JP2000097839A - 近接場光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、光プローブ−試料間の距離を１０ｎ
ｍ以上に設定することができ、反射散乱光強度を増大さ
せて検出信号Ｓ／Ｎ比及び観察像の画質の向上を図るこ
とのできる近接場光学顕微鏡を提供することを目的とし
ている。 【解決手段】本発明は、先端に微小開口を有する光プロ
ーブを備え、該微小開口を試料表面に近接させて対向す
るように配置し、該試料表面と該光プローブとを該試料
の面内方向に相対的に２次元走査し、光源から入射され
た光によって該光プローブの微小開口から該試料表面側
にエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光の
散乱光の強度を光検出手段によって検出して、該試料表
面を観察する近接場光学顕微鏡であって、該試料表面と
該光プローブとの間の距離を調整する距離調整手段と、
該散乱光が該プローブ先端および該試料によって遮られ
ることにより減少する散乱光強度を一定にするように該
距離調整手段を制御するフィードバック制御手段と、を
有することを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料表面の形状・光
学情報をナノメートルの分解能で観察可能な顕微鏡装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）
やＡＦＭ（原子間力顕微鏡）に代表されるＳＰＭ（走査
型プローブ顕微鏡）技術の進展により、先端を尖らせた
プローブを試料に対して１００ｎｍ以下の距離まで近づ
けることにより、顕微鏡としての分解能を飛躍的に向上
させることが可能となり、原子や分子サイズのものを観
察できるようになった。光に関してもＳＰＭのファミリ
ーとして、尖鋭な光プローブ先端の微小開口から滲み出
すエバネッセント光を利用して試料表面状態を調べる近
接場光学顕微鏡（以下ＳＮＯＭと略す）［ＥＰＯ１１２
４０１，Ｄｕｒｉｇ他，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏ
ｌ．５９，ｐ．３３１８（１９８６）］や、試料裏面か
らプリズムを介して全反射の条件で光を入射させ、試料
表面へしみ出すエバネッセント光を試料表面から光プロ
ーブで検出して試料表面を調べるフォトンＳＴＭ（以下
ＰＳＴＭと略す）［Ｒｅｄｄｉｃｋ他，Ｐｈｙｓ．Ｒｅ
ｖ．Ｂ ｖｏｌ．３９，ｐ．７６７（１９８９）］も開
発された。上記ＳＮＯＭを用いることにより、１００ｎ
ｍ以下の微小な領域にアクセスし、光学的情報を検出す
ることができる。ＳＮＯＭを用いて不透明試料を観察す
る場合、微小開口を有する光プローブから滲み出すエバ
ネッセント光を試料のおもて面側から照射し、試料から
の反射散乱光を光プローブを通さずに直接、光検出器で
斜め方向から検出する反射型斜方向光検出構成をとるこ
とが多い。これは、試料からの反射散乱光を再度光プロ
ーブの微小開口を通すと、光強度がきわめて低下するた
めである。

【０００３】さて、上述の反射型斜方向光検出構成のＳ
ＮＯＭにおいて、微小開口から滲み出すエバネッセント
光の強度は開口からの距離に対して指数関数的に減少す
るので、試料表面に対して光プローブ先端を１００ｎｍ
以下の距離に近づいた状態で一定の距離に保つように制
御を行う必要がある。このための距離制御方式として、
（１）試料面の法線方向と垂直な方向に光プローブを微
小振動させ、光プローブ先端が試料表面から受けるファ
ンデルワールス力による振動振幅の減少を一定にするよ
うに距離制御を行うシアーフォース方式、（２）光プロ
ーブ及び試料が導電性を有する場合に、両者の間に電圧
を印加し、間に流れるトンネル電流の大きさが一定にな
るように距離制御を行うＳＴＭ方式、（３）光プローブ
を試料面の法線方向に弾性変形可能な弾性体で支持し、
光プローブ先端と試料表面との間に作用するファンデル
ワールス力により生じる弾性体の弾性変形量が一定にな
るように距離制御を行うＡＦＭ方式、等が用いられるこ
とが多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の反射型斜方向光
検出構成のＳＮＯＭにおいて、検出空間分解能を向上さ
せるためには、光プローブ先端の微小開口のサイズを小
さくすることが有効である。しかしながら、このような
ＳＮＯＭにおいては、サイズが小さくなるにつれて、微
小開口から滲み出すエバネッセント光の強度が小さくな
るので、反射散乱光強度も小さくなり、検出信号Ｓ／Ｎ
比が低下し、ＳＮＯＭ観察像の画質が劣化する。そのた
め、反射散乱光強度を増大させるには、光プローブ−試
料間の距離を１０ｎｍ以上に設定することが有効である
が、上述した従来の距離制御方式のものにおいては、い
ずれも最適な距離制御範囲が１０ｎｍ以下であり、これ
以上離れた距離（１０〜１００ｎｍ）における制御には
適していないという点に問題があった。

【０００５】そこで、本発明は、光プローブ−試料間の
距離を１０ｎｍ以上に設定することができ、反射散乱光
強度を増大させて検出信号Ｓ／Ｎ比及び観察像の画質の
向上を図ることのできる近接場光学顕微鏡を提供するこ
とを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するために、近接場光学顕微鏡をつぎのように構成し
たことを特徴とするものである。すなわち、本発明の近
接場光学顕微鏡は、先端に微小開口を有する光プローブ
を備え、該微小開口を試料表面に近接させて対向するよ
うに配置し、該試料表面と該光プローブとを該試料の面
内方向に相対的に２次元走査し、光源から入射された光
によって該光プローブの微小開口から該試料表面側にエ
バネッセント光を発生させ、該エバネッセント光の散乱
光の強度を光検出手段によって検出して、該試料表面を
観察する近接場光学顕微鏡であって、該試料表面と該光
プローブとの間の距離を調整する距離調整手段と、該散
乱光が該プローブ先端および該試料によって遮られるこ
とにより減少する散乱光強度を一定にするように該距離
調整手段を制御するフィードバック制御手段と、を有す
ることを特徴としている。また、本発明の近接場光学顕
微鏡は、前記距離調整手段は、光プローブと試料表面と
の間の距離制御を１００ｎｍ以下の領域内で行う距離調
整手段であることを特徴としている。また、本発明の近
接場光学顕微鏡は、前記散乱光強度に変調成分を重畳さ
せるため前記光プローブと前記試料との距離を高速変調
する高速変調手段と、該高速変調による前記散乱光強度
の変調成分の大きさから該試料表面の形状情報と反射率
情報とを分離する形状・反射率情報分離手段と、を有す
ることを特徴としている。また、本発明の近接場光学顕
微鏡は、前記光源が互いに波長の異なる複数の光を発生
する光源によって構成されるとともに、前記光検出手段
が複数の光検出手段によって構成され、該光源によるエ
バネッセント光の波長の異なる複数の散乱光を分離する
光波長分離手段と、該波長分離手段によって分離された
該複数の散乱光の強度を、該複数の光検出手段によって
それぞれ独立に検出し、該独立に検出された散乱光の強
度に基づいて該試料表面の色情報を分離する色情報分離
手段と、を有することを特徴としている。また、本発明
の近接場光学顕微鏡は、前記光検出手段が複数の光検出
手段によって構成され、前記エバネッセント光の散乱光
と前記エバネッセント光が試料表面を励起することによ
って生じる発光を分離する光波長分離手段を有し、該光
波長分離手段により分離された該エバネッセント光の散
乱光と該発光の強度を、該複数の光検出手段によってそ
れぞれ独立に検出することを特徴としている。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、上記した試料表面と該
光プローブとの間の距離を調整する距離調整手段と、該
散乱光が該プローブ先端および該試料によって遮られる
ことにより減少する散乱光強度を一定にするように該距
離調整手段を制御するフィードバック制御手段とによっ
て、光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネッセ
ント光の散乱光強度が所定値より大きい場合は、試料に
対して光プローブを近づけ、逆に所定値より小さい場合
は、試料に対して光プローブを遠ざけるように光プロー
ブ−試料間の距離制御を行うことにより、光プローブ−
試料間の距離を１０ｎｍ以上に設定することが可能とな
り、これによって反射散乱光強度を増大させることがで
き、検出信号Ｓ／Ｎ比を向上させ、ＳＮＯＭ観察像の画
質を向上させることができる。また、本発明において
は、高速変調手段によって散乱光強度に変調成分を重畳
させ、形状・反射率情報分離手段によってこの変調成分
の大きさから試料表面の形状情報と反射率情報とを分離
するように構成して、形状情報と反射率情報とを分離し
た観察像を得るようにすることができる。また、本発明
においては、波長分離手段によって分離されたエバネッ
セント光の波長の異なる複数の散乱光の強度を、複数の
光検出手段によってそれぞれ独立に検出し、色情報分離
手段によって該独立に検出された散乱光の強度に基づい
て試料表面の色情報を分離するように構成して、色情報
を分離した観察像を得るようにすることができる。ま
た、本発明においては、光波長分離手段によってエバネ
ッセント光の散乱光とエバネッセント光が試料表面を励
起することによって生じる発光の強度を分離し、それら
を複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出するよ
うに構成して、微弱な発光部分の観察像を得るようにす
ることができる。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。 ［実施例１］図１は本発明の近接場光学顕微鏡の実施例
１の装置構成を示す図面である。図１において、先端に
１００ｎｍ以下のサイズの微小な開口を有する光プロー
ブ１０１が試料１０２表面に対して１００ｎｍ以下の距
離まで近づけられている。光プローブ１０１にはピエゾ
素子Ａ１１５が取り付けられ、試料１０２に対する光プ
ローブ１０１の距離を制御できるようになっている。光
プローブ１０１の他端には、光アダプタ１０３を介して
光ファイバ１０４が接続されており、レーザＡ１０５か
ら出射されるレーザ光がレンズＡ１０６を通して光ファ
イバ１０４内に導入されている。

【０００９】光プローブ１０１先端の微小開口から滲み
出るエバネッセント光の散乱光をレンズＤ１０７を用い
て集光し、ミラー１０８を介して干渉フィルタＡ１０９
を通して光検出器Ａ１１０で検出する。光プローブ１０
１先端の微小開口から滲み出るエバネッセント光が散乱
される様子の詳細を図２に示す。図２において、２０１
は光プローブ、２０２は入射レーザ光２０８を遮光する
ための厚さ１００ｎｍ程度の金属コーティング膜、２０
３は光プローブ２０１先端部分のみ金属コーティング膜
２０２が存在しないようにするか、あるいは、厚さを３
０ｎｍ以下と薄くすることによって設けた微小開口、２
０４は試料、２０５はエバネッセント光、２０６はエバ
ネッセント光の散乱光、２０７は光検出器である。

【００１０】ここで、光プローブ１０１は次のように作
製する。例えば、局所的に加熱した状態で延伸し切断し
たり、フッ酸緩衝液を用いて化学エッチングを行ったり
して光ファイバの一端を尖鋭化する。これを回転させな
がら横方向から遮光用の金属コーティングを行なって先
端にコーティングの薄い、または、コーティングがなさ
れないようにして微小開口を設けてもよいし、全体に金
属コーティング２０２を行った後、表面張力を利用して
先端のみ膜厚が薄くなるようアクリル樹脂等でコーティ
ングを行ったのち、金属コーティングのエッチングを行
うことによって微小開口を設けてもよい。微小開口２０
３のサイズが１００ｎｍ以下と光波長よりも小さい場
合、入射レーザ光２０８が微小開口２０３を直接通り抜
けることはほとんどないが、微小開口２０３から距離が
３００ｎｍ程度以下の近傍にはエバネッセント光２０５
として滲み出している。このエバネッセント光２０５の
強度は微小開口２０３からの距離に対して指数関数的に
減衰する性質を有するため、微小開口２０３に近傍にの
み局在するきわめて絞られた光のプローブとみなすこと
ができる。

【００１１】図２に示すように、微小開口２０３から滲
み出たエバネッセント光２０５は、光プローブ２０１先
端で散乱されて伝搬光に変換され、光検出器２０７に向
かう直接散乱光２０９と、いったん試料２０４表面で反
射・散乱されて伝搬光に変換され、光検出器２０７に向
かう反射散乱光２１０とが合成された散乱光２０６とし
て光検出器２０７で検出される。反射散乱光２１０の強
度やスペクトルには、試料２０４表面の局所的な凹凸構
造や反射・吸収に関する性質が含まれるため、これを検
出することにより、試料２０４表面の波長以下の微小領
域の形状情報や光学情報を得ることができる。光検出器
２０７には直接散乱光２０９と反射散乱光２１０とが合
成されて入射する。

【００１２】試料２０４に対する光プローブ２０１の距
離を変化させたときの光検出器２０７の検出光強度信号
の大きさが変化する様子を図３に示す。距離ｚが大きい
場合は、図３中のＡ→Ｂ点に示すように検出光強度信号
は、ほぼ一定値を示し、直接散乱光と反射散乱光の干渉
による周期的変動が重畳した信号となる。この干渉の周
期は、用いる光波長および装置配置、すなわち試料面に
対する光検出方向の角度（図２中のθ）および集光のた
めのレンズＤ（図１中の１０７）の開口径で異なるもの
であるが、だいたい用いているレーザ光の波長のオーダ
ーとなる。

【００１３】光プローブと試料の距離が近づき、ｚ＜ｚ
ｎ（ｚｎ〜３００ｎｍ）の近接場領域では、試料面が微
小開口から滲み出すエバネッセント光強度の大きい領域
に入るため、試料面による反射散乱光強度が増大し、Ｂ
→Ｃ→Ｄ点に示すように検出光強度信号がいったん増大
し、極大値（Ｄ点）を取る。さらに距離が１００ｎｍ以
下まで近づくと（ｚ＜１００ｎｍ）、光検出器から見
て、光プローブと試料によって散乱光が遮られるため、
Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ点に示すように検出光強度が急激に減少
する。Ｆ→Ｇ点は、図４に示すように光プローブ４０１
と試料４０２との距離が０（接触点：Ｇ点）に近づき、
試料４０１表面によって微小開口４０３がほとんど塞が
れ、散乱光の大半が遮られている状態である。

【００１４】本発明は、図３のＤ→Ｅ→Ｆ→Ｇ点に示す
ように、光プローブが試料表面に対して近づく場合に検
出光強度が減少し、逆に遠ざかる場合に検出光強度が増
大するような、距離が１００ｎｍ以下の領域内で、光プ
ローブと試料表面との間の距離制御を行うことを特徴と
している。この距離制御の詳細を図１を用いて説明す
る。エバネッセント光散乱光を検出した光検出器Ａ１１
０の光電流信号Ａを光電流電圧変換器Ａ１１１で光強度
信号Ａに変換し、誤差検出器１１２に入力する。誤差検
出器１１２において、光強度信号Ａを一定に保つため
に、所定の光強度に対応した光強度信号設定値との差を
算出する。この結果をローパスフィルタＡ１１３に入力
して高周波数成分をカットした出力信号をフィードバッ
ク信号として、増幅器Ａ１１４で増幅後、ピエゾ素子駆
動信号として、ピエゾ素子Ａ１１５に印加する。このフ
ィードバック信号は、光プローブ先端および試料表面か
ら散乱されるエバネッセント光散乱光の大きさを一定に
するように光プローブと試料表面との間の距離を一定に
保つためにピエゾ素子Ａを駆動する信号であるため、光
プローブ先端が位置する試料表面の局所的な凹凸構造等
の形状情報や反射・吸収等の光学情報を反映したものと
なる。

【００１５】ここで、この駆動信号の極性は、光強度信
号Ａが光強度信号設定値より大きい場合には、試料１０
２に対して光プローブ１０１を近づける方向にピエゾ素
子Ａ１１５を駆動し、光強度信号Ａが光強度信号設定値
より小さい場合には、試料１０２に対して光プローブ１
０１を遠ざける方向にピエゾ素子Ａ１１５を駆動するよ
うに設定する。以上説明したようなフィードバック制御
を行うことにより、光プローブ１０１と試料１０２との
距離を一定に保つことが可能となる。ここで、はじめに
試料１０２に対して遠く（図３におけるＡ→Ｂ点，ｚ＞
ｚｎ）から光プローブ１０１を近づけていくとき、誤差
検出器１１２における光強度信号設定値としては、遠く
（Ａ→Ｂ点，ｚ＞ｚｎ）からＤ点（ｚ〜１００ｎｍ）ま
で距離を近づけていく間に光強度が最小となるＣ点に対
応する光強度より小さい光強度（例えば、図３における
Ｅ点の光強度）に対応した設定値を選択する。これは、
ｚ＜１００ｎｍの領域でフィードバック制御が行われる
ようにするためである。

【００１６】上記のような手順により、ｚ＜１００ｎｍ
の領域でフィードバック制御が行われている状態で、次
に、誤差検出器１１２に入力する光強度信号設定値を変
化させると、Ｄ〜Ｅ〜Ｆ〜Ｇ点の間で自由に光強度信号
の大きさを変化させることができ、この光強度信号の大
きさに対応した距離（ｚ＜１００ｎｍ）に自由に光プロ
ーブと試料との間の距離を一定に保つことができる。は
じめに試料に対して遠く（Ａ→Ｂ点，ｚ＞ｚｎ）から光
プローブを近づけていくとき、光強度信号設定値とし
て、Ｃ点に対応する光強度より大きい光強度（例えば、
Ｂ’点の光強度）を選択すると、試料に対して光プロー
ブを近づけていくとき、ｚ＜１００ｎｍの領域の点
（Ｂ’点）ではなく、ｚ＞１００ｎｍの領域の点（Ｂ
点）でフイードバック制御が行われてしまうため、光プ
ローブと試料との距離が大きくなってしまい、近接場光
学顕微鏡としての横分解能が低下してしまうので好まし
くない。

【００１７】さて、上記に説明したような方法で、光プ
ローブと試料との間の距離制御を行った状態で、ローパ
スフィルタＡ１１３からの出力されるフィードバック信
号をコンピュータ１１６に入力する。コンピュータ１１
６から増幅器Ｂ１１７を通して、ステージ駆動信号を試
料１０２を取り付けた２次元ステージ１１８に印加し、
光プローブ１０１に対する試料１０２の２次元相対走査
を行う。コンピュータ１１６では、２次元走査中の試料
１０２に対する光プローブ１０１の各位置におけるフィ
ードバック信号の大きさをマッピングし、試料表面の近
接場光学顕微鏡像として、ディスプレイ１１９に表示す
る。

【００１８】［実施例２］図５は本発明の近接場光学顕
微鏡の実施例２の装置構成を示す図面である。図５にお
いて、装置の基本構成及び動作は実施例１とほぼ同じで
ある。実施例２に特有の構成として、光プローブ１０１
に対し、第１のピエゾ素子Ａ１１５に加えて、第２のピ
エゾ素子Ｂ５０１が取り付けられている。発振器５０２
から出力される変調信号を増幅器Ｃ５０３で増幅後、距
離変調信号としてピエゾ素子Ｂ５０１に印加し、光プロ
ーブ１０１と試料１０２との間の距離を高速に変調す
る。この距離変調により、光プローブ１０１先端及び試
料１０２表面から散乱されるエバネッセント光散乱光に
は距離変調と同じ周波数の光強度変調が加わる。光電流
電圧変換器Ａ１１１から出力される光強度信号Ａをロー
パスフィルタＢ５０４及びハイパスフィルタ５０５に入
力する。ローパスフィルタＢ５０４において、上記の高
速変調成分を取り除いた低周波数成分を誤差検出器１１
２に入力し、以降、実施例１と同様の光プローブ１０１
と試料１０２との間の距離制御を行う。また、ハイパス
フィルタ５０５において、上記の高速変調成分のみ取り
出し、同期検出器５０６に入力し、発振器５０２からの
変調信号を参照信号として同期検出を行い、高速変調成
分の振幅を出力する。この変調成分振幅信号及びローパ
スフィルタＡ１１３から出力されるフィードバック信号
を形状・反射率情報分離器５０７に入力し、形状情報信
号及び反射率情報信号に分離し、この結果をコンピュー
タ１１６に入力する。コンピュータ１１６では、２次元
走査中の試料１０２に対する光プローブ１０１の各位置
における形状情報信号及び反射率情報信号の大きさをマ
ッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像として、デ
ィスプレイ１１９に表示する。

【００１９】上記の形状情報信号及び反射率情報信号の
分離の原理及び、図５の各部分における信号波形を図６
及び図７を用いて説明する。実施例１で説明した光プロ
ーブと試料間の距離制御方法を用いた場合の試料１０２
表面に対する光プローブ１０１走査時の光プローブ先端
の軌跡を図６ａに示す。図に示すように試料１０２表面
には凸部分６０１、凹部分６０２、高反射率部分６０
３、低反射率部分６０４が含まれているとする。図６ａ
に示すように、実施例１で説明した距離制御方法では、
凸部分６０１と低反射率部分６０４では試料１０２に対
して光プローブ１０１が離れる方向に制御が行われ、凹
部分６０２と高反射率部分６０３では試料１０２に対し
て光プローブ１０１が近づく方向に制御が行われる。こ
のため、フィードバック信号だけでは、形状情報と反射
率情報とを分離することができない。そこで、図５で説
明した距離制御を行うと、図６ｂに示すように、光プロ
ーブ１０１と試料１０２との距離が高速に変調された状
態で試料１０２表面に対する光プローブ１０１走査が行
われる。

【００２０】フィードバック信号波形を図６ｃ、距離変
調信号を図６ｄに示す。このとき、ハイパスフィルタ５
０５から出力される光強度信号Ａの高速変調成分波形
は、図６ｅのように凸部分や凹部分では変調成分の振幅
が変化しないのに対し、高反射率部分では振幅が増大
し、低反射率部分では振幅が減少する。これは、図７に
示すように、光プローブと試料表面との間の距離に対す
る同一振幅の変調に対し、反射率の異なる部分では検出
光強度信号に加わる変調振幅が異なるためである。例え
ば、高反射率部分では、光強度信号変調振幅（Ａ）が大
きいのに比べ、低反射率部分では光強度信号変調振幅
（Ｃ）が小さくなっている。

【００２１】ここで、図７は、反射率の異なる部分にお
ける光プローブと試料表面との間の距離に対する検出光
強度信号の大きさを示す。図７における横軸の距離範囲
は、図３におけるＧ〜Ｆ〜Ｅ〜Ｄ（ｚ＜１００ｎｍ）の
部分に対応しており、光プローブと試料表面との間の距
離に対する検出光強度信号がほぼ直線状の特性を有して
いる部分を抽出している。このとき同期検出器５０６の
出力波形は図６ｆに示したものとなり、これが表面の反
射率情報を表わしている。さて、形状・反射率情報分離
器５０７において、フィードバック信号（図６ｃ）に対
し、同期検出器５０６出力信号（図６ｆ）を所定の係数
を乗じて加算することにより、形状情報信号（図６ｇ）
が得られる。ここで、所定の係数の大きさは、あらかじ
め形状・反射率情報がわかっている標準試料を測定する
ことにより求めるようにする。以上説明したように、光
プローブと試料表面との間の距離に高速変調を加えて光
強度信号に重畳させた変調成分を同期検出で分離するこ
とにより、フィードバック信号から形状情報と反射率情
報を分離することができ、近接場光学顕微鏡像におい
て、形状情報と反射率情報を分離した像を得ることがで
きた。

【００２２】［実施例３］図８は本発明の近接場光学顕
微鏡の実施例３の装置構成を示す図面である。図８にお
いて、装置の基本構成及び動作は実施例１とほぼ同じで
ある。実施例３に特有の構成として、光プローブ１０１
に光を入射させるためのレーザとして、レーザＡ１０５
以外に、レーザＢ８０１、レーザＣ８０２を加える。こ
こで、レーザＡ（１０５）、Ｂ（８０１）、Ｃ（８０
２）は互いに光波長が異なるものとする。例えば、レー
ザＡとして波長６３５ｎｍの赤色半導体レーザ、レーザ
Ｂとして波長５３２ｎｍの半導体レーザ励起の固体レー
ザ、レーザＣとして波長４１０ｎｍの青色半導体レーザ
を用いれば、後述するようにＲＧＢ３色における分光測
定が可能となる。レーザＡ１０５、レーザＢ８０１、レ
ーザＣ８０２からの出射光をそれぞれ、レンズＡ１０
６、レンズＢ８０３、レンズＣ８０４を通して３×１の
光カプラ８１４に入射させる。光カプラ８１４の他端は
光アダプタ１０３を介して光プローブ１０１に接続され
ており、光プローブ１０１に複数の波長の光が入射され
ている。光プローブ１０１先端および試料１０２表面か
ら散乱されるエバネッセント光散乱光は、ビームスプリ
ッタＡ８０５およびＢ８０６によって３分割され、それ
ぞれ、レーザＡ１０５の波長の干渉フィルタＡ１０９、
レーザＢ８０１の波長の干渉フィルタＢ８０７、レーザ
Ｃ８０２の波長の干渉フィルタＣ８０８を通して、光検
出器Ａ１１０、光検出器Ｂ８０９、光検出器Ｃ８１０で
検出される。

【００２３】光検出器Ａ１１０、光検出器Ｂ８０９、光
検出器Ｃ８１０からそれぞれ出力される光電流信号Ａ、
光電流信号Ｂ、光電流信号Ｃはそれぞれ光電流電圧変換
器Ａ１１１、光電流電圧変換器Ｂ８１１、光電流電圧変
換器Ｃ８１２に入力され、光強度信号Ａ、光強度信号
Ｂ、光強度信号Ｃに変換される。このうち、光強度信号
Ａは誤差検出器１１２に入力され、以降、実施例１と同
様の光プローブ１０１と試料１０２との間の距離制御を
行う。光強度信号Ｂ、光強度信号Ｃは色情報分離器８１
３に入力され、ローパスフィルタＡ１１３から出力され
るフィードバック信号と合わせて、レーザＡ１０５の波
長における反射率を表す色情報信号Ａ、レーザＢ８０１
の波長における反射率を表す色情報信号Ｂ、レーザＣ８
０２の波長における反射率を表す色情報信号Ｃに分離
し、この結果をコンピュータ１１６に入力する。コンピ
ュータ１１６では、２次元走査中の試料１０２に対する
光プローブ１０１の各位置における各色情報信号Ａ、
Ｂ、Ｃの大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学
顕微鏡像として、ディスプレイ１１９に表示する。

【００２４】上記の各色情報信号の分離の原理及び、図
８の各部分における信号波形を図９を用いて説明する。
実施例１で説明した光プローブと試料間の距離制御方法
を用いた場合の試料１０２表面に対する光プローブ１０
１走査時の光プローブ先端の軌跡を図９ａに示す。図に
示すように試料１０２表面には高反射率部分９０１、低
反射率部分９０２、色の異なる部分Ａ９０３、色の異な
る部分Ｂ９０４が含まれているとする。ここで、高反射
率部分９０１と低反射率部分９０２は、レーザＡ（１０
５）、Ｂ（８０１）、Ｃ（８０２）の各光波長に対して
同じ比率で反射率が異なる部分であるとする。また、色
の異なる部分Ａ９０３はレーザＡおよびレーザＢの光波
長に対して反射率が低く（レーザＣの光波長に対しては
反射率が普通）、色の異なる部分Ｂ９０４はレーザＢの
光波長に対して反射率が低く、レーザＣの光波長に対し
ては反射率が高い（レーザＡの光波長に対しては反射率
が普通）ものとする。

【００２５】図９ａに示すように、実施例１で説明した
距離制御方法において、距離制御にレーザＡの波長の光
を用いた場合、高反射率部分９０１では試料１０２に対
して光プローブ１０１が近づく方向に制御が行われ、レ
ーザＡの波長の光に対して低い反射率を示す低反射率部
分９０２と色の異なる部分Ａ９０３では試料１０２に対
して光プローブ１０１が遠ざかる方向に制御が行われ、
色の異なる部分Ｂ９０４では両者の中間の制御が行われ
る。このため、フィードバック信号だけでは、各色情報
を分離することができない。そこで、図８で説明した距
離制御および信号検出を行ない、このときのフィードバ
ック信号波形を図９ｂ、光強度信号Ｂを図９ｃ、光強度
信号Ｃを図９ｄに示す。さて、色情報分離器８１３にお
いて、フィードバック信号（図９ｂ）を反転させて色情
報信号Ａ（図９ｅ）を得る。さらに、光強度信号Ｂ（図
９ｃ）、光強度信号Ｃ（図９ｄ）からフィードバック信
号（図９ｂ）をそれぞれ所定の係数を乗じて減算するこ
とにより、色情報信号Ｂ（図９ｆ）、色情報信号Ｃ（図
９ｇ）が得られる。ここで、所定の係数の大きさは、あ
らかじめ色情報がわかっている標準試料を測定すること
により求めるようにする。以上説明したように、異なる
波長の複数の光に対してエバネッセント光散乱光強度を
それぞれ独立に検出し、そのうちの一つの波長の光強度
を一定にするように制御を行なうことにより、そのフィ
ードバック信号と他の波長の光強度信号とから各色情報
信号を分離することができ、近接場光学顕微鏡像におい
て、色情報を分離した像を得ることができた。

【００２６】［実施例４］図１０は本発明の近接場光学
顕微鏡の実施例４の装置構成を示す図面である。図１０
において、装置の基本構成及び動作は実施例１とほぼ同
じである。実施例４に特有の構成として、光プローブ１
０１先端から滲み出るエバネッセント光により、試料１
０２表面を局所的に励起した部分からの局所的発光（蛍
光や燐光等）を光プローブ１０１先端や試料１０２表面
からのエバネッセント光散乱光と同時にレンズＤ１０７
を用いて集光し、ミラー１０８を介して、ビームスプリ
ッタＣ１００１で２分割し、一方は、レーザＡ１０５の
波長の干渉フィルタＡ１０９を通して光検出器Ａ１１０
で検出され、他方は発光波長に合わせたバンドパスフィ
ルタ１００２を通して光検出器Ｄ１００３で検出され
る。光検出器Ａ１１０、光検出器Ｄ１００３からそれぞ
れ出力される光電流信号Ａ、光電流信号Ｄはそれぞれ光
電流電圧変換器Ａ１１１、光電流電圧変換器Ｄ１００４
に入力され、光強度信号Ａ、光強度信号Ｄ（発光強度信
号）に変換される。このうち、光強度信号Ａは誤差検出
器１１２に入力され、以降、実施例１と同様の光プロー
ブ１０１と試料１０２との間の距離制御を行う。光強度
信号Ｄ（発光強度信号）およびローパスフィルタＡ１１
３から出力されるフィードバック信号をコンピュータ１
１６に入力する。コンピュータ１１６では、２次元走査
中の試料１０２に対する光プローブ１０１の各位置にお
けるフィードバック信号および発光強度信号の大きさを
マッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像として、
ディスプレイ１１９に表示する。

【００２７】図１０の各部分における信号波形を図１１
を用いて説明する。実施例１で説明した光プローブと試
料間の距離制御方法を用いた場合の試料１０２表面に対
する光プローブ１０１走査時の光プローブ先端の軌跡を
図１１ａに示す。図に示すように試料１０２表面は凸部
分１１０２および発光部分１１０１が含まれているとす
る。図１１ａに示すように、実施例１で説明した距離制
御方法において、距離制御にレーザＡの波長の光を用い
た場合、光プローブ先端の軌跡に示したように凸部分１
１０２では試料１０２に対して光プローブ１０１が遠ざ
かる方向に制御される。

【００２８】図１０で説明した距離制御および信号検出
を行なったときのフィードバック信号波形を図１１ｂ、
光強度信号Ｄ（発光強度信号）を図１１ｃに示す。以上
説明したように、励起光のエバネッセント光散乱光強度
および局所的発光強度をそれぞれ独立に検出し、前者の
光強度を一定にするように制御を行なうことにより、凹
凸部分を有し、かつ発光部分と非発光部分が混在した試
料においても光プローブと試料との間の距離制御を安定
に行うことが可能となり、微弱な発光部分の近接場光学
顕微鏡像を得ることができた。

【００２９】上記のように、実施例２では、試料表面の
形状情報と反射率情報を分離する方法、実施例３では、
試料表面の色情報を分離する方法、実施例４では、局所
的なエバネッセント光励起による微弱な発光に対して安
定な距離制御を行う方法について、別々に示したが、こ
れらをいくつか組み合わせて用いることも本発明の概念
に含まれる。また、上記実施例１〜実施例４では、近接
場光学顕微鏡における光プローブと試料の間の距離制御
方法及び、試料表面の形状情報・光学情報等の複数の情
報を分離する方法として説明を行ったが、これらは、近
接場光学顕微鏡を応用した微細加工装置や情報ストレー
ジ装置にも適用可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
上記した距離調整手段と、フィードバック制御手段によ
って、光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネッ
セント光の散乱光強度が所定値より大きい場合は、試料
に対して光プローブを近づけ、逆に所定値より小さい場
合は、試料に対して光プローブを遠ざけるように光プロ
ーブ−試料間の距離制御を行うことにより、光プローブ
−試料間の距離を１０ｎｍ以上に設定することが可能と
なり、これによって反射散乱光強度を増大させることが
でき、検出信号Ｓ／Ｎ比を向上させ、ＳＮＯＭ観察像の
画質を向上させることができる。また、本発明において
は、高速変調手段によって散乱光強度に変調成分を重畳
させ、形状・反射率情報分離手段によってこの変調成分
の大きさから試料表面の形状情報と反射率情報とを分離
するように構成して、形状情報と反射率情報とを分離し
た観察像を得るようにすることができる。また、本発明
においては、波長分離手段によって分離されたエバネッ
セント光の波長の異なる複数の散乱光の強度を、複数の
光検出手段によってそれぞれ独立に検出し、色情報分離
手段によって該独立に検出された散乱光の強度に基づい
て試料表面の色情報を分離するように構成して、色情報
を分離した観察像を得るようにすることができる。ま
た、本発明においては、光波長分離手段によってエバネ
ッセント光の散乱光とエバネッセント光が試料表面を励
起することによって生じる発光の強度を分離し、それら
を複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出するよ
うに構成して、微弱な発光部分の観察像を得るようにす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の近接場光学顕微鏡の実施例１の装置構
成を示す図である。

【図２】光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネ
ッセント光の散乱の説明図である。

【図３】光プローブ−試料間距離に対する検出光強度信
号の特性図である。

【図４】光プローブ−試料間距離が０に近づき、試料表
面により微小開口塞がれて、散乱光が遮られる状態の説
明図である。

【図５】本発明の近接場光学顕微鏡の実施例２の装置構
成を示す図である。

【図６】形状・反射率情報分離の原理及び、図５の各部
分における信号波形を説明する図である。

【図７】反射率が異なる部分における光プローブ−試料
間距離に対する検出光強度信号の特性図である。

【図８】本発明の近接場光学顕微鏡の実施例３の装置構
成を示す図である。

【図９】色情報分離の原理及び、図８の各部分における
信号波形を説明する図である。

【図１０】本発明の近接場光学顕微鏡の実施例４の装置
構成を示す図である。

【図１１】図１０の各部分における信号波形を説明する
図である。

【符号の説明】

１０１：光プローブ １０２：試料 １０３：光アダプタ １０４：光ファイバ １０５：レーザＡ １０６：レンズＡ １０７：レンズＤ １０８：ミラー １０９：干渉フィルタＡ １１０：光検出器Ａ １１１：光電流電圧変換器Ａ １１２：誤差検出器 １１３：ローパスフィルタＡ １１４：増幅器Ａ １１５：ピエゾ素子Ａ １１６：コンピュータ １１７：増幅器Ｂ １１８：２次元ステージ １１９：ディスプレイ ２０１：光プローブ ２０２：金属コーティング膜 ２０３：微小開口 ２０４：試料 ２０５：エバネッセント光 ２０６：エバネッセント光の散乱光 ２０７：光検出器 ２０８：入射レーザ光 ２０９：直接散乱光 ２１０：反射散乱光 ４０１：光プローブ ４０２：試料 ４０３：微小開口 ５０１：ピエゾ素子Ｂ ５０２：発振器 ５０３：増幅器Ｃ ５０４：ローパスフィルタＢ ５０５：ハイパスフィルタ ５０６：同期検出器 ５０７：形状・反射率情報分離器 ６０１：凸部部分 ６０２：凹部分 ６０３：高反射率部分 ６０４：低反射率部分 ８０１：レーザＢ ８０２：レーザＣ ８０３：レンズＢ ８０４：レンズＣ ８０５：ビームスプリッタＡ ８０６：ビームスプリッタＢ ８０７：干渉フィルタＢ ８０８：干渉フィルタＣ ８０９：光検出器Ｂ ８１０：光検出器Ｃ ８１１：光電流電圧変換器Ｂ ８１２：光電流電圧変換器Ｃ ８１３：色情報分離器 ８１４：光カプラ ９０１：高反射率部分 ９０２：低反射率部分 ９０３：色の異なる部分Ａ ９０４：色の異なる部分Ｂ １００１：ビームスプリッタＣ １００２：バンドパスフィルタ １００３：光検出器Ｄ １００４：光電流電圧変換器Ｄ １１０１：発光部分 １１０２：凸部分

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端に微小開口を有する光プローブを備
   え、該微小開口を試料表面に近接させて対向するように
   配置し、該試料表面と該光プローブとを該試料の面内方
   向に相対的に２次元走査し、光源から入射された光によ
   って該光プローブの微小開口から該試料表面側にエバネ
   ッセント光を発生させ、該エバネッセント光の散乱光の
   強度を光検出手段によって検出して、該試料表面を観察
   する近接場光学顕微鏡であって、 該試料表面と該光プローブとの間の距離を調整する距離
   調整手段と、 該散乱光が該プローブ先端および該試料によって遮られ
   ることにより減少する散乱光強度を一定にするように該
   距離調整手段を制御するフィードバック制御手段と、 を有することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
2. 【請求項２】前記距離調整手段は、光プローブと試料表
   面との間の距離制御を１００ｎｍ以下の領域内で行う距
   離調整手段であることを特徴とする請求項１に記載の近
   接場光学顕微鏡。
3. 【請求項３】前記散乱光強度に変調成分を重畳させるた
   め前記光プローブと前記試料との距離を高速変調する高
   速変調手段と、 該高速変調による前記散乱光強度の変調成分の大きさか
   ら該試料表面の形状情報と反射率情報とを分離する形状
   ・反射率情報分離手段と、 を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記
   載の近接場光学顕微鏡。
4. 【請求項４】前記光源が互いに波長の異なる複数の光を
   発生する光源によって構成されるとともに、前記光検出
   手段が複数の光検出手段によって構成され、 該光源によるエバネッセント光の波長の異なる複数の散
   乱光を分離する光波長分離手段と、 該波長分離手段によって分離された該複数の散乱光の強
   度を、該複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出
   し、該独立に検出された散乱光の強度に基づいて該試料
   表面の色情報を分離する色情報分離手段と、 を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記
   載の近接場光学顕微鏡。
5. 【請求項５】前記光検出手段が複数の光検出手段によっ
   て構成され、 前記エバネッセント光の散乱光と前記エバネッセント光
   が試料表面を励起することによって生じる発光を分離す
   る光波長分離手段を有し、 該光波長分離手段により分離された該エバネッセント光
   の散乱光と該発光の強度を、該複数の光検出手段によっ
   てそれぞれ独立に検出することを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２に記載の近接場光学顕微鏡。