JPH09203739A

JPH09203739A - プローブ位置制御装置および走査型近接場顕微鏡

Info

Publication number: JPH09203739A
Application number: JP8010799A
Authority: JP
Inventors: Miyuki Ishikawa; 幸石川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-01-25
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 1997-08-05

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電駆動素子のヒステリシスによる影響を排
除し、正確な画像が得られる走査型近接場顕微鏡を提供
することとする。【解決手段】光源から発せられる光の波長よりも小さ
い開口径を有したプローブ６と、試料を載置する試料台
１と、プローブ６と試料台１とを相対的に移動させる走
査手段４、５と、プローブ１から発する光電場によって
発せられる試料からの光を受光する受光手段１０と、受
光手段１０から得られる信号により試料からの光の位置
を算出する位置検出手段１１と、位置検出手段１１から
得られる光の位置情報に基づくプローブの位置情報と走
査手段４、５に入力されているプローブの位置情報とを
対比し、光の位置情報に基づくプローブの位置情報と走
査手段４、５に入力されているプローブの位置情報との
差異が無くなるように前記走査手段４、５を補正制御す
る補正手段１２とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型近接場顕微
鏡およびそのプローブ位置制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、生物学や半導体デバイス開発など
広い分野において、非接触、非破壊の高分解能顕微鏡の
重要性が高まっている。従来使用されてきた光学顕微鏡
は、非接触、非破壊という面では優れた特性を持ってい
たが、結像光学系を用いるという原理上、回折限界によ
る分解能の制限のため使用範囲が限られてきた。

【０００３】これらの問題を解決し、しかも試料の光学
的な性質が高い分解能で得られる技術に走査型近接場顕
微鏡がある。この走査型近接場顕微鏡としては、特開昭
５９−１２１３１０号の公報で詳しく説明されている。
この走査型近接場顕微鏡の基本原理は、非測定物を照射
すべく光源から放射された照明光の波長よりも小さい開
口によって被測定物の表面を走査し、試料表面の表面形
状、試料表面の光学的特性等を測定するもので、開口を
被測定物から開口径よりも短い距離において走査するこ
とから、走査型近接場顕微鏡と呼ばれている。

【０００４】波動の理論からすれば、通常の光学顕微鏡
の分解能はλ／２程度で制約されるため可視光領域では
２００〜３００ｎｍが限度とされている。しかし、上述
のような波長より小さい微小な開口に光を導くと、通常
の光の用に自由空間を広がることはできないが、開口付
近にしみだす光電場が存在する。この光電場は消滅波
（エバネッセント波）と呼ばれるもので、これで測定表
面を照射することで高分解能な光学的測定を可能として
いる。

【０００５】図３は、このような走査型近接場顕微鏡の
従来例を示すものである。これを概略説明すると、除振
台３１にはチューブ型圧電駆動素子３２が設けられてお
り、チューブ型圧電駆動部材３２の上に更に試料ステー
ジ３３が備えられている。この試料ステージ３３に試料
を載置することができる。ところで、チューブ型圧電駆
動素子３２は、円筒状の形状を有した圧電体に、円筒状
の内側の面に全面的に電極を設け、さらに円筒状の表側
の面に分割された電極を有している。そして、内側の面
の設けられた電極と、外側の面に設けられたそれぞれの
電極にそれぞれ任意の電圧を印加することによって、圧
電体が伸縮したり、撓むことができる圧電素子である。
このチューブ型圧電駆動素子３２に圧電駆動素子制御手
段４２から供給される電圧を印加する事によって、試料
３４を任意の方向に移動させることができる。また、除
振台３１には、Ｌ字型の形状を有したプローブ支持部材
３５が設けられ、試料３４の直上にプローブ３６を設置
できるようになっている。

【０００６】このプローブ３６の試料側には微小な開口
が設けられており、試料表面にこの微小な開口からの光
電場を照射する。そして、試料を透過した光や試料から
発せられた蛍光を集光レンズ３７で集光してセンサー３
８で受光する。センサー３８に入射した光は、ＤＡ変換
器４１によって、デジタル化された電気信号に変換され
る。また、プローブ３６には、微小な開口とは反対側か
ら光ファイバー３９によって、光源４０で発せられた光
が供給されている。

【０００７】そして、ＤＡコンバーター４１で得られた
試料からの光に関する情報と圧電駆動素子制御手段４２
から得られるチューブ型圧電駆動素子４２の駆動情報と
を表示手段４２に入力することによって、３次元的に試
料形状等を表示することができる。この様な装置で試料
表面上の各点におけるこの光強度を測定し、これを表示
装置等で再構成すれば、試料表面の光学的な状態を高い
分解能で得ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の走査型近接場顕
微鏡では、試料を移動させるために圧電駆動素子を一般
に使用している。また、試料の移動量を制御する際に
は、その圧電駆動素子に印加する電圧の大きさで制御し
ている。しかしながら、圧電駆動素子は、一般的にヒス
テリシスを有しており、同じ電圧を掛けたとしても、必
ずしも圧電駆動素子の変形量は同じではない。

【０００９】したがって、このヒステリシスを考慮せず
に圧電駆動素子に印加した電圧のみで試料の位置制御を
行っただけでは、プローブの微小な開口から発せられた
光の試料における照射位置が正確ではなくなるため、得
られる走査型近接場顕微鏡の画像は歪んでしまう。よっ
て、本発明は上記課題を解決するために、圧電駆動素子
のヒステリシスによる影響を排除し、正確な画像が得ら
れる走査型近接場顕微鏡を提供することとする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の第１の形態では、光源から発せられる光の波
長よりも小さい開口径を有したプローブと、試料を載置
する試料台と、プローブと試料台とを相対的に移動させ
る走査手段と、プローブから発する光電場によって発せ
られる試料からの光を受光する受光手段と、受光手段か
ら得られる信号により試料からの光の位置を算出する位
置検出手段と、位置検出手段から得られる光の位置情報
に基づくプローブの位置情報と走査手段に入力されてい
るプローブの位置情報とを対比し、光の位置情報に基づ
くプローブの位置情報と走査手段に入力されているプロ
ーブの位置情報との差異が無くなるように前記走査手段
を補正制御する補正手段とを備えた。

【００１１】この第１の形態では、光源から発せられる
光の波長よりも小さい開口径を有したプローブから発せ
られたエバネッセント光を試料に照射する。その結果、
試料から光が発っせられ、受光手段でこの光を受光す
る。そして、受光手段から得られた信号に基づき位置検
出手段で、受光手段における光の中心位置を算出する。
そして、制御手段では、走査手段に入力されているプロ
ーブの位置情報と位置検出手段で算出された受光手段に
おける光の中心位置に関する情報とを比較して、それぞ
れの情報との差異が無くなるように走査手段を制御する
こととした。

【００１２】また、本発明の第２の形態では、試料と受
光手段との間に集光レンズを備えた。試料から発せられ
た光を集光することで、受光手段における光のスポット
の大きさを小さくした。また、本発明の第３の形態で
は、走査手段は、圧電駆動素子と圧電駆動素子を制御す
る制御手段とであることとした。

【００１３】また、本発明の第４の形態では、光源から
発せられる光の波長よりも小さい開口径を有したプロー
ブと、試料を載置する試料台と、プローブと試料台とを
相対的に移動させる走査部材と、走査部材へ駆動量に関
する信号を出力する走査部材制御手段と、プローブから
発する光電場によって、発せられる試料からの光を受光
する受光手段と、受光手段から得られる信号により試料
からの光の受光手段における中心位置を算出する位置検
出手段と、受光手段から得られる試料の物理的性質を検
出する測定検出手段と、位置検出手段から得られる受光
手段における光の中心位置の情報と走査手段に入力され
ている所望の位置情報とを対比し、光の中心位置に基づ
くプローブの位置情報とプローブが所望の位置にあると
きのプローブの位置情報との差異が無くなるように走査
部材制御手段からの駆動量を補正制御する補正手段とを
備えた。

【００１４】本発明の第４の形態では、試料から発せら
れる光を受光手段からの出力を位置検出手段と測定検出
手段に出力する。そして、位置検出手段では受光手段か
ら出力された情報により、受光手段における光の中心位
置を算出する。そして、位置検出手段で算出された受光
手段における光の中心位置を走査部材制御手段に出力す
る。そして、補正手段では、受光手段における光の中心
位置に基づくプローブの位置情報とプローブが所望の位
置にあるときにプローブの位置情報とを対比し、この二
つの位置情報の差異が無くなるように走査部材制御手段
からの駆動量を補正制御する。

【００１５】また、本発明の第５の形態では、試料と受
光手段の間に集光レンズを備えたこととし、受光手段に
照射される光のスポットの大きさを小さくした。また、
更に本発明の第６の形態では、試料と受光手段との間に
試料からの光をすくなくとも２つに分配する光分配部材
を有し、受光手段は位置検出用受光手段と試料測定用受
光手段とであり、光分配部材から射出される一方の光路
上には位置検出用受光手段が設けられ、かつ分配手段か
ら射出される他方の光路上には前記試料測定用受光手段
が設けられていることとした。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の一形態を挙
げて、更に詳細に本発明を説明する。図１は、本発明の
実施の一形態の走査型近接場顕微鏡の概略を示した概略
構成図である。ステージ１は、図示されていない防振台
上に固定されており、このステージ１に試料２が載置さ
れている。また、ステージ１には、コラム３が備えられ
ており、このコラム３には、試料表面と平行な方向に変
位することができるＸＹ方向用圧電駆動部材４と、試料
表面とは垂直な方向に変位するＺ方向用圧電駆動部材５
とが図１に図示されている通りに設けられている。この
ＸＹ方向用圧電駆動部材４とＺ方向用圧電駆動部材５と
は、圧電駆動素子ドライブ１４によって各圧電駆動部材
で駆動したい量に応じた電圧が供給されている。

【００１７】また、Ｚ方向用圧電駆動部材５には、試料
側の先端に光源１５から発する光の波長よりも小さい開
口径を有する光プローブ６が備えられている。この光プ
ローブ６の試料側の先端からエバネッセント波が発せら
れるようになっている。また、光プローブ６には、試料
側とは反対側の端から光ファイバーによって光源１５か
らの光が導かれている。

【００１８】試料２に対して光プローブ６側とは反対側
には、試料から発せられた光や蛍光を集光するための集
光レンズ７が設けられている。この集光レンズ７によっ
て、集光レンズ７の光の射出側に配置された光検出器９
またはポジションセンサー１０へ、試料から発せられた
光や蛍光を小さなスポットで照射することができる。こ
のように、ポジションセンサー１０に小さなスポットで
照射することによって、光スポットの位置が検出しやす
くなる。

【００１９】ただし、ポジションセンサー１０には、各
センサーを分割する約０．１ｍｍ程度の境界領域があ
り、この領域では受光することが出来ない。このため、
光スポットの大きさをこの領域よりも大きくする必要が
ある。そのためには、集光レンズ７の焦点位置からポジ
ションセンサー１０を光軸方向に少しずらしてやれば良
い。望ましくは、ポジションセンサー１０の１／３から
２／３ぐらいのスポットサイズとすると良い。

【００２０】ところで、この集光レンズ７は図示されて
いない集光レンズ固定部材によって固定されている。ま
た、更に集光レンズ７の光の射出側にはハーフミラー８
が設けられている。そして、ハーフミラー８の透過側に
は光検出器９が設けられ、ハーフミラー８の反射側には
ポジションセンサー１０が設けられている。ところで、
このポジションセンサー１０は、本発明の実施の一形態
では４分割フォトディテクターを用いており、ハーフミ
ラー８で反射された試料２からの光を受光し、それぞれ
の受光面での光量に対応する電流を発する。この電流値
を比較することにより、光スポットの位置を検出できる
ようになっている。また、光検出器９は、光検出器９の
受光面に入射した光を検出し、その光の持つ情報を電気
的に変換する。また、光検出器９で出力された試料２か
らの光の情報は、表示手段１５に出力される。

【００２１】ポジションセンサー１０から出力されるそ
れぞれの受光面における電流は、演算器１１によって電
流値をその電流に応じた電圧に変換し、ポジションセン
サー１０における光スポットの位置を演算する。また、
演算器１１で演算された結果は、フィードバック手段１
２に出力される。また、圧電駆動素子制御手段１３は、
光プローブ６を試料２の任意の位置に移動するための信
号をフィードバック手段１２に出力し、フィードバック
手段１２で補正され、圧電駆動素子ドライブ１４を制御
している。また、フィードバック手段１２は、ポジショ
ンセンサー１０で検出した実際の光プローブ６の試料と
平行な方向における移動量と、圧電駆動素子制御手段１
３で出力されたＸＹ方向用圧電駆動部材４の駆動信号と
を比較し、光プローブ６の実際の移動量に対して駆動信
号が示す移動量とが異なる場合に、圧電駆動素子ドライ
ブ１４に補正信号を出力する。

【００２２】次に、本発明の実施の一形態の走査型近接
場顕微鏡で行われるＸＹ方向用圧電駆動部材のヒステリ
シスの補正について説明する。まず、最初に、光源１６
を駆動して光プローブ６に光を供給する。また、圧電駆
動素子制御手段１３によって、使用者が観察したい場所
に光プローブ６を移動させるため、その場所までのＸＹ
方向用圧電駆動部材の駆動量に関する駆動信号を出力す
る。その駆動信号はフィードバック手段１２を通って圧
電駆動素子ドライブ１４に入力される。そして、圧電駆
動素子ドライブ１４では、入力された駆動信号に応じた
電圧をＸＹ方向用圧電駆動部材に印加する。また、この
ときに圧電駆動素子ドライブ１４によってＺ方向用圧電
駆動部材５を駆動して試料２に対して光プローブ６を十
分近づける。そして、集光レンズ７およびハーフミラー
８を経た試料２から発せられた光をポジションセンサー
１０で受光する。

【００２３】ところで、本発明の実施の形態でのポジシ
ョンセンサー１０は、図２に示した４分割フォトディテ
クターを用いた。また、設置方法は光プローブ６がＸ方
向に動いた場合、図２のＸ方向に光スポットが動くよう
に設置した。ところで、本発明の実施の形態では、４分
割フォトディテクターをこの様に配置したが、配置方法
はこれに限られず、光スポットを受光できる設置であれ
ば、どの様にしても構わない。他の場合は、一旦光プロ
ーブ６をＸ方向またはＹ方向に移動させ、そのときの光
スポットの位置の変化を記録することで、実際の観察で
動作させるときに光スポットの位置の変化を、先に記録
した光スポットの位置の変化の情報とを対比すること
で、光プローブ６が動いた方向を特定しても構わない。

【００２４】ところで、ポジションセンサー１０のそれ
ぞれの受光面を図２の様にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとする。そし
て、それぞれの受光面から得られる光電流（Ｉａ、Ｉ
ｂ、Ｉｃ、Ｉｄ）を演算器１１で検出する。次に、演算
器１１では、光電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄを電流電圧
変換し、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄとして変換する。この
様にしてそれぞれの受光面における光量を電圧値に変換
する。そして、演算器１１で変換された電圧によって、
ポジションセンサー１０に入射した全光量に対応する電
圧値Ｖ_T、ポジションセンサー１０の中心に対するＸ方
向の偏位量ΔＶ_X、ポジションセンサー１０の中心に対
するＹ方向の偏位量ΔＶ_Yを算出する。Ｖ _Tについては
式１で算出し、ΔＶ_Xについては式２で算出し、ΔＶ_Y
については式３で算出する。

【００２５】

【数１】Ｖ_T＝Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ＋Ｖｄ・・・（式１）

【００２６】

【数２】 ΔＶ_X＝Ｖａ＋Ｖｃ−Ｖｂ−Ｖｄ・・・（式２）

【００２７】

【数３】 ΔＶ_Y＝Ｖａ＋Ｖｂ−Ｖｃ−Ｖｄ・・・（式３）次に、演算器１１でＸ方向Ｙ方向の直交軸の座標で、ポ
ジションセンサー１０の中心に対する光スポットの位置
をＸ方向成分、Ｙ方向成分に分けて算出する。中心から
Ｘ方向成分の偏位量Ｘ’を式４で算出し、中心からＹ方
向成分の偏位量Ｙ’を式５で算出する。

【００２８】

【数４】Ｘ’＝Ａ・ΔＶ_X／Ｖ_T・・・（式４）

【００２９】

【数５】Ｙ’＝Ａ・ΔＶ_Y／Ｖ_T・・・（式５）ところで、式４および式５で用いられているＡは比例定
数で装置構成により決定する。この様にして、演算器１
１では、ポジションセンサー１０のそれぞれの受光面か
らの光電流によって、光プローブが基準の位置からどれ
だけ偏っているかを算出し、フィードバック手段１２に
出力する。

【００３０】次にフィードバック手段１２では、圧電駆
動素子制御手段１３から出力された光プローブの位置信
号と演算器１１から出力されたＸ’、Ｙ’とを比較演算
する。光プローブが圧電駆動素子制御手段１３から出力
された位置信号と同じ場所にある場合に想定されるポジ
ションセンサー１０上の光スポットの位置をＸ₀、Ｙ ₀
とする。そして、圧電駆動素子制御手段１３から出力さ
れた光プローブの位置信号に基づくＸ₀、Ｙ₀に対する
演算器１１から出力されたＸ’、Ｙ’との差をフィード
バック手段で算出する。算出方法は、式６および式７に
基づく。

【００３１】

【数６】 ΔＸ＝Ｘ’−Ｘ₀・・・（式６）

【００３２】

【数７】 ΔＹ＝Ｙ’−Ｙ₀・・・（式７）ところで、式６および式７のΔＸ、ΔＹは、圧電駆動素
子制御手段１３から出力された光プローブの位置と、実
際の光プローブの位置の偏差量を表す。この様にして、
圧電駆動素子制御手段１３から出力された光プローブの
位置信号に対して、実際の光プローブの位置とを比較し
て、その偏差量を算出する。

【００３３】次に、ΔＸ、ΔＹの結果から、これらの値
が０になるように、フィードバック手段１２で圧電駆動
素子制御手段１３から出力された光プローブの位置信号
に修正をかける。そして、フィードバック手段１２で修
正された光プローブの位置信号は圧電駆動素子ドライブ
１３に出力される。圧電駆動素子ドライブ１３は、フィ
ードバック手段１２から得られた光プローブの位置信号
に基づき、ＸＹ方向圧電駆動部材４に電圧を印加する。

【００３４】本発明の実施の一形態では、この様にポジ
ションセンサーを用いて、光プローブの位置を実測する
ことで指令した光プローブの位置との差を検出し、その
差に応じて光プローブの位置制御を行った。ところで、
本発明の実施の一形態では、光プローブの位置を実測す
るポジションセンサーは、試料に対して光プローブとは
反対側に設置したが、これだけに限られず、試料に対し
て光プローブと同じ側に配置しても構わない。特に、試
料が透過しないようなものの時には、試料に対して光プ
ローブと同じ側に配置することが必要になる。

【００３５】また、ポジションセンサーについては、本
発明の実施の一形態では、受光面が４つに分割されたポ
ジションセンサーを用いた。しかし、本発明はこれに限
られず、光プローブから発した光電場が基になって、試
料から発せられた光のスポットの重心が求められるセン
サーであれば構わない。また、本発明の実施の一形態で
は、光検出器９によって、試料２の物理的性質を検出す
るしていたが、この光検出器９を用いずとも、ポジショ
ンセンサー１０から光を検出し、それぞれの受光面から
の光電流の総和による信号によって、試料２の物理的性
質を検出しても構わない。なお、検出できる物理的性質
の一例としては、試料表面の凹凸形状や試料の屈折率分
布などがある。

【００３６】以上、この様な構成を有した走査型近接場
顕微鏡では、ヒステリシスを有する駆動部材、例えば圧
電駆動部材を用いたとしても、圧電駆動部材が持つヒス
テリシスによる光プローブの位置的な誤差を無くすこと
ができた。よって、この様な走査型近接場顕微鏡を用い
れば、得られた観察像は、歪みが無く正確な観察像が得
られる。

【００３７】

【発明の効果】本発明により、プローブと試料とを相対
的に走査する部材にヒステリシスを有する部材を用いた
としても、ヒステリシスの影響を受けることなく、プロ
ーブを正確に所望の位置に移動させることができる。し
たがって、本発明による走査型近接場顕微鏡では、得ら
れた画像に歪み等がなくなり、正確な観察像が得られる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】：本発明に係る実施の一形態を示した概略構成
図である。

【図２】：ポジションセンサー１０の概略図である。

【図３】：従来の走査型近接場顕微鏡の概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１ステージ２試料３コラム４ＸＹ方向圧電駆動部材５Ｚ方向圧電駆動部材６光プローブ７集光レンズ８ハーフミラー９光検出器１０ポジションセンサー１１演算器１２フィードバック手段１３圧電駆動素子制御手段１４圧電駆動素子ドライブ１５表示手段１６光源３１防振台３２チューブ型圧電駆動素子３３試料ステージ３４試料３５プローブ支持部材３６プローブ３７集光レンズ３８センサー３９光ファイバー４０光源４１ＤＡコンバーター４２圧電駆動素子制御手段４３表示手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から発せられる光の波長よりも小さ
い開口径を有したプローブと、試料を載置する試料台と、前記プローブと前記試料台とを相対的に移動させる走査
手段と、前記プローブから発する光電場によって発せられる前記
試料からの光を受光する受光手段と、前記受光手段から得られる信号により前記試料からの光
の位置を算出する位置検出手段と、前記位置検出手段から得られる光の位置情報に基づくプ
ローブの位置情報と前記走査手段に入力されているプロ
ーブの位置情報とを対比し、前記光の位置情報に基づく
プローブの位置情報と前記プローブの位置情報との差異
が無くなるように前記走査手段を補正制御する補正手段
とを備えたことを特徴とするプローブ位置制御装置
【請求項２】前記試料と前記受光手段との間に集光レ
ンズを備えたことを特徴とする請求項１記載のプローブ
位置検出装置
【請求項３】前記走査手段は、圧電駆動素子と前記圧
電駆動素子を制御する制御手段とであることを特徴とす
る請求項１または２記載のプローブ位置制御装置
【請求項４】光源から発せられる光の波長よりも小さ
い開口径を有したプローブと、試料を載置する試料台と、前記プローブと前記試料台とを相対的に移動させる走査
部材と、前記走査部材へ駆動量に関する信号を出力する走査部材
制御手段と、前記プローブから発する光電場によって、発せられる前
記試料からの光を受光する受光手段と、前記受光手段から得られる信号により前記試料からの光
の中心位置を算出する位置検出手段と、前記受光手段から得られる前記試料からの光から試料の
物理的性質を検出する測定検出手段と、前記位置検出手段から得られる光の中心位置の情報と前
記走査手段に入力されている所望の位置情報とを対比
し、前記光の中心位置の情報と所望の位置情報との差異
が無くなるように前記走査部材制御手段からの駆動量を
補正する補正手段とを備えたことを特徴とする走査型近
接場顕微鏡
【請求項５】前記試料と前記受光手段の間に集光レン
ズを備えたことを特徴とする請求項４記載の走査型近接
場顕微鏡
【請求項６】前記試料と前記受光手段との間に、前記
試料からの光をすくなくとも２つに分配する光分配部材
を有し、前記受光手段は、位置検出用受光手段と試料測
定用受光手段とであり、前記光分配部材から射出される一方の光路上には前記位
置検出用受光手段が設けられ、かつ前記分配手段から射
出される他方の光路上には前記試料測定用受光手段が設
けられていることを特徴とする請求項４または５記載の
走査型近接場顕微鏡