JPH08248043A

JPH08248043A - 走査型近接場光学顕微鏡

Info

Publication number: JPH08248043A
Application number: JP7047506A
Authority: JP
Inventors: Hisao Osawa; 日佐雄大澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-03-07
Filing date: 1995-03-07
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】微弱光であっても、画像のコントラストを向
上させることができる走査型近接場光学顕微鏡を提供す
る。【構成】ステージ１０２の移動走査に伴って、光源２
０５および開口２０７を被測定物３に対し、被測定物３
の表面に平行な面内（水平面内）で振動させる。反射光
は、プローブ２１３により取り込まれ、光ガイド２１２
で光電変換器２１１に導かれ、検出信号２２５に変換さ
れる。励振信号３２３を参照信号として、この検出信号
２２５をロックイン増幅器３３０で同期検出して、被測
定物３表面での反射光の強度変化の振動と同期した成分
を出力信号３３４として取り出す。出力信号３３４は、
ステージ１０２の走査位置信号１１５を被測定物３表面
上での位置として、表示装置等の表示画面上に表示され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型近接場光学顕微
鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、生物学、半導体デバイス開発、表
面分析など広い分野において、非接触、非破壊の高分解
能顕微鏡の重要性が高まっている。従来使用されてきた
光学顕微鏡は、非接触、非破壊という面では優れた特性
を持っていた。しかし、結像光学系を用いるという原理
上、回折限界による分解能の制限のため、使用範囲が限
られてきた。

【０００３】これらの問題を解決すべく、走査型電子顕
微鏡、透過電子顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡、走査型
近接場光学顕微鏡（光学近接場走査型顕微鏡、フォトン
走査型トンネル顕微鏡等とも呼ばれる）等が開発され
た。しかし、試料表面の光学的な性質を高い分解能で得
ようとした場合には、これらの顕微鏡の中で、走査型近
接場光学顕微鏡が唯一の手段である。

【０００４】この種の走査型近接場光学顕微鏡として
は、特開昭５９−１２１３１０号公報等が知られてい
る。この走査型近接場光学顕微鏡の基本原理は、被測定
物を照射すべく光源から放射された照明光の波長より小
さい開口によって被測定物の表面を走査し、表面形状、
表面の光学的性質等を測定するものである。開口を被測
定物から開口径よりも短い距離において走査することか
ら、走査型近接場光学顕微鏡と呼ばれている。

【０００５】波動の理論からすれば、通常の光学顕微鏡
の分解能は、λ／２程度で制約されるため、可視光領域
では２００〜３００ｎｍが限度とされている。しかし、
上述したような、波長より小さい微小な開口に光を導く
と、通常の光の様に自由空間を広がることはできない
が、開口付近にしみだす光電場が存在する。この光電場
は消滅波（エバネセント波）と呼ばれるもので、これで
測定表面を照射することで、高分解能な光学的測定を可
能にしている。

【０００６】図２は、このような走査型近接場光学顕微
鏡の従来例（上記特開昭５９−１２１３１０号公報）を
示すものである。これを概略説明する。１は基台で、こ
の基台１は図示しない除振装置によって外部振動を受け
ない構造とされる。基台１上にステージ２が配設されて
いる。このステージ２は、図示しない駆動装置によって
Ｘ，Ｙ方向にそれぞれ独立に移動制御されるように構成
される。ステージ２の上面には、被測定物３が配置され
る。前記基台１上に設置された支柱４に、垂直調整装置
６を有する先端アーム部４Ａが取り付けられる。この垂
直調整装置６を介して光源５が先端アーム部４Ａに取り
付けられる。この光源５の先端に、開口７が設けられ
る。開口７近傍に、被測定物３から反射される反射光を
取り込むためのプローブ１３が設けられる。プローブ１
３で取り込まれた反射光は、光ガイド１０を介して光電
検出器１１に送られる。ここで、開口７は、検査される
物体を照射するのに用いられる光の波長に比較して小さ
な直径をもつものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的に、
走査型近接場光学顕微鏡では、受光できる光強度が非常
に弱い。そのため、得られる画像のコントラストが従来
の光学顕微鏡に比べて低いという問題がある。

【０００８】本発明は、上述したような従来の問題点に
鑑みてなされたもので、その目的とするところは、微弱
な光強度であっても画像のコントラストを向上させ、測
定精度を上げることを可能にした走査型近接場光学顕微
鏡を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、被測定物の表面を三次元的に走査して、被
測定物から放射される光を検出し、この検出した信号と
走査位置とに基づいて被測定物表面の光学的性質を画像
化する走査型近接場光学顕微鏡において、照明光を放射
する光源と、この光源から放射される照明光の波長より
小さい直径を有し、検査すべき被測定物の表面に近接さ
れる開口と、前記照明光の照射に基づいて被測定物から
放射される光を受光して電気信号に変換して検出信号を
出力する光検出器と、前記開口を前記被測定物の表面に
対し相対的に走査するための三次元走査機構と、前記開
口を前記被測定物の被測定表面に平行な面内で振動させ
るための加振機構と、前記光検出器からの検出信号のう
ち、前記振動と同一の周波数成分からなる同期信号成分
を取り出して、出力する信号処理装置とを備えることを
特徴とする走査型近接場光学顕微鏡が提供される。

【００１０】光検出器は、前記測定物により光学的作用
を受けて放射される前記照明光を受光するもので構成す
ることができる。この場合、光学的作用は、透過、反射
および散乱のうち少なくとも１の作用であることができ
る。

【００１１】また、光検出器は、照明光に照射された前
記測定物の発光による放射光を受光するものとすること
ができる。

【００１２】加振機構は、開口を振動させるための振動
子と、振動子を励振するための励振信号を出力するオシ
レータとを有する構成とすることができる。オシレータ
は、例えば、周波数可変のものを用いることができる。

【００１３】信号処理装置は、ロックイン増幅器で構成
されることができる。ロックイン増幅器は、例えば、前
記光検出器からの検出信号とオシレータから出力れる励
振信号との積を求める乗算器と、両者の積から振動成分
を除去する低域通過フィルタとを有することができる。

【００１４】

【作用】本発明では、加振機構により開口を試料表面に
平行な面内で振動させて、照明光の試料照射位置を振動
させている。それに伴って、光検出器で検出された検出
信号にも、試料表面に平行な面内で振動する成分と同一
の周波数成分を含むことになる。信号処理装置は、検出
信号から、開口の振動と同一の周波数成分を取り出す。
この成分と、三次元走査機構から得られる走査位置信号
とを用いて、被測定物表面の光学的性質について画像化
が行なえる。

【００１５】ところで、本発明の走査型近接場光学顕微
鏡では、上述したように、観測したい光が微弱であるの
で、画像コントラスト増強を目的としてＸ方向またはＹ
方向の微分画像を得る。このため、本発明では、開口を
資料面と平行な面内で振動させる。この振動によって、
この振動によって試料表面上での観測点が振動してい
る。その結果、観測しようとしている物理量、例えば、
透過光を検出していれば局所的な透過率、また、反射光
を検出していれば局所的な反射率そのものが変化する。

【００１６】ここで、開口を位置Ｘ_cを中心として振幅
Ｘ_o、周波数ｆで振動させるとすると、このとき、検出
器から出力される検出信号Ｓ_inは、形式的に、

【００１７】

【数１】

【００１８】と書けるはずである。なお、ノイズ、バッ
クグランド等は、最終的には消えてしまうので省略して
ある。すなわち、ノイズは、不規則なもので、自己相関
性がないので、このような不規則な雑音の平均値は観測
する周波数帯域の平方根に比例する。そこで、観測する
周波数帯域を狭くしてやれば、相対的にノイズ成分は、
小さくなり、除去される。

【００１９】上記を、Ｘ_oが小さいとして、Ｘ_cのまわり
で展開すると、

【００２０】

【数２】

【００２１】これに、ｓｉｎ（ωｔ＋φ）を乗じて、カ
ットオフ周波数ｆ_c以上の周波数成分を無視して、その
出力を計算する。

【００２２】ここで、２次以上が無視できるとして、さ
らに正弦波を乗じると、次式が得られる。

【００２３】

【数３】

【００２４】カットオフ周波数ｆ_cの低域透過フィルタ
ーを通すと、カットオフ周波数ｆ_cがωに比べて充分低
いならば、出力信号Ｓ_outのうち振動項は減衰してしま
い、次式が得られる。

【００２５】

【数４】

【００２６】従って、高さＸ_cにおける信号強度（すな
わち、透過率分布あるいは反射率分布）の微分値が得ら
れる。

【００２７】このように、信号処理装置は、検出信号か
ら、開口に加えられた振動と同一の周波数成分のみ取り
だすことで、微弱光についての微分値が得られる。従っ
て、画像のコントラストを向上させることができる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００２９】図１は本発明に係る走査型近接場光学顕微
鏡の一実施例を示す概略構成図である。図１に示す顕微
鏡は、基台１と、被測定物３を支持すると共に、被測定
物３の表面を三次元的に走査するための三次元走査機構
１００と、被測定物３の表面の光学的状態を検出するた
めの検出系２００と、検出系２００で検出する信号の処
理を行なう信号処理系３００と、信号処理系３００で得
られた検出信号と三次元走査機構１００から得られる走
査位置信号とに基づいて被測定物表面の光学的性質を画
像化する画像生成装置４００とを備える。

【００３０】検出系２００は、照明光を放射する光源２
０５と、この光源２０５から放射される照明光を被測定
物上に放射させる開口７と、前記照明光の照射に基づい
て被測定物３から放射される光を受光して電気信号に変
換して検出信号２２５を出力する光検出器２１０とを有
する。

【００３１】開口２０７は、光源２０５から放射される
波長より小さい直径を有する。この開口２０７は、検査
すべき被測定物３の表面に近接される。すなわち、開口
２０７から、エバネッセント波が放射される。

【００３２】光検出器２１０は、その先端が開口２０７
近傍に位置して、被測定物３から反射される反射光を取
り込むための集光光学系で構成されるプローブ２１３
と、プローブ２１３で取り込まれた反射光を伝搬するた
めの光ガイド２１２と、プローブ２１３で取り込まれて
光ガイド２１２を介して入射された反射光を電気信号に
変換して検出信号２２５を出力する光電変換器２１１と
を有する。光電変換器２１１は、光ガイド２１２を介し
て導かれる検出光を電気信号に変換する光電変換素子を
有する。光電変換素子としては、例えば、半導体光電変
換素子、光電子増倍管などが用いられる。

【００３３】基台１は、図示しない除振装置によって外
部振動を受けない構造とされる。この基台１上に、三次
元走査機構１００が置かれる。

【００３４】三次元走査機構１００は、基台１上に配置
され、被測定物３を支持するステージ１０２と、基台１
上に設置された支柱１０４と、この支柱１０４の先端に
設けられる先端アーム部１０３と、先端アーム部１０３
に取り付けられて、光源２０５を支持する垂直調整装置
１０６と、ステージ１０２および垂直調整装置１０６の
駆動を制御すると共に、開口２０７の走査位置を示す信
号（走査位置信号１１５）を出力する三次元走査制御装
置１０１とを有する。

【００３５】ステージ１０２は、基台１上に、Ｘ，Ｙ方
向に移動自在に配置されると共に、図示しない駆動装置
が連結されて、この駆動装置によってＸ，Ｙ方向にそれ
ぞれ独立に移動できるように構成される。この図示しな
い駆動装置は、三次元走査制御装置１０１によってその
動作が制御される。ステージ１０２の上面に被測定物３
が配置される。三次元走査制御装置１０１は、被測定物
表面を予め定めた走査範囲内で、ステージ１０２をＸ，
Ｙ方向に移動させるように図示しない駆動装置を制御す
る。また、Ｚ軸方向の変位、すなわち、被測定物の厚さ
方向の変位については、垂直調整装置１０６を制御す
る。

【００３６】垂直調整装置１０６は、図示しない駆動装
置を有し、光源２０５を上下動させるものである。この
図示しない駆動装置は、三次元走査制御装置１０１によ
ってその動作が制御される。

【００３７】信号処理系３００は、前記開口２０７を前
記被測定物３の被測定表面に平行な面内で振動させるた
めの振動子３２２と、振動子３２２を励振するための励
振信号３２３を出力するオシレータ３２０と、オシレー
タ３２０から出力される励振信号３２３を増幅した励振
電流３２４で振動子３２２を励振する、増幅率可変の可
変増幅器３２１と、光電変換器２１１から出力される検
出信号２２５から、オシレータ３２０から出力される励
振信号３２３の周波数を同じ成分を取り出すロックイン
増幅器３３０とを有する。ここで、オシレータ３２０
と、可変増幅器３２１と、振動子３２２とで、開口２０
７を振動させるための加振機構を構成する。

【００３８】なお、オシレータ３２０は、本実施例で
は、周波数可変のものを用いているが、周波数固定であ
ってもよい。また、本実施例では、オシレータ３２０か
らの励振信号３２３を可変増幅器３２１で増幅している
が、増幅率が固定の増幅器であってもよい。オシレータ
３２０を周波数可変のものとすることにより、振動子３
２２の振動周波数を変えることができる。また、可変増
幅器３２１を用いることにより、振動子３２２の振動の
振幅を変えることができる。

【００３９】ロックイン増幅器３３０は、例えば、図３
に示すように、光検出器２１０からの検出信号２２５と
オシレータ３２０からの励振信号３２３との乗算を行な
う乗算器３３１と、検出信号２２５と励振信号３２３と
の位相との間の位相差を調節するためのフェイズシフタ
３３２と、乗算器３３３１で乗算された結果である積の
信号の低域成分を通過させる、カットオフ周波数ｆ_cの
低域通過フィルタ（ＬＰＦ）３３３とを有する。このロ
ックイン増幅器３３０の動作原理については、上記した
作用の欄で既に述べているので、ここでは説明を繰り返
さない。

【００４０】画像生成装置４００は、例えば、ワークス
テーション等が用いられ、ＣＰＵ、メモリ、表示装置等
で構成される。この画像生成装置４００では、ロックイ
ン増幅器３３０の出力信号３３４と、前記三次元走査制
御装置１０１から出力される走査位置信号１１５とに基
づいて、被測定物表面の光学的性質を、画像化して表示
する。

【００４１】次に、このように構成される本発明の実施
例の動作について説明する。

【００４２】本実施例では、まず、三次元走査制御装置
１０１により、被測定物３の表面を予め定めた走査範囲
内で、開口２０７がラスタスキャンするように、ステー
ジ１０２をＸ，Ｙ方向に移動させるため、図示しない駆
動装置を制御する。この場合、Ｚ軸方向、すなわち、被
測定物の厚さ方向は、予め一定の位置に固定しておく。
なお、光検出器２１０の出力が一定となるように、垂直
調整装置１０６を制御するようにしてもよい。

【００４３】ステージ１０２の移動走査に伴って、光源
２０５を点灯すると共に、振動子３２２によって、光源
２０５および開口２０７を被測定物３に対し、被測定物
３の表面に平行な面内（水平面内）で振動させる。この
時、振動子３２２の駆動は、オシレータ３２０から出力
され励振信号３２３を、可変増幅器３２１で増幅して得
られる励振電流３２４により行われる。これにり、光源
２０５からの光が開口２０７を通して放射され、被測定
物３の表面の一部が、当該面内で振動する放射で照明さ
れる。この結果、反射光には、この振動と同一の周波数
成分を含んだ強度変化が現れる。

【００４４】反射光は、プローブ２１３により取り込ま
れ、光ガイド２１２で光電変換器２１１に導かれる。そ
して、光電変換器２１１により電気信号である検出信号
２２５に変換される。このため、検出信号２２５は、振
動子３２２の振動、すなわち、励振信号３２３と同一の
周波数成分を含む。

【００４５】次に、励振信号３２３を参照信号として、
この検出信号２２５をロックイン増幅器３３０で同期検
出することにより、被測定物３表面での反射光の強度変
化の振動と同期した成分を出力信号３３４として取り出
すことができる。ところで、これは取りも直さず、被測
定物３表面に存在する光学的性質の水平方向についての
微分値であるから、高いコントラストを持つ。このロッ
クイン増幅器３３０の出力信号３３４は、ステージ１０
２の走査位置信号１１５を被測定物３表面上での位置と
して、図示しない表示装置等の表示画面上に表示され
る。

【００４６】このようにして、図４（ａ）に示す光学的
反射率分布をもつ被測定物３上で開口２０７を走査し、
光強度を検出すると、図４（ｂ）のようになる。ここ
で、開口２０７を水平に振動させ、検出信号２２５の微
分値を測定すると、図４（ｃ）のように、被測定物３の
反射率が一定の所、すなわち、図４（ａ）中の水平な所
では、微分信号は０であり、反射率が変化している所で
大きく正負両側に振れる。つまり、反射率が一定の部分
に対しては、たとえ信号強度に高いオフセットがのって
いたとしても、この部分の微分信号強度は０になるた
め、高いオフセットを除去することができる。また、微
分信号の高さは、図４（ｂ）のスロープ部の傾きに比例
する。従って、被測定物３の光学的性質が変化する所
で、その変化量ではなく、変化の急峻さに比例して大き
な信号が得られることになる。

【００４７】このため、光強度の信号の空間微分を検出
し、これをもって画像化することによって高い画像コン
トラストを得ることができる。

【００４８】本実施例では、被測定物３の光学的性質を
持つ信号の微分値を求めるために、被測定物３の表面に
平行（水平）な方向に開口２０７を振動させ、この振動
を駆動する励振信号３２３を参照信号として、ロックイ
ン増幅器３３０で同期検出することを行なっている。こ
のとき、ロックイン増幅器３３０から出力される信号３
３４が微分信号となる。

【００４９】本発明による被測定物の測定の具体例につ
いて、図５を参照して説明する。図５には、被測定物と
して、間隔２００ｎｍ、反射率９０％−９１％のグレー
ティングを示す。このグレーティングについて、画像測
定走査範囲を２μｍ×２μｍとし、使用波長６３３ｎ
ｍ、開口２０７の開口径１００ｎｍ、振動子３２２の励
振信号３２３の周波数９００Ｈｚおよび振幅１００ｎｍ
として、測定を行なうと、観測点数が、２５６×２５６
点（観測点間距離：８ｎｍ）の画像データが得られた。

【００５０】以上に本発明の一実施例を示したが、本発
明は、これに限定されない。例えば、次に述べるような
変形が可能である。

【００５１】上記実施例では、例として、反射光を検出
し、反射率分布画像を得る場合を示した。しかし、透過
率分布画像や、この他の光学的性質分布画像を得る場合
も同様である。

【００５２】また、上記実施例では、被測定物３をステ
ージ１０２によって開口２０７に対して走査する構成と
したが、これに限定されない。この走査は相対的なもの
であるから、開口２０７に粗微調整装置を取り付けて走
査してもよい。

【００５３】さらに、上記実施例では、光源２０５を支
柱１０４に固定し、被測定物３に対し相対的に走査すべ
き開口２０７との間を光ファイバー等を用いて光学的に
接続してもよい。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光検出器からの検出信号のうち、開口の振動と同一の周
波数成分のみからなる同期信号成分を取り出し、この信
号と走査制御信号とから被測定物表面を画像化すること
により、画像のコントラストを向上させることができ
る。したがって、より高い測定精度を得ることもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による反射型走査型近接場光
学顕微鏡の構成を示す説明図。

【図２】従来の反射型走査型近接場光学顕微鏡の構成を
示す説明図。

【図３】本発明の実施例で用いられるロックイン増幅器
の構成の一例を示すブロック図。

【図４】被測定物の反射率分布と信号の微分の関係を示
すグラフ。

【図５】測定の具体例である被測定物の構造を模式的に
示す斜視図。

【符号の説明】

１基台３被測定物１００三次元走査機構１０１三次元走査制御装置１０２ステージ１０６垂直調整装置２００検出系２０５光源２０７開口２１０光検出器２１１光電変換器２１２光ガイド２１３プローブ３００信号処理系３２０オシレータ３２１可変増幅器３２２振動子３３０ロックイン増幅器４００画像生成装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物の表面を三次元的に走査して、被
測定物から放射される光を検出し、この検出した信号と走査位置とに基づいて被測定物表面
の光学的性質を画像化する走査型近接場光学顕微鏡にお
いて、照明光を放射する光源と、この光源から放射される照明光の波長より小さい直径を
有し、検査すべき被測定物の表面に近接される開口と、前記照明光の照射に基づいて被測定物から放射される光
を受光して電気信号に変換して検出信号を出力する光検
出器と、前記開口を前記被測定物の表面に対し相対的に走査する
ための三次元走査機構と、前記開口を前記被測定物の被測定表面に平行な面内で振
動させるための加振機構と、前記光検出器からの検出信号のうち、前記振動と同一の
周波数成分からなる同期信号成分を取り出して、出力す
る信号処理装置とを備えることを特徴とする走査型近接
場光学顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、光検出器は、前記測定
物により光学的作用を受けて放射される前記照明光を受
光するものであり、光学的作用は、透過、反射および散乱のうち少なくとも
１の作用である走査型近接場光学顕微鏡。
【請求項３】請求項１において、光検出器は、照明光に
照射された前記測定物の発光による放射光を受光するも
のである走査型近接場光学顕微鏡。
【請求項４】請求項１において、加振機構は、開口を振
動させるための振動子と、振動子を励振するための励振
信号を出力するオシレータとを有する走査型近接場光学
顕微鏡。
【請求項５】請求項４において、オシレータは、周波数
可変である走査型近接場光学顕微鏡。
【請求項６】請求項４において、信号処理装置は、ロッ
クイン増幅器で構成される走査型近接場光学顕微鏡。
【請求項７】請求項６において、ロックイン増幅器は、
前記光検出器からの検出信号とオシレータから出力れる
励振信号との積を求める乗算器と、両者の積から振動成
分を除去する低域通過フィルタとを有する走査型近接場
光学顕微鏡。