(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型近接場光学顕微鏡において、プローブ先端近傍を照射する照射光の入射角度を決定する方法であり、
プローブを観察部位から離した状態で、照射光の入射角を変化させながら、試料の観察部位に照射光を照射してその反射光を受光し、反射光強度の角度依存性が最小になる入射角を探るステップを有することを特徴とする入射角度決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型近接場光学顕微鏡の入射角度決定方法に係り、特に、試料の表面情報や光学的情報を測定する走査型近接場光学顕微鏡において、プローブ先端近傍を照射する照射光の入射角度を決定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、走査型プローブ顕微鏡は（ＳＰＭ）は、プローブを試料表面に接近させたときに両者間に働く相互作用を検出しながら、プローブを試料表面に沿って走査して、その相互作用の二次元マッピングを行う装置である。
【０００３】
そして、このようなＳＰＭは、例えば、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）に代表されているものである。
【０００４】
なかでも、ＳＮＯＭは、特に、１９８０年代後半以降、エヴァネッセント波を検出することにより、回折限界を超える分解能を有する光学顕微鏡として、生体試料の蛍光観察やフォトニクス用材料、素子の評価（誘電体光導波路の各種特性評価、半導体量子ドットの発光スペクトルの測定、半導体面発光素子の諸特性の評価など）への応用を目指して盛んに研究・開発が進められている。
【０００５】
このＳＮＯＭは、基本的には、試料に光を照射した状態で鋭いプローブを試料に近づけ、試料近傍の光の場（近接場）の状態を検出する装置である。
【０００６】
１９９３年１２月２１日付けでＢｅｔｚｉｇらに付与された米国特許第５，２７２，３３０号は、先端が細く加工された開口型プローブに光を導入することにより、プローブ先端の微小開口の近傍にエヴァネッセント場を発生させるとともに、このエヴァネッセント場を試料に接触させ、エヴァネッセント場と試料の接触により発生した光を、試料の下に配置された光検出器で検出し、透過光強度の二次元マッピングを行うＳＮＯＭを開示している。
【０００７】
Ｖａｎ  Ｈｕｌｓｔらは、文献１（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２（１９９３），ｐｐ４６１−４６３）において、ＳｉＮ製の．ＡＦＭのマイクロカンチレバーをＳＮＯＭのプローブとして用い、このプローブ先端により暗視野照明光学系によって試料表面に生成したエヴァネッセント場を散乱させ、ＡＦＭとＳＮＯＭの同時観察に最初に成功したことを報告している。
【０００８】
この微小開口の無いプローブ（散乱型プローブ）先端により試料構造に局在したエヴァネッセント場を散乱させて伝搬光に変換し、それを外部光学系によって検出するタイプのＳＮＯＭは、高分解能化・ＳＮ比の向上が図れることから近年、注目を集めている。
【０００９】
また、Ｂｏｃｃａｒａらは、文献２（Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２０，１９２４（１９９５））において、試料を走査するプローブ側から光を照射することで、プローブ先端近傍の試料表面の光学情報を検出する反射モード散乱型ＳＮＯＭによって不透明な試料の観察に成功したことを報告している。
【００１０】
さらに、Ｓａｓａｋｉらは、文献３（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８５，２０２６（１９９９））において、反射モード散乱型ＳＮＯＭによる高分解能観察を行つた（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８５，２０２６（１９９９））ことを報告している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、反射モードＳＮＯＭによって不透明な試料の観察を行う場合、試料を走査するプローブ側から光を照射するようにしている。
【００１２】
この場合、プローブ先端（の曲率半径）は、一般的に、１０〜１００ｎｍのオーダーであり、照明光のビーム径は、これよりも大きな値となつているので、図１に示すように照明光は光源から直接プローブ先端に届く光束と、一度、試料表面のプロ一ブ先端近傍で反射してプローブ先端に届く光束の二つに分けて考えることができる。
【００１３】
つまり、プローブ先端は、この二つの光束によって照明されている。
【００１４】
この内、直接プローブ先端を照明する光束は、常に一定の強度でプローブ先端を照明し、これが試料表面の局所的な部位と光学的に作用し散乱光を生じさせ、その結果、近接場光学像が得られる。
【００１５】
一方、一度試料表面で反射してプローブ先端を照明する光束は、走査中に試料表面の局所的な反射率の違いによる影響を受ける。
【００１６】
この光束は、試料表面の局所的な反射率の違いを含んでいるということから、直接プローブ先端に届く光束と同様に近接場光学像を得るために重要である。
【００１７】
しかるに、反射モードＳＮＯＭにおいては、高分解能及び高コントラストを実現するために、プローブ自身に対して様々な工夫が試みられているが、その目的のために照明光の入射条件を積極的に検討した報告は少ない。
【００１８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、例えば、反射モードＳＮＯＭにおいて、プローブに対する照明光の入射条件を積極的に検討し、高分解能及び高コントラストを実現可能としたプローブ先端近傍を照射する照射光の入射角度を決定する方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題を解決するために、
走査型近接場光学顕微鏡において、プローブ先端近傍を照射する照射光の入射角度を決定する方法であり、
プローブを観察部位から離した状態で、照射光の入射角を変化させながら、試料の観察部位に照射光を照射してその反射光を受光し、反射光強度の角度依存性が最小になる入射角を探るステップを有することを特徴とする入射角度決定方法が提供される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
図２は、本発明の一実施の形態として適用されるＳＮＯＭ装置の主要部の概念的な構成を示す図である。
【００２４】
すなわち、図２に示すように、プローブ２の先端部分３と局所的な試料１の表面とで散乱された光は、プローブ２の上部に設けられた対物レンズ９で集光され、検光子１０を介しフォトマルチプライヤ１１で検出される。
【００２５】
これがＳＮＯＭ信号として、図示しない信号処理手段によって、画像化されて表示される。
【００２６】
ここで、対象となる試料１は、図３に示すような記録マーク４と非記録部分５に反射率差のある光記録媒体６等である。
【００２７】
この記録マーク４の分布は光源７からの照明光のスポット径に比べて十分小さなもので、スポット径の中に一様に分布しているものとする。
【００２８】
先ず、図２において、プローブ２を観察部位から離しておき、この状態で光源７からの光束を偏光子８を通過させることにより、ｐ偏光として試料１の観察部位に入射させるようにしている。
【００２９】
そして、試料１から反射した光束の強度を入射角と等しい角度に設定された検出器１２によって検出する。
【００３０】
この検出器１２は、光源７からの光束の入射面４０上にあり、試料１から反射した光束の反射強度の角度依存性を入射角φ（同様に反射角φ）を振りながら検出する。
【００３１】
この場合、観察部位を中心とした光源７と偏光子８、及び検光子２４と検出器１２の回転は、手動あるいは図示しないモータによる駆動等によって行うものとする。
【００３２】
前記光記録媒体６として、記録マーク４の反射率が非記録部分５に比べて小さなものを考えた場合、非記録部分５と記録マーク４の各々の反射率は、図４に曲線Ａ，Ｂにて示すような角度依存性を持つ。
【００３３】
ここで、記録マーク４と非記録部分５との両者の反射率差が大きくなるのは、ブリュースター角（消衰係数が０の透明体）あるいは主入射角（消衰係数が０では無い吸収体）近辺である。
【００３４】
図４において、反射光強度の角度依存性が最小になる入射角、つまり、反射率曲線の接線が水平になる位置において、記録マーク４と非記録部分５の反射率の差が最大になっている。
【００３５】
この現象に基づいて、反射光強度の角度依存性が最小になる入射角で照射光を照射すれば、高コントラストの画像が得られることになる。
【００３６】
ここで、入射角の値は図示しない光源７等に付随して設けられる図示しないエンコーダで計測され、その入射角における反射光強度は検出器１２の出力から得ることができる。
【００３７】
この入射角の値と反射光強度を示す信号は、図示しない信号処理手段を構成するＡ／Ｄコンバータ、メモリ、コンピュータにより処理される。
【００３８】
先ず、入射角の値と反射光強度を示す信号は、図示しないＡ／Ｄコンバータにてデジタル信号に変換された後、図示しないメモリに順次記憶される。
【００３９】
すなわち、入射角を変更して行くと、このメモリには入射角とその入射角における反射光強度のデータが蓄積される。
【００４０】
これを図示しないコンピュータを介してグラフ化して画面で観察可能となるように構成されている。
【００４１】
このグラフは、図４に示したような曲線Ａ，Ｂとなる。
【００４２】
図４にて曲線Ａ，Ｂは、非記録部分５と記録マーク４の各々の反射率を示しており、それぞれ、図示のような角度依存性を有している。
【００４３】
この図４に示した非記録部分５と記録マーク４の各々の反射率曲線Ａ，Ｂに接する水平線Ｃ，Ｄをコンピュータで求め、その接点における入射角を求める。
【００４４】
もちろん、このようなグラフを表示する必要まではなく、検出器１２の出力をモニタすることにより、入射角の値と、反射光強度の値とを操作者が読み取れるような構成になっていれば足りる。
【００４５】
このようにして、反射強度の角度依存性を検出し、その値が最小になる入射角を見つけて設定すれば、反射強度は平均的なものではあるが、記録マーク４と非記録部分５の反射率差が最も大きな状態を実現することができる。
【００４６】
この際、入射角の設定は、上述したように、検出器１２の出力をモニタして手動で行うようにするか、もしくは、検出器１２の出力をコンピュータ等に取り込んで最小値を算出してモータ駆動により行うようにすることもできる。
【００４７】
そして、このようにして入射角が設定された状態で、プロ一ブ２を観察部位に合わせてＳＮＯＭ観察を行うことにより、一度、試料１の表面で反射してプローブ２の先端部分３を照明する光束は、試料１の局所的な反射率の違いを含みながら画像化に寄与することから、ＳＮＯＭ観察の高コントラスト化を実現することができる。
【００４８】
なお、観察の対象となる試料１は、表面における光学的に特徴を持つ構造が光源７からの照明光のスポット径に比ベて十分小さなもので、その分布が一様であれば良い。
【００４９】
例えば、このような試料１としては、図５に示す半導体材料５０のようにＧａＡｓ層５１、ＡｌＧａＡｓ層５２の帯が並ぶ界面の観察にも適用可能である。
【００５０】
以上、説明したような構成要素を持つＳＮＯＭ装置は、試料表面に入射させる光束の試料表面からの反射光を利用して解析することで、ＳＮＯＭ観察において高コントラストを実現することができるという効果を有している。
【００５１】
このことは、本発明によると、プローブに対する照明光の入射条件を積極的に検討し、高分解能及び高コントラストが実現可能となることを示している。
【００５２】
そして、上述したような実施の形態で示した本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至３以外にも、以下に付記１乃至付記２として示すような発明が含まれている。
【００５３】
（付記１）  近接場光学像を得るために外部からプローブ及び試料表面に入射させる照明光の入射角が可変な入射部を持ち、さらに試料表面によるこの照明光の反射光を検出する角度調節可能な受光部を持つことを特徴とし、観察部位を中心とした上記入射部、及び受光部の回転を手動もしくはモータ駆動により自動で行うことを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡において、
上記入射部、及び受光部により試料表面の平均的な反射率を検出することにより、コントラストが強い近接場光学像を得るための照明光の最適な入射角が設定できることを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。
【００５４】
（付記２）  上記照明光の最適な入射角の設定を手動もしくはモータ駆動により自動で行うことを特徴とする付記１に記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００５５】
（作用効果）
すなわち、本発明は、プローブの先端部に接近するように配した試料に光を入射させ、この光に由来するプローブからの散乱光情報によって試料を観察するＳＮＯＭ装置において、照明用光源からの入射光の試料表面への入射角等を変えられる入射部と、試料表面からの反射光を検出する角度調節可能な受光部を具備することを特徴とする。
【００５６】
そして、ＳＮＯＭ観察を行う前に観察部位にプローブが無い状態で、照明用光源からの入射光の試料表面への入射角度を変えて試料の平均的な反射率を検出することにより、高コントラストが得られる最適な照明光の入射角度を設定することが可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
従って、以上説明したように、本発明の請求項１によれば、例えば、反射モードＳＮＯＭにおいて、プローブに対する照明光の入射条件を積極的に検討し、高分解能及び高コントラストを実現可能としたプローブ先端近傍を照射する照射光の入射角度を決定する入射角度決定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、反射モードＳＮＯＭにおいて、光源から照明光が、直接プローブ先端に届く光束と、一度、試料表面のプロ一ブ先端近傍で反射してプローブ先端に届く光束の二つに分けられることを示す図である。
【図２】図２は、本発明の一実施の形態として適用されるＳＮＯＭ装置の主要部の概念的な構成を示す図である。
【図３】図３は、本発明において観察の対象となる試料１として、記録マーク４と非記録部分５とに反射率差のある光記録媒体６を示す図である。
【図４】図４は、本発明において観察の対象となる試料１として用いられる光記録媒体の記録マークの反射率が非記録部分に比べて小さなものとした場合、各々の反射率が角度依存性を持つことを示す図である。
【図５】図５は、本発明において観察の対象となる試料１として、ＧａＡｓ層５１、ＡｌＧａＡｓ層５２の帯が順次に並ぶ界面を有する半導体材料５０を例示する図である。
【符号の説明】
１…試料、
２…プローブ、
３…プローブの先端部分、
９…対物レンズ、
１０…検光子、
１１…フォトマルチプライヤ、
４…記録マーク、
５…非記録部分、
６…光記録媒体、
７…光源、
８…偏光子、
１２…検出器、
２４…検光子、
４０…入射面、
Ａ，Ｂ…曲線、
Ｃ，Ｄ…曲線Ａ，Ｂに接する水平線、
５１…ＧａＡｓ層、
５２…ＡｌＧａＡｓ層、
５０…半導体材料。
【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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