JPH0882633A

JPH0882633A - 近接視野顕微鏡

Info

Publication number: JPH0882633A
Application number: JP21867594A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fukuzawa; 健二福澤; Akamine Shinya; アカミネシンヤ; Hiroki Kuwano; 博喜桑野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1996-03-26
Anticipated expiration: 2016-07-16
Also published as: JP3189244B2

Abstract

(57)【要約】【目的】近接視野顕微鏡の測定の自由度を増大できる
近接視野顕微鏡の提供。【構成】被観測物体を載置する試料台と、前記試料台
の上方に傾斜して延在するとともに光源からの光を導き
下面側の開口から前記被観測物体に対して光を射出する
片持梁構造の平板形の導波体と、前記開口から射出され
かつ前記被観測物体の表面で反射した光の強度を検出す
る光強度測定器と、前記導波体を前記試料台に対して３
軸方向に走査させる走査機構と、前記導波体の移動距離
を測定して前記被観測物体と前記開口との距離を検出す
る測距機構とを有するとともに、前記開口の開口径は前
記光の波長以下に形成され、かつ前記被観測物体１と前
記開口の距離が前記光の波長以下に設定されるように構
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は汎用的でかつ解像度の高
い光学顕微鏡に係わり、特に近接視野顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常の光学顕微鏡において、空間分解能
は光の回折限界で制限され、一般に分解能は、おおよそ
（光の波長）／（レンズの開口数）で与えられ、波長
（λ）のオーダであることは良く知られている。この限
界を打破する手段として、近接視野顕微鏡がある。

【０００３】従来の近接視野顕微鏡は、図５に示される
ような光透過型構造となっている。図５は近接視野顕微
鏡の要部を示す模式図である。同図に示すように、被観
測物体１は試料台２に載置される構造となる。前記試料
台２の下方には前記被観測物体１および試料台２を透過
した透過光３ｂを検出する光検出器４が配設されてい
る。また、前記試料台２の上方には光源５から発光され
た光３を前記被観測物体１に案内する光ファイバ６が配
設されている。前記光ファイバ６は、光ファイバ６と被
観測物体１の相対的位置関係を変化させる走査機構のア
ーム７に支持されている。前記試料台２に対峙する光フ
ァイバ６の先端は先鋭化されているとともに、先端を除
く先鋭部分を被覆する金属からなる被覆体８で覆われて
いる。

【０００４】前記被覆体８で覆われない光ファイバ６の
先端部分は開口９を形成するが、この開口９は前記光源
５の中心波長（λ）以下の開口径を有するようになって
いる。これによって、前記開口９から光３が被観測物体
１に対して射出されることになる。

【０００５】また、前記被観測物体１と開口９との間隔
（ａ）は、前記λ以下の間隔に設定されて近接視野像を
得るように構成される。

【０００６】このような近接視野顕微鏡においては、前
記光源５から発光された光３は光ファイバ６に案内（導
波）され、前記開口９からエバネッセント光３ａとして
被観測物体１に射出される。光検出器４においては、被
観測物体１の光学的性質によって変調された透過光３ｂ
の光強度を検出する。

【０００７】走査機構によって前記アーム７に支持され
た光ファイバ６は、被観測物体１に対して２次元的に走
査されることから、図示しない制御装置によって被観測
物体１の２次元像（近接視野像）が得られる。

【０００８】前記近接視野顕微鏡においては、分解能は
前記開口９の径にほぼ等しいので、回折限界を打破する
分解能が得られることで、近年注目を集めている。この
例では、光源に微小開口を利用したが、試料台２の下方
の光検出器４を光源とし、光ファイバ６に接続される光
源５を光検出器とした微小光検出器の構成も同様の効果
があることが知られている。これらの技術については、
Science,(1992),Vol.257,p189 に記載されている。

【０００９】一方、被観測物体の表面を観察する技術と
して原子間力顕微鏡が知られている。たとえば、電子情
報通信学会発行「電子情報通信学会技術研究報告」Vol.
93 No.327 、p31 〜p36 には、原子間力顕微鏡によって
半導体表面を溶液中で観察する技術が記載されている。

【００１０】また、移動物体の測距技術として、移動物
体にレーザ光を照射するとともに、反射光のレーザスポ
ットの位置を位置検出素子（２分割形フォトダイオー
ド）で検出して、移動物体の移動距離を検出する「光て
こ法」と呼ばれる測距法が、J.Vac.Sci.(1990),Vol.A8
(4),p3386に記載されている。この「光てこ法」によれ
ば、ｎｍ以下の精度で測距が可能である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前記のような従来の近
接視野顕微鏡では以下のような問題点があった。前記光
ファイバの先端は、光ファイバを引き延ばすかあるいは
化学エッチングするかによって先鋭化しているが、これ
らの方法では、先端形状形成の制御性が乏しく、得られ
る形状の自由度が低くなり、原理的に軸対称のものしか
得られないことになる。光ファイバは円柱体であると言
う幾何学的制約から、光ファイバの中心軸は被観測物体
の面に対して垂直に近い方向しか取ることができず、入
射角を大きく変化させることができなかった。すなわ
ち、従来の近接視野顕微鏡では、被観測物体の透過光を
検出する配置しかとることができない故に被観測物体は
透明なものである必要があり、汎用性に乏しかった。

【００１２】また、前記光ファイバと被観測物体の距離
をλ以下と精密に制御する必要があるが、現在提案され
ているものはトンネル電流によるものである。しかし、
トンネル電流によるものでは、被観測物体として導電体
でなければならず、光学的観察のニーズは誘電体あるい
は生体といった不導体が多く、近接視野顕微鏡の制御に
は向いていない。

【００１３】そこで、被観測物体と光ファイバの間に働
く原子間力を利用する試みがあるが、原子間力による光
ファイバのたわみの測定には、光ファイバを曲げなけれ
ばならず、光ファイバの曲げ損失が生じ、ＳＮ比がさら
に悪くなってしまうため、実用に至っていない。

【００１４】本発明の目的は、近接視野顕微鏡の測定の
自由度を増大できる近接視野顕微鏡を提供することにあ
る。

【００１５】また、本発明の他の目的は、被観測物体の
表面とエバネッセント光を射出する開口との距離を原子
間力を利用して制御できるＳＮ比の高い近接視野顕微鏡
を提供することにある。

【００１６】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。すなわち、本発明の近接視野顕微鏡
は、被観測物体を載置する試料台と、前記試料台の上方
に傾斜して延在するとともに光源からの光を導き先端下
面側の開口から前記被観測物体に対して光を射出する導
波体と、前記被観測物体からの光の強度を検出する光検
出器と、前記試料台に対して前記導波体や光検出器から
なる光強度を測定する手段の相対的な位置関係を変える
走査機構と、前記導波体の移動距離を測定して前記被観
測物体と前記開口との距離を検出する測距機構とを有す
るとともに、前記開口の開口径は前記光の波長以下に形
成され、かつ前記被観測物体と前記開口の距離が前記光
の波長以下に設定されるように構成されている。また、
前記導波体は平板形の導波体となるとともに光導波路が
設けられている。

【００１８】本発明の他の実施例による近接視野顕微鏡
は、前記導波体と被観測物体間に電場を印加する手段
と、前記導波体と被観測物体間に流れるトンネル電流を
測定する手段を有する構造となっている。

【００１９】本発明の他の実施例による近接視野顕微鏡
は、前記導波体と被観測物体間に働く原子間力を測定す
る手段を有する構造となっている。

【００２０】

【作用】上記した手段によれば、本発明の近接視野顕微
鏡においては、平板形の導波体の先端下面に部分的に開
口を形成した構造となっていることから、開口の形状を
自由に設定できる。

【００２１】また、本発明の近接視野顕微鏡において
は、前記導波体は傾斜した片持梁構造となるとともに、
走査機構によってその位置度を自由に設定できるため、
被観測物体に対して自由な入射角を得ることができる。

【００２２】また、本発明の近接視野顕微鏡において
は、前記導波体は傾斜した片持梁構造となるとともに、
走査機構によって導波体の位置制御を行っても、導波体
の変形はなく信号強度の損失を来さなくなる。

【００２３】また、本発明の近接視野顕微鏡は、前記の
ように被観測物体に対して自由な入射角を設定できるこ
とから、光を被観測物体に透過する以外に反射させるこ
とができるため被観測物体は透明体以外のものの観測も
可能となる。

【００２４】また、本発明の近接視野顕微鏡は、被観測
物体と開口との間隔を光てこ法によってｎｍオーダで制
御でき、安定した近接視野像を得ることができる。ま
た、光てこ法では、導波体の変位を測定するとともに、
片持ち梁のバネ定数をｋ、変位をｄとするとＦ≒ｋｄの
関係を用いて片持ち梁と被観測物体に働く原子間力Ｆが
得られる。前記導波体と被観測物体間の原子間力が一定
となるように制御しながら走査することにより、被観測
物体の凹凸像も同時に得られる。

【００２５】本発明の他の実施例による近接視野顕微鏡
は、前記導波体と被観測物体間に電場を印加する手段
と、前記導波体と被観測物体間に流れるトンネル電流を
測定する手段を有する構造となっていることから、トン
ネル電流の強度を一定に制御することにより、前記導波
体と被観測物体間の距離をｎｍオーダで制御できかつ制
御信号から被観測物体の凹凸像も同じく得られる。

【００２６】

【実施例】以下図面を参照して本発明の一実施例につい
て説明する。図１は本発明の一実施例による近接視野顕
微鏡の要部を示す模式図である。以下、実施例を説明す
るための全図において、同一機能を有するものは同一符
号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００２７】本発明の近接視野顕微鏡は、被観測物体１
の表面で反射する反射光を検出構造となっている。同図
において、２は上面（主面）に被観測物体１を載置する
試料台である。被観測物体１は、導体，不導体，生体の
一部等である。

【００２８】試料台２の上方には、傾斜して延在する平
板形の導波体１５が延在している。この導波体１５の上
端部分、すなわち、同図の右端部分は、前記試料台２に
対して３軸方向に移動制御可能な走査機構１６によって
支持されている。前記走査機構１６はピエゾ素子を組み
込んでなる走査機構であって、前記試料台２の面に沿う
平面（ＸＹ方向）方向および接近離反するＺ方向にｎｍ
オーダで移動制御が可能となっている。走査機構１６
は、具体的には下記のような構造となっている。走査機
構は、たとえば、図３に示すように、３つのピエゾ素子
１６ａ，１６ｂ，１６ｃを、ＸＹＺ方向に組み合わせる
構造となるとともに、その駆動用の電源とからなってい
る。ピエゾ素子は電圧によってｎｍの精度で導波体１５
を走査させることが可能である。

【００２９】前記導波体１５は、厚さ約１μｍのＳｉＯ
Ｎからなるコア１５ａと、このコア１５ａの表面の上面
を覆うように設けられた厚さ約０．４５μｍのＳｉＯ2
膜からなるクラッド１５ｂとからなっている。また、前
記導波体１５の下端部分、すなわち同図の左端部分は、
光を透過しないように厚さ５０ｎｍ程度のアルミニウム
等からなる金属膜１７が設けられている。また、前記導
波体１５の先端下面の一部は、集束イオンビーム処理に
よって部分的に研磨され、図２に示すように、導波体１
５の先端下面には、部分的にコア１５ａが露出し、光３
を被観測物体１に対して射出するための開口９が設けら
れている。前記コア１５ａは光を案内する導波路を形成
している。

【００３０】一方、前記導波体１５の上端は、コア１５
ａおよびクラッド１５ｂの端面が露出している。そし
て、前記コア１５ａの端面には、結合用レンズ２０を介
して、レーザ光からなる光源５から発光される光３が集
束されるように構成されている。前記コア１５ａの端か
らコア１５ａ内に入射した光３は、コア１５ａによって
形成された導波路を通り、一部の光３は開口９から被観
測物体１の表面に射出される。前記開口９は、光源５の
波長（λ）以下に設定されている。これによって、前記
開口９からは、空間的に開口径のオーダで急激に減衰す
るエバネッセント光３ａが射出されるようになる。

【００３１】また、前記導波体１５は傾斜しているこ
と、また、前記走査機構１６によって制御されているこ
とから、走査機構１６による導波体１５の制御によって
前記エバネッセント光３ａの入射角は所望の角度とする
ことができる。

【００３２】また、前記エバネッセント光３ａは、被観
測物体１の表面で反射し、一部の反射光３ｃは、図１に
示すように、光検出器（光強度測定器）４に到達し、そ
の光強度を測定されることになる。

【００３３】近接視野顕微鏡においては、被観測物体１
と前記開口９との距離（ａ）は、前記λ以下の間隔に設
定されて近接視野像を得るように構成される。このた
め、前記導波体１５の測距機構の精度はｎｍ程度と高い
ものが要求される。そこで、本実施例では、前記光てこ
法を採用している。すなわち、前記導波体１５の平坦な
面に、レーザ光源３０から発光されるレーザ光３１を照
射するとともに、反射光３２を位置検出素子３３で検出
する。位置検出素子３３としては、特に限定はされない
が、２分割フォトダイオードが使用される。これによっ
て、被観測物体１と開口９との距離の変化をｎｍオーダ
で検出することが可能となる。

【００３４】なお、前記光源５および結合用レンズ２０
等からなる光源光学系は、前記導波体１５に一体的に接
続されている。また、光てこ法を構成する各部や光検出
器４も前記走査機構１６と一定の関係を維持するような
連係構造となっている。

【００３５】以上のことから、前記走査機構１６によっ
て、前記試料台２に対して前記導波体１５や光強度測定
器からなるなる光強度を測定する手段の相対的な位置関
係を自由に変えることができる。

【００３６】このような近接視野顕微鏡においては、前
記被観測物体１と前記開口９の距離を前記光３の波長以
下に設定しながら近接視野像を得る。

【００３７】このような近接視野顕微鏡によれば、以下
の効果を奏する。

【００３８】（１）本発明の近接視野顕微鏡において
は、平板形の導波体の先端下面に部分的に開口を形成し
た構造となっていることから、従来の円柱状の光ファイ
バの先端を先鋭化したものによる開口に比較して、開口
の位置，形状を自由に設定できるという効果が得られ
る。

【００３９】（２）本発明の近接視野顕微鏡において
は、前記導波体は傾斜した片持梁構造となるとともに、
走査機構によってその位置度を自由に制御できるため、
被観測物体に対して自由な入射角を得ることができると
いう効果が得られる。

【００４０】（３）本発明の近接視野顕微鏡において
は、前記導波体は傾斜した片持梁構造となるとともに、
走査機構によって導波体の位置制御を行っても、導波体
の変形はなく、信号強度の損失を来さなくなるという効
果が得られる。

【００４１】（４）本発明の近接視野顕微鏡は、前記の
ように被観測物体に対して自由な入射角を設定できるこ
とから、光を被観測物体に透過する以外に反射させるこ
とができるため、被観測物体は透明体以外のものでも良
く、汎用性に富んだものとなるという効果が得られる。

【００４２】（５）本発明の近接視野顕微鏡は、被観測
物体と開口との間隔を光てこ法によってｎｍオーダで制
御できるため、安定した近接視野像を得ることができる
という効果が得られる。

【００４３】（６）本発明の近接視野顕微鏡は、光てこ
法により導波体と被観測物体に働く原子間力を測定する
ことにより、近接視野像と同時に原子間力像を得ること
ができ、両者の比較によってより高精度な被観測物体の
表面状態を検出することができるという効果が得られ
る。

【００４４】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。

【００４５】たとえば、図４は、光てこ法を用いること
なく、前記導波体１５と被観測物体１間に電場を印加す
る手段（電圧印加手段４１）と、前記導波体１５と被観
測物体１間に流れるトンネル電流を測定する手段（電流
計４２）を有する構成となり、前記導波体１５と被観測
物体１間の間隔の精密な制御とともに、被観測物体お凹
凸像も得られると言う効果を有する。

【００４６】なお、本発明による前記実施例の場合に
は、いずれも被観測物体の表面で光が反射する構造につ
いて説明したが、被観測物体を透過する光の強度を検出
して近接視野像を得る構造にも適用できることは勿論の
ことである。

【００４７】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。本発明の近接視野顕微鏡は、被観測
物体に対面する光を導波する探針を平板形導波体とし、
かつ斜めに延在させて片持梁構造としてあることから、
被観測物体に対する光の入射角を自由に設定でき、所望
の近接視野像を得ることができる。

【００４８】また、本発明の近接視野顕微鏡は、反射光
を検出して被観測物体の表面を検出するため、光を透過
しない物質をも被観測物体とすることができ、汎用性に
優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による近接視野顕微鏡の要部
を示す模式図である。

【図２】本実施例による近接視野顕微鏡における導波体
の要部を示す模式図である。

【図３】本実施例による走査機構の要部を示す模式図で
ある。

【図４】本発明の他の実施例による近接視野顕微鏡の要
部を示す模式図である。

【図５】従来の近接視野顕微鏡の要部を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

１…被観測物体、２…試料台、３…光、３ａ…エバネッ
セント光、３ｂ…透過光、４…光検出器、５…光源、６
…光ファイバ、７…アーム、８…被覆体、９…開口、１
５…導波体、１５ａ…コア、１５ｂ…クラッド、１６…
走査機構、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…ピエゾ素子、１７
…金属膜、２０…結合用レンズ、３０…レーザ光源、３
１…レーザ光、３２…反射光、３３…位置検出素子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被観測物体を載置する試料台と、前記試
料台の上方に傾斜して延在するとともに光源からの光を
導き下面側の開口から前記被観測物体に対して光を射出
する導波体と、前記被観測物体からの光の強度を検出す
る光検出器と、前記試料台に対して前記導波体や光検出
器からなるなる光強度を測定する手段の相対的な位置関
係を変える走査機構と、前記導波体の移動距離を測定し
て前記被観測物体と前記開口との距離を検出する測距機
構とを有するとともに、前記開口の開口径は前記光の波
長以下に形成され、かつ前記被観測物体と前記開口の距
離が前記光の波長以下に設定されるように構成されてな
ることを特徴とする近接視野顕微鏡。
【請求項２】前記導波体は平板形の導波体となるとと
もに光導波路が設けられていることを特徴とする請求項
１記載の近接視野顕微鏡。
【請求項３】前記導波体と被観測物体間に電場を印加
する手段と、前記導波体と被観測物体間に流れるトンネ
ル電流を測定する手段を有することを特徴とする請求項
１記載の近接視野顕微鏡。
【請求項４】前記導波体と被観測物体間に働く原子間
力を測定する手段を有することを特徴とする請求項１記
載の近接視野顕微鏡。