JPH07159696A

JPH07159696A - 反射型走査型近接場顕微鏡

Info

Publication number: JPH07159696A
Application number: JP5308225A
Authority: JP
Inventors: Hisao Osawa; 日佐雄大澤; Tetsuji Konuki; 哲治小貫
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-12-08
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 1995-06-23

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度な反射型走査型近接場顕微鏡を得る。【構成】本願発明の反射型走査型近接場顕微鏡は、光
源５と、光源５から放射される光の波長より小さい直径
有し、検査される被測定物３の表面に近接し、被測定物
３の表面との間で相対的に走査可能な状態で設置されて
いる開口７と、開口７を経て光源５から被測定物３に放
射された光が被測定物３で反射した反射光を受光して電
気信号に変換する光検出器10、反射光を集光し光検出器
10に導き被測定物３の検査すべき所定部位を一方の焦点
とし光検出器10の検出面上の一点をもう一方の焦点とす
るように被測定物３に対向して配置されている光導入手
段から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型近接場顕微鏡に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、生物学や半導体デバイス開発など
広い分野において、非接触、非破壊の高分解能顕微鏡の
重要性が高まっている。従来使用されてきた光学顕微鏡
は、非接触、非破壊という面では優れた特性を持ってい
たが、結像光学系を用いるという原理上、回折限界によ
る分解能の制限のため使用範囲が限られてきた。

【０００３】これらの問題を解決すべく走査型電子顕微
鏡，透過電子顕微鏡，走査型トンネル顕微鏡，走査型近
接場顕微鏡（もしくは光学近接場走査型顕微鏡，走査型
近接場光学顕微鏡等とも呼ばれる）等が開発されたが、
試料の光学的な性質を高い分解能で得ようとした場合に
は、走査型近接場顕微鏡が唯一の手段である。この種の
走査型近接場顕微鏡としては特開昭５９−１２１３１０
号広報等が知られている。この走査型近接場顕微鏡の基
本原理は、被測定物を照射すべく光源から放射された照
明光の波長より小さい開口によって被測定物の表面を走
査し、表面形状、表面の光学的性質等を測定するもの
で、開口を被測定物から開口径よりも短い距離において
走査することから、走査型近接場顕微鏡と呼ばれてい
る。

【０００４】波動の理論からすれば、通常の光学顕微鏡
の分解能はλ／２程度で制約されるため可視光領域では
２００〜３００ｎｍが限度とされている。しかし、上述
したような波長より小さい微小な開口に光を導くと、通
常の光の様に自由空間を広がることはできないが、開口
付近にしみだす光電場が存在する。この光電場は消滅波
（エバネセント波）と呼ばれるもので、これで測定表面
を照射することで高分解能な光学的測定を可能にしてい
る。走査型近接場顕微鏡による測定方法には、開口
から試料表面の近接場に光を照射して、その透過光を顕
微鏡の対物レンズで集光して測定する方法，試料を透
過した光を近接場の開口を通して検出する方法および
近接場の開口から照射された光の反射光を測定する方法
の三種類が知られている。このうちの反射光を測定す
る方法は、反射型走査型近接場顕微鏡と呼ばれている。

【０００５】図２は、このような反射型走査型近接場顕
微鏡の従来例（上記特開昭５９−１２１３１０号）を示
すものである。これを概略説明すると、１は基台で、こ
の基台１は図示しない除振装置によって外部振動を受け
ない構造とされる。２は基台１上に配設されたステージ
で、このステージ２は図示しない駆動装置によってＸ，
Ｙ方向にそれぞれ独立に移動制御されるように構成さ
れ、上面に被測定物３が設置されている。支柱は前記基
台１上に設置され、５は支柱の先端アーム部４Ａに垂直
調整装置６を介して取り付けられた光源で、この光源５
は半導体レーザ等からなり、被測定物３をＸ，Ｙ方向に
移動させることで、相対的に開口７が測定表面上を走査
する。８は前記光源５から放射されて開口７を通り被測
定物３の表面で反射した反射光を検出するセンサで、こ
のセンサ８に入射した反射光は光ファイバ９によって光
検出器１０に導かれ、電気信号に変換される。

【０００６】ところが、上述した従来の反射型走査型近
接場顕微鏡にあっては、受光する光の強度を増大させる
ため複数個のセンサ８を開口７の周囲に配設しているも
のの、光の受光には異方性があり斜面による影等の影響
がでて測定精度を高めることができないという問題があ
った。そこで、この問題を解決する方法としてセンサ８
の数を増加することも考えられるが、そうすると部品点
数の増加に加えてセンサの取り付け調整作業が面倒であ
る。

【０００７】この問題点を解決するべく発明されたの
が、特開平３−２８７１１１号で提供される反射型走査
型近接場顕微鏡である。該発明では、複数のセンサを設
ける代わりに被測定物に近接させた集光レンズを用い、
被測定物表面で反射した反射光を集光して光検出器に導
くという構成が提供されていた。以下に、該発明特開平
３−２８７１１１号で提供される反射型走査型近接場顕
微鏡の概略説明をする。

【０００８】図３は該発明に係る反射型走査型近接場顕
微鏡の一実施例を示す概略構成図である。該発明におい
ては、光源５から光検出器１０までの光路を形成する光
学系として、光源５から放出された光２１をステージ２
上の被測定物３の表面に導く投光ファイバ２２と、光源
５から出て被測定物３の表面で反射した反射光２３を受
光し前記光検出器１０に導く凸レンズ（光学レンズ）２
４、全反射鏡２５および集光レンズ２６と、光源５から
放出された光２１を集光し前記投光ファイバ２２の入射
面入光させる集光レンズ２７と、前記投光ファイバ２２
の被測定物３と近接対向する出光面に設けられた開口７
とで構成されている。

【０００９】前記投光ファイバ２２の被測定物３側端部
は前記凸レンズ２４の中心に貫通形成された挿通孔２８
に挿通固定されている。そして投光ファイバ２２は凸レ
ンズ２４と共に支柱のアーム部４Ａに垂直調整装置６を
介して垂直方向に移動調整自在に取り付けられている。
このような構成からなる反射型走査型近接場顕微鏡にお
いて、被測定物３の表面状態の測定に際しては、光源５
から出た光を集光レンズ２７によって集光し、投光ファ
イバ内に入射させて開口７に導き、該開口７を通過する
光（消滅光）で被測定物３の測定表面を照射する。ま
た、この状態で被測定物３の表面を開口７で走査する。

【００１０】前記開口７を通過して被測定物３の測定表
面を照射する照明光は測定表面に当たって反射し、その
反射光２３が凸レンズ２４，全反射鏡２５及び集光レン
ズ２６を経て光検出器１０に導かれ、電気信号に変換さ
れる。この場合、凸レンズ２４は測定方面と近接対向し
投光ファイバ２２の回りを取り巻く連続した環状の受光
面２４ａを有しているので、反射光２３の受光に異方性
が無く、全方向に反射した反射光を等方的に受光するこ
とができる。したがって、受光する光量が増し、また表
面の凹凸による光の影の影響が少なく、測定精度を上げ
ることが可能であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本願発明が発
明特開平３−２８７１１１で提供される従来の反射型走
査型近接場顕微鏡を用いて、試料の観察を行ったとこ
ろ、以下のような問題点が発生することが分かった。こ
れら、従来の反射型走査型近接場顕微鏡では被測定物３
に近接される開口７は必須の部品である。該開口７は、
一般に、透明体に遮光膜を施し、その遮光膜に被測定物
３を照明する光の波長よりも小さな孔を開けるによって
得られる。このとき、該遮光膜に最も遮光性のよい物質
例えば金、銀等を用いても遮光膜の厚さは１００ｎｍ以
上必要であることが知られている。したがって、例えば
開口７の内径を５０ｎｍとしたときには、開口７の外径
としては約２５０ｎｍが必要になることが分かった。

【００１２】ところで、反射型走査型近接場顕微鏡にお
いては開口７を通過した光（消滅光）を用いて被測定物
３の測定がなされることから、該開口７と該被測定物３
との間の距離は開口７の内径よりも小さいことが必要で
ある。例えば、開口７の内径が５０ｎｍのときには、被
測定物３に５０ｎｍ以下に近接させることが必要であ
る。

【００１３】本願発明者が観察を行ったところ、非測定
物３の表面で反射された光にとっては開口７も影を成す
要因となり、すなわち、被測定物３の表面で反射された
光は前述の凸レンズ２４で大きな立体角を持って受光さ
れるはずであったが、実際には開口７によって受光可能
な立体角を削られてしまうという問題が生じた。例え
ば、前述の外径２５０ｎｍを持つ開口７を被測定物３の
表面から５０ｎｍの距離に接近させていた場合、該開口
７による影は１．２６πステラジアンの立体角になる。
ところが、前述の凸レンズ２４にＮＡ（開口数）０．９
５というかなり大きなＮＡを持ったレンズを用いたとし
ても、このレンズ単体の受光できる立体角が１．３８π
ステラジアンであることから、開口７の影によって、実
際にはわずか０．１２πステラジアンの光を受光できる
に過ぎず、上側全立体角の２πステラジアンのわずか６
％にとどまる。

【００１４】本発明は上述したような従来の問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的とするところは最小
の部品点数にて受光面積が大きく、開口の全周囲から当
方的に反射光を受光することができ、かつ測定精度を向
上させることを可能にした反射型走査型近接場顕微鏡を
提供することにある。

【００１５】

【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、第１に「光源と、前記光源から放射される
光の波長より小さい直径有し、検査される被測定物の表
面に近接し、前記被測定物の表面との間で相対的に走査
可能な状態で設置されている開口と、前記開口を経て該
光源から前記被測定物に放射された光が該被測定物で反
射した反射光を受光して電気信号に変換する光検出器、
前記反射光を集光し前記光検出器に導き前記被測定物の
検査すべき所定部位を一方の焦点とし前記光検出器の検
出面上の一点をもう一方の焦点とするように前記被測定
物に対向して配置されている光導入手段から成ることを
特徴とする反射型走査型近接場顕微鏡（請求項１）」を
提供する。

【００１６】第２に「前記光導入手段が楕円鏡であるこ
とを特徴とする請求項１記載の反射型走査型近接場顕微
鏡（請求項２）」を提供する。

【００１７】

【作用】本発明において楕円面鏡の被測定物側の焦点か
ら発した光は、被測定物を照明する開口による影の部分
を除いて、もう一方の焦点のある光検出器表面に集光す
ることができ被測定物の表面における反射光を等方的に
検出することができる。

【００１８】

【実施例１】図１は本発明に係る反射型走査型近接場顕
微鏡の一実施例を示す概略構成図である。図２と同一構
成部品のものに対しては同一の符号をもって示し、その
説明を省略する。図１において、本実施例は光源５から
光検出器１０までの光路を形成する光学系として、光源
５から放出された光２１を集光し、ステージ２上の被測
定物３と近接対向する開口７の裏面に照射する集光レン
ズ２７と、支柱に固定され開口７を経て被測定物３の表
面に照射され、光被測定物３の表面で反射した反射光２
３を集光し光検出器１０に導く楕円面鏡３０とで構成さ
れている。光源５としては、例えばレーザ、ハロゲンラ
ンプ、水銀ランプ等が使用される。光源５及び集光レン
ズ２７は共に支柱４Ａに固定されている。楕円鏡として
は、微細な平面鏡を楕円形状に設置したものでも使用可
能である。測定時には、開口７を有する面を被測定物３
の表面に近接させる。

【００１９】開口は、例えば、以下の方法により製造す
る。外径１ｍｍ、内径0.5 ｍｍのガラス管の一部を加熱
し、軟化温度以上とする（例えば、パイレックスガラス
であれば、約700 ℃）。このとき、このガラス管を長手
方向に引っ張ると、ガラス管の加熱された部分は細長く
なり、その後切断する。このとき、加熱温度と引っ張り
強さを加減することで、切断面の内径を100〜500 ｎ
ｍ、外径を内径の３倍程度とすることができる。

【００２０】次にガラス管の切断面とその周囲に100 〜
300 ｎｍの金属コーティグ（例えば金、銀等）を施すこ
とにより、切断面の内径の大きさの開口を設けることが
できる。本実施例における開口の直径は、50〜500 ｎｍ
であり、50〜100 ｎｍが好ましい。また、透明材料に被
覆する金属材料としては、金、銀、アルミニウムなどが
用いられる。

【００２１】前記ステージ２としては、一般にマイクロ
メータ等の粗調整装置と印加電圧に応答して伸縮する圧
電素子等からなる微調整装置をＸ，Ｙ，Ｚ三方向に備
え、これによって開口７を被測定物３の検査すべき部位
に近接させ、さらに被測定物３の表面の走査を行なうこ
とができるようになっている。開口７はその中心が楕円
面鏡３０の一方の焦点にあるように前記支柱に固定され
ており、前記被測定物３の表面上での走査を行なって
も、楕円面鏡３０と開口７との間の位置関係は変化しな
いようになっている。さらに、楕円面鏡３０のもう一方
の焦点位置には光検出器１０の中心が置かれており。開
口７の近接している被測定物３の表面で反射された光２
３が常に光検出器１０の検出面上に導かれるようになっ
ている。

【００２２】本実施例における、このような構成からな
る反射型走査型近接場顕微鏡において、被測定物３の表
面における光学的性質（反射率）の測定に際しては、光
源５から出た光を集光レンズ２７によって集光し開口７
の裏面（光の入射方向にあたる面であり、被測定物に近
接するの裏側）に集光し、開口７を通過する光（消滅
光）で被測定物３の測定表面を照射する。また、この状
態で被測定物３の表面を開口７によって相対的に走査す
る。開口７を透過して被測定物３の測定表面を照射する
照明光は被測定物３の測定表面に当たって反射率に応じ
て反射し、その反射光２３が楕円面鏡３０によって集光
され光検出器の面上に導かれ、電気信号に変換される。
測定表面に当たって反射する反射光の反射方向は全方向
であるが、各反射方向における反射光の光量は被測定物
の表面形状および表面の反射率によって変化するため、
光検出器１０の各受光素子の出力信号も変化する。従っ
て、反射光２３を検出することで、被測定物３の測定表
面の表面形状および反射率分布が光の波長以下の高分解
能で測定される。

【００２３】この場合、楕円面鏡３０は被測定物３の測
定部位の上側を取り巻くようにつつんでいるため、開口
７の影に入ってしまわない反射光２３であればすべてを
受光することができる。したがって、受光する光量、還
元すれば光の強度が増し、また被測定物３の表面形状に
よる光の影の影響が少なく、測定精度を上げることがで
きる。

【００２４】例えば、前記発明が解決しようとする課題
で掲げた外径２５０ｎｍの開口７を用いる場合であれ
ば、検出できる立体角は０．７４πステラジアンとな
り、集光レンズを用いる従来の反射型走査型近接場顕微
鏡に比べれば、約６倍の向上となる。本実施例では、被
測定物３をステージ２によって開口７に対して走査する
構成としたが、この走査は相対的なものであり、開口７
に粗微調整装置を取り付け走査してもよい。また、走査
範囲が小さく、開口７の位置が走査によって移動しても
反射光２３が常に光検出器１０の検出面内に導かれる場
合には、楕円面鏡３０は開口７と直接，間接を問わず固
定されている必要はない。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明に係わる反射型走
査型近接場顕微鏡は、被測定物の表面で反射した光源か
らの光を楕円面鏡で集光し光検出器へ導くように構成し
たので光の受光に異方性が無く、照射点を中心として全
方向に反射する反射光を一つの楕円面鏡で等方的に受光
できる。したがって、複数個のセンサを開口の周囲に配
置する場合と比較して構造が簡単で安価であるばかり
か、受光する光の強度が増加し、影の影響が少なく、よ
り測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本実施例の係わる反射型走査型近接場顕微
鏡の概略図である。

【図２】は、従来の反射型走査型近接場顕微鏡の概略図
である。

【図３】は、従来の反射型走査型近接場顕微鏡の概略図
である。

【符号の説明】

１・・・基台２・・・ステージ３・・・被測定物５・・・光源６・・・垂直調整装置７・・・開口１０・・・光検出器２２・・・投光ファイバ２４・・・凸レンズ２５・・・全反射鏡２６・・・集光レンズ２７・・・集光レンズ３０・・・楕円面鏡以上

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源から放射される光の波
長より小さい直径有し、検査される被測定物の表面に近
接し、前記被測定物の表面との間で相対的に走査可能な
状態で設置されている開口と、前記開口を経て該光源か
ら前記被測定物に放射された光が該被測定物で反射した
反射光を受光して電気信号に変換する光検出器、前記反
射光を集光し前記光検出器に導き前記被測定物の検査す
べき所定部位を一方の焦点とし前記光検出器の検出面上
の一点をもう一方の焦点とするように前記被測定物に対
向して配置されている光導入手段から成ることを特徴と
する反射型走査型近接場顕微鏡。
【請求項２】前記光導入手段が楕円鏡であることを特
徴とする請求項１記載の反射型走査型近接場顕微鏡。