JP3205455B2 - 原子間力検出機構および原子間力検出型走査型近視野顕微鏡 - Google Patents
原子間力検出機構および原子間力検出型走査型近視野顕微鏡Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、物質間に働く原子間
力を利用して計測物質の形状を観察するとともに、光伝
搬体からなるプローブによって、同時に計測物質の微細
領域での光学特性を観察する走査型近視野顕微鏡に関す
る。
力を利用して計測物質の形状を観察するとともに、光伝
搬体からなるプローブによって、同時に計測物質の微細
領域での光学特性を観察する走査型近視野顕微鏡に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、走査型ト
ンネル顕微鏡（ＳＴＭ）に対して、試料の電導性の有無
にかかわらず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。このＡＦＭは、試料と
測定プローブの間に働く原子間力によって、測定プロー
ブを支持しているバネ要素がたわむことを利用した測定
法である。一般には、ＡＦＭの制御手段としては、片持
ち梁プローブの背面にレーザー光を照射して、反射光の
光軸が、片持ち梁プローブのたわみによって、変化する
ことを利用した「光てこ」という検出手段が利用されて
いる。
ンネル顕微鏡（ＳＴＭ）に対して、試料の電導性の有無
にかかわらず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。このＡＦＭは、試料と
測定プローブの間に働く原子間力によって、測定プロー
ブを支持しているバネ要素がたわむことを利用した測定
法である。一般には、ＡＦＭの制御手段としては、片持
ち梁プローブの背面にレーザー光を照射して、反射光の
光軸が、片持ち梁プローブのたわみによって、変化する
ことを利用した「光てこ」という検出手段が利用されて
いる。
【０００３】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、試料の裏面からレーザー光を試
料裏面で全反射するように照射して、試料表面にもれだ
すエバネッセント光を微動機構を有する光ファイバープ
ローブの先端を近接させることによって検出して、一定
のエバネッセント光を検出するようにプローブを走査す
るかあるいはプローブを水平に走査してエバネッセント
光の強度変化を測定することによって、表面形状を観察
する装置が提案されている。
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、試料の裏面からレーザー光を試
料裏面で全反射するように照射して、試料表面にもれだ
すエバネッセント光を微動機構を有する光ファイバープ
ローブの先端を近接させることによって検出して、一定
のエバネッセント光を検出するようにプローブを走査す
るかあるいはプローブを水平に走査してエバネッセント
光の強度変化を測定することによって、表面形状を観察
する装置が提案されている。
【０００４】また、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ずり力によって生じる振
動の振幅の変化を光ファイバー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。一方、ファイバープローブ
に、レーザー光の一部がかかるように照射して、プロー
ブの振動によって、遮光されて増減する光強度を光検出
器で検出し、プローブの振動の励起信号と検出信号の位
相変化を一定に保つことによって、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。
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ずり力によって生じる振
動の振幅の変化を光ファイバー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。一方、ファイバープローブ
に、レーザー光の一部がかかるように照射して、プロー
ブの振動によって、遮光されて増減する光強度を光検出
器で検出し、プローブの振動の励起信号と検出信号の位
相変化を一定に保つことによって、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。
【０００５】さらに、先端部を鈎状にしたガラスキャピ
ラリの最先端部に蛍光物質を詰めるとともに、鈎状部の
先端からみて裏面にプローブのたわみを光学的に検出す
るために用いる反射板を設置し、試料裏面から照射され
試料を透過した光によって、試料に近接したプローブ先
端の蛍光物質から発生し、さらに、試料を透過した光を
試料裏面で検出することによって、試料のＡＦＭ測定と
光透過性を同時に測定する装置が提案されている。
ラリの最先端部に蛍光物質を詰めるとともに、鈎状部の
先端からみて裏面にプローブのたわみを光学的に検出す
るために用いる反射板を設置し、試料裏面から照射され
試料を透過した光によって、試料に近接したプローブ先
端の蛍光物質から発生し、さらに、試料を透過した光を
試料裏面で検出することによって、試料のＡＦＭ測定と
光透過性を同時に測定する装置が提案されている。
【０００６】この他、導電性を持つ光媒体からなるプロ
ーブをＳＴＭのプローブとして用い、同時に試料の光学
的特性を測定する装置も提案されている。
ーブをＳＴＭのプローブとして用い、同時に試料の光学
的特性を測定する装置も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来のＡＦＭおよびＳ
ＴＭは、表面形状の観察には適しているが、試料の物理
的および化学的性質を測定することはできない。この試
料の性質を観察する手段として光を用いる方法が考えら
れる。
ＴＭは、表面形状の観察には適しているが、試料の物理
的および化学的性質を測定することはできない。この試
料の性質を観察する手段として光を用いる方法が考えら
れる。
【０００８】この光を用いる近視野顕微鏡のうちエバネ
ッセント光を用いる装置の場合、光強度を試料の高さ方
向の情報として用いるため、試料の高さ方向の光強度変
化と試料の光吸収による光強度変化を分離することがで
きないという欠点があり、試料の物理的および化学的な
性質を測定する手段として利用することは難しい。ま
た、試料表面の凹凸が激しい場合には、光は、試料裏面
で全反射せずに透過する場合があり、これらの透過光
が、試料表面上で干渉を起こし、測定に支障をきたす場
合がある。
ッセント光を用いる装置の場合、光強度を試料の高さ方
向の情報として用いるため、試料の高さ方向の光強度変
化と試料の光吸収による光強度変化を分離することがで
きないという欠点があり、試料の物理的および化学的な
性質を測定する手段として利用することは難しい。ま
た、試料表面の凹凸が激しい場合には、光は、試料裏面
で全反射せずに透過する場合があり、これらの透過光
が、試料表面上で干渉を起こし、測定に支障をきたす場
合がある。
【０００９】また、プローブを水平に振動させ、光軸の
ずれを測定する装置の場合、試料が光を透過する物質で
あることが必要であるのに加えて、プローブ先端が横方
向に振動するため、特に、試料表面の凹凸が激しい場合
などでは、横方向の分解能の向上には限界があるという
問題がある。
ずれを測定する装置の場合、試料が光を透過する物質で
あることが必要であるのに加えて、プローブ先端が横方
向に振動するため、特に、試料表面の凹凸が激しい場合
などでは、横方向の分解能の向上には限界があるという
問題がある。
【００１０】さらに、キャピラリを用いる装置の場合に
ついても、試料は光を透過するものである必要があると
ともに、使用する蛍光物質によって、測定可能な光の波
長が限定されてしまうという問題がある。この他、ＳＴ
Ｍと組み合わせた装置の場合、測定が可能な試料は導電
性のあるものに限られてしまうという問題がある。
ついても、試料は光を透過するものである必要があると
ともに、使用する蛍光物質によって、測定可能な光の波
長が限定されてしまうという問題がある。この他、ＳＴ
Ｍと組み合わせた装置の場合、測定が可能な試料は導電
性のあるものに限られてしまうという問題がある。
【００１１】特に、プローブを水平に振動させる構成や
光てこによる制御を行う構成の場合には、試料上面に検
出機構や制御機構が配置されるため、光を透過しない試
料の反射光測定に対しては、受光系を近接して配置でき
ないため、十分な集光効率が得られないという問題があ
る。
光てこによる制御を行う構成の場合には、試料上面に検
出機構や制御機構が配置されるため、光を透過しない試
料の反射光測定に対しては、受光系を近接して配置でき
ないため、十分な集光効率が得られないという問題があ
る。
【００１２】そこで、本発明の目的は、試料の光透過性
や導電性の有無にかかわらず、試料の表面形状および光
特性の測定を高解像度で行い、反射光の集光も高効率で
行うことができる装置を実現することにある。
や導電性の有無にかかわらず、試料の表面形状および光
特性の測定を高解像度で行い、反射光の集光も高効率で
行うことができる装置を実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、原子間力検出機構として、すくなく
とも、先端を尖鋭化したプローブ、レーザー光源、集光
レンズ、２分割光検出器から構成され、プローブの先端
付近に焦点をプローブからずらしたレーザー光線を照射
し、プローブによって分割されたレーザー光線が２分割
光検出器に照射されるように配置し、プローブの変位を
光検出器の差動信号として検出する機構を考案した。
めに、本発明では、原子間力検出機構として、すくなく
とも、先端を尖鋭化したプローブ、レーザー光源、集光
レンズ、２分割光検出器から構成され、プローブの先端
付近に焦点をプローブからずらしたレーザー光線を照射
し、プローブによって分割されたレーザー光線が２分割
光検出器に照射されるように配置し、プローブの変位を
光検出器の差動信号として検出する機構を考案した。
【００１４】さらに、原子間力検出機構として、すくな
くとも、先端を尖鋭化したプローブ、プローブを振動さ
せる手段、レーザー光源、集光レンズ、２分割光検出器
から構成され、プローブの先端付近に焦点をプローブか
らずらしたレーザー光線を照射し、プローブによって分
割されたレーザー光線が２分割光検出器に照射されるよ
うに配置し、プローブの振動の変位を光検出器の差動信
号の振幅の変化として検出する原子間力検出機構を考案
した。
くとも、先端を尖鋭化したプローブ、プローブを振動さ
せる手段、レーザー光源、集光レンズ、２分割光検出器
から構成され、プローブの先端付近に焦点をプローブか
らずらしたレーザー光線を照射し、プローブによって分
割されたレーザー光線が２分割光検出器に照射されるよ
うに配置し、プローブの振動の変位を光検出器の差動信
号の振幅の変化として検出する原子間力検出機構を考案
した。
【００１５】また、走査型近視野顕微鏡として、上記い
ずれか記載の原子間力検出機構と試料とプローブを相対
移動させる粗動機構及び微動素子と、試料とプローブ間
の距離を制御する制御手段を有し、プローブが、端部に
光を透過する透過孔を有する光伝搬媒体からなり、透過
孔部が尖鋭な先端部となるよう構成されるとともに、試
料測定に使用する光源および光学系と、試料を透過ある
いは試料に反射した光を受ける光電変換素子および光学
系と、装置全体を制御するコンピューターを有し、試料
表面の形状及び光学的特性を観察する走査型近視野顕微
鏡を考案した。
ずれか記載の原子間力検出機構と試料とプローブを相対
移動させる粗動機構及び微動素子と、試料とプローブ間
の距離を制御する制御手段を有し、プローブが、端部に
光を透過する透過孔を有する光伝搬媒体からなり、透過
孔部が尖鋭な先端部となるよう構成されるとともに、試
料測定に使用する光源および光学系と、試料を透過ある
いは試料に反射した光を受ける光電変換素子および光学
系と、装置全体を制御するコンピューターを有し、試料
表面の形状及び光学的特性を観察する走査型近視野顕微
鏡を考案した。
【００１６】さらに、上記の走査型近視野顕微鏡におい
て、原子間力検出機構内に４分割光検出器を有する走査
型近視野顕微鏡を考案した。
て、原子間力検出機構内に４分割光検出器を有する走査
型近視野顕微鏡を考案した。
【００１７】
【作用】この発明の原子間力検出機構では、プローブの
先端付近に、レーザー光を集光するとともに、この集光
の焦点をプローブからずらすことによって、レーザー光
が、プローブによって、２つに分割されるようになって
いる。２つに分割されたレーザー光の強度は、プローブ
の位置が変化することによって、変化するが、光強度の
変化量は、焦点と光検出器の距離が一定の場合、焦点か
らプローブの間の距離が短くなるほど増倍される。それ
ぞれの分割されたレーザー光は、２分割光検出器によっ
て、光強度の変化量を差動信号として検出するが、２分
割検出器による差動測定は、ノイズを除去する作用を有
している。
先端付近に、レーザー光を集光するとともに、この集光
の焦点をプローブからずらすことによって、レーザー光
が、プローブによって、２つに分割されるようになって
いる。２つに分割されたレーザー光の強度は、プローブ
の位置が変化することによって、変化するが、光強度の
変化量は、焦点と光検出器の距離が一定の場合、焦点か
らプローブの間の距離が短くなるほど増倍される。それ
ぞれの分割されたレーザー光は、２分割光検出器によっ
て、光強度の変化量を差動信号として検出するが、２分
割検出器による差動測定は、ノイズを除去する作用を有
している。
【００１８】また、原子間力検出機構におけるプローブ
の振動手段は、プローブを水平方向に走査した場合、試
料の凹凸にともなって、試料およびプローブ先端の接触
によって生じる試料およびプローブ先端間の横応力によ
って、試料表面およびプローブ先端が損傷を受けるのを
避ける作用があるとともに、片持ち梁型のプローブだけ
でなく、プローブを水平に振動させる「ずり力顕微鏡」
用のプローブにも利用できる機能がある。
の振動手段は、プローブを水平方向に走査した場合、試
料の凹凸にともなって、試料およびプローブ先端の接触
によって生じる試料およびプローブ先端間の横応力によ
って、試料表面およびプローブ先端が損傷を受けるのを
避ける作用があるとともに、片持ち梁型のプローブだけ
でなく、プローブを水平に振動させる「ずり力顕微鏡」
用のプローブにも利用できる機能がある。
【００１９】上記の原子間力検出機構に位置制御系およ
び光学系を組み合わせた走査型近視野顕微鏡によって、
原子間力による試料表面像の観察と同時に、試料の透過
光像、蛍光像の観察が可能であるとともに、高効率で反
射光を集光した反射光像の測定が可能である。また、片
持ち梁型プローブとずり力検出用プローブへの切り替え
は、２分割光検出器の位置の切り替えを行うことで可能
であるが、４分割光検出器を有することによって、特別
の切り替え機構を不要にできる。
び光学系を組み合わせた走査型近視野顕微鏡によって、
原子間力による試料表面像の観察と同時に、試料の透過
光像、蛍光像の観察が可能であるとともに、高効率で反
射光を集光した反射光像の測定が可能である。また、片
持ち梁型プローブとずり力検出用プローブへの切り替え
は、２分割光検出器の位置の切り替えを行うことで可能
であるが、４分割光検出器を有することによって、特別
の切り替え機構を不要にできる。
【００２０】
【実施例】以下図面を参照しながら、この発明による原
子間力検出機構および走査型近視野顕微鏡の実施例につ
いて説明する。 （原子間力検出機構の構成）図１は、本発明の原子間力
検出機構の模式図を示したものである。図１において、
レーザー光源１から出た光は、集光レンズ２によって、
焦点３に集光された後、ビーム径が拡大しながらプロー
ブ４に照射される。プローブ４に照射されたレーザー光
は、２つに分割されたビームとなって、２分割光検出器
５に照射される。この際、分割されたビームは、プロー
ブ４が、レーザー光の光軸に垂直な図中の矢印方向の変
位をしたときに、焦点３とプローブ４の間隔および焦点
３と光検出器５の間隔の比によって、ビーム光量が、拡
大して変化する。したがって、この２分割光検出器の差
動出力を検出することによって、プローブの微小な変位
を検出することができる。
子間力検出機構および走査型近視野顕微鏡の実施例につ
いて説明する。 （原子間力検出機構の構成）図１は、本発明の原子間力
検出機構の模式図を示したものである。図１において、
レーザー光源１から出た光は、集光レンズ２によって、
焦点３に集光された後、ビーム径が拡大しながらプロー
ブ４に照射される。プローブ４に照射されたレーザー光
は、２つに分割されたビームとなって、２分割光検出器
５に照射される。この際、分割されたビームは、プロー
ブ４が、レーザー光の光軸に垂直な図中の矢印方向の変
位をしたときに、焦点３とプローブ４の間隔および焦点
３と光検出器５の間隔の比によって、ビーム光量が、拡
大して変化する。したがって、この２分割光検出器の差
動出力を検出することによって、プローブの微小な変位
を検出することができる。
【００２１】図２は、プローブに片持ち梁プローブ６を
使用した場合の概念図を示したものである。片持ち梁プ
ローブ６の先端が、試料７の表面に近接することによっ
て生じる片持ち梁プローブ６の原子間力によるたわみを
光検出器５によって検出することができる。
使用した場合の概念図を示したものである。片持ち梁プ
ローブ６の先端が、試料７の表面に近接することによっ
て生じる片持ち梁プローブ６の原子間力によるたわみを
光検出器５によって検出することができる。
【００２２】図３は、片持ち梁プローブ６を振動させる
手段として、バイモルフ８と交流信号源９を設置した原
子間力検出機構の概念図である。振動手段により、片持
ち梁プローブ６をその共振周波数で共振させ、片持ち梁
プローブ６の先端が、試料７の先端に近接すると原子間
力によって、片持ち梁プローブ６の振動の振幅が変化す
る。したがって、光検出器の差動出力の振幅変化から、
プローブに対する原子間力の影響を検出することができ
る。
手段として、バイモルフ８と交流信号源９を設置した原
子間力検出機構の概念図である。振動手段により、片持
ち梁プローブ６をその共振周波数で共振させ、片持ち梁
プローブ６の先端が、試料７の先端に近接すると原子間
力によって、片持ち梁プローブ６の振動の振幅が変化す
る。したがって、光検出器の差動出力の振幅変化から、
プローブに対する原子間力の影響を検出することができ
る。
【００２３】図４は、プローブに、ずり力検出用プロー
ブ１０を使用した原子間力検出機構の概念図である。ず
り力検出用プローブ１０は、プローブを振動させるた
め、バイモルフ８と交流信号源９に接続されている。振
動手段により、ずり力検出用プローブ１０をその共振周
波数で共振させ、プローブの先端が、試料７の先端に近
接すると原子間力によって、プローブの振動の振幅が変
化する。したがって、光検出器の差動出力の振幅変化か
ら、プローブに対する原子間力の影響を検出することが
できる。図２および図３で示した光検出器５の検出面が
上下に分割されるのに対して、この場合は、光検出面
は、左右に分割される。
ブ１０を使用した原子間力検出機構の概念図である。ず
り力検出用プローブ１０は、プローブを振動させるた
め、バイモルフ８と交流信号源９に接続されている。振
動手段により、ずり力検出用プローブ１０をその共振周
波数で共振させ、プローブの先端が、試料７の先端に近
接すると原子間力によって、プローブの振動の振幅が変
化する。したがって、光検出器の差動出力の振幅変化か
ら、プローブに対する原子間力の影響を検出することが
できる。図２および図３で示した光検出器５の検出面が
上下に分割されるのに対して、この場合は、光検出面
は、左右に分割される。
【００２４】（走査型近視野顕微鏡の構成）図５は、本
発明の走査型近視野顕微鏡の模式図を示したものであ
る。図５において、端部に光を透過する透過孔を有する
光伝搬媒体からなり透過孔部が尖鋭な先端部と成るよう
構成された片持ち梁プローブ６はバイモルフ８に固定さ
れており、レーザー光源１からのレーザー光は、集光レ
ンズ２およびスリット１１を介して、片持ち梁プローブ
６に照射された後、４分割光検出器１２に照射される。
光特性測定用光源１３から光は、集光レンズ１４によっ
て、片持ち梁プローブ先端とは反対側の端面に入射され
る。この光は、プローブの先端から試料７の表面に照射
され、試料７から散乱した光や試料７から発生した蛍光
などは、レンズ１５で平行光にされ、ミラー１６および
フィルター１９を介して、光電変換素子２０に導入され
るか、あるいは、試料上面に、設置した光電変換素子２
１にレンズ２３、フィルター２２を介して導入される。
４分割光検出器からの信号は、装置全体を制御するコン
ピューター２４に接続され、コンピューター２４によっ
て、試料７、レンズ１５、ミラー１６を保持している微
動機構１７と粗動機構１８を制御することで、プローブ
の先端と試料表面の間の距離が制御される。試料とプロ
ーブを２次元的に走査し、この時の制御信号から、表面
形状像を観測し、同時に、光電変換素子２０あるいは２
１からの信号によって、光像を得ることができる。
発明の走査型近視野顕微鏡の模式図を示したものであ
る。図５において、端部に光を透過する透過孔を有する
光伝搬媒体からなり透過孔部が尖鋭な先端部と成るよう
構成された片持ち梁プローブ６はバイモルフ８に固定さ
れており、レーザー光源１からのレーザー光は、集光レ
ンズ２およびスリット１１を介して、片持ち梁プローブ
６に照射された後、４分割光検出器１２に照射される。
光特性測定用光源１３から光は、集光レンズ１４によっ
て、片持ち梁プローブ先端とは反対側の端面に入射され
る。この光は、プローブの先端から試料７の表面に照射
され、試料７から散乱した光や試料７から発生した蛍光
などは、レンズ１５で平行光にされ、ミラー１６および
フィルター１９を介して、光電変換素子２０に導入され
るか、あるいは、試料上面に、設置した光電変換素子２
１にレンズ２３、フィルター２２を介して導入される。
４分割光検出器からの信号は、装置全体を制御するコン
ピューター２４に接続され、コンピューター２４によっ
て、試料７、レンズ１５、ミラー１６を保持している微
動機構１７と粗動機構１８を制御することで、プローブ
の先端と試料表面の間の距離が制御される。試料とプロ
ーブを２次元的に走査し、この時の制御信号から、表面
形状像を観測し、同時に、光電変換素子２０あるいは２
１からの信号によって、光像を得ることができる。
【００２５】本発明の装置においては、試料下面の集光
効率は、開口数０．７に相当する。また、試料上面での
集光効率も、開口数０．７を達成でき、従来の方法に対
して大幅に改善することができた。さらに、片持ち梁型
プローブの代わりに、光伝搬媒体からなり中心部に透過
孔を有する「ずり力」検出用プローブを設置することに
よって、ずり力顕微鏡による形状像と光像の観察を行う
こともできる。本装置は、４分割光検出器を使用してい
るため、そのまま検出機構を利用することができる。
尚、２分割光検出器を用いる場合には、光検出器を９０
゜回転させる機構を設置することによって、プローブの
変更に対応することができる。この光検出器としては、
本実施例では、フォトダイオードを用いた。
効率は、開口数０．７に相当する。また、試料上面での
集光効率も、開口数０．７を達成でき、従来の方法に対
して大幅に改善することができた。さらに、片持ち梁型
プローブの代わりに、光伝搬媒体からなり中心部に透過
孔を有する「ずり力」検出用プローブを設置することに
よって、ずり力顕微鏡による形状像と光像の観察を行う
こともできる。本装置は、４分割光検出器を使用してい
るため、そのまま検出機構を利用することができる。
尚、２分割光検出器を用いる場合には、光検出器を９０
゜回転させる機構を設置することによって、プローブの
変更に対応することができる。この光検出器としては、
本実施例では、フォトダイオードを用いた。
【００２６】以上述べてきた装置において、光電変換素
子２０あるいは２１としては、フォトマルチプライヤ
ー、フォトダイオード、フォトダイオードアレイあるい
はＣＣＤイメージセンサーが使用可能である。必要に応
じて、光電変換素子の前面に、光学フィルターやグレー
ティングなどの分散素子を設置することによって、波長
情報の観察が可能である。また、光源１３としては、半
導体レーザー、ＨｅＮｅレーザー、Ａｒレーザー、窒素
レーザー、ＹＡＧレーザーなどのレーザー光源の他、通
常の白色光源およびモノクロメーターを使用することも
できる。検出される光が微弱になる場合には、光源から
出力する光に変調をかけ、検出信号から同期した成分を
取り出しノイズを除去することによって、感度を向上さ
せることもできる。半導体レーザーの場合は、レーザー
素子に流れる電流をパルス制御することによって変調を
かけることができる。その他の光源の場合は、メカニカ
ルライトチョッパー、ＥＯモジュレーター（電気光学変
調器）またはＡＯモジュレーター（音響光学変調器）を
使用することによって、変調をかけることができる。微
動機構１７としては、長さ１００ｍｍ，外径１０ｍｍ、
肉圧１ｍｍの円筒状の圧電セラミクスを使用した。この
微動素子の動作範囲は、ＸＹ方向に、それぞれ、１５０
μｍ、Ｚ方向に、５μｍであった。プローブと試料の間
を振動させる手段としては、図３に示した手段に限ら
ず、微動機構１７のＺ方向の動作によって、振動させる
こともできる。また、微動機構１７に、さらに、試料に
Ｚ方向の振動を与えるためのバイモルフを別途付加する
ことも可能である。
子２０あるいは２１としては、フォトマルチプライヤ
ー、フォトダイオード、フォトダイオードアレイあるい
はＣＣＤイメージセンサーが使用可能である。必要に応
じて、光電変換素子の前面に、光学フィルターやグレー
ティングなどの分散素子を設置することによって、波長
情報の観察が可能である。また、光源１３としては、半
導体レーザー、ＨｅＮｅレーザー、Ａｒレーザー、窒素
レーザー、ＹＡＧレーザーなどのレーザー光源の他、通
常の白色光源およびモノクロメーターを使用することも
できる。検出される光が微弱になる場合には、光源から
出力する光に変調をかけ、検出信号から同期した成分を
取り出しノイズを除去することによって、感度を向上さ
せることもできる。半導体レーザーの場合は、レーザー
素子に流れる電流をパルス制御することによって変調を
かけることができる。その他の光源の場合は、メカニカ
ルライトチョッパー、ＥＯモジュレーター（電気光学変
調器）またはＡＯモジュレーター（音響光学変調器）を
使用することによって、変調をかけることができる。微
動機構１７としては、長さ１００ｍｍ，外径１０ｍｍ、
肉圧１ｍｍの円筒状の圧電セラミクスを使用した。この
微動素子の動作範囲は、ＸＹ方向に、それぞれ、１５０
μｍ、Ｚ方向に、５μｍであった。プローブと試料の間
を振動させる手段としては、図３に示した手段に限ら
ず、微動機構１７のＺ方向の動作によって、振動させる
こともできる。また、微動機構１７に、さらに、試料に
Ｚ方向の振動を与えるためのバイモルフを別途付加する
ことも可能である。
【００２７】このようにして構成した装置において、試
料下方の検出器で測定する場合は、ＡＦＭ像の観察と同
時に、光透過性および蛍光の２次元情報の測定が可能で
あった。情報の検出器で測定する場合は、試料表面の光
反射率および蛍光の測定が可能であった。測定の分解能
は、ＡＦＭ像では１ｎｍ、２次元光学情報では２０ｎｍ
が達成可能である。
料下方の検出器で測定する場合は、ＡＦＭ像の観察と同
時に、光透過性および蛍光の２次元情報の測定が可能で
あった。情報の検出器で測定する場合は、試料表面の光
反射率および蛍光の測定が可能であった。測定の分解能
は、ＡＦＭ像では１ｎｍ、２次元光学情報では２０ｎｍ
が達成可能である。
【００２８】本実施例では、プローブ側を固定し、試料
側に動作手段を有する装置について述べたが、プローブ
側に動作手段を有し、試料側を固定するタイプの装置を
構成することも可能である。
側に動作手段を有する装置について述べたが、プローブ
側に動作手段を有し、試料側を固定するタイプの装置を
構成することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】本発明の装置によって、試料の光透過性
や導電性の有無にかかわらず、高解像度で試料の表面形
状および光特性の測定が可能な装置を実現することがで
き、特に、反射光を高効率で測定することが可能になっ
た。
や導電性の有無にかかわらず、高解像度で試料の表面形
状および光特性の測定が可能な装置を実現することがで
き、特に、反射光を高効率で測定することが可能になっ
た。
【図１】本発明の原子間力検出機構の原理図である。
【図２】本発明の原子間力検出機構のうち片持ち梁プロ
ーブを使用する概念図である。
ーブを使用する概念図である。
【図３】本発明の原子間力検出機構のうち共振機構を有
する片持ち梁プローブを使用する概念図である。
する片持ち梁プローブを使用する概念図である。
【図４】本発明の原子間力検出機構のうちずり力検出用
プローブを使用する概念図である。
プローブを使用する概念図である。
【図５】本発明の走査型近視野顕微鏡の構成図である。
１ レーザー光源 ２ 集光レンズ ４ プローブ ５ ２分割光検出器 ６ 片持ち梁型プローブ ７ 試料 ８ バイモルフ １０ ずり力検出用プローブ １２ ４分割光検出器 １３ 光源 １４ 集光レンズ １７ 微動機構 １８ 粗動機構 ２０，２１ 光電変換素子 ２４ コンピューター
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−210304（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−174542（ＪＰ，Ａ) Ｓｈｍｕｅｌ Ｓｈａｌｏｍ，Ｋｌｏ ｎｙ Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ，Ａａｒｏｎ Ｌｅｗｉｓ，ａｎｄ Ｓｉｄｎｅｙ Ｒ．Ｃｏｈｅｎ、“Ａｍｉｃｒｏｐｉｐ ｅｔｔｅ ｆｏｒｃｅ ｐｒｏｂｅ ｓ ｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｎｅａｒ−ｆ ｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉ ｂａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”、Ｒｅ ｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ａｍｅｒｉ ｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐ ｈｙｓｉｃｓ、1992年、第63巻、第９ 号、ｐ．4061−4065 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G01B 11/00 - 11/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (3)
- 【請求項１】 すくなくとも、先端を尖鋭化したプロー
ブ、レーザー光源、集光レンズ、２分割光検出器から構
成される原子間力検出機構において、前記プローブにレ
ーザー光を照射する際に、前記レーザー光が前記集光レ
ンズによって集光した焦点から、レ−ザ−光がプロ−ブ
によって分割されるだけずれた位置にプローブを配置
し、プローブによって２つに分割されたレーザー光が、
２分割光検出器に照射されるように光検出器を配置する
ことで、プローブが試料表面に近接したときのプローブ
の変位を光検出器の差動信号としてとらえることを特徴
とする原子間力検出機構。 - 【請求項２】 すくなくとも、先端を尖鋭化したプロー
ブ、プローブを振動させる手段、レーザー光源、集光レ
ンズ、２分割光検出器から構成される原子間力検出機構
において、前記プローブにレーザー光を照射する際に、
前記レーザー光が前記集光レンズによって集光した焦点
から、レ−ザ−光がプロ−ブによって分割されるだけず
れた位置にプローブの先端付近を配置し、プローブによ
って２つに分割されたレーザー光が、２分割光検出器に
照射されるように光検出器を配置することで、プローブ
が試料表面に近接したときのプローブの振動の変位を光
検出器の差動信号の振幅の変化としてとらえることを特
徴とする原子間力検出機構。 - 【請求項３】 上記請求項１，２いずれか記載の原子間
力検出機構と試料とプローブを相対移動させる粗動機構
及び微動素子と、試料とプローブ間の距離を制御する制
御手段を有し、プローブが、端部に光を透過する透過孔
を有する光伝搬媒体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部
となるよう構成されているとともに、試料測定に使用す
る光源および光学系と、試料を透過あるいは試料に反射
あるいは試料から放射した光を受ける光電変換素子およ
び光学系と、装置全体を制御するコンピューターを有
し、試料表面の形状及び光学的特性を観察する構成であ
ることを特徴とする走査型近視野顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05224994A JP3205455B2 (ja) | 1994-03-23 | 1994-03-23 | 原子間力検出機構および原子間力検出型走査型近視野顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05224994A JP3205455B2 (ja) | 1994-03-23 | 1994-03-23 | 原子間力検出機構および原子間力検出型走査型近視野顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07260805A JPH07260805A (ja) | 1995-10-13 |
| JP3205455B2 true JP3205455B2 (ja) | 2001-09-04 |
Family
ID=12909467
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05224994A Expired - Fee Related JP3205455B2 (ja) | 1994-03-23 | 1994-03-23 | 原子間力検出機構および原子間力検出型走査型近視野顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3205455B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6466537B1 (en) * | 1998-03-20 | 2002-10-15 | Seiko Instruments Inc. | Recording apparatus |
| CN111595787B (zh) * | 2020-06-08 | 2023-01-06 | 河北大学 | 基于光声谐振探测的太赫兹气体检测系统及方法 |
-
1994
- 1994-03-23 JP JP05224994A patent/JP3205455B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｓｈｍｕｅｌ Ｓｈａｌｏｍ，Ｋｌｏｎｙ Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ，Ａａｒｏｎ Ｌｅｗｉｓ，ａｎｄ Ｓｉｄｎｅｙ Ｒ．Ｃｏｈｅｎ、"Ａｍｉｃｒｏｐｉｐｅｔｔｅ ｆｏｒｃｅ ｐｒｏｂｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｂａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ"、Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、１９９２年、第６３巻、第９号、ｐ．４０６１−４０６５ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07260805A (ja) | 1995-10-13 |
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