JPH0886793A - 近接視野顕微鏡およびそれに用いる光強度測定手段の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｓ／Ｎ比を向上させ、さらに、原子間力を利
用した距離制御をＳ／Ｎ比の低減なしに実現できる近接
顕微鏡を提供することにある。 【構成】 被観測物体に対して、その波長程度で空間的
に減衰するエバネッセント光を照射する手段と、被観測
物体により変調されたエバネッセント光の光強度を測定
する光強度測定手段と、前記被観測物体と前記光強度測
定手段の相対的な位置関係を変化させる手段とを有し、
前記被観測物体と前記光強度測定手段との距離が前記エ
バネッセント光の中心波長λ以下である走査型近接視野
顕微鏡において、前記光強度測定手段が、ｐｎ接合ある
いはｐｉｎ接合を含む半導体素子と、該ｐｎ接合あるい
はｐｉｎ接合で生じる光電流を測定するための電極およ
び配線とを含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、近接視野顕微鏡に係わ
り、特に、汎用的で、かつ、解像度の高い近接視野顕微
鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常の光顕微鏡において空間分解能は、
光の回折限界で制限され、一般に通常の光顕微鏡の空間
分解能は、おおよそ、（光の波長）／（レンズの開口
数）で与えられる波長のオーダであることはよく知られ
ている。

【０００３】この限界を打破するものとして、近接視野
顕微鏡が知られている。

【０００４】図１９、図２０は、従来の近接視野顕微鏡
の概略構成を示す模式図である。

【０００５】図１９、図２０において、１は光源、２は
プリズム、３は被観測物体（試料）、４はエバネッセン
ト光、５は光検出器、１０は走査機構、６１，６２は光
ピックアップ手段である。

【０００６】光源１からの光７の中心波長をλとし、ま
た、図１９および図２０に示すように、光源１とプリズ
ム２とは、光源１からの光７がプリズム２の上面で全反
射するように配置する。

【０００７】光源１とプリズム２との配置が、図１９お
よび図２０に示す配置である時に、同図中に模式的に示
すように、プリズム２の上面には、エバネッセント光４
と呼ばれるλ程度だけ光のしみ出しが生じる。

【０００８】図１９中に示したｚ軸と原点とを、プリズ
ム２の上面にとると、エバネッセント光４の強度は、下
記（１）式で表せる。

【０００９】

【数１】

【００１０】ここで、しみ出しの長さｑは、下記（２）
式で表せる。

【００１１】

【数２】

【００１２】ただし、ｎ₁およびｎ₂は、それぞれ空気と
プリズムの屈折率であり、θは入射角である。

【００１３】式（１）より、エバネッセント光４がプリ
ズム２の上面で急激に減衰することが理解できる。

【００１４】例えば、ｎ₂＝１．５、θ＝４５°のと
き、ｑ＝０．４５λとなり、しみ出しの長さｑは、波長
λのオーダである。

【００１５】このエバネッセント光４が、被観測物体
（試料）３で変調され、この変調された光を、光ピック
アップ手段（６１，６２）でピックアップして光検出器
５で強度を測定し、さらに、走査機構１０により光ピッ
クアップ手段（６１，６２）を走査して２次元的な光分
布を得る。

【００１６】ここで、図１９は、下記文献『Ｉ』に記載
されている、微小開口によりエバネッセント光４を結合
させてピックアップするタイプの近接視野顕微鏡であ
り、図２０は、下記文献『II』に記載されている、微小
針によりエバネッセント光４を散乱させてピックアップ
するタイプの近接視野顕微鏡である。

【００１７】『Ｉ』 Ｓｃｉｅｎｃｅ，（１９９２），
ｖｏｌ．２５７，ｐ１８９ 『II』 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，（１９９
３），ｖｏｌ．６２（５），ｐ４６１ 図１９に示す光ピックアップ手段６１は、その先端がλ
以下までに先鋭化してある光ファイバである。

【００１８】また、図２０に示す光ピックアップ手段６
２は、その先端がλ以下になるように先鋭化してある微
小針であり、その先端からエバネッセント光４を散乱す
る。

【００１９】図１９および図２０に示す光ピックアップ
手段（６１，６２）を用いる近接視野顕微鏡において、
空間分解能は、いずれもファイバおよび針先端の曲率の
直径程度であり、回折限界の制限を受けない。

【００２０】そのため、先端径を小さくすることによ
り、光学顕微鏡の空間分解能の飛躍的な向上が可能であ
る。

【００２１】現在のところ、前記文献『Ｉ』にも記載さ
れているように、λ／４０以下の空間分解能が実現され
ている。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記図
１９、図２０に示す従来の顕微鏡では、以下に示すよう
な問題点があった。

【００２３】図１９に示すタイプの近接視野顕微鏡で
は、エバネッセント光４を、光ピックアップ手段６１を
構成する光ファイバに結合させ、エバネッセント光４を
伝搬光に変換する必要がある。

【００２４】しかも、空間分解能を上げるために、光フ
ァイバの先端径をできるだけ小さくする必要があるが、
そうすると光ファイバの導波モードと大きく異なってし
まうため、光の結合効率が悪くなり、信号のＳ／Ｎ比を
向上させることが困難である。

【００２５】また、空間分解能を向上させる別の方法と
しては、アルミニウム等の金属膜で光ファイバ表面をコ
ーティングした上で、光ファイバの先端の微小な領域に
開口を設ける方法がある。

【００２６】この場合、開口の大きさで空間分解能が決
定されるため、開口径は１００ｎｍ以下が望まれるが、
このような微小開口を安定して作成することは難しかっ
た。

【００２７】また、図２０に示すタイプの近接顕微鏡で
は、光ピックアップ手段６２を構成する針先端径で空間
分解能が決定されるため、微小開口を設けなくても、１
００ｎｍ以下の空間分解能が可能であるというメリット
がある。

【００２８】しかし、図２０に示すタイプの近接顕微鏡
では、エバネッセント光４を散乱光という伝搬光に変換
する必要があり、この散乱光の一部は微小針に吸収され
るため、散乱光に変換されるものは一部でしかない。

【００２９】また、散乱光を離れた検出器５で測定する
必要があるため、散乱光の一部しか検出できず、図１９
に示すタイプの近接視野顕微鏡と同様、原理的に効率が
悪く、信号のＳ／Ｎ比を向上させることが困難であっ
た。

【００３０】図１９および図２０に示すいずれのタイプ
の近接視野顕微鏡においても、数１０ｎｍの空間分解能
を得るために、数ｍＷ程度の光源を用いた場合におい
て、検出する信号レベルはｐＷ程度で、Ｓ／Ｎ比の向上
が望まれていた。

【００３１】また、式（１）から、光ピックアップ手段
（６１，６２）と、被観測物体（試料）３との距離を精
密に（λ以下）に制御する必要がある。

【００３２】しかし、当該制御を行うものとして現在提
案されているものはトンネル電流を利用するものである
が、トンネル電流を利用して光ピックアップ手段（６
１，６２）と、被観測物体（試料）３との距離を制御す
る場合には、被観測物体（試料）３として導電体でなけ
ればならず、光学的観察のニーズとして、誘電体あるい
は生体といった不導電体が多数を含める近接視野顕微鏡
の制御には不向きである。

【００３３】そのため、光ピックアップ手段（６１，６
２）と、被観測物体（試料）３との間に働く原子間力を
利用する試みが提案されている。

【００３４】しかし、図１９に示すタイプの近接視野顕
微鏡において、原子力による光ファイバのたわみ測定に
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、Ｓ／Ｎ比がさらに悪化してしまうため、
実用に至っていない。

【００３５】図２０に示すタイプの近接視野顕微鏡は、
形状的には片持ち梁型にできるため、現在、最もよく用
いられている「光てこ方式」等の光学的方法で、片持ち
梁のたわみを比較的容易に測定できる。

【００３６】しかし、そのためには、たわみ測定用の測
定光の反射のために、片持ち梁を金属膜等でコーティン
グする必要があり、これにより、散乱光が吸収されてし
まい光検出器５に到達する散乱光が減少し、さらに信号
レベルが低下してしまうという問題点があった。

【００３７】結局、図１９および図２０に示す、いずれ
のタイプの近接視野顕微鏡においても、信号号レベルが
低く、Ｓ／Ｎ比を向上させることが難しという問題点が
あった。

【００３８】また、光ピックアップ手段（６１，６２）
と被観測物体（試料）３との距離を、原子間力で制御す
る方式をＳ／Ｎ比を低下させることなしに、図１９およ
び図２０に示すタイプの近接視野顕微鏡に適用すること
が難しいという問題点があった。

【００３９】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、本発明の目的は、近接顕
微鏡において、Ｓ／Ｎ比を向上させ、さらに、原子間力
を利用した距離制御をＳ／Ｎ比の低減なしに実現できる
技術を提供することにある。

【００４０】本発明の前記目的並びにその他の目的及び
新規な特徴は、本明細書の記載及び添付図面によって明
らかにする。

【００４１】

【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、
下記の通りである。

【００４２】（１）被観測物体に対して、その波長程度
で空間的に減衰するエバネッセント光を照射する手段
と、被観測物体により変調されたエバネッセント光の光
強度を測定する光強度測定手段と、前記被観測物体と前
記光強度測定手段の相対的な位置関係を変化させる手段
とを有し、前記被観測物体と前記光強度測定手段との距
離が前記エバネッセント光の中心波長λ以下である走査
型近接視野顕微鏡において、前記光強度測定手段が、ｐ
ｎ接合あるいはｐｉｎ接合を含む半導体素子と、該ｐｎ
接合あるいはｐｉｎ接合で生じる光電流を測定するため
の電極および配線とを含むことを特徴とする。

【００４３】（２）前記（１）の手段において、前記光
強度測定手段が、その先端の曲率半径がλ以下である突
起を含み、該突起の少なくとも一部と被測定物体（試
料）との距離がλ以下であることを特徴とする。

【００４４】（３）前記（１）の手段において、前記光
強度測定手段に含まれるｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合の
少なくとも一部と前記被測定物体（試料）との距離がλ
以下であることを特徴とする。

【００４５】（４）前記（３）の手段において、前記光
強度測定手段が、その先端の曲率半径がλ以下である突
起を有し、該突起中にｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合の一
部が含まれていることを特徴とする。

【００４６】（５）前記（１）ないし（４）の手段にお
いて、前記光強度測定手段が、片持ち梁形状となってい
ることを特徴とする。

【００４７】

【作用】前記（１）ないし（５）の手段によれば、エバ
ネッセント光をピックアップする光ピックアップ手段自
体を、光検出器とすることにより、エバネッセント光か
ら伝搬光への変換を不要とすることができる。

【００４８】これにより、エバネッセント光を検出する
効率が向上し、信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能
となる。

【００４９】また、光検出器を片持ち梁状の形状に作成
することにより、原子間力による制御が可能なため、像
のＳ／Ｎ比が向上できるとともに被観測物体（試料）と
して絶縁体も可能となり、さらに、光学的近接視野像と
原子間力による凹凸像が同時に測定可能となる。

【００５０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００５１】なお、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。

【００５２】［実施例１］図１は、本発明の一実施例
（実施例１）である近接視野顕微鏡の概略構成を示す模
式図である。

【００５３】図１において、１は光源、２はプリズム、
３は被観測物体（試料）、４はエバネッセント光、１０
は走査機構、６２１はシリコン基板から作成したｐｎ接
合を有するエバネッセント光検出器、２１，２２は電
極、２７は導線、２３はｐ領域、２４はｎ領域、２３１
は高濃度のｐ領域、２４１は高濃度のｎ領域、２５は電
流測定器、３０は反射防止膜である。

【００５４】本実施例１では、光源１として、出力が数
ｍＷの可視域のレーザ光（波長λ）を用いた。

【００５５】また、電極２１，２２は、アルミニウムで
形成し、電極２１，２２の下に、電極２１，２２とオー
ミックなコンタクトを取るため、ｐおよびｎの高濃度領
域２３１，２４１を設けた。

【００５６】ここで、ｐ領域２３は、予め、基板全体に
アクセプタとなる原子、例えば、ボロンをドープして形
成し、また、ｎ領域２４は、ドナーとなる原子、例え
ば、リンをドープして形成した。

【００５７】一定の電圧が印加されたｐｎ接合に光が入
射されると、ｐｎ接合には入射光の強度に応じた光電流
が流れるので、被観測物体（試料）３で変調されたエバ
ネッセント光４は、ｐｎ接合で光電流に変換され、電流
測定器２５で当該光電流を測定することにより、エバネ
ッセント光４の光強度が測定される。

【００５８】シリコン基板の反射率は比較的高く、垂直
に入射する光の反射率は３５％程度である。

【００５９】そのため、反射防止膜３０として酸化シリ
コン膜を１００ｎｍ程度設けて、その反射率を数％程度
までに低減させた。

【００６０】反射防止膜３０の材料としては、シリコン
に対しては屈折率が２程度の材料が適しており、酸化シ
リコンの他に、例えば、窒化シリコンが有効であるのは
いうまでもない。

【００６１】走査機構１０として、ピエゾ素子を組み合
わせたｘ、ｙ、ｚ軸方向に駆動可能な機構を用いた。

【００６２】図２は、図１に示すピエゾ素子を組み合わ
せたｘ、ｙ、ｚ軸方向に駆動可能な走査機構１０の一例
を示す模式図である。

【００６３】図２において、１６ａ，１６ｂ，１６ｃは
ピエゾ素子、１５は治具であり、図２に示す走査機構１
０は、３つのピエゾ素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃを、
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に治具１５により組み合わせたものであ
る。

【００６４】ピエゾ素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、印
加電圧によりｎｍの精度でエバネッセント光検出器６２
１を走査させることが可能であり、ピエゾ素子１６ａ，
１６ｂ，１６ｃを用いる駆動機構１０は、ｎｍ以下の精
度でエバネッセント光検出器６２１位置制御が可能であ
る。

【００６５】本実施例１では、ｐｎ接合の先端と被観測
物体（試料）３との距離が、光源１の波長λより小さく
なるように走査機構１０で制御することにより、十分な
エバネッセント光４が検出できる。

【００６６】また、エバネッセント光４を伝搬光に変換
していないため、検出効率が高く、信号レベルとしては
ｎＷのオーダとなり、従来報告されているものより２桁
程度大きい。

【００６７】さらに、走査機構１０により、ｘｙ面内
（紙面に鉛直な平面）で、エバネッセント光検出器６２
１を走査することにより、被観測物体（試料）３の２次
元像を得た。

【００６８】図３から図７は、本実施例１のエバネッセ
ント光検出器６２１の製造方法を説明するための図であ
る。

【００６９】次に、前記エバネッセント光検出器６２１
の製造方法について、図３〜図７を参照して説明する。

【００７０】図３に示すように、最初に厚さ数１００μ
ｍのシリコン（半導体）基板３３が用意される。

【００７１】このシリコン基板３３は、その主面の面方
位は（１００）となっている。

【００７２】前記シリコン基板３３の主面には、厚さ数
μｍのボロン（アクセプタ）をドープしたｐ型の半導体
層３２が形成され、その後、前記半導体層３２上には厚
さ数μｍのエピタキシャル層からなるｐ型層２３が形成
される。

【００７３】また、前記シリコン基板３３の裏面（下
面）には、スパッタリング法によって厚さ数μｍの酸化
シリコン膜３４が設けられる。

【００７４】つぎに、図４に示すように、常用のホトリ
ソグラフィによって前記ｐ型層２３の一端側にドナーと
なるリンをドープしたｎ領域２４が形成され、ｐ型層２
３との間にｐｎ接合を形成する。

【００７５】ｐｎ接合の位置は、ドープ後のアニーリン
グ条件で調節する。

【００７６】ｐｎ接合の位置は、シリコンの可視域での
吸収係数αが概ね５μｍ~¹であるため、レーザ光源１か
らのレーザビームに暴露される側から深さ数μｍ以下が
望ましい。

【００７７】つぎに、前記ｐ型層２３およびｎ領域２４
の上面には常用のホトリソグラフィによって選択的に絶
縁膜２５が形成するとともに、前記ｐ型層２３およびｎ
領域２４の表層部には部分的にｐ+ 型高不純物濃度領域
２３１およびｎ+ 型高不純物濃度領域２４１がオーミッ
クコンタクト領域として形成される。

【００７８】前記ｐ+ 型高不純物濃度領域２３１および
ｎ+ 型高不純物濃度領域２４１は、前記ｐ型層２３およ
びｎ領域２４より高濃度となるように、それぞれ、アク
セプタとなる原子（たとえば、ボロン）、ドナーとなる
原子（たとえば、リン）を多量にドープした。

【００７９】つぎに、前記露出したｐ+ 型高不純物濃度
領域２３１およびｎ+ 型高不純物濃度領域２４１上に
は、それぞれアルミニウムからなる電極２１および電極
２２が形成される。

【００８０】つぎに、図５に示すように、ｐ型層２３と
ｎ領域２４が重なり合った右端部分が所望の形状に（図
中では一定の長さａだけ）エッチング除去され、また、
前記シリコン基板３３の主面側、すなわち、電極２１お
よび電極２２が設けられた表面側は、ポリイミドがコー
ティングされてポリイミド層３５が形成される。

【００８１】つぎに、前記シリコン基板３３の裏面の酸
化シリコン膜３４は、図５に示すように、両端側を長さ
ｂ，ｃを除いてエッチング除去される。

【００８２】前記酸化シリコン膜３４の残存部分ｃは、
前記エッチング長さａよりも短い（ａ＞ｃ）。

【００８３】つぎに、図６に示すように、前記酸化シリ
コン膜３４をマスクとしてシリコン基板３３を異方性エ
ッチングするとともに、残存するシリコン基板３３をマ
スクとして半導体層３２をエッチング除去する。

【００８４】また、前記ポリイミド層３５および酸化シ
リコン膜３４もエッチング除去する。

【００８５】前記ポリイミド層３５は、前記シリコン基
板３３をエッチングする際、上部構造を保護するための
ものである。

【００８６】前記酸化シリコン膜３４のエッチングは標
準的なドライエッチングで行った。

【００８７】また、前記シリコン基板３３のエッチング
は、アルカリ系のエッチング液、たとえば、エチレンジ
アミン・パイロカテコール水溶液を用いた。

【００８８】このエッチング液によれば、ボロンをドー
プした半導体層３２がエッチストップ層となる。

【００８９】また、結晶の面方位によって異方的にエッ
チングがなされる、エッチングされないシリコン基板３
３が一部残留し、その後の半導体層３２のエッチングの
際のマスクとして働く。

【００９０】この結果、図７に示すような、長さ数１０
０ｎｍ，厚さ数ｎｍのエバネッセント光検出器６２１が
形成される。

【００９１】このエバネッセント光検出器６２１は、残
留するシリコン基板３３を有する側が、片持ち梁形状の
固定側となり、前記走査機構１０に取り付けられる。

【００９２】また、この取り付けに際しては、電極２１
や電極２２を有する面側が、被観測物体（試料）３に体
面するように取り付けられる。

【００９３】このようなエバネッセント光検出器６２１
の製造方法によれば、微細でかつ高精度なエバネッセン
ト光検出器６２１を製造することができる。

【００９４】［実施例２］図８は、本発明の他の実施例
（実施例２）である近接視野顕微鏡の概略構成を示す模
式図である。

【００９５】本実施例２の近接視野顕微鏡は、エバネッ
セント光検出器６２１の構造が前記実施例１に記載され
ている近接視野顕微鏡のエバネッセント光検出器６２１
と相違しているが、その他の構成は前記実施例１と同じ
である。

【００９６】エバネッセント光４を検出するｐｎ接合の
大きさが小さい程空間分解能が向上する。

【００９７】そのため、本実施例２では、前記実施例１
のエバネッセント光検出器６２１の先端部を針状に加工
したエバネッセント光検出器６２１を用いるようにした
ものである。

【００９８】また、プローブが針状になっていること
は、被観測物体（試料）３が溝など凹凸の大きな試料の
場合でも観測でき、汎用性という点で有利なことはいう
までもない。

【００９９】このエバネッセント光検出器６２１の製作
方法としては、面方位が、（１００）であるようなシリ
コン基板で、予めｐ型半導体とされた基板を用意する。

【０１００】始めに、この基板に、下記文献『III』に
記載されている方法で、三角錐状の突起を形成する。

【０１０１】『III』 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．（１９９０），ｖｏｌ．５７（３），ｐ３１６ この方法は、アルカリ溶液、例えば、水酸化カリウム水
溶液あるいはエチレンジアミン・パイロカテコール水溶
液に対して、シリコンが面方位により溶解速度が異なる
ことを利用した方法である。

【０１０２】この方法によると、先端の曲率半径が、１
００ｎｍ以下の三角錐状のシリコンの針が安定して形成
可能である。

【０１０３】針状の突起物を構成する方法としては、そ
の他種々の方法が提案されているが、前記した方法以外
の方法で形成することも可能であることはいうまでもな
い。

【０１０４】その後は、前記実施例１で述べた方法と同
様な方法で、針の先端を含む部分にｐｎ接合を形成し
た。

【０１０５】また、被観測物体（試料）３の近接視野像
も同様な方法で得ることができた。

【０１０６】［実施例３］図９は、本発明の他の実施例
（実施例３）である近接視野顕微鏡の概略構成を示す模
式図である。

【０１０７】本実施例３では、空間分解能のさらなる向
上を図って、前記実施例２で説明したエバネッセント光
検出器６２１を作成した後、例えば、アルミニウム等の
金属膜２６をコーティングして、エバネッセント光検出
器６２１を作成したものである。

【０１０８】可視域の光のアルミニウムに対する侵入の
深さが１０ｎｍ程度なので、コーティング層は数１０ｎ
ｍ以下とした。

【０１０９】図１０は、図９におけるエバネッセント光
検出器６２１の先端部を拡大して示す図である。

【０１１０】本実施例３のエバネッセント光検出器６２
１は、前記実施例２に示すエバネッセント光検出器６２
１を作成し、金属膜２６をコーティングした後、先端の
み金属２６を除去しエバネッセント光４に暴露される部
分の径ａを１００ｎｍ以下とした。

【０１１１】空間分解能は、この暴露される先端のｐｎ
接合分の大きさ程度となるため、この径ａを小さくすれ
ばするほど、空間分解能を向上させることができる。

【０１１２】また、金属膜２６の除去は、エバネッセン
ト光検出器６２１の先端を平坦な物体に軽く押し当てる
ことで作成した。

【０１１３】この除去の方法としては、その他の方法、
例えば、集束イオンビームで選択的にエッチングする方
法が有効であることはいうまでもない。

【０１１４】また、被観測物体（試料）３の近接視野像
も同様な方法で得ることができた。

【０１１５】［実施例４］図１１は、本発明の他の実施
例（実施例４）である近接視野顕微鏡の概略構成を示す
模式図である。

【０１１６】本実施例４の近接視野顕微鏡は、エバネッ
セント光検出器６２１の構造が前記実施例１に記載され
ている近接視野顕微鏡のエバネッセント光検出器６２１
と相違しているが、その他の構成は前記実施例１と同じ
である。

【０１１７】本実施例４では、エバネッセント光検出器
６２１に針状の突起５０が設けられており、そして、プ
ローブが針状になっているため、被観測物体（試料）３
が溝等の凹凸の大きな試料の場合でも観測でき、汎用性
という点で有利である。

【０１１８】針状の突起５０の作成方法としては、前記
文献『III』に記載されている方法で、三角錐状の突起
を形成する。

【０１１９】この方法は、アルカリ溶液、例えば、水酸
化カリウム水溶液あるいはエチレンジアミン・パイロカ
テコール水溶液に対して、シリコンが面方位により溶解
速度が異なることを利用した方法である。

【０１２０】この方法によると、先端の曲率半径が、１
００ｎｍ以下の三角錐状のシリコンの針が安定して形成
可能である。

【０１２１】突起の高さは数μｍ以下で、シリコンの可
視域での吸収係数αは概ね５μｍ~¹であり、可視光はシ
リコンを数μｍ程度透過するため、突起５０内部に散乱
した光もｐｎ接合に到達できる。

【０１２２】針状の突起物を構成する方法としては、そ
の他種々の方法が提案されているが、前記した方法以外
の方法で、例えば、下記文献『IV』に記載されている方
法等により形成することも可能である。

【０１２３】『IV』 Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．（１９９
０），ｖｏｌ．Ａ８（４），ｐ３３８６ 被観測物体（試料）３で変調されたエバネッセント光４
は、ｐｎ接合で光電流に変換され、図１に示す電流測定
器２５で当該光電流を測定することにより、エバネッセ
ント光４の光強度が測定できる。

【０１２４】本実施例４では、図２０に示す従来の微小
針によりエバネッセント光４を散乱させるピックアップ
するタイプの近接視野顕微鏡に比べ、突起先端からの散
乱光のうちより多くの量をエバネッセント光検出器であ
るｐｎ接合で検出することが可能である。

【０１２５】これは、本実施例４では、図１２に示すよ
うに突起先端から見たｐｎ接合の立体角が、図２１に示
すように従来の微小針によりエバネッセント光４を散乱
させるピックアップするタイプの近接視野顕微鏡の立体
角に比べ、数倍の大きさを有しているためである。

【０１２６】これにより、数倍程度の光量の増加が見込
まれ、信号レベル増加させることができる。

【０１２７】また、走査機構１０としては、前記図２に
示すピエゾ素子を組み合わせたｘ、ｙ、ｚ軸方向に駆動
可能な機構を用いた。

【０１２８】ピエゾ素子を用いた駆動機構は、ｎｍ以下
の精度で位置制御が可能であり、ｐｎ接合の先端と被観
測物体（試料）との距離が、光源１の波長λより小さく
なるように走査機構１０を制御した。

【０１２９】これにより、十分な強度のエバネッセント
光４を検出できた。

【０１３０】さらに、走査機構１０により、ｘｙ面内
（紙面に鉛直な平面）で、エバネッセント光検出器６２
１を走査することにより、被観測物体（試料）３の２次
元像を得た。

【０１３１】［実施例５］図１３は、本発明の他の実施
例（実施例５）である近接視野顕微鏡の概略構成を示す
模式図であり、突起先端部の拡大図である。

【０１３２】本実施例５では、空間分解能のさらなる向
上を図って、前記実施例４で説明したエバネッセント光
検出器６２１の突起５０上に厚さ数１０ｎｍの金属膜を
塗布したものである。

【０１３３】本実施例５では、金属膜としてとして金を
用いており、可視域の光に対して、金の散乱効率は、シ
リコンの散乱効率の約４倍であるため、散乱効率を向上
させることができる。

【０１３４】本実施例５では、金を膜状に塗布したが、
先端に金粒子を塗布すれば空間分解能が向上することは
いうまでもない。

【０１３５】［実施例６］図１４は、本発明の他の実施
例（実施例６）である近接視野顕微鏡の概略構成を示す
模式図である。

【０１３６】本実施例６では、前記実施例１に、光検出
器６２１と被観測物体（試料）３との間に働く原子間力
を測定する手段を付加したものである。

【０１３７】図１４において、６２１はエバネッセント
光検出器、２８は半導体レーザ、２９はエバネッセント
光検出器６２１から反射したレーザスポットの位置を検
出するための手段であり、本実施例では、２分割フォト
ダイオードを用いた。

【０１３８】本実施例６では、前記文献『IV』に記載さ
れている「光てこ」法にしたがい、原子間力によるエバ
ネッセント光検出器６２１のたわみを測定している。

【０１３９】本実施例６では、半導体レーザ２８と、エ
バネッセント光検出器６２１から反射したレーザスポッ
トの位置を検出するための手段２９により、エバネッセ
ント光検出器６２１と被観測物体（試料）３との距離の
変化を検出し、走査機構１０で制御しながら近接視野像
を得た。

【０１４０】この「光てこ」法では、ｎｍ以下の精度
で、エバネッセント光検出器６２１と被観測物体（試
料）３との距離の変化を検出し、さらに、走査機構１０
のピエゾ駆動はｎｍ以下でその距離を制御できるので、
本実施例６では、より安定した近接視野像を得ることが
できた。

【０１４１】また、エバネッセント光検出器６２１と被
観測物体（試料）３との距離をｄ、エバネッセント光検
出器６２１のバネ定数をＫとすると、エバネッセント光
検出器６２１と被観測物体（試料）３との間に働く原子
間力Ｆは、Ｆ＝Ｋｄとなり、変化の観測値により被観測
物体（試料）３の原子間力像を、近接視野像と同時に得
ることができた。

【０１４２】［実施例７］図１５は、本発明の他の実施
例（実施例７）である近接視野顕微鏡の概略構成を示す
模式図である。

【０１４３】本実施例７では、前記実施例４に、エバネ
ッセント光検出器６２１と被観測物体（試料）３との間
に働く原子間力を測定する手段を付加したものである。

【０１４４】図１５において、６２１はエバネッセント
光検出器、２８は半導体レーザ、２９はエバネッセント
光検出器６２１から反射したレーザスポットの位置を検
出するための手段であり、本実施例７では、２分割フォ
トダイオードを用いた。

【０１４５】本実施例７でも、前記文献『IV』に記載さ
れている「光てこ」法にしたがい、原子間力によるエバ
ネッセント光検出器６２１のたわみを測定しており、前
記実施例６と同様に、半導体レーザ２８と、エバネッセ
ント光検出器６２１から反射したレーザスポットの位置
を検出するための手段２９により、エバネッセント光検
出器６２１と被観測物体（試料）３との距離の変化を検
出し、走査機構１０で制御しながらより安定した近接視
野像を得ることができた。

【０１４６】また、同じく、被観測物体（試料）３の原
子間力像を、近接視野像と同時に得ることができた。

【０１４７】［実施例８］図１６は、本発明の他の実施
例（実施例８）である近接視野顕微鏡の概略構成示す模
式図である。

【０１４８】本実施例８では、光源１として、白色光源
を用いるようにしたものであり、そのため、例えば、干
渉フィルターあるいは回折格子等の、白色光のうち所望
の波長を選別する手段１１が設けられている。

【０１４９】これ以外は、前記実施例１と同様である。

【０１５０】波長を変えながら被観測物体（試料）３の
近接視野像を得ることにより、被観測物体（試料）３の
高空間分解能なスペクトロスコピーが可能であった。

【０１５１】［実施例９］図１７は、本発明の他の実施
例（実施例９）である近接視野顕微鏡の概略構成を示す
模式図であり、同図は、エバネッセント光検出器６２１
の先端部の拡大図であり、被観測物体（試料）３側から
見た平面図を表している。

【０１５２】図１７において、２４０１、２４０２、２
４０３はｎ領域を示しており、それぞれｐｎ接合の表面
からの深さが異なっている。

【０１５３】これらは、ｎ領域を作成する際に、所望の
部分だけ暴露するようにマスキングした上でイオン注入
のドーピング条件を変えることで作成できる。

【０１５４】また、２４１１、２４１２、２４１３は電
極を示しており、その下にこれまでの実施例同様に高濃
度ｎ領域を設けているが、図１７では省略している。

【０１５５】光源１としては、白色光源を用いた。

【０１５６】これ以外は、前記実施例１と同様である
が、検出光の波長により侵入の深さが異なる。

【０１５７】即ち、エバネッセント光検出器６２１の表
面での光強度をＩ₀とする時、表面からの深さがｓのと
きの光強度Ｉは、

【０１５８】

【数３】

【０１５９】ここで、

【０１６０】

【数４】

【０１６１】ただし、ｎは屈折率、ｋは消衰係数であ
る。

【０１６２】式（３）からｐｎ接合の深さを変えること
により、ｎ領域２４０１、２４０２、２４０３は、異な
る波長感度を持たせることができる。

【０１６３】これにエバネッセント光検出器６２１を構
成するシリコンそのものの検出感度を較正すれば、被観
測物体（試料）３の波長依存性を知ることができる。

【０１６４】［実施例１０］図１８は、本発明の他の実
施例（実施例１０）で近接視野顕微鏡の概略構成を示す
模式図であり、同図は、エバネッセント光検出器６２１
の先端の拡大図であり、被観測物体（試料）３側から見
た平面図を表している。

【０１６５】図１８において、２４０１、２４０２、２
４０３はｎ領域を示しており、それぞれｐｎ接合の表面
からの深さが異なっている。

【０１６６】これらは、ｎ領域を作成する際に、所望の
部分だけ暴露するようにマスキングした上でイオン注入
のドーピング条件を変えることで作成できる。

【０１６７】また、２４１１、２４１２、２４１３は電
極を示しており、その下にこれまでの実施例同様に高濃
度ｎ領域を設けているが、図１８では省略している。

【０１６８】光源１としては、白色光源を用いた。

【０１６９】これ以外は、前記実施例４と同様である
が、検出光の波長により侵入の深さが異なる。

【０１７０】前記実施例９で説明したように、検出光の
波長により侵入の深さが異なり、ｐｎ接合の深さを変え
ることにより、ｎ領域２４０１、２４０２、２４０３
は、異なる波長感度を持たせることができる。

【０１７１】これにエバネッセント光検出器６２１を構
成するシリコンそのものの検出感度を較正すれば、被観
測物体（試料）３の波長依存性を知ることができる。

【０１７２】なお、前記各実施例において、ｐｎ接合の
大きさを半径λ以下になるようにすれば、空間分解能が
さらに向上することはいうまでもない。

【０１７３】方法としては、例えば、ｐｎ接合に集束イ
オンビームによりイオンを注入し化学組成あるいは結晶
構造を変化させることにより所望の大きさを実現でき
る。

【０１７４】さらに、前記各実施例では、ｐｎ接合の場
合について説明したが、ｐｎ接合に絶縁層を挟み、ｐｉ
ｎ構造とした方が感度向上のため有利であることは言う
までもない。

【０１７５】以上、本発明を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で種々変更し得ること
は言うまでもない。

【０１７６】

【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
記の通りである。

【０１７７】（１）エバネッセント光から伝搬光への変
換が必要ないため、光を検出する効率が向上し、信号の
Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能となる。

【０１７８】（２）エバネッセント光を散乱させる針と
光検出手段が近接しているため、散乱された光を検出す
る効率が向上し、信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可
能となる。

【０１７９】（３）原子間力による制御が可能なため、
像のＳ／Ｎ比が向上できるとともに、被観測物体（試
料）として絶縁物も可能であり、また、光学的近接視野
像と原子間力による凹凸像が同時に測定することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例（実施例１）である近接視
野顕微鏡の概略構成を示す模式図である。

【図２】 図１に示すピエゾ素子を組み合わせたｘ、
ｙ、ｚ軸方向に駆動可能な走査機構１０の一例を示す模
式図である。

【図３】 本実施例１のエバネッセント光検出器６２１
の製造方法を説明するための図である。

【図４】 本実施例１のエバネッセント光検出器６２１
の製造方法を説明するための図である。

【図５】 本実施例１のエバネッセント光検出器６２１
の製造方法を説明するための図である。

【図６】 本実施例１のエバネッセント光検出器６２１
の製造方法を説明するための図である。

【図７】 本実施例１のエバネッセント光検出器６２１
の製造方法を説明するための図である。

【図８】 本発明の他の実施例（実施例２）である近接
視野顕微鏡の概略構成を示す模式図である。

【図９】 本発明の他の実施例（実施例３）である近接
視野顕微鏡の概略構成を示す模式図である。

【図１０】 図９におけるエバネッセント光検出器６２
１の先端部を拡大して示す図である。

【図１１】 本発明の他の実施例（実施例４）である近
接視野顕微鏡の概略構成を示す模式図である。

【図１２】 本実施例４における、突起先端から見たｐ
ｎ接合の立体角を示す図である。

【図１３】 本発明の他の実施例（実施例５）である近
接視野顕微鏡の概略構成を示す模式図であり、突起先端
部の拡大図である。

【図１４】 本発明の他の実施例（実施例６）である近
接視野顕微鏡の概略構成を示す模式図である。

【図１５】 本発明の他の実施例（実施例７）である近
接視野顕微鏡の概略構成を示す模式図である。

【図１６】 本発明の他の実施例（実施例８）である近
接視野顕微鏡の概略構成を示す模式図である。

【図１７】 本発明の他の実施例（実施例９）である近
接視野顕微鏡の概略構成を示す模式図である。

【図１８】 本発明の他の実施例（実施例１０）である
近接視野顕微鏡の概略構成を示す模式図である。

【図１９】 従来の近接視野顕微鏡の概略構成を示す模
式図である。

【図２０】 従来の近接視野顕微鏡の概略構成を示す模
式図である。

【図２１】 従来の近接視野顕微鏡における立体角を示
す図である。

【符号の説明】

１…光源、２…プリズム、３…被観測物体（試料）、４
…エバネッセント光、１０…走査機構、１１…白色色の
うち所望の波長を選択する手段、２１，２２…電極、２
６，５１…金属膜、２７…導線、２３…ｐ領域、２４…
ｎ領域、２３１…高濃度のｐ領域、２４１…高濃度のｎ
領域、２５…電流測定器、３０…反射防止膜、５０…針
状の突起、６１，６２…光ピックアップ手段、６２１…
シリコン基板から作成したｐｎ接合を有するエバネッセ
ント光検出器、２４０１，２４０２，２４０３…ｎ領
域、２４１１，２４１２，２４１３…電極。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被観測物体に対して、その波長程度で空間
   的に減衰するエバネッセント光を照射する手段と、被観
   測物体により変調されたエバネッセント光の光強度を測
   定する光強度測定手段と、前記被観測物体と前記光強度
   測定手段の相対的な位置関係を変化させる手段とを有
   し、前記被観測物体と前記光強度測定手段との距離が前
   記エバネッセント光の中心波長λ以下である走査型近接
   視野顕微鏡において、 前記光強度測定手段が、ｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合を
   含む半導体素子と、該ｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合で生
   じる光電流を測定するための電極および配線とを含むこ
   とを特徴とする近接視野顕微鏡。
2. 【請求項２】請求項１に記載された近接視野顕微鏡にお
   いて、 前記光強度測定手段が、その先端の曲率半径がλ以下で
   ある突起を含み、該突起の少なくとも一部と被測定物体
   との距離がλ以下であることを特徴とする近接視野顕微
   鏡。
3. 【請求項３】請求項２に記載された近接視野顕微鏡にお
   いて、 前記突起に金属膜が塗布されていることを特徴とする近
   接視野顕微鏡。
4. 【請求項４】請求項１に記載された近接視野顕微鏡にお
   いて、 前記光強度測定手段に含まれるｐｎ接合あるいはｐｉｎ
   接合の少なくとも一部と前記被測定物体との距離がλ以
   下であることを特徴とする近接視野顕微鏡。
5. 【請求項５】請求項４に記載された近接視野顕微鏡にお
   いて、 前記光強度測定手段が、その先端の曲率半径がλ以下で
   ある突起を有し、該突起中にｐｎ接合あるいはｐｉｎ接
   合の一部が含まれていることを特徴とする近接視野顕微
   鏡。
6. 【請求項６】請求項１ないし請求項５のいずれか１項に
   記載された近接視野顕微鏡において、 前記光強度測定手段が、片持ち梁形状となっていること
   を特徴とする近接視野顕微鏡。
7. 【請求項７】請求項１ないし請求項６のいずれか１項に
   記載された近接視野顕微鏡において、 ｐｎ接合を構成するｎ領域が複数の分離された領域をな
   し、かつ、分離された領域で互いにｐｎ接合の深さが異
   なることを特徴とする近接視野顕微鏡。
8. 【請求項８】請求項１に記載された近接視野顕微鏡の光
   強度測定手段の製造方法であって、 半導体基板の主面に第１導電型決定不純物をドーピング
   して第１導電型層を形成する工程と、前記第１導電型層
   上にエピタキシャル成長による第１導電型からなるエピ
   タキシャル層を形成する工程と、前記エピタキシャル層
   の表層部分に第２導電型決定不純物を拡散させて第２導
   電型領域を形成してｐｎ接合を形成する工程と、前記第
   ２導電型領域およびエピタキシャル層上にそれぞれ電極
   を形成する工程と、前記半導体基板の裏面に選択的に絶
   縁膜を形成した後前記絶縁膜をエッチングマスクとして
   前記半導体基板および第１導電型層をエッチング除去し
   て片持ち梁形状の光強度測定手段を形成する工程とを有
   することを特徴とする光強度測定手段の製造方法。