JP3189247B2 - 近接視野顕微鏡による観測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、近接視野顕微鏡に
よる観測方法に係わり、特に、汎用的、かつ、解像度の
高い観測結果が得られる近接視野顕微鏡による観測方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】光を利用した光学顕微鏡は、被観測物体
（試料）凹凸情報だけでなく、偏光あるいは波長依存性
観測などに広く用いられ、これが被観測物体の特性把握
に有用であることはいうまでもない。

【０００３】通常の光顕微鏡において空間分解能は、光
の回折限界で制限される。そして、一般に、光学顕微鏡
の分解能は、おおよそ（光の波長）／（レンズの開口
数）で与えられ、その値は、おおよそ波長のオーダであ
ることはよく知られている。

【０００４】即ち、通常の光学顕微鏡による偏光・波長
依存性の観測には、原理的な分解能の限界がある。この
限界を打破する手段として、近接視野顕微鏡が知られて
いる。

【０００５】一般に、光が照射された被観測物体からは
散乱光が発生され、この散乱光は、無限遠方まで伝搬す
る成分と被観測物体の近傍に局在する非伝搬成分の二つ
の成分から成っている。非伝搬成分は、被観測物体から
遠ざかるに従って急激に減衰し、被観測物体の微細構造
の大きさ程度の距離にしか存在しない。被観測物体から
の散乱光のうち、伝搬成分は光の波長程度以上の寸法に
関する情報しか伝えない。

【０００６】通常の光学顕微鏡は、光検出器を被観測物
体の遠方に配置し散乱光のうち伝搬成分しか検出してい
ないので、原理的に波長程度の空間分解能しか実現でき
ない。これに対して、近接視野顕微鏡は、被観測物体と
光検出器を近づけ、被観測物体の近傍にしか存在しない
散乱光の非伝搬成分を検出する。

【０００７】そして、この非伝搬成分には、波長以下の
空間周波数成分を含んでいる。そのため、近接視野顕微
鏡では、波長以下の空間分解能を実現することができ
る。

【０００８】近接視野顕微鏡では、プローブを被観測物
体に近づけ、被観測物体からの非伝搬光を散乱させ、こ
のプローブからの散乱光を光検出器で検出する。分解能
はプローブの大きさ程度となるので、分解能を向上させ
るためには、プローブの大きさはできるだけ小さくする
必要がある。現在、有効サイズが１０ｎｍオーダのプロ
ーブが使用されている。

【０００９】しかしながら、近接視野顕微鏡において、
プローブの大きさを小さくすると、プローブからの散乱
光の強度は急激に低下する。また、被観測物体を照明す
る照明光は、プローブの大きさより十分大きな範囲を照
明する。

【００１０】そのため、プローブの大きさを小さくする
と、プローブからの散乱光の強度よりも背景光の強度の
方が大きく、ＳＮ比の良い近接視野像を得るためには、
この背景光の強度を低減させる必要がある。

【００１１】従来の背景光の強度を低減させる方法とし
て、エバネッセント光照明法あるいは微小開口型プロー
ブを用いる方法が知られている。

【００１２】エバネッセント光照明法は、被観測物体の
波長程度の近傍にしか局在しないエバネッセント光を発
生させる方法で、プローブが近づいた部分の被観測物体
からのエバネッセント光をプローブ先端で散乱光に変換
し検出する。

【００１３】それ以外の部分の被観測物体からのエバネ
ッセント光は光検出器に到達しないので、背景光を低減
させることができる。

【００１４】また、微小開口型プローブを用いる方法で
は、先端部の微小開口を残して、照射光を吸収する物体
で被覆したプローブを用いる。先端の微小開口を通して
のみ被観測物体からの光が光検出器に到達するので、背
景光を低減させることができる。

【００１５】図１５は従来のエバネッセント光照明法を
採用した近接視野顕微鏡の概略構成を示す模式構成図で
ある。

【００１６】図１５において、１は光源、２はプリズ
ム、３は被観測物体である。光源１とプリズム２との関
係は、光源１からの照射光７がプリズム２の上面で全反
射するように配置する。以下、光源１の中心波長はλと
する。

【００１７】図１５に示す配置の場合に、同図中に摸式
的に示すように、プリズム２の上面にはエバネッセント
光４と呼ばれる波長（λ）程度だけの光のしみ出しが生
ずる。このエバネッセント光４が被観測物体３で変調さ
れる。

【００１８】この変調されたエバネッセント光４を、プ
ローブ６２に設けた探針６１により散乱し、その散乱光
を散乱光集光用レンズ等の光学系１０１で集光した後、
光検出器５で電気信号（光電流）に変換し、プリアンプ
１０２で増幅する。さらに、走査機構１０によりプロー
ブ６２に設けた探針６１を被観測物体３の面内で走査す
ることにより、２次元的な光分布を得ることができる。

【００１９】探針６１の先端は波長（λ）以下になるよ
うに先鋭化してあり、その先端からエバネッセント光４
が散乱する。空間分解能は、深針６１の先端の曲率の直
径程度である。また、エバネッセント光４は、被観測物
体３付近に局在し、被観測物体３から離れるにしたがっ
て急激に減衰し、光検出器５まで到達しないので、これ
により、背景光を低減させることができる。

【００２０】このエバネッセント光照明法については、
文献「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，（１９９３），
ｖｏｌ．６２（５），ｐ．４６１」に記載されている。

【００２１】図１６は従来の微小開口型プローブを採用
した近接視野顕微鏡の概略構成を示す模式構成図であ
る。

【００２２】図１６において、１は光源、６は先端を先
鋭化した光ファイバ（プローブ）、８は先端に被覆され
た金属層、１２は試料台である。ここで、金属層８は、
光ファイバ６の先端に直径が（λ）以下の微小開口９が
形成されるように被覆されている。

【００２３】被観測物体３を透過した、光源１からの照
射光のうち、プローブ直下の照射光１１は、微小開口９
を通過して光検出器５に到達し、電気信号に変換され
る。走査機構１０によりプローブ６を被観測物体３の面
内で２次元的に走査することにより、被観測物体３の２
次元像を得ることができる。

【００２４】この場合に、被観測物体３を透過した照射
光のうち、プローブ直下の照射光１１以外の照射光であ
る背景光１３は金属層８で反射・吸収され、光検出器５
には到達しない。

【００２５】これにより、背景光を低減させることがで
き、また、分解能は微小開口９の直径にほぼ等しいの
で、回折限界を打破する分解能が可能である。

【００２６】この微小開口型プローブを用いる方法につ
いては、文献「Ｓｃｉｅｎｃｅ，（１９９２），ｖｏ
ｌ．２５７，ｐ．１８９」に記載されている。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記図
１５および図１６に示す従来の近接顕微鏡では、以下に
示すような問題点があった。

【００２８】図１５に示すエバネッセント光照明方法で
は、エバネッセント光４のしみ出しの長さ以上の高さを
有する被観測物体３には照射光が届かないため、被観測
物体３の凹凸が大きなもの、あるいは、厚さの大きな被
観測物体３の観測は困難であり、被観測物体３は、薄膜
か透明な平板状のものにしか適用が難しいという問題点
があった。即ち、図１５に示すエバネッセント光照明方
法では、観測できる被観測物体３に制限がある。

【００２９】また、エバネッセント光４を発生させるた
めの光学系が必要なため、光学系が複雑で制約が多くな
るという問題点もあった。

【００３０】図１６に示す微小開口型プローブを用いる
方法では、プローブ（先鋭化したファイバ）６の先端に
１０ｎｍオーダの微小開口９を作製する必要がある。従
来の微小開口の作製法では量産性に乏しいこと、また、
プローブ（先鋭化したファイバ）６は観測中に壊れやす
く工業化に向かないという問題点があった。

【００３１】一般に、近接視野顕微鏡では、プローブ６
と被観測物体３との間隙を制御する必要があり、従来は
プローブ６と被観測物体３との間に働く力が一定になる
ように制御していた。

【００３２】また、図１６に示す金属層８としてアルミ
ニウムが用いられる。アルミニウムの可視光に対する吸
収係数は１５ｎｍ程度であり、金属層８の厚さとしては
数１０ｎｍ程度が必要となる。そのため、プローブ６２
の先端径は５０ｎｍ程度以上となる。

【００３３】即ち、プローブ６２の先端径は、微小開口
９の開口径よりも大きくなる。そして、間隙制御の空間
分解能は、プローブ６２の先端径程度で、光学的空間分
解能は微小開口９の開口径程度であるため、光学的空間
分解能が間隙制御の空間分解能に制限される恐れがあっ
た。

【００３４】このように、従来の近接視野顕微鏡におけ
る背景光の除去方法では、エバネッセント光を発生させ
るための光学系等が必要である、観測可能な被観測物体
に制限がある、あるいは、プローブに微小開口を形成す
る必要があるため工業化に向かないといった問題点があ
った。

【００３５】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、本発明の目的は、近接視
野顕微鏡による観測方法において、観測可能な被観測物
体に制限がなく、かつ、工業化に適した技術を提供する
ことにある。

【００３６】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００３７】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。

【００３８】即ち、本発明は、近接視野顕微鏡による観
測方法であって、プローブを、被観測物体の表面に対し
て略垂直な方向にＴ１の周期で振動させ、かつ、前記被
観測物体と前記プローブとの少なくとも一方を、前記被
観測物体の表面に対して略平行な方向に、前記周期Ｔ１
の偶数倍の周期であるＴ２の周期で振動させて光検出器
により電気信号を検出し、前記光検出器で検出された電
気信号から周期Ｔ１に同期した信号成分と周期Ｔ２に同
期した信号成分とを弁別し、前記周期Ｔ２に同期した信
号成分を前記周期Ｔ１に同期した信号成分で割り算して
前記被観測物体像を得ることを特徴とする。

【００３９】

【００４０】

【００４１】

【００４２】

【００４３】

【００４４】

【００４５】本発明によれば、プローブを、被観測物体
の表面に対して略垂直な方向にＴ１の周期で振動させ、
かつ、被観測物体と前記プローブとの少なくとも一方
を、被観測物体の表面に対して略平行な方向に、Ｔ２の
周期（但し、Ｔ２はＴ１の偶数倍）で振動させて光検出
器により電気信号を検出し、前記光検出器で検出された
電気信号から周期Ｔ１に同期した信号成分と周期Ｔ２に
同期した信号成分とを弁別し、前記周期Ｔ２に同期した
信号成分を前記周期Ｔ１に同期した信号成分で割り算し
て前記被観測物体像を得るようにしたので、従来のエバ
ネッセント光照明法および微小開口プローブを用いるこ
となく、背景光を除去することができる。

【００４６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００４７】なお、本願の実施の形態を説明するための
全図において、同一機能を有するものは同一符号を付
け、その繰り返しの説明は省略する。

【００４８】（発明の実施の形態１）図１は本発明の実
施形態１である近接顕微鏡による観測方法の概略構成を
示す模式図である。

【００４９】図１において、６２は片持ち梁状のプロー
ブ、１２０はプローブホルダ、１２１はプローブ６２を
被観測物体３の表面に対して略水平な方向に走査するた
めの第一走査手段、１２２はプローブ６２を被観測物体
３の表面に対して略垂直な方向に走査するための第二走
査手段、１１１は試料台を振動させるための第三走査手
段である。

【００５０】ここで、前記各走査手段（１１１，１２
１，１２２）は、ピエゾ素子を用いた走査機構で構成さ
れる。

【００５１】図２はピエゾ素子を組み合わせたｘ、ｙ、
ｚ軸方向に駆動可能な走査機構の一例を示す模式構成図
である。

【００５２】同図に示す走査機構は、３つのピエゾ素子
１６ａ，１６ｂ，１６ｃを、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に治具１５
により組み合わせたものである。

【００５３】ピエゾ素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、印
加電圧によりｎｍの精度でプローブ６２（あるいは試料
台１２）を走査させることが可能であり、図２に示す走
査機構は、ｎｍ以下の精度でプローブ６２（あるいは試
料台１２）の位置制御が可能である。

【００５４】レーザ光源４１と、レーザスポットの位置
検出器４２とは、プローブ６２と被観測物体３との間隙
を制御するためのものである。プローブ６２は片持ち梁
状になっているので、探針６１の先端と被観測物体３の
間に働く原子間力が変化すると、プローブ６２で反射さ
れたレーザ光源４１の反射光４３のスポット位置が変化
する。この変化をレーザスポットの位置検出器４２で検
出し、これにより、探針６１の先端と被観測物体３との
間隔を第二走査手段１２２で制御する。

【００５５】この探針６１の先端と被観測物体３の間に
働く原子間力から、探針６１と被観測物体３との間隙を
制御する方法は、文献「Ａｐｐｌｙｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ （１９８８） ｖｏｌ．５３，ｐ．
１０４５」に記載されている光てこ法と呼ばれる方法で
あり、１オングストローム以下の分解能で制御すること
が可能である。

【００５６】駆動信号発生手段１１０は、信号線８２を
介して、第三走査手段１１１に駆動信号を供給する。ま
た、駆動信号発生手段１１０からの駆動信号は、プリア
ンプ１０２から出力される電気信号中から、前記駆動信
号発生手段１１０からの駆動信号に同期した成分を検出
する検出手段１０３にも、信号線８１を介して供給され
る。さらに、検出手段１０３には、プリアンプ１０２か
らの出力信号も、信号線８３を介して供給される。

【００５７】ここで、駆動信号発生手段１１０は、例え
ば、正弦波発生器で構成され、検出手段１０３は、例え
ば、ロックインアンプで構成される。

【００５８】本実施形態１では、被観測物体３を光源１
で照射し、被観測物体３からの散乱光を散乱光集光用レ
ンズ等の光学系１０１で集光し、光検出器５で電気信号
に変換し、プリアンプ１０２で増幅する。

【００５９】光検出器５には、探針６１の直下点３１か
らの散乱光７１と被観測物体３の各点からの散乱光の総
和である背景光７２の両方が到達する。この背景光７２
は、被観測物体３の各点からの散乱光の総和であるた
め、被観測物体３の面内で概ね一様な光である。

【００６０】この場合に、第一走査手段１２１で、プロ
ーブ６２を被観測物体３の面内で２次元的に走査し、被
観測物体３の２次元像を得る。さらに、第三走査手段１
１１で、試料台１２を被観測物体３を表面に対して水平
な方向（図１中の１１２の方向）にＴ２の周期で振動さ
せて、被観測物体３を表面に対して水平な方向に振動さ
せる。

【００６１】第三走査手段１１１により振動する被観測
物体３の振幅１１２を、光源１の波長（λ）より十分小
さく（典型的には１０ｎｍ程度）すると、背景光７２は
全体の平均的な散乱光で、かつ、プローブ６２は、被観
測物体３に対して小さいので、被観測物体３の振動によ
る背景光７２の振幅変調は小さい。

【００６２】これに対して、被観測物体３の直下点３１
の部分は、プローブ６２が真上にあるか、１０ｎｍずれ
ているかで電磁気学的境界条件が大きく異なるので、そ
のため、被観測物体３の直下点３１からの散乱光７１
は、背景光７２に比べ大きく振幅変調される。

【００６３】したがって、検出手段（ロックインアン
プ）１０３で、被観測物体３の振動周期（Ｔ２）に同期
して、被観測物体３の直下点３１からの散乱光７１を検
出することにより、背景光７２を信号処理的に低減する
ことが可能となる。

【００６４】このように、本実施形態１では、一定の周
期でプローブ６２を被観測物体３の表面に対して略水平
な方向に振動させた状態で、被観測物体３からの散乱光
を光検出器５で検出し、光検出器５で検出された電気信
号の中から、前記被観測物体３の振動周期に同期した成
分を取り出し、被観測物体３の各点での差分信号を得る
ことにより、信号処理的に背景光７２を除去することが
でき、従来の物理的除去法で必要だったエバネッセント
照明法および微小開口プローブが不要となる。

【００６５】（発明の実施の形態２）図３は本発明の実
施形態２である近接顕微鏡による観測方法の概略構成を
示す模式構成図である。

【００６６】本実施形態２の近接視野顕微鏡による観測
方法は、より汎用的な被観測物体３の観測を目的とし
て、プローブ６を被観測物体３の表面に対して、略垂直
な方向（図３中の１２３の方向）に振動させるようにし
た点で、前記実施形態１の近接視野顕微鏡による観測方
法と相違する。

【００６７】そのため、本実施形態２では、駆動信号発
生手段１１０から第二走査手段１２２に、信号線８４を
介して駆動信号を供給し、この駆動信号発生手段１１０
からの駆動信号に同期して、第二走査手段１２２は、プ
ローブ６を被観測物体３の表面に対して略垂直な方向
（図３中の１２３の方向）に振動させる。

【００６８】前記実施形態１では、被観測物体３と探針
６１との間隙が一定になるように第二走査手段１２２で
制御していた。本実施形態２では、被観測物体３と探針
６１との間隙を、Ｔ１の周期で正弦的に振動させ、振動
振幅をレーザスポットの位置検出器４２で検出する。

【００６９】被観測物体３と探針６１との間隙が小さく
なると、その間に働く原子間力により、振動振幅は小さ
くなる。この現象を利用して鉛直振動振幅による間隙を
制御する。この方法は、文献「Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉ
ｅｎｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，（１９９３） Ｖｏｌ．２９
０，ｐ．６８８」に記載されている。

【００７０】一般に、大気中で観測を行う場合、被観測
物体３の表面は主に水分から成る吸着層に覆われている
ことが多い。

【００７１】被観測物体３によっては、前記実施形態１
の方法で間隙を制御する場合には、探針６１が吸着層に
より吸着されて、第三走査手段１１１で被観測物体３と
探針６１との相対的位置関係が変更できなくなる場合が
ある。

【００７２】これに対して、本実施形態２の方法で間隙
を制御する場合には、探針６１が被観測物体３の表面の
吸着層を突き破って、被観測物体３の表面に対して略垂
直な方向に振動するため、吸着層に吸着されることがな
い。

【００７３】そのため、任意の被観測物体３に対して、
探針６１と被観測物体３との被観測物体３の面内方向の
相対的位置関係を変更することができる。

【００７４】このように、本実施形態２では、被観測物
体３の表面に対して略垂直な方向にＴ１の周期でプロー
ブ６２を振動させ、その略垂直な方向の振動に同期させ
て、被観測物体３の表面に対して略水平な方向にＴ２の
周期で被観測物体３を振動させる。

【００７５】即ち、探針６１と被観測物体３とは、被観
測物体３の表面に対して略水平な方向では振幅１１２の
振動で、略垂直な方向には振幅１２３の振動で相対的位
置関係が変化している。

【００７６】ここで、周期Ｔ２は周期Ｔ１の偶数倍とな
るように設定する。これにより、探針６１と被観測物体
３との間隔を一定として、被観測物体３の面内方向に振
幅１１２で被観測物体３を振動させることができる。

【００７７】図４は本実施形態２における探針６１と被
観測物体３との位置関係を時系列的に説明する図であ
る。

【００７８】同図中において、３１３は被観測物体３の
構造を模式的に示したものであり、また、６２１は探針
６１の先端部を示したものである。また、同図では、被
観測物体３の表面に対して略水平な方向をｘ軸に、被観
測物体３の表面に対して略垂直な方向をｚ軸に取ってあ
る。

【００７９】図４（ａ）はｔ＝０、図４（ｂ）はｔ＝
０．５ｘＴ１のとき、図４（ｃ）はｔ＝Ｔ１のとき、図
４（ｄ）はｔ＝１．５ｘＴ１のとき、図４（ｅ）はｔ＝
２ｘＴ１のときの位置関係を示している。

【００８０】光検出器５で検出された電気信号のうち、
検出手段（ロックインアンプ）１０３で、Ｔ２の周期に
同期した成分のみ取り出すことにより、プローブ６２１
の高さｚを固定して、被観測物体３１３をｘ軸方向に振
幅ａで振動させることと等価となる。

【００８１】これに対して、被観測物体３の表面に対し
て略垂直な方向の振動と、被観測物体３の表面に対して
略水平な方向の振動とを同期させない場合、あるいは、
周期Ｔ２が周期Ｔ１の偶数倍でない場合には、それぞれ
の振動の位相がずれるため、図４でｔ＝０とｔ＝Ｔ２の
時の探針６１の高さが等しくなく、位相ずれに従って変
化してしまう。

【００８２】背景光７２の強度は、水平方向の振動では
変調は小さい。しかし、垂直方向の振動は、探針６１と
被観測物体３との間の光干渉により、振動振幅が１０ｎ
ｍ程度でも背景光７２の強度は、大きく変調される。

【００８３】結局、周期Ｔ２が周期Ｔ１の偶数倍でない
場合には、ｔ＝０とｔ＝Ｔ２とで探針６１の高さが異な
ることにより、背景光７２の信号成分が、光検出器５で
検出された電気信号の中に混入してしまう。

【００８４】（発明の実施の形態３）図５は本発明の実
施形態３である近接顕微鏡による観測方法を実施するた
めの装置の概略構成を示す模式構成図である。

【００８５】本実施形態３の近接視野顕微鏡による観測
方法は、プローブ６として、シリコン基板から作成さ
れ、その先端にフォトダイオード部６２２１を組み込ん
だ片持ち梁状プローブ６２２を用いた点で、前記実施の
形態１の近接視野顕微鏡による観測方法と相違する。こ
れにより、本実施の形態では、散乱光集光用レンズ等の
光学系１０１と光検出器５が不要となり装置構成を小型
化・簡略化することが可能となる。

【００８６】被観測物体３からの散乱光は、プローブ６
２２上のフォトダイオード部６２２１で電気信号に変換
され、この電気信号は、信号線８５を介してプリアンプ
１０２に到達する。

【００８７】図６ないし図１０に、このプローブ６２２
の一例を示す。

【００８８】図６において、２１，２２は電極、２７は
導線、２３はｐ領域、２４はｎ領域、２３１は高濃度の
ｐ領域、２４１は高濃度のｎ領域、３０は反射防止膜で
ある。

【００８９】電極２１，２２はアルミニウムで形成し、
電極２１，２２の下に、電極２１，２２とオーミックな
コンタクトを取るため、ｐおよびｎの高濃度領域２３
１，２４１を設けた。

【００９０】一定の電圧が印加されたｐｎ接合に光が入
射されると、ｐｎ接合には入射光の強度に応じた光電流
が流れるので、被観測物体（試料）３で散乱された散乱
光は、ｐｎ接合で光電流に変換され、当該光電流を測定
することにより散乱光の光強度を測定できる。

【００９１】また、反射防止膜３０として酸化シリコン
膜を１００ｎｍ程度設けて、その反射率を数％程度まで
に低減させた。反射防止膜３０の材料としては、シリコ
ンに対しては屈折率が２程度の材料が適しており、酸化
シリコンの他に、例えば、窒化シリコンが有効であるの
はいうまでもない。

【００９２】図７に示すプローブ６２２は、図６に示す
プローブ６２２の先端部を梁状に加工したものである。
これにより、被観測物体（試料）３が溝など凹凸の大き
な試料の場合でも観測でき、汎用性という点で有利であ
る。

【００９３】図８（ａ）に示すプローブ６２２は、空間
分解能のさらなる向上を図って、図７に示すプローブ６
２２を作成した後、例えば、アルミニウム等の金属膜２
６をコーティングしたものである。この場合に、可視域
の光のアルミニウムに対する侵入の深さが１０ｎｍ程度
なので、コーティング層は数１０ｎｍ以上とした。

【００９４】図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すプローブ
６２２の先端部を拡大して示す図である。

【００９５】図８（ｂ）に示すように、プローブ６２２
の先端部のみ、金属膜２６が除去されている。空間分解
能は、この先端のｐｎ接合分の大きさ程度となるため、
金属膜２６が除去された径（ｄ）を小さくすればするほ
ど、空間分解能を向上させることができる。

【００９６】図９に示すプローブ６２２は、その先端部
に、梁状の突起５０が設けられており、これにより、被
観測物体（試料）３が溝等の凹凸の大きな試料の場合で
も観測でき、汎用性という点で有利である。

【００９７】図１０示すプローブ６２２は、空間分解能
のさらなる向上を図って、図９に示すプローブ６２２の
突起５０上に、厚さ数１０ｎｍの金属膜５１を塗布した
ものである。この金属膜５１としては金を用いることが
できる。

【００９８】金の散乱効率は、可視域の光に対してシリ
コンの散乱効率の約４倍であるため、散乱効率を向上さ
せることができる。

【００９９】なお、図６ないし図１０に示すプローブ６
２２は、同一出願人により既に出願済みの特願平６−２
２２０６０号に記載されているものである。

【０１００】なお、前記各発明の実施の形態では、被観
測物体３を、被観測物体３の表面に対して略水平な方向
に振動させて変調信号を得たが、プローブ（６、６２
２）、あるいは、その両方を、被観測物体３の表面に対
して略水平な方向に振動させて変調信号を得るようにし
てもよい。

【０１０１】（発明の実施の形態４）図１１は本発明の
実施形態４である近接顕微鏡による観測方法を実施する
ための装置の概略構成を示す模式構成図である。

【０１０２】図１１において、１０４は光検出器５で検
出された光信号の信号のうち、周期Ｔ１に同期した成分
を弁別する検出手段であり、例えば、ロックインアンプ
を用いる。８５、８６、８７、８８は信号線、１２３は
間隙制御回路（実施形態１、２、３でも用いられている
が、簡単のため省略した）である。ちなみに、検出手段
１０３は、光検出器５で検出された光信号の信号のう
ち、周期Ｔ２に同期した成分を弁別する手段である。

【０１０３】前記実施形態２では、レーザ光源４１とレ
ーザスポット位置検出器４２の組み合わせによる光てこ
法を用いて、プローブの周期Ｔ１での振幅の大きさをプ
ローブと被観測物体との間の間隙制御信号として用いた
（図３）。本実施形態４では、プローブ６２と被観測物
体３との間の光干渉を利用し、制御信号を生成する。こ
れ以外の点は実施形態２と同じである。

【０１０４】この実施形態４では、レーザ光源４１、レ
ーザスポットの位置検出器４２が不要となり測定系が簡
単になる。さらに、本実施形態４ではプローブと被観測
物体が、全く接触せずに１０ｎｍオーダの間隙の維持し
たままプローブの走査が可能となるので、生物などの柔
らかい被観測物体も傷つけずに観測できる、および吸着
層の効果が影響されないという長所がある。

【０１０５】図１１において、光検出器５で検出する光
信号のうち、周期Ｔ２に同期した成分は、前述したよう
に被観測物体の微細な光学特性分布を反映した近接視野
光学信号である。

【０１０６】しかるに、図１２に示したように、周期Ｔ
１に同期した成分は、探針６１と被観測物体３の表面で
の光干渉による信号となる。すなわち、試料３を透過し
た光７３と探針６１からの反射光７４が干渉した信号で
ある。探針６１と被観測物体の間隙距離を変化させる
と、図１３に示すように、光源１の波長の２分の１を周
期とするおおむね正弦関数的に変化する光信号が得られ
る。この光干渉は探針６１の先端の波長λ程度の領域で
起こり、この範囲の被観測物体３の光学特性分布を平均
化した信号となる。

【０１０７】これに対して周期Ｔ２に同期した成分は、
周期Ｔ２の振動振幅（１０ｎｍ）程度の被観測物体の微
細な構造を反映した信号である。結局、周期Ｔ１に同期
した成分は、被観測物体の高さを平均した面からの探針
６１との間隙距離を示す信号となる。この周期Ｔ１に同
期した成分の強度を一定とすることにより、試料からの
平均的な高さを一定とした間隙制御が可能となる。

【０１０８】光源として波長６３３ｎｍのＨｅＮｅレー
ザを用いた場合、谷と山の距離は１５８ｎｍであり、Ｓ
Ｎ比（信号／ノイズ比）を１０³程度以上に保持すれば
１ｎｍのオーダの間隙制御が可能である（図１２）。本
実施形態４では、間隙距離は試料の平均的な高さの面か
らの距離なので、試料の微細な形状変化には追随しな
い。これに対して、前記実施形態２で述べた方法は、試
料の微細な形状変化に追随して間隙制御を行う。この点
が、本実施形態４は前記実施形態２と異なる。

【０１０９】本実施形態４において、間隙制御に用いる
光干渉信号は、プローブを鉛直方向に振動させなくも、
原理的には得られることはいうまでもない。しかし、実
際のところ、１ｎｍオーダの鉛直方向の距離分解能に必
要なＳＮ比を得るためには、プローブを鉛直方向に振動
させ同期検出しないと実現は困難である。

【０１１０】また、本実施形態４においても、前記実施
形態３で述べたように、フォトダイオードを組み込んだ
プローブ６２２を用いることにより、装置構成が小型化
・簡略化できることはいうまでもない。

【０１１１】（発明の実施の形態５）図１４は本発明の
実施形態５である近接顕微鏡による観測方法を実施する
ための装置の概略構成を示す模式構成図である。図１４
において、１０５は割り算回路、８９、９０は信号線で
ある。これ以外の点は、前記実施形態４で述べたものと
同じである。凹凸の変化の激しい試料に実施形態４を適
用する場合、探針６１の先端と被観測物体３の体面との
間の光干渉により、形状のみの不要なコントラストが得
られる可能性もある。また、光源１の光スポットが不均
一な場合、それが不要なコントラストを与える可能性も
ある。すなわち、検出手段１０３で得られる信号Ｉ
_T2は、おおむね以下の数１の式で表される。

【０１１２】

【数１】

【０１１３】数１の式において、Ｉ₀（ｘ，ｙ）は光源
１からの入射光強度分布、Ｓ（ｚ）は被観測物体と探針
との間の光干渉の頃、Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は近接視野信号
である。また、検出手段１０４で得られる信号Ｉ_T1は、
以下の数２の式で表わされる。

【０１１４】

【数２】

【０１１５】前述の数１，数２の式から、割り算回路１
０５において、検出手段１０３の出力信号を検出手段１
０４の出力信号で割り算すれば、光干渉の頃Ｓ（ｚ）お
よび光源スポットの不均一性Ｓ（ｚ）を打ち消し、近接
視野信号Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）のみを得ることができる。本
実施形態５は、前記実施形態４に比べ、より純粋な近接
視野像を得られるという長所がある。

【０１１６】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本
発明は、前記発明の実施の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において種々変更可能で
あることは勿論である。

【０１１７】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【０１１８】（１）本発明によれば、近接視野顕微鏡の
観測方法において、エバネッセント光照明法あるいは微
小開口プローブなどの物理的手段を用いることなく、信
号処理的に背景光を取り除くことが可能であり、近接視
野顕微鏡から得られる近接視野像のＳ／Ｎ比を向上させ
ることが可能となる。

【０１１９】（２）本発明による近接視野顕微鏡の観測
方法を採用することにより、観測できる被観測物体の制
限をなくし、かつ、工業化に適した近接視野顕微鏡を提
供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１である近接顕微鏡による観
測方法を実施するための装置の概略構成を示す模式構成
図である。

【図２】ピエゾ素子を組み合わせたｘ、ｙ、ｚ軸方向に
駆動可能な走査機構の一例を示す模式構成図である。

【図３】本発明の実施形態２である近接顕微鏡による観
測方法を実施するための装置の概略構成を示す模式構成
図である。

【図４】本実施形態２における探針と被観測物体との位
置関係を時系列的に説明するための図である。

【図５】本発明の実施形態３である近接顕微鏡による観
測方法を実施するための装置の概略構成を示す模式構成
図である。

【図６】図５に示すプローブの概略構成の一例を示す図
である。

【図７】図５に示すプローブの概略構成の他の例を示す
図である。

【図８】図５に示すプローブの概略構成の他の例を示す
図である。

【図９】図５に示すプローブの概略構成の他の例を示す
図である。

【図１０】図５に示すプローブの概略構成の他の例を示
す図である。

【図１１】本発明の実施形態４である近接顕微鏡による
観測方法を実施するための装置の概略構成を示す模式構
成図である。

【図１２】本実施形態４における周期Ｔ１に同期した成
分が探針と被観測物体の表面での光干渉による信号とな
ることを説明するための図である。

【図１３】本実施形態４において、光源の波長の２分の
１を周期とするおおむね正弦関数的に変化する光信号が
得られることを示す図である。

【図１４】本発明の実施形態５である近接顕微鏡による
観測方法を実施するための装置の概略構成を示す模式構
成図である。

【図１５】従来のエバネッセント光照明法を採用した近
接視野顕微鏡の概略構成を示す模式構成図である。

【図１６】従来の微小開口型プローブを採用した近接視
野顕微鏡の概略構成を示す模式構成図である。

【符号の説明】

１…光源、２…プリズム、３…被観測物体、４…エバネ
ッセント光、５…光検出器、６…先端を先鋭化した光フ
ァイバ、７…照射光、８…金属層、９…微小開口、１０
…走査機構、１１…照射光、１２…試料台、１３，７２
…背景光、１５…治具、１６…ピエゾ素子、２１，２２
…電極、２３…ｐ領域、２４…ｎ領域、２６，５１…金
属膜、２７…導線、３０…反射防止膜、３１…直下点、
４１…レーザ光源、４２…レーザスポットの位置検出
器、４３…反射光、５０…梁状の突起、６１…探針、６
２，６２２…プローブ、７１…プローブ直下の散乱光、
８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８
９，９０…信号線、１０１…散乱光集光用レンズ等の光
学系、１０２…プリアンプ、１０３，１０４…検出手段
（ロックインアンプ）、１０５…割り算回路、１１０…
駆動信号発生手段（正弦波発生器）、１１１…第三走査
手段、１１２…振幅、１２１…第一走査手段、１２２…
第二走査手段、１２０…プローブホルダ、１２３…間隙
制御回路、２３１…高濃度のｐ領域、２４１…高濃度の
ｎ領域、６２２１…フォトダイオード部。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−248043（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−198732（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−229908（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−82771（ＪＰ，Ａ) 特公 平７−27118（ＪＰ，Ｂ２) Ｑ．Ｚｈｏｎｇ，Ｄ．Ｉｎｎｉｓｓ, Ｋ．Ｋｊｏｌｌｅｒ ａｎｄ Ｖ．Ｂ. Ｅｌｉｎｇｓ、“Ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ／ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂ ｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｔａｐｐｉｎｇ ｍｏｄｅ ａ ｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓ ｃｏｐｙ”、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅ ｎｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ、1993年、第 290巻、ｐ．Ｌ688−Ｌ692 Ｎｏｒｉｏ Ｃｈｉｂａ，Ｈｉｒｏｓ ｈｉ Ｍｕｒａｍａｔｓｕ，Ｋｕｎｉｏ Ｎａｋａｊｉｍａ，Ｋａｒｓｕｎｏｒ ｉ Ｈｏｍｍａ，Ｔａｔｓｕａｋｉ Ａ ｔａｋａ ａｎｄ Ｍａｓａｍｉｃｈｉ Ｆｕｊｉｈｉｒａ、“Ｒｅｓｏｌｕｔ ｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ｏｆ ａ ｓｃａｎｎｉｎ ｇ ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃ ａｌ／ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉ ｃｒｏｓｃｏｐｅ ａｓ ａ ｆｕｎｃ ｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ−ｐｒｏ ｂｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｄｕｒｉｎｇ ｓｙｎｃｈｒｏｉｚｅｄ ｉｒｒａｄ ｉａｔｉｏｎ”、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ、1996年２月、第273巻、 ｐ．331−334 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブを、被観測物体の表面に対して
   略垂直な方向にＴ１の周期で振動させ、かつ、前記被観
   測物体と前記プローブとの少なくとも一方を、前記被観
   測物体の表面に対して略平行な方向に、前記周期Ｔ１の
   偶数倍の周期であるＴ２の周期で振動させて光検出器に
   より電気信号を検出し、 前記光検出器で検出された電気信号から周期Ｔ１に同期
   した信号成分と周期Ｔ２に同期した信号成分とを弁別
   し、 前記周期Ｔ２に同期した信号成分を前記周期Ｔ１に同期
   した信号成分で割り算して前記被観測物体像を得る こと
   を特徴とする近接視野顕微鏡による観測方法。