(57)【要約】【課題】プローブの開口形状を把握することにより、測定精度の向上を図った光学装置及び試料測定方法を提供する。【解決手段】ＰＣ１５は、ＬＤ１から発生するレーザ３０をプローブ４に導入し、その微小開口５から近接場光６を発生させている。近接場光６は試料７によって散乱され、伝播光に変換される。伝播光に変換された光のうち、微小開口５を通った光を、ＬＩＡ１４を用いて検出する。このとき、開口形状測定器１８は、プローブ５の微小開口５の形状を測定している。ＰＣ１５は、開口形状測定器１８からの測定結果と、ＬＩＡ１４の出力電圧に基づいて、試料７の形状又は光学的物性を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に照射する光を発生する光源と、該光源から発生する光の波長以下の開口部を有するプローブと、該プローブを用いて試料を走査することによって、前記試料の形状又は光学的物性を測定する試料測定手段とを備えた光学装置であって、
前記プローブの開口部形状を測定する形状測定手段を
さらに備えたことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
請求項１記載の光学装置であって、
前記試料測定手段は、前記形状測定手段によって測定された開口部形状に基づいて、前記試料の測定を行う
ことを特徴とする光学装置。
【請求項３】
請求項１記載の光学装置であって、
前記開口部の周縁の少なくとも一部であり、駆動可能な駆動部材と、
前記駆動部材の駆動を制御する駆動制御手段とをさらに備え、
前記駆動制御手段は、前記形状測定手段によって測定された前記開口部形状に基づいて、前記開口部形状が所望の形状となるように前記駆動部材の駆動を制御する
ことを特徴とする光学装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の光学装置であって、
前記開口形状測定手段は、前記光源からの光を前記プローブに導入することにより、前記プローブの開口部から発生する伝播光を、検出する伝播光検出手段を有し、該伝播光に基づいて、前記開口部形状の測定を行う
ことを特徴とする光学装置。
【請求項５】
請求項４記載の光学装置であって、
前記伝播光検出手段と隣接する位置に前記試料の搭載面が設けられている
ことを特徴とする光学装置。
【請求項６】
請求項１、２又は３記載の光学装置であって、
前記開口部形状測定手段は、前記試料がない状態で、前記光源の光を用いて発生させたエバネッセント波を前記プローブの先端で散乱して伝播光に変換し、前記プローブの開口部を介して検出した前記伝播光に基づき、前記開口部形状の測定を行う
ことを特徴とする光学装置。
【請求項７】
請求項１、２又は３記載の光学装置であって、
前記開口部の周縁の少なくとも一部が駆動可能な駆動部材で形成されているとき、前記形状測定手段は、前記駆動部材の駆動に応じて伸縮する圧電素子を有する
ことを特徴とする光学装置。
【請求項８】
請求項１〜７何れか１項記載の光学装置であって、
前記試料測定手段は、前記光源からの光を前記プローブに導入し、前記プローブの開口部から発生する近接場光を前記試料に照射することにより、前記試料の測定を行うものであり、
前記測定した開口部形状に基づいて、前記プローブに導入する前記光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段を
さらに備えたことを特徴とする光学装置。
【請求項９】
試料に照射するため、光源から発生される光の波長以下の開口部を有するプローブを用いて前記試料を走査して、前記試料の形状又は前記光学的物性を測定する試料測定方法であって、
前記プローブの開口部形状を測定する形状測定工程を
備えたことを特徴とする試料測定方法。
【請求項１０】
請求項９記載の試料測定方法であって、
前記測定した開口部形状に基づいて、前記試料の測定を行う
ことを特徴とする試料測定方法。
【請求項１１】
請求項９記載の試料測定方法であって、
前記開口部形状を調整する調整工程をさらに備え、
前記調整工程は、前記測定した開口部形状に基づいて、前記開口部形状が所望の形状となるように調整を行う
ことを特徴とする試料測定方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の試料測定方法であって、
前記調整工程は、前記プローブを用いて前記試料を１ライン、走査する毎に、行われる
ことを特徴とする試料測定方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の試料測定方法であって、
前記調整工程は、前記プローブを用いて前記試料を１測定点、走査する毎に、行われる
ことを特徴とする試料測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料に照射するための光源から発生する光の波長より小さい開口部を有するプローブを前記試料に対して走査して、試料の形状又は光学的物性を測定する光学装置及び試料測定方法。
【背景技術】
【０００２】
物体表面の表面形状などの測定を行う際、光学顕微鏡では回折限界があるため分解能は波長もしくはその半分程度にとどまってしまうことが知られている。しかし、近年の科学技術の進歩に伴い、例えば半導体等の微細形状を有する製品の検査や、ＤＮＡ等の生体組織の測定に要求される分解能はナノメートルオーダーになっている。
【０００３】
このナノメートルオーダーの測定を可能とするものとして走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）が挙げられる。このＳＮＯＭは、試料に対して接近してプローブを配置し、近接場光を用いて光の回折限界以下の分解能で物体を観察するものであり、試料の表面形状だけでなくその光学特性、さらにはその組成分析も行うことができる。
【０００４】
ＳＮＯＭには、試料をレーザ光等で照射し、試料の近傍に発生した近接場光を上記プローブで検出し、その検出値に基づいて試料を観察するコレクションモード、該プローブから近接場光を発生させ、その近接場光で試料を照射し、物体からの反射光又は透過光を検出し、その検出値に基づいて物体を観察するイルミネーションモード、該プローブから近接場光を発生させ、その近接場光で試料を照射し、試料の近傍に発生した近接場光をプローブで検出し、その検出値に基づいて試料を観察するイルミネーション−コレクションモードの３つのモードがある。
【０００５】
このようなＳＮＯＭにおいては、上記プローブの開口の大きさにより分解能が決定されるため、この開口の大きさを把握することが非常に重要である。しかしながら、このＳＮＯＭに用いられるプローブの開口径は、数ｎｍ〜数百ｎｍ程度であり、これだけ微細な開口を再現性良く作製するのは困難である。このため、プローブの開口径は製品毎にばらつきが生じてしまう。つまり、１００ｎｍの開口径を作製した場合、その開口径をもつプローブで使用を測定したと思っても実際の開口径の大きさが１５０ｎｍであった場合、精度の高い測定結果を得ることができないという問題があった。
【０００６】
また、プローブの開口径を圧電素子を介して形成し、印加電圧を調整することによって、その形状や開口径を調整でき、所望のサイズの微小開口を形成するものが知られている（特許文献１）。しかし、この場合、圧電素子を用いているため、ヒステリシスやクリープの影響によってその形状が意図するものとならず、この場合も同様に精度の高い測定結果を得ることができないという問題があった。
【特許文献１】特開平１１−３２６３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、プローブの開口形状を把握することにより、測定精度の向上を図った光学装置及び試料測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、試料に照射する光を発生する光源と、該光源から発生する光の波長以下の開口部を有するプローブと、該プローブを用いて試料を走査することによって、前記試料の形状又は光学的物性を測定する試料測定手段とを備えた光学装置であって、前記プローブの開口部形状を測定する形状測定手段をさらに備えたことを特徴とする光学装置に存する。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、試料測定手段は、光源から発生する光の波長以下の開口部を有するプローブを用いて試料を走査することにより、試料の形状又は光学的物性を測定する。つまり、近接場光を用いた測定を行っている。形状測定手段は、プローブの開口部形状を測定する。従って、開口部形状を測定することにより、正確なプローブの分解能を把握した状態で、試料の形状又は光学的物性を測定することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学装置であって、前記試料測定手段は、前記形状測定手段によって測定された開口部形状に基づいて、前記試料の測定を行うことを特徴とする光学装置に存する。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、試料測定手段は、この測定した開口部形状に基づいて、試料の形状又は光学的物性を測定する。従って、測定した開口部形状に基づいて、試料の形状又は光学的物性を測定することにより、正確なプローブの分解能を把握した状態で、試料の形状又は光学的物性を測定することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の光学装置であって、前記開口部の周縁の少なくとも一部であり、駆動可能な駆動部材と、前記駆動部材の駆動を制御する駆動制御手段とをさらに備え、前記駆動制御手段は、前記形状測定手段によって測定された前記開口部形状に基づいて、前記開口部形状が所望の形状となるように前記駆動部材の駆動を制御することを特徴とする光学装置に存する。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、例えば、試料形状をおおよそ把握しており、予め測定に必要な分解能が明らかな場合など、所望の開口形状を持つプローブを用いて測定を行う方が効率的である。また、プローブと試料とは例えば数十ｎｍ以下の距離に接近させて測定を行っているので、測定回数が増えると衝突によりプローブの破損が生じる可能性が高くなる。このためにも、少ない測定回数で効率的に行うのが望ましい。以上のことに着目し、駆動制御手段が、形状測定手段によって測定された開口部形状に基づいて、開口部形状が所望の形状となるように駆動部材の駆動を制御する。従って、開口部形状が所望の形状となるように駆動部材の駆動を制御することにより、最適な分解能で試料の測定が可能となり、不要な測定を行わなくて済む。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の光学装置であって、前記開口形状測定手段は、前記光源からの光を前記プローブに導入することにより、前記プローブの開口部から発生する伝播光を、検出する伝播光検出手段を有し、該伝播光に基づいて、前記開口部形状の測定を行うことを特徴とする光学装置に存する。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、光源からの光をプローブに導入することにより、プローブの開口部からは近接場光と同時に伝播光が発生する。開口形状測定手段においては、伝播光検出手段がこの伝播光を検出し、検出した伝播光に基づいて、開口部形状の測定を行う。従って、プローブの開口部から発生する伝播光の強度分布は開口部形状に応じているため、この伝播光を伝播光検出手段によって検出すれば、検出した伝播光に基づいて、開口部形状の測定を行うことができる。しかも、試料計測手段が、光源からの光をプローブに導入し、プローブの開口部から発生する近接場光を試料に照射することにより、試料の測定を行うものであれば、試料測定で行われるプローブに光を導入し、プローブ開口部から光を照射するという動作を利用した簡易な開口部形状の測定を行うことができる。このため、例えば、開口部形状を測定するために電子顕微鏡などを用いる場合に比べて、装置の小型化が図れると共に、開口形状の測定に係る工数の減少を図ることができる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の光学装置であって、前記伝播光検出手段と隣接する位置に前記試料の搭載面が設けられていることを特徴とする光学装置に存する。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、伝播光検出手段と隣接する位置に設けられた搭載面に試料を搭載すれば、走査中に、温度変化に伴うプローブ材の膨張などが生じてプローブの開口形状が変動したとしても、例えば、１ライン走査を行う毎に、伝播光検出手段により、プローブの開口部から照射される伝播光を検出して、プローブ開口部の形状を測定することができる。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項１、２又は３記載の光学装置であって、前記開口部形状測定手段は、前記試料がない状態で、前記光源の光を用いて発生させたエバネッセント波を前記プローブの先端で散乱して伝播光に変換し、前記プローブの開口部を介して検出した前記伝播光に基づき、前記開口部形状の測定を行うことを特徴とする光学装置に存する。
【００１９】
請求項６記載の発明によれば、開口形状測定手段が、試料がない状態で、光源の光を用いて発生させたエバネッセント波をプローブの先端で散乱して伝播光に変換し、プローブの開口部を介して検出した伝播光に基づいて、開口部形状の測定を行う。従って、プローブの開口部を介して検出した伝播光の強度分布は開口部形状に応じているため、この伝播光に基づいて、開口部形状の測定を行うことができる。しかも、試料計測手段が、試料表面に発生するエバネッセント波をプローブの先端で散乱して伝播光に変換し、該変換された伝播光をプローブの開口部を介して検出することにより、試料の測定を行うものであれば、試料測定で行われるプローブの先端でエバネッセント波を散乱して伝播光に変換し、この変換された伝播光を検出するという動作を利用した簡易な開口部形状の測定を行うことができる。このため、例えば、開口部形状を測定するために電子顕微鏡などを用いる場合に比べて、装置の小型化が図れると共に、開口形状の測定に係る工数の減少を図ることができる。
【００２０】
請求項７記載の発明は、請求項１、２又は３記載の光学装置であって、前記開口部の周縁の少なくとも一部が駆動可能な駆動部材で形成されているとき、前記形状測定手段は、前記駆動部材の駆動に応じて伸縮する圧電素子を有することを特徴とする光学装置に存する。
【００２１】
請求項７記載の発明によれば、開口部の周縁の少なくとも一部が駆動可能な駆動部材で形成されている。形成測定手段が、駆動部材の駆動に応じて伸縮する圧電素子を有する。従って、この圧電素子に発生する電圧から駆動部材の駆動量を知ることができ、これにより開口形状を知ることができる。以上の構成により、走査中に、温度変化に伴うプローブ部材の膨張などが生じてプローブの開口形状が変動したとしても、プローブを試料に走査している間、いつでも開口形状を測定することができる。
【００２２】
請求項８記載の発明は、請求項１〜７何れか１項記載の光学装置であって、前記試料測定手段は、前記光源からの光を前記プローブに導入し、前記プローブの開口部から発生する近接場光を前記試料に照射することにより、前記試料の測定を行うものであり、前記測定した開口部形状に基づいて、前記プローブに導入する前記光の偏光方向を制御する偏光方向制御手段をさらに備えたことを特徴とする光学装置に存する。
【００２３】
請求項８記載の発明によれば、試料測定手段が、光源からの光をプローブに導入し、プローブの開口部から発生する近接場光を試料に照射することにより、試料の測定を行う。このような試料測定においては、近接場光の強度分布は、その開口形状と光源からの光の偏光状態とによって大きく左右されることが知られている。そこで、偏光方向制御手段が、十分な強度分をもつ近接場光を発生させるように、プローブに導入する光の偏光方向を制御することができる。また、強い光を照射すると変形してしまうような試料であれば、これとは逆に近接場光の強度が大きくならないように偏光方向を制御することもできる。従って、偏光方向を制御することにより、プローブの開口部から発生する近接場光の強度を制御することができる。
【００２４】
請求項９記載の発明は、試料に照射するため、光源から発生される光の波長以下の開口部を有するプローブを用いて前記試料を走査して、前記試料の形状又は前記光学的物性を測定する試料測定方法であって、前記プローブの開口部形状を測定する形状測定工程を備えたことを特徴とする試料測定方法に存する。
【００２５】
請求項９記載の発明によれば、光源から発生する光の波長以下の開口部を有するプローブを用いて試料を走査することにより、試料の形状又は光学的物性を測定する。つまり、近接場光を用いた測定を行っている。形状測定工程において、プローブの開口形状を測定する。従って、開口部形状を測定することにより、正確なプローブの分解能を把握した状態で、試料の形状又は光学的特性を測定することができる。
【００２６】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の試料測定方法であって、前記測定した開口部形状に基づいて、前記試料の測定を行うことを特徴とする試料測定方法に存する。
【００２７】
請求項１０記載の発明によれば、測定した開口部形状に基づいて、試料の形状又は光学的物性を測定することにより、正確なプローブの分解能を把握した状態で、試料の形状又は光学的物性を測定することができる。
【００２８】
請求項１１記載の発明は、請求項９記載の試料測定方法であって、前記開口部形状を調整する調整工程をさらに備え、前記調整工程は、前記測定した開口部形状に基づいて、前記開口部形状が所望の形状となるように調整を行うことを特徴とする試料測定方法に存する。
【００２９】
請求項１１記載の発明によれば、例えば、試料形状をおおよそ把握しており、予め測定に必要な分解能が明らかな場合など、所望の開口形状を持つプローブを用いて測定を行う方が効率的である。また、プローブと試料とは例えば数十ｎｍ以下の距離に接近させて測定を行っているので、測定回数が増えると衝突によりプローブの破損が生じる可能性が高くなる。このためにも、少ない測定回数で効率的に行うのが望ましい。以上のことに着目し、調整工程において、形状測定手段によって測定された開口部形状に基づいて、開口部形状が所望の形状となるように駆動部材の駆動を制御する。従って、開口部形状が所望の形状となるように駆動部材の駆動を制御することにより、最適な分解能で試料の測定が可能となり、不要な測定を行わなくて済む。
【００３０】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の試料測定方法であって、前記調整工程は、前記プローブを用いて前記試料を１ライン、走査する毎に、行われることを特徴とする試料測定方法に存する。
【００３１】
請求項１２記載の発明によれば、プローブを試料に対して１ライン、走査する毎に、調整工程が行われる。従って、走査中に、温度変化に伴うプローブ部材の膨張などが生じてプローブの開口形状が変動したとしても、１ライン走査する毎に、調整工程が行われるため、常に正確な開口形状を把握することができる。
【００３２】
請求項１３記載の発明は、請求項１１記載の試料測定方法であって、前記調整工程は、前記プローブを用いて前記試料を１測定点、走査する毎に、行われることを特徴とする試料測定方法に存する。
【００３３】
請求項１３記載の発明によれば、プローブを用いて試料を１測定点、走査する毎に、調整工程が行われる。従って、走査中に、温度変化に伴うプローブ部材の膨張などが生じてプローブの開口形状が変動したとしても、１測定点、走査する毎に、調整工程が行われるため、常に正確な開口形状を把握することができる。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、開口部形状を測定することにより、正確なプローブの分解能を把握した状態で、試料の形状又は光学的物性を測定することができるので、試料の測定精度の向上を図った光学装置を得ることができる。
【００３５】
請求項２記載の発明によれば、測定した開口部形状に基づいて、試料の形状又は光学的物性を測定することにより、正確なプローブの分解能を把握した状態で、試料の形状又は光学的物性を測定することができるので、試料の測定精度の向上を図った光学装置を得ることができる。
【００３６】
請求項３記載の発明によれば、開口部形状が所望の形状となるように駆動部材の駆動を制御することにより、最適な分解能で試料の測定が可能となり、不要な測定を行わなくて済むので、効率よく測定ができると共に、衝突によりプローブが破損する確率を低減した光学装置を得ることができる。
【００３７】
請求項４記載の発明によれば、プローブの開口部から発生する伝播光の強度分布は開口部形状に応じているため、この伝播光を伝播光検出手段によって検出すれば、検出した伝播光に基づいて、開口部形状の測定を行うことができる。しかも、試料計測手段が、光源からの光をプローブに導入し、プローブの開口部から発生する近接場光を試料に照射することにより、試料の測定を行うものであれば、試料測定で行われるプローブに光を導入し、プローブ開口部から光を照射するという動作を利用した簡易な開口部形状の測定を行うことができる。このため、例えば、開口部形状を測定するために電子顕微鏡などを用いる場合に比べて、装置の小型化が図れると共に、開口形状の測定に係る工数の減少を図ることができるので、コストダウンを図った光学装置を得ることができる。
【００３８】
請求項５記載の発明によれば、伝播光検出手段と隣接する位置に設けられた搭載面に試料を搭載すれば、走査中に、温度変化に伴うプローブ材の膨張などが生じてプローブの開口形状が変動したとしても、例えば、１ライン走査を行う毎に、伝播光検出手段により、プローブの開口部から照射される伝播光を検出して、プローブ開口部の形状を測定することができるので、より一層、試料の測定精度向上を図った光学装置を得ることができる。
【００３９】
請求項６記載の発明によれば、プローブの開口部を介して検出した伝播光の強度分布は開口部形状に応じているため、この伝播光に基づいて、開口部形状の測定を行うことができる。しかも、試料計測手段が、試料表面に発生するエバネッセント波をプローブの先端で散乱して伝播光に変換し、該変換された伝播光をプローブの開口部を介して検出することにより、試料の測定を行うものであれば、試料測定で行われるプローブの先端でエバネッセント波を散乱して伝播光に変換し、この変換された伝播光を検出するという動作を利用した簡易な開口部形状の測定を行うことができる。このため、例えば、開口部形状を測定するために電子顕微鏡などを用いる場合に比べて、装置の小型化が図れると共に、開口形状の測定に係る工数の減少を図ることができるので、コストダウンを図った光学装置を得ることができる。
【００４０】
請求項７記載の発明によれば、走査中に、温度変化に伴うプローブ部材の膨張などが生じてプローブの開口形状が変動したとしても、プローブを試料に走査している間、いつでも開口形状を測定することができるので、より一層、試料の測定精度向上を図った光学装置を得ることができる。
【００４１】
請求項８記載の発明によれば、偏光方向を制御することにより、プローブの開口部から発生する近接場光の強度を制御することができる光学装置を得ることができる。
【００４２】
請求項９記載の発明によれば、開口部形状を測定することにより、正確なプローブの分解能を把握した状態で、試料の形状又は光学的特性を測定することができるので、より一層、試料の測定精度向上を図った試料測定方法を得ることができる。
【００４３】
請求項１０記載の発明によれば、測定した開口部形状に基づいて、試料の形状又は光学的物性を測定することにより、正確なプローブの分解能を把握した状態で、試料の形状又は光学的物性を測定することができるので、試料の測定精度向上を図った試料測定方法を得ることができる。
【００４４】
請求項１１記載の発明によれば、開口部形状が所望の形状となるように駆動部材の駆動を制御することにより、最適な分解能で試料の測定が可能となり、不要な測定を行わなくて済むので、効率よく測定ができると共に、衝突によりプローブが破損する確率を低減した試料測定方法を得ることができる。
【００４５】
請求項１２記載の発明によれば、走査中に、温度変化に伴うプローブ部材の膨張などが生じてプローブの開口形状が変動したとしても、１ライン走査する毎に、調整工程が行われるため、常に正確な開口形状を把握することができるので、より一層、試料の測定精度向上を図った試料測定方法を得ることができる。
【００４６】
請求項１３記載の発明によれば、走査中に、温度変化に伴うプローブ部材の膨張などが生じてプローブの開口形状が変動したとしても、１測定点、走査する毎に、調整工程が行われるため、常に正確な開口形状を把握することができるので、より一層、試料の測定精度向上を図った試料測定方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
実施例１
以下、本発明の光学装置及び試料測定方法を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の試料測定方法を実施した光学装置としての走査型近接場光顕微鏡の一実施の形態を示す図である。同図に示すように、この走査型近接場光顕微鏡において、光源（ＬＤ）１から照射されたレーザ３０（＝光）は、レンズ２、３によってプローブ４の端面に形成された微小開口５（＝開口部）に集光される。この微小開口５は、ＬＤ１が照射するレーザ３０の波長以下の大きさに形成されている。従って、レーザ３０が微小開口５に集光されると、微小開口５からは、その開口の大きさと同程度の空間にだけに分布する近接場光６が発生する。
【００４８】
そして、ＸＹＺ方向に駆動可能なＰＺＴスキャナ８に、測定したい試料７を搭載して、プローブ４の微小開口５と試料７とをアプローチして、近接場光６を試料７に照射すると、近接場光６が試料７により散乱され、伝播光に変換される。この伝播光のうちプローブ４の微小開口５を通ってレンズ３を通過した光は、ビームスプリッタ９によってレンズ１０に反射される。このレンズ１０の焦点位置には、スリット１１が配置され、レンズ１０によって集光され、スリット１１を通過した光は光電子倍増管１２で検出される。
【００４９】
なお、近接場光６は極めて微弱であるので、予めレーザ３０をファンクションジェネレータ（ＦＧ）１３を用いて変調させており、ロックインアンプ（ＬＩＡ）１４を用いてその周波数成分だけを抽出することにより、ノイズを低減させ、所望の信号を取り出すことができる。ＰＺＴスキャナ８の駆動制御は、アンプ（Ａｍｐ）１６を介して、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１５で行われ、測定時のＰＺＴスキャナ８の駆動量とＬＩＡ１４からの出力信号とをメモリに保存してマッピングすることで、試料７の形状や光学的物性などを測定することができる。プローブ４と試料７とのアプローチは、例えばシアフォースと呼ばれる力学的相互作用を用いたり、スペーサなどを用いて行うのが一般的である。
【００５０】
次に、上述したプローブ４の微小開口５の構成について、図２を参照して説明する。同図に示すように、プローブ４の周縁は、固定部４１ｂ、４１ｃ、４１ｄと、Ｘ方向と平行な矢印Ｙ１方向に伸縮する圧電素子４２（＝駆動部材）とから構成されている。この圧電素子４２において、固定部４１ｄとは反対側の端面は、固定部４１ａによって固定されている。以上の構成によれば、圧電素子４２を伸ばすと、微小開口５を小さくすることができ、圧電素子４２を縮めると、微小開口５を大きくすることができる。この圧電素子４２の伸縮は、図１に示すように、アンプ（Ａｍｐ）１７を介して、駆動制御手段として働くＰＣ１５によって行われる。
【００５１】
また、この走査型近接場光顕微鏡は、図１に示すように、上述した微小開口５の形状を測定するための開口形状測定器（＝開口形状測定手段）１８を備え、その測定結果をＰＣ１５に対して供給している。この開口形状測定器１８としては、例えば、図３に示すように、微小開口５から発生する伝播光１９を受光する高感度ＣＣＤカメラ１８ａから構成されているものが考えられる。すでに説明したように、プローブ４の微小開口５からはその開口径と同程度の空間領域で近接場光６が発生している。
【００５２】
微小開口５からは、上記近接場光６だけでなく、図３に示すように、伝播光１９も発生している。この伝播光１９の強度分布は、微小開口５の形状の影響を受けるため、この伝播光１９の強度分布を、高感度ＣＣＤカメラ１８ａを用いて測定することにより微小開口５の形状を測定することができる。また、高感度ＣＣＤカメラ１８ａが測定した伝播光１９の強度分布だけでなく、圧電素子４２に対する印加電圧も参照して、微小開口５の形状を求めることも考えられる。
【００５３】
上記高感度ＣＣＤカメラ１８ａを用いた微小開口５の形状測定方法の一例を以下に述べる。ＰＣ１５内のメモリには、複数の微小開口５の形状に対する伝播光１９の強度分布を表す強度データが予め格納されている。そして、プローブ４の微小開口５から近接場光６を発生したときの伝播光１９を、高感度ＣＣＤカメラ１８ａを用いて測定し、上記ＰＣ１５のメモリに蓄えられた強度データと比較することで微小開口５の開口形状を推定している。
【００５４】
なお、上記強度データは、例えば、予め電子顕微鏡などで開口形状を把握しておいたプローブ４を用意し、このプローブ４から近接場光６を発生させたときの伝播光１９の強度分布を高感度ＣＣＤカメラ１８ａを用いて測定し、さらに、開口形状の異なる複数のプローブ４に対してこのような伝播光１９の強度分布測定を行うことで得ることができる。
【００５５】
上記概略で説明した近接場光顕微鏡の詳細な動作について、図４及び図５に示すＰＣ１５の処理手順を示すフローチャートを参照して以下説明する。まず、ＰＣ１５は、微小開口５の周縁の一部を構成する圧電素子４２に対する印加電圧を調整し、微小開口５の形状を調整する（ステップＳ１）。続いて、開口形状測定器１８を用いて微小開口５の形状を測定し（ステップＳ２）、メモリに記憶する。このステップＳ２の動作により、プローブ４の分解能を把握することができる。
【００５６】
その後、ＰＣ１５は、ＰＺＴスキャナ８を制御して、プローブ４に対して試料７をＸＹ平面内の所望の測定点に移動させた後（ステップＳ３）、測定処理を開始する。測定処理において、ＰＣ１５は、図５に示すように、ＰＺＴスキャナ８を制御して、プローブ４に対して試料７をＺ方向に移動させる（ステップＳ４１）。このとき、シアフォースを測定し（ステップＳ４２）、シアフォースが所望の値となり（ステップＳ４３）、プローブ４からの近接場光６を試料７に照射できる距離に、試料７とプローブ４とをアプローチできたと判断すると、次のステップＳ４４に進む。
【００５７】
ステップＳ４４において、ＰＣ１５は、ＬＤ１からレーザ３０を発生させることにより、プローブ４の微小開口５から近接場光６を発生させる。さらに、ＬＩＡ１４が検出した値を取り込むことにより、近接場光６が試料７によって散乱され、変換された伝播光の強度やスペクトル情報を検出する（ステップＳ４４）。その後、現時点でのＸＹＺ方向についてのＰＺＴスキャナ８の駆動量と、ステップＳ４４にて検出した伝播光の強度やスペクトル情報とをメモリに記憶して（ステップＳ４５）、図４のステップＳ５にリターンする。
【００５８】
ステップＳ５においては、全走査エリアについて、測定処理が行われたか否かを判断する。そして、全走査エリアについて、測定処理が行われていなければ（ステップＳ５でＮ）再びステップＳ３に戻り、試料７をＸＹ平面内の次の所望測定点に移動させた後、測定処理を行う（ステップＳ４）。一方、全走査エリアについて、測定処理が行われていれば（ステップＳ５でＹ）、ステップＳ４５でメモリに保存したデータ及びステップＳ２で計測した開口形状に基づき、試料７の形状や光学的物性を算出して（ステップＳ６）、処理を終了する。
【００５９】
以上の走査型近接場光顕微鏡によれば、形状測定手段として働くＰＣ１５は、測定した微小開口５の形状に基づいて、試料７の形状又は光学的物性を測定している。従って、微小開口５の形状を測定することにより、正確なプローブ４の分解能を把握した状態で、試料７の形状又は光学的物性を測定することができ、試料７の測定精度の向上を図ることができる。
【００６０】
また、上述した走査型近接場光顕微鏡によれば、ＬＤ１からのレーザ３０をプローブ４に導入すると、プローブ４の微小開口５からは近接場光６と同時に伝播光１９が発生することに着目し、高感度ＣＣＤカメラ１８ａによって、この伝播光１９を検出し、検出した伝播光１９に基づいて、微小開口５の形状の測定を行っている。従って、試料測定で行われるプローブ４にレーザ３０を導入し、微小開口５から光を照射するという動作を利用した簡易な開口部形状の測定を行うことができる。このため、例えば、開口部形状を測定するために電子顕微鏡などを用いる場合に比べて、装置の小型化が図れると共に、開口形状の測定に係る工数の減少を図ることができ、コストダウンを図ることができる。
【００６１】
実施例２
なお、上述した実施例１では、微小開口５の形状を調整する際に、開口形状測定器１８による測定結果を参照していなかった。しかしながら、例えば、図６のフローチャートに示すように、圧電素子４２を駆動して、プローブ４の微小開口５の調整を行うと共に、（ステップＳ１）、開口形状測定器１８によってプローブ４の微小開口５の形状を測定した後（ステップＳ２）、測定結果が所望の形状になっているか否かを判断する（ステップＳ７）。そして、所望の形状になったとき（ステップＳ７でＹ）始めて次のステップＳ３に進めるようにすることも考えられる。
【００６２】
例えば、試料７の形状をおおよそ把握しており、予め測定に必要な分解能が明らかな場合など、所望の開口形状を持つプローブ４を用いて測定を行う方が効率的である。また、プローブ４と試料７とは例えば数十ｎｍ以下の距離に接近させて測定を行っているので、測定回数が増えると衝突によりプローブ４の破損が生じる可能性が高くなる。このためにも、少ない測定回数で効率的に行うのが望ましい。従って、上述したように開口形状測定器１８の測定結果をフィードバックして微小開口５を所望の形状に制御することにより、最適な分解能で試料の測定が可能となり、不要な測定を行わなくて済む。このため、効率よく測定ができると共に、衝突によりプローブ４が破損する確率を低減することができる。
【００６３】
実施例３
また、上述した実施例１及び２では、開口形状測定器１８として、高感度ＣＣＤカメラ１８ａを用いる場合、その高感度ＣＣＤカメラ１８ａの配置位置については特に述べていなかった。また、微小開口５の形状測定も試料７の走査中は行っていなかった。しかしながら、例えば、図７に示すように、高感度ＣＣＤカメラ１８ａをＰＺＴスキャナ８内部に収納し、ＰＺＴスキャナ８の試料搭載面上に設けた開口部８ａから、高感度ＣＣＤカメラ１８ａのレンズ部分がプローブ４に向かうように配置することも考えられる。つまり、高感度ＣＣＤカメラ１８ａに隣接して試料搭載面が設けられていることになる。
【００６４】
以上のような構成によれば、高感度ＣＣＤカメラ１８ａと隣接する位置に設けられた搭載面に試料７を搭載すれば、走査中に、温度変化に伴うプローブ材の膨張などが生じてプローブ４の微小開口５の形状が変動したとしても、例えば、１ライン走査を行う毎に、高感度ＣＣＤカメラ１８ａにより、プローブ４の微小開口５から照射される伝播光１９を検出して、微小開口５の形状を測定することができる。
【００６５】
詳しい動作を図８のＰＣ１５の処理手順を示すフローチャートを参照して説明する。なお、図４〜図６について、すでに説明したステップと同等のステップには、同一符号を付してその詳細な説明を省略している。ＰＣ１５は、プローブ４が所望の走査ライン（例えばＸ方向と平行）の延長線上であり、かつ、高感度ＣＣＤカメラ１８ａ上の位置するように、ＰＺＴスキャナ８の駆動制御を行う（ステップＳ８）。次に、図６に示すステップＳ１、Ｓ２、Ｓ７を行った後、ステップＳ９に進む。
【００６６】
ステップＳ９において、ＰＣ１５は、ＰＺＴスキャナ８をＸ方向に移動する。ステップＳ７からステップＳ９に進んだ直後においては、ステップＳ９の移動により、プローブ４が高感度ＣＣＤカメラ１８ａ上から試料７上に移動する。その後、測定処理を行った後（ステップＳ４）、１ライン走査したか否かを判断する（ステップＳ１０）。１ラインの走査が終了していなければ（ステップＳ１０でＮ）、再びステップＳ９に戻り、ＰＺＴスキャナ８をＸ方向に移動して、試料７を次の測定点に移動する。
【００６７】
一方、１ラインの走査が終了していれば（ステップＳ１０でＹ）、全走査エリアについて、測定処理が行われたか否かを判断する（ステップＳ５）。そして、全走査エリアについて、測定処理が行われていなければ（ステップＳ５でＮ）、再びステップＳ８に戻り、プローブ４が次の走査ラインの延長線上であり、かつ、高感度ＣＣＤカメラ１８ａ上の位置するように、ＰＺＴスキャナ８の駆動制御を行う。この動作により、１ライン走査する毎に、微小開口５の形状を測定することができる。一方、全走査エリアについて、測定処理が行われていれば（ステップＳ５でＹ）、ステップＳ６に進んで、処理を終了する。
【００６８】
実施例４
また、上述した実施例１〜３では、開口形状測定器１８として、微小開口５から照射される伝播光１９を検出する高感度ＣＣＤカメラ１８ａを用いていた。しかしながら、例えば、図９に示すように、駆動部材である圧電素子４２に隣接した位置に配置された圧電素子１８ｂから構成することも考えられる。この場合、圧電素子４２に対する印加電圧を制御することにより、圧電素子４２の矢印Ｙ１方向への伸縮を制御でき、これにより微小開口５の形状調整を行えることは前述通りである。
【００６９】
そして、上述した位置に配置された圧電素子１８ｂは、この圧電素子４２の伸縮に伴い同様に伸縮し、それに伴って圧電素子１８ｂの両端に設けられた電極４４ｃ、４４ｄ間に電圧差が発生する。この電圧差を、電圧計２４を用いて測定することによって、圧電素子４２の伸縮度合、すなわち、微小開口５の形状を測定することが可能となる。
【００７０】
なお、圧電素子にはヒステリシス等の非線形要素があるため、電子顕微鏡などを用いて予め微小開口５の形状を測定し、微小開口５の形状、圧電素子４２に対する印加電圧及び電圧計２４からの出力電圧などの相関を測定しておくことが望ましい。
【００７１】
以上のような構成の開口形状測定器１８によれば、図８に示すように、一ライン走査する毎に、微小開口５の形状が測定できるだけでなく、いつでも微小開口５の形状が測定できるようになる。このため、走査中に、温度変化に伴うプローブ部材の膨張などが生じてプローブ４の微小開口５の形状が変動したとしても、プローブ４を試料７に走査している間、１測定点毎に、微小開口５の形状を測定することができるので、より一層、試料の測定精度向上を図ることができる。
【００７２】
この詳しい動作を図１０のＰＣの処理手順を示すフローチャートを参照して説明する。なお、図４〜図６、図８について、すでに説明したステップと同等のステップには、同一符号を付してその詳細な説明を省略している。まず、ＰＣ１５は、プローブ４が所望の走査ライン（例えばＸ方向と平行）上に位置するように、ＰＺＴスキャナ８の駆動制御を行う（ステップＳ８）。次に、ＰＣ１５は、ＰＺＴスキャナ８をＸ方向に移動する（ステップ９）。次に、図６に示すステップＳ１、Ｓ２、Ｓ７を行った後、ステップＳ４に進む。
【００７３】
そして、ステップＳ４に進んだ後は、１ライン走査したか否かを判断する（ステップＳ１０）。１ラインの走査が終了していなければ（ステップＳ１０でＮ）、再びステップＳ９に戻り、その後、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ７の順に動作を行う。これにより、１測定点、走査する毎に、微小開口５の形状を測定することができる。
【００７４】
一方、１ラインの走査が終了していれば（ステップＳ１０でＹ）、全走査エリアについて、測定処理が行われたか否かを判断する（ステップＳ５）。そして、全走査エリアについて、測定処理が行われていなければ（ステップＳ５でＮ）再びステップＳ８に戻り、プローブ４が次の所望の走査ライン（例えばＸ方向と平行）上に位置するように、ＰＺＴスキャナ８の駆動制御を行う。一方、全走査エリアについて、測定処理が行われていれば（ステップＳ５でＹ）、ステップＳ６に進んだ後、処理を終了する。
【００７５】
実施例５
ところで、微小開口５の形状と、ＬＤ１からの光の偏光方向との関係は、以下に述べるものである。つまり、図１１（ａ）に示すように圧電素子４２をＸ方向に伸ばし、微小開口５の形状がＹ方向に長い形状となった場合、Ｘ方向に偏光した光を入射すると、近接場光６の強度が最大になる。逆に、Ｙ方向に偏光した光を入射すると近接場光６の強度はほとんどなくなる。
【００７６】
一方、図１１（ｂ）に示すように圧電素子４２を縮ませ微小開口５がＸ方向に長い形状となった場合、Ｙ方向に偏光した光を入射すると、近接場光６の強度が最大になる。逆にＸ方向に偏光した光を入射すると近接場光６の強度はほとんど発生しなくなる。
【００７７】
よって、略四角形の微小開口５を有するプローブ４を用いた場合、測定した微小開口５の形状に基づき、微小開口５の短手方向に偏光する偏光方向制御手段（図示せず）を設けることで、微小開口５において発生する近接場光６を最大とすることができ、より一層、試料７の測定精度を向上することができる。また、上記例では、偏光方向制御手段は近接場光６の強度が最大となる状態を最適としたが、例えば、光を照射すると変形してしまうような試料７であれば、これとは逆に近接場光６の強度が大きくならないように偏光方向を制御することも考えられる。
【００７８】
実施例６
また、上述した実施例１〜５では、プローブ４の微小開口５から近接場光６を発生する近接場光顕微鏡について説明していたが、例えば、図１２に示す、エバネッセント波を発生する近接場光顕微鏡についても適用することができる。図１２に示すように、ＬＤ１から照射されたレーザ３０がプリズム２１で全反射した場合、プリズム２１表面にはレーザ３０の波長程度の範囲で近接場光の一つであるエバネッセント波２２が発生する。そして、このプリズム２１上に、測定したい試料７を搭載すると、試料７の表面に近接場光６が発生する。この近接場光６にプローブ４をアプローチすると、近接場光６がプローブ４によって散乱され、伝播光に変換される。この伝播光のうちプローブ４の微小開口５を通ってレンズ１０に集光され、スリット１１を通過した光は光電倍増管１２で検出される。
【００７９】
なお、エバネッセント波２２は極めて微弱であるので、予めレーザ３０をファンクションジェネレータ（ＦＧ）１３を用いて変調させており、ロックインアンプ（ＬＩＡ）１４を用いてその周波数成分だけを抽出することにより、ノイズを低減させ、所望の信号を取り出すことができる。プローブ４は、アンプ（Ａｍｐ）１６を介して、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１５によって駆動可能であり、測定時のプローブ４の駆動量とＬＩＡ１４からの出力信号とをメモリに保存してマッピングすることで、試料７の形状や光学的物性などを測定することができる。
【００８０】
このような、エバネッセント波２２を用いた走査型近接場光顕微鏡においては、試料７が搭載されていない状態で、プリズム２１表面に発生しているエバネッセント波２２に、プローブ４をアプローチすると、エバネッセント波２２がプローブ４により散乱され、伝播光に変換される。この時、プローブ４の微小開口５を通る伝播光１９の強度は、その微小開口５の形状に依存する。そこで、上記伝播光の強度を検出すれば、微小開口５の形状を測定することができる。
【００８１】
以上の構成の近接場光顕微鏡によれば、試料測定で行われるプローブ４の先端でエバネッセント波２２を散乱して伝播光１９に変換し、この変換された伝播光１９を検出するという動作を利用した簡易な微小開口５の形状測定を行うことができる。このため、例えば、微小開口５の形状を測定するために電子顕微鏡などを用いる場合に比べて、装置の小型化が図れると共に、開口形状の測定に係る工数の減少を図ることができ、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の試料測定方法を実施した光学装置としての走査型近接場光顕微鏡の実施例１を示す図である。
【図２】図１に示す走査型近接場光顕微鏡を構成するプローブ４の微小開口５の拡大斜示図である。
【図３】図１に示す走査型近接場光顕微鏡を構成する開口形状測定器１８の一例を示す図である。
【図４】実施例１におけるＰＣ１５の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】測定処理におけるＰＣ１５の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】実施例２におけるＰＣ１５の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の試料測定方法を実施した光学装置としての走査型近接場光顕微鏡の実施例３を示す図である。
【図８】実施例３におけるＰＣ１５の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】実施例４におけるプローブ４の微小開口５の拡大図である。
【図１０】実施例４におけるＰＣ１５の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】微小開口５の形状と、ＬＤ１からの光の偏光方向との関係を説明するための図である。
【図１２】本発明の試料測定方法を実施した光学装置としての走査型近接場光顕微鏡の実施例６を示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１      光源（ＬＤ）
４      プローブ
５      微小開口（開口部）
７      試料
１５    ＰＣ（試料測定手段、駆動制御手段）
１８    開口形状測定器（形状測定手段）
１８ａ  高感度ＣＣＤカメラ（伝播光検出手段）
４２    圧電素子（駆動部材）
１８ｂ  圧電素子
【図１】
2005083849.tif 000003
【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】
2005083849.tif 000009
【図８】
2005083849.tif 000010
【図９】
2005083849.tif 000011
【図１０】
2005083849.tif 000012
【図１１】
2005083849.tif 000013
【図１２】
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