JPH07260807A - フォトン走査トンネル顕微鏡 - Google Patents
フォトン走査トンネル顕微鏡Info
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- JPH07260807A JPH07260807A JP5569894A JP5569894A JPH07260807A JP H07260807 A JPH07260807 A JP H07260807A JP 5569894 A JP5569894 A JP 5569894A JP 5569894 A JP5569894 A JP 5569894A JP H07260807 A JPH07260807 A JP H07260807A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】測定精度が高く、試料及び光ファイバプローブ
を破損することがなく、光学像の測定と同時に原子間力
の測定を行なうことができるフォトン走査トンネル顕微
鏡を提供する。 【構成】光学系１０はレーザ光源１からの照明光を試料
２表面に照射し、光ファイバプローブ３は試料２表面に
局在するエバネッセント光を集光し、フォトダイオード
４は光ファイバプローブ３からの光を検出して検出出力
を出力し、駆動部５は検出端部３ｂが試料２表面を走査
するように試料２を駆動すると共に、位置情報を出力す
る。制御部６は、変位検出部２０で検出した変位に基づ
いて光ファイバプローブ３が試料２表面から受ける力を
測定し、駆動部５からの位置情報とフォトダイオード４
からの検出出力と、測定した力とに基づいて試料２の形
状を測定する。
を破損することがなく、光学像の測定と同時に原子間力
の測定を行なうことができるフォトン走査トンネル顕微
鏡を提供する。 【構成】光学系１０はレーザ光源１からの照明光を試料
２表面に照射し、光ファイバプローブ３は試料２表面に
局在するエバネッセント光を集光し、フォトダイオード
４は光ファイバプローブ３からの光を検出して検出出力
を出力し、駆動部５は検出端部３ｂが試料２表面を走査
するように試料２を駆動すると共に、位置情報を出力す
る。制御部６は、変位検出部２０で検出した変位に基づ
いて光ファイバプローブ３が試料２表面から受ける力を
測定し、駆動部５からの位置情報とフォトダイオード４
からの検出出力と、測定した力とに基づいて試料２の形
状を測定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、物体表面に局在するエ
バネッセント光を検出して物体の形状を測定するフォト
ン走査トンネル顕微鏡に関し、特にエバネッセント光を
検出する光プローブとして光ファイバプローブを用いた
フォトン走査トンネル顕微鏡に関する。
バネッセント光を検出して物体の形状を測定するフォト
ン走査トンネル顕微鏡に関し、特にエバネッセント光を
検出する光プローブとして光ファイバプローブを用いた
フォトン走査トンネル顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、物体の表面形状を高分解能で測定
する顕微鏡としては、物体表面の光の波長より小さい領
域にに局在するエバネッセント光を検出して物体の形状
を測定するフォトン走査トンネル顕微鏡（ＰＳＴＭ：Ph
oton Scanning Tunneling Microscope）が、従来の光学
顕微鏡の回折限界を超えた分解能をもつ超高分解能光学
顕微鏡として知られている。
する顕微鏡としては、物体表面の光の波長より小さい領
域にに局在するエバネッセント光を検出して物体の形状
を測定するフォトン走査トンネル顕微鏡（ＰＳＴＭ：Ph
oton Scanning Tunneling Microscope）が、従来の光学
顕微鏡の回折限界を超えた分解能をもつ超高分解能光学
顕微鏡として知られている。
【０００３】具体的には、例えば図４に示すように、全
反射条件下で試料３０の裏面から試料表面を照射すると
試料表面には表面形状に応じてエバネッセント場が発生
する。フォトン走査トンネル顕微鏡では、このエバネッ
セント場の強度を測定するエバネッセント光の波長以下
の開口をもつ検出端部３１を形成した光プローブ３２で
検出することにより、従来の光学顕微鏡の回折限界を超
えた分解能を得ることができる。
反射条件下で試料３０の裏面から試料表面を照射すると
試料表面には表面形状に応じてエバネッセント場が発生
する。フォトン走査トンネル顕微鏡では、このエバネッ
セント場の強度を測定するエバネッセント光の波長以下
の開口をもつ検出端部３１を形成した光プローブ３２で
検出することにより、従来の光学顕微鏡の回折限界を超
えた分解能を得ることができる。
【０００４】従来のフォトン走査トンネル顕微鏡は、図
５に示すように、半導体レーザ４３からのレーザ光を試
料３０の裏面から照射させる光学系４４と、試料３０の
表面に局在するエバネッセント光を散乱させて集光する
光プローブ３２と、光プローブ３２からの光を検出する
光検出器４５と、Ｚ走査器４７とＸＹ走査器４８の制御
に基づいて光プローブ３２を駆動するアクチュエータ４
９等を備えていた。
５に示すように、半導体レーザ４３からのレーザ光を試
料３０の裏面から照射させる光学系４４と、試料３０の
表面に局在するエバネッセント光を散乱させて集光する
光プローブ３２と、光プローブ３２からの光を検出する
光検出器４５と、Ｚ走査器４７とＸＹ走査器４８の制御
に基づいて光プローブ３２を駆動するアクチュエータ４
９等を備えていた。
【０００５】そして、アクチュエータ４９は、Ｚ走査器
４７の制御とＸＹ走査器４８の制御に基づいて光プロー
ブ３２の先端が試料３０の表面を走査するように光プロ
ーブ３２を駆動する。また、加算回路４２は、参照信号
に基づく制御用電源４０からの電流と直流電流源４１か
らの電流を加算し、駆動電流を半導体レーザ４３に供給
して駆動する。
４７の制御とＸＹ走査器４８の制御に基づいて光プロー
ブ３２の先端が試料３０の表面を走査するように光プロ
ーブ３２を駆動する。また、加算回路４２は、参照信号
に基づく制御用電源４０からの電流と直流電流源４１か
らの電流を加算し、駆動電流を半導体レーザ４３に供給
して駆動する。
【０００６】一方、光検出器４５は、光プローブ３２か
らの光を検出して、検出した光の強度を表わす光強度信
号をロックインアンプ４６に供給し、ロックインアンプ
４６は、参照信号に基づいて光強度信号から参照信号の
周波数成分を抽出し、Ｚ走査器を介して画像処理システ
ム５０に供給する。
らの光を検出して、検出した光の強度を表わす光強度信
号をロックインアンプ４６に供給し、ロックインアンプ
４６は、参照信号に基づいて光強度信号から参照信号の
周波数成分を抽出し、Ｚ走査器を介して画像処理システ
ム５０に供給する。
【０００７】すなわち、このフォトン走査トンネル顕微
鏡では、半導体レーザ４３からのレーザ光に参照信号の
周波数成分を重畳し、ロックインアンプ４６において、
光強度信号から参照信号の周波数成分を抽出して、所謂
同期検波を行ない光強度信号に含まれる雑音の影響を低
減させている。
鏡では、半導体レーザ４３からのレーザ光に参照信号の
周波数成分を重畳し、ロックインアンプ４６において、
光強度信号から参照信号の周波数成分を抽出して、所謂
同期検波を行ない光強度信号に含まれる雑音の影響を低
減させている。
【０００８】また、画像処理システム５０は、ＸＹ走査
器４８からの座標情報と、光強度信号とから試料３０の
画像を構成して、表示するようになっていた。かくし
て、従来のフォトン走査トンネル顕微鏡では、試料３０
の形状を測定していた。
器４８からの座標情報と、光強度信号とから試料３０の
画像を構成して、表示するようになっていた。かくし
て、従来のフォトン走査トンネル顕微鏡では、試料３０
の形状を測定していた。
【０００９】一方、高分解能で物体の表面形状を測定す
る他の顕微鏡として、原子間力を測定して、試料の形状
を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Mic
roscope ）が知られている。
る他の顕微鏡として、原子間力を測定して、試料の形状
を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Mic
roscope ）が知られている。
【００１０】この原子間力顕微鏡では、先端に針状の先
鋭部を有するカンチレバーを試料表面に接触させて、試
料表面を走査し、原子間力によるカンチレバーのたわみ
量を検出し、このたわみ量から原子間力を測定して試料
の形状を測定していた。
鋭部を有するカンチレバーを試料表面に接触させて、試
料表面を走査し、原子間力によるカンチレバーのたわみ
量を検出し、このたわみ量から原子間力を測定して試料
の形状を測定していた。
【００１１】また、原子間力を測定する他の方法として
は、例えばピエゾ素子等の電気振動素子によりカンチレ
バーをその共振周波数で振動させて試料表面を走査し、
原子間力による共振周波数の変化を測定して原子間力を
測定する方法が知られていた。
は、例えばピエゾ素子等の電気振動素子によりカンチレ
バーをその共振周波数で振動させて試料表面を走査し、
原子間力による共振周波数の変化を測定して原子間力を
測定する方法が知られていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
フォトン走査トンネル顕微鏡は、光プローブ３２のＺ方
向の位置を一定としてＸＹ方向の走査を行なっているた
め、試料３０表面の凹凸等により試料３０と光プローブ
３２の距離が変化するとエバネッセント光の光強度が低
下し、測定誤差が大きくなる問題があった。
フォトン走査トンネル顕微鏡は、光プローブ３２のＺ方
向の位置を一定としてＸＹ方向の走査を行なっているた
め、試料３０表面の凹凸等により試料３０と光プローブ
３２の距離が変化するとエバネッセント光の光強度が低
下し、測定誤差が大きくなる問題があった。
【００１３】また、従来のフォトン走査トンネル顕微鏡
に使用していた光ファイバプローブ３２では、クラッド
径Ｄ（９０μｍ程度）が検出端部３１の長さＬ（２〜６
μｍ程度）よりもずっと大きいので、試料の表面を走査
させる際に、クラッドの周端部３３が試料２０に衝突し
て、試料及び／又はプローブ自体を破損する虞れがあっ
た。
に使用していた光ファイバプローブ３２では、クラッド
径Ｄ（９０μｍ程度）が検出端部３１の長さＬ（２〜６
μｍ程度）よりもずっと大きいので、試料の表面を走査
させる際に、クラッドの周端部３３が試料２０に衝突し
て、試料及び／又はプローブ自体を破損する虞れがあっ
た。
【００１４】さらに、エバネッセント光の出力は、極め
て小さいので、エバネッセント光を検出する光ファイバ
プローブでは、散乱光の影響を避け、検出効率を高くす
る必要があった。
て小さいので、エバネッセント光を検出する光ファイバ
プローブでは、散乱光の影響を避け、検出効率を高くす
る必要があった。
【００１５】一方、原子間力顕微鏡は、カンチレバーを
精度よく作成することが困難で、解像度を向上させるこ
とが難しかった。また、原子間力顕微鏡で同時にエバネ
ッセント光等の光学像を得るためには、例えばカンチレ
バーの先端部に光ファイバを接続して観測する方法が考
えられるが、このためにはカンチレバーに微細な加工が
必要となり、制作が難しく高価となる問題があった。
精度よく作成することが困難で、解像度を向上させるこ
とが難しかった。また、原子間力顕微鏡で同時にエバネ
ッセント光等の光学像を得るためには、例えばカンチレ
バーの先端部に光ファイバを接続して観測する方法が考
えられるが、このためにはカンチレバーに微細な加工が
必要となり、制作が難しく高価となる問題があった。
【００１６】本発明は、上述のような問題点に鑑みてな
されたものであり、測定精度の高いフォトン走査トンネ
ル顕微鏡を提供することを目的とする。
されたものであり、測定精度の高いフォトン走査トンネ
ル顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１７】また、本発明は、クラッドの周端部が試料
表面に衝突することがなく、試料及び光ファイバプロー
ブを破損することがないフォトン走査トンネル顕微鏡を
提供することを目的とする。
表面に衝突することがなく、試料及び光ファイバプロー
ブを破損することがないフォトン走査トンネル顕微鏡を
提供することを目的とする。
【００１８】また、本発明は、光学像の測定と同時に原
子間力の測定を行なうことができるフォトン走査トンネ
ル顕微鏡を提供することを目的とする。
子間力の測定を行なうことができるフォトン走査トンネ
ル顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、本発明に係るフォトン走査トンネル顕微鏡は、照
明光を発生する照明光源と、照明光源からの照明光を導
いて試料表面に照射する光学系と、先端を先鋭化させた
光ファイバからなり、試料に対して傾斜させて配設さ
れ、試料表面に局在するエバネッセント光を散乱させて
集光する光ファイバプローブと、光ファイバプローブか
らの光を検出して検出出力を出力する光検出手段と、光
ファイバプローブの先端が試料表面を走査するように試
料と光ファイバプローブとの位置関係を変化させると共
に、位置情報を出力する走査手段と、光ファイバプロー
ブの変位を検出する変位検出手段と、変位検出手段で検
出した変位に基づいて光ファイバプローブが試料表面か
ら受ける力を測定する測定手段と、走査手段からの位置
情報と、検出手段からの検出出力と、測定手段で測定し
た力とに基づいて試料の形状を測定する形状測定手段と
を備えることを特徴とする。
めに、本発明に係るフォトン走査トンネル顕微鏡は、照
明光を発生する照明光源と、照明光源からの照明光を導
いて試料表面に照射する光学系と、先端を先鋭化させた
光ファイバからなり、試料に対して傾斜させて配設さ
れ、試料表面に局在するエバネッセント光を散乱させて
集光する光ファイバプローブと、光ファイバプローブか
らの光を検出して検出出力を出力する光検出手段と、光
ファイバプローブの先端が試料表面を走査するように試
料と光ファイバプローブとの位置関係を変化させると共
に、位置情報を出力する走査手段と、光ファイバプロー
ブの変位を検出する変位検出手段と、変位検出手段で検
出した変位に基づいて光ファイバプローブが試料表面か
ら受ける力を測定する測定手段と、走査手段からの位置
情報と、検出手段からの検出出力と、測定手段で測定し
た力とに基づいて試料の形状を測定する形状測定手段と
を備えることを特徴とする。
【００２０】また、本発明に係るフォトン走査トンネル
顕微鏡は、光ファイバプローブが、コアとクラッドから
なる光ファイバの一端にクラッドの厚さを薄くした基端
部を有し、基端部の先端にコアを先鋭化した検出端部を
有し、検出端部の表面に金の被覆層を有し、検出端部の
先端に開口部を有することを特徴とする。
顕微鏡は、光ファイバプローブが、コアとクラッドから
なる光ファイバの一端にクラッドの厚さを薄くした基端
部を有し、基端部の先端にコアを先鋭化した検出端部を
有し、検出端部の表面に金の被覆層を有し、検出端部の
先端に開口部を有することを特徴とする。
【００２１】また、本発明に係るフォトン走査トンネル
顕微鏡は、測定手段で測定した力に基づいて走査手段を
制御して試料の表面と光ファイバプローブとの距離を一
定に保持する距離制御手段を有することを特徴とする。
顕微鏡は、測定手段で測定した力に基づいて走査手段を
制御して試料の表面と光ファイバプローブとの距離を一
定に保持する距離制御手段を有することを特徴とする。
【００２２】また、本発明に係るフォトン走査トンネル
顕微鏡は、変位検出手段が、光ファイバプローブの側面
から検出光を照射する光源と、光源からの検出光が光フ
ァイバプローブによって遮られることにより発生する干
渉パターンを測定する検出手段とを備えることを特徴と
する。
顕微鏡は、変位検出手段が、光ファイバプローブの側面
から検出光を照射する光源と、光源からの検出光が光フ
ァイバプローブによって遮られることにより発生する干
渉パターンを測定する検出手段とを備えることを特徴と
する。
【００２３】
【作用】本発明に係るフォトン走査トンネル顕微鏡で
は、光学系は、照明光源からの照明光を導いて試料表面
に照射し、光ファイバプローブは、試料表面に局在する
エバネッセント光を散乱させて集光し、光検出手段は、
光ファイバプローブからの光を検出して検出出力を出力
し、走査手段は、光ファイバプローブの先端が試料表面
を走査するように試料と光ファイバプローブとの位置関
係を変化させると共に、位置情報を出力する。測定手段
は、変位検出手段で検出した変位に基づいて光ファイバ
プローブが試料表面から受ける力を測定し、形状測定手
段は、走査手段からの位置情報と、検出手段からの検出
出力と、測定手段で測定した力とに基づいて試料の形状
を測定する。
は、光学系は、照明光源からの照明光を導いて試料表面
に照射し、光ファイバプローブは、試料表面に局在する
エバネッセント光を散乱させて集光し、光検出手段は、
光ファイバプローブからの光を検出して検出出力を出力
し、走査手段は、光ファイバプローブの先端が試料表面
を走査するように試料と光ファイバプローブとの位置関
係を変化させると共に、位置情報を出力する。測定手段
は、変位検出手段で検出した変位に基づいて光ファイバ
プローブが試料表面から受ける力を測定し、形状測定手
段は、走査手段からの位置情報と、検出手段からの検出
出力と、測定手段で測定した力とに基づいて試料の形状
を測定する。
【００２４】また、本発明に係るフォトン走査トンネル
顕微鏡では、検出端部の表面の金の被覆層が光を遮断す
る遮光部として機能し、検出端部の先端の開口部からエ
バネッセント光を取り込む。
顕微鏡では、検出端部の表面の金の被覆層が光を遮断す
る遮光部として機能し、検出端部の先端の開口部からエ
バネッセント光を取り込む。
【００２５】また、本発明に係るフォトン走査トンネル
顕微鏡では、距離制御手段は、測定手段で測定した力に
基づいて走査手段を制御して試料の表面と光ファイバプ
ローブとの距離を一定に保持する。
顕微鏡では、距離制御手段は、測定手段で測定した力に
基づいて走査手段を制御して試料の表面と光ファイバプ
ローブとの距離を一定に保持する。
【００２６】また、本発明に係るフォトン走査トンネル
顕微鏡では、光源は、光ファイバプローブの側面から検
出光を照射し、検出手段は、光源からの検出光が光ファ
イバプローブによって遮られることにより発生する干渉
パターンを測定して光ファイバプローブの変位を検出す
る。
顕微鏡では、光源は、光ファイバプローブの側面から検
出光を照射し、検出手段は、光源からの検出光が光ファ
イバプローブによって遮られることにより発生する干渉
パターンを測定して光ファイバプローブの変位を検出す
る。
【００２７】
【実施例】以下、本発明に係るフォトン走査トンネル顕
微鏡の好適な実施例を図面を参照しながら詳細に説明す
る。
微鏡の好適な実施例を図面を参照しながら詳細に説明す
る。
【００２８】この実施例は、本発明を物体表面に局在す
るエバネッセント光を検出して物体の形状を測定するフ
ォトン走査トンネル顕微鏡（以下、ＰＳＴＭ：Photon S
caning Tunneling Microscope ）に適用したものであ
る。
るエバネッセント光を検出して物体の形状を測定するフ
ォトン走査トンネル顕微鏡（以下、ＰＳＴＭ：Photon S
caning Tunneling Microscope ）に適用したものであ
る。
【００２９】このＰＳＴＭは、例えば図１に示すよう
に、レーザ光を発生するレーザ光源１と、該レーザ光源
１からのレーザ光を導いて裏面から試料２の表面に照射
する光学系１０と、試料２の表面に近接して試料２の表
面に局在するエバネッセント光を散乱させて集光する光
ファイバプローブ３と、光ファイバプローブ３からの光
を検出して検出出力を出力するフォトダイオード４と、
光ファイバプローブ３の先端が試料２の表面を走査する
ように試料２を駆動すると共に、位置情報を出力する駆
動部５と、光ファイバプローブ３の変位を検出する変位
検出部２０と、変位検出部２０で検出した変位に基づい
て光ファイバプローブ３の受ける力を測定する制御部６
と、画像を表示する画像表示部７を備える。
に、レーザ光を発生するレーザ光源１と、該レーザ光源
１からのレーザ光を導いて裏面から試料２の表面に照射
する光学系１０と、試料２の表面に近接して試料２の表
面に局在するエバネッセント光を散乱させて集光する光
ファイバプローブ３と、光ファイバプローブ３からの光
を検出して検出出力を出力するフォトダイオード４と、
光ファイバプローブ３の先端が試料２の表面を走査する
ように試料２を駆動すると共に、位置情報を出力する駆
動部５と、光ファイバプローブ３の変位を検出する変位
検出部２０と、変位検出部２０で検出した変位に基づい
て光ファイバプローブ３の受ける力を測定する制御部６
と、画像を表示する画像表示部７を備える。
【００３０】また、制御部６は、駆動部５からの位置情
報と、フォトダイオード４からの検出出力と、測定した
光ファイバプローブ３の受ける力とに基づいて試料の形
状を測定し、測定した試料２の表面の像を画像表示部７
に表示するようになっている。
報と、フォトダイオード４からの検出出力と、測定した
光ファイバプローブ３の受ける力とに基づいて試料の形
状を測定し、測定した試料２の表面の像を画像表示部７
に表示するようになっている。
【００３１】また、上記光学系１０は、具体的には、上
記レーザ光源１からのレーザ光を平行光線とするレンズ
１１と、該レンズ１１からのレーザ光を反射するミラー
１２と、該ミラー１２からのレーザ光を屈折させるプリ
ズム１３からなり、レンズ１１で平行光線としたレーザ
光をミラー１２、プリズム１３を介して試料２の裏面に
導くようになっている。
記レーザ光源１からのレーザ光を平行光線とするレンズ
１１と、該レンズ１１からのレーザ光を反射するミラー
１２と、該ミラー１２からのレーザ光を屈折させるプリ
ズム１３からなり、レンズ１１で平行光線としたレーザ
光をミラー１２、プリズム１３を介して試料２の裏面に
導くようになっている。
【００３２】なお、この例では、試料２の裏面から照明
光を照射して、試料２の表面を照明した場合を説明して
いるが、試料２が遮光性である場合は、試料２の斜め上
方から照明光を照射するように構成してもよい。
光を照射して、試料２の表面を照明した場合を説明して
いるが、試料２が遮光性である場合は、試料２の斜め上
方から照明光を照射するように構成してもよい。
【００３３】また、上記光ファイバプローブ３は、例え
ばコアとクラッドからなる光ファイバからなり、一端に
クラッドの厚みを小さくした基端部３ａを有し、この基
端部３ａの先端にコアを先鋭化した検出端部３ｂを有す
る。
ばコアとクラッドからなる光ファイバからなり、一端に
クラッドの厚みを小さくした基端部３ａを有し、この基
端部３ａの先端にコアを先鋭化した検出端部３ｂを有す
る。
【００３４】この光ファイバプローブ３は、例えば酸化
ゲルマニウムを添加した石英コアと石英クラッドからな
る光ファイバの一端を、フッ化アンモニウム、フッ酸及
び水からなるエッチング液でエッチングすることにより
クラッドの厚さを薄くして基端部３ａを形成し、さら
に、フッ化アンモニウム、フッ酸及び水からなるエッチ
ング液でエッチングすることによりコアを先鋭化して検
出端部３ｂを形成して作成する。この結果、基端部３ａ
の径を１４〜１８μｍ程度とすることができ、従来に比
して柔軟で、わずかな力を受けただけでも、基端部３ａ
にたわみが生じるようになっている。
ゲルマニウムを添加した石英コアと石英クラッドからな
る光ファイバの一端を、フッ化アンモニウム、フッ酸及
び水からなるエッチング液でエッチングすることにより
クラッドの厚さを薄くして基端部３ａを形成し、さら
に、フッ化アンモニウム、フッ酸及び水からなるエッチ
ング液でエッチングすることによりコアを先鋭化して検
出端部３ｂを形成して作成する。この結果、基端部３ａ
の径を１４〜１８μｍ程度とすることができ、従来に比
して柔軟で、わずかな力を受けただけでも、基端部３ａ
にたわみが生じるようになっている。
【００３５】さらに、検出端部３ｂには、遮光性に優れ
た、例えば金等からなる被覆層が形成され、検出端部３
ｂの先端が開口部とされている。そして、この光ファイ
バプローブ３は、試料２に対して傾斜角δが８５度とさ
れて配設されており、試料２から受ける、原子間力等に
より基端部３ａがたわむようになっている。すなわち、
このＰＳＴＭでは、この光ファイバプローブ３のたわみ
量として原子間力等に基づく力を測定するようになって
いる。
た、例えば金等からなる被覆層が形成され、検出端部３
ｂの先端が開口部とされている。そして、この光ファイ
バプローブ３は、試料２に対して傾斜角δが８５度とさ
れて配設されており、試料２から受ける、原子間力等に
より基端部３ａがたわむようになっている。すなわち、
このＰＳＴＭでは、この光ファイバプローブ３のたわみ
量として原子間力等に基づく力を測定するようになって
いる。
【００３６】また、駆動部５は、制御部６からの制御に
基づいて、検出端部３ｂの先端が試料２の表面を走査す
るように試料２を駆動すると共に、位置情報を制御部６
に供給する。光ファイバプローブ３は、試料２の表面に
局在するエバネッセント光を散乱させて検出端部３ｂの
開口部から集光し、集光した光をフォトダイオード４に
供給する。フォトダイオード４は、光ファイバプローブ
３からの光を検出して、試料２の表面のエバネッセント
光の強度を示すＰＳＴＭ信号（検出出力）を制御部６に
供給する。
基づいて、検出端部３ｂの先端が試料２の表面を走査す
るように試料２を駆動すると共に、位置情報を制御部６
に供給する。光ファイバプローブ３は、試料２の表面に
局在するエバネッセント光を散乱させて検出端部３ｂの
開口部から集光し、集光した光をフォトダイオード４に
供給する。フォトダイオード４は、光ファイバプローブ
３からの光を検出して、試料２の表面のエバネッセント
光の強度を示すＰＳＴＭ信号（検出出力）を制御部６に
供給する。
【００３７】一方、変位検出部２０は、光ファイバプロ
ーブ３の変位を検出して、光ファイバプローブ３のたわ
み量を示すＡＦＭ信号を制御部６に供給する。制御部６
は、変位検出部２０からのＡＦＭ信号に基づいて、光フ
ァイバプローブ３が試料２の表面から受ける力を測定す
る。
ーブ３の変位を検出して、光ファイバプローブ３のたわ
み量を示すＡＦＭ信号を制御部６に供給する。制御部６
は、変位検出部２０からのＡＦＭ信号に基づいて、光フ
ァイバプローブ３が試料２の表面から受ける力を測定す
る。
【００３８】そして、制御部６は、駆動部５からの位置
情報と、ＰＳＴＭ信号と、ＡＦＭ信号に基づいて測定し
た力とに基づいて試料２の表面の像を構成して、画像信
号を画像表示部７に供給し、画像表示部７は、供給され
た画像信号に基づく画像を表示する。すなわち、このＰ
ＳＴＭでは、位置情報とＰＳＴＭ信号とに基づいて試料
２の表面の光学像（ＰＳＴＭ像）を測定すると同時に、
位置情報とＡＦＭ信号に基づいて測定した力とに基づい
て試料２の表面の形状を測定することができる。
情報と、ＰＳＴＭ信号と、ＡＦＭ信号に基づいて測定し
た力とに基づいて試料２の表面の像を構成して、画像信
号を画像表示部７に供給し、画像表示部７は、供給され
た画像信号に基づく画像を表示する。すなわち、このＰ
ＳＴＭでは、位置情報とＰＳＴＭ信号とに基づいて試料
２の表面の光学像（ＰＳＴＭ像）を測定すると同時に、
位置情報とＡＦＭ信号に基づいて測定した力とに基づい
て試料２の表面の形状を測定することができる。
【００３９】また、このＰＳＴＭでは、制御部６は、上
述のように測定した光ファイバプローブ３が試料２の表
面から受ける力に基づいて駆動部５を制御して試料２の
表面と光ファイバプローブ３との距離を一定に保持する
ようになっている。
述のように測定した光ファイバプローブ３が試料２の表
面から受ける力に基づいて駆動部５を制御して試料２の
表面と光ファイバプローブ３との距離を一定に保持する
ようになっている。
【００４０】この結果、試料２の表面と検出端部３ｂと
の距離が一定に保持されるので、エバネッセント光の測
定精度を向上させることができる。
の距離が一定に保持されるので、エバネッセント光の測
定精度を向上させることができる。
【００４１】なお、上述の実施例では、このＰＳＴＭ
に、検出端部３ｂに金等からなる被覆層を形成し、検出
端部３ｂの先端を開口部とした光ファイバプローブ３を
用いた場合を説明したが、被覆層は必ずしも必要ではな
く、検出端部３ｂに被覆層を形成しない光ファイバプロ
ーブ３を用いても同様に、検出端部３ｂの先端からエバ
ネッセント光を散乱させて集光することができる。
に、検出端部３ｂに金等からなる被覆層を形成し、検出
端部３ｂの先端を開口部とした光ファイバプローブ３を
用いた場合を説明したが、被覆層は必ずしも必要ではな
く、検出端部３ｂに被覆層を形成しない光ファイバプロ
ーブ３を用いても同様に、検出端部３ｂの先端からエバ
ネッセント光を散乱させて集光することができる。
【００４２】ここで、上記変位検出部２０をさらに詳し
く説明する。上記変位検出部２０は、レーザ光を側面か
ら光ファイバプローブ３に照射するレーザ光源２１と、
該レーザ光源２１からのレーザ光が光ファイバプローブ
３によって遮られることにより発生する干渉パターンを
受光する２分割フォトダイオード２２と、該２分割フォ
トダイオード２２の出力に基づいて差信号を出力する差
動増幅器２３と、該差動増幅器２３からの差信号のゲイ
ンを調整して光ファイバプローブ３のたわみ量を示すＡ
ＦＭ信号を出力するアンプ２４とを備える。
く説明する。上記変位検出部２０は、レーザ光を側面か
ら光ファイバプローブ３に照射するレーザ光源２１と、
該レーザ光源２１からのレーザ光が光ファイバプローブ
３によって遮られることにより発生する干渉パターンを
受光する２分割フォトダイオード２２と、該２分割フォ
トダイオード２２の出力に基づいて差信号を出力する差
動増幅器２３と、該差動増幅器２３からの差信号のゲイ
ンを調整して光ファイバプローブ３のたわみ量を示すＡ
ＦＭ信号を出力するアンプ２４とを備える。
【００４３】具体的には、上記レーザ光源２１からのレ
ーザ光は、例えば光ファイバプローブ３の手前側で焦点
を結ぶようになっており、レーザ光が光ファイバプロー
ブ３によって遮られると、光ファイバプローブ３の左右
左右端から回折したレーザ光が干渉して、干渉パターン
が発生する。
ーザ光は、例えば光ファイバプローブ３の手前側で焦点
を結ぶようになっており、レーザ光が光ファイバプロー
ブ３によって遮られると、光ファイバプローブ３の左右
左右端から回折したレーザ光が干渉して、干渉パターン
が発生する。
【００４４】このため、平行光線としたレーザ光を、光
ファイバプローブ３の側面から照射した場合に比して干
渉パターンの検出感度が向上する。
ファイバプローブ３の側面から照射した場合に比して干
渉パターンの検出感度が向上する。
【００４５】そして、２分割フォトダイオード２２は、
上述のように発生する干渉パターンを受光して２つの検
出出力Ｐａ、Ｐｂを出力し、差動増幅器２３は、この検
出出力Ｐａ、Ｐｂの差を増幅して差信号を出力する。ま
た、アンプ２４は、差信号のレベルを調整してＡＦＭ信
号を制御部６に供給する。
上述のように発生する干渉パターンを受光して２つの検
出出力Ｐａ、Ｐｂを出力し、差動増幅器２３は、この検
出出力Ｐａ、Ｐｂの差を増幅して差信号を出力する。ま
た、アンプ２４は、差信号のレベルを調整してＡＦＭ信
号を制御部６に供給する。
【００４６】具体的には、２分割フォトダイオード２２
は、例えば図２に示すように、２つのフォトダイオード
２２ａ、２２ｂからなり、光ファイバプローブ３の側方
に、光ファイバプローブ３の中心軸に対してフォトダイ
オード２２ａ、２２ｂが垂直方向となるように配設され
ている。
は、例えば図２に示すように、２つのフォトダイオード
２２ａ、２２ｂからなり、光ファイバプローブ３の側方
に、光ファイバプローブ３の中心軸に対してフォトダイ
オード２２ａ、２２ｂが垂直方向となるように配設され
ている。
【００４７】ここで光ファイバプローブ３の変位を測定
する動作を説明する。例えば試料２の表面に凹凸等があ
ると、光ファイバプローブ３は、変位ｄＨに基づく原子
間力等の上下方向の力を受ける。そして、図２中に破線
で示すように、基端部３ａがたわみ、例えば基端部３ａ
のＡーＡ’断面の位置がｄＬの変位を生じる。
する動作を説明する。例えば試料２の表面に凹凸等があ
ると、光ファイバプローブ３は、変位ｄＨに基づく原子
間力等の上下方向の力を受ける。そして、図２中に破線
で示すように、基端部３ａがたわみ、例えば基端部３ａ
のＡーＡ’断面の位置がｄＬの変位を生じる。
【００４８】ところで、レーザ光源２１からのレーザ光
が基端部３ａによって遮られると基端部３ａの左右端か
ら回折した光が干渉し、基端部３ａの左右端からの光路
差によって干渉パターン（光の強度分布）を発生する。
が基端部３ａによって遮られると基端部３ａの左右端か
ら回折した光が干渉し、基端部３ａの左右端からの光路
差によって干渉パターン（光の強度分布）を発生する。
【００４９】具体的には、例えば位置検出部２０の断面
Ａ−Ａ’を図３に示すように、フォトダイオード２２
ａ、２２ｂは、基端部３ａから距離Ｒの位置に配設され
ている。また、基端部３ｂの径は、Ｄとなっている。
Ａ−Ａ’を図３に示すように、フォトダイオード２２
ａ、２２ｂは、基端部３ａから距離Ｒの位置に配設され
ている。また、基端部３ｂの径は、Ｄとなっている。
【００５０】このときの、フォトダイオード２２ａ、２
２ｂの平面での干渉パターンは、上述の図３にフォトダ
イオード２２ａ、２２ｂの中心からの距離Ｌと光強度Ｉ
の分布を示すように、基端部３ａの変位が０の場合で
は、図３中に実線で示すように、距離Ｌが０、すなわち
光路差が０の点で光強度Ｉが最大となり、距離Ｌがλ／
４Ｄ、すなわち光路差がλ／２の点で光強度Ｉが最小と
なり、距離Ｌがλ／２Ｄのｎ倍（ｎ＝±１、±２、±
３、・・・）の点、すなわち光路差がλのｎ倍の点で光
強度Ｉがピークを持つ。
２ｂの平面での干渉パターンは、上述の図３にフォトダ
イオード２２ａ、２２ｂの中心からの距離Ｌと光強度Ｉ
の分布を示すように、基端部３ａの変位が０の場合で
は、図３中に実線で示すように、距離Ｌが０、すなわち
光路差が０の点で光強度Ｉが最大となり、距離Ｌがλ／
４Ｄ、すなわち光路差がλ／２の点で光強度Ｉが最小と
なり、距離Ｌがλ／２Ｄのｎ倍（ｎ＝±１、±２、±
３、・・・）の点、すなわち光路差がλのｎ倍の点で光
強度Ｉがピークを持つ。
【００５１】ここで、例えば上述のように、基端部３ａ
の変位がｄＬとなると、光強度Ｉの分布がｄＬ移動し、
例えば図３中に破線で示すように、光強度Ｉが最大の点
が距離ＬがｄＬの点となる。
の変位がｄＬとなると、光強度Ｉの分布がｄＬ移動し、
例えば図３中に破線で示すように、光強度Ｉが最大の点
が距離ＬがｄＬの点となる。
【００５２】また、フォトダイオード２２ａ、２２ｂで
受光される光強度Ｉａ、Ｉｂは、距離Ｌがａ、ｂの点で
の光強度Ｉとなり、上述の図３に示すように、基端部３
ａの変位が０の場合では、光強度Ｉａ＝Ｉｂ＝Ｉ0 とな
り、基端部３ａの変位がｄＬの場合では、Ｉａ＝Ｉ1 、
Ｉｂ＝Ｉ2 （Ｉ1 ＞Ｉ2 ）となる。すなわち、基端部３
ａの変位ｄＬに対応して、光強度Ｉａ、Ｉｂの比が変化
するようになっている。そこで、変位検出部２０は、光
強度Ｉａ、Ｉｂの比を求めることにより基端部３ａの変
位ｄＬを測定するようになっている。
受光される光強度Ｉａ、Ｉｂは、距離Ｌがａ、ｂの点で
の光強度Ｉとなり、上述の図３に示すように、基端部３
ａの変位が０の場合では、光強度Ｉａ＝Ｉｂ＝Ｉ0 とな
り、基端部３ａの変位がｄＬの場合では、Ｉａ＝Ｉ1 、
Ｉｂ＝Ｉ2 （Ｉ1 ＞Ｉ2 ）となる。すなわち、基端部３
ａの変位ｄＬに対応して、光強度Ｉａ、Ｉｂの比が変化
するようになっている。そこで、変位検出部２０は、光
強度Ｉａ、Ｉｂの比を求めることにより基端部３ａの変
位ｄＬを測定するようになっている。
【００５３】具体的には、例えば上述のように、フォト
ダイオード２２ａ、２２ｂは、受光した光強度Ｉａ、Ｉ
ｂに比例した検出出力Ｐａ、Ｐｂを出力し、差動増幅器
２３は、この検出出力Ｐａ、Ｐｂの差を増幅して差信号
を出力し、アンプ２４は、差信号のレベルを調整してＡ
ＦＭ信号を制御部６に供給する。
ダイオード２２ａ、２２ｂは、受光した光強度Ｉａ、Ｉ
ｂに比例した検出出力Ｐａ、Ｐｂを出力し、差動増幅器
２３は、この検出出力Ｐａ、Ｐｂの差を増幅して差信号
を出力し、アンプ２４は、差信号のレベルを調整してＡ
ＦＭ信号を制御部６に供給する。
【００５４】かくして、変位検出部２０は、光ファイバ
プローブ３の変位を検出して光ファイバプローブのたわ
み量を検出して、光ファイバプローブ３のたわみ量を示
すＡＦＭ信号を制御部６に供給する。
プローブ３の変位を検出して光ファイバプローブのたわ
み量を検出して、光ファイバプローブ３のたわみ量を示
すＡＦＭ信号を制御部６に供給する。
【００５５】
【発明の効果】上述の説明で明らかなように、本発明で
は、光学系は、照明光源からの照明光を導いて試料表面
に照射し、光ファイバプローブは、試料表面に局在する
エバネッセント光を散乱させて集光し、光検出手段は、
光ファイバプローブからの光を検出して検出出力を出力
し、走査手段は、光ファイバプローブが試料表面を走査
するように試料と光ファイバプローブとの位置関係を変
化させると共に、位置情報を出力する。測定手段は、変
位検出手段で検出した変位に基づいて光ファイバプロー
ブが試料表面から受ける力を測定し、形状測定手段は、
走査手段からの位置情報と、検出手段からの検出出力
と、測定手段で測定した力とに基づいて試料の形状を測
定することにより、光学像の測定と同時に原子間力の測
定を行なうことができるフォトン走査トンネル顕微鏡を
提供することができる。
は、光学系は、照明光源からの照明光を導いて試料表面
に照射し、光ファイバプローブは、試料表面に局在する
エバネッセント光を散乱させて集光し、光検出手段は、
光ファイバプローブからの光を検出して検出出力を出力
し、走査手段は、光ファイバプローブが試料表面を走査
するように試料と光ファイバプローブとの位置関係を変
化させると共に、位置情報を出力する。測定手段は、変
位検出手段で検出した変位に基づいて光ファイバプロー
ブが試料表面から受ける力を測定し、形状測定手段は、
走査手段からの位置情報と、検出手段からの検出出力
と、測定手段で測定した力とに基づいて試料の形状を測
定することにより、光学像の測定と同時に原子間力の測
定を行なうことができるフォトン走査トンネル顕微鏡を
提供することができる。
【００５６】また、本発明では、検出端部の表面の金の
被覆層が光を遮断する遮光部として機能し、検出端部の
先端の開口部からエバネッセント光を取り込むことによ
り、クラッドの周端部が試料表面に衝突することがな
く、試料及び光ファイバプローブを破損することがな
く、検出効率の高いフォトン走査トンネル顕微鏡を提供
することができる。
被覆層が光を遮断する遮光部として機能し、検出端部の
先端の開口部からエバネッセント光を取り込むことによ
り、クラッドの周端部が試料表面に衝突することがな
く、試料及び光ファイバプローブを破損することがな
く、検出効率の高いフォトン走査トンネル顕微鏡を提供
することができる。
【００５７】また、本発明では、距離制御手段が、測定
手段で測定した力に基づいて走査手段を制御して試料の
表面と光ファイバプローブとの距離を一定に保持するこ
とにより、測定精度の高いフォトン走査トンネル顕微鏡
を提供することができる。
手段で測定した力に基づいて走査手段を制御して試料の
表面と光ファイバプローブとの距離を一定に保持するこ
とにより、測定精度の高いフォトン走査トンネル顕微鏡
を提供することができる。
【００５８】また、本発明では、光源は、光ファイバプ
ローブの側面から検出光を照射し、検出手段は、光源か
らの検出光が光ファイバプローブによって遮られること
により発生する干渉パターンを測定して光ファイバプロ
ーブの変位を検出することにより、光ファイバプローブ
の変位を高精度で測定することができ、試料の表面形状
の測定精度を向上させたフォトン走査トンネル顕微鏡を
提供することができる。
ローブの側面から検出光を照射し、検出手段は、光源か
らの検出光が光ファイバプローブによって遮られること
により発生する干渉パターンを測定して光ファイバプロ
ーブの変位を検出することにより、光ファイバプローブ
の変位を高精度で測定することができ、試料の表面形状
の測定精度を向上させたフォトン走査トンネル顕微鏡を
提供することができる。
【図１】本発明を適用したフォトン走査トンネル顕微鏡
の構造を示すブロック図である。
の構造を示すブロック図である。
【図２】上記フォトン走査トンネル顕微鏡を構成する変
位検出部の具体的な構成を示す側面図である。
位検出部の具体的な構成を示す側面図である。
【図３】上記変位検出部の動作を説明するための図であ
る。
る。
【図４】フォトン走査トンネル顕微鏡の原理を模式的に
示す図である。
示す図である。
【図５】従来のフォトン走査トンネル顕微鏡の構造を示
す図である。
す図である。
１ レーザ光源 ２ 試料 ３ 光ファイバプローブ ３ａ 基端部 ３ｂ 検出端部 ４ フォトダイオード ５ 駆動部 ６ 制御部 ７ 画像表示部 １０ 光学系 １１ レンズ １２ ミラー １３ プリズム ２０ 変位検出部 ２１ レーザ光源 ２２ フォトダイオード ２３ 差動増幅器 ２４ アンプ
Claims (4)
- 【請求項１】 照明光を発生する照明光源と、 該照明光源からの照明光を導いて試料表面に照射する光
学系と、 先端を先鋭化させた光ファイバからなり、試料に対して
傾斜させて配設され、試料表面に局在するエバネッセン
ト光を散乱させて集光する光ファイバプローブと、 該光ファイバプローブからの光を検出して検出出力を出
力する光検出手段と、 上記光ファイバプローブの先端が試料表面を走査するよ
うに試料と光ファイバプローブとの位置関係を変化させ
ると共に、位置情報を出力する走査手段と、 上記光ファイバプローブの変位を検出する変位検出手段
と、 該変位検出手段で検出した変位に基づいて光ファイバプ
ローブが試料表面から受ける力を測定する測定手段と、 上記走査手段からの位置情報と、上記検出手段からの検
出出力と、上記測定手段で測定した力とに基づいて試料
の形状を測定する形状測定手段とを備えることを特徴と
するフォトン走査トンネル顕微鏡。 - 【請求項２】 前記光ファイバプローブは、コアとクラ
ッドからなる光ファイバの一端にクラッドの厚さを薄く
した基端部を有し、 該基端部の先端にコアを先鋭化した検出端部を有し、 該検出端部の表面に金の被覆層を有し、 上記検出端部の先端に開口部を有することを特徴とする
請求項１記載のフォトン走査トンネル顕微鏡。 - 【請求項３】 前記測定手段で測定した力に基づいて走
査手段を制御して試料の表面と光ファイバプローブとの
距離を一定に保持する距離制御手段を有することを特徴
とする請求項１又は請求項２記載のフォトン走査トンネ
ル顕微鏡。 - 【請求項４】 前記変位検出手段は、光ファイバプロー
ブの側面から検出光を照射する光源と、 該光源からの検出光が光ファイバプローブによって遮ら
れることにより発生する干渉パターンを測定する検出手
段とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２
記載のフォトン走査トンネル顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05569894A JP3242787B2 (ja) | 1994-03-25 | 1994-03-25 | フォトン走査トンネル顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05569894A JP3242787B2 (ja) | 1994-03-25 | 1994-03-25 | フォトン走査トンネル顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07260807A true JPH07260807A (ja) | 1995-10-13 |
| JP3242787B2 JP3242787B2 (ja) | 2001-12-25 |
Family
ID=13006121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05569894A Expired - Lifetime JP3242787B2 (ja) | 1994-03-25 | 1994-03-25 | フォトン走査トンネル顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3242787B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998010296A1 (en) * | 1996-09-06 | 1998-03-12 | Kanagawa Academy Of Science And Technology | Optical fiber probe and its manufacturing method |
-
1994
- 1994-03-25 JP JP05569894A patent/JP3242787B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998010296A1 (en) * | 1996-09-06 | 1998-03-12 | Kanagawa Academy Of Science And Technology | Optical fiber probe and its manufacturing method |
| US6236783B1 (en) | 1996-09-06 | 2001-05-22 | Kanagawa Academy Of Science And Technology | Optical fiber probe and manufacturing method therefor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3242787B2 (ja) | 2001-12-25 |
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