(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物表面を光照射もしくは光励起することにより、前記被測定物表面の形状観察及び光物性測定を行う走査型近接場顕微鏡において、
気体または液体からなる媒体を有する共振器と該共振器の外側に設けられて超音波を発生する超音波発生トランスデューサーとを有し、前記共振器内に封じ込められた前記媒体に前記超音波を照射することにより、前記共振器内の共鳴点で空洞現象により前記媒体が発光する微小点発光発生装置と、
前記共振器内に設けられた前記被測定物と、
前記媒体内で生じる前記発光を集光する光学系を有し、集光した前記発光の強度を検出するモニターと、
ピエゾ素子を用いて前記被測定物をＸＹ方向に移動して走査するとともに、前記モニターにより検出された前記発光強度が所定値に保たれるようにＺ方向の移動を制御する移動機構と、
からなることを特徴とする走査型近接場顕微鏡。
【請求項２】
前記共振器は球状または一部分が球面をなしていることを特徴とする請求項１に記載の走査型近接場顕微鏡。
【請求項３】
前記共振器は対称な形状を有することを特徴とする請求項１に記載の走査型近接場顕微鏡。
【請求項４】
前記媒体は、Ｈ2Ｏ、またはルミノール(C8H7N3O2)溶液であることを
特徴とする請求項１に記載の走査型近接場顕微鏡。
【請求項５】
前記媒体内で生じる前記発光のサイズおよび発光色が、照射する前記超音波の周波数とエネルギーまたは媒体の種類で変わることを特徴とする請求項１に記載の走査型近接場顕微鏡。
【請求項６】
前記超音波発生トランスデューサーは、前記共振器に対し空間的に対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の走査型近接場顕微鏡。
【請求項７】
前記光学系は、前記共振器の外部に設けられたレンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の走査型近接場顕微鏡。
【請求項８】
前記光学系は、前記被測定物表面に接近した位置に置かれた対物レンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の走査型近接場顕微鏡。
【請求項９】
前記ピエゾ素子は、１本でその内部に対物レンズを収納できる構造になっている、または複数本でピエゾ素子の間に対物レンズを配置できる構造になっていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の走査型近接場顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被測定物表面を光照射もしくは光励起することにより、固体表面のナノメートル領域における形状観察や光物性測定を行うことを目的とする走査型近接場顕微鏡に使用する光プローブとなる微小光源、微小光源と試料との間を距離制御する方法、そして走査型近接場顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスキャピラリおよび光ファイバーを尖鋭化し、さらに周囲を金属コートして作製するアパチャータイプの光プローブが報告されており（ＵＳ  Patent4469554, Dennis R. Turner、  特開平０６−１３０３０２号公報（大津元一）、特開平０７−１７４５４２号公報）、マイクロ加工技術の発達に伴い先端部が非常に尖ったプローブを作製することができ、従来の光学顕微鏡の分解能を上まわる光学像を得ることが走査型プローブ顕微鏡により実現できるようになった。
【０００３】
プリズムなどを用い試料の背面より、全反射照明することによりエバネッセント波を発生させ、先端部が非常に尖ったプローブによって光を散乱させるタイプの走査型近接場顕微鏡が提案されている（特開平６−１６０７１９号公報（大津））。
プローブ先端に有機色素を修飾する事により波長変換するタイプのプローブが報告されている（ＵＳ  Patent5546223,  Patent5105305  R.E.Betzig  ＵＳ  P atent5479024  Hillner）。
【０００４】
また、発光機構をプローブ内部にもった自己発光タイプの光プローブが報告されている。
また、ＳＴＭとＡＦＭとを組み合わせた装置構成の高密度メモリに関して、ＳＴＭ構成で探針ッ記録媒体間に電圧を印加することにより記録を行い、ＡＦＭ構成で記録ビット形状を検出することにより再生を行う記録再生装置や、記録及び再生中の探針位置制御をＡＦＭの原理を応用して行う記録再生装置や、探針を支持する弾性体の変形を利用して、記録及び再生中に探針を記録媒体表面を追従させる記録再生装置の提案もなされている（特開平１−２４５４４５号公報、特開平４−３２１９５５号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまでの開口型ファイバープローブはその導波路部分を利用して外部光源からの光を試料の微小領域に導くものであった。そのためファイバーに光をカップリングする操作が必要であり、また細くて折れやすい全長１m程度のファイバーを扱う操作は非常に煩雑であった。また半導体プロセスにより作製するカンチレバー程度の導波路光プローブは外部光源からの光をカップリングする事が難しく、漏れた光が走査型近接場顕微鏡の観察に悪影響を与える。そのことに加え、プローブ自体が光のスループットが小さいために、外部光源には、ハイパワーで高価なレーザーが必要であった。また目的によって、異なる波長の光を利用したい場合、必要な波長の光を発振できるレーザー光源を別途用意しなければならなかった。レーザー光源は単色性の良い光を発振することから、広い波長範囲の光を得るためには、非線形光学効果を使った波長変換が必要であるが、ファイバー自体の透過する光の波長制限があるために、走査型近接場顕微鏡における試料の吸収測定などは行えなかった。また、プローブチップ先端に発光材料を入れ、外部光源からの光励起によって発光材料を光らせ、光源として利用する方法はＵＳ  Patent5546223,  Patent5105305  R.E.Betzig  ＵＳ  Patent5479024  Hillnerにあるが、いずれにしても外部に光源が必要であった。
【０００６】
有機EＬ素子のような電界発光機構で微小開口点だけ発光させる方式も提案されているが、プローブとしては光量が少ないという欠点があった。
そこで、本発明は、上記の問題を解決するため、外部光源を使用しないことにより、走査型プローブ顕微鏡や記録再生装置としてシステム全体を小さくし操作性を向上させることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の部分は、上記の課題を解決するために共振器内に閉じ込めた媒体に共振器外部から超音波を放射する事により媒体の微小点を発光させようとするものである。共振器の形状と媒体と超音波の照射パワーを選ぶことにより発光点のサイズをコントロールする事が可能である。
【０００８】
これらのことにより、外部光源を必要とせず十分な光量が得られる。また発光点はスペクトル的には紫外線の領域から可視域にわたるため分光測定を行う事も可能である。また発光点は輻射光を温度に換算すると５０００Ｋに至るため、微小領域を画像化する熱顕微鏡としての利用も可能である。また共振器内の空間に微小点発光を発生させることが出来るので、対象物には非接触で遠隔操作により対象物表面上を光源が走査する事になる。
【０００９】
試料とプローブとの距離制御は、基部となる探針の部分がないため、探針の機械的な変位を検出するのではなく、微小光が試料表面で散乱される光を検出しその光量が一定になるように両者の距離にフィードバックをかける。使用する媒体を選択することにより、異なる波長の光や広い波長範囲の光を発することでき、走査型近接場顕微鏡における吸収測定なども可能となる。光強度は照射する超音波のパワーで増幅する事が可能である。遠隔走査で発光を制御できるので従来のＳＰＭにおけるプローブとしての取り扱いは全く異なり、光学顕微鏡程度簡易に扱える走査型近接場顕微鏡となる。
【００１０】
外部光源や光ファイバーに光を集光する光学系が不要となり安価な走査型近接場顕微鏡システムを提供する事が可能になった。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１にかかわる微小発光点発生装置を示す構成図である。球状または一部が球面をなした共振器１に発光を誘発する媒体２（気体もしくは液体）が満たされており、共振器の外側には中心に向かって超音波トランスデューサー３が取り付けられている。できるだけ小さな領域にエネルギーを集中させるよう、対称な形状をした共振器内の共鳴点に向かって超音波トランデューサーは複数取り付けることが好ましく、それらは空間的に対称に配置され、その個数に制限はない。
【００１２】
共振器内にＨ2Ｏが満たされた場合についてさらに説明する。超音波トランデューサーから発せられた超音波は媒体中を縦波で伝わり、また音波は圧力を持っているため共振器内で圧力の高い部分と低い部分が発生する。この圧力の高低の時間的な変化がＨ2Ｏに溶けていた気体を気泡（キャビティ）となって発生させる。この気泡は音圧の周期に従って成長し、瞬間的に収縮破壊する。これはキャビテーション（空洞現象）と呼ばれる現象であり、キャビティ内は数千度、数千気圧といわれている高温高圧状態になる。このような特異な環境では普段起こらない化学反応を起こすことができ、Ｈ2Ｏの場合ではこの環境下で、H ラジカルとOH ラジカルに遊離する。キャビテーションが起きている状態で、更に強い超音波を照射すると気泡が収縮するときに発光４が起こる。この理由は キャビテーションで発生した熱による黒体幅射や、その熱によって遊離したOHラジカル等が超音波のエネルギーで励起され脱励起するときに起きる発光４である。
【００１３】
水に溶けている溶存気体を故意に減らすとキャビテーションの気泡数も減る。音波の周波数を容器と水を含めた系の共鳴周波数に設定し、音圧を調整すると、水中に１つだけ気泡を作ることができる．超音波の音圧と気泡の浮力が釣り合い水中で1個の気泡を制御出来る。その気泡に対して徐々に音圧を上げていくとある一定以上一定以下の音圧で気泡が発光４する。温度，音圧，周波数が気泡を安定させる条件を満足したとき，気泡は音波の周期にしたがって成長・崩壊をくり返し，１周期ごとに発光する．共鳴条件は100mlのフラスコを使った場合約25kHzで、超音波トランスデューサー３に７００V程度の電圧を供給することが必要である。発光時間は極めて短く，ピコセカンドのオーダーである。したがってこのようにして得られる発光４を使うと、近接場顕微鏡でイメージングを行うだけではなく、時間分解測定を行うことも可能である。
【００１４】
さらにこの微小光源は発光スペクトルが紫外領域まで延びているためこれまで不可能であった近接場顕微鏡における吸収測定、過渡吸収測定を行うことも可能である。発光波長については媒体・温度・音圧・周波数を変えることである程度の制御をすることが可能で、ルミノール(C8H7N3O2)溶液においても安定した発光が得られることを確認している。
【００１５】
また、気泡内部は高温・高圧であるので、微小な熱源と考えると近接場熱顕微鏡として利用することや記録・再生装置として利用することが可能である。
［実施の形態２］
図２は本発明の実施の形態２にかかわる走査型近接場顕微鏡としての構成例を示す模式図である。音響共振器としては100ml程度のフラスコや円筒形の形状をしたビーカーでかまわないが、近接場顕微鏡として利用するために試料の出し入れ口とピエゾ素子を音響共振器内１に組込む口が必要となる。ただし媒体として溶液を使用することがあるので組込む口は密閉構造となっている。図では２つの超音波トランデューサーを取り付けた例を示している。
【００１６】
次に微小光源７と試料８間の距離の制御に関して説明をする。通常の走査型近接場顕微鏡では針状のプローブを用いその先端にから出る光と試料との相対的な距離を制御するために針状部分の機械的な振動やたわみを何らかの方法で検出して行っている。本発明の微小光源４は空間に光源が浮かんでいるので、それを支えている針状部に相当するものはない。微小光源４は共鳴周波数で駆動され共振器１の共鳴条件を満足したときに得られるため試料が微小光源と完全に接触してしまったり共鳴条件を乱してしまった場合には光量が小さくなる、もしくは発光が消滅する。このことを利用すると、透明な共振器１の外部に設けたレンズ９で微小光源７からの光を集光し強度をモニターすることで微小光源７と試料８間の距離を知ることができる。モニターしている光量をある値に保つようににフィードバックをかけると微小光源７と試料８間のＺ距離制御ができるのである。微小点での発光を得るための諸条件はシビアであるが一度安定な条件を見つけると発光は安定して得られる。共鳴条件を乱さないためにはPZT１０の上に置く試料台をの大きさは5mm程度とするのが望ましい。
【００１７】
以上の説明で明白なように、通常の走査型近接場顕微鏡のように誤って針状部が試料に接触した場合、高価なプローブを機械的に破壊してしまうという恐れはなく、操作性という点でもプローブの交換の作業がなく簡便である。
走査型近接場光学顕微鏡の動作について説明する。従来の走査型近接場光学顕微鏡のように短針先端からの発光をプローブとして用いるものでは、振動手段によってプローブ先端を試料に対して垂直に振動させ、プローブ先端と試料の表面の間に作用する原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力をプローブの振動特性の変化として変位検出手段で検出し、プローブ先端と試料の表面の間隔を一定に保つように制御手段で制御しながら、ＸＹＺ移動機構により試料を走査して表面形状を測定する構成であった。これはDFMモードやタッピングモードとして知られている。
【００１８】
またはプローブ先端を試料に対して接近させ、プローブ先端と試料の表面の間に作用する原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力をプローブのたわみの変化として変位検出手段で検出し、プローブ先端と試料の表面の間隔を一定に保つように制御手段で制御しながら、ＸＹＺ移動機構により試料を走査して表面形状を測定する構成であった。これはコンタクトモードとして知られている。
【００１９】
しかし本発明の微小光源プローブを用いた走査型近接場光学顕微鏡では短針部分がないために、短針部の振動特性の変化として変位を検出することや短針部のたわみの変化として変位を検出する方法は用いない。上記に述べたように透明な共振器１の外部に設けたレンズ９で微小光源７からの光を集光し強度をモニターすることで微小光源７と試料８間の距離を知ることができる。モニターしている光量をある値に保つようににフィードバックをかけるとＺ距離の制御ができるのである。
【００２０】
DFMモードやタッピングモードと同じ測定モードで観察しようと思えば、試料８側をPZT１０で微小光源７に対して上下向きに振動させればよい。その際の優れた点として、短針を用いた場合では短針の機械的共振周波数で振動させることしかできないが、本発明の方法では振動させる周波数を制限するものはない。ただしこのモードで使用する場合、共振器１の外部に設けたレンズ９で集光して得た強度も時間的な強度変化を繰り返すため、試料８を振動させた周波数でモニターしている強度をロックイン検出し、その結果の信号強度の変化でフィードバックをかけることになる。
【００２１】
［実施の形態３］
図３は本発明の実施の形態３にかかわる反射光学系の近接場顕微鏡を示す模式図である。図２の構成では微小光源７を試料８に対して透過側で観察する構成を示したが、共振器１の構成要素（音響共振器の形状、超音波超音波トランデューサーの配置）を上下反転し対物レンズ１１だけをそのまま残すことで実現できる。記録・再生装置として利用しようとする場合にはメディアとなる媒体は不透明なものが多いためこのような光学系には利点がある。
【００２２】
また気泡内の超高温・超高圧力環境および発光の強い紫外線を利用した化学的なアプリケーションが可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。従来の短針から構成されている光プローブという形態をとらず、共振器と媒体の発光という構成を走査型近接場光学顕微鏡のプローブにすることで、外部光源や光ファイバーに光を集光する光学系が不要となり安価な走査型近接場光学顕微鏡システムを提供する事につながる。
【００２４】
また、微小発光は短針のような基部の先端にあるものでないためプローブ（短針）自体を破壊してしまうことがなく、プローブの取り替え作業も必要ないという点で安価なものになり、操作性は格段に向上する。異なる波長や波長の広い発光が得られ、PS程度のパルス光であること、また微小点発光は熱源としても利用できるという意味で、吸収測定、蛍光測定、時間分解吸収測定、時間分解蛍光測定、熱測定、時間分解熱測定等に利用可能である。
【００２５】
さらに、超高温・超高圧力環境および発光の強い紫外線を利用した化学的なアプリケーションが可能で、化学合成や光加工技術として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる微小発光点発生装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかわる走査型近接場顕微鏡としての構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態３にかかわる反射光学系の近接場顕微鏡としての構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１    共振器
２    媒体
３    超音波トランデューサー
４    発光
５    電源
６    コントローラー
７    微小光源
８    試料
９    レンズ
１０    PZT
１１    対物レンズ
【図１】
0004021097.tif 000002
【図２】
0004021097.tif 000003
【図３】
0004021097.tif 000004