JPH04505653A - 光子スキャニング型トンネル顕微鏡検査法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光子スキャニング型トンネル顕微鏡検査法発明の分野 本発明は、光学顕微鏡、特に、波長以下の分解能を有する光学顕微鏡に関する。

本発明は、又光トンネル現象を利用する顕微鏡に関する。本発明は、エネルギ庁 との契約に基づき政府の援助を受けて為されたものである。政府は本発明に一定 の権利を保有している。

発明の背景 極く最近まで、光学顕微鏡の分解能は使用する光の波長により制限されていた。

波長の１７２よりも小さい粒子は分解不可能であった。可視光の波長よりも小さ い構造体を分解するため、透過及びスキャニング電子顕微鏡（ＴＥＭ及びＳＥＭ ）が開発されたが、これら顕微鏡は、導電性標本であることが前提であることか ら限界があった。

スキャニングトンネル型顕微鏡の開発によって個々の原子のような小さい構造体 の分解が可能になった。最初のスキャニングトンネル型顕微鏡（ＳＴＭ）は、顕 微鏡内の単一の光源としてトンネル電子を使用していた。ＴＥＭ及びＳＥＭと同 様、このためには導電性標本を使用して電子を付与しなけらばならない。

可視光の光子を視野近（で放射させるための多くの試みが為されてきた。これら 近視野スキャニング型顕微鏡は（ＮＦＳＭ）は、検出器に接続された波長以下の 寸法の絞りの上に光を照射するものである。近視野は、絞りにて形成され、該絞 りは標本と相互作用し、該絞りが前進して標本に近付くのに伴って変調した近視 野を形成する。次に、この変調した近視野からの光子を検出する。このようにし て、絞りが標本に近付くのにつれ、絞りは近視野の変調を感知する。絞りによっ て標本をラスクスキャンすることでスキャン領域に標本の像が形成される。この 型式の顕微鏡の変形例も開発されているが、何れの場合でも、近視野現象は波長 以下の寸法の絞り付近に形成され、近視野の有効寸法は典型的に全方向ともに波 長程度である。この小さい寸法のため、この近視野は、典型的に標本を横断して スキャニングされる。

スキャニング中、絞りを標本に近接した位置に維持するため３つの方法が使用さ れている。電子トンネルフィードバック法は、ｉｎｍ以下の標本を分解する絞り を維持するために使用されている。この方法は、標本（標本が不導体である場合 ）及び絞りの双方を導電性材料（例えば金）の薄い（約２０ｎｍ）層にて被覆す ることを必要とする。第２の方法は、一定高さのモードを使用する方法である。

絞りは所望の分解能が得られるまで標本に出来るだけ接近させる。作用時、この 方法は平坦な標本、又は粗大な標本の平坦部分にのみ効果的である。第３の方法 は接触モードを使用する方法である。絞りは表面に接触するまで進め、光子がト ンネル状に流れるのを測定し、絞りを退却させる。この方法は、フィードバック 源を使用せず、標本を通って絞りをスキャンするときに反復する。この場合にも 、標本はかなり平坦で、絞りとの接触に耐え得るものであることを要する。

例えば、生物学的標本のような多くの種類の標本があり、かかる生物学的標本は 近視野スキャニング型顕微鏡内での機械的な接触圧力に耐えることが出来ず、又 は標本を導電性表面にて被覆することが出来ない。更に、電子トンネルフィード バックを利用して標本との近接状態を維持する技術は、電子トンネル現象を最も 良く利用するために真空状態を必要とする。

故に、本発明の目的は、不導体であり、平坦でなく又は傷つき易い構造的組成分 を含む各種の種類の標本に適用可能である高分解能の光学顕微鏡手段を提供する ことである。本発明の別の目的は、各種の環境状態下にてかかる顕微鏡検査法を 可能にすることである。

発明の概要 本発明は近視野光学顕微鏡検査法を行うための方法及びその装置を提供するもの である。この方法は、近視野内の光子の標本変調トンネル現象を利用してその標 本に関する情報を得るものである。本発明の一特徴によると、近視野は表面に隣 接して形成される。近視野は、表面に垂直にかつ該表面方向に増大する強さを有 し、更に該表面に略平行な面にて概ね一定の強さを有する。標本は、近視野内に 位置決めし、該標本が存在することにより近視野内の強さの分布が変化する。

標本の周囲の近視野の強さは、標本に隣接する少なくとも２つの方向に測定する 。この測定は測定した標本の面積に対応する像を形成する。

近視野の好適な発生源は全白反射（ＴＩＲ）光ビームである。好適な実施例にお いて、この光ビームはプリズム内面から反射させる。これは、強さが標本表面に 対して直角に指数関数的に低下する一時的視野を形成する。プローブをこの一時 的視野内にて動かし、かかるプローブは尖鋭な石英光ファイバであることが望ま しい。このプローブは波長以下（即ち、約５００ｎｍ以下）の小さい寸法まで尖 鋭にした先端を備えている。プローブが存在することは光子が表面からプローブ に突き抜けるのを許容する。

表面自体はこの顕微鏡検査法の対象物ではない。上述と同一の方法にて、表面構 造が近視野を変調させる。近視野の強さは、表面の変化及び欠陥に伴って変化す る。このようにして、顕微鏡検査法を利用し波長以下の分解能にて表面を少なく とも二次元的に測定することが出来る。

好適な実施例において、光子はファイバに沿って検出器まで伝達される。検出器 は、プローブに突き抜ける光子の数に比例した信号を発生させ、この光子の数は プローブ付近における近視野の強さに比例する。標本に隣接するプローブの異な る位置にて異なる信号を発生させることが出来る。

好適な実施例において、フィードバック回路を使用し、先端から標本までの距離 を変えることにより信号の強さを調整することが出来る。このように、フィード バック回路は先端が標本に接触するのを阻止する。かかる技術は、電荷効果のま ため電子ＳＴＭ内で直接観察することが不可能である誘電表面の分析に特に適し ている。

別の実施例において、その先端は表面上方の一定の高さＩこで表面の上をスキャ ンし、先端が受ける光を測定する。表面上方の一定の高さでラスターパターンに てスキャニングすることにより、プローブは近視野の強さの二次元的像を受け取 る。先端をスキャンするときの強さの変化から、近視野を変調させる標本、又は 表面自体に関する情報が得られる。

又、本発明の技術は分光的情報も提供するものである。例えば、プローブが表面 に対して平行にスキャンする場合、検出された光はスペクトル分析計に送り、こ のスペクトル分析計は、その視野内で使用する光の波長より小さい寸法の局部的 領域における標本の各種の光学的特性に関する情報を提供する。このデータから 標本の光学的特性に対応するマツプ図が得られる。

本発明により提供される分解能は標準的な光学顕微鏡の分解能よりはるかに優れ たものである。更に、本発明は、電子顕微鏡の高真空環境を利用せずに適用する ことが可能である。

本発明は、入射ビームが高屈折率（旧）の媒質内にある場合、異なる屈折率（ｎ ＋及びｎ＋）の材料間の境界面に入射する光ビームの全白反射（ＴＩＲ）を利用 するものである。プリズムは、全内反射面（Ｔ　Ｉ　Ｒ面）を利用する光学装置 の一例である。全白反射は、（直角に対する）入射角度θがθ。−アークサイン （ｎｔ／ｎ、）で示される臨界的角度を越える場合に生ずる。θ１〉鋲、である 場合、一時的近視野はより小さい屈折率の媒質内にて形成される。この視野の強 さは、等式１に従い、境界面から離れるに伴って指数関数的に減少する。

Ｉ　＝　Ｋ　ｅｘｐ（−２ｋｎ＋ｚ　Ｅ　（ｎｒｓｉｎθ、／ｎＩ）”　−１３ ”　ｌ　（１）ここでＫは、比例定数であり、ｋは入射光のフリースペース（ｆ ｒｅｅ　５ｐａｃｅ）の波ベクトルの振幅、２は境界面からの距離である（ここ で使用するように、近視野という用語は、一時的視野が属する広い範囲を意味す る。近視野は、光源から約１又は２波長長さ範囲の距離にてその影響が重要とな る視野である。一時的視野はその強さが等式１で示される視野であると定義する ）。尖鋭な光フアイバ先端のような（ｎ＋）よりも大きい屈折率の別の媒質を一 時的近視野内に配置したならば、量子力学における有限障壁を突き抜ける電子の 場合と概ね同様のトンネル現象が生じる。

一時的近視野の指数関数的性質の結果、プローブ先端は「効果的な尖鋭さ」とな る。表面からの任意の距離Ｚの場合、光子の約９０％は先端に最も近い部分の１ ０％に結合される。従って、半径Ｒの先端は、Ｒ／１０の「有効」半径となる。

故に、従来の近視野スキャニング型顕微鏡検査法に不適当である先端は、この形 態の顕微鏡検査法に使用するのに極めて適している。

入射ビームからの光子は、先端と標本との間の領域を突き抜け、適当な検出装置 によって集めることが出来る。標本がＴＩＲ表面上に存在することは、一時的近 視野の形状を変調させ、この変調は、標本の表面から上方の所定の高さにおける 近視野の強さの空間的変化を明らかにするものである。この強さの変化は、標本 の表面に関する局部的情報、及び標本の光学的性質（例えば、屈折率の空間的変 化又は標本の光吸収性）に関する情報を提供する。空間的分解能は一時的近視野 の長さの減少、及び先端の寸法並びに形状にる影響を受ける。

本発明の好適な実施例は、標本をプリズムの一表面上に配置し、レーザビームを プリズム面の反対側から構成される装置である。このように、一時的視野はレー ザビームにより、標本を配置したプリズム表面に隣接して形成される。尖鋭な先 端内にエツチング処理したプローブ、即ち、石英ファイバは、標本付近に配置し て、ビームの一時的近視野領域内に位置決めする。プローブ先端が一時的近視野 内に入ると、さもなければ全反射される光ビームの一部は、トンネル過程中プロ ーブ先端に結合される。この光は、光ファイバによりプローブ先端から光マルチ プライヤ管のような適当な検出器に伝達される。該光マルチプライヤ管はプロー ブ先端に送られる光子の数に比例する信号を発生させる。光マルチプライヤ管か らの信号の強さは、プローブ先端とプリズム面との間の分離距離を制御するフィ ードバック回路により一定に維持される。プローブ先端の位置は、機械的要素及 び圧電要素により制御される。標本の像はプローブ先端により表面に対して概ね 平行に標準的なラスターパターンにて表面上をスキャニングすることにより形成 される。プローブ先端が受け取る瞬間的な光信号は、プローブを表面に対して垂 直に動かすことによりスキャニング中、一定に維持される。プローブ先端とプリ ズム面との間の分離距離は、プローブ先端のスキャニング位置と共に、モニタリ ングする。視覚的像は、プローブがラスターパターンにて動くとき、プリズム表 面から分離する距離に対応してアナログディスプレイモニタリング装置、又はコ ンピュータディスプレイに表示される。

本発明は標本との接触を必要とせず、プローブは、幾つかの近視野スキャニング 顕微鏡と異なり標本の粗な特徴に順応する。本発明の別の特徴は、得られる分解 能が従来の光学顕微鏡の分解能を著しく上形ることである。又、従来の光学及び 電子顕微鏡と異なり、標本の形状の変化を正確に測定することが可能である。

標本とプローブとの間には、電子トンネル現象によるフィードバック又はその他 任意の形態の電子の流れが不要であるため、電子顕微鏡用に作製される標本と異 なり、絶縁性及び導電性標本の双方を探知して作像することが出来る。最後に、 本発明は各種の環境下にて作用可能であり、真空状態での作用にのみ限定される ものではない。

図面の簡単な説明 本発明は添付図面と共に一例としての以下の詳細な説明を参照することにより最 もよく理解することが出来る。

第１図ａは光子スキャニングトンネル型顕微鏡の好適な実施例のブロック略図、 　第１図すは標本を変調させた一時的近視野と光フアイバ先端との相互作用を示 す、標本視野の一部の線図、 第２図は本発明の好適な実施例の図、 第３図及び第４図は本発明は好適な実施例のプローブ、及び標本領域の斜視図で あり、第４図は第３図の図に対して約３０°の俯角から見て４５６時計方向に回 転させた図である。

本発明の詳細な説明 次に、幾つかの図面を通じて同様又は対応する部品は同様の参照符号で示した添 付図面を参照すると、本発明の一実施例を具体化する光子スキャニングトンネル 型顕微鏡１０が図示されている。該顕微鏡１０は、ビーム１４が表面１６にて完 全に内反射（ＴＩＲ）されるように光ビーム１４が入射角度θ１にて導入される プリズム１２から成っている。次に、第１図す及び第１図ａを参照すると、一時 的近視野１８は表面１６から全反射されるビーム１４により形成される。標本２ ０は表面１６上で標本の面積２１を占める。一時的近視野１８は標本面積２１よ りもはるかに大きく、標本２０が表面１６上に存在することにより一時的近視野 １８が変調される。この変調は標本表面上方の所定の高さにおれる近視野の強さ の空間的変化として明らかになる。光ファイバのプローブ先端２２は一時的近視 野１８内に導入され、光子は表面１６のビーム１４とプローブ先端２２との間を 突き抜ける。先端２２は箇所２３に形成されており、かかる箇所２３はビーム１ ４の光の波長より小さくすることが出来るが、必ずしもそうする必要はなく、光 子不透過性材料（金属のような）で被覆し、箇所２３の小さい寸法と組み合わさ る小さい絞りが形成されるようにすることが出来る。プローブ先端２２は、従来 の近視野スキャニング型顕微鏡と異なり、波長以下の分解能を実現するため、即 ち先端２２を形成するため不透過性材料で被覆する必要がない。特別な幅以下の 箇所２３により少なくとも従来の近視野スキャニング顕微鏡プローブの幅の絞り と同程度の分解能が得られる。プローブ先端２２は石英ファイバ２４の一端であ る。石英ファイバ２４のこの端部がプローブ２６を形成する。プローブ２６は圧 電変換器２８に取り付けられ、プローブ２０は標本２０を横断してスキャンする ことが出来る。該変換器２８はプローブ２０を標準的なラスタースキャンにて標 本２０の上を水平方向に動かす。石英ファイバ２４のプローブ端と反対の一端は プローブ２６が受け取る光子を検出する光マルチプライヤ管３０に接続される。

管３０はプローブ２６が受け取る光子の数に比例する出力信号を発生させる。

光マルチプライヤ管３０の出力はＸＹＺ動作及びフィードバック回路３２に付与 される。該フィードバック回路３２は、プローブ２６が標本２０をラスタースキ ャンするための信号を変換器２８に送る。フィードバック回路３２はＸ及びｙ方 向の信号を発生させるＸ方向コントローラ及びｙ方向コントローラを備えている 。変換器２８に対するこれら信号によりプローブ２６はＸ及びｙ方向に動かされ る。更に、回路３２は光マルチプライヤ管３０の出力をモニタリングし、一時的 近視野１８の強さを一定の値に維持する。プローブ２６が標本２０を横断して動 くのに伴い、一時的近視野１８の強さはプローブ２６のスキャン位置によって変 化する。この強さの変化に伴って、フィードバック回路３２は２方向コントロー ラからＺ方向信号を発生させ、プローブ２６を標本２０及び表面１６に対して垂 直方向に動かす。フィードバック回路３２が光マルチプライヤ管３０からプロー ブ２６が受け取る光子が少ないことを示す信号を受け取ったならば、回路３２は 変換器２８に命令を発してプローブ２６を標本２０及び表面１６に接近させる。

光マルチプライヤ管３０がより多くの光子を検出する場合、プローブ２６は標本 ３０及び表面１６から更に離れる方向に動く。ＸＹＺ動作及びフィードバック回 路３２はコンピュータ制御及び像処理回路３４に位置情報を提供する。この回路 ３４は表面１６及び標本２０に対するプローブ２６の相対的スキャン位置及び相 対的垂直の位置を判断する。次に、プローブ２６のスキャン位置に対するプロー ブ２６の垂直位置に基づいて像が形成される。例えば、プローブ２６のＸ−７位 厘（スキャン位置）は標準的なビデオ画像のＸ−Ｙ画素位置に対応し、プローブ ２６の２位厘（垂直方向位置）は画素の強さに対応する。これとは別に、２位厘 は画素の色に対応し、ビデオ画像はカラーコード化した局所的マツプとなる。

これとは別に、フィードバック回路３２からの２方向信号はバイパスさせること が出来る。プローブ２６は適当な光子電流が検出されるまで表面１６に向けて進 める。次に、プローブ２６は表面１６から一定の２方向にて標本２０を横断して スキャンする。次に、光マルチプライヤ管３０の出力が像処理回路３４に送られ る。この場合にも、相対的な水平方向の位置並びに相対的光子流が判断される。

次に、プローブ２６のスキャン位置、及び光マルチプライヤ管３０の出力に基づ いて像が形成される。

第２図を参照すると、７−ｍｙヘリウム・ネオンレーザ３６からの光ビーム１４ は臨界角度を上形る角度にてプリズム１２の内面３８に向けられ、該ビームはＴ ＩＲを行う。ビーム１４は一時的近視野１８を形成し、該近視野１８の強さは標 本２０の存在により変調され、光ファイバのプローブ先端２２により検出される 。光ファイバ２４は光マルチプライヤ管３０に光信号を供給し、該光マルチプラ イヤ管３０は検出された光の強さに比例する電流信号を発生させる。この信号は プローブ先端２２と標本２０との間を調節する電子フィードバック回路を駆動す る。フィードバック回路の電子素子及びその他の制御電子素子が制御装置４０内 に配置されている。

プローブ２６の動きはコンピュータ４２によりモニタリングされかつ制御され、 該コンピュータ４２は又プローブ２６が標本２０上をスキャンすることにより発 生される情報を集めかつその処理を行う。先端が標本上方にて横方向にラスクス キャンされると、フィードバック回路は光マルチプライヤ管３０°からの電流を 検出し、先端２２が標本２０から分離する程度を調節し、光マルチプライヤの電 流を一定に維持する。各スキャン点における先端の高さはコンピュータ４２によ りモニタリングかつ記憶され、標本２０の表面の三次元的像の複製物を構成する 座標を形成する。その後、コンピュータ４２を使用してデータを処理し、標本２ ０の無彩色スケールの像を形成し、この像はグラフィックモニタ装置４４に表示 される。　本発明のこの好適な実施例の形態は圧電変換器の上に取り付けられか つ静止標本上をスキャンするプローブ先端２２を提供するものである。次に、第 ３図を参照すると、本発明は圧電バイモルフスキャナ４６を使用して、３つの対 角軸に沿って先端を動かす。該スキャナ４６はＰＺＴ−５Ｈ圧電セラミックバイ モルフにて形成されており、１．７５　ＫＨｚの最小共振振動数を有している。

スキャナは、各々Ｘ　−１ｙ−及びＺ方向に１つずつの３つの相互に対角状の動 作を行う。

スキャナ４６は表面１６に対して平行な方向に１０マイクロメートル及び該表面 に対して垂直に６マイクロメードルの範囲を有している。プローブ２６はスキャ ナ４６に取り付けられ、石英ファイバ２４の他の部分は光マルチプライヤ管３０ まで伸長している。

標本はプリズム１２の表面１６の上に位置決めされ、屈折率が適合する物質によ り該表面に光学的に結合される。標本の全体的な配置はクランプ４８によって適 所に剛性に保持される。先端２３と標本２０との分離状態の粗調節は測微ねじ５ ０により行い、微調整はレバーにより形状を縮小させることにより更なる測微ね じ５２により制御することが出来る。ばね５４は装置の全体を機械的に安定させ 、標本２０上方における先端２２の相対的な位置を確実に制御することを可能に する働きをする。

次に、第４図を参照すると、制御装置４０への電気的接続はピンコネクタプラグ ５６を介して行われる。光はミラ一手段５８を使用してＴＩＲを達成すべ（適当 な角度で光ビーム１４をプリズム１２に向けることにより標本２０から全白反射 される。光フアイバ先端２２は、最初に測微調節ねじ５０．５２により標本２０ 上に機械的に位置決めし、次にスキャナ４６により一時的近視野領域に移動させ る。

上記の説明から、本発明は標本を変調させて光子がプローブに突き抜けるように することにより光学顕微鏡検査を行う方法及びその装置を提供するものであるこ とが理解されよう。本発明は、不導体、平坦でなく又は傷つき易い構造的組成物 を含む各種の標本に適用可能である高分解能の光学顕微鏡手段を提供するもので ある。この型式の顕微鏡検査法には光子流が全く必要とされないため、本発明は 各種の環境状態下でこの高分解能の顕微鏡検査法を行うことが可能となる。

好適な実施例について上述したが、本発明は請求の範囲に記載した本発明の範囲 から逸脱せずに幾多の変形例、応用例及び部品の代替が可能であることを理解す べきである。

嶋 ＦＩｏ、３ ＦＩＧ、４ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成　３年　４月２２日 特許庁長官　植　松　敏　殿　山４ １、特許出願の表示 ＰＣＴ／ＵＳ８９１０４７２５ ２、発明の名称 光子スキャニング型トンネル顕微鏡検査法３、特許出願人 住　所　アメリカ合衆国テネシー州３７９３２．　ノックスヴイル。

ヒラコリー・トレイル・ドライブ　１１００氏　名　ファーレル、トーマス・エ ル　（外２名）４、代理人 住　所　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６区 ５、補正書の提出日 平成　３年　２月２１日 このスペクトル分析計は、その視野内で使用する光の波長より小さい寸法の局部 的領域における標本の各種の光学的特性に関する情報を提供する。このデータか ら標本の光学的特性に対応するマツプ図が得られる。

本発明により提供される分解能は標準的な光学顕微鏡の分解能よりはるかに優れ たものである。更に、本発明は、電子顕微鏡の高真空環境を利用せずに適用する ことが可能である。

本発明は、入射ビームが高屈折率（ｎｌ）の媒質内にある場合、異なる屈折率（ ｎ＋及びｎ＋）の材料間の境界面に入射する光ビームの全白反射（Ｔ　Ｉ　Ｒ） を利用するものである。プリズムは、全内反射面（Ｔ　Ｉ　Ｒ面）を利用する光 学装置の一例である。全白反射は、（直角に対する）入射角度θがθ。−アーク サイン（ｎ、／旧）で示される臨界的角度を越える場合に生ずる。θ１〉θつ、 である場合、一時的近視野はより小さい屈折率の媒質内にて形成される。この視 野の強さは、等式１に従い、境界面から離れるに伴って指数関数的に減少する。

Ｉ　＝Ｋ　ｅｘｐ　（−２ｋｚ　［５ｉｎ２θ、−（ｎ、／ｎ、）　２コ　１′ ２）　（１）ここでＫは、比例定数であり、ｋは入射光の波ベクトルの振幅、Ｚ は境界面からの距離である（ここで使用するように、近視野という用語は、一時 的視野が属する広い範囲を意味する。近視野は、光源から約１又は２波長長さ範 囲の距離にてその影響が重要となる視野である、一時的視野はその強さが等式１ で示される視野であると定義する）。尖鋭な光フアイバ先端のような（旧）より も大きい屈折率の別の媒質を一時的近視野内に配置したならば、量子力学におけ る有限障壁を突き抜ける電子の場合と概ね同様のトンネル現象が生じる。

一時的近視野の指数関数的性質の結果、プローブ先端は「効果的な尖鋭さ」とな る。表面からの任意の距離Ｚの場合、光子の約９０％は先端に最も近い部分の１ ０％に結合される。従って、半径Ｒの先端は、Ｒ／１０の「有効」半径となる。

故に、従来の近視野スキャニング型顕微鏡検査法に不適当である先端は、この形 態の顕微鏡検査法に使用するのに極めて適している。

入射ビームからの光子は、先端と標本との間の領域を突き抜け、適当な検出装置 によって集めることが出来る。標本がＴＩＲ表面上に存在することは、一時的近 視野の形状を変調させ、この変調は、標本の表面から上方の所定の高さにおける 近視野の強さの空間的変化を明らかにするものである。この強さの変化は、標本 の表面に関する局部的情報、及び標本の光学的性質（例えば、屈折率の空間的変 化又は標本の光吸収性）に関する情報を提供する。空間的分解能は一時的近視野 の長さの減少、及び先端の寸法並びに形状にる影響を受ける。

本発明の好適な実施例は、標本をプリズムの一表面上に配置し、レーザビームを プリズム面の反対側から構成される装置である。このように、一時的視野はレー ザビームにより、標本を配置したプリズム表面に隣接して形成される。尖鋭な先 端内にエツチング処理したプローブ、即ち、石英ファイバは、標本付近に配置し て、ビームの一時的近視野領域内に位置決めする。プローブ先端が一時的近視野 内に入ると、さもなければ全反射される光ビームの一部は、トンネル過程中プロ ーブ先端に結合される。この光は、光ファイバによりプローブ先端から光マルチ プライヤ管のような適当な検出器に伝達される。該光マルチプライヤ管はプロー ブ先端に送られる光子の数に比例する信号を発生させる。光マルチプライヤ管か らの信号の強さは、プローブ先端とプリズム面との間の分離距離を制御するフィ ードバック回路により一定に維持される。プローブ先端の位置は、機械的要素及 び圧電要素により制御される。標本の像はプローブ先端により表面に対して概ね 平行に標準的なラスターパターンにて表面上をスキャニングすることにより形成 される。プローブ先端が受け取る瞬間的な光信号は、プローブを表面に対して垂 直に動かすことによりスキャニング中、一定に維持される。プローブ先端とプリ ズム面との間の分離距離は、プローブ先端のスキャニング位置と共に、モニタリ ングする。視覚的像は、プローブがラスターパターンにて動くとき、プリズム表 面から分離する距離に対応してアナログディスプレイモニタリング装置、又はコ ンピュータディスプレイに表示される。プリズム、及び空気のような周囲の媒質 は屈折率の異なる第１及び第２の物質を構成することが理解されよう。標本を配 置したプリズム表面は、第１及び第２の表面間の平坦な境界面を構成し、近視野 はこの平坦な境界面付近に形成される。

本発明は標本との接触を必要とせず、プローブは、幾つかの近視野スキャニング 顕微鏡と異なり標本の粗な特徴に順応する。本発明の別の特徴は、得られる分解 能が従来の光学顕微鏡の分解能を著しく上形ることである。又、従来の光学装本 ３０及び表面１６から更に離れる方向に動く。ＸＹＺ動作及びフィードバック回 路３２はコンピュータ制御及び像処理回路３４に位置情報を提供する。この回路 ３４は表面１６及び標本２０に対するプローブ２６の相対的スキャン位置及び相 対的垂直の位置を判断する。次に、プローブ２６のスキャン位置に対するプロー ブ２６の垂直位置に基づいて像が形成される。例えば、プローブ２６のＸ−Ｙ位 置（スキャン位置）は標準的なビデオ画像のＸ−Ｙ画素位置に対応し、プローブ ２６のＺ位置（垂直方向位置）は画素の強さに対応する。これとは別に、Ｚ位置 は画素の色に対応し、ビデオ画像はカラーコード化した局所的マツプとなる。

これとは別に、フィードバック回路３２からの２方向信号はバイパスさせること が出来る。プローブ２６は適当な光子電流が検出されるまで表面１６に向けて進 める。次に、プローブ２６は表面１６から一定のＺ方向にて標本２０を横断して スキャンする。次に、光マルチプライヤ管３０の出力が像処理回路３４に送られ る。この場合にも、相対的な水平方向の位置並びに相対的光子流が判断される。

次に、プローブ２６のスキャン位置、及び光マルチプライヤ管３０の出力に基づ いて像が形成される。

第１図及び第２図を参照すると、？−ｍｙヘリウム・ネオンレーザ３６からの光 ビーム１４は臨界角度を上形る角度にてプリズム１２の内面３８に向けられ、該 ビームはＴＩＲを行う。ビーム１４は一時的近視野１８を形成し、該近視野１８ の強さは標本２０の存在により変調され、光ファイバのプローブ先端２２により 検出される。光ファイバ２４は光マルチプライヤ管３０に光信号を供給し、該光 マルチプライヤ管３０は検出された光の強さに比例する電流信号を発生させる。

この信号はプローブ先端２２と標本２０との間を調節する電子フィードバック回 路を駆動する。フィードバック回路の電子素子及びその他の制御電子素子が制御 装置４０内に配置されている。

プローブ２６の動きはコンピュータ４２によりモニタリングされかつ制御され、 該コンピュータ４２は又プローブ２６が標本２０上をスキャンすることにより発 生される情報を集めかつその処理を行う。先端が標本上方にて横方向にラスタス キャンされると、フィードバック回路は光マルチプライヤ管３０からの電流を検 出し、先端２２が標本２０から分離する程度を調節し、光マルチプライヤの電流 を一定に維持する。各スキャン点における先端の高さはコンピュータ４２により モニタリングかつ記憶され、標本２０の表面の三次元的像の複製物を構成する座 標を形成する。その後、コンピュータ４２を使用してデータを処理し、標本２０ の無彩色スケールの像を形成し、この像はグラフィックモニタ装置４４に表示さ れる。　本発明のこの好適な実施例の形態は圧電変換器の上に取り付けられかつ 静止標本上をスキャンするプローブ先端２２を提供するものである。次に、第３ 図を参照すると、本発明は圧電バイモルフスキャナ４６を使用して、３つの対角 軸に沿って先端を動かす。該スキャナ４６はＰＺＴ−５Ｈ圧電セラミックバイモ ルフにて形成されており、１．７５　Ｋ１１ｉｚの最小共振振動数を有している 。スキャナは、各々Ｘ−１ｙ−及び２方向に１つずつの３つの相互に対角状の動 作を行う。

スキャナ４６は表面１６に対して平行な方向に１０マイクロメートル及び該表面 に対して垂直に６マイクロメードルの範囲を有している。プローブ２６はスキャ ナ４６に取り付けられ、石英ファイバ２４の他の部分は光マルチプライヤ管３０ まで伸長している。

標本はプリズム１２の表面１６の上に位置決めされ、屈折率が適合する物質によ り該表面に光学的に結合される。標本の全体的な配置はクランプ４８によって適 所に剛性に保持される。先端２３と標本２０との分離状態の粗調節は測微ねじ５ ０により行い、微調整はレバーにより形状を縮小させることにより更なる測微ね じ５２により制御することが出来る。ばね５４は装置の全体を機械的に安定させ 、標本２０上方における先端２２の相対的な位置を確実に制御することを可能に する働きをする。

次に、第４図を参照すると、制御装置４０への電気的接続はピンコネクタプラグ ５６を介して行われる。光はミラ一手段５８を使用して光ビーム１４をプリズム １２に向けることにより標本２０から全円反射され、入射角度（第１図Ａで０１ ）がＴＩＲを実現するのに必要な臨界角より大きく、又はこの臨界角に等しいよ うにする。光フアイバ先端２２は、最初に測微調節ねじ５０．５２により標本２ ０上に機械的に位置決めし、次にスキャナ４６により一時的近視野領域に移動さ せる。

手続補正書（方式） １、事件の表示 ＰＣＴ／ＵＳ８９１０４７２５ 平成　１年特許願第５１１４６３号 ２、発明の名称 光子スキャニング型トンネル顕微鏡検査法３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ５、補正命令の日付　平成　４年　１月２１日　（発送印国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．表面上の標本領域に対応する情報を発生させる方法にして、前記表面に隣接 する光の近視野であって、前記表面に対して垂直でかつ前記表面に向けた方向に 強さが増し、前記表面に対して概ね平行な面内にて概ね一定の強さを有する近視 野を形成する段階と、標本領域に隣接する近視野の特性を測定して出力情報を発 生させる段階とを備えることを特徴とする方法。
2. ２．請求の範囲第１項に記載の方法にして、前記近視野が一時的視野であること を特徴とする方法。
3. ３．請求の範囲第１項に記載の方法にして、標本を標本領域上に配置し、前記近 視野の強さの配分を変化させる段階を更に備えることを特徴とする方法。
4. ４．請求の範囲第３項に記載の方法にして、前記近視野を形成する段階が、第１ 及び第２の屈折率を有する第１及び第２の物質を提供する段階と、前記第１及び 第２の物質の間に表面を構成する平坦な境界面を提供する段階と、第１の物質を 通じて光を導入し、全内反射させるのに十分に大きい入射角にて前記境界面と交 差させかつ第２の物質内に境界面に隣接する近視野を形成する段階とを備え、 標本が境界面に隣接しかつ近視野内で第２の物質内に配置されることを特徴とす る方法。
5. ５．請求の範囲第３項に記載の方法にして、前記測定段階が、プローブ先端を近 視野内に位置決めして近視野と結合させかつ所定の量の光を吸収する段階と、 プローブ先端を光源から一定の距離に保持する一方、プローブ先端を標本に隣接 して所定のパターンにてスキャニングする段階と、プローブ先端により吸収され る光の量を測定し、プローブ先端が所定のパターンを通じてスキャニングすると き、プローブ先端により吸収される光の量に対応する情報を出力する段階とを備 えることを特徴とする方法。
6. ６．請求の範囲第３項に記載の方法にして、前記測定段階が、プローブ先端を近 視野内に位置決めしかつ前記近視野と結合させ、さらに所定の量の光を吸収する 段階と、 プローブ先端を標本に隣接して所定のパターンにてスキャニングする段階と、先 端が所定のパターンを通じてスキャニングするとき、プローブ先端を境界面に垂 直な方向に動かすことにより一時的近視野内におけるプローブ先端の位置を制御 し、先端がスキャニング中、同一量の光を吸収するようにする段階と、プローブ 先端の位置をモニタリングしかつプローブ先端が所定のパターンを通じてスキャ ニングする間、プローブ先端と境界面との間の距離に対応する情報を出力する段 階とを備えることを特徴とする方法。
7. ７．表面に隣接して波長以下の分解能にて光子スキャニングするトンネル型顕微 鏡検査方法にして、 前記表面に隣接する光の近視野であって、前記表面に対して垂直でかつ前記表面 に向けた方向に強さが増し、前記表面に対して平行な面内にて一定の強さを有す る近視野を形成する段階と、 表面とプローブとの間を突き抜ける光子を受け取るプローブにより近視野を検査 し、光子の数がプローブの位置における近視野の強さに比例するようにする段階 と、 プローブが受け取った光子を検出する段階と、プローブが受け取った光子の数に 比例する出力信号を発生させる段階と、表面に対して概ね平行な少なくとも１方 向にプローブによって標本領域をスキャニングする段階と、 プローブが少なくとも２方向に動くとき、出力信号を測定し、標本領域に対応す る少なくとも二次元的情報を発生させる段階とを備えることを特徴とする方法。
8. ８．請求の範囲第７項に記載の顕微鏡検査方法にして、前記近視野が一時的視野 であることを特徴とする方法。
9. ９．請求の範囲第７項に記載の顕微鏡検査方法にして、前記光子の近視野を形成 する段階が、 平行にした光ビームを発生させる段階と、内側及び外側を有する少なくとも１つ の平坦面を備える透明な物質の本体内にビームを導入する段階と、 ビームを方向決めし、前記表面の内側がビームを全内反射させる入射角度を提供 するようにし、前記反射が表面の外側に隣接する近視野を形成させる段階とを備 えることを特徴とする方法。
10. １０．請求の範囲第７項に記載の顕微鏡検査方法にして、プローブにより標本領 域をスキャニングする段階が、 一時的近視野の光子の波長より短い制御された距離だけプローブを表面に対して 平行な第１の方向に動かす段階と、 一時的近視野の光子の波長より短い制御された距離だけプローブを第１の方向と 異なりかつ前記表面に対して平行な第２の方向に動かす段階とを備えることを特 徴とする方法。