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JP2704601B2 - 走査型近視野原子間力顕微鏡、及びその顕微鏡に使用されるプローブ、及びそのプローブの製造方法 - Google Patents

走査型近視野原子間力顕微鏡、及びその顕微鏡に使用されるプローブ、及びそのプローブの製造方法

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JP2704601B2
JP2704601B2 JP6052248A JP5224894A JP2704601B2 JP 2704601 B2 JP2704601 B2 JP 2704601B2 JP 6052248 A JP6052248 A JP 6052248A JP 5224894 A JP5224894 A JP 5224894A JP 2704601 B2 JP2704601 B2 JP 2704601B2
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JP
Japan
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probe
light
sample
tip
force microscope
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宏 村松
徳男 千葉
龍明 安宅
正道 藤平
Original Assignee
セイコーインスツルメンツ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=27462752&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=JP2704601(B2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by セイコーインスツルメンツ株式会社 filed Critical セイコーインスツルメンツ株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、物質間に働く原子間
力を利用して計測物質の形状を観察するとともに、光伝
搬体からなるプローブによって、同時に計測物質の微細
領域での光学特性を観察する走査型近視野原子間力顕微
鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、走査型ト
ンネル顕微鏡（ＳＴＭ）に対して、試料の電導性の有無
にかかわらず試料表面の微細な形状を観察することがで
きることから広く普及している。このＡＦＭは、試料と
測定プローブの間に働く原子間力によって、測定プロー
ブを支持しているバネ要素がたわむことを利用した測定
法である。
【０００３】一方、先端が尖鋭化された光媒体からなる
プローブを光の波長以下まで測定試料に近づけることに
よって、試料の光学特性や形状を測定しようという試み
があり、いくつかの近接場光顕微鏡が提案されている。
この一つの装置として、試料の裏面からレーザー光を試
料裏面で全反射するように照射して、試料表面にもれだ
すエバネッセント光を微動機構を有する光ファイバープ
ローブの先端を近接させることによって検出して、一定
のエバネッセント光を検出するようにプローブを走査す
るかあるいはプローブを水平に走査してエバネッセント
光の強度変化を測定することによって、表面形状を観察
する装置が提案されている。
【０００４】また、試料に対して垂直に保持した光ファ
イバープローブの先端を試料表面に対して水平に振動さ
せ、試料表面とプローブ先端の摩擦によって生じる振動
の振幅の変化を光ファイバー先端から照射され試料を透
過したレーザー光の光軸のズレとして検出し、試料を微
動機構で動かすことによって、プローブ先端と試料表面
の間隔を一定に保ち、微動機構に入力した信号強度から
表面形状を検出するとともに試料の光透過性の測定を行
う装置が提案されている。
【０００５】さらに、先端部を鈎状にしたガラスキャピ
ラリの最先端部に蛍光物質を詰めるとともに、鈎状部の
先端からみて裏面にプローブのたわみを光学的に検出す
るために用いる反射板を設置し、試料裏面から照射され
試料を透過した光によって、試料に近接したプローブ先
端の蛍光物質から発生し、さらに、試料を透過した光を
試料裏面で検出することによって、試料のＡＦＭ測定と
光透過性を同時に測定する装置が提案されている。
【０００６】この他、導電性を持つ光媒体からなるプロ
ーブをＳＴＭのプローブとして用い、同時に試料の光学
的特性を測定する装置も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来のＡＦＭおよびＳ
ＴＭは、表面形状の観察には適しているが、試料の物理
的および化学的性質を測定することはできない。この試
料の性質を観察する手段として光を用いる方法が考えら
れる。
【０００８】この光を用いる近接場光顕微鏡のうちエバ
ネッセント光を用いる装置の場合、光強度を試料の高さ
方向の情報として用いるため、試料の高さ方向の光強度
変化と試料の光吸収による光強度変化を分離することが
できないという欠点があり、試料の物理的および化学的
な性質を測定する手段として利用することは難しい。ま
た、試料表面の凹凸が激しい場合には、光は、試料裏面
で全反射せずに透過する場合があり、これらの透過光
が、試料表面上で干渉を起こし、測定に支障をきたす場
合がある。
【０００９】また、プローブを水平に振動させる装置の
場合、試料が光を透過する物質である必要があることに
加えて、プローブ先端が横方向に振動するため、特に、
試料表面の凹凸が激しい場合などでは、横方向の分解能
の向上には限界があるという問題がある。
【００１０】さらに、キャピラリを用いる装置の場合に
ついても、試料は光を透過するものである必要があると
ともに、使用する蛍光物質によって、測定可能な光の波
長が限定されてしまうという問題がある。この他、ＳＴ
Ｍと組み合わせた装置の場合、測定が可能な試料は導電
性のあるものに限られてしまうという問題がある。
【００１１】そこで、本発明の目的は、試料の光透過性
や導電性の有無にかかわらず、試料の表面形状および光
特性の測定を高解像度で行うことができる走査型近視野
原子間力顕微鏡を実現することにある。さらには、製作
し易く、形状の再現性の良い走査型近視野原子間力顕微
鏡用プローブとその製造方法を実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するため、端部に光を透過する透過孔を有する光伝
搬媒体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部と成るように
構成され、先端部とこれにつながる光伝搬体が鈎状の形
状を有する走査型近視野原子間力顕微鏡用プローブとし
た。また、プローブのたわみを光学的に検出するための
光反射部を、プローブに設けた。光反射部は、例えばプ
ローブ自体に形成した光反射面、あるいはプローブの一
部に固定された微小な光反射体で構成した。
【００１３】さらに、前記プローブの鈎形状部分に対し
て先端部分の反対側に、位置合わせ面を持つプローブ固
定体を設置した。上記の走査型近視野原子間力顕微鏡用
プローブは、前記プローブ固定体を設置する工程と、先
端部を尖鋭化する工程と、鈎状の形状を形成する工程
と、光反射面を形成し、あるいは光反射体を設置する工
程により製造した。
【００１４】さらに、上記光反射体をプローブに接合す
る工程は、鈎状の形状の形成と同時に、高出力のレーザ
ー光を照射して行う工程とした。
【００１５】このプローブは、プローブの尖鋭な透過孔
部周辺の少なくとも鈎状部までが透過孔部以外の部分が
光を反射する反射膜で覆われている。さらに、鉤状の形
状を有するプローブとすくなくとも一部に光反射手段を
有するバネ要素の先端部が接合され、バネ要素の支持点
よりもプローブの支持点が先端から離れているＡＦＭ用
プローブを構成した。
【００１６】さらに、端部に光を透過する透過孔を有す
る光伝搬媒体からなり、透過孔部が平面あるいは凸面で
ある補助プローブを透過光面が前記の尖鋭なプローブに
近接して設置した。この補助プローブは、尖鋭化プロー
ブから試料表面に照射された光の散乱や試料表面からの
蛍光を受光するか、あるいは、補助プローブから尖鋭化
プローブの先端の観察対象となる試料表面に光を照射
し、試料表面からの散乱光や蛍光を尖鋭化プローブで検
出するものである。
【００１７】上記の２つのプローブと、試料に光を照射
する光源および光学系と、試料を透過あるいは試料に反
射した光を受ける光電変換素子および光学系と、尖鋭化
プローブのたわみを検出するためのレーザー光源と、レ
ーザー光を尖鋭化プローブ裏面に照射する集光レンズ
と、反射光を検出する検出系と、試料と尖鋭化プローブ
を相対移動させる粗動機構及び微動機構と、試料と尖鋭
化プローブ間の距離を制御する制御手段と、装置全体を
制御するコンピューターを有し、試料表面の形状及び光
学的特性を観察する走査型近視野原子間力顕微鏡を構成
した。
【００１８】さらに、上記の２つのプローブと、試料に
光を照射する光源および光学系と、試料を透過あるいは
試料に反射した光を受ける光電変換素子および光学系
と、尖鋭化プローブを先端と試料の間を相対的に垂直方
向に振動させる機構と、尖鋭化プローブのたわみを検出
するためのレーザー光源と、レーザー光を尖鋭化プロー
ブ裏面に照射する集光レンズと、反射光を検出する検出
系と、試料と尖鋭化プローブを相対移動させる粗動機構
及び微動機構と、試料と尖鋭化プローブ間の距離を制御
する制御手段と、装置全体を制御するコンピューターを
有し、試料表面の形状及び光学的特性を観察する走査型
近視野原子間力顕微鏡を構成した。
【００１９】
【作用】この発明の走査型近視野原子間力顕微鏡では、
先端部が鈎状の形状を有する光伝搬体のプローブが通常
のＡＦＭ用プローブとして用いられる。ここで、鈎状部
の裏側に付けられた反射板は、光学伝搬体のバネ性によ
って試料表面とプローブ先端との間に働く原子間力が変
位に変換された度合いを反射光の位置のズレとして検出
するために用いるものである。
【００２０】また、鉤状部の裏側にバネ要素が接合され
たプローブは、光伝搬体の支持点をバネ要素の支持点よ
り離すことによって、光伝搬体の剛性の影響を抑え、バ
ネ要素のバネ性に依存した変位を得ることができ、バネ
性の設定を容易に行えるようになっている。
【００２１】さらに、上記プローブ固定体を設置したプ
ローブを走査型近視野原子間力顕微鏡に設置する際、プ
ローブ固定体部分を支持する構造が容易に実現でき、プ
ローブの着脱が容易となる。また、上記プローブ固定体
を設置したプローブを設置した走査型近視野原子間力顕
微鏡では、プローブ先端までの距離、鈎状の曲げ角度、
光反射面角度の合わせが容易となる。
【００２２】上記のような走査型近視野原子間力顕微鏡
用プローブの製造方法では、一度プローブに固定したプ
ローブ固定体は、プローブを分離・尖鋭化する工程と、
鈎状の形状を形成する工程と、光反射面を形成し、ある
いは光反射体を設置する工程において着脱や移動をしな
いので、プローブ固定体の合わせ面を利用して各工程の
加工装置に取付を行うことにより、プローブ固定体から
鈎状部分までの長さ精度、および鈎状部分に対する光反
射面の角度精度を向上させることが可能であり、さらに
それらの精度の再現性を向上させることが可能である。
また、微細な光伝搬体自体を取り扱うよりも取扱いが容
易となる。
【００２３】光反射体をプローブに接合する工程は、鈎
状の形状の形成と同時に、高出力のレーザー光を照射し
て行うことにより、工程数を減少することが可能とな
る。さらに、尖鋭化プローブ先端の開口部以外の部分を
覆う反射膜は、尖鋭化プローブ側で光を検出する場合
は、尖鋭化プローブに被測定部以外から入射する不要な
散乱光の影響を避ける作用があり、尖鋭化プローブ側で
光を試料に照射する場合は、試料表面の光の照射スポッ
トを絞る作用がある。
【００２４】尖鋭化プローブ近傍に設置された補助プロ
ーブは、試料表面への光照射あるいは試料表面からの散
乱光や蛍光の検出に用いられる。すなわち、尖鋭化プロ
ーブ内に光を導入して、尖鋭化プローブ先端から試料に
光を照射し、試料表面で反射した光を補助プローブで測
定する方法と、試料表面に補助プローブから直接、光を
照射して、散乱光や蛍光を尖鋭化プローブ先端で検出す
る方法とがある。補助プローブによって、光の照射ある
いは検出を行うことによって、レンズ系を用いるのに対
して、簡便に光照射や受光位置の設定ができるととも
に、試料上のスペースをわずかしか必要としないで測定
が可能である。
【００２５】プローブの先端と試料の間を相対的に垂直
方向に振動させる手段は、プローブを水平方向に走査し
た場合、試料の凹凸にともなって、試料およびプローブ
先端の接触によって生じる試料およびプローブ先端間の
横応力によって、試料表面および尖鋭化プローブ先端が
損傷を受けるのを避ける作用がある。
【００２６】
【実施例】以下図面を参照しながら、この発明による走
査型近視野原子間力顕微鏡の実施例について説明する。 （プローブの構成）図１は、光ファイバーを用いて製作
した本発明の尖鋭化プローブの模式図である。図１にお
いて、光伝搬体である光ファイバー１は、光を伝搬する
コア部２と屈折率の異なるクラッド部３から成り、光フ
ァイバー１の尖鋭化された先端部は、鈎状の形状を成し
ている。以下、このプローブの製作手順を述べる。
【００２７】尖鋭化プローブ４には、コア径１０μｍ、
クラッド径１２５μｍの光ファイバーを使用し、光ファ
イバー１の末端から２ｃｍから６ｃｍ程度、合成樹脂の
被覆を取り除き、露出された中央部を加熱しながら中央
部で分離されるまで、両端に引き伸ばした。この加熱方
法としては、白金線をコイル状に巻き、コイルの中心に
光ファイバーを通し、白金線に電流を流して高温に発熱
させ、光ファイバーを加熱した。また、露出した光ファ
イバーの中央部に炭酸ガスレーザーの光を集光してあ
て、両端に引き伸ばすことによっても製作することがで
きた。いずれの方法においても、先端径を測定に十分使
用可能な０．１μｍ以下にすることが可能であった。
【００２８】実施例で使用したシングルモードタイプの
光ファイバーの場合、コア径は、クラッド径の１０分の
１程度であるので、光が透過する部分は、０．０１μｍ
程度に相当する。さらに、先端の形状は、エッチングに
よって、さらに尖鋭化することが可能であった。エッチ
ングには、フッ酸、フッ化アンモニウム１：３混合液を
用い、５分から９０分間先端を浸漬することによって可
能であった。このようにして製作した光ファイバーの先
端から０．１ｍｍから３ｍｍの部分に炭酸ガスレーザー
の光を集光して当て、変形させる前を０゜としたとき、
６０゜から９０゜程度の鈎状の形状に変形させた。この
場合、レーザー光の当たる側がその裏側に対して、熱の
吸収量が多いため、軟化にともなうガラスの表面張力に
よって、光ファイバー先端はレーザー光の当たる方向に
折れ曲がっていく。この角度の調整は、曲がり具合を確
認しながらレーザー光の出力をコントロールすることに
よって行った。この先端の観察は、保護眼鏡を装着すれ
ば肉眼でも可能であるが、顕微鏡にビデオカメラを装着
し、ビデオモニターで観察する方法が安全かつ確実な方
法である。
【００２９】図２は、尖鋭化プローブ４の鈎状部分に機
械的研磨により光反射面５を形成した構成である。光反
射面５は金、アルミニウム、クロム、ニッケル等の金属
反射膜で被覆して用いられる。図３は、尖鋭化プローブ
５の光反射面５を鈎状部分に対し先端の反対側に機械的
研磨により形成した構成である。図２に示した実施例と
は光反射面５の形成位置が異なる。
【００３０】図４は、尖鋭化プローブ４の先端からみて
裏側に、光反射体６を設置した構成である。光反射体６
としてはステンレス板、アルミ板等の金属板や、それら
に反射率向上のために金薄膜を被覆したものや、ガラス
基板、シリコン基板等に反射金属膜を被覆したものが用
いられる。光反射体６を尖鋭化プローブ４へ固定する方
法としては、硬化時間１０分程度で、硬化前でも粘着性
のあるビニル系接着剤を使用する方法がある。また、ガ
ラス基板にモリブデンやチタンなどの高融点金属膜を被
覆したものを光反射体として用いた場合は、後の実施例
で説明するレーザー光を用いた溶融接着工程も可能であ
る。
【００３１】上記のような尖鋭化プローブ４の場合で
は、別のバネ要素を用いず、光伝搬体自体のバネ性を利
用してバネ要素とするので、構造を簡単にすることがで
き、プローブの別のバネ要素への取り付け状態のばらつ
きに起因する特性のばらつきを減少させることができ、
作製が容易であり、共振周波数やＱ値などの諸特性の均
一化が図れる。
【００３２】実際に作製したプローブでは、共振周波数
は２ＫＨｚから２０ＫＨｚ、Ｑ値は１００から５００の
範囲で再現性が良好であった。
【００３３】図５は、尖鋭化プローブ４の鈎状部分に対
して先端部分の反対側に、位置合わせ面を有するプロー
ブ固定体７を設置した構成である。プローブ固定体７と
しては、例えば光ファイバー径に合わせたＶ溝を有する
直方体の支持体とおさえ板が用いられる。また、光ファ
イバー径に合わせた貫通穴を有する直方体の部品に光フ
ァイバー１を通し、接着することによっても実現可能で
ある。またプローブ固定体７は底面と端面を有していれ
ば、直方体以外の形状や、取付のための鍔を有する形状
も用いられる。プローブ固定体７は光ファイバー１に直
接設置することも光ファイバー１の合成樹脂被覆（図示
せず）に設置することもできる。
【００３４】走査型近視野原子間力顕微鏡用プローブ
は、使用に際して汚損や折損が生じ易く、プローブの交
換が容易である必要がある。上記のようなプローブを走
査型近視野原子間力顕微鏡に設置する際、プローブ固定
体７を支持する構造が容易に実現でき、プローブの着脱
が容易となる。
【００３５】図６〜図９は本発明による走査型近視野原
子間力顕微鏡用尖鋭化プローブの製造方法を表した図で
ある。図６において、光ファイバー１の末端から２ｃｍ
から１０ｃｍ程度、合成樹脂の被覆を取り除き、光ファ
イバー１の末端から０．５ｃｍから６ｃｍ程度の部分
に、プローブ固定体７を設置する。例えば、光ファイバ
ー径に合わせたＶ溝を有する支持体に光ファイバー１を
設置し、おさえ板によって光ファイバーをおさえてプロ
ーブ固定体７とする。また、光ファイバー径に合わせた
貫通穴を有する直方体の部品に光ファイバー１を通し、
接着することによっても実施可能である。
【００３６】図７において、光ファイバー１を加熱しな
がら分離されるまで、両端に引き伸ばし尖鋭化する。こ
の加熱方法としては、前述と同様に白金線をコイル状に
巻き、コイルの中心に光ファイバーを通し、白金線に電
流を流して高温に発熱させることで製作する。また、露
出した光ファイバーの中央部に炭酸ガスレーザーの光を
集光してあて、両端に引き伸ばすことによっても製作す
ることができる。
【００３７】図８において、光ファイバーを尖鋭化した
プローブの先端から０．１ｍｍから１．５ｍｍの部分に
炭酸ガスレーザーの光を集光して当て、変形させる前を
０゜としたとき、６０゜から９０゜程度の鈎状の形状に
変形させる。プローブ固定体７の底面をレーザー光に直
角に設置し、レーザー光からプローブ固定体７の端面ま
での距離を一定とする。この場合、レーザー光の当たる
側がその裏側に対して、熱の吸収量が多いため、軟化に
ともなう表面張力により、光ファイバー先端はレーザー
光の当たる方向に折れ曲がっていく。この工程により、
プローブ固定体７の端面から鈎状部分までの距離を一定
にでき、曲げる方向をプローブ固定体７の底面と直角に
することができる。
【００３８】図９において、プローブ固定体７の端面部
分の底辺と研磨面を平行に設置して、プローブの鈎状部
分を機械研磨し、光反射面５を形成する。光反射面５
は、鈎状部分側から見て、プローブの曲がる方向と直角
に形成することができる。研磨量は、光ファイバーのコ
ア部分が露出しないようにクラッド部分のみを研磨し、
プローブ径の３分の１程度とする。
【００３９】さらに、プローブの先端の開口部以外の部
分と光反射面５を同時に、ニッケル、クロムあるいは金
などの金属膜で被覆する。反射膜を構成することで、プ
ローブに光を導入する場合には、側面からの光ノイズを
除去したり、プローブから光を照射する場合は、照射光
の指向性を高めることが可能である。金属膜の被覆方法
としてはスパッタ、蒸着、無電解メッキなどが用いられ
る。この場合、開口部まで反射膜で覆われてしまうが、
開口部の被膜を除去する方法として、強酸によるエッチ
ング、または、ＡＦＭ動作時に、接触圧を高め、機械的
に除去する方法とがある。
【００４０】上記のような走査型近視野原子間力顕微鏡
用尖鋭化プローブの製造方法によれば、プローブ固定体
７から鈎状部分までの長さ精度、鈎状部分の曲げ方向精
度および鈎状部分に対する光反射面の角度精度を向上さ
せることが可能であり、さらにそれらの精度の再現性を
向上させることが可能である。また、微細な光ファイバ
ー自体を取り扱うよりもプローブ固定体７を取り扱うこ
とで取扱いが容易となる。従って、特性の均一化を図る
ことができる。
【００４１】本実施例では、プローブ固定体７を設置し
た後にプローブを尖鋭化する工程を示したが、尖鋭化し
た後にプローブ固定体７を設置しても、同様の作用およ
び効果が得られる。
【００４２】図１０〜図１２は、本発明による走査型近
視野原子間力顕微鏡用尖鋭化プローブの製造方法の他の
実施例を表した図である。図１０および図１１は、プロ
ーブ固定体７を設置して、光ファイバー１を尖鋭化する
工程であり、図６および図７の実施例で示した工程と同
様である。
【００４３】図１２において、尖鋭化したプローブ４の
先端から０．１ｍｍから１．５ｍｍの部分に、厚さ１０
μｍから１００μｍ程度のガラス基板にモリブデンなど
の高融点金属膜を被覆した光反射体６を、プローブ固定
体７の底面と平行にプローブ４に接触させ、炭酸ガスレ
ーザーの光を集光して当て、鈎状の形状の形成と光反射
体６の接着を同時に行う。プローブ固定体７の底面をレ
ーザー光に直角に設置し、レーザー光からプローブ固定
体７の端面までの距離を一定とする。レーザー光による
熱のためプローブが折れ曲がることは図８の実施例で説
明した通りである。同時に、光反射体６のガラス部分が
プローブに溶融接着される。この工程により、プローブ
固定体７の端面から鈎状部分までの距離を一定にでき、
曲げる方向をプローブ固定体７の底面と直角にすること
ができる。また、光反射体６は、鈎状部分側から見て、
プローブの曲がる方向と直角に設置することができる。
【００４４】図１３は、光ファイバーとは別体のバネ要
素を用いるプローブの模式図である。先端が鈎状の尖鋭
化プローブ４の先端からみて裏側に、光反射手段を有す
るバネ要素１０の先端部分１２が接合され、バネ要素１
０は、支持点１３を境にして、支持体１１に接合されて
いる。また尖鋭化プローブ４は、支持点１３より先端か
ら離れた支持点１４で、支持体１１に接合されている。
【００４５】実施例では、バネ要素として、厚さ１０μ
ｍで、Ｖ字型で、角度６０゜、それぞれの幅が０．２ｍ
ｍ、支持点１３から先端までの長さが１．５ｍｍのステ
ンレス板を使用し、尖鋭化プローブ４の支持点１４を先
端から１０ｍｍ程度にした。ステンレス板の光ファイバ
ーに接合される面の反対の面は、光を反射可能な程度に
表面が平滑になっている。ステンレス板とプローブ、お
よび支持体とプローブの接続には、融点が５０℃のろう
を使用した。ろうを使用することで、熱で容易に脱着が
できるため、プローブの交換を容易に行うことが可能で
ある。この場合の、共振点は、７ｋＨｚ付近に観測され
た。
【００４６】このタイプのプローブは、バネ性を主にバ
ネ要素１０の形状に依存することになるので、再現性の
良いバネ特性を得ることができる他、バネ要素の材質や
形状を変えることによって、バネ特性を任意に変えるこ
とができる。また、反射板の角度の調整が不要となると
いうメリットもある。また、バネ要素１０を反射板とし
てのみ使用することも可能であり、その場合は、支持点
１３と支持点１４の位置が近接してもプローブとして使
用することができる。
【００４７】図１４は、プローブと試料の間を相対的に
垂直に振動させる手段として、プローブを試料に対して
垂直方向に振動させるための圧電素子を組み合わせたプ
ローブの模式図である。電圧印加によって、厚み方向の
伸縮を起こす圧電体１５の両面には、電極１６が設けら
れており、電極間には、１ｋＨｚから１００ｋＨｚの間
で、０．１Ｖから１０Ｖまでの交流電圧を印加できる交
流電源１７が接続されている。圧電体１５は、図１３の
場合のプローブの支持体１１と同様に配置され、尖鋭化
プローブ４およびバネ要素１０が接合されている。
【００４８】さらに、プローブの先端の開口部以外の部
分をニッケル、クロムあるいは金などの金属膜で被覆す
る。開口部を覆った金属膜は、強酸によるエッチング、
または、ＡＦＭ動作時に、接触圧を高め、機械的に除去
する。以上、実施例として、光ファイバーを用いたプロ
ーブについて述べたが、この他にも、鈎状の弾性基板上
にＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂＯ3 やガラスなどの膜を生成
させ、ドーピングによって光導波路を構成することで、
プローブを製作することも可能である。
【００４９】図１５は、尖鋭化プローブ４とともに、補
助プローブ８を用いて試料９の観察を行う場合の模式図
である。補助プローブ８も、尖鋭化プローブ４と同様に
光伝搬体である光ファイバーによって構成されている。
【００５０】補助プローブ８には、コア径１０μｍ、ク
ラッド径１２５μｍの光ファイバーを使用し、光ファイ
バーの末端から２ｃｍから６ｃｍ程度、合成樹脂の被覆
を取り除き、先端部をファイバークリーバーによって切
断し、平面となるようにした。次にこの光ファイバーの
先端から２ｍｍから５ｍｍの部分に、炭酸ガスレーザー
の光を集光して当て、変形させる前を０゜としたとき、
６０゜から９０゜程度の鈎状の形状に変形させた。
【００５１】（装置の構成）図１６は、本発明の装置の
構成の一例として、試料裏面からの透過光を検出する装
置の模式図を示したものである。図１６において、図１
３あるいは図１４で示したプローブ４の上方にレーザー
３０、集光レンズ３１、ミラー３２および上下２分割さ
れた光電変換素子３３が設置されており、レーザー３０
から放出された光は集光レンズ３１によって、プローブ
上で反射板の作用を兼ねるバネ要素１０に集光され、そ
こで反射した光は、ミラー３２を介して、光電変換素子
３３に導入されている。また、光情報測定用の光源３４
から放出された光は、コリメートレンズ３５を介して斜
面に全反射処理を施されたプリズム３６上の試料３７に
裏面から照射され、試料に近接したプローブ４の先端に
光が導入され、プローブ４の他方の末端に導かれ、光電
変換素子３８に導入されるようになっている。
【００５２】プリズム３６および試料３７は、縦横深さ
方向の移動が可能な粗動機構３９および微動機構４０の
上に設置されている。光電変換素子３３で検出された信
号は、サーボ機構４１に送られる。この信号をもとにサ
ーボ機構４１は、試料へのプローブのアプローチや表面
観察の際に、プローブのたわみが規定値を越えないよう
に粗動機構３９および微動機構４０を制御するようにな
っている。サーボ機構４１には、コンピューター４２が
接続されており、平面方向の微動機構４０の動作を制御
するとともに、サーボ機構の制御信号から、表面形状の
情報を受け取っている。光電変換素子３８の信号は、光
源３４の光に変調をかけているか、あるいは、プローブ
と試料の間に振動を与えている場合は、ロックインアン
プ４３を介してコンピューター４２のアナログ入力イン
ターフェースに接続されており、微動機構４０の平面動
作に同期した、光情報の検出を行うようになっている。
光源３４の光に変調などをかけていない場合は、光電変
換素子３８の信号はロックインアンプ４３を介さず直
接、コンピューター４２のアナログ入力インターフェー
スに接続される。
【００５３】図１７は、本発明の装置のうちエバネッセ
ント光を検出する装置の光学系部分の模式図である。光
情報測定用の光源３４から放出された光は、コリメート
レンズ３５およびミラー４４を介して、斜面を上方に向
け試料３７を乗せたプリズム４５に、側面から試料裏面
で全反射するような角度で照射され、この際に試料表面
から漏れだしたエバネッセント光が、試料３７に近接し
たプローブ４の先端に導入され、プローブ４の他方の末
端に導かれ、光電変換素子３８に導入されるようになっ
ている。プリズム４５および試料３７は、縦横深さ方向
の移動が可能な粗動機構３９および微動機構４０の上に
設置されている。
【００５４】図１８は、本発明の装置のうちプローブ４
から光を照射して透過光を検出する装置の光学系部分の
模式図である。光情報測定用の光源３４から放出された
光は、集光レンズ４９によってプローブ４に導入され、
試料３７に近接したプローブ４の先端から、斜面を全反
射コートされたプリズム３６の上に置かれた試料３７の
表面に照射される。プリズム斜面の内面で反射した光は
レンズ５０によって、平行光にされ、レンズ５１によっ
て、光電変換素子３８に集光される。プリズム３６およ
び試料３７は、縦横深さ方向の移動が可能な粗動機構３
９および微動機構４０の上に設置されている。
【００５５】図１９は、本発明の装置のうちプローブを
投光側に使用し、反射光を測定する装置の模式図を示し
たものである。光源３４から放出された光は、レンズ５
７によって集光され、光ファイバー４の中に導入され
る。導入された光は試料に近接したプローブ４の先端か
ら試料表面に照射される。試料３７から反射した光は、
試料上面に設置された受光レンズ５６によって、光電変
換素子３８に集光される。試料３７は、縦横深さ方向の
移動が可能な粗動機構３９および微動機構４０の上に設
置されている。
【００５６】図２０は、本発明の装置のうちプローブを
受光側に使用し、反射光を測定する装置の模式図を示し
たものである。試料上面に設置された光源３４から放出
された光は、レンズ５８を介して、試料３７上に照射さ
れる。試料表面で反射した光のうち、試料表面に近接し
たプローブの先端付近からの反射光が、プローブ先端か
ら光ファイバー内に導入され、プローブ末端から光電変
換素子３８表面に放出される。試料３７は、縦横深さ方
向の移動が可能な粗動機構３９および微動機構４０の上
に設置されている。
【００５７】図２１は、本発明の装置のうちプローブを
投光受光両方に使用する反射光測定型の装置の模式図を
示したものである。光源３４から放出された光は、レン
ズ５２によって平行光にされ、ビームスプリッター５３
を透過した後、レンズ５４によって集光され、光ファイ
バー４の中に導入される。導入された光は試料３７に近
接したプローブ４の先端から試料表面に照射される。試
料３７から反射した光は再び、プローブ先端からプロー
ブ４内に導入され、プローブ末端から放出され、レンズ
５４によって、平行光にされ、ビームスプリッター５３
で、９０゜反射された成分が、レンズ５５によって、光
電変換素子３８に集光される。試料３７は、縦横深さ方
向の移動が可能な粗動機構３９および微動機構４０の上
に設置されている。
【００５８】図２２は、本発明の装置の構成の一例とし
て、尖鋭化プローブ４から光を照射し、補助プローブ８
で光を検出する装置の模式図を示したものである。図２
２において、尖鋭化プローブ４の上方にレーザー光源３
０、集光レンズ３１、ミラー３２および上下２分割され
た光電変換素子３３が設置されており、レーザー光源３
０から放出された光は、集光レンズ３１によって、尖鋭
化プローブ４上の光反射面５に集光され、光反射面５か
ら反射した光は、ミラー３２を介して、光電変換素子３
３に導入されている。また、光源３４から放出された光
は、レンズ４９によって集光され、尖鋭化プローブ４の
プローブ先端とは反対の端のコア中に導入される。導入
された光は試料に近接した尖鋭化プローブ４の先端から
試料表面に照射される。試料から反射した光は、試料上
面に設置された補助プローブ８によって、光電変換素子
３８に導かれる。試料３７は、縦横深さ方向の移動が可
能な粗動機構３９および微動機構４０の上に設置されて
いる。
【００５９】光電変換素子３３で検出された信号は、サ
ーボ機構４１に送られる。この信号をもとに、サーボ機
構４１は、試料へのプローブのアプローチや表面観察の
際に、プローブのたわみが規定値を越えないように粗動
機構３９および微動機構４０を制御する。サーボ機構４
１には、コンピューター４２が接続されており、平面方
向の微動機構４０の動作を制御するとともに、サーボ機
構の制御信号から、表面形状の情報を受け取っている。
光電変換素子３８の信号は、光源３４の光に変調をかけ
ているか、あるいは、プローブと試料の間に振動を与え
ている場合は、ロックインアンプ４３を介してコンピュ
ーター４２のアナログ入力インターフェースに接続され
ており、微動機構４０の平面動作に同期した、光情報の
検出を行うようになっている。光源３４の光に変調など
をかけていない場合は、光電変換素子３８の信号はロッ
クインアンプ４３を介さず直接、コンピューター４２の
アナログ入力インターフェースに接続される。
【００６０】尖鋭化プローブと試料の間を相対的に垂直
に振動させる手段として、プローブを試料に対して垂直
方向に振動させるための圧電素子を組み合わせる場合に
は、電圧印加によって厚み方向の伸縮を起こす圧電体１
５がプローブに設置される。圧電体１５の両面には、電
極が設けられており、電極間には、１ｋＨｚから１００
ｋＨｚの間で、０．１Ｖから１０Ｖまでの交流電圧を印
加できる交流電源が接続される。
【００６１】一方、補助プローブ８から光を照射し、尖
鋭化プローブ４で光を検出する場合は、光源３４とレン
ズ４９は、補助プローブ８の反対側の端に設置され、光
電変換素子３８は、尖鋭化プローブ４の反対の端に設置
される。
【００６２】以上述べてきた装置において、光電変換素
子３８としては、フォトマルチプライヤー、フォトダイ
オード、フォトダイオードアレイあるいはＣＣＤイメー
ジセンサーが使用可能である。必要に応じて、光電変換
素子３８の前面に、光学フィルターやグレーティングな
どの分光素子を設置することによって、波長情報の観察
が可能である。また、光源３４としては、半導体レーザ
ー、ＨｅＮｅレーザー、Ａｒレーザー、窒素レーザー、
ＹＡＧレーザーなどのレーザー光源の他、通常の白色光
源およびモノクロメーターを使用することもできる。エ
バネッセント光の測定など、検出される光が微弱になる
場合には、光源から出力する光に変調をかけ、検出信号
から同期した成分を取り出しノイズを除去する必要があ
るが、半導体レーザーの場合は、レーザー素子に流れる
電流をパルス制御することによって変調をかけることが
できる。
【００６３】その他の光源の場合は、メカニカルライト
チョッパー、ＥＯモジュレーター（電気光学変調器）ま
たはＡＯモジュレーター（音響光学変調器）を使用する
ことによって、変調をかけることができる。また、プロ
ーブと試料の間を振動させる場合には、この振動を持っ
て、変調をかけるのと同等の効果を得ることもできる。
微動機構４０としては、長さ１００ｍｍ，外径１０ｍ
ｍ、肉圧１ｍｍの円筒状の圧電セラミクスを使用した。
この微動機構の動作範囲は、ＸＹ方向に、それぞれ、１
５０μｍ、Ｚ方向に、５μｍであった。プローブと試料
の間を振動させる手段としては、図１４に示した手段に
限らず、微動機構４０のＺ方向の動作によって、振動さ
せることもできる。また、微動機構４０に、さらに、試
料にＺ方向の振動を与えるためのバイモルフを別途付加
することも可能である。
【００６４】また、補助プローブの端面を研磨し、凸状
にすることによって、補助プローブから光を照射する場
合には、光のスポットを小さくすることが可能である。
このようにして構成した装置において、透過光を測定す
る場合は、ＡＦＭ像の観察と同時に、光透過性、吸収度
および蛍光の２次元情報の測定が可能であった。反射光
を測定する場合は、試料表面の光吸収率、反射率および
蛍光の測定に適していることが明かとなった。測定の分
解能は、ＡＦＭ像および２次元光学情報それぞれ１０ｎ
ｍを達成することができた。
【００６５】本実施例では、プローブ側を固定し、試料
側に動作手段を有する装置について述べたが、プローブ
側に動作手段を有し、試料側を固定するタイプの装置を
構成することも可能である。
【００６６】
【発明の効果】本発明のプローブおよび装置によって、
試料の光透過性や導電性の有無にかかわらず、高解像度
で試料の表面形状および光特性の測定が可能な装置を実
現することができる。
【００６７】特に、バネ要素として尖鋭化プローブ自体
のバネ性を利用し、光反射面をプローブに直接形成する
場合は、製造が容易で精度の高いプローブを得ることが
できる。
【００６８】また、鈎状部の裏側に弾性薄膜が接合され
たプローブは、光伝搬体の支持点を弾性薄膜の支持点よ
り離すことによって、光伝搬体の剛性の影響を抑え、弾
性薄膜のバネ性に依存した変位を得ることができ、バネ
性の設定を容易に行える効果があり、再現性の良いプロ
ーブの供給を可能にした。
【００６９】また、尖鋭化プローブとともに補助プロー
ブを使用することにより、試料の表面形状および光特性
のみならず、光散乱と蛍光の測定も可能な装置を実現す
ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の尖鋭化プローブを示す模式図である。
【図２】本発明の、光反射面を有する尖鋭化プローブを
示す模式図である。
【図３】本発明の、他の光反射面を有する尖鋭化プロー
ブを示す模式図である。
【図４】本発明の、光反射板を有する尖鋭化プローブを
示す模式図である。
【図５】本発明の、プローブ固定体を有する尖鋭化プロ
ーブを示す模式図である。
【図６】本発明の、光反射面とプローブ固定体を有する
尖鋭化プローブの製造工程を示す図である。
【図７】本発明の、光反射面とプローブ固定体を有する
尖鋭化プローブの製造工程を示す図である。
【図８】本発明の、光反射面とプローブ固定体を有する
尖鋭化プローブの製造工程を示す図である。
【図９】本発明の、光反射面とプローブ固定体を有する
尖鋭化プローブの製造工程を示す図である。
【図１０】本発明の、光反射板とプローブ固定体を有す
る尖鋭化プローブの製造工程を示す図である。
【図１１】本発明の、光反射板とプローブ固定体を有す
る尖鋭化プローブの製造工程を示す図である。
【図１２】本発明の、光反射板とプローブ固定体を有す
る尖鋭化プローブの製造工程を示す図である。
【図１３】本発明の、バネ要素を併用する尖鋭化プロー
ブを示す模式図である。
【図１４】本発明の、尖鋭化プローブとプローブ振動用
圧電素子の構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の、２本のプローブと試料の位置関係
を示す模式図である。
【図１６】本発明の装置のうち試料裏面から光を照射す
る装置を示す模式図である。
【図１７】本発明の装置のうちエバネッセント光を測定
する装置を示す模式図である。
【図１８】本発明の装置のうちプローブから照射した光
の透過光を測定する装置を示す模式図である。
【図１９】本発明の装置のうちプローブから照射した光
の反射光を測定する装置を示す模式図である。
【図２０】本発明の装置のうち試料の反射光をプローブ
で検出する装置を示す模式図である。
【図２１】本発明の装置のうちプローブで光の照射と反
射光の検出を行う装置を示す模式図である。
【図２２】本発明の装置のうち２本のプローブで光の照
射と反射光の検出をそれぞれ行う装置を示す模式図
【符号の説明】
１ 光ファイバー ２ コア ３ クラッド ４ 尖鋭化プローブ ５ 光反射面 ６ 光反射板 ７ プローブ固定体 ８ 補助プローブ ９ 試料 １０ バネ要素 １１ 支持体 １２ バネ要素先端部分 １３ 支持点 １４ 支持点 １５ 圧電体 １６ 電極 １７ 交流電源 ３０ レーザー ３１ 集光レンズ ３２ ミラー ３３ 光電変換素子 ３４ 光源 ３５ コリメートレンズ ３６ プリズム ３７ 試料 ３８ 光電変換素子 ３９ 粗動機構 ４０ 微動機構 ４１ サーボ機構 ４２ コンピュータ ４３ ロックインアンプ ４４ ミラ− ４５ プリズム ４９ 集光レンズ ５０ レンズ ５１ レンズ ５２ レンズ ５３ ビームスプリッター ５４ レンズ ５５ レンズ ５６ 受光レンズ ５７ レンズ ５８ レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤平 正道 神奈川県横浜市栄区小菅ヶ谷町2000番地 10 南小菅ヶ谷住宅３−404 (56)参考文献 特開 平５−141961（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−90152（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−99641（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−173076（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−181064（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−128039（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−189142（ＪＰ，Ａ) 特表 平９−502018（ＪＰ，Ａ)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 端部に光を透過する透過孔を有する光伝
    搬媒体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部と成るよう構
    成され、先端部とこれにつながる光伝搬媒体が鈎状の形
    状を有し、前記光伝搬媒体がバネ性を有する走査型近視
    野原子間力顕微鏡用プローブ。
  2. 【請求項２】 前記プローブの一部にプローブのたわみ
    を光学的に検出するための光反射手段を設けた請求項１
    記載の走査型近視野原子間力顕微鏡用プローブ。
  3. 【請求項３】 前記光反射手段が、前記プローブに形成
    された光反射面である請求項２記載の走査型近視野原子
    間力顕微鏡用プローブ。
  4. 【請求項４】 前記光反射手段が、前記プローブに設置
    された光反射体である請求項２記載の走査型近視野原子
    間力顕微鏡用プローブ。
  5. 【請求項５】 請求項１記載のプローブと、すくなくと
    も一部に光反射手段を有するバネ要素から構成され、前
    記プローブの鈎状部の先端からみて裏側と前記バネ要素
    の一部が接合され、バネ要素の支持点よりも前記プロー
    ブの支持点がプローブの先端から離れている走査型近視
    野原子間力顕微鏡用プローブ。
  6. 【請求項６】 請求項１記載のプローブと、前記プロー
    ブの鈎状部分に対して先端部分の反対側に、位置合わせ
    面を有するプローブ固定体を設置した走査型近視野原子
    間力顕微鏡用プローブ。
  7. 【請求項７】 前記プローブの尖鋭な透過孔部周辺の少
    なくとも鈎状部までの透過孔部以外の部分が光を反射す
    る反射膜でおおわれている請求項１記載の走査型近視野
    原子間力顕微鏡用プローブ。
  8. 【請求項８】 光伝播体をプローブ固定体に設置する工
    程と、前記光伝搬体の先端部を先鋭化する工程と、光伝
    搬体を鈎状の形状に成形する工程と、光伝搬体に光反射
    手段を形成する工程を有する走査型近視野原子間力顕微
    鏡用プローブの製造方法。
  9. 【請求項９】 前記光反射手段を形成する工程は、光反
    射体をプローブに設置する工程であり、レーザー光を照
    射して、前記鈎状の形状に形成する工程と、前記光反射
    体の設置を同時に行う請求項８記載の走査型近視野原子
    間力顕微鏡用プローブの製造方法。
  10. 【請求項１０】 端部に光を透過する透過孔を有する光
    伝搬媒体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部と成るよう
    構成され、先端部とこれにつながる光伝搬媒体が鈎状の
    形状を有し、前記光伝搬媒体がバネ性を有するプローブ
    と、試料に対し前記プローブを介し、あるいは直接、光
    を照射する光源および光学系と、試料を透過あるいは試
    料に反射した光を前記プローブを介し、あるいは直接受
    ける光電変換素子および光学系と、前記プローブのたわ
    みを検出するためのレーザー光を発生するレーザー光源
    と、前記レーザー光を前記プローブの前記光反射手段に
    照射する集光レンズと、前記光反射手段からの反射光を
    検出する検出手段と、試料と前記プローブを相対的に移
    動させる移動手段と、試料表面と前記プローブ先端間の
    距離を制御する制御手段を有し、試料表面の形状及び光
    学的特性を観察する構成であることを特徴とする走査型
    近視野原子間力顕微鏡。
  11. 【請求項１１】 前記プローブの先端と試料の間を相対
    的に垂直方向に振動させる手段を有する請求項１０記載
    の走査型近視野原子間力顕微鏡。
  12. 【請求項１２】 端部に光を透過する透過孔を有する光
    伝搬媒体からなり、透過光面が前記プローブ先端部に近
    接して設置された補助プローブを有する請求項１０記載
    の走査型近視野原子間力顕微鏡。
  13. 【請求項１３】 前記補助プローブの透過孔部が凸面で
    ある請求項１２記載の走査型近視野原子間力顕微鏡。
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