JP2009236895A - 走査プローブ顕微鏡およびこれを用いた試料の観察方法 - Google Patents

走査プローブ顕微鏡およびこれを用いた試料の観察方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
開口プローブを用いた近接場走査顕微鏡では実用上数十ｎｍの開口形成が限界であり、
また散乱プローブ用いた近接場走査顕微鏡では外部照明光が背景雑音となり、数十ナノメ
ートルが分解能の限界であった。またプローブの損傷や磨耗により測定再現性が著しく低
かった。
【解決手段】
ナノメートルオーダの円筒形構造とナノメートルオーダの微小構造を組み合わせて、ナ
ノメートルオーダの光学分機能を有するプラズモン増強近接場プローブを構成し、試料上
の各測定点で低接触力での接近・退避を繰り返すことにより、プローブと試料の双方にダ
メージを与えることなく、ナノメートルオーダの分解能でかつ高い再現性で、試料表面の
光学情報及び凹凸情報を測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、走査プローブ顕微鏡技術および、これを用いた試料観察方法に関する。
微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。その中でも原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、先端のとがった探針を制御して接触力を非常に小さな値に保ちながら試料表面を走査する観察技術であり、原子オーダの微細立体形状が計測できる技術として、広く用いられている。しかし、この原子間力顕微鏡は試料表面の反射率分布や屈折率分布といった光学的性質を測定することはできない。
一方、４５ｎｍノード以降の極微細半導体デバイスでは、高速化のために歪シリコンの適用が予定されており、微小領域における応力分布の測定が歩留まり管理上不可欠とされる。また、さらなる微細化のためには、不純物原子の分布状況をナノメートルオーダの分解能できめ細かく管理することが要求されている。応力分布や不純物分布などの物性情報は、原子間力顕微鏡や寸法管理に用いられているＣＤ−ＳＥＭ（測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ））では測定不可能である。ラマン分光計測法等の光学的手法の検討がされているが、通常のラマン分光顕微鏡では空間分解能が不足している。
また、異物検査や欠陥検査で検出された異物や欠陥の発生要因を特定するため、レビューＳＥＭと呼ばれる電子顕微鏡で異物や欠陥の分類作業が行われているが、形状や凹凸情報のみに頼る手法のため、分類性能に限界がきている。こちらも、光学情報を付加することにより分類性能の向上が期待できるが、やはり通常の光学顕微鏡やレーザ走査顕微鏡では空間分解能が不足している。
これらの課題を解決し、試料表面の光学的性質や物性情報を高分解能で測定する手段として、近接場走査顕微鏡（ＳＮＯＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られる。この顕微鏡は、非特許文献１に開示されているように、数十ｎｍの微小開口から漏れる近接場光を、開口と試料との間隙を同じく数十ｎｍに保ったままで走査することにより（開口プローブ）、光の回折限界を超えて開口と同じ大きさの数十ｎｍの分解能で、試料表面の反射率分布や屈折率分布といった光学的性質を測定するものである。同様の手法として、非特許文献２には、金属探針に外部から光を照射して、探針の微小先端部で散乱した数十ｎｍの大きさの近接場光を走査する（散乱プローブ）方法も開示されている。
また、微小スポット光により金属表面に励起させた表面プラズモンが、金属表面を伝搬していくことが非特許文献３に記載されている。
また、特許文献１には、ファイバ先端に微小な球形レンズを形成して微小スポット光を形成する方法が開示されている。
また、特許文献２には、カーボンナノチューブ内部にフォトルミネセンス、エレクトロルミネセンスを発現するＶ、Ｙ、Ｔａ、Ｓｂ等の金属カーバイトや、ＺｎＳ蛍光体、ＣａＳ蛍光体を充填し、微小スポット光を得る方法が開示されている。
特表２００６−５１５６８２号公報 特開２００２−２６７５９０号公報 Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３１，ｐｐ．Ｌ１３０２−Ｌ１３０４（１９９２） Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１９，ｐｐ．１５９−１６１（１９９４） 分光研究、第５４巻、第４号、ｐｐ．２２５〜２３７（２００５）
しかし、上記した近接場走査顕微鏡は測定分解能が数十ｎｍオーダであり、ｎｍオーダの分解能を有する原子間力顕微鏡や電子顕微鏡に比べ一桁以上分解能が不足している。また測定の再現性が極めて低いという工業応用にとっては致命的ともいえる問題も抱えている。すなわち、上記の方法のうち、開口プローブを用いる方法では、開口を安定に形成することが極めて困難であり、実用上数十ｎｍが限界とされている。また、試料上を走査する際にプローブが試料に衝突して開口が損傷したり磨耗して、次第に開口が広がってしまい、測定画像の再現性が低下してしまう。
一方、金属探針を用いる散乱プローブは、開口プローブに比べ分解能が高いとされるが、外部照明光が探針の根元や試料表面で散乱して背景雑音となったり、開口プローブと同様、試料上を走査する際にプローブが試料に衝突して先端部が損傷あるいは磨耗して、測定分解能が低下し十分な再現性が得られないという課題を有していた。
また、ファイバ先端に微小な球形レンズを形成する方法も原理的に分解能は数十ｎｍオーダ以上であり、さらに試料上を走査する際に球形レンズが試料に衝突して損傷したり磨耗し、次第にスポット光が大きくなりその形状が劣化し、測定画像の再現性が低下してしまう。
また、カーボンナノチューブ内部にフォトルミネセンス、エレクトロルミネセンスを発現する発光粒子を充填する方法も、粒子径がナノメートルオーダになると発光効率が極端に低下し、高いＳＮ比での近接場光画像を得ることが困難である。
そこで本発明では、プローブと試料の双方にダメージを与えることなく、ナノメートルオーダの分解能でかつ高い再現性と高いＳＮ比で、試料表面の光学情報及び凹凸情報を測定することを可能とする走査プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、半導体試料の応力分布や不純物分布などの物性情報や、異物や欠陥の分類に寄与する光学情報や凹凸情報をナノメートルオーダの分解能で測定し、製造プロセス条件にフィードバックすることで、信頼性の高い半導体デバイスの高歩留まり生産を実現することにある。
上記目的を達成するために、本発明では走査プローブ顕微鏡を、内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針と、この測定探針を支持するカンチレバーと、このカンチレバーを駆動して測定探針を検査対象試料に対して相対的に３次元的に走査するカンチレバー駆動手段と、このカンチレバーの変形を検出する変位検出手段と、金属構造物が埋め込まれた測定探針と検査対象試料表面との間に近接場光を発生させて検査対象試料表面の近接場光画像を取得する近接場光画像取得手段とを備えて構成した。
そして、更に、変位検出手段でカンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して検査対象試料表面の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ画像）を作成するＡＦＭ画像作成手段を備えて構成した。
また、本発明では、走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針を支持するカンチレバーを駆動して測定探針を検査対象試料に対して相対的に３次元的に走査し、この３次元的な走査によるカンチレバーの変形を光学的に検出し、金属構造物が埋め込まれた測定探針を用いて検査対象試料表面の近接場光画像を取得するようにした。
そして、更に、カンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して検査対象試料表面の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ画像）も作成するようにした。
本発明によれば、プローブと試料の双方にダメージを与えることなく、ナノメートルオーダの分解能でかつ高い再現性で、試料表面の光学情報や凹凸情報の測定が可能になる。その結果、半導体試料の応力分布や不純物分布などの物性情報の測定が可能になり、また異物や欠陥の分類に寄与する光学情報や凹凸情報を測定できるので異物・欠陥分類性能が向上する。さらに、これらの測定結果を半導体製造プロセス条件にフィードバックすることで、信頼性の高い半導体デバイスの高歩留まり生産が可能になるという効果を奏する。
金属の微粒子に光を照射すると金属内の自由電子が集団的に振動する表面プラズモンが発生し、照射した光により金属粒子の表面に発生するエバネッセント光がこの表面プラズモンとカップリングしてプラズモン共鳴を起こし、光吸収を起こすと共に局所的に著しく増強された電場を発生することが知られている。本発明は、この局所的に著しく増強された電場（近接場光）をその先端部に生成するプローブを作成し、このプローブを用いて試料表面の光学的状態を観察、または計測するものである。
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
本発明の第１の実施例を、図１、図９〜図１２、及び図２３に基づいて説明する。本実施例では、図１に示すように、多層構造カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）１あるいは金属ナノチューブ１の下端部を円錐状に先鋭化すると共に、内部空洞部分の上端部及び下端部に金（Ａｕ）の球形ナノ粒子２ａ及び２ｂを充填しプラズモン増強近接場プローブを構成する。例えば、カーボンナノチューブの両端に電圧を印加し、印加電圧を大きくしていくと、やがて電流は飽和域に至る。さらに印加電圧を大きくすると、電流が階段状に減少し、ナノチューブは外層から一枚ずつはがされ細くなっていき、最終的にナノチューブ中央で切断される。このプロセスにより、ナノチューブ先端部を先鋭化させることができる。また、金ナノ粒子の充填方法は、例えば高圧電流印加や加熱により両端を開放したナノチューブ１と金ナノ粒子２を真空室内に入れて、加熱反応させることにより、毛細管現象を応用することにより、金ナノ粒子２をナノチューブ１内部に包含させることが可能である。この毛細管現象を応用することについては、例えば、web上（http://www1.accsnet.ne.jp/~kentaro/yuuki/nanotube/nanotube2.html）で公開されているような技術を応用することができる。
本実施例では、ナノチューブの外径は２０ｎｍ、空洞部分の内径は４ｎｍとした。金ナノ粒子２ａ及び２ｂの直径は４ｎｍである。ここで、プラズモンを発生させる限界の金属粒子径が１nm以上であるとされており、金ナノ粒子の直径が１nm以上であれば本発明の目的を達成できる。本実施例においては、比較的安定して製造が可能な金ナノ粒子径の限界として４nmにした。しかし、本発明では、金ナノ粒子の直径を４nmに限定するものではなく、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の範囲の直径であれば、本発明の目的は達成できる。この場合、金ナノ粒子の直径に応じてナノチューブの外径も変える必要が有る。また、以下の実施例では金属粒子として金を用いた場合について説明するが、他の種類の金属、例えば銀ナノ粒子であっても同様な効果を得ることができる。
このプローブを、例えば電子ビーム照射によりタングステン（Ｗ）をバインダとして絶縁体保持部６ａ及び６ｂに溶融固着させる。そして、この絶縁体保持部６ａ、６ｂ及びナノチューブ上端部に露出した金ナノ粒子２ａから成る導光部２００の上方から対物レンズ３２０により波長５３２ｎｍのレーザ光５ａ及び５ｂを集光して照射する。金ナノ粒子２ａに励起されたプラズモン共鳴により、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１に表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。
この近接場光８のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。原子間力顕微鏡では、領域１１及び１２を識別することはできない。近接場光８の反射光は、伝播光９ａ及び９ｂとして対物レンズ３２０により集光され並行光となる。
このプローブでは、導光部２００、即ちナノチューブ１の上端部から下端部に向かうプラズモンと逆方向に反射するプラズモンが干渉して定在波が生じ、定在波の節（強度の弱い部分）と腹（強度の強い部分）が存在する。節と腹の位置は導光部２００に照射するレーザ光の波長に依存する。従って、ナノチューブ１の長さＬは、レーザ光の波長に応じて定在波の腹がナノチューブ１の下端部と一致するように調整することが望ましい。
図９に、本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示す。走査プローブ顕微鏡は、試料を載置してＸＹＺの３次元方向に移動可能なステージ部１０００と、ナノチューブ１を駆動して試料を計測し、得られた信号を処理して画像を生成する計測部２０００、ナノチューブ１先端と試料との間に近接場光を発生させるための光を照射する照明光学系３０００、近接場光を検出して伝搬された光を集光して検出する検出光学系４０００、試料上の被測定部を観察し位置決めするための試料モニタ光学系５０００及び全体を制御する制御部6０００とを備えて構成される。
ステージ部１０００は試料を載置してＸＹＺの３次元方向に移動可能なＸＹＺステージ１００とドライバ１０１とを備えている。試料１０はＸＹＺステージ１００上に載置され、ドライバ１０１で駆動されて検出光学系４０００を介して試料モニタ光学系５０００で試料１０の表面を観察しながら所望の測定位置に位置決めされる。
計測部２０００は、ナノチューブ１にレーザ光を導光する導光部２００とカンチレバー２０１、圧電素子アクチュエータ２０２、ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４、カンチレバー２０１の背面にレーザ光（波長４０５ｎｍ）２０８を照射する半導体レーザ２０６、カンチレバー２０１からの反射光を検出する４分割ポジションセンサ２０９、及び半導体レーザを制御する駆動回路２０７を備えている。
試料モニタ光学系５０００は、図示していない駆動手段により検出光学系４０００の光路中に出し入れ可能なミラー５００と、結像レンズ３３０を透過してミラー５００で反射された光の像を撮像する撮像カメラ５０１を備えている。試料１０を載置したＸＹＺステージ１００をドライバ１０１で駆動して試料１０の所望の測定位置をナノチューブ１の下に設定するときには、ミラー５００を図示していない駆動手段で駆動して検出光学系４０００の光路中に挿入して試料からの反射光の光路を撮像カメラ５０１の方向に曲げ、撮像カメラ５０１で試料表面の光学像を観察する。試料１０の所望の測定位置がプローブ１の下に位置決めされると、ミラー５００を図示していない駆動手段で駆動して検出光学系４０００の光路中から退避させる。
ナノチューブ１は、図1に示した絶縁体保持部４ａ、４ｂ及び金ナノ粒子２ａから成る導光部２００と共にカンチレバー２０１に固定される。このカンチレバー２０１はＺ方向に微小振動させるための圧電素子アクチュエータ２０２に固定され、さらにＸＹＺ方向に微動走査させるＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４に固定される。波長５３２ｎｍの固体レーザ光源３００から出射した光は、透過率：反射率＝９６：４のビームスプリッタ３０２で２分割され、反射光３０３はホトダイオード等の光電変換素子３０４で受光され電気信号に変換される。この信号は、制御部6０００中の全体制御ユニット４２０に送られ、個体レーザ光源３００からの出射光の強度変動のモニタリングに使われ、出射光の強度が変動した場合には、固体レーザ光源３００の出力を制御して強度を一定にする。
照明光学系３０００はレーザ光源３００、ビームモニタ光学系３１００、ビーム整形光学系３０５、偏光板３０７、ビームスプリッタ３１５、対物レンズ３２０を備えて構成されている。この構成において、レーザ光源３００から発射されてビームモニタ光学系３１００のビームスプリッタ３０２を透過した光３０１は、ビーム整形光学系３０５でビーム形状が円形の平行光３０６に変換され、さらに偏光板３０７を透過した後ビームスプリッタ３１５に入射し、円形状の反射領域３１６ｂで反射され、対物レンズ３２０により集束光５ａ、５ｂとして導光部２００を介してナノチューブ１の上端部を照射する。
計測部２０００においては、上記に説明したように金ナノ粒子２aに入射した収束光５ａ、５ｂにより金ナノ粒子２ａにプラズモン共鳴が励起され、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１に表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンはナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。試料１０の表面構造と相互作用した近接場光８からの反射光は、伝搬光９ａ、９ｂに変換される。偏光板３０７は、図１０に示すように、偏光軸３０８が放射状（半径方向）に形成されており、導光部２００に入射した収束光５ａ、５ｂの偏光方向をナノチューブ１の長手方向と平行になるように制御することにより、プラズモンの励起効率と伝搬効率を向上させている。
試料から反射した伝搬光９ａ、９ｂを検出する検出光学系４０００は、対物レンズ３２０、ビームスプリッタ３１５、結像レンズ３３０および光電変換素子３４０を備えて構成されている。
この検出光学系４０００において、伝搬光９ａ、９ｂを対物レンズ３２０で集光して平行光とした後、ビームスプリッタ３１５の輪帯透過領域３１６ａを透過させ、透過光９０ａ、９０ｂを結像レンズ３３０でホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０の受光面上に集光し、光電変換する。
計測部２０００の画像形成ユニット４１０では、光電変換素子３４０からの検出信号を、圧電素子アクチュエータ２０２を駆動するドライバ２０３の制御信号とＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４を駆動するドライバ２０５の制御信号とを生成する走査制御ユニット４００からの制御信号を用いて処理して２次元近接場光画像を生成し、また４分割ポジションセンサ２０９からの出力を圧電素子アクチュエータ２０２とＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４とを駆動するドライバ２０３，２０５の制御信号を用いて処理してＡＦＭ画像を生成する。
画像形成ユニット４１０で生成された２次元近接場光画像及びＡＦＭ画像は制御部6０００中の全体制御ユニット４２０に送られ、ディスプレイ等の出力ユニット４３０の出力画面にそれぞれの画像が別々の画面に、又は、同じ画面上に表示される。
次に、光てこの原理を用いてカンチレバー２０１の先端部に固定されたプローブであるナノチューブ１が試料１０に接触しているときの接触力の求め方について説明する。
カンチレバー２０１の背面には、駆動回路２０７によって駆動された半導体レーザ２０６からのレーザ光（波長４０５ｎｍ）２０８が照射され、その反射光が４分割ポジションセンサ２０９で受光される。
ドライバ２０５でＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４を駆動してカンチレバー２０１を下降させ、先端部に固定されたナノチューブ１を試料１０に接触させる。この状態でカンチレバー２０１を更に下降させると、カンチレバー２０１の傾きが変化してカンチレバー２０１の背面に照射されているレーザの反射方向が変化し、４分割ポジションセンサ２０９上のレーザの入射位置が変化して４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号が変化する。この変化した信号を、予め求めておいた４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号とカンチレバー２０１の傾きとの関係に基づく接触力のデータと比較して、接触力を求めることができる。
次に、試料の表面を計測する手順について、図２３を用いて説明する。先ず、XYZステージ１００を駆動して試料１０の測定領域をカンチレバー２０１の先端部に取り付けられたナノチューブ１の下部に位置させる（Ｓ２００１）。次に、図１１に示すように、試料１０の測定領域において、ナノチューブ１と試料表面との接触の状態（接触力）を４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号でモニタしながら、カンチレバー２０１をＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４により下降させていき（Ｚ方向走査５０１）（Ｓ２００２）、所定の設定接触力になった時点で下降を停止する（Ｓ２００３）。
下降点５０２において近接場光の測定を行った後（Ｓ２００４）、カンチレバー２０１を上昇させ（Ｚ方向走査５０３）（Ｓ２００５）、４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号に基づいて、ナノチューブ１が完全に試料１０から離脱したならば（Ｓ２００６）、測定領域の計測が終了したか否かを判定し（Ｓ２６０７）、終了していない場合にはＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４を駆動してカンチレバー２０１を次の測定点に移動させる（Ｘ走査５０４）（Ｓ２００９）。Ｘ走査における移動量（送りピッチ）は、観察において必要とする分解能に応じて決められる。次の測定点において、再度カンチレバー２０１を下降させ、近接場光の測定を行う（Ｓ２００２〜Ｓ２００６）。
以上のステップイン動作を、ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４により２次元の測定領域（ＸＹ領域）に渡って繰り返し行った後、測定を完了する（Ｓ２００７）。ここで、上記２次元の測定領域を測定する方法は、テレビにおけるラスタスキャンと同じように走査する。このときのＹ方向への送りピッチ（隣り合う走査の間隔）は、観察において必要とする分解能に応じて決められる。
ドライバ２０５によって駆動されるＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４のＸＹＺ方向走査、ドライバ２０３によって駆動される圧電素子アクチュエータ２０２の振動制御、ＸＹＺステージ１００による試料１０の位置決めは、計測部２０００の走査制御ユニット４００により統括制御され、またナノチューブ１と試料１０との接触力の制御、及び近接場光の測定は、総て制御部6０００中の全体制御ユニット４２０により統括制御される。走査制御ユニット４００からＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４のＸＹＺ走査信号が、また全体制御ユニット４２０から近接場光測定信号が、各々画像形成ユニット４１０に送られ、２次元近接場光画像及びＡＦＭ画像が生成されて、全体制御ユニット４２０を介してディスプレイ等の出力ユニット４３０に出力される（Ｓ２００８）。
ナノチューブ−試料間接触力と近接場光の測定タイミングとの関係を、図１２に示す。図１２（ａ）の接触力変化曲線５１０に示すように、ナノチューブ１が上昇して試料１０から退避するに従い、接触力は押し込み方向から引き込み方向に以降し、試料から離脱する瞬間に引き込み力は最大となる。離脱後、次の測定点に移動し再び試料に接近する間は、接触力をまったく受けない状態となる。ナノチューブ１が再び接近し始め、試料１０に接触した瞬間に押し込み方向の力が加わり、設定接触力に達した時点で、カンチレバー１は下降を停止する。
一方、図１２（ｂ）の検出光強度曲線５２０に示すように、ナノチューブ１が上昇して試料１０から退避するに従い、近接場光検出強度は徐々に低下し、試料から離脱した後退避動作から接近動作に変化する瞬間ＴＦ時点で最小値ＩＦとなる。その後、ナノチューブ１が再び接近し始め、金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間に近接場光検出強度は最大値ＩＣとなり、設定接触力が維持される間は、この強度ＩＣは維持される。接触している任意の時間ＴＣでの最大値ＩＣと最小値ＩＦとの差分ΔＩ＝ＩＣ−ＩＦを測定点における反射光強度として、全体制御ユニット４２０に記憶する。以上の動作を２次元の測定領域に渡って繰り返し行うことにより、２次元領域の試料表面の反射率分布を金ナノ粒子径４ｎｍとほぼ同じ光学分解能で測定することが可能となる。設定接触力は１ｎＮ以下、好ましくは、サブｎＮ〜ｐＮで実行することが望ましい。
尚、本実施例では、カンチレバー２０１のＺ方向への微小振動は行わず、設定接触力となるための下降及び上昇動作のみとした。但し、接触力の検知は、上記光てこ方式に限定されるものではなく、圧電素子アクチュエータ２０２によりカンチレバーをサブナノメートルオーダの振幅、ＭＨｚオーダの周波数でＺ方向に微小振動させ、振動振幅あるいは振動周波数の変化から、検知することも可能である。
図１及び図１２に示すように、本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
［導光部２００の変形例１］
導光部２００の変形例を、図２に基づいて説明する。図２は、本実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブの構成とその機能は、図１に示した例と同様である。第１の実施例では、ナノチューブ１の上端部に露出した金ナノ粒子２ａの上方から波長５３２ｎｍのレーザ光５ａ、５ｂを集光して照射し、金ナノ粒子２ａに励起されたプラズモン共鳴により、ナノチューブ１に表面プラズモンを励起した。
これに対し、本変形例では、図２に示すように、ナノチューブ１上端部に露出した金ナノ粒子２ａに上方から金ウェッジ３を近接させ、その上方から波長５３２ｎｍのレーザ光５ａ、５ｂを集光して照射する。金ウェッジ３の先端部３ｐと金ナノ粒子２ａの間に励起されたプラズモン共鳴により、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１上端部に露出した金ナノ粒子２ａに表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。
この近接場光８のスポット径は、ナノチューブ１が試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。また、金ウェッジ３が無い場合に比べより強いプラズモン共鳴が生じるので、近接場光８の強度が増加し、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。
［導光部２００の変形例２］
導光部２００の変形例を、図３に基づいて説明する。図３は、本実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブの構成とその機能は、図１に示した例と同様である。第１の変形例では、ナノチューブ１上端部に露出した金ナノ粒子２ａに上方から金ウェッジ３を近接させ、その上方から波長５３２ｎｍのレーザ光５ａ、５ｂを集光して照射し、金ウェッジ３の先端部３ｐと金ナノ粒子２ａの間にプラズモン共鳴を励起した。これに対し、本変形例では、図３に示すように、ナノチューブ１上端部に露出した金ナノ粒子２ａに横方向から方から金ウェッジ３を近接させ、その上方から波長５３２ｎｍのレーザ光５ａ、５ｂを集光して照射し、金ウェッジ３の先端部３ｐと金ナノ粒子２ａの間にプラズモン共鳴を励起する。プラズモン共鳴により、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１上端部に露出した金ナノ粒子２ａに表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。
この近接場光８のスポット径は、ナノチューブ１が試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。また、金ウェッジ３が無い場合に比べより強いプラズモン共鳴が生じるので、近接場光８の強度が増加し、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。
［検出光学系４０００の変形例１］
本発明に係る検出光学系４０００の第１の変形例を、図１３に基づいて説明する。図１３は、本実施例における走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様であるが、近接場光の検出部分に分光器６１１を配置した点が異なる。すなわち、ナノチューブ１の下端部で出射し試料１０で反射された近接場光８は、伝搬光９ａ、９ｂに変換されて対物レンズ３２０で平行光９０ａ、９０ｂとなり、結像レンズ３３０で分光器６１１の入射面に、ミラー６１０を介して集光される。
分光器６１１では、全体制御ユニット４２０からの制御信号に基づき、伝搬光の中から所望の波長の光が選択されて、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６１２の受光面上に集光され、光電変換される。この検出信号は全体制御ユニット４２０に送られ、特定波長の２次元近接場光画像が形成される。図９に示した実施例及びその変形例では、入射レーザ光の波長と同一の波長を検出していたのに対し、本変形例では、入射レーザ光から波長シフトした近接場光を検出することが可能である。例えば、歪シリコンを用いた半導体素子の微小場の応力分布を、ラマン分光を応用してナノメートルの分解能で画像化することが可能である。その場合、ナノチューブ１の接触によって試料自身に微弱な変形が生じラマンシフトが発生しないよう、ナノチューブ１と試料１０間の接触力はサブｎＮ〜ｐＮオーダ以下に設定するのが望ましい。
また、固体レーザ３００の代わりに、ブロードな波長帯域を有するＬＥＤ等の光源を用いれば、波長帯域内の任意の波長の２次元近接場光画像の検出も可能である。また、分光器６１１を、ＣＣＤ１次元センサ等のアレイセンサを用いた全波長一括検出タイプのものに変更すれば、２次元近接場分光画像を得ることができ、ナノメートル分解能で試料１０の分光分析が可能となる。
図９に示した実施例及びその変形例と同様、本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、近接場光８を常に安定に発生させることができ、また近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
［検出光学系４０００の変形例２］
検出光学系４０００の第２の変形例を、図１４に基づいて説明する。図１４では、光源６２０に波長６３０ｎｍ、５２０ｎｍ、４３０ｎｍ近傍の３色の光を発する白色レーザ６２０を用い、近接場光の検出部分に色分離フィルタ６２５ｒ、６２５ｇ、６２４ｂを配置した。光源６２０から出射したレーザ光によりナノチューブ１と試料１０との間に近接場光８を発生させ、その反射光が伝搬光９ａ、９ｂとして対物レンズ３２０、ビームスプリッタ３１５を透過して結像レンズ３３０に達するまでは、図９を用いて説明した実施例と同じである。
対物レンズ３３０に達した平行光９０ａ、９０ｂは、ミラー６１０を介して結像レンズ３３０で集光された後、リレーレンズ６１５で平行光となり、さらにダイクロイックミラー６２１（波長６００ｎｍ以上は透過、それ以下は反射）と干渉フィルタ６２５ｒ（透過中心波長６３０ｎｍ）により、波長６３０ｎｍの光が抽出される。この光は集光レンズ６３１により、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６４１の受光面上に集光され、光電変換される。 ダイクロイックミラー６２１で反射された光は、ダイクロイックミラー６２２（波長４８０ｎｍ以上は反射、それ以下は透過）と干渉フィルタ６２５ｇ（透過中心波長５２０ｎｍ）により、波長５２０ｎｍの光が抽出される。この光は集光レンズ６３２により、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６４２の受光面上に集光され、光電変換される。ダイクロイックミラー６２２を透過した光は、ミラー６２３で反射された後、干渉フィルタ６２５ｂ（透過中心波長４３０ｎｍ）により、波長４３０ｎｍの光が抽出される。この光は集光レンズ６３３により、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６４３の受光面上に集光され、光電変換される。
３波長の検出信号は全体制御ユニット４２０に送られ、３波長の２次元近接場光画像が形成される。また、この３波長信号を合成することにより、ナノメートル分解能のカラー画像を生成することも可能である。本実施例により、例えば、現在ＳＥＭを用いて、モノクロ画像のみから欠陥分類を行っている半導体用欠陥レビューを、ナノメートル分解能のＡＦＭ画像とカラー画像にて実行することが可能となり、欠陥分類精度が格段に向上する。 本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、近接場光８を常に安定に発生させることができ、また近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
［計測部２０００の変形例１］
本発明に係る計測部２０００の第１の変形例を、図１５に基づいて説明する。図１５は、本実施例における計測部２０００の変更部分を示したものである。本構成では、図１４に示した構成に図１６の表４４１に示す半導体材料−分光反射率データセットを格納したメモリユニット４４０を更に備えた構成となっている (図15においては、図14に記載した構成と共通する部分を大幅に省略して記載してある) 。すなわち、図１６に示すように、半導体製造に使用されるＳｉやＳｉＯ２などの各種材料と各光源波長λ１＝６３０ｎｍ、λ２＝５２０ｎｍ、λ３＝４３０ｎｍに対する反射光強度の組み合わせデータ（Ｉ１１、Ｉ２１、Ｉ３１）、（Ｉ１２、Ｉ２２、Ｉ３２）、（Ｉ１３、Ｉ２３、Ｉ３３）・・・・を予めメモリユニット４４０に格納しておき、得られた３波長の検出光強度を表４４１に照合することにより、試料１０を構成する材料の判別をナノメートル空間分解能で実行できる。もちろん、波長は３波長に限定されるものではなく、４波長、５波長と増やすことにより、材料分析精度は向上する。
図１７は、本変形例における走査プローブ顕微鏡をコンタクトホールなどの深穴底の残膜検出に適用した例を示すものである。直径３０ｎｍ程度のコンタクトホール５０１の内部にナノチューブ１を挿入し、穴底に低接触力で接触した瞬間の分光信号を取得し、その分光信号を予めメモリユニット４４０に格納しておいた膜厚と分光強度との関係に照合することにより、残膜５０２の有無及びその材質情報を得ることができる。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、近接場光８を常に安定に発生させることができ、また近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
［計測部２０００の変形例２］
本発明に係る計測部２０００の第１の変形例を、図１８に基づいて説明する。図１８は、本実施例における走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様であるが、カンチレバー２０１をＺ方向に微小振動させる点が異なる。ドライバ２０３によって圧電素子アクチュエータ２０２を駆動し、カンチレバー２０１をＺ方向に一定周波数ｆで微小振動させ、近接場光８に強度変調をかける。一定周波数ｆの駆動信号を参照信号として、ロックインアンプ４５０で光電変換素子３４０の検出信号から周波数ｆの成分のみを抽出することにより、近接場光８の情報を感度よく検出することが可能である。ロックインアンプ４５０からの出力信号は全体制御ユニット４２０に送られる。以降の処理は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様である。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場
光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。また、近接場光８をロックイン検出することにより、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。
本発明の第２の実施例を、図４及び図１９に基づいて説明する。図４は、本実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブは第１の実施例及びその変形例と同様、多層構造カーボンナノチューブ１、あるいは金属ナノチューブ１であり、下端部を円錐状に先鋭化した構成となっている。第１の実施例及びその変形例では、内部空洞部分の上端部及び下端部に金（Ａｕ）の球形ナノ粒子２ａ及び２ｂを充填していたが、本実施例では、図４に示すように、上端部の金ナノ粒子２ａの上部にフォトルミネセンス、エレクトロルミネセンスを発現するＶ、Ｙ、Ｔａ、Ｓｂ等の金属カーバイトや、ＺｎＳ蛍光体、ＣａＳ蛍光体、ＣｄＳｅ（コア）／ＺｎＳ（外殻）等の蛍光粒子２５を搭載し、導光部２００を構成する。
図１９は、本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様であるが、近接場光を検出するホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０の直前に、上記蛍光粒子２５が発する蛍光波長±１０ｎｍの透過帯域を有する波長選択フィルタ３５５を配置した点が異なる。すなわち、図４に示すように、固体レーザ３００から出射したレーザ光５ａ、５ｂを集光して上記蛍光粒子２５に照射すると、レーザ光５ａ、５ｂとは波長の異なる蛍光が発生する。この蛍光により、金ナノ粒子２ａにプラズモン共鳴が生じ、蛍光と同じ波長の微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１に表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、蛍光と同じ波長の微小な近接場光８を発生させる。
この近接場光８のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。原子間力顕微鏡では、領域１１及び１２を識別することはできない。近接場光８の反射光は、伝播光９ａ及び９ｂとして対物レンズ３２０により集光され並行光９０ａ、９０ｂとなる。平行光９０ａ、９０ｂは、ビームスプリッタ３１５の輪帯透過領域３１６ａを透過し、透過光は結像レンズ３３０を介し、波長選択フィルタ３５５で蛍光波長成分３１８のみが抽出され、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０で光電変換される。以降の処理は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様である。
尚、本実施例では、導光部２００に蛍光粒子２５を用いたが、これに限定されること無く、例えば非線形光学結晶などを用い、入射光の１／２の波長の近接場光を生成することも可能である。
本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。さらに、本実施例によれば、固体レーザ３００から出射したレーザ光５ａ、５ｂによる途中の光路やナノチューブ自身での散乱光等、背景雑音を大幅に低減させることが可能となり、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。
本発明の第３の実施例を、図５及び図２０に基づいて説明する。図５は、本実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブは第１の実施例及びその変形例と同様、多層構造カーボンナノチューブ１、あるいは金属ナノチューブ１であり、下端部を円錐状に先鋭化すると共に、内部空洞部分の上端部及び下端部に金（Ａｕ）の球形ナノ粒子２ａ及び２ｂを充填した構成となっている。第１及び第２の実施例とその変形例では、ナノチューブ１の上端部に露出した金ナノ粒子２ａに対し、その上方からレーザ光を集光して照射する構成となっていたが、本実施例では、図５に示すように、ナノチューブ１の長手方向と平行な方向１７の直線偏光レーザ光１６を、集光レンズ５により横方向から集光して照射する導光部２００とした点が異なる。
図２０は、本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と概ね同様であるが、ナノチューブ１の上端部に露出した金ナノ粒子２ａに上方からレーザ光を集光して照射する照明光学系３０００の代わりに、図５に示すように、ナノチューブ１に対し横方向からレーザ光を集光して照射するレーザ光源を内蔵した照明光学系７００を搭載した点が異なる。照明光学系７００では、さらにレーザ光のモニタ信号を全体制御ユニット４２０に送り、レーザ光の強度が変動した場合には、レーザ光源の出力を制御して強度を一定にする。
金ナノ粒子２ａに励起されたプラズモン共鳴により、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１に表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。
この近接場光８のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。原子間力顕微鏡では、領域１１及び１２を識別することはできない。近接場光８の反射光は、伝播光９ａ及び９ｂとして対物レンズ３２０により集光され並行光９０ａ、９０ｂとなる。平行光９０ａ、９０ｂは、ビームスプリッタ３１５の輪帯透過領域３１６ａを透過し、透過光は結像レンズ３３０を介し、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０で光電変換される。以降の処理は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様である。
本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
［導光部２００の変形例］
導光部２００の変形例を、図６に基づいて説明する。図６は、本実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブ１の構成とその機能は、図１に示した例と同様である。第３の実施例では、ナノチューブ１の上端部に露出した金ナノ粒子２ａに対し、ナノチューブ１の長手方向と平行な方向１７の直線偏光レーザ光１６を、集光レンズ５により横方向から集光して照射する導光部２００を構成していた。これに対し、本変形例では、図６に示すように、ナノチューブ保持部２１ａ、２１ｂを円筒形の金もしくは銀のロッドで構成し、これを導光部２００とする。ナノチューブ保持部２１ａ、２１ｂに対し、ナノチューブ１の長手方向と平行な方向１７の直線偏光レーザ光１６を、集光レンズ５により横方向から集光して照射する。
直線偏光レーザ光１６の照射によって、金もしくは銀で構成された円筒状ナノチューブ保持部２１ａ、２１ｂには表面プラズモンが励起されてナノチューブ長手方向に伝搬し、金ナノ粒子２ａにプラズモンが励起され、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１に表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。金ナノ粒子２ａを省略して、直接円筒状ナノチューブ保持部２１ａ、２１ｂからナノチューブ１にプラズモンを励起・伝搬させることも可能である。
この近接場光８のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。原子間力顕微鏡では、領域１１及び１２を識別することはできない。近接場光８の反射光は、伝播光９ａ及び９ｂとして対物レンズ３２０により集光され並行光９０ａ、９０ｂとなる。平行光９０ａ、９０ｂは、ビームスプリッタ３１５の輪帯透過領域３１６ａを透過し、透過光は結像レンズ３３０を介し、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０で光電変換される。以降の処理は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様である。
本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
本発明の第４の実施例を、図７及び図２１に基づいて説明する。図７は、本実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブは第１の実施例及びその変形例と同様、多層構造カーボンナノチューブ１、あるいは金属ナノチューブ１であり、下端部を円錐状に先鋭化すると共に、内部空洞部分の上端部及び下端部に金（Ａｕ）の球形ナノ粒子２ａ及び２ｂを充填した構成となっている。本実施例では、図７に示すように、照明光学系３０００を完全に排除し、ナノチューブ１上端部の金ナノ粒子２ａ上に半導体レーザ（例えば波長４０５ｎｍ）などのレーザ光源２７を搭載し、これを導光部２００として構成した。
図２１は、本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。照明光学系３０００を完全に排除し、ナノチューブ１上端部の金ナノ粒子２ａ上に半導体レーザなどのレーザ光源２７を搭載した導光部２００を設けた点以外は、本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と概ね同様である。レーザ光源２７は駆動回路７１０からの駆動信号７２０によって駆動され、またレーザ光のモニタ信号を全体制御ユニット４２０に送り、レーザ光の強度が変動した場合には、レーザ光源の出力を制御して強度を一定にする。
レーザ光源２７によって照明された金ナノ粒子２ａにはプラズモンが励起され、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１に表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。
この近接場光８のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。原子間力顕微鏡では、領域１１及び１２を識別することはできない。近接場光８の反射光は、伝播光９ａ及び９ｂとして対物レンズ３２０により集光され並行光９０ａ、９０ｂとなる。平行光９０ａ、９０ｂは、ビームスプリッタ３１５の輪帯透過領域３１６ａを透過し、透過光は結像レンズ３３０を介し、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０で光電変換される。以降の処理は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様である。
本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。また、本実施例によれば、照明光学系３０００が不要となるので走査プローブ顕微鏡の構成が簡略化されると同時に、近接したレーザ光源によりプラズモンの励起・伝搬効率が向上し、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。
本発明の第５の実施例を、図８及び図２２に基づいて説明する。図８は、本実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブは第１の実施例及びその変形例と同様、多層構造カーボンナノチューブ１、あるいは金属ナノチューブ１であり、下端部を円錐状に先鋭化すると共に、内部空洞部分の上端部及び下端部に金（Ａｕ）の球形ナノ粒子２ａ及び２ｂを充填した構成となっている。本実施例では、図８に示すように、照明光学系３０００を完全に排除し、光ファイバ３０で半導体レーザ（例えば波長４０５ｎｍ）７３０や固体レーザ７３０からのレーザ光を導光し、偏光板３０７を介して集光レンズ３１でナノチューブ１上端部の金ナノ粒子２ａを照明する光学系を構成し、これを導光部２００とした。
図２２は、本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。照明光学系３０００を完全に排除し、レーザ光源７３０と光ファイバ３０、集光レンズ３１、偏光板３０７から成る導光部２００を設けた点以外は、本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と概ね同様である。レーザ光源７３０のレーザ光モニタ信号は全体制御ユニット４２０に送られ、レーザ光の強度が変動した場合には、レーザ光源７３０の出力を制御して強度を一定にする。
光ファイバ３０からのレーザ光３２によって照明された金ナノ粒子２ａにはプラズモンが励起され、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１に表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。
この近接場光８のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。原子間力顕微鏡では、領域１１及び１２を識別することはできない。近接場光８の反射光は、伝播光９ａ及び９ｂとして対物レンズ３２０により集光され並行光９０ａ、９０ｂとなる。平行光９０ａ、９０ｂは、ビームスプリッタ３１５の輪帯透過領域３１６ａを透過し、透過光は結像レンズ３３０を介し、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０で光電変換される。以降の処理は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様である。
本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。また、本実施例によれば、照明光学系３０００が不要となるので走査プローブ顕微鏡の構成が簡略化される。
尚、上記第１〜第５の実施例では、ナノ粒子として金ナノ粒子を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、プラズモン励起、プラズモン伝搬の観点から効率の良い粒子であれば、例えば銀やアルミニウムなどのナノ粒子も適用可能である。またナノチューブも、多層構造カーボンナノチューブや金属ナノチューブに限定されるものではなく、単層カーボンナノチューブや金属含有カーボンナノチューブなどナノメートルオーダ径の円筒形構造もしくはそれに類するものであり、上記ナノ粒子との組み合わせによりプラズモン励起とプラズモン伝搬に好適な材質及び構成であれば、他の材質、構造でも構わない。
また、上記第１〜第５の実施例では、プラズモン励起波長は５３２ｎｍや４０５ｎｍとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、プラズモン励起とプラズモン伝搬の観点から、またナノチューブを共振器として考えたときの、ナノチューブ長さにとって、効率の良い波長（共振波長）を用いることが望ましい。
また、上記第１〜第５の実施例では、近接場光の検出はナノチューブ下端の試料表面からの伝搬光を検出する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ナノチューブ下端から上端にプラズモン伝搬し、上端部から散乱する伝搬光を検出する構成でも構わないことは自明である。
本発明の第６の実施例を、図２４、図２５、図２７、図２８、図３０、及び図３１に基づいて説明する。図２４は、本実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの導光部の構成を示したものである。第１〜第５の実施例では、ナノチューブ１へ励起光を導く導光部２００をカンチレバー２０１の背面に設けていたが、本実施例ではカンチレバー２０１そのものを導光部として用いる。例えばＳｉから成るカンチレバー２０１の先端に同様にＳｉから成る三角錐状のチップ７３０が形成されており、その先端にナノチューブ１が固定されている。カンチレバー１の背面２０１ｓに伝搬光である励起光５ａ、５ｂを集束して照射する。この様子を図２５に示す、カンチレバー２０１及びチップ７３０の断面図を用いて詳細に説明する。カンチレバー２０１及びチップ７３０がＳｉから成る場合、励起光５ａ、５ｂは、例えば波長８３０ｎｍの近赤外レーザ光を用い、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ： 開口数）０．２で集束してカンチレバー２０１の背面２０１ｓに照射する。偏光方向５ｐはＰ偏光であり、集束角７３５は約２３°である。入射角７３６は、表面反射による光量損失を抑えるため、ブリュースター角である７５°近辺にするのが望ましい。入射した励起光は、屈折して三角錐状のチップ７３０の稜線７３０ｗに集束する。集束角７３７は約６°となる。稜線７３０ｗに対する入射角７３８は臨界角である約１６°以上に設定することが望ましい。チップ７３０の表面には金の薄膜７３０ｆ、７３０ｒがコートされている。プラズモンの発生効率を考慮して、稜線７３０ｗに沿った金薄膜７３０ｆの膜厚は５０ｎｍ程度、稜線７３０ｗを挟む二つの斜面の膜厚はそれよりも薄くすることが望ましい。稜線７３０ｗへのＰ偏光の励起光の照射により、金薄膜７３０ｆ表面に沿ってＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）モード・プラズモン７４０が励起され、チップ７３０の先端に向かって伝播する。プラズモンが励起される共鳴ディップ入射角７３８の許容範囲はたかだか２〜３°であるので、励起光の集束角７３７の範囲は上述の通り、その２倍の約６°程度が望ましい。励起されたＴＭモード・プラズモン７４０は、図２７の破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、チップ７３０の先端に固定されたナノチューブ１の表面及び内部に充填された金ナノ粒子２ａ、２ｃ、２ｂを上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブは第１の実施例及びその変形例と同様、多層構造カーボンナノチューブ１、あるいは金属ナノチューブ１であり、下端部を円錐状に先鋭化した構成となっている。図２７に示すように、ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。
本実施例では、ナノチューブの外径は２０ｎｍ、空洞部分の内径は４ｎｍとした。金ナノ粒子２ａ、２ｂ、２ｃの直径は４ｎｍである。ここで、プラズモンを発生させる限界の金属粒子径が１nm以上であるとされており、金ナノ粒子の直径が１nm以上であれば本発明の目的を達成できる。本実施例においては、比較的安定して製造が可能な金ナノ粒子径の限界として４nmにした。しかし、本発明では、金ナノ粒子の直径を４nmに限定するものではなく、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の範囲の直径であれば、本発明の目的は達成できる。この場合、金ナノ粒子の直径に応じてナノチューブの外径も変える必要が有る。また、以下の実施例では金属粒子として金を用いた場合について説明するが、他の種類の金属、例えば銀ナノ粒子であっても同様な効果を得ることができる。
この近接場光８のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られる。本実施例では、ナノチューブ１内に充填する金属構造として、金ナノ粒子列を示したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば図２８に示すように、金ナノロッド７０２を充填しても同様の効果が得られる。ナノロッド材料は他の種類の金属、例えば銀ナノロッドであっても同様な効果を得ることができる。さらに、第１〜第５の実施例に示したように、ナノチューブ１の上端部と下端部のみに金ナノ粒子２ａ及び２ｂを充填した構造でも同様の効果が得られる。
本実施例では、カンチレバー２０１とチップ７３０はＳｉから成るとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＳｉ３Ｎ４から成るカンチレバー２０１とチップ７３０も適用可能である。この場合、励起光として例えば波長５３２ｎｍの可視光を用いることができる。波長５３２ｎｍの可視レーザ光をＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ： 開口数）０．１で集束してカンチレバー２０１の背面２０１ｓに照射する。偏光方向５ｐはＰ偏光であり、集束角７３５は約１１．５°である。入射角７３６は、表面反射による光量損失を抑えるため、ブリュースター角である６３°近辺にするのが望ましい。入射した励起光は、屈折して三角錐状のチップ７３０の稜線７３０ｗに集束する。集束角７３７は約５．７°となる。稜線７３０ｗに対する入射角７３８は臨界角である約３０°以上に設定することが望ましい。
このプローブでは、ナノチューブ１の上端部から下端部に向かうプラズモンと逆方向に反射するプラズモンが干渉して定在波が生じ、定在波の節（強度の弱い部分）と腹（強度の強い部分）が存在する。節と腹の位置は導光部２００に照射するレーザ光の波長に依存する。従って、ナノチューブ１の長さＬは、レーザ光の波長に応じて定在波の腹がナノチューブ１の下端部と一致するように調整することが望ましい。
図３０に、本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示す。本走査プローブ顕微鏡の構成とその機能は図９に示す第１の実施例におけるそれと同様であるので、説明を省略する。尚、図９ではナノチューブ１へ励起光を導く導光部２００をカンチレバー２０１の背面に設けていたが、本実施例では、カンチレバー２０１そのものを導光部としているので、図３０に示すように導光部２００は排除した構成となっている。また、励起光５ａ、５ｂはカンチレバー２０１背面に対しＰ偏光となっているので、偏光板３０７も排除した構成となっている。
尚、励起光５ａ、５ｂの波長は８３０ｎｍに固定するのではなく、励起されたＴＭモード・プラズモン７４０が損失なく、すなわち高いカップリング効率でナノチューブ１に伝播する波長に微調整することが望ましい。例えば白色レーザを用いて、最適なカップリング波長を選択して励起光に用いる、あるいは白色レーザ光を励起光に用いて、最適なカップリング波長のみを、光電変換素子３４０の直前に設置した波長選択フィルタにより選択的に検出することが望ましい。図２５において、ナノチューブ１にカップリングしなかったＴＭモード・プラズモン７４０は、チップ７３０の先端で近接場光となり、これがナノチューブ１の先端部で生じる近接場光８に対する背景雑音となる。この背景雑音の影響を避けるため、チップ７３０の先端とナノチューブ１の先端との距離７４５は、チップ先端部の大きさ以上、例えば数十〜数百ｎｍ以上離すことが望ましい。さらに、図３１に示すように、光電変換素子３４０の直前のナノチューブ１の先端と共役な位置（結像位置）にピンホール７５０ｐを設けた遮光板７５０を設置することにより、ナノチューブ１の先端の近接場光８から変換された伝搬光７５７だけを選択に通過させ、チップ７３０の先端の近接場光から変換された伝搬光は遮光することが可能となる。
本実施例によれば、第１の実施例と同様、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
［カンチレバー２０１の変形例］
導光部として用いるカンチレバー２０１の変形例を、図２６に基づいて説明する。図２６は、本変形例におけるプラズモン増強近接場プローブの導光部の構成を示したものである。カンチレバー２０１、チップ７３０、及びナノチューブ１の構成と機能は図２５に示すものと同様である。
本変形例では、三角錐状のチップ７３０の稜線７３０ｗのカンチレバー２０１に対する角度を調整することにより、励起光５ａ、５ｂのカンチレバー２０１背面２０１ｓへの入射角を０°、すなわち垂直入射とするものである。カンチレバー２０１及びチップ７３０がＳｉから成る場合、励起光５ａ、５ｂは、例えば波長８３０ｎｍの近赤外レーザ光を用い、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ： 開口数）０．２で集束してカンチレバー２０１の背面２０１ｓに垂直に照射する。偏光方向５ｐはＰ偏光であり、集束角７３５は約２３°である。入射した励起光は、三角錐状のチップ７３０の稜線７３０ｗに集束する。集束角７３７は約６°となる。稜線７３０ｗに対する入射角７３８は臨界角である約１６°以上となるように、予め稜線７３０ｗのカンチレバー２０１に対する角度が調整された状態で、チップ７３０が形成されることが望ましい。チップ７３０の表面には金の薄膜７３０ｆ、７３０ｒがコートされている。プラズモンの発生効率を考慮して、稜線７３０ｗに沿った金薄膜７３０ｆの膜厚は５０ｎｍ程度、稜線７３０ｗを挟む二つの斜面の膜厚はそれよりも薄くすることが望ましい。稜線７３０ｗへのＰ偏光の励起光の照射により、金薄膜７３０ｆ表面に沿ってＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）モード・プラズモン７４０が励起され、チップ７３０の先端に向かって伝播する。プラズモンが励起される共鳴ディップ入射角７３８の許容範囲はたかだか２〜３°であるので、励起光の集束角７３７の範囲は上述の通り、その２倍の約６°程度が望ましい。励起されたＴＭモード・プラズモン７４０は、図２７の破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、チップ７３０の先端に固定されたナノチューブ１の表面及び内部に充填された金ナノ粒子２ａ、２ｃ、２ｂを上端部から下端部に伝搬していく。図２７に示すように、ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。先の実施例と同様、Ｓｉ３Ｎ４から成るカンチレバー２０１とチップ７３０も適用可能である。
この近接場光８のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られる。本変形例では、ナノチューブ１内に充填する金属構造として、金ナノ粒子列を示したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば図２８に示すように、金ナノロッド７０２を充填しても同様の効果が得られる。ナノロッド材料は他の種類の金属、例えば銀ナノロッドであっても同様な効果を得ることができる。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
［プラズモン増強近接場プローブの変形例］
プラズモン増強近接場プローブの変形例を、図２９及び図３２に基づいて説明する。図２９は、本変形例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブは第１の実施例及びその変形例と同様、多層構造カーボンナノチューブ１、あるいは金属ナノチューブ１であり、下端部を円錐状に先鋭化した構成となっている。カンチレバー２０１、チップ７３０の構成と機能は図２５あるいは図２６に示すものと同様である。
本変形例では、図２９に示すように、ナノチューブ１の上端部に、金ナノ粒子ではなく、フォトルミネセンス、エレクトロルミネセンスを発現するＶ、Ｙ、Ｔａ、Ｓｂ等の金属カーバイトや、ＺｎＳ蛍光体、ＣａＳ蛍光体、ＣｄＳｅ（コア）／ＺｎＳ（外殻）等の蛍光粒子７７０を充填し、下端部には他の実施例と同様金ナノ粒子２ｂを充填する。図２６あるいは図２７に示すと同様、ナノチューブ１の途中に金ナノ粒子、あるいはナノロッドを充填しても構わない。
図３２は、本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、図９に示した第１の実施例における走査プローブ顕微鏡と同様であるが、近接場光を検出するホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０の直前に、上記蛍光粒子７７０が発する蛍光波長±１０ｎｍの透過帯域を有する波長選択フィルタ７５５を配置した点が異なる。すなわち、図２５に示すように、励起光５ａ、５ｂによって励起されたＴＭモード・プラズモン７４０は、チップ７３０の先端に向かって伝播する。このＴＭモード・プラズモン７４０は、図２９に示すナノチューブ１の上端部に充填された蛍光粒子７７０を励起して、励起光５ａ、５ｂとは異なる波長の蛍光が発生し、蛍光と同じ波長の微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１に表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印７８０ａ及び７８０ｂに示すように、ナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、蛍光と同じ波長の微小な近接場光７９０を発生させる。
この近接場光７９０のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られる。近接場光７９０の反射光は、伝播光９ａ及び９ｂとして対物レンズ３２０により集光され並行光９０ａ、９０ｂとなる。平行光９０ａ、９０ｂは、ビームスプリッタ３１５の輪帯透過領域３１６ａを透過し、透過光は結像レンズ３３０を介し、波長選択フィルタ７５５で蛍光波長成分７６０のみが抽出され、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０で光電変換される。以降の処理は、図９に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様である。
尚、本変形例では、蛍光粒子７７０を用いたが、これに限定されること無く、例えば非線形光学結晶などを用い、入射光の１／２の波長の近接場光を生成することも可能である。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光７９０を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光７９０を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。さらに、本実施例によれば、図２５において、ナノチューブ１にカップリングしなかったＴＭモード・プラズモン７４０よってチップ７３０の先端で発生する近接場光が励起光５ａ、５ｂの波長そのものであるのに対し、ナノチューブ１の下端部で発生する近接場光７９０は異なる蛍光波長となる。すなわち、背景雑音となるチップ７３０の先端で発生する近接場光を波長分離して、ナノチューブ１の下端部で発生する近接場光７９０のみを検出できるため、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。同様に、固体レーザ３００から出射したレーザ光５ａ、５ｂによる途中の光路やナノチューブ自身での散乱光等、背景雑音を大幅に低減させることが可能となり、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
以上説明したように、本発明によれば、ＡＦＭとあわせてナノメートルオーダの光学分解能を有する走査プローブ顕微鏡が実現できる。その結果、半導体試料の応力分布や不純物分布などの物性情報の測定が可能になり、また異物や欠陥の分類に寄与する光学情報や凹凸情報を測定できるので異物・欠陥分類性能が向上する。さらに、これらの測定結果を半導体製造プロセス条件にフィードバックすることで、信頼性の高い半導体デバイスの高歩留まり生産が可能になる。
実施例１におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 実施例１におけるプラズモン増強近接場プローブ導光部２００の変形例１におけるプローブの正面の断面図である。 実施例１におけるプラズモン増強近接場プローブ導光部２００の変形例２におけるプローブの正面の断面図である。 実施例２におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 実施例３におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 実施例３におけるプラズモン増強近接場プローブ導光部２００の変形例におけるプローブの正面の断面図である。 実施例４におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 実施例５におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 実施例１における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 偏光板の偏光軸を示す概略図である。 ナノチューブのステップイン走査を示す試料断面及びカンチレバーの斜視図である。 ナノチューブ−試料間接触力と近接場光の測定タイミングとの関係を示すグラフである。 実施例１の検出光学系４０００の変形例１における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 実施例１の検出光学系４０００の変形例２における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 実施例１の計測部２０００の変形例１における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 各種材料と各光源波長に対する反射光強度の組み合わせデータを示す概略図である。 実施例１の計測部２０００の変形例１における走査プローブ顕微鏡をコンタクトホールなどの深穴底の残膜検出に適用した例を示す深穴の断面とプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 実施例１の計測部２０００の変形例２における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 実施例２における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 実施例３における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 実施例４における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 実施例５における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 実施例１乃至５における試料表面を計測する手順を示すフロー図である。 実施例６におけるプラズモン増強近接場プローブ導光部の斜視図である。 実施例６におけるプラズモン増強近接場プローブ導光部カンチレバー２０１の側面の断面図である。 実施例６におけるプラズモン増強近接場プローブ導光部カンチレバー２０１変形例の側面の断面図である。 実施例６における金ナノ粒子充填プラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 実施例６における金ナノロッド充填プラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 実施例６におけるプラズモン増強近接場プローブ変形例の正面の断面図である。 実施例６における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 実施例６における走査プローブ顕微鏡において、ピンホール遮光板の配置を示すブロック図である。 実施例６における走査プローブ顕微鏡において、波長選択フィルタの配置を示すブロック図である。
符号の説明
１・・・・・・ナノチューブ ２ａ、２ｂ、２ｃ・・・・・・金ナノ粒子 １０・・・・・・試料 １３・・・・・・金ウェッジ ２５、７７０・・・・・・蛍光粒子 ２７・・・・・・レーザ光源 １００・・・・・・ＸＹＺステージ ２００・・・・・・導光部 ２０１・・・・・・カンチレバー ２０２・・・・・・圧電素子アクチュエータ ２０４・・・・・・ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ ２０６・・・・・・半導体レーザ ２０７・・・・・・駆動回路 ２０９・・・・・・４分割ポジションセンサ ３００・・・・・・固体レーザ ３０７・・・・・・偏光板 ３１５・・・・・・ビームスプリッタ ３０４、３４０、６１２、６４１、６４２、６４３・・・・・・光電変換素子 ３０５・・・・・・ビーム整形光学系 ３０７・・・・・・偏光板 ３２０・・・・・・対物レンズ ３３０・・・・・・結像レンズ ３５５・・・・・・波長選択フィルタ ４００・・・・・・走査制御ユニット ４１０・・・・・・画像形成ユニット ４２０・・・・・・全体制御ユニット ４３０・・・・・・出力ユニット ４４０・・・・・・メモリユニット ５００・・・・・・ミラー ５０１・・・・・・撮像カメラ ６１１・・・・・・分光器 ６２０・・・・・・白色レーザ ６２５ｒ、６２５ｇ、６２４ｂ・・・・・・干渉フィルタ ６３１、６３２、６３３・・・・・・集光レンズ ７０２・・・・・・金ナノロッド ７３０・・・・・・チップ ７４０・・・・・・ＴＭモード・プラズモン ７５０・・・・・・ピンホール遮光板 ７６０・・・・・・波長選択フィルタ １０００・・・・・・ステージ部 ２０００・・・・・・計測部 ３０００・・・・・・照明光学系 ３１００・・・・・・ビームモニタ光学系 ４０００・・・・・・検出光学系 ５０００・・・・・・試料モニタ光学系 ６０００・・・・・・制御部

Claims (20)

  1. 内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針と、該測定探針を支持するカンチレバーと、該カンチレバーを駆動して前記測定探針を検査対象試料に対して相対的に３次元的に走査するカンチレバー駆動手段と、該カンチレバーの変形を検出する変位検出手段と、前記金属構造物が埋め込まれた測定探針と前記検査対象試料表面との間に近接場光を発生させて前記検査対象試料表面の近接場光画像を取得する近接場光画像取得手段とを備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
  2. 前記変位検出手段で前記カンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して前記検査対象試料表面の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ画像）を作成するＡＦＭ画像作成手段を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
  3. 前記近接場光画像取得手段は、前記金属構造物が埋め込まれた測定探針の一端にレーザ光を照射するレーザ照射光学系と、該レーザ照射光学系によりレーザが照射された状態で前記測定探針の他端を前記検査対象試料の表面に近づけることにより前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を検出する近接場光検出光学系と、該近接場光検出光学系で前記近接場光を検出して得た信号を処理して前記試料表面の近接場光画像を得る近接場光画像処理系とを備えて構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の走査プローブ顕微鏡。
  4. 前記測定探針をカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、該カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの内部に金粒子もしくは銀粒子もしくは金ロッドもしくは銀ロッドを埋め込んだことを特徴とする請求項１又は２に記載の走査プローブ顕微鏡。
  5. 前記測定探針をカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、前記検査対象試料の表面に近づける該カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの先端部を先鋭化し、該先端部に金粒子もしくは銀粒子を埋め込んだことを特徴とする請求項１又は２に記載の走査プローブ顕微鏡。
  6. 前記測定探針の長さは、前記レーザ照射光学系から照射されるレーザ光の波長に応じて最大強度の近接場光が得られるように調整されることを特徴とする請求項３記載の走査プローブ顕微鏡。
  7. 前記レーザ照射光学系は、前記金属構造物が埋め込まれた測定探針の一端に照射するレーザの偏光の状態を制御する偏光制御部を更に備えたことを特徴とする請求項３又は６記載の走査プローブ顕微鏡。
  8. 前記レーザ照射光学系は、白色レーザを前記金属構造物が埋め込まれた測定探針の一端に照射し、前記近接場光検出光学系は前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を波長分離して検出し、前記近接場光画像処理系において前記波長分離して検出したそれぞれの信号を処理して合成することにより前記試料表面のカラーの近接場光画像を得ることを特徴とする請求項３又は６又は７の何れかに記載の走査プローブ顕微鏡。
  9. 前記カンチレバーは、前記レーザ照射光学系からの光を前記測定探針に導く角錐状の導光部を有することを特徴とする請求項３又は６又は７の何れかに記載の走査プローブ顕微鏡。
  10. 前記近接場光検出光学系は、前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する前記近接場光を選択的に通過させる遮光板を有することを特徴とする請求項９記載の走査プローブ顕微鏡。
  11. 前記測定探針をカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、該カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの上端部に金属カーバイトもしくは蛍光粒子を、該カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの下端部に金粒子もしくは銀粒子もしくは金ロッドもしくは銀ロッドを埋め込んだことを特徴とする請求項１又は２に記載の走査プローブ顕微鏡。
  12. 内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針を支持するカンチレバーを駆動して前記測定探針を検査対象試料に対して相対的に３次元的に走査し、該３次元的な走査による前記カンチレバーの変形を検出し、前記金属構造物が埋め込まれた測定探針を用いて前記検査対象試料表面の近接場光画像を取得することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  13. 前記カンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して前記検査対象試料表面の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ画像）を作成することを特徴とする請求項１２記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  14. 前記近接場光画像を、前記金属構造物が埋め込まれた測定探針の一端にレーザを照射し、該レーザが照射された状態で前記測定探針の他端を前記検査対象試料の表面に近づけることにより前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を検出し、該近接場光を検出して得た信号を処理して前記試料表面の近接場光画像を得ることを特徴とする請求項１２記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  15. 前記測定探針として、内部に金粒子もしくは銀粒子もしくは金ロッドもしくは銀ロッドが埋め込まれたカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブを用いて前記近接場光を検出することを特徴とする請求項１２乃至１４の何れかに記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  16. 前記測定探針として、上端部に金属カーバイトもしくは蛍光粒子が埋め込まれ、下端部に金粒子もしくは銀粒子もしくは金ロッドもしくは銀ロッドが埋め込まれたカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブを用いて前記近接場光を検出することを特徴とする請求項１２乃至１４の何れかに記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  17. 前記測定探針をカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、前記検査対象試料の表面に近づける該カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの先端部を先鋭化し、該先端部に金粒子もしくは銀粒子を埋め込んだことを特徴とする請求項１２乃至１４の何れかに記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  18. 前記測定探針の長さは、前記レーザ照射光学系から照射されるレーザ光の波長に応じて最大強度の近接場光が得られるように調整されることを特徴とする請求項１４記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  19. 前記金属構造物が埋め込まれた測定探針の一端に照射するレーザは、偏光の状態を制御されたレーザであることを特徴とする請求項１４又は１８記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  20. 前記金属構造物が埋め込まれた測定探針の一端に照射するレーザは白色レーザであり、前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を波長分離して検出し、該波長分離して検出して得た信号を処理することにより前記検査対象試料表面のカラーの近接場光画像を得ることを特徴とする請求項１４又は１８又は１９の何れかに記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
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