに示された被計測体Ｍ
の表面17は、計測側18で計測するようにされている。こ
の計測側18はセンサと反対側に配置されている。より正
確には、被計測体Ｍの表面17およびセンサ本体１の下方
表面５は互いに向かい合っており、間隔19がその間で規
定されている。該計測側18はある距離をおいて基準側14
とは反対側に配置されている。この距離である間隔19
は，基準側14と計測側18を，使用されるレーザ光２の波
長において相互に光学的に近傍な視野内に配置するのに
充分に小さく設定される。従って、計測側18は、検知小
片15の光学的に近傍の分野において、間隔19内に配置さ
れる。
の表面17は、計測側18で計測するようにされている。こ
の計測側18はセンサと反対側に配置されている。より正
確には、被計測体Ｍの表面17およびセンサ本体１の下方
表面５は互いに向かい合っており、間隔19がその間で規
定されている。該計測側18はある距離をおいて基準側14
とは反対側に配置されている。この距離である間隔19
は，基準側14と計測側18を，使用されるレーザ光２の波
長において相互に光学的に近傍な視野内に配置するのに
充分に小さく設定される。従って、計測側18は、検知小
片15の光学的に近傍の分野において、間隔19内に配置さ
れる。
センサＳが適合されることは、計測側18と基準側14と
の間で上記のように規定された距離の値を、光学的エネ
ルギの量に変換させることである。この第１の変換は検
知小片15によって達成される。また、センサＳが適合さ
れることは、前記光学的エネルギの量を電気的な量に変
換することである。この第２の変換は検知器手段11によ
って達成される。この検知器手段11は、センサ本体１か
らの前記光学的エネルギの量を、その第２の光出口側10
において受け入れるものであり、また、この目的のため
に、センサ本体１の表面であって、被計測体Ｍからは離
れた側に配置されている。
の間で上記のように規定された距離の値を、光学的エネ
ルギの量に変換させることである。この第１の変換は検
知小片15によって達成される。また、センサＳが適合さ
れることは、前記光学的エネルギの量を電気的な量に変
換することである。この第２の変換は検知器手段11によ
って達成される。この検知器手段11は、センサ本体１か
らの前記光学的エネルギの量を、その第２の光出口側10
において受け入れるものであり、また、この目的のため
に、センサ本体１の表面であって、被計測体Ｍからは離
れた側に配置されている。
実際には、この発明で使用される効果は、本質的に
は、検知小片15に関連している。センサ本体１の下方表
面５を被覆する、薄いフィルム16の当該部分が主として
寄与することは、入射光を検知小片15において散乱光か
ら良好に分離させることである。この意味において、検
知小片15はアンテナとしての動作をしており、これらか
のエネルギは検知器手段11に伝送される。被計測体Ｍの
表面17とセンサ本体１の下方表面５とが互いに平行では
なく、また、その間で規定される間隔19の幅が検知小片
15の近傍において最小にされているときには、このアン
テナ効果が改善される。
は、検知小片15に関連している。センサ本体１の下方表
面５を被覆する、薄いフィルム16の当該部分が主として
寄与することは、入射光を検知小片15において散乱光か
ら良好に分離させることである。この意味において、検
知小片15はアンテナとしての動作をしており、これらか
のエネルギは検知器手段11に伝送される。被計測体Ｍの
表面17とセンサ本体１の下方表面５とが互いに平行では
なく、また、その間で規定される間隔19の幅が検知小片
15の近傍において最小にされているときには、このアン
テナ効果が改善される。
このアンテナ効果を更に促進させるために、被計測体
Ｍの表面17が実質的に平面状であるときには、被計測体
Ｍに向けて凸状にされた下方表面５を有するセンサＳを
使用することが好適である。第３図に示されているよう
な、この実施例の最も簡単な変形においては、センサ本
体１を形成するカーブ状の導波管は、検知小片15の少な
くとも近傍で実質的に球状にされた下方表面５と、対応
の上部表面６とを有している。言うまでもなく、センサ
本体１を導波管として形成するのに適当であるときに
は、別異のカーブしたタイプの下方表面５を、平面状の
上部表面６とともに使用することもできる。例えば、表
面６を楕円体状のカーブ体にすること、または、センサ
本体１を全般的に凸状の形態にすることができる。
Ｍの表面17が実質的に平面状であるときには、被計測体
Ｍに向けて凸状にされた下方表面５を有するセンサＳを
使用することが好適である。第３図に示されているよう
な、この実施例の最も簡単な変形においては、センサ本
体１を形成するカーブ状の導波管は、検知小片15の少な
くとも近傍で実質的に球状にされた下方表面５と、対応
の上部表面６とを有している。言うまでもなく、センサ
本体１を導波管として形成するのに適当であるときに
は、別異のカーブしたタイプの下方表面５を、平面状の
上部表面６とともに使用することもできる。例えば、表
面６を楕円体状のカーブ体にすること、または、センサ
本体１を全般的に凸状の形態にすることができる。
被計測体Ｍの表面17がセンサＳに向けて実質的に凸状
にされているときには、このセンサＳの下方表面５は、
第１図に示されているような平面状のものであるか、ま
たは、第２図に示されているような、基準側14を通る少
なくとも１本の直線部分９から形成されるものである。
この後者の実施例においては、センサ本体１は、全般的
には、例えば楕円形状または多角形状の断面を有するシ
リンダ形状のものである。これば、センサ本体１を、ロ
ッド状またはファイバ状の導波管として形成するのに適
当なものである。
にされているときには、このセンサＳの下方表面５は、
第１図に示されているような平面状のものであるか、ま
たは、第２図に示されているような、基準側14を通る少
なくとも１本の直線部分９から形成されるものである。
この後者の実施例においては、センサ本体１は、全般的
には、例えば楕円形状または多角形状の断面を有するシ
リンダ形状のものである。これば、センサ本体１を、ロ
ッド状またはファイバ状の導波管として形成するのに適
当なものである。
また、検知小片15のアンテナ効果を増強するために好
適なことは、光入口側３においてセンサ本体１に入るよ
うに指向されたレーザ光２はＰ−偏向されたものであ
る。即ち、センサ本体１の下方表面５に直交する平面内
で偏向されたものである。
適なことは、光入口側３においてセンサ本体１に入るよ
うに指向されたレーザ光２はＰ−偏向されたものであ
る。即ち、センサ本体１の下方表面５に直交する平面内
で偏向されたものである。
センサＳにおける検知小片15のアンテナ効果は、被計
測体Ｍが金属材料または半導体材料によって形成されて
いるときに達成されるものである。しかしながら、最良
のアンテナ効果が観測されるのは、被計測体Ｍがバルク
状の誘電体材料で形成されているとき、または、被計測
体を被覆する誘電体材料の層からなり、次いでバルク状
の金属で形成されているときである。後者の材料の組み
合わせにおいては、電子−光学的な適用または磁気−光
学的な適用が許容され、また、例えば、誘導された複屈
折を利用することも許容される。
測体Ｍが金属材料または半導体材料によって形成されて
いるときに達成されるものである。しかしながら、最良
のアンテナ効果が観測されるのは、被計測体Ｍがバルク
状の誘電体材料で形成されているとき、または、被計測
体を被覆する誘電体材料の層からなり、次いでバルク状
の金属で形成されているときである。後者の材料の組み
合わせにおいては、電子−光学的な適用または磁気−光
学的な適用が許容され、また、例えば、誘導された複屈
折を利用することも許容される。
センサＳと被計測体Ｍとの間隔19は、（内容物の）排
除がされたり、または、空気のようなガスが充満された
りする。しかしながら、センサ本体１よりも明らかに屈
折率が低いものであれば、任意の物質で充満させること
ができる。このような状態においては、センサ本体１に
所望の導波管としての動作をさせることが許容される。
除がされたり、または、空気のようなガスが充満された
りする。しかしながら、センサ本体１よりも明らかに屈
折率が低いものであれば、任意の物質で充満させること
ができる。このような状態においては、センサ本体１に
所望の導波管としての動作をさせることが許容される。
この発明による表面走査装置の第１の実施例は、第４
図に概略的に示されている。
図に概略的に示されている。
被計測体Ｍの表面17に関して、計測側18に近傍で規定
される計測方向20は、被計測体Ｍの表面17に対して実質
的に直交している。また、その走査方向21は、計測側18
の少なくとも近傍において、被計測体Ｍの表面と平行に
規定されている。センサＳおよび被計測体Ｍは、計測方
向20および走査方向21の双方で、互いに相対移動が可能
である。
される計測方向20は、被計測体Ｍの表面17に対して実質
的に直交している。また、その走査方向21は、計測側18
の少なくとも近傍において、被計測体Ｍの表面と平行に
規定されている。センサＳおよび被計測体Ｍは、計測方
向20および走査方向21の双方で、互いに相対移動が可能
である。
第１の制御手段22は、例えばラスタ・タイプのよう
な、ある所定の走査パターンに従って、走査方向におけ
る相対移動を制御するために設けられている。第１の制
御手段22からの信号に応答して、センサＳを移動させる
ためのドライブ手段23も示されている。このような第１
の制御手段22およびドライブ手段23自体は、例えば、既
に指摘したUS−Ａ−4343993に開示されている“走査ト
ンネル型顕微鏡”（STM）から既知のものである。
な、ある所定の走査パターンに従って、走査方向におけ
る相対移動を制御するために設けられている。第１の制
御手段22からの信号に応答して、センサＳを移動させる
ためのドライブ手段23も示されている。このような第１
の制御手段22およびドライブ手段23自体は、例えば、既
に指摘したUS−Ａ−4343993に開示されている“走査ト
ンネル型顕微鏡”（STM）から既知のものである。
第２の制御手段24は、計測方向におけるセンサＳの相
対移動を線12で伝達される検知信号の機能で制御するた
め、および、前記の移動のための位置決め信号をドライ
ブ手段25に伝達するために設けられている。このような
第２の制御手段24およびドライブ手段25自体も、例え
ば、既に指摘したUS−Ａ−4343993に開示されているSTM
から既知のものである。
対移動を線12で伝達される検知信号の機能で制御するた
め、および、前記の移動のための位置決め信号をドライ
ブ手段25に伝達するために設けられている。このような
第２の制御手段24およびドライブ手段25自体も、例え
ば、既に指摘したUS−Ａ−4343993に開示されているSTM
から既知のものである。
線12に接続された回路26は増幅器・インピーダンス変
換器であって、線12で伝達された検知信号から導出され
た１個または複数個の有用な信号を伝達するのに適合さ
れたものである。１個のこのような信号は、フィードバ
ック線12′によって第２の制御手段24に伝達される。こ
のフィードバック線は第２の制御手段24に接続されてい
て、これに検知信号をフィードバックすることにより、
計測方向20でのセンサＳの相対移動の期間中に、この第
２の制御手段を安定的に維持するようにされる。かくし
て、この実施例においては、計測方向20において、被計
測体Ｍの計測側18のいかなる移動に対しても、センサＳ
が正確に追従して移動するようにされる。また、第２の
制御手段24によってドライブ手段25に伝達された位置決
め信号は回路27にも伝達される。この回路27は、実質的
には、増幅器・インピーダンス変換器であって、その出
力部27′において、該位置決め信号の関数である値を伝
達するように適合されている。この値で表されるもの
は、被計測体Ｍの表面が走査されているときの、計測方
向20における被計測体Ｍの計測側18の変位である。かく
して、この発明による装置は、その表面の分析、特に地
形的な形状の分析に特別に好適なものである。
換器であって、線12で伝達された検知信号から導出され
た１個または複数個の有用な信号を伝達するのに適合さ
れたものである。１個のこのような信号は、フィードバ
ック線12′によって第２の制御手段24に伝達される。こ
のフィードバック線は第２の制御手段24に接続されてい
て、これに検知信号をフィードバックすることにより、
計測方向20でのセンサＳの相対移動の期間中に、この第
２の制御手段を安定的に維持するようにされる。かくし
て、この実施例においては、計測方向20において、被計
測体Ｍの計測側18のいかなる移動に対しても、センサＳ
が正確に追従して移動するようにされる。また、第２の
制御手段24によってドライブ手段25に伝達された位置決
め信号は回路27にも伝達される。この回路27は、実質的
には、増幅器・インピーダンス変換器であって、その出
力部27′において、該位置決め信号の関数である値を伝
達するように適合されている。この値で表されるもの
は、被計測体Ｍの表面が走査されているときの、計測方
向20における被計測体Ｍの計測側18の変位である。かく
して、この発明による装置は、その表面の分析、特に地
形的な形状の分析に特別に好適なものである。
この発明による表面走査装置の第２の実施例は、第５
図に概略的に示されている。第４図における第１の実施
例との実質的な相違点は、計測方向20におけるセンサＳ
のフィードバック制御はなされず、回路26の出力部26′
において、検知信号の関数である値が伝達されることで
ある。この値で表されるものは、被計測体Ｍの表面が熱
的な膨張または機械的な変形のような、何らかの理由に
よって移動しているときの、計測方向20での被計測体Ｍ
の表面の瞬時的な位置である。かくして、この第２の実
施例による装置は、物体の表面における変形を分析する
ために特に好適なものである。
図に概略的に示されている。第４図における第１の実施
例との実質的な相違点は、計測方向20におけるセンサＳ
のフィードバック制御はなされず、回路26の出力部26′
において、検知信号の関数である値が伝達されることで
ある。この値で表されるものは、被計測体Ｍの表面が熱
的な膨張または機械的な変形のような、何らかの理由に
よって移動しているときの、計測方向20での被計測体Ｍ
の表面の瞬時的な位置である。かくして、この第２の実
施例による装置は、物体の表面における変形を分析する
ために特に好適なものである。
この発明による表面走査装置の第３の実施例は、第６
図に概略的に示されている。第４図における第１の実施
例との実質的な相違点は、走査方向20において、センサ
Ｓと被計測体Ｍとの間の相対移動の制御がなされないこ
とである。その出力部27′によって伝達される値は、位
置決め信号の関数であり、また、これで表されているも
のは、被計測体Ｍの表面がセンサＳに沿って移動してい
るときの、計測方向20における被計測体Ｍの表面の位置
である。かくして、この第３の実施例による装置は、あ
る所定の移動をする物体の表面パターンを読み取るため
の無接触の追従手段として、特に好適なものである。
図に概略的に示されている。第４図における第１の実施
例との実質的な相違点は、走査方向20において、センサ
Ｓと被計測体Ｍとの間の相対移動の制御がなされないこ
とである。その出力部27′によって伝達される値は、位
置決め信号の関数であり、また、これで表されているも
のは、被計測体Ｍの表面がセンサＳに沿って移動してい
るときの、計測方向20における被計測体Ｍの表面の位置
である。かくして、この第３の実施例による装置は、あ
る所定の移動をする物体の表面パターンを読み取るため
の無接触の追従手段として、特に好適なものである。
この発明による表面走査装置の第４の実施例は、第７
図に概略的に示されている。第６図における第３の実施
例との実質的な相違点は下記の通りである。即ち、回路
26に代えて設けられた回路28は、実質的には、該回路26
と等しい増幅器・インピーダンス変換器であって、線12
で伝達される検知信号の平均値を、ある所定の時間にわ
たり平均したものとして形成するために適合されてい
る。そして、この平均値の伝達は、線12′による第２の
制御手段24だけではなく、減算回路29の第１の入力部に
もなされている。減算回路29の第２の入力部では、線12
で伝達される検知信号をも受け入れている。この減算回
路29は、瞬時的な検知信号とそれから平均された平均値
信号との間の瞬時的な差の値を形成するように適合され
ており、この瞬時的な差の値は出力部29′から伝達され
る。この出力部29′から伝達される値で表されるもの
は、被計測体Ｍの表面がセンサＳに沿って移動するとき
に、計測方向20において、被計測体Ｍの表面の瞬時的な
位置と平均的な位置との間の瞬時的な差である。かくし
て、この第４の実施例による装置は、物体が完全には平
面状のものではなくて、例えば、ディスクのような記録
媒体を読み取る場合のような、ある所定の移動をする当
該物体の表面パターンを読み取るための無接触の追従手
段として、特に好適なものである。
図に概略的に示されている。第６図における第３の実施
例との実質的な相違点は下記の通りである。即ち、回路
26に代えて設けられた回路28は、実質的には、該回路26
と等しい増幅器・インピーダンス変換器であって、線12
で伝達される検知信号の平均値を、ある所定の時間にわ
たり平均したものとして形成するために適合されてい
る。そして、この平均値の伝達は、線12′による第２の
制御手段24だけではなく、減算回路29の第１の入力部に
もなされている。減算回路29の第２の入力部では、線12
で伝達される検知信号をも受け入れている。この減算回
路29は、瞬時的な検知信号とそれから平均された平均値
信号との間の瞬時的な差の値を形成するように適合され
ており、この瞬時的な差の値は出力部29′から伝達され
る。この出力部29′から伝達される値で表されるもの
は、被計測体Ｍの表面がセンサＳに沿って移動するとき
に、計測方向20において、被計測体Ｍの表面の瞬時的な
位置と平均的な位置との間の瞬時的な差である。かくし
て、この第４の実施例による装置は、物体が完全には平
面状のものではなくて、例えば、ディスクのような記録
媒体を読み取る場合のような、ある所定の移動をする当
該物体の表面パターンを読み取るための無接触の追従手
段として、特に好適なものである。
第１図は、この発明による光学的センサの第１の実施例
の概略的な断面図、第２図は、この発明による光学的セ
ンサの第２の実施例の概略的な断面図、第３図は、この
発明による光学的センサの第３の実施例の概略的な断面
図、第４図ないし第７図は、この発明による表面走査装
置の第１ないし第４の実施例の概略図である。 （１）はセンサ本体、 （２）はレーザ光、 （３）は光入口側、 （４）、（10）は第１、第２の光出口側、 （５）は下方表面、 （６）は上方表面、 （11）は検知器手段、 （14）は基準側、 （15）は検知小片、 （Ｓ）はセンサ、 （Ｍ）は被計測体。
の概略的な断面図、第２図は、この発明による光学的セ
ンサの第２の実施例の概略的な断面図、第３図は、この
発明による光学的センサの第３の実施例の概略的な断面
図、第４図ないし第７図は、この発明による表面走査装
置の第１ないし第４の実施例の概略図である。 （１）はセンサ本体、 （２）はレーザ光、 （３）は光入口側、 （４）、（10）は第１、第２の光出口側、 （５）は下方表面、 （６）は上方表面、 （11）は検知器手段、 （14）は基準側、 （15）は検知小片、 （Ｓ）はセンサ、 （Ｍ）は被計測体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウルリッヒ・クリスチアン・フィッシャ ー ドイツ連邦共和国、775 コンスタンツ、 リュッパネルシュトラーセ 23 (72)発明者 ヴォルフガング・ディーター・ポール スイス国、8134 アドリスヴィル、フェ ルセンホーフシュトラーセ 10 (56)参考文献 特開 昭61−158312（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−121302（ＪＰ，Ａ)
Claims (20)
- 【請求項１】ある所定の波長のレーザ光を使用しながら
距離を光学的エネルギ量に変換し，次いで前記光学的エ
ネルギ量を電気的な量に変換するための光学的センサで
あって， 前記距離は，センサ（Ｓ）の基準側（14）と該センサ
（Ｓ）の反対側に配置された被計測体（Ｍ）の表面（1
7）における計測側（18）との間で規定され，また，該
基準側（14）の，該所定波長での光学的に近傍な視野内
に，該計測側（18）を配置するために，充分に小さいも
のであり， 前記レーザー光（２）のための光導波管として形成され
たセンサ本体（１）であって，光入口側（３），該セン
サ本体（１）を通して誘導される光のための第１の光出
口側（４），および，該センサ本体（１）内で回折され
る光のための第２の光出口側（10）を有しており，前記
第２の光出口側（10）は，該被計測体（Ｍ）から離れた
側で，該センサ本体（１）の表面（６）に配置されてい
るもの， 前記光入口側（３）と前記第１の光出口側（４）との間
の該センサ本体（１）の表面（５）に配置されて，アン
テナとしての動作をする検知小片（15）であって，実質
的に凸状で丸められた形状を有しており，その所要の大
きさは前記所定の波長よりも小さくされているもの，お
よび 該第２の光出口側（10）において側センサ本体（１）を
離れる光の光学的エネルギを電気的な検知信号に変換す
るための検知器手段， からなり， 連続的な薄フィルム（16）が該検知小片（15）を実質的
に被覆するような態様で該センサ（Ｓ）をコーティング
するものとして設けられ，該センサ本体（１）の表面
（５）の少なくとも一部分が該検知小片（15）の近傍に
配置されており，前記薄フィルム（16）の厚みは前記所
定の波長よりは小さくされていることを特徴とする光学
的センサ。 - 【請求項２】検知器手段（11）がセンサ本体（１）の重
要部分として形成されていることを特徴とする，請求項
１のセンサ。 - 【請求項３】検知手段（11）がセンサ（１）本体におい
て第２の光出口側（10）に配列されていることを特徴と
する，請求項１のセンサ。 - 【請求項４】検知器手段（11）が光導波管（13）によっ
て第２の光出口側（10）に連結されていることを特徴と
する，請求項１のセンサ。 - 【請求項５】検知小片（15）の大きさは500nm以下であ
ること，好適には20ないし100nmであることを特徴とす
る，請求項１のセンサ。 - 【請求項６】検知小片（15）は金属で形成されており，
ある所定の波長において，プラズモン（plasmon）また
はポラリトン（polariton）の励起が可能であることを
特徴とする，請求項１のセンサ。 - 【請求項７】検知小片（15）は誘電性材料で形成されて
いることを特徴とする，請求項１のセンサ。 - 【請求項８】検知小片（15）はラテックス小球であるこ
とを特徴とする，請求項１のセンサ。 - 【請求項９】薄フィルム（16）は金属で形成されてお
り，ある所定の波長において，プラズモンまたはポラリ
トンの励起が可能であることを特徴とする，請求項１の
センサ。 - 【請求項１０】所定の波長は可視光スペクトルの範囲で
選択され，金属は金，銀および銅から選択されることを
特徴とする，請求項６および９のいずれか１項のセン
サ。 - 【請求項１１】薄フィルム（16）は金で形成されてお
り，その厚みは100nm以下であることを特徴とする，請
求項９のセンサ。 - 【請求項１２】検知小片（15）は球体の形状を有するこ
とを特徴とする，請求項１のセンサ。 - 【請求項１３】検知小片（15）は円錘体またはピラミッ
ドのような突出体の形状を有することを特徴とする，請
求項１のセンサ。 - 【請求項１４】請求項１のセンサにより被計測体の表面
を走査するための装置であって， 計測側（18）の近傍において規定される計測方向（20）
は，該被計測体（Ｍ）の表面（17）に対して実質的に直
行しており，走査方向（21）は該被計測体（Ｍ）の表面
（17）に対して実質的に平行するものとして規定されて
いて， 該センサ（Ｓ）および被計測体（Ｍ）は，前記双方の方
向（20,21）において，互いに相対移動が可能であり， ある所定の走査パターンに従って該走査方向（21）で該
センサ（Ｓ）の相対移動を制御するための第１の制御手
段（22）， 検知信号の関数として該サンサ（Ｓ）を該計測方向（2
0）での相対移動の制御をし，ドライブ手段（25）に対
して前記移動のための位置決め信号を伝達するための第
２の制御手段（24）， 該第２の制御手段（24）に対して該検知信号のフィード
バックを行い，該走査方向（21）におけるセンサ（Ｓ）
の相対移動の間に前記第２の制御手段（24）を定常状態
に維持するためのフィードバック線（12′），および 距離について計測された値であって，該位置決め信号の
関数である前記値を伝達するための回路（27）， からなることを特徴とする装置。 - 【請求項１５】請求項１のセンサにより被計測体の表面
を走査するための装置であって， 計測側（18）の近傍において規定される計測方向（20）
は，該被計測体（Ｍ）の表面（17）に対して実質的に直
交しており，走査方向（21）は該被計測体（Ｍ）の表面
（17）に対して実質的に平行するものとして規定されて
いて， 該センサ（Ｓ）および被計測体（Ｍ）は，前記計測方向
（20）において互いに相対移動が可能であり，これに対
して，該計測方向（20）に直交するいずれの方向におい
ても互いに相対的に固定されており， ある所定の走査パターンに従って該走査方向（21）で該
センサ（Ｓ）の相対移動を制御するための制御手段（2
2）， 該走査方向（21）における該センサ（Ｓ）の相対移動の
間に，距離の変動についての計測された値であって，該
検知信号の関数である前記値を伝達するための 回路
（26）， からなることを特徴とする装置。 - 【請求項１６】請求項１のセンサにより被計測体の表面
を走査するための装置であって， 計測側（18）の近傍において規定される計測方向（20）
は，該被計測体（Ｍ）の表面（17）に対して実質的に直
交しており，走査方向（21）は該被計測体（Ｍ）の表面
（17）に対して実質的に平行するものとして規定されて
いて， 該センサ（Ｓ）および被計測体（Ｍ）は，前記双方の方
向（20,21）において，互いに相対移動が可能であり， 該計測方向（20）における該センサ（Ｓ）の相対移動の
制御を行い，ドライブ手段（25）に対して前記移動のた
めの位置決め信号を伝達するための制御手段（24）， 該制御手段（24）に対して該検知信号のフィードバック
を行い，該計測方向（20）におけるセンサ（Ｓ）の相対
移動の間に前記第２の制御手段（24）を定常状態に維持
するためのフィードバック線（12′），および 距離について計測された値であって，該位置決め信号の
関数である前記値を伝達するための回路（27）， からなることを特徴とする装置。 - 【請求項１７】請求項１のセンサにより被計測体の表面
を走査するための装置であって， 計測側（18）の近傍において規定される計測方向（20）
は，該被計測体（Ｍ）の表面（17）に対して実質的に直
交しており，走査方向（21）は該被計測体（Ｍ）の表面
（17）に対して実質的に平行するものとして規定されて
いて， 該センサ（Ｓ）および被計測体（Ｍ）は，前記双方の方
向（20,21）において，互いに相対移動が可能であり， 該計測方向（20）における該センサ（Ｓ）の相対移動の
制御を行い，ドライブ手段（25）に対して前記移動のた
めの位置決め信号を伝達するための制御手段（24）， ある所定の時間にわたって平均された該検知信号の値を
表す平均値信号を伝達するための回路（28）， 該制御手段（24）に対して平均値信号のフィードバック
を行い，該計測方向（20）におけるセンサ（Ｓ）の相対
移動の間に前記第２の制御手段（24）を定常状態に維持
するためのフィードバック線（12′），および 距離について計測された値であって，該検知信号とそれ
から平均された該平均値信号との間の差の関数である前
記値を伝達するための回路（29）， からなることを特徴とする装置。 - 【請求項１８】その表面（17）が実質的に凸状である被
計測体（Ｍ）の表面を走査するためのものであって，セ
ンサ本体（１）の表面（５）は，検知小片（15）が配置
されている表面（５）の場所（14）を通して，少なくと
も１本の直線母線を有することを特徴とする，請求項14
ないし17のいずれか１項の装置。 - 【請求項１９】その表面（17）が実質的に平板である被
計測体（Ｍ）の表面を走査するためのものであって，表
面（５）を有するセンサ本体（１）は，検知小片（15）
が配置されている表面（５）の少なくとも場所（14）に
おいて，被計測体（Ｍ）に対して凸状にされていること
を特徴とする，請求項14ないし17のいずれか１項の装
置。 - 【請求項２０】レーザ光（２）はセンサ本体（１）に入
るように向けられていることを特徴とする，請求項14な
いし17のいずれか１項の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP87114008.3 | 1987-09-25 | ||
| EP87114008A EP0308537B1 (en) | 1987-09-25 | 1987-09-25 | Sensor for converting a distance to optical and further to electrical energy, and surface scanning apparatus using same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01102302A JPH01102302A (ja) | 1989-04-20 |
| JP2717279B2 true JP2717279B2 (ja) | 1998-02-18 |
Family
ID=8197314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63227650A Expired - Lifetime JP2717279B2 (ja) | 1987-09-25 | 1988-09-13 | 距離を光学的エネルギに、更に電気的エネルギに変換するセンサ、および、これを用いた表面走査装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
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