JPH11160329A - プローブ位置制御装置および近接場光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料に近接させて配置されるプローブの先端
と試料表面との間隔を、プローブに働くせん断応力に基
づき簡便に制御する。 【解決手段】 光ファイバプローブ10の先端部に第一ピ
エゾ素子11を備え、振動させつつ試料Ｓの表面に先端19
を近づけていく、金属膜17が蒸着されている光ファイバ
プローブ先端部から所定位置に配された静電プローブ14
と静電容量測定回路15からなる静電容量測定装置16によ
り光ファイバプローブ10と静電プローブ14との間の静電
容量を測定し、該静電容量の測定値に基づいて、第二ピ
エゾ素子13からなる移動手段により試料支持台12をＺ方
向に移動させてプローブ先端19と試料表面との間隔を制
御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面とプロー
ブ先端との間隔を制御するプローブ位置制御装置に関す
るものである。

【０００２】また、本発明は、上記プローブ位置制御装
置を備えた近接場光学顕微鏡に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】従来用いられてきた光学顕微鏡の分解能
は光（可視光）の回折効果により制限される。すなわ
ち、試料により散乱された光をレンズで集め、結像させ
ようとすると光がわずかに広がり、像がぼけてしまう。
そのぼけの大きさは光の波長程度であるので、光学顕微
鏡では光の波長（可視光の波長は約390 〜760 ナノメー
トル）以下の寸法の試料は観察できない。

【０００４】しかし、近年になってフォトン走査トンネ
ル顕微鏡（ＰＳＴＭ）と呼ばれ、上記の回折限界を打破
する光学顕微鏡（近接場光学顕微鏡）が出現した。例え
ば、コレクション型と称されるＰＳＴＭでは、試料表面
で光が全反射するとき、表面の近く（表面から光の波長
程度以内の”近接場”とよばれる領域）に発生するエバ
ネッセント波により生じるエバネッセント場を利用す
る。エバネッセント場の光強度は表面から離れるにつれ
て急激に減少するが、表面にわずかな凹凸がある場合に
も表面に沿って存在する。すなわち、エバネッセント場
は物体表面の形状や構造を反映するものである。このエ
バネッセント場を先端の鋭いプローブ（針）で散乱さ
せ、散乱光強度を測定する。プローブを試料表面上で走
査し、試料表面の各位置における散乱光強度を測定する
ことにより、物体の形状や構造についての情報を得るこ
とができる。この測定の分解能はエバネッセント場の散
乱領域の大きさによって決まる。すなわち、プローブ先
端の開口径等によって分解能が決まるので、これが光の
波長以下であれば従来の光学顕微鏡の回折限界を打破す
ることができるのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このようなフォトン走
査トンネル顕微鏡においては、試料表面から光の波長以
下の領域に生じるエバネッセント場の散乱光を利用する
ものであるため、プローブ先端が常に試料表面の近接場
領域にあるようにして試料表面を走査する必要がある。
従って、フォトン走査トンネル顕微鏡においては、プロ
ーブ先端と試料表面との間隔の制御が非常に重要であ
る。

【０００６】このプローブと試料との位置関係の制御
は、プローブに働くシアーフォース（せん断応力）を検
出して行われるのが一般的である。具体的には次のよう
にして制御する。プローブをピエゾ素子を用いて振動さ
せ、共振状態として徐々に試料に近づける。プローブ先
端と試料表面との距離が徐々に近づき10nm以下程度にな
ると両者の間にファンデルワールス力が働き始め、これ
によってプローブにせん断応力が働く。このせん断応力
と共にプローブの振動振幅が変化するので、この振動振
幅を測定することにより間接的にせん断応力を検出でき
る。このプローブの振幅が常にある所定の大きさとなる
ように調整することにより、プローブと試料との間隔が
所定の間隔に維持される。

【０００７】このプローブの振幅を測定する方法として
従来用いられているのは、プローブにレーザ光を照射
し、そのとき生じる反射光の回折パターンを測定すると
いうものである。しかしながら、レーザ光を用いて行う
振幅測定では光軸調整が煩雑であり、また振幅測定用の
光がノイズを生じさせるという欠点がある。

【０００８】なお、上述のフォトン走査トンネル顕微鏡
の場合のみならず、試料に対して近接させて配置される
プローブと試料表面との間隔調整を必要とする種々の装
置において、プローブと試料表面との間隔をより簡便に
調節可能とすることが望まれている。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あって、プローブの位置制御をせん断応力を用いて行う
場合に、光を用いることなくこのせん断応力を測定して
プローブと試料表面との間隔を制御することができるプ
ローブ位置制御装置を提供することを目的とする。

【００１０】また、本発明は、上記プローブ位置制御装
置を備えた近接場光学顕微鏡を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のプローブ位置制
御装置は、先端部に金属部を有し、先端を試料に近接さ
せて配置されたプローブの先端と前記試料との間隔を制
御するプローブ位置制御装置であって、前記プローブを
共振周波数で振動させるプローブ振動手段と、前記プロ
ーブをその先端が前記試料表面に対して離間もしくは近
接する方向に相対移動させる移動手段と、前記プローブ
の前記金属部との距離を間に所定距離をおいて配された
電極手段を有し、該電極手段と前記プローブとの間の静
電容量を測定する静電容量測定手段と、前記振動手段に
より前記プローブを振動せしめた状態の下で前記静電容
量測定手段により測定した前記静電容量のうち、前記プ
ローブの振動振幅に依存して変化する静電容量に基づい
て前記移動手段を制御する制御手段とを備えたことを特
徴とするものである。

【００１２】なお、前記プローブが前記試料表面を二次
元走査するものである場合には、前記制御手段が、前記
試料表面の各位置における前記プローブの振動振幅に依
存して変化する静電容量が所定値となるように前記プロ
ーブを前記試料に対して相対移動せしめるものであるこ
とが望ましい。

【００１３】ここで、前記「近接させて」とは、プロー
ブ先端と試料表面との間にファンデルワールス力が働く
程度に近接させることをいう。

【００１４】前記「電極手段」とは、前記金属部と共に
コンデンサーを形成するものであり、具体的には金属プ
ローブ（静電プローブ）などが用いられる。

【００１５】前記「依存して変化する」とは、プローブ
と試料表面との間に生じるファンデルワールス力により
変化するプローブの振動振幅の大きさに伴って変化する
との意である。

【００１６】すなわち、本発明は、振動しているプロー
ブに対して試料と該プローブが近接するときに生じるフ
ァンデルワールス力により働くせん断応力を、プローブ
振動の振幅変化に依存して変化する静電容量を測定する
ことにより間接的に測定し、プローブ先端と表面との位
置関係を得、両者の間隔が所定値となるように制御する
ものである。

【００１７】本発明の近接場光学顕微鏡は、近接場光を
利用して試料を観察する近接場光学顕微鏡であって、上
述のプローブ位置制御装置を備えたことを特徴とするも
のである。

【００１８】近接場光学顕微鏡において一般に用いられ
ているプローブは、光ファイバプローブである。この光
ファイバプローブは、コアを尖鋭化し、先端部に金属膜
を配し、金属膜に微小開口を設けて先端を露出させて形
成されるものであり、この場合、先端部に蒸着された金
属膜が前記金属部を構成する。

【００１９】

【発明の効果】本発明のプローブ位置制御装置は、プロ
ーブの金属部と該金属部に対して所定距離の位置に配さ
れた電極との間の静電容量を測定する静電容量測定手段
を備え、振動しているプローブに働くせん断応力を静電
容量を介して求めるものであるため、従来せん断応力の
測定に光を用いていた場合に問題となっていた光軸調整
の手間を削減できる。従って、プローブと試料との間隔
を簡便に測定することができ、その間隔調整が容易とな
る。また、従来光を用いてせん断応力測定を行ったいた
場合に測定用の光が近接場光測定装置におけるノイズの
原因となっていたが、本発明のプローブ位置制御装置は
せん断応力の測定に光を用いないため従来と比較して近
接場光測定装置におけるノイズを低減することができ
る。

【００２０】本発明の近接場光学顕微鏡は、上述のプロ
ーブ位置制御装置を備えたことにより、プローブと試料
との間隔調整を簡便に行いつつ観測ができるようにな
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は本発明の第一の実施
形態に係るプローブ位置制御装置である。

【００２２】本プローブ位置制御装置は、先端を試料Ｓ
の表面に近接させて配置されている光ファイバプローブ
10を振動させる第一ピエゾ素子11と、試料Ｓを支持する
支持台12を図中Ｚ方向（−Ｚ方向）に移動せしめ、光フ
ァイバプローブ10を試料表面に対して近接せしめる方向
もしくは離間せしめる方向に相対移動せしめる第二ピエ
ゾ素子13、光ファイバプローブ10に所定距離で配置され
た静電プローブ14および静電容量測定回路15を含む静電
容量測定装置16とを備えている。

【００２３】ここで用いられている光ファイバプローブ
10は、光ファイバのコア先端を尖鋭化し、その後光ファ
イバの先端部に金属膜17を蒸着し、先端のみから蒸着膜
を除去してコアの先端を露出させたものである。このと
き、金属膜17の除去された部分が微小開口18を構成し、
その開口18からさらにコアの先端19が突出した形状とな
っている。

【００２４】以下に、本プローブ位置制御装置の作用を
説明する。

【００２５】まず、共に電極を構成する光ファイバプロ
ーブの金属膜17と静電プローブ14との間の静電容量を静
電容量測定回路15により測定しながら、その値が初期設
定値となるように第一ピエゾ素子11に電圧を印加してお
く。これは、光ファイバプローブ10の振動中心位置と静
電プローブ14との距離を初期設定値に設定するためであ
る。

【００２６】第一ピエゾ素子11に変調信号ｆを印加して
光ファイバプローブ10をＹ方向に振動させる。このと
き、周波数ｆは光ファイバプローブ10の共振周波数に設
定しておく。光ファイバプローブ10を振動させた状態で
光ファイバプローブ10と静電プローブ14との間の静電容
量を測定する。静電容量測定回路15におけるＬＣ発振器
からの測定信号のうち、低周波成分のみをローバスフィ
ルタ（ＬＰ）22で抽出して第一ピエゾ素子11に対するフ
ィードバック信号として用い、その低周波成分が０とな
るようにバイアス印加手段25により第一ピエゾ素子11に
バイアスを加える。これによって、振動の低周波成分に
よる静電プローブ14と光ファイバプローブ10の振動中心
位置との距離変化を防ぎ、両者間の距離が一定に保たれ
る。

【００２７】光ファイバプローブ10が周波数ｆで振動せ
しめられているため、この振動に依存して当該光ファイ
バプローブ10と静電プローブ14との間の静電容量も周波
数ｆで周期的に変化する。そこで、静電容量測定回路15
からの測定信号のうち、周波数ｆの成分をロックインア
ンプ23によりロックイン検出する。ここで得られる静電
容量の変化は、光ファイバプローブ10と試料表面との距
離に依存して変化する振動振幅の変化に依存するもので
ある。

【００２８】差動アンプ24により、ロックイン検出され
た測定信号を予め定められている所定値と比較して、測
定信号が所定値となるように第二ピエゾ素子13にフィー
ドバック電圧を印加して試料Ｓを支持する支持台12を上
下方向（Ｚ方向）に移動させる。このようにして、試料
表面と光ファイバプローブ先端19との距離を一定に保つ
ことができる。すなわち、本実施形態においては、ロッ
クインアンプ23と作動アンプ24とにより制御手段が構成
される。

【００２９】なお、上記実施形態においては、光ファイ
バプローブ10に生じる低周波成分による影響を第一ピエ
ゾ素子11に電圧を印加することによって除去したが、図
２に示すように、静電プローブ14のＹ方向位置を制御す
る第三のピエゾ素子26を備え、バイアス印加手段25によ
り該第三のピエゾ素子26に対してバイアスを加えるよう
にして、振動の低周波成分による、静電プローブ14と光
ファイバプローブ10の振動中心位置との間の距離変動を
静電プローブ14を移動せしめることにより補正してもよ
い。

【００３０】次に、本発明の近接場光学顕微鏡を図３に
示す。図３に示すように本実施形態にかかる近接場光学
顕微鏡は、一般の近接場光学顕微鏡にプローブと試料表
面との距離間隔を調整する上述の第一の実施形態のプロ
ーブ位置制御装置を設けたことを特徴とするものであ
る。

【００３１】本近接場光学顕微鏡の作用を以下に説明す
る。半導体レーザ等の光源31から出射されるプローブ光
Ｌp は、レンズ32および33を経て光ファイバプローブ10
の基端から入力せしめられる。このプローブ光Ｌp によ
ってプローブ先端にエバネッセント場が生じ、このエバ
ネッセント場が試料表面と相互作用することにより散乱
光Ｌs が生じる。この散乱光Ｌs を検出器35によって検
出し、検出された信号はコントローラ36に内包されるデ
ータ処理部において処理され、ＣＲＴ等の画像表示装置
37に出力される。プローブ先端19を試料表面を二次元的
に走査させることにより表面の二次元的な形状および構
造に基づく信号を得て画像表示装置37において試料表面
を観察する。

【００３２】ここで、試料支持台12に備えられているピ
エゾ素子39は、Ｚ方向のみならずＸ方向およびＹ方向に
も支持台12を移動せしめるＸＹＺピエゾ素子であり、コ
ントローラ36によって制御されている。なお、上述の第
一の実施形態で説明した、プローブの位置制御のため
の、静電容量測定回路、ローパスフィルタ、ロックイン
アンプ等は全てコントローラ36に内包されている。従っ
て、コントローラ36によって、試料表面とプローブ先端
19との距離測定のためにプローブ10が振動せしめられ、
該プローブ10と静電プローブ14との間の静電容量が測定
され、該測定値をフィードバック信号として位置制御が
行われる。

【００３３】なお、上記実施形態においては、特に光フ
ァイバプローブを用いた近接場光学顕微鏡における位置
制御装置について説明したがこのような顕微鏡に限ら
ず、本発明の位置制御装置は、近接場光を利用し、プロ
ーブ先端と試料表面との調節を必要とする種々の装置に
おいて用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態に係るプローブ位置制
御装置の概略図

【図２】本発明の第二の実施形態に係るプローブ位置制
御装置の概略図

【図３】本発明の第一の実施形態の近接場光学顕微鏡の
概略図

【符号の説明】

10 光ファイバプローブ 11 第一ピエゾ素子 12 試料支持台 13 第二ピエゾ素子 14 静電プローブ 15 静電容量測定回路 16 静電容量測定装置 17 金属膜 18 微小開口 19 プローブ先端

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端部に金属部を有し、先端を試料に近
   接させて配置されたプローブの先端と前記試料との間隔
   を制御するプローブ位置制御装置であって、 前記プローブを共振周波数で振動させるプローブ振動手
   段と、 前記プローブをその先端が前記試料表面に対して離間も
   しくは近接する方向に相対移動させる移動手段と、 前記プローブの前記金属部との間に所定距離をおいて配
   された電極手段を有し、該電極手段と前記プローブとの
   間の静電容量を測定する静電容量測定手段と、 前記振動手段により前記プローブを振動せしめた状態の
   下で前記静電容量測定手段により測定した前記静電容量
   のうち、前記プローブの振動振幅に依存して変化する静
   電容量に基づいて前記移動手段を制御する制御手段とを
   備えたことを特徴とするプローブ位置制御装置。
2. 【請求項２】 前記プローブが、前記試料表面を二次元
   走査するものであり、 前記移動手段が、前記試料表面の各位置における前記プ
   ローブの振動振幅に依存して変化する静電容量所定値と
   なるように前記プローブを前記試料に対して相対移動せ
   しめるものであることを特徴とする請求項１記載のプロ
   ーブ位置制御装置。
3. 【請求項３】 近接場光を利用して試料を観察する近接
   場光学顕微鏡であって、請求項１または２記載のプロー
   ブ位置制御装置を備えたことを特徴とする近接場光学顕
   微鏡。