(57)【要約】【課題】表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象を応用して電場増強度を測定する方法に基づいて、金属薄膜の光学特性を正確かつ容易に測定することができる金属薄膜の光学特性測定方法及び金属薄膜の光学特性測定装置を提供する。【解決手段】第１の励起光を照射し、金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させるとともに、金属薄膜に向かって、第１の励起光とは別の第２の励起光を照射して、金属薄膜表面に第２の光を発生させ、表面プラズモン光と前記第２の光とによる干渉縞を発生させ、第２の励起光の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定し、干渉縞ピッチ及び伝搬長に基づいて、金属薄膜の光学特性を算出する。【選択図】図１
2012098211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体部材上に形成された金属薄膜の光学特性を測定するための光学特性測定方法であって、
前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、第１の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させるとともに、
前記金属薄膜に向かって、前記第１の励起光とは別の第２の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第２の光を発生させ、
前記表面プラズモン光と前記第２の光とによる干渉縞を発生させ、
前記干渉縞の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定し、
前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜の光学特性を算出することを特徴とする金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項２】
誘電体部材上に形成された金属薄膜の光学特性を測定するための光学特性測定方法であって、
前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、第１の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させ、前記表面プラズモン光の伝搬長を測定し、
前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、前記第１の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に前記表面プラズモン光を発生させるとともに、前記金属薄膜に向かって、前記第１の励起光とは別の第２の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第２の光を発生させて、前記表面プラズモン光と前記第２の光都による干渉縞を発生させ、前記干渉縞の干渉縞ピッチを測定し、
前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜の光学特性を算出することを特徴とする金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項３】
前記干渉縞ピッチλbeat及び前記伝搬長δを、下記式、すなわち、
【数１】
2012098211.tif 000018
【数２】
2012098211.tif 000019
【数３】
2012098211.tif 000020
【数４】
2012098211.tif 000021
【数５】
2012098211.tif 000022
【数６】
2012098211.tif 000023
に基づいて演算することによって、前記金属薄膜の光学特性である前記金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項４】
前記第２の励起光が、前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって照射され、前記金属薄膜表面に前記第２の光を発生させる励起光であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項５】
前記第２の励起光が、前記誘電体部材を介さずに、前記金属薄膜の上側から直接照射して、前記金属薄膜表面に前記第２の光を発生させる励起光であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項６】
前記第２の励起光が、前記第１の励起光と同一の光源から分光された励起光であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項７】
前記第２の励起光が、前記第１の励起光の光源とは別の光源に由来する励起光であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項８】
前記第１の励起光を、前記誘電体部材に入射する前に、所定のビーム形状に整形することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項９】
前記金属薄膜上の所定の高さ位置に、電場増強度測定用部材を配置して、
前記電場増強度測定用部材を、前記表面プラズモン光と前記第２の光との干渉光によって励起させ、前記電場増強度測定用部材に現れる干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項１０】
前記電場増強度測定用部材が、蛍光物質であることを特徴とする請求項９に記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項１１】
前記電場増強度測定用部材が、光散乱物質であることを特徴とする請求項９に記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項１２】
前記表面プラズモン光と前記第２の光との干渉光を、近接場プローブを用いて検出し、
前記近接場プローブによって検出された干渉光の干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項１３】
前記干渉縞ピッチの測定、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長の測定は、前記第２の励起光の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となった時に測定することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定方法。
【請求項１４】
誘電体部材上に形成された金属薄膜の光学特性を測定するための光学特性測定装置であって、
前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、光源より第１の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させる第１の励起光発生装置と、
前記金属薄膜に向かって、前記第１の励起光とは別の第２の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第２の光を発生させる第２の励起光発生装置と、
前記表面プラズモン光と前記第２の光とによる干渉縞を発生した際に、干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定し、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜の光学特性を算出する光学特性演算装置とを備えることを特徴とする金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項１５】
誘電体部材上に形成された金属薄膜の光学特性を測定するための光学特性測定装置であって、
前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、光源より第１の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させる第１の励起光発生装置と、
前記金属薄膜に向かって、前記第１の励起光とは別の第２の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第２の光を発生させる第２の励起光発生装置と、
前記表面プラズモン光を発生した際に、前記表面プラズモン光の伝搬長を測定するとともに、前記表面プラズモン光と前記第２の光とによる干渉縞を発生した際に、前記干渉縞の干渉縞ピッチを測定し、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜の光学特性を算出する光学特性演算装置とを備えることを特徴とする金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項１６】
前記光学特性演算装置において、前記干渉縞ピッチλbeat及び前記伝搬長δを、下記式、すなわち、
【数７】
2012098211.tif 000024
【数８】
2012098211.tif 000025
【数９】
2012098211.tif 000026
【数１０】
2012098211.tif 000027
【数１１】
2012098211.tif 000028
【数１２】
2012098211.tif 000029
に基づいて演算することによって、前記金属薄膜の光学特性である前記金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋを算出することを特徴とする請求項１４または１５に記載の金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項１７】
前記第２の励起光が、前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって照射され、前記金属薄膜表面に前記第２の光を発生させる励起光であることを特徴とする請求項１４から１６のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項１８】
前記第２の励起光が、前記誘電体部材を介さずに、前記金属薄膜の上側から直接照射して、前記金属薄膜表面に前記第２の光を発生させる励起光であることを特徴とする請求項１４から１６のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項１９】
前記光学特性測定装置が、光源からの光を分光する分光器をさらに備え、
前記第２の励起光が、前記第１の励起光と同一の光源からの光が前記分光器によって分光された励起光であることを特徴とする請求項１４から１８のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項２０】
前記第２の励起光が、前記第１の励起光の光源とは別の光源に由来する励起光であることを特徴とする請求項１４から１８のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項２１】
前記第１の励起光発生装置が、ビーム整形レンズをさらに備え、
前記第１の励起光を、前記誘電体部材に入射する前に、前記ビーム整形レンズによってビーム形状に整形することを特徴とする請求項１４から２０のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項２２】
前記光学特性演算装置が、光検出手段をさらに備えるとともに、
前記金属薄膜上の所定の高さ位置に、電場増強度測定用部材を配置して、
前記電場増強度測定用部材を、前記表面プラズモン光と前記第２の光との干渉光によって励起させ、前記電場増強度測定用部材に現れる干渉縞を前記光検出手段によって検出して、
前記光学特性演算装置において、前記干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする請求項１４から２１のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項２３】
前記電場増強度測定用部材が、蛍光物質であることを特徴とする請求項２２に記載の金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項２４】
前記電場増強度測定用部材が、光散乱物質であることを特徴とする請求項２２に記載の金属薄膜の光学特性測定装置。
【請求項２５】
前記光学特性演算装置が、近接場プローブをさらに備え、
前記表面プラズモン光と前記第２の光との干渉光を、前記近接場プローブを用いて検出し、
前記光学特性演算装置において、前記近接場プローブによって検出された干渉光の干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする請求項１４から２１のいずれかに記載の金属薄膜の光学特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属薄膜に対して励起光を照射することによって、金属薄膜表面に発生する表面プラズモン光を用いて、金属薄膜の光学特性である屈折率ｎ及び消衰係数ｋを測定するための金属薄膜の光学特性測定方法及び金属薄膜の光学特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属薄膜の光学特性を測定するための方法としては、例えば、特許文献１や特許文献２などに開示されたエリプソメーターを用いた方法が知られている。
図１５は、エリプソメーター１００を用いて、金属薄膜１０２の光学特性を測定する原理を説明するための概略図である。
【０００３】
エリプソメーター１００では、金属薄膜１０２に対して、偏光した入射光１０４を入射角φで照射する。そして、金属薄膜１０２で反射された反射光１０６を検知することによって、反射光１０６の偏光状態を測定する。
【０００４】
そして、入射光１０４と反射光１０６の偏光の変化として位相差Δと反射振幅比角ψを求める。この位相差Δと反射振幅比角ψ（通常は、（ψ，Δ）として表される。以下、本明細書においても（ψ，Δ）と記載する）は、入射光１０４の波長λ、入射角φ、金属薄膜１０２の膜厚ｄ、そして、金属薄膜１０２の光学特性に依存している。
【０００５】
金属薄膜の光学特性としては、数１で表される複素屈折率と、数２で表される複素誘電関数があげられる。
【０００６】
【数１】
2012098211.tif 000003
【０００７】
【数２】
2012098211.tif 000004
このように、測定によって求められた（ψ，Δ）を、金属薄膜のモデルから理論的に求められる（ψM，ΔM）と比較して、その差が最小となるように、例えば、最小二乗法などを用いて金属薄膜のモデルのパラメータを調整することによって、金属薄膜１０２の光学特性を求めることができる。
【０００８】
一方で、極微小な物質の検出を行うための検体検出装置として、ナノメートルレベルなどの微細領域中で電子と光とが共鳴することにより、高い光出力を得る現象（表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）を応用した表面プラズモン共鳴装置（以下、「ＳＰＲ装置」と言う）が知られている。
【０００９】
また、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象を応用した表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ：Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）の原理に基づき、ＳＰＲ装置よりもさらに高精度に物質の検出を行えるようにした表面プラズモン増強蛍光分光測定装置（以下、「ＳＰＦＳ装置」と言う）もよく知られている。
【００１０】
この表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）は、光源より照射したレーザー光などの励起光が、金属薄膜表面で全反射減衰（ＡＴＲ：attenuated total reflectance）する条件において、金属薄膜表面に表面プラズモン光（疎密波）を発生させることによって、光源より照射した励起光が有するフォトン量を数十倍〜数百倍に増やして、表面プラズモン光の電場増強効果を得るようになっている。
【００１１】
そして、この電場増強効果により、金属薄膜近傍の金属薄膜近傍に捕捉したアナライトと結合（標識）した蛍光物質を効率良く励起させ、この蛍光を観察することによって、極微量、極低濃度のアナライトを検出する方法である。
【００１２】
ところで、このような表面プラズモン光の電場増強効果の指標である電場増強度の絶対値を知ることは、例えば、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）を用いた、血液検査などの臨床試験のような、高精度の検出が要求される分野においては、電場増強度の絶対値を用いて、検出データを補正することにより、アナライトの検出の測定精度を向上するためには重要である。
【００１３】
しかしながら、この増強電場は、非伝播光であるため、直接観察することは不可能であり、電場増強の可視化の検討が従来よりなされている。
例えば、非特許文献１（「Surface plasmons at single nanoholes in Au films」, Yin et al., Appl. Phys. Lett., vol. 85， No. 3, 19 July 2004, pp. 468-469）では、入射させた励起光によって発生したプラズモン光と励起光との干渉による干渉縞を、近接場プローブを用いて観察して、電場増強度を測定する試みがなされている。
【００１４】
すなわち、この非特許文献１の方法では、図１６に示したように、誘電体２００の上面に金属薄膜（金膜）２０２を形成するとともに、この中央部分にピンホール２０４を形成している。そして、誘電体２００の真下から、誘電体２００を介して、誘電体２００の上面に形成した金属薄膜（金膜）２０２に、励起光２０６を照射している。
【００１５】
そして、この入射させた励起光２０６によって、ピンホール２０４のエッジ部分２０４ａで発生したプラズモン光２０１と励起光２０６との干渉による干渉縞を、ピンホール２０４の直上に配置した近接場プローブ２１０によって観察している。
【００１６】
その結果、図１７に示したように、同心円状の干渉縞が観察され、これにより、電場増強度を測定（推定）するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平１０−０３８６９４号公報
【特許文献２】特開２００１−２９６１８２号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】「Surface plasmons at single nanoholes in Au films」, Yin et al., Appl. Phys. Lett., vol. 85， No. 3, 19 July 2004, pp. 468-469
【非特許文献２】「Local excitation of surface plasmon polaritons at discontinuities of a metal film: Theoretical analysis and optical near-field measurements」, L Salomon et al., PHYSICAL REVIEW B. vol. B, 125409
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、上述したエリプソメーターを用いた方法では、入射角変化や偏光変化、金属薄膜のモデルなどの設定が必要なパラメータが非常に多く、解析が複雑となり、測定に要する時間も多大となる。さらに、装置コストも大きくなるため、容易に金属薄膜の光学特性を測定することはできなかった。
【００２０】
また、非特許文献１に開示される電場増強度を測定する方法では、図１６に示したように、誘電体２００の斜め下方から、入射角を変えて、誘電体２００を介して、誘電体２００の上面に形成した金属薄膜（金膜）２０２に、励起光２０８を照射した場合には、例えば、図１８に示したように、干渉縞が同心円状とはならず、これにより、正確な電場増強度を測定（推定）することが困難な場合が生じてしまうことになる。
【００２１】
また、非特許文献１の電場増強度を測定する方法では、ピンホール２０４のエッジ部分２０４ａで発生したプラズモン光２０１と励起光２０６との干渉による干渉縞であるので、真の測定したい金属薄膜（金膜）２０２の平面上（平面方向）の電場増強度を測定することができない。
【００２２】
さらに、ピンホール２０４のエッジ部分２０４ａの形状の違いによって、電場増強度が変化してしまうので、電場増強度の絶対値の測定は、現実的に困難である。
また、金属薄膜（金膜）２０２にピンホール２０４を設けなければならず、例えば、マイクロチップなどの測定部材として使用する場合には、製造工程が煩雑となり、コストも高くつくことにもなる。
【００２３】
このため、本発明では、非特許文献１などに開示されている表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象を応用して電場増強度を測定する方法に基づいて、金属薄膜の光学特性を正確かつ容易に測定することができる金属薄膜の光学特性測定方法及び金属薄膜の光学特性測定装置を提供することを目的とする。
【００２４】
さらに、従来のように、金属薄膜にピンホールやエッジを設ける必要がなく、真の測定したい金属薄膜の平面上（平面方向）の電場増強度を測定することができ、この測定した電場増強度に基づいて、金属薄膜の光学特性を正確かつ容易に測定することができる金属薄膜の光学特性測定方法及び金属薄膜の光学特性測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、前述したような従来技術における課題及び目的を達成するために発明されたものであって、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法は、
誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、第１の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させるとともに、
前記金属薄膜に向かって、前記第１の励起光とは別の第２の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第２の光を発生させ、
前記表面プラズモン光と前記第２の光とによる干渉縞を発生させ、
前記干渉縞の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定し、
前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜の光学特性を算出することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法は、
誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、第１の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させ、前記表面プラズモン光の伝搬長を測定し、
前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、前記第１の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に前記表面プラズモン光を発生させるとともに、前記金属薄膜に向かって、前記第１の励起光とは別の第２の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第２の光を発生させて、前記表面プラズモン光と前記第２の光都による干渉縞を発生させ、前記干渉縞の干渉縞ピッチを測定し、
前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜の光学特性を算出することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の金属薄膜の光学特性測定装置は、
誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、前記光源より第１の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させる第１の励起光発生装置と、
前記金属薄膜に向かって、前記第１の励起光とは別の第２の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第２の光を発生させる第２の励起光発生装置と、
前記表面プラズモン光と前記第２の光とによる干渉縞を発生した際に、干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定し、前記干渉縞ピッチ及び伝搬長に基づいて、金属薄膜の光学特性を算出する光学特性演算装置とを備えることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の金属薄膜の光学特性測定装置は、
誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって、光源より第１の励起光を照射し、前記金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させる第１の励起光発生装置と、
前記金属薄膜に向かって、前記第１の励起光とは別の第２の励起光を照射して、前記金属薄膜表面に第２の光を発生させる第２の励起光発生装置と、
前記表面プラズモン光を発生した際に、前記表面プラズモン光の伝搬長を測定するとともに、前記表面プラズモン光と前記第２の光とによる干渉縞を発生した際に、前記干渉縞の干渉縞ピッチを測定し、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長に基づいて、前記金属薄膜の光学特性を算出する光学特性演算装置とを備えることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明では、前記干渉縞ピッチλbeat及び前記伝搬長δを、下記式、すなわち、
【００３０】
【数３】
2012098211.tif 000005
【００３１】
【数４】
2012098211.tif 000006
【００３２】
【数５】
2012098211.tif 000007
【００３３】
【数６】
2012098211.tif 000008
【００３４】
【数７】
2012098211.tif 000009
【００３５】
【数８】
2012098211.tif 000010
に基づいて演算することによって、前記金属薄膜の光学特性である前記金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋを算出することを特徴とする。
【００３６】
このように構成することによって、誘電体部材を介して、誘電体部材上に形成された金属薄膜に向かって、光源より第１の励起光である下側励起光を照射し、金属薄膜表面に表面プラズモン光を発生させるとともに、誘電体部材の上面に形成された金属薄膜に向かって、第１の励起光とは別の第２の励起光、例えば、外部より、上側励起光を直接照射して、金属薄膜表面に伝播光を発生させることができる。
【００３７】
そして、表面プラズモン光と前記第２の光の、表面プラズモン光が走る方向である金属薄膜の平面に平行な方向の波数成分が異なることに起因して、干渉光の干渉縞が発生する。
【００３８】
この際、第２の励起光である、例えば、上側励起光の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定することによって、金属薄膜の光学特性（金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋ）を測定（推定）することができる。
【００３９】
従って、従来のように、金属薄膜にピンホールやエッジを設ける必要がなく、真の測定したい金属薄膜の平面上（平面方向）の電場増強度を測定することができ、この時に生じる干渉縞の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定するだけで、金属薄膜の光学特性（金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋ）を測定（推定）することができる。
【００４０】
また、本発明では、前記第２の励起光が、前記誘電体部材を介して、前記金属薄膜に向かって照射され、前記金属薄膜表面に前記第２の光を発生させる励起光であることを特徴とする。
【００４１】
また、本発明では、前記第２の励起光が、前記誘電体部材を介さずに、前記金属薄膜の上側から直接照射して、前記金属薄膜表面に前記第２の光を発生させる励起光であることを特徴とする。
【００４２】
また、本発明では、前記第２の励起光が、前記第１の励起光と同一の光源から分光された励起光であることを特徴とする。
このように構成することによって、例えば、ハーフミラーなどの分光手段を備えるだけで良いので、装置のコンパクト化を図ることができる。
【００４３】
しかも、第２の励起光である、例えば、上側励起光を、第１の励起光である下側励起光と同一の光源から分光するので、下側励起光と正確に、同じ位相の上側励起光を誘電体部材の上面に形成された金属薄膜に向かって直接照射することができ、正確な光学特性（金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋ）を測定（推定）することができる。
【００４４】
また、本発明では、前記第２の励起光が、前記第１の励起光の光源とは別の光源に由来する励起光であることを特徴とする。
このように構成することによって、第２の励起光である、例えば、上側励起光が、第１の励起光である下側励起光の光源とは別の光源に由来する上側励起光とすることができ、容易に上側励起光の光量を変えることができ、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定することによって、金属薄膜の光学特性（金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋ）を測定（推定）することができる。
【００４５】
また、本発明では、前記第１の励起光を、前記誘電体部材に入射する前に、所定のビーム形状に整形することを特徴とする。
このように構成することによって、第１の励起光を、例えば、矩形光線や集束光線など、ビームプロファイルが急峻な形状に整形することができ、伝搬長の測定精度を向上させることができる。
【００４６】
また、本発明では、前記金属薄膜上の所定の高さ位置に、電場増強度測定用部材を配置して、
前記電場増強度測定用部材を、前記表面プラズモン光と前記第２の光との干渉光によって励起させ、前記電場増強度測定用部材に現れる干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする。
【００４７】
また、本発明では、前記電場増強度測定用部材が、蛍光物質であることを特徴とする。
また、本発明では、前記電場増強度測定用部材が、光散乱物質であることを特徴とする。
【００４８】
このように構成することによって、蛍光物質や光散乱物質が表面プラズモン光と第２の光との干渉光によって励起され、蛍光や散乱光として干渉縞が生じるため、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの素子を用いた光検出手段によって干渉縞を測定することができる。
【００４９】
また、本発明では、前記表面プラズモン光と前記第２の光との干渉光を、近接場プローブを用いて検出し、
前記近接場プローブによって検出された干渉光の干渉縞の前記干渉縞ピッチ、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することを特徴とする。
【００５０】
このように構成することによって、例えば、近接場プローブの先端に蛍光物質を付着して近接場プローブの高さ位置を変えることにより、所定の高さ位置で、蛍光物質を励起させることができ、これにより、増強された蛍光を近接場プローブによって検出することができ、蛍光として検出された干渉光の干渉縞の前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長を測定することができる。
【００５１】
また、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法では、前記干渉縞ピッチの測定、または、前記干渉縞ピッチ及び前記伝搬長の測定は、前記第２の励起光の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となった時に測定することを特徴とする。
【００５２】
このように構成することによって、干渉縞ピッチ及び伝搬長の測定精度を向上することができる。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象や表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ）の原理に基づいて、電場増強度を測定することによって、エリプソメーターのように複雑なパラメータ設定や解析をすることなく、金属薄膜の光学特性である屈折率ｎ及び消衰係数ｋを正確かつ容易に測定（推定）することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
【図２】図２は、図１の部分拡大図である。
【図３】図３は、金属薄膜の光学特性を算出する流れを説明するフローチャートである。
【図４】図４は、光検出手段４２によって検出された蛍光発光干渉パターンの模式図である。
【図５】図５（ａ）は、金属薄膜１４の屈折率ｎと、干渉膜ピッチλbeatの関係を示すグラフ、図５（ｂ）は、金属薄膜１４の消衰係数ｋと、伝搬長δの関係を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
【図７】図７は、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
【図８】図８は、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
【図９】図９は、本発明の別の実施例の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
【図１０】図１０は、図９の部分拡大図である。
【図１１】図１１は、金属薄膜の光学特性を算出する流れを説明するフローチャートである。
【図１２】図１２は、本発明の別の実施例の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
【図１３】図１３は、図１２の部分拡大図である。
【図１４】図１４は、金属薄膜の光学特性を算出する流れを説明するフローチャートである。
【図１５】図１５は、従来のエリプソメーターを用いて、金属薄膜の光学特性を測定する原理を説明するための概略図である。
【図１６】図１６は、従来の電場増強度を測定する方法を説明する概略図である。
【図１７】図１７は、図１６の従来の電場増強度を測定する方法において観察される干渉縞を模式的に示した概略図である。
【図１８】図１８は、図１６の従来の電場増強度を測定する方法において観察される干渉縞を模式的に示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
【実施例１】
【００５６】
１．電場増強度測定用部材として、蛍光物質を用いた実施例
図１は、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図、図２は、図１の部分拡大図、図３は、金属薄膜の光学特性を算出する流れを説明するフローチャートである。
【００５７】
１−１．金属薄膜の光学特性測定装置の構成
図１において、符号１０は、全体で本発明の金属薄膜の光学特性測定装置を示している。
【００５８】
図１、図２に示したように、金属薄膜の光学特性測定装置１０は、略三角形のプリズム形状の誘電体部材１２を備えており、この誘電体部材１２の水平な上面１２ａに、測定対象である金属薄膜１４が形成されている。そして、金属薄膜１４の上面に、電場増強度測定用部材として、蛍光物質層１６が形成されている。
【００５９】
そして、これらの誘電体部材１２と、金属薄膜１４と、蛍光物質層１６とで、測定部材１８が構成されている。
また、誘電体部材１２の一方の側面１２ｂの側には、光源２０が配置されており、この光源２０からの光２２の一部を透過して、残りの光を反射させる、例えば、ハーフミラーから構成される分光器２４が設けられている。
【００６０】
この分光器２４を透過した第１の励起光である下側励起光２６は、可変減光（ＮＤ）フィルター２８を介して、その光量が一定量となるように調整された後、誘電体部材１２の外側下方から、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射して、誘電体部材１２を介して、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４に向かって、所定の入射角（共鳴角）α１で照射されるようになっている。
【００６１】
この金属薄膜１４に照射された下側励起光２６により、図２の拡大図に示したように、金属薄膜１４の表面１４ａにおいて、金属薄膜１４の表面１４ａに平行な方向に、表面プラズモン光（疎密波）３０が発生することになる。
【００６２】
一方、光源２０からの光２２のうち、分光器２４で分光された残りの光３２は、位相シフト板３６を透過した後、ミラー３７で反射され、可変減光（ＮＤ）フィルター３５を介して、誘電体部材１２の外側上方から、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４の表面１４ａに向かって、所定の入射角α２（臨界角以下の角度）で照射されるようになっている。
【００６３】
また、誘電体部材１２の下方の他方の側面１２ｃの側には、下側励起光２６が、金属薄膜１４によって反射された金属薄膜反射光３８を受光する受光手段４０が備えられている。
【００６４】
さらに、測定部材１８の上方には、後述するように、蛍光物質層１６で励起された蛍光による干渉縞のコントラストを検出するために、蛍光物質層１６からの蛍光の発光強度を検出する、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの素子を用いた光検出手段４２が備えられている。
【００６５】
なお、光源２０、分光器２４、可変減光（ＮＤ）フィルター２８によって、第１の励起光発生装置として、下側励起光発生装置４６が構成されるとともに、位相シフト板３６、可変減光（ＮＤ）フィルター３５、ミラー３７で、第２の励起光発生装置として、上側励起光発生装置４８が構成されている。
【００６６】
さらに、上記の光検出手段４２は、コンピュータのＣＰＵなどの光学特性演算装置５０に接続されており、後述するように、電場増強度測定用部材の所定の高さ位置における電場増強度を換算して推定する演算処理が行われるようになっている。
【００６７】
この場合、光源２０から照射される励起光としては、特に限定されるものではないが、レーザー光が好ましく、波長２００〜９００ｎｍ、０．００１〜１０００ｍＷのＬＤレーザー、または、波長２３０〜８００ｎｍ、０．０１〜１００ｍＷの半導体レーザーが好適である。
【００６８】
また、誘電体部材１２としては、特に限定されるものではないが、光学的に透明な、例えば、ガラス、セラミックスなどの各種の無機物、天然ポリマー、合成ポリマーなどを用いることができ、化学的安定性、製造安定性、光学的透明性の観点から、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または二酸化チタン（ＴｉＯ2）を含むものが好ましい。
【００６９】
また、この実施例では、略三角形のプリズム形状の誘電体部材１２を用いたが、半円形状、楕円形状にするなど誘電体部材１２の形状は、適宜変更が可能である。
なお、測定対象である金属薄膜１４としては、特に限定されるものではないが、例えば、金、銀、アルミニウム、銅、および白金や、これらの金属の合金とすることができる。
【００７０】
特に、金のように酸化に対して安定であり、かつ、後述するように、表面プラズモン光（疎密波）による電場増強が大きくなる金属に関しては、より精度よく金属薄膜の光学特性を測定することができる。
【００７１】
また、測定対象である金属薄膜１４の形成方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法，蒸着法（抵抗加熱蒸着法，電子線蒸着法など）、電解メッキ、無電解メッキ法などが挙げられる。好ましくは、スパッタリング法、蒸着法を使用するのが、薄膜形成条件の調整が容易であるので望ましい。
【００７２】
さらに、測定対象である金属薄膜１４の厚さとしては、特に限定されるものではないが、好ましくは、金：５〜５００ｎｍ、銀：５〜５００ｎｍ、アルミニウム：５〜５００ｎｍ、銅：５〜５００ｎｍ、白金：５〜５００ｎｍ、および、それらの合金：５〜５００ｎｍの範囲内であるのが望ましい。
【００７３】
なお、電場増強効果の観点からは、より好ましくは、金：２０〜７０ｎｍ、銀：２０〜７０ｎｍ、アルミニウム：１０〜５０ｎｍ、銅：２０〜７０ｎｍ、白金：２０〜７０ｎｍ、および、それらの合金：１０〜７０ｎｍの範囲内の金属薄膜であれば、より正確に計測することができる。
【００７４】
金属薄膜１４の厚さが上記範囲内であれば、表面プラズモン光（疎密波）が発生し易くより精度よく金属薄膜の光学特性を測定することができる。また、このような厚さを有する金属薄膜１４であれば、大きさ（縦×横）の寸法、形状は、特に限定されない。
【００７５】
一方、蛍光物質層１６を構成する蛍光物質としては、所定の励起光を照射するか、または電界効果を利用することで励起し、蛍光を発する物質であれば、特に限定されない。なお、本明細書において、「蛍光」とは、燐光など各種の発光も含まれる。
【００７６】
このような蛍光物質を単独で、または、基材中に含ませた状態で、金属薄膜１４の上面に、蛍光物質層１６を所定の厚さに形成されている。
この場合、金属薄膜１４の上面に、蛍光物質層１６を所定の厚さに形成する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、印刷、スピンコート、ディッピング、刷毛塗り、噴霧塗装、静電塗装、電着塗装等の塗装などの公知の方法を用いることができる。
【００７７】
１−２．金属薄膜の光学特性測定方法について
このように構成される本発明の金属薄膜の光学特性測定装置１０を用いた、金属薄膜の光学特性測定方法について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。
【００７８】
先ず、光源２０から、光２２を照射して分光器２４を透過した第１の励起光である下側励起光２６を、可変減光（ＮＤ）フィルター２８を介して、その光量が一定量となるように調整された後、誘電体部材１２の外側下方から、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射させる。そして、誘電体部材１２を介して、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４に向かって、所定の入射角（共鳴角）α１で照射される。
【００７９】
これにより、図２の拡大図に示したように、金属薄膜１４の表面１４ａにおいて、金属薄膜１４の表面１４ａに平行な方向に、表面プラズモン光（疎密波）３０が発生する。
なお、この場合、所定の入射角（共鳴角）α１を決定するには、以下の方法を用いることができる。
【００８０】
すなわち、金属薄膜１４上に表面プラズモン光（疎密波）３０が生じる際には、第１の下側励起光２６と金属薄膜１４中の電子振動とがカップリングし、金属薄膜反射光３８のシグナルが変化（光量が減少）することとなるため、受光手段４０で受光される金属薄膜反射光３８のシグナルが変化（光量が減少）する地点を見つければよい。
【００８１】
一方、光源２０からの光２２のうち、分光器２４で分光された残りの光３２は、位相シフト板３６を透過した後、所定の角度で配置されたミラー３７で反射され、可変減光（ＮＤ）フィルター３５を介して、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４の表面１４ａに向かって、所定の入射角α２（臨界角以下の角度）で照射されるようになっている。
【００８２】
すなわち、上側励起光３４は、位相シフト板３６、可変減光（ＮＤ）フィルター３５を介して、図２の拡大図に示したように、金属薄膜１４の表面１４ａに、所定の入射角α２で別の第２の励起光として照射されるようになっている。
【００８３】
なお、この場合、上側励起光３４は、下側励起光２６と同じ位相の上側励起光３４を、金属薄膜１４の表面１４ａに照射するようになっている。
これにより、図２の拡大図に示したように、金属薄膜１４の表面１４ａにおける電場増強度測定用部材の所定高さ位置において、第２の光として伝播光４４を発生させるようになっている。
【００８４】
なお、この場合、上側励起光３４の位相が、下側励起光２６の位相と同じ位相となるように、位相シフト板３６を調整するようになっている。
さらに、位相シフト板３６を光軸と直交する方向に移動することで、ある測定点１箇所での干渉縞の明暗の変化をみることができる。
【００８５】
なお、所定の入射角α２の角度は、金属薄膜１４の表面１４ａにおける電場増強度測定用部材の所定高さ位置において伝播光４４を発生させる臨界角以下の角度であればよく、特に限定されるものではない。
【００８６】
そして、図２の拡大図に示したように、上側励起光３４による伝播光４４と表面プラズモン光（疎密波）３０による干渉縞（干渉光）が発生する。
ところで、このような伝播光４４と表面プラズモン光の干渉光は、近接場光なので、そのままでは直接見ることができない。このため、金属薄膜１４上に電場増強度測定用部材として蛍光物質層１６を設けている。
【００８７】
この金属薄膜１４上の蛍光物質層１６の蛍光物質が、伝播光４４と表面プラズモン光（疎密波）３０による干渉光によって効率良く励起されることになり、蛍光として干渉縞を観察することができるようになる。
【００８８】
この原理を用いて、上側励起光３４の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定することによって、金属薄膜１４の光学特性（金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋ）を測定（推定）するようになっている。
【００８９】
なお、上側励起光３４の光量を変えながら干渉縞ピッチ等を測定することは必須ではないが、干渉縞のコントラストが最大となる時に測定した方が干渉縞ピッチ及び伝搬長の測定精度を向上することができ好ましい。
【００９０】
具体的には、可変減光（ＮＤ）フィルター３５によって、上側励起光３４の光量を変えることによって、金属薄膜１４上の蛍光物質層１６による蛍光の発光強度を、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの素子を用いた光検出手段４２によって検出する。
【００９１】
この光検出手段４２によって検出された蛍光発光干渉パターン４９は、図４の模式図に示したようになる。
なお、図４の模式図において、蛍光発光干渉パターン４９の高さは、蛍光物質層１６による蛍光の発光強度を示している。また、金属薄膜１４の下方には誘電体部材１２（屈折率ｎ２）が配置されており、金属薄膜１４の上方には蛍光物質層１６（屈折率ｎ１）が配置されているが、図４の模式図では省略している。
【００９２】
このように検出された蛍光発光干渉パターン４９から、干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δを計測する。
ここで、干渉縞のピッチλbeatは、図４に示したように、蛍光発光干渉パターンのＡ点からＢ点までの距離、すなわち、干渉縞のうち明るい縞の中心から、その隣の明るい縞の中心までの距離である。
【００９３】
また、伝搬長δは、図４に示したように、下側励起光２６の端部Ｃから蛍光発光干渉パターンの発光強度が最大値の１／ｅ倍（ｅはネイピア数）となった点Ｄまでの距離である。
【００９４】
なお、本実施例においては、伝搬長δの測定を上述するように、干渉光の干渉縞を用いて測定しているが、第２の励起光としての上側励起光３４を照射することなく、第１の励起光である下側励起光２６のみを、誘電体部材１２を介して金属薄膜１４に照射して、金属薄膜１４の表面１４ａに表面プラズモン光３０を発生させ、この状態で表面プラズモン光３０の伝搬長δを測定することもできる。
【００９５】
この場合も、伝搬長δは上述する干渉光の場合と同様に、下側励起光２６の端部Ｃから表面プラズモン光３０の発光強度が最大値の１／ｅ（ｅはネイピア数）となった点までの距離を求めることにより測定することができる。
【００９６】
実際に伝搬長δを測定する際には、第１の励起光である下側励起光２６の端部Ｃの位置などの検出精度が干渉光の干渉縞ピッチに影響されることなく、容易に精度の高い測定ができることから、このように干渉光を発生させることなく伝搬長δを測定することが実用上は好ましい。
【００９７】
このように、干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δを計測することによって、以下の数９及び数１０の関係式から、表面プラズモン波数ベクトルの実数値Ｋｓｐｐ’及び虚数値Ｋｓｐｐ’’を算出することができる。
【００９８】
【数９】
2012098211.tif 000011
【００９９】
【数１０】
2012098211.tif 000012
ここで、Ｋｎ１は、金属薄膜上媒体としての上側励起光側媒体（蛍光物質層１６）中の第２の励起光（上側励起光３４）の波数を表している。
【０１００】
すなわち、表面プラズモン波数ベクトルは数１１のように表すことができる。
【０１０１】
【数１１】
2012098211.tif 000013
一方で、表面プラズモン波数ベクトルは、数１２のように近似することができる。
【０１０２】
【数１２】
2012098211.tif 000014
ここで、εｄは金属薄膜上媒体としての上側励起光側媒体（蛍光物質層１６）の誘電率（実数値となる）、εｍは金属薄膜１４の誘電率（複素数となる）、ωは光の角振動数、ｃは真空中の光速を表している。
【０１０３】
数１１及び数１２より、数１３の関係式が得られる。
【０１０４】
【数１３】
2012098211.tif 000015
そして、数１４の関係式より、金属薄膜１４の光学特性である屈折率ｎ及び消衰係数ｋを算出することができる。
【０１０５】
【数１４】
2012098211.tif 000016
このような計算を、光学特性演算装置５０によって行うことによって、金属薄膜１４の光学特性を正確かつ容易に測定（推定）することができる。
【０１０６】
なお、上記において、「金属薄膜上媒体」とは、表面プラズモン光及び伝播光が発生する金属薄膜上の媒体であって、上述するように金属薄膜上に上側励起光側媒体として蛍光物質層が形成されている場合には、その蛍光物質層が該当し、表面プラズモン光及び伝播光が発生する領域である金属薄膜上に、蛍光物質層などが形成されていない場合には、例えば、空気や水が金属薄膜上媒体に該当する。
【０１０７】
１−３．干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δの測定方法
上述した、干渉縞ピッチλbeat及び伝搬長δの測定方法としては、特に限定されず、公知の様々な方法を用いることができるが、以下のような方法を用いることによって、より精度良く測定を行うことができる。
【０１０８】
本実施例において、励起光２２の波長λ0が６３３ｎｍ、蛍光物質層１６の屈折率ｎ１が１．３３、上側励起光の入射角α２が４５°とした場合、蛍光発光干渉パターンの干渉縞ピッチλbeatの平均値はおよそ１．２８μｍ、伝搬長δの平均値は３．２μｍとなる。
【０１０９】
このとき、図５に示すように、金属薄膜１４の光学特性（屈折率ｎ及び消衰係数ｋ）が変化した場合の干渉膜ピッチλbeatの変化は、およそ０．００１μｍオーダー、伝搬長δの変化は、およそ０．１μｍオーダーである。
【０１１０】
このため、光検出手段４２の光学倍率を、例えば、１００〜２００倍に増加させるとともに、光検出手段４２で測定する範囲を、例えば、１ｍｍとして複数の干渉縞を測定することによって、干渉縞ピッチλbeatの変化量を積算させる。
【０１１１】
このように、測定範囲を１ｍｍとすることによって、干渉縞ピッチλbeatの変化量は、数１５のように、０．７８μｍに増加することになる。
【０１１２】
【数１５】
2012098211.tif 000017
ここで、光検出手段４２の光学倍率を、２００倍に増加させると、０．７８μｍ×２００＝１５６μｍと、干渉縞ピッチλbeatの変化量は拡大されて光検出手段４２で検出することができる。
【０１１３】
例えば、光検出手段４２を、画素サイズ１４μｍ角のＣＣＤカメラとすると、１５６μｍは、約１１画素分に相当するため、十分な測定分解能を得ることができ、精度良く干渉縞ピッチλbeatを測定することができる。
【０１１４】
一方で、励起光２２の波長λ０を長くすることで、伝搬長δを増加させることができる。
例えば、励起光２２の波長λ０を６３３ｎｍから７８０ｎｍとすることによって、伝搬長δの平均値は３．２μｍから１３μｍに増加する（実測値）。
【０１１５】
このため、伝搬長δの変化はおよそ０．１μｍオーダーからおよそ０．５μｍオーダーに増加することになる。
上述したように、光検出手段４２の光学倍率を、２００倍に増加させると、０．５μｍ×２００＝１００μｍと、伝搬長δの変化量は拡大されて光検出手段４２で検出することができる。
【０１１６】
例えば、光検出手段４２を、画素サイズ１４μｍ角のＣＣＤカメラとすると、１００μｍは、約７画素分に相当するため、十分な測定分解能を得ることができ、精度良く伝搬長δを測定することができる。
【実施例２】
【０１１７】
２．電場増強度測定用部材として、蛍光物質を用いた変更例
図６は、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
【０１１８】
この変形例の金属薄膜の光学特性測定装置１０は、図１〜図５に示した金属薄膜の光学特性測定装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【０１１９】
２−１．金属薄膜の光学特性測定装置の構成
この変形例では、図６に示すように、上側励起光３４を、下側励起光２６の光源２０とは別の光源５２によって照射するように構成している。このように構成することによって、下側励起光２６の光源２０とは別の光源５２に由来する上側励起光３４とすることがでるため、容易に上側励起光３４の光量を変えることができ、実施例１と同様な測定方法を実施することによって、精度良くかつ容易に金属薄膜１４の光学特性を測定（推定）することができる。
【０１２０】
なお、図示しないが、他の実施例の場合にも、上側励起光３４を、下側励起光２６の光源２０とは別の光源５２によって照射するように構成することもできる。
【実施例３】
【０１２１】
３．電場増強度測定用部材として、蛍光物質を用いた変更例
図７は、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
【０１２２】
この変形例の金属薄膜の光学特性測定装置１０は、図１〜図５に示した金属薄膜の光学特性測定装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【０１２３】
３−１．金属薄膜の光学特性測定装置の構成
この変形例では、図７に示すように、分光器２４を透過した第１の下側励起光２６は、減光（ＮＤ）フィルター２８を介して、その光量が一定量となるように調整された後、誘電体部材１２の外側下方から、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射して、誘電体部材１２を介して、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４に向かって、所定の入射角（共鳴角）α１で照射されるようになっている。
【０１２４】
一方、光源２０からの光２２のうち、分光器２４で分光された残りの光３２は、ミラー３７で反射され、可変減光（ＮＤ）フィルター３５、位相シフト板３６を介して、誘電体部材１２の外側下方から、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射して、誘電体部材１２を介して、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４の表面１４ａに向かって、所定の入射角α２（臨界角以下の角度）で照射されるようになっている。
【０１２５】
すなわち、可変減光（ＮＤ）フィルター３５、位相シフト板３６を介して、誘電体部材１２の外側下方から、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射した光は、第２の下側励起光３３として、金属薄膜１４の表面１４ａに、所定の入射角α２で照射されるようになっている。
【０１２６】
このように２つの励起光２６、３４を、両方とも、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射して、金属薄膜１４の下方から照射するように構成した場合にも、実施例１と同様に、干渉光の干渉縞を測定することができる。
【０１２７】
このような構成の金属薄膜の光学特性測定装置１０を用いて、実施例１と同様な測定方法を実施することによって、精度良くかつ容易に金属薄膜１４の光学特性を測定（推定）することができる。
【０１２８】
なお、図示しないが、他の実施例の場合にも、２つの励起光２６、３４を、両方とも、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射して、金属薄膜１４の下方から照射するように構成することもできる。
【実施例４】
【０１２９】
４．電場増強度測定用部材として、蛍光物質を用いた変更例
図８は、本発明の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図である。
【０１３０】
この変更例の金属薄膜の光学特性測定装置１０は、図１〜図５に示した金属薄膜の光学特性測定装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【０１３１】
４−１．金属薄膜の光学特性測定装置の構成
この変形例では、可変減光（ＮＤ）フィルター２８を透過した下側励起光２６が、誘電体部材１２の側面１２ｂに入射する前に、ビーム整形レンズ２９を透過して、下側励起光２６を所定のビーム形状に整形するように構成されている。
【０１３２】
このように、ビーム整形レンズ２９を用いて、ビーム形状を、例えば、矩形ビームや集束ビームなど、ビームプロファイルが急峻な所定のビーム形状に整形することによって、伝搬長δの測定精度を向上させることができる。
【０１３３】
このような構成の金属薄膜の光学特性測定装置１０を用いて、実施例１と同様な測定方法を実施することによって、精度良くかつ容易に金属薄膜１４の光学特性を測定（推定）することができる。
【実施例５】
【０１３４】
５．電場増強度測定用部材として、光散乱物質を用いた実施例
図９は、本発明の別の実施例の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図、図１０は、図９の部分拡大図、図１１は、金属薄膜の光学特性を算出する流れを説明するフローチャートである。
【０１３５】
この実施例の金属薄膜の光学特性測定装置１０は、図１〜図５に示した金属薄膜の光学特性測定装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【０１３６】
５−１．金属薄膜の光学特性測定装置の構成
実施例１では、金属薄膜１４の上面に、電場増強度測定用部材として、蛍光物質層１６が形成されていたが、この実施例では、金属薄膜１４の上面には、蛍光物質層１６の代わりに、電場増強度測定用部材として、光散乱物質層５６を用いている。
【０１３７】
そして、光散乱物質層５６の光散乱物質を励起させ、これにより増強され散乱光を光検出手段４２によって検出して、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞のピッチλbeat及び伝搬距離δを測定するように構成されている。
【０１３８】
この場合、光散乱物質としては、例えば、金コロイド、酸化チタン、シリコン、ＳｉＯ2（ガラス）などの微粒子を用いることができる。
【０１３９】
５−２．金属薄膜の光学特性測定方法について
このように構成される本発明の金属薄膜の光学特性測定装置１０を用いた、金属薄膜の光学特性測定方法について、図１１に示すフローチャートに沿って説明する。
【０１４０】
実施例１と同様にして、図９に示したように、先ず、光源２０から、光２２を照射して、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４に向かって、所定の入射角（共鳴角）α１で照射して、図１０の拡大図に示したように、金属薄膜１４の表面１４ａにおいて、金属薄膜１４の表面１４ａに平行な方向に、表面プラズモン光（疎密波）３０を発生させる。
【０１４１】
一方、上側励起光３４を、図９、図１０に示したように、金属薄膜１４の表面１４ａに、所定の入射角α２（臨界角以下の角度）で照射して、金属薄膜１４の表面１４ａにおける電場増強度測定用部材の所定高さ位置において、伝播光４４を発生させる。
【０１４２】
そして、図１０の拡大図に示したように、上側励起光３４による伝播光４４と表面プラズモン光３０の、表面プラズモン光３０が走る方向である金属薄膜１４の表面１４ａに平行な方向の波数成分が異なることに起因して、干渉光の干渉縞を発生させる。
【０１４３】
この干渉縞は近接場光なので、そのままでは直接見ることができないため、本実施例においては、金属薄膜１４の上面に、電場増強度測定用部材として、光散乱物質層５６が形成されており、上側励起光３４による伝播光４４と、下側励起光２６による表面プラズモン光（疎密波）３０による干渉縞（干渉光）によって、金属薄膜１４上の光散乱物質層５６を励起させる。
【０１４４】
この原理を用いて、上側励起光３４の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δを測定することによって、金属薄膜１４の光学特性を測定（推定）するようになっている。
【０１４５】
そして、実施例１と同様にして、干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δから、金属薄膜１４の光学特性（金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋ）を測定（推定）することができる。
【実施例６】
【０１４６】
６．金属薄膜上に電場増強度測定用部材を形成しない場合の実施例
図１２は、本発明の別の実施例の金属薄膜の光学特性測定方法を説明するための、金属薄膜の光学特性測定装置の概略を模式的に示す概略図、図１３は、図１２の部分拡大図、図１４は、金属薄膜の光学特性を算出する流れを説明するフローチャートである。
【０１４７】
この実施例の金属薄膜の光学特性測定装置１０は、図１〜図５に示した金属薄膜の光学特性測定装置１０と基本的には同様な構成であり、また、原理も同様であるので、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【０１４８】
６−１．金属薄膜の光学特性測定装置の装置構成
実施例１では、金属薄膜１４の上面に、電場増強度測定用部材として、蛍光物質層１６が形成され、蛍光物質層１６からの蛍光の発光強度を、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの素子を用いた光検出手段４２によって検出していたが、この実施例では、金属薄膜１４の上面には、蛍光物質層１６が形成されておらず、電場増強度測定手段として、近接場プローブ５４を用いている。
【０１４９】
例えば、近接場プローブ５４の先端に電場増強度測定用部材として蛍光物質５５を付着して、近接場プローブ５４の高さ位置を変えることにより、所定の高さ位置で、蛍光物質を励起させることができ、これにより、増強された蛍光を近接場プローブ５４によって検出することができる。
【０１５０】
このため、実施例１と同様な原理を用いて、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δを測定することによって、金属薄膜１４の光学特性（金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋ）を測定（推定）するようになっている。
【０１５１】
６−２．金属薄膜の光学特性測定方法について
このように構成される本発明の金属薄膜の光学特性測定装置１０を用いた、金属薄膜の光学特性測定方法について、図１４に示すフローチャートに沿って説明する。
【０１５２】
実施例１と同様にして、図１２に示したように、先ず、光源２０から、光２２を照射して、誘電体部材１２の上面１２ａに形成された金属薄膜１４に向かって、所定の入射角（共鳴角）α１で照射して、図１３の拡大図に示したように、金属薄膜１４の表面１４ａにおいて、金属薄膜１４の表面１４ａに平行な方向に、表面プラズモン光（疎密波）３０を発生させる。
【０１５３】
一方、上側励起光３４を、図１２、図１３に示したように、金属薄膜１４の表面１４ａに、所定の入射角α２（臨界角以下の角度）で照射して、金属薄膜１４の表面１４ａにおける所定の高さ位置に置いて伝播光４４を発生させる。
【０１５４】
そして、図１３の拡大図に示したように、上側励起光３４による伝播光４４と表面プラズモン光３０の、表面プラズモン光３０が走る方向である金属薄膜１４の表面１４ａに平行な方向の波数成分が異なることに起因して、干渉光の干渉縞を発生させる。
【０１５５】
この干渉縞は近接場光なので、そのままでは直接見ることができないため、本実施例においては、近接場プローブ５４の先端に蛍光物質５５を付着して、近接場プローブ５４を所定の高さ位置まで接近させることによって、上側励起光３４による伝播光４４と、下側励起光２６による表面プラズモン光（疎密波）３０による干渉縞（干渉光）によって、近接場プローブ５４の先端に付着した蛍光物質５５を励起させる。
【０１５６】
この原理を用いて、上側励起光３４の光量を変えながら、干渉縞のコントラストが最大となる時の干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δを測定することによって、金属薄膜１４の光学特性を測定（推定）するようになっている。
【０１５７】
そして、実施例１と同様にして、干渉縞のピッチλbeat及び伝搬長δから、金属薄膜１４の光学特性（金属薄膜の屈折率ｎ及び消衰係数ｋ）を測定（推定）することができる。
【０１５８】
以上、本発明の好ましい実施の態様を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、本実施例では、電場像強度測定用部材として蛍光物質や光散乱物質を用いて光検出手段や近接場プローブによって干渉縞を検出しているが、干渉縞を検出し、干渉縞ピッチ及び伝搬長を測定することができるものであれば構わないなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
本発明は、例えば、金膜や銀膜などの金属薄膜の光学特性である屈折率ｎ及び消衰係数ｋを、エリプソメーターのように複雑なパラメータ設定や解析をすることなく、正確かつ容易に測定（推定）することができる。
【符号の説明】
【０１６０】
１０      光学特性測定装置
１２      誘電体部材
１２ａ    上面
１２ｂ    側面
１２ｃ    側面
１４      金属薄膜
１４ａ    表面
１６      蛍光物質層
１８      測定部材
２０      光源
２２      光
２４      分光器
２６      下側励起光
２８      フィルター
２９      ビーム整形レンズ
３０      表面プラズモン光
３２      光
３３      第２の下側励起光
３４      上側励起光
３５      フィルター
３６      位相シフト板
３７      ミラー
３８      金属薄膜反射光
４０      受光手段
４２      光検出手段
４４      伝播光
４６      下側励起光発生装置
４８      上側励起光発生装置
４９      蛍光発光干渉パターン
５０      光学特性演算装置
５２      光源
５４      近接場プローブ
５５      蛍光物質
５６      光散乱物質層
１００    エリプソメーター
１０２    金属薄膜
１０４    入射光
１０６    反射光
２００    誘電体
２０１    プラズモン光
２０４    ピンホール
２０４ａ  エッジ部分
２０６    励起光
２０８    励起光
２１０    近接場プローブ
【図１】
2012098211.tif 000030
【図２】
2012098211.tif 000031
【図３】
2012098211.tif 000032
【図４】
2012098211.tif 000033
【図５】
2012098211.tif 000034
【図６】
2012098211.tif 000035
【図７】
2012098211.tif 000036
【図８】
2012098211.tif 000037
【図９】
2012098211.tif 000038
【図１０】
2012098211.tif 000039
【図１１】
2012098211.tif 000040
【図１２】
2012098211.tif 000041
【図１３】
2012098211.tif 000042
【図１４】
2012098211.tif 000043
【図１５】
2012098211.tif 000044
【図１６】
2012098211.tif 000045
【図１７】
2012098211.tif 000046
【図１８】
2012098211.tif 000047