(57)【要約】  本発明は、近接場走査顕微鏡において、試料表面層の屈折率分布あるいは誘電率分布に依存した近接場光画像のコントラストを向上させ、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させるものであって、検査対象試料上を相対的に走査する測定探針と、前記測定探針にレーザ光を照射するレーザ光照射系と、レーザ光の一部を取り出して参照光とする参照光生成系と、レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で発生した近接場光の散乱光と前記参照光とを干渉させて干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を検出する検出器とを備えた走査プローブ顕微鏡を提供する。
2015033681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象試料上を相対的に走査する測定探針と、
前記測定探針にレーザ光を照射するレーザ光照射系と、
前記レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で発生した近接場光の散乱光と前記測定探針から散乱した参照光とを干渉させて干渉光を生成する干渉光学系と、
前記干渉光を検出する検出器とを備えた走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記測定探針を前記レーザ光を透過するチップに固定し、前記チップを透過したレーザ光を参照光として、前記近接場光の前記散乱光と干渉させる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】
前記レーザ光は、その一部が試料を透過する波長を有する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４】
前記探針をプラズモンが伝搬する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】
前記参照光生成系は、前記探針を固定する部材である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６】
前記近接場光の散乱光と前記参照光との相対的な位相差を変える手段を有する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７】
前記位相差を変える手段は、前記参照光生成系において参照光の位相を変化させることを特徴とする請求項６記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記位相差を変える手段は、前記近接場光の前記散乱光と前記測定探針から散乱した参照光の中から、特定の位相差をもつ偏光成分を選択的に取り出すことを特徴とする請求項６記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項９】
測定探針を検査対象試料に対して相対的に走査し、
レーザ光を前記測定探針に照射し、
前記レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で近接場光を発生させ、
前記近接場光の散乱光と前記測定探針から散乱した前記レーザー光の一部である参照光とを干渉させて干渉光を発生させ、
前記干渉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１０】
前記参照光は前記測定探針を固定するチップを透過した前記レーザ光であることを特徴とする請求項９記載の試料の観察方法。
【請求項１１】
前記レーザ光は、その一部が試料を透過する波長を有することを特徴とする請求項９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１２】
前記探針にプラズモンを伝搬させることを特徴とする請求項９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１３】
前記参照光は、前記探針を固定する部材から生成されることを特徴とする請求項９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１４】
前記近接場光の散乱光と前記参照光との相対的な位相差を変えることを特徴とする請求項９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１５】
前記位相差を変える手段は、前記参照光生成系において参照光の位相を変化させることを特徴とする請求項１４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１６】
前記位相差を変える手段は、前記近接場光の前記散乱光と前記測定探針から散乱した参照光の中から、特定の位相差をもつ偏光成分を選択的に取り出すことを特徴とする請求項１４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】
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  Ｏｐｔｉｃａｌ  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。【０００３】
また、特許文献１には、散乱プローブの別形態として、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。【０００４】
また、特許文献２には、同様に散乱プローブの別形態として、カーボンナノチューブ内部にフォトルミネセンス、エレクトロルミネセンスを発現するＶ、Ｙ、Ｔａ、Ｓｂ等の金属カーバイトや、ＺｎＳ蛍光体、ＣａＳ蛍光体を充填し、微小スポット光を得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】特表２００６−５１５６８２号公報
【特許文献２】特開２００２−２６７５９０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【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）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した近接場走査顕微鏡では、測定探針と検査対象試料との間に発生した近接場光が測定探針と相互作用して散乱光（伝搬光）が生じ、この散乱光を検出することで、実効的に試料表面の屈折率分布や誘電率分布の情報を含んだ近接場光画像を得ていた。すなわち、屈折率あるいは誘電率の局所的な差が近接場光画像のコントラストを決定していた。しかし、上記した近接場走査顕微鏡では、以下のような問題が生じていた。すなわち、表面反射率の小さい、あるいは屈折率差もしくは誘電率差の小さい試料の場合には、近接場光画像のコントラストが著しく低下し、特定のパターンの形状（反射率分布）といった所望の情報を得ることが困難になっていた。特に、屈折率の分布が可視光において１．３〜１．４程度の範囲に含まれる生体細胞の場合には、近接場光画像のコントラストが大きく低下し、細胞膜表面のイオンチャネルや蛋白質といった各サイトの形状・材質を判別することが困難になっていた。【０００８】
そこで、本発明の目的は、近接場走査顕微鏡において、試料表面層の屈折率分布あるいは誘電率分布に依存した近接場光画像のコントラストを向上させ、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、検査対象試料上を相対的に走査する測定探針と、前記測定探針にレーザ光を照射するレーザ光照射系と、前記レーザ光の一部を取り出して参照光とする参照光生成系と、レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で発生した近接場光の散乱光と前記参照光とを干渉させて干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を検出する検出器とを備えた走査プローブ顕微鏡を提供する。【００１０】
また、他の観点における本発明は、測定探針を検査対象試料に対して相対的に走査し、レーザ光を前記測定探針に照射し、前記レーザ光の一部と取り出して参照光とし、レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で近接場光を発生させ、前記近接場光と前記参照光とを干渉させて干渉光を発生させ、前記干渉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を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、近接場走査顕微鏡を表面反射率の小さい、あるいは屈折率差や誘電率差の小さい試料の計測に適用した際に、近接場光画像のコントラストを向上させ、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１及び２におけるＳｉカンチレバー搭載金コートＳｉチップと、チップ先端に固定した探針の斜視図である。
【図２】本発明の実施例１及び２における探針の構造を示す正面図である。
【図３】本発明の実施例１及び２における金コートＳｉチップと、チップ先端に固定した探針を示す側面図である。
【図４】本発明の実施例１及び２における金コートＳｉチップと、チップ先端に固定した探針の変形例を示す側面図である。
【図５】本発明の実施例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６】本発明の実施例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７】本発明の実施例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８】（ａ）は本発明の実施例３における走査プローブ顕微鏡で得られたＳｉドットパターンの近接場干渉光の像を示す画像で、二つの散乱光７及び１２の間の位相差が０の場合の近接場干渉光画像ある。（ｂ）は本発明の実施例３における走査プローブ顕微鏡で得られたＳｉドットパターンの近接場干渉光の像を示す画像で、二つの散乱光７及び１２の間の位相差がπの場合の近接場干渉光画像である。
【図９】本発明の実施例４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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、近接場走査顕微鏡において、試料表面層の屈折率分布あるいは誘電率分布に依存した近接場光画像のコントラストを向上させ、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させるものであって、検査対象試料上を相対的に走査する測定探針と、前記測定探針にレーザ光を照射するレーザ光照射系と、レーザ光の一部を取り出して参照光とする参照光生成系と、レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で発生した近接場光の散乱光と前記参照光とを干渉させて干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を検出する検出器とを備えた走査プローブ顕微鏡を提供するものである。
【００１４】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の第１の実施例を、図１、図２、図３、及び図５に基づいて説明する。図１は第１の実施例におけるシリコン（Ｓｉ）カンチレバー搭載金コートＳｉチップと、チップ先端に固定した探針の斜視図である。Ｓｉカンチレバー４の先端には金薄膜３がコーティングされた三角錐状のＳｉチップ２が固定され、さらにＳｉチップ２の先端にはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ）探針１が固定されている。【００１６】
ここで、チップ２の材料はＳｉに限らず、特定の波長のレーザ光を透過する材料であれば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などであってもよい。また、金薄膜３は膜厚に応じてレーザ光を透過または遮光する金属材料であれば他の材料の膜であってもよく、例えば、アルミ、銀の膜であってもよい。【００１７】
図２にＣＮＴ探針１の構造の一例を示す。ＣＮＴ探針１は、長さ２〜３ｍ、外径がφ２０ｎｍ、内径φ４ｎｍで、先端がφ４ｎｍ程度に先鋭化された多層ＣＮＴを母体とし、内部にφ４ｎｍの金ナノ粒子１０が充填されている。充填材は金ナノ粒子に限定されることは無い。用いるレーザ光の波長に応じて、例えば近赤外光に対しては金ナノ粒子、可視光に対しては銀ナノ粒子、紫外光に対してはＡｌナノ粒子を用いることができる。また、ナノ粒子ではなく、棒状又は針状のナノロッドでも構わない。また、ＣＮＴ先端のみの充填、あるいは近接場光の発生効率が低くても問題ない場合は、充填材無しでも構わない。【００１８】
図３に示すように、このＣＮＴ探針１は、金コートＳｉチップ２の稜線上に、電子ビーム選択ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成された３個の金ドット１５をバインダとして溶融固着される。ドット１５は金に限定されず、カーボン、タングステンでも構わない。ＣＮＴ探針１は、金コートＳｉチップ２の先端から２００〜３００ｎｍ突出している。【００１９】
図１に示すように、Ｓｉカンチレバー４の背面から例えば試料２０を透過する波長８５０ｎｍの近赤外励起用レーザ光５ａを、金コートＳｉチップ２の稜線上に集光して照射すると、図３に示すように、金薄膜３の稜線上に表面プラズモン８が励起される。この表面プラズモンはＣＮＴ探針１及び内部の金ナノ粒子１０に沿って伝搬し、ＣＮＴ探針１の先端に電界集中することで、ＣＮＴ探針１の先端に先端径とほぼ同じ大きさの近接場光６が生じる。一方、励起用レーザ光５ａの一部は金コートＳｉチップ２の先端部からその一部１１が漏れ、散乱光（伝搬光）１２が発生する。【００２０】
図２に示すように、レーザ光の波長を試料を透過する波長としたため、近接場光６は試料２０の表面層（近接場光６のスポットサイズ４ｎｍと同程度のナノ領域深さ）及びＣＮＴ探針１自身と相互作用し、散乱光（伝搬光）７が生じる。散乱光７の強度は、試料２０を構成する領域２１の屈折率ｎ０と領域２２の屈折率ｎ１の大小関係に応じて変化し、これがＣＮＴ探針を走査することで得られる近接場光画像のコントラストとなる。従来の近接場走査顕微鏡はこの散乱光７を検出していたため、例えば、屈折率ｎ０と屈折率ｎ１の差が小さい場合は、コントラストが著しく低下していた。例えば、大気中にてｎ０＝１．３、ｎ１＝１．４の場合（屈折率差：０．１）、コントラストは約２４％となる。【００２１】
本実施例では、これに対し、図３に示すように、金コートＳｉチップ２の先端から漏れた散乱光１２を参照光とし、近接場光６と試料２０の表面層（近接場光６のスポットサイズ４ｎｍと同程度のナノ領域深さ）及びＣＮＴ探針１自身との相互作用によって生じた散乱光７を測定光として、両者を干渉させ、その干渉強度の変化から、試料２０の表面層の屈折率分布あるいは誘電率分布を位相分布として検出する。これにより、微弱な屈折率分布あるいは誘電率分布を高いコントラストでイメージングでき、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。例えば、波長８５０ｎｍのレーザ光で、０．０１程度の屈折率の差を、干渉強度の変化として容易に検出することができる。【００２２】
図５に、この原理に基づく本実施例に係る走査プローブ顕微鏡２００の構成を示す。走査プローブ顕微鏡２００は、試料２０を搭載する試料ホルダ２５と、それを載置して試料２０をＸＹ方向に走査するＸＹ圧電素子ステージ３０と、先端に試料２０上を走査するＣＮＴ探針１を固定した金コートＳｉチップ２を搭載したＳｉカンチレバー４と、Ｓｉカンチレバー４をＺ方向に微小振動させる圧電素子アクチュエータ３４と、Ｓｉカンチレバー４をＺ方向に走査するＺ圧電素子ステージ３３と、カンチレバー４のたわみを検知することでＣＮＴ探針と試料との接触力を検知する光てこ検出系１００と、近赤外半導体レーザを光源とし波長８５０ｎｍの励起用レーザ光５ａをＳｉカンチレバー４の背面を介してＣＮＴ探針１に照射する励起用レーザ光照射系５０と、干渉光を集光し光電変換する干渉光検出系１１０と、干渉光検出系１１０で検出して得られた干渉信号とＸＹ圧電素子ステージ３０及びＺ圧電素子ステージ３３のＸＹＺ変位信号から近接場干渉光画像と表面凹凸画像を生成し出力する信号処理・制御系１２０とを備えて構成される。ＸＹ圧電素子ステージ３０とＺ圧電素子ステージ３３によってＣＮＴ探針１を試料２０に対して相対的に走査する駆動部が構成される。【００２３】
光てこ検出系１００では、半導体レーザ３５からのレーザ光３６をカンチレバー４の背面に照射し、その反射光を４分割センサ３７で受光し、反射光の位置変化からカンチレバー４のたわみ量を検出し、さらに検出したカンチレバー４のたわみ量からＣＮＴ探針１と試料２０との接触力を検知して、常に接触力が予め設定した値となるように、信号処理・制御系１２０の制御部８０でＺ圧電素子ステージ３３をフィードバック制御する。【００２４】
ＣＮＴ探針１は、発振器６０からの信号に基づいて圧電素子アクチュエータ３４によりカンチレバー４の共振周波数でＺ方向に微小振動されるので、発生する近接場光６、散乱光７、及び散乱光１２も同じ周波数で強度変調される。二つの散乱光７及び１２は、干渉光検出系１１０の解像度以下の数百ｎｍ程度離れた２点から出射するので、ほぼ同一の光路を通ることで干渉して干渉光４０となり、集光レンズ４１により光電子増倍管やホトダイオード等の検出器４２の受光面４３上の１点に集光し、光電変換される。【００２５】
尚、図１において、Ｓｉカンチレバー４上に照射される励起用レーザ光５ａのビーム位置をｘ方向（図３において、紙面と垂直方向）またはｙ方向（図３の左右方向）に（レーザ光の1波長程度）微動させることで、参照光として機能する散乱光１２の位相を変化させ、干渉光のコントラストを最大となるように調整することができる。また、Ｓｉチップにコートする金薄膜の膜厚を制御することで、散乱光１２の強度を変化させ、同様に干渉光のコントラストを制御することができる。【００２６】
本実施例では、金薄膜３の膜厚は１０〜７０ｎｍとした。これにより、金コートＳｉチップ２の先端から散乱光１２が漏れるようになり、散乱光７と干渉させることができる。さらに、二つの散乱光７及び１２はほぼ同一の光路を通るので、振動や空気の擾乱といった外乱が生じても、その影響は相殺され、極めて安定な干渉光が得られる。【００２７】
検出器４２から出力される強度変調された干渉信号は信号処理・制御系１２０のロックインアンプ７０で同期検波され、この周波数成分のみが出力される。励起用レーザ光５ａによって、試料２０の表面で直接散乱した背景散乱光は、カンチレバー４の微小振動には反応せず直流成分であるので、ロックインアンプ７０の出力信号には含まれない。これにより、背景雑音を抑圧して近接場干渉光成分のみを選択的に検出することができる。また、共振周波数の２倍波、３倍波といった高調波成分を検出することで、さらに信号ＳＮ比を向上させることができる。【００２８】
ロックインアンプ７０からの干渉信号は信号処理・制御系１２０の制御部８０に送られ、ＸＹ圧電素子ステージ３０からのＸＹ信号と組み合わせられて近接場干渉光画像が生成され、ディスプレイ９０に出力される。同時に、Ｚ圧電素子ステージ３３からのＺ信号も制御部８０でＸＹ信号と組み合わせられて試料表面の凹凸画像が生成され、ディスプレイ９０に出力される。【００２９】
本実施例によれば、前述の通り、金コートＳｉチップ２先端からの散乱光１２を参照光とし、ＣＮＴ探針１先端の近接場光６の散乱光７と干渉させ、その干渉強度の変化から、試料２の表面層の屈折率分布あるいは誘電率分布を位相分布として検出する。これにより、表面反射率の小さい、あるいは微弱な屈折率分布もしくは微弱な誘電率分布をもつ試料を高いコントラストでイメージングでき、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。【００３０】
[励起用レーザ光照射系５０の変形例１]  
本実施例の励起用レーザ光照射系５０の変形例を、図４に基づいて説明する。本変形例では、励起用レーザ光５ｂをＳｉカンチレバー４の背面から金コートＳｉチップ２内部を経由して、Ｓｉチップ稜線に照射するのではなく、例えばＳｉカンチレバー４の斜め前方から照射し、金コートＳｉチップ２の先端部で散乱光１２を、ＣＮＴ探針１の先端で近接場光６、さらに散乱光７を生成し、両者を干渉させる。走査プローブ顕微鏡の構成と機能は図５に示すと同様であるので、説明を省略する。尚、図４において、励起用レーザ光５ｂの入射角度を、紙面と垂直方向に変えることで、参照光として機能する散乱光１２の位相を変化させ、干渉光のコントラストを最大となるように調整することができる。【００３１】
本変形例では、金コートＳｉチップ２の先端部で散乱光１２を、ＣＮＴ探針１の先端で近接場光６、さらに散乱光７を生成するため、レーザ光のスポット径をＳｉチップ２の先端部とＣＮＴ探針１の先端とを同時に照射できる大きさにした。即ち、ＣＮＴ探針１がＳｉチップ２からはみ出た部分の長さよりもレーザ光のスポット径を大きくした。【００３２】
本変形例によれば、金コートＳｉチップ２先端からの散乱光１２を参照光とし、ＣＮＴ探針１の先端の近接場光６の散乱光７と干渉させ、その干渉強度の変化から、試料２の表面層の屈折率分布あるいは誘電率分布を位相分布として検出する。これにより、表面反射率の小さい、あるいは微弱な屈折率分布もしくは微弱な誘電率分布をもつ試料を高いコントラストでイメージングでき、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。【００３３】
また、本変形例では、実施例１とは異なり、金コートＳｉチップ２を透過しない波長のレーザ光を使用することができる。【００３４】
尚、上記の実施例１及び変形例１では、励起用レーザ光として試料２０を透過する波長８５０ｎｍの近赤外レーザ光５ａを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、近接場光６のスポットサイズ４ｎｍと同程度のナノ領域深さに浸透できるのではあれば、他の波長のレーザ光を用いることも可能である。
【実施例２】
【００３５】
本発明の第２の実施例に係る走査プローブ顕微鏡２１０を、図６に基づいて説明する。第１の実施例の走査プローブ顕微鏡２００では、ＣＮＴ探針１の先端の近接場光６により試料２０表面層で発生した散乱光のうち、試料２０の表面よりも上方に散乱した散乱光を検出していた。これに対して、本実施例に係る走査プローブ顕微鏡２１０では、ＣＮＴ探針１の先端の近接場光６により試料２０表面層で発生した散乱光のうち、試料２０を透過した散乱光を検出するように構成した。【００３６】
すなわち、本実施例に係る走査プローブ顕微鏡２１０では、近接場光６により試料２０表面層で発生した散乱光のうち、試料２０を透過した散乱光成分７と金コートＳｉチップ２先端からの散乱光のうち、試料２０を透過した散乱光成分１２を干渉させて検出するように構成した。【００３７】
本実施例に係る走査プローブ顕微鏡２１０では、二つの散乱光７及び１２は、検出光学系１１０の解像度以下の数百ｎｍ程度離れた２点から出射し、透明な試料ホルダ２６を透過してほぼ同一の光路を通ることで干渉して干渉光４０となり、集光レンズ４１により光電子増倍管やホトダイオード等の検出器４２の受光面４３上の１点に集光して、光電変換される。励起用レーザ光照射系５０の変形例１も、この実施例に組み込むことが可能である。【００３８】
試料ホルダ２６を載置して試料２０をＸＹ方向に走査するＸＹ圧電素子ステージ３１は、透過散乱光を通過させるため、中央に穴３１１が開いた構造となっている。その他の励起用レーザ光照射系５０、光てこ検出系１００、信号処理・制御系１２０の構成とその機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。【００３９】
本実施例において、二つの散乱光７及び１２はほぼ同一の光路を通るので、振動や空気の擾乱といった外乱が生じても、その影響は相殺され、極めて安定な干渉光が得られる。【００４０】
本実施例によれば、第１の実施例と同様、金コートＳｉチップ２先端からの散乱光１２を参照光とし、ＣＮＴ探針１先端の近接場光６の散乱光７と干渉させ、その干渉強度の変化から、試料２の表面層の屈折率分布あるいは誘電率分布を位相分布として検出する。これにより、表面反射率の小さい、あるいは微弱な屈折率分布もしくは微弱な誘電率分布をもつ試料を高いコントラストでイメージングでき、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。【００４１】
また、本実施例によれば、ＳｉカンチレバーやＸＹ圧電素子ステージ３０、Ｚ圧電素子ステージ３３によって干渉光がさえぎられないため、検出立体角を大きくとれ、実施例１より高いコントラストでイメージングでき、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。
【実施例３】
【００４２】
本発明の第３の実施例に係る走査プローブ顕微鏡２２０を、図７及び図８に基づいて説明する。励起用レーザ光照射系５０、光てこ検出系１００、干渉光検出系１１０、信号処理・制御系１２０の構成とその機能、及び効果は第１の実施例に係る走査プローブ顕微鏡２００と同様であるので、説明を省略する。また、励起用レーザ光照射系５０については、図４に示す変形例１を適用することも可能である。【００４３】
第１の実施例に係る走査プローブ顕微鏡２００では、Ｓｉカンチレバー４上に照射される励起用レーザ光５ａのビーム位置をｘ方向（図３において、紙面と垂直方向）またはｙ方向（図３の左右方向）に（レーザ光の1波長程度）微動させることで、参照光として機能する散乱光１２の位相を変化させ、干渉光のコントラストを最大となるように調整することができるようにした。【００４４】
これに対し、本実施例に係る走査プローブ顕微鏡２２０では、図７に示すように、干渉光検出系１１０の集光レンズ４１の直前あるいは直後に偏光子５１を配置する。第１の実施例と同様、干渉光検出系１１１において、金コートＳｉチップ２の先端から漏れた散乱光１２を参照光とし、近接場光６と試料２０の表面層（近接場光６のスポットサイズ４ｎｍと同程度のナノ領域深さ）及びＣＮＴ探針１自身との相互作用によって生じた散乱光７を測定光として、両者を干渉させることにより干渉光４０が得られる。ここで、偏光子５１を回転させることにより、二つの散乱光７及び１２の中から、特定の位相差をもつ偏光成分を選択的に取り出し、近接場干渉光画像のコントラストを最大となるように調整することができるようにした。【００４５】
図８に、本実施例に係る走査プローブ顕微鏡２２０で、波長８５０ｎｍの励起用レーザ光５ａを用い、偏光子５１を回転させて、近接場干渉光画像のコントラストを変化させた例を示す。測定試料２０は、基板上に形成された直径３０ｎｍ、高さ３０ｎｍ、配列ピッチ５０ｎｍのＳｉドットパターンである。図８（ａ）は二つの散乱光７及び１２の間の位相差が０の場合の近接場干渉光画像、同図（ｂ）は二つの散乱光７及び１２の間の位相差がπの場合の近接場干渉光画像である。画像のコントラストが共に最大でかつ完全に反転していることが判る。【００４６】
この近接場干渉光画像より、本実施例の方法により、金コートＳｉチップ２の先端から漏れた散乱光１２が参照光として、近接場光６と試料２０の表面層（近接場光６のスポットサイズ４ｎｍと同程度のナノ領域深さ）及びＣＮＴ探針１自身との相互作用によって生じた散乱光７が測定光として正しく機能し、両者が干渉して干渉光４０が得られていることが実証された。さらに、偏光子５１を回転させることにより、二つの散乱光の間の位相差を相対的に変化させることで、近接場干渉光画像のコントラストを自由に制御でき、最大コントラストを得ることが可能になることも実証された。【００４７】
本実施例において、二つの散乱光７及び１２はほぼ同一の光路を通るので、振動や空気の擾乱といった外乱が生じても、その影響は相殺され、極めて安定な干渉光が得られる。【００４８】
本実施例によれば、前述の通り、金コートＳｉチップ２先端からの散乱光１２を参照光とし、ＣＮＴ探針１先端の近接場光６の散乱光７と干渉させ、その干渉強度の変化から、試料２の表面層の屈折率分布あるいは誘電率分布を位相分布として検出する。これにより、表面反射率の小さい、あるいは微弱な屈折率分布もしくは微弱な誘電率分布をもつ試料を高いコントラストでイメージングでき、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。
【実施例４】
【００４９】
本発明の第４の実施例に係る走査プローブ顕微鏡２３０を、図９に基づいて説明する。本実施例に係る走査プローブ顕微鏡２３０の励起用レーザ光照射系５０、光てこ検出系１００、干渉光検出系１１０、信号処理・制御系１２０の構成とその機能、及び効果は第２の実施例に係る走査プローブ顕微鏡２１０と同様であるので、説明を省略する。また、励起用レーザ光照射系５０については、図４に示す実施例１の変形例１を適用することも可能である。【００５０】
本実施例では、第３の実施例に係る走査プローブ顕微鏡２２０と同様、干渉光検出系１１０の集光レンズ４１の直前あるいは直後に偏光子５１を配置し、偏光子５１を回転させることにより、二つの散乱光７及び１２の中から、特定の位相差をもつ偏光成分を選択的に取り出し、近接場干渉光画像のコントラストを最大となるように調整することができる。【００５１】
本実施例に係る走査プローブ顕微鏡２３０において、二つの散乱光７及び１２はほぼ同一の光路を通るので、振動や空気の擾乱といった外乱が生じても、その影響は相殺され、極めて安定な干渉光が得られる。【００５２】
本実施例によれば、前述の通り、金コートＳｉチップ２先端からの散乱光１２を参照光とし、ＣＮＴ探針１先端の近接場光６の散乱光７と干渉させ、その干渉強度の変化から、試料２の表面層の屈折率分布あるいは誘電率分布を位相分布として検出する。これにより、表面反射率の小さい、あるいは微弱な屈折率分布もしくは微弱な誘電率分布をもつ試料を高いコントラストでイメージングでき、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。【００５３】
また、本実施例によれば、ＳｉカンチレバーやＸＹ圧電素子ステージ３０、Ｚ圧電素子ステージ３３によって干渉光がさえぎられないため、検出立体角を大きくとれ、実施例１より高いコントラストでイメージングでき、近接場光画像のＳＮ比及び測定再現性を向上させることができる。【００５４】
尚、上記の総ての実施例では励起用レーザ光５ａ、５ｂはいずれも単色光としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、赤、緑、青の３波長のレーザ光を用いてカラー近接場イメージングを行うことも可能である。また、白色レーザ光と分光器を用いて近接場分光計測することも可能であるし、励起用レーザ光と同一の波長ではなく、例えばラマンシフトした波長を検出する近接場ラマン分光計測することも可能である。また、探針はＣＮＴ探針に限定されるものではなく、カーボンナノファイバやその他の金属探針、Ｓｉ探針でも構わない。さらに、上記励起用レーザ光に可視光や紫外光を使用する場合は、カンチレバーとチップはＳｉ３Ｎ４やＳｉＯ２に変更することも可能である。【００５５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５６】
１・・・ＣＮＴ探針
２・・・金コートＳｉチップ
３・・・金薄膜
４・・・Ｓｉカンチレバー
５ａ、５ｂ・・・例起用レーザ光
６・・・近接場光
７、１２・・・散乱光（伝搬光）
８・・・表面プラズモン
１０・・・金ナノ粒子
２０・・・試料
２５、２６・・・試料ホルダ
３０、３１・・・ＸＹ圧電素子ステージ
３３・・・Ｚ圧電素子ステージ
４０・・・干渉光
４１・・・集光レンズ
４２・・・検出器
４３・・・圧電素子アクチュエータ
５０・・・励起用レーザ光照射系
５１・・・偏光子
６０・・・発振器
７０・・・ロックインアンプ
８０・・・制御部
９０・・・ディスプレイ
１００・・・光てこ検出系
１１０、１１１・・・干渉光検出系
１２０・・・信号処理・制御系
２００，２１０，２２０，２３０・・・走査プローブ顕微鏡。
【図１】
2015033681.tif 000003
【図２】
2015033681.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年12月2日(2015.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象試料上を相対的に走査する測定探針と、
前記測定探針にレーザ光を照射するレーザ光照射系と、
前記レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で発生した近接場光の散乱光と前記測定探針から散乱した参照光とを干渉させて干渉光を生成する干渉光生成系と、
前記干渉光を検出する検出器とを備えた走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記測定探針を前記レーザ光を透過するチップに固定し、前記チップを透過したレーザ光を参照光として、前記近接場光の前記散乱光と干渉させる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】
前記レーザ光は、その一部が試料を透過する波長を有する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４】
前記探針をプラズモンが伝搬する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】
前記干渉光生成系は、前記探針を固定する部材である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６】
前記近接場光の散乱光と前記参照光との相対的な位相差を変える手段を有する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７】
前記位相差を変える手段は、前記干渉光生成系において参照光の位相を変化させることを特徴とする請求項６記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記位相差を変える手段は、前記近接場光の前記散乱光と前記測定探針から散乱した参照光の中から、特定の位相差をもつ偏光成分を選択的に取り出すことを特徴とする請求項６記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項９】
測定探針を検査対象試料に対して相対的に走査し、
レーザ光を前記測定探針に照射し、
前記レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で近接場光を発生させ、
前記近接場光の散乱光と前記測定探針から散乱した前記レーザ光の一部である参照光とを干渉させて干渉光を発生させ、
前記干渉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１０】
前記参照光は前記測定探針を固定するチップを透過した前記レーザ光であることを特徴とする請求項９記載の試料の観察方法。
【請求項１１】
前記レーザ光は、その一部が試料を透過する波長を有することを特徴とする請求項９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１２】
前記探針にプラズモンを伝搬させることを特徴とする請求項９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１３】
前記参照光は、前記探針を固定する部材から生成されることを特徴とする請求項９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１４】
前記近接場光の散乱光と前記参照光との相対的な位相差を変えることを特徴とする請求項９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１５】
前記位相差を変える手段は、前記参照光生成系において参照光の位相を変化させることを特徴とする請求項１４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１６】
前記位相差を変える手段は、前記近接場光の前記散乱光と前記測定探針から散乱した参照光の中から、特定の位相差をもつ偏光成分を選択的に取り出すことを特徴とする請求項１４記載の走査プローブ顕微鏡を用いた試料の観察方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、検査対象試料上を相対的に走査する測定探針と、前記測定探針にレーザ光を照射するレーザ光照射系と、前記レーザ光の一部を取り出して参照光とする参照光生成系と、レーザ光の照射により前記測定探針と前記検査対象試料との間で発生した近接場光の散乱光と前記参照光とを干渉させて干渉光を生成する干渉光生成系と、前記干渉光を検出する検出器とを備えた走査プローブ顕微鏡を提供する。
【国際調査報告】
2015033681.tif 000012
2015033681.tif 000013
2015033681.tif 000014
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