JP2003106976A - 走査型電磁波顕微鏡および制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、サンプル表面から任意距離に分布
する物理量測定や必要な分解能に応じたプローブ先端部
とサンプル間距離の位置決めが可能で、距離一定走査に
よる分解能選択走査と、相互作用を一定走査による高速
走査が行える走査型電磁波顕微鏡を得ることにある。 【解決手段】 本発明の走査型電磁波顕微鏡は、電磁波
発生手段と、電磁波発生手段で発生させた電磁波をプロ
ーブやサンプルの一方、または双方に入射または伝播さ
せる電磁波入射手段または電磁波誘導手段と、サンプル
表面に近接して設けられたプローブとからなることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は導体、半導体、絶縁
体表面近傍の表面観察（凹凸像や場の３次元分布等）、
情報の読み書きや消去などの情報処理、表面加工や物性
測定などを行うことを目的とする走査型電磁波顕微鏡に
おいて、サンプル表面に近接し先端部を先鋭化したプロ
ーブとサンプルの一方、または双方に電磁波入射もしく
は伝播により生じる相互作用を検出、制御し、サンプル
表面から任意の距離に位置決めしたプローブとサンプル
間に任意の相互作用を付加し、プローブとサンプル間距
離一定走査やサンプル表面に吸着している原子、分子、
クラスターまたは微粒子の操作を電磁波発生手段の出力
制御やXYZ移動手段の出力制御により行う方式の走査型
電磁波顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のトンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡
や近接場顕微鏡のプローブ先端部とサンプル表面の最も
代表的な距離制御や走査制御は、プローブとサンプル間
に流れるトンネル電流が一定になるようにZ方向移動機
構をフィードバック制御しながら、XY方向微動機構によ
りプローブとサンプルを相対的に２次元平面内で走査す
るものや、プローブ先端の先鋭性を利用してプローブと
サンプル間に働く原子間力やその他の相互作用によるプ
ローブ先端のZ方向振幅や捻れの変化や、プローブの振
動振幅の変化を、光てこを利用したレーザー反射光量の
変化および、ピエゾ素子にかかる応力変化として検出
し、それらの変化量がゼロとなるよう、ピエゾ素子等で
Z方向微動を制御しながら、XY方向微動機構によりプロ
ーブとサンプルを相対的に２次元平面内で走査するもの
であった。

【０００３】また、従来、高周波や磁場をサンプルに照
射する事により生じる電気および磁気モーメントや核磁
気共鳴をプローブのアンテナとして、局所的な物性を測
定しているものがある。また、すでに、サンプル表面上
の原子操作を、トンネル電流を利用したトンネル顕微鏡
のプローブ操作により実現しているものも見受けられ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の走査型
原子間力顕微鏡や走査型近接場顕微鏡やトンネル顕微鏡
では、プローブとサンプルの距離制御は原子間力やトン
ネル電流という微弱な近距離力を用い、ピエゾ素子を介
して行っているため、分解能は原子分解能を得られる
が、プローブとサンプルの距離は原子間力やトンネル電
流生じる範囲をピエゾ制御で走査させなければならない
ため、走査速度が非常に遅く、捜査範囲もZ方向は原子
間力やトンネル電流の生じる範囲に、XY方向はピエゾ素
子の稼動範囲に限られ、非常に狭いものであった。本発
明の第一の目的は、サンプル表面から任意距離に分布す
る物理量測定や必要な分解能に応じたプローブ先端部と
サンプル間距離の位置決めが可能で、距離一定走査によ
る分解能選択走査と、相互作用一定走査による高速走査
が行える走査型電磁波顕微鏡を得ることにある。

【０００５】また、原子操作に関しては、サンプル表面
の原子をトンネル顕微鏡のプローブを利用して、文字を
描くまでに到ったが、プローブと原子間相互作用を自由
にコントロールする事や、原子を表面から一度引き離
し、別の場所へ移動する事などには困難がある。本発明
の第二の目的は、プローブと原子、分子、クラスターま
たは微粒子との相互作用を静的または動的な電磁場によ
りコントロールし、サンプル表面における原子、分子、
クラスター、微粒子レベルでの３次元操作を確実かつ、
簡単に行える操作型電磁波顕微鏡を得る事にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の走査型電磁波顕微鏡は、電磁波発生
手段と、電磁波発生手段で発生させた電磁波をプローブ
やサンプルの一方、または双方に入射または伝播させる
電磁波入射手段または電磁波誘導手段と、サンプル表面
に近接して設けられたプローブとからなることを特徴と
する。また、本発明の走査型電磁波顕微鏡は、プローブ
の位置、振動数および振幅の変化を検出する検出手段
と、該検出手段の信号に基づいてプローブとサンプルの
位置を制御する移動手段と、電磁波発生手段をフィード
バック制御し、プローブとサンプル間の距離制御および
相互作用制御を行う制御手段とを設けたことを特徴とす
る。また、本発明の走査型電磁波顕微鏡は、電磁波発生
手段における電磁波の出力を、制御手段によるフィード
バック制御により、任意独立または複数を同時に出力制
御可能であることを特徴とする。また、本発明の走査型
電磁波顕微鏡は、制御手段が、プローブとサンプル間に
働く原子間力、その他の相互作用、電磁波入射により生
じる相互作用およびプローブ先端とサンプル表面間の距
離を制御するため、プローブとサンプル間に働く相互作
用の変化をプローブの変化として検出し、電磁波発生手
段の出力および移動手段の出力をフィードバック制御す
ることを特徴とする請求項２または請求項３記載の走査
型電磁波顕微鏡。また、本発明の走査型電磁波顕微鏡
は、電磁波誘導手段または電磁波入射手段を、粒子性を
強く示す電磁波を入射または伝播させる場合、単一また
は複数の反射ミラー、ハーフミラー、集光レンズ、光フ
ァイバーなどの光学系からなり、電磁波伝導性を有する
金属、半導体、誘電体あるいはその複合体からなり、線
状、コイル状、ファイバー状、中空パイプ状、フィルム
状、パラボラアンテナ状あるいはその複合体から形成し
たことを特徴とする。 また、本発明の走
査型電磁波顕微鏡は、プローブ自身が電磁波誘導手段ま
たは電磁波入射手段を兼ねるようにしたことを特徴とす
る。また、本発明の走査型電磁波顕微鏡は、プローブ
を、金属、半導体、誘電体あるいはそれらの複合体から
形成するとともに無開口先鋭先端、開口先端または導光
路先端を設けたことを特徴とする。また、本発明の走査
型電磁波顕微鏡は、プローブを、複数具備する事により
同時走査も可能とすることを特徴とする。また、本発明
の走査型電磁波顕微鏡は、サンプルを真空中に保持する
ことを特徴とする。また、本発明の走査型電磁波顕微鏡
は、サンプルを液体中に保持することを特徴とする。

【０００７】また、本発明の走査型電磁波顕微鏡の制御
方法は、プローブとサンプルの一方または双方に電磁波
を入射または伝播させることにより相互作用を発生させ
るとともに、入射電磁波の出力やプローブとサンプル間
距離の制御、あるいはプローブとサンプルの組み合わせ
を変えることによりにプローブとサンプル間の相互作用
を任意に増幅制御することを特徴とする。また、本発明
の走査型電磁波顕微鏡の制御方法は、プローブ先端をサ
ンプル表面から任意の距離に位置決めし、任意の相互作
用を付加した状態で、制御手段により電磁波発生手段の
出力を固定し、プローブの振動数、振幅、変位などの変
化が一定に維持されるようにプローブとサンプル表面と
を３次元的に相対移動する際、移動手段の出力をフィー
ドバック制御することによりプローブとサンプル間距離
を任意一定に保持しながら分解能選択走査することを特
徴とする。また、本発明の走査型電磁波顕微鏡の制御方
法は、プローブ先端をサンプル表面から任意の距離に位
置決めし、任意の相互作用を付加した状態で、制御手段
により移動手段のＺ方向出力を固定し、プローブとサン
プル表面とを２次元的に相対移動する際、プローブの振
動数、振幅、変位などの変化が一定に維持されるように
電磁波発生手段の出力をフィードバック制御することに
よりプローブとサンプル間相互作用を任意一定に保ちな
がら高速走査することを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下の説明では、まず、本発明の
原理について説明した後、この原理を利用した各実施の
形態に係る走査型電磁波顕微鏡について、添付図面を参
照して説明する。

【０００９】プローブやサンプルの一方または双方に電
磁波を入射または伝播させると、プローブとサンプル間
に引力、斥力およびねじれなどの相互作用が生じる。こ
の相互作用は、プローブとサンプルの一方または双方に
入射または伝播させる電磁波出力、例えば、波長や振幅
あるいは、パルスや連続出力の周期により大きく変化す
る。

【００１０】例として、本発明において電磁波発生手段
により電磁場出力を変化させる事により、プローブとサ
ンプル間の相互作用の生じる距離や大きさが図６や図７
に示すように変化する事が原子間力顕微鏡測定により観
測された。図６は、横軸にサンプル表面からプローブま
での距離を、縦軸にサンプル−プローブ間の力をとった
場合の電磁波出力変化によるプローブとサンプル間の相
互作用変化をを示したもので、左上の図から右下の図に
向かって入射電磁波の振動数（フォトンエネルギ）を増
加させたときにプローブとサンプル間の相互作用の生じ
る距離や大きさが変化する状態を表したものである。図
７は、図６と同様、横軸にサンプル表面からプローブま
での距離を、縦軸にサンプル−プローブ間の力をとった
場合の電磁波出力変化によるプローブとサンプル間の相
互作用変化をを示したもので、左上の図から右下の図に
向かって入射電磁波の振幅（フォトン数）を増加させる
ことによりプローブとサンプル間の相互作用の生じる距
離や大きさが変化する状態を表したものである。また、
電磁波照射時のプローブとサンプル間の相互作用の繰り
返し特性は、図８に示すように、プローブはサンプル表
面から一定の距離で強く相互作用（図８の場合は引力）
が生じ、高い繰り返し特性のある事が、原子間力顕微鏡
測定により観測された。

【００１１】本発明の原理は、電磁波をプローブやサン
プルの一方、または双方に入射もしくは伝播させる事に
より生ずるプローブとサンプル間の相互作用に着目して
いるため、プローブとサンプル間の相互作用は、プロー
ブとサンプルの一方または双方に入射または伝播させる
電磁波出力、例えば、波長や振幅または、パルスや連続
出力の周期など、制御が容易な電磁気信号で制御可能で
あり、また、プローブとサンプル間の相互作用到達距離
は、従来の原子間力やトンネル電流到達距離という近距
離だけでなく、遠距離まで任意に調整可能であるため、
プローブ先端とサンプル表面間距離を任意の相互作用を
付加した状態で制御する事や、プローブとサンプル間距
離を必要な分解能や測定時間に応じて、任意一定に保ち
ながら分解能選択走査できるとともに、Z方向に分布す
る物理量を任意のZ位置で測定する事や、プローブとサ
ンプル間相互作用を電磁波発生手段の制御により一定に
保つ高速走査により、表面情報観察や情報処理や物性測
定や表面加工などを行う事ができる。

【００１２】更に、本発明の原理では、プローブやサン
プルの一方、または双方に電磁波を入射もしくは伝播さ
せるだけの構成であるため、従来のNSOM（近接視野光学
顕微観測）のように電磁波をプローブ先端の非常に微小
な開口に通す位置決め作業や、電磁波を誘導するための
もろくて細いファイバーを扱う作業や、プリズムやレン
ズ系を用いて微弱で検出困難なエバネッセント場を扱う
必要は無い。この結果、従来よりも装置構成を簡略化
し、大きな信号を扱うことが可能となる。

【００１３】更に、本発明の原理では、入射や伝播電磁
波の波長に長波長を利用した場合、サンプルへの電磁波
透過性や電磁波伝搬性がよくなり、電磁波入射手段な
ど、プローブやサンプルの一方または双方に電磁波を入
射または伝播する手段のサンプルに対する空間的配置の
自由度を大きくとれ、正確な空間的配置が不要となり、
特にサンプル下面からの電磁波入射も可能となる。

【００１４】以下、図面に示した実施例を参照して本発
明をさらに詳細に説明する。

【００１５】〈実施の形態１〉上述した本発明の原理を
利用した第１の実施の形態に係る走査型電磁波顕微鏡に
ついて、図１を参照して説明する。使用する電磁波の波
動性を利用する走査型電磁波顕微鏡は、出力可変の電磁
波発生手段６と、上記電磁波発生手段６からの電磁波を
プローブ１やサンプル３付近まで伝播させる電磁波誘導
手段４と、電磁波誘導手段４からの電磁波をプローブ１
やサンプル３の一方、または双方に入射あるいは伝播さ
せる電磁波入射手段５と、電磁波入射手段５から一定の
空間的配置を保ち、サンプル３表面に近接して先端部２
が位置したプローブ１と、プローブ１の振動数変化を検
出する振動数検出手段９の信号を、電磁波発生手段６や
XYZ移動手段８にフィードバック制御をかける制御手段
７とを備える。

【００１６】出力可変の電磁波発生手段６は、プローブ
１（吸着原子や分子を含む）とサンプル３（吸着原子や
分子を含む）に必要な相互作用が得られるよう、発生さ
せる電磁波出力（例えば波長や振幅）を制御手段７によ
りフィードバック制御できる。例えば、矩形交流を銅線
に印加し、電磁誘導により発生する電磁波の波長や振幅
の調整を、電圧とパルス出力周波数のコントロールで行
うことができる。

【００１７】電磁波誘導手段４は、電磁波発生手段６か
らの電磁波を効率よく電磁波入射手段５へ伝播させるた
めに、電磁波伝導性を有する金属、半導体、誘電体ある
いはその複合体からなり、その形状や個数や大きさは種
々変更することが可能であるが、装置にノイズがのらな
いよう絶縁被覆した金属導線を用いる方が好ましい。例
えば、電磁波の減衰を極力抑え、装置にノイズが発生し
ないように絶縁被覆した銅線を使用できる。

【００１８】電磁波入射手段５は、電磁波誘導手段４か
らの電磁波をプローブ１やサンプル３へ効率よく入射ま
たは伝播するために電磁波伝導性を有する金属、半導
体、誘電体あるいはその複合体からなり、その形状や個
数や大きさは種々変更することが可能である。電磁波入
射手段５の設置場所はサンプル３の下面、サンプル３の
側面、サンプル３の上面、あるいはその組み合わせが可
能であるが、プローブ１との空間的相対位置が測定中一
定に保たれるようにする。例えば、電磁波入射手段５と
して銅線をサンプル３上面に設置し、プローブ１との空
間的相対位置を保った状態でXYZ移動手段８によりサン
プル１側を移動する。また、サンプル１下面へ電磁波入
射手段５を配置する場合など、プローブ１とサンプル３
間の相互作用を大きくする必要がある場合には、コイル
巻きした銅線を使用することもできる。

【００１９】プローブ１やプローブ１の先端部２は、電
磁波入射手段５からの電磁波を効率よく受信できるよ
う、電磁波伝導性を有する金属、半導体、誘電体あるい
はその複合体からなり、その形状や大きさや表面処理や
ばね定数は種々変更することが可能である。プローブ１
とサンプル３との相互作用は、電磁波発生手段６やXYZ
移動手段８で任意の大きさに制御できるが、通常の原子
間力に比べて大きく遠距離から作用するので、プローブ
１のばね定数は大きい方が好ましい。また、サンプル３
表面を分解能よく観察するためにプローブ１の先端部２
は先鋭化されている方が好ましいが、サンプル３との相
互作用を大きくするためには先端部２が大きい方が好ま
しい。例えば、プローブ１やプローブ先端部２はシリコ
ンやシリコンナイトライドや、それらに金コートした先
端部の曲率半径が約20nmのものや、カーボンナノチュー
ブを使用できる。

【００２０】制御手段７は、プローブ先端部２のサンプ
ル３表面からの位置決めや、プローブ先端部２とサンプ
ル３間の距離制御や、プローブ１とサンプル３間の相互
作用をプローブ先端２の変化に基づいて制御するため、
プローブ１とサンプル３間の相互作用により生じるプロ
ーブ１の振動数、振幅および変位を4分割フォトディテ
クタ等の検出手段１０から受け取り、電磁波発生手段６
の出力やXYZ移動手段８の出力を制御できる構成となっ
ている。

【００２１】本実施の形態では、プローブ１を振動手段
９に取り付けて、この振動手段９によってプローブ１を
所定の共振周波数で励振させながらサンプル３の表面情
報及び相互作用情報を測定することも可能である。

【００２２】本実施の形態では、プローブ先端部２とサ
ンプル３との相対的な三次元方向（ＸＹＺ方向）のXYZ
移動手段８として、減速器付きのステッピングモータ等
で駆動する粗動手段と、その粗動手段に固定され、プロ
ーブ先端部２とサンプル３との相対的な三次元方向（Ｘ
ＹＺ方向）の微動手段として、ピエゾスキャナ等の圧電
体スキャナ等により構成されている。

【００２３】次に、本実施の形態の動作について説明す
る。本実施の形態の走査型電磁波顕微鏡は、サンプル３
表面から任意の距離でのプローブ１とサンプル３間の任
意の相互作用設定や、プローブ１とサンプル３間の相互
作用を一定に保ちながらの高速走査や、プローブ１とサ
ンプル３間距離を任意一定に保ちながらの分解能選択走
査により、サンプル３の表面情報（例えば、凹凸情
報）、情報処理、物性情報、表面加工およびプローブ１
とサンプル３表面との相互作用測定が行えるようになっ
ている。

【００２４】まず、サンプル３表面から任意の距離に位
置決めしたプローブ１とサンプル３間に任意の相互作用
を設定する方法について説明する。

【００２５】この走査型電磁波顕微鏡には、出力可変な
電磁波発生手段６と、プローブ１やサンプル３の一方、
または双方に電磁波を入射あるいは伝播させる電磁波誘
導手段４や電磁波入射手段５と、電磁波によりサンプル
３と相互作用するプローブ１と、プローブ１とサンプル
３との相互作用の変化を振動数変化として光学的に検出
する振動数検出手段１０と、振動数検出手段１０からの
信号を受け取り、電磁波発生手段６の出力やXYZ移動手
段８の出力をフィードバック制御する制御手段７を備え
ている。

【００２６】このような構成において、電磁波を入射し
ない状態で原子間力やトンネル電流を用いてプローブ先
端２とサンプル３表面間距離を確認し、XYZ移動手段８
によりプローブ先端２とサンプル３表面間距離を任意の
距離に設定した状態で、XYZ移動手段８を固定し、電磁
波発生手段６の出力を制御すると、プローブ先端部２と
サンプル３表面との間に働く相互作用が変化する境界上
や、相互作用距離内においてプローブ１とサンプル３と
の相互作用変化が生じるとプローブ先端部２の振動数が
変化する。そして、このとき生じる変化量を振動数検出
手段１０によって光学的に検出し、その検出信号に基づ
いて、プローブ先端部２の振動数を一定に維持するよう
に、制御手段７によって電磁波発生手段６の出力をフィ
ードバック制御し、プローブ先端２とサンプル３表面が
任意距離において任意の相互作用を付加することができ
る。

【００２７】続いて、サンプル３の表面情報（例えば、
凹凸情報）、情報処理、物性情報、表面加工およびプロ
ーブ１とサンプル３表面との相互作用を測定する際、プ
ローブ１とサンプル３間の相互作用を任意一定に保ちな
がらの高速走査する方法を説明する。

【００２８】前記［００２６］の方法により、プローブ
先端２とサンプル３表面間の任意距離において、任意の
相互作用を付加した状態で、XYZ移動手段８によりZ移動
手段を固定し、プローブ先端部２の振動数を一定に維持
するよう、サンプル３表面とプローブ先端部２とを相対
的にＸＹ方向にラスタ走査する。この場合、プローブ１
とサンプル３間の相互作用が一定になるように電磁波発
生手段６の出力をフィードバック制御するために、制御
手段７から電磁波発生手段６に出力される制御信号は、
サンプル３の表面情報を含んだ信号となる。従って、こ
の制御信号をコンピュータによって画像化処理すること
によって、サンプルの表面情報（例えば、凹凸情報）を
モニタ上に三次元的に表示させることができる。

【００２９】続いて、プローブ１とサンプル３間距離を
任意一定に保ちながらの分解能選択走査により、サンプ
ル３の表面情報（例えば、凹凸情報）や、情報処理や、
物性情報や、表面加工や入射電磁波によるプローブ１と
サンプル３との相互作用を測定する際、プローブ１とサ
ンプル３間距離を任意一定に保ちながらの分解能選択走
査方法を説明する。

【００３０】前記［００２６］の方法により、プローブ
先端２とサンプル３表面間の任意距離において、任意の
相互作用を付加した状態において、電磁波発生手段６の
出力を一定に固定し、プローブ先端部２の振動数が一定
に維持するよう、サンプル３表面とプローブ先端部２を
相対的にＸＹ方向にラスタ走査する。この場合、XYZ移
動手段８をＺ方向にフィードバック制御するために、制
御手段７からXYZ移動手段８に出力される制御信号は、
サンプル３の表面情報を含んだ信号となる。従って、こ
の制御信号をコンピュータによって画像化処理すること
によって、サンプル３の表面情報（例えば、凹凸情報）
をモニタ上に三次元的に表示させることができる。

【００３１】なお、本発明は、上述した実施の形態の構
成に限定されることは無く、以下のように種々変更する
ことが可能である。

【００３２】上述した実施の形態では、出力可変の電磁
波発生手段６は、発生させる電磁波出力（例えば波長や
振幅）を制御しているが、これに限定されることは無
く、必要に応じてパルス出力や連続出力の出力周波数制
御、単一波形または複数波形の混在比の制御、偏光成分
の強度比の制御、位相の制御も可能な電磁波発生手段６
とする。

【００３３】また、上述した実施の形態では、プローブ
１を励振する方式によってプローブ１の振動数変化を検
出することにより、プローブ先端２のサンプル３表面か
らの位置決めや、プローブ先端部２とサンプル３表面と
の距離や相互作用を制御しているが、これに限定される
ことは無く、プローブ先端部２の変化量をプローブ１の
振幅変化を検出制御することによっても上述した実施の
形態と同様の作用効果を得ることができる。

【００３４】また、上述した実施の形態では、プローブ
１を励振する方式によってプローブ１の振動数変化を検
出することにより、プローブ先端２のサンプル３表面か
らの位置決めや、プローブ先端部２とサンプル３表面と
の距離や相互作用を制御しているが、これに限定される
ことは無く、プローブ１を加振させずにプローブ先端部
２の変位を検出制御することによっても上述した実施の
形態と同様の作用効果を得ることができる。

【００３５】また、上述した実施の形態では、プローブ
１の変位や振動数や振幅変化を検出する手段として、例
えば4分割フォトディテクタ等光学的手段を用いている
が、これに限定されることは無く、プローブ１を取り付
ける振動手段に圧電素子としてピエゾ薄膜等を取り付
け、プローブ１の振動数や振幅や変位量を電気信号とし
て検出し、制御手段７へ伝達する事によって、上述した
実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

【００３６】上述した実施の形態では、XYZ移動手段８
をサンプル３側へ設けているが、これに限定されること
は無く、プローブ１側へ設ける事によって、上述した実
施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

【００３７】上述した実施の形態では、電磁波誘導手段
４と電磁波入射手段５は、別の構成要素となっている
が、これに限定されることは無く、電磁波発生手段６か
らの電磁波をプローブ１やサンプル３に入射できる限
り、電磁波誘導手段４と電磁波入射手段５は一体の構成
要素としても、上述した実施の形態と同様の作用効果を
得ることができる。

【００３８】上述した実施の形態では、電磁波誘導手段
４は絶縁被覆した金属導線が好ましいとしているが、こ
れに限定されることは無く内壁が金属等電磁波伝導性の
よい材質であるならば、中空パイプ状の形状としても、
上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができ
る。

【００３９】上述した実施の形態では、電磁波入射手段
５は電磁波誘導手段４に使用している絶縁被覆した金属
導線をそのまま利用するのが最も簡単な形状だが、これ
に限定されることは無く、コイル状やパラボラアンテナ
状の形状にしてプローブ１やサンプル３間の相互作用を
増幅させ、上述した実施の形態と同様の作用効果を得る
ことができる。

【００４０】〈実施の形態２〉次に、本発明の第２の実
施の形態に係る走査型電磁波顕微鏡について、図２を参
照して説明する。なお、本実施の形態の説明に際し、上
述した第１の実施の形態と同一の構成には同一符号を付
して、その説明を省略する。また、本実施の形態の動作
や作用効果は、上述した第１の実施の形態と同一の場
合、その説明は省略する。

【００４１】図２に示すように、本実施の形態の使用す
る電磁波の波動性を利用する走査型電磁波顕微鏡は、上
述した実施の形態の改良に係り、電磁波誘導手段４をプ
ローブ１あるいは、振動手段９、あるいはサンプル３や
サンプルステージ１１等、プローブ１やサンプル３の一
方または双方に電磁波が伝播できる部分に設置、あるい
は近接して設置し、プローブ１やサンプル３やサンプル
ステージ１１等が、上述した第１の実施の電磁波入射手
段５を兼ねる構造になっている。この電磁波誘導手段４
や電磁波入射手段５は単一または複数で設置あるいは近
接させる事も、上述した第１の実施の電磁波入射手段５
と併用して設置する事も可能である。その他の構成は、
上述した第１の実施形態の構成と同一であるため、その
説明は省略する。また、その他の作用効果は、上述した
第１の実施の形態と同一であるため、その説明は省略す
る。

【００４２】〈実施の形態３〉次に、上述した本発明の
原理を利用した第３の実施の形態に係る走査型電磁波顕
微鏡について、図３を参照して説明する。なお、本実施
の形態の説明に際し、上述した第１、第２の実施の形態
と同一の構成には同一符号を付して、その説明を省略す
る。また、本実施の形態の動作や作用効果は、上述した
第１、第２の実施の形態と同一の場合、その説明は省略
する。

【００４３】図３に示すように、使用する電磁波の粒子
性を利用する走査型電磁波顕微鏡の場合、走査型電磁波
顕微鏡は、出力可変の電磁波発生手段６と、出力可変の
電磁波発生手段６からの電磁波をプローブ１やサンプル
３の一方、または双方に入射させる電磁波誘導手段４
と、サンプル３表面に先端部２が近接し、振動手段９に
保持されたプローブ１と、プローブ１の振動数変化を検
出する振動数検出手段１０の信号をフィードバックし、
電磁波発生手段６やXYZ移動手段８にフィードバック制
御をかける制御手段７とを備える。

【００４４】出力可変の電磁波発生手段６は、プローブ
（吸着原子や分子を含む）１とサンプル（吸着原子や分
子を含む）３に必要な相互作用が得られるよう、発生さ
せる電磁波出力、（例えばフォトンエネルギやフォトン
数）を制御手段７によりフィードバック制御できる。例
えば、YAGレーザーを制御手段７により、その出力をフ
ィードバック制御することができる。

【００４５】電磁波誘導手段４は、電磁波発生手段６か
らの電磁波を効率よくプローブ１やサンプル３の一方、
または双方に入射させるために、反射率の高い反射ミラ
ーやハーフミラーや、透過率の高い光学顕微鏡の対物レ
ンズ系、あるいは光ファイバー等からなり、それらの配
置や個数や組み合わせは種々変更することが可能であ
る。なお、電磁波発生手段６からの電磁波をプローブ１
やサンプル３に直接入射できる空間的余裕がある場合
や、集光等せずに十分なエネルギ密度をもって入射でき
る場合などは、電磁波誘導手段４としてのミラーや集光
レンズ系は必ずしも必要ではない。

【００４６】電磁波のサンプル３への入射方向は、電磁
波をプローブ１やサンプル３の一方、または双方に入射
できる限り、サンプル３の上面、側面、斜め方向、ある
いはその組み合わせが可能である。また、サンプル３が
電磁波に対して透明であるならば、サンプル３下面から
の入射も可能である。

【００４７】プローブ１やプローブ先端部２は、金属、
半導体、誘電体あるいはその複合体からなり、その形状
（先鋭、開口、斜め開口、導光路）、大きさ、表面処理
およびばね定数は種々変更することが可能である。プロ
ーブ１とサンプル３との相互作用は、電磁波発生手段６
やXYZ移動手段８で任意の大きさに制御できるが、通常
の原子間力に比べて遠距離から大きく作用するので、プ
ローブ１のばね定数は大きい方が好ましい。また、サン
プル３表面を分解能よく観察するためにプローブ先端部
２は先鋭化されている方が好ましいが、サンプル３との
相互作用を大きくするためにはプローブ先端部２は大き
い方が好ましい。例えば、プローブ１やプローブ先端部
２はシリコンやシリコンナイトライドや、それらに金コ
ートした先端部２の曲率半径が約20nmのものを使用でき
る。

【００４８】なお、本発明は、上述した実施の形態の構
成に限定されることは無く、以下のように種々変更する
ことが可能である。

【００４９】上述した実施の形態では、出力可変の電磁
波発生手段６は、発生させる電磁波出力（例えばフォト
ンエネルギやフォトン数）を制御しているが、これに限
定されることは無く、必要に応じてパルス出力や連続出
力の出力周波数制御、単一エネルギをもつフォトン群ま
たは複数エネルギをもつフォトン群の混在比の制御、偏
光成分の強度比の制御、位相の制御も可能な電磁波発生
手段６とする。

【００５０】〈実施の形態４〉次に、上述した本発明の
原理を利用した第４の実施の形態に係る走査型電磁波顕
微鏡について、図４を参照して説明する。なお、本実施
の形態の説明に際し、上述した第１、第２、第３の実施
の形態と同一の構成には同一符号を付して、その説明を
省略する。また、本実施の形態の動作や作用効果は、上
述した第１、第２、第３の実施の形態と同一の場合、そ
の説明は省略する。

【００５１】図４に示すように、本実施の形態の使用す
る電磁波の粒子性を利用する走査型電磁波顕微鏡は、上
述した実施の形態の改良に係り、出力可変の電磁波発生
手段６と、出力可変の磁波発生手段６からの電磁波をプ
ローブ１の上方から開口型プローブ先端１２やサンプル
３の一方、または双方に入射させる電磁波誘導手段４
と、サンプル３表面に先端部１２が近接し、振動手段９
に保持された開口型プローブ先端部１２に開口を持つプ
ローブ１と、プローブ１の振動数変化を検出する振動数
検出手段１０の信号を電磁波発生手段６やXYZ移動手段
８にフィードバック制御をかける制御手段７とを備え
る。

【００５２】電磁波誘導手段４は、電磁波発生手段６か
らの電磁波をプローブ１の上方から効率よく開口型プロ
ーブ先端部１２やサンプル３の一方、または双方に入射
させるために、反射率の高い反射ミラーやハーフミラー
や、透過率の高い光学顕微鏡の対物レンズ系、あるいは
光ファイバー等からなり、それらの配置や個数や組み合
わせは種々変更することが可能である。なお、電磁波発
生手段６からの電磁波を開口型プローブ先端部１２やサ
ンプル３の一方、または双方に直接入射できる空間的余
裕がある場合や、集光等せずに十分なエネルギ密度をも
って入射できる場合などは、電磁波誘導手段４としての
ミラーや集光レンズ系や光ファイバー等は必ずしも必要
ではない。

【００５３】電磁波発生手段６や電磁波誘導手段４は、
最終的に電磁波がプローブ１を上方から通過し開口型プ
ローブ先端部１２やサンプル３の一方、または双方に入
射する限り、任意の空間的配置や個数の組み合わせが可
能である。

【００５４】プローブ１や開口型プローブ先端部１２
は、金属、半導体、誘電体あるいはその複合体からな
り、その形状、大きさおよび表面処理方法は種々変更す
ることが可能である。図５はプローブ先端部１２の形状
を示したもので、（ａ）は平面開口を、（ｂ）は傾斜開
口を、（ｃ）は導光路を示している。開口型プローブ先
端部１２とサンプル３との相互作用は、電磁波発生手段
６やXYZ移動手段８で任意の大きさに制御できるが、通
常の原子間力に比べて遠距離から大きく作用するので、
プローブ１のばね定数は大きい方が好ましい。また、サ
ンプル３表面を分解能よく観察するために開口型プロー
ブ先端部１２は、先鋭化されている方が好ましいが、サ
ンプル３との相互作用を大きくするためには開口型プロ
ーブ先端部１２は大きい方が好ましい。例えば、開口型
プローブ先端部１２はシリコンやシリコンナイトライド
や、それらに金コートしたものを使用できる。

【００５５】なお、本発明により達成されるプローブ１
とサンプル３間の任意距離での任意相互作用制御を基に
した高速走査や分解能選択走査による表面観察（凹凸像
や場の３次元分布等）と同時に行える機能を付加して、
以下のように情報処理装置、表面加工装置、物性測定装
置、原子・分子操作装置としても使用可能である。

【００５６】スイッチング機構によりオンオフ制御可能
なパルス電圧をプローブ先端に印加し、あらかじめプロ
グラムされた走査工程を本発明の高速走査または分解能
選択走査を行いながらパルス電圧のON、OFFを制御しサ
ンプル表面の電気特性を変更し、情報の書き込みや消去
をおこない、電圧のON、OFF印加による電気特性の変化
にともなうプローブと記録媒体表面との相互作用変化に
より情報の再生を行う情報処理装置。

【００５７】スイッチング機構によりオンオフ制御可能
な、本装置の走査に使われる電磁波の波長と異なる波長
をもつパルスレーザをプローブ先端に印加し、あらかじ
めプログラムされた走査工程を本発明の高速走査または
分解能選択走査を行いながらパルスレーザのON、OFFを
制御しサンプル表面の分子構造を変更し、情報の書き込
みや消去をおこない、電圧のON、OFF印加による記録媒
体表面の分子構造の変化にともなうプローブとの相互作
用変化により情報の再生を行う情報処理装置。

【００５８】先端があらかじめ磁化されたプローブを本
発明の分解能選択走査を行いながら、電磁波発生手段の
制御またはXYZ移動手段の制御により、プローブと記録
媒体間距離を制御することで記録媒体表面の磁気特性に
変化を持たせ、情報の書き込みを行う情報処理装置。

【００５９】本発明によるプローブとサンプル間の任意
距離での任意相互作用制御を基にした高速走査や分解能
選択走査による表面観察（凹凸像や場の３次元分布等）
を行いながら、あらかじめプログラムされた所定の場所
ごとに電磁波発生手段の出力に強弱をつけ、プローブが
サンプルに衝突するエネルギをコントロールし、サンプ
ルに生じる凹凸の有無、深さ、大きさおよび間隔をコン
トロールすることにより記録媒体表面へ情報の読み書き
を行う情報処理装置として使用することや、サンプル表
面の機械加工を行うことができる。

【００６０】本発明によるプローブとサンプル間の任意
距離での任意相互作用制御を基にした高速走査や分解能
選択走査による表面観察（凹凸像や場の３次元分布等）
を行いながら、プローブやサンプルの一方または双方に
種々の物理量（電圧、電流、静電場、静磁場、本発明と
異なる電磁場や熱）を印加することにより時々刻々変化
するサンプルやサンプル表面に吸着した原子分子の電子
状態や原子核状態を、プローブとサンプル間に働く相互
作用や、プローブ自身やプローブ付近に設けられた検波
器が受信する検波情報から物性情報として計測すること
ができる。

【００６１】被加工表面に吸着、蒸着、塗布された極性
分子と、その極性分子を励起しプローブやサンプルの一
方または双方へ入射される電磁波により生じるミニスカ
ス状態へ、必要ならば分子配列を調整するため、電場、
磁場、電磁場、電圧、電流などを付加し、熱や光（電磁
波）を印加することで熱化学反応や光化学反応により硬
化させ、サンプル表面上に積層分子を構築、あるいはプ
ローブを時間変位させナノレベルのロッドや３次元的な
種々の形状へ積層加工することができる表面加工装置。

【００６２】本発明によるプローブとサンプル間の任意
距離での任意相互作用制御を基にした高速走査や分解能
選択走査による表面観察（凹凸像や場の３次元分布等）
を行いながら、サンプル表面に物理吸着または化学吸着
している原子、分子、クラスターまたは微粒子を操作す
る際、プローブや、原子または分子の吸着したサンプル
の一方、または双方に静的または動的な電磁場を印加す
ることにより生じる相互作用を利用し、原子、分子、ク
ラスターまたは微粒子の操作を行うことができる原子・
分子操作装置。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の走査型電
磁波顕微鏡では、電磁波をプローブやサンプルの一方、
または双方に照射もしくは伝播させる事により生ずる、
プローブとサンプル間の相互作用を、プローブの振動数
や振幅や変位変化として検出手段により検出し、制御手
段により電磁波発生手段やXYZ移動手段へフィードバッ
ク制御し、プローブ先端とサンプルの任意表面間距離へ
任意の相互作用を印加する方法や、XYZ移動手段制御に
よりプローブとサンプル間距離を任意一定に保ちながら
走査する方法や、電磁波発生手段制御によりプローブと
サンプル間相互作用を一定に保ちながら走査する方法を
とることによる走査型電磁波顕微鏡であるため、以下に
記載されるような効果を奏する。 （１）プローブとサンプルの相互作用は、従来の原子間
力やトンネル電流を利用した近距離走査領域だけでな
く、電磁波入射または伝導により生じる遠距離相互作用
領域まで、電磁波発生手段やXYZ移動手段により任意に
調整できるため、プローブとサンプル間の任意距離へ任
意の相互作用を印加することが可能となる。

【００６４】（２）プローブをサンプル表面から任意距
離に位置決めし、プローブとサンプル表面とを相対的に
２次元的に移動させるとともに、プローブとサンプルの
相互作用が一定になるよう電磁波発生手段の出力を調整
し、その出力を表面情報化するため、従来のピエゾ素子
を使った走査に比べて測定時間の大幅な短縮や、測定範
囲の大幅な増加が可能となり作業の効率が上がる。 （３）プローブをサンプル表面から任意距離に位置決め
し、プローブとサンプル表面とを相対的に２次元的に移
動させるとともに、プローブとサンプル間距離が一定に
なるようXYZ移動手段の出力を調整し、その出力を表面
情報化するため、Z方向に分布する物理量の観測や必要
な分解能や測定時間に応じた測定ができる。 （４）プローブ先端とサンプル表面の相互作用や位置決
めは、XYZ移動手段よる距離制御だけでなく、電磁波出
力と併用して調整する事も可能なので、電磁波の出力、
例えば、異なる波長、振幅、偏光成分強度比、連続波、
パルス波、位相などを調整した状態でのプローブとサン
プル間の相互作用測定も可能である。 （５）電磁波の長波長を利用することにより、サンプル
の電磁波透過性や表面伝搬性がよくなり、電磁波を入射
または伝播する手段のサンプルに対する空間的配置の自
由度が高まり、特にサンプル下面からの電磁波入射も可
能となる。 （６）静的もしくは動的な電磁場を付加したプローブを
用いて、原子、分子、クラスターまたは微粒子との相互
作用を調整するため、相互作用の強弱やレスポンスを調
整し易く、サンプル表面に３次元的な積層構造を作り出
すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る走査型電磁波
顕微鏡の構成を示した図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る走査型電磁波
顕微鏡の構成を示した図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係る走査型電磁波
顕微鏡の構成を示した図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態に係る走査型電磁波
顕微鏡の構成を示した図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態に係る開口型プロー
ブ先端部を示した図である。

【図６】電波出力変化によるプローブとサンプル間の相
互作用変化を示した図である。

【図７】YAGレーザ出力変化によるプローブとサンプル
間の相互作用変化を示した図である。

【図８】プローブとサンプル間相互作用の繰り返し特性
を示した図である。

【符号の説明】

１ プローブ ２ 先端部 ３ サンプル ４ 電磁波誘導手段 ５ 電磁波入射手段 ６ 電磁波発生手段 ７ 制御手段 ８ XYZ移動手段 ９ 振動手段 １０ 検出手段 １１ サンプルステージ １２ 開口型プローブ先端部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤澤 悟 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所 つくばセンター内 (72)発明者 宇田 毅 東京都小平市鈴木町１丁目104番26 (72)発明者 松浦 寛 千葉県流山市駒木台410―37 Ｆターム(参考） 2F069 AA60 DD15 GG04 GG06 GG07 GG18 GG62 HH04 JJ15 LL03

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁波発生手段と、電磁波発生手段で発
   生させた電磁波をプローブやサンプルの一方、または双
   方に入射または伝播させる電磁波入射手段または電磁波
   誘導手段と、サンプル表面に近接して設けられたプロー
   ブとからなることを特徴とする走査型電磁波顕微鏡。
2. 【請求項２】 プローブの位置、振動数および振幅の変
   化を検出する検出手段と、該検出手段の信号に基づいて
   プローブとサンプルの位置を制御する移動手段と、電磁
   波発生手段をフィードバック制御し、プローブとサンプ
   ル間の距離制御および相互作用制御を行う制御手段とを
   設けたことを特徴とする請求項１記載の走査型電磁波顕
   微鏡。
3. 【請求項３】 電磁波発生手段における電磁波の出力
   を、制御手段によるフィードバック制御により、任意独
   立または複数を同時に出力制御可能であることを特徴と
   する請求項２に記載の走査型電磁波顕微鏡。
4. 【請求項４】 制御手段は、プローブとサンプル間に働
   く原子間力、その他の相互作用、電磁波入射により生じ
   る相互作用およびプローブ先端とサンプル表面間の距離
   を制御するため、プローブとサンプル間に働く相互作用
   の変化をプローブの変化として検出し、電磁波発生手段
   の出力および移動手段の出力をフィードバック制御する
   ことを特徴とする請求項２または請求項３記載の走査型
   電磁波顕微鏡。
5. 【請求項５】 電磁波誘導手段または電磁波入射手段
   を、粒子性を強く示す電磁波を入射または伝播させる場
   合、単一または複数の反射ミラー、ハーフミラー、集光
   レンズ、光ファイバーなどの光学系からなり、電磁波伝
   導性を有する金属、半導体、誘電体あるいはその複合体
   からなり、線状、コイル状、ファイバー状、中空パイプ
   状、フィルム状、パラボラアンテナ状あるいはその複合
   体から形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項
   ４のいずれか１項に記載の走査型電磁波顕微鏡。
   
6. 【請求項６】 プローブ自身が電磁波誘導手段または電
   磁波入射手段を兼ねるようにしたことを特徴とする請求
   項５に記載の走査型電磁波顕微鏡。
7. 【請求項７】 プローブを、金属、半導体、誘電体ある
   いはそれらの複合体から形成するとともに無開口先鋭先
   端、開口先端または導光路先端を設けたことを特徴とす
   る請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の走査
   型電磁波顕微鏡。
8. 【請求項８】 プローブを、複数具備する事により同時
   走査も可能とすることを特徴とする請求項７記載の走査
   型電磁波顕微鏡。
9. 【請求項９】 サンプルを真空中に保持することを特徴
   とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の
   走査型電磁波顕微鏡。
10. 【請求項１０】 サンプルを液体中に保持することを特
    徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載
    の走査型電磁波顕微鏡。
11. 【請求項１１】 プローブとサンプルの一方または双方
    に電磁波を入射または伝播させることにより相互作用を
    発生させるとともに、入射電磁波の出力やプローブとサ
    ンプル間距離の制御、あるいはプローブとサンプルの組
    み合わせを変えることによりにプローブとサンプル間の
    相互作用を任意に増幅制御することを特徴とする走査型
    電磁波顕微鏡の制御方法。
12. 【請求項１２】 プローブ先端をサンプル表面から任意
    の距離に位置決めし、任意の相互作用を付加した状態
    で、制御手段により電磁波発生手段の出力を固定し、プ
    ローブの振動数、振幅、変位などの変化が一定に維持さ
    れるようにプローブとサンプル表面とを３次元的に相対
    移動する際、移動手段の出力をフィードバック制御する
    ことによりプローブとサンプル間距離を任意一定に保持
    しながら分解能選択走査することを特徴とする走査型電
    磁波顕微鏡の制御方法。
13. 【請求項１３】 プローブ先端をサンプル表面から任意
    の距離に位置決めし、任意の相互作用を付加した状態
    で、制御手段により移動手段のＺ方向出力を固定し、プ
    ローブとサンプル表面とを２次元的に相対移動する際、
    プローブの振動数、振幅、変位などの変化が一定に維持
    されるように電磁波発生手段の出力をフィードバック制
    御することによりプローブとサンプル間相互作用を任意
    一定に保ちながら高速走査することを特徴とする走査型
    電磁波顕微鏡の制御方法。