JPH11316241A - 走査型近接場光学顕微鏡用探針及び走査型近接場光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】散乱光の検出角度が制限されること無く、広い
角度範囲の散乱光を検出することが可能な走査型近接場
光学顕微鏡用探針及び走査型近接場光学顕微鏡を提供す
る。 【解決手段】走査型近接場光学顕微鏡の探針８は、自由
端に突起部１０が設けられた短冊形レバー部１２と、こ
のレバー部の基端を支持する支持部１４とから構成され
ており、突起部１０は、先端が先鋭化した四面体形状を
成した突起部基部２００と、この突起部基部の先端に設
けられた散乱体２０２とから構成されている。レバー部
の背面には、突起部の背面側のレバー部の先端領域Ｗを
除いた部分に所定の厚さのアルミニウム膜２０がコーテ
ィングされている。このため、探針は、突起部基部及び
レバー部の先端領域が、入射光の波長又は画像化に利用
する光の波長に対して透明となっている。

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ことが可能な走査型近接場光学顕
微鏡用探針及び走査型近接場光学顕微鏡に関する。な
お、本発明の技術分野において、光学情報とは、例え
ば、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、探針（プローブ）
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探針を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）、走査型近接場光学顕微鏡（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
せて探針とした棒状探針が用いられており、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
がら探針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ＵＳＰ
５，２７２，３３０号公報には、先鋭化した探針先端の
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、エバ
ネッセント場と試料の接触により発生した光を試料の下
に配置された光検出器で検出し、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】このＳＮＯＭでは、探針は、先端を細く加
工した光ファイバーやガラス棒、或いは水晶探針で作成
されている。この探針の改良品として、先端の微小開口
部を残して他の部分を金属皮膜で覆った探針が市販され
ている。このような金属の皮膜は、横方向の解像度を向
上させる効果がある。

【０００６】一方、ＡＦＭは、探針先端を試料表面に接
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探針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。

【０００７】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用探針を差し入れて、エバネッセント場
を散乱させて伝搬光に変換した際、探針先端より入り、
探針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、探針の変位を検出す
ることによって試料の表面情報がＡＦＭ測定される。

【０００８】ところで、ベテッヒやファンフルスト等の
ＳＮＯＭは、いずれも探針を介して光を伝搬させる必要
上、少なくとも探針先端は、光学的に透明でなければな
らない。この場合、探針先端には、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探針
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。

【０００９】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、探
針先端の開口径は、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。

【００１０】このような限定条件の下、探針の開口を再
現性良く形成することがは極めて困難である。更に、開
口を通して探針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。

【００１１】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探針を備
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探針によっ
て散乱させて伝搬光に変換した際、探針の外側を伝搬す
る伝搬光即ち散乱光を例えば探針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ＳＮ
ＯＭ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。

【００１２】また、フィッシャー（ Fischer）等は、微
小な金属球を付けた透明平板を試料上にセットした状態
において、この透明平板上からほぼプラズモン励起周波
数でレーザー光を入射させた際、金属球に発生するロー
カルプラズモンを散乱光として利用することによって、
散乱モードＳＮＯＭ測定を行う技術を報告している（Ph
ys.Rev.Lett.62(1989)p.458 参照）。

【００１３】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ＳＮ
ＯＭ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Ｎｏ．３、８
６７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探針を用
いた散乱モードＳＮＯＭ装置を報告している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに、散乱モードＳＮＯＭの探針は、先端に開口を必要
としないが、このような装置に適用されるシリコン製の
探針は、高分解能のＡＦＭ測定情報を得ることができる
と同時に、その屈折率が高いため、散乱効率が高く、散
乱モードのＳＮＯＭ測定用探針に有利である。

【００１５】しかしながら、探針は、板状レバー部の先
端から突起部を突出させた構造になっており、レバー部
で散乱光が遮光され、散乱光を効率良く利用できないと
いった問題を有している。

【００１６】また、散乱光の角度分解は、高コントラス
ト化や高分解能化のために重要であるが、レバー部で散
乱光が遮光されてしまうといった理由から、利用可能な
角度は、一定の範囲内に限定されてしまう。

【００１７】更に、既存の装置の多くには、光学顕微鏡
観察用及び散乱信号集光用の対物レンズが試料の上方に
設けられているため、散乱光の角度依存性測定用の装置
を配置させることができない。

【００１８】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、散乱光の検出角度が制限
されること無く、広い角度範囲の散乱光を検出すること
が可能な走査型近接場光学顕微鏡用探針及び走査型近接
場光学顕微鏡を提供することにある。

【００１９】

【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用探針は、
散乱モードＳＮＯＭ用の探針において、探針を先端部の
散乱体と、それ以外の部分に分け、散乱体が設けられた
位置の近傍の材質をこの散乱体が設けられた側からその
裏側に亘って透明な材質で構成したり、或いは、散乱体
が設けられた位置の周辺の形状を滑らかな平面状或いは
凸面状に構成した。更に、本発明において、散乱体が設
けられた位置の周囲には、散乱体からの散乱光を直接検
出可能な複数の検出手段を配置したり、或いは、散乱体
が設けられた位置の近傍には、散乱体によって光の場か
ら散乱した散乱光を一方向に回折する回折手段を設けて
いる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る走査型近接場光学顕微鏡及びこれに用いられる探針に
ついて、添付図面を参照して説明する。図１に示すよう
に、本実施の形態の走査型近接場光学顕微鏡は、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。

【００２１】このため、走査型近接場光学顕微鏡には、
ＳＮＯＭ測定時にＳＮＯＭ測定用照明光を探針８の突起
部１０（図３参照）先端近傍の試料２裏面側に、突起部
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１００が設けられている。

【００２２】図１及び図３に示すように、走査型近接場
光学顕微鏡は、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
の探針８とを備えている。

【００２３】探針８は、自由端に突起部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、この探針８
は、突起部１０が対物レンズ１６の視野内に位置付けら
れるようになっている。

【００２４】突起部１０は、先端が先鋭化した四面体形
状を成した突起部基部２００と、この突起部基部２００
の先端（探針先端部）に設けられた散乱体２０２とから
構成されている。散乱体２０２は、入射光の波長以下
（例えば、２倍以下）の大きさに設定されており、例え
ば高屈折率誘電体材料又は金属材料で形成されている。
なお、散乱体２０２は、その先端部分の半径が波長以下
の大きさであれば、その先端部分から基端部分（即ち、
突起部基部２００に接した接触部分）までの長さ及び接
触部分の寸法は、共に、波長以上でも良い。

【００２５】なお、探針８の散乱体２０２以外の部分、
即ち突起部基部２００、レバー部１２、支持部１４は、
散乱体２０２を保持する保持手段に相当する。このよう
な探針８は、例えば単結晶の窒化シリコン材料を用いた
半導体加工プロセスによって母体を作製した後、その突
起部先端部にＳＥＭ等で粒子線ビームを照射し、チャン
バー内に微量含まれる炭素等を堆積させることによって
作成することができる。そして、レバー部１２の背面
（突起部１０が形成されていない側面）には、突起部１
０の背面側のレバー部１２の先端領域Ｗを除いた部分に
所定の厚さのアルミニウム膜（高反射膜）２０がコーテ
ィングされている。

【００２６】このため、本実施の形態に適用した探針８
においては、突起部基部２００及びレバー部１２の先端
領域Ｗが、入射光の波長又は画像化に利用する光の波長
に対して透明となっている。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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と探針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。

【００３０】次に、走査型近接場光学顕微鏡に組み込ま
れている光学顕微鏡について、図１及び図５を参照して
説明する。図１において、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。

【００３１】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。

【００３２】照明用ビームスプリッタ３６は、例えば図
５において、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１
５０，１５２は、夫々、案内ガイド１５４に沿って移動
可能なスライダ１５６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１５
０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。

【００３３】この構成によれば、図１に戻ると、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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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（試料
２の観察面からの反射光）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。

【００３７】次に、走査型近接場光学顕微鏡に組み込ま
れているＡＦＭ測定系について、図１及び図３を参照し
て説明する。ＡＦＭ測定系は、探針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、取付部材１８に取り付け
られた圧電体５４を備えている。

【００３８】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。

【００３９】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、図３において、探針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、探針８の自由端が、所定の振幅及び共振周波
数で振動する。

【００４０】図１に戻り、ＡＦＭ測定系には、光てこ方
式の探針変位センサが設けられており、この探針変位セ
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。

【００４１】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。

【００４２】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、探針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、ＡＦＭ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。

【００４３】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と探針８の突起部１０との間の距離を大まか
に調整した後、突起部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、突起部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によって探
針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、突起部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、光てこ方式の探針変位センサ（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、探針
８の振動振幅が一定に維持（突起部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６６に表示される。

【００４４】次に、走査型近接場光学顕微鏡に組み込ま
れているＳＮＯＭ測定系について、図１〜図４を参照し
て説明する。ＳＮＯＭ測定系には、突起部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４参照）を探針８の突起部
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１００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。

【００４５】ＳＮＯＭ測定用照明装置１００は、突起部
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を突起部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。

【００４６】図４において、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４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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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（図１参照）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ＳＮＯＭ測定用照明光Ｍを反射する固定ミラー１
２０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（突起部１
０先端近傍の試料２裏面方向、具体的には、スライドガ
ラス１１２と試料２との界面方向、又は、試料２と大気
との界面方向）に反射する可動ミラー１２２とを備えて
いる。なお、可動体１０８には、ファイバ１１６とコリ
メーターレンズ１１８との間の光路中に、所定の波長の
光のみを通過させるフィルタ１１７が配置されている。

【００５０】可動ミラー１２２は、突起部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４中矢印Ｔ方向に回動
可能であって、且つ、図４中矢印Ｈ方向（図４は、Ｚ軸
方向）に往復動可能になっている。

【００５１】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、突起部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、
突起部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。この結果、可動ミラー１
２２から全反射プリズム１０２に入射した光は、全反射
プリズム１０２の上面（即ち、スライドガラス１１２と
試料２との界面又は試料２と大気との界面）で全反射
し、このとき、試料２の表面近傍には、エバネッセント
場（波）が局在する。

【００５２】また、図１に戻り、ＳＮＯＭ検出ユニット
７０は、ＳＮＯＭ測定用照明光Ｍを突起部１０先端近傍
の試料２に全反射角度で照射している状態（即ち、試料
２の表面近傍にエバネッセント場（波）が局在している
状態）において、粗動ステージ２６を駆動して試料２の
表面近傍に対して突起部１０を相対的に接近走査させた
際、突起部１０によってエバネッセント場（波）から散
乱した散乱光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を検出する光検出手段とを備えて
いる。

【００５３】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、突起部１０によって散乱した
散乱光（突起部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。

【００５４】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を介し
て集光された散乱光を光電子増倍管７６に導光するレン
ズ群７８及びピンホール１６２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。

【００５５】このような構成によれば、ＳＮＯＭ測定用
照明光Ｍを突起部１０先端近傍の試料２裏面に所定の入
射角（全反射角）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
振動振幅で探針８を励振させながら突起部１０を試料２
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）に刺し入れられた突起部１０によって
散乱した散乱光は、対物レンズ１６を介して集光する。

【００５６】このような散乱光は、可回転式偏光子１６
０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４０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７６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、突起部１０先端と光学的に共役な
位置（結像位置）に配置されており、突起部１０先端近
傍で発生した散乱光以外の成分をカットするようになっ
ている。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】また、例えば図２に示すように、光電子増
倍管７６の受光部７６ａ，７６ｂ，７６ｃを結像面（ピ
ンホール１６２が配置された面）よりも後方に複数個配
置すると共に、各々の受光部７６ａ，７６ｂ，７６ｃを
所定の角度で配列し、これら受光部７６ａ，７６ｂ，７
６ｃからの電気信号をコンピュータ２２によって選択的
に抽出できるように構成すれば、散乱光の角度依存性を
考慮したＳＮＯＭ測定情報を得ることができる。この場
合、受光部７６ａ，７６ｂ，７６ｃからの電気信号を選
択的に抽出するための手段としては、例えばコンピュー
タ２２によって制御可能なアナログスイッチ１３０を適
用すれば良い。なお、受光部を複数個配置する代わり
に、１個の受光部を可動にすることによっても角度依存
性を考慮したＳＮＯＭ測定が可能である。この角度依存
性測定は、通常の（一部が透明である）散乱型探針に対
しても適用可能である。

【００６１】このように本実施の形態によれば、突起部
基部２００及びレバー部１２のレバー部先端領域Ｗが、
入射光の波長又は画像化に利用する光の波長に対して透
明となっている探針８を用いたことによって、突起部基
部２００及びレバー部１２で遮光されること無く、突起
部１０先端から散乱した散乱光を集光手段（即ち、対物
レンズ１６）で集光させることができるため、広い角度
範囲の散乱光を検出することが可能となり、その結果、
高分解能なＳＮＯＭ測定情報を得ることができる。

【００６２】更に、本実施の形態において、突起部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、突起部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。

【００６３】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突起部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、
探針変位センサの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。

【００６４】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、探針８は、励振させず、
試料２表面に突起部１０先端が接近した際に生じる探針
８の変位（Ｚ方向変位）を検出し、この検出値（試料２
表面と突起部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、突起部１０を試料
２に沿ってＸＹ走査することによって、ＡＦＭ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）に刺し入れられた突起部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。

【００６５】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表面の光の場からＳ
ＮＯＭ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ＳＮＯＭ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、突起部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、突起
部１０先端に対するＳＮＯＭ測定用照明光Ｍの入射位置
及び入射角を夫々調整することが好ましい。

【００６６】なお、本発明は、上述した実施の形態の構
成に限定されることは無く、以下のように種々変更する
ことが可能である。その第１の変形例として、例えば図
７に示すような形状を成した突起部１０ａを有する探針
８を適用しても上述した実施の形態と同様の作用効果を
実現することができる。

【００６７】具体的には、本変形例に適用した突起部１
０ａは、略直方体形状の突起部基部２００ａを有してお
り、この突起部基部２００ａの先端面（即ち、試料２に
対向した側の面）が、波長以上の範囲に亘って平坦面又
は滑らかな凸状曲面を成している。そして、この先端面
上に散乱体２０２ａが設けられている。なお、他の構成
は、上述した実施の形態と同一であるため、その説明は
省略する。

【００６８】本変形例に適用した突起部１０ａは、凹凸
のある試料２の場合、散乱体２０２ａが試料２の凹所に
完全に入り込めないため高分解能の画像化は難しいが、
平面状試料２に限定すれば、散乱体２０２ａ以外での散
乱は起こり得ないので、高分解能な画像情報（ＡＦＭ測
定情報やＳＮＯＭ測定情報）を得ることができる。

【００６９】また、第２の変形例として、例えば図８に
示すように、複数本（例えば３本）の柱２５０によって
支持された透明な弾性板２５２と、この弾性板２５２の
下面（即ち、試料２に対向した側の面）に設けられた透
明板２５４と、この透明板２５４の先端面（即ち、試料
２に対向した側の面）に設けられた散乱体２５６と、複
数本（例えば２本）の柱２５０に夫々設けられた傾き調
整機構２５８とによって探針８を構成しても良い。

【００７０】具体的には、本変形例に適用した透明板２
５４は、入射光の波長及び画像化に利用する波長に対し
て充分な透過率を有していると共に、その先端面が波長
以上の範囲に亘って平坦面又は滑らかな凸状曲面を成し
ており、この先端面上に散乱体２５６が設けられてい
る。また、傾き調整機構２５８は、試料２に対する透明
板２５４の先端面の傾きを調整することができるように
なっている。なお、他の構成は、上述した実施の形態と
同一であるため、その説明は省略する。

【００７１】このような構成によれば、透明板２５４の
先端面に設けられた散乱体２５６を試料２に近接させた
状態でＸＹ走査するか、或いは、各測定ポイント毎に、
散乱体２５６を試料２に近接させて散乱光を発生させ、
その散乱光を測定した後、一旦散乱体２５６を試料２か
ら離間させるといったプロセスを繰り返すことによっ
て、測定が行われる。

【００７２】本変形例に適用した探針８は、凹凸のある
試料２の場合、散乱体２５６が試料２の凹所に完全に入
り込めないため高分解能の画像化は難しいが、平面状試
料２に限定すれば、散乱体２５６以外での散乱は起こり
得ないので、高分解能な画像情報（ＡＦＭ測定情報やＳ
ＮＯＭ測定情報）を得ることができる。更に、傾き調整
機構２５８を設けたことによって、試料２に対する透明
板２５４の先端面の傾きを簡単且つ短時間に調整できる
ため、測定に要する時間の短縮化を実現することができ
る。

【００７３】また、第３の変形例として、例えば図９に
示すように、先端が先鋭化した突起部１０ｃを囲むよう
にレバー部１２上に複数の光検出素子２７０ａ，２７０
ｂ，２７０ｃ，２７０ｄを配列し、これら光検出素子か
ら出力された電気信号に基づいて、ＳＮＯＭ測定情報を
検出しても良い。

【００７４】この場合、各々の光検出素子２７０ａ，２
７０ｂ，２７０ｃ，２７０ｄから出力された電気信号
は、光電子増倍管７６からでは無く、コンピュータ２２
によって制御可能なアナログスイッチ（図示しない）を
介してＳＮＯＭ検出ユニット７０に取り込まれることに
なる。

【００７５】本変形例では、上述したように突起部１０
ｃを囲むように配列された複数の光検出素子２７０ａ，
２７０ｂ，２７０ｃ，２７０ｄによって直接散乱光を検
出しているため、散乱光の角度依存性を考慮したＳＮＯ
Ｍ測定情報を更に正確に得ることができる。

【００７６】また、レバー部１２は、必ずしも透明であ
る必要は無いため、アルミニウム膜（高反射膜）２０
は、レバー部１２全体に亘ってコーティングすることが
可能となり、この結果、探針８の先端部（レバー部１２
の先端領域）近傍の変位を測定することが可能となる。

【００７７】また、第４の変形例として、例えば図１０
に示すように、レバー部１２の一部が入射光の波長及び
画像化に利用する波長に対して充分な透過率を有し、且
つ、この部分に所定のピッチでグレーティング２８０が
掘られた探針８を適用しても良い。

【００７８】この場合、アルミニウム膜（高反射膜）２
０は、グレーティング２８０が掘られた部分以外の領
域、例えばレバー部１２の先端領域（突起部１０ｄの裏
面側領域）にコーティングされる。

【００７９】また、グレーティング２８０は、突起部１
０ｄからの散乱光を対物レンズ１６の方向に平行に回折
させるように形成されている。本変形例によれば、例え
ばピンホール１６２の位置をグレーティング２８０に対
して選択的に移動させるだけで簡単且つ正確に散乱光の
角度依存性を考慮したＳＮＯＭ測定情報を得ることがで
きる。

【００８０】

【発明の効果】本発明によれば、散乱光の検出角度が制
限されること無く、広い角度範囲の散乱光を検出するこ
とが可能な走査型近接場光学顕微鏡用探針及び走査型近
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】本発明の一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に示された走査型近接場光学顕微鏡に設け
られた光電子増倍管の内部構成を示す図。

【図３】図１に示された走査型近接場光学顕微鏡に設け
られた探針の構成を示す斜視図。

【図４】図１に示された走査型近接場光学顕微鏡に設け
られたＳＮＯＭ測定用照明装置の構成を示す斜視図。

【図５】図１に示された走査型近接場光学顕微鏡に設け
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】図１に示された走査型近接場光学顕微鏡に適用
可能なＳＮＯＭ測定用照明装置の主要な構成を示す図。

【図７】本発明の第１の変形例に適用した探針の構成を
示す斜視図。

【図８】本発明の第２の変形例に適用した探針の構成を
示す斜視図。

【図９】本発明の第３の変形例に適用した探針の構成を
示す斜視図。

【図１０】本発明の第４の変形例に適用した探針の構成
を示す斜視図。

【符号の説明】

８ 探針 １０ 突起部 １２ レバー部 １４ 支持部 ２０ アルミニウム膜 ２００ 突起部基部 ２０２ 散乱体 Ｗ レバー部の先端領域

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針に近接して配置された試料の観察対
   象部位に光を照射して、試料の表面近傍に光の場を形成
   させた状態において、探針を試料に沿って移動させて走
   査をした際に、探針によって前記光の場から散乱した散
   乱光に基づいて、試料を観察する走査型近接場光学顕微
   鏡に用いられる探針であって、 前記探針の先端部分には、前記光の場から光を散乱させ
   る散乱体が設けられており、且つ、散乱体が設けられた
   位置の近傍の材質は、この散乱体が設けられた側からそ
   の裏側に亘って透明な材質で構成したことを特徴とする
   走査型近接場光学顕微鏡用探針。
2. 【請求項２】 探針に近接して配置された試料の観察対
   象部位に光を照射して、試料の表面近傍に光の場を形成
   させた状態において、探針を試料に沿って移動させて走
   査をした際に、探針によって前記光の場から散乱した散
   乱光に基づいて、試料を観察する走査型近接場光学顕微
   鏡に用いられる探針であって、 前記探針の先端部分には、前記光の場から光を散乱させ
   る散乱体が設けられており、且つ、散乱体が設けられた
   位置の周辺の形状を滑らかな平面状或いは凸面状に構成
   したことを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡用探針。
3. 【請求項３】 探針に近接して配置された試料の観察対
   象部位に光を照射して、試料の表面近傍に光の場を形成
   させた状態において、探針を試料に沿って移動させて走
   査をした際に、探針によって前記光の場から散乱した散
   乱光に基づいて、試料を観察する走査型近接場光学顕微
   鏡に用いられる探針であって、 前記探針の先端部分には、前記光の場から光を散乱させ
   る散乱体が設けられており、且つ、散乱体が設けられた
   位置の周囲には、この散乱体によって前記光の場から散
   乱した散乱光を直接検出可能な複数の検出手段を配置し
   たことを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡用探針。
4. 【請求項４】 探針に近接して配置された試料の観察対
   象部位に光を照射して、試料の表面近傍に光の場を形成
   させた状態において、探針を試料に沿って移動させて走
   査をした際に、探針によって前記光の場から散乱した散
   乱光に基づいて、試料を観察する走査型近接場光学顕微
   鏡に用いられる探針であって、 前記探針の先端部分には、前記光の場から光を散乱させ
   る散乱体が設けられており、且つ、散乱体が設けられた
   位置の近傍には、この散乱体によって前記光の場から散
   乱した散乱光を一方向に回折する回折手段を設けたこと
   を特徴とする走査型近接場光学顕微鏡用探針。
5. 【請求項５】 試料に光を照射する照射手段と、 試料に近接して配置され、その先端部の寸法が照射手段
   からの光の波長の２倍以下であって、且つ、照射手段か
   ら試料に光を照射した際に、この試料の表面近傍に形成
   された光の場から光を散乱させる散乱手段と、 この散乱手段を保持すると共に、散乱手段を保持した位
   置の近傍において、散乱手段が設けられた側からその裏
   側に亘って透明な材質から成る保持手段と、 前記光の場から散乱した散乱光を検出する検出手段と、 前記試料と前記散乱手段との間の距離を制御する制御手
   段と、 前記試料と前記散乱手段との間の位置を相対的に移動さ
   せる走査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。
6. 【請求項６】 試料に光を照射する照射手段と、 試料に近接して配置され、その先端部の寸法が照射手段
   からの光の波長の２倍以下であって、且つ、照射手段か
   ら試料に光を照射した際に、この試料の表面近傍に形成
   された光の場から光を散乱させる散乱手段と、 この散乱手段を保持すると共に、散乱手段を保持した位
   置の周辺の形状が、滑らかな平面状或いは凸面状を成す
   保持手段と、 この保持手段の平面或いは凸面の傾きを調整する傾き調
   整手段と、 前記光の場から散乱した散乱光を検出する検出手段と、 前記試料と前記散乱手段との間の距離を制御する制御手
   段と、 前記試料と前記散乱手段との間の位置を相対的に移動さ
   せる走査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。
7. 【請求項７】 試料に光を照射する照射手段と、 試料に近接して配置され、その先端部の寸法が照射手段
   からの光の波長の２倍以下であって、且つ、照射手段か
   ら試料に光を照射した際に、この試料の表面近傍に形成
   された光の場から光を散乱させる散乱手段と、 この散乱手段を保持する保持手段と、 この保持手段上において、前記散乱手段の周囲に設けら
   れており、前記光の場から散乱した散乱光を検出する複
   数の検出手段と、 前記試料と前記散乱手段との間の距離を制御する制御手
   段と、 前記試料と前記散乱手段との間の位置を相対的に移動さ
   せる走査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。
8. 【請求項８】 試料に光を照射する照射手段と、 試料に近接して配置され、その先端部の寸法が照射手段
   からの光の波長の２倍以下であって、且つ、照射手段か
   ら試料に光を照射した際に、この試料の表面近傍に形成
   された光の場から光を散乱させる散乱手段と、 この散乱手段を保持する保持手段と、 この保持手段上において、前記散乱手段の周囲に設けら
   れており、前記光の場から散乱した散乱光を一方向に回
   折する回折手段と、 前記光の場から散乱した散乱光を検出する検出手段と、 前記試料と前記散乱手段との間の距離を制御する制御手
   段と、 前記試料と前記散乱手段との間の位置を相対的に移動さ
   せる走査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。
9. 【請求項９】 試料に光を照射する照射手段と、 試料に近接して配置され、その先端部の寸法が照射手段
   からの光の波長の２倍以下であって、且つ、照射手段か
   ら試料に光を照射した際に、この試料の表面近傍に形成
   された光の場から光を散乱させる散乱手段と、 この散乱手段を保持する保持手段と、 前記光の場から散乱した散乱光を結像させる結像手段
   と、 この結像手段の結像位置よりも後方に設けられており、
   前記光の場から散乱した散乱光を角度依存性に基づいて
   検出可能な検出手段と、 前記試料と前記散乱手段との間の距離を制御する制御手
   段と、 前記試料と前記散乱手段との間の位置を相対的に移動さ
   せる走査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。