JP2001305038A - 近接場光学顕微鏡および近接場光学顕微鏡用探針 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、探針先端以外からの散乱光の影響が
極力排除されることによって、高分解能ＳＮＯＭ像を得
ることのできるとともに、空気中で動作可能なＳＮＯＭ
およびそのプローブを提供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、試料表面に光を
入射させる光入射手段と、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有する近接場光
学顕微鏡において、上記探針の先端径は上記入射する光
の波長の１／４以下であり、上記探針の上記光入射手段
からの光が入射する範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波
長をλ、上記探針の先端から距離ｚ ₀ までの間における
上記探針の径の最大値をｄ_max 、上記探針の先端径ｄ₀
としたときに、上記探針の径は先端からｚ₀ の間で単調
に増加するとともに、ｄ_max≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／２）／
（λ／２）となることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、近接場光学顕微鏡
および近接場光学顕微鏡用探針に係り、特に、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学顕微鏡およびそのプローブとし
ての近接場光学顕微鏡用探針に関する。

【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ときに、
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（ＡＦ
Ｍ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光学顕微
鏡（ＳＮＯＭ）を含んでいる。

【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。

【０００４】この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。

【０００５】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
元マッピングを行うＳＮＯＭを開示している。

【０００６】このＳＮＯＭでは、先端が細く加工された
光ファイバ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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】このＡＦＭ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。

【００１１】このようなＡＦＭの一つは、例えば、特開
昭６２−１３０３０２号公報に開示されている。

【００１２】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。

【００１３】ファンフルストら（Ｎ．Ｆ．ｖａｎ Ｈｕ
ｌｓｔ ｅｔ ａｌ．）は、［Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ．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、Ａ
ＦＭ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。

【００１４】この装置では、試料は内部全反射プリズム
の上に置かれ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ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。

【００１５】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。

【００１６】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ＳＮＯＭ信号が出力さ
れる。

【００１７】この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
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
ナがフイードバック制御されている。

【００１８】従って、一回の走査の間に、走査信号とＳ
ＮＯＭ信号とに基づいてＳＮＯＭ測定が行なわれるとと
もに、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。

【００１９】ベツィックら（Ｂｅｔｚｉｇ ｅｔ ａ
ｌ．）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が施された
ものが望ましい。

【００２０】しかし、先端に開口を持つ金属コートが施
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。

【００２１】超解像度が期待される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、特には、
０．０５μｍ以下であることが好ましい。

【００２２】このような値の開口を再現性よく作製する
ことは極めて難しい。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】河田らは、特開平６−１３７８４７号公報
において、散乱モードＳＮＯＭを開示している。

【００２７】このＳＮＯＭ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。

【００２８】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、１９９
５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。

【００２９】また、河田らは、さらに、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一試料間の
多重散乱でもＳＮＯＭ観察可能であることを報告してい
る。

【００３０】また、バシェロットら（Ｂａｃｈｅｌｏｔ
ｅｔ ａｌ．）も、「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２０（１９
９５）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。

【００３１】また、戸田らは、特願平８−１４１７５２
号において、ＡＦＭ用マイクロカンチレバーを利用し、
暗視野照明系を使用するようにした散乱モードＳＮＯＭ
を開示している。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】散乱型近接場光学顕微
鏡（散乱型ＳＮＯＭ）はとがった探針先端への電場集中
効果により、探針に照射した光が先端部で強い散乱を引
き起こすことを利用して、この散乱光で探針に近接した
試料の微小部を照明し、試料をスキャンしながらこの光
を取り込むことで回折限界を超える画像を得る。

【００３３】この探針の形状としては、従来よりＡＦ
Ｍ，ＳＴＭ用の探針が用いられ、先端が鋭いこと以外の
条件には注意が払われてこなかった。

【００３４】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、探針の先端の鋭い部分で最も強く散
乱されるが、先端から１波長程度の範囲の部分によって
も散乱される。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】また、杉浦ら（Ｓｕｇｉｕｒａ ｅｔ ａ
ｌ．）は、「０Ｐｔ．Ｌｅｔｔ．２２（１９９７）Ｐ．
１６６３」において、レーザ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。

【００３８】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。

【００３９】また、水中動作のため、観察可能な試料が
限られる。

【００４０】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ることによって、高分解能ＳＮ
ＯＭ像を得ることのできるとともに、空気中で動作可能
なＳＮＯＭとしての近接場光学顕微鏡およびそのプロー
ブとしての近接場光学顕微鏡用探針を提供することであ
る。

【００４１】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） 試料表面に光を入射させ
る光入射手段と、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有する近接場光学顕微鏡
において、上記探針の先端径は上記入射する光の波長の
１／４以下であり、上記探針の上記光入射手段からの光
が入射する範囲の長さをｚ₀ 、前記入射光の波長をλ、
上記探針の先端から距離ｚ₀ までの間における前記探針
の径の最大値をｄ_max 、前記探針の先端径ｄ₀ としたと
きに、上記探針の径は先端からｚ₀ の間で単調に増加す
るとともに、 ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡が提供され
る。

【００４２】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 試料表面に光を入射させる光入射手
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有する近接場光学顕微鏡において、
上記探針の先端径は上記入射する光の波長の１／４以下
であり、上記探針の上記光検出手段による検出範囲の長
さをｚ₀ 、前記入射光の波長をλ、上記探針の先端から
距離ｚ₀ までの間における前記探針の径の最大値をｄ
_max 、前記探針の先端径ｄ₀ としたときに、上記探針の
径は先端からｚ₀ の間で単調に増加するとともに、 ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡が提供され
る。

【００４３】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） 近接場光学顕微鏡に用いられる探針
であり、上記探針の先端径はこの探針に入射する光の波
長の１／４以下であり、上記探針の光が入射する範囲の
長さをｚ₀ 、前記入射光の波長をλ、上記探針の先端か
ら距離ｚ₀ までの間における前記探針の径の最大値をｄ
_max 、前記探針の先端径ｄ₀ としたときに、上記探針の
径は先端からｚ₀ の間で単調に増加するとともに、 ｄ
_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡用探針が提供
される。

【００４４】なお、本発明において、探針の太さｄ、探
針の先端径ｄ₀ 、探針の径の最大値ｄ_max については、
図１０を参照して以下のように定義される。

【００４５】すなわち、図１０に示すように、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。

【００４６】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倍を探針の先端径ｄ₀ と定義す
る。

【００４７】探針の太さｄは、位置ｚでの断面の境界が
作る閉曲線の重心よりの平均距離の２倍と定義する。

【００４８】上記探針の先端から距離ｚ₀ までの間にお
ける前記探針の径の最大値をｄ_maxと定義する。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の散乱
モード近接場光学顕微鏡用散乱プローブと、それを利用
した近接場光学顕微鏡について、図面を参照して説明す
る。

【００５０】前述したように、散乱型近接場光学顕微鏡
（散乱型ＳＮＯＭ）は、とがった探針先端への電場集中
効果により、探針に照射した光が先端部で強い散乱を引
き起こすことを利用して、この散乱光で探針に近接した
試料の微小部を照明し、試料をスキャンしながらこの光
を取り込むことで回折限界を超える画像を得る。

【００５１】この探針の形状としては従来よりＡＦＭ，
ＳＴＭ用の探針が用いられ先端が鋭いこと以外の条件に
は注意が払われてこなかった。

【００５２】しかし、探針の形状としては、後で説明す
るように、シミュレーションにより、必ずしも先端径が
細ければ細いほどよいのではなく、探針先端での開き角
によって決まる、ある値よりも先端径は大きい方がよい
ことが見い出された。

【００５３】この関係は、次のような単純な式で書き表
される。

【００５４】探針の先端直径をｄ₀ （ｄ₀ は１／４波長
より小さい）とすると、先端から軸に沿ってｚ根元より
での探針太さｄは、 ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋λ／２）／（λ／２） …（ａ） でなければならない。

【００５５】この式で、不等号を等号にしたときの形状
は、開き角（半角）θが、 ｔａｎθ＝ｄ₀ ／（λ／２） …（ｂ） の円錐で、先端の、太さｄ₀ 以下の部分を削ってしまっ
たような形状である。

【００５６】従って、（ａ）式は、先端径が決まってい
れば探針先端の太さｄ₀ が（ｂ）式で決まる開き角θの
円錐より細くなければならないし、または、逆に、開き
角θが決まっていれば探針先端の太さｄ₀ が（ｂ）式で
決まる開き角θの円錐より太くなければならないことを
表している。

【００５７】この関係式は、ＦＤＴＤ法によるシミュレ
ーションにより明らかになった。

【００５８】ＦＤＴＤ法（Ｈ．Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａ
ｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８５（１９９９）ｐ
ｐ．２０２６−２０３０や、Ｋｕｎｚ ｅｔ ａｌ．”
Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏ
ｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙ
ｎａｍｉｚｓ”ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ参照）は、光や電波
が物体で散乱されたときの物体周囲の電場の様子やｆａ
ｒ ｆｉｅｌｄ像（散乱している部位を顕微鏡観察した
ときにどのように見えるか）を計算することができる。

【００５９】従来、散乱型プローブは、とがった先端で
の電場集中効果によって先端で強い散乱光が得られると
考えられてきたが、ｆａｒ ｆｉｅｌｄで観察される実
際の散乱光の強度は、集中した電場の強度のほかに、散
乱に寄与する体積にも依存している。

【００６０】そこで、鋭い先端に光を当てたときのｆａ
ｒ ｆｉｅｌｄ像を実際に計算したの結果を示している
のが図７である。

【００６１】図７において、上から、先端径０で、開き
角（半角）を２．５度、５度、７．５度、１０度、１
２．５度、１５度に変えたときの円錐探針のｆａｒ ｆ
ｉｅｌｄ像（等高線）である。

【００６２】図示、ハッチング部は、円錐探針である。

【００６３】電場は最先端に集中するにもかかわらず、
ｆａｒ ｆｉｅｌｄ像では、最も強く光る部位は先端か
ら少し奥に入ったところであることがわかる。

【００６４】この位置は、開き角１５度を超えなけれ
ば、開き角によらずλ／２になっている。

【００６５】従って、これよりとがらせた探針を使う
と、最も光る位置が先端より奥にあることになる。

【００６６】最も光る位置を光源の中心とすれば、その
探針は試料と接した場合でも試料から少し離れた位置か
ら試料を照らすことになり、分解能の低下をもたらす。

【００６７】従って、このもっとも光る位置の付近、ま
たはそれより奥で切り離したような形状のものは先端
に、ｆａｒ ｆｉｅｌｄ像で見てもっとも強い部分があ
ることになり、探針の先端径を反映した画像が得られる
ことになる。

【００６８】先端からｚ₀ 切り落とした円錐探針の先端
からの距離ｚと、太さｄとの関係は ｄ＝ｄ₀ ／ｚ₀ ・（ｚ₀ ＋ｚ） となる。

【００６９】ここで、ｚ₀ ＝λ／２を入れると、 ｄ＝ｄ₀ ／（λ／２）・（（λ／２）＋ｚ） となる。

【００７０】もっと太いところで切り落としてもよいの
で、 ｄ≦ｄ₀ ／（λ／２）・（（λ／２）＋ｚ） となる。

【００７１】散乱に重要なのは、サイズが小さい場合に
は形状よりも体積なので、形状は必ずしも円錐でなくて
もよく、先端からおおむね単調に太くなっていく形状で
あればよい。

【００７２】これらの関係式は、開き角１５度より小さ
いときに適用できる。

【００７３】この場合、傾きは、ｄ₀ ／２／（λ／２）
≦ｔａｎ１５゜であるから、約０．２７である。

【００７４】従って、ｄ₀ は、おおむねλ／４以下であ
る。

【００７５】また、この条件は照明光の照明範囲または
検出部の感度の範囲内だけでよいのは当然である。

【００７６】横方向から針先端に波長λの光を当てたと
きには、レイリーの基準である１．２２λ／（２ＮＡ）
程度まで光が広がっていると考えられる。

【００７７】この場合、ＮＡは、集光レンズのＮｕｍｅ
ｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅである。

【００７８】散乱プローブの軸に垂直な面から、または
散乱プローブが試料にほぼ直角だとすれば試料面からθ
の方向から、光を入射するときには、１．２２λ／（２
ＮＡｃｏｓθ）の範囲になる。

【００７９】ほぼ垂直方向からコンフォーカル配置で入
射するときには、ピンホール径とレンズで定まる照射範
囲になる。

【００８０】エバネッセント照明の場合には、試料面へ
の入射角で照射領域は変わるが、少なくともλ以上の範
囲で上の条件を満たす必要がある。

【００８１】検出系の感度範囲も使用する光学系によ
り、同様のことがいえる。

【００８２】照明系、検出系のどちらか適当な方の感度
範囲で上記条件を満たせばよい。

【００８３】両方の感度範囲で上記条件を満たすのが最
もよいが、どちらか一方の感度範囲だけで上記条件が満
たされる場合にもある程度の効果は期待できる。

【００８４】例えば、後者では照明系は小ＮＡ光学系で
斜入射、検出系は大ＮＡ光学系で鉛直方向からコンフォ
ーカル系で行っている。

【００８５】照明系の感度範囲の方が広いため、こちら
の条件を満たす場合に最大の効果が得られる。

【００８６】検出系の感度範囲だけで条件を満たす場合
もある程度の効果が期待できる。

【００８７】ここまでは、探針の円錐の先端からλ／２
で切ったような形状にすると、探針の先端で散乱光が生
じ、散乱型近接場光学顕微鏡用探針として最適であるこ
とを述べた。

【００８８】しかるに、先端からλ／２よりも、先端よ
りで探針の切断すると、探針の先端で散乱光が生じなく
なり、分解能が悪くなる。

【００８９】先端からλ／２からλ／４に切断位置が近
づくにつれて、λ／２で切断した場合の分解能の１．５
倍まで低下するが、切断位置がλ／４までは探針の先端
付近で散乱光が生じるため、λ／２で切断した場合に近
い効果が得られる。

【００９０】先端からλ／４の位置で切断した場合の、
探針先端径ｄ₀ と先端からの距離ｚおよび入射光の波長
λに対する探針の径は、次のような関係になる。

【００９１】ｄ＝ｄ₀ （ｚ＋λ／４）／（λ／４） 図１１は、この関係を満たすときの探針先端部の断面図
である。

【００９２】図１１に示すように、散乱の中心は、探針
先端からλ／４の位置にある。

【００９３】もし、その位置まで削れば分解能は最も良
くなり、先端の直径Ａで入射光は散乱し、試料に入射す
る。

【００９４】実際には、探針の先端からλ／４の高さに
ある太さＡの部分から試料を照射していると考えること
ができるので、λ／２で切断した場合よりも分解能が低
下する。

【００９５】散乱光を集光するレンズのＮＡと探針の円
錐の開き角θの関係を示したのが、図１２である。

【００９６】探針の直上においたレンズのＮＡが大きい
ほど、試料に対して斜めに入射した散乱光がレンズに取
り込まれ、分解能が低下する。

【００９７】したがって、レンズのＮＡは小さい方が良
い。

【００９８】しかし、探針が試料に対して直角になって
いる場合には、レンズで試料からの散乱光を集光するた
めには、図１２に示したように、レンズの開口角（半
角）は探針の円錐の開き角θよりも大きい必要がある。

【００９９】レンズの開口角（半角）は、探針の円錐の
開き角θ以下であると、探針に遮られて、散乱光を集光
することができない。

【０１００】すなわち、ＮＡ≧ｄ₀ ／（λ／４）である
ことが必要である。

【０１０１】最も分解能の高くなるＮＡ＝ｄ₀ ／（λ／
４）のレンズを用いた場合、探針の円錐の開き角θで広
がる散乱光の成分が集光される。

【０１０２】集光された成分は、探針の先端からλ／４
の高さでの探針の太さＡのちょうど１．５倍の試料表面
からの散乱光であるので、分解能は１．５倍に低下する
ことになる。

【０１０３】従って、 ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋λ／４）／（λ／４） の関係にあれば、分解能の低下は１．５倍以下であり、
最適位置であるλ／２で切断した場合に近い効果が得ら
れる。

【０１０４】また、前に述べたのと同様に、 ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／４）／（λ／４） の関係にあっても同様な効果が得られる。

【０１０５】この形状の探針は、以下の方法で実現可能
である。

【０１０６】適当な基盤上に、針状結晶を成長させる
か、または接着する。

【０１０７】これは、一般に、とがり過ぎのため、粗表
面をもつ試料上をスキャンする等の方法で先端を所望の
太さまで研磨する。

【０１０８】また、真空に引いたチャンバ中で基盤上に
電子ビームを照射し続けると、真空ポンプのオイル等の
成分であるカーボンが堆積して細長い構造ができる（Ｅ
ＢＤチップ）。

【０１０９】この場合にも、通常先端が細くなるため微
小スキャンを行いながら照射するか、またはできたもの
を研磨することにより所望の太さにする。

【０１１０】また、電子ビーム、イオンビーム照射によ
り他の材料を堆積してもよい。

【０１１１】さらに、半導体等をエッチングした後、先
鋭化することによっても作成可能であり、この場合に
は、基板と一体形成が可能になる。

【０１１２】この場合、基板としては、ファイバ先端、
マイクロカンチレバー先端等が考えられる。

【０１１３】図８に示すように、終端に三角錐状のプロ
ーブがついたＡＦＭ用カンチレバーの先端につけると、
光を入れる際障害物が少ない、真上に配置した観察用対
物で散乱光、の集光が可能になる（後述の散乱型ＳＮＯ
Ｍにつけた実施形態参照）等のメリットがある。

【０１１４】ＥＢＤチップは、条件より細く作成するこ
とが可能なので、この周囲に回転しながら金属等の高散
乱効率材料を蒸着することで所望のチップが完成する。

【０１１５】この場合、ベース材料より高散乱効率のプ
ローブができるメリットがある。

【０１１６】しかし、全周のコートを行うと太くなって
しまう問題があるので、一方から金属等の高散乱効率材
料を蒸着するようにすると、高散乱効率材料の棒状構造
を低散乱効率材料の棒状構造で支える構造になる。

【０１１７】この場合、低散乱効率材料としては、高散
乱効率材料を支えられる高強度の材料を選ぶことが必要
となる。

【０１１８】図９に示すように、少し下の方向から蒸着
することにより試料との接触部がカーボン堆積物になる
のを防げる。

【０１１９】カーボン堆積物は、硬度が高く、散乱効率
は、金などの金属に比べて非常に低いので、これと金属
との組み合わせは条件によく合う。

【０１２０】つまり、この場合、光にとっては、散乱効
率の高い材料だけがあるのと同様な効果になり、散乱効
率の高い材料の部分が上記の形状の条件を満たせば、よ
い散乱プローブになる。

【０１２１】以下、このような散乱プローブを利用した
散乱型ＳＮＯＭの実施形態について説明する。

【０１２２】図１に示されるように、散乱モード近接場
光学顕微鏡は、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、このカンチレバーチップ１０
０は試料１の上方に配置される。

【０１２３】この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、このカンチレバー１０１の
先端に設けられた探針１０６とを有している。

【０１２４】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、図３に示されるように、この延出部１０
７の先端部分には金属コート１０８が設けられている。

【０１２５】この金属コート１０８部は、上述したよう
な散乱プローブとして必要となる条件を満たしている。

【０１２６】図１では、探針１０６の一例であるテトラ
ポッド（登録商標）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。

【０１２７】例えば、探針１０６はカーボンナノチュー
ブであってもよく、あるいは、エッチング等によって先
鋭化された構造体またはカーボン堆積物であってもよ
い。

【０１２８】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は設けな
くてもよい。

【０１２９】延出部１０７は、金属コート１０８がある
場合にはそれも含めて、上述したような散乱プローブと
して必要となる条件を満たす必要がある。

【０１３０】別の作成法として、カンチレバー先端にカ
ーボン堆積物からなる細い棒状の構造物を作成し、これ
に一方向から金属等を蒸着またはスパッタして上記の条
件の構造物を第１の構造物の側面に作成する。

【０１３１】この場合、カーボン堆積物は非常に細く長
い構造を作成することができ、これに蒸着を施し、適当
な膜厚にすることによって上記条件の構造物を作成する
ことができる。

【０１３２】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。

【０１３３】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１０
６によって発生される散乱光が遮断されずに検出される
ので好適である。

【０１３４】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。

【０１３５】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からの高周波電圧
で加振される。

【０１３６】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を有しており、こ
の変位センサは、カンチレバー１０１に光を照射する半
導体レーザ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８とを有している。

【０１３７】半導体レーザ７から射出されたレーザ光は
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８に入射する。

【０１３８】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８の受光部の
出力の比を変動させる。

【０１３９】従って、二分割フォトディテクタ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１
０１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。

【０１４０】圧電チューブスキャナ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。

【０１４１】この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４０
１の上面中央に設けられた開口から露出されている。

【０１４２】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。

【０１４３】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。

【０１４４】圧電チューブスキャナ６は、試料テーブル
４０１を駆動する粗動ステージ３４５の上に配置されて
いる。

【０１４５】この粗動ステージ３４５は、コンピュータ
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６に固定された試
料テーブル４０１の上に載置された試料１を三次元的に
粗く移動させる。

【０１４６】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われるとと
もに、試料１と探針１０６の延出部１０７の先端の間の
距離が粗調整される。

【０１４７】圧電チューブスキャナ６は、制御回路９と
コンピュータ１１により制御されるスキャナ駆動回路１
０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。

【０１４８】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１０６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
ることになる。

【０１４９】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るとともに、
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。

【０１５０】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。

【０１５１】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。

【０１５２】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。

【０１５３】この光発生手段は、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。

【０１５４】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。

【０１５５】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。

【０１５６】以下に、局在光発生手段と伝搬光発生手段
とについて詳述する。

【０１５７】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、レーザ光源１３、フイ
ルタ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。

【０１５８】この場合、レーザ光源１３には、例えば、
出力２５ｍＷのアルゴンレーザが使用される。

【０１５９】ミラー１７は、図示しない移動回転機構に
よつてその姿勢（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。

【０１６０】レーザ光源１３から射出されたレーザ光
は、フィルタ１４を通過した後、レンズ１５により平行
レーザビームに変えられる。

【０１６１】この平行レーザビームは、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。

【０１６２】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。

【０１６３】なお、必要に応じて、ミラー１７と内部全
反射プリズム３の間に、平行レーザビームを収束するレ
ンズが挿入されてもよい。

【０１６４】また、平行レーザビームの光路上に、１／
２波長板７０６が回転可能に配置されてもよい。

【０１６５】この１／２波長板７０６の回転は、平行レ
ーザビームの偏光方向を変化させる。

【０１６６】また、伝搬光発生手段は、図１および図３
において、レーザ光源１３、フィルタ１４、レンズ１
５、二つのミラー１６と１７、レンズ１８を有してい
る。

【０１６７】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。

【０１６８】レーザ光源１３から射出されたレーザ光
は、フィルタ１４を通過した後、レンズ１５により平行
レーザビームに変えられる。

【０１６９】平行レーザビームは、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。

【０１７０】特に、平行レーザビームは、レンズ１８に
よって収束され、探針１０６の延出部１０７の先端部分
に照射される。

【０１７１】伝搬光発生手段は、また、特願平８−１４
１７５２号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。

【０１７２】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。

【０１７３】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。

【０１７４】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。

【０１７５】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。

【０１７６】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。

【０１７７】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。

【０１７８】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１０７の先端近傍
で発生された散乱光を効率よく検出する。

【０１７９】そして、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。

【０１８０】この光電子増倍管２２から出力される信号
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１１に取り込まれる。

【０１８１】また、図６に示すように、光電子増倍管２
２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、へテロダイン検波法も使用可能である。

【０１８２】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。

【０１８３】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
位センサのレーザ光のカンチレバー１０１への照射位置
の確認に利用される。

【０１８４】なお、観察場所の特定、変位センサ用レー
ザ光の照射位置の確認ができれば、実体顕微鏡、ルー
ぺ、電子顕微鏡など、他の手段が用いられてもよい。

【０１８５】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で取得された画像はモニタテレビ３４に表示
される。

【０１８６】顕微鏡照明鏡筒２５は照明光源２７に接続
されている。

【０１８７】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。

【０１８８】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。

【０１８９】ＣＣＤカメラ３２が取得した画像はモニタ
テレビ３４に表示される。

【０１９０】本装置では、ＳＮＯＭ測定と同時にＡＦＭ
測定が行なわれる。

【０１９１】つまり、一回の走査の間に、ＳＮＯＭ情報
の取得と、ＡＦＭ情報の取得とが行われる。

【０１９２】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。

【０１９３】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−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。

【０１９４】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１０６の延出部１０７の先端
の振動振幅は減衰する。

【０１９５】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
針一試料間距離を制御）しながら、探針１０６の延出部
１０７の先端がＸＹ走査される。

【０１９６】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問、探針先端と試料表面の間の
Ｚ制御が行なわれる。

【０１９７】このＺ制御は、変位センサの信号に応じて
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を制御することによって行われる。

【０１９８】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１
１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。

【０１９９】これにより、試料表面の凹凸を表現するＡ
ＦＭ像が形成される。

【０２００】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。

【０２０１】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。

【０２０２】ＡＦＭ像とＳＮＯＭ像とはモニタ１２に一
緒に表示される。

【０２０３】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
以外からの散乱信号は除去、または弱められるので、高
分解能なＳＮＯＭ像が得られる。

【０２０４】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。

【０２０５】特開平１０−１７０５２２号公報に開示さ
れているように、へ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。

【０２０６】散乱型プローブに必要となる条件を満たす
散乱型プローブを利用したこのような散乱型ＳＮＯＭ
は、散乱光がプローブ先端近傍の試料表面のみを効率的
に照明し、高分解能画像を得ることができる。

【０２０７】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われる
すベての実施を含むものとする。

【０２０８】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
３以外にも、以下に付記１乃至付記１８として示すよう
な発明が含まれている。

【０２０９】（付記１） 近接場光学顕微鏡に用いられ
る探針であり、上記探針の先端径はこの探針に入射する
光の波長の１／４以下であり、上記探針の光検出器の感
度範囲の長さをｚ₀ 、前記入射光の波長をλ、上記探針
の先端から距離ｚ₀ までの間における上記探針の径の最
大値をｄ_max 、上記探針の先端径ｄ₀ としたときに、上
記探針の径は先端からｚ₀ の間で単調に増加するととも
に、ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡用探針。

【０２１０】（付記２） 試料表面に光を入射させる光
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有する近接場光顕微鏡におい
て、上記探針の先端径は上記入射する光の波長の１／４
以下であり、上記探針の上記光入射手段からの光が入射
する範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上記探
針の先端径ｄ₀ 、上記探針の先端からの距離をｚとした
ときに、上記探針の先端から距離ｚ₀ までの間で上記探
針の径ｄは単調に増加するとともに、 ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡。

【０２１１】（付記３） 試料表面に光を入射させる光
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とを有する近接場光学顕微鏡に
おいて、上記探針の先端径は上記入射する光の波長の１
／４以下であり、上記探針の上記光検出手段による検出
範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上記探針の
先端径ｄ₀ 、上記探針の先端からの距離をｚとしたとき
に、上記探針の先端から距離ｚ₀ までの間で上記探針の
径ｄは単調に増加するとともに、 ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡。

【０２１２】（付記４） 近接場光学顕微鏡に用いられ
る探針であり、上記探針の先端径はこの探針に入射する
光の波長の１／４以下であり、上記探針の光が入射する
範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上記探針の
先端から距離ｚ₀ までの間における上記探針の径をｄ、
上記探針の先端径をｄ₀ 、上記探針の先端からの距離を
ｚとしたときに、上記探針の径ｄは先端から距離ｚ₀ ま
での間で単調に増加するとともに、 ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡用探針。

【０２１３】（付記５） 近接場光学顕微鏡に用いられ
る探針であり、上記探針の先端径はこの探針に入射する
光の波長の１／４以下であり、上記探針の光検出器の感
度範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上記探針
の先端から距離ｚ₀ までの間における上記探針の径の最
大値をｄ_max 、上記探針の先端径ｄ₀ 、上記探針の先端
からの距離をｚとしたときに、上記探針の径ｄは先端か
ら距離ｚ₀ までの間で単調に増加するとともに、 ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡用探針。

【０２１４】（付記６） 近接場光学顕微鏡に用いられ
る探針であり、上記探針の先端径ｄ₀ は１２５ｎｍ以下
であり、上記探針の先端から距離ｚ₀ ＝１．５μｍまで
の間で上記探針の径ｄは単調に増加するとともに、上記
探針の径の最大値ｄ_max は ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡用探針。

【０２１５】（付記７） 試料表面に光を入射させる光
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とを有する近接場光学顕微鏡に
おいて、上記探針の先端径は上記入射する光の波長の１
／４以下であり、上記探針の上記光入射手段からの光が
入射する範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上
記探針の先端から距離ｚ₀ までの間における上記探針の
径の最大値をｄ_max 、上記探針の先端径ｄ₀ としたとき
に、上記探針の径は先端からｚ₀ の間で単調に増加する
とともに、 ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／４）／（λ／４） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡。

【０２１６】（付記８） 試料表面に光を入射させる光
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とを有する近接場光学顕微鏡に
おいて、上記探針の先端径は上記入射する光の波長の１
／４以下であり、上記探針の上記光検出手段による検出
範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上記探針の
先端から距離ｚ₀ までの間における上記探針の径の最大
値をｄ_max 、上記探針の先端径ｄ₀ としたときに、上記
探針の径は先端からｚ₀ の間で単調に増加するととも
に、 ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／４）／（λ／４） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡。

【０２１７】（付記９） 近接場光学顕微鏡に用いられ
る探針であり、上記探針の先端径はこの探針に入射する
光の波長の１／４以下であり、上記探針の光が入射する
範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上記探針の
先端から距離ｚ₀ までの間における上記探針の径の最大
値をｄ_max 、上記探針の先端径ｄ₀ としたときに、上記
探針の径は先端からｚ₀ の間で単調に増加するととも
に、 ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／４）／（λ／４） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡用探針。

【０２１８】（付記１０） 近接場光学顕微鏡に用いら
れる探針であり、上記探針の先端径はこの探針に入射す
る光の波長の１／４以下であり、上記探針の光検出器の
感度範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上記探
針の先端から距離ｚ₀ までの間における上記探針の径の
最大値をｄ_max 、上記探針の先端径ｄ₀ としたときに、
上記探針の径は先端からｚ₀ の間で単調に増加するとと
もに、 ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／４）／（λ／４） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡用探針。

【０２１９】（付記１１） 試料表面に光を入射させる
光入射手段と、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とを有する近接場光学顕微鏡
において、上記探針の先端径は上記入射する光の波長の
１／４以下であり、上記探針の上記光入射手段からの光
が入射する範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、
上記探針の先端径をｄ₀ 、上記探針の先端からの距離を
ｚとしたときに、上記探針の先端から距離ｚ₀ までの間
で上記探針の径ｄは単調に増加するとともに、 ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋λ／４）／（λ／４） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡。

【０２２０】（付記１２） 試料表面に光を入射させる
光入射手段と、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とを有する近接場光学顕微鏡
において、上記探針の先端径は上記入射する光の波長の
１／４以下であり、上記探針の上記光検出手段による検
出範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上記探針
の先端径をｄ₀ 、上記探針の先端からの距離をｚとした
ときに、上記探針の先端から距離ｚ₀ までの間で上記探
針の径ｄは単調に増加するとともに、 ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋λ／４）／（λ／４） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡。

【０２２１】（付記１３） 近接場光学顕微鏡に用いら
れる探針であり、上記探針の先端径はこの探針に入射す
る光の波長の１／４以下であり、上記探針の光が入射す
る範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上記探針
の先端から距離ｚ₀ までの間における上記探針の径を
ｄ、上記探針の先端径ｄ₀ 、上記探針の先端からの距離
をｚとしたときに、上記探針の径ｄは先端からｚ₀ の間
で単調に増加するとともに、 ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋λ／４）／（λ／４） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡用探針。

【０２２２】（付記１４） 近接場光学顕微鏡に用いら
れる探針であり、上記探針の先端径はこの探針に入射す
る光の波長の１／４以下であり、上記探針の光検出器の
感度範囲の長さをｚ₀ 、上記入射光の波長をλ、上記探
針の先端から距離ｚ₀ までの間における上記探針の径を
ｄ、上記探針の先端径ｄ₀ 、上記探針の先端からの距離
をｚとしたときに、上記探針の径ｄは先端からｚ₀ の間
で単調に増加するとともに、 ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋λ／４）／（λ／４） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡用探針。

【０２２３】（付記１５） 上記探針は、カーボン堆積
物でできていることを特徴とする請求項３、付記１、お
よび付記４ないし６、および９、１０、１３、１４に記
載の近接場光学顕微鏡用探針。

【０２２４】（付記１６） 上記探針は、金属でできて
いることを特徴とするに請求項３、付記１、および付記
４ないし６、および９、１０、１３、１４に記載の近接
場光学顕微鏡用探針。

【０２２５】（付記１７） 上記探針は、散乱効率の異
なる２種類の材料からなり、散乱効率の低い材料の周囲
に散乱効率の高い材料が付着した構造を有することを特
徴とする請求項３、付記１、および付記４ないし６、お
よび９、１０、１３、１４に記載の近接場光学顕微鏡用
探針。

【０２２６】（付記１８） 上記探針は、散乱効率の異
なる２種類の材料からなり、散乱効率の低い材料の一部
に散乱効率の高い材料が付着した構造を有し、散乱効率
の高い部分が探針の径の条件を満たすことを特徴とする
請求項３、付記１、および付記４ないし６、および９、
１０、１３、１４記載の近接場光学顕微鏡用探針。

【０２２７】ここで、散乱効率は、材料、サイズや形状
により変化するが、最も単純な場合を考え、レイリー散
乱の式を使って考える。

【０２２８】すると微小球の散乱効率は

【０２２９】

【数１】

【０２３０】で表される。

【０２３１】ここで、ａは微小粒子の半径、ｎは屈折率
である。

【０２３２】今、材料依存性のみを考えると、半導体
（シリコン、ｎ＝４．３２，ｋ＝０．０７）や金（ｎ＝
０．５０，ｋ＝０．９２）はファイバ等に使われるガラ
スに比べ散乱効率がそれぞれ５倍、２０倍と高い。

【０２３３】従って、このようなものをカーボン堆積
物、針状結晶のようなより散乱効率が小さいものに付着
させた構造にすることにより、構造の強度はカーボン堆
積物等により保証され、散乱効率は金属等により保証さ
れる。

【０２３４】しかるに、一方から散乱効率の高いものを
付着させた構造の場合には、散乱効率の高いものを散乱
効率の低いものの全面に付着させると、探針全体の径が
太くなり、細くできない。

【０２３５】そこで、付記１６，１７において、散乱効
率の低いものとしてカーボン堆積物を選び、散乱効率の
高いものとして金のような金属を選ぶと、カーボン堆積
物の散乱効率は金より非常に小さいので、あたかも単独
の金プロ一ブが存在しているように見え、全体の径が細
い構造の探針を実現できる。

【０２３６】また、カーボン堆積物は金属に比ベ十分な
硬度を持っているので、この構造を保持することができ
る。

【０２３７】

【発明の効果】従って、以上詳述したように、請求項１
および２記載の本発明によれば、探針は一方向に延びる
延出部を有し、その太さは先端径に依存して制限を受け
ているため、探針先端以外からの散乱光の影響が極力排
除されることによって、高分解能ＳＮＯＭ像を得ること
のできるとともに、空気中で動作可能なＳＮＯＭとして
の近接場光学顕微鏡を提供することができる。

【０２３８】また、請求項３記載の本発明によれば、探
針は一方向に延びる延出部を有し、その太さは先端径に
依存して制限を受けているため、探針先端以外からの散
乱光の影響が極力排除されることによって、高分解能Ｓ
ＮＯＭ像を得ることのできるとともに、空気中で動作可
能なＳＮＯＭ用としての近接場光学顕微鏡用プローブと
しての近接場光学顕微鏡用探針を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による散乱モード走査型近接場光学顕微
鏡の全体の構成を模式的に示す図である。

【図２】図１に示される走査型近接場光学顕微鏡に用い
られるカンチレバーチップの斜視図である。

【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す図である。

【図４】平行レーザ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す図である。

【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す図である。

【図６】へ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学顕微鏡の全体の構成を模式的に
示す図である。

【図７】図７は、鋭い先端に光を当てたときのｆａｒ
ｆｉｅｌｄ像を実際に計算したの結果を示す図である。

【図８】図８は、終端に三角錐状のプローブがついたＡ
ＦＭ用カンチレバーを示す図である。

【図９】図９は、一方向から金属等の高散乱効率材料を
蒸着するようにすると、高散乱効率材料の棒状構造を低
散乱効率材料の棒状構造で支える構造になり、その際、
少し下の方向から蒸着することにより試料との接触部が
カーボン堆積物になるのを防げることを示す図である。

【図１０】図１０は、本発明において、探針の太さｄ、
探針の先端径ｄ₀ 、探針の径の最大値ｄ_max についての
定義付けを説明するために示す図である。

【図１１】図１１は、本発明において、ｄ≦ｄ₀ （ｚ＋
λ／４）／（λ／４）の関係を満たすときの探針先端部
の断面図である。

【図１２】図１２は、本発明において、散乱光を集光す
るレンズのＮＡと探針の円錐の開き角θの関係を示した
図である。

【符号の説明】

３…内部全反射プリズム、 ６…圧電チューブスキャナ、 ７…半導体レーザ、 ８…二分割フォトディテクタ、 １１…コンピュータ、 １３…レーザ光源、 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。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面に光を入射させる光入射手段
   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
   を有する近接場光学顕微鏡において、 上記探針の先端径は上記入射する光の波長の１／４以下
   であり、上記探針の上記光入射手段からの光が入射する
   範囲の長さをｚ₀ 、前記入射光の波長をλ、上記探針の
   先端から距離ｚ₀ までの間における前記探針の径の最大
   値をｄ_max 、前記探針の先端径ｄ₀ としたときに、上記
   探針の径は先端からｚ₀ の間で単調に増加するととも
   に、 ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡。
2. 【請求項２】 試料表面に光を入射させる光入射手段
   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
   を有する近接場光学顕微鏡において、 上記探針の先端径は上記入射する光の波長の１／４以下
   であり、上記探針の上記光検出手段による検出範囲の長
   さをｚ₀ 、前記入射光の波長をλ、上記探針の先端から
   距離ｚ₀ までの間における前記探針の径の最大値をｄ
   _max 、前記探針の先端径ｄ₀ としたときに、上記探針の
   径は先端からｚ₀ の間で単調に増加するとともに、 ｄ_max ≦ｄ₀ （ｚ₀ ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡。
3. 【請求項３】 近接場光学顕微鏡に用いられる探針で
   あり、 上記探針の先端径はこの探針に入射する光の波長の１／
   ４以下であり、上記探針の光が入射する範囲の長さをｚ
   ₀ 、前記入射光の波長をλ、上記探針の先端から距離ｚ
   ₀ までの間における前記探針の径の最大値をｄ_max 、前
   記探針の先端径ｄ₀ としたときに、上記探針の径は先端
   からｚ₀ の間で単調に増加するとともに、 ｄ_max ≦ｄ
   ₀ （ｚ₀ ＋λ／２）／（λ／２） となることを特徴とする近接場光学顕微鏡用探針。