JP2002310881A - 走査型近接場顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 先端に微小開口を有するカンチレバーを用い
た走査型近接場顕微鏡において、照射や集光の効率がよ
く、カンチレバーの変位検出光が光信号のノイズになら
ず、操作性の良い装置を提供する。 【解決手段】 先端に微小開口を有するカンチレバー1
と、カンチレバーの変位を検出するための光源8と検出
器9を有する光学的変位検出手段7と、サンプル14と探針
先端との距離制御を行うための微動機構15と、サンプル
14と探針先端との接近させる粗動機構34と、サンプル表
面から透過または反射した光信号を検出するための光検
出器22,31により走査型近接場顕微鏡を構成し、光学的
変位検出手段7の光源8からの光をカンチレバー1の背面
に集光させ、一部の光を探針先端に導入し、近接場を発
生させるための励起光源にも使用した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光透過性の探針部
が設けられたカンチレバーを用いて、光源と検出器から
構成される光学的変位検出手段によりカンチレバーの変
位を検出し、サンプルと探針先端の距離制御を行いなが
ら、前記探針部に光を入射して探針先端部からサンプル
に近接場光を照射し、サンプルの光学特性を測定する走
査型近接場顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】カンチレバー型探針による走査型近接場
顕微鏡は、従来から、いくつかの方法が実施されてい
る。例えば、N.F.van.Hulst et.al, Operation of a sc
anning near field optical microscope in reflection
in combination with a scanning force microscope,
SPIE Vol.1639Scanning Probe Microscopes,1992,pp36-
43に述べられている方法では、図６に示すように、ピラ
ミッド型の探針101aを有するSiN製のカンチレバー101を
使用して、レーザ102からの光をレンズ103で探針付近に
集光する。このとき、SiNは屈折率が2と大きくいため、
探針の側面101bでは全反射され探針の先端101cのみに近
接場光が形成される。また、レーザダイオード104とレ
ーザ光をカンチレバー背面に集光する集光レンズ105と
カンチレバー101で反射された光を検出する４分割フォ
トダイオード106から構成される光てこ方式による変位
計107によりカンチレバー101の変位が検出される。探針
先端101cとサンプル108とを近接させ、探針先端101cと
サンプル108の表面間に作用する原子間力などの物理的
な力によるカンチレバー101の変位を光てこ方式による
変位計で検出し、サンプル108が載置された円筒型圧電
素子からなる3軸微動機構109を動作させることにより、
探針先端101cとサンプル108の間の距離を探針先端に発
生している近接場光が存在する領域まで近接させること
が可能となる。このとき、サンプル108からの反射光を
カンチレバー背面の対物レンズ103で集光し、ハーフミ
ラー110により反射光を光検出器側111に導くことにより
反射光強度が測定される。この状態で、サンプルと探針
先端の距離制御を行いながら、3軸微動機構109により２
次元平面内でスキャンさせれば、サンプル面内の光学特
性が回折限界を超えるような分解能で測定可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
構成された従来の走査型近接場顕微鏡では、サンプル表
面の光学特性測定用の光源と、カンチレバーの変位検出
用の光源をそれぞれ別に設置する必要があるため、光路
が非常に複雑になり、光学素子を配置するためのスペー
スの制約が多くなり、NAが大きく作動距離の短い対物レ
ンズが使用できなくなる。この結果、照射や集光の効率
が悪化し、走査型近接場顕微鏡の測定性能劣化に繋が
る。

【０００４】また、蛍光サンプルなど測定時には、サン
プル表面の光学特性測定用の光信号に、カンチレバーの
変位検出用の光信号が混入したり、あるいは逆に変位検
出用の光信号に光学特性測定用の光信号が混入してしま
うという問題点があった。この問題点の対応策として
は、光学特性検出用の光検出器や変位検出用の光検出器
の前に光学フィルターを入れて余分な光をカットする方
法が取られている。しかしながら、光学フィルターによ
り完全に信号をカットすることは不可能である。近接場
光励起による検出信号は非常に微弱であり、これらの光
がノイズとなってしまい。S/N比が低下する。さらに、
変位検出用の光信号と光学特性測定用の光信号の波長が
近接している場合には、両者を分離することは困難であ
り、実質的に測定が不可能となる。

【０００５】したがって、本発明の目的は上記のような
問題点を解決できるような走査型近接場顕微鏡を提供す
ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、光透過性の探針部が設けられたカンチ
レバーと、カンチレバーの変位を検出するための光源と
検出器を有する光学的変位検出手段と、サンプルと探針
先端との距離制御を行うための微動機構と、サンプルと
探針先端とを接近させる粗動機構と、サンプル表面から
透過または反射した光信号を検出するための光検出器に
より走査型近接場顕微鏡を構成した。

【０００７】このように構成された走査型近接場顕微鏡
において、光学的変位検出手段の光源からの光をレンズ
により光透過性の探針内に光が入射するようにカンチレ
バー背面に集光させた。このときカンチレバーに入射さ
れた光は探針先端部に導かれるだけではなく、カンチレ
バーや探針の側面で反射される。探針先端部に導かれる
光は探針先端部に近接場光を発生させサンプルへの励起
に使用される。一方、カンチレバーや探針の側面で反射
される光は光学的変位検出手段の検出器に導入され、カ
ンチレバーの変位検出に用いられる。

【０００８】探針先端とサンプルは、上記のようにカン
チレバーの変位を検出しながら、粗動機構により近接さ
せる。探針先端とサンプル表面間に、例えば原子間力な
どの物理的な力が作用する領域まで近接した後、サンプ
ルと探針先端間の距離が一定となるように微動機構によ
り制御を掛ける。このとき、探針先端とサンプル表面間
は探針先端に発生した近接場光が存在する領域まで近づ
いている。探針先端の近接場光はサンプル表面で散乱さ
れ、伝播光に変換される。このあと、サンプルを透過し
た光または反射した光を対物レンズで集光し、光検出器
に導入することによりサンプルの局所的な光学特性が測
定される。このような状態で微動機構によりサンプルと
探針先端を相対的に二次元平面内で走査させることによ
り、サンプル表面での光学特性を得ることができる。さ
らに、探針先端とサンプルは一定距離に保たれているた
め、制御信号を使用してサンプル表面の凹凸像も得るこ
とができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施の形態を
図面に基づいて説明する。 （１）第一実施形態例 図１は本発明の第一実施形態例に係る走査型近接場顕微
鏡の概観図であり、図２(a)は第一実施形態例で使用さ
れるカンチレバーの平面図、図２(b)は断面図である。

【００１０】本実施形態例で使用するカンチレバーは、
二酸化珪素を材料とし、ベース部4と平板状のカンチレ
バー部1と円錐型の探針部2から構成され、カンチレバー
の探針2が設けられている側の全面をアルミニウムの遮
光膜3により覆った構成である。探針先端部2aの遮光膜
は探針先端を平面基板に押し付けることによってアルミ
ニウムの被覆をつぶし、概ね100nm以下の大きさの微小
開口部が設けられている。

【００１１】このカンチレバーは、カンチレバーホルダ
ー5に固定され、該カンチレバーホルダーには、カンチ
レバーを加振するための圧電素子6が設けられ、カンチ
レバーは共振周波数近傍で加振されている。

【００１２】カンチレバーホルダ5の上側には、カンチ
レバーの変位を検出するための光学的検出手段7が設け
られている。光学的変位検出手段は、光源として半導体
レーザ8を用い、検出器として４分割フォトダイオード9
を用いた光てこ式の変位検出手段が用いられる。半導体
レーザ8より出射されたレーザ光は半導体レーザの前に
配置された集光レンズ10を通り、さらにビームスプリッ
ター11により曲げられて、直上からカンチレバーの背面
1aに集光される。このとき、カンチレバー背面1aに集光
されたレーザビームは有限のスポット径を有する。この
ため、レーザ光は、カンチレバーの背面の二酸化珪素部
分1aやアルミニウム膜3または探針側面2bでの反射光
と、探針部2を通り微小開口部2aに導かれる光に分割さ
れる。

【００１３】このうち、反射光はレンズ12を通り、全反
射ミラー13で反射されて、４分割のフォトダイオード9
上にスポットが投影される。図１において、カンチレバ
ーと概ね直交する方向に変位が生じた場合、４分割フォ
トダイオード9上のスポットは上下方向に移動する。こ
のとき、上側２枚のディテクタ面での出力と下側２枚の
ディテクタ面での出力の差をモニターすることによりカ
ンチレバー1の変位が検出される。

【００１４】また、探針部2を通り微小開口部2aに導か
れる光は、探針先端に設けられた概ね100nm以下の径を
持つ微小開口部を透過することはできず、微小開口部近
傍に近接場光を発生させる。

【００１５】サンプル14は、円筒型圧電素子により構成
される3軸微動機構15上に設けられたサンプルホルダ16
に載置される。この３軸微動機構15は、後で述べるサン
プル14からの透過光を集光するための対物レンズ17を配
置するため、対物レンズ17を取り囲むように同じ特性を
もつ３本の円筒型圧電素子を配置して構成される。この
３本の円筒型圧電素子を同一方向に同位相で駆動させる
ことにより、圧電素子先端に固定されたサンプルホルダ
16を駆動させる。

【００１６】更に、この３軸微動機構15は探針先端とサ
ンプルとの距離を近接させるための粗動機構17上に固定
されている。この粗動機構はステッピングモータにより
送りネジを回してサンプル14をカンチレバー先端2a方向
に移動させる方式とした。

【００１７】また、サンプル14の下側にはサンプルから
の透過光を集光するための対物レンズ17が配置される。
この対物レンズ17はサンプル14に対してフォーカシング
を行うためのフォーカシング機構18に取りつけられてい
る。このフォーカシング機構18も粗動機構34上に取りつ
けられており、一旦サンプル14と対物レンズ17の距離を
調整した後は、同一の距離を保ったまま粗動が行われ
る。

【００１８】このように構成された走査型近接場顕微鏡
により、サンプル14と探針先端2aとの距離を粗動機構17
により近づけていった場合、探針先端2aとサンプル表面
に原子間力などの物理的な力が働くとカンチレバーの加
振周波数における振幅が減衰する。あるいはサンプル14
の表面と探針先端2aが間欠的に接触を行うようになった
場合にも振幅の減衰が生じる。これらの振幅の減衰率は
探針先端2aとサンプル14の表面との距離に依存するため
減衰率を一定に保つことでサンプル表面と探針先端間の
距離制御が行われる。

【００１９】探針先端とサンプルが近接した場合、探針
先端に発生している近接場光はサンプル表面で散乱され
て伝播光に変換される。この伝播光を対物レンズ17で集
光することによりサンプル表面の光学特性が、回折限界
を超える高分解能で測定される。

【００２０】サンプルが透過性の場合には、サンプルの
下側に設けられた倒立型顕微鏡19により光信号の測定が
行われる。このような測定モードは一般にイルミネーシ
ョン透過モードと呼ばれる。イルミネーション透過モー
ド時には、サンプル下面に配置された対物レンズ17でサ
ンプル14を透過した光が集光され、全反射ミラー20で反
射された後、結像レンズ11で結像され、光検出器22に導
かれ強度が測定される。本実施形態例では光検出器とし
てフォトマルを使用した。光検出器22の前には近接場光
による検出信号以外の迷光成分をカットするために絞り
23を挿入した。また、サンプル14が透過性で蛍光など探
針先端から励起される近接場光の波長成分と違う波長成
分の検出を行いたい場合には、光検出器22の前に配置さ
れた光学フィルター24で励起光成分がカットされ、信号
成分のみを抽出して検出する。

【００２１】一方、サンプル14から反射した光は、カン
チレバー1の上方に配置された反射型顕微鏡25により光
信号の測定が行われる。このような測定モードは一般に
イルミネーション反射モードと呼ばれる。本実施形態例
でイルミネーション反射モードを行う際には、サンプル
表面で反射され、再び探針先端の微小開口部2aを通っ
て、光てこ光学系のビームスプリッター11を通ってくる
光を、反射型顕微鏡25の対物レンズ26で集光し光信号の
測定を行う。反射型顕微鏡の場合にも倒立顕微鏡と同じ
ように対物レンズ26と対物レンズのフォーカシング機構
27と、結像レンズ28と光学フィルター29と絞り30と光検
出器31により光学系が構成される。

【００２２】なお、倒立型顕微鏡と反射型顕微鏡にはそ
れぞれCCDカメラ32,33が取り付けられて、サンプル表面
の観察や、観察箇所の位置合わせ、光源からのレーザス
ポットの位置合わせなどに用いられる。

【００２３】以上のように構成された走査型近接場顕微
鏡を用いて、探針先端とサンプル間の距離制御を行いな
がら２次元平面内でスキャンすることによって、２次元
平面内での光学特性がマッピングされる。更に、探針先
端とサンプルとの距離制御に用いた信号により、サンプ
ル表面の凹凸像も同時に測定される。 （２）第二実施形態例 図３は本発明の第二の実施形態例に係る走査型近接場顕
微鏡の概観図である。本実施形態例では、第一実施形態
例と同様に光てこ光学系50を用いて光学的変位検出手段
を構成している。このとき、半導体レーザ51からなる光
源からのレーザ光が集光レンズ52により集光され、探針
先端を通りサンプル表面に垂直な軸に対して斜め方向か
らカンチレバー背面1aに入射し、さらに、斜め上方に反
射されたレーザ光がレンズ53を通り４分割のフォトダイ
オード54上に入射するように構成した。また、反射型顕
微鏡55は、探針先端2aを中心にして、図３の紙面に対し
て垂直な面内で回転可能に枢着した。その他の装置構成
と動作原理は第一実施例と同様である。

【００２４】本実施形態例においても、カンチレバー背
面1aに照射される光源51からのレーザ光は、カンチレバ
ーの背面の二酸化珪素部分1aやアルミニウム膜3または
探針側面2bでの反射され、カンチレバーの変位検出に用
いられる光と、探針部を通り微小開口部に導かれ、微小
開口部近傍に近接場を発生させる光に分割される。

【００２５】本実施形態例では、光てこ光学系50を斜め
に配置したことによって、反射型顕微鏡25の対物レンズ
26とカンチレバー1との距離を第一実施形態例よりも近
接させることが可能である。この結果、作動距離が短く
開口数の大きな対物レンズが使用可能となり、探針先端
の微小開口部2aを通ってくる検出光の集光効率が向上す
る。

【００２６】さらに、反射型顕微鏡25を回転可能に配置
したことによって、探針先端を通りサンプル表面に垂直
な軸に対して斜め方向に反射型顕微鏡の光軸を配置する
ことが可能である。このように配置した場合には、探針
先端2aに発生した近接場光がサンプル表面で反射された
後、探針先端の微小開口部を通過せずにダイレクトに対
物レンズ26で集光することが可能となり、イルミネーシ
ョン反射モードのS/N比が向上する。 （３）第三実施形態例 図4は本発明の第三実施形態例に係る走査型近接場顕微
鏡の概観図である。本実施形態例では、カンチレバー1
の上方に配置される反射型顕微鏡60の鏡筒内に光学的変
位検出手段を設けた構成とした。

【００２７】また、カンチレバー1は図2に示したタイプ
のカンチレバーと同一のものを使用し、カンチレバーホ
ルダ61に固定した。本実施形態例では、カンチレバー1
は加振せずに探針先端2aとサンプル14の表面との間に働
く力によるカンチレバーの静的撓みを検出し探針先端2a
とサンプル14の表面との距離制御を行うコンタクトAFM
モードで動作させた。

【００２８】その他の構成は第一実施形態例と同様であ
る。

【００２９】反射型顕微鏡60には、YAGの2倍波を利用し
た波長532nmのレーザからなる光源62を、図の上下方向
と紙面に対して垂直な方向に移動可能なステージ63を介
して固定した。この光源62からのレーザ光は、ダイクロ
イックミラー64で反射され、ビームスプリッター65を通
過し、対物レンズ66を通って、カンチレバー背面1aに集
光される。カンチレバー背面1aに照射されるレーザ光
は、カンチレバーの背面の二酸化珪素部分1aやアルミニ
ウム膜3または探針側面2bで反射され、カンチレバーの
変位検出に用いられる光と、探針部2を通り微小開口部2
aに導かれ、微小開口部近傍に近接場を発生させる光に
分割される。

【００３０】このうち、カンチレバーの変位検出に用い
られる光は再び対物レンズ66を通り、ビームスプリッタ
ー65で曲げられて、反射型顕微鏡60に位置決め機構67を
介して取り付けられた４分割フォトダイオード68に導か
れる。カンチレバー1に変位が生じた場合には、４分割
フォトダイオード68上のスポットが図４の上下方向に動
作し、４分割フォトダイオード68の上下２対のディテク
タ面の出力差により変位が検出される。

【００３１】一方、探針部2を通り微小開口部2aに近接
場光を発生させる光は、イルミネーション透過モード測
定とイルミネーション反射モード測定に使用される。こ
のうち、イルミネーション透過モードの測定方法は第一
実施形態例と同様である。イルミネーション反射モード
については、サンプル表面で反射され、再び微小開口部
2aを通ってきた検出信号が、対物レンズ66で集光され、
反射型顕微鏡60の鏡筒内を通り、フォトマル69に導かれ
る。本実施形態例ではサンプルは蛍光サンプルとし、ダ
イクロイックミラー64で励起光と蛍光を分離した。また
フォトマルの前には絞り70を入れて微小開口部から入っ
てくる光以外を遮断した。

【００３２】また、反射型顕微鏡60にはCCDカメラ71を
取り付けて、レーザスポットのカンチレバー背面への位
置合わせや、サンプル表面の光学観察を可能にした。

【００３３】本実施形態例では、さらに、対物レンズ6
6,72,73をフォーカシング機構74が設けられたローレッ
ト75上に配置し交換可能に構成した。これによりCCDカ
メラ71の光学観察時に必要とされる対物レンズが選択可
能となり、また、走査型近接場顕微鏡に用いる際にも、
測定するサンプルの発光特性に応じて最適な対物レンズ
が交換可能となる。 （４）第四実施形態例 図５は本発明の第四実施形態例に係る走査型近接場顕微
鏡の概観図である。本実施形態例では、第三実施形態例
と同様にコンタクトAFMモードで動作され、第三実施形
態例のユニットで光源と４分割フォトダイオードを選択
可能に構成したものである。その他の構成と動作原理は
第三実施形態例と同一である。

【００３４】光源はHe-Cdレーザ（波長：325nm）80、ア
ルゴンレーザ（波長：488nm）81、YAGレーザ（波長：53
2nm）82の３本を配置し、レーザコントローラ83によ
り、サンプル14の特性に合わせて適宜レーザを選択可能
な構成とした。選択されたレーザ80,81,82はファイバー
カプラー84で光ファイバー85にカップリングされ、光フ
ァイバ85ーを経由して反射型顕微鏡60に入射される。反
射型顕微鏡60と光ファイバー85のカップリング部分には
光軸調整用の位置決め機構86を取り付けた。光ファイバ
ー85から入射されたレーザ光は反射型顕微鏡60の鏡筒内
を通り、対物レンズ66を通ったあと、カンチレバー背面
1aに集光される。カンチレバー背面1aに照射されるレー
ザ光は、カンチレバーの背面の二酸化珪素部分1aやアル
ミニウム膜3または探針側面2bで反射され、カンチレバ
ーの変位検出に用いられる光と、探針部2を通り微小開
口部2aに導かれ、微小開口部近傍に近接場を発生させる
光に分割される。

【００３５】このうち、カンチレバーの変位検出に用い
られる光は再び対物レンズ66を通り、ビームスプリッタ
ー65で曲げられて、反射型顕微鏡60に位置決め機構87を
介して取り付けられた４分割フォトダイオード88に導か
れる。一般に４分割フォトダイオード88は半導体材料よ
り構成され波長によって特性が変わる。本実施形態例で
は、各光源の特性に合わせて、４分割フォトダイオード
88を取替可能な構成とした。また、位置決め機構87は図
５の上下方向と紙面に対して垂直方向の平面内での位置
合わせに加えて、左右の光軸方向にも調整可能にして、
４分割フォトダイオード面でのスポット径を調整可能に
した。

【００３６】また、対物レンズ66,72,73もローレット75
上に複数設置されており、光源の種類やサンプルの特性
に合わせ選択可能である。

【００３７】イルミネーション透過モードおよびイルミ
ネーション反射モードの測定を行う場合には、測定する
サンプルに合せて、光源のレーザ出力の調整が必要な場
合がある。実施形態例の場合にもレーザコントローラ83
で各光源の出力を調整可能にした。

【００３８】光源の出力や対物レンズの種類を変更した
場合、探針先端部から励起される近接場光の出力を増大
させることが可能であるが、４分割フォトダイオード88
側に導かれるレーザ光の出力も変化し、光てこ光学系の
感度が変わってしまう。これを防止するため、４分割フ
ォトダイオード88の前に入力される信号の強度調整用の
NDフィルタ89を挿入可能にするとともに、４分割フォト
ダイオード88のプリアンプ90に増幅率調整器91を取り付
け増幅率を変更可能にし、演算回路92で変位を検出した
後の検出信号の増幅率も増幅率調整器93により変更可能
とした。これらいずれか、または複数の装置により、４
分割フォトダイオード88への入射強度を調整するか、増
幅率を変更することによって、光源の出力によらず検出
器の感度を一定に保つことが可能となる。 （５）その他の実施形態例 以上、第一実施形態例〜第四実施形態例によって本発明
の実施形態例を述べてきたが、本発明はこれらの実施形
態例に限定されるものではない。

【００３９】例えば、第一実施形態例〜第四実施形態例
で使用されるカンチレバーは図２のタイプ以外にも、窒
化シリコン製のカンチレバーや、カンチレバーの背面か
ら探針先端に掛けて、穴が貫通している中空構造のもの
なども使用可能である。

【００４０】また、第一実施形態例、第二実施形態例に
おいて、光てこ光学系の光源は半導体レーザ以外のもの
も使用可能であり、複数の光源から選択可能な構造にす
る方法も考えられる。この場合、光源の種類に合せて４
分割フォトダイオードを交換可能な構成にして、カンチ
レバー背面と４分割フォトダイオード上で最適なスポッ
トが得られるように、光てこ光学系の光路中のレンズを
交換可能にしたり、フォーカシング調整機構を設けるこ
とも考えられる。

【００４１】さらに、サンプルの特性に応じて、光源の
出力を可変にし、ディテクタからの信号の増幅率やディ
テクタへの入力信号の強度を可変にすることも考えられ
る。

【００４２】また、第一実施形態例〜第四実施形態例で
用いた３軸微動機構は円筒型圧電素子に限定されず、例
えば、平行バネと積層型圧電素子を組合せた平面形スキ
ャナーや、トライポッド型圧電素子、ボイスコイルによ
る圧電素子なども使用可能である。さらに、サンプル側
をスキャンする代わりにカンチレバー側をスキャンして
もよい。また、信号検出用の光検出器はフォトマル以外
にもアバランシェフォトダイオードや分光器を接続する
ことも可能である。

【００４３】さらに、第一実施形態例〜第四実施形態例
では光学的変位検出手段として光てこ光学系を採用した
が、光学的変位検出手段は光てこ光学系に限定されず、
光源からの光をカンチレバー背面に当てて変位を検出す
る方法はすべて本発明に含まれ、例えば臨界角法などの
方法も使用可能である。

【００４４】第四実施形態例に示したように光源の波長
を選択可能にする構成では、複数のレーザを並列に並べ
る方式以外にも、波長可変レーザを用いて適宜波長を選
択する方法も考えられる。

【００４５】

【発明の効果】本発明では、以上説明したように、光透
過性の探針部が設けられたカンチレバーと、カンチレバ
ーの変位を検出するための光源と検出器を有する光学的
変位検出手段と、サンプルと探針先端との距離制御を行
うための微動機構と、サンプルと探針先端との接近させ
る粗動機構と、サンプル表面から透過または反射した光
信号を検出するための光検出器により走査型近接場顕微
鏡を構成した。

【００４６】このように構成された走査型近接場顕微鏡
において、光学的変位検出手段の光源からの光をレンズ
により光透過性の探針内に光が入射するようにカンチレ
バー背面に集光させた。このときカンチレバーに入射さ
れた光は探針先端部に導かれるだけではなく、カンチレ
バーや探針の側面で反射される。探針先端部に導かれる
光は探針先端部に近接場光を発生させサンプルへの励起
に使用される。一方、カンチレバーや探針の側面で反射
される光は光学的変位検出手段の検出器に導入され、カ
ンチレバーの変位検出に用いられる。

【００４７】この結果、光学的変位検出手段と近接場発
生用の光源が同一の光源で走査型近接場顕微鏡が実現で
きるため、光学系や装置の構成が簡素化され、カンチレ
バー上面のオープンスペースが広くなり、カンチレバー
に光を入射したり、光信号を集光するための対物レンズ
の作動距離を短くでき、開口数も大きくすることが可能
となる。この結果、照射や集光の効率が向上する。

【００４８】さらに、調整が必要な部分が少なくなるた
め操作性も向上する。

【００４９】また、蛍光サンプルなど測定時には、サン
プル表面の光学特性測定用の光信号に、カンチレバーの
変位検出用の光信号が混入したり、あるいは逆に変位検
出用の光信号に光学特性測定用の光信号が混入してしま
うという問題点があった。本発明によって、励起用の光
源と光学的変位検出手段用に使用される光源の２本のレ
ーザを使用する場合に比べ、ノイズとなる波長成分が少
なくなり、その結果S/N比が向上する。

【００５０】さらに、本発明では、光源の種類や出力を
任意に選択可能にした。このとき、光学的変位検出手段
の検出器も光源の波長に合わせて選択可能にするととも
に、検出器へ入射する光信号の強度を変更可能にすると
ともに、検出器からの信号の増幅率も変更可能にした。
さらに、光源とカンチレバー間に配置される集光レンズ
やカンチレバーと検出器の間に配置されるレンズを光源
の種類に合せて選択可能にするとともに、焦点も可変と
した。

【００５１】この結果、サンプルの特性に合わせて、光
源や光源の出力を選択することが可能となり、また、そ
の場合の光学的変位検出手段の感度も一定に保つことが
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型近接場顕微鏡の第一実施形態例
の概観図である。

【図２】本発明の走査型近接場顕微鏡に使用されるカン
チレバーの(a)平面図と(b)断面図である。

【図３】本発明の走査型近接場顕微鏡の第二実施形態例
の概観図である。

【図４】本発明の走査型近接場顕微鏡の第三実施形態例
の概観図である。

【図５】本発明の走査型近接場顕微鏡の第四実施形態例
の概観図である。

【図６】従来の走査型近接場顕微鏡の概観図である。

【符号の説明】

１ カンチレバー ５ カンチレバーホルダー ７ 光学的変位検出手段 ８ 半導体レーザ ９ ４分割フォトダイオード １５ ３軸微動機構 １７、２６ 対物レンズ １９ 倒立型顕微鏡 ２２ 光検出器 ２５ 反射型顕微鏡 ３１ 光検出器 ３２、３３ ＣＣＤカメラ ３４ 粗動機構 ５０ 光学的変位検出手段 ５１ 半導体レーザ ５４ ４分割フォトダイオード ６０ 反射型顕微鏡 ６１ カンチレバーホルダ ６２ 光源 ６３ 位置決め機構 ６６、７２、７３ 対物レンズ ６７ 位置決め機構 ６８ ４分割フォトダイオード ６９ 光検出器 ７１ ＣＣＤカメラ ７４ フォーカシング機構 ７５ ローレット ８０、８１、８２ 光源 ８４ ファイバーカプラー ８５ 光ファイバー ８６ 位置決め機構 ８７ 位置決め機構 ８８ ４分割フォトダイオード ８９ ＮＤフィルター １０１ カンチレバー １０２ レーザ １０４ レーザダイオード １０６ ４分割フォトダイオード １０７ 光てこ式変位計 １０９ ３軸微動機構 １１１ 光検出器 １１２ 水銀ランプ １１３ ＣＣＤカメラ １１５ 対物レンズ

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光透過性の探針部が設けられたカンチレ
   バーと、カンチレバーの変位を検出するための光源と検
   出器を有する光学的変位検出手段と、サンプルと探針先
   端との距離制御を行うための微動機構を少なくとも有
   し、前記光学的検出手段によりカンチレバーの変位を検
   出しながら、サンプルと探針先端の距離制御を行い、前
   記探針部に光を入射して探針先端部からサンプルに近接
   場光を照射し、サンプルの光学特性を測定する走査型近
   接場顕微鏡において、光学的変位検出手段の光源が近接
   場光発生用の光源を兼ねることを特徴とする走査型近接
   場顕微鏡。
2. 【請求項２】 光学的変位検出手段により、カンチレバ
   ーの静的な撓みを検出して探針先端とサンプルとの距離
   制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の走査型近
   接場顕微鏡。
3. 【請求項３】 カンチレバーを振動させて、光学的変位
   検出手段により、カンチレバーの振幅量を検出して探針
   先端とサンプルとの距離制御を行うことを特徴とする請
   求項１に記載の走査型近接場顕微鏡。
4. 【請求項４】 光学的変位検出手段に使用される光源の
   波長を選択可能に構成した請求項１乃至請求項３のいず
   れか一項に記載の走査型近接場顕微鏡。
5. 【請求項５】 光学的変位検出手段に使用される光源の
   出力を変更可能に構成した請求項１乃至請求項４のいず
   れか一項に記載の走査型近接場顕微鏡。
6. 【請求項６】 光学的変位検出手段に使用される検出器
   を選択可能に構成した請求項１乃至請求項５のいずれか
   一項に記載の走査型近接場顕微鏡。
7. 【請求項７】 光学的変位検出手段に使用される検出器
   へ入力される光信号の強度を変更可能にした請求項１乃
   至請求項６のいずれか一項に記載の走査型近接場顕微
   鏡。
8. 【請求項８】 光学的変位検出手段に使用される検出器
   からの信号に対する増幅率を可変にしたことを特徴とす
   る請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の走査型
   近接場顕微鏡。
9. 【請求項９】 光学的変位検出手段の光源とカンチレバ
   ーの間にレンズを配置したことを特徴とする請求項１乃
   至請求項８のいずれか一項に記載の走査型近接場顕微
   鏡。
10. 【請求項１０】 レンズの焦点が調整可能なようにフォ
    ーカシング機構を取り付けたことを特徴とする請求項９
    に記載の走査型近接場顕微鏡。
11. 【請求項１１】 レンズの種類を選択可能に構成された
    請求項９又は請求項１０に記載の走査型近接場顕微鏡。
12. 【請求項１２】 カンチレバーと光学的変位検出手段の
    検出器の間にレンズを配置したことを特徴とする請求項
    １乃至請求項１１のいずれか一項に記載の走査型近接場
    顕微鏡。
13. 【請求項１３】 レンズの焦点が調整可能なようにフォ
    ーカシング機構を取り付けたことを特徴とする請求項１
    ２に記載の走査型近接場顕微鏡。
14. 【請求項１４】 レンズの種類を選択可能に構成された
    請求項１２又は請求項１３に記載の走査型近接場顕微
    鏡。
15. 【請求項１５】 光学的変位手段の光源とカンチレバー
    間に配置されるレンズと、カンチレバーと光学的変位手
    段の検出器の間に配置されるレンズが同一のレンズであ
    ることを特徴とする請求項９乃至請求項１４のいずれか
    一項に記載の走査型近接場顕微鏡。
16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の走査型近接場顕微
    鏡において、サンプルからの光信号も同一のレンズで集
    光されることを特徴とする走査型近接場顕微鏡。