JPH05164968A - ニアフィールド顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、光学顕微鏡の分解能を越えた分解能
を持つと共に走査時間の短縮化を図るニアフィールド顕
微鏡装置を提供することを目的とする。 【構成】本発明のニアフィールド顕微鏡装置は、マイク
ロマシンニング加工によって開口部が複数形成された微
小開口アレイ２４と、各開口部に対向させて夫々配置さ
れた複数の増幅型光電素子からなる光電アレイ２５とが
一体に形成されたセンサユニット１２と、センサユニッ
ト１２に対向配置される試料１４との距離を所定距離に
保持する距離制御手段１３と、センサユニット１２と試
料１４とを相対的に移動させて試料１４を走査する走査
手段２，７と、増幅型光電素子から出力される信号を、
その走査に同期させて表示する表示手段２３と、を具備
してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料と十分小さな開口
とを近接させた近接場（ニアフィールド）で、微小開口
部を走査して試料像を得るニアフィールド顕微鏡装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】光学顕微鏡の解像限界は、観察光が開口
を通過する際の回折現象により決まり、波長をλ、開口
数をＮ．Ａとすると、収束像の横分解能は０．６１λ／
Ｎ．Ａとなる。そのため、従来の光学顕微鏡は、波長に
よって高解像度を得るために、紫外線，Ｘ線を用いてい
た。

【０００３】ところが最近では、観察光の回折による分
解能の限界を越えた分解能を持ったニアフィールド顕微
鏡が考えられている。このニアフィールド顕微鏡は、波
長λよりも十分小さい開口を、波長λよりも十分小さい
距離にまで試料を接近させることにより、分解能の改善
を図っている。

【０００４】試料と開口とが近接した部分はニアフィー
ルドと呼ばれ、光を用いた場合、開口径ａを波長λ以下
にすると、ニアフィールドにおいてエバネッセント波が
存在する。このような状態を保持した状態で、試料上の
ニアフィールドで波長λよりも十分に小さい開口を走査
することにより、高分解能の試料像を得ることができ
る。

【０００５】例えば、文献ＵＳＰ４，６０４，５２０に
は、開口径４０ｎｍの開口部からの光を、ライトガイド
を介してホトディテクターで受光しながら走査し、試料
と開口部との距離を圧電体の伸縮で制御することによ
り、λ／１０に相当する４０ｎｍの横分解能を得ること
ができる旨の記載がなされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、開口部と試
料との間の距離が開口部の開口径を越えると、エバネッ
セント光が対数的に急激に減少する。従って、試料から
の光が通過する開口部の開口径が小さくなると、試料か
らの光が散乱ノイズ光に埋もれてしまい本来の検出信号
を取り出すのが困難になる。

【０００７】しかしながら、従来のニアフィールド顕微
鏡装置は、高分解能を追及しているために、開口径をで
きる限り小さくしている。このため、電子増倍管等の高
感度のホトディテクターを用いたとしても、信号精度が
大幅に低下するという問題が生じる。

【０００８】また開口部の開口径が小さくなると、光量
が減少するため、十分な光量を確保するためにはそれに
応じて開口部の走査速度を遅くしなければならず、試料
像を得るのに長時間を要するという問題がある。

【０００９】なお、現在では０．１ｎｍオーダーの横分
解能を持った走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡が
開発されており、１／１０〜１／２０波長の分解能が限
界とされているニアフィールド顕微鏡が横分解能で特徴
を発揮し難い。

【００１０】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、開口部を小さくすることなく開口径が５０〜
５００ｎｍの比較的大きな開口部で、従来の光学顕微鏡
の分解能を越えながら、しかも走査速度の高速化を図る
ことのできるニアフィールド顕微鏡装置を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、ニアフィールド顕微鏡装置を、シリコン基
板にマイクロマシンニング加工によって微小な開口部を
複数形成してなる微小開口アレイと、前記基板の一方の
面に前記各開口部に対向させて夫々配置された複数の増
幅型光電素子からなる光電アレイとが一体に形成された
センサユニットと、前記センサユニットの他方面に対向
配置される試料と前記各開口部との間がニアフィールド
となるように、前記試料と前記各開口部とを近接させる
距離制御手段と、前記センサユニットと前記試料とを、
両者の対向方向と直交する方向に相対的に移動させて前
記試料を走査する走査手段と、前記走査手段により前記
試料を走査したとき前記センサユニットの各増幅型光電
素子から出力される信号を、その走査に同期させて表示
する表示手段と、を具備して構成した。

【００１２】

【作用】以上のような手段が講じられた本発明によれ
ば、センサユニットの開口部と試料とが距離制御手段に
よって近接し、エバネッセント光が試料光として各開口
部に入射する。これによりセンサユニットの各増幅型光
電素子からは各々対応する開口部に入射した試料光に応
じた信号が増幅されて出力される。これら各出力信号は
表示手段により、走査手段による試料走査に同期して、
試料像として表示される。

【００１３】本発明では、複数の開口部が形成されてい
る微小開口アレイによって試料光の取込みが行われるの
で、１回の走査で試料の複数箇所からの試料光が取込ま
れ、ある領域を走査するのに要する走査時間は、開口部
の数に応じて短縮され、走査速度は、開口部の数の倍数
で高速化される。例えば、開口部の数が２０×２０であ
れば、従来は１０秒／面であったところを、本発明では
０．０２５秒／面の走査速度が達成される。また試料表
面と開口部との距離に依存した分解能の試料像が形成さ
れ、光学顕微鏡に比べて十分に高分解能な試料像が得ら
れる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の一実施例
について説明する。

【００１５】図１には一実施例に係るニアフィールド顕
微鏡の構成が示されている。本実施例のニアフィールド
顕微鏡は、ベース１上に円筒アクチュエータ２がその自
由端を上に向けて設けられ、この円筒アクチュエータ２
の上端に試料台３が支持されている。試料台３は少なく
とも試料載置領域が光学的に透明で均質な照明を提供す
るガラス部材によって構成されている。

【００１６】円筒アクチュエータ２には、一対のＸ電極
４ａ，４ｂ、Ｙ電極５ａ，５ｂ（不図示）、およびＺ電
極６が設けられている。これら各電極４〜６は、駆動回
路７から円筒アクチュエータ２の変位方向に応じた電圧
Ｖｘ，−Ｖｘ、Ｖｙ，−Ｖｙ，Ｖｚが印加される。そし
て円筒アクチュエータ２は、所定の電極４〜６に電圧を
印加することにより、所定の方向へ３次元的に変位する
ようになっている。これら円筒アクチュエータ２，各電
極４〜６，駆動回路７等から走査手段としての機能を実
現している。

【００１７】また、円筒アクチュエータ２の側方には、
ベース１から立脚する支柱８が設けられていて、この支
柱８の上方にセンサ保持部材９の一端が、回転軸１０を
中心に図示矢印Ｒ方向へ回転可能に取付けられている。

【００１８】センサ保持部材９は、センサ保持部材９を
支柱８に対して９０度傾けたとき（図示状態）試料台３
に対向する位置に、センサ枠１１を備えている。センサ
保持部材９はセンサ枠１１を介してセンサユニット１２
を弾性的に保持している。本実施例では、センサユニッ
ト１２を弾性的に保持するために、板バネが用いられ
る。この板バネによるセンサ保持部材９とセンサ枠１１
の可変距離は、センサ枠１１の取付け位置に設けられた
距離センサ１３によって検出する。

【００１９】なお、距離センサ１３の距離検知方式とし
ては、一般に微小な移動距離を検出するのに用いられて
いる容量検知方式，トンネル電流検知方式等がある。こ
の距離センサ１３と上記円筒アクチュエータ２等から距
離制御手段としての機能を構成している。

【００２０】一方、試料台３上には試料１４が載置され
ている。溶液中に細胞が存在する試料１４であれば、距
離センサ１３からの信号に応じて、円筒アクチュエータ
２のＺ方向の伸縮を制御しセンサユニット１２に溶液面
を接触させるようにする。

【００２１】また、弾性構造を持ったロール部材１５が
試料台３上に設けられ、センサユニット１２によって試
料１４が押圧破損するのを防ぐと共に走査移動をスムー
ズにしている。

【００２２】試料台３の下方には、鏡筒１６に支持され
たコンデンサレンズ１７が配置されている。ベース１内
に内臓、または外付けされる光源装置１８は、外部から
与えられる発光信号Ｓｐに応じたパルス点灯電圧Ｖｐを
ランプ１９に印加して、ランプ１９をパルス点灯させよ
うに構成されている。そしてランプ１９のパルス点灯に
よって発生した照明光が、絞り２０を通ってコンデンサ
レンズ１７に入射するようになっている。

【００２３】前記センサユニット１２の後述する増幅型
光電アレイの各増幅型光電素子は、信号ライン２１を介
して画像形成装置２２に接続されている。画像形成装置
２２は、センサユニット１２と試料１４の対向方向と直
交するＸ方向及びＹ方向への各走査信号Ｓｘ，Ｓｙを駆
動回路７へ送出すると共に、光源装置１８へ上記発光信
号Ｓｐを送出する。画像形成装置２２は、画像フレーム
バッファを備えていて、この画像フレームバッファに取
り込まれた試料像データが、表示装置２３に表示される
ように構成されている。図２にはセンサユニット１２の
断面構造が示されている。センサユニット１２は、同図
に示すように、開口アレイ板２４と増幅型光電アレイ板
２５とをスペーサ２６を介して接合したものである。図
３（ａ）（ｂ）に、開口アレイ板２４の平面及び断面を
示す。

【００２４】この開口アレイ板２４は、シリコンウエハ
２７に数ｍｍ〜数十ｍｍ四方の大きさの領域Ｎにわたっ
て多数の開口部ａ１１〜ａｎｍを２次元マトリクス状に
形成し、その部分をチップ状に切り出すことにより得ら
れたものである。本実施例では、各開口部ａの開口径は
１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の大きさが望ましいが、数
十ｎｍ程度まで開口径を小さくすることもできる。

【００２５】また、２次元マトリクス状に配置される開
口部のＸ方向及びＹ方向の各ピッチＰｘ，Ｐｙは、円筒
アクチュエータ２のＸ，Ｙ方向の走査振幅を越えない範
囲、あるいは増幅型光電アレイ２５の後述する各光電素
子の製作ピッチに依存し、Ｐｘ＝Ｐｙ＝１０μｍとす
る。なお、このピッチは、光電アレイピッチに対応し
て、５μｍ×５μｍとすることもできる。

【００２６】開口アレイ板２４の各開口部ａは、四角錐
形状をなし、その先端が試料１４に対向する第１の開口
２８となり、その対向端部が増幅型光電アレイ板２５に
対向する第２の開口２９となっている。

【００２７】上記の開口アレイ板２４はマイクロマシン
ニング加工により製作される。すなわち、結晶面＜１０
０＞を有するシリコン基板２７の両面をシリコン酸化膜
とし、その一方の酸化膜上を、各辺（Ｄｘ，Ｄｙ）の開
口が上記ピッチＰｘ，Ｐｙで形成されたマスクパターン
により、ＫＯＨ液等で異方性エッチングする。これによ
り、エッチング開始面に第２の開口２９を他面に第１の
開口２８を形成し角度５４．７２度の斜面を有する開口
部ａがシリコン基板２７に形成される。

【００２８】第１，第２の開口２８，２９を正方形と
し、第１の開口２８の一辺をｈ、第２の開口２９の一辺
をｄとすると、開口部の形状を示した図４から、幾何学
的にシリコン基板２７の厚さが決まる。 ｈ／２＝Δｃｏｓ５４．７２、 ｔａｎ５４．７２＝２
（Ｌ＋Δ）／ｄ

【００２９】このとき、第２の開口２９の一辺ｄは開口
部のピッチＰｘ（またはＰｙ）より小さいので、この
“ｄ”を僅かに変化させることで第１の開口２８の開口
径を変化させた所定ピッチの開口アレイとすることがで
きる。

【００３０】Ｘ，Ｙ方向の開口部のピッチＰｘ，Ｐｙを
それぞれ１０μｍとして、開口部ａ１１〜ａｎｍを１０
０×１００の配列にすれば、開口領域Ｎは１ｍｍ×１ｍ
ｍのサイズとなり、その周囲の枠部分まで合わせたセン
サチップサイズは、５ｍｍ×５ｍｍにすることができ
る。

【００３１】また、図５に増幅型光電アレイ２５の平面
的配置が示されている。増幅型光電アレイ２５は、複数
の増幅型光電素子ｓ１１〜ｓｎｍが、前記開口アレイ板
２４の各開口部ａ１１〜ａｎｍに対応させて同ピッチで
もってマトリクス状に形成されている。

【００３２】増幅型光電素子ｓとしては、フォトダイオ
ードで得られた光電荷を、ＭＯＳＦＥＴのゲートに蓄積
して電流増幅するＡＭＩ（Amplified MOS Imager）や、
その別種であるＣＭＤ（charge moduration Device）、
あるいは静電誘導トランジスタ形光センサを用いること
ができる。各々の半導体回路構造は、受光部となるＰＮ
接合やゲート・ソース・ドレイン電極が特徴的に配置さ
れてなるが、詳しい回路構造はここでは省略する。

【００３３】これらの素子は、ＣＣＤ（電荷転送デバイ
ス）とは異なり、ＸＹアドレス方式で個々の光電素子を
独立して読み出すことができ、かつ増幅機能を有してい
る。そのため、本実施例のように微小光量を検出する場
合に有効である。

【００３４】この増幅型光電アレイ２５は、受光面へ外
部から光が入射しないように、例えばパイレックスガラ
スからなるスペーサ２６を挟んで、開口アレイ板２４の
各開口部ａ１１〜ａｎｍと対応する各増幅型光電素子ｓ
１１〜ｓｎｍが一致するように両者を接合している。こ
の接合方法としては、５００℃〜１０００℃に加熱した
ヒータ上で、両者間に高電圧を印加する陽極接合法を用
いる。

【００３５】この陽極接合法により、シリコンとパイレ
ックスガラス間が直接接続される。あるいは、シリコン
酸化膜やＡｕ，Ａｇ等の金属膜を介して接合するように
することもできる。また図６及び図７にスペーサ２６の
構成例が示されている。

【００３６】スペーサ２６は、透明基板３１の枠部分の
上下面に金属膜３２ａ，３２ｂが形成され、一方の面の
窓部分に多層膜フィルター３３を形成し、他方の面の前
記各開口部ａ１１〜ａｎｍに対応する位置に偏光膜３４
を形成している。なお、金属膜３２ａ，３２ｂ、多層膜
フィルター３３、偏光膜３４は本実施例において必ずし
も必要となるものではない。また、図７（ａ）に示すよ
うに、枠部分に金属膜３２ａ，３２ｂが形成されただけ
のものであってもよい。次に、以上のように構成された
本実施例の動作について説明する。

【００３７】画像形成装置２２から光源装置１８に発光
信号Ｓｐが送出され、この発光信号Ｓｐを受けた光源装
置がランプ１９に電圧を印加してランプ１９がパルス点
灯する。これによって発生した照明光はコンデンサレン
ズ１７を介し試料１４を下方から照明する。試料台３は
上記したようにガラス板等で構成されていて、本実施例
では摺りガラス状の散乱光を試料１４に送出している。
これにより、試料１４の下面が照明光によって全面均等
に照明される。なお、均等に照明するために、射出され
る面に臨界角で入射光を導入するようにして、直接開口
に出射しないようにすることも有効である。

【００３８】試料１４に入射した照明光は，試料１４で
吸収等の作用を受けた後、試料１４に近接している開口
アレイ板２４に２次元マトリクス状に形成された多数の
開口部ａ１１〜ａｎｍに試料光となって入射する。

【００３９】ここで、各開口部の第１の開口２８が、例
えば１５０ｎｍ径とすると、照明光の波長が４６０〜７
００ｎｍとすれば、１／３〜１／５波長程度の距離でエ
バネッセント波として存在し、このエバネッセント波が
試料光として各開口部ａ１１〜ａｎｍの第２の開口２９
を経て、対応する各増幅型光電素子ｓ１１〜ｓｎｍに受
光される。

【００４０】増幅型光電アレイ２５では、各増幅型光電
素子ｓ１１〜ｓｎｍに入射する試料光が、各々対応する
第１の開口２８の走査動作が停止している期間Ｔｓに電
荷として蓄積され、その各蓄積電荷が走査動作開始前
に、Ｘ，Ｙアドレス信号に従って増幅されて順次読み出
される。なお、Ｘ，Ｙアドレス信号は、信号ライン２１
に含まれているアドレス信号ラインを介して画像形成装
置２２から増幅型光電アレイ２５に印加される。これら
読み出された信号は、各増幅型光電素子毎に信号ライン
２１を介してシリアルまたは複数の素子毎にパラレル転
送される。

【００４１】試料走査は、画像形成装置２２から駆動回
路７へ、移動時間Ｔｍ，停止期間Ｔｓの走査信号Ｓｘ，
Ｓｙを送信し、かつ光源装置１８へ発光信号Ｓｐを送出
することによってなされる。

【００４２】このとき、試料像の構成に必要な走査速度
は、開口アレイの開口部ａ１１〜ａｎｍの数の倍数に高
速化することができ、これによって走査時間を短縮する
ことができる。本実施例では、２次元マトリクス状に多
数の開口部ａ１１〜ａｎｍが形成されたセンサユニット
１２を用いているので、高速走査が可能になる。

【００４３】各増幅型光電素子ｓ１１〜ｓｎｍに蓄積さ
れた試料光に応じた電荷は、移動時間Ｔｍの期間、また
は停止期間Ｔｓの後に読み出されて画像形成装置２２の
画像フレームバッファに取り込まれる。

【００４４】画像形成装置２２は、図８に示すように、
試料像データの取込みに用いたＸ，Ｙアドレス信号及び
そのときの走査信号Ｓｘ，Ｓｙから、表示装置２３の表
示画面状での表示領域Ｄ１１，Ｄ２１…Ｄｎｍを決定し
する。そして各増幅型光電素子ｓ１１〜ｓｎｍで受光し
画像フレームバッファに取り込んだ試料像データを、各
表示領域Ｄ１１，Ｄ２１…Ｄｎｍ内で輝度変調して表示
する。

【００４５】この様に本実施例によれば、２次元マトリ
クス状に形成された複数の開口部ａ１１〜ａｎｍを有す
る開口アレイ板２４と各開口部ａ１１〜ａｎｍの入射光
をそれぞれ光電変換する複数の増幅型光電素子ｓ１１〜
ｓｎｍを有する増幅型光電アレイ２５とを有するセンサ
ユニット１２を備えたので、１回の走査で２次元マトリ
クス状の各開口部ａ１１〜ａｎｍが対向する試料表面各
部の試料像データを得ることができ、試料の全面を走査
するのに要する時間を大幅に短縮できる。

【００４６】また、センサユニット１２の開口部ａの開
口径が１００ｎｍ〜２００ｎｍと従来のもの（例えば４
０ｎｍ）に比べて比較的大きいため、試料表面と第１の
開口部２７との間の距離を、照明光の波長（本実施例で
は４６０〜７００ｎｍ）よりも短い距離に容易に近接さ
せることができ、比較的大きな出力信号となるため、外
部の散乱光などによる影響を受けずらくなりＳ／Ｎ比が
改善される。図９（ａ）〜（ｄ）には、開口アレイ板の
変形例が示されている。

【００４７】同図（ａ）に示す開口アレイ板４０は、開
口領域Ｎに、第２の開口２９側からＡｕ又はＰｔを厚さ
２０ｎｍにスパッタ蒸着して金属膜４１を形成する。こ
の金属膜４１によって試料光の開口内吸収を防止するこ
とができる。

【００４８】または、金属膜４１に代えてシリコン酸化
膜４２を形成する。このシリコン酸化膜４２を、第１の
開口２８からの試料光の光導波路とし、増幅型光電素子
の受光面に、試料光を効率良く導くようにする。なお、
金属膜４１およびシリコン酸化膜４２共に、陽極接合面
の当たり面に利用できる。

【００４９】又、図９（ｂ）に示す開口アレイ板４３
は、開口部内にガラスまたは樹脂を充填し、第１及び第
２の開口部２８，２９に凸部４４，４５を形成した例で
ある。図９（ｃ）に開口アレイ板４６は、開口部内にガ
ラスまたは樹脂を充填し、第１及び第２の開口部２８，
２９に凹部４８，４９を形成した例である。図９（ｂ）
（ｃ）に示す両例は、第１の開口２８が細胞片等によっ
て閉塞するのを防止することができる。図９（ｄ）に示
す開口アレイ板５０は、第１の開口２８を、その開口径
よりも若干大きなガラスビーズ等の球体５１で閉塞して
開口径を揃えた例である。

【００５０】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、開
口部を小さくすることなく開口径が５０〜５００ｎｍの
比較的大きな開口部で、光学顕微鏡の分解能を越えるこ
とができ、しかもＳ／Ｎ比の改善および走査速度の高速
化を図ることのできるニアフィールド顕微鏡装置を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るニアフィールド顕微鏡
装置の全体構成図。

【図２】一実施例のニアフィールド顕微鏡装置に備えら
れたセンサユニットの断面図。

【図３】センサユニットの構成要素となる開口アレイ板
の平面図及び断面図。

【図４】開口アレイ板に形成された開口部の形状を示す
図。

【図５】センサユニットの構成要素となる増幅型光電ア
レイの平面図。

【図６】センサユニットの構成要素となるスペーサの平
面図。

【図７】図６に示すスペーサの断面図およびその変形例
の断面図。

【図８】表示装置の表示動作を説明するための図。

【図９】開口アレイ板の変形例を示す断面図。

【符号の説明】

２…円筒状アクチュエータ、３…試料台、４〜６…電
極、７…駆動回路、１２…センサユニット、１３…距離
センサ、１４…試料、２２…画像形成装置、２３…表示
装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板上にマイクロマシンニング
   加工によって微小な開口部を複数形成してなる微小開口
   アレイと、前記シリコン基板の一方の面に前記各開口部
   に対向させて夫々配置された複数の増幅型光電素子から
   なる光電アレイとが一体に形成されたセンサユニット
   と、 前記センサユニットの他方面に対向配置される試料と前
   記各開口部との間がニアフィールドとなるように、前記
   試料と前記各開口部とを近接させる距離制御手段と、 前記センサユニットと前記試料とを、前記センサユニッ
   トと前記試料との対向方向と直交する方向に相対的に移
   動させて前記試料を走査する走査手段と、 前記走査手段により前記試料を走査したとき前記センサ
   ユニットの各増幅型光電素子から出力される信号を、そ
   の走査に同期させて表示する表示手段と、を具備したこ
   とを特徴とするニアフィールド顕微鏡装置。