JP4323412B2 - 表面性状測定用探針およびこれを用いた顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、近接場光学顕微鏡（NSOM:Near-fild Scanning Optical Microscope）、原子間力顕微鏡（AFM：Atomic Force Microscope）、走査トンネル顕微鏡（STM:Scanning Tunneling Microscope）などに用いることができる表面性状測定用探針およびその表面性状測定用探針を用いた顕微鏡に関する。

従来、エバネッセント光（近接場光）を用いて、被測定物の表面性状などを測定する近接場光学顕微鏡として、たとえば、特許文献１に示された光学顕微鏡が知られている。
これは、試料表面に光を入射する入射手段と、探針を有するカンチレバーと、探針の先端部で発生した入射光に由来する散乱光を受光する対物光学系とを備える。カンチレバーは、固定端である保持台と、この保持台に一方向に延出して設けられた探針保持部と、この探針保持部の自由端に設けられた探針とを備える構成である。

特開２００１−１６５８４３号公報

上述した近接場光学顕微鏡は、試料表面に入射した入射光を、微細形状の探針によって散乱させ、この散乱光を対物光学系で受光検出するものであるため、外乱振動による影響を受けやすく、測定精度が大きく低下するという課題がある。
そこで、探針を振動させながら測定する方法も提案されているが、従来の探針の場合、保持台を固定端とする片持ち梁構造のカンチレバータイプであるため、つまり、片持ち梁の曲げ振動となってしまうため、固有振動数ｆｃを高くできない。一般に、プローブなどの位置制御をセンサからのフィードバックによってかける場合、その応答を固有振動数ｆｃ以上でかけると発振してしまうという問題がある。これはセンサの共振周波数で位相が急速に遅れることが物理的背景にある。そのため、従来のカンチレバータイプの探針では、応答速度も高くすることがでいないため、測定の高速化が望めないという課題がある。

本発明の目的は、このような従来の課題を解消し、外乱振動を抑制して高精度化を図りつつ、測定の高速化が実現できる表面性状測定用探針およびこれを用いた顕微鏡を提供することである。

本発明の表面性状測定用探針は、被測定物の表面に沿って走査しながら、被測定物の表面性状を測定する表面性状測定装置に用いられる表面性状測定用探針であって、探針ヘッドと、この探針ヘッドを支持する第１支持体と、この第１支持体と結合される第２支持体と、この第１および第２支持体の間に配置された振動素子とを備え、前記第１支持体は、内部空間を有する第１支持部、および、この第１支持部の等角度配置位置から内部空間中央に向かって伸び前記探針ヘッドを第１支持部の内部空間中央に支持する複数本のビームを含んで構成され、前記第２支持体は、前記第１支持部に結合され内部空間を有する第２支持部、この第２支持部の等角度配置位置から内部空間中央に向かって伸びる複数本のビーム、および、この複数本のビームを介して第２支持部の内部空間中央に支持された保持部を含んで構成され、前記振動素子は、前記探針ヘッドと前記第２支持体の保持部との間に配置されるとともに、前記第１および第２支持体の中央を貫通する軸方向へ振動するよう形成されている、ことを特徴とする。

たとえば、この表面性状測定用探針を近接場光学顕微鏡に用いた場合、レーザ光を探針ヘッドの先端に照射し、その先端に近接場光が形成された状態において、探針ヘッドを被測定物に近接させると、探針ヘッドの先端に形成された近接場光が被測定物により散乱され、このときの散乱光が検出素子によって検出される。検出素子からの出力が予め設定した一定の値になるように、探針ヘッドと被測定物とのギャップを制御しながら、探針ヘッドと被測定物とを被測定物の表面に沿って相対移動させていけば、これらの制御情報から被測定物の表面性状（形状、うねり、粗さなど）を測定できる。

本発明では、測定時において、第１および第２支持体の第１、第２支持部を固定した状態において、振動素子を振動させる。振動素子が振動すると、探針ヘッドは軸方向に振動される。探針ヘッドの軸方向振動は、固有振動数ｆｃ未満の周波数で行う。すると、検出素子からは、探針ヘッドの振動周期と同じ周期の出力信号が出力されるから、これを、例えば、バンドパスフィルタ（BPF）やピークホールド（PH）などのフィルタで復調し、この復調信号が一定となるように、アクチュエータにフィードバックをかけることにより、外乱振動を抑制できる。

また、第１および第２支持体の第１、第２支持部の等角度配置位置から中央に向かって伸びる複数本のビームを介して、これら支持部の内部空間中央に探針ヘッドが支持された構造であるから、通常のカンチレバータイプの探針と比較して、遙かに高い振動を励起することが可能である。そのため、高振動化が実現でき、測定の高速化も実現可能である。つまり、プローブなどの位置制御をセンサからのフィードバックによってかける場合、その応答を固有振動数ｆｃ以上でかけると発振してしまうという問題があるが、本発明の場合、固有振動数ｆｃを高くでき、そのため、高振動化、測定高速化が実現可能である。
更に、本発明の場合、縦振動であるため、曲げ振動よりも光学特性に影響を与えず、つまり、曲げ振動などによって光軸がずれたりすることも少ないので、高精度な測定が可能である。しかも、振動モードは、図３に示すように、上下対称であり、中央で振動の節となるから、支持体での振動を抑制する効果があり、いわゆる、動吸振器となる。

本発明の表面性状測定用探針において、前記振動素子とは反対側の第２支持体の表面に配置されるバランサを備え、前記バランサは、前記探針ヘッドと等価な質量を備えていることが好ましい。
この構成によれば、振動素子を挟んだ両側が同じ構造、同じ質量に構成されているから、高くかつ安定した振動を励起することが可能である。

本発明の表面性状測定用探針において、前記振動素子、第２支持体の保持部およびバランサは、円環状に形成され、前記探針ヘッドは、中心部に開口を有する構成が好ましい。
この構成によれば、波長が開口の径より大きいレーザ光を表面性状測定用探針に入射させると、レーザ光は、バランサ、第２支持体の保持部および振動素子の円環状内を通って、探針ヘッドに達する。しかし、レーザ光の波長が探針ヘッドの開口径より大きいため、探針ヘッドの開口を通過することができず、開口付近で近接場光を形成する。従って、上述した構成とすれば、探針ヘッドの開口に近接場光を形成する近接場光学顕微鏡用探針として利用することができる。

本発明の表面性状測定用探針において、前記探針ヘッドの先端は円錐針状に形成されていることが好ましい。
この構成によれば、近接場光学顕微鏡（NSOM）、原子間力顕微鏡（AFM）、走査トンネル顕微鏡（STM）などに用いることが可能な表面性状測定用探針を構成できる。
近接場光学顕微鏡用探針として用いる場合、外部から光を探針ヘッドの針状先端に照射すれば、その先端に近接場光を形成することができる。原子間力顕微鏡用探針として用いる場合、探針ヘッドと被測定物との間に働く原子間力による探針の変位を測定し、この変位が一定になるように、探針ヘッドと被測定物との間の相対距離を制御すればよい。走査トンネル顕微鏡探針として用いる場合、探針ヘッドと被測定物との間に流れるトンネル電流を測定し、このトンネル電流が一定になるように、探針ヘッドと被測定物との間の相対距離（ギャップ）を制御すればよい。

本発明の顕微鏡は、上述した表面性状測定用探針を用いた構成である。
ここで、顕微鏡としては、近接場光学顕微鏡（NSOM）、原子間力顕微鏡（AFM）、走査トンネル顕微鏡（STM）などに適用できる。これらの顕微鏡においても、上述した作用、効果が期待できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の近接場光学顕微鏡（NSOM）を示している。この近接場光学顕微鏡は、被測定物１を載置するテーブル２と、このテーブル２を三次元方向（左右、前後、上下方向）へ移動させる相対移動手段３と、被測定物１をカメラなどで撮影しかつ観察する観察光学手段１０と、近接場測定手段３０と、駆動制御手段４０とから構成されている。

観察光学手段１０は、対物レンズ１１と、この対物レンズ１１の光軸Ｌ１上に配置されたハーフミラー１２と、対物レンズ１１の光軸Ｌ１上に配置されハーフミラー１２を透過した光（被測定物１からの反射光）を撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ１３と、対物レンズ１１の光軸Ｌ１に対して直交する光軸Ｌ２上に配置されハーフミラー１２に光を入射させる光源１４とから構成されている。

近接場測定手段３０は、対物レンズ１１を保持するホルダ３１を光軸Ｌ１方向へ変位させるアクチュエータ３２と、ホルダ３１に一体的にかつ対物レンズ１１に近接して固定された表面性状測定用探針６０と、対物レンズ１１の光軸Ｌ１上に配置されたハーフミラー３４と、対物レンズ１１の光軸Ｌ１に対して直交する光軸Ｌ４上に配置されたレーザ光源３５と、光軸Ｌ４上に配置されたハーフミラー３６と、光軸Ｌ４に対して直交する光軸Ｌ４１上に配置されハーフミラー３６からの反射光を反射させるミラー３７と、このミラー３７からの反射光を受光する検出素子としてのフォトン検出器３８と、このフォトン検出器３８からの出力信号を復調する復調器３９とから構成されている。

表面性状測定用探針６０は、図２に示すように、探針ヘッド６５と、この探針ヘッド６５を支持する第１支持体６１と、この第１支持体６１と結合される第２支持体６２と、この第１および第２支持体６１，６２の間に配置された振動素子としての圧電素子６３と、この圧電素子６３とは反対側の第２支持体６２の表面に配置されるバランサ６４とを備える。

探針ヘッド６５は、図３に示すように、圧電素子６３とは反対側へ向かうに従って内径が次第に小さくなるテーパ筒状に形成され、先端に開口３３３を備えている。開口３３３の径は、レーザ光源３５からのレーザ光の波長λ１より小さい径に形成されている。ここでは、レーザ光源３５からのレーザ光の波長λ１が６３３ｎｍ（ヘリウムネオンレーザ）に設定されているため、開口３３３の径が５００ｎｍに形成されている。そのため、レーザ光源３５からのレーザ光は、表面性状測定用探針６０の開口３３３を通過することができず、開口３３３付近で近接場光を形成する。その近接場光は概ね開口径ほどの直径の球状内に強い効果をもたらす。

第１支持体６１は、図３に示すように、内部に円空間を有する円環状の第１支持部６１１と、この第１支持部６１１の等角度配置位置（１２０度間隔位置）から内部円空間中央に向かって伸び探針ヘッド６５を第１支持部６１１の内部円空間中央に支持する複数本（３本）のビーム６１３とを含んで構成されている。
第２支持体６２は、図３に示すように、内部に円空間を有する円環状の第２支持部６２１と、この第２支持部６２１の等角度配置位置（１２０度間隔位置）から内部円空間中央に向かって伸びる複数本（３本）のビーム６２３と、この複数本のビーム６２３を介して第２支持部６２１の内部円空間中央に支持された保持部６２２とを含んで構成されている。

ビーム６１３，６２３は、光軸Ｌ１方向に沿った寸法（振動方向寸法）に対してＣＣＤカメラ１３で観察する方向から見た寸法（観察方向寸法）が十分に小さい断面矩形形状に形成されている。つまり、ＣＣＤカメラ１３で観察した場合ビーム６１３，６２３は極力細く、かつ、高い振動周波数で振動可能な断面形状に形成されている。
なお、ビーム６１３，６２３は、１２０度間隔ピッチに限定されるものでなく、１８０度間隔ピッチで２本で構成される場合、９０度間隔ピッチで４本で構成される場合、更には、それ以下の間隔ピッチで構成される場合など他の構成でもよい。要は、従来の片持ち梁構造（カンチレバー）よりも高い振動周波数で振動させる条件を満たせればよい。

圧電素子６３は、探針ヘッド６５と第２支持体６２の保持部６２２との間に配置され、かつ、第１および第２支持体６１，６２の中央を貫通する軸を中心とする円筒状で、かつ、その軸方向へ振動するよう形成されている。
バランサ６４は、圧電素子６３の軸と同軸上に配置された円筒形で、探針ヘッド６５と等価な質量を備えている。

駆動制御手段４０は、相対移動手段３の動作を制御し、近接場測定手段３０の表面性状測定用探針６０と被測定物１とを被測定物１の表面に沿って相対移動させつつ、近接場測定手段３０の復調器３９からの出力（フォトン検出器３８からの出力）が一定になるようにアクチュエータ３２を駆動させる。つまり、表面性状測定用探針６０から被測定物１までの距離が一定となるように、アクチュエータ３２を駆動させる。

測定にあたって、まず、観察光学手段１０によって被測定物１の測定すべき位置を大まかに確認する。光源１４からの光を、ハーフミラー１２，３４および対物レンズ１１を介して、表面性状測定用探針６０のビーム６１３，６２３の間から被測定物１に照射し、そこからの反射光をＣＣＤカメラ１３で観察しながら、被測定物１の測定すべき位置を大まかに確認する。この際、表面性状測定用探針６０が対物レンズ１１に近接して配置され、かつ、表面性状測定用探針６０のビーム６１３，６２３がＣＣＤカメラ１３で観察する方向から見た寸法（観察方向寸法）が細くなっているから、ＣＣＤカメラ１３での観察にあたって、表面性状測定用探針６０が見えにくく、これが観察上支障となることなく、被測定物１を明瞭に観察できる。

ＣＣＤカメラ１３で被測定物１の測定すべき位置を大まかに確認したのち、近接場測定手段３０によって測定を行う。レーザ光源３５からのレーザ光（波長λ１を有するレーザ光）をハーフミラー３６，３４および対物レンズ１１を通して表面性状測定用探針６０に入力すると、表面性状測定用探針６０の先端開口３３３には近接場光が形成される。
アクチュエータ３２の駆動によって、表面性状測定用探針６０が被測定物１の表面に近接されると、表面性状測定用探針６０の先端部に形成された近接場光が被測定物１で散乱される。すると、近接場光は伝播光となり、対物レンズ１１、ハーフミラー３４，３６およびミラー３７を介してフォトン検出器３８で検出される。つまり、近接場光に基づく散乱光がフォトン検出器３８で検出される。フォトン検出器３８からの出力が予め設定した一定の値になるまで、アクチュエータ３２を駆動させる。この状態において、表面性状測定用探針６０と被測定物とを相対移動させながら、被測定物１の表面性状を測定する。なお、反射ノイズを軽減するために、レーザ光源３５から対物レンズ１１までの光路中のいずれかの場所に、ピンホールを挿入するよい。

この測定に際して、圧電素子６３を振動させた状態で行う。圧電素子６３を振動させると、表面性状測定用探針６０は軸方向に振動される。このとき、表面性状測定用探針６０を固有振動数ｆｃ未満の周波数で振動させる。すると、フォトン検出器３８からは、表面性状測定用探針６０の振動周期と同じ周期の出力信号が出力され、これが復調器３９で復調されたのち、駆動制御手段４０に入力される。

駆動制御手段４０は、相対移動手段３の動作を制御し、表面性状測定用探針６０と被測定物１とを被測定物１の表面に沿って相対移動させつつ、近接場測定手段３０の復調器３９からの出力（フォトン検出器３８からの出力）が一定になるようにアクチュエータ３２を駆動させる。
その結果、相対移動手段３による被測定物１の表面に沿う相対移動位置と、アクチュエータ３２による表面性状測定用探針６０の移動量とを求めると、これらの情報から被測定物ｌの表面形状を求めることができる。

第１実施形態によれば、次の作用効果が期待できる。
（１）表面性状測定用探針６０を固有振動数ｆｃ未満の周波数で振動させながら、フォトン検出器３８からの出力を復調器３９で復調し、復調出力が一定になるように、アクチュエータ３２の駆動を制御するようにしたので、外乱振動を抑制できる。

（２）第１支持体６１および第２支持体６２の第１、第２支持部６１１，６１２の等角度配置位置から中央に向かって伸びる３本のビーム６１３，６２３を介して、これら支持部６１１，６１２の内部空間中央に探針ヘッド６５が支持された構造であるから、通常のカンチレバータイプの探針と比較して、遙かに高い振動を励起することが可能である。つまり、高振動化が実現できるから、測定の高速化も実現可能である。

（３）更に、表面性状測定用探針６０は縦振動であるため、曲げ振動よりも光学特性に影響を与えず、高精度な測定が可能である。しかも、振動モードは、図３に示すように、上下対称であり、中央で振動の節となるから、支持体６２での振動を抑制する効果があり、いわゆる、動吸振器となる。

本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
たとえば、表面性状測定用探針６０については、上記実施形態例の構造に限られるものではない。例えば、図４に示すように、開口３３３が無い構造の表面性状測定用探針６０であってもよい。つまり、探針ヘッド６５の形状を円錐形状に構成した表面性状測定用探針６０でもよい。この場合、外部から光を探針ヘッド６５の針状先端に照射すれば、その先端に近接場光を形成することができる。

また、図４に示す表面性状測定用探針６０の構造では、近接場光学顕微鏡への用途に限らず、原子間力顕微鏡（AFM）や走査トンネル顕微鏡（STM）への適用も可能である。
つまり、原子間力顕微鏡（AFM）の場合、表面性状測定用探針６０と被測定物とを被測定物の表面に沿って相対移動させながら、表面性状測定用探針６０と被測定物との間に働く原子間力による探針の変位を測定し、この変位が一定になるように、表面性状測定用探針６０と被測定物との間の相対距離（ギャップ）を制御すれば、この相対距離と表面性状測定用探針６０および被測定物の相対移動位置とを基に、被測定物の表面性状を測定することができる。

走査トンネル顕微鏡（STM）の場合、表面性状測定用探針６０と被測定物とを被測定物の表面に沿って相対移動させながら、表面性状測定用探針６０と被測定物との間に流れるトンネル電流を測定し、このトンネル電流が一定になるように、表面性状測定用探針６０と被測定物との間の相対距離（ギャップ）を制御すれば、このギャップと表面性状測定用探針６０および被測定物の相対移動位置とを基に、被測定物の表面性状を測定することができる。なお、走査トンネル顕微鏡（STM）の探針に適用する場合、表面性状測定用探針６０と被測定物との間に流れるトンネル電流を検出することから、表面性状測定用探針６０および被測定物については、導電性材料で構成される必要がある。

ちなみに、走査トンネル顕微鏡（STM）や原子間力顕微鏡（AFM）に用いる探針については、図５に示すように、探針ヘッド６５の先端チップ６５Ａに、Si,W,Pt-Ir合金などが用いられている。なお、原子間力顕微鏡（AFM）に用いる表面性状測定用探針６０の場合には、探針ヘッド６５の先端チップ６５Ａに、絶縁物である窒化シリコンや酸化シリコンなどが用いられる。

また、相対移動手段３については、上記実施形態のように、テーブル２を左右、前後、上下に移動させる構成に限らす、表面性状測定用探針６０を左右、前後に移動させる構成であってもよい。
また、アクチュエータ３２についても、上記実施形態のように、表面性状測定用探針６０を上下に移動させる構成に限らず、テーブル２を上下方向（表面性状測定用探針６０に対して接近、離間する方向）へ移動させる構成であってもよい。

本発明は、被測定物の表面形状の測定に利用できるほか、被測定物の表面粗さ、うねりなどの表面性状の測定にも利用することができる。

本発明の実施形態にかかる光学顕微鏡を示す図。 同上実施形態にかかる光学顕微鏡の要部を示す拡大図である。 同上実施形態にかかる光学顕微鏡に用いられる表面性状測定用探針を示す図である。 本発明の変形例にかかる表面性状測定用探針を示す図である。 本発明の更に他の変形例にかかる表面性状測定用探針を示す図である。

符号の説明

１…被測定物
３…相対移動手段
３０…近接場測定手段
３２…アクチュエータ
３５…レーザ光源
３８…フォトン検出器（検出素子）
４０…駆動制御手段
６０…探針
６１…第１支持体
６１１…第１支持部
６１３…ビーム
６２…第２支持体
６２１…第２支持部
６２２…保持部
６２３…ビーム
６３…圧電素子（振動素子）
６４…バランサ
６５…探針ヘッド
３３３…開口

Claims (5)

1. 被測定物の表面に沿って走査しながら、被測定物の表面性状を測定する表面性状測定装置に用いられる表面性状測定用探針であって、
   探針ヘッドと、この探針ヘッドを支持する第１支持体と、この第１支持体と結合される第２支持体と、この第１および第２支持体の間に配置された振動素子とを備え、
   前記第１支持体は、内部空間を有する第１支持部、および、この第１支持部の等角度配置位置から内部空間中央に向かって伸び前記探針ヘッドを第１支持部の内部空間中央に支持する複数本のビームを含んで構成され、
   前記第２支持体は、前記第１支持部に結合され内部空間を有する第２支持部、この第２支持部の等角度配置位置から内部空間中央に向かって伸びる複数本のビーム、および、この複数本のビームを介して第２支持部の内部空間中央に支持された保持部を含んで構成され、
   前記振動素子は、前記探針ヘッドと前記第２支持体の保持部との間に配置されるとともに、前記第１および第２支持体の中央を貫通する軸方向へ振動するよう形成されている、ことを特徴とする表面性状測定用探針。
2. 請求項１に記載の表面性状測定用探針において、
   前記振動素子とは反対側の第２支持体の表面に配置されるバランサを備え、
   前記バランサは、前記探針ヘッドと等価な質量を備えていることを特徴とする表面性状測定用探針。
3. 請求項２に記載の表面性状測定用探針において、
   前記振動素子、第２支持体の保持部およびバランサは、円環状に形成され、
   前記探針ヘッドは、中心部に開口を有することを特徴とする表面性状測定用探針。
4. 請求項１または請求項２に記載の表面性状測定用探針において、
   前記探針ヘッドの先端は円錐針状に形成されていることを特徴とする表面性状測定用探針。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の表面性状測定用探針を用いたことを特徴とする光学顕微鏡。

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