JP2001165843A - 近接場光学顕微鏡及びそれに用いられるカンチレバー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、カンチレバーの構造を工夫すること
により、より広い角度範囲の散乱光を検出可能にした近
接場光学顕微鏡及びそれに用いられるカンチレバーを提
供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、試料に光を入射
する入射手段と、探針と探針保持部を有し、上記探針の
先端部が上記試料に近接して配置されたカンチレバー
と、上記探針の先端部で発生した上記入射光に由来する
散乱光を受光する対物光学系とを具備する近接場光学顕
微鏡において、上記探針の先端部が覆われることなく上
記対物光学系の視野中にあることを特徴とする近接場光
学顕微鏡が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は近接場光学顕微鏡及
びそれに用いられるカンチレバーに係り、特に、散乱型
探針を利用した近接場光学顕微鏡及びそれに用いられる
カンチレバーにおける探針構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、走査型近接場光学顕微鏡
（ＳＮＯＭ）は、エバネッセント波を検出することによ
って回折限界を超える分解能を有する光学顕微鏡とし
て、生体試料の蛍光測定や、フォトニクス用材料、素子
の評価（誘電体光導波路の各種特性の評価、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。

【０００３】このＳＮＯＭは、基本的には、試料に光を
照射した状態で鋭い探針を近づけ、試料の近傍の光の場
（近接場）の状態を検出する装置である。

【０００４】このようなＳＮＯＭでは、先端に光の回折
限界以下の微小な開口を有するファイバープローブ（開
口プローブ）や先端が光の波長以下のサイズに微細化さ
れたガラスや金属がプローブ（散乱プローブ）として用
いられている。

【０００５】Ｎ．Ｆ．ｖａｎ Ｈｕｌｓｔ等は、Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２（５）Ｐ．４６１（１９
９３）において、窒化シリコン製の原子間力顕微鏡（Ａ
ＦＭ）用カンチレバーを用いてＡＦＭ測定により試料の
凹凸を測定しながら、試料の光学情報を検出する新しい
ＳＮＯＭを提案している。

【０００６】また、河田らは、特開平６−１３７８４７
号公報において、散乱モードＳＮＯＭを開示している。

【０００７】この散乱モードＳＮＯＭは、試料表面に形
成されたエバネッセント光を先端が鋭く加工されたプロ
ーブで散乱させて伝搬光に変換し、この伝搬光すなわち
散乱光をプローブの側方に配置された集光レンズと光電
検出器を用いて検知し、この検知信号に基づいて試料の
光学情報を得る。

【０００８】さらに、河田らは、第４２回日本応用物理
学関係連合講演会（予稿集Ｎｏ．３、９１６頁、１９９
５年３月）において、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）
の金属探針をプローブに使用し、ＳＴＭにより試料と探
針間の距離制御を行いながら、試料表面に発生されたエ
バネッセント光が金属探針先端で散乱されたために発生
する伝搬光を、探針と試料の横方向から観察してＳＴＭ
観察と散乱モードでＳＮＯＭ観察を行うことができる装
置を開示している。

【０００９】また、河田らは、第４３回日本応用物理学
関係連合講演会（予稿集Ｎｏ．３、８８７頁、１９９６
年３月）では、エバネッセント光でなく、試料の上方か
ら斜入射した伝搬光の金属探針先端一試料間の多重散乱
でもＳＮＯＭ観察可能であることを報告している。

【００１０】また、Ｂａｃｈｅｌｏｔ等は、Ｏｐｔ．Ｌ
ｅｔｔ．２０（１９９５）Ｐ．１９２４で、やはり、開
口プローブを使わず、また、上方からの伝搬光による散
乱モードＳＮＯＭ装置を報告している。

【００１１】また、戸田らは、特願平８−１４１７５２
号において、シリコン製のＡＦＭ用マイクロカンチレバ
ーを利用し、暗視野照明系を使った散乱モードＳＮＯＭ
装置を開示している。

【００１２】このシリコン製のＡＦＭ用カンチレバー
は、高分解能のＡＦＭ画像を得ることができると同時
に、屈折率が高いため、光の散乱効率が高く、散乱型Ｓ
ＮＯＭ探針に有利である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たシリコン製のＡＦＭ用カンチレバーは、板状のレバー
の先端から探針が突出した構造になっているため、レバ
ー部で散乱光がブロックされ、散乱光を効率よく利用す
ることができないという欠点を有している。

【００１４】また、散乱光の角度分解能は、高コントラ
スト化、高分解能化のために、重要な要素であるが、上
述した理由によって利用できる角度が限定されている。

【００１５】また、既存装置の多くでは、試料上部に、
光学顕微鏡観察、散乱信号集光兼用の対物レンズを配置
しているため、散乱光の角度依存性測定用の装置を配置
することができないという欠点を有している。

【００１６】本発明は、以上のような点に鑑みてなされ
たもので、カンチレバーの構造を工夫することにより、
より広い角度範囲の散乱光を検出可能にした近接場光学
顕微鏡及びそれに用いられるカンチレバーを提供するこ
とを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） 試料に光を入射する入射
手段と、探針と探針保持部を有し、上記探針の先端部が
上記試料に近接して配置されたカンチレバーと、上記探
針の先端部で発生した上記入射光に由来する散乱光を受
光する対物光学系とを具備する近接場光学顕微鏡におい
て、上記探針の先端部が覆われることなく上記対物光学
系の視野中にあることを特徴とする近接場光学顕微鏡が
提供される。

【００１８】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 近接場光学顕微鏡で使用可能なカン
チレバーであり、一方向に延出した保持部と、上記保持
部の端部に位置する探針とを具備し、上記延出方向にお
いて、上記探針の先端が上記保持部の先端よりもさらに
外側に位置していることを特徴とするカンチレバーが提
供される。

【００１９】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） 上記探針は、片側のみにコーティン
グが施されており、上記コーティングに基づくストレス
により上記延出方向に湾曲していることを特徴とする
（２）記載のカンチレバーが提供される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００２１】＜第１の実施形態＞図１は、本発明の第１
の実施形態による近接場光学顕微鏡の概略的な装置構成
を示している。

【００２２】本装置は、図１に示すように、原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）をベースにした構造をとっている。

【００２３】図１において、カンチレバーを構成する散
乱プローブ１００は、自由端を有する探針保持部１０２
に取り付けられている。

【００２４】この探針保持部１０２の自由端の変位を検
出する方法や、試料１の走査方法、光入射手段等測定の
方法は、一般的な散乱型ＳＮＯＭにおける測定方法と同
じである（参照Ｈ．Ｓａｓａｋｉ ａｎｄ Ｙ．Ｓａｓ
ａｋｉ，Ｊ．Ａｐｌ．Ｐｈｙｓ．８５，２０２６（１９
９９））。

【００２５】レーザー光源２からの光は、試料１、プロ
ーブ１００に入射し、プローブ先端で散乱される。

【００２６】この散乱光は、対物レンズ３を通して、散
乱光検出鏡筒５０内の光検出器４で検出される。

【００２７】この場合、レーザ光源２からの光は、試料
１に照射される前に、図示しない偏光子等で偏光を制御
するようにしてもよい。

【００２８】また、対物レンズ３で集光された光は、検
光子１９で任意の偏光成分だけを抽出して検出すること
もできる。

【００２９】前記散乱光検出鏡筒５０は、レンズ群２
０、ピンホール２１、光検出器である光電子増倍管４を
有している。

【００３０】ここで、ピンホール２１は、対物レンズ３
とレンズ群２０に対して、プローブ１００先端と光学的
に共役な位置に配置されている（ピンホール２１のある
面は結像面となっている）。

【００３１】このため、プローブ１００の先端近傍で発
生した散乱光以外の成分（試料面やプローブの探針以外
の部分で散乱された光）は、ピンホール２１により除去
できる構成になっている。

【００３２】また、光電子増倍管４は、受光した光の強
度に応じた電気信号を出力する。

【００３３】なお、ピンホール２１の代わりにファイバ
ーの端面がピンホール位置にあっても同様の効果が得ら
れる。

【００３４】この場合、近接場信号は光ファイバーを経
由して光電子増倍管４で検出されることになる。

【００３５】そして、試料１とプローブ１００先端との
距離を一定に保ちつつ、圧電チューブスキャナー５で走
査しながら上記散乱光を検出することによって近接場光
学像を得ることができる。

【００３６】また、試料１とプローブ１００先端との間
の距離を周期的に変調しながら測定する方式もあるが、
この場合も平均距離は一定に保たれている。

【００３７】なお、試料１とプローブ１００先端との間
の距離の計測については、後述するものとする。

【００３８】図２の（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の
散乱モード近接場光学顕微鏡のプローブ１００の構造を
示している。

【００３９】すなわち、本実施形態の散乱モード近接場
光学顕微鏡のプローブ１００は、図２の（ａ）に示すよ
うに保持台１０３を固定端とする探針保持部１０２を有
し、具体的には片もち梁構造のカンチレバー構造を有し
ている。

【００４０】探針保持部１０２の背面には、プローブ１
００と試料との相体距離を図るために、金属膜１０４が
コーティングされている。

【００４１】このコーティングには、アルミニウムや金
を用いることが多い。

【００４２】そして、プローブ１００と試料との相体距
離は、例えば、光てこの原理に基づいて測定することが
でさる。

【００４３】この光てこによる場合には、図１に示した
ような半導体レーザ７からの光をプローブ１００の背面
に照射する。

【００４４】ここで、プローブ１００の背面には、高反
射金属がコーティングされているので、照射された半導
体レーザ７からの光は、効率よく反射されて２分割ディ
テクター６に入射する。

【００４５】そして、探針保持部１０２が試料に対して
上下方向に変位すると、２分割ディテクター６で検出さ
れる光量の差が変化し、試料１とプローブ１００の相体
距離を測定することができる。

【００４６】ここで、探針１０１の先端径は、レーザー
光源２からの光の波長以下のサイズであり、探針１０１
先端は散乱体、あるいは発光体として機能する。

【００４７】この探針１０１は、高屈折率誘電体又は金
属、発光材質で形成されているか、これらの材質でコー
ティングされていてもよい。

【００４８】いずれの場合でも、探針１０１は、光の照
射により光を散乱、あるいは吸収によりルミネッセンス
を発光する。

【００４９】この場合、探針１０１は、先端部半径がレ
ーザー光源２からの光の波長以下であれば、先端から基
部との接触面までの長さ、接触面でのサイズはレーザー
光源２からの光の波長以上の構造でもよい。

【００５０】また、カンチレバーの上部から見たときの
探針先端は、図２の（ｂ）に示すように、カンチレバー
の自由端から外側に出た構造になっている。

【００５１】このような構造により、次に述べるよう
に、散乱光を効率よく検出することができるようにな
る。

【００５２】図３の（ａ）及び（ｂ）は、対物レンズ３
の開口によって検出することができる領域を模式的に示
している。

【００５３】図３の（ａ）では、探針１０１先端が探針
保持部１０２の自由端から外側にでている。

【００５４】このとき探針１０１先端で散乱された光
は、対物レン３の開口で集光することが可能である。

【００５５】一方、図３の（ｂ）では、探針１０１先端
が探針保持部１０２の自由端の内側に隠れている。

【００５６】このとき探針１０１先端で散乱された光
は、探針保持部１０２によつて隠されてしまい対物レン
ズ３の開口で集光することができない。

【００５７】従って、散乱型の近接場検出においては、
探針１０１先端が図２の（ｂ）に示すように、カンチレ
バーの自由端から外側に出た構造であることが必須の要
件となる。

【００５８】このとき探針１０１先端の探針保持部１０
２に対する露出度に依存して散乱信号の検出量は増加す
る、すなわち、隠されている部分が小さいほど同じ開口
の対物レンズでの検出量は増えることになる。

【００５９】＜第２の実施形態＞図４の（ａ）及び
（ｂ）は、本発明による第２の実施形態のプローブ１０
０の構造を示している。

【００６０】すなわち、図４の（ａ）及び（ｂ）に示す
ように、探針１０１先端が直接探針保持部１０２の自由
端から外側に露出していなくてもよい。

【００６１】例えば、探針１０１先端にレーザー光源２
からの光の波長以下のサイズの微小な散乱体１０５とし
て、図４の（ａ）に示すような微小散乱球１０５ａ、図
４の（ｂ）に示すような微小散乱体１０５ｂが設置され
ており、それが探針保持部１０２の自由端の外側に出て
いるものでもよい。

【００６２】ここで、図４の（ａ）に示すような微小散
乱球１０５ａは、例えば、金コロイド粒子やポリスチレ
ンビーズのようなものである。

【００６３】また、図４の（ｂ）に示すような微小散乱
体１０５ｂは、探針１０１先端に堆積されたカーボン堆
積物のようなものである。

【００６４】以上で述べたような微小構造物はそれ自体
が散乱体であっても、あるいは高散乱物質をコーティン
グしたものでもよい。

【００６５】ここで、高散乱物質とは、例えば、金など
があげられる。

【００６６】＜第３の実施形態＞図５の（ａ）、（ｂ）
及び（ｃ）は、本発明による第３の実施形態のプローブ
１００の構造を示している。

【００６７】すなわち、この第３の実施形態によるプロ
ーブ１００は、前述した第２の実施形態で述べたような
探針１０１先端に微小構造物が設置されていて、図５の
（ａ）に示すように上から観察したときに微小構造物先
端が探針保持部１０２の自由端の内側に位置していると
きでも、図５の（ｂ）及び（ｃ）に示すように微小構造
物に探針保持部１０２の方向から高散乱物質をコーティ
ングすることにより、薄膜のストレスにより微小構造物
を弓なりにそらせて先端を探針保持部１０２の自由端よ
り外側に出すことを可能とした構造である。

【００６８】ここで、コーティングの厚さは、微小構造
体の弾性にもよるが、長さ３ミクロン、付け根の直径１
００〜２００ｎｍのカーボン堆積物の場合、金を厚さ数
１０ｎｍ程度コーティングすると、図５の（ｂ）及び
（ｃ）に示すように弓なりに曲がり、先端が探針保持部
１０２の自由端の外側に露出するようになる（あるいは
大きく露出するようになる）。

【００６９】この場合、微小構造物の曲がりは、コーテ
ィングする金の厚さに比例して大きくなるが、微小構造
物の先端径も大きくなってしまうこともあるので、散乱
効率が十分に得られ、しかも先端径が達成すべき分解能
を妨げないような曲がり範囲内で設定することが好まし
い。

【００７０】＜第４の実施形態＞すなわち、この第４の
実施形態によるプローブ１００は、前述した第３の実施
形態におけるプローブ１００の探針１０１先端の微小構
造物として、電子顕微鏡中で探針１０１先端に選択的に
堆積させたカーボン堆積物であるようなプローブ構造と
するものである。

【００７１】ここで、カーボン堆積物の場合、散乱効率
が低いので、金やアルミニウムのような高散乱物質をコ
ーティングする必要がある。

【００７２】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
３以外にも、以下に付記１乃至付記５として示すような
発明が含まれている。

【００７３】（付記１） 試料表面に光を入射する入射
手段と、この入射光の波長以下のサイズの先端をもち、
該先端が該試料に近接して設置され、該入射光を該先端
で散乱させる探針と、散乱光を検出する光検出手段と、
該探針または探針の支持部材の変位を検出する変位検出
手段と、試料と探針を相対的に走査する走査手段と、該
変位検出手段からの信号をもとに探針と試料間の距離ま
たは探針圧を制御するための制御手段と、信号取込み手
段と、画像化手段とを有し、該探針先端からの散乱光も
しくは発生する光が入射光の波長によって変化するよう
な近接場光学顕微鏡において、前記入射光の波長以下の
サイズの先端をもつ探針は、弾性体の探針保持部から突
出し、探針保持部上部から見ると探針先端が探針保持部
の先端より外側に突出した構造を持つことを特徴とする
近接場光学顕微鏡。

【００７４】（付記２） 上記探針保持部が片もち梁で
あることを特徴とする付記１記載の近接場光学顕微鏡。

【００７５】（付記３） 試料表面に光を入射する入射
手段と、この入射光の波長以下のサイズの先端をもち、
該先端が該試料に近接して設置され、該入射光を該先端
で散乱させる探針と、散乱光を検出する光検出手段と、
該探針または探針の支持部材の変位を検出する変位検出
手段と、試料と探針を相対的に走査する走査手段と、該
変位検出手段からの信号をもとに探針と試料間の距離ま
たは探針圧を制御するための制御手段と、信号取込み手
段と、画像化手段とを有し、該探針先端からの散乱光も
しくは発生する光が入射光の波長によって変化するよう
な近接場光学顕微鏡において、上記探針は、鋭い先端を
もつ構造の先端部に前記入射光の波長以下のサイズの散
乱体が設置された構造をもつとともに、探針保持部上部
から見ると散乱体先端が探針保持部の先端より外側に突
出した構造を持つことを特徴とする近接場光学顕微鏡。

【００７６】（付記４） 試料表面に光を入射する入射
手段と、この入射光の波長以下のサイズの先端をもち、
該先端が該試料に近接して設置され、該入射光を該先端
で散乱させる探針と、散乱光を検出する光検出手段と、
該探針または探針の支持部材の変位を検出する変位検出
手段と、試料と探針を相対的に走査する走査手段と、該
変位検出手段からの信号をもとに探針と試料間の距離ま
たは探針圧を制御するための制御手段と、信号取込み手
段と、画像化手段とを有し、該探針先端からの散乱光も
しくは発生する光が入射光の波長によって変化するよう
な近接場光学顕微鏡において、上記探針は、鋭い先端を
もつ構造の先端部に前記入射光の波長以下のサイズの構
造体が設置された構造をもち、これに高散乱物質からな
る薄膜をコーティングすることによって散乱体として機
能し、該薄膜のストレスにより散乱体が変形し、散乱体
先端が探針保持部の先端より外側に突出することを特徴
とする近接場光学顕微鏡。

【００７７】（付記５） 試料表面に光を入射する入射
手段と、この入射光の波長以下のサイズの先端をもち、
該先端が該試料に近接して設置され、該入射光を該先端
で散乱させる探針と、散乱光を検出する光検出手段と、
該探針または探針の支持部材の変位を検出する変位検出
手段と、試料と探針を相対的に走査する走査手段と、該
変位検出手段からの信号をもとに探針と試料間の距離ま
たは探針圧を制御するための制御手段と、信号取込み手
段と、画像化手段とを有し、該探針先端からの散乱光も
しくは発生する光が入射光の波長によって変化するよう
な近接場光学顕微鏡において、上記探針は、鋭い先端を
もつ構造の先端部に前記入射光の波長以下のサイズの散
乱体が設置された構造物をもち、前記構造物は、カーボ
ン堆積物であることを特徴とする近接場光学顕微鏡。

【００７８】

【発明の効果】従って、以上説明したように、請求項１
の本発明によれば、カンチレバーの構造を工夫すること
により、より広い角度範囲の散乱光を検出可能にした近
接場光学顕微鏡を提供することができる。

【００７９】また、請求項２及び３の本発明によれば、
カンチレバーの構造を工夫することにより、より広い角
度範囲の散乱光を検出可能にしたカンチレバーを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による近接場
光学顕微鏡の概略的な構成を示す図である。

【図２】図２の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実
施形態の散乱モード近接場顕微鏡のプローブ１００の構
造を示す図である。

【図３】図３の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実
施形態の散乱モード近接場顕微鏡の対物レンズ３の開口
によって検出することができる領域を模式的に示す図で
ある。

【図４】図４の（ａ）及び（ｃ）は、本発明による第２
の実施形態のプローブ１００の構造を示す図であり、図
４の（ｂ）及び（ｄ）は、図４の（ａ）及び（ｃ）のＡ
矢視図である。

【図５】図５の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本発明に
よる第３の実施形態のプローブ１００の構造を示す図で
ある。

【符号の説明】

１００…散乱プローブ、 １０２…探針保持部、 ２…レーザー光源、 １…試料、 ３…対物レンズ、 ５０…散乱光検出鏡筒、 ４…光検出器、 １９…検光子、 ２０…レンズ群、 ２１…ピンホール、 ４…光電子増倍管、 ５…圧電チューブスキャナー、 １０３…保持台、 １０２…探針保持部、 １０４…金属膜、 ７…半導体レーザ、 ６…２分割ディテクター、 １０５…散乱体、 １０５ａ…微小散乱球、 １０５ｂ…微小散乱体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に光を入射する入射手段と、 探針と探針保持部を有し、上記探針の先端部が上記試料
   に近接して配置されたカンチレバーと、 上記探針の先端部で発生した上記入射光に由来する散乱
   光を受光する対物光学系とを具備する近接場光学顕微鏡
   において、 上記探針の先端部が覆われることなく上記対物光学系の
   視野中にあることを特徴とする近接場光学顕微鏡。
2. 【請求項２】 近接場光学顕微鏡で使用可能なカンチレ
   バーであり、 一方向に延出した保持部と、 上記保持部の端部に位置する探針とを具備し、 上記延出方向において、上記探針の先端が上記保持部の
   先端よりもさらに外側に位置していることを特徴とする
   カンチレバー。
3. 【請求項３】 上記探針は、片側のみにコーティングが
   施されており、上記コーティングに基づくストレスによ
   り上記延出方向に湾曲していることを特徴とする請求項
   ２記載のカンチレバー。