(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
全反射減衰法において、白色光を、試料を取り付けたプリズムへ広い範囲の入射角で入射し、角度広がり方向と平行に分光スリットを配置して分光器を通した後、画像位置に二次元光検出器を配置することにより、表面プラズモン共鳴の角度依存性と波長依存性を同時に示す二次元画像を取得することを特徴とする測定試料の光学的評価方法。
【請求項２】
（ａ）白色光源と、
（ｂ）底面に測定試料を取り付けたプリズムと、
（ｃ）反射光の角度広がり方向と平行に配置される分光スリットと、
（ｄ）分光器と、
（ｅ）画像位置に配置される二次元光検出器とを具備することを特徴とする測定試料の光学的評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全反射減衰法による表面プラズモン共鳴を用いた測定試料の光学的評価方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ；Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）は金属表面に局在する電子の粗密波である。ＳＰＲの分散関係は、波数ｋと周波数ωとの間で関係付けられ、物質表面形状と組成に密接に関係している。このＳＰＲの分散関係を知ることは、物質表面の理解を深めることになる。
【０００３】
しかし、光を直接照射してもＳＰＲとはマッチングがとれないために、プリズムを用いた全反射減衰法（ＡＴＲ法）で計測するのが一般的である。従来のＡＴＲ法では、ＳＰＲの分散関係を、角度（波数）または波長（周波数）の依存性で評価している。ＡＴＲ法は、薄膜の膜厚や誘電率測定あるいは蛋白質等の生体関連物質の物性測定に応用されており、ＳＰＲセンサやＳＰＲ顕微鏡などがある。
【０００４】
例えば、以下のような技術文献を挙げることができる。
【０００５】
前述のように、従来のＡＴＲ法は、プリズムを回転させることにより反射光の信号変化を、ＳＰＲの角度依存性として得る方式が一般的である。
【０００６】
センサとしては、
〔１〕河田他、計測と制御  Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．４，ｐｐ．２７５−２８１（１９９７）
〔２〕Ｋｕｒｏｓａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２，ｐｐ．７８９−７９８（１９８６）
〔３〕Ｄａｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．３２，Ｐａｒｔ２，Ｎｏ．９Ａ，ｐｐ．Ｌ１２６９−Ｌ１２７２（１９９３）
〔４〕Ｌｉｂｅｒｄｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ３３３，ｐｐ．８２−８７（１９９８）
〔５〕特開平６−１０２１８４号公報
〔６〕特開平７−２０８９３７号公報
顕微鏡としては、
〔７〕Ｈｉｃｋｅｌ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．６７，Ｎｏ．８，ｐｐ．３５７２−３５７５（１９９０）
〔８〕Ｂｅｒｇｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．Ｖｏｌ．６５，Ｎｏ．９，ｐｐ．２８２９−２８３６（１９９４）
がある。
【０００７】
また、プリズムを回転せず、分光器を使用して波長依存性を検出する方法もある。
【０００８】
例えば、
〔９〕Ｓａｉｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３，Ｐａｒｔ１，Ｎｏ．１１，ｐｐ．６２１８−６２１９（１９９４）
本願発明者らは、薄膜の特性測定において、リアルタイムでの薄膜の成長過程の観察、また、インプロセスでの制御の応用を目指している。そのためには、プリズムや分光器の回折格子の回転機構などの駆動部のない測定系が必要である。
【０００９】
ＡＴＲ法を用いてＳＰＲを検出する方法で、駆動部を使用せず、角度分布と波長分布を同時に測定する方法の報告はない。本願発明者等は、ＡＴＲ法において角度・波長分布を目指した前段階の発表を行っている。しかし、これらは各々のデータを合成し、二次元的な画像（分光ＡＴＲ画像）として画像化したものであり、同時測定したものではない。
【００１０】
〔１０〕〔学会発表：応用物理学関係連合講演会、第４５回（１９９８．３）、第４７回（２０００．３）〕
これに対し、本発明は、分光ＡＴＲ画像を同時測定する方法（分光ＡＴＲ法）について説明している。
【００１１】
以下、従来のＡＴＲ法について説明を行う。
【００１２】
図６はＳＰＲの波長依存性の例を示すための測定試料の設定部（その１）の構成図である。
【００１３】
この図に示すように、４５°石英プリズム６の底面に設置した測定試料５（Ａｇ膜）へＰ偏光の光（白色光）４を入射する。Ａｇ膜５の表面には絶縁体膜５Ａが形成されているとする。なお、入射角αはプリズムへの入射角で法線が０でプリズム底面側を＋とする。図６において、入射角４６．５°（α＝＋１．５°）、Ａｇ膜５の膜厚ｄAgは５０ｎｍである。空気／絶縁体／銀／プリズムにおいて、空気、絶縁体、石英プリズムの屈折率は、それぞれｎa ＝１、ｎd ＝１．４６、ｎp ＝１．４６であるとする。
【００１４】
その場合の波長と反射率が図７に示されている。図７において、縦軸は反射率（％）、横軸は波長（ｎｍ）である。
【００１５】
図８はＳＰＲの角度依存性の例を示すための測定試料の設定部（その２）の構成図である。
【００１６】
この図に示すように、プリズム６の底面上に設置した測定試料（Ａｇ膜５および絶縁体５Ａ）へＨｅ−Ｎｅレーザー９（波長６３３ｎｍ）を入射角３５°〜１０５°（α＝−１０°〜６０°）で入射する。その他は図６と同様である。
【００１７】
その場合の角度と反射率が図９に示されており、縦軸は反射率（％）、横軸は入射角（度）である。従来のＡＴＲ法によるＳＰＲの計測では、このような角度依存性または波長依存性による評価が一般的である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のＡＴＲ法においては、ＳＰＲの角度依存性または波長依存性のいずれかだけの評価で、得られる情報量が少ないという問題点があった。また、インプロセスの測定には機械的駆動部のない測定系が必要であった。
【００１９】
本発明は、上記問題点を除去し、ＳＰＲの角度依存性と波長依存性の両方の情報を同時に得ることにより、情報量が多く、かつ信頼性の高い測定試料の光学的評価方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、
〔１〕全反射減衰法による測定試料の光学的評価方法において、白色光を、試料を取り付けたプリズムへ広い範囲の入射角で入射し、角度広がり方向と平行に分光スリットを配置して分光器を通した後、画像位置に二次元光検出器を配置することにより、表面プラズモン共鳴の角度依存性と波長依存性を同時に示す二次元画像を取得することを特徴とする。
【００２１】
〔２〕測定試料の光学的評価装置において、白色光源と、底面に測定試料を取り付けたプリズムと、反射光の角度広がり方向と平行に配置される分光スリットと、分光器と、画像位置に配置される二次元光検出器とを具備することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施例を示す測定試料の光学的評価装置の要部の構成図である。
【００２４】
この図に示すように、入射光である白色光４を測定試料５を取り付けたプリズム６へ広い範囲の入射角で入射し、その反射光８を角度広がり方向と平行に分光スリット１１を配置した分光器２０を通した後、その画像位置にＣＣＤカメラなどの二次元光検出器３１を配置する。これにより、ＳＰＲの角度依存性と波長依存性を同時に示す二次元画像を取得することができる。
【００２５】
その場合、プリズム６に入射する所での白色光４は数１００μｍ×数ｍｍの長方形の形をしており、測定試料５面では１×１ｍｍ以下の微小スポットになるように光学系を配置する。プリズム６から出た反射光８の角度広がり方向と平行に分光スリット１１を分光器２０に配置して、分光スリット１１を通過した光を分光器２０を通した後、二次元光検出器（ＣＣＤカメラ）３１で出力を検出する。入射光４が角度広がりを持っているため、出力光も角度広がりを持ち、その角度依存性が測定できる。また、光源が白色であるため、分光器２０を通すことにより、波長依存性が出力される。これらは、二次元光検出器３１で同時測定が可能である。
【００２６】
なお、プリズム６は三角柱状、半円球状を用いることができる。また、プリズム６の底面に透明基板を貼り付け、その透明基板のプリズム６と反対側に成膜をする。つまり、透明基板を真空容器の一部とすることにより、薄膜成長過程のモニターを行うようにすることができる。
【００２７】
ここで、図２（ａ）には計測された測定試料Ａｇ膜に対する分光ＡＴＲ画像が、図２（ｂ）には測定試料Ａｕ膜に対する分光ＡＴＲ画像が、図２（ｃ）には測定試料Ｃｕ膜の分光ＡＴＲ画像が、図３（ａ）には酸化なしのＡｇ膜の分光ＡＴＲ画像が、図３（ｂ）には部分的に酸化されたＡｇ膜の分光ＡＴＲ画像がそれぞれ示されており、それぞれ上段に示されたＰ偏光の光で画像化されている。下段に示されたＳ偏光では吸収が見られないことからＳＰＲであることが確認できる。
（実験例）
ここでは、白色光源としてはＷランプを用い、偏光板はＰ偏光に調整した。プリズムは石英で三角柱状であり、測定試料としては、図２では、Ａｇ膜，Ａｕ膜，Ｃｕ膜について、金属の種類による相違が見られた。また、図３では、Ａｇ膜の酸化なしと部分酸化させたものを比較したところ、酸化による相違が見られた。スリットは、実験では約０．１ｍｍ×１０ｍｍにした。分光器は分光計器製、Ｍ１０−ＴＰ、分光は反射型グレーティング１５０本／ｍｍにより行った。ＣＣＤカメラは１／２インチ型、３８万画素であり、取得データとしては光吸収された部分が黒く映っている。なお、入射角αはプリズム入射面で法線が０で、プリズム底面側を＋とする。
【００２８】
図４はＡｇ膜の測定結果と計算結果を示す図であり、図４（ａ）に示す測定結果と図４（ｂ）に示す計算結果が合致していることがわかる。
【００２９】
図５は本発明の他の実施例を示す測定試料の光学的評価装置の全体構成図である。
【００３０】
この図において、１０１は白色光源、１０２は偏光板、１０３は第１のレンズ、１０４は白色光、１０５は測定試料、１０６はプリズム、１０７は第２のレンズ、１０８は反射光、１１０は光学系、１１１はスリット（横スリット）、１１２は第３のレンズ、１１３は像回転光学素子、１１４は第４のレンズ、１１５は分光スリット（縦スリット）、１２０は分光器（結像型ポリクロメータ）、１２１は第１のミラー、１２２は第１の凹面ミラー、１２３は反射型グレーティング（１００本／ｍｍ）、１２４は第２の凹面ミラー、１２５は第２のミラー、１３１は二次元光検出器（ＣＣＤカメラ）、１３２は二次元光検出器からのデータを処理するコンピューターまたはモニター装置である。
【００３１】
像回転光学素子１１３は本来は不要であるが、分光器１２０を大きく立てて使うのが困難な場合に、反射光のスリット像を９０°回転するために用いるようにしている。
【００３２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３４】
（Ａ）白色光を、試料を取り付けたプリズムへ広い範囲の入射角で入射し、角度広がり方向と平行に分光スリットを配置して分光器を通すことにより、角度依存性と波長依存性を示す画像（分光ＡＴＲ画像）を得ることができる。
【００３５】
（Ｂ）画像位置には、ＣＣＤなどの二次元光検出器を配置して、リアルタイムの情報を得ることができる。
【００３６】
（Ｃ）測定試料としての薄膜成長過程や表面現象の解明など、学術的な貢献のみならず、成膜プロセスのモニタや制御などへの産業応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す測定試料の光学的評価装置の要部の構成図である。
【図２】  各種の測定試料に対する画像例を示す図（その１）である。
【図３】  各種の測定試料に対する画像例を示す図（その２）である。
【図４】  本発明にかかる試料の計算結果と測定結果を示す図である。
【図５】  本発明の他の実施例を示す測定試料の光学的評価装置の全体構成図である。
【図６】  ＳＰＲの波長依存性の例を示すための測定試料の設定部（その１）の構成図である。
【図７】  図６に示す測定試料の波長に対する反射率を示す図である。
【図８】  ＳＰＲの角度依存性の例を示すための測定試料の設定部（その２）の構成図である。
【図９】  図８に示す測定試料の入射角に対する反射率を示す図である。
【符号の説明】
４，１０４    入射光（白色光）
５    試料（金属膜）
５Ａ    試料（絶縁体膜）
６，１０６    プリズム
８    反射光
９    入射光（レーザー）
１１    分光スリット
２０，１２０    分光器（結像型ポリクロメータ）
３１，１３１    二次元光検出器（ＣＣＤカメラ）
１０１    白色光源
１０２    偏光板
１０３    第１のレンズ
１０５    測定試料
１０７    第２のレンズ
１０８    反射光
１１０    光学系
１１１    スリット（横スリット）
１１２    第３のレンズ
１１３    像回転光学素子
１１４    第４のレンズ
１１５    分光スリット（縦スリット）
１２１    第１のミラー
１２２    第１の凹面ミラー
１２３    反射型グレーティング（１００本／ｍｍ）
１２４    第２の凹面ミラー
１２５    第２のミラー
１３２    コンピューターまたはモニター装置
【図１】
0003765036.tif 000002
【図２】
0003765036.tif 000003
【図３】
0003765036.tif 000004
【図４】
0003765036.tif 000005
【図５】
0003765036.tif 000006
【図６】
0003765036.tif 000007
【図７】
0003765036.tif 000008
【図８】
0003765036.tif 000009
【図９】
0003765036.tif 000010