(57)【要約】【課題】チップ先端位置とレーザー光の照射位置を精度よく一致させることができ、測定の信頼性の向上を図ることが可能となる近接場光学顕微鏡を提供する。【解決手段】金属チップと、金属チップにレーザー光を照射する照射部と、を備え、照射部により金属チップにレーザー光を照射し、金属チップの先端で発生する増強電場により光学測定を行う近接場光学顕微鏡であって、  金属チップと照射部によるレーザー光の照射位置との相対位置を変化させる位置調整部と、  相対位置それぞれにおける金属チップからの非弾性散乱光を検出する検出部と、  非弾性散乱光のスペクトルのバックグランドの所定の波数範囲における質量中心波数を相対位置それぞれにおいて算出し、相対位置それぞれにおける質量中心波数に基づいて、金属チップの先端と照射位置を一致させるように前記金属チップの先端に対する前記照射位置を特定する位置特定部と、を有する。【選択図】            図１
2014224704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属チップと、前記金属チップにレーザー光を照射する照射部と、を備え、前記照射部により前記金属チップにレーザー光を照射し、前記金属チップの先端で発生する増強電場により光学測定を行う近接場光学顕微鏡であって、
前記金属チップと前記レーザー照射部によるレーザー光の照射位置との相対位置を変化させる位置調整部と、
前記相対位置それぞれにおける前記金属チップからの非弾性散乱光を検出する検出部と、
前記非弾性散乱光のスペクトルのバックグランドの所定の波数範囲における質量中心波数を前記相対位置それぞれにおいて算出し、前記相対位置それぞれにおける前記質量中心波数に基づいて、前記金属チップの先端と前記照射位置を一致させるように前記金属チップの先端に対する前記照射位置を特定する前記位置特定部と、
を有することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項２】
前記位置特定部は、前記質量中心波数が最小となる相対位置を前記金属チップの先端と前記照射位置とが一致する位置として、前記金属チップの先端に対する前記照射位置を特定することを特徴とする請求項１に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項３】
前記金属チップは、金属膜と前記金属膜を支持する支持体とを有し、
前記所定の波数範囲は、前記非弾性散乱光のスペクトルの前記支持体に対応するピークを含まないように設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の近接場光学顕鏡。
【請求項４】
前記所定の波数範囲は、８００ｃｍ-1以上２０００ｃｍ-1以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項５】
前記所定の波数範囲の最小値は、５００ｃｍ-1以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項６】
金属チップにレーザー光を照射し、前記金属チップの先端で発生する増強電場を利用して光学測定を行う近接場光学顕微鏡におけるレーザー光の照射位置の特定方法であって、
金属チップと照射位置との相対位置を変化させて、前記相対位置それぞれにおける前記金属チップからの非弾性散乱光を検出する工程と、
前記非弾性散乱光のスペクトルのバックグランドの所定の波数範囲における質量中心波数を前記相対位置それぞれにおいて算出する工程と、
前記相対位置それぞれにおける前記質量中心波数に基づいて、前記金属チップの先端と前記照射位置を一致させるように前記金属チップの先端に対する前記照射位置を特定する工程と、
を有することを特徴とする近接場光学顕微鏡におけるレーザー光の照射位置の特定方法。
【請求項７】
前記照射位置を特定する工程は、
前記質量中心波数が最小となる相対位置を前記金属チップの先端に対する前記照射位置とが一致する位置として、前記金属チップの先端に対する照射位置を特定する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の近接場光学顕微鏡におけるレーザー光の照射位置の特定方法。
【請求項８】
前記金属チップは、金属膜と前記金属膜を支持する支持体とを有し、
前記所定の波数範囲は、前記非弾性散乱光のスペクトルの前記支持体に対応するピークを含まないように設定されることを特徴とする請求項６又は７に記載の近接場光学顕微鏡
におけるレーザー光の照射位置の特定方法。
【請求項９】
前記所定の波数範囲は、８００ｃｍ-1以上２０００ｃｍ-1以下であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の近接場光学顕微鏡におけるレーザー光の照射位置の特定方法。
【請求項１０】
前記所定の波数範囲の最小値は、５００ｃｍ-1以上であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の近接場光学顕微鏡におけるレーザー光の照射位置の特定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場光学顕微鏡及びそのレーザー光の照射位置の特定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光学顕微鏡では光の波動性による回折限界のため、得られる空間分解能は使用する光の波長の半分程度の大きさに制限されていた。
しかしながら、近年のナノテクノロジーの進歩により、光の回折限界を超える空間分解能で物質の光学特性を評価する重要性が高まっている。
これらのニーズに応えるために、物質表面に局在する近接場光を測定に利用する近接場光学顕微鏡が開発され、光の回折限界を超える空間分解能で物質の光学特性の評価が可能になった。
【０００３】
従来の近接場光学顕微鏡は、大きく分けて開口型と無開口型（散乱型）に分類される。開口型の近接場光学顕微鏡では先鋭化した光ファイバー先端に遮光性金属をコーティングして微小開口を設けたものをチップとして用いる。光ファイバー末端からレーザー光を入射すると開口部近傍に近接場光が発生する。
チップ−試料間に働く原子間力やシェアフォースを利用してチップを試料に接近させ、開口部近傍に発生した近接場光と試料との相互作用による散乱光や発光を検出する。
微小開口を通して光を試料に照射するため、開口の大きさ程度（〜１００ｎｍ）の空間分解能が得られるが、励起光として用いることができる光量が少ないため、信号光量が得易い蛍光分析などの測定に向いている。
一方、散乱型の近接場光学顕微鏡では金属のチップに外部から光を照射し、チップ先端で発生した近接場光と試料との相互作用による散乱光や発光を検出する。この際、チップ先端における金属の表面プラズモン共鳴を誘起することで、チップ先端において局所的に著しく増強された電場が発生し、散乱光の強度を高めることができる。
そのため、信号光量の得難いラマン分光、非線形分光にも用いることができる。空間分解能はチップの先端径程度（〜２０ｎｍ）となる。
【０００４】
このような散乱型の近接場光学顕微鏡では、チップ先端の金属の表面プラズモンを効率よく励起し、チップ先端部における電場強度を高めることが、感度の高い分光測定を行う上で重要である。
そのためには、励起レーザー光の波長と金属チップ先端の表面プラズモン共鳴波長を一致させることが好ましい。
金属チップ先端の表面プラズモン共鳴波長は金属の材質や形状に大きく依存する。
また、金属チップ先端の表面プラズモンを効率よく励起するためには励起レーザー光の焦点と金属チップ先端の位置合わせを精密に行う必要がある。
従来においては、試料からのラマン信号強度を検出し、あるいはチップ材質として使用されるシリコンからのラマン信号強度、金属チップからの発光強度を検出し、それらの位置合わせを行う方法が採られていた。
すなわち、チップ先端位置とレーザー光の照射位置を相対的に変化させながら、上記したラマン信号強度、発光強度などを検出し、それらの信号強度が最大になる位置をチップ先端位置とレーザー光の照射位置が一致する位置として判断する方法が用いられていた。
このような方法の一つとして、特許文献１ではレーザー光のスポット上でチップを走査し、チップにより散乱された散乱光強度を測定することによりスポットの強度分布を求め、強度が最大となる部分にチップを位置決めする方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−９０７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、試料からのラマン信号強度を検出する方法では、試料が測定領域内に複数分布されている場合には、その影響を受けてしまうという課題を有している。
また、シリコンからのラマン信号強度、金属チップからの発光強度が最大になる位置は、金属材料の多い部分に対応し、本来のチップ先端位置とはずれが生じるという課題を有している。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、チップ先端位置とレーザー光の照射位置を精度よく一致させることができ、測定の信頼性の向上を図ることが可能となる近接場光学顕微鏡及びそのレーザー光の照射位置の特定方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、
金属チップと、前記金属チップにレーザー光を照射する照射部と、を備え、前記照射部により前記金属チップにレーザー光を照射し、前記金属チップの先端で発生する増強電場により光学測定を行う近接場光学顕微鏡であって、
前記金属チップと前記照射部によるレーザー光の照射位置との相対位置を変化させる位置調整部と、
前記相対位置それぞれにおける前記金属チップからの非弾性散乱光を検出する検出部と、
前記非弾性散乱光のスペクトルのバックグランドの所定の波数範囲における質量中心波数を前記相対位置それぞれにおいて算出し、前記相対位置それぞれにおける前記質量中心波数に基づいて、前記金属チップの先端と前記照射位置を一致させるように前記金属チップの先端に対する前記照射位置を特定する前記位置特定部と、
を有することを特徴とする。
また、本発明は、
金属チップにレーザー光を照射し、前記金属チップの先端で発生する増強電場を利用して光学測定を行う近接場光学顕微鏡におけるレーザー光の照射位置の特定方法であって、
金属チップとレーザー光の照射位置との相対位置を変化させて、前記相対位置それぞれにおける前記金属チップからの非弾性散乱光を検出する工程と、
前記非弾性散乱光のスペクトルのバックグランドの所定の波数範囲における質量中心波数を前記相対位置それぞれにおいて算出する工程と、
前記相対位置それぞれにおける前記質量中心波数に基づいて、前記金属チップの先端と前記照射位置を一致させるように前記金属チップの先端に対する前記照射位置を特定する工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、チップ先端位置とレーザー光の照射位置を精度よく一致させることができ、測定の信頼性の向上を図ることが可能となる近接場光学顕微鏡及びそのレーザー光の照射位置の特定方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の近接場光学顕微鏡におけるレーザー光の照射位置の特定方法を実施する近接場光学顕微鏡を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態の近接場光学顕微鏡における金属チップの先端とレーザー光の照射位置の位置合わせの手順を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態の近接場光学顕微鏡におけるレーザー光の照射位置の特定方法を説明する図である。（ａ）は非弾性散乱光スペクトルのバックグランドＰ（ν）において、ν1からν2の波数範囲における質量中心波数νcgの求め方を示す図。（ｂ）は（ａ）で求めたνcgのマッピング結果を示す図。
【図４】本発明の実施例における銀蒸着チップを用いて金蒸着基板上に分散したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）上でレーザー光の照射位置の特定を行った例について説明する図である。（ａ）は本発明の実施例に用いた近接場光学顕微鏡を示す図。（ｂ）は本発明の実施例における非弾性散乱光スペクトルのバックグランドの１７００ｃｍ-1から２５１０ｃｍ-1の波数範囲における質量中心波数νcgのマッピング結果を示す図。（ｃ）は（ｂ）の図中Ｂの位置における非弾性散乱光スペクトルを示す図。
【図５】比較例における、従来の方法でレーザー光の照射位置を特定した結果を示す図である。（ａ）は比較例におけるチップ材質であるシリコンのラマンピーク（５２０ｃｍ-1）の積分強度のマッピング結果を示す図。（ｂ）は（ａ）の図中Ｃの位置における非弾性散乱光スペクトルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
つぎに、本発明の実施形態における散乱型の近接場光学顕微鏡及びそのレーザー光の照射位置の特定方法の構成例について、図１を用いて説明する。
本実施形態の散乱型の近接場光学顕微鏡は、金属チップにレーザー光を照射し、前記金属チップ先端で発生する増強電場を利用して光学測定を行うように構成されている。
図１において、１は金属チップ、２は試料、３はＡＦＭピエゾステージ、４はＡＦＭ本体、５はピエゾステージ、６は対物レンズ、７は励起レーザー光、８は検出光（散乱光、発光）である。
また、９はミラー、１０はエッジフィルター、１１はレーザー、１２は入射光学系、１３は分光、１４はＣＣＤ検出器である。
なお、本実施例を説明する図１に示す散乱型の近接場光学顕微鏡では、試料表面側から励起光を照射する反射型の近接場光学顕微鏡を例示しているが、試料裏面から励起光を照射する透過型の配置でも本発明を適用することができる。
金属チップ１としてはシリコン製カンチレバーに金属を蒸着して作製したチップ、金属ワイヤーを電解研磨により先鋭化して作製したチップが挙げられる。
これら以外にもチップ先端に金属ナノ構造体を付与して作製したチップも含まれる。
金属チップ１の先端に励起レーザー光７を照射すると、金属チップ１の先端に近接場光が発生する。
このとき、金属チップ１の先端の金属の表面プラズモンを効率よく励起することで金属チップ１の先端における電場強度を増大させることができる。
【００１２】
具体的には、励起レーザー光７の波長は金属チップ１の先端の金属が持つ表面プラズモン共鳴波長に近い方が好適である。
また、励起レーザー光７の偏光は、チップ軸に平行な偏光成分を多く含む方が好適である。金属チップ１の先端に発生した近接場光は試料２との相互作用により、散乱光や発光を発生させる。
発生する散乱光には励起光と同じ波長のレーリー散乱光の他、試料２や試料２を支持する基板（不図示）、金属チップ１の材料からのラマン散乱光も含まれる。
また、試料２や基板、金属チップ１からの蛍光が同時に発生する場合もある。
これらの散乱光や発光を励起レーザー光７の照射に用いたものと同一の対物レンズ６により集光し、分光器１３で分光をしてＣＣＤ検出器１４で検出することにより、スペクトルを得ることが可能に構成されている。
【００１３】
金属チップ１の先端の表面プラズモンを効率よく励起するためには励起レーザー光７の焦点と金属チップ１の先端の位置合わせを精密に行う必要がある。
そのためには金属チップ１とレーザー光７の照射位置との相対位置を変化させる機構（位置調整部）が必要となる。
図１ではピエゾステージ５上にＡＦＭ本体４を搭載し、固定した対物レンズに対してＡＦＭ本体をピエゾステージによりＸＹ走査するシステムを例示しているが、金属チップ１側にピエゾ駆動機構を設け、金属チップ１をＸＹ走査するシステム、対物レンズ６またはミラー９をピエゾ駆動機構によりＸＹ走査するシステムでも本発明を適用できる。
【００１４】
図２に、金属チップ１の先端とレーザー光７の照射位置の位置合わせの手順を示す。
まず、ＡＦＭピエゾステージ３により試料２を金属チップ１に近接させ（図２（ａ））、金属チップ１と試料２表面の間に働く原子間力またはシェアフォースを利用して金属チップ１と試料２表面の距離が一定になるようにフィードバック制御を行う。
次に、対物レンズ６をＺ軸方向に動かし、対物レンズの焦点を試料２の表面に合わせる（図２（ｂ））。
更に、対物レンズ６の位置を固定した状態でＡＦＭ本体４をピエゾステージ５によりＸＹ走査する（図２（ｃ））。
この時、本発明では、相対位置それぞれにおける金属チップ１からの非弾性散乱光、具体的には非弾性散乱光のスペクトルを検出する。
非弾性散乱光スペクトルのバックグランドの所定の波数範囲における質量中心波数νcgをマッピングし、マッピング領域内でνcgの値を比較することによりレーザー光７の照射位置を特定し、金属チップの先端１５とレーザー光７の照射位置１６の位置を一致させる（図２（ｄ））。
つまり、非弾性散乱光のスペクトルのバックグランドの所定の波数範囲における質量中心波数νcgを相対位置それぞれにおいて算出し、相対位置それぞれにおける質量中心波数νcgに基づいて、金属チップの先端１５とレーザー光７の照射位置を一致させる。
【００１５】
図３を用いて、更に具体的に説明する。
金属チップ１からの非弾性散乱光のスペクトルのバックグランドにおいて、図３（ａ）に示すように任意の波数ν1，ν2（ν1＜ν2）を設定し、ν1からν2の波数範囲における質量中心波数（非弾性散乱光スペクトルのバックグランドのν1からν2までの波数範囲の積分値が二等分される波数）νcgを求める。
非弾性散乱光のスペクトルのバックグランドをＰ（ν）で表わすと、νcgは以下の式で表わされる。なお、Ｐ（ν）は、非弾性散乱光のスペクトルをＮ次関数（Ｎは１以上の整数）でフィッティングを行った曲線である。
【数１】
2014224704.tif 000003
【００１６】
ν1，ν2は任意に設定できるが、波数範囲の最小値であるν1は５００ｃｍ-1以上、波数範囲である（ν2−ν1）は８００ｃｍ-1以上２０００ｃｍ-1以下に設定することが好ましい。
また、金属チップ１が、金属膜と金属膜を支持する支持体とを有する構成においては、上記波数範囲である（ν2−ν1）は、非弾性散乱光のスペクトルのうち支持体に対応するピークを含まないように設定されることが好ましい。
金属チップ１にレーザー光７を照射した際の非弾性散乱光のスペクトルのバックグランドには金属チップ１、試料２、試料２を支持する基板（不図示）などからの非弾性散乱光の
情報が含まれており、バックグランドのピーク位置と個々の表面プラズモン共鳴エネルギーには相関がある。
バックグランドのピーク位置は金属チップ１と基板（不図示）との距離にも依存し、金属チップ１と基板との距離が離れるにつれ、低波数側にシフトする。
励起レーザー光７が金属チップ１の先端より内側に照射されている場合、金属チップ１そのものからの発光がバックグランドとして観測される。
【００１７】
一方、励起レーザー光７が金属チップの先端１５に照射されている場合、金属チップ１と基板とのギャップを反映した発光がバックグランドとして観測され、金属チップ１そのものにレーザー光７が照射されている場合と比較して、バックグランドのピーク位置は低波数側にシフトする。
金属チップ１からの非弾性散乱光のスペクトルにおいて、バックグランドのν1からν2の波数範囲における質量中心波数νcgをマッピングすると、図３（ｂ）に示すようなイメージが得られる。
金属チップの先端１５にレーザー光７が照射されている領域ではνcgが低波数側にシフトするため、図３（ｂ）のイメージ内でνcgが最小となる相対位置（図中Ａ）が金属チップの先端１５に対するレーザー光７の照射位置が一致する位置であり、金属チップの先端１５に対するレーザー光７の照射位置として特定することができる。
【実施例】
【００１８】
以下に、本発明の実施例について説明する。本発明はここで説明する実施例の構成によって何ら限定されるものではない。
ここでは、銀蒸着チップを用いて金蒸着基板上に分散したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）上でレーザー光の照射位置の特定を行う構成例について、図４を用いて説明する。
図４（ａ）は本発明の手法を適用した散乱型の近接場光学顕微鏡の図である。
銀蒸着チップ１７はナノワールド／ナノセンサーズ社製のシリコン製カンチレバー（ＡｄｖａｎｃｅｄＴＥＣチップ）にＤＣマグネトロンスパッタにより銀を２０ｎｍ蒸着して作製した。
金蒸着基板１８は電子ビーム蒸着によりシリコン基板上に金を７０ｎｍ蒸着して作製した。
この金蒸着基板上に単層ＣＮＴエタノール分散溶液（名城ナノカーボン社製ＳＯ１０：ＣＮＴ濃度０．１ｍｇ／ｍｌ）を３０００ｒｐｍ、６０ｓの条件でスピンコートし、真空中で３５０℃、３０ｍｉｎの条件でアニールした。
銀蒸着チップをタッピングモードＡＦＭ制御により金蒸着基板に接近させＡＦＭ像を取得し、バンドルしたＣＮＴ１９上にチップを移動させた。
【００１９】
次に、対物レンズ６の焦点を金蒸着基板表面に合わせ、対物レンズ位置を固定した状態でピエゾステージ５によりＡＦＭ本体４をＸＹ走査して銀蒸着チップからの非弾性散乱光スペクトルを検出し、マッピング測定を行った。
測定は図１と同様の装置構成で実施し、励起レーザー光は波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを使用した。
銀蒸着チップからの散乱光は３００本／ｍｍの回折格子により分光し、ＣＣＤ検出器（レーザー光の照射位置特定部）の電子増倍モード（ＣＣＤの読み出し部において電子増倍を行い、微弱な信号を増幅して検出するモード）により検出した。
スペクトルは露光時間０．５ｓで取得した。マッピングは１３０ｎｍステップ、２１×２１ポイントで取得した。
非弾性散乱光スペクトルのバックグランドの１７００ｃｍ-1から２５１０ｃｍ-1の波数範囲におけるνcgをマッピングした結果を図４（ｂ）に示す。
図４（ｂ）において、νcgが最小となる領域（図中Ｂ）の非弾性散乱光スペクトルを図４（ｃ）に示す。
図４（ｃ）ではＣＮＴに起因するＧバンドラマンピーク（１５９０ｃｍ-1）が検出された。
よって、図４（ｂ）においてνcgが最小となる位置（図中Ｂ）がチップ先端とレーザー光の照射位置が一致する位置であり、レーザー光の照射位置と特定することが可能となる。なお、本実施例では、試料であるＣＮＴ１９を金蒸着基板１８上に配置した状態で、金属チップの先端に対するレーザー光の照射位置の特定と、ＣＮＴ１９の光学測定とを同時に行った。しかし、ＣＮＴ１９を金蒸着基板１８上に配置しない状態で、金属チップの先端に対するレーザー光の照射位置を特定し、その後、そのレーザー光の照射位置にてＣＮＴ１９の光学測定を行うようにしてもよい。
【００２０】
［比較例］
比較のため、従来の方法でレーザー光の照射位置を特定した結果を図５に示す。
図４と同じ領域において、チップ材質であるシリコンのラマンピーク（５２０ｃｍ-1）の積分強度をマッピングした結果を図５（ａ）に示す。
図５（ａ）においてシリコンラマンピークの積分強度が最大になる位置（図中Ｃ）は図４（ｂ）におけるνcgが最小となる位置（図中Ｂ）と比較して約５００ｎｍずれていた。図５（ａ）の図中Ｃにおける非弾性散乱光スペクトルを図５（ｂ）に示す。
図４（ｃ）、５（ｂ）のスペクトルを比較すると、バックグランドの形状が異なっており、図４（ｃ）の方がバックグランドのピーク位置が低波数側にシフトしていることがわかる。
また、図５（ｂ）ではＣＮＴのＧバンドラマンピークは検出されなかった。
以上により、実施例で求めたレーザー光の照射位置が妥当であることが確認できた。
【符号の説明】
【００２１】
１：金属チップ
３：ＡＦＭピエゾステージ
４：ＡＦＭ本体
５：ピエゾステージ
６：対物レンズ
９：ミラー
１０：エッジフィルター
１１：レーザー
１２：入射光学系
１３：分光器
１４：ＣＣＤ検出器
１５：金属チップ先端
１６：レーザー光の照射位置
【図１】
2014224704.tif 000004
【図２】
2014224704.tif 000005
【図３】
2014224704.tif 000006
【図４】
2014224704.tif 000007
【図５】
2014224704.tif 000008