JPH11316240A - 走査型近接場光学顕微鏡 - Google Patents

走査型近接場光学顕微鏡

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JPH11316240A
JPH11316240A JP10122198A JP12219898A JPH11316240A JP H11316240 A JPH11316240 A JP H11316240A JP 10122198 A JP10122198 A JP 10122198A JP 12219898 A JP12219898 A JP 12219898A JP H11316240 A JPH11316240 A JP H11316240A
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light
optical microscope
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JP10122198A
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Takeshi Onada
毅 小灘
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】探針を励振させる周波数とは異なる特定の周波
数成分を検出することによって、ノイズを低減させたＳ
／Ｎ比の高い測定データを得ることが可能な走査型近接
場光学顕微鏡を提供する。 【解決手段】試料１の観察対象部位の近傍に配置された
探針２と、この探針と試料を相対的に移動させて試料の
観察対象部位を走査するスキャナ５と、探針と試料との
間の相互作用に関わる光を検出する検出手段と、探針を
所定の周波数で振動させて検出手段の出力信号を変調さ
せる変調手段と、この変調手段によって変調された検出
手段の出力信号のうち、変調手段の振動周波数以外の所
定の周波数成分を抽出して信号処理を行う信号処理手段
とを具備し、信号処理手段は、検出手段の出力信号のう
ち、探針の振動周波数（固有振動数）以外の周波数成分
を抽出して取り込む複数のロックインアンプ１６ａ，１
６ｂ，１６ｃを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料に近接させた
探針を試料に対して相対的に走査した際に、試料近傍か
ら散乱する光を検出することによって試料の光学的特性
を測定する走査型近接場光学顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型近接場光学顕微鏡（NSOM:Near-Fi
eld Scanning Optical Microscope ）とは、先端が先鋭
化した探針を試料近傍に置いて、その試料の観察領域を
走査することによって、試料の光学的特性を測定する走
査型プローブ顕微鏡の一種として位置付けられている。
【０００３】このようなＮＳＯＭに適用される探針とし
ては、その先端の曲率半径が光の波長より小さい探針
や、光の波長よりも小さな開口が先端に形成された探針
を適宜選択的に適用されており、探針先端によって散乱
された光を検出したり、探針先端の開口から光を照射す
ることによって、試料の微小領域の光学特性を測定して
いる。この場合、回折限界によって分解能が制限される
光学顕微鏡に比べて、ＮＳＯＭは、探針先端の径（約数
十ｎｍ）程度の分解能で測定データを得ることができる
ため、工業分野や医療分野での応用が期待されている。
【０００４】ＮＳＯＭの分解能は、探針先端の曲率半径
や開口径によって決まるため、これらの径は小さい方が
良い。しかしながら、このことは、検出される信号強度
も小さくなるということになる。従って、Ｓ／Ｎ比の高
いデータを得るためには、検出信号に混入してくるノイ
ズを如何に小さくするかが重要な問題となる。
【０００５】ＮＳＯＭにおいて考慮すべきノイズとして
は、一般的に、光学系、光電素子、電気系、そして探針
周辺から発生するノイズがある。具体的には、光学系か
ら発生するノイズとしては、光学系内部で起こる不要な
散乱光や室内の照明等から発生する外部光に起因したノ
イズや、光源自体の固有なノイズ、そして、機械的振動
によって光学系の光軸等が変化した際に発生するノイズ
があり、これらのノイズは、不規則なものから、蛍光灯
等の発振周波数を有するもの、機械的な固有振動数を伴
ったノイズである。
【０００６】光電素子から発生するノイズとしては、熱
雑音やショットノイズのように不規則なノイズがある。
電気系から発生するノイズとしては、外部から混入する
グランドノイズ、一定の周波数を有するノイズに不規則
なノイズが混ざった電磁誘導ノイズがある。
【０００７】探針周辺から発生するノイズとしては、測
定点以外の試料面から生じる散乱光や探針先端以外から
生じる散乱光に起因した不規則なノイズがある。このよ
うな種々のノイズを取り除く方法としては、例えば特開
平６−１３７８４７号公報に開示されたようなロックイ
ン検出法が知られている。即ち、探針を周期的に試料に
近づけたり離したりすることによって、試料からの光信
号に変調をかけておき、光検出器にて検出した光信号の
うち、変調をかけた周波数と同じ信号成分のみを取り出
すことによって、変調周波数以外の周波数を有するノイ
ズや不規則ノイズを除去する。
【０００８】また、例えば特開平７−２６０８０８号公
報に開示されたように、探針が試料に近付いたときの
み、探針先端から試料に向けて光を照射することによっ
て、試料の観察領域以外からの不要な散乱光に起因した
ノイズを除去する方法が知られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
６−１３７８４７号公報の方法には、以下のような問題
が存在する。実際の測定に際し、試料の種類によって
は、その試料面からの反射光が入射光と干渉を起こすこ
とによって、ウィナー縞（入射光の波長の１／２程度の
周期を有し、試料に対して垂直方向に強度が変化する干
渉縞）が生ずる場合があり、この場合には、探針の振動
に伴ってウィナー縞の強度変化を含めた光信号が検出さ
れてしまう。
【００１０】また、試料周辺からの不要な散乱光が探針
に当たった状態で探針を振動させると、探針に対する散
乱光の当たり方が変化して、探針の振動周期に同期した
緩やかな変調がかかる恐れがある。
【００１１】このような問題を解消するために、例えば
不要な散乱光の変化が殆ど起きないように探針の振幅を
小さくするといった方法も考えられるが、この方法で
は、得られる変調信号の振幅自体も小さくなってしま
う。
【００１２】一方、特開平７−２６０８０８号公報の方
法には、外部からのノイズや光源のノイズ等の影響を受
けてしまうといった問題がある。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
を励振させる周波数とは異なる特定の周波数成分を検出
することによって、ノイズを低減させたＳ／Ｎ比の高い
測定データを得ることが可能な走査型近接場光学顕微鏡
を提供することにある。
【００１３】
【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、本発明の走査型近接場光学顕微鏡は、試料の
観察対象部位の近傍に配置したプローブと、このプロー
ブと前記試料を相対的に移動させて、観察対象部位を走
査させる手段と、前記試料と前記プローブとの相互作用
に関わる光を検出する検出手段と、前記プローブを所定
の周波数で振動させる手段と、前記検出手段の出力信号
のうち、前記プローブの振動する所定の周波数以外の周
波数成分を抽出して信号処理する信号処理手段とを備え
る。
【００１４】また、本発明の走査型近接場光学顕微鏡
は、試料の観察対象部位の近傍に配置したプローブと、
このプローブと前記試料を相対的に移動させて、観察対
象部位を走査させる手段と、前記試料と前記プローブと
の相互作用に関わる散乱光に対して所定の周波数差を有
し且つ前記散乱光と干渉可能な光を、前記散乱光と合波
干渉させる干渉手段と、この干渉手段による合波干渉光
を検出する検出手段と、前記プローブを所定の周波数で
振動させる手段と、前記検出手段の出力信号のうち、前
記プローブの振動する所定の周波数又はその高調波の周
波数より前記所定の周波数差を引いた差周波数の成分、
或いは、前記プローブの振動する所定の周波数又はその
高調波の周波数より前記所定の周波数差を加えた和周波
数の成分を抽出し、この抽出結果より散乱光の振幅値を
計算する信号処理手段とを備えている。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、まず本発明の原理を説明し
た後、この原理を適用した各実施の形態に係る走査型近
接場光学顕微鏡について、添付図面を参照して説明す
る。ＮＳＯＭは、その原理上、試料の表面近傍の光強度
を検出しており、試料表面の微細な凹凸形状や、プロー
ブと称する探針の先端と試料表面との間の相互作用によ
って、得られる検出光量（光強度）は、例えば図５に模
式的に示すように、探針先端と試料表面との間の距離に
対応して非線形に変化する。
【００１６】探針先端と試料表面とがナノメートルオー
ダーの距離で近接している状態において、先端が充分小
さな探針に外部から光を照射すると、双極子放射に近い
応答を示すとみられており、この場合、探針先端と試料
表面との間の距離の３乗に反比例する項の光の振幅が大
きくなる（例えば、Keller,O. 「 SHORT AND LONGRANGE
INTERACTIONS IN NEAR FIELD OPTICS 」Optics at th
e Nanometer Scale (Kluwer Academic Pub.)(1996)参
照）。
【００１７】この項の光は、通常、非伝搬光となってい
るが、探針先端と試料表面とが近接していると、探針先
端と試料表面との間の相互作用によって伝搬光（散乱
光）に変換される。そして、この伝搬光を光検出器で検
出すると、その検出データの特性には、探針と試料の両
者の影響（例えば、それぞれの材質）が加わっていると
みられている。
【００１８】また、初期のＮＳＯＭから試みられている
ように、光の全反射を利用することによって試料表面に
エバネッセント波を励起させ、これを探針にて検出する
方法を用いた場合、探針先端と試料表面との間の距離に
対応した検出強度曲線は、自然対数を底とした対数的に
減衰する曲線となり、非線形特性を示す。
【００１９】図５に示すように、光強度が非線形に変化
する場合、探針を調和振動で励振させたときに得られる
検出信号は、例えば図７に示すように、探針の振動数に
対応して周期的に繰り返された特性を有しており、調和
振動からかなり変形したものになる。
【００２０】ここで、図７に示した検出信号のパワース
ペクトルをとってみると、図６に示すように、パワース
ペクトルは、探針の振動周波数ω0 を基本周波数とした
場合において、この振動周波数ω0 の高調波成分を加え
たものとなる。
【００２１】本発明では、この特徴を踏まえ、試料から
の光のうち必ずしも探針の基本周波数ω0 の光強度を検
出する必要は無く、２ω0 、３ω0 等の高調波成分の光
強度を測定することによって試料の光学的特性を測定す
る。
【００２２】不要な散乱光が振動している探針に当たっ
た際に生じる各種ノイズは、探針の振動に伴って緩やか
に変化するため、その高調波成分が殆ど無い。このた
め、本発明の方法のように、高調波成分のみを検出信号
から取り出すことによって、この種のノイズを抑えるこ
とが可能となる。
【００２３】この方法によれば、各種ノイズの周波数と
は異なる周波数に基づいて測定を行うとことが可能とな
ると共に、ノイズの影響を避けるために異なる次数の高
調波を用いることも可能となる。
【００２４】また、本発明では、試料に照射する照明光
の強度に変調をかけることによって更に有効な測定を行
えるようにしている。即ち、探針の振動周波数ω0 に対
して、照明光の強度変調周波数をωL とすると、光検出
器で検出される信号は、ω0 ±ωL 、２ω0 ±ωL 、３
ω0 ±ωL …の周波数を有する調和振動の合成となる。
【００２５】探針の振動周波数の設定範囲は、探針の機
械的特性によってあまり広くとることができないが、照
明光の強度変調周波数ωL を変化させることによって、
これらの調和振動の周波数を自由に変化させることがで
きる。このため、電気系等から混入する既知の周波数を
有するノイズがある場合、そのノイズの周波数が、検出
すべき信号と重ならないように、ωL を選択することに
よって、ノイズの影響を小さくすることができる。
【００２６】以上は、探針の振動周波数に伴って発生す
るノイズの除去を主な目的にしているが、この種のノイ
ズが発生し難い試料の場合には、探針の振動周波数成分
を検出信号に取り込むことによって、信号強度を上げる
ことも勿論可能である。
【００２７】上述では、ノイズの影響を小さくする方法
について説明したが、次に、本発明の構成を用いて高調
波成分を検出することによって、試料の部分的な光学的
差異を検出する方法について説明する。
【００２８】探針先端と試料表面との間の距離に対する
光強度の非線形曲線の形状パラメータは、探針と試料の
光学的特性によって定まる（例えば、Keller,O .「SHOR
TAND LONG RANGE INTERACTIONS IN NEAR FIELD OPTIC
S」Optics at theNanometer Scale (Kluwer Academic P
ub.)(1996)、及び、Reddick,R.C.et al.「Photon scann
ing tunneling microscopy」Rev.Sci.Instrum.61(12)(1
990)pp.3669-3677参照）。この場合、得られる高調波の
次数に対応して、その強度比が変化する。従って、夫々
の高調波成分の強度比を検出することによって、試料の
光学的特性を反映した検出光量の距離依存性の差異を見
ることが可能となる。
【００２９】夫々の高調波強度の比を比較する方法は、
試料の反射率の違いに起因した試料からの光の光強度を
比べる方法よりも安定性があると共に、光源等の経時変
化の影響を受けることも無い。なお、強度比の測定デー
タを保存しておけば、物質の同定等を行う際の参考とす
ることもできる。
【００３０】次に、上述した本発明の原理を適用した第
１の実施の形態に係る走査型近接場光学顕微鏡につい
て、図１を参照して説明する。図１に示すように、本実
施の形態の走査型近接場光学顕微鏡（以下、ＮＳＯＭと
いう）は、試料１の観察対象部位の近傍に配置されたプ
ローブ即ち探針２と、この探針２と試料１が相対的に走
査されるようにするため、試料１を移動させるスキャナ
（例えば、ナノメートルオーダーの微動が可能なピエゾ
素子等の圧電体）５と、試料１に光を照射するための光
源３及びレンズ等の光学系４と、探針２と試料１との間
の相互作用によって発生する光を検出する検出手段と、
探針２を所定の周波数で振動させることによって検出手
段の出力信号を変調させる変調手段と、この変調手段に
よって変調された検出手段の出力信号のうち、変調手段
の振動周波数以外の所定の周波数成分を抽出して信号処
理を行う信号処理手段とを備えている。
【００３１】探針２は、レバー構造体２１の先端に配置
されており、このレバー構造体２１の基端は、ホルダ１
０によって支持されている。ホルダ１０には、変調手段
として加振機構が組み込まれており、この加振機構は、
探針コントローラ１１を介してコンピュータ１３に接続
されている。この構成において、コンピュータ１３に組
み込まれたソフトウェア等によって探針コントローラ１
１から加振機構に所定の加振信号を出力して、加振機構
を加振させると、このときの加振運動がレバー構造体２
１を介して探針２に伝達され、探針２を所定の振幅で振
動させる。
【００３２】本実施の形態において、探針２の振幅範囲
や振動方向及び振動周波数は、夫々試料１の種類（例え
ば硬さ）や測定条件等によって任意に調整することが可
能であり、このような調整を実現するために、レバー構
造体２１及びホルダ１０の位置調整及び加振機構の加振
制御が夫々成されている。
【００３３】本実施の形態では、その一例として、振幅
の範囲は、数ｎｍ〜１００ｎｍ程度に設定されており、
また、探針２の振動方向は、試料１に対して略垂直方向
に設定されている。更に、探針２の振動周波数は、加振
時の振幅ゲインを大きくするために、探針２の固有振動
数に設定されている。なお、一般的な探針２の固有振動
数は、カンチレバータイプにおいて、約１００〜３００
ｋＨｚ程度である。
【００３４】また、探針２先端と試料１表面との間の距
離を制御する機構として、本実施の形態では、ＮＳＯＭ
と同じ種類に属する原子間力顕微鏡（ AFM:Atomic Forc
eMicroscope）の原理を適用している。
【００３５】このため、本実施の形態に適用した探針２
は、ＡＦＭで通常用いられるカンチレバープローブ（半
導体プロセスによって製作された探針）をそのまま使用
することができる。このようなカンチレバープローブ
は、シリコン結晶や窒化シリコンで一体成形されてお
り、数百μｍの長さを有する薄板状の片持ち梁（本実施
の形態では、レバー構造体２１）の先端付近には、この
片持ち梁に対して略垂直方向に数μｍの長さを持つ鋭い
針状突起（本実施の形態では、探針２）が形成されてい
る。
【００３６】そして、本実施の形態の大きな特徴とし
て、信号処理手段には、検出手段の出力信号のうち、探
針２の振動周波数（固有振動数）以外の周波数成分を抽
出して取り込むことが可能な複数（本実施の形態では、
３個）のロックインアンプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃが設
けられている。
【００３７】試料１は、スキャナ５に載置されており、
コンピュータ１３に組み込まれたソフトウェア等によっ
てスキャナコントローラ１２を介してスキャナ５に電圧
を印加して、試料１を平行に移動させることで探針２の
走査を行うことができると共に、同様に、試料１を垂直
方向に移動させることで探針２先端と試料１表面との間
の距離を変えることができる。
【００３８】このような構成において、探針２を振動さ
せたまま、この探針２を試料１に接近させて行くと、探
針２先端と試料１表面との間に働く相互作用（例えば、
原子間力）によって、探針２の振幅が急激に減少して行
く。この場合、探針２の振幅を光てこ等の原理を用いた
変位センサ９によって検出し、探針２の振幅が常に一定
となるようにフィードバック制御（試料１をスキャナ５
によって上下動させる制御）を掛ける。この一連の制御
によって、探針２先端が試料１表面から常に一定の距離
だけ離れた地点において、探針２は、同一の振幅で振動
する。
【００３９】この状態を維持しつつ試料１表面に沿って
略平行に、探針２を走査した場合において、スキャナ５
は、試料１の凹凸形状に合わせて探針２の振幅を一定に
するようにフィードバック制御される。そして、このよ
うなフィードバック制御中、スキャナコントローラ１２
からスキャナ５へ印加する電圧を計測することによっ
て、試料１の表面情報（表面凹凸情報）が測定される。
【００４０】このようなフィードバック制御に際し、レ
ーザーや白色光光源等の光源３からレンズ等の光学系４
を介して試料１に光を照射すると、探針２先端と試料１
表面との間の相互作用に基づく距離変化に対応して、探
針２の先端近傍の試料１から発生する散乱光の強度が非
線形に変化する。
【００４１】このとき発生した散乱光は、集光レンズ等
の集光光学系６によって集光された後、試料１表面に対
して光学的に共役な位置に設置されたピンホール７によ
って更に探針２先端近傍のみからの散乱光だけが抽出さ
れ、光電子増倍管等を用いた光検出器８に導かれる。こ
の結果、光検出器８には、試料１の周囲から発生する不
要な反射光や散乱光がカットされた光のみが導かれる。
【００４２】光検出器８に導かれた光は、この光検出器
８によって電気信号に変換され、このとき光検出器８か
ら出力された電気信号は、複数（本実施の形態では、３
個）のロックインアンプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃへ夫々
入力される。
【００４３】ロックインアンプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ
において、光検出器８から出力された電気信号は、ま
ず、アンプ（図示しない）で増幅された後、掛け算器
（図示しない）で参照信号と掛け合わされる。このよう
な掛け合わせ処理によって、電気信号のうち、参照信号
と同じ周波数成分のみがＤＣ信号となり、他の周波数成
分はＡＣ信号のままとなる。そして、これらＤＣ信号及
びＡＣ信号をローパスフィルタに通すことによって、参
照信号と同一の周波数成分のＤＣ信号のみがロックイン
アンプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの出力信号として抽出さ
れる。
【００４４】なお、参照信号は、ホルダ１０内の加振機
構への加振信号を基準に且つ位相等の条件を整合した上
で、探針コントローラ１１から出力され、その周波数
は、コンピュータ１３によって測定条件等を考慮して設
定される。
【００４５】本実施の形態では、複数のロックインアン
プ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを用いることによって、探針
２の基本周波数成分ω0 、この基本周波数成分の２倍の
周波数を有する第２高調波２ω0 、その３倍の周波数を
有する第３高調波３ω0 が抽出され、これら第２及び第
３の高調波を参照信号として用いることによって、探針
２の振動に伴って緩やかに変化するノイズの影響を減ら
してる。
【００４６】一方、その強度が一番大きな基本周波数成
分については、この基本周波数成分に含まれるノイズが
相対的に小さく且つ他の周波数成分を用いた測定に比べ
てＳ／Ｎが優れている試料１が有る場合を考慮して、こ
の基本周波数成分を参照信号として抽出することができ
るようになっている。
【００４７】このように、複数の周波数成分を抽出する
方法によれば、以下のような利点がある。探針２の振幅
及び振動周波数を変化させると、光検出器８からの電気
信号が変化するため、その電気信号の各高調波成分の強
度も変化する。このとき、測定条件によっては、特定の
高調波成分の強度が小さくなってしまう場合がある。
【００４８】しかし、本実施の形態のように、複数の周
波数成分を同時に抽出すれば、例えば測り直しができな
い試料１を測定する場合でも、測定後に各周波数成分を
用いた測定結果を相互に比較するだけで、Ｓ／Ｎの良い
最適な測定データを選択することができる。
【００４９】そして、このように選択された各周波数成
分に対応した電気信号がロックインアンプ１６ａ，１６
ｂ，１６ｃから出力されると、コンピュータ１３からの
制御信号に基づいて、信号処理装置１５は、夫々の周波
数成分に対応した電気信号に重み付けをして、その線形
和を算出する。
【００５０】この場合、線形和をとらずに、各周波数成
分に対応した電気信号をそのまま別個に出力するよう
に、コンピュータ１３によって信号処理装置１５を制御
することが可能であり、先に述べたように各周波数成分
を夫々のデータとして比較することを可能にしている。
【００５１】このように、信号処理装置１５の重み付け
をコンピュータ１３のソフトウェア等によって制御する
だけで、各ロックインアンプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの
周波数特性を補正することができると共に、各周波数成
分の線形和をとることによって光検出器８の出力信号の
増強ができる。
【００５２】また、ノイズを含んでいるとみられる場合
においては、各周波数成分を抽出している各ロックイン
アンプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの出力の重みを選択的に
ゼロにして、他の周波数成分と比較することによって、
各周波数成分の夫々にノイズ等による異常な信号が含ま
れているか否かの確認をすることができる。
【００５３】また、抽出している周波数成分にノイズが
乗っていることが判明した場合、その周波数成分を抽出
しているロックインアンプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの出
力の重みをゼロにすることによって、ノイズの乗った周
波数成分を実質的に除くこともできる。
【００５４】また、ＡＦＭの試料１の凹凸情報を表示さ
せると共に、ある周波数成分の強度によって夫々の光検
出器８からの電気信号を規格化し、これら電気信号の合
計量を凹凸情報と重ねて表示させることで、試料１の物
性が、どの位置で変化したかを知ることにも応用でき
る。この場合、合計時に各周波数成分の重み付けを変え
て合計をとることによって、例えば次数の高い高調波成
分を強調して（即ち、試料１の材質の差に起因した信号
強度曲線の差が、高次項に表れる度合いを強調して）、
その差が明確に判別できるようにすることができる。
【００５５】こうして信号処理装置１５において処理さ
れた信号は、コンピュータ１３を介してモニタ１４上に
表示さる。このとき、モニタ１４上には、試料１の凹凸
情報が同時に表示され、試料１の光学情報と共に形状の
情報も確認することが可能となる。
【００５６】なお、本実施の形態では、３個のロックイ
ンアンプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを用いたが、より多く
の周波数成分を同時抽出してノイズの影響を軽減させた
Ｓ／Ｎ比の高いデータを得るために、その台数を増やす
ことも可能である。
【００５７】また、本実施の形態では、その先端で光を
散乱させるタイプの探針２を適用しているが、探針２を
振動させることによって、検出光の強度に変調をかける
ことができれば、例えば光ファイバの先端を細くし且つ
その先端に開口を開けたタイプの探針や、螢光色素を探
針先端に付けた探針等、種々の探針を適用することが可
能である。
【００５８】更に、試料１への光の照射方法としては、
例えば図２に示すように、スキャナ５上にセットされた
全反射プリズム２２に試料１を載置し、この全反射プリ
ズム２２に対して全反射角度で光を入射させ、試料１表
面にエバネッセント波を発生させても良い。この場合、
試料１背面に金属薄膜等を敷いて、試料１表面上にプラ
ズモン波を励起させて、試料１表面上の電場強度を増強
させても良い。
【００５９】また、試料１の種類によっては、光源３は
必ずしも必要は無く、例えば先導波路等のコア部分を測
定する場合には、コア部分に探針２を近づけることで、
コア部分の周りに沁み出したエバネッセント波を散乱光
に変換できるため、この場合には、光源３が無くても測
定が可能である。
【００６０】次に、本発明の第２の実施の形態に係る走
査型近接場光学顕微鏡について、図３を参照して説明す
る。なお、本実施の形態の説明に際し、第１の実施の形
態と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省
略する。
【００６１】本実施の形態では、試料１に照射する光を
光変調器１７によって変調するように構成されており、
探針２の位置制御やＮＳＯＭとしての基本的な動作は、
第１の実施の形態と同様である。従って、以下の説明で
は、光変調器１７の動作を中心に説明する。
【００６２】光変調器１７は、変調器コントローラ１８
を介してコンピュータ１３に接続されており、コンピュ
ータ１３で強度変調の周波数等がセットされ、このセッ
トされた周波数等に基づいて、光変調器コントローラ１
８が光変調器１７を制御することによって、光源３から
の光に変調をかけるようになっている。
【００６３】また、探針２の振動と光変調とのタイミン
グをとることができるように、探針コントローラ１１か
ら光変調器コントローラ１８に同期信号が入力されるよ
うになっている。
【００６４】図５で説明したように、探針２先端と試料
１表面との相互作用は、非線形の距離依存性を有してお
り、通常、探針２の振動数ω0 、２ω0 、３ω0 の各周
波数成分に対応した出力信号を生ずるが、照明光も光変
調器１７によってωL にて強度変調されている。このた
め、光検出器８からの出力信号は、ω0 ±ωL 、２ω0
±ωL 、３ω0 ±ωL …と変調され、ロックインアンプ
１６には、探針２の振動周波数と光源３の変調周波数を
合成した和周波又は差周波が入力される。
【００６５】この場合、光変調器１７の強度変調周波数
を周波数掃引することによって、ロックインアンプ１６
が１個であっても、光検出器８からの出力信号成分（周
波数成分）を強度変調周波数ωL に基づいて、ロックイ
ンアンプ１６の参照信号の周波数に一致させることがで
きる。この結果、探針２の基本周波数成分ω0 、第２及
び第３の高調波２ω0 ，３ω0 に電気系等のノイズが重
なった場合でも、光検出器８の出力信号の周波数をずら
すことができるため、探針２の振動に伴って緩やかに変
化するノイズの影響を減少させることができる。
【００６６】このことは、例えば強度変調周波数ωL を
一定として、探針コントローラ１１から出力される参照
信号の周波数を掃引させるように構成することによって
も同様な効果を上げることが可能である。
【００６７】なお、本実施の形態のように試料１に照射
される前に光変調をかけなくとも、試料１や測定条件等
によって、探針２に光を照射した後に光検出器８の出力
に対して強度変調をかけても、原理上は同様な効果を実
現することができる。
【００６８】次に、本発明の第３の実施の形態に係る走
査型近接場光学顕微鏡について、図４を参照して説明す
る。なお、本実施の形態の説明に際し、第１の実施の形
態と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省
略する。
【００６９】本実施の形態には、光ヘテロダイン検波の
原理が適用されている。光源３としてレーザー等の可干
渉性の良い光源を使用した場合、試料１表面から発生す
る散乱光が、探針２先端と試料１表面との間の相互間作
用によって生じる散乱光（以下、検出用散乱光という）
と干渉する。
【００７０】ここで、検出用散乱光の位相情報も含んだ
複素振幅をＡ、試料１表面のみから発生する散乱光の複
素振幅をＢとすると、干渉した光の複素振幅は、Ａ＋Ｂ
となるため、光検出器８で検出される光強度からノイズ
となり得る散乱源からの光のみの光強度を引くと、 ｜Ａ＋Ｂ｜2 −｜Ｂ｜2 ＝｜Ａ｜2 ＋２｜Ａ｜｜Ｂ｜ｃ
ｏｓα α：ＡとＢとの位相差 となり、期待された｜Ａ｜2 にはならない。
【００７１】従って、例えば、強い光強度を有する１点
の散乱源がある場合、上述の方法を用いても、画像に
は、散乱源からの距離に対応した干渉的なバックグラウ
ンドノイズが現れる恐れがある。
【００７２】このノイズを除去するため、本実施の形態
では、試料１に照射する光に対して周波数差δを有する
光を周波数シフタ１９によって発生させ、この周波数差
δを有する光を参照光として用い、この参照光と検出用
散乱光と干渉させることによって、上述のバックグラウ
ンドノイズを除去している。
【００７３】具体的な構成として、周波数シフタ１９
は、シフタコントローラ２０を介してコンピュータ１３
に接続されており、光源３とレンズ等の光学系４との間
の光路中に配置された例えばハーフミラー３０から反射
ミラー３２を介して導光された光に対して周波数差δを
与えて検出用散乱光と干渉させることができるように構
成されている。
【００７４】周波数シフタ１９によって周波数差δが与
えられた参照光を検出用散乱光と干渉させる光学系とし
て、本実施の形態には、探針２先端と試料１表面との間
の相互間作用によって生じる検出用散乱光を平行光に変
換するコリメータレンズ６０と、このコリメータレンズ
６０によって平行光に変換された検出用散乱光をピンホ
ール７を介して光検出器８に導入させる集光レンズ６１
と、コリメータレンズ６０と集光レンズ６１との間の光
路中に配置された干渉手段（例えば、ハーフミラー）３
４とが設けられている。
【００７５】このような構成によれば、周波数シフタ１
９によって周波数差δが与えられた参照光は、干渉手段
３４上において検出用散乱光と合波干渉し、その合波干
渉光は、ピンホール７を介して光検出器８によって検出
され、所定の電気信号に変換される。この場合、周波数
シフタ１９から発生させた光の複素振幅をＣとすると、
光検出器８で検出される光強度は、
【００７６】
【数１】 となる。ここでは、Ａ（ｔ）は、探針２先端と試料１表
面との相互作用に起因した非線形効果を含んだ複素振幅
を表している。
【００７７】この場合、複素振幅Ａ（ｔ）は、探針２の
振動数に対応して周期的に繰り返されており、図７に示
すように探針２の振動周波数ω0 を基本周波数として、
これにω0 の高調波成分を合わせた値となる。即ち、
【００７８】
【数２】 と表され、夫々の係数αk の値によって非線形形状が決
まる。
【００７９】ここで、光検出器８で検出される光強度の
式にＡ（ｔ）の式を入れて展開すると、ｋω0 （ｋ＝
１，２，３…）の周波数について、δの和周差及び差周
差の項が、夫々、 ｜αk ｜｜Ｃ｜（ｓｉｎ（β−（δ−ｋω0 ）ｔ）−ｓ
ｉｎ（β−（δ＋ｋω0 ）ｔ））／２ で表される。なお、βは、ＡとＣとの位相差である。
【００８０】この場合において、差周波又は和周波｜ｋ
ω0 ±α｜で振動する成分をロックインアンプ１６ａ，
１６ｂ，１６ｃ等を用いて抽出し、この振動成分と周波
数シフタ１９からの参照光の振幅とに所定の演算処理を
施すことによって、探針２先端と試料１表面との相互作
用によって生じる散乱光の非線形効果を表す各ｋω
0（ｋ＝１，２，３…）の周波数の振幅｜αk ｜を、複
素振幅Ｂを有する試料１表面のみからの散乱光による干
渉的なバックグラウンドノイズの影響を除去して求める
ことができる。
【００８１】この値を用れば、上記各実施の形態と同様
に、試料１表面上に生じた垂直方向の干渉縞等の影響が
ある場合でも、探針２の基本周波数成分を避けて、高調
波成分を検出することによって、Ｓ／Ｎを向上させるこ
とが可能となり、更に、各高調波成分の比を測定するこ
とによって、試料１の材質の同定の参考データとするこ
とにも利用できる。
【００８２】
【発明の効果】本発明によれば、探針を励振させる周波
数とは異なる特定の周波数成分を検出することによっ
て、ノイズを低減させたＳ／Ｎ比の高い測定データを得
ることが可能な走査型近接場光学顕微鏡を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る走査型近接場
光学顕微鏡の構成を示す図。
【図２】図１に示した走査型プローブ顕微鏡の変形例に
係る構成を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る走査型近接場
光学顕微鏡の構成を示す図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る走査型近接場
光学顕微鏡の構成を示す図。
【図５】探針先端と試料表面との間の距離に対応して非
線形に変化する検出光量の特性を示す図。
【図６】プローブの位置に対する検出光量のパワースペ
クトルを示す図。
【図７】プローブの位置と検出光量との関係を示す図。
【符号の説明】
１ 試料 ２ 探針 ３ 光源 ４ 光学系 ５ スキャナ ６ 集光光学系 ７ ピンホール ８ 光検出器 ９ 変位センサ １０ ホルダ １１ 探針コントローラ １２ スキャナコントローラ １３ コンピュータ １４ モニタ １５ 信号処理装置 １６ａ，１６ｂ，１６ｃ ロックインアンプ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試料の観察対象部位の近傍に配置したプ
    ローブと、 このプローブと前記試料を相対的に移動させて、観察対
    象部位を走査させる手段と、 前記試料と前記プローブとの相互作用に関わる光を検出
    する検出手段と、 前記プローブを所定の周波数で振動させる手段と、 前記検出手段の出力信号のうち、前記プローブの振動す
    る所定の周波数以外の周波数成分を抽出して信号処理す
    る信号処理手段とを備えていることを特徴とする走査型
    近接場光学顕微鏡。
  2. 【請求項２】 前記信号処理手段は、複数の周波数成分
    を抽出することを特徴とする請求項１に記載の走査型近
    接場光学顕微鏡。
  3. 【請求項３】 前記信号処理手段は、抽出した複数の周
    波数成分の強度の線形和を算出することを特徴とする請
    求項２に記載の走査型近接場光学顕微鏡。
  4. 【請求項４】 前記信号処理手段は、抽出した複数の周
    波数成分の強度の比率を算出することを特徴とする請求
    項２に記載の走査型近接場光学顕微鏡。
  5. 【請求項５】 前記信号処理手段は、抽出する周波数成
    分として、前記プローブの振動する所定の周波数の高調
    波を抽出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか
    １に記載の走査型近接場光学顕微鏡。
  6. 【請求項６】 更に、前記検出手段の出力に強度変調を
    かけることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記
    載の走査型近接場光学顕微鏡。
  7. 【請求項７】 前記強度変調は、前記試料に照射する光
    に対してかけることを特徴とする請求項６に記載の走査
    型近接場光学顕微鏡。
  8. 【請求項８】 前記強度変調は、前記検出手段の出力信
    号にかけることを特徴とする請求項６に記載の走査型近
    接場光学顕微鏡。
  9. 【請求項９】 前記強度変調の変調周波数は、前記プロ
    ーブの振動する所定の周波数とは異なることを特徴とす
    る請求項６〜８のいずれか１に記載の走査型近接場光学
    顕微鏡。
  10. 【請求項１０】 前記強度変調の変調周波数は、可変に
    構成されていることを特徴とする請求項６〜９のいずれ
    か１に記載の走査型近接場光学顕微鏡。
  11. 【請求項１１】 試料の観察対象部位の近傍に配置した
    プローブと、 このプローブと前記試料を相対的に移動させて、観察対
    象部位を走査させる手段と、 前記試料と前記プローブとの相互作用に関わる散乱光に
    対して所定の周波数差を有し且つ前記散乱光と干渉可能
    な光を、前記散乱光と合波干渉させる干渉手段と、 この干渉手段による合波干渉光を検出する検出手段と、 前記プローブを所定の周波数で振動させる手段と、 前記検出手段の出力信号のうち、前記プローブの振動す
    る所定の周波数又はその高調波の周波数より前記所定の
    周波数差を引いた差周波数の成分、或いは、前記プロー
    ブの振動する所定の周波数又はその高調波の周波数より
    前記所定の周波数差を加えた和周波数の成分を抽出し、
    この抽出結果より散乱光の振幅値を計算する信号処理手
    段とを備えていることを特徴とする走査型近接場光学顕
    微鏡。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011501184A (ja) * 2007-10-23 2011-01-06 インダストリー−アカデミック コオペレーション ファウンデーション ヨンセイ ユニバーシティ 超高分解能走査光学測定装置
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