(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱的に引き延ばし破断したチューブで、テーパー部と微小開口部を有し、この部分が、熱的に折り曲げられた鈎状部の先端部分として構成されているとともに、この微小開口に対して裏側となるチューブの一部が除去され、この除去部に開口が形成され、前記先端開口部の間の空間に遮へい物がない構造である近接場光顕微鏡用プローブ。
【請求項２】
前記チューブがガラスチューブであることを特徴とする請求項１記載の近接場光顕微鏡用プローブ。
【請求項３】
少なくとも前記テーパー部の外側が電磁波遮へい材料で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の近接場光顕微鏡用プローブ。
【請求項４】
少なくとも前記テーパー部の内側が電磁波遮へい材料で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の近接場光顕微鏡用プローブ。
【請求項５】
前記微小開口部に対して裏側となるチューブ表面にミラー面を有することを特徴とする請求項１記載の近接場光顕微鏡用プローブ。
【請求項６】
少なくとも、光源、光学系、プローブ−サンプル間の相対移動手段、光検出器、熱的に引き延ばし破断したチューブで、テーパー部と微小開口部を有し、この部分が、熱的に折り曲げられた鈎状部の先端部分として構成されているとともに、この微小開口に対して裏側となるチューブの一部が除去され、この除去部に開口が形成され、前記先端開口部の間の空間に遮へい物がない構造である近接場光顕微鏡用プローブとからなる走査型近接場光顕微鏡。
【請求項７】
前記光源の光を前記除去部の開口から前記微小開口を通して試料に照射する構成であることを特徴とする請求項６記載の走査型近接場光顕微鏡。
【請求項８】
試料表面からの光を前記微小開口を通り、前記除去部の開口を通して、前記検出器に導入する構成であることを特徴とする請求項６記載の走査型近接場光顕微鏡。
【請求項９】
本発明のプローブの製作工程において、少なくとも、
（１）ガラスチューブの先端を尖鋭化するとともに先端からテーパー形状を形成する工程、
（２）折り曲げ形状を形成する工程、
（３）折り曲げられた部分の開口に対して裏側となるチューブの一部をチューブの中空部に到達するまで除去する工程、
（４）テーパー部の外側を、電磁波遮へい材料で被覆する工程、
からなる近接場光顕微鏡用プローブの製造方法。
【請求項１０】
前記折り曲げ形状を形成する工程と前記テーパー部の外側の電磁波遮へい材料被覆工程、の間に、開口部に対して裏側となるチューブ表面にミラーとなる平面部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９記載の近接場光顕微鏡用プローブの製造方法。
【請求項１１】
本発明のプローブの製作工程において、少なくとも、
（１）ガラスチューブの先端を尖鋭化するとともに先端からテーパー形状を形成する工程、
（２）折り曲げ形状を形成する工程、
（３）耐エッチング薄膜をチューブに被覆する工程、
（４）折り曲げられた部分で開口に対して裏側となるチューブの一部を被覆部分が除去され、チューブの中空部には到達しないところまで除去する工程、
（５）エッチング液によって、被覆を除去した部分がエッチングによって除去され、中空部に貫通するまでエッチングを行う工程、
からなる近接場光顕微鏡用プローブの製造方法。
【請求項１２】
前記折り曲げ形状を形成する工程と前記耐エッチング薄膜をチューブに被覆する工程、との間に、開口部に対して裏側となるチューブ表面にミラーとなる平面部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１１記載の近接場光顕微鏡用プローブの製造方法。
【請求項１３】
内面に被覆膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９あるいは１１記載の近接場光顕微鏡用プローブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面の微細な形状および光学的な特性を観察する走査型近接場光顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、原子間力制御の近接場光顕微鏡においては、一般に、光ファイバー等の光伝搬体の先端を尖鋭化させ、先端以外の部分を金属皮膜でコートし、先端に微小開口を形成させたプローブを用いている。この光伝搬体としては、光ファイバーが主に用いられているが、この光ファイバーを基材として用いた場合、伝搬可能な光の波長は、おおむね３５０〜１６００ｎｍ程度であり、物性の評価に重要な紫外領域や赤外領域の波長での観察に適用することはできない。
【０００３】
これに対して、原子間力顕微鏡用のシリコン製、あるいは、窒化シリコン製のプローブの探針の先端から対向する面に貫通する孔をあけたプローブが提案されている。この場合は、開口と裏面につながる孔には、光を吸収する固体物質が存在しないことから、紫外領域や赤外領域の波長での観察に用いることができると考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この原子間力顕微鏡用プローブに孔を開けたタイプのプローブの製造プロセスには、エッチングによって孔を形成する方法と集束イオンビームによって孔を形成する方法がある。エッチングを用いるプロセスでは、エッチングが進行し、貫通することで開口を形成することになり、ある時間でエッチングをストップしなくてはならない。このような微小開口の形成の瞬間をモニターしながらエッチングを行うことは非常に難しく、結果的に、形成される開口の大きさを制御することはきわめて困難であるといえる。一方、集束イオンビームを用いて開口を形成する方法では、生産性が低く、製造コストが高くなるという問題点があり、さらに、集束イオンビーム装置のドリフトによる位置ずれによって、探針先端以外の部分に孔をあけてしまうという問題がある。
【０００５】
このような点から、微小開口形成の制御性の良い近接場光顕微鏡用プローブの提供が、紫外領域、赤外領域の近接場観察技術の普及において不可欠である。これを実現するの一つの方法として、Lewisら、および、Shaloneらの報告している熱的に引き延ばし破断したチューブの先端部の微小開口を用いる方法があるが(U.S.Pat. 4,917,462 (1990); Rev.Sci.Instrum.63(1992)4061)、この場合には、プローブ−サンプル間の距離制御は、ＳＴＭ制御か、シアフォース制御となる。ＳＴＭ制御では、サンプルに導電性が必要であるという問題がある。シアフォース制御の場合には、プローブをサンプルに対して水平方向に振動させることで、サンプルに導電性がなくても使用可能であるが、ＡＦＭ制御の場合に可能な試料表面の物性情報の同時観察を行うことはできない。ここでいう、物性情報とは、摩擦、粘弾性、表面電位などで、プローブをサンプルに対して、垂直方向の力で制御することで、検出が可能になる。さらに、シアフォース制御方式では、サンプル上面のスペースをＡＦＭ制御方式に比べて多く占有するという問題がある。Shaloneらの報告には、チューブプローブを折り曲げて、ＡＦＭプローブとして使用可能にしたしたものもあるが、この場合には、光が、チューブの折れ曲がった部分をうまく伝搬できないため、先端の孔から測定に十分な量の光を出すことは困難である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明者らは、熱的に引き延ばし破断したチューブで、テーパー部と微小開口部を有し、この部分が、熱的に折り曲げられた鈎状部の先端部分として構成されているとともに、この微小開口に対して裏側となるチューブの一部が除去され、この除去部に開口が形成され、前記先端開口部の間の空間に遮へい物がない構造である近接場光顕微鏡用プローブを考案した。
【０００７】
上記チューブをガラスチューブとすることで、容易に微小開口の形成およびプローブの製造が可能である。この場合、ガラスが透過する波長の光を用いる場合には、少なくともテーパー部の外側が、金属等の電磁波遮へい材料で被覆されていることで、光の漏れを防ぐことができる。
また、原子間力制御によって、サンプル−プローブ間の距離制御を行う際に、光てこ法を用いる場合には、開口部に対して裏側となるチューブ表面にミラー面を形成することで、より安定した検出を行うことができる。
【０００８】
さらに、少なくとも、光源、集光光学系、プローブ−サンプル間の相対移動手段、光検出器、そして前記の近接場光顕微鏡用プローブとから、走査型近接場光顕微鏡を構成し、紫外領域、赤外領域の観察を行うことができる。この装置においては、前記プローブの開口に対して裏側となる側から集光光を前記孔に導入する構成、および、前記プローブの開口に対して裏側となる側から、検出光を光学系で集光する構成をとることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の内容を図面を用いて詳しく説明する。
図１は、本発明の近接場光顕微鏡用プローブを模式的に示したものである。図１（ａ）において、プローブは、熱的に引き延ばし破断したチューブであり、テーパー部１１と微小開口部１２を有し、この部分が熱的に折り曲げられた鈎状部１３の先端部分として構成されているとともに、折り曲げられた部分の開口に対して裏側となるチューブの一部がチューブの中空部分に達するまで除去され、これによって形成された開口部１４と前記先端開口部１２の間の空間に遮へい物がない構造になっている。図１（ｂ）は、断面図を示したものであり、チューブ１５の周囲に、金属被覆膜１６を形成した例を示している。
【００１０】
図１（ｂ）では、テーパー部の外側の面に、金属被覆膜を形成しているが、図１（ｃ）に示すように、テーパー部の内側の面に、金属被覆などの電磁波遮へい膜を形成することもできる。この場合は、ガラスでの吸収の大きい赤外光などを用いる場合に有効である。
次に、本発明のプローブの製作工程の一例を図２に示す。図２（ａ）において、ガラスチューブ２０の一部を、例えば、レーザービーム２１で加熱し、チューブの両端方向に張力２２を加えることによって、ガラスチューブの先端を尖鋭化するとともに先端からテーパー形状を形成する。この際に先端部には、チューブの形状を反映した微小開口１２が形成され、この開口径の制御性は、既に知られているようにきわめて良好である。この場合の加熱手段としては、炭酸ガスレーザーの照射、コイルヒーターによる加熱、バーナーによる加熱などの方法を用いることができる。次に、図２（ｂ）に示したように、破断したチューブ２３の先端２４から０．１〜１ｍｍ程度離れた部分にチューブの一方向の側面から炭酸ガスレーザービーム２１を照射することで、一方の側面が他方の側面に比べより多く加熱され、軟化を始めた際に表面張力によって、加熱された側面の方に折り曲げ形状の形成することができる。続いて、図２（ｃ）に示すように、折り曲げられた部分２５で開口１２に対して裏側となるチューブの一部をチューブの中空部に到達するまで除去する。この除去の工程は、研磨板２６を用いて、行うことができる。この他の方法としては、集束イオンビームを用いることもできる。この後、図２（ｄ）に示すように、原子間力制御によってサンプル−プローブ間の距離制御を行う際に光てこ法を用いる場合には、開口部に対して裏側となるチューブ表面にミラーとなる平面部１５を研磨によって形成する。さらに、ガラスが透過する波長の光を用いる場合には、テーパー部の外側を、金属等の電磁波遮へい材料で被覆する。金属膜の形成には、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、無電解メッキ法を用いることができる。また、内面に被覆膜を形成する場合には、無電解メッキ法やＣＶＤ法を用いることができる。
【００１１】
さらに、本発明のプローブの製作工程の第二の例を図５に示す。図５（ａ）において、ガラスチューブ２０の一部を、例えば、レーザービーム２１で加熱し、チューブの両端方向に張力２２を加えることによって、ガラスチューブの先端を尖鋭化するとともに先端からテーパー形状を形成する。次に、図５（ｂ）に示したように、破断したチューブ２３の先端２４から０．１〜１ｍｍ程度離れた部分にチューブの一方向の側面から炭酸ガスレーザービーム２１を照射することで、一方の側面が他方の側面に比べより多く加熱され、軟化を始めた際に表面張力によって、加熱された側面の方に折り曲げ形状の形成することができる。原子間力制御によってサンプル−プローブ間の距離制御を行う際に光てこ法を用いる場合には、図５（ｃ）に示すように開口部に対して裏側となるチューブ表面にミラーとなる平面部１５を研磨によって形成する。この後、フッ化水素水などのエッチング液で浸食されない金などの保護薄膜６０をチューブに被覆する（図５（ｄ））。続いて、図５（ｅ）に示すように、折り曲げられた部分２５で開口１２に対して裏側となるチューブの一部を被覆部分が除去され、チューブの中空部には到達しないところまで除去する。この除去の工程は、研磨板２６を用いて、行うことができる。この他の方法としては、集束イオンビームを用いることもできる。この後、フッ化水素水などのエッチング液によって、被覆を除去した部分がエッチングによって除去され、中空部に貫通するまでエッチングを行う。この際、図５（ｆ）に示すように、フッ化水素水６１と有機溶媒６２との２相の液体中で、エッチングされる部分だけが、フッ化水素水中に、接するようにすることで、他の部分が不用意に腐食されるのを防ぐことができる。保護薄膜に金を用いた場合には、電磁波遮へい材料としての機能を兼用することができる。金の密着性を上げるために、ガラスと金の間に、チタンやクロムなどの薄膜を付けることもできる。
【００１２】
初めの工程の例において、折り曲げられた部分２５の開口１２に対して裏側となるチューブの一部を貫通するまで除去する工程で、研磨粒子が、微小開口部に入ってしまうことがあるが、第二の工程の例では、工程は増えるが、この問題が生じないという利点がある。
具体的な、プローブのサイズとしては、ガラスチューブでは、例えば、外径２１０ミクロン、内径１２７ミクロンのものを用いることができ、この中に、外径１２５ミクロンの光ファイバーを挿入することができる。この外径２１０ミクロンのガラスチューブを用いた場合、固定から、先端までの距離を１〜２ｍｍとしたときに、共振周波数は、およそ、５〜２０ｋＨｚとなる。この他、ガラスチューブとしては、例えば、外径１２０ミクロン、内径７５ミクロン程度のものを用いることもできる。また、微小開口のサイズは、ガラスチューブを用いた場合、５０ｎｍから１ミクロン程度の大きさに加工することができる。まら、電磁波遮へい材料としての金属膜の厚さは、１００〜２５０ｎｍ程度必要である。
【００１３】
次に、本プローブを用いた走査型近接場光顕微鏡の構成について説明する。図３（ａ）では、本発明のプローブ３１が、微小開口部１２を試料板３２の表面に近接して配置されており、この微小開口部から試料表面に垂直の方向に研磨によって形成された開口部１４が位置し、プローブ３１の主たるバネ要素が、試料面に対して垂直となるように配置されている。開口部１４の上方には、光源３３、および、レンズ３４・ミラー３５等の光学系が配置されており、前記開口部１４に、光を集光しながら導入している。この結果として、微小開口部１２から、試料表面に光が照射される。図３（ａ）の例では、集光光学系３６が、試料板３２の下に配置され、試料を透過してきた光を集光し、光検出器３７で、光強度が検出される。プローブ先端と試料表面の距離制御は、この例では、光てこ方式を用いており、光源３８からミラー面１５にビームを当て、反射した光の変位をプローブの変位として、分割型の光検出器３９で、検出する。試料台４１の上の試料板３２は、プローブ−試料間の相対移動手段４０によって、ＸＹＺ方向に移動可能であり、コントローラ４２によって、ＸＹ平面でのスキャンが行われるとともに、試料表面形状に沿って、Ｚ方向の距離制御が自動的に行われる。この距離制御と同時に、検出した光信号の取得も行われる。また、相対移動手段には、粗動機構としてマイクロメーターやステッピングモーターが用いられ、微動機構には圧電素子が用いられる。さらに、プローブを振動させて制御を行う場合には、プローブ固定手段４３とプローブ３１の間に、圧電振動板４４を配置して、交流電源４５を用いることで、プローブ３１を振動させることもできる。
【００１４】
次に、図３（ｂ）は、本発明の走査型近接場光顕微鏡のバリエーションとして装置の一部を示した図である。この例は、微小開口部１２から試料板３２の表面に照射された際に、表面から反射する方向の光を集光光学系３６で、集光する構成である。
図３（ｃ）の場合は、試料板表面に直接光を照射し、このとき微小開口12を介して、プローブに入ってきた光を開口部１４を介して集光光学系３６で集光する構成を示している。
【００１５】
図３（ｄ）では、プローブの開口１４を介し、微小開口部１２から試料板３２の表面に光を照射するとともに、試料表面からの光を微小開口12,開口部１４を介して集光光学系３６で集光し、ハーフミラーあるいはダイクロイックミラー４６を透過した光を検出する構成を示している。
図３（ｅ）では、試料板３２の下面から、光源３３からの光を直上、あるいは、プリズムなどの光学部品４７を利用して試料表面で全反射する角度で入射するとともに、試料表面から微小開口１２を介して、開口１４を通った光を集光する構成を示したものである。
【００１６】
以上の構成例で使用した集光光学系は、ガラスや結晶で形成されたレンズなどの他、反射式のレンズ(カセグレンレンズ)を用いることもできる。従って、本発明のプローブの特性を生かして、紫外域や赤外域で上記のシステムを使用することができる。
さらに、プローブの変位検出法として以上の例では、光てこ法を用いたが、これ以外の変位検出法を用いることができる。例えば、図４（ａ）に示すように、光源３８からの光をレンズ５１によって、集光して、プローブ３１の側面より当て、干渉光を分割型の光検出器３９で、検出することによっても変位検出を行うことができる。
【００１７】
また、図４（ｂ）のように、圧電振動板４４とは別個に変位検出用の圧電素子５２を設け、この圧電素子の電気的な特性の変化をモニタすることでもプローブの変位の検出が可能である。
以上のように構成した装置によって、、紫外域および赤外域の光学情報の光分解能の観察と形状像の観察を同時に行うことができる。さらに、それぞれの測定に応じた、検出素子や変調回路・ロックインアンプ等を使用することによって、摩擦、粘弾性、表面電位などの物性情報の観察を同時に行うことが可能である。例えば、摩擦の測定では、プローブのねじれ成分を検出するための４分割の光検出器が必要となる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の近接場光顕微鏡用プローブおよび近接場光顕微鏡によって、紫外域および赤外域の光学情報の光分解能の観察と形状像の観察、および、摩擦、粘弾性、表面電位などの物性情報の観察を同時に行う近接場光顕微鏡において、微小開口を再現良く形成できるようになり、実用的な利用が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の近接場光顕微鏡用プローブの構造を示す模式図である。
【図２】本発明の近接場光顕微鏡用プローブの製造工程を示す図である。
【図３】本発明の近接場光顕微鏡の構成を示す模式図である。
【図４】本発明の近接場光顕微鏡用プローブの変位検出手段の例を示す図である。
【図５】本発明の近接場光顕微鏡用プローブの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１１  チューブのテーパー部
１２  微小開口部
１３  熱的に折り曲げられた鈎状部
１４  開口部
１５  チューブ
１６  金属被覆膜
２０  ガラスチューブ
２１  レーザービーム
２２  チューブの両端方向の張力
２３  破断したチューブ
２４  破断したチューブの先端
２５  折り曲げられた部分
２６  研磨板
３１  本発明のプローブ
３２  試料板
３３  光源
３４  レンズ
３５  ミラー
３６  集光光学系
３７  光検出器
３８  光源
３９  分割型の光検出器
４１  試料台
４０  プローブ−試料間の相対移動手段
４２  コントローラ
４３  プローブ固定手段
４４  圧電振動板
４５  交流電源
４６  ハーフミラーあるいはダイクロイックミラー
４７  プリズムなどの光学部品
５１  レンズ
５２  変位検出用圧電素子
６０  保護薄膜
６１  フッ化水素水
６２  有機溶媒
【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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