TW202107092A - 懸臂及掃瞄探頭顯微鏡以及藉由掃瞄探頭顯微鏡之測定方法 - Google Patents
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Abstract
本發明之課題係提高掃瞄探頭顯微鏡之測定感度。
於剖面觀察下，懸臂40具有：頂點部位2，其為接近試樣之部位且由金屬膜7被覆；稜線4，其與頂點部位2連接且由金屬膜7被覆；及上角部位5，其與稜線4連接。此處，稜線4之一部分與上角部位5係被照射自掃瞄探頭顯微鏡之光源出射之激發光8之部位。
Description
本發明係關於一種懸臂及掃瞄探頭顯微鏡以及藉由掃瞄探頭顯微鏡之測定技術，例如關於一種應用於下述懸臂而有效之技術，該懸臂用於近場光探頭顯微鏡、以探針增強拉曼分光(TERS：Tip-enhanced Raman scattering，探針增強拉曼散射)顯微鏡為代表之分光探頭顯微鏡。
作為以高解析度測定被對象物(試樣)表面之光學性質或物性資訊之器件，已知有一種近場掃瞄顯微鏡(SNOM：Scanning Near-field Optical Microscope，掃瞄近場光學顯微鏡)。近年來，作為SNOM技術之應用之一，開發了一種能夠利用近場光之局部增強效果進行奈米解析度拉曼分光測定之掃瞄探頭顯微鏡。
例如於日本專利特開2019-7756號公報(專利文獻1)中記載有如下技術：於能夠提高測定之空間解析度與再現性之掃瞄探頭顯微鏡中，在懸臂(探頭、探針)之前端部以FIB(focused ion beam，聚焦離子束)加工技術形成薄膜波導，於該薄膜波導藉由基於電漿子共振角之光之入射而使懸臂之前端部產生近場光。
該技術係以可實現探針增強拉曼分光測定之方式，於懸臂成膜貴金屬膜，而於前端部藉由間接之光之入射進行測定之技術。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2019-7756號公報
[發明所欲解決之問題]
上述專利文獻1中所記載之技術之目的在於：藉由產生表面電漿子並傳輸至懸臂之前端部，而提高前端部中之近場光之強度。然而，顯然有如下問題：表面電漿子之傳輸距離較長，結果無法藉由表面電漿子來充分地提高近場光之強度。即，於上述專利文獻1中所記載之技術中，例如就提高使用掃瞄探頭顯微鏡之探針增強拉曼分光之測定感度之觀點而言，存在改善之餘地。
其他問題與新穎之特徵應可根據本說明書之記載及隨附圖式而明瞭。
[解決問題之技術手段]
一實施形態中之懸臂用於掃瞄探頭顯微鏡。並且，於剖面觀察下，懸臂具有：頂點部位，其為接近試樣之部位且由金屬膜被覆；稜線，其與頂點部位連接且由金屬膜被覆；及上角部位，其與稜線連接。此處，稜線之一部分與上角部位係被照射自掃瞄探頭顯微鏡系統中所搭載之激發用光源出射之激發光的部位。
一實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡具備保持試樣之試樣保持件、出射激發光之光源、及被照射激發光之懸臂。此處，掃瞄探頭顯微鏡中所含之懸臂具有上述構造。
一實施形態中之懸臂具備：探針部；及樑部，其自下表面連接於上述探針部且用以保持探針部。並且，於剖面觀察下，探針部具有：由金屬膜被覆之頂點部位、將頂點部位與樑部連接之第1線、與頂點部位連接且由金屬膜被覆之稜線、與稜線連接之上角部位、及將上角部位與樑部連接之第2線。此時，第2線具有第1構成與第2構成中之任一構成。此處，第1構成係如下構成，即，第1線及第2線之各者包含與樑部直接連接之直線部，且第1線之直線部與第2線之直線部之間距隨著接近頂點部位而變得相同或變窄。另一方面，第2構成係如下構成，即，第2線包含位於稜線之延長上之延長線部、及連接於上角部位與延長線部且向第1線側凹陷之凹部。
一實施形態中之藉由掃瞄探頭顯微鏡之測定方法具備：(a)將自光源出射之激發光照射至懸臂之步驟；及(b)檢測來自與懸臂對向配置之試樣之散射光之步驟。此處，懸臂具有：頂點部位，其為接近試樣之部位且由金屬膜被覆；稜線，其與頂點部位連接且由金屬膜被覆；及上角部位，其與稜線連接。此時，稜線之一部分與上角部位係被照射自掃瞄探頭顯微鏡之光源出射之激發光之部位。
[發明之效果]
根據一實施形態，可提高掃瞄探頭顯微鏡之測定感度。
於以下實施形態中，為了方便而有必要時，分割成複數個區或實施形態進行說明，但除特別明確表示之情況以外，其等均並非彼此無關係，而處於一者為另一者之一部分或全部之變化例、詳情、補充說明等關係。
又，於以下實施形態中，在提及要素數等(包含個數、數值、量、範圍等)之情形時，除特別明確表示之情況及在原理上明顯限定於特定數之情況等以外，均並不限定於該特定數，可為特定數以上，亦可為特定數以下。
進而，自不用說，於以下實施形態中，其構成要素(亦包含要素步驟等)除特別明確表示之情況及認為在原理上明顯必須之情況等以外，均並非必須品。
同樣地，於以下實施形態中，在提及構成要素等之形狀、位置關係等時，除特別明確表示之情況及認為在原理上明顯並非如此之情況等以外，均包含實質上與該形狀等近似或類似者等。上述內容關於上述數值及範圍亦相同。
又，於用以說明實施形態之所有圖中，對於同一構件，原則上標註同一符號，並省略其重複說明。再者，存在如下情況：為了使圖式容易理解，即便為俯視圖亦標註影線。
＜掃瞄探頭顯微鏡之概要＞
掃瞄探頭顯微鏡(SPM：Scanning Probe Microscope)係以掃瞄隧道顯微鏡或原子力顯微鏡為代表之顯微鏡之總稱。該掃瞄探頭顯微鏡係利用微小之探針(探頭)掃瞄試樣而觀察試樣之形狀或性質之顯微鏡。尤其是掃瞄探頭顯微鏡，藉由使探針之前端接近試樣之表面且一面檢測試樣與探針之間之力學/電磁相互作用一面進行掃瞄，可獲得試樣表面之放大圖像或物性資訊。例如，掃瞄探頭顯微鏡對試樣具有原子級或分子級之解析度。此處，近年來，進行使用具有原子級之解析度之掃瞄探頭顯微鏡來研究試樣之光學性質等物性資訊。具體而言，藉由自光源對探針之前端部照射激發光，而於探針之前端部形成近場光(局部電場集中)，檢測由該近場光引起之來自試樣之散射光。並且，進行藉由解析該散射光而獲得試樣之物性資訊。
例如於作為散射光檢測瑞利散射光之情形時，可獲取試樣之表面之反射率或表面粗糙度等物性資訊。另一方面，於檢測拉曼散射光之情形時，可鑑定化學鍵之種類或構成試樣之物質。
本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡可範圍廣泛地應用於檢測瑞利散射光或拉曼散射光之技術，但於本實施形態中，尤其著眼於使用掃瞄探頭顯微鏡來檢測拉曼散射光之分光測定技術。即，本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡係實現利用在探針之前端部所形成之近場光之探針增強拉曼分光測定的顯微鏡，於該掃瞄探頭顯微鏡中，實施了提高拉曼散射光之檢測感度之設計。具體而言，於本實施形態中，為了提高拉曼散射光之檢測感度，而著眼於提高探針之前端部中之近場光之強度。其原因在於：由於與瑞利散射光之強度相比，拉曼散射光之強度極其微弱，另一方面，根據近場光之強度而變強，故而若可使在探針之前端部所形成之近場光之強度變強，則可提高拉曼散射光之檢測感度。
關於此點，於本實施形態中，藉由實施與作為掃瞄探頭顯微鏡之構成要素的懸臂之探針部之形狀有關之設計及與激發光向懸臂之探針部之照射方法有關之設計，而使在探針部之前端所形成之近場之強度變強。以下，於對與懸臂之探針部之形狀有關之設計點進行說明之前，首先，對具備該懸臂之掃瞄探頭顯微鏡之構成及動作簡單地進行說明。
＜掃瞄探頭顯微鏡之構成＞
圖1係表示本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡之模式性構成之圖。
圖1所示之掃瞄探頭顯微鏡100例如為近場光掃瞄探頭顯微鏡、或被稱為探針增強拉曼分光用掃瞄探頭顯微鏡之顯微鏡。
於圖1中，本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡100具有：供搭載試樣10之試樣保持件20、供配置試樣保持件20之壓電元件載台30、以及包含探針部40a、樑部40b及被保持部40c之懸臂40。此處，樑部40b亦可為承擔板彈簧之作用之構造。壓電元件載台30構成為可相對於懸臂40之探針部40a相對地在xy方向上掃瞄試樣10。並且，懸臂40例如包含矽、氧化矽、或氮化矽中之任一材料。
其次，本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡100具有：相對於試樣10相對地掃瞄懸臂40之壓電元件載台50、壓電元件致動器51、以及經由壓電元件載台50及壓電元件致動器51而保持懸臂40之掃瞄頭52。換言之，懸臂40具有經由壓電元件載台50及壓電元件致動器51而被掃瞄頭52保持之被保持部40c。但，於懸臂40無需利用壓電元件致動器51之激振之情形時(例如於將具有自我檢測性能之懸臂作為母材之情形時)，未必需要壓電元件致動器51。
繼而，本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡100具有光學槓桿檢測部60。該光學槓桿檢測部60構成為檢測懸臂40之樑部40b之變形。具體而言，光學槓桿檢測部60具有光源61與光檢測器63。並且，光學槓桿檢測部60構成為自光源61朝向懸臂40之樑部40b射出光62，且構成為利用光檢測器63接收在懸臂40之樑部40b反射之光62(反射光)。此時，光學槓桿檢測部60構成為利用光檢測器63檢測因懸臂40之變形而產生之光62(反射光)之位置變化。
其次，本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡100具有入射/檢測光學系統70。入射/檢測光學系統70例如具有：出射雷射光(激發光)之光源71、將雷射光聚光之透鏡72、及接收來自試樣10之拉曼散射光之受光光學系統73。藉由使用分光器，可進行分光測定。自光源71出射之激發光例如可使用單波長雷射光，但並不限於此，亦可由包含多波長之雷射光構成激發光。
進而，本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡100具有：經由光纖75與受光光學系統73光學連接之分光器80、及與分光器80電性連接之控制部90。此處，分光器80構成為經由光纖75自受光光學系統73輸入拉曼散射光，而將拉曼散射光之各拉曼光譜分量分離。另一方面，控制部90構成為對壓電元件載台30及壓電元件載台50進行控制。進而，控制部90構成為與光學槓桿檢測部60連接，且基於由光學槓桿檢測部60檢測出之懸臂40之變形量對在懸臂40之探針部40a與試樣10之間作用之力與距離進行檢測。並且，控制部90構成為藉由以懸臂40之變形量變得固定之方式控制壓電元件載台30及壓電元件載台50，而遍及試樣10之整個表面掃瞄懸臂40之探針部40a。又，控制部90構成為基於用以控制壓電元件載台30及壓電元件載台50之xyz位移信號與來自分光器80之輸出信號，產生作為近場光圖像之拉曼光譜圖像與表面凹凸圖像並輸出。
於如此構成之本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡100中，由於在入射/檢測光學系統70中共用透鏡72，故而可簡化掃瞄探頭顯微鏡100之構成。
繼而，對本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡100之動作簡單地進行說明。首先，於圖1中，藉由利用控制部90控制壓電元件載台30與壓電元件載台50，而使懸臂40之探針部40a接近試樣10從而配置於規定位置。然後，將自光源71出射之激發光照射至懸臂40之探針部40a。於是，於探針部40a之前端產生近場光，結果自與懸臂40對向配置之試樣10出射包含拉曼散射光之散射光。該散射光通過透鏡72與受光光學系統73後，經由光纖75被分光器80檢測。然後，入射至分光器80之拉曼散射光被分光器80分離為各拉曼光譜分量。然後，將與各拉曼光譜分量對應之信號自分光器80輸出至控制部90。一面將懸臂40之探針部40a遍及試樣10之表面掃瞄，一面反覆進行此種動作。具體而言，控制部90藉由以懸臂40之變形量變得固定之方式控制壓電元件載台30及壓電元件載台50，而將懸臂40之探針部40a遍及試樣10之整個表面掃瞄。藉此，於控制部90產生拉曼分光光譜圖像與表面凹凸圖像。
＜掃瞄探頭顯微鏡之變化例1＞
圖2係表示本變化例1中之掃瞄探頭顯微鏡之模式性構成之圖。
圖2所示之本變化例1中之掃瞄探頭顯微鏡200係檢測自試樣10射出之拉曼散射光中透過試樣10之拉曼散射光。
具體而言，於本變化例1中之掃瞄探頭顯微鏡200中，藉由自入射光學系統74之光源71對懸臂40之探針部40a照射激發光，而於探針部40a之前端產生近場光。於是，自與懸臂40對向配置之試樣10射出之拉曼散射光中透過試樣10之拉曼散射光通過受光光學系統73與光纖75被聚光至分光器80，而被檢測出拉曼分光光譜。此處，如圖2所示，於本變化例1中，在xy方向上掃瞄配置於試樣保持件20上之試樣10之壓電元件載台30需要使透過試樣10之拉曼散射光通過。因此，如圖2所示，構成為於壓電元件載台30設置有開口部31，透過試樣10之拉曼散射光通過該開口部31入射至受光光學系統73。再者，其他構成與圖1所示之掃瞄探頭顯微鏡100相同，故省略說明。
根據本變化例1中之掃瞄探頭顯微鏡200，藉由懸臂40或壓電元件載台30不易遮擋拉曼散射光，因此可取較大之檢測立體角。其結果為可獲得具有高感度之拉曼分光測定及較高之對比度之近場光圖像或拉曼分光光譜圖像。即，根據本變化例1中之掃瞄探頭顯微鏡200，可提高近場光圖像或拉曼分光光譜圖像之S/N比(Signal to Noise Ratio，信噪比)及測定再現性。
＜掃瞄探頭顯微鏡之變化例2＞
圖3係表示本變化例2中之掃瞄探頭顯微鏡之模式性構成之圖。
圖3所示之本變化例2中之掃瞄探頭顯微鏡300係檢測自試樣10射出之拉曼散射光中被向懸臂40之側面方向散射之拉曼散射光。具體而言，於本變化例2中之掃瞄探頭顯微鏡300中，藉由自入射光學系統74之光源71對懸臂40之探針部40a照射激發光，而於探針部40a之前端產生近場光。於是，自與懸臂40對向配置之試樣10射出之拉曼散射光中被向懸臂40之側面方向散射之拉曼散射光通過受光光學系統73與光纖75被聚光至分光器80，而被檢測出拉曼分光光譜。再者，其他構成與圖1所示之掃瞄探頭顯微鏡100相同，故省略說明。
根據本變化例2中之掃瞄探頭顯微鏡300，可自多方向收集散射光，因此可進行不易受試樣10之形狀影響之測定。
＜實施形態中之懸臂之構成＞
拉曼散射光之強度與瑞利散射光之強度相比極其微弱，另一方面，根據近場光之強度而變強，因此就提高拉曼散射光之檢測感度之觀點而言，重要的是使在懸臂之探針部之前端所形成之近場光之強度變強。
關於此點，於本實施形態中，藉由實施與作為掃瞄探頭顯微鏡之構成要素的懸臂之探針部之形狀相關之設計及與激發光向懸臂之探針部之照射方法相關之設計，而使在探針部之前端所形成之近場之強度變強。以下，對實施了該設計之本實施形態中之懸臂之構成進行說明。
圖4係表示本實施形態中之懸臂之模式性構成之立體圖。
於圖4中，本實施形態中之懸臂40例如使用於圖1～圖3所示之掃瞄探頭顯微鏡。該懸臂40具備：保持於掃瞄探頭顯微鏡之掃瞄頭之被保持部40c、與被保持部40c一體地形成之樑部40b、及支持於樑部40b之探針部40a。樑部40b構成為沿x方向延伸，且能夠變形。另一方面，探針部40a例如呈朝z方向突出之大致三角錐形狀。但，探針部40a形狀不限於大致三角錐形狀，例如亦可由大致四角錐形狀構成。
當對如此構成之懸臂40之探針部40a照射激發光8時，於探針部40a之前端產生近場光8a。
此處，於圖4中，x軸定義為與樑部40b之延伸方向平行之軸。另一方面，y軸定義為與包含x軸之假想面且懸臂40變得平面對稱之假想面之法線平行之軸。進而，z軸定義為與如上所述般定義之x軸與y軸兩者正交之軸。
繼而，圖5係以圖4之A-A線切割所得之剖視圖。即，圖5亦可稱為以包含構成懸臂40之探針部40a之一部分之稜線且與懸臂40之樑部40b之上表面正交之假想面切割所得之剖視圖。
於圖5中，本實施形態中之懸臂40之探針部40a具有：頂點部位2，其為接近試樣之部位且由金屬膜7被覆；稜線4，其與頂點部位2連接且由金屬膜7被覆；及上角部位5，其與稜線4連接。尤其是探針部40a之前端，至少存在1條稜線4。進而，本實施形態中之懸臂40具備樑部40b，該樑部40b自下表面1連接於探針部40a且用以保持探針部40a。此處，於圖5中，探針部40a具有將頂點部位2與樑部40b連接之第一線3、及將上角部位5與樑部40b之上表面連接之第二線6。此時，如圖5所示，第一線3包含與樑部40b直接連接之直線部。另一方面，第二線6包含與上角部位5直接連接之傾斜部6a、及將該傾斜部6a與樑部40b之上表面連結之直線部6b。於如此構成之本實施形態中之懸臂40中，如圖5所示，經透鏡72聚光之激發光8被相對於稜線4自斜方向照射。並且，對探針部40a之稜線4之一部分與上角部位5照射自搭載於掃瞄探頭顯微鏡系統之激發用光源出射之激發光8。即，於本實施形態中之懸臂40中，構成探針部40a之一部分之稜線4與上角部位5成為被照射激發光8之部位。換言之，於本實施形態中之懸臂40中，在經透鏡72聚光之激發光8之照射光點內至少包含稜線4之一部分與上角部位5。
此處，懸臂40之探針部40a之材料一般為矽(Si)，但探針部40a亦可由氧化矽(SiO2
)或氮化矽(Si3
N4
)、碳(C)等所形成。
又，被覆探針部40a之頂點部位2及稜線4之金屬膜7可由金膜、銀膜、鉑膜、或鋁膜等金屬膜或合金膜或多種金屬之多層膜所形成。該金屬膜7之膜厚基本上無限定，但例如較理想為激發光8之波長之0.1倍以上。但，為了確保於前端所激發之近場光8a之強度，較理想為將探針部40a之前端之直徑維持得較小，因此金屬膜7之膜厚過厚亦不理想。因此，金屬膜7之膜厚只要根據測定目的進行設定即可。
其次，於圖5中，探針部40a係藉由FIB(Focused Ion Beam)加工而形成上角部位5與第二線6。此時，上角部位5露出有作為探針部40a之構成材料之矽。並且，於本實施形態中之懸臂40中，稜線4之長度變得非常短。例如，稜線4之長度為入射至懸臂40之探針部40a的激發光8之波長之10倍以下之長度。示出具體例，於將激發光8之波長設為660 nm時，稜線4之長度為6.6 μm以下。換種表現方式為，被照射至探針部40a之激發光8之光束點直徑大於稜線4之長度。換言之，稜線4之長度小於被照射至探針部40a之激發光8之光束點直徑。
於將本實施形態中之懸臂40用於掃瞄探頭顯微鏡時，如圖5所示，自懸臂40之前面(與稜線4對向之方向)照射經透鏡72聚光之激發光8。此時，當將激發光8相對於稜線4之入射角度設為θ時，θ大於0度且小於90度。列舉具體例，θ為45度。
＜實施形態中之特徵＞
其次，對本實施形態中之特徵點進行說明。
本實施形態中之第1特徵點在於以下的點：例如如圖5所示構成為，懸臂40之探針部40a包含頂點部位2、稜線4及上角部位5。即，本實施形態中之第1特徵點在於以下的點：為與懸臂40之探針部40a之形狀有關之設計點，以將上角部位5接近頂點部位2而配置之方式對探針部40a進行形狀加工，以使稜線4之長度變短。
藉此，如圖5所示，藉由對探針部40a之稜線4與上角部位5照射激發光8，而於被覆稜線4之金屬膜7之表面激發表面電漿子8b(構成金屬膜7之自由電子之集體振動)。並且，所激發之表面電漿子8b朝向探針部40a之頂點部位2傳輸，但於本實施形態中，由於稜線4之長度較短，故而可無表面電漿子8b減少且效率良好地使表面電漿子8b傳輸至頂點部位2。其結果為，於探針部40a之頂點部位2產生局部電場集中，而產生非常強之近場光8a。即，於本實施形態中，藉由設置有懸臂之測定裝置之光源向懸臂之探針部照射激發光，結果自由電子自上角部位5沿著稜線4移動至頂點部位2，而於頂點部位2產生電場集中。此時，為了加強激發光8與表面電漿子8b之結合，使表面電漿子8b集中於頂點部位2，激發光8之偏光方向較理想為與稜線4平行之分量(p偏光分量)較多。
繼而，本實施形態中之第2特徵點在於以下的點：例如如圖5所示，相對於探針部40a之稜線4自斜方向將激發光8照射至懸臂40。於該情形時，可於被覆稜線4之金屬膜7之表面激發非常強之表面電漿子8b。即，當相對於稜線4自斜方向照射激發光8時，於被覆稜線4之金屬膜7之表面激發非常強之表面電漿子8b。其結果為，藉由表面電漿子8b而運輸至頂點部位2之能量變大，藉此可於頂點部位2之附近區域產生非常強之近場光8a。基於以上情況，藉由將上述第1特徵點與第2特徵點進行組合，可於被覆稜線4之金屬膜7之表面激發具有非常強之能量之表面電漿子8b。其結果為，藉由第1特徵點與第2特徵點之協同效應，可於探針部40a之頂點部位2之附近產生非常強之近場光8a。其意味著，可使來自試樣之拉曼散射光之強度較強，因此根據使用本實施形態中之懸臂40之掃瞄探頭顯微鏡，可獲得能夠使拉曼散射光之測定感度大幅度提高之顯著效果。
例如於僅對探針部40a之前端照射激發光8之測定技術中，僅可將激發光8之一部分轉換為近場光8a。因此，難以最大限度地將激發光8之能量用於產生近場光8a。又，若稜線4之長度過長，則於被覆稜線4之金屬膜7之表面所激發之表面電漿子8b之傳輸距離變長，結果因較長之傳輸距離導致表面電漿子8b減少，因此無助於提高測定感度。相對於此，於本實施形態中，如圖5所示，遍及探針部40a之稜線4與上角部位5照射經透鏡72聚光之激發光8，且自被照射至稜線4之激發光8激發表面電漿子8b。然後，藉由利用該表面電漿子8b傳輸能量而加強在頂點部位2之附近所產生之近場光8a之強度。此時，於本實施形態中，由於稜線4之長度較短，故而可不易產生表面電漿子8b之減少且效率良好地提高近場光8a之強度。即，於本實施形態中，可經由利用表面電漿子8b傳輸能量而最大限度地利用激發光8之能量，因此可於探針部40a之頂點部位2產生非常強之近場光8a。因此，根據本實施形態，可提高在探針部40a之頂點部位2之附近所產生之近場光8a之強度，因此可提高測定感度。
進而，已知掃瞄探頭顯微鏡中所使用之一般之懸臂例如因被覆探針前端部之金屬膜之表面之污垢或氧化，導致測定感度急遽降低。例如，一般之懸臂之壽命最長為幾周左右。相對於此，於本發明之構成中，可激發表面電漿子之金屬膜之面積較大，激發面積全部被污染之情況極少，因此根據本實施形態中之懸臂40，亦確認到可實現長壽命。因此，本實施形態中之懸臂40能夠不僅就可大幅度地提高測定感度之方面而言有用，於可提供可靠性較高之長使用壽命之懸臂之方面亦非常優異。
＜變化例＞
＜＜變化例1＞＞
圖6係表示本變化例1中之懸臂之模式性構成之立體圖。
於圖6中，本變化例1中之懸臂40-1亦例如用於圖1～圖3所示之掃瞄探頭顯微鏡。該懸臂40-1具備：保持於掃瞄探頭顯微鏡之掃瞄頭之被保持部40c、與被保持部40c一體地形成之樑部40b、及支持於樑部40之探針部40a。樑部40b構成為沿x方向延伸，且能夠變形。另一方面，探針部40a例如呈朝z方向突出之大致三角錐形狀。但，探針部40a之形狀不限於大致三角錐形狀，例如亦可由大致四角錐形狀所構成。
當對如此構成之懸臂40-1之探針部40a照射激發光8時，於探針部40a之前端產生近場光8a。
圖7係以圖6之A-A線切割所得之剖視圖。
於圖7中，探針部40a具有將頂點部位2與樑部40b連接之第一線3、及將上角部位5與樑部40b之上表面連接之第二線6。此時，如圖7所示，第一線3包含與樑部40b直接連接之直線部。另一方面，第二線6包含與上角部位5直接連接之水平直線部6c、及將該水平直線部6c與樑部40b之上表面連結之直線部6b。
於如此構成之本變化例1中之懸臂40-1中，亦如圖7所示，經透鏡72聚光之激發光8被相對於稜線4自斜方向照射。並且，對探針部40a之稜線4之一部分與上角部位5照射自掃瞄探頭顯微鏡之光源出射之激發光8。藉此，本變化例1中之懸臂40-1亦與實施形態中之懸臂40同樣地，可提高在探針部40a之頂點部位2之附近所產生之近場光8a之強度。
＜＜變化例2＞＞
圖8係表示本變化例2中之懸臂之模式性構成之立體圖。
於圖8中，本變化例2中之懸臂40-2亦例如用於圖1～圖3所示之掃瞄探頭顯微鏡。該懸臂40-2具備：保持於掃瞄探頭顯微鏡之掃瞄頭之被保持部40c、與被保持部40c一體地形成之樑部40b、及支持於樑部40之探針部40a。樑部40b構成為沿x方向延伸，且能夠變形。另一方面，探針部40a例如呈朝z方向突出之大致三角錐形狀。但，探針部40a之形狀不限於大致三角錐形狀，例如亦可由大致四角錐形狀所構成。
當對如此構成之懸臂40-2之探針部40a照射激發光8時，於探針部40a之前端產生近場光8a。
圖9係以圖8之A-A線切割所得之剖視圖。
於圖9中，探針部40a具有將頂點部位2與樑部40b連接之第一線3、及將上角部位5與樑部40b之上表面連接之第二線6。此時，如圖9所示，第一線3包含與樑部40b直接連接之直線部。另一方面，第二線6包含直接連接於上角部位5與樑部40b之上表面兩者之傾斜直線部6d。
如此構成之本變化例2中之懸臂40-2亦如圖9所示，經透鏡72聚光之激發光8被相對於稜線4自斜方向照射。並且，對探針部40a之稜線4之一部分與上角部位5照射自掃瞄探頭顯微鏡之光源出射之激發光8。藉此，本變化例2中之懸臂40-2亦與實施形態中之懸臂40同樣地，可提高在探針部40a之頂點部位2之附近所產生之近場光8a之強度。
尤其是本變化例2中之懸臂40-2由於第二線6僅由具有一定斜率之傾斜直線部6d構成，故而有容易進行FIB加工之優點。
＜＜變化例3＞＞
圖10係表示本變化例3中之懸臂之模式性構成之立體圖。
於圖10中，本變化例3中之懸臂40-3亦例如用於圖1～圖3所示之掃瞄探頭顯微鏡。該懸臂40-3具備：保持於掃瞄探頭顯微鏡之掃瞄頭之被保持部40c、與被保持部40c一體地形成之樑部40b、及支持於樑部40之探針部40a。樑部40b構成為沿x方向延伸，且能夠變形。另一方面，探針部40a例如呈朝z方向突出之大致三角錐形狀。但，探針部40a之形狀不限於大致三角錐形狀，例如亦可由大致四角錐形狀所構成。
當對如此構成之懸臂40-3之探針部40a照射激發光8時，於探針部40a之前端產生近場光8a。
圖11係以圖10之A-A線切割所得之剖視圖。
於圖11中，探針部40a具有將頂點部位2與樑部40b連接之第一線3、及將上角部位5與樑部40b之上表面連接之第二線6。此時，如圖11所示，第一線3包含與樑部40b直接連接之直線部。另一方面，第二線6包含位於稜線4之延長上之延長線部9、及連接於上角部位5與延長線部9且向上述第一線3側凹陷之第一凹部6e。
如此構成之本變化例3中之懸臂40-3亦如圖11所示，經透鏡72聚光之激發光8被相對於稜線4自斜方向照射。並且，對探針部40a之稜線4之一部分與上角部位5照射自掃瞄探頭顯微鏡之光源出射之激發光8。藉此，本變化例3中之懸臂40-3亦與實施形態中之懸臂40同樣地，可提高在探針部40a之頂點部位2之附近所產生之近場光8a之強度。
尤其是本變化例3中之懸臂40-3由於藉由FIB加工所形成之第一凹部6e之體積較小，故而可使FIB加工所需之時間變短。
＜＜變化例4＞＞
圖12係表示本變化例4中之懸臂之模式性構成之立體圖。
於圖12中，本變化例4中之懸臂40-4例如亦用於圖1～圖3所示之掃瞄探頭顯微鏡。該懸臂40-4具備：保持於掃瞄探頭顯微鏡之掃瞄頭之被保持部40c、與被保持部40c一體地形成之樑部40b、及支持於樑部40之探針部40a。樑部40b構成為沿x方向延伸，且能夠變形。另一方面，探針部40a例如呈向z方向突出之大致三角錐形狀。但，探針部40a之形狀不限於大致三角錐形狀，例如亦可由大致四角錐形狀所構成。
當對如此構成之懸臂40-4之探針部40a照射激發光8時，於探針部40a之前端產生近場光8a。
圖13係以圖12之A-A線切割所得之剖視圖。
於圖13中，探針部40a具有將頂點部位2與樑部40b連接之第一線3、及將上角部位5與樑部40b之上表面連接之第二線6。此時，如圖13所示，第一線3包含與樑部40b直接連接之直線部。另一方面，第二線6包含位於稜線4之延長上之延長線部9、及連接於上角部位5與延長線部9且向上述第一線3側彎曲之第二凹部6f。
如此構成之本變化例4中之懸臂40-4亦如圖13所示，經透鏡72聚光之激發光8被相對於稜線4自斜方向照射。並且，對探針部40a之稜線4之一部分與上角部位5照射自掃瞄探頭顯微鏡之光源出射之激發光8。藉此，本變化例4中之懸臂40-4亦與實施形態中之懸臂40同樣地，可提高在探針部40a之頂點部位2之附近所產生之近場光8a之強度。
尤其是本變化例4中之懸臂40-4，由於藉由FIB加工所形成之第二凹部6f之體積較小，故而可使FIB加工所需之時間變短。
＜懸臂之上位概念化＞
如上所述，實現本實施形態中之技術思想之懸臂之構成例如包含：圖5所示之構成、圖7所示之構成、圖9所示之構成、圖11所示之構成、及圖13所示之構成。此處，例如若決定將包含圖5所示之構成、圖7所示之構成及圖9所示之構成的構成稱為第1構成，則該第1構成可理解為以下所示之構成。即，第1構成可為如下構成：於圖5、圖7及圖9中，以探針部40a包含頂點部位2、第一線3、稜線4、上角部位5及第二線6且第二線6包含與樑部40b之上表面直接連接之直線部(直線部6b、傾斜直線部6d)為前提，第一線3與第二線6之直線部(直線部6b、傾斜直線部6d)之間距隨著接近頂點部位2而變得相同或變窄。藉此，第1構成可稱為包含圖5所示之構成、圖7所示之構成及圖9所示之構成的上位概念化之構成。根據此種第1構成，可使懸臂之圍繞y軸之剛性變高。由此，第1構成可抑制因懸臂之形狀引起之振動。
繼而，例如若決定將包含圖11所示之構成及圖13所示之構成的構成稱為第2構成，則該第2構成可理解為以下所示之構成。即，第2構成可為如下構成：於圖11與圖13中，以探針部40a包含頂點部位2、第一線3、稜線4、上角部位5及第二線6為前提，第二線6包含位於稜線4之延長上之延長線部9、及連接於上角部位5與延長線部9兩者且向第一線3側凹陷之凹部(第一凹部6e、第二凹部6f)。藉此，第2構成可稱為包含圖11所示之構成及圖13所示之構成之上位概念化之構成。根據此種第2構成，可更簡單地實現本實施形態中之技術思想。進而，根據第2構成，可根據掃瞄探頭顯微鏡之激發光之透鏡之聚光特性容易地調整供製作凹部(第一凹部6e、第二凹部6f)之位置，因此獲得可應用於種類範圍更廣泛之掃瞄探頭顯微鏡用懸臂之通用性。又，由於加工部分極小，故而對懸臂之振動特性之影響較小，而可按照先前之使用方法直接使用。
＜效果之驗證＞
根據本實施形態，可獲得能夠提高在探針部之前端所產生之近場光之強度之效果，但以下，對該效果之驗證結果進行說明。
圖14係模式性地表示用以對本實施形態中之效果進行驗證之模擬計算模型的圖。於圖14中示出了模擬計算模型中所使用之模式性探針部1000。該探針部1000中包含頂點部位1001、稜線1002、上角部位1003及第一線1004。並且，於圖14中，「(1)」表示自下方對頂點部位1001照射激發光之情形(下方照射)，「(2)」表示自側方對頂點部位1001照射激發光之情形(側方照射)。又，於圖14中，「(3)」表示自第一線1004之背面側照射激發光之情形(背面照射)，「(4)」表示相對於稜線1002自斜方向照射激發光之情形(斜方照射)。此處，「(4)」之情形相當於本實施形態中之提出方式。再者，於模擬計算中，被照射至探針部1000之激發光為直徑為3 μm之高斯光束，偏光設為P偏光，且入射功率設定為1 W。又，將探針部1000之母材設為矽，並且將金屬膜1005之膜厚設定為稜線1002側為100 nm左右，第一線1004側為45 nm左右。
以下，對利用上述模擬計算模型進行計算所得之近場光之產生狀況進行說明。圖15係探針部整體之模擬結果。另一方面，圖16係將探針部之前端附近放大所得之模擬結果，圖17係以能夠容易理解地掌握探針部之前端附近之電場強度之方式進行圖像加工所得之模擬結果。於圖15及圖16中，越為黑色區域越表示電場強度較高。於圖17中，著眼於探針部之前端，示出了電場強度以「白色」→「黑色」→「灰色」之順序變高。並且，於圖15～圖17之各個中，「(1)」表示下方照射，「(2)」表示側方照射。又，於圖15～圖17之各個中，「(3)」表示背面照射，「(4)」表示斜方照射。例如如圖17所示，可知在相當於本實施形態中之提出方式之斜方照射中，探針部之前端附近區域中之近場光之最大電場強度成為15.8(V/m)2
，與(1)所示之下方照射或(2)所示之側方照射或(3)所示之背面照射相比，均實現了2倍以上之最大電場強度。因此，例如拉曼分光之信號強度與近場光之強度之四次方成比例，因此可估算於以藉由斜方照射(4)所產生之近場光進行探針增強拉曼分光之情形時，可獲得較藉由其他照射方法所獲得之測定感度而言四次方倍之放大。如此，考慮藉由上述模擬計算模型所獲得之驗證結果，根據本實施形態，可提高在探針部之前端所產生之近場光之強度，結果例如證實可提高探針增強拉曼分光之測定感度。
＜針對稜線之長度之考察＞
其次，對針對稜線之長度之考察進行說明。
圖18係表示根據探針部中之稜線之長度之不同而由稜線上所形成之表面電漿子引起之電場分佈不同之情況的圖。例如於圖18(a)中示出了稜線之長度L為L＝1028 nm之情形時之電場分佈。另一方面，於圖18(b)中示出了稜線之長度L＝4820 nm之情形時之電場分佈。
基於該模擬結果，可理解規定稜線之長度之必要性。即，於圖18(a)中，於被覆稜線之金屬膜之表面激發並封閉表面電漿子，結果產生基於表面電漿子之駐波。藉此，於探針部之頂點部位，產生局部電場集中而產生非常強之近場光。例如於圖18(a)中，於探針部之頂點部位產生之近場光之電場強度成為21.5(V/m)。另一方面，若如圖18(b)所示般稜線之長度變得過長，則表面電漿子之封閉效應變弱。其結果為，於探針部之頂點部位，所產生之近場光之電場強度相對變弱。例如於圖18(b)中，於探針部之頂點部位產生之近場光之電場強度成為13.9(V/m)。再者，模擬計算時之入射電場強度為1(V/m)。
由以上情況可知，為了使探針部之頂點部位之近場光之電場強度變高，較理想為將探針部中之稜線之長度限定為規定之第1規定值以下。即，為了有效利用藉由表面電漿子所獲得之局部電場集中，稜線之長度存在上限值。另一方面可知，由於認為若稜線之長度過短，則無法產生基於表面電漿子之駐波，故而為了有效利用藉由表面電漿子所獲得之局部電場集中，較理想為將稜線之長度限定為規定之第2規定值以上。即，為了有效利用藉由表面電漿子所獲得之局部電場集中，稜線之長度存在下限值。如此可知，探針部之頂點部位之近場光之電場強度定性地取決於稜線之長度，就使近場光之電場強度變高之觀點而言，較理想為將稜線之長度限定為規定範圍(第2規定值以上第1規定值以下)。
因此，以下，對使稜線之長度變化時之近場光之電場強度之變化的算出模擬結果進行說明。例如，圖19係對第1模擬中之前提條件進行說明之圖，該第1模擬算出使稜線之長度變化時之近場光之電場強度之變化。於圖19(a)中示出了探針部40a之前端構造。於圖19(a)中，將頂點部位8a與上角部位5連結之線為稜線4，該稜線4之長度以「L」表示。於第1模擬中使該「L」變化。
並且，圖19(b)係表示用以進行第1模擬之前提構成之圖。如圖19(b)所示，對探針部40a之頂點部位8a照射激發光8。此時，激發光8之波長為660 nm。該激發光8被聚光成光點形狀而照射至探針部40a之頂點部位8a。詳細而言，將光點形狀之中心照射至頂點部位8a，且光點形狀之範圍包含稜線4與上角部位5。並且，於圖19(b)中，在第1模擬中，將通過頂點部位8a之水平線HL1與激發光8之入射方向所成之角定義為入射角度θ。又，以第1模擬算出之近場光之電場強度係圖19(b)之「P」所表示之位置處之電場強度。即，於第1模擬中，在探針部40a之下方配置有金基板10A，在探針部40a之頂點部位8a與金基板10A之表面之間存在2 nm之間隙。此處，頂點部位8a與金基板10A之表面之中間點為「P」，「P」與金基板10之間之距離為1 nm。
再者，於第1模擬中，考慮到由於為對頂點部位8a照射激發光8之構成，故而無法設為入射角度θ為90°以上，從而入射角度θ之範圍為0°以上90°以下。然而，於實際之掃瞄探頭顯微鏡中，為了避免將激發光8聚光成光點形狀之入射光學系統與金基板10A之物理性干涉，而將入射角度θ限定為15°以上90°以下。
圖20係表示第1模擬之結果之曲線圖。於圖20中，縱軸表示電場強度(V/m)，另一方面，橫軸表示入射角度θ(°)。於圖20中，示出了於將激發光之波長設為λ(＝660 nm)之情形時，稜線4之長度L為λ/2(＝330 nm)以上5λ(＝3300 nm)以下之情形時之入射角度θ與電場強度之關係。如圖20所示，可知於稜線4之長度L為λ/2以上5λ以下之任一者之情形時，均存在電場強度例如取16(V/m)以上之最大值之入射角度θ。因此，於稜線4之長度L處於λ/2以上5λ以下之範圍之情形時，藉由參照圖20而決定使電場強度成為最大值之入射角度，可使近場光之電場強度變高。即，基於第1模擬之結果，近場光之電場強度取決於稜線4之長度L與入射角度θ兩者，於稜線4之長度L為λ/2以上5λ以下之情形時，藉由基於圖20所示之曲線圖選擇適當之入射角度θ，可使近場光之電場強度變高。即，例如藉由根據稜線4之長度L之不同來調整入射角度θ，可使近場光之電場強度變高。換言之，基於第1模擬之結果，近場光之電場強度取決於稜線4之長度L與入射角度θ兩者，例如於已決定入射角度θ之情形時，藉由基於圖20所示之曲線圖於λ/2以上5λ以下之範圍內選擇適當之稜線4之長度L，可使近場光之電場強度變高。如此，藉由根據稜線4之長度L調整入射角度θ，或根據入射角度θ選擇適當之稜線4之長度L，例如可提高探針增強拉曼分光之測定感度。
繼而，對第2模擬之結果進行說明。
圖21係表示用以進行第2模擬之前提構成之圖。如圖21所示，對探針部40a之上角部位5照射激發光8。此時，激發光8之波長為660 nm。該激發光8被聚光成光點形狀而照射至探針部40a之上角部位5。詳細而言，將光點形狀之中心照射至上角部位5，且光點形狀之範圍包含稜線4與頂點部位8a。並且，於圖21中，在第2模擬中，將通過上角部位5之水平線HL2與激發光8之入射方向所成之角定義為入射角度θ。又，以第2模擬算出之近場光之電場強度係圖21之「P」所表示之位置處之電場強度。即，於第2模擬中，在探針部40a之下方配置有金基板10A，在探針部40a之上角部位5與金基板10A之表面之間存在2 nm之間隙。此處，上角部位5與金基板10A之表面之中間點為「P」，「P」與金基板10之間之距離為1 nm。
再者，於第2模擬中，考慮到由於為對上角部位5照射激發光8之構成，故而入射角度θ亦可為90°以上，從而入射角度θ之範圍例如可設為0°以上130°以下。然而，於實際之掃瞄探頭顯微鏡中，為了避免將激發光8聚光成光點形狀之入射光學系統與金基板10A之物理性干涉，而將入射角度θ例如限定為15°以上130°以下。
圖22係表示第2模擬之結果之曲線圖。於圖22中，縱軸表示電場強度(V/m)，另一方面，橫軸表示入射角度θ(°)。於圖22中示出了於將激發光之波長設為λ(＝660 nm)之情形時，稜線4之長度L為λ/2(＝330 nm)以上3λ(＝1980 nm)以下之情形時之入射角度θ與電場強度之關係。如圖22所示，可知於稜線4之長度L為λ/2以上3λ以下之任一者之情形時，均存在電場強度例如取16(V/m)以上之最大值之入射角度θ。因此，於稜線4之長度L處於λ/2以上3λ以下之範圍之情形時，藉由參照圖22而決定使電場強度成為最大值之入射角度，可使近場光之電場強度變高。即，基於第2模擬之結果，近場光之電場強度取決於稜線4之長度L與入射角度θ兩者，於稜線4之長度L為λ/2以上3λ以下之情形時，藉由基於圖22所示之曲線圖選擇適當之入射角度θ，可使近場光之電場強度變高。即，例如藉由根據稜線4之長度L之不同調整入射角度θ，可使近場光之電場強度變高。換言之，基於第2模擬之結果，近場光之電場強度取決於稜線4之長度L與入射角度θ兩者，例如於已決定入射角度θ之情形時，藉由基於圖22所示之曲線圖於λ/2以上3λ以下之範圍內選擇適當之稜線4之長度L，可使近場光之電場強度變高。如此，藉由根據稜線4之長度L調整入射角度θ，或根據入射角度θ選擇適當之稜線4之長度L，例如可提高探針增強拉曼分光之測定感度。
於上述第1模擬及第2模擬中，已舉例λ＝660 nm作為激發光8之波長λ進行說明，但第1模擬之結果及第2模擬之結果例如可應用於λ為可見光區域之波長。但，激發光8之波長λ不限於可見光區域之波長，藉由將被覆探針部40a之金屬膜7之材質自金膜(Au膜)更換為銀膜(Ag膜)或鋁膜(Al膜)，而可廣泛地應用於近紫外區域之波長至紅外區域之波長。
例如於對激發光8使用紅外區域之波長之情形時，除SNOM或TERS之測定以外，藉由以奈米解析度等級測定因激發光8之照射或藉由照射激發光8而產生之近場光之照射引起的試樣表面之膨脹或反射率之變化或光誘導力之任一者，亦可使紅外(IR)分光測定之測定感度成為高感度。
其次，基於第1模擬之結果與第2模擬之結果來說明對探針部40a之頂點部位8a照射激發光8之光點中心的構成之優點、與對探針部40a之上角部位5照射激發光8之光點中心的構成之優點。
第1模擬之結果係相對於對探針部40a之頂點部位8a照射激發光8之光點中心之構成的結果。例如，將圖20與圖22進行對比可知，在整體上第1模擬中之近場光之電場強度較第2模擬中之近場光之電場強度更高。尤其於第1模擬中，於稜線4之長度L為L＝1028 nm且入射角度θ為θ＝65°時，近場光之電場強度成為21(V/m)，成為最大值。因此，於與第1模擬對應之對頂點部位8a照射激發光8之光點中心之構成中，可獲得能夠使電場強度之大小變大之優點。又，基於第1模擬之結果，關於對頂點部位8a照射激發光8之光點中心之構成，就稜線4之長度L能夠對應λ/2以上5λ以下之範圍之方面而言，可增大稜線之長度L之設計自由度。
另一方面，第2模擬之結果係相對於對探針部40a之上角部位8a照射激發光8之光點中心之構成的結果。例如，將圖19(b)與圖21進行對比可知，於與第2模擬對應之構成中，對距離金基板10A較遠之上角部位5而非接近金基板10A之頂點部位8a照射激發光8之光點中心。其意味著，較之對頂點部位8a照射激發光8之光點中心之構成，對上角部位5照射激發光8之光點中心之構成更能減少對試樣之測定對象區域以外照射激發光8。即，可獲得如下優點：較之對頂點部位8a照射激發光8之光點中心之構成，對上角部位5照射激發光8之光點中心之構成更能夠減少因對試樣之測定對象區域以外照射激發光8引起之背景雜訊。進而，關於對上角部位5照射激發光8之光點中心之構成，就亦可為90°以上之入射角度θ之方面而言，較對頂點部位8a照射激發光8之光點中心之構成而言更可增大入射角度θ之自由度。
近場光之電場強度取決於探針部40a之稜線4之長度L與入射角度θ。因此，為了提高近場光之電場強度，而考慮如下兩種方法作為決定作為參數之稜線4之長度L與入射角度θ。即，於決定入射角度θ後決定使近場光之電場強度成為最大之稜線4之長度L的第1方法、與於決定稜線4之長度L後決定使近場光之電場強度成為最大之入射角度θ的第2方法。
＜第1方法＞
第1方法例如為於掃瞄探頭顯微鏡中，對入射角度θ固定之情形有效之方法。例如，圖23係表示以對頂點部位照射激發光之光點中心之構成作為前提，入射角度θ被固定為θ＝60°之情形時之稜線4之長度L與近場光之電場強度之關係的曲線圖。該圖23例如可基於圖20所示之曲線圖算出。於圖23中，於將入射角度θ固定為θ＝60°之情形時，電場強度成為最大之稜線4之長度為L＝1λ。因此，於入射角度θ被固定為θ＝60°之掃瞄探頭顯微鏡中，只要採用探針部40a之稜線4之長度L為L＝λ之懸臂即可。
同樣地，例如圖24係表示以對上角部位照射激發光之光點中心之構成作為前提，入射角度θ被固定為θ＝60°之情形時之稜線4之長度L與近場光之電場強度之關係的曲線圖。該圖24例如可基於圖22所示之曲線圖算出。於圖24中，於將入射角度θ固定為θ＝60°之情形時，電場強度成為最大之稜線4之長度為L＝1λ。因此，於入射角度θ被固定為θ＝60°之掃瞄探頭顯微鏡中，只要採用探針部40a之稜線4之長度L為L＝λ之懸臂即可。
＜第2方法＞
第2方法例如為對製造出稜線4之長度L被預先決定之懸臂之情形有效之方法。於實現該第2方法時，掃瞄探頭顯微鏡需要構成為能夠變更入射角度θ。
以下，對能夠變更入射角度θ之掃瞄探頭顯微鏡之構成例進行說明。
圖25係模式性地表示能夠變更入射角度之掃瞄探頭顯微鏡中所含之入射光學系統之圖。於圖25中，入射光學系統74係將激發光聚光成光點形狀而照射至懸臂40之光學系統，入射光學系統74構成為能夠將對懸臂40之入射角度例如在15°以上135°以下之範圍內進行變更。詳細而言，例如入射光學系統74包含角度調整機構，該角度調整機構能夠於將光點形狀之中心照射至頂點部位之情形時，將通過頂點部位之水平線與入射光學系統74之中心線所成之入射角度設定為15度以上90度以下。又，入射光學系統74包含角度調整機構，該角度調整機構能夠於將光點形狀之中心照射至上角部位之情形時，將通過上角部位之水平線與入射光學系統74之中心線所成之入射角度設定為15度以上135度以下。藉此，可實現能夠變更入射角度之掃瞄探頭顯微鏡。
圖26係表示作為能夠變更入射角度之掃瞄探頭顯微鏡中所含之聚光透鏡的透鏡72之圖。於圖26中，藉由使透鏡72之開口度(NA)變大，例如如圖26(a)～圖26(c)所示，例如入射光學系統構成為包含光路調整機構，該光路調整機構能夠於激發光8之中心通過自透鏡72之中心線CL偏移之位置之光路構成(參照圖26(a)及圖26(c))和激發光8之中心與透鏡72之中心線CL一致之光路構成(參照圖26(b))之間變更光路構成。藉此，如圖26(a)～圖26(c)所示，可變更激發光8對懸臂40之入射角度。
再者，如圖27所示，透鏡72亦可配置於懸臂40之上方。於該情形時，可使用透鏡72變更激發光8對懸臂40之入射角度，並且亦可使用透鏡72構成光學槓桿檢測部60之光路。具體而言，自光源61射出之光62經由透鏡72被照射至懸臂40之樑部40b後，於懸臂40之樑部40b反射之光62(反射光)經由透鏡72被光檢測器63接收。藉由以上方式，亦可藉由配置於懸臂40之上方之透鏡72構成光學槓桿檢測部60之光路。其結果為，根據圖27所示之構成，可解決光學槓桿檢測部60中之空間上之配置困難性。
圖28係表示能夠變更入射角度之掃瞄探頭顯微鏡中所含之懸臂之圖。於圖28中，掃瞄探頭顯微鏡具有調整部，該調整部以變更被照射至懸臂40之激發光8之入射角度之方式調整懸臂40之位置。藉此，例如如圖28所示，調整懸臂40之位置，結果可變更激發光8對懸臂40之入射角度。因此，藉由圖28所示之構成，亦可實現能夠變更入射角度之掃瞄探頭顯微鏡。
＜變化例＞
於本實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡中，例如如圖1所示，作為將激發光8聚光成光點形狀而照射至懸臂40之聚光光學零件，使用為穿透型物鏡之透鏡72。但，作為聚光光學零件，不限於透鏡72，例如亦可使用圖29(a)所示之反射型物鏡72A或圖29(b)所示之抛物面鏡72B或圖29(c)所示之積分鏡72C之任一光學零件。
再者，如圖30所示，於作為將激發光聚光成光點形狀而照射至懸臂40之聚光光學零件使用抛物面鏡72D之情形時，亦可使用該抛物面鏡72D構成光學槓桿檢測部60之光路。例如如圖30所示，自光源61射出之光62於抛物面鏡72D反射後，被照射至懸臂40。然後，被照射至懸臂40之光62被懸臂40反射後，進而被抛物面鏡72D反射而被光檢測器63接收。藉由以上方式，亦可藉由抛物面鏡72D構成光學槓桿檢測部60之光路。其結果為，根據圖30所示之構成，可解決光學槓桿檢測部60中之空間上之配置困難性。
以上，已將由本發明人所完成之發明基於其實施形態具體地進行說明，但本發明不限於上述實施形態，當然可於不脫離其主旨之範圍內進行各種變更。
例如探針部40a與樑部40b亦可不藉由明確之外形特徵來加以劃分。因此，探針部40a、樑部40b及被保持部40c亦可分別採用如懸臂40之第1部位(40a)、第2部位(40b)、第3部位(40c)之稱呼。
1:下表面
2:頂點部位
3:第一線
4:稜線
5:上角部位
6:第二線
6a:傾斜部
6b:直線部
6c:水平直線部
6d:傾斜直線部
6e:第一凹部
6f:第二凹部
7:金屬膜
8:激發光
8a:近場光
8b:表面電漿子
9:延長線部
10:試樣
10A:金基板
20:試樣保持件
30:壓電元件載台
31:開口部
40:懸臂
40-1:懸臂
40-2:懸臂
40-3:懸臂
40-4:懸臂
40a:探針部
40b:樑部
40c:被保持部
50:壓電元件載台
51:壓電元件致動器
52:掃瞄頭
60:光學槓桿檢測部
61:光源
62:光
63:光檢測器
70:入射/檢測光學系統
71:光源
72:透鏡
72A:反射型物鏡
72B:抛物面鏡
72C:積分鏡
72D:抛物面鏡
73:受光光學系統
74:入射光學系統
75:光纖
80:分光器
90:控制部
100:掃瞄探頭顯微鏡
200:掃瞄探頭顯微鏡
300:掃瞄探頭顯微鏡
1000:探針部
1001:頂點部位
1002:稜線
1003:上角部位
1004:第一線
1005:金屬膜
CL:中心線
HL1:水平線
HL2:水平線
圖1係表示實施形態中之掃瞄探頭顯微鏡之模式性構成之圖。
圖2係表示變化例1中之掃瞄探頭顯微鏡之模式性構成之圖。
圖3係表示變化例2中之掃瞄探頭顯微鏡之模式性構成之圖。
圖4係表示實施形態中之懸臂之模式性構成之立體圖。
圖5係以圖4之A-A線切割所得之剖視圖。
圖6係表示變化例1中之懸臂之模式性構成之立體圖。
圖7係以圖6之A-A線切割所得之剖視圖。
圖8係表示變化例2中之懸臂之模式性構成之立體圖。
圖9係以圖8之A-A線切割所得之剖視圖。
圖10係表示變化例3中之懸臂之模式性構成之立體圖。
圖11係以圖10之A-A線切割所得之剖視圖。
圖12係表示變化例4中之懸臂之模式性構成之立體圖。
圖13係以圖12之A-A線切割所得之剖視圖。
圖14(1)～(4)係模式性地表示用以對實施形態中之效果進行驗證之模擬計算模型的圖。
圖15(1)～(4)係探針部整體之模擬結果。
圖16(1)～(4)係將探針部之前端附近放大所得之模擬結果。
圖17(1)～(4)係以能夠容易理解地掌握探針部之前端附近之電場強度之方式進行圖像加工所得之模擬結果。
圖18係表示根據探針部中之稜線之長度之不同而因稜線上所形成之表面電漿子引起之電場分佈不同之情況的圖，且(a)係表示稜線之長度L為L＝1028 nm之情形時之電場分佈的圖，(b)係表示稜線之長度L＝4820 nm之情形時之電場分佈的圖。
圖19之(a)係表示探針部之前端構造之圖，(b)係表示用以進行第1模擬之前提構成之圖。
圖20係表示第1模擬之結果之曲線圖。
圖21係表示用以進行第2模擬之前提構成之圖。
圖22係表示第2模擬之結果之曲線圖。
圖23係表示於第1模擬中將入射角度固定為60°之情形時之電場強度與稜線之長度之關係的曲線圖。
圖24係表示於第2模擬中將入射角度固定為60°之情形時之電場強度與稜線之長度之關係的曲線圖。
圖25係模式性地表示能夠變更入射角度之掃瞄探頭顯微鏡中所含之入射光學系統的圖。
圖26之(a)～(c)係對藉由變更光路構成可變更激發光向懸臂之入射角度之情況進行說明之圖。
圖27係表示使用透鏡亦構成光學槓桿檢測部之光路之例的圖。
圖28係表示能夠變更入射角度之掃瞄探頭顯微鏡中所含之懸臂之圖。
圖29之(a)係表示反射型物鏡之圖，(b)係表示抛物面鏡之圖，(c)係表示積分鏡之圖。
圖30係表示使用聚光光學零件亦構成光學槓桿檢測部之光路之例的圖。
1:下表面
2:頂點部位
3:第一線
4:稜線
5:上角部位
6:第二線
6a:傾斜部
6b:直線部
7:金屬膜
8:激發光
8a:近場光
8b:表面電漿子
40:懸臂
40a:探針部
40b:樑部
72:透鏡
Claims (20)
- 一種懸臂，其係用於掃瞄探頭顯微鏡者，且 於剖面觀察下， 上述懸臂具有： 頂點部位，其為接近試樣之部位且由金屬膜被覆； 稜線，其與上述頂點部位連接且由上述金屬膜被覆；及 上角部位，其與上述稜線連接； 上述稜線之一部分與上述上角部位係被照射自上述掃瞄探頭顯微鏡之光源出射之激發光之部位。
- 如請求項1之懸臂，其中 上述懸臂具有： 探針部；及 樑部，其自下表面連接於上述探針部且用以保持上述探針部；且 於剖面觀察下，上述探針部具有 上述頂點部位、 將上述頂點部位與上述樑部連接之第1線、 上述稜線、 上述上角部位、及 將上述上角部位與上述樑部連接之第2線， 上述第1線及上述第2線之各者包含與上述樑部直接連接之直線部， 上述第1線之上述直線部與上述第2線之上述直線部之間距隨著接近上述頂點部位而變得相同或變窄。
- 如請求項1之懸臂，其中 上述懸臂具有： 探針部；及 樑部，其自下表面連接於上述探針部且用以保持上述探針部；且 於剖面觀察下，上述探針部具有 上述頂點部位、 將上述頂點部位與上述樑部連接之第1線、 上述稜線、 上述上角部位、及 將上述上角部位與上述樑部連接之第2線， 上述第2線包含 位於上述稜線之延長上之延長線部、及 連接於上述上角部位與上述延長線部且向上述第1線側凹陷之凹部。
- 如請求項1之懸臂，其中 上述金屬膜為金膜、銀膜、鉑膜、或鋁膜中之任一金屬膜或合金膜或複數種金屬之多層膜，且 上述懸臂之材質為矽、氧化矽、或氮化矽之任一者。
- 如請求項1之懸臂，其中 上述激發光之波長包含於近紫外區域之波長至紅外區域之波長之範圍內。
- 如請求項1之懸臂，其中 於將上述激發光之波長設為λ之情形時， 上述稜線之長度為λ/2以上5λ以下。
- 一種掃瞄探頭顯微鏡，其具備 保持試樣之試樣保持件、 出射激發光之光源、及 被照射上述激發光之懸臂，且 於剖面觀察下， 上述懸臂具有： 頂點部位，其為接近上述試樣之部位且由金屬膜被覆； 稜線，其與上述頂點部位連接且由上述金屬膜被覆；及 上角部位，其與上述稜線連接； 上述稜線之一部分與上述上角部位係被照射自上述掃瞄探頭顯微鏡之光源出射之激發光之部位。
- 如請求項7之掃瞄探頭顯微鏡，其中 上述激發光相對於上述稜線自斜方向照射。
- 如請求項7之掃瞄探頭顯微鏡，其 構成為能夠根據所使用之上述懸臂之上述稜線之長度來調整將上述激發光照射至上述懸臂之方向。
- 如請求項7之掃瞄探頭顯微鏡，其中 於將上述激發光之波長設為λ之情形時，上述稜線之長度為λ/2以上5λ以下，且 上述掃瞄探頭顯微鏡具有將上述激發光聚光成光點形狀而照射至上述懸臂之入射光學系統， 上述入射光學系統包含角度調整機構，該角度調整機構能夠於將上述光點形狀之中心照射至上述頂點部位之情形時，將通過上述頂點部位之水平線與上述入射光學系統之中心線所成之入射角度設定為15度以上90度以下。
- 如請求項7之掃瞄探頭顯微鏡，其中 於將上述激發光之波長設為λ之情形時，上述稜線之長度為λ/2以上3λ以下，且 上述掃瞄探頭顯微鏡具有將上述激發光聚光成光點形狀而照射至上述懸臂之入射光學系統， 上述入射光學系統包含角度調整機構，該角度調整機構能夠於將上述光點形狀之中心照射至上述上角部位之情形時，將通過上述上角部位之水平線與上述入射光學系統之中心線所成之入射角度設定為15度以上135度以下。
- 如請求項7之掃瞄探頭顯微鏡，其中 於將上述激發光之波長設為λ之情形時，上述稜線之長度為λ/2以上5λ以下，且 上述掃瞄探頭顯微鏡具有入射光學系統，該入射光學系統包含將上述激發光聚光成光點形狀而照射至上述懸臂之聚光透鏡， 上述入射光學系統包含光路調整機構，該光路調整機構能夠於上述激發光之中心與上述聚光透鏡之中心一致的第1光路構成和上述激發光之中心通過自上述聚光透鏡之中心偏移之位置的第2光路構成之間進行變更。
- 如請求項12之掃瞄探頭顯微鏡，其 具有光學槓桿檢測部，該光學槓桿檢測部經由上述聚光透鏡利用光檢測器對經由上述聚光透鏡照射至上述懸臂之樑部之光自上述懸臂之上述樑部反射之光進行檢測，藉此檢測出上述懸臂之變形。
- 如請求項7之掃瞄探頭顯微鏡，其中 於將上述激發光之波長設為λ之情形時，上述稜線之長度為λ/2以上5λ以下，且 上述掃瞄探頭顯微鏡具有調整部，該調整部係以變更被照射至上述懸臂之上述激發光之入射角度之方式對上述懸臂之位置進行調整。
- 如請求項7之掃瞄探頭顯微鏡，其中 上述掃瞄探頭顯微鏡具有將上述激發光聚光成光點形狀而照射至上述懸臂之聚光光學零件，且 上述聚光光學零件包含穿透型物鏡、反射型物鏡、抛物面鏡、或積分鏡中之任一零件。
- 如請求項15之掃瞄探頭顯微鏡，其 具有光學槓桿檢測部，該光學槓桿檢測部經由上述聚光光學零件利用光檢測器對經由上述聚光光學零件而照射至上述懸臂之樑部之光自上述懸臂之上述樑部反射之光進行檢測，藉此檢測出上述懸臂之變形。
- 如請求項7之掃瞄探頭顯微鏡，其中 上述激發光具有紅外區域之波長，且 上述掃瞄探頭顯微鏡係以奈米解析度等級測定因上述激發光之照射或藉由照射上述激發光而產生之近場光之照射引起的試樣表面之膨脹或反射率之變化或光誘導力中之任一者。
- 一種藉由掃瞄探頭顯微鏡之測定方法，其具備： (a)將自光源出射之激發光照射至懸臂之步驟；及 (b)檢測來自與上述懸臂對向配置之試樣之散射光之步驟；且 上述懸臂具有： 頂點部位，其為接近上述試樣之部位且由金屬膜被覆； 稜線，其與上述頂點部位連接且由上述金屬膜被覆；及 上角部位，其與上述稜線連接； 上述稜線之一部分與上述上角部位係被照射自上述掃瞄探頭顯微鏡之上述光源出射之上述激發光之部位。
- 如請求項18之藉由掃瞄探頭顯微鏡之測定方法，其中 上述激發光相對於上述稜線自斜方向照射。
- 一種懸臂，其具備： 探針部；及 樑部，其自下表面連接於上述探針部且用以保持上述探針部；且 於剖面觀察下，上述探針部具有 由金屬膜被覆之頂點部位、 將上述頂點部位與上述樑部連接之第1線、 與上述頂點部位連接且由上述金屬膜被覆之稜線、 與上述稜線連接之上角部位、及 將上述上角部位與上述樑部連接之第2線， 上述第2線具有第1構成與第2構成中之任一構成， 上述第1構成係如下構成，即， 上述第1線及上述第2線之各者包含與上述樑部直接連接之直線部，且 上述第1線之上述直線部與上述第2線之上述直線部之間距隨著接近上述頂點部位而變得相同或變窄， 上述第2構成係如下構成，即， 上述第2線包含 位於上述稜線之延長上之延長線部、及 連接於上述上角部位與上述延長線部且向上述第1線側凹陷之凹部。
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