JPH02285205A - 薄い層の屈折率及び層厚を測定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、極めて薄い層の屈折率及び層厚を測定する方
法に関する。

従来の技術 表面プラズモン分光学の従来周知の方法では、極めて薄
い層の屈折率又は厚さの測定は０．５　Ｘｏ、５Ｗｃｍ
２以上の横向き分解能でしか行うことができなかった。

表面プラズモン（−ＰＳＰ　）は拘束された放射しない
電磁波であり、これら電磁波は、金属・誘電体・境界面
に沿って伝搬する分極電荷によって生じる（　Ｅ、バー
スタイン、　ｗ、　ｐ、チェ７．　Ｙ、　Ｊ、チェ７及
びＡ、ハートスタイン、　Ｊ、　Ｖａｃ、　Ｓｃｉ、テ
クノロジー、上ユ、　１００４　（１９７４）参照）。

これら電磁波の電磁界強度は、金属表面に最大値を有し
、かつ金属内及び誘電体内に向かって境界面に対して垂
直に指数関数状に低下する（１１．レーザーフィジクス
・オプ・シン・フィルムス（Ｇ、ハス。

Ｍ、　Ｈ，７ランカム及びｒｔ、　ｗ、ホフマン編）、
第９巻、１４５〜２６１　、　Ｊ、ウィリー、ニューヨ
ーク１９７７参照）。

散逸損失および放射損失のため、これらの波は伝搬方向
に沿って′も減衰する（　Ｔ、イナガキ、Ｋ。

カガミ及びＥ、　Ｔ、　７ラカワｒ　Ｐｈｙｓ、　Ｒｅ
ｖ、　Ｂ２４　＋３６４４　（１９８１）及びＢ、ロー
テンホイズラー、Ｊ、ラーベ、Ｐ、コルピラン及びＷ、
クノール＋　５ｕｒｆ。

Ｓｃｉ、　１３７，３７３（１９８４）参照）。表面プ
ラズモンにおける興味はここ数年の間にますます増加し
ている。

なぜならこれら表面プラズモンは、吸着物質及び薄膜層
における種々の表面分光学的検査に電磁界増幅のため効
果的に使われたからである（　Ｒ，Ｆ。

ウォリス及びＧ、１．ステグマン、エンクトロマグネチ
ック・サーフエース・エクサイテーション、ベルリン・
スプリンガ出版社、１９８６参照）。

ＰＳＰは表面固有の光とみなすことができ（Ｗ、クノー
ル、Ｂ、ローテンホイズラー及びＷ、ヒラケル。

５ＰＩＥ７’ロシーディングス、ロスアンジェルス１９
８９参照）、その光学的現象は平面電磁波のものと似て
いる。誘電位相格子によるＰＳＰの回折（Ｂ、ローテン
ホイズラー及びＷ、クノール＊　Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、レターズ５１　、７８３　（１９８７）参照
）、ＰＳＰとドライバフォトンフィールドの間のインタ
ーフェロメトリー（Ｂ、ローテンホイズラー及びＷ、ク
ノール、　Ｊ、Ｏｐｔ、　Ｓｏｃ、　Ａｍ、　８５１４
０１　（１９８８）参照）、及び表面プラズモン顕微鏡
光学（Ｂ、ローテンホイズラー及びＷ、クノール、ネイ
チャー３３２゜６１５　（１９８８）参照）は、これに
対する例である。

発明の目的 本発明の課題は、極めて薄い層の屈折率及び／又は厚さ
を著しく改善した横向き分解能で測定するための方法を
提供することにある。

発明の構成 本発明によれば、驚（べきことに角度に依存した表面プ
ラズモン顕微鏡光学系により横向き分解能を５×５μｍ
２以上に改善することができる。

本発明の対象は、１μｍより薄い層厚の層の屈折率及び
厚さを測定する方法であり、この方法は次のような特徴
を有する。すなわち層を固体支持体上に取付け、これら
層を表面プラズモン顕微鏡光学系により入射レーザービ
ームの入射角の関数として記録する。

本発明によれば、測定すべき層の層厚な０．１　ｎｍ以
上の垂直分解能で同時に５μｍ以上の横向き分解能で測
定することができる。

そのため検査すべき層は、なるべ（金属層又は半導体層
上に取付ける。

ＳＰＭを使用した本発明による方法は、例えばリビドモ
ノ層又は特殊構造の５ｉＯ７蒸着層のようにコントラス
トの弱い試料の写像に特に適している。

本発明による方法について個々に次のことを述べておく
。

表面プラズモンは、ギッター装置、オツトー装置、フレ
ッシュマンｉｉ、％にフレッシュマン装置のような連結
装置（Ｈ，レーザー、フィジクス・オブ・シン・フィル
ム（Ｇ、ハス、　Ｍ、、Ｈ，７ラ：ｙカム及びＲ，Ｗ、
ホフマン編）、第９巻、１４５−２６１　、　Ｊ、ウィ
リー、ニューヨーク１９７７参照）を用いて単色の平行
光によって励起される。光源としてはヘリウムネオンレ
ーザ−が望ましい。フレッシュマン装置においてプリズ
ム（例えばガラスＢＫ７から成る）のベース面は直接金
属又は半導体の層により被覆されるか、又は適当に被覆
した物体支持ガラスの被覆していない面が浸漬液により
プリズムに接着される。金属層としては銀又は金、又は
クロムと金から成る層系が望ましい。

その他に本発明による方法は、検査すべき層が化学的、
物理化学的又は生物学的に活性でありかつ時間に依存し
た化学的、生物学的及び／又は物理学的な過程を検出で
きるセンサの構成に適している。

本発明の意図において化学的、物理化学的又は生物学的
に活性の層とは、例えば化学反応又は特定の吸着反応を
行うことができ又は物理化学的方法で物理特性に所望の
作用を及ぼすことができる層のことである。

実施例 本発明の実施例を以下図面により詳細に説明する。

検査すべき層は金属又は半導体の層上に取付けられる。

検査すべき層としては、ラングミュア・ブロードゲット
技術により、液相による吸着（セルファセンブリ−技術
）、遠心被覆（スピンコーティング）、気相による蒸着
又は吸着によって取付けることができるようなものが例
えば重要である。

ラングミュア・ブロードゲット技術は周知である。その
ため検査すべき層を形成する物質は、水には溶解しない
有機溶媒、例えばクロロホルム中で溶解され、この溶液
はラングミエアフィルム計量器の水表面上に広げられ、
かつ溶媒を蒸発させて水表面上に単分子層が形成される
。それから空気と水の境界面におけるこの表面フィルム
は、フィルム計量器の可動のバリアにより、単分子層だ
けから成る所定の層が生じるまで圧縮される。それから
この単分子層は、支持体を浸しかつ取出すことにより一
定の表面圧力でこの支持体上に移される。

前記方法のうち１つによりこのようにして準備した試料
は表面プラズモン顕微鏡（ＳＰＭ　：すでに前に引用し
た刊行物、ネイチャーの３３２　、６１５（１９８８）
参照）によって検査される。その際試料によって散乱し
た表面プラズモンはプリズムを介してレンズにより集束
した光に作用するので、境界面の結像が生じる。この像
はビデオカメラによって記録され、かつ後で解析するた
めに磁気テープに記憶される。

５層５μｍ２の横向き分解能で屈折率と厚さに関して薄
い層の特性を表示するために、プラズモン共鳴の範囲に
おいて角度に依存してＳＰＭの方法を実行する。ＳＰＭ
像は、光源の入射角に依存して（第１図参照）磁気テー
プ上に記録され、かっ／又は画像処理システムによって
評価される。その際画像上の５層５μｍ２に相当する面
の平均グレー値が測定される。この値は、この位置にお
ける反射光強度に相当する。最大光強度に合わせて正規
化することによって相対反射強度が得られる。このよう
にして得られた相対強度は角度に対してプロットされる
（第２図参照）。フレネル理論により（Ｈ。

ウォルター、ハンドブーフ・デア・フィジーク（８゜７
リーゲ、シュプリンガー出版５６）参照）、シミュレー
ト曲線と測定曲線を適合させる。この適合から直接、評
価した５層５μｍ２の大きさの面の厚さと屈折率が得ら
れる。

例１ シミリストイルホスファチド酸（ＤＭＰＡ　）　（クロ
ロホルム中に溶解した）を純粋な水の上に広げ、かつ溶
媒を蒸発した後にラングミュア・ブロードゲット技術に
より５〜６　ｍＮ−ｍ−’の圧力で（共存相において）
、２．５層ｍのクロム及び４０　ｎｍの金で被覆した物
体支持ガラス上に移す。共存範囲におけるリピドモノ層
がクリスタリンと無定形範囲から成る疑似２次元系であ
ることは周知である。

これら範囲は厚さ及び屈折率に関して相違していること
が予期される。

前記のように角度に依存したＳＰＭにより、クリスタリ
ン範囲と無定形範囲は、屈折率及び厚さに関して１度切
離して特性を表示する。結果は第２図に示しである。第
２図においてａ（％〕は係で反射強度を表わし、ｂ〔°
〕は度で入射角を表わしている。被覆していない金属に
対して無定形範囲（白丸）に関する共鳴曲線は、クリス
タリン範囲（黒丸）に関するものよりわずかしかすれて
ぃない。

凝縮相のクリスタリン範囲におけるモノ層の厚さはシン
クロトロンＸ線実験（Ｃ，ヘルム、　ＰＨＤチージス、
ミュンヘン１９８８参照）によりわかっているので、屈
折率に対してｎ””−１，５１が得られる。液状無定形
範囲の厚さは、水表面上においてＸ線反射測定ではあま
り正確には定義されていないが、１．５５　ｎｍの厚さ
と見積もることができる。

この時無定形範囲の屈折率としてｎ２−１．３０４が得
られる。ここでは驚く程低い値が得られたが、この値は
、無定形相の電子密度に関してＸ線試験によって得られ
た同様に低い値と対比することができる。

例２ 例１で述べたようにクロム／金層上に、銅から成る電子
顕微鏡ネットを介して構成されたＳ　ｉＯ２蒸着層を取
付ける。このようにして準備した試料を本発明による方
法により検査する。Ｓ　ｔ　０２層の屈折率は１．４６
である。蒸着の際に水晶振動結晶により測定された厚さ
と良好に一致し、適合計算により３　ｎｍの厚さが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明で使用した表面プラズモン顕微鏡の構
成を示す略図、第２図は、本発明により測定した試料の
特性を示す図である。 １・・・光源、２・・・試料（リビド層）、３・・・金
属層、４・・・物質支持ガラス、５・・・浸漬液、６・
・・ガラスプリズム、７・・・レンズ、８・・・ビデオ
カメラ（画像スクリーン） 代理人　弁理士　　１）代　黒　油 ず・を 更

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）層を固体支持体上に取付け、これら層を表面プラ
   ズモン顕微鏡光学系により入射レーザービームの入射角
   の関数として記録することを特徴とする、１μｍより薄
   い層厚の層の屈折率及び厚さを測定する方法。
2. （２）測定すべき層の層厚を０．１ｎｍ以上の垂直分解
   能で同時に５μｍ以上の横向き分解能で測定する、請求
   項１記載の方法。
3. （３）検査すべき層を金属層又は半導体層上に取付ける
   、請求項１又は２記載の方法。
4. （４）検査すべき層が化学的、物理化学的又は生物学的
   に活性である、請求項１〜３の１つに記載の方法。
5. （５）時間に依存するセンサの構成のために検査すべき
   層を使用する、請求項４記載の方法。