JP2000081383A - 散乱型近接場顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】先端が金属のプローブを用いる散乱型近接場顕
微鏡に開口数が１以上の対物レンズを用いるとき、プロ
ーブ先端以外で反射ないし散乱されるノイズ光を抑圧す
ることを目的とする。 【解決手段】上記対物レンズにより形成される集光スポ
ットを、開口数が１以上の光束のみにより形成する手段
を設ける。この光束形成手段としては、光軸上に中心を
有する円形の遮光体、またはアキシコン光学素子を用い
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は近接場顕微鏡、詳し
くは、プローブ先端の金属により近接場を伝播光に変
え、その散乱された伝播光に基づいて試料の画像化を行
える、特に蛍光試料の測定に適した散乱型近接場顕微鏡
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近接場顕微鏡は、使用するプローブの形
式によって２種類に分かれる。一つは、中実の誘電体ま
たは金属でなり先端先鋭なプローブを用いるもので、も
う一つはファイバープローブと称される光ファイバーを
利用したものである。

【０００３】後者のファイバープローブは、一般的に、
光ファイバーを先端径を１００ｎｍ程度まで先鋭化し、
例えば蛍光測定では、ファイバー中に励起光を導波さ
せ、先鋭化されたプローブ先端からの射出光による近接
場を蛍光測定における微小な励起光源として利用しよう
とするものである。しかし、光ファイバーを用いるので
導波においては光のもれがあり、プローブ先端以外から
の光のもれを防ぐために、先端から延びるテーパ部に対
し必ず金属の皮膜がコーティングされている。このコー
ティング用の金属種は、表皮深さ(ｓｋｉｎ ｄｅｐｔ
ｈ)が最も浅いものが選ばれ、主にアルミニウムが用い
られるが、このアルミニウムでさえ表皮深さは可視光に
対し２０ｎｍ程度あり、ファイバープローブの開口径は
実質的に４０ｎｍ以上になる。また、このプローブの先
端ではコーティング金属に沿って広がる電場のために、
スポット径は１００ｎｍ程度まで大きくなる。実際、金
属をコーティングした光ファイバープローブの解析につ
いて、Ｎｏｖｏｔｎｙらが２次元モデルを用いて行った
報告例がある(Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，１１，
ｐｐ.１７６８−１７７９．)。この報告では、コーティ
ング金属中にしみ出す電場分布と、金属をコーティング
した光導波路の先端で広がる電場分布とが図示されてお
り、アルミニウムをコーティングした開口５０ｎｍのプ
ローブを用いた場合、分解は開口の２倍の１００ｎｍ程
度であると結論されている。このように回折限界を打破
する光学顕微鏡である近接場顕微鏡ではあるが、ファイ
バープローブを用いる限り、明らかに分解能の限界が存
在する。

【０００４】これに対し、アパーチャレスプローブとも
称される、前者の誘電体または金属製プローブを用いる
近接場顕微鏡では、基本的に、上記のような分解能の限
界は存在しない。この顕微鏡においては、照明光を外部
光学系により試料に照射し、プローブの先端を試料に生
起した近接場領域へ挿入することにより近接場光(局在
した伝播しない光の場、ニアフィールド(ｎｅａｒ−ｆ
ｉｅｌｄ)と称される)を散乱させその散乱光を検出し
て、回折限界を超えた分解能で光学特性像を得るもので
あり、このアパーチャレス型プローブを用いたニアフィ
ールド・スキャニング・オプティカル・マイクロスコピ
ィ、ＮＳＯＭ(Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎ
ｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ)の分解能
はプローブの先端径程度であるので、上記のファイバー
プローブのような分解能の明確な限界はないといえる。
強いて限界を求めるならば、プローブ先端の加工精度の
限界に帰着するが、現在の技術(超精密なフォトリソグ
ラフィ技術を含む)でも先端の直径が１０ｎｍの精度は
充分に可能であり、場合によってはサブナノメートルも
可能となっているから、これを光学的にみるならば分解
能の限界はないのも同然といえる。

【０００５】このような分解能の有利さがある反面、こ
のアパーチャレス型プローブを用いるＮＳＯＭにも問題
点はあり、一つには、プローブの先端以外で散乱、反射
される光があり、すなわちプローブ先端へ至るプローブ
テーパ部による近接場光の散乱、プローブテーパ部やシ
ャフト部における散乱光の反射や照明光の反射や散乱が
あり、これらのノイズ光をどのようにしてカットするか
という問題である。

【０００６】もう一つは、アパーチャレス型プローブ
は、ファイバープローブのような微小開口をもたないの
で、原理上、近接場からの散乱光(極めて微弱)を外部光
学系によって集光しなければならない問題である(な
お、アパーチャ型プローブを用いるものでも、近接場光
を光ファイバーで導光し難いときには外部光学系により
集光する)。

【０００７】従来、アパーチャレス型プローブを用いた
ＮＳＯＭは主に試料の表面形状(微小な凹凸)の観察に用
いられており、幸いにも前者の問題は、プローブを軸線
方向に微振動させこの振動と同期するように散乱光を検
出(ロックイン検出)することにより信号光のみ検出する
ことで解決され、また、後者の問題も例えばＮＡ(開口
数)の大きな長作動対物レンズを用いたり、カセグレン
対物鏡を用いることによって解決されてきた。

【０００８】ところで、ファイバープローブを用いたＮ
ＳＯＭにおいては、光ファイバーによる導波、近接場の
形成、そして比較的に近接場光の導光態様が容易なた
め、近時さかんにこのＮＳＯＭを分光学的に利用する試
みが多い。典型的には、蛍光試料の測定、例えば単一分
子からの蛍光測定であり、従来のマクロな測定(多数の
分子において観察される蛍光挙動から得られる分子物性
に関する情報、特に分子の配向方向など)では得られな
かった新規な情報を探究するものであり、単一分子の配
向方向の決定や単一分子の蛍光寿命の測定、単一分子内
のエネルギ移動の観測のほか、単一分子の観測に限ら
ず、多くの物質についてその微小領域における分光特性
の新たな知見が得られようとしている。

【０００９】ところが、上記のように分解能の点で顕著
に有利であるアパーチャレスプローブのＮＳＯＭでは、
外部光学系による試料の照明、及び外部光学系による近
接場・散乱光の集光を行うため、観測系としては複雑化
し、このＮＳＯＭは、従来より、分光学的利用には不適
であるとされてきた。そして、何よりも問題は、例えば
アパーチャレスプローブの先端を蛍光の微小励起光源に
適用しようとするとき、その光源の輝度(近接場の散乱
による光源輝度)が蛍光を励起できる程の強度を有さな
いという点にあった。

【００１０】ところが、近時、金属プローブにおいてそ
の先端で生じる局所的な電場増強効果を用いることによ
り、蛍光を充分に励起できるという提案がなされ(古
川、河田、近接場光学研究会第４回予稿集、７−１２
(１９９５))、この提案に基づき、本発明者らは先に、
金属プローブを用いた蛍光測定用ＮＳＯＭ装置を試作
し、蛍光測定を行った。この試作に係るＮＳＯＭ装置の
要部、蛍光励起部の構成を図１に示す。

【００１１】図１において、１は対物レンズ２、オイル
３、カバーガラス４からなる油浸対物レンズであり、開
口数(ＮＡ)は１．４である。カバーガラス４上に蛍光試
料５を載置し、蛍光試料５の下方から波長４８８ｎｍの
アルゴンレーザ平行光６(直線偏光している)を照射し、
油浸対物レンズ１により集光し(集光スポットは蛍光試
料５の上面に形成)、集光スポットの中心、光軸上に先
端８がくるようにＮＳＯＭの金属プローブ７を制御位置
決める。なお、ＮＡの大きな対物レンズ１を用いたの
は、基本的に、集光スポットを絞り込むためであるが、
反面、極めて小径の集光スポットとなったため、プロー
ブの位置合わせ、特にプローブ先端の位置決めは極めて
困難なものとなった。

【００１２】上記集光スポットにより、蛍光試料５の上
面空間には近接場が生起し、金属プローブ７の先端８が
この近接場に入ると、先端８は電場増強効果により近接
場光を伝播光として強く散乱し、先端８は径が５０ｎｍ
程度であるのでこの先端８が極微小な光源となる。そし
て、この先端８からの散乱光が、先端８直下の蛍光試料
５の微小領域の蛍光物質の励起光となり、蛍光を励起す
る。励起された蛍光は(言うまでもなく、極めて微弱で
ある)、同じ油浸対物レンズ１を通して下方へ集光９さ
れ、図示しないフィルタを通して励起光をカットした上
でフォトンカウンティング法により蛍光を検出するよう
にしている。

【００１３】尚、図１に要部を示したＮＳＯＭ装置にお
いて、近接場を生起させるために、常用されるプリズム
ではなく、開口数(ＮＡ)が１以上と大きい対物レンズ
(本例では１.４)を使用しているのは、近接場生起のた
めの集光スポットを極小径に絞り込み(原理的にはλ／
２まで可能、λはレーザ光源の波長)、可能な限りノイ
ズ光の発生を抑制するとともに、電場増強効果の効率を
高め、同時に励起蛍光の集光効率を最大に高めるためで
ある。

【００１４】ところで、図１の構成において、図２に図
解するように、全反射する光のほかに、試料５の表面を
透過する透過光１０が存在する。そして、この透過光１
０は、プローブ７の先端８以外のプローブテーパ部７ｔ
およびシャフト部７ｓにおいて、反射ないし散乱する。
この反射光ないし散乱光は、蛍光試料５に入射すると、
試料中の蛍光物質を励起する。こうして励起された蛍光
は、プローブ先端８以外の励起光により励起されること
から、バックグラウンドの雑音成分であり、蛍光検出の
ＳＮ比を低下させる。また、ＮＳＯＭにおける画像化の
分解能を相当程度低下させる問題があった。なお、最終
的な目標は、プローブ先端８の直下にだけある表層の蛍
光試料のみを励起してその励起蛍光を検出することであ
り、また、画像化の分解能はプローブ先端径に依存する
のでその径にのみ限界を求めるということである。又、
上述では、試料を蛍光試料としてプローブ先端を極微小
光源として蛍光物質を励起することを説明したが、蛍光
励起は一例であり、任意の物質の試料に対し、屈折率分
布や吸収分布を測定するための金属プローブ先端による
極微小光源の形成に係ることが本発明の背景の趣旨であ
る。

【００１５】それゆえに、本発明は、上記の問題を解決
することを課題とし、金属プローブの先端のみを近接場
でつくられる極微小光源となしうるようにすることを基
本的な目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、図３に示されるように、対物レンズ１に
よって形成される集光スポットを開口数が１以上の光束
１１のみにより形成する手段を設け、開口数が１未満の
光束を集光スポット形成に関与させないようにしたこと
を基本的な特徴としている。開口数が１以上の光束１１
は、カバーガラス４または試料５と、空気との界面で全
反射し、試料５の表面から気中へ透過する光をなくすこ
とができる。従ってプローブテーパ部、シャフト部にお
ける光の反射、散乱はない。基本的に、試料５上面に生
起する近接場に挿入されるプローブ先端のみで散乱され
た伝播光が光源光となる。かつ、開口数が１未満の光束
成分に比べて１以上の光束成分がより多くのＰ偏光成分
を有しており、電場増強効果にはこのＰ偏光成分が効力
をもつことから、電場増強の効率を高めることができ、
このプローブ先端光源の強度(輝度)を増大させることが
できる。

【００１７】上記の集光スポットを開口数が１以上の光
束のみにより形成する手段は、具体的には、照明光源か
ら対物レンズに至る光路の光軸上に設けられる円形の遮
光体、又は、光軸上に設けられるアキシコン光学素子で
ある。アキシコン光学素子には、アキシコンプリズム、
ないしアキシコンレンズと、アキシコンゾーンプレート
とを含む。アキシコン光学素子を用いる場合、遮光体に
比べて、光のエネルギ損失が小さい、輪帯状の照明の幅
が狭いなどの利点がある。

【００１８】前者の遮光体は、コストもかけず簡易に構
成できる利点がある。例えば、薄いカバーガラスに円形
の黒塗りの紙を貼り付けたものを用いることができる。
この遮光体は、光路中へ進退自在に設けるのが好まし
い。退避させたとき、集光スポットの輝度は高くなるか
ら、プローブ先端の精密に制御された位置決めが容易化
する。このことは、開口数の大きい対物レンズを使って
集光スポットを形成していることから、集光スポット径
は極めて小さく(２５０ｎｍ〜)、プローブの位置決めの
困難さを軽減する意味でもきわめて有用である。

【００１９】開口数が１以上の対物レンズによって形成
される集光スポットを開口数が１以上の光束のみにより
形成する手段を設けた散乱型近接場顕微鏡は、蛍光測定
に利用できるほか、屈折率分布の測定や吸収率分布測
定、また分光光源を用いると分光計測にも用いることが
できる。つまり、通常一般の光学顕微鏡により行えるこ
とはすべて実行可能であり、先に挙げた蛍光測定に限定
されるべきでない。

【００２０】尤も、蛍光測定に利用するとき、プローブ
先端は電場増強効果により、強度の大きい極微小励起光
源となり、かつプローブ先端の直下以外の箇所で励起さ
れうる蛍光は大幅に低減されるから、バックグラウンド
蛍光は著しく低減する。即ち、信号としての蛍光(Ｓ)は
増大するとともに、バックグラウンド(Ｎ)は低減される
から、ＳＮ比は大きく向上する。

【００２１】なお、蛍光測定において、さらに、二光子
励起吸収を用いると、集光スポット形成のために蛍光試
料を透過させた部分(試料中の部分)において蛍光の励起
をなくすることができ、ノイズとなる蛍光はより低減す
るので、ＳＮ比はさらに向上できる。また、二光子励起
吸収を用いれば、蛍光試料の褪色も大幅に低減すること
ができる。

【００２２】本発明に係る散乱型近接場顕微鏡に適用さ
れるプローブは、中実の金属からなるプローブが好まし
いが、先端部にのみ金属を存在させた誘電体であっても
よい。つまり、先端部に皮膜状に金属を設けたものであ
る。また、別の態様では、金属プローブに先端部のみ別
の金属を蒸着等により設けたものでもよい。さらに、原
子間力顕微鏡(ＡＦＭ)の探針には、ＡＦＭ用カレンチレ
バーが用いられているが、このカレンチレバーの先端ま
たは先端部に金属をコーティングしたものをこの金属プ
ローブＮＳＯＭの金属プローブとして用いることができ
る。なお、ＡＦＭ用カレンチレバーは、通常、シリコン
(Ｓｉ)、酸化シリコン(ＳｉＯ₂)、シリコンナイトライ
ド(Ｓｉ₃Ｎ₄)を材質とする。金属プローブにいう金属と
は、種類において、特性として空気中で酸化しにくく、
光源との関係で吸収波長をもたず、電場増強効果の大き
いものが望まれるが、すべての特性を満たす金属種は見
当たらず、目的または必要に応じて、タングステン、プ
ラチナイリジウム、金、銀、アルミニウム、ステンレ
ス、インコネルなどが適用される。尚、上記のＡＦＭと
関連づけて、金属プローブにおいて、現在サーマルイメ
ージング用のＡＦＭカレンチレバーが存在し、このカレ
ンチレバー(プローブ)の先端は熱電対を形成しており、
先端部は金属であり、これを利用しこのＡＦＭサーマル
イメージング用カレンチレバーを本発明の金属プローブ
に適用することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に基づいて説明する。本実施の形態は、中実の金属プ
ローブを用いた散乱型近接場顕微鏡であり、原子間力顕
微鏡(ＡＦＭ)のカレンチレバーを利用した(先端に金属
をコーティングしてある)実施の形態については後述す
る。

【００２４】図４に全体の主要構成を、蛍光試料測定の
場合を例にして示す。ＰＺＴを用いた高精度ＸＹステー
ジ２１上に、蛍光試料２２を設けたカバーガラス２３を
載置・固定し、蛍光試料２２の上方に金属プローブ２４
を設定する。油浸対物レンズ２５はＸＹステージ２１の
中央の筒状空間に位置し、試料照明光学系３０と蛍光検
出光学系４０とに共用される。金属プローブ２４は、パ
ーソナルコンピュータ５０の一部機能を利用した距離制
御系６０により、プローブ先端と蛍光試料２２の表面と
の間の距離が制御される(この距離を以下、プローブ−
サンプル間距離という)。

【００２５】試料照明光学系３０は、照明光源としての
レーザ３１、ＮＤフイルタ(ニュートラルデンシティフ
ィルタ)３２、ビームエクスパンダ３３、遮光プレート
３４、ダイクロイックミラー３５、油浸対物レンズ２５
を備えて形成される。遮光プレート３４は、ビームエク
スパンダ３３により拡大された平行光束の中央部を円形
に遮断する。この円形の遮断マスク３４ｍの大きさは、
平行光束が入射される対物レンズ２５において、開口数
(ＮＡ)がＮＡ＜１に対応した部分の全部に相当する。す
なわち、遮断マスク３４ｍの半径はちょうど、対物レン
ズ２５におけるＮＡ＝１に相当する大きさである。この
遮光プレート３４を通過した光束は、輪帯光束となり、
ダイクロイックミラー３５で直角に反射され、ＮＡが
１.４の油浸対物レンズ２５に入射する。油浸対物レン
ズ２５は、図３に示したように、ＮＡが１以上の輪帯光
束を収束し、光軸上に極小径の集光スポットを形成す
る。集光スポットは、通常は油浸対物レンズ２５のカバ
ーガラスの上面に形成されるが、測定時には試料２２が
空気と接する界面に形成される。いずれの場合も、集光
スポットはＮＡ≧１だけの光束により形成されるので、
それぞれの界面で全反射し、カバーガラスあるいは試料
２２を通過して気中に拡散してゆく透過光はない。な
お、レーザ３１には、アルゴンレーザ(出力４ｍＷ、波
長４８８ｎｍ)を用い、ダイクロイックミラー３５のカ
ットオフは５１０ｎｍである。ＮＤフイルタ３２は、出
力レーザ光の強度を変え、光学系の調整等に利用する。
また、前記遮光プレート３４は、アームを取り付けて、
光路に進退自在に設定できるようにしている。退避させ
ると、集光スポットの輝度が大きくなり、金属プローブ
２４を位置決めしようとするとき、この位置決めが容易
化する。

【００２６】蛍光検出光学系４０は、ＮＡが１.４の油
浸対物レンズ２５、ダイクロイックミラー３５、干渉フ
イルタ４１、ビームスプリッタ４２、結像レンズ４３，
４４、イメージインテンシファイヤ付ＣＣＤカメラ４
５、マルチモード光ファイバ４６、光電子増倍管４７を
内蔵するフォトカウンティング装置４８を含んで形成さ
れる。もっとも、結像レンズ４４からＣＣＤカメラ４５
へ至る光路は、測定の開始前に蛍光検出光学系４０を調
整するために用いられ、ＣＣＤカメラ４５が出力するビ
デオ信号は、図示しないモニタ装置に入力される。

【００２７】倍率が１００倍の対物レンズ２５は、その
ＮＡの１.４全部を使って蛍光を集光するので、集光効
率が高い。そして、ダイクロイックミラー３５により基
本的に励起光はカットされ、次段の干渉フィルタ４１
は、特性が５５０ｎｍでＦＷＨＭが１２.５ｎｍであ
り、ダイクロイックミラー３５により完全にはカットさ
れなかった励起光と、後述するシェアフォース検出用の
半導体レーザ光をカットして、蛍光のみを通過させる。
通過した蛍光は、ビームスプリッタ４２により分割さ
れ、イメージインテンシファイヤ付ＣＣＤカメラ４５の
イメージインテンシファイヤの受光面と共役な位置にコ
アの端面を合わせたマルチモード光ファイバ４６(コア
径は４００μm、開口数は０.２)によって導波される。
なお、結像レンズ４３，４４ともに焦点距離は８０ｍｍ
である。マルチモード光ファイバ４６により導波された
蛍光は光電子増倍管４７((株)浜松ホトニクス社製、Ｒ
２９４９、感度ピーク波長４００ｎｍ(約７３ｍＡ／
Ｗ)、５５０ｎｍでは約５６ｍＡ／Ｗ)により光電増幅し
たうえでフォトカウンティング装置４８((株)ユニソク
製)により積分時間６５ｍｓでカウントし、このカウン
ト値はデータとしてパーソナルコンピュータ５０に送信
し、メモリに記憶する。

【００２８】次に、距離制御系６０を説明する。この系
６０は、シェアフォースと称される、プローブを試料の
近接場領域(約３０ｎｍ以内)に近づけた場合に働く力を
検出し距離制御を行うものであり、ファイバープローブ
を用いたＮＳＯＭでは常用されている手法で、プローブ
をその共振状態で微小振動させ、シェアフォースによる
振幅の変化を光を用いて検出するというものである。も
っとも、ファイバープローブ型ＮＳＯＭでは常用されて
いるものの、本例のような、金属プローブ型ＮＳＯＭで
これを用いたのは本願発明者の一人である河田が最初で
ある(特開平９−２８１１２２号公報)。また、シェアフ
ォース制御は、光を用いる手法のほか、光を用いない手
法があり、本例では光を用いる手法を採用している。

【００２９】距離制御系６０は、金属プローブ２４の上
端部に係合させ金属プローブ２４を試料表面に沿うよう
に上下方向すなわちＺ方向に微動させるＺ方向ピエゾス
テージ６１ＰＳ(Ｑｕｅｅｎｓｇａｔｅ社製、ＤＰＴ／
ＡＸ１００、精度１.５ｎｍ)と、このＺ方向ピエゾステ
ージ６１ＰＳにフィードバックをかける手段としての半
導体レーザ６１、レンズ６２，６３、２分割フォトディ
テクタ６４、差動アンプ６５、ロックインアンプ６６、
発振器６７、およびＺ方向ピエゾステージ６１ＰＳに結
合し金属プローブ２４の上端部側面に固定したバイモル
フピエゾ６８とから構成される。

【００３０】発振器(〜８ｋＨｚ)の発振信号をバイモル
フピエゾ６８に与えるとともに、ロックインアンプ６６
に入力する。発振信号を与えられたバイモルフピエゾ６
８は屈曲振動し、金属プローブ２４を光軸と直交する方
向に共振周波数で微小振動させる。他方、金属プローブ
２４の軸線すなわちＺ方向と直交する方向に光軸を設定
しこの光軸上に配設した半導体レーザ６１(波長６７０
ｎｍ)の射出光をレンズ６２によって金属プローブ２４
のシャフト部に集光し、その影をレンズ６３により２分
割フォトディテクタ６４の分割中心に投影結像する。２
分割フォトディテクタ６４の各フォトディテクタからの
信号出力を入力とする差動アンプ６５により両信号を差
動増幅し、発振器６７からの共振周波数の入力によりロ
ックインアンプ６６においてロックイン検出することに
より金属プローブ２４の振幅とする。そして、この振幅
信号をコンピュータ５０に設けたインターフェイスＡＤ
ボード(ＡＺＴ−３５０３)を用いてコンピュータ５０に
取り込み、モニタし、シェアフォースによる振幅の変化
を検出し、一定振幅になるようにＺ方向ピエゾステージ
６１ＰＳにフィードバックをかける。測定に用いた金属
プローブのフォースカーブ特性によれば、プローブ−サ
ンプル間距離が３０ｎｍ程度になるとシェアフォースに
より振幅が急峻に落ち込むことが判り、したがってこの
落ち込む点から定距離下方の点を零点すなわち試料表面
とみなし、プローブ−サンプル間距離の基準としてい
る。なお、試料２２の走査制御はコンピュータ５０の制
御下に行われ、シェアフォースによる振幅の変化を検出
して、一定振幅となるようにＺ方向ピエゾステージ６１
ＰＳにフィードバックをかけ、試料２２を載置したＸＹ
ステージを走査駆動し、イメージングを行うようにして
いる。

【００３１】上記の距離制御系６０は、半導体レーザ６
１を用い金属プローブ２４の投影像を検出して行う光を
用いたシェアフォースフィードバック法であったが、こ
の手法に代えて、光を用いないシェアフォースフィード
バック法を用いることが可能である。光を用いないシェ
アフォースフィードバック法には、シェアフォースの検
出にピエゾ素子を用いる方法と、チューニングフォーク
を用いる方法とがある。前者の方法を簡単に説明する
と、シェアフォース検出用のピエゾ素子とプローブとを
一体に設けプローブを自励させ簡単な電子回路処理のみ
でフィードバックをかけるというものである。そして、
光を用いる両手法を通じて、フィードバックのセンサ部
がプローブに固定されるため、系としてコンパクトかつ
堅牢なものとなり、そしてプローブを自由に移動させる
ことができるという利点をもつ。この点、金属プローブ
を用いるＮＳＯＭでは外部照明による集光スポット上に
プローブを設定調整する必要があり、プローブを頻繁に
移動する。上記実施の態様で示したような光を用いた方
法では、このプローブの移動によりシェアフォース検出
用の光学系がずれるため、プローブを移動させる毎にこ
の光学系を調整し直す繁雑さを伴う。光を用いない方法
は、この繁雑さを解消する。また、光を用いる方法では
一般的に波長６７０ｎｍ程度の半導体レーザが用いられ
るため、この光(ノイズ光)をカットするためのフィルタ
を設ける必要があり、検出対象によっては、フィルタ波
長の選択も問題であり、とりわけ蛍光、しかも微弱な蛍
光を検出するような場合には非常に不利である。近接場
顕微鏡を用いた極微小領域の蛍光測定では、検出される
蛍光はきわめて微弱であるから、光を用いない方法はこ
の点において特に有用である。尚、プローブの位置決め
の困難さや、距離制御の問題を一挙に解決するＡＦＭカ
レンチレバー型ＮＳＯＭについては後述する。

【００３２】金属プローブ２４には、中実のプラチナイ
リジウム(ＰtＩr)製のものを用いた。先端は、機械研磨
により形成した。用いた金属プローブ２４の走査電子顕
微鏡像を図５(Ａ)(Ｂ)に示す。図５(Ａ)は先端部の全体
像(１４０倍)を示し、同図(Ｂ)は先端の拡大像(４００
００倍)である。同図(Ｂ)から分かるように、先端径は
約５０ｎｍである。

【００３３】蛍光測定に際しては、事前に各光学系の調
整を行う。また、調整の前には、金属プローブ２４を集
光スポットに位置決める難作業がある。この作業は、手
動では到底不可能で、コンピュータ制御によりはじめて
可能である。

【００３４】まず、金属プローブ２４の位置決めについ
て、図６に図解するように、Ｚ方向ピエゾステージ６１
ＰＳに位置決め用のＸＹＺステージ７１を取り付け、長
作動対物レンズ７２(ＮＡは０.３５、倍率２０倍)を設
定するとともに、ＣＣＤカメラ７３及び第１のモニタ７
４を用い、長作動対物レンズ７２とは反対側からファイ
バ光源７５により金属プローブ２４の先端部を照明し、
ＣＣＤカメラ７３によりその映像を第１のモニタ７４に
よって観察する。長作動対物レンズ７２のフォーカスポ
イントは、予め、集光スポット(図４の装置における光
源３１は作動している)に合致させておく。図示のよう
に、ファイバ光源７５により、プローブの先端部を照明
し、ＸＹＺステージ７１を用いてプローブ先端をフォー
カスポイント近く(Ｚ方向１０μｍ以内)まで移動させ
る。第１のモニタ７４には、モニタ画面中に示されるよ
うに、プローブ先端の実像７６とプローブ先端の影７７
とが集光スポット７８を挟んで向かい合う形となるよう
に調整する。

【００３５】次に、シェアフォース検出用の半導体レー
ザ６１(図４参照)を金属プローブ２４に集光し、その影
を２分割ホトディテクタ６４を介して検出し、Ｚ方向の
粗位置決めの調整を行う。

【００３６】シェアフォース検出用光学系が調整できる
と、プローブの振幅をオシロスコープで確認しながら、
イメージインテンシファイヤ付ＣＣＤカメラ４５からの
映像を第２のモニタ８１で観察しながら、ＸＹＺステー
ジ７１を微動させ、第２のモニタ８１画面中の蛍光スポ
ット８２の上にプローブの先端を移動させる。なお、８
３はファイバ光源７５の投射光により映じたプローブ先
端部の影である。移動は、このプローブ先端部の影によ
り把握する。移動においては、特に、Ｚ方向について
は、Ｚ方向ピエゾステージ６１ＰＳを併用して、金属プ
ローブ２４の先端が試料２２に接触させないようにす
る。また、先端がある程度まで近づいた場合には、Ｚ方
向ステージ６１ＰＳのみを用いるようにする。尚、図６
中、対物レンズ２５から結像レンズ４４に至る光路は簡
略化して示している。また、試料走査用のＸＹステージ
２１は光学系の調整には使用されず、ホームポジション
に固定したままにされ、その位置でカバーガラス２３な
いし蛍光試料２２が所定位置に載置・固定される。

【００３７】なお、蛍光試料２２は、この実施の態様に
おいては、ローダミンを溶解させたポリビニールアルコ
ール膜(厚さ約３５ｎｍ)としている。具体的には、ロー
ダミン６Ｇを１ｗｔ％のポリビニールアルコール溶液に
溶かし、カバーガラス上で回転数１６００ｒｐｍでスピ
ンコーティングし、ポリビニールアルコールのガラス転
移温度(Ｔｇ)が６５〜８０℃程度であることから、オー
ブンにおいて９０℃で加熱・乾燥させて作成したもので
ある。

【００３８】蛍光試料２２を対象とした蛍光強度の測
定、すなわち蛍光強度の距離依存性の測定は、図４にお
れるパーソナルコンピュータ５０による制御下、Ｚ方向
ピエゾステージ６１ＰＳを動作させ、金属プローブ２４
の先端を蛍光試料２２表面に近づけてゆき、フォトカウ
ンティング装置４８のカウント値を蛍光強度の測定値と
した。なお、金属プローブ２４を停止させる点は、シェ
アフォース振幅が約半分になる地点とし、その点をプロ
ーブ−サンプル間距離の零点と規定した。なお、蛍光強
度(あるいは別の対象では単に強度)の距離依存性の測定
は、プローブを近づけてゆく場合と、停止させてから、
停止点から遠ざけてゆく場合の２通りについて測定でき
るが、いずれか一方の測定でよい。両方をすると、得ら
れたデータの確証性が相互に高められる。

【００３９】図４の構成において、遮光プレート３４の
作用を検証した。用いた遮光プレート３４について具体
的には、対物レンズ２５の入射側の開口径が５.６ｍｍ
であり、ＮＡが１.０に対応する径は４.００ｍｍである
ので、カバーガラスに直径が４.００ｍｍの黒塗りの紙
を貼付したものとした。試料としてはカバーガラスのみ
で、カバーガラスの上面に集光スポットを形成し、カバ
ーガラスの上面に近接場を生起させる。対照のため、遮
光プレート３４を光路に入れた場合と、光路から退避さ
せた場合とについて、励起光強度(アルゴンレーザ光の
強度)のプローブ−サンプル間距離依存性を測定した。
なお、測定に際しては、干渉フィルタ４１は光路から除
去し、金属プローブ２４の先端を試料(カバーガラス)に
近づけていったときのデータを採取している。

【００４０】図７に遮光プレート３４を光路から退避さ
せたときの測定結果を示す。同図から明らかなように、
試料(カバーガラス)を通過してきた光のプローブによる
反射、散乱のため、プローブが試料に近づくに従い、試
料表面での励起光強度が増大してゆくことが分かる。

【００４１】他方、遮光プレート３４を光路に挿入した
場合の測定結果を図８に示す。同図の、強度が３９００
の平担部に示されるように、この場合、試料を透過して
くる成分がないため、プローブを試料に近づけても、励
起光強度の増加がみられず、逆にプローブ−サンプル間
距離が３００ｎｍ近辺になったところから強度が急峻し
ている。これは、ＮＡが１以上の光束が全反射により形
成した近接場をプローブが散乱しているため、その散乱
光が試料から検出系とは反対側の空気中へ散逸してしま
うことによる。したがって、この図７と図８の測定結果
から、透過光成分(図２の参照符号１０で示される光束)
は完全に除去できていると結論できる。

【００４２】上記の検証の結論を踏まえて、蛍光試料の
測定を行った。試料２２は、上述したルーダミン６Ｇを
溶解させたポリビニールアルコール膜である。遮光プレ
ート３４を光路に挿入し、干渉フィルタ４１を設定して
蛍光強度のプローブ−サンプル間距離依存性を測定し
た。

【００４３】図９は測定結果を示し、プローブを接近さ
せた場合である。同図から分かるように、プローブ−サ
ンプル間距離が約８０ｎｍ近辺のところで、蛍光強度が
急峻に増大している。このことから、この強度の急な増
大は、金属プローブ先端における電場増強効果によるも
のと考えられる。そして、この増強効果は先述のように
プローブ２４の先端径に大きく依存していると考えられ
る。プローブ２４の先端径は５０ｎｍであることから、
図９の結果より、バックグラウンドカウントを２０００
として、増強後のカウント値は２９００であるから、強
度としては１．４５倍になっており、図１０(遮光プレ
ート３４を用いなかったときの測定例、プローブを接近
させた場合)の測定結果と比較して、ＳＮ比は効果的に
向上していることがわかる。

【００４４】測定結果の図９において、バックグラウン
ド蛍光はなお、２０００程度存在する。この原因として
は、二つ考えられ、一つは、図１１に集光スポットＳＰ
とプローブ先端２４ｔとの模式的平面図で示すように
(集光スポットＳＰは直径が３００ｎｍとし、プローブ
先端２４ｔは径が５０ｎｍであり、装置の上方から見た
として(先端は下方から)それぞれが光点としてみえ
る)、プローブ先端２４ｔに対し、集光スポットＳＰは
相当に広域であることから、プローブ先端２４ｔとは無
関係に励起された蛍光が多く検出されたものと考えられ
る。集光スポットＳＰ上には、近接場が生起しているの
で、プローブ先端２４ｔ以外のプローブテーパ部が近接
場を散乱させたものと考えられる。

【００４５】もう一つは、図１２(Ａ)に図解するよう
に、対物レンズ２５により集光される光束２５ｆは蛍光
試料２２を透過しかつ全反射して入射側へ戻るので(な
お、光束２５ｆは蛍光試料２２の表面では全反射し表面
から気中には出ない)、この薄膜中で励起された蛍光も
バックグラウンド蛍光としてこれに含まれると考えられ
る。

【００４６】図１２(Ｂ)は、先述した、理想的な蛍光励
起の態様を図解している。金属プローブ２４の先端２４
ｔの径直下の蛍光試料２２の表層部２２ｓのみの励起蛍
光を検出することが(蛍光測定については)最終的な目標
であり、本発明は、この目標に大きく近づける一つの手
段を提供する。

【００４７】上記のように、バックグラウンド蛍光の原
因は、考察されているので、改善策も既に検討し、実際
にこの改善策を実行している。改善策の具体例は三つあ
る。

【００４８】第一は、図１１の説明と関連して、プロー
ブ先端以外からの散乱光を無くすため、金属プローブの
先端以外の金属面に散乱防止膜を形成し、近接場との相
互作用をプローブ先端にのみ限るようにしたことであ
る。具体的には、カーボン皮膜をコーティングした。簡
単には、液化ブタンガスの燃焼によりプローブ先端部に
カーボンを一様に所望の厚さで被覆することができ、先
端は機械的、あるいは化学処理によって先端のみ金属を
露出させるようにした。検証には、２本の同材質の金属
プローブを用い、散乱防止処理を施したものと、施さな
いものとを用い、励起光の蛍光試料表面上での強度分布
をＸＹ面で測定した。なお、干渉フィルタ４１(図４参
照)は、波長４７５ｎｍ(ＦＷＨＭ：１２．５ｎｍ)と代
替している。結果は、対物レンズにより形成される集光
スポットが散乱防止処理を施したものでは狭い範囲に局
在しているのに対し、施さないものではこれが大きく拡
がることが観察された。したがって、この散乱防止膜を
施した金属プローブはＳＮ比をさらに向上させる有用な
ものであることがわかった。

【００４９】バックグラウンド蛍光を低減する他の方法
は、蛍光検出光学系４０にピンホールを適用することに
より、この光学系４０を共焦点光学系とすることであ
る。共焦点光学系にすると、光軸に直交する断面のみの
光を検出でき、基本的に雑音光はすべて遮断されること
となる。なお、図４に示した、実施の態様では、蛍光の
検出には、コア径４００μｍのマルチモード光ファイバ
４６により蛍光を導光させ、フォトカウンティング４８
により検出しているため、開口数１.４の対物レンズ２
５、焦点距離８０ｍｍのレンズ４３では、蛍光検出光学
系は約３０倍の拡大光学系を形成しており、試料面にお
いては１０μｍの広い領域を観測していることになるの
で、ピンホールの適用にあたっては、径が２０μｍ以下
に設定することとなる。

【００５０】第三の方法は、二光子吸収を利用すること
である。二光子吸収とは、一般に、物質が同時に２個の
フォトンを吸収し、基底状態から１個のフォトンの倍の
遷移エネルギの電子状態へと遷移することをいい、蛍光
分子の励起にこの二光子過程を用いる。具体的な構成
は、光源のレーザに、連続発振のレーザを適用してもよ
いが、(フェトム秒からピコ秒の)パルスレーザを用い、
励起を高効率で行う。発振波長は長波長の、７００〜１
２００ｎｍのものを使う。典型的には、Ｔｉ：サファイ
ア結晶をＡｒ⁺レーザや半導体レーザで励起するモード
ロックＴｉ：サファイアレーザでよい。一例の仕様とし
て、繰り返し周波数７８ＭＨｚ、パルス幅１２０〜１５
０ｆｓ、発振波長７００〜９００ｎｍ(キャビティミラ
ーの選択により決める)、平均出力が１００ｍＷのもの
である。

【００５１】図４の構成において、二光子吸収励起に適
切なレーザ光源を使用し、二光子過程を用いると、二光
子励起の２乗特性により、分解能の向上と共に、ＳＮ比
の大幅な向上が実現できる。すなわち、二光子励起は、
励起光の強度の２乗に比例して蛍光分子を励起させるの
で、電場増強効果(近接場に挿入したプローブ先端付近
で生じた光の作る電磁場と金属中の自由電子の運動によ
る電磁場とが共鳴し、金属表面に生起した光に比べて数
十倍強い電磁場が形成される)によりプローブ先端以外
で生じた散乱光は蛍光分子の励起にはあずからず(電場
強度比に大差があるため)、強く局在した電場のあるプ
ローブ先端の直下で散乱された光のみが蛍光分子を励起
し発光させることができる。これはちょうど、理想的な
励起として示した図１２(Ｂ)の状態に相当し、金属プロ
ーブ先端径の直下の領域２２ｓのみを励起して蛍光発光
させるものである。また、二光子励起の２乗特性によ
り、図１２(Ａ)に示した、蛍光試料２２中の集光光束２
５ｆによって蛍光が励起されることはほとんどなく、こ
こにおける雑音成分となる蛍光と、上記のプローブ先端
以外に係る雑音成分となる蛍光とが基本的になくなるこ
とから、ＳＮ比は大幅に向上する。従来の顕微鏡では、
励起波長が２倍になると集光スポットサイズが大きくな
るため、２乗特性を有していても、空間分解能は低下す
るが、金属プローブを用いたＮＳＯＭではこの反対であ
る。つまり、プローブ先端の局在場の拡がりが、プロー
ブ先端形状、径に依存して入射光の波長に何ら影響され
ないからである。そしてイメージングの分解能は、図１
２(Ｂ)に図解したように、ほぼ先端径に近いものとな
る。

【００５２】なお、蛍光試料においては、測定におい
て、蛍光の退色という問題があるが、二光子吸収を利用
すると、この退色の問題はほとんど発生しない。また、
蛍光以外で、例えば光による高密度記録で二光子吸収を
用いると、ミクロな加工領域の周りでの熱の発生および
それに伴う体積膨張・変形等を避けることが可能であ
る。 二光子吸収を用いるとき、バツクグラウンド蛍光
低減のために適用する上述した２つの方法、散乱防止膜
の形成、および共焦点光学系の構築は、いずれもが必要
とされなくなる。

【００５３】次に、本発明の応用例を説明する。図１３
に、光記録材料に対する、光学読取りおよび／または書
込み装置の基本光学系を示す。レーザ光源９１、レンズ
９２，９３でなるビームエクスパンダ、ダイクロイック
ミラー９４、ＮＡが１.２〜１.５の対物レンズ９５、先
端径が数ｎｍ〜１００ｎｍのＮＳＯＭ用金属プローブ９
６、集光レンズ９７、高感度の光検出器９８、及び光軸
上に中心を有する円形の遮光プレート９９によって構成
される。遮光プレート９９により、対物レンズ９５に入
射する光束のうち、ＮＡ＜１の光束がカットされる。光
記録材料９０の表面を透過する光はなく、入射された光
は光記録材料９０の表面において全反射する。全反射に
より、光記録材料９０の表面に近接場が形成され、金属
プローブ９６をこの近接場に挿入することにより、近接
場光は散乱され金属プローブ９６先端が極微小光源とな
る。この極微小光源を用いて、光記録材料への情報の書
き込みおよび／または読出しを行う。読出しは、対物レ
ンズ９５により集光した光を集光レンズ９７により光検
出器９８に集光して検出する。

【００５４】光記録材料９０には、各種の記録形態があ
るが、例えば相変化材料を用いるとき、この材料には熱
により書き込みを行うが、熱で書き込みを行う場合は、
上記した二光子吸収を用いる必要は特にない。もっと
も、１００ｎｍ以下の高密度記録を実現するときには、
利用するのが好ましい。なお、光記録材料がフォトクロ
ミック材料では、二光子吸収を用いる必要がある。

【００５５】次に、本発明の他の実施の形態による散乱
型近接場顕微鏡について、その背景、課題を上述と重複
する記載を含めて、詳細に説明する。

【００５６】背景は次のとおりである。すなわち、近接
場顕微鏡は、試料に光を照射したときに、試料の極近傍
に発生する光の近接場を、散乱により伝播光に変換し、
それを検出する顕微鏡である。近接場光の発生のさせ方
は、光の波長より小さい微小開口から光をしみ出させ、
そのしみ出し光により試料を照明したり、あるいは誘電
体内部で光を全反射させ、屈折率が低い方の界面に生じ
る近接場を使い、試料を照明したりするのが一般的であ
った。また、試料を伝播光により直接照明する方法も提
案されている。図１５に、この方式を使った従来の装置
構成の概略を示す。試料を伝播光２０１により照明する
と、試料２０２表面に発生する近接場光２０３を探針２
０４により散乱しその散乱光２０５をレンズ２０６で集
め、検出器２０７により検出する方式も提案されてい
る。この方式の場合、近接場の散乱光と、照明光が試料
表面により散乱された伝播光を分離しなければならない
が、幸い近接場光の散乱は探針と試料の距離変化に敏感
であるため、探針を振動子２０８により微振動させ、そ
の周波数成分の散乱光のみを検出することにより、近接
場の散乱光のみを検出することができる。探針を微振動
させることは、探針と試料との距離の制御にも使われて
いる。つまり、探針を横方向に微振動させ試料に接近さ
せるとファンデルワールス力によるダンピングがかか
り、探針の振幅２０９が減少する。この振幅変化を検出
することにより、探針と試料の距離の変化を測定し、そ
れを一定に保つように試料を３軸アクチュエータ２１０
で駆動しながら近接場光の観察ができる。

【００５７】課題は次のとおりである。すなわち、前記
の微小開口を使った近接場検出は、微小開口の作製が難
しく、高い分解能を得るには至っていない。それに比べ
探針を使う方法は、探針先端のみにより近接場を散乱す
るため、鋭い探針を使うことにより容易に高分解能化で
きる。しかし、探針を横方向に微振動させる距離検出の
方法(シェアフォース法)は広く実用されているものの原
理にいまひとつ明確でない点があって、安定性も比較的
に低いと考えられる。また、探針を使う検出法では、照
明光２０１を斜めから照射するのが一般的であるが、探
針を持ち上げて試料から少し離れた近接場光を観察する
場合、斜めに照明されているので、探針の位置と試料上
の照明光の位置が横方向にずれてしまうという問題もあ
った。また、伝播光の照明光と探針との相互作用に寄与
する電場振動は、その振動面が入射面内にある成分(Ｐ
波)である。しかし図１５に示す従来の方法では、照明
光の入射角には物理的な制限があるので、電場振動のＰ
波成分を充分大きくできない。図１６(Ａ)には従来の方
法でのＰ波成分を含むフォトン３０１と、そのフォトン
による探針近傍でのＰ成分の電場振動３０２を示す。照
明光の電場振動のＰ成分を多くするためには照明光を浅
い角度にて照明するのが理想であるが、照明スポット形
状が楕円となり、探針近傍でのフォトン密度が低下して
しまい難しかった。次に示す実施の形態は、上の事情に
鑑みてなされたもので、探針と試料の距離制御は原子間
力顕微鏡の原理を用いて行えるようにする。また散乱効
率を高めるため、探針表面には金属がコートされてい
る。また照明光のＰ成分を効率的に高める照明法を提供
することを目的とする。さらに上記手法を市販の原子間
力顕微鏡を使い実現する方法を提供する。

【００５８】そこで、本発明の他の実施の形態は下記の
通りである。図１４は、本実施の態様に係る近接場顕微
鏡の一実施例の概念図である。倒立顕微鏡１０１のステ
ージ１０２の上に試料を固定したカバーガラス１０３と
原子間力顕微鏡１０４があり、原子間力顕微鏡１０４の
探針１０５が試料の表面近傍に配置されている。試料の
照明方法の第１として、レーザー１０６から出た光を、
対物レンズ１０７の開口数１以下の光をカットするビー
ムストップ１０８により遮断する。その照明光１０９は
ハーフミラー１１０により上に反射され、対物レンズ１
０７により試料周辺に集光される。ここで対物レンズは
油浸レンズを使ってあるため、開口数１以上の光は試料
が固定してあるガラス１０３の表面で全反射する。この
全反射により生ずる近接場光により試料を照明する。そ
の近接場光は試料を照明し、それにより生じた近接場光
は原子間力顕微鏡の探針１０５により散乱される。この
探針１０５にはあらかじめ金が約２０ｎｍ蒸着されてい
る。金は散乱効率が高く、しかも酸化しにくいため、高
い散乱効率を長時間維持できる。散乱は探針形状と試料
との相互作用によりさまざまな方向に起こる。この散乱
光を試料の真下にある開口率の大きい対物レンズ１０７
により集光すると、高い効率で散乱光を検出できる。対
物レンズ１０７により集められた散乱光はハーフミラー
１１０を透過し倒立顕微鏡のサイドポート１１１へと導
かれる。図では便宜上サイドポート１１１を紙面に平行
な面内に書いてある。サイドポート１１１に入射した散
乱光は楕円のミラーがパターニングされたミラー１１２
により開口数１以上の成分１１３と１以下の成分１１４
に分けられる。それぞれの散乱光成分１１３，１１４は
レンズ１１５，１１６にて集光され、アバランシェフォ
トダイオード１１７，１１８に入射する。一方、近接場
の散乱光は上方にも散乱される。その散乱光１１９を検
出するため、顕微鏡のステージ１０２上にはもう一つの
対物レンズ１２０が位置調整されて固定されている。上
方に散乱された散乱光１１９の一部をこの対物レンズ１
２０にて集光し、アバランシェフォトダイオード１２１
に入射させている。

【００５９】さて、この方式の利点を説明すると、ま
ず、落射照明に開口数１以下をカットするビームストッ
プ１０８を設けることにより、照明光１０９は試料が固
定されているカバーガラス１０３の表面で全反射する。
この全反射する照明光は光軸に対して軸対称であるた
め、探針を持ち上げて試料から少し離れた場所の近接場
光を検出する際にも、探針と照明光の位置関係が変わら
ず、照明スポットと探針との位置ずれが起こらない。ま
た図１６(Ｂ)に示すように、照明光のフォトン３０３，
３０４はあらゆる方向から浅い角度にて試料を照明する
ため、以前の方法(図１６(Ａ))と比べ試料近傍にてＰ波
の電場振動３０５が大きくなる。また、以前の方法で
は、浅い角度にて照明を行うと、スポットが楕円形に大
きくなり、探針近傍を効果的に照明できなかったが、本
実施の態様では、より浅い角度から照明できるような光
学系においては、対物レンズの開口数が大きくなり、そ
の分照明のスポット径を小さくすることができる。ま
た、探針１０５にて散乱された散乱光は開口率の大きい
対物レンズ１０７にて集光されるため、近接場の検出効
率が高い。また、集光された散乱光を楕円形のミラー１
１２にて開口数が１以上と１以下に分けて検出する利点
として、まず開口数が１以下の散乱光１１４の検出で
は、照明光１０９の試料面からの反射光が検出器に入ら
ず、バックグランドノイズのない散乱光のみを検出でき
るため、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

【００６０】散乱光は上側にも伝播する。その伝播光を
第２の対物レンズ１２０で集光することにより、より多
くの近接場の情報を集めることができる。ここで下から
の落射照明は全反射するようになっているため、試料を
透過して上に出られない。そのため、この第２の対物レ
ンズ１２０に強い照明光が入射することはなく、近接場
の散乱光のみを効果的に検出できる。できる限りあらゆ
る方向の散乱光を集光できるように、対物レンズの位置
は可変できるようにしてある。近接場光を散乱する探針
１０５は、原子間力顕微鏡１０４により駆動されるた
め、探針を横振動させる方式に比べ、探針、試料間距離
をより正確に保ちながら測定が可能である。レーザー照
明１０６と、検出器であるアバランシェフォトダイオー
ド１１７，１１８の位置は固定であるため、近接場光を
うまく検出できる点は、レーザーの発光点と共役な点と
なる。近接場の観察においては、探針と試料を相対的に
走査しなければならない。ここで、探針を走査すると、
探針が近接場を検出できる点から外れてしまう可能性が
ある。そのため、倒立顕微鏡のステージには試料駆動用
のステージ１２２が別途設けられている。また原子間力
顕微鏡の探針を近接場検出の理想的な点に配置できるよ
う、原子間力顕微鏡はモータステージ１２３上に載せら
れており、位置を自由に動かすことができる。

【００６１】さて、前記近接場の検出方法は、試料が透
明な場合のみ適用できたが、試料が不透明な場合には試
料の上側から照明しなければならない。また同様に近接
場の散乱光も試料の上側で検出しなければならない。そ
のための光学系を次に説明する。

【００６２】倒立顕微鏡には普通、透過照明１２４と呼
ばれる照明装置が試料の真上に設けられていて、照明装
置１２４は支柱１２５により支えられている。透過照明
のランプハウス１２６から出た照明光１２７はミラー１
２８らより下に向きを変え、適宜光学系１２９を透過
後、コンデンサーレンズ１３０により試料面に集光され
る。この通常の照明は、ランプ自身が大きさをもつた
め、探針先端を効率的に照明できるほどには小さく集光
できない。そのため、別途半導体レーザー１３１を設け
照明とする。半導体レーザー１３１からの光はレンズ１
３２により平行光に変換され、ハーフミラー１３３によ
り下に反射され、コンデンサーレンズ１３０により探針
近傍に集光され、試料を照明する。それにより生じた近
接場光は探針１０５により散乱される。その散乱光を効
率的に集めるために、試料直上に配置されているコンデ
ンサーレンズ１３０を使い散乱光を集光する。その散乱
光はハーフミラー１３３を透過後２枚目のハーフミラー
１３４にて反射され、レンズ１３５により集光される。
その光の一部はハーフミラー１３６により上に反射され
ＣＣＤ１３７に入射する。このＣＣＤ１３７により、カ
レンチレバー１０５と試料の像が観察できるため、カレ
ンチレバー１０５と試料をあらかじめ位置あわせでき
る。一方ハーフミラー１３６を透過した散乱光はピンホ
ール１３８を通過し、再びレンズ１３９により集光され
アバランシェフォトダイオード１４０に入射する。この
ピンホール１３８を通す利点を説明すると、この方式で
は、コンデンサーレンズには近接場の散乱光のほかに、
レーザーの照明光も試料面から反射して入射する。その
ため、微弱な近接場の散乱光が強いレーザーの照明の反
射光に埋もれてしまう可能性がある。そのため、ピンホ
ール１３８を介し、探針先端付近からの光のみを検出器
１４０に入射させている。このレーザー照明と検出系は
一体のユニット１４１となって、照準装置１４２を介し
て支柱１２５に固定されている。照準装置１４２を上下
に動かすことによりコンデンサーレンズ１３０のフォー
カスを調整できる。また、このレーザー照明系が前記の
透過照明１２７を遮らないため、透過照明による広い領
域の照明も可能であり、試料の位置決め等が簡単に行え
る。また、開口数の大きいコンデンサーレンズを使うこ
とができるので、近接場の散乱光の集光効率を高くする
ことができる。上記上側からのレーザー照明を行いなが
ら、ステージ上に設けた対物レンズ１２０によっても同
時に近接場の散乱光を検出できるのは言うまでもない。

【００６３】この他の実施の態様の効果ないし利点は次
の通りである。すなわち、この近接場顕微鏡では、既存
の倒立顕微鏡と原子間力顕微鏡を使い、簡便に装置を構
成できる。また、落射照明による全反射照明は光軸に対
し軸対称であるため、探針を持ち上げても、探針と照明
光との位置関係が変わらず、直接照明では問題であった
照明スポットと探針の位置ずれが起こらない。また、照
明光はあらゆる方向から浅い角度にて試料を照明するた
め探針付近にＰ波成分を多く発生させ、探針と試料との
相互作用を強めることができる。また、浅い角度にて試
料を照明いるために、開口数の大きな対物レンズ使う
と、照明のスポットをより絞ることができ、探針近傍を
効率よく照明できる。またその相互作用で発生する近接
場の散乱光を試料の真下にある、開口数の大きな対物レ
ンズを使い集光するため、近接場光の検出効率を高める
ことができる。さらに、その集光された散乱光を開口数
が１以上と１以下に分けて検出することにより、開口数
が１以下の散乱光の検出では、照明光が検出器に入ら
ず、バックグウンドノイズを少なくすることができ、Ｓ
／Ｎ比を向上させることができる。上側に伝播した散乱
光は第２の対物レンズで集光することにより、さらに多
くの近接場の情報を集めることができる。近接場光を散
乱する探針は、原子間力顕微鏡により駆動されるため、
探針、試料間距離を正確に保ちながら測定が可能であ
る。探針は金属がコートしてあり散乱効率も高い。不透
明な試料に対しても、開口数の大きなコンデンサーレン
ズを使い、高い効率で近接場光を検出できる。試料が不
透明な場合には、透過照明のユニットを効果的に利用
し、試料を上側から照明し、近接場の散乱光も試料の上
側で検出できる。この場合も、開口数の大きいコンデン
サーレンズを使い、試料を等方的に浅い角度にて照明で
き、上側に散乱された近接場光を効率よく集められる。
光学系にピンホールを使うことによりＳ／Ｎ比を上げる
ことができる。

【００６４】以上の他の実施の態様の構成の特徴を要約
すると次の通りである。すなわち、倒立顕微鏡の落射照
明装置の開口絞り部に対物レンズの開口数が１以下の光
をカットするビームストップを設け、照明光が試料基板
内にて全反射し、基板表面に近接場を発生させることを
基本的な特徴とする近接場顕微鏡である。そして前記近
接場光を原子間力顕微鏡用カレンチレバーに金属をコー
トした探針により散乱することを第２の特徴とし、ま
た、前記探針により散乱された光を対物レンズにて再び
集光することを第３の特徴としている。

【００６５】なお、上記他の実施の形態においては、Ａ
ＦＭ用のカレンチレバーに金属をコーティングした探針
を用いたが、この探針に代えて、ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨ
ＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ＶＯＬＵＭＥ７２，ＮＵ
ＭＢＥＲ２２，２９００−２９０２（１ ＪＵＮＥ １
９９８）に記載されるような、サーマルイメージング用
のカレンチレバーを用いてもよい。このサーマルイメー
ジング用のカレンチレバーは、その先鋭な先端が熱電対
を形成しており、熱電対は２種の金属の接合により形成
(上記文献では、金とパラジウムで形成)されるから、こ
の金属を利用するものであり、常用されるＡＦＭ用カレ
ンチレバーに金属化のための処理を施さずに済むという
利点がある。

【００６６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、先端が
金属のプローブを用いる近接場顕微鏡が備える開口数が
１以上の対物レンズによって形成される試料照明用の集
光スポットを開口数が１以上の光束のみにより形成する
手段を設けたので、プローブの先端以外で反射ないし散
乱される伝播光が低減し、迷光及びバックグラウンド成
分は大幅に低減でき、信号検出のＳＮ比が向上するとと
もに、画像化の分解能も併せて向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＮＳＯＭ装置の要部構成図である。

【図２】図１の装置における問題点を図解した説明図で
ある。

【図３】本発明に係るＮＳＯＭ装置の要部構成・説明図
である。

【図４】本発明の一実施の形態を示す全体構成図であ
る。

【図５】適用した金属プローブの先端部を示し、(Ａ)は
倍率が１４倍の、図面に代わる電子顕微鏡写真、(Ｂ)は
倍率が４００００倍の、図面に代わる電子顕微鏡写真で
ある。

【図６】距離制御システムを使うプローブ先端の位置決
め調整過程の説明図である。

【図７】遮光プレート３４の作用を検証するための対比
データを示すグラフである。

【図８】遮光プレート３４の作用効果を示すグラフであ
る。

【図９】本発明の一実施の形態を蛍光測定に適用したと
きプローブ−サンプル間距離依存性を示すグラフであ
る。

【図１０】遮光プレート３４を用いない場合の蛍光測定
におけるプローブ−サンプル間距離依存性を示すグラフ
である。

【図１１】集光スポットとプローブ先端の大きさを平面
的に対比させた光点の模式図である。

【図１２】プローブ先端に対する蛍光励起の態様を模式
的に説明し、(Ａ)は蛍光試料中におけるもの、(Ｂ)は目
標とする理想的な蛍光励起の態様を示す。

【図１３】本発明の応用例を示し、光記録材料に対する
高密度・光学読取りおよび／または書込み装置の基本構
成図である。

【図１４】本発明の他の実施の形態を示し、プローブに
ＡＦＭ(原子間力顕微鏡)のカレンチレバーを用いたＮＳ
ＯＭ装置の概略構成図である。

【図１５】AFM用カレンチレバーを利用するに至る背景
を説明するための模式図である。

【図１６】(Ａ)(Ｂ)ともさらにＡＦＭ用カレンチレバー
を利用するに至る背景を説明するための模式図である。

【符号の説明】

１、２５、１０７……開口数が１以上の対物レンズ ７、２４……金属プローブ １１……開口数(ＮＡ)が１以上の光束 ３４、１０８……遮光プレートないしビームストップ １０５……先端部に金属コートしたＡＦＭ用カレンチレ
バー

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Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 開口数が１以上の対物レンズによって形
   成される試料照明用の集光スポットに基づいて生起され
   る近接場に少なくとも先端部が金属のプローブを挿入し
   て該プローブの先端で散乱された伝播光に基づいて前記
   試料に係る画像化を行える散乱型近接場顕微鏡におい
   て、 前記集光スポットを開口数が１以上の光束のみにより形
   成する手段を設けたことを特徴とする散乱型近接場顕微
   鏡。
2. 【請求項２】 前記手段は、前記試料の照明光源から前
   記対物レンズに至る光路の光軸上に設けた円形の遮光体
   である請求項１記載の散乱型近接場顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記手段は、アキシコン光学素子である
   請求項１記載の散乱型近接場顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記試料は蛍光物質を含む薄膜状試料で
   あり、前記プローブの先端を前記蛍光試料の励起光源と
   し、励起により発生した蛍光を前記対物レンズにより集
   光する構成である、請求項１ないし請求項３に記載の散
   乱型近接場顕微鏡。