(57)【要約】【課題】  光源からの光を探針に集光する対物レンズの作動距離を短くすることができ、且つ開口数を大きくすることができる近接場顕微鏡を提供する。【解決手段】  先端に微小開口部１３を有する探針２が設けられるカンチレバー３と、探針２に光を入射し近接場光を発生させる光源４と、光源４からの光を探針２に集光する対物レンズ５と、近接場光により試料６から反射する光の強度を検出する光検出器８と、音叉型水晶振動子の一方の振動片を切断した形状であり、交流電圧の印加により他方の振動片１１が振動する水晶振動子１０とを備え、カンチレバー３は振動片１１に平行に取り付けられ、探針２と試料６との間に作用する原子間力により変化する振動片１１の振動状態に基づいて探針２と試料６間の距離が一定になるよう制御しながら、探針２と試料６を２次元平面内で相対的に走査させる近接場顕微鏡１。【選択図】図１
2015017814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に微小開口部を有する探針が試料の表面に近接するよう端部に設けられるカンチレバーと、
前記カンチレバーの背面側から前記探針に光を入射して近接場光を発生させ、前記試料表面へ照射する光源と、
前記光源からの光を前記探針に集光する対物レンズと、
前記探針と前記試料間の距離を調整するための微動手段と、
前記探針と前記試料を２次元平面内で相対的に走査するための走査手段と、
前記近接場光の照射によって前記試料から反射する光の強度を検出する光検出器と、
音叉型水晶振動子の一方の振動片が切断された形状であって、交流電圧が印加されることにより他方の振動片が振動する水晶振動子と、を備える近接場顕微鏡であって、
前記カンチレバーは、前記水晶振動子の他方の振動片に平行に取り付けられており、
前記探針と前記試料表面との間に作用する原子間力によって変化する前記他方の振動片の振動状態に基づいて前記探針と前記試料間の距離が一定になるよう微動手段を制御しながら、前記走査手段により前記探針と前記試料を２次元平面内で相対的に走査させて、前記光検出器により前記試料から反射する光の強度を検出することを特徴とすることを特徴とする近接場顕微鏡。
【請求項２】
前記光源からの光は、前記対物レンズを通じて前記カンチレバーに対して略垂直に前記探針に入射されることを特徴とする請求項１に記載の近接場顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針と試料間の距離が一定になるよう制御しながら、探針に光を入射して発生させた近接場光を試料表面へ照射し、試料の光学特性を測定する近接場顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、近接場光を利用して試料表面の光学特性を測定する種々の近接場顕微鏡が知られている。近接場顕微鏡では、例えば、先端に光学波長よりも小さな微小開口を有する探針が設けられたカンチレバーが用いられ、光源からの光をレンズで探針付近に集光して探針先端部から試料表面に近接場光を照射し、試料から反射した光の強度を測定する。この状態で、探針と試料間の距離が一定になるよう制御しながら、探針を試料表面に対して相対的に移動させることにより、試料表面の光学特性が回折限界を超える高分解能で測定される。また、探針と試料間の距離が一定になるよう制御されているので、制御信号を用いて試料表面の凹凸像も同時に測定することができる。
【０００３】
このような近接場顕微鏡では、探針と試料間の距離が一定になるように制御するために、従来から原子間力顕微鏡の原理が一般的に用いられている。原子間力検知方式としては、例えば、音叉型水晶振動子を用いて電極に発生する電流の変化を利用する方式やプローブの変位をレーザー光により検出する光てこ法と呼ばれる方式等がある。
【０００４】
音叉型水晶振動子を用いた方式では、例えば、音叉型水晶振動子の表面に加振用電極や検出用電極が形成されており、加振用電極に所定周波数の交流電圧を印加することにより、圧電効果によって振動片を振動させる。この状態で、一方の振動片に設けられている探針を試料表面に近接させると、探針と試料の表面間に作用する原子間力等の物理的な力により振動片の振動状態が変化するので、検出用電極からこの振動片の振動状態に応じて変化する電流を検出して、探針と試料間の距離が一定となるように制御する。
【０００５】
しかしながら、音叉型水晶振動子においては、一方の振動片には探針が設けられているので、重量バランスがそれぞれの振動片で異なるため、Ｑ値が低下して振動が長続きしなくなる。そのため、Ｑ値の低下を抑制するために、他方の振動片に探針と同程度の重りを設けること等により重量バランスを調整する必要があり、設計に手間を要していた。また、近接場顕微鏡にこのような音叉型水晶振動子を用いて、探針と試料間の距離が一定となるように制御した場合には、光源から探針に光を照射する際に探針が設けられていない側の振動片によって光照射がし難くなると共に、探針先端が影になる恐れがある。
【０００６】
また、従来の走査型プローブ顕微鏡では、先端が探針状に加工されたプローブと接合されていない振動片が検出信号に影響を及ぼし誤動作することを防止するために、音叉型水晶振動子の片側の振動片を欠き、１本の振動片のみの振動体に加工して検出用圧電体として用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
光てこ法では、例えば、探針が設けられたカンチレバーの先端にレーザー光を照射し、その反射光の変位を測定する。探針を試料表面に近接させると、探針と試料の表面間に作用する原子間力等の物理的な力によりカンチレバーが変位するので、この変位を反射光で測定することにより、探針と試料間の距離が一定となるように制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−０８１４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の光てこ方式においては、試料表面の光学特性測定用の光源とカンチレバーの変位検出用の光源をそれぞれ配置した場合には、光路が複雑になり光学素子を配置するためのスペースが制約されるため、開口数（ＮＡ）が大きく作動距離の短い対物レンズを使用することが困難である。また、特許文献１では、音叉型水晶振動子の片側の振動片を欠き、１本の振動片のみの振動体は、検出用圧電体として用いられるものであり、検出用圧電体を励振させるための励振用圧電体を別途設ける必要がある。また、先端が探針状に加工されたプローブは、検出用圧電体に対して傾けられた状態で接着されているため、開口数（ＮＡ）が大きく作動距離の短い対物レンズを使用することが困難である。
【００１０】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、光源からの光を探針に集光するための対物レンズの作動距離を短くすることができ、且つ開口数（ＮＡ）を大きくすることができる近接場顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る近接場顕微鏡は、先端に微小開口部を有する探針が試料の表面に近接するよう端部に設けられるカンチレバーと、前記カンチレバーの背面側から前記探針に光を入射して近接場光を発生させ、前記試料表面へ照射する光源と、前記光源からの光を前記探針に集光する対物レンズと、前記探針と前記試料間の距離を調整するための微動手段と、前記探針と前記試料を２次元平面内で相対的に走査するための走査手段と、前記近接場光の照射によって前記試料から反射する光の強度を検出する光検出器と、音叉型水晶振動子の一方の振動片が切断された形状であって、交流電圧が印加されることにより他方の振動片が振動する水晶振動子と、を備える近接場顕微鏡であって、前記カンチレバーは、前記水晶振動子の他方の振動片に平行に取り付けられており、前記探針と前記試料表面との間に作用する原子間力によって変化する前記他方の振動片の振動状態に基づいて前記探針と前記試料間の距離が一定になるよう微動手段を制御しながら、前記走査手段により前記探針と前記試料を２次元平面内で相対的に走査させて、前記光検出器により前記試料から反射する光の強度を検出することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係る近接場顕微鏡は、前記光源からの光が、前記対物レンズを通じて前記カンチレバーに対して略垂直に前記探針に入射されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る近接場顕微鏡によれば、先端に微小開口部を有する探針が端部に設けられたカンチレバーが、音叉型水晶振動子の一方の振動片が切断された形状の水晶振動子の他方の振動片に平行に取り付けられているので、カンチレバーの上方のスペースを広く確保することができ、光源からの光を探針に集光するための対物レンズとカンチレバーの距離を近付けることが可能になる。これにより、作動距離が短く開口数（ＮＡ）が大きな対物レンズを使用することができるので、光源から対物レンズを通じて探針へ入射される光の集光効率を向上させることができる。また、音叉型水晶振動子の一方の振動片が切断された形状の水晶振動子を用いているので、カンチレバーの背面側から探針に対物レンズを通じて光を入射した際に、探針先端が影になってしまうことを防止することができる。また、音叉型水晶振動子の一方の振動片が切断された形状であって、交流電圧が印加されることにより他方の振動片が振動する水晶振動子を用いているので、重量バランスを調整することなく、Ｑ値を向上させることができる。また、一方の振動片からの余分な変位信号の影響を受けることを防止することができる。
【００１４】
本発明に係る近接場顕微鏡によれば、光源からの光が、対物レンズを通じてカンチレバーに対して略垂直に探針に入射されるので、光源から対物レンズを通じて探針へ入射される光の集光効率をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る近接場顕微鏡の構成の一例を示す概略模式図である。
【図２】対物レンズを通じて探針に光を照射する様子を示す概略説明図である。
【図３】カンチレバーの一例を示す概略断面図である
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る近接場顕微鏡１について、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る近接場顕微鏡１は、図１に示すように、自由端側の端部に探針２を有するカンチレバー３と、カンチレバー３の背面側から光を照射する光源４と、光源４からの光を探針２に集光する対物レンズ５と、探針２と試料６間の距離を調整するための微動手段及び探針２と試料６を２次元平面内で相対的に走査するための走査手段として機能する円筒型圧電素子から構成される３軸微動機構７と、試料６表面からの反射光の強度を検出する光検出器８と、交流電圧源９から交流電圧が印加されることにより振動片１１が振動する水晶振動子１０とを備えている。
【００１７】
カンチレバー３は、図３に示すように、プレート状の梁部１２を有しており、一方の端部には探針２が突設されている。このカンチレバー３は、例えば、窒化シリコン又はシリコン等により形成されており、梁部１２に連続して探針２が設けられている。
【００１８】
探針２は、多角錐状又は円錐状に形成されており、先端には微小開口部１３が設けられている。探針２の内部は、図３に示すように、微小開口部１３へと通じる空洞部１４を有する中空構造になっている。微小開口部１３は、カンチレバー３の背面側から探針２に入射される光の波長よりも小さい径に形成されている。また、探針２の外周には、図３に示すように、微小開口部１３を塞がないように金属膜１５を形成しても良い。また、探針２の内面にも試料６の表面から放射される光の強度を増強するための金属膜を形成しても良い。このようなカンチレバー３は、図１に示すように、探針２が自由端側で試料台１６に載置されている試料６と対向するように、水晶振動子１０の振動片１１に平行になるように梁部１２が振動片１１に接着される。この際、カンチレバー３は、固有振動数が水晶振動子１０よりも高くなるように振動片１１に取り付けられる。
【００１９】
光源４は、カンチレバー３の背面側から探針２に光を入射し、探針２先端の微小開口部１３に近接場光を発生させ、試料６に照射するためのものである。本実施形態に係る近接場顕微鏡１では、図１に示すように、光源４から発した光は、ビームスプリッター１７を透過し、ビームスプリッター１７とカンチレバー３の間に配置される対物レンズ５によって、カンチレバー３に対して略垂直に探針２に集光される。これにより、探針２の微小開口部１３に近接場光が発生し、試料６の表面へ照射される。この照射された近接場光は、試料６表面で反射され、その反射光が再び微小開口部１３及び対物レンズ５を通って、ビームスプリッター１７で反射された後、結像レンズ１８により結像されて、光検出器８により受光される。
【００２０】
光検出器８は、試料６からの反射光の強度を検出し、試料６表面の局所的な光学特性を測定するためのものであり、例えば、光電子増倍管等を用いることができる。光電子増倍管では、受光した反射光の強度に応じた電気信号が出力される。また、光検出器８としては、光電子増倍管以外にも、フォトダイオードや分光器等を用いることも可能である。また、近接場光による検出信号以外の迷光成分をカットするために光検出器８の前に絞り（不図示）を設けるようにしても良い。
【００２１】
水晶振動子１０は、図１及び図２に示すように、例えば、従来から腕時計等に用いられている２本の振動片を有する音叉型水晶振動子の一方の振動片を切断して、他方の振動片１１のみを残すように加工されたものである。水晶振動子１０には、詳しくは図示しないが、例えば、加振用電極や検出用電極が設けられており、加振用電極に交流電圧源９から交流電圧が印加されることにより振動片１１が屈曲振動を起こす。また、振動片１１の下方側の側面には、カンチレバー３の梁部１２が平行になるように接着されており、振動片１１が振動することにより、カンチレバー３の先端に設けられている探針２が試料６表面に対して略垂直な方向に振動する。尚、水晶振動子１０は、従来の音叉型水晶振動子の一方の振動片を切断して加工する他、予め一方の振動片１１を欠いた形状で作製されたものであっても良い。
【００２２】
このように、従来の音叉型水晶振動子の一方の振動片が切断された形状の水晶振動子１０を用いることにより、図２に示すように、カンチレバー３の上方のスペースを広く確保することができるので、光源４からの光を探針２に集光するための対物レンズ５とカンチレバー３の距離を近付けることが可能になる。これにより、探針２に焦点を合わせた時の対物レンズ５の先端から探針２までの距離である作動距離ＷＤを短くすることができるので、レンズの収差が小さくなり、解像力を向上させることができる。また、開口数（ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθ）が大きな対物レンズ５を使用することができるので、探針２によく絞った光を入射することができ、探針２への光の照射効率を向上させることができる。尚、ｎは探針２と対物レンズ５の間の媒質の屈折率（光路の屈折率）、θは対物レンズ５から探針２に入射する光線の光軸に対する最大角度を表している。また、一方の振動片が切断された形状の水晶振動子１０を用いているので、カンチレバー３の背面側から探針２に光を照射した際に、一方の振動片によって探針２の先端が影になってしまうことを防止することができる。
【００２３】
３次元微動機構７は、探針２と試料６間の距離を調整するための微動手段及び探針２と試料６を２次元平面内で相対的に走査するための走査手段として機能する円筒型圧電素子から構成されるものである。この３次元微動機構７には、図１に示すように、水晶振動子１０が固定されている。従って、水晶振動子１０の振動片１１に取り付けられているカンチレバー３の探針２は、３次元微動機構７によりＸＹ方向（水平方向）及びＺ方向（鉛直方向）への移動が可能になっている。
【００２４】
また、３軸微動機構７は、探針２の先端を試料６に近接させるための粗動機構１９に固定されている。粗動機構１９は、例えば、ステッピングモータ等により送りねじを回すことによって、探針２を試料６に対して近接又は離反するようにＺ軸方向（鉛直方向）に移動させることができるものである。尚、本実施形態では、粗動機構１９は、探針２を試料台１６上に載置される試料６に対して近接させるように設けられているが、試料台１６側に設けることにより、試料６を探針２の先端に近接させるように構成しても良い。また、３軸微動機構７も同様に試料６側を移動させるように設けられていても良い。また、探針２と試料６間の距離を調整するための微動手段及び探針２と試料６を２次元平面内で相対的に走査するための走査手段は、円筒型圧電素子から構成される３次元微動機構７に限定されるものではなく、Ｚ軸とＸＹ軸が分離したピエゾスキャナ等を用いても良い。
【００２５】
以下、近接場顕微鏡１を用いて試料６表面の光学特性及び凹凸形状を同時に測定するための動作について図１を参照しつつ説明する。近接場顕微鏡１では、試料６表面の光学特性及び試料表面の凹凸形状も同時に測定するために、３軸微動機構７を用いて、探針２と試料６間の距離が一定になるように制御を行いながら、探針２を試料６に対して２次元平面内で相対的に移動させた状態で、光源４からビームスプリッター１７を透過した光を対物レンズ５で探針２に集光させることにより探針２の微小開口部１３に発生する近接場光の照射によって試料６から反射される光の強度を検出器８により検出する。
【００２６】
近接場顕微鏡１では、探針２と試料６間の距離が一定になるように調整するために、例えば、交流電圧源９から水晶振動子１０に交流電圧を印加することにより振動片１１を共振させた状態で、粗動機構１９により探針２の先端を試料６の表面に近付ける。これにより、探針２の先端と試料６の表面との間に原子間力が作用し、振動片１１の周波数や振幅等の振動状態が変化し、水晶振動子１０の振動により発生する圧電電流が変化する。
【００２７】
本実施形態に係る近接場顕微鏡１では、図１に示すように、水晶振動子１０の検出用電極（不図示）には、プリアンプ２０を介してＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路２１が接続されている。プリアンプ２０では、水晶振動子１０の振動により発生する圧電電流を検出して電気信号に増幅変化し、ＰＬＬ回路２１へ出力する。
【００２８】
ＰＬＬ回路２１では、振動片１１の共振周波数の周波数変化量Δｆを検出し、その変化量Δｆを表す電気信号を生成し、生成した電気信号を制御部２２へ出力する。制御部２２では、この周波数変化量Δｆが一定になるように、３軸微動機構７に制御信号を出力し、３軸微動機構７によって探針２と試料６間の距離を一定になるよう調整しながら、探針２を試料６に対して２次元平面内で相対的に移動させる。
【００２９】
これにより、データ処理部２３では、制御部２２から探針２と試料６間の距離制御に用いた制御信号に基づいてマッピングすることにより試料６表面の凹凸形状を得ることができると共に、光検出器８からの検出信号に基づいてマッピングすることにより回折限界を超える分解能で試料６表面の光学特性を得ることができる。また、これらの情報は、表示部２４によって、それぞれ試料６表面の凹凸像及び近接場光学像として表示される。
【００３０】
尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１        近接場顕微鏡
２        探針
３        カンチレバー
４        光源
５        対物レンズ
６        試料
７        ３軸微動機構
８        光検出器
９        交流電圧源
１０      水晶振動子
１１      振動片
１３      微小開口部
【図１】
2015017814.tif 000003
【図２】
2015017814.tif 000004
【図３】
2015017814.tif 000005