(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする問題点は、光ファイバ・プローブの交換に時間がかかり、交換後の性能が安定しない点である。また、真空装置の場合は、交換時に真空を破らなければならない点である。【解決手段】前記プローブ先端からの透過光を前記プローブ側フェルールを通して受搬自在に接合する受側フェルールを有する受側光ファイバと、前記プローブ側フェルールと前記受側フェルールの位置合わせを行うスリーブと、前記受側フェルール及び前記スリーブを収納するハウジングと、前記フェルール・ホルダを前記ハウジングと着脱自在に固定するホルダ固定手段と、を備えた光ファイバ・プローブ。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端のプローブ先端微小領域が光透過性を有し、他端にプローブ側フェルールを備えた光ファイバ・プローブ。
【請求項２】
プローブ表面は導電性コーティングされている請求項１に記載された光ファイバ・プローブ。
【請求項３】
前記プローブ側フェルールを収納し、前記プローブ側フェルールのフランジ部で前記プローブ側フェルールを係止するフェルール・ホルダと、
前記プローブ側フェルールのフランジ部を前記フェルール・ホルダに前記プローブ先端方向から押圧する押圧手段と、
前記押圧手段を前記フェルール・ホルダに封止し、前記プローブ先端が貫通する穴を有する封止手段と、を備えた請求項１又は２に記載した光ファイバ・プローブ。
【請求項４】
前記プローブ先端からの透過光を前記プローブ側フェルールを通して受搬自在に接合する受側フェルールを有する受側光ファイバと、
前記プローブ側フェルールと前記受側フェルールの位置合わせを行うスリーブと、
前記受側フェルール及び前記スリーブを収納するハウジングと、
前記フェルール・ホルダを前記ハウジングと着脱自在に固定するホルダ固定手段と、を備えた請求項３に記載した光ファイバ・プローブ。
【請求項５】
気密に設けられた試料観察室と、
前記試料観察室内に設置された請求項３又は４に記載された光ファイバ・プローブと、
前記光ファイバ・プローブに対面した遠隔操作手段と、を備えた試料観察装置であって、
前記光ファイバ・プローブを前記遠隔操作手段により着脱する試料観察装置。
【請求項６】
前記遠隔操作手段がマグネットローダである請求項５に記載した試料観察装置。
【請求項７】
前記試料観察装置が前記光ファイバ・プローブと試料との間に作用する物理量を検出する光走査形トンネル顕微鏡である請求項５又は６に記載した試料観察装置。
【請求項８】
前記試料観察装置が前記光ファイバ・プローブと試料との間に作用する物理量を検出する走査形近接場光学顕微鏡である請求項５又は６に記載した試料観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料よりの光を検出する光ファイバ・プローブ及び走査形トンネル顕微鏡、光走査形トンネル顕微鏡、走査形近接場光学顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡等の試料観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、探針を金属、半導体等の試料表面に接近させ、探針と試料表面に生ずる物理量が一定になるよう試料表面をなぞることにより原子レベルの表面形状及び物性を測定する走査形トンネル顕微鏡、光走査形トンネル顕微鏡、走査形近接場光学顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡による観察が重要となっている。特に、光ファイバの先端を尖らせた探針を用いて近接場光を検出し、ナノメートルスケールで試料の光学的性質を知ることができる走査形近接場光学顕微鏡が注目されている。また、試料内あるいは試料内埋設構造の極めて微少な領域に電子を注入し、この注入した電子により生じた光を検出し、その強度或いはスペクトル等を測定することにより、試料の特性をナノメートルスケールで観察する光走査形トンネル顕微鏡も注目されている。
【０００３】
従来、図１３のように、光ファイバ１０の一端が光ファイバ・プローブ１としての加工を施されていたものを用いて図示しない真空チャンバ内のスキャナ１７に固定し、他端を図示しない大気側の検出器に接続していた。また図１４のように、光ファイバ・プローブ１が交換可能なものもあるが、取り付けと軸合わせをネジ４４でネジ止めをしていた。
【０００４】
なお、従来技術としては、光ファイバと探針を備えた走査形プローブ顕微鏡がある（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２３１８６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、図１３のように図示しない検出器側から光ファイバ・プローブ１側まで１本になっている場合、観察中に光ファイバ・プローブ１先端を損傷したばあい、光ファイバ１０全体を交換しなければならないため交換作業が煩雑で時間を要していた。また、真空観察室の場合、真空を破って交換しなければならず、また真空観察室内部が汚染される可能性もあった。
【０００７】
さらに、図１４のように光ファイバ・プローブが交換可能のものであっても、光ファイバ・プローブ１と光ファイバ１０を突き当ててネジ止めしていたため、接続損失が大きく発生するだけでなく、損失量がネジ止め加減等により大きく左右されて性能が安定しなかった。また、光ファイバの軸方向の精度が出ないため、受側の光ファイバはコア径が比較的大きいマルチモードファイバーに限定されていた。さらに、真空装置の場合、前記と同様に真空を破らなければならず汚染されることである。
【０００８】
本発明が解決しようとする問題点は、光ファイバ・プローブの交換に時間がかかり、交換後の性能が安定しない点である。また、真空装置の場合は、交換時に真空を破らなければならない点である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載した発明は、一端のプローブ先端微小領域が光透過性を有し、他端にプローブ側フェルールを備えた光ファイバ・プローブである。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、プローブ表面は導電性コーティングされている請求項１に記載された光ファイバ・プローブである。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、前記プローブ側フェルールを収納し、前記プローブ側フェルールのフランジ部で前記プローブ側フェルールを係止するフェルール・ホルダと、前記フェルールのフランジ部を前記フェルール・ホルダに前記プローブ先端方向から押圧する押圧手段と、前記押圧手段をフェルール・ホルダに封止し、前記プローブ先端が貫通する穴を有する封止手段と、を備えた請求項１又は２に記載した光ファイバ・プローブである。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、前記プローブ先端からの透過光を前記プローブ側フェルールを通して受搬自在に接合する受側フェルールを有する受側光ファイバと、前記プローブ側フェルールと前記受側フェルールの位置合わせを行うスリーブと、前記受側フェルール及び前記スリーブを収納するハウジングと、前記フェルール・ホルダを前記ハウジングと着脱自在に固定するホルダ固定手段と、を備えた請求項３に記載した光ファイバ・プローブである。
【００１３】
請求項５に記載した発明は、気密に設けられた試料観察室と、前記試料観察室内に設置された請求項３又は４に記載された光ファイバ・プローブと、前記光ファイバ・プローブに対面した遠隔操作手段と、を備えた試料観察装置であって、前記光ファイバ・プローブを前記遠隔操作手段により着脱する試料観察装置である。
【００１４】
請求項６に記載した発明は、  前記遠隔操作手段がマグネットローダである請求項５に記載した試料観察装置である。
【００１５】
請求項７に記載した発明は、前記試料観察装置が前記光ファイバ・プローブと試料との間に作用する物理量を検出する光走査形トンネル顕微鏡である請求項５又は６に記載した試料観察装置である。
【００１６】
請求項８に記載した発明は、前記試料観察装置が前記光ファイバ・プローブと試料との間に作用する物理量を検出する走査形近接場光学顕微鏡である請求項５又は６に記載した試料観察装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、光ファイバ・プローブの交換時間がかからず、接合部の接続損失が小さく、安定した光ファイバ・プローブを実現した。また、真空装置の場合、真空を破らずに光ファイバ・プローブの交換ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、発明を実施するための最良の形態により、本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の構成を図を用いて説明する。図２は光ファイバ・プローブ・ホルダの断面図であり、図３は図２の分解図である。図１は光ファイバ・プローブ単体の図である。図１において、光ファイバ・プローブ１の表面はアルミ等の導電性物質がコーティングされ、先端の微小領域は側面からのコーティングにより非常に薄く、光透過性を有する。微小領域は１００ナノメートル程度であるが、走査形近接場光学顕微鏡として用いる場合は光の２振幅程度である。光ファイバ・プローブ１の他端はフランジ３を有するプローブ側フェルール２に保持されている。プローブ側フェルール２は光ファイバ・プローブ１を支持する円筒状の部材で、光ファイバ同士を精度良く接続するためのものである。光ファイバ・プローブ１単体では細くて折れやすいため、光ファイバ・プローブ１をフェルールの中心に接着固定し、フェルール同士をお互いに突き合わせることにより接続する。また、プローブ側フェルール２と光ファイバ・プローブ１はミクロンオーダで軸合わせを行う。
【００２０】
図２において、プローブ側フェルール２のフランジ３はフランジ押バネ６によって、フェルール・ホルダ４に押圧され、フランジ固定ネジ７によって封止されている。フェルール・ホルダ４のプローブ・フランジ部はホルダ固定ネジ８と係合している。
【００２１】
また、図４は受側コネクタの断面図であり、図５は図４の分解図である。スキャナ１７の自由端に受側フェルール・ホルダ１８が設置されている。受側フェルール・ホルダ１８の内側にはスリーブ・ガイド１９が設置されており、スリーブ・ガイド１９内側にはスリーブ１６が収納されている。スリーブ１６はスリーブ押え１５で押圧され、スリーブ押え１５は受側フェルール１１のフランジ１２に当接されている。さらに受側フェルール１１はフランジ押バネ１４によって押されて、フランジ固定ネジ１３によって、受側フェルール・ホルダ１８に封止されている。また、光ファイバ１０は、受側フェルール１１によって端末処理されている。
【００２２】
以上、図における構成の各部について説明をしたが、次に動作について説明する。図６は、光ファイバ・プローブ１に光ファイバ１０を接続する図である。スキャナ１７の自由端に設置された受側フェルール・ホルダ１８内部のスリーブ１６に光ファイバ・プローブ１のプローブ側フェルール２を挿入し、ホルダ固定ネジ８で固定する。
【００２３】
図７は接続した後の図である。プローブ側フェルール２及び受側フェルール１１はバネで押され、フェルール同士をお互いに突き合わせることにより接続させている。つまり、フェルール同士は所定の圧力により面で押さえられている。３Ｎ前後の圧力になるようにバネを調整することにより十分にフィジカル・コンタクトさせることができ、フェルール同士の信号接続損失は十分低い。また、フェルール同士はスリーブ１６によって位置合わせされているので、ミクロンオーダで中心位置合わせが成されている。
【００２４】
光ファイバ・プローブ１は、試料２１と接触した場合、破損又は先端微小領域が汚れることがあり、交換する必要がある。この場合、上述とは逆にホルダ固定ネジ８を回してネジを外すことによって、容易に取り外すことができる。再度取り付けた光ファイバ・プローブ１は、フェルール同士が十分にフィジカル・コンタクトしているため、性能が安定している。
【００２５】
表面に導電性物質がコーティングされた光ファイバ・プローブ１と導電性の試料２１との距離をｌｎｍ以下に保ち、これらの間に数Ｖ程度のバイアス電圧をかけると、探針と試料間の真空間隙を通って電子が移動しトンネル電流が流れる。トンネル電流により、試料２１内あるいは試料２１内埋設構造の極めて微小な領域に電子を注入し、この注入した電子により生じた光を検出し、その強度或いはスペクトル等を測定することにより、試料２１の特性をナノメートルスケールで観察することができる。
【００２６】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光ファイバ・プローブを、走査形近接場光学顕微鏡用に先端が光２振幅程度透過できるものを用いて、試料から生じる近接場光を検出し、ナノメートルスケールで試料の光学的性質を知ることができる、走査形近接場光学顕微鏡として用いてもよい。
【００２７】
また、図８のようにプローブ側を固定し、試料を走査するように構成してもよい。
【００２８】
また、図９のように、金属製のプローブを用いて、通常の走査形トンネル顕微鏡用プローブと取付互換性があるようにしてもよい。
【実施例２】
【００２９】
本発明の構成を図を用いて説明する。図１０は、試料観察室の断面模式図である。試料観察室３０は図示しない真空ポンプにより真空が保持されている。また、試料観察室３０はガス等が保持されてもよい。試料観察室３０に設置された真空継手４０には、ローダケース３２が気密に接続されている。ローダケース３２外周には外側マグネット３３及び３４が移動自在に取り付けられており、ローダケース３２内部には内側マグネット３５及び３６が移動自在に取り付けられている。外側グネット３３は内側マグネット３５と、外側マグネット３４は内側マグネット３６とお互いに磁力により引き合っている。
【００３０】
内側マグネット３５にはパイプ３８が固定されており、パイプ３８の他端にはチャック３９が固定されている。一方、内側マグネット３６にはシャフト３７が固定されており、シャフト３７はパイプ３８の内側を通って、チャック３９と図示しないリンク部を介して接続されている。チャック３９及び図示しないリンク部は、マジックハンドのように構成されている。チャック３９間には、光ファイバ・プローブ・ホルダ４１が着脱自在に挟まれている（図１１、１２）。
【００３１】
また、試料観察室３０にはスキャナ・ベース４３が設置されており、スキャナ・ベース４３にはスキャナ１７が設置されている。スキャナ１７はピエゾ素子で構成されており、図示しない電源により電圧を印加することにより、ナノオーダで自由端が３次元方向に変位する。スキャナ１７の自由端には受側光ファイバ・コネクタ４２が設置されている。受側光ファイバ・コネクタ４２の構造は実施例１における図４と同様である。受側光ファイバ・コネクタ４２に接続されている光ファイバ１０は試料観察室３０外部と接続されており、信号の授受を行う。
【００３２】
以上、実施例２における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。外側マグネット３３及び３４は間隔を空けて配置されているが、左側に間隔を維持したままに並行移動すると、ローダケース３２を介して磁気により引き付けられている内部マグネット３５、３６も間隔を維持したまま平行移動し、内部マグネット３５に固定されているシャフト３７及びチャック３９も左方向に移動する。つまり、光ファイバ・ホルダ４１がチャック３９に挟まれたまま左方向に移動する。さらに外側マグネット３４、３５の間隔を維持したまま左に移動させて、受側光ファイバ・コネクタ４２に光ファイバ・ホルダ４１をねじ込んで接続させる。
【００３３】
接続後、外側マグネット３３を動かさず、外側マグネット３４のみを左側に動かすと、内側マグネット３６及びシャフト３７が連動して動き、マジックハンドのようにチャック３９が開くため、光ファイバ・ホルダ４１を開放する。以上のように、試料観察室の真空を破らすに、光ファイバ・ホルダ４１の交換ができる。
【００３４】
そして、チャック３９を図示しない待機位置に移動させ、図示しない試料を光ファイバ・ホルダ４１先端のプローブ対面に移動させることにより、試料を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明によるプローブ側フェルールに保持された光ファイバ・プローブである。
【図２】本発明による光ファイバ・プローブ・ホルダである。
【図３】図２の分解図である。
【図４】本発明によるチューブスキャナに設置された受側光ファイバ・コネクタである。
【図５】図４の分解図である。
【図６】本発明によるスキャナに設置された受側光ファイバ・コネクタ及び光ファイバ・プローブ・ホルダである。
【図７】本発明によるチューブスキャナに設置された受側コネクタに接続された光ファイバ・プローブ・ホルダである。
【図８】本発明による試料側が走査する光ファイバ・プローブ・ホルダである。
【図９】本発明による金属製プローブを用いた光ファイバ・プローブ・ホルダである。
【図１０】本発明による試料観察室の断面図である。
【図１１】本発明による光ファイバ・プローブ・ホルダ及びチャックである。
【図１２】チャックに保持された本発明による光ファイバ・プローブ・ホルダである。
【図１３】従来技術における光ファイバ・プローブを備えたスキャナである。
【図１４】従来技術における交換自在な光ファイバ・プローブを備えたスキャナである。
【符号の説明】
【００３６】
１  光ファイバ・プローブ
２  プローブ側フェルール
３  フランジ
４  フェルール・ホルダ
５  位置決
６  フランジ押バネ
７  フランジ固定ネジ
８  ホルダ固定ネジ
１０  光ファイバ
１１  受側フェルール
１２  フランジ
１４  フランジ押バネ
１５  スリーブ押え
１６  スリーブ
１７  スキャナ
１８  受側フェルール・ホルダ
１９  スリーブ・ガイド
２０  スリーブ固定爪
２１  試料
２２  試料ステージ
２３  ＳＴＭ用プローブ
３０  試料観察室
３１  マグネットローダ
３２  ローダケース
３３  外側マグネット
３４  外側マグネット
３５  内側マグネット
３６  内側マグネット
３７  シャフト
３８  パイプ
３９  チャック
４０  真空継手
４１  光ファイバ・プローブ・ホルダ
４２  受側光ファイバ・プローブ・コネクタ
４３  スキャナ・ベース
４４  ネジ
４５  光ファイバ取付部材
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005249458.tif 000013
【図１２】
2005249458.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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