JP3816954B2 - 走査面上の物体を光学的に走査する装置及びその装置を作動させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルによる、走査面上の物体を光学的に走査する装置及びそれを作動させる方法に関する。
光の波長より小さな開口を有する光学プローブの走査によって、光分解能を向上させることが可能である（１９８４Ｄ．Ｗポール，Ｗ．デンク，Ｍ．Applied Physics Letters ４４（１９８４）６５１参照）。このような方法において、分解能は、開口部の寸法によって制限される。
物体近傍における光学プローブの走査は、プローブと物体との間の相互作用場を利用することによって改良することができる。光学的な表面エバネッセント波を利用してプローブと表面との間の距離を制御する方法が知られている（Ｒ．Ｃ．レデック，Ｒ．Ｊワーマック，Ｔ．Ｌ．フェレル，Physical Review Ｂ３９（１９８９年）７６７参照）。プローブへのせん断力の作用を、プローブの変調周波数の減衰を介して利用する他の方法が知られている（Ｅ．ベッチング，Ｐ．Ｌ．フィン，Ｊ．Ｓ．ワイナ，Applied Physics Letters 60（１９９２）２４８４参照）。
これら及び他の公知の方法においては、表面を解析するのに光学プローブが最もよく使用されている。小さな開口部によって向上した分解能は、開口部が小さいほど、プローブを通って伝達される光が少なくなり、伝達される光の最大限の量が少なくなるという結果を生じ、そのために、分解能が制限される。
金属基板層及び透明な表面層を使用することによって、吸収体（ａｄｓｏｂａｔｅｓ）のラマン感度を向上させる光学プロセスが知られている（Ｗ．Ｓ．バクサ，Ｊ．Ｓ．ラニン，Applied Physics Letters ６１（１９９２）１９参照）。これは、入射光及び反射光ビームの干渉によって生じる定在波の、干渉の最大部が、透明層の表面に生じる効果を生じる。この表面において局所的に強められた光の強度によって、吸収体及び超薄型層のラマン信号が強められる。
表面の近くの光学的な定在波を、光学プローブの、表面に平行な移動を制御するのに利用する方法が知られている（Ｎ．ウメダ，Ｙ．ハヤシ，Ｋ．ナガイ，Ａ．タカヤナギ，Applied Optics，３１（１９９２）４５１７）。
光を検出するために集めるものとしてプローブを使用することには、たとえ、伝達される光が開口部によって制限される場合であっても、入射光ビームの最大強度がプローブの開口部によって制限されないという利点がある。しかしながら、この方法においては、不透明な表面近傍における局所的な光強度が弱いために、吸収体及び超薄型層に対する感度があまりよくない。
本発明は、走査面として、平坦なマイクロキャビティの表面を使用する。マイクロキャビティは、不透明層上の透明層によって実現される。透明層の界面の反射性があまり高くない場合であっても、２つの界面での反射波の重ね合わせは、マイクロキャビティのものと類似している。定在波は、透明層を適当な厚さに選択したときに吸収体及び超薄型層に非常に敏感である。定在波が不透明層と透明層との間の境界部で最小になるので、透明層の最適な厚さは、最大限の干渉が表面に生じるようにほぼＬ／４（Ｌ：定在波の波長）の倍数である。透明層の、正確な最適厚さは、不透明層への定在波の侵入深さ及び透明層の光学濃度によって与えられる。吸収体に対する定在波の感度は、反射基板層及び透明表面層の光学的な特性にも依存する。透明表面層の選択された厚さによって、表面から反射され散乱した光は、不透明層から反射された光と弱め合うように干渉する。これによって、表面から反射され散乱した光が定在波に最大限に影響する効果が得られる。
単一の吸収体に対する定在波の感度が高くなるのに加えて、マイクロキャビティの表面上で光が局所的に強められ、それによって、すべての光学プロセス（吸収、発光、弾性光散乱、非線形の光学プロセス）が促進される。検出光のスペクトル分解を、単一の吸収体及びそれらの局所的な、化学的および物理的特性をスペクトル分析によって調査するのに利用することができる。非弾性非コヒーレントな光プロセスが定在波に寄与しないことに留意すべきである。さらに、入射検出光の偏光を分析して、吸収体の磁気特性のために使用することができる。
使用する光の波長より小さな寸法の吸収体による定在波の変形は、吸収体における光波の回折によって、かなり大きくなる。従って、光プローブの開口より小さな吸収体の像を光学的に捉えることが可能になる。
他の利点が、入射光ビーム及び基板の、選択された構成によって得られる。
光ビームが重なり合う領域における入射光と反射光のコヒーレントな重ね合わせは、表面のインターフェログラム及びホログラムを生じさせる。このホログラム像は、波長よりも短い物体−プローブ間距離のために、従来のホログラム像形成プロセスとは異なる。表面に近い二次元及び三次元の光走査は、二次元及び三次元ホログラムを記録することを可能にする。このホログラムから表面を再現することが可能になる（１９６８年ニューヨーク州、グッドマン，ヨセフＷ．Introduction of Fourier Optics, McGraw-Hill参照）。
光学プローブの、表面への接近を容易にするために、同じ波長と異なる入射角を有する第２の入射ビーム、または異なる波長を有する光ビームを使用することができる。２つの定在波の非コヒーレントな重ね合わせの位相のずれを、表面に対する光学プローブの距離の指標として使用することができる。
これまで、透明層上の、光の伝達経路上にある基板表面の所の光強度が比較的強いことを主に示してきた。本発明によれば、マイクロキャビティの形の非透明基板の表面の局所的な強度は、かなり強い。また、反射構成は、実現するのが容易であり、有利である。本発明によれば、光学プローブを変調する必要はなく、従って、実現するのが容易である。
以下に、簡単な１つの可能性のある実施例を示す図面を参照して、本発明についてさらに詳細に説明する。
図１は、不透明層１と、透明表面層２と、入射光線３と、反射光ビーム４及び光プローブ５とを有する基板であるマイクロキャビティを示す図である。
図２は、基板の表面に直角な方向の、定在波の、計算された強度関数７及び厚みのある１つの単一層の吸収体層の場合の、対応する関数８を示す図である。
図３は、影領域９及び影領域１０及びプローブの縁領域１１による定在波への光プローブの影響を示す図であり、図３ａは基盤を側面から見た図、図３ｂは基板を上から見た図である。
図４ａは、楕円形の開口部及び縁領域１２を示す図、図４ｂは、一方の側にコーティングされた光吸収層１３を示す図である。
図５は、プローブと基板との距離によって領域９がどのように変化するかを示す図であり、図５ａはプローブと基板との距離が一定量離れている状態を示す図、図５ｂは図５ａに示したものよりもプローブと基板との距離が近い状態を示す図である。
シリコンウェハー１及び透明シリコンオキシド層２を基板として使用することができる。レーザを単色光源として使用することができる。波長５１４ｎｍ及び５７°の入射角度のアルゴンイオンレーザの単色光ビームに対して、シリコンオキシド層の最適な層厚は１０５ｎｍである。光源は、定在波を表面の近傍に形成することができるように、十分に単色であり、かつコヒーレントでなければならない。定在波６は、入射ビームと反射ビームが重なり合う領域に形成される。
先がとがった光ファイバを光学プローブ５として使用することができる。集められファイバの中を伝播する光を、分光器及び検出器に直接導くことができる。光学プローブを通って伝達される光に対して偏光子を使用することによって、伝達光の偏光を計測することができる。入射光ビームの偏光を、偏光子によって、または光源の偏光を調整することによって変化させることができる。
表面近傍の強度分布は、複数層における干渉において、公知のマトリックス形式を使用して計算した（Ｍ．Ｖ．クライン，Ｔ．Ｅ，フルタック“Optics”ジョンウイー＆ソン，２９５ページ１９８６年参照）。吸収体層として、アルミニウムの単原子層（厚さ０．４ｎｍ）を選択した。この吸収体層によって、定在波８は２１ナノメータだけ移動させられ、強度関数の最大値と最小値の振幅が減少させられる。入射光ビームは、光の波長より小さな吸収体によって回析され定在波の、横方向に広がる乱れを生じさせる。基板からの距離が長くなるにつれて、散乱された波面が大きくなる。定在波の波長よりかなり小さな吸収体の場合、波の振幅が、吸収体からの距離が長くなるにつれて小さくなる。
吸収体は、回折効果が調査領域において小さい限り、基板からの、直角方向の距離の関数としての、定在波の局所的な強度に差を生じさせる光特性の差に基づいて表面の断差と区別することができる。
光学プローブからの検出信号強度は、光プローブを基板表面の近くに制御するためにフィードバックループに用いることができる。プローブを、表面上の一定の距離（位相）の所を、すなわち、信号（振幅）を一定に保持するように移動させることができる。位相を一定に保持するために、各画像点の所で表面に直角な方向の変化を測定しなければならない。これは、光学プローブを基板に直角な方向に調整することによって実現することができる。
図３は、定在波への光学プローブの影響を示す図である。プローブの一方の側を照射することによって、影の領域が生じる。反射光の一部は、領域９に入る。入射光または反射光はいずれも影領域１０には入らない。定在波の、プローブの縁部への侵入によって、プローブ内に伝搬波が生じる。横方向の分解能が、プローブ１１の、入射光ビーム側の縁領域への光学場の侵入によって制限され、プローブの開口部の寸法によっては直接には制限されない。影領域の形成における回折効果の影響は、プローブが小さくなる程大きくなる。プローブの先端の寸法が光の波長に比類するか、またはこれより小さいときに影領域が不明瞭になるという結果になる。
横方向の分解能は、プローブの縁部における光の侵入を小さくすることによって、向上させることができる。これは、開口部を小さくすることによって、開口部の形状を変化させることによって、表面に対して光プローブを傾斜させることによって、またはプローブの一方の側を吸収材料でコーティングすることによって実現される。図４ａは、領域１２における光との相互作用を軽減する楕円形の開口部を示す図、図４ｂは、一方の側１３のコーティングが、プローブに侵入する光をどのように軽減できるかを示す図である。一方の側のコーティングは、入射ビームに対するプローブの向きを変化させることによって侵入光の量を調整することができるというさらなる利点を有する。これによって、単一のプローブを用いて横方向の分解能を連続的に変化させることが可能になる。
図３に示した領域９における反射光は、光プローブに伝播することができ、一定の背景信号を生じさせる要因となる。図５は、プローブと基板との距離によって領域９がどのように変化するかを示す図である。表面の近傍においては、領域１０へのプローブの侵入によってプローブに反射される光の量が減少する。一定の背景信号の減少を、基板の近傍において距離の指標として利用することができる。

Claims (12)

1. 表面が走査面を形成する基板と、前記走査面に入射する単色光ビーム（３）を生成する光源と、前記走査面に対して移動可能であり、前記走査面に向けられた開口を有し、入射ビームと反射ビームの干渉によって形成される単色の定在波（６）を計測する光学プローブ（５）を含む、前記走査面上の物体を光学的に走査する装置において、
   前記走査面は、不透明層（１）上に配置された、前記入射光ビームに対する透明層（２）の表面であることを特徴とする装置。
2. 前記透明層（２）の厚さが、第１の前記定在波（６）の強度が、前記走査面に局所的な最小値を有さないように選択されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記透明層（２）の厚さが、第１の前記定在波（６）の強度が、前記走査面に局所的な最大値を有するように選択されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記光学プローブは、少なくとも一方の側面が、不透明材料（１３）でコーティングされている、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記走査面上への前記開口の投影像が横長であり、特に、楕円形状である、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記開口の大きさが、前記入射光ビームの波長よりも大きい、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 走査処理の間、前記プローブの前記走査面からの距離を、前記開口における前記定在波（６、７）の強度を一定に保つように制御する、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置を動作させる方法。
8. 走査処理の間、前記プローブの前記走査面からの距離を、前記開口における前記定在波（６）の位相を一定に保つように制御する、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置を動作させる方法。
9. 前記プローブの前記走査面からの距離を求めるために、反射ビーム（９）の、前記開口への部分的な侵入によって生じる背景信号を計測する、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置を動作させる方法。
10. 前記プローブ（５）を前記走査面へ接近させている間、前記プローブ（５）と前記走査面の距離を求めるために、異なる波長を有する単色の別の定在波を生成し、第１の前記定在波と前記別の定在波の間の位相のずれを計測する、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置を動作させる方法。
11. 前記プローブによって集められた光を分光学的に分析する、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置を動作させる方法。
12. 前記プローブによって集められた光の偏光を計測する、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置を動作させる方法。

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