(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光の照射により一端にあるナノ粒子にプラズモンが励起され、ナノチューブで形成された測定探針と、
前記測定探針を支持するカンチレバーと、
前記カンチレバーを駆動して前記測定探針を検査対象試料に対して相対的に走査する駆動部と、
前記測定探針にあるナノ粒子からナノ粒子に伝搬し、前記測定探針の他端にあるナノ粒子が発したプラズモンと前記検査対象試料表面との相互作用で発生した近接場光を検出する近接場光検出光学系とを備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記カンチレバーの走査信号から前記検査対象試料表面の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ画像）を作成するＡＦＭ画像作成手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記近接場光検出光学系で前記近接場光を検出して得た信号を処理して前記試料表面の近接場光画像を得る近接場光画像処理系を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記測定探針の一端に照射するレーザの偏光の状態を制御する偏光制御部を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】
ナノチューブで形成された測定探針を支持するカンチレバーを駆動して前記測定探針を検査対象試料に対して相対的に走査し、
レーザー光を照射して、前記測定探針の一端にあるナノ粒子にプラズモン励起させ、
前記測定探針にあるナノ粒子からナノ粒子に伝搬し、前記測定探針の他端にあるナノ粒子が発したプラズモンと前記検査対象試料表面との相互作用により近接場光を発生させ、
発生させた近接場光を検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
【請求項６】
前記カンチレバーの走査信号から原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ画像）を作成することを特徴とする請求項５記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
【請求項７】
近接場光を検出して得た信号を処理して前記試料表面の近接場光画像を得ることを特徴とする請求項５記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
【請求項８】
前記測定探針の一端に照射するレーザは、偏光の状態を制御されたレーザであることを特徴とする請求項５記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査プローブ顕微鏡技術および、これを用いた試料観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒ
ｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。その中でも原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：
Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、先端のとがった探針を制御して
接触力を非常に小さな値に保ちながら試料表面を走査する観察技術であり、原子オーダの
微細立体形状が計測できる技術として、広く用いられている。しかし、この原子間力顕微
鏡は試料表面の反射率分布や屈折率分布といった光学的性質を測定することはできない。
【０００３】
一方、４５ｎｍノード以降の極微細半導体デバイスでは、高速化のために歪シリコンの
適用が予定されており、微小領域における応力分布の測定が歩留まり管理上不可欠とされ
る。また、さらなる微細化のためには、不純物原子の分布状況をナノメートルオーダの分
解能できめ細かく管理することが要求されている。応力分布や不純物分布などの物性情報
は、原子間力顕微鏡や寸法管理に用いられているＣＤ−ＳＥＭ（測長ＳＥＭ）では測定不
可能である。ラマン分光計測法等の光学的手法の検討がされているが、通常のラマン分光
顕微鏡では空間分解能が不足している。
【０００４】
また、異物検査や欠陥検査で検出された異物や欠陥の発生要因を特定するため、レビュ
ーＳＥＭと呼ばれる電子顕微鏡で異物や欠陥の分類作業が行われているが、形状や凹凸情
報のみに頼る手法のため、分類性能に限界がきている。こちらも、光学情報を付加するこ
とにより分類性能の向上が期待できるが、やはり通常の光学顕微鏡やレーザ走査顕微鏡で
は空間分解能が不足している。
【０００５】
これらの課題を解決し、試料表面の光学的性質や物性情報を高分解能で測定する手段と
して、近接場走査顕微鏡（ＳＮＯＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ  Ｏｐｔ
ｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られる。この顕微鏡は、非特許文献１に開示され
ているように、数十ｎｍの微小開口から漏れる近接場光を、開口と試料との間隙を同じく
数十ｎｍに保ったままで走査することにより（開口プローブ）、光の回折限界を超えて開
口と同じ大きさの数十ｎｍの分解能で、試料表面の反射率分布や屈折率分布といった光学
的性質を測定するものである。同様の手法として、非特許文献２には、金属探針に外部か
ら光を照射して、探針の微小先端部で散乱した数十ｎｍの大きさの近接場光を走査する（
散乱プローブ）方法も開示されている。
【０００６】
また、微小スポット光により金ナノ粒子２ａに励起させた表面プラズモンが、金ナノ粒
子間を次々に伝搬していくことが非特許文献３に記載されている。
【０００７】
また、特許文献１には、ファイバ先端に微小な球形レンズを形成して微小スポット光を
形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】公表特許公報：特表２００６−５１５６８２号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３１，ｐｐ．Ｌ１３０２−Ｌ１３０４（１９９２）
【非特許文献２】Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１９，ｐｐ．１５９−１６１（１９９４）
【非特許文献３】分光研究、第５４巻、第４号、ｐｐ．２２５〜２３７（２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記した近接場走査顕微鏡は測定分解能が数十ｎｍオーダであり、ｎｍオーダ
の分解能を有する原子間力顕微鏡や電子顕微鏡に比べ一桁以上分解能が不足している。ま
た測定の再現性が極めて低いという工業応用にとっては致命的ともいえる問題も抱えてい
る。すなわち、上記の方法のうち、開口プローブを用いる方法では、開口を安定に形成す
ることが極めて困難であり、実用上数十ｎｍが限界とされている。また、試料上を走査す
る際にプローブが試料に衝突して開口が損傷したり磨耗し、次第に開口が広がってしまい
、測定画像の再現性が低下してしまう。
【００１１】
一方、金属探針を用いる散乱プローブは、開口プローブに比べ分解能が高いとされるが
、外部照明光が探針の根元や試料表面で散乱して背景雑音となったり、開口プローブと同
様、試料上を走査する際にプローブが試料に衝突して先端部が損傷あるいは磨耗して、測
定分解能が低下し十分な再現性が得られないという課題を有していた。
【００１２】
また、ファイバ先端に微小な球形レンズを形成する方法も原理的に分解能は数十ｎｍオ
ーダ以上であり、さらに試料上を走査する際に球形レンズが試料に衝突して損傷したり磨
耗し、次第にスポット光が大きくなりその形状が劣化し、測定画像の再現性が低下してし
まう。
【００１３】
そこで本発明では、プローブと試料の双方にダメージを与えることなく、ナノメートル
オーダの分解能でかつ高い再現性で、試料表面の光学情報及び凹凸情報を測定することを
可能とする走査プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明の別の目的は、半導体試料の応力分布や不純物分布などの物性情報や、異
物や欠陥の分類に寄与する光学情報や凹凸情報をナノメートルオーダの分解能で測定し、
製造プロセス条件にフィードバックすることで、信頼性の高い半導体デバイスの高歩留ま
り生産を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明では走査プローブ顕微鏡を、レーザー光の照射により一端にあるナノ粒子にプラズモンが励起され、ナノチューブで形成された測定探針と、前記測定探針を支持するカンチレバーと、前記カンチレバーを駆動して前記測定探針を検査対象試料に対して相対的に走査する駆動部と、前記測定探針にあるナノ粒子からナノ粒子に伝搬し、前記測定探針の他端にあるナノ粒子が発したプラズモンと前記検査対象試料表面との相互作用で発生した近接場光を検出する近接場光検出光学系とを備えて構成した。
【００１６】
そして、更に、変位検出光学系手段でカンチレバーの変形を検出して得た信号を処理し
て検査対象試料表面の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ画像）を作成するＡＦＭ画像作成手段
を備えて構成した。
【００１７】
また、本発明では、走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法においてナノチューブで形成された測定探針を支持するカンチレバーを駆動して前記測定探針を検査対象試料に対して相対的に走査し、レーザー光を照射して、前記測定探針の一端にあるナノ粒子にプラズモン励起させ、前記測定探針にあるナノ粒子からナノ粒子に伝搬し、前記測定探針の他端にあるナノ粒子が発したプラズモンと前記検査対象試料表面との相互作用により近接場光を発生させ、発生させた近接場光を検出するようにした。
【００１８】
そして、更に、カンチレバーの変形を光学的に検出して得た信号を処理して検査対象試
料表面の原子間力顕微鏡画像（ＡＦＭ画像）も作成するようにした。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、プローブと試料の双方にダメージを与えることなく、ナノメートルオ
ーダの分解能でかつ高い再現性で、試料表面の光学情報や凹凸情報の測定が可能になる。
その結果、半導体試料の応力分布や不純物分布などの物性情報の測定が可能になり、また
異物や欠陥の分類に寄与する光学情報や凹凸情報を測定できるので異物・欠陥分類性能が
向上する。さらに、これらの測定結果を半導体製造プロセス条件にフィードバックするこ
とで、信頼性の高い半導体デバイスの高歩留まり生産が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。
【図２】プラズモン増強近接場プローブにおける、金ナノ粒子の配列の様子を示す概略図である。
【図３】実施例１におけるプラズモン増強近接場プローブの変形例におけるプローブの正面の断面図である。
【図４】実施例１における結合光学系２００の変形例におけるプラズモン増強近接場プローブとプラズモン励起を示す断面図である。
【図５】実施例２におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。
【図６】実施例２におけるプラズモン増強近接場プローブの変形例におけるプローブの正面の断面図である。
【図７】実施例３におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。
【図８】実施例１における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。
【図９】偏光板の偏光軸を示す概略図である。
【図１０】ナノチューブのステップイン走査を示す試料断面及びカンチレバーの斜視図である。
【図１１】ナノチューブ−試料間接触力と近接場光の測定タイミングとの関係を示すグラフである。
【図１２】実施例１の検出光学系４０００の変形例１における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。
【図１３】実施例１の検出光学系４０００の変形例２における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。
【図１４】各種材料と各光源波長に対する反射光強度の組み合わせデータを示す概略図である。
【図１５】実施例１の検出光学系４０００の変形例２における走査プローブ顕微鏡をコンタクトホールなどの深穴底の残膜検出に適用した例を示す深穴の断面とプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。
【図１６】実施例２における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。
【図１７】実施例３における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。
【図１８】実施例３の変形例における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。
【図１９】実施例２及び３の変形例における走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示すブロック図である。
【図２０】実施例１乃至３における試料表面を計測する手順を示すフロー図である。
【図２１】金の球形ナノ粒子を充填し下端部を円錐状としたプラズモン増強近接場プローブの下端部における近接場光の２次元強度分布とその断面プロファイルである。
【図２２】金の球形ナノ粒子を充填し下端部を円錐状としたプラズモン増強近接場プローブの下端部、下端部から０．３３３ｎｍ、０．６６６ｎｍ、及び１ｎｍ離れた位置における近接場光の２次元強度分布とその断面プロファイルである。
【図２３】実施例４におけるナノチューブを長手方向（Ｚ方向）に微小振動させる様子を示すプローブの正面の断面図である。
【図２４】実施例５におけるプラズモン増強近接場プローブの正面の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
金属の微粒子に光を照射すると金属内の自由電子が集団的に振動する表面プラズモンが
発生し、照射した光により金属粒子の表面に発生するエバネッセント光がこの表面プラズ
モンとカップリングしてプラズモン共鳴を起こし、光吸収を起こすと共に局所的に著しく
増強された電場を発生することが知られている。そして、この局所的に著しく増強された
電場は隣接する金属微粒子に作用して、この隣接する金属微粒子にもプラズモン共鳴を発
生させる。本発明は、このようにプラズモン共鳴が金属微粒子間を伝達する現象を利用し
てプローブを作成し、試料表面の光学的状態を観察、または計測するものである。
【００２２】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００２３】
本発明の第１の実施例を、図１、図２、及び図８〜図１１に基づいて説明する。本実施
例では、図１に示すように、半導体としての性質を持たせた多層構造カーボンナノチュー
ブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ）１、あるいは絶縁体としての性質を示す
ボロンナイトライド（ＢＮ）ナノチューブ１の内部空洞部分に金（Ａｕ）の球形ナノ粒子
２を充填しプラズモン増強近接場プローブを構成する。充填方法は、例えば高圧電流印加
や加熱により両端を開放したナノチューブ１と金ナノ粒子２を真空室内に入れて、加熱反
応させることにより、毛細管現象を応用することにより、金ナノ粒子２をナノチューブ１
内部に包含させることが可能である。この毛細管現象を応用することについては、例えば
、web上（http://www1.accsnet.ne.jp/~kentaro/yuuki/nanotube/nanotube2.html）で公
開されているような技術を応用することができる。
【００２４】
本実施例では、ナノチューブの外径は２０ｎｍ、空洞部分の内径は４ｎｍ、長さは測定
する対象物の形状に応じて数１０ｎｍ乃至数μｍの範囲で設定した。金ナノ粒子２の直径
は４ｎｍである。ここで、プラズモンを発生させる限界の金属粒子径が１nm以上であると
されており、金ナノ粒子の直径が１nm以上であれば本発明の目的を達成できる。本実施例
においては、比較的安定して製造が可能な金ナノ粒子径の限界として４nmにした。しかし
、本発明では、金ナノ粒子の直径を４nmに限定するものではなく、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度
の範囲の範囲の直径であれば、本発明の目的は達成できる。この場合、金ナノ粒子の直径
に応じてナノチューブの外径も変える必要が有る。また、以下の実施例では金属粒子とし
て金を用いた場合について説明するが、他の種類の金属であっても同様な効果を得ること
ができる。
【００２５】
このプローブを、例えば電子ビーム照射によりタングステン（Ｗ）をバインダとして絶
縁体保持部４ａ及び４ｂに溶融固着させる。そして、ナノチューブ上端部に露出した金ナ
ノ粒子２ａに近接させた金ウェッジ１３の上方から波長７８０ｎｍのレーザ光５を照射す
る。金ウェッジ１３の先端部１３ａと金ナノ粒子２ａの間に励起されたプラズモン共鳴に
より、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ上端部に露
出した金ナノ粒子２ａに表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印６ａ
及び６ｂに示すように、ナノチューブ１内の隣接する金ナノ粒子２間を次々に伝搬してい
くことが非特許文献３に記載されている。その結果、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒
子２ｂから発したプラズモンは、試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ
、微小な近接場光７を発生させる。
【００２６】
この近接場光７のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ
粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分
解能が得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別
することが可能になる。原子間力顕微鏡では、領域１１及び１２を識別することはできな
い。近接場光７の反射光は、同じ経路を通ってナノチューブの上方にプラズモン伝搬され
、ナノチューブ上端部に露出させた金ナノ粒子２ａと金ウェッジ１３の先端部１３ａとの
間でプラズモン共鳴が励起され、生じたる微小なスポット光は金ウェッジ１３の先端部１
３ａで散乱されて伝搬光に変換される。この伝搬光は後述する対物レンズ３２０で検出さ
れる。
【００２７】
金ナノ粒子２、２ａ、２ｂは、プラズモン伝搬効率を考慮すると、図２（ａ）に示すよ
うに、粒径ｄとほぼ同程度以下の間隔ｓを設けるほうが望ましい（非特許文献３参照）。
それが困難な場合は、図２（ｂ）に示すように、金ナノ粒子２をＳｉＯ２等の絶縁膜１５
でコーティングして各金ナノ粒子間の間隔を確保する方法が考えられる。
【００２８】
図８に、本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示す。走査プローブ顕微鏡
は、試料を載置してＸＹＺの３次元方向に移動可能なステージ部１０００と、ナノチュー
ブ１を駆動して試料を計測し、得られた信号を処理して画像を生成する計測部２０００、
ナノチューブ１先端と試料との間に近接場光を発生させるための光を照射する照明光学系
３０００、近接場光を検出して伝搬された光を集光して検出する検出光学系４０００、、
試料上の被測定部を観察し位置決めするための試料モニタ光学系５０００及び全体を制御
する制御部6０００とを備えて構成される。
【００２９】
ステージ部１０００は試料を載置してＸＹＺの３次元方向に移動可能なＸＹＺステージ
１００とドライバ１０１とを備えている。試料１０はＸＹＺステージ１００上に載置され
、ドライバ１０１で駆動されて検出光学系４０００を介して試料モニタ光学系５０００で
試料１０の表面を観察しながら所望の測定位置に位置決めされる。
【００３０】
計測部２０００は、ナノチューブ１を用いて試料を計測する結合光学系２００とカンチ
レバー２０１、圧電素子アクチュエータ２０２、ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４、
カンチレバー２０１の背面にレーザ光（波長４０５ｎｍ）２０８を照射する半導体レーザ
２０６、カンチレバー２０１からの反射光を検出する４分割ポジションセンサ２０９、お
よび半導体レーザを制御する駆動回路２０７を備えている。  
試料モニタ光学系５０００は、図示していない駆動手段により検出光学系４０００の光
路中に出し入れ可能なミラー５００１と、結像レンズ３３０を透過してミラー５００１で
反射された光の像を撮像する撮像カメラ５００２を備えている。試料１０を載置したＸＹ
Ｚステージ１００をドライバ１０１で駆動して試料１０の所望の測定位置をプローブ１の
下に設定するときには、ミラー５００１を図示していない駆動手段で駆動して検出光学系
４０００の光路中に挿入して試料からの反射光の光路を撮像カメラ５００２の方向に曲げ
、撮像カメラ５００２で試料表面の光学像を観察する。試料１０の所望の測定位置がプロ
ーブ１の下に位置決めされると、ミラー５００１を図示していない駆動手段で駆動して検
出光学系４０００の光路中から退避させる。
【００３１】
ナノチューブ１は、図1に示した絶縁体保持部４ａ、４ｂ及び金ウェッジ１３から成る
結合光学系２００と共にカンチレバー２０１に固定される。このカンチレバー２０１はＺ
方向に微小振動させるための圧電素子アクチュエータ２０２に固定され、さらにＸＹＺ方
向に微動走査させるＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４に固定される。波長７８０ｎｍ
の半導体レーザ光源３００から出射した光は、透過率：反射率＝９６：４のビームスプリ
ッタ３０２で２分割され、反射光３０３はホトダイオード等の光電変換素子３０４で受光
され電気信号に変換される。この信号は、制御部6０００中の全体制御ユニット４２０に
送られ、半導体レーザ光源３００からの出射光の強度変動のモニタに使われ、出射光の強
度が変動した場合には、半導体レーザ光源３００の出力を制御して強度を一定にする。
【００３２】
照明光学系３０００はレーザ光源３００、ビームモニタ光学系３１００、ビーム整形光
学系３０５、偏光板３０７、ビームスプリッタ３１０、対物レンズ３２０を備えて構成さ
れている。この構成において、レーザ光源３００から発射されてビームモニタ光学系３１
００のビームスプリッタ３０２を透過した光３０１は、ビーム整形光学系３０５でビーム
形状が円形の平行光３０６に変換され、さらに偏光板３０７を透過した後、ハーフミラー
で構成されるビームスプリッタ３１０に入射し、入射した光のうちの約半分がビームスプ
リッタ３１０で反射されて対物レンズ３２０で収束光５として計測部２０００の結合光学
系２００上に集光される。
【００３３】
計測部２０００においては、上記に説明したように金ウェッジ１３に入射した収束光５
により金ナノ粒子２aの表面プラズモン励起が発生し、反対側（プローブ先端）の金ナノ
粒子２ｂまで伝搬される。ナノチューブ１の下端部で金ナノ粒子２ｂから出射し試料１０
で反射された近接場光７は、再びナノチューブ１内の同じ経路を逆方向にプラズモン伝搬
し、結合光学系２００内の金ウェッジ１３の先端部１３ａで散乱され伝搬光に変換される
。偏光板３０７は、図９に示すように、偏光軸３０８が放射状（半径方向）に形成されて
おり、金ウェッジ１３に入射した収束光５の偏光方向を金ウェッジ１３の長手方向と平行
になるように制御することにより、プラズモンの励起効率を向上させている。
【００３４】
この伝搬光を検出する検出光学系４０００は、対物レンズ３２０、ハーフミラーを用い
たビームスプリッタ３１０、結像レンズ３３０および光電変換素子３４０を備えて構成さ
れている。
【００３５】
この検出光学系４０００において、結合光学系２００内の金ウェッジ１３の先端部１３
ａで散乱され伝搬光を対物レンズ３２０で集光して平行光とした後、ハーフミラーを用い
たビームスプリッタ３１０を透過させ、結像レンズ３３０でホトダイオードや光電子増倍
管等の光電変換素子３４０の受光面上に集光し、光電変換する。
【００３６】
計測部２０００の画像形成ユニット４１０では、光電変換素子３４０からの検出信号を
、圧電素子アクチュエータ２０２を駆動するドライバ２０３の制御信号とＸＹＺ圧電素子
アクチュエータ２０４を駆動するドライバ２０５の制御信号とを生成する走査制御ユニッ
ト４００からの制御信号を用いて処理して２次元近接場光画像を生成し、また４分割ポジ
ションセンサ２０９からの出力を圧電素子アクチュエータ２０２とＸＹＺ圧電素子アクチ
ュエータ２０４とを駆動するドライバ２０３，２０５の制御信号を用いて処理してＡＦＭ
画像を生成する。
【００３７】
画像形成ユニット４１０で生成された２次元近接場光画像及びＡＦＭ画像は制御部6０
００中の全体制御ユニット４２０に送られ、ディスプレイ等の出力ユニット４３０の出力
画面にそれぞれの画像が別々の画面に、又は、同じ画面上に表示される。
【００３８】
次に、光てこの原理を用いてカンチレバー２０１の先端部に固定されたプローブである
ナノチューブ１が試料１０に接触しているときの接触力の求め方について説明する。
カンチレバー２０１の背面には、駆動回路２０７によって駆動された半導体レーザ２０６
からのレーザ光（波長４０５ｎｍ）２０８が照射され、その反射光が４分割ポジションセ
ンサ２０９で受光される。
【００３９】
ドライバ２０５でＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４を駆動してカンチレバー２０１
を下降させ、先端部に固定されたナノチューブ１を試料１０に接触させる。この状態でカ
ンチレバー２０１を更に下降させると、カンチレバー２０１の傾きが変化してカンチレバ
ー２０１の背面に照射されているレーザの反射方向が変化し、４分割ポジションセンサ２
０９上のレーザの入射位置が変化して４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号が変
化する。この変化した信号を、予め求めておいた４分割ポジションセンサ２０９からの出
力信号とカンチレバー２０１の傾きとの関係に基づく接触力のデータと比較して、接触力
を求めることができる。
【００４０】
次に、試料の表面を計測する手順について、図２０を用いて説明する。先ず、XYZステ
ージ１００を駆動して試料１０の測定領域をカンチレバー２０１の先端部に取り付けられ
たナノチューブ１の下部に位置させる（Ｓ２００１）。次に、図１０に示すように、試料
１０の測定領域において、ナノチューブ１と試料表面との接触の状態（接触力）を４分割
ポジションセンサ２０９からの出力信号でモニタしながら、カンチレバー２０１をＸＹＺ
圧電素子アクチュエータ２０４により下降させていき（Ｚ方向走査５０１）（Ｓ２００２
）、所定の設定接触力になった時点で下降を停止する（Ｓ２００３）。
【００４１】
下降点５０２において近接場光の測定を行った後（Ｓ２００４）、カンチレバー２０１
を上昇させ（Ｚ方向走査５０３）（Ｓ２００５）、４分割ポジションセンサ２０９からの
出力信号に基づいて、ナノチューブ１が完全に試料１０から離脱したならば（Ｓ２００６
）、測定領域の計測が終了したか否かを判定し（Ｓ２６０７）、終了していない場合には
ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４を駆動してカンチレバー２０１を次の測定点に移動
させる（Ｘ走査５０４）（Ｓ２００９）。Ｘ走査における移動量（送りピッチ）は、観察
において必要とする分解能に応じて決められる。次の測定点において、再度カンチレバー
２０１を下降させ、近接場光の測定を行う（Ｓ２００２〜Ｓ２００６）。
【００４２】
以上の動作をステップイン動作と呼ぶ。このステップイン動作を、ＸＹＺ圧電素子アク
チュエータ２０４により２次元の測定領域（ＸＹ領域）に渡って繰り返し行った後、測定
を完了する（Ｓ２００７）。ここで、上記２次元の測定領域を測定する方法は、テレビに
おけるラスタスキャンと同じように走査する。このときのＹ方向への送りピッチ（隣り合
う走査の間隔）は、観察において必要とする分解能に応じて決められる。
【００４３】
ドライバ２０５によって駆動されるＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４のＸＹＺ方向
走査、ドライバ２０３によって駆動される圧電素子アクチュエータ２０２の振動制御、Ｘ
ＹＺステージ１００による試料１０の位置決めは、計測部２０００の走査制御ユニット４
００により統括制御され、またナノチューブ１と試料１０との接触力の制御、及び近接場
光の測定は、総て制御部6０００中の全体制御ユニット４２０により統括制御される。走
査制御ユニット４００からＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４のＸＹＺ走査信号が、ま
た全体制御ユニット４２０から近接場光測定信号が、各々画像形成ユニット４１０に送ら
れ、２次元近接場光画像及びＡＦＭ画像が生成されて、全体制御ユニット４２０を介して
ディスプレイ等の出力ユニット４３０に出力される（Ｓ２００８）。
【００４４】
ナノチューブ−試料間接触力と近接場光の測定タイミングとの関係を、図１１に示す。
図１１（ａ）の接触力変化曲線５１０に示すように、ナノチューブ１が上昇して試料１０
から退避するに従い、接触力は押し込み方向から引き込み方向に以降し、試料から離脱す
る瞬間に引き込み力は最大となる。離脱後、次の測定点に移動し再び試料に接近する間は
、接触力をまったく受けない状態となる。ナノチューブ１が再び接近し始め、試料１０に
接触した瞬間に押し込み方向の力が加わり、設定接触力に達した時点で、カンチレバー１
は下降を停止する。
【００４５】
一方、図１１（ｂ）の検出光強度曲線５２０に示すように、ナノチューブ１が上昇して試料１０から退避するに従い、近接場光検出強度は徐々に低下し、試料から離脱した後退避動作から接近動作に変化する瞬間ＴＦ時点で最小値ＩＦとなる。その後、ナノチューブ１が再び接近し始め、金ナノ粒子２ｂが試料１０に接触した瞬間に近接場光検出強度は最大値ＩＣとなり、設定接触力が維持される間は、この強度ＩＣは維持される。接触している任意の時間ＴＣでの最大値ＩＣと最小値ＩＦとの差分ΔＩ＝ＩＣ−ＩＦを測定点における反射光強度として、全体制御ユニット４２０に記憶する。以上の動作を２次元の測定領域に渡って繰り返し行うことにより、２次元領域の試料表面の反射率分布を金ナノ粒子径４ｎｍとほぼ同じ光学分解能で測定することが可能となる。設定接触力は１ｎＮ以下、好ましくは、サブｎＮ〜ｐＮで実行することが望ましい。
【００４６】
尚、本実施例では、カンチレバー２０１のＺ方向への微小振動は行わず、設定接触力と
なるための下降及び上昇動作のみとした。但し、接触力の検知は、上記光てこ方式に限定
されるものではなく、圧電素子アクチュエータ２０２によりカンチレバーをサブナノメー
トルオーダの振幅、ＭＨｚオーダの周波数でＺ方向に微小振動させ、振動振幅あるいは振
動周波数の変化から、検知することも可能である。
【００４７】
図１及び図１１に示すように、本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取
得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂと試料
１０との間でスポット径４ｎｍの近接場光７を常に安定に発生させることができ、さらに
このナノチューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料
１０に接触した瞬間の近接場光７を検出することにより、近接場光の安定検出が可能とな
る。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上さ
せることが可能となる。
【００４８】
図１（ｂ）に、ナノチューブ８の下端部の形状を円錐状とした例を示す。例えば、多層
構造カーボンナノチューブの両端に電圧を印加し、印加電圧を大きくしていくと、やがて
電流は飽和域に至る。さらに印加電圧を大きくすると、電流が階段状に減少し、ナノチュ
ーブは外層から一枚ずつはがされ細くなっていき、最終的にナノチューブ中央で切断され
る。このプロセスにより、ナノチューブ先端部を先鋭化させることができる。すなわち、
図１（ａ）に示すナノチューブ１のように、下端部が円筒形状の場合は、円筒直径２０ｎ
ｍよりも微細な凹凸構造への最接近が困難であるが、図１（ｂ）に示した例のように、下
端部を円錐形状とすることにより、４ｎｍ程度の微細な凹凸構造への最接近が可能となり
、このオーダの微細構造の２次元近接場光画像の検出が可能となる。
【００４９】
［プラズモン増強近接場プローブの変形例］
プラズモン増強近接場プローブの変形例を、図３（ａ）に基づいて説明する。第１の実
施例では、ナノチューブ内部に充填した金ナノ粒子を介してプラズモンを伝搬させる構成
としたが、本変形例では、図３（ａ）に示すように、直径４ｎｍの金（Ａｕ）のナノロッ
ド９を介してプラズモン伝搬させる。すなわち、外径は２０ｎｍのナノチューブ１の内径
４ｎｍの空洞部分に、直径４ｎｍの金（Ａｕ）のナノロッド９充填する。充填方法は、例
えば高圧電流印加や加熱により両端を開放したナノチューブ１と金ナノ粒子２を真空室内
に入れて、加熱反応させることにより、毛細管現象を応用することにより、金ナノ粒子２
をナノチューブ１内部に包含させることが可能である。この毛細管現象を応用することに
ついては、例えば、web上（http://www1.accsnet.ne.jp/~kentaro/yuuki/nanotube/nanot
ube2.html）で公開されているような技術を応用することができる。
【００５０】
このプローブを絶縁体保持部４ａ及び４ｂに固定し、ナノチューブ上端部に露出した金
ナノロッド９の先端部９ａに近接させた金ウェッジ１３の上方から波長７８０ｎｍのレー
ザ光５を照射する。金ウェッジ１３の先端部１３ａと金ナノロッド９の先端部９ａの間に
励起されたプラズモン共鳴により、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光
は、さらにナノチューブ上端部に露出した金ナノロッド９の先端部９ａに表面プラズモン
を励起し、この表面プラズモンは、破線矢印６ａ及び６ｂに示すように、ナノチューブ１
内の金ナノロッド９を伝搬していく（非特許文献３参照）。その結果、ナノチューブ１の
下端部に露出した金ナノロッド９の先端部９ｂから発したプラズモンは、試料１０の表面
構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光７を発生させる。この近接場光
７のスポット径は、ナノチューブ１が試料１０に最接近した、すなわち金ナノロッド９の
先端部９ｂが試料１０に接触した時に、金ナノロッド９の先端部９ｂとほぼ同じ大きさの
４ｎｍとなる。
【００５１】
すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料
１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。本実施例によれば
、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、ナノチューブ１の下
端部に露出した金ナノロッド９の先端部９ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接
場光７を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ１を低接触力で試料
に接触させた、すなわち金ナノロッド９の先端部９ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場
光７を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場
光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００５２】
図３（ｂ）に、ナノチューブ８の下端部の形状を円錐状とした例を示す。すなわち、図
３（ａ）に示す第１の変形例におけるナノチューブ１のように、下端部が円筒形状の場合
は、円筒直径２０ｎｍよりも微細な凹凸構造への最接近が困難であるが、図３（ｂ）に示
した例のように、下端部を円錐形状とすることにより、４ｎｍ程度の微細な凹凸構造への
最接近が可能となり、このオーダの微細構造の２次元近接場光画像の検出が可能となる。
【００５３】
［結合光学系２００の変形例］
結合光学系２００の変形例を、図４に基づいて説明する。図４は、本実施例におけるプ
ラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブの構成とその機能
は、図１（ｂ）にした例と同様である。第１の実施例及び第１の変形例では、ナノチュー
ブ１、８の上端部に露出した金ナノ粒子２あるいは金ナノロッド９の先端部に近接させた
金ウェッジ１３の上方から波長７８０ｎｍのレーザ光５を照射し、金ウェッジ１３と金ナ
ノ粒子２あるいは金ナノロッド９の先端部の間に励起されたプラズモン共鳴により、微小
なスポット光を誘起し、その微小スポット光により金ナノ粒子２あるいは金ナノロッド９
の先端部に表面プラズモンを励起した。
【００５４】
これに対し、本変形例では、図４に示すように、合成石英などの誘電体基板２０の下面
に金（Ａｕ）の薄膜２１を三角形状にパターニングし、その頂点の一つ２１ａをナノチュ
ーブ８の上端部に露出した金ナノ粒子２ａに近接させ、上方から波長７８０ｎｍのレーザ
光３０を集光して照射する。金パターン２１の頂点２１ａと金ナノ粒子２ａとの間に励起
されたプラズモン共鳴により、微小な近接場スポット光３１が誘起され、この微小スポッ
ト光３１は、さらに金ナノ粒子２ａに表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、
破線矢印６ｂに示すように、ナノチューブ８内の金ナノ粒子２から金ナノ粒子２へと次々
に伝搬していく。
【００５５】
その結果、ナノチューブ１の下端部の金ナノ粒子２ｂから発したプラズモンは、試料１
０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光７を発生させる。この
近接場光７のスポット径は、ナノチューブ１が試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２
ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が
得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別するこ
とが可能になる。
【００５６】
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、
ナノチューブ８の下端部の金ナノ粒子２ｂと試料１０との間でスポット径４ｎｍの近接場
光７を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノチューブ８を低接触力で試料に
接触させた、すなわち金ナノロッド９の先端部９ｂが試料１０に接触した瞬間の近接場光
７を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光
画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００５７】
［検出光学系４０００の変形例１］
本発明の検出光学系４０００の第１の変形例を、図１２に基づいて説明する。図１２は
、本実施例における走査プローブ顕微鏡の構成を示したものである。本走査プローブ顕微
鏡の基本構成とその機能は、図８に示した実施例における走査プローブ顕微鏡と同様であ
るが、近接場光の検出部分に分光器６１１を配置した点が異なる。すなわち、ナノチュー
ブ１、８の下端部で出射し試料１０で反射された近接場光７は、再び同じ経路をプラズモ
ン伝搬し、結像レンズ３３０で分光器６１１の入射面に、ミラー６１０を介して集光され
る。  
分光器６１１では、全体制御ユニット４２０からの制御信号に基づき、伝搬光の中から
所望の波長の光が選択されて、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６１２の
受光面上に集光され、光電変換される。この検出信号は全体制御ユニット４２０に送られ
、特定波長の２次元近接場光画像が形成される。図８に示した実施例及びその変形例では
、入射レーザ光の波長と同一の波長を検出していたのに対し、本変形例では、入射レーザ
光から波長シフトした近接場光を検出することが可能である。例えば、歪シリコンを用い
た半導体素子の微小場の応力分布を、ラマン分光を応用してナノメートルの分解能で画像
化することが可能である。その場合、ナノチューブ８の接触によって試料自身に微弱な変
形が生じラマンシフトが発生しないよう、ナノチューブ８と資料１０間の接触力はサブｎ
Ｎ〜ｐＮオーダ以下に設定するのが望ましい。
【００５８】
また、半導体レーザ３００の代わりに、ブロードな波長帯域を有するＬＥＤ等の光源を
用いれば、波長帯域内の任意の波長の２次元近接場光画像の検出も可能である。また、分
光器６１１を、ＣＣＤ１次元センサ等のアレイセンサを用いた全波長一括検出タイプのも
のに変更すれば、２次元近接場分光画像を得ることができ、ナノメートル分解能で試料１
０の分光分析が可能となる。
【００５９】
図８に示した実施例及びその変形例と同様、本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光
画像の同時取得が可能であるばかりでなく、近接場光７を常に安定に発生させることがで
き、また近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向
上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００６０】
［検出光学系４０００の変形例２］
検出光学系４０００の第２の変形例を、図１３（ａ）に基づいて説明する。図１３（ａ
）では、光源６２０に波長６３０ｎｍ、５２０ｎｍ、４３０ｎｍ近傍の３色の光を発する
白色レーザ６２０を用い、近接場光の検出部分に色分離フィルタ６２５ｒ、６２５ｇ、６
２４ｂを配置した。光源６２０から出射したレーザによりナノチューブ１または８と試料
との間に近接場光を発生させてプローブ１又は８を介して対物レンズ３２０、ビームスプ
リッタ３１０を透過して結像レンズ３３０に達するまでは、図８を用いて説明した実施例
と同じである。対物レンズ３３０に達した光は、ミラー６１０を介して結像レンズ３３０
で集光された後、リレーレンズ６１５で平行光となり、さらにダイクロイックミラー６２
１（波長６００ｎｍ以上は透過、それ以下は反射）と干渉フィルタ６２５ｒ（透過中心波
長６３０ｎｍ）により、波長６３０ｎｍの光が抽出される。この光は集光レンズ６３１に
より、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６４１の受光面上に集光され、光
電変換される。
【００６１】
ダイクロイックミラー６２１で反射された光は、ダイクロイックミラー６２２（波長４
８０ｎｍ以上は反射、それ以下は透過）と干渉フィルタ６２５ｇ（透過中心波長５２０ｎ
ｍ）により、波長５２０ｎｍの光が抽出される。この光は集光レンズ６３２により、ホト
ダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６４２の受光面上に集光され、光電変換され
る。ダイクロイックミラー６２２を透過した光は、ミラー６２３で反射された後、干渉フ
ィルタ６２５ｂ（透過中心波長４３０ｎｍ）により、波長４３０ｎｍの光が抽出される。
この光は集光レンズ６３３により、ホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子６４
３の受光面上に集光され、光電変換される。
【００６２】
３波長の検出信号は全体制御ユニット４２０に送られ、３波長の２次元近接場光画像が
形成される。また、この３波長信号を合成することにより、ナノメートル分解能のカラー
画像を生成することも可能である。本実施例により、例えば、現在ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉ
ｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて、モノクロ画像のみから欠陥
分類を行っている半導体用欠陥レビューを、ナノメートル分解能のＡＦＭ画像とカラー画
像にて実行することが可能となり、欠陥分類精度が格段に向上する。
【００６３】
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、
近接場光７を常に安定に発生させることができ、また近接場光の安定検出が可能となる。
その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させる
ことが可能となる。
【００６４】
図１３（ｂ）には、図１３（ａ）に示した構成に図１４の表４４１に示す半導体材料−分光反射率データセットを格納したメモリユニット４４０を更に備えた構成を示す。すなわち、図１４に示すように、半導体製造に使用されるＳｉやＳｉＯ２などの各種材料と各光源波長λ１＝６３０ｎｍ、λ２＝５２０ｎｍ、λ３＝４３０ｎｍに対する反射光強度の組み合わせデータ（Ｉ１１、Ｉ２１、Ｉ３１）、（Ｉ１２、Ｉ２２、Ｉ３２）、（Ｉ１３、Ｉ２３、Ｉ３３）・・・・を予めメモリユニット４４０に格納しておき、得られた３波長の検出光強度を表４４１に照合することにより、試料１０を構成する材料の判別をナノメートル分解能で実行できる。もちろん、波長は３波長に限定されるものではなく、４波長、５波長と増やすことにより、材料分析精度は向上する。
【００６５】
図１５は、本変形例における走査プローブ顕微鏡をコンタクトホールなどの深穴底の残
膜検出に適用した例を示すものである。直径３０ｎｍ程度のコンタクトホール５０１の内
部にナノチューブ１又は８を挿入し、穴底に低接触力で接触した瞬間の分光信号を取得し
、その分光信号を予めメモリユニット４４０に格納しておいた膜厚と分光強度との関係に
照合することにより、残膜５０２の有無及びその材質情報を得ることができる。
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、近
接場光７を常に安定に発生させることができ、また近接場光の安定検出が可能となる。そ
の結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させるこ
とが可能となる。
【実施例２】
【００６６】
本発明の第２の実施例を、図５（ａ）及び図１６に基づいて説明する。図５（ａ）は、
本実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチュー
ブの材質は第１の実施例と同様、半導体としての性質を持たせた多層構造カーボンナノチ
ューブ４０、あるいは絶縁体としての性質を示すボロンナイトライドナノチューブ４０で
ある。第１の実施例及びその変形例では、両端が開放したナノチューブを用いたが、本実
施例では両端が閉じたナノチューブ４０を用い、下端部に化学修飾等により金ナノ粒子２
ｂを固定する。ナノチューブ４０を降下させてこの金ナノ粒子２ｂを試料１０に近接させ
た状態で、波長７８０ｎｍのレーザ光５０ａ、５０ｂを照射すると、金ナノ粒子２ｂは試
料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光７を発生させる。
この近接場光７のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒
子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解
能が得られ、この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別す
ることが可能になる。
【００６７】
図１６に、本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示す。試料１０はＸＹＺ
ステージ１００上に載置され、ドライバ１０１で駆動されて所望の測定位置に位置決めさ
れる。ナノチューブ４０はカンチレバー２０１に固定される。このカンチレバー２０１は
Ｚ方向に微小振動させるための圧電素子アクチュエータ２０２に固定され、さらにＸＹＺ
方向に微動走査させるＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４に固定される。波長７８０ｎ
ｍの半導体レーザ３００から出射した光は、透過率：反射率＝９６：４のビームスプリッ
タ３０２で２分割され、反射光３０３はホトダイオード等の光電変換素子３０４で受光さ
れ電気信号に変換される。この信号は、全体制御ユニット４２０に送られ、半導体レーザ
３００からの出射光の強度変動の補正に用いられる。
【００６８】
ビームスプリッタ３０２を透過した光３０１は、ビーム整形光学系３０５でビーム形状
が円形の平行光３０６に変換され、さらに偏光板３０７を透過した後、ビームスプリッタ
３１５のリング状の反射領域３１６ａで反射され、対物レンズ３２５により輪帯照明光５
０ａ、５０ｂとして、ナノチューブ４０の下端部の金ナノ粒子２ｂを斜め上方から集光し
て照射する。試料１０の表面構造と相互作用した近接場光７は、金ナノ粒子２ｂで散乱さ
れて伝搬光に変換される。この伝搬光は対物レンズ３２５で集光された後、平行光３１７
となり、ビームスプリッタ３１５の透過領域３１６ｂを透過し、結像レンズ３３０でホト
ダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０の受光面上に集光され、光電変換され
る。この検出信号は全体制御ユニット４２０に送られる。偏光板３０７は、図９に示すよ
うに、偏光軸３０８が放射状（半径方向）に形成されており、輪帯照明光５０ａ、５０ｂ
の偏光方向をナノチューブ４０の長手方向と平行になるように制御することにより、プラ
ズモンの励起効率を向上させている。
【００６９】
カンチレバー２０１の背面には、駆動回路２０７によって駆動された半導体レーザ２０
６からのレーザ光（波長４０５ｎｍ）が照射され、その反射光が４分割ポジションセンサ
２０９で受光される。図１０に示すように、試料１０の測定領域において、ナノチューブ
４０と試料表面との接触力を４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号でモニタしな
がら、カンチレバー２０１をＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４により下降させていき
（Ｚ方向走査５０１）、所定の設定接触力になった時点で下降を停止する。下降点５０２
において近接場光の測定を行った後、カンチレバー２０１を上昇させ（Ｚ方向走査５０３
）、４分割ポジションセンサ２０９からの出力信号に基づいて、ナノチューブ１が完全に
試料１０から離脱したならば、ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４によりカンチレバー
２０１を次の測定点に移動させる（Ｘ走査５０４）。
【００７０】
次の測定点において、再度カンチレバー２０１を下降させ、近接場光の測定を行う。以
上の動作を、ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４により２次元の測定領域（ＸＹ領域）
に渡って繰り返し行った後、測定を完了する。ドライバ２０５によって駆動されるＸＹＺ
圧電素子アクチュエータ２０４のＸＹＺ方向走査、ドライバ２０３によって駆動される圧
電素子アクチュエータ２０２の振動制御、ＸＹＺステージ１００による試料１０の位置決
めは、走査制御ユニット４００により統括制御され、またナノチューブ１と試料１０との
接触力の制御、及び近接場光の測定は、総て全体制御ユニット４２０により統括制御され
る。走査制御ユニット４００からＸＹＺ圧電素子アクチュエータ２０４のＸＹＺ走査信号
が、また全体制御ユニット４２０から近接場光測定信号が、各々画像形成ユニット４１０
に送られ、２次元近接場光画像及びＡＦＭ画像が生成されて、全体制御ユニット４２０を
介してディスプレイ等の出力ユニット４３０に出力される。
【００７１】
ナノチューブ−試料間接触力と近接場光の測定タイミングとの関係は、図１１に示す通
りであり第１の実施例と全く同じであるので、説明を省略する。但し、本実施例では、図
８を用いて説明した実施例のようにナノチューブ内部を経由してプラズモン励起するので
はなく、ナノチューブ４０の外部から金ナノ粒子２ｂを照明するため、試料１０表面で反
射、散乱した照明光自身が迷光として検出光に混入する恐れがある。その場合には、ドラ
イバ２０３によって圧電素子アクチュエータ２０２を駆動し、カンチレバー２０１をＺ方
向に一定周波数ｆで微小振動させ、近接場光７に強度変調をかける。一定周波数ｆの駆動
信号を参照信号として、ロックインアンプ４５０で光電変換素子３４０の検出信号から周
波数ｆの成分のみを抽出することにより、近接場光７の情報を感度よく検出することが可
能である。ロックインアンプ４５０からの出力信号は全体制御ユニット４２０に送られる
。以降の処理は前述の通りである。
【００７２】
図５（ｂ）はナノチューブ４１の下端部の形状を円錐状とした構成を示す。すなわち、
図５（ａ）にしたナノチューブ４０のように、下端部が概球形状の場合は、円筒直径２０
ｎｍよりも微細な凹凸構造への最接近が困難であるが、図５（ｂ）のように、下端部を円
錐形状とすることにより、４ｎｍ程度の微細な凹凸構造への最接近が可能となり、このオ
ーダの微細構造の２次元近接場光画像の検出が可能となる。
【００７３】
本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、
近接場光７を常に安定に発生させることができ、また近接場光の安定検出が可能となる。
その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させる
ことが可能となる。
【００７４】
［プラズモン増強近接場プローブの変形例］
本発明の第２の実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの変形例を、図６（ａ）
に基づいて説明する。図６（ａ）は、本実施例におけるプラズモン増強近接場プローブの
構成を示したものである。ナノチューブの材質は第１の実施例と同様、半導体としての性
質を持たせた多層構造カーボンナノチューブ１、あるいは絶縁体としての性質を示すボロ
ンナイトライドナノチューブ１である。また、このプローブを搭載する走査プローブ顕微
鏡の構成とその機能は、図１６に示すものと同様である。
【００７５】
本ナノチューブ１は第１の実施例と同様、両端が開放しているが、金ナノ粒子２ｂは下
端部近傍のみに充填されており、プローブ作製プロセスの簡易化が図られる。ナノチュー
ブ１を降下させて、下端部に露出した金ナノ粒子２ｂを試料１０に近接させた状態で、波
長７８０ｎｍのレーザ光５０ａ、５０ｂを照射すると、金ナノ粒子２ｂは試料１０の表面
構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光７を発生させる。この近接場光
７のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金ナノ粒子２ｂとほぼ
同じ大きさの４ｎｍとなる。すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、
この分解能で、例えば試料１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能
になる。画像検出の方法は、第２の実施例で説明した図１６に示した構成を用いた方法と
同様であるので、説明を省略する。
【００７６】
図６（ｂ）には、ナノチューブ８の下端部の形状を円錐状とした構成を示す。すなわち
、図６（ａ）に示したナノチューブ１のように、下端部が円筒形状の場合は、円筒直径２
０ｎｍよりも微細な凹凸構造への最接近が困難であるが、本実施例のように、下端部を円
錐形状とすることにより、４ｎｍ程度の微細な凹凸構造への最接近が可能となり、このオ
ーダの微細構造の２次元近接場光画像の検出が可能となる。
【００７７】
本変形例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、
近接場光７を常に安定に発生させることができ、また近接場光の安定検出が可能となる。
その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させる
ことが可能となる。
【実施例３】
【００７８】
本発明の第３の実施例を、図７及び図１７に基づいて説明する。図７は、本実施例にお
けるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチューブの材質は図
３１（ｂ）に示した実施例と同様、半導体としての性質を持たせた多層構造カーボンナノ
チューブ８、あるいは絶縁体としての性質を示すボロンナイトライドナノチューブ８であ
る。また、その構成は図３１（ｂ）に示したものとまったく同様である。
【００７９】
図１７に本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示す。光学系以外の構成と
機能は、図８に示す第１の実施例における走査プローブ顕微鏡と同様であるので、説明を
省略する。波長７８０ｎｍの半導体レーザ３００から出射した光は、透過率：反射率＝９
６：４のビームスプリッタ３０２で２分割され、反射光３０３はホトダイオード等の光電
変換素子３０４で受光され電気信号に変換される。この信号は、全体制御ユニット４２０
に送られ、半導体レーザ３００からの出射光の強度変動の補正に用いられる。
【００８０】
ビームスプリッタ３０２を透過した光３０１は、ビーム整形光学系３０５でビーム形状
が円形の平行光３０６に変換され、さらに偏光板３０７を透過した後、ビームスプリッタ
３１５のリング状の反射領域３１６ａで反射され、対物レンズ３２５により輪帯照明光５
０ａ、５０ｂとして、ナノチューブ４０の下端部の金ナノ粒子２ｂを斜め上方から集光し
て照射する。
【００８１】
図７（ａ）に示すように、試料１０の表面構造と相互作用した近接場光７は、金ナノ粒
子２ｂに表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは破線矢印６０ａ、６０ｂに示す
ように、ナノチューブ８内の金ナノ粒子２から金ナノ粒子２へと次々に伝搬していく。そ
の結果、ナノチューブ８の上端部の金ナノ粒子２ａから発したプラズモンは、結合光学系
２００内の金ウェッジ１３の先端部１３ａと相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近
接場光を発生させる。同時に、この近接場光は金ウェッジ１３の先端部１３ａで散乱され
伝搬光７０に変換される。この伝搬光７０は対物レンズ３２５で集光された後、概平行光
となり、ビームスプリッタ３１５の透過領域３１６ｂを透過し、結像レンズ３３０でホト
ダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０の受光面上に集光され、光電変換され
る。この検出信号は全体制御ユニット４２０に送られる。
【００８２】
偏光板３０７は、図９に示すように、偏光軸３０８が放射状（半径方向）に形成されて
おり、輪帯照明光５０ａ、５０ｂの偏光方向をナノチューブ４０の長手方向と平行になる
ように制御することにより、プラズモンの励起効率を向上させている。光電変換素子３４
０の直前、すなわち結合光学系２００内の金ウェッジ１３の先端部１３ａの結像位置には
、ピンホール板３５０が設置されており、金ウェッジ１３の先端部１３ａで散乱された伝
搬光のみがピンホール３５１を通過し、焦点位置のずれた試料１０表面で直接反射、散乱
した照明光５０ａ、５０ｂに起因する迷光は遮断される構成となっている。検出信号の処
理、画像生成方法は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００８３】
図３に示す第２の実施例におけるナノチューブ８と同様、下端部を円錐形状とすること
により、４ｎｍ程度の微細な凹凸構造への最接近が可能となり、このオーダの微細構造の
２次元近接場光画像の検出が可能となる。本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像
の同時取得が可能であるばかりでなく、近接場光７を常に安定に発生させることができ、
また近接場光の安定検出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上
し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００８４】
［第３の実施例の変形例］
第３の実施例の変形例を、図７（ｂ）及び図１８に基づいて説明する。図７（ｂ）は、
本変形例におけるプラズモン増強近接場プローブの構成を示したものである。ナノチュー
ブの材質は図１（ｂ）に示した第１の実施例と同様、半導体としての性質を持たせた多層
構造カーボンナノチューブ８、あるいは絶縁体としての性質を示すボロンナイトライドナ
ノチューブ８である。また、その構成は図１（ｂ）に示した第１の実施例とまったく同様
であるので説明を省略する。
【００８５】
図１８に本プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示す。光学系以外の構成と
機能は、図８に示した第１の実施例における走査プローブ顕微鏡と同様であるので、説明
を省略する。波長７８０ｎｍの半導体レーザ３００から出射した光は、透過率：反射率＝
９６：４のビームスプリッタ３０２で２分割され、反射光３０３はホトダイオード等の光
電変換素子３０４で受光され電気信号に変換される。この信号は、全体制御ユニット４２
０に送られ、半導体レーザ３００からの出射光の強度変動の補正に用いられる。
【００８６】
ビームスプリッタ３０２を透過した光３０１は、ビーム整形光学系３０５でビーム形状
が円形の平行光３０６に変換され、さらに偏光板３０７を透過した後、ビームスプリッタ
３１５のリング状の反射領域３１６ａで反射され、対物レンズ３２５により輪帯照明光８
０ａ、８０ｂとして、ナノチューブ８上端部に露出した金ナノ粒子２ａに近接させた金ウ
ェッジ１３（結合光学系２００内）を概側方から照射する。
【００８７】
金ウェッジ１３の先端部１３ａと金ナノ粒子２ａの間に励起されたプラズモン共鳴によ
り、微小なスポット光が誘起される。この微小スポット光は、ナノチューブ８上端部に露
出した金ナノ粒子２ａに表面プラズモンを励起し、この表面プラズモンは、破線矢印６ａ
及び６ｂに示すように、ナノチューブ８内の金ナノ粒子２から金ナノ粒子２へと次々に伝
搬していく。その結果、ナノチューブ８の下端部の金ナノ粒子２ｂから発したプラズモン
は、試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、微小な近接場光７を発生さ
せる。この近接場光７のスポット径は、金ナノ粒子２ｂが試料１０に最接近した時に、金
ナノ粒子２ｂとほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。
【００８８】
すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料
１０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。この近接場光７は
、試料１０の表面構造及びナノチューブ８の下端部の金ナノ粒子２ｂで散乱され、伝搬光
９０ａ及び９０ｂに変換される。この伝搬光９０ａ及び９０ｂは対物レンズ３２５で集光
された後、概平行光となり、ビームスプリッタ３１５の透過領域３１６ｂを透過し、結像
レンズ３３０でホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子３４０の受光面上に集光
され、光電変換される。この検出信号は全体制御ユニット４２０に送られる。
【００８９】
偏光板３０７は、図９に示すように、偏光軸３０８が放射状（半径方向）に形成されて
おり、金ウェッジ１３に入射した輪帯照明光８０ａ、８０ｂの偏光方向を金ウェッジ１３
の長手方向と平行になるように制御することにより、プラズモンの励起効率を向上させて
いる。光電変換素子３４０の直前、ナノチューブ８の下端部の金ナノ粒子２ｂ（概試料１
０表面と一致）の結像位置には、ピンホール板３５０が設置されており、試料１０表面か
らの４ｎｍの近接場光情報のみがピンホール３５１を通過し、焦点位置のずれた結合光学
系２００内の金ウェッジ１３の先端部１３ａや金ナノ粒子２ａからの散乱光などの迷光は
遮断される構成となっている。検出信号の処理、画像生成方法は第１の実施例と同様であ
るので、説明を省略する。本実施例では、金ウェッジ１３によりプラズモン励起させてい
るが、図４に示した三角形状金パターン２１を用いることも可能である。
【００９０】
図１（ｂ）に示した第１の実施例におけるナノチューブ８と同様、下端部を円錐形状と
することにより、４ｎｍ程度の微細な凹凸構造への最接近が可能となり、このオーダの微
細構造の２次元近接場光画像の検出が可能となる。
【００９１】
本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であるばかりでなく、
近接場光７を常に安定に発生させることができ、また近接場光の安定検出が可能となる。
その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させる
ことが可能となる。
【００９２】
[第２及び第３の実施例における変形例]
第２及び第３の実施例における変形例を、図１９に基づいて説明する。図１９は、本実
施例におけるプラズモン増強近接場プローブを搭載した走査プローブ顕微鏡の構成を示し
たものである。本実施例において、プラズモン増強近接場プローブの構成は、図５（ａ）
，（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ）に示すものと概ね同様であるが、ナノチューブ１、８、
４０、４１の下端部のナノ粒子２ｂを、これまでの実施例とは異なり、蛍光ナノ粒子６６
０を用いる点が異なる。例えば、直径４ｎｍのＣｄＳｅ（コア）／ＺｎＳ（外殻）粒子な
どが適用可能である。
【００９３】
光学系以外の構成と機能は、図８に示した第１の実施例における走査プローブ顕微鏡と
同様であるので、説明を省略する。波長３２５ｎｍのＨｄ−Ｃｄレーザ６５０から出射し
た光は、透過率：反射率＝９６：４のビームスプリッタ３０２で２分割され、反射光３０
３はホトダイオード等の光電変換素子３０４で受光され電気信号に変換される。この信号
は、全体制御ユニット４２０に送られ、Ｈｄ−Ｃｄレーザ６５０からの出射光の強度変動
の補正に用いられる。ビームスプリッタ３０２を透過した光３０１は、ビーム整形光学系
３０５でビーム形状が円形の平行光３０６に変換され、さらに偏光板３０７を透過した後
、ビームスプリッタ３１５のリング状の反射領域３１６ａで反射され、対物レンズ３２５
により輪帯照明光５０ａ、５０ｂとして、ナノチューブ１、８、４０、４１の下端部の蛍
光ナノ粒子６６０を概側方から照射する。
【００９４】
ナノチューブ１、８、４０、４１の下端部の蛍光ナノ粒子６６０から発したプラズモン
は、試料１０の表面構造と相互作用して強い共鳴現象を生じ、波長６００ｎｍ近辺の微小
な蛍光近接場光７を発生させる。この蛍光近接場光７のスポット径は、蛍光ナノ粒子６６
０が試料１０に最接近した時に、蛍光ナノ粒子６６０とほぼ同じ大きさの４ｎｍとなる。
すなわち、本プローブにより４ｎｍの光学分解能が得られ、この分解能で、例えば試料１
０の異なる反射率の領域１１及び１２を識別することが可能になる。この近接場光７は、
試料１０の表面構造及びナノチューブ１、８、４０、４１の下端部の蛍光ナノ粒子６６０
で散乱され、波長６００ｎｍ近辺の蛍光伝搬光３１７に変換される。この伝搬光３１７は
対物レンズ３２５で集光された後、概平行光となり、ビームスプリッタ３１５の透過領域
３１６ｂを透過し、結像レンズ３３０でホトダイオードや光電子増倍管等の光電変換素子
３４０の受光面上に集光され、光電変換される。この検出信号は全体制御ユニット４２０
に送られる。
【００９５】
偏光板３０７は、図１４に示すように、偏光軸３０８が放射状（半径方向）に形成され
ており、輪帯照明光５０ａ、５０ｂの偏光方向をナノチューブ１、８、４０、４１の長手
方向と平行になるように制御することにより、プラズモンの励起効率を向上させている。
光電変換素子３４０の直前には、波長６００ｎｍ±１０ｎｍの透過帯域を有する干渉フィ
ルタ３５５が設置されており、波長６００ｎｍ近辺の蛍光成分のみが抽出され、波長３２
５ｎｍの輪帯照明光５０ａ、５０ｂによる試料表面やナノチューブ自身での散乱光などが
遮断される構成となっている。
【００９６】
本実施例では、ナノメートルオーダの蛍光ナノ粒子からの蛍光近接場光だけを抽出する
ことにより、照明光自身の散乱による背景雑音を大幅に低減することが可能となり、ナノ
メートルオーダの微細構造の２次元近接場光画像の検出が可能となる。また、第１〜第１
４の実施例と同様、本実施例によれば、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能であ
るばかりでなく、近接場光７を常に安定に発生させることができ、また近接場光の安定検
出が可能となる。その結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛
躍的に向上させることが可能となる。
【００９７】
尚、上記第１〜第３の実施例では、ナノ粒子あるいはナノロッドとして金ナノ粒子ある
いは金ナノロッドを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、プラズモン励起
、プラズモン伝搬の観点から効率の良い粒子、ロッドであれば、例えば銀やアルミニウム
などのナノ粒子、ナノロッドも適用可能である。またナノチューブも、多層構造カーボン
ナノチューブやボロンナイトライドナノチューブに限定されるものではなく、ナノメート
ルオーダ径の円筒形構造もしくはそれに類するものであり、上記ナノ粒子あるいはナノロ
ッドとの組み合わせによりプラズモン励起とプラズモン伝搬に好適な材質及び構成であれ
ば、他の材質、構造でも構わない。
【実施例４】
【００９８】
本発明の第４の実施例を、図２１〜図２３に基づいて説明する。本実施例では、第１の
実施例と同様、図１（ｂ）に示すように、ナノチューブ８の下端部の形状を円錐状とした
、半導体としての性質を持たせた多層構造カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ
ｎａｎｏｔｕｂｅ）１、あるいは絶縁体としての性質を示すボロンナイトライド（Ｂ
Ｎ）ナノチューブ１の内部空洞部分に金（Ａｕ）の球形ナノ粒子２を充填しプラズモン増
強近接場プローブを構成する。プラズモン増強近接場プローブの構成法とその機能は第１
の実施例と同様であるので、説明を省略する。また、本プローブを搭載した走査プローブ
顕微鏡の構成とその機能も、第１の実施例と同様、図８に示すものと全く同様であり、ま
た試料の表面を計測する手順も図１１及び図２０に示すものと全く同様であるので、説明
を省略する。
【００９９】
図２１（ａ）は、図１（ｂ）に示すプラズモン増強近接場プローブの上端部に、波長５
３９ｎｍ、プローブの長手方向に偏光軸を有する双極子（点光源）を配置した時の、ナノ
チューブ８の下端部における近接場光７の２次元強度分布（３７ａ）とその断面プロファ
イルを、ＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  
ｍｅｔｈｏｄ）により求めたものである。ナノチューブ８は多層構造カーボンナノチュ
ーブとし、金ナノ粒子の間隔ｓ(図２（a）参照)は０とした。図２１（ｂ）に、比較のた
めに金ナノ粒子を充填しないナノチューブにおける近接場光７の２次元強度分布（３７ｂ
）とその断面プロファイルを示す。図２１（ａ）に示すように、金ナノ粒子と同じ大きさ
の直径４ｎｍの光スポットが形成されていることが判る。但し、この光スポットを詳細に
観察すると、図２１（ｂ）に示す金ナノ粒子を充填しない場合も含め、カーボンナノチュ
ーブの下端のエッジ部で電界が集中し、直径４ｎｍのドーナツ状の発光分布が生じている
ことが判る。また、図２１（a）の近接場光７の２次元強度分布（３７ａ）の状態からわ
かるように、金粒子の中心に対応する位置にもより小さなドーナツ状の発光分布が生じて
いる。これらの分布がプローブを２次元走査して画像検出する際の雑音要因、あるいはア
ーチファクトになる可能性がある。
【０１００】
一方、図２２には、同様にＦＤＴＤ法により求めた、ナノチューブ８の下端部における
２次元強度分布３８ａとその断面プロファイル（図２２（a））、下端部から０．３３３
ｎｍ離れた位置における２次元強度分布３８ｂとその断面プロファイル（図２２（ｂ））
、下端部から０．６６６ｎｍ離れた位置における２次元強度分布３８ｃとその断面プロフ
ァイル（図２２（ｃ））、及び下端部から１ｎｍ離れた位置における２次元強度分布３８
ｄとその断面プロファイル（図２２（ｄ））を示す。ナノチューブ８の下端部から離れる
に従い、ドーナツ状の発光分布が平滑化され、図２２（ｄ）の１ｎｍ離れた位置では分布
はほとんど認められないことが判る。そこで、本実施例では、ナノチューブ８を固定した
カンチレバー２０１を搭載した走査プローブ顕微鏡において（図８参照）、圧電素子アク
チュエータ２０２により、図２３に示すように、カンチレバー２０１を±０．５ｎｍの範
囲で、矢印３６で示したナノチューブ８の長手方向（Ｚ方向）に微小振動させることによ
り、図２２に示す各位置におけるドーナツ状の発光分布を平均化した状態で測定を行う。
例えば、図１１において、時間ＴＣにおける反射光強度測定時間を１ｍｓｅｃとする。図
１０に示すように、カンチレバー２０１をステップイン動作させつつ、カンチレバー２０
１を周波数１ＭＨｚ、振幅±０．５ｎｍで微小振動させた状態で、検出光学系４０００（
図８参照）の光電変換素子３４０で反射光を受光し、光電変換する。光電変換の周波数帯
域を振動周波数よりも低く、例えば１０ｋＨｚ程度にしておくことにより、図２２（a）
〜（ｄ）に示すような１nmのレンジ、すなわち±０．５ｎｍの範囲で生じるドーナツ状の
発光分布が平均化されて、安定な直径４ｎｍの光スポットが得られる。微小振動は、カン
チレバー２０１の背面に１ＭＨｚで強度変調したレーザ光を集光して、光熱変換により励
起することも可能である。また、本実施例は、上記第１〜第３の実施例と組み合わせるこ
とも可能である。
【０１０１】
本実施例によれば、第１の実施例と同様、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能
であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂと試料１０との
間でスポット径４ｎｍの近接場光７を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノ
チューブ８を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接
触した瞬間の近接場光７を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その
結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させること
が可能となる。
【実施例５】
【０１０２】
本発明の第５の実施例を、図２４に基づいて説明する。本実施例では、第１の実施例と同
様、図１（ｂ）に示すように、ナノチューブ８の下端部の形状を円錐状とした、半導体と
しての性質を持たせた多層構造カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ          
ｎａｎｏｔｕｂｅ）１、あるいは絶縁体としての性質を示すボロンナイトライド（ＢＮ）
ナノチューブ１の内部空洞部分に金（Ａｕ）の球形ナノ粒子２を充填しプラズモン増強近
接場プローブを構成する。プラズモン増強近接場プローブの構成法とその機能は第１の実
施例と同様であるので、説明を省略する。また、本プローブを搭載した走査プローブ顕微
鏡の構成とその機能も、第１の実施例と同様、図８に示すものと全く同様であり、また試
料の表面を計測する手順も図１１及び図２０に示すものと全く同様であるので、説明を省
略する。
本実施例では、図２４に示すように、ナノチューブ８の先端部８ｔを例えば  ＦＩＢ  （
Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）加工などにより、鋭角から丸形状にすることにより
、電界集中を防ぎ、安定な直径４ｎｍの光スポットを得る。本実施例は、上記第１〜第４
の実施例と組み合わせることも可能である。
【０１０３】
本実施例によれば、第１の実施例と同様、ＡＦＭ画像と近接場光画像の同時取得が可能
であるばかりでなく、ナノチューブ１の下端部に露出した金ナノ粒子２ｂと試料１０との
間でスポット径４ｎｍの近接場光７を常に安定に発生させることができ、さらにこのナノ
チューブ１を低接触力で試料１０に接触させた、すなわち金ナノ粒子２ｂが試料１０に接
触した瞬間の近接場光７を検出することにより、近接場光の安定検出が可能となる。その
結果、２次元近接場光画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させること
が可能となる。
【０１０４】
尚、上記第４〜第５の実施例では、ナノ粒子あるいはナノロッドとして金ナノ粒子ある
いは金ナノロッドを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、プラズモン励起
とプラズモン伝搬の観点から効率の良い粒子、ロッドであれば、例えば銀や白金、アルミ
ニウムなどのナノ粒子、ナノロッドも適用可能である。またナノチューブも、多層構造カ
ーボンナノチューブやボロンナイトライドナノチューブに限定されるものではなく、ナノ
メートルオーダ径の円筒形構造もしくはそれに類するものであり、上記ナノ粒子あるいは
ナノロッドとの組み合わせによりプラズモン励起とプラズモン伝搬に好適な材質及び構成
であれば、他の材質、構造でも構わない。
【０１０５】
また、上記第１〜第５の実施例では、ナノチューブの長さは測定する対象物の形状に応
じて数１０ｎｍ乃至数μｍの範囲で設定し、プラズモン励起波長は７８０ｎｍとしたが、
本発明はこれに限定されるものではなく、プラズモン励起とプラズモン伝搬の観点から、
またナノテューブを共振器として考えたときの、効率の良い長さ、波長（共振波長）を用
いることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上説明したように、本発明によれば、ＡＦＭとあわせてナノメートルオーダの光学分
解能を有する走査プローブ顕微鏡が実現できる。その結果、半導体試料の応力分布や不純
物分布などの物性情報の測定が可能になり、また異物や欠陥の分類に寄与する光学情報や
凹凸情報を測定できるので異物・欠陥分類性能が向上する。さらに、これらの測定結果を
半導体製造プロセス条件にフィードバックすることで、信頼性の高い半導体デバイスの高
歩留まり生産が可能になる。
【符号の説明】
【０１０７】
１、８、４０、４１・・・ナノチューブ    ２、２ａ、２ｂ・・・金ナノ粒子    ９・・
・金ナノロッド    １０・・・試料    １３・・・金ウェッジ    ３７ａ、３７ｂ、３８
ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ・・・近接場光の２次元強度分布    １００・・・ＸＹＺス
テージ    ２００・・・結合光学系    ２０１・・・カンチレバー    ２０２・・・圧電
素子アクチュエータ    ２０４・・・ＸＹＺ圧電素子アクチュエータ    ２０６、３００
・・・半導体レーザ    ２０７・・・駆動回路    ２０９・・・４分割ポジションセンサ
３０２、３１０、３１５・・・ビームスプリッタ    ３０４、３４０、６１２、６４１
、６４２、６４３・・・光電変換素子    ３０５・・・ビーム整形光学系    ３０７・・
・偏光板    ３２０、３２５・・・対物レンズ    ３３０・・・結像レンズ    ３５０・
・・ピンホール板    ３５５・・・干渉フィルタ    ４００・・・走査制御ユニット    
４１０・・・画像形成ユニット    ４２０・・・全体制御ユニット    ４３０・・・出力
ユニット    ６１１・・・分光器    ６２５ｒ、６２５ｇ、６２４ｂ・・・色分離フィル
タ    ６３１、６３２、６３３・・・集光レンズ    ６５０・・・Ｈｄ−Ｃｄレーザ    
６６０・・・蛍光ナノ粒子    １０００・・・ステージ部    ２０００・・・計測部    
３０００・・・照明光学系    ３１００・・・ビームモニタ光学系    ４０００・・・検
出光学系    ５０００・・・試料モニタ光学系    ５００１・・・ミラー    ５００２・
・・撮像カメラ    ６０００・・・制御部
【図１】
0005667968.tif 000002
【図２】
0005667968.tif 000003
【図３】
0005667968.tif 000004
【図４】
0005667968.tif 000005
【図５】
0005667968.tif 000006
【図６】
0005667968.tif 000007
【図７】
0005667968.tif 000008
【図８】
0005667968.tif 000009
【図９】
0005667968.tif 000010
【図１０】
0005667968.tif 000011
【図１１】
0005667968.tif 000012
【図１２】
0005667968.tif 000013
【図１３】
0005667968.tif 000014
【図１４】
0005667968.tif 000015
【図１５】
0005667968.tif 000016
【図１６】
0005667968.tif 000017
【図１７】
0005667968.tif 000018
【図１８】
0005667968.tif 000019
【図１９】
0005667968.tif 000020
【図２０】
0005667968.tif 000021
【図２１】
0005667968.tif 000022
【図２２】
0005667968.tif 000023
【図２３】
0005667968.tif 000024
【図２４】
0005667968.tif 000025