JP3754830B2 - Near-field optical microscope - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は試料表面の形状・光学情報をナノメートルの分解能で観察可能な顕微鏡装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、STM(走査型トンネル顕微鏡)やAFM(原子間力顕微鏡)に代表されるSPM(走査型プローブ顕微鏡)技術の進展により、先端を尖らせたプローブを試料に対して100nm以下の距離まで近づけることにより、顕微鏡としての分解能を飛躍的に向上させることが可能となり、原子や分子サイズのものを観察できるようになった。
光に関してもSPMのファミリーとして、尖鋭な光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネッセント光を利用して試料表面状態を調べる近接場光学顕微鏡(以下SNOMと略す)[EPO112401,Durig他,J.Appl.Phys.vol.59,p.3318(1986)]や、試料裏面からプリズムを介して全反射の条件で光を入射させ、試料表面へしみ出すエバネッセント光を試料表面から光プローブで検出して試料表面を調べるフォトンSTM(以下PSTMと略す)[Reddick他,Phys.Rev.B vol.39,p.767(1989)]も開発された。
上記SNOMを用いることにより、100nm以下の微小な領域にアクセスし、光学的情報を検出することができる。
SNOMを用いて不透明試料を観察する場合、微小開口を有する光プローブから滲み出すエバネッセント光を試料のおもて面側から照射し、試料からの反射散乱光を光プローブを通さずに直接、光検出器で斜め方向から検出する反射型斜方向光検出構成をとることが多い。これは、試料からの反射散乱光を再度光プローブの微小開口を通すと、光強度がきわめて低下するためである。
【0003】
さて、上述の反射型斜方向光検出構成のSNOMにおいて、微小開口から滲み出すエバネッセント光の強度は開口からの距離に対して指数関数的に減少するので、試料表面に対して光プローブ先端を100nm以下の距離に近づいた状態で一定の距離に保つように制御を行う必要がある。
このための距離制御方式として、
(1)試料面の法線方向と垂直な方向に光プローブを微小振動させ、光プローブ先端が試料表面から受けるファンデルワールス力による振動振幅の減少を一定にするように距離制御を行うシアーフォース方式、
(2)光プローブ及び試料が導電性を有する場合に、両者の間に電圧を印加し、間に流れるトンネル電流の大きさが一定になるように距離制御を行うSTM方式、
(3)光プローブを試料面の法線方向に弾性変形可能な弾性体で支持し、光プローブ先端と試料表面との間に作用するファンデルワールス力により生じる弾性体の弾性変形量が一定になるように距離制御を行うAFM方式、
等が用いられることが多い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述の反射型斜方向光検出構成のSNOMにおいて、検出空間分解能を向上させるためには、光プローブ先端の微小開口のサイズを小さくすることが有効である。しかしながら、このようなSNOMにおいては、サイズが小さくなるにつれて、微小開口から滲み出すエバネッセント光の強度が小さくなるので、反射散乱光強度も小さくなり、検出信号S/N比が低下し、SNOM観察像の画質が劣化する。
そのため、反射散乱光強度を増大させるには、光プローブ−試料間の距離を10nm以上に設定することが有効であるが、上述した従来の距離制御方式のものにおいては、いずれも最適な距離制御範囲が10nm以下であり、これ以上離れた距離(10〜100nm)における制御には適していないという点に問題があった。
【0005】
そこで、本発明は、光プローブ−試料間の距離を10nm以上に設定することができ、反射散乱光強度を増大させて検出信号S/N比及び観察像の画質の向上を図ることのできる近接場光学顕微鏡を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、近接場光学顕微鏡をつぎのように構成したことを特徴とするものである。
すなわち、本発明の近接場光学顕微鏡は、先端に微小開口を有する光プローブを備え、該微小開口を試料表面に近接させて対向するように配置し、該試料表面と該光プローブとを該試料の面内方向に相対的に2次元走査し、光源から入射された光によって該光プローブの微小開口から該試料表面側にエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光の散乱光の強度を光検出手段によって検出して、該試料表面を観察する近接場光学顕微鏡であって、
該試料表面と該光プローブとの間の距離を調整する距離調整手段と、
該散乱光が該プローブ先端および該試料によって遮られることにより減少する散乱光強度を一定にするように該距離調整手段を制御するフィードバック制御手段と、
前記散乱光強度に変調成分を重畳させるため前記光プローブと前記試料との距離を高速変調する高速変調手段と、
該高速変調による前記散乱光強度の変調成分の大きさから該試料表面の形状情報と反射率情報とを分離する形状・反射率情報分離手段と、
を有することを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡は、前記距離調整手段は、光プローブと試料表面との間の距離制御を100nm以下の領域内で行う距離調整手段であることを特徴としている
た、本発明の近接場光学顕微鏡は、前記光源が互いに波長の異なる複数の光を発生する光源によって構成されるとともに、前記光検出手段が複数の光検出手段によって構成され、
該光源によるエバネッセント光の波長の異なる複数の散乱光を分離する光波長分離手段と、
該波長分離手段によって分離された該複数の散乱光の強度を、該複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出し、該独立に検出された散乱光の強度に基づいて該試料表面の色情報を分離する色情報分離手段と、を有することを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡は、前記光検出手段が複数の光検出手段によって構成され、
前記エバネッセント光の散乱光と前記エバネッセント光が試料表面を励起することによって生じる発光を分離する光波長分離手段を有し、
該光波長分離手段により分離された該エバネッセント光の散乱光と該発光の強度を、該複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出することを特徴としている。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記した試料表面と該光プローブとの間の距離を調整する距離調整手段と、該散乱光が該プローブ先端および該試料によって遮られることにより減少する散乱光強度を一定にするように該距離調整手段を制御するフィードバック制御手段とによって、光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネッセント光の散乱光強度が所定値より大きい場合は、試料に対して光プローブを近づけ、逆に所定値より小さい場合は、試料に対して光プローブを遠ざけるように光プローブ−試料間の距離制御を行うことにより、光プローブ−試料間の距離を10nm以上に設定することが可能となり、これによって反射散乱光強度を増大させることができ、検出信号S/N比を向上させ、SNOM観察像の画質を向上させるようにした近接場光学顕微鏡において、高速変調手段によって散乱光強度に変調成分を重畳させ、形状・反射率情報分離手段によってこの変調成分の大きさから試料表面の形状情報と反射率情報とを分離するように構成して、形状情報と反射率情報とを分離した観察像を得るようにすることができる。
また、本発明においては、波長分離手段によって分離されたエバネッセント光の波長の異なる複数の散乱光の強度を、複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出し、色情報分離手段によって該独立に検出された散乱光の強度に基づいて試料表面の色情報を分離するように構成して、色情報を分離した観察像を得るようにすることができる。
また、本発明においては、光波長分離手段によってエバネッセント光の散乱光とエバネッセント光が試料表面を励起することによって生じる発光の強度を分離し、それらを複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出するように構成して、微弱な発光部分の観察像を得るようにすることができる。
【0008】
【実施例】
以下に、本発明の実施例及び参考例1について説明する。
参考例1
図1は本発明の近接場光学顕微鏡の参考例1の装置構成を示す図面である。図1において、先端に100nm以下のサイズの微小な開口を有する光プローブ101が試料102表面に対して100nm以下の距離まで近づけられている。光プローブ101にはピエゾ素子A115が取り付けられ、試料102に対する光プローブ101の距離を制御できるようになっている。
光プローブ101の他端には、光アダプタ103を介して光ファイバ104が接続されており、レーザA105から出射されるレーザ光がレンズA106を通して光ファイバ104内に導入されている。
【0009】
光プローブ101先端の微小開口から滲み出るエバネッセント光の散乱光をレンズD107を用いて集光し、ミラー108を介して干渉フィルタA109を通して光検出器A110で検出する。
光プローブ101先端の微小開口から滲み出るエバネッセント光が散乱される様子の詳細を図2に示す。図2において、201は光プローブ、202は入射レーザ光208を遮光するための厚さ100nm程度の金属コーティング膜、203は光プローブ201先端部分のみ金属コーティング膜202が存在しないようにするか、あるいは、厚さを30nm以下と薄くすることによって設けた微小開口、204は試料、205はエバネッセント光、206はエバネッセント光の散乱光、207は光検出器である。
【0010】
ここで、光プローブ101は次のように作製する。例えば、局所的に加熱した状態で延伸し切断したり、フッ酸緩衝液を用いて化学エッチングを行ったりして光ファイバの一端を尖鋭化する。これを回転させながら横方向から遮光用の金属コーティングを行なって先端にコーティングの薄い、または、コーティングがなされないようにして微小開口を設けてもよいし、全体に金属コーティング202を行った後、表面張力を利用して先端のみ膜厚が薄くなるようアクリル樹脂等でコーティングを行ったのち、金属コーティングのエッチングを行うことによって微小開口を設けてもよい。
微小開口203のサイズが100nm以下と光波長よりも小さい場合、入射レーザ光208が微小開口203を直接通り抜けることはほとんどないが、微小開口203から距離が300nm程度以下の近傍にはエバネッセント光205として滲み出している。このエバネッセント光205の強度は微小開口203からの距離に対して指数関数的に減衰する性質を有するため、微小開口203に近傍にのみ局在するきわめて絞られた光のプローブとみなすことができる。
【0011】
図2に示すように、微小開口203から滲み出たエバネッセント光205は、光プローブ201先端で散乱されて伝搬光に変換され、光検出器207に向かう直接散乱光209と、いったん試料204表面で反射・散乱されて伝搬光に変換され、光検出器207に向かう反射散乱光210とが合成された散乱光206として光検出器207で検出される。
反射散乱光210の強度やスペクトルには、試料204表面の局所的な凹凸構造や反射・吸収に関する性質が含まれるため、これを検出することにより、試料204表面の波長以下の微小領域の形状情報や光学情報を得ることができる。
光検出器207には直接散乱光209と反射散乱光210とが合成されて入射する。
【0012】
試料204に対する光プローブ201の距離を変化させたときの光検出器207の検出光強度信号の大きさが変化する様子を図3に示す。
距離zが大きい場合は、図3中のA→B点に示すように検出光強度信号は、ほぼ一定値を示し、直接散乱光と反射散乱光の干渉による周期的変動が重畳した信号となる。この干渉の周期は、用いる光波長および装置配置、すなわち試料面に対する光検出方向の角度(図2中のθ)および集光のためのレンズD(図1中の107)の開口径で異なるものであるが、だいたい用いているレーザ光の波長のオーダーとなる。
【0013】
光プローブと試料の距離が近づき、z<zn(zn〜300nm)の近接場領域では、試料面が微小開口から滲み出すエバネッセント光強度の大きい領域に入るため、試料面による反射散乱光強度が増大し、B→C→D点に示すように検出光強度信号がいったん増大し、極大値(D点)を取る。
さらに距離が100nm以下まで近づくと(z<100nm)、光検出器から見て、光プローブと試料によって散乱光が遮られるため、D→E→F→G点に示すように検出光強度が急激に減少する。F→G点は、図4に示すように光プローブ401と試料402との距離が0(接触点:G点)に近づき、試料401表面によって微小開口403がほとんど塞がれ、散乱光の大半が遮られている状態である。
【0014】
本発明は、図3のD→E→F→G点に示すように、光プローブが試料表面に対して近づく場合に検出光強度が減少し、逆に遠ざかる場合に検出光強度が増大するような、距離が100nm以下の領域内で、光プローブと試料表面との間の距離制御を行うことを特徴としている。この距離制御の詳細を図1を用いて説明する。
エバネッセント光散乱光を検出した光検出器A110の光電流信号Aを光電流電圧変換器A111で光強度信号Aに変換し、誤差検出器112に入力する。誤差検出器112において、光強度信号Aを一定に保つために、所定の光強度に対応した光強度信号設定値との差を算出する。この結果をローパスフィルタA113に入力して高周波数成分をカットした出力信号をフィードバック信号として、増幅器A114で増幅後、ピエゾ素子駆動信号として、ピエゾ素子A115に印加する。
このフィードバック信号は、光プローブ先端および試料表面から散乱されるエバネッセント光散乱光の大きさを一定にするように光プローブと試料表面との間の距離を一定に保つためにピエゾ素子Aを駆動する信号であるため、光プローブ先端が位置する試料表面の局所的な凹凸構造等の形状情報や反射・吸収等の光学情報を反映したものとなる。
【0015】
ここで、この駆動信号の極性は、光強度信号Aが光強度信号設定値より大きい場合には、試料102に対して光プローブ101を近づける方向にピエゾ素子A115を駆動し、光強度信号Aが光強度信号設定値より小さい場合には、試料102に対して光プローブ101を遠ざける方向にピエゾ素子A115を駆動するように設定する。
以上説明したようなフィードバック制御を行うことにより、光プローブ101と試料102との距離を一定に保つことが可能となる。
ここで、はじめに試料102に対して遠く(図3におけるA→B点,z>zn)から光プローブ101を近づけていくとき、誤差検出器112における光強度信号設定値としては、遠く(A→B点,z>zn)からD点(z〜100nm)まで距離を近づけていく間に光強度が最小となるC点に対応する光強度より小さい光強度(例えば、図3におけるE点の光強度)に対応した設定値を選択する。これは、z<100nmの領域でフィードバック制御が行われるようにするためである。
【0016】
上記のような手順により、z<100nmの領域でフィードバック制御が行われている状態で、次に、誤差検出器112に入力する光強度信号設定値を変化させると、D〜E〜F〜G点の間で自由に光強度信号の大きさを変化させることができ、この光強度信号の大きさに対応した距離(z<100nm)に自由に光プローブと試料との間の距離を一定に保つことができる。
はじめに試料に対して遠く(A→B点,z>zn)から光プローブを近づけていくとき、光強度信号設定値として、C点に対応する光強度より大きい光強度(例えば、B’点の光強度)を選択すると、試料に対して光プローブを近づけていくとき、z<100nmの領域の点(B’点)ではなく、z>100nmの領域の点(B点)でフイードバック制御が行われてしまうため、光プローブと試料との距離が大きくなってしまい、近接場光学顕微鏡としての横分解能が低下してしまうので好ましくない。
【0017】
さて、上記に説明したような方法で、光プローブと試料との間の距離制御を行った状態で、ローパスフィルタA113からの出力されるフィードバック信号をコンピュータ116に入力する。コンピュータ116から増幅器B117を通して、ステージ駆動信号を試料102を取り付けた2次元ステージ118に印加し、光プローブ101に対する試料102の2次元相対走査を行う。コンピュータ116では、2次元走査中の試料102に対する光プローブ101の各位置におけるフィードバック信号の大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像として、ディスプレイ119に表示する。
【0018】
[実施例
図5は本発明の近接場光学顕微鏡の実施例の装置構成を示す図面である。図5において、装置の基本構成及び動作は参考例1とほぼ同じである。
実施例に特有の構成として、光プローブ101に対し、第1のピエゾ素子A115に加えて、第2のピエゾ素子B501が取り付けられている。発振器502から出力される変調信号を増幅器C503で増幅後、距離変調信号としてピエゾ素子B501に印加し、光プローブ101と試料102との間の距離を高速に変調する。この距離変調により、光プローブ101先端及び試料102表面から散乱されるエバネッセント光散乱光には距離変調と同じ周波数の光強度変調が加わる。
光電流電圧変換器A111から出力される光強度信号AをローパスフィルタB504及びハイパスフィルタ505に入力する。ローパスフィルタB504において、上記の高速変調成分を取り除いた低周波数成分を誤差検出器112に入力し、以降、参考例1と同様の光プローブ101と試料102との間の距離制御を行う。
また、ハイパスフィルタ505において、上記の高速変調成分のみ取り出し、同期検出器506に入力し、発振器502からの変調信号を参照信号として同期検出を行い、高速変調成分の振幅を出力する。この変調成分振幅信号及びローパスフィルタA113から出力されるフィードバック信号を形状・反射率情報分離器507に入力し、形状情報信号及び反射率情報信号に分離し、この結果をコンピュータ116に入力する。コンピュータ116では、2次元走査中の試料102に対する光プローブ101の各位置における形状情報信号及び反射率情報信号の大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像として、ディスプレイ119に表示する。
【0019】
上記の形状情報信号及び反射率情報信号の分離の原理及び、図5の各部分における信号波形を図6及び図7を用いて説明する。
参考例1で説明した光プローブと試料間の距離制御方法を用いた場合の試料102表面に対する光プローブ101走査時の光プローブ先端の軌跡を図6aに示す。図に示すように試料102表面には凸部分601、凹部分602、高反射率部分603、低反射率部分604が含まれているとする。
図6aに示すように、参考例1で説明した距離制御方法では、凸部分601と低反射率部分604では試料102に対して光プローブ101が離れる方向に制御が行われ、凹部分602と高反射率部分603では試料102に対して光プローブ101が近づく方向に制御が行われる。このため、フィードバック信号だけでは、形状情報と反射率情報とを分離することができない。
そこで、図5で説明した距離制御を行うと、図6bに示すように、光プローブ101と試料102との距離が高速に変調された状態で試料102表面に対する光プローブ101走査が行われる。
【0020】
フィードバック信号波形を図6c、距離変調信号を図6dに示す。このとき、ハイパスフィルタ505から出力される光強度信号Aの高速変調成分波形は、図6eのように凸部分や凹部分では変調成分の振幅が変化しないのに対し、高反射率部分では振幅が増大し、低反射率部分では振幅が減少する。これは、図7に示すように、光プローブと試料表面との間の距離に対する同一振幅の変調に対し、反射率の異なる部分では検出光強度信号に加わる変調振幅が異なるためである。例えば、高反射率部分では、光強度信号変調振幅(A)が大きいのに比べ、低反射率部分では光強度信号変調振幅(C)が小さくなっている。
【0021】
ここで、図7は、反射率の異なる部分における光プローブと試料表面との間の距離に対する検出光強度信号の大きさを示す。
図7における横軸の距離範囲は、図3におけるG〜F〜E〜D(z<100nm)の部分に対応しており、光プローブと試料表面との間の距離に対する検出光強度信号がほぼ直線状の特性を有している部分を抽出している。
このとき同期検出器506の出力波形は図6fに示したものとなり、これが表面の反射率情報を表わしている。さて、形状・反射率情報分離器507において、フィードバック信号(図6c)に対し、同期検出器506出力信号(図6f)を所定の係数を乗じて加算することにより、形状情報信号(図6g)が得られる。ここで、所定の係数の大きさは、あらかじめ形状・反射率情報がわかっている標準試料を測定することにより求めるようにする。
以上説明したように、光プローブと試料表面との間の距離に高速変調を加えて光強度信号に重畳させた変調成分を同期検出で分離することにより、フィードバック信号から形状情報と反射率情報を分離することができ、近接場光学顕微鏡像において、形状情報と反射率情報を分離した像を得ることができた。
【0022】
参考例2
図8は本発明の近接場光学顕微鏡の参考例2の装置構成を示す図面である。
図8において、装置の基本構成及び動作は参考例1とほぼ同じである。
参考例2に特有の構成として、光プローブ101に光を入射させるためのレーザとして、レーザA105以外に、レーザB801、レーザC802を加える。ここで、レーザA(105)、B(801)、C(802)は互いに光波長が異なるものとする。例えば、レーザAとして波長635nmの赤色半導体レーザ、レーザBとして波長532nmの半導体レーザ励起の固体レーザ、レーザCとして波長410nmの青色半導体レーザを用いれば、後述するようにRGB3色における分光測定が可能となる。
レーザA105、レーザB801、レーザC802からの出射光をそれぞれ、レンズA106、レンズB803、レンズC804を通して3×1の光カプラ814に入射させる。光カプラ814の他端は光アダプタ103を介して光プローブ101に接続されており、光プローブ101に複数の波長の光が入射されている。
光プローブ101先端および試料102表面から散乱されるエバネッセント光散乱光は、ビームスプリッタA805およびB806によって3分割され、それぞれ、レーザA105の波長の干渉フィルタA109、レーザB801の波長の干渉フィルタB807、レーザC802の波長の干渉フィルタC808を通して、光検出器A110、光検出器B809、光検出器C810で検出される。
【0023】
光検出器A110、光検出器B809、光検出器C810からそれぞれ出力される光電流信号A、光電流信号B、光電流信号Cはそれぞれ光電流電圧変換器A111、光電流電圧変換器B811、光電流電圧変換器C812に入力され、光強度信号A、光強度信号B、光強度信号Cに変換される。このうち、光強度信号Aは誤差検出器112に入力され、以降、参考例1と同様の光プローブ101と試料102との間の距離制御を行う。
光強度信号B、光強度信号Cは色情報分離器813に入力され、ローパスフィルタA113から出力されるフィードバック信号と合わせて、レーザA105の波長における反射率を表す色情報信号A、レーザB801の波長における反射率を表す色情報信号B、レーザC802の波長における反射率を表す色情報信号Cに分離し、この結果をコンピュータ116に入力する。コンピュータ116では、2次元走査中の試料102に対する光プローブ101の各位置における各色情報信号A、B、Cの大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像として、ディスプレイ119に表示する。
【0024】
上記の各色情報信号の分離の原理及び、図8の各部分における信号波形を図9を用いて説明する。
参考例1で説明した光プローブと試料間の距離制御方法を用いた場合の試料102表面に対する光プローブ101走査時の光プローブ先端の軌跡を図9aに示す。図に示すように試料102表面には高反射率部分901、低反射率部分902、色の異なる部分A903、色の異なる部分B904が含まれているとする。
ここで、高反射率部分901と低反射率部分902は、レーザA(105)、B(801)、C(802)の各光波長に対して同じ比率で反射率が異なる部分であるとする。また、色の異なる部分A903はレーザAおよびレーザBの光波長に対して反射率が低く(レーザCの光波長に対しては反射率が普通)、色の異なる部分B904はレーザBの光波長に対して反射率が低く、レーザCの光波長に対しては反射率が高い(レーザAの光波長に対しては反射率が普通)ものとする。
【0025】
図9aに示すように、参考例1で説明した距離制御方法において、距離制御にレーザAの波長の光を用いた場合、高反射率部分901では試料102に対して光プローブ101が近づく方向に制御が行われ、レーザAの波長の光に対して低い反射率を示す低反射率部分902と色の異なる部分A903では試料102に対して光プローブ101が遠ざかる方向に制御が行われ、色の異なる部分B904では両者の中間の制御が行われる。このため、フィードバック信号だけでは、各色情報を分離することができない。
そこで、図8で説明した距離制御および信号検出を行ない、このときのフィードバック信号波形を図9b、光強度信号Bを図9c、光強度信号Cを図9dに示す。さて、色情報分離器813において、フィードバック信号(図9b)を反転させて色情報信号A(図9e)を得る。さらに、光強度信号B(図9c)、光強度信号C(図9d)からフィードバック信号(図9b)をそれぞれ所定の係数を乗じて減算することにより、色情報信号B(図9f)、色情報信号C(図9g)が得られる。ここで、所定の係数の大きさは、あらかじめ色情報がわかっている標準試料を測定することにより求めるようにする。
以上説明したように、異なる波長の複数の光に対してエバネッセント光散乱光強度をそれぞれ独立に検出し、そのうちの一つの波長の光強度を一定にするように制御を行なうことにより、そのフィードバック信号と他の波長の光強度信号とから各色情報信号を分離することができ、近接場光学顕微鏡像において、色情報を分離した像を得ることができた。
【0026】
参考例3
図10は本発明の近接場光学顕微鏡の参考例3の装置構成を示す図面である。図10において、装置の基本構成及び動作は参考例1とほぼ同じである。
参考例3に特有の構成として、光プローブ101先端から滲み出るエバネッセント光により、試料102表面を局所的に励起した部分からの局所的発光(蛍光や燐光等)を光プローブ101先端や試料102表面からのエバネッセント光散乱光と同時にレンズD107を用いて集光し、ミラー108を介して、ビームスプリッタC1001で2分割し、一方は、レーザA105の波長の干渉フィルタA109を通して光検出器A110で検出され、他方は発光波長に合わせたバンドパスフィルタ1002を通して光検出器D1003で検出される。
光検出器A110、光検出器D1003からそれぞれ出力される光電流信号A、光電流信号Dはそれぞれ光電流電圧変換器A111、光電流電圧変換器D1004に入力され、光強度信号A、光強度信号D(発光強度信号)に変換される。このうち、光強度信号Aは誤差検出器112に入力され、以降、参考例1と同様の光プローブ101と試料102との間の距離制御を行う。
光強度信号D(発光強度信号)およびローパスフィルタA113から出力されるフィードバック信号をコンピュータ116に入力する。コンピュータ116では、2次元走査中の試料102に対する光プローブ101の各位置におけるフィードバック信号および発光強度信号の大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像として、ディスプレイ119に表示する。
【0027】
図10の各部分における信号波形を図11を用いて説明する。
参考例1で説明した光プローブと試料間の距離制御方法を用いた場合の試料102表面に対する光プローブ101走査時の光プローブ先端の軌跡を図11aに示す。図に示すように試料102表面は凸部分1102および発光部分1101が含まれているとする。
図11aに示すように、参考例1で説明した距離制御方法において、距離制御にレーザAの波長の光を用いた場合、光プローブ先端の軌跡に示したように凸部分1102では試料102に対して光プローブ101が遠ざかる方向に制御される。
【0028】
図10で説明した距離制御および信号検出を行なったときのフィードバック信号波形を図11b、光強度信号D(発光強度信号)を図11cに示す。
以上説明したように、励起光のエバネッセント光散乱光強度および局所的発光強度をそれぞれ独立に検出し、前者の光強度を一定にするように制御を行なうことにより、凹凸部分を有し、かつ発光部分と非発光部分が混在した試料においても光プローブと試料との間の距離制御を安定に行うことが可能となり、微弱な発光部分の近接場光学顕微鏡像を得ることができた。
【0029】
上記のように、実施例では、試料表面の形状情報と反射率情報を分離する方法、参考例2では、試料表面の色情報を分離する方法、参考例3では、局所的なエバネッセント光励起による微弱な発光に対して安定な距離制御を行う方法について、別々に示したが、これらをいくつか組み合わせて用いることも本発明の概念に含まれる。
また、上記実施例1及び参考例1〜参考例3では、近接場光学顕微鏡における光プローブと試料の間の距離制御方法及び、試料表面の形状情報・光学情報等の複数の情報を分離する方法として説明を行ったが、これらは、近接場光学顕微鏡を応用した微細加工装置や情報ストレージ装置にも適用可能である。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、上記した距離調整手段と、フィードバック制御手段によって、光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネッセント光の散乱光強度が所定値より大きい場合は、試料に対して光プローブを近づけ、逆に所定値より小さい場合は、試料に対して光プローブを遠ざけるように光プローブ−試料間の距離制御を行うことにより、光プローブ−試料間の距離を10nm以上に設定することが可能となり、これによって反射散乱光強度を増大させることができ、検出信号S/N比を向上させ、SNOM観察像の画質を向上させるようにした近接場光学顕微鏡において、高速変調手段によって散乱光強度に変調成分を重畳させ、形状・反射率情報分離手段によってこの変調成分の大きさから試料表面の形状情報と反射率情報とを分離するように構成して、形状情報と反射率情報とを分離した観察像を得るようにすることができる。
また、本発明においては、波長分離手段によって分離されたエバネッセント光の波長の異なる複数の散乱光の強度を、複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出し、色情報分離手段によって該独立に検出された散乱光の強度に基づいて試料表面の色情報を分離するように構成して、色情報を分離した観察像を得るようにすることができる。
また、本発明においては、光波長分離手段によってエバネッセント光の散乱光とエバネッセント光が試料表面を励起することによって生じる発光の強度を分離し、それらを複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出するように構成して、微弱な発光部分の観察像を得るようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の近接場光学顕微鏡の参考例1の装置構成を示す図である。
【図2】 光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネッセント光の散乱の説明図である。
【図3】 光プローブ−試料間距離に対する検出光強度信号の特性図である。
【図4】 光プローブ−試料間距離が0に近づき、試料表面により微小開口塞がれて、散乱光が遮られる状態の説明図である。
【図5】 本発明の近接場光学顕微鏡の実施例の装置構成を示す図である。
【図6】 形状・反射率情報分離の原理及び、図5の各部分における信号波形を説明する図である。
【図7】 反射率が異なる部分における光プローブ−試料間距離に対する検出光強度信号の特性図である。
【図8】 本発明の近接場光学顕微鏡の参考例2の装置構成を示す図である。
【図9】 色情報分離の原理及び、図8の各部分における信号波形を説明する図である。
【図10】 本発明の近接場光学顕微鏡の参考例3の装置構成を示す図である。
【図11】 図10の各部分における信号波形を説明する図である。
【符号の説明】
101:光プローブ
102:試料
103:光アダプタ
104:光ファイバ
105:レーザA
106:レンズA
107:レンズD
108:ミラー
109:干渉フィルタA
110:光検出器A
111:光電流電圧変換器A
112:誤差検出器
113:ローパスフィルタA
114:増幅器A
115:ピエゾ素子A
116:コンピュータ
117:増幅器B
118:2次元ステージ
119:ディスプレイ
201:光プローブ
202:金属コーティング膜
203:微小開口
204:試料
205:エバネッセント光
206:エバネッセント光の散乱光
207:光検出器
208:入射レーザ光
209:直接散乱光
210:反射散乱光
401:光プローブ
402:試料
403:微小開口
501:ピエゾ素子B
502:発振器
503:増幅器C
504:ローパスフィルタB
505:ハイパスフィルタ
506:同期検出器
507:形状・反射率情報分離器
601:凸部部分
602:凹部分
603:高反射率部分
604:低反射率部分
801:レーザB
802:レーザC
803:レンズB
804:レンズC
805:ビームスプリッタA
806:ビームスプリッタB
807:干渉フィルタB
808:干渉フィルタC
809:光検出器B
810:光検出器C
811:光電流電圧変換器B
812:光電流電圧変換器C
813:色情報分離器
814:光カプラ
901:高反射率部分
902:低反射率部分
903:色の異なる部分A
904:色の異なる部分B
1001:ビームスプリッタC
1002:バンドパスフィルタ
1003:光検出器D
1004:光電流電圧変換器D
1101:発光部分
1102:凸部分
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a microscope apparatus capable of observing shape / optical information of a sample surface with nanometer resolution.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the progress of SPM (scanning probe microscope) technology represented by STM (scanning tunneling microscope) and AFM (atomic force microscope), a probe with a pointed tip is brought closer to a distance of 100 nm or less with respect to a sample. As a result, it became possible to dramatically improve the resolution as a microscope and to observe atoms and molecules.
Regarding light, as a family of SPM, a near-field optical microscope (hereinafter abbreviated as SNOM) that examines the surface state of a sample using evanescent light that oozes out from a minute aperture at the tip of a sharp optical probe [EPO112401, Durig et al. Appl. Phys. vol. 59, p. 3318 (1986)], or photon STM (hereinafter referred to as PSTM), in which light is incident from the back of the sample via a prism under conditions of total reflection, and evanescent light oozing out from the sample surface is detected by the optical probe from the sample surface. [Reddic et al., Phys. Rev. B vol. 39, p. 767 (1989)] was also developed.
By using the SNOM, it is possible to access a very small area of 100 nm or less and detect optical information.
When observing an opaque sample using SNOM, evanescent light oozing from an optical probe having a minute aperture is irradiated from the front surface side of the sample, and reflected and scattered light from the sample is directly transmitted without passing through the optical probe. In many cases, a reflection-type oblique light detection configuration in which a detector detects the light from an oblique direction is employed. This is because when the reflected and scattered light from the sample is again passed through the micro-aperture of the optical probe, the light intensity is extremely reduced.
[0003]
In the SNOM having the reflection type oblique light detection configuration described above, the intensity of the evanescent light that oozes out from the minute aperture decreases exponentially with respect to the distance from the aperture. It is necessary to perform control so as to keep a certain distance while approaching the following distance.
As a distance control method for this,
(1) Shear force that controls the distance so that the optical probe is slightly vibrated in a direction perpendicular to the normal direction of the sample surface, and the decrease in vibration amplitude due to van der Waals force that the tip of the optical probe receives from the sample surface is made constant. method,
(2) When the optical probe and the sample have conductivity, a voltage is applied between them, and the distance control is performed so that the magnitude of the tunnel current flowing between them is constant.
(3) The optical probe is supported by an elastic body that is elastically deformable in the normal direction of the sample surface, and the elastic deformation amount of the elastic body generated by van der Waals force acting between the tip of the optical probe and the sample surface is constant. AFM method for controlling the distance so that
Etc. are often used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the SNOM having the above-described reflective oblique light detection configuration, it is effective to reduce the size of the minute opening at the tip of the optical probe in order to improve the detection spatial resolution. However, in such a SNOM, as the size is reduced, the intensity of the evanescent light that oozes out from the minute aperture is reduced, so that the reflected scattered light intensity is also reduced, the detection signal S / N ratio is reduced, and the SNOM observation image is reduced. Image quality deteriorates.
Therefore, in order to increase the intensity of reflected and scattered light, it is effective to set the distance between the optical probe and the sample to 10 nm or more. There was a problem in that the range was 10 nm or less and it was not suitable for control at a distance (10 to 100 nm) further away.
[0005]
Therefore, in the present invention, the distance between the optical probe and the sample can be set to 10 nm or more, and the reflected signal intensity can be increased to improve the detection signal S / N ratio and the image quality of the observation image. It aims to provide a field optical microscope.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that a near-field optical microscope is configured as follows.
That is, the near-field optical microscope of the present invention is provided with an optical probe having a minute opening at the tip, and is arranged so as to face the sample surface close to the sample surface, and the sample surface and the optical probe are placed in the sample. The evanescent light is generated from the microscopic aperture of the optical probe to the sample surface side by the light incident from the light source, and the intensity of the scattered light of the evanescent light is detected by light. A near-field optical microscope for observing the sample surface detected by
  Distance adjusting means for adjusting the distance between the sample surface and the optical probe;
  Feedback control means for controlling the distance adjusting means so as to make the scattered light intensity constant which decreases when the scattered light is blocked by the probe tip and the sample;
  High-speed modulation means for high-speed modulating the distance between the optical probe and the sample in order to superimpose a modulation component on the scattered light intensity;
  Shape / reflectance information separating means for separating shape information and reflectance information of the sample surface from the magnitude of the modulation component of the scattered light intensity by the high-speed modulation;
  It is characterized by having.
The near-field optical microscope of the present invention is characterized in that the distance adjusting means is a distance adjusting means for controlling the distance between the optical probe and the sample surface within a region of 100 nm or less..
MaIn the near-field optical microscope of the present invention, the light source includes a light source that generates a plurality of lights having different wavelengths, and the light detection unit includes a plurality of light detection units.
  A light wavelength separation means for separating a plurality of scattered lights having different wavelengths of evanescent light by the light source;
  The intensity of the plurality of scattered lights separated by the wavelength separation means is detected independently by the plurality of light detection means, and the color information of the sample surface is obtained based on the intensity of the scattered light detected independently. And color information separating means for separating.
In the near-field optical microscope of the present invention, the light detection means is constituted by a plurality of light detection means,
  A light wavelength separation means for separating light emitted by the scattered light of the evanescent light and the evanescent light exciting the sample surface;
  The scattered light of the evanescent light separated by the light wavelength separation means and the intensity of the emitted light are independently detected by the plurality of light detection means.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  According to the present invention, the distance adjusting means for adjusting the distance between the sample surface and the optical probe described above, and the scattered light intensity that decreases when the scattered light is blocked by the probe tip and the sample are made constant. When the scattered light intensity of the evanescent light that oozes out from the minute opening at the tip of the optical probe is greater than a predetermined value by the feedback control means that controls the distance adjusting means, the optical probe is brought closer to the sample, and conversely the predetermined value If smaller, the distance between the optical probe and the sample can be set to 10 nm or more by controlling the distance between the optical probe and the sample so as to keep the optical probe away from the sample. The light intensity can be increased, the detection signal S / N ratio is improved, and the image quality of the SNOM observation image is improved.In a near-field optical microscopeThe shape information is configured by superimposing the modulation component on the scattered light intensity by the fast modulation means and separating the shape information and reflectance information of the sample surface from the size of the modulation component by the shape / reflectance information separation means. And the reflectance information can be obtained.
Further, in the present invention, the intensities of the plurality of scattered lights having different wavelengths of the evanescent light separated by the wavelength separation means are detected independently by the plurality of light detection means, and detected independently by the color information separation means. The color information on the surface of the sample is separated based on the intensity of the scattered light, and an observation image with the color information separated can be obtained.
In the present invention, the scattered light of the evanescent light is separated from the intensity of light emitted by exciting the sample surface with the light wavelength separating means, and the light intensity is detected independently by the plurality of light detecting means. In this way, it is possible to obtain an observation image of a weak light emitting portion.
[0008]
【Example】
  The following are examples of the present invention.And Reference Example 1Will be described.
[Reference example 1]
  FIG. 1 shows a near-field optical microscope of the present invention.Reference example 1It is drawing which shows the apparatus structure of this. In FIG. 1, an optical probe 101 having a minute opening with a size of 100 nm or less at the tip is brought close to a distance of 100 nm or less with respect to the surface of the sample 102. A piezoelectric element A 115 is attached to the optical probe 101 so that the distance of the optical probe 101 with respect to the sample 102 can be controlled.
An optical fiber 104 is connected to the other end of the optical probe 101 via an optical adapter 103, and laser light emitted from the laser A 105 is introduced into the optical fiber 104 through the lens A 106.
[0009]
The scattered light of the evanescent light that oozes out from the minute opening at the tip of the optical probe 101 is collected using the lens D107 and detected by the photodetector A110 through the interference filter A109 via the mirror 108.
FIG. 2 shows details of how the evanescent light that oozes out from the minute opening at the tip of the optical probe 101 is scattered. In FIG. 2, 201 is an optical probe, 202 is a metal coating film having a thickness of about 100 nm for shielding incident laser light 208, and 203 is a metal coating film 202 that does not exist only at the tip of the optical probe 201, or A microscopic aperture provided by reducing the thickness to 30 nm or less, 204 is a sample, 205 is evanescent light, 206 is scattered light of evanescent light, and 207 is a photodetector.
[0010]
Here, the optical probe 101 is manufactured as follows. For example, one end of the optical fiber is sharpened by stretching and cutting in a locally heated state or by performing chemical etching using a hydrofluoric acid buffer solution. While rotating this, a metal coating for light shielding may be performed from the lateral direction to provide a thin opening at the tip, or a fine opening may be provided so that the coating is not performed, or after performing the metal coating 202 on the whole, After coating with acrylic resin or the like so that the film thickness only becomes thin at the tip using surface tension, the fine openings may be provided by etching the metal coating.
When the size of the minute aperture 203 is 100 nm or less and smaller than the light wavelength, the incident laser beam 208 hardly passes directly through the minute aperture 203, but as the evanescent light 205 near the distance of about 300 nm or less from the minute aperture 203. It oozes out. Since the intensity of the evanescent light 205 has a property of exponentially decaying with respect to the distance from the minute aperture 203, it can be regarded as a probe of a very narrow light localized only in the vicinity of the minute aperture 203.
[0011]
As shown in FIG. 2, the evanescent light 205 that has oozed out of the minute aperture 203 is scattered at the tip of the optical probe 201 and converted into propagating light, and directly scattered light 209 toward the photodetector 207 and once on the surface of the sample 204. The light is reflected and scattered, converted into propagating light, and detected by the photodetector 207 as scattered light 206 synthesized with the reflected scattered light 210 toward the photodetector 207.
Since the intensity and spectrum of the reflected scattered light 210 include a local uneven structure on the surface of the sample 204 and properties relating to reflection and absorption, the shape information of a minute region below the wavelength of the surface of the sample 204 is detected by detecting this. And optical information can be obtained.
Directly scattered light 209 and reflected scattered light 210 are combined and incident on the photodetector 207.
[0012]
FIG. 3 shows how the magnitude of the detection light intensity signal of the photodetector 207 changes when the distance of the optical probe 201 to the sample 204 is changed.
When the distance z is large, the detected light intensity signal has a substantially constant value as indicated by point A → B in FIG. 3, and is a signal in which periodic fluctuations due to interference between direct scattered light and reflected scattered light are superimposed. . The period of this interference differs depending on the light wavelength used and the device arrangement, that is, the angle of the light detection direction with respect to the sample surface (θ in FIG. 2) and the aperture diameter of the lens D for focusing (107 in FIG. 1). However, it is generally on the order of the wavelength of the laser beam used.
[0013]
In the near-field region where z <zn (zn to 300 nm) approaches the distance between the optical probe and the sample, the sample surface enters the region where the evanescent light intensity oozes out from the minute aperture, and the reflected scattered light intensity from the sample surface increases. The detected light intensity signal once increases as indicated by points B → C → D and takes a maximum value (D point).
When the distance further approaches 100 nm or less (z <100 nm), the scattered light is blocked by the optical probe and the sample as viewed from the photodetector, and the detected light intensity rapidly increases as indicated by points D → E → F → G. To decrease. At the point F → G, as shown in FIG. 4, the distance between the optical probe 401 and the sample 402 approaches 0 (contact point: point G), and the microscopic aperture 403 is almost blocked by the surface of the sample 401, and most of the scattered light. Is in a blocked state.
[0014]
In the present invention, as indicated by points D → E → F → G in FIG. 3, the detection light intensity decreases when the optical probe approaches the sample surface, and conversely, the detection light intensity increases when the probe moves away. Further, the distance control between the optical probe and the sample surface is performed within a region where the distance is 100 nm or less. Details of this distance control will be described with reference to FIG.
The photocurrent signal A of the photodetector A110 that has detected the evanescent light scattered light is converted into the light intensity signal A by the photocurrent voltage converter A111 and input to the error detector 112. In the error detector 112, in order to keep the light intensity signal A constant, a difference from a light intensity signal set value corresponding to a predetermined light intensity is calculated. The result is input to the low-pass filter A113 and the output signal from which the high frequency component is cut is used as a feedback signal, amplified by the amplifier A114, and then applied to the piezo element A115 as a piezo element drive signal.
This feedback signal drives the piezo element A in order to keep the distance between the optical probe and the sample surface constant so that the magnitude of the evanescent light scattered light scattered from the tip of the optical probe and the sample surface is constant. Since it is a signal, it reflects shape information such as a local uneven structure on the sample surface where the tip of the optical probe is located and optical information such as reflection / absorption.
[0015]
Here, when the light intensity signal A is larger than the light intensity signal set value, the polarity of this drive signal drives the piezo element A115 in the direction in which the optical probe 101 is brought closer to the sample 102, and the light intensity signal A is If the optical intensity signal is smaller than the set value, the piezo element A 115 is set to be driven in a direction to move the optical probe 101 away from the sample 102.
By performing the feedback control as described above, the distance between the optical probe 101 and the sample 102 can be kept constant.
Here, when the optical probe 101 is first brought closer to the sample 102 from a distance (A → B in FIG. 3, z> zn), the light intensity signal set value in the error detector 112 is a distance (A → Light intensity smaller than the light intensity corresponding to point C where the light intensity becomes minimum while the distance is reduced from point B (z> zn) to point D (z to 100 nm) (for example, light at point E in FIG. 3) Select a setting value corresponding to (strength). This is because feedback control is performed in the region of z <100 nm.
[0016]
When the light intensity signal set value input to the error detector 112 is changed while the feedback control is performed in the region of z <100 nm by the above procedure, D to E to F to G The magnitude of the light intensity signal can be freely changed between the points, and the distance between the optical probe and the sample can be freely set to a distance (z <100 nm) corresponding to the magnitude of the light intensity signal. Can keep.
First, when the optical probe is moved closer to the sample from a distance (A → B point, z> zn), the light intensity signal setting value is greater than the light intensity corresponding to the C point (for example, the B ′ point). When (light intensity) is selected, when the optical probe is brought closer to the sample, feedback control is performed not at the point (B ′ point) in the region of z <100 nm but at the point (point B) in the region of z> 100 nm. Therefore, the distance between the optical probe and the sample is increased, and the lateral resolution as a near-field optical microscope is lowered, which is not preferable.
[0017]
Now, the feedback signal output from the low-pass filter A 113 is input to the computer 116 while the distance between the optical probe and the sample is controlled by the method described above. A stage driving signal is applied from the computer 116 to the two-dimensional stage 118 to which the sample 102 is attached through the amplifier B 117, and two-dimensional relative scanning of the sample 102 with respect to the optical probe 101 is performed. The computer 116 maps the magnitude of the feedback signal at each position of the optical probe 101 with respect to the sample 102 during two-dimensional scanning, and displays it on the display 119 as a near-field optical microscope image of the sample surface.
[0018]
    [Example1]
  FIG. 5 shows an embodiment of the near-field optical microscope of the present invention.1It is drawing which shows the apparatus structure of this. In FIG. 5, the basic configuration and operation of the apparatus are as follows.Reference example 1Is almost the same.
Example1As a specific configuration, a second piezo element B501 is attached to the optical probe 101 in addition to the first piezo element A115. The modulation signal output from the oscillator 502 is amplified by the amplifier C503, and then applied to the piezo element B501 as a distance modulation signal to modulate the distance between the optical probe 101 and the sample 102 at high speed. By this distance modulation, light intensity modulation having the same frequency as the distance modulation is added to the evanescent light scattered light scattered from the tip of the optical probe 101 and the surface of the sample 102.
The light intensity signal A output from the photocurrent / voltage converter A111 is input to the low-pass filter B504 and the high-pass filter 505. In the low-pass filter B504, the low frequency component from which the high-speed modulation component is removed is input to the error detector 112, and thereafterReference example 1The same distance control between the optical probe 101 and the sample 102 is performed.
Further, the high-pass filter 505 extracts only the above high-speed modulation component, inputs it to the synchronization detector 506, performs synchronization detection using the modulation signal from the oscillator 502 as a reference signal, and outputs the amplitude of the high-speed modulation component. The modulation component amplitude signal and the feedback signal output from the low-pass filter A 113 are input to the shape / reflectance information separator 507, separated into a shape information signal and a reflectance information signal, and the result is input to the computer 116. The computer 116 maps the magnitude of the shape information signal and the reflectance information signal at each position of the optical probe 101 with respect to the sample 102 during two-dimensional scanning, and displays it on the display 119 as a near-field optical microscope image of the sample surface.
[0019]
  The principle of the separation of the shape information signal and the reflectance information signal and the signal waveform in each part of FIG. 5 will be described with reference to FIGS.
Reference example 1FIG. 6A shows the trajectory of the tip of the optical probe when scanning the optical probe 101 with respect to the surface of the sample 102 when the method for controlling the distance between the optical probe and the sample described in the above is used. As shown in the figure, it is assumed that the surface of the sample 102 includes a convex portion 601, a concave portion 602, a high reflectance portion 603, and a low reflectance portion 604.
As shown in FIG.Reference example 1In the distance control method described in the above, the convex portion 601 and the low reflectance portion 604 are controlled in the direction in which the optical probe 101 is separated from the sample 102, and the concave portion 602 and the high reflectance portion 603 are relative to the sample 102. Control is performed in the direction in which the optical probe 101 approaches. For this reason, shape information and reflectance information cannot be separated only by a feedback signal.
Therefore, when the distance control described with reference to FIG. 5 is performed, as shown in FIG. 6B, the optical probe 101 scans the surface of the sample 102 in a state where the distance between the optical probe 101 and the sample 102 is modulated at high speed.
[0020]
The feedback signal waveform is shown in FIG. 6c, and the distance modulation signal is shown in FIG. 6d. At this time, the high-speed modulation component waveform of the light intensity signal A output from the high-pass filter 505 does not change the amplitude of the modulation component in the convex portion and the concave portion as shown in FIG. It increases and the amplitude decreases in the low reflectivity part. This is because, as shown in FIG. 7, the modulation amplitude applied to the detection light intensity signal is different in the portion where the reflectance is different from the modulation of the same amplitude with respect to the distance between the optical probe and the sample surface. For example, the light intensity signal modulation amplitude (C) is smaller in the low reflectance portion than in the light reflectance signal modulation amplitude (A) in the high reflectance portion.
[0021]
Here, FIG. 7 shows the magnitude of the detected light intensity signal with respect to the distance between the optical probe and the sample surface in the portions having different reflectivities.
The distance range on the horizontal axis in FIG. 7 corresponds to the portions G to F to D (z <100 nm) in FIG. 3, and the detected light intensity signal with respect to the distance between the optical probe and the sample surface is almost equal. A portion having a linear characteristic is extracted.
At this time, the output waveform of the synchronous detector 506 is as shown in FIG. 6f, and this represents the reflectance information of the surface. Now, in the shape / reflectance information separator 507, the shape information signal (FIG. 6 g) is obtained by multiplying the feedback signal (FIG. 6 c) by multiplying the output signal (FIG. 6 f) of the synchronization detector 506 by a predetermined coefficient. Is obtained. Here, the magnitude of the predetermined coefficient is obtained by measuring a standard sample whose shape / reflectance information is known in advance.
As described above, by applying high-speed modulation to the distance between the optical probe and the sample surface and separating the modulation component superimposed on the light intensity signal by synchronous detection, the shape information and reflectance information can be obtained from the feedback signal. In the near-field optical microscope image, it was possible to obtain an image in which shape information and reflectance information were separated.
[0022]
    [Reference example 2]
  FIG. 8 shows the near-field optical microscope of the present invention.Reference example 2It is drawing which shows the apparatus structure of this.
In FIG. 8, the basic configuration and operation of the apparatus are as follows.Reference example 1Is almost the same.
Reference example 2As a configuration peculiar to the above, in addition to the laser A105, a laser B801 and a laser C802 are added as lasers for making light incident on the optical probe 101. Here, it is assumed that the lasers A (105), B (801), and C (802) have different optical wavelengths. For example, if a red semiconductor laser with a wavelength of 635 nm is used as the laser A, a solid-state laser pumped with a semiconductor laser with a wavelength of 532 nm is used as the laser B, and a blue semiconductor laser with a wavelength of 410 nm is used as the laser C, spectroscopic measurement in RGB three colors can be performed as described later. Become.
Light emitted from the laser A 105, the laser B 801, and the laser C 802 is incident on the 3 × 1 optical coupler 814 through the lens A 106, the lens B 803, and the lens C 804, respectively. The other end of the optical coupler 814 is connected to the optical probe 101 via the optical adapter 103, and light having a plurality of wavelengths is incident on the optical probe 101.
The evanescent light scattered light scattered from the tip of the optical probe 101 and the surface of the sample 102 is divided into three by beam splitters A805 and B806, and the interference filter A109 having the wavelength of the laser A105, the interference filter B807 having the wavelength of the laser B801, and the laser C802, respectively. Are detected by a photodetector A110, a photodetector B809, and a photodetector C810.
[0023]
  Photocurrent signal A, photocurrent signal B, and photocurrent signal C output from photodetector A110, photodetector B809, and photodetector C810 are respectively photocurrent voltage converter A111, photocurrent voltage converter B811, and light. The current-voltage converter C812 is input and converted into a light intensity signal A, a light intensity signal B, and a light intensity signal C. Among these, the light intensity signal A is input to the error detector 112, and thereafterReference example 1The same distance control between the optical probe 101 and the sample 102 is performed.
The light intensity signal B and the light intensity signal C are input to the color information separator 813, and together with the feedback signal output from the low-pass filter A113, the color information signal A representing the reflectance at the wavelength of the laser A105 and the wavelength of the laser B801. Is separated into a color information signal B representing the reflectance at the wavelength of the laser C 802, and this result is input to the computer 116. The computer 116 maps the magnitudes of the color information signals A, B, and C at each position of the optical probe 101 with respect to the sample 102 during two-dimensional scanning, and displays them on the display 119 as a near-field optical microscope image of the sample surface.
[0024]
  The principle of the separation of each color information signal and the signal waveform in each part of FIG. 8 will be described with reference to FIG.
Reference example 1FIG. 9A shows the trajectory of the tip of the optical probe when the optical probe 101 is scanned with respect to the surface of the sample 102 when the method for controlling the distance between the optical probe and the sample described in the above is used. As shown in the figure, it is assumed that the surface of the sample 102 includes a high reflectivity portion 901, a low reflectivity portion 902, a different color portion A903, and a different color portion B904.
Here, it is assumed that the high reflectance portion 901 and the low reflectance portion 902 are portions having different reflectances at the same ratio with respect to the respective light wavelengths of the lasers A (105), B (801), and C (802). . In addition, the portion A903 having a different color has a low reflectance with respect to the light wavelengths of the laser A and the laser B (the reflectance is normal with respect to the light wavelength of the laser C), and the portion B904 having a different color is the light wavelength of the laser B The reflectance is low with respect to the light wavelength of the laser C, and the reflectance is high with respect to the light wavelength of the laser A (the reflectance is normal for the light wavelength of the laser A).
[0025]
  As shown in FIG.Reference example 1In the distance control method described in the above, when light having the wavelength of laser A is used for distance control, the high reflectivity portion 901 performs control in the direction in which the optical probe 101 approaches the sample 102, and the wavelength of laser A is controlled. Control is performed in the direction in which the optical probe 101 moves away from the sample 102 in the low reflectance portion 902 showing a low reflectance with respect to the light and in the portion A903 having a different color, and in the portion B904 having a different color, control between the two is performed. Done. For this reason, each color information cannot be separated only by the feedback signal.
Therefore, the distance control and signal detection described in FIG. 8 are performed, and the feedback signal waveform at this time is shown in FIG. 9b, the light intensity signal B in FIG. 9c, and the light intensity signal C in FIG. In the color information separator 813, the feedback signal (FIG. 9b) is inverted to obtain the color information signal A (FIG. 9e). Further, by subtracting the feedback signal (FIG. 9b) from the light intensity signal B (FIG. 9c) and the light intensity signal C (FIG. 9d) by multiplying each by a predetermined coefficient, the color information signal B (FIG. 9f), the color information Signal C (FIG. 9g) is obtained. Here, the magnitude of the predetermined coefficient is obtained by measuring a standard sample whose color information is known in advance.
As described above, the evanescent light scattered light intensity is independently detected for a plurality of lights having different wavelengths, and the feedback signal is obtained by performing control so that the light intensity of one wavelength is constant. The color information signals can be separated from the light intensity signals of other wavelengths and the color information in the near-field optical microscope image.
[0026]
    [Reference example 3]
  FIG. 10 shows the near-field optical microscope of the present invention.Reference example 3It is drawing which shows the apparatus structure of this. In FIG. 10, the basic configuration and operation of the apparatus are as follows.Reference example 1Is almost the same.
Reference example 3As a configuration peculiar to the optical probe 101, local emission (fluorescence, phosphorescence, etc.) from a portion where the surface of the sample 102 is locally excited by evanescent light oozing from the tip of the optical probe 101 is evanescent from the tip of the optical probe 101 or the surface of the sample 102. Simultaneously with the scattered light, the light is condensed using the lens D107, divided into two by the beam splitter C1001 via the mirror 108, one is detected by the photodetector A110 through the interference filter A109 having the wavelength of the laser A105, and the other is The light is detected by a photodetector D1003 through a bandpass filter 1002 that matches the emission wavelength.
The photocurrent signal A and the photocurrent signal D output from the photodetector A110 and the photodetector D1003, respectively, are input to the photocurrent voltage converter A111 and the photocurrent voltage converter D1004, and the light intensity signal A and the light intensity signal, respectively. Converted to D (light emission intensity signal). Among these, the light intensity signal A is input to the error detector 112, and thereafterReference example 1The same distance control between the optical probe 101 and the sample 102 is performed.
The light intensity signal D (light emission intensity signal) and the feedback signal output from the low pass filter A 113 are input to the computer 116. The computer 116 maps the magnitude of the feedback signal and the emission intensity signal at each position of the optical probe 101 with respect to the sample 102 during two-dimensional scanning, and displays it on the display 119 as a near-field optical microscope image of the sample surface.
[0027]
  A signal waveform in each part of FIG. 10 will be described with reference to FIG.
Reference example 1FIG. 11A shows the trajectory of the tip of the optical probe when scanning the optical probe 101 with respect to the surface of the sample 102 when the method for controlling the distance between the optical probe and the sample described in the above is used. As shown in the figure, it is assumed that the surface of the sample 102 includes a convex portion 1102 and a light emitting portion 1101.
As shown in FIG.Reference example 1In the distance control method described in the above, when light of the wavelength of laser A is used for distance control, the convex portion 1102 is controlled in a direction in which the optical probe 101 moves away from the sample 102 as shown in the locus of the tip of the optical probe. The
[0028]
A feedback signal waveform when the distance control and signal detection described in FIG. 10 are performed is shown in FIG. 11b, and a light intensity signal D (light emission intensity signal) is shown in FIG. 11c.
As described above, the evanescent light scattered light intensity and the local light emission intensity of the excitation light are independently detected, and the former light intensity is controlled to be constant, so that the former has an uneven portion and emits light. It was possible to stably control the distance between the optical probe and the sample even in a sample in which a portion and a non-light emitting portion were mixed, and a near-field optical microscope image of a weak light emitting portion could be obtained.
[0029]
  As above, the example1Then, the method of separating the shape information and reflectance information of the sample surface,Reference example 2Then, the method of separating the color information of the sample surface,Reference example 3Then, although the method of performing stable distance control with respect to weak light emission by local evanescent light excitation has been shown separately, it is also included in the concept of the present invention to use a combination of these methods.
In addition, the above embodiment1 and Reference Examples 1 to 3In the description, the method for controlling the distance between the optical probe and the sample in the near-field optical microscope and the method for separating a plurality of pieces of information such as the shape information and optical information on the sample surface have been described. The present invention can also be applied to a microfabrication apparatus and an information storage apparatus applying the above.
[0030]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, when the scattered light intensity of the evanescent light that oozes out from the minute opening at the tip of the optical probe is larger than the predetermined value by the distance adjusting means and the feedback control means, If the optical probe is brought closer and conversely smaller than the predetermined value, the distance between the optical probe and the sample is set to 10 nm or more by controlling the distance between the optical probe and the sample so that the optical probe is moved away from the sample. This makes it possible to increase the intensity of reflected and scattered light, thereby improving the detection signal S / N ratio and improving the image quality of the SNOM observation image.In a near-field optical microscopeThe shape information is configured by superimposing the modulation component on the scattered light intensity by the fast modulation means and separating the shape information and reflectance information of the sample surface from the size of the modulation component by the shape / reflectance information separation means. And the reflectance information can be obtained.
Further, in the present invention, the intensities of the plurality of scattered lights having different wavelengths of the evanescent light separated by the wavelength separation means are detected independently by the plurality of light detection means, and detected independently by the color information separation means. The color information on the surface of the sample is separated based on the intensity of the scattered light, and an observation image with the color information separated can be obtained.
In the present invention, the scattered light of the evanescent light is separated from the intensity of light emitted by exciting the sample surface with the light wavelength separating means, and the light intensity is detected independently by the plurality of light detecting means. In this way, it is possible to obtain an observation image of a weak light emitting portion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a near-field optical microscope of the present invention.Reference example 1It is a figure which shows the apparatus structure of.
FIG. 2 is an explanatory diagram of scattering of evanescent light that oozes out from a minute opening at the tip of an optical probe.
FIG. 3 is a characteristic diagram of a detected light intensity signal with respect to a distance between an optical probe and a sample.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a state in which the distance between the optical probe and the sample approaches 0, the minute aperture is blocked by the sample surface, and the scattered light is blocked.
FIG. 5 shows an embodiment of the near-field optical microscope of the present invention.1It is a figure which shows the apparatus structure of.
6 is a diagram for explaining the principle of shape / reflectance information separation and signal waveforms in each part of FIG. 5; FIG.
FIG. 7 is a characteristic diagram of a detection light intensity signal with respect to a distance between an optical probe and a sample in a portion having a different reflectance.
FIG. 8 shows the near-field optical microscope of the present invention.Reference example 2It is a figure which shows the apparatus structure of.
9 is a diagram for explaining the principle of color information separation and signal waveforms in each part of FIG. 8;
FIG. 10 shows the near-field optical microscope of the present invention.Reference example 3It is a figure which shows the apparatus structure of.
11 is a diagram for explaining signal waveforms in each part of FIG. 10;
[Explanation of symbols]
          101: Optical probe
          102: Sample
          103: Optical adapter
          104: Optical fiber
          105: Laser A
          106: Lens A
          107: Lens D
          108: Mirror
          109: Interference filter A
          110: Photodetector A
          111: Photocurrent voltage converter A
          112: Error detector
          113: Low-pass filter A
          114: Amplifier A
          115: Piezo element A
          116: Computer
          117: Amplifier B
          118: Two-dimensional stage
          119: Display
          201: Optical probe
          202: Metal coating film
          203: Micro aperture
          204: Sample
          205: Evanescent light
          206: Scattered light of evanescent light
          207: Photodetector
          208: Incident laser light
          209: Direct scattered light
          210: Reflected scattered light
          401: Optical probe
          402: Sample
          403: Micro opening
          501: Piezo element B
          502: Oscillator
          503: Amplifier C
          504: Low-pass filter B
          505: High pass filter
          506: Synchronous detector
          507: Shape / reflectance information separator
          601: convex portion
          602: concave portion
          603: High reflectivity part
          604: Low reflectance portion
          801: Laser B
          802: Laser C
          803: Lens B
          804: Lens C
          805: Beam splitter A
          806: Beam splitter B
          807: Interference filter B
          808: Interference filter C
          809: Photodetector B
          810: Photodetector C
          811: Photocurrent voltage converter B
          812: Photocurrent voltage converter C
          813: Color information separator
          814: Optical coupler
          901: High reflectivity part
          902: Low reflectance portion
          903: A part with different colors
          904: Part B with a different color
          1001: Beam splitter C
          1002: Band pass filter
          1003: Photodetector D
          1004: Photocurrent voltage converter D
          1101: Light emitting part
          1102: Convex part

Claims (4)

先端に微小開口を有する光プローブを備え、該微小開口を試料表面に近接させて対向するように配置し、該試料表面と該光プローブとを該試料の面内方向に相対的に2次元走査し、光源から入射された光によって該光プローブの微小開口から該試料表面側にエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光の散乱光の強度を光検出手段によって検出して、該試料表面を観察する近接場光学顕微鏡であって、
該試料表面と該光プローブとの間の距離を調整する距離調整手段と、
該散乱光が該プローブ先端および該試料によって遮られることにより減少する散乱光強度を一定にするように該距離調整手段を制御するフィードバック制御手段と、
前記散乱光強度に変調成分を重畳させるため前記光プローブと前記試料との距離を高速変調する高速変調手段と、
該高速変調による前記散乱光強度の変調成分の大きさから該試料表面の形状情報と反射率情報とを分離する形状・反射率情報分離手段と、
を有することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
An optical probe having a microscopic aperture at the tip is disposed, and the microscopic aperture is disposed so as to be opposed to and close to the sample surface, and the sample surface and the optical probe are relatively two-dimensionally scanned in the in-plane direction of the sample. Then, the evanescent light is generated from the microscopic aperture of the optical probe to the sample surface side by the light incident from the light source, the intensity of the scattered light of the evanescent light is detected by the light detection means, and the sample surface is observed. A near-field optical microscope,
Distance adjusting means for adjusting the distance between the sample surface and the optical probe;
Feedback control means for controlling the distance adjusting means so as to make the scattered light intensity constant which decreases when the scattered light is blocked by the probe tip and the sample;
High-speed modulation means for high-speed modulating the distance between the optical probe and the sample in order to superimpose a modulation component on the scattered light intensity;
Shape / reflectance information separating means for separating shape information and reflectance information of the sample surface from the magnitude of the modulation component of the scattered light intensity by the high-speed modulation;
A near-field optical microscope characterized by comprising:
前記距離調整手段は、光プローブと試料表面との間の距離制御を100nm以下の領域内で行う距離調整手段であることを特徴とする請求項1に記載の近接場光学顕微鏡。The near-field optical microscope according to claim 1, wherein the distance adjusting unit is a distance adjusting unit that performs distance control between the optical probe and the sample surface within a region of 100 nm or less. 前記光源が互いに波長の異なる複数の光を発生する光源によって構成されるとともに、前記光検出手段が複数の光検出手段によって構成され、
該光源によるエバネッセント光の波長の異なる複数の散乱光を分離する光波長分離手段と、
該波長分離手段によって分離された該複数の散乱光の強度を、該複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出し、該独立に検出された散乱光の強度に基づいて該試料表面の色情報を分離する色情報分離手段と、
を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の近接場光学顕微鏡。
The light source is constituted by a light source that generates a plurality of lights having different wavelengths, and the light detection means is constituted by a plurality of light detection means,
A light wavelength separation means for separating a plurality of scattered lights having different wavelengths of evanescent light by the light source;
The plurality of scattered light intensities separated by the wavelength separation means are detected independently by the plurality of light detection means, and the color information of the sample surface is obtained based on the independently detected scattered light intensities. Color information separating means for separating;
The near-field optical microscope according to claim 1, wherein the near-field optical microscope is provided.
前記光検出手段が複数の光検出手段によって構成され、
前記エバネッセント光の散乱光と前記エバネッセント光が試料表面を励起することによって生じる発光を分離する光波長分離手段を有し、
該光波長分離手段により分離された該エバネッセント光の散乱光と該発光の強度を、該複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の近接場光学顕微鏡。
The light detection means is constituted by a plurality of light detection means,
A light wavelength separation means for separating light emitted by the scattered light of the evanescent light and the evanescent light exciting the sample surface;
3. The proximity according to claim 1, wherein the scattered light of the evanescent light separated by the light wavelength separation means and the intensity of the light emission are detected independently by the plurality of light detection means. Field optical microscope.
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