JP6014502B2

JP6014502B2 - 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

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Publication number: JP6014502B2
Application number: JP2013011604A
Authority: JP
Inventors: 中田　俊彦; 俊彦中田; 馬塲　修一; 修一馬塲
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2033-01-25
Also published as: JP2014142291A; WO2014115391A1; IL239405A0; US9417262B2; US20150377922A1; DE112013005632T5

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関する。

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：ＳｃａｎｎｉｎｇＮｅａｒ−ｆｉｅｌｄＯｐｔｉｃａｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）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、特許文献１には、散乱プローブの別形態として、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、同様に散乱プローブの別形態として、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

ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３１，ｐｐ．Ｌ１３０２−Ｌ１３０４（１９９２）ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１９，ｐｐ．１５９−１６１（１９９４）

上記した近接場走査顕微鏡では、測定探針と検査対象試料との間に発生した近接場光が測定探針と相互作用して散乱光（伝搬光）が生じ、この散乱光を検出することで、実効的に近接場光画像を得ていた。測定探針の制御には、光てこ検出系を用い、測定探針を搭載したカンチレバー背面にレーザ光を照射し、その反射光の位置の変化から測定探針と試料との間の接触力を読み取っていた。しかし、上記した近接場走査顕微鏡では、生体細胞・分子等の液中計測において、以下のような問題が生じていた。すなわち、液体を満たし生体細胞・分子等の試料を保持した透明な試料セルの平面からなる壁面を上記散乱光が透過する際に球面収差が生じ、この散乱光を１点に集光できず、光電変換素子で効率よく受光することが困難となり、散乱光検出信号が大きく低下し、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性が低下していた。また、試料セルの壁面を透過しないで大気・液体界面に入射した散乱光の大半が、界面での全反射により集光不可能となり、同様に近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性が低下していた。さらに、液面の微小な揺らぎにより、光てこ検出系のレーザ光が大気・液体界面を透過する際にその位置が変動し、測定探針と試料との接触力が変動し、散乱光検出信号の揺らぎとなり、同様に近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性が低下していた。同様に、近接場光を生成するためのレーザ光が大気・液体界面を透過する際にその位置が変動し、生成される近接場光の強度が変動し、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性が低下していた。

そこで、本発明の目的は、近接場走査顕微鏡を液中計測に適用するに際し、液中にて測定探針と検査対象試料との間に発生した近接場光の検出光量を増加させ、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることにある。

上記目的を達成するために、本発明は溶液中にある検査対象試料上を相対的に走査する測定探針と、前記測定探針にレーザ光を照射するレーザ光照射系と、レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で発生した近接場光を透過し、前記検査対象試料を保持する試料セルと、前記試料セルを透過した近接場光を検出する検出器とを備えた走査プローブ顕微鏡を提供する。

また、他の観点における本発明は、測定探針を溶液中にある検査対象試料に対して相対的に走査し、レーザ光を前記測定探針に照射し、前記測定探針と前記検査対象試料との間で近接場光を発生させ、前記検査対象試料を保持する試料セルを透過した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を提供する。

本発明によれば、近接場走査顕微鏡を液中計測に適用した際に、液中にて測定探針と検査対象試料との間に発生した近接場光の検出光量を増加させ、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。

実施例１における試料セルの正面の断面図である。実施例２における試料セルの正面の断面図である。実施例３における試料セルの正面の断面図である。実施例４における試料セルの正面の断面図である。実施例１、２、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。実施例４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。

以下、実施例を図面を用いて説明する。尚、以下で説明する実施例では、いずれの検査対象試料も液中に存在する形態となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、大気中に存在する検査対象試料にも適用されるものである。

本発明の第１の実施例を、図１及び図５に基づいて説明する。図１は第１の実施例における検査対象試料を搭載する試料セルを示す断面図である。本実施例では、図１に示すように、生体細胞・分子等の検査対象試料２はアルコールや水等の溶液３の中に存在する。すなわち、検査対象試料２は試料ホルダ４上に載置され、溶液３で満たされた試料セル１に保持される。試料セル１はさらに圧電素子等のアクチュエータで駆動されるＸＹステージ５上に載置される。金や銀等の金属から成る先端が先鋭化された測定探針９がカンチレバー８の先端に固定され、測定探針９の先端を測定試料２に向けて測定試料２上に接近させ、測定探針９と試料２表面との間隙を測定探針９の先端径とほぼ同程度以下に保ち、もしくは微小な接触力で接触させ、斜め上方からレーザ光７を集光して測定探針９の先端に照射すると、測定探針９と試料２表面との間に微小な近接場光１２が発生し、さらにこの近接場光１２と測定探針９との相互作用により散乱光（伝搬光）１４が発生する。測定探針９と試料２表面との間隙の制御、もしくは両者の間の接触力の制御は、カンチレバー８の背面にレーザ光１３を照射し、その反射光の位置を測定することで行う。

ここで、試料セル１は、近接場光１２の散乱光１４が透過する材料で構成されると共に、その側面の内面１ａと外面１ｂは測定探針９側を曲率中心とする曲面（球面）から成る。従って、散乱光１４は溶液３と内面１ａの界面（固液界面）、及び外面１ｂと外部大気との界面（固気界面）を通過する際に、屈折することなく直進する。すなわち、側面が平面で構成された従来の試料セルの場合は、側面を散乱光が通過する際に球面収差が生じたのに対し、本実施例では、試料セルの側面を通過する際に散乱光１４には球面収差等の収差が発生しない。その結果、散乱光１４は集光レンズ１５により、１点１６に集光することができ、光電子増倍管やホトダイオード等の検出器２０の受光面からはみ出すことなく効率よく受光され、散乱光検出信号が格段に増加し、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。試料セル１の側面は測定探針９側を曲率中心とする曲面となっており、溶液３と空気との界面の面積が小さくなるように湾曲している。さらにカンチレバー８の上空にはカバーガラス６を配置して、カバーガラス６の下面まで溶液３で満たすことにより、溶液３の液面と外部大気との界面（気液界面）３ａを極力小さな面積となるように構成されている（試料２の走査範囲程度のみ残して）。その結果、気液界面に入射し全反射する散乱光の量を大幅に低減することができ、散乱光の検出光量を格段に増加させることができ、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。さらに、カバーガラス６と溶液３の界面（固液界面）を通して光てこ検出系のレーザ光１３の入射と反射光の検出が行われるので、レーザ光の位置変動を大幅に抑えることができ、測定探針９と試料２表面との間隙の制御、もしくは両者の間の接触力の制御を安定かつ高精度に実行でき、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。同様に、カバーガラス６と溶液３の界面（固液界面）を通してレーザ光７が測定探針９の先端に照射されるので、レーザ光の位置変動を大幅に抑えることができ、生成される近接場光の強度が安定し、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。

図５に、この試料セルを組み込んだ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２を搭載し散乱光を検出する試料セル１と、それを載置して試料２をＸＹ方向に走査するＸＹ圧電素子ステージ５と、先端に試料２上を走査する測定探針９を固定した支持部としてのカンチレバー８とカンチレバー８をＺ方向に微小振動させる圧電素子アクチュエータ２６とカンチレバー８をＺ方向に走査するＺ圧電素子ステージ２５と、カンチレバー８のたわみを検知することで、測定探針と試料との接触力を検知する光てこ検出系１１０と、レーザ光７を測定探針９先端に照射する励起レーザ光照射系６０と、散乱光を集光し光電変換する散乱光検出系１２０と、得られた散乱光信号とＸＹＺ変位信号から近接場光画像と凹凸画像を生成し出力する信号処理・制御系１３０とを備えて構成される。ＸＹ圧電素子ステージ５とＺ圧電素子ステージ２５によって測定探針９を試料２に対して相対的に走査する駆動部が構成される。

光てこ検出系１１０では、半導体レーザ５０からのレーザ光１３をカバーガラス６を通してカンチレバー８の背面に照射し、その反射光を４分割センサ５３で受光し、反射光の位置変化からカンチレバー８のたわみ量を検出し、さらにたわみ量から測定探針９と試料２との接触力を検知して、常に接触力が予め設定した値となるように、信号処理・制御系１３０の制御部９０でＺ圧電素子ステージ２５をフィードバック制御する。

測定探針９は、発振器７０によりカンチレバー８の共振周波数でＺ方向に微小振動されるので、発生する近接場光１２及び散乱光１４も同じ周波数で強度変調される。検出器２０から出力される強度変調された光信号はロックインアンプ８０で同期検波され、この周波数成分のみが出力される。励起用レーザ光７によって、測定探針の根元や試料表面で直接散乱した背景散乱光は、カンチレバー８の微小振動には反応せず直流成分であるので、ロックインアンプ８０の出力信号には含まれない。これにより、背景雑音を抑圧して近接場光成分のみを選択的に検出することができる。共振周波数の２倍波、３倍波といった高調波成分を検出することで、さらに信号ＳＮ比を向上させることができる。

ロックインアンプ８０からの光信号は信号処理・制御系１３０の制御部９０に送られ、ＸＹ圧電素子ステージ５からのＸＹ信号と組み合わせられて近接場光画像が生成され、ディスプレイ１００に出力される。同時に、Ｚ圧電素子ステージ２５からのＺ信号も制御部９０でＸＹ信号と組み合わせられて試料表面の凹凸画像が生成され、ディスプレイ１００に出力される。

本実施例によれば、試料セル１の側面を測定探針９側を曲率中心とする曲面としたため、試料セル１の側面を通過する際に散乱光１４には球面収差等の収差の発生を抑制し、散乱光１４は集光レンズ１５により１点に集光することができる。これにより、散乱光検出信号が格段に増加し、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。また、溶液３と空気との界面ではなく試料セル１に近接場光（散乱光１４）を透過させて検出するようにした。さらに、試料セル１の側面を溶液３と空気との界面の面積が小さくなるように湾曲させた。これにより、気液界面に入射し全反射する散乱光の量を大幅に低減させることで、散乱光の検出光量を格段に増加させ、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。さらに、カバーガラス６と溶液３の界面（固液界面）を通して光てこ検出系のレーザ光１３の入射と反射光の検出が行われるので、レーザ光の位置変動を大幅に抑えることができ、測定探針９と試料２表面との間隙の制御、もしくは両者の間の接触力の制御を安定かつ高精度に実行でき、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。同様に、近接場光を生成するレーザ光７の位置変動を大幅に抑えることができ、生成される近接場光の強度が安定し、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。

この結果、ナノメートルオーダの分解能でかつ高いＳＮ比と高い測定再現性で、液中の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、液中の生体細胞・分子の形態・機能を、光学情報、分光情報、凹凸情報を通してナノメートル分解能でｉｎｖｉｔｒｏイメージングすることが可能となり、分子レベルでのゲノム創薬の支援や発生・分化過程の詳細理解による再生医療の実用化に貢献することが可能となる。

本発明の第２の実施例を、図２及び図５に基づいて説明する。図２は第２の実施例における検査対象試料を搭載する試料セルを示す断面図である。試料セル１の形態とその機能は第１の実施例と同じであるので、説明を省略する。本実施例では、測定探針の形態が異なる。測定探針１０は、試料２に対向する先端が先鋭化された石英ファイバ１０ａの周囲を金や銀等の金属膜１０ｂでコーティングし、試料２に対向する先端のみ金属膜を除去して微小開口を形成したものである。石英ファイバ１０ａの上方（測定探針１０において試料２がある側とは反対側）からレーザ光７を集光して照射すると、測定探針１０先端の開口部から近接場光１２が発生し、さらにこの近接場光１２と測定探針１０との相互作用により散乱光（伝搬光）１４が発生する。

図５に、この試料セルを組み込んだ走査プローブ顕微鏡の構成を示す。この走査プローブ顕微鏡の構成とその機能は第１の実施例と同じであるので、説明を省略する。

本実施例では、石英ファイバ１０ａを通してレーザ光７を照射し近接場光１２を生成するので、測定探針先端にレーザ光７を照射する第１の実施例に比べ、背景雑音の影響が小さいという利点がある。

本発明の第３の実施例を、図３及び図５に基づいて説明する。図３は第３の実施例における検査対象試料を搭載する試料セルを示す断面図である。試料セル１の形態とその機能は第１の実施例と同じであるので、説明を省略する。本実施例では、測定探針の形態が異なる。測定探針１１は、試料２に対向する先端の径が数ｎｍに先鋭化されたカーボンナノチューブ（ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅ：ＣＮＴ）から成る。ＣＮＴには、内部に金ナノ構造や銀ナノ構造を充填してもよい。この測定探針１１は、カンチレバー８の先端に形成された金や銀の金属薄膜でコートされた三角錐状のチップ１７の前側稜線上に固定され、斜め上方（測定探針２２において試料２がある側とは反対側）から励起用レーザ光７が照射される。このレーザ光７の照射により、チップ１７表面の金属薄膜中の自由電子が集団振動を起こし（プラズモン）、図３の破線で示すように、表面プラズモン１８としてＣＮＴ上端（測定探針２２において試料２がある側とは反対側）から下端（試料２がある側）に伝搬し、先端部で電界集中して、近接場光１２ａが生じる。さらに、この近接場光１２ａと測定探針１１との相互作用により散乱光（伝搬光）１４が発生する。

本実施例では測定探針１１に先端径が数ｎｍのＣＮＴを用いているので、空間分解能が数ｎｍとなり、第１及び第２の実施例に比べ、空間分解能が約１０倍に向上する。

本発明の第４の実施例を、図４及び図６に基づいて説明する。図４は第４の実施例における検査対象試料を搭載する試料セルを示す断面図である。本実施例では、図４に示すように、検査対象試料２は試料ホルダ３０上に載置され、溶液３で満たされた試料セル２１に保持される。試料セル２１はさらに圧電素子等のアクチュエータで駆動される中央に開口部を設けたＸＹステージ５１上に載置される。

本実施例において、試料セル２１は、散乱光３５が透過する材料で構成されると共に、その底面の内面２１ａと外面２１ｂは測定探針９側を曲率中心とする球面から成る。従って、散乱光３５は溶液３と内面２１ａの界面（固液界面）、及び外面２１ｂと外部大気との界面（固気界面）を通過する際に、屈折することなく直進する。

図６に、この試料ホルダを組み込んだ走査プローブ顕微鏡の構成を示す。この走査プローブ顕微鏡において、試料セル２１以外の構成とその機能は第１の実施例と同じであるので、説明を省略する。

本実施例では、図４に示すように試料セルの底面から近接場光を検出する構成であるため、試料２の走査範囲によって近接場光が検出される角度が制限されることがないため、第１〜第３の実施例のように側面から検出する場合と比較して、より大きい角度の近接場光を検出することができる。これにより、検出のＮＡ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ：開口数）を大きくすることができ、散乱光の検出光量を格段に増加させることができ、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、励起用レーザ光７はいずれも単色光としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、赤、緑、青の３波長のレーザ光を用いてカラー近接場イメージングを行うことも可能である。また、白色レーザ光と分光器を用いて近接場分光計測することも可能であるし、励起用レーザ光と同一の波長ではなく、例えばラマンシフトした波長を検出する近接場ラマン分光計測することも可能である。

１、２１・・・試料セル
２・・・試料
３・・・溶液
４・・・試料ホルダ
５、５１・・・ＸＹ圧電素子ステージ
６・・・カバーガラス
７・・・レーザ光
８・・・カンチレバー
９、１０、１１・・・測定探針
１２、１２ａ・・・近接場光
１４、３５・・・散乱光
２０・・・検出器
２５・・・Ｚ圧電素子ステージ
２６・・・圧電素子アクチュエータ
６０・・・励起レーザ光照射系
７０・・・発振器
８０・・・ロックインアンプ
９０・・・制御部
１００・・・ディスプレイ
１１０・・・光てこ検出系
１２０・・・散乱光検出系
１３０・・・信号処理・制御系

Claims

溶液中にある検査対象試料上を相対的に走査する測定探針と、
前記測定探針にレーザ光を照射するレーザ光照射系と、
レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で発生した近接場光を透過し、前記検査対象試料を保持する試料セルと、
前記試料セルを透過した近接場光を検出する検出器とを備え、
前記試料セルの側面は曲面で構成され、該側面の曲率は、前記測定探針の先端部を曲率中心とし、
前記検出器は前記試料セルの前記曲面を透過した近接場光を検出し、該曲面は前記試料セルに配置された溶液と空気との界面の面積が小さくなる方向に湾曲していることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
測定探針を溶液中にある検査対象試料に対して相対的に走査し、
レーザ光を前記測定探針に照射し、
前記測定探針と前記検査対象試料との間で近接場光を発生させ、
前記検査対象試料を保持する試料セルを透過した前記近接場光を検出するものであり、
前記試料セルの側面は曲面で構成され、該側面の曲率は、前記測定探針の先端部を曲率中心とし、
前記検出器は前記試料セルの前記曲面を透過した近接場光を検出し、該曲面は前記溶液と空気との界面の面積が小さくなる方向に湾曲してい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。