JP7318868B2 - 試料の測定装置、測定方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、フォトニックバンド構造を有する試料の測定装置、測定方法およびプログラムに関する。

従来、フォトニックバンド構造を有する試料のバンドギャップ特性を測定する装置が知られている（例えば、特許文献１等参照）。
このようなものでは、フォトニックバンド構造を有する試料にプリズムを介してビームを入射し、試料からの反射光を測定する。
そして、測定した反射スペクトルの入射角度依存性からフォトニックバンド構造を示すフォトニックバンドギャップ画像を作成している。
なお、他のフォトニックバンド構造を有する試料を測定する方法としては、エリプソメータを用いて、様々な方向から散乱してきた光を受光側のプローブの位置を移動させて変更するものが知られている。このようなものでは、測定された角度と強度とをプロットして、フォトニックバンドギャップ画像を作成している。

特開２０１７－５３７３９号公報

上述の従来の測定装置では、入射ビームの入射角度を変更したり、異なる角度と強度とを多数測定して、測定者がフォトニックバンドギャップ画像としてプロットしなければならない。
このため、フォトニックバンドギャップ画像から、バンドギャップ等の必要な情報を得るために手間がかかり、効率的に測定結果を利用することが困難であった。

そこで、本発明は、フォトニックバンド構造を示す画像を短時間で得られる試料の測定装置、測定方法およびプログラムを提供することを課題としている。

本発明に係る試料の測定装置は、被測定物である試料にブロードバンド光を照射する照射光学系と、試料から反射された反射光のフーリエ面を撮像する赤外線カメラを有する撮像光学系と、赤外線カメラによって撮像されたフーリエ面の画像からフォトニックバンドギャップ画像を生成する画像生成部を有する制御部と、を備え、撮像光学系は、赤外線カメラで撮像される反射光の波長をスイープにより変更する波長可変フィルタを有することを特徴としている。

本発明によれば、フォトニックバンド構造を示す画像を短時間で得られる試料の測定装置が提供される。

本発明の実施形態の測定装置の構成を示す模式的な一部断面を含む側面図である。 本実施形態の測定装置で、撮像光学系の配置を示す模式的な側面図である。 本実施形態の測定装置で撮像されたフーリエ面の画像の一例を示す平面図である。 本実施形態の測定装置で撮像されたフーリエ面の画像からフォトニックバンドギャップ画像を得る処理の構成を示す模式図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の測定装置１は、平坦な上面を有する基台２と、被測定物である試料Ｆを載置する載置台３と、載置台３に載置された試料Ｆにブロードバンド光を照射する照射光学系４と、を備えている。

本実施形態の試料の測定装置１は、基台２の上面に載置台３を載せるＸＹステージ１０を設けている。ＸＹステージ１０は、基台２の上面でＸＹ方向（水平方向）に載置台３を移動させる。

照射光学系４は、筐体１３の外部に設けられるハロゲンランプ光源１４と、ハロゲンランプ光源１４から入光する照射光を、鉛直方向に屈折させる屈折レンズ１６と、屈折レンズ１６で屈折された照射光を通すことにより完全な平行光線に照射光を近づけるコリメートレンズ１７とを有している。
そして、コリメートレンズ１７からの照射光は、第１ビームスプリッタ１８を透過して対物レンズ９から載置台３の上に載置された試料Ｆに照射される。
本実施形態の第１ビームスプリッタ１８および対物レンズ９は、筐体１３に設けられている。そして、第１ビームスプリッタ１８および対物レンズ９は、照射光学系４と後述する撮像光学系５および観察光学系１５とによって共用されている。

また、測定装置１は、試料Ｆから反射された反射光のフーリエ面を撮像する赤外線カメラ６を有する撮像光学系５と、赤外線カメラ６の撮像面６ａによって撮像されたフーリエ面の画像からフォトニックバンドギャップ画像を生成する制御部７と、を備えている。

このうち、撮像光学系５の撮像を行う光路上には、第１ビームスプリッタ１８からの反射光の分光を入射させる第１フローライトレンズ２２と、第１フローライトレンズ２２を通過した反射光の光軸を鉛直上方に向ける反射鏡２３と、可変絞りを有する可変アパーチャ２４と、第２フローライトレンズ２５とを有している。
そして、試料Ｆの反射光は、第１ビームスプリッタ１８からの分光となり、第１フローライトレンズ２２、反射鏡２３、可変アパーチャ２４、第２フローライトレンズ２５から、第２ビームスプリッタ１９を透過して、撮像部２０に入光する。

撮像部２０内には、赤外線カメラ６および波長可変フィルタ３０が設けられている。波長可変フィルタ３０は、赤外線カメラ６で撮像される反射光をスイープにより所望の波長の反射光を通過させるように変更することができる。
本実施形態の波長可変フィルタ３０は、制御部７に接続されている。制御部７には、画像生成部８、波長可変フィルタ制御部４０および解析部５０が設けられている。

このうち、画像生成部８には、プログラムとしてサンプル位置制御ソフトウエア（図４参照）８ｆが設けられていて、撮影に適切となる位置まで載置台３または対物レンズ９を筐体１３とともに移動させることができる。

また、波長可変フィルタ制御部４０は、プログラムとして波長可変フィルタ制御ソフトウエア（図４参照）４０ｆを有している。波長可変フィルタ制御部４０は、波長可変フィルタ制御ソフトウエア（図４参照）４０ｆを用いて、波長可変フィルタ３０を通過する波長を可変させる。そして、撮像面６ａに各波長のハイパースペクトルフーリエ画像を投影する制御している。

さらに、解析部５０には、プログラムとしてフォトニックバンドギャップ解析ソフトウエア（図４参照）５０ｆが設けられている。フォトニックバンドギャップ解析ソフトウエア５０ｆは、複数のハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）を方向および波長にて解析する。そして、解析結果をプロットしてフォトニックバンドギャップ画像（図４参照）１００に変換する。

本実施形態の測定装置１では、ＸＹステージ１０に隣接して、基台２から上方に支持台１１が突設されている。支持台１１には、焦点調整機構１２を介して箱状の筐体１３が片持ち支持されている。そして、焦点調整機構１２は、制御部7による制御で筐体１３を上下方向に移動させる。これにより、焦点調整機構１２は、筐体１３の下部に装着された対物レンズ９を上下方向に移動させて焦点を調整するように構成されている。

さらに、本実施形態では、試料Ｆの実像を撮像する観察光学系１５が筐体１３内に設けられている。観察光学系１５には、撮像光学系５の光路に設けられた第２ビームスプリッタ１９からの分光が入射する撮像レンズ２６と、ＣＭＯＳカメラ２７とが設けられている。
撮像レンズ２６は、分光された光をＣＭＯＳカメラ２７に結像させる。
また、ＣＭＯＳカメラ２７は、制御部７と接続されている。制御部７は、ＣＭＯＳカメラ２７を通じて可視光域で観察される試料Ｆの様子を試料の実像としてモニタ２８に表示させることができる。

さらに、第２ビームスプリッタ１９を通過した光は、撮像部２０内に入光する。撮像部２０内には、撮像光学系として、赤外線カメラ６と、赤外線カメラ６の前段に設けられて撮像される反射光の波長をスイープにより変更可能とする波長可変フィルタ３０とを有している。そして、赤外線カメラ６の前面に設けられた撮像面６ａに到達した反射光の画像は、フーリエ面の画像データとして制御部７に送られる。

そして、制御部７の波長可変フィルタ制御部４０では、図４に示す波長可変フィルタ制御ソフトウエア４０ｆにより、赤外線カメラ６を通じて各波長の光が入力する前段で、波長可変フィルタ制御部４０が波長可変フィルタ３０を透過する透過光の透過波長を変更する。
このため、赤外線カメラ６で撮像されるハイパースペクトルフーリエ画像λは、それぞれの波長ごと（λ１，…）に生成される。ハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）は、赤外領域における任意波長の回析パターンを示すことが知られている。

図２は、試料Ｆから、赤外線カメラ６の撮像面６ａまでの構成を簡略化して示している。
波長可変フィルタ３０から赤外線カメラ６の撮像面６ａまでは、テンセントリック光学系である。
図３は、撮像面６ａで捉えられたハイパースペクトルフーリエ画像の一例λを示している。ハイパースペクトルフーリエ画像λでは、逆格子空間（Ｋ－Γ－Ｍ）におけるパワー分布に偏りが生じていることがわかる。
赤外領域における任意の回析パターンを得た後、それを基に分析可能な全ての波長に対し、ハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）が撮像される。

すなわち、第２ビームスプリッタ１９によって、撮像光学系５から可視光域の試料Ｆの様子が分光される。そして、ＣＭＯＳカメラ２７を接続する制御部７は、実像表示部としてのモニタ２８に、フーリエ面の画像とともに試料Ｆの実像を映し出す。
このように、本実施形態の試料の測定装置１では、撮像光学系５で赤外光によって撮像している同じ試料Ｆを、観察光学系１５を用いて可視光域で観察することができる。このため、ＸＹステージ１０および焦点調整機構１２を用いて、試料Ｆと対物レンズ９との位置関係を容易に調整して、正確な測定を行うことができる。

次に、本実施形態の試料の測定装置１の作用効果を図４に示す模式図を用いて説明する。
本実施形態の試料の測定装置１では、まず試料Ｆを載置台３の上に載置する（図１参照）。
そして、ハロゲンランプ光源１４による照光を開始すると、屈折レンズ１６により屈折されて、コリメートレンズ１７および第１ビームスプリッタ１８を通過した照射光は、対物レンズ９を介して水平に配置される載置台３へ垂直で、かつ平行なブロードバンド光として照射される。

この際、観察光学系１５（図１参照）のＣＭＯＳカメラ２７が載置台３の上に置かれた試料Ｆを捉えると、画像生成部８のプログラムであるサンプル位置制御ソフトウエア８ｆは、試料Ｆの位置が測定に適切な位置となるように、水平面内でＸ方向およびＹ方向の二次元の調整をＸＹステージ１０で、また、上下方向の調整を焦点調整機構１２で行うように駆動を制御する。
本実施形態の測定装置１では、実像表示部としてのモニタ２８に、赤外線カメラ６で捉えたフーリエ面の画像とともに実像の試料Ｆを映し出すことができる。このため、ＸＹステージ１０および焦点調整機構１２を用いた試料Ｆと対物レンズ９との位置関係の調整は、測定者の手動による調整の他、画像生成部８にプログラムされたサンプル位置制御ソフトウエア８ｆを用いて容易に行うことができる。

赤外線カメラ６の前段には、波長可変フィルタ３０が設けられている。波長可変フィルタ制御部４０（図１参照）に設けられた波長可変フィルタ制御ソフトウエア４０ｆは、波長可変フィルタ３０を制御する。そして、複数の波長ごとに試料Ｆを赤外線カメラ６が撮像できるように、透過波長を変更させながら、それぞれの波長ごとに生成されるハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）４５を撮像する。

従来のハイパースペクトルフーリエ画像λでは、逆格子空間（Ｋ－Γ－Ｍ）におけるパワー分布に偏りが生じていることまでは視認できる。しかしながら、バンドギャップ（Band gap、禁止帯、禁制帯）が存在するのか、どの位置に存在するのかまで測定者がハイパースペクトルフーリエ画像λを見て確認することは困難であった。
そこで、このようにして得られた複数のハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）４５を、解析部５０のプログラムであるフォトニックバンドギャップ解析ソフトウエア５０ｆによって解析する。
本実施形態の試料の測定装置１では、ハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）を撮像しながら、直接、フォトニックバンドギャップ解析ソフトウエア５０ｆによって解析を行える。このため、撮影と個別に解析する場合に比して高速で処理を行える。

特に、本実施形態の試料の測定装置１では、波長可変フィルタ３０が赤外線カメラ６の前段に設けられている。波長可変フィルタ３０は、撮像される反射光の波長をスイープにより変更する。このため、連続的に異なる波長のハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）４５が撮影される。
したがって、一度の撮影で複数の異なる波長のハイパースペクトルフーリエ画像４５が充分なサンプル量（例えば、図４に示すフーリエ画像（λ１，…）４５等）となるように、多数撮影することが可能となる。そして、撮影とほぼ同時に制御部７（図１参照）では、解析部５０によって解析の演算処理が可能となり、さらに高速でフォトニックバンドギャップ画像１００を生成することができる。

図４に示すように、解析は、複数のハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）を方向および波長を変えて取込むことにより行われる。そして、解析結果が二次元にプロットされてフォトニックバンドギャップ画像１００に変換される。
本実施形態のフォトニックバンドギャップ画像１００では、横軸に波数がまた縦軸に周波数がそれぞれ設定されている。本実施形態のフォトニックバンドギャップ画像１００では、ある周波数で３本のバンド線Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が顕在化している。
本実施形態のフォトニックバンドギャップ画像１００では、プロットされたバンド線Ｅ１，Ｅ２と、バンド線Ｅ３との中間部に空白部が存在する。測定者は、この空白部の存在によって、この部分にバンドギャップが生じていることを容易に判別できる。

上述してきたように、本実施形態の試料の測定装置１によれば、フォトニックバンド構造を有する試料Ｆを載置台３の上に置くだけで、短時間でフォトニックバンド構造を示すフォトニックバンドギャップ画像１００（図４参照）を、モニタ２８の画面を通じて見ることができる。
このため、従来のように試料Ｆや試料Ｆが置かれる基板を徐々に傾けて複数の測定を行う必要がなくなり、光路の角度の調整等も簡便化されて、フォトニックバンドの測定が容易にしかも高速で行えるようになった。

また、赤外線カメラ６を用いて赤外光（約900～1700ｎｍ）を測定する。このため、試料Ｆの分子振動による吸収の多い帯域を用いなくてもよいため、効率良く撮影できる。
そして、制御部７に設けられた画像生成部８、波長可変フィルタ制御部４０、および解析部５０は、試料Ｆの位置合わせから、波長可変フィルタ３０の透過波長を変更させて、赤外領域における任意波長の回析パターンを示すハイパースペクトルフーリエ画像λをそれぞれの波長ごとに生成（λ１，…）し、複数のハイパースペクトルフーリエ画像を方向および波長にて解析してプロットしたフォトニックバンドギャップ画像１００に変換するまで、一連の処理を同時に行う。
このように、制御部７にて、撮影から生成されたハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）の解析まで行える。したがって、フォトニックバンドギャップ画像１００に変換して表示するまでの時間を短縮することができる。

さらに、本実施形態の試料の測定装置１では、画像生成部８によってフォトニックバンドギャップ画像が生成される際、フーリエ面の画像が所定の波長間隔で連続して取込まれる。
このため、さらにフォトニックバンドギャップ画像１００に変換されるまでの時間を短縮することができる。
しかも、第１ビームスプリッタ１８および第２ビームスプリッタ１９の光軸は、ＸＹステージ１０の駆動により、照射光の光軸と一致するように容易に調整できる。このため、図３に示すように、観察するフーリエ面の画像は、中心から六角形の各頂点に向けて広がる放射状の各線にて区切られた領域は、ほぼ均等となる。
したがって、図１に示す解析部５０では、バンドギャップの解析を行う際に、この領域の一つをさらに二等分（Ｋ－Γ－Ｍ）した範囲でフォトニックバンドギャップ解析ソフトウエア５０ｆを用いて高速で解析する。

そして、本実施形態の試料の測定装置１は、対物レンズ９とともに移動する筐体１３に、載置台３の試料Ｆに正対する対物レンズ９や、対物レンズ９を試料Ｆに対して、近接または離反させる焦点調整機構１２等、照射光学系４または、撮像光学系５の少なくとも一部の光学機器が収容されている。
このため、基台２の上方に大半の光学機器が集約されて、測定装置１を小型化することができる。また、本実施形態の試料の測定装置１では、制御部７、モニタ２８及びハロゲンランプ光源１４が筐体１３の外に設けられている。このため、プログラムの変更等、メンテナンスが容易におこなえる。

また、赤外線カメラ６は、可視光を捉えることなく赤外域光（約900～1700ｎｍ）を測定することができる。しかも、図１に示すように、赤外線カメラ６に至るまでの第１ビームスプリッタ１８、第１フローライトレンズ２２、光軸を鉛直上方に向ける反射鏡２３、可変アパーチャ（絞り）２４、第２フローライトレンズ２５、第２ビームスプリッタ１９等の光学機器は、筐体１３の内部に収容されている。
このため、外乱光の影響が減少して、サンプルの測定精度が向上し、さらに高速でかつ、正確にフォトニックバンドギャップ解析ソフトウエア５０ｆによって解析することができる。

また、筐体１３内の照射光学系４の光路には、第１ビームスプリッタ１８が設けられている。第１ビームスプリッタ１８は、試料Ｆから反射された反射光を、撮像光学系５へ分光する。
このため、試料Ｆの直上で、側方の撮像光学系５へ反射された測定光を用いて、正確なハイパースペクトルフーリエ画像λ（図３参照）を生成できる。

さらに、測定装置１は、観察光学系１５に、第２ビームスプリッタ１９と、可視光カメラとしてのＣＭＯＳカメラ２７とを設けている。
第２ビームスプリッタ１９は、撮像光学系５の光路に設けられて、波長可変フィルタ３０の前段で反射光を分光している。
そして、ＣＭＯＳカメラ２７は、第２ビームスプリッタ１９から分光された可視光を撮像する。制御部７には、ＣＭＯＳカメラ２７で撮像された試料Ｆの実像が実像表示部としてのモニタ２８に表示される。
このため、測定者は、モニタ２８の画面を用いて、試料Ｆの実像と、ハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）（図３参照）とを見比べながら、画像の中心を合わせる等の位置調整やピント合わせの作業を行える。したがって、測定の作業効率を良好なものとすることができる。

さらに、本実施形態の試料の測定装置１を用いた測定方法では、試料Ｆに照射した可視光のうち、赤外線領域の反射光をハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）として捉え、異なる波長の多数のハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）からフォトニックバンドギャップ画像１００（図４参照）をプロットすることを特徴としている。
このため、試料Ｆの撮像から、プロットによるフォトニックバンドギャップ画像１００（図４参照）の描画まで円滑にかつ、迅速に処理を行える。
図４に示すフォトニックバンドギャップ画像１００では、３本のバンド線Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が得られる。これにより、プロットされたバンド線Ｅ１，Ｅ２と、バンド線Ｅ３との中間部には、空白部が存在している。測定者は、この部分にバンドギャップが生じていることを容易に判別できる。

本実施形態の試料Ｆの測定方法では、波長可変フィルタ制御ソフトウエア４０ｆが波長可変フィルタ３０の透過波長を変更させて、赤外領域における任意波長の回析パターンを示すハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）がそれぞれの波長ごとに生成される。
このため、従来のように、試料Ｆの角度を変えて入射ビームの入射角度を変更したり、異なる角度と強度とを多数測定する必要がなくなり、短時間でハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）の収集を行える。

また、本実施形態の試料Ｆの測定方法では、フォトニックバンドギャップ解析ソフトウエア５０ｆが複数のハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）を少なくとも方向および波長にて解析してプロットする。これにより、ハイパースペクトルフーリエ画像（λ１，…）は、フォトニックバンドギャップ画像１００に変換される。
したがって、従来のように測定者が試料Ｆの角度等を変えながら、フォトニックバンドギャップ画像としてプロットしなければならないものと比べて、短時間でフォトニックバンドギャップ画像１００の描画が終了する。
このため、二次元にプロットされたフォトニックバンドギャップ画像１００を用いて、直ちにバンドギャップ等の必要な情報を得ることが可能となった。よって、効率的に測定を行い、測定結果を利用することができる。

以上、本実施形態に係るフォトニックバンド構造を有する試料の測定装置について詳述してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。

例えば、本願発明の実施形態の試料の測定装置１では、照射光学系４の光路が鉛直になるように設けられている。しかしながら、特にこれに限らず、照射光学系４の光路は、鉛直軸から傾いていたり、あるいは、基台２の上面に沿って水平方向に設けられる等、どのような方向の光路となるように機器を配置してもよい。
すなわち、試料Ｆに十分な照射光を照射できる照射光学系４を有して、試料Ｆから撮像および観察に十分な反射光を得られる構成であればよく、さらに好ましくは、試料Ｆに照射光を垂直に照射した際の反射光を撮像できる撮像光学系５であればなおよい。

また、本実施形態の試料の測定装置１は、主に撮像光学系５の機器を筐体１３の内部に収容しているが、特にこれに限らず、例えば、筐体１３の内部に制御部７及びハロゲンランプ光源１４を収容し、モニタ２８を支持台１１の外側面等に配置してもよい。すなわち、各部材の配置が本実施形態に限定されるものではない。

１ 測定装置
２ 基台
３ 載置台
４ 照射光学系
５ 撮像光学系
６ 赤外線カメラ
７ 制御部
８ 画像生成部
３０ 波長可変フィルタ
４０ 波長可変フィルタ制御部
５０ 解析部
Ｆ 試料

Claims (8)

1. 被測定物である試料にブロードバンド光を照射する照射光学系と、
   前記試料から反射された反射光のフーリエ面を撮像する赤外線カメラを有する撮像光学系と、
   前記赤外線カメラによって撮像されたフーリエ面の画像からフォトニックバンドギャップ画像を生成する画像生成部を有する制御部と、
   を備え、
   前記撮像光学系は、前記赤外線カメラで撮像される反射光の波長をスイープにより変更する波長可変フィルタを有することを特徴とする試料の測定装置。
2. 前記画像生成部は、前記波長可変フィルタの透過波長を変更させて、赤外領域における任意波長の回析パターンを示すハイパースペクトルフーリエ画像をそれぞれの波長ごとに生成する波長可変フィルタ制御部と、
   複数の前記ハイパースペクトルフーリエ画像を方向および波長にて解析してプロットしたフォトニックバンドギャップ画像に変換する解析部とを有することを特徴とする請求項１に記載の試料の測定装置。
3. 前記画像生成部は、フォトニックバンドギャップ画像を生成する際、前記フーリエ面の画像を所定の波長間隔で連続して取込むことを特徴とする請求項１または２に記載の試料の測定装置。
4. 記試料が載置される載置台に正対する対物レンズと、前記対物レンズを前記試料に対して、近接または離反させる焦点調整機構と、前記焦点調整機構によって、対物レンズとともに移動する筐体とをさらに備え、
   前記筐体の内部には、前記照射光学系または、前記撮像光学系の少なくとも一部が収容されていることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の試料の測定装置。
5. 前記照射光学系の光路に設けられて、前記試料から反射された反射光を、前記撮像光学系へ分光する第１ビームスプリッタが設けられていることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の試料の測定装置。
6. 第２ビームスプリッタと、可視光カメラとを有する観察光学系をさらに備え、
   前記第２ビームスプリッタは、前記撮像光学系の光路に設けられて、前記波長可変フィルタの前段の反射光を分光し、
   前記可視光カメラは、前記第２ビームスプリッタから分光された可視光を撮像するとともに、
   前記制御部には、前記可視光カメラで撮像された前記試料の実像を表示可能とする実像表示部が設けられていることを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の試料の測定装置。
7. 波長可変フィルタの透過波長を変更させて、赤外領域における任意波長の回析パターンを示すハイパースペクトルフーリエ画像をそれぞれの波長ごとに生成することを特徴とするプログラム。
8. 試料から取得した複数のハイパースペクトルフーリエ画像を少なくとも方向および波長にて解析してプロットしたフォトニックバンドギャップ画像に変換することを特徴とするプログラム。