JP2002512697A

JP2002512697A - 固体界浸レンズを用いた走査プローブ光学顕微鏡

Info

Publication number: JP2002512697A
Application number: JP50481299A
Authority: JP
Inventors: レーシェンピー．ギスレイン; バージルビー．エリングス
Original assignee: ビーコインストルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2002-04-23
Also published as: US5939709A; WO1998058288A1; DE19882527T1

Abstract

(57)【要約】走査プローブ顕微鏡は、空気中の回折リミットより良好な解像度を有する光学像を作るため高屈折率固体界浸レンズ（ＳＩＬ）プローブ（１０）を用いる。このＳＩＬプローブ（１０）は、球形上面と、鋭いチップを有する円錐形（または角錐形）下面とを有する。球形面は周縁光の角度を増大するためＳＩＬは焦点スポットサイズを縮小し、高屈折率材料は、波長を短くする。この焦点スポットは、ＳＩＬからの距離の指数関数的に減少する振幅を有する減衰波を作る。下面の鋭いチップはチップとサンプルとの接触面積と、チップとサンプル間の間隔を減少し、サンプルがＳＩＬプローブの近−視野に位置される。サンプルは減衰波を動揺し、光検出器が光の特性をモニタする。片持ちレバー（１４）はＳＩＬプローブ（１０）を支持し、片持レバーの偏角センサ（１６）はチップとサンプル間の押圧力及び分離を正確に制御する。光学データを作るためラスターパターン内でパターンをＳＩＬプローブ（１０）によって走査するときチップとサンプル間のギャップを近−視野内に維持するため力帰還ループで片持ちレバーの偏角センサ（１６）を操作する。

Description

【発明の詳細な説明】固体界浸レンズを用いた走査プローブ光学顕微鏡技術分野本発明は固体界浸レンズを用いた走査プローブ光学顕微鏡に関するものである。発明の背景サンプルの多くの重要な物理的特性は光学イメージングによって定めるのが最良である。然しながら、従来の光学顕微鏡は、光の波長によって極めて小さい対象物を分解する能力に制限があり、従来の“遠−視野”光学顕微鏡は永年に亘り解像度によって制限を受けている。共焦点顕微鏡、制限された孔を有するプローブを用いた近−視野方法、共焦点トンネルイング、鋭いチップから放射される僅かな光をモニタする孔なし方法等、光学顕微鏡の解像度を越える種々の技術が用いられている。これら技術の夫々には重大な制限がある。空気中の屈折率制限より良好な解像度を有する現在の技術は光レベルが低く、プローブがこわれ易く、サンプルからの距離のような他の物理的パラメータから光学情報を定めることが困難である等の欠点を有する。対物レンズを用いた従来の光学顕微鏡は外部光源によってサンプルを照射し、遠−視野にレンズを用いて光を集めフォーカスしている。遠−視野は、多くの光学的波長で示すサンプルとレンズ間の間隔に対応する。１８７７年に、アベが基本式を発表している。アベの式によれば、対物レンズを用いた従来の遠−視野光学顕微鏡はｄ以下の間隔は解像できない。ここでλは光の波長、ＮＡは対物レンズの開口数である。開口数は下式で示される。 NA=nsinθ 〔２〕ここでｎはレンズの屈折率、θは円錐照明の半角である。１８８０年に、油浸対物レンズの開口数が１．４に達し、光学顕微鏡によって略０．２ミクロン（可視光に対して略λ／３）離れた２点を解像できた。極めて極端な浸液（多くの場合有毒）及び紫外線の使用を除くことが従来の光学顕微鏡に対して今日迄制限となっている。共焦点顕微鏡レーザー走査共焦点顕微鏡（ＬＳＣＭ）の原理が１９５０年にミンスキによって始めて示された。この従来既知の技術では、点光源からの光がサンプルの極めて小さい区域を照明し、ポイント検出器が小さな区域からの光を検出する。検出器の空間容積を制限することによって従来の屈折率限界より好ましい解像度でイメージが得られる。走査したテレビイメージは１回に１つのピクセルを作るのと同様の手段で、光源と検出器を同期して走査することによってサンプルのイメージは１回に１つのポイントを形成する。共焦点顕微鏡は標準の光学顕微鏡を越える多くの利益を有する。例えば、共焦点顕微鏡によれば透明なサンプルの光学セクショニング（即ち、深度識別）ができ、反射不透明サンプルの表面形状のイメージを作ることができる。更に共焦点顕微鏡は従来の顕微鏡の１．４倍迄の水平解像度を有し、生物サンプルを用いた標準の顕微鏡で通常観察されるフォグを除去できる。従来技術は更に、光源または検出器を同期して走査することなしにリアルタイムで完全な像を作るため非干渉性光源とイメージ検出器とを用いる共焦点顕微鏡を含む。この全視野共焦点顕微鏡はポイント検出器の代りの空間フィルタとしてニポー円板と呼ばれるピンホールの列を有する回転デスクを用いる。共焦点顕微鏡の共通の特性は、サンプルのイメージ軸“スライス”の能力と、対物レンズを用いた従来の顕微鏡に比較して横方向解像度が改良されることである。近−視野顕微鏡１９２８年にシンジが提案した光学顕微鏡は遠−視野を捨て、代わりに近−視野によって光の屈折率限界を越えることができた（Ｅ．Ａシンジ，“超顕微鏡区域に対する延長顕微鏡的解像のための提案方法”フィルマグ６（１９２８）Ｐ．３５６−３６２）。近−視野はサンプルに１つの光学波長以下に接近して存在する。極めて小さい孔を用い、サンプルの近−視野内に孔を配置することによって光学顕微鏡は十分に大きい解像力を得ることができる。シンジのアイデアの多数の異なる実施が行なわれている。ポールは、使用した光の波長に比べて小さい直径の開孔を鋭い先端状とした光学的に透明なボディの頂部に形成し、ボディをプリズム状水晶の不透明層でチップを被覆することを提案した（米国特許第４，６０４，５２０号）。コーネル“タフイプルド”ガラス顕微鏡の群では直径を波長以下に下げ孔を金属被覆した。ベジグはガラス顕微鏡を光ファイバーケーブルで置き代えることによってコーネルプルド顕微鏡を改良した（米国特許第５，２７２，３３０号）。光ファイバーケーブルを用いることによってベジグは伝達効率（光生産）を振幅の３または４のオーダーとした。一方ベジグは基本的問題はそのままとして効率を向上せしめた。光は標準直径の光ファイバーケーブルを効果的に伝わるが、直径が或る値以下に減少すれば光が“チョークオフ”となる。光は標準直径の光ファイバーケーブル内をウエーブガイド様に伝わるが、内側のコアの直径が減少すれば伝達モードが減衰モードとなる。減衰モードでは光エネルギは正しい伝達をなし得ない程になり光ファイバーコアにもはや閉じ込められないようになるが、エネルギの一部が背面反射によって金属被覆内で消費し、または分散し、光ファイバーケーブルが非伝達モードとなる。距離が長いと光は減衰モードで伝送され、エネルギの消費はより多くなる。直径１０００Åの孔を有するファイバープローブは略２× １０^-4の効率を有し、直径２５０Åの孔を有するプローブは略１×１０^-6の効率を有する。この効率は下降し解像度をより小さくする。引張によって極端に小さい孔を作り得るが、その効率は極めて小さく、実際上孔に達する光は使用できず、サンプルを有用な像を得る程度に十分に照明できない。ファイバープローブの改良はイスラム（米国特許第５，４８５，５３６号）やバックランド（米国特許第５，４１０，１５１号）によってなされている。光ファイバーを薄いポイントに引き、非伝達、減衰モードにおいて多くの波長の光を通すよう光を押し込む代りに、イスラムは数波長のオーダーの長さのチップを有する円錐チップを用いている。バックランドは単一モードのファイバーの代りに多数モードのファイバーを用いプローブチップの傾斜率を制御して効率を改良した。然しながら、操作の原理は同一であり、光を不透明金属被覆に閉じ込め、光を波長以下の孔またはピンホールを介して押し込む。近−視野プローブ顕微鏡は更に制限を有する。チップとサンプル間の間隔制御に際して、ファイバープローブ顕微鏡ではファイバーがこわれ易く、チップとサンプル間の距離の制御は非常に注意して行なう必要があり、または、ダメージを防ぐため極めて滑らかなサンプルが必要である。検査すべき面を膜から或る距離、即ち略孔の直径に等しいだけ離して配置するためには、光の波長以上に平らな面であることが必要である。更に、この種近−視野顕微鏡では、不透明サンプルのためにはファイバープローブと、従来の集光手段のサンプル面の上側のスペースが制限されるようになり、その実効が困難となる。光子トンネル顕微鏡光子走査トンネル顕微鏡（ＰＳＴＭ）として知られている走査トンネル光学顕微鏡（ＳＴＯＭ）の操作のベースは鋭いポイントとした光透過性チップに対する内部反射光子のサンプル変調トンネルイングである（フェレルその他の米国特許第５，０１８，８６５号）。光子の源はサンプル面からの光ビームの全内面反射（ＴＩＲ）によって作られた減衰視野であり、サンプル面に直角な指数関数的に減衰する波形を作る。減衰視野強度における空間変化はイメージングのベースを形成する。チップに対する全内面反射からトンネルする光子は光束を電気信号に変える好ましい検出器に案内する。これらの顕微鏡は、臨界角より大きい角度で面に入射する平行にされた（フォーカスされない）光を用いている。これらはインデックス−マッチングゲルまたは油を用いたプリズムに光学的に結合した透明サンプルを用いる必要がある。光はサンプルの大きな区域（一般に約１ｍｍ²）を照明する。傾斜ファイバーチップは減衰視野を不安定としサンプルからの幾つかの光が“リーク”し、ファイバーチップによって集光される。ファイバーに接続された光検出器は集めた光をモニタする。この技術ではサンプルが透明でなければならず、スポットサイズが大きいための背景信号の強さにより汚れやプリズムとサンプル内に欠陥からの光の散乱によって迷光を生じるようになる。光学特性と表面形状の混合によって極めて小さい像を作ることができるが、宣伝される解像度は従来の遠−視野光学顕微鏡程度のものである（可視光に対して２００ｎｍまたはλ／３）。このデータはチップと面間に水分が捉えられ内部反射が複雑となるか否かに依存する。用いられるチップはこわれ易く、チップとサンプル間の力を制御するため力を帰還することはできない。アカミネは傾斜ファイバーを感光性片持ちレバーに代えた光子トンネルプローブを提案している（米国特許第５，４８９，７７４号）。レバーの下面の感光性区域は減衰視野の局部的崩壊または全内面反射（ＦＴＲ）の挫折によって生じた光を集める。レバー上の鋭いチップはサンプル面の減衰視野を局部的に不安定ならしめるために用いる。片持ちレバーには感光性区域をホトダイオード電流測定回路に接続するワイヤを配線する。更に、片持ちレバーの偏角センサ１６が感度の良い力帰還を形成する。アカミネのものはファイバープローブ光子トンネル顕微鏡と同様の制限を有し、光検出器はチップの形状より大きい能動エリアを有するため電気的ノイズに大きい感受性がある。 “全視野”光子トンネル顕微鏡は１９８７年にＪ．Ｍによって提案された（グエラの米国特許第４，６８１，４５１号）。鋭いチップを有するプローブの代りに顕微鏡は（対物レンズの前面の直径によって定めた）大きな区域に亘るサンプル面に接する薄いフィルム変換器を用いる。顕微鏡は全内面反射光を用いた表面形状を測定する。環状照明は高い横方向解像度（略λ／４）を作り、減衰波の指数関数的減衰は垂直解像度を１ｎｍとする。不幸なことに最大垂直範囲（視野深度）が僅かλ／２であり、変換器は大きな接触面積を有しているためサンプルは極めて平らである必要がある。更に、グエラによって提案された顕微鏡は屈折率変化から高さ変化を分離することができない。高さ変化は変換器とサンプル間の分離を変え、屈折率の変化は減衰波の減衰長さを変える。両効果は同様の光学コントラストを作る。従って、高さと屈折率変化の間の混同を避けるため光学的に等方性の材料（一定の屈折率を有する）を用いてサンプルのレプリカを時により作る必要がある。原子力顕微鏡と走査エネルギ顕微鏡の結合原子力顕微鏡（ＡＦＭ）と走査エネルギ顕微鏡の結合の変化が提案されている。光学イメージングのため近−視野技術を用いたとき、ＡＦＭ能力によって作られた付加的情報によりプローブの高さ効果からサンプルの光学特性を定めることができる。一般的な走査エネルギ顕微鏡はサンプル上で光学プローブを走査する能力を持つ必要があるため、ＡＦＭの能力の合体は極めて明確である。多くの光学プローブはＡＦＭプローブとして用いるには適しないが、提案された結合顕微鏡の多くは光のレベルが極めて低く調整は困難である。ハンスマは、レーザー走査共焦点顕微鏡（ＬＳＣＭ）と一体ならしめた原子力顕微鏡（ＡＦＭ）を有する走査エネルギ顕微鏡と走査プローブの結合を記載している（米国特許第５，５８１，０８２号）。ＡＦＭプローブまたはＬＳＣＭのレーザビームを分離して走査するよりはこの発明はＡＦＭとＬＳＣＭイメージを同時に作り位置決めするためサンプル走査器を用いる。ハンスマのフォーカスエレメントは従来の顕微鏡の対物レンズであり、横方向光学解像度は従来のＬＳＣＭと同一である。この発明のプローブは高さ情報を作る従来のＡＦＭのチップである。同時の光学的及び高さイメージングにはＡＦＭプローブチップ上にＬＳＣＭレーザースポットを位置決めするため正確な位置決め作業が必要である。ハンスマの顕微鏡は第１に透明サンプルのために設計されている。不透明反射サンプルの場合には、作動距離が長いため横方向解像度が低く、従って、開口数の低い対物レンズが望まれる。ハンスマは、サンプル面に接近するように配置したプローブを有するＡＦＭから別個に離れたエレメントである、フォーカスエネルギのための手段としてＬＳＣＭを開示している。ハンスマの顕微鏡は、近−視野走査光学顕微鏡に対比される屈折率限界より良好な解像度を得ることのできるというＬＳＣＭの限定された改良を有するものである。ハンスマは光学構成部品から分離したＡＦＭプローブを用いているため、その設計には完全な位置決めの問題がある。孔なし近−視野光学顕微鏡がウイックラマシンガにより（米国特許第５，６０２，８２０号）示されている。この顕微鏡は、原子サイズのオーダーの厳格さを有する標準のＡＦＭチップを用いている。従来の対物レンズはＡＦＭのチップの端部を照明する屈折率制限スポットに対し光をフォーカスする。干渉計はチップとサンプルからの散乱光をモニタする。サンプルとＡＦＭチップの腕からの強い背景信号があるため、チップの頂部からの散乱光を検出するのが困難である。ウイックラマシンガは背景光を減少するためチップにデイザ動作を加えることを開示している。この顕微鏡においては、対物レンズとＡＦＭの片持ちレバーのためのスペースがサンプル上に必要であるため不透明反射サンプルの配置が困難である。更に、片持ちレバーとＡＦＭチップのベースが焦点ビームを妨げるようになる。固体界浸レンズ顕微鏡１９９０年にマンスフィールドとキノによって近−視野固体界浸光学顕微鏡が提案された（米国特許第５，００４，３０７号）。この顕微鏡は、液浸顕微鏡と同一の原理を用い、但し液体を高屈折率材料の固体レンズによって代えたものを用いてリアルタイムで操作される。この顕微鏡は、サンプル面に直接接するよう配置した半球状固体界浸レンズ（ＳＩＬ）を照明するため非干渉性光源を用いた広視野共焦点顕微鏡をベースとしている。アイピースまたはＣＣＤカメラのような像検出器に像を作るため光を反転せしめる。固体レンズの屈折率ｎを２とし、４３６ｎｍの照明でこの顕微鏡は、１００ｎｍのラインとスペースを解像でき、エッジレスポンスで共焦点顕微鏡を越える２つの改良の要素がある。マンスフィールドとキノの顕微鏡において用いたＳＩＬは球状面（頂部）と球の中心に交叉する平らな面（平坦な底）を有する。平らな面は、少くとも所望の視野の大きさ（一般に５０〜１０μｍ）の区域に亘りサンプルに接触せしめる必要がある。高い横方向屈折率を得るためには平らな面とサンプル間のギャップを全視野に亘り波長の数分の一とする必要がある。不幸なことに、特に粗いサンプルの場合、全接触区域に亘り上記のような小さなチップとサンプル間のギャップを維持することは不可能である。更に、サンプルの傾斜と表面の汚れ（粒子，ダストや砂）により、接触区域に亘りチップとサンプル間のギャップが変化する。その結果、最近の固体界浸光学顕微鏡によっては多くのサンプル面について高い横方向解像度を達成することはできない。固体界浸レンズは光学データ貯蔵システムとして既知である。コール（米国特許第５，１２５，７５０号）とマミン（米国特許第５，４９７，３５９号）は固体界浸レンズを用いた光学デスクシステムを開示している。光学アセンブリは光学媒体から読み出す、または、記述するための対物レンズと、対物レンズと媒体間に配置した、記録媒体から僅か離れた面を有する固体界浸レンズとを有する。データ貯蔵システム内に用いた固体界浸レンズは大きな底面を有するが、これは平らな面のみに用いるのに適し、従って顕微鏡を用いる用途には適しない。ＳＩＬの平らな底面は、ＳＩＬとデスク面間のギャップのサイズを制御するため滑らかなデータ貯蔵媒体に接する空気を形成するが、高さ変化のためＳＩＬ上の力を制御するための力帰還ループは作られない。発明の要約本発明の第１の目的は、装置のこわれ易さと位置決めの困難性なしに現在の近 −視野顕微鏡よりも高い光効率を有し、滑らかな及び粗のサンプルの光学像を空気中の屈折限界を越える解像度で得ることができる走査プローブ光学顕微鏡を得るにある。本発明の他の目的は、デザイン上の制限なしに走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡を結合することにある。本発明の他の目的は滑らかな及び粗のサンプルの双方に極めて小さいスポットサイズの照明を行ない、滑らかな及び粗のサンプルの双方に極めて小さい区域の光学特性を定め、空気中の屈折限界以上の解像度で滑らかな及び粗のサンプルの双方の光学像を得る、改良された方法を得るにある。本発明の他の目的は、干渉技術を用いて高さ変化を測定することを含む、サンプルの広い範囲の光学特性を得る多目的顕微鏡を得るにある。本発明の他の目的は、接触面積を減少し、プローブをサンプル面に近接できるようにするためＳＩＬプローブ上に鋭いチップを用いて滑らかな及び粗の表面の双方のイメージングを達成することにある。高い横方向光学解像度が粗の面でも、汚れがあっても（粒子，砂，ダスト等）得られる。更に、ＳＩＬプローブの鋭いチップはプローブとサンプル間で互に傾いている場合にも対応できる。本発明の目的はＳＩＬプローブを支持する片持ちレバーと、片持ちレバーの偏れをモニタするセンサとを用いることによってチップとサンプルを感度良く制御することにある。感度の良い力帰還ループは、高い横方向解像度と強い光信号のために必要なギャップをチップとサンプル間に維持し、鋭いチップに対するダメージを阻止する。片持ちレバーは原子力顕微鏡に対し接触，非接触，タッピングモードやリフトモードの総てのモードで走査可能である。本発明は、小さな焦点を作る固体界浸レンズ（ＳＩＬ）プローブを使用して、空気中の屈折限界より大きい高解像度を有する光学特徴を作る。ＳＩＬプローブは、開口数ＮＡをｎｓｉｎ（θ）に増加することによってスポットサイズを減少する。ＳＩＬプローブの球面での屈折は角θを増加する。ＳＩＬは高屈折率ｎを有する材料で作る。実際上、高屈折率材料は光の波長を減少する。更に、ＳＩＬプローブの寸法は、光学的光行差を少くすることによってスポットサイズを小さくするように選択される。ＳＩＬの無収差面に光をフォーカスすることによって球面光行差を消去し、ＳＩＬプローブの光軸上にスポットをフォーカスすることによって軸を外れた光行差を消去する。本発明のフォーカスされたスポットサイズは、入射光プロフィルを空間濾過することによって更にそのサイズを減少できる。環状濾過は収れんする光の軸光に相対的な縁光内で光学パワーを増加せしめることによってスポットサイズが減少する。本発明は多い光量の強い光信号を作り、ＳＩＬプローブが他の近−視野プローブよりも多い光量を有するとき高速走査を達成する。ＳＩＬプローブの光量は一般のファイバープローブよりも振幅のオーダーが大きい。約１００ｎｍのスポットサイズを作るＳＩＬプローブは（非反射被覆を用いることによって増加できる）光学パワーの約半分（５０％）を伝達する。比較としては、１０ｎｍの孔を有する金属被覆ファイバープローブは約１０^-5（０．００１％）伝達するのみである。本発明によれば、異なるＳＩＬプローブチッププロフィルの使用によりサンプルの広い範囲の光学的特徴に適用できる。鋭いチップはサンプルをプローブチップで走査するこによって高解像度の像を得るため用いる。大きな曲率の広いチップは干渉技術を用いてサンプル高さ変化を定める。本発明の他の目的は、光のコントラストと高さデータを分離する方法を得るにある。“リフト”モード（米国特許第５，３０８，９７４号及び第５，４１８，３６３号）として知られる原子力顕微鏡の操作モードでは一般に高さデータを記録する第１モードと、チップとサンプル間の一定のギャップと第２のコントラストメカニズムからの記録情報による走査を繰り返す第２モードを実行する。本発明の他の目的は、少くとも光の１０波長に対応する、顕微鏡技術の固有の制限ではなく走査器のＺ範囲でのみ制限された最大垂直範囲を作ることにある。本発明の他の目的は、不透明及び透明サンプルに適合する反射モードと伝達モードの双方で操作するにある。本発明の他の目的は、ＳＩＬプローブとサンプル間の接触面積ではなく走査器の範囲によって制限された大きな視野を作り、大きなサンプルのためのチップ走査をなし得ることである。本発明の他の目的は、改良された光のコントラストと解像度を変形するためＳＩＬプローブ底面上に金属または絶縁体の被覆を作ることにある。他の適用本発明の目的は、多くの用途に有用な光学顕微鏡及びその製造方法を得るにある。標準の光学的検査、計測及び欠陥検知に加えて、本発明は、例えばエリプソメート法や光プロフィル反射率法（ファントその他の米国特許第５，１８１，０８０号）を用いて、高い横方向解像度で薄フィルム厚を測定するような、より精密な測定を行うにある。従来の光学顕微鏡で既知の多くのコントラストメカニズムをけい光，偏光，位相，干渉及び暗視野を含むＳＩＬプローブに適用できる。ＳＩＬプローブ１０は更に、赤外光及びＦＴＩＲ（赤外光フーリエ変換）、可視光，変調，及びローマン拡散を含む高い空間解像度分光に適用できる。ＳＩＬプローブの小さなスポットは、レーザー，ホトダイオード及び他の光学的材料のような装置でＯＢＩＣ（光誘導電流）測定するために重要である。同様にしてＳＩＬプローブは、表面の写真石版パターン及び選択光活性化のために用い得る。材料の光特性の一般的なことは例えばパーコワイズその他の“マイクロエレクトロニクス製造における光学特性”Ｊ．Ｒｅｓ．Ｎａｔｌ．Ｉｎｓｔ．Ｓｔａｎｄ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．９９，Ｎｏ．６０５，１９９４，ｐｐ．６０５−６３９に記載されている。図面の簡単な説明第１Ａ図は、周縁光と、サンプルと、走査器及び偏角センサと共に片持ちレバー上の鋭いチップを有する固体界浸レンズ（ＳＩＬ）プローブを示す側面図である。第１Ｂ図は、ＳＩＬ空気インターフェースにおける臨界光と、周縁光と、伝達光を示す光線図である。第２図は、偏角センサと基体と共に固体界浸レンズと片持ちレバーを示す平面図である。第３Ａ図は、顕微鏡と一体の検出器と、ビームスプリッタとレーザーと共に示す走査プローブ顕微鏡の光学トレーンの説明図である。第３Ｂ図は、顕微鏡と一体のカメラと、ビームスプリッタと、ランプと共に示す走査プローブ顕微鏡光学のトレーンの説明図である。第４図は、レーザー、ビームスプリッタ及び検出器から光学顕微鏡に向かうファイバーと共に示す走査プローブ顕微鏡光学トレーンの説明図である。第５図は、片持ち支持した固体界浸レンズの力帰還ループの説明図である。第６Ａ図は、固体界浸レンズ顕微鏡のチップ走査バージョンを示す説明図である。第６Ｂ図は、伝達光のための集光レンズと共に示す固体界浸レンズの説明図である。第７図は、底面上の（金属または電気絶縁性）薄フィルムと共に示すＳＩＬプローブの説明図である。好ましい実施例の説明物理的構成第１Ａ図は、片持ちレバー１４に設けた鋭いチップと、片持ちレバー偏角センサ１６とを有するＳＩＬプローブ１０を示す。このプローブは球形面と、鋭いチップを有する円錐面または角錐面を有する。円錐状の入射周縁光１２はＳＩＬのチップ近くに集まる。可撓性片持ちレバー１４の遊端はＳＩＬプローブを支持し、他端は基体１８に取付ける。この片持ちレバー１４はサンプル面近くにプローブを正確に位置決めするために機能する。ＸＹ位置の関数となるデータを発生するため、サンプルを支持するＸＹＺ走査器２２をＳＩＬプローブ１０に相対的に移動する。固体界浸レンズ（ＳＩＬ）プローブＳＩＬプローブ１０の好ましい実施例は最少の光行差で入射光をフォーカスするための半球面を有する。この半球の直径は一般に１０μｍ〜１０ｍｍの範囲である。解像度は球面の精度によって制限される。完全な球形に比べての誤差によってＳＩＬプローブ内の波頭が歪み、スポットサイズが増加する。球面の球形度（完全な球からの二乗平均（ｒｍｓ）偏差として定められる）を波長の分数の小さな値としなければならない。更に、光の分散を最少とするため表面の質（粗さ）を制御しなければならない。更に、伝達効率を上げるため耐反射（ＡＲ）被覆をＳＩＬプローブに設ける必要がある。周縁光１２の角度は光学解像度の限界を定める。この周縁光１２は、最大入射角の円錐光の縁における光線として定められる。ＳＩＬプローブ１０に入る円錐状の光を作るため従来の顕微鏡対物レンズ３０で入射光をフォーカスする。球面における屈折は周縁光１２の角度を増加し、従って、開口数を増大する。ＳＩＬプローブ１０は、円錐または３面またはそれ以上の面を有するファセット加工の鋭いチップを有し、周縁光１２の光路を阻げることがない。円錐チップを有するＳＩＬプローブ１０のための周縁光１２の角度は円錐面の最大頂角を定める。スポットサイズを最少ならしめるため円錐の高さはｒ／ｎとする。ここで、ｒは球の半径、ｎはＳＩＬプローブ材料の屈折率である。従って円錐面の頂角は下記で示される。 θ＝２ｔａｎ^-1（ｎ）好ましい実施例におけるＳＩＬのチップの曲率半径は一般にフォーカスされたビームのスポットサイズより小さく、原子力顕微鏡（原子サイズ以下）に用いられるプローブのように鋭い。光学イメージングのため、ＳＩＬプローブ１０のチップをサンプル面に接触せしめるか、または僅か離す。ＳＩＬプローブの材料としては高屈折率で波長の広い範囲、特に短い波長での吸収の低いものが好ましい。例えば、屈折率が２．１７で短波長カットオフが３８０ｎｍである立方晶形ジルコニウムを含む。高屈折率ガラス、例えば屈折率が１．８０５でカットオフ波長が３７０ｎｍであるＳＦ６を用いる。また、屈折率が３．５でカットオフ波長が５５０ｎｍのガリウム燐化物も用い得る。硬度及び研摩性等の機械的特性も重要である。従来の研削及び研摩技術によれば、モー単位で約７の硬度を有する材料から直径約０．５ｍｍ以下の完全な球に近いものを作ることができる。他の試みはウェハー上に微小のＳＩＬプローブを作ることにある。例えば、バッチプロセス技術によれば、反応イオンエッチングによってホトレジストのリフローによってウェハー面上に球形レンズの列を作ることができる。球形面形成後、高精度ファセット加工によって円錐，角錐，その他の形の鋭いチップを作ることができる。好ましい実施例におけるＳＩＬプローブ１０は、半球状上面と球の赤道下における無収差面８４に形成される鋭いチップとを有する超半球形状のものであるが、他の実施例も考えられる。例えば、レーザーダイオード３８からの非点ビームのフォーカスを最適ならしめるため上面を非球面とする。レンズに入る光を濾過または阻止するため上面には光学フィルタを設けることができる。このようにすればパワーを減衰しながら入射ビームの放射パワーを制御することができる。フォーカスは、例えば球の赤道のような他の無収差面８４でなし得る。本発明はＡＦＭプローブとして操作できる十分な鋭さのプローブのチップを使用して小さなスポットに光をフォーカスする共通の特徴を有する種々の形状のＳＩＬプローブ１０を含む。片持ちレバー好ましい実施例においては、片持ちレバー１４の一端を基体１８に固定し、ＳＩＬプローブ１０を支持せしめる。片持ちレバーは高い共振周波数を有する強い弾性のものとし、その表面を高走査速度に追従せしめる。然しながらその弾性係数はサンプルにダメージを与えないよう十分に低くする必要がある。片持ちレバー１４はステンレススチールのような金属、またはシリコンやシリコンニトライドのような電気絶縁性の材料で作る。その長さ，幅，厚さはＳＩＬプローブの直径及び所望の弾性係数と共振周波数によって定める。片持ちレバー１４は、従来既知の単板、Ｖフレーム、バランスビーム等の形となし得る。走査器好ましい実施例においては、走査器はＳＩＬプローブ１０と相対的にＸＹＺ方向にサンプル２０を移動する。走査器は多数の電極パターンを有する圧電管であって、５０ボルトの電圧を加えることによってＸＹＺ方向に移動する。サンプル２０は透明または反射性としその厚さとサイズ（直径）は片持ちレバー基体ホルダ２８の形状のみによって制限される。走査器は、圧電スタックによって駆動される可撓ステージであって走査の閉ループ帰還制御を行なうようセンサ（容量性、ＬＶＤＴ等）を有する。このような走査器は例えばドイツ国のフィジックインストルメントから得られる。第１Ｂ図はＳＩＬプローブ１０のチップ近くのインターフェース（界面）における光を示す。円錐形の光は高屈折率ＳＩＬプローブ１０と空気またはサンプル２０間のインターフェース近くにフォーカスされる。入射円錐光は、光軸に沿った軸光と、臨界光２４と、最大入射角における周縁光１２とを含む。臨界角以下の角度の入射光と、θＣはインターフェースで反射し、屈折し、反射伝達光２６を作る。臨界角以上の角度の入射光は全体として内部反射し、反射光と減衰波とを作る。焦点深度は下式で示される。 2Δz〜λ/(4n sin²(Θ/2)) 〔３〕立方晶形ジルコニウムのためのＳＩＬプローブ１０の内側の近−視野スポットにおける焦点深度は略λ／２．５である。拡散光の遠−視野の焦点深度は略２λ である。減衰光の振幅はインターフェースからの距離の指数関数で減少する。減衰光のｌ／ｅ減衰長さは下式で示される。ここで波長λ₁＝λｎ₁及びｎ₂₁＝ｎ₂／ｎ₁＝ｎ_air／ｎ_SIL，θは入射角である。周縁光１２の減衰長さは略λ／１０である。従って、フォーカスされた入射ビームは近−視野減衰波と遠−視野拡散ビームを作る。第２図は、偏角センサ１６と偏角センサ電極１７とを一体に有する片持ちレバー１４の端近くに取り付けたＳＩＬプローブ１０を示す。片持ちレバー１４はその取り扱いを容易ならしめるため片持ちレバー基体１８を有する。片持ちレバー基体１８は一般に標準ＡＦＭチップのための基体と同一のサイズである。ＳＩＬプローブ１０は、片持ちレバー１４の遊端近くの僅かに小さい直径の孔に手動で密着して取り付けることができる。また、ＳＩＬプローブ１０と片持ちレバー１４は、超組立技術を用いて単体として作ることができ、この場合にはアセンブリが不要となりコストを低くできる。片持ちレバー偏角センサは既知である。一般的な偏角センサとしては、ストレンゲージ，水晶レジスタストレンゲージ素子，ＰＺＴ薄フィルム，光学干渉計及び光学レバーがある。片持ちレバーとＳＩＬには、光学偏向センサーの働きを最適とするため反射被覆を設けることができる。固体界浸レンズ顕微鏡の好ましい実施例においては片持ちレバーの偏角を検出するため光学レバーを用いているが、本発明においては干渉的検出、ストレンゲージ検出及び圧電効果検出等の従来既知の他の片持ちレバー偏角センサを用いることができる。光学トレーン第３Ａ図は、走査プローブ顕微鏡の光学トレーンの実施例を示す。顕微鏡は従来の直立顕微鏡に取り付けた光検出器４２と、レーザー源３８とを有する。。サンプル走査器はＳＩＬプローブ１０と片持ちレバー基体ホルダ２８とを支持する。走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）制御器４６は、ＸＹ走査運動を作り、片持ちレバー偏角センサ１６からの信号を受けてサンプルの高さ（Ｚ）を制御し、光検出器４２からの光信号４８を記録する。レーザー源３８は、好ましい走査速度を得るため十分なパワーと好ましい短波長を有する連続した、またはパルス状でノイズ強度が低く、ポイント安定度が良好なものとする。高品質光学手段３６が選択された焦点レンズ３０のために最適な直径を有する平行ビームを作る。平行ビーム内のマスクにより環状照明を作るため強度プロフィルを変更できる。平行ビームの波頭エラーは、スポットサイズを出来るだけ小さくするため最少としなければならない。立方体または薄皮状のビームスプリッタ３４はレーザービームを焦点レンズ３０に反射する。ビームスプリッタ３４は、パワー５０，５０を単純に分割し、分極し、または２分（波長に依存）する。反射光はビームスプリッタを介して光検出器４２に返すことができる。迷光、背景光及び焦点面から外れる光を減少せしめるため光検出器４２の前面に制限孔を設けることができる。低光レベル検出器（光子係数）が幾つかの用途のために必要であり、焦点レンズが検出器能動エリア上に光をフォーカスする。フィルタ３２（ａ，ｂ，ｃ）をけい光，光ルミネセンス，偏光，強度プロフィル，位相制御等のため加え、他の光コントラスト機構を実現することができる。例えば、信号と参照波間の相対位相を極端に感度良く測定できる干渉計を作るため四分の一波長板、ウオラストンプリズム及び偏光ビームスプリッタを結合することができる（例えば米国特許第５，６０２，８２０号参照）。直立顕微鏡は好ましくは空気中における長い作動距離及び高開口数を有する顕微鏡対物レンズ３０を有する。この対物レンズ３０は最少の球面光行差でフォーカスできる。このレンズの材料は短波長で高い伝達度を有するものが好ましい。補正カラーをカバーガラスを介してイメージングするため含めることができる。他の選択としては、従来の顕微鏡対物レンズ３０の代わりに光軸上にフォーカスするため（近軸焦点）に最適な単一のレンズを用いることができる。回折制限近軸焦点を作るためには高開口数非球面レンズが好ましい。更に他の選択としては、従来の顕微鏡対物レンズ３０の代りに、フォーカスのためのレンズよりむしろミラーを用いた反射対物レンズ（例えばスワーズチルド対物レンズ）を用いることができる。反射対物レンズを用いることによる利点は、高開口数、長い作動距離、短波長においても少ない吸収ロス及び色彩光行差が零であることである。直立顕微鏡はサンプル２０を直視するため及び光学素子を揃えるためのアイピース４４を有する。片持ちレバー基体ホルダ２８はＳＩＬプローブ１０を支持し、例えば細かいピッチのねじを駆動するステッピングモータを用いることよってサンプル面近くにプローブを粗位置決めせしめる。片持ちレバー基体ホルダ２８によって片持ちレバー基体１８を支持するため、押圧スプリング、磁気素子、真空、接着剤等を用いることができる。ＸＹＺ走査器がサンプル２０を走査し、ＳＰＭ制御器４６がチップとサンプル間のギャップを制御しながらラスター走査をＸ，Ｙ方向で行なう。ＳＰＭ制御器４６は更に光検出器１８をモニタし記録する。顕微鏡の光学トレーンは、信号波と参照波とを有する干渉計を含む。信号波はＳＩＬプローブ１０とサンプル２０の相互干渉を測定し、参照波は光学トレーンの残りを測定する。干渉計は信号波と参照波の振幅と相対位相をモニタする。干渉計を操作するために必要な光学要素は、四分の一波長板と、ウオラストンプリズムと、ビームスプリッタと、種々の標準偏光制御要素である。第３Ｂ図は、広視野イメージングのためのＳＩＬプローブを用いた他の実施例を示す。この実施例ではレーザーの代りにランプ１０２を用い、直立顕微鏡上の光検出器の代りにカメラ１０８を用いる。プロセッサ１１０がカメラ信号をモニタし、広視野イメージプロセス機能を達成せしめる。ＳＰＭ制御器４６は処理されたイメージのためのディスプレイを含み、視野を選択しチップとサンプル間のギャップを制御するためＸＹＺ位置決めステージ１１２を制御する。好ましい実施例は、ラスタパターン内で走査し、ピクセル毎のデータを補正することによってイメージを作る走査プローブ顕微鏡である。この例においては、ＳＩＬプローブは鋭いチップを有し、単一のピクセルを照明するため小さなスポットに光をフォーカスする。他の実施例は、サンプルの領域を見るため、及びピクセルの任意の列を照明するため広いチップ（大きい曲率半径の）を有するＳＩＬプローブを用いた広視野イメージング顕微鏡である。このチップとサンプルの接触面積は視野を制限し、接触半径は下記のように示される。ここでｒｃは接触半径、Ｒはチップ半径、Ｓはチップとサンプル間の最大ギャップである。例えば接触直径が１０ミクロンのものに対してはチップとサンプル間の最大ギャップが５０ｎｍの場合２５０ミクロンのチップ半径を必要とする。従って、広視野イメージング顕微鏡は平らで滑らかなサンプルに最適である。他の実施例におけるランプ１０２は、水銀アークまたはタングステンハロゲンランプ等の収れんしない照明源である。ケーラー照明器１０４は視野全体を均一に照明し、視野サイズを制御するための視野ダイヤフラムと、焦点レンズの照明を制御するための開口ダイヤフラムとを有する。カラーフィルタ３２ｂは照明の波長帯を選択できる。球状の（上方）ＳＩＬ面からの背景光を減少し、イメージコントラストを改良するため従来の直立顕微鏡を共焦点顕微鏡に代えることができる。更に、ＳＩＬプローブをＡＲ被覆し反射光を減少できる。第４図は、近−視野走査プローブ顕微鏡の光学トレーンの他の実施例を示す。この例においては、空間抑制を消去するためファイバーカップラー５６を有する直立顕微鏡にレーザー光学手段３６とセンサ光学手段４０を接続する。ファイバーカップラー５６は、１〜１００ミクロンの直径のコアを有する一般に単一モードのオプチカルファイバー５４を用いたファイバーコリメータ／カップラーを有する。ファイバーカップラー５６は臨界的に時により注意深い調整が必要である。角度研摩ファイバーカップラー５６を用いることによって光検出器４２における大きなノイズを作る背面反射を最少にすることが必要である。第５図は、ＳＩＬプローブ１０のための力帰還ループを示す。好ましい実施例においては、光学レバー偏角センサがチップ−サンプル力をモニタし、帰還ループ６８に対するアナログまたはデジタルの入力を作る。光検出器４２は入力を作る。Ａ−Ｄ（アナログ−デジタル）コンバータ６４はデジタルプロセッサ６８のための信号をサンプルできるか、または、低光レベル光子計数（ＴＴＬ）検出器からのデジタル入力を得る。光学レバー偏角センサは片持ちレバー１４上に入射し片持ちレバー１４上の反射面から反射される光ビームを有する。調整ミラー６０は反射されたビームを位置−感知光検出器６２に加える。従来の原子力顕微鏡には存在しない付加的抑制は、光学レバーセンサが顕微鏡対物レンズ３０の作動距離を調節しなければならないことである。最も好ましい手段は、光軸に略平行に光学レバーレーザーを対物レンズ３０に加えることである。次いで、反射ビームを対物レンズを介してミラー６０と位置−感知光検出器６２に加える。この場合、顕微鏡対物レンズ３０の作動距離を短く調節できる。ＳＩＬ光検出器４２からの光学レバーレーザー５８の迷光を遮断するためフィルタが必要であり、または、光学レバーレーザービーム５８の波長が顕微鏡に用いる他の光源の波長より大きく異なる。好ましい実施例においては、デジタル帰還ループは、帰還を完成するため偏角センサ１６からの入力Ａ−Ｄ６４と、帰還のための高速デジタルプロセッサ６８と、Ｚ軸アクチュエータに対する出力Ｄ−Ａ６６とを用いる。走査制御器７０は、デジタル電子手段６８からのラスター走査を制御するためのパラメータを受け取り、Ｄ−Ａ６６を介してＸＹ走査器に送られる直線走査パターンを作る。コンピュータ７２が帰還ループとラスタ走査を制御し、イメージデータを記録し表示する。第６Ａ図は、走査プローブ顕微鏡のチップ走査バージョンを示す。ＸＹＺ走査器２２は片持ちレバーＳＩＬプローブ１０を支持し、プローブをサンプル２０に相対的に移動する。ＸＹＺ走査器２０は更に中間焦点レンズを支持し、走査しながら、入射ビームの軸をＳＩＬプローブ１０の軸上に維持する。マウント８０が粗いＸ−Ｙステージ７８と、Ｚステージ７６を支持し、ＳＩＬプローブ１０をサンプル面に粗接近せしめる。サンプル２０は固定されているので、マウント８０は直径１２”のシリコンウェハーのような大きなサンプル２０を支持できる。更に、マウント８０は大きい範囲のサンプル厚さ（０．００１”〜１０”）に調節できる。第６Ｂ図は、透明サンプルのための走査プローブ顕微鏡のチップ走査バージョンを示す。集光レンズ８６はサンプルに加えられた光を集め光検出器４２に向ける。第７図は、円錐または角錐（底）面上に金属または電気絶縁材料の層を有するＳＩＬプローブ１０のバージョンを示す。傾斜光ガイドプローブのためには金属被覆は欠点となるが、ＳＩＬプローブ底面のためには利益となる。例えば、フィルム内の粒子が光を高効率に発散でき、弱い信号を検出できるようになる。屈折率と吸収のような光学特性は層材料の選択を定める。例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ等は光を散乱する断面を定める粒子サイズを有し、厚さは部分的に透明から不透明に光学的密度を制御する。０．０１λ〜１０λの範囲の直径を有するチップ近くの不透明被覆８２内には孔やピンホールが生ずる可能性がある。例えば、ＧａＰ，ＭｇＦ，ＳＦ６，ＣａＦ等の電気絶縁性被覆８２はＳＩＬプローブ材料と異なり屈折率と透明度（吸収）を有する。ＳＩＬプローブ面に亘り被覆８２の厚さは波長より大きいか小さく変化できる。多層の被覆８２も有用である。最後に、ＳＩＬプローブ面に対する薄フィルムの接着はサンプル２０の走査の間フィルムが剥がれないように十分に強くする必要がある。本発明の操作第１Ａ図と第１Ｂ図においてフォーカスされたレーザー光はＳＩＬプローブ１０上に入射する。レーザー源３８は一般に単一波長として操作されるが、少ない吸収の材料のＳＩＬプローブの範囲を越える波長のバンドを用いることが可能である。理想的な入射光は光行差に無関係に収れんする球状波頭を有する。ＳＩＬプローブ１０の球面での屈折により光は更にフォーカスされ開口数（ＮＡ）が増加する。円錐照明が、アツベ制限によって与えられるスポットを有するＳＩＬプローブ１０のチップ近くのスポットに収れんする。ｄ〜λ/(2n_SIL sinΘ_M) 〔５〕球面における屈折率が周縁光１２の角度とθＭを増加し、高屈折率材料が波長をλ／２ｎ_silに短縮するため、ＳＩＬプローブ１０がスポットサイズを減少する。従って、短い波長で透明となるλ／ｎ_silが小さい最大可能屈折率を有する材料を選択することによってスポットサイズを減少できる。ＳＩＬプローブ１０の横方向光学解像度は、減衰波ｄｐの減衰長さに応じたチップとサンプル間のギャップのサイズに依存する。近−視野ケース：チップとサンプル間のギャップ＜ｄｐチップとサンプル間のギャップがｄｐ以下の場合には、ＳＩＬプローブ内のスポットサイズが横方向光学解像度を定める。ＳＩＬプローブ材料内では円錐照明全体がフォーカスされる。ＴＩＲ光がチップから小さな距離（ｄｐ〜λ／１０）で減衰波を作る。サンプル２０が減衰波と反応し動揺し、入射光の強度，偏光，波長，位相等の特性を変える。選択された波長において透明なサンプルのための他の実施例においては、サンプルの層を介してフォーカスするようにＳＩＬプローブをサンプル面の下側とすることが可能である。ＳＩＬプローブのチップと焦点面間のサンプル層により光行差を補正するためＳＩＬの上面は球面または非球面に選択することができる。更に、円錐照明の収れんを調節するためＳＩＬプローブのチップとサンプルの接触面積を増大する必要がある。チップとサンプル間のギャップは、サンプルに対する伝達光の効率をあげるため照明の全面積に亘りｄｐより小さくする必要がある。ＳＩＬプローブの屈折率は、サンプルの屈折率と等しいか異ならしめることができ、ＳＩＬプローブよりもサンプルの屈折率が横方向解像度を定める。透明なサンプル内に光をフォーカスすることに加えて、例えばデータ貯蔵デスク上の屈折サンプル面に透明な薄層を介してフォーカスせしめることが可能である。遠−視野ケ−ス：チップとサンプル間のギャップ＞ｄｐチップとサンプル間のギャップがｄｐより大きいとき、ＳＩＬプローブ１０の外側の遠−視野スポットサイズが横方向解像度を定める。伝達光が円錐に収れんし、周縁光１２が屈折臨界光２４となる（第１Ｂ図）。臨界光２４の角度は下式を満足する。 sinΘ_C=1/n_SIL 〔６〕従って、ＳＩＬプローブ１０の外側のスポットサイズは下記のファクターによって増加する。 n_SIL ²sinΘ_M 〔７〕これらの光はサンプル２０と反応し、横方向解像度が比較的に小さい遠−視野イメージを作る。環状照明レーザー光の中心近くの光を遮断する空間フィルタ３２（ドナットマスク）により伝達光２６（臨界角以下の入射角の光）を消去できる。この結果、遠−視野ケースが除去され、１．３〜１．６の付加的ファクタによってスポットサイズを改良できる（ゲラその他による米国特許第４，６８１，４５１号参照）。レンズの全ＮＡは光検出器４２に光を戻すために有用である。このことを考慮して立方晶形ジルコニウムＳＩＬプローブの究極の解像度が略λ／６，またはカットオフ波長における略６０ｎｍよりも理論的に良好となる。鋭いチップサンプル面は減衰波の減衰長さｄｐよりも大きい粗さである。更に、サンプル面は（例えばダスト，砂，粒子等により）汚れている。従って多くの場合、チップとサンプル間のギャップを、従来のＳＩＬプローブに望まれる大きな接触面積（略直径１００μｍ）に亘りｄｐ以下に維持することは不可能である。鋭いチップは、接触面積が小さく、従ってＳＩＬプローブ１０を、汚れがある場合でも粗いサンプル面に対し、チップとサンプル間のギャップがｄｐ以下となるようにサンプル面に十分に接近できるようになる。チップの半径は面の粗さ及び望まれる追従高さの程度に応じて光学スポットサイズよりも大きいか、または小さくする。光行差レンズに基因する、特に、顕微鏡対物レンズ３０と球状ＳＩＬプローブ面からの光学的光行差はスポットサイズを増加し、横方向解像度を減少せしめる。半球面の球面度（完全な球からのｒｍｓ偏差の測定値）を波長の分数である小さな値とする必要がある。球面光行差を少なくするため入射光を従来既知の無収差面８４にフォーカスする。球形レンズに対してはこのような面は２つある。その１つは赤道を通る面であり、他の１つは赤道からｒ／ｎの距離離れた面である。ここでｒは半径、ｎは球における屈折率である。顕微鏡対物レンズ３０によって光を赤道からｎｒだけ離れた場所にフォーカスすることによって（第７図）。球面光行差が修正されたＳＩＬプローブ１０の頂部にスポットが作られる。球面光行差に加えて、他の単一色光行差、コマ収差、非点収差、視野湾曲及び歪みがある。このような軸を外れた光行差は、円錐頂部と球面軸間の分離を許容値内に確実に維持することによって少なくできる。レイリー四分の一波基準によれば光の光路差がλ／４以下のとき屈折限界を生じる。この条件から球面光行差の許容値を計算したところ、ＳＩＬプローブ１０の厚さの許容値が数ミクロンのオーダーであることが判明した。従って、円錐の高さ及びＳＩＬプローブ１０の全体高さ（円錐の頂部から球面頂部迄の距離）の許容値に確実に合致するための高精度研摩工具を必要とする。光学的効率ＳＩＬプローブ１０の光学的効率は、プローブが制限された孔と光吸収フィルムの使用を避けるため極めて高い。ＳＩＬプローブ材料による吸収と、上面での反射と拡散によって光のロスを生ずる。然しながら、滑らかな仕上げ表面を作る非反射被覆、高品質研摩及び材料を操作波長における吸収が最少のものに選択することによりこれらのロスを最少となし得る。従って、ＳＩＬプローブ１０に入る光の５０％以上がフォーカス点に達し、光信号を作る。片持ちレバー片持ちレバー１４はＳＩＬプローブ１０を支持し、ＳＩＬプローブのチップとサンプル２０間の力に応じて偏向（撓み）せしめる。片持ちレバー１４上のセンサがこの撓みを検知し、帰還ループ内でこのチップ −サンプル間の力を制御する。上記センサは既知であるが一般的にはストレンゲージ，ＰＺＴ薄フィルム，光学干渉計，光学レバー，トンネルチップ，誘導及び容量性センサが用いられる。このセンサによれば、チップとサンプル間のギャップをチップの近−視野内に維持し、チップやサンプル２０に対するダメージを阻止するためチップとサンプル間の力を正確に制御できる。片持ちレバー力帰還に代えて、またはこれに加えて、チップとサンプル間のギャップを近−視野光信号４８によって制御できる。遠−視野伝達光は大きな焦点深度（立方晶形ジルコニウムでは２ΔＺ〜２λ）を有するが、環状照明を用いて伝達光２６を省略できる。従って、光学的等方性サンプル２０のためには近−視野信号強さでチップとサンプル間のギャップを測定する。片持ちレバー１４は総てのＡＦＭモード、即ち、ＳＩＬプローブ１０のチップがその走査の間サンプル面に接する接触モード、表面に接することなくチップとサンプル間のギャップをｄｐに近づける非接触モード（一定ギャップモード）、片持ちレバー１４がその共振周波数で振動し、各サイクル（振動の振幅はｄｐより大きいか、または小さい）の転換点またはその近くでサンプル面に接するタッピングモード及びチップが、始めサンプル面をたどって高さデータを記録し、次いである高さをオフセットした貯蔵データを用いて走査を行なうリフトモードで操作できる。接触モード片持ちレバーは一般に小さなスプリング定数と、低い共振周波数とを有する。タッピングモード片持ちレバーは、一般に大きいスプリング定数と、高い共振周波数とを有する。リフトモード片持ちレバーは上記接触モードとタッピングモード片持ちレバーの両方を用い得る。リフトモードでは高さデータと光学データを分離する手段を設ける。初めの走査でＡＦＭモードにおける高さを記録し、第２の走査では貯蔵した高さデータを用いて表面を戻る。高さのデータを加えることなくチップとサンプル間のギャップをｄｐとし、イメージ光特性を最良ならしめるためＳＩＬは上昇または下降できる。リフトモードでは、傾斜または湾曲等のサンプル面の全体的特徴に追従するチップを有するが、このチップは微細な特徴には追従できない。既知の他のＡＦＭモードとしては、チップとサンプル間のギャップが、プローブが定められた高さの面を走査したとき（プローブが表面に当って）変化する一定高さモード（偏向モード）がある。更に、位相イメージング，走査容量顕微鏡（ＳＣＭ），磁力顕微鏡（ＭＦＭ），電気力顕微鏡（ＥＦＭ），ナノインデンテーション，及び流体や真空中のバイオロジカルサンプルの高温及び低温におけるイメージングがある。更に、ＳＩＬプローブ１０は、サンプル面上を飛び越しながら従来の原子力顕微鏡で可能な速さより極めて高速で走査できる。この場合には力帰還は表面の詳細はたどらず、チップとサンプル間のギャップは変化する。光信号データ速度制限が片持ちレバー１４の機械的応答時間より極めて高いので高速走査は可能となる。片持ちレバーの共振周波数は一般に１ＭＨｚ以下であるが、光の変調は少なくとも１ＧＨｚとなし得る。片持ちレバー１４のスプリング定数とＳＩＬプローブ１０の質量は可能な最大機械的共振周波数を得るように選ぶ。従って、ＳＩＬプローブのチップは高走査速度においてもサンプル面をたどることができる。片持ちレバー１４はＳＩＬプローブ１０の姿勢を制御し、維持し、その光軸を顕微鏡の残りの部分に合致せしめる。サンプル走査器に取り付けたステージ７８は片持ちレバー基体１８を支持し、ＳＩＬプローブ１０をサンプル面に粗接近せしめる。従来の光学顕微鏡走査プローブ顕微鏡は従来の光学顕微鏡をベースとしている。レーザー源３８からの光は高品質平行光学手段３６に入り、平行度、光の直径及び光のプロフィルが制御される。平行にされたレーザー光はフィルタ３２の任意の点を通り、強度，偏光，波長，位相等のパラメータが制御される。ビームスプリッタがレーザー光を焦点レンズ、一般に顕微鏡対物レンズ３０に送る。ＳＩＬプローブ１０が次いで光をフォーカスし、チップの近くに小さなスポットを作る。サンプルから帰った光はビームスプリッタ迄の入射光の光路を戻り、次いで光検出器４２に入る。走査−プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）制御器４６は入力として光信号４８を受け取り、光イメージを作る。光強度モニタ検出器４２はピクセル毎のイメージを作る。ＳＰＭ制御器４６は更に駆動電圧５０と５２を作りサンプル２０をＸ及びＹ方向に走査し、片持ちレバー偏角センサ１６からの入力に応じてサンプル高さ（Ｚ）を制御する。広い視野イメージングを作る他の実施例においては、非平行光源（ランプ１０２）からの光がケーラー照明器１０４に入り、サンプルの照明域と対物孔の照明を制御する。光はフィルタ３２を任意の点で通り、強度，光プロフィル，偏光，波長等のパラメータが制御される。ビームスプリッタ３４が光を焦点レンズ例えば顕微鏡対物レンズ３０に送る。次いでＳＩＬプローブ１０が光をフォーカスし、チップの近くに小さなスポットを作る。サンプルから戻った光はビームスプリッタ迄の入射光路をたどり、カメラオプテックス１０６及びカメラ１０８に達する。プロセッサ１１０が、サンプルの光プロフィルを特徴づける広−視野イメージデータをモニタし、記録する。更に、プロセッサは一連のイメージを集め、大きな視野を得るためモザイクを作る。更にＳＩＬプローブ面から反射した光とサンプルから反射した光の干渉を処理することによってコーヒンその他の米国特許第５，２０４，７３４号、第５，１３３，６０１号と同様に付加的なサンプル特性を求めることができる。ＸＹＺ位置決めステージ１１２がＳＩＬの下側の関連区域を位置決めし、チップとサンプル間のギャップのサイズを制御する。例ＳＩＬプローブを直径１ｍｍの立方晶形ジルコニウム球から作り、球形度の許容値を１２５ｎｍ（５マイクロインチ，グレード５）とし、屈折率ｎを２．２とした。円錐形チップを半角６５度、接触面積２ミクロンのＳＩＬプローブ上で研摩した。ＳＩＬプローブを片持ちレバーに取り付け、テストサンプルに接触せしめた。テストサンプルは好ましい基体上に配置し蒸着用マスクとして用いた六角形の単一層に圧縮したラテックス球より成るラテックス突出パターンであった。特に、直径０．４５ミクロンのラテックス球のアルミニウム突出パターンの最小サイズは１００ｎｍ以下である。５３２ｎｍのグリーンレーザーを従来の顕微鏡対物レンズ（ニコン５０×０．４５ＮＡ，長作動距離）を通してＳＩＬプローブに照射し、反射光強度をホトダイオードでモニタした。デジタルインストルメントナノスコープIIIａＳＰＭ制御器ラスターでサンプルを走査し、ホトダイオード信号をアナログ入力とした。テストサンプル上の横方向の解像度の測定値は１５０ｎｍで、理論的解度限界は１３０ｎｍであった。４３０ｎｍのブルーレーザーを用いたときの立方晶形ジルコニウムＳＩＬプローブのための理論的解像度限界は１１０ｎｍである。比較のための５５０ｎｍ（光吸収のためのカットオフ波長）の波長で３．５の屈折率を有するＧａＰ（ガリウム燐化物）ＳＩＬプローブの理論的解像度限界は９０ｎｍである。ファイバーカップラーを有する第４図の実施例レーザー源３８は顕微鏡に直接取り付けないため、ファイバーカップリングは、質量のあるテーブルタップレーザー源３８を使用できる。第４図に示すようにレーザー源３８と光検出器４２はファイバー５４によって接続できるかで、レーザー源３８をファイバー結合とし、光検出器４２を好ましい実施例（第３図）のモード操作できる。レーザー源３８と光検出器４２とを単一モードファイバー５４によってファイバー結合したときは、システムを共焦点顕微鏡として操作する。ファイバー５４のコアは空間フィルタとして機能し、非フォーカス光を除き焦点深度を減少する。また更に、ＳＩＬプローブ１０によって伝達された（減衰しない）放射光からの信号及びＳＩＬプローブ球面から反射した背景光を減少する。第５図の帰還システム好ましい実施例における帰還システムは、エリングによる米国特許ＲＥ３４，３３１号に示されているようなデジタル計算帰還システムである。このシステムは、片持ちレバー１４上に設けたチップを有する接触型の力センサと、チップ位置のレバーの偏角を検出するためのセンサと、３次元圧電走査器とを用いるセンサからの信号をＡ−Ｄコンバータに加え、高速デジタル電子回路６８で処理し、サンプル２０またはセンサの垂直運動を制御する。デジタル電子回路６８によって走査の間、圧電走査器を上下し、サンプル２０上のチップの力を本質的に一定に維持する。第６図のチップセンサ他の実施例においては、ＸＹＺ走査器２２が片持ちレバー基体１８を支持し、サンプル２０よりはむしろチップを移動する。固定ステージ７６，７８を変換機構を介してＸＹＺ走査器２２とサンプル２０に取り付け粗位置決めを行なう。ＸＹＺ走査器２２は、チップの走査においてレーザー光をＳＩＬプローブ１０の軸上に維持するため焦点レンズを支持できる。チップ走査器７４の第１の利益は、直径１２”のシリコンウェハーのような大きなサンプルを走査する能力を有することである。第７図のＳＩＬプローブ上の薄フィルム薄い金属フィルムは高い効率で光を散乱でき、弱い信号をより良く検出できる。小さな金属粒子からの強い散乱光は光の波長よりも粒子サイズによって定められる面積において光のコントラストを作る。この場合、ナノメータレベル以下の極端に高い横方向解像度の光学イメージングを作ることができる。ＳＩＬプローブ１０によれば、従来の孔なし近−視野光学顕微鏡を改良できる。ＳＩＬプローブ底面をナノメータレベルの粒子サイズの光散乱材料で被覆し、またはＳＩＬのチップに小さな粒子を付けることにより、信号レベルをより多くし、背景レベルを減少した改良孔なし近−視野顕微鏡を得ることができる。散乱光信号を感度良く検出するため被覆ＳＩＬプローブ１０を干渉計と一体ならしめる。チップとサンプルの相互作用による信号波と参照面からの参照波を干渉できる。この干渉信号の位相と振幅はチップとサンプルの相互作用を示す。ＡＦＭの軸と従来の顕微鏡のレバーからの背景は消される。更に減衰視野と小さなスポットサイズはサンプル２０から散乱される背景を減少する。従って、光検出器４２に帰る散乱光の多くは有用な信号である。ＳＩＬプローブ１０のデイザーリングとデイザー周波数における光信号４８の検出は更に信号を改良する。例えば、片持ちレバー１４を共振周波数で駆動することによるデイザーリングは容易になし得る。基準として共振周波数を用いるロックイン検出は信号対ノイズ比を十分に改良する。また、反射光を使用すれば、透明及び不透明サンプル２０のイメージングを行なうことができる。表面プラズモン共振イメージングもまたＳＩＬプローブ底面上の薄い金属フィルムによって可能となる。表面プラズモンは単一層レベル以下で表面特性に極端に感応する。ＳＩＬを照明する円錐内の幾つかの光はチップ近くのプラズモン共振を励起する。ＳＩＬプローブ１０がサンプル面を走査したとき、プラズモン共振の角度における光の強度をモニタすることによって表面特性における極端に小さな変化を検出することができる。ＳＩＬプローブ１０が光を集めたとき、チップ近くの小さな区域を除いて底面をカバーした薄い不透明フィルムは背景及び迷光を消す。このことは、従来の傾斜したファイバー近−視野プローブ上に孔を有する不透明被覆を使用することに等しい。金属フィルムの代りに、高屈折率の絶縁材料のフィルムを用いてもＳＩＬ内のスポットサイズを減少でき、短い波長によって横方向解像度を改良できる。要約ＳＩＬプローブ１０の操作理論は、傾斜ウエーブガイドプローブとは基本的に異なる。傾斜した光学ウエーブガイドは光を閉じ込め、波長より大幅に小さい制限孔を通して押し込む。この場合の欠点は、光レベルが極端に低く、プローブが機械的に破損することである。これに反し、ＳＩＬプローブ１０は球面で光をフォーカスし、高屈折率材料を用いて波長を短くする。この結果、ＳＩＬプローブ１０は従来の顕微鏡対物レンズ３０の開口数を増加する。従って、ＳＩＬプローブ顕微鏡は従来の光学顕微鏡よりも横方向解像度を高くし、傾斜ウエーブガイドプローブよりも光の生産を高める。ＳＩＬプローブ１０上の鋭いチップの場合は、平らな、または粗いサンプル面に対しても及びダスト，砂，粒子等により汚染されている場合でも減衰波減衰長さの範囲でこれをサンプル面に近づけることができる。粗状態帰還機構はチップとサンプルの分離を正確に制御する。更に、ＳＩＬプローブがサンプル面を飛び越すようにすれば、原子力顕微鏡で可能な値よりもより高速で走査することができるようになる。従って、ＳＩＬプローブ顕微鏡は原子力顕微鏡における利益に加えて光学顕微鏡で達成できるコントラストメカニズムの広い範囲の利益を有するようになる。以上本発明の特別な構成を、好ましい幾つかの実施例について記載したが、本発明は同様の機能を達成できる従来既知の他の構成をも含むものとする。以下の請求の範囲における対応する構成、材料、動作、均等な総ての機構またはステップと機能は、特に請求された構成、材料または他の機構と組合せにより達成する動作をも含むものである。

【手続補正書】【提出日】平成１２年１０月２７日（２０００．１０．２７）【補正内容】【図１Ａ】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 21/06 Ｇ０１Ｂ 11/24 Ａ【要約の続き】作する。

Claims

【特許請求の範囲】 1. ａ）サンプル支持体と、ｂ）第１面と、プローブチップを形成する第２面とを有する、屈折率の大きい材料の固体界浸レンズと、ｃ）固体界浸レンズの第２面上のプローブチップにおける焦点に固体界浸レンズの第１面を介して光をフォーカスするための光学手段と、ｄ）走査すべき面を有するサンプルから固体界浸レンズ上のプローブチップ迄の距離を制御する垂直位置決め器と、ｅ）固体界浸レンズとサンプル支持体とを互に相対的に略水平面に沿って移動せしめるための走査器と、及びｆ）固体界浸レンズの上面から放射される光を集めるための光学手段とより成る走査プローブ光学顕微鏡。 2. ａ）上記固体界浸レンズの第２面上の上記プローブチップがポイントを形成し、ｂ）上記固体界浸レンズの第１面を通る光を上記光学手段によってフォーカスして上記固体界浸レンズ内の幾つかの光を臨界角より大きい角度で上記プローブチップ上に投射せしめ、上記プローブチップに隣接して減衰視野を作り、顕微鏡に供給された光が、滑らかな及び粗いサンプル面の近くに位置決めされるプローブチップに隣接して小さなスポット光を形成し、顕微鏡から集められた光が検出され、解析されてサンプルの光学特性を測定し、空気中の屈折限界より良好な解像度の光学手段を作る請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 3. 上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが大きな曲率で湾曲している請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 4. ａ）上記固体界浸レンズ上のプローブチップが原子力顕微鏡のプローブとしての機能を果たす形状であり、ｂ）上記垂直位置決め器が更に原子力顕微鏡制御及び測定手段を有し、原子力顕微鏡として機能する請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 5. ａ）上記固体界浸レンズの第１面が半球状であり、ｂ）上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の無収差面上に配置され、球面光行差が最小となり、光学的解像度が改良される請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 6. 上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の赤道からｒ／ｎの距離だけ離れた無収差面に位置され、ここでｒはレンズの半径、ｎはレンズ材料の屈折率であり、固体界浸レンズが超半球レンズであり、光学的解像度が改良される請求項５記載の走査プローブ光学顕微鏡。 7. 上記プローブチップにおける臨界角Ｃ内の光を減少し、または略消去する少なくとも１つの空間フィルタを有し、減衰スポットサイズを減少し、解像度を改良し、光の遠−視野寄与を減少または消去する請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 8. 上記固定界浸レンズの第１面を通る光をフォーカスするための上記光学手段と、固体界浸レンズの第１面から放射される光を集めるための上記光学手段が夫々、ａ）固体界浸レンズの上側に位置される従来の光学顕微鏡対物レンズと、及び、ｂ）従来の顕微鏡対物レンズの上側に位置され、光源からの光を対物レンズに指向し、対物レンズを通る固体界浸レンズからの光の一部を分離して検出及び解析装置に指向せしめるための光学ビームスプリッタとを有する請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 9. 光学顕微鏡の対物レンズと光学ビームスプリッタ間のファイバーオプチックケーブルを有し、ビームスプリッタから対物レンズへ向かう光と、対物レンズからビームスプリッタへ向かう光とをファイバーオプチックケーブルを介して伝送し、照明源と検出解析装置をより都合良く配置し、形状に大きな融通性を与え、ファイバーオプチックケーブルを共焦点顕微鏡における空間フィルタのように機能せしめ、解像度を向上せしめた請求項８記載の走査プローブ光学顕微鏡。 10．上記固体界浸レンズの第１面を通る光をフォーカスするための上記光学手段と、固体界浸レンズの第１面から放射される光を集めるための上記光学手段とが、光軸上にフォーカスする（近軸焦点）ための非球面レンズを有し、レンズのサイズと重さを従来の顕微鏡の対物レンズのそれより小さくした請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 11．上記固体界浸レンズの第１面を通る光をフォーカスするための上記光学手段と、固体界浸レンズの第１面から放射される光を集めるための上記光学手段とが、共焦点顕微鏡より成る請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 12．サンプルからプローブチップ迄の距離を制御するための上記垂直位置決め器がａ）固体界浸レンズを乗せる片持ちレバーと、ｂ）片持ちレバー偏角センサと、及びｃ）片持ちレバー位置決め器とを有し、片持ちレバーの偏角を感知し、サンプル上のプローブの位置を調節する請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 13．上記片持ちレバー偏角センサが更に、ａ）偏角センサ光源と、ｂ）固体界浸レンズの第１面を通る光をフォーカスするための光学手段の上側に位置され、偏角センサ光源からの光と固体界浸レンズの第１面を通るフォーカスされる光とを結合する光学信号結合手段と、ｃ）固体界浸レンズの第１面の小さな区域上の反射被覆と、ｃ）偏角センサ光検出器と、を有し、偏角センサ光源からの光とサンプルを照明するための光とが結合され、ＳＩＬの上面から反射され、偏角センサ光検出器によって検出され、片持ちレバーの偏角が測定される請求項１２記載の走査プローブ光学顕微鏡。 14．水平位置決め器が従来の走査プローブ顕微鏡ＸＹＺ位置決めシステムを有する請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 15．更に光源を有する請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 16．上記光源がレーザーである請求項１５記載の走査プローブ光学顕微鏡。 17．上記光源がレーザーとファイバー結合手段であり、上記レーザーが顕微鏡の他の構成部分から離れて位置し、上記レーザーが形状的に大きい請求項１５記載の走査プローブ光学顕微鏡。 18．更に光センサを有する請求項１記載の走査プローブ光学顕微鏡。 19．上記光センサがホトダイオードを有する請求項１８記載の走査プローブ光学顕微鏡。 20．上記光センサが従来の光学顕微鏡のアイピース又はカメラシステムであり、更に、光路から固体界浸レンズを一時的に除去するための手段を有し、サンプルが従来の光学顕微鏡的方法で交互に検査される請求項１８記載の走査プローブ光学顕微鏡。 21．ａ）対物レンズと、ｂ）サンプルを照明するための光を照明源から対物レンズに指向せしめ、対物レンズから放射される光の一部を光検出装置に指向せしめるための、上記対物レンズの上側のビームスプリッタと、ｃ）上面と、プローブチップを形成する下面とを有し、対物レンズからの光をプローブチップでフォーカスするための上記対物レンズの下側の固体界浸レンズと、ｄ）サンプルから固体界浸レンズ上のプローブチップまでの距離を制御するための垂直位置決め器と、より成り、照明源からの光をサンプル上の小さなスポットに指向せしめ、サンプルの小さな区域の光学特性を定める光学顕微鏡。 22．ａ）固体界浸レンズの下面上のプローブチップが原子力顕微鏡のプローブのように機能する形状であり、及びｂ）更に原子力顕微鏡制御器を有し、分離した光学手段と原子力測定装置を位置決めすることなしにサンプルから光学情報と原子力顕微鏡の測定値とが得られる請求項２１記載の光学顕微鏡。 23．上記原子力顕微鏡制御器が更に、ａ）サンプルの高さを記録するための手段と、ｂ）サンプルの記録された高さをベースとしてサンプルの上側に正確な間隔でプローブチップを位置決めするための手段と、を有し、サンプルからプローブ迄の既知の間隔で近−視野光学測定値を作り、サンプルからの距離の効果を維持しながらサンプルの光学特性を定める請求項２２記載の光学顕微鏡。 24．原子力制御器が更に、ａ）サンプル面上の多くのポイントにおける高さ測定値を作り、記録するための手段と、ｂ）高さ測定を行なった各ポイント上から原子力顕微鏡測定値から計算された正確な距離の位置にプローブチップを再位置決めするための手段と、を有し、サンプルの大きな区域で近−視野光学測定値を作り、サンプルからの距離の効果を得、サンプルの光学特性を定める請求項２２記載の光学顕微鏡。 25．対物レンズとビームスプリッタ間のファイバーオプチックケーブルを有し、ビームスプリッタから対物レンズへ向かう光と、対物レンズからビームスプリッタへ向かう光とをファイバーオプチックケーブルを介して伝送し、照明源と検出解析装置をより都合良く配置し、形状に大きな融通性を与え、ファイバーオプチックケーブルを共焦点顕微鏡における空間フィルタのように機能せしめ、解像度を向上せしめた請求項２１記載の光学顕微鏡。 26．ａ）サンプル支持体と、ｂ）第１面と、プローブチップを形成する第２面とを有する、屈折率の大きい材料の固体界浸レンズと、ｃ）固体界浸レンズの第２面上のプローブチップにおける焦点に固体界浸レンズの第１面を介して光をフォーカスするための光学手段と、ｄ）サンプルから固体界浸レンズ上のプローブチップ迄の距離を制御する垂直位置決め器と、ｅ）固体界浸レンズとサンプル支持体とを互に相対的に略水平面に沿って移動せしめるための走査器と、及びｆ）サンプルからの光を集めるための光学手段とより成り、透明サンプルの光学特性を定め空気中の解像限界以上の解像度を得る走査プローブ光学顕微鏡。 27．上記固体界浸レンズの第１面を通る光を上記光学手段によってフォーカスして上記固体界浸レンズ内の幾つかの光を臨界角より大きい角度で上記プローブチップ上に投射せしめ、上記プローブチップに隣接して減衰視野を作る請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 28．ａ）上記固体界浸レンズ上のプローブチップが原子力顕微鏡のブローブとしての機能を果たす形状であり、ｂ）上記垂直位置決め器が更に原子力顕微鏡制御及び測定手段を有し、原子力顕微鏡として機能する請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 29．ａ）上記固体界浸レンズの第１面が半球状であり、ｂ）上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の無収差面上に配置され、球状減衰が最小となり、光学的解像度が改良される請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 30．上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の赤道からｒ／ｎの距離だけ離れた無収差面に位置され、ここでｒはレンズの半径、ｎはレンズ材料の屈折率であり、固体界浸レンズが超半球レンズであり、光学的解像度が改良される請求項２９記載の走査プローブ光学顕微鏡。 31．上記プローブチップにおける臨界角Ｃ内の光を減少し、または略消去する、固体界浸レンズの第１面を通してフォーカスされる光を選択的に濾過する空間フィルタを有し、減衰スポットサイズを減少し、解像度を改良し、光の遠−視野寄与を減少または消去する請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 32．上記固体界浸レンズの第１面の一部に不透明被覆を有し、これにより臨界角 θｃ内でプローブチップに達する光が阻止され、減衰スポットサイズを減少し、解像度を改良し、光の遠−視野寄与を減少または消去する請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 33．上記固定界浸レンズの第１面を通る光をフォーカスするための上記光学手段が固体界浸レンズの上側に位置した従来の光学顕微鏡の対物レンズを有する請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 34．上記、固体界浸レンズの第１面を通る光をフォーカスするための上記光学手段と、固体界浸レンズの第１面から放射される光を集めるための上記光学手段とが、光軸上にフォーカスする（近軸焦点）ための非球面レンズを有し、レンズのサイズと重さを従来の顕微鏡の対物レンズのそれより小さくした請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 35．サンプルからプローブチップ迄の距離を制御するための上記垂直位置決め器がａ）固体界浸レンズを乗せる片持ちレバーと、ｂ）片持ちレバー偏角センサと、及びｃ）片持ちレバー位置決め器とを有し、片持ちレバーの偏角を感知し、サンプル上のプローブの位置を調節する請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 36．上記固体界浸レンズとサンプル支持体とを互に相対的に略水平面に沿って移動せしめるための走査器が従来の走査ブローブ顕微鏡のＸＹＺ位置決めシステムを有する請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 37．ａ）上記サンプル支持体の一部が透明であり、及びｂ）サンプルからの光を集めるための上記光学手段が更に、走査されるサンプルのための透明支持体の下側に配置された集光手段を有し、透明サンプルがこのサンプルを通る光で検査される請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 38．サンプルからの光を集めるための上記光学手段が更にサンプルの上側に配置された集光手段を有し、透明サンプルがこのサンプルを通る光で検査される請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 39．更に光源を有する請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 40．上記光源がレーザーである請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 41．上記光源がレーザーとファイバー結合手段であり、上記レーザーが顕微鏡の他の構成部分から離れて位置している請求項４０記載の走査プローブ光学顕微鏡。 42．更に光センサを有する請求項２６記載の走査プローブ光学顕微鏡。 43．上記光センサがホトダイオードを有する請求項２５記載の光学顕微鏡。 44．ａ）ベース端と、上面及び原子力顕微鏡のプローブチップを形成する下面とを有する固体界浸レンズを取付けた先端とより成る片持ちレバーと、ｂ）上記片持ちレバーのベースの端に対するサンプルの位置を制御するための位置制御メカニズムと、ｃ）上記片持ちレバーの偏れ量を測定するための小変位測定メカニズムと、ｄ）上記片持ちレバーの偏れ量を１つの入力とするプローブチップの垂直位置を制御するための帰還制御メカニズムと、ｄ）プローブチップの垂直及び水平位置データを記録するための手段と、ｅ）上記固体界浸レンズの第１面を通る光を固体界浸レンズの第２面上のプローブチップにおける焦点にフォーカスして上記固体界浸レンズ内の幾つかの光を臨界角より大きい角度で上記プローブチップ上に投射せしめ、上記プローブチップに隣接して減衰視野を作る光学手段と、及びｆ）固体界浸レンズの上面から放射される光を集めるための光学手段と、より成り、滑らかな及び粗いサンプルについての原子力顕微鏡情報及び近−視野光学情報を得て、この光学データから空気中の屈折限界より良好な解像度を作るようにした走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 45．ａ）上記固体界浸レンズの第１面が半球状であり、ｂ）上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の無収差面上に配置され、球状減衰が最小となり、光学的解像度が改良される請求項４４記載の走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 46．上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の赤道からｒ／ｎの距離だけ離れた共焦面に位置され、ここでｒはレンズの半径、ｎはレンズ材料の屈折率であり、固体界浸レンズが超半球レンズであり、光学的解像度が改良される請求項４４記載の走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 47．１つまたはそれ以上の空間フィルタによって上記プローブチップにおける臨界角Ｃ内の光を選択的に濾過して減少しまたは略消去し、減衰スポットサイズを減少し、解像度を改良し、光の遠−視野寄与を減少または消去する請求項４４記載の走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 48．上記、固体界浸レンズの第１面を通る光をフォーカスするための上記光学手段が、光軸上にフォーカスする（近軸焦点）ための非球面レンズを有し、レンズのサイズと重さを従来の顕微鏡の対物レンズのそれより小さくした請求項４４記載の走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 49．上記片持ちレバーのベース端に対するサンプルの位置を制御するための上記位置制御メカニズムと、プローブチップの垂直及び水平位置データを記録するための手段とが走査制御及び走査記録手段を有する請求項４４記載の走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 50．ａ）ベース端と、上面及び原子力顕微鏡のプローブチップを形成する下面とを有する固体界浸レンズを取付けた先端とより成る片持ちレバーと、ｂ）上記片持ちレバーのベース端に対するサンプルの位置を制御するための位置制御メカニズムと、ｃ）上記片持ちレバーの偏れ量を測定するための小変位測定メカニズムと、ｄ）上記片持ちレバーの偏れ量を１つの入力とするプローブチップの垂直位置を制御するための帰還制御メカニズムと、ｄ）プローブチックの垂直及び水平位置データを記録するための手段と、ｅ）上記固体界浸レンズの第１面を通る光を固体界浸レンズの第２面上のプローブチップにおける焦点にフォーカスして上記固体界浸レンズ内の幾つかの光を臨界角より大きい角度で上記プローブチップ上に投射せしめ、上記プローブチップに隣接して減衰視野を作る光学手段と、及びｆ）透明なサンプルを通してプローブチップから伝達される光を集めるための光学手段と、より成り、滑らかな及び粗いサンプルについての原子力顕微鏡情報及び近− 視野光学情報を得て、この光学データから空気中の屈折限界より良好な解像度を作るようにした走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 51．ａ）上記固体界浸レンズの第１面が半球状であり、ｂ）上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の無収差面上に配置され、球面光行差が最小となり、光学的解像度が改良される請求項５０記載の走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 52．上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチッブが幾何学的球の赤道からｒ／ｎの距離だけ離れた無収差面に位置され、ここでｒはレンズの半径、ｎはレンズ材料の屈折率であり、固体界浸レンズが超半球レンズであり、光学的解像度が改良される請求項５０記載の走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 53．１つまたはそれ以上の空間フィルタによって上記プローブチップにおける臨界角Ｃ内の光を選択的に濾過して減少しまたは略消去し、減衰スポットサイズを減少し、解像度を改良し、光の遠一視野寄与を減少または消去する請求項５０記載の走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 54．上記固体界浸レンズの第１面を通る光をフォーカスするための上記光学手段が、光軸上にフォーカスする（近軸焦点）ための非球面レンズを有し、レンズのサイズと重さを従来の顕微鏡の対物レンズのそれより小さくした請求項５０記載の走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 55．上記片持ちレバーのベース端に対するサンプルの位置を制御するための上記位置制御メカニズムと、プローブチップの垂直及び水平位置データを記録するための手段とが走査制御及び走査記録手段を有する請求項５０記載の走査プローブ光学顕微鏡と原子力顕微鏡の組合せ。 56．ａ）第１面と、プローブチップを形成する第２面とを有する高屈折率材料の固体界浸レンズを、照明される近−視野面内に位置決めし、ｂ）上記固体界浸レンズの第１面を通る光を固体界浸レンズの第２面上のプローブチップにおける焦点にフォーカスして上記固体界浸レンズ内の幾つかの光を臨界角より大きい角度で上記プローブチップ上に衝突せしめ、上記プローブチップに隣接して減衰視野を作り、プローブチップ近くのサンプルをプローブチップにおける減衰視野によって効果的に照明する滑らかな、または粗いサンプル上の小さなスポットを照明する方法。 57．照明される面の近くに位置された固体界浸レンズが固体界浸レンズの幾何学的無収差面上に形成したプローブチップを有し、球面光行差が消去され、スポットサイズが最小となる請求項５６記載の方法。 58．上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の赤道からｒ／ｎの距離だけ離れた無収差面に位置され、ここでｒはレンズの半径、ｎはレンズ材料の屈折率であり、固体界浸レンズが超半球レンズであり、照明スポットのサイズが更に減少される請求項５７記載の方法。 59．臨界角度θｃ以下で、プローブチップに衝突する光を消去するため固体界浸レンズ上にフォーカスされる光を空間的に濾過し、照明スポットのサイズを更に減少し、遠−視野光の寄与を減少または消去する工程を更に有する請求項５６記載の方法。 60．ａ）第１面と、プローブチップを形成する第２面とを有する高屈折率材料の固体界浸レンズを、照明される近一視野面内に位置決めし、ｂ）上記固体界浸レンズの第１面を通る光を固体界浸レンズの第２面上のプローブチップにおける焦点にフォーカスして上記固体界浸レンズ内の幾つかの光を臨界角より大きい角度で上記プローブチップ上に投射せしめ、上記プローブチップに隣接して減衰視野を作り、ｃ）固体界浸レンズの上面から放散された光を集め、ｄ）集めた光の特性を測定し、プローブチップの近くのサンプルをプローブチップにおける減衰視野によって効果的に照明し、測定及び解析のためプローブチップから効果的に集光する滑らかな、または粗いサンプル上の小さなスポットの光学特性を測定する方法。 61．照明される面の近くに位置された固体界浸レンズが、固体界浸レンズの幾何学的無収差面上に形成されたプローブチップを有し、球面光行差が消去され、スポットサイズが最小となる請求項６０記載の方法。 62．上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の赤道からｒ／ｎの距離だけ離れた無収差面に位置され、ここでｒはレンズの半径、ｎはレンズ材料の屈折率であり、固体界浸レンズが超半球レンズであり、照明スポットのサイズが更に減少される請求項６１記載の方法。 63．臨界角度θｃ以下で、プローブチップに衝突する光を消去するため固体界浸レンズ上にフォーカスされる光を環状に濾過し、照明スポットのサイズを更に減少し、遠−視野光の寄与を減少または消去する工程を更に有する請求項６０記載の方法。 64．ａ）第１面と、プローブチップを形成する第２面とを有する高屈折率材料の固体界浸レンズを、照明される近−視野面内に位置決めし、ｂ）上記固体界浸レンズの第１面を通る光を固体界浸レンズの第２面上のプローブチップにおける焦点にフォーカスして上記固体界浸レンズ内の幾つかの光を臨界角より大きい角度で上記プローブチップ上に衝突せしめ、上記プローブチップに隣接して減衰視野を作り、ｃ）固体界浸レンズの上面から放散された光を集め、ｄ）集めた光を測定し、ｅ）プローブが上記面を走査した後、上記工程ａ）〜ｄ）を繰り返し、ｆ）集めたデータを解析し光学イメージに組み込み、プローブチップの近くのサンプルをプローブチップにおける減衰視野によって効果的に照明し、測定のためプローブチップから効果的に集光し、滑らかな及び粗いサンプルの光学イメージを空気中の屈折限界より良好な解像度で得る滑らかな、または粗いサンプルの光学顕微鏡的測定方法。 65．照明される面の近くに位置された固体界浸レンズが、固体界浸レンズの幾何学的無収差面上に形成されたプローブチップを有し、球面光行差が消去され、スポットサイズが最小となる請求項６４記載の方法。 66．上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の赤道からｒ／ｎの距離だけ離れた無収差面に位置され、ここでｒはレンズの半径、ｎはレンズ材料の屈折率であり、固体界浸レンズが超半球レンズであり、照明スポットのサイズが更に減少される請求項６５記載の方法。 67．臨界角度θｃ以下で、プローブチップに衝突する光を消去するため固体界浸レンズ上にフォーカスされる光を環状に濾過し、照明スポットのサイズを更に減少し、遠−視野光の寄与を減少または消去する工程を更に有する請求項６４記載の方法。 68．ａ）原子力顕微鏡（ＡＦＭ）のプローブとして第１面と、プローブチップを形成する第２面とを有する高屈折率材料の固体界浸レンズを用いてサンプルを走査し、ｂ）走査のＸ及びＹ位置に夫々応じた高さデータＺを含む原子力顕微鏡の走査情報をメモリ手段にメモリし、ｃ）走査のＸ及びＹ位置の夫々のための、サンプルの減衰視野内でサンプルの上側から一定距離の新しい高さ値Ｚ’を、メモリされた走査データから計算し、ｄ）新しい高さ値Ｚ’で、固体界浸レンズの第２面上のプローブをＡＦＭ走査のＸ及びＹ位置に再位置決めし、ｅ）上記固体界浸レンズの第１面を通る光を固体界浸レンズの第２面上のプローブチップにおける焦点にフォーカスして上記固体界浸レンズ内の幾つかの光を臨界角より大きい角度で上記プローブチップ上に衝突せしめ、上記プローブチップに隣接して減衰視野を作り、ｆ）固体界浸レンズの上面から放散される光を集め、ｇ）集めた光の特性を測定し、ｈ）走査のＸ及びＹ位置の夫々のため工程ｄ）〜ｇ）を繰り返し、ｉ）集めたデータを解析し光学イメージに組み込み、プローブチップの近くのサンプルをプローブチップにおける減衰視野によって効果的に照明し、測定のためプローブチップから効果的に集光し、滑らかな、または粗いサンプルの光学像を空気中の屈折限界より良好な解像度で得、サンプルの光学特性がプローブとサンプル間の距離の効果から定める滑らかな、または粗いサンプルの原子力顕微鏡及び光学顕微鏡による測定結果を結合する方法。 69．照明される面の近くに位置された固体界浸レンズが固体界浸レンズの幾何学的無収差面上に形成したプローブチップを有し、球面光行差が消去され、スポットサイズが最小となる請求項６８記載の方法。 70．上記固体界浸レンズの第２面上のプローブチップが幾何学的球の赤道からｒ／ｎの距離だけ離れた無収差面に位置され、ここでｒはレンズの半径、ｎはレンズ材料の屈折率であり、固体界浸レンズが超半球レンズであり、照明スポットのサイズが更に減少される請求項６９記載の方法。 71．臨界角度θｃ以下で、プローブチップに衝突する光を消去するため固体界浸レンズ上にフォーカスされる光を環状に濾過し、照明スポットのサイズを更に減少し、遠−視野光の寄与を減少または消去する工程を更に有する請求項６８記載の方法。