(57)【要約】【課題】光学部材の共振周期の把握や、正確な共振制御の調整を行う必要のない、加振式の微細構造測定用プローブを提供すること、およびその微細構造測定用プローブを利用する微細構造測定装置を提供すること。【解決手段】本発明の微細構造測定用プローブ１０は、光ファイバー等の光学部材１２と、基体１６および該基体から延出する二本の振動腕１８ａ，１８ｂからなる音叉型振動部材１４と、を備え、光学部材１２は、二本の振動腕のうち、どちらか一方の振動腕１８ａの先端部分に保持され、光学部材１２と該振動腕１８ａとは一体になって振動することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対して接触又は非接触の測定部としての光学部材と、
基体および該基体から延出する二本の振動腕からなる音叉型振動部材と、を備え、
前記光学部材は、前記二本の振動腕のうち、どちらか一方の振動腕の先端部分に保持され、前記光学部材と該振動腕とは一体になって振動することを特徴とする微細構造測定用プローブ。
【請求項２】
請求項１記載の微細構造測定用プローブにおいて、
前記光学部材は、前記音叉型振動部材の基体および二本の振動腕によって形成される面に対し、該光学部材の中心軸が交わる状態で、該振動腕の側面に固定されることを特徴とする微細構造測定用プローブ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の微細構造測定用プローブにおいて、
前記音叉型振動部材の基体および二本の振動腕によって形成される面は、該音叉型振動部材の下方に設置される試料載置用のステージに対して、平行であり、
前記光学部材の一部は、該光学部材が取り付けられる振動腕の底面よりも、前記ステージ側に突出し、
該光学部材の突出部分の先端部が、試料測定面からのシアフォースの影響を受けることにより、前記光学部材の取り付けられている振動腕の振動は、該影響に従って変化することを特徴とする微細構造測定用プローブ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の微細構造測定用プローブにおいて、
前記光学部材は、光ファイバー、偏波保存型光ファイバー、光の波長よりも小さな径の微小開口を先端に設けた光ファイバー、光の波長よりも小さな径の先鋭部を先端に設けた光ファイバー、三角錐状プリズム、球状プリズム、半球状プリズム、ATRプリズム、及び、先鋭された先端をもつ金属製の針のうちから選ばれる１つであることを特徴とする微細構造測定用プローブ。
【請求項５】
光学部材および音叉型振動部材からなる微細構造測定用プローブと、
前記微細構造測定用プローブの下方に位置する測定試料の載置用のステージと、
前記ステージの移動を制御するステージ位置制御手段と、
前記音叉型振動部材の振動腕を加振する加振手段と、
前記音叉型振動部材の振動腕の振動振幅を計測する検出手段と、
前記検出手段によって得られる検出情報を解析するためのコンピュータと、
前記微細構造測定用プローブを支持するアームと、を備え、
前記加振手段によって前記振動腕に取り付けられた前記光学部材を該振動腕と一体に振動させ、該光学部材と前記測定試料との間に生じる力の影響を、前記検出手段で検出し、前記光学部材と前記測定試料表面の間の位置制御を行うことを特徴とする微細構造測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の微細構造測定装置において、
可視光を出射する可視光源と、
前記可視光を、下方にある対象物に集光する対物レンズと、
前記対象物によって反射した可視光を、前記対物レンズを介して検出する可視光検出手段と、を備えていることを特徴とする微細構造測定装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の微細構造測定装置において、
前記アームは、
前記微細構造測定用プローブを支持するプローブ支持端部と、
対物レンズが有するねじ部分の形状、または前記対物レンズの側周面に適合する形状を有する対物レンズ接合端部と、
前記微細構造測定用プローブと前記対物レンズの相対的な位置関係を調整するプローブ位置調整部と、を備えていることを特徴とする微細構造測定装置。
【請求項８】
請求項５から７のいずれかに記載の微細構造測定装置において、
近接場光を生起するための励起光を出射する励起光源と、
前記近接場光と前記測定試料表面との間で相互作用の結果生じる光を検出するための分光検出手段と、を備え、
前記分光検出手段および前記コンピュータを使用することによって、前記近接場光と前記試料表面とが相互作用した結果生じる光の物理特性の変化から、前記試料表面の組成評価を行うことを特徴とする微細構造測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細構造測定用プローブおよびその微細構造測定用プローブを使用する微細構造測定装置に関し、特に微細構造測定用プローブの構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な光学顕微鏡は、測定対象に対し、非接触、非破壊で微細な部位の観察が行なえる。さらに分光分析器等を併用することにより、測定対象の成分分析を行うことも可能であることから、光学顕微鏡は各種の分野で応用されている。
しかし、一般的な光学顕微鏡を使用するだけでは、光の波長よりも小さな分解能で物体を視察することはできない。
【０００３】
他方で、電子顕微鏡は上記光学顕微鏡よりも分解能を大きく向上させることができるものの、電子線の光路上に大気、あるいは溶媒等が存在すると、それらの媒体によって電子が散乱し、その観測精度は極端に下がる。
そのため、電子顕微鏡は、特に生体試料を扱う分野において、必ずしも満足のゆく精度で観測することができるものではなかった。
【０００４】
近年、それら光学顕微鏡や電子顕微鏡とは異なる原理に基づく近接場光学顕微鏡や原子間力顕微鏡が、微細構造測定装置として開発され、その応用が期待されている。そこで、微細構造測定の方法について近接場光学顕微鏡を例に説明する。
まず近接場光とは、全反射の条件で対象の表面に光を照射した場合や、光の波長よりも小さな径を有する対象に光を照射した場合に、その対象から対象の内部に向けて、もしくはその対象から対象の外部に向けて滲み出す光（エネルギー）の場の総称である。
近接場光学顕微鏡は、その近接場光と試料測定面の間の相互作用の結果生じる光を、検出光として集光し、その検出光を定量的に分析することによって、測定対象の表面の微細な形状の測定や、測定対象の表面の組成の評価等、測定対象の微細構造の測定を可能にしている。
【０００５】
ここで、その近接場光学顕微鏡で使用されるプローブは、開口型と散乱型の２つに分けられる。
前者は先端に光の波長よりも小さな径の微小開口や、光の波長よりも小さな径の先鋭部を設けた光ファイバーをプローブとして利用するものであり、後者は先端部を先鋭化した金属製の針をプローブとして利用するものである。
特に、近年の近接場光学顕微鏡の開発分野においては、前者の開口型のプローブを利用する装置の改良が行われてきた。
【０００６】
その光ファイバーの先端の加工に関する代表的な技術としては、例えば特許文献１の図３に示されているような、先端部２２を金属膜６４で覆う（マスクする）ことによって微小開口６２を形成するものや、特許文献２の図６に示されているように、クラッド部１１４に対してコア部１１２の溶解速度が異なるように調整した複数のフッ酸緩衝液を使って、それらクラッド部１１４に対してコア部１１２を段階的に浸していき、３段テーパ型の先鋭部１１６を形成する方法が知られている。
そして、それら特許文献１および２に記載されているような技術等を適宣使用して、光ファイバーの先端に励起光の波長よりも短い径を持つ微小開口を形成し、その光ファイバーを開口型の近接場プローブとして利用する。
【０００７】
他方で、そのような開口型のプローブを用いた近接場測定として、イルミネーション‐コレクションモード、イルミネーションモード、およびコレクションモード、の３つの方法が知られており、それらの各種測定について、微小開口を先端に設けた光ファイバーを用いて説明する。
イルミネーション‐コレクションモードでは、まず微小開口に励起光を導入することによって、その開口の近傍に励起光波長と同程度の大きさの近接場光を生起させる。
次いで、その近接場光近傍に試料測定面を近づけていき、近接場光と試料測定面の間の距離が数十ｎｍまで近接した段階で、試料測定面によって散乱される光が発生するようになる。
その後、その散乱される光を検出光として、微小開口を通して集光し、集光した検出光が励起光に対して、どの程度波長シフトしているか等、光の物理的な変化を解析することによって、試料表面の組成を明らかにすることが出来る。
【０００８】
イルミネーションモードでは、上記イルミネーション‐コレクションモードと同様に、プローブの微小開口近傍に近接場光を生起した状態で、その近接場光と試料測定面の間を近づけていく。
それによって、近接場光と微小開口の間の距離が数十ｎｍまで近接した段階で、その試料測定面によって散乱される光の一部が、試料測定面を介して試料内を透過するようになる。
このイルミネーションモードでは、その試料内を透過する散乱光を検出光として集光する。
【０００９】
コレクションモードでは、上述した励起光を試料測定面に対して（全反射の条件を満たす角度で）照射することによって、その試料測定面の近傍に近接場光を生起させる。
その近接場光近傍にプローブの微小開口を近づけていき、近接場光と微小開口の間の距離が数十ｎｍまで近接した段階で、その微小開口によって散乱される近接場光の一部が、その微小開口を介して光ファイバー内を透過するようになる。
このコレクションモードでは、その光ファイバー内を透過する散乱光を検出光として集光する。
【００１０】
以上が、開口型のプローブを使用する近接場測定方法であり、近接場光学顕微鏡では、それらの各種の測定方法によって得られる検出光と励起光との間で、物理的な変化量を分析することにより、測定試料表面の微細な組成評価を可能としている。
【００１１】
他方で、上述の近接場測定のように、プローブを用いて測定試料表面の微細な構造の測定を行う場合、プローブ先端と試料測定面の間を数十ｎｍ程度まで近接させる必要がある。
この近接時は、プローブ先端と試料測定面の距離が一定値以上、近づかないようその距離を制御できなければ、プローブ先端は測定試料表面に接触し、微小開口の破砕や、試料表面の損傷を招くことになる。
そのため、特に現在の近接場光学顕微鏡等、測定試料表面の微細構造を測定する装置の開発分野では、プローブ先端と試料表面の間の距離が数十ｎｍ以下になった段階で働くシアフォースを利用し、プローブ先端と試料表面の間隔を制御する技術の開発が積極的に行なわれている。
それに関連する技術として、特許文献１や特許文献３が知られている。
【００１２】
特許文献１の図２においては、ピエゾ素子からなる加振器３０をプローブ２０に取り付け、その加振器３０をプローブ２０の共振周波数で振動させている。それによってプローブ２０は共振を始め、プローブ２０の先端２２もその共振周期・振幅で振動する。
その共振状態の先端２２に対して、試料１４を近接させていくことによって、先端２２には徐々にシアフォースが働き始め、先端２２の振動振幅は減少する。その先端２２の振動振幅の減少量が常に所定の値になるように、先端２２と試料１４の間の距離を調整させることで、その距離を一定に保つよう制御が行われている。
【００１３】
また、特許文献３の図１においては、音叉型の水晶振動子１０の一方の振動体１２の側面に、その振動体１２が延出する方向に平行に光ファイバー１５を取付け、かつ光ファイバー１５の共振周波数で、もう一方の振動体１１を振動させる。
それによって、振動体１２はその共振周波数で共振を始め、その振動体１２の共振に基づき、光ファイバー１５は共振する。
その後は、上記特許文献１と同様に光ファイバー１５の先端に試料２０を近接させていき、光ファイバー１５の先端の共振振幅の減少量が所定の値になった所で、距離の調整を終了させている。
上記従来の技術においては、シアフォースの働きによって減少する光ファイバーの振動振幅を、適宣捕捉し、かつそのシアフォース環境下において共振周波数を一定に保つよう、光ファイバーと試料表面間の距離の位置を制御することによって、光ファイバーと試料表面の間の距離を一定に保つよう制御されている。
そして、それらプローブ先端と試料表面の間の距離を一定に保ちつつ、試料表面を光ファイバーで走査することによって、試料表面の凹凸形状を測定することも出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００３−１０６９７８号公報
【特許文献２】特開２００３−４６２３号公報
【特許文献３】特開２００４−２３９６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述の近接場光学顕微鏡のように、プローブを用いて測定試料表面の微細構造の測定を行う装置の開発分野では、プローブ先端と試料表面の距離を所定の値に保つ、プローブ位置制御技術の開発が積極的に行われている。しかしながら、同分野では未だ以下に示す課題が残されたままである。
それは、プローブ先端と試料表面との間の位置制御、およびそれらの間に働くシアフォースの検出を行うだけであれば、上記近接場測定用の光ファイバー以外にも、先端形状を加工していない通常の光ファイバーや、球状プリズム等、一般的な光学素子を端部に取り付けたプローブを使用することが原理的には可能とされている。
しかし、従来は、上記のようにプローブに取り付けた光ファイバーや光学部材に応じた共振周期の把握、およびその光ファイバーの共振制御を正確に行う必要があり、これまでは様々な光学素子を用いたプローブの開発は積極的には行われておらず、汎用性が低かった。
【００１６】
加えて、近接場測定プローブに関しても、先端に取り付ける光ファイバーは消耗品であるため、新品の光ファイバーに取り換える都度、使用者は共振周期の把握や、正確な共振制御の調整を行わなければならず、それらの工程が不要な微細構造測定用のプローブの開発、およびそのプローブを使用する微細構造測定装置の開発も同時に望まれている。
すなわち、本発明は上記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、光学部材の共振周期の把握や正確な共振制御の調整を行う必要のない、微細構造測定用プローブを提供すること、およびその微細構造測定用プローブを利用する微細構造測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らが前記課題について鋭意検討を重ねた結果、微細構造測定用プローブの音叉型振動部材の振動腕と光学部材とが一体となって振動する新規な微細構造測定用プローブの製造に成功し、本発明を完成するに至った。
さらに、本発明の微細構造測定用プローブの音叉型振動部材の基体および二本の振動腕によって形成される面は、試料ステージに対して平行に設置することにした。それによって、音叉型振動部材の基体および二本の振動腕によって形成される面が試料ステージに対して垂直となるよう設置されている上記特許文献３に比べて、小さなワークスペースで測定試料表面の微細構造の測定を行うことが出来る。
【００１８】
すなわち、本発明に関する微細構造測定用プローブ（１０）は、
試料に対して接触又は非接触の測定部としての光学部材（１２）と、
基体（１６）および該基体（１６）から延出する二本の振動腕（１８ａ，１８ｂ）からなる音叉型振動部材（１４）と、を備え、
前記光学部材（１２）は、前記二本の振動腕（１８ａ，１８ｂ）のうち、どちらか一方の振動腕の先端部分に保持され、前記光学部材と該振動腕とは一体になって振動することを特徴とする。
【００１９】
また、前記光学部材は、前記音叉型振動部材（１４）の基体（１６）および二本の振動腕（１８ａ，１８ｂ）によって形成される面に対し、該光学部材の中心軸が交わる状態で、該振動腕の側面に固定される。
そして、前記音叉型振動部材の基体および二本の振動腕によって形成される面は、該音叉型振動部材の下方に設置される試料載置用のステージに対して、平行であり、
前記光学部材の一部は、該光学部材が取り付けられる振動腕の底面よりも、前記ステージ側に突出し、
該光学部材の突出部分の先端部が、試料測定面からシアフォースの影響を受けることにより、前記光学部材の取り付けられている振動腕の振動は、該影響に従って変化する。
【００２０】
前記光学部材は、光ファイバー、偏波保存型光ファイバー、光の波長よりも小さな径の微小開口を先端に設けた光ファイバー、光の波長よりも小さな径の先鋭部を先端に設けた光ファイバー、三角錐状プリズム、球状プリズム、半球状プリズム、ATRプリズム、及び、先鋭された先端をもつ金属製の針のうちから選ばれる1つである。
【００２１】
また、本発明の微細構造測定用顕微測定装置は、
光学部材（１１２）および音叉型振動部材（１１４）からなる微細構造測定用プローブ（１１０）と、
前記微細構造測定用プローブの下方に位置する測定試料（１２０）の載置用のステージ（１３０）と、
前記ステージ（１３０）の移動を制御するステージ位置制御手段（１４０）と、
前記音叉型振動部材（１１４）の振動腕を加振する加振手段（１５０）と、
前記音叉型振動部材（１１４）の振動腕の振動振幅を計測する検出手段（１６０）と、
前記検出手段によって得られる検出情報を解析するためのコンピュータ（１７０）と、
前記微細構造測定用プローブを支持するアーム（１９０）と、を備え、
前記加振手段によって前記振動腕に取り付けられた前記光学部材を該振動腕と一体に振動させ、該光学部材と前記測定試料との間に生じる力の影響を、前記検出手段で検出し、前記光学部材と前記測定試料表面の間の位置制御を行うことを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記微細構造測定装置において、
可視光を出射する可視光源（２００）と、
前記可視光を、下方にある対象物に集光する対物レンズ（２１０）と、
前記対象物によって反射した可視光を、前記対物レンズを介して検出する可視光検出手段（２２０）と、を備えている。
また、前記アーム（１９０）は、
前記微細構造測定用プローブ（１１０）を支持するプローブ支持端部（１９２）と、
対物レンズ（２１０）が有するねじ部分（２１２）の形状、または前記対物レンズの側周面（２１４）に適合する形状を有する対物レンズ接合端部（１９４）と、
前記微細構造測定用プローブ（１１０）と前記対物レンズ（２１０）の相対的な位置関係を調整するプローブ位置調整部（１９６）と、を備えている。
【００２３】
また、本発明の微細構造測定装置は、さらに、
近接場光を生起するための励起光を出射する励起光源（４３０）と、
前記近接場光と前記測定試料表面（１２２）との間で相互作用の結果生じる光を検出するための分光検出手段（４４０）と、を備え、
前記分光検出手段および前記コンピュータを使用することによって、前記近接場光と前記試料表面（１２２）とが相互作用した結果生じる光の物理特性の変化から、前記試料表面の組成評価を行う。
【発明の効果】
【００２４】
上述のように本発明の微細構造測定用プローブは、音叉型振動部材の基体およびその基体から延出する二本の振動腕によって形成される面に対し、光学部材の中心軸が交わる状態で取り付けられ、かつそれら光学部材と振動腕とは一体に振動する。
また、音叉型振動部材の基体および二本の振動腕によって形成される面は、その音叉型振動部材の下方に設置される試料ステージに対して平行であり、光学部材の一部は、該光学部材が取り付けられる振動腕の底面よりも、下方に突出している。
その光学部材の突出部分の一部が、試料測定面からのシアフォースの影響を受けることによって、光学部材の取り付けられている振動腕の振動は、そのシアフォースの影響に従って変化するため、本発明の微細構造測定装置では、シアフォースの影響を振動腕の振動から直接検出することが出来る。
【００２５】
それによって、本発明の微細構造測定用プローブは、光学部材の共振周期の把握や、正確な共振制御の調整を行う必要がなく、またプローブに取り付ける光学部材として、先鋭された先端をもつ金属製の針、光ファイバー、偏波保存型光ファイバー、光の波長よりも小さな径の微小開口を先端に設けた光ファイバー、光の波長よりも小さな径の先鋭部を先端に設けた光ファイバー、三角錐状プリズム、球状プリズム、半球状プリズム又はATRプリズム等、を使用することが出来る。
さらに本発明の微細構造測定用プローブは、近接場測定用のプローブとして利用することも出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の微細構造測定用プローブの構成を示す図である。
【図２】前記微細構造測定用プローブの写真、および、プローブを構成する光ファイバー先端を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の微細構造測定用プローブの変形例を示す図である。
【図４】本発明の微細構造測定用プローブの他の変形例を示す図である。
【図５】本発明の微細構造測定装置の構成、および、シアフォース検出用のプローブの構成を示す図である。
【図６】前記微細構造測定装置によるプローブの位置調整の様子を示す図である。
【図７】本発明の原子間力検出用のプローブの構成を示す図である。
【図８】本発明の微細構造測定装置の他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、微小開口を先端に設けた光ファイバーを光学部材として使用する微細構造測定用プローブ１０を、本発明の第一実施形態として具体的に説明する。
第一実施形態
＜微細構造測定用プローブ＞
図１および図２は本発明の微細構造測定用プローブ１０の構成を示す図であり、図１（Ａ）は微細構造測定用プローブ１０をＺ軸方向から見た上面図、図１（Ｂ）は微細構造測定用プローブ１０をＹ軸方向から見た側面図、図１（Ｃ）は微細構造測定用プローブ１０をＸ軸方向から見た側面図である。図２（Ａ）は実際の微細構造測定用プローブ１０の写真、および図２（Ｂ）は下端面１２ｂの断面図である。
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示す微細構造測定用プローブ１０は、先端に微小開口を設けた光ファイバー１２と、音叉型振動部材１４と、を備えている。
【００２８】
図１（Ｂ）および図２（Ｂ）に示すように、光ファイバー１２は、上端面１２ａ、下端面１２ｂ、その下端面１２ｂの略中央に設けられる円錐状突起１２ｃ、および円錐状突起１２ｃの中央に設けられる微小開口１２ｄを有する。
本実施形態における微小開口１２ｄの形成には、特許文献１に記載の方法を用いて、光が透過するコア部分周辺を金属膜で覆うことによって、１００ｎｍ径をもつ微小開口１２ｄを形成した（図２（Ｂ）参照）。
上記イルミネーション‐コレクションモードによる測定を行う場合であれば、光ファイバー１２の上端面１２ａに励起光を導入することによって、微小開口１２ｄの近傍に近接場光を生じさせることができる。
【００２９】
図１（Ａ）に示すように音叉型振動部材１４は、基体１６と、その基体１６から延出する２つの振動腕１８ａと、振動腕１８ｂと、を備えている。
ここで、その音叉型振動部材１４は、水晶板を加工したものである。なお、本発明の音叉型振動部材１４には、市販の音叉型の水晶振動子を使用することも出来る。
そして、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように本発明の微細構造測定用プローブ１０では、振動腕１８ａ、または１８ｂの先端部分の位置Ｐ１〜Ｐ６の何れかの位置において、光ファイバー１２が保持される。
【００３０】
また、図２（Ａ）に示す微細構造測定用プローブ１０の写真は、光ファイバー１２を振動腕１８ａの位置Ｐ１に取り付けたものであり、図２（Ａ）の左下の写真は、その光ファイバー１２の下端面１２ｂを拡大して撮影したものである。
すなわち、本発明の光ファイバー１２の中心軸が、音叉型振動部材１４における基体１６の上面および２つの振動腕１８ａ，１８ｂの各上面によって形成される仮想面に交わるように、該光ファイバー１２を設置すればよい。この場合、光ファイバー１２の中心軸がその下方に設置される測定試料の載置用のＸＹＺステージのＸ−Ｙ平面に対して直角になるように、プローブ１０が支持される。
【００３１】
また、光ファイバー１２の側周面の一部は、振動腕１８ａの側面にしっかりと固定され、それにより、振動腕１８ｂを振動腕１８ａの共振周波数で振動させた際に、光ファイバー１２は振動腕１８ａと一体に振動する。
なお、基体１６および２つの振動腕１８ａ、振動腕１８ｂによって形成される仮想面に対して中心軸が直角になるように、光ファイバー１２を固定してもよい。この場合、上記の仮想面がその下方に設置される測定試料の載置用のＸＹＺステージのＸ−Ｙ平面と平行になるように、プローブ１０が支持される。
図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように光ファイバー１２の一部は、振動腕１８ａの底面よりも下方に突出している。その突出部分の一部が試料測定面のからのシアフォースの影響を受けることによって、振動腕１８ａの振動は変化する。
【００３２】
そして、光ファイバー１２の側周面と振動腕１８ａとの接置面の下端から、突出部分の先端に当たる微小開口１２ｄまでの長さ（つまり、光ファイバー１２の突出部分の長さ）は、振動腕の上端から下端に至る長さ（つまり、振動腕の厚さ）の２倍以下とすることが好ましく、それによって、振動腕１８ａに対して光ファイバー１２が独立して振動することを一層確実に防ぐことができる。
特に、本実施形態のような微小開口を先端に設けた光ファイバー１２の場合には、適切な音叉型振動部材１４との組合せによって、光ファイバー１２の全長を１ｍｍ以下に抑えることができる。このような全長を短縮した光ファイバーを用いることでファイバーからの余分な成分（バックグランド光）を低減することができる。
【００３３】
本実施形態では、微小開口を設けた光ファイバー１２を微細構造測定用プローブ１０の光学部材に用いた例を説明したが、本発明ではそれ以外にも通常使用されている光ファイバーや、球状プリズムなど、各種の光学素子を微細構造測定用の光学部材として利用することができる。微細構造測定用の光学部材とは、測定試料に対する接触又は非接触式の測定部のことを指す。以下、各種の部材を微細構造測定用プローブに適用した変形例について、図３および図４を用いて説明する。
【００３４】
＜微細構造測定用プローブの変形例＞
本発明の光学部材として、上記光の波長よりも小さな径の開口部を先端に設けた光ファイバー１２以外にも、図３（Ａ）の先鋭された先端をもつ金属製の針１２Ａ、図３（Ｂ）の市販されている光ファイバー１２Ｂ、図３（Ｃ）の偏波保存型光ファイバー１２Ｃ、図３（Ｄ）の光の波長よりも小さな径の先鋭部を先端に設けた光ファイバー１２Ｄ、図４（Ａ）の三角錐状プリズム１２Ｅ、図４（Ｂ）の半球状プリズム１２Ｆ、又は、図４（Ｃ）の球状プリズム１２Ｇを使用することが出来る。
【００３５】
上記光ファイバー１２と同様に、それら各光学部材１２Ａ〜１２Ｇを振動腕１８ａの側面にしっかりと固定しておき、振動腕１８ｂを振動腕１８ａの共振周波数で振動させることで、各光学部材１２Ａ〜１２Ｇは振動腕１８ａと一体になって振動する。図中には、網目状のハッチングによって、振動腕に光学部材を固定するための固定部材を示した。
更に、図３および図４に示しているように各光学部材の一部は、振動腕１８ａよりも下方に突出している。試料測定面をその突出部分の一部に近接させていくことによって、光学部材は試料測定面からシアフォースを受ける。そのシアフォースの影響により変化した振動腕１８ａの振動を解析することによって、光学部材の先端と試料測定面との間の距離を明らかにすることが出来る。
そのため、上記の各種の光学素子を微細構造測定用の光学部材に用いることができる。なお、本発明の微細構造測定に用いる光学部材は、光学部材１２Ａ〜１２Ｇに限られず、ATRプリズム等の光学素子や、シアフォースの影響を受けやすい素材からなる光学素子を使用することも出来る。
【００３６】
以上が、本発明の微細構造測定用プローブであって、以下、本発明の第二実施形態として、微細構造測定用プローブを使用する微細構造測定装置１００について説明する。
第二実施形態
＜微細構造測定装置＞
ここで、図５は微細構造測定装置１００の構成を示す図であり、上記第一実施形態の微細構造測定用プローブ１０に対応する部位には符号１００を加えて示し、それらの説明を省略する。
【００３７】
図５（Ａ）に示す微細構造測定装置１００は、微細構造測定用プローブ１１０と、測定試料１２０と、ＸＹＺステージ１３０と、ステージ位置制御手段１４０と、プローブ１１０を加振する加振手段１５０と、シアフォース検出手段１６０と、コンピュータ１７０と、モニター１８０と、微細構造測定用プローブ１１０を支持するアーム１９０と、可視光源２００と、対物レンズ２１０と、可視光検出手段２２０と、を備えている。
【００３８】
まず、測定試料１２０は、試料表面１２２を微細構造測定用プローブ１１０に対向させた状態で、ＸＹＺステージ１３０上に載置する。その状態で、ステージ位置制御手段１４０を使用し、ＸＹＺステージ１３０の位置を移動させることにより、微細構造測定用プローブ１１０に対する試料表面１２２の位置を相対的に移動させることができる。
また、ステージ位置制御手段１４０の制御は、コンピュータ１７０に行わせるよう設定している。
【００３９】
加振手段１５０は、微細構造測定用プローブ１１０の音叉型振動部材１１４を加振するためのものである。例えば振動腕１１８ａに光ファイバー１１２を保持させている場合、加振手段１５０は振動腕１１８ｂに取り付ける。
そして、その加振手段１５０を使用して、振動腕１１８ｂを振動腕１１８ａの共振周波数で振動させる。それによって振動腕１１８ａは共振を始め、光ファイバー１１２はその振動腕１１８ａと一体となって振動する。
なお、本実施形態の加振手段１５０は、図５（Ｂ）に示すように振動腕１１８ｂの側面に、対向して設置する２つの圧電素子と、それら圧電素子に所定の交流周期で電流を印加する電源と、からなる。圧電素子に代えて、振動腕１１８ｂの表面に電極を形成し、周期的な電圧を振動腕１１８ｂに印加することによって、音叉型振動部材を共振させてもよい。
また、本実施形態において加振手段１５０の制御は、コンピュータ１７０に行わせるよう設定している。
【００４０】
図５（Ｂ）に示すシアフォース検出手段１６０は、振動腕１１８ａの側面に対向して設置する２つの圧電素子と、その２つの圧電素子から振動周期を検知する周波数計と、からなる。圧電素子に代えて、振動腕１１８ａの表面に電極を形成し、共振によって誘起される周期的な電圧を計測して、振動周期を検知してもよい。
なお、シアフォース検出手段１６０を使用して位置制御を行う場合、まず試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０の間を離間した状態で、シアフォース検出手段１６０を使用して、振動腕１１８ａの振動振幅を予め取得し、その振動振幅を参照用データとしてコンピュータ１７０等に保存しておくことが必要である。
【００４１】
そして、アーム１９０は、微細構造測定用プローブ１１０を支持するプローブ支持端部１９２と、対物レンズ２１０が有するねじ部分２１２の形状、または対物レンズ２１０の側周面２１４に適合する形状を有する対物レンズ接合端部１９４と、微細構造測定用プローブ１１０と前記対物レンズ２１０の相対的な位置関係を調整するプローブ位置調整部１９６と、を備えている。
上記プローブ位置調整部１９６は、微細構造測定用プローブ１１０の位置を三次元方向に調整するためのものである。
【００４２】
可視光源２００は、光ファイバー１１２や試料表面１２２を顕微測定するための可視光を出射するものである。
対物レンズ２１０は、可視光を測定試料１２０または光ファイバー１１２に集光すると共に、その測定試料または光ファイバー１１２によって反射した可視光を可視光検出手段２２０へ向けて集光するものである。なお、本発明では、測定試料１２０や光ファイバー１１２など、対物レンズの焦点を合わせる対象のことを、対象物と呼ぶ。
可視光検出手段２２０は、対象物によって反射した可視光を検出し、可視検出信号としてコンピュータ１７０へ送信する。
【００４３】
そして、コンピュータ１７０はシアフォース検出手段１６０から送信される振動腕１１８ａの振動振幅と、参照用に保存された振動振幅とを比較することによって、微細構造測定用プローブ１１０と、試料表面１２２の間の距離を演算する。
また、コンピュータ１７０は上記各手段の制御、および微細構造測定用プローブ１１０と、試料表面１２２の間の距離の演算に加えて、可視光検出手段２２０から送信される可視検出信号を解析し、モニター１９０上に対象物の顕微測定画像を表示させる。
【００４４】
本実施形態の微細構造測定装置１００は以上のように構成され、以下にその作用を説明する。
（１）位置制御とシアフォース検出
微細構造測定装置１００の特徴点は、微細構造測定用プローブ１１０の位置制御および、シアフォース検出にある。
まず、予め試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０とが離間している状態で、加振手段１５０を使用し、振動腕１１８ｂを振動腕１１８ａの共振周期で振動させる。その状態での振動腕１１８ａの振動振幅を、シアフォース検出手段１６０を使用し、参照用の振動振幅の情報として保存しておく。
【００４５】
つづいて、ステージ位置制御手段１４０を使用し、ＸＹＺステージ１３０の位置を移動させ、試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０を近接させていく。
その後、試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０の間の距離が数十ｎｍまで近接した段階で、微細構造測定用プローブ１１０にはシアフォースが働き始め、その距離に応じて振動腕１１８ａの振動振幅は減少する。
【００４６】
そこで、上記参照用の振動振幅に対し、シアフォースの働きによって減少した振動腕１１８ａの振動振幅の量をコンピュータ１７０でモニターし、所定の振動振幅まで減少した状態となった時にステージ位置制御手段１４０のＺ軸方向の動作を停止させる。
これによって、試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０の間の距離は所定の値となる。このようにして、本発明の微細構造測定装置１００では、シアフォースの検出と共に、試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０の間の位置制御を行うことが出来る。
【００４７】
（２）試料表面の顕微測定
本発明において、上記試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０の間の位置制御に加えて、予め微細構造測定用プローブ１１０の位置と試料表面１２２の位置との関係とを明らかにすることで、試料表面１２２上の測定位置を高精度に決定することが出来る。
そこで、まず本発明の可視光源２００から出射した可視光を試料表面１２２上に照射し、試料表面１２２上の顕微測定を行う。すなわち、この顕微測定においては、図５（Ａ）に示したアーム１９０を使用して、可視光源２１０の光軸から微細構造測定用プローブ１１０を、予め退避させるか、また微細構造測定用プローブ１１０をアーム１９０から取り外しておくことが好適である。
その状態で、可視光源２００から顕微観察用の光を、対物レンズ２１０を介して試料表面１２２に照射する。
それによって試料表面１２２から反射した可視光は、可視光検出手段２２０で検出され、その後はコンピュータ１７０によって画像変換され、また、その画像データはモニター１８０上に表示される。
【００４８】
（３）微細構造測定用プローブの位置の調整と位置の決定
続いて、予め退避させておいた微細構造測定用プローブ１１０は、アーム１９０の対物レンズ接合端部１９４を利用して、顕微鏡の対物レンズ２１０の側周面２１４に固定されているが、目視だけでは、正確にその位置を把握できない。そのため、図６に示すように、対物レンズ２１０の焦点を利用してその位置を調整する。
【００４９】
図６（Ａ）は、顕微測定時のプローブ１１０と対物レンズについて、Ｚ方向から見た位置関係の一例である。図６（Ｂ）に示すように、プローブ位置調整部１９６により、光ファイバー１１２をＹ軸方向へ移動する。その後、光ファイバーの端面１１２ａにピントが一番整合するようにＺ軸方向の位置を調整し、可視光源２１０の焦点を光ファイバー１１２の端面に整合する。それによって、その可視光源２１０の焦点を基準にして微細構造測定用プローブの位置を決定することが出来る。
【００５０】
（４）微細構造測定用プローブの位置と試料表面との間の位置制御と微細構造測定
上述の工程を経ることによって、微細構造測定用プローブ１１２の位置と試料表面１２２の位置とを高精度に決定することができる。
そして、使用者は、モニター１９０を通じて、試料表面１２２上の微細構造測定の範囲を決定することによって、微細構造測定用プローブ１１０とシアフォース検出手段１５０を使用した微細構造測定（すなわち、測定試料上の凹凸形状測定）が開始される。
すなわち、現状の試料表面１２２上の測定位置において、ステージ位置制御手段１４０を使用し、ＸＹＺステージ１３０の位置を移動させ、試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０を近接させていく。
その後、試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０の間の距離が数十ｎｍまで近接した段階で、微細構造測定用プローブ１１０にはシアフォースが働き始め、その距離に応じて振動腕１１８ａの振動振幅は減少する。
【００５１】
そこで、上述した予め試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０とを離間させた状態で取得しておいた振動振幅に対し、シアフォースの働きによって減少した振動腕１１８ａ振動振幅の量をコンピュータ１８０でモニターし、所定の振動振幅まで減少した状態となった時にステージ位置制御手段１４０のＺ軸方向の動作を停止させる。
これによって、試料表面１２２と微細構造測定用プローブ１１０の間の距離は所定の値となる。
【００５２】
この所定の距離の制御を行いながら、試料表面１２２上を微細構造測定用プローブ１１０で走査し、各測定位置におけるＺ軸方向の移動量をコンピュータ２１０で常にモニターしておく。それによって、試料表面１２２料の凹凸形状、すなわち試料表面１２２の微細構造を測定することが出来る。
【００５３】
他方で、上記本発明の音叉型振動部材の二つの振動腕は、例えば図５（Ｂ）中に示したＸＹ平面内、かつ一定周期で加振・共振させ、その共振振幅の減少量を微細構造測定用プローブの位置制御に利用するシアフォース制御について説明してきた。
それに対し、近接場測定の分野においては、図７に示すようにＸＺ平面内で振動腕を一定周期で加振させ、原子間力による振動周波数の減少量を微細構造測定用プローブの位置制御に利用する加振制御方法が行われることも多い。
そこで本発明においても、加振手段およびシアフォース検出手段の向きを変更した制御方法を本実施形態の変形例として以下に説明する。
【００５４】
＜加振手段およびシアフォース検出手段の取付け方の変形例＞
図７は本変形例における微細構造測定用プローブ１１０´を拡大して示す図であり、微細構造測定用プローブ１１０´には加振手段１５０´と、検出手段１６０´と、を設けている。また、それ以外の部材については図示を省略した。
そして、加振手段１５０´の２つの電極は、振動腕１１８ｂ上、且つＺ軸に関して対向するように設置する。これにより加振手段１５０´は振動腕１１８ｂをＸＺ平面内で加振し、かつ振動腕１１８ａを同じ方向で振動させることが出来る。
【００５５】
そして、光ファイバー１１２は振動腕１１８ａの周波数ｆ０で振動し、試料表面１２２を近づけていくと、原子間力によって光ファイバー１１２（振動腕１１８ａ）の振動周波数は減少する。
この振動周波数ｆの減少は、微細構造測定用プローブ１１０´に試料表面１２２が接近するほど顕著に表れるため、検出手段１６０´によって検知される近接場用光学部材１１２の振動周波数ｆの減少量を、不図示のコンピュータを用いてモニターし、かつ所定の周波数となった時点で、ステージ位置制御手段１３０のＺ軸方向への動作を停止させる。
【００５６】
このように、振動腕の振動方向に関しての違いはあるものの、微細構造測定用プローブ１１０´と試料表面１２２の間の距離を所定の値に制御することが可能である。
以上、本発明は、加振手段および検出手段の取り付け位置を、測定目的に応じて変えるだけで、測定方法を切換えることが出来る。
【００５７】
以上が本実施形態の微細構造測定装置１００であり、さらに本発明の微細構造測定装置は近接場光学顕微鏡として利用することも出来る。以下にイルミネーション‐コレクションモード測定を行う微細構造測定装置３００について、図８を用いて説明する。
第三実施形態
＜近接場測定を行い得る微細構造測定装置＞
図８は本発明の近接場測定を行い得る微細構造測定装置３００の構成を示す図であり、上記第二実施形態の微細構造測定装置１００に対応する部位には符号に２００を加えて示し、それらの説明を省略する。
【００５８】
図８に示す微細構造測定装置３００は、微細構造測定用プローブ３１０と、測定試料３２０と、ＸＹＺステージ３３０と、ステージ位置制御手段３４０と、加振手段３５０と、シアフォース検出手段３６０と、コンピュータ３７０と、モニター３８０と、アーム３９０と、可視光源４００と、対物レンズ４１０と、可視光検出手段４２０と、を有し、更に励起光源４３０と、分光検出手段４４０と、を備えている事が特徴である。
【００５９】
すなわち、励起光源４３０は、光ファイバー３１２の微小開口部分において、近接場光を生成するための励起光を出射するためのものである。
対物レンズ４１０は、励起光源４３０からの励起光を光ファイバー３１２の上端面に集光するためのものである。また、対物レンズ４１０は微小開口部分によって集光される散乱光を、分光検出手段４４０に導光する際にも使用する。
【００６０】
分光検出手段４４０は、微小開口から発生する近接場光と試料表面３２２の間で相互作用した結果、光ファイバー３１２によって集光される散乱光（検出光）を分光検出するためのものである。
そこで、分光検出手段４４０は、分光測定用の検出器と、モノクロメータなどの分光器と、を備え、取得した検出光の情報をコンピュータ３７０へ送信する。
また、コンピュータ３７０は上記各手段の制御に加え、分光検出手段４４０から送信される検出光情報に基づいて、励起光と検出光の間の波長シフト量等から試料表面３２２の組成評価を行うためのものでもある。
そして、試料表面３２２の全ての測定位置における組成評価の結果がモニター３８０に表示される。
【００６１】
本実施形態の微細構造測定装置３００は以上のように構成され、以下にその作用を説明する。
（１）光ファイバーの位置調整
まず、光ファイバー３１２を取付けた微細構造測定用プローブ３１０を、アーム３９０のプローブ支持端部３９２に支持させ、アーム３９０の対物レンズ接合端部３９４を利用して、顕微鏡の対物レンズ４１０の側周面４１４に固定する。
その後、プローブ位置調整部３９６を使用して、光ファイバー３１２をＹ軸方向へ移動する。その後、光ファイバー３１２の端面にピントが一番整合するようにＺ軸方向の位置を調整させ、対物レンズ３６０の焦点を光ファイバー３１２の端面に整合させることにより、プローブの設置は終了する。
【００６２】
（２）微細構造測定用プローブと試料表面の間の距離の制御
上記位置に光ファイバー３１２を設置することによって、励起光源４３０からの励起光は、対物レンズ４１０を介して光ファイバー３１２の端面に集光される。これによって、光ファイバー３１２の微小開口部分からは、近接場光が生起される。
この状態で、加振手段３５０を使用して振動腕を振動させる。
【００６３】
その後、ステージ位置制御手段３４０を使用して、試料表面３２２を微細構造測定用プローブ３１０に近接させていく。これによって、それら試料表面３２２と微細構造測定用プローブ３１０の間の距離が数十ｎｍ以下まで接近した段階で、光ファイバー３１２の下端にはシアフォースが働くようになる。
そのシアフォースとの相互作用の結果、振動腕の振動振幅は減少するため、コンピュータ３７０は、その振動振幅が所定の値となった所で、ステージ位置制御手段３４０を停止させ、試料表面の間の距離の制御を終了させる。
【００６４】
（３）試料表面の組成評価
そして、上記距離制御が終了した後は、現在の測定位置において、試料表面３２２よって散乱された近接場光の一部が、微小開口から分光検出手段４４０によって検出される。その検出光の波長と励起光波長との間での波長シフト量がコンピュータ３７０によって演算された後、コンピュータ３７０によって波長シフト量に基づいた試料表面３２２の組成評価が行われる。
その後は、予め設定した近接場測定予定領域内の全ての測定位置において組成評価が行われるまで、測定位置の移動、距離制御、および組成評価の一連の工程が、繰り返し行われ、近接場測定は終了する。
【００６５】
以上、本発明はアーム等の支持手段を使用するだけで、顕微鏡の対物レンズに微細構造測定用プローブを取付けることが可能であり、また本発明は対物レンズの光軸に光ファイバーの上端面を整合することで、イルミネーション-コレクションモードによる近接場測定を行うこともできる。
そして、微細構造測定装置３００における励起光源４３０および分光検出手段４４０の配置をそれぞれイルミネーションモードやコレクションモードに合わせて変更することにより、各種の近接場測定方法を用いた測定を行うことが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
プローブを用いて測定試料表面の微細構造の測定を行う装置の開発分野において、本発明は振動腕と光学部材とを一体に振動させる新規、かつ従来よりも小規模な微細構造測定用プローブを開発したものである。
その微細構造測定用プローブは光学部材の共振周期の把握や、正確な共振制御の調整を行う必要がないことを特徴とし、また光学部材には種々の光学素子を利用することも出来る。
【符号の説明】
【００６７】
１０、  １１０、  ３１０    微細構造測定用プローブ
１２、  １１２、  ３１２    光学部材（微小開口を先端に設けた光ファイバー）
１２Ａ  先鋭された先端をもつ金属製の針
１２Ｂ  市販されている光ファイバー
１２Ｃ  偏波保存型光ファイバー
１２Ｄ  光の波長よりも小さな径の先鋭部を先端に設けた光ファイバー
１２Ｅ  三角錐状プリズム    
１２Ｆ  球状プリズム    
１２Ｇ  半球状プリズム
１４、  １１４、  音叉型振動部材
１６、  １１６、  基体
１８ａ、１１８ａ  振動腕
１８ｂ、１１８ｂ  振動腕
１００、３００    微細構造測定装置
１２０、３２０    測定試料
１２２、３２２    試料表面
１３０、３３０    ＸＹＺステージ
１４０、３４０    ステージ位置制御手段
１５０、３５０    加振手段
１６０、３６０    シアフォース検出手段
１７０、３７０    コンピュータ
１８０、３８０    モニター
１９０、３９０    アーム
１９２、３９２    プローブ支持端部
１９４、３９４    対物レンズ接合端部
１９６、３９６    プローブ位置調整部
２００、４００    可視光源
２１０、４１０    対物レンズ
２２０、４２０    可視光検出手段
４３０            励起光源
４４０            分光検出手段
【図１】
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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２】
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