JP2007156033A - 光ファイバープローブおよび検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通常伝搬光による検査と滲出近接場光による検査を切り替えて行う光学検査において、高いＳ／Ｎ比でそれぞれの検査を実現する。
【解決手段】光源１１から放射されたレーザ光を伝搬させるコア３１を有する光ファイバの射出側端面に、頂角の小さい円錐面状に形成されて近接場光を滲出させる近接場光滲出面と、通常伝搬光を射出する通常伝搬光射出面とを同心面状に有し、近接場光滲出面に表面プラズモン伝搬のための被覆層が形成され、射出通常伝搬光が滲出近接場光よりも軸上で離れた位置に集光するように通常伝搬光射出面が形成された光ファイバプローブ１３において、通常伝搬光射出面の少なくとも一部の領域に、近接場光滲出面に形成された表面プラズモン伝搬のための被覆層に隣接させて、近接場光を漏出し伝播させる漏出伝搬構造を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光ファイバプローブおよび検査方法および検査装置に関する。

近来、シリコンウエハの欠陥検査等を「近接場光」を利用して行うことが提案されている。例えば、回折限界以下の寸法の微細構造体をプローブとして用い、プローブ先端部を照明することでその近傍に近接場光を発生させ、発生した近接場光により被検査面を走査することにより、プローブ近傍に局在している近接場光と試料面との電磁気的な相互作用により散乱した光や被検査体を透過した光を検出することで、被検面から反射光強度やスペクトル、偏光状態等の光学的情報を得ることができる。

シリコンウエハの欠陥検査等を行う検査装置として、対物レンズによる観察系を含む通常の光学顕微鏡装置に近接場光検出用光プローブを組み込み、対物レンズによる観察系での低分解能の検査後、近接場光を利用した高分解能の検査へ切り替える構成のものが提案されている（特許文献１）が、対物レンズによる広範囲検査後、近接場光による微細な検査領域への光プローブの位置合わせが容易でなく、検査に長時間を要すると考えられる。

光プローブとして、光ファイバの先端部にテーパ角の異なる２つの領域を同心面的に形成し、光ファイバの軸心部分に形成されたテーパ角の大きい「尖った形状の部分」を近接場滲出面としてその面にＡｕやＡｇ等の金属薄膜を形成し、近接場光滲出面の周囲にテーパ角の小さい通常伝搬光射出面を形成し、通常伝搬光射出面から射出した通常伝搬光がテーパの作用で、近接場光滲出面からの滲出近接場光よりも光プローブ軸上で離れた位置に集光するようにしたものを用いる検査方法が提案されている（特許文献２）。

特許文献２の検査方法では、通常伝搬光の集光位置と滲出近接場光とがともに「光プローブの軸方向」に位置するので、通常伝搬光による検査から滲出近接場光への切り替えは光プローブ先端と被検面との「プローブ軸方向の距離」を切り替えるのみでよく、切り替えが容易であるので、検査の高速化を実現できる。

特開２０００−０５５８１８公報 特願２００５− ２９６５２

本発明は、通常伝搬光による検査と滲出近接場光による検査を切り替えて実行できる光学検査において、滲出近接場光による高分解能の検査の際に、高いＳ／Ｎ比で高分解能検査を実現することを課題とする。

本発明の光ファイバプローブは、光源から放射されたレーザ光を伝搬させるコアを有するシングルモードの光ファイバの射出側端面に、近接場光を滲出させる近接場光滲出面と、通常伝搬光を射出する通常伝搬光射出面とが、近接場光滲出面を内周側に、通常伝搬光射出面が近接場光滲出面を囲繞するように同心面状に有し、近接場光射出面に表面プラズモン伝搬のための被覆層が形成され、近接場光射出面は頂角の小さい円錐面状に形成され、通常伝搬光射出面は射出された通常伝搬光（以下、射出通常伝搬光と呼ぶ。）が滲出近接場光（滲出した近接場光）よりも軸上で離れた位置に集光するように形成された光ファイバプローブであって、以下の特徴を有する（請求項１）。

即ち、通常伝搬光射出面の少なくとも一部に、近接場光滲出面に形成された表面プラズモン伝搬のための被覆層に隣接させて「光源から伝搬された通常伝搬光の一部を近接場光として漏出させ、被覆層側に伝搬させる漏出伝搬構造」を有する。
漏出伝搬構造から近接場光として漏出するのは「通常伝搬光の一部」であり、近接場光として漏出する成分以外の通常伝搬光は通常伝搬光射出面から射出する。

光ファイバプローブを構成する「シングルモードの光ファイバ」の長さには、特に制限がなく、設計条件に応じて適宜の長さのものを用いることができる。
上記の如く、光ファイバプローブは、シングルモードの光ファイバの射出側端面に、近接場光滲出面と通常伝搬光射出面とを有しており、光源からのレーザ光は、コアをシングルモードの伝搬光（通常伝搬光）である「実質的な平行光束」として伝搬し、近接場光滲出面と通常伝搬光射出面とに入射する。

「近接場光滲出面」をなす円錐面の頂角は、近接場光滲出面に入射する通常伝搬光を全反射させるような角に設定される。近接場光滲出面に形成される「表面プラズモン伝搬のための被覆層」は後述するＡｕやＡｇ等の金属薄膜が好適である。近接場光滲出面から滲出したエバネセント光は金属薄膜（被覆層）中の自由電子と結合し、表面プラズモンとして被覆層を伝搬して円錐面状の近接場光滲出面の尖った先端部（以下「尖端部」という。）に「近接場光スポット」を形成する。

「通常伝搬光射出面」は、近接場光滲出面を囲繞するように「同心面状」即ち、近接場光滲出面と回転対称軸を共通にして形成されるが、通常伝搬光射出面は「円錐面状」に形成してもよいし、射出する通常伝搬光の集光を助長する「レンズ面機能をもつ曲面」、例えばトロイダル面等として形成してもよい。

上記「光源から伝搬された通常伝搬光の一部を近接場光として漏出させ、被覆層側に伝搬させる漏出伝搬構造」は、通常伝搬光射出面に「近接場光滲出面の被覆層と同一の導電性材料による薄膜」を成膜し、この薄膜に光の波長より小さい周期の同心円状の「サブ波長構造」として形成することができる（請求項２）。

このような漏出伝搬構造により、通常伝搬光射出面からも近接場光を漏出させ、漏出した近接場光（以下、漏出近接場光と呼ぶ。）による表面プラズモンを光ファイバプローブの尖端に伝搬させ、滲出近接場光の表面プラズモンと合わせることにより、近接場光スポットの光強度を高めることができる。

漏出伝搬構造は、通常伝搬光射出面の一部に有するようにしても良いが、通常伝搬光射出面の全面に有することが好ましい。漏出伝搬構造を通常伝搬光射出面全域に形成すると、近接場光スポットの光強度をより向上させることができるし、また漏出伝搬構造の形成も容易である。

本発明の光ファイバプローブを用いることにより、漏出近接場光により近接場光スポットの強度を増大させることができるので、通常伝搬光スポットに対する近接場光スポットの光強度が相対的に大きくなり、近接場光スポットによる検査のＳ／Ｎ比を有効に向上させることができる。

この発明の検査方法は「請求項１または２に記載の光ファイバプローブを用いて被検査体の被検面を光学的に検査する方法」であって以下の如き特徴を有する（請求項３）。

即ち、光源から放射されるレーザ光を光ファイバプローブに導光してコアを伝搬させ、被検面を、滲出近接場光による近接場光スポットもしくは集光した射出通常伝搬光による通常伝搬光スポットにより選択的に走査しつつ、被検面を介した検査光を検出手段により検出する検査方法であって、光ファイバプローブの通常伝搬光射出面から漏出伝搬構造により漏出する近接場光を、光ファイバプローブの尖端の近接場光に合体させ、近接場光スポットの強度を向上させて検査を行う。

この明細書において「検査」は、被検面の状態を光学的に走査して「被検面の状態を光学的に観察する」場合や「被検面に対して光学的な測定を行う」場合を総称する。

請求項３に記載の検査方法においては、通常伝搬光スポットによる検査を行うときと、近接場光スポットによる検査を行うときで、それぞれ最適波長のレーザ光を用いるように、光源の発光波長を切り替えることが好ましい（請求項４）。

通常伝搬光による検査と近接場光による検査とで、光源から射出されるレーザ光の波長を切り替えることにより、通常伝搬光による検査の際には通常伝搬光スポットの強度を、近接場光による検査の際には近接場光スポットの強度を高めることができる。検査に適したレーザ光の波長を選択することで、それぞれの検査でＳ／Ｎ比を向上させることができる。

この発明の検査装置は「被検査体の被検面を光学的に検査する装置」であって、レーザ光源と、光ファイバプローブと、偏光制御手段と、走査手段と、検出手段とを有する（請求項５）。
「レーザ光源」は、レーザ光を放射する。
「光ファイバプローブ」は、レーザ光源からのレーザ光をコアによって伝搬させ、滲出近接場光として滲出させる近接場光滲出面と、通常伝搬光を射出させて、滲出近接場光よりも軸上で離れた位置に集光するように形成された通常伝搬光射出面とを有するものであり、上記請求項１または２に記載の光ファイバプローブである。

「走査手段」は、被検査体の被検面を、滲出近接場光による近接場光スポットもしくは集光した射出通常伝搬光による通常伝搬光スポットにより選択的に走査する手段である。このような走査手段としては、従来から広く知られた「３軸の移動ステージ」等を利用することができる。
「検出手段」は、被検面を介した検査光を検出する手段であり、検出した検出光に基づき「被検面の観察や測定に応じた処理」を行う処理部を含むことができる。検出手段は、被検面による散乱光もしくは反射光または被検査体透過光を、光ファイバプローブを介することなく検出する構成のものでもよいし、被検面による散乱光もしくは反射光を戻り光として光ファイバプローブを介して検出するように構成してもよい。

請求項５に記載の検査装置において、通常伝搬光スポットによる検査を行うときと、近接場光スポットによる検査を行うときとで、それぞれ最適波長のレーザ光を用いるように、光源の発光波長を切り替え可能とすることもできる。（請求項６）

上記のごとく、本発明の光ファイバプローブを用いることにより、「近接場光滲出面から滲出する近接場光」と「通常伝搬光射出面から漏出する近接場光」との双方で明るい近接場光スポットを発生させることができ、近接場光スポットによる検査のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、請求項４や請求項６記載の発明のように、通常伝搬光スポットによる検査を行うときと、近接場光スポットによる検査を行うときとで、それぞれ最適波長のレーザ光を用いるように、光源の発光波長を切り替えることにより、良好な検査を実現できる。

以下、実施の形態を説明する。
図１に示す検査装置１は、例えば「被検査体である試料の微小領域における光学物性を測定する近接場光学顕微鏡」等として実施することができる。

検査装置１は、レーザ光を放射する光源１１と、光源１１を駆動する駆動電源１１ａ、光源１１から放射されるレーザ光の波長を切り替える光波長切換部１７、光源１１から射出されたレーザ光の光路中に配置されたビームスプリッタ１２と、ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光の光路中に配置された１／２波長板１８ａ、１／４波長板１８ｂ、これら波長板の調整を行う調整手段１８と、波長板１８ａ、１８ｂを透過した光を被検査体２における被検面２ａに照射する光ファイバプローブ１３と、被検面２ａからの戻り光を検出する光検出器１４、プローブ制御部１５、画像処理部１６、画像表示部１９および制御手段１００を有する。制御手段１００はマイクロコンピュータ等により構成され装置全体を制御する。

光源１１は駆動電源１１ａにより駆動され、光波長切換部１７により設定された波長のレーザ光を放射する。放射されたレーザ光は一部がビームスプリッタ１２を透過し、ついで１／２波長板１８ａ、１／４波長板１８ｂを透過する。
１／２波長板１８ａ、１／４波長板１８ｂは、透過光の光軸の周りに回転調整可能であり調整手段１８により態位調整されて、レーザ光の偏光を制御する。

１／２波長板１８ａ、１／４波長板１８ｂを透過したレーザ光は光ファイバプローブ１３のコア３１へ入射し、シングルモード波として伝搬部２１のコア３１内を伝搬する。光ファイバプローブ１３の光伝搬部２１が曲がっていると「伝搬するレーザ光の偏光状態が光伝搬部２１の曲がりにより乱れる（直線偏光が楕円化する）」ので、１／４波長板１８ｂの態位調整により「この偏光状態の乱れを補正」し、プローブ部２２に入射するレーザ光を直線偏光にする。

このように、１／４波長板１８ｂは「光伝搬部２１の曲がりによる伝搬レーザ光の偏光状態の乱れを補正」するものであるので、偏光状態に乱れを生じないような構成の光ファイバプローブである場合には不要であり省略することもできる。また、図１において、１／４波長板１８ｂは１／２波長板１８ａよりも光源側に配置してもよい。

光ファイバプローブ１３は、コア３１とこれを囲繞するクラッド３２とを有し、レーザ光を伝搬させる伝搬部２１と、伝搬部２１の射出側端部に近接場光滲出部２０ｂと通常伝搬光射出部２０ａとを有するプローブ部２２とを有する。コア３１、クラッド３２は、それぞれ２酸化シリコン系ガラスから成り、ゲルマニウム、リン等を添加することにより、コア３１よりもクラッド３２の屈折率が低くなるように組成制御されている。

図２（ｂ）は光ファイバプローブ１３のプローブ部２２を、図１の下方から見た状態を示している。プローブ部２２は、通常伝搬光射出部２０ａと近接場光滲出部２０ｂとからなっており、通常伝搬光射出部２０ａに対応するコア端面が「通常伝搬光射出面」であり、近接場光滲出部２０ｂに対応するコア端面が「近接場光滲出面」である。

近接場光滲出部２０ｂについて説明する。

近接場光滲出面は「尖った円錐面状」に形成され、その表面に「表面プラズモン伝搬のための被覆層」が導電性薄膜として形成されている。近接場光滲出面をなす円錐面の頂角を「α２」とすると頂角：α２は、コアを伝搬して上記円錐面に入射する通常伝搬光の入射角が「全反射角以上」となるような角に設定されている。通常伝搬光が光ファイバプローブ１３のコア３１の中心線に平行であるとして、上記入射角をθ２とすると入射角：θ２は「θ２＝９０度―α２／２」である。入射角：θ２は「コア３１の中心線に直交する面」に対して「近接場光滲出面をなす円錐面」のなす角であるので、以下において「近接場光滲出面のテーパ角：θ２」と呼ぶこともある。

図２（ａ）において、コアを伝搬する通常伝搬光Ｌがプローブ部に到達すると、通常伝搬光Ｌは、その一部が近接場光滲出面に入射し、他は通常伝搬光射出面に入射する。近接場光滲出面に入射する通常伝搬光Ｌは「入射角が全反射角以上」であるので、その大部分が近接場光滲出面で全反射し、その際滲出するエバネセント光（近接場光）が、被覆層２０ｄの自由電子と結合し、表面プラズモンとして被覆層２０ｄを伝搬し、近接場光滲出部２０ｂの尖端部に近接場光スポットＰＬを形成する。近接場光スポットＰＬは上記尖端部から数ｎｍ〜数１０ｎｍの位置に形成される。

近接場光滲出面に形成される「表面プラズモン伝搬のための被覆層」は、導電性があれば、材料として特に制限はないが、表面プラズモンによる近接場光スポットの増強効果が得られることや「化学的安定性に優れる」ことから「Ａｕ薄膜」とすることが好ましい。

滲出する近接場光の強度には「被覆層の材料に応じた波長依存性」がある。この波長依存性は一般に、図５（ａ）に示す如き「山形」になる。このとき、近接場光強度率が最大値：Ｐ０の１／２の値：Ｐ１となる「波長：λ２１とλ２２の間の波長帯」にある波長を選択することにより、高い強度の近接場光スポットを実現できる。
被覆層をＡｕ薄膜とした場合、上記波長帯は４８０〜７００ｎｍ程度である。

近接場光強度はまた、近接場光滲出面のテーパ角：θ２にも依存する。このテーパ角依存性は、一般に図５（ｂ）に示す如き「山形」になる。このとき、近接場光強度率が最大値：Ｐ０の１／２の値：Ｐ１となる、テーパ角：θａ、θｂの間のテーパ角を選択することにより、高い強度の近接場光スポットを実現できる。
被覆層をＡｕ薄膜とし、光源からのレーザ光の波長を６３３ｎｍとした場合、上記テーパ角の好適な範囲は４５度〜５５度の範囲である。

図６は、近接場光滲出部２０ｂの変形例を示している。この例では、光ファイバプローブの射出側端部のプローブ部における近接場光滲出部２０ｂ１において、近接場光滲出面の全体が被覆層２０ｄ１により被覆されているのではなく、近接場光滲出面をなす円錐面の頂部は、被覆層２０ｄ１により被覆されていない。このように円錐面頂部が露呈した近接場光滲出部としてもよい。

図２を参照して、通常伝搬光射出部２０ａについて説明する。

通常伝搬光射出部２０ａは、近接場光滲出面を囲繞して、近接場光滲出面と同心面的、即ち、近接場光滲出面と回転対称軸を共通にして形成され、漏出伝搬構造が「光の波長より小さい周期の凹凸構造」の「サブ波長構造」として同心円状に形成されている。この実施の形態では、サブ波長構造は「通常伝搬光射出面の全域」にわたって形成されている。

図２（ｃ）は、通常伝搬光射出部２０ａのサブ波長構造を説明図的に示している。
サブ波長構造による漏出伝搬構造２０ｃは、図示の如く、図面内を同心円の半径方向として、溝の凹部の深さ：ｈ、凸部の幅：ｗ、ピッチ（溝周期）：ｐ、被覆層の厚さ：ｔをなして通常伝搬光射出面２０ａ１の表面に形成されている。

サブ波長構造は「通常伝搬光射出面への成膜およびイオンビームエッチング等の微細加工」などにより形成することができる。この「サブ波長構造」は、通常伝搬光射出面２０ａに特定の波長の光が入射した際に、通常伝搬光の一部を近接場光として漏出させる。

通常伝搬光射出面をなす円錐面の頂角を「α１（＞α２）」とすると角：α１は、この円錐面に入射する通常伝搬光の入射角が「０より大きく全反射未満」であるような角として設定されている。通常伝搬光が光ファイバプローブ１３のコア３１の中心線に平行であるとして、上記入射角をθ１とすると「θ１＝９０度―α１／２」である。入射角：θ１は上記中心線に直交する面に対して通常伝搬光射出面をなす円錐面のなす角でもあるので、以下において、通常伝搬光射出面のテーパ角：θ１と呼ぶこともある。

上記のようなテーパ角：θ２を持つ近接場光滲出面と、テーパ角：θ１を持つ通常伝搬光射出面と有するコア端面形状は、例えば、特開平７−２６０４５９号公報開示の「フッ酸等の水溶液を用いたウエットエッチングプロセス」により形成できる。

図２（ａ）において、コアを伝搬して通常伝搬光射出面に入射した通常伝搬光は、入射角が全反射角未満であるため通常伝搬光射出面から射出するが、一部は漏出伝搬構造の作用を受けて近接場光として漏出し、近接場光滲出部の尖端部の近接場光スポットと合体して近接場光スポットＰＬの光強度を増大させる。

通常伝搬光射出面２０ａ１から射出された通常伝搬光は、通常伝搬光射出面の円錐面の傾き（テーパ）により屈折し、図２（ａ）に示す如くに集光し、近接場光スポットＰＬよりも「軸（コア３１の中心線）上で離れた位置（近接場光滲出部の尖端部から数百ｎｍ〜数μｍ程度離れた位置）」に高い強度の通常伝搬光スポットＳＰを形成する。

光ファイバプローブ１３の近接場光滲出部２０ｂの尖端から、通常伝搬光スポットＳＰまでの距離（「Ｄ」とする。）は、前述した通常伝搬光射出面のテーパ角：θ１を調整することにより制御できる。
図４（ａ）は、テーパ角：θ１と距離：Ｄとの関係を示している。

図４（ａ）に示されているのは、コア３１の屈折率が１．５３、射出側媒質が空気である場合で、テーパ角：θ１＝５０度は全反射角に相当し、テーパ角：θ１がそれより小さくなるにつれて距離：Ｄは増大し、通常伝搬光スポットは、光ファイバプローブの尖端部から数１００ｎｍ〜数μｍ程度離れた位置で集光する。これはテーパ角：θ１が小さくなるほど、通常伝搬光射出面２０ａ１での屈折角が小さくなることによる。

また、上記距離：Ｄは、光ファイバプローブのプローブ部２２における近接場光滲出部２２ｂの直径：Ｂと、通常伝搬光射出部２０ａの直径：Ａとの比：Ｂ／Ａにも依存する。この依存関係を図４（ｂ）に示す。この図からわかるように、直径比：Ｂ／Ａを０．２５以下とすることで通常伝搬光スポットを、光ファイバプローブの先端から離れた位置に形成できることがわかる。

通常伝搬光被覆層２０ａの材質は、入射光波長が可視帯域である場合に、表面プラズモンによる近接場光スポットの増強効果が得られることから、ＡｕもしくはＡｇとすることが好ましい。

通常伝搬光射出面２０ａ１に形成される漏出伝搬構造２０ｃと近接場光滲出面に形成される表面プラズモン伝搬のための被覆層２０ｄを形成する導電性材料とは、異なる材質でもよいが、光ファイバプローブの生産性向上を図るためには同一材質とすることが好ましい。同一材料構造にすることで、被覆層２０ｄを成膜する際に、通常伝搬光射出面２０ａ１にも同時に成膜し、通常伝搬光射出面に成膜された膜に対してイオンビームエッチング等の微細加工を行うことで、被覆層２０ｂと漏出伝搬構造２０ｃとを一連の工程で形成できる。

通常伝搬光出射面２０ａ１に入射した光の大部分は、通常伝搬光出射面２０ａ１から射出してプローブ部２２の尖端部から遠方に集光するが、漏出伝搬構造２０ｃにおけるサブ波長構造のパラメータ（上記ｈ、ｗ、ｐ、ｔ）を、入射レーザ光Ｌの波長及び通常伝搬光出射面のテーパ角：θ１に応じて設定すると、通常伝搬光射出面に入射したレーザ光の一部が、漏出伝搬構造２０ｃの表面に漏出し、漏出伝搬構造の自由電子と結合し「表面プラズモン」として、漏出伝搬構造２０ｃに沿って光ファイバプローブの尖端部に向けて伝搬し、近接場光滲出面２０ｂから滲出した近接場光と合体して高強度の近接場光スポットＰＬを形成する。

本発明の光ファイバプローブの具体的な構造は、例えば、通常伝搬光射出面２０ａ１のテーパ角（θ１）が１５度、近接場光滲出面のテーパ角（θ２）が４２度、通常伝搬光射出面と近接場光滲出面の直径比（Ｂ／Ａ）が０．１７、被覆層の材質がＡｕ、サブ波長構造のパラメータは、溝凹部の深さ：ｈが０．０２μｍ、幅：ｗが０．３５μｍ、ピッチ：ｐが０．７μｍ、被覆層の厚さ：ｔが０．０８μｍのものである。

この光ファイバプローブに対し、波長：６３３ｎｍの直線偏光状態のレーザ光を入射した場合、光ファイバプローブ尖端部の近接場光強度のピークを、漏出伝搬構造がない場合と比較して２倍程度に高めることができる。

本発明の光ファイバプローブでは、近接場光スポットの形成に「通常伝搬光射出面から漏出した近接場光」をも利用するため、より高強度な近接場光スポットが形成され、その結果、高いＳ／Ｎ比で近接場光による高分解能検査を行うことができる。

上述の光ファイバプローブにより通常伝搬光スポットによる低解像度の広範囲検査を行う際には、通常伝搬光の一部が「通常伝搬光出射面に漏出する近接場光」となるため、通常伝搬光射出面に漏出伝搬構造がない場合と比較すると、通常伝搬光スポットの強度は若干ではあるが低下する。

これを回避するには、通常伝搬光スポットによる検査の際、近接場光スポットによる検査時の使用波長とは異なる波長の光を入射するのがよい。すなわち、通常伝搬光による検査の際には「漏出伝搬構造により漏出する近接場光」が最小となる波長を選択し、近接場光による検査の際には、漏出近接場光が最大となる波長を選択する。通常伝搬光による検査と近接場光による検査で、異なる波長の光を用いることにより、通常伝搬光による検査時に「通常伝搬光が通常伝搬光射出面で表面プラズモンに変換される変換効率」が低くなるため、通常伝搬光スポットの強度を大きく維持できる。

さらに、通常伝搬光スポットによる検査の際のＳ／Ｎ比向上の観点からすると、導電性材料の材料特性である複素屈折率分散を考慮し、光透過率が最大もしくはその近傍となる波長を選択することが好ましい。例えば、漏出伝搬構造の導電性材料が前述のＡｕの場合には、光透過率分布は図４（ｃ）のような凸形状を成す。この場合「光透過率が最大もしくはその近傍となる波長」は、光透過率が最大値：Ｔ０の１／２の値：Ｔ１となる波長：λ１１、λ１２間の波長帯の波長であり、例えば「Ａｕによる漏出伝搬構造」の場合には波長：５００ｎｍ程度の波長の光を選択することが好ましい。

近接場光による検査と通常伝搬光による検査のそれぞれにおいて、上記のように入射させる光波長を選択することにより、各検査時に高いＳ／Ｎ比を実現できる。

図１に戻ると、光ファイバプローブ１３は上に説明した如く構成されており、光射出部近傍をプローブ制御部１５に装着されている。プローブ制御部１５は、例えば「３軸アクチュエータ」等により構成された公知のものであって、光ファイバプローブ１３の射出側端部を被検面２ａに対して「近接離間させる方向（図の上下方向、前記「軸の方向」）」及びこれに直交する２方向に変位させる機能を有する。

近接場光スポットによる検査と通常伝搬光スポットによる検査を切り替えるときには、制御手段１００によりプローブ制御部１５を制御して、光ファイバプローブ１３の射出側端部と被検面２との距離を変化させ、被検面２ａを「近接場光スポットもしくは通常伝搬光スポットの形成されている位置」に合致させ、この状態で被検面２ａに平行な２方向に走査することにより被検面２ａの走査を行う。上記切り替えに伴う「光ファイバプローブ１３の射出側端部と被検面２との距離の変化量」は、予め実験的に決定してデータ化し制御手段１００に記憶させておく。この切り替えに応じて、波長変換部１７で光源から発振するレーザ光の波長を、検査に最適な波長に切り替える。

なお、被検面の走査は、光ファイバプローブ１３の射出端側を固定し、被検査体２を変位させることにより行うようにしてもよいし、光ファイバプローブ１３の射出側端部と被検面２との距離の切り替えを「被検査体の変位（図１の上下方向の変位）」により行い、近接場光スポットもしくは通常伝搬光スポットによる２次元の走査を、光ファイバプローブ射出側端部の変位により行うようにしてもよい。即ち、被検面と光ファイバプローブとの３次元的な相対変位により走査を実行することができる。

図１に示すように、被検面２ａにより反射された光は「戻り光」として光ファイバプローブ１３内を戻り、１／４波長板１８ｂ、１／２波長板１８ａを透過し、ビームスプリッタ１２により反射されて光検出器１４により受光される。光検出器１４は受光した戻り光を光電変換して輝度信号を生成する。生成された輝度信号を基に走査画像が画像処理部１６で作成され、画像表示部１７Ａに表示される。検査者は画像表示部に表示される画像に基づき被検面２ａの詳細を測定、観察して検査を行うことができる。

同一の被検査体に対し、広範囲検査と高分解能検査を切り替えて、同一被検査体を継続して検査する場合の過程を以下に説明する。

まず、通常伝搬光スポットＳＰにより被検査体の検査を行うときには、光ファイバプローブの先端（尖端部）と被検面２ａの間隔を「通常伝搬光スポットＳＰによる走査に適した距離（数１００ｎｍ〜数μｍ）」に設定して通常伝搬光スポットＳＰによる走査を行う。近接場光スポットＰＬは近接場光滲出部の尖端部に留どまり、被検面には達しないため「通常伝搬光スポットＳＰによる走査」には影響しない。このとき、光源１１から射出されるレーザ光の波長は、波長変換部１７により「通常伝搬光を使用した検査に適した波長」に設定する。

通常伝搬光スポットによる検査光により画像表示部１９に表示される画像から得た「被検面２ａの光学物性情報」に基づき、より詳細な物性検査を望む微小領域が特定され、当該領域へ光ファイバプローブ１３を被検面２ａに平行な方向に移動させて「位置あわせ」を行い、当該領域のみを対象として「近接場光スポットＰＬによる高分解能検査」を実施する。このとき、光源１１からのレーザ光の波長は「近接場光による検査に適した波長」に切り替える。

近接場光スポットＰＬが形成されている状態で、プローブ制御部１５によりプローブ部２２を被検面２ａに近接する方向に移動させる。近接場光滲出部２０ｂの尖端部と被検面２ａとの距離が、光源１１から射出されるレーザ光の波長の１／４以下となると、近接場光スポットＰＬによる近接場光が被検面２ａに照射され、被検面２ａ上には近接場光による極めて微小な光スポットが形成される。

光スポットを形成した近接場光は被検面２ａにより反射され、検査光としてコア３１を介して光検出器１４に導かれ、上記と同様にして「被検面２ａの高分解能検査」に供せられる。

以上のように、光ファイバプローブ１３の先端のプローブ部２２を被検面２ａに対して近接離間する方向に移動させることにより、近接場光による高分解能検査と通常伝搬光スポットによる低分解能検査を選択的に行うことができる。高分解能測定時における通常伝搬光の射出の抑制により高Ｓ／Ｎ比での測定が可能になる。

また、通常伝搬光を利用した広範囲検査から近接場光を利用した高分解能検査へ切り替えて同一被検査体の検査を継続して行う場合、用いる光ファイバプローブを「低分解能用と高分解能用に交換」する必要が無く、広範囲検査と同軸での高分解能検査が可能となるため、煩雑な作業を強いられることなく両分解能検査を行うことができる。

なお、光ファイバプローブ１３のプローブ部２２を被検面２ａに平行な方向に走査する際、プローブ部２２の先端部の被検面２ａに対する高さを一定とすることで検査中に近接離間方向への変位制御が不要となり、先に説明した通常伝搬光スポットとプローブ分先端部との間の距離（数百ｎｍ〜数μｍ程度）と相俟ってより高速な走査が可能となり、測定時間の大幅な短縮につながる。

上に、図１、図２に即して説明した実施の形態において、光ファイバプローブ１３は、
光源１１から放射されたレーザ光を伝搬させるコア３１を有するシングルモードの光ファイバの射出側端面に、近接場光を滲出させる近接場光滲出面と、通常伝搬光を射出する通常伝搬光射出面とが、近接場光滲出面を軸側にして、通常伝搬光射出面が近接場光滲出面を囲繞するように同心面状に有し、近接場光滲出面に表面プラズモン伝搬のための被覆層２０ｄが形成され、近接場光滲出面は頂角の小さい円錐面状に形成され、通常伝搬光射出面は射出通常伝搬光が滲出近接場光よりも軸上で離れた位置に集光するように形成された光ファイバプローブであって、通常伝搬光射出面の少なくとも一部の領域に、近接場光滲出面に形成された表面プラズモン伝搬のための被覆層２０ｄに隣接させて、光源から伝搬された通常伝搬光の一部を近接場光として漏出させ、上記被覆層側に伝搬させる漏出伝搬構造２０ｃを有する（請求項１）ものである。

また、通常伝搬光射出面に設けられた漏出伝搬構造２０ｃは、近接場光滲出面に形成した被覆層２０ｄと同一の導電性材料によりなる、光軸を中心とした同心円状のサブ波長構造である（請求項２）。

また、上に説明した検査装置によれば、光源１１から放射されるレーザ光を光ファイバプローブ１３に導光してコア３１を伝搬させ、被検面２ａを、滲出近接場光による近接場光スポットＰＬもしくは集光した射出通常伝搬光による通常伝搬光スポットＳＰより選択的に走査しつつ、被検面２ａを介した検査光を検出手段１２、１４、１６、１９により検出し、高強度な近接場光スポットにて高分解能検査を行う検査方法（請求項３）が実施できる。その際、光源１１から射出するレーザ光の波長を、通常伝搬光による広範囲検査と、近接場光による高分解能検査とで、それぞれに最適な波長に切り替えることにより、どちらの検査も高いＳ／Ｎ比で行うことが可能となる(請求項４)。

また、上記実施の形態の検査装置は、被検査体２の被検面２ａを光学的に検査する装置であって、レーザ光源１１と、このレーザ光源からのレーザ光を伝搬させ、滲出近接場光として滲出させる近接場光滲出面と、通常伝搬光を射出させて、滲出近接場光よりも軸上で離れた位置に集光するように形成された通常伝搬光射出面とを有する光ファイバプローブ１３と、レーザ光源１１からのレーザ光の偏光を制御する偏光制御手段１８、１８ａ、１８ｂと、被検査体２の被検面２ａを、滲出近接場光による近接場光スポットＰＬもしくは集光した射出通常伝搬光による通常伝搬光スポットＳＰより選択的に走査する走査手段１５と、被検面２ａを介した検査光を検出する検出手段１２、１４、１６、１９とを有し、光ファイバプローブ１３として請求項１、２記載のものを用いるものであり（請求項５）、広範囲検査と高分解能検査とで波長を切り替える（請求項６）ことにより、両検査とも高Ｓ／Ｎ比を実現できる。

図３に検査装置の実施の別形態を示す。煩雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものには図１におけると同一の符号を付し、これらについての説明は、図１に関連した説明を援用する。

図１に示す実施の形態では、検出手段が「被検面２ａによる散乱光もしくは反射光を、戻り光として光ファイバプローブ１３を介して検出する」ように構成されているが、図３の実施の形態においては、被検面２ａ１を介した検査光を、光ファイバプローブを介することなく検出手段１４、１６、１９により検出して検査を行う。即ち、図３に示す実施の形態では、被検査体２Ａは検査レーザ光に対して透明であり、被検面２ａ１を介した検査光は、被検査体２Ａを透過して光検出器１４により受光される。

検査装置の実施の１形態を説明するための図である。 図１の実施の形態における光ファイバプローブを説明するための図である。 検査装置の実施の別形態を説明するための図である。 通常伝搬光射出部の性質を説明するための図である。 近接場光滲出部の性質を説明するための図である。 光ファイバプローブの変形例を説明するための図である。

符号の説明

１ 検査装置
２ 被検査体
２ａ 被検面
１１ 光源
１２ ビームスプリッタ
１３ 光ファイバプローブ
１４ 光検出器
１７ 光波長変換部
１８ａ １／２波長板
１８ｂ １／４波長板
１９ 画像表示部

Claims (6)

1. 光源から放射されたレーザ光を伝搬させるコアを有するシングルモードの光ファイバの射出側端面に、近接場光を滲出させる近接場光滲出面と、通常伝搬光を射出する通常伝搬光射出面とを、上記近接場光滲出面を軸側にして上記通常伝搬光射出面が上記近接場光滲出面を囲繞するように同心面状に有し、上記近接場光滲出面に表面プラズモン伝搬のための被覆層が形成され、上記近接場光滲出面は頂角の小さい円錐面状に形成され、上記通常伝搬光射出面は射出通常伝搬光が滲出近接場光よりも軸上で離れた位置に集光するように形成された光ファイバプローブにおいて、
   通常伝搬光射出面の少なくとも一部に、近接場光滲出面に形成された表面プラズモン伝搬のための被覆層に隣接させて、光源から伝搬された通常伝搬光の一部を近接場光として漏出させて上記被覆層側に伝搬させる漏出伝搬構造を有することを特徴とする光ファイバプローブ。
2. 請求項１に記載の光ファイバプローブにおいて、
   通常伝搬光射出面に設けられた漏出伝搬構造が、近接場光滲出面に形成された被覆層と同一の導電性材料によりなる、光軸を中心とした同心円状のサブ波長構造であることを特徴とする光ファイバプローブ。
3. 請求項１または２に記載の光ファイバプローブを用いて被検査体の被検面を光学的に検査する方法であって、
   光源から放射されるレーザ光を光ファイバプローブに導光してコア部に伝搬させ、
   上記被検面を、近接場光滲出面から滲出して光ファイバプローブ先端部に形成される近接場光スポット、もしくは、通常伝搬光射出面から射出して近接場光スポットから軸上で離れた位置に集光した通常伝搬光スポットにより選択的に走査しつつ、被検面を介した検査光を検出手段により検出し、
   光ファイバプローブの通常伝搬光射出面から漏出する近接場光を、漏出伝搬構造により光ファイバプローブ先端近傍に伝播させ、近接場光スポットの強度を増大させて検査を行うことを特徴とする検査方法。
4. 請求項３に記載の検査方法において、
   通常伝搬光スポットによる検査を行うときと、近接場光スポットによる検査を行うときとで、それぞれ最適波長のレーザ光を用いるように、光源の発光波長を切り替えることを特徴とする検査方法。
5. 被検査体の被検面を光学的に検査する装置であって、
   レーザ光源と、
   このレーザ光源からのレーザ光を伝搬させ、滲出近接場光として滲出させる近接場光滲出面と、通常伝搬光を射出させて、上記滲出近接場光よりも軸上で離れた位置に集光するように形成された通常伝搬光射出面とを有する光ファイバプローブと、
   被検査体の被検面を、上記滲出近接場光による近接場光スポットもしくは射出通常伝搬光による通常伝搬光スポットにより選択的に走査する走査手段と、
   被検面を介した検査光を検出する検出手段と、
   を有し、上記光ファイバプローブとして、請求項１または２に記載のものを用いることを特徴とする検査装置。
6. 請求項５に記載の検査装置において、
   通常伝搬光スポットによる検査を行うときと、近接場光スポットによる検査を行うときとで、それぞれ最適波長のレーザ光を用いるように、光源の発光波長を切り替え可能としたことを特徴とする検査装置。

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