(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の波長よりも短い径の光通過開口を先端に有する微小開口プローブから発せられる近接場光の強度分布パターンを評価する装置において、
前記光通過開口の径よりも長い波長の評価用の光を発する光源と、
この光を前記微小開口プローブの基端から入射させる入射光学系と、
前記微小開口プローブの先端から出射した伝搬光を受けて、この伝搬光の進行方向と交わる面内の強度分布パターンを撮像する撮像手段と、
撮像されたこの強度分布パターンを表示する表示手段とからなる微小開口プローブの評価装置。
【請求項２】
前記微小開口プローブの先端から出射した伝搬光を平行光化して前記撮像手段に入射させるコリメート光学系を有することを特徴とする請求項１記載の微小開口プローブの評価装置。
【請求項３】
前記コリメート光学系に、平行光化された伝搬光の一部を分岐させ、この分岐された伝搬光を収束させて微小開口プローブ先端の像を結ばせる結像光学系が組み合わされていることを特徴とする請求項２記載の微小開口プローブの評価装置。
【請求項４】
前記微小開口プローブに入射する前記光の偏光状態を制御する偏光制御手段を有することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の微小開口プローブの評価装置。
【請求項５】
前記微小開口プローブの先端から出射した伝搬光の偏光状態を検出する手段を有することを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の微小開口プローブの評価装置。
【請求項６】
前記撮像手段として、冷却ＣＣＤ撮像素子が用いられていることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の微小開口プローブの評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近接場光学顕微鏡等に用いられる微小開口プローブの性能を評価する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フォトン走査型トンネル顕微鏡等の近接場光学顕微鏡においては、エバネッセント光を発生させるために、光の波長よりも短い径の光通過開口を先端に有する微小開口プローブが用いられる。この微小開口プローブは多くの場合、光ファイバーの先端部をエッチングにより尖鋭化した後、そこに金属膜を蒸着し、次いで先端の金属膜を除去して開口とすることによって形成される。
【０００３】
このような微小開口プローブにおいては、その開口形状によって光の伝搬ロスが異なり、それに応じて、該開口から発せられるエバネッセント波である近接場光の強度分布パターンも変化する。従来は、プローブ性能を検査するために、この開口形状を電子顕微鏡により観察する手法が用いられてきた。
【０００４】
また、上記エバネッセント光の強度分布パターンは、プローブに入射する光の偏光状態とも対応があるので、プローブの使用に際してはこの対応関係を予め知って、最適な偏光状態を選ぶことが求められる。そうするためには、近接場光の強度分布パターンを実際に検出する必要があるが、従来は、別のプローブの走査によってこのパターンを検出するという方法が用いられてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記電子顕微鏡を用いる検査方法は破壊検査であるため、実際に使用する微小開口プローブの検査には使えないという問題がある。
【０００６】
また上記別のプローブを走査させる方法は、測定に熟練を要しそして時間もかかるため、歩留まりが悪く、実用には不向きである。またこの方法においては、測定用のプローブが被測定プローブから出射する近接場光の強度分布パターンに影響を与えてしまうので、評価の信頼性が低いという問題も認められる。
【０００７】
そこで本発明は、微小開口プローブの性能（より具体的には、そこから発せられる近接場光の強度分布パターン）や、入射光の最適な偏光状態等を正確かつ簡便に評価できる装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による微小開口プローブの評価装置は、
光の波長よりも短い径の光通過開口を先端に有する微小開口プローブから発せられる近接場光の強度分布パターンを評価する装置において、
前記光通過開口の径よりも長い波長の評価用の光を発する光源と、
この光を微小開口プローブの基端、つまり開口の有る先端とは反対側の端部から入射させる入射光学系と、
微小開口プローブの先端から出射した伝搬光を受けて、この伝搬光の進行方向と交わる面内の強度分布パターンを撮像する撮像手段と、
撮像されたこの強度分布パターンを表示する表示手段とからなることを特徴とするものである。
【０００９】
上記の構成において、より好ましくは、微小開口プローブの先端から出射した伝搬光を平行光化して撮像手段に入射させるコリメート光学系が設けられる。
【００１０】
また、上記コリメート光学系には、平行光化された伝搬光の一部を分岐させ、この分岐された伝搬光を収束させて微小開口プローブ先端の像を結ばせる結像光学系が組み合わされるのが望ましい。
【００１１】
また上記の構成において、より好ましくは、微小開口プローブに入射する光の偏光状態を制御する偏光制御手段や、あるいは微小開口プローブの先端から出射した伝搬光の偏光状態を検出する手段が設けられる。
【００１２】
なお微小開口プローブの先端から出射する伝搬光は、強度が極めて低いので、上述の撮像手段としては特に高感度のもの、例えば冷却ＣＣＤ撮像素子が用いられるのが望ましい。
【００１３】
【発明の効果】
微小開口プローブの先端から出射する伝搬光と近接場光との間には、強度分布パターンの相関があることが知られている。この相関関係は、Bethe の計算式等の電磁解析によって求めることができる。また、近接場光学顕微鏡により近接場光の強度分布パターンを直接観察することも可能であるから、その観察パターンと伝搬光の強度分布パターンとを予め相関付けておくこともできる。
【００１４】
そこで、上記構成を有する本発明の微小開口プローブの評価装置において、微小開口プローブの先端から出射した伝搬光の強度分布パターンを撮像、表示できれば、その表示パターンおよび予め求めておいた上記相関関係に基づいて近接場光の強度分布パターンを知り、プローブの性能を評価することができる。
【００１５】
なお、前述したように、微小開口プローブの先端から出射した伝搬光をコリメート光学系により平行光化して撮像手段に入射させれば、伝搬光の強度分布パターンを直接観測することができる。
【００１６】
また、上記コリメート光学系に、平行光化された伝搬光の一部を分岐させ、この分岐された伝搬光を収束させて微小開口プローブ先端の像を結ばせる結像光学系を組み合わせておけば、そこで結像された像を観察しながら焦点調節を行なうことにより、伝搬光を精度良く平行光化することができる。
【００１７】
一方、微小開口プローブに入射する光の偏光状態を制御する偏光制御手段や、あるいは微小開口プローブの先端から出射した伝搬光の偏光状態を検出する手段が設けられていれば、伝搬光の（つまりは近接場光の）最適な強度分布パターンが得られる偏光状態を知ることもできる。
【００１８】
【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を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態である微小開口プローブの評価装置を示すものである。
【００１９】
このプローブ評価装置は、近接場光学顕微鏡等に用いられる微小開口プローブ10の性能を評価するためのものであり、評価用の光（レーザービーム）11を発するレーザー12と、発散光であるこのレーザービーム11を平行光化するコリメーターレンズ13と、平行光となったレーザービーム11を微小開口プローブ10の基端つまり図中の左端上で収束させる集光レンズ14と、これらのレンズ13と14との間に配設された偏光制御素子としてのλ／２板15とを有している。
【００２０】
微小開口プローブ10は例えば光ファイバーからなり、尖鋭化された先端（図中の右端）に、光の波長よりも短い径の光通過開口を有する。上述のようにして該微小開口プローブ10の基端上で収束したレーザービーム11は、この基端からプローブ内に入射してそこを伝搬し、上記開口から発散光状態で出射する。
【００２１】
このとき該開口からは、通常の伝搬光であるレーザービーム11とともに近接場光が発せられる。近接場光学顕微鏡等においては、この近接場光が試料の観察、分析、加工等のために用いられるが、プローブの評価に際してこの近接場光は直接的に利用されるものではない。
【００２２】
プローブ開口から発散光状態で出射したレーザービーム(伝搬光)11が入射する位置には、このレーザービーム11を平行光化するコリメーターレンズ16が配されている。また、平行光化となったレーザービーム11が入射する位置には、冷却ＣＣＤ撮像素子17が配されている。そしてこの冷却ＣＣＤ撮像素子17とコリメーターレンズ16との間には、検光子18が配されている。冷却ＣＣＤ撮像素子17が出力する画像信号Ｓは、例えばＣＲＴからなる画像表示手段19に入力される。
【００２３】
微小開口プローブ10を評価する際には、上述のようにして該プローブ10内にレーザービーム11が入射され、そのときプローブ10の微小開口から出射したレーザービーム(伝搬光)11が、冷却ＣＣＤ撮像素子17に受光される。レーザービーム11は冷却ＣＣＤ撮像素子17に対して、ビーム軸を受光面に対して垂直にして平行光状態で入射するので、冷却ＣＣＤ撮像素子17によりこのレーザービーム11のビーム断面内強度分布パターンが大きく撮像される。この強度分布パターンを示す画像信号Ｓは画像表示手段19に入力され、そこにこのパターンが表示される。
【００２４】
なお、プローブ開口から出射する伝搬光であるレーザービーム11は非常に微弱であるが、本例では撮像手段として極めて高感度の冷却ＣＣＤ撮像素子17が用いられているので、この微弱なレーザービーム11の強度分布パターンを明瞭に撮像可能である。
【００２５】
先に説明した通り、微小開口プローブ10の先端から出射する伝搬光と近接場光との間には、強度分布パターンの相関がある。そこで、予め求めておいたこの相関関係に基づけば、画像表示手段19に表示されたレーザービーム(伝搬光)11の強度分布パターンから近接場光の強度分布パターンを知り、プローブ10の性能を評価することができる。
【００２６】
なお本実施形態においては、λ／２板15を回転させることにより、微小開口プローブ10に入射する前のレーザービーム11の直線偏光の向きを変化させ、またその偏光の向きを検光子18により確認しながら、微小開口から放射されたレーザービーム11の強度分布パターンを確認することができる。それにより、伝搬光の（つまりは近接場光の）最適な強度分布パターンが得られる偏光状態を知ることもできる。
【００２７】
次に、図２を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態の装置は、図１のものと比べると基本的にコリメート光学系の部分が異なっているものであり、したがって図２では、このコリメート光学系以降の部分のみを示してある。また図２において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する（以下、同様）。
【００２８】
この実施形態においてはコリメート光学系に、微小開口プローブ10の先端から出射してコリメーターレンズ16により平行光化されたレーザービーム11の一部を分岐させるビームスプリッタ21と、この分岐されたレーザービーム11を収束させて微小開口プローブ10の先端の像を結ばせる結像レンズ22とが組み合わされている。
【００２９】
上記コリメーターレンズ16、ビームスプリッタ21、結像レンズ22、検光子18および冷却ＣＣＤ撮像素子17を保持した鏡筒20の部分は図示しない駆動手段により、光軸方向Ｚおよびそれに直角な方向Ｘ、Ｙに移動自在とされている。また結像レンズ22は、レーザービーム11がそこに平行光状態で入射したときに微小開口プローブ10の先端の像を結ばせる。
【００３０】
そこで装置操作者は、結像レンズ22が結ぶ像を観察しながら鏡筒20を３次元的に移動させ、微小開口プローブ10の先端の像が明瞭に観察される位置に鏡筒20を保持することにより、伝搬光であるレーザービーム11を必ず平行光状態で冷却ＣＣＤ撮像素子17に入射させることができる。
【００３１】
この第２の実施形態においても、第１の実施形態におけるのと同様に、冷却ＣＣＤ撮像素子17から出力された画像信号Ｓに基づいて画像表示手段19に表示されたレーザービーム(伝搬光)11の強度分布パターンから近接場光の強度分布パターンを知り、プローブ10の性能を評価することができる。
【００３２】
なお本実施形態では、冷却ＣＣＤ撮像素子17から出力された画像信号Ｓが画像処理装置23に入力され、そこで所定の画像処理を施されてから画像表示手段19に入力される。
【００３３】
次に、図３を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態のプローブ評価装置は、近接場光学顕微鏡に組み込まれたものであり、長い光ファイバーからなる微小開口プローブ30を有する。この微小開口プローブ30は、可撓性を有する一般の光ファイバーと同様に扱える形態とされたもので、基本的な構成および作用は既に述べた微小開口プローブ10と同様である。
【００３４】
また、検光子18を経たレーザービーム11の光路にはビームスプリッタ33が配され、伝搬光であるレーザービーム11はここで反射して、冷却ＣＣＤ撮像素子17に導かれる。
【００３５】
プローブ30の先端（図中の下端）からは、伝搬光であるレーザービーム11とともに、エバネッセント波である近接場光も発せられる。この近接場光中に試料31が置かれると、散乱光11Ｓが生じる。この散乱光11Ｓは集光レンズ34によって集光されて、光検出器35に導かれる。この光検出器35が出力する光検出信号Ｓ１は、コントローラー36に入力される。
【００３６】
上記試料31は、試料台38上に保持されている。この試料台38は、例えばピエゾ素子等からなる試料台駆動手段37によりＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動自在とされている。そこで、プローブ30に対してこの試料台38をＸ、Ｙ方向に走査させ、そのときの散乱光11Ｓの強度を示す光検出信号Ｓ１を試料台位置の関数としてとらえれば、その関数はエバネッセント場の分布を示すものとなるので、この関数から試料31の形状、構造に示す情報を得ることができる。
【００３７】
なお上記駆動手段37の作動は、コントローラー36によって制御される。また、プローブ30の光軸方向位置は位置検出装置32によって検出され、そこから出力される位置検出信号Ｓ２はコントローラー36に入力される。コントローラー36はこの位置検出信号Ｓ２に基づいて、試料台38の（つまり試料31の）Ｚ方向位置を所望位置に設定するように駆動手段37の作動を制御する。
【００３８】
この第３の実施形態においても、第１、２の実施形態におけるのと同様に、冷却ＣＣＤ撮像素子17から出力された画像信号Ｓに基づいて画像表示手段19に表示されたレーザービーム(伝搬光)11の強度分布パターンから近接場光の強度分布パターンを知り、プローブ30の性能を評価することができる。
【００３９】
なお本実施形態では、冷却ＣＣＤ撮像素子17から出力された画像信号Ｓがコントローラー36に入力され、該コントローラー36に含まれる画像処理装置で所定の画像処理を施されてから画像表示手段19に入力される。
【００４０】
そしてこの場合も、装置操作者は、結像レンズ22が結ぶ像を観察しながら鏡筒20を３次元的に移動させ、微小開口プローブ30の先端の像が明瞭に観察される位置に鏡筒20を保持することにより、伝搬光であるレーザービーム11を必ず平行光状態で冷却ＣＣＤ撮像素子17に入射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である微小開口プローブの評価装置を示す側面図
【図２】本発明の第２の実施形態である微小開口プローブの評価装置を示す部分側面図
【図３】本発明の第３の実施形態である微小開口プローブの評価装置を示す側面図
【符号の説明】
10、30    微小開口プローブ
11    レーザービーム
12    レーザー
13、16    コリメーターレンズ
14、34    集光レンズ
15    λ／２板
17    冷却ＣＣＤ撮像素子
18    検光子
19    画像表示手段
20    鏡筒
21、33    ビームスプリッタ
22    結像レンズ
23    画像処理装置
31    試料
32    位置検出装置
35    光検出器
36    コントローラー
37    試料台駆動手段
38    試料台
【図１】
0003720173.tif 000002
【図２】
0003720173.tif 000003
【図３】
0003720173.tif 000004