JPH0949849A

JPH0949849A - ワークピースのニア・フィールド測定を行うのに適した装置

Info

Publication number: JPH0949849A
Application number: JP8192241A
Authority: JP
Inventors: Hemantha K Wickramasinghe; ヘマンサ・クマール・ウィックラマシンギュ; Frederic Zenhausern; フレデリック・ゼンハウサーン; Yves Martin; イーヴス・マーティン; Martin P O'boyle; マーティン・パトリック・オーボイル
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1995-08-04
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 1997-02-18
Anticipated expiration: 2016-07-22
Also published as: JP3290356B2; US5623338A

Abstract

(57)【要約】【課題】ワークピースのニア・フィールド測定を行う
のに適した装置を提供すること。【解決手段】装置は、入射波を発生させる電磁放射源
１２と、入射波の少なくとも一部をワークピース１８に
対して偏向する手段と、アンテナとして働き、ワークピ
ースとプローブ・チップとの間の相互作用カップリング
として発展する信号波を、再放射することのできる、プ
ローブ・チップ２２と、信号波および参照波に基づい
て、干渉信号を発生する手段と、干渉信号の位相および
振幅の少なくとも一方を識別する検出器とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ワークピースの物
理的特性を引き出す方法に関し、新規な干渉ニア・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、ワークピースの物理的特性を引
き出したり、或は決定するのに適した方法および装置を
研究している。

【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】“ワークピースの物理的特性を決定する”
という語句は、次のような概念を示す。

【０００５】電磁放射とワークピースとの間には、多く
の様々な相互作用がありうることは既知である。例え
ば、幾つかの共通の相互作用には、屈折，反射，吸収が
ある。特定のワークピースについては、これらの現象
は、通常、ワークピースに経験的に割り当てられる、現
象理論的なパラメータ、例えば屈折率および吸収率によ
って定量的に説明されている。

【０００６】さらに、電磁波の特性を考慮することによ
って、例えば、ワークピースの誘電率によって表される
ように材料を分極する（すなわち、正と負の電荷に分離
する）可能性に対して、屈折率を相関させたり、ワーク
ピースの透磁率によって表されるようにワークピースを
磁化したり（すなわち、磁気双極子を整列させる）、或
はワークピースの導電率に対して、特定種類の光学的吸
収を相関させたりすることができる。

【０００７】従って、要するに、“ワークピースの物理
的特性を決定する”という語句によって、とりわけ、ワ
ークピースの分極，磁気或は誘電の感受率，或は誘電率
を含む、ワークピースの現象理論的特性を決定するのに
適した方法と装置とを表現する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ワー
クピースの物理的特性を引き出したり、或は決定するの
に適した方法および装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】ワークピースの物理的特
性を決定するのに適した古典的分析技術は、分子レベル
においてさえ既知で、例えば走査型顕微鏡法，音響結
像，Ｘ線分析，或は電子結像がある。しかしながら、こ
れらの既知の古典的技術においては、幾つかの含まれた
測定の仮定または測定要件を暗黙のものとしており、例
えば、平均測定が、少なくとも数個の分子の初期の塊を
有するワークピースに基づいており、或は、特に光学的
情報を得る際の測定は、古典的な光学的技術、すなわ
ち、共焦点，蛍光，偏光顕微鏡検査法の分解能は、回析
限界があり、感度は、単一原子の検出に到達することが
できないという意味で、その限界が定められている。

【００１０】我々は、これらの分析技術の殆ど、特に、
ニア・フィールド走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）が、蛍
光検出に基づいており、その信号検出が、実際に検出で
きるサンプルの分子の割合に応じた、分子検出効率によ
って制限されることは知っている。

【００１１】単一分子から最終的に得られる信号の大き
さには、幾つかの重要な制限がある。典型的な光子検出
効率と結び付いた、有限の蛍光寿命と、フォトブリーチ
ング（Ｐｈｏｔｏｂｌｅａｃｈｉｎｇ）とは、典型的に
は最大数千個の検出可能な蛍光光子を生成する。分子検
出の確率（と濃度検出の限界）は、バックグランド（例
えば、汚染物質または溶解物質からのラマンとレイリー
散乱，レーザ強度の不均一性等）と、信号光子計数の振
幅の確率分布と、平均Ｓ／Ｎ比とに強く影響される。与
えられたプローブ容積における、１個，或は数個の分子
に対する反応は、まさに分子検出効率のような、光子計
数の安定性に明らかに強く依存している。励起レーザ・
ノイズ，分子拡散，および他のプロセス（例えば、不完
全なフォトブリーチング）のような複雑な事項は、ま
た、１つ，或は２つの分子間の識別を不明瞭にする。

【００１２】現在の実験的な設定においては、バックグ
ランド信号を最小限にするように（例えば、小さい照射
容積）、また光コレクション効率を最大限にするように
（例えば、高開口数の対物レンズ）、装置の構成が選択
される。典型的には、最良の現在のＮＳＯＭの構成で
は、種々の分子間の識別効率を制限する、λ／１０の空
間配置を可能にする。

【００１３】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。マイクロ・ス
ケールの結像，ナノメータ・スケールまでの分光測定，
およびマイクロ製造技術は、急速な発展をしている。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（ＳＴ
Ｍ）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。

【００１４】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。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ＮＳ
ＯＭ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、８０ｎ
ｍの開口に対して、約５０ｎＷの低効率）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。

【００１５】我々の研究は、ワークピースの物理的特性
を決定するの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、古典的な分析技術を確
立し、現在の仮定，或は要件に挑戦し、これらを質的に
拡大して再定義する。

【００１６】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、フェムト分子・レベ
ル以下に、低濃度の検出限界への能力を与える。高感度
であることに加え、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、本発明の干渉的結像／サン
プリング方法は、複素感受率の測定，或は単一分子の完
全な励起スペクトルの処理を可能にする。特に、カップ
リングの相互作用は、原子レベルにまで測定することが
できる、抵抗性すなわち虚数成分と、リアクティブすな
わち実数成分（インダクティブ，或はキャパシティブ）
とを含む複素関数である。さらに、干渉計によるコヒー
レント検出で、バックグランド最小化と組合わされた、
励起分光器の独自の能力は、単一分子の検出技術に基づ
く蛍光法の幾つかの固有の限界を克服する。

【００１７】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、振幅と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。

【００１８】本発明の開示の次の理論的部分は、ソース
・プローブおよびワークピースについての物理的および
化学的な情報、好ましくは光学的分光の情報を、いかに
して原子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。プローブを囲むニア・フィールド領域は、
誘電的／磁気的特性に特徴があるので、またプローブの
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。

【００１９】次に、ワークピースの物理的特性を引き出
すの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。（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方を識別す
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）ワークピースの関連ある物理化学的
特性に対して、前記情報を相関させるステップとを有す
る方法。

【００２０】上述した方法は、重要な有利性を実現す
る。その可能性は、原子的寸法までの非常に高い分解能
によって、乾燥したワークピースの特性、例えば複雑な
感受率を測定することができる。

【００２１】次に、本発明の好適な実現、および、超分
解能，例えば１ナノメータの分解能を与える、新規な干
渉ニア・フィールド装置のフィーチャ利用を以下に開示
する。

【００２２】本発明の新規な装置は、以下の構成を有す
る。（１）入射波を発生する電磁放射のソースと、（２）入
射波の少なくとも一部を、前記ワークピースに偏向させ
る手段と、（３）アンテナとして働き、信号波を再放射
することができるプローブ・チップと、を有し、前記信
号波が、前記ワークピースと前記プローブ・チップとの
間の相互カップリングとして展開し、（４）前記信号波
と参照波とを基にして、干渉信号を発生させる手段と、
（５）前記干渉信号の位相および振幅の少なくとも１方
を識別する検出器と、を有する装置。

【００２３】

【発明の実施の形態】我々は、多極子センシングに基づ
いた測定方法を実現するために、好適に使用される、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を示す図１に注目する。

【００２４】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Ｅ_iを好適に発生する、電磁放射源１２を
有する。電界Ｅ_i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Ｅ_i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Ｅ_i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。）

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】図１のプローブ・チップ２２は、信号ビー
ムＳＩＧ（Ｅ_s＋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Ｅ_s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Ｅ_i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。

【００２８】図１はさらに、開口１６が、信号ビーム
（Ｅ_s＋Ｅ′_r）および参照ビーム（Ｅ_r）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、（Ｅ_s＋
Ｅ′_r）の振幅あるいは参照ビームＥ_r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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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ＰＤ_n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。

【００３３】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。

【００３４】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（ａｎｇｕｌａｒｄｉｓｃ
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ＰＤ_R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。

【００３５】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。
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。

【００３６】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。

【００３７】図５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Ｅ_sの実数部分に相当する、信号ビ
ーム（Ｅ_s＋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。

【００３８】光は、フォトダイオードＰＤ_A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Ｅ_s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。

【００３９】差動検出器の出力信号を、好ましくは、Ｐ
Ｄ_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ＰＤ_R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。

【００４０】プローブ・チップ５２の端部からの散乱電
界Ｅ_s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ｆ_z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ｆ_x
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（ｆ_x＋ｆ_z）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。

【００４１】他の実施例においては、図３のエレメント
３４，３６，３８，４４を、好ましくは、Ｒ．Ｅ．Ｂｅ
ｔｚｉｇらの米国特許第５，２７２，３３０号明細書に
記載され、本明細書に含まれるような、テーパ状の金属
の単一モード光ファイバ・エレメントに置き換えること
ができる。

【００４２】特定の反射の構成においては、図４に示す
実験装置の機器６２は、例えば、直接、対物レンズ４
４，すなわちチップ・ワークピースの表面距離を監視す
るための光学的フィードバック装置に組入れることがで
きる。プローブ・チップ５２は、例えば、圧電アクチュ
エータ５４によって、共振的に振動されることができ、
その振動の振幅は、第２のレーザ・ビーム６４によっ
て、レーザ・ソース３２の波長とは違った与えられた波
長で、検出できる。光学的フィードバックは、好ましく
は、適当な検出器ＰＤ_n上に選択された光を偏向するた
めの異なった波長の２つの光学パスを識別するために、
例えば、レンズ６６と６８，および２色フィルタ７０，
７２のような光学エレメントのアセンブリからなる。プ
ローブ・チップ５２に対して、光学系６６，６８，７０
を調整することによって、プローブ・チップ５２の最端
部に入射する光に対して、プローブ５２の後部表面に入
射する光が、干渉しないことが保証できる。その際、プ
ローブ５２の後部表面からの後方反射光の光学的検出
は、ボックス４８の電子機器のセットによって偏向され
る。フィードバック装置の安定した操作は、出力信号の
質に影響する、レーザ・ノイズを最小限にするために、
結像パラメータ（例えば、走査速度），光分布（例え
ば、前記第１のビームに対する前記第２のレーザ・ビー
ムの集束およびアライメント）の適当な選択を必要とす
る。

【００４３】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６）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。

【００４４】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α_t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α_f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Ｅ_i（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Ｐ_tおよびＰ_fを表す式は、次の様になる。

【００４５】

【数１】

【００４６】

【数２】

【００４７】ここで、Ｅ_tおよびＥ_f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、Ｅ_tおよびＥ_fについて次の
式が成り立つ。

【００４８】

【数３】

【００４９】

【数４】

【００５０】式（１）および（２）のＥ_tおよびＥ_fを
置き換えて、Ｐ_tおよびＰ_f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。

【００５１】

【数５】

【００５２】

【数６】

【００５３】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＝２α_tα_fεＥ_i／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Ｅ_s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。

【００５４】

【数７】

【００５５】

【数８】

【００５６】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ΔＥ_s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α_f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
ΔＥ_s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。

【００５７】次に、分極率の変調Δαによって引き起こ
される、散乱電界Ｅ_sの変調ΔＥ_s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
（ＬｉｇｈｔＳｃａｔｔｅｒｉｎｇｂｙＳｍａｌ
ｌＰａｒｔｉｃｌｅｓ，Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ−Ｙｏｒ
ｋ１９５７）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Ｅ_iに
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Ｅ_sを有する。

【００５８】

【数９】

【００５９】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。

【００６０】

【数１０】

【００６１】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。

【００６２】

【数１１】

【００６３】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。

【００６４】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＝（Ｅ_i／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、Ｅ_s／Ｅ_r，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

【００６５】

【外１】

【００６６】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Ｅ_seを発生する。

【００６７】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、

【００６８】

【外２】

【００６９】をそれぞれ発生する。ΔＥ_seは、Ｅ′_rと
強く干渉し、球面波Ｅ′_r内に反射パワーの分数の消光
率ΔＰ_e／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。

【００７０】

【数１２】

【００７１】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
Ｐ_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。

【００７２】対照的に、干渉装置において、

【００７３】

【外３】

【００７４】は、反射ビーム内に

【００７５】

【外４】

【００７６】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

【００７７】

【外５】

【００７８】を発生する（差動位相検出装置による）。

【００７９】

【数１３】

【００８０】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。

【００８１】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・
ｋ³ａ³ＮＡ²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、ΔΦ_min≒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。

【００８２】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Ｅ_s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。

【００８３】式（１２）および（１３）を、式（８）お
よび（９）と組合わせると、分極率は、感受率χに対し
て、α＝（χ／４π）（４／３・πａ³）となり、チッ
プとフィーチャそれぞれの感受率χ_tとχ_fによって、
式（１２）および（１３）は次のように表すことができ
る。

【００８４】

【数１４】

【００８５】

【数１５】

【００８６】従って、フィーチャの感受率の実数部と虚
数部の両方の成分は、原則として、２つの同時測定によ
って、原子的スケールにまでダウンして決定できる。チ
ップの感受率は、ワークピースとして既知の参照表面を
使用して、独立に測定される。

【００８７】結論として、式（１〜１５）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。

【００８８】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）ワークピースのニア・フィールド測定を行うのに
適した装置において、（１）入射波を発生する電磁放射
のソースと、（２）入射波の少なくとも一部を、前記ワ
ークピースに偏向させる手段と、（３）アンテナとして
働き、信号波を再放射することができるプローブ・チッ
プと、を有し、前記信号波が、前記ワークピースと前記
プローブ・チップとの間の相互カップリングとして展開
し、（４）前記信号波と参照波とに基づいて、干渉信号
を発生させる手段と、（５）前記干渉信号の位相および
振幅の少なくとも一方を識別する検出器と、を有する装
置。（２）前記入射波を、紫外線から赤外線まで調整可能な
ソースによって発生し、前記ワークピースと前記プロー
ブ・チップとの間の多極子カップリングを生じさせる、
上記（１）に記載の装置。（３）前記入射波を、一定波長で発生する、上記（１）
に記載の装置。（４）前記入射波が、エバネッセント波からなる、上記
（１）に記載の装置。（５）前記入射波が、定在波からなる、上記（１）に記
載の装置。（６）前記入射波が、伝搬波からなる、上記（１）に記
載の装置。（７）前記入射波を、コヒーレント電磁ソースによって
発生する、上記（１）に記載の装置。（８）前記ワークピースに、入射波の少なくとも一部
を、ワークピースに偏向させる集束エレメントを有す
る、上記（１）に記載の装置。（９）前記集束エレメントは、前記ワークピースの全内
部反射照射のために、高開口数のレンズよりなる、上記
（８）に記載の装置。（１０）前記プローブ・チップが、高屈折率の材料から
なる、上記（Ｉ）に記載の装置。（１１）前記プローブ・チップが、球形粒子からなる、
上記（１）に記載の装置。（１２）前記プローブ・チップが、先の尖ったチップか
らなる、上記（１）に記載の装置。（１３）前記干渉信号を発生するために、ノマルスキー
対物レンズを使用する、上記（１）に記載の装置。（１４）前記入射波の少なくとも一部が、前記参照波と
して働く、上記（１）に記載の装置。（１５）前記干渉信号を発生するために、マイケルソン
型干渉計を有する、上記（１）に記載の装置。（１６）前記検出器が、差動フォトダイオード・アセン
ブリを有する、上記（１）に記載の装置。（１７）前記検出器が、１００Ｈｚから１００ＭＨｚの
範囲の予め選択された周波数で動作できる、上記（１
６）に記載の装置。（１８）前記プローブ・チップとワークピースとの間の
距離が、多極子カップリング相互作用を発生できるよう
に、前記プローブ・チップおよびワークピースの少なく
とも一方を、ほぼ近接して位置決めする手段をさらに有
する、上記（１）に記載の装置。（１９）前記位置決め手段が、少なくとも１つの圧電位
置決め器を有する、上記（１８）に記載の装置。（２０）前記位置決め器を制御するために、走査型プロ
ーブ顕微鏡電子機器フィードバック・システムを有す
る、上記（１８）に記載の装置。（２１）前記プローブ・チップとワークピースとの間の
距離が、入射波長よりも小さい、上記（１８）に記載の
装置。（２２）前記入射波を前記ワークピースに偏向させる光
ファイバを有する、上記（１）に記載の装置。（２３）前記入射波を透過するワークピースを使用し
て、或は前記ワークピースを保持する透過基板を使用し
て、透過モードで、前記装置を動作する手段を有する、
上記（１）に記載の装置。（２４）前記プローブ・チップを、前記ワークピースに
対して、前記集束エレメントと同じ側に配置することに
よって、反射モードで前記装置を動作する手段を有す
る、上記（８）に記載の装置。（２５）前記電磁波のパケットの波長と、前記プローブ
およびワークピースの相対的位置との少なくとも一方を
変調し、および相互作用領域への外部供給電磁界を使用
することによって、時間可変の多極子相互作用カップリ
ングを発生する手段を有する、上記（１）に記載の装
置。

【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】反射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５】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。

【図６】本発明の他の実施例を示す略図である。

【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４８１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６４第２のレーザ・ビーム６６，６８レンズ７０，７２２色フィルター

───────────────────────────────────────────────────── 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

【特許請求の範囲】

【請求項１】ワークピースのニア・フィールド測定を行
うのに適した装置において、（１）入射波を発生する電磁放射のソースと、（２）入射波の少なくとも一部を、前記ワークピースに
偏向させる手段と、（３）アンテナとして働き、信号波を再放射することが
できるプローブ・チップと、を有し、前記信号波が、前記ワークピースと前記プロー
ブ・チップとの間の相互カップリングとして展開し、（４）前記信号波と参照波とに基づいて、干渉信号を発
生させる手段と、（５）前記干渉信号の位相および振幅の少なくとも一方
を識別する検出器と、を有する装置。
【請求項２】前記入射波を、紫外線から赤外線まで調整
可能なソースによって発生し、前記ワークピースと前記
プローブ・チップとの間の多極子カップリングを生じさ
せる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】前記入射波を、一定波長で発生する、請求
項１に記載の装置。
【請求項４】前記入射波が、エバネッセント波からな
る、請求項１に記載の装置。
【請求項５】前記入射波が、定在波からなる、請求項１
に記載の装置。
【請求項６】前記入射波が、伝搬波からなる、請求項１
に記載の装置。
【請求項７】前記入射波を、コヒーレント電磁ソースに
よって発生する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】前記ワークピースに、入射波の少なくとも
一部を、ワークピースに偏向させる集束エレメントを有
する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】前記集束エレメントは、前記ワークピース
の全内部反射照射のために、高開口数のレンズよりな
る、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】前記プローブ・チップが、高屈折率の材
料からなる、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】前記プローブ・チップが、球形粒子から
なる、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】前記プローブ・チップが、先の尖ったチ
ップからなる、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】前記干渉信号を発生するために、ノマル
スキー対物レンズを使用する、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】前記入射波の少なくとも一部が、前記参
照波として働く、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】前記干渉信号を発生するために、マイケ
ルソン型干渉計を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】前記検出器が、差動フォトダイオード・
アセンブリを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】前記検出器が、１００Ｈｚから１００Ｍ
Ｈｚの範囲の予め選択された周波数で動作できる、請求
項１６に記載の装置。
【請求項１８】前記プローブ・チップとワークピースと
の間の距離が、多極子カップリング相互作用を発生でき
るように、前記プローブ・チップおよびワークピースの
少なくとも一方を、ほぼ近接して位置決めする手段をさ
らに有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】前記位置決め手段が、少なくとも１つの
圧電位置決め器を有する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】前記位置決め器を制御するために、走査
型プローブ顕微鏡電子機器フィードバック・システムを
有する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】前記プローブ・チップとワークピースと
の間の距離が、入射波長よりも小さい、請求項１８に記
載の装置。
【請求項２２】前記入射波を前記ワークピースに偏向さ
せる光ファイバを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】前記入射波を透過するワークピースを使
用して、或は前記ワークピースを保持する透過基板を使
用して、透過モードで、前記装置を動作する手段を有す
る、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】前記プローブ・チップを、前記ワークピ
ースに対して、前記集束エレメントと同じ側に配置する
ことによって、反射モードで前記装置を動作する手段を
有する、請求項８に記載の装置。
【請求項２５】前記電磁波のパケットの波長と、前記プ
ローブおよびワークピースの相対的位置との少なくとも
一方を変調し、および相互作用領域への外部供給電磁界
を使用することによって、時間可変の多極子相互作用カ
ップリングを発生する手段を有する、請求項１に記載の
装置。