(57)【要約】【課題】散乱型近接場顕微鏡において、従来の技術よりも、Ｓ／Ｎ比とコントラストの向上をはかるとともに、非透過性のサンプルのサンプル測定を行う場合の後方散乱成分の集光も効率的に行えるような技術を提供する。【解決手段】エバネッセント場を散乱させるための金属または誘電体をカンチレバーに設けられた探針の最先端部付近にのみ設けるとともに、探針先端で後方散乱され、集光手段で集光される光の一部または全部がカンチレバーを透過して集光されるように、カンチレバーの一部または全部を光学的に透明な材料で構成した。【選択図】　　図１
2004101424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針構造を有するカンチレバーと、該カンチレバーを保持するためのカンチレバーホルダと、前記探針に対向する位置に配置され、サンプルの保持を行うサンプルホルダと、前記カンチレバーの撓み量を検出するための撓み量検出機構と、探針とサンプル間の距離を調整するための微動機構と、探針とサンプルを２次元平面内で相対的に移動させるスキャナと、前記撓み量検出機構からの信号を基に前記微動機構を動作させて、微小探針とサンプル間の距離の調整を行うためのサーボ回路と、サンプル表面にエバネッセント光を発生させるエバネッセント光発生手段と、サンプル表面に発生したエバネッセント光に探針を近接させた際に発生する散乱光を集光するための集光手段と、散乱光の強度を測定するための光検出部とを有し、エバネッセント光を散乱させるための金属または誘電体を探針の最先端部付近に設けたことを特徴とする散乱型近接場顕微鏡。
【請求項２】
前記探針の先端部付近に設けられる金属または誘電体を、探針の先端から高さ２００ｎｍ以内の領域の一部または全体に設けたことを特徴とする、請求項１に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項３】
前記集光手段を探針先端で散乱され、サンプルを透過した光を集光可能なように配置したことを特徴とする、請求項１または２に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項４】
前記集光手段を探針先端で後方散乱された光を集光可能なように配置したことを特徴とする、請求項１または２に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項５】
前記集光手段を、探針先端で散乱されサンプルを透過した光と、後方散乱された光を同時に集光可能なように、それぞれ配置したことを特徴とする、請求項１または２に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項６】
前記カンチレバーは、探針先端で後方散乱された光の一部または全部が透過可能なように、一部または全部が光学的に透明な材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項７】
探針先端部に開口を設けたことを特徴とする請求項６に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項８】
前記カンチレバーを構成する光学的に透明な材料は、シリコン、酸化シリコン、または窒化シリコンのいずれかであることを特徴とする請求項６または７に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項９】
探針先端部に開口を設け、探針内部を中空構造にした、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１０】
カンチレバーの光学的に透明な部分とカンチレバーは異なる材質で構成されることを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の散乱近接場顕微鏡。
【請求項１１】
探針をサンプルに近接、または接触させた場合に探針先端に働く外力によりカンチレバーを静的に撓ませて、撓み量を撓み量検出機構により検出し、該撓み量をもとにしてサンプルと探針間の距離制御を行うことを特徴とする、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１２】
探針をサンプルに対して垂直面内で加振して、サンプルと探針を近接、または間欠的な接触をさせた場合に、撓み量検出機構の信号により得られる、振幅、位相、または周波数情報によりサンプルと探針間の距離制御を行うことを特徴とする、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１３】
サンプル表面に発生させるエバネッセント光に任意の周波数でモジュレーションを掛け、探針先端で散乱させた散乱光のうち、該モジュレーション信号に同期した周波数成分のみを検出するようにした、請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１４】
前記検出部は探針の加振周波数に同期した散乱光成分のみを検出するようにしたことを特徴とする、請求項１２に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１５】
サンプル表面に発生させるエバネッセント光に探針の周波数に同期したモジュレーションを掛け、探針先端で散乱させた散乱光のうち、該モジュレーション信号に同期した周波数成分のみを検出するようにしたことを特徴とする、請求項１２に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１６】
検出された信号をフォトンカウンティング方式により検出するようにしたことをと特徴とする、請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１乃至請求項１６に記載の散乱型近接場顕微鏡において、分光器と光検出器からなる分光システムにより散乱光のスペクトルを測定することを特徴とする、散乱型近接場分光システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サンプル表面に発生するエバネッセント光を、金属または誘電体からなる探針構造を有するカンチレバーにより散乱させて、散乱光を検出することにより、回折限界を超える高分解能でサンプル表面の光学特性を測定するための、散乱型近接場顕微鏡および散乱型近接場分光システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の散乱型近接場顕微鏡の第１の従来技術を、図６を基に説明する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
従来の散乱型近接場顕微鏡は、金属または誘電体により製作され、先端が先鋭化された針状プローブ１０７を使用して、光源１０　４、コンデンサーレンズ１０５、プリズム１０３よりなる全反射光学系、透過光学系あるいは反射光学系（透過光学系、反射光学系は図示せず）によりサンプル１０１の表面に発生させた微細な構造情報を有するエバネッセント光が存在する領域に前記プローブ１０７を挿入し、プローブ先端の微細構造とエバネッセント光とを相互作用させ、前記相互作用によって発生する伝播可能な散乱光を集光レンズ１０９で集光して光電検出器１１０で検出することによって、回折限界を超える分解能での微細構造計測を行っている。一般にエバネッセント光は強度が弱く検出が極めて困難であるが、本方式では探針先端の金属や誘電体の作用により散乱光は増強され、検出効率が向上する。
【０００４】
また、第１の従来技術の応用例として、図７を基にストレート型の金属プローブを用いた散乱型近接場顕微鏡の第２の従来技術を説明する（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
第２の従来技術では、試料２０２の表面に生成されたエバネッセント光に先端が先鋭化された誘電体または金属からなるプローブ２０３を挿入し、プローブ先端で散乱された散乱光強度を計測することにより、回折限界を超える高い分解能で試料の光学情報を計測している。試料表面に発生するエバネッセント光の強度は試料からの距離に対して指数関数的に減少する。このため、試料表面に発生するエバネッセント光には試料表面の形状情報と光学情報が含まれている。そこで、通常、プローブと試料表面間の距離を一定に保ちながら、試料とプローブを相対的にスキャンさせて、形状情報と光学情報を分離して測定が行われる。第２の従来技術では、プローブ２０３を試料２０２の表面に対して平行に振動させ、そのときのプローブ２０３の振幅を半導体レーザ２１０とレンズ２１１，２１２および２分割フォトディテクタ２１３よりなる変位検出器によって測定することにより、プローブ２０３と試料２０２間の高さ方向の距離が一定になるように制御が行われる。プローブと試料を近接させた場合、プローブ先端２０３ａにはシアフォースが作用する。このシアフォースにより、プローブの振幅や位相が変化する。このシアフォースは試料表面からの距離に依存するため、プローブの振幅または位相を計測することにより、プローブと試料間の距離制御が可能となる。
【０００６】
更に、第１の従来技術に関する別の応用例である散乱型近接場顕微鏡の第３の従来技術について、図８を基に説明する（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
第３の従来技術では原子間力顕微鏡用の探針付カンチレバーに銀をコートしたプローブ３０１が用いられている。第３の従来技術では透過製のサンプル３０２の裏面にＮＡが１．４の油浸対物レンズ３０３を配置し、対物レンズを通して、サンプル裏面から励起源となる波長４８８ｎｍのレーザ光３０４をサンプルに照射する。このとき、対物レンズのＮＡが１以下となる部分に入射するレーザ光をカットするように光路上にマスク（図示せず）を挿入する。このとき、サンプルにはＮＡが１以上の光のみがサンプルに入射し、この光はサンプル表面部分で全反射されて、サンプルの表面にはエバネッセント光が形成される。このエバネッセント光にカンチレバーの探針３０１ａを挿入すると、エバネッセント光が散乱される。このとき散乱光は探針にコートされた銀の作用により増強される。散乱光３０５は、励起光を集光したものと同一の対物レンズ３０３により集光されて、ノッチフィルター（図示せず）により励起光を除去し、その散乱光を冷却ＣＣＤカメラ付の分光器（図示せず）で分光分析することにより、回折限界を超える分解能で、ラマン分光分析を行っている。第３の従来技術では探針先端３０　１ａとサンプル３０２間に働く原子間力により探針とサンプルの距離制御が行われ、第２の従来技術と同じく、エバネッセント光に含まれる形状情報と光学情報を分離して測定することが可能である。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３１９６９４５号公報（第２−４項、第１図）
【０００９】
【特許文献２】
特開平９−２８１１２２号公報（第３−７項、第４図）
【００１０】
【非特許文献１】
Ｎｏｒｉｈｉｋｏ　Ｈａｙａｚａｗａ，　Ｙａｓｕｓｈｉ　Ｉｎｏｕｙｅ，　Ｚｏｕｈｅｉｒ　Ｓｅｋｋａｔ，　Ｓａｔｏｓｈｉ　Ｋａｗａｔａ，Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ　Ｒａｍａｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｂｙ　ａ　ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄ　ｔｉｐ，　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　３３５　（２００１）　３６９−３７４
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しなしながら、第１から第３に示した従来技術では、エバネッセント光を散乱させるための金属や誘電体がプローブ先端近傍のみならずプローブ先端から離れた部分においても存在しているため、サンプル表面のエバネッセント成分以外のファーフィールド成分までも散乱してしまい、これが信号に混入してＳ／Ｎ比や分解能が低下してしまう。
【００１２】
さらに、第１から第３に示した従来技術において、非透過性のサンプルなどを測定する場合には反射光学系によりエバネッセント光を発生させて、後方散乱成分を集光する必要がある。このとき、プローブ自体が反射光学系により入射される光や後方散乱光を遮断してしまう。さらにプローブやプローブホルダ、撓み量検出手段などのサンプル上方に配置される構成要素自体が入射用の反射光学系や集光光学系の配置に制約を与えてしまう。このため、反射光学系や集光光学系を効率よく測定できる位置に配置することができず、Ｓ／Ｎ比や分解能が低下してしまう。
【００１３】
本発明の目的は上記課題を解決できるような散乱型近接場顕微鏡および散乱型近接場分光システムを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の散乱型近接場顕微鏡では、探針を有するカンチレバーと、カンチレバーを保持するためのカンチレバーホルダと、探針に対向する位置に配置されるサンプルホルダと、カンチレバーの撓み量を検出するための撓み量検出機構と、探針とサンプル間の距離を調整するための微動機構と、探針とサンプルを２次元平面内で相対的に移動させるスキャナと、撓み量検出機構からの信号を基に前記微動機構を動作させて、微小探針とサンプル間の距離の調整を行うためのサーボ回路と、サンプル表面にエバネッセント光を発生させるエバネッセント光発生手段と、サンプル表面に発生したエバネッセント光に探針を近接させた際に発生する散乱光を集光するための集光手段と、散乱光の強度を測定するための光検出部とを有する散乱型近接場顕微鏡において、探針の最先端部付近にのみ金属または誘電体部を設けた。
【００１５】
さらに、本発明では、カンチレバーの一部または全部を光学的に透明な材料で構成し、探針の最先端部付近にのみ金属または誘電体部を設け、探針先端で後方散乱される光の一部または全部がカンチレバーを透過可能な構成とすることによって、探針の最先端部以外での散乱を極力抑えるとともに、カンチレバーを透過した後の後方散乱成分を集光可能な構成とした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、ここで述べる実施形態は本発明の一実施形態例に過ぎず、この実施形態例で本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（１）第一実施形態例
図１に、本発明に係る散乱型近接場顕微鏡の第一実施形態例を示す。本実施形態例では、透明なサンプルホルダ１の下に開口数が１以上の対物レンズ２（ここでは開口数１．４の油浸レンズ）を配置した。この対物レンズ２にレーザ３からの光を導入する。レーザ光は、ビームエクスパンダー４により平行光に変換され、ダイクロイックミラー５により９０°曲げられて対物レンズに導かれる。このとき、ビームエクスパンダー４とダイクロイックミラー５間の光路上に対物レンズ２に入射する光のうち開口数が１以下の部分の光をカットするように、円盤状の遮光板６を挿入する。このような光学系により、対物レンズ２から開口数が１以上の部分の光をサンプル７に入射することにより光は全反射角で入射し、サンプル７の表面にエバネッセント光が形成される。
【００１８】
サンプル７はサンプルホルダ１上に載置されており、サンプルホルダ１には圧電素子より構成され、２次元平面内でのスキャンと高さ方向のサーボ動作が可能な３軸微動機構８が取り付けられている。
【００１９】
一方、サンプル７の上方には、カンチレバーホルダ１０が配置され、シリコン基板からなり、先端に先鋭化された探針部１１ａが設けられたカンチレバー１１が取付けられる。この探針１１ａの最先端部のみに金属が蒸着されている。本実施形態例では蒸着金属として、銀を使用した。銀の蒸着範囲は探針最先端部から概ね２００ｎｍ以内、好ましくは１００ｎｍ以内の高さに限定されている。ここで本実施形態例においては先端部のみに金属を付着させる方法として、探針全体に金属薄膜を蒸着し、最先端部の約１００ｎｍ部分のみを残して残りの金属をフォーカストイオンビーム（ＦＩＢ）により、除去加工することにより製作した。
【００２０】
カンチレバー１１の撓みはカンチレバー上方に配置される光てこ光学系１２により検出される。光てこ光学系はレーザダイオード１３の光をレンズ１４でカンチレバー１１の背面に集光し、カンチレバー１１からの反射光を受光面が４分割されたフォトディテクタ１５で検出するような構成である。レーザダイオード１３の波長は測定したい波長とは異なる波長を用いている。カンチレバー１１が撓んだ場合にはフォトディテクタ１５上のスポットが上下に動く。この時の各分割面での光強度の差を検出することでカンチレバー１１の撓みが計測される。
【００２１】
カンチレバーホルダ１０は、探針１１ａとサンプル７表面とを近接させるための粗動ステージ１８に搭載されている。粗動ステージ１８はステッピングモータ１９と送りネジ２０による機構を用いてマイクロメータヘッド２１の脚を支点にして、カンチレバーホルダ１０と光てこ光学系１２が搭載された粗動ステージ１８をサンプル７に対して近接させるような構成である。
【００２２】
このように構成された装置で、探針１１ａとサンプル７を原子間力が作用する領域まで近づけた場合、カンチレバー１１の先端に作用する原子間力によりカンチレバー１１に撓みが生ずる。この撓み量は探針１１ａとサンプル７間の距離に依存するため、撓み量が一定となるように微動機構８をサーボ機構（図示せず）によりサーボ動作させることによってサンプル７と探針１１ａの距離を一定に保つことが可能となる。
【００２３】
サンプル７表面に発生するエバネッセント光は一般的には１００ｎｍ〜２００ｎｍの間に存在しサンプル７表面から遠ざかるにしたがって指数関数曲線に乗って減衰する。探針１１ａとサンプル７をサーボ動作させながら、この領域に位置決めすることにより、探針先端１１ａでエバネッセント光が散乱され、さらに、探針先端１１ａで散乱された光は銀の電場増強作用により増強され、伝播光に変換される。
【００２４】
この散乱光は、励起光の入射に用いたレンズと同一のレンズ２で集光される。集光を行う場合には、開口数１以下の部分も含め対物レンズ全体で集光が行われる。集光された光信号のうち、所望の検出信号をダイクロイックミラー５と吸収フィルター２２で選択し、全反射ミラー２３で９０度に曲げられて結像レンズ２４により結像された後、ショートパスフィルター２５により光てこ光学系のレーザダイオード光の成分をカットし、光検出器２６に導かれる。光検出器２６には、ここでは光電子増倍管を用い、フォトンカウンター２７を用いて、フォトンカウンティング方式により光強度の計測を行った。
【００２５】
このように構成された散乱型近接場顕微鏡において、サンプルを３軸微動機構８によりサンプル７と探針１１ａの高さを一定に保ちながら、２次元平面内でスキャンさせることにより、サンプル表面での光学情報のマッピングが回折限界を超える分解能で測定される。更に、高さ方向の制御に用いたサーボ信号をマッピングすることによりサンプル表面の凹凸像も同時に測定できる。
【００２６】
従来の散乱型近接場顕微鏡では探針の先端部分以外にも一様に金属または誘電体が付けられていたため、探針先端で散乱された後の散乱光や探針周囲に発生するエバネッセント光以外の迷光成分も探針で散乱されてしまい、これらがノイズとなってＳ／Ｎ比や分解能の低下を起こしていたが、本発明では散乱用の金属が先端部のみに限定されているため、これらのノイズ成分が低減されて、従来の散乱型近接場顕微鏡に比べてＳ／Ｎ比や分解能が向上する。なお、ここでは蒸着金属の高さを概ね１００ｎｍ以下としたが、さらに高さを低くして局所的に金属を蒸着することにより更にＳ／Ｎ比や分解能が向上する。
【００２７】
（２）第二実施形態例
図２に、本発明に係る散乱型近接場顕微鏡の第二実施形態例を示す。本実施形態例では、ベース３０上にサンプルステージ３１を配置し、サンプルステージ３１上にサンプル３２を載置した。サンプル３２の上方に圧電素子より構成され、２次元平面内でのスキャンと高さ方向のサーボ動作が可能な３軸微動機構３３を配置し、３軸微動機構３３にカンチレバーホルダ３４と、カンチレバー３６の撓み測定用の小型の光てこ光学系が収められた光学ヘッド３５が３軸微動機構３３と一体に動作するように取り付けられている。
【００２８】
カンチレバーホルダ３４には、酸化シリコンからなり、先端に先鋭化された探針３６ａが設けられたカンチレバー３６が取付けられる。この探針の最先端部のみに金属が蒸着されている。本実施形態例では蒸着金属として、銀を使用した。銀の蒸着範囲は探針最先端部から概ね１００ｎｍ以内の高さに限定されている。本実施例においても先端部のみに金属を付着させる方法として、探針全体に金属薄膜を蒸着し、最先端部の約１００ｎｍ部分のみを残して残りの金属をＦＩＢにより、除去加工することにより製作した。
【００２９】
また、カンチレバーホルダ３４にはカンチレバー３６励振用の圧電素子３７が取り付けられており、カンチレバー３６が加振され、光学ヘッド３５により振幅が検出される。
【００３０】
サンプル３２の表面の上方にはレーザ光源３８が配置され、全反射角を満たし、光路がカンチレバー３６と干渉しない方向からレーザ光が入射され、サンプル３２表面にエバネッセント光を発生させる。
【００３１】
３軸微動機構３３は、サンプル３２とカンチレバー３６を近接させるための粗動機構３９に搭載されている。粗動機構はステッピングモータ４０と送りネジ（図示せず）による機構を用いた。
【００３２】
サンプル上方の後方散乱光を検出できる位置には散乱光集光用の対物レンズ４１が配置される。対物レンズ４１で集められた光は全反射ミラー４２で反射されて、ノッチフィルター４３で励起光成分をカットし、ショートパスフィルター４４で光てこ用の半導体レーザの光がカットされたあと、結像レンズ４５で結像されて、光検出器４６に導かれる。本実施形態例では光検出器として、光電子増倍管を使用した。
【００３３】
なお、光学ヘッド３５内部は、図３に示すように、カンチレバー３６背面の斜め上方に半導体レーザ４９を配置し、カンチレバー背面に集光レンズ５０でレーザ光を集光して、カンチレバー３６からの反射光を４分割フォトダイオード５１で検出する構成となっており、光学ヘッド３５の中心部にはカンチレバー３６の上方に配置された対物レンズ４１で後方散乱光を集光可能なように開口窓５２が設けられている。
【００３４】
本実施形態例では、カンチレバー３６をカンチレバーの共振周波数近傍で加振して探針３６ａがサンプル３２に近づいた際の原子間力や間欠的な接触による、カンチレバー３６の振幅の変化により探針３６ａとサンプル３２間の距離制御を行っている。このときの振幅の変化量は探針３６ａとサンプル３２間の距離に依存するため、振幅が一定となるようにサーボ機構（図示せず）によりサーボ動作を行うことにより、探針３６ａとサンプル３２間の距離を一定の保つことが可能である。なお、振幅の代わりに、位相や周波数を用いて制御を行うことも可能である。
【００３５】
また、本実施形態例では、入射するレーザ光にカンチレバー３６の加振周波数に同期したパルス信号でモジュレーションを掛け、光電子増倍管４６で検出される信号のうち、カンチレバー３６の加振周波数に同期した散乱光成分のみをロックインアンプ４７でロックイン検出するような光計測方式を用いてＳ／Ｎ比の向上をはかった。ここで、カンチレバー３６の振幅は通常、数ｎｍ〜数十ｎｍである。サンプル表面に発生したエバネッセント光はサンプル表面からの距離に対して指数関数曲線に乗って減衰するため、サンプル表面と垂直方向に加振されることに伴い、厳密にはエバネッセント光強度が変化する。本方式のように、入射光にパルス信号によりＯＮ／ＯＦＦのモジュレーションを掛けて、散乱光をロックイン検出すれば、カンチレバーの加振に伴うエバネッセント光強度の変動を最小に抑えることも可能となる。更に、探針３６ａがサンプル３２表面から遠ざかるにしたがって分解能も低下するため、探針３６ａが近接した部分でのみ入射光を与えるようにすれば分解能も向上する。
【００３６】
なお、ロックイン検出を行う場合には、カンチレバーの加振周波数に関わらず入射光に任意のモジュレーションをかけて、この周波数に同期した散乱光成分をロックイン検出する、あるいは、入射光は連続光として、カンチレバーの加振周波数に同期した成分のみをロックイン検出する方式も考えられ、いずれもＳ／Ｎ比の向上をはかることができる。
【００３７】
従来の散乱型近接場顕微鏡では可視光に対して光学的に不透明なシリコン製のカンチレバーを利用してさらにカンチレバー全面にわたって散乱用の金属を蒸着したような構成であった。このため、後方散乱光の大部分はカンチレバーで遮られてしまい、集光用の対物レンズをサンプル表面に対して斜め上方に配置しカンチレバーで遮られないような工夫が必要であった。この場合には後方散乱光の一部しか対物レンズで集光することができず、集光効率が著しく悪かった。
【００３８】
本実施形態例では、カンチレバー３６および探針部分３６ａは可視光に対して光学的に透明な酸化シリコンにより構成され、金属は先端の極一部にしか付着していないため、カンチレバー３６で後方散乱光が遮られる部分が大幅に少なくなり、集光用の対物レンズ４１をカンチレバー３６の後方にも配置することが可能となり、集光効率が大幅にアップする。さらに、金属付着部分がサンプル表面のエバネッセント光の存在する領域に限られるため、ファーフィールド成分の散乱が防止され、ファーフィールド光散乱に起因するノイズ成分の影響が少なくなる。
【００３９】
このように構成した散乱型近接場顕微鏡により、形状の影響を受けずに、回折限界を超える光学情報を得ることができる。また、距離制御のフィードバック信号からサンプル表面の形状情報も同時に得ることができる。
【００４０】
なお、本実施形態例ではサンプル上方にエバネッセント光発生手段を配置して外部から光を励起するような構成であるが、エバネッセント光発生手段は本方式に限定されず、例えば半導体レーザの発光面での強度分布測定や光導波路の境界面での強度分布測定のように励起光源を用いなくてもサンプル表面にエバネッセント光が存在するようなサンプルに対しても適用が可能である。
【００４１】
また、集光用の対物レンズの配置はカンチレバー直上に限定されず、斜め方向などから集光を行う場合も本発明に含まれる。
【００４２】
（３）第三実施形態例
図４に、本発明の第三実施形態例である散乱型近接場分光システムを示す。
本実施形態例では、透過性のサンプル用に第一実施形態例の散乱型近接場顕微鏡と同様の光学系を使用した。すなわち、透明なサンプルホルダ５３の下に開口数が１以上の対物レンズ５４（ここでは開口数１．４の油浸レンズ）を配置した。この対物レンズ５４にレーザ５５からの光を導入する。レーザ光は、ビームエクスパンダー５６により平行光に変換され、ハーフミラー５７により９０°曲げられて対物レンズ５４に導かれる。このとき、ビームエクスパンダー５６とハーフミラー５７間の光路上に対物レンズ５４に入射する光のうち開口数が１以下の部分の光をカットするように、円盤状の遮光板５８を挿入する。このような光学系により、対物レンズ５４から開口数が１以上の部分の光をサンプル５９に入射することにより光は全反射角で入射し、サンプル５９の表面にエバネッセント光が形成される。また、サンプル５９はサンプルホルダ５３上に載置されており、サンプルホルダ５３には圧電素子より構成され、２次元平面内でのスキャンと高さ方向のサーボ動作が可能な３軸微動機構６０が取り付けられている。
【００４３】
本実施形態例ではさらに非透過性のサンプル用にサンプル５９の斜め上方にもレーザ６１を配置し、エバネッセント光発生用のレーザを入射可能な構成とするとともに、探針６２　ａで散乱された後方散乱成分も集光可能なようにカンチレバー６２の後方側にも集光用の対物レンズ６３を配置した。さらにサンプル５９の上方にも圧電素子より構成され、２次元平面内でのスキャンと高さ方向のサーボ動作が可能な３軸微動機構６４を配置し、３軸微動機構６４にカンチレバーホルダ６５とカンチレバーの撓み測定用の小型の光てこ光学系が収められた光学ヘッド６６を３軸微動機構と一体に動作するように取り付けた。光学ヘッド６６の構成は、第二実施形態例の図３に示したものと同様のものを使用しており、カンチレバー６２背面の斜め上方に半導体レーザを配置し、カンチレバー背面に集光レンズでレーザ光を集光して、カンチレバーからの反射光を４分割フォトダイオードで検出する構成となっており、光学ヘッドの中心部にはカンチレバーの上方に配置された対物レンズで後方散乱光を集光可能なように開口窓が設けられた構造である（光ヘッドの内部構造は図示せず）。
【００４４】
サンプルの上方に設けられた３軸微動機構６４は、ステッピングモータ６７により駆動される粗動ステージ６８に取り付けられており、粗動ステージ６８により探針６２ａがサンプル５９に近づけられる構成となっている。
【００４５】
本実施形態例では、探針６２ａとサンプル５９を原子間力が作用する領域まで近づけ、カンチレバーの先端６２ａに作用する原子間力により生ずるカンチレバーの撓みを計測し、この撓み量が一定となるように微動機構６０または６４をサーボ機構（図示せず）も用いてサーボ動作させることによってサンプル５９と探針６２ａの距離を一定に保つようにした。なお、第二実施形態例と同じようにカンチレバーを加振しながら制御を行う方式も使用可能である。
【００４６】
カンチレバー６２として酸化シリコンからなり、先端に先鋭化された探針６２ａが設けられ、この探針の最先端部の約１００ｎｍの高さに銀を蒸着させて、さらに、探針の最先端部に直径が約５０ｎｍの大きさの微小開口を設けたものを使用した。このカンチレバーの製作は探針部全体に銀を蒸着し、先端から約１００ｎｍの高さの部分のみ残して、残りの金属をＦＩＢで除去加工した後、さらに、ＦＩＢを用いて最先端部分を除去加工し、約５０ｎｍの微小開口を製作した。
【００４７】
本実施形態例では、探針６２ａの開口部周囲の金属によりエバネセント光が散乱され、散乱光のうちサンプル５９を透過した成分は励起光の入射に用いたレンズと同一の透過側の対物レンズ５４で集光される。集光を行う場合には、開口数１以下の部分も含め対物レンズ５４全体で集光が行われる。集光された光信号はハーフミラー５７を透過し、全反射ミラー６９で９０度曲げられて、さらに全反射ミラー７０，７１で光路を変換されて、ショートパスフィルター７２により光てこ光学系のレーザダイオード光の成分をカットし、さらに、ノッチフィルター７３により励起光成分をカットされて、結像レンズ７４により結像された後、分光システム７５に導かれる。
【００４８】
また、後方散乱成分は探針先端６２ａの開口部で集光されて可視光に対して透明な探針内部を透過して集光用の対物レンズ６３で集光される。また、後方散乱光のうち開口部分で集められなかった成分もカンチレバー６２を通して対物レンズ６３で集光することができる。これらの光は、２枚の全反射ミラー７６，７７で光路を変換された後、透過光の光路と同じ光路を通り分光システム７５に導かれる。ここで、全反射ミラー７０は切り替え可能な構成となっており、後方散乱成分の計測を行う場合にはスルーに切り替えられる。
【００４９】
このように構成された散乱型近接場分光システムにより、透過性サンプルや非透過性サンプル、あるいは装置のもつエバネッセント光発生手段以外の方法でサンプル表面にエバネッセント光が存在するようなサンプルに対して適宜入射方法と集光方法を選択して用いることが可能となる。また、全反射ミラー７０をハーフミラーに切り替えることにより、透過光と後方散乱成分の双方が同時に計測可能となる。
【００５０】
２つの３軸微動機構６０，６４は通常、透過光集光時にはサンプルの下側に設けられた３軸微動機構６０を用い、後方散乱成分集光時にはサンプルの上側に設けられた３軸微動機構６４を用いるが、これらは測定の対象により、任意に選択して使用可能である。
【００５１】
本実施形態例では、分光器と冷却型ＣＣＤカメラにより構成される分光システム７５を用いて、スペクトル強度を測定可能なように構成した。本システムを用いることにより、サンプルの任意の位置でのラマンスペクトルや蛍光スペクトル測定が回折限界を超える高い分解能で可能となる。また、サンプルと探針を相対的にスキャンしながらスペクトル強度を測定することにより、２次元平面内でのスペクトルマッピングも可能である。特に本実施形態例では銀をコートしたカンチレバーを用いているため、電場増強効果により散乱光強度は向上させることが可能となり、ラマン分光分析などの微弱光測定も実現できる。
【００５２】
（４）その他の実施形態例
▲１▼カンチレバー
本発明において、後方散乱成分をカンチレバーで透過させたあと対物レンズで集光する場合のカンチレバーの材質は、検出光に対して光学的に透明であれば任意の材質が使用可能である。たとえば、第二実施形態例、第三実施形態例では酸化シリコン製のカンチレバーを使用したが、酸化シリコンは主に可視から近赤外にかけて光学的に透明ありこの範囲で使用可能である。また、シリコンナイトライド製のカンチレバーも近赤外までの光に対して光学的に透明でありこの範囲で使用可能である。また、約１．２μｍ以上の光に関してはシリコンでも光を通し、この範囲ではシリコン製のカンチレバーも使用可能である。
【００５３】
さらに、カンチレバーと探針が別の材質で製作することも考えられる。例えば、可視光を検出する場合に使用するカンチレバーの例を図５に示す。このカンチレバー８０では、探針部分８０ａは可視光に対して光学的に透明な酸化シリコンを使用し、カンチレバー部分８１ｂは光学的に不透明なシリコン材料を用いた。このようなカンチレバーを用いることにより、光てこなどの変位検出用のレーザに対しては変位検出用のレーザがカンチレバーで効率よく反射されるとともに、サンプル側への漏れ光がカンチレバーでカットされるというメリットがある。
【００５４】
また、探針先端に設けられる金属は銀に限定されず、たとえば、金、白金、タングステン、アルミニウムなどの金属のほか、誘電体なども目的に応じて使用できる。
【００５５】
これらの金属や誘電体は散乱光の増強効果の有するものが望ましく、探針の母材よりも、先端に設けられる散乱体の増強率を大きくすることにより、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００５６】
金属や誘電体を設ける方法は実施形態例で述べた蒸着に限定されず、たとえば、ＦＩＢを用いて探針先端に堆積する方法などが考えられる。
【００５７】
これらの金属や誘電体などの散乱体が設けられる領域は、エバネッセント光が存在する領域のみでよく、通常、探針先端から２００ｎｍ以内の高さに設けられる。この高さは２００ｎｍ以内で目的により任意に選択可能であり、たとえば、高分解能を得るためにはできるだけ狭い領域にのみ散乱体を設けるほうがよい。
【００５８】
また、探針先端に微小開口を製作する場合には、第三実施形態例で述べたような探針部分が中実の構造の他にもＦＩＢなどでカンチレバー背面から探針先端にかけて物理的に中空開口を形成する方式も考えられる。
【００５９】
さらに、探針先端の形状は任意であり、たとえば散乱光の増強度を向上させるために三角形状や菱形などに加工することも考えられる。
【００６０】
▲２▼制御方式
第一実施形態例から第三実施形態例では、カンチレバーの静的なたわみを検出しながら探針とサンプル間の距離制御を行う、あるいは、カンチレバーをサンプルに対して上下方向に加振し、探針とサンプル間の距離を制御する方式を使用したが、本発明での探針とサンプル間の距離制御方式はこれらの方式に限定されず、たとえば、エバネッセント光の散乱強度や、サンプルと探針間に流れるトンネル電流により距離制御を行う方式も考えられ、これらはいずれも本発明に含まれる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、エバネッセント場を散乱させるための金属または誘電体を探針の最先端部付近にのみ概ね２００ｎｍ以下の領域に設けたカンチレバーを用いて、エバネッセント光発生手段によりサンプル表面に発生させたエバネッセント光を散乱させて、サンプルを透過、または後方散乱した散乱光を集光手段により集光し、光強度を検出することや、分光スペクトルを測定できるようにした。
【００６２】
このように構成した散乱型近接場顕微鏡では、探針先端で散乱された散乱光や迷光がカンチレバーの先端部以外で散乱されることがなく、さらに、金属付着部分がサンプル表面のエバネッセント光の存在する領域に限られるため、ファーフィールド成分の散乱が防止され、ファーフィールド光散乱に起因するノイズ成分の影響が少なくなる。その結果、従来の散乱型近接場顕微鏡に比べて、Ｓ／Ｎ比とコントラストが向上する。
【００６３】
また、探針先端で後方散乱され、集光手段で集光される光の一部または全部がカンチレバーを透過して集光されるように、カンチレバーの一部または全部を光学的に透明な材料で構成し、金属または誘電体を探針の最先端部付近の概ね２００ｎｍ以下の領域に設けて散乱型近接場顕微鏡を構成した。
【００６４】
このように構成した散乱型近接場顕微鏡では、カンチレバーで後方散乱光が遮られる部分が大幅に少なくなり、集光用の対物レンズをカンチレバーの後方にも配置することが可能となり、集光効率が大幅にアップし、Ｓ／Ｎ比とコントラストが向上する。
【００６５】
さらに、探針先端に微小開口を設け、開口周りの金属でエバネッセント光を散乱し、後方散乱成分を集光することにより、さらに集光効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の散乱型近接場顕微鏡の第一実施形態例の構成図である。
【図２】本発明の散乱型近接場顕微鏡の第二実施形態例の構成図である。
【図３】第二実施形態例の光ヘッドの構成図である。
【図４】本発明の散乱型近接場分光システムの第三実施形態例の構成図である。
【図５】本発明の別の実施形態例に係るカンチレバーの構成図である。
【図６】第一の従来技術の構成図である。
【図７】第二の従来技術の構成図である。
【図８】第三の従来技術の構成図である。
【符号の説明】
２，４１，５４，６３　対物レンズ
３，３８，５５，６１　レーザ
６，５８，　遮光板
７　サンプル
８，３３，６０，６４　３軸微動機構
９，７８　ベース
１０，３４，６５　カンチレバーホルダ
１１，３６，６２，８０　カンチレバー
１２　光てこ光学系
１６，１７　ミラー
１８，６８　粗動ステージ
２６，４６　光検出器
２７　フォトンカウンター
３５，６６　光学ヘッド
３９　粗動機構
４７　ロックインアンプ
４８，７９　支柱
７５　分光システム
【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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【図７】
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【図８】
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