(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。【解決手段】自己検知型のカンチレバーを利用して散乱型近接場顕微鏡を構成し、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９
2004101425.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手段と、探針とサンプル間の距離を調整するための微動手段と、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、前記撓み量検出手段からの信号を基に前記微動機構を動作させて、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、前記撓み量検出手段は、カンチレバー構造の一部に設けられていることを特徴とする散乱型近接場顕微鏡。
【請求項２】
前記撓み量検出手段は、前記カンチレバーに設けられたピエゾ抵抗体であることを特徴とする、請求項１に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項３】
前記探針は、単一の金属または誘電体により形成されることを特徴とする、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】
前記探針は、任意の母材に被覆された金属膜または誘電体膜により形成されることを特徴とする、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】
前記探針は、任意の母材に被覆された複数種の金属多層膜または誘電体多層膜により形成されることを特徴とする、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】
前記探針は、任意の母材に被覆された複数種の金属および誘電体の多層膜により形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項７】
探針を構成する任意の母材に、異種の金属または誘電体を固着させ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８】
探針部に形成される金属または誘電体は、探針の最先端部付近にのみ形成されることを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項９】
探針部に形成される金属または誘電体は、探針の最先端部から２００ｎｍ以内の高さの部分にのみ形成される請求項１乃至請求項８にいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１０】
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乃至請求項９のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１１】
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乃至請求項９のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１２】
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乃至請求項９のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１３】
カンチレバーの一部または全部は、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１２のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１４】
探針先端部に開口を設けたことを特徴とする、請求項１３に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１５】
前記カンチレバーの少なくとも光学的に透明な部分は、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１３または１４に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１６】
探針先端部に開口を設け、探針内部を中空構造としたことを特徴とする、請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１７】
カンチレバーの光学的に透明な部分とカンチレバーとは、異なる材質で構成されることを特徴とする、請求項１３乃至請求項１６のいずれかに記載の散乱近接場顕微鏡。
【請求項１８】
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、撓み量を前記撓み量検出手段により検出し、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１７のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項１９】
探針をサンプルに対して該垂直面内で加振し、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、撓み量検出手段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１７のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項２０】
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ことを特徴とする、請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項２１】
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１９に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項２２】
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、この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１９に記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項２３】
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特徴とする、請求項１乃至請求項２２のいずれかに記載の散乱型近接場顕微鏡。
【請求項２４】
請求項１乃至請求項２３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１３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１０４、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できる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】
第１の従来技術でプローブとサンプルの距離制御を行う方法の一例として、散乱光強度を利用する方法が紹介されている。エバネッセント光強度はサンプル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、エバネッセント光の散乱光強度により距離制御を行うことが可能である。
【０００５】
また、第１の従来技術の応用例として、図１４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。）。
【０００６】
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、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ることにより、形状情報と光学情報を分離して測定することが可能となる。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２０３と試料２０２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。
【０００７】
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１５を基に説明する（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００８】
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の裏面に開口数（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３０１ａ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。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３１９６９４５号公報（第２−４項、第１図）
【００１０】
【特許文献２】
特開平９−２８１１２２号公報（第３−７項、第４図）
【００１１】
【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
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第１の従来技術では、探針と試料間の距離制御に散乱光を用いているため、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できないという問題があった。さらに、エバネッセント光を散乱させた光は強度が弱いため、Ｓ／Ｎ比が悪くなり、制御が難しいという問題があった。
【００１３】
第２の従来技術では、シアフォース制御により探針と試料間の距離制御を行いながら散乱光を測定しているため、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。また、プローブの振幅測定が半導体レーザと２分割フォトディテクタからなる変位計により行われているため、散乱光強度による距離制御に比べて安定した制御が可能となる。しなしながら、シアフォース制御ではシアフォースが作用する原理としては、表面の吸着水によるキャピラリフォースや、摩擦力、原子間力、表面の凹凸による形状因子など複数の要因が考えられる。このため、安定性が低く、形状情報を完全には除去できない場合もある。また、シアフォース制御ではプローブを試料表面に対して平行に振動させているため、面内方向の分解能が悪くなる。さらに、プローブの変位の検出に半導体レーザが用いられているため、この光が、散乱光の検出信号の中に混入し、ノイズの要因となる。
【００１４】
さらに、第１、第２の従来技術では、ストレート型のプローブが用いられている。このような形態のプローブは通常、１本１本手作業で製作を行う必要があり、品質にばらつきが生じ、またコストも高くなる。さらに装置へ取り付けなど操作性も悪い。
【００１５】
第３の従来技術では、カンチレバーを用いて、探針とサンプル間に働く原子間力によりカンチレバーの撓みを検出し、撓みが一定となるように探針とサンプル間の距離制御を行っている。この方法では、シアフォースに比べてより安定して形状情報と光学情報を分離することが可能である。また、第３の従来技術に用いられるカンチレバーは半導体プロセス技術を用いて、ウェハ単位で大量に製作することが可能であるため、前述のストレート型のプローブに比べて、品質のばらつきが少なくなり、大量生産によりコストも安くなる。また、装置への取り付けも容易である。しかしながら、第３の従来技術ではシリコン基板により構成された探針付カンチレバーに銀をコートしたプローブが用いられている。このタイプのカンチレバーの撓み量の検出は外部から行う必要があり、通常は半導体レーザの光をカンチレバー背面に反射させて、反射光を２分割または４分割のフォトディテクタの検出面上に集光させて、検出面のスポットの軌跡から変位量を検出する光てこ法と呼ばれる方式により行われる。
【００１６】
光てこ法の場合、第２の従来技術と同様に半導体レーザを用いているため半導体レーザの光が散乱光の検出信号に混ざり込みノイズとなってしまう。更に、外部からカンチレバーの変位量を検出する場合には、カンチレバーの周囲に検出用の機構を設ける必要があり、カンチレバーまわりのスペースに制約が生じる。散乱型近接場顕微鏡で非透過性のサンプル測定を行う場合には後方散乱成分の集光を行う必要があるが、後方散乱光の集光などのため、カンチレバーの周囲に光学部材の配置が必要な場合が多く、スペースが制約された場合には集光効率などの測定データに直接影響するような要因を犠牲にして光学部材を配置せざるを得ない。更にスペースが狭くなることにより、サンプルの交換や、測定時の光軸調整などの作業性も悪くなってしまう。
【００１７】
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。
【００１８】
【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、探針構造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、サンプルの保持を行うサンプルホルダと、カンチレバーの撓み量を検出するための撓み量検出手段と、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、撓み量検出手段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により散乱型近接場顕微鏡を構成し、散乱型近接場顕微鏡用のプローブに半導体プロセスにより製作が可能なカンチレバーを使用して原子間力顕微鏡の技術によりサンプルと探針間の距離制御を行うようにした。このときのカンチレバーの撓み量検出手段として、カンチレバー構造の一部に撓み量検出手段を設け、自己検知型のカンチレバーとした。
【００１９】
また、カンチレバーの先端部付近に散乱光強度増強用の金属または誘電体を取り付けた。
【００２０】
さらに、カンチレバーの一部または全部を検出される信号に対して光学的に透明な材料を使用した。
【００２１】
【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。
【００２２】
（１）第一実施形態例
図１〜図４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。図１は第一実施形態例の装置構成図、図２〜図４は第一実施形態例に用いられるカンチレバーの構成図で、図２は平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【００２３】
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２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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、先端に先鋭化された探針構造を有する自己検知型のカンチレバー１１が取付けられる。このカンチレバーは、図２に示したように、酸化シリコン層１７ｂとシリコン層１７ａにより構成されるベースブロック１７上にｎ型シリコン基板１２によりカンチレバーを構成し、ｎ型シリコン基板１２の表面に、Ｕ字状にｐ型不純物シリコン１３が注入されている。このｐ型不純物シリコン１３がピエゾ抵抗体として作用する。このピエゾ抵抗体１３は外部に設けられたプリアンプ２５と電気的に接続するためのメタルコンタクト部１４ａ，１４ｂに接続されている。シリコン基板１２の表面にはメタルコンタクト部１４ａ，１４ｂの絶縁用にシリコン酸化膜１５が形成されている。また、この自己検知カンチレバー１１の探針部分１１ａには、銀１６が蒸着されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。このとき、ピエゾ抵抗体１３にひずみが生じ、抵抗値が変化する。この抵抗変化をプリアンプ２５で増幅し検出することによって、撓み量を測定する。プリアンプ２５とピエゾ抵抗体１３はブリッジ回路を構成しておりピエゾ抵抗体１３にバイアス信号を印加し、抵抗値の変化に応じた出力信号が増幅して検出される。プリアンプ２５での検出信号は差動アンプ（図示せず）に入力され基準信号と比較することによって撓み量が測定される。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、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。
【００３０】
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。
【００３１】
本実施形態例の散乱型近接場顕微鏡では、距離制御にカンチレバーを利用した原子間力顕微鏡技術を用いているため、ストレートプローブを用いたシアフォース制御に比べ安定した距離制御が可能となり光学像と形状像を完全に分離して測定することが可能である。
【００３２】
また、従来行われていたように撓み量の検出にレーザを用いた光てこ光学系などを使用していないため、撓み量検出用の光が散乱信号に混入してノイズとなることがない。また撓み量検出用に光てこなどを用いた場合には光軸合わせなど操作性が悪かったが、本実施形態例により操作性も向上する。
【００３３】
さらに、探針に蒸着された銀の作用により信号が増幅されるためＳ／Ｎ比が向上する。
【００３４】
また、プローブは半導体プロセスにより作製された自己検知型が用いられているため、ストレート型のプローブに比べて品質のばらつきやコストも抑えることができ、装置へ取り付けなど操作性もよい。
【００３５】
（２）第二実施形態例
図５〜図８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。図５は第一実施形態例の装置構成図、図６〜図８は第二実施形態例に用いられるカンチレバーの構成図で、図６は平面図、図７は図６のＣ−Ｃ線断面図、図８は図６のＤ−Ｄ線断面図である。
【００３６】
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。
【００３７】
カンチレバーホルダ３４には、先端に先鋭化された探針構造を有する自己検知型のカンチレバー３６が取付けられる。このカンチレバーは、図７に示したように、酸化シリコン層２７ｂとシリコン層２７ａにより構成されるベースブロック２７上にｎ型シリコン基板２８によりカンチレバーの一部を構成し、ｎ型シリコン基板２８の表面に、Ｕ字状にｐ型不純物シリコン２９が注入されている。このｐ型不純物シリコン２９がピエゾ抵抗体として作用する。このピエゾ抵抗体２９は外部に設けられたプリアンプ４４と電気的に接続するためのメタルコンタクト部３５ａ，３５ｂに接続されている。シリコン基板２８の表面にはメタルコンタクト部３５ａ，３５ｂの絶縁用にシリコン酸化膜４９が形成されている。また、カンチレバーの先端は酸化シリコン基板５０により構成されており、探針３６ａ部分も酸化シリコンで形成される。この探針の最先端部から概ね１００ｎｍの高さの部分には銀５１が蒸着されている。先端部のみに金属を付着させる方法として、探針３６ａ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。
【００３８】
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、ピエゾ抵抗体２９により振幅が検出される。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、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。
【００４２】
このように構成された装置で、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の振幅の変化をピエゾ抵抗体２９の抵抗値変化により検出し、探針３６ａとサンプル３２間の距離制御を行っている。共振周波数近傍で加振した場合には振動に対応してカンチレバーのピエゾ抵抗体２９に撓みが生じる。このとき、ピエゾ抵抗体２９にひずみが生じ、抵抗値が変化する。この抵抗変化をプリアンプ４４で増幅し検出することによって、振幅を測定する。プリアンプ４４とピエゾ抵抗体２９はブリッジ回路を構成しておりピエゾ抵抗体２９にバイアス信号を印加し、抵抗値の変化に応じた出力信号が増幅して検出される。プリアンプ４４での検出信号は差動アンプ（図示せず）に入力され基準信号と比較することによって振幅が測定される。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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、その結果、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。
【００４８】
さらに、一般に光の集光効率を上げるためには集光レンズの開口数（ＮＡ）の大きなレンズが用いられているが、ＮＡが大きくなると作動距離（ＷＤ）が短くなり、従来の光てこ光学系などを用いた装置ではＷＤを長くすることができず、その結果、低ＮＡの対物レンズしか使用できず集光効率が悪かった。しかしながら、本実施形態例では自己検知タイプのカンチレバーを用いているため、カンチレバーの周囲に従来用いられていた光てこ光学系などの変位検出機構が不要となり対物レンズを配置する空間が確保できる。このため、後方散乱集光用の対物レンズを従来の散乱型近接場顕微鏡よりも近接することが可能となる。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
（３）第三実施形態例
図９〜図１２に、本発明に係る散乱型近接場顕微鏡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。図９は第三実施形態例の装置構成図、図１０〜図１２は第三実施形態例に用いられるカンチレバーの構成図で、図１０は平面図、図１１は図１０のＥ−Ｅ線断面図、図１２は図１０のＦ−Ｆ線断面図である。
【００５３】
図９に示したように、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５　４（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。
【００５４】
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６２ａ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を３軸微動機構と一体に動作するように取り付けた。
【００５５】
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。
【００５６】
カンチレバーホルダ６５には、先端に先鋭化された探針構造を有する自己検知型のカンチレバー６２が取付けられる。このカンチレバーは、図１０に示したように、酸化シリコン層６６ｂとシリコン層６６ａにより構成されるベースブロック６６上にｎ型シリコン基板８０によりカンチレバーを構成し、ｎ型シリコン基板８０の表面に、Ｕ字状にｐ型不純物シリコン８１が注入されている。このｐ型不純物シリコン８１がピエゾ抵抗体として作用する。このピエゾ抵抗体８１は外部に設けられたプリアンプ７２と電気的に接続するためのメタルコンタクト部８２ａ，８２ｂに接続されている。シリコン基板８０の表面にはメタルコンタクト部８２ａ，８２ｂの絶縁用にシリコン酸化膜８３が形成されている。また、探針部６２ａは酸化シリコン８４により構成されている。この探針６２ａの最先端部から概ね１００ｎｍの高さの部分には銀８５が蒸着されている。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８６を製作した。
【００５７】
このように構成された装置で、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た場合、カンチレバー６２の先端に作用する原子間力によりカンチレバー６２に撓みが生ずる。このとき、ピエゾ抵抗体８１にひずみが生じ、抵抗値が変化する。この抵抗変化をプリアンプ７２で増幅し検出することによって、撓み量を測定する。プリアンプ７２とピエゾ抵抗体８１はブリッジ回路を構成しておりピエゾ抵抗体８１にバイアス信号を印加し、抵抗値の変化に応じた出力信号が増幅して検出される。プリアンプ７２での検出信号は差動アンプ（図示せず）に入力され基準信号と比較することによって撓み量が測定される。この撓み量は探針６２ａとサンプル５９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６４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５９と探針６２ａの距離を一定に保つことが可能となる。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。
【００５８】
本実施形態例では、探針６２ａの開口部８６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、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。
【００５９】
また、後方散乱成分は探針先端６２ａの開口部８６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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
（４）その他の実施形態例
▲１▼カンチレバー
本発明において、自己検知型のカンチレバーに設けられる撓み量検出手段は、第一から第三実施形態例に示したピエゾ抵抗体を用いたタイプに限定されず、カンチレバーと一体に構成される、いわゆる自己検知タイプのカンチレバーはすべて本発明に含まれる。また、カンチレバーを加振しながら制御を行う方式では、カンチレバーにピエゾ薄膜を設け、このピエゾにより加振と撓み量の検出を同時に行う方式も適用可能であり本発明に含まれる。
【００６４】
また、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。
【００６５】
また、探針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。
【００６６】
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。
【００６７】
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や、イオン注入を行う方法などが考えられる。また、これらの金属や誘電体は単一のものに限定されず、例えば金属の酸化防止のため保護膜を作製することや、あるいは増強度を向上させるために多層膜化をはかることも考えられる。
【００６８】
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、好ましくは、エバネッセント光が存在する領域のみに設ける方がよい。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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、探針構造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、サンプルの保持を行うサンプルホルダと、カンチレバーの撓み量を検出するための撓み量検出手段と、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、撓み量検出手段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により散乱型近接場顕微鏡を構成した。
【００７２】
本発明では特に、カンチレバーの撓み量検出手段として、カンチレバーの構造の一部にピエゾ抵抗体などを組み込み、自己検知型のカンチレバーを使用した。
【００７３】
このように構成された散乱型近接場顕微鏡では、距離制御にカンチレバーを利用した原子間力顕微鏡技術を用いているため、ストレートプローブを用いたシアフォース制御に比べ安定した距離制御が可能となり光学像と形状像を完全に分離して測定することが可能である。
【００７４】
また、従来行われていたように撓み量の検出にレーザを用いた光てこ光学系などを使用していないため、撓み量検出用の光が散乱信号に混入してノイズとなることがない。また撓み検出用に光てこなどを用いた場合には光軸合わせなど操作性が悪かったが、本実施形態例により操作性も向上する。
【００７５】
また、プローブとして半導体プロセスにより作製された自己検知型カンチレバー型が用いられているため、ストレート型のプローブに比べて品質のばらつきやコストも抑えることができ、装置へ取り付けなど操作性もよい。
【００７６】
また、本発明の散乱型近接場顕微鏡では、自己検知型カンチレバーの探針の一部または全部を散乱強度増強用の金属や誘電体により構成した。このため、信号強度が増幅され、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００７７】
さらに、本発明では、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、自己検知型のカンチレバーの一部または全部が光学的に透明な材料で構成されるようにするとともに、散乱光強度増強用の金属または誘電体が、探針の最先端部付近にのみ形成されるように構成した。
【００７８】
このように構成された散乱型近接場顕微鏡では、金属が先端の極一部にしか付着していないため、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。
【００７９】
さらに、一般に散乱型近接場顕微鏡では、散乱光強度が微弱であるため、光の集光効率を上げるために集光レンズの開口数（ＮＡ）の大きなレンズを用いる必要があるが、ＮＡが大きくなると作動距離（ＷＤ）が短くなり、従来の光てこ光学系などを用いた装置ではＷＤを長くすることができず、その結果、低ＮＡの対物レンズしか使用できず集光効率が悪かった。しかしながら、本発明では自己検知タイプのカンチレバーを用いているため、カンチレバーの周囲に従来用いられていた光てこ光学系などの変位検出機構が不要となり対物レンズを配置する空間が確保できる。このため、後方散乱集光用の対物レンズを従来の散乱型近接場顕微鏡よりも近接することが可能となり、その結果、高ＮＡの対物レンズが使用でき集光効率が大幅に向上する。
【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】第一実施形態例に用いられる自己検知型カンチレバーの平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】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６】第二実施形態例に用いられる自己検知型カンチレバーの平面図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】図６のＤ−Ｄ線断面図である。
【図９】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１０】第三実施形態例に用いられる自己検知型カンチレバーの平面図である。
【図１１】図１０のＥ−Ｅ線断面図である。
【図１２】図１０のＦ−Ｆ線断面図である。
【図１３】第一の従来技術の構成図である。
【図１４】第二の従来技術の構成図である。
【図１５】第三の従来技術の構成図である。
【符号の説明】
１，５３　サンプルホルダ
２，４１，５４，６３　対物レンズ
３，３８，５５，６１　レーザ
７，３２，５９　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　自己検知カンチレバー
１８，６８　粗動ステージ
２５，４４，７２　プリアンプ
２６，４６　光検出器
３１　サンプルステージ
３９　粗動機構
４８，７９　支柱
６２　カンチレバー
７５　分光システム
【図１】
2004101425.tif 000003
【図２】
2004101425.tif 000004
【図３】
2004101425.tif 000005
【図４】
2004101425.tif 000006
【図５】
2004101425.tif 000007
【図６】
2004101425.tif 000008
【図７】
2004101425.tif 000009
【図８】
2004101425.tif 000010
【図９】
2004101425.tif 000011
【図１０】
2004101425.tif 000012
【図１１】
2004101425.tif 000013
【図１２】
2004101425.tif 000014
【図１３】
2004101425.tif 000015
【図１４】
2004101425.tif 000016
【図１５】
2004101425.tif 000017