赤外顕微鏡 – metoree本番管理

赤外顕微鏡とは

赤外顕微鏡とは、赤外線を用いて微少部を分析する顕微赤外分光法を用いた光学顕微鏡の一種です。

光源に波長の長い赤外線を使用するため、回折限界によって空間分解能は制限されますが、分光解析を行うことができます。現在販売されている赤外顕微鏡は、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR) や全反射法など一般的な赤外分光器の機能を兼ね備えたものも多いです。

赤外顕微鏡は、顕微的な微少試料を測定できるため、故障解析や材料科学の研究分野で使用されています。また、赤外線の吸収率の違いなどを利用して固体中の異物混入を検査したり、欠陥品の検査でも有効です。

その他、半導体の厚さを測定する方法としても用いられます。半導体は透過域が赤外領域にあることに加え、屈折率が高いのが特徴です。可視光ではなく赤外光を用いた光学測定が必要となり、赤外光は屈折率の高さに影響を受けるため、精度が下がるというデメリットがあります。

しかし、測定物の表面の凹凸の影響を受けにくいというメリットもあります。半導体の厚さを赤外顕微鏡で測定する方法として、被測定物の表裏面で反射した光の光路差から厚みを求める干渉法があります。

赤外顕微鏡の原理は、一般の光学顕微鏡と同じです。赤外顕微鏡は、画像を撮影するための顕微鏡機能とスペクトル解析を行うための分光器としての機能を合わせもっています。

具体的には、可視光で試料を拡大観察して測定部分を決め、次に赤外光に切り替えて測定します。

赤外顕微鏡の種類として、赤外分光器と赤外分光器の機能を兼ね備えたフーリエ変換型が挙げられます。

赤外分光器は、試料に赤外線を照射し、透過 (あるいは反射) 光を分光することでスペクトルを得て、試料の特性を知る赤外顕微鏡です。光学顕微鏡と同様に、光源、ミラー、レンズ、検出器によって構成されています。

赤外顕微鏡では、一般的な屈折を利用したレンズは用いられません。反射望遠鏡などで使用されるカセグレン光学系という光の反射を利用した対物レンズが用いられます。

光学系を用いた場合、空間分解能は光源の波長とほぼ同じで、数マイクロメートルから数十マイクロメートルに制限されます。赤外顕微鏡で用いてFTIRイメージングを行う際の赤外光は、通常2.5～25マイクロメートルです。

この波長帯は、分子の振動や回転によって変調するため、波長をスキャンした際に物質固有のスペクトルを得ることができます。これをFTIRと同様にフーリエ解析することで、顕微鏡で取得した2次元画像に重ね合わせたマッピングが可能です。

フーリエ変換型 (FT-IR) は、赤外線を照射するのではなく、連続光を試料に照射して、試料の特性を知る赤外顕微鏡です。干渉計を用いて全波長を同時に検出後、干渉パターンをフーリエ変換し、分子構造に応じた吸収スペクトルを取得します。

フーリエ変換型のメリットは主に次の4つです。

一般的なフーリエ変換型には、DTGS (重水素化硫酸トリグリシン) とMCT (水銀カドミウム・テルル化合物) の2種があります。

DTGSは、応答速度が遅くシグナルノイズ比が低く、常温で使用できる焦電検出器です。検出器へのIR入射光が少ない場合には、感度の良い半導体型のMCT検出器が適しています。ただし、MCT検出器は液体窒素で冷却する必要があります。

2次元アレイ検出器による測定が可能な高性能な赤外顕微鏡は、発熱量が大きいため注意が必要です。使用する際には液体窒素での冷却が必要になります。

冷却を怠ると、熱により素子がダメージを受け部分的に測定不能にる可能性が高く、液体窒素量を常に管理する必要があります。また、一般的であるMCT検出器でも液体窒素冷却が必要です。

液体窒素を使用せずに測定ができる赤外顕微鏡もあります。測定可能な厚みや精度は、液体窒素使用時と不使用時では異なります。