JP2004251907A - 導波管共振器を利用した近接場顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】導波管共振器を利用した近接場顕微鏡を提供する。
【解決手段】ウェーブの周波数を調節できるウェーブソース３と、前記ウェーブソース３から出射されたウェーブを進ませる導波管共振器５と、前記導波管共振器５の外壁を貫通して挿入され、導波管共振器５を通じて進むウェーブをサンプル１０と相互作用させる探針７と、前記探針７を通じて伝播されてサンプル１０と相互作用した後、前記探針７及び導波管共振器５を通じて進まされたウェーブを検出する検出器１２と、を含むことを特徴とする近接場顕微鏡である。前記のように導波管共振器５に結合された探針７を利用して、マイクロウェーブ帯域からミリメートルウェーブ帯域まで使用でき、体積を最小化し、かつ感度と分解能とを向上させうる。
【選択図】図３

Description

本発明は近接場顕微鏡に係り、さらに詳細には導波管共振器に探針を結合して使用可能な周波数帯域が拡張され、感度と分解能とが向上した近接場顕微鏡に関する。

ナノメートル単位の微細なサンプルの形状を観測するための光学顕微鏡は、光で物体を観測するため、回折限界現象によって分解能に限界がある。回折限界現象のゆえに、サイズが光の波長の１／２以下である物体は、光学的に観測できなくなる。このような回折限界を克服し、光の波長より非常に小さなサイズを有する物質の光学的特性を測定できる近接場顕微鏡が登場した。近接場顕微鏡では、光の波長より小さな開口を通過した光がこの開口のサイズと同じであるか、または近い距離にあるサンプルに照射されるようになっている。これは、サンプル表面から光の波長より近い距離内にある近接場は回折を発生しない現象を利用して回折限界現象を克服するためである。

このような近接場効果を利用した非接触、非破壊顕微鏡に対する研究は、ＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）及びＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が実現された以来に表面研究の一分野として登場した。光学的顕微鏡技術の発展によって従来の光学的方法による媒質の特性測定が巨視的観点から微視的観点に転換された。したがって、サンプルの微視的特性を測定する方法が新しい研究分野として脚光を浴び始めた。一方、産業的側面でも各種の電子部品が集積化しつつ微細構造に対する物理的特性の研究が重要な問題に浮び上がっている。特に、回折限界を有する古典的な光学測定装備とは異なって、回折限界を克服する新しい測定装備の開発は、微細構造の物理的特性を理解し、かつ測定するのに必須的な方法となった。

回折限界を克服した方法の一つとして近接場効果を利用した顕微鏡が開発された。特に、通信部品が集積化しつつ集積化デバイスの微細構造に対する光学特性の研究においてマイクロ波及びミリメートル波領域での近接場顕微鏡の開発が要求された。

マイクロ波を利用した近接場に対する実験は、Ａｓｈ及びＮｉｃｈｏｌｌｓによって初めてなされ、現在までマイクロ波近接場顕微鏡は発展を繰り返して多様な応用分野に適応されている。マイクロ波近接場イメージを得る方法として、同軸線共振器、ストリップライン共振器、導波管スリットを利用した方法がある。

図６は、従来の同軸線共振器を利用した光学顕微鏡を示した図面であって、非特許文献１に開示されている。

この近接場光学顕微鏡は、マイクロウェーブソース１００から出射されたウェーブが同軸線共振器１０３を通じて進み、前記同軸線共振器１０３の端部に形成された探針１０５を通じて光学的特性を調べようとするサンプル１０７に到達するようになっている。前記探針１０５を通じて出射されたウェーブがサンプル１０７と相互作用した後、前記探針１０５を通じて再び同軸線共振器１０３に入射される。そして、サンプル１０７との相互作用によって変形されたマイクロウェーブがダイオード検出器１１０によって検出される。これにより、サンプルの微視的、光学的特性を測定しうる。ここで、符号１０２で示す部材は方向性カップラーである。

しかし、同軸線共振器１０３を利用すれば、同軸線構造による遮断周波数のゆえにマイクロ波帯域での実験だけを行える。したがって、近接場顕微鏡の共振周波数をマイクロ波帯域の特定周波数にだけ限定させて使用しなければならないので、最大の感度を得るのに限界がある。そして、同軸線共振器１０３は、円筒形の内部導体と外部導体とよりなるが、このように２つの導体よりなる構造ではＴＥＭ波だけを利用して実験を行わなければならない。したがって、サンプルの光学的特性を得るためにウェーブの多様なモードを使用するのに制限がある。すなわち、サンプルがウェーブと相互作用するに当って、サンプルごとに光学的特性が特によく発現されるモードがあるが、同軸線共振器ではＴＥＭモードだけを使用するしかないので、同軸線共振器を利用した近接場顕微鏡を利用して調査できるサンプルの種類や範囲が狭くなるしかない。

また、前記同軸線共振器１０３は、マイクロ波帯域の周波数を使用するため、波長が長くなって同軸線共振器１０３が長くなる。図６の光学顕微鏡で使われた同軸線共振器１０３は、約２ｍの長さを有する。このように同軸線共振器１０３を利用した光学顕微鏡は、全体的な体積が非常に大きく、このような問題によって商品化に問題がある。

従来のさらに他の近接場顕微鏡として、導波管スリットを利用した顕微鏡がある。非特許文献２に開示された導波管スリットを利用した近接場顕微鏡は、図７に示した通り、導波管１１３の一端にスリット１１５が形成され、このスリット１１５の下側にサンプル１１７が置かれた基板１２０が配置され、前記基板１２０の下側にある光源１２２から光が照射される構造になっている。符号１２３で示す部材はシャドーマスクである。

前記構造では、光源１２２から照射された光がサンプル１１７と相互作用した後、前記スリット１１５を通じて前記導波管１１３に入射される。そして、サンプルと相互作用した後の光に対する特性を検出器によって測定することによって、サンプルの形状と特性とが分かる。しかし、前記のような導波管スリット構造では、ウェーブがスリットを通過して広く広げられるため、ウェーブ損失が大きく、かつ分解能が低下される問題点がある。

ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬＵＭＥ ７５，ＮＵＭＢＥＲ ２０

ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬＵＭＥ ７７，ＮＵＭＢＥＲ １

本発明は前記問題を解決するために案出されたものであって、その目的とするところは、体積が小さく、感度と分解能とに優れて精密にサンプルの光学的特性を調査できる近接場顕微鏡を提供することにある。

また、本発明は、マイクロ波からミリメートル波帯域まで使用できるウェーブの周波数範囲を拡張させ、ＴＥモードとＴＭモードとを利用して光学的特性を測定できるサンプルの範囲を拡張させた近接場顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明のさらに他の目的は、導波管共振器の共振周波数を変化させることによって、一つの導波管共振器を利用して多様なサンプルを測定できて製造コストを節減させる近接場顕微鏡を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による導波管共振器を利用した近接場顕微鏡は、ウェーブソースと、前記ウェーブソースから出射されたウェーブを進ませる導波管共振器と、前記導波管の外壁を貫通して挿入され、導波管を通じて進むウェーブをサンプルと相互作用させる探針と、前記探針を通じて伝播されてサンプルと相互作用した後、前記探針と導波管とを通じて進まされたウェーブを検出する検出器と、を含むことを特徴とする。

前記導波管共振器の一端に移動可能に結合されて導波管共振器の体積を調節できるチューナが備わる。

前記導波管共振器の内側にある探針部分が直線状またはループ状に形成されうる。

前記ループ探針部分を貫通する磁場の最大値をＨ_０、ＴＥ_１０Ｐモードでのｐ値はＰ、ループ探針部分の前端位置をｚ_ｉ、ループ探針部分の後端位置をｚ_ｆ、導波管共振器の断面の横長さをａ、導波管共振器の縦導波管共振器の長さをｄという時、前記探針に発生する起電力のサイズは、次の条件式を満足することを特徴とする。
＜条件式＞

前記探針は、ｚ_ｆ＝３ｄ／２ｐ、ｚ_ｉ＝ｄ／２ｐに配置されることが望ましい。

ここで、前記導波管共振器にスリットが形成され、探針が前記スリットに沿って移動可能になっている。

前記ウェーブソースは、マイクロウェーブまたはミリメートルウェーブを出射させうる。

前記ウェーブソースから出射されるウェーブの波長をλという時、前記導波管共振器は、λ／４の長さを有することが望ましい。

本発明による近接場顕微鏡は、導波管共振器に結合された探針を通じて伝えられたウェーブとサンプル間の相互作用によって入力抵抗と共振周波数とが変わることを測定することによって、サンプルの光学的特性が分かる。このように導波管共振器に結合された探針を利用してマイクロウェーブ帯域からミリメートルウェーブ帯域までの近接場映像を得られ、分解能を向上させうる。また、導波管共振器と探針とを使用して体積が最小化し、ＴＥ、ＴＭ波によるサンプルの電磁気的性質を研究しうる。また、導波管共振器に挿入される探針の結合深さを変化させて共振周波数の調節が可能になって作動可能な周波数範囲を広げることによって、その応用範囲を拡張させうる。

また、探針が導波管共振器に挿入される部分をループ状に形成してループの面積と位置とによって最大の感度を得られる利点があり、モードによる近接場イメージを得られる。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。

本発明による近接場顕微鏡は、図１を参照すれば、ウェーブソース３、前記ウェーブソース３から出射されたウェーブを進ませる導波管共振器５、前記導波管共振器５を貫通して挿入された探針７を含む。そして、前記導波管共振器５の一側には導波管共振器５の体積を変化させうるように導波管共振器５の長手方向に移動可能になったチューナ９が備えられている。

前記ウェーブソース３は、ウェーブの波長を調節可能になっていてマイクロウェーブだけではなく、ミリメートルウェーブを出射させうる。

前記導波管共振器５は、図２（Ａ）に示されたように、中空であり、その断面が、例えば直方体状になった一つの導体よりなっている。このように一つの導体よりなる構造では、ＴＥＭモードは存在できず、ＴＭモード及びＴＥモードだけが存在する。

前記導波管共振器５の断面での横長さをａといい、縦長さをｂという時、ａ、ｂによるＴＥモードを求めれば、次の通りである。ＴＥモードは、電場のｚ方向成分Ｅｚ＝０であり、磁場のｚ方向成分Ｈｚは、数式１の通りである。

ここで、ｚはウェーブの進行方向座標を表し、ｘ、ｙはウェーブの進行方向に対して垂直な面での座標を表し、ｎ、ｍは整数を表す。そして、Ａ_ｍｎは、導波管共振器５に探針７が挿入されていない場合に導波管共振器５を通じて流れるウェーブの振幅を表し、βは伝播定数を表す。

次いで、ＴＭモードは磁場のｚ方向成分Ｈｚ＝０であり、Ｅｚは数式２の通りである。

一方、前記導波管共振器５の断面での横長さａ及び縦長さｂによって、前記ウェーブソース３の周波数帯域を１ＧＨｚから２２０ＧＨｚに至るまで多様に使用することができる。すなわち、ａ、ｂによって導波管共振器５の遮断周波数が決定され、遮断周波数以下の周波数は、導波管共振器５を通じて伝播されない。導波管共振器５の遮断周波数ｆ_ｃｍｎは、ＴＥモードとＴＭモードとで全て同一であり、次の通りである。

ここで、ｆ_ｃｍｍは、ｍとｎとの組み合わせよりなる各モードの遮断周波数を表し、導波管共振器５が誘電率εと透磁率μとで充填されていると仮定する。前記数式３によれば、遮断周波数は、導波管共振器５の断面の寸法によって決まる。遮断周波数のうち最も低い遮断周波数を有するモードを基本モードというが、ａ＞ｂと仮定する時、ＴＥ_１０モードで遮断周波数が最も小さくなる。遮断周波数以下のウェーブは、導波管共振器５を通じて進まないので、遮断周波数が小さいほどウェーブの周波数帯域が広くなる。

本発明は、導波管共振器５を利用するので、ＴＥＭ波だけが発生する同軸線共振器と異なって、ＴＥモードとＴＭモードとが発生し、これによりさらに多様なモードを利用して調査できるサンプルの領域を拡大させうる。また、特定周波数だけが発生するストリップラインと異なって、遮断周波数以上での全ての周波数帯域を使用することができる。言い換えれば、ストリップラインは、特定周波数だけが伝播されるように幅と長さとを決定して製作するために、特定周波数以外の周波数は損失が非常に大きく、伝播されたとしても急に消滅される。一方、導波管共振器は、遮断周波数以下の周波数は消滅させ、遮断周波数以上の周波数は通過させる。

前記のように、前記ウェーブソース３は、周波数変調が可能であり、導波管共振器５ではミリメートルウェーブ及びマイクロウェーブが全て使用されうるので、前記ウェーブソース３で周波数を変調して適切な周波数のウェーブを使用できる。

一方、図２（Ｂ）に示されたように、導波管共振器５にホール８を形成し、このホール８に探針７を挿入した後、テフロン（登録商標）１１を利用してシーリングすることによって前記探針７を固定させうる。前記探針７は、導波管共振器５の内部に完全に挿入されず、その一部７ａは導波管共振器内部に入り、残り７ｂは導波管共振器５の外部に露出されるように設置される。

図１を参照すれば、導波管共振器５の外部に露出された探針部分７ｂに近接して光学的特性を調査しようとするサンプル１０が位置する。前記サンプル１０は、移動可能な支持台２に載せられており、前記支持台２が移動するにつれて前記探針７に対してサンプル１０の全領域がスキャニングされるようになっている。

前記探針７は、金属、誘電体または磁性体よりなりうる。この探針７は、顕微鏡の分解能を決定する重要な要素のうち一つであって、ＫＯＨ溶液で電気化学的にエッチングして探針の終端の直径を１０μm以内に製作する。探針７の終端の直径が短いほど分解能が向上する。また、分解能だけではなく、感度を向上させるために、図２（Ｃ）に示されたように、部分２段階エッチングによって製作されたハイブリッド探針７’を使用することもある。

一方、前記探針７は、図２（Ｂ）に示されたように、導波管共振器５の内部にある部分７ａが線形であり、かつ、外部にある探針部分７ｂが線形に形成された電気探針として構成することができる。また、前記探針７は、図３に示されたように、導波管共振器５の内部にある部分７”ａが線形に形成され、かつ、導波管共振器５の外部にある探針部分７”ｂがループ状に形成された磁気探針７”として構成することもできる。電気探針は、磁気探針に比べて相対的にインピダンスが大きいので、インピダンスが大きいサンプルに対する特性を測定する時に適しており、磁気探針は、電気探針に比べて相対的にインピダンスが小さいので、インピダンスが小さなサンプルに対する特性を測定する時に適している。

次いで、前記探針７を通じて流れる電流について説明する。図２（Ｂ）を参照すれば、前記導波管共振器５の断面での横長さをａ、縦長さをｂといい、前記探針７の導波管共振器５に結合された横方向位置をｘ、導波管共振器５の内部に結合された探針部分７ａの長さをｈという時、前記探針７を通じて伝播される電流値Ｉと電流密度Ｊとは数式４の通りである。ここで、探針７がｙ方向に配置されているので、探針７を通じて流れる電流密度Ｊは、ｙ方向成分だけを有する。

数式４で、Ｉ_０は探針７を通じて伝播される電流の最大値、ωは２πｆを、ｃは光速を各々表す。また、探針７を通じて伝播されるウェーブのサイズＡ_ｙは、数式５の通りである。

ここで、Ｚ_λは、導波管共振器５の内部の波動インピダンスを表す。このように導波管共振器５に探針７が挿入された場合に、ＴＥモードとＴＭモードとでｙ方向成分だけ余るので、ｙ方向の電場成分は、次の数式６の通りである。

そして、前記探針７を通じて伝播される電磁気波の周波数ｆ_１は、次の通りである。

前記数式９でＺ_１を考慮すれば、探針７を電気的な抵抗を有するサンプルに近く、すなわち、近接場領域に接近させれば、探針７とサンプル１０との間に電気的なキャパシタンス効果が発生する。キャパシタンスは、サンプル１０に流入される入力抵抗成分を低める機能をし、相異なるサンプルに対しては入力抵抗成分の変化が異にあらわれる。このような原理に基づいて近接場領域内へサンプル１０を接近させつつ発生する入力抵抗成分の強度変化を定量的に測定することによって、サンプルをイメージ化しうる。

ここで、近接場効果によってサンプル１０及びＴＥ_１０モードの導波管共振器５に結合された探針７が相互作用しつつ前記数式９によって探針の入力抵抗成分が変わり、前記数式７によってＴＥ_１０モードの振幅が変わる。これは、直四角形の断面を有する導波管共振器の物質摂動理論によって説明できる。

また、前記導波管共振器５に結合された探針７を通じてサンプル１０にウェーブが伝えられ、このウェーブとサンプル１０との相互作用によって共振周波数の強度が変わる。すなわち、サンプル１０に探針７が近くなれば、サンプル１０を含む新しい共振器が形成され、サンプルの物理的性質によってこの新しい共振器の共振周波数が変わる。したがって、ウェーブとサンプルとの相互作用によって変化された共振周波数を測定してサンプルの特性が分かる。

これにより、本発明による近接場顕微鏡で導波管共振器５に結合された探針７とサンプル１０間の電気的な相互作用を通じて高感度、高分解能の近接場イメージを得られる。

一方、電子界分布の外形摂動理論によって導波管共振器５の共振周波数の変化は、次の数式１０によって説明されうる。

ここで、Ｅ_０及びＨ_０は摂動されていない電場及び磁場を表し、ε及びμは摂動されていない状態の誘電定数及び磁化率を表す。そして、ｖ_０は電磁気場が発生する領域の体積、ｆは変化された共振周波数、ｆ_０は変化される前の共振周波数である。しかし、前記探針７の厚さが非常に薄い場合には、探針７が導波管共振器５の内部で占めている断面積での電子界が一定であると仮定できる。このような仮定をし、前記数式１０で前記導波管共振器５のａ／２、ｂ／２、ｄ／２の位置にｒ_０の半径を有するホール８を形成し、このホール８に探針７を設置した時に次のような式が得られる。

ここで、△ｖは探針７が導波管共振器５を占めている体積であり、ｖ_０は探針が挿入されていなくて摂動がない導波管共振器の体積である。前記数式１１によれば、探針７が導波管共振器５に深く結合するほど導波管共振器５の共振周波数が減少する。このような関係を利用して、導波管共振器の共振周波数の変化を検査することによって探針が導波管共振器に結合した深さが分かる。一方、導波管共振器５に探針７を結合させる深さを調節して共振周波数を調節することができる。このように共振周波数を多様に調節できるので、導波管共振器で使用できる共振周波数の範囲が広くなる。

一方、前記のようにＴＥ_１０モードの導波管共振器５に探針７を結合するために導波管共振器５にホール８を形成すると、このホール８を通じて電子界が分極されるが、電気分極率は、次の数式１２の通りである。

ここで、ｒ_０は前記ホール８の半径を表し、電気分極はホール８の半径の３自乗に比例する。これは、電子界がホールの半径が大きいほどホールを通じて抜け出る分極電流の強度が大きくなることを意味する。したがって、前記ホール８を最大限小さくすることが望ましく、分極を防止するために前記ホール８をテフロン（登録商標）１１を利用してシーリングする。

次いで、本発明の実施例２による近接場顕微鏡は、図４（Ａ）に示されたように導波管共振器２０に探針２２が結合され、前記導波管共振器２０の内部に結合された探針部分２２ａがループ状になっていることを特徴とする。実施例２による近接場顕微鏡は、実施例１と比較する時、導波管共振器２０及び探針２２の構造だけが異なり、残りの構成は同じである。したがって、図１に示された近接場顕微鏡の全体的な構造は、実施例２による近接場顕微鏡にも同一に適用されうる。

ファラデー法則によれば、前記ループ状の探針部分２２ａを通過する磁場Ｈｘ成分を利用して探針２２に起電力を発生させうる。前記ループ状の探針部分２２ａに最大の起電力を発生させるためには、磁場が前記ループ状の探針部分２２ａを垂直に通過しなければならない。しかし、磁場は、ウェーブの進行方向に垂直な方向を有するため、前記ループ状の探針部分２２ａに最大の起電力を発生させるために前記探針部分２２ａがウェーブの進行方向に対して平行に配置されることが望ましい。そして、次の数式１３を利用してループ状の探針部分２２ａに最大の起電力Ｖを発生させうる位置を探すことができる。

前記数式で、Ｈ_０はループ探針部分２２ａを貫通する磁場の最大値、ｐはＴＥ_１０Ｐモードでのｐ値を表す。また、図４（Ｂ）を参照すれば、ｚ_ｉはループ探針部分２２ａの前端位置を、ｚ_ｆはループ探針部分２２ａの後端位置を、ｄは導波管共振器２０の長さを表す。前記数式によれば、ループ探針部分２２ａをｚ_ｆ＝３ｄ／２ｐ、ｚ_ｉ＝ｄ／２ｐに位置させた時、前記探針２２に最大の電流を発生させ、この時に最大感度を得られる。例えば、ｐ＝２である時、最大起電力を発生させるループ探針部分２２ａの位置はｚ_ｆ＝３ｄ／４、ｚ_ｉ＝ｄ／４である。また、ループ探針部分２２ａの前端位置ｚ_ｉ、ループ探針部分２２ａの後端位置ｚ_ｆが変われば、ループ探針部分２２ａの面積が変わる。

前記のように導波管共振器２０に探針２２が結合される位置によって感度が変わるので、前記探針２２の位置を調節可能にすることが望ましい。したがって、図４（Ａ）に示されたように前記導波管共振器２０にスリット２５を形成し、このスリット２５に探針２２を結合する。そして、前記スリット２５に沿って探針２２を移動可能にすることによって探針２２の位置を調節する。これにより、モードによって前記探針２２に最大の起電力が発生する位置を容易に調節できる。すなわち、モードが幾つか存在する時、ＴＥ_１０Ｐモードでのｐ値によって最大起電力が発生する位置が変わりうるだけでなく、周辺環境（温度、湿度など）によって影響を受けるので、最大起電力が発生する位置が変わりうる。起電力が最大となる位置を探して探針２２を前記スリット２５に沿って移動させることによって一つの導波管共振器２０を利用して多様なモードでのサンプルの特性が分かる。

さらに、前記ループ探針部分２２ａの面積を調節して最大の感度を得られる。ループ探針部分２２ａの面積が広いほどループを通過する磁気力線が多くなるので、起電力が増加する。前記導波管共振器２０の内部に発生する色々なのＴＥモードと、前記ループ状の探針部分２２ａの面積とを調節して最大の感度を得らえる。そして、モード別にサンプルの物理的特性はそれぞれ異にイメージ化される。

前記探針２２は、導波管共振器２０の外部に位置する探針部分２２ｂが図４（Ｂ）に示されたように線形の電気探針として構成することができる。また、前記探針２２は、図５に示されたように、導波管共振器２０の外部に位置する探針部分２２’ｂがループ状になった磁気探針２２’として構成することもできる。この時、導波管共振器２０の内部に位置する探針部分２２’ａは、前述したようにループ状になっている。

一方、前記探針２２，２２’の材質によって探針を通じて流れる電流の入力抵抗成分が異なり、これによりモード別にサンプルの特性が異なる。例えば、探針の材質が磁性体、誘電体または導体であることによって、入力抵抗成分が異なる。例えば、金属探針としては伝導性の良い鋼鉄を使用することが良い。

次いで、前記実施例１による近接場顕微鏡を利用してサンプルの光学的特性を調べる作用について説明するが、この説明は、実施例２による近接場顕微鏡にも同一に適用されうる。

図１を参照すれば、ウェーブソース３から出射されたウェーブがアイソレータ４を経由して導波管共振器５を進む。そして、導波管共振器５に結合された探針７を通じてサンプル１０にウェーブが伝えられ、ウェーブとサンプル１０との相互作用によって入力抵抗と共振周波数との強度が変わる。入力抵抗と共振周波数との強度変化を測定してサンプル１０の特性が分かる。

一方、サンプル１０に対する３次元映像を得るために１００ｎｍの分解能を有するコンピュータ（図示せず）で駆動できる支持台２にサンプル１０を載せる。前記支持台２は、インターフェースを通じてコンピュータに連結されて自動調節される。前記支持台２を移動させてサンプル１０を前記探針７に対してスキャンすることによってサンプルの３次元映像を得られる。

前記探針７とサンプル１０との相互作用によるマイクロウェーブ及びミリメートルウェーブ領域の共振周波数の強度変化をダイオード検出器１２によって検出する。そして、デジタルマルチメートル１３によってｋＨｚ単位に変調された信号がロックイン増幅器１４によって増幅される。前記ロックイン増幅器１４は、ウェーブソース３と導波管共振器５間に信号対雑音比を向上させてノイズを最小化するためのものである。このように増幅された信号は、コンピュータ１５を通じて処理されてイメージ化される。

一方、前記ウェーブソース３と導波管共振器５間の入力抵抗を、ピンダイオード変調器６を使用して変調することができる。

さらに、前記導波管共振器５で励起される電磁気場の結合程度を高めるために導波管共振器５の一側に結合された前記チューナ９を利用して前記導波管共振器５の長さを調節する。特に、前記ウェーブソース３から出射されるウェーブの波長をλとした時、前記導波管共振器５の長さをλ／４に調節することが望ましい。ここで、導波管共振器５の長さをλ／４に調節することは、導波管共振器５の内部に定常波が発生して共振を起すためである。このように導波管共振器５の長さを調節して導波管共振器に定常波が発生した時、最大補強干渉が生じてエネルギーが最大になる。

前記のように、本発明による近接場顕微鏡は、導波管共振器に電気探針または磁気探針を結合して高分解能、高感度にサンプルの光学的特性を調査できる。

本発明による近接場顕微鏡は、回折限界を克服した方法の一つとして近接場効果を利用した顕微鏡であって、集積化デバイスの微細構造に対する光学特性をマイクロ波及びミリメートル波領域で高分解能及び高感度に測定できる。

図１は本発明による導波管共振器を利用した近接場顕微鏡の全体的な構成図である。 図２（Ａ）は、本発明の実施例１による近接場顕微鏡に使われる導波管共振器の斜視図であり、図２（Ｂ）は、同図（Ａ）のIV−IV断面図であり、図２（Ｃ）は、本発明の実施例１による近接場顕微鏡に使われる導波管共振器に結合されたハイブリッド探針を示す図面である。 図３は本発明の実施例１による近接場顕微鏡に使われる導波管共振器に磁気探針が結合された例を示す図面である。 図４（Ａ）は、本発明の実施例２による近接場顕微鏡に使われる導波管共振器を示す図面であり、図４（Ｂ）は、同図（Ａ）のVI−VI断面図である。 図５は本発明の実施例２による近接場顕微鏡に使われる導波管共振器に磁気探針が結合された例を示す図面である。 図６は従来の同軸線を利用した近接場顕微鏡を示す図面である。 図７は従来のスリットが形成された導波管を利用した近接場顕微鏡を示す図面である。

符号の説明

２ 支持台
３ ウェーブソース
４ アイソレータ
５ 導波管共振器
６ ピンダイオード変調器
７ 探針
９ チューナ
１０ サンプル
１２ 検出器
１３ デジタルマルチメートル
１４ ロックイン増幅器
１５ コンピュータ

Claims (16)

1. ウェーブの周波数を調節できるウェーブソースと、
   前記ウェーブソースから出射されたウェーブを進ませる導波管共振器と、
   前記導波管共振器の外壁を貫通して挿入されて、導波管共振器を通じて進むウェーブをサンプルと相互作用させる探針と、
   前記探針を通じて伝播されてサンプルと相互作用した後、前記探針と導波管とを通じて進まされたウェーブを検出する検出器と、を含むことを特徴とする導波管共振器を利用した近接場顕微鏡。
2. 前記導波管共振器の一端に移動可能に結合されて導波管共振器の長さを調節できるようになったチューナが備わったことを特徴とする請求項１に記載の導波管共振器を利用した近接場顕微鏡。
3. 前記導波管共振器の内側にある探針部分が直線状になったことを特徴とする請求項１に記載の近接場顕微鏡。
4. 前記導波管共振器の内側にある探針部分がループ状になったことを特徴とする請求項１に記載の近接場顕微鏡。
5. 前記導波管共振器の外側にある探針部分が直線状またはループ状になったことを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の近接場顕微鏡。
6. 前記探針は、
   金属、誘電体または磁性体よりなることを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の近接場顕微鏡。
7. ループ探針部分を貫通する磁場の最大値をＨ_０、ＴＥ_１０Ｐモードでのｐ値、ループ探針部分の前端位置をｚ_ｉ、ループ探針部分の後端位置をｚ_ｆ、導波管共振器の断面の横長さをａ、導波管共振器の長さをｄという時、前記探針に発生する起電力のサイズは、次の条件式を満足することを特徴とする請求項４に記載の近接場顕微鏡。
   ＜条件式＞
   

   
8. 前記探針は、ｚ_ｆ＝３ｄ／２ｐ、ｚ_ｉ＝ｄ／２ｐに配置されることを特徴とする請求項７に記載の近接場顕微鏡。
9. 前記導波管共振器にスリットが形成され、探針が前記スリットに沿って移動可能になったことを特徴とする請求項５、７または８に記載の近接場顕微鏡。
10. 前記導波管共振器の断面の横長さをａ、縦長さをｂ、ｍ及びｎは整数である時、前記導波管共振器の遮断周波数ｆ_ｃｍｎが次のような条件式を満足し、遮断周波数以上の周波数が使われることを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の近接場顕微鏡。
    ＜条件式＞
    

    
11. 導波管共振器に探針が結合される前の共振周波数と体積とを各々ｆ_０、ｖ_０、導波管共振器に探針が結合された後の体積変化を△ｖという時、前記導波管共振器の共振周波数ｆは、次の条件式によって変化されることを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の近接場顕微鏡。
    ＜条件式＞
    

    
12. 前記探針は、部分２段階エッチングによって製作されたハイブリッド探針であることを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の近接場顕微鏡。
13. 前記ウェーブソースと導波管共振器との間に信号対雑音比を向上させてノイズを最小化するためのロックイン増幅器が備わることを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の近接場顕微鏡。
14. 前記ウェーブソースは、マイクロウェーブまたはミリメートルウェーブを出射させることを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の近接場顕微鏡。
15. 前記ウェーブソースから出射されるウェーブの波長をλという時、前記導波管共振器はλ／４の長さを有することを特徴とする請求項１または２に記載の近接場顕微鏡。
16. 前記ループ状の探針部分は、ウェーブの進行方向に対して平行に配置されることを特徴とする請求項４に記載の近接場顕微鏡。

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