JPH05503586A - 顕微鏡検査法及び近領域反射顕微鏡 - 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】 Ｍ微鏡検査法及び近領域反射顕＊＊ 本発明は、この分野のプローブとして光学ファイバタイプの導波管を使用した近 領域反射顕黴鏡検査法及び顕微鏡に関する。

従来の近領域顕微鏡は、電磁波の特別な性質を利用し、その性質は、開口部にＩ ｉＩ接する直径がその波長よりも小さい（または１０倍大きいという）性質であ る。

「隣接」は、開口から波長より小さい距離にある「近領域」と称する領域である と理解すべきである。この領域において、　「ファーフィールド」と称される領 域内の強さの値に達するまで波の僅さが迅速に滅ψし、その値は、マックスウェ ルの公式を適用することによって公知の方法で計算することができる。

開口部からの距離に依り強度が極端に減少することによって、表面の形状を正確 にｔＸ資することができ、光は、その表面から放射または再放射され、強度の各 変化は、距離の変化に対応して適当な手段によって測定される。

伝達または反射の双方において、この原理にしたがって動作する装置の数は、知 られている。主にインターナショナルビジネスマシンコーポレーションによって ８２年１２月２７日に出願されたヨーロッパ特許ＥＰ−１１２４０１号において 、小さい直径の開口、典型的にはマイクロメータより小さく、近領域顕微鏡に利 用し得る直径を得る問題が特に改善されている。この書類に開示された実施例に おいて、開口は、解析するサンプルを介して伝達された光を受けて、電子プロー ブが電子のトンネル電流を計測するように従来の手段で適当な距離に維持される 。

それにもかかわらず電子プローブを使用することによって解析するサンプルを金 属化することが必要になり、阜マイクロ的な開口は、すでに金属化されている。

これは、電磁波を測定することに対して不伝導性の薄い金属によって制限される からである。

一方でサンプルの金属化、他方で準準マイクロ的な開口によって形成される光学 プローブの金属化の２重の金属化は、重大な不利益を有する。

有機体のサンプル、または通常誘電体のサンプルの金属化は、ある現象、特に動 的な生きた現象の観察において障害を形成する。さらにこの金属化は、異質であ り、または、重ねることによって小さい構造体を隠すことがある。さらに表面の 伝導層が非連続である場合に開口部までの距離の制御は保証されず、形状の変形 を招く。

最後に準マイクロ的な開口の金属化壁及びサンプルの金属化表面によって寄生空 洞を生じ、寄生空洞は、この開口の背後で測定する強度を変調し、がっ前記測定 を混乱させる干渉を生じる。

さらに準マイクロ的な直径の開口は、この種の顕微鏡を実現することを困難にし 、発達を妨げる。準マイクロ的な開口を繰り返してＷｉ造することは、特に近領 域内伝達顕微銃の操作を行う上で困難であり、この困難性は、インターナシ１ナ ルビジネスマシンコーポレーシヨンによって８２年１２月２７日に出願されたヨ ーロッパ特許ＥＰ−１１２４０２号において述べられた解決の目的である。この ｉｉで説明された処理によって実現される直径は、１０か６５００ナノメータの 間で変化する。このような開口を備えた近領域ｗｉ微鏡の水平解像度は、その直 径及びそのサンプルからの距離に直接に依存し、その解像度は、これらの２つの 量の大きい方の領域内にある。

近領域反射顕微鏡において実行する上での同じ困難性が存在する。このタイプの １［微鏡において、放射及び授受において特別の光学プローブが開発され、主に インターナショナルビジネスマシンコーポレーションによって１９８４年１２月 ２８日に出願されたヨーロッパ特許ＥＰ−１８５７８２号において説明されてい る。

この実施例において、複合導波管が開示されており、その終結部分は環状であり 。

一放射において作用する不伝導性の金属層によって制限される第１の準ミクロ的 な開口と。

一第１の不伝導性の金属層と受信のときに作用する第２の不伝導性の金属層とを 提供する。

反射光の測定は、透過性の周囲リングによって構成される平坦な周縁導波管を介 してこのような方法で実行する。この構成は、平面構造が不可避的に望ましくな い電磁波伝搬モードを導入する限り、信頼できる測定のためには望ましくない。

最後に、他の公知の顕微鏡技術、特にフェイズコントラストによる光学顕微鏡は 、例えば、ベルライラバー−’−（ＭｒＶＡＥＺＩＲＡＶＡＮＩ）によって書か 九た「光学ファイバ捜査位相干渉コントラスト光学顕微鏡」と称される１９８６ 年１月に発行されたマガジン電子レター２２巻２号の記事に記載されている。ま たはＴＥＫＴＲＯＮＩＸの名前で１９８８年３月１６日に発行された欧州特許Ｅ Ｐ−２８３２５６号として出願された走査光学！！Ｊ［機銃は、近領域現象を使 用せずその結果遠い領域の回折現象によって解像度が制限される。

本発明の目的は、特に導波管のような光学プローブを使用して近領域反射顕微＃ ！検資法を提案することによってこれらの不都合を改善することであり、この場 合導波管中に例えばレーザによって放射された高いコヒーレントな電磁波を入射 する。この方法は、ｖｌ査する表面から一定の距離だけこの導波管の端部を離す ようになっており、前記導波管の主伝搬モードと前記表面によって反射し、かつ 前記導波管によって戻るように案内される波の電界の伝搬モードとの開の結合係 数が、前記端部がｎ記入面に近づくにつれて指数関数的な増加を与えるようにな っている。

従って本発明は１反射表面の反射率並びにその形状の変化を得ることができる新 しい現象を示す。表面によって反射され導波管によって戻るように案内される波 を「結合モード波」と呼ぶ０本発明で開発した現象は、導波管の主伝搬モードと 、導波管によって前に放射されているから様式上の構造を有する反射波との間の モードの結合からなり、この構造は、検査する反射面から導波管の端部を分ける 間隔の範囲内の波の双力量の伝搬によってわずかに「広がる」ようになっていさ らに結合モード波の強度は、前述した結合係数に直接に依存するから、強度の測 定によって、係数の展開を測定することが可能である。本発明によればこのよう な現象の光学イメージ形成における開発は、２種頭であり、すなわち、−ｊｌｌ の開発モードによれば、導波管の端部を検査する表面上の実際上一定のレベルで 維持し、結合モード波の強度を測定する、すなわち前記導波管の主伝搬モードと 前記表面によって反射される波の電界の伝搬モードとの間の結合係数の変化を測 定する。つぎに前記強度と、検査すべき表面と導波管の端部との間の距離との間 の指数関数的な依存性の理論的なまたはデータ処理変換によって、距離の変化ま たは表面の反射率からの結果としてこの測定を判断する。

−第２の開発モードによれば、結合モード波の強度を一定に維持するために導波 管の＠部の垂直位置について操作を行う、この反作用は、大きなパスバンドを示 すフィードバック装置によって操作に加えられ、それによって感度を、従って高 解像度で導波管の端部の垂直方向の運動の上昇を行うことができ、この運動は、 （材料の反射率がその光学インデックスに依存し、この表面の分光器測定が可能 であることを考慮して）調査すべき表面の形状及び／または反射率を直接に表し ている。

本発明による近領域反射Ｍ機銃検査法の適用の分野は、よく知られている走査ト ンネル顕微鏡の分野に匹敵する。さらに準ミクロニンクな開口を作る必要がなく 、導波管または検査するサンプルを金属化する必要がないからこの処理を操作に 加える単純性は大きい。

例えば単一モードのステップインデックスファイバのような単一の光学ファイバ を使用することができ、このようなファイバは、非制限的な３つの主な方法で使 用することができる。すなわち ａ）検査する表面に関して端部が平面を呈するように破壊するようにし、この平 面は、前記ファイバのコア内の電磁波の長手方向の伝搬軸線にほぼ垂直である。

（結合モード波の強度の減少が、距離によって最も速い場合に）良好な解像度を 得るために最も好ましい場合を示す、さらにこの状態において、検査する表面上 にこの表面に直交する方向にしたがって光学ファイバの平坦な出力面を位置決め することを示し、その位置決めは、結合モード波と、その平坦な出力面上に同じ ファイバ内で反射された波との間で構造的な干渉現象が起こるような状態で行わ れることを示す。同じ波長の波の干渉性によるこの干渉現象は、検査する表面と ファイバの平坦な出力平面との間にインデックスゲル（例えばシリシウムファイ バの場合インデックスゲルは１．４５８に等しい光学インデックスを示す）を挿 入することによって回避される。これに対して上記した干渉現象に対して適性な 感度の状態にある場合に、ファイバの平坦な出力面の垂直位置上で作用すること が好ましく、その結果前記強度が一定のインターフリンジ距離で正弦変調を呈す る時であっても干ＩＩ＋現象から生じる電磁波の強度を一定に保持する。これを 行うために、変調の期間の半分から他のステップまでのステップによって集中し た強度にあける突然の変化を回避するために正確な広い亭域のフィードバックを 使用することが可能である。この間隔を与えるインターフリンジ距離は、光学フ ァイバの出力面と、検査する反Ｍ面との間の中間媒体のインデックス値の２倍と 波長との比に等しい。光学波においてこのインターフリンジ距離は、　（数百ナ ノメータの範囲において）弱く１本発明によるＮ機銃の解像度をかなり改良する ことができる。

この観点で、導波管としての光学ファイバを使用するｆＪｌの範囲で、反射モー ドを結合することによって作られる近領域のプローブとして作用する２つの場合 が区別される。

一ファイバの平坦な外面の垂直位置への反作用をアトラクティブなモードで実行 するかどうか、すなわち結合モード波と前記出力面によってファイバ内に反射し た波との間の干渉現象から生じる電磁波の強さを前記強度の正弦変調の１つの期 間の下降部分で１１１１１９するかどうかに依存する。

−または、ファイバの平坦な外面の垂直位置への反作用をレバルシブなモードで 実行するかどうか、すなわち同じ干渉現象から生じる電磁波の強さを前記強度の 正弦変調の１つの期間の上昇部分でｉ１陣するかどうかに依存する。

ｂ）導波管としての単一モードの光学ファイバの第２の可能性のある使用におい てこのファイバの６部において、前記ファイバの光の伝家の平均的な方向にほぼ 垂直な平面が実現される。つぎにこの平坦な面をこの平面と実質的な角度を作る 方向にしたがって検査する表面上に位置決めし、これによって結合モード波と、 その平坦な出力面との間によってそのファイバ内の反射モードとの間で生じる前 述した４１１造的な干渉現象を回避し、夕なくとも測定可能な干渉現象を回避す る（これは、結合モード波の強度を基本的に指数関数的な強度の滅ψに重ねた正 弦変調が、下方レベルで、ファイバの前記平坦な出力面の垂直位置’Ｒ１１１こ よってみることができない場合に、実現可能である６）Ｃ）導波管としての単一 モードの光学ファイバの可能な第３の使用は、ファイバの端部の平坦な面が前記 ファイバ内の光の平均の伝搬方向に関しである角度を形成することによって実現 される。この場合は、結合モード波とこの同じファイバのその平坦な出力面に反 射した波との間で構造的な干渉現象が生じないという点で上述したｂ）の場合と 同様である。

もちろんａ）乃至Ｃ）の３つの場合は、制限的なものではなく、本発明によって 使用する単一の光学ファイバの端部に他のＩｌ造体を使用することも考慮され得 る。

本発明の顕微鏡の他の特徴及び利点は、添付した図面に関する近領域反射顕微鏡 検査法の非制限的な例として与えられた好ましい実施例の次の説明からさらに明 らかになるであろう。

一図１は、本発明の好ましい実施例による！［機銃の該略図である。

−図２は、検査する表面に関して及び特に導波管内に反射する波の結合を示す本 発明に使用する導波管の端部の詳細図である。

−図３は、導波管に集中した強度と、検査すべき表面及び前記導波管の出力面の 間の距離との間の依存性を示す実験上の曲線に比較した理論上の曲線のグループ を示すグラフである。

一図４は、導波管として使用する光学ファイバの半径に依存する他の実施例に使 用する電磁波の貫通深さの実施例を示すグラフである。

図１を参照すると、本発明の好ましい実施例による近領域反射ｗ１微ｆＩＲ１は 、主−レーザーキャビティ、または適当な光学手段４によってコアイノ＜３に結 合された（例えば、狭いバンドを有する）発光ダイオードのような光諏２を有す る。

これらの手段４は、例えば、光学類１１ｔｌｌＥ用の高増幅タイプの単一の短焦 点レンズである。

−単に溶融／伸張加工によって実現され、光ファイバを有する光コアイノくカプ ラ５を有する。このカプラ５は、２つの入カドランスミッションチャンネル６及 び７及び２つの呂カドランスミッションチャンネル８及び９を有する。好ましく は光学ファイバ３は、カプラ５のチャンネル６を構成する。このように光Ｍ２に よって放射される電磁波の品質は、ファイバ／ファイバ干渉を避けて全体の通路 に亙って維持される。

−例えば光電子増幅器のような光子検出器がファイバカプラ５のチャンネル７に 結合されている。この検出器１０は、放射方向と反対の方向にカプラ５内を伝搬 する光を受けそれを測定する。

一従来の走査手段に関連する従来の非振動支持体１１があり、典型的なマイクロ メータの精度の走査手段は、チャンネル８で（この場合、チャンネル９は、使用 しないかまたは源２によって発生した波の強さの基′ｓｓ定を実行するために使 用する）カプラ５のチャンネル８または９の一方の端部１３で反射面１２を側方 に走査して検査することを可能にする。

−反射面１２に関するチャンネル８の端部１３による従来の垂直位置決め手段１ ４゜この垂直位置決め手段１４は、″良好”な側方変位、すなわち＠部１３の準 マイクロメータ的な変位のために使用する。それは、フィードバック装置１５に よって検出器１０が受けた信号を主に＄１１！ｌｌｌするマイクロプロセッサ１ ６に接続されている。この信号は、カプラ５に戻って伝搬する光の強さを表す。

位置決め手段１４は、　（特に［バイモフ（ｂｉｍｏｒｐｈｓ）Ｊの名称で知ら れているタイプの）適当な方法で配置されたピエゾ電子管または一組のピエゾ電 子クリスタルを含む。

このような状態においてｊｌｔ＊１の使用は、次のように要約される。光源２の 光は、カプラ５のチャンネル６を形成するファイバ３を通って前記カプラ５の結 合領域１７に伝搬し、そこで前記カプラ５を構成するファイバの結合／伸張を実 行する。例えば光の５Ｑ％の知られた部分を前記カプラ５の出カドランスミッシ ョンチャンネル８内を、前記チャンネル８の＠部１３まで伝搬させる。

図２によれば、チャンネル８は、光学ステップインデックスファイバ１８であり 、コア１８ａのリアルインデックスｎｏ及びｎｌ、クラツディングインデックス １８ｂ　を有する。このファイバ１８の端部１３は、光がファイバ１８内を伝搬 する方向にほぼ直角な平面］９として表されている。つぎに形状と構成が知られ ていない反射面１２に向けて光を放射し、光は端部１３の方向に反射して戻り、 その端部でファイバ１８の主伝搬モードに結合する。ここでそれはプレアンブル のａ）に説明した場合を考慮するために選択されており、すなわちその操作状態 は、結合モード波とファイバ１８内に平面１９で直接反射した波との間に構造的 な干渉現象が起こるようなものであるが、まずｊｌｌに適当なインデックスゲル または検査する表面に関して平面１９を傾斜させることによって（プレアンブル のケースｂ）容易に除去することのできるこの干渉現象を考慮することなく本発 明によるモード結合現象を説明する。

チャンネル８内に戻る光の伝搬は、反射面１２によって変調される。次にカプラ ５の結合領域１７を交差して通過し、この光の強さの一部分（例えば５０％）が 前記カプラ５のチャンネル７に入り、その場合検出器１０によって端部が検出さ れる。

図２に従ってファイバ１８及び反射面１２の間に位置する「近領域」内で放射さ れ反射される電磁波の構造を考慮するならば、使用する物理的な構造は、さらに よく理解されるであろう。

それは、適当な制限状態でマックスウェル公式の解決法によって示され、その制 限状態は、ファイバ１８内を伝搬する電磁波の電界の半径方向の成分を変化させ る。この半径方向の成分は、つぎのように表される。

公式（ｊ）　：　ｊＯ（ｕ　ｒ／ａ） ファイバ１８の半径のコ１１８ａの内側公式（ｉｉ）：　（ｊＯ（ｕ）／ＫＯ（ ｖ））　・　（ＫＯ（ｖｒ／ａ）半径ｒを有するファイバ１８のコアの外ｆｌｌ ｌ１８　ａ及びクラツディング１８ｂの内側、Ｕ及びＶは、電磁波（波ベクトル ）の伝搬係数、インデックス１８ａ及びクラツディング１８ｂの特定の公式係数 ａを変化する。係数ｊＯ及びｋＯは、０のオーダーの容器の係数である。

光は、ファイバ１８のステップインデックス（ｎｌ−ｎｏ）による開口数のファ イバ１８の端部で放射される０反射面１２によって反射した光は、前記平面１２ によって定められた平面に関してファイバ１８に対象な虚像ファイバ２０からく ると考えられる。図２において、虚像ファイバ２０からくる開口角度りを有する 反射光を示す、また平面１９の反射面１２からファイバ１８の端部１３の平面を 隔てる距離をｄによって示す。

これらの前提において、虚像ファイバ２ｏからくる反射電磁波の電界の半径方向 の成分を変化させ、この変化は、ファイバ１８からくる入射波の半径方向の変化 と同様に記載する。すべてが、虚像ファイバ２０がａ　／　ａ　ｌ　ｐ　ｈ　ａ に等しし、半径の間コアを有するかのように起こり、ａｌｐｈａは１反射波の伝 搬モードの空気中の発散を考慮した形状要素である。それ故、反射波の電界の半 径方向の成分の表現を見いだすために公式（ｉ）及び公式（Ｈ）をａ／ａｌｐｈ ａによって置き換えることが必要である。

検出器１０によって集中した強度は、空気内で反射する波の伝搬モードとファイ バ１８の主伝搬モードとの間の結合係数に比例し、結果としての結合波は、「結 合モード波」と称され、結合係数の値は１例えば２つのモードの回復整数を計算 することによって数学的に決定される。追加の前提をとることによって実現する ことについて非常に可能性を有する一定の開口数の場合は、湾曲グループが得ら れ１図３内に表し、これに言及する。図３は、検出器１０上に集中した結合モー ド波の強さと距ｉ１ｄとの間に存在する独立性を示す。

距Ｉ’ｄに依存するこの強さの非常に速い、基本的に指数的な減少に留意すべき である。

この特性は、所定の開口の近傍における非常に速い減少に比較可能であり、この 開口は従来の近領域に使用する波長よりホさい直径を有する。この場合、減少は 、３つの消失波の結合に依存するが、１つは開口による入射によって、第２は。

検査する表面の反射によって、ｊ１３にこれと同じ開口による反射によって作ら れる。

本発明の状態で使用するファイバの「近領域」は、］１！ミクロ的な開口の近領 域よりさらに広がることに留意すべきであり、特に距Ｉｉｄは、光源２が放出す る電磁波の波長より非常に大きい。

はぼ指数的な強度の迅速な減少の適眉は、　（回折によるＩｇ限がある）従来の 光学顕微鏡に関して少なくとも１つのスケール副室の改良した解像度を有する表 面の分光器検査及び地形検査の双方に関して同様である。従来の近領域原機銃と 本発明のＲ’ｌｔ鏡１との能力とを比較するために垂直方向及び側方の解像度を 比較する必要がある。

ａ）垂直方向解像度 指数的な減少を（すなわち伝達中の［機銃の場合に伝達される波の、または反射 中の！［機銃の場合の反射波の）「画定波」の強度を迅速な減少に同化すること は慣例であり、その減少は、検査する表面１２を（一方で準ミクロニックな開口 及び他方で光学ファイバ１８）で「測定波」をピックアップするために使用する 光学プローブの端部から分離する距離に依存する。指数的な減少の前提は、使用 する少なくとも一定の距離領域内で実験的にチェックする。「測定波」の強度を 以下に示す。

公式（ｉｉｉ）Ｉ＝ＩＯｅｘｐ　（−２ｄ／ｄｐ）通常ｄＰを「測定波」の貫通 深さと称する。それは垂直方向の解像度を特徴ずけ、使用するＮＯＲによって得 ることができる。

ａｌ）従来の近頒域顕＊＊において、この解像度は、数ナノメタ−から数百マイ クロメータまでの広いａ回内に存在することがわかっている。

ａ２）本発明のｇ＊鏡１の場合に図４に光学ファイバ１８のコア１８ａの半径ａ に依存するｆｆ１ｄｐの変化を示し、光学ファイバ１８はチャンネル８を構成し 、顕微［１用の光学プローブを使用している（光源２は、波長６３２ナノメータ の波長を放射するヘリウムネオンレーザであり、開口数は、一定であり、２．３ に等しい）。貫通深さｄｐは、光学ファイバ１８のコア１８ａの半径ａでかなり 滅ジする。この理論的な曲線は、実験的にそのいくつかの点において変化し、特 に半径ａのファイバ１８においてコアは２．５マイクロメートルに等しく、クラ ツディング直径ａは、１２５に等しい。このようなファイバ１８においてｄｐは 。

４０マイクロメータに近い値に等しい０図３において理論的な曲線のグループを 曲線Ｅと比較する。曲線Ｅは、前に説明した状態下で結合したモードの強さの実 験上の減少を表している。

ｄｐは、種々のパラメータに作用させることによってかなり減少する。

−光源２が放出する波の波長を減少させることによる。波長の制限は、弱い波長 を有する光源によって及び波長すなわち「カットオフ波長」によって与えられ。

カットオフ波長以下では電磁波は、ファイバ１８内で伝搬しない（シリシウムフ ァイバにおいて１８０ナノメータ）。

−例えば、前記ファイバ１８の端部１３を拡張することによって光学ファイバ１ ８のコア１８ａの半径ａを１４りさせる。それはコアの直径が５００ナノメータ を趨える限り間層なく行うことが可能であり、解像度は、コア１８ａの直径がが なり小さいときに主伝搬モードの「広がりＪによってそれを越えて低下する。

−ファイバ１８の形状特性を適当な方法で例えば各コア及びクラツディングのイ ンデックス２ｎＯ及びｎｌを変化することによって開口数を変える。

垂直方向の最良の解像度を測定することが可能であり、本発明の顕微鏡工によっ て１０ナノメータの近くまで達することができ、シリシウムファイバ１８の場合 にそのコアの直径は、５００ナノメータであり、２０５ナノメータに等しい波長 を有する測定型ＦＭ波は、カラーリングレーザによって放射され、非リニアクリ スタルによって周波数が倍化される。

この解像度は、それがすでに説明した干渉現象に対して知覚し得る状態にあるな らば、たとえ強度の減少がもはや正確に指数的ではなくなっても少なくとも１つ の測定計測によって改善することができ、この現象からくる強度の正弦曲線変調 は、非常に弱い値に遠することができる（空気中において、ヘリウムネオンレー ザの波長において発振の半分の期間は、約１５０ナノメータに等しく、それは、 非常に大きな正確性をもって強度を制御することができる）。

本発明にしたがってＷＩ徴鏡１を換作状態にする場合の単純性に留意すべきであ り、この解像度は、今日まで金属化することが困難だった表面の観察において最 良の解像度である。

ｂ）側方解像度 ｂｌ）従来の近領域の顕微鏡の側方の解像度は、数十ナノメータがら数ミリメー タの開で変化する領域内に位置している。それは、上述したように光学プローブ として使用するＭＯの寸法によって及び千ｍ現象によって決定され、干渉現象は 、観察する表面１２の金厘化壁ｌこよって構成されるキャビティと不伝導性の材 料によって形成される穴のモードの励起によって生じる。

ｂ２）本発明の！［ｌＩｔ［１の側方の解像度は、カプラ５のチャンネル８を形 成する光学ファイバ１８の＝ア１８ａの直径２ａより非常にｔＪｓさい、直径が ５マイクロメータに等しい場合に５００ナノメータよりよい側方解像度を有する １２マイクロメータのステップを有する工業回折格子を構成する反射面をａｍす る（さらにこのような解像度は、結合モード波の僅さを直接記録することを開発 することによって得られ、その場合に、同様の場合に測定によりノイズまたは各 コースエラーを引き出すねらいで行う次の数学処理を行わない）、測定波の波長 は、６３２ナノメータ（ヘリウムネオンレーザ）である。

それ故、従来の近領域某？Ｎ禦に対して側方の解像度は、光学プローブとして使 用するファイバ１８の；ア１８ａの直径２ａより非常に小さい（この直径は、従 来のＨ微麓における開口の直径と等価である）。

したがってこれらの結果に測定係数を適用し、同じ光源２及びその直径がｓＯ○ ナノメータのファイバ１８によって５０ナノメータより良好な側方解像度を得る ことができる。

好ましくない実験上の状態において先に述べた測定を行なったことに留意しなけ ればならない。その場合に、反射面１２に関してファイバ１８の端部１３の垂直 位置１４（図１）の従来の手段は、いかなるフィードバック（例えばフィードバ ック１５によって）にも送られることはない。しかし正確性が関与するときにこ のようなフィードバックから得られる利益のすべてによって、検出器１０が信号 の変化を記録することを可能にする。なぜならば、距離ｄは、反射しかつカプラ ５によって伝達される波の強度の高い滅ψ領域に対応した値に維持されるからで ある。

本発明の近領域Ｈ機銃１の他の実施例によれば、垂直方向解像度（及び側方解像 度）をさらに増大し得る。この実施例において、光学プローブとして光学ファイ バユ８を使用し、光学ファイバ１８には、端面１３に傾斜を与えるような化学エ ツチングを施す、この（ｌ！！による公知の方法で実現する）化学エツチングの 後に、前記ファイバ１８内の光の伝書方向にほぼ直角な平面１９を与えるように 光学ファイバ１８のＭｉ部を切断する。次に光学ファイバ１８の＠部１３が先端 部として現れ、光学ファイバ１８のコア１８ａを取り巻くクラツディング１８ｂ は、非常に薄くなる。このようにファイバｌａ内の伝搬モードは、非常に狭くし 得る。

光学ファイバ１８の端部１３で伝搬する波は、３つのメディアをｒ見るＪウ−光 学インデックスｎｏのコア１８ａ −光学インデックスｎ１のクラツディング１８ｂ−及び１に等しい光学インデッ クスを有するエア、エアは、このインデックスが０１及びＤＯより小さいという 事実により、光学ファイバ１８の伝搬モードの「幅」を減少させる。

上述した説明を通じて、主伝搬モードを除いて光学ファイバ１８内の伝搬モード を考慮しないことは明らかである。あるモードが伝搬しないこと（これはすべて のエネルギーが主モードで伝搬することを意味する）を公知の方法で容易に確認 できるからこの方法は、完全に正しい。特に、光学ファイバ１８のクラツディン グ１８ｂ及びコア１８ａは、「クラツディングモード」と称される寄生モードの 可能性のある伝搬の原因となる。光学ファイバ１８の「空洞化」と称される操作 は、そこからの伝搬を無くすことを可能とし、それを行うための十分な特別な技 術は、カプラ５の光学ファイバのチャンネル６及び７上に「インデックス液体ｊ （例えばそのインデックスがファイバクラツディングのインデックスに等しい液 体）を配置することである。

光学プローブとして主に光学ファイバ１８のような導波管を使用する近ｆＪ［Ｊ Ｉ！ｉ顕微Ｉｌｌは、従来の近領域顕微鏡が関連する不利益を容易に解決し、金 属化が困難な反射面１２の分光器による観察及び形状的なａ察を可能にする。分 光ΩのＩｌｌ察は、種々の技術によって実行され１種々の技術は、例えば波長を 引き出そうとする「分光器」パラメータに依存する結合モード波の強度の変調す ることを目的とする。この観察は、反射面１２の性質を支持し、例えばその形状 は、他のパラメータを変調することなく前記表面１２の１！１の走査から知られ ている。

本発明のｌ［微＊ｌは、電子トンネル効果（電子トンネルＩＪ［機銃からの技術 ）を使用した距離プローブと同様な距離プローブとして使用することができる。

この純粋な光学センサは、金属化を回避することを可能にする。この場合に電子 トンネル効果の場合の値より大きな値になるようにこの距離を制御し、それによ って他の利点特に一定の距離に維持すべき距離センサと表面との間の大きな接近 を防止する利益を生み出す、このような接近は、突然の変化または進路エラー（ 例えば傾斜）が前記プローブと前記表面１２が物理的に接触するようになるから １表面１２にとって危険である。この応用において、表面が均一であり、距離の 変化が結合モード波の強度変化の原因となることが推沼される。

種々の変形が本発明の観点を離れることなく上述した内容の形態で実現するよう に種々の変形が行われ得ることを考慮すると、上述した説明に含まれる詳細及び 添付図面に表した詳細のすべては、本発明の説明のために与えられ、それ故制限 的なものではないと理解すべきである。

特に、光学ファイバ以外の導波管すなわち非単−モードの光学ファイバを使用し 得る。また結合／拡張加工によって得られる光学ファイバカプラ以外の他の光学 カプラの使用を考慮することも可能である。

本発明の分野は、純粋な光学手段及びナノメータの解像度を有する走査１［′ｓ ＩＲの分野に関する０本発明は、所定の表面とこの表面上を移動する器具との間 の距離の光学的な制御のために使用され、特に、集積回路のマイクロリングラフ に使用するタイプの器具に適用する。

本発明は、例えばレーザによって放射された基本的にコヒーレントな電磁波を入 射する導波管のような光学プローブを使用する近ｉ域反Ｊｔ＊機銃に関し、その 場合に、ｍ＊する表面から一定の距離だけこの導波管の端部を履すようになって おり、前記導波管の主伝搬モードと、前記表面によって反射し、前記導波管によ って戻るように案内される波の電界の伝搬モードとの間の結合係数が前記端部が 前記表面に近づくにつれて基本的に指数関数的な増加を与えるようになっている ことを特徴とする。

本発明の分野は、特に純粋な光学手段及びナノメータ解像度を有する走査顕微鏡 の分野である。また本発明は、与えられた表面とこの表面上を移動する器具との 間の距離の光学的な制御に使用され、特に集積回路のマイクロリングラフに使用 するタイプの器具に使用される。

補正書の写しくＷ訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成４年２月２８日

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．導波管中に例えばレーザによって放射された基本的にコヒーレントな電磁波 を入射する、導波管内として光学プローブを使用する近領域走査反射顕微鏡検査 法において、調査する表面から一定の距離だけこの導波管の端部を離すようにな っており、前記導波管の主伝搬モードと、前記表面によって反射し、かつ前記導 波管によって戻るように案内される波の電界の伝搬モードとの間の結合係数が、 前記端部が前記表面に近づくにつれて基本的に指数関数的な増加を与えるように なっていることを特徴とする近領域走査反射顕微鏡検査法。
2. ２．光学プローブとして使用する導波管の端部の垂直方向の操作を行い、前記導 波管の実際の伝搬モードと前記反射波及び同じ導波管によって戻されるように案 内される波の電界の伝搬モードとの間の結合係数を一定に維持するようになって いることを特徴とする請求項１に記載の近領域捜査反射顕微鏡検査法。
3. ３．光字プローブとして使用する導波管の端部を、検査する表面上でほぼ一定の レベルで維持し，前記導波管の主伝搬モードと前記表面によって反射される波の 電界の伝搬モードとの間の結合係数の変化を測定することを特徴とする請求項１ に記載の近領域走査反射顕微鏡検査法。
4. ４．光学ファイバの端部におけるこの平面が、前記ファイバのコア内の光の平均 の伝搬方向にほぼ垂直であることによって実現されという事実によって、前記表 面によって反射され、かつ前記光学ファイバによって戻るように案内された波と 、前記平坦な出力面の同じファイバ内に反射した波との間で構造的な干渉現象が 起こるような状態状態において、この表面に直交する方向にしたがって、検査す る平面上に光学ファイバの平坦な出力面を位置決めする事実によって、最後にこ の干渉現象の結果の電磁波の強度を一定に維持するために前記平坦な面の垂直方 向の位置決めを行い、この強度は、一定のインターフリンジ正弦変調を生じると いう事実を有することを特徴とする導波管として単一モードの光学ファイバを使 用する請求項２に記載の近領域反射顕微鏡検査法。
5. ５．導波管として使用する光学ファイバの平坦な出力面の位置決めは、ファイバ の平坦面の垂直位置への反作用をアトラクティブなモードで実行する、すなわち 検査する表面で反射した波と前記平坦面で反射した波との間の干渉現象から生じ る電磁波の強さを、前記強度の正弦変調の１つの期間の下降部分で制御するよう に行うことを特徴とする請求項４に記数の近領域反射顕微鏡検査法。
6. ６．導波管として使用する光学ファイバの平坦な出力面の位置決めは、ファイバ の平坦面の垂直位置への反作用をレパルシブなモードで実行する、すなわち検査 する表面で反射した波と前記平坦面で反付した波との間の干渉現象から生じる電 磁波の強さを、前記強度の正弦変調の１つの期間の上昇部分で制御するように行 うことを特徴とする請求項４に記載の近領域反射顕微鏡検査法。
7. ７．光学ファイバの端部で前記ファイバ内での平均の光の伝搬方向にほぼ垂直な 平坦面を実現するという事実及び前記表面に関して実質的な角度を形成する所定 の方向にしたがって検査する表面上への前記平坦面の位置決めを、前記平坦な出 力面でファイバ内に反射した波と前記表面によって反射し、かつ光学ファイバに よって戻るように案内される波との間で測定可能な構造的な干渉現象が起こらな いような状態で行うことを特徴とする導波管として単一モードの光学ファイバを 使用する請求項２に記載の近領域反射顕微鏡検査法。
8. ８．光学ファイバの端部で前記ファイバ内での平均の光の伝搬方向に関して実質 的な角度を形成する平坦面を実現するという事実及び前記表面に関して実質的に 直角を形成する所定の方向にしたがって、検査する表面上への前記平坦面の位置 決めを、前記平坦な出力面でファイバ内に反射した波と前記表面で反射されかつ 光学ファイバによって戻るように案内される波との間で測定可能な構造的な干渉 現象が起こらないような状態で行うことを特徴とする導波管として単一モードの 光学ファイバを使用する請求項２に記載の近領域反射顕微鏡検査法。
9. ９．光学的なプローブは、導波管であり、この導波管中に例えばレーザによって 放射された基本的にコヒーレントな電磁波を入射するという事実、及び調査する 表面から一定の距離だけこの導波管の端部を離すようになっており、前記導波管 の主伝搬モードと前記表面によって反射し、前記導波管によって戻るように案内 される波の電界の伝搬モードとの間の結合係数が、前記端部が前記表面に近づく につれて指数関数的な増加を与えるようになっていることを特徴とするナノメー タ以下の正確性で前記プローブの垂直及び水平方向の変位を行う従来の手段を含 む光学プローブを使用する近領域反封鎖機鏡。
10. １０．光学プローブとして使用する導波管を、２つの入力トランスミッションチ ャンネル（６，７）及び２つの出力トランスミッションチャンネル（８，９）を 有する双方向光字カプラ（５）に接鏡する近領域反射顕微鏡であって、−例えば レーザによって基本的にコヒーレントな電磁波を発生する源（２）に接続されて いる第１の入力トランスミッションチャンネル（６）と、−第２の入力トランス ミッションチャンネル（７）であって、前記第２の入力トランスミッションチャ ンネル（７）の伝搬後に、反射した電磁波の強度の検出器（１０）に接続されて いる第２の入力トランスミッションチャンネル（７）と、−前記導波管に接続さ れている第１の出力トランスミッションチャンネル（８）と、 −使用しないかまたは源（２）が放射する波の強さの基準計測を行うために使用 する第２の出力トランスミッションチャンネル（９）とを有することを特徴とす る請求項９に記載の近領域顕微鏡。
11. １１．前記検出器（１０）は、フィードバック装置（１５）によって前記導波管 の端部の垂直方向の変位を行う従来の手段に接続されていることを特徴とする請 求項９に記載の近領域顕微鏡。
12. １２．光学プローブとして作用する導波管は、光学カプラ（５）の出力トランス ミッションチャンネル（８）として使用する光学ファイバ（１８）からなること を特徴とする請求項９乃至１１項のいずれかに記載の近領域顕微鏡。
13. １３．導波管として作用する光字ファイバ（１８）の端部（１３）は、前記ファ イバ（１８）内の光の伝搬の平均の方向にほぼ垂直な平面（１９）の形態である ことを特徴とする請求項１２に記載の近領域顕微鏡。
14. １４．導波管として作用する光学ファイバ（１８）は、その端部（１８）がコア （１８ａ）を呈するように拡張され、その直径は、使用する所定の状態下でファ イバ（１８）内で電磁波の最も「狭い」主伝搬モードに相応し、前記所定の状態 は、主に源（２）が放射ずる電磁波の波長、カプラ（５）のトランスミッション チャンネル（６、７、８、９）を形成する光学ファイバの性質及び導波管として 作用する光学ファイバ（１８）の開口数にそれぞれ依存することを特徴とする請 求項１２または１３項のいずれかにに記載の近領域顕微鏡。
15. １５．導波管として作用する光学ファイバ（１８）のクラッディング（１８ｂ） は、前記ファイバ（１８）の端部（１３）で薄く、先端部として表れ、このファ イバ（１８）の外面（１９）は、さらに前記ファイバ（１８）内の光の伝搬の方 向にほぼ垂直であることを特徴とする請求項１２から１４項に記載の近領域顕徴 鏡。１６．導波管として作用する光学ファイバ（１８）の端部（１３）は、記記 ファイバ（１８）内で光の伝搬の平均の方向に実質的な角度を形成する面（１９ ）として表れることを特徴とする請求項１２に記載の近領域顕微鏡。