JP2001033464A - Near-field optical microscope and proble for it - Google Patents

Near-field optical microscope and proble for it

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JP2001033464A
JP2001033464A JP11163482A JP16348299A JP2001033464A JP 2001033464 A JP2001033464 A JP 2001033464A JP 11163482 A JP11163482 A JP 11163482A JP 16348299 A JP16348299 A JP 16348299A JP 2001033464 A JP2001033464 A JP 2001033464A
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probe
tip
light
sample
extension
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Japanese (ja)
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Yasuo Sasaki
靖夫 佐々木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an SNOM(scanning-type near-field optical microscope) that can be operated in air for obtaining a high-resolution SNOM image where the influence of scattered light from an area other than the tip of a probe has been eliminated as much as possible. SOLUTION: Slide glass 2 where a sample 1 is placed is arranged on an internal total reflection prism 3 through matching oil 4. A laser beam is applied to the sample 1 through the prism 3, and a proximity field is generated on the sample surface. A probe 106 that is supported by the free end of a cantilever 101 is arranged at the upper portion of the sample 1, and an objective lens 19 is arranged at the upper portion. The objective lens 19 is arranged and a scattered light detection mirror cylinder 222 is arranged at the upper portion of the objective lens 19, thus composing a scattered light detection optical system for detecting scattered light being generated due to the entry of the probe 106 into the near field. The probe 106 is in a tetrapod shape and has an extension part 107 being extended in one direction. The thickness of the extension part 107 is the maximum over length from the tip to the wavelength or more of incident light and is within three times larger or less of the tip diameter.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、近接場内への探針
の進入により生じる散乱光を検出して試料表面の情報を
得る近接場光顕微鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a near-field light microscope which obtains information on a sample surface by detecting scattered light generated when a probe enters a near field.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、プロ
ーブを試料表面に1μm以下まで近接させた時に両者間
に働く相互作用を検出しながらプローブをXY方向ある
いはXYZ方向に走査して、その相互作用の二次元マッ
ピングを行う装置の総称であり、例えば、走査型トンネ
リング顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡(AFM)、磁気
力顕微鏡(MFM)、走査型近接場光顕微鏡(SNOM)を
含んでいる。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope (SPM) scans a probe in an XY direction or an XYZ direction while detecting an interaction between the probe and the sample when the probe is brought close to the sample surface to 1 μm or less. A general term for a device that performs two-dimensional mapping of action, including, for example, a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), a magnetic force microscope (MFM), and a scanning near-field light microscope (SNOM). I have.

【0003】この中でSNOMは、特に1980年代後
半以降、試料近傍に形成される近接場光を検出すること
により回折限界を超える分解能を有する光学顕微鏡とし
て、生体試料の蛍光測定や、素子の評価(誘電体光導波
路各種特性評価、半導体量子ドットの発光スペクトルの
測定、半導体面発光素子の諸特性の評価など)等への応
用をめざして盛んに開発が進められている。SNOM
は、基本的には試料に光を照射した状態で鋭い探針を近
づけ、試料の近傍の光の場(近接場)の状態を検出する装
置である。
[0003] Among them, SNOM is an optical microscope having a resolution exceeding the diffraction limit by detecting near-field light formed near the sample, particularly since the latter half of the 1980s. (Development of various characteristics of dielectric optical waveguides, measurement of emission spectra of semiconductor quantum dots, evaluation of various characteristics of semiconductor surface emitting devices, etc.) are being actively pursued. SNOM
Is a device for detecting a state of a light field (near field) near a sample by bringing a sharp probe close to the sample while irradiating the sample with light.

【0004】1993年12月21日付けでベツィック
ら(Betzig et al.)に付与された米国特許第5,272,
330号は、先端が細く加工されたプローブに光を導入
することによりプローブ先端の微小開口の近傍に局在し
た光の場を発生させ、これを試料に接触させて試料の微
小部分を照明し、透過した光を試料の下に配置された光
検出器で検出し、透過光強度の二次元マッピングを行な
うSNOMを開示している。
[0004] US Patent 5,272, issued December 21, 1993 to Betzig et al.
No. 330 introduces light into a probe whose tip is thinned to generate a localized field of light near a small aperture at the tip of the probe, which is brought into contact with the sample to illuminate a small portion of the sample. Discloses an SNOM that detects transmitted light with a photodetector arranged below a sample and performs two-dimensional mapping of transmitted light intensity.

【0005】このSNOMでは、先端が細く加工された
光ファイバーやガラス棒あるいは水晶探針のように棒状
のプローブが用いられている。このプローブを改良した
ものとして、先端以外が金属膜で被われた棒状のプロー
ブが既に市販されている。このプローブを用いた装置
は、金属がコートされていないプローブを用いた装置に
比べて、横方向の解像力が向上されている。
In this SNOM, a rod-shaped probe is used, such as an optical fiber, a glass rod, or a quartz probe whose tip is thinned. As an improved version of this probe, a rod-shaped probe having a portion other than the tip covered with a metal film is already commercially available. The device using this probe has improved lateral resolution compared to a device using a probe that is not coated with metal.

【0006】一方、AFMは、試料表面の凹凸情報を得
る装置として、SPMのなかで最も普及している。AF
Mは、カンチレバーの先端に支持された探針が試料表面
に近づけられたときに探針に働く力に応じて変位するカ
ンチレバーの変位を例えば光学式の変位センサにより検
出して、間接的に試料表面の凹凸情報を得る。AFMの
一つは例えば特開昭62−130302号に開示されて
いる。
[0006] On the other hand, the AFM is the most widely used device among SPMs as a device for obtaining unevenness information on a sample surface. AF
M detects the displacement of the cantilever, which is displaced in accordance with the force acting on the probe when the probe supported on the tip of the cantilever approaches the sample surface, for example, by an optical displacement sensor, and indirectly detects the sample. Obtain surface irregularity information. One of the AFMs is disclosed in, for example, JP-A-62-130302.

【0007】このAFMにおける試料と探針先端間の相
互作用力の検出により試料の凹凸を測定する技術は、他
のSPM装置にも応用されており、試料と探針間の距離
を一定に保つ、いわゆるレギュレーションを行なう手段
として用いられている。
The technique of measuring the unevenness of the sample by detecting the interaction force between the sample and the tip of the probe in this AFM is also applied to other SPM devices, and keeps the distance between the sample and the probe constant. This is used as a means for performing so-called regulation.

【0008】ファンフルストら(N. F. van Hulst et a
l.)は、「Appl. Phys. Lett. 62(5) P.461 (1993)」にお
いて、窒化シリコン製のAFM用カンチレバーを用い、
AFM測定により試料の凹凸を測定しながら、試料の光
学情報を検出する新しいSNOMを提案している。この
装置では、試料は内部全反射プリズムの上に置かれ、H
e-Neレーザー光が全反射プリズム側から試料に照射
され、試料が励起され、エバネッセント光場が試料表面
近傍に形成される。ついで、このエバネッセント光場に
カンチレバー先端に支持された探針が差し入れられ、局
在波であるエバネッセント光が伝搬波である散乱光に変
換され、その一部が、He-Neレーザー光に対して殆
ど透明な窒化シリコン製の探針内を伝搬し、カンチレバ
ーの裏側に抜けて出てくる。この光は、カンチレバーの
上方に配置されたレンズにより収集され、このレンズに
対して探針先端と共役な位置に配置されたピンホールを
介して光電子増倍管に入射し、光電子増倍管からSNO
M信号が出力される。
[0008] NF van Hulst et a
l.) uses a silicon nitride AFM cantilever in “Appl. Phys. Lett. 62 (5) P.461 (1993)”
A new SNOM that detects optical information of a sample while measuring unevenness of the sample by AFM measurement has been proposed. In this device, the sample is placed on a total internal reflection prism and H
The sample is irradiated with the e-Ne laser beam from the total reflection prism side to excite the sample, and an evanescent light field is formed near the sample surface. Next, a probe supported at the tip of the cantilever is inserted into the evanescent light field, and the evanescent light, which is a localized wave, is converted into scattered light, which is a propagating wave. The light propagates through the almost transparent silicon nitride probe and exits behind the cantilever. This light is collected by a lens placed above the cantilever, enters the photomultiplier via a pinhole located at a position conjugate to the tip of the probe with respect to this lens, and is emitted from the photomultiplier. SNO
An M signal is output.

【0009】SNOM信号の検出の間、カンチレバーは
通常のAFM測定と同様に、光学式変位検出センサーに
よってカンチレバーの変位が測定されており、例えば、
この変位を規定の一定値に保つように圧電体スキャナー
がフィードバック制御されている。従って、一回の走査
の間に、走査信号とSNOM信号とに基づいてSNOM
測定が行なわれると共に走査信号とフィードバック制御
信号とに基づいてAFM測定が行なわれる。
During the detection of the SNOM signal, the displacement of the cantilever is measured by an optical displacement detection sensor in the same manner as in a normal AFM measurement.
The piezoelectric scanner is feedback-controlled so as to keep this displacement at a specified constant value. Therefore, during one scan, the SNOM is determined based on the scan signal and the SNOM signal.
The measurement is performed, and the AFM measurement is performed based on the scanning signal and the feedback control signal.

【0010】ベツィックら(Betzig et al.)のような開
口型のSNOMで、像の高い横方向分解能を得るために
は、プローブは金属コートの施されたものが望ましい。
しかし、先端に開口を持つ金属コートの施されたプロー
ブを大量に、しかも均一に作製するのは容易ではない。
超解像が期待されるSNOMには、通常の光学顕微鏡で
実現可能な分解能を越える分解能が求められ、これを実
現するためには、プローブ先端の開口の径は0.1μm
以下であることが必要であり、0.05μm以下である
ことが好ましい。この様な値の開口を再現性よく作製す
ることは極めて難しい。
In an aperture-type SNOM such as Betzig et al., It is desirable that the probe be metal-coated in order to obtain a high lateral resolution of an image.
However, it is not easy to mass-produce a metal-coated probe having an opening at the tip in a large amount and uniformly.
The SNOM, which is expected to have super-resolution, is required to have a resolution exceeding the resolution achievable with a normal optical microscope. To achieve this, the diameter of the opening at the tip of the probe is 0.1 μm.
Or less, and preferably 0.05 μm or less. It is extremely difficult to produce such an opening with good reproducibility.

【0011】また、開口を通してプローブ内に入射する
光の量は、開口半径の二乗に比例して少なくなるので、
SNOM像の横方向分解能を上げる目的で開口径を小さ
くすると、検出される光量が減少して検出系のS/N比
が悪くなる、というトレードオフの問題が存在する。
Further, the amount of light incident on the probe through the aperture decreases in proportion to the square of the aperture radius.
If the aperture diameter is reduced for the purpose of increasing the lateral resolution of the SNOM image, there is a trade-off problem that the amount of light detected decreases and the S / N ratio of the detection system deteriorates.

【0012】そこでプローブの先端に開口を作るのでは
なく、波長以下の構造の高屈折率誘電体か金属が近接場
光を強く散乱することを利用した新しいSNOM(散乱
モードSNOM)が提案されている。このSNOMで
は、プローブの先端に開口が不要なため、前述した開口
作製の難しさやトレードオフの問題に直面しなくて済
む。
In view of this, a new SNOM (scattering mode SNOM) has been proposed which utilizes the fact that a high-refractive-index dielectric or metal having a subwavelength structure strongly scatters near-field light instead of forming an opening at the tip of the probe. I have. In this SNOM, an opening is not required at the tip of the probe, so that it is not necessary to face the above-described difficulty in making the opening and the problem of trade-off.

【0013】河田らは、特開平6−137847号にお
いて、散乱モードSNOMを開示している。このSNO
Mは、試料表面に形成されたエバネッセント光を針状の
プローブで散乱させて伝搬光に変換し、この伝搬光すな
わち散乱光をプローブの側方に配置された集光レンズと
光電検出器を用いて検知し、この検知信号に基づいて試
料の光学情報を得ている。
Have disclosed a scattering mode SNOM in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-137847. This SNO
M scatters the evanescent light formed on the surface of the sample with a needle-shaped probe and converts the scattered light into propagating light. The propagating light, that is, the scattered light, is collected using a condenser lens and a photoelectric detector arranged on the side of the probe. The optical information of the sample is obtained based on the detection signal.

【0014】河田らは、さらに、第42回日本応用物理
学関係連合講演会(予稿集No.3、916頁、1995
年3月)において、STMの金属探針をプローブに使用
し、STMにより試料と探針間の距離制御を行ないなが
ら、試料表面に発生されたエバネッセント光が金属探針
先端で散乱されたために発生する伝搬光を、探針と試料
の横方向から観察してSTM観察とSNOM観察を行な
える装置を開示している。また、第43回日本応用物理
学関係連合講演会(予稿集No.3、887頁、1996
年3月)では、エバネッセント光でなく、試料の上方か
ら斜入射した伝搬光の金属探針先端−試料間の多重散乱
でもSNOM観察可能であることを報告している。
[0014] Kawata et al. Further described the 42nd Japan Applied Physics-related Lecture Meeting (Preprints No. 3, p. 916, 1995).
(Early March) using an STM metal probe as a probe and controlling the distance between the sample and the probe using the STM while evanescent light generated on the sample surface was scattered at the tip of the metal probe. This discloses an apparatus that can observe STM observation and SNOM observation by observing the propagating light from the side of the probe and the sample. The 43rd Japan Applied Physics Alliance Lecture Meeting (Preprints No. 3, p. 887, 1996)
(March) reported that SNOM observation can be performed not only with evanescent light but also with multiple scattering between the tip of the metal probe and the sample of propagating light obliquely incident from above the sample.

【0015】また、バシェロットら(Bachelot et al.)
も、「Opt. Lett. 20 (1995) P.1924」において、開口プ
ローブを使わずに、上方からの伝搬光による散乱モード
SNOMを報告している。
Also, Bachelot et al.
Also, in Opt. Lett. 20 (1995) P.1924, a scattering mode SNOM due to light propagating from above without using an aperture probe is reported.

【0016】また、戸田らは、特願平8−141752
において、AFM用マイクロカンチレバーを利用し、暗
視野照明系を使った散乱モードSNOMを開示してい
る。
Also, Toda et al., In Japanese Patent Application No. 8-141,752.
Discloses a scattering mode SNOM using a dark field illumination system using a microcantilever for AFM.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】散乱モードSNOM用
探針は、先端から、それを支える基部に近づくにつれて
太くなる構造をしている。また、光は、探針の先端から
1波長程度の範囲の部分によって散乱される。このた
め、光は、探針の先端だけでなく、先端に比べて太い部
分によっても散乱される。この太い部分からの散乱光に
よる信号は、SNOM像の高分解能性を低下させる。
The probe for the scattering mode SNOM has a structure that becomes thicker from the tip to the base supporting the tip. Further, the light is scattered by a portion within a range of about one wavelength from the tip of the probe. For this reason, the light is scattered not only by the tip of the probe but also by a portion thicker than the tip. The signal due to the scattered light from the thick part reduces the high resolution of the SNOM image.

【0018】また、杉浦ら(Sugiura et al.)は、「Opt.
Lett. 22 (1997) p.1663」において、レーザートラップ
によって支えられた金微小球を散乱探針として利用する
SNOMを開示している。このSNOMでは、上述した
ような心配はないが、金微小球の保持力が弱いため、イ
メージングに非常に時間がかかる。また、水中動作のた
め、観察可能な試料が限られる。
Sugiura et al., “Opt.
Lett. 22 (1997) p. 1663 "discloses an SNOM that uses gold microspheres supported by a laser trap as a scattering probe. In this SNOM, there is no concern as described above, but imaging takes a very long time because the holding power of the gold microspheres is weak. In addition, the sample that can be observed is limited due to the underwater operation.

【0019】本発明の目的は、探針先端以外からの散乱
光の影響が極力排除された、従って高分解能なSNOM
像を得ることのできる、空気中で動作可能なSNOMを
提供することである。
An object of the present invention is to minimize the influence of scattered light from other than the tip of the probe, and therefore to achieve a high-resolution SNOM.
The object is to provide an SNOM operable in air that can obtain an image.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明は、一面におい
て、試料表面に光を入射させる入射手段と、先端が上記
光の入射する試料表面に近接した位置に配置された探針
と、上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、
上記試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段
を具備する近接場光顕微鏡において、上記探針の上記先
端は上記探針本体より一方向に延出する延出部の先端で
あり、上記延出部の上記先端側は、上記入射光の波長以
上の長さに渡って、太さが最大で上記先端径の3倍以内
であり、上記近接場光顕微鏡は、上記探針を上記延出部
の長さ方向に振動させる手段をさらに具備することを特
徴とする。
According to the present invention, there is provided, on one side, an incidence means for making light incident on a sample surface, a probe having a tip arranged at a position close to the sample surface on which the light is incident, and Light detection means for detecting light scattered by the needle,
In the near-field light microscope including a scanning unit that relatively scans the sample and the tip of the probe, the tip of the probe is a tip of an extension that extends in one direction from the probe body. The distal end side of the extension portion has a maximum thickness of not more than three times the distal end diameter over a length equal to or longer than the wavelength of the incident light. The apparatus further comprises means for vibrating in the length direction of the extension.

【0021】本発明は、別の一面において、近接場光顕
微鏡に使用される探針であり、上記探針の本体より一方
向に延出する延出部を有し、上記延出部の先端側は、先
端より700nm以上の長さに渡って、太さが最大で先
端径の3倍以内となっていることを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, there is provided a probe for use in a near-field optical microscope, the probe having an extension extending in one direction from a main body of the probe, and a tip of the extension. The side is characterized in that the thickness is at most 3 times the diameter of the tip over a length of 700 nm or more from the tip.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の散乱
モード近接場光顕微鏡について図面を参照して説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A scattering mode near-field optical microscope according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0023】図1に示されるように、散乱モード近接場
光顕微鏡は、透明な窒化シリコン製のカンチレバーチッ
プ100を有しており、これは試料1の上方に配置され
る。
As shown in FIG. 1, the scattering mode near-field light microscope has a transparent silicon nitride cantilever tip 100, which is arranged above the sample 1.

【0024】カンチレバーチップ100は、図2に示さ
れるように、支持部103と、支持部103から延びる
カンチレバー101と、カンチレバー101の先端に設
けられた探針106とを有している。この探針106
は、カンチレバー101の面に対してほぼ垂直な方向に
延びる針状の延出部107を有しており、その先端部分
には金属コート108が設けられている。
As shown in FIG. 2, the cantilever tip 100 has a support portion 103, a cantilever 101 extending from the support portion 103, and a probe 106 provided at the tip of the cantilever 101. This probe 106
Has a needle-like extension 107 extending in a direction substantially perpendicular to the surface of the cantilever 101, and a metal coat 108 is provided at the tip thereof.

【0025】図1では探針106の一例であるテトラポ
ッド形状のZnOウイスカーを利用した構成を示した
が、先端が以下に示すような鋭い構造であればテトラポ
ッド形状である必要はない。例えば、探針106はカー
ボナノチューブであってもよく、あるいは、エッチング
等によって先鋭化された構造体であってもよい。
FIG. 1 shows a configuration using a tetrapod-shaped ZnO whisker, which is an example of the probe 106, but the tip need not be a tetrapod-shaped as long as it has a sharp structure as shown below. For example, the probe 106 may be a carbon nanotube or a structure sharpened by etching or the like.

【0026】また、延出部107そのものが屈折率の高
い材質または金属であれば、金属コート108は設けら
れなくてもよい。延出部107は、金属コート108が
ある場合にはそれも含めて、その先端から入射光の波長
以上の長さに渡って、太さが最大で先端径の3倍以内で
ある。
If the extension 107 itself is a material or a metal having a high refractive index, the metal coat 108 may not be provided. The extension 107 has a maximum thickness of up to three times the diameter of the tip over a length equal to or longer than the wavelength of the incident light from the tip thereof, including the metal coat 108, if any.

【0027】また、探針106の延出部107は、その
先端近くから波長以上の部分または照射範囲の部分がほ
ぼ一定の太さであると好適である。または、探針106
の延出部107の先端部分に設けられる金属コート10
8の長さを、入射光の波長に比べて十分小さくしても目
的を達成できる。その理由については後で詳しく述べ
る。
Further, it is preferable that the extension 107 of the probe 106 has a substantially constant thickness from the vicinity of its tip to a portion having a wavelength or more or an irradiation range. Or, the probe 106
Metal coating 10 provided at the tip of extension 107
The objective can be achieved even if the length of the length 8 is sufficiently smaller than the wavelength of the incident light. The reason will be described in detail later.

【0028】カンチレバー101の背面(探針106が
設けられた面の反対側の面)には、高反射膜としてアル
ミニウム膜104がコーティングされている。カンチレ
バー101の探針106近くの部分が透明であれば、特
にカンチレバー101の上方に散乱光検出光学系が配置
される構成において、探針106によって発生される散
乱光が遮断されずに検出され好適である。
The back surface of the cantilever 101 (the surface opposite to the surface on which the probe 106 is provided) is coated with an aluminum film 104 as a highly reflective film. If the portion of the cantilever 101 near the probe 106 is transparent, the scattered light generated by the probe 106 is preferably detected without interruption, particularly in a configuration in which the scattered light detection optical system is disposed above the cantilever 101. It is.

【0029】図1に示されるように、カンチレバーチッ
プ100は、超音波振動子795を介してチップ保持機
構35により試料1の上方に支持される。カンチレバー
チップ100は、光振幅変調手段である超音波振動子
と、これを駆動する高周波電源796とによって、高周
波電源796の周波数で加振される。
As shown in FIG. 1, the cantilever tip 100 is supported above the sample 1 by the tip holding mechanism 35 via the ultrasonic vibrator 795. The cantilever chip 100 is vibrated at the frequency of the high-frequency power supply 796 by an ultrasonic vibrator serving as light amplitude modulation means and a high-frequency power supply 796 for driving the same.

【0030】本装置は、カンチレバー101の自由端の
変位を検出する光てこ式の変位センサーを有しており、
この変位センサーは、カンチレバー101に光を照射す
る半導体レーザー7と、カンチレバー101からの反射
光を受ける二分割フォトディテクター8とを有してい
る。半導体レーザー7から射出されたレーザー光はカン
チレバー101に照射され、カンチレバー背面に設けら
れたアルミニウム膜104で反射され、二分割フォトデ
ィテクター8に入射する。カンチレバー101の自由端
の変位は、二分割フォトディテクター8に対する反射光
の入射位置の変化を引き起こし、二分割フォトディテク
ター8の受光部の出力の比を変動させる。従って、二分
割フォトディテクター8の各受光部の出力の差を調べる
ことによって、カンチレバー101の自由端の変位が求
められ、探針106の変位が間接的に求められる。
This device has an optical lever type displacement sensor for detecting the displacement of the free end of the cantilever 101.
This displacement sensor has a semiconductor laser 7 for irradiating the cantilever 101 with light, and a two-segment photodetector 8 for receiving reflected light from the cantilever 101. The laser light emitted from the semiconductor laser 7 is applied to the cantilever 101, reflected by the aluminum film 104 provided on the back surface of the cantilever, and enters the two-part photodetector 8. The displacement of the free end of the cantilever 101 causes a change in the incident position of the reflected light on the two-segmented photodetector 8, and changes the output ratio of the light receiving unit of the two-segmented photodetector 8. Therefore, the displacement of the free end of the cantilever 101 is determined by examining the difference between the outputs of the respective light receiving sections of the two-piece photodetector 8, and the displacement of the probe 106 is indirectly determined.

【0031】圧電チューブスキャナー6の上端には試料
テーブル401が固定されており、試料テーブル401
の内部空間には内部全反射プリズム3が配置されてい
る。内部全反射プリズム3は、試料テーブル401とは
独立に支持されており、試料テーブル401の上面中央
に設けられた開口から露出されている。
A sample table 401 is fixed to the upper end of the piezoelectric tube scanner 6.
The internal total reflection prism 3 is disposed in the internal space of the first embodiment. The internal total reflection prism 3 is supported independently of the sample table 401, and is exposed from an opening provided at the center of the upper surface of the sample table 401.

【0032】試料1が載置されたスライドガラス2は、
内部全反射プリズム3の上面に適量のマッチングオイル
4を垂らし、試料テーブル401の上に載置される。こ
の結果、図1に示されるように、スライドガラス2と内
部全反射プリズム3の間にマッチングオイル4が介在
し、両者は光学的に結合される。
The slide glass 2 on which the sample 1 is placed is
An appropriate amount of the matching oil 4 is dropped on the upper surface of the total internal reflection prism 3 and placed on the sample table 401. As a result, as shown in FIG. 1, the matching oil 4 is interposed between the slide glass 2 and the total internal reflection prism 3, and both are optically coupled.

【0033】圧電チューブスキャナー6は粗動ステージ
345の上に配置されている。粗動ステージ345は、
コンピューター11により制御される粗動ステージ駆動
回路346によって駆動され、圧電チューブスキャナー
6に固定された試料テーブル401、従ってその上に載
置された試料1を三次元的に粗く移動させる。これによ
り、試料1と探針106の延出部107の先端の間の大
まかな位置合わせが行なわれ、また、試料1と探針10
6の延出部107の先端の間の距離が粗調整される。
The piezoelectric tube scanner 6 is disposed on the coarse movement stage 345. The coarse movement stage 345
Driven by the coarse movement stage drive circuit 346 controlled by the computer 11, the sample table 401 fixed to the piezoelectric tube scanner 6, that is, the sample 1 placed thereon is coarsely moved three-dimensionally. Thus, rough alignment between the sample 1 and the tip of the extension 107 of the probe 106 is performed, and the sample 1 and the probe 10
The distance between the distal ends of the six extension portions 107 is roughly adjusted.

【0034】圧電チューブスキャナー6は、制御回路9
とコンピューター11により制御されるスキャナー駆動
回路10によって駆動され、試料テーブル401を三次
元的に移動させる。これにより、試料テーブル401に
載せられたスライドガラス2の上の試料1は、探針10
6の延出部107の先端に対して相対的に三次元的に移
動される。これによって、探針106の延出部107の
先端が試料1の表面を横切って走査され、また、試料1
の先端と探針106の延出部107の先端の表面の間の
距離が微調整される。本明細書においては、探針が試料
表面を横切る走査をXY走査、探針先端と試料表面の間
の距離の調整をZ制御とも表現する。前述したように、
内部全反射プリズム3は試料テーブル401とは独立に
支持されているので、走査の間、内部全反射プリズム3
は試料テーブル401の移動に影響されることなく不動
に保たれる。
The piezoelectric tube scanner 6 includes a control circuit 9
And the scanner drive circuit 10 controlled by the computer 11 to move the sample table 401 three-dimensionally. As a result, the sample 1 on the slide glass 2 placed on the sample table 401 is
6 is moved three-dimensionally relative to the tip of the extension 107. As a result, the tip of the extension portion 107 of the probe 106 is scanned across the surface of the sample 1, and
The distance between the tip of the probe 106 and the surface of the tip of the extension 107 of the probe 106 is finely adjusted. In this specification, the scanning of the probe crossing the sample surface is also referred to as XY scanning, and the adjustment of the distance between the tip of the probe and the sample surface is also referred to as Z control. As previously mentioned,
Since the total internal reflection prism 3 is supported independently of the sample table 401, the total internal reflection prism 3 is maintained during scanning.
Is kept immobile without being affected by the movement of the sample table 401.

【0035】本装置は、探針と試料の間に光を発生させ
る光発生手段を備えている。光発生手段は、伝搬せずに
局在する局在光を発生させる局在光発生手段と、伝搬す
る光を発生させる伝搬光を発生させる伝搬光発生手段と
を有しており、試料の厚さや物性等の諸特性に応じて、
そのいずれかが選択的に動作される。ここで、局在光は
空間を伝搬しない光を意味し、例えばエバネッセント光
がこれにあたる。また、伝搬光は空間を伝搬する光を意
味し、例えば通常の光がこれにあたる。以下に局在光発
生手段と伝搬光発生手段について詳述する。
This apparatus is provided with light generating means for generating light between the probe and the sample. The light generation means has localized light generation means for generating localized light that does not propagate, and propagation light generation means for generating propagation light that generates light to be propagated. Depending on various properties such as pod physical properties,
Either one is selectively operated. Here, the localized light means light that does not propagate in space, for example, evanescent light. Propagating light means light that propagates in space, for example, normal light. Hereinafter, the localized light generating means and the propagated light generating means will be described in detail.

【0036】局在光発生手段ここでは特にエバネッセン
ト光発生手段は、図1において、レーザー光源13、フ
ィルター14、レンズ15、二つのミラー16と17、
内部全反射プリズム3を有している。レーザー光源13
には、例えば、出力25mWのアルゴンレーザーが使用
される。ミラー17は、図示しない移動回転機構によっ
てその姿勢(位置と向き)を変更可能に支持されており、
ここでは図1に示される姿勢に配置される。
In this case, the evanescent light generating means is a laser light source 13, a filter 14, a lens 15, two mirrors 16 and 17,
It has an internal total reflection prism 3. Laser light source 13
For example, an argon laser having an output of 25 mW is used. The mirror 17 is supported so that its posture (position and direction) can be changed by a moving and rotating mechanism (not shown).
Here, it is arranged in the posture shown in FIG.

【0037】レーザー光源13から射出されたレーザー
光は、フィルター14を通過した後、レンズ15により
平行ビームに変えられる。平行レーザービームは、ミラ
ー16とミラー17で順に反射された後、内部全反射プ
リズム3にその上面(すなわちスライドガラス2と試料
1の界面まはた試料1と大気の界面)で全反射される。
この結果、試料1の表面近傍にエバネッセント光が発生
する。必要に応じて、ミラー17と内部全反射プリズム
3の間に、平行レーザービームを収束するレンズが挿入
されてもよい。また、平行レーザービームの光路上に、
1/2波長板706が回転可能に配置されてもよい。こ
の1/2波長板706の回転は平行レーザービームの偏
光方向を変化させる。
The laser light emitted from the laser light source 13 is converted into a parallel beam by the lens 15 after passing through the filter 14. The parallel laser beam is reflected by the mirror 16 and the mirror 17 in order, and then is totally reflected by the internal total reflection prism 3 on the upper surface thereof (that is, at the interface between the slide glass 2 and the sample 1 or the interface between the sample 1 and the atmosphere). .
As a result, evanescent light is generated near the surface of the sample 1. If necessary, a lens for converging a parallel laser beam may be inserted between the mirror 17 and the total internal reflection prism 3. Also, on the optical path of the parallel laser beam,
The half-wave plate 706 may be rotatably arranged. The rotation of the half-wave plate 706 changes the polarization direction of the parallel laser beam.

【0038】また、伝搬光発生手段は、図1および図3
において、レーザー光源13、フィルター14、レンズ
15、二つのミラー16と17、レンズ18を有してい
る。上述したように、ミラー17は、図示しない移動回
転機構によってその姿勢(位置と向き)を変更可能に支持
されており、ここでは図4に示される姿勢に配置され
る。
Further, the propagating light generating means is shown in FIGS.
1 has a laser light source 13, a filter 14, a lens 15, two mirrors 16 and 17, and a lens 18. As described above, the mirror 17 is supported so that its posture (position and direction) can be changed by a moving / rotating mechanism (not shown), and is arranged in the posture shown in FIG. 4 here.

【0039】レーザー光源13から射出されたレーザー
光は、フィルター14を通過した後、レンズ15により
平行ビームに変えられる。平行レーザービームは、ミラ
ー16とミラー17で順に反射され、図4に示されるよ
うに、試料1に斜め上方から、試料1と探針106の延
出部107の先端の近傍に照射される。特に、平行レー
ザービームは、レンズ18によって収束され、探針10
6の延出部107の先端部分に照射される。伝搬光発生
手段は、また、特願平8−141752に開示されてい
るような暗視野照明系を利用した光学系を有していても
よい。
The laser light emitted from the laser light source 13 is converted into a parallel beam by the lens 15 after passing through the filter 14. The parallel laser beam is reflected by the mirror 16 and the mirror 17 in order, and irradiates the sample 1 and the vicinity of the tip of the extension portion 107 of the probe 106 from obliquely above the sample 1 as shown in FIG. In particular, the collimated laser beam is focused by the lens 18 and the probe 10
Irradiation is performed on the tip of the extension portion 107 of FIG. The propagating light generating means may have an optical system using a dark field illumination system as disclosed in Japanese Patent Application No. Hei 8-141752.

【0040】図1に示されるように、内部全反射プリズ
ム3の上方には、試料1と探針106を間に挟んで、対
物レンズ19が配置されている。対物レンズ19の上方
には散乱光検出鏡筒222が配置されており、散乱光検
出鏡筒222は対物レンズ19と共働して散乱光検出光
学系を構成している。散乱光検出光学系は、局在光であ
るエバネッセント光に探針が進入したときに発生する散
乱光を検出する。
As shown in FIG. 1, an objective lens 19 is arranged above the total internal reflection prism 3 with the sample 1 and the probe 106 interposed therebetween. A scattered light detection lens barrel 222 is disposed above the objective lens 19, and the scattered light detection lens barrel 222 forms a scattered light detection optical system in cooperation with the objective lens 19. The scattered light detection optical system detects scattered light generated when the probe enters evanescent light, which is localized light.

【0041】散乱光検出鏡筒222は、レンズ群20、
ピンホール21、光電子増倍管22を有している。ピン
ホール21は、対物レンズ19とレンズ群20に対し
て、探針106の延出部107の先端と光学的に共役な
位置に配置されており、散乱光検出光学系は共焦点光学
系となっている。従って、光電子増倍管22に入射する
光は、その殆どが探針106の延出部107の先端近傍
で発生された散乱光である。このように、散乱光検出光
学系は共焦点光学系であるため、探針106の延出部1
07の先端近傍で発生された散乱光を効率よく検出す
る。光電子増倍管22は、受光した散乱光の光強度に応
じた電気信号を出力する。光電子増倍管22からの出力
信号は、後述するカンチレバーの振動に同期した成分ま
たはその高調波成分がロックインアンプ24で選択的に
受信されて増幅され、SNOM信号(近接場信号)として
コンピューター11に取り込まれる。また、図6のよう
に光電子増倍管22に入射光とδだけ異なる周波数をも
つ参照光をいれて干渉させ、ロックインアンプ24で、
カンチレバーの振動数ω1との和または周波数|ω1±δ
|成分を選択増幅する、ヘテロダイン検波法も使用可能
である。
The scattered light detection lens barrel 222 includes a lens group 20,
It has a pinhole 21 and a photomultiplier tube 22. The pinhole 21 is disposed at a position optically conjugate with the tip of the extension 107 of the probe 106 with respect to the objective lens 19 and the lens group 20, and the scattered light detection optical system is different from the confocal optical system. Has become. Therefore, most of the light incident on the photomultiplier tube 22 is scattered light generated near the tip of the extension 107 of the probe 106. As described above, the scattered light detection optical system is a confocal optical system.
07 scattered light generated near the tip is efficiently detected. The photomultiplier tube 22 outputs an electric signal corresponding to the light intensity of the received scattered light. In the output signal from the photomultiplier tube 22, a component synchronized with the vibration of the cantilever or a harmonic component thereof, which will be described later, is selectively received and amplified by the lock-in amplifier 24, and is converted into a SNOM signal (near-field signal) by the computer 11. It is taken in. Further, as shown in FIG. 6, reference light having a frequency different from the incident light by δ is introduced into the photomultiplier tube 22 and caused to interfere with each other.
Sum or frequency with cantilever frequency ω1 | ω1 ± δ
A heterodyne detection method for selectively amplifying components can also be used.

【0042】本装置は、顕微鏡接眼鏡筒28と顕微鏡照
明鏡筒25を有しており、両者は対物レンズ19の上方
に配置されたハーフミラープリズム30によって対物レ
ンズ19と光学的に結合されており、顕微鏡接眼鏡筒2
8は対物レンズ19と共働して光学顕微鏡を構成し、顕
微鏡照明鏡筒25は対物レンズ19と共働して照明光学
系を構成する。光学顕微鏡は、試料1の様々な光学的観
察に利用される他に、試料1の観察箇所の特定、観察箇
所への探針106の延出部107の先端の位置合わせ、
変位センサーのレーザー光のカンチレバー101への照
射位置の確認に利用される。なお、観察場所の特定、変
位センサー用レーザー光の照射位置の確認ができれば、
実体顕微鏡、ルーペ、電子顕微鏡など、他の手段が用い
られてもよい。
This device has a microscope eyepiece tube 28 and a microscope illumination lens tube 25, both of which are optically coupled to the objective lens 19 by a half mirror prism 30 arranged above the objective lens 19. Yes, microscope eyepiece tube 2
Numeral 8 cooperates with the objective lens 19 to form an optical microscope, and a microscope illumination lens barrel 25 cooperates with the objective lens 19 to form an illumination optical system. The optical microscope is used for various optical observations of the sample 1, in addition to specifying an observation point of the sample 1, aligning the tip of the extension 107 of the probe 106 with the observation point,
It is used for confirming the irradiation position of the laser beam of the displacement sensor to the cantilever 101. If you can identify the observation place and confirm the irradiation position of the laser beam for the displacement sensor,
Other means such as a stereo microscope, a loupe, an electron microscope, and the like may be used.

【0043】顕微鏡接眼鏡筒28には、画像を取得する
ためのCCDカメラ32が取り付けられており、CCD
カメラ32に取得された画像はモニターテレビ34に表
示される。顕微鏡照明鏡筒25は照明光源27に接続さ
れている。
The microscope eyepiece tube 28 is provided with a CCD camera 32 for acquiring an image.
The image acquired by the camera 32 is displayed on the monitor television 34. The microscope illumination lens barrel 25 is connected to an illumination light source 27.

【0044】照明光源27で発せられた照明光は、顕微
鏡照明鏡筒25、レンズ31、ハーフミラープリズム3
0、対物レンズ19を経由して、試料1に照射される。
試料1からの光は、対物レンズ19、ハーフミラープリ
ズム30、レンズ31、ハーフミラープリズム370、
ミラープリズム371を経由して、接眼顕微鏡鏡筒28
に入射し、CCDカメラ32の受光面に結像される。C
CDカメラ32が取得した画像はモニターテレビ34に
表示される。
The illumination light emitted from the illumination light source 27 includes a microscope illumination lens barrel 25, a lens 31, and a half mirror prism 3.
0, the sample 1 is irradiated via the objective lens 19.
The light from the sample 1 is supplied to the objective lens 19, the half mirror prism 30, the lens 31, the half mirror prism 370,
Through the mirror prism 371, the eyepiece microscope lens barrel 28
And is imaged on the light receiving surface of the CCD camera 32. C
The image acquired by the CD camera 32 is displayed on the monitor television 34.

【0045】本装置では、SNOM測定と同時にAFM
測定が行なわれる。つまり、一回の走査の間にSNOM
情報の取得とAFM情報の取得が行なわれる。AFM測
定は、例えば、探針が試料表面に垂直な方向に振動する
ように、カンチレバーに微小な振動を与えるダイナミッ
クモードで行なわれる。
In this apparatus, the AFM is simultaneously performed with the SNOM measurement.
A measurement is made. In other words, SNOM during one scan
Information acquisition and AFM information acquisition are performed. The AFM measurement is performed, for example, in a dynamic mode in which a micro vibration is applied to the cantilever so that the probe vibrates in a direction perpendicular to the sample surface.

【0046】このダイナミックモードでは、超音波振動
子795を用いて、カンチレバー101の先端部に設け
られた探針106の延出部107の先端が、試料1の表
面にほぼ垂直な方向に一定の振幅で振動するように、カ
ンチレバーチップ100が振動される。探針106の延
出部107の先端が試料1の表面に十分に(すなわち原
子間力が作用する距離まで)近づけられると、探針10
6の延出部107の先端の振動振幅は減衰する。この減
衰した探針106の延出部107の先端の振動振幅を一
定に保つようにZ制御(すなわち探針−試料間距離を制
御)しながら、探針106の延出部107の先端がXY
走査される。
In this dynamic mode, the tip of the extension 107 of the probe 106 provided at the tip of the cantilever 101 is fixed in a direction substantially perpendicular to the surface of the sample 1 using the ultrasonic vibrator 795. The cantilever tip 100 is vibrated so as to vibrate at the amplitude. When the tip of the extension 107 of the probe 106 is sufficiently close to the surface of the sample 1 (that is, up to the distance where the atomic force acts), the probe 10
The vibration amplitude at the tip of the extension 107 of FIG. While the Z control (that is, the distance between the probe and the sample) is maintained so that the vibration amplitude of the tip of the extended portion 107 of the probe 106 is kept constant, the tip of the extended portion 107 of the probe 106 is XY.
Scanned.

【0047】探針106の延出部107の先端が試料表
面を横切って走査される間、探針先端と試料表面の間の
Z制御が行なわれる。このZ制御は、変位センサーの信
号に応じて制御回路9によってZ方向の位置に関する制
御信号を生成し、これに基づいてスキャナ駆動回路10
により圧電チューブスキャナ6を制御することで行なわ
れる。走査の間、Z制御のために制御回路9から発生さ
れる制御信号はAFM情報としてコンピューター11に
取り込まれ、その内部で生成されるXY走査信号と合わ
せて処理される。これにより、試料表面の凹凸を表現す
るAFM像が形成される。また、走査の間、光電子増倍
管22からの出力信号はSNOM情報(近接場情報)とし
てコンピューター11に取り込まれ、その内部で生成さ
れるXY走査信号と合わせて処理される。これにより、
試料表面の光学情報を表現するSNOM像が形成され
る。AFM像とSNOM像はモニター12に一緒に表示
される。
While the tip of the extension 107 of the probe 106 scans across the surface of the sample, Z control between the tip of the probe and the surface of the sample is performed. In the Z control, the control circuit 9 generates a control signal relating to the position in the Z direction in accordance with a signal from the displacement sensor, and based on this, generates a control signal for the scanner driving circuit 10.
The control is performed by controlling the piezoelectric tube scanner 6. During scanning, a control signal generated from the control circuit 9 for Z control is taken into the computer 11 as AFM information, and processed together with an XY scanning signal generated therein. As a result, an AFM image expressing irregularities on the sample surface is formed. During scanning, an output signal from the photomultiplier tube 22 is taken into the computer 11 as SNOM information (near-field information), and processed together with an XY scanning signal generated therein. This allows
An SNOM image expressing optical information on the sample surface is formed. The AFM image and the SNOM image are displayed together on the monitor 12.

【0048】これまでに説明した近接場光顕微鏡におい
て、好適な探針の形状について述べる。上述の近接場顕
微鏡においては、図5のように延出部が上下に振動し、
入射光の照射範囲は振動の範囲に止まらず、振動の範囲
より上部の延出部まで照射している。このとき、延出部
が図5に示すように棒状ならばよいが、頂点を下に向け
た錐型であると、延出部の上下に伴い、錐型の斜面部分
で散乱される光の量が変動し、これがノイズ成分になっ
て観測の障害になる。
In the near-field optical microscope described above, a suitable probe shape will be described. In the above-mentioned near-field microscope, the extension part vibrates up and down as shown in FIG.
The irradiation range of the incident light is not limited to the range of the vibration, but is applied to the extended portion above the range of the vibration. At this time, the extension may be rod-shaped as shown in FIG. 5, but if the extension is a conical shape with the apex facing downward, the light scattered by the conical slope along the top and bottom of the extension is increased. The amount fluctuates, which becomes a noise component and hinders observation.

【0049】このノイズの発生を極力防止するために
は、延出部の形状を棒に近い形状にすることが望まし
い。つまり、その先端近くから照射範囲までの部分がほ
ぼ一定の太さであるとより好適である。この構成では、
探針106の延出部107の上下振動において、図5に
破線で示される部分の他には、照射範囲の広さに違いが
全くない。
In order to prevent the generation of this noise as much as possible, it is desirable to make the shape of the extension part close to a rod. That is, it is more preferable that the portion from the vicinity of the tip to the irradiation range has a substantially constant thickness. In this configuration,
In the vertical vibration of the extension portion 107 of the probe 106, there is no difference in the width of the irradiation range other than the portion shown by the broken line in FIG.

【0050】また、散乱は先端から波長程度の領域でお
こるので波長程度の部分でほぼ一定の太さであってもよ
い。この場合、ピンホール径を小さくして先端付近から
の信号だけを選択することでS/Nが向上可能である。
Since scattering occurs in a region of about a wavelength from the tip, the thickness may be substantially constant in a portion of about the wavelength. In this case, the S / N can be improved by reducing the pinhole diameter and selecting only the signal from the vicinity of the tip.

【0051】しかし、太さがほぼ一定の延出部でなくと
も、実用的には、より製作の容易な探針が使用できる。
この探針の延出部の形状としては、延出部の先端より少
なくとも入射光の波長以上の長さに渡り、太さが最大で
先端径の3倍以内になっていればよい。このような条件
ならば、良好にノイズを減らした探針を容易に作製する
ことができる。探針製作が困難になるが、延出部の先端
より少なくとも入射光の波長以上の長さに渡り、太さが
最大で先端径の2倍以内ならば、より好適な性能を得る
ことができる。
However, even if the extension is not substantially constant in thickness, a probe that can be manufactured more easily can be used in practice.
The shape of the extension of the probe may be at least three times the diameter of the tip from the tip of the extension at least over the wavelength of the incident light. Under such conditions, a probe with good noise reduction can be easily manufactured. Although it is difficult to manufacture the probe, more suitable performance can be obtained if the thickness is at most equal to or larger than twice the tip diameter over the length of at least the wavelength of the incident light from the tip of the extension. .

【0052】ここで先端径とは、以下のように定義す
る。すなわち、断面が頂角90度の三角形である円錐を
仮想的に考え、この仮想円錐を頂点を真下に向けて、仮
想円錐の頂点と真下に向けた探針先端部の頂点を一致さ
せるとする。このとき、仮想円錐の斜面と探針の表面の
交線が略円形等の閉曲線を形成するが、この閉曲線の重
心よりの平均距離の2倍を先端径と定義する。
Here, the tip diameter is defined as follows. In other words, it is assumed that a cone whose cross section is a triangle having a vertex angle of 90 degrees is virtually considered, the vertex of the virtual cone is directed downward, and the vertex of the virtual cone coincides with the vertex of the tip of the probe pointing directly downward. . At this time, the intersection of the inclined surface of the virtual cone and the surface of the probe forms a closed curve such as a substantially circular shape, and the tip diameter is defined as twice the average distance from the center of gravity of the closed curve.

【0053】また、代表的な入射光の波長としては、例
えばアルゴンレーザーの488nmの光を入射光として
採用する場合を考えると、上述した、延出部の先端側は
入射光の波長以上の長さに渡って、太さが最大で先端径
の3倍以内という条件は、延出部の先端側は488nm
以上の長さに渡って、太さが最大で先端径の3倍以内と
言える。また、ヘリウムネオンレーザの633nmの光
を使用する場合には、先端から633nmの長さという
条件になる。さらに、種々の入射光を使用する場合を考
えてみても、入射光の波長範囲を考慮すると、概ね先端
から700nm以上の長さに渡って、太さが最大で先端
径の3倍以内の条件を満足すれば、広い範囲の入射光の
種類に対応可能である。
Assuming that a typical wavelength of the incident light is, for example, 488 nm light of an argon laser, is adopted as the incident light. The condition that the thickness is maximum and within 3 times the tip diameter is 488 nm on the tip side of the extension.
It can be said that the maximum thickness is within three times the tip diameter over the above length. When 633 nm light of a helium neon laser is used, the condition is that the length is 633 nm from the tip. Furthermore, considering the case where various incident lights are used, considering the wavelength range of the incident light, the condition that the thickness is at most the maximum and within three times the diameter of the tip over a length of 700 nm or more from the tip. Is satisfied, a wide range of incident light types can be handled.

【0054】このような、延出部を作製する方法として
は、例えば、テトラポット形状のZnOウィスカを利用
して延出部を作製する場合に、このウィスカの成長過程
を途中で停止し、先端をわざと鋭くしなければよい。ま
た、歩留まりの問題があるが、先端が鋭い延出部の先端
を他の物体に接触させて、先端を削ることも可能であ
る。
As a method of manufacturing such an extended portion, for example, when an extended portion is manufactured using a tetrapot-shaped ZnO whisker, the growth process of the whisker is stopped on the way, and Should not be sharpened on purpose. In addition, although there is a problem of yield, it is also possible to make the tip of the extension part having a sharp tip come into contact with another object to cut the tip.

【0055】しかし、それでもノイズは不可避であり、
照射範囲が波長より大きい場合は、散乱源がないよう
な、なめらかに変化する構造である方がS/Nを考慮す
ると好適である。もっとも望ましいのは照射範囲でほぼ
先端径と同じ太さをもつ、なめらかな構造をもつプロー
ブであり、また、延出部の先端を少なくとも入射光の波
長以上の長さに渡り、太さが最大で先端径の3倍以内に
なっているなめらかな構造をもつプローブである。
However, noise is still unavoidable.
When the irradiation range is larger than the wavelength, it is preferable that the structure has a smoothly changing structure without any scattering source in consideration of S / N. Most desirable is a probe with a smooth structure that has almost the same diameter as the tip diameter in the irradiation range, and the tip of the extension extends over the length of at least the wavelength of the incident light and has the maximum thickness. The probe has a smooth structure within 3 times the tip diameter.

【0056】信号の検波の方式としては、前述のロック
イン検波があるが、ロックイン検波では、図5の破線部
からの散乱信号のみが選択的に取り出されので、高分解
能なSNOM像が得られる。
As a signal detection method, there is the lock-in detection described above. In the lock-in detection, only a scattered signal from a broken line portion in FIG. 5 is selectively extracted, so that a high-resolution SNOM image can be obtained. Can be

【0057】しかし、ロックイン検波法では、光電子増
倍管上で光強度が検出されることによる、探針上部から
の信号その他のノイズ成分と、探針最先端での散乱信号
とのクロスタームを除去できないという欠点がまだ残
る。特開平10−170522号公報に開示されている
ように、ヘテロダイン検波法を使用すれば、欠点もなく
なり、S/Nを向上させることができる。
However, in the lock-in detection method, a cross term between a signal or other noise component from the upper part of the probe and a scattered signal at the tip of the probe due to detection of light intensity on the photomultiplier tube. The disadvantage remains that it cannot be removed. As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-170522, the use of the heterodyne detection method eliminates the drawbacks and improves the S / N.

【0058】また、探針106の延出部107の先端部
分に設けられる金属コート108の長さが、波長に比べ
て十分小さいとしても、目的が達成される。例えば、金
属コート108の長さが50nm以下ならばよい。これ
は金属の散乱効率が高いので、この部分に着目すると、
あたかも金属の微粒子が振動しているのと同様に考えら
れ、残りの延出部の影響が小さくなるからである。金属
コートのかわりに金微粒子が延出部107先端に付着し
ている構成でもよい。この場合の金の微粒子の直径は5
0nm以下が望ましい。金属コート108の散乱効率
は、延出部が屈折率の比較的小さい物質であれば、それ
より非常に大きいので、金属コート部は実質的にサポー
トのない単独の金属微小球と見なすことができる。この
ような探針106の延出部107を試料表面に対してほ
ぼ垂直な方向に振動させ、その振動数に同期した成分を
取り出すことによって、高分解能なSNOM像を得るこ
とができる。これは佐々木ら(H. Sasaki et al.)により
「J. Appl. Phys. 85 (1999)pp. 2026-2030」に示された
計算結果によって裏付けられる。さらに、延出部107
付近を延出部と似た屈折率の液体で浸すことにより、上
記論文の条件にいっそう近くなり、高分解能SNOM像
が得られる。
The object is achieved even if the length of the metal coat 108 provided at the tip of the extension 107 of the probe 106 is sufficiently smaller than the wavelength. For example, the length of the metal coat 108 may be 50 nm or less. This is because the scattering efficiency of metal is high, so paying attention to this part,
This is because it is considered as if the metal fine particles are vibrating, and the influence of the remaining extension is reduced. A configuration in which gold fine particles adhere to the tip of the extension portion 107 instead of the metal coat may be used. The diameter of the gold particles in this case is 5
0 nm or less is desirable. The scattering efficiency of the metal coat 108 is much higher if the extension is a material having a relatively low refractive index, so that the metal coat can be regarded as a single metal microsphere having substantially no support. . By vibrating the extending portion 107 of the probe 106 in a direction substantially perpendicular to the sample surface and extracting a component synchronized with the frequency, a high-resolution SNOM image can be obtained. This is supported by the calculation results presented by H. Sasaki et al. In “J. Appl. Phys. 85 (1999) pp. 2026-2030”. Further, the extension 107
By immersing the vicinity in a liquid having a refractive index similar to that of the extension portion, the condition becomes much closer to the condition of the above-mentioned paper, and a high-resolution SNOM image can be obtained.

【0059】本発明は、上述した実施の形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれ
るすべての実施を含む。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes all implementations that do not depart from the gist of the invention.

【0060】本発明による走査型近接場光顕微鏡は以下
のように言うことができる。
The scanning near-field optical microscope according to the present invention can be described as follows.

【0061】付記1 試料表面に光を入射させる入射手段と、先端が上記光の
入射する試料表面に近接した位置に配置された探針と、
上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、上記
試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段を具
備する近接場光顕微鏡において、上記探針の上記先端は
上記探針本体より一方向に延出する延出部の先端であ
り、上記延出部の上記先端側は、上記入射光の波長以上
の長さに渡って、太さが略一定であり、上記近接場光顕
微鏡は、上記探針を上記延出部の長さ方向に振動させる
手段をさらに具備することを特徴とする近接場光顕微
鏡。
Supplementary Note 1 Incident means for making light incident on the sample surface, a probe whose tip is arranged at a position close to the sample surface on which the light enters,
In a near-field optical microscope comprising a light detecting means for detecting light scattered by the probe, and a scanning means for relatively scanning the sample and the tip of the probe, the tip of the probe is connected to the probe. The distal end of the extending portion extending in one direction from the needle main body, and the distal end side of the extending portion has a substantially constant thickness over a length equal to or longer than the wavelength of the incident light. The near-field light microscope further comprising means for vibrating the probe in the length direction of the extension part.

【0062】付記2 試料表面に光を入射させる入射手段と、先端が上記光の
入射する試料表面に近接した位置に配置された探針と、
上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、上記
試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段を具
備する近接場光顕微鏡において、上記探針の上記先端は
上記探針本体より一方向に延出する延出部の先端であ
り、上記延出部の上記先端側は、上記入射光の波長以上
の長さに渡って、太さが最大で上記先端径の2倍以内で
あり、上記近接場光顕微鏡は、上記探針を上記延出部の
長さ方向に振動させる手段をさらに具備することを特徴
とする近接場光顕微鏡。
Supplementary Note 2 Incident means for making light incident on the sample surface, a probe whose tip is arranged at a position close to the sample surface on which the light enters,
In a near-field optical microscope comprising a light detecting means for detecting light scattered by the probe, and a scanning means for relatively scanning the sample and the tip of the probe, the tip of the probe is connected to the probe. The distal end of the extending portion extending in one direction from the needle main body, and the distal end side of the extending portion has a maximum thickness of 2 mm of the distal end diameter over the length of the wavelength of the incident light or more. The near-field light microscope, wherein the near-field light microscope further comprises means for vibrating the probe in the length direction of the extension.

【0063】付記3 試料表面に光を入射させる入射手段と、先端が上記光の
入射する試料表面に近接した位置に配置された探針と、
上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、上記
試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段を具
備する近接場光顕微鏡において、上記探針の上記先端は
上記探針本体より一方向に延出する延出部の先端であ
り、上記延出部の上記先端側は、上記入射光の照射範囲
に渡って、太さが略一定であり、上記近接場光顕微鏡
は、上記探針を上記延出部の長さ方向に振動させる手段
をさらに具備することを特徴とする近接場光顕微鏡。
Supplementary Note 3 Incident means for making light incident on the sample surface, a probe whose tip is arranged at a position close to the sample surface on which the light enters,
In a near-field optical microscope comprising a light detecting means for detecting light scattered by the probe, and a scanning means for relatively scanning the sample and the tip of the probe, the tip of the probe is connected to the probe. The tip of the extension that extends in one direction from the needle main body, and the tip side of the extension is substantially constant in thickness over the irradiation range of the incident light, and the near-field light microscope Is a near-field light microscope, further comprising means for vibrating the probe in the length direction of the extension.

【0064】付記4 試料表面に光を入射させる入射手段と、先端が上記光の
入射する試料表面に近接した位置に配置された探針と、
上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、上記
試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段を具
備する近接場光顕微鏡において、上記探針の上記先端は
上記探針本体より一方向に延出する延出部の先端であ
り、上記延出部の上記先端側は、上記入射光の照射範囲
に渡って、太さが最大で上記先端径の2倍以内であり、
上記近接場光顕微鏡は、上記探針を上記延出部の長さ方
向に振動させる手段をさらに具備することを特徴とする
近接場光顕微鏡。
(Supplementary Note 4) Incident means for making light incident on the sample surface, a probe whose tip is located close to the sample surface on which the light is incident,
In a near-field optical microscope comprising a light detecting means for detecting light scattered by the probe, and a scanning means for relatively scanning the sample and the tip of the probe, the tip of the probe is connected to the probe. The tip of the extension that extends in one direction from the needle body, and the tip side of the extension has a maximum thickness of up to twice the tip diameter over the range of irradiation of the incident light. Yes,
The near-field light microscope further comprises means for vibrating the probe in a length direction of the extension part.

【0065】付記5 試料表面に光を入射させる入射手段と、先端が上記光の
入射する試料表面に近接した位置に配置された探針と、
上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、上記
試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段を具
備する近接場光顕微鏡において、上記探針の上記先端は
上記探針本体より一方向に延出する延出部の先端であ
り、上記延出部の上記先端側は、上記入射光の照射範囲
に渡って、太さが最大で上記先端径の3倍以内であり、
上記近接場光顕微鏡は、上記探針を上記延出部の長さ方
向に振動させる手段をさらに具備することを特徴とする
近接場光顕微鏡。
(Supplementary Note 5) An incidence means for making light incident on the sample surface, a probe whose tip is arranged in a position close to the sample surface on which the light enters,
In a near-field optical microscope comprising a light detecting means for detecting light scattered by the probe, and a scanning means for relatively scanning the sample and the tip of the probe, the tip of the probe is connected to the probe. The tip of the extension that extends in one direction from the needle body, and the tip of the extension has a maximum thickness of up to three times the tip diameter over the range of irradiation of the incident light. Yes,
The near-field light microscope further comprises means for vibrating the probe in a length direction of the extension part.

【0066】付記6 試料表面に光を入射させる入射手段と、先端が上記光の
入射する試料表面に近接した位置に配置された探針と、
上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、上記
試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段を具
備する近接場光顕微鏡において、上記探針の上記先端は
上記探針本体より一方向に延出する延出部の先端であ
り、上記延出部の上記先端側は、先端より700nm以
上の長さに渡って、太さが略一定であり、上記近接場光
顕微鏡は、上記探針を上記延出部の長さ方向に振動させ
る手段をさらに具備することを特徴とする近接場光顕微
鏡。
(Supplementary Note 6) An incidence means for making light incident on the sample surface, a probe having a tip arranged at a position close to the sample surface on which the light enters,
In a near-field optical microscope comprising a light detecting means for detecting light scattered by the probe, and a scanning means for relatively scanning the sample and the tip of the probe, the tip of the probe is connected to the probe. A tip of an extension extending in one direction from the needle body, wherein the tip side of the extension has a thickness substantially constant over a length of 700 nm or more from the tip, and the near-field light The near-field optical microscope, further comprising: a means for vibrating the probe in a length direction of the extending portion.

【0067】付記7 試料表面に光を入射させる入射手段と、先端が上記光の
入射する試料表面に近接した位置に配置された探針と、
上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、上記
試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段を具
備する近接場光顕微鏡において、上記探針の上記先端は
上記探針本体より一方向に延出する延出部の先端であ
り、上記延出部の上記先端側は、先端より700nm以
上の長さに渡って、太さが最大で上記先端径の2倍以内
であり、上記近接場光顕微鏡は、上記探針を上記延出部
の長さ方向に振動させる手段をさらに具備することを特
徴とする近接場光顕微鏡。
(Supplementary Note 7) An incidence means for making light incident on the sample surface, a probe whose tip is arranged close to the sample surface on which the light enters,
In a near-field optical microscope comprising a light detecting means for detecting light scattered by the probe, and a scanning means for relatively scanning the sample and the tip of the probe, the tip of the probe is connected to the probe. The tip of the extension that extends in one direction from the needle body, and the tip side of the extension has a maximum thickness of up to 700 nm or more from the tip and is no more than twice the tip diameter. Wherein the near-field light microscope further comprises means for vibrating the probe in the length direction of the extension.

【0068】付記8 試料表面に光を入射させる入射手段と、先端が上記光の
入射する試料表面に近接した位置に配置された探針と、
上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、上記
試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段を具
備する近接場光顕微鏡において、上記探針の上記先端は
上記探針本体より一方向に延出する延出部の先端であ
り、上記延出部の上記先端側は、先端より700nm以
上の長さに渡って、太さが最大で上記先端径の3倍以内
であり、上記近接場光顕微鏡は、上記探針を上記延出部
の長さ方向に振動させる手段をさらに具備することを特
徴とする近接場光顕微鏡。
(Supplementary Note 8) Incident means for making light incident on the sample surface, a probe whose tip is located close to the sample surface on which the light is incident,
In a near-field optical microscope comprising a light detecting means for detecting light scattered by the probe, and a scanning means for relatively scanning the sample and the tip of the probe, the tip of the probe is connected to the probe. The tip of the extension that extends in one direction from the needle body, and the tip side of the extension is 700 nm or more from the tip and has a maximum thickness of up to three times the tip diameter. Wherein the near-field light microscope further comprises means for vibrating the probe in the length direction of the extension.

【0069】付記9 上記延出部の上記先端には、先端より50nm以下の長
さに渡って金属皮膜が施されていることを特徴とする、
請求項1または付記1ないし付記8の何れか一項に記載
の近接場光顕微鏡。
(Supplementary Note 9) A metal film is applied to the tip of the extension part over a length of 50 nm or less from the tip.
The near-field light microscope according to claim 1 or any one of supplementary notes 1 to 8.

【0070】付記10 上記延出部の上記先端には、直径50nm以下の金属球
が取付けられていることを特徴とする、請求項1または
付記1ないし付記8の何れか一項に記載の近接場光顕微
鏡。
[Supplementary note 10] The proximity according to any one of Supplementary notes 1 to 8, wherein a metal sphere having a diameter of 50 nm or less is attached to the tip of the extension portion. Field light microscope.

【0071】付記11 上記光検出手段の出力をヘテロダイン検波法を用いて処
理する信号処理手段をさらに具備することを特徴とす
る、請求項1または付記1ないし付記8の何れか一項に
記載の近接場光顕微鏡。
(Supplementary Note 11) The apparatus according to any one of Supplementary Notes 1 to 8, further comprising signal processing means for processing an output of the light detection means using heterodyne detection. Near-field light microscope.

【0072】付記12 試料表面に光を入射させる入射手段と、先端が上記光の
入射する試料表面に近接した位置に配置された探針と、
上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、上記
試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段を具
備する近接場光顕微鏡において、上記探針の上記先端は
上記探針本体より一方向に延出する延出部の先端であ
り、上記探針を上記延出部の長さ方向に振動させる手段
と、上記探針の先端と上記試料の間を埋める、上記延出
部と略等しい屈折率をもつ液体とをさらに具備すること
を特徴とする近接場光顕微鏡。
(Supplementary Note 12) An incident means for making light incident on the sample surface, a probe whose tip is arranged in a position close to the sample surface on which the light enters,
In a near-field optical microscope comprising a light detecting means for detecting light scattered by the probe, and a scanning means for relatively scanning the sample and the tip of the probe, the tip of the probe is connected to the probe. Means for vibrating the probe in the length direction of the extension portion, the extension portion extending in one direction from the needle body, and the extension portion filling the space between the tip of the probe and the sample. A near-field optical microscope, further comprising a liquid having a refractive index substantially equal to that of the projection.

【0073】付記13 近接場顕微鏡に使用される探針であり、上記探針の本体
より一方向に延出する延出部を有し、上記延出部の先端
側は、先端より700nm以上の長さに渡って、太さが
略一定であることを特徴とする近接場光顕微鏡装置用探
針。
Supplementary Note 13 A probe used for a near-field microscope, which has an extending portion extending in one direction from a main body of the probe, and a tip side of the extending portion is 700 nm or more from the tip. A probe for a near-field optical microscope device, wherein the thickness is substantially constant over the length.

【0074】付記14 近接場顕微鏡に使用される探針であり、上記探針の本体
より一方向に延出する延出部を有し、上記延出部の先端
側は、先端より700nm以上の長さに渡って、太さが
最大で先端径の2倍以内となっていることを特徴とする
近接場光顕微鏡装置用探針。
Supplementary Note 14 A probe used in a near-field microscope, which has an extension extending in one direction from the main body of the probe, and a tip side of the extension is 700 nm or more from the tip. A probe for a near-field optical microscope device characterized in that the thickness is at most twice the tip diameter over the length.

【0075】付記15 上記延出部の先端側は、先端より50nm以下の長さに
渡って金属皮膜が施されていることを特徴とする、請求
項3または付記13と付記14の何れか一項に記載の近
接場光顕微鏡装置用探針。
(Supplementary note 15) The one of Supplementary note 13 or Supplementary note 14, wherein a metal film is applied to the tip end side of the extension portion over a length of 50 nm or less from the tip end. Item 12. The probe for a near-field light microscope device according to item 9.

【0076】付記16 上記延出部の先端には、直径50nm以下の金属球が取
付けられていることを特徴とする、請求項3または付記
13と付記14の何れか一項に記載の近接場光顕微鏡装
置用探針
(Supplementary note 16) The near field according to any one of Supplementary note 13 or Supplementary note 14, wherein a metal sphere having a diameter of 50 nm or less is attached to a tip of the extension. Probe for light microscope equipment

【0077】[0077]

【発明の効果】本発明によれば、探針は一方向に延びる
延出部を有し、その太さは先端から入射光の波長以上の
長さに渡って最大で上記先端径の2倍以内であるため、
探針先端以外からの散乱光の影響が極力排除された、空
気中で動作可能なSNOMが提供される。これにより、
高分解能なSNOM像が得られるようになる。
According to the present invention, the probe has an extending portion extending in one direction, and the thickness thereof is at most twice the diameter of the tip from the tip over the length of the wavelength of the incident light or more. Within
An SNOM operable in air is provided, in which the influence of scattered light other than from the tip of the probe is minimized. This allows
A high-resolution SNOM image can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による散乱モード走査型近接場光顕微鏡
の全体の構成を模式的に示している。
FIG. 1 schematically shows the entire configuration of a scattering mode scanning near-field light microscope according to the present invention.

【図2】図1に示される走査型近接場光顕微鏡に用いら
れるカンチレバーチップの斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view of a cantilever chip used in the scanning near-field light microscope shown in FIG.

【図3】図2に示されるカンチレバーチップの探針の延
出部の先端部分を拡大して示している。
FIG. 3 is an enlarged view of a tip portion of an extension of a probe of the cantilever tip shown in FIG. 2;

【図4】平行レーザービームが伝搬光として試料に斜め
上方から照射される様子を示している。
FIG. 4 shows a state in which a parallel laser beam is applied to a sample from obliquely above as propagating light.

【図5】探針の延出部が試料表面に対して垂直な方向に
振動している様子を示している。
FIG. 5 shows a state in which the extension of the probe vibrates in a direction perpendicular to the sample surface.

【図6】ヘテロダイン検波法を用いた本発明による散乱
モード走査型近接場光顕微鏡の全体の構成を模式的に示
している。
FIG. 6 schematically shows the entire configuration of a scattering mode scanning near-field light microscope according to the present invention using the heterodyne detection method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3 内部全反射プリズム 6 圧電チューブスキャナー 7 半導体レーザー 8 二分割フォトディテクター 11 コンピューター 13 レーザー光源 19 対物レンズ 20 レンズ群 21 ピンホール 22 光電子増倍管 106 探針 107 延出部 222 散乱光検出鏡筒 Reference Signs List 3 total internal reflection prism 6 piezoelectric tube scanner 7 semiconductor laser 8 two-part photodetector 11 computer 13 laser light source 19 objective lens 20 lens group 21 pinhole 22 photomultiplier tube 106 probe 107 extension part 222 scattered light detection lens barrel

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料表面に光を入射させる入射手段と、 先端が上記光の入射する試料表面に近接した位置に配置
された探針と、 上記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、 上記試料と上記探針の先端を相対的に走査する走査手段
を具備する近接場光顕微鏡において、 上記探針の上記先端は上記探針本体より一方向に延出す
る延出部の先端であり、 上記延出部の上記先端側は、上記入射光の波長以上の長
さに渡って、太さが最大で上記先端径の3倍以内であ
り、 上記近接場光顕微鏡は、上記探針を上記延出部の長さ方
向に振動させる手段をさらに具備することを特徴とする
近接場光顕微鏡。
1. An incident means for injecting light into a sample surface, a probe having a tip arranged at a position close to the sample surface on which the light is incident, and a light detector for detecting light scattered by the probe. Means, a near-field optical microscope comprising scanning means for relatively scanning the sample and the tip of the probe, wherein the tip of the probe has an extension portion extending in one direction from the probe body. The tip is a tip, and the tip side of the extension portion has a maximum thickness of not more than three times the tip diameter over a length equal to or longer than the wavelength of the incident light. A near-field optical microscope further comprising means for vibrating a probe in a longitudinal direction of the extension.
【請求項2】 上記延出部の上記先端には、先端より上
記入射光の波長以下の長さに渡って金属皮膜が施されて
いることを特徴とする、請求項1に記載の近接場光顕微
鏡。
2. The near field according to claim 1, wherein a metal coating is applied to the tip of the extension from the tip over a length equal to or less than the wavelength of the incident light. Light microscope.
【請求項3】 近接場光顕微鏡に使用される探針であ
り、 上記探針の本体より一方向に延出する延出部を有し、 上記延出部の先端側は、先端より700nm以上の長さ
に渡って、太さが最大で先端径の3倍以内となっている
ことを特徴とする近接場光顕微鏡装置用探針。
3. A probe for use in a near-field optical microscope, comprising an extension extending in one direction from a main body of the probe, wherein a tip side of the extension is 700 nm or more from the tip. A tip for a near-field optical microscope device having a maximum thickness of not more than three times the tip diameter over the entire length of the probe.
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