(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に開口を備えた管状の導電体を有し、
前記管状の導電体の外側の部分と内側の部分の一方において、前記開口から離れた位置に電磁波を発生させるための発生器を備え、もう一方において、前記開口から離れた位置からの電磁波を検出するための検出器を備え、
前記開口のサイズは電磁波の波長以下であって、
前記管状の導電体の外側の部分と内側の部分とで夫々発生、検出される電磁波を、前記開口を通じて結合する様に構成され、
観察したい検体を前記開口に対して配するときの前記電磁波の前記開口を通じた結合の変化に基づいて前記検体の情報を取得することを特徴とするプローブ。
【請求項２】
前記管状の導電体の内側に誘電体を備えることを特徴とする請求項1記載のプローブ。
【請求項３】
前記管状の導電体の外側に、電磁波を自由空間から該管状の導電体に効率良く結合させるための結合手段を備えることを特徴とする請求項1または2記載のプローブ。
【請求項４】
前記管状の導電体の前記開口は、該開口の先端部を先細りさせたテーパー構造であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のプローブ。
【請求項５】
前記電磁波が30GHz以上30THz以下の周波数領域の一部を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のプローブ。
【請求項６】
請求項1から5のいずれかに記載のプローブと、
前記プローブと検体との相対的な位置関係を制御するための位置制御システムと、を備えることを特徴とする近接場顕微鏡。
【請求項７】
装置であって、
テラヘルツ波を発生させるための発生器と、
前記発生器で発生したテラヘルツ波を伝送するための伝送路と、
検体と相互作用したテラヘルツ波を検出するための検出器と、を備え、
前記伝送路は、前記テラヘルツ波の波長以下のサイズを有する開口を先端に備えた管状の導電体を含み構成され、
前記発生器から発生したテラヘルツ波を前記管状の導電体の外側あるいは内側を伝って前記開口に伝送し、該伝送されたテラヘルツ波が検体と相互作用するように構成されることを特徴とする装置。
【請求項８】
前記開口に伝送されたテラヘルツ波が該開口の近傍で検体と相互作用し、該相互作用したテラヘルツ波を該管状の導電体の内側あるいは外側を伝って前記検出器に伝送するように構成されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記検出器が、前記管状の導電体における前記開口を備えた先端とは異なる端に配置され、
前記管状の導電体の外側を伝って前記開口に伝送されたテラヘルツ波が検体で反射、あるいは検体を伝播し、前記相互作用したテラヘルツ波を管状の導電体の内側を伝って前記検出器に伝送するように構成され、該開口のサイズに依る分解能で該検体の複素誘電率を取得することを特徴とする請求項７あるいは８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を利用して検体の誘電的性質などの情報を取得することのできるプローブ、及び近接場顕微鏡に関する。特に、ミリ波帯からテラヘルツ帯（30GHz〜30THz）の周波数領域における電磁波（以下、高周波電気信号ともいう）を利用して検体の微小部位の誘電的性質などの物性を観察することのできるプローブ、及び近接場顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
検体の微小部位及び微小検体の誘電的性質を観察する手段として、同軸線やコプレーナストリップ線（Co-Planar Strip Line）などの高周波伝送路の先端部を微細化して、検体からの高周波電気信号の反射を測定する方法がこれまでに知られている。この方法は、マイクロ波領域から可視領域までの広い周波数領域で利用され、マイクロ波領域ではマイクロ波プローブ（またはマイクロ波プローブ顕微鏡）などと呼ばれている。マイクロ波プローブでは、波長以下の微細構造を利用するため、使用する高周波電気信号の波長より小さな部位の誘電的性質を測定することができる。従って、検体の誘電的性質の分布に伴ったイメージングなどを、高い空間分解能をもって行うことが可能である。更に、検体の誘電的性質の情報は、検体から反射される高周波電気信号の位相遅延や振幅の低下より読み取ることができ、主に位相遅延は検体の誘電率実部、振幅の低下は誘電率虚部を反映する。故に、これらを解析することによって、検体の誘電的性質の定量的評価を行うことも可能である。
【０００３】
特許文献1は、上記の原理に従うマイクロ波プローブによって検体の複素誘電率を測定する装置を開示している。特許文献1の構成では、先端を微細化した同軸線へ発生器から高周波電気信号を送信し、検体からの反射波は方向性結合器を経由させて検出器で受信する。更に、高周波伝送路に高周波電気信号の共振構造を設け、検体から反射される高周波信号を定在させて、検体の誘電的性質の変化に伴う共振周波数のシフト或いは共振器Ｑ値の変化をイメージングに用いることも可能である。
【０００４】
特許文献2も、上記の原理に従うマイクロ波プローブによって検体の複素誘電率を測定する装置を開示している。特許文献2の構成では、第一の結合プローブを経由して、先端を微細化した多導体伝送路へ発生器から高周波電気信号を送信し、検体からの反射波は第二の結合プローブを経由させて検出器で受信する。この際に、多導体伝送路の先端と反対側を適当に終端することによって、検体からの反射波を多導体伝送路に定在させている。
【０００５】
この様なマイクロ波プローブの空間分解能をみると、マイクロ波の波長の1/1000かそれ以下までに達している。従って、可視領域でいう所謂近接場プローブ（または近接場プローブ顕微鏡）となっている。
【０００６】
一方、高周波伝送路は多様化し、非特許文献1に示される様に、一導体からなるワイヤ伝送路が開示されている。ワイヤ伝送路の特徴としては、比較的広い周波数帯域に渡って高周波電気信号の伝送が可能である。例えば、その伝播損失は、ミリ波帯からテラヘルツ帯に渡る周波数領域では、他の多導体高周波伝送路より優れ、分散も比較的少ないことが知られている。
【特許文献１】特開2005-121422号公報
【特許文献２】特開2002-189043号公報
【非特許文献１】Kanglin Wang, Daniel M. Mittleman: Nature, vol.432(2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献1のマイクロ波プローブにおいては、高周波電気信号の検体からの反射波を分波するために方向性結合器などを利用しなくてはならなかった。従って、装置が複雑化する。また、ミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域では、使用する高周波電気信号の周波数が高くなると、高周波伝送路における伝播損失は無視できなくなる。特に、特許文献2の様な多導体高周波伝送路では比較的伝播損失が大きいため、感度が低い。また、非特許文献1は、一導体からなるワイヤ伝送路を開示するのみである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明のプローブは、先端に開口を備えた管状の導電体を有する。ここで、管状の導電体の外側の部分と内側の部分の一方において、開口から離れた位置に電磁波を発生させるための発生器を備え、もう一方において、開口から離れた位置からの電磁波を検出するための検出器を備える。そして、開口のサイズは電磁波の波長以下であって、管状の導電体の外側の部分と内側の部分とで夫々発生、検出される電磁波を開口を通じて結合する様に構成される。こうして、観察したい検体を前記開口に対して配するときの電磁波の開口を通じた結合の変化に基づいて検体の情報を取得する。こうした構成において、典型的には、30GHz以上30THz以下の周波数領域の一部を含む電磁波が用いられる。
【０００９】
また、上記課題に鑑み、本発明の近接場顕微鏡は、上記プローブと、該プローブと検体との相対的な位置関係を制御するための位置制御システムと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、上記課題に鑑み、本発明の検体の観察方法は、上記のプローブまたは近接場顕微鏡を用いて検体の情報を取得する検体の観察方法であって、管状の導電体の内側の部分において、進行波または定在波である電磁波を存在させて検体の情報を取得することを特徴とする。
【００１１】
本発明におけるプローブ及び近接場顕微鏡では、管状の導電体を電磁波伝送路として構成し、導電体の内側の部分を導波管として、導電体の外側の部分をワイヤ伝送路として利用する。従って、本発明における管状の導電体は二つの電磁波伝送路として機能し、検体へ送信される電磁波と、検体から反射される電磁波とを分離することができる。これらの電磁波伝送路を分離するために、電磁波の表皮効果による導電体への侵入長より十分に厚い肉厚を有する導電体を用いる。例えば、テラヘルツ帯の高周波電気信号に対しては、サブミクロン以上の肉厚の導電体の管を使用する。この様な管状の導電体の先端部に開口を形成し、先端部に配置した検体からの電磁波の反射を測定する。例えば、導電体の外側の部分のワイヤ伝送路から検体の位置する先端部へ電磁波を送信し、検体から反射される電磁波の一部を導電体の内側の部分の導波管に導くといった方法で検体の測定を行うことができる。
【００１２】
本発明における管状の導電体の内側構造は導波管であるから、カットオフ周波数より高周波側の電磁波の伝送が可能である。一般に、導波管における伝播損失は他の高周波伝送路より小さいため、本発明におけるプローブ及び近接場顕微鏡において利点となる。また、本発明によるプローブ及び近接場顕微鏡は、典型的には、ミリ波帯より高周波側を動作周波数帯とする。そのため、導波管のカットオフ周波数による小型化の制約は、例えば、ミリ波帯の高周波電気信号を扱うことを考えても、導波管の内径が最大で数ミリ程度といった弱い制約であって、小型化のための大きな問題とはならない。
【００１３】
また、本発明における管状の導電体の外側の部分はワイヤ伝送路であるから、広い周波数帯域に渡って高周波電気信号などの伝送が可能である。その伝播損失は、非特許文献1に示される様に、ミリ波帯からテラヘルツ帯に渡る周波数領域では特に導体損失を受けにくい構造とされ、他の多導体高周波伝送路より優れていることが知られている。故に、この点も本発明におけるプローブ及び近接場顕微鏡において利点となる。例えば、伝播方向の長さが十数センチメートル程度としたワイヤ伝送路でさえ、高周波電気信号の減衰や分散は比較的小さく、殆ど問題にはならない程度といえる。導電体の導体損は、しかしながら、高周波電気信号の高周波化と共に増大するため、ワイヤ伝送路の伝播損失が無視できなくなると考えられる周波数の上限は、数十[THz]程度と見積もられる。
【００１４】
本発明において、以上に示した導電体内外の二つの電磁波伝送路は、先端部に位置する開口の位置で終端され、また、開口を通じて互いに結合しあう。従って、例えば、先端から微小開口の大きさ程度の近傍に検体が位置したとき、検体の誘電的性質の変化は同結合における結合効率に変化を与える様になる。故に、典型的には、この様な微小開口を経由した高周波電気信号を測定することで、検体の誘電的情報を読み取ることができる。または、同じことを言い換えると、検体の誘電的性質の変化に伴って、導電体内外の二つ電磁波伝送路の共通した終端のインピーダンスが変化する。故に、一方の電磁波伝送路からもう一方の電磁波伝送路への反射波の振幅や位相が変化する。これらを解析することで、検体の誘電的性質などを評価することができる。
【００１５】
本発明において使用される電磁波は、適当な電磁波送信手段である発生器によって送信され、適当な電磁波受信手段である検出器によって受信する。上述の様に一方の電磁波からもう一方の電磁波への反射を与えるためには、発生器は管状の導電体の外側に、検出器は管状の導電体の内側に配置するのが最も簡単である。または、反対に、発生器は管状の導電体の内側に、検出器は管状の導電体の外側に備えてもよい。この様に発生器、検出器の配置関係を定めるだけで方向性結合器などが不要となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、管状の導電体を導波管とワイヤ伝送路として利用するので、方向性結合器の必要のないプローブ及び近接場顕微鏡を提供できて、装置を比較的簡単化することができる。更に、例えば、ミリ波帯からテラヘルツ帯における伝播損失を低減することができるため、プローブ及び近接場顕微鏡の感度を比較的高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ここで説明するプローブ及び近接場顕微鏡の実施形態は、先端部に微小開口のある管状の導電体からなる高周波伝送路を含み、更に検体測定のために、30GHz〜30THzの周波数領域の一部を含む高周波電気信号の発生器と検出器を備えて構成される。
【００１８】
図1は本実施形態における、プローブ及び近接場顕微鏡の構成を示す断面図である。図1において101は管状の導電体であり、102は、管状の導電体101の終端に形成された微小開口である。微小開口102のサイズは電磁波（高周波電気信号）の波長以下である。管状の導電体101としては、例えば、円形導波管や方形導波管などが選ばれる。管状導電体101の内径は、例えば、電磁波の波長の程度であり、導電体の肉厚はそれより桁違いに薄く、例えば、電磁波の表皮深さの程度である。測定の対象となる検体105は微小開口102付近に配置される。
【００１９】
また、103は高周波電気信号の発生器であり、本実施形態では管状の導電体101の外側に配置しておく。104は高周波電気信号の検出器であり、本実施例では管状の導電体101の内側に配置しておく。また、管状の導電体101の外側と内側で矢印で示す符号106は、こうした配置に伴う高周波電気信号の伝播経路を表す。
【００２０】
高周波電気信号の伝播経路106について説明する。発生器103より送信された高周波電気信号の一部は、管状の導電体101に捕らえられる。このとき、高周波電気信号は図1に示す様に、管状の導電体101の外側の部分（ワイヤ伝送路として働く）を伝播し、微小開口102付近へ到達する。ここで、検体105によって反射された高周波電気信号の一部は、微小開口102を経て、更に図1に示す様に管状の導電体101の内側の部分（導波管として働く）を伝播し、検出器104へ到達してそこで検出される。以上の方法で、高周波電気信号の検体105からの反射を測定する。
【００２１】
図1では更に、微小開口102をより微細化してより高い分解能を得ながら、微小開口102を介して結合される導電体101内外の二つの高周波伝送路において伝播を効率化するために、図1の管状の導電体101の先端部に、先端を先細りさせたテーパー構造107を設けている。テーパー構造107は複数段のテーパー構造でもよい。微小開口102は円形でも角型であってもよく、空間分解能を与える開口の大きさは、好ましくは検体における誘電的性質の空間周波数或いは検体の微小部位の大きさと同程度としておく。また、発生器103より送信される高周波電気信号を管状導電体101に効率良く結合させるために、レンズなどの光学素子により高周波電気信号を適当に集光して管状導電体101に照射してもよい。
【００２２】
本実施形態において検出器104で得られる高周波電気信号は、次の様に分けて考えることができる。すなわち、微小開口102を経由した高周波電気信号のうち、検体105の有無とは無関係な高周波電気信号と、そうでない高周波電気信号とである。これらの割合が検出器104で得られるコントラストとなる。検体105の有無に関係した高周波電気信号、つまり検体からの反射は、次の物理量に起因して生じる。すなわち、この反射は、微小開口102と検体105との間の距離、検体105の複素誘電率や検体105の形状などに依る。従って、例えば、微小開口102と検体105との間の距離を一定に保ちながら走査すると、検体105の表皮構造の複素誘電率分布に伴うイメージを得ることができる。この際、好ましくは、微小開口102と検体105との間の距離が微小開口102の大きさと同程度となるとき、より鮮明なコントラストが得られる。この様にして検出器104で得た高周波電気信号の位相遅延や振幅といった情報は、ＰＣ（図示しない）へ送るなどして、解析される。
【００２３】
このとき、例えば、観察したい検体の複素誘電率の周波数領域によって、高周波電気信号の発信器103を選択する。例えば、この周波数領域がミリ波帯やサブミリ波帯であれば、ガンダイオードなどを利用したガン発信器でもよく、このとき、高周波電気信号の検出器103としては検波用ショットキーバリアダイオードを選択してもよい。また、テラヘルツ帯であれば、光伝導アンテナを発信器、及び検出器として利用することもできる。更に、ＢＷＯ（Backward
Wave Oscillator）や量子カスケードレーザ、共鳴トンネルダイオードといった発信器、焦電素子やゴーレイセルといった検出器などを適当に組み合わせて選択することもできる。
【００２４】
目的に応じて、管状の導電体の外壁構造に、高周波電気信号の伝播損失の低減を目的とした誘電体コーティングを有する構成も可能である。また、管状の導電体の内部は、効率的な電磁波伝播の観点からは、中空（すなわち空気である）であるのが好ましいが、上述の管状の導電体における内部構造には静電正接の小さな誘電体が充填されてもよい。このとき、損失の程度の目安として、静電正接（tanδ）が0.1以下の誘電体を選択するのがよい。この場合、作製が容易となり、数分の一程度の小型化のための利点にもなる。また、上述の管状の導電体における外部構造に、クロスワイヤなどの高周波電気信号結合手段を配してもよい。これは高周波電気信号の発生器または検出器が自由空間に位置する場合で、管状の導電体の外部構造（ワイヤ伝送路）と自由空間との結合効率の周波数依存性を低減するためか、或いは特定の周波数について結合効率そのものを高めるために使用する。
【実施例】
【００２５】
更に具体的な構成の実施例について以下に説明する。
（実施例1）
図2は、本発明に係るプローブ及び近接場顕微鏡の実施例1を示した断面図である。図2において101は、内部に誘電体111が充填された円形導波管であり、102は、円形導波管101の終端の微小開口である。ここでも、検体105は、既に述べた様に微小開口102付近に配置する。
【００２６】
また、103はテラヘルツ波発生器を表し、本実施例では光伝導アンテナを使用した場合を示している。104はテラヘルツ波検出器を表し、本実施例では光伝導アンテナを使用した場合を示している。107は、円形導波管101に先端部に形成されたテーパー構造107である。更に、106は、以上の各素子の配置に伴うテラヘルツ波の流れを表す。
【００２７】
本実施例では、円形導波管101の内径を1[mm]とし、誘電体111の材料として、誘電率が2程度で静電正接（tanδ）が比較的小さいテフロン（登録商標）を用いている。従って、円形導波管101のTE11モードのカットオフ周波数は約0.12[THz]と計算される。故に、典型的な光伝導アンテナより発生するテラヘルツ波の周波数領域（0.1[THz]以上）の殆どを利用することができる。
【００２８】
なお、本実施例の様に、検出器104でテラヘルツ波の位相遅延と振幅との両方の情報を得るために、光遅延装置205、ビームスプリッタ202を設置してもよい。すなわち、検体からの反射波と元の高周波電気信号との位相差を測定することを目的とした、遅延装置またはヘテロダイン検波装置を有する構成を選択することもできる。
【００２９】
この場合、フェムト秒レーザ光発生装置201によって、光ファイバ203、204を介して、テラヘルツ波発生器103とテラヘルツ波検出器104とに夫々光注入を行う。ここにおいて、テラヘルツ波発生器103から放射されるテラヘルツ波が比較的ブロードバンドなため、Nature,
vol.432(2004)に紹介される様なクロスワイヤ型テラヘルツ波結合手段112を用いると、比較的広い周波数領域においてフラットな結合効率が期待できる。この結合手段112は、例えば、金属ワイヤを図2の紙面に垂直な方向に伸長させて配置したものである。
【００３０】
本実施例の動作例としては、次の態様がある。円形導波管101の微小開口102側の一方の終端と検出器104側のもう一方の終端との間の距離を、例えば、3[cm]以上として、円形導波管101の図2における縦方向の共振周波数を、使用テラヘルツ波の周波数と円形導波管共振器の1/Q（Qは共振器Ｑ値のこと）の積より小さくしておく。すると、検体105からのテラヘルツ波の反射の定在効果を無視することができる。この様にして、検体105の誘電的性質を伴った反射波の位相遅延（誘電率虚部）や振幅（誘電率実部）といった情報を、比較的広い周波数領域における検体105の誘電的性質として、測定することができる。すなわち、上記プローブまたは近接場顕微鏡を用いて検体の情報を取得するのに、管状の導電体の内側の部分において、進行波である電磁波を存在させて検体の情報を取得することができる。
【００３１】
或いは、円形導波管101の微小開口102側の一方の終端と検出器104側のもう一方の終端との間の距離を、例えば、3[mm]程度とすれば、円形導波管101の図2における縦方向の共振周波数は約35[GHz]毎に現れるため、この値の整数倍の周波数毎にピークが検出される。検体の誘電的性質は共振器Ｑ値に変化を与えるか、共振周波数のシフトを与えるため、或る特定の周波数における検体105の誘電的性質を測定したいときはこの方法を利用してもよい。こうして、上記プローブまたは近接場顕微鏡を用いて検体の情報を取得するのに、管状の導電体の内側の部分において、定在波である電磁波を存在させて検体の情報を取得することもできる。
【００３２】
本実施例において、内部に誘電体111が充填された円形導波管101は次の様にして作製される。すなわち、直径1.0[mm]のテフロン（登録商標）管の先端を化学エッチングなどにより溶解し、先端が先鋭になる様に加工を行う。次に、先端が先鋭化されたテフロン（登録商標）管に金などの蒸着を行い（銀、銅、アルミニウム、黄銅、ニッケルなどでもよい）、周囲をコーティングする。このとき、本実施例において使用するテラヘルツ波の金への表皮深さは数10[nm]から数100[nm]程度なので、サブミクロン程度の膜厚をもって（例えば300nm）、円形導波管101の内側の部分と外側の部分との二つの高周波伝送路の結合を防止することができる。更に、微小開口102を開けるために先端を切断し、化学エッチングなどを行う。こうして出来た誘電体111が充填された円形導波管101のもう一方の先端部に、テラヘルツ波検出器104として機能する光伝導アンテナをエポキシ接着剤などで接着する。本実施例に係るプローブは、例えば、以上の様な良く知られるプロセスを経て作製することが可能である。
【００３３】
本実施例において、検体を観察する他の例を図5に示す。図5において、501は微小検体であって、例えば、大きさがサブミクロンスケールのＤＮＡである。502は、微小検体501の保持部材であって、例えば、半導体ウェハが用いられる。ＤＮＡにおける分子振動の特徴は、テラヘルツ帯の周波数領域に現れるとされているため、構造の異なる複数のＤＮＡを配したとき、分子振動の特徴によって各々を判別するなどの利用例が考えられる。このとき、得たい空間分解能はＤＮＡの大きさのスケールと同程度であるから、微小開口102を径300[nm]の大きさとして各々のＤＮＡを観察するとよい。
【００３４】
なお、本実施例において、テラヘルツ波発生器103としての光伝導アンテナでは、良く知られる様に、光伝導アンテナへバイアス電圧を供給する方法が一般的な発生手段である。また、テラヘルツ波検出器104としての光伝導アンテナでは、良く知られる様に、光伝導アンテナに流れる電流を検出する方法が一般的な検出手段である。いま、図2のテラヘルツ波発生器103とテラヘルツ波発生器104との間でこれらの方法を交換すると、高周波電気信号106の流れが反対向きになる。すなわち、図2におけるテラヘルツ波発生器103はテラヘルツ波検出器として、図2におけるテラヘルツ波検出器104はテラヘルツ波発生器として機能し、図6の様になる。この様にしても、検体の誘電的性質などを測定することが可能である。なお、図6において、112は、円形導波管101の外側の部分を伝播してくる高周波電気信号106を検出器104の方向へと伝播させるための上記した様なクロスワイヤ型テラヘルツ波結合手段である。
【００３５】
以上に説明した本実施例により、装置が簡単化され、ミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域において感度が比較的高いプローブ及び近接場顕微鏡を提供することができる。
【００３６】
（実施例2）
図3は、本発明に係るプローブ及び近接場顕微鏡の実施例2を示した断面図である。図3において101は、内部に誘電体111が充填された方形導波管であり、102は、方形導波管101の終端に形成された微小開口である。また、103は、テラヘルツ波発生器を表し、本実施例では連続波光源（ＢＷＯ、量子カスケードレーザ、共鳴トンネルダイオードなど）を使用している。104は、テラヘルツ波検出器を表し、本実施例では焦電素子を使用している。106は、これに伴うテラヘルツ波の流れを表す。更に本実施例では、微小開口102付近に配置された検体105のイメージングができる様に、本実施例に係るプローブに検体105を走査させるためのプローブ位置制御システム301が備えられている。
【００３７】
プローブ位置制御システム301は、良く知られた方法を使って構成する。例えば、図3に示す様に、システム301は、レーザ光発生装置302とフォトダイオードアレイ303と位置検出器304とアクチュエータ305とを含み、微小開口102と検体105との相対的な位置関係をフィードバック制御する。ここにおいて、方形導波管101の側面で反射されるレーザ光発生装置302からの光の一部がフォトダイオードアレイ303によって検出され、その検出光の変位量に基づいて位置情報を取得することができる。このとき、微小開口102と検体105との相対的な位置情報が位置検出器304に出力され、予め設定しておいた位置からの変位をアクチュエータ305によって修正する。
【００３８】
レーザ光による位置検出では、サブミクロンスケールの制御も可能である。以上のプローブ位置制御システムに加えて、微小開口102と検体105の距離を一定間隔で正確に制御するために、原子間力、トンネル電流、浮遊容量などを使用する位置制御方法を併せて使用してもよい。こうして、微小開口102と検体105の相対的な位置と、検体105からのテラヘルツ波の反射とを併せて取得して処理することで、イメージングを達成することができる。
【００３９】
また、本実施例では、テラヘルツ波発生器103として連続波光源を利用しているために単色性が比較的高い。この様にテラヘルツ波発生器103から放射されるテラヘルツ波の単色性が高い場合、図3に示す様な金属グレーティング型テラヘルツ波結合手段112によって結合効率を更に高めると、検出信号のＳ／Ｎ比（信号と雑音の比）が更に高くなり好ましい。
【００４０】
この様なイメージングを利用して検体105を観察する例としては、半導体ウェハのキャリア濃度分布観察がある。半導体ウェハの典型的なキャリア濃度から見積もられるプラズマ周波数はテラヘルツ帯の周波数領域に位置し、プラズマ周波数周辺では複素誘電率変化が激しいからである。従って、本実施例のプローブ及び近接場顕微鏡の利用例として、半導体ウェハのキャリア濃度分布観察をより高い空間分解能をもって行う例がある。
【００４１】
本実施例において、方形導波管101の作製は、実施例1で説明した作製方法と同様の方法で行うことができる。焦電素子104は、比較的小型のものを使用し、例えば、図3の様に方形導波管101のもう一方の終端に嵌め込むなどして作製される。また、金属グレーティング型テラヘルツ波結合手段112は、例えば、フォトレジストの塗布、現像、プラズマエッチングを行うといった手順の、良く知られたプロセスを経て作製することができる。
【００４２】
（実施例3）
図4は、本発明に係るプローブ及び近接場顕微鏡の実施例3を示した断面図である。図4に示される実施例4は、前述した本発明の実施形態において、内部構造を有する検体401へ管状の導電体101を挿入する例である。従って、本実施例では、検体401の表皮構造における誘電的性質だけではなく、検体401の内部構造の誘電的性質も測定できることになる。このとき、検体401は、微小開口102を通じた管状の導電体401の外側の部分と内側の部分との間の結合をあまり小さくし過ぎない様な物体であることが好ましい。それには、導電性を示さない物体であることが好ましい。また、感度の低下を防止するため、静電正接（tanδ）の小さな（例えば、0.1以下）誘電体が更に好ましい。
【００４３】
この様な観察例として、ゴム材料における誘電的性質の3次元分布の観察がある。ゴム材料に架橋を加えるための硫黄を添加したとき、硫黄が他の分子と化学結合して複素誘電率の変化をもたらすことが良く知られているが、その特徴はテラヘルツ帯の周波数領域にも現れる。特に、硫黄の他の分子との化学結合による複素誘電率の変化が激しい周波数（または周波数帯）の高周波電気信号の発生器103を選択すると、コントラストが大きくなってよい。例えば、実施例2で説明した様なプローブ位置制御システムを用いて、プローブを適宜走査、掃引などすることを行えば、ゴム材料における誘電的性質の3次元空間分布を観察することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例1に係るプローブ及び近接場顕微鏡の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例2に係るプローブ及び近接場顕微鏡の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例3に係るプローブ及び近接場顕微鏡の構成を示す断面図である。
【図５】実施例1に係るプローブ及び近接場顕微鏡で微小検体を観察する様子を示す断面図である。
【図６】実施例1に係るプローブ及び近接場顕微鏡の構成の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
101…管状の導電体
102…開口（微小開口）
103…電磁波発生手段（高周波電気信号発生器）
104…電磁波受信手段（高周波電気信号検出器）
105，401，501…検体（内部構造を有する検体、微小検体）
107…テーパー形状
111…誘電体
112…電磁波結合手段（高周波電気信号結合手段）
301…位置制御システム（302〜305を総称して）
302…レーザ光発生器
303…フォトダイオードアレイ
304…位置検出器
305…アクチュエータ
【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６】
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【図５】
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