JPH09138239A - ワークピースの存在を検出する方法 - Google Patents

ワークピースの存在を検出する方法

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JPH09138239A
JPH09138239A JP8192310A JP19231096A JPH09138239A JP H09138239 A JPH09138239 A JP H09138239A JP 8192310 A JP8192310 A JP 8192310A JP 19231096 A JP19231096 A JP 19231096A JP H09138239 A JPH09138239 A JP H09138239A
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フレデリック・ゼンハウサーン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワークピースの検出および/または結像方法
を提供すること。 【解決手段】 検出においては、本方法は、ワークピー
ス18の特性を表す電磁波パケットをサンプリングし、
プローブ・チップ22とワークピース18との間の、多
極子相互作用のカップリングによって引き出される、エ
ンコードされた波情報を得るステップと、波の位相と振
幅の情報の少なくとも1つを識別することによって、前
記電磁波のパケットをデコードするステップと、前記デ
コード情報を、前記ワークピース18の存在を検出する
ための手段として使用するステップとを有する。結像に
おいては、本方法は、ワークピースを表す像を現像する
ために、走査運転に前記ステップを組入れることを含
む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ワークピースの存
在を結像し、検出するための新規な方法に関し、好まし
くは、干渉ニア・フィールド顕微鏡によって実現できる
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】我々は、ワークピースの存在を検出し、
さらに結像操作を行うのに適した方法を研究してきた。
【0003】“ワークピース”という語句は、好ましく
は、有機化合物,導体,半導体,絶縁体,強磁性体,常
磁性体,反磁性体,或はそれらの合成物として、様々に
特徴付けられる材料を意味する。
【0004】“ワークピースの存在を検出する”という
語句によって、とりわけ、入射電磁界の波パケットによ
って識別される際、ワークピースの少なくとも一部の再
放射を測定することによって、ワークピースの形状,或
は像を有する、ワークピースの現象理論的存在を決定す
る方法を表現する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ワー
クピースの存在を検出し、さらに結像操作を行うのに適
した方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】最近の10年間は、主と
して光学機器,装置,コントラスト強化技術の改良によ
って、現在の結像技術の関連応用が見られるようになっ
た。例えば、非常に高い空間的分解能によって、ワーク
ピースの表面を横断してプローブを走査する能力、さら
に、例えば、それらの相互作用の量子力学を利用する能
力は、新しい電子顕微鏡,磁気顕微鏡,,および光学顕
微鏡を提供してきた。特に、走査型プローブ顕微鏡は、
その非破壊的な性質,および液体中での使用可能性によ
り、材料科学,化学,および生物学的な表面応用に益々
適用されている。走査型プローブ顕微鏡の典型的な例
は、走査型トンネル顕微鏡(STM)と,原子力間顕微
鏡(AFM)と,全ての派生装置、例えば、磁力顕微鏡
(MFM),或は熱プローブ顕微鏡とを含んでいる。
【0007】さらに最近は、ナノメータ寸法の光学系が
進歩しており、特に、走査型ニア・フィールド光学顕微
鏡(NSOM)を重要視することが多くなっている。典
型的には、インターフェースの近傍のローカル・プロー
ブの影響は、電磁界の分布の変動を生じさせる。プロー
ブとワークピースとの間の光学的相互作用のファー・フ
ィールド検出に基づいた、放射効果を利用する、これら
のニア・フィールド・センシング技術には種々の構成
(反射および透過モード)がある。
【0008】様々なNSOM光学センサ,球形粒子,先
の尖ったチップを、入射放射,例えば、エバネッセント
波を摂動するのに使用できる。プローブ・センサは、フ
ァー・フィールドで検出できる、電磁界分布を形成する
ことができ、この電磁界分布は、プローブ源の周囲のニ
ア・フィールド領域の情報およびその光学的特性の特徴
を伝達する。多くの実験的なNSOM設定においては、
光学的走査センサは、局部的な励起電界分布が、ワーク
ピースの横断照射用に発生できる、小さい開口を有して
いる(米国特許第4,917,462号明細書および第
5,272,330号明細書の中で、NSOMプローブ
として、開口を基にした装置が記載されている)。その
結果、弱光源(例えば、低効率であり、80nmの開口
に対して、約50nW以下の光パワー)として働く開口
と、ワークピースとの間の相互作用による、ニア・フィ
ールド歪みが、本発明で説明するように電界を直接測定
する代わりに、光子計数デバイスを使用して、放射の強
度(すなわち、電界の2乗)のみを測定することによっ
て、ファー・フィールド内で同様に検出される。
【0009】我々の研究は、特定の環境において、ワー
クピースの超高感度の検出に適した方法および装置の意
味および重要性を認識することである。特に、ワークピ
ースの存在を特徴づけるために、古典的な分析技術を確
立し、拡大した仮定,或は要件に挑戦し、これらを質的
に拡大して再定義する。これらの技術の幾つかは、粒子
を個々に識別できるが、特定の環境(すなわち、サンプ
ル,或は閉鎖容量)においては、全てのワークピースを
検出することはできない。単一のマイクロ,または相当
のナノ粒子の検出に,或は単一分子の塊の検出の達成
に、新規な方法の可能性に対する要望が増加している。
【0010】本発明は、少なくともλ/500,さらに
原子レベルまでの、空間分解能のかなりの拡大を与える
ことができ、これにより、例えば、単一粒子,或は単一
分子レベルまでの、さらに高感度の検出限界への能力を
与える。高い空間的分解能を有することに加え、振幅お
よび/または位相の検出による、プローブとワークピー
スとの間の多極子カップリングのセンシングに基づい
た、本発明の干渉的検出/サンプリング方法は、単一粒
子(すなわち、ワークピース)の存在の検出,或は原子
レベルまでの寸法の測定を可能にする。
【0011】本発明では、入射電界、例えばエバネッセ
ント,或は伝搬電磁界または定在電磁界によって外的に
励振される、プローブの双極子とワークピースの双極子
との間の電磁放射の相互作用を、反射波成分と参照波成
分との間の、振幅および/または位相の相違を干渉的に
測定することによって検出できる方法を説明する。双極
子・双極子のカップリング・メカニズムは、コントラス
ト発生の主な要因であり、散乱された光学パワーのニア
・フィールドの干渉的検出が、通常の走査型ニア・フィ
ールド光学顕微鏡(NSOM)における(ka)6 より
も、むしろ(ka)3 の信号依存度によって、最大のS
/N比と分解能を達成することができる。
【0012】本発明の開示の次の理論的部分は、感度が
閉鎖容積におけるワークピースの少なくとも単一分子の
検出に到達できるか、さらに、結像が原子的空間レベル
にまで入手できるか、ということを示すものである。プ
ローブの容積は原子的寸法を有することができるので、
本方法を実現する以前にはできなかった、特定の情報お
よび/または像を与えることができる、ということが明
らかとなる。
【0013】次に、ワークピースの検出/結像に適した
新規な方法を開示する。本方法は、以下のステップを含
む。
【0014】1)ワークピースの特性を表示する、電磁
波のパケットをサンプリングし、プローブ・チップとワ
ークピースとの間の、多極子相互作用のカップリングに
よって引き出される、エンコードされた波情報を得るス
テップと、 2)波の位相と振幅の情報の少なくとも1つを識別する
ことによって、前記電磁波のパケットをデコードするス
テップと、 3)前記デコード情報を、前記ワークピースの存在を検
出するための手段として使用するステップとを有する方
法。
【0015】本発明の新規な方法は、ワークピースの像
表示を現像するために、ステップ(1)と(2)で入手
されるデータから、ワークピース表面のマップをアセン
ブリすることを含む。
【0016】上述した新規な方法は、重要な有利性を実
現できる。その能力は、回析限界以下の分解能、典型的
には原子的分解能に近い分解能において、ワークピース
の単一分子の検出,および3次元結像を可能にする。
【0017】以下に開示する、新規な方法の好適な実現
と、超分解能,例えば、1ナノメートルの分解能を与え
る、干渉ニア・フィールド装置のフィーチャ利用とによ
って、ワークピースの分解能を原子レベルにまで近付け
ることを可能にする。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明の新規な方法を実現する際
に、好適に使用する、干渉ニア・フィールド装置を、最
初に開示することによって、詳細な説明を展開する。こ
のため、透過モードで動作する、一般化した装置の概略
図を示す図1に注目する。
【0019】図1の装置10は、好ましくは、例えば紫
外線(UV)から赤外線(IR)までの光スペクトル中
に、入射電界Ei を好適に発生する、電磁放射源12を
有する。電界Ei は、通常の干渉計14を通過して、好
ましくは開口すなわち対物レンズから成る、集束エレメ
ント16に向かう。干渉計14は、例えば、マイケルソ
ン,ファブリー・ペロー,或はトワイマン・グリーン装
置により構成できる。次に、励振電界Ei は、透過基板
20に保持されるワークピース18上に集束される。
(反射モードである、図2に示す他の実施例において
は、励振電界Ei は、ワークピース18上に直接集束さ
れることに注意すべきである。)
【0020】図1はまた、プローブ・チップ・センサ2
2を示している。このセンサは、プローブ・チップ22
と、ワークピース18の表面の少なくとも一部分との間
の距離が、電磁放射源12の放射波長,或はその倍数よ
りも小さくなるように、ワークピース18に対して好適
に配置される。
【0021】適切なプローブは、鋭く尖った金属チッ
プ,或は被覆されていないシリコンおよび/または窒化
シリコンのチップ,すなわち導体層或は分子系で被覆さ
れたチップで構成することができる。プローブは、好ま
しくは高屈折率の材料から成る。ニア・フィールド・プ
ローブの能力は、例えば走査型トンネル顕微鏡(ST
M),原子間力顕微鏡(AFM),開口或は無開口のニ
ア・フィールド光学顕微鏡,ニア・フィールド音響顕微
鏡,熱顕微鏡,或は磁力顕微鏡(MFM)によって実現
できる。“走査(scanning)”の概念は、プロ
ーブおよびワークピースが、相対的に移動できるという
事実を表している。例えば米国特許第5,319,97
7号明細書,第4,343,993号明細書,第5,0
03,815号明細書,第4,941,753号明細
書,第4,947,034号明細書,第4,747,6
98号明細書と、1994年9月26日のAppl.P
hys.Lett.65(13)とが参照できる。これ
らの特許公報および刊行物で開示された部分は、この明
細書の内容として含まれる。
【0022】図1のプローブ・チップ22は、信号ビー
ムSIG(Es +E′r )の形態で、入射放射ビームを
再放射できる。この信号ビームは、チップとフィーチャ
との双極子・双極子のカップリングの際、散乱電磁界E
s 中にエンコードされた、ワークピース18の特性情報
と結合した、キャリア・ビームE′r を有する。信号ビ
ームSIGは、好ましくはワークピース18の表面に近
接して振動する(或は相対的に移動する)プローブ22
による、散乱電磁界の変動波Es を有する。図1の信号
ビームSIGは、ワークピースの特性を表し、プローブ
とワークピースとの多極子相互作用カップリングによっ
て引き出される、エンコードされた波情報を有する、電
磁波パケットとして上述のように要約したものを示して
いることに注意すべきである。特に、入射放射Ei が、
チップ双極子24とワークピース双極子26との間に、
双極子24と双極子26のカップリング相互作用を生じ
させるような動作を引き起こすことができる。
【0023】図1はさらに、開口16が、信号ビーム
(Es +E′r )および参照ビーム(Er )に基づい
て、干渉信号ISを発生させ、および干渉信号を干渉計
14を通過するように偏向することを、補助することを
示している。干渉計14の出力信号28は、(Es
E′r )の振幅あるいは参照ビームEr に対する位相差
を測定することができる。或は自己干渉現象を利用で
き、自己干渉現象は、連続して干渉される位相差を有す
る幾つかの成分に、ビーム12を空間的に分離すること
に留意すべきである。
【0024】前述したように、図2は図1の装置を示す
が、反射モードで使用するために変形している。モード
の変化における1つの相違点は、反射モードにおいて
は、基板20は透明である必要がないことである。従っ
て、図2の装置は、他の点では、図1の装置に対して必
要に応じて変更を加えて実現することができる。
【0025】基本的な図1に示すように、入射光は、ワ
ークピースを通過して(透過モード)、或はその表面で
反射することによって、ニア・フィールド・プローブの
方向に偏向できることに注意すべきである。後者の場合
には、プローブ信号をスプリアス反射光と区別すること
に注意を払わねばならない。簡略化のために、透過の場
合のみ、以下に説明する。
【0026】図3を参照するに、図3は、本発明の方法
を実現するための好適な装置30の詳細を示しており、
これら詳細は、一般化した図1と図2の装置10に対応
するものである。
【0027】図3の装置30は、干渉計を具備し、以下
の構成要素を有する。すなわち電磁源、好ましくは波長
可調整(例えば、400nm<λ<2500nm)のレ
ーザ32,レーザ・ノイズを発生する光のスプリアス後
方反射を防ぐための任意の音響光変調器34,ビームお
よび測定領域を相対的に移動するための特殊なビーム・
エクスパンダ36,開口38,ペリキュール・ビーム・
スプリッタ40より成る、入射する光波を第1および第
2の光波に分割する手段,偏光ビーム・スプリッタ4
2,透過/集束光学系44(好ましくは、ノマルスキ・
オイル/ダーク・フィールド対物レンズ),ウォラスト
ン・プリズム46,3個の光検出器PDnを有する。図
3は、干渉計と関連する、光プローブ・センサと、一組
の電子機器48(図3において破線の境界枠で囲まれ
た)を示している。この電子機器は、少なくともナノメ
ータの精度で、トポグラフィック測定と、プローブとワ
ークピース間の距離のフィードバック調整との両方を可
能にする。好ましくは、AFMフィードバックを使用し
て、表面トポグラフィを結像できると同時に、ニア・フ
ィールドの光学像を記録できる。
【0028】図3の照射光路において、適度に偏光する
レーザビームは、ビーム・サイズを、対物レンズの開口
44と一致して拡大するために、ビーム・ステアリング
・ユニット36をまず通過する。レーザビームは、ナノ
メータの精度で微小運動のできる、圧電位置決め装置
(例えば、x−y−zPZT管)を好適に使用して、ビ
ーム・ステアリング・ユニット36内で、連続して調整
される。ビーム・ステアリングはまた、走査ビームが前
後にトレースされる間、集束された点と,ワークピース
50の測定領域と,光学プローブ・センサ52とを相対
的に位置決めするために、像集束電子機器48によって
制御される。
【0029】拡大されたレーザ光は、入射放射分布の角
度ディスクリミネーション(angular disc
rimination)が、全内部反射照射を好適に選
択する、開口38(好ましくは、透過/集束光学系44
の幾何学的形状に好適に整合する)を通過する。典型的
には、ペリキュール・ビーム・スプリッタ40は、干渉
計30の参照アームへの入射放射の約10%を検出器,
好ましくはフォトダイオードPDR に反射し、入射放射
の約90%を偏光ビーム・スプリッタ42へ透過する。
【0030】ビームは、好ましくはノマルスキー対物レ
ンズ44の後方開口を満たす平面波に結像される。この
対物レンズは、この平面波を、ワークピース50内の2
つの回析限界点に集束する。開口38は、ビームの中央
付近の照射をブランクにするので、励起光波はワークピ
ース内の照射領域をエバネッセント波として伝搬する。
【0031】3座標の圧電変換器54によって、様々な
周波数(例えば、共振周波数)で、ワークピース50に
対する様々な運動をすることができるプローブ・センサ
52が、ワークピース50に数ナノメータまで典型的に
接近すると、プローブ52は、プローブ52の最小の空
間的隆起部(例えば、尖ったSTM或はATMのチップ
の最端部)に衝突する波を局部的に摂動することがで
き、プローブの双極子と、ワークピースのフィーチャ双
極子との間に、カップリング・メカニズムを形成する。
【0032】電磁界の分布では、ワークピース50に近
接した、振動および走査するプローブ・チップ52によ
る、散乱電界の変動を、干渉計30の第2のアームの位
相の変調としてエンコードすることによって、測定でき
る。
【0033】図4に示す様に、光信号は、ワークピース
50の双極子からのプローブ52の双極子の距離に強く
依存している。2点からの反射電界の干渉を最適化する
ために、また散乱波Es の実数部分に相当する、信号ビ
ーム(Es +E′r )の位相を測定するために、光信号
は対物レンズ44によって集束され、偏光ビーム・スプ
リッタ42によって、その軸がノマルスキー・プリズム
に対して向けられたウォラストン・プリズム46に反射
される。
【0034】光は、フォトダイオードPDA およびPD
B 上に光を集束する外部レンズ56を連続して通過す
る。散乱波Es の虚数部分は、差動フォトダイードPD
A-B 内の2点における光パワーを分離して(混合しない
で)検出するために、ノマルスキー・プリズム44の軸
に対してアライメントされるウォラストン・プリズム4
6の軸を、配向することによって検出できる。この検出
装置は、100Hzから100MHzまで変化する、予
め選択された周波数で、好適に動作する。
【0035】差動検出器の出力信号を、好ましくは、P
A-B からの光電流を、入射ビームのサンプルが供給さ
れる参照光検出器PDR からの光電流と結合することに
よって、ノイズをさらに改良するためのノイズ・サプレ
ッサ58に送られる。ノイズ・サプレッサ58の出力
を、好ましくは、ワークピースの特性についての有益な
情報を伝達するニア・フィールドAC信号を復調するた
めに、ロック・イン増幅器60の入力部に送る。ロック
・イン増幅器60の出力は、光学像を発生するためのコ
ントローラ/コンピュータCCデバイスに送られ、独立
したフィードバック・ループ・システム48によって発
生される、アトラクティブ・モードのAFM像と、好ま
しくは同時に比較することができる光像を生成する。
【0036】プローブ・チップ52の端部からの散乱電
界Es は、一般的に、チップの軸部から散乱された光の
スプリアス・バックグランドの上に存在する。バックグ
ランド信号は、好ましくは次の方法で減少できる。まず
第1に、光の照射と検出のための共焦点装置を使用し、
検出領域をチップ端部の100nm以内に制限する。第
2に、チップが、周波数fz におけるインピーダンスZ
において、チップ半径にほぼ等しい振幅によって変調さ
れるなら、チップ端部からの後方散乱光は、チップがワ
ークピースに非常に接近して近づくにつれて、さらに離
れる領域からの散乱光と比較して、ワークピース上でよ
り大きい変調を有することになる。最後に、周波数fx
で、ほぼそのチップ半径ほど、ワークピースを横方向に
振動し、さらに図3のボックス48内に示すような、合
計周波数(fx +fz )で、干渉計の信号を検出するこ
とによって、当該空間周波数で(すなわち、プローブ・
チップの半径に相当する)、その信号をさらに強めるこ
とができる。
【0037】上述した様に、まず最初に、好適な干渉ニ
ア・フィールド装置(図1〜図3)を開示することによ
って、本発明の新規な方法についての詳細な説明を展開
してきた。このような装置を利用すると、ワークピース
の特性についての情報を生成できる。この新規な方法の
ステップを実現するために、如何にしてこの情報を理解
できるように要約するか、ということについて、以下に
検討する。
【0038】光双極子の相互作用は、r3 につれて変化
するので、測定される信号は、主にチップの端部から得
られる。従って、チップは半径a,分極率αt の球とし
てモデル化でき、ワークピースの上に結像されるフィー
チャは、分極率αf と半径a(理論的には、全ての任意
のフィーチャ・サイズに対して容易に一般化できるが)
であることが推定できる。チップおよびワークピース
が、励振電界Ei (入射放射によって発生する)内に置
かれ、εが周囲の媒質の誘電率であるとすると、チップ
およびフィーチャ(図1)にそれぞれ誘導される双極子
モーメントPt およびPf を表す式は、次の様になる。
【0039】
【数1】
【0040】
【数2】
【0041】ここで、Et およびEf は、チップおよび
フィーチャの双極子モーメントによってそれぞれ発生す
る、対応するニア・フィールドである。チップとフィー
チャの間の間隔rが、直径2aより大きい場合には、双
極子の近似値が使用でき、Et およびEf について次の
式が成り立つ。
【0042】
【数3】
【0043】
【数4】
【0044】式(1)および(2)のEt およびEf
置き換えて、Pt およびPf について解いて、r-3より
小さい次数の項を削除すると、次式が得られる。
【0045】
【数5】
【0046】
【数6】
【0047】式(5)および式(6)は、どのようにし
てチップの分極が、フィーチャの分極とカップリング
し、分極変調の項ΔP=2αt αf εEi /r3 を発生
するかということを、非常に明白に示している。チップ
を振動することによって、チップとフィーチャの間隔r
が変調される際に、散乱電界Es を変調することが、分
極の変調である。前に述べた様に、式(5)および
(6)は、r>2aの双極子の線形寸法(球の場合は、
この線形寸法は、その直径に匹敵する)の場合に導かれ
る。任意のrについて対応する式は、式(5)および
(6)において、rを(r2 +a2 3/2 に単に置換す
ることによって、準安定理論を使って導かれる。分極変
調ΔPおよび分極率変調Δαのさらに一般化した式は、
以下のようになる。
【0048】
【数7】
【0049】
【数8】
【0050】式(7)および(8)から、チップとフィ
ーチャの間隔が増加する(〜1/r3 )につれて、ΔP
とΔαは、それらの最大値から急速に減少する。後に説
明するように、ka≪1,(k=2πn/λは、屈折率
nの媒質における、光の伝搬定数)の場合には、散乱電
界変調ΔEs はΔαに正比例する。従って、チップとフ
ィーチャとの双極子・双極子のカップリングが、rを増
加することによって、減少するにつれて、ΔEが大幅に
減少することが予想できる。図4に示す様に、実験で
は、チップ半径に匹敵する、チップとワークピースの間
隔にわたって急速に変動することを示している。さら
に、式(7)および(8)は、ΔPとΔαが、チップα
t の複素分極率およびフィーチャαf の複素分極率との
積に比例することを示している。従って、散乱電界成分
ΔEs の位相は、前記のように(図4)、チップ端部の
複素分極率に大きく依存して変化し得る。
【0051】次に、分極率の変調Δαによって引き起こ
される、散乱電界Es の変調ΔEsは、小さい粒子から
散乱する光を研究するために、ファン・デ・フルスト
(Light Scattering by Smal
l Particles,Wiley,New−Yor
k 1957)によって使用された散乱マトリックス処
理を適用することによって計算できる。入射電界Ei
ついては、ファー・フィールドにおける距離dで、球面
状に散乱する波は、以下に示す電界Es を有する。
【0052】
【数9】
【0053】ここで、関連する散乱マトリックス成分S
(実数および虚数の両方の成分を有する)は、分極率α
によって次の様に表される。
【0054】
【数10】
【0055】また、半径aの単一の球、複素屈折率m
(周囲の媒質に対する)については、αは次式で表され
る。
【0056】
【数11】
【0057】Sの展開式において、次数k5 の虚数項、
およびより高次数の項は、非常に小さい粒子(すなわ
ち、ka≪1)からの散乱を処理するときは、削除され
ることに注意すべきである。
【0058】ここに示すようにワークピース50の後面
からの反射波は、振幅E′r =(Ei /5)(ω0 )n
/dNAの同心の球面波である。ここで、ω0 =λ/π
NAは光点の半径であり、NAは対物レンズの開口数で
ある。そのとき、参照ビームと信号ビームとの間の予想
される位相の差ΔΦは、Es /Er ,或はΔΦ=5k3
αNA2 /8πである。反射波は、散乱波に対して位相
がπ/2だけ進んでいる。従って、式(9)および(1
0)によって、Sの虚数成分は、全体の位相シフトを生
じさせるE′r に対して、位相がπ/2遅れた
【0059】
【外1】
【0060】を発生し、また、Sの実数成分は、全体の
消光を生じさせるE′r に対して位相がπだけずれた、
小さい散乱電界Eseを発生する。
【0061】まず、第1に、αが純実数(例えば、mが
実数(シリコン),或はmが虚数(金))の場合を考え
る。Z振動プローブ・チップは、
【0062】
【外2】
【0063】をそれぞれ発生する。ΔEseは、E′r
強く干渉し、球面波E′r 内に反射パワーの分数の消光
率ΔPe /Pを発生する。式(9)とE′r の式を用い
ると、消光率は、次の様になる。
【0064】
【数12】
【0065】式(10)の第2項より、Re[S](お
よびRe[ΔS])は、(ka)6につれて変化し、Δ
e /Pは、プローブの寸法が、ほぼ50nm以下まで
減少するので、無視できるほど小さい信号を発生する。
この項は、実際は、粒子、すなわち典型的にNSOMで
検出できる粒子によって散乱されたパワー比である。
【0066】対照的に、干渉装置において、
【0067】
【外3】 @
【0068】は、反射ビーム内に
【0069】
【外4】
【0070】を発生させる。この位相変化ΔΦは、フォ
トダイオードでの、2ΔΦの
【0071】
【外5】
【0072】を発生する(差動位相検出装置による)。
【0073】
【数13】
【0074】従って、式(10)によって、パワー比の
変化は(ka)3 につれて変化するだけである。これに
よって、本発明の方法における準分子的分解能の理想的
なS/N比が得られ、原子的分解能を達成する可能性を
与える。
【0075】いくつかの簡単な考えを利用した図3の装
置によって達成できる、最大の分解能を評価することが
できる。半径aおよび分極率αのシリコンまたは金属の
チップ(すなわち、m21)を用いると、ΔΦ≒5/2・
3 3 NA2 となる。1mWのレーザパワーを有す
る、コヒーレント・ショット・ノイズ制限位相検出装置
については、ΔΦmin ≒10-8ラジアン/√(Hz)で
あることを示すことができる。これは、例えば、NA=
0.85のHe−Neレーザ光(λ=633nm)につ
いて、a≒1.7オングストロームであり、すなわち、
その分解能は、原子レベルに達するであろうことを示し
ている。
【0076】今、mが複素数で、αが複素数の一般的な
場合を考えてみる。式(10)に戻って、第2の項を無
視すると(ほぼ50nm以下のフィーチャの分解に関係
するだけであるので)、Sは、(ka)3 につれて変化
する散乱電界Es を発生させる、実数および虚数の部分
を両方有する。ダーク・フィールド測定(典型的なNS
OMのような)においては、(ka)6 につれて変化す
る散乱パワー比をSIAMにおいて再度測定するが、式
(12)から明らかなように、αの虚数部分は(ka)
3 につれて変化するパワー比の変化を生じる。これらの
パワーの変化は、ノマルスキー・プリズムの軸に対して
アライメントされた、ウォルサム・プリズムの軸を配向
することによって検出でき、従って、差動フォトダイオ
ードにおいて2点における光学的パワーを分離して(混
合しないで)検出する。球内のプラズモンの共振によ
る、およびごく最近ではSTMチップによる、散乱光へ
の他の作用は、散乱された光学的パワー、すなわち(k
a)6 の信号依存のダーク・フィールド検出に基づいて
おり、さらに、以前のような、50nm以下の分解能に
おける厳しいS/N比の問題に直面する。しかしなが
ら、ここに記載した干渉装置を使用すると、最大のS/
Nと分解能を達成する能力があることを示している。
【0077】結論として、式(1〜13)に相当する開
示は、外部励振場が、磁界からなり、磁気の双極子・双
極子カップリングを引き起こす場合、および外部励振電
磁界が、電磁気の双極子・双極子カップリングを引き起
こすための、適当な電界と磁界の成分の両方を有する場
合には、必要に応じて変更を加えて展開できる。
【0078】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。 (1)ワークピースの存在を検出する方法において、
(1)ワークピースの特性を表す、電磁波のパケットを
サンプリングして、プローブとワークピースとの多極子
相互作用カップリングによって引き出せる、エンコード
された波情報を得るステップと、(2)波の位相および
振幅の少なくとも1方を識別することによって、前記電
磁波パケットをデコードするステップと、(3)ワーク
ピースの存在を検出する手段として、前記デコード化し
た情報を使用するステップと、を含む方法。 (2)ワークピースを表す像を現像するために、ステッ
プ(1)および(2)によって得られたデータによっ
て、前記ワークピースのマップをアセンブリすることを
さらに含む、上記(1)に記載の方法。 (3)像の現像が、多数のサンプリングのステップを含
む、走査動作を含む、上記(1)に記載の方法。 (4)前記ステップ(1)のサンプリングが、外部ソー
スによって発生する入射電磁波と、プローブ・チップに
よって発生する散乱電磁波との間に、干渉効果を発生さ
せることを含む、上記(1)に記載の方法。 (5)前記サンプリングが、それぞれプローブ・チップ
およびワークピースの双極子を有する、2つの外部励振
双極子の双極子カップリングを含む、上記(4)に記載
の方法。 (6)前記サンプリングが、優先磁気双極子カップリン
グを含む、上記(5)に記載の方法。 (7)前記サンプリングが、優先電気双極子カップリン
グを含む、上記(5)に記載の方法。 (8)前記エンコードされた波情報が、散乱ローカル・
エバネッセント、或は伝搬または定在電磁界を有する、
上記(1)に記載の方法。 (9)前記ステップ(2)が、干渉計を使用することに
よって、前記電磁波のパケットをデコードすることを含
む、上記(1)に記載の方法。 (10)微分ノマルスキー干渉計を使用する、上記
(9)に記載の方法。 (11)前記ステップ(2)が、自己干渉計を使用し
て、前記電磁波のパケットをデコードすることを含む、
上記(9)に記載の方法。 (12)前記電磁波のパケットの波長の変調と、プロー
ブおよびワークピースの相対的位置決めと、相互作用領
域に外的に供給される電磁界とによって、時間可変の多
極子の相互作用カップリングを発生することを含む、上
記(1)に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図1】多極子相互作用カップリングを有する装置を使
用した、干渉測定の原理の概略図である。
【図2】多極子相互作用カップリングを有する装置を使
用した、干渉測定の原理の概略図である。
【図3】透過モードにおける好適な無開口の干渉ニア・
フィールド顕微鏡の操作についての、基本的な概念を説
明した略図である。
【図4】理論値と比較した、測定される光学的双極子カ
ップリングと、プローブとワークピースの間隔とを示す
グラフである。
【符号の説明】
10 干渉ニア・フィールド装置 12 電磁放射源 14 干渉計 16 集束エレメント 18 ワークピース 20 基板 22 プローブ・チップ 24 双極子 26 ワークピース双極子 28 出力信号 30 干渉計 32 波長可変調レーザ 34 音響光変調器 36 ビーム・エクスパンダ 38 開口 40 ペリキュール・ビーム・スプリッタ 42 偏光ビーム・スプリッタ 44 透過/集束光学系(ノマルスキー・オイル/ダー
ク・フィールド対物レンズ) 46 ウォルサム・プリズム 48 1組の電子機器 50 ワークピース 52 光学プローブ・センサ 54 圧電変換器 58 ノイズ・サプレッサ 60 ロック・イン増幅器
フロントページの続き (72)発明者 フレデリック・ゼンハウサーン アメリカ合衆国 10547 ニューヨーク州 モヒガンレイク シーニック ロード 201 (72)発明者 イーヴス・マーティン アメリカ合衆国 10562 ニューヨーク州 オッシニング プロスペクト アヴェニ ュー 28 (72)発明者 マーティン・パトリック・オーボイル アメリカ合衆国 10566 ニューヨーク州 ピークスキル タマラック ドライブ 24

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ワークピースの存在を検出する方法におい
    て、 (1)ワークピースの特性を表す、電磁波のパケットを
    サンプリングして、プローブとワークピースとの多極子
    相互作用カップリングによって引き出せる、エンコード
    された波情報を得るステップと、 (2)波の位相および振幅の少なくとも1方を識別する
    ことによって、前記電磁波パケットをデコードするステ
    ップと、 (3)ワークピースの存在を検出する手段として、前記
    デコード化した情報を使用するステップと、 を含む方法。
  2. 【請求項2】ワークピースを表す像を現像するために、
    ステップ(1)および(2)によって得られたデータに
    よって、前記ワークピースのマップをアセンブリするこ
    とをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】像の現像が、多数のサンプリングのステッ
    プを含む、走査動作を含む、請求項2に記載の方法。
  4. 【請求項4】前記ステップ(1)のサンプリングが、外
    部ソースによって発生する入射電磁波と、プローブ・チ
    ップによって発生する散乱電磁波との間に、干渉効果を
    発生させることを含む、請求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】前記サンプリングが、それぞれプローブ・
    チップおよびワークピースの双極子を有する、2つの外
    部励振双極子の双極子カップリングを含む、請求項4に
    記載の方法。
  6. 【請求項6】前記サンプリングが、優先磁気双極子カッ
    プリングを含む、請求項5に記載の方法。
  7. 【請求項7】前記サンプリングが、優先電気双極子カッ
    プリングを含む、請求項5に記載の方法。
  8. 【請求項8】前記エンコードされた波情報が、散乱ロー
    カル・エバネッセント、或は伝搬または定在電磁界を有
    する、請求項1に記載の方法。
  9. 【請求項9】前記ステップ(2)が、干渉計を使用する
    ことによって、前記電磁波のパケットをデコードするこ
    とを含む、請求項1に記載の方法。
  10. 【請求項10】微分ノマルスキー干渉計を使用する、請
    求項9に記載の方法。
  11. 【請求項11】前記ステップ(2)が、自己干渉計を使
    用して、前記電磁波のパケットをデコードすることを含
    む、請求項9に記載の方法。
  12. 【請求項12】前記電磁波のパケットの波長の変調と、
    プローブおよびワークピースの相対的位置決めと、相互
    作用領域に外的に供給される電磁界とによって、時間可
    変の多極子の相互作用カップリングを発生することを含
    む、請求項1に記載の方法。
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