JP2005283162A - Reflection type near-field light detection optical system and reflection type near-field optical microscope - Google Patents

Reflection type near-field light detection optical system and reflection type near-field optical microscope Download PDF

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Toshiharu Saiki
敏治 斎木
Masaru Sakai
優 酒井
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Kanagawa Academy of Science and Technology
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reflection type near-field light detection optical system and a reflection type near-field optical microscope capable of detecting with high sensitivity a fine change of reflected light intensity, polarization, a phase or the like caused by an observation object, while keeping high resolution and heightening the sensitivity. <P>SOLUTION: This microscope is equipped with this reflection type near-field light detection optical system 80 comprising a laser light source 30 for emitting measuring laser light Lin; an optical aperture probe 20 for generating near-field light and allowing the light to enter the surface of an observation object 90, guiding from an optical aperture 22 reflected light LR2 from the observation object 90, and emitting through a rear end side aperture 21 detection light LRout including an interference component of the reflected light LR2 from the observation object 90 guided from the optical aperture 22; a solid vibrator 60 for changing periodically the relative distance between the tip of the optical aperture probe 20 and the observation object 90; and a lock-in amplifier 50 for detecting the interference component of each reflecting film included in the detection light LRout synchronized with a changing period of the relative distance between the tip of the optical aperture probe 20 and the observation object 90 given from the solid vibrator 60. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、近接場光を利用して試料の表面情報や光学的情報等を測定する反射型近接場光検出光学系及び反射型近接場光学顕微鏡に関する。   The present invention relates to a reflective near-field light detection optical system and a reflective near-field optical microscope that measure surface information, optical information, and the like of a sample using near-field light.

近年、通常の光学レンズを用いる集光系の検出分解能の限界を打破する新しい集光方式として、近接場光が注目を集めている。近接場光は、微小光学開口近傍に形成される非伝播性の電磁場(エバネセント場)である。   In recent years, near-field light has attracted attention as a new condensing method that breaks the limit of detection resolution of a condensing system using a normal optical lens. Near-field light is a non-propagating electromagnetic field (evanescent field) formed in the vicinity of a minute optical aperture.

微小光学開口は光学プローブの光出射部に設けられ、光学開口の周囲は好ましくは反射体によって被覆されている。これは、開口以外の部分からの漏れ光が被検体へ入射するのを防止するためである。エバネセント場中に被検体表面を近接して配置すると、近接場相互作用により伝播性の散乱光が生じる。この散乱光の強度または位相は、被検体表面の光学情報を担うため、通常の検出手段によって被検体表面の情報を得ることができる。   The minute optical aperture is provided in the light emitting portion of the optical probe, and the periphery of the optical aperture is preferably covered with a reflector. This is to prevent leakage light from a portion other than the opening from entering the subject. When the subject surface is placed close to the evanescent field, propagating scattered light is generated by the near-field interaction. Since the intensity or phase of the scattered light bears optical information on the subject surface, information on the subject surface can be obtained by a normal detection means.

近接場光を利用したときの分解能は、エバネセント場のサイズで決定される。例えば、光ファイバー先端を絞り込み、数10nmの光学開口を残して先端部を金属などの反射体で被覆した場合、分解能は光学開口と同程度の数10nmにすることができる。このため、従来の対物レンズを用いた集光系よりも格段に分解能が向上する(例えば、特許文献1参照)。   The resolution when using near-field light is determined by the size of the evanescent field. For example, when the tip of the optical fiber is narrowed down and the tip is covered with a reflector such as metal while leaving the optical aperture of several tens of nm, the resolution can be several tens of nm, which is the same as the optical aperture. For this reason, the resolution is remarkably improved as compared with a condensing system using a conventional objective lens (for example, see Patent Document 1).

特開2002−340774号公報JP 2002-340774 A

しかしながら、近接場光学顕微鏡の空間分解能は開口の大きさで決まるため、分解能を上げるためには開口を小さくする必要があるが、開口を小さくすると検出できる光量が激減するため感度良く測定することは難しくなる。   However, since the spatial resolution of a near-field optical microscope is determined by the size of the aperture, it is necessary to reduce the aperture in order to increase the resolution. However, if the aperture is reduced, the amount of light that can be detected is drastically reduced. It becomes difficult.

一方で、光学顕微鏡のコントラストを上げる目的で、レーザー顕微鏡やそれをさらに発展させた光ヘテロダインレーザー顕微鏡が作られた。物質表面の凹凸をコントラスト良く観察することが可能になったが、回折限界には制限されるため空間分解能は光学顕微鏡と同程度である。   On the other hand, in order to increase the contrast of the optical microscope, a laser microscope and an optical heterodyne laser microscope, which is a further development of it, were created. Although it has become possible to observe unevenness of the material surface with good contrast, the spatial resolution is comparable to that of an optical microscope because it is limited to the diffraction limit.

近接場光学顕微鏡は高分解能だがコントラストはあまり良くなく、一方でレーザー顕微鏡は高コントラストだが空間分解能で劣る。これまでの技術では、高分解能と高コントラストは両立できていなかった。これらを両立するためには、レーザー顕微鏡では回折限界による制限のため今以上の高分解能化は不可能なので、近接場光学顕微鏡の高分解能を維持しつつ感度を上げる必要がある。   Near-field optical microscopes have high resolution but poor contrast, while laser microscopes have high contrast but poor spatial resolution. Until now, high resolution and high contrast were not compatible. In order to achieve both of these, since the laser microscope cannot limit the resolution further due to the limitation due to the diffraction limit, it is necessary to increase the sensitivity while maintaining the high resolution of the near-field optical microscope.

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、高分解能を維持しつつ感度を上げ、観察対象による微小な反射光強度、偏光或いは位相などの変化を高感度に検出することができるようにした反射型近接場光検出光学系及び反射型近接場光学顕微鏡を提供することにある。   Therefore, in view of the conventional problems as described above, the object of the present invention is to increase sensitivity while maintaining high resolution, and to detect minute changes in reflected light intensity, polarization, phase, etc. depending on the observation object with high sensitivity. It is an object of the present invention to provide a reflection type near-field light detection optical system and a reflection type near-field optical microscope.

本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。   Other objects of the present invention and specific advantages obtained by the present invention will become more apparent from the description of embodiments described below.

本発明では、例えば、開口型近接場光学顕微鏡を局所照射集光モード(Illumination-Collection mode)で使用し、プローブ先端から戻ってくる光を光検出器で電気信号に変換した後、ロックインアンプ検出するにあたり、プローブ先端と観察対象との相対距離を周期的に変化させることにより、プローブ先端の開口を介して集光される観察対象からの微弱な反射信号光に変調を施し、ロックインアンプでは、この変調周波数もしくはその2倍の周波数に同期した信号成分を検出する。   In the present invention, for example, an aperture-type near-field optical microscope is used in a local illumination-collection mode, and light returning from the probe tip is converted into an electrical signal by a photodetector, and then a lock-in amplifier. For detection, the relative distance between the probe tip and the observation target is periodically changed to modulate the weak reflected signal light from the observation target that is collected through the opening at the probe tip. Then, a signal component synchronized with this modulation frequency or twice the frequency is detected.

プローブ先端から戻ってくる光には、開口近傍での近接場による微弱な信号光と、プローブ先端に形成された開口の周期の反射面からの強い反射光(=参照光)が混合されており、信号光と参照光の光干渉が生じる。プローブの振動に伴って信号光のみがわずかに変化すると、参照光との光干渉によりその変化が大幅に増幅されるため、信号光を高感度に検出することができる。   The light returning from the probe tip is mixed with weak signal light due to the near field near the aperture and strong reflected light (= reference light) from the reflection surface of the aperture formed at the probe tip. The optical interference between the signal light and the reference light occurs. When only the signal light changes slightly with the vibration of the probe, the change is greatly amplified by the optical interference with the reference light, so that the signal light can be detected with high sensitivity.

本発明に係る反射型近接場光検出光学系は、測定用レーザー光を出射するレーザー光源と、先端に上記測定用レーザ光の波長よりも短い径の光学開口とその周囲に反射面が設けられた構造を有し、後端側開口を介して入力される上記測定用レーザー光を導波して上記光学開口から近接場光を生成させて観測対象物表面に入射し、且つ上記観測対象物からの反射光を上記光学開口から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザー光の上記反射面による反射光と、上記光学開口から導波された上記観測対象物からの反射光の干渉成分を含む検出光を後端側開口を介して出射する光学開口プローブと、上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離を周期的に変化させる振動付与手段と、上記光学開口プローブの後端側開口から出射される検出光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、上記光電変換手段により得られる電気信号を同期検波することにより、上記振動付与手段により与えられる上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離の変化周期に同期した上記検出光に含まれる各反射光の干渉成分を検出する同期検波手段とを備えることを特徴とする。   The reflective near-field light detection optical system according to the present invention includes a laser light source that emits measurement laser light, an optical opening having a diameter shorter than the wavelength of the measurement laser light at the tip, and a reflective surface around the optical aperture. The measurement laser light input through the rear end side opening is generated to generate near-field light from the optical opening and enter the surface of the observation target, and the observation target Is reflected from the reflection surface of the measurement laser light guided from the rear end side and from the observation object guided from the optical opening. An optical aperture probe for emitting detection light including an interference component of reflected light through the rear end side opening, a vibration applying means for periodically changing the relative distance between the tip of the optical aperture probe and the observation target, and the optical Exit from the rear end opening of the aperture probe Photoelectric conversion means for receiving the detected detection light and converting it into an electrical signal, and the tip of the optical aperture probe provided by the vibration applying means and the observation object by synchronously detecting the electrical signal obtained by the photoelectric conversion means And a synchronous detection means for detecting an interference component of each reflected light included in the detection light synchronized with the change period of the relative distance to the detection distance.

本発明に係る反射型近接場光検出光学系において、上記振動付与手段は、例えば、上記光学開口プローブの先端を軸方向と交差する方向に振動させる固体振動子からなる。   In the reflection-type near-field light detection optical system according to the present invention, the vibration applying unit includes, for example, a solid vibrator that vibrates the tip of the optical aperture probe in a direction intersecting the axial direction.

また、本発明に係る反射型近接場光検出光学系において、上記振動付与手段は、例えば、上記光学開口プローブの先端を軸方向に振動させる固体振動子からなることを特徴とする。   In the reflective near-field light detection optical system according to the present invention, the vibration applying means is, for example, a solid vibrator that vibrates the tip of the optical aperture probe in the axial direction.

さらに、本発明に係る反射型近接場光学顕微鏡は、測定用レーザー光を出射するレーザー光源と、先端に上記測定用レーザ光の波長よりも短い径の光学開口とその周囲に反射面が設けられた構造を有し、後端側開口を介して入力される上記測定用レーザー光を導波して上記光学開口から近接場光を生成させて観測対象物表面に入射し、且つ上記観測対象物からの反射光を上記光学開口から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザ光の上記反射面による反射光と、上記光学開口から導波された上記観測対象物からの反射光の干渉成分を含む検出光を後端側開口を介して出射する光学開口プローブと、上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離を周期的に変化させる振動付与手段と、上記光学開口プローブの後端側開口から出射される検出光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、上記光電変換手段により得られる電気信号を同期検波することにより、上記振動付与手段により与えられる上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離の変化周期に同期した上記検出光に含まれる各反射光の干渉成分を検出する同期検波手段とからなる反射型近接場光検出光学系を備えることを特徴とする。   Furthermore, the reflective near-field optical microscope according to the present invention includes a laser light source that emits a measurement laser beam, an optical opening having a diameter shorter than the wavelength of the measurement laser beam at the tip, and a reflective surface around the optical aperture. The measurement laser light input through the rear end side opening is generated to generate near-field light from the optical opening and enter the surface of the observation target, and the observation target Is reflected from the reflection surface of the measurement laser light guided from the rear end side, and from the observation object guided from the optical opening. An optical aperture probe for emitting detection light including an interference component of reflected light through the rear end side opening, a vibration applying means for periodically changing the relative distance between the tip of the optical aperture probe and the observation target, and the optical Is it the rear end opening of the aperture probe? A photoelectric conversion means for receiving the detected detection light and converting it into an electric signal, and an observation of the tip of the optical aperture probe provided by the vibration applying means by synchronous detection of the electric signal obtained by the photoelectric conversion means A reflection type near-field light detection optical system comprising a synchronous detection means for detecting an interference component of each reflected light included in the detection light synchronized with a change period of a relative distance to a target is provided.

本発明では、プローブ先端と観察対象との相対距離を周期的に変化させることにより、プローブ先端の開口を介して集光される観察対象からの微弱な反射信号光に変調を施し、この微弱な反射信号光と、プローブ先端に設けられた光学開口の周囲の反射面で反射して戻る光(参照光)の干渉を利用して、微弱な反射信号光の強度、偏光、もしくは位相のわずかなずれを増幅して高感度に検出することができる。   In the present invention, by changing the relative distance between the probe tip and the observation target periodically, the weak reflected signal light from the observation target collected through the opening of the probe tip is modulated, and this weak signal is applied. Using the interference between the reflected signal light and the light reflected by the reflection surface around the optical aperture provided at the probe tip (reference light), the intensity, polarization, or phase of the weak reflected signal light is slight. The shift can be amplified and detected with high sensitivity.

本発明では、簡易な光学配置により、従来の反射型近接場光学顕微鏡における信号強度を2〜3桁増強することが可能であり、観察対象表面のナノスケール微小構造、微細な屈折率分布の高感度検出を実現することができ、本発明を次世代の光ディスクの読み出しに応用することによって、超高密度光ディスクの実現が可能となる。   In the present invention, the signal intensity in the conventional reflective near-field optical microscope can be increased by 2 to 3 digits with a simple optical arrangement, and the nanoscale microstructure on the surface to be observed and the high refractive index distribution are high. Sensitivity detection can be realized, and by applying the present invention to reading of the next generation optical disc, an ultra-high density optical disc can be realized.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Needless to say, the present invention is not limited to the following examples, and can be arbitrarily changed without departing from the gist of the present invention.

本発明は、例えば図1に示すような構成の反射型近接場光学顕微鏡100に適用される。   The present invention is applied to, for example, a reflective near-field optical microscope 100 configured as shown in FIG.

この反射型近接場光学顕微鏡100は、観測対象物90が載置され、3軸方向にナノメートルオーダの移動が可能なピエゾステージ10と、このピエゾステージ10に載置された観測対象物90の表面近傍位置に先端部分が位置するように配置された光学開口プローブ20と、上記観測対象物90の表面に照射する測定用レーザー光Linを出射するレーザー光源30を備え、上記レーザー光源30から出射された測定用レーザー光Linが反射鏡31及びビームスプリッタ32を介して上記光学開口プローブ20の後端側開口21から当該光学開口プローブ20に入力されるようになっている。   The reflection near-field optical microscope 100 includes an observing object 90 mounted thereon, a piezo stage 10 capable of moving in the order of nanometers in three axis directions, and an observing object 90 mounted on the piezo stage 10. An optical aperture probe 20 disposed so that the tip portion is positioned near the surface, and a laser light source 30 that emits the measurement laser light Lin that irradiates the surface of the observation object 90 are emitted from the laser light source 30. The measured laser beam Lin is input to the optical aperture probe 20 from the rear end side opening 21 of the optical aperture probe 20 via the reflecting mirror 31 and the beam splitter 32.

上記ピエゾステージ10は、ステージコントローラ11を介してコンピュータ12に接続されている。上記ステージコントローラ11は、上記コンピュータ12による制御に基づいて、上記ピエゾステージ10をX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に任意に移動させる。   The piezo stage 10 is connected to a computer 12 via a stage controller 11. The stage controller 11 arbitrarily moves the piezo stage 10 in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction based on the control by the computer 12.

また、上記光学開口プローブ20は、先鋭化されたテーパ状の反射面23を有するテーパ部の先端に上記測定用レーザ光Linの波長よりも短い径の光学開口22が設けられた構造を有し、後端側開口21に設けられたファイバカプラ21Aを介して測定用レーザー光Linが入力されるとともに検出光LRoutを出力するようになっている。ここで、この実施の形態では、先鋭化されたテーパ状の反射面23が金属反射膜23Aにより形成されているが、後端側開口21から入力された測定用レーザー光Linを先端の先鋭化された先端の光学開口23の周囲の部分で反射すればよく、金属反射膜23Aは空気層などであってもよい。   The optical aperture probe 20 has a structure in which an optical aperture 22 having a diameter shorter than the wavelength of the laser beam for measurement Lin is provided at the tip of a tapered portion having a tapered reflecting surface 23 that is sharpened. The measurement laser light Lin is input through the fiber coupler 21A provided in the rear end side opening 21, and the detection light LRout is output. Here, in this embodiment, the tapered reflecting surface 23 that is sharpened is formed by the metal reflecting film 23A, but the measurement laser light Lin input from the rear end side opening 21 is sharpened at the tip. The metal reflection film 23A may be an air layer or the like as long as it is reflected by a portion around the optical opening 23 at the tip.

この光学開口プローブ20は、図2に模式的に示すように、上記ファイバカプラ21Aを介して入力される上記測定用レーザー光Linを導波して上記光学開口22から近接場光を生成させて観測対象物90の表面に入射し、且つ上記観測対象物90からの反射光LR2を上記光学開口22から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザー光Linの上記反射面23による反射光LR1と、上記光学開口22から導波された上記観測対象物90からの反射光LR2の干渉成分を含む検出光LRoutを上記ファイバカプラ21Aを介して出射する。   As schematically shown in FIG. 2, the optical aperture probe 20 guides the measurement laser light Lin inputted through the fiber coupler 21A to generate near-field light from the optical aperture 22. The reflection surface of the measurement laser light Lin incident on the surface of the observation object 90 and guided from the optical aperture 22 through the reflected light LR2 from the observation object 90 and guided from the rear end side. The detection light LRout including the interference component of the reflected light LR1 by the light 23 and the reflected light LR2 from the observation object 90 guided from the optical aperture 22 is emitted through the fiber coupler 21A.

なお、上記レーザー光源30としては、例えばHe−Neレーザーが用いられている。   As the laser light source 30, for example, a He—Ne laser is used.

また、この反射型近接場光学顕微鏡100は、上記ファイバカプラ21Aを介して出射された検出光LRoutが上記ビームスプリッタ32を介して入力される光検出器40を備える。この光検出器40は、上記検出光LRoutを受光することにより、上記検出光LRoutの光強度に応じた信号レベルの検出信号SDをロックインアンプ50に出力する。   The reflection near-field optical microscope 100 further includes a photodetector 40 to which the detection light LRout emitted through the fiber coupler 21A is input through the beam splitter 32. The light detector 40 receives the detection light LRout and outputs a detection signal SD having a signal level corresponding to the light intensity of the detection light LRout to the lock-in amplifier 50.

さらに、この反射型近接場光学顕微鏡100は、上記光学開口プローブ20の先端と観測対象物90の表面との相対距離を周期的に変化させる固体振動子60を備える。この固体振動子60は、例えばチューニングフォーククリスタルからなり、発振回路により構成されるチューニングフォークドライバ61によって駆動され、上記光学開口プローブ20の先端をその軸方向と交差する方向に周波数fで振動させるようになっている。   Further, the reflection near-field optical microscope 100 includes a solid vibrator 60 that periodically changes the relative distance between the tip of the optical aperture probe 20 and the surface of the observation object 90. The solid vibrator 60 is made of, for example, a tuning fork crystal and is driven by a tuning fork driver 61 configured by an oscillation circuit so as to vibrate the tip of the optical aperture probe 20 at a frequency f in a direction intersecting the axial direction. It has become.

このチューニングフォークドライバ61は、上記ステージコントローラ11により上記ピエゾステージ10をZ軸方向に移動させて、上記光学開口プローブ20の先端が観測対象物90の表面に接近することによって生じる原子間力によって、発振出力レベルが変化する。この発振出力レベルの変化を図示しないフィルタにより取り出してシアフォース制御信号SHCとして上記ステージコントローラ11に帰還することによって、上記光学開口プローブ20の先端と観測対象物90の表面との間の距離が一定になるように制御している。   The tuning fork driver 61 moves the piezo stage 10 in the Z-axis direction by the stage controller 11, and the atomic force generated when the tip of the optical aperture probe 20 approaches the surface of the observation object 90 The oscillation output level changes. The change in the oscillation output level is taken out by a filter (not shown) and fed back to the stage controller 11 as a shear force control signal SHC, so that the distance between the tip of the optical aperture probe 20 and the surface of the observation object 90 is constant. It is controlled to become.

また、上記チューニングフォークドライバ61は、発振出力すなわち上記固体振動子60の振動周波数で振動する発振信号を参照信号Frefとして上記ロックインアンプ50に供給している。   The tuning fork driver 61 supplies an oscillation output, that is, an oscillation signal that vibrates at the oscillation frequency of the solid vibrator 60, to the lock-in amplifier 50 as a reference signal Fref.

このような構成の反射型近接場光学顕微鏡100では、上記光学開口プローブ20の先端をその軸方向と交差する方向に周波数fで振動させることによって、上記光学開口プローブ20の先端と観測対象物90の表面との相対距離が所定の周期(1/f)で変化するので、上記光学開口22から導波された上記観測対象物90からの反射光LR2は、上記周波数fで変調されたものとなる。   In the reflective near-field optical microscope 100 having such a configuration, the tip of the optical aperture probe 20 and the observation object 90 are vibrated by vibrating the tip of the optical aperture probe 20 in a direction intersecting the axial direction at a frequency f. Therefore, the reflected light LR2 from the observation object 90 guided from the optical aperture 22 is modulated at the frequency f. Become.

上記光学開口プローブ20は、上記後端側から導波された上記測定用レーザー光Linの上記反射面23による反射光LR1と、上記光学開口22から導波された上記観測対象物90からの上記周波数fで変調された反射光LR2の干渉成分を含む検出光LRoutを上記ファイバカプラ21Aを介して出射する。   The optical aperture probe 20 includes the reflected light LR1 reflected by the reflection surface 23 of the measurement laser light Lin guided from the rear end side, and the observation object 90 guided from the optical aperture 22. The detection light LRout including the interference component of the reflected light LR2 modulated at the frequency f is emitted through the fiber coupler 21A.

そして、ロックインアンプ50は、光検出器40により得られる上記検出光LRoutの光強度に応じた信号レベルの検出信号SDを上記チューニングフォークドライバ61により与えられる上記固体振動子60の振動周波数fの参照信号Frefで同期検波することによって、上記振動周波数fに同期する信号成分、すなわち、上記反射光LR1と反射光LR2の位相のずれによって増幅された信号成分のみを測定信号MSとして取り出し、この測定信号MSを上記ステージコントローラ11を介してコンピュータ12に供給する。   Then, the lock-in amplifier 50 has a vibration level f of the solid vibrator 60 provided by the tuning fork driver 61 with a detection signal SD having a signal level corresponding to the light intensity of the detection light LRout obtained by the photodetector 40. By performing synchronous detection with the reference signal Fref, only the signal component synchronized with the vibration frequency f, that is, the signal component amplified by the phase shift between the reflected light LR1 and the reflected light LR2, is extracted as the measurement signal MS. The signal MS is supplied to the computer 12 via the stage controller 11.

上記コンピュータ12は、上記ピエゾステージ10をx軸方向及びY軸方向に移動させて、上記ピエゾステージ10上の観測対象物90の表面を上記光学開口プローブ20の先端で走査することにより、上記観測対象物90の表面情報として、上記ロックインアンプ50により得られる測定信号MSを蓄えて、例えば測定信号MSによる画像をモニタ画面に表示する。   The computer 12 moves the piezo stage 10 in the x-axis direction and the Y-axis direction, and scans the surface of the observation object 90 on the piezo stage 10 with the tip of the optical aperture probe 20, thereby observing the observation. As the surface information of the object 90, the measurement signal MS obtained by the lock-in amplifier 50 is stored, and for example, an image based on the measurement signal MS is displayed on the monitor screen.

すなわち、この反射型近接場光学顕微鏡100は、測定用レーザー光Linを出射するレーザー光源30と、先端に上記測定用レーザー光Linの波長よりも短い径の光学開口22とその周囲を被覆する反射面23が設けられた構造を有し、後端側開口21を介して入力される上記測定用レーザー光Linを導波して上記光学開口22から近接場光を生成させて観測対象物90の表面に入射し、且つ上記観測対象物90からの反射光LR2を上記光学開口22から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザー光Linの上記反射面23による反射光LR1と、上記光学開口22から導波された上記観測対象物90からの反射光LR2の干渉成分を含む検出光LRoutを後端側開口21を介して出射する光学開口プローブ20と、上記光学開口プローブ20の先端と観測対象物90との相対距離を周期的に変化させる固体振動子60と、上記光学開口プローブ20の後端側開口21から出射される検出光LRoutを受光して電気信号に変換する光検出器40と、上記光検出器40による検出信号SDとして得られる電気信号を同期検波することにより、上記固体振動子60により与えられる上記光学開口プローブ20の先端と観測対象物90との相対距離の変化周期に同期した上記検出光LRoutに含まれる各反射光LR1,LR2の干渉成分を検出するロックインアンプ50とからなる反射型近接場光検出光学系80を備える。   That is, the reflective near-field optical microscope 100 includes a laser light source 30 that emits the measurement laser beam Lin, an optical opening 22 having a diameter shorter than the wavelength of the measurement laser beam Lin, and a reflection that covers the periphery thereof. A surface 23 is provided, and the measurement laser light Lin input through the rear end side opening 21 is guided to generate near-field light from the optical opening 22 so that the observation object 90 Reflected light LR1 incident on the surface and reflected by the reflecting surface 23 of the measurement laser light Lin guided from the optical opening 22 and reflected from the observation object 90 from the optical aperture 22 An optical aperture probe 20 that emits the detection light LRout including the interference component of the reflected light LR2 from the observation object 90 guided from the optical aperture 22 through the rear end side aperture 21, and the optical aperture The solid vibrator 60 that periodically changes the relative distance between the tip of the probe 20 and the observation object 90 and the detection light LRout emitted from the rear end side opening 21 of the optical aperture probe 20 are received as electrical signals. The optical detector 40 to be converted, and the tip of the optical aperture probe 20 provided by the solid vibrator 60 and the observation object 90 are detected by synchronous detection of the electrical signal obtained as the detection signal SD by the photodetector 40. A reflective near-field light detection optical system 80 including a lock-in amplifier 50 that detects interference components of the reflected lights LR1 and LR2 included in the detection light LRout in synchronization with a change period of the relative distance of the first and second light beams.

ここで、開口径40nmの光学開口プローブ20を用いて、上記光学開口プローブ20の先端をその軸方向と交差する方向に周波数fで振動させてその周波数fで検出出力を同期検波した本発明による方法と、検出出力をそのまま測定する従来の方法で、観測対象物90として回折格子(3600本/mm)を観測した結果を図3の(A),(B)に示す。   Here, by using the optical aperture probe 20 having an aperture diameter of 40 nm, the tip of the optical aperture probe 20 is vibrated at a frequency f in a direction intersecting the axial direction, and the detection output is synchronously detected at the frequency f. 3A and 3B show the results of observing a diffraction grating (3600 lines / mm) as the observation object 90 by the method and the conventional method of measuring the detection output as it is.

従来の方法では、図3の(B)に示すように、ノイズに埋もれて回折格子は確認できないが、上記光学開口プローブ20の先端をその軸方向と交差する方向に周波数fで振動させた本発明による方法によれば、図3の(A)に示すように、ノイズに埋もれることなく回折格子を明瞭に観測することができた。   In the conventional method, as shown in FIG. 3B, the diffraction grating is not confirmed because it is buried in noise, but the tip of the optical aperture probe 20 is vibrated at a frequency f in a direction intersecting the axial direction. According to the method of the invention, as shown in FIG. 3A, the diffraction grating could be clearly observed without being buried in noise.

ここで、上述の反射型近接場光学顕微鏡100では、光学開口プローブ20の先端と観測対象物90の表面との間の距離が一定になるように制御するためのシアフォース制御信号SHCを得るために光学開口プローブ20の先端に微少振動を付与するための振動付与手段と、上記光学開口22から導波された上記観測対象物90からの反射光LR2を変調するため振動付与手段とを兼ねるチューニングフォーククリスタルからなる固体振動子60を用いて、上記光学開口プローブ20の先端をその軸方向と交差する方向に振動させたが、上記シアフォース制御信号SHCを得るための振動付与手段と、上記観測対象物90からの反射光LR2を変調するため振動付与手段とは、個別のものとすることができる。   Here, in the reflective near-field optical microscope 100 described above, in order to obtain a shear force control signal SHC for controlling the distance between the tip of the optical aperture probe 20 and the surface of the observation object 90 to be constant. Tuning that also serves as vibration applying means for applying minute vibration to the tip of the optical aperture probe 20 and vibration applying means for modulating the reflected light LR2 from the observation object 90 guided from the optical opening 22 The tip of the optical aperture probe 20 is vibrated in a direction crossing its axial direction using a solid vibrator 60 made of a fork crystal. The vibration applying means for obtaining the shear force control signal SHC, and the observation In order to modulate the reflected light LR2 from the object 90, the vibration applying means can be individual.

また、上記観測対象物90からの反射光LR2を変調するため振動付与手段は、例えば、図4に示す反射型近接場光学顕微鏡200のように、上記光学開口プローブ20の先端をその軸方向に振動させるようにしてもよい。   Further, the vibration applying means for modulating the reflected light LR2 from the observation object 90 has the tip of the optical aperture probe 20 in the axial direction as in, for example, the reflective near-field optical microscope 200 shown in FIG. You may make it vibrate.

図4に示す反射型近接場光学顕微鏡200は、光学開口プローブ20の先端と観測対象物90の表面との間の距離が一定になるように制御するためのシアフォース制御信号SHCを得るために光学開口プローブ20の先端に微少振動を付与するためのピエゾ素子260、上記ピエゾ素子260を駆動するピエゾドライバ261、上記ピエゾ素子260により光学開口プローブ20の先端に付与された微少振動を検出するために、上記光学開口プローブ20の先端を被覆する金属反射膜23Aに外周側からレーザー光を照射する半導体レーザー262、上記金属反射膜23Aによる反射光を受光して検出する光検出器263、この光検出器263による検出信号が供給されるロックインアンプ264、上記光学開口22から導波された上記観測対象物90からの反射光LR2を変調するためチューニングフォーククリスタルからなる固体振動子160を備える。   The reflection-type near-field optical microscope 200 shown in FIG. 4 obtains a shear force control signal SHC for controlling the distance between the tip of the optical aperture probe 20 and the surface of the observation object 90 to be constant. A piezo element 260 for applying a minute vibration to the tip of the optical aperture probe 20, a piezo driver 261 for driving the piezo element 260, and a minute vibration applied to the tip of the optical aperture probe 20 by the piezo element 260 are detected. Further, a semiconductor laser 262 that irradiates a laser beam on the metal reflecting film 23A covering the tip of the optical aperture probe 20 from the outer peripheral side, a photodetector 263 that receives and detects the reflected light from the metal reflecting film 23A, and this light A lock-in amplifier 264 to which a detection signal from the detector 263 is supplied, and the observation guided from the optical aperture 22 Comprising a solid vibrator 160 consisting of the tuning fork crystal to modulate the reflected light LR2 from elephant 90.

上記ロックインアンプ264は、上記ピエゾ素子260を駆動するピエゾドライバ261から上記ピエゾ素子260の駆動信号が参照信号として供給されており、上記光検出器263の検出信号SDを上記参照信号で同期検波することにより得られるシアフォース制御信号SHCをステージコントローラ11に帰還する。   The lock-in amplifier 264 is supplied with a drive signal of the piezo element 260 from a piezo driver 261 that drives the piezo element 260 as a reference signal, and the detection signal SD of the photodetector 263 is synchronously detected by the reference signal. The shear force control signal SHC obtained by doing so is fed back to the stage controller 11.

そして、この反射型近接場光学顕微鏡200では、上記固体振動子160の振動方向が上記光学開口プローブ20の軸方向(z方向)に一致しており、上記光学開口プローブ20の先端をその軸方向に周波数fで振動させることにより、上記観測対象物90からの反射光LR2を周波数fで変調するようになっている。   In the reflective near-field optical microscope 200, the vibration direction of the solid vibrator 160 coincides with the axial direction (z direction) of the optical aperture probe 20, and the tip of the optical aperture probe 20 is in the axial direction. Then, the reflected light LR2 from the observation object 90 is modulated at the frequency f.

なお、この反射型近接場光学顕微鏡200における他の構成要素は、上述の反射型近接場光学顕微鏡100と同じなので、図4中に同一符号を付してその詳細な説明を省略する。   The other components in the reflective near-field optical microscope 200 are the same as those in the reflective near-field optical microscope 100 described above, and thus the same reference numerals are given in FIG.

ここで、上述の反射型近接場光学顕微鏡100及び反射型近接場光学顕微鏡200では、チューニングフォーククリスタルからなる固体振動子60,160により上記光学開口プローブ20の先端を周波数fで振動させるようにしたが、チューニングフォーククリスタルに代えてピエゾ素子を用いるようにしてもよい。また、上記光学開口プローブ20の先端と観測対象物90との相対距離を周期的に変化させればよく、上記光学開口プローブ20の先端を振動させる代わりに、ピエゾステージ10を振動させるようにしてもよい。   Here, in the reflective near-field optical microscope 100 and the reflective near-field optical microscope 200 described above, the tip of the optical aperture probe 20 is vibrated at the frequency f by the solid vibrators 60 and 160 made of tuning fork crystals. However, a piezo element may be used instead of the tuning fork crystal. In addition, the relative distance between the tip of the optical aperture probe 20 and the observation object 90 may be periodically changed. Instead of vibrating the tip of the optical aperture probe 20, the piezo stage 10 is vibrated. Also good.

本発明を適用した反射型近接場光学顕微鏡の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the reflection type near field optical microscope to which this invention is applied. 上記反射型近接場光学顕微鏡における光学開口プローブの先端部分の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the front-end | tip part of the optical aperture probe in the said reflection type near field optical microscope. 開口径40nmの光学開口プローブ20を用いて、上記光学開口プローブの先端をその軸方向と交差する方向に周波数fで振動させた本発明による方法と、振動させない従来の方法で、観測対象物として回折格子(3600本/mm)を観測した結果を示す図である。Using the optical aperture probe 20 with an aperture diameter of 40 nm, the tip of the optical aperture probe is vibrated at a frequency f in the direction intersecting the axial direction, and the conventional method that does not vibrate is used as an observation object. It is a figure which shows the result of having observed the diffraction grating (3600 piece / mm). 本発明を適用した反射型近接場光学顕微鏡の他の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other structural example of the reflection type near field optical microscope to which this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

10 ピエゾステージ、11 ステージコントローラ、12 コンピュータ、20 光学開口プローブ、21 後端側開口、21A ファイバカプラ、22 光学開口、23 反射面、23A 金属反射膜、30 レーザー光源、31 反射鏡、32 ビームスプリッタ、40 光検出器、50 ロックインアンプ、60,160 固体振動子、61 チューニングフォークドライバ、80 反射型近接場光検出光学系、90 観測対象物、100,200 反射型近接場光学顕微鏡、260 ピエゾ素子、261 ピエゾドライバ、262 半導体レーザー、263 光検出器、264 ロックインアンプ、Lin 測定用レーザー光、LRout 検出光、LR1,LR2 反射光、SD 検出信号、Fref 参照信号、SHC シアフォース制御信号、MS 測定信号   10 piezo stage, 11 stage controller, 12 computer, 20 optical aperture probe, 21 rear end side aperture, 21A fiber coupler, 22 optical aperture, 23 reflective surface, 23A metal reflective film, 30 laser light source, 31 reflective mirror, 32 beam splitter , 40 photodetector, 50 lock-in amplifier, 60,160 solid state oscillator, 61 tuning fork driver, 80 reflective near-field light detection optical system, 90 observation object, 100, 200 reflective near-field optical microscope, 260 piezo Element, 261 piezo driver, 262 semiconductor laser, 263 photodetector, 264 lock-in amplifier, Lin measurement laser light, LRout detection light, LR1, LR2 reflected light, SD detection signal, Fref reference signal, SHC shear force control signal, MS measurement signal

Claims (4)

測定用レーザー光を出射するレーザー光源と、
先端に上記測定用レーザ光の波長よりも短い径の光学開口とその周囲に反射面が設けられた構造を有し、後端側開口を介して入力される上記測定用レーザ光を導波して上記光学開口から近接場光を生成させて観測対象物表面に入射し、且つ上記観測対象物からの反射光を上記光学開口から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザ光の上記反射面による反射光と、上記光学開口から導波された上記観測対象物からの反射光の干渉成分を含む検出光を後端側開口を介して出射する光学開口プローブと、
上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離を周期的に変化させる振動付与手段と、
上記光学開口プローブの後端側開口から出射される検出光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、
上記光電変換手段により得られる電気信号を同期検波することにより、上記振動付与手段により与えられる上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離の変化周期に同期した上記検出光に含まれる各反射光の干渉成分を検出する同期検波手段と
を備えることを特徴とする反射型近接場光検出光学系。
A laser light source for emitting measurement laser light;
It has a structure in which an optical opening having a diameter shorter than the wavelength of the laser beam for measurement at the front end and a reflective surface around it are provided, and guides the laser beam for measurement input through the rear end side opening. The near-field light is generated from the optical aperture and incident on the surface of the observation target, and the reflected light from the observation target is guided from the optical aperture and guided from the rear end side. An optical aperture probe that emits detection light including reflected light from the reflection surface of laser light and an interference component of reflected light from the observation object guided from the optical aperture through the rear end side aperture;
Vibration applying means for periodically changing the relative distance between the tip of the optical aperture probe and the observation target;
Photoelectric conversion means for receiving detection light emitted from the rear end side opening of the optical aperture probe and converting it into an electrical signal;
By synchronously detecting the electrical signal obtained by the photoelectric conversion means, each reflection included in the detection light synchronized with the change period of the relative distance between the tip of the optical aperture probe and the observation target given by the vibration applying means. A reflective near-field light detection optical system, comprising: a synchronous detection unit that detects an interference component of light.
上記振動付与手段は、上記光学開口プローブの先端を軸方向と交差する方向に振動させる固体振動子からなることを特徴とする請求項1記載の反射型近接場光検出光学系。   2. The reflection type near-field light detection optical system according to claim 1, wherein the vibration applying means comprises a solid vibrator that vibrates the tip of the optical aperture probe in a direction crossing the axial direction. 上記振動付与手段は、上記光学開口プローブの先端を軸方向に振動させる固体振動子からなることを特徴とする請求項1記載の反射型近接場光検出光学系。   2. The reflection type near-field light detection optical system according to claim 1, wherein the vibration applying means comprises a solid vibrator that vibrates the tip of the optical aperture probe in the axial direction. 測定用レーザー光を出射するレーザー光源と、
先端に上記測定用レーザ光の波長よりも短い径の光学開口とその周囲に反射面が設けられた構造を有し、後端側開口を介して入力される上記測定用レーザ光を導波して上記光学開口から近接場光を生成させて観測対象物表面に入射し、且つ上記観測対象物からの反射光を上記光学開口から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザ光の上記反射面による反射光と、上記光学開口から導波された上記観測対象物からの反射光の干渉成分を含む検出光を後端側開口を介して出射する光学開口プローブと、
上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離を周期的に変化させる振動付与手段と、
上記光学開口プローブの後端側開口から出射される検出光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、
上記光電変換手段により得られる電気信号を同期検波することにより、上記振動付与手段により与えられる上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離の変化周期に同期した上記検出光に含まれる各反射光の干渉成分を検出する同期検波手段と
からなる反射型近接場光検出光学系を備えることを特徴とする反射型近接場光学顕微鏡。
A laser light source for emitting measurement laser light;
It has a structure in which an optical opening having a diameter shorter than the wavelength of the laser beam for measurement at the front end and a reflective surface around it are provided, and guides the laser beam for measurement input through the rear end side opening. The near-field light is generated from the optical aperture and incident on the surface of the observation target, and the reflected light from the observation target is guided from the optical aperture and guided from the rear end side. An optical aperture probe that emits detection light including reflected light from the reflection surface of laser light and an interference component of reflected light from the observation object guided from the optical aperture through the rear end side aperture;
Vibration applying means for periodically changing the relative distance between the tip of the optical aperture probe and the observation target;
Photoelectric conversion means for receiving detection light emitted from the rear end side opening of the optical aperture probe and converting it into an electrical signal;
By synchronously detecting the electrical signal obtained by the photoelectric conversion means, each reflection included in the detection light synchronized with the change period of the relative distance between the tip of the optical aperture probe and the observation target given by the vibration applying means. A reflective near-field optical microscope comprising a reflective near-field light detection optical system comprising synchronous detection means for detecting an interference component of light.
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