JPH03115834A - 薄い層の物理特性を検査する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、偏光により薄い層の物理特性を検査する方法
に関する。

従来の技術 ガス状及び液状の環境における表面の物理特性を検査し
かつ特性を示す結像光学法は、多くの技術分野において
興味を持たれている。とりわけ数μｍからサブナノメー
トルまでの範囲の厚さを有する薄いかつ極めて薄い誘電
体層のための検査方法は、物理学、化学、マイクロリソ
グラフ、センサ解析及び免疫学においてますます必要に
なる。

すべての方法の目的は、できるだけ大きな横向き分解能
及び高いコントラストで表面構造を表示することにある
。

高いコントラストで簿いかつ極めて薄い層を検査するに
は、結像０だ円偏光法（ヨーロツノテ特許出願公開第１
９０８８号明細書参照）及び表面プラズモン顕微鏡光学
系（Ｂ、ローテンホイズラーＷ、クノール、ナツーレ３
３２　、６１５　（１９８８）参照）が適している。結
像０だ円偏光法の欠点は、処理技術上の費用が高いこと
、及び単色光に限定されることにある。それに対して表
面プラズモン顕微鏡光学系の構成は、わずかな光学部品
から成るにすぎない。その上特にサブナノメートル範囲
においてこの方法のコントラストはさらに高い（Ｂ、ロ
ーテンホイズラー、学位論文ミュンヘン（１９８７）参
照）。しかし表面グラズモン顕微鏡光学系の欠点は、層
の厚さが１００　ｎｍより小さい層に限定されることに
ある。

発明の目的 本発明の課題は、わずかな処理技術上の費用により高い
強度フントラスト、すなわち大きな垂直分解能、及び良
好な横向き分解能で薄いかつ極めて薄い層を表面構造及
び屈折率構造に関して検査できる方法を提供することに
ある。

発明の構成 本発明の対象は、検査すべき層又は検査すべき層系に偏
光を照射し、かつ反射光又は透過光を結像系に導く、偏
光により薄い層の物理特性を検査する方法であり、この
方法は次のような特徴を有する。すなわち偏光の入射に
より検査すべき層又は検査すべき層系に光ガイドモード
を励起する。

その際検査すべき層又は検査すべき層系は、任意の固体
表面に、例えば金属層又は半導体層上に取付けることが
できる。

検査すべき層又は検査すべき層系内に光ガイドモードを
励起するため、カップリング装置を使用すると有利であ
る。

カップリング装置としてはプリズムを使用すると有利で
あり、その際検査すべき層又は検査すべき層系に対して
１００〜４００　ｎｍの間隔を置いてプリズムの底面を
取付けるか、又は金属フィルム又は半導体フィルムで被
覆したプリズムの底面に検査すべき層又は検査すべき層
系を直接取付ける。

しかしカップリング装置として固体表面上の格子構造も
有利に使用でき、この固体表面上に検査すべき層又は検
査すべき層系を取付ける。

驚（べきことに本発明による方法によれば、わずかな装
置費用により０．１ｎｍ〜はぼ１■の層厚を有する層を
表面構造及び屈折率構造に関して検査することができる
。

薄い透明媒体中の光ガイドモードは、Ｐ、　Ｋ、ティー
ンによりＲｅｖ、　Ｍｏｄ、　Ｐｈｙｓ、　４９　、３
６１　（１９７７）において論じられている。

光ガイドモードは、薄い透明媒体中で伝搬できる電磁波
である。この波は媒体の境界面に対して平行に伝搬し、
かつ伝搬方向に減衰する。電磁界は、媒体の境界面にお
いて指数関数状に減衰する。

薄い誘電体層における光ガイドモードの励起のためにだ
いたいにおいて２つのカップリング装置が使われ、すな
わちプリズムカップリング（Ｐ、Ｋ。

ティーン、Ｒ，ウルリヒ、Ａｐｐｌ−ＰｈｙＳ、　Ｌｅ
ｔｔ。

１４　、２９１　（１９６９）参照）、及び格子カンブ
リング（Ｄ、　Ｇ、グルゲーテ、　Ｃ，Ｄ、　Ｗ、ウィ
ルキンソン。

Ａｐｐｌ、　０ｐｔｃｓ　、　１４　、２９８３　（１
９７５）参照）が使われる。

プリズムカップリングの場合、プリズムには平行に偏光
した光（＝　ｐ　）又は垂直に偏光した光（−５）が当
たり、この光は、プリズムの底面で全反射する。固体支
持体上にある検査すべき光ガイド層又は層系は、数１１
００ｎ、例えば１００〜４００　ｎｍ。

なるべく１５０〜２５０　ｎｍまでプリズムの底面に近
付けられる。光の入射角を適当に選択した場合、検査す
べき層又は層系内に光ガイドモードが励起される。この
角度において反射光ビームの強度は最小値をとる。プリ
ズムと検査すべき層又は層系との間の媒体としては、ガ
ス又は液体が使用される。この構成の代りにプリズムと
検査すべき層又は層系との間のギャップを金属層又は半
導体装置置換えてもよい。この時検査すべき層又は層系
は金属層又は半導体層に取付けられる。

格子カップリングの場合、固体の表面はスタンピング法
又はエツチング法により線状格子の形忙変調される。変
調されたこの表面には検査すべき層又は層系が取付けら
れる。プリズムカップリングの場合のように入射するｐ
又はＳ偏光の適当な入射角の場合、検査すべき層又は層
系内に光ガイドモードが励起される。ここでも反射光の
強度は最小値をとる。

検査すべき層又は層系の横向き構造は、光ガイドに対し
て種々の力、ブリング条件を生じる。偏光が一定の角度
で前記試料装置の１つに当たると、検査すべき層又は層
系の横向き構造は、種々の反射、すなわち種々の輝度に
基づいて識別できる。

角度を変えて入射した場合、種々の入射角において検査
すべき層又は層系の種々の範囲に対するカップリング条
件を満たすことができ、それにより横向き構造が見える
ようになる。

横向き分解能は光ガイドモードの減衰によって作用を受
ける。光ガイドモードの減衰は、光ガイド媒体の吸収及
び表面品質により、がっ隣接する媒体の吸収により決ま
る。横向き分解能を良好にするためＫは、光ガイドモー
ドの減衰をできるだけ大きくする。

垂直分解能はサブナノメートルの範囲にあり、すなわち
１　ｎｍよりわずかな光ガイド層の厚さの相違がはっき
りと異なった反射を生じ、従って観察可能なコントラス
トを生じる。

薄い層の物理特性を検査するため本発明により使用すべ
き装置は、機械的及び光学的に簡単に構成されている。

この装置は光ガイドモード顕１２鏡と称することができ
る。光ガイドモードを形成するためにプリズムカップリ
ングを使用すると有利であり、その際浸漬液によりプリ
ズム表面に物体支持体を接着し、この物体支持体の裏側
に金属層を取付け、がっその上に検査すべき層又は層系
を取付ける。その代りに金属層及び検査すべき層又は層
系はプリズム表面に直接取付けてもよい。そのため金属
としては、銀、金、ｍ及びアルミニウム又はこれら金属
から成る層系が使われる。２〜５　ｎｍのクロムと４０
　ｎｍの金から成る層系を使用すると特に有利とわかっ
た。それにより形成された鏡は、浅い角度でプリズムの
空いた２つの側面のうち一方を通して平行な単色、着色
又は白色のｐ又はＳ偏光で照射され、かつ鏡上に焦点を
結ぶ短い焦点距離の色消しレンズによってプリズムの他
方の空いた何面を通ってスクリーン、ビデオカメラ又は
接眼レンズに結像する。

検査すべき層としては、屈折率及び厚さに関して特殊な
構造の薄い誘電体層（例えば有機ポリマシリコン含有ポ
リマー、金属酸化物層）、例えば１００　ｎｍ〜１闘の
厚さを有するようなものが対象となる。層は、例えば蒸
着、めっき又はラングミューア・ブロードゲット法によ
り金属層に取付けることができる。さらに屈折率及び厚
さに関して特殊構造の、０，１〜１００　ｎｍの厚さを
有する極めて薄い層を検査することができる。そのため
まず金属上に、例えば蒸着、めっき又はラングミューア
・ブロードゲット法により光ガイド誘電体層を取付ける
と有利であり、それからその土に検査すべき層を、例え
ばラングミエーア・プロードゲッ）（ＬＢ）法、めっき
、液相からの吸着、注入又は蒸着によって取付ける。こ
のようにして例えばリピドモノ層、ポリマー、特殊構造
８１０２層及び特殊構造Ｃｄ・アラキダート・ＬＢ層が
検査できる。

実施例 例ｌ ５Ｆ５７ガラスから成るプリズムの底面に３０ｍのクロ
ム及び４０　ｎｍの金から成る層系な蒸着する。検査す
べき層としては特殊構造のＳ　ｒ　０２蒸着層を使用す
る。製造は次のように行５゜すなわち第１の蒸着過程に
おいて金属層系上に３１０　ｎｍのＳ　ｒ　０２を蒸着
する。続いて組織化のために第２の蒸着過程においてマ
スク（電子顕微鏡ネット）を通してもう１度４　ｎｍの
５ＩＯ２を蒸着する。

試料の均一な範囲において光の入射角に依存した反射強
度を測定する。光源としてはＨｅＮｅレーザー（λ＝　
６３３　ｎｍ　）を使用する。測定はｐ及びＳ偏光で行
う。３１０　ｎｍと３１４　ｎｍの厚さの均一なＳ　ｔ
　０２層の光ガイドモードは、明らかに異なった入射角
の場合に生じた。この角度のずれはフントラストの形成
に利用される。第２図は特殊構造のＳｉＯ層のこのよう
な記録を示している。黒い棒は２０μｍの幅を有する。

記録は、入射角θ−３１，３でｐ偏光（λ−６３３　ｎ
ｍ　）によって行った。３１０μｍの厚さのＳ　＋　０
２範囲内に光ガイドモードを励起する。反射強度は最小
である。それ故に記録においてこれら範囲は暗く見える
。３１４　ｎｍの厚さのＳ＋０２範囲はカップリング条
件を満たしておらず、光ガイドモードは励起できない。

これら範囲は像中で明るくなっている。入射角をθ−１
，１０°だけ増加することにより、この時３１４　ｎｍ
の厚さのＳ　ｉ０２範囲がカップリング条件を満たし、
すなわち光ガイドモードが励起されるので、コントラス
トを反転することができる。３１０　ｎｍの厚さのＳ　
ｒ　０２範囲内ではもはや光ガイドモードは励起できな
い。Ｓ偏光による記録は同じ結果を生じる。

例２ ＳＦ５７ガラスから成るプリズムの底面に５０ｍｍの銀
を被覆する。その上にポリ電解質フィルムを被覆する。

すべての検査はＨｅＮｅレーザーのｐ偏光によって行っ
た。光の入射角に依存した反射強度の測定により、被覆
したポリ電解質フィルム内にわずかなカップリングによ
る極めて幅広い光ガイドモードだけが励起できることが
わかった。

考えられる原因は、光ガイドモードの減衰を増加するポ
リ電解質層の吸収、又は層の粗悪な表面品質である。後
者は本発明による方法により試験できる。第３図は、θ
−４４，５°におけるポリ電解質フィルム表面の光ガイ
ドモード顕微鏡の相応した記録を示している。像部分の
大きさは５７０　Ｘ　４２０μｍ′である。暗い範囲内
だけに光ガイドモードが励起できる。その他の明るい範
囲は厚さに関して相違しており、それ故にθ−４４，５
”の入射角の場合に光ガイドモードを励起することはで
きない。Δθ−０，４°毎に０１−４３゜１°からθ２
−４５．９°までの角度に依存した記録によれば、レベ
ルダイヤグラムを作ることができる。そのためそれぞれ
の記録により最小のグレー値、従って最小の光反射を生
じる範囲が特定される。これは均一な厚さの範囲である
。

フレネルの式による層系に関するモデル計算によ’ｌ（
Ｈ，ウォルタ−「ハントブーツ・デア・フィジーク」、
Ｓ、フリュッゲ（版）、シュブリンガー出版、ベルリン
、１９５６参照）、それぞれの角度に対応する厚さが計
算できる。材料の屈折率は既知であり、かつｎ　＝　１
．６３である。この評価によれば、５７０　Ｘ　４２０
μ−の大きさの検査した面積に関して層の平均厚さは３
３８　ｎｍであることがわかった。厚さの変動は±１０
　ｎｍであった。表面のこの大幅な不均一は、光ガイド
モードの幅と粗悪なカップリングにより生じる。

例３ リビドモノ層の例において、光ガイド誘電体層上の特殊
構造の極めて薄い層がどのようにして検査できるかを示
す。

ＢＫ７ガラス物体支持体上に３０ｍのクロム及び４０　
ｎｍの金を蒸着した。続いて３４０　ｎｍの厚さの５ｉ
ｏ２層を蒸着した。ＳｉＯ２層は光ガイド層として使わ
れる。

検査すべきリピドモノ層としてはジミリストイルホスフ
エーチド酸（ＤＭＰＡ　）から成るラングミューア・ブ
ロードゲット・フィルムを使用する。

ＤＭＰＡ　（クロロホルム中に溶解）は、純粋な水上に
広げられ、かつ溶媒を蒸発させた後にラングミューア・
ブロードゲット法により５〜６ｍＮ−ｍ−’の圧力で（
共存相）前記のように準備したＢＫ７ガラス物体支持体
上に移す。共存範囲においてリビドモノ層が結晶範囲と
無定形範囲から成る疑似２元系であることはわかってい
る。これら範囲を厚さ及び屈折率に関−て区別する。

このように準備した物体支持体を浸漬液（・てよりＢ　
Ｋ、　７プリズムに接着し、かつ本発明による方法で検
査する。検査はＩ（ｅＮｅレーザーのｐ偏光によって行
った。θ＝４１°の光入射角における光ガイドモード顕
微鏡による記録により明らかなように、ＤＭＰＡの結晶
範囲と無定形範囲のわずかな厚さの相違を横向き及び垂
直にはつきりと分解することがうまくいった。

本発明による方法のために使用する装置の構成は第１図
に概略的に示しである。ここにおいて１は光源、２は検
査すべき層又は検査すべき層系（例えば特殊構造のＳ　
ｒ　０２層又はＳ　＋　０２層とりビドモノ層）、３は
金属層、４はガラス物体支持体、５は浸漬液、６はガラ
スプリズム、７はレンズ、８はビデオカメラを表わして
いる。

【図面の簡単な説明】

■・・・光源、２・・・検査すべき層又は層系、３・・
・金属層、４・・・ガラス物体支持体、５・・・浸漬液
、６・・・ガラスプリズム、７・・・レンズ、８・・・
ビデオカメラＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３ 手 続 捕 正 書 平成２年 ７月１３日

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）検査すべき層又は検査すべき層系に偏光を照射し
   、かつ反射光又は透過光を結像系に導く、偏光により薄
   い層の物理特性を検査する方法において、 偏光の入射により検査すべき層又は検査すべき層系に光
   ガイドモードを励起することを特徴とする、薄い層の物
   理特性を検査する方法。
2. （２）検査すべき層又は検査すべき層系を任意の固体表
   面に取付ける、請求項１記載の方法。
3. （３）検査すべき層又は検査すべき層系を金属層又は半
   導体層上に取付ける、請求項２記載の方法。
4. （４）検査すべき層又は検査すべき層系内に光ガイドモ
   ードを励起するため、カップリング装置を使用する、請
   求項１〜３の１つに記載の方法。
5. （５）カップリング装置としてプリズムを使用する、請
   求項４記載の方法。
6. （６）検査すべき層又は検査すべき層系に対して１００
   〜４００ｎｍの間隔を置いてプリズムの底面を取付ける
   、請求項５記載の方法。
7. （７）金属フィルム又は半導体フィルムで被覆したプリ
   ズムの底面に検査すべき層又は検査すべき層系を直接取
   付ける、請求項５記載の方法。
8. （８）カップリング装置として固体表面上の格子構造を
   使用し、この固体表面上に検査すべき層又は検査すべき
   層系を取付ける、請求項４記載の方法。