JPH11174064A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】探針先端以外の部分からの散乱光の発生を最小
限に抑制することによって、Ｓ／Ｎ比の高い光学情報を
得ることが可能な測定装置を提供する。 【解決手段】ＳＮＯＭ測定用照明装置１００は、支柱１
０６及び支柱に対して可動な可動体１０８内に設けられ
た光入射光学系と、この光入射光学系から射出されたＳ
ＮＯＭ測定用照明光Ｍを探針先端近傍の試料２裏面で全
反射させる全反射プリズム１０２とを備える。そして、
可動体を支柱に対して移動させることによって、相隣る
比較的粗い２つの面で規定された稜を軸として９０°以
上回転させた面（或いは、空間領域）内の任意の位置か
ら探針先端に向けてＳＮＯＭ測定用照明光を入射させる
ことができるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料の表面情報や
光学情報等を測定する測定装置に関する。なお、本発明
の技術分野において、光学情報とは、試料の物性、組
成、形状などに関する情報である。

【０００２】

【従来の技術】現在、試料の表面情報や光学情報等を測
定する測定装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰ
Ｍ）が知られており、このＳＰＭは、プローブ（探針）
を試料表面に対して１μｍ以下まで近接させた際に両者
の間に働く相互作用を検出しながらプローブをＸＹ方向
あるいはＸＹＺ方向に走査することによって、試料の表
面情報を測定する装置であり、例えば、走査型トンネル
顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力
顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）
の総称である。

【０００３】このようなＳＰＭの中で、特に、ＳＮＯＭ
は、１９８０年代以降、“波長より小さい寸法（厚さ）
の領域に局在し、自由空間を伝搬しない”という特性を
有するエバネッセント場（波）を検出することによっ
て、光の回折限界を越える分解能を実現した光学顕微鏡
であり、生体試料の蛍光測定や、フォトニクス用材料及
び素子の評価（誘電体光導波路の各種特性評価、半導体
量子ドットの発光スペクトルの測定、半導体面発光素子
の諸特性の評価など）等への応用をめざして盛んに開発
が進められている。

【０００４】このようなＳＮＯＭには、先端を先鋭化さ
せた光ファイバやガラス棒又は水晶探針のような棒状プ
ローブが用いられており、基本的には測定用照明光が照
射された試料表面に探針を接近させながらプローブを走
査することによって、試料の表面近傍の光の場の状態
（例えば、試料の光学情報）を検出することができるよ
うになっている。例えば、１９９３年１２月２１日付け
でベテッヒ（Betzig）等に付与されたＵＳＰ５，２７
２，３３０号公報には、先鋭化したプローブ先端の微小
開口の近傍にエバネッセント場を発生させた状態におい
て、エバネッセント場を試料に接触させた際、試料を透
過した光の光強度を２次元マッピングすることによっ
て、試料の光学情報（ＳＮＯＭ像）を測定することがで
きるＳＮＯＭが開示されている。

【０００５】一方、ＡＦＭは、カンチレバーの先端に形
成された探針を試料表面に接近又は接触した際に、探針
先端と試料表面との間に働く相互作用力に応じて変位す
るカンチレバーの変位を例えば光学式変位センサを用い
て光学的に検出することによって、試料の表面情報を測
定することができるようになっている。例えば、特開昭
６２−１３０３０２号公報には、試料表面と探針先端と
の間の相互作用力を２次元マッピングすることによっ
て、試料の表面情報（例えば、試料表面の凹凸情報）を
測定することができるＡＦＭが開示されている。なお、
このようなＡＦＭ技術は、他のＳＰＭ装置にも応用され
ており、試料と探針との間の距離を一定に保つための手
段即ちレギュレーションを行なう手段として用いられて
いる。

【０００６】また、例えばファンフルスト（N.F.Van Hu
lst ）等は、ＳＮＯＭ技術を応用することによって、試
料の光学情報をＳＮＯＭ測定しながら同時に試料の表面
情報をＡＦＭ測定することが可能なＳＮＯＭ装置を提案
している（Appl.Phys.Lett.62(50)p.461(1993) 参
照）。即ち、ファンフルスト等のＳＮＯＭ装置では、試
料表面近傍に局在しているエバネッセント場に窒化シリ
コン製のＡＦＭ用プローブ即ちカンチレバーを差し入れ
て、エバネッセント場を散乱させて伝搬光に変換した
際、カンチレバーを透過した光を検出することによって
試料の光学情報がＳＮＯＭ測定されると同時に、カンチ
レバーの変位を検出することによって試料の表面情報が
ＡＦＭ測定される。

【０００７】ところで、ベテッヒやファンフルスト等の
ＳＮＯＭは、いずれもプローブを介して光を伝搬させる
必要上、少なくともプローブ先端は、光学的に透明でな
ければならない。この場合、プローブ先端には、光が通
過可能な開口を形成する必要があるが、先端に開口が形
成されたプローブを大量に、しかも均一な精度で作製す
ることは容易なことではない。

【０００８】特に、超解像度が要求されるＳＮＯＭに
は、通常の光学顕微鏡で実現可能な分解能を越える分解
能が求められており、この要求を満足するためには、プ
ローブ先端の開口径は、少なくとも０．１μｍ以下（好
ましくは、０．０５μｍ以下）であることが必要であ
る。

【０００９】このような限定条件の下、プローブの開口
を再現性良く形成することがは極めて困難である。更
に、開口を通してプローブ内に入射する光の量は、開口
半径の２乗に比例して少なくなるため、ＳＮＯＭ像の分
解能を向上させるように、開口径を小さくすると、逆
に、検出光量が減少してＳ／Ｎ比が悪くなってしまう。

【００１０】そこで、河田等は、特開平６−１３７８４
７号公報において、先端に開口を必要としないプローブ
を備えたＳＮＯＭを提案している。このＳＮＯＭは、試
料の表面近傍に局在しているエバネッセント場をプロー
ブによって散乱させて伝搬光に変換した際、プローブの
外側を伝搬する伝搬光即ち散乱光を例えばプローブの側
方に配置された光検出器で検出することによって、試料
の光学情報を得ることができるようになっている。な
お、このようなＳＮＯＭは、散乱光をＳＮＯＭ情報とし
て検出しているため、散乱モードＳＮＯＭと呼ばれてい
る。

【００１１】また、エバネッセント光に限らず、試料へ
光を入射した際、試料の表面形状などの影響により外側
に向けて進行できない伝搬光が、試料表面近傍において
光の場を形成する場合があり、上述したエバネッセント
場の場合と同様に、この光の場の中に鋭い探針先端を挿
入した際に発生する散乱光を検出することによって、散
乱モードＳＮＯＭ測定を行う技術も報告されている。

【００１２】なお、河田等は、第４２回日本応用物理学
関係連合講演会（予稿集Ｎｏ．３、９１６頁、１９９５
年３月）において、ＳＴＭ用金属探針をプローブに使用
した散乱モードＳＮＯＭ装置を提案している。この散乱
モードＳＮＯＭ装置では、試料表面と探針先端との間の
距離をフィードバック制御している間、試料表面近傍に
局在しているエバネッセント場から散乱した散乱光を探
針及び試料の横方向から観察することによって、ＳＴＭ
測定と同時に散乱モードＳＮＯＭ測定を行っている。更
に、第４３回日本応用物理学関係連合講演会（予稿集Ｎ
ｏ．３、８６７頁、１９９６年３月）において、河田等
は、斜め上方から試料に光を照射した際に、探針先端と
試料表面との間に生じる多重散乱状態を検出することに
よって散乱モードＳＮＯＭ測定が可能であることを報告
している。また、Opt.Lett.20(1995)p.1924 において、
バケロット（Bachelot）等は、先端に開口を必要としな
いプローブを用いた散乱モードＳＮＯＭ装置を報告して
いる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、散乱モードＳ
ＮＯＭ装置において、測定用照明光を入射させた試料表
面に探針を接近させながらプローブを走査する際、測定
用照明光の入射方向によっては、探針の外観構造に起因
して、その探針先端以外の部分からＳＮＯＭ測定に寄与
しない散乱光が発生し、ＳＮＯＭ像のＳ／Ｎ比を低下さ
せてしまう場合がある。

【００１４】特に、探針先端が複数の稜の頂点として構
成されている場合、各稜から無秩序に発生した散乱光に
よってＳＮＯＭ像のＳ／Ｎ比が低下してしまう場合があ
る。また、稜を構成する２つの探針面が共に粗い即ち例
えば化学エッチング（イオンエッチング）されてフラッ
トでない場合、これら探針面から無秩序に発生した散乱
光によってＳＮＯＭ像のＳ／Ｎ比が低下してしまう場合
がある。

【００１５】本発明は、このような問題を解決するため
に成されており、その目的は、探針先端以外の部分から
の散乱光の発生を最小限に抑制することによって、Ｓ／
Ｎ比の高い光学情報を得ることが可能な測定装置を提供
することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、試料近傍に光を照射した際に試料
近傍に形成される光の場に対して、先鋭化した探針先端
を刺し入れた際に発生する散乱光を検出することによっ
て、試料の光学情報を測定可能な測定装置であって、前
記探針先端が複数の面で囲まれた頂点を成している場合
において、相隣る粗い２つの面で規定され且つ前記頂点
を含む稜を軸として稜の外向き２等分面を９０°以上回
転させた面内の任意の位置から前記探針先端に向けて光
を入射させることが可能な光入射光学系が設けられてい
る。

【００１７】また、本発明は、試料近傍に光を照射した
際に試料近傍に形成される光の場に対して、先鋭化した
探針先端を刺し入れた際に発生する散乱光を検出するこ
とによって、試料の光学情報を測定可能な測定装置であ
って、前記探針先端が複数の面で囲まれた頂点を成して
いる場合において、相隣る粗い２つの面によって４分割
された空間領域のうち、前記探針先端が存在する空間領
域内の任意の位置から前記探針先端に向けて光を入射さ
せることが可能な光入射光学系が設けられている。

【００１８】なお、外向き２等分面とは、稜を構成する
面の角を２等分する面のうち稜の外側半分の面を意味す
る。また、粗いとは、例えば化学エッチング（イオンエ
ッチング）等の物理過程で探針を形成した際に、原子オ
ーダにおいて探針の面がフラットになっていないことを
意味する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る測定装置について、添付図面を参照して説明する。図
１に示すように、本実施の形態の測定装置は、ＡＦＭ／
ＳＮＯＭの同時測定を行うことができると共に光学顕微
鏡観察を行うことができるように、後述する光学顕微
鏡、ＡＦＭ測定系、ＳＮＯＭ測定系を組み込んで構成さ
れている。

【００２０】このため、測定装置には、ＳＮＯＭ測定時
にＳＮＯＭ測定用照明光をカンチレバー８の探針１０
（図２参照）先端近傍の試料２裏面側に、探針１０先端
以外の部分からの散乱光の発生を最小限に抑制するよう
に集光させることが可能なＳＮＯＭ測定用照明装置１０
０が設けられている。

【００２１】図１及び図２に示すように、測定装置は、
試料２が載置可能な試料台４を支持し且つこの試料台４
を所定方向に移動させることができる圧電体スキャナ６
と、試料２の表面情報（ＡＦＭ測定情報）及び光学情報
（ＳＮＯＭ測定情報）を検出するためのカンチレバー８
とを備えている。

【００２２】カンチレバー８は、自由端に探針１０が設
けられた短冊形レバー部１２と、このレバー部１２の基
端を支持する支持部１４とから構成されており、探針１
０が対物レンズ１６の視野内に位置付けられるように、
保持手段１８によって保持されている。また、カンチレ
バー８は、単結晶シリコン材料を用いた半導体加工プロ
セスによって作製されており、テトラヘドラル形を成し
ている。即ち、本実施の形態に適用するカンチレバー８
は、その短冊形レバー部１２と探針１０の接合部におい
て、その先端側と両横側に拡がる突出部が無い構造を有
している。

【００２３】探針１０は、四面体形状を成しており、頂
点１０ａは、レバー部１２の先端１２ａの垂直上方に位
置決めされている。そして、レバー部１２の背面（探針
１０が形成されていない側面）には、所定の厚さでアル
ミニウム膜２０がコーティングされている。

【００２４】また、圧電体スキャナ６には、コンピュー
タ２２から出力された走査信号に基づいて、圧電体スキ
ャナ６を駆動するスキャナ駆動回路２４が接続されてい
る。この構成によれば、スキャナ駆動回路２４を介して
走査信号を圧電体スキャナ６に印加することによって、
試料台４と共にこの試料台４上の試料２をＸＹＺ方向に
三次元変位させることが可能となる。

【００２５】また、圧電体スキャナ６は、Ｚ方向に移動
自在の粗動ステージ２６に固定されており、この粗動ス
テージ２６には、コンピータ２２から出力された駆動信
号に基づいて、粗動ステージ２６を駆動する粗動ステー
ジ駆動回路２８が接続されている。

【００２６】この構成によれば、コンピュータ２２から
の駆動信号を粗動ステージ駆動回路２８に入力すること
によって、圧電体スキャナ６をＺ方向に変位させること
が可能となる。このように圧電体スキャナ６を変位させ
ることによって、試料台４上の試料２の大まかな位置合
わせ（例えば、試料２とカンチレバー８との間の大まか
な位置合わせ）を行うことが可能である。

【００２７】次に、測定装置に組み込まれている光学顕
微鏡について説明する。光学顕微鏡には、試料台４上の
試料２に顕微鏡観察用照明光を照射する顕微鏡照明系
と、この顕微鏡照明系からの照明光を試料２に集光する
集光手段と、試料２の観察面を調整するための接眼光学
系とが設けられている。

【００２８】顕微鏡照明系は、顕微鏡観察用照明光を出
射する光源３０と、この光源３０に光ファイバ３２を介
して光学的に接続された照明用鏡筒３４と、この照明用
鏡筒３４内に設けられた照明用ビームスプリッタ３６と
を備えている。

【００２９】照明用ビームスプリッタ３６は、明視野照
明用ハーフプリズム１５０と、円形遮光部１５２ａを有
する暗視野照明用ハーフプリズム１５２とから構成され
ており、これらハーフプリズム１５０，１５２は、夫
々、案内ガイド１５４に沿って移動可能なスライダ１５
６上に搭載されている。そして、スライダ１５６を案内
ガイド１５４に沿って移動させることによって、光路上
に明視野照明用ハーフプリズム１５０又は暗視野照明用
ハーフプリズム１５２のいずれか一方を選択的に位置付
けることができるようになっている（図５参照）。

【００３０】この構成によれば、光ファイバ３２を介し
て照明用鏡筒３４内に導光された照明光は、照明用ビー
ムスプリッタ３６から反射した後、レンズ３８からメイ
ンビームスプリッタ４０に導光される。

【００３１】また、集光手段としては、上記対物レンズ
１６が併用されている。従って、レンズ３８からメイン
ビームスプリッタ４０に導光された照明光は、メインビ
ームスプリッタ４０から反射した後、集光手段即ち対物
レンズ１６によって、試料台４上の試料２に照射され
る。このとき、試料２の表面（観察面）から反射した反
射光（試料表面の像光）は、対物レンズ１６によってメ
インビームスプリッタ４０に照射された後、レンズ３８
及び照明用ビームスプリッタ３６を透過して接眼光学系
に導光される。

【００３２】接眼光学系は、試料２の観察面から反射し
た反射光をＣＣＤカメラ４２に導光するための接眼用ビ
ームスプリッタ４４及び接眼用鏡筒４６と、ＣＣＤカメ
ラ４２に受光された反射光に画像処理を施して、モニタ
ーテレビ４８に表示する画像処理器５０とを備えてい
る。

【００３３】この構成によれば、レンズ３８及び照明用
ビームスプリッタ３６を介して導光された反射光は、接
眼用ビームスプリッタ４４から反射した後、接眼用鏡筒
４６を介してＣＣＤカメラ４２に導光される。この結
果、画像処理器５０によってモニターテレビ４８に試料
２の観察面の画像が表示される。なお、接眼用鏡筒４６
は、Ｚ方向に移動制御された移動ステージ５２に固定さ
れており、この移動ステージ５２を移動させることによ
って、試料２の観察面の高さを調整することができる。

【００３４】次に、測定装置に組み込まれているＡＦＭ
測定系について説明する。ＡＦＭ測定系は、カンチレバ
ー８を所定の共振周波数で励振させながら試料２の表面
情報を測定（ダイナミックモード測定）するように、保
持手段１８に取り付けられた圧電体５４を備えている。

【００３５】圧電体５４には、コンピュータ２２から出
力される励振信号に基づいて、圧電体５４に所定の振幅
且つ周波数の正弦波信号を印加する励振回路５６が接続
されている。

【００３６】この構成によれば、励振回路５６から正弦
波信号を圧電体５４に印加して圧電体５４を励振させる
と、このとき生じる励振運動が、カンチレバー８の支持
部１４を介してレバー部１２に伝達されることによっ
て、レバー部１２を所定の振動振幅で励振させる。この
結果、カンチレバー８の自由端が、所定の振幅及び共振
周波数で振動する。

【００３７】ＡＦＭ測定系には、光てこ方式のカンチレ
バー変位センサが設けられており、このカンチレバー変
位センサは、レバー部１２の背面にＡＦＭ測定光Ｌ１を
照射可能な半導体レーザ５８と、レバー部１２の背面か
ら反射した反射光Ｌ２を受光可能な二分割フォトディテ
クタ６０と、二分割フォトディテクタ６０から出力され
た変位信号に信号処理を施す信号処理回路６２とを備え
ている。また、半導体レーザ５８は、制御回路６４によ
ってレーザー出力が制御されている。

【００３８】この構成によれば、半導体レーザ５８から
レバー部１２にＡＦＭ測定光Ｌ１が照射されたとき、レ
バー部１２から反射した反射光Ｌ２は、二分割フォトデ
ィテクタ６０によって所定の変位信号に変換された後、
信号処理回路６２に入力される。

【００３９】このとき、信号処理回路６２は、入力した
変位信号に基づいて、カンチレバー８の振動振幅が一定
に維持されるように、スキャナ駆動回路２４を介して圧
電体スキャナ６をフィードバック制御する。フィードバ
ック制御中、信号処理回路６２から出力されたフィード
バック信号（即ち、ＡＦＭ信号）は、コンピュータ２２
に取り込まれた後、画像処理が施される。この結果、Ａ
ＦＭ測定情報（試料２の表面情報）がモニタ６６に表示
される。なお、信号処理回路６２は、励振回路５６から
の正弦波信号に基づいて、この正弦波信号の周波数に同
期した信号を取り出すことができるように制御されてい
る。また、光てこの代わりに、例えば臨界角方式の変位
センサを用いても良い。

【００４０】このようなＡＦＭ測定系の測定プロセスに
ついて簡単に説明すると、まず、粗動ステージ２６によ
って試料２とカンチレバー８の探針１０との間の距離を
大まかに調整した後、探針１０が試料２のＡＦＭ測定ポ
イントに位置付けられるように、上述した光学顕微鏡に
よってＡＦＭ測定ポイントを観察しながら、圧電体スキ
ャナ６によって探針１０先端と試料２表面との間の距離
や位置関係を微調整する。次に、圧電体５４によってカ
ンチレバー８の自由端を試料２表面に対して略垂直方向
に一定の振幅で振動させる。この状態で、圧電体スキャ
ナ６によって試料２をＸＹ方向に移動させて、探針１０
先端を試料２表面に沿って相対的にＸＹ走査させる。こ
のとき、光てこ方式のカンチレバー変位センサ（具体的
には、信号処理回路６２）から出力された変位信号に基
づいて、カンチレバー８の振動振幅が一定に維持（探針
１０先端と試料２表面との間の距離が一定に維持）され
るように、スキャナ駆動回路２４を介して圧電体スキャ
ナ６をＺ方向にフィードバック制御する。このようなフ
ィードバック制御中、信号処理回路６２から出力された
フィードバック信号（即ち、ＡＦＭ信号）は、コンピュ
ータ２２に取り込まれた後、画像処理が施される。この
結果、ＡＦＭ測定情報（試料２の表面情報）がモニタ６
６に表示される。

【００４１】次に、測定装置に組み込まれているＳＮＯ
Ｍ測定系について説明する。ＳＮＯＭ測定系には、探針
１０先端以外の部分からの散乱光の発生を最小限に抑制
するように、ＳＮＯＭ測定用照明光Ｍ（図３及び図４参
照）をカンチレバー８の探針１０先端近傍の試料２裏面
側に集光させることが可能なＳＮＯＭ測定用照明装置１
００と、試料２のＳＮＯＭ測定情報（光学情報）を検出
可能なＳＮＯＭ検出ユニット７０とが設けられている。

【００４２】上述したＡＦＭ測定用のカンチレバー８の
探針１０は、一般的に、例えば図２（ｂ）に示すよう
に、イオンエッチングが施された２つの探針面（以下、
イオンエッチング面という）８ａと、化学エッチングが
施された１つの探針面（以下、化学エッチング面とい
う）８ｂとから構成されている。そして、２つのイオン
エッチング面８ａが隣接して形成された稜２００は、ミ
クロ的に見ると滑らかでは無く、若干の凹凸状になって
いる。

【００４３】このような探針１０近傍にＳＮＯＭ測定用
照明光Ｍを入射させたとき、凹凸状の稜２００から無秩
序に散乱した光によって、ＳＮＯＭ像即ちＳＮＯＭ測定
情報（光学情報）のＳ／Ｎ比が低下してしまう場合があ
る。

【００４４】従って、このような稜２００に直接照射さ
せない方向（稜２００を回避する方向）からＳＮＯＭ測
定用照明光Ｍを入射させることが好ましい。具体的に
は、イオンエッチングプロセス等の物理過程において、
上述した稜２００は、２つのイオンエッチング面８ａの
交線２０２よりも内側（図３（ｂ）参照）に形成される
ことが多い。

【００４５】従って、図３（ｂ）に示すように、探針１
０の稜２００が互いに直交するＸＹ軸の交点に位置付け
られており、且つ、カンチレバー８の長手軸がＸ軸に沿
って配置されているものと仮定すると、ＳＮＯＭ測定用
照明光Ｍの入射角θは、以下のように設定することが好
ましい。

【００４６】例えば、カンチレバー８の長手軸（Ｘ軸）
に直交する軸線を直交軸（Ｙ軸）とすると、カンチレバ
ー８の最先端側の稜２００を中心にして、長手軸（Ｘ
軸）からθ＝９０°（直交軸（Ｙ軸））を越えて回転さ
せた空間領域内の任意の位置から探針１０先端に向けて
ＳＮＯＭ測定用照明光Ｍを入射させる。換言すると、探
針１０先端が複数の探針面で囲まれた頂点を成している
場合において、相隣る比較的粗い２つの探針面によって
４分割された空間領域のうち、探針１０先端が存在する
空間領域内の任意の位置から探針１０先端に向けてＳＮ
ＯＭ測定用照明光Ｍを入射させる。

【００４７】即ち、９０°＜θ＜１８０°、更に好まし
くは、９５°＜θ＜１８０°の範囲に入射角θを設定す
れば良い。従って、本実施の形態に適用したＳＮＯＭ測
定用照明装置１００は、上述したような入射角θでＳＮ
ＯＭ測定用照明光Ｍを入射させることができるように、
以下のように構成されている。

【００４８】図１及び図４に示すように、ＳＮＯＭ測定
用照明装置１００は、探針１０先端に対する光入射位置
及び光入射角θの調整機能を有する光入射光学系と、こ
の光入射光学系から射出されたＳＮＯＭ測定用照明光Ｍ
を探針１０先端近傍の試料２裏面で全反射させる全反射
プリズム（直角プリズム）１０２とを備えており、これ
ら光入射光学系及び全反射プリズム１０２は、共に、粗
動ステージ２６上に配置された照明ユニット１０４内に
設けられている。

【００４９】照明ユニット１０４は、粗動ステージ２６
上に固定された支柱１０６と、この支柱１０６に対して
図中矢印Ｒ方向に回動可能であって且つ図中矢印Ｄ方向
（図面上では、Ｘ軸方向）に往復動可能な可動体１０８
とから構成されている。

【００５０】全反射プリズム１０２は、支柱１０６から
延出したアーム１０６ａの先端に支持されており、試料
台４に形成された開口４ａから露出されている。そし
て、試料２を試料台４上に載置する場合、全反射プリズ
ム１０２の上面に適量のマッチングオイル１１０を垂ら
した後、試料２をセットした例えばスライドガラス１１
２を試料台４上に載置する。この結果、スライドガラス
１１２と全反射プリズム１０２とは、光学的に結合され
る。

【００５１】この場合、全反射プリズム１０２は、アー
ム１０６ａによって試料台４とは独立して支持されてい
るため、圧電体スキャナ６を駆動させている間、試料台
４の移動に影響されること無く不動に保たれる。

【００５２】一方、光入射光学系は、可動体１０８に内
蔵されており、レーザー光源１１４からファイバ１１６
を介して導光されたＳＮＯＭ測定用照明光Ｍを平行光束
に規制するコリメーターレンズ１１８と、このコリメー
ターレンズ１１８によって平行光束に規制されたＳＮＯ
Ｍ測定用照明光Ｍを反射する固定ミラー１２０と、この
固定ミラー１２０から反射されたＳＮＯＭ測定用照明光
Ｍを全反射プリズム１０２方向（探針１０先端近傍の試
料２裏面方向）に反射する可動ミラー１２２とを備えて
いる。

【００５３】可動ミラー１２２は、探針１０先端に対す
る入射光の俯角（又は、仰角）を調整（入射位置調整）
することができるように、図中矢印Ｔ方向に回動可能で
あって且つ図中矢印Ｈ方向（図面上では、Ｚ軸方向）に
往復動可能になっている。

【００５４】このようなＳＮＯＭ測定用照明装置１００
によれば、可動ミラー１２２を矢印Ｔ方向及びＨ方向に
移動調整することによって、探針１０先端に対する入射
光の俯角（又は、仰角）を調整（入射位置調整）するこ
とができると共に、支柱１０６に対して可動体１０８を
矢印Ｒ方向及びＤ方向に移動調整することによって、探
針１０先端に対するＳＮＯＭ測定用照明光Ｍの入射角θ
を調整することができる。

【００５５】即ち、図３（ｂ）に示すような入射角θ
で、ＳＮＯＭ測定用照明光Ｍを探針１０先端近傍の試料
２裏面に入射させることができる。また、ＳＮＯＭ検出
ユニット７０は、ＳＮＯＭ測定用照明光Ｍを試料２に照
射している状態において、粗動ステージ２６を駆動して
試料２に対して探針１０を相対的に接近走査させた際、
探針１０によって散乱した散乱光Ｓ（図３（ａ）参照）
を集光させる集光手段と、この集光手段によって集光し
た散乱光Ｓを検出する光検出手段とを備えている。

【００５６】集光手段としては、上記対物レンズ１６が
併用されている。従って、探針１０によって散乱した散
乱光Ｓ（探針１０先端近傍からの散乱光）のうち、対物
レンズ１６の視野内の散乱光Ｓが、対物レンズ１６によ
って光検出手段方向へ集光されることになる。

【００５７】光検出手段は、入射光を電気信号に変換し
て増幅する光電子増倍管７６と、対物レンズ１６によっ
て集光された散乱光Ｓを光電子増倍管７６に導光するレ
ンズ群７８とを備えている。なお、光電子増倍管７６
は、制御器８０によって制御されている。

【００５８】このような構成によれば、ＳＮＯＭ測定用
照明光Ｍを探針１０先端近傍の試料２裏面に所定の入射
角θ（図３（ｂ）参照）で照射して、試料２の表面近傍
にエバネッセント場（波）を局在させた状態において、
一定の振動振幅でカンチレバー８を励振させながら探針
１０を試料２の表面に沿って走査している間（ＡＦＭ測
定中）、エバネッセント場（波）に刺し入れられた探針
１０によって散乱した散乱光Ｓは、対物レンズ１６を介
して集光する。

【００５９】このとき、探針１０先端近傍から発生する
散乱光Ｓは、探針１０先端以外の部分からの散乱光の発
生が最小限に抑制されたものとなっている。そして、こ
のような散乱光Ｓは、可回転式偏光子１６０によって特
定偏光成分が抽出された後、メインビームスプリッタ４
０及びレンズ群７８からピンホール１６２を介して光電
子増倍管７６に導光される。このとき、光電子増倍管７
６から出力された電気信号は、アンプ８２によって増幅
された後、ロックインアンプ８４に入力される。なお、
ピンホール１６２は、対物レンズ１６とレンズ群７８に
対して、探針１０先端と光学的に共役な位置に配置され
ており、探針１０先端近傍で発生した散乱光以外の成分
をできるだけカットするようになっている。

【００６０】ロックインアンプ８４は、上記励振回路５
６からの正弦波信号に基づいて、この正弦波信号の周波
数に同期した電気信号即ち光学情報信号を抽出すること
ができるように制御されている。

【００６１】この後、ロックインアンプ８４から出力さ
れた光学情報信号（即ち、ＳＮＯＭ信号）が、コンピュ
ータ２２によって信号処理が施されることによって、試
料２の光学情報（ＳＮＯＭ測定情報）がモニタ６６に表
示される。

【００６２】このようなＳＮＯＭ測定中、全反射プリズ
ム１０２から反射した反射光は、フォトディテクタ１６
４によって、その光強度が検出され、例えばＳＮＯＭ測
定用照明光Ｍが正しく全反射されているか否かの確認が
行われる。

【００６３】なお、図３（ａ）には、図面の簡略化のた
め、試料２及びスライドガラス１１２は省略されてい
る。このように本実施の形態に適用したＳＮＯＭ測定系
によれば、稜２００に直接照射させない方向（稜２００
を回避する方向）、即ち、稜２００を中心にして長手軸
（Ｘ軸）からθ＝９０°（直交軸（Ｙ軸））を越えて回
転させた空間領域内の任意の位置（図３（ｂ）参照）か
らＳＮＯＭ測定用照明光Ｍを入射させることによって、
探針１０先端以外の部分からの散乱光の発生を最小限に
抑制することができる。このため、Ｓ／Ｎ比の高い光学
情報（ＳＮＯＭ像）を得ることが可能となる。

【００６４】また、ＳＮＯＭ測定用照明光Ｍの入射角θ
の調整は、ＳＮＯＭ測定用照明装置１００の可動体１０
８を移動調整する調整するだけで簡単に行うことができ
る。このため、Ｓ／Ｎ比の高い光学情報（ＳＮＯＭ像）
が得られるように、探針１０先端からの散乱光の強度を
測定環境や測定目的に対応して容易に上げることが可能
となる。

【００６５】更に、本実施の形態において、探針１０先
端とピンホール１６２とが共役な位置に配置されている
ため、光学顕微鏡観察照明の下でも、探針１０先端から
散乱する微小な散乱光を検知することが可能であり、こ
の結果、試料２の顕微鏡像と光学情報（ＳＮＯＭ像）と
の同時観察が可能となる。

【００６６】なお、上述した実施の形態において、光学
顕微鏡は、ＡＦＭ測定ポイントに対する探針１０の位置
合わせに用いるだけでなく、種々の光学的観察に利用す
ることができる。例えば、試料２の観察位置の特定、カ
ンチレバー変位センサのＡＦＭ測定光Ｌ１の照射位置の
確認などに用いることができる。なお、このような観察
目的に対応すれば、光学顕微鏡に代えて、例えば、実体
顕微鏡、ルーペ、電子顕微鏡などの他の観察手段を用い
ることも可能である。

【００６７】また、上述した実施の形態では、ダイナミ
ックモードＡＦＭについて説明したが、スタティックモ
ードＡＦＭにも本実施の形態の測定装置を適用すること
が可能である。この場合には、カンチレバー８は、励振
させず、試料２表面に探針１０先端が接近した際に生じ
るカンチレバー８の変位（Ｚ方向変位）を検出し、この
検出値（試料２表面と探針１０先端との間の距離）を一
定に維持するようにフィードバック制御しながら、探針
１０を試料２に沿ってＸＹ走査することによって、ＡＦ
Ｍ測定が行われる。そして、このようなスタティックモ
ードＡＦＭ測定中、上述した実施の形態と同様に、エバ
ネッセント場（波）に刺し入れられた探針１０によって
散乱した散乱光Ｓを取り込むことによって、光学情報
（ＳＮＯＭ像）を得ることができる。

【００６８】また、上述した実施の形態では、試料２裏
面にＳＮＯＭ測定用照明光Ｍを入射させた際、試料２表
面に局在しているエバネッセント場（波）からＳＮＯＭ
情報を得ているが、これに限定されることは無く、例え
ば、図６に示すように、試料２表面にＳＮＯＭ測定用照
明光Ｍを入射させ、このとき試料２表面に局在するエバ
ネッセント場（波）からＳＮＯＭ情報を得るように構成
しても良い。この場合には、全反射プリズム１０２は必
ずしも必要では無く、可動ミラー１２２によってＳＮＯ
Ｍ測定用照明光Ｍを試料２表面に直接入射させれば良
い。但し、この場合にも、上述した実施の形態と同様
に、探針１０先端以外の部分からの散乱光の発生を最小
限に抑制するように、探針１０先端に対するＳＮＯＭ測
定用照明光Ｍの入射位置及び入射角θを夫々調整する。

【００６９】また、上述した実施の形態では、イオンエ
ッチングされた２つの探針面８ａを有する探針１０が設
けられたカンチレバー８を用いて説明したが、他の方法
（原子オーダではフラットに形成できない加工方向）で
形成された粗い２つの探針面８ａを有する探針１０が設
けられたカンチレバー８にも本実施の形態の測定装置を
適用することができる。

【００７０】なお、本明細書中には、以下の発明が含ま
れる。 （１） 試料近傍に光を照射した際に試料近傍に形成さ
れる光の場に対して、先鋭化した探針先端を刺し入れた
際に発生する散乱光を検出することによって、試料の光
学情報を測定可能な測定装置であって、前記探針先端が
複数の面で囲まれた頂点を成している場合において、相
隣る粗い２つの面で規定され且つ前記頂点を含む稜を軸
として稜の外向き２等分面を９０°以上回転させた面内
の任意の位置から前記探針先端に向けて光を入射させる
ことが可能な光入射光学系が設けられている。 （構成）この発明は、一実施の形態（図１〜図５）並び
に変形例（図６）を含めた本発明の上位概念に対応す
る。

【００７１】光入射光学系は、例えば図１，図４及び図
６に示すように、支柱１０６に対して図中矢印Ｒ方向に
回動可能であって且つ図中矢印Ｄ方向（図面上では、Ｘ
軸方向）に往復動可能な可動体１０８に内蔵されてお
り、コリメーターレンズ１１８と、固定ミラー１２０
と、探針１０先端に対するＳＮＯＭ測定用照明光Ｍの俯
角（又は、仰角）を調整（入射位置調整）することがで
きるように、図中矢印Ｔ方向に回動可能であって且つ図
中矢印Ｈ方向（図面上では、Ｚ軸方向）に往復動可能な
可動ミラー１２２とを備えている。 （作用効果）この発明によれば、可動体１０８を矢印Ｒ
方向及びＤ方向に移動調整するだけで、探針先端以外の
部分からの散乱光の発生を最小限に抑制することができ
る。このため、Ｓ／Ｎ比の高い光学情報（ＳＮＯＭ像）
を得ることが可能となる。 （２） 試料近傍に光を照射した際に試料近傍に形成さ
れる光の場に対して、先鋭化した探針先端を刺し入れた
際に発生する散乱光を検出することによって、試料の光
学情報を測定可能な測定装置であって、前記探針先端が
複数の面で囲まれた頂点を成している場合において、相
隣る粗い２つの面によって４分割された空間領域のう
ち、前記探針先端が存在する空間領域内の任意の位置か
ら前記探針先端に向けて光を入射させることが可能な光
入射光学系が設けられている。 （構成）この発明は、一実施の形態（図１〜図５）並び
に変形例（図６）を含めた本発明の上位概念に対応す
る。 （作用効果）この発明によれば、例えば図３に示すよう
に、稜２００に直接照射させない方向（稜２００を回避
する方向）からＳＮＯＭ測定用照明光Ｍを入射させるこ
とができるため、探針先端以外の部分からの散乱光の発
生を最小限に抑制することができる。このため、Ｓ／Ｎ
比の高い光学情報（ＳＮＯＭ像）を得ることが可能とな
る。 （３） 前記探針先端を構成する複数の面のうち、相隣
る粗い２つの面が、夫々、物理過程で生成されているこ
とを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の測定装
置。 （構成）この発明は、一実施の形態（図１〜図５）並び
に変形例（図６）を含めた本発明の上位概念に対応す
る。 （作用効果）この発明によれば、ミクロ的に見ると滑ら
かでは無く、若干の凹凸状の稜に直接照射させない方向
（稜２００を回避する方向）からＳＮＯＭ測定用照明光
Ｍを入射させることができるため、Ｓ／Ｎ比の高い光学
情報（ＳＮＯＭ像）を得ることが可能となる。 （４） 前記光入射光学系には、前記探針先端に対する
入射光の入射位置を調整可能な可動ミラーが設けられて
いることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の測
定装置。 （構成）この発明は、一実施の形態（図１〜図５）並び
に変形例（図６）を含めた本発明の上位概念に対応す
る。

【００７２】可動ミラー１２２は、探針１０先端に対す
る入射光の俯角（又は、仰角）を調整（入射位置調整）
することができるように、図中矢印Ｔ方向に回動可能で
あって且つ図中矢印Ｈ方向（図面上では、Ｚ軸方向）に
往復動可能になっている。 （作用効果）この発明によれば、可動ミラー１２２を矢
印Ｔ方向及びＨ方向に移動調整することによって、探針
１０先端に対する入射光の俯角（又は、仰角）を調整
（入射位置調整）することができる。

【００７３】

【発明の効果】本発明によれば、探針先端以外の部分か
らの散乱光の発生を最小限に抑制することによって、Ｓ
／Ｎ比の高い光学情報を得ることが可能な測定装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る測定装置の全体の
構成を示す図。

【図２】（ａ）は、測定装置に設けられたカンチレバー
の斜視図、（ｂ）は、カンチレバーの探針の部分を拡大
して示す図。

【図３】（ａ）は、ＳＮＯＭ測定用照明光が、探針の稜
に直接照射させない方向（稜を回避する方向）から入射
している状態を示す斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）を探
針先端側から見た図。

【図４】測定装置に設けられたＳＮＯＭ測定用照明装置
の構成を示す斜視図。

【図５】測定装置に設けられた照明用ビームスプリッタ
の構成を示す斜視図。

【図６】本発明の変形例に係る測定装置に設けられたＳ
ＮＯＭ測定用照明装置の主要な構成を示す図。

【符号の説明】

２ 試料 １０ 探針 １００ ＳＮＯＭ測定用照明装置 １０２ 全反射プリズム １０６ 支柱 １０８ 可動体 Ｍ ＳＮＯＭ測定用照明光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料近傍に光を照射した際に試料近傍に
   形成される光の場に対して、先鋭化した探針先端を刺し
   入れた際に発生する散乱光を検出することによって、試
   料の光学情報を測定可能な測定装置であって、 前記探針先端が複数の面で囲まれた頂点を成している場
   合において、相隣る粗い２つの面で規定され且つ前記頂
   点を含む稜を軸として稜の外向き２等分面を９０°以上
   回転させた面内の任意の位置から前記探針先端に向けて
   光を入射させることが可能な光入射光学系が設けられて
   いることを特徴とする測定装置。
2. 【請求項２】 試料近傍に光を照射した際に試料近傍に
   形成される光の場に対して、先鋭化した探針先端を刺し
   入れた際に発生する散乱光を検出することによって、試
   料の光学情報を測定可能な測定装置であって、 前記探針先端が複数の面で囲まれた頂点を成している場
   合において、相隣る粗い２つの面によって４分割された
   空間領域のうち、前記探針先端が存在する空間領域内の
   任意の位置から前記探針先端に向けて光を入射させるこ
   とが可能な光入射光学系が設けられていることを特徴と
   する測定装置。