(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料測定面に近接場光を発生させる励起光が導入され、該励起光を試料測定面に照射し、該励起光の照射によって試料測定面に発生した近接場光を被測定光として集光するプローブであって、
前記プローブ表面に設けられ、前記試料測定面に近接場光を発生させる励起光に対して透明で、前記励起光の照射によって試料測定面に発生した近接場光に対して透明でない材質で構成されたマスクと、
前記プローブ先端に設けられ、前記励起光の照射によって試料測定面に発生した近接場光を被測定光として集光する開口と、
を備え、前記プローブに導入された励起光を前記マスクより試料測定面に照射し、前記励起光の照射によって試料測定面に発生した近接場光を被測定光として前記開口より集光することを特徴とするプローブ。
【請求項２】
プローブ先端に近接場光を発生させる励起光が導入され、該先端に発生した近接場光を試料測定面に照射し、該近接場光の照射によって得られた試料測定面からの被測定光を集光するプローブにおいて、
前記プローブ表面に設けられ、該プローブ先端に近接場光を発生させる励起光に対して透明でなく、該近接場光の照射によって得られた試料測定面からの被測定光に対して透明な材質で構成されたマスクと、
前記プローブ先端に設けられ、該先端に発生した近接場光を通す開口と、
を備え、前記先端開口より近接場光を試料測定面に照射し、該近接場光の照射によって得られた試料測定面からの被測定光を前記マスクより集光することを特徴とするプローブ。
【請求項３】
請求項１記載のプローブにおいて、
前記マスクは、前記試料測定面に近接場光を発生させる励起光をプローブ外部に透過し、前記試料測定面からの被測定光をプローブ内部に透過しない金属皮膜で構成されていることを特徴とするプローブ。
【請求項４】
請求項２記載のプローブにおいて、
前記マスクは、前記プローブ先端に近接場光を発生させる励起光をプローブ外部に透過せず、前記試料測定面からの被測定光をプローブ内部に透過させる金属皮膜で構成されていることを特徴とするプローブ。
【請求項５】
請求項３記載のプローブにおいて、
前記金属皮膜は、金で構成され、
前記試料測定面に近接場光を発生させる励起光は、紫外光であり、
前記試料測定面からの被測定光は、可視域の発光であることを特徴とするプローブ。
【請求項６】
請求項１記載のプローブにおいて、
前記マスクは、前記試料測定面に近接場光を発生させる励起光をプローブ外部に透過させ、前記試料測定面からの被測定光をプローブ内部に透過しないバンドパスフィルタで構成されていることを特徴とするプローブ。
【請求項７】
請求項２記載のプローブにおいて、
前記マスクは、前記プローブ先端に近接場光を発生させる励起光はプローブ外部に透過せず、前記試料測定面からの被測定光をプローブ内部に透過させるバンドパスフィルタ及びバンドリジェクションフィルタで構成されていることを特徴とするプローブ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のプローブに励起光を導入する励起光導入手段と、
前記プローブにより試料測定面への光照射を行い、かつ該試料測定面からの被測定光の集光を行って得られた光より試料測定面の情報を得る検出手段と、
を備え、前記プローブにより試料測定面への光照射と該試料測定面からの被測定光の集光を行うことを特徴とする近接場顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプローブ及びそれを用いた近接場顕微鏡、特により高い分解能と高い光の利用効率を同時に得る手法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な顕微鏡は、試料に対して非接触、非破壊で微細極小部位の観察が行え、さらに分光分析器等を接続することにより観察対象の形状、構造のみでなく、その成分等まで分析を行うことも可能であり、各種の分野で応用が行なわれている。
しかしながら、一般的な光学顕微鏡は、光の波長より小さなものは観察することができず、その分解能には限界がある。光には回折限界があり、使用する波長程度までしか絞れないからである。
【０００３】
この回折限界を越えた極微小領域での観察を可能にしたのが、例えば数十〜百ｎｍ程度の微小開口をもつプローブを用いた近接場顕微鏡である。
このプローブは、例えば光ファイバの端面略中央部に尖頭状プローブを作成し、その尖頭状プローブ表面に金属皮膜などで遮光性マスクを形成して最先端部を微小開口とすることが常套手段となっている。
【０００４】
この近接場顕微鏡では、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、コレクションモードなどの測定方法が一般的に用いられている。前記イルミネーション−コレクションモードでは、例えば数十〜百ｎｍ程度の微小開口をもつプローブに光を導入すると、先端付近に開口と同程度の大きさをもつ近接場光が発生する。この近接場光の近傍に試料測定面を近づけ、その散乱光或いは発光を開口を通して集光している。
【０００５】
また、前記イルミネーションモードでは、プローブにより開口を通して近接場光を試料測定面に照射し、試料表面で散乱ないし発光した被測定光を側方から集光レンズなどで集光している。
また、前記コレクションモードでは、側方から励起光を試料測定面に照射し、試料測定面に発生した近接場光をプローブにより散乱させ、開口を通して集光している。
このようなプローブを用いた近接場顕微鏡により、近接場光と試料測定面との相互作用の結果を数十〜百ｎｍ程度の空間分解能で観測することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近接場顕微鏡では、試料の目的の測定部分をいかに均一に照明できるかが非常に重要視されている。
例えば、イルミネーションモードの集光とコレクションモードの光照射では、プローブの金属膜の影となり、試料の目的の測定部分より効率的に集光したり、試料の目的の測定部分に光を効率的に照射することができない場合がある。
【０００７】
すなわち、イルミネーションモードでは、被測定光を側方から集光レンズを介して集光するため、全方向の被測定光が集められず、陰ができてしまう。コレクションモードでは、励起光を側方から照射するため、全方向から試料測定面を照明できず、影ができてしまう。このようにイルミネーションモードやコレクションモードでは、光照射と集光が同軸で行われないので、像にアーティファクトが発生する場合がある。つまり、試料測定面の凹凸像と観察された光像の相関が正確につかめず、像の解釈を困難にしてしまう場合がある。
【０００８】
これに対し、イルミネーション−コレクションモードでは光の照射と集光を、試料の目的の部分の略真上の同軸上で行っているため、前記イルミネーションモード、コレクションモードに比較し分解能が良い。
しかしながら、プローブの先端開口は波長以下のため導波効率が悪く、前記イルミネーション−コレクションモードでは、光を照射時と集光時の２回、先端開口を通すため、結果としてプローブ開口の低い透過率が２重にかかる。このため、全体の光の利用効率が悪く、この点は改善の余地が残されていた。
【０００９】
このように近接場顕微鏡に用いられるプローブでは、分解能をより良くすること、光の利用効率を高めることを同時に得ることが強く望まれていたが、従来はこれを同時に解決することのできる適切な技術が存在しなかった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的はより高い分解能が得られ、かつ光の利用効率が高いプローブ及びそれを用いた近接場顕微鏡を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明にかかるプローブは、試料測定面に近接場光を発生させる励起光が導入され、該励起光を試料測定面に照射し、該励起光の照射によって試料測定面に発生した近接場光を被測定光として集光するプローブであって、マスクと、開口と、を備え、前記プローブに導入された励起光を前記マスクより試料測定面に照射し、前記励起光の照射によって試料測定面に発生した近接場光を被測定光として前記開口より集光することを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記マスクは、前記プローブ表面に設けられ、前記試料測定面に近接場光を発生させる励起光に対して透明で、前記励起光の照射によって試料測定面に発生した近接場光に対して透明でない材質で構成される。
つまり、ここにいうマスクとは、前記励起光に対しては非常に高い透過性を示し、前記被測定光に対しては非常に高い遮光性を示すものをいう。
【００１２】
また、前記開口は、前記プローブ先端に設けられ、前記励起光の照射によって試料測定面に発生した近接場光を被測定光として集光する。
ここにいう開口とは、プローブに導入された励起光を全く通さないものだけをいうのではなく、多少通しても、その量がマスクを透過する光量に比較し非常に少ないものを含めていう。
【００１３】
なお、本発明において、前記マスクは、前記試料測定面に近接場光を発生させる励起光をプローブ外部に透過し、前記試料測定面からの被測定光をプローブ内部に透過しない金属皮膜で構成されていることが好適である。
また、本発明において、前記金属皮膜は、金で構成され、前記試料測定面に近接場光を発生させる励起光は、紫外光であり、前記試料測定面からの被測定光は、可視域の発光であることも好適である。
【００１４】
また、本発明において、前記マスクは、前記試料測定面に近接場光を発生させる励起光をプローブ外部に透過させ、前記試料測定面からの被測定光をプローブ内部に透過しないバンドパスフィルタで構成されていることも好適である。
また、前記目的を達成するために本発明にかかるプローブは、その先端に近接場光を発生させる励起光が導入され、該先端に発生した近接場光を試料測定面に照射し、該近接場光の照射によって得られた試料測定面からの被測定光を集光するプローブにおいて、マスクと、開口と、前記開口より近接場光を試料測定面に照射し、該近接場光の照射によって得られた試料測定面からの被測定光を前記マスクより集光することを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記マスクは、前記プローブ表面に設けられ、該プローブ先端に近接場光を発生させる励起光に対して透明でなく、該近接場光の照射によって得られた試料測定面からの被測定光に対して透明な材質で構成される。
つまり、ここにいうマスクとは、前記励起光に対しては非常に高い遮光性を示し、前記被測定光に対しては非常に高い透過性を示すものをいう。
また、前記開口は、前記プローブ先端に設けられ、該先端に発生した近接場光を通す。
【００１６】
ここにいう開口とは、試料の測定面からの被測定光を全く通さないものだけをいうのではなく、多少通しても、その量がマスクを透過する光量に比較し非常に少ないものを含めていう。
ここにいうプローブ先端に近接場光を発生させる励起光に対して透明でなく、該近接場光の照射によって得られた試料測定面からの被測定光に対して透明な材質とは、一旦プローブに集光され、その内部を伝送する試料の測定面からの被測定光がプローブの外部に漏れないものを含めていう。
なお、本発明において、前記マスクは、前記プローブ先端に近接場光を発生させる励起光をプローブ外部に透過せず、前記試料測定面からの被測定光をプローブ内部に透過させる金属皮膜で構成されていることが好適である。
【００１７】
また、本発明において、前記マスクは、前記プローブ先端に近接場光を発生させる励起光はプローブ外部に透過せず、前記試料測定面からの被測定光をプローブ内部に透過させるバンドパスフィルタ及びバンドリジェクションフィルタで構成されていることも好適である。
【００１８】
さらに、前記目的を達成するために本発明にかかる近接場顕微鏡は、前記プローブと、励起光導入手段と、検出手段と、を備え、前記プローブにより試料測定面への光照射と該試料測定面からの被測定光の集光を行うことを特徴とする。
ここで、前記励起光導入手段は、前記プローブに励起光を導入する。
また、前記検出手段は、前記プローブにより試料測定面への光照射を行い、かつ該試料測定面からの被測定光の集光を行って得られた光より試料測定面の情報を得る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。
第一実施形態
図１には本発明の一実施形態にかかるプローブを用いた近接場顕微鏡の概略構成が示されている。なお、本実施形態では、より高い分解能が得られ、かつ試料測定面への光照射を高効率で行える例について説明する。
同図に示す近接場顕微鏡１０は、試料１２がステージ１４の上に置かれており、励起光導入手段１６と、プローブ１８と、分光器２０と、検出器２２（検出手段）と、コンピュータ（検出手段）２４を含む。
【００２０】
ここで、前記励起光導入手段１６は、励起レーザ２６と、反射ミラー２８を含み、励起レーザ２６からの励起光３０をミラー２８を介してプローブ１８に導入し、該プローブ１８より励起光３０を試料１２の測定面に略真上より照射すると、試料１２の測定面に発光、つまり近接場光３２が発生する。
この近接場光３２の場の中にプローブ１８の先端開口を差し込むと、近接場光３２の場が散乱され、その散乱光３４がプローブ１８の先端開口より採取される。
【００２１】
この散乱光３４は分光器２０で分光され、その各分光光の強度が検出器２２で検出され、コンピュータ２４でデータ処理されることにより、分光測定が行えるので、試料１２の表面の化学情報を得ることができる。
また、本実施形態にかかる近接場顕微鏡１０によれば、Ｚ位置制御系３６からの情報３８が一定となるように、コンピュータ２４、ステージコントローラ４０等によりステージ１４をＺ軸方向に上下させつつ、試料１２の測定面を走査すると、該試料１２に非接触でかつ試料１２の凹凸を的確に把握することができる。
【００２２】
しかも、プローブ１８先端は近接場光３２の場に存在するのみであり、試料１２そのものには接触していないため、試料１２に対して非接触、非破壊でかつ光の波長の値より小さいものを観察することができる。
ところで、同図に示すような反射型の近接場顕微鏡では、分解能を良くするためには、試料の測定面に光をより均一に照射すること、該試料測定面より被測定光を均一に集光することが非常に重要である。このためにイルミネーション−コレクションモードを用いるのが一般的であるが、イルミネーションモード、コレクションモードに比較し、光照射ないし集光の効率が悪くなる。このため、従来の近接場顕微鏡では、より分解能を良くすることと、高い光の利用効率を同時に得ることが非常に困難であった。
【００２３】
そこで、本発明において特徴的なことは、励起光または試料からの被測定光のどちらか一方に対してのみ透明な材質でプローブ表面をコートし、その先端に開口を開けたことである。このために本実施形態においては、図２に拡大して示されるようにプローブ１８が、マスク５０と、開口５２を含む。
ここで、本実施形態において、マスク５０は、プローブ１８に導入された励起光は透過し、試料１２の測定面からの被測定光は透過させない材質で構成される。
【００２４】
本実施形態において、マスク５０は、例えば厚さ１５０ｎｍ程度の金皮膜で構成されており、この金皮膜により、試料１２の測定面を励起させる励起光である紫外光を透過するが、試料測定面に発生した発光、つまり近接場光の散乱光（被測定光）である可視光は透過しない性質をもつ。このために本実施形態においては、励起光として紫外光を、被測定光として可視光を用いている。
また、前記開口５２は、励起光に対して実質的に開口として機能せず、前記試料１２の測定面からの被測定光に対して開口として機能する。
【００２５】
本発明の第一実施形態にかかるプローブ１８は、概略以上のように構成され、以下にその作用を図３を用いて説明する。
すなわち、本実施形態では、プローブ１８のマスク５０が試料１２の測定面に近接場光３２を発生させる励起光３０に対して透明なので、プローブ１８に導入された励起光３０に対してマスク５０が非常に高い光透過性を示す。
【００２６】
このため、本実施形態では、プローブ１８に導入された励起光３０である紫外光は、実質的に開口５２を通さず、その大部分がマスク５０を十分に透過し、試料１２の測定面の略真上より、該測定面上に照射される。これにより試料１２の測定面には可視域の発光、つまり可視域の近接場光３２が発生する。
また、本実施形態では、プローブ１８のマスク５０が、試料１２の測定面からの被測定光３４である可視光に対して透明でないので、試料１２からの被測定光３４に対して非常に高い遮光性を示す。
【００２７】
このため、試料１２の測定面からの被測定光３４は、実質的にプローブ開口５２を通してプローブ１８に集光される。
このように本実施形態では、試料１２の測定面の略真上のマスク５０より励起光３０を十分に照射し、該試料測定面からの被測定光３４が、該試料測定面の略真上のプローブ開口５２を通して、つまり該光の照射と略同軸上で集光されるので、試料１２の測定面に均一に励起光３０を照射し、該試料測定面より均一に被測定光３４を集光することができるので、分解能を良くすることができる。
【００２８】
したがって、本実施形態では、光の照射と集光が同軸上でないイルミネーションモードやコレクションモードに比較し、アーティファクトが大幅に低減される。つまり、本実施形態にかかる近接場顕微鏡により観察される光像は、試料１２の測定面の実際の凹凸像と非常に相関が高いものとなるので、試料１２の測定面の情報がより正確につかめる。
【００２９】
しかも、本実施形態では、試料１２の測定面に近接場光３２を発生させる励起光３０は、先端開口５２を通さず、該励起光３０に対して非常に高い透過性を示すマスク５０より照射される。つまり、本実施形態では、先端開口５２に光を通すのは集光時の一回なので、照射時と集光時の二回、先端開口を通すイルミネーション−コレクションモードに比較し、試料１２の測定面に近接場光を発生させる励起光３０の測定面への照射を高効率で行える。これにより試料１２の測定面の情報をより高感度で得ることができる。
【００３０】
したがって、本実施形態にかかる近接場顕微鏡によれば、前述のようなマスク５０が設けられているプローブ１８を用いることとしたので、従来極めて困難であった分解能を良くすることと、励起光の照射の高効率化を同時に得ることができる。
【００３１】
第二実施形態
図４には本発明の第二実施形態にかかるプローブの概略構成が示されている。なお、本実施形態では、より高い分解能が得られ、かつ試料の測定面からの被測定光の集光を高効率で行える例について説明し、前記第一実施形態と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
【００３２】
本実施形態において、プローブ１１８は、マスク１５４がプローブ先端に近接場光１５６を発生させる励起光１５８は透過させず、試料１１２の測定面からの被測定光１６０、つまり近接場光１５６による試料１１２の測定面からの発光は透過させる、例えばバンドリジェクションフィルタ及びバンドパスフィルタで構成されている。
このようなフィルタで構成されるマスク１５４は、励起光１５８を透過せず、試料１１２の測定面からの被測定光１６０を透過させる。
【００３３】
また、本実施形態において、プローブの開口１５２は、励起光１５８に対して開口として機能しないので、先端に発生した近接場光１５６を開口１５２を通して試料１１２の測定面に照射するが、試料１１２の測定面からの被測定光１６０に対して実質的に開口として機能しない。
なお、本実施形態において、プローブ１１８は、該プローブ１１８の内部を伝送する試料１１２の測定面からの被測定光１６０がプローブの外部に漏れないように構成されている。
【００３４】
本発明の第二実施形態にかかるプローブ１１８は、概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
すなわち、本実施形態では、プローブ１１８のマスク１５４がプローブ先端に近接場光１５６を発生させる励起光１５８に対して透明でないので、励起光１５８に対してマスク１５４が非常に強い遮光性を示す。
【００３５】
このため、本実施形態では、励起光１５８によりプローブ１１８先端に近接場光１５６が発生し、この先端開口１５２に発生した近接場光１５６は、実質的にマスク１５４を透過せず、開口１５２を通して試料１１２の測定面の略真上より、測定面に照射される。
また、本実施形態では、プローブ１１８のマスク１５４が近接場光１５６の照射による試料１１２の測定面からの被測定光１６０に対して透明なので、試料１１２からの被測定光１６０に対してマスク１５４が非常に強い光透過性を示す。
【００３６】
このため、本実施形態では、プローブ先端開口１５２に発生した近接場光１５６の照射による試料１１２の測定面からの被測定光１６０は、実質的に開口１５２を通さず、その大部分が試料１１２の測定面の略真上のマスク１５４を十分に透過し、プローブ１１８に集光される。
このように本実施形態では、試料１１２の測定面の略真上の開口１５２より近接場光１５６を照射し、該試料測定面からの被測定光１６０が、該試料測定面の略真上の遮光性マスク１５４を通して、つまり該光の照射と略同軸上で集光されるので、試料１１２の測定面に均一に近接場光１５６を照射し、該試料測定面よりの被測定光１６０を均一に集光することができるので、分解能を良くすることができる。
【００３７】
したがって、本実施形態では、光の照射と集光が同軸上でないイルミネーションモードやコレクションモードに比較し、アーティファクトが大幅に低減される。  つまり、本実施形態にかかる近接場顕微鏡により観察される光像は、プローブ１１８を用いることにより、試料測定面の実際の凹凸像と非常に相関が高いものとなるので、試料測定面の情報がより正確につかめる。
【００３８】
しかも、本実施形態では、試料の測定面からの被測定光は開口を通さず、その大部分が該被測定光に対して非常に透過性が高いマスク１５４より集光される。つまり、本実施形態では、先端開口に光を通すのは光照射時の一回なので、照射時と集光時の二回、先端開口を通すイルミネーション−コレクションモードに比較し、被測定光の集光を高効率で行える。これにより試料測定面の情報をより高感度で得ることができる。
【００３９】
したがって、本実施形態にかかる近接場顕微鏡によれば、前述のようなマスク１５４が設けられているプローブ１１８を用いることとしたので、従来極めて困難であった分解能を良くすることと、測定面からの被測定光の集光の高効率化を同時に得ることができる。
【００４０】
なお、前記各構成では、図２に示すような形状、つまり光ファイバ端面の略全面をテーパ化したプローブを用いた例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内であれば、任意の形状、例えば図５に示すような形状、つまり第一実施形態のようなマスク５０、或いは第二実施形態のようなマスク１５４が設けられたものであれば、光ファイバ等の端面の略中央部のみを尖鋭化したプローブを用いることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかるプローブによれば、プローブに導入する励起光または試料の測定面からの被測定光のどちらか一方に対してのみ透明なマスクでプローブ表面をコートし、先端に開口を開けることとしたので、従来極めて困難であった、分解能を良くすることと、高い光の利用効率を同時に得ることができる。
なお、本発明において、前記マスクが金等の金属皮膜、或いはバンドパスフィルタであることにより、分解能を良くすることと、高い光の利用効率を同時に得ることが、より確実に得られる。
また、本発明にかかる近接場顕微鏡によれば、分解能を良くすることと、高い光の利用効率化を図ることを同時に得ることができるプローブを用いることとしたので、試料の測定面の情報がより正確に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるプローブを用いた近接場顕微鏡の概略構成の説明図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかるプローブの拡大図である。
【図３】図２に示したプローブの作用の説明図である。
【図４】本発明の第二実施形態にかかるプローブの概略構成とその作用の説明図である。
【図５】本実施形態にかかるプローブの形状の変形例である。
【符号の説明】
１０  近接場顕微鏡
１６  励起光導入手段
１８，１１８  プローブ
２２  検出器（検出手段）
２４  コンピュータ（検出手段）
５０，１５４  マスク
５２，１５２  開口
【図１】
0004377044.tif 000002
【図２】
0004377044.tif 000003
【図３】
0004377044.tif 000004
【図４】
0004377044.tif 000005
【図５】
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