JPH07260806A - 走査型近視野顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料の光透過性や導電性の有無にかかわら
ず、高解像度で試料の表面形状像および光特性像の測定
を広範囲の波長域で可能とする走査型近視野顕微鏡を実
現する。 【構成】 光ファイバープローブ４、試料８とプローブ
４の間の原子間力を検出する原子間力検出手段と、試料
８とプローブ４を相対移動させる手段１９、２０と、試
料測定に使用する光を導入する光学系７、２２と、試料
８からの光を光電変換素子１７に導入する光学系１４、
１５、１６と、装置全体を制御するコンピューター１８
を有する試料表面の形状及び光学的特性を観察する走査
型近視野顕微鏡であり、原子間力検出手段において、す
くなくとも２種類の波長のレーザー光源１、２を有する
とともに、レーザー光源の選択手段３を有する走査型近
視野顕微鏡と、原子間力検出手段におけるレーザー光源
からの光を任意に遮光する手段２１を有する走査型近視
野顕微鏡。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、物質間に働く原子間
力を利用して計測物質の形状を観察するとともに、光伝
搬体からなるプローブによって、同時に計測物質の微細
領域での光学特性を観察する走査型近視野顕微鏡に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、走査型ト
ンネル顕微鏡（ＳＴＭ）に対して、試料の電導性の有無
にかかわらず試料表面の微細な形状を観察することがで
きることから広く普及している。このＡＦＭは、試料と
測定プローブの間に働く原子間力によって、測定プロー
ブを支持しているバネ要素がたわむことを利用した測定
法である。一般には、ＡＦＭの制御手段としては、片持
ち梁プローブの背面にレーザー光を照射して、反射光の
光軸が、片持ち梁プローブのたわみによって、変化する
ことを利用した「光てこ」という検出手段が利用されて
いる。

【０００３】一方、先端が尖鋭化された光媒体からなる
プローブを光の波長以下まで測定試料に近づけることに
よって、試料の光学特性や形状を測定しようという試み
があり、いくつかの近接場光顕微鏡が提案されている。
この一つの装置として、試料の裏面からレーザー光を試
料裏面で全反射するように照射して、試料表面にもれだ
すエバネッセント光を微動機構を有する光ファイバープ
ローブの先端を近接させることによって検出して、一定
のエバネッセント光を検出するようにプローブを走査す
るかあるいはプローブを水平に走査してエバネッセント
光の強度変化を測定することによって、表面形状を観察
する装置が提案されている。

【０００４】また、試料に対して垂直に保持した光ファ
イバープローブの先端を試料表面に対して水平に振動さ
せ、試料表面とプローブ先端のずり力によって生じる振
動の振幅の変化を光ファイバー先端から照射され試料を
透過したレーザー光の光軸のズレとして検出し、試料を
微動機構で動かすことによって、プローブ先端と試料表
面の間隔を一定に保ち、微動機構に入力した信号強度か
ら表面形状を検出するとともに試料の光透過性の測定を
行う装置が提案されている。一方、ファイバープローブ
に、レーザー光の一部がかかるように照射して、プロー
ブの振動によって、遮光されて増減する光強度を光検出
器で検出し、プローブの振動の励起信号と検出信号の位
相変化を一定に保つことによって、表面形状を検出する
とともに試料の光透過性の測定を行う装置が提案されて
いる。

【０００５】さらに、先端部を鈎状にしたガラスキャピ
ラリの最先端部に蛍光物質を詰めるとともに、鈎状部の
先端からみて裏面にプローブのたわみを光学的に検出す
るために用いる反射板を設置し、試料裏面から照射され
試料を透過した光によって、試料に近接したプローブ先
端の蛍光物質から発生し、さらに、試料を透過した光を
試料裏面で検出することによって、試料のＡＦＭ測定と
光透過性を同時に測定する装置が提案されている。

【０００６】この他、導電性を持つ光媒体からなるプロ
ーブをＳＴＭのプローブとして用い、同時に試料の光学
的特性を測定する装置も提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のＡＦＭおよびＳ
ＴＭは、表面形状の観察には適しているが、試料の物理
的および化学的性質を測定することはできない。この試
料の性質を観察する手段として光を用いる方法が考えら
れる。

【０００８】この光を用いる近視野顕微鏡のうちエバネ
ッセント光を用いる装置の場合、光強度を試料の高さ方
向の情報として用いるため、試料の高さ方向の光強度変
化と試料の光吸収による光強度変化を分離することがで
きないという欠点があり、試料の物理的および化学的な
性質を測定する手段として利用することは難しい。ま
た、試料表面の凹凸が激しい場合には、光は、試料裏面
で全反射せずに透過する場合があり、これらの透過光
が、試料表面上で干渉を起こし、測定に支障をきたす場
合がある。

【０００９】また、プローブを水平に振動させ、光軸の
ずれを測定する装置の場合、試料が光を透過する物質で
あることが必要であるのに加えて、プローブ先端が横方
向に振動するため、特に、試料表面の凹凸が激しい場合
などでは、横方向の分解能の向上には限界があるという
問題がある。

【００１０】さらに、キャピラリを用いる装置の場合に
ついても、試料は光を透過するものである必要があると
ともに、使用する蛍光物質によって、測定可能な光の波
長が限定されてしまうという問題がある。この他、ＳＴ
Ｍと組み合わせた装置の場合、測定が可能な試料は導電
性のあるものに限られてしまうという問題がある。

【００１１】これらの問題を解決するものとして、本発
明者らによって、原子間力検出機構を有する走査型近視
野顕微鏡が考案されているが、原子間力検出機構にレー
ザー光を用いるため、レーザー光の波長が測定対象波長
の範囲に入っている場合、レーザー光の漏れ光や散乱光
によって、光情報の測定に影響を受けることがあった。

【００１２】そこで、本発明の目的は、原子間力検出用
のレーザー光の波長に制限を受けない近視野顕微鏡を実
現することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、端部に光を透過する透過孔を有する
光伝搬媒体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部となるよ
う構成されたプローブと、試料とプローブの間に作用す
る原子間力を検出する原子間力検出手段と、試料とプロ
ーブを相対移動させる粗動機構及び微動素子と、試料と
プローブ間の距離を制御する制御手段を有し、試料測定
に使用する光源および光学系と、試料を透過あるいは試
料に反射あるいは試料から放射した光を受ける光電変換
素子および光学系と、装置全体を制御するコンピュータ
ーを有する試料表面の形状及び光学的特性を観察する走
査型近視野顕微鏡であり、原子間力検出手段において、
すくなくとも２種類の波長のレーザー光源を有するとと
もに、レーザー光源の選択手段を有する走査型近視野顕
微鏡を考案した。

【００１４】さらに、端部に光を透過する透過孔を有す
る光伝搬媒体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部となる
よう構成されたプローブと、試料とプローブに作用する
間の原子間力を検出する原子間力検出手段と、試料とプ
ローブを相対移動させる粗動機構及び微動素子と、試料
とプローブ間の距離を制御する制御手段を有し、試料測
定に使用する光源および光学系と、試料を透過あるいは
試料に反射あるいは試料から放射した光を受ける光電変
換素子および光学系と、装置全体を制御するコンピュー
ターを有する試料表面の形状及び光学的特性を観察する
走査型近視野顕微鏡であり、原子間力検出手段におい
て、レーザー光源を有するとともに、レーザー光源から
の光を任意に遮光する手段を有する走査型近視野顕微鏡
を考案した。

【００１５】

【作用】この発明の走査型近視野顕微鏡のうち、原子間
力検出手段に使用するレーザー光源に少なくとも２種類
の波長のレーザー光源を用い、レーザー光源を選択可能
とする走査型近視野顕微鏡では、試料の測定対象波長と
重ならないレーザー光の波長を選択することができるこ
とから、レーザー光の漏れ光や散乱光が、試料の光学特
性の測定に影響を与えることを防ぐ作用をもたらす。

【００１６】一方、この発明の走査型近視野顕微鏡のう
ち、原子間力検出手段に使用するレーザー光源のレーザ
ー光を任意に遮光する手段を有する走査型近視野顕微鏡
では、１回の走査ごとに、原子間力検出手段を用いて、
表面形状を検出して、その表面形状をもとにプローブの
位置を制御しながら、同じ位置の走査を原子間力検出手
段のレーザー光を遮光して行うことによって、原子間力
検出手段のレーザー光に影響されない光学特性の測定を
行うことができる。レーザー光源の点灯消灯を行わずに
遮光手段を用いることは、レーザー出力を安定に保つ作
用がある。

【００１７】

【実施例】以下図面を参照しながら、この発明による走
査型近視野顕微鏡の実施例について説明する。図１は、
本発明の走査型近視野顕微鏡の模式図を示したものであ
る。

【００１８】図１において、原子間力検出用のレーザー
光源１として６７０ｎｍのレーザーダイオードとレーザ
ー光源２として９１０ｎｍのレーザーダイオードが用意
されており、移動可能な反射プリズム３によってレーザ
ー光源が選択可能となっている。レーザー光は、光ファ
イバープローブ４の背面で反射され、「光てこ」の原理
によって、２分割フォトダイオード５で、プローブの変
位検出が行われるようになっている。

【００１９】また、光ファイバープローブ４は、バイモ
ルフ６に固定されており、光特性測定用光源７からの光
は、レンズ２２を通って光ファイバーのプローブの先端
とは反対側の端面に入射される。この光は、プローブの
先端から試料８の表面に照射され、試料８から散乱した
光や試料８から発生した蛍光などは、試料下面に設置さ
れたライトガイド９、レンズ１０、光ファイバー１１な
どの光学素子を介して、分光器１２に導入され、ＣＣＤ
イメージセンサー１３によって、スペクトルの測定が可
能である。

【００２０】また、試料上面に、設置したライトガイド
１４、レンズ１５、フィルター１６などの光学素子を介
して、光電変換素子１７で、特定の波長の光強度の測定
を行うことができる。ここで、２分割フォトダイオード
５からの信号は、装置全体を制御するコンピューター１
８に接続され、コンピューター１８によって、試料８、
ライトガイド１４を保持している微動機構１９と粗動機
構２０を制御することで、プローブの先端と試料表面の
間の距離が制御される。試料とプローブを２次元的に走
査し、この時の制御信号から、表面形状像を観測し、同
時に、光電変換素子１７からの信号によって、光像を得
ることができ、さらに、任意の位置にプローブを移動さ
せることによって、試料表面の中の微小領域のスペクト
ルをＣＣＤイメージセンサー１３の出力として得ること
ができる。尚、実施例に示された試料上面の光学系およ
び光検出系と、試料下面の光学系および光検出系は、相
互に代替可能である。

【００２１】このように構成した、走査型近視野顕微鏡
においては、２種類の波長のレーザー光源が選択可能で
あるため、試料の測定対象波長と重ならないレーザー光
の波長を選択することができ、レーザー光の漏れ光や散
乱光が試料の光学特性の測定に影響することを防ぐこと
が可能になった。例えば、６００−７００ｎｍの間のス
ペクトルを測定したい場合には、９１０ｎｍのレーザー
光源を使用し、８５０−９５０ｎｍの間のスペクトルを
測定したい場合には、６７０ｎｍのレーザー光源を選択
することになる。このレーザー光源としては、９１０ｎ
ｍの代わりに、１３００ｎｍや１５００ｎｍのレーザー
光源も使用可能である。この場合は、シリコンのフォト
ダーオードでは感度が十分でないので、ゲルマニウムの
フォトダイオードと、シリコンのフォトダイオードの切
り替え機能を付加することによって、対応することがで
きる。さらに、レーザー光の切り替え手段において、２
種類のレーザー光の光軸をあらかじめ一致させておくこ
とで、可視光である６７０ｎｍのレーザー光で、レーザ
ービームとプローブの相対位置の調整を行い、その後、
非可視光である９１０ｎｍのレーザービームへの切り替
えを行うことで、調整の手間を軽減させることができ
る。

【００２２】一方、この発明の走査型近視野顕微鏡のう
ち、原子間力検出手段に使用するレーザー光源のレーザ
ー光を任意に遮光する手段を有する走査型近視野顕微鏡
では、原子間力検出用のレーザー光の光軸上に、電気的
に制御可能なシャッター２１を設置することによって構
成される。この場合は、１回の走査ごとに、原子間力検
出手段を用いて、表面形状を検出して、その表面形状を
もとにプローブの位置を制御しながら、同じ位置の走査
を原子間力検出手段のレーザー光を遮光して、再度行う
ことによって、原子間力検出手段のレーザー光に影響さ
れない光学特性の測定を行うことができる。こうした２
次元光像測定の他に、微小領域のスペクトル測定にも利
用可能である。また、１ステップごとに表面形状の検出
と遮光した光検出を順次行うことも可能である。ここ
で、遮光手段を使用せずに、レーザー光源の点灯消灯を
行わせた場合は、レーザー出力の安定性が損なわれる場
合があるため好ましくない。シャッター２１として、機
械的シャッターの他に液晶シャッター等の光学素子を使
用することも可能である。

【００２３】以上述べてきた装置では、「光てこ」によ
る検出法を例に説明を行ったが、「光てこ」に限らず、
「ずり力」検出型の顕微鏡など、レーザー光源を利用す
る原子間力検出手段すべてに対して、本発明は実施可能
である。また、本発明では、集光系に、ライトガイドを
使用しているが、これは、集光系の焦点距離の調整を簡
略化させるためである。当然、レンズ、ミラーの構成に
よって、代替することも可能である。

【００２４】また、光電変換素子１７としては、フォト
マルチプライヤー、フォトダイオード、アバランシェフ
ォトダイオードが使用可能であり、ＣＣＤイメージセン
サー１３の代わりに、フォトダイオードアレイを用いる
こともできる。また、光源７としては、半導体レーザ
ー、ＨｅＮｅレーザー、Ａｒレーザー、窒素レーザー、
ＹＡＧレーザーなどのレーザー光源の他、通常の白色光
源とモノクロメーターを使用することもできる。検出さ
れる光が微弱になる場合には、光源から出力する光に変
調をかけ、検出信号から同期した成分を取り出しノイズ
を除去することによって、感度を向上させることもでき
る。

【００２５】半導体レーザーの場合は、レーザー素子に
流れる電流をパルス制御することによって変調をかける
ことができる。その他の光源の場合は、メカニカルライ
トチョッパー、ＥＯモジュレーター（電気光学変調器）
またはＡＯモジュレーター（音響光学変調器）を使用す
ることによって、変調をかけることができる。微動機構
１９としては、長さ１００ｍｍ，外径１０ｍｍ、肉圧１
ｍｍの円筒状の圧電セラミクスを使用した。この微動素
子の動作範囲は、ＸＹ方向に、それぞれ、１５０μｍ、
Ｚ方向に、５μｍであった。プローブと試料の間を振動
させる手段としては、図１に示した手段に限らず、微動
機構１９のＺ方向の動作によって、振動させることもで
きる。また、微動機構１９に、さらに、試料にＺ方向の
振動を与えるためのバイモルフを別途付加することも可
能である。

【００２６】このようにして構成した装置において、試
料下方の検出器で測定する場合は、ＡＦＭ像の観察と同
時に、光透過性および蛍光の２次元情報の測定が可能で
あった。上方の検出器で測定する場合は、試料表面の光
反射率および蛍光の測定が可能であった。測定の分解能
は、ＡＦＭ像では１ｎｍ、２次元光学情報では２０ｎｍ
が達成可能である。

【００２７】本実施例では、プローブ側を固定し、試料
側に動作手段を有する装置について述べたが、プローブ
側に動作手段を有し、試料側を固定するタイプの装置を
構成することも可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明の装置によって、原子間力検出用
のレーザー光源の波長に影響されずに、試料の光透過性
や導電性の有無にかかわらず、高解像度で試料の表面形
状および光特性の測定が可能な装置を実現することがで
きた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型近視野顕微鏡の構成図

【符号の説明】

１ レーザー光源 ２ レーザー光源 ３ 反射プリズム ４ 光ファイバープローブ ５ ２分割光検出器 ６ バイモルフ ７ 光源 ８ 試料 ９ ライトガイド １２ 分光器 １３ ＣＣＤイメージセンサー １４ ライトガイド １７ 光電変換素子 １８ コンピューター １９ 微動機構 ２０ 粗動機構 ２１ シャッター

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 端部に光を透過する透過孔を有する光伝
   搬媒体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部となるよう構
   成されたプローブと、試料とプローブの間に作用する原
   子間力を検出する原子間力検出手段と、試料とプローブ
   を相対移動させる粗動機構及び微動素子と、試料とプロ
   ーブ間の距離を制御する制御手段を有し、試料測定に使
   用する光を導入する光学系と、試料を透過あるいは試料
   に反射あるいは試料から放射した光を受ける光電変換素
   子と、光電変換素子に検出光を導入する光学系と、装置
   全体を制御するコンピューターとを有する試料表面の形
   状及び光学的特性を観察する走査型近視野顕微鏡であ
   り、原子間力検出手段において、すくなくとも２種類の
   波長のレーザー光源を有するとともに、レーザー光源の
   選択手段を有することを特徴とする走査型近視野顕微
   鏡。
2. 【請求項２】 端部に光を透過する透過孔を有する光伝
   搬媒体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部となるよう構
   成されたプローブと、試料とプローブの間に作用する原
   子間力を検出する原子間力検出手段と、試料とプローブ
   を相対移動させる粗動機構及び微動素子と、試料とプロ
   ーブ間の距離を制御する制御手段を有し、試料測定に使
   用する光を導入する光学系と、試料を透過あるいは試料
   に反射あるいは試料から放射した光を受ける光電変換素
   子と、光電変換素子に検出光を導入する光学系と、装置
   全体を制御するコンピューターとを有する試料表面の形
   状及び光学的特性を観察する走査型近視野顕微鏡であ
   り、原子間力検出手段において、レーザー光源を有する
   とともに、レーザー光源からの光を任意に遮光する手段
   を有することを特徴とする走査型近視野顕微鏡。