JPH05240787A - 表面プラズモン顕微鏡 - Google Patents
表面プラズモン顕微鏡Info
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- JPH05240787A JPH05240787A JP4363991A JP4363991A JPH05240787A JP H05240787 A JPH05240787 A JP H05240787A JP 4363991 A JP4363991 A JP 4363991A JP 4363991 A JP4363991 A JP 4363991A JP H05240787 A JPH05240787 A JP H05240787A
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- JP
- Japan
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- light
- sample
- surface plasmon
- light wave
- wave coupler
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の目的は、反射光強度の測定のみで試
料の屈折率もしくは膜厚の絶対値を一意的に決定でき
る、ダイナミックレンジの広い表面プラズモン顕微鏡を
提供することにある。 【構成】 本発明の表面プラズモン顕微鏡は、金属薄膜
を介して試料と面接触している光波結合器、Ｐ偏向の光
束を拡大し、その拡大光束を収束して前記の光波結合器
の面接触域に投射する光学系、及び前記の光波結合器の
面接触域からの反射光を検出する検出器を備えている。
料の屈折率もしくは膜厚の絶対値を一意的に決定でき
る、ダイナミックレンジの広い表面プラズモン顕微鏡を
提供することにある。 【構成】 本発明の表面プラズモン顕微鏡は、金属薄膜
を介して試料と面接触している光波結合器、Ｐ偏向の光
束を拡大し、その拡大光束を収束して前記の光波結合器
の面接触域に投射する光学系、及び前記の光波結合器の
面接触域からの反射光を検出する検出器を備えている。
Description
【０００１】
【産業上の利用発明】本発明は、平坦な試料表面の屈折
率分布、微小な膜厚分布又は表面形状もしくは輪郭を測
定する技術に関するものである。
率分布、微小な膜厚分布又は表面形状もしくは輪郭を測
定する技術に関するものである。
【０００２】
【従来技術】光ＩＣなどにおける、光導波路の屈折率分
布の測定はその導波モードを解析するために非常に重要
である。従来この目的には主として干渉顕微鏡が用いら
れてきた。しかし、この方法では試料の透過光の位相分
布を測定するため試料を非常に薄く切断する必要があっ
た。またこの方法では屈折率の絶対値の測定は困難であ
った。又、半導体産業においては半導体表面の薄膜の膜
厚分布の測定は不可欠の技術である。この場合膜厚の絶
対値を測定する装置として偏光解析装置がよく用いられ
る。しかし、この装置はレーザーからの平行光（直径１
ミリ程度）をそのまま利用するため空間分解能が不十分
であり、微小な部分の測定は困難であった。
布の測定はその導波モードを解析するために非常に重要
である。従来この目的には主として干渉顕微鏡が用いら
れてきた。しかし、この方法では試料の透過光の位相分
布を測定するため試料を非常に薄く切断する必要があっ
た。またこの方法では屈折率の絶対値の測定は困難であ
った。又、半導体産業においては半導体表面の薄膜の膜
厚分布の測定は不可欠の技術である。この場合膜厚の絶
対値を測定する装置として偏光解析装置がよく用いられ
る。しかし、この装置はレーザーからの平行光（直径１
ミリ程度）をそのまま利用するため空間分解能が不十分
であり、微小な部分の測定は困難であった。
【０００３】又、表面プラズモン顕微鏡を使用して試料
の屈折率を測定することも提案されている。すなわち、
試料上の選択した点へ入射角θを固定してＰ偏光を投射
し、この入射角付近でプラズモンが励起されればそのと
きの反射率を求め、その反射率からその試料の選択点の
屈折率を理論計算により求める。図２に示すように、プ
リズム２の底面に蒸着した金属薄膜３と誘電体試料１０
との界面に光源（ヘリウム・ネオン レーザー）１から
Ｐ偏光の平行光を照射して表面プラズモン（表面電荷の
電子密度の粗密波）を励起する（４は試料１０を金属薄
膜３に密着させるため使用するイマージョン・オイ
ル）。このように試料表面１０の一点に平行光を投射
し、そしてその点から反射した光をレンズ６を介してピ
ンホール７に投射し、光電変換器８で反射光を検出し、
その強度を測定する。入射光強度に対する反射光強度の
比として反射率を決定する。この反射率は試料表面の屈
折率に対して非常に敏感に変化する。レンズ６は反射光
を拡大して空間分解能を拡大するのに必要であり、また
Ｘ−Ｙパルス・ステージ９は誘電体試料１０とプリズム
２とを一体として間歇的に移動させ、試料表面の異なる
点の反射率を決定するのに使用する。
の屈折率を測定することも提案されている。すなわち、
試料上の選択した点へ入射角θを固定してＰ偏光を投射
し、この入射角付近でプラズモンが励起されればそのと
きの反射率を求め、その反射率からその試料の選択点の
屈折率を理論計算により求める。図２に示すように、プ
リズム２の底面に蒸着した金属薄膜３と誘電体試料１０
との界面に光源（ヘリウム・ネオン レーザー）１から
Ｐ偏光の平行光を照射して表面プラズモン（表面電荷の
電子密度の粗密波）を励起する（４は試料１０を金属薄
膜３に密着させるため使用するイマージョン・オイ
ル）。このように試料表面１０の一点に平行光を投射
し、そしてその点から反射した光をレンズ６を介してピ
ンホール７に投射し、光電変換器８で反射光を検出し、
その強度を測定する。入射光強度に対する反射光強度の
比として反射率を決定する。この反射率は試料表面の屈
折率に対して非常に敏感に変化する。レンズ６は反射光
を拡大して空間分解能を拡大するのに必要であり、また
Ｘ−Ｙパルス・ステージ９は誘電体試料１０とプリズム
２とを一体として間歇的に移動させ、試料表面の異なる
点の反射率を決定するのに使用する。
【０００４】ある特定の入射角（共鳴角）で試料表面の
測定点にＰ偏光を投射しなければ表面プラズモンは励起
されることはない。入射角θを固定してＰ偏光を投射し
ているのであるから、その入射角が共鳴角と離れている
試料では表面プラズモンは励起されない。光源１から試
料表面１０へ投射されるＰ偏光の入射角θを変化しなが
ら反射光の強度を測定し、その反射光の強度が急減した
とき（このとき入射光のエネルギーは表面プラズモン生
成に使用されている）、そのときの入射角（共鳴角）を
測定すれば広い範囲の試料の屈折率を測定できる。しか
し入射角を連続的に変えることは機構的に困難である。
測定点にＰ偏光を投射しなければ表面プラズモンは励起
されることはない。入射角θを固定してＰ偏光を投射し
ているのであるから、その入射角が共鳴角と離れている
試料では表面プラズモンは励起されない。光源１から試
料表面１０へ投射されるＰ偏光の入射角θを変化しなが
ら反射光の強度を測定し、その反射光の強度が急減した
とき（このとき入射光のエネルギーは表面プラズモン生
成に使用されている）、そのときの入射角（共鳴角）を
測定すれば広い範囲の試料の屈折率を測定できる。しか
し入射角を連続的に変えることは機構的に困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】表面プラズモン顕微鏡
を利用しての従来の屈折率測定では入射光強度に対する
反射光強度の比として反射率を決定しなければならない
が、そのための入射光強度の測定は容易ではない。又、
２つの屈折率において同じ反射率を示すため屈折率が一
意的に求まらない。表面プラズモンが励起される入射角
（共鳴角）は試料によって異なるので、異なる試料につ
いて反射率を決定するには入射角をある範囲にわたって
変化することが必要となる。しかしこのような入射角掃
引のための機構の設計は困難である。
を利用しての従来の屈折率測定では入射光強度に対する
反射光強度の比として反射率を決定しなければならない
が、そのための入射光強度の測定は容易ではない。又、
２つの屈折率において同じ反射率を示すため屈折率が一
意的に求まらない。表面プラズモンが励起される入射角
（共鳴角）は試料によって異なるので、異なる試料につ
いて反射率を決定するには入射角をある範囲にわたって
変化することが必要となる。しかしこのような入射角掃
引のための機構の設計は困難である。
【０００６】本発明の目的は、反射光強度の測定のみで
試料の屈折率もしくは膜厚の絶対値を一意的に決定でき
る、ダイナミックレンジの広い表面プラズモン顕微鏡を
提供することにある。この目的を達成するため本発明の
表面プラズモン顕微鏡ではＰ偏向の光束を拡大し、その
拡大光束を収束して、プリズムもしくは回折格子のよう
な光波結合器と金属薄膜を介して接触している試料表面
へ投射する。試料表面からの反射光の強度を検出器で空
間的に検出し、反射光強度の不連続的な減少を示してい
る検出面の座標から共鳴角を決定する。Ｐ偏向の光束を
拡大し、その拡大光束を収束して金属薄膜と試料との面
接触域に投射することによってその面接触域の一点に大
きな収斂角で光束を投射することができる。このことは
面接触域の一点に対して前記の収斂角にわたって連続的
に入射角の異なる無数の光線群が投射されることを意味
する。この無数の光線の中にはそれの入射角が共鳴角に
等しい光線があり、その光線によって表面プラズモンが
励起される。入射角と反射角とは等しいことから、そし
て表面プラズモンを生成した入射光の強度は減少してい
るということから、光波結合器の面接触域からの反射光
の強度を空間的に検出することによって共鳴角を決定で
きる。このようにして共鳴角を測定したらその点の試料
の屈折率を例えば次式を用いて求めることができる。
試料の屈折率もしくは膜厚の絶対値を一意的に決定でき
る、ダイナミックレンジの広い表面プラズモン顕微鏡を
提供することにある。この目的を達成するため本発明の
表面プラズモン顕微鏡ではＰ偏向の光束を拡大し、その
拡大光束を収束して、プリズムもしくは回折格子のよう
な光波結合器と金属薄膜を介して接触している試料表面
へ投射する。試料表面からの反射光の強度を検出器で空
間的に検出し、反射光強度の不連続的な減少を示してい
る検出面の座標から共鳴角を決定する。Ｐ偏向の光束を
拡大し、その拡大光束を収束して金属薄膜と試料との面
接触域に投射することによってその面接触域の一点に大
きな収斂角で光束を投射することができる。このことは
面接触域の一点に対して前記の収斂角にわたって連続的
に入射角の異なる無数の光線群が投射されることを意味
する。この無数の光線の中にはそれの入射角が共鳴角に
等しい光線があり、その光線によって表面プラズモンが
励起される。入射角と反射角とは等しいことから、そし
て表面プラズモンを生成した入射光の強度は減少してい
るということから、光波結合器の面接触域からの反射光
の強度を空間的に検出することによって共鳴角を決定で
きる。このようにして共鳴角を測定したらその点の試料
の屈折率を例えば次式を用いて求めることができる。
【０００７】 ｎ0 ｓｉｎθ＝ｎ1 ｎ2 ／( ｎ1 2 +ｎ2 2 )1/2 ここでｎ0 はプリズムの屈折率、ｎ1 は金属薄膜の屈折
率、ｎ2 は試料の屈折率、そしてθは共鳴角である。
又、屈折率ｎ3 の誘電体の上に屈折率ｎ2 で厚みｄの誘
電体の膜があるとすると、この膜厚ｄを測定するにはこ
の二層の誘電体が等価的な屈折率ｎ2 ’を有する誘電体
試料であるとみなしてその複合誘電体の屈折率ｎ2 ’を
求め、あらかじめ決定しているｎ2 ’＝ｆ( ｎ2 、
ｎ3 、ｄ）の関係から膜厚を決定することができる。
率、ｎ2 は試料の屈折率、そしてθは共鳴角である。
又、屈折率ｎ3 の誘電体の上に屈折率ｎ2 で厚みｄの誘
電体の膜があるとすると、この膜厚ｄを測定するにはこ
の二層の誘電体が等価的な屈折率ｎ2 ’を有する誘電体
試料であるとみなしてその複合誘電体の屈折率ｎ2 ’を
求め、あらかじめ決定しているｎ2 ’＝ｆ( ｎ2 、
ｎ3 、ｄ）の関係から膜厚を決定することができる。
【０００８】光波結合器を移動させる手段、例えばパル
スモータステージを設けて試料の屈折率の１次元もしく
は２次元分布を決定することもできる。この場合検出器
は１次元イメージセンサもしくは２次元イメージセンサ
を使用する。
スモータステージを設けて試料の屈折率の１次元もしく
は２次元分布を決定することもできる。この場合検出器
は１次元イメージセンサもしくは２次元イメージセンサ
を使用する。
【０００９】
【実施例】図１を参照して本発明の実施例を説明する。
図２と同じ要素には同じ番号を付してあり、それらの要
素についての説明は省略する。ヘリウム・ネオン レー
ザー１の直前の第１のレンズ５と下流側の第２のレンズ
１１とはビーム・エクスパンダーを構成しており、第２
のレンズ１１の下流側の第３のレンズ１２は顕微鏡の対
物レンズを構成している。８は反射光を検出するホト・
ダイオードアレーである。金属薄膜３を蒸着したプリズ
ム２へ試料１０を密着させる。この銀薄膜３は試料１０
に蒸着してもよい。レーザー１は表面プラズモン励起の
ためＰ偏光を投射する。１次元あるいは２次元のイメー
ジセンサ８で試料表面１０からの反射光を検出する。誘
電体試料１０は金属薄膜３を介してプリズム２へ密着さ
せるのであるが、両者の間にイマージョンオイル４を浸
透させることにより密着が容易となる。この場合イマー
ジョンオイルの屈折率はプリズムの屈折率にできるだけ
近いことが望ましい。レーザー１からの光りはビームエ
クスパンダーで一旦その光束の径を拡大し、次いで試料
１０の上に収束させ、それにより試料上のスポットの径
を小さく、また広い入射角範囲が得られる。光入射によ
り試料１０と金属薄膜３との界面に表面プラズモンが励
起される。反射光はそのまま、あるいはレンズ系を通し
て入射面上に置かれたイメージセンサー８で受光され
る。光束を構成しているそれぞれの光線は反射の法則に
従って試料表面の一点で反射してイメージセンサー８で
受光され、それ故イメージセンサー８上での空間的な入
射光線の位置が試料表面への入射角を表している。すな
わち、イメージセンサー８からの出力はそのまま反射光
強度の角度分布を表している。イメージセンサー８から
の出力をＡＤ変換器を通して計算機に取り込み、共鳴角
を求める。屈折率と共鳴角との関係、あるいは膜厚と共
鳴角との関係はあらかじめ理論的に計算してある。試料
１０をＸ−Ｙパルスステージ９などで移動させ屈折率も
しくは膜厚の２次元的分布を決定することもできる。
図２と同じ要素には同じ番号を付してあり、それらの要
素についての説明は省略する。ヘリウム・ネオン レー
ザー１の直前の第１のレンズ５と下流側の第２のレンズ
１１とはビーム・エクスパンダーを構成しており、第２
のレンズ１１の下流側の第３のレンズ１２は顕微鏡の対
物レンズを構成している。８は反射光を検出するホト・
ダイオードアレーである。金属薄膜３を蒸着したプリズ
ム２へ試料１０を密着させる。この銀薄膜３は試料１０
に蒸着してもよい。レーザー１は表面プラズモン励起の
ためＰ偏光を投射する。１次元あるいは２次元のイメー
ジセンサ８で試料表面１０からの反射光を検出する。誘
電体試料１０は金属薄膜３を介してプリズム２へ密着さ
せるのであるが、両者の間にイマージョンオイル４を浸
透させることにより密着が容易となる。この場合イマー
ジョンオイルの屈折率はプリズムの屈折率にできるだけ
近いことが望ましい。レーザー１からの光りはビームエ
クスパンダーで一旦その光束の径を拡大し、次いで試料
１０の上に収束させ、それにより試料上のスポットの径
を小さく、また広い入射角範囲が得られる。光入射によ
り試料１０と金属薄膜３との界面に表面プラズモンが励
起される。反射光はそのまま、あるいはレンズ系を通し
て入射面上に置かれたイメージセンサー８で受光され
る。光束を構成しているそれぞれの光線は反射の法則に
従って試料表面の一点で反射してイメージセンサー８で
受光され、それ故イメージセンサー８上での空間的な入
射光線の位置が試料表面への入射角を表している。すな
わち、イメージセンサー８からの出力はそのまま反射光
強度の角度分布を表している。イメージセンサー８から
の出力をＡＤ変換器を通して計算機に取り込み、共鳴角
を求める。屈折率と共鳴角との関係、あるいは膜厚と共
鳴角との関係はあらかじめ理論的に計算してある。試料
１０をＸ−Ｙパルスステージ９などで移動させ屈折率も
しくは膜厚の２次元的分布を決定することもできる。
【００１０】試料表面を金属薄膜に近接させて配置する
と試料表面と金属薄膜との間に薄い空気の層が介在する
こととなる。この空気層の厚み分布を決定することによ
り試料表面の輪郭が決定できる。図３に平坦な試料表面
の屈折率分布の測定例を示す。レーザー光源は直線偏光
のヘリウムネオンレーザーを用いた。励起光の波長が６
３３ｎｍのとき金属薄膜は厚さ５５ｎｍの銀薄膜が測定
感度の点から最適である。反射光の検出には１０２４素
子の１次元イメージセンサを用いた。得られた反射率分
布を平滑化微分し、それが０となる位置から共鳴角を求
める。
と試料表面と金属薄膜との間に薄い空気の層が介在する
こととなる。この空気層の厚み分布を決定することによ
り試料表面の輪郭が決定できる。図３に平坦な試料表面
の屈折率分布の測定例を示す。レーザー光源は直線偏光
のヘリウムネオンレーザーを用いた。励起光の波長が６
３３ｎｍのとき金属薄膜は厚さ５５ｎｍの銀薄膜が測定
感度の点から最適である。反射光の検出には１０２４素
子の１次元イメージセンサを用いた。得られた反射率分
布を平滑化微分し、それが０となる位置から共鳴角を求
める。
【図１】図１は本発明の表面プラズモン顕微鏡の原理を
説明する図である。
説明する図である。
【図２】図２は従来の表面プラズモン顕微鏡の動作を説
明する図である。
明する図である。
【図３】図３は本発明の表面プラズモン顕微鏡によって
測定した試料の屈折率分布を示す。
測定した試料の屈折率分布を示す。
１ ヘリウム・ネオン レーザ ２ プリズム ３ 金属薄膜 ４ イマージョンオイル ５ 第１のレンズ ６ レンズ ７ ピンホール ８ 光電変換器 ９ Ｘ−Ｙパルスステージ １０ 誘電体試料 １１ 第２のレンズ １２ 第３のレンズ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年３月２日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
Claims (9)
- 【請求項１】 金属薄膜を介して試料と面接触している
光波結合器、Ｐ偏向の光束を拡大し、その拡大光束を収
束して前記の光波結合器の面接触域に投射する光学系、
及び前記の光波結合器の面接触域からの反射光を空間的
に検出する検出器を備えたことを特徴とする表面プラズ
モン顕微鏡。 - 【請求項２】 光波結合器がプリズムである請求項１に
記載の表面プラズモン顕微鏡。 - 【請求項３】 光波結合器が回折格子である請求項１に
記載の表面プラズモン顕微鏡。 - 【請求項４】 検出器はイメージセンサである請求項１
に記載の表面プラズモン顕微鏡。 - 【請求項５】 金属薄膜を介して試料と面接触している
光波結合器、Ｐ偏向の光束を拡大し、その拡大光束を収
束して前記の光波結合器の面接触域に投射する光学系、
前記の光波結合器の面接触域からの反射光を空間的に検
出する検出器、及び前記の光波結合器を移動させる手段
を備えたことを特徴とする表面プラズモン顕微鏡。 - 【請求項６】 光波結合器がプリズムである請求項５に
記載の表面プラズモン顕微鏡。 - 【請求項７】 光波結合器が回折格子である請求項５に
記載の表面プラズモン顕微鏡。 - 【請求項８】 検出器はイメージセンサである請求項５
に記載の表面プラズモン顕微鏡。 - 【請求項９】 光波結合器を移動させる手段はパルスモ
ータステージである請求項５に記載の表面プラズモン顕
微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4363991A JP2609953B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 表面プラズモン顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4363991A JP2609953B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 表面プラズモン顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05240787A true JPH05240787A (ja) | 1993-09-17 |
| JP2609953B2 JP2609953B2 (ja) | 1997-05-14 |
Family
ID=12669443
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4363991A Expired - Lifetime JP2609953B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 表面プラズモン顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2609953B2 (ja) |
Cited By (9)
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|---|---|---|---|---|
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| US6052238A (en) * | 1997-07-08 | 2000-04-18 | Nec Research Institute, Inc. | Near-field scanning optical microscope having a sub-wavelength aperture array for enhanced light transmission |
| US6441298B1 (en) * | 2000-08-15 | 2002-08-27 | Nec Research Institute, Inc | Surface-plasmon enhanced photovoltaic device |
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| JP2011007640A (ja) * | 2009-06-26 | 2011-01-13 | Shikoku Electric Power Co Inc | 連続式濃度測定装置および方法 |
Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
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1991
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|---|---|
| JP2609953B2 (ja) | 1997-05-14 |
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