(57)【要約】【課題】長時間の測定において、散乱型近接場顕微鏡の測定データを安定的に取得することができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることが可能となる近接場散乱光測定装置を提供する。【解決手段】近接場散乱光を試料の評価を行う検出手段で検出する近接場散乱光測定装置であって、  プローブを一定の周波数で振動させる励振機構と、近接場散乱光を補正信号として検出する検出器と、  測定部位近傍における光の照射位置とプローブの相対的位置とを補正するドリフト補正信号として、補正信号を入力信号とし、プローブの振動における周波数の２倍の周波数を参照信号としてロックイン検出により検出するドリフト補正信号検出手段と、  ドリフト補正信号検出手段によって検出された測定信号が最大となるように、測定部位近傍における光の照射位置とプローブの相対的位置とを補正するドリフト補正制御機構と、を有する。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブを備え、該プローブを試料の表面における測定部位近傍に近接させ、該測定部位近傍に光を照射することにより近接場散乱光を発生させ、該近接場散乱光を前記試料の評価を行う検出手段で検出する近接場散乱光測定装置であって、
前記プローブを一定の周波数で振動させる励振機構と、
前記近接場散乱光を補正信号として検出する検出器と、
前記測定部位近傍における光の照射位置と前記プローブの相対的位置とを補正するドリフト補正信号として、前記補正信号を入力信号とし、前記プローブの振動における周波数の２倍の周波数を参照信号としてロックイン検出によって検出するドリフト補正信号検出手段と、
前記ドリフト補正信号が最大となるように、前記測定部位近傍における光の照射位置と前記プローブの相対的位置とを補正するドリフト補正制御機構と、
を有することを特徴とする近接場散乱光測定装置。
【請求項２】
前記参照信号が、前記プローブの振動における周波数の２倍以上の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の近接場散乱光測定装置。
【請求項３】
前記測定部位近傍に光を照射することにより発生させた近接場散乱光は、ビームスプリッターにより分割され、
前記分割された一方の近接場散乱光は分光器を介して前記試料の評価を行う検出手段に導かれ、
前記分割された他方の近接場散乱光は前記補正信号の検出手段に導かれることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の近接場散乱光測定装置。
【請求項４】
前記ドリフト補正制御機構が、前記試料を面内方向に移動させて前記測定部位近傍における光の照射位置と前記プローブの相対的位置とを調整することが可能に構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の近接場散乱光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、散乱型近接場顕微鏡を利用して試料からの散乱光の分光測定をおこなうことができる近接場散乱光測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
試料表面における分子や結晶を分子振動により評価する代表的な手法としてラマン分光法や赤外分光法がある。
ラマン分光法は有機分子の構造や、無機物の結晶性に関する知見を得られるという特徴があり、さらに、それらの測定を試料に対して特別な前処理を行わず、非接触、非破壊で行う事ができる。
従来のラマン分光法による測定では、回折限界により光学的な理論上の分解能は使用する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、ナノテクノロジーと呼ばれる技術開発が盛んに行われるようになり、回折限界を超えた数十から数百ｎｍの空間分解能で試料表面における分子や結晶の状態を評価する要求が高まっている。
このような要求を実現させるために、回折限界を超えた空間分解能を持つ近接場顕微鏡と組み合わせたラマン散乱分光装置の開発が精力的に行われている。
従来の近接場顕微鏡は大きく分けてファイバー型と散乱型に分類されるが、ラマン分光のように信号光量が得られにくい測定では、散乱型の近接場顕微鏡が多く用いられる。
【０００３】
散乱型近接場顕微鏡には、試料の裏面から光を照射して測定を行う透過型の装置と、試料の表面から光を照射して測定を行う反射型の装置がある。
透過型の散乱型近接場顕微鏡は、高感度な装置構成が可能な一方、光を透過する試料しか測定することができないが、反射型の装置は試料を選ばず測定できるという特徴がある。
図４は、従来の反射型で構成された散乱型近接場顕微鏡装置でラマン散乱スペクトルを測定する場合の概略構成を示す図である。
プローブ４０先端と試料４１表面が十分近い一定距離の間隔を保つようにするために、一般的には原子間力顕微鏡（以降ＡＦＭ）の原理を用いて距離制御を行う。
図４では、ＸＹＺ微動ステージ４３を動かすことで距離制御を行っている。
なお、ここでは、ＡＦＭの手法として、ＡＦＭ用のカンチレバー４２についているプローブ４０を試料４１に押し付けて、その梁のたわみから力検出を行うことで距離制御を行うものをコンタクトモードと呼ぶ。
これに対して、カンチレバー４２を励振することで、プローブ４０を振幅させ、その振幅の変化量や周波数シフトから力検出を行うことで距離制御を行うものをノンコンタクトモードと呼ぶ。
【０００４】
プローブ４０先端への光照射は、レーザー光等の光源４６からの光を、ビームスプリッター４７、ミラー４８、対物レンズ４４を介してプローブ４０先端付近に集光しておこなう。
プローブ４０先端に光を集光するためには、プローブ４０先端の位置と、光の集光位置との相対的な位置を調整する必要があるため、対物レンズはＸＹＺステージ４５上に設置している。
光照射によりプローブ４０先端近傍で散乱された光を、照射光と共通の対物レンズ４４を用いて集光し、逆の光路をたどって、ミラー４８、ビームスプリッター４７、エッジフィルター４９、レンズ５３を介して分光器５０に入射する。
分光器５０で分光した散乱光はＣＣＤ検出器５１によって検出し、ＰＣ５２などを用いてラマン散乱スペクトルを記録する。
【０００５】
散乱型近接場顕微鏡において、強い近接場散乱信号を得るためには、プローブ先端と試料表面の間の近接場散乱が効率よく起こる位置と、照射した光の集光スポットの中でも電場強度の強い位置とを重ねることが必要である。
可視光を使った散乱型近接場顕微鏡では、０．１μｍ程度の精度で光の集光位置とプローブ先端の位置を重ねた状態で測定することが要求される。
しかし、一般にミラーやＡＦＭを固定している部品の剛性、温度による揺らぎ等の影響により、プローブ先端の位置と電場強度の強い領域との相対位置が経時的に変化してしまう、ドリフトという現象が起こる。
このドリフトにより、時間とともに信号強度が揺らぎ、多くの場合において時間と共に信号が減少してしまうという問題があった。  
この問題は、特にラマン散乱のような微弱な光を測定する場合、測定時間を長くとる必要があるため、信号強度が減衰する原因となり、大きな問題になる。
これらに対処するために、特許文献１では分光測定を行った後、定期的に散乱光強度を測定して、その強度が最大になるようにプローブ先端と光の集光位置との相対位置を調整することでドリフト補正をする近接場散乱光測定装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１４７７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
散乱型近接場顕微鏡では、試料に近接させたプローブに光を照射すると、プローブと試料の間で発生する近接場散乱光だけでなく、プローブと試料でそれぞれ散乱された光も散乱光として検出される。
特に、反射型の散乱型近接場顕微鏡では、近接場散乱光の強度はプローブや試料からの散乱光強度よりも弱いため、散乱光の強度と近接場散乱光の強度は単純な比例関係ではない。
そのため、特許文献１で開示されている、散乱光強度を使って光の照射位置とプローブの位置との相対位置を補正すると、つぎのような課題が生じる。
すなわち、近接場散乱光がもっとも強くなる位置ではなく、プローブや試料からの散乱光強度が強くなる位置に相対位置を補正してしまい、ドリフト補正を行う際における精度が不足することになる。
さらに、従来技術では、測定を行う散乱光と、ドリフト補正に使用する散乱光を適宜ミラーで振り分けて測定を行う必要があることから、長時間の測定では測定中に何度かドリフト補正のための信号を取得することが必要となる。
そのため、信号の積算時間と比較して、信号のＳ／Ｎ比の向上を図る上で必ずしも満足の得られるものではない。そのため、ラマン散乱のような信号の積算時間が長い測定では、効率良く測定を行うためにＳ／Ｎ比を保った状態で、位置精度が向上したドリフト補正機構が必要となる。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、長時間の測定において、散乱型近接場顕微鏡の測定データを安定的に取得することができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることが可能となる近接場散乱光測定装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の近接場散乱光測定装置は、プローブを備え、該プローブを試料の表面における測定部位近傍に近接させ、該測定部位近傍に光を照射することにより近接場散乱光を発生させ、該近接場散乱光を前記試料の評価を行う検出手段で検出する近接場散乱光測定装置であって、
前記プローブを一定の周波数で振動させる励振機構と、前記近接場散乱光を補正信号として検出する検出器と、
前記測定部位近傍における光の照射位置と前記プローブの相対的位置とを補正するドリフト補正信号として、前記補正信号を入力信号とし、前記プローブの振動における周波数の２倍の周波数を参照信号としてロックイン検出によって検出するドリフト補正信号検出手段と、
前記ドリフト補正信号が最大となるように、前記測定部位近傍における光の照射位置と前記プローブの相対的位置とを補正するドリフト補正制御機構と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、長時間の測定において、散乱型近接場顕微鏡の測定データを安定的に取得することができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることが可能となる近接場散乱光測定装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態及び実施例１におけるドリフト補正機構を備えた反射型の散乱型近接場顕微鏡の構成例を説明する図。
【図２】本発明の実施形態におけるロックインアンプで散乱光強度のうち周波数２ωで変調した成分を検出した時の信号強度と経過時間の関係を説明する図。（ａ）はドリフト補正機構を使用しない場合、（ｂ）はドリフト補正機構を使用した場合について説明する図。
【図３】本発明の実施例１におけるドリフト補正機構を備えた透過型の散乱型近接場顕微鏡の構成例を説明する図。
【図４】従来例における散乱型近接場顕微鏡の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態における近接場散乱光測定装置について説明する。
本実施形態の近接場散乱光測定装置は、プローブを試料の表面における測定部位近傍に近接させ、該測定部位近傍に光を照射することにより近接場散乱光を発生させ、該近接場散乱光を試料の評価を行う検出手段で検出するように構成されている。
本実施形態におけるドリフト補正機構を備えた反射型の散乱型近接場顕微鏡の構成例を、図１を用いて具体的に説明する。
以下の説明では、紙面の上下方向をＺ軸、左右方向をＸ軸、紙面に垂直な方向をＹ軸とする。
なお、各図面に関する説明において、同一の符号で用いられるものは同様の機能を持つ要素であることをあらわす。
図１では、ＡＦＭの距離制御を行う力センサとして、金属を尖鋭化させたプローブ１０をチューニングフォーク１２に取り付けたものを使用している。
なお、代わりの力センサとして、ＡＦＭ用のカンチレバーに金属をコーティングしたものなどを使用しても良い。
【００１３】
距離制御はＡＦＭの原理により力検出を行い、ＸＹＺ微動ステージ１４を動かして行う。
ＡＦＭの方式は、プローブ１０先端と試料１１表面間の距離を周期的に変調させる、ノンコンタクトモードを使用する。
より詳細には、プローブ１０を取り付けているチューニングフォーク１２をアクチュエーター（励振機構）１３で励振することにより、プローブ１０を一定周波数で振幅させる。
アクチュエーター１３はファンクションジェネレーター２６で駆動する。チューニングフォーク１２から出力される、振幅に対応した信号はプリアンプ２９で増幅し、ロックインアンプ２７の参照信号に入力する。
【００１４】
プローブ１０先端へ集光させるには次のようにする。
プローブを試料の表面における測定部位近傍に近接させ、レーザー光等の光源１７からの光を、ビームスプリッター１８、ビームスプリッター１９、ミラー２０を介して対物レンズ１５により、該測定部位近傍に集光して照射することにより近接場散乱光を発生させる。
プローブ１０先端と、光の集光位置を重ねるために、対物レンズ１５はＸＹＺステージ１６上に設置されており、ＸＹＺステージ１６を面内方向に移動させて光の集光位置とプローブ１０先端の位置が重なるように調整する。
なお、プローブ先端と光の集光位置との相対位置の調整は、ＸＹＺステージ１６の代わりに、ガルバノミラーを使った光走査や、ＡＦＭ全体を動かす機構によりおこなっても良い。
試料１１とプローブ１０先端に光を照射したことで発生する散乱光を、再び対物レンズ１５で集光し、逆の光路をたどってビームスプリッター１９に導く。
散乱光は、ビームスプリッター１９により２つの光路に分割される。
なお、ビームスプリッター１９には、特定の波長だけ反射率を高めたダイクロイックビームスプリッターなどを用いても良い。
【００１５】
分割した散乱光のうち一方は、エッジフィルター２１、レンズ３０を介して分光器２２に入射する。分光した光はＣＣＤ検出器２３によって検出され、スペクトル記録用ＰＣ２４などを用いてスペクトルを記録する。
なお、ＣＣＤ検出器２３の代わりに、アバランシェフォトダイオードや光電子倍増管などを使っても良い。
一方、分割した散乱光のもう一方は、次に設置されたビームスプリッター１８、レンズ３１を介して光電子倍増管２５で検出する。光電子倍増管２５の代わりにフォトダイオードなどを用いても良い。
測定部位近傍における光の照射位置とプローブの相対的位置とを補正するドリフト補正信号として、以下に具体的に説明するように、プローブの振動における周波数の２倍の周波数を参照信号とし、光電子倍増管２５で得られた検出信号を入力信号としてロックインアンプ２７に入力して検出するように構成されている。
【００１６】
散乱型近接場顕微鏡において、近接場散乱光強度はプローブと試料間の距離にたいして指数関数的に減衰する。
このような系において、プローブと試料間の距離と時間の間に周波数ωの正弦的な変調があると、近接場散乱光強度は、周波数ωの２倍以上の整数倍（２ω、３ω…）で変調されたものと相関がある。
一方、プローブもしくは、試料で散乱された散乱光の強度は、プローブと試料間の距離の変調周期と同じ周期（ω）で変調する。したがって、散乱光のうち２ω以上で変調する信号をロックインアンプで検出すれば、検出した信号の強度が強い位置と近接場散乱光の発生する位置が精度よく一致する。
すなわち、ドリフト補正の信号として、散乱光のうち２ω以上で変調した成分をロックイン検出により検出し、その検出した信号の強度が最大になるように照射位置とプローブの先端位置を重ね合わせる相対位置を調整する。これにより、ドリフト補正の位置精度を高めることができる。
したがって、プローブ１０が振動している周波数の２倍以上を参照信号としてロックイン検出を行い、検出した信号をドリフト制御用ＰＣ（ドリフト補正制御機構）２８に入力する。
【００１７】
ドリフト制御用ＰＣ２８は、ＸＹＺステージ１６を操作できるように構成されており、ロックイン検出した信号が最大になるように、ＸＹＺステージ１６のＸＹ軸を動かして、光の集光位置とプローブ１０の先端の相対位置が最適になるようにドリフトの補正を行う。
ここで、試料に照射する光と散乱された光の光路を分岐するために設けられた、ビームスプリッター１９で分割された光の一方を、分光器２２に取り付けられたＣＣＤ検出器２３で検出し、分割された光の他方は、ビームスプリッター１８を介して光電子倍増管２５で検出し、ドリフト補正用の信号として使用している。そのため、実際の測定を行う信号量を減衰させることなく、同時にドリフト補正の信号を取得することができる。
したがって、長時間に渡って信号の強い状態を保つことができ、測定データのＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。
【実施例】
【００１８】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、反射型の散乱型近接場顕微鏡を使用した構成例について、図１を用いて説明する。
本実施例では、ＡＦＭとして、チューニングフォークを用いたシェアフォース型の装置を使用した。
φ０．１μｍの金線を電解研磨により尖鋭化し、約０．５μｍの長さに切断したものをプローブ１０として使用した。
プローブ１０はチューニングフォーク１２に接着して、アクチュエーター１３付きのフォルダに取り付けた。プローブ１０を取り付けたチューニングフォーク１２の共振周波数を測定したところ２３ｋＨｚであった。
ＡＦＭの測定は、プローブを共振周波数で振幅させ、振幅幅の減衰が一定になるように距離制御を行う、ノンコンタクトモードで行った。
【００１９】
プローブ１０先端への集光は、つぎのように行った。
光源１７にはアルゴンレーザーを用い、波長５１４ｎｍを使用した。
出力したレーザー光は、ビームスプリッター１８、ダイクロイックビームスプリッター１９、ミラー２０により対物レンズ１５に導き、対物レンズ１５によりプローブ１０先端に集光した。
プローブ１０先端に集光した結果得られた散乱光を、光照射に用いたものと共通の対物レンズ１５を用いて集光した。
集光した光はミラー２０を介してダイクロイックビームスプリッター１９に導いた。
ダイクロイックビームスプリッター１９は光源１７と同じ波長の光は反射するが、それより長波長の光は透過する性質を持つ。
試料１１とプローブ１０で散乱された光は、光源１７と同じ波長のレーリー散乱光と、レーザー光より長波長のラマン散乱光が含まれている。すなわち、散乱光のうちラマン散乱光のほとんどはダイクロイックビームスプリッター１９を透過し、レーリー光は反射される。
【００２０】
散乱光のうちダイクロイックビームスプリッター１９を透過した光は、一部透過したレーリー光を減衰するためエッジフィルター２１を通し、レンズ３０で集光して分光器２２に入射した。
分光した光をＣＣＤ検出器２３により検出し、検出した信号をスペクトル記録用ＰＣ２４で処理してラマン散乱スペクトルを得た。
一方、散乱光のうちダイクロイックビームスプリッター１９を反射した光は、光源１７からの光と逆の光路をたどって、ビームスプリッター１８により透過光と反射光に分割される。
透過光側は光源１７からの光路と分離されているので、分割された散乱光を光電子倍増管２５で検出する。
【００２１】
光電子倍増管２５で検出した信号は、ロックインアンプ２７の入力信号に入力し、
チューニングフォーク１２から出力されている、プローブ１０の振幅に対応した信号は、プリアンプ２９を介してロックインアンプ２７の参照信号に入力して、ロックイン検出を行った。
ロックイン検出の際、近接場散乱光以外の信号を散乱光から取り除くために、参照信号の周波数を、参照信号に入力されている２倍の周波数（４６ｋＨｚ）を使用した。検出した信号強度はドリフト制御用ＰＣ２８でモニターした。
ドリフト制御用ＰＣ２８には、ロックイン検出した信号を最大化するように、対物レンズ１５を設置したＸＹＺステージ１６のＸＹ軸を走査するプログラムを組みこんだ。
【００２２】
ラマン散乱スペクトルを取得する際は次のような手順でおこなった。
試料のＡＦＭ測定を開始した後、プローブ１０先端に光源１７の光を集光して照射した。
照射の際、プローブ１０先端の位置と集光位置との相対位置を調整するために、まず、プローブ１０による光の散乱を観察しながら先端近傍へＸＹＺステージ１６で位置合わせを行った。
そして、最後にロックイン検出した信号をモニターしながら信号強度が最大になる位置にＸＹＺステージ１６で微調整をおこなった。
調整終了後、ＸＹＺステージ１６の位置を固定して、ロックイン検出により得られた信号の経時変化を測定した結果を図２（ａ）に示す。図２（ａ）から明らかなように、時間とともに信号強度が減衰した。
次に、ロックイン検出により得られた信号を最大化するようにＸＹＺステージを走査する機構を動作させて、ロックイン検出により得られた信号の経時変化を測定した結果を図２（ｂ）に示す。走査機構を動作させる前と比較すると、ロックイン検出した信号の減衰を抑制することができた。
また、走査機構を動作させた場合の方が、動作させない場合よりもラマン散乱スペクトルのＳ／Ｎ比が向上した。
【００２３】
［実施例２］
実施例２として、透過型の散乱型近接場顕微鏡を使用した構成例について、図３を用いて説明する。
なお、装置の構成は実施例１と異なる部分についてのみ説明する。
試料１１には、可視光を透過するガラス基板を使用した。
プローブ１０先端への集光は次のように行う。光源１７の光はダイクロイックビームスプリッターで反射され、対物レンズ１５で集光され、試料１１の裏面を透過して、プローブ１０先端に集光する。
プローブ１０先端で散乱された光は、試料１１を透過し、対物レンズ１５で集光したのち、ダイクロイックビームスプリッター１９へ導いた。
【００２４】
ダイクロイックビームスプリッターを透過した光は、分光器２２を介してＣＣＤ検出器２３で検出しラマン散乱スペクトルを取得した。
ダイクロイックビームスプリッターを反射した光は、次のビームスプリッター１８を透過して、光電子倍増管２５で検出した。
光電子倍増管２５で検出した信号のうち、プローブの振動周期の２倍の周期で変調する成分をロックインアンプ２７で検出することによりドリフト補正用の信号を取得した。
取得した信号が最大になるようにドリフト制御用ＰＣ２８でＸＹＺステージ１６を動かして、ドリフト補正を行った。
その結果、取得できるラマン散乱スペクトルのＳ／Ｎ比が向上した。
【符号の説明】
【００２５】
１０：プローブ
１１：試料
１２：チューニングフォーク
１３：アクチュエーター
１４：ＸＹＺ微動ステージ
１５：対物レンズ
１６：ＸＹＺステージ
１７：光源
１８：ビームスプリッター
１９：ビームスプリッター
２０：ミラー
２１：エッジフィルター
２２：分光器
２３：ＣＣＤ検出器
２４：スペクトル記録用ＰＣ
２５：光電子倍増管
２６：ファンクションジェネレーター
２７：ロックインアンプ
２８：ドリフト制御用ＰＣ
２９：プリアンプ
３０：レンズ
３１：レンズ
【図１】
2014059273.tif 000003
【図２】
2014059273.tif 000004
【図３】
2014059273.tif 000005
【図４】
2014059273.tif 000006