JP2000199736A

JP2000199736A - 走査型近視野顕微鏡

Info

Publication number: JP2000199736A
Application number: JP11054609A
Authority: JP
Inventors: Tokuo Chiba; 徳男千葉; Hiroshi Muramatsu; 宏村松; Noritaka Yamamoto; 典孝山本
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2000-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】試料表面の形状像及び２次元的な光学特性像
に加えて、試料表面の電位分布を高分解能で観察可能な
走査型近視野顕微鏡を提供する。【解決手段】光伝搬体プローブ１をその共振周波数で
振動させて、ダイナミックモードのＡＦＭによって走査
制御する走査型近視野顕微鏡において、光伝搬体プロー
ブ１をグランド電位とし、試料３に交流電圧を印加し、
光伝搬体プローブ１の変位検出信号を周波数分離回路２
４を用いて周波数分離し、表面電位信号を得ると同時
に、光伝搬体プローブ１先端の微小開口から近視野光を
照射して試料３の光学特性を測定することにより、試料
の表面形状、表面電位及び光学特性を同時に測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、走査型プローブ
顕微鏡の１つであり、計測物質の微細領域での光学特性
を計測する走査型近視野顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型トン
ネル顕微鏡（ＳＴＭ）に代表される走査型プローブ顕微
鏡は、試料表面の微細な形状を観察することができるこ
とから広く普及している。一方、先端が尖鋭化された光
媒体からなるプローブを光の波長以下まで測定試料に近
づけることによって、試料の光学特性や形状を測定しよ
うという試みがあり、いくつかの近接場光顕微鏡が提案
されている。この一つの装置として、試料に対して垂直
に保持した光ファイバープローブの先端を試料表面に対
して水平に振動させ、試料表面とプローブ先端の摩擦に
よって生じる振動の振幅の変化を光ファイバープローブ
先端から照射され試料を透過したレーザー光の光軸のズ
レとして検出し、試料を微動機構で動かすことによっ
て、プローブ先端と試料表面の間隔を一定に保ち、微動
機構に入力した信号強度から表面形状を検出するととも
に試料の光透過性の測定を行う装置が提案されている。

【０００３】また、日本国特許第２７０４６０号には、
鈎状に成形した光ファイバープローブをＡＦＭのカンチ
レバーとして使用し、ＡＦＭ動作すると同時に、光ファ
イバープローブの先端から試料にレーザー光を照射し、
表面形状を検出するとともに試料の光学特性の測定を行
う走査型近視野原子間力顕微鏡について記述されてい
る。

【０００４】これらの光伝搬体プローブを用いる走査型
プローブ顕微鏡では、試料表面とプローブ先端の摩擦に
よって生じる振動振幅の変化の検出、あるいは試料表面
とプローブ先端に作用する原子間力の検出は、プローブ
の弾性機能、即ちプローブのたわみを検出することによ
り行っている。従来、この弾性機能としては光ファイバ
ー自体の弾性をそのまま使用していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般にＡＦＭ
のカンチレバーのバネ定数は１００分の１Ｎ／ｍから数
Ｎ／ｍ程度であるのに対し、光ファイバー自体の弾性機
能を利用する場合のプローブのバネ定数は数Ｎ／ｍから
数１００Ｎ／ｍである。プローブのバネ定数が大きい場
合、試料やプローブ先端の損傷の危険があるばかりでな
く、プローブ先端とサンプル間に作用する原子間力をは
じめとする諸物理量の検出感度が劣化する。特開平１０
−１０４２４４は、バネ定数を小さくした光ファイバー
プローブを使用した走査型近視野顕微鏡が、コンタクト
モード走査や走査型摩擦力顕微鏡などの走査が可能であ
ることが記述されている。しかし、従来の走査型近視野
顕微鏡装置では試料表面の電位を測定することはできな
い。

【０００６】本発明の目的は、試料表面の形状像及び２
次元的な光学特性像に加えて、試料表面の電位分布を高
分解能で観察可能な走査型近視野顕微鏡を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に係る走査型近視野顕微鏡は、端部に光
を透過する透過口を有する光伝搬体からなり、透過口部
を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有する光伝搬体プ
ローブを有し、前記光伝搬体プローブの先端部と測定す
べき試料あるいは媒体表面との間隔を、前記光伝搬体プ
ローブの先端部と前記表面との間に原子間力あるいはそ
の他の相互作用に関わる力が作用する動作距離内に近づ
けた状態で、２次元的な走査手段によって前記試料表面
を走査するとともに、制御手段によって前記表面の形状
に沿って前記光伝搬体プローブを制御し、前記表面の微
小領域に対して、光照射あるいは光検出を行い、試料形
状と２次元光学情報を同時に測定する走査型近視野顕微
鏡において、前記光伝搬体プローブの先端と前記表面を
相対的に垂直方向に振動させる振動手段と、前記光伝搬
体プローブの変位を検出する変位検出手段と、前記変位
検出手段が出力する検出信号に基づいて前記光伝搬体プ
ローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つための制
御手段と、前記光伝搬体プローブ先端部と測定すべき試
料あるいは媒体表面間に交流電圧を印加する電圧印加手
段と、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの
振動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段とを
有することを特徴とする。

【０００８】この発明によれば、光伝搬体プローブの先
端部と試料表面の間隔を一定に保つための制御信号は、
試料表面の形状を反映し、また、前記印加電圧に起因す
る前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を
帰還する電圧帰還手段の信号は、試料表面の表面電位を
反映している。従って、光伝搬体プローブ先端の微小開
口で光を入出力することにより試料表面の光学特性、試
料表面形状及び試料表面電位を同時に測定することがで
きる。

【０００９】また、請求項２に係る走査型近視野顕微鏡
は、端部に光を透過する透過口を有する光伝搬体からな
り、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有す
る光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プローブの先
端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との間隔を、前
記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との間に原子間
力あるいはその他の相互作用に関わる力が作用する動作
距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手段によって
前記試料表面を走査するとともに、制御手段によって前
記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブを制御し、
前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を
行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測定する走査
型近視野顕微鏡において、前記光伝搬体プローブの変位
を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段が出力す
る検出信号に基づいて前記光伝搬体プローブの先端部と
前記表面の間隔を一定に保つための制御手段と、前記光
伝搬体プローブ先端部と測定すべき試料あるいは媒体表
面間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、前記印加電
圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を除去するよ
うに電圧を帰還する電圧帰還手段とを有することを特徴
とする。

【００１０】この発明によれば、請求項１に係わる発明
とはプローブ先端と試料表面の距離制御方法は異なる
が、光伝搬体プローブの先端部と試料表面の間隔を一定
に保つための制御信号は、試料表面の形状を反映し、ま
た、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振
動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段の信号
は、試料表面の表面電位を反映している。従って、光伝
搬体プローブ先端の微小開口で光を入出力することによ
り試料表面の光学特性、試料表面形状及び試料表面電位
を同時に測定することができる。

【００１１】また、請求項３に係る走査型近視野顕微鏡
は、端部に光を透過する透過口を有する光伝搬体からな
り、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有す
る光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プローブの先
端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との間隔を、前
記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との間に原子間
力あるいはその他の相互作用に関わる力が作用する動作
距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手段によって
前記試料表面を走査するとともに、制御手段によって前
記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブを制御し、
前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を
行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測定する走査
型近視野顕微鏡において、前記光伝搬体プローブの先端
と前記表面を相対的に垂直方向に振動させる振動手段
と、前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手
段と、前記変位検出手段が出力する検出信号に基づいて
前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定
に保つための制御手段と、前記光伝搬体プローブ先端部
と測定すべき試料あるいは媒体表面間に交流電圧を印加
する電圧印加手段と、前記印加電圧に起因する前記光伝
搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰還する電
圧帰還手段と、前記表面の微小領域に対して、光照射あ
るいは光検出を行うための光源に光変調を行う変調手段
と、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振
動検出信号を、前記変調手段の変調信号に対応して位相
検波する位相検波手段とを有することを特徴とする。

【００１２】この発明によれば、光伝搬体プローブの先
端部と試料表面の間隔を一定に保つための制御信号は、
試料表面の形状を反映し、また、記印加電圧に起因する
前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰
還する電圧帰還手段の信号は、試料表面の表面電位を反
映している。従って、光伝搬体プローブ先端の微小開口
で光を入出力することにより試料表面の光学特性、試料
表面形状及び試料表面電位を同時に測定することができ
る。さらに、光照射あるいは光検出を行うための光源に
光変調を行うことにより、光照射、未照射による試料表
面の電位像を同時に測定することが可能である。

【００１３】また、請求項４に係る走査型近視野顕微鏡
は、請求項１乃至請求項３の発明において、光伝搬体プ
ローブは、基板状の基部と、前記基板状の基部上に少な
くとも１層以上の積層構造をなす光導波層を有し、前記
光導波層が前記基部より突き出て梁状のカンチレバーを
形成していることを特徴とする。この発明によれば、光
伝搬体プローブは光導波層からなるカンチレバーとして
構成することができ、従来のＡＦＭ用カンチレバーと同
等のバネ定数を与えることが可能となる。従って、表面
電位測定に十分な感度を有する走査型近視野顕微鏡を構
成することが可能となる。

【００１４】また、請求項５に係る走査型近視野顕微鏡
は、請求項１乃至請求項３の発明において、光伝搬体プ
ローブは、弾性機能を有する部分と、この弾性機能を有
する部分を支持する基部からなり、前記弾性的機能を有
する部分がこの弾性機能部を支持する柱状の基部と一体
に形成されるとともに少なくとも柱状部を有し、この柱
状部の外形が前記柱状基部の外形より細く形成されてい
ることを特徴とする。

【００１５】この発明によれば、光伝搬体プローブは細
化した光伝搬体で構成することができ、従来のＡＦＭ用
カンチレバーと同等のバネ定数を与えることが可能とな
る。従って、表面電位測定に十分な感度を有する走査型
近視野顕微鏡を構成することが可能となる。また、請求
項６に係る走査型近視野顕微鏡は、請求項４の発明にお
いて、光伝搬体は、薄膜光導波路であることを特徴とす
る。

【００１６】この発明によれば、光伝送効率の高い光導
波路を光伝搬体プローブとして用いるため、微小開口へ
の光伝送損失の少ない、または微小開口からの光伝送損
失の少ない走査型近視野顕微鏡を構成することができ、
高感度の光学特性の測定を行うことができる。また、請
求項７に係る走査型近視野顕微鏡は、請求項５の発明に
おいて、光伝搬体は、光ファイバーであることを特徴と
する。

【００１７】この発明によれば、光伝送効率の高い光フ
ァイバーを光伝搬体プローブとして用いるため、微小開
口への光伝送損失の少ない、または微小開口からの光伝
送損失の少ない走査型近視野顕微鏡を構成することがで
き、高感度の光学特性の測定を行うことができる。ま
た、請求項８に係る走査型近視野顕微鏡は、請求項１乃
至請求項３の発明において、前記光伝搬体プローブを搭
載する光伝搬体プローブ保持機構は、基材と、圧電素子
と、絶縁膜と、電気的に接地された電極板と積層した構
造であることを特徴とする。

【００１８】この発明によれば、前記光伝搬体プローブ
を前記保持機構に搭載するのみで、電位測定上必要とな
る電気的な接地電位を確保できるので、表面電位測定が
正確かつ容易な、走査型近視野顕微鏡を構成することが
できる。また、請求項９に係わる走査型近視野顕微鏡
は、請求項１乃至請求項３の発明において、光伝搬体プ
ローブは、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆
を有し、前記金属膜は前記透過口部を囲むように配置さ
れ、前記光伝搬体は前記金属膜の端面より陥没している
ことを特徴とする。

【００１９】この発明によれば、前記光伝搬体プローブ
の先端部分は誘電体が配置されず、プローブ先端部は金
属膜被覆のみとなるので、電気的な接地電位を安定させ
ることができ、正確な表面電位測定が行える、走査型近
視野顕微鏡を構成することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る走査型近視
野顕微鏡の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明す
る。（実施の形態１）図１は、実施の形態１に係る走査型近
視野顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。

【００２１】図１において、実施の形態１に係る走査型
近視野顕微鏡は、光伝搬体プローブ１と、光伝搬体プロ
ーブ１を加振させる圧電素子２と、圧電素子２に加振電
圧を供給する交流電圧源２１と、光伝搬体プローブ１の
変位計測用レーザー光源５及びその光検出器６と、光検
出器６で検出した信号を周波数分離する周波数分離回路
２４と、光伝搬体プローブ１にレーザー光を導入するた
めのレーザー光源７及びレーザー光導入光学系８と、試
料３及び試料を載せる試料台４と、試料を３次元に移動
させるＸＹＺ移動機構１２と、集光光学系９と、反射ミ
ラー１０と、試料からの信号光を検出する光検出器１１
と、試料に電圧を印加するための電位測定用交流電圧源
２２およびオフセット調整回路２３と、全体の走査制御
及び形状、光、表面電位などの信号を取得する制御装置
２０と、から構成される。

【００２２】図４は、光伝搬体プローブ１の一つの例を
示した。基部１０４には光導波路１０１が取り付けられ
ている。光導波路１０１はＡＦＭ制御を用いた走査制御
を行うために、先端付近が下向きに曲げられている。光
導波路１０１の周囲は、後端を除いて金属被覆１０２で
被覆され、先端部には微小開口１０３が形成されてい
る。微小開口１０３の大きさは使用されるレーザー光の
波長以下のサイズで、例えば数１０ｎｍである。光導波
路１０１としては例えば石英系の光導波路が用いられ
る。光導波路の構造は、図４は単層の構造を示している
が、光学的な屈折率の高いコア層を屈折率の低いクラッ
ド層ではさんだ形状の、ステップインデックス型光導波
路を用いることもできる。金属被覆１０２の厚さは数１
０ｎｍから数１００ｎｍで、その材料はアルミニウム、
クロム、金、白金など導電率の高い光反射材料が用いら
れる。基部１０４は例えば薄膜プロセスで一般にウエハ
ーとして用いられるシリコン基板やガラス基板であり、
製造過程において、光導波路を積層パターニングしたあ
と、エッチングにより素子分離したものである。プロー
ブの長さは数１０ミクロンから数１００ミクロン、厚さ
は数ミクロン、幅は数１０ミクロンから１００ミクロン
程度である。このとき、光伝搬体プローブ１をカンチレ
バーとした場合のバネ定数は、１００分の数Ｎ／ｍから
数Ｎ／ｍで、一般のＡＦＭカンチレバーのバネ定数と同
等である。

【００２３】図５は光伝搬体プローブ１の他の例を示し
た。光ファイバー１１１は先端部付近が細化され、ＡＦ
Ｍ制御を用いた走査制御を行うために、先端付近が下向
きに曲げられている。ファイバー１１１の周囲は、後端
を除いて金属被覆１１２で被覆され、先端部には微小開
口１０３が形成されている。微小開口１０３の大きさは
使用されるレーザー光の波長以下のサイズで、例えば数
１０ｎｍである。光ファイバー１１１は、使用する光源
の波長に応じた設計のシングルモード光ファイバーやマ
ルチモード光ファイバーが用いられる。金属被覆１１２
の厚さは数１０ｎｍから数１００ｎｍで、その材料はア
ルミニウム、クロム、金、白金など導電率の高い光反射
材料が用いられる。光ファイバー１１１の細化された部
分の直径は１０ミクロンから６０ミクロン程度、長さは
０．５ｍｍから３ｍｍで、そのバネ定数は１０分の数Ｎ
／ｍから数１０Ｎ／ｍである。

【００２４】図７および図８は、光伝搬体プローブの例
を示した図であり、先端の微小開口部付近の縦断面図を
表している。光導波路や光ファイバーなど誘電率の大き
い光伝搬体１３０は先端付近で錐状をなしている。光伝
搬体１３０の先端付近の周囲は、金属膜被覆１１２で被
覆されている。先端には微小開口１０３が形成されてい
る。微小開口１０３が形成されている先端面に光伝搬体
１３０はなく、光伝搬体１３０は金属膜被覆１１２の端
面より陥没している。すなわち、光伝搬体プローブ先端
の微小開口付近に誘電体はなく、金属膜被覆１０３のみ
が配置されている。

【００２５】図７および図８に示した光伝搬体プローブ
は、先端の微小開口１０３部分の形状が異なる。この形
状の違いは、製造方法の違いに起因する。図７に示した
微小開口形状は、従来の光ファイバープローブ製造と同
様に、尖鋭化した光伝搬体１３０に、微小開口１０３を
除いて金属膜被覆１１２を例えば回転蒸着により形成す
る。その後、金属膜被覆１１２をマスクとし、微小開口
１０３を通して、先端付近の光伝搬体を等方性エッチン
グすることにより所望の形状を製造することができる。
図８に示した微小開口形状は、尖鋭化した光伝搬体１３
０の先端付近の微小開口部分を含めた全体に、例えば蒸
着、スパッタリング、メッキなどの手法により金属膜被
覆１１２を形成する。その後、集束イオンビームを使用
して微小開口１０３部分の金属膜被覆を除去することに
より所望の形状を製造することができる。

【００２６】以上のような光伝搬体プローブの構造によ
れば、プローブ先端部は金属膜被覆のみとなるので、電
気的な接地電位を安定させることができ、正確な表面電
位測定が行える、走査型近視野顕微鏡を構成することが
できる。図１において、光伝搬体プローブ１の変位検出
は、光てこを示しているが、レーザー干渉計、圧電セン
サー、静電容量センサーなど他の変位検出器も用いるこ
とができる。また、レーザー光導入光学系８は、レンズ
光学系、光ファイバー光学系などが用いられる。

【００２７】圧電素子２には、交流電圧源２１から、光
伝搬体プローブ１の共振周波数に対応する加振電圧Ｖｒ
・ｓｉｎωｒｔが印加される。ここで、Ｖｒは電圧振
幅、ωｒは光伝搬体プローブの共振周波数、ｔは時間で
ある。光伝搬体プローブ１の振動は、光てこを構成する
変位計測用レーザー光源５及びその光検出器６で検出さ
れ、周波数分離回路２４で生成された周波数ωｒ成分の
信号を用いて、ダイナミックモードのＡＦＭ制御により
走査制御される。試料の走査はＸＹＺ移動機構１２で行
われ、その制御は制御装置２０によって行われる。

【００２８】一方、光伝搬体プローブ１は圧電素子２と
は電気的に絶縁され、かつ、電気的なグランドに接続さ
れている。即ち、光伝搬体プローブはグランド電位とさ
れている。試料台４と電気的に接続された試料３には、
電位測定用交流電圧源２２から電圧ＶＡＣｓｉｎωｔが
印加される。このとき、試料表面の電位に応じて光伝搬
体カンチレバーには周波数ωの振動が生じる。この周波
数ωの振動は周波数分離回路２４で表面電位信号として
分離され、制御装置２０へ伝送される。制御装置は、電
圧ＶＡＣｓｉｎωｔによる光伝搬体プローブ１の振動が
なくなるようにオフセット調整回路２３のオフセット電
圧を調整する。このオフセット電圧が、試料表面の電位
に−１を掛けた値を示している。

【００２９】本実施の形態においては、光伝搬体プロー
ブ１の電位を電気的な接地電位とし、試料３に電位測定
用の交流電圧を印加する構成を示した。これとは逆に、
試料３を電気的な接地電位とし、光伝搬体プローブ１に
電位測定用の交流電圧を印加しても電位測定を行うこと
が可能である。さらに、光伝搬体プローブ１を上記のよ
うに、ダイナミックモードのＡＦＭ制御により走査制御
しながら、光伝搬体プローブ１の後端に、レーザー光源
７のレーザー光が、レーザー光導入光学系８を用いて導
入される。プローブ先端部の微小開口から試料に近視野
光が照射され、試料を透過したレーザー光は、集光光学
系９及び反射ミラー１０を介して光検出器１１で検出さ
れる。図１は、光伝搬体プローブ１の先端の微小開口か
ら近視野光を照射するイルミネーションモードの構成を
示しているが、微小開口で試料表面に局在した近視野光
を検出する構成（コレクションモード）や、微小開口か
ら近視野光を照射し、同一の微小開口を用いてサンプル
からの信号光を検出するイルミネーション・コレクショ
ンモードの構成も可能である。

【００３０】上記のような走査型近視野顕微鏡の構成に
よれば、試料表面の形状、光学特性に加えて、試料の表
面電位を同時に測定することが可能である。また、光照
射による走査データ、光照射しない場合の走査データを
比較することにより、試料表面電位の光照射（光刺激）
による変化を測定することも可能である。（実施の形態２）図２は、実施の形態２に係る走査型近
視野顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。

【００３１】図２において、図１と同一の構成要素には
同一の番号を付してある。実施の形態２に係る走査型近
視野顕微鏡は、光伝搬体プローブ１と、光伝搬体プロー
ブ１の変位計測用レーザー光源５及びその光検出器６
と、光検出器６で検出した信号を周波数分離する周波数
分離回路２４と、光伝搬体プローブ１にレーザー光を導
入するためのレーザー光源７及びレーザー光導入光学系
８と、試料３及び試料を載せる試料台４と、試料を３次
元に移動させるＸＹＺ移動機構１２と、集光光学系９
と、反射ミラー１０と、試料からの信号光を検出する光
検出器１１と、試料に電圧を印加するための電位測定用
交流電圧源２２およびオフセット調整回路２３と、全体
の走査制御及び形状、光、表面電位などの信号を取得す
る制御装置２０と、から構成される。図１に示した実施
の形態１とは、圧電素子２を設置していないところが異
なる。

【００３２】電気的にグランド電位とした光伝搬体プロ
ーブ１と試料３の間にバイアス電圧を印加する。即ち、
試料にＶＡＣｓｉｎωｔで表される交流電圧を印加した
とき、光伝搬体プローブ１の先端と試料３表面の静電的
な結合により、光伝搬体プローブ１が励振される。光て
こで検出された光伝搬体プローブ１の振動は、周波数分
離回路２４で周波数分離される。

【００３３】ここで、２ωの項は光伝搬体プローブ１先
端と試料３表面の距離の項であり、この値を一定とする
ようにＸＹＺ移動機構で高さ制御して走査することによ
り、試料３の表面形状を得ることができる。一方、周波
数ωの項は試料の表面電位の項である。周波数ωの信号
は周波数分離回路２４で表面電位信号として分離され、
制御装置２０へ伝送される。制御装置は、周波数ωの振
動がなくなるようにオフセット調整回路２３のオフセッ
ト電圧を調整する。このオフセット電圧が、試料表面の
電位に−１を掛けた値を示している。

【００３４】さらに、光伝搬体プローブ１を上記のよう
に走査制御しながら、光伝搬体プローブ１の後端に、レ
ーザー光源７のレーザー光が、レーザー光導入光学系８
を用いて導入される。プローブ先端部の微小開口から試
料に近視野光が照射され、試料を透過したレーザー光
は、集光光学系９及び反射ミラー１０を介して光検出器
１１で検出される。図２は、光伝搬体プローブ１の先端
の微小開口から近視野光を照射するイルミネーションモ
ードの構成を示しているが、微小開口で試料表面に局在
した近視野光を検出する構成（コレクションモード）
や、微小開口から近視野光を照射し、同一の微小開口を
用いてサンプルからの信号光を検出するイルミネーショ
ン・コレクションモードの構成も可能である。

【００３５】上記のような走査型近視野顕微鏡の構成に
よれば、試料表面の形状、光学特性に加えて、試料の表
面電位を同時に測定することが可能である。また、光照
射による走査データ、光照射しない場合の走査データを
比較することにより、試料表面電位の光照射（光刺激）
による変化を測定することも可能である。（実施の形態３）図３は、実施の形態３に係る走査型近
視野顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。

【００３６】図３において、図１と同一の構成要素には
同一の番号を付してある。実施の形態３に係る走査型近
視野顕微鏡は、光伝搬体プローブ１と、光伝搬体プロー
ブ１を加振させる圧電素子２と、圧電素子２に加振電圧
を供給する交流電圧源２１と、光伝搬体プローブ１の変
位計測用レーザー光源５及びその光検出器６と、光検出
器６で検出した信号を周波数分離する周波数分離回路２
４と、光伝搬体プローブ１にレーザー光を導入するため
のレーザー光源７及びレーザー光導入光学系８と、レー
ザー光を振幅変調するための変調装置１３と、変調装置
１３に変調信号を与える変調信号生成器１５と、レーザ
ーの変調信号を参照信号として表面電位信号を位相検波
するための位相検波装置１４と、試料３及び試料を載せ
る試料台４と、試料を３次元に移動させるＸＹＺ移動機
構１２と、集光光学系９と、反射ミラー１０と、試料か
らの信号光を検出する光検出器１１と、試料に電圧を印
加するための電位測定用交流電圧源２２およびオフセッ
ト調整回路２３と、全体の走査制御及び形状、光、表面
電位などの信号を取得する制御装置２０と、から構成さ
れる。図１に示した実施の形態１とは、レーザー光の変
調を行うところと、レーザー光の変調に対応して表面電
位信号を位相検波するところが異なる。

【００３７】圧電素子２には、交流電圧源２１から、光
伝搬体プローブ１の共振周波数に対応する加振電圧Ｖｒ
・ｓｉｎωｒｔが印加される。ここで、Ｖｒは電圧振
幅、ωｒは光伝搬体プローブの共振周波数、ｔは時間で
ある。光伝搬体プローブ１の振動は、光てこを構成する
変位計測用レーザー光源５及びその光検出器６で検出さ
れ、周波数分離回路２４で生成された周波数ωｒ成分の
信号を用いて、ダイナミックモードのＡＦＭ制御により
走査制御される。試料の走査はＸＹＺ移動機構１２で行
われ、その制御は制御装置２０によって行われる。

【００３８】一方、光伝搬体プローブ１は圧電素子２と
は電気的に絶縁され、かつ、電気的なグランドに接続さ
れている。即ち、光伝搬体プローブはグランド電位とさ
れている。試料台４と電気的に接続された試料３には、
電位測定用交流電圧源２２から電圧ＶＡＣｓｉｎωｔが
印加される。このとき、試料表面の電位に応じて光伝搬
体カンチレバーには周波数ωの振動が生じる。この周波
数ωの振動は周波数分離回路２４で表面電位信号として
分離され、制御装置２０へ伝送される。制御装置は、電
圧ＶＡＣｓｉｎωｔによる光伝搬体プローブ１の振動が
なくなるようにオフセット調整回路２３のオフセット電
圧を調整する。このオフセット電圧が、試料表面の電位
に−１を掛けた値を示している。

【００３９】さらに、光伝搬体プローブ１を上記のよう
に、ダイナミックモードのＡＦＭ制御により走査制御し
ながら、光伝搬体プローブ１の後端に、レーザー光源７
のレーザー光が、変調装置１３及びレーザー光導入光学
系８を用いて導入される。変調装置１３は変調信号生成
器１５からの信号Ｖｏ・ｓｉｎωｏｔに基づいてレーザ
ー光の振幅変調を行う。プローブ先端部の微小開口から
試料に近視野光が照射され、試料を透過したレーザー光
は、集光光学系９及び反射ミラー１０を介して光検出器
１１で検出される。光検出器１１で検出される信号は、
変調装置１３によって変調されているので、位相検波す
ることにより信号のＳ／Ｎ比を大きくすることができ
る。図１は、光伝搬体プローブ１の先端の微小開口から
近視野光を照射するイルミネーションモードの構成を示
しているが、微小開口で試料表面に局在した近視野光を
検出する構成（コレクションモード）や、微小開口から
近視野光を照射し、同一の微小開口を用いてサンプルか
らの信号光を検出するイルミネーション・コレクション
モードの構成も可能である。

【００４０】一方、周波数分離回路２４の表面電位信号
は位相検波器１４を用いて、光変調における光照射時の
信号と光未照射時の信号に分けられる。これにより、一
度の走査で光照射時、未照射時の表面電位測定を行うこ
とが可能となる。上記のような走査型近視野顕微鏡の構
成によれば、試料表面の形状、光学特性に加えて、試料
の表面電位を同時に測定することが可能である。また、
光照射あるいは光検出を行うための光源に光変調を行う
ことにより、光照射、未照射による試料表面の電位像を
同時に測定することが可能である。

【００４１】（実施の形態４）図６は、実施の形態４に
係る走査型近視野顕微鏡の光伝搬体プローブ保持機構の
概略構成を示す図である。図６において、実施の形態４
に係る走査型近視野顕微鏡の光伝搬体プローブ保持機構
は、基材１２１と、圧電素子２と、絶縁膜１２２と、電
気的に接地された電極板１２３とを積層した構造であ
り、光伝搬体プローブ１は、電極板１２３に接触するよ
うに搭載される。

【００４２】圧電素子２としては通常バイモルフと呼ば
れる圧電セラミクスを用いる。このバイモルフは圧電板
をプラスとマイナスの電極ではさんだ構造であり、ここ
へ直接光伝搬体プローブ１を搭載すると、光伝搬体プロ
ーブ１の電位はバイモルフの電極電位となり、正確な表
面電位計測を行うことができない。図６の構成では絶縁
膜１２２を介して電気的に接地された電極板１２３を接
地しているので、光伝搬体プローブは取り付けただけで
確実にグランド電位とすることができる。

【００４３】上記のような走査型近視野顕微鏡の光伝搬
体プローブ保持機構によれば、光伝搬体プローブを前記
保持機構に搭載するのみで、電位測定上必要となる電気
的な接地電位を確保できるので、表面電位測定が正確か
つ容易な、走査型近視野顕微鏡を構成することができ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る走
査型近視野顕微鏡によれば、光伝搬体プローブを用い
て、ダイナミックモードのＡＦＭの手法により試料表面
を走査制御しながら、光伝搬体プローブ先端と試料表面
間にバイアス電圧を印加してその周波数成分から表面電
位を測定すると共に、光伝搬体プローブ先端に形成され
た微小開口から近視野光を照射することにより、試料表
面の形状、光学特性に加えて、試料の表面電位を同時に
測定することが可能である。また、光照射による走査デ
ータ、光照射しない場合の走査データを比較することに
より、試料表面電位の光照射（光刺激）による変化を測
定することも可能である。また、請求項２に係る走査
型近視野顕微鏡によれば、光伝搬体プローブ先端と試料
表面間にバイアス電圧を印加して光伝搬体プローブを励
振し、その振動の周波数成分から光伝搬体プローブ先端
と試料表面の距離を制御して表面形状を得ると共に、別
の周波数成分から表面電位を測定し、さらに、光伝搬体
プローブ先端に形成された微小開口から近視野光を照射
することにより、試料表面の形状、光学特性に加えて、
試料の表面電位を同時に測定することが可能である。ま
た、光照射による走査データ、光照射しない場合の走査
データを比較することにより、試料表面電位の光照射
（光刺激）による変化を測定することも可能である。

【００４５】また、請求項３に係る走査型近視野顕微鏡
によれば、光伝搬体プローブを用いて、ダイナミックモ
ードのＡＦＭの手法により試料表面を走査制御しなが
ら、光伝搬体プローブ先端と試料表面間にバイアス電圧
を印加してその周波数成分から表面電位を測定すると共
に、光伝搬体プローブ先端に形成された微小開口から近
視野光を照射することにより、試料表面の形状、光学特
性に加えて、試料の表面電位を同時に測定することが可
能である。さらに、光照射あるいは光検出を行うための
光源に光変調を行うことにより、光照射、未照射による
試料表面の電位像を同時に測定することが可能である。

【００４６】また、請求項４に係る走査型近視野顕微鏡
によれば、請求項１乃至請求項３の発明において、光伝
搬体プローブは光導波層からなるカンチレバーとして構
成することができ、従来のＡＦＭ用カンチレバーと同等
のバネ定数を与えることが可能となる。従って、表面電
位測定に十分な感度を有する走査型近視野顕微鏡を構成
することが可能となる。

【００４７】また、請求項５に係る走査型近視野顕微鏡
によれば、請求項１乃至請求項３の発明において、光伝
搬体プローブは細化した光伝搬体で構成することがで
き、従来のＡＦＭ用カンチレバーと同等のバネ定数を与
えることが可能となる。従って、表面電位測定に十分な
感度を有する走査型近視野顕微鏡を構成することが可能
となる。

【００４８】また、請求項６に係る走査型近視野顕微鏡
によれは、請求項４の発明において、光伝搬体を薄膜光
導波路で構成することにより、微小開口への光伝送損失
の少ない、または微小開口からの光伝送損失の少ない走
査型近視野顕微鏡を構成することができ、高感度の光学
特性の測定を行うことができる。また、請求項７に係る
走査型近視野顕微鏡によれば、請求項５の発明におい
て、光伝搬体を光ファイバーで構成することにより、微
小開口への光伝送損失の少ない、または微小開口からの
光伝送損失の少ない走査型近視野顕微鏡を構成すること
ができ、光学特性の測定を行うことができる。

【００４９】また、請求項８に係る走査型近視野顕微鏡
によれば、請求項１乃至請求項３の発明において、光伝
搬体プローブを前記保持機構に搭載するのみで、電位測
定上必要となる電気的な接地電位を確保できるので、表
面電位測定が正確かつ容易な、走査型近視野顕微鏡を構
成することができる。また、請求項９に係わる走査型近
視野顕微鏡によれば、請求項１乃至請求項３の発明にお
いて、光伝搬体プローブの先端部分は誘電体が配置され
ず、プローブ先端部は金属膜被覆のみとなるので、電気
的な接地電位を安定させることができ、正確な表面電位
測定が行える、走査型近視野顕微鏡を構成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る走査型近視野顕微
鏡の概略構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施の形態２に係る走査型近視野顕微
鏡の概略構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の実施の形態３に係る走査型近視野顕微
鏡の概略構成を示すブロック図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る光伝搬体プローブの
構成図である。

【図５】本発明の実施の形態に係る光伝搬体プローブの
構成図である。

【図６】本発明の実施の形態４に係る走査型近視野顕微
鏡の光伝搬体プローブ保持機構の概略構成を示す図であ
る。

【図７】本発明の実施の形態に係る光伝搬体プローブの
構成図である。

【図８】本発明の実施の形態に係る光伝搬体プローブの
構成図である。

【符号の説明】

１光伝搬体プローブ２圧電素子３試料４試料台５変位計測用レーザー光源６光検出器７レーザー光源８レーザー光導入光学系９集光光学系１０反射ミラー１１光検出器１２ＸＹＺ移動機構１３変調装置１４位相検波器１５変調信号生成器２０制御装置２１交流電圧源２２電位測定用交流電圧源２３オフセット調整回路２４周波数分離回路１０１光導波路１０２金属被覆１０３微小開口１０４基部１１１光ファイバー１１２金属被覆１２１基材１２２絶縁膜１２３電極板１３０光伝搬体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本典孝千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA49 AA51 GG04 LL04 LL12 MM03 PP24 UU07 2F069 AA60 AA61 GG01 GG07 GG15 GG52 GG62 HH30 JJ15 LL03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】端部に光を透過する透過口を有する光伝
搬体からなり、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜
被覆を有する光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プ
ローブの先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との
間隔を、前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との
間に原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力が作
用する動作距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手
段によって前記試料表面を走査するとともに、制御手段
によって前記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブ
を制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あるい
は光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測
定する走査型近視野顕微鏡において、前記光伝搬体プローブの先端と前記表面を相対的に垂直
方向に振動させる振動手段と、前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手段
と、前記変位検出手段が出力する検出信号に基づいて前記光
伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つ
ための制御手段と、前記光伝搬体プローブ先端部と測定すべき試料あるいは
媒体表面間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を
除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段とを有する
ことを特徴とする走査型近視野顕微鏡。
【請求項２】端部に光を透過する透過口を有する光伝
搬体からなり、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜
被覆を有する光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プ
ローブの先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との
間隔を、前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との
間に原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力が作
用する動作距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手
段によって前記試料表面を走査するとともに、制御手段
によって前記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブ
を制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あるい
は光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測
定する走査型近視野顕微鏡において、前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手段
と、前記変位検出手段が出力する検出信号に基づいて前記光
伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つ
ための制御手段と、前記光伝搬体プローブ先端部と測定すべき試料あるいは
媒体表面間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を
除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段とを有する
ことを特徴とする走査型近視野顕微鏡。
【請求項３】端部に光を透過する透過口を有する光伝
搬体からなり、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜
被覆を有する光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プ
ローブの先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との
間隔を、前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との
間に原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力が作
用する動作距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手
段によって前記試料表面を走査するとともに、制御手段
によって前記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブ
を制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あるい
は光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測
定する走査型近視野顕微鏡において、前記光伝搬体プローブの先端と前記表面を相対的に垂直
方向に振動させる振動手段と、前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手段
と、前記変位検出手段が出力する検出信号に基づいて前記光
伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つ
ための制御手段と、前記光伝搬体プローブ先端部と測定すべき試料あるいは
媒体表面間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を
除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段と、前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を
行うための光源に光変調を行う変調手段と、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動検
出信号を、前記変調手段の変調信号に対応して位相検波
する位相検波手段とを有することを特徴とする走査型近
視野顕微鏡。
【請求項４】前記光伝搬体プローブは、基板状の基部
と、前記基板状の基部上に少なくとも１層以上の積層構造を
なす光導波層を有し、前記光導波層が前記基部より突き出て梁状のカンチレバ
ーを形成していることを特徴とする請求項１乃至請求項
３のいずれかに記載の走査型近視野顕微鏡。
【請求項５】前記光伝搬体プローブは、弾性機能を有
する部分と、この弾性機能を有する部分を支持する基部からなり、前記弾性的機能を有する部分がこの弾性機能部を支持す
る柱状の基部と一体に形成されるとともに少なくとも柱
状部を有し、この柱状部の外形が前記柱状基部の外形よ
り細く形成されていることを特徴とする請求項１乃至請
求項３のいずれかに記載の走査型近視野顕微鏡。
【請求項６】前記光伝搬体は、薄膜光導波路であるこ
とを特徴とする請求項４記載の走査型近視野顕微鏡。
【請求項７】前記光伝搬体は光ファイバーであること
を特徴とする請求項５記載の走査型近視野顕微鏡。
【請求項８】前記光伝搬体プローブを搭載する光伝搬
体プローブ保持機構は、基材と、圧電素子と、絶縁膜
と、電気的に接地された電極板と積層した構造であるこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
の走査型近視野顕微鏡。
【請求項９】前記光伝搬体プローブは、前記透過口部
を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有し、前記金属膜
は前記透過口部を囲むように配置され、前記光伝搬体は
前記金属膜の端面より陥没していることを特徴とする請
求項１乃至請求項３のいずれかに記載の走査型近視野顕
微鏡。