(57)【要約】【課題】  プローブの試料への衝突による破損を防ぎ、確実かつ短時間でプローブを試料に対して接近させることが可能な近接場光顕微鏡を提供する。【解決手段】  近接場光プローブ２先端から試料までの距離を検出する距離検出手段３１と、近接場光プローブ２の基準面位置情報に基づいて近接場光プローブ２と試料２０を近接場光領域もしくはその近傍まで接近させる距離制御手段１５とを備えた近接場光顕微鏡。【選択図】  図３
2006215004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
近接場光プローブ先端から試料面までの距離に基づいて近接場光プローブの基準面位置情報を検出する距離検出手段と、該基準面位置情報に基づいて近接場光プローブと試料との位置関係を近接場光領域もしくはその近傍まで接近させる距離制御手段と、を備えたことを特徴とする近接場光顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、前記試料面の位置を検出する試料面位置検出手段を有し、前記距離制御手段が、試料位置情報に基づいて前記近接場光プローブと試料との位置関係を近接場光領域もしくはその近傍まで接近させることを特徴とする近接場光顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または２において、前記試料に対する前記近接場光プローブの傾きを検出する傾き検出手段を有し、前記距離制御手段が、傾き情報に基づいて該近接場光プローブと試料との位置関係を近接場光領域もしくはその近傍まで接近させることを特徴とする近接場光顕微鏡。
【請求項４】
近接場光プローブユニット基準面からプローブ先端までの長さが既知もしくは一定である近接場光プローブ先端に近接場光を発生させる第１の工程と、
試料に対して近接場光プローブユニットを近接場光領域近傍までアプローチさせる第２の工程と、
前記試料によって散乱された近接場光を検出する第３の工程と、
前記プローブを試料平面に対して相対的に走査しながら該第３の工程を繰り返し行う第４の工程と、
前記基準面の位置を検出する第５の工程と、
を有し、
前記第２の工程が、前記第５の工程によって検出された位置情報に基づいて近接場光プローブユニットを試料に対してアプローチする工程であることを特徴とする近接場光による試料測定方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記試料面の位置を検出する第６の工程を有し、
前記第２の工程が、前記第５及び第６の工程によって得られた位置情報に基づき、試料に対して近接場光プローブユニットをアプローチする工程であることを特徴とする近接場光による試料測定方法。
【請求項６】
請求項４、５において、
前記近接場光プローブユニットと前記試料の傾きを検出する第７の工程を有し、
前記第２の工程が、前記第５〜７の工程によって得られた位置、傾き情報に基づき、試料に対して近接場光プローブユニットをアプローチする工程であることを特徴とする近接場光による試料測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型近接場光顕微鏡、近接場光による試料測定方法に関するものであり、特にその測定時間を短縮させ効率を高めると共に、プローブの破損を防止することでコスト高を招くことを回避することが可能で、例えばシリコンウェハーなど、形状再現性の高い試料を測定する場合に大きな効果が得られる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質表面の表面形状等の測定を行う際、光学顕微鏡では回折限界のため分解能は使用する光の波長もしくはその半分程度に留まってしまうことが知られている。しかし近年の科学技術の進歩に伴い、例えば半導体等の微細形状を有する製品の検査やＤＮＡ等の生体組織の測定に要求される分解能はナノメートルオーダーになっている。
このナノメートルオーダーの測定を可能とするものとして、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、そして前述の回折限界を打破した走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などが挙げられる。これらナノメートルオーダーでの測定が可能な顕微鏡のうちＡＦＭやＳＴＭが被測定物の表面形状のみしか測定できないのに対し、ＳＮＯＭはその光学特性、更には物質の組成分析も行えるメリットがある。
非特許文献１本文献において、水晶振動子（以下、ＴＦ）に接着されたプローブは、ＴＦの共振周波数で加振されながら試料へと粗銅アクチュエータにより接近される。プローブと試料間の距離が数十ｎｍ以下になったとき、両者にシアフォースと呼ばれる力が働き、共振状態に変化が生じるので、両者が所望の距離となるよう微動アクチュエータに切り替えて駆動する。
この場合、シアフォースが働く領域までは接近速度を充分に遅くしなければプローブの停止が間に合わず、試料に衝突して破損してしまう。しかし、プローブと試料の初期間隔が例えば１０μｍであった場合、プローブを１０ｎｍ／ｓｅｃでアプローチするとシアフォースが働くまでに約１７分もかかってしまい、測定効率が非常に悪くなってしまう。誤って両者を衝突させてしまった場合、その交換は更に煩わしく、数十分以上の時間を要する。
次に、特許文献１には近接場顕微鏡の光プローブプローブを確実に保持すると共に、簡便に交換可能なユニットを提供することを目的として、プローブを挿入するための空隙部とプローブ保持部を締め付ける部材によって構成した技術が示されている。
しかし、プローブの長さは５５ｍｍと記述されるのみであり、保持部から先端までの長さ精度に関しては全く言及されていない。そのため、着脱が容易になることはあっても、その後のアプローチ作業の効率化に関しては考慮されていない。
更に、特許文献２には、プローブと試料間に電圧を印加することで静電気力を発生させ、この力を検出することでプローブ試料間距離の制御を行うものが知られている。しかし電圧を印加するため適用可能な試料の種類、範囲に制限がある。
【非特許文献１】“Piezoelectric tip - sample distance Control for near field optical microscopes” Khaled Karrai, et al  pp.1842, Applied Physics Letters 66(14), 3 April 1995
【特許文献１】特開平８−９４６５２号公報
【特許文献２】特開２００１−４５１９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近接場光を利用した顕微鏡では、プローブ先端に設けられた微小開口径とほぼ同じ領域に近接場光が存在する。そのためプローブと試料をｎｍオーダーで接近させ、その状態を保ちながら相対的に走査しながら測定を行うこととなる。
つまり、測定に先駆けて、予めプローブと試料をアプローチさせなくてはいけないが、このときに両者を衝突させてしまうとプローブが破損し、所望の分解能が達成できなくなってしまう。プローブと試料間の距離は一般的にシアフォースと呼ばれるせん断応力を利用して検出する。すなわちプローブを横方向に振動させ、この振動状態をモニタリングする方法で検出している。
しかし、１０ｎｍ程度まで接近させないと振動状態が変化しないため、非常にゆっくりとしたスピードで近付ける必要がある。そのため、プローブを近接場光測定が可能な位置までセットするために多大な時間が必要となってしまう問題がある。
ＣＣＤカメラでプローブと試料間の距離を観察し、ある程度の距離まで近付けた後にＰＺＴなどの微動アクチュエータでアプローチする方法もあるが、高倍率な対物レンズを用いた場合には焦点深度が浅くなるため、ＣＣＤの観察を行うための調整時間も多く費やすことになってしまう。
上述のように、近接場光プローブと測定試料を近接場光領域まで接近させる工程は非常に煩わしいものであるにも関わらず、慎重さを要求されるものである。測定に要する時間が多くなってしまう大きな要因の１つもここにある。基準面からプローブ先端までの距離が明確なプローブユニットを用いた場合でも、取り付け誤差等によってはプローブが試料に衝突して破損してしまう場合も考えられる。
本発明の目的は、この欠点を鑑み、プローブの試料への衝突による破損を防ぎ、確実かつ短時間でプローブを試料に対して接近させることが可能な近接場光顕微鏡及び近接場光による試料測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、近接場光プローブ先端から試料面までの距離に基づいて近接場光プローブの基準面位置情報を検出する距離検出手段と、該基準面位置情報に基づいて近接場光プローブと試料との位置関係を近接場光領域もしくはその近傍まで接近させる距離制御手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、前記試料面の位置を検出する試料面位置検出手段を有し、前記距離制御手段が、試料位置情報に基づいて前記近接場光プローブと試料との位置関係を近接場光領域もしくはその近傍まで接近させることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２において、前記試料に対する前記近接場光プローブの傾きを検出する傾き検出手段を有し、前記距離制御手段が、傾き情報に基づいて該近接場光プローブと試料との位置関係を近接場光領域もしくはその近傍まで接近させることを特徴とする。
請求項４の発明は、近接場光プローブユニット基準面からプローブ先端までの長さが既知もしくは一定である近接場光プローブ先端に近接場光を発生させる第１の工程と、試料に対して近接場光プローブユニットを近接場光領域近傍までアプローチさせる第２の工程と、前記試料によって散乱された近接場光を検出する第３の工程と、前記プローブを試料平面に対して相対的に走査しながら該第３の工程を繰り返し行う第４の工程と、前記基準面の位置を検出する第５の工程と、を有し、前記第２の工程が、前記第５の工程によって検出された位置情報に基づいて近接場光プローブユニットを試料に対してアプローチする工程であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４において、前記試料面の位置を検出する第６の工程を有し、前記第２の工程が、前記第５及び第６の工程によって得られた位置情報に基づき、試料に対して近接場光プローブユニットをアプローチする工程であることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項４、５において、前記近接場光プローブユニットと前記試料の傾きを検出する第７の工程を有し、前記第２の工程が、前記第５〜７の工程によって得られた位置、傾き情報に基づき、試料に対して近接場光プローブユニットをアプローチする工程であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、プローブユニットの取り付け状態に関わらず、試料との接触等によってプローブを破損することなく迅速に両者を近接場光領域に接近させることが可能となり、測定時間の短縮や測定作業の効率化を達成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の各実施例を図面に従って説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１に、一般的な近接場光顕微鏡の構成図を示す。
光源（ＬＤ）１から照射されたレーザはレンズ（不図示）によって集光され近接場プローブ（光ファイバ）２に導光される。プローブ２の先端はエッチング等によって先鋭化され、ＦＩＢや押し付け法などの手段によって先端に微小開口３が形成されているため、近接場光４が発生する。
一般に知られている通り、この近接場光４は開口径とほぼ同じだけの距離内に存在する非伝播光であり、通常は観察されない。しかし、チューブスキャナ１５上に載置された試料２０をこの近接場光領域に近接させると近接場光４が散乱され伝播光に変換される。この散乱光が再びプローブ２を通り、ビームスプリッタ８によって偏向され、光検出器（ＰＭＴ）９によって検知される。
この検知された光の強度や周波数スペクトルに応じて、例えばその表面形状であるとか試料の構造、組成を測定することが可能となる。近接場散乱光の検出に関して、本例ではプローブ２に戻ってくる光を検出しているが、プローブ２に戻らず周囲に散乱していく光もあるので、試料や測定環境に応じてこの光を検出しても良い。
プローブ−試料間の距離制御は、シアフォースと呼ばれる力を利用して行うことができる。例えばプローブ２の適所に水晶振動子（ＴＦ）５を取り付け、任意波形発生器（ＦＧ）１１によって水平方向に共振させる。この状態でプローブ２を試料に近付けるとシアフォースによってその振幅が減少し、共振周波数が変化する。
ロックインアンプ１２を用いてこの振動状態をモニタリングし、一定の状態となるようチューブスキャナ（距離制御手段）１５を上下方向に位置制御することで、プローブと試料との間の距離を一定に保つことが可能となる。更に試料をプローブ２に対して垂直な面内で走査・測定し、プローブ位置情報と各地点での近接場散乱光情報の対応付けや解析を、ＰＣ１０（距離制御手段）を用いて統括的にコントロールすることで試料面のデータが得られ、例えばＰＣ１０の画面上に３次元的に表示することも可能である。図１において、符号６はプローブ固定治具、７はプローブユニット取り付け面（基準面）、１３はステージコントローラ（ＳＣ、距離制御手段）、１４は粗動Ｚステージを示す。
【０００８】
このような近接場光顕微鏡において、ネックとなっているのがプローブ２先端と試料とのアプローチである。シアフォースによって検出できるプローブ先端と試料間の距離（シアフォース領域）は一般に１０ｎｍ程度とされている。この微小なエリアまでプローブ２を近付けなくてはいけないのだが、高速で近付けた場合、シアフォースを検知してからステージに停止命令を送ったとしても制御系のオーバーシュート等によってプローブ２が試料に衝突し破損してしまう。
この破損を防ぐために低速でアプローチした場合、シアフォース領域に到達するのに多大な時間がかかってしまう。例えば１００μｍ離れた場所から１０ｎｍ／ｓｅｃで近付けた場合、シアフォース領域まで達するのに約３時間かかってしまう。
ＣＣＤカメラを用いて初期位置をより近い状態にするとしても、
・せいぜい数μｍ程度の領域までしか近付けられない
・間隔を精度よく把握するために高倍率の対物レンズを使用するとその調整時間が増大する
といった欠点が生じてしまう。
図２に示すように、近接場光プローブ固定治具６の基準面６ａからプローブ先端までの距離（Ａ）が明確な近接場光プローブユニットを実現することでプローブ２をアプローチさせるべき距離を明確とし、上記欠点を克服する装置や方法もある。しかし、プローブユニットを設置したときに発生する取り付け誤差などによって距離が変化してしまう場合もあるため、このような状況に対処する装置、方法を図３及び図６のフローチャートを用いて説明する。
【０００９】
構成は図３に示すように、図１の近接場光顕微鏡装置にレーザ変位計（距離検出手段）３１を加えたものとする。
即ち、本発明は、近接場光プローブ２先端から試料２０、或いはプローブユニット取付面７の基準面６ａまでの距離を検出する距離検出手段３１と、距離検出手段３１によって検出された近接場光プローブの基準面位置情報に基づいて近接場光プローブと試料を近接場光領域もしくはその近傍まで接近させる距離制御手段１０と、を備えた構成が特徴的である。
まず、試料２０及び近接場光プローブユニットを夫々取り付け（Ｓ１）、この状態でレーザ変位計（第１のレーザ変位計３１）を用いて基準面６ａまでの距離を測定する（Ｓ２）。第１のレーザ変位計３１はステージ１４に取り付けてあるので、試料２０の高さが一定であれば、測定された距離、予め分かっているプローブ長さ及び第１のレーザ変位計３１と試料２０の相対位置からプローブ先端と試料２０までの距離を、ＰＣ１０などを用いて算出する。
次のステップ３では、得られた距離情報に基づいてプローブ２もしくは試料２０を所定の距離まで接近（プリセット）させる。この時の距離は、第１のレーザ変位計３１の精度や試料２０の高さバラツキなどに基づいて決定すればよく、それらが精度の良いものであれば例えば近接場光発生領域であるプローブ開口径程度、精度が低ければそれに応じてプローブ２が試料２０に衝突しない位置まで接近させればよい。
プリセット終了後、プローブ２を試料表面に対して追従して走査させるため、例えばチューニングフォーク（ＴＦ）５を用いて共振させる（Ｓ４）。この共振が所望の状態（振幅や位相）になるまでプローブ２と試料２０を接近させる（Ｓ５〜８）。この状態を保ったまま試料表面の所望の位置もしくはエリアを近接場光４によって照射し、その散乱光を検出する（Ｓ９）。
以上のような構成・方法を用いることで、試料２０及び近接場光プローブユニットを取り付けた時の両者の距離を正確に検出でき、この距離情報に基づいて両者の間隔が所定の値、例えば近接場光発生領域である開口径程度、もしくは試料表面の凹凸を見込んで１μｍ程度まで高速で接近させることができ、従来の装置・方法よりも測定に要する時間を大幅に短縮して実施することが可能となる。また、プローブ破損の可能性も低減することができる。
なお、プローブユニットに関して、例えば図２において面６ｂから先端までの距離を制御して作製してある場合でも、この固定治具６の厚みを別途、変位計や厚さ計で測定し、得られた長さをプローブ長から差し引くことで、基準面６ａから先端までの距離を正確に把握することができる。
【００１０】
次に、本発明の装置構成によって実現される試料測定方法は、次の如き各工程から構成される。
即ち、第１の工程では、近接場光プローブユニットの基準面６ａからプローブ２先端までの長さが既知もしくは一定である近接場光プローブ先端に近接場光を発生させる。
次いで、第２の工程では、試料２０の面に対して近接場光プローブユニットを近接場光領域近傍までアプローチさせる。
次いで、第３の工程では、試料２０によって散乱された近接場光を検出する。
第４の工程では、前記プローブ２を試料平面に対して相対的に走査しながら該第３の工程を繰り返し行う。
第５の工程では、プローブユニット基準面の位置を検出する。
なお、前記第２の工程においては、前記第５の工程によって検出された位置情報に基づいて近接場光プローブユニットを試料に対してアプローチするようにしてもよい。
上記各試料測定方法によれば、プローブユニットの取り付け状態に関わらず、試料との接触等によってプローブを破損することなく迅速に両者を近接場光領域に接近させることが可能となり、測定時間の短縮や測定作業の効率化を達成することが可能となる。
【実施例２】
【００１１】
実施例１によれば、プローブ２を試料２０に対して衝突させることなく高速にアプローチすることができる。本実施例では更に好適な例を、図４を用いて説明する。
この実施例の構成は、実施例１に加え、プローブユニット取り付け面７に２つ目のレーザ変位計（第２のレーザ変位計３２、試料面位置検出手段）が取り付けられている。この第２のレーザ変位計３２を用いて試料２０までの距離を測定する。第２のレーザ変位計３２は固定されているので、ここで得られた試料２０の位置、第２のレーザ変位計３２で測定されたプローブユニット取り付け面７の位置、そしてプローブ長さの情報に基づいて、ＰＣ１０を用いてプローブ２先端から試料２０までの距離を算出する。
本発明の試料測定方法においては、上記第１乃至第５の工程に加えて、試料面２０の位置を検出する第６の工程を付加し、前記第２の工程が、前記第５及び第６の工程によって得られた位置情報に基づき、試料に対して近接場光プローブユニットをアプローチするようにしている。
以上の構成、方法を用いることで試料高さがサンプルごとに異なるような場合でも、プローブ２０を高速にアプローチすることができ、測定時間の短縮及びプローブ破損防止を達成することが可能となる。
なお、本実施例（図４）ではプローブ先端がアプローチする位置とレーザ変位計で測定する個所が異なって示されているが、この２つの場所を同一とするような構成とすることで、より正確なアプローチが可能となる。
【実施例３】
【００１２】
実施例２に示した構成、方法で近接場光プローブを試料に対して衝突させることなく高速にアプローチさせることができる。本実施例では更に改良した例を、図５を用いて説明する。
この発明は、試料２０に対する近接場光プローブ２の傾きを検出する傾き検出手段３３を有し、距離制御手段１０が、傾き検出手段３３から得た傾き情報に基づいて近接場光プローブと試料を近接場光領域もしくはその近傍まで接近させることを特徴とする。
具体的構成は、実施例２に加え、傾きを検出するためレーザ変位計（第３のレーザ変位計３３＝傾き検出手段）を新たにもう１台設置してある。２つのレーザ変位計３１、３３によって検出されるプローブユニット取り付け基準面６ａまでの距離の比が所定の値からずれている場合、それが傾き誤差αとなる。既に分かっているプローブ長さＡ及びこの検出結果に基づいてプローブ先端の位置誤差や傾き方向を把握できるので、プローブ２先端と試料２０の距離をＰＣ１０で算出するに際に用いれば良い。
この実施形態に係る試料測定方法では、上記の各工程１〜６に加えて、近接場光プローブユニットと試料の傾きを検出する第７の工程を有し、前記第２の工程が、前記第５〜７の工程によって得られた位置、傾き情報に基づき、試料に対して近接場光プローブユニットをアプローチする工程であることを特徴とする。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明に従って作製されるプローブは半導体の構造解析や生体分子の計測等、近接場光顕微鏡で測定される全ての試料へ適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一般的な走査型近接場光顕微鏡の該要図。
【図２】近接場光プローブユニットの概要図。
【図３】実施例１に係る近接場光顕微鏡の概要図。
【図４】実施例２に係る近接場光顕微鏡の概要図。
【図５】実施例３に係る近接場光顕微鏡の概要図。
【図６】近接場光による試料測定方法の処理ステップを示すフローチャート。
【符号の説明】
【００１５】
１・・・光源（ＬＤ）、２・・・近接場プローブ、３・・・微小開口、４・・・近接場光、５・・・水晶振動子（ＴＦ）、６・・・プローブ固定治具、６ａ  基準面、７・・・プローブユニット取り付け面、８・・・ビームスプリッタ、９・・・光検出器（ＰＭＴ）、１０・・・ＰＣ、１１・・・任意波形発生器（ＦＧ）、１２・・・ロックインアンプ（ＬＩＡ）、１３・・・ステージコントローラ（ＳＣ）、１４・・・粗動Ｚステージ、１５・・・チューブスキャナ（距離制御手段）、２０・・・試料、３１・・・第１のレーザ変位計（距離検出手段）、３２・・・第２のレーザ変位計、３３・・・第３のレーザ変位計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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