(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に微小開口を有する光プローブを備え、該微小開口を試料表面に近接させて対向するように配置し、該試料表面と該光プローブとを該試料の面内方向に相対的に２次元走査し、光源から入射された光によって該光プローブの微小開口から該試料表面側にエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光の散乱光の強度を光検出手段によって検出して、該試料表面を観察する近接場光学顕微鏡であって、
該試料表面と該光プローブとの間の距離を調整する距離調整手段と、
該散乱光が該プローブ先端および該試料によって遮られることにより減少する散乱光強度を一定にするように該距離調整手段を制御するフィードバック制御手段と、
前記散乱光強度に変調成分を重畳させるため前記光プローブと前記試料との距離を高速変調する高速変調手段と、
該高速変調による前記散乱光強度の変調成分の大きさから該試料表面の形状情報と反射率情報とを分離する形状・反射率情報分離手段と、
を有することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項２】
前記距離調整手段は、光プローブと試料表面との間の距離制御を１００ｎｍ以下の領域内で行う距離調整手段であることを特徴とする請求項１に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項３】
前記光源が互いに波長の異なる複数の光を発生する光源によって構成されるとともに、前記光検出手段が複数の光検出手段によって構成され、
該光源によるエバネッセント光の波長の異なる複数の散乱光を分離する光波長分離手段と、
該波長分離手段によって分離された該複数の散乱光の強度を、該複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出し、該独立に検出された散乱光の強度に基づいて該試料表面の色情報を分離する色情報分離手段と、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項４】
前記光検出手段が複数の光検出手段によって構成され、
前記エバネッセント光の散乱光と前記エバネッセント光が試料表面を励起することによって生じる発光を分離する光波長分離手段を有し、
該光波長分離手段により分離された該エバネッセント光の散乱光と該発光の強度を、該複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の近接場光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は試料表面の形状・光学情報をナノメートルの分解能で観察可能な顕微鏡装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）やＡＦＭ（原子間力顕微鏡）に代表されるＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）技術の進展により、先端を尖らせたプローブを試料に対して１００ｎｍ以下の距離まで近づけることにより、顕微鏡としての分解能を飛躍的に向上させることが可能となり、原子や分子サイズのものを観察できるようになった。
光に関してもＳＰＭのファミリーとして、尖鋭な光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネッセント光を利用して試料表面状態を調べる近接場光学顕微鏡（以下ＳＮＯＭと略す）［ＥＰＯ１１２４０１，Ｄｕｒｉｇ他，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．５９，ｐ．３３１８（１９８６）］や、試料裏面からプリズムを介して全反射の条件で光を入射させ、試料表面へしみ出すエバネッセント光を試料表面から光プローブで検出して試料表面を調べるフォトンＳＴＭ（以下ＰＳＴＭと略す）［Ｒｅｄｄｉｃｋ他，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  ｖｏｌ．３９，ｐ．７６７（１９８９）］も開発された。
上記ＳＮＯＭを用いることにより、１００ｎｍ以下の微小な領域にアクセスし、光学的情報を検出することができる。
ＳＮＯＭを用いて不透明試料を観察する場合、微小開口を有する光プローブから滲み出すエバネッセント光を試料のおもて面側から照射し、試料からの反射散乱光を光プローブを通さずに直接、光検出器で斜め方向から検出する反射型斜方向光検出構成をとることが多い。これは、試料からの反射散乱光を再度光プローブの微小開口を通すと、光強度がきわめて低下するためである。
【０００３】
さて、上述の反射型斜方向光検出構成のＳＮＯＭにおいて、微小開口から滲み出すエバネッセント光の強度は開口からの距離に対して指数関数的に減少するので、試料表面に対して光プローブ先端を１００ｎｍ以下の距離に近づいた状態で一定の距離に保つように制御を行う必要がある。
このための距離制御方式として、
（１）試料面の法線方向と垂直な方向に光プローブを微小振動させ、光プローブ先端が試料表面から受けるファンデルワールス力による振動振幅の減少を一定にするように距離制御を行うシアーフォース方式、
（２）光プローブ及び試料が導電性を有する場合に、両者の間に電圧を印加し、間に流れるトンネル電流の大きさが一定になるように距離制御を行うＳＴＭ方式、
（３）光プローブを試料面の法線方向に弾性変形可能な弾性体で支持し、光プローブ先端と試料表面との間に作用するファンデルワールス力により生じる弾性体の弾性変形量が一定になるように距離制御を行うＡＦＭ方式、
等が用いられることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の反射型斜方向光検出構成のＳＮＯＭにおいて、検出空間分解能を向上させるためには、光プローブ先端の微小開口のサイズを小さくすることが有効である。しかしながら、このようなＳＮＯＭにおいては、サイズが小さくなるにつれて、微小開口から滲み出すエバネッセント光の強度が小さくなるので、反射散乱光強度も小さくなり、検出信号Ｓ／Ｎ比が低下し、ＳＮＯＭ観察像の画質が劣化する。
そのため、反射散乱光強度を増大させるには、光プローブ−試料間の距離を１０ｎｍ以上に設定することが有効であるが、上述した従来の距離制御方式のものにおいては、いずれも最適な距離制御範囲が１０ｎｍ以下であり、これ以上離れた距離（１０〜１００ｎｍ）における制御には適していないという点に問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、光プローブ−試料間の距離を１０ｎｍ以上に設定することができ、反射散乱光強度を増大させて検出信号Ｓ／Ｎ比及び観察像の画質の向上を図ることのできる近接場光学顕微鏡を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、近接場光学顕微鏡をつぎのように構成したことを特徴とするものである。
すなわち、本発明の近接場光学顕微鏡は、先端に微小開口を有する光プローブを備え、該微小開口を試料表面に近接させて対向するように配置し、該試料表面と該光プローブとを該試料の面内方向に相対的に２次元走査し、光源から入射された光によって該光プローブの微小開口から該試料表面側にエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光の散乱光の強度を光検出手段によって検出して、該試料表面を観察する近接場光学顕微鏡であって、
該試料表面と該光プローブとの間の距離を調整する距離調整手段と、
該散乱光が該プローブ先端および該試料によって遮られることにより減少する散乱光強度を一定にするように該距離調整手段を制御するフィードバック制御手段と、
前記散乱光強度に変調成分を重畳させるため前記光プローブと前記試料との距離を高速変調する高速変調手段と、
該高速変調による前記散乱光強度の変調成分の大きさから該試料表面の形状情報と反射率情報とを分離する形状・反射率情報分離手段と、
を有することを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡は、前記距離調整手段は、光プローブと試料表面との間の距離制御を１００ｎｍ以下の領域内で行う距離調整手段であることを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡は、前記光源が互いに波長の異なる複数の光を発生する光源によって構成されるとともに、前記光検出手段が複数の光検出手段によって構成され、
該光源によるエバネッセント光の波長の異なる複数の散乱光を分離する光波長分離手段と、
該波長分離手段によって分離された該複数の散乱光の強度を、該複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出し、該独立に検出された散乱光の強度に基づいて該試料表面の色情報を分離する色情報分離手段と、を有することを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡は、前記光検出手段が複数の光検出手段によって構成され、
前記エバネッセント光の散乱光と前記エバネッセント光が試料表面を励起することによって生じる発光を分離する光波長分離手段を有し、
該光波長分離手段により分離された該エバネッセント光の散乱光と該発光の強度を、該複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出することを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記した試料表面と該光プローブとの間の距離を調整する距離調整手段と、該散乱光が該プローブ先端および該試料によって遮られることにより減少する散乱光強度を一定にするように該距離調整手段を制御するフィードバック制御手段とによって、光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネッセント光の散乱光強度が所定値より大きい場合は、試料に対して光プローブを近づけ、逆に所定値より小さい場合は、試料に対して光プローブを遠ざけるように光プローブ−試料間の距離制御を行うことにより、光プローブ−試料間の距離を１０ｎｍ以上に設定することが可能となり、これによって反射散乱光強度を増大させることができ、検出信号Ｓ／Ｎ比を向上させ、ＳＮＯＭ観察像の画質を向上させるようにした近接場光学顕微鏡において、高速変調手段によって散乱光強度に変調成分を重畳させ、形状・反射率情報分離手段によってこの変調成分の大きさから試料表面の形状情報と反射率情報とを分離するように構成して、形状情報と反射率情報とを分離した観察像を得るようにすることができる。
また、本発明においては、波長分離手段によって分離されたエバネッセント光の波長の異なる複数の散乱光の強度を、複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出し、色情報分離手段によって該独立に検出された散乱光の強度に基づいて試料表面の色情報を分離するように構成して、色情報を分離した観察像を得るようにすることができる。
また、本発明においては、光波長分離手段によってエバネッセント光の散乱光とエバネッセント光が試料表面を励起することによって生じる発光の強度を分離し、それらを複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出するように構成して、微弱な発光部分の観察像を得るようにすることができる。
【０００８】
【実施例】
以下に、本発明の実施例及び参考例１について説明する。
［参考例１］
図１は本発明の近接場光学顕微鏡の参考例１の装置構成を示す図面である。図１において、先端に１００ｎｍ以下のサイズの微小な開口を有する光プローブ１０１が試料１０２表面に対して１００ｎｍ以下の距離まで近づけられている。光プローブ１０１にはピエゾ素子Ａ１１５が取り付けられ、試料１０２に対する光プローブ１０１の距離を制御できるようになっている。
光プローブ１０１の他端には、光アダプタ１０３を介して光ファイバ１０４が接続されており、レーザＡ１０５から出射されるレーザ光がレンズＡ１０６を通して光ファイバ１０４内に導入されている。
【０００９】
光プローブ１０１先端の微小開口から滲み出るエバネッセント光の散乱光をレンズＤ１０７を用いて集光し、ミラー１０８を介して干渉フィルタＡ１０９を通して光検出器Ａ１１０で検出する。
光プローブ１０１先端の微小開口から滲み出るエバネッセント光が散乱される様子の詳細を図２に示す。図２において、２０１は光プローブ、２０２は入射レーザ光２０８を遮光するための厚さ１００ｎｍ程度の金属コーティング膜、２０３は光プローブ２０１先端部分のみ金属コーティング膜２０２が存在しないようにするか、あるいは、厚さを３０ｎｍ以下と薄くすることによって設けた微小開口、２０４は試料、２０５はエバネッセント光、２０６はエバネッセント光の散乱光、２０７は光検出器である。
【００１０】
ここで、光プローブ１０１は次のように作製する。例えば、局所的に加熱した状態で延伸し切断したり、フッ酸緩衝液を用いて化学エッチングを行ったりして光ファイバの一端を尖鋭化する。これを回転させながら横方向から遮光用の金属コーティングを行なって先端にコーティングの薄い、または、コーティングがなされないようにして微小開口を設けてもよいし、全体に金属コーティング２０２を行った後、表面張力を利用して先端のみ膜厚が薄くなるようアクリル樹脂等でコーティングを行ったのち、金属コーティングのエッチングを行うことによって微小開口を設けてもよい。
微小開口２０３のサイズが１００ｎｍ以下と光波長よりも小さい場合、入射レーザ光２０８が微小開口２０３を直接通り抜けることはほとんどないが、微小開口２０３から距離が３００ｎｍ程度以下の近傍にはエバネッセント光２０５として滲み出している。このエバネッセント光２０５の強度は微小開口２０３からの距離に対して指数関数的に減衰する性質を有するため、微小開口２０３に近傍にのみ局在するきわめて絞られた光のプローブとみなすことができる。
【００１１】
図２に示すように、微小開口２０３から滲み出たエバネッセント光２０５は、光プローブ２０１先端で散乱されて伝搬光に変換され、光検出器２０７に向かう直接散乱光２０９と、いったん試料２０４表面で反射・散乱されて伝搬光に変換され、光検出器２０７に向かう反射散乱光２１０とが合成された散乱光２０６として光検出器２０７で検出される。
反射散乱光２１０の強度やスペクトルには、試料２０４表面の局所的な凹凸構造や反射・吸収に関する性質が含まれるため、これを検出することにより、試料２０４表面の波長以下の微小領域の形状情報や光学情報を得ることができる。
光検出器２０７には直接散乱光２０９と反射散乱光２１０とが合成されて入射する。
【００１２】
試料２０４に対する光プローブ２０１の距離を変化させたときの光検出器２０７の検出光強度信号の大きさが変化する様子を図３に示す。
距離ｚが大きい場合は、図３中のＡ→Ｂ点に示すように検出光強度信号は、ほぼ一定値を示し、直接散乱光と反射散乱光の干渉による周期的変動が重畳した信号となる。この干渉の周期は、用いる光波長および装置配置、すなわち試料面に対する光検出方向の角度（図２中のθ）および集光のためのレンズＤ（図１中の１０７）の開口径で異なるものであるが、だいたい用いているレーザ光の波長のオーダーとなる。
【００１３】
光プローブと試料の距離が近づき、ｚ＜ｚｎ（ｚｎ〜３００ｎｍ）の近接場領域では、試料面が微小開口から滲み出すエバネッセント光強度の大きい領域に入るため、試料面による反射散乱光強度が増大し、Ｂ→Ｃ→Ｄ点に示すように検出光強度信号がいったん増大し、極大値（Ｄ点）を取る。
さらに距離が１００ｎｍ以下まで近づくと（ｚ＜１００ｎｍ）、光検出器から見て、光プローブと試料によって散乱光が遮られるため、Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ点に示すように検出光強度が急激に減少する。Ｆ→Ｇ点は、図４に示すように光プローブ４０１と試料４０２との距離が０（接触点：Ｇ点）に近づき、試料４０１表面によって微小開口４０３がほとんど塞がれ、散乱光の大半が遮られている状態である。
【００１４】
本発明は、図３のＤ→Ｅ→Ｆ→Ｇ点に示すように、光プローブが試料表面に対して近づく場合に検出光強度が減少し、逆に遠ざかる場合に検出光強度が増大するような、距離が１００ｎｍ以下の領域内で、光プローブと試料表面との間の距離制御を行うことを特徴としている。この距離制御の詳細を図１を用いて説明する。
エバネッセント光散乱光を検出した光検出器Ａ１１０の光電流信号Ａを光電流電圧変換器Ａ１１１で光強度信号Ａに変換し、誤差検出器１１２に入力する。誤差検出器１１２において、光強度信号Ａを一定に保つために、所定の光強度に対応した光強度信号設定値との差を算出する。この結果をローパスフィルタＡ１１３に入力して高周波数成分をカットした出力信号をフィードバック信号として、増幅器Ａ１１４で増幅後、ピエゾ素子駆動信号として、ピエゾ素子Ａ１１５に印加する。
このフィードバック信号は、光プローブ先端および試料表面から散乱されるエバネッセント光散乱光の大きさを一定にするように光プローブと試料表面との間の距離を一定に保つためにピエゾ素子Ａを駆動する信号であるため、光プローブ先端が位置する試料表面の局所的な凹凸構造等の形状情報や反射・吸収等の光学情報を反映したものとなる。
【００１５】
ここで、この駆動信号の極性は、光強度信号Ａが光強度信号設定値より大きい場合には、試料１０２に対して光プローブ１０１を近づける方向にピエゾ素子Ａ１１５を駆動し、光強度信号Ａが光強度信号設定値より小さい場合には、試料１０２に対して光プローブ１０１を遠ざける方向にピエゾ素子Ａ１１５を駆動するように設定する。
以上説明したようなフィードバック制御を行うことにより、光プローブ１０１と試料１０２との距離を一定に保つことが可能となる。
ここで、はじめに試料１０２に対して遠く（図３におけるＡ→Ｂ点，ｚ＞ｚｎ）から光プローブ１０１を近づけていくとき、誤差検出器１１２における光強度信号設定値としては、遠く（Ａ→Ｂ点，ｚ＞ｚｎ）からＤ点（ｚ〜１００ｎｍ）まで距離を近づけていく間に光強度が最小となるＣ点に対応する光強度より小さい光強度（例えば、図３におけるＥ点の光強度）に対応した設定値を選択する。これは、ｚ＜１００ｎｍの領域でフィードバック制御が行われるようにするためである。
【００１６】
上記のような手順により、ｚ＜１００ｎｍの領域でフィードバック制御が行われている状態で、次に、誤差検出器１１２に入力する光強度信号設定値を変化させると、Ｄ〜Ｅ〜Ｆ〜Ｇ点の間で自由に光強度信号の大きさを変化させることができ、この光強度信号の大きさに対応した距離（ｚ＜１００ｎｍ）に自由に光プローブと試料との間の距離を一定に保つことができる。
はじめに試料に対して遠く（Ａ→Ｂ点，ｚ＞ｚｎ）から光プローブを近づけていくとき、光強度信号設定値として、Ｃ点に対応する光強度より大きい光強度（例えば、Ｂ’点の光強度）を選択すると、試料に対して光プローブを近づけていくとき、ｚ＜１００ｎｍの領域の点（Ｂ’点）ではなく、ｚ＞１００ｎｍの領域の点（Ｂ点）でフイードバック制御が行われてしまうため、光プローブと試料との距離が大きくなってしまい、近接場光学顕微鏡としての横分解能が低下してしまうので好ましくない。
【００１７】
さて、上記に説明したような方法で、光プローブと試料との間の距離制御を行った状態で、ローパスフィルタＡ１１３からの出力されるフィードバック信号をコンピュータ１１６に入力する。コンピュータ１１６から増幅器Ｂ１１７を通して、ステージ駆動信号を試料１０２を取り付けた２次元ステージ１１８に印加し、光プローブ１０１に対する試料１０２の２次元相対走査を行う。コンピュータ１１６では、２次元走査中の試料１０２に対する光プローブ１０１の各位置におけるフィードバック信号の大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像として、ディスプレイ１１９に表示する。
【００１８】
［実施例１］
図５は本発明の近接場光学顕微鏡の実施例１の装置構成を示す図面である。図５において、装置の基本構成及び動作は参考例１とほぼ同じである。
実施例１に特有の構成として、光プローブ１０１に対し、第１のピエゾ素子Ａ１１５に加えて、第２のピエゾ素子Ｂ５０１が取り付けられている。発振器５０２から出力される変調信号を増幅器Ｃ５０３で増幅後、距離変調信号としてピエゾ素子Ｂ５０１に印加し、光プローブ１０１と試料１０２との間の距離を高速に変調する。この距離変調により、光プローブ１０１先端及び試料１０２表面から散乱されるエバネッセント光散乱光には距離変調と同じ周波数の光強度変調が加わる。
光電流電圧変換器Ａ１１１から出力される光強度信号ＡをローパスフィルタＢ５０４及びハイパスフィルタ５０５に入力する。ローパスフィルタＢ５０４において、上記の高速変調成分を取り除いた低周波数成分を誤差検出器１１２に入力し、以降、参考例１と同様の光プローブ１０１と試料１０２との間の距離制御を行う。
また、ハイパスフィルタ５０５において、上記の高速変調成分のみ取り出し、同期検出器５０６に入力し、発振器５０２からの変調信号を参照信号として同期検出を行い、高速変調成分の振幅を出力する。この変調成分振幅信号及びローパスフィルタＡ１１３から出力されるフィードバック信号を形状・反射率情報分離器５０７に入力し、形状情報信号及び反射率情報信号に分離し、この結果をコンピュータ１１６に入力する。コンピュータ１１６では、２次元走査中の試料１０２に対する光プローブ１０１の各位置における形状情報信号及び反射率情報信号の大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像として、ディスプレイ１１９に表示する。
【００１９】
上記の形状情報信号及び反射率情報信号の分離の原理及び、図５の各部分における信号波形を図６及び図７を用いて説明する。
参考例１で説明した光プローブと試料間の距離制御方法を用いた場合の試料１０２表面に対する光プローブ１０１走査時の光プローブ先端の軌跡を図６ａに示す。図に示すように試料１０２表面には凸部分６０１、凹部分６０２、高反射率部分６０３、低反射率部分６０４が含まれているとする。
図６ａに示すように、参考例１で説明した距離制御方法では、凸部分６０１と低反射率部分６０４では試料１０２に対して光プローブ１０１が離れる方向に制御が行われ、凹部分６０２と高反射率部分６０３では試料１０２に対して光プローブ１０１が近づく方向に制御が行われる。このため、フィードバック信号だけでは、形状情報と反射率情報とを分離することができない。
そこで、図５で説明した距離制御を行うと、図６ｂに示すように、光プローブ１０１と試料１０２との距離が高速に変調された状態で試料１０２表面に対する光プローブ１０１走査が行われる。
【００２０】
フィードバック信号波形を図６ｃ、距離変調信号を図６ｄに示す。このとき、ハイパスフィルタ５０５から出力される光強度信号Ａの高速変調成分波形は、図６ｅのように凸部分や凹部分では変調成分の振幅が変化しないのに対し、高反射率部分では振幅が増大し、低反射率部分では振幅が減少する。これは、図７に示すように、光プローブと試料表面との間の距離に対する同一振幅の変調に対し、反射率の異なる部分では検出光強度信号に加わる変調振幅が異なるためである。例えば、高反射率部分では、光強度信号変調振幅（Ａ）が大きいのに比べ、低反射率部分では光強度信号変調振幅（Ｃ）が小さくなっている。
【００２１】
ここで、図７は、反射率の異なる部分における光プローブと試料表面との間の距離に対する検出光強度信号の大きさを示す。
図７における横軸の距離範囲は、図３におけるＧ〜Ｆ〜Ｅ〜Ｄ（ｚ＜１００ｎｍ）の部分に対応しており、光プローブと試料表面との間の距離に対する検出光強度信号がほぼ直線状の特性を有している部分を抽出している。
このとき同期検出器５０６の出力波形は図６ｆに示したものとなり、これが表面の反射率情報を表わしている。さて、形状・反射率情報分離器５０７において、フィードバック信号（図６ｃ）に対し、同期検出器５０６出力信号（図６ｆ）を所定の係数を乗じて加算することにより、形状情報信号（図６ｇ）が得られる。ここで、所定の係数の大きさは、あらかじめ形状・反射率情報がわかっている標準試料を測定することにより求めるようにする。
以上説明したように、光プローブと試料表面との間の距離に高速変調を加えて光強度信号に重畳させた変調成分を同期検出で分離することにより、フィードバック信号から形状情報と反射率情報を分離することができ、近接場光学顕微鏡像において、形状情報と反射率情報を分離した像を得ることができた。
【００２２】
［参考例２］
図８は本発明の近接場光学顕微鏡の参考例２の装置構成を示す図面である。
図８において、装置の基本構成及び動作は参考例１とほぼ同じである。
参考例２に特有の構成として、光プローブ１０１に光を入射させるためのレーザとして、レーザＡ１０５以外に、レーザＢ８０１、レーザＣ８０２を加える。ここで、レーザＡ（１０５）、Ｂ（８０１）、Ｃ（８０２）は互いに光波長が異なるものとする。例えば、レーザＡとして波長６３５ｎｍの赤色半導体レーザ、レーザＢとして波長５３２ｎｍの半導体レーザ励起の固体レーザ、レーザＣとして波長４１０ｎｍの青色半導体レーザを用いれば、後述するようにＲＧＢ３色における分光測定が可能となる。
レーザＡ１０５、レーザＢ８０１、レーザＣ８０２からの出射光をそれぞれ、レンズＡ１０６、レンズＢ８０３、レンズＣ８０４を通して３×１の光カプラ８１４に入射させる。光カプラ８１４の他端は光アダプタ１０３を介して光プローブ１０１に接続されており、光プローブ１０１に複数の波長の光が入射されている。
光プローブ１０１先端および試料１０２表面から散乱されるエバネッセント光散乱光は、ビームスプリッタＡ８０５およびＢ８０６によって３分割され、それぞれ、レーザＡ１０５の波長の干渉フィルタＡ１０９、レーザＢ８０１の波長の干渉フィルタＢ８０７、レーザＣ８０２の波長の干渉フィルタＣ８０８を通して、光検出器Ａ１１０、光検出器Ｂ８０９、光検出器Ｃ８１０で検出される。
【００２３】
光検出器Ａ１１０、光検出器Ｂ８０９、光検出器Ｃ８１０からそれぞれ出力される光電流信号Ａ、光電流信号Ｂ、光電流信号Ｃはそれぞれ光電流電圧変換器Ａ１１１、光電流電圧変換器Ｂ８１１、光電流電圧変換器Ｃ８１２に入力され、光強度信号Ａ、光強度信号Ｂ、光強度信号Ｃに変換される。このうち、光強度信号Ａは誤差検出器１１２に入力され、以降、参考例１と同様の光プローブ１０１と試料１０２との間の距離制御を行う。
光強度信号Ｂ、光強度信号Ｃは色情報分離器８１３に入力され、ローパスフィルタＡ１１３から出力されるフィードバック信号と合わせて、レーザＡ１０５の波長における反射率を表す色情報信号Ａ、レーザＢ８０１の波長における反射率を表す色情報信号Ｂ、レーザＣ８０２の波長における反射率を表す色情報信号Ｃに分離し、この結果をコンピュータ１１６に入力する。コンピュータ１１６では、２次元走査中の試料１０２に対する光プローブ１０１の各位置における各色情報信号Ａ、Ｂ、Ｃの大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像として、ディスプレイ１１９に表示する。
【００２４】
上記の各色情報信号の分離の原理及び、図８の各部分における信号波形を図９を用いて説明する。
参考例１で説明した光プローブと試料間の距離制御方法を用いた場合の試料１０２表面に対する光プローブ１０１走査時の光プローブ先端の軌跡を図９ａに示す。図に示すように試料１０２表面には高反射率部分９０１、低反射率部分９０２、色の異なる部分Ａ９０３、色の異なる部分Ｂ９０４が含まれているとする。
ここで、高反射率部分９０１と低反射率部分９０２は、レーザＡ（１０５）、Ｂ（８０１）、Ｃ（８０２）の各光波長に対して同じ比率で反射率が異なる部分であるとする。また、色の異なる部分Ａ９０３はレーザＡおよびレーザＢの光波長に対して反射率が低く（レーザＣの光波長に対しては反射率が普通）、色の異なる部分Ｂ９０４はレーザＢの光波長に対して反射率が低く、レーザＣの光波長に対しては反射率が高い（レーザＡの光波長に対しては反射率が普通）ものとする。
【００２５】
図９ａに示すように、参考例１で説明した距離制御方法において、距離制御にレーザＡの波長の光を用いた場合、高反射率部分９０１では試料１０２に対して光プローブ１０１が近づく方向に制御が行われ、レーザＡの波長の光に対して低い反射率を示す低反射率部分９０２と色の異なる部分Ａ９０３では試料１０２に対して光プローブ１０１が遠ざかる方向に制御が行われ、色の異なる部分Ｂ９０４では両者の中間の制御が行われる。このため、フィードバック信号だけでは、各色情報を分離することができない。
そこで、図８で説明した距離制御および信号検出を行ない、このときのフィードバック信号波形を図９ｂ、光強度信号Ｂを図９ｃ、光強度信号Ｃを図９ｄに示す。さて、色情報分離器８１３において、フィードバック信号（図９ｂ）を反転させて色情報信号Ａ（図９ｅ）を得る。さらに、光強度信号Ｂ（図９ｃ）、光強度信号Ｃ（図９ｄ）からフィードバック信号（図９ｂ）をそれぞれ所定の係数を乗じて減算することにより、色情報信号Ｂ（図９ｆ）、色情報信号Ｃ（図９ｇ）が得られる。ここで、所定の係数の大きさは、あらかじめ色情報がわかっている標準試料を測定することにより求めるようにする。
以上説明したように、異なる波長の複数の光に対してエバネッセント光散乱光強度をそれぞれ独立に検出し、そのうちの一つの波長の光強度を一定にするように制御を行なうことにより、そのフィードバック信号と他の波長の光強度信号とから各色情報信号を分離することができ、近接場光学顕微鏡像において、色情報を分離した像を得ることができた。
【００２６】
［参考例３］
図１０は本発明の近接場光学顕微鏡の参考例３の装置構成を示す図面である。図１０において、装置の基本構成及び動作は参考例１とほぼ同じである。
参考例３に特有の構成として、光プローブ１０１先端から滲み出るエバネッセント光により、試料１０２表面を局所的に励起した部分からの局所的発光（蛍光や燐光等）を光プローブ１０１先端や試料１０２表面からのエバネッセント光散乱光と同時にレンズＤ１０７を用いて集光し、ミラー１０８を介して、ビームスプリッタＣ１００１で２分割し、一方は、レーザＡ１０５の波長の干渉フィルタＡ１０９を通して光検出器Ａ１１０で検出され、他方は発光波長に合わせたバンドパスフィルタ１００２を通して光検出器Ｄ１００３で検出される。
光検出器Ａ１１０、光検出器Ｄ１００３からそれぞれ出力される光電流信号Ａ、光電流信号Ｄはそれぞれ光電流電圧変換器Ａ１１１、光電流電圧変換器Ｄ１００４に入力され、光強度信号Ａ、光強度信号Ｄ（発光強度信号）に変換される。このうち、光強度信号Ａは誤差検出器１１２に入力され、以降、参考例１と同様の光プローブ１０１と試料１０２との間の距離制御を行う。
光強度信号Ｄ（発光強度信号）およびローパスフィルタＡ１１３から出力されるフィードバック信号をコンピュータ１１６に入力する。コンピュータ１１６では、２次元走査中の試料１０２に対する光プローブ１０１の各位置におけるフィードバック信号および発光強度信号の大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像として、ディスプレイ１１９に表示する。
【００２７】
図１０の各部分における信号波形を図１１を用いて説明する。
参考例１で説明した光プローブと試料間の距離制御方法を用いた場合の試料１０２表面に対する光プローブ１０１走査時の光プローブ先端の軌跡を図１１ａに示す。図に示すように試料１０２表面は凸部分１１０２および発光部分１１０１が含まれているとする。
図１１ａに示すように、参考例１で説明した距離制御方法において、距離制御にレーザＡの波長の光を用いた場合、光プローブ先端の軌跡に示したように凸部分１１０２では試料１０２に対して光プローブ１０１が遠ざかる方向に制御される。
【００２８】
図１０で説明した距離制御および信号検出を行なったときのフィードバック信号波形を図１１ｂ、光強度信号Ｄ（発光強度信号）を図１１ｃに示す。
以上説明したように、励起光のエバネッセント光散乱光強度および局所的発光強度をそれぞれ独立に検出し、前者の光強度を一定にするように制御を行なうことにより、凹凸部分を有し、かつ発光部分と非発光部分が混在した試料においても光プローブと試料との間の距離制御を安定に行うことが可能となり、微弱な発光部分の近接場光学顕微鏡像を得ることができた。
【００２９】
上記のように、実施例１では、試料表面の形状情報と反射率情報を分離する方法、参考例２では、試料表面の色情報を分離する方法、参考例３では、局所的なエバネッセント光励起による微弱な発光に対して安定な距離制御を行う方法について、別々に示したが、これらをいくつか組み合わせて用いることも本発明の概念に含まれる。
また、上記実施例１及び参考例１〜参考例３では、近接場光学顕微鏡における光プローブと試料の間の距離制御方法及び、試料表面の形状情報・光学情報等の複数の情報を分離する方法として説明を行ったが、これらは、近接場光学顕微鏡を応用した微細加工装置や情報ストレージ装置にも適用可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、上記した距離調整手段と、フィードバック制御手段によって、光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネッセント光の散乱光強度が所定値より大きい場合は、試料に対して光プローブを近づけ、逆に所定値より小さい場合は、試料に対して光プローブを遠ざけるように光プローブ−試料間の距離制御を行うことにより、光プローブ−試料間の距離を１０ｎｍ以上に設定することが可能となり、これによって反射散乱光強度を増大させることができ、検出信号Ｓ／Ｎ比を向上させ、ＳＮＯＭ観察像の画質を向上させるようにした近接場光学顕微鏡において、高速変調手段によって散乱光強度に変調成分を重畳させ、形状・反射率情報分離手段によってこの変調成分の大きさから試料表面の形状情報と反射率情報とを分離するように構成して、形状情報と反射率情報とを分離した観察像を得るようにすることができる。
また、本発明においては、波長分離手段によって分離されたエバネッセント光の波長の異なる複数の散乱光の強度を、複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出し、色情報分離手段によって該独立に検出された散乱光の強度に基づいて試料表面の色情報を分離するように構成して、色情報を分離した観察像を得るようにすることができる。
また、本発明においては、光波長分離手段によってエバネッセント光の散乱光とエバネッセント光が試料表面を励起することによって生じる発光の強度を分離し、それらを複数の光検出手段によってそれぞれ独立に検出するように構成して、微弱な発光部分の観察像を得るようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の近接場光学顕微鏡の参考例１の装置構成を示す図である。
【図２】  光プローブ先端の微小開口から滲み出すエバネッセント光の散乱の説明図である。
【図３】  光プローブ−試料間距離に対する検出光強度信号の特性図である。
【図４】  光プローブ−試料間距離が０に近づき、試料表面により微小開口塞がれて、散乱光が遮られる状態の説明図である。
【図５】  本発明の近接場光学顕微鏡の実施例１の装置構成を示す図である。
【図６】  形状・反射率情報分離の原理及び、図５の各部分における信号波形を説明する図である。
【図７】  反射率が異なる部分における光プローブ−試料間距離に対する検出光強度信号の特性図である。
【図８】  本発明の近接場光学顕微鏡の参考例２の装置構成を示す図である。
【図９】  色情報分離の原理及び、図８の各部分における信号波形を説明する図である。
【図１０】  本発明の近接場光学顕微鏡の参考例３の装置構成を示す図である。
【図１１】  図１０の各部分における信号波形を説明する図である。
【符号の説明】
１０１：光プローブ
１０２：試料
１０３：光アダプタ
１０４：光ファイバ
１０５：レーザＡ
１０６：レンズＡ
１０７：レンズＤ
１０８：ミラー
１０９：干渉フィルタＡ
１１０：光検出器Ａ
１１１：光電流電圧変換器Ａ
１１２：誤差検出器
１１３：ローパスフィルタＡ
１１４：増幅器Ａ
１１５：ピエゾ素子Ａ
１１６：コンピュータ
１１７：増幅器Ｂ
１１８：２次元ステージ
１１９：ディスプレイ
２０１：光プローブ
２０２：金属コーティング膜
２０３：微小開口
２０４：試料
２０５：エバネッセント光
２０６：エバネッセント光の散乱光
２０７：光検出器
２０８：入射レーザ光
２０９：直接散乱光
２１０：反射散乱光
４０１：光プローブ
４０２：試料
４０３：微小開口
５０１：ピエゾ素子Ｂ
５０２：発振器
５０３：増幅器Ｃ
５０４：ローパスフィルタＢ
５０５：ハイパスフィルタ
５０６：同期検出器
５０７：形状・反射率情報分離器
６０１：凸部部分
６０２：凹部分
６０３：高反射率部分
６０４：低反射率部分
８０１：レーザＢ
８０２：レーザＣ
８０３：レンズＢ
８０４：レンズＣ
８０５：ビームスプリッタＡ
８０６：ビームスプリッタＢ
８０７：干渉フィルタＢ
８０８：干渉フィルタＣ
８０９：光検出器Ｂ
８１０：光検出器Ｃ
８１１：光電流電圧変換器Ｂ
８１２：光電流電圧変換器Ｃ
８１３：色情報分離器
８１４：光カプラ
９０１：高反射率部分
９０２：低反射率部分
９０３：色の異なる部分Ａ
９０４：色の異なる部分Ｂ
１００１：ビームスプリッタＣ
１００２：バンドパスフィルタ
１００３：光検出器Ｄ
１００４：光電流電圧変換器Ｄ
１１０１：発光部分
１１０２：凸部分
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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