JP5292128B2 - 走査プローブ顕微鏡およびこれを用いた試料の観察方法 - Google Patents

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

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Description

本発明は、走査プローブ顕微鏡技術および、これを用いた試料観察方法に適用して有効な技術に関する。
微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。その中でも原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、先端のとがった探針を制御して接触力を非常に小さな値に保ちながら試料表面を走査する観察技術であり、原子オーダの微細立体形状が計測できる技術として、広く用いられている。しかし、この原子間力顕微鏡は試料表面の反射率分布や屈折率分布といった光学的性質を測定することはできない。
一方、４５ｎｍノード以降の極微細半導体デバイスでは、高速化のために歪シリコンの適用が予定されており、微小領域における応力分布の測定が歩留まり管理上不可欠とされる。また、さらなる微細化のためには、不純物原子の分布状況をナノメートルオーダの分解能できめ細かく管理することが要求されている。応力分布や不純物分布などの物性情報は、原子間力顕微鏡や寸法管理に用いられているＣＤ−ＳＥＭ（測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ））では測定不可能である。ラマン分光計測法等の光学的手法の検討がされているが、通常のラマン分光顕微鏡では空間分解能が不足している。
また、異物検査や欠陥検査で検出された異物や欠陥の発生要因を特定するため、レビューＳＥＭと呼ばれる電子顕微鏡で異物や欠陥の分類作業が行われているが、形状や凹凸情報のみに頼る手法のため、分類性能に限界がきている。こちらも、光学情報を付加することにより分類性能の向上が期待できるが、やはり通常の光学顕微鏡やレーザ走査顕微鏡では空間分解能が不足している。
これらの課題を解決し、試料表面の光学的性質や物性情報を高分解能で測定する手段として、近接場走査顕微鏡（ＳＮＯＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られる。この顕微鏡は、非特許文献１に開示されているように、数十ｎｍの微小開口から漏れる近接場光を、開口と試料との間隙を同じく数十ｎｍに保ったままで走査することにより（開口プローブ）、光の回折限界を超えて開口と同じ大きさの数十ｎｍの分解能で、試料表面の反射率分布や屈折率分布といった光学的性質を測定するものである。同様の手法として、非特許文献２には、金属探針に外部から光を照射して、探針の微小先端部で散乱した数十ｎｍの大きさの近接場光を走査する（散乱プローブ）方法も開示されている。
また、微小スポット光により金属表面に励起させた表面プラズモンが、金属表面を伝搬していくことが非特許文献３に記載されている。
また、特許文献１には、ファイバ先端に微小な球形レンズを形成して微小スポット光を形成する方法が開示されている。
また、特許文献２には、カーボンナノチューブ内部にフォトルミネセンス、エレクトロルミネセンスを発現するＶ、Ｙ、Ｔａ、Ｓｂ等の金属カーバイトや、ＺｎＳ蛍光体、ＣａＳ蛍光体を充填し、微小スポット光を得る方法が開示されている。
特表２００６−５１５６８２号公報 特開２００２−２６７５９０号公報
Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３１，ｐｐ．Ｌ１３０２−Ｌ１３０４（１９９２） Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１９，ｐｐ．１５９−１６１（１９９４） 分光研究、第５４巻、第４号、ｐｐ．２２５〜２３７（２００５）
しかし、上記した近接場走査顕微鏡は測定分解能が数十ｎｍオーダであり、ｎｍオーダの分解能を有する原子間力顕微鏡や電子顕微鏡に比べ一桁以上分解能が不足している。また測定の再現性が極めて低いという工業応用にとっては致命的ともいえる問題も抱えている。すなわち、上記の方法のうち、開口プローブを用いる方法では、開口を安定に形成することが極めて困難であり、実用上数十ｎｍが限界とされている。また、試料上を走査する際にプローブが試料に衝突して開口が損傷したり磨耗して、次第に開口が広がってしまい、測定画像の再現性が低下してしまう。
一方、金属探針を用いる散乱プローブは、開口プローブに比べ分解能が高いとされるが、外部照明光が探針の根元や試料表面で散乱して背景雑音となったり、開口プローブと同様、試料上を走査する際にプローブが試料に衝突して先端部が損傷あるいは磨耗して、測定分解能が低下し十分な再現性が得られないという課題を有していた。
また、ファイバ先端に微小な球形レンズを形成する方法も原理的に分解能は数十ｎｍオーダ以上であり、さらに試料上を走査する際に球形レンズが試料に衝突して損傷したり磨耗し、次第にスポット光が大きくなりその形状が劣化し、測定画像の再現性が低下してしまう。
また、カーボンナノチューブ内部にフォトルミネセンス、エレクトロルミネセンスを発現する発光粒子を充填する方法も、粒子径がナノメートルオーダになると発光効率が極端に低下し、高いＳＮ比での近接場光画像を得ることが困難である。
そこで本発明では、プローブと試料の双方にダメージを与えることなく、ナノメートルオーダの分解能でかつ高い再現性と高いＳＮ比で、試料表面の光学情報及び凹凸情報を測定することを可能とする走査プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、半導体試料の応力分布や不純物分布などの物性情報や、異物や欠陥の分類に寄与する光学情報や凹凸情報をナノメートルオーダの分解能で測定し、製造プロセス条件にフィードバックすることで、信頼性の高い半導体デバイスの高歩留まり生産を実現することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
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、次のとおりである。
すなわち、代表的なものの概要は、走査プローブ顕微鏡を、内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針と、この測定探針を支持するカンチレバーと、このカンチレバーを駆動して測定探針を検査対象試料に対して相対的に３次元的に走査するカンチレバー駆動手段と、カンチレバーの変形を検出する変位検出手段と、測定探針と検査対象試料の表面との間に近接場光を発生させて検査対象試料表面の近接場光画像を取得する近接場光画像取得手段とを備えて構成したことを特徴とする。
そして、さらに、変位検出手段でカンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して検査対象試料の表面の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ画像）を作成するＡＦＭ画像作成手段を備えて構成したことを特徴とする。
そして、さらに、近接場光画像取得手段において、測定探針の一端にプラズモンを励起するプラズモン励起手段を備えたものである。具体的には、測定探針の入射端に伝搬光からプラズモンを励起し、このプラズモンを測定探針の出射端まで伝搬させ、近接場光として出力させるプラズモン励起部を備えて構成したことを特徴とする。
また、走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針を支持するカンチレバーを駆動して測定探針を検査対象試料に対して相対的に３次元的に走査し、この３次元的な走査によるカンチレバーの変形を光学的に検出し、測定探針を用いて検査対象試料の表面の近接場光画像を取得するようにしたことを特徴とする。
そして、さらに、カンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して検査対象試料の表面の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ画像）も作成するようにしたことを特徴とする。
そして、さらに、近接場光画像を取得するために、測定探針の一端にプラズモンを励起するものである。具体的には、測定探針の入射端に伝搬光からプラズモンを励起し、このプラズモンを測定探針の出射端まで伝搬させ、近接場光として出力させるようにしたことを特徴とする。
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以下のとおりである。
すなわち、代表的なものによって得られる効果は、プローブと試料の双方にダメージを与えることなく、ナノメートルオーダの分解能でかつ高い再現性と高いＳＮ比で、試料表面の光学情報、分光情報、凹凸情報の測定が可能になる。その結果、半導体試料の応力分布や不純物分布などの物性情報や分光情報、表面凹凸情報の測定が可能になる。また、異物や欠陥の分類に寄与する光学情報や凹凸情報を測定できるので異物・欠陥分類性能が向上する。また、これらの測定結果を半導体製造プロセス条件にフィードバックすることで、信頼性の高い半導体デバイスの高歩留まり生産が可能になるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 本発明の実施の形態１における別のプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 本発明の実施の形態１におけるさらに別のプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 本発明の実施の形態１におけるプラズモン励起部の斜視図である。 本発明の実施の形態１におけるプラズモン励起部の側面の断面図（ａ）とカンチレバーの背面から見た断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態１のプラズモン励起部における、ナノチューブのチップへの固定方法と、励起されたＴＭモード・プラズモンをナノチューブに導く原理を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における試料表面を計測する手順を示すフロー図である。 本発明の実施の形態１において、ナノチューブのステップイン走査を示す試料の断面図及びカンチレバーの斜視図である。 本発明の実施の形態１において、ナノチューブ−試料間接触力と近接場光の測定タイミングとの関係（接触力（ａ）、近接場光検出強度（ｂ））を示すグラフである。 本発明の実施の形態１の検出光学系の変形例１における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１の計測部及び検出光学系の変形例１におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 本発明の実施の形態１の計測部及び検出光学系の変形例１における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１の計測部及び検出光学系の変形例２における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１の検出光学系の変形例２における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１の検出光学系の変形例３における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１の計測部の変形例１における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１において、各種材料と各光源波長に対する反射光強度の組み合わせデータを示す概略図である。 本発明の実施の形態１の計測部の変形例１における走査プローブ顕微鏡をコンタクトホールなどの深穴底の残膜検出に適用した例を示す深穴の断面図と、プラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。 本発明の実施の形態１の計測部の変形例２における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２のプラズモン励起部における、ナノチューブのチップへの固定方法と、励起されたＴＭモード・プラズモンをナノチューブに導く原理を示す断面図である。 本発明の実施の形態３のプラズモン励起部における、ナノチューブのチップへの固定方法と、励起されたＴＭモード・プラズモンをナノチューブに導く原理を示す断面図である。 本発明の実施の形態４のプラズモン励起部における、ナノチューブのチップへの固定方法と、励起されたＴＭモード・プラズモンをナノチューブに導く原理を示す断面図である。 本発明の実施の形態４において、直径４ｎｍの金ナノ粒子を充填した外径２０ｎｍのカーボンナノチューブの上端部に波長８８６ｎｍの点光源を配置した時の、カーボンナノチューブ内部及び表面近傍の電界分布を、計算機シミュレーションにより求めたものである。
＜実施の形態の概要＞
金属の微粒子に光を照射すると金属内の自由電子が集団的に振動する表面プラズモンが発生し、照射した光により金属粒子の表面に発生するエバネッセント光がこの表面プラズモンとカップリングしてプラズモン共鳴を起こし、光吸収を起こすと共に局所的に著しく増強された電場を発生することが知られている。本発明の実施の形態は、この局所的に著しく増強された電場（近接場光）をその先端部に生成するプローブを作成し、このプローブを用いて試料表面の光学的状態を観察、または計測するものである。
本発明の実施の形態のプローブは、内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針から成り、詳細は各実施の形態で後述するが、例えば、カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、このカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの内部に金粒子（金ナノ粒子）もしくは銀粒子（銀ナノ粒子）もしくは金ロッド（金ナノロッド）もしくは銀ロッド（銀ナノロッド）を埋め込んだものである。または、カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、検査対象試料の表面に近づけるカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの先端部を先鋭化し、この先端部に金粒子（金ナノ粒子）もしくは銀粒子（銀ナノ粒子）を埋め込んだものである。
本発明の実施の形態の走査プローブ顕微鏡は、詳細は各実施の形態で後述するが、例えば、前述した内部に金属構造物が埋め込まれた測定探針（ナノチューブ１）と、この測定探針を支持するカンチレバー（２０１）と、このカンチレバーを駆動して測定探針を検査対象試料に対して相対的に３次元的に走査するカンチレバー駆動手段（ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４）と、カンチレバーの変形を検出する変位検出手段（４分割ポジションセンサ２０９）と、測定探針と検査対象試料の表面との間に近接場光を発生させて検査対象試料表面の近接場光画像を取得する近接場光画像取得手段（計測部２０００）とを備えて構成する。
そして、さらに、変位検出手段でカンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して検査対象試料の表面のＡＦＭ画像を作成するＡＦＭ画像作成手段（画像形成ユニット４１０）を備えて構成する。
そして、さらに、近接場光画像取得手段において、測定探針の一端にプラズモンを励起するプラズモン励起手段（プラズモン励起部２００）と、プラズモン励起手段によりプラズモンが励起された状態で測定探針の他端を検査対象試料の表面に近づけることにより測定探針の他端と検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を検出する近接場光検出光学系（検出光学系４０００）と、近接場光検出光学系で近接場光を検出して得た信号を処理して検査対象試料の表面の近接場光画像を得る近接場光画像処理系（制御部６０００）とを備えて構成する。
また、本発明の実施の形態の試料の観察方法は、前述した走査プローブ顕微鏡を用いて、測定探針を検査対象試料に対して相対的に３次元的に走査し、この３次元的な走査によるカンチレバーの変形を光学的に検出し、測定探針を用いて検査対象試料の表面の近接場光画像を取得する。
以下、前述した実施の形態の概要に基づき、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、各図において、断面図であっても、図示内容を分かり易くするために断面表記を省略する場合がある。
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１を、図１〜図２０に基づいて説明する。
まず、本実施の形態におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を、図１〜図３に基づいて説明する。本実施の形態では、図１に示すように、多層構造カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）、あるいは金属ナノチューブ、あるいは絶縁体としての性質を示すボロンナイトライド（ＢＮ）ナノチューブなどのナノチューブ１の下端部を円錐状に先鋭化すると共に、内部空洞部分の上端部、内部、及び下端部に金（Ａｕ）の球形の金ナノ粒子２（２ａ、２ｃ、及び２ｂ）を充填しプラズモン増強近接場プローブを構成する。
例えば、カーボンナノチューブなどのナノチューブ１の両端に電圧を印加し、印加電圧を大きくしていくと、やがて電流は飽和域に至る。さらに印加電圧を大きくすると、電流が階段状に減少し、ナノチューブ１は外層から一枚ずつはがされ細くなっていき、最終的にナノチューブ１中央で切断される。このプロセスにより、ナノチューブ１の先端部を先鋭化させることができる。また、金ナノ粒子２の充填方法は、例えば高圧電流印加や加熱により両端を開放したナノチューブ１と金ナノ粒子２を真空室内に入れて、加熱反応させることにより、毛細管現象を応用することにより、金ナノ粒子２をナノチューブ１内部に包含させることが可能である。この毛細管現象については、例えば、ｗｅｂ上（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ１．ａｃｃｓｎｅｔ．ｎｅ．ｊｐ／〜ｋｅｎｔａｒｏ／ｙｕｕｋｉ／ｎａｎｏｔｕｂｅ／ｎａｎｏｔｕｂｅ２．ｈｔｍｉ）で公開されているような技術を応用することができる。
本実施の形態では、ナノチューブ１の長さは１μｍ、外径は２０ｎｍ、空洞部分の内径は４ｎｍとした。金ナノ粒子２ａ、２ｃ、及び２ｂの直径は４ｎｍである。ここで、プラズモンを発生させる限界の金属粒子径が１ｎｍ以上であるとされており、金ナノ粒子２の直径が１ｎｍ以上であれば本発明の目的を達成できる。本実施の形態においては、比較的安定して製造が可能な金ナノ粒子径の限界として４ｎｍにした。しかし、本発明では、金ナノ粒子２の直径を４ｎｍに限定するものではなく、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の範囲の直径であれば、本発明の目的は達成できる。この場合、金ナノ粒子２の直径に応じてナノチューブ１の外径も変える必要が有る。また、以下の実施の形態では金属粒子として金を用いた場合について説明するが、他の種類の金属、例えば銀ナノ粒子であっても同様な効果を得ることができる。
ナノチューブ１の上端部に何らかの手段により表面プラズモン７４０を導くことができれば、この表面プラズモン７４０は、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１の表面及び内部に充填された金ナノ粒子２ａ、２ｃ、２ｂを上端部から下端部へと伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。この近接場光８のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブを、試料上を相対的に２次元走査することにより、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を４ｎｍの光学分解能で識別することが可能になる。実際には、近接場光８と試料１０との相互作用により伝搬光が生じるので、この伝搬光を検出することで、試料１０表面の光学特性や分光特性を４ｎｍの光学分解能で画像化することができる。尚、原子間力顕微鏡では、領域１１及び１２を識別することはできない。
プラズモン増強近接場プローブの構成は図１に限定されるものではなく、図２のような構成も可能である。すなわち、金ナノ粒子２（２ａ、２ｃ、２ｂ）の代わりに、金ナノロッド７０２をナノチューブ１内に充填し、ナノチューブ１の上端部に表面プラズモン７４０を導くことにより、上記と同様の原理により、微小な近接場光８を発生させることが可能である。金ナノロッド７０２の代わりに銀ナノロッドを用いることも可能であり、また一様に充填するのではなく、複数個のナノロッドをナノメートルからサブナノメートルの間隔を設けて数珠状に配列することも可能である。
さらに、図３のような構成も可能である。すなわち、図１に示すように、金ナノ粒子２を一様に充填する代わりに、ナノチューブ１の上端部と下端部のみに金ナノ粒子２ａ、２ｂを充填し、ナノチューブ１の上端部に表面プラズモン７４０を導くことにより、上記と同様の原理により、微小な近接場光８を発生させることが可能である。この場合も、金ナノ粒子２の代わりに銀ナノ粒子を用いても、同様の効果が得られる。
次に、ナノチューブ１の上端部に表面プラズモン７４０を励起するプラズモン励起部の構成を、図４〜図５に基づいて説明する。図４にプラズモン励起部２００の全体構成を示す。例えばＳｉから成るカンチレバー２０１の先端に同様にＳｉから成る三角錐状のチップ７３０が形成されており、その先端にナノチューブ１が固定されている。カンチレバー２０１の背面２０１ｓに伝搬光である励起光５ａ、５ｂを集束して照射する。
この様子を図５（ａ）に示す、カンチレバー２０１及びチップ７３０を側方から見た断面図を用いて、詳細に説明する。カンチレバー２０１及びチップ７３０がＳｉから成る場合、励起光５ａ、５ｂは、例えば波長８８６ｎｍの近赤外レーザ光を用い、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ：開口数）０．２で集束してカンチレバー２０１の背面２０１ｓに照射する。偏光方向５ｐはＰ偏光であり、集束角７３５は約２３°である。入射角７３６は、表面反射による光量損失を抑えるため、ブリュースター角である７５°近辺にするのが望ましい。入射した励起光は、屈折して三角錐状のチップ７３０の稜線７３０ｗに集束する。集束角７３７は約６°となる。稜線７３０ｗに対する入射角７３８は臨界角である約１６°以上に設定することが望ましい。チップ７３０の表面には金の薄膜７３０ｆ、７３０ｒがコートされている。
図５（ｂ）はチップ７３０をカンチレバー２０１の背面から見た断面図である。稜線７３０ｗを挟む二つの斜面のなす角度は５０°、プラズモンの発生効率を考慮して、稜線７３０ｗに沿った金の薄膜７３０ｆの膜厚は５０ｎｍ程度、稜線７３０ｗを挟む二つの斜面の金の薄膜７３０ｓの膜厚はそれよりも薄い１０ｎｍ程度にすることが望ましい。稜線７３０ｗの幅は本実施の形態の場合、１００ｎｍとした。図５（ａ）に示すように、稜線７３０ｗへのＰ偏光の励起光の照射により、金の薄膜７３０ｆの表面に沿ってＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）モード・プラズモン（表面プラズモンとも記す）７４０が励起され、チップ７３０の先端に固定されたナノチューブ１に向かって伝播していく。プラズモンが励起される共鳴ディップ入射角７３８の許容範囲はたかだか２〜３°であるので、励起光の集束角７３７の範囲は上述の通り、その２倍の約６°程度が望ましい。
次に、本プラズモン励起部２００における、ナノチューブ１のチップ７３０への固定方法と、励起されたＴＭモード・プラズモン７４０をナノチューブ１に導く原理を、図６に基づいて説明する。図６に示すように、電子ビーム照射により金ドット７５０ａを３個形成し、これをバインダとしてナノチューブ１をチップ７３０の先端に溶融固着する。ここで、ナノチューブ１の入射端の金ドットは、ナノチューブ１をチップ７３０に固定するためだけでなく、ＴＭモード・プラズモン７４０に対する集光アンテナの役目を果たし、その直径Ｄ、高さＨを最適化することで、最大の結合効率を得ることができる。例えば、直径２０ｎｍのナノチューブへのプラズモンの結合効率を考慮すると、金ドット７５０ａの直径Ｄ及び高さＨは、概ねナノチューブ１の直径２０ｎｍと同じ大きさが望ましい。本実施の形態では、ナノチューブ１の固定のための十分な強度を確保し、かつできるだけ高い結合効率が得られるように、ナノチューブ１の直径の約２倍であるＤ＝４０ｎｍ、Ｈ＝４０ｎｍ、またその間隔はＰ＝２５０ｎｍとする。
これにより、ＴＭモード・プラズモン７４０は、図１〜図３に示すナノチューブ１の入射端の金ナノ粒子２ａ、あるいは金ナノロッド７０２の上端部に効率よく結合し、さらに破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１の表面及び内部に充填された金ナノ粒子２ｃ、２ｂ、あるいは金ナノロッド７０２を、上端部から下端部に伝搬していき、最終的にナノチューブ１の下端部から近接場光８が出力される。
尚、図６において、ナノチューブ１に結合しなかったＴＭモード・プラズモン７４０は、チップ７３０の先端で近接場光となり、これがナノチューブ１の先端部で生じる近接場光８に対する背景雑音となる。この背景雑音の影響を避けるため、チップ７３０の先端とナノチューブ１の先端との距離Ｌ０は、チップ先端部の大きさ以上、例えば数十〜数百ｎｍ以上離すことが望ましい。
本実施の形態では、カンチレバー２０１とチップ７３０はＳｉから成るとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＳｉ３Ｎ４から成るカンチレバー２０１とチップ７３０も適用可能である。この場合、励起光として例えば波長５３２ｎｍの可視光を用いることができる。波長５３２ｎｍの可視レーザ光をＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ：開口数）０．１で集束してカンチレバー２０１の背面２０１ｓに照射する。偏光方向５ｐはＰ偏光であり、集束角７３５は約１１．５°である。入射角７３６は、表面反射による光量損失を抑えるため、ブリュースター角である６３°近辺にするのが望ましい。入射した励起光は、屈折して三角錐状のチップ７３０の稜線７３０ｗに集束する。集束角７３７は約５．７°となる。稜線７３０ｗに対する入射角７３８は臨界角である約３０°以上に設定することが望ましい。
本プローブでは、ナノチューブ１の上端部から下端部に向かうプラズモンと逆方向に反射するプラズモンが干渉して定在波が生じ、定在波の節（強度の弱い部分）と腹（強度の強い部分）が存在する。節と腹の位置は励起光５ａ、５ｂの波長に依存する。従って、ナノチューブ１の長さＬは、レーザ光の波長に応じて定在波の腹がナノチューブ１の下端部と一致するように調整することが望ましい。
図７に、本プローブと本プラズモン励起部２００を搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示す。走査プローブ顕微鏡は、試料を載置してＸＹＺの３次元方向に移動可能なステージ部１０００と、ナノチューブ１を駆動して試料を計測し、得られた信号を処理して画像を生成する計測部２０００、ナノチューブ１先端と試料との間に近接場光を発生させるための光を照射する照明光学系３０００、近接場光から伝搬光に変換された光を集光して検出する検出光学系４０００、試料上の被測定部を観察し位置決めするための試料モニタ光学系５０００及び全体を制御する制御部６０００とを備えて構成される。
ステージ部１０００は、試料を載置してＸＹＺの３次元方向に移動可能なＸＹＺステージ１００とドライバ１０１とを備えている。試料１０はＸＹＺステージ１００上に載置され、ドライバ１０１で駆動されて検出光学系４０００を介して試料モニタ光学系５０００で試料１０の表面を観察しながら所望の測定位置に位置決めされる。
計測部２０００は、カンチレバー２０１の背面にレーザ光（波長８８６ｎｍ）を集光してナノチューブ１にプラズモンを励起・伝搬するプラズモン励起部２００と、圧電素子アクチュエータ２０２、ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４、カンチレバー２０１の背面にレーザ光（波長４０５ｎｍ）２０８を照射する半導体レーザ２０６、カンチレバー２０１からの反射光を検出する４分割ポジションセンサ２０９、及び半導体レーザ２０６を制御する駆動回路２０７を備えている。
試料モニタ光学系５０００は、図示していない駆動手段により検出光学系４０００の光路中に出し入れ可能なミラー５００と、結像レンズ３３０を透過してミラー５００で反射された光の像を撮像する撮像カメラ５０１を備えている。試料１０を載置したＸＹＺステージ１００をドライバ１０１で駆動して試料１０の所望の測定位置をナノチューブ１の下に設定するときには、ミラー５００を図示していない駆動手段で駆動して検出光学系４０００の光路中に挿入して試料１０からの反射光の光路を撮像カメラ５０１の方向に曲げ、撮像カメラ５０１で試料表面の光学像を観察する。試料１０の所望の測定位置がプローブ（ナノチューブ１）の下に位置決めされると、ミラー５００を図示していない駆動手段で駆動して検出光学系４０００の光路中から退避させる。
ナノチューブ１は、図４、図５（ａ）、図６に示すように、Ｓｉから成るカンチレバー２０１の先端に形成された同じＳｉから成る三角錐状のチップ７３０の先端に固定されている。このカンチレバー２０１はＺ方向に微小振動させるための圧電素子アクチュエータ２０２に固定され、さらにＸＹＺ方向に微動走査させるＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４に固定される。
照明光学系３０００は、波長８８６ｎｍの半導体レーザ３００、ビームモニタ光学系３１００、ビーム整形光学系３０５、偏光板３０７、ビームスプリッタ３１５、対物レンズ３２０を備えて構成されている。この構成において、半導体レーザ３００から発射されてビームモニタ光学系３１００のビームスプリッタ３０２を透過した光３０１は、ビーム整形光学系３０５でビーム形状が円形の平行光３０６に変換され、さらに偏光板３０７を透過した後にビームスプリッタ３１５に入射し、円形状の反射領域３１６ｂで反射され、対物レンズ３２０により集束光（励起光とも記す）５ａ、５ｂとしてプラズモン励起部２００のカンチレバー２０１の背面にＰ偏光として照射され、ナノチューブ１の上端部にＴＭモード・プラズモン７４０が励起される。
ビームモニタ光学系３１００では、半導体レーザ３００から出射した光が、透過率：反射率＝９６：４のビームスプリッタ３０２で２分割され、反射光３０３はホトダイオード等の光電変換素子３０４で受光され電気信号に変換される。この信号は、制御部６０００中の全体制御ユニット４２０に送られ、半導体レーザ３００からの出射光の強度変動のモニタリングに使われ、出射光の強度が変動した場合には、半導体レーザ３００の出力を制御して強度を一定にする。
計測部２０００においては、上記に説明したように、プラズモン励起部２００で励起されたＴＭモード・プラズモン７４０が、図１〜図３に示すナノチューブ１の入射端の金ナノ粒子２ａ、あるいは金ナノロッド７０２の上端部に伝搬し、さらに破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１の表面及び内部に充填された金ナノ粒子２ｃ、２ｂ、あるいは金ナノロッド７０２を、上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂ、あるいは金ナノロッド７０２下端部に強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光８を発生させる。試料１０の表面構造と相互作用した近接場光８からの反射光は、伝搬光９ａ、９ｂに変換される。
試料１０から反射した伝搬光９ａ、９ｂを検出する検出光学系４０００は、対物レンズ３２０、ビームスプリッタ３１５、結像レンズ３３０および光電変換素子３４０を備えて構成されている。
この検出光学系４０００において、伝搬光９ａ、９ｂを対物レンズ３２０で集光して平行光とした後、ビームスプリッタ３１５の輪帯透過領域３１６ａを透過させ、透過光９０ａ、９０ｂを結像レンズ３３０でホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０の受光面上に集光し、光電変換する。
計測部２０００の画像形成ユニット４１０では、光電変換素子３４０からの検出信号を、圧電素子アクチュエータ２０２を駆動するドライバ２０３の制御信号とＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４を駆動するドライバ２０５の制御信号とを生成する走査制御ユニット４００からの制御信号を用いて処理して２次元近接場光画像を生成し、また４分割ポジションセンサ２０９からの出力を圧電素子アクチュエータ２０２とＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４とを駆動するドライバ２０３、２０５の制御信号を用いて処理してＡＦＭ画像を生成する。
画像形成ユニット４１０で生成された２次元近接場光画像及びＡＦＭ画像は制御部６０００中の全体制御ユニット４２０に送られ、ディスプレイ等の出力ユニット４３０の出力画面にそれぞれの画像が別々の画面に、又は、同じ画面上に表示される。
ここで、光てこの原理を用いてカンチレバー２０１の先端部に固定されたプローブであるナノチューブ１が試料１０に接触しているときの接触力の求め方について説明する。カンチレバー２０１の背面には、駆動回路２０７によって駆動された半導体レーザ２０６からのレーザ光（波長４０５ｎｍ）２０８が照射され、その反射光が４分割ポジションセンサ２０９で受光される。ドライバ２０５でＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４を駆動してカンチレバー２０１を下降させ、チップ７３０の先端部に固定されたナノチューブ１を試料１０に接触させる。この状態でカンチレバー２０１を更に下降させると、カンチレバー２０１の傾きが変化してカンチレバー２０１の背面に照射されているレーザの反射方向が変化し、４分割ポジションセンサ２０９上のレーザの入射位置が変化して４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号が変化する。この変化した信号を、予め求めておいた４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号とカンチレバー２０１の傾きとの関係に基づく接触力のデータと比較して、接触力を求めることができる。
次に、試料の表面を計測する手順について、図８を用いて説明する。先ず、ＸＹＺステージ１００を駆動して、試料１０の測定領域をカンチレバー２０１のチップ７３０先端部に取り付けられたナノチューブ１の下部に位置させる（Ｓ２００１）。次に、図９に示すように、試料１０の測定領域において、ナノチューブ１と試料表面との接触の状態（接触力）を４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号でモニタしながら、カンチレバー２０１をＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４により下降させていき（Ｚ方向走査５１１）（Ｓ２００２）、所定の設定接触力になった時点で下降を停止する（Ｓ２００３）。
下降点５１２において近接場光の測定を行った後（Ｓ２００４）、カンチレバー２０１を上昇させ（Ｚ方向走査５１３）（Ｓ２００５）、４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号に基づいて、ナノチューブ１が完全に試料１０から離脱したならば（Ｓ２００６）、測定領域の計測が終了したか否かを判定し（Ｓ２００７）、終了していない場合（Ｎｏ）にはＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４を駆動してカンチレバー２０１を次の測定点に移動させる（Ｘ走査５１４）（Ｓ２００９）。Ｘ走査における移動量（送りピッチ）は、観察において必要とする分解能に応じて決められる。次の測定点において、再度カンチレバー２０１を下降させ、近接場光の測定を行う（Ｓ２００２〜Ｓ２００６）。
以上のステップイン動作を、ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４により２次元の測定領域（ＸＹ領域）に渡って繰り返し行った後、測定を完了する（Ｓ２００７）。ここで、上記２次元の測定領域を測定する方法は、テレビにおけるラスタスキャンと同じように走査する。このときのＹ方向への送りピッチ（隣り合う走査の間隔）は、観察において必要とする分解能に応じて決められる。
ドライバ２０５によって駆動されるＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４のＸＹＺ方向走査、ドライバ２０３によって駆動される圧電素子アクチュエータ２０２の振動制御、ＸＹＺステージ１００による試料１０の位置決めは、計測部２０００の走査制御ユニット４００により統括制御され、またナノチューブ１と試料１０との接触力の制御、及び近接場光の測定は、総て制御部６０００中の全体制御ユニット４２０により統括制御される。走査制御ユニット４００からＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４のＸＹＺ走査信号が、また全体制御ユニット４２０から近接場光測定信号が、各々画像形成ユニット４１０に送られ、２次元近接場光画像及びＡＦＭ画像が生成されて、全体制御ユニット４２０を介してディスプレイ等の出力ユニット４３０に出力される（Ｓ２００８）。
ナノチューブ−試料間接触力と近接場光の測定タイミングとの関係を、図１０に示す。図１０（ａ）の接触力変化曲線５２０に示すように、ナノチューブ１が上昇して試料１０から退避するに従い、接触力は押し込み方向から引き込み方向に以降し、試料１０から離脱する瞬間に接触力は最大となる。離脱後、次の測定点に移動し再び試料１０に接近する間は、接触力をまったく受けない状態となる。ナノチューブ１が再び接近し始め、試料１０に接触した瞬間に押し込み方向の力が加わり、設定接触力に達した時点で、カンチレバー２０１は下降を停止する。
一方、図１０（ｂ）の検出光強度曲線５３０に示すように、ナノチューブ１が上昇して試料１０から退避するに従い、近接場光検出強度は徐々に低下し、試料１０から離脱した後、退避動作から接近動作に変化する瞬間ＴＦ時点で最小値ＩＦとなる。その後、ナノチューブ１が再び接近し始め、金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部が試料１０に接触した瞬間に近接場光検出強度は最大値ＩＣとなり、設定接触力が維持される間は、この強度ＩＣは維持される。接触している任意の時間ＴＣでの最大値ＩＣと最小値ＩＦとの差分ΔＩ＝ＩＣ−ＩＦを測定点における反射光強度として、全体制御ユニット４２０に記憶する。以上の動作を２次元の測定領域に渡って繰り返し行うことにより、２次元領域の試料表面の反射率分布を金ナノ粒子径あるいは金ナノロッド径４ｎｍとほぼ同じ光学分解能で測定することが可能となる。設定接触力は１ｎＮ以下、好ましくは、サブｎＮ〜ｐＮで実行することが望ましい。
尚、本実施の形態では、カンチレバー２０１のＺ方向への微小振動は行わず、設定接触力となるための下降及び上昇動作のみとした。但し、接触力の検知は、上記光てこ方式に限定されるものではなく、圧電素子アクチュエータ２０２によりカンチレバーをサブナノメートルオーダの振幅、ＭＨｚオーダの周波数でＺ方向に微小振動させ、振動振幅あるいは振動周波数の変化から、検知することも可能である。
尚、励起光５ａ、５ｂの波長は８８６ｎｍに固定するのではなく、励起されたＴＭモード・プラズモン７４０が損失なく、すなわち高い結合効率でナノチューブ１に伝播する波長に微調整することが望ましい。例えば白色レーザを用いて、最適なカップリング波長を選択して励起光に用いる、あるいは白色レーザ光を励起光に用いて、最適なカップリング波長のみを、光電変換素子３４０の直前に設置した波長選択フィルタにより選択的に検出することが望ましい。
図１〜図３及び図１０に示すように、本実施の形態によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部と試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部が試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光８の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
［検出光学系４０００の変形例１］
本実施の形態の検出光学系４０００の変形例１を、図１１に基づいて説明する。図１１は、本変形例における走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡において、検出光学系４０００以外の構成とその機能は前述した図７に示した実施の形態のそれと同じであるので、説明を省略する。
前述した図６において、ナノチューブ１に結合しなかったＴＭモード・プラズモン７４０は、チップ７３０の先端で近接場光となり、これがナノチューブ１の先端部で生じる近接場光８に対する背景雑音となるので、チップ７３０の先端とナノチューブ１の先端との距離Ｌ０は、チップ先端部の大きさ以上、例えば数十〜数百ｎｍ以上離すことが望ましいとした。これだけでは背景雑音の抑制が十分でない場合は、図１１に示すように、光電変換素子３４０の直前の、ナノチューブ１の先端と共役な位置（結像位置）にピンホール７４５ｐを設けた遮光板７４５を設置することにより、ナノチューブ１の先端の近接場光８から変換された伝搬光７５７だけを選択的に通過させ、チップ７３０の先端の近接場光から変換された伝搬光を遮光することが可能となる。
前述した図１〜図３及び図１０に示したように、本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部と試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部が試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光８の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。また、チップ７３０の先端からの背景光を抑制することができるので、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。
［計測部２０００及び検出光学系４０００の変形例１］
本実施の形態の計測部２０００及び検出光学系４０００の変形例１を、図１２及び図１３に基づいて説明する。図１２は、本変形例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブ１は多層構造カーボンナノチューブ、あるいは金属ナノチューブ、あるいは絶縁体としての性質を示すボロンナイトライド（ＢＮ）ナノチューブであり、下端部を円錐状に先鋭化した構成となっている。カンチレバー２０１、チップ７３０を含めたプラズモン励起部２００の構成と機能は前述した図４〜図６に示すものと同様である。
本変形例では、図１２に示すように、ナノチューブ１の上端部に、金ナノ粒子ではなく、フォトルミネセンス、エレクトロルミネセンスを発現するＶ、Ｙ、Ｔａ、Ｓｂ等の金属カーバイトや、ＺｎＳ蛍光体、ＣａＳ蛍光体、ＣｄＳｅ（コア）／ＺｎＳ（外殻）等の蛍光粒子７９０を充填し、下端部には前述した実施の形態と同様金ナノ粒子２ｂを充填する。図２あるいは図１に示すと同様、ナノチューブ１の途中に金ナノロッド、あるいは金ナノ粒子を充填しても構わない。
図１３は、本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、前述した図７に示した実施の形態における走査プローブ顕微鏡と同様であるが、検出光学系４０００において、近接場光を検出するホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０の直前に、上記蛍光粒子７９０が発する蛍光波長±１０ｎｍの透過帯域を有する波長選択フィルタ７５５を配置した点が異なる。
すなわち、前述した図５（ａ）に示すように、励起光５ａ、５ｂによって励起されたＴＭモード・プラズモン７４０は、チップ７３０の先端に向かって伝播する。このＴＭモード・プラズモン７４０は、図１２に示すナノチューブ１の上端部に充填された蛍光粒子７９０を励起して、励起光５ａ、５ｂとは異なる波長の蛍光が発生し、蛍光と同じ波長の微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ１に表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印７９１ａ及び７９１ｂに示すように、ナノチューブ１を上端部から下端部に伝搬していく。ナノチューブ１の下端部は円錐状に先鋭化されているので、電場強度が局所的に増強され、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂに強い局在プラズモンが励起される。この局在プラズモンは試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、蛍光と同じ波長の微小な近接場光７９５を発生させる。
この近接場光７９５のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られる。近接場光７９５の反射光は、図１３に示すように、伝搬光９ａ及び９ｂとして対物レンズ３２０により集光され平行光（透過光）９０ａ、９０ｂとなる。平行光９０ａ、９０ｂは、ビームスプリッタ３１５の輪帯透過領域３１６ａを透過し、透過光は結像レンズ３３０を介し、波長選択フィルタ７５５で蛍光波長成分７６０のみが抽出され、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０で光電変換される。以降の処理は、前述した図７に示した実施の形態における走査プローブ顕微鏡と同様である。
尚、本変形例では、蛍光粒子７９０を用いたが、これに限定されることは無く、例えば非線形光学結晶などを用い、入射光の１／２の波長の近接場光を生成することも可能である。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光７９５を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光７９５を検出することにより、近接場光７９５の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
さらに、本変形例によれば、前述した図６において、ナノチューブ１に結合しなかったＴＭモード・プラズモン７４０よってチップ７３０の先端で発生する近接場光が励起光５ａ、５ｂの波長そのものであるのに対し、ナノチューブ１の下端部で発生する近接場光７９５は励起光５ａ、５ｂとは異なる蛍光波長となる。すなわち、背景雑音となるチップ７３０の先端で発生する近接場光を波長分離して、ナノチューブ１の下端部で発生する近接場光７９５のみを検出できるため、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。同様に、半導体レーザ３００から出射したレーザ光による途中の光路やナノチューブ自身での散乱光等、背景雑音を大幅に低減させることが可能となり、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。
［計測部２０００及び検出光学系４０００の変形例２］
本実施の形態の計測部２０００及び検出光学系４０００の変形例２を、前述した図５（ａ）及び図６と、図１４に基づいて説明する。前述した図５（ａ）及び図６に示すように、励起光５ａ、５ｂによって励起されたＴＭモード・プラズモン７４０は、チップ７３０の先端に向かって伝播し、ナノチューブ１の入射端の金ドット７５０ａ、及び入射端の金ナノ粒子２ａ、あるいは金ナノロッド７０２の上端部と結合して、表面プラズモン（破線矢印７ａ及び７ｂ）として、ナノチューブ１の上端部から下端部に向かって伝搬し、ナノチューブ１の下端部から近接場光８が出力される。試料１０の表面構造と相互作用した近接場光８からの反射光は、伝搬光９ａ、９ｂに変換される。前述した図７に示した実施の形態における走査プローブ顕微鏡では、この伝搬光９ａ、９ｂを検出することで、近接場光画像を得た。
一方、試料１０の表面構造と相互作用した近接場光８の一部は再び表面プラズモン７４１として、同じ経路を逆向きに伝播する。本変形例では、この逆向きの表面プラズモン７４１を検出することで、近接場光画像を得る。例えば、逆向きの表面プラズモン７４１はナノチューブ１の入射端の金ドット７５０ａと再結合して、伝搬光として強い散乱光７４２ａ、７４２ｂ（図１４参照）を生じるので、この散乱光７４２ａ、７４２ｂを検出すればよい。また、この逆向きの表面プラズモン７４１はさらに伝搬して、カンチレバー２０１とチップ７３０が成すコーナ部７３０ｃで、同様に伝搬光として強い散乱光７４２ａ、７４２ｂを生じるので、この散乱光７４２ａ、７４２ｂを検出してもよい。図１４は、これらの散乱光を検出する手段を搭載した、本変形例における走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡において、検出光学系４０００以外の構成とその機能は前述した図７に示した実施の形態のそれと同じであるので、説明を省略する。
図１４において、光電変換素子３４０の直前の、ナノチューブ１の入射端の金ドット７５０ａと共役な位置（結像位置）に、あるいはカンチレバー２０１とチップ７３０が成すコーナ部７３０ｃと共役な位置（結像位置）に、ピンホール７４５ｐを設けた遮光板７４５を設置することにより、試料１０の表面構造と相互作用した近接場光８に対する反射光（伝搬光）７５７だけを選択的に通過させ、それ以外の部分からの外乱光を遮光することが可能となる。
前述した図１〜図３及び図１０に示すように、本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部と試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部が試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光８の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。また、試料１０の表面構造と相互作用した近接場光８に対する反射光以外の外乱光を抑制することができるので、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。
［検出光学系４０００の変形例２］
本実施の形態の検出光学系４０００の変形例２を、図１５に基づいて説明する。図１５は、本変形例における走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、前述した図７に示した実施の形態における走査プローブ顕微鏡と同様であるが、近接場光の検出部分に分光器６１１を配置した点が異なる。すなわち、ナノチューブ１の下端部で出射し試料１０で反射された近接場光８は、伝搬光９ａ、９ｂに変換されて対物レンズ３２０で平行光９０ａ、９０ｂとなり、結像レンズ３３０で分光器６１１の入射面に、ミラー６１０を介して集光される。
分光器６１１では、全体制御ユニット４２０からの制御信号に基づき、伝搬光の中から所望の波長の光が選択されて、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６１２の受光面上に集光され、光電変換される。この検出信号は全体制御ユニット４２０に送られ、特定波長の２次元近接場光画像が形成される。前述した図７に示した実施の形態及びその変形例では、入射レーザ光の波長と同一の波長を検出していたのに対し、本変形例では、入射レーザ光から波長シフトした近接場光を検出することが可能である。例えば、歪シリコンを用いた半導体素子の微小場の応力分布を、ラマン分光を応用してナノメートルの分解能で画像化することが可能である。その場合、ナノチューブ１の接触によって試料自身に微弱な変形が生じラマンシフトが発生しないよう、ナノチューブ１と試料１０間の接触力はサブｎＮ〜ｐＮオーダ以下に設定するのが望ましい。
また、半導体レーザ３００の代わりに、ブロードな波長帯域を有するＬＥＤ等の光源を用いれば、波長帯域内の任意の波長の２次元近接場光画像の検出も可能である。また、分光器６１１を、ＣＣＤ１次元センサ等のアレイセンサを用いた全波長一括検出タイプのものに変更すれば、２次元近接場分光画像を得ることができ、ナノメートル分解能で試料１０の分光分析が可能となる。
前述した図７に示した実施の形態及びその変形例と同様、本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、近接場光８を常に安定に発生させることができ、また近接場光８の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。さらに、ナノメートルオーダの分解能での近接場分光画像の検出が可能となり、ナノメートル分解能で試料１０の分光分析が可能となる。
［検出光学系４０００の変形例３］
本実施の形態の検出光学系４０００の変形例３を、図１６に基づいて説明する。図１６では、光源に波長６３０ｎｍ、５２０ｎｍ、４３０ｎｍ近傍の３色の光を発する白色レーザ６２０を用い、近接場光の検出部分に色分離の干渉フィルタ６２５ｒ、６２５ｇ、６２５ｂを配置した。白色レーザ６２０から出射したレーザ光によりナノチューブ１と試料１０との間に近接場光８を発生させ、その反射光が伝搬光９ａ、９ｂとして対物レンズ３２０、ビームスプリッタ３１５を透過して結像レンズ３３０に達するまでは、前述した図７を用いて説明した実施の形態と同じである。
結像レンズ３３０に達した平行光９０ａ、９０ｂは、ミラー６１０を介して結像レンズ３３０で集光された後、リレーレンズ６１５で平行光となり、さらにダイクロイックミラー６２１（波長６００ｎｍ以上は透過、それ以下は反射）と干渉フィルタ６２５ｒ（透過中心波長６３０ｎｍ）により、波長６３０ｎｍの光が抽出される。この光は集光レンズ６３１により、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６４１の受光面上に集光され、光電変換される。ダイクロイックミラー６２１で反射された光は、ダイクロイックミラー６２２（波長４８０ｎｍ以上は反射、それ以下は透過）と干渉フィルタ６２５ｇ（透過中心波長５２０ｎｍ）により、波長５２０ｎｍの光が抽出される。この光は集光レンズ６３２により、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６４２の受光面上に集光され、光電変換される。ダイクロイックミラー６２２を透過した光は、ミラー６２３で反射された後、干渉フィルタ６２５ｂ（透過中心波長４３０ｎｍ）により、波長４３０ｎｍの光が抽出される。この光は集光レンズ６３３により、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６４３の受光面上に集光され、光電変換される。
３波長の検出信号は全体制御ユニット４２０に送られ、３波長の２次元近接場光画像が形成される。また、この３波長信号を合成することにより、ナノメートル分解能のカラー画像を生成することも可能である。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、近接場光８を常に安定に発生させることができ、また近接場光８の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。さらに、本変形例によれば、例えば、現在ＳＥＭを用いて、モノクロ画像のみから欠陥分類を行っている半導体用欠陥レビューを、ナノメートル分解能のＡＦＭ画像とカラー画像にて実行することが可能となり、欠陥分類精度が格段に向上する。
［計測部２０００の変形例１］
本実施の形態の計測部２０００の変形例１を、図１７〜図１９に基づいて説明する。図１７は、本実施の形態における計測部２０００の変更部分を示したものである。本構成では、前述した図１６に示した構成に図１８の表４４１に示す半導体材料−分光反射率データセットを格納したメモリユニット４４０を更に備えた構成となっている（図１７においては、前述した図１６に記載した構成と共通する部分を大幅に省略して記載してある）。すなわち、図１８に示すように、半導体製造に使用されるＳｉやＳｉＯ２などの各種材料と各光源波長λ１＝６３０ｎｍ、λ２＝５２０ｎｍ、λ３＝４３０ｎｍに対する反射光強度の組み合わせデータ（Ｉ１１、Ｉ２１、Ｉ３１）、（Ｉ１２、Ｉ２２、Ｉ３２）、（Ｉ１３、Ｉ２３、Ｉ３３）・・・・を予めメモリユニット４４０に格納しておき、得られた３波長の検出光強度を表４４１に照合することにより、試料１０を構成する材料の判別をナノメートル空間分解能で実行できる。もちろん、波長は３波長に限定されるものではなく、４波長、５波長と増やすことにより、材料分析精度は向上する。
図１９は、本変形例における走査プローブ顕微鏡をコンタクトホールなどの深穴底の残膜検出に適用した例を示すものである。直径３０ｎｍ程度のコンタクトホール８０１の内部にナノチューブ１を挿入し、穴底に低接触力で接触した瞬間の分光信号を取得し、その分光信号を予めメモリユニット４４０に格納しておいた膜厚と分光強度との関係に照合することにより、残膜８０２の有無及びその材質情報を得ることができる。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、近接場光８を常に安定に発生させることができ、また近接場光８の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。さらに、本変形例によれば、ナノメートル分解能での材料分析や、ナノメートルオーダの大きさの微小異物や汚染の分析が可能になる。
［計測部２０００の変形例２］
本実施の形態の計測部２０００の変形例２を、図２０に基づいて説明する。図２０は、本変形例における走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微鏡の基本構成とその機能は、前述した図７に示した実施の形態における走査プローブ顕微鏡と同様であるが、カンチレバー２０１をＺ方向に微小振動させる点が異なる。ドライバ２０３によって圧電素子アクチュエータ２０２を駆動し、カンチレバー２０１をＺ方向に一定周波数ｆで微小振動させ、近接場光８、７９５に強度変調をかける。一定周波数ｆの駆動信号を参照信号として、ロックインアンプ４５０で光電変換素子３４０の検出信号から周波数ｆの成分のみを抽出することにより、近接場光８、７９５の情報を感度よく検出することが可能である。ロックインアンプ４５０からの出力信号は全体制御ユニット４２０に送られる。以降の処理は、前述した図７に示した実施の形態における走査プローブ顕微鏡と同様である。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光８の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。また、近接場光８をロックイン検出することにより、ＳＮ比の高い近接場光画像を得ることが可能となる。
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２を、図２１に基づいて説明する。図２１は、本実施の形態のプラズモン励起部２００における、ナノチューブ１のチップ７３０への固定方法と、励起されたＴＭモード・プラズモン７４０をナノチューブ１に導く原理を示したものである。前述した実施の形態１のプラズモン励起部では、電子ビーム照射により金ドット７５０ａを３個形成し、これをバインダとしてナノチューブ１をチップ７３０の先端に溶融固着することとした。また、固定のための十分な強度を確保し、かつ直径２０ｎｍのナノチューブへのプラズモンの結合効率を考慮して、前述した実施の形態１ではＤ＝４０ｎｍ、Ｈ＝４０ｎｍ、またその間隔はＰ＝２５０ｎｍとした。
本実施の形態では、ナノチューブ１の入射端の金ドット７５０ａは、直径２０ｎｍのナノチューブ１へのプラズモンの結合効率を考慮して、Ｄ＝４０ｎｍ、Ｈ＝４０ｎｍとする。これに対し、残りの２つのドットはＤ＝４０ｎｍ、Ｈ＝４０ｎｍとする一方、これらのドットでのプラズモン損失を最小限に抑えるため、その材質を誘電体とする誘電体ドット７５０ｂとする。例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４、あるいは金属としての性質が低いタングステン（Ｗ）などを用いる。３つのドットの間隔は、Ｐ＝２５０ｎｍとする。
これにより、ＴＭモード・プラズモン７４０は、前述した図１〜図３に示すナノチューブ１の入射端の金ナノ粒子２ａ、あるいは金ナノロッド７０２の上端部に効率よく結合し、また、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１の表面及び内部に充填された金ナノ粒子２ｃ、２ｂ、あるいは金ナノロッド７０２を、上端部から下端部に伝搬していく過程において、２つの誘電体ドット７５０ｂでのプラズモンの損失や不要な散乱を抑制することができる。その結果、最終的にナノチューブ１の下端部から効率よく近接場光８を出力させることができる。
本プラズモン励起部２００を搭載した走査プローブ顕微鏡の構成とその機能は、前述した図７に示す実施の形態１のそれと同じであるので、説明を省略する。
本実施の形態によれば、前述した実施の形態１と同様、前述した図１〜図３及び図１０に示すように、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部と試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定にかつ効率よく発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部が試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光８の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３を、図２２に基づいて説明する。図２２は、本実施の形態のプラズモン励起部２００における、ナノチューブ１のチップ７３０への固定方法と、励起されたＴＭモード・プラズモン７４０をナノチューブ１に導く原理を示したものである。前述した実施の形態１のプラズモン励起部では、電子ビーム照射により金ドット７５０ａを３個形成し、これをバインダとしてナノチューブ１をチップ７３０の先端に溶融固着することとした。また、固定のための十分な強度を確保し、かつ直径２０ｎｍのナノチューブへのプラズモンの結合効率を考慮して、前述した実施の形態１ではＤ＝４０ｎｍ、Ｈ＝４０ｎｍ、またその間隔はＰ＝２５０ｎｍとした。
本実施の形態では、ナノチューブ１の入射端の金ドット７５０ａは、直径２０ｎｍのナノチューブ１へのプラズモンの結合効率を考慮して、Ｄ０＝４０ｎｍ、Ｈ０＝４０ｎｍとする。これに対し、残りの２つの金ドット７５１ａは、これらのドットでのプラズモン損失を最小限に抑えるため、その形状をナノチューブ１の直径２０ｎｍに比べ、極端に大きくする。例えば、Ｄ１＝２００ｎｍ、Ｈ１＝２００ｎｍとする。
これにより、ＴＭモード・プラズモン７４０は、前述した図１〜図３に示すナノチューブ１の入射端の金ナノ粒子２ａ、あるいは金ナノロッド７０２の上端部に効率よく結合し、また、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１の表面及び内部に充填された金ナノ粒子２ｃ、２ｂ、あるいは金ナノロッド７０２を、上端部から下端部に伝搬していく過程において、２つの金ドット７５１ａでのプラズモンの損失を抑制することができる。その結果、最終的にナノチューブ１の下端部から効率よく近接場光８を出力させることができる。
本プラズモン励起部２００を搭載した走査プローブ顕微鏡の構成とその機能は、前述した図７に示す実施の形態１のそれと同じであるので、説明を省略する。
本実施の形態によれば、前述した実施の形態１と同様、前述した図１〜図３及び図１０に示すように、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部と試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定にかつ効率よく発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部が試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光８の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４を、図２３及び図２４に基づいて説明する。図２３は、本実施の形態のプラズモン励起部２００における、ナノチューブ１のチップ７３０への固定方法と、励起されたＴＭモード・プラズモン７４０をナノチューブ１に導く原理を示したものである。前述した実施の形態１のプラズモン励起部では、電子ビーム照射により金ドット７５０ａを３個形成し、これをバインダとしてナノチューブ１をチップ７３０の先端に溶融固着することとした。また、固定のための十分な強度を確保し、かつ直径２０ｎｍのナノチューブへのプラズモンの結合効率を考慮して、前述した実施の形態１ではＤ＝４０ｎｍ、Ｈ＝４０ｎｍ、またその間隔はＰ＝２５０ｎｍとした。
本実施の形態では、ナノチューブ１の入射端の金ドット７５０ａは、直径２０ｎｍのナノチューブ１へのプラズモンの結合効率を考慮して、Ｄ＝４０ｎｍ、Ｈ＝４０ｎｍとする。これに対し、残りの金ドット７５０ａあるいは誘電体ドット（タングステンドット）７５０ｂは、ナノチューブ１内部で生じるプラズモンの定在波の節（強度の弱い部分）と腹（強度の強い部分）の位置を考慮して配置する。すなわち、前述した実施の形態１でも述べたように、本プローブでは、ナノチューブ１の上端部から下端部に向かうプラズモンと逆方向に反射するプラズモンが干渉して定在波が生じ、定在波の節（強度の弱い部分）と腹（強度の強い部分）が存在する。
図２４は、直径４ｎｍの金ナノ粒子を充填した外径２０ｎｍのナノチューブ（カーボンナノチューブ）１の上端部に波長８８６ｎｍの点光源８６０を配置した時の、カーボンナノチューブ１内部及び表面近傍の電界分布を、計算機シミュレーションにより求めたものである。拡大図８７０に示すように、カーボンナノチューブ１の下端部に金ナノ粒子とほぼ同じ大きさの近接場光が生じていることが判る。一方、カーボンナノチューブの上端部から約２／３の付近で、電界強度が低下するプラズモン定在波の節８８０が存在することが判る。すなわち、この節８８０が存在する、上端部から距離Ｐ離れた位置に、金ドット７５０ａあるいは誘電体ドット（タングステンドット）７５０ｂを形成することにより、ドット７５０ａあるいは７５０ｂでのプラズモンの損失や不要な散乱を抑制することができる。ドット７５０ａあるいは７５０ｂの大きさは、ナノチューブ１の入射端の金ドット７５０ａと同様、Ｄ＝４０ｎｍ、Ｈ＝４０ｎｍとし、またその材質は金、あるいは誘電体材料であるＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４、あるいは金属としての性質が低いタングステン（Ｗ）などを用いる。
これにより、ＴＭモード・プラズモン７４０は、前述した図１〜図３に示すナノチューブ１の入射端の金ナノ粒子２ａ、あるいは金ナノロッド７０２の上端部に効率よく結合し、また、破線矢印７ａ及び７ｂに示すように、ナノチューブ１の表面及び内部に充填された金ナノ粒子２ｃ、２ｂ、あるいは金ナノロッド７０２を、上端部から下端部に伝搬していく過程において、ドット７５０ａ、７５０ｂでのプラズモンの損失や不要な散乱を抑制することができる。その結果、最終的にナノチューブ１の下端部から効率よく近接場光８を出力させることができる。
本プラズモン励起部２００を搭載した走査プローブ顕微鏡の構成とその機能は、前述した図７に示す実施の形態１のそれと同じであるので、説明を省略する。
本実施の形態によれば、前述した実施の形態１と同様、前述した図１〜図３及び図１０に示すように、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部と試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光８を常に安定にかつ効率よく発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂあるいは金ナノロッド７０２下端部が試料１０に接触した瞬間の近接場光８を検出することにより、近接場光８の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
＜実施の形態１〜４の効果＞
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＡＦＭとあわせてナノメートルオーダの光学分解能を有する走査プローブ顕微鏡が実現できる。その結果、半導体試料の応力分布や不純物分布などの物性情報の測定が可能になり、また異物や欠陥の分類に寄与する光学情報や凹凸情報を測定できるので異物・欠陥分類性能が向上する。また、ナノメートル分解能での材料分析や、ナノメートルオーダの大きさの微小異物や汚染の分析が可能になる。これらの測定結果を半導体製造プロセスにフィードバックすることで、信頼性の高い半導体デバイスの高歩留まり生産が可能になる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記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で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明は、走査プローブ顕微鏡技術および、これを用いた試料観察方法に利用可能である。
１…ナノチューブ、２ａ、２ｂ、２ｃ…金ナノ粒子、５ａ、５ｂ…励起光（集束光）、５ｐ…偏向方向、８、７９５…近接場光、９ａ、９ｂ…伝搬光、１０…試料、１１、１２…領域、９０ａ、９０ｂ…透過光（平行光）、
１００…ＸＹＺステージ、１０１…ドライバ、
２００…プラズモン励起部、２０１…カンチレバー、２０１ｓ…背面、２０２…圧電素子アクチュエータ、２０３、２０５…ドライバ、２０４…ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ、２０６…半導体レーザ、２０７…駆動回路、２０８…レーザ光、２０９…４分割ポジションセンサ、
３００…半導体レーザ、３０１…光、３０２…ビームスプリッタ、３０３…反射光、３０４、３４０、６１２、６４１、６４２、６４３…光電変換素子、３０５…ビーム整形光学系、３０６…平行光、３０７…偏光板、３１５…ビームスプリッタ、３１６ａ…輪帯透過領域、３１６ｂ…反射領域、３２０…対物レンズ、３３０…結像レンズ、
４００…走査制御ユニット、４１０…画像形成ユニット、４２０…全体制御ユニット、４３０…出力ユニット、４４０…メモリユニット、４５０…ロックインアンプ、
５００…ミラー、５０１…撮像カメラ、５１１、５１３…Ｚ方向走査、５１２…下降点、５１４…Ｘ走査、５２０…接触力変化曲線、５３０…検出光強度曲線、
６１０…ミラー、６１１…分光器、６１５…リレーレンズ、６２０…白色レーザ、６２１、６２２…ダイクロイックミラー、６２３…ミラー、６２５ｒ、６２５ｇ、６２５ｂ…干渉フィルタ、６３１、６３２、６３３…集光レンズ、
７０２…金ナノロッド、７３０…チップ、７３０ｃ…コーナ部、７３０ｆ、７３０ｒ、７３０ｓ…薄膜、７３０ｗ…稜線、７３５、７３７…集束角、７３６、７３８…入射角、７４０、７４１…ＴＭモード・プラズモン（表面プラズモン）、７４２ａ、７４２ｂ…散乱光、７４５…遮光板、７４５ｐ…ピンホール、７５０ａ、７５１ａ…金ドット、７５０ｂ…誘電体ドット、７５５…波長選択フィルタ、７５７…伝搬光、７６０…蛍光波長成分、７９０…蛍光粒子、
８０１…コンタクトホール、８０２…残膜、８６０…点光源、８７０…拡大図、８８０…節、
１０００…ステージ部、２０００…計測部、３０００…照明光学系、３１００…ビームモニタ光学系、４０００…検出光学系、５０００…試料モニタ光学系、６０００…制御部。

Claims (16)

  1. プラズモンが伝搬する測定探針と、前記測定探針を支持するカンチレバーと、
    前記カンチレバーに設けられ、前記測定探針を固定し、前記測定探針を固定する面の膜厚が前記面を挟む面の膜厚よりも厚くなるようにプラズモンが伝搬する薄膜がコートされたチップと、
    前記カンチレバーを駆動して前記測定探針を検査対象試料に対して相対的に３次元的に走査するカンチレバー駆動手段と、
    前記カンチレバーの変形を検出する変位検出手段と、
    前記チップに励起光を照射して、プラズモンを励起させ、前記測定探針へ向けて伝搬させることにより、前記測定探針と前記検査対象試料の表面との間に近接場光を発生させて前記検査対象試料の表面の近接場光画像を取得する近接場光画像取得手段とを備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
  2. 請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記変位検出手段で前記カンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して前記検査対象試料の表面の原子間力顕微鏡画像を作成する原子間力顕微鏡画像作成手段を更に備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
  3. 請求項１又は２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記測定探針へ前記プラズモンが伝搬された状態で前記測定探針の他端を前記検査対象試料の表面に近づけることにより前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を検出する近接場光検出光学系と、
    前記近接場光検出光学系で前記近接場光を検出して得た信号を処理して前記検査対象試料の表面の近接場光画像を得る近接場光画像処理系とを備えて構成したことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
  4. 請求項１又は２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記測定探針をカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、前記カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの内部に金粒子もしくは銀粒子もしくは金ロッドもしくは銀ロッドを埋め込んだことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
  5. 請求項１又は２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記測定探針をカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、前記検査対象試料の表面に近づける前記カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの先端部を先鋭化し、前記先端部に金粒子もしくは銀粒子を埋め込んだことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
  6. 請求項３に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記測定探針の長さは、前記プラズモンの波長に応じて最大強度の近接場光が得られるように調整されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
  7. 請求項３又は６に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記測定探針に前記測定探針の直径と同程度の大きさで少なくとも１個以上の構造物を設けて前記測定探針を前記カンチレバーに固定し、前記プラズモンを前記構造物を介して前記測定探針に結合し、前記測定探針の一端にプラズモンを励起することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
  8. 請求項３又は６又は７の何れか１項に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記プラズモン励起手段は、複数波長を発振するレーザを光源とし、前記測定探針の一端に複数波長のプラズモンを励起し、前記近接場光検出光学系は前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を波長分離して検出し、前記近接場光画像処理系において前記波長分離して検出したそれぞれの信号を処理して合成することにより前記検査対象試料の表面のカラーの近接場光画像を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
  9. プラズモンが伝搬する測定探針を支持するカンチレバーを駆動して前記測定探針を検査対象試料に対して相対的に３次元的に走査し、
    前記３次元的な走査による前記カンチレバーの変形を検出し、
    前記カンチレバーに設けられ、前記測定探針を固定し、前記測定探針を固定する面の膜厚が前記面を挟む面の膜厚よりも厚くなるようにプラズモンが伝搬する薄膜がコートされたチップに励起光を照射してプラズモンを励起させ、
    前記プラズモンを前記チップから前記測定探針へ向けて伝搬させて前記測定探針と前記検査対象試料の表面との間に近接場光を発生させ、
    前記検査対象試料の表面の近接場光画像を取得することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  10. 請求項９に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
    前記カンチレバーの変形を検出して得た信号を処理して前記検査対象試料の表面の原子間力顕微鏡画像を作成することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  11. 請求項９に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
    前記測定探針へ前記プラズモンが伝搬された状態で前記測定探針の他端を前記検査対象試料の表面に近づけることにより前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を検出し、
    前記近接場光を検出して得た信号を処理して前記検査対象試料の表面の近接場光画像を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  12. 請求項９乃至１１の何れか１項に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
    前記測定探針として、内部に金粒子もしくは銀粒子もしくは金ロッドもしくは銀ロッドが埋め込まれたカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブを用いて前記近接場光を検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  13. 請求項９乃至１１の何れか１項に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
    前記測定探針をカーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブで形成し、前記検査対象試料の表面に近づける前記カーボンナノチューブもしくは金属ナノチューブの先端部を先鋭化し、前記先端部に金粒子もしくは銀粒子を埋め込んだことを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  14. 請求項１１に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
    前記測定探針の長さは、前記プラズモンの波長に応じて最大強度の近接場光が得られるように調整されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  15. 請求項１１又は１４に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
    前記測定探針を、前記測定探針の直径と同程度の大きさで少なくとも１個以上の構造物で前記カンチレバーに固定し、
    前記プラズモンを前記構造物を介して前記測定探針に結合し、前記測定探針の一端にプラズモンが励起されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
  16. 請求項１１又は１４又は１５の何れか１項に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法において、
    前記測定探針の一端にプラズモンを励起する手段は複数波長を発振するレーザを光源とし、前記測定探針の他端と前記検査対象試料の表面との間に発生する近接場光を波長分離して検出し、前記波長分離して検出して得た信号を処理することにより前記検査対象試料の表面のカラーの近接場光画像を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
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