特許 7534984 分光測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-06

(45)【発行日】2024-08-15

(54)【発明の名称】分光測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 25/16 20060101AFI20240807BHJP

   G01N 21/3563 20140101ALI20240807BHJP

   G02B 21/06 20060101ALI20240807BHJP

   G02B 21/36 20060101ALI20240807BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20240807BHJP

【ＦＩ】

G01N25/16

G01N21/3563

G02B21/06

G02B21/36

G01N21/27 E

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021033537

(22)【出願日】2021-03-03

(65)【公開番号】P2022134422

(43)【公開日】2022-09-15

【審査請求日】2023-05-10

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 正浩

(72)【発明者】

【氏名】張 開鋒

(72)【発明者】

【氏名】馬塲 修一

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 丈師

【審査官】野田 華代

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／２０４１４０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／０７８４７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／１９６７８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－０４１８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０９４６０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ２５／００－２５／７２

Ｇ０１Ｎ ２１／２７

Ｇ０１Ｎ ２１／３５６３

Ｇ０２Ｂ ２１／０６

Ｇ０２Ｂ ２１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料が設置されるステージと、
前記試料の所定領域に照射するエネルギービームを発生するエネルギー源と、
前記試料に照射する電磁波を発生する電磁波源と、
前記所定領域の中に前記電磁波を集束させる対物レンズと、
前記試料で反射する電磁波を検出する二つの共焦点検出器と、
前記共焦点検出器の各出力に基づいて、前記所定領域に前記エネルギービームが照射されたときの前記試料の膨張による物性値の変化を算出する算出部を備えることを特徴とする分光測定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の分光測定装置であって、
前記共焦点検出器の各出力に基づいて、前記対物レンズと前記ステージとの相対距離を制御するＺ方向制御部をさらに備えることを特徴とする分光測定装置。

【請求項3】

請求項２に記載の分光測定装置であって、
第一の共焦点検出器は前記試料から離れる方向に焦点位置から距離Ｌだけ外されて配置されるピンホールを有し、第二の共焦点検出器は前記試料へ近づく方向に焦点位置から距離Ｌだけ外されて配置されるピンホールを有し、
前記Ｚ方向制御部は、第一の共焦点検出器の出力がＰＤ１、第二の共焦点検出器の出力がＰＤ２であるとき、（ＰＤ２－ＰＤ１）／（ＰＤ２＋ＰＤ１）の値に基づいて前記相対距離を制御することを特徴とする分光測定装置。

【請求項4】

請求項１に記載の分光測定装置であって、
前記所定領域の位置を制御するＸＹ走査制御部をさらに備えることを特徴とする分光測定装置。

【請求項5】

請求項４に記載の分光測定装置であって、
前記ＸＹ走査制御部は、前記対物レンズまたは前記ステージを水平方向に移動させることによって前記所定領域の位置を制御することを特徴とする分光測定装置。

【請求項6】

請求項４に記載の分光測定装置であって、
前記ＸＹ走査制御部は、前記エネルギービームの経路上に配置され、前記エネルギービームを反射するミラーを回転させることによって前記所定領域の位置を制御することを特徴とする分光測定装置。

【請求項7】

請求項１に記載の分光測定装置であって、
前記電磁波の経路上に配置され、前記電磁波を反射するミラーを回転させることによって、前記所定領域の中で前記電磁波が照射される位置を制御するＸＹ走査制御部をさらに備えることを特徴とする分光測定装置。

【請求項8】

請求項１に記載の分光測定装置であって、
前記エネルギービームの強度を測定するエネルギー検出器をさらに備え、
前記算出部は、前記エネルギービームの強度に基づいて、前記物性値の変化を補正することを特徴とする分光測定装置。

【請求項9】

請求項１に記載の分光測定装置であって、
前記エネルギー源は前記エネルギービームの強度を変調し、
前記算出部は、前記エネルギービームの強度の変調信号を基準として、前記物性値の変化を補正することを特徴とする分光測定装置。

【請求項10】

請求項１に記載の分光測定装置であって、
吸収スペクトルを表示する表示装置をさらに備えることを特徴とする分光測定装置。

【請求項11】

請求項４に記載の分光測定装置であって、
吸光度のマップ画像を表示する表示装置をさらに備えることを特徴とする分光測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は分光測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

分光測定装置は、光の波長に対する物質固有の吸収曲線、すなわち吸収スペクトルを測定することによって、物質の組成を分析したり、物質に混入する異物を同定したりする装置である。分子の振動等の分析には、可視光の１０倍前後の波長である赤外線が一般的に使用されるため、使用される光の波長に比例する回折限界によって制限される空間分解能は１０μｍオーダに留まる。

【0003】

特許文献１には、前処理無しかつ非接触、非破壊的に試料を分析するために、赤外線レーザーで周期的に光熱加熱した試料の膨張と収縮を、可視光レーザーを用いる共焦点検出器により測定することが開示される。可視光レーザーを用いた測定では、空間分解能を１μｍ以下にできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１３／０７８４７１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら特許文献１では、単一の共焦点検出器を用いているため、焦点が合った位置から試料の表面が変位したときの検出器の検出光量の変化量がわずかであり、表面の変位に対する検出感度が低い。

【0006】

そこで本発明は、赤外線等でエネルギー付与される試料の膨張等の物性値の変化に対する検出感度を向上可能な分光測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために本発明は、試料が設置されるステージと、前記試料の所定領域に照射するエネルギービームを発生するエネルギー源と、前記試料に照射する電磁波を発生する電磁波源と、前記所定領域の中に前記電磁波を集束させる対物レンズと、前記試料で反射する電磁波を検出する二つの共焦点検出器と、前記共焦点検出器の各出力に基づいて、前記所定領域に前記エネルギービームが照射されたときの前記試料の物性値の変化を算出する算出部を備えることを特徴とする分光測定装置である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、赤外線等でエネルギー付与される試料の膨張等の物性値の変化に対する検出感度を向上可能な分光測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例１に係わる分光測定装置の一例の概略構成図である。

【図2】試料に照射されるエネルギービームとプローブ光を示す図である。

【図3A】共焦点検出器の構成について説明する図である。

【図3B】共焦点検出器の検出光量と変位量の関係について説明する図である。

【図4A】二つの共焦点検出器の検出光量と変位量の関係について説明する図である。

【図4B】二つの共焦点検出器の検出光量の和と変位量の関係について説明する図である。

【図4C】二つの共焦点検出器の検出光量の差と和の比と変位量の関係を示す図である。

【図5A】実施例２に係わる分光測定装置のＸＹ走査の一例について説明する図である。

【図5B】実施例２に係わる分光測定装置のＸＹ走査の他の例について説明する図である。

【図6】実施例３に係わる分光測定装置の共焦点検出器の一例について説明する図である。

【図7A】実施例４に係わる分光測定装置のエネルギービーム照射の一例について説明する図である。

【図7B】実施例４に係わる分光測定装置のエネルギービーム照射の他の例について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の分光測定装置の実施例について説明する。

【実施例1】

【0011】

図１を用いて実施例１の分光測定装置の全体構成について説明する。図１中の鉛直方向をＺ方向、水平方向をＸ方向及びＹ方向とする。分光測定装置は、試料１１３が設置されるステージ機構系と、試料１１３にエネルギーを付与するエネルギー付与系と、試料１１３の物性値を測定する測定系と、各部から出力されるデータを処理するとともに各部を制御する制御系を備える。

【0012】

ステージ機構系は、試料１１３が設置されるとともに、Ｘ方向及びＹ方向に移動するＸＹステージ１１２を有する。ＸＹステージ１１２がＸ方向及びＹ方向に移動することにより、試料１１３の表面の任意領域が分析される。

【0013】

エネルギー付与系は、エネルギー源１００、ビームエキスパンダレンズ１０１、１０２、部分反射ミラー１０３、エネルギー検出器１０４、ダイクロイックミラー１１０、対物レンズ１１１を有する。なおダイクロイックミラー１１０と対物レンズ１１１は、測定系と共用される。

【0014】

エネルギー源１００は、試料１１３にエネルギーを付与するエネルギービーム５００、例えば赤外線ビームを発生する。エネルギービーム５００はビームエキスパンダレンズ１０１、１０２によってビーム径が拡大されたのち、部分反射ミラー１０３へ向かう。部分反射ミラー１０３はエネルギービーム５００の一部をエネルギー検出器１０４へ向けて透過し、残りを試料１１３へ向けて反射する。エネルギー検出器１０４は部分反射ミラー１０３を透過したエネルギービーム５００の強度を測定する。部分反射ミラー１０３で反射したエネルギービーム５００はダイクロイックミラー１１０を透過し、対物レンズ１１１によって集束されたのち試料１１３に照射される。エネルギービーム５００が照射された試料１１３は、付与されたエネルギーを吸収して熱膨張を起こす。

【0015】

測定系は、光源１２０、コリメータレンズ１２１、ビームスプリッタ１２２、フィルタ１２３、集光レンズ１２４、ハーフミラー１２５、ピンホール１２６、１２８、光検出器１２７、１２９、ダイクロイックミラー１１０、対物レンズ１１１を有する。

【0016】

光源１２０は、試料１１３の物性値を測定するプローブ光５０１、例えば電磁波であって可視光ビームや紫外線ビームを発生する。光源１２０が発生するプローブ光５０１は、エネルギービーム５００よりも短い波長を有し、より小さなスポットに集光されるビーム、例えば緑色光や青色光のビームであることが望ましい。プローブ光５０１はコリメータレンズ１２１によって略平行なビームにされたのち、ビームスプリッタ１２２とフィルタ１２３を透過し、ダイクロイックミラー１１０へ向かう。ダイクロイックミラー１１０はプローブ光５０１を対物レンズ１１１へ向けて反射する。ダイクロイックミラー１１０で反射したプローブ光５０１は対物レンズ１１１によって集束されたのち試料１１３に照射される。

【0017】

図２を用いて試料１１３に照射されるエネルギービーム５００とプローブ光５０１について説明する。前述のように、エネルギービーム５００とプローブ光５０１はともに対物レンズ１１１によって集束されて試料１１３へ照射される。プローブ光５０１は、エネルギービーム５００よりもビーム径が小さく、エネルギービーム５００が照射される領域よりも狭い領域に照射されるので、エネルギービーム５００が照射される領域の物性値を高い空間分解能で測定することができる。特にプローブ光５０１が可視光ビームである場合、試料１１３の表面に集光されるプローブ光５０１のビーム径は０．５μｍ程度になる。さらに測定系に共焦点検出器が用いられることにより、測定系の空間分解能は０．３μｍ程度になる。なお、測定される物性値には、エネルギービーム５００を吸収することによって膨張する試料１１３の表面の変位や曲率の変化、表面反射率の変化等が含まれる。

【0018】

図３Ａと図３Ｂを用いて共焦点検出器について説明する。共焦点検出器は、点光源から照射される光が試料の表面で焦点を結ぶときに、試料から反射する光が検出面で焦点を結ぶように構成される。具体的には、光源１２０、コリメータレンズ１２１、ビームスプリッタ１２２、対物レンズ１１１、試料１１３、集光レンズ１２４、ピンホール１２６、光検出器１２７が、図３Ａに例示されるように配置される。光源１２０の点光源が発生したプローブ光５０１はコリメータレンズ１２１によって平行ビームにされたのち、ビームスプリッタ１２２で反射して対物レンズ１１１へ入射する。対物レンズ１１１はプローブ光５０１を集束させて焦点を結ばせる。

【0019】

焦点が試料１１３の表面に合っている場合、反射したプローブ光５０１は、図３Ａ中の実線の光路で、対物レンズ１１１、ビームスプリッタ１２２、集光レンズ１２４を通過して、ピンホール１２６で焦点を結ぶ。その結果、試料１１３で反射したプローブ光５０１のほとんどはピンホール１２６を通過して、光検出器１２７により検出される。エネルギービーム５００の照射により試料１１３が膨張し、図３Ａ中の点線で示すように表面が変位した場合、プローブ光５０１は点線の光路で進み、ピンホール１２６では焦点を結ばない。その結果、ピンホール１２６を通過して光検出器１２７に検出される光量は、実線の光路の場合よりも減少する。すなわち、光検出器１２７の検出光量は試料１１３の表面の変位量に応じて変化するので、エネルギーが付与された試料１１３の物性値の変化を光検出器１２７により測定できる。

【0020】

図３Ｂは、共焦点検出器の検出光量Ｉと試料１１３の変位量Ｚの関係を示すグラフである。図３Ｂに示されるように、検出光量Ｉは試料１１３の表面が合焦位置にあるとき最大となり、合焦位置からずれるにしたがって減少する。一方、検出光量Ｉの変化量ΔＩと変位量Ｚの変化量ΔＺとの比ΔＩ／ΔＺの絶対値である変位量の検出感度は、合焦位置で最小であり、合焦位置の近傍においても略ゼロと低い。そこで実施例１では、二つの共焦点検出器を用いることにより、検出感度を向上させる。

【0021】

図１に戻り、測定系の説明を続ける。試料１１３に照射されたプローブ光５０１は、試料１１３の表面で反射し、元の光路でビームスプリッタ１２２に戻り、集光レンズ１２４に向かって反射する。集光レンズ１２４に入射したプローブ光５０１は集束されてハーフミラー１２５に進む。ハーフミラー１２５では、集束されたプローブ光５０１の略半分がピンホール１２６に向かって透過し、残りの略半分がピンホール１２８に向かって反射する。ハーフミラー１２５を透過したプローブ光５０１のうち、ピンホール１２６を通過したプローブ光５０１は光検出器１２７で検出される。またハーフミラー１２５で反射したプローブ光５０１のうち、ピンホール１２８を通過したプローブ光５０１は光検出器１２９で検出される。なお、ピンホール１２６とピンホール１２８は、集光レンズ１２４の焦点位置から外されて配置される。すなわち、ピンホール１２６は試料１１３から離れる方向に集光レンズ１２４の焦点位置から距離Ｌだけ外されて配置され、ピンホール１２８は試料１１３へ近づく方向に焦点位置から距離Ｌだけ外されて配置される。なお距離Ｌは焦点深度以下に設定される。

【0022】

図４Ａは、ピンホール１２６とピンホール１２８が距離Ｌだけ外されて配置されたときの光検出器１２７と光検出器１２９の検出光量と試料１１３の変位量の関係を示すグラフである。光検出器１２７の検出光量曲線ＰＤ１と光検出器１２９の検出光量曲線ＰＤ２とのピークは、合焦位置から距離Ｌだけずれる。

【0023】

図４Ｂは、検出光量曲線ＰＤ１とＰＤ２を加算したグラフある。図４Ｂに例示されるグラフを用いることにより、ΔＩ／ΔＺの絶対値となる変位量の検出感度が高い位置、例えば図４Ｂ中に丸で示される位置で変位量を測定できる。すなわち変位量の検出感度を向上させることができる。

【0024】

図４Ｃは、次式を用いて算出されるグラフである。

【0025】

（ＰＤ２－ＰＤ１）／（ＰＤ２＋ＰＤ１） … （式１）
（式１）により算出される値は、変位量Ｚに対して略線形に変化し、合焦位置においてゼロになる。すなわち図４Ｃに例示されるグラフを用いることにより、焦点位置を調整する制御が容易になる。例えば（式１）の値がゼロになるように、試料１１３のＺ方向の位置を制御することにより、対物レンズ１１１と試料１１３の間の距離のドリフト等による焦点位置のズレを吸収できる。また試料１１３の表面の凹凸に対して焦点位置を追従させながら測定することが可能である。

【0026】

なお、焦点位置の制御に用いる値は、ＰＤ２－ＰＤ１であっても良い。ＰＤ２－ＰＤ１を用いる場合、（式１）の除算がなくなり演算量を低減できるので処理時間を短縮できる。一方、（式１）を用いると、ＰＤ２＋ＰＤ１で正規化されるので、試料１１３の表面の反射率や屈折率が一様でない場合や光源１２０の強度が変動する場合であっても、それらの影響を抑制できる。

【0027】

ここでビームスプリッタ１２２について説明を加える。ビームスプリッタ１２２における透過と反射が略１対１である場合、ビームスプリッタ１２２を２回通過するプローブ光５０１の光量は１／４に減少する。そこで、プローブ光５０１の光量の減少を抑制するために、ビームスプリッタ１２２として、偏光ビームスプリッタを用いても良い。

【0028】

偏光ビームスプリッタが用いられる場合、コリメータレンズ１２１から出射する光が紙面の上下方向に偏光しているとすると、その光の大部分はビームスプリッタ１２２を透過する。そしてフィルタ１２３として偏光方向に対して軸方向が４５度回転したλ／４板が配置されると、フィルタ１２３を出射したプローブ光５０１は円偏光となる。円偏光となったプローブ光５０１は、試料１１３の表面で反射し、元の光路でフィルタ１２３に戻り、λ／４板であるフィルタ１２３を透過することで、円偏光から紙面に垂直な方向の直線偏光に変換される。さらに直線偏光に変換されたプローブ光５０１は、偏光ビームスプリッタの特性によって、ほぼ全てが集光レンズ１２４に向けて反射する。すなわちビームスプリッタ１２２として偏光ビームスプリッタが用いられ、フィルタ１２３としてλ／４板が配置されることにより、プローブ光５０１の光量を減少させることなく、光検出器１２７、１２９に向けて導くことができる。

【0029】

またフィルタ１２３として、プローブ光５０１の波長だけを透過する波長フィルタが付加されても良い。波長フィルタが付加されることにより、プローブ光５０１以外の光の検出が抑制され、検出ノイズを低減できる。

【0030】

制御系について説明する。制御系は、全体制御部３０１、エネルギー源制御部３０２、ロックイン検出部３０３、プローブ光量補正部３０４、エネルギー強度補正部３０５、焦点ずれ量算出部３０６、ＸＹ走査制御部３０７を有する制御装置３００である。全体制御部３０１は、各部を制御するとともに、各部で生成されるデータを処理したり送信したりする演算器であり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等である。全体制御部３０１以外の各部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等を用いた専用のハードウェアで構成されても良いし、演算器上で動作するソフトウェアで構成されても良い。なお、前述および後述の説明で登場する表示装置、プリンタ、又は記憶装置は、制御装置３００の一部でもよく、外付けの装置であってもよい。

【0031】

エネルギー源制御部３０２は、エネルギー源１００が発生するエネルギービーム５００の波長や強度等を制御する。波長が走査されることにより、試料１１３の吸収スペクトルが測定できる。また強度が変調されることにより、後述するロックイン検出部３０３によるロックイン検出が可能になる。

【0032】

ロックイン検出部３０３は、光検出器１２７、１２９の検出光量ＰＤ１、ＰＤ２を、エネルギー源制御部３０２から送信される変調信号と対比させながら検出することにより、いわゆるロックイン検出をする。変調信号を基準として、例えばＰＤ２－ＰＤ１の信号をロックイン検出することにより、ＰＤ２－ＰＤ１の振幅が求められる。

【0033】

なお、変調信号を基準として、ＰＤ１とＰＤ２のそれぞれに対してロックイン検出を行ってから、両者の差を算出しても良いし、（式１）の値に対してロックイン検出を行っても良い。

【0034】

またロックイン検出の代わりに、エネルギービーム５００の変調周波数に相当する変位信号をフィルタで抽出してから振幅を測定する、いわゆるＡＭ検波が用いられても良い。またＦＦＴ等を用いて変位信号をスペクトル解析し、変調周波数に対応するスペクトルピークの強度が測定されても良い。さらにその他の一般的な振幅検出法が用いられても良い。

【0035】

プローブ光量補正部３０４は、ロックイン検出部３０３で求められたＰＤ２－ＰＤ１の振幅をＰＤ２＋ＰＤ１で除算する。除算によって求められた値は、試料１１３の表面の変位の振幅に比例するので、以降では試料変位測定値と呼ぶ。

【0036】

エネルギー強度補正部３０５は、プローブ光量補正部３０４で求められた試料変位測定値を、エネルギー検出器１０４で測定されたエネルギービーム５００の強度で除算することにより、エネルギー吸収率に比例する値を算出する。エネルギービーム５００の波長が走査されながら、エネルギー吸収率に比例する値が算出されることにより、試料１１３の吸収スペクトルが得られる。得られた吸収スペクトルは、表形式やグラフ形式で外部に出力されても良い。例えば、グラフ形式の吸収スペクトルが、液晶ディスプレイ等の表示装置に表示されたり、記憶装置に格納されたり、プリンタ等によって印刷されても良い。なお、焦点ずれ量算出部３０６は、（式１）の値に基づいて、対物レンズ１１１のＺ方向の位置を制御する。対物レンズ１１１のＺ方向の位置が制御されることにより、試料１１３の表面の凹凸に対するプローブ光５０１の追従が可能になる。

【0037】

ＸＹ走査制御部３０７は、対物レンズ１１１またはＸＹステージ１１２をＸ方向及びＹ方向に移動させる。対物レンズ１１１またはＸＹステージ１１２の移動により、試料１１３の任意の位置にエネルギービーム５００及びプローブ光５０１を照射することができ、吸収スペクトルの試料１１３の表面における分布を測定できる。特にエネルギービーム５００の波長を固定した状態で、対物レンズ１１１またはＸＹステージ１１２を移動させながら、二つの共焦点検出器による測定を行うことにより、当該波長に対する吸光度のマップ画像を生成できる。

【0038】

なお、焦点ずれ量算出部３０６とＸＹ走査制御部３０７とは連携して動作することで、試料１１３の表面の凹凸に対するプローブ光５０１の焦点追従を行いつつ、レンズあるいはステージを移動することができる。その結果、常にエネルギー吸収率の検出感度の高い状態を保ちつつＸＹ走査することが可能となる。また、生成された吸光度のマップ画像は、画像のまま又はグラフ形式で外部に出力されても良い。例えば、マップ画像が、液晶ディスプレイ等の表示装置に表示されたり、記憶装置に格納されたり、プリンタ等によって印刷されても良い。グラフ形式の表示は、例えばＸＹ走査制御部３０７で１次元走査した場合は二次元グラフであり、ＸＹ走査制御部３０７で２次元走査した場合は三次元グラフである。

【0039】

以上説明したように実施例１では二つの共焦点検出器の各出力ＰＤ１、ＰＤ２に基づいて、赤外線等でエネルギー付与される試料１１３の膨張等の物性値の変化を検出するので、検出感度を向上させることできる。また各出力から（ＰＤ２－ＰＤ１）／（ＰＤ２＋ＰＤ１）が算出されるので、試料１１３の表面の反射率や屈折率、表面の凹凸、エネルギービーム５００やプローブ光５０１の光量変動、対物レンズ１１１と試料１１３の間の距離のドリフト等の影響を抑制できる。さらに、プローブ光５０１として、赤外線より短波長である可視光を用いることにより、空間分解能を向上できる。

【0040】

さらに、二つの共焦点検出器の各出力ＰＤ１、ＰＤ２を用いることで、物性値の変化の測定に加えてオートフォーカスも可能であるので、別途オートフォーカス機構を設けずにすみ、分光測定装置の省スペース化を実現できる。また二つの共焦点検出器を用いたオートフォーカスにより、凹凸の大きい試料の表面に対して焦点位置を高速に追従させられるので、測定に要する時間を短縮できる。

【実施例2】

【0041】

実施例１では、対物レンズ１１１をＸ方向及びＹ方向に移動させることでエネルギービーム５００及びプローブ光５０１が照射される位置を走査することについて説明した。実施例２では、対物レンズ１１１を固定したまま、エネルギービーム５００及びプローブ光５０１が照射される位置を走査することについて説明する。なお、実施例１と同じ構成には同じ符号を付与して説明を省略する。

【0042】

図５Ａ及び図５Ｂを用いて、実施例２の要部について説明する。実施例２の分光測定装置は、実施例１の構成にｘ走査ミラー１１５とｙ走査ミラー１１６、Ｚステージ１１４が追加される。

【0043】

ｘ走査ミラー１１５とｙ走査ミラー１１６はエネルギービーム５００及びプローブ光５０１を反射するミラーである。エネルギービーム５００及びプローブ光５０１はｘ走査ミラー１１５の回転によってＸ方向に走査され、ｙ走査ミラー１１６の回転によってＹ方向に走査される。ｘ走査ミラー１１５とｙ走査ミラー１１６の回転はＸＹ走査制御部３０７によって制御される。

【0044】

Ｚステージ１１４はＸＹステージ１１２の上に配置され、試料１１３が設置されるとともにＺ方向に移動する。Ｚステージ１１４のＺ方向への移動は、焦点ずれ量算出部３０６によって制御される。すなわち（式１）の値に基づいて、Ｚステージ１１４のＺ方向の位置が制御されるので、実施例１と同様に、試料１１３の表面の凹凸に対するプローブ光５０１の追従が可能になる。

【0045】

図５Ａではダイクロイックミラー１１０と対物レンズ１１１との間に、ｘ走査ミラー１１５とｙ走査ミラー１１６が配置され、両ミラーの回転によってエネルギービーム５００及びプローブ光５０１が試料１１３の表面で走査される。試料１１３の表面でエネルギービーム５００及びプローブ光５０１が走査されることにより、実施例１と同様に、吸収スペクトルの分布を測定できる。

【0046】

図５Ｂではフィルタ１２３とダイクロイックミラー１１０との間に、ｘ走査ミラー１１５とｙ走査ミラー１１６が配置され、両ミラーの回転によってプローブ光５０１のみが試料１１３の表面で走査される。すなわち図５Ｂの構成では、ｘ走査ミラー１１５とｙ走査ミラー１１６が回転してもエネルギービーム５００は走査されない。なおプローブ光５０１は、エネルギービーム５００が照射される領域の中で走査される。エネルギービーム５００が照射される領域の中でプローブ光５０１が走査されることにより、当該領域内での吸収スペクトルの分布を測定できる。

【0047】

以上説明したように実施例２では、ｘ走査ミラー１１５とｙ走査ミラー１１６の回転によって少なくともプローブ光５０１が試料１１３の表面で走査されるので、吸収スペクトルの分布を測定できる。また実施例１と同様に、二つの共焦点検出器の各出力ＰＤ１、ＰＤ２に基づいて、赤外線等でエネルギー付与される試料１１３の膨張等の物性値の変化を検出するので、検出感度を向上させることできる。

【0048】

なおプローブ光５０１及びエネルギービーム５００の走査は、ｘ走査ミラー１１５とｙ走査ミラー１１６の回転だけによらず、ＸＹステージ１１２や対物レンズ１１１の水平方向への移動と組み合わせによってなされても良い。例えば、図５Ｂの構成において、ｘ走査ミラー１１５とｙ走査ミラー１１６の回転によって、エネルギービーム５００が照射される領域に対するプローブ光５０１の位置合わせをしたのち、対物レンズ１１１等の移動により試料１１３の表面を走査させても良い。

【0049】

さらに、実施例１と同様に、二つの共焦点検出器の各出力ＰＤ１、ＰＤ２を用いることで、物性値の変化の測定に加えてオートフォーカスも可能であるので、別途オートフォーカス機構を設けずにすみ、分光測定装置の省スペース化を実現できる。また二つの共焦点検出器を用いたオートフォーカスにより、凹凸の大きい試料の表面に対して焦点位置を高速に追従させられるので、測定に要する時間を短縮できる。

【実施例3】

【0050】

実施例１では、二つの共焦点検出器を用いて、試料１１３の表面で反射するプローブ光５０１を検出することについて説明した。実施例３では、共焦点検出器による検出とともに、集光レンズ１２４で集束される前のプローブ光５０１を、絞りを介して検出することで試料１１３の表面の散乱状態を測定することについて説明する。なお、実施例１と同じ構成には同じ符号を付与して説明を省略する。

【0051】

図６を用いて、実施例３の要部について説明する。実施例３の分光測定装置は、実施例１の構成にミラー１３０と開口絞り１３１、光検出器１３２が追加される。ミラー１３０はビームスプリッタ１２２と集光レンズ１２４の間に配置され、試料１１３の表面で反射したプローブ光５０１の一部またはほぼ全部を開口絞り１３１に向けて反射する。すなわちミラー１３０が部分反射ミラーであればプローブ光５０１の一部が開口絞り１３１に向かい、ミラー１３０が全反射ミラーであればプローブ光５０１のほぼ全部が開口絞り１３１に向かう。光検出器１３２は開口絞り１３１を通ったプローブ光５０１を検出することで、試料１１３の表面の散乱状態を測定する。

【0052】

エネルギービーム５００が照射された試料１１３の表面は、熱膨張により曲率が局所的に変化したり、温度変化やキャリア濃度の変化により屈折率が局所的に変化したりする。その結果、試料１１３の表面の散乱状態が変化して、プローブ光５０１の反射光の角度分布が変化する場合がある。反射光の角度分布の変化は、開口絞り１３１におけるプローブ光５０１の広がり具合を変化させ、光検出器１３２の検出光量を変化させる。よって開口絞り１３１を介してプローブ光５０１を光検出器１３２によって検出することで試料１１３の表面の散乱状態を測定できる。

【0053】

なお試料１１３の表面の変位がわずかであって検出が困難である場合は、エネルギービーム５００の強度を基準信号としてロックイン検出しても良い。またミラー１３０が全反射ミラーである場合、プローブ光５０１の光路からミラー１３０を外したときに共焦点検出器により測定し、光路にミラー１３０を入れたときに散乱状態を測定するようにしても良い。

【0054】

以上説明したように実施例３では、集光レンズ１２４で集束される前のプローブ光５０１を、開口絞り１３１を介して検出するので、試料１１３の表面の散乱状態を測定できる。また共焦点検出器による測定と散乱状態の測定を組み合わせることもできる。

【実施例4】

【0055】

実施例１では、試料１１３にエネルギーを付与するエネルギービーム５００として赤外線ビームを用いることについて説明した。実施例４では、エネルギービーム５００として電子線やイオンビームのような荷電粒子線を用いることについて説明する。なお、実施例１と同じ構成には同じ符号を付与して説明を省略する。

【0056】

図７Ａ及び図７Ｂを用いて、実施例４の要部について説明する。実施例４の分光測定装置では、エネルギービーム５００として荷電粒子線を用いるため、ダイクロイックミラー１１０と対物レンズ１１１をエネルギー付与系と測定系において共用することができない。そこで図７Ａでは実施例１の構成に対して、ダイクロイックミラー１１０が穴あきミラー１１０’に、対物レンズ１１１が中空対物レンズ１１１’に、それぞれ置換される。

【0057】

穴あきミラー１１０’は中心部に穴を有するミラーであり、中空対物レンズ１１１’は中心部に穴を有するレンズである。荷電粒子線であるエネルギービーム５００は、穴あきミラー１１０’の穴と中空対物レンズ１１１’の穴を通過して試料１１３に照射される。またプローブ光５０１は穴あきミラー１１０’の穴以外の箇所で中空対物レンズ１１１’に向けて反射し、中空対物レンズ１１１’の穴以外の箇所で集束されて試料１１３に照射される。荷電粒子線であるエネルギービーム５００とともに試料１１３に照射されるプローブ光５０１は、試料１１３で反射したのち、実施例１と同様に、二つの共焦点検出器によって検出される。

【0058】

図７Ｂでは、実施例１の構成に対して、ダイクロイックミラー１１０がミラー１１０’’に置換される。プローブ光５０１はミラー１１０’’で反射して対物レンズ１１１へ入射し、集束されて試料１１３に照射される。また荷電粒子線であるエネルギービーム５００は、対物レンズ１１１の軸外から試料１１３へ照射される。図７Ｂの構成においても、荷電粒子線であるエネルギービーム５００とともに試料１１３に照射されるプローブ光５０１は、試料１１３で反射したのち、二つの共焦点検出器によって検出される。

【0059】

以上説明したように実施例４では、エネルギービーム５００として荷電粒子線が用いられるので、赤外線ビームよりも狭い領域にエネルギーを付与することができ、空間分解能をさらに向上させることができる。

【0060】

以上、本発明の複数の実施例について説明した。本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形したり、各実施例を適宜組み合わせたりしても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

【符号の説明】

【0061】

１００：エネルギー源、１０１、１０２：ビームエキスパンダレンズ、１０３：部分反射ミラー、１０４：エネルギー検出器、１１０：ダイクロイックミラー、１１０’：穴あきミラー、１１０’’：ミラー、１１１：対物レンズ、１１１’：中空対物レンズ、１１２：ＸＹステージ、１１３：試料、１１４：Ｚステージ、１１５：ｘ走査ミラー、１１６：ｙ走査ミラー、１２０：光源、１２１：コリメータレンズ、１２２：ビームスプリッタ、１２３：フィルタ、１２４：集光レンズ、１２５：ハーフミラー、１２６、１２８：ピンホール、１２７、１２９：光検出器、１３０：ミラー、１３１：開口絞り、１３２：光検出器、３００：制御装置、３０１：全体制御部、３０２：エネルギー源制御部、３０３：ロックイン検出部、３０４：プローブ光量補正部、３０５：エネルギー強度補正部、３０６：焦点ずれ量算出部、３０７：ＸＹ走査制御部、５００：エネルギービーム、５０１：プローブ光

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】