(57)【要約】【課題】先鋭な探針点により高精度のＡＦＭ測定が可能で、探針点近傍に光導入手段を設けて光相互作用の測定が可能なカンチレバーを開発する。【解決手段】本発明に係る透光孔付きカンチレバー２は、一端を支持されるカンチレバー部４と、このカンチレバー部４から空洞部１０を有して突設された透光性材料で形成される壁体状突出部６と、この壁体状突出部６の先端に先鋭に形成された探針点８と、この探針点８を含んだ微小領域を除くように壁体状突出部の内壁面６ａ又は／及び外壁面６ｂに形成された不透光性被膜２０とから構成され、前記探針点８を含む微小領域が光を透過させる透光孔１２として機能することを特徴とする。探針点８を有するから高精度のＡＦＭ測定が可能であり、探針点８を含む微小領域を光透過性の透光孔１２としたから、探針点８の極近傍に光照射して近接場Ｓを形成し、ＡＦＭ測定と近接場測定を可能にできる。【選択図】　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端を支持されるカンチレバー部と、このカンチレバー部から空洞部を有して突設された透光性材料で形成される壁体状突出部と、この壁体状突出部の先端に先鋭に形成された探針点と、この探針点を含んだ微小領域を除くように壁体状突出部の内壁面又は／及び外壁面に形成された不透光性被膜とから構成され、前記探針点を含む微小領域が光を透過させる透光孔として機能することを特徴とする透光孔付きカンチレバー。
【請求項２】
少なくとも前記透光孔の領域を被覆するように壁体状突出部の外壁面に金属薄膜を形成し、この金属薄膜の膜厚は光に対して透過性を有するように調整される請求項１に記載の透光孔付きカンチレバー。
【請求項３】
前記壁体状突出部に形成された透光孔の領域に内壁面側から壁体状突出部の内部に到る導光用凹所を穿設した請求項１に記載の透光孔付きカンチレバー。
【請求項４】
一端を支持されるカンチレバー部と、このカンチレバー部から空洞部を有して突設された透光性材料で形成される壁体状突出部と、この壁体状突出部の先端に先鋭に形成された探針点を有するカンチレバーにおいて、前記壁体状突出部の内壁面に不透光性被膜を形成し、内壁面の最深部にある内奥点を含む微小領域に高エネルギービームを照射してこの微小領域の不透光性被膜を除去し、この微小領域から前記探針点に到る道筋を光が透過する透光孔に形成することを特徴とする透光孔付きカンチレバーの製造方法。
【請求項５】
前記微小領域の不透光性被膜を除去する前又は後において、壁体状突出部の外壁面の少なくとも探針点を含む領域に光透過性の膜厚を有した金属薄膜を形成する請求項４に記載の透光孔付きカンチレバーの製造方法。
【請求項６】
前記微小領域の不透光性被膜を除去する工程において、前記壁体状突出部に形成される透光孔の領域に内壁面側から壁体状突出部の内部に到る導光用凹所を前記高エネルギービームにより穿設する請求項４に記載の透光孔付きカンチレバーの製造方法。
【請求項７】
請求項１、２又は３に記載の透光孔付きカンチレバーを使用し、前記探針点を試料表面に接近又は接触させ、空洞部側から光を導入して透光孔を介して試料表面に光を局所的に照射し、試料から生じる２次ビームを測定することを特徴とするビーム測定方法。
【請求項８】
集光光学系により前記空洞部側に光を導入する請求項７に記載のビーム測定方法。
【請求項９】
請求項１、２又は３に記載の透光孔付きカンチレバーを使用し、前記探針点を試料表面に接近又は接触させ、探針点近傍の試料表面に１次ビームを到達させ、この試料から放射される二次放射光を前記透光孔を透過させて空洞部側で測定することを特徴とする透光孔付きカンチレバーを用いたビーム測定方法。
【請求項１０】
前記透光孔を透過して空洞部側に放出された放射光を集光光学系により採光して測定する請求項９に記載のビーム測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーに関し、更に詳細には、カンチレバーの突出部の先鋭端を探針点とし、この探針点を含む微小領域を光透過性材料からなる透光孔として機能させることによって、試料表面に光相互作用を生起させながら探針点で試料表面を測定することができる透光孔付きカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料表面の原子レベルの起伏を観察したり物性を測定するために、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　ＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅでＡＦＭと略称する）に代表される走査型プローブ顕微鏡が試料表面の形状や物性測定に使用されている。
【０００３】
この走査型プローブ顕微鏡の多くは、カンチレバーと呼ばれる探針を試料表面に極微接近させたり接触させることによって、試料の表面情報を検出するものである。従って、探針となるカンチレバーの構造が測定精度や測定される物性量と強い相関性を有している。
【０００４】
カンチレバーは、文字通りいわゆる片持ち梁を意味している。即ち、このカンチレバーは、片持ち支持されるカンチレバー部と、先端に突設された突出部とから構成され、突出部の先端を先鋭に形成して探針点とし、この探針点を試料表面に接近ないし接触させて試料の表面情報を検出するものである。
【０００５】
このカンチレバーをＡＦＭ測定に使用する場合には、カンチレバーの一端を片持ち支持して探針点を試料表面に極微接近させ、試料面と平行に走査ピエゾ等により走査させると、探針点と表面に働く原子間力により探針点が上下方向に力を受ける。この力は次のような方法で検出され、ＡＦＭ測定が行なわれる。
【０００６】
第１方法は、カンチレバーの背面にレーザービームを照射しておき、探針点に作用する力によりカンチレバーが撓むと、レーザービームの反射方向が変化し、この反射ビームをフォトダイオードなどで検出する方式である。
【０００７】
第２方法は、カンチレバーの取付部に励振用のピエゾ素子を設けておき、この励振用ピエゾとカンチレバー先端の撓み検出用のピエゾ薄膜圧電素子から生じる電圧を用いてカンチレバーを自励発振させ、探針点に働く力により発振周波数が変化し、この発振周波数の変化を検出する方式である。
【０００８】
第３方法は、カンチレバーの取付部に励振用のピエゾ素子を設けておき、光ファイバーをカンチレバーの先端に近づけてその反射光による干渉光をフォトダイオードで検出し、このフォトダイオードの出力を励振用ピエゾにフィードバックしてカンチレバーを自励発振させ、探針点に働く力により発振周波数が変化し、この発振周波数の変化を検出する光干渉方式である。
【０００９】
ＡＦＭでは、これらの方法で測定されたカンチレバー作用力を電圧に変換し、この電圧をカンチレバーのＺ方向制御ピエゾにフィードバックし、探針と試料表面の距離を一定に保持するサーボ動作を行わせ、探針点を試料表面に触れることなく試料をＸＹ方向に走査して、前記サーボ電圧を高さ信号としてディスプレイに試料表面の三次元形状を画像化している。
【００１０】
このようなＡＦＭ分野において、カンチレバーに微小な孔を開け、この孔にレーザービームを通過させ、孔の先端からレーザービームを浸み出させ、浸み出したビームと試料表面との相互作用を検出しようとする研究が進展している。この種の顕微鏡はＳＮＯＭ（走査型近接場光学顕微鏡、ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｎｅａｒｆｉｅｌｄ　ｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と呼ばれている。
【００１１】
図１６は従来のＳＮＯＭに用いられる測定孔付きカンチレバーの使用状態の斜視図である。測定孔付きカンチレバー３２は、一端を片持ち支持されるカンチレバー部４と、この先端に突設された突出部６とから構成されている。
【００１２】
前記突出部６の背部には空洞部１０が形成され、突出部６は薄い壁体から構成されるため壁体状突出部と称される。壁体状突出部６の先端には測定孔３４が貫通して穿設されている。従って、壁体状突出部６の先端は先鋭な探針点とはならず、測定孔３４の断面が露出した探針面３６となっている。この探針面３６の面積は測定孔３４の断面積以上の大きさを有する。この探針面３６が試料１４の試料表面１６に近接又は接触して配置される。
【００１３】
通常、この測定孔３４の開口径（断面直径）は１００ｎｍ程度であるから、可視光の波長より十分に小さく、回折限界によって可視光は測定孔を通過することができない。しかし、近年の研究によって、開口部からは波長程度の距離だけ光が空間に浸み出し、波長より遠方では光強度が急激に減衰することが分ってきた。この浸み出し領域が光の近接場（エバネッセント場）と呼ばれている。
【００１４】
この近接場光は試料表面と相互作用し、回折・透過・反射・蛍光を生起することが知られている。この透過光や反射光などの強度を測定することによって、試料の光学的性質を光の回折限界を超えた分解能で観察することができるようになってきた。
【００１５】
この測定孔付きカンチレバー３２により近接場測定を行うには、カンチレバー３２の探針面３６を試料表面１４に接近させる。このとき接触させないで、近接場を形成する程度の隙間を空けておく。この状態で空洞部１０から矢印ａ方向に光を照射し、探針面３６から下方に近接場Ｓを形成させる。
【００１６】
この近接場Ｓが試料表面１６と接触すると、相互作用が生起し、光が試料１４を透過したり反射したりし、また試料１４から蛍光が放出されたりする。これらの２次ビームを検出することにより試料１４の光学物性を高い空間分解能で測定することが可能となる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この測定孔付きカンチレバー３２を使用して試料表面のＡＦＭ測定をするときに問題が生じる。図１７はＡＦＭ測定する場合の図１６のＣ−Ｃ線断面図である。測定孔３４は突出部６の先端に貫通開口されているため、ＡＦＭ測定では探針面３６が試料表面１６と接近又は接触することになる。
【００１８】
試料表面１６にはナノメートルオーダーの凹凸があり、この凹凸を正確に再現するためには、探針面３６が凹凸に確実に追従できるように極小に形成されることが要請される。しかし、探針面３６の面積は測定孔３４の断面積以上の大きさを有するから、その断面直径が前述したように１００ｎｍもあると、その最小分解能はどうしても１００ｎｍ以上と大きくなってしまう。
【００１９】
このように大きな探針面３６で試料表面１６をＡＦＭ走査しても、分解能が悪いためにＡＦＭ像全体がクリアーにならない。通常のカンチレバー先端に形成される探針点は１０ｎｍ程度の曲率半径を有するから、１０ｎｍ以下の分解能を有すると考えられる。しかし、図１７のような測定孔３４が存在すると、分解能が通常のＡＦＭの１／１０以下に低下してしまい、鮮明なＡＦＭ画像を形成することが困難になるという欠点がある。つまり、従来のカンチレバーに測定孔を貫通形成すると、カンチレバーに存在した先鋭な探針点が消失してしまい、近接場測定はできるとしても、ＡＦＭ測定の分解能が得られないという重大な欠点が惹起されるのである。
【００２０】
従って、本発明の目的は、先鋭な探針点をあくまで存在させて精度の高いＡＦＭ測定を可能にし、同時に探針点の極近傍に光導入手段を設けてエバネッセント場（近接場）を介した光相互作用の測定が可能なＡＦＭ用カンチレバーを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その第１の発明は、一端を支持されるカンチレバー部と、このカンチレバー部から空洞部を有して突設された透光性材料で形成される壁体状突出部と、この壁体状突出部の先端に先鋭に形成された探針点と、この探針点を含んだ微小領域を除くように壁体状突出部の内壁面又は／及び外壁面に形成された不透光性被膜とから構成され、前記探針点を含む微小領域が光を透過させる透光孔として機能する透光孔付きカンチレバーである。透光孔は透光性材料で形成されているから、光は透光孔を透過することができ、実質的に孔が貫通形成されたカンチレバーと同様に、透光孔から滲み出る近接場を介して試料の光相互作用を測定可能なカンチレバーを提供できる。また、透光孔の先端には先鋭な探針点が存在しているから、この探針点により試料表面を高精度にＡＦＭ測定することが可能となり、近接場測定とＡＦＭ測定を一つのカンチレバーで行なえる透光孔付きカンチレバーを提供できる。
【００２２】
第２の発明は、少なくとも透光孔の領域を被覆するように壁体状突出部の外壁面に金属薄膜を形成し、この金属薄膜の膜厚は光に対して透過性を有するように調整される透光孔付きカンチレバーである。空洞部から導入された光が透光孔を通過して金属薄膜側に透過すると、金属薄膜との相互作用により形成される近接場の光エネルギーが増強される。この増強された近接場は試料表面と強く相互作用し、試料表面から放射される２次ビームの強度を増強する作用を有する。
【００２３】
第３の発明は、壁体状突出部に形成された透光孔の領域に内壁面側から壁体状突出部の内部に到る導光用凹所を穿設した透光孔付きカンチレバーである。導光用凹所の底面から探針点に到る透光孔の長さは、導光用凹所が形成される前と比較するとかなり短縮されるため、滲み出た光により外部に形成される近接場が増強される。この増強された近接場により試料表面に強い相互作用が生成され、近接場の測定感度を数十〜数百倍に増強させることが可能となる。
【００２４】
第４の発明は、一端を支持されるカンチレバー部と、このカンチレバー部から空洞部を有して突設された透光性材料で形成される壁体状突出部と、この壁体状突出部の先端に先鋭に形成された探針点を有するカンチレバーにおいて、前記壁体状突出部の内壁面に不透光性被膜を形成し、内壁面の最深部にある内奥点を含む微小領域に集束された高エネルギービームを照射してこの微小領域の不透光性被膜を除去し、この微小領域から前記探針点に到る道筋を光が透過する透光孔に形成する透光孔付きカンチレバーの製造方法である。高エネルギービームとしては、例えば集束イオンビームや集束されたレーザービームが利用できる。集束イオンビームの断面径は容易に細く絞ることができ、しかもビームのエネルギー密度を簡単に強くできるから、不透光性被膜を数十ｎｍの微焦点に除去することができる。また、フェムト秒レーザーや多光子レーザーのようなレーザービームでもビーム直径を絞りながら不透光性皮膜を除去することができる。従って、透光孔の断面直径の大小を自在に調整でき、外部に形成される近接場の大きさや強度を可変にすることができる。
【００２５】
第５の発明は、前記微小領域の不透光性被膜を除去する前又は後において、壁体状突出部の外壁面の少なくとも探針点を含む領域に光透過性の膜厚を有した金属薄膜を形成する透光孔付きカンチレバーの製造方法である。金属薄膜の形成には、物理的蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）など公知の薄膜形成技術を適用でき、近接場増強用の透光孔付きカンチレバーの製造が容易になる。
【００２６】
第６の発明は、微小領域の不透光性被膜を除去する工程において、壁体状突出部に形成される透光孔の領域に内壁面側から壁体状突出部の内部に到る導光用凹所を高エネルギービームにより穿設する透光孔付きカンチレバーの製造方法である。前述したように、高エネルギービームとしては、例えば集束イオンビームや集束レーザービームが利用でき、これらの高エネルギービームを照射することにより不透光性被膜の除去だけでなく、導光用凹所の穿設も短時間に簡単に行うことができる。
【００２７】
第７の発明は、前述した透光孔付きカンチレバーを使用し、探針点を試料表面に接近又は接触させ、空洞部側から光を導入して透光孔を介して試料表面に光を局所的に照射し、試料から生じる２次ビームを測定するビーム測定方法である。つまり、空洞部側からの光入射により探針点側に近接場を形成し、この近接場によって試料から２次ビームが放射され、この２次ビームには、光、電子、Ｘ線、イオンなどが含まれる。２次ビームの種類、エネルギー、波長などを測定して近接場と試料との相互作用を測定することが可能となる。
【００２８】
第８の発明は、集光光学系により空洞部側に光を導入するビーム測定方法である。光ファイバーのような集光光学系により光を空洞部へと容易に導くことができる。また、シングルモード光ファイバーから射出される光を集束レンズにより微焦点化すると、空洞部から透光孔に光を導入することも可能である。
【００２９】
第９の発明は、透光孔付きカンチレバーを使用し、前記探針点を試料表面に接近又は接触させ、探針点近傍の試料表面に１次ビームを到達させ、この試料から放射される光を前記透光孔を透過させて空洞部側で測定する透光孔付きカンチレバーを用いたビーム測定方法である。試料表面に到達した１次ビームにより、試料表面から光が放射され、この光が探針点との間に近接場を形成して、この近接場により透光孔から光が空洞部側に放出される。この放出光を測定して１次ビームと試料との相互作用を測定することができる。
【００３０】
第１０の発明は、透光孔を透過して空洞部側に放出された光を光ファイバーのような集光光学系により採光して測定するビーム測定方法である。光ファイバーを用いると放出された光を測定器に容易に導くことができる。また、集束レンズにより光を集束した後、光ファイバーに集光すれば、検出感度を高くでき、光測定が容易になる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る透光孔付きカンチレバー、その製造方法及びそれを用いたビーム測定方法の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係る透光孔付きカンチレバーの第１実施形態の断面図である。透光孔付きカンチレバー２は、カンチレバー部４と、先端に突設された突出部６から構成されている。この突出部６は薄い壁体から構成されるため壁体状突出部と称され、この壁体状突出部６の背面側には空洞部１０が形成されている。壁体状突出部６はピラミッド部とも呼ばれるが、その形状は幾何学的なピラミッド構造だけでなく、円錐、多角錐などの先鋭な突出構造の全てを含んでいる。
【００３３】
壁体状突出部６の先端には先鋭な探針点８が形成されており、この探針点８が試料表面に１点で接触又は接近するから、試料の表面情報を局所的に高分解能を有して検出することができる。探針点８の曲率半径は１０ｎｍ程度にまで小さく加工できるから、この探針点８による測定分解能は数ｎｍ以下に達する。
【００３４】
この壁体状突出部６は光が透過する性質を有した透光性材料で形成されている。透光性材料としては、ＳｉやＳｉ３Ｎ４（シリコンナイトライド）やガラス系素材や透光性セラミックスなどが存在する。ガラス系素材としては、ＳｉＯ２やＳｉＯ２に添加剤を加えた素材、透光性セラミックスとしては、Ａｌ２Ｏ３、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｈＯ２、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３、ＣａＦ２、ＧａＡｓ、ＰＬＺＴ等がある。この中でも、特にＳｉやＳｉ３Ｎ４がカンチレバーの材料としてよく用いられる。
【００３５】
これらの材料を適宜選択して公知技術により壁体状突出部６を形成する。また、カンチレバー部４は突出部６と同一の透光性材料で形成しても良いが、カンチレバー部４は不透光性材料で形成しても構わない。
【００３６】
壁体状突出部６の内壁面６ａには、探針点８を含む微小領域を除いて、不透光性被膜２０が形成されている。即ち、内壁面６ａの最深部にある内奥点６ｃは探針点８に対向する位置にあり、この内奥点６ｃを含む微小領域を除いて、突出部６の内壁面６ａに不透光性被膜２０が形成される。
【００３７】
内奥点６ｃを含む微小領域には不透光性被膜２０が形成されないから、内奥点６ｃから探針点８に至る通路は光が透過できる透光孔１２として機能する。勿論、この透光孔１２は貫通形成された孔ではなく、透光性材料が充填された領域であることは云うまでもない。従って、点線矢印方向に光を照射すると、不透光性被膜２０の表面に入射した光は透過が遮断されるが、透光孔１２に入射した光は光ビーム２２として探針点８を透過して探針点から下方に近接場（エバネッセント場）を形成する。
【００３８】
不透光性被膜２０を形成する不透光性材料としては、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属が使用できる。また、不透光性被膜２０の形成方法には、物理蒸着法、化学蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、メッキ法など公知の被膜形成方法が適用できる。
【００３９】
図２は、本発明に係る透光孔付きカンチレバーの第２実施形態の断面図である。この実施形態では、壁体状突出部６が透光性材料で形成される点は第１実施形態と同様であるが、不透光性被膜２０が壁体状突出部６の外壁面６ｂに形成されている点が異なっている。
【００４０】
不透光性被膜２０は探針点８を含む微小領域を除いた外壁面６ｂに形成され、その結果、内奥点６ｃから探針点８に至る通路が透光孔１２として形成されることになる。従って、点線矢印方向に光を照射すると、不透光性被膜２０に入射した光は遮断されて透過せず、透光孔１２に入射した光だけが光ビーム２２として探針点８を透過して進行する。
【００４１】
図３は本発明に係る透光孔付きカンチレバー２を用いた試料表面のＡＦＭ測定図である。試料１４の試料表面１６に対し探針点８を接触または接近させる。この透光孔付きカンチレバー２では、壁体状突出部６の探針点８が存在しているから、探針点８が有する先鋭精度の範囲で試料１４のＡＦＭ表面像を撮像することができる。
【００４２】
このＡＦＭ測定状態において、点線矢印方向に光ビームを入射させると、光ビーム２２は透光孔１２を透過して試料表面１６に入射する。この光により試料構成原子が光励起されて原子移動が生じた場合には、表面電位の変化又は表面電荷の変化としてＡＦＭ測定により検出することが可能である。
【００４３】
透光孔１２は透光性部材から形成された壁体状突出部６の一部であるから、光は透光孔１２を透過できるが、電子線やイオンビームのような粒子線は透光孔１２を透過することは困難である。従って、透光孔１２を透過するビームは透光性材料を透過できる放射光に限定される。
【００４４】
図４は透光孔付きカンチレバー２を用いた近接場測定の説明図である。この測定方法では、光ビーム２２が透光孔１２を通過して近接場Ｓが形成され、この近接場Ｓを介して試料表面１６の測定点１８に光ビーム２２、即ち光エネルギーが到達する。
【００４５】
透光孔１２の断面直径が約１μｍ以下と小さく設定されている場合には、その断面直径は可視光の波長より小さいから、回折限界の原理から可視光は透光孔１２を透過することはできない。しかし、透光孔１２を滲み出た光がエバネッセント場と呼ばれる近接場Ｓを形成し、この近接場Ｓが試料１４と試料表面１６にて相互作用することが知られている。
【００４６】
勿論、透光孔１２の断面直径が入射光の波長より大きい場合には光は透光孔１２を通常の伝搬光として透過し、透過光が直接的に試料１４と相互作用することができる。従って、この透光孔付きカンチレバー２は任意波長の光に対して対応することができるものである。
【００４７】
光ビーム２２が近接場Ｓを介して試料１４と相互作用し、その結果、試料表面から放射される２次ビームには各種のものがある。例えば、光を照射して出てくる蛍光や電子があり、勿論、光ビームが反射・透過・屈折・散乱して周囲に放射される光も２次ビームに含まれる。
【００４８】
また、近接場Ｓを介して光相互作用をさせながら、探針点８により試料表面１６のＡＦＭ測定をすることもできる。この場合には、光入射測定と同時にＡＦＭ測定を行なうものである。光を入射させないで、単純に探針点８により試料表面１６のＡＦＭ測定ができることは云うまでも無い。
【００４９】
図５は金属薄膜７を形成した透光孔付きカンチレバー２による前記第１測定方法の説明図である。壁体状突出部６の外壁面６ｂには探針点８を含むように金属薄膜７が塗膜形成されている。この金属薄膜７の膜厚は光が透過できるように膜厚が調整されており、透光孔１２から滲み出た光が金属薄膜７を透過して近接場Ｓを形成している。
【００５０】
透光孔１２を滲み出る光は電磁場であるから、この電磁場が金属薄膜７と量子的に相互作用して近接場Ｓを増強するように作用する。従って、金属薄膜７の下方に形成される近接場Ｓは、その増強効果のために、金属薄膜７の無い透光孔付きカンチレバー２よりも近接場測定が容易に行なえる利点を有する。それ以外については図１と同様であるから、それらの説明を省略する。
【００５１】
図６は導光用凹所９を形成した透光孔付きカンチレバー２による前記第１測定方法の説明図である。壁体状突出部６の内壁面６ａの最深部に形成された内奥点６ｃ（図１に示される）から探針点８に向けて壁体状突出部６の内部に導光用凹所９が穿設される。その底部９ａは壁体状突出部６の内部に形成され、探針点８まで貫通されることはない。
【００５２】
従って、透光孔１２は不透光性被膜２０の不存在部と導光用凹所９と探針点８に到る突出部領域から構成されることになる。光ビーム２２が透光孔１２に入射されると、光は導光用凹所９を通過して、探針点８の下方に近接場Ｓを形成する。導光用凹所９が穿設されているため、光が探針点８から滲み出る量子効果が増強され、その分だけ近接場Ｓが増強される。
【００５３】
前述した金属薄膜７と同様に、導光用凹所９は近接場Ｓを増強する量子作用を有している。従って、探針点８の下方に形成される近接場Ｓは導光用凹所９の無い透光孔付きカンチレバー２よりも近接場測定が容易に行なえる利点を有する。それ以外については図１と同様であるから、それらの説明を省略する。
【００５４】
図７は金属薄膜７を形成した透光孔付きカンチレバー２の製造工程図である。（７Ａ）では、カンチレバー２が所定位置に配置されている。（７Ｂ）では、壁体状突出部６の内壁面６ａの全面に不透光性被膜２０が形成される。（７Ｃ）では、高エネルギービームの一種である集束イオンビームＩＢを内奥点６ｃに対して適当な時間だけ照射する。このＩＢ照射により、内奥点６ｃを含む微小領域の不透光性被膜２０が除去される。このようにして、光が透過する透光孔１２が実質的に形成される。
【００５５】
透光孔１２の断面直径は集束イオンビームＩＢによって自在に調整される。（７Ｄ）では、壁体状突出部６の外壁面６ｂにおいて、探針点８を含む領域に光が透過するように膜厚調整された金属薄膜７が形成される。
【００５６】
一般に、金属薄膜７の膜厚が薄くなると、光は金属薄膜７を透過する性質を有し、またその膜厚が厚くなると、金属薄膜７は光不透性を有するようになる。入射する光の波長は種々に設定されるから、透過させたい光の波長に応じて金属薄膜７の膜厚を調整すればよい。
【００５７】
図８は導光用凹所９を形成した透光孔付きカンチレバー２の製造工程図である。（８Ａ）では、通常のカンチレバー２が所定位置に配置されている。（８Ｂ）では、壁体状突出部６の内壁面６ａの全面に不透光性被膜２０が形成される。
【００５８】
（８Ｃ）では、高エネルギービームの一種であるパルスレーザービームＬＢを内奥点６ｃに対して適当な時間だけ照射する。このＬＢ照射により、内奥点６ｃを含む微小領域の不透光性被膜２０が除去される。
【００５９】
このパルスレーザービームＬＢの照射を更に続けると、不透光性被膜２０を除去するだけでなく、壁体状突出部６の一部を除去しながら、導光用凹所９を穿設形成することになる。このレーザービームＬＢの照射時間を調整することにより、底部９ａの位置は探針点８の手前で止まり、導光用凹所９が壁体状突出部６に形成される。
【００６０】
光エネルギーレーザービームＬＢとしては、例えばフェムト秒レーザーや多光子励起レーザーなどがある。このレーザービームの断面直径を調整することにより、導光用凹所９、即ち透光孔１２の断面直径を任意に可変することが可能になり、近接場Ｓの制御が可能になる。
【００６１】
図９は透光孔付きカンチレバー２を用いた第１測定方法の説明図である。この第１測定方法では、まず光照射しないで、透光孔付きカンチレバー２の探針点８を用いて試料表面１６をＡＦＭ測定する。このＡＦＭ測定により適当な測定点１８を確定する。
【００６２】
次に、この測定点１８に対し、光発生装置２３ａにより光ビーム２２を照射する。光ビーム２２が透光孔１２を通過すると近接場Ｓが形成され、この近接場Ｓを介して試料表面１６の測定点１８に光が照射され、試料と光ビームとの相互作用により試料から周囲に２次ビーム２４が放射される。
【００６３】
近接場Ｓと試料１４との相互作用により放射される２次ビームには各種のものがある。例えば、光照射による蛍光や電子、また試料中に形成された励起子による２次ビーム形成のように、イオン、Ｘ線、赤外線などの種々の粒子・波動が含まれる。光ビームが反射・透過・屈折・散乱して周囲に放射される光ビームも２次ビームに含まれる。
【００６４】
本発明では、１次ビームや２次ビームという用語を使用するが、直線状に放射されるビームだけでなく、周囲に分布放射される波動や粒子も含まれる。特に、２次ビームは試料表面から分散状に放射されることが多い。例えば、試料表面から放出される蛍光などは広範囲に分布して放射され、これらも本発明では２次ビームの概念で包括表現されている。
【００６５】
測定点１８から周囲に放射される２次ビーム２４はビーム検出装置２６ｂにより測定される。このビーム検出装置２６ｂは、放射される２次ビーム２４のエネルギーや強度などを測定できる装置であり、公知の全ての装置から適切に選択される。
【００６６】
２次ビーム２４は広範囲に放射されるから、ビーム検出装置２６ｂを移動することにより２次ビーム２４の分布測定が行なわれる。試料１４を透過して下方に放射される場合もある。点線で示されたビーム検出装置２６ｂは透過した２次ビーム２４を測定するものである。
【００６７】
透光孔１２の断面直径を可変することにより、近接場Ｓの大きさを調整できるから、この近接場Ｓが相互作用する試料表面１６の反応領域を可変調整できる。従って、本発明により試料表面１６の表面座標を正確に指定しながら試料表面の正確な相互作用マップを得ることもできる。
【００６８】
本発明では、透光孔１２と探針点８の位置は座標的に一致しているから、探針点８で指定された測定点１８に光ビーム２２を正確に照射することができる。従って、本発明の透光孔付きカンチレバー２により、探針点８によりＡＦＭ機能を発揮しながら、透光孔１２による近接場測定を同時的に行うことが可能となる。
【００６９】
図１０は透光孔付きカンチレバー２を用いた第２測定方法の説明図である。この第２方法は、試料表面１６に１次ビーム２５を照射し、試料から放射される光ビーム２２を透光孔１２を介して測定するものである。
【００７０】
透光孔付きカンチレバー２の周囲にビーム発生装置２６ａを配置し、このビーム発生装置２６ａから１次ビーム２５を試料表面１６の測定点１８を狙って照射する。この１次ビーム２５は試料表面１６の物質と相互作用し、２次ビームを周囲に放射する。１次ビーム２５として、レーザービーム等の光ビーム、電子ビーム、Ｘ線などがある。この１次ビーム２５により、光などが２次ビームとして形成されたとしよう。
【００７１】
透光孔付きカンチレバー２を走査することによって、２次ビームのうち透光孔１２を透過した光ビーム２２が光検出装置２３ｂによって計測される。光検出装置２３ｂとしては、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管などの公知の装置が利用できる。探針点８を走査することによって、光ビーム２２の強度分布が正確に測定される。
【００７２】
図１１は試料１４を透過する１次ビーム２５を用いた第２測定方法の説明図である。この方法は、試料１４の裏側に１次ビーム２５を入射させ、試料１４を透過して試料表面１６の測定点１８から光が放射された場合を想定している。１次ビーム２５として、例えば、レーザービーム、Ｘｅランプ光、水銀ランプ光など種々の光ビームが利用される。
【００７３】
放射光は探針点８との間に近接場Ｓを形成し、この近接場Ｓを介して透光孔１２に光が入射する。透光孔１２から放出される光ビーム２２が上方に配置された光検出装置２３ｂにより受光される。この受光によって、１次ビーム２５と試料１４との相互作用過程が検出強度として測定される。
【００７４】
図１２は半球プリズム１５を用いた第２測定方法の説明図である。ビーム発生装置２６ａから半球プリズム１５に光ビームを１次ビーム２５として入射させる。光ビームは全反射面１５ａにより全反射されて半球プリズム１５の下方へと出力される。
【００７５】
全反射面１５ａの測定点１８から探針点８に対し近接場Ｓが形成される。この近接場Ｓを介して透光孔１２に光が入射する。透光孔１２から放出される光ビーム２２が上方に配置された光検出装置２３ｂにより受光される。この受光によって、半球プリズム１５における近接場Ｓの形成過程が測定できる。
【００７６】
図１３は多角プリズム１７を用いた第２測定方法の説明図である。ビーム発生装置２６ａから多角プリズム１７に光ビームを１次ビーム２５として入射させる。光ビームは全反射面１７ａにより全反射されて多角プリズム１７の下方へと出力される。
【００７７】
全反射面１７ａの測定点１８から探針点８に対し近接場Ｓが形成され、この近接場Ｓを介して透光孔１２に光が入射する。透光孔１２から空洞部１０に放出される光ビーム２２が上方に配置された光検出装置２３ｂにより受光される。この受光によって、多角プリズム１７による近接場Ｓの形成過程が測定できる。
【００７８】
図１４は第１測定方法における光ビーム２２の入射方法の説明図である。この説明図では、光を集光して取り扱うために集光光学系が利用され、この集光光学系の一例である光ファイバー２８から光ビーム２２を放射し、この光ビーム２２をレンズ２７により集束して透光孔１２に入射させる。光ファイバー２８を用いることによって、光ビーム２２の放射位置を自在に制御でき、しかもレンズ２７により光ビーム２２を微焦点に集束できるから、透光孔１２に光ビーム２２を高強度で入射させることが可能になる。
【００７９】
図１５は第２測定方法における光ビーム２２の受光方法の説明図である。試料１４は走査ステージ３０、３０によって支持され、移動自在に配置されている。図示しない集光光学系により光ビームをレンズ２９で集束して１次ビーム２５として試料１４に入射させる。入射方法には、実線で示す透過型背面入射法と点線で示す表面入射法がある。いづれにしても、この光ビームにより近接場Ｓが形成され、透光孔１２から空洞部１０側に光ビーム２２が放射される。
【００８０】
放射された光ビーム２２はレンズ２７により平行ビームに修正され、ハーフミラー３１によりその一部が反射光２２ａとして側方へ導光される。この反射光２２ａはＣＣＤカメラ３３に入力され、光ビーム２２の放射状態が観察される。
【００８１】
ハーフミラー３１を透過した光ビーム２２はレンズ３１により集束され、光ファイバー２８のような集光光学系に導入される。受光用に光ファイバー２８を用いることにより、極めて微小な透光孔１２から放射される光を集束して受光でき、測定強度と測定精度の両者を正確に行うことが可能になる。
【００８２】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
【００８３】
【発明の効果】
第１の発明によれば、探針点を含む微小領域における不透光性被膜を除去しているから、この微小領域が光を透過させる透光孔として実質的に機能することができる。透光孔は透光性材料が充填した領域であるから探針点を有しながら光は透光孔を透過することができ、実質的に孔が貫通形成されたＳＮＯＭ用カンチレバーと同様に機能する。つまり、このカンチレバーは透光孔から滲み出る近接場を介して試料の光相互作用を測定することができる。また、透光孔の先端には先鋭な探針点が存在しているから、この探針点により試料表面を高精度にＡＦＭ測定することが可能となり、近接場測定とＡＦＭ測定を一つのカンチレバーで行なえる従来存在しなかった多機能性を実現した透光孔付きカンチレバーを提供できる。
【００８４】
第２の発明によれば、壁体状突出部の外壁面に金属薄膜を形成して、近接場測定を高精度に行なえる透光孔付きカンチレバーが提供できる。入射光が透光孔を通過して金属薄膜側に透過すると、金属薄膜との相互作用により近接場が格段に増強される。例えば、この金属薄膜によって光の電場が約１０００倍にまで増強される。この増強された近接場は試料表面と強く相互作用し、試料表面から放射される２次ビームの強度を増強する作用を有する。
【００８５】
第３の発明によれば、壁体状突出部の内奥点から探針点の近傍に到る導光用凹所が穿設されるから、近接場測定を高精度に行うことが可能になる。つまり、導光用凹所の底面から探針点に到る透光孔の長さは、導光用凹所が形成される前と比較するとかなり短縮され、この導光用凹所が導波路として作用して光の滲み出し強度が格段に向上し、外部に形成される近接場の増強が達成される。この増強された近接場により試料表面に強い相互作用が生成され、近接場測定を高感度に行うことを可能にし、微弱光のＳＮＯＭ測定を可能にする。
【００８６】
第４の発明によれば、本発明の主眼たる透光孔付きカンチレバーを高エネルギービームにより容易に製造することができる。高エネルギービームを使用すれば、不透光性被膜を微焦点状に除去することができるから、透光孔を極微小で高精度に形成した透光孔付きカンチレバーを製造できる。高エネルギービームとしては、例えば集束イオンビームやパルスレーザービームが利用できる。パルスレーザービームには、フェムト秒レーザーや多光子レーザーのようなレーザービームが利用できる。
【００８７】
第５の発明によれば、不透光性被膜を除去する前又は後において、壁体状突出部の外壁面に金属薄膜を形成する透光孔付きカンチレバーの製造方法が提供される。金属薄膜の形成には、物理的蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）など公知の薄膜形成技術を適用でき、近接場増強用の透光孔付きカンチレバーの製造が容易になる。
【００８８】
第６の発明によれば、微小領域の不透光性被膜を除去すると同時に、導光用凹所を高エネルギービームにより一気に穿設できる透光孔付きカンチレバーの製造方法が提供される。高エネルギービームとしては、例えば集束イオンビームや集束パルスレーザービームが利用でき、不透光性被膜の除去だけでなく、導光用凹所の穿設も短時間に簡単に行うことができる。
【００８９】
第７の発明によれば、透光孔付きカンチレバーにより、空洞部側から光を導入して透光孔を介して試料表面に光を局所的に照射し、試料から生じる２次ビームを測定するビーム測定方法が提供される。空洞部側からの光入射により探針点側に近接場が形成され、この近接場によって試料から２次ビームが放射され、この２次ビームが測定される。２次ビームとしては、光、電子など多様なビームが含まれ、そのエネルギーや波長などを測定して近接場と試料との相互作用を高感度且つ高分解能に測定することができる。
【００９０】
第８の発明によれば、光ファイバーのような集光光学系により入射光を空洞部へと容易に導くことができ、また集光光学系により光を微焦点に絞ることができる。また、集光光学系から射出される光を集束レンズにより微焦点化すると、高精度に位置制御された光を透光孔に確実に導入することができる。
【００９１】
第９の発明によれば、透光孔付きカンチレバーを使用して、探針点近傍の試料表面に１次ビームを到達させ、この試料から放射される光を前記透光孔を透過させて空洞部側で測定することができる。１次ビームにより試料表面から光が放射され、この光が探針点との間に近接場を形成して、この近接場により透光孔から光が空洞部側に放出される。この放出光を測定して１次ビームと試料との相互作用を測定することができる。
【００９２】
第１０の発明によれば、透光孔から空洞部側に放出された光を光ファイバーのような集光光学系により集光するから、例えば光ファイバーの屈曲性により集光した光を測定器に容易に導入できる。また、集光光学系に集光すれば、光を有効に採光でき、微弱光の測定が容易になり、測定感度の向上を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る透光孔付きカンチレバー２の第１実施形態の断面図である。
【図２】本発明に係る透光孔付きカンチレバー２の第２実施形態の断面図である。
【図３】本発明に係る透光孔付きカンチレバー２を用いた試料表面のＡＦＭ測定図である。
【図４】透光孔付きカンチレバー２を用いた近接場測定の説明図である。
【図５】金属薄膜７を形成した透光孔付きカンチレバー２による第１測定方法の説明図である。
【図６】導光用凹所９を形成した透光孔付きカンチレバー２による第１測定方法の説明図である。
【図７】金属薄膜７を形成した透光孔付きカンチレバー２の製造工程図である。
【図８】導光用凹所９を形成した透光孔付きカンチレバー２の製造工程図である。
【図９】透光孔付きカンチレバー２を用いた第１測定方法の説明図である。
【図１０】透光孔付きカンチレバー２を用いた第２測定方法の説明図である。
【図１１】試料１４を透過する１次ビーム２５を用いた第２測定方法の説明図である。
【図１２】半球プリズム１５を用いた第２測定方法の説明図である。
【図１３】は多角プリズム１７を用いた第２測定方法の説明図である。
【図１４】第１測定方法における光ビーム２２の入射方法の説明図である。
【図１５】第２測定方法における光ビーム２２の受光方法の説明図である。
【図１６】従来のＳＮＯＭに用いられる測定孔付きカンチレバーの使用状態の斜視図である。
【図１７】ＡＦＭ測定する場合の図１６のＣ−Ｃ線断面図である。
【符号の説明】
２は透光孔付きカンチレバー、４はカンチレバー部、６は突出部、６ａは突出部の内壁面、６ｂは突出部の外壁面、６ｃは内奥点、７は金属薄膜、８は探針点、９は導光用凹所、９ａは底部、１０は空洞部、１２は透光孔、１４は試料、１５は半球プリズム、１５ａは全反射面、１６は試料表面、１７は多角プリズム、１７ａは全反射面、１８は測定点、２０は不透光性被膜、２２は光ビーム、２３ａは光発生装置、２３ｂは光検出装置、２４は２次ビーム、２５は１次ビーム、２６ａはビーム発生装置、２６ｂはビーム検出装置、２７はレンズ、２８は光ファイバー、２９はレンズ、３０は走査ステージ、３１はハーフミラー、３２は測定孔付きカンチレバー、３３はＣＣＤカメラ、３４は測定孔、３５はレンズ、３６は探針面、ＩＢは集束イオンビーム、ＬＢはレーザービーム、Ｓは近接場。
【図１】
2004085220.tif 000003
【図２】
2004085220.tif 000004
【図３】
2004085220.tif 000005
【図４】
2004085220.tif 000006
【図５】
2004085220.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004085220.tif 000009
【図８】
2004085220.tif 000010
【図９】
2004085220.tif 000011
【図１０】
2004085220.tif 000012
【図１１】
2004085220.tif 000013
【図１２】
2004085220.tif 000014
【図１３】
2004085220.tif 000015
【図１４】
2004085220.tif 000016
【図１５】
2004085220.tif 000017
【図１６】
2004085220.tif 000018
【図１７】
2004085220.tif 000019