JPH0843059A - 近接場走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＮＦＭの光プローブの開口面を試料表面に対
し、確実に平行にすること。 【構成】 試料ｓの表面は、水平になっていると仮定す
る。エバネッセント光を発する光プローブ６は、架台１
に保持されている。架台１の光プローブ６の開口面６０
と平行な基準面１５の傾きを、角度検出器５によって検
出する。該検出結果に従って、モータ３１を作動させて
可動軸足３２の長さを調整することで、架台１の傾きを
水平にする。これにより、光プローブ６の開口面６０
を、試料ｓの表面に対して平行にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、近接場走査型顕微鏡に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年新たに開発された顕微鏡の一つに近
接場走査型顕微鏡（ＮＦＭ：Near Field Scanning Micr
oscope）がある。

【０００３】ＮＦＭは、図６に示すとおり、光プローブ
６と、該光プローブ６をＸＹ方向に走査するためのスキ
ャナ７と、ディテクタ１０とを備えている。

【０００４】光プローブ６は、エバネッセント光を作り
出すためのものである。この光プローブ６は、ガラスの
管から構成される。該ガラス管は、その下端開口部が、
内径１００ナノ・メートル程度にまで絞られている。光
源（図示せず）からの光を、該ガラス管の上側から入射
すると、光プローブ６の下端開口部にエバネッセント光
が生じる。

【０００５】試料ｓを観察するには、光プローブ６をサ
ンプルホルダ２０に載せた試料ｓの表面に接近させ、そ
のまま、スキャナ７によって該光プローブ６をＸＹ方向
（試料表面に平行な面内）に走査させる。すると、光プ
ローブ６の先端に形成されているエバネッセント光が、
試料ｓの表面によって散乱される。その散乱の度合い
は、光プローブ６と試料表面との距離に応じて異なる。
従って、その散乱光の強弱を検出器で検出することによ
り、試料表面形状を観察することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＮＦＭでは、散乱光を
いかに正確に検出できるかによって性能が決まる。そし
て、該散乱光を正確に検出するためには、試料表面に対
して、光プローブ６の開口面を平行に保つことが重要と
なる。従来のＮＦＭでは、この点について十分な配慮が
なされていなかった。つまり、従来のＮＦＭは光プロー
ブの開口面を試料表面に平行にする作業が面倒であっ
た。

【０００７】本発明は、試料表面に対し、光プローブの
開口面を容易に平行にすることのできる近接場走査型顕
微鏡（ＮＦＭ）を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するためのに手段】一般に、ＮＦＭ等の高
分解能の顕微鏡では、サンプルホルダ２０に入れて台座
２に置かれた試料の表面が水平となるように、予め十分
な注意を払って台座２が設置されている。また、観察に
供される試料ｓも、サンプルホルダ２０に入れて台座２
に置いた状態で、その表面が水平となるように十分な注
意を払って作成される。そこで、本発明では、サンプル
ホルダ２０に入れて台座２に載せ置かれた試料ｓの表面
は、水平になっているとの仮定のもとになされたもので
ある。

【０００９】本発明は前記目的を達成するためになされ
たもので、その一態様としては、試料を保持するサンプ
ルホルダと、開口部を備え、該開口部に形成されるエバ
ネッセント光を前記サンプルホルダに保持された試料に
当てるプローブと、前記プローブを前記試料に対して走
査させるスキャナ手段と、前記エバネッセント光の前記
試料表面での散乱光を検出する光検出器と、前記開口部
の開口面の傾斜角度を検出する角度検出手段と、前記開
口面の前記試料表面に対する角度を変更可能な状態で、
前記プローブを保持した保持機構と、を有することを特
徴とする近接場走査型顕微鏡が提供される。

【００１０】前記角度検出手段は、前記開口面に対して
予め規定された角度を有する基準面の傾斜角度を検出す
る傾斜計を含んで構成されるものであってもよい。

【００１１】前記保持機構は、前記プローブを支える架
台と、前記架台を支える、長さの固定された２本の固定
脚と、前記架台を支える、長さの変更可能な１本の可動
脚と、を含んで構成されるものであってもよい。

【００１２】前記可動脚の長さを変更させる駆動手段
と、前記角度検出手段の検出結果に基づいて、前記駆動
手段を作動させる制御手段と、を有することが好まし
い。

【００１３】

【作用】角度検出手段は、プローブの開口部の開口面の
傾きを検出する。この検出は、例えば、プローブを支え
る架台の基準面の傾きを傾斜計によって検出することに
よって行う。

【００１４】保持機構は、この開口面が試料表面と平行
になるように（本発明においては、水平）プローブの角
度を調整する。例えば、架台の可動脚の長さを調整すれ
ば、固定脚を支点として、架台の角度を調整することが
できる。この角度の調整は、角度検出手段の検出結果に
基づいて、制御手段が駆動手段を作動させる。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

【００１６】本実施例のＮＦＭの概要を図１に示した。
ＮＦＭは、架台１と、台座２と、微動機構３と、粗調整
機構４と、角度検出器５と、光プローブ６と、スキャナ
７と、光源８と、レンズ９と、ディテクタ１０と、制御
部１１と、を含んで構成されている。

【００１７】台座２は、顕微鏡全体を支えるためのもの
であり、容易には動かないように重くかつ硬い材質の材
料を用いて構成されている。該台座２の上面中央には、
試料ｓを載せるためのサンプルホルダ２０が設置されて
いる。該台座２は、架台１の可動軸足３２（後述）を載
せるための軸足台２２を１ヵ所と、固定軸足３３（後
述）を載せるための軸足台２３を２ヵ所に備えている。
２つの軸足台２３の絶対的な高さ位置は等しくされてい
る。すなわち、軸足台２３の載置面２４は、同一の水平
面内に存在している。

【００１８】既に述べたとおり本発明においては、台座
２は、試料ｓをサンプルホルダ２０に入れて台座２に載
せ置いた状態において、この試料ｓの表面が水平になる
ように設置されているものとする。

【００１９】架台１は、光プローブ６、スキャナ７、光
源８、レンズ９、ディテクタ１０等を、保持するための
ものである。該架台１に設けられた基準面１５には、角
度検出器５が設置されている。該基準面１５は、光プロ
ーブ６の開口面６０に対し平行にされている。架台１
は、１つの可動軸足３２と、２つの固定軸足３３を備え
て、これらを上述の軸足台２２に載せ置かれている。な
お、これらの軸足３２，３３は、微動機構３の一部を構
成するものであるため、その詳細については微動機構３
の説明において述べることとする。

【００２０】角度検出器（傾斜計）５は、架台１の基準
面１５の傾き角度およびその向きを検出することによっ
て、間接的ではあるものの、開口面６０の傾斜角度を検
出するためのものである。上述したとおり、本発明で
は、試料ｓの表面は水平にされていることを前提として
いる。また、基準面１５と、光プローブ６の開口部の開
口面６０とは平行にされている。従って、該基準面１５
が水平となるように架台１の傾きを調整すれば、光プロ
ーブ６の上記開口面６０と、試料ｓの表面とを、平行に
できる。角度検出器５は、検出結果を制御部１１（図３
参照）に出力している。また、この角度検出器５は、表
示部５０を備え、検出した傾斜角度をこの表示部５０に
表示する機能を備えている。本実施例では、角度検出器
５として、傾きを０．１゜の精度で検出できる、株式会
社ケミカライジング製のデジタル傾斜計（商品名”ＴＤ
−２Ｂ”）を使用している。但し、使用する傾斜計はこ
れに限定されるものではない。

【００２１】光プローブ６は、下端開口部の口径が１０
０ｎｍとされたガラス管である。光源８の発する光をレ
ンズ９によって集光し、光プローブ６の上端側から入射
させることによって、下端開口部にエバネッセント光を
作り出すことができる。スキャナ７は、光プローブ６
を、開口面６０と平行な面上におけるＸ方向、Ｙ方向に
走査するためのものである。本実施例では、ピエゾ素子
を用いて構成している。この光プローブ６の開口面６０
と、架台１の基準面１５とは、平行にされている。光プ
ローブ６およびスキャナ７は、昇降機構４のハンドル４
０を回転させることによって、ガイド４２に沿って、上
下に移動可能になっている。

【００２２】ディテクタ８は、エバネッセント光の散乱
光を検出するためのものである。

【００２３】図３に示した制御部１１は、角度検出器５
から入力される検出結果に従って、微動機構３（特に、
後述するモータ３１）を作動させ、架台１を水平にする
ためのものである。また、操作スイッチ１２から入力さ
れる指示に従って、モータ３１を作動させる機能を備え
ている。本実施例の制御部１１は、マイクロプロセッ
サ、ＲＯＭ，ＲＡＭ、また、これらのメモリに格納され
たプログラム、データを含んで構成している。

【００２４】微動機構３の詳細を図２、図３、図４を用
いて説明する。

【００２５】微動機構３は、架台１の傾きを調整するた
めのものである。該微動機構３は、図２、図３に示すと
おり、ドライバ３０と、モータ３１と、可動軸足３２
と、固定軸足３３と、を含んで構成されている。

【００２６】可動軸足３２は、その上下方向の位置を移
動可能に構成されている。本実施例では、可動軸足３２
の外周面にねじきりを施し、該ねじをモータ３１によっ
て駆動することによって上下に移動させる構成としてい
る。可動軸足３２の下端は、架台１の孔１６を通して上
述の軸足台２２に載せ置かれている。本実施例では、こ
の可動軸足３２の位置（架台１の下側面からの突出量）
を変更することによって、架台１の傾きを調整してい
る。架台１（即ち、開口面６０）が傾いている状態を図
４に示した。

【００２７】一方、固定軸足３３は、架台１の下側面に
設置されており、その長さは固定されている。２本の固
定軸足３３は、その長さが厳密に等しくされている（よ
り厳密には、一方の固定軸足３３の下端面と、他方の固
定軸足３３の下端面と、をつなぐ直線が、上記基準面１
５と平行となるようにその長さが決定されている。）。
固定軸足３３も同様に、その下端を軸足台２２に載せて
いる。

【００２８】従って、可動軸足３２の長さを変えると、
２本の固定軸足３３を通る直線３５（以下”固定線３
５”という）に対する垂線３６の方向についてのみ、そ
の傾きが調整される構成となっている。上述の角度検出
器５は、この垂線３６の方向についての傾きを検出して
いる。

【００２９】また、光プローブ６は、固定線３５と、該
固定線３５に平行且つ可動軸足３２を通過する線と、の
間の領域に配置されている。従って、傾き調整に伴う光
プローブ６の上下移動量は、可動軸３２の最小移動幅よ
りもはるかに小さい。

【００３０】なお、固定軸３３の長さおよび軸足台２２
の高さは厳密に規定しているため、上記固定線３５の方
向についての傾きはないものとみなすことができる。ま
た、可動軸足３２の長さを変えても、固定線３５の方向
についての傾きは、水平が保たれ変化しない（傾きは生
じない）。

【００３１】本実施例では、微調整を可能とするため、
モータ３１としてステップモータを使用している。

【００３２】ドライバ３０は、制御部１１からの信号に
したがって、実際にモータ３１を作動させるための制御
回路である。

【００３３】次に、架台１（すなわち、光プローブ６の
開口面６０）を水平に調整する動作を、図５のフローチ
ャートを用いて説明する。

【００３４】動作開始後、制御部１１は、角度検出器５
の検出する角度信号に基づいて、垂線３６の方向につい
ての傾斜角度を検出する。そして、その傾斜角度が、
０．５°以上であるか否かを判定する（ステップ７
１）。その結果、傾きが、０．５°以上であった場合に
は、傾きの粗調整を行う（ステップ７２）。該粗調整に
おいては、ステップモータ３１の作動量をある程度大き
くしている。ステップ７２の後は、再びステップ７１に
戻り、傾きが０．５°未満になるまで同様の処理を繰り
返す。

【００３５】傾きが０．５°未満になると、続いて、ス
テップ７３，７４に進み、今度は傾きが０．１°未満に
なるまで、傾き調整を繰り返す。傾き調整の手法は基本
的には、ステップ７２と同様である。但し、より微調整
を可能とするため、ステップ７４ではステップ７２より
もモータ３１の１回の作動量を小さくしている。

【００３６】ステップ７３において、傾きが０．１°未
満になっていた場合には、傾き調整を終える。

【００３７】なお、特に必要がある場合には、使用者
は、操作スイッチ１２を操作して目的とする傾斜角度
（あるいは、傾斜角度の修正幅）の数値を入力する。す
ると、制御部１１は、該入力された傾斜角度となるよう
に、あるいは、入力された修正幅分だけ傾斜角度を変更
するように、モータ３１を作動させる。操作スイッチ１
２をレバーなどで構成した場合には、該レバーの操作量
等に応じて、モータ３１を作動させようにしても良い。

【００３８】使用者が手動で可動軸３２を回転させるよ
うにしても良い。このようにすれば、モータ３１、制御
部１１等が不要となり、低コスト化を図ることができ
る。この場合でも、使用者は、角度検出器５の表示部５
０に表示される傾斜角度を見ながら行うことによって、
従来よりも精度良く調整を行うことができる。さらに
は、角度検出器５としては、液体中に気泡を封入したタ
イプのものを使用しても構わない。

【００３９】使用者は必要に応じて、昇降機構４のハン
ドル４０を回転させて、光プローブ６などを昇降させ、
光プローブ６を試料ｓに接近させる。そして、観察を行
う。傾きの調整は、観察の前、観察中、いずれにおいて
も行うことができる。

【００４０】以上説明したとおり本実施例では容易かつ
正確に光プローブ６の開口面６０を試料ｓの表面に平行
にすることができる。従って、ＮＦＭ本来の機能を十分
に発揮させることができる。

【００４１】上記実施例では、台座２は水平になってい
るとの前提のもとに構成されていた。しかし、場合によ
っては、台座２が傾いていることもありうる。従って、
台座２の基準面の傾きを検出する角度検出器を別途備え
るようにしてもよい。この場合には、制御部１１は、架
台１の基準面の傾きと台座２の基準面の傾きとが一致す
るように微動機構３を作動させる。但し、この場合に
も、試料ｓの表面は、台座２の基準面と平行にされてい
ることを前提とする。

【００４２】さらに、基準面ついても必ずしも水平であ
る必要はない。光プローブ６との角度が確実に規定され
ており、且つ、その角度が既知でありさえすれば、演算
によって、光プローブ６の傾き具合を知ることができ
る。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光プロー
ブの開口面を試料表面に平行にできる。そのため、顕微
鏡が本来有する能力（分解能）を最大限発揮させること
ができる。また、自動化を図ったことにより、操作は容
易で、初心者にも調整できる。また、調整に要する時間
も短い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるＮＦＭの概要を示す側
面図である。

【図２】架台１および微動機構３の詳細を示す（ａ）平
面図、（ｂ）側面図である。

【図３】微動機構３の制御構成を示すブロック図であ
る。

【図４】傾斜した状態を示す、（ａ）平面図、（ｂ）側
面図である。

【図５】制御部１１による制御動作を示すフローチャー
トである。

【図６】従来のＮＦＭの概要を示す側面図である。

【符号の説明】

１…架台、２…台座、３…微動機構、４…粗調整機構、
５…角度検出器、６…光プローブ、７…スキャナ、８…
光源、９…レンズ、１０…ディテクタ、１１…制御部、
１２…操作スイッチ、１５…基準面、１６…孔、２０…
サンプルホルダ、２２…軸足台、２３…軸足台、２４…
載置面、３０…ドライバ、３１…モータ、３２…可動軸
足、３３…固定軸足、５０…表示部、６０…開口面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を保持するサンプルホルダと、 開口部を備え、該開口部に形成されるエバネッセント光
   を前記サンプルホルダに保持された試料に当てるプロー
   ブと、 前記プローブを前記試料に対して走査させるスキャナ手
   段と、 前記エバネッセント光の前記試料表面での散乱光を検出
   する光検出器と、 前記開口部の開口面の傾斜角度を検出する角度検出手段
   と、 前記開口面の前記試料表面に対する角度を変更可能な状
   態で、前記プローブを保持した保持機構と、 を有することを特徴とする近接場走査型顕微鏡。
2. 【請求項２】前記角度検出手段は、前記開口面に対して
   予め規定された角度をなす基準面の傾斜角度を検出する
   傾斜計を含んで構成されるものであること、 を特徴とする請求項１記載の近接場走査型顕微鏡。
3. 【請求項３】前記保持機構は、 前記プローブを支える架台と、 前記架台を支える、長さの固定された２本の固定脚と、 前記架台を支える、長さの変更可能な１本の可動脚と、
   を含んで構成されるものであること、 を特徴とする請求項１記載の近接場走査型顕微鏡。
4. 【請求項４】前記可動脚の長さを変更させる駆動手段
   と、 前記角度検出手段の検出結果に基づいて、前記駆動手段
   を作動させる制御手段と、 を有することを特徴とする請求項３記載の近接場走査型
   顕微鏡。