JP4764583B2 - 光放射圧測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光放射圧を利用した光放射圧測定装置、共振周波数調整方法、開口径検査装置及びそれを備えた近接場光学顕微鏡、特に光放射圧と共振体の共振周波数の相関の利用方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に物体に圧力が加わる場合には気体、液体あるいは固体との接触により該物体に圧力が加えられる。
しかし、光放射によっても物体には圧力が加わる。すなわち、例えば図１に示すようにビーム光２を物体４の反射面６に照射すれば物体４はビーム光２による光放射圧Ｐを受ける。すなわち、光は波としての性質と共に物質としての性質を備え、運動量を持っており、物体に力を作用することができる。
このような光放射圧は、原子間力顕微鏡のカンチレバーを用いれば実際に観測することができる。
【０００３】
一方、その材質や形状等により決まる周波数特性を有する共振体、例えば水晶等は様々な分野に用いられている。そして、例えば同じ材質の共振体の周波数特性を調整する場合には、その形状を調整することで所望値を得ている。
また、他に共振体の周波数特性を応用した例としては、例えば近接場光学顕微鏡のプローブの周波数特性による位置制御が挙げられる。
【０００４】
近接場光学顕微鏡は、光波長より小さい空間分解能を持ち、分光分析測定もできる装置で、近年開発されたものでありその応用が期待されている。
この近接場光学顕微鏡ではエバネッセント光と呼ばれる、物体表面から数十ｎｍ程度の極近傍領域に分布する光により試料表面の凹凸や成分を分析する。
【０００５】
図２には近接場光学顕微鏡の概略図が示されている。同図に示す近接場光学顕微鏡１０に設置された基板１４上には、試料１２が配置されている。
光源１６からの入射光１８は、ガラスファイバの先端部を加工して作成したプローブ２０の内部を通り、プローブ２０先端部２２に達する。先端部２２は、図３に示したように先鋭状で、金属膜等のマスク６４で被覆され光学遮蔽されており、その突端部のみ光波長以下の微小開口６２が形成されている。そして光源１６からプローブを通して導光された入射光１８は該開口からエバネッセント光２４として先端部２２近傍にしみだしている。
【０００６】
そして、図２において、このエバネッセント光２４がしみだしたプローブ２０の先端部２２を、エバネッセント光の場が試料測定面に進入するまで近づけると、エバネッセント光は散乱し、或いはエバネッセント光により被測定試料１２が発光する。この散乱光や発光などの被測定光を対物レンズ２５によって集光し、集光された光を、分光器等の光学処理装置２６や検出器２８に導入することで試料の情報を検出する。
【０００７】
また、プローブ２０は装置に備えられた加振器３０に接続されており、プローブ２０の共振周波数で振動している。上述のようにエバネッセント光２４がしみだしたプローブ２０の先端部２２を、エバネッセント光の場が試料測定面に進入するまで近づけた場合、プローブの先端部−試料間でシアフォースと呼ばれる力が働き、プローブ２０の振動が制振される。この制振の割合とプローブ−試料間の距離の関係には、プローブ、試料等の条件により定まる一定の相関関係があるので、制振の割合が一定となるようにプローブの先端部−試料間の距離を制御しつつ試料表面を走査することで試料表面の凹凸に関する情報が得られる。
【０００８】
そして、プローブの微小振動の振幅を検出するために、プローブ２０に照射するスポットレーザー等のプローブ光源３２と、プローブ２０の振動により変調されたプローブ光源３２が発する光の反射光の強度を検出する検出器３４を含む検出部３６でプローブ２０の振動の振幅変化を検出し、検出結果に基づいてステージ３８の位置を調整することでプローブ−試料間の距離を制御している。
【０００９】
すなわち、コンピュータ４６からの信号によりステージコントローラ４０でＸＹＺステージ３８を制御して、プローブ２０の先端部２２と試料測定面との間の上下方向の距離を、検出器３４で検出された振幅変化が一定となるように調節しつつ試料測定面を走査すれば、試料１２に非接触でかつ試料１２の凹凸を的確に高分解能で把握することが可能となる。
さらに、前述の分光スペクトルより試料１２の被測定面の各測定点における成分情報を同時に得ることが可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した光の放射圧を積極的に応用した技術を開発する場合、あるいは光の放射圧を定量的に知る必要がある場合等に十分な程度に光の放射圧を簡便かつ正確に測定することができる技術は存在しなかった。
【００１１】
また、水晶発振子等の共振体は、形状により決まる一定の周波数特性のみをもち、その周波数を可変とすることはできなかった。
【００１２】
また、前述した近接場光学顕微鏡に用いられるプローブは消耗品であり、使用するにつれてプローブ突端に設けられた微小開口の開口径が変化する。開口径の変化は直接測定に影響するので実際の開口径を手軽に評価することができれば望ましい。しかし、開口径を評価する場合、近接場プローブを装置系から取り外して他の場所へ移動して開口径評価を行う必要があり、その後再びプローブを装置系へ取付けるのはアライメントの調整等に手間がかかり決して簡易なものではなかった。
【００１３】
また、このような近接場光学顕微鏡に用いるプローブの突端部の微小開口に限らず、様々な光学開口を簡便かつ正確に測定する方法があれば望ましい。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は光放射圧を簡便かつ正確に測定可能な光放射圧測定装置、共振体の共振周波数を容易に調整可能な共振周波数調整方法、共振体の微小開口を評価する開口径検査装置及びそれを備えた近接場光学顕微鏡を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明者らは鋭意検討した結果、光放射圧でプローブの周波数特性が変化することを見出し本発明を完成するに至った。
すなわち本発明にかかる光放射圧測定装置は、放射光の光放射圧を測定する光放射圧測定装置において、
前記放射光の強度を調整することができる放射光光源と、
前記放射光を反射する反射手段を有するプローブの共振部と、
前記共振部を加振する、加振周波数可変の加振部と、
前記加振部により加振されている前記共振部に照射するプローブ光を発するプローブ光源と、前記共振部の振動により変調されたプローブ光の反射光を検出することで前記共振部の振動振幅の大きさを検出する検出手段を備えた検出部と、
前記検出部で得た振動振幅の大きさと前記共振部の振動周波数の関係から前記共振部の共振周波数を求める共振周波数導出部と、
あらかじめ光放射圧と前記共振部の共振周波数についての検量情報を記憶している記憶部と、
前記共振周波数導出部により求めた共振周波数を、前記記憶部に記憶されている検量情報に当てはめ、前記放射光の光放射圧を求める比較部と、
を備えたことを特徴とする。
また、前記装置において、前記検出部は圧電材料により前記共振部の振動振幅の大きさを検出することも好適である。
【００１５】
また、本発明にかかる光放射圧測定装置を用いてプローブの共振部の共振周波数調整方法は、
前記共振部の共振周波数は前記共振周波数導出部によって観察されており、
放射光の光放射圧を調整可能である光源から発する放射光を、該放射光を反射する反射手段を有するプローブからなる共振部の該反射手段へ照射し、
前記放射光光源からの放射光の強度を変更して光放射圧を調整することにより前記共振部の共振周波数を所望の値に調整することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる開口径検査装置は、放射光を反射する反射手段を有するプローブからなる共振部の該反射手段に開けられた光学開口の直径を検査する開口径検査装置であって、
前記放射光を発する光源部と、
前記共振部を加振する、加振周波数可変の加振部と、
該加振部により加振されている前記共振部に照射するプローブ光を発するプローブ光源と、前記共振部の振動により変調されたプローブ光の反射光を検出することで前記共振部の振動振幅の大きさを検出する検出手段を備えた検出部と、
該検出部で得た振動振幅の大きさと前記共振部の振動周波数の関係から前記共振部の共振周波数を求める共振周波数導出部と、
あらかじめ前記共振部の共振周波数と前記光学開口の直径についての検量情報を記憶している記憶部と、
前記共振周波数導出部により求めた共振周波数を、前記記憶部に記憶されている検量情報に当てはめ、前記光学開口の直径を求める比較部と、
を備えたことを特徴とする。
また、前記装置において、前記検出部は圧電材料により前記共振部の振動振幅の大きさを検出することも好適である。
【００１７】
また、前記開口径検査装置において、前記プローブは近接場光学顕微鏡用プローブであり、前記反射手段として該プローブ先端にマスクが設けられ、該マスクに開けられた光学開口の大きさを検査することも可能である。
また、近接場光学顕微鏡がそのような開口径検査装置を備えることが好適である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の基礎となる光放射圧と共振体の周波数特性との相関について説明する。
図４には、近接場光学顕微鏡のプローブに入射光を加えた場合と加えない場合において測定した、プローブの周波数特性についてのグラフが示されている。同図より明らかなように、入射光を加えない場合に比して、入射光を加えた場合では、共振周波数に対応する信号（振動振幅の大きさに比例する）のピークが高周波数側にシフトしていることがわかる。
【００１９】
また、図５には、入射光強度を変えた場合のプローブの共振周波数（信号のピークにおける周波数）の変化を測定したグラフが示されている。同図より明らかなように、入射光強度、すなわち光放射圧の増加に伴い共振周波数が高周波数側にシフトしていることがわかる。
【００２０】
この測定結果は、次の理由によると考えられる。すなわち、図６に概略を示した、ガラスファイバの先端部を加工して作成したプローブの先端部２２には、金属膜６４が被覆されている。そして、入射光源から入射光１８を、該ガラスファイバプローブ内を通して先端部２２まで導光すると、入射光１８は金属膜６４により反射する。
【００２１】
この反射の際に入射光１８は金属膜６４に対して、その金属膜に対する入射方向へ圧力Ｐを付与する。このように金属膜６４が圧力を受けている、すなわち共振体であるプローブに力が加わっている状態では、図４の測定結果のように入射光を照射しない通常の状態での共振周波数に比して、プローブの共振周波数は高くなる。また、図５の測定結果のように入射光の強度、すなわち光放射圧が増加すればプローブが受ける力も大きくなり共振周波数はさらに高くなる。
本発明は、以上説明した現象に基づくものである。以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
光放射圧測定装置
図７には、本発明の一実施形態にかかる光放射圧測定装置の概略が示されている。同図に示す光放射圧測定装置１１０は、先端に金属膜１１２（反射手段）が被覆された共振体のガラスファイバ１１４（共振部）と、加振器１１６（加振部）と、プローブ光源１１８及び光検出器１２０（検出部）と、ＣＰＵ１２２（共振周波数導出部、比較部）及びＨＤＤ１２４（記憶部）を備えるコンピュータ１２６を備えている。
【００２３】
以下、上記装置の作用について、実際に測定を行う際の動作に基づき説明する。測定対象である、光放射圧未知の放射光としては、特に限定されず、例えばレーザー光の光放射圧が測定可能である。但し、測定対象の放射光がビーム状でない場合は、共振部の反射手段に導光する前に適当な光学系でビーム状に補正した後で該反射手段に導光する必要があり、測定後に光放射圧を求める際には光学系による補正に対応した演算補正が必要である。また、ビーム光の光束の直径が各測定で異なる場合には、光束の直径を各測定間で演算補正する必要がある。
【００２４】
また、光放射圧は原則的には光波長に依存しないので、特に光波長について考慮せずとも、異なる光波長の放射光でも同じように測定可能である。
【００２５】
測定対象の放射光１２８は、共振体のガラスファイバ１１４に導光され、ファイバ先端に被覆されている金属膜１１２で反射される。この際に金属膜１１２は放射光１２８から前述した光放射圧を受ける。
【００２６】
本実施形態では共振体としてガラスファイバを用いているが、共振体の材質、形状は特に限定されず、共振特性等を考慮して適宜選択される。しかし、共振体が放射光を受ける部分では光放射圧を受けるために該放射光を反射する必要があり、例えば共振体の材質が放射光に対して光透過性、光吸収性を有するような場合には、本実施形態の金属膜のような適当な反射手段を共振体に備える必要がある。また、放射光と共振体及び反射手段の間のアライメントは各測定で一致していなければならない。
【００２７】
ガラスファイバ１１４は適当な位置で加振器１１６に接続されている。加振器１１６は加振周波数が可変であり、加振器１１６との接続部分より下側のガラスファイバの振動部分における、共振周波数前後での周波数掃引が可能である。
【００２８】
そして、ガラスファイバ１１４を通して金属膜１１２に放射光を照射した状態で加振器１１６により共振体を微小振動させ、周波数掃引を行う。このときの共振体の振動振幅の大きさを測定し、図５のようなグラフを作成する。
ファイバの微小振動の振幅の大きさを検出するために、スポットレーザー１１８をファイバの振動部分に照射し、ファイバの振動により変調された反射光の強度を検出器１２０で検出することでファイバの振動の振幅変化を検出している。
また、ファイバの振動の振幅変化は、ピエゾ素子等の圧電材料により検出することも可能である。
【００２９】
次に、このようにして測定された図５に示したような共振体の周波数特性は、図７のコンピュータ１２６のＣＰＵ１２２で解析される。すなわち、該周波数特性から、その振幅の大きさが最大となる周波数を共振周波数として決定する。
【００３０】
コンピュータ１２６のＨＤＤ１２４では、あらかじめ光放射圧がわかっている参照用の放射光をファイバを通して金属膜１１２に照射した場合について、複数の光放射圧での上述の方法で測定された共振周波数のデータから作成した光放射圧−共振周波数の検量情報が記憶されている。
【００３１】
そして、ＣＰＵ１２２で前記において決定された、光放射圧未知の放射光をファイバを通して金属膜１１２に照射した場合の共振周波数を、ＨＤＤ１２４に記憶されている光放射圧−共振周波数の検量情報に当てはめ、測定対象である放射光の光放射圧が決定される。
以上説明したように本発明の光放射圧測定装置によれば、光放射圧を簡便かつ正確に測定することが可能である。
【００３２】
共振周波数調整方法
以下、図８に基づいて本発明の共振周波数調整方法について説明する。前述した通り、共振体に放射光を照射し圧力を作用させると、その光放射圧の大きさに依存して共振体の共振周波数が変化する。本発明の共振周波数調整方法では、放射光の強度が可変である光源を用いて光放射圧により共振体の共振周波数を制御する。
【００３３】
図８には本発明の共振周波数調整方法を実際に行う際の一実施形態の概略が示されている。光源２０２から発する放射光２０４は、放射光強度が連続的あるいは断続的に可変であり、光源としては例えばレーザー光等が用いられる。また、放射光２０４としてはビーム状であることが好ましい。
放射光２０４は、共振体である水晶２１４に導光され、その一端に被覆されている金属膜２１２で反射される。この際に金属膜２１２は放射光２０４から前述した光放射圧を受ける。
【００３４】
水晶２１４は、電圧等で一定周波数で発振している。本実施形態では共振体として水晶を用いているが、共振体としては、他にもガラスファイバ等任意の材質、形状のものが用いられる。しかし、共振体が放射光を受ける部分では光放射圧を受けるために該放射光を反射する必要があり、例えば共振体の材質が放射光に対して光透過性、光吸収性を有するような場合には、本実施形態における金属膜２１２のような適当な反射手段を共振体に備える必要がある。
【００３５】
一定周波数で発振していた共振体は放射光２０４により反射手段である金属膜２１２を介して光放射圧を受け、図５に示したように、光放射圧の大きさに依存して周波数特性が変化する。同図より明らかなように、光放射圧の掃引による周波数特性の変化は連続的なので、光放射圧を制御することにより共振周波数のチューニングが可能となる。
【００３６】
以上説明したように本発明の共振周波数調整方法によれば、従来は形状により決まる一定の共振周波数しか利用できなかったのに対し、共振体に放射する光の光放射圧を制御することで共振周波数のチューニングが可能となり、容易に可変の共振周波数が利用可能となる。
【００３７】
開口径検査装置およびそれを備えた近接場光学顕微鏡
以下、本発明の開口径検査装置およびそれを備えた近接場光学顕微鏡について説明する。図９には本発明の一実施形態にかかる近接場光学顕微鏡の概略図が示されている。なお、前記図２と対応する部分には符号３００を加えて示し説明を省略する。
同図に示す近接場光学顕微鏡３１０に設置された基板３１４上には、試料３１２が配置されている。
光源３１６からの入射光３１８は、ガラスファイバの先端部を加工して作成したプローブ３２０の内部を通り、プローブ３２０先端部３２２に達する。先端部３２２は、図１０に示したように先鋭状で、金属膜等のマスク３６４で被覆され光学遮蔽されており、その突端部のみ光波長以下の微小開口３６２が形成されている。そして光源からプローブを通して導光された入射光３１８は該開口からエバネッセント光３２４として先端部３２２近傍にしみだしている。
【００３８】
そして、図９において、このエバネッセント光３２４がしみだしたプローブ３２０の先端部３２２を、エバネッセント光の場が試料測定面に進入するまで近づけると、エバネッセント光は散乱し、或いはエバネッセント光により被測定試料３１２が発光する。この散乱光や発光などの被測定光を対物レンズ３２４によって集光し、集光された光を、分光器等の光学処理装置３２６や検出器３２８に導入することで試料の情報を検出する。
【００３９】
また、プローブ３２０は装置に備えられた加振器３３０に接続されており、プローブ３２０の共振周波数で振動している。上述のようにエバネッセント光３２４がしみだしたプローブ３２０の先端部３２２を、エバネッセント光の場が試料測定面に進入するまで近づけた場合、プローブの先端部−試料間でシアフォースと呼ばれる力が働き、プローブ３２０の振動が制振される。この制振の割合とプローブ−試料間の距離の関係には、プローブ、試料等の条件により定まる一定の相関関係があるので、制振の割合が一定となるようにプローブの先端部−試料間の距離を制御しつつ試料表面を走査することで試料表面の凹凸に関する情報が得られる。
【００４０】
そして、プローブの微小振動の振幅を検出するために、プローブ３２０に照射するスポットレーザー等のプローブ光源３３２と、プローブ３２０の振動により変調されたプローブ光源３３２が発する光の反射光の強度を検出する検出器３３４を含む検出部３３６でプローブ３２０の振動の振幅変化を検出し、検出結果に基づいてステージ３３８の位置を調整することでプローブ−試料間の距離を制御している。
【００４１】
すなわち、コンピュータ３４６からの信号によりステージコントローラ３４０でＸＹＺステージ３３８を制御して、プローブ３２０の先端部３２２と試料測定面との間の上下方向の距離を、検出器３３４で検出された振幅変化が一定となるように調節しつつ試料測定面を走査すれば、試料３１２に非接触でかつ試料３１２の凹凸を的確に高分解能で把握することが可能となる。
さらに、前述の分光スペクトルより試料３１２の被測定面の各測定点における成分情報を同時に得ることが可能となる。
【００４２】
ところで、前述したように近接場光学顕微鏡のプローブ突端の微小開口の開口径は使用しているうちに変わってしまう場合がある。
しかしながら、従来はこれを簡易に検査する手段が存在しなかった。さらに、プローブを顕微鏡から取外した後検査を行なう必要があり、検査後プローブを再び取り付けた後、プローブの振動振幅等を制御する光学系との光軸調整等が再度必要となり、非常に手間のかかる作業を要した。
【００４３】
そこで、本発明では近接場光学顕微鏡に付属して、装置から取り外しせずに開口径が検査可能な開口径検査装置を備えている。
図１１には本発明の一実施形態にかかる開口径検査装置の概略が示されている。本実施形態にかかる開口径検査装置４１０は近接場光学顕微鏡に付属しており、光源４１６と、加振器４３０（加振部）と、プローブ光源４３２及び検出器４３４（検出部）と、コンピュータ４４６のＣＰＵ４４２（共振周波数導出部、比較部）と、ＨＤＤ４４４（記憶部）を備える。
【００４４】
ここで、本実施形態にかかる開口径検査装置の各構成要素を、近接場光学顕微鏡の構成要素としても用いている。
開口径検査時にはまずＺ軸方向の駆動機構であるステージコントローラ４４０でＸＹＺステージ４３８を駆動し試料測定面とプローブ４２０先端部を十分に引き離しておく。
【００４５】
ガラスファイバは適当な位置で加振器４３０に接続されており、そこから下がプローブを形成し加振器４３０により加振される。加振器４３０は加振周波数が可変であり、プローブの共振周波数前後での周波数掃引が可能である。
【００４６】
そして、プローブ４２０を通して先端部に被覆された金属膜へ一定強度の放射光を照射した状態で加振器４３０によりプローブ４２０を微小振動させ、周波数掃引を行う。このときのプローブ４２０の振動振幅の大きさを測定すると、図４のような周波数特性が得られる。
プローブ４２０の微小振動の振幅の大きさを検出するために、スポットレーザー４３２を微小振動しているプローブ４２０に照射し、プローブ４２０の振動により変調された反射光の強度を検出器４３４で検出することでプローブ４２０の振動の振幅変化を検出している。
また、プローブの振動の振幅変化は、ピエゾ素子等の圧電材料により検出することも可能である。
【００４７】
次に、このようにして得られたプローブ４２０の周波数特性は、図１１のコンピュータ４４６のＣＰＵ４４２で解析される。すなわち、該周波数特性から、その振幅の大きさが最大となる周波数を共振周波数として決定する。
【００４８】
コンピュータ４４６のＨＤＤ４４４では、あらかじめ複数の開口径での参照用プローブについて、前記一定強度の放射光を該プローブを通して先端部のマスクに照射した場合の各開口径における共振周波数データから作成した開口径−共振周波数の検量情報が記憶されている。
【００４９】
そして、ＣＰＵ４４２で前記において決定された開口径未知のプローブの光照射時の共振周波数を、ＨＤＤ４４４に記憶されている開口径−共振周波数の検量情報に当てはめ、測定対象であるプローブの開口径が決定される。
【００５０】
以上、本発明の開口径検査装置を用いて近接場顕微鏡用プローブの突端開口径を検査する実施形態について説明したが、本発明の開口径検査装置はこのような用途に限らず様々な場合において開口径検査が可能である。
図１２には本発明の開口径検査装置の概略が示されている。該開口径検査装置５１０は光源５１６と、加振器５３０（加振部）と、プローブ光源５３２及び検出器５３４（検出部）と、コンピュータ５５６のＣＰＵ５５２（共振周波数導出部、比較部）とＨＤＤ５５４（記憶部）とを備える。
【００５１】
また、測定対象としては、例えば図１３（Ａ）に示すように入射光５２８の反射面５６４に、光学開口５６２が形成された測定物５６０であればよい。また、このような測定物自体に加振器を取付けることが困難な場合や、共振特性等を考慮する場合には図１３（Ｂ）に示すように、ガラスファイバや水晶のような光透過性の共振体５２０に、該測定物５６０を取り付けたものでもよい。
【００５２】
図１２において、光透過性の共振体５２０は適当な位置で加振器５３０に接続されており、図１３（Ｂ）のように測定物５６０が取付けられた共振体５２０は加振器５３０により加振される。加振器５３０は加振周波数が可変であり、周波数掃引が可能である。
【００５３】
そして、測定物５６０の反射面５６４の、光学開口５６２を含む範囲へ一定強度の放射光を照射した状態で加振器５３０により共振体５２０を微小振動させ、周波数掃引を行う。このときの共振体５２０の振動振幅の大きさを測定し、図４のような周波数特性を得る。
共振体５２０の微小振動の振幅の大きさを検出するために、スポットレーザー５３２を微小振動している共振体５２０に照射し、共振体５２０の振動により変調された反射光の強度を検出器５３４で検出することで共振体５２０の振動の振幅変化を検出している。
また、共振体の振動の振幅変化は、ピエゾ素子等の圧電材料により検出することも可能である。
【００５４】
次に、このようにして測定された共振体５２０及び測定物５６０の結合体の周波数特性は、図１２のコンピュータ５４６のＣＰＵ５４２で解析される。すなわち、該周波数特性から、その振幅の大きさが最大となる周波数を共振周波数として決定する。
【００５５】
コンピュータ５４６のＨＤＤ５４４では、あらかじめ測定物と同一形状、同一材質のものについて、異なる開口径の光学開口を作成したいくつかの参照物について、前記一定強度の放射光を照射した場合の前記共振周波数データから作成した開口径−共振周波数の検量情報が記憶されている。
【００５６】
そして、ＣＰＵ５４２で前記において決定された、共振体５２０及び開口径未知の測定物５６０の結合体についての光照射時の共振周波数を、ＨＤＤ５４４に記憶されている開口径−共振周波数の検量情報に当てはめ、測定物の開口径が決定される。
【００５７】
なお、前記近接場顕微鏡において、例えば以下の測定方法が可能である。
＜試料ステージの回転＞
従来ピエゾ素子によりステージを駆動するＸ−Ｙピエゾステージ上に試料を設置して、ソフトウェアにより指定された各座標点についてスキャンを行うマッピング測定が、原子間力顕微鏡や顕微分光装置等様々な装置で汎用されている。
このマッピング測定において、試料中の任意の選択範囲における回転像、すなわち図１４に示すような、異なる角度からの各測定像を得ようとする場合には、ステージの原点（ステージの機械的回転の中心点）を中心軸として実際に試料（ステージ）を回転させる等の操作を行なっていた。
【００５８】
しかし、このような従来の方法では該選択範囲中の回転中心とステージの原点を合わせるために試料を動かさなければならなかった。
【００５９】
そこで、従来のように試料を回転するのではなく、スキャン方向を回転すれば試料を動かすことなく試料中の任意の選択範囲について前記したような試料の回転像が得られる。
【００６０】
すなわち、図１５に示すように試料中の測定したい選択範囲内の適当な位置、例えば該範囲の中心位置を中心軸として、近接場光学顕微鏡の場合であれば近接場プローブによるスキャン方向を所望の角度に設定してスキャンを行えば、試料中の任意の選択範囲における回転像を得ることが可能である。なお、スキャン方向を所望の角度に設定する際の、測定点の座標算出はソフトウェア的に容易に可能である。
【００６１】
また、この場合において、例えば前記回転の角度をコンピュータで指定する際に、指定した角度にて回転した場合の画像の変化を、ダミーの画像を用いて表示したり、或いは前回測定した画像を読み込み表示するようにすることもソフトウェアで設定可能である。
【００６２】
＜近接場光学顕微鏡による露光＞
従来の近接場光学顕微鏡による露光を行う際の方法は、マニュアルで１点ごとに露光条件及び露光位置を指定して露光するものであった。
【００６３】
しかしこのような従来の方法では操作が煩雑で複雑な図形を露光するには多大な時間を要していた。
【００６４】
そこで、露光を制御し測定を自動化するためにの以下に説明するようなシステムを用いれば、近接場光学顕微鏡による露光を簡易に行うことが可能となる。
すなわち、露光画像をビットマップ画像データとして入力し、露光位置および露光時間或いは強度として出力するシステムを用いる。
【００６５】
ここで、露光位置としては、画像データ中の各ドットの位置指定及び実際の露光像のスケール指定により決定される。
また、各点の露光指定時間或いは露光強度は画像データ中の各ドットに割り振られた色により決定することができる。例えば色のコントラストを露光時間あるいは強度に割り振る方法が挙げられ、白色：露光時間０秒、黒色：露光時間１０秒、のように各色を露光時間に割り振り、中間色のグラデーションでさらに細かく露光時間等を指定することも可能である。
【００６６】
画像データ中の各ドットに対応する各露光位置は、ラスタースキャン或いはベクトルスキャンにより露光される。
【００６７】
また、前記露光時間の指定方法としては、光源のシャッタをオン・オフする方法、或いはプローブ、試料相互間における近接場領域への挿入・除去による方法が挙げられる。
【００６８】
また、前記露光強度の指定方法としては、光路に挿入された光学フィルタの自動切換えによる方法が挙げられる。
【００６９】
また、実際の露光操作実行中に、その進行度合がわかるように、あらかじめ与えられている露光像の画像データを露光の進行度に合わせてディスプレイに書き出してゆくようにしてもよい。
以上説明した近接場光学顕微鏡による露光システムは、例えばＤＲＡＭのパターニングの補修、ナノファブリケーション、高密度記録などに応用され得る。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光放射圧測定装置によれば、光放射圧で共振体の周波数特性が変化することを利用したので、光放射圧を簡便かつ正確に測定可能である。
また、本発明の共振周波数調整方法によれば、光放射圧で共振体の周波数特性が変化することを利用したので、共振体の共振周波数を容易に調整可能である。
また、本発明の開口径検査装置によれば、光放射圧で共振体の周波数特性が変化することを利用したので、微小開口の検査が可能である。特に、それを近接場光学顕微鏡に備えた場合にはプローブ突端部の微小開口の検査が簡易に可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光放射圧の概念説明図である。
【図２】近接場光学顕微鏡の概略説明図である。
【図３】近接場光学顕微鏡のプローブ先端部の概略説明図である。
【図４】近接場光学顕微鏡のプローブへの光照射前後におけるプローブの周波数特性の概略説明図である。
【図５】近接場光学顕微鏡のプローブへの入射光強度とプローブの共振周波数の関係を示したグラフである。
【図６】近接場光学顕微鏡のプローブ先端部での光放射圧の作用の概念説明図である。
【図７】本発明の光放射圧測定装置の一実施形態にかかる概略説明図である。
【図８】本発明の共振周波数調整方法の一実施形態にかかる概略説明図である。
【図９】本発明の開口径検査装置を備えた近接場光学顕微鏡の概略説明図である。
【図１０】近接場光学顕微鏡のプローブ先端部の概略説明図である。
【図１１】本発明の開口径検査装置の一実施形態にかかる概略説明図である。
【図１２】本発明の開口径検査装置の一実施形態にかかる概略説明図である。
【図１３】本発明の開口径検査装置により開口径を測定する測定物の概略説明図である。
【図１４】従来のマッピング測定における回転像の測定方法の概略説明図である。
【図１５】マッピング測定においてスキャンを回転する方法による回転像の測定方法の概略説明図である。
【符号の説明】
２：ビーム光、４：物体、６：反射面、１０：近接場光学顕微鏡、１２：試料、１４：基板、１６：光源、１８：入射光、２０：プローブ、２２：先端部、２４：エバネッセント光、２５：対物レンズ、２６：光学処理装置、２８：検出器、３０：加振器、３２：プローブ光源、３４：検出器、３６：検出部、３８：ステージ、４０：ステージコントローラ、４６：コンピュータ、６２：開口、６４：金属膜、１１０：放射圧測定装置、１１２：金属膜、１１４：ガラスファイバ、１１６：加振器、１１８：プローブ光源、１２０：光検出器、１２２：ＣＰＵ、１２４：ＨＤＤ、１２６：コンピュータ、１２８：放射光、２０２：光源、２０４：放射光、２１２：金属膜、２１４：水晶、３１６（４１６）：光源、３１８（４１８）：入射光、３２０（４２０）：プローブ、３２２（４２２）：先端部、３２４（４２４）：エバネッセント光、３２５（４２５）：対物レンズ、３２６（４２６）：光学処理装置、３２８（４２８）：検出器、３３０（４３０）：加振器、３３２（４３２）：プローブ光源、３３４（４３４）：検出器、３３６（４３６）：検出部、３３８（４３８）：ステージ、３４０（４４０）：ステージコントローラ、３４２（４４２）：ＣＰＵ、３４４（４４４）：ＨＤＤ、３４６（４４６）：コンピュータ、３６２：開口、３６４：金属膜、４１０：開口径検査装置、５１０：開口径検査装置、５１６：光源、５２０：プローブ、５３０：加振器、５３２：プローブ光源、５３４：検出器、５４２：ＣＰＵ、５４４：ＨＤＤ、５４６：コンピュータ、５６０：測定物、５６２：開口、５６４：反射面
【発明の属する技術分野】
本発明は光放射圧を利用した光放射圧測定装置、共振周波数調整方法、開口径検査装置及びそれを備えた近接場光学顕微鏡、特に光放射圧と共振体の共振周波数の相関の利用方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に物体に圧力が加わる場合には気体、液体あるいは固体との接触により該物体に圧力が加えられる。
しかし、光放射によっても物体には圧力が加わる。すなわち、例えば図１に示すようにビーム光２を物体４の反射面６に照射すれば物体４はビーム光２による光放射圧Ｐを受ける。すなわち、光は波としての性質と共に物質としての性質を備え、運動量を持っており、物体に力を作用することができる。
このような光放射圧は、原子間力顕微鏡のカンチレバーを用いれば実際に観測することができる。
【０００３】
一方、その材質や形状等により決まる周波数特性を有する共振体、例えば水晶等は様々な分野に用いられている。そして、例えば同じ材質の共振体の周波数特性を調整する場合には、その形状を調整することで所望値を得ている。
また、他に共振体の周波数特性を応用した例としては、例えば近接場光学顕微鏡のプローブの周波数特性による位置制御が挙げられる。
【０００４】
近接場光学顕微鏡は、光波長より小さい空間分解能を持ち、分光分析測定もできる装置で、近年開発されたものでありその応用が期待されている。
この近接場光学顕微鏡ではエバネッセント光と呼ばれる、物体表面から数十ｎｍ程度の極近傍領域に分布する光により試料表面の凹凸や成分を分析する。
【０００５】
図２には近接場光学顕微鏡の概略図が示されている。同図に示す近接場光学顕微鏡１０に設置された基板１４上には、試料１２が配置されている。
光源１６からの入射光１８は、ガラスファイバの先端部を加工して作成したプローブ２０の内部を通り、プローブ２０先端部２２に達する。先端部２２は、図３に示したように先鋭状で、金属膜等のマスク６４で被覆され光学遮蔽されており、その突端部のみ光波長以下の微小開口６２が形成されている。そして光源１６からプローブを通して導光された入射光１８は該開口からエバネッセント光２４として先端部２２近傍にしみだしている。
【０００６】
そして、図２において、このエバネッセント光２４がしみだしたプローブ２０の先端部２２を、エバネッセント光の場が試料測定面に進入するまで近づけると、エバネッセント光は散乱し、或いはエバネッセント光により被測定試料１２が発光する。この散乱光や発光などの被測定光を対物レンズ２５によって集光し、集光された光を、分光器等の光学処理装置２６や検出器２８に導入することで試料の情報を検出する。
【０００７】
また、プローブ２０は装置に備えられた加振器３０に接続されており、プローブ２０の共振周波数で振動している。上述のようにエバネッセント光２４がしみだしたプローブ２０の先端部２２を、エバネッセント光の場が試料測定面に進入するまで近づけた場合、プローブの先端部−試料間でシアフォースと呼ばれる力が働き、プローブ２０の振動が制振される。この制振の割合とプローブ−試料間の距離の関係には、プローブ、試料等の条件により定まる一定の相関関係があるので、制振の割合が一定となるようにプローブの先端部−試料間の距離を制御しつつ試料表面を走査することで試料表面の凹凸に関する情報が得られる。
【０００８】
そして、プローブの微小振動の振幅を検出するために、プローブ２０に照射するスポットレーザー等のプローブ光源３２と、プローブ２０の振動により変調されたプローブ光源３２が発する光の反射光の強度を検出する検出器３４を含む検出部３６でプローブ２０の振動の振幅変化を検出し、検出結果に基づいてステージ３８の位置を調整することでプローブ−試料間の距離を制御している。
【０００９】
すなわち、コンピュータ４６からの信号によりステージコントローラ４０でＸＹＺステージ３８を制御して、プローブ２０の先端部２２と試料測定面との間の上下方向の距離を、検出器３４で検出された振幅変化が一定となるように調節しつつ試料測定面を走査すれば、試料１２に非接触でかつ試料１２の凹凸を的確に高分解能で把握することが可能となる。
さらに、前述の分光スペクトルより試料１２の被測定面の各測定点における成分情報を同時に得ることが可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した光の放射圧を積極的に応用した技術を開発する場合、あるいは光の放射圧を定量的に知る必要がある場合等に十分な程度に光の放射圧を簡便かつ正確に測定することができる技術は存在しなかった。
【００１１】
また、水晶発振子等の共振体は、形状により決まる一定の周波数特性のみをもち、その周波数を可変とすることはできなかった。
【００１２】
また、前述した近接場光学顕微鏡に用いられるプローブは消耗品であり、使用するにつれてプローブ突端に設けられた微小開口の開口径が変化する。開口径の変化は直接測定に影響するので実際の開口径を手軽に評価することができれば望ましい。しかし、開口径を評価する場合、近接場プローブを装置系から取り外して他の場所へ移動して開口径評価を行う必要があり、その後再びプローブを装置系へ取付けるのはアライメントの調整等に手間がかかり決して簡易なものではなかった。
【００１３】
また、このような近接場光学顕微鏡に用いるプローブの突端部の微小開口に限らず、様々な光学開口を簡便かつ正確に測定する方法があれば望ましい。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は光放射圧を簡便かつ正確に測定可能な光放射圧測定装置、共振体の共振周波数を容易に調整可能な共振周波数調整方法、共振体の微小開口を評価する開口径検査装置及びそれを備えた近接場光学顕微鏡を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明者らは鋭意検討した結果、光放射圧でプローブの周波数特性が変化することを見出し本発明を完成するに至った。
すなわち本発明にかかる光放射圧測定装置は、放射光の光放射圧を測定する光放射圧測定装置において、
前記放射光の強度を調整することができる放射光光源と、
前記放射光を反射する反射手段を有するプローブの共振部と、
前記共振部を加振する、加振周波数可変の加振部と、
前記加振部により加振されている前記共振部に照射するプローブ光を発するプローブ光源と、前記共振部の振動により変調されたプローブ光の反射光を検出することで前記共振部の振動振幅の大きさを検出する検出手段を備えた検出部と、
前記検出部で得た振動振幅の大きさと前記共振部の振動周波数の関係から前記共振部の共振周波数を求める共振周波数導出部と、
あらかじめ光放射圧と前記共振部の共振周波数についての検量情報を記憶している記憶部と、
前記共振周波数導出部により求めた共振周波数を、前記記憶部に記憶されている検量情報に当てはめ、前記放射光の光放射圧を求める比較部と、
を備えたことを特徴とする。
また、前記装置において、前記検出部は圧電材料により前記共振部の振動振幅の大きさを検出することも好適である。
【００１５】
また、本発明にかかる光放射圧測定装置を用いてプローブの共振部の共振周波数調整方法は、
前記共振部の共振周波数は前記共振周波数導出部によって観察されており、
放射光の光放射圧を調整可能である光源から発する放射光を、該放射光を反射する反射手段を有するプローブからなる共振部の該反射手段へ照射し、
前記放射光光源からの放射光の強度を変更して光放射圧を調整することにより前記共振部の共振周波数を所望の値に調整することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる開口径検査装置は、放射光を反射する反射手段を有するプローブからなる共振部の該反射手段に開けられた光学開口の直径を検査する開口径検査装置であって、
前記放射光を発する光源部と、
前記共振部を加振する、加振周波数可変の加振部と、
該加振部により加振されている前記共振部に照射するプローブ光を発するプローブ光源と、前記共振部の振動により変調されたプローブ光の反射光を検出することで前記共振部の振動振幅の大きさを検出する検出手段を備えた検出部と、
該検出部で得た振動振幅の大きさと前記共振部の振動周波数の関係から前記共振部の共振周波数を求める共振周波数導出部と、
あらかじめ前記共振部の共振周波数と前記光学開口の直径についての検量情報を記憶している記憶部と、
前記共振周波数導出部により求めた共振周波数を、前記記憶部に記憶されている検量情報に当てはめ、前記光学開口の直径を求める比較部と、
を備えたことを特徴とする。
また、前記装置において、前記検出部は圧電材料により前記共振部の振動振幅の大きさを検出することも好適である。
【００１７】
また、前記開口径検査装置において、前記プローブは近接場光学顕微鏡用プローブであり、前記反射手段として該プローブ先端にマスクが設けられ、該マスクに開けられた光学開口の大きさを検査することも可能である。
また、近接場光学顕微鏡がそのような開口径検査装置を備えることが好適である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の基礎となる光放射圧と共振体の周波数特性との相関について説明する。
図４には、近接場光学顕微鏡のプローブに入射光を加えた場合と加えない場合において測定した、プローブの周波数特性についてのグラフが示されている。同図より明らかなように、入射光を加えない場合に比して、入射光を加えた場合では、共振周波数に対応する信号（振動振幅の大きさに比例する）のピークが高周波数側にシフトしていることがわかる。
【００１９】
また、図５には、入射光強度を変えた場合のプローブの共振周波数（信号のピークにおける周波数）の変化を測定したグラフが示されている。同図より明らかなように、入射光強度、すなわち光放射圧の増加に伴い共振周波数が高周波数側にシフトしていることがわかる。
【００２０】
この測定結果は、次の理由によると考えられる。すなわち、図６に概略を示した、ガラスファイバの先端部を加工して作成したプローブの先端部２２には、金属膜６４が被覆されている。そして、入射光源から入射光１８を、該ガラスファイバプローブ内を通して先端部２２まで導光すると、入射光１８は金属膜６４により反射する。
【００２１】
この反射の際に入射光１８は金属膜６４に対して、その金属膜に対する入射方向へ圧力Ｐを付与する。このように金属膜６４が圧力を受けている、すなわち共振体であるプローブに力が加わっている状態では、図４の測定結果のように入射光を照射しない通常の状態での共振周波数に比して、プローブの共振周波数は高くなる。また、図５の測定結果のように入射光の強度、すなわち光放射圧が増加すればプローブが受ける力も大きくなり共振周波数はさらに高くなる。
本発明は、以上説明した現象に基づくものである。以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
光放射圧測定装置
図７には、本発明の一実施形態にかかる光放射圧測定装置の概略が示されている。同図に示す光放射圧測定装置１１０は、先端に金属膜１１２（反射手段）が被覆された共振体のガラスファイバ１１４（共振部）と、加振器１１６（加振部）と、プローブ光源１１８及び光検出器１２０（検出部）と、ＣＰＵ１２２（共振周波数導出部、比較部）及びＨＤＤ１２４（記憶部）を備えるコンピュータ１２６を備えている。
【００２３】
以下、上記装置の作用について、実際に測定を行う際の動作に基づき説明する。測定対象である、光放射圧未知の放射光としては、特に限定されず、例えばレーザー光の光放射圧が測定可能である。但し、測定対象の放射光がビーム状でない場合は、共振部の反射手段に導光する前に適当な光学系でビーム状に補正した後で該反射手段に導光する必要があり、測定後に光放射圧を求める際には光学系による補正に対応した演算補正が必要である。また、ビーム光の光束の直径が各測定で異なる場合には、光束の直径を各測定間で演算補正する必要がある。
【００２４】
また、光放射圧は原則的には光波長に依存しないので、特に光波長について考慮せずとも、異なる光波長の放射光でも同じように測定可能である。
【００２５】
測定対象の放射光１２８は、共振体のガラスファイバ１１４に導光され、ファイバ先端に被覆されている金属膜１１２で反射される。この際に金属膜１１２は放射光１２８から前述した光放射圧を受ける。
【００２６】
本実施形態では共振体としてガラスファイバを用いているが、共振体の材質、形状は特に限定されず、共振特性等を考慮して適宜選択される。しかし、共振体が放射光を受ける部分では光放射圧を受けるために該放射光を反射する必要があり、例えば共振体の材質が放射光に対して光透過性、光吸収性を有するような場合には、本実施形態の金属膜のような適当な反射手段を共振体に備える必要がある。また、放射光と共振体及び反射手段の間のアライメントは各測定で一致していなければならない。
【００２７】
ガラスファイバ１１４は適当な位置で加振器１１６に接続されている。加振器１１６は加振周波数が可変であり、加振器１１６との接続部分より下側のガラスファイバの振動部分における、共振周波数前後での周波数掃引が可能である。
【００２８】
そして、ガラスファイバ１１４を通して金属膜１１２に放射光を照射した状態で加振器１１６により共振体を微小振動させ、周波数掃引を行う。このときの共振体の振動振幅の大きさを測定し、図５のようなグラフを作成する。
ファイバの微小振動の振幅の大きさを検出するために、スポットレーザー１１８をファイバの振動部分に照射し、ファイバの振動により変調された反射光の強度を検出器１２０で検出することでファイバの振動の振幅変化を検出している。
また、ファイバの振動の振幅変化は、ピエゾ素子等の圧電材料により検出することも可能である。
【００２９】
次に、このようにして測定された図５に示したような共振体の周波数特性は、図７のコンピュータ１２６のＣＰＵ１２２で解析される。すなわち、該周波数特性から、その振幅の大きさが最大となる周波数を共振周波数として決定する。
【００３０】
コンピュータ１２６のＨＤＤ１２４では、あらかじめ光放射圧がわかっている参照用の放射光をファイバを通して金属膜１１２に照射した場合について、複数の光放射圧での上述の方法で測定された共振周波数のデータから作成した光放射圧−共振周波数の検量情報が記憶されている。
【００３１】
そして、ＣＰＵ１２２で前記において決定された、光放射圧未知の放射光をファイバを通して金属膜１１２に照射した場合の共振周波数を、ＨＤＤ１２４に記憶されている光放射圧−共振周波数の検量情報に当てはめ、測定対象である放射光の光放射圧が決定される。
以上説明したように本発明の光放射圧測定装置によれば、光放射圧を簡便かつ正確に測定することが可能である。
【００３２】
共振周波数調整方法
以下、図８に基づいて本発明の共振周波数調整方法について説明する。前述した通り、共振体に放射光を照射し圧力を作用させると、その光放射圧の大きさに依存して共振体の共振周波数が変化する。本発明の共振周波数調整方法では、放射光の強度が可変である光源を用いて光放射圧により共振体の共振周波数を制御する。
【００３３】
図８には本発明の共振周波数調整方法を実際に行う際の一実施形態の概略が示されている。光源２０２から発する放射光２０４は、放射光強度が連続的あるいは断続的に可変であり、光源としては例えばレーザー光等が用いられる。また、放射光２０４としてはビーム状であることが好ましい。
放射光２０４は、共振体である水晶２１４に導光され、その一端に被覆されている金属膜２１２で反射される。この際に金属膜２１２は放射光２０４から前述した光放射圧を受ける。
【００３４】
水晶２１４は、電圧等で一定周波数で発振している。本実施形態では共振体として水晶を用いているが、共振体としては、他にもガラスファイバ等任意の材質、形状のものが用いられる。しかし、共振体が放射光を受ける部分では光放射圧を受けるために該放射光を反射する必要があり、例えば共振体の材質が放射光に対して光透過性、光吸収性を有するような場合には、本実施形態における金属膜２１２のような適当な反射手段を共振体に備える必要がある。
【００３５】
一定周波数で発振していた共振体は放射光２０４により反射手段である金属膜２１２を介して光放射圧を受け、図５に示したように、光放射圧の大きさに依存して周波数特性が変化する。同図より明らかなように、光放射圧の掃引による周波数特性の変化は連続的なので、光放射圧を制御することにより共振周波数のチューニングが可能となる。
【００３６】
以上説明したように本発明の共振周波数調整方法によれば、従来は形状により決まる一定の共振周波数しか利用できなかったのに対し、共振体に放射する光の光放射圧を制御することで共振周波数のチューニングが可能となり、容易に可変の共振周波数が利用可能となる。
【００３７】
開口径検査装置およびそれを備えた近接場光学顕微鏡
以下、本発明の開口径検査装置およびそれを備えた近接場光学顕微鏡について説明する。図９には本発明の一実施形態にかかる近接場光学顕微鏡の概略図が示されている。なお、前記図２と対応する部分には符号３００を加えて示し説明を省略する。
同図に示す近接場光学顕微鏡３１０に設置された基板３１４上には、試料３１２が配置されている。
光源３１６からの入射光３１８は、ガラスファイバの先端部を加工して作成したプローブ３２０の内部を通り、プローブ３２０先端部３２２に達する。先端部３２２は、図１０に示したように先鋭状で、金属膜等のマスク３６４で被覆され光学遮蔽されており、その突端部のみ光波長以下の微小開口３６２が形成されている。そして光源からプローブを通して導光された入射光３１８は該開口からエバネッセント光３２４として先端部３２２近傍にしみだしている。
【００３８】
そして、図９において、このエバネッセント光３２４がしみだしたプローブ３２０の先端部３２２を、エバネッセント光の場が試料測定面に進入するまで近づけると、エバネッセント光は散乱し、或いはエバネッセント光により被測定試料３１２が発光する。この散乱光や発光などの被測定光を対物レンズ３２４によって集光し、集光された光を、分光器等の光学処理装置３２６や検出器３２８に導入することで試料の情報を検出する。
【００３９】
また、プローブ３２０は装置に備えられた加振器３３０に接続されており、プローブ３２０の共振周波数で振動している。上述のようにエバネッセント光３２４がしみだしたプローブ３２０の先端部３２２を、エバネッセント光の場が試料測定面に進入するまで近づけた場合、プローブの先端部−試料間でシアフォースと呼ばれる力が働き、プローブ３２０の振動が制振される。この制振の割合とプローブ−試料間の距離の関係には、プローブ、試料等の条件により定まる一定の相関関係があるので、制振の割合が一定となるようにプローブの先端部−試料間の距離を制御しつつ試料表面を走査することで試料表面の凹凸に関する情報が得られる。
【００４０】
そして、プローブの微小振動の振幅を検出するために、プローブ３２０に照射するスポットレーザー等のプローブ光源３３２と、プローブ３２０の振動により変調されたプローブ光源３３２が発する光の反射光の強度を検出する検出器３３４を含む検出部３３６でプローブ３２０の振動の振幅変化を検出し、検出結果に基づいてステージ３３８の位置を調整することでプローブ−試料間の距離を制御している。
【００４１】
すなわち、コンピュータ３４６からの信号によりステージコントローラ３４０でＸＹＺステージ３３８を制御して、プローブ３２０の先端部３２２と試料測定面との間の上下方向の距離を、検出器３３４で検出された振幅変化が一定となるように調節しつつ試料測定面を走査すれば、試料３１２に非接触でかつ試料３１２の凹凸を的確に高分解能で把握することが可能となる。
さらに、前述の分光スペクトルより試料３１２の被測定面の各測定点における成分情報を同時に得ることが可能となる。
【００４２】
ところで、前述したように近接場光学顕微鏡のプローブ突端の微小開口の開口径は使用しているうちに変わってしまう場合がある。
しかしながら、従来はこれを簡易に検査する手段が存在しなかった。さらに、プローブを顕微鏡から取外した後検査を行なう必要があり、検査後プローブを再び取り付けた後、プローブの振動振幅等を制御する光学系との光軸調整等が再度必要となり、非常に手間のかかる作業を要した。
【００４３】
そこで、本発明では近接場光学顕微鏡に付属して、装置から取り外しせずに開口径が検査可能な開口径検査装置を備えている。
図１１には本発明の一実施形態にかかる開口径検査装置の概略が示されている。本実施形態にかかる開口径検査装置４１０は近接場光学顕微鏡に付属しており、光源４１６と、加振器４３０（加振部）と、プローブ光源４３２及び検出器４３４（検出部）と、コンピュータ４４６のＣＰＵ４４２（共振周波数導出部、比較部）と、ＨＤＤ４４４（記憶部）を備える。
【００４４】
ここで、本実施形態にかかる開口径検査装置の各構成要素を、近接場光学顕微鏡の構成要素としても用いている。
開口径検査時にはまずＺ軸方向の駆動機構であるステージコントローラ４４０でＸＹＺステージ４３８を駆動し試料測定面とプローブ４２０先端部を十分に引き離しておく。
【００４５】
ガラスファイバは適当な位置で加振器４３０に接続されており、そこから下がプローブを形成し加振器４３０により加振される。加振器４３０は加振周波数が可変であり、プローブの共振周波数前後での周波数掃引が可能である。
【００４６】
そして、プローブ４２０を通して先端部に被覆された金属膜へ一定強度の放射光を照射した状態で加振器４３０によりプローブ４２０を微小振動させ、周波数掃引を行う。このときのプローブ４２０の振動振幅の大きさを測定すると、図４のような周波数特性が得られる。
プローブ４２０の微小振動の振幅の大きさを検出するために、スポットレーザー４３２を微小振動しているプローブ４２０に照射し、プローブ４２０の振動により変調された反射光の強度を検出器４３４で検出することでプローブ４２０の振動の振幅変化を検出している。
また、プローブの振動の振幅変化は、ピエゾ素子等の圧電材料により検出することも可能である。
【００４７】
次に、このようにして得られたプローブ４２０の周波数特性は、図１１のコンピュータ４４６のＣＰＵ４４２で解析される。すなわち、該周波数特性から、その振幅の大きさが最大となる周波数を共振周波数として決定する。
【００４８】
コンピュータ４４６のＨＤＤ４４４では、あらかじめ複数の開口径での参照用プローブについて、前記一定強度の放射光を該プローブを通して先端部のマスクに照射した場合の各開口径における共振周波数データから作成した開口径−共振周波数の検量情報が記憶されている。
【００４９】
そして、ＣＰＵ４４２で前記において決定された開口径未知のプローブの光照射時の共振周波数を、ＨＤＤ４４４に記憶されている開口径−共振周波数の検量情報に当てはめ、測定対象であるプローブの開口径が決定される。
【００５０】
以上、本発明の開口径検査装置を用いて近接場顕微鏡用プローブの突端開口径を検査する実施形態について説明したが、本発明の開口径検査装置はこのような用途に限らず様々な場合において開口径検査が可能である。
図１２には本発明の開口径検査装置の概略が示されている。該開口径検査装置５１０は光源５１６と、加振器５３０（加振部）と、プローブ光源５３２及び検出器５３４（検出部）と、コンピュータ５５６のＣＰＵ５５２（共振周波数導出部、比較部）とＨＤＤ５５４（記憶部）とを備える。
【００５１】
また、測定対象としては、例えば図１３（Ａ）に示すように入射光５２８の反射面５６４に、光学開口５６２が形成された測定物５６０であればよい。また、このような測定物自体に加振器を取付けることが困難な場合や、共振特性等を考慮する場合には図１３（Ｂ）に示すように、ガラスファイバや水晶のような光透過性の共振体５２０に、該測定物５６０を取り付けたものでもよい。
【００５２】
図１２において、光透過性の共振体５２０は適当な位置で加振器５３０に接続されており、図１３（Ｂ）のように測定物５６０が取付けられた共振体５２０は加振器５３０により加振される。加振器５３０は加振周波数が可変であり、周波数掃引が可能である。
【００５３】
そして、測定物５６０の反射面５６４の、光学開口５６２を含む範囲へ一定強度の放射光を照射した状態で加振器５３０により共振体５２０を微小振動させ、周波数掃引を行う。このときの共振体５２０の振動振幅の大きさを測定し、図４のような周波数特性を得る。
共振体５２０の微小振動の振幅の大きさを検出するために、スポットレーザー５３２を微小振動している共振体５２０に照射し、共振体５２０の振動により変調された反射光の強度を検出器５３４で検出することで共振体５２０の振動の振幅変化を検出している。
また、共振体の振動の振幅変化は、ピエゾ素子等の圧電材料により検出することも可能である。
【００５４】
次に、このようにして測定された共振体５２０及び測定物５６０の結合体の周波数特性は、図１２のコンピュータ５４６のＣＰＵ５４２で解析される。すなわち、該周波数特性から、その振幅の大きさが最大となる周波数を共振周波数として決定する。
【００５５】
コンピュータ５４６のＨＤＤ５４４では、あらかじめ測定物と同一形状、同一材質のものについて、異なる開口径の光学開口を作成したいくつかの参照物について、前記一定強度の放射光を照射した場合の前記共振周波数データから作成した開口径−共振周波数の検量情報が記憶されている。
【００５６】
そして、ＣＰＵ５４２で前記において決定された、共振体５２０及び開口径未知の測定物５６０の結合体についての光照射時の共振周波数を、ＨＤＤ５４４に記憶されている開口径−共振周波数の検量情報に当てはめ、測定物の開口径が決定される。
【００５７】
なお、前記近接場顕微鏡において、例えば以下の測定方法が可能である。
＜試料ステージの回転＞
従来ピエゾ素子によりステージを駆動するＸ−Ｙピエゾステージ上に試料を設置して、ソフトウェアにより指定された各座標点についてスキャンを行うマッピング測定が、原子間力顕微鏡や顕微分光装置等様々な装置で汎用されている。
このマッピング測定において、試料中の任意の選択範囲における回転像、すなわち図１４に示すような、異なる角度からの各測定像を得ようとする場合には、ステージの原点（ステージの機械的回転の中心点）を中心軸として実際に試料（ステージ）を回転させる等の操作を行なっていた。
【００５８】
しかし、このような従来の方法では該選択範囲中の回転中心とステージの原点を合わせるために試料を動かさなければならなかった。
【００５９】
そこで、従来のように試料を回転するのではなく、スキャン方向を回転すれば試料を動かすことなく試料中の任意の選択範囲について前記したような試料の回転像が得られる。
【００６０】
すなわち、図１５に示すように試料中の測定したい選択範囲内の適当な位置、例えば該範囲の中心位置を中心軸として、近接場光学顕微鏡の場合であれば近接場プローブによるスキャン方向を所望の角度に設定してスキャンを行えば、試料中の任意の選択範囲における回転像を得ることが可能である。なお、スキャン方向を所望の角度に設定する際の、測定点の座標算出はソフトウェア的に容易に可能である。
【００６１】
また、この場合において、例えば前記回転の角度をコンピュータで指定する際に、指定した角度にて回転した場合の画像の変化を、ダミーの画像を用いて表示したり、或いは前回測定した画像を読み込み表示するようにすることもソフトウェアで設定可能である。
【００６２】
＜近接場光学顕微鏡による露光＞
従来の近接場光学顕微鏡による露光を行う際の方法は、マニュアルで１点ごとに露光条件及び露光位置を指定して露光するものであった。
【００６３】
しかしこのような従来の方法では操作が煩雑で複雑な図形を露光するには多大な時間を要していた。
【００６４】
そこで、露光を制御し測定を自動化するためにの以下に説明するようなシステムを用いれば、近接場光学顕微鏡による露光を簡易に行うことが可能となる。
すなわち、露光画像をビットマップ画像データとして入力し、露光位置および露光時間或いは強度として出力するシステムを用いる。
【００６５】
ここで、露光位置としては、画像データ中の各ドットの位置指定及び実際の露光像のスケール指定により決定される。
また、各点の露光指定時間或いは露光強度は画像データ中の各ドットに割り振られた色により決定することができる。例えば色のコントラストを露光時間あるいは強度に割り振る方法が挙げられ、白色：露光時間０秒、黒色：露光時間１０秒、のように各色を露光時間に割り振り、中間色のグラデーションでさらに細かく露光時間等を指定することも可能である。
【００６６】
画像データ中の各ドットに対応する各露光位置は、ラスタースキャン或いはベクトルスキャンにより露光される。
【００６７】
また、前記露光時間の指定方法としては、光源のシャッタをオン・オフする方法、或いはプローブ、試料相互間における近接場領域への挿入・除去による方法が挙げられる。
【００６８】
また、前記露光強度の指定方法としては、光路に挿入された光学フィルタの自動切換えによる方法が挙げられる。
【００６９】
また、実際の露光操作実行中に、その進行度合がわかるように、あらかじめ与えられている露光像の画像データを露光の進行度に合わせてディスプレイに書き出してゆくようにしてもよい。
以上説明した近接場光学顕微鏡による露光システムは、例えばＤＲＡＭのパターニングの補修、ナノファブリケーション、高密度記録などに応用され得る。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光放射圧測定装置によれば、光放射圧で共振体の周波数特性が変化することを利用したので、光放射圧を簡便かつ正確に測定可能である。
また、本発明の共振周波数調整方法によれば、光放射圧で共振体の周波数特性が変化することを利用したので、共振体の共振周波数を容易に調整可能である。
また、本発明の開口径検査装置によれば、光放射圧で共振体の周波数特性が変化することを利用したので、微小開口の検査が可能である。特に、それを近接場光学顕微鏡に備えた場合にはプローブ突端部の微小開口の検査が簡易に可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光放射圧の概念説明図である。
【図２】近接場光学顕微鏡の概略説明図である。
【図３】近接場光学顕微鏡のプローブ先端部の概略説明図である。
【図４】近接場光学顕微鏡のプローブへの光照射前後におけるプローブの周波数特性の概略説明図である。
【図５】近接場光学顕微鏡のプローブへの入射光強度とプローブの共振周波数の関係を示したグラフである。
【図６】近接場光学顕微鏡のプローブ先端部での光放射圧の作用の概念説明図である。
【図７】本発明の光放射圧測定装置の一実施形態にかかる概略説明図である。
【図８】本発明の共振周波数調整方法の一実施形態にかかる概略説明図である。
【図９】本発明の開口径検査装置を備えた近接場光学顕微鏡の概略説明図である。
【図１０】近接場光学顕微鏡のプローブ先端部の概略説明図である。
【図１１】本発明の開口径検査装置の一実施形態にかかる概略説明図である。
【図１２】本発明の開口径検査装置の一実施形態にかかる概略説明図である。
【図１３】本発明の開口径検査装置により開口径を測定する測定物の概略説明図である。
【図１４】従来のマッピング測定における回転像の測定方法の概略説明図である。
【図１５】マッピング測定においてスキャンを回転する方法による回転像の測定方法の概略説明図である。
【符号の説明】
２：ビーム光、４：物体、６：反射面、１０：近接場光学顕微鏡、１２：試料、１４：基板、１６：光源、１８：入射光、２０：プローブ、２２：先端部、２４：エバネッセント光、２５：対物レンズ、２６：光学処理装置、２８：検出器、３０：加振器、３２：プローブ光源、３４：検出器、３６：検出部、３８：ステージ、４０：ステージコントローラ、４６：コンピュータ、６２：開口、６４：金属膜、１１０：放射圧測定装置、１１２：金属膜、１１４：ガラスファイバ、１１６：加振器、１１８：プローブ光源、１２０：光検出器、１２２：ＣＰＵ、１２４：ＨＤＤ、１２６：コンピュータ、１２８：放射光、２０２：光源、２０４：放射光、２１２：金属膜、２１４：水晶、３１６（４１６）：光源、３１８（４１８）：入射光、３２０（４２０）：プローブ、３２２（４２２）：先端部、３２４（４２４）：エバネッセント光、３２５（４２５）：対物レンズ、３２６（４２６）：光学処理装置、３２８（４２８）：検出器、３３０（４３０）：加振器、３３２（４３２）：プローブ光源、３３４（４３４）：検出器、３３６（４３６）：検出部、３３８（４３８）：ステージ、３４０（４４０）：ステージコントローラ、３４２（４４２）：ＣＰＵ、３４４（４４４）：ＨＤＤ、３４６（４４６）：コンピュータ、３６２：開口、３６４：金属膜、４１０：開口径検査装置、５１０：開口径検査装置、５１６：光源、５２０：プローブ、５３０：加振器、５３２：プローブ光源、５３４：検出器、５４２：ＣＰＵ、５４４：ＨＤＤ、５４６：コンピュータ、５６０：測定物、５６２：開口、５６４：反射面
Claims (7)
- 放射光の光放射圧を測定する光放射圧測定装置において、
前記放射光の強度を調整することができる放射光光源と、
前記放射光を反射する反射手段を有するプローブからなる共振部と、
該共振部を加振する、加振周波数可変の加振部と、
該加振部により加振されている前記共振部に照射するプローブ光を発するプローブ光源と、前記共振部の振動により変調されたプローブ光の反射光を検出することで前記共振部の振動振幅の大きさを検出する検出手段を備えた検出部と、
該検出部で得た振動振幅の大きさと前記共振部の振動周波数の関係から前記共振部の共振周波数を求める共振周波数導出部と、
あらかじめ光放射圧と前記共振部の共振周波数についての検量情報を記憶している記憶部と、
前記共振周波数導出部により求めた共振周波数を、前記記憶部に記憶されている検量情報に当てはめ、前記放射光の光放射圧を求める比較部と、を備えたことを特徴とする光放射圧測定装置。 - 請求項１記載の装置において、前記検出部は圧電材料により前記共振部の振動振幅の大きさを検出することを特徴とする光放射圧測定装置。
- 請求項１の光放射圧測定装置を用いてプローブの共振部の共振周波数を調整するための方法であって、
前記共振部の共振周波数は前記共振周波数導出部によって観察されており、
放射光の強度を調整することにより放射光の光放射圧を調整可能である前記放射光光源から発する放射光を、該放射光を反射する反射手段を有するプローブからなる前記共振部の該反射手段へ照射し、
前記放射光光源からの放射光の強度を変更して光放射圧を調整することにより前記共振部の共振周波数を所望の値に調整することを特徴とする共振周波数調整方法。 - 放射光を反射する反射手段を有するプローブからなる共振部の該反射手段に開けられた光学開口の直径を検査する開口径検査装置であって、
前記放射光を発する光源部と、
前記共振部を加振する、加振周波数可変の加振部と、
該加振部により加振されている前記共振部に照射するプローブ光を発するプローブ光源と、前記共振部の振動により変調されたプローブ光の反射光を検出することで前記共振部の振動振幅の大きさを検出する検出手段を備えた検出部と、
該検出部で得た振動振幅の大きさと前記共振部の振動周波数の関係から前記共振部の共振周波数を求める共振周波数導出部と、
あらかじめ前記共振部の共振周波数と前記光学開口の直径についての検量情報を記憶している記憶部と、
前記共振周波数導出部により求めた共振周波数を、前記記憶部に記憶されている検量情報に当てはめ、前記光学開口の直径を求める比較部と、
を備えたことを特徴とする開口径検査装置。 - 請求項４記載の装置において、前記検出部は圧電材料により前記共振部の振動振幅の大きさを検出することを特徴とする光放射圧測定装置。
- 請求項４または５記載の装置において、前記プローブは近接場光学顕微鏡用プローブであり、前記反射手段として該プローブ先端にマスクが設けられ、該マスクに開けられた光学開口の直径を検査することを特徴とする開口径検査装置。
- 請求項６記載の装置を備えたことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
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