JPH07191047A - ニアフィールド顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＰＳＴＭ測定と同時にＡＦＭ測定を行うことが
可能なニアフィールド顕微鏡を提供する。 【構成】その自由端表面に探針２６を有するカンチレバ
ー２８と、測定試料をセット可能で且つ測定試料の表面
近傍にエバネッセント光を発生させるエバネッセント光
発生手段（３４，３６，３８，４０，４２）と、探針を
測定試料に対して相対的に走査させる走査制御部（４
４，４６，４８）と、エバネッセント光に探針が接する
ことで発生した散乱光の強度を検出する第１の検出素子
３０と、カンチレバーの自由端裏面にレーザー光を照射
し且つ自由端裏面から反射したレーザー光の光学的特性
に基づいて、カンチレバーの自由端の変位を検出する第
２の検出素子３２とを備え、第１の検出素子は、第２の
検出素子からのレーザー光及び自由端裏面からのレーザ
ー光を通過させる通過手段５０を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測定試料の表面近傍に
発生するエバネッセント光の強度を検出することによっ
て、例えば測定試料の屈折率分布を測定するニアフィー
ルド顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学顕微鏡の分解能は、光の回折特性に
よって決まり、その回折限界によって波長より小さい物
体の像は観察できない。

【０００３】しかし上記のような光ではなく、微小空間
に局在した別形態の光を使うと、回折限界を越える分解
能が得られることが知られている。このような光のこと
をエバネッセント光と呼ぶ。

【０００４】１９８０年代後半以降、エバネッセント波
を用いることにより回折限界を超える分解能を有する光
学顕微鏡が提案されている。この顕微鏡は、近視野顕微
鏡(near field microscope)、又は、Photon−走査トン
ネル顕微鏡（ＰＳＴＭ）と呼ばれている。

【０００５】ＰＳＴＭは、“波長より小さい寸法の領域
に局在し、自由空間を伝搬しない”というエバネッセン
ト波の特性を利用したものである。

【０００６】実際のＰＳＴＭ測定において、まず、微小
物体（即ち、測定試料）の表面近傍に局在するエバネッ
セント光に対して光ピックアップ（即ち、プロ―ブ）を
接触させることで散乱させて伝搬光（即ち、散乱光）に
変換する。そして、この散乱光を検出して散乱光強度の
地図を作製することによって、微小物体に対する解像が
成される。

【０００７】図２には、一般的なＰＳＴＭ装置の構成が
概略的に示されている。

【０００８】図２に示すように、測定試料２が、３次元
移動ステ―ジ４に倒立配置された表面６ａの清浄なプリ
ズム６上に載置されている。

【０００９】このような状態において、半導体レーザ８
からレンズ１０及び反射ミラー１２を介して導光された
レーザー光をプリズム６の表面６ａに対して全反射条件
を満たす角度で入射させる。

【００１０】この結果、プリズム６の表面６ａ上に載置
された測定試料２は、後述する散乱光のバックグランド
（背景光）が最小となるように、照明されることにな
る。

【００１１】この結果、測定試料２の表面近傍には、下
記の表１の関係を有するエバネッセント光（Ｅ）が発生
する。

【００１２】

【表１】

【００１３】このとき、先端を尖鋭化させた光ファイバ
ープローブ１４をプリズム６の表面６ａに近付けると、
光ファイバープローブ１４によってエバネッセント光
（Ｅ）が散乱光に変換される。

【００１４】散乱光は、光ファイバープローブ１４を介
して光検出器１６に導光され、散乱光強度の変化が検出
される。

【００１５】光検出器１６によって検出された散乱光強
度の変化は、対応した散乱光強度信号に変換された後、
Ｚ位置制御機構１８に出力される。

【００１６】Ｚ位置制御機構１８は、散乱光強度信号に
基づいて、３次元移動ステ―ジ４をＺ方向即ち光ファイ
バープローブ１４方向に移動制御して、プリズム６上の
測定試料２と光ファイバープローブ１４の先端とを略同
位置に固定する。

【００１７】このような状態において、マイクロコンピ
ューター２０が、Ｘ／Ｙ走査装置２２を介して３次元移
動ステージ４をＸ／Ｙ移動制御する。この結果、光ファ
イバープローブ１４は、測定試料２に対して相対的にＸ
Ｙ走査される。

【００１８】このとき、測定試料２の表面近傍に発生し
ているエバネッセント光（Ｅ）は、光ファイバープロー
ブ１４によって散乱され、散乱光に変換される。

【００１９】この散乱光は、光検出器１６によって光強
度に対する電気信号に変換された後、雑音やバックグラ
ンド除去等の画像処理が行われる。そして、ＸＹ走査量
に対する散乱光強度分布がＰＳＴＭ画像として表示され
る。

【００２０】なお、光ファイバープローブ１４は、先端
を鋭利に加工した誘電体や金属の針又は微小開口等を代
用することもできるが、光導波路を有し、散乱光を高効
率で収集でき且つ製作容易であるという利点がある。ま
た、シングルモ―ドの光ファイバ―をふっ酸を用いて化
学エッチングを行なうことによって、先端の曲率半径を
１０ｎｍ以下、先端の尖り角を２０°として実現され
る。

【００２１】また、上記ＰＳＴＭ画像を得るためには、
上記エバネッセント光（Ｅ）に対してプロ―ブ先端を走
査することで発生した散乱光が、測定試料２表面の大き
な凹凸によるバックグランド光成分から、識別できなけ
ればならない。このためには、プロ―ブ先端の尖り角が
小さく且つその曲率半径が測定試料２の半径程度である
ことが必要である。

【００２２】このような条件を満たす光ファイバープロ
―ブ１４を、測定試料２に対して上記曲率半径程度の距
離を保って走査させると、測定試料２の微細構造から生
ずる減衰距離の短いエバネッセント光成分が除去され
る。このようにＰＳＴＭは、測定試料２表面の微細な凹
凸の空間周波数の中から、帯域フィルタ―のように、プ
ロ―ブ先端の曲率半径に対応する細かさをもつ成分を選
択的に抽出する装置であるということもでき、その分解
能はプロ―ブ先端の曲率半径と尖り角で決定される。

【００２３】しかしながら、光ファイバープローブ１４
を用いたＰＳＴＭの場合、先端形状の加工が難しいこ
と、加工技術として確立していないこと、プロ―ブを交
換する場合光ファイバープローブ１４の全体（光ファイ
バープローブ１４と光検出器１６双方）を交換する必要
があること等の弊害があった。

【００２４】このため、図３に示すように、金属製探針
やマイクロファブリケ―ションプロセスを介して作製し
た例えばＡＦＭ（原子間力顕微鏡）用カンチレバー２４
によって、エバネッセント光（Ｅ）を散乱光（Ｔ）に変
換し、かかるカンチレバー２４に対して斜め方向に配置
された光検出器１６によって散乱光（Ｔ）の強度を検出
する方法が提案されている。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＡＦＭ
用カンチレバー２４を用いたＰＳＴＭ測定において、原
理的にはＰＳＴＭとＡＦＭの同時測定は可能である。し
かし、ＡＦＭの変位検出光学系のレ―ザー光がエバネッ
セント光検出光学系に対する迷光になり、ＰＳＴＭのＳ
／Ｎ比を低下させるという問題が生じる。従って、ＡＦ
Ｍ測定と光強度の弱いエバネッセント光の検出が同時に
行える顕微鏡の開発が望まれている。

【００２６】本発明は、このような要望に答えるために
なされており、その目的は、ＰＳＴＭ測定と同時にＡＦ
Ｍ測定を行うことが可能なニアフィールド顕微鏡を提供
することにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明のニアフィールド顕微鏡は、その自由
端表面に探針を有するカンチレバーと、所定の測定試料
をセット可能であって且つ前記測定試料の表面近傍にエ
バネッセント光を発生させるエバネッセント光発生手段
と、前記測定試料の表面近傍に発生した前記エバネッセ
ント光に前記探針が接することによって発生した散乱光
の強度を検出する第１の検出素子と、前記カンチレバー
の自由端裏面に所定のレーザー光を照射し且つ前記自由
端裏面から反射したレーザー光の光学的特性に基づい
て、前記探針と前記測定試料との間に働く相互作用によ
って生じる前記カンチレバーの自由端の変位を検出する
第２の検出素子とを備えており、前記第１の検出素子に
は、前記第２の検出素子から出射された前記レーザー光
及び前記自由端裏面から反射した前記レーザー光を通過
させる通過手段が設けられている。

【００２８】

【作用】測定試料の表面近傍に発生したエバネッセント
光は、カンチレバーが接することによって散乱光に変換
され、この散乱光の強度は、第１の検出素子によって検
出される。同時に、第２の検出素子から出射されたレー
ザー光は、第１の検出素子の通過手段を通過してカンチ
レバーの自由端裏面に照射され、この自由端裏面から反
射したレーザー光は、再び、通過手段を通過して第２の
検出素子に入射され、レーザー光の光学的特性が検出さ
れる。この結果、散乱光の強度と同時にカンチレバーの
自由端の変位が検出される。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係るニアフィール
ド顕微鏡について、図１を参照して説明する。

【００３０】本実施例のニアフィールド顕微鏡（以下、
ＰＳＴＭと称する）は、ＰＳＴＭ測定とＡＦＭ（Atomic
Force Microsope）測定を同時に行うことができる点に
特徴を有する。

【００３１】ここで、ＰＳＴＭ測定とは、測定試料の表
面近傍に発生したエバネッセント光の強度を検出するこ
とによって、測定試料表面の屈折率分布を測定すること
であり、ＡＦＭ測定とは、プローブ先端の原子と試料表
面の原子との間に働く相互作用（原子間力）によって生
じるプローブの変位を電気的あるいは光学的に検出する
ことによって、測定試料の３次元的表面情報を測定する
ことである。

【００３２】図１に示すように、本実施例のニアフィー
ルド顕微鏡は、その自由端表面に探針２６を有するカン
チレバー２８と、所定の測定試料（図示しない）をセッ
ト可能であって且つ測定試料の表面近傍にエバネッセン
ト光を発生させるエバネッセント光発生手段（３４，３
６，３８，４０，４２）と、探針２６を測定試料に対し
て相対的に走査させる走査制御部（４４，４６，４８）
と、測定試料の表面近傍に発生したエバネッセント光に
探針２６が接することによって発生した散乱光の強度を
検出する第１の検出素子３０と、カンチレバー２８の自
由端裏面に所定のレーザー光を照射し且つ自由端裏面か
ら反射したレーザー光の光学的特性に基づいて、探針２
６と測定試料との間に働く相互作用によって生じるカン
チレバー２８の自由端の変位を検出する第２の検出素子
３２とを備えており、第１の検出素子３０には、第２の
検出素子３２から出射されたレーザー光及び自由端裏面
から反射したレーザー光を通過させる通過手段５０が設
けられている。

【００３３】エバネッセント光発生手段は、測定試料を
セット可能な表面３４ａを有するプリズム３４（例えば
９０°プリズム）と、例えば気体レーザーや半導体レー
ザー等のレーザー光源３６と、このレーザー光源３６か
ら出力されたレーザー光をプリズム３４方向に導光する
光ファイバーケーブル３８と、この光ファイバーケーブ
ル３８の出射端３８ａから出射したレーザー光をプリズ
ム３４の表面３４ａに集光させるコリメーターレンズ４
０と、レーザー光をプリズム３４の表面３４ａに対して
全反射条件を満たす角度で入射させるように、プリズム
３４と光ファイバーケーブル３８の出射端３８ａとの相
対位置やレーザー光の入射角度等を調整する調整機構４
２とを備えている。

【００３４】なお、測定試料は、プリズム３４との間の
屈折率のマッチングをとるためのマッチングオイル（図
示しない）を介してプリズム３４の表面３４ａ上にセッ
トされている。

【００３５】走査制御部は、その表面３４ａに測定試料
をセットさせた状態でプリズム３４を３次元に駆動させ
ることにより探針２６を測定試料に対して相対的にＸＹ
走査させる圧電アクチュエータ４４と、探針２６を測定
試料に対して所定距離に維持させるようにカンチレバー
２８を動作させる圧電体４６と、圧電アクチュエータ４
４及び圧電体４６を動作制御する制御部４８とを備えて
いる。

【００３６】第１の検出素子３０は、受光した散乱光の
強度に対応した電気信号を出力可能に構成されている。

【００３７】第２の検出素子３２は、カンチレバー２８
の自由端の変位を検出するように、所定のレーザー光を
出射可能であると共に、自由端裏面から反射したレーザ
ー光を受光可能に構成されており、受光したレーザー光
の光学的特性に対応した電気信号を出力可能に構成され
ている。

【００３８】通過手段は、第１の検出素子３０の中央部
に形成されたピンホール５０を備えており、第２の検出
素子３２から出射されたレーザー光及び自由端裏面から
反射したレーザー光は、かかるピンホール５０を介して
光路上を通過可能となる。

【００３９】また、本実施例には、ＰＳＴＭ測定用画像
処理手段とＡＦＭ測定用画像処理手段とが設けられてい
る。

【００４０】ＰＳＴＭ測定用画像処理手段は、第１の検
出素子３０から出力された電気信号に対してフィルタリ
ングや増幅等の画像処理を施す画像処理回路５２と、こ
の画像処理回路５２から出力されたデ―タを表示する表
示装置５４とを備えている。ＡＦＭ測定用画像処理手段
は、第２の検出素子３２から出力された電気信号に対し
て所定の画像処理を施す画像処理回路５６と、この画像
処理回路５６から出力されたデ―タを表示する表示装置
５８とを備えている。

【００４１】なお、本実施例には、探針２６が測定試料
の所定位置に位置付けられたか否かを検出する観察用Ｃ
ＣＤ６０が設けられている。

【００４２】以下、本実施例のニアフィールド顕微鏡の
動作について説明する。

【００４３】まず、プリズム３４の表面３４ａに入射す
るレーザー光は、調整機構４２によって、常時、プリズ
ム３４の表面３４ａに対して全反射条件を満たす角度で
入射するように調整されているものとする。そして、探
針２６は、制御部４８を介して圧電アクチュエータ４４
及び圧電体４６を動作制御することによって、エバネッ
セント光が発生する近傍であって且つ測定試料から所定
の高さに位置決め配置された状態にあり、この状態は、
対物レンズ６２、波長選択性のビームスプリッタ６４及
び接眼レンズ６６を介してＣＣＤ６０によって確認され
ているものとする。

【００４４】このような状態において、レーザー光源３
６から出射されたレーザー光は、光ファイバケーブル３
８を介してコリメーターレンズ４０に導光される。

【００４５】コリメーターレンズ４０は、レーザー光を
所定径の平行光に変換した後、プリズム３４の表面３４
ａに入射させる。

【００４６】プリズム３４の表面３４ａに入射したレー
ザー光によって、測定試料の表面近傍には、エバネッセ
ント光が発生する。

【００４７】このとき、制御部４８を介して圧電アクチ
ュエータ４４を動作させることによって、探針２６を測
定試料に対して相対的にＸＹ走査させる。

【００４８】この結果、エバネッセント光は探針２６に
よって散乱され、散乱光となって対物レンズ６２を介し
てビームスプリッタ６４に導光される。

【００４９】ビームスプリッタ６４に導光された散乱光
は、ここでその光線方向が９０°曲げられた後、第１の
検出素子３０に照射される。

【００５０】第１の検出素子３０は、散乱光の強度に対
応した電気信号を画像処理回路５２に出力する。画像処
理回路５２は、電気信号に対して所定の画像処理を施し
て、そのデータを表示装置５４に出力する。そして、表
示装置５４上には、測定試料表面の屈折率分布が表示さ
れ、ＰＳＴＭ測定が行われる。

【００５１】このようなＰＳＴＭ測定と同時にＡＦＭ測
定も行われる。

【００５２】即ち、探針２６を測定試料に対して相対的
にＸＹ走査させると、探針２６先端の原子と試料表面の
原子との間に働く相互作用（原子間力）によって、カン
チレバー２８の自由端が変位する。

【００５３】この自由端の変位を光学的に測定すべく第
２の検出素子３２から所定のレーザー光が出射される。

【００５４】第２の検出素子３２から出射されたレーザ
ー光は、第１の検出素子３０に設けられたピンホール５
０内を通過した後、ビームスプリッタ６４によってその
光線方向が９０°曲げられ、対物レンズ６２を介してカ
ンチレバー２８の自由端裏面に集光される。

【００５５】このとき、カンチレバー２８の自由端は、
原子間力によって変位しているため、自由端裏面から反
射したレーザー光の光学的特性は、集光レーザー光の光
学的特性とは異なったものとなる。

【００５６】自由端裏面から反射したレーザー光は、再
び、対物レンズ６２によって略平行光に変換された後、
ビームスプリッタ６４によって、その光線方向が９０°
曲げられる。

【００５７】ビームスプリッタ６４によってその光線方
向を曲げられたレーザー光は、再び、第１の検出素子３
０のピンホール５０内を通過した後、第２の検出素子３
２に照射される。

【００５８】第２の検出素子３２は、受光したレーザー
光の光学的特性に対応した電気信号を画像処理回路５６
に出力する。画像処理回路５６は、電気信号に対して所
定の画像処理を施して、そのデータを表示装置５８に出
力する。そして、表示装置５８上には、測定試料の３次
元的表面情報が表示され、ＡＦＭ測定が行われる。

【００５９】このように本実施例によれば、ＰＳＴＭ測
定と同時にＡＦＭ測定を行うことが可能なニアフィール
ド顕微鏡を提供することが可能となる。

【００６０】なお、本発明は、上述した実施例の構成に
限定されることはなく、種々変更可能である。例えば、
エバネッセント光を発生させるためのプリズム３４とし
て台形型プリズムを用い、試料の光学顕微鏡観察（透過
型）用の照明光学系をかかる台形プリズムの下側に配置
することも可能である。

【００６１】このように構成することにより、ＰＳＴＭ
とＡＦＭとの同時測定領域における透過型光学顕微鏡観
察が可能となる。なお、このとき、エバネッセント光発
生用のレ―ザー光は、光ファイバーを用いて、台形型プ
リズムに導入される。

【００６２】また、例えば、ＡＦＭ測定に、光てこ方式
を利用することも可能である。この場合、第１の検出素
子（図１に符号３０で示す）に２つのピンホールを設け
た点及び第２の検出素子（図１に符号３２で示す）の代
わりにレーザー光出射手段と２分割フォトディテクタを
用いた点で上記実施例の構成とは異なる。

【００６３】一方のピンホールは、レーザー光出射手段
からカンチレバー（図１に符号２８で示す）の自由端裏
面に照射するためのレーザー光出射孔として使用され、
他方のピンホールは、自由端裏面から反射したレーザー
光を２分割フォトディテクタへ導光させるためのレーザ
ー光入射孔として使用される。

【００６４】光てこ方式の場合、カンチレバーが変位し
ていないときの２分割フォトディテクタ上のレーザー光
受光位置を基準位置とする。

【００６５】カンチレバーが変位したときには、自由端
裏面から反射するレーザー光の反射角度が変化するた
め、２分割フォトディテクタ上のレーザー光受光位置が
変化する。

【００６６】そして、このレーザー光受光位置の変化量
に基づいて、カンチレバーの変位が求められる。

【００６７】また、上記実施例及び変形例において、第
１及び第２の検出素子３０，３２、又は、レーザー光出
射手段及び２分割フォトディテクタは、夫々、別体とし
て適度に離間させて配置しているが、本願発明の装置性
能を損なわない範囲で、夫々互いに一体的に構成するこ
とも可能である。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、散乱光の強度を検出す
る第１の検出素子に、カンチレバーの自由端の変位を検
出する第２の検出素子から出射されたレーザー光及びカ
ンチレバーの自由端裏面から反射したレーザー光を通過
させる通過手段が設けられているため、散乱光強度測定
と同時にカンチレバーの自由端の変位測定を行うことが
可能なニアフィールド顕微鏡を提供することが可能とな
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
の構成を概略的に示す図。

【図２】従来のニアフィールド顕微鏡の構成を概略的に
示す図。

【図３】従来の他のニアフィールド顕微鏡の構成を概略
的に示す図。

【符号の説明】 ２６…探針、２８…カンチレバー、３０…第１の検出素
子、３２…第２の検出素子、３４，３６，３８，４０，
４２…エバネッセント光発生手段、４４，４６，４８…
走査制御部、５０…通過手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その自由端表面に探針を有するカンチレ
   バーと、 所定の測定試料をセット可能であって且つ前記測定試料
   の表面近傍にエバネッセント光を発生させるエバネッセ
   ント光発生手段と、 前記測定試料の表面近傍に発生した前記エバネッセント
   光に前記探針が接することによって発生した散乱光の強
   度を検出する第１の検出素子と、 前記カンチレバーの自由端裏面に所定のレーザー光を照
   射し且つ前記自由端裏面から反射したレーザー光の光学
   的特性に基づいて、前記探針と前記測定試料との間に働
   く相互作用によって生じる前記カンチレバーの自由端の
   変位を検出する第２の検出素子とを備えており、 前記第１の検出素子には、前記第２の検出素子から出射
   された前記レーザー光及び前記自由端裏面から反射した
   前記レーザー光を通過させる通過手段が設けられている
   ことを特徴とするニアフィールド顕微鏡。