WO2015133014A1 - 走査プローブ顕微鏡及び、これを用いた試料測定方法 - Google Patents

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WO2015133014A1
WO2015133014A1 PCT/JP2014/080841 JP2014080841W WO2015133014A1 WO 2015133014 A1 WO2015133014 A1 WO 2015133014A1 JP 2014080841 W JP2014080841 W JP 2014080841W WO 2015133014 A1 WO2015133014 A1 WO 2015133014A1
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cantilever
excitation light
sample
light
scattered light
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PCT/JP2014/080841
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馬塲　修一
中田　俊彦
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株式会社日立製作所
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    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
    • G01Q10/065—Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself
    • G—PHYSICS
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    • G01Q70/08—Probe characteristics
    • G01Q70/10—Shape or taper
    • G01Q70/12—Nanotube tips

Definitions

  • the present invention relates to a scanning probe microscope and a sample measurement method using the same.
  • Patent Document 1 discloses a configuration including a triaxial fine movement mechanism and a displacement meter on the measurement probe side and the sample side, respectively.
  • the probe can be accurately positioned with respect to the scattered light detection system by the displacement meter, and the probe is moved relative to the scattered light detection system by feeding back the displacement of the measurement probe measured by the displacement meter to the fine movement mechanism. It is always possible to position precisely.
  • a probe that generates a near-field light irradiation position and irradiation angle and a near-field light excitation light due to the influence of thermal drift (hereinafter referred to as a probe). Needle)
  • the positional relationship between the tip and the scattered light detection optical system changes, which causes a measurement error, and there is a problem that stable and accurate measurement is difficult.
  • the positional deviation between the tip of the probe and the scattered light detection system caused by the displacement of the fine movement mechanism can be measured by the method shown in Patent Document 1 (measurement of the fine movement mechanism by a displacement meter), the displacement sensor is attached. When the entire fine movement mechanism unit including the unit is displaced with respect to the scattered light detection system, this cannot be measured by the displacement meter, and the influence of the drift cannot be removed sufficiently.
  • an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope that eliminates the effect of thermal drift even during long-time measurement and realizes high measurement reproducibility, and a sample measurement method using the same. .
  • the present invention adopts, for example, the configurations described in the claims.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems.
  • the above-mentioned cantilever is obtained by scanning a sample surface with a probe supported by a cantilever and irradiating the cantilever with excitation light.
  • the near-field light is generated at the tip of the probe supported by the probe, the scattered light of the near-field light from the sample surface is detected by a scattered light detection system, and the irradiation position and the irradiation angle of the excitation light with respect to the cantilever Or a sample measurement method using a scanning probe microscope, wherein the relative positional relationship between the tip of the probe and the scattered light detection system is corrected.
  • Example 2 of the present invention It is a sequence diagram concerning Example 3 of the present invention. It is an apparatus block diagram of the scanning probe microscope which concerns on Example 4 of this invention. It is a picked-up image of the pinhole board
  • a scanning probe microscope according to Example 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • a plasmon propagation type light SPM will be described as an example of the scanning probe microscope according to the present invention.
  • FIG. 1 is an example of a configuration diagram of the scanning probe microscope of the present embodiment.
  • the apparatus scans the sample 103 with the probe 101 having a nanostructure, the cantilever 102 that supports the probe 101, and the probe 101, so that the sample 103 is mounted and the relative position between the probe 101 and the sample 103 is set.
  • a sample stage (drive unit) 104 movable in the XYZ directions, a piezoelectric actuator 105 for vibrating the cantilever 102, a static deflection amount and a twist amount of the cantilever 102, or a laser diode 106 for measuring the vibration amplitude of the cantilever 102.
  • an optical lever unit composed of a four-divided light receiving element 107, a probe control unit that controls the operation of the probe 101 based on a measurement signal from the four-divided light receiving element 107, and excitation light that excites near-field light at the tip of the probe 101
  • Excitation laser (excitation light irradiation system) 108 for generating 120, beam diameter, polarization plane, and focusing distance of excitation light 120
  • the beam shaping unit 109 for adjusting the laser beam
  • the movable beam splitter 110 for adjusting the laser irradiation position on the back surface of the cantilever 102
  • the objective lens 111 for condensing excitation light on the back surface of the cantilever 102
  • the scattered light 121 generated on the surface of the sample 103.
  • a scattering detector 112 for detecting the scattered light for detecting the scattered light, an objective lens 113 for condensing the scattered light 121 on the scattered light detector 112, a pinhole substrate 114 for removing the incidence of disturbance light on the scattered light detector 112, and the scattered light detector 112.
  • a lock-in amplifier that measures the detection signal in synchronization with the vibration period of the cantilever 102, a data processing unit that processes measurement data, a data display unit that displays the processed data, a pinhole substrate 114, and a scattered light detector 112
  • a three-axis fine movement stage 115 that is mounted with a scattered light detection system 129 and moves in the XYZ directions, The output of the appointment laser 108, the rotational angle, the imaging camera 119,3 axis fine movement stage 115 of the movable beam splitter 110, the probe control unit, and a general control unit for controlling the data processing unit.
  • the overall control unit corrects the positional relationship between the tip of the probe 101 and the scattered light detection system 129 (pinhole and scattering detector) caused by correction of the irradiation position of the excitation light 120 on the cantilever 102 or drift. I do.
  • the relative position between the tip of the probe 101 and the sample 103 is adjusted, and the irradiation position of the laser diode 106 or the irradiation position of the excitation laser 108 on the back surface of the cantilever 102 is adjusted.
  • It has an optical system (cantilever imaging system) that can observe the back side.
  • the cantilever imaging system includes an illumination light source 116 that illuminates the back surface of the cantilever 102, a beam splitter 117 that reflects the illumination light 122 from the illumination light source 116 and guides it to the cantilever 102, an imaging camera 119 that images the back surface of the cantilever 102, and the cantilever 102.
  • An imaging lens 118 that forms an image of the illumination scattered light on the imaging device of the imaging camera 119.
  • excitation light 120 for generating near-field light is emitted from the excitation laser 108 in the X-axis direction, and the beam shaper 109 adjusts the beam diameter, polarization state, and focusing distance, and the movable beam splitter 110.
  • a part thereof is bent 90 degrees in the Z-axis direction, passes through the beam splitter 117, and is condensed on the back surface of the cantilever 102 by the objective lens 111.
  • a semiconductor laser, a gas laser, or a solid-state laser can be used as the excitation laser 108, and an ultraviolet ray, a visible light, an infrared light, or a white laser is used for the wavelength in consideration of the excitation efficiency and output of near-field light. it can.
  • a white laser is used, the emission band is wide, so it is suitable for spectroscopic analysis.
  • the beam shaping unit 109 can adjust the beam state (beam diameter, polarization state, condensing distance) described above by combining a condensing lens, a beam expander, a wave plate, and the like.
  • the movable beam splitter 110 is a gimbal-type holder that can rotate in two directions around the X axis and the Y axis, or a tilt stage on which the beam splitter is mounted, and changes the rotation angle of the beam splitter.
  • the irradiation position of the beam on the back surface of the cantilever 102 can be changed.
  • the excitation light 120 collected on the back surface of the cantilever 102 reaches the vicinity of the probe 101 supported by the tip 1504 coated with metal of the cantilever 102 shown in FIG. 15, and generates a surface plasmon polariton 1501. To do.
  • the generated surface plasmon polariton 1501 propagates to the probe 101 supported by the cantilever 102, and near-field light 1502 having a spot diameter similar to that of the probe tip is generated at the tip of the probe 101.
  • the irradiation position and irradiation angle of the excitation light 120 are very important for the intensity of the generated near-field light 1502. It becomes important to.
  • the probe 101 is composed of, for example, carbon nanotubes (CNT), metal nanowires, metal nanoparticles, and nanostructure-containing carbon nanotubes. It can be selected from the above in consideration of the efficiency of near-field light excitation by plasmon polaritons, ease of fixing to the cantilever, and the optical and mechanical properties of the nanostructure.
  • CNT carbon nanotubes
  • metal nanowires metal nanowires
  • metal nanoparticles metal nanostructure-containing carbon nanotubes.
  • the tip of the probe 101 where the near-field light 1502 is generated scans the surface of the sample 103 while controlling the height position so that the distance from the surface of the sample 103 is constant.
  • the cantilever 102 is excited at a frequency near the resonance frequency by the piezoelectric actuator 105, and the vibration amplitude at this time depends on the distance between the tip of the probe 101 and the surface of the sample 103. To do.
  • the probe controller controls the Z position of the sample stage 104 so that this can be constant. By driving, it is possible to control the height position of the tip of the probe 101 so that the distance between the tip of the probe 101 and the surface of the sample 103 is constant.
  • the method for controlling the distance between the tip of the probe 101 and the surface of the sample 103 to be constant is not limited to the above method, and other methods generally known in AFM can be used. It is.
  • the near-field light 1502 is light that is localized at the tip of the probe 101 in a free state where the tip of the probe 101 is not touching anything.
  • the near-field light 1502 interacts with the surface of the sample 103 and is scattered to become scattered light 121 (propagating light). Since this scattered light 121 changes depending on the distance between the tip of the probe 101 and the surface of the sample 103 and the optical and electrical properties of the surface of the sample 103, for example, by measuring the intensity of the scattered light 121, the sample The shape and physical properties of the surface 103 can be measured.
  • Scattered light 121 generated on the surface of the sample 103 is collected by the objective lens 113, and is collected in the pinhole 130 of the pinhole substrate 114 installed in front of the scattered light detector 112, whereby disturbance light is scattered and detected. Incident light can be suppressed.
  • the light incident on the light receiving element of the photoelectric conversion element of the scattered light detector 112 that has passed through the pinhole 130 is detected.
  • the scattered light detector 112 can use, for example, a photomultiplier tube, a photodiode, or a solid-state imaging device such as a CCD, and can be selected in consideration of necessary frequency characteristics and sensitivity.
  • the scattered light 121 detected by the scattered light detector 112 is converted into an electrical signal (voltage value) corresponding to the light amount, and only a signal synchronized with the vibration cycle of the cantilever 102 is detected by a lock-in amplifier. That is, by detecting only a signal having a period in which the tip of the probe 101 is in contact with the sample 103, it is possible to reduce the influence of disturbance light and increase the signal-to-noise ratio of the signal.
  • the signal detected by the lock-in amplifier is sent to the data processing unit, and a near-field light image at each sample position in the two-dimensional plane is generated using the control signal (XY drive amount) of the sample stage 104 by the probe control unit. can do. Furthermore, an AFM image can be acquired simultaneously from the XYZ drive amount of the sample stage 104 at this time.
  • the two-dimensional near-field light image and AFM image generated by the data processing unit are sent to a data display unit such as a display, and each image is displayed on a separate screen or on the same screen.
  • the irradiation position of the excitation light 120 on the cantilever 102 is specified from the captured image 201 on the back surface of the cantilever shown in FIG. 2, and the change in the irradiation position of the excitation light 120 on the cantilever 102 caused by the drift is detected.
  • a method of correcting the will be described below.
  • the generation efficiency of the surface plasmon polariton 1501 changes, so the near-field light intensity 1502 generated at the tip of the probe 101 also changes, resulting in a measurement error. . For this reason, it is desirable that the excitation light 120 is always applied to the same position on the cantilever 102.
  • a system that identifies the irradiation position of the excitation light 120 on the cantilever 102 by capturing a captured image 201 on the back surface of the cantilever will be described.
  • a part of the illumination light 122 emitted from the illumination light source 116 is bent by the beam splitter 117 to illuminate the back surface of the cantilever 102.
  • the illumination light 122 is scattered on the back surface of the cantilever 102, a part of which passes through the beam splitter 117 and the movable beam splitter 110, and is imaged on the image sensor of the imaging camera 119 by the imaging lens 118.
  • 201 can be obtained.
  • the excitation light 120 condensed on the back surface of the cantilever 102 is also scattered on the back surface of the cantilever 102, passes through the beam splitter 118 and the movable beam splitter 110, and is received by the imaging lens 118. 2 and can be observed in the captured image 201 on the back surface of the cantilever together with the cantilever image 202 as shown by 203 in FIG.
  • the process of specifying the irradiation position of the excitation light 120 on the back surface of the cantilever 102 includes a process of specifying the position of the cantilever image 202 and a process of specifying the position of the excitation light image 203. May be executed.
  • the light amount of the illumination light 122 is preferably set to a light amount that does not saturate the luminance value of each pixel when imaged by the imaging camera, and the luminance threshold value is obtained when binarization processing is applied to the captured image. Then, a value that can correctly identify the cantilever region 301 is obtained.
  • the cantilever image 202 has a higher luminance value than the surrounding area, an area that is equal to or higher than the luminance threshold can be specified as the cantilever area 301 during the binarization process.
  • the position of the representative point of the cantilever region 301 for example, in the case of a general cantilever having a triangular back end as shown in FIG. 3A, the Y position where the width of the cantilever is a specific value in the triangular portion
  • the X coordinate of the left end of the cantilever X1 and the X coordinate of the right end for each line (Y coordinate) of the binarized captured image shown in FIG.
  • the illumination light source 116 is turned off and only the excitation light laser 108 is irradiated for imaging.
  • the method of specifying the position of the cantilever image 203 obtained at this time is imaging of the back surface of the cantilever when only the excitation light 120 is irradiated in advance before measuring the sample 103.
  • An image 201 is acquired, and binarization processing is performed on the image 201 to determine a luminance threshold for specifying the excitation light irradiation region 302 and the position of the representative point of the excitation light irradiation region. Since the excitation light image 203 has a higher luminance value than the surroundings, an area that is equal to or higher than the luminance threshold value can be specified as the excitation light irradiation area 302 during the binarization process. Further, the position of the representative point of the excitation light irradiation region 302 is, for example, the position where the maximum luminance value is obtained in the excitation light irradiation region 302 specified by the binarization process, or the centroid of the excitation light irradiation region 302. Or any other characteristic position, and any of these coordinates can be specified as the representative point coordinate coordinates (Xl, Yl) of the irradiation region 302 of the excitation light.
  • the difference between the representative point coordinates of the cantilever region 301 and the representative point coordinates of the excitation light irradiation region 302 (Xl ⁇ Xc, Yl) shown in FIG. -Yc) is calculated, and the movable beam splitter 110 is rotated so that the value obtained during the measurement of the sample 103 is within a predetermined range with respect to the value obtained during the adjustment before the measurement.
  • the irradiation position of the excitation light 120 can always be maintained.
  • the maximum value or the average value of the luminance values of the excitation light irradiation region 302 is acquired when the excitation light irradiation position before the measurement is adjusted.
  • the output of the excitation laser 108 is adjusted so that it is within a predetermined range from the measured value, or the area value of the excitation light irradiation region 302 is set to a predetermined value with respect to the value acquired when adjusting the excitation light irradiation position before measurement. It is also possible to adjust the condensing distance of the excitation light 120 (adjustment of the condensing state of the excitation light on the cantilever) by adjusting the beam shaping unit 109 to be within the range.
  • FIG. 4 shows a processing sequence when performing the main correction during the measurement of the sample 103.
  • process S1 it is determined whether or not there is a measurement line (process S1). If there are measurement lines, after the sample measurement with a preset number of lines (process S2), the influence of illumination reflected light from the sample surface is eliminated.
  • the probe 101 is raised from the surface of the sample 103, the illumination light source 116 is irradiated to extinguish the excitation laser 108, and the cantilever image 202 by the illumination light 122 from the illumination light source 116 is captured (processing S3).
  • a binarization process is performed using a predetermined threshold value, the cantilever area 301 is specified, and a representative point of the cantilever area 301 is calculated from the specified cantilever area 301 (process S4).
  • the illumination light source 116 is turned off and the excitation laser 108 is irradiated to capture the excitation light image 203 (processing S5).
  • Binarization processing is performed using a predetermined threshold value, the excitation light irradiation region 302 is specified, and the representative point of the excitation light irradiation region 302 is calculated from the specified excitation light irradiation region 302 (processing S6).
  • the positional relationship between the cantilever 102 and the excitation light 120 is calculated from the coordinates of the representative points calculated in the processing S4 and the processing S6, and the movable beam splitter 110 is set so that this is the same as the value acquired during the adjustment before the measurement.
  • Processing S7 and change the irradiation position of the excitation light 120.
  • the maximum luminance value in the excitation light irradiation region 302 and the area of the excitation light irradiation region 302 are calculated (processing S8), and the maximum luminance value or the average luminance value in the excitation light irradiation region 302 is the same as before measurement.
  • the output of the excitation laser 108 is adjusted so as to be within a predetermined range with respect to the value at the time of adjusting the excitation light irradiation position (processing S9), and the area value of the excitation light irradiation region 302 is the excitation light before the measurement.
  • the condensing state of the excitation light 120 is adjusted so as to be within a predetermined range with respect to the value at the time of adjusting the irradiation position (processing S10).
  • the processes from S1 to S10 are repeated until there is no measurement line, and the measurement is completed. However, there is no problem even if the process from the process S3 to the process S4 and the process from the process S5 to the process S6 are performed first.
  • Example 2 of the present invention A scanning probe microscope according to Example 2 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • This embodiment is characterized in that the calibration sample 123 is measured and the irradiation position on the cantilever 102 of the excitation light 120 is corrected.
  • the sample 103 is measured at a constant timing (for example, every preset number of lines) or at a specific timing (for example, a temperature change is a certain level or more).
  • a constant timing for example, every preset number of lines
  • a specific timing for example, a temperature change is a certain level or more.
  • One or more lines of the calibration sample 123 are measured, and the irradiation position of the excitation light 120 is adjusted based on the detected intensity data of the scattered light 121 at this time.
  • FIG. 7 shows the relationship between the measurement position in the scanning direction and the detected light intensity when measuring a sample of a single material. As shown in FIG. 7 (a), even if the total detected light intensity is high, it is caused by disturbance light.
  • the detection signal component 701 When the detection signal component 701 is large and the detection signal 702 component due to the scattered light 121 of the near-field light is small, or even if the total detection light intensity is low as shown in FIG. There are cases where the detection signal component 701 is small and the detection signal component 702 due to the scattered light 121 of the near-field light is often detected, and the position of the excitation light with a high total detection light intensity simply makes the plasmon polariton efficient. This is because it cannot be said that it is an optimal irradiation position to be generated. On the other hand, when a sample in which a region having a relatively high reflectivity and a region having a low reflectivity are adjacent to each other is used, as shown in FIG.
  • the material region 602 having a high detection light intensity and a high reflectance in the material region 601 that appears at the material boundary position 802 is low.
  • the difference 801 from the detected light intensity in FIG. 8 is small, and conversely, as shown in FIG. 8B, the detection signal component 701 due to disturbance light is small, and the detection signal component 702 due to the scattered light 121 of the near-field light is largely detected. If there is, the difference 801 in the detected light intensity becomes large.
  • the difference 801 in the detected light intensity is substantially proportional to the intensity of the scattered light 121 of the near-field light, and the position where the difference in the detected light intensity 801 is maximized effectively generates plasmon polariton. It can be specified that the irradiation position is optimal.
  • the calibration sample 123 it is only necessary that a region of a material having a relatively low reflectance and a region of a material having a high reflectance are adjacent to each other, and the arrangement of each material and the number of regions of each material are as shown in the configuration of FIG. Please note that it is not limited.
  • the excitation light 120 on the cantilever 102 is changed by changing the rotation angle of the movable beam splitter 110 (a preset range with a preset constant pitch).
  • the calibration sample 123 is measured while changing the irradiation position, and the irradiation position of the excitation light 120 is determined so that the difference 801 in FIG. 8 falls within a predetermined range from the reference value.
  • the value acquired at the time of adjustment of the excitation light irradiation position performed before a measurement be a reference value about the reference value of the difference of the detection light intensity 801.
  • FIG. 9 shows a processing sequence when performing the main correction during the measurement of the sample 103.
  • the movable beam splitter is rotated to change the irradiation position of the excitation light 120 (processing S5), and the calibration sample 123 is measured again.
  • the processes from S1 to S5 are repeated until there is no measurement line, and the measurement is completed.
  • the present embodiment as in the first embodiment, it is possible to suppress the occurrence of measurement errors and achieve high measurement reproducibility. Compared with the first embodiment, the optimum irradiation position can be specified with high accuracy regardless of the detection signal component 701 caused by the disturbance light.
  • Example 3 of the present invention A scanning probe microscope according to Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • This embodiment is characterized in that it corrects a change in the positional relationship between the tip of the probe 101 and the scattered light detection system 129 (pinhole and scattering detector) caused by drift. Since the device configuration is the same as that shown in the first or second embodiment, the description thereof is omitted.
  • a fixed timing for example, for each preset number of lines
  • a specific timing for example, a temperature change occurs
  • the calibration sample 123 is measured for one line or more at a certain level, and the positions of the tip of the probe 101 and the scattered light detection system 129 are adjusted based on the detected intensity of the scattered light 121 at this time.
  • the calibration sample 123 to be measured for example, the one having the same configuration as that of the second embodiment is used for the reason shown in the second embodiment.
  • the method of adjusting the positions of the tip of the probe 101 and the scattered light detection system 129 is to drive the triaxial fine movement stage 115 on which the scattered light detection system 129 is mounted (a preset range at a preset fixed pitch).
  • the calibration sample 123 is measured while changing the position of the scattered light detection system 129, and the scattered light detection is performed so that the difference 801 in FIG. 8 becomes a value within a predetermined range from the reference value as in the second embodiment.
  • the position of system 129 is determined.
  • the value acquired at the time of adjustment of the excitation light irradiation position performed before a measurement be a reference value about the reference value of the difference of the detection light intensity 801.
  • FIG. 10 shows a processing sequence when performing this correction during measurement of the sample 103.
  • the method disclosed in the present embodiment and the method disclosed in the embodiment 2 can be performed in combination, thereby enabling more accurate measurement.
  • the present embodiment even if the positional relationship between the tip of the probe 101 and the scattered light detection system 129 (pinhole and scattering detector) changes due to the influence of thermal drift during long-time measurement, By correcting, it is possible to suppress the occurrence of measurement errors and achieve high measurement reproducibility.
  • Example 4 of the present invention A scanning probe microscope according to Example 4 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • This embodiment is characterized in that the change in the positional relationship between the tip of the probe 101 and the scattered light detection system 129 caused by drift is corrected from the projected image of the side surface of the cantilever 102 on the surface of the pinhole substrate 114.
  • the 11 includes a pinhole substrate imaging system that images the pinhole substrate 114 having a mirror surface in addition to the device of FIG.
  • the pinhole substrate imaging system includes an illumination light source 124 for projecting the shadow of the side surface of the cantilever 102 onto the surface of the pinhole substrate 114, a beam splitter 125 for reflecting the image of the surface of the pinhole substrate 114 and guiding it to the imaging lens,
  • the imaging lens 126 includes an imaging lens 126 that forms an image of the surface of the pinhole substrate 114 on the imaging element of the imaging camera 127, and an imaging camera 127 that images the surface of the pinhole substrate 114.
  • the side surface of the cantilever 102 becomes a shadow, and a projection image is projected on the surface of the pinhole substrate 114 by the objective lens 113.
  • the cantilever 102 is raised to a height that deviates from the range of the captured image so that only the pinhole 130 enters the captured image, and the image 1201 of the pinhole 130 shown in FIG.
  • the pinhole region 1301 shown in FIG. 13A and its center position (Xh, Yh) are specified. Since the luminance value of the pinhole hole is lower than that of the surrounding area, the pinhole region 1301 can be specified by binarization processing.
  • the cantilever is lowered to the original position where it enters the captured image, and the projected image 1202 on the side surface of the cantilever shown in FIG.
  • the projection unit 1204 of the cantilever has a lower luminance value than the surroundings, and the cantilever projection area 1302 can be extracted by binarization processing.
  • the pinhole image 1203 is the same as the projection image 1202 on the side surface of the cantilever. Since the luminance value is lower than that of the cantilever projection area 1302, it is detected by binarization processing. However, since the pinhole region 1301 has already been specified by the previous processing, there is no problem when the cantilever projection region 1302 is specified. As shown in FIG.
  • the tip of the probe 101 and the scattered light are detected by driving the triaxial fine movement stage 115 on which the scattered light detection system 129 is mounted so that the position (Xh, Yh) and the tip position (Xt, Yt) of the cantilever tip coincide.
  • the position of the system 129 can be corrected.
  • precise alignment may be performed by the method disclosed in Embodiment 4, thereby correcting at higher speed. Can be done.
  • FIG. 14 shows a processing sequence for performing the main correction during the measurement of the sample 103.
  • process S1 it is determined whether or not there is a measurement line (process S1). If there are measurement lines, after measuring a predetermined number of samples (process S2), the cantilever 102 is raised and the illumination light source 123 A pinhole image 1201 is obtained by illuminating light (process S3), and binarization processing is performed using a predetermined threshold value to identify the pinhole region 1301 and its center position (Xh, Yh) (process S4). ). Next, the cantilever 102 is lowered to the original position, and a projected image 1202 on the side surface of the cantilever 102 by the illumination light from the illumination light source 123 is captured (processing S5).
  • the projection area 1302 of the cantilever and the tip position (Xt, Yt) of the cantilever projection area 1302 are specified (process S6), the center position (Xh, Yh) of the pinhole area 1301 and the tip position of the cantilever projection area 1302
  • the three-axis fine movement stage 115 is driven so that (Xt, Yt) match (processing S7).
  • the processes from S1 to S7 are repeated until there is no measurement line, and the measurement is completed.
  • the positional relationship between the tip of the probe 101 and the scattered light detection system 129 can be corrected without using the calibration sample 123, and measurement errors can be corrected. Can be suppressed and high measurement reproducibility can be realized.
  • Example 5 of the present invention A scanning probe microscope according to Example 5 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the same components as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • near-field scattered light (reflected scattered light or transmitted scattered light) from a near-field light monitoring calibration sample (hereinafter referred to as calibration sample) 132 is detected, and the irradiation angle of the excitation light 120 with respect to the cantilever 102 is determined. It is characterized by correcting changes.
  • the irradiation angle of the excitation light 120 is set to the plasmon resonance angle with respect to the plasmon excitation surface of the cantilever chip 1504 (an angle determined mainly by the material of the cantilever chip and the material of the coat metal). It is desirable to adjust so that it may become), and adjustment of an irradiation angle is very important.
  • FIG. 16 shows an apparatus configuration for carrying out this embodiment.
  • a movable mirror 131 for adjusting the irradiation position of the excitation laser 108 to the objective lens a detection optical system capable of detecting transmitted scattered light (objective lens 133, pinhole 134, scattered light) A detector 135).
  • the movable mirror 131 has a mirror mounted on a linear motion stage that can move in the Y-axis direction. By moving the stage, the central axis of the excitation light 120 is set with respect to the central axis of the objective lens 111. It can be moved in the Y-axis direction.
  • the excitation light 120 for generating near-field light is emitted from the excitation laser 108 in the Y-axis direction, and the beam shaper 109 adjusts the beam diameter, polarization state, and focusing distance, and then the movable mirror.
  • the movable beam splitter 110 is bent 90 degrees in the X-axis direction and the Z-axis direction, respectively, passes through the beam splitter 117, and is focused on the back surface of the cantilever 102 by the objective lens 111.
  • the transmitted scattered light from the near-field light sample is collected on the pinhole 134 by the objective lens 133, and after the disturbance light is removed by the pinhole, the scattered light detector 135 can detect the transmitted scattered light intensity. Is possible.
  • the probe 101 is applied to the calibration sample 132 at a constant timing (for example, every preset number of measurement lines) or at a specific timing (for example, a temperature change is a certain level or more).
  • the intensity of the reflected scattered light 1703 from the calibration sample 132 generated at this time is detected by the scattered light detector 112, and the excitation light 120 is set so that the intensity of the detected light becomes a value within a predetermined range from the reference value.
  • the irradiation angle ⁇ x with respect to the cantilever 102 is determined.
  • the calibration sample 132 to be measured is made of a material having a high reflectance with respect to the wavelength of the excitation light 120 (a material having a large difference between the refractive index of air and the refractive index).
  • a method is used in which the movable mirror 131 as an irradiation angle changing mechanism for changing the angle ⁇ x is driven and the central axis of the excitation light 120 is shifted from the central axis of the objective lens 111. As shown in FIG.
  • the irradiation angle ⁇ x of the excitation light to the cantilever can be changed, and the central axis 1702 of the excitation light and the objective lens
  • the distance Y between 111 central axis of increasing the Y' it is possible to increase the theta x 'the irradiation angle from theta x.
  • the reference value of the detected scattered light intensity before the measurement, the intensity of the reflected scattered light 1703 using the method of adjusting the irradiation angle is adjusted the irradiation angle theta x such that maximum was detected this time
  • the reflected scattered light intensity may be used as a reference value.
  • the probe 101 is applied to the calibration sample 132 at a constant timing (for example, every preset number of measurement lines) or at a specific timing (for example, a temperature change is a certain level or more).
  • the intensity of the transmitted scattered light 1704 from the calibration sample 132 generated at this time is detected by the scattered light detector 135, and the excitation light 120 is set so that the intensity of the detected light becomes a value within a predetermined range from the reference value.
  • the irradiation angle ⁇ x with respect to the cantilever 102 is determined.
  • the calibration sample 132 to be measured is made of a material transparent to the wavelength of the excitation light 120 (a material having a small difference between the refractive index of air and the absorption of excitation light), and is the same as the method described in the reflected scattered light detection.
  • the movable mirror 131 is driven to change the irradiation angle ⁇ x of the excitation light 120 with respect to the cantilever 102.
  • the reference value of the detected scattered light intensity is set so that the intensity of the transmitted scattered light 1704 is maximized by using the irradiation angle adjustment method before measurement, as described in the reflected scattered light detection method.
  • the angle ⁇ x may be adjusted, and the transmitted scattered light intensity detected at this time may be used as a reference value.
  • FIG. 18 shows a processing sequence when performing the main correction during the measurement of the sample 103.
  • the irradiation angle of the excitation light 120 is not deviated from the plasmon resonance angle with respect to the plasmon excitation surface of the cantilever chip 1504 by correcting the change in the irradiation angle of the excitation light 120 to the cantilever 102. In this way, it is possible to suppress a decrease in the generation efficiency of surface plasmon polaritons.
  • the configuration of the scanning near-field microscope is not limited to the example described in the embodiment, and can be applied to, for example, an aperture type or a scattering type configuration described in the background art. Moreover, it is also possible to implement this invention by combining each Example.
  • Imaging lens 127 ... imaging camera 128 ... illumination light 129 ... scattered light detection system 130 ... pinhole 131 ... movable mirror 132 ... calibration sample 133 for near-field light monitoring ... Objective lens 134 ... Ping Ho 135 ... Scattered light detection system 201 ... Captured image 202 on the back surface of the cantilever ... Cantilever image 203 ... Excitation light image 301 ... Cantilever area 302 ... Excitation light irradiation area 601 ... Area 602 of relatively low reflectivity material ... Relative Highly reflective material region 603... Scanning direction 701. Detection signal component 702 due to ambient light. Detected signal component 801 due to scattered light.
  • Detected light intensity in a material region with low reflectance and detection in a material region with high reflectance Difference with light intensity 802 ... Material boundary position 1201 ... Pinhole image 1202 ... Cantilever side projection image 1203 ... Pinhole image 1204 ... Cantilever projection part 1301 ... Pinhole area 1302 ... Cantilever projection area 1501 ... Surface Plasmon Polariton 1502 ... Near-field light 1503 ... Gold-coated film 504 ... cantilever tip 1701 ... objective lens center axis 1702 ... pumping light central axis 1703 ... reflected scattered light 1704 ... transmitted scattered light

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Abstract

　本発明は、長時間測定時においても熱ドリフトの影響を除去し、高い測定再現性を実現した走査プローブ顕微鏡及びこれを用いた試料測定方法を提供することを目的とする。　本発明は、「カンチレバーに支持された探針で試料表面を走査し、カンチレバーに励起光を照射することにより、前記カンチレバーに支持された探針の先端に近接場光を発生させ、散乱光検出系にて前記試料表面からの前記近接場光の散乱光を検出し、前記励起光の前記カンチレバーに対する照射位置、照射角度、または、前記探針の先端と前記散乱光検出系との相対位置関係を補正することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法」を提供する。

Description

走査プローブ顕微鏡及び、これを用いた試料測定方法
　本発明は、走査プローブ顕微鏡及び、これを用いた試料測定方法に関する。
特許文献１には、測定プローブ側とサンプル側にそれぞれ３軸の微動機構と変位計を備えた構成が開示されている。変位計によってプローブを散乱光検出系に対して精密に位置決めすることができるとともに、変位計によって計測された測定プローブの変位量を微動機構にフィードバックすることによって、プローブを散乱光検出系に対して常に精密に位置決めすることが可能となっている。
特許第４５０００３３号
　特許文献１にも示される通り、走査型近接場光学顕微鏡における長時間の測定では、熱ドリフトの影響により、近接場光励起光の照射位置や照射角度、及び近接場光が生じるプローブ（以下で探針）先端と散乱光検出光学系の位置関係が変化し、これが測定誤差の要因となって、安定した高精度な測定が困難であるという課題がある。特許文献１に示される方法（変位計による微動機構部の測定）によって、微動機構部の変位によって生じる探針の先端と散乱光検出系の位置ずれは測定可能であるが、変位計センサーの取付け部も含めた微動機構部全体が散乱光検出系に対して位置ずれを生じた場合、これを上記変位計で測定することはできず、十分にドリフトの影響を除去することができない。
　上記問題点に鑑み、本発明は、長時間測定時においても熱ドリフトの影響を除去し、高い測定再現性を実現した走査プローブ顕微鏡及びこれを用いた試料測定方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明は例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「カンチレバーに支持された探針で試料表面を走査し、カンチレバーに励起光を照射することにより、前記カンチレバーに支持された探針の先端に近接場光を発生させ、散乱光検出系にて前記試料表面からの前記近接場光の散乱光を検出し、前記励起光の前記カンチレバーに対する照射位置、照射角度、または、前記探針の先端と前記散乱光検出系との相対位置関係を補正することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法」を提供する。
　本発明によれば、長時間測定時においても熱ドリフトの影響を除去し、高い測定再現性を実現した走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
本発明の実施例１に係る走査プローブ顕微鏡の装置構成図である。 本発明の実施例１に係るカンチレバー背面の撮像画像である。 本発明の実施例１に係るカンチレバー背面の撮像画像の２値化画像である。 本発明の実施例１に係るシーケンス図である。 本発明の実施例２に係る走査プローブ顕微鏡の装置構成図である。 本発明の実施例２に係る校正試料の材質構成例である。 単一材質の校正試料を測定した際に得られる散乱光検出信号を示すグラフである。 本発明の実施例２に係る校正試料を測定した際に得られる散乱光検出信号を示すグラフである。 本発明の実施例２に係るシーケンス図である。 本発明の実施例３に係るシーケンス図である。 本発明の実施例４に係る走査プローブ顕微鏡の装置構成図である。 本発明の実施例４に係るピンホール基板表面の撮像画像である。 本発明の実施例４に係るピンホール基板表面の撮像画像の２値化画像である。 本発明の実施例４に係るシーケンス図である。 近接場光の発生原理を示す図である。 本発明の実施例５に係る走査プローブ顕微鏡の装置構成図である。 本発明の実施例５に係る励起光の照射方法、及び校正試料から発生する近接場散乱光を示す図である。 本発明の実施例５に係るシーケンス図である。
　以下、本発明の各実施例について図面を用いて説明する。
　本発明の実施例１に係る走査プローブ顕微鏡について、図１～４を用いて説明する。本実施例では、本発明に係る走査プローブ顕微鏡として、プラズモン伝播型光ＳＰＭを例に挙げて説明する。
　図１は、本実施例の走査プローブ顕微鏡の構成図の例である。装置は、ナノ構造を有する探針１０１、及び探針１０１を支持するカンチレバー１０２、探針１０１によって試料１０３を相対的に走査するため、試料１０３を搭載し探針１０１と試料１０３の相対位置をＸＹＺ方向に移動可能な試料ステージ（駆動部）１０４、カンチレバー１０２を振動させるための圧電アクチュエータ１０５、カンチレバー１０２の静的な撓み量と捩れ量、もしくは、カンチレバー１０２の振動振幅を測定するレーザダイオード１０６及び四分割受光素子１０７から成る光てこ部、四分割受光素子１０７からの測定信号に基づき探針１０１の動作を制御する探針制御部、探針１０１の先端に近接場光を励起させる励起光１２０を発生する励起用レーザ（励起光照射系）１０８、励起光１２０のビーム径、偏光面、集光距離を調整するビーム整形部１０９、カンチレバー１０２背面のレーザ照射位置を調節するための可動式ビームスプリッタ１１０、カンチレバー１０２背面へ励起光を集光する対物レンズ１１１、試料１０３の表面で発生した散乱光１２１を検出する散乱検出器１１２、散乱光１２１を散乱光検出器１１２に集光する対物レンズ１１３、散乱光検出器１１２への外乱光の入射を除去するピンホール基板１１４、散乱光検出器１１２での検出信号をカンチレバー１０２の振動周期に同期させて測定するロックインアンプ、測定データの処理を行うデータ処理部、処理されたデータを表示するデータ表示部、ピンホール基板１１４と散乱光検出器１１２からなる散乱光検出系１２９を搭載し、ＸＹＺ方向に移動させる３軸微動ステージ１１５、更に励起用レーザ１０８の出力、可動式ビームスプリッタ１１０の回転角度、撮像カメラ１１９、３軸微動ステージ１１５、探針制御部、データ処理部を制御する全体制御部から構成される。全体制御部は後述するように、励起光１２０のカンチレバー１０２上における照射位置の補正やドリフトによって生じた探針１０１の先端と散乱光検出系１２９（ピンホールと散乱検出器）の位置関係の補正を行う。
　また、本装置では探針１０１の先端と試料１０３の相対位置を調節したり、カンチレバー１０２の背面におけるレーザダイオード１０６の照射位置、もしくは励起レーザ１０８の照射位置を調節したりする目的でカンチレバー１０２の背面を観察できる光学系（カンチレバー撮像システム）を有している。カンチレバー撮像システムは、カンチレバー１０２の背面を照明する照明光源１１６、照明光源１１６からの照明光１２２を反射させてカンチレバー１０２に導くビームスプリッタ１１７、カンチレバー１０２の背面を撮像する撮像カメラ１１９、カンチレバー１０２からの照明散乱光を撮像カメラ１１９の撮像素子に結像させる結像レンズ１１８から構成される。
　次に本装置における測定動作について説明する。まず、近接場光を発生させるための励起光１２０が励起用レーザ１０８からＸ軸方向に照射され、ビーム整形部１０９によって、ビーム径、偏光状態、集光距離を調節され、可動式ビームスプリッタ１１０によって、一部がＺ軸方向に９０度曲げられてビームスプリッタ１１７を透過し、対物レンズ１１１によってカンチレバー１０２の背面上に集光される。
　励起用レーザ１０８は、例えば半導体レーザやガスレーザ、固体レーザを用いることができ、波長は近接場光の励起効率や出力を考慮して紫外線や可視光、赤外光、または白色レーザを用いることができる。白色レーザを用いた場合は発光帯域が広いため、分光分析に適している。
　ビーム整形部１０９は、集光レンズ、ビームエキスパンダー、波長板等を組み合わせることによって上で述べたビームの状態(ビーム径、偏光状態、集光距離)を調節することが可能となる。
　また、可動式ビームスプリッタ１１０は、Ｘ軸、Ｙ軸回りの２軸方向に回転することが可能なジンバル式ホルダ、もしくはチルトステージにビームスプリッタが搭載されたもので、ビームスプリッタの回転角度を変えることによって、カンチレバー１０２背面上でのビームの照射位置を変更することができる。
　カンチレバー１０２の背面上に集光された励起光１２０は、図１５に示すカンチレバー１０２の金属がコートされたチップ部１５０４に支持された探針１０１の近傍に到達し、表面プラズモン・ポラリトン１５０１を発生する。発生した表面プラズモン・ポラリトン１５０１がカンチレバー１０２に支持された探針１０１に伝播して、探針１０１の先端に探針先端と同程度のスポット径を有する近接場光１５０２が発生する。この際、カンチレバー１０２に対する励起光１２０の照射位置や照射角度によって、表面プラズモン・ポラリトン１５０１の発生効率が変化する為、励起光１２０の照射位置、照射角度は発生する近接場光１５０２の強度にとって非常に重要となる。
　探針１０１は、例えばカーボンナノチューブ(ＣＮＴ)や金属ナノワイヤー、金属ナノ粒子、ナノ構造内包カーボンナノチューブにより構成されている。プラズモン・ポラリトンによる近接場光励起の効率や、カンチレバーへの固定の容易さ、ナノ構造の光学的・機械的特性を考慮して上述から選択することができる。
　近接場光１５０２が発生した探針１０１の先端は、試料１０３の表面との距離が一定となるように高さ位置を制御しながら、試料１０３の表面上を走査する。試料１０３の表面を走査する際、カンチレバー１０２は、圧電アクチュエータ１０５によって共振周波数近傍の周波数で励振されており、この際の振動振幅は、探針１０１の先端と試料１０３の表面との距離に依存する。
　カンチレバーの振動振幅はレーザダイオード１０６及び四分割受光子１０７から構成される光てこ部によって検出することが可能であるため、これが一定となるように、探針制御部によって試料ステージ１０４のＺ位置を駆動することによって、探針１０１の先端と試料１０３の表面との距離が一定となるように探針１０１先端の高さ位置を制御することが可能である。
　但し、探針１０１の先端と試料１０３の表面との距離を一定に制御する方法については、上記方法に限られるものではなく、ＡＦＭで一般的に知られている他の方法を用いることも可能である。
　近接場光１５０２は、探針１０１の先端が何にも触れていない自由な状態では、探針１０１の先端に局在している光であるが、探針１０１の先端が試料１０３の表面を走査する際に試料１０３の表面に近接もしくは接触した場合、近接場光１５０２は試料１０３の表面と相互作用し、散乱されて散乱光１２１(伝播光)となる。この散乱光１２１は、探針１０１の先端と試料１０３の表面との距離や試料１０３の表面の光学的性質や電気的性質によって変化するので、例えば散乱光１２１の強度を測定することによって、試料１０３の表面の形状や物性を測定することが可能である。
　試料１０３の表面で発生した散乱光１２１は対物レンズ１１３にて集められ、散乱光検出器１１２の前に設置されたピンホール基板１１４のピンホール１３０に集光させることによって、外乱光が散乱検出器１１２に入射するのを抑制することができる。ピンホール１３０を通過した、散乱光検出器１１２の光電変換素子の受光素子に入射し、検出される。散乱光検出器１１２は、例えば光電子増倍管やホトダイオードやＣＣＤのような固体撮像素子を用いることができ、必要な周波数特性や感度を考慮して選択することができる。
　散乱光検出器１１２で検出された散乱光１２１は、その光量に応じた電気信号(電圧値)に変換され、ロックインアンプによってカンチレバー１０２の振動周期に同期した信号のみが検出される。つまり探針１０１の先端が試料１０３と接触する周期の信号のみを検出することによって外乱光の影響を軽減し、信号のＳＮ比を上げることが可能となる。
　ロックインアンプで検出した信号はデータ処理部に送られ、探針制御部による試料ステージ１０４の制御信号(ＸＹ駆動量)を用いて、２次元平面内の各試料位置における近接場光画像を生成することができる。更に、この際の試料ステージ１０４のＸＹＺ駆動量からＡＦＭ画像も同時に取得することが可能である。
　データ処理部で生成された２次元近接場光画像及びＡＦＭ画像はディスプレイ等のデータ表示部に送られ、それぞれの画像が別々の画面に、又は同じ画面上に表示される。
　図１に示す装置を用いて、図２に示すカンチレバー背面の撮像画像２０１からカンチレバー１０２上における励起光１２０の照射位置を特定し、ドリフトによって生じた励起光１２０のカンチレバー１０２上における照射位置の変化を補正する方法について以下で説明する。ドリフトによってカンチレバー１０２上における励起光１２０の照射位置が変化すると、表面プラズモン・ポラリトン１５０１の発生効率が変化するため、探針１０１の先端に発生する近接場光強度１５０２も変動し、測定誤差が生じる。このため励起光１２０はカンチレバー１０２上において、常に同じ位置に照射されることが望ましい。
　カンチレバー背面の撮像画像２０１を撮像することにより、カンチレバー１０２上における励起光１２０の照射位置を特定するシステムについて説明する。照明光源１１６から照射された照明光１２２は、ビームスプリッタ１１７によって一部が曲げられ、カンチレバー１０２の背面を照明する。照明光１２２はカンチレバー１０２の背面で散乱し、その一部がビームスプリッタ１１７、可動式ビームスプリッタ１１０を透過し、結像レンズ１１８によって撮像カメラ１１９の撮像素子に結像され、カンチレバー背面の撮像画像２０１を取得することができる。この際、カンチレバー１０２の背面に集光された励起光１２０についても、カンチレバー１０２の背面で散乱し、ビームスプリッタ１１８、可動式ビームスプリッタ１１０を透過し、結像レンズ１１８によって撮像カメラ１１９の受光面に結像され、図２の２０３に示すようにカンチレバー像２０２と併せて、カンチレバー背面の撮像画像２０１に観察することができる。
　カンチレバー１０２の背面上での励起光１２０の照射位置を特定する過程としては、カンチレバー像２０２の位置を特定する過程と、励起光像２０３の位置を特定する過程があり、これらはどちらを先に実行しても良い。
　まず、カンチレバー背面の撮像画像２０１からカンチレバー像２０２の位置を特定する方法について図３の(a)を用いて説明する。カンチレバー像２０２の位置を特定する際は、励起光レーザ１０８を消し、照明光源１１６を照射して撮像を行う。
　試料測定前には、予め撮像カメラ１１９で撮像する際の照明光１２２の適切な光量、及びカンチレバー背面の撮像画像２０１に対して２値化処理をしてカンチレバー領域３０１を特定するための輝度閾値、更に特定されたカンチレバーの領域３０１からカンチレバーの位置を特定するためのカンチレバー領域の代表点の位置を決定しておく。照明光１２２の光量は、撮像カメラで撮像した際に各画素の輝度値が飽和することのない光量に設定する方が望ましく、輝度閾値は、撮像画像に対して２値化処理を適用した際、カンチレバー領域３０１が正しく特定できる値を求めておく。カンチレバー像２０２は、周囲と比べて輝度値が高い為、２値化処理の際、輝度閾値以上の領域をカンチレバー領域３０１として特定することができる。カンチレバー領域３０１の代表点の位置については、例えば、図３の(a)に示すような背面の先端が三角形の一般的なカンチレバーの場合、三角形部でカンチレバーの幅が特定の値になるY位置の中央に設定すれば良く、この場合、図３の(a)に示す２値化処理された撮像画像の各ライン(Y座標)に対してカンチレバーの左端のX座標：X１と右端のX座標：X２からカンチレバーの幅(｜X２-X１｜)を算出し、これが予め決められた特定の値になるY座標：Y１を求め、前記Y１座標におけるカンチレバーの中央位置の座標((X１+X２)/２,Y１)をカンチレバー領域３０１の代表点座標(Xc,Yc)として特定することができる。
　次にカンチレバー背面の撮像画像２０１から励起光１２０の照射位置を特定する方法について図３の(b)を用いて説明する。励起光１２０の照射位置を特定する際は、照明光源１１６を消し、励起光レーザ１０８のみを照射して撮像を行う。この際に得られる励起光像２０３の位置を特定する方法についてもカンチレバー像２０２の位置を特定する方法と同様、試料１０３の測定前に、予め励起光１２０のみを照射した際のカンチレバー背面の撮像画像２０１を取得し、これに対して２値化処理をして励起光の照射領域３０２を特定するための輝度閾値、及び励起光の照射領域の代表点の位置を決めておく。励起光像２０３は周囲と比べて輝度値が高い為、２値化処理の際、輝度閾値以上の領域を励起光の照射領域３０２として特定することができる。また、励起光の照射領域３０２の代表点の位置は、例えば、２値化処理で特定された励起光の照射領域３０２において最大の輝度値となる位置、もしくは励起光の照射領域３０２の図心の位置、もしくはそれ以外の特徴的な位置としても良く、これらのいずれかの座標を励起光の照射領域３０２の代表点座標座標（Xl,Yl）として特定することができる。
　測定前に行う励起光照射位置の調整時に、上記方法によって、図３の(c)に示すカンチレバー領域３０１の代表点座標と励起光の照射領域３０２の代表点座標の差分（Xl-Xc,Yl-Yc)を算出しておき、試料１０３の測定中に求めた値が、前記測定前の調整時に取得した値に対して所定の範囲以内になるように、可動式ビームスプリッタ１１０を回転させることによって、励起光１２０の照射位置を常に保持することができる。
　また、励起光の撮像画像による上記励起光１２０の照射位置の調節と併せて、励起光の照射領域３０２の輝度値の最大値、もしくは平均値が、測定前の励起光照射位置の調整時に取得した値から所定の範囲以内になるように励起用レーザ１０８の出力を調節したり、励起光の照射領域３０２の面積値が測定前の励起光照射位置の調整時に取得した値に対して所定の範囲以内となるようにビーム整形部１０９を調節して、励起光１２０の集光距離の調節(カンチレバー上における励起光の集光状態の調節)を行うことも可能である。
　ここで、試料１０３の測定中に本補正を行う際の処理シーケンスについて図４に示す。
　測定中、測定ラインが有るか判定を行い(処理Ｓ１)、測定ラインが有る場合は予め設定されたライン数の試料測定(処理Ｓ２)の後、試料表面からの照明反射光の影響がなくなる高さまで、探針１０１を試料１０３の表面から上昇させ、照明光源１１６を照射して励起用レーザ１０８を消し、照明光源１１６からの照明光１２２によるカンチレバー像２０２を撮像する(処理Ｓ３)。予め決めておいた閾値によって２値化処理を行い、カンチレバー領域３０１を特定し、特定されたカンチレバー領域３０１からカンチレバー領域３０１の代表点を算出する(処理Ｓ４)。次に、照明光源１１６を消して励起用レーザ１０８を照射し、励起光像２０３を撮像する(処理Ｓ５)。予め決めておいた閾値によって２値化処理を行い、励起光の照射領域３０２を特定し、特定された励起光の照射領域３０２から励起光の照射領域３０２の代表点を算出する(処理Ｓ６)。処理Ｓ４と処理Ｓ６で算出された各代表点の座標からカンチレバー１０２と励起光１２０の位置関係を算出し、これが測定前の調整時に取得した値と同じになるように、可動式ビームスプリッタ１１０を回転させ(処理Ｓ７)、励起光１２０の照射位置を変更する。併せて、励起光の照射領域３０２における最大輝度値、及び励起光の照射領域３０２の面積を算出し(処理Ｓ８)、励起光の照射領域３０２の最大輝度値、もしくは平均輝度値が測定前の励起光の照射位置の調整時の値に対して所定の範囲以内になるように励起用レーザ１０８の出力を調節し(処理Ｓ９)、励起光の照射領域３０２の面積値が測定前の励起光照射位置の調整時の値に対して所定の範囲以内になるように励起光１２０の集光状態を調節する(処理Ｓ１０)。上記Ｓ１～Ｓ１０までの処理を測定ラインが無くなるまで繰り返し、測定を終了する。但し、処理Ｓ３～処理Ｓ４までの処理と、処理Ｓ５～処理Ｓ６までの処理はどちらを先に行っても問題は無い。
　以上より、本実施例によれば、長時間測定時において熱ドリフトの影響により、励起光１２０のカンチレバー１０２上における照射位置が変化してもそれを補正することにより、測定誤差の発生を抑制し、高い測定再現性を実現することができる。
　本発明の実施例２に係る走査プローブ顕微鏡について、図５～９を用いて説明する。実施例１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　本実施例は、校正試料１２３を測定して、励起光１２０のカンチレバー１０２上における照射位置を補正する点に特徴がある。
　励起光１２０のカンチレバー１０２上における照射位置を補正する方法としては、試料１０３の測定中に一定のタイミング(例えば予め設定されたライン数毎)、もしくは特定のタイミング(例えば温度変化が一定以上)で校正試料１２３を１ライン以上測定し、この際の散乱光１２１の検出強度データを基に、励起光１２０の照射位置を調節する。
　測定する校正試料１２３は、図６に示すような、相対的に反射率が低い材質の領域６０１と反射率が高い材質の領域６０２が隣接している試料を用い、測定時のスキャンは、６０３の方向に行う。この理由は、単一の材質で構成された試料では、測定時に外乱光が散乱光検出器１１２に入射した場合、外乱光による検出信号強度成分と近接場光の散乱光１２１に検出信号強度成分を分離することができないためである。図７に単一の材質の試料を測定した際のスキャン方向における測定位置と検出光強度の関係を示すが、図７の(a)に示すように全検出光強度が高くても外乱光による検出信号成分７０１が多く、近接場光の散乱光１２１による検出信号７０２成分が少なく検出されている場合、もしくは、図７の(b)に示すように全検出光強度は低くても、外乱光による検出信号成分７０１が少なく、近接場光の散乱光１２１による検出信号成分７０２が多く検出されている場合があり、単純に全検出光強度の高い励起光の位置が、プラズモン・ポラリトンを効率的に発生させる最適な照射位置とは言えないためである。対して、相対的に反射率が高い材質の領域と反射率が低い材質の領域が隣接している試料を用いた場合、図８の(a)に示すように、外乱光による検出信号成分７０１が多く、近接場光の散乱光１２１による検出信号成分７０２が少なく検出されている場合については、材質境界位置８０２に現れる反射率が低い材質領域６０１における検出光強度と反射率が高い材質領域６０２における検出光強度との差分８０１が小さく、逆に、図８の(b)に示す、外乱光による検出信号成分７０１が少なく、近接場光の散乱光１２１による検出信号成分７０２が多く検出されている場合、検出光強度の差分８０１は大きくなる。これは、検出光強度の差分８０１が、近接場光の散乱光１２１の強度にほぼ比例する為であり、これによって検出光強度８０１の差分が最大となる位置がプラズモン・ポラリトンを効率的に発生させる最適な照射位置であると特定することができる。
　ここで、校正試料１２３は、相対的に反射率が低い材質の領域と反射率が高い材質の領域が隣接していればよく、各材質の配置や各材質の領域数は図６の構成に限られるものではないことを述べておく。
　励起光１２０の照射位置を調節する方法としては、可動式ビームスプリッタ１１０の回転角度を変化(予め設定された一定のピッチで予め設定された範囲)させることによって、カンチレバー１０２上での励起光１２０の照射位置を変えながら校正試料１２３の測定を行い、図８の８０１の差分が基準値から所定の範囲以内になるように励起光１２０の照射位置を決定する。尚、検出光強度８０１の差分の基準値については、測定前に行う励起光照射位置の調整時に取得した値を基準値とすればよい。
　ここで、試料１０３の測定中に本補正を行う際の処理シーケンスについて図９に示す。
　測定中、測定ラインが有るが判定を行い(処理Ｓ１)、測定ラインが有る場合は予め設定されたライン数の試料測定(処理Ｓ２)の後、校正試料１２３に探針１０１を移動させ、校正試料１２３の測定を行う(処理Ｓ３)。校正試料１２３を測定した際の検出光強度８０１の差分が基準値から所定の範囲内にあるか判定し(処理Ｓ４)、所定の範囲内にあれば、試料１０３に探針１０１を再移動させ、続きの測定ラインから測定を再開する。検出光強度が基準値から所定の範囲内に無い場合は、可動式ビームスプリッタを回転して励起光１２０の照射位置を変え(処理Ｓ５)、校正試料１２３の再測定を行う。上記Ｓ１～Ｓ５までの処理を測定ラインが無くなるまで繰り返し、測定を終了する。
　以上より、本実施例によれば、実施例１と同様に、測定誤差の発生を抑制し、高い測定再現性を実現することができる。また、実施例１と比較して、外乱光による検出信号成分７０１によらず、高い精度で最適な照射位置を特定することができる。
　本発明の実施例３に係る走査プローブ顕微鏡について、図１０を用いて説明する。実施例１、２と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　本実施例は、ドリフトによって生じた探針１０１の先端と散乱光検出系１２９（ピンホールと散乱検出器）の位置関係の変化を補正する点に特徴がある。なお、装置構成については、実施例１または２に示したものと同様なので、その説明を省略する。
　ドリフトによって探針１０１の先端と散乱光検出系１２９の位置関係が変化すると、近接場光による散乱光１２１がピンホール基板１１４で遮光され、代わりにピンホール１３０に入射する外乱光が増えてしまう(図７の(b)の状態から図７の(a)の状態になる)ため、測定誤差が生じることになる。この為、探針１０１の先端と散乱光検出系１２９の位置関係は、常に同じであることが望ましい。
　探針１０１の先端と散乱光検出系１２９の位置関係の変化を補正する方法としては、試料測定中に一定のタイミング(例えば予め設定されたライン数毎)、もしくは特定のタイミング(例えば温度変化が一定以上)で校正試料１２３を１ライン以上測定し、この際の散乱光１２１の検出強度を基に、探針１０１の先端と散乱光検出系１２９の位置の調節を行う。測定する校正試料１２３は、例えば、実施例２に示した理由で実施例２と同様の構成のものを用いる。探針１０１の先端と散乱光検出系１２９の位置を調節する方法は、散乱光検出系１２９を搭載した３軸微動ステージ１１５を駆動(予め設定された一定のピッチで予め設定された範囲)させることによって、散乱光検出系１２９の位置を変えながら校正試料１２３の測定を行い、実施例２と同様、図８の８０１の差分が基準値から所定の範囲内の値となるように散乱光検出系１２９の位置を決定する。尚、検出光強度８０１の差分の基準値については、測定前に行う励起光照射位置の調整時に取得した値を基準値とすればよい。
　ここで、試料１０３の測定中に本補正を行う際の処理シーケンスについて図１０に示す。
　測定中、測定ラインが有るが判定を行い(処理Ｓ１)、測定ラインが有る場合は予め設定されたライン数の試料測定(処理Ｓ２)の後、校正試料１２３に探針１０１を移動させ、校正試料１２３の測定を行う(処理Ｓ３)。校正試料１２３を測定した際の検出光強度８０１の差分が基準値から所定の範囲内にあるか判定し(処理Ｓ４)、所定の範囲内にあれば、試料１０３に探針１０１を再移動させ、続きの測定ラインから測定を再開する。検出光強度が基準値から所定の範囲内に無い場合は、３軸微動ステージを駆動し(処理Ｓ５)、校正試料１２３の再測定を行う。上記Ｓ１～Ｓ５までの処理を測定ラインが無くなるまで繰り返し、測定を終了する。
　また、本実施例で開示した方法と実施例２で開示した方法を併せて行うことも可能であり、これによって、より高精度な測定が可能となる。
　以上より、本実施例によれば、長時間測定時において熱ドリフトの影響により、探針１０１の先端と散乱光検出系１２９（ピンホールと散乱検出器）の位置関係が変化してもそれを補正することにより、測定誤差の発生を抑制し、高い測定再現性を実現することができる。
　本発明の実施例４に係る走査プローブ顕微鏡について、図１１～１４を用いて説明する。実施例１、２と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　本実施例は、ピンホール基板１１４の表面におけるカンチレバー１０２側面の投影像から、ドリフトによって生じた探針１０１の先端と散乱光検出系１２９の位置関係の変化を補正する点に特徴がある。
　図１１の装置は、図５の装置に加えて、表面が鏡面状態であるピンホール基板１１４を撮像するピンホール基板撮像システムを備えている。ピンホール基板撮像システムは、カンチレバー１０２側面の影をピンホール基板１１４の表面に投影するための照明光源１２４、ピンホール基板１１４表面の像を反射させて結像レンズに導く為のビームスプリッタ１２５、撮像カメラ１２７の撮像素子にピンホール基板１１４の表面の像を結像させる結像レンズ１２６、及びピンホール基板１１４の表面を撮像する撮像カメラ１２７とから構成される。
　図１２に示すピンホール基板表面における、カンチレバー１０２側面の投影像１２０２を撮像するシステムについて、説明する。図１１に示すように、照明光源１２６からの照明光１２８を対物レンズ１１３に対向する方向から照射することによって、カンチレバー１０２の側面は影となり対物レンズ１１３によってピンホール基板１１４の表面に投影像が生じる。ピンホール基板１１４の表面は鏡面であるため、ピンホール基板１１４の表面で反射された投影像はビームスプリッタ１２５によって一部が曲げられ、結像レンズ１２５に入射し、結像レンズ１２６によって、撮像カメラ１２７の撮像素子に結像される。
　次に、ピンホール基板１１４の表面におけるカンチレバー１０２の投影像から、探針１０１の先端と散乱光検出系１２９の位置を補正する方法について図１２、図１３を用いて説明する。最初にカンチレバーが撮像画像の範囲から外れる高さまでカンチレバー１０２を上昇させて、ピンホール１３０だけが撮像画像に入るようにして、図１２の(a)に示すピンホール１３０の像１２０１の撮像を行い、２値化処理によって、図１３(a)に示すピンホールの領域１３０１とその中心位置(Xh,Yh)を特定する。ピンホールの穴は周囲と比べると輝度値が低いため、２値化処理によって、ピンホールの領域１３０１を特定することができる。次に、カンチレバーが撮像画像に入る元の位置まで下降させて、図１２の(b)に示すカンチレバー側面の投影像１２０２の撮像を行う。この際、カンチレバーの投影部１２０４は、周囲と比べると輝度値が低く、２値化処理によってカンチレバー投影領域１３０２を抽出することができるが、ピンホールの像１２０３は、カンチレバー側面の投影像１２０２と比べてさらに輝度値が低い為、カンチレバー投影領域１３０２と同様に２値化処理によって検出される。但し、ピンホールの領域１３０１は前の処理によって既に特定されているため、カンチレバー投影領域１３０２の特定の際、問題にはならない。図１５に示すとおり、探針１０１はカンチレバーのチップ１５０４の先端部に支持されているため、２値化処理によってカンチレバー投影領域１３０２を特定した後、図１３の(b)に示すピンホールの中心位置(Xh,Yh)とカンチレバーチップの先端位置(Xt,Yt)が一致するように散乱光検出系１２９を搭載した３軸微動ステージ１１５を駆動することによって、探針１０１の先端と散乱光検出系１２９の位置を補正することができる。また、本実施例で探針１０１の先端と散乱光検出系１２９を粗く位置合わせした後、実施例４で開示した方法によって精密な位置合わせを行っても良く、これによって、より高速に補正を行うことが可能となる。
　ここで、試料１０３の測定中に本補正を行う際の処理シーケンスについて図１４に示す。
　測定中、測定ラインが有るかの判定を行い(処理Ｓ１)、測定ラインが有る場合は予め設定されたライン数の試料測定(処理Ｓ２)の後、カンチレバー１０２を上昇させ、照明光源１２３からの照明光によるピンホールの像１２０１を撮像する(処理Ｓ３)、予め決めておいた閾値によって２値化処理を行い、ピンホールの領域１３０１とその中心位置(Xh,Yh)を特定する(処理Ｓ４)。次にカンチレバー１０２を元の位置に下降させ、照明光源１２３からの照明光によるカンチレバー１０２側面の投影像１２０２を撮像する(処理Ｓ５)。これによってカンチレバーの投影領域１３０２、及びカンチレバー投影領域１３０２の先端位置(Xt,Yt)を特定し(処理Ｓ６)、ピンホールの領域１３０１の中心位置(Xh,Yh)とカンチレバー投影領域１３０２の先端位置(Xt,Yt)が一致するように３軸微動ステージ１１５を駆動する(処理Ｓ７)。上記Ｓ１～Ｓ７までの処理を測定ラインが無くなるまで繰り返し、測定を終了する。
　以上より、本実施例によれば、校正試料１２３を用いなくても、探針１０１の先端と散乱光検出系１２９（ピンホールと散乱検出器）の位置関係を補正することができ、測定誤差の発生を抑制し、高い測定再現性を実現することができる。
　本発明の実施例５に係る走査プローブ顕微鏡について、図１６～図１８を用いて説明する。実施例１～４と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　本実施例は、近接場光モニタリング用校正試料（以下、校正試料）１３２からの近接場散乱光(反射散乱光、もしくは透過散乱光)を検出して、励起光１２０のカンチレバー１０２に対する照射角度の変化を補正する点に特徴がある。表面プラズモン・ポラリトンの発生効率を上げるためには、励起光１２０の照射角度をカンチレバーチップ１５０４のプラズモン励起面に対してプラズモン共鳴角(主にカンチレバーチップの材質、コート金属の材質によって決定される角度)になるように調整することが望ましく、照射角度の調整が非常に重要である。
　本実施例を行う装置構成を図１６に示す。図１１の装置構成に加え、励起用レーザ１０８の対物レンズへの照射位置を調節するための可動式ミラー１３１、透過散乱光を検出可能な検出光学系（対物レンズ１３３、ピンホール１３４、散乱光検出器１３５）を備えている。可動式ミラー１３１は、Ｙ軸方向に移動が可能な直動ステージ上にミラーが搭載されたもので、ステージを移動させることによって、励起光１２０の中心軸を対物レンズ１１１の中心軸に対してＹ軸方向に移動させることができる。
　まず、近接場光を発生させるための励起光１２０が励起用レーザ１０８からＹ軸方向に照射され、ビーム整形部１０９によって、ビーム径、偏光状態、集光距離を調節された後、可動式ミラー１３１、可動式ビームスプリッタ１１０によって、それぞれＸ軸方向、Ｚ軸方向に９０度曲げられてビームスプリッタ１１７を透過し、対物レンズ１１１によってカンチレバー１０２の背面上に集光される。近接場光の試料からの透過散乱光は対物レンズ１３３でピンホール１３４上に集光され、ピンホールで外乱光を除去した後、散乱光検出器１３５にて透過散乱光強度を検出することが可能である。
　まず、校正試料１３２からの近接場散乱光の内、反射散乱光１７０３を検出して励起光１２０のカンチレバー１０２に対する照射角度の変化を補正する方法について、図１６、図１７を用いて説明する。照射角度の変化を補正する方法としては、試料測定中に一定のタイミング(例えば予め設定された測定ライン数毎)、もしくは特定のタイミング(例えば温度変化が一定以上)で校正試料１３２に探針１０１を近接させ、この際に生じる校正試料１３２からの反射散乱光１７０３の強度を散乱光検出器１１２で検出し、検出光の強度が基準値から所定の範囲内の値となるように励起光１２０のカンチレバー１０２に対する照射角度θｘを決定する。
　測定する校正試料１３２は、励起光１２０の波長に対して反射率が高くなる材質(空気と屈折率の差が大きい材質)を用い、照射角度を変える方法の一例として、励起光のカンチレバーに対する照射角度θｘを変更する照射角度変更機構としての可動式ミラー１３１を駆動し、励起光１２０の中心軸を対物レンズ１１１の中心軸に対してずらす方法を用いる。図１７に示すように、励起光の中心軸１７０２を対物レンズの中心軸１７０１からずらす事によって、励起光のカンチレバーに対する照射角度θｘを変化させることができ、励起光の中心軸１７０２と対物レンズ１１１の中心軸間距離ＹをＹ´に大きくすると、照射角度をθｘからθｘ´に大きくすることが可能となる。尚、検出散乱光強度の基準値については、測定前、上記照射角度の調整方法を用いて反射散乱光１７０３の強度が最大となるように前記照射角度θｘを調整し、この時検出された反射散乱光強度を基準値とすればよい。
　次に校正試料１３２からの近接場散乱光の内、透過散乱光１７０４を検出して励起光１２０のカンチレバー１０２に対する照射角度の変化を補正する方法について以下で説明する。
　照射角度の変化を補正する方法としては、試料測定中に一定のタイミング(例えば予め設定された測定ライン数毎)、もしくは特定のタイミング(例えば温度変化が一定以上)で校正試料１３２に探針１０１を近接させ、この際に生じる校正試料１３２からの透過散乱光１７０４の強度を散乱光検出器１３５で検出し、検出光の強度が基準値から所定の範囲内の値となるように励起光１２０のカンチレバー１０２に対する照射角度θｘを決定する。
　測定する校正試料１３２は、励起光１２０の波長に対して透明な材質(空気と屈折率の差が小さく、励起光の吸収が少ない材質)を用い、反射散乱光検出で説明した方法と同様の方法で、可動式ミラー１３１を駆動して、励起光１２０のカンチレバー１０２に対する照射角度θｘを変化させる。尚、検出散乱光強度の基準値については、反射散乱光の検出方法で述べたように、測定前、上記照射角度の調整方法を用いて透過散乱光１７０４の強度が最大となるように前記照射角度θｘを調整し、この時検出された透過散乱光強度を基準値とすればよい。
　ここで、試料１０３の測定中に本補正を行う際の処理シーケンスについて図１８に示す。
　測定中、測定ラインが有るが判定を行い(処理Ｓ１)、測定ラインが有る場合は予め設定されたライン数の試料測定(処理Ｓ２)の後、校正試料１３２に探針１０１を移動させ、校正試料１３２に近接させる(処理Ｓ３)。校正試料１３２からの散乱光強度が基準値から所定の範囲内にあるか判定し(処理Ｓ４)、所定の範囲内にあれば、試料１０３に探針１０１を再移動させ、続きの測定ラインから測定を再開する。散乱光強度が基準値から所定の範囲内に無い場合は可動ミラー１３１を駆動し(処理Ｓ５)、処理Ｓ４の処理を行う。上記Ｓ１～Ｓ５までの処理を測定ラインが無くなるまで繰り返し、測定を終了する。
　以上より、本実施例によれば、励起光１２０のカンチレバー１０２に対する照射角度の変化を補正することにより、励起光１２０の照射角度をカンチレバーチップ１５０４のプラズモン励起面に対してプラズモン共鳴角からずれないようにし、表面プラズモン・ポラリトンの発生効率の低下を抑制することができる。
　尚、これまで説明した実施例に示した全ての処理は、全体制御部を起点とする各機器への指令で行うことができるため、人を介さず全自動で行うことが可能である。また、走査型近接場顕微鏡の構成においても、実施例で説明した例に限られるものではなく、例えば背景技術で述べた開口型や散乱型の構成にも適用することが可能である。また、各実施例を組み合わせることにより、本発明を実施することも可能である。
１０１…探針
１０２…カンチレバー
１０３…試料
１０４…試料ステージ
１０５…圧電アクチュエータ
１０６…レーザダイオード
１０７…四分割受光素子
１０８…励起用レーザ
１０９…ビーム整形部
１１０…可動式ビームスプリッタ
１１１…対物レンズ
１１２…散乱光検出器
１１３…対物レンズ
１１４…ピンホール基板
１１５…３軸微動ステージ
１１６…照明用光源
１１７…ビームスプリッタ
１１８…結像レンズ
１１９…撮像カメラ
１２０…励起光
１２１…散乱光
１２２…照明光
１２３…校正試料
１２４…照明用光源
１２５…ビームスプリッタ
１２６…結像レンズ
１２７…撮像カメラ
１２８…照明光
１２９…散乱光検出系
１３０…ピンホール
１３１…可動式ミラー
１３２…近接場光モニタリング用校正試料
１３３…対物レンズ
１３４…ピンホール
１３５…散乱光検出系
２０１…カンチレバー背面の撮像画像
２０２…カンチレバー像
２０３…励起光像
３０１…カンチレバー領域
３０２…励起光の照射領域
６０１…相対的に反射率が低い材質の領域
６０２…相対的に反射率が高いい材質の領域
６０３…測定スキャン方向
７０１…外乱光による検出信号成分
７０２…散乱光による検出信号成分
８０１…反射率が低い材質領域における検出光強度と反射率が高い材質領域における検出光強度との差分
８０２…材質境界位置
１２０１…ピンホールの像
１２０２…カンチレバー側面の投影像
１２０３…ピンホールの像
１２０４…カンチレバーの投影部
１３０１…ピンホールの領域
１３０２…カンチレバーの投影領域
１５０１…表面プラズモン・ポラリトン
１５０２…近接場光
１５０３…金コート膜
１５０４…カンチレバーチップ
１７０１…対物レンズ中心軸
１７０２…励起光中心軸
１７０３…反射散乱光
１７０４…透過散乱光

Claims (18)

  1. 　カンチレバーに支持された探針で試料表面を走査し、カンチレバーに励起光を照射することにより、前記カンチレバーに支持された探針の先端に近接場光を発生させ、散乱光検出系にて前記試料表面からの前記近接場光の散乱光を検出し、前記励起光の前記カンチレバーに対する照射位置、照射角度、または、前記探針の先端と前記散乱光検出系との相対位置関係を補正することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法。
  2. 　前記カンチレバーの背面を撮像し、前記カンチレバーの背面の撮像画像を用いて前記励起光の前記カンチレバー上の照射位置を補正することを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法。
  3. 　前記カンチレバーの背面の撮像画像から前記励起光の照射領域における輝度値を算出し、前記輝度値から前記励起光のカンチレバー上における照射位置を算出することを特徴とする請求項２に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法。
  4. 　前記輝度値から前記励起光の出力または集光状態を調節することを特徴とする請求項３に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法。
  5. 　前記試料とは異なる校正試料を測定して、前記励起光の前記カンチレバー上の照射位置または、前記探針の先端と前記散乱光検出系との相対位置関係を補正することを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法。
  6. 　前記校正試料は、反射率の異なる材質領域が隣接していることを特徴とする請求項５に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法。
  7. 　前記校正試料の相対的に反射率の低い材質領域で検出された散乱光強度と反射率の高い材質領域で検出された散乱光強度との差分を用いて、前記励起光の前記カンチレバー上における照射位置、もしくは前記探針と前記散乱光検出系との相対位置関係を補正すること特徴とする請求項６に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法。
  8. 　前記散乱光検出系への外乱光の入射を除去するピンホール基板表面上で前記カンチレバーの像を投影し、前記カンチレバーの像を用いて前記探針の先端と前記散乱光検出系との相対位置関係を補正することを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法。
  9. 　前記試料とは異なる校正試料に前記探針を近接させ、発生する近接場散乱光強度を検出し、前記励起光の前記カンチレバーに対する照射角度を補正することを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料測定方法。
  10. 　カンチレバーに支持された探針を試料表面に対して相対的に走査する駆動部と、
    　前記カンチレバーに励起光を照射する励起光照射系と、
    　試料表面から散乱した近接場光を検出する散乱光検出系と、
    　前記励起光の前記カンチレバーに対する照射位置、照射角度、または、前記探針の先端と前記散乱光検出系との相対位置関係を補正する制御部とを備える走査プローブ顕微鏡。
  11. 　前記カンチレバーの背面を撮像する撮像システムを備え、前記制御部は、前記撮像システムにより撮像された前記カンチレバーの背面の撮像画像を用いて前記励起光の前記カンチレバー上の照射位置を補正することを特徴とする請求項１０に記載の走査プローブ顕微鏡。
  12. 　前記撮像システムにより撮像された前記励起光の照射領域における輝度値を算出し、前記輝度値から前記励起光のカンチレバー上における照射位置を算出することを特徴とする請求項１１に記載の走査プローブ顕微鏡。
  13. 　前記制御部は、前記輝度値から前記励起光の出力または集光状態を調節することを特徴とする請求項１２に記載の走査プローブ顕微鏡。
  14. 　反射率の異なる材質領域が隣接した校正試料を備えることを特徴とする請求項１０に記載の走査プローブ顕微鏡。
  15. 　前記制御部は、前記校正試料の相対的に反射率の低い材質領域で検出された散乱光強度に対する反射率の高い材質領域で検出された散乱光強度の差分を用いて、前記励起光の前記カンチレバー上における照射位置、もしくは前記探針と前記散乱光検出系との相対位置関係を補正すること特徴とする請求項１４に記載の走査プローブ顕微鏡。
  16. 　前記散乱光検出系への外乱光の入射を除去するピンホール基板と、ピンホール基板表面上で前記カンチレバーの像を撮像するピンホール基板撮像システムとを備え、前記ピンホール基板撮像システムにより撮像された前記カンチレバーの像を用いて前記探針の先端と前記散乱光検出系との相対位置関係を補正することを特徴とする請求項１０に記載の走査プローブ顕微鏡。
  17. 　前記励起光照射系は、前記カンチレバーに対する前記励起光の照射角度を変更する照射角度変更機構を備えることを特徴とする請求項１０記載の走査プローブ顕微鏡。
  18. 　前記照射角度変更機構は、カンチレバー上に光を集光するレンズの中心軸に対して、前記励起光の中心軸をずらすことにより前記カンチレバーに対する前記励起光の照射角度を変更することを特徴とする請求項１７記載の走査プローブ顕微鏡。
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