JP2007121316A - 走査型近視野顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】試料表面の形状像及び２次元的な光学特性像に加えて、試料表面の電位分布を高分解能で観察可能な走査型近視野顕微鏡を提供する。
【解決手段】光伝搬体プローブ１をその共振周波数で振動させて、ダイナミックモードのＡＦＭによって走査制御する走査型近視野顕微鏡において、光伝搬体プローブ１をグランド電位とし、試料３に交流電圧を印加し、光伝搬体プローブ１の変位検出信号を周波数分離回路２４を用いて周波数分離し、表面電位信号を得ると同時に、光伝搬体プローブ１先端の微小開口から近視野光を照射して試料３の光学特性を測定することにより、試料の表面形状、表面電位及び光学特性を同時に測定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、走査型プローブ顕微鏡の１つであり、計測物質の微細領域での光学特性を計測する走査型近視野顕微鏡に関する。

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）に代表される走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の微細な形状を観察することができることから広く普及している。

一方、先端が尖鋭化された光媒体からなるプローブを光の波長以下まで測定試料に近づけることによって、試料の光学特性や形状を測定しようという試みがあり、いくつかの近接場光顕微鏡が提案されている。この一つの装置として、試料に対して垂直に保持した光ファイバープローブの先端を試料表面に対して水平に振動させ、試料表面とプローブ先端の摩擦によって生じる振動の振幅の変化を光ファイバープローブ先端から照射され試料を透過したレーザー光の光軸のズレとして検出し、試料を微動機構で動かすことによって、プローブ先端と試料表面の間隔を一定に保ち、微動機構に入力した信号強度から表面形状を検出するとともに試料の光透過性の測定を行う装置が提案されている。

また、特許文献１には、鈎状に成形した光ファイバープローブをＡＦＭのカンチレバーとして使用し、ＡＦＭ動作すると同時に、光ファイバープローブの先端から試料にレーザー光を照射し、表面形状を検出するとともに試料の光学特性の測定を行う走査型近視野原子間力顕微鏡について記述されている。

これらの光伝搬体プローブを用いる走査型プローブ顕微鏡では、試料表面とプローブ先端の摩擦によって生じる振動振幅の変化の検出、あるいは試料表面とプローブ先端に作用する原子間力の検出は、プローブの弾性機能、即ちプローブのたわみを検出することにより行っている。従来、この弾性機能としては光ファイバー自体の弾性をそのまま使用していた。

しかし、一般にＡＦＭのカンチレバーのバネ定数は１００分の１Ｎ／ｍから数Ｎ／ｍ程度であるのに対し、光ファイバー自体の弾性機能を利用する場合のプローブのバネ定数は数Ｎ／ｍから数１００Ｎ／ｍである。プローブのバネ定数が大きい場合、試料やプローブ先端の損傷の危険があるばかりでなく、プローブ先端とサンプル間に作用する原子間力をはじめとする諸物理量の検出感度が劣化する。特許文献２は、バネ定数を小さくした光ファイバープローブを使用した走査型近視野顕微鏡が、コンタクトモード走査や走査型摩擦力顕微鏡などの走査が可能であることが記述されている。しかし、従来の走査型近視野顕微鏡装置では試料表面の電位を測定することはできない。
特許第２７０４６０１号公報 特開平１０−１０４２４４号公報

本発明の目的は、試料表面の形状像及び２次元的な光学特性像に加えて、試料表面の電位分布を高分解能で観察可能な走査型近視野顕微鏡を提供することにある。

上記の目的を達成するために、第１思想に係る走査型近視野顕微鏡は、端部に光を透過する透過口を有する光伝搬体からなり、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有する光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プローブの先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との間隔を、前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との間に原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力が作用する動作距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手段によって前記試料表面を走査するとともに、制御手段によって前記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブを制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測定する走査型近視野顕微鏡において、前記光伝搬体プローブの先端と前記表面を相対的に垂直方向に振動させる振動手段と、前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段が出力する検出信号に基づいて前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つための制御手段と、前記光伝搬体プローブ先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段とを有することを特徴とする。

この発明によれば、光伝搬体プローブの先端部と試料表面の間隔を一定に保つための制御信号は、試料表面の形状を反映し、また、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段の信号は、試料表面の表面電位を反映している。従って、光伝搬体プローブ先端の微小開口で光を入出力することにより試料表面の光学特性、試料表面形状及び試料表面電位を同時に測定することができる。

また、第２思想に係る走査型近視野顕微鏡は、端部に光を透過する透過口を有する光伝搬体からなり、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有する光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プローブの先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との間隔を、前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との間に原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力が作用する動作距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手段によって前記試料表面を走査するとともに、制御手段によって前記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブを制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測定する走査型近視野顕微鏡において、前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段が出力する検出信号に基づいて前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つための制御手段と、前記光伝搬体プローブ先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段とを有することを特徴とする。

この発明によれば、第１思想に係わる発明とはプローブ先端と試料表面の距離制御方法は異なるが、光伝搬体プローブの先端部と試料表面の間隔を一定に保つための制御信号は、試料表面の形状を反映し、また、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段の信号は、試料表面の表面電位を反映している。従って、光伝搬体プローブ先端の微小開口で光を入出力することにより試料表面の光学特性、試料表面形状及び試料表面電位を同時に測定することができる。

また、第３思想に係る走査型近視野顕微鏡は、端部に光を透過する透過口を有する光伝搬体からなり、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有する光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プローブの先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との間隔を、前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との間に原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力が作用する動作距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手段によって前記試料表面を走査するとともに、制御手段によって前記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブを制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測定する走査型近視野顕微鏡において、前記光伝搬体プローブの先端と前記表面を相対的に垂直方向に振動させる振動手段と、前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段が出力する検出信号に基づいて前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つための制御手段と、前記光伝搬体プローブ先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段と、前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を行うための光源に光変調を行う変調手段と、前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動検出信号を、前記変調手段の変調信号に対応して位相検波する位相検波手段とを有することを特徴とする。

この発明によれば、光伝搬体プローブの先端部と試料表面の間隔を一定に保つための制御信号は、試料表面の形状を反映し、また、記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段の信号は、試料表面の表面電位を反映している。従って、光伝搬体プローブ先端の微小開口で光を入出力することにより試料表面の光学特性、試料表面形状及び試料表面電位を同時に測定することができる。さらに、光照射あるいは光検出を行うための光源に光変調を行うことにより、光照射、未照射による試料表面の電位像を同時に測定することが可能である。

また、第４思想に係る走査型近視野顕微鏡は、第１思想乃至第３思想の発明において、光伝搬体プローブは、基板状の基部と、前記基板状の基部上に少なくとも１層以上の積層構造をなす光導波層を有し、前記光導波層が前記基部より突き出て梁状のカンチレバーを形成していることを特徴とする。

この発明によれば、光伝搬体プローブは光導波層からなるカンチレバーとして構成することができ、従来のＡＦＭ用カンチレバーと同等のバネ定数を与えることが可能となる。従って、表面電位測定に十分な感度を有する走査型近視野顕微鏡を構成することが可能となる。

また、第５思想に係る走査型近視野顕微鏡は、第１思想乃至第３思想の発明において、光伝搬体プローブは、弾性機能を有する部分と、この弾性機能を有する部分を支持する基部からなり、前記弾性的機能を有する部分がこの弾性機能部を支持する柱状の基部と一体に形成されるとともに少なくとも柱状部を有し、この柱状部の外形が前記柱状基部の外形より細く形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、光伝搬体プローブは細化した光伝搬体で構成することができ、従来のＡＦＭ用カンチレバーと同等のバネ定数を与えることが可能となる。従って、表面電位測定に十分な感度を有する走査型近視野顕微鏡を構成することが可能となる。

また、第６思想に係る走査型近視野顕微鏡は、第４思想の発明において、光伝搬体は、薄膜光導波路であることを特徴とする。

この発明によれば、光伝送効率の高い光導波路を光伝搬体プローブとして用いるため、微小開口への光伝送損失の少ない、または微小開口からの光伝送損失の少ない走査型近視野顕微鏡を構成することができ、高感度の光学特性の測定を行うことができる。

また、第７思想に係る走査型近視野顕微鏡は、第５思想の発明において、光伝搬体は、光ファイバーであることを特徴とする。

この発明によれば、光伝送効率の高い光ファイバーを光伝搬体プローブとして用いるため、微小開口への光伝送損失の少ない、または微小開口からの光伝送損失の少ない走査型近視野顕微鏡を構成することができ、高感度の光学特性の測定を行うことができる。

また、第８思想に係る走査型近視野顕微鏡は、第１思想乃至第３思想の発明において、前記光伝搬体プローブを搭載する光伝搬体プローブ保持機構は、基材と、圧電素子と、絶縁膜と、電気的に接地された電極板と積層した構造であることを特徴とする。

この発明によれば、前記光伝搬体プローブを前記保持機構に搭載するのみで、電位測定上必要となる電気的な接地電位を確保できるので、表面電位測定が正確かつ容易な、走査型近視野顕微鏡を構成することができる。

また、第９思想に係わる走査型近視野顕微鏡は、第１思想乃至第３思想の発明において、光伝搬体プローブは、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有し、前記金属膜は前記透過口部を囲むように配置され、前記光伝搬体は前記金属膜の端面より陥没していることを特徴とする。

この発明によれば、前記光伝搬体プローブの先端部分は誘電体が配置されず、プローブ先端部は金属膜被覆のみとなるので、電気的な接地電位を安定させることができ、正確な表面電位測定が行える、走査型近視野顕微鏡を構成することができる。

以下に、本発明に係る走査型近視野顕微鏡の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る走査型近視野顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。

図１において、実施の形態１に係る走査型近視野顕微鏡は、光伝搬体プローブ１と、光伝搬体プローブ１を加振させる圧電素子２と、圧電素子２に加振電圧を供給する交流電圧源２１と、光伝搬体プローブ１の変位計測用レーザー光源５及びその光検出器６と、光検出器６で検出した信号を周波数分離する周波数分離回路２４と、光伝搬体プローブ１にレーザー光を導入するためのレーザー光源７及びレーザー光導入光学系８と、試料３及び試料を載せる試料台４と、試料を３次元に移動させるＸＹＺ移動機構１２と、集光光学系９と、反射ミラー１０と、試料からの信号光を検出する光検出器１１と、試料に電圧を印加するための電位測定用交流電圧源２２およびオフセット調整回路２３と、全体の走査制御及び形状、光、表面電位などの信号を取得する制御装置２０と、から構成される。

図４は、光伝搬体プローブ１の一つの例を示した。基部１０４には光導波路１０１が取り付けられている。光導波路１０１はＡＦＭ制御を用いた走査制御を行うために、先端付近が下向きに曲げられている。光導波路１０１の周囲は、後端を除いて金属被覆１０２で被覆され、先端部には微小開口１０３が形成されている。微小開口１０３の大きさは使用されるレーザー光の波長以下のサイズで、例えば数１０ｎｍである。光導波路１０１としては例えば石英系の光導波路が用いられる。光導波路の構造は、図４は単層の構造を示しているが、光学的な屈折率の高いコア層を屈折率の低いクラッド層ではさんだ形状の、ステップインデックス型光導波路を用いることもできる。金属被覆１０２の厚さは数１０ｎｍから数１００ｎｍで、その材料はアルミニウム、クロム、金、白金など導電率の高い光反射材料が用いられる。基部１０４は例えば薄膜プロセスで一般にウエハーとして用いられるシリコン基板やガラス基板であり、製造過程において、光導波路を積層パターニングしたあと、エッチングにより素子分離したものである。プローブの長さは数１０ミクロンから数１００ミクロン、厚さは数ミクロン、幅は数１０ミクロンから１００ミクロン程度である。このとき、光伝搬体プローブ１をカンチレバーとした場合のバネ定数は、１００分の数Ｎ／ｍから数Ｎ／ｍで、一般のＡＦＭカンチレバーのバネ定数と同等である。

図５は光伝搬体プローブ１の他の例を示した。光ファイバー１１１は先端部付近が細化され、ＡＦＭ制御を用いた走査制御を行うために、先端付近が下向きに曲げられている。

ファイバー１１１の周囲は、後端を除いて金属被覆１１２で被覆され、先端部には微小開口１０３が形成されている。微小開口１０３の大きさは使用されるレーザー光の波長以下のサイズで、例えば数１０ｎｍである。光ファイバー１１１は、使用する光源の波長に応じた設計のシングルモード光ファイバーやマルチモード光ファイバーが用いられる。金属被覆１１２の厚さは数１０ｎｍから数１００ｎｍで、その材料はアルミニウム、クロム、金、白金など導電率の高い光反射材料が用いられる。光ファイバー１１１の細化された部分の直径は１０ミクロンから６０ミクロン程度、長さは０．５ｍｍから３ｍｍで、そのバネ定数は１０分の数Ｎ／ｍから数１０Ｎ／ｍである。

図７および図８は、光伝搬体プローブの例を示した図であり、先端の微小開口部付近の縦断面図を表している。光導波路や光ファイバーなど誘電率の大きい光伝搬体１３０は先端付近で錐状をなしている。光伝搬体１３０の先端付近の周囲は、金属膜被覆１１２で被覆されている。先端には微小開口１０３が形成されている。微小開口１０３が形成されている先端面に光伝搬体１３０はなく、光伝搬体１３０は金属膜被覆１１２の端面より陥没している。すなわち、光伝搬体プローブ先端の微小開口付近に誘電体はなく、金属膜被覆１０３のみが配置されている。

図７および図８に示した光伝搬体プローブは、先端の微小開口１０３部分の形状が異なる。この形状の違いは、製造方法の違いに起因する。図７に示した微小開口形状は、従来の光ファイバープローブ製造と同様に、尖鋭化した光伝搬体１３０に、微小開口１０３を除いて金属膜被覆１１２を例えば回転蒸着により形成する。その後、金属膜被覆１１２をマスクとし、微小開口１０３を通して、先端付近の光伝搬体を等方性エッチングすることにより所望の形状を製造することができる。図８に示した微小開口形状は、尖鋭化した光伝搬体１３０の先端付近の微小開口部分を含めた全体に、例えば蒸着、スパッタリング、メッキなどの手法により金属膜被覆１１２を形成する。その後、集束イオンビームを使用して微小開口１０３部分の金属膜被覆を除去することにより所望の形状を製造することができる。

以上のような光伝搬体プローブの構造によれば、プローブ先端部は金属膜被覆のみとなるので、電気的な接地電位を安定させることができ、正確な表面電位測定が行える、走査型近視野顕微鏡を構成することができる。

図１において、光伝搬体プローブ１の変位検出は、光てこを示しているが、レーザー干渉計、圧電センサー、静電容量センサーなど他の変位検出器も用いることができる。また、レーザー光導入光学系８は、レンズ光学系、光ファイバー光学系などが用いられる。

圧電素子２には、交流電圧源２１から、光伝搬体プローブ１の共振周波数に対応する加振電圧Ｖｒ・ｓｉｎωｒｔが印加される。ここで、Ｖｒは電圧振幅、ωｒは光伝搬体プローブの共振周波数、ｔは時間である。光伝搬体プローブ１の振動は、光てこを構成する変位計測用レーザー光源５及びその光検出器６で検出され、周波数分離回路２４で生成された周波数ωｒ成分の信号を用いて、ダイナミックモードのＡＦＭ制御により走査制御される。試料の走査はＸＹＺ移動機構１２で行われ、その制御は制御装置２０によって行われる。

一方、光伝搬体プローブ１は圧電素子２とは電気的に絶縁され、かつ、電気的なグランドに接続されている。即ち、光伝搬体プローブはグランド電位とされている。試料台４と電気的に接続された試料３には、電位測定用交流電圧源２２から電圧ＶＡＣｓｉｎωｔが印加される。このとき、試料表面の電位に応じて光伝搬体カンチレバーには周波数ωの振動が生じる。この周波数ωの振動は周波数分離回路２４で表面電位信号として分離され、制御装置２０へ伝送される。制御装置は、電圧ＶＡＣｓｉｎωｔによる光伝搬体プローブ１の振動がなくなるようにオフセット調整回路２３のオフセット電圧を調整する。このオフセット電圧が、試料表面の電位に−１を掛けた値を示している。

本実施の形態においては、光伝搬体プローブ１の電位を電気的な接地電位とし、試料３に電位測定用の交流電圧を印加する構成を示した。これとは逆に、試料３を電気的な接地電位とし、光伝搬体プローブ１に電位測定用の交流電圧を印加しても電位測定を行うことが可能である。

さらに、光伝搬体プローブ１を上記のように、ダイナミックモードのＡＦＭ制御により走査制御しながら、光伝搬体プローブ１の後端に、レーザー光源７のレーザー光が、レーザー光導入光学系８を用いて導入される。プローブ先端部の微小開口から試料に近視野光が照射され、試料を透過したレーザー光は、集光光学系９及び反射ミラー１０を介して光検出器１１で検出される。図１は、光伝搬体プローブ１の先端の微小開口から近視野光を照射するイルミネーションモードの構成を示しているが、微小開口で試料表面に局在した近視野光を検出する構成（コレクションモード）や、微小開口から近視野光を照射し、同一の微小開口を用いてサンプルからの信号光を検出するイルミネーション・コレクションモードの構成も可能である。

上記のような走査型近視野顕微鏡の構成によれば、試料表面の形状、光学特性に加えて、試料の表面電位を同時に測定することが可能である。また、光照射による走査データ、光照射しない場合の走査データを比較することにより、試料表面電位の光照射（光刺激）による変化を測定することも可能である。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る走査型近視野顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。

図２において、図１と同一の構成要素には同一の番号を付してある。実施の形態２に係る走査型近視野顕微鏡は、光伝搬体プローブ１と、光伝搬体プローブ１の変位計測用レーザー光源５及びその光検出器６と、光検出器６で検出した信号を周波数分離する周波数分離回路２４と、光伝搬体プローブ１にレーザー光を導入するためのレーザー光源７及びレーザー光導入光学系８と、試料３及び試料を載せる試料台４と、試料を３次元に移動させるＸＹＺ移動機構１２と、集光光学系９と、反射ミラー１０と、試料からの信号光を検出する光検出器１１と、試料に電圧を印加するための電位測定用交流電圧源２２およびオフセット調整回路２３と、全体の走査制御及び形状、光、表面電位などの信号を取得する制御装置２０と、から構成される。図１に示した実施の形態１とは、圧電素子２を設置していないところが異なる。

電気的にグランド電位とした光伝搬体プローブ１と試料３の間にバイアス電圧を印加する。即ち、試料にＶＡＣｓｉｎωｔで表される交流電圧を印加したとき、光伝搬体プローブ１の先端と試料３表面の静電的な結合により、光伝搬体プローブ１が励振される。光てこで検出された光伝搬体プローブ１の振動は、周波数分離回路２４で周波数分離される。

ここで、２ωの項は光伝搬体プローブ１先端と試料３表面の距離の項であり、この値を一定とするようにＸＹＺ移動機構で高さ制御して走査することにより、試料３の表面形状を得ることができる。

一方、周波数ωの項は試料の表面電位の項である。周波数ωの信号は周波数分離回路２４で表面電位信号として分離され、制御装置２０へ伝送される。制御装置は、周波数ωの振動がなくなるようにオフセット調整回路２３のオフセット電圧を調整する。このオフセット電圧が、試料表面の電位に−１を掛けた値を示している。

さらに、光伝搬体プローブ１を上記のように走査制御しながら、光伝搬体プローブ１の後端に、レーザー光源７のレーザー光が、レーザー光導入光学系８を用いて導入される。

プローブ先端部の微小開口から試料に近視野光が照射され、試料を透過したレーザー光は、集光光学系９及び反射ミラー１０を介して光検出器１１で検出される。図２は、光伝搬体プローブ１の先端の微小開口から近視野光を照射するイルミネーションモードの構成を示しているが、微小開口で試料表面に局在した近視野光を検出する構成（コレクションモード）や、微小開口から近視野光を照射し、同一の微小開口を用いてサンプルからの信号光を検出するイルミネーション・コレクションモードの構成も可能である。

上記のような走査型近視野顕微鏡の構成によれば、試料表面の形状、光学特性に加えて、試料の表面電位を同時に測定することが可能である。また、光照射による走査データ、光照射しない場合の走査データを比較することにより、試料表面電位の光照射（光刺激）による変化を測定することも可能である。

（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係る走査型近視野顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。

図３において、図１と同一の構成要素には同一の番号を付してある。実施の形態３に係る走査型近視野顕微鏡は、光伝搬体プローブ１と、光伝搬体プローブ１を加振させる圧電素子２と、圧電素子２に加振電圧を供給する交流電圧源２１と、光伝搬体プローブ１の変位計測用レーザー光源５及びその光検出器６と、光検出器６で検出した信号を周波数分離する周波数分離回路２４と、光伝搬体プローブ１にレーザー光を導入するためのレーザー光源７及びレーザー光導入光学系８と、レーザー光を振幅変調するための変調装置１３と、変調装置１３に変調信号を与える変調信号生成器１５と、レーザーの変調信号を参照信号として表面電位信号を位相検波するための位相検波装置１４と、試料３及び試料を載せる試料台４と、試料を３次元に移動させるＸＹＺ移動機構１２と、集光光学系９と、反射ミラー１０と、試料からの信号光を検出する光検出器１１と、試料に電圧を印加するための電位測定用交流電圧源２２およびオフセット調整回路２３と、全体の走査制御及び形状、光、表面電位などの信号を取得する制御装置２０と、から構成される。図１に示した実施の形態１とは、レーザー光の変調を行うところと、レーザー光の変調に対応して表面電位信号を位相検波するところが異なる。

圧電素子２には、交流電圧源２１から、光伝搬体プローブ１の共振周波数に対応する加振電圧Ｖｒ・ｓｉｎωｒｔが印加される。ここで、Ｖｒは電圧振幅、ωｒは光伝搬体プローブの共振周波数、ｔは時間である。光伝搬体プローブ１の振動は、光てこを構成する変位計測用レーザー光源５及びその光検出器６で検出され、周波数分離回路２４で生成された周波数ωｒ成分の信号を用いて、ダイナミックモードのＡＦＭ制御により走査制御される。試料の走査はＸＹＺ移動機構１２で行われ、その制御は制御装置２０によって行われる。

一方、光伝搬体プローブ１は圧電素子２とは電気的に絶縁され、かつ、電気的なグランドに接続されている。即ち、光伝搬体プローブはグランド電位とされている。試料台４と電気的に接続された試料３には、電位測定用交流電圧源２２から電圧ＶＡＣｓｉｎωｔが印加される。このとき、試料表面の電位に応じて光伝搬体カンチレバーには周波数ωの振動が生じる。この周波数ωの振動は周波数分離回路２４で表面電位信号として分離され、制御装置２０へ伝送される。制御装置は、電圧ＶＡＣｓｉｎωｔによる光伝搬体プローブ１の振動がなくなるようにオフセット調整回路２３のオフセット電圧を調整する。このオフセット電圧が、試料表面の電位に−１を掛けた値を示している。

さらに、光伝搬体プローブ１を上記のように、ダイナミックモードのＡＦＭ制御により走査制御しながら、光伝搬体プローブ１の後端に、レーザー光源７のレーザー光が、変調装置１３及びレーザー光導入光学系８を用いて導入される。変調装置１３は変調信号生成器１５からの信号Ｖｏ・ｓｉｎωｏｔに基づいてレーザー光の振幅変調を行う。プローブ先端部の微小開口から試料に近視野光が照射され、試料を透過したレーザー光は、集光光学系９及び反射ミラー１０を介して光検出器１１で検出される。光検出器１１で検出される信号は、変調装置１３によって変調されているので、位相検波することにより信号のＳ／Ｎ比を大きくすることができる。図１は、光伝搬体プローブ１の先端の微小開口から近視野光を照射するイルミネーションモードの構成を示しているが、微小開口で試料表面に局在した近視野光を検出する構成（コレクションモード）や、微小開口から近視野光を照射し、同一の微小開口を用いてサンプルからの信号光を検出するイルミネーション・コレクションモードの構成も可能である。

一方、周波数分離回路２４の表面電位信号は位相検波器１４を用いて、光変調における光照射時の信号と光未照射時の信号に分けられる。これにより、一度の走査で光照射時、未照射時の表面電位測定を行うことが可能となる。

上記のような走査型近視野顕微鏡の構成によれば、試料表面の形状、光学特性に加えて、試料の表面電位を同時に測定することが可能である。また、光照射あるいは光検出を行うための光源に光変調を行うことにより、光照射、未照射による試料表面の電位像を同時に測定することが可能である。

（実施の形態４）
図６は、実施の形態４に係る走査型近視野顕微鏡の光伝搬体プローブ保持機構の概略構成を示す図である。図６において、実施の形態４に係る走査型近視野顕微鏡の光伝搬体プローブ保持機構は、基材１２１と、圧電素子２と、絶縁膜１２２と、電気的に接地された電極板１２３とを積層した構造であり、光伝搬体プローブ１は、電極板１２３に接触するように搭載される。

圧電素子２としては通常バイモルフと呼ばれる圧電セラミクスを用いる。このバイモルフは圧電板をプラスとマイナスの電極ではさんだ構造であり、ここへ直接光伝搬体プローブ１を搭載すると、光伝搬体プローブ１の電位はバイモルフの電極電位となり、正確な表面電位計測を行うことができない。図６の構成では絶縁膜１２２を介して電気的に接地された電極板１２３を接地しているので、光伝搬体プローブは取り付けただけで確実にグランド電位とすることができる。

上記のような走査型近視野顕微鏡の光伝搬体プローブ保持機構によれば、光伝搬体プローブを前記保持機構に搭載するのみで、電位測定上必要となる電気的な接地電位を確保できるので、表面電位測定が正確かつ容易な、走査型近視野顕微鏡を構成することができる。

以上説明したように、第１思想に係る走査型近視野顕微鏡によれば、光伝搬体プローブを用いて、ダイナミックモードのＡＦＭの手法により試料表面を走査制御しながら、光伝搬体プローブ先端と試料表面間にバイアス電圧を印加してその周波数成分から表面電位を測定すると共に、光伝搬体プローブ先端に形成された微小開口から近視野光を照射することにより、試料表面の形状、光学特性に加えて、試料の表面電位を同時に測定することが可能である。また、光照射による走査データ、光照射しない場合の走査データを比較することにより、試料表面電位の光照射（光刺激）による変化を測定することも可能である。

また、第２思想に係る走査型近視野顕微鏡によれば、光伝搬体プローブ先端と試料表面間にバイアス電圧を印加して光伝搬体プローブを励振し、その振動の周波数成分から光伝搬体プローブ先端と試料表面の距離を制御して表面形状を得ると共に、別の周波数成分から表面電位を測定し、さらに、光伝搬体プローブ先端に形成された微小開口から近視野光を照射することにより、試料表面の形状、光学特性に加えて、試料の表面電位を同時に測定することが可能である。また、光照射による走査データ、光照射しない場合の走査データを比較することにより、試料表面電位の光照射（光刺激）による変化を測定することも可能である。

また、第３思想に係る走査型近視野顕微鏡によれば、光伝搬体プローブを用いて、ダイナミックモードのＡＦＭの手法により試料表面を走査制御しながら、光伝搬体プローブ先端と試料表面間にバイアス電圧を印加してその周波数成分から表面電位を測定すると共に、光伝搬体プローブ先端に形成された微小開口から近視野光を照射することにより、試料表面の形状、光学特性に加えて、試料の表面電位を同時に測定することが可能である。さらに、光照射あるいは光検出を行うための光源に光変調を行うことにより、光照射、未照射による試料表面の電位像を同時に測定することが可能である。

また、第４思想に係る走査型近視野顕微鏡によれば、第１思想乃至第３思想の発明において、光伝搬体プローブは光導波層からなるカンチレバーとして構成することができ、従来のＡＦＭ用カンチレバーと同等のバネ定数を与えることが可能となる。従って、表面電位測定に十分な感度を有する走査型近視野顕微鏡を構成することが可能となる。

また、第５思想に係る走査型近視野顕微鏡によれば、第１思想乃至第３思想の発明において、光伝搬体プローブは細化した光伝搬体で構成することができ、従来のＡＦＭ用カンチレバーと同等のバネ定数を与えることが可能となる。従って、表面電位測定に十分な感度を有する走査型近視野顕微鏡を構成することが可能となる。

また、第６思想に係る走査型近視野顕微鏡によれは、第４思想の発明において、光伝搬体を薄膜光導波路で構成することにより、微小開口への光伝送損失の少ない、または微小開口からの光伝送損失の少ない走査型近視野顕微鏡を構成することができ、高感度の光学特性の測定を行うことができる。

また、第７思想に係る走査型近視野顕微鏡によれば、第５思想の発明において、光伝搬体を光ファイバーで構成することにより、微小開口への光伝送損失の少ない、または微小開口からの光伝送損失の少ない走査型近視野顕微鏡を構成することができ、光学特性の測定を行うことができる。

また、第８思想に係る走査型近視野顕微鏡によれば、第１思想乃至第３思想の発明において、光伝搬体プローブを前記保持機構に搭載するのみで、電位測定上必要となる電気的な接地電位を確保できるので、表面電位測定が正確かつ容易な、走査型近視野顕微鏡を構成することができる。

また、第９思想に係わる走査型近視野顕微鏡によれば、第１思想乃至第３思想の発明において、光伝搬体プローブの先端部分は誘電体が配置されず、プローブ先端部は金属膜被覆のみとなるので、電気的な接地電位を安定させることができ、正確な表面電位測定が行える、走査型近視野顕微鏡を構成することができる。

本発明の実施の形態１に係る走査型近視野顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る走査型近視野顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る走査型近視野顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る光伝搬体プローブの構成図である。 本発明の実施の形態に係る光伝搬体プローブの構成図である。 本発明の実施の形態４に係る走査型近視野顕微鏡の光伝搬体プローブ保持機構の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る光伝搬体プローブの構成図である。 本発明の実施の形態に係る光伝搬体プローブの構成図である。

符号の説明

１ 光伝搬体プローブ
２ 圧電素子
３ 試料
４ 試料台
５ 変位計測用レーザー光源
６ 光検出器
７ レーザー光源
８ レーザー光導入光学系
９ 集光光学系
１０ 反射ミラー
１１ 光検出器
１２ ＸＹＺ移動機構
１３ 変調装置
１４ 位相検波器
１５ 変調信号生成器
２０ 制御装置
２１ 交流電圧源
２２ 電位測定用交流電圧源
２３ オフセット調整回路
２４ 周波数分離回路
１０１ 光導波路
１０２ 金属被覆
１０３ 微小開口
１０４ 基部
１１１ 光ファイバー
１１２ 金属被覆
１２１ 基材
１２２ 絶縁膜
１２３ 電極板
１３０ 光伝搬体

Claims (9)

1. 端部に光を透過する透過口を有する光伝搬体からなり、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有する光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プローブの先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との間隔を、前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との間に原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力が作用する動作距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手段によって前記試料表面を走査するとともに、制御手段によって前記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブを制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測定する走査型近視野顕微鏡において、
   前記光伝搬体プローブの先端と前記表面を相対的に垂直方向に振動させる振動手段と、
   前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手段と、
   前記変位検出手段が出力する検出信号に基づいて前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つための制御手段と、
   前記光伝搬体プローブ先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段とを有することを特徴とする走査型近視野顕微鏡。
2. 端部に光を透過する透過口を有する光伝搬体からなり、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有する光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プローブの先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との間隔を、前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との間に原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力が作用する動作距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手段によって前記試料表面を走査するとともに、制御手段によって前記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブを制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測定する走査型近視野顕微鏡において、
   前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手段と、
   前記変位検出手段が出力する検出信号に基づいて前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つための制御手段と、
   前記光伝搬体プローブ先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段とを有することを特徴とする走査型近視野顕微鏡。
3. 端部に光を透過する透過口を有する光伝搬体からなり、透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有する光伝搬体プローブを有し、前記光伝搬体プローブの先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面との間隔を、前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面との間に原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力が作用する動作距離内に近づけた状態で、２次元的な走査手段によって前記試料表面を走査するとともに、制御手段によって前記表面の形状に沿って前記光伝搬体プローブを制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時に測定する走査型近視野顕微鏡において、
   前記光伝搬体プローブの先端と前記表面を相対的に垂直方向に振動させる振動手段と、
   前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手段と、
   前記変位検出手段が出力する検出信号に基づいて前記光伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つための制御手段と、
   前記光伝搬体プローブ先端部と測定すべき試料あるいは媒体表面間に交流電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動を除去するように電圧を帰還する電圧帰還手段と、
   前記表面の微小領域に対して、光照射あるいは光検出を行うための光源に光変調を行う変調手段と、
   前記印加電圧に起因する前記光伝搬体プローブの振動検出信号を、前記変調手段の変調信号に対応して位相検波する位相検波手段とを有することを特徴とする走査型近視野顕微鏡。
4. 前記光伝搬体プローブは、基板状の基部と、
   前記基板状の基部上に少なくとも１層以上の積層構造をなす光導波層を有し、
   前記光導波層が前記基部より突き出て梁状のカンチレバーを形成していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の走査型近視野顕微鏡。
5. 前記光伝搬体プローブは、弾性機能を有する部分と、
   この弾性機能を有する部分を支持する基部からなり、
   前記弾性的機能を有する部分がこの弾性機能部を支持する柱状の基部と一体に形成されるとともに少なくとも柱状部を有し、この柱状部の外形が前記柱状基部の外形より細く形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の走査型近視野顕微鏡。
6. 前記光伝搬体は、薄膜光導波路であることを特徴とする請求項４記載の走査型近視野顕微鏡。
7. 前記光伝搬体は光ファイバーであることを特徴とする請求項５記載の走査型近視野顕微鏡。
8. 前記光伝搬体プローブを搭載する光伝搬体プローブ保持機構は、基材と、圧電素子と、絶縁膜と、電気的に接地された電極板と積層した構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の走査型近視野顕微鏡。
9. 前記光伝搬体プローブは、前記透過口部を除く先端部に導電性の金属膜被覆を有し、前記金属膜は前記透過口部を囲むように配置され、前記光伝搬体は前記金属膜の端面より陥没していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の走査型近視野顕微鏡。

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