JP2004101378A - 走査型近接場光顕微鏡および近接場光を用いた試料観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】走査型近接場光顕微鏡について、測定時にプローブを加振することなしに試料とプローブ間距離を制御し、より正確な測定を行うことを可能にすること。
【解決手段】走査型近接場光顕微鏡について、近接場光を発生させるための光源と、該光源から発せられる光の波長よりも小さい開口を有するプローブと、試料によって散乱された該近接場光を検出する手段と、上記プローブと上記試料を相対的に位置決めする手段と、上記プローブを振動させる手段と、上記プローブの振動を検出する手段と、上記振動検出手段からの出力信号に基づいて上記プローブと上記試料間の距離を検出する手段と、上記距離情報を記憶する手段とを有し、上記位置決め手段が、予め上記距離情報記憶手段に保存された距離情報に基づいて上記プローブの位置制御を行い、上記プローブを振動させない状態で該近接場光を発生させ、上記近接場光検出手段からの出力信号に基づいて上記試料を測定すること。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は走査型近接場光顕微鏡に関するものであり、特に物質の表面形状や光学情報、組成に関する情報を測定するものであり、半導体の構造解析や生体分子の計測等への応用が可能なものである。
【０００２】
【従来技術】
物質表面の表面形状等の測定を行う際、光学顕微鏡では回折限界があるため分解能は波長乃至その波長の半分程度に留まってしまうことが知られている。しかし近年の科学技術の進歩に伴い、例えば半導体等の微細形状を有する製品の検査や、ＤＮＡ等の生体組織の測定に要求される分解能はｎｍ（ナノメートル）オーダーになっている。
このｎｍオーダーの測定を可能にするものとして原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、そして前述の回折限界を打破した走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などが挙げられる。
これらｎｍオーダーでの測定が可能な顕微鏡のうちＡＦＭやＳＴＭが被測定物の表面形状のみしか測定できないのに対しＳＮＯＭはその光学特性、更には物質の組成分析も行えるメリットがある。
【０００３】
ＳＮＯＭを用いた測定においては、プローブと試料間の距離を一定に保つため、プローブの高さ位置を一定にするために位置制御が必要であるが、この方法としてシアフォースを用いる方法が挙げられる。これは試料とプローブ間距離が数十ｎｍまで近付いた時に発生するシアフォースを利用したものであり、例えばプローブを振動させた状態で試料に接近させていくと前述のシアフォースが働くことによって振幅が小さくなることが知られている。そこで、レーザ光をプローブに照射しその散乱光を測定することで、プローブの振幅や周波数、位相の変化を検知し、これが一定となるよう距離制御コントローラにフィードバックすることで、ｎｍオーダーでの距離制御が可能となる。この振動検出方法としてはチューニングフォークを用いる等、光を用いないことで近接場光測定における外乱を少なくする方法も考案されている。
【０００４】
しかし、振動させながら試料表面を近接場光で測定する場合、この振動によって生じるノイズが外乱として測定結果に混入することが考えられる。
また、プローブは非常に繊細なものであり、わずかなゴミの付着や、測定中の被測定物との接触で測定が行えなくなる場合があり、そのためにプローブを頻繁に交換する必要があるが、この交換のための時間ロスが少なくない。例えば、前述のようなシアフォース制御を行う場合、まずピエゾ（ＰＺＴ）を用いてプローブを加振する必要があるので、測定精度を向上させるためプローブの共振周波数で振動させている。この共振周波数はプローブによって異なるため、プローブを交換した場合には改めて共振周波数を求めるところから再設定作業を行う必要があり、測定時間の増大の一因となっている。
【０００５】
この発明はこれらの問題を解消して測定精度を向上させるとともに、プローブを長持ちさせて効率的に測定を行うことができる走査型近接場光顕微鏡、ならびに近接場光を用いた試料観察方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
ところで、特開平１１−３１６２４０号公報に「走査型近接場光学顕微鏡」の発明が記載されている。このものは、検出される近接場散乱光信号のうち探針（プローブ）への加振周波数の高周波成分のみを取り出すことで、不要な散乱光が探針に当たった際に生じる各種ノイズ成分を低減し、ＳＮ比を向上させるものである。しかし、この従来例においては、プローブの振動に起因するノイズを減らすために高調波の検出、さらに検出された振動成分に基づく測定データの情報処理等、煩雑な作業が必要となるという問題がある。
【０００７】
また、特開平１０−２９３１３３号公報に「走査型近接場光顕微鏡」の発明が記載されている。このものは、複数のプローブを切替機構によって、走査可能状態に択一的に切替えることを可能にすることで、プローブの破損やゴミの付着時に、容易にプローブを交換することができる。しかし、この従来技術においては、プローブ切り替えの際に、一旦プローブと試料の間の距離を大きく離し、アプローチ動作を再び行うことになるので、プローブ交換の際の脱着操作の手間は省けるものの、測定可能状態に再設定するまでの時間を十分に短縮することはできないという問題がある。
【０００８】
さらに、特開平７−２６０８０８号公報に「走査型近接視原子間力顕微鏡」の発明が記載されている。このものは、シアフォース検出のためプローブを振動させる時、プローブの振動に同期して近接場光を発生させることで、光特性像の分解能を向上させたり、また、蛍光観察においては金属被膜に吸収される蛍光エネルギーを減少させ、検出される蛍光強度を高めるものである。しかし、この従来技術においては、振動と同期させて光源を発光させる必要が有るなど、複雑なシステムが必要となるという問題がある。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３１６２４０号公報
【特許文献２】特開平１０−２９３１３３号公報
【特許文献３】特開平７−２６０８０８号公報
【００１０】
【この発明が解決しようとする課題】
【課題１】（請求項１に対応）
近接場光顕微鏡においては、被測定試料とプローブ間距離をシアフォース制御によって一定に保っている。しかし、シアフォースを検出するために、ＰＺＴを用いてプローブを加振する必要があるため、この振動によって測定結果にノイズが混入してしまう。
そこでこの発明は、走査型近接場光顕微鏡について、測定時にプローブを加振することなしに試料とプローブ間距離を制御し、より正確な測定を行うことを可能にすることを、その課題１とするものである。
【００１１】
【課題２】（請求項２に対応）
プローブ加振によるノイズを除去するために、試料とプローブ間の距離測定と別個にして計２回トレースする方法によると、測定を繰り返すうちにプローブが破損してしまう可能性がある。また、試料表面に大きな凹凸がある場合、振動させたときにこの凹凸に接触してプローブ開口が潰れてしまうこともある。このようにしてプローブが破損した場合はプローブを交換しなくてはならないが、そのためには、
▲１▼試料からプローブを遠ざけ、
▲２▼プローブを取り外し、
▲３▼新たなプローブを取り付け、
▲４▼プローブの共振周波数を探し、
▲５▼試料にアプローチしながらシアフォース検出による位置検出を再び行う、というこの▲１▼から▲５▼の手順をその都度経なくてはならず、このために多大な時間を要してしまう。
そこでこの発明は、距離検出プローブを近接場光発生プローブとは別途に設けることによってプローブの破損を防止し、プローブ交換回数を減らして効率的にその測定を行えるようにすることをその課題（課題２）とするものである。
【００１２】
【課題３】（請求項３に対応）
距離検出プローブの水平方向の分解能が粗い場合、試料の持つ急峻な凹凸が平滑化されて検出されるため、得られた試料とプローブ間の距離の距離情報に基づいて近接場光発生プローブ（測定プローブ）を位置決めしても、この凹凸に測定プローブが接触し破損してしまう場合がある。
そこでこの発明は、走査型近接場光顕微鏡について、上記近接場光発生プローブが試料に接触して破損することを防止できるようにすることをその課題（課題３）とするものである。
【００１３】
【課題４】（請求項４に対応）
上記プローブは繊細なものであり、位置検出のために振動させながら走査させているうちにプローブが試料に接触して先端が変形してしまうことがある。更に、その前段階における試料近傍（例えば試料との距離が１００ｎｍ以内）へのアプローチ動作においても、誤って試料にプローブを衝突させてしまうこともある。一旦破損してしまうと上述のように新たなプローブに取りかえる必要があり、そのために測定に要する時間が増大してしまう。
そこでこの発明は、位置検出用プローブの材質をより硬いものとすることで、距離検出プローブの破損を防止し、測定の効率化を図ることをその課題（課題４）とするものである。
【００１４】
【課題５】（請求項５に対応）
距離検出と測定とが別途の複数のローブを用いて行う場合、その両プローブ間の間隔が試料の大きさより短いと試料とプローブが接触してしまうので、プローブ間間隔を試料のサイズよりも長くする必要がある。したがって、測定試料が変わった場合にはプローブ間間隔を変更しなくてはならず、そのために複数のプローブを新たに作り直す必要も生じる。
そこでこの発明は、走査型近接場光顕微鏡について、各プローブ感の間にＰＺＴ等の圧電素子を介在させた構成とすることで、測定対象物の変更に伴う複数プローブ間距離の調整を容易に行えるようにすることをその課題（課題５）とするものである。
【００１５】
【課題６】（請求項６に対応）
距離検出プローブ（位置検出プローブ）と近接場光発生プローブ（測定用プローブ）で長さに差異がある場合、近接場光発生プローブが試料に接触してしまう場合や、逆に試料からの距離が遠く近接場光が散乱されず測定が行えない可能性がある。
そこでこの発明は、測定前に予めプローブの長さを測定し、その長さの差の情報に基づいて走査測定時の高さ制御量に補正を加えることで、プローブ長さの差異による位置決め誤差を減らし、近接場光による測定精度を向上させることをその課題（課題６）とするものである。
【００１６】
【課題７】（請求項７に対応）
近接場光発生プローブ（測定用プローブ）は、その形状の差異によって検出分解能が異なり、また材質によっても検出特性が異なっている。そのため様々な試料の測定や同定を行う場合、その試料に適したプローブを用いて測定を行う必要がある。
そこでこの発明は、走査型近接場光顕微鏡について、上記のように形状や材質の異なる、即ち検出特性の異なるプローブを択一的に選択することが可能な構成とすることで、試料に応じてプローブを交換することなしに、より効率的に測定が行うことができ、且つ幅広い試料を測定対象とすることができるようにすることをその課題（課題７）とするものである。
【００１７】
【課題８】（請求項８に対応）
近接場光を用いた試料観察方法において、被測定試料とプローブ間の距離はシアフォース制御によって一定に保っている。しかし、シアフォースを検出するために、プローブをピエゾ（ＰＺＴ）を用いて加振する必要があるため、この振動によって測定結果にノイズが混入してしまう。
そこでこの発明は、近接場光を用いた試料観察方法について、測定時にプローブを加振することなしに試料とプローブ間距離を制御し、より正確な測定を行えるようにすることをその課題（課題８）とするものである。
【００１８】
【課題９】（請求項９に対応）
この発明は、近接場光を用いた試料観察方法について、課題２で述べたようなプローブの破損を防止し、プローブ交換回数を減らし、測定時にプローブを加振することなしに行う測定を効率的に行えるようにすることをその課題（課題９）とするものである。
【００１９】
【課題１０】（請求項１０に対応）
この発明は、近接場光を用いた試料観察方法について、測定試料が変わった場合でも、測定対象物の変更に伴うプローブ間間隔を容易、迅速に調整できるようにすることをその課題（課題１０）とするものである。
【００２０】
【課題１１】（請求項１１に対応）
この発明は、近接場光を用いた試料観察方法について、プローブ長さの差異による位置決め誤差を除去し、かつ、正確に位置決め走査・測定を行えるようにすることである。
【００２１】
【課題解決のために講じた手段】
【解決手段１】（請求項１に対応）
解決手段１は、走査型近接場光顕微鏡について、次の（イ）乃至（ニ）によるものである。
（イ）近接場光を発生させるための光源と、該光源から発せられる光の波長よりも小さい開口を有するプローブと、試料によって散乱された近接場光を検出する手段と、上記プローブと上記試料を相対的に位置決めする手段と、上記プローブを振動させる手段と、上記プローブの振動を検出する手段と、上記振動検出手段からの出力信号に基づいて上記プローブと上記試料間の距離を検出する手段と、上記距離情報を記憶する手段とを有し、
（ロ）上記位置決め手段が、予め上記距離情報記憶手段に保存された距離情報に基づいて上記プローブの位置制御を行い、
（ハ）上記プローブを振動させない状態で該近接場光を発生させ、
（ニ）上記近接場光検出手段からの出力信号に基づいて上記試料を測定すること。
【００２２】
【作用効果】
測定には、プローブを加振することなしに試料とプローブ間距離を制御するので、振動によるノイズが低減され、より正確な測定を行うことが可能である。また、振動を検出するためのレーザ光が近接場光による試料測定時に必要ないため、測定結果から外乱を低減することが可能になるという効果もある。
【００２３】
【解決手段２】（請求項２に対応）
解決手段２は、上記解決手段１の走査型近接場光顕微鏡について、次の（イ）〜（ハ）によるものである。
（イ）上記近接場光を発生させる近接場光発生プローブとは別に距離検出を行うための距離検出プローブを有し、
（ロ）上記距離検出プローブによって検出された距離情報を上記位置記憶手段に保存し、
（ハ）上記位置決め手段が、上記距離情報に基づいて上記近接場光発生プローブを位置決めすること。
【００２４】
【作用効果】
距離検出プローブを測定プローブとは別に設けることによって、走査時や加振時における測定プローブの破損を防止できるので、プローブの寿命を延ばすことができる。
【００２５】
【解決手段３】（請求項３に対応）
解決手段３は、上記解決手段２の走査型近接場光顕微鏡について、
上記距離検出プローブが、上記近接場光発生プローブよりも水平方向に高い分解能を持つプローブであることである。
【００２６】
【作用効果】
該位置検出用プローブによって検出される試料の形状情報がより正確になるので、近接場光による測定時に測定プローブを走査させても試料と接触せず、したがって、プローブの破損によるプローブ交換作業が低減されるので、測定の効率化が図られる。
【００２７】
【解決手段４】（請求項４に対応）
解決手段４は、解決手段２又は解決手段３の走査型近接場光顕微鏡について、上記距離検出プローブが、その軸方向に関して強度の高い物質で構成されていることである。
【００２８】
【作用効果】
位置検出用プローブの材質をより硬い金属等とすることで、解決手段３による走査型近接場光顕微鏡の水平方向の分解能を高めるために例えば先端を細くしたプローブを用いて距離検出を行う場合でも、試料との接触によって生じるプローブ変形を減少させられるので、プローブ交換頻度を減らし測定の効率化を図ることができる。
【００２９】
【解決手段５】（請求項５に対応）
解決手段５は、解決手段２乃至解決手段４の走査型近接場光顕微鏡について、次の（イ）（ロ）によるものである。
（イ）上記両プローブ間に圧電素子を介在させ、且つ該圧電素子の変位を制御する手段を有し、
（ロ）上記試料のサイズに応じて上記プローブ間距離を調整自在であること。
【００３０】
【作用効果】
各プローブ間に圧電体等の伸縮可能なデバイスを介在させた構成とすることでプローブ間の間隔を容易、迅速に調整することができ、測定対象試料のサイズが変わった場合でも、解決手段２乃至解決手段５による測定をプローブを交換することなしに行うことができる。
【００３１】
【解決手段６】（請求項６に対応）
解決手段６は、上記解決手段２乃至解決手段５の走査型近接場光顕微鏡について、
予め該近接場光発生プローブと上記距離検出プローブの長さを測定し、得られたプローブ長さ情報を記憶する手段を有し、
上記位置決め手段が、上記プローブ長さ情報に基づいて上記プローブの長さの差異を補正しながら上記近接場光発生プローブを位置決めする手段であることである。
【００３２】
【作用効果】
測定前に予めプローブの長さを測定し、その差異情報に基づいて走査測定時の高さ制御量に補正を加えることで、プローブ長さの差異による位置決め誤差を減らし、近接場光による測定精度を向上させることができる。
【００３３】
【解決手段７】（請求項７に対応）
解決手段７は、上記解決手段１乃至解決手段６の走査型近接場光顕微鏡について、
複数の近接場光発生プローブを有し、
上記複数の近接場光発生プローブが各々異なる測定特性を持つプローブであることである。
【００３４】
【作用効果】
試料に応じて形状や材質の異なる、即ち検出特性の異なる複数のプローブを択一的に選択することができるので、試料に応じてプローブを交換することなしにより効率的に測定を行うことができ、且つ幅広い試料を測定対象とすることができる。
【００３５】
【解決手段８】（請求項８に対応）
解決手段８は、上記小開口を有するプローブを用いた走査型近接場光による試料測定方法について、次の（イ）（ロ）によるものである。
（イ）上記プローブと上記試料間に働くシアフォースを検出することによって上記プローブと上記試料間の距離を検出する第１の工程と、
（ロ）上記プローブを振動させることなしに上記第１の工程によって検出された距離情報に基づいてプローブと試料間の距離を制御しながら走査し、上記近接場光によって上記試料を測定する第２の工程を有すること。
【００３６】
【作用効果】
近接場光による測定時にプローブを加振することなしに試料とプローブ間の距離を制御するので、振動による高調波などのノイズを発生させることなく、より正確な測定を行うことが可能である。また、振動計測用のレーザ光による外乱成分がなくなるという効果もある。
【００３７】
【解決手段９】（請求項９に対応）
解決手段９は、解決手段８の走査型近接場光による試料測定方法について、
上記第１の工程が、上記近接場光発生プローブとは別の距離検出プローブによって上記試料と上記距離検出プローブ間の距離を検出する工程であり、上記第２の工程が上記第１の工程によって検出された距離情報に基づいて、上記近接場光発生プローブを試料に対して相対的に位置決めし、近接場光によって上記試料を測定する工程であることである。
【００３８】
【作用効果】
試料とプローブ間の距離検出と近接場光による測定を別々のプローブを用いて行うので、加振等による近接場光測定プローブの破損を防止できる。したがって、プローブの破損に伴うプローブ交換回数を減らし効率的に測定を行うことができる。
【００３９】
【解決手段１０】（請求項１０に対応）
解決手段１０は、解決手段９の走査型近接場光による試料測定方法について、上記プローブ間に介在させた圧電素子の変位を制御する手段によって、上記試料の大きさに応じて上記プローブ間距離を調整する第３の工程を有することである。
【００４０】
【作用効果】
各プローブ間に挟んだピエゾ（ＰＺＴ）等の圧電素子に印加する電圧を変化させることで複数のプローブ間間隔の調整を自在に行うことができ、試料のサイズ変化に簡単、迅速に対応することができる。
【００４１】
【解決手段１１】（請求項１１に対応）
解決手段１１は、解決手段９又は解決手段１０の走査型近接場光による試料測定方法について、
予め該距離検出プローブと該近接場光発生プローブの長さの差異を測定する第４の工程を有し、
上記第２の工程が、上記第４の工程によって得られた上記プローブの長さの差異を補正しながら上記近接場光発生プローブを位置決めし、上記近接場光によって上記試料を測定する工程であることである。
【００４２】
【作用効果】
各プローブの長さの差異によって生じる位置決め誤差を除去して正確に位置決め走査するので、近接場光を用いたより正確な試料測定を行うことができる。
【００４３】
【実施の形態】
次いで、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。
〔実施例１〕
この実施例１は、従来技術と同様に単一のプローブで距離検出と近接場光による測定とを別々に行う例である。
まず、従来の走査型近接場光顕微鏡の構成を第１図を参照して説明する。第１の光源（ＬＤ）１から照射されたレーザはレンズ２２を用いて光ファイバ２ａ内に集光され、カプラ３および光ファイバ２ｂ内を通り、プローブ保持部３０上に固定され波長以下の開口を持つプローブ４の先端で近接場光が発生する。一般に知られている通り、この近接場光は開口径とほぼ同じだけの距離内に存在する非伝播光であり、通常は観察されない。しかし、ＰＺＴステージ６上に載置された試料３３をこの近接場光領域に接触させると、近接場光が散乱され伝播光に変換される。この散乱光が再びプローブを通って光ファイバ２ｂ、カプラ３と伝幡し、光ファイバ２ｃ端面から出射され、フォトマルチプライヤ（ＰＭＴ）９によって検知される。この検知された光の強度や周波数スペクトルに応じて、例えばその表面形状や試料の構造、組成を測定することができる。
【００４４】
そして、プローブと試料間の距離制御を原子間力を利用して行う。例えば加振用ＰＺＴ８を用いてプローブを振動させた状態で試料に近付けるとシアフォースによってその振幅が減少することから、第２の光源（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）３１から発せられたレーザをプローブに照射し、ＰＤ３２を用いてその反射光を検出してプローブの周波数もしくは位相、振幅等を取得し、コントローラ１４を用いて試料とプローブ間距離を一定に保つようにＰＺＴステージ６を位置制御し、且つ試料３３をプローブに対して垂直な面内で走査・測定することが可能である。
【００４５】
このようなプローブの位置制御、近接場光発生および散乱光の検出・解析を、ホストＰＣ１３を用いて統括的にコントロールすることで、平面領域内での試料のデータが得られ、これを例えばＰＣの画面上に３次元的に表示することも可能である。
以上は従来の走査型近接場光顕微鏡の構成であるが、従来技術の項で記載したとおり、このような構成とした場合、プローブと試料間の距離を一定に保つためにプローブを加振によって測定信号に高調波ノイズ等が生じてしまう。他方、この高調波ノイズを除去する方法等も考案されているが、この方法によって高調波ノイズを除去する場合は、その装置が複雑になってしまうという問題がある。
【００４６】
この実施例では、測定に先だってまず測定領域内でプローブを加振した状態で上述のような試料とプローブ間の距離を検出し、これをホストＰＣ内のメモリに格納する。その後で、プローブの加振を止め、メモリに保存された上記距離データに基づいてプローブが試料３３から一定の高さにあるように、試料の位置決めを制御して走査しながら測定を行う。これによって、上記の高調波ノイズが低減された近接場光による試料測定データが得られる。
【００４７】
なお、この実施例では距離検出のためにレーザ光をプローブ４に当てる方式を採用しているが、チューニングフォークを用いて振動を検出する等、他の距離制御方式を用いてもよい。
また、各測定ポイントでまず距離検出を行って距離測定データを記憶手段に格納し、引き続いて振動を止めて近接場光による測定を同測定ポイントについて行うという動作を、測定ポイントを移動しながら順次繰り返すようにしてもよく、あるいは、全測定ポイントについて距離検出を行ってその距離測定データを記憶手段に格納して後、各ポイントについて近接場光による測定を順次行うようにしてもよい。
【００４８】
プローブ４は先端が微細であり、例えばプローブを試料３３に近づける時の誤操作で僅かに衝突しただけでもその衝撃で壊れてしまうことがある。また、第２図に示すように、プローブ４と試料３３との距離を検出するために加振した場合、試料表面に急峻な凹凸がある場合、プローブ先端が試料に接触して開口が潰れてしまう場合がある。このようにしてプローブが変形すると開口から所望の近接場光を発生させることができず、測定が行えなくなってしまうため、プローブを交換する必要が生じる。しかし、プローブを交換するために多くの作業を要し、そのために、効率的な測定を行えないという問題が残される。
【００４９】
〔実施例２〕
実施例２は、第３図に示すように、近接場光発生プローブ４とは別に距離検出プローブ１１を備えているものであり、プローブ保持部３０を水平方向にスライド可能にし、コントローラ１４を用いてその位置決めを行える構成にしている。このプローブは近接場光を発生させる必要がないので開口を設ける必要はなく、エッチング等の化学プロセスを用いることで、近接場光発生プローブ４と同形状のものにすることも可能である。
【００５０】
この実施例２では上記距離検出プローブ１１を用い、前述のようなシアフォースを利用して試料３３とプローブ間の距離検出を行い、試料表面形状の情報を得て、このデータをホストＰＣ１３のメモリに保存する。その後、微小開口を持つプローブ４を用いて近接場光による試料測定を行うことで、上記のような微小開口の変形を防ぎ、ひいてはプローブ交換回数を減らせるので、効率的に測定を行うことができる。
【００５１】
また、例えば第４図に示すように、距離検出プローブ１１の先端径が太い場合、得られる試料３３の表面形状情報は、そのプローブ径をフィルタとした移動平均（図中の点線部）となってしまう。この情報に基づいて近接場光発生プローブを位置決めした場合、実際の試料の形状は図中の実線部であるため、プローブが試料に接触して微小開口が破損してしまう。
そこで、例えば距離検出プローブ１１は一般に散乱型プローブと呼ばれている金属によって構成され、先端部に開口がなく、より細い形状に加工可能なプローブを用いることで、水平方向に高い分解能で距離検出を行うことが可能となり、上記のように近接場光測定プローブ４が試料３３に接触することはなくなる。
【００５２】
もし誤操作や距離検出のための加振によって距離検出プローブ１１が試料３３と衝突し変形した場合、近接場光発生プローブ４の位置決めおよび試料３３との距離検出を良好に行えない。そこで、距離検出プローブ１１がその軸方向にかかる力、すなわち応力に耐えられるように、Ｆｅ等の強固な物質（金属）で上記プローブ１１をコーティング（散乱型プローブの場合はプローブ自体をＦｅで作製）し、これで距離検出を行うことで、例えば操作時の衝突等によるプローブの変形を低減し、ひいては距離測定誤差を低減することができる。
【００５３】
実施例２の実施形態においては、距離検出プローブ１１と近接場光プローブ４間の間隔が測定対象試料よりも小さいと、一方のプローブを試料に対して走査している時に、他方のプローブが試料に接触してしまうため、プローブ間の間隔を試料の大きさよりも大きくする必要がある。したがって、測定試料のサイズが変更された場合、プローブの保持部そのものを作り変える必要があり、そのために、新たに治具を設計、製作する必要を生じる。
【００５４】
〔実施例３〕
実施例３は、距離検出プローブ１１と近接場光プローブ４間の間隔を調整自在にしたものであり、第６図に示すように、両プローブ４，１１を保持する部材３０ａと３０ｂの間に水平方向に伸縮可能な間隔調整用のピエゾ（ＰＺＴ）２０を介在させ、プローブ保持部３０ｂに弾性体２１（ばね等）を用いて予圧を掛けるようなに構成している。このとき、試料３３の大きさに応じて、プローブ間隔コントローラ１５を用いてＰＺＴ２０に印加する電圧を調整して両プローブ４，１１間の間隔を加減することで、プローブが試料に衝突することを回避しつつ測定を行うことができる。
【００５５】
さらに、距離検出プローブ１１と近接場光発生プローブ４の高さは同じである必要があるが、しかし、繰り返し使用することによって生じる先端部の圧縮変形や、プローブ作成時のエッチング液中への不純物混入等によってプローブ先端の位置が揃わない場合がある。また、各プローブを個別に作成し保持部へ固定する場合、ｎｍレベルで先端位置を揃えることは極めて困難である。そこで、例えば、近接場光顕微鏡装置における両プローブ４，１１と試料３３の部分だけを拡大して第５図に示すように、距離検出プローブ１１と近接場光発生プローブ４の先端位置がｄだけ異なっている場合、距離検出プローブ１１によって得られる試料３３の表面形状（図中点先部）に従って近接場光発生プローブ４を位置決めして走査すると、上記表面形状と真の形状（図中実線部）とは当然ｄだけ差がある。このため、近接場光発生プローブ４が試料３３に接触し、その開口が変形してしまう。そこで、予め走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で各プローブ先端位置の距離の差を測定しておき、この値をホストＰＣのメモリに保存しておき、近接場光発生プローブ４を用いて測定を行う時にこのメモリを参照し、試料表面形状データに距離ｄだけオフセットをかけて上記プローブ４を位置決めし、走査させる。これによって、当該プローブ４を試料３３に接触させることなしに測定することができる。
【００５６】
近接場光発生プローブ４は、その形状や素材の材質によって測定特性が大きく異なることが知られている。例えば、開口径の小さいプローブを用いれば分解能が高くなるが、その分、損失が大きくなるため、検出される散乱光は弱くなり、ＳＮ比が悪くなってしまう。開口径が大きいプローブでは逆に分解能は悪いが、光利用効率が高くなる。また、プローブおよび試料の材質によって検出感度も異なってくるので、試料に応じて最適な材質でコーティングしたプローブを採用する必要がある。
以上のように、試料の材質や目標とする測定精度によって用いるべき最適なプローブは異なる。しかし、試料が変わるたびにプローブを交換するのでは、上記のようにその交換に要する工程が多いため、効率的でない。
【００５７】
〔実施例４〕
そこで例えば第７図に示すように、例えば開口径の異なる近接場光発生プローブ４ａ、４ｂ（もしくはコーティングされた金属の異なる近接場光発生プローブ４ａ、４ｂ）を保持部に固定し、試料に応じて使用する保持部３０をスライドさせ、試料に近接させるプローブを切替えることによって、プローブを取り外して交換することなしに、最適なプローブを用いて測定を行うことができる。
【００５８】
〔測定方法の実施の形態〕
次いで、近接場光を用いた試料の測定方法の実施の形態について説明する。
従来の方法では、試料と近接場光発生プローブ間距離を一定に保ちながら近接場光を発生し、試料によって散乱された近接場光強度を測定することで試料の測定を行っていた。しかしプローブと試料間距離を一定に保つためにプローブを加振する必要があり、加振すると高調波ノイズ等が生じてしまう。
【００５９】
〔測定方法の実施例１〕
そこで例えば、第８図に示すフローチャートにしたがって次のように測定を行う。
ＰＺＴ等を用いてプローブを振動させた状態で測定領域内の所望の測定ポイントへ距離検出プローブを移動させ、プローブの振幅を検出する。この振幅が所望の値よりも大きければ試料を搭載したＰＺＴステージを駆動して試料とプローブの距離を縮め、逆に小さければ距離を広げる。そして振幅が所望の値になった時の移動量の変化分に基づいてプローブと試料の距離を算出することができる。得られた距離データをメモリに保存し、次の測定ポイントに移動し、同様にして距離を検出する。この距離検出プロセスを全測定ポイントで行った後、プローブの加振をやめ、近接場光を発生させた状態で、先に得られた距離情報に基づいてＰＺＴステージを駆動し、任意の測定ポイントで所定の距離だけ試料とプローブが離れるように位置決めして測定を行うことによって、振動によるノイズが混入しない高精度の測定を行うことができる。
【００６０】
なお、この実施例では検出するプローブ振動のパラメータは振幅であるが、周波数や位相でもよい。また、全ての測定ポイントで距離検出を先に行った例を示したが、距離検出および近接場光測定を各測定ポイントで順次行ってもよい。
【００６１】
〔測定方法の実施例２〕
プローブ交換回数を減らして効率的にするために、例えば第９図に示すフローチャートにしたがって次のように測定を行う。
図８のフローチャートにしたがった手順に加え、近接場光による測定を行う時に、距離検出プローブから近接場光発生プローブへ切替える。具体的には第３図におけるプローブ保持部３０を水平方向（図中では左右方向）へ動かし、近接場光プローブ４を試料近傍へと移動させる。そして、近接場光を発生させた状態で、先に得られた距離情報に基づいてＰＺＴステージを駆動し、任意の測定ポイントで所定の距離だけ試料とプローブが離れるよう位置決めし、近接場光による測定を行うという方法を用いることで、距離検出時における誤操作や繰り返し測定によって発生するプローブの破損を防止することができる。
【００６２】
〔測定方法の実施例３〕
また、例えば第１０図に示すフローチャートにしたがって次のように作業を行う。
試料３３との距離の測定、および近接場光による測定を行う前に、試料３３のサイズを予め記憶保存しているメモリから読み込み、その大きさに応じてプローブ間の間隔を調整する。具体的には、試料の大きさよりもプローブ間の間隔が大きくなるように調整し、その後、試料３３とプローブ間の距離の検出し、次いで近接場光を発生させて試料測定を行う。これによって、試料３３のサイズが変更されてもプローブの取り外し、調整等を行う必要はなく、したがって、簡単、迅速に対応することができる。
【００６３】
〔測定方法の実施例４〕
さらに、例えば第１１図に示すフローチャートにしたがって次のように測定することもできる。
図９のフローチャートの手順に加えて、予めＳＥＭ等で各プローブ先端位置の距離の差を測定しておき、この値をホストＰＣのメモリに保存しておき、そして試料とプローブとの距離を検出した後、近接場光を発生させたプローブを用いて測定を行うのであるが、この近接場光測定を行うためにプローブ４を位置決めする際に、予めメモリに保存しているプローブの長さ情報を参照し、この距離だけオフセットをかけてプローブ４の位置決めをし、走査させることで、プローブ４を試料に接触させることなしに測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【第１図】は実施例１の走査型近接場光顕微鏡の概念図である。
【第２図】はシアフォース検出時のプローブ先端の動作図状態を示す一部拡大図である。
【第３図】は実施例２の走査型近接場光顕微鏡の概念図である。
【第４図】は、距離検出プローブ１１の先端径が太い場合に、測定時に近接場光発生プローブに接触する現象を拡大して示す模式図である。
【第５図】は、距離検出プローブと近接場光発生プローブの先端位置がｄだけ異なっている場合に、近接場光発生プローブが試料３３に接触する現象を拡大して示す模式図である。
【第６図】は、実施例３の走査型近接場光顕微鏡の概念図である。
【第７図】は、実施例４の走査型近接場光顕微鏡の概念図である。
【第８図】は、測定方法の実施例１のフローチャートである。
【第９図】は、測定方法の実施例２のフローチャートである。
【第１０図】は、測定方法の実施例３のフローチャートである。
【第１１図】は、測定方法の実施例４のフローチャートである。
【符号の説明】
１：第１の光源（ＬＤ）
２ａ，２ｂ，２ｃ：光ファイバ
３：カプラ
４，４ａ，４ｂ：近接場光発生プローブ
６：ＰＺＴステージ
８：加振用ＰＺＴ
９：ＰＭＴ
１１：距離検出プローブ
１３：ホストＰＣ
１４：コントローラ
２０：プローブ間間隔制御用ＰＺＴ
２１：弾性体
２２：レンズ
２３：レーザ
３０：プローブ保持部
３１：第２の光源（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）
３２：ＰＤ
３３：試料

Claims (11)

1. 近接場光を発生させるための光源と、該光源から発せられる光の波長よりも小さい開口を有するプローブと、試料によって散乱された該近接場光を検出する手段と、上記プローブと上記試料を相対的に位置決めする手段と、上記プローブを振動させる手段と、上記プローブの振動を検出する手段と、上記振動検出手段からの出力信号に基づいて上記プローブと上記試料間の距離を検出する手段と、上記距離情報を記憶する手段とを有し、
   上記位置決め手段が、予め上記距離情報記憶手段に保存された距離情報に基づいて上記プローブの位置制御を行い、
   上記プローブを振動させない状態で該近接場光を発生させ、
   上記近接場光検出手段からの出力信号に基づいて上記試料を測定することを特徴とする走査型近接場光顕微鏡。
2. 上記近接場光を発生させる近接場光発生プローブとは別に距離検出を行うための距離検出プローブを有し、
   上記距離検出プローブによって検出された距離情報を上記位置記憶手段に保存し、上記位置決め手段が、上記距離情報に基づいて上記近接場光発生プローブを位置決めすることを特徴とする請求項１の走査型近接場光顕微鏡。
3. 上記距離検出プローブが、上記近接場光発生プローブよりも水平方向に高い分解能を持つプローブであることを特徴とする請求項２の走査型近接場光顕微鏡。
4. 上記距離検出プローブが、その軸方向に関して強度の高い物質で構成されていることを特徴とする請求項２又請求項３の走査型近接場光顕微鏡。
5. 上記両プローブ間に介在した圧電素子、該圧電素子の変位を制御する手段を有し、
   上記試料のサイズに応じて上記両プローブ間距離を調整自在であることを特徴とする請求項２乃至請求項４の走査型近接場光顕微鏡。
6. 予め上記近接場光発生プローブと上記距離検出プローブの長さを測定し、得られたプローブ長さ情報を記憶する手段を有し、
   上記位置決め手段が、上記プローブ長さ情報に基づいて上記プローブの長さの差異を補正しながら上記近接場光発生プローブを位置決めする手段であることを特徴とする請求項２乃至請求項５の走査型近接場光顕微鏡。
7. 複数の近接場光発生プローブを有し、
   上記複数の近接場光発生プローブが各々異なる測定特性を持つプローブであることを特徴とする請求項１乃至請求項６の走査型近接場光顕微鏡。
8. 上記小開口を有するプローブを用いた走査型近接場光による試料測定方法において、
   上記プローブと上記試料間に働くシアフォースを検出することによって上記プローブと上記試料間の距離を検出する第１の工程と、
   上記プローブを振動させることなく上記第１の工程によって検出された距離情報に基づいてプローブと試料間の距離を制御しながら走査し、上記近接場光によって上記試料を測定する第２の工程を有することを特徴とする走査型近接場光による試料測定方法。
9. 上記第１の工程が、上記近接場光発生プローブとは別の距離検出プローブによって該試料と該距離検出プローブ間の距離を検出する工程であり、上記第２の工程が上記第１の工程によって検出された距離情報に基づいて上記近接場光発生プローブを試料に対して相対的に位置決めし、近接場光によって上記試料を測定する工程であることを特徴とする請求項８の走査型近接場光による試料測定方法。
10. 上記近接場光発生プローブと距離検出プローブ間に圧電素子の変位を制御する手段によって上記試料の大きさに応じて上記プローブ間距離を調整する第３の工程を有することを特徴とする請求項９の走査型近接場光による試料測定方法。
11. 予め上記距離検出プローブと上記近接場光発生プローブの長さの差異を測定する第４の工程を有し、
    上記第２の工程が、上記第４の工程によって得られた上記プローブの長さの差異を補正しながら上記近接場光発生プローブを位置決めし、上記近接場光によって上記試料を測定する工程であることを特徴とする請求項９又は請求項１０の走査型近接場光による試料測定方法。

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