JP7449925B2 - Ａｔｒ結晶と試料との間の接触を自動化する方法及び装置 - Google Patents

Description

量子カスケードレーザ（quantum cascade laser）は、分光計測と分光画像（spectroscopic measurements and images）に使用することができる波長可変中赤外（ＭＩＲ：mid-infrared）光源を提供する。興味の対象となる多くの化学成分は、２．５ミクロン～２５ミクロンの波長にわたる光学スペクトルのＭＩＲ領域において励振される分子振動を有する。したがって、サンプル上の様々な場所においてＭＩＲ光の吸収を計測することによって、サンプルの化学的性質についての有用な情報をサンプル上の位置の関数として提供することができる。

撮像分光計（imaging spectrometer：イメージングスペクトロメータ）の１つの部類は、サンプルから直接反射される光を、サンプル上の位置及び照射ＭＩＲ光の波長の関数として計測する。反射される光の量は、サンプルの化学的属性と物理的属性との双方に依存する。なぜならば、光は、試料の化学的組成を反映するサンプルにおける吸収と、試料の表面の物理的状態に依存する散乱との双方によって失われる可能性があるからである。したがって、直接反射を用いて生成されるスペクトルを、ライブラリにおいて利用可能な既知の化学的吸収スペクトルを有する吸収と比較することは、大きな難題を呈する。

減衰全反射（ＡＴＲ：attenuated total reflection）を利用して試料を照射するシステムは、試料（specimen）による入射光の散乱によって引き起こされる問題を回避する。例えば、２０１８年１月９日に発行された特許文献１は、ＡＴＲを使用して試料の一部分を走査する方式を記載している。これらの方式は、入射光ビームを結晶表面から臨界角よりも小さな角度で反射する。反射光強度が計測され、入射光強度と比較され、反射面と接触しているが結晶の外側にある試料によってもたらされる吸収が求められる。光は全反射されるが、光によって生成される電場は、反射面の外側に数ミクロン広がっており、試料と相互作用することができる。試料が入射ビームにおける波長の光を吸収する場合には、反射光は減衰される。

これらの方式は、試料を反射面の数ミクロンの範囲内に持って来る必要があり、好ましくは、試料が反射面と接触している必要がある。試料が壊れやすいもの又は硬いもののいずれかであるときは、問題が生じる。ユーザは、試料又は結晶のいずれかに損傷を与えるのに十分な力で試料を反射面に押し付けることなく、試料が反射面に接触するように試料を移動させなければならない。実際上、試料を適切な位置に移動させるには数分を要し、したがって、分光計のスループットが制限され、所望の結果を達成するには、操作者のかなりの技術が必要となる。

米国特許第９，８６３，８７７号

本発明は、ＡＴＲ対物レンズ（ATR objective）の反射面に対して試料を位置決めする方法とＡＴＲ走査システムを含む。本走査システムは、ＡＴＲ対物レンズ、コントローラ、ｚ軸ステージ、及び高さプロファイラを備える。ＡＴＲ対物レンズは、このＡＴＲ対物レンズに入射する光が全反射される反射面によって特徴付けられる。コントローラは、光ビームをＡＴＲ対物レンズに入射させ、光ビームがコントローラによって制御される反射面上の位置において反射面から全反射されるように反射面上の或るポイントに合焦させる。コントローラは、反射面上の複数の異なるポイントのそれぞれにおいて反射面から反射された光の強度を計測することによって、反射面の画像を形成する。ｚ軸ステージは、コントローラによって決定された速度で反射面に向かう方向に試料を移動させる。高さプロファイラは、ｚ軸ステージが第１の速度で試料を移動させているときに、試料と反射面との間の最小距離を計測する。

本発明の１つの態様では、コントローラは、試料が反射面の第１の距離内に存在する前に、反射面の背景画像を形成する。

本発明の別の態様では、コントローラは、反射面のアプローチ画像を形成し、画像を背景画像と比較している間、第１の速度未満である第２の速度でｚ軸ステージを反射面に向けて移動させる。

本発明の別の態様では、第２の速度は５ミクロン／秒未満である。

本発明の別の態様では、アプローチ画像のうちの１つが、試料と反射面との間の接触に一致するある領域を示しているとき、コントローラは、ｚ軸ステージの更なる移動を停止する。

本発明の別の態様では、コントローラがｚ軸ステージを停止した後に、コントローラは、試料が反射面に接触していることを確認する。

本発明の方法は、コントローラの制御下で反射面に向かう方向に試料を移動させるｚ軸ステージ上に試料が取り付けられている間に、ＡＴＲ対物レンズの反射面に試料を自動的に接触させる。本方法は、試料と反射面との間の距離が、試料が反射面に接触しないことを保証するのに十分な第１の距離よりも大きい間、高さプロファイラを用いて試料と反射面との間の距離を計測しながら、第１のｚ軸速度で反射面に向けて試料を移動させることを含む。試料が上記第１の距離よりも反射面の近くに位置決めされた後、第１の画像が試料の反射面への接触を示すまで、ｚ軸距離はあるアプローチ（approach：接近）ステップサイズずつ繰り返し段階的に変更され、反射面の第１の画像が形成されていく。

本発明の１つの態様では、第１の画像は、光が反射面から反射された後の所定の波長の光の減衰を反射面上の位置の関数として計測することによって形成される。

本発明の別の態様では、第１の画像は、試料が反射面に接触していないときの反射面の第２の画像と比較され、試料が試料と接触しているか否かが判断される。

本発明の別の態様では、反射面が所定の波長の光を反射するように構成され、反射面から反射する光によって生成される電場（electric field）が、反射面から試料に向かって第１の距離だけ広がり、アプローチステップサイズは第１の距離よりも小さいものである。

本発明の別の態様では、アプローチサイズは５ミクロン未満である。

本発明の別の態様では、アプローチサイズは３ミクロン未満である。

本発明の別の態様では、アプローチサイズは５ミクロン未満である。

試料に取り付けられている簡単なＡＴＲ光学系を示す図である。 本発明を実施することができる走査ＡＴＲシステムを示す図である。 本発明とともに使用することができる光学プロファイリング推定器の１つの実施形態を示す図である。

本発明がその利点を提供する方法は、試料に取り付けられている簡単なＡＴＲ光学システムを示す図１を参照することによって、より容易に理解することができる。図１は、反射性配置モード（reflective geometry mode）にあるサンプル２７による光の吸収の計測を容易にすることができる界面結晶の断面図である。結晶２１は高屈折率を有する。光ビーム２６は、ポート２２を通って結晶２１に入射し、臨界角よりも大きな角度でファセット（facet）２３に当たる。この光ビームは、ファセット２３から全反射され、ポート２４を通って結晶から出射する。光ビームがファセット２３から反射されるポイントでは、２５に示すように、光ビームに伴う電場が結晶の外側に広がっている。ファセット２３の下方の媒体が光ビーム２６の波長における光を吸収する場合には、エバネッセント場（evanescent field）がこの媒体と相互作用し、エネルギーが光ビームから媒体に移動される。この場合に、結晶２１から離れるビームのエネルギーは削減される。波長の関数としての入力ビームと出力ビームとの間の強度の差は、高品質透過スペクトルと一致するスペクトルであり、様々な化合物の従来のスペクトルと照合するために容易に使用することができる。

上述したタイプの界面結晶（interface crystal）は、サンプル上のポイントのＭＩＲスペクトルを計測するには有用であるが、試料上のエリアの画像が必要とされる場合、特に試料の表面が滑らかでない場合には課題を呈する。画像を形成するには、界面（interface）を試料に対して移動させなければならない。界面結晶が試料に損傷を与えないようにするには、試料を垂直に移動させ、対象となる次のポイントに結晶を配置することを可能にしなければならない。試料上の各ポイントにおいて高い分解能でスペクトルを生成するのに非常に長い時間が許容できればよいが、そうでないと、そのようなポイント間計測にかかる時間ゆえに、撮像及び分光計測の組み合わせは実用的でない。

上記の特許文献１は、結晶を移動させる必要なく入力光ビームの相互作用のポイントを試料の全域で高速に走査することができるＡＴＲ計測システムを教示している。次に図２を参照する。図２は、本発明を実施することができる走査ＡＴＲシステム６０を示している。レーザ６１からの光１８は、ビームスプリッタ６２によって２つのビームに分割される。第１のビームは、レーザパルスの強度を計測する検出器６３ａに誘導される。第２のビームは、軸外放物面反射器６５上におけるビームの照射ポイントを調整する位置変調器６４に誘導される。この照射位置によって、放物面反射器（parabolic reflector）６５からの光が第２の軸外放物面反射器６６に当たる位置が決まる。放物面反射器６６は、ビームを再コリメートし、ビームの直径を、ＡＴＲ対物レンズ６７の入力アパーチャと一致するように設定する。ビームがＡＴＲ対物レンズ６７に入射する傾きは、放物面反射器６５上の照射ポイントによって決まる。ＡＴＲ対物レンズ６７によって反射されて戻される光は、入射光の経路を引き返し、その光の一部分は、ビームスプリッタ６２によって検出器６３ｂ内に誘導される。コントローラ６９は、その後、ＡＴＲ対物レンズ６７からの反射において失われた光の量を求めることができ、したがって、サンプル２７によって吸収された光の量を求めることができる。サンプル２７上の別の小エリアを撮像するために、コントローラ６９は３軸ステージ６８を動作させる。

対象となる多くの試料が不規則な表面を有する。その結果生じる高さ変動は、多くの場合に、ＡＴＲ対物レンズの反射面における電場の深さよりもはるかに大きい。上述したように、ＡＴＲ対物レンズの反射面下の場の有効な深さは数ミクロンである。したがって、表面変動が数ミクロン未満でない限り、又は、サンプルが圧縮可能でない限り、対物レンズを試料と接触させるときに、通常は事前に予測することができない孤立した接点が存在する。

本出願において、試料は、反射ビームから吸収された光が、反射光ビームの減衰の計測において雑音と区別可能であるとき、反射面上の或る場所において試料と接触していると定義される。したがって、「接触」は、試料が実際の反射面からの光ビームの１つ又は２つの波長内にあることを含むことができる。

本発明は、サンプルをＡＴＲ対物レンズと接触させる２フェーズプロセスを利用する。第１のフェーズでは、サンプルが取り付けられているステージが、ＡＴＲ対物レンズの方向に大きな／高速のステップで移動されるとともに、サンプルとＡＴＲ対物レンズとの間の距離が、光学プロファイリング推定器を使用して推定される。サンプルがＡＴＲ対物レンズとの接触から所定の距離内に入ると、進行のステップサイズ／レート（rate：速度、変化量）が大幅に縮小され、ＡＴＲ対物レンズによって見られるサンプルの画像が、ステージが引き続き移動している間にサンプルがＡＴＲ対物レンズの反射面に丁度接触するときを判断するのに使用される。

次に図３を参照する。図３は、本発明とともに使用することができる光学プロファイリング推定器の１つの実施形態を示している。サンプル３２は、コントローラ４０の制御下で当該サンプルをＺ方向に移動させるステージ３１上に取り付けられる。このステージの移動によって、サンプルをＡＴＲ対物レンズ３３の反射面３４に接近させることが可能になる。光学プロファイラは、光源３５を備える。この光源は、試料と反射面３４との間の空間を照射するコリメートされた光ビーム３６を生成し、サンプル及びＡＴＲ対物レンズ反射面の影を撮像アレイ３７上に投じる。ステージがＡＴＲ対物レンズのより近くにサンプルを移動させるにつれて、撮像アレイ３７に到達する光の量が減少する。サンプルがＡＴＲ対物レンズの近くではあるが、まだ安全距離にあるときに、コントローラは、位置決め方法の第２のフェーズに切り替わる。第１のフェーズでは、結晶からほぼ２ｍｍ～０．５ｍｍの範囲をカバーする一連の離散的な計測が行われる。これらの計測は、結晶と試料との間の接触位置を高速に推定するのに使用される。光学プロファイラは完璧な正確さを有していないので、これらの計測間の不一致は、プロファイラがどの程度正確であるのかを示し、この第１のフェーズの適切な停止距離を特定することを可能にする。

ステージが、反射面から所定の距離内に試料を移動させると、撮像システムが使用され、より低速の動きの速度を用いて試料を更に位置決めする。上述したように、反射光ビームからのエバネッセント場が、ＡＴＲ対物レンズの表面の下方に数ミクロン広がっている。その結果、反射面の画像は、試料が反射面に実際に接触する前に、吸収エリアを示し始める。「近」接触（”near” contact）のエリアを雑音と区別することは、試料の表面が反射ビームからの光を丁度吸収し始めるときに難題をもたらす。

吸収を計測するには、システムは、光が合焦されるポイントにおけるＡＴＲ対物レンズ結晶の反射面上の入射光強度を「知って」いなければならない。試料内の電場は数ミクロンの深さしかなく、したがって、曝露される材料の量はかなり少ない。レーザから試料までの光路は数センチメートルであり、したがって、その経路内のいずれの吸収体も、試料によって実際に吸収される光と比較して強度を大幅に変える可能性がある。

ビームスプリッタ６２とＡＴＲ対物レンズ６７との間の光路は真空ではない。光は、ＭＩＲに吸収帯を有する気体環境を通過しなければならない。それらの吸収帯は、ＡＴＲ対物レンズの反射面に到達する光を減少させ、表面から戻る光も減少させる。例えば、この経路は、通常、或るレベルの水蒸気を含む。水蒸気吸収は、波長及び温度の関数である。これらの変動は、短期間にわたって変化する可能性があり、したがって、周波数の関数としての吸収のあらゆる走査に先立って直ちに較正される必要がある。

本発明の１つの態様では、反射面の背景画像が、試料が反射面に近いときを判断する際に使用される特定の波長において形成される。この背景画像は、試料が反射面から十分に除去されて、画像が試料による吸収を反映していないことが保証されるときに形成される。試料が反射面のより近くに移動されるにつれて、反射面の画像は、継続的に形成され、背景画像と比較される。試料が表面の数ミクロン内になると、試料は、反射面の下方に広がる反射光によって生成される電場からの光の吸収を開始する。

試料が反射面から遠くにあるときに、雑音によって生成される表面の画像が試料からの吸収と解釈されないようにすることは有利である。本発明の１つの態様では、空間フィルタリングが、そのような誤検知を試料の一部分の画像と区別するのに利用される。１つの実施形態では、所定のサイズよりも小さな画像特徴が排除される。例えば、２ピクセル未満の画像特徴は排除される。別の実施形態では、連続フレームシーケンスにおいて背景画像に対して正及び負に変動する画像特徴は排除される。

雑音でなく、かつ、接触領域又は近接触領域と一致する空間的広がりを有する画像特徴が見つかると、Ｚ方向の動きは停止し、３つの連続画像が順に撮られる。動きを停止させた画像特徴が、試料が反射面と接触した結果のものである場合には、この画像特徴は、３つの全ての画像においてほぼ同じ強度及び位置を有する。そうでない場合には、低速のアプローチの動きが再開され、プロセスは繰り返される。

１つの実施形態では、第２のフェーズにおける動きのレートは調整可能であり、動きのレートは１μｍ、３μｍ（デフォルト／推奨）、又は５μｍのいずれかの離散ステップで行われる。第２のフェーズは離散ステップで実施される。ｚ軸ステージは、選ばれたステップごとに段階的に進行し、画像が形成される。この段階的進行及び画像形成には約１秒を要する。推奨ステップサイズにおいて、第２のフェーズの位置決めは約３ミクロン／秒で進む。非常に壊れやすい試料又は小さな特徴部を有する試料には、より小さなステップサイズ選択肢が使用される。損傷を受けにくいより強固な試料には、より大きなステップサイズ選択肢が使用される。

本発明の上述した実施形態は、本発明の種々の態様を示すために提供されている。しかし、異なる特定の実施形態において示される本発明の異なる態様を組み合わせて、本発明の他の実施形態を提供することができることが理解される。さらに、本発明に対する種々の変更形態が、上記の説明及び添付図面から明らかになるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲だけによって制限される。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項１：
入射する光が全反射される反射面を特徴とするＡＴＲ対物レンズと、
光ビームを前記ＡＴＲ対物レンズに入射させ、前記光ビームが、コントローラによって制御される前記反射面上のあるポイントにおいて前記反射面から全反射されるように、前記光ビームを前記ポイントに合焦させる前記コントローラであって、前記反射面上の複数の異なるポイントのそれぞれにおいて前記反射面から反射された光の強度を計測することによって、前記反射面の画像を形成するコントローラと、
前前記コントローラによって決定された速度で前記反射面に向かう方向に試料を移動させるｚ軸ステージと、
前記ｚ軸ステージが第１の速度で前記試料を移動させているときに、前記試料と前記反射面との間の最小距離を計測する高さプロファイラと
を備える、ＡＴＲ走査システム。
請求項２：
前記コントローラは、前記試料が前記反射面の第１の距離内にある前に、前記反射面の背景画像を形成する、請求項１に記載のＡＴＲ走査システム。
請求項３：
前記コントローラは、前記反射面のアプローチ画像を形成し、前記アプローチ画像を前記背景画像と比較しつつ、前記第１の速度未満の第２の速度で前記反射面に向けて前記ｚ軸ステージを移動させる、請求項２に記載のＡＴＲ走査システム。
請求項４：
前記第２の速度は５ミクロン／秒未満である、請求項３に記載のＡＴＲ走査システム。
請求項５：
前記アプローチ画像のうちの１つが、前記試料と前記反射面との間の接触に一致するある領域を示しているとき、前記コントローラは、前記ｚ軸ステージの更なる移動を停止する、請求項３に記載のＡＴＲ走査システム。
請求項６：
前記コントローラが前記ｚ軸ステージを停止した後に、前記コントローラは、前記試料が前記反射面と接触していることを確認する、請求項５に記載のＡＴＲ走査システム。
請求項７：
試料をＡＴＲ対物レンズの反射面と自動的に接触させる方法であって、前記試料は、コントローラによって前記反射面に向かう方向に前記試料を移動させるｚ軸ステージ上に取り付けられ、
前記試料と前記反射面との間の距離が、前記試料が前記反射面に接触しないことを保証するのに十分な第１の距離よりも大きい間、高さプロファイラを用いて前記試料と前記反射面との間の前記距離を計測しながら、第１のｚ軸速度で前記反射面に向けて前記試料を移動させることと、
前記試料が前記第１の距離よりも接近しているときに、前記反射面の第１の画像を形成しつつ、前記第１の画像が前記試料が前記反射面と接触していることを示すまで、アプローチステップサイズずつ前記ｚ軸ステージを繰り返し段階的に進行させることと
を含む方法。
請求項８：
前記第１の画像は、光が前記反射面から反射された後の所定の波長の前記光の減衰を前記反射面上の位置の関数として計測することによって形成される、請求項７に記載の方法。
請求項９：
前記第１の画像は、前記試料が前記反射面に接触していないときの前記反射面の第２の画像と比較され、前記試料が前記試料と接触しているか否かが判断される、請求項８に記載の方法。
請求項１０：
前記反射面は、所定の波長の光を反射するように構成され、前記反射面から反射する前記光によって生成される電場が、前記反射面から前記試料に向かって第１の距離だけ広がり、前記アプローチステップサイズは前記第１の距離よりも小さい、請求項７に記載の方法。
請求項１１：
前記アプローチサイズは５ミクロン未満である、請求項７に記載の方法。
請求項１２：
前記アプローチサイズは３ミクロン未満である、請求項７に記載の方法。
請求項１３：
前記アプローチサイズは５ミクロン未満である、請求項７に記載の方法。

Claims (10)

1. 入射する光が全反射される反射面を特徴とするＡＴＲ対物レンズと、
   光ビームを前記ＡＴＲ対物レンズに入射させ、前記光ビームが、コントローラによって制御される前記反射面上のあるポイントにおいて前記反射面から全反射されるように、前記光ビームを前記ポイントに合焦させる前記コントローラであって、前記反射面上の複数の異なるポイントのそれぞれにおいて前記反射面から反射された光の強度を計測することによって、前記反射面の画像を形成するコントローラと、
   前記コントローラによって決定された速度で前記反射面に向かう方向に試料を移動させるｚ軸ステージと、
   前記ｚ軸ステージが第１の速度で前記試料を移動させているときに、前記試料と前記反射面との間の距離を計測する高さプロファイラと
   を備え、
   前記コントローラは、前記試料と前記反射面との距離が第１の距離になる前に、前記反射面の背景画像を形成し、
   前記コントローラは、前記試料と前記反射面との距離が前記第１の距離内になったら、前記反射面のアプローチ画像を形成し、前記反射面の前記アプローチ画像を前記背景画像と光の吸収に関して比較しつつ、前記第１の速度未満の第２の速度で前記反射面に向けて前記ｚ軸ステージを移動させるものである、ＡＴＲ走査システム。
2. 前記第２の速度は５μｍ／秒未満である、請求項１に記載のＡＴＲ走査システム。
3. 前記反射面の前記画像を前記背景画像と光の吸収に関して前記比較した結果として、前記反射面の前記アプローチ画像のうちの１つが、前記試料と前記反射面との間の接触に一致する光の吸収を示すある領域を示しているとき、前記コントローラは、前記ｚ軸ステージの更なる移動を停止する、請求項１に記載のＡＴＲ走査システム。
4. 前記コントローラが前記ｚ軸ステージを停止した後に、前記コントローラは、前記試料が前記反射面と接触していることを確認する、請求項３に記載のＡＴＲ走査システム。
5. 試料をＡＴＲ対物レンズの反射面と自動的に接触させる方法であって、前記試料は、コントローラによって前記反射面に向かう方向に前記試料を移動させるｚ軸ステージ上に取り付けられ、
   前記試料と前記反射面との間の距離が、前記試料が前記反射面に接触しないことを保証するのに十分な第１の距離よりも大きいときには、高さプロファイラを用いて前記試料と前記反射面との間の前記距離を計測しながら、第１のｚ軸速度で前記反射面に向けて前記試料を移動させることと、
   前記試料が前記第１の距離よりも接近しているときには、前記反射面の第１の画像を形成しつつ、前記第１の画像が前記試料が前記反射面と接触していることを示すまで、アプローチステップサイズずつ前記ｚ軸ステージを繰り返し段階的に進行させることと
   を含み、
   前記第１の画像は、前記試料が前記反射面に接触していないときの前記反射面の第２の画像と光の吸収に関して比較されて、前記試料が前記反射面と接触しているか否かが判断され、
   前記反射面は、所定の波長の光を反射するように構成され、
   前記光の吸収は、前記反射面から反射する前記光によって生成される電場との相互作用による吸収を示すものである、方法。
6. 前記第１の画像は、光が前記反射面から反射された後の所定の波長の前記光の減衰を前記反射面上の位置の関数として計測することによって形成される、請求項５に記載の方法。
7. 前記反射面から反射する前記光によって生成される前記電場が、前記反射面から前記試料に向かって前記第１の距離だけ広がり、前記アプローチステップサイズは前記第１の距離よりも小さい、請求項５に記載の方法。
8. 前記アプローチステップサイズは５μｍ未満である、請求項５に記載の方法。
9. 前記アプローチステップサイズは３μｍ未満である、請求項５に記載の方法。
10. 前記アプローチステップサイズは１μｍ未満である、請求項５に記載の方法。