JP3910309B2 - 走査型近接場顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光または電流またはトンネル電流を励起源としてサンプルに照射し、サンプルの局所的な光学特性の測定を行う走査型近接場顕微鏡 に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の走査型近接場顕微鏡の一般的な構成を図７に示す。例えば、「 近接場ナノフォトニクスハンドブック, オプトロニクス社,247-264」 などに示されているように、従来の走査型近接場顕微鏡ではサンプル3 を３軸微動機構2 上に載せ、プローブ6 から励起光をサンプル表面に照射し、サンプル3 の局所的な光学特性を、透過側または反射側に配置された対物レンズ5 、28により集光し、集光された光信号を光検出器17（反射側は図示せず）に導入し、サンプル上の光学特性を測定するように構成される。このときプローブ先端からはエバネッセント光が照射される。エバネッセント光はプローブの極近傍にしか存在せず、その強度はプローブ先端からの距離に対して指数関数的に減衰するため、波長以下の領域にサンプルを位置決めし、減衰前のエバネッセント光をサンプルに照射する必要がある。
【０００３】
最も代表的な位置決め方法は、プローブ先端の先鋭性を利用して、サンプル表面とプローブ先端間に働く原子間力によりプローブ先端とサンプル表面の距離制御を行う方法である。この場合、原子間力はプローブ先端とサンプル表面との距離に依存するため、両者の距離が一定となるようにZ微動機構1を制御する。このように制御を掛けながら、サンプル3を２軸微動機構4により2次元平面内でスキャンさせることにより、２次元平面内での光学特性が測定される。また、Z微動機構1に印加される電圧によりサンプル表面の凹凸像も同時に測定できる。
【０００４】
また、図８に従来の走査型近接場顕微鏡の別の構成を示す。図８の構成では、サンプル3を２次元平面内で走査可能な２軸微動機構20上に載せ、プローブ側にサンプル表面とプローブ先端の距離制御を行うZ微動機構21を設け、プローブから励起光をサンプル表面に照射し、プローブの局所的な光学特性を、透過側または反射側に配置された対物レンズ5、28により集光する構成である。
【０００５】
この構成においても前述の従来技術と同様の方法により、プローブ先端とサンプル間の距離制御が行われ、光学特性が測定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の走査型近接場顕微鏡では、測定中はプローブ先端に対して対物レンズが固定されているため、プローブ先端とサンプルを近接させるアプローチ動作時や、測定の最中にプローブ先端とサンプル間の距離制御を行うためのZ微動機構の動作により対物レンズのフォーカスがずれてしまうという問題があった。
【０００７】
このフォーカシングエラーは集光効率の悪化や、分解能の低下、検出器の受光面のずれ、S/N 比の悪化などの原因となってしまい測定精度に悪影響を与える。そこで、本発明の目的は、以上のような問題を解決するため、アプローチ動作時や測定中においても対物レンズのフォーカスがずれないような走査型近接場顕微鏡を得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、対物レンズをフォーカシングさせるためのアクチュエータを設け、アプローチ動作時や測定中におけるZ微動機構の動作に合せ、アクチュエータを動作させ、対物レンズの焦点位置が常に一定となるようにした。
【０００９】
【作用】
上記のように構成された走査型近接場顕微鏡においては、アプローチ動作時や測定中にサンプルとプローブ先端との距離がZ微動機構により調整される。その移動量を認識して、その移動量に相当する量だけ対物レンズ駆動用のアクチュエータを駆動し、対物レンズの焦点位置が常に一定となるように制御を掛ける。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に本発明の走査型近接場顕微鏡の第一の実施形態例を示す。
図１では、2次元平面内の走査を行うための２軸微動機構4とサンプルとプローブ間の距離制御を行うためのZ微動機構1が設けられた３軸微動機構2上にサンプル3が載置されている。この３軸微動機構2は３本の円筒型圧電素子から構成されており、対物レンズ5を取り囲むように圧電素子が配置されている。
【００１１】
プローブ6 は光ファイバの先端付近が曲げられて、先端部を先鋭化し、先端部分にnmオーダの微小開口部が設けられ、その他の部分は金属膜でコーティングが施された構造である。また、背面部分には振幅検出用のレーザ光を反射させるためのミラー面が形成されている。
対物レンズ5 はサンプル3 を挟んでプローブ6 と対向する側に配置されており、対物レンズ駆動機構7 は、光路を確保するために中心部に中空部分を設けた、粗動用の送りネジ機構8 と微動用の円筒型積層圧電素子9 が使用されている。
【００１２】
対物レンズ５と３軸微動機構２はサンプルをプローブ先端に近接させるための粗動機構１０上に配置されている。
プローブ６はプローブホルダ１１に固定され、圧電素子からなる振動子１２により微小振動され、その時のプローブの振幅量は光てこ方式を用いた光学ヘッド１３により検出される。
【００１３】
プローブ末端はレーザ光源14とカップリングされ、先端開口付近にエバネッセント場が形成される。
対物レンズ5で集光された光は、対物レンズ下方に配置された全反射ミラー15で曲げられ、結像レンズ16で結像されて、光検出部17に導入される。本実施形態では光検出器として受光面が数百μmと非常に小さいアバランシェフォトダイオードが用いられている。この検出器では受光面が小さいため僅かな焦点ずれが測定効率の低下を招くことになる。光検出器としては他にもフォトマルや分光器などが使用される。これらの検出器は、対物レンズの焦点が合った状態で光軸が合うようにセッティングされている。
【００１４】
本実施形態の装置を用いて測定を行う場合には、まず対物レンズ５の粗動機構８を用いてサンプル表面に対物レンズの焦点を合わせる。プローブ先端とサンプル間の距離の制御はプローブを共振周波数近傍で振動させながら、サンプルに近接させたときの振幅の減衰量をモニタし、振幅が一定となるようにＺ微動機構１を動作させる。粗動機構１０によりサンプルをプローブ先端に近接させ、サンプルとプローブ先端の間に原子間力が働く領域まで近接させたあと、Ｚ微動機構１によりサンプルとプローブ間が最適動作点となるように距離制御を行う。このとき、測定前に合わせた焦点位置はＺ微動機構１の動作分だけずれてしまう。このずれ量を補正するため、対物レンズの対物レンズ駆動機構７をＺ微動機構１の移動量だけ変化させ、アプローチが完了した段階で対物レンズ５の焦点がプローブ先端の発光点に合うようにする。
【００１５】
以上のような動作により、アプローチ時のずれ量を補正した後は、プローブ先端と対物レンズ５の位置関係は一定に保たれるため対物レンズ駆動機構７への印加電圧は一定に保ったまま走査を行う。この状態で２軸微動機構部分４を用いてサンプルを２次元平面内で走査し、そのときの透過光を集光することにより、光信号の２次元の強度分布が測定される。また、Ｚ微動機構１に印加される電圧をモニターすればサンプルの凹凸像も同時に測定可能である。
【００１６】
焦点ずれの補正方法として、図１の実施形態では、Z微動機構1の圧電定数と対物レンズ微動機構9の圧電定数をあらかじめ測定しておき、Z微動機構1へのドライバ18からの印加電圧から、ずれ量を認識し、その移動量の分だけ対物レンズ微動機構9にドライバ19により電圧を印加する方式を採用している。この場合、圧電素子のドリフトやヒステリシスに起因する誤差分は残るものの、対物レンズのずれ量はほぼ補正される。
【００１７】
本実施形態では、サンプル走査用のアクチュエータとして円筒型圧電素子を利用した３軸微動機構を採用したが、同一の作用を行うものであれば別方式のアクチュエータも利用可能である。また、対物レンズ微動機構9についても、ステッピングモータなどの別方式のアクチュエータも使用可能であり、粗動機構8と微動機構9を一体化させるような方式も考えられる。
【００１８】
また、プローブ先端とサンプルの距離制御手段として本実施形態の他にも、プローブを振動させずにたわみ量が一定となるように制御を掛ける方式、サンプルに対して水平方向にプローブを振動させその時のシアフォースによるプローブの減衰量がゼロになるように制御を掛ける方式、プローブに金属コートを施し、導電性サンプルとの間にトンネル電流を発生させ、トンネル電流の距離依存性を利用して制御を掛ける方式、プローブ先端で発生するエバネッセント光をサンプル表面で散乱させ、その散乱光強度を測定してエバネッセント場の距離依存性を利用して制御を行う方式などが考えられる。
【００１９】
また、プローブの形状も、実施形態に示したベント型に限らず、ストレート型のプローブや、光導波路を形成したカンチレバー型プローブなども考えられる。さらに、プローブの振幅量の検出方式としては光てこ方式のほかに、水晶振動子や圧電体にプローブを固定し電荷量の変化を利用して振幅量を検出する方式なども使用可能である。
【００２０】
図２は本発明の別の実施形態である。この実施形態では、圧電素子により2次元平面内でサンプルを走査できるようにした２軸微動機構20上にサンプル3を載置する。一方、サンプルの上方にはプローブ6が配置され、プローブ側に設けられた圧電素子を用いたZ微動機構21によりサンプル3とプローブ先端との距離制御が行われる。
【００２１】
プローブは光ファイバの先端付近が曲げられて、先端部を先鋭化し、先端部分にnmオーダの微小開口部が設けられ、その他の部分は金属膜でコーティングが施された構造である。また、背面部分には振幅検出用のレーザ光を反射させるためのミラー面が形成されている。
対物レンズ5はサンプル3を挟んでプローブ6と対向する側に配置されており、対物レンズ駆動機構7として、光路を確保するために中心部に中空部分を設けた、粗動用の送りネジ機構8と微動用の円筒型積層圧電素子9が使用されている。
【００２２】
対物レンズ駆動機構7と２軸微動機構20は粗動機構10上に配置されており、プローブに対してサンプルが粗動機構10により近接できるようになっている。
プローブ6はプローブホルダ11に固定され、圧電素子からなる振動子12により微小振動され、その時のプローブ6の振幅量は光てこ機構を用いた光学ヘッド13により検出される。
【００２３】
プローブ末端はレーザ光源14とカップリングされ、先端開口付近にエバネッセント場が形成される。
対物レンズ5で集光された光は、対物レンズ下方に配置された全反射ミラー15で曲げられ、結像レンズ16で結像されて、光検出部17に導入される。本実施形態においても光検出器として受光面が数百μmと非常に小さいアバランシェフォトダイオードをもちいた。光検出器としては他にもフォトマルや分光器などが使用される。これらの検出器は、対物レンズの焦点が合った状態で光軸が合うようにセッティングされている。
【００２４】
本実施形態の装置を用いて測定を行う場合には、まず対物レンズ5の粗動機構8を用いてサンプル表面にフォーカシングを行う。プローブ先端とサンプル間の距離の制御はプローブを共振周波数近傍で振動させながら、サンプルに近接させたときの振幅の振幅量をモニタし、振幅が一定となるようにZ微動機構21を動作させる。粗動機構10によりサンプル3をプローブ先端に近接させ、サンプル3とプローブ先端の間に原子間力が働く領域まで近接させたあと、Z微動機構21によりプローブ側を動作させて、サンプル3とプローブ6間が最適動作点となるように距離制御を行う。
【００２５】
次に、２軸微動機構20を用いてサンプルを2次元平面内で走査させる。このとき、プローブ先端とサンプルとの距離が一定となるようにZ微動機構21を動作させる。このとき測定前に合わせた焦点位置はZ微動機構21の動作分だけずれてしまう。このずれ量を補正するため、対物レンズの微動機構9をZ微動機構21の移動量だけ変化させる。この状態でサンプルを２軸微動機構20を用いて２次元平面内で走査し、そのときの透過光を集光することにより、光信号の２次元の強度分布が測定される。また、Z微動機構21に印加される電圧をモニターすればサンプルの凹凸像も同時に測定可能である。
【００２６】
焦点ずれの補正方法として、図２の実施形態では、先の実施形態と同じくZ 微動機構の圧電定数と対物レンズ微動機構の圧電定数をあらかじめ測定しておき、Z 微動機構21へのドライバ22からの印加電圧からずれ量を認識し、その移動量の分だけ対物レンズ微動機構9 にドライバ19から電圧を印加する方式を採用している。この場合、圧電素子のドリフトやヒステリシスに起因する誤差分は残るものの、対物レンズのずれ量はほぼ補正される。
【００２７】
本実施形態では、サンプル走査用のアクチュエータとして圧電素子を利用した２軸微動機構を採用したが、同一の作用を行うものであれば別のアクチュエータも利用可能である。また、Z 微動機構21についてもアクチュエータは圧電素子に限定されない。また、プローブ側に2 次元平面内の微動機構を取りつけ、３軸微動機構すべてをプローブ側に設けるような構成も考えられる。さらに、粗動機構10もプローブ側に設けることも可能である。
【００２８】
また、対物レンズ微動機構9についても、別方式のアクチュエータも使用可能であり、粗動機構8と微動機構9を一体化させるような方式も考えられる。
また、プローブ先端とサンプルの距離制御手段として本実施形態のほかにも、先の実施形態と同様にいくつかの手段が利用できる。
また、プローブの形状も、実施形態に示したベント型に限らず、ストレート型のプローブや、光導波路を形成したカンチレバー型プローブなども考えられる。
【００２９】
さらに、プローブの振幅量の検出方法としては光てこ方のほかに、水晶振動子や圧電体にプローブを固定し電荷量の変化を利用して振幅量を検出する方式なども使用可能である。
図３に、本発明に係る別方式の対物レンズの制御方式を示す。この方式ではZ微動機構21と対物レンズの微動機構9にそれぞれ静電容量型の変位センサ23、24を取付け、それぞれの微動機構の変位量を検出している。Z微動機構21の変位量を取り込み、アンプ25を介して制御部26に信号を送り、対物レンズ微動機構9にドライバ19から駆動信号を印加し、Z微動機構21の移動分だけ変位センサ24でモニターしながら対物レンズ5を動作させる。本実施形態によれば、圧電素子のドリフトやヒステリシスの影響が出ず、対物レンズ5の焦点を正確に合すことが可能となる。なお、変位センサ23、24は静電容量型に限らず、光干渉法など別の方式の変位センサも使用できる。また、ステッピングモータなどを利用する場合には、変位計の代わりにエンコーダを用いることも可能である。
【００３０】
図４は、図２と同様の機構を用いて、対物レンズ28をサンプルからの反射光を集光できる位置に配置した実施形態である（反射側の光検出器は図示せず）。本実施形態を用いて測定を行う場合には、測定前にプローブ先端に対物レンズ28の焦点を合わせておき、粗動機構10でアプローチした後、スキャン中にＺ微動機構21の移動量をドライバ22からの印加電圧によりモニターしながら、プローブ先端との距離が常に一定となるようにドライバ30から電圧を印加して対物レンズ微動機構29を動作させる。この実施形態の場合にも、Z 微動機構21と対物レンズ微動機構29に変位センサを設け変位センサの信号をフィードバックさせる方式も可能である。
【００３１】
図５に、本発明のさらに別の実施形態を示す。この実施形態では、光の代わりにトンネル電流によりサンプル33の表面を励起し、このときの発光を対物レンズ5により集光し、分光器31により発光スペクトルを検出するようにした。導電性を有するプローブ32の先端とサンプル33の表面の距離制御はトンネル電流値をモニターし、トンネル電流の距離依存性を利用して行われる。サンプル33にバイアス電圧を印加し、そのとき発生するトンネル電流をI/Vアンプ34で電圧信号に変換し、比較器35により設定値と比較して、トンネル電流値が一定となるようにコントローラ36からZ微動機構1に電圧を印加する。この実施形態の場合にも図１の実施形態と同様の方式により対物レンズ5と発光点の距離が常に一定となるように対物レンズ微動機構9を動作させる。
【００３２】
図６に、本発明のさらに別の実施形態を示す。この方式では、対物レンズ５を通過した後の光信号の光路内に、オートフォーカス用の４分割されたフォトディテクタ３７を配置し、測定対象の光信号を利用して対物レンズ微動機構９を動作させ焦点合わせを行う。オートフォーカスの方式としては、いくつかの方式が考案され一般的に使用されているが、本実施形態では、非点収差法を採用した。この方式では、光路中にハーフミラー３８を入れ、光路を分割し、さらにシリンドリカルレンズ３９を配置し、４分割されたフォトディテクタ３７上に光信号を集光し、４つの領域におけるそれぞれの光量から、ディテクタ上のスポット形状を認識する。焦点が合った状態では、スポット形状は図６（Ｂ）のように丸型となるが、焦点ずれが生じた場合にはシリンドリカルレンズ３９の特性によりスポットは図６（Ａ）（Ｂ）のような長円形状となる。したがって、測定中にスポット形状が常に丸型となるようにコントローラ４０によりフィードバックを掛け、ドライバ１９から電圧を印加して対物レンズ微動機構９を動作させることにより、焦点ずれが補正される。この他にも、一般に用いられているナイフエッジ法、臨界角法などの方法が適用可能である。これらの方式の場合には、先の実施形態で測定前に行っていた対物レンズ粗動機構による焦点合わせも自動化することが可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の走査型近接場顕微鏡では、励起光を照射するためのプローブと、サンプルとプローブ間の距離制御を行うZ 微動機構と、サンプルの局所的な光信号を集光するための対物レンズを備え、対物レンズをフォーカシングさせるためのアクチュエータを設け、Z 微動機構の動作に合せ、アクチュエータを動作させ、対物レンズの焦点位置が常に一定となるようにしたので、アプローチ時や測定中における焦点ずれがなくなる。この結果、集光効率の悪化や、分解能の低下、検出器の受光面のずれ、S/N 比が悪化などを防ぐことが可能となり、測定データの精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型近接場顕微鏡の一実施形態の説明図である。
【図２】本発明の走査型近接場顕微鏡の別の実施形態の説明図である。
【図３】本発明のさらに別の実施形態の制御方式を示した説明図である。
【図４】本発明の走査型近接場顕微鏡の反射光集光方式の説明図である。
【図５】本発明に係るトンネル電流励起型の走査型近接場顕微鏡の説明図であるで。
【図６】本発明に係るオートフォーカス機構を用いた走査型近接場顕微鏡の の説明図である。
【図７】従来の走査型近接場顕微鏡の説明図である。
【図８】従来の別の実施形態の走査型近接場顕微鏡の説明図である。
【符号の説明】
１ Z微動機構
３ サンプル
４ ２軸微動機構
５ 対物レンズ
６ プローブ
８ 対物レンズ粗動機構
９ 対物レンズ微動機構
１０ 粗動機構
１１ プローブホルダ
１３ 光学ヘッド
１７ 光検出部
２０ ２軸微動機構
２１ Z微動機構
２３ 変位センサ
２４ 変位センサ
２８ 対物レンズ
２９ 対物レンズ微動機構
３１ 分光器
３２ 導電性プローブ
３３ サンプル
３４ I/Vアンプ
３５ 比較器
３７ ４分割フォトディテクタ
３９ シリンドリカルレンズ

Claims (8)

1. 励起光を照射するためのプローブと、サンプルの局所的な光信号を集光するための対物レンズを備えた走査型近接場顕微鏡において、
   前記プローブとサンプルとの間の距離制御を行うＺ微動機構と、
   前記対物レンズの焦点を前記プローブの先端に合わせるための対物レンズ駆動機構と、を備え、
   前記Ｚ微動機構と前記対物レンズ駆動機構のそれぞれの移動量をあらかじめ校正しておき、前記Ｚ微動機構の駆動信号から移動量を認識し、該移動量に相当する分だけ前記対物レンズ駆動機構を駆動することにより、前記Ｚ微動機構の動作に連動して、対物レンズの焦点位置が常に一定となるように前記対物レンズ駆動機構を動作させることを特徴とする走査型近接場顕微鏡。
2. 励起光を照射するためのプローブと、サンプルの局所的な光信号を集光するための対物レンズを備えた走査型近接場顕微鏡において、
   前記プローブとサンプルとの間の距離制御を行うＺ微動機構と、
   前記対物レンズの焦点を前記プローブの先端に合わせるための対物レンズ駆動機構と、を備え、
   前記Ｚ微動機構と前記対物レンズ駆動機構の移動量を変位検出装置により検出し、前記Ｚ微動機構の変位量に相当する移動量だけ対物レンズ駆動機構を駆動することにより、前記Ｚ微動機構の動作に連動して、対物レンズの焦点位置が常に一定となるように前記対物レンズ駆動機構を動作させることを特徴とする走査型近接場顕微鏡。
3. プローブの先端とサンプルとの間に電流またはトンネル電流を発生させ、該電流またはトンネル電流を励起源としてサンプルに発光を生じさせ、該発光現象を対物レンズにより集光する走査型近接場顕微鏡において、
   前記プローブとサンプルとの間の距離制御を行うＺ微動機構と、
   前記対物レンズの焦点を前記プローブの先端に合わせるための対物レンズ駆動機構と、を備え、
   前記Ｚ微動機構と前記対物レンズ駆動機構のそれぞれの移動量をあらかじめ校正しておき、前記Ｚ微動機構の駆動信号から移動量を認識し、該移動量に相当する分だけ前記対物レンズ駆動機構を駆動することにより、前記Ｚ微動機構の動作に連動して、対物レンズの焦点位置が常に一定となるように前記対物レンズ駆動機構を動作させることを特徴とする走査型近接場顕微鏡。
4. プローブの先端とサンプルとの間に電流またはトンネル電流を発生させ、該電流またはトンネル電流を励起源としてサンプルに発光を生じさせ、該発光現象を対物レンズにより集光する走査型近接場顕微鏡において、
   前記プローブとサンプルとの間の距離制御を行うＺ微動機構と、
   前記対物レンズの焦点を前記プローブの先端に合わせるための対物レンズ駆動機構と、を備え、
   前記Ｚ微動機構と前記対物レンズ駆動機構の移動量を変位検出装置により検出し、前記Ｚ微動機構の変位量に相当する移動量だけ対物レンズ駆動機構を駆動することにより、前記Ｚ微動機構の動作に連動して、対物レンズの焦点位置が常に一定となるように前記対物レンズ駆動機構を動作させることを特徴とする走査型近接場顕微鏡。
5. サンプルからの透過光を集光できるように前記対物レンズを配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の走査型近接場顕微鏡。
6. サンプルからの反射光を集光できるように前記対物レンズを配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の走査型近接場顕微鏡。
7. 前記プローブとサンプルとの間の距離制御を行うＺ微動機構をサンプル側に設け、サンプルを動作させることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の走査型近接場顕微鏡。
8. 前記プローブとサンプルとの間の距離制御を行うＺ微動機構をプローブ側に設け、プローブを動作させることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の走査型近接場顕微鏡。

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