-背景-
近年、微細化の進む集積回路の評価。または微細領域における特殊な物性や微細な構造体などの観察。これらナノスケールの物体を光学的に観察しようとしても従来の光学顕微鏡では「光の波長より小さい物は観察できない。」という制約から不可能な事と言える。このような物を観察しようとすると光の波長λを短くするしかない。
その為には光速vを遅くするか振動数ωを高くするしかないが、近接場顕微鏡とは光を振動数ωが非常に高い近接場「エバネッセント波」に変換しそれを用いる顕微鏡であり、これによりナノスケールの試料を観察しようと言うものである。
微細な領域における物性は従来のマクロな物性とは異なることが知られている。ただしそれを観察するには従来の観察方法では不十分で、局所的に調べることのできる近接場顕微鏡による観察が最も適切である
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BCN薄膜試料は金属光沢があり導電性があると思われる、しかしその薄膜は均一ではないため局所的に導電性を調べる必要がある。
この時電極を取り付けての測定方法では局所的に調べることは出来ない。そこで近接場顕微鏡を用いて、試料表面の反射測定を行なうことによってエネルギー準位、電子情報などを得て局所的な誘電率を求めようとした。
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光が真空から複素屈折率Nの資料に入射角ψ0で入射したときの反射率は右図にあるようにRp、Rsで表すことができる。
またこのとき複素屈折率NはN=n+iκで表される。
同じ試料に光を垂直入射させたときの反射率は左図中のRで表される
実際の反射測定実験では、まず入射光の振動数ωを変えながら反射率測定を行うことでωに対する反射率のグラフを得ることができる。
それを元に、プラズマ振動数ωpと分散時間τの二つのパラメーターで表される反射率の理論値とのフィッティングを行うことで測定した試料の誘電率を求める
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左図はマクロに反射率測定を行ったときのもので、このとき用いた装置は透過型分光光度計を改造して反射率測定を行えるようにしたものである。
測定時、広い波長範囲で反射率が100%に近いという理由から銀をベースラインにとって、金・BNC薄膜・誘電体多層膜の反射率を測定した。
このときベースに取った銀の反射強度が短波長側で急激に減少している事から、実験時の反射率測定のデータもその影響が出ている事がわかった。そのため紫外領域で高い反射率の試料をベースラインをとっての測定の必要性が感じられた。
また今回測定した波長領域は可視光領域のみで、少し長波長側にプラズマ振動数によるピークが現れることになる。
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また、測定結果より短波長側に反射率が下がることが予想される。
それは先ほどの装置で使用した鏡が紫外領域においての反射率が小さいことから試料に当たる前に紫外領域の光強度が減少しているからだと考えられた。
よって左図のような装置を用いて再び反射率測定を行う必要があると考えられた。
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左図は近接場反射測定を行なう時の装置配置図である。
近接場反射測定系はレーザー光源と検出器の両方を兼ねている。またファイバスプライスまでの光ファイバを調整して光を精確にいれて、ファイバスプライスで近接場顕微鏡の光ファイバと連結してその先端の光プローブによって近接場反射測定を行なう。
この時、光路となる光ファイバの長さによる時間差を考慮して反射光を特定する。（詳しくは後述）
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左図はファイバスプライスまでの状態でアルミ蒸着ミラーを用いての反射光を検出した時の装置配置図である。
この時、対物レンズのミラーまたはファイバー端面などによる想定外の反射光によりフォトダイオードに検出される光の中から試料からの反射光を特定することが非常に困難なことがわかった。
そこで検出される光の中から時間的・偏光的・空間的の３つの方法で試料からの反射光だけを抽出しようとした。
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＠時間的による反射光抽出
今回アルミ蒸着ミラーまでレーザー光を導く光ファイバは約1500mmの長の物を使用した。往復3000mmの距離を光が進むとわずかながら時間遅延が生じる。この時対物レンズやファイバ端面での反射光とアルミ蒸着ミラーによる反射光ではその位置が大きく異なることから、その反射光はフォトダイオードで検出されるまでにそれぞれ時間差があると考えられた。
その時間差を利用することでフォトダイオードに入ってくる光の中からアルミ蒸着ミラーからの反射光を特定した。
またこの測定によりレーザー発振より15nsの時間遅延が認められ、そのときの光路（光ファイバの往復距離）が3000mmであることから、光ファイバ200mmにつき約1nsの遅延が生じることがわかった。
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＠偏光的による反射光抽出
ダイオードレーザーのレーザー光はその偏光方向は同じ向きである。それは対物レンズのミラーによる反射でもファイバ端面での反射であってもその偏光方向は変わることはない。
しかし、一度光ファイバを通ったひかりはその偏光方向が乱れて出てくることが予想された。
そこで、偏光板を用いて一定の変更方向の光だけをフォトダイオードに検出させることでアルミ蒸着ミラーからの反射光を特定した。
その結果ほとんどの光はカットされアルミ蒸着ミラーからの反射光だけを取り出すことが出来た。
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＠空間的による反射光抽出
光ファイバ端面が対物レンズの焦点位置からずれている場合、光ファイバから戻ってきたアルミ蒸着ミラーによる反射光は奇妙にゆがんで出てきていることが分かった。
そんな場合光ファイバの位置を微調整してやる事でその反射光は一点に絞り込むことができる。この絞り込まれた状態で反射光を検出するとその強度はゆがんだ形であったときよりも強く検出することが出来た。
また、この時ファイバ端面をどんなに動かしても対物レンズからの反射光などはその形状を変える事はなく、よってこれによりアルミ蒸着ミラーからの反射光を空間的に特定することが出来た。
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以上のことを組み込んだ近接場反射計測系を用いて、実際に近接場顕微鏡を用いて反射測定を行なった。
ただし、この時はファイバスプライスでの連結ではなく近接場顕微鏡から出ている光プローブを直接近接場反射測定系につなげて測定を行なった。
このときの波形が図中上のグラフである。
まだこの段階では近接場顕微鏡によるシアフォース検出による試料表面の凹凸と同期した反射測定は行なわれておらず、これは今後の課題となった。
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＠今後の課題
近接場装置で反射の変化を測定する。
現段階では試料表面の形状と反射光強度の同期測定は実現できておらず、これは今後の課題となった。
波長を変えて屈折率変化を調べる。
実際に反射光測定から試料の局所的誘電率を導き出すには照射に用いるレーザー光の振動数を変えて測定する必要がある。
分光器を使って直接反射を測定する。
今後近接場反射測定を行なうに当たり、マクロな状態での振動数に対する反射光強度を測定してサンプルをそろえておく必要があると考えられる
反射率から誘電率を求める。
以上の測定を完了した後はそのデータから試料表面の局所的な誘電率を求めることができる。
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