JP2004085220A - Cantilever with light transmission hole, its manufacturing method, and beam measuring method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーに関し、更に詳細には、カンチレバーの突出部の先鋭端を探針点とし、この探針点を含む微小領域を光透過性材料からなる透光孔として機能させることによって、試料表面に光相互作用を生起させながら探針点で試料表面を測定することができる透光孔付きカンチレバーに関する。
【0002】
【従来の技術】
試料表面の原子レベルの起伏を観察したり物性を測定するために、原子間力顕微鏡(Atomic Force MicroscopeでAFMと略称する)に代表される走査型プローブ顕微鏡が試料表面の形状や物性測定に使用されている。
【0003】
この走査型プローブ顕微鏡の多くは、カンチレバーと呼ばれる探針を試料表面に極微接近させたり接触させることによって、試料の表面情報を検出するものである。従って、探針となるカンチレバーの構造が測定精度や測定される物性量と強い相関性を有している。
【0004】
カンチレバーは、文字通りいわゆる片持ち梁を意味している。即ち、このカンチレバーは、片持ち支持されるカンチレバー部と、先端に突設された突出部とから構成され、突出部の先端を先鋭に形成して探針点とし、この探針点を試料表面に接近ないし接触させて試料の表面情報を検出するものである。
【0005】
このカンチレバーをAFM測定に使用する場合には、カンチレバーの一端を片持ち支持して探針点を試料表面に極微接近させ、試料面と平行に走査ピエゾ等により走査させると、探針点と表面に働く原子間力により探針点が上下方向に力を受ける。この力は次のような方法で検出され、AFM測定が行なわれる。
【0006】
第1方法は、カンチレバーの背面にレーザービームを照射しておき、探針点に作用する力によりカンチレバーが撓むと、レーザービームの反射方向が変化し、この反射ビームをフォトダイオードなどで検出する方式である。
【0007】
第2方法は、カンチレバーの取付部に励振用のピエゾ素子を設けておき、この励振用ピエゾとカンチレバー先端の撓み検出用のピエゾ薄膜圧電素子から生じる電圧を用いてカンチレバーを自励発振させ、探針点に働く力により発振周波数が変化し、この発振周波数の変化を検出する方式である。
【0008】
第3方法は、カンチレバーの取付部に励振用のピエゾ素子を設けておき、光ファイバーをカンチレバーの先端に近づけてその反射光による干渉光をフォトダイオードで検出し、このフォトダイオードの出力を励振用ピエゾにフィードバックしてカンチレバーを自励発振させ、探針点に働く力により発振周波数が変化し、この発振周波数の変化を検出する光干渉方式である。
【0009】
AFMでは、これらの方法で測定されたカンチレバー作用力を電圧に変換し、この電圧をカンチレバーのZ方向制御ピエゾにフィードバックし、探針と試料表面の距離を一定に保持するサーボ動作を行わせ、探針点を試料表面に触れることなく試料をXY方向に走査して、前記サーボ電圧を高さ信号としてディスプレイに試料表面の三次元形状を画像化している。
【0010】
このようなAFM分野において、カンチレバーに微小な孔を開け、この孔にレーザービームを通過させ、孔の先端からレーザービームを浸み出させ、浸み出したビームと試料表面との相互作用を検出しようとする研究が進展している。この種の顕微鏡はSNOM(走査型近接場光学顕微鏡、scanning nearfield opticalmicroscope)と呼ばれている。
【0011】
図16は従来のSNOMに用いられる測定孔付きカンチレバーの使用状態の斜視図である。測定孔付きカンチレバー32は、一端を片持ち支持されるカンチレバー部4と、この先端に突設された突出部6とから構成されている。
【0012】
前記突出部6の背部には空洞部10が形成され、突出部6は薄い壁体から構成されるため壁体状突出部と称される。壁体状突出部6の先端には測定孔34が貫通して穿設されている。従って、壁体状突出部6の先端は先鋭な探針点とはならず、測定孔34の断面が露出した探針面36となっている。この探針面36の面積は測定孔34の断面積以上の大きさを有する。この探針面36が試料14の試料表面16に近接又は接触して配置される。
【0013】
通常、この測定孔34の開口径(断面直径)は100nm程度であるから、可視光の波長より十分に小さく、回折限界によって可視光は測定孔を通過することができない。しかし、近年の研究によって、開口部からは波長程度の距離だけ光が空間に浸み出し、波長より遠方では光強度が急激に減衰することが分ってきた。この浸み出し領域が光の近接場(エバネッセント場)と呼ばれている。
【0014】
この近接場光は試料表面と相互作用し、回折・透過・反射・蛍光を生起することが知られている。この透過光や反射光などの強度を測定することによって、試料の光学的性質を光の回折限界を超えた分解能で観察することができるようになってきた。
【0015】
この測定孔付きカンチレバー32により近接場測定を行うには、カンチレバー32の探針面36を試料表面14に接近させる。このとき接触させないで、近接場を形成する程度の隙間を空けておく。この状態で空洞部10から矢印a方向に光を照射し、探針面36から下方に近接場Sを形成させる。
【0016】
この近接場Sが試料表面16と接触すると、相互作用が生起し、光が試料14を透過したり反射したりし、また試料14から蛍光が放出されたりする。これらの2次ビームを検出することにより試料14の光学物性を高い空間分解能で測定することが可能となる。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この測定孔付きカンチレバー32を使用して試料表面のAFM測定をするときに問題が生じる。図17はAFM測定する場合の図16のC−C線断面図である。測定孔34は突出部6の先端に貫通開口されているため、AFM測定では探針面36が試料表面16と接近又は接触することになる。
【0018】
試料表面16にはナノメートルオーダーの凹凸があり、この凹凸を正確に再現するためには、探針面36が凹凸に確実に追従できるように極小に形成されることが要請される。しかし、探針面36の面積は測定孔34の断面積以上の大きさを有するから、その断面直径が前述したように100nmもあると、その最小分解能はどうしても100nm以上と大きくなってしまう。
【0019】
このように大きな探針面36で試料表面16をAFM走査しても、分解能が悪いためにAFM像全体がクリアーにならない。通常のカンチレバー先端に形成される探針点は10nm程度の曲率半径を有するから、10nm以下の分解能を有すると考えられる。しかし、図17のような測定孔34が存在すると、分解能が通常のAFMの1/10以下に低下してしまい、鮮明なAFM画像を形成することが困難になるという欠点がある。つまり、従来のカンチレバーに測定孔を貫通形成すると、カンチレバーに存在した先鋭な探針点が消失してしまい、近接場測定はできるとしても、AFM測定の分解能が得られないという重大な欠点が惹起されるのである。
【0020】
従って、本発明の目的は、先鋭な探針点をあくまで存在させて精度の高いAFM測定を可能にし、同時に探針点の極近傍に光導入手段を設けてエバネッセント場(近接場)を介した光相互作用の測定が可能なAFM用カンチレバーを提供することである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その第1の発明は、一端を支持されるカンチレバー部と、このカンチレバー部から空洞部を有して突設された透光性材料で形成される壁体状突出部と、この壁体状突出部の先端に先鋭に形成された探針点と、この探針点を含んだ微小領域を除くように壁体状突出部の内壁面又は/及び外壁面に形成された不透光性被膜とから構成され、前記探針点を含む微小領域が光を透過させる透光孔として機能する透光孔付きカンチレバーである。透光孔は透光性材料で形成されているから、光は透光孔を透過することができ、実質的に孔が貫通形成されたカンチレバーと同様に、透光孔から滲み出る近接場を介して試料の光相互作用を測定可能なカンチレバーを提供できる。また、透光孔の先端には先鋭な探針点が存在しているから、この探針点により試料表面を高精度にAFM測定することが可能となり、近接場測定とAFM測定を一つのカンチレバーで行なえる透光孔付きカンチレバーを提供できる。
【0022】
第2の発明は、少なくとも透光孔の領域を被覆するように壁体状突出部の外壁面に金属薄膜を形成し、この金属薄膜の膜厚は光に対して透過性を有するように調整される透光孔付きカンチレバーである。空洞部から導入された光が透光孔を通過して金属薄膜側に透過すると、金属薄膜との相互作用により形成される近接場の光エネルギーが増強される。この増強された近接場は試料表面と強く相互作用し、試料表面から放射される2次ビームの強度を増強する作用を有する。
【0023】
第3の発明は、壁体状突出部に形成された透光孔の領域に内壁面側から壁体状突出部の内部に到る導光用凹所を穿設した透光孔付きカンチレバーである。導光用凹所の底面から探針点に到る透光孔の長さは、導光用凹所が形成される前と比較するとかなり短縮されるため、滲み出た光により外部に形成される近接場が増強される。この増強された近接場により試料表面に強い相互作用が生成され、近接場の測定感度を数十〜数百倍に増強させることが可能となる。
【0024】
第4の発明は、一端を支持されるカンチレバー部と、このカンチレバー部から空洞部を有して突設された透光性材料で形成される壁体状突出部と、この壁体状突出部の先端に先鋭に形成された探針点を有するカンチレバーにおいて、前記壁体状突出部の内壁面に不透光性被膜を形成し、内壁面の最深部にある内奥点を含む微小領域に集束された高エネルギービームを照射してこの微小領域の不透光性被膜を除去し、この微小領域から前記探針点に到る道筋を光が透過する透光孔に形成する透光孔付きカンチレバーの製造方法である。高エネルギービームとしては、例えば集束イオンビームや集束されたレーザービームが利用できる。集束イオンビームの断面径は容易に細く絞ることができ、しかもビームのエネルギー密度を簡単に強くできるから、不透光性被膜を数十nmの微焦点に除去することができる。また、フェムト秒レーザーや多光子レーザーのようなレーザービームでもビーム直径を絞りながら不透光性皮膜を除去することができる。従って、透光孔の断面直径の大小を自在に調整でき、外部に形成される近接場の大きさや強度を可変にすることができる。
【0025】
第5の発明は、前記微小領域の不透光性被膜を除去する前又は後において、壁体状突出部の外壁面の少なくとも探針点を含む領域に光透過性の膜厚を有した金属薄膜を形成する透光孔付きカンチレバーの製造方法である。金属薄膜の形成には、物理的蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学的蒸着法(CVD法)など公知の薄膜形成技術を適用でき、近接場増強用の透光孔付きカンチレバーの製造が容易になる。
【0026】
第6の発明は、微小領域の不透光性被膜を除去する工程において、壁体状突出部に形成される透光孔の領域に内壁面側から壁体状突出部の内部に到る導光用凹所を高エネルギービームにより穿設する透光孔付きカンチレバーの製造方法である。前述したように、高エネルギービームとしては、例えば集束イオンビームや集束レーザービームが利用でき、これらの高エネルギービームを照射することにより不透光性被膜の除去だけでなく、導光用凹所の穿設も短時間に簡単に行うことができる。
【0027】
第7の発明は、前述した透光孔付きカンチレバーを使用し、探針点を試料表面に接近又は接触させ、空洞部側から光を導入して透光孔を介して試料表面に光を局所的に照射し、試料から生じる2次ビームを測定するビーム測定方法である。つまり、空洞部側からの光入射により探針点側に近接場を形成し、この近接場によって試料から2次ビームが放射され、この2次ビームには、光、電子、X線、イオンなどが含まれる。2次ビームの種類、エネルギー、波長などを測定して近接場と試料との相互作用を測定することが可能となる。
【0028】
第8の発明は、集光光学系により空洞部側に光を導入するビーム測定方法である。光ファイバーのような集光光学系により光を空洞部へと容易に導くことができる。また、シングルモード光ファイバーから射出される光を集束レンズにより微焦点化すると、空洞部から透光孔に光を導入することも可能である。
【0029】
第9の発明は、透光孔付きカンチレバーを使用し、前記探針点を試料表面に接近又は接触させ、探針点近傍の試料表面に1次ビームを到達させ、この試料から放射される光を前記透光孔を透過させて空洞部側で測定する透光孔付きカンチレバーを用いたビーム測定方法である。試料表面に到達した1次ビームにより、試料表面から光が放射され、この光が探針点との間に近接場を形成して、この近接場により透光孔から光が空洞部側に放出される。この放出光を測定して1次ビームと試料との相互作用を測定することができる。
【0030】
第10の発明は、透光孔を透過して空洞部側に放出された光を光ファイバーのような集光光学系により採光して測定するビーム測定方法である。光ファイバーを用いると放出された光を測定器に容易に導くことができる。また、集束レンズにより光を集束した後、光ファイバーに集光すれば、検出感度を高くでき、光測定が容易になる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る透光孔付きカンチレバー、その製造方法及びそれを用いたビーム測定方法の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【0032】
図1は、本発明に係る透光孔付きカンチレバーの第1実施形態の断面図である。透光孔付きカンチレバー2は、カンチレバー部4と、先端に突設された突出部6から構成されている。この突出部6は薄い壁体から構成されるため壁体状突出部と称され、この壁体状突出部6の背面側には空洞部10が形成されている。壁体状突出部6はピラミッド部とも呼ばれるが、その形状は幾何学的なピラミッド構造だけでなく、円錐、多角錐などの先鋭な突出構造の全てを含んでいる。
【0033】
壁体状突出部6の先端には先鋭な探針点8が形成されており、この探針点8が試料表面に1点で接触又は接近するから、試料の表面情報を局所的に高分解能を有して検出することができる。探針点8の曲率半径は10nm程度にまで小さく加工できるから、この探針点8による測定分解能は数nm以下に達する。
【0034】
この壁体状突出部6は光が透過する性質を有した透光性材料で形成されている。透光性材料としては、SiやSi3N4(シリコンナイトライド)やガラス系素材や透光性セラミックスなどが存在する。ガラス系素材としては、SiO2やSiO2に添加剤を加えた素材、透光性セラミックスとしては、Al2O3、BeO、MgO、CaO、Y2O3、ZrO2、ThO2、MgO・Al2O3、CaF2、GaAs、PLZT等がある。この中でも、特にSiやSi3N4がカンチレバーの材料としてよく用いられる。
【0035】
これらの材料を適宜選択して公知技術により壁体状突出部6を形成する。また、カンチレバー部4は突出部6と同一の透光性材料で形成しても良いが、カンチレバー部4は不透光性材料で形成しても構わない。
【0036】
壁体状突出部6の内壁面6aには、探針点8を含む微小領域を除いて、不透光性被膜20が形成されている。即ち、内壁面6aの最深部にある内奥点6cは探針点8に対向する位置にあり、この内奥点6cを含む微小領域を除いて、突出部6の内壁面6aに不透光性被膜20が形成される。
【0037】
内奥点6cを含む微小領域には不透光性被膜20が形成されないから、内奥点6cから探針点8に至る通路は光が透過できる透光孔12として機能する。勿論、この透光孔12は貫通形成された孔ではなく、透光性材料が充填された領域であることは云うまでもない。従って、点線矢印方向に光を照射すると、不透光性被膜20の表面に入射した光は透過が遮断されるが、透光孔12に入射した光は光ビーム22として探針点8を透過して探針点から下方に近接場(エバネッセント場)を形成する。
【0038】
不透光性被膜20を形成する不透光性材料としては、例えば、Al、Ag、Cr、Au、Pt等の金属が使用できる。また、不透光性被膜20の形成方法には、物理蒸着法、化学蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、メッキ法など公知の被膜形成方法が適用できる。
【0039】
図2は、本発明に係る透光孔付きカンチレバーの第2実施形態の断面図である。この実施形態では、壁体状突出部6が透光性材料で形成される点は第1実施形態と同様であるが、不透光性被膜20が壁体状突出部6の外壁面6bに形成されている点が異なっている。
【0040】
不透光性被膜20は探針点8を含む微小領域を除いた外壁面6bに形成され、その結果、内奥点6cから探針点8に至る通路が透光孔12として形成されることになる。従って、点線矢印方向に光を照射すると、不透光性被膜20に入射した光は遮断されて透過せず、透光孔12に入射した光だけが光ビーム22として探針点8を透過して進行する。
【0041】
図3は本発明に係る透光孔付きカンチレバー2を用いた試料表面のAFM測定図である。試料14の試料表面16に対し探針点8を接触または接近させる。この透光孔付きカンチレバー2では、壁体状突出部6の探針点8が存在しているから、探針点8が有する先鋭精度の範囲で試料14のAFM表面像を撮像することができる。
【0042】
このAFM測定状態において、点線矢印方向に光ビームを入射させると、光ビーム22は透光孔12を透過して試料表面16に入射する。この光により試料構成原子が光励起されて原子移動が生じた場合には、表面電位の変化又は表面電荷の変化としてAFM測定により検出することが可能である。
【0043】
透光孔12は透光性部材から形成された壁体状突出部6の一部であるから、光は透光孔12を透過できるが、電子線やイオンビームのような粒子線は透光孔12を透過することは困難である。従って、透光孔12を透過するビームは透光性材料を透過できる放射光に限定される。
【0044】
図4は透光孔付きカンチレバー2を用いた近接場測定の説明図である。この測定方法では、光ビーム22が透光孔12を通過して近接場Sが形成され、この近接場Sを介して試料表面16の測定点18に光ビーム22、即ち光エネルギーが到達する。
【0045】
透光孔12の断面直径が約1μm以下と小さく設定されている場合には、その断面直径は可視光の波長より小さいから、回折限界の原理から可視光は透光孔12を透過することはできない。しかし、透光孔12を滲み出た光がエバネッセント場と呼ばれる近接場Sを形成し、この近接場Sが試料14と試料表面16にて相互作用することが知られている。
【0046】
勿論、透光孔12の断面直径が入射光の波長より大きい場合には光は透光孔12を通常の伝搬光として透過し、透過光が直接的に試料14と相互作用することができる。従って、この透光孔付きカンチレバー2は任意波長の光に対して対応することができるものである。
【0047】
光ビーム22が近接場Sを介して試料14と相互作用し、その結果、試料表面から放射される2次ビームには各種のものがある。例えば、光を照射して出てくる蛍光や電子があり、勿論、光ビームが反射・透過・屈折・散乱して周囲に放射される光も2次ビームに含まれる。
【0048】
また、近接場Sを介して光相互作用をさせながら、探針点8により試料表面16のAFM測定をすることもできる。この場合には、光入射測定と同時にAFM測定を行なうものである。光を入射させないで、単純に探針点8により試料表面16のAFM測定ができることは云うまでも無い。
【0049】
図5は金属薄膜7を形成した透光孔付きカンチレバー2による前記第1測定方法の説明図である。壁体状突出部6の外壁面6bには探針点8を含むように金属薄膜7が塗膜形成されている。この金属薄膜7の膜厚は光が透過できるように膜厚が調整されており、透光孔12から滲み出た光が金属薄膜7を透過して近接場Sを形成している。
【0050】
透光孔12を滲み出る光は電磁場であるから、この電磁場が金属薄膜7と量子的に相互作用して近接場Sを増強するように作用する。従って、金属薄膜7の下方に形成される近接場Sは、その増強効果のために、金属薄膜7の無い透光孔付きカンチレバー2よりも近接場測定が容易に行なえる利点を有する。それ以外については図1と同様であるから、それらの説明を省略する。
【0051】
図6は導光用凹所9を形成した透光孔付きカンチレバー2による前記第1測定方法の説明図である。壁体状突出部6の内壁面6aの最深部に形成された内奥点6c(図1に示される)から探針点8に向けて壁体状突出部6の内部に導光用凹所9が穿設される。その底部9aは壁体状突出部6の内部に形成され、探針点8まで貫通されることはない。
【0052】
従って、透光孔12は不透光性被膜20の不存在部と導光用凹所9と探針点8に到る突出部領域から構成されることになる。光ビーム22が透光孔12に入射されると、光は導光用凹所9を通過して、探針点8の下方に近接場Sを形成する。導光用凹所9が穿設されているため、光が探針点8から滲み出る量子効果が増強され、その分だけ近接場Sが増強される。
【0053】
前述した金属薄膜7と同様に、導光用凹所9は近接場Sを増強する量子作用を有している。従って、探針点8の下方に形成される近接場Sは導光用凹所9の無い透光孔付きカンチレバー2よりも近接場測定が容易に行なえる利点を有する。それ以外については図1と同様であるから、それらの説明を省略する。
【0054】
図7は金属薄膜7を形成した透光孔付きカンチレバー2の製造工程図である。(7A)では、カンチレバー2が所定位置に配置されている。(7B)では、壁体状突出部6の内壁面6aの全面に不透光性被膜20が形成される。(7C)では、高エネルギービームの一種である集束イオンビームIBを内奥点6cに対して適当な時間だけ照射する。このIB照射により、内奥点6cを含む微小領域の不透光性被膜20が除去される。このようにして、光が透過する透光孔12が実質的に形成される。
【0055】
透光孔12の断面直径は集束イオンビームIBによって自在に調整される。(7D)では、壁体状突出部6の外壁面6bにおいて、探針点8を含む領域に光が透過するように膜厚調整された金属薄膜7が形成される。
【0056】
一般に、金属薄膜7の膜厚が薄くなると、光は金属薄膜7を透過する性質を有し、またその膜厚が厚くなると、金属薄膜7は光不透性を有するようになる。入射する光の波長は種々に設定されるから、透過させたい光の波長に応じて金属薄膜7の膜厚を調整すればよい。
【0057】
図8は導光用凹所9を形成した透光孔付きカンチレバー2の製造工程図である。(8A)では、通常のカンチレバー2が所定位置に配置されている。(8B)では、壁体状突出部6の内壁面6aの全面に不透光性被膜20が形成される。
【0058】
(8C)では、高エネルギービームの一種であるパルスレーザービームLBを内奥点6cに対して適当な時間だけ照射する。このLB照射により、内奥点6cを含む微小領域の不透光性被膜20が除去される。
【0059】
このパルスレーザービームLBの照射を更に続けると、不透光性被膜20を除去するだけでなく、壁体状突出部6の一部を除去しながら、導光用凹所9を穿設形成することになる。このレーザービームLBの照射時間を調整することにより、底部9aの位置は探針点8の手前で止まり、導光用凹所9が壁体状突出部6に形成される。
【0060】
光エネルギーレーザービームLBとしては、例えばフェムト秒レーザーや多光子励起レーザーなどがある。このレーザービームの断面直径を調整することにより、導光用凹所9、即ち透光孔12の断面直径を任意に可変することが可能になり、近接場Sの制御が可能になる。
【0061】
図9は透光孔付きカンチレバー2を用いた第1測定方法の説明図である。この第1測定方法では、まず光照射しないで、透光孔付きカンチレバー2の探針点8を用いて試料表面16をAFM測定する。このAFM測定により適当な測定点18を確定する。
【0062】
次に、この測定点18に対し、光発生装置23aにより光ビーム22を照射する。光ビーム22が透光孔12を通過すると近接場Sが形成され、この近接場Sを介して試料表面16の測定点18に光が照射され、試料と光ビームとの相互作用により試料から周囲に2次ビーム24が放射される。
【0063】
近接場Sと試料14との相互作用により放射される2次ビームには各種のものがある。例えば、光照射による蛍光や電子、また試料中に形成された励起子による2次ビーム形成のように、イオン、X線、赤外線などの種々の粒子・波動が含まれる。光ビームが反射・透過・屈折・散乱して周囲に放射される光ビームも2次ビームに含まれる。
【0064】
本発明では、1次ビームや2次ビームという用語を使用するが、直線状に放射されるビームだけでなく、周囲に分布放射される波動や粒子も含まれる。特に、2次ビームは試料表面から分散状に放射されることが多い。例えば、試料表面から放出される蛍光などは広範囲に分布して放射され、これらも本発明では2次ビームの概念で包括表現されている。
【0065】
測定点18から周囲に放射される2次ビーム24はビーム検出装置26bにより測定される。このビーム検出装置26bは、放射される2次ビーム24のエネルギーや強度などを測定できる装置であり、公知の全ての装置から適切に選択される。
【0066】
2次ビーム24は広範囲に放射されるから、ビーム検出装置26bを移動することにより2次ビーム24の分布測定が行なわれる。試料14を透過して下方に放射される場合もある。点線で示されたビーム検出装置26bは透過した2次ビーム24を測定するものである。
【0067】
透光孔12の断面直径を可変することにより、近接場Sの大きさを調整できるから、この近接場Sが相互作用する試料表面16の反応領域を可変調整できる。従って、本発明により試料表面16の表面座標を正確に指定しながら試料表面の正確な相互作用マップを得ることもできる。
【0068】
本発明では、透光孔12と探針点8の位置は座標的に一致しているから、探針点8で指定された測定点18に光ビーム22を正確に照射することができる。従って、本発明の透光孔付きカンチレバー2により、探針点8によりAFM機能を発揮しながら、透光孔12による近接場測定を同時的に行うことが可能となる。
【0069】
図10は透光孔付きカンチレバー2を用いた第2測定方法の説明図である。この第2方法は、試料表面16に1次ビーム25を照射し、試料から放射される光ビーム22を透光孔12を介して測定するものである。
【0070】
透光孔付きカンチレバー2の周囲にビーム発生装置26aを配置し、このビーム発生装置26aから1次ビーム25を試料表面16の測定点18を狙って照射する。この1次ビーム25は試料表面16の物質と相互作用し、2次ビームを周囲に放射する。1次ビーム25として、レーザービーム等の光ビーム、電子ビーム、X線などがある。この1次ビーム25により、光などが2次ビームとして形成されたとしよう。
【0071】
透光孔付きカンチレバー2を走査することによって、2次ビームのうち透光孔12を透過した光ビーム22が光検出装置23bによって計測される。光検出装置23bとしては、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管などの公知の装置が利用できる。探針点8を走査することによって、光ビーム22の強度分布が正確に測定される。
【0072】
図11は試料14を透過する1次ビーム25を用いた第2測定方法の説明図である。この方法は、試料14の裏側に1次ビーム25を入射させ、試料14を透過して試料表面16の測定点18から光が放射された場合を想定している。1次ビーム25として、例えば、レーザービーム、Xeランプ光、水銀ランプ光など種々の光ビームが利用される。
【0073】
放射光は探針点8との間に近接場Sを形成し、この近接場Sを介して透光孔12に光が入射する。透光孔12から放出される光ビーム22が上方に配置された光検出装置23bにより受光される。この受光によって、1次ビーム25と試料14との相互作用過程が検出強度として測定される。
【0074】
図12は半球プリズム15を用いた第2測定方法の説明図である。ビーム発生装置26aから半球プリズム15に光ビームを1次ビーム25として入射させる。光ビームは全反射面15aにより全反射されて半球プリズム15の下方へと出力される。
【0075】
全反射面15aの測定点18から探針点8に対し近接場Sが形成される。この近接場Sを介して透光孔12に光が入射する。透光孔12から放出される光ビーム22が上方に配置された光検出装置23bにより受光される。この受光によって、半球プリズム15における近接場Sの形成過程が測定できる。
【0076】
図13は多角プリズム17を用いた第2測定方法の説明図である。ビーム発生装置26aから多角プリズム17に光ビームを1次ビーム25として入射させる。光ビームは全反射面17aにより全反射されて多角プリズム17の下方へと出力される。
【0077】
全反射面17aの測定点18から探針点8に対し近接場Sが形成され、この近接場Sを介して透光孔12に光が入射する。透光孔12から空洞部10に放出される光ビーム22が上方に配置された光検出装置23bにより受光される。この受光によって、多角プリズム17による近接場Sの形成過程が測定できる。
【0078】
図14は第1測定方法における光ビーム22の入射方法の説明図である。この説明図では、光を集光して取り扱うために集光光学系が利用され、この集光光学系の一例である光ファイバー28から光ビーム22を放射し、この光ビーム22をレンズ27により集束して透光孔12に入射させる。光ファイバー28を用いることによって、光ビーム22の放射位置を自在に制御でき、しかもレンズ27により光ビーム22を微焦点に集束できるから、透光孔12に光ビーム22を高強度で入射させることが可能になる。
【0079】
図15は第2測定方法における光ビーム22の受光方法の説明図である。試料14は走査ステージ30、30によって支持され、移動自在に配置されている。図示しない集光光学系により光ビームをレンズ29で集束して1次ビーム25として試料14に入射させる。入射方法には、実線で示す透過型背面入射法と点線で示す表面入射法がある。いづれにしても、この光ビームにより近接場Sが形成され、透光孔12から空洞部10側に光ビーム22が放射される。
【0080】
放射された光ビーム22はレンズ27により平行ビームに修正され、ハーフミラー31によりその一部が反射光22aとして側方へ導光される。この反射光22aはCCDカメラ33に入力され、光ビーム22の放射状態が観察される。
【0081】
ハーフミラー31を透過した光ビーム22はレンズ31により集束され、光ファイバー28のような集光光学系に導入される。受光用に光ファイバー28を用いることにより、極めて微小な透光孔12から放射される光を集束して受光でき、測定強度と測定精度の両者を正確に行うことが可能になる。
【0082】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
【0083】
【発明の効果】
第1の発明によれば、探針点を含む微小領域における不透光性被膜を除去しているから、この微小領域が光を透過させる透光孔として実質的に機能することができる。透光孔は透光性材料が充填した領域であるから探針点を有しながら光は透光孔を透過することができ、実質的に孔が貫通形成されたSNOM用カンチレバーと同様に機能する。つまり、このカンチレバーは透光孔から滲み出る近接場を介して試料の光相互作用を測定することができる。また、透光孔の先端には先鋭な探針点が存在しているから、この探針点により試料表面を高精度にAFM測定することが可能となり、近接場測定とAFM測定を一つのカンチレバーで行なえる従来存在しなかった多機能性を実現した透光孔付きカンチレバーを提供できる。
【0084】
第2の発明によれば、壁体状突出部の外壁面に金属薄膜を形成して、近接場測定を高精度に行なえる透光孔付きカンチレバーが提供できる。入射光が透光孔を通過して金属薄膜側に透過すると、金属薄膜との相互作用により近接場が格段に増強される。例えば、この金属薄膜によって光の電場が約1000倍にまで増強される。この増強された近接場は試料表面と強く相互作用し、試料表面から放射される2次ビームの強度を増強する作用を有する。
【0085】
第3の発明によれば、壁体状突出部の内奥点から探針点の近傍に到る導光用凹所が穿設されるから、近接場測定を高精度に行うことが可能になる。つまり、導光用凹所の底面から探針点に到る透光孔の長さは、導光用凹所が形成される前と比較するとかなり短縮され、この導光用凹所が導波路として作用して光の滲み出し強度が格段に向上し、外部に形成される近接場の増強が達成される。この増強された近接場により試料表面に強い相互作用が生成され、近接場測定を高感度に行うことを可能にし、微弱光のSNOM測定を可能にする。
【0086】
第4の発明によれば、本発明の主眼たる透光孔付きカンチレバーを高エネルギービームにより容易に製造することができる。高エネルギービームを使用すれば、不透光性被膜を微焦点状に除去することができるから、透光孔を極微小で高精度に形成した透光孔付きカンチレバーを製造できる。高エネルギービームとしては、例えば集束イオンビームやパルスレーザービームが利用できる。パルスレーザービームには、フェムト秒レーザーや多光子レーザーのようなレーザービームが利用できる。
【0087】
第5の発明によれば、不透光性被膜を除去する前又は後において、壁体状突出部の外壁面に金属薄膜を形成する透光孔付きカンチレバーの製造方法が提供される。金属薄膜の形成には、物理的蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学的蒸着法(CVD法)など公知の薄膜形成技術を適用でき、近接場増強用の透光孔付きカンチレバーの製造が容易になる。
【0088】
第6の発明によれば、微小領域の不透光性被膜を除去すると同時に、導光用凹所を高エネルギービームにより一気に穿設できる透光孔付きカンチレバーの製造方法が提供される。高エネルギービームとしては、例えば集束イオンビームや集束パルスレーザービームが利用でき、不透光性被膜の除去だけでなく、導光用凹所の穿設も短時間に簡単に行うことができる。
【0089】
第7の発明によれば、透光孔付きカンチレバーにより、空洞部側から光を導入して透光孔を介して試料表面に光を局所的に照射し、試料から生じる2次ビームを測定するビーム測定方法が提供される。空洞部側からの光入射により探針点側に近接場が形成され、この近接場によって試料から2次ビームが放射され、この2次ビームが測定される。2次ビームとしては、光、電子など多様なビームが含まれ、そのエネルギーや波長などを測定して近接場と試料との相互作用を高感度且つ高分解能に測定することができる。
【0090】
第8の発明によれば、光ファイバーのような集光光学系により入射光を空洞部へと容易に導くことができ、また集光光学系により光を微焦点に絞ることができる。また、集光光学系から射出される光を集束レンズにより微焦点化すると、高精度に位置制御された光を透光孔に確実に導入することができる。
【0091】
第9の発明によれば、透光孔付きカンチレバーを使用して、探針点近傍の試料表面に1次ビームを到達させ、この試料から放射される光を前記透光孔を透過させて空洞部側で測定することができる。1次ビームにより試料表面から光が放射され、この光が探針点との間に近接場を形成して、この近接場により透光孔から光が空洞部側に放出される。この放出光を測定して1次ビームと試料との相互作用を測定することができる。
【0092】
第10の発明によれば、透光孔から空洞部側に放出された光を光ファイバーのような集光光学系により集光するから、例えば光ファイバーの屈曲性により集光した光を測定器に容易に導入できる。また、集光光学系に集光すれば、光を有効に採光でき、微弱光の測定が容易になり、測定感度の向上を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る透光孔付きカンチレバー2の第1実施形態の断面図である。
【図2】本発明に係る透光孔付きカンチレバー2の第2実施形態の断面図である。
【図3】本発明に係る透光孔付きカンチレバー2を用いた試料表面のAFM測定図である。
【図4】透光孔付きカンチレバー2を用いた近接場測定の説明図である。
【図5】金属薄膜7を形成した透光孔付きカンチレバー2による第1測定方法の説明図である。
【図6】導光用凹所9を形成した透光孔付きカンチレバー2による第1測定方法の説明図である。
【図7】金属薄膜7を形成した透光孔付きカンチレバー2の製造工程図である。
【図8】導光用凹所9を形成した透光孔付きカンチレバー2の製造工程図である。
【図9】透光孔付きカンチレバー2を用いた第1測定方法の説明図である。
【図10】透光孔付きカンチレバー2を用いた第2測定方法の説明図である。
【図11】試料14を透過する1次ビーム25を用いた第2測定方法の説明図である。
【図12】半球プリズム15を用いた第2測定方法の説明図である。
【図13】は多角プリズム17を用いた第2測定方法の説明図である。
【図14】第1測定方法における光ビーム22の入射方法の説明図である。
【図15】第2測定方法における光ビーム22の受光方法の説明図である。
【図16】従来のSNOMに用いられる測定孔付きカンチレバーの使用状態の斜視図である。
【図17】AFM測定する場合の図16のC−C線断面図である。
【符号の説明】
2は透光孔付きカンチレバー、4はカンチレバー部、6は突出部、6aは突出部の内壁面、6bは突出部の外壁面、6cは内奥点、7は金属薄膜、8は探針点、9は導光用凹所、9aは底部、10は空洞部、12は透光孔、14は試料、15は半球プリズム、15aは全反射面、16は試料表面、17は多角プリズム、17aは全反射面、18は測定点、20は不透光性被膜、22は光ビーム、23aは光発生装置、23bは光検出装置、24は2次ビーム、25は1次ビーム、26aはビーム発生装置、26bはビーム検出装置、27はレンズ、28は光ファイバー、29はレンズ、30は走査ステージ、31はハーフミラー、32は測定孔付きカンチレバー、33はCCDカメラ、34は測定孔、35はレンズ、36は探針面、IBは集束イオンビーム、LBはレーザービーム、Sは近接場。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a cantilever used for a scanning probe microscope, and more specifically, a sharp point of a protruding portion of a cantilever is used as a probe point, and a micro area including the probe point is formed of a light transmitting hole made of a light transmitting material. The present invention relates to a cantilever with a light-transmitting hole that can measure a sample surface at a probe point while causing optical interaction on the sample surface by functioning as a cantilever.
[0002]
[Prior art]
A scanning probe microscope typified by an atomic force microscope (abbreviated as AFM) is used to measure the shape and physical properties of the sample surface to observe undulations at the atomic level on the sample surface and to measure physical properties. Have been.
[0003]
Many of these scanning probe microscopes detect the surface information of a sample by bringing a probe called a cantilever extremely close to or in contact with the surface of the sample. Therefore, the structure of the cantilever serving as a probe has a strong correlation with the measurement accuracy and the measured physical properties.
[0004]
Cantilever literally means a so-called cantilever. That is, this cantilever is composed of a cantilever portion that is cantilevered and a protruding portion that protrudes from the tip, and the tip of the protruding portion is sharply formed as a probe point, and this probe point is used as a sample surface. The surface information of the sample is detected by approaching or contacting the surface.
[0005]
When this cantilever is used for AFM measurement, one end of the cantilever is supported in a cantilever manner to bring the probe point very close to the sample surface, and scanning is performed in parallel with the sample surface by a scanning piezo or the like. The probe point receives a vertical force due to the atomic force acting on the probe. This force is detected by the following method, and the AFM measurement is performed.
[0006]
The first method is to irradiate a laser beam on the back of the cantilever, and when the cantilever is bent by the force acting on the probe point, the direction of reflection of the laser beam changes, and this reflected beam is detected by a photodiode or the like. It is.
[0007]
In the second method, a piezo element for excitation is provided on the mounting portion of the cantilever, and the cantilever is self-oscillated using the voltage generated by the piezo for excitation and the piezoelectric element for detecting the deflection of the tip of the cantilever. In this method, the oscillation frequency changes due to the force applied to the needle point, and the change in the oscillation frequency is detected.
[0008]
The third method is to provide an excitation piezo element at the mounting portion of the cantilever, bring the optical fiber close to the tip of the cantilever, detect interference light due to the reflected light with a photodiode, and output the output of this photodiode to the excitation piezoelectric element. In this optical interference method, the cantilever oscillates by self-oscillation, and the oscillation frequency changes due to the force acting on the probe point, and the change in the oscillation frequency is detected.
[0009]
In the AFM, the cantilever acting force measured by these methods is converted into a voltage, and this voltage is fed back to the Z-direction control piezo of the cantilever to perform a servo operation for maintaining a constant distance between the probe and the sample surface. The sample is scanned in the X and Y directions without touching the probe point to the sample surface, and the servo voltage is used as a height signal to image a three-dimensional shape of the sample surface on a display.
[0010]
In the AFM field, a small hole is made in a cantilever, a laser beam is passed through the hole, the laser beam is leached from the tip of the hole, and the interaction between the leached beam and the sample surface is detected. Attempts are being made in research. This type of microscope is called SNOM (scanning near-field optical microscope).
[0011]
FIG. 16 is a perspective view of a used state of a cantilever with a measurement hole used in a conventional SNOM. The
[0012]
A
[0013]
Normally, the aperture diameter (cross-sectional diameter) of the
[0014]
It is known that this near-field light interacts with the sample surface and causes diffraction, transmission, reflection, and fluorescence. By measuring the intensity of the transmitted light or the reflected light, it has become possible to observe the optical properties of the sample with a resolution exceeding the diffraction limit of light.
[0015]
In order to perform near-field measurement using the
[0016]
When the near field S comes into contact with the
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, a problem arises when the AFM measurement of the sample surface is performed using the
[0018]
The
[0019]
Even if the
[0020]
Therefore, an object of the present invention is to enable highly accurate AFM measurement by making a sharp probe point exist to the last, and at the same time, to provide a light introducing means very close to the probe point and to transmit the light through an evanescent field (near field). An object of the present invention is to provide an AFM cantilever capable of measuring optical interaction.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and a first invention of the present invention is directed to a cantilever portion supported at one end, and a translucent material projecting from the cantilever portion with a hollow portion. The wall-shaped protrusion formed by the above, a probe point sharply formed at the tip of the wall-shaped protrusion, and the inside of the wall-shaped protrusion formed so as to exclude a minute region including the probe point. A cantilever with a light-transmitting hole, which is constituted by a light-impermeable coating formed on a wall surface and / or an outer wall surface, and in which a minute region including the probe point functions as a light-transmitting hole for transmitting light. Since the light-transmitting hole is formed of a light-transmitting material, light can pass through the light-transmitting hole, and a near-field oozing out of the light-transmitting hole substantially as in a cantilever having a hole formed therethrough. A cantilever capable of measuring the optical interaction of the sample via the cantilever can be provided. In addition, since a sharp probe point exists at the tip of the light-transmitting hole, it is possible to perform AFM measurement on the sample surface with high accuracy by using the probe point, and it is possible to perform near field measurement and AFM measurement with one cantilever. Can be provided with a cantilever with a light-transmitting hole.
[0022]
In the second invention, a metal thin film is formed on the outer wall surface of the wall-shaped projection so as to cover at least the region of the light transmitting hole, and the thickness of the metal thin film is adjusted so as to have light transmittance. Is a cantilever with a light transmitting hole. When the light introduced from the cavity passes through the light transmitting hole and passes through the metal thin film, the near-field light energy formed by the interaction with the metal thin film is enhanced. This enhanced near field interacts strongly with the sample surface and has the effect of increasing the intensity of the secondary beam emitted from the sample surface.
[0023]
The third invention is a cantilever with a light-transmitting hole, in which a light-guiding recess extending from the inner wall surface side to the inside of the wall-shaped protrusion is formed in the region of the light-transmitting hole formed in the wall-shaped protrusion. is there. The length of the light-transmitting hole from the bottom of the light-guiding recess to the probe point is considerably shorter than before the light-guiding recess is formed. Near field is enhanced. A strong interaction is generated on the sample surface by the enhanced near field, and the measurement sensitivity of the near field can be increased by several tens to several hundreds.
[0024]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a cantilever portion having one end supported thereon, a wall-shaped protrusion formed of a translucent material having a cavity from the cantilever portion, and the wall-shaped protrusion. In a cantilever having a sharply formed probe point at the tip of the tip, an opaque film is formed on the inner wall surface of the wall-shaped protrusion, and a minute region including the innermost point at the deepest portion of the inner wall surface is formed. A focused high-energy beam is irradiated to remove the light-impermeable coating in this minute area, and a light-transmitting hole is formed to form a light-transmitting hole on the path from the minute area to the probe point. This is a method for manufacturing a cantilever. As the high energy beam, for example, a focused ion beam or a focused laser beam can be used. Since the cross-sectional diameter of the focused ion beam can be narrowed easily and the energy density of the beam can be easily increased, the opaque coating can be removed to a fine focus of several tens of nm. Further, even with a laser beam such as a femtosecond laser or a multiphoton laser, the light-impermeable coating can be removed while reducing the beam diameter. Therefore, the size of the cross-sectional diameter of the light transmitting hole can be freely adjusted, and the size and intensity of the near field formed outside can be varied.
[0025]
According to a fifth aspect of the present invention, a metal having a light-transmitting film thickness at least in a region including a probe point on an outer wall surface of a wall-shaped protrusion before or after removing a light-opaque film in the minute region. This is a method for manufacturing a cantilever with a light-transmitting hole for forming a thin film. Known thin film forming techniques such as physical vapor deposition, sputtering, ion plating, and chemical vapor deposition (CVD) can be applied to the formation of a metal thin film, and the production of a cantilever with a light-transmitting hole for enhancing near-field is possible. Becomes easier.
[0026]
According to a sixth aspect of the present invention, in the step of removing the light-impermeable coating in the minute area, the guide extending from the inner wall surface side to the inside of the wall-shaped projection is provided in the area of the light-transmitting hole formed in the wall-shaped projection. This is a method for manufacturing a cantilever with a light transmitting hole in which a light recess is formed by a high energy beam. As described above, as the high-energy beam, for example, a focused ion beam or a focused laser beam can be used. Irradiating these high-energy beams not only removes the light-impermeable coating, but also reduces the light guide recess. Drilling can be performed easily in a short time.
[0027]
The seventh invention uses the above-described cantilever with a light-transmitting hole, brings the probe point close to or comes into contact with the sample surface, introduces light from the cavity side, and locally transmits light to the sample surface through the light-transmitting hole. This is a beam measurement method for measuring a secondary beam generated from a sample by irradiating the sample with a beam. That is, a near field is formed on the probe point side by light incident from the cavity side, and a secondary beam is emitted from the sample by the near field, and the secondary beam includes light, electrons, X-rays, ions, and the like. Is included. By measuring the type, energy, wavelength, and the like of the secondary beam, it becomes possible to measure the interaction between the near field and the sample.
[0028]
An eighth invention is a beam measurement method for introducing light into a cavity side by a condensing optical system. Light can be easily guided to the cavity by a condensing optical system such as an optical fiber. Further, when the light emitted from the single mode optical fiber is finely focused by the focusing lens, the light can be introduced from the cavity into the light transmitting hole.
[0029]
A ninth invention uses a cantilever with a light-transmitting hole to bring the probe point close to or into contact with the sample surface, to allow a primary beam to reach the sample surface near the probe point, and to radiate light from the sample. Is a beam measurement method using a cantilever with a light-transmitting hole, which is transmitted through the light-transmitting hole and measured on the cavity side. Light is radiated from the sample surface by the primary beam that has reached the sample surface, and this light forms a near field with the probe point, and the near field emits light from the light transmitting hole to the cavity side. Is done. By measuring the emitted light, the interaction between the primary beam and the sample can be measured.
[0030]
A tenth invention is a beam measurement method in which light transmitted through a light-transmitting hole and emitted to the cavity is collected and collected by a light-collecting optical system such as an optical fiber. The use of an optical fiber allows the emitted light to be easily guided to a measuring instrument. In addition, if light is converged by a converging lens and then condensed on an optical fiber, detection sensitivity can be increased and light measurement can be facilitated.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a cantilever with a light-transmitting hole, a method for manufacturing the same, and a beam measuring method using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0032]
FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of a cantilever with a light transmitting hole according to the present invention. The
[0033]
A
[0034]
The wall-shaped
[0035]
These materials are appropriately selected to form the wall-shaped
[0036]
An
[0037]
Since the light-
[0038]
As the opaque material forming the
[0039]
FIG. 2 is a sectional view of a second embodiment of the cantilever with a light-transmitting hole according to the present invention. In this embodiment, the point that the wall-shaped
[0040]
The light-
[0041]
FIG. 3 is an AFM measurement diagram of a sample surface using the
[0042]
In this AFM measurement state, when a light beam is incident in the direction of the dotted arrow, the
[0043]
Since the
[0044]
FIG. 4 is an explanatory diagram of near-field measurement using the
[0045]
When the cross-sectional diameter of the
[0046]
Of course, when the cross-sectional diameter of the light-transmitting
[0047]
The
[0048]
In addition, the AFM measurement of the
[0049]
FIG. 5 is an explanatory view of the first measuring method using the
[0050]
Since the light that seeps through the
[0051]
FIG. 6 is an explanatory diagram of the first measuring method using the
[0052]
Accordingly, the light-transmitting
[0053]
Similarly to the metal
[0054]
FIG. 7 is a manufacturing process diagram of the
[0055]
The cross-sectional diameter of the
[0056]
In general, when the thickness of the metal
[0057]
FIG. 8 is a manufacturing process diagram of the
[0058]
In (8C), a pulse laser beam LB, which is a kind of high energy beam, is irradiated to the
[0059]
When the irradiation of the pulse laser beam LB is further continued, the light-guiding
[0060]
Examples of the light energy laser beam LB include a femtosecond laser and a multiphoton excitation laser. By adjusting the cross-sectional diameter of the laser beam, the cross-sectional diameter of the light-guiding
[0061]
FIG. 9 is an explanatory diagram of a first measurement method using the
[0062]
Next, the
[0063]
There are various types of secondary beams emitted by the interaction between the near field S and the
[0064]
In the present invention, the terms primary beam and secondary beam are used, but not only beams radiated linearly but also waves and particles distributed and radiated around. In particular, the secondary beam is often emitted in a dispersed manner from the sample surface. For example, fluorescent light emitted from the surface of the sample is emitted in a wide distribution, and these are also comprehensively represented by the concept of a secondary beam in the present invention.
[0065]
The
[0066]
Since the
[0067]
Since the size of the near field S can be adjusted by changing the cross-sectional diameter of the
[0068]
In the present invention, since the position of the
[0069]
FIG. 10 is an explanatory diagram of a second measurement method using the
[0070]
A
[0071]
By scanning the
[0072]
FIG. 11 is an explanatory diagram of a second measurement method using the
[0073]
The radiated light forms a near-field S with the
[0074]
FIG. 12 is an explanatory diagram of a second measurement method using the
[0075]
A near field S is formed from the
[0076]
FIG. 13 is an explanatory diagram of a second measurement method using the
[0077]
A near field S is formed from the
[0078]
FIG. 14 is an explanatory diagram of a method of entering the
[0079]
FIG. 15 is an explanatory diagram of a method of receiving the
[0080]
The emitted
[0081]
The
[0082]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications and design changes without departing from the technical idea of the present invention are included in the technical scope. Absent.
[0083]
【The invention's effect】
According to the first aspect, since the light-impermeable coating in the minute area including the probe point is removed, the minute area can substantially function as a light-transmitting hole for transmitting light. Since the light-transmitting hole is a region filled with a light-transmitting material, light can be transmitted through the light-transmitting hole while having a probe point, and functions substantially like a cantilever for SNOM in which a hole is formed. I do. In other words, the cantilever can measure the optical interaction of the sample via the near field oozing out of the light transmitting hole. In addition, since a sharp probe point exists at the tip of the light-transmitting hole, it becomes possible to perform AFM measurement on the sample surface with high accuracy by using the probe point, so that the near-field measurement and the AFM measurement can be performed by one cantilever. Thus, it is possible to provide a cantilever with a light-transmitting hole that realizes multifunctionality that has not existed conventionally.
[0084]
According to the second invention, it is possible to provide a cantilever with a light-transmitting hole capable of performing near-field measurement with high accuracy by forming a metal thin film on the outer wall surface of the wall-shaped protrusion. When the incident light passes through the light transmitting hole and passes through the metal thin film, the near field is significantly enhanced by the interaction with the metal thin film. For example, the metal thin film enhances the electric field of light up to about 1000 times. This enhanced near field interacts strongly with the sample surface and has the effect of increasing the intensity of the secondary beam emitted from the sample surface.
[0085]
According to the third aspect of the present invention, since the light guiding recess extending from the innermost point of the wall-shaped projection to the vicinity of the probe point is formed, it is possible to perform near-field measurement with high accuracy. Become. In other words, the length of the light transmitting hole from the bottom of the light guide recess to the probe point is considerably reduced as compared with before the light guide recess is formed, and this light guide recess is formed by the waveguide. As a result, the bleeding intensity of light is remarkably improved, and the near field formed outside is enhanced. The enhanced near field generates a strong interaction on the surface of the sample, which enables the near field measurement to be performed with high sensitivity, and enables the SNOM measurement of weak light.
[0086]
According to the fourth aspect, the cantilever having a light-transmitting hole, which is the main feature of the present invention, can be easily manufactured by using a high-energy beam. If a high energy beam is used, the light-impermeable film can be removed in a fine focus state, so that a cantilever with a light-transmitting hole in which a light-transmitting hole is formed with extremely small precision can be manufactured. For example, a focused ion beam or a pulsed laser beam can be used as the high energy beam. As the pulsed laser beam, a laser beam such as a femtosecond laser or a multiphoton laser can be used.
[0087]
According to the fifth invention, there is provided a method for manufacturing a cantilever with a light-transmitting hole, in which a metal thin film is formed on the outer wall surface of the wall-shaped protrusion before or after removing the light-impermeable coating. Known thin film forming techniques such as physical vapor deposition, sputtering, ion plating, and chemical vapor deposition (CVD) can be applied to the formation of a metal thin film, and the production of a cantilever with a light-transmitting hole for enhancing near-field is possible. Becomes easier.
[0088]
According to the sixth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a cantilever with a light-transmitting hole, which can remove a light-impermeable coating in a minute area and simultaneously pierce a light-guiding recess with a high-energy beam. As the high-energy beam, for example, a focused ion beam or a focused pulse laser beam can be used, and not only the removal of the light-impermeable coating but also the formation of the light guide recess can be easily performed in a short time.
[0089]
According to the seventh aspect, the cantilever with the light-transmitting hole introduces light from the cavity side, locally irradiates the sample surface with light through the light-transmitting hole, and measures a secondary beam generated from the sample. A beam measurement method is provided. A near field is formed on the probe point side by the light incident from the cavity side, and a secondary beam is emitted from the sample by the near field, and the secondary beam is measured. The secondary beam includes various beams such as light and electrons, and the energy and wavelength of the beam can be measured to measure the interaction between the near field and the sample with high sensitivity and high resolution.
[0090]
According to the eighth aspect, the incident light can be easily guided to the cavity by the condensing optical system such as an optical fiber, and the light can be focused to a fine focus by the condensing optical system. Further, when the light emitted from the condensing optical system is finely focused by the focusing lens, the light whose position is controlled with high precision can be reliably introduced into the light transmitting hole.
[0091]
According to the ninth aspect, the primary beam reaches the sample surface near the probe point using the cantilever with the light transmitting hole, and light emitted from the sample is transmitted through the light transmitting hole to form a cavity. It can be measured on the part side. Light is radiated from the sample surface by the primary beam, and this light forms a near field with the probe point, and the near field causes light to be emitted from the light transmitting hole toward the cavity. By measuring the emitted light, the interaction between the primary beam and the sample can be measured.
[0092]
According to the tenth aspect, the light emitted from the light transmitting hole toward the cavity is focused by the focusing optical system such as an optical fiber. Can be introduced. Further, if the light is condensed by the condensing optical system, light can be collected effectively, faint light can be easily measured, and the measurement sensitivity can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of a
FIG. 2 is a sectional view of a second embodiment of a
FIG. 3 is an AFM measurement diagram of a sample surface using a
FIG. 4 is an explanatory diagram of near-field measurement using a
FIG. 5 is an explanatory diagram of a first measuring method using a
FIG. 6 is an explanatory view of a first measurement method using a
FIG. 7 is a manufacturing process diagram of a
FIG. 8 is a manufacturing process diagram of the
FIG. 9 is an explanatory diagram of a first measurement method using a
FIG. 10 is an explanatory diagram of a second measurement method using a
FIG. 11 is an explanatory diagram of a second measurement method using a
FIG. 12 is an explanatory diagram of a second measurement method using a
FIG. 13 is an explanatory diagram of a second measurement method using the
FIG. 14 is an explanatory diagram of a method of entering the
FIG. 15 is an explanatory diagram of a method of receiving the
FIG. 16 is a perspective view of a use state of a cantilever with a measurement hole used in a conventional SNOM.
17 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 16 when performing AFM measurement.
[Explanation of symbols]
2 is a cantilever with a light-transmitting hole, 4 is a cantilever portion, 6 is a protruding portion, 6a is an inner wall surface of the protruding portion, 6b is an outer wall surface of the protruding portion, 6c is an inner depth point, 7 is a metal thin film, and 8 is a probe point. , 9 is a light guide recess, 9a is a bottom, 10 is a cavity, 12 is a light transmitting hole, 14 is a sample, 15 is a hemispherical prism, 15a is a total reflection surface, 16 is a sample surface, 17 is a polygonal prism, 17a Is a total reflection surface, 18 is a measurement point, 20 is an opaque film, 22 is a light beam, 23a is a light generator, 23b is a light detector, 24 is a secondary beam, 25 is a primary beam, and 26a is a beam A generator, 26b is a beam detector, 27 is a lens, 28 is an optical fiber, 29 is a lens, 30 is a scanning stage, 31 is a half mirror, 32 is a cantilever with a measurement hole, 33 is a CCD camera, 34 is a measurement hole, and 35 is a measurement hole. Lens, 36 is probe surface, IB is collection Ion beam, LB is a laser beam, S is the near-field.
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