JPH07260808A - 走査型近視野原子間力顕微鏡 - Google Patents

走査型近視野原子間力顕微鏡

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JPH07260808A
JPH07260808A JP6054093A JP5409394A JPH07260808A JP H07260808 A JPH07260808 A JP H07260808A JP 6054093 A JP6054093 A JP 6054093A JP 5409394 A JP5409394 A JP 5409394A JP H07260808 A JPH07260808 A JP H07260808A
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徳男 千葉
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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、試料の表面形状および光特性の測定を高解像度で行
うことができる装置において、試料特性測定光の照射位
相を変化させ、光特性像の分解能を向上させる。 【構成】 光特性測定用光源３の射出光は光変調手段１
により振幅変調され、バイモルフ５に設置された光伝搬
体プローブ４に導入される。光変調手段１の位相や間欠
比は、移相器２によって調整される。試料特性測定光は
プローブ４の先端から試料９の表面に照射され、試料９
を透過または散乱した光や試料９から発生した蛍光など
は、レンズ１０で平行光にされ、ミラー１１、フィルタ
ー１２を介して光電変換素子１３に導入される。ミラー
１１、レンズ１０および試料９は、縦横深さ方向の移動
が可能な粗動機構１４および微動機構１５の上に設置さ
れている。

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原子間力顕微
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、試料の導電性の有無
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。
【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摩擦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。
【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】この光を用いる近接場光顕微鏡のうちエバ
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】試料の形状像と光特性像を分離して同時測
定する装置としては、非接触型原子間力顕微鏡、あるい
は、ずり力型原子間力顕微鏡においてプローブを光ファ
イバーなどの光伝搬体としたものが提案されている。こ
れらの装置においては、光を試料に定常的に照射した場
合、検出される光強度が小さいと検出不可能となる問題
がある。また、試料が蛍光物質の場合、定常的な光照射
により試料が損傷を受ける可能性がある。さらに、試料
に対してプローブを垂直方向に振動させる非接触型原子
間力顕微鏡では、振動周期の位相中でプローブ先端が試
料面から離れている時に照射された光は、そのスポット
が広がって試料面に到達するため光強度および分解能を
低下させる。試料に対してプローブを水平方向に振動さ
せるずり力型原子間力顕微鏡では、振動周期の位相中で
プローブが振動中心からずれている時に照射された光は
測定点からずれているため分解能を低下させる。試料が
蛍光物質の場合、蛍光体に金属が接触すると蛍光エネル
ギーが金属に吸収され蛍光を発しない場合があり、先端
部分に金属被覆を有する光伝搬体プローブを用いた場
合、プローブ先端が試料面から離れている位相中に光照
射することが必要となる場合も考えられる。
【００１０】そこで、本発明の目的は、試料の光透過性
や導電性の有無にかかわらず、試料の表面形状および光
特性の測定を高解像度で行うことができる装置におい
て、光特性像の分解能を向上させることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するため、走査型近視野原子間力顕微鏡を、光伝搬
体からなるプローブと、プローブ先端と試料の間を相対
的に垂直方向に振動させる振動手段と、試料に光を照射
する光源と、光をプローブの振動と同期して振幅変調す
る光変調手段と、光変調手段の位相または間欠率を変化
させる移相器と、プローブの変位を光学的に検出する変
位検出手段と、試料からの光を検出するための光電変換
素子および光学系と、試料とプローブを相対移動させる
粗動機構および微動機構と、装置全体を制御する制御装
置とで構成した。
【００１２】また、走査型近視野原子間力顕微鏡を、光
伝搬体からなるプローブと、プローブ先端と試料の間を
相対的に水平方向に振動させる振動手段と、試料に光を
照射する光源と、光をプローブの振動と同期して振幅変
調する光変調手段と、光変調手段の位相または間欠率を
変化させる移相器と、プローブの変位を光学的に検出す
る変位検出手段と、試料からの光を検出するための光電
変換素子および光学系と、試料とプローブを相対移動さ
せる粗動機構および微動機構と、装置全体を制御する制
御装置とで構成した。
【００１３】
【作用】上記のような走査型近視野原子間力顕微鏡の構
成では、光変調器の作用により試料への照射光が変調さ
れるため、測定光を位相検波でき、従って微弱信号を検
出できる。また、間欠的に試料に光を照射するため、蛍
光試料が光により損傷を受けるのを防止する作用があ
る。
【００１４】また、移相器によりプローブの振動に対す
る試料照射光の位相や間欠比を任意に変化させることが
できる。従って、試料に対してプローブ先端を垂直方向
に振動させる装置において、プローブが試料に最も近接
する位相で光を照射させることにより、光照射範囲を小
さくし、光密度を増加させることができる。また、プロ
ーブが試料に最も近接する位相において、光を照射する
位相範囲を小さくすることにより、さらに光照射範囲を
小さくし、光密度を増加させることができる。また、蛍
光試料を測定する場合には、光を照射する位相範囲を小
さくすることにより、蛍光試料が光により損傷を受ける
のを防止することができる。また、金属被覆を有するプ
ローブを用いて蛍光試料を測定する場合、プローブ先端
が試料面から離れている位相で光を照射することによ
り、蛍光エネルギーが金属被覆に吸収されるのを防止
し、検出される蛍光強度を大きくすることができる。ま
た、試料に対してプローブ先端を水平方向に振動させる
装置において、振動周期の位相中で、振動中心において
光を照射することにより、測定点と光照射点を一致させ
ることが可能となる。
【００１５】
【実施例】以下に本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は、本発明の実施例による走査型近視
野原子間力顕微鏡の構成を示した図であり、試料に対し
てプローブ先端を垂直に振動させる構成を示したもので
ある。光特性測定用光源３の射出光は光変調手段１によ
り振幅変調され、バイモルフ５に設置された光伝搬体プ
ローブ４に導入される。光変調手段１での位相や間欠比
は、移相器２によって調整される。プローブ４の上方に
レーザー光源６、集光レンズ７、光電変換素子８が設置
されており、レーザー光源６のレーザー光は、集光レン
ズ７によってプローブ４の背面に集光され、反射光が光
電変換素子８に導入されている。
【００１６】試料特性測定光はプローブ４の先端から試
料９の表面に照射され、試料９を透過または散乱した光
や試料９から発生した蛍光などは、レンズ１０で平行光
にされ、ミラー１１、フィルター１２を介して光電変換
素子１３に導入される。ミラー１１、レンズ１０および
試料９は、縦横深さ方向の移動が可能な粗動機構１４お
よび微動機構１５の上に設置されている。光電変換素子
８で検出された信号は制御装置１６へ送られ、この信号
をもとに、試料９へのプローブ４のアプローチや表面観
察の際に、粗動機構１４および微動機構１５を制御し、
プローブ４のたわみが規定値を越えないように信号を出
力する。位相検波手段は制御装置１６に含まれるものと
する。
【００１７】光変調手段１としては、ＡＯモジュレータ
（音響光学変調器）、ＥＯモジュレータ（電気光学変調
器）、機械式シャッター、液晶シャッターなど外部信号
により光を変調する手段が用いられる。光特性測定用光
源３としては、ガスレーザー、固体レーザーおよび半導
体レーザーなどのレーザー光源のほか、発光ダイオー
ド、放電管、白色光源なども用いられる。光特性測定用
光源３として半導体レーザーのような時間応答性の良い
光源を用いた場合には、光変調手段１を廃して直接光特
性測定用光源に変調を加えることも可能である。
【００１８】上記のような走査型近視野原子間力顕微鏡
の構成によれば、プローブの振動に対して試料照射光の
位相や間欠比を任意に変化させることができる。図３は
プローブの振動に対する試料照射光の位相の第１例を示
した図であり、（ａ）はプローブと試料間距離の時間変
化、（ｂ）は（ａ）の時間に対応した試料照射光のＯ
Ｎ、ＯＦＦを表している。図３に示したように、プロー
ブが試料に最も近接する位相で光を照射させることによ
り、光照射範囲を小さくし、光強度を増加させることが
できる。また、試料からの光特性光を位相検波でき、従
って微弱信号を検出できる。また、間欠的に試料に光を
照射するため、蛍光試料が光により損傷を受けるのを防
止できる。従って、光信号の分解能およびＳ／Ｎ比を向
上させることが可能である。
【００１９】図４はプローブの振動に対する試料照射光
の位相の第２例を示した図であり、（ａ）はプローブと
試料間距離の時間変化、（ｂ）は（ａ）の時間に対応し
た試料照射光のＯＮ、ＯＦＦを表している。図３に示し
た実施例と比較して、光特性測定光の照射位相を小さく
した例である。蛍光試料は光照射により損傷を受けて蛍
光を発しなくなる場合があるが、図４に示したように照
射時間を短くすることにより、蛍光試料の損傷をさらに
防止することができる。また、プローブが試料に最も近
接する位相において、光を照射する位相範囲を小さくす
ることにより、さらに光照射範囲を小さくし、光密度を
増加させることができ、分解能を向上させることが可能
となる。
【００２０】図５はプローブの振動に対する試料照射光
の位相の第３例を示した図であり、（ａ）はプローブと
試料間距離の時間変化、（ｂ）は（ａ）の時間に対応し
た試料照射光のＯＮ、ＯＦＦを表している。通常、光伝
搬体プローブは先端の透過孔部以外に金属被覆を有する
が、蛍光体に金属が接触すると蛍光エネルギーが金属に
吸収され蛍光を発しない場合がある。蛍光試料を測定す
る場合、図５に示したようにプローブ先端が試料面から
離れている位相で光を照射することにより、蛍光エネル
ギーが金属被覆に吸収されるのを防止し、検出される蛍
光強度を大きくすることができる。
【００２１】図２は、本発明の実施例によるずり力型近
視野原子間力顕微鏡の構成を示した図であり、プローブ
周辺の構成を示した図である。光特性測定用光源３の射
出光は光変調手段１により振幅変調され、バイモルフ５
設置された光伝搬体プローブ２０に導入される。光変調
手段１の位相や間欠比は、移相器２によって調整され
る。図１に示した実施例とは、光伝搬体プローブ２０を
バイモルフ５によって、試料９に対して水平に振動させ
るところが異なる。
【００２２】上記のようなずり力型近視野原子間力顕微
鏡の構成によれば、プローブの振動に対して試料照射光
の位相や間欠比を任意に変化させることができる。図６
はプローブの振動に対する試料照射光の位相の第４例を
示した図であり、（ａ）はプローブ先端位置の振動中心
点からの時間変化、（ｂ）は（ａ）の時間に対応した試
料照射光のＯＮ、ＯＦＦを表している。図６に示したよ
うに、試料照射光の周期を２倍とし、振動中心において
光を照射することにより、測定点と光照射点を一致させ
ることが可能となる。従って、振動周期の位相中でプロ
ーブが振動中心からずれている時に照射された光が測定
点からずれているため分解能を低下させる問題を解決
し、分解能を向上させることが可能となる。
【００２３】以上説明した実施例では光特性像の測定に
関して説明したが、試料の微小領域の光特性のスペクト
ル測定に関しても、試料からの光特性光を分光器に導入
することで実施可能である。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の走査型近
視野原子間力顕微鏡によれば、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
光特性の測定を行う装置において、光特性像の分解能を
向上させることが可能となった。
【００２５】さらに、蛍光試料の測定において、試料に
損傷を与えず、またプローブの金属膜被覆による蛍光エ
ネルギーの吸収を防止し、蛍光の検出光度を増加させる
ことができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による走査型近視野原子間力顕
微鏡の構成を示した図である。
【図２】本発明の実施例によるずり力型近視野原子間力
顕微鏡の構成を示した図である。
【図３】プローブの振動に対する試料照射光の位相の第
１例を示した図である。
【図４】プローブの振動に対する試料照射光の位相の第
２例を示した図である。
【図５】プローブの振動に対する試料照射光の位相の第
３例を示した図である。
【図６】プローブの振動に対する試料照射光の位相の第
４例を示した図である。
【符号の説明】
１ 光変調手段 ２ 移相器 ３ 光特性測定用光源 ４ 光伝搬体プローブ ５ バイモルフ ６ レーザー光源 ７ 集光レンズ ８ 光電変換素子 ９ 試料 １０ レンズ １１ ミラー １２ フィルター １３ 光電変換素子 １４ 粗動機構 １５ 微動機構 １６ 制御装置 ２０ 光伝搬体プローブ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光伝搬体からなるプローブと、前記プロ
    ーブの先端と試料の間を相対的に垂直方向に振動させる
    振動手段と、前記試料に光を照射する光源と、前記光を
    前記プローブの振動と同期して振幅変調する光変調手段
    と、前記光変調手段での位相または間欠率を変化させる
    移相器と、前記プローブの変位を光学的に検出する変位
    検出手段と、前記試料からの光を検出するための光電変
    換素子および光学系と、前記試料と前記プローブを相対
    移動させる粗動機構および微動機構と、装置全体を制御
    する制御装置を有し、試料表面の形状および光学特性を
    観察する構成であることを特徴とする走査型近視野原子
    間力顕微鏡。
  2. 【請求項２】 光伝搬体からなるプローブと、前記プロ
    ーブの先端と試料の間を相対的に水平方向に振動させる
    振動手段と、前記試料に光を照射する光源と、前記光を
    前記プローブの振動と同期して振幅変調する光変調手段
    と、前記光変調手段での位相または間欠率を変化させる
    移相器と、前記プローブの変位を光学的に検出する変位
    検出手段と、前記試料からの光を検出するための光電変
    換素子および光学系と、前記試料と前記プローブを相対
    移動させる粗動機構および微動機構と、装置全体を制御
    する制御装置を有し、試料表面の形状および光学特性を
    観察する構成であることを特徴とする走査型近視野原子
    間力顕微鏡。
JP05409394A 1994-03-24 1994-03-24 走査型近視野原子間力顕微鏡 Expired - Lifetime JP3425615B2 (ja)

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JP05409394A JP3425615B2 (ja) 1994-03-24 1994-03-24 走査型近視野原子間力顕微鏡
CA002145018A CA2145018C (en) 1994-03-24 1995-03-20 Scanning near-field optic/atomic force microscope
US08/408,622 US5627365A (en) 1994-03-24 1995-03-22 Scanning near-field optic/atomic force microscope in which imaging light is controlled in relation to a vibrating position of an optical fiber probe
EP95301943A EP0674200B1 (en) 1994-03-24 1995-03-23 Scanning near-field optic/atomic force microscope
DE69521355T DE69521355T2 (de) 1994-03-24 1995-03-23 Optisches Nahfeld- und Atomkraft-Rastermikroskop

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