JPH04307510A - 近接場走査光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学探針を２次元走査
して試料表面のイメージングを行う近接場走査光学顕微
鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の近接場走査光学顕微鏡として、例
えば、光源からの光を光学探針の先端に設けたピンホー
ルを介して試料に照射し、この試料表面を透過した光、
または試料自体の発生する蛍光を顕微鏡の対物レンズで
集光するものが知られている（Ｏ　　ｐｌｕｓ　　Ｅ、
１９８９年、９月、ｐｐ１１０〜１１６等参照）。この
種の近接場走査光学顕微鏡においては、その分解能の限
界がピンホールの径にほぼ対応することが分かっている
。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、分解能を向上
させるためにピンホールの径を減少させると、その近接
場または遠隔場に放射されるエネルギーは急激に減少す
る。ピンホールの半径が５ｍｍの時に対して、半径を１
／２にすると、光量検出器に達する光量は約１／６０に
減少すると試算される。つまり、分解能を向上させるた
めにピンホールの径を減少させると、その光検出器に到
達する光量が減り、ノイズの分離が困難となり、検出下
限が制限される。現実には検出下限に応じて分解能が制
限されていたともいえる。

【０００４】そこで本発明は、光源をパルス状にし、光
検出器をそれと同期して動作させることによって検出下
限を改善し、分解能を向上させうる近接場走査光学顕微
鏡を得ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明に係る近接場走査光学顕微鏡では、試料セット
位置に照射すべき光を発生する光源と、光学探針の先端
に設けられたピンホールを介して、光学探針と試料セッ
ト位置との間で光を選択的に供給または取り出す近接場
光学手段（この近接場光学手段は、例えば、光学探針、
集光用対物レンズ等から構成される。）と、この近接場
光学手段で取り出された光を検出して電気信号に変換す
る光検出手段（例えば、フォトマル等の光電変換装置）
とを備えることとしている。ここで、光源は、強度がパ
ルス状に変化する光を発生し、光検出手段は、光源の発
生する光の強度の増大時に同期して、近接場光学手段で
検出された光を電気信号に変換する。

【０００６】

【作用】上記の近接場走査光学顕微鏡によれば、光検出
手段が、パルス状に変化する光源からの光の増大時に同
期して、近接場光学手段で取りされた光を検出して電気
信号に変換する。例えば、近接場光学手段が光学探針を
介して試料セット位置にプローブ光を供給してこの試料
セット位置からの出射光を適当な集光手段（例えば、対
物レンズ等）で検出するタイプのものである場合につい
て考える。例えばパルス状に変化するプローブ光が増大
している間にのみ光検出手段に電気信号への変換を行わ
せるならば、定常的に存在するバックグラウンドノイズ
に対するプローブ光強度を相対的に増大させる事ができ
るので、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

【０００７】

【実施例】以下に、本発明の一実施例の近接場走査光学
顕微鏡について、図１を参照しつつ説明する。なお、実
施例の近接場走査光学顕微鏡は、その近接場光学手段が
光学探針を介して試料セット位置にプローブ光を供給し
てこの試料セット位置からの出射光を対物レンズで検出
するタイプのものになっている。

【０００８】図１に示すように、近接場走査光学顕微鏡
の基台１０上にはＸ−Ｙステージ１２が固定されている
。Ｘ−Ｙステージ１２上にはピエゾ素子を用いたＸ−Ｙ
走査装置１４が配置され、その上の試料セット位置には
拡大観察の対象となる薄膜状の試料１６が載置される。 Ｘ−Ｙステージ１２は、試料１６のＸ、Ｙ方向（図面の
前後・左右方向）の手動による位置設定を可能にする。 Ｘ−Ｙ走査装置１４は、試料１６のＸ、Ｙ方向の位置の
電気的制御を可能にする。つまり、このＸ−Ｙ走査装置
１４によって試料１６をＸ−Ｙ面内で電気的に極めて正
確に走査することができる。

【０００９】基台１０上から延びる支柱１８およびＺス
テージ２０を介してアーム２２が支持されている。この
アーム２２には、ピエゾ素子を用いたＺ変位装置２４が
配置され、その先に光学探針２８が固定されている。Ｚ
ステージ２０は、光学探針２８のＺ方向（図面の上下方
向）の手動による位置設定を可能にする。Ｚ変位装置２
４は、光学探針２８のＺ方向の位置の電気的制御を可能
にする。

【００１０】パルス光源３０からのパルス状のプローブ
光は、光ガイド３２およびセルフォックレンズ３４を経
てこの光学探針２８内に入射する。この光学探針２８は
近接場光学手段の一部となっている。パルス光源３０と
しては、半導体レーザ励起のモード同期Ｎｄ：ＹＬＦレ
ーザ等を使用する。これにより、所望のパルス幅５０ｐ
Ｓ程度及びパルス周期１０ｎｓ程度を有するプローブ光
を得ることができる。光学探針２８の先端のピンホール
から放射されたパルス状のプローブ光はこれに近接する
試料１６に照射される。

【００１１】試料１６に照射されたプローブ光は、試料
１６の状態によって変調を受ける。試料１６によって変
調を受けた出射光は、下方の対物レンズ４０によって集
光される。この対物レンズ４０は近接場光学手段の一部
となっている。対物レンズ４０によって集光された出射
光は、反射鏡４２を経て光検出手段であるゲート付き光
検出器４４に入射する。このゲート付き光検出器４４と
しては、ストリークカメラをを使用する。これにより、
対物レンズ４０によって集光された出射光の光量をプロ
ーブ光のパルス出力時に同期させて測定することができ
る。

【００１２】制御装置４６は、パルス駆動回路５０に信
号を出力し、パルス光源３０からのパルス発生のタイミ
ングを制御する。ゲート回路４８は、パルス駆動回路５
０からの信号に応じてゲート付き光検出器４４のゲート
を動作させる。ゲート付き光検出器４４からの電気信号
出力は、試料の情報として解析装置４７で信号処理され
る。この解析装置４７の出力信号は、制御回路４６に送
られる。制御回路４６は、Ｘ−Ｙ走査装置１４及びＺ変
位装置２０も制御している（図１では省略している。）
。したがって、試料１６を走査しつつ試料１６からの出
射光を測定することができる。制御回路４６でのＸＹＺ
の制御信号に関する情報は、一担解析装置４７に送られ
ここで表示可能な情報に変換されて、ディスプレイ５２
に送られ表面情報がディスプレイ５２に表示される。

【００１３】以下に、図１の近接場走査光学顕微鏡の動
作について説明する。

【００１４】パルス駆動回路５０は、制御装置４６から
の信号に基づいて、パルス光源３０からパルス幅が約５
０ｐＳでパルス間隔が約１０ｎＳのプローブ光を発生さ
せる。このプローブ光は光ガイド３２等を経由して光学
探針２８に入射する。光学探針２８の近接場に存在する
試料１６には、そのピンホールを通ったプローブ光がエ
バネッセント波として供給される。

【００１５】ここで、光学探針２８と試料１６との間で
、試料までの距離、試料の吸収その他の試料の状態に応
じた光エネルギーの伝達が行われ、試料の状態に対応す
る変調を受けた出射光が発生する。この場合、プローブ
光がエバネッセント波として供給されるのは、光学探針
２８の先端のピンホールの極近傍に限られる。したがっ
て、試料１６からの出射光は、ピンホールの極近傍に存
在する試料表面の状態のみを反映することとなり、ピン
ホールの径に匹敵する空間分解能を得ることが期待でき
る。

【００１６】試料１６からの出射光は、対物レンズ４０
で集光されて、ゲート付き光検出器４４を構成するスト
リークカメラに入射する。このストリークカメラは、ゲ
ート回路４８からのゲート信号によって制御されていて
、その試料からの出射光をプローブ光のパルス発生時に
同期して掃引する。具体的に説明すると、ストリークカ
メラの入力側に設けられた光電面からは、試料１６から
の出射光に応じた光電子が放出される。この光電子はス
トリークカメラ内の偏向電極に印加されたゲート信号に
応じて偏向され、ストリークカメラの出力側に設けられ
た掃引方向と垂直に配置された１次元のディテクタアレ
イ上を掃引される。このディテクタアレイで検出された
光量変換出力は、制御装置４６に入力される。

【００１７】制御装置４６は、プローブ光のパルス発生
時ごとに、ディテクタアレイで検出る光量変換出力が一
定になるように、Ｚ変位装置２０を制御して光学探針２
８のＺ方向の位置を調節する。光学探針２８のＺ方向の
位置調節が完了すると、制御装置４６は、Ｘ−Ｙ走査装
置１４を制御して試料１６をＸ−Ｙ面内で徐々に走査す
る。これを繰り返すことにより、光学探針２８のＺ方向
の変位を試料１６表面上のＸ、Ｙ方向の関数としてマッ
ピングすることが可能になる。つまり、試料１６表面の
散乱、反射、および試料１６の散乱、反射、吸収、屈折
率等が一様ならば、試料１６の凹凸を検出することがで
き、試料１６表面が凹凸等を有していない場合は、試料
１６の吸収等を検出することができる。この結果は、デ
ィスプレイ５２に３次元的に表示される。

【００１８】上記実施例の近接場走査光学顕微鏡では、
パルス状のプローブ光を使用している。このため、プロ
ーブ光のピーク光強度を極めて増大させることができ、
Ｓ／Ｎ比を高めることができる。つまり、光学探針２８
に供給されるプローブ光は時間的に集中して存在してい
るので、定常的に存在する背景光等に起因する雑音に対
するプローブ光強度信号の比を高くすることができ、結
果として、プローブ光の検出を容易にし、検出下限を大
幅に改善することが可能となる。具体的に説明すると、
平均出力１００ｍＷの光源であっても、パルス幅５０ｐ
Ｓとし、パルス間隔１０ｎＳのプローブ光を発生させる
ならば、ピーク出力は２０Ｗとなる。この場合、平均出
力１００ｍＷのＣＷ光をプローブ光として用いた場合と
比較すると、定常的に存在する。背景光に起因するフォ
トンの取り込み等に起因する雑音が、一定であると考え
られるので５０ｐＳでゲートをかけて光検出すれば定常
雑音に対するプローブ光強度に対応する信号成分の比を
２００倍改善できることになる。このことは、光学探針
２８のピンホールの径を小さくできることを意味し、近
接場走査光学顕微鏡の分解能を向上させ得ることを意味
している。

【００１９】本発明は上記実施例の近接場走査光学顕微
鏡に限定されるものではない。

【００２０】例えば、ゲート付き光検出器４４として、
フォトンカウンティングストリークカメラやマイクロチ
ャンネルプレート内臓型フォトマル（ＭＣＰ−ＰＭＴ）
等の使用も可能である。ただしＭＣＰ−ＰＭＴの場合、
マイクロチャンネルプレートのオン・オフ時の動作容量
に起因して、光検出器のゲート時間幅を極端に小さくす
ることはできない。したがって低速の動作となるが、例
えばゲート時間幅を５ｎＳとし光検出間隔を０．５μＳ
とすれば、上記実施と同様の効果を得ることができる。

【００２１】また、パルス光源３０として、半導体レー
ザを使用してもよい。この場合あまり大きなピーク出力
は得られないが、小型で安価で電気的制御性のよいもの
とすることができる。

【００２２】さらに、試料表面に凸凹が存在しないなら
ば、光学探針２８をＺ方向に変位させないで、試料１６
をＸ−Ｙ面内で走査し、ゲート付き光検出器４４からの
検出信号を測定してもよい。この場合、測定された結果
は試料の吸収等に対応する。また、試料１６が導電性を
有するならば、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を並用
して試料表面凸凹情報はＳＴＭで行い、光学探針２８と
試料１６の表面との間の距離を一定に保ち、表面凸凹以
外の情報をより正確に調べることができる。ＳＴＭを並
用する方法には２つの方法がある。第１の方法は、図２
に示すように、ＳＴＭ探針と光学探針を近接して配置す
る。この時、先端ｄの間隔をＸ（あるいはＹ）の移動制
御可能最少ステップａで割った数だけのメモリーを解析
装置４７内に保有し、ＳＴＭで検知した凸凹情報をメモ
リーし、その位置に光学探針が来た時に情報を読み出し
、Ｚ位置を決定して計測を行うようにする。第２の方法
は、図３に示すように試料１６の一辺の長さ以上に離し
て配置し、一旦ＳＴＭによるＸＹ走査を行ないここで得
られた凸凹情報を全て解析装置４７に保存しておいて、
その情報を基づいて光学探針による計測を行う。第１の
方法は、メモリー容量が小さくてすみ、構成も簡単で計
測も短時間ですむが、試料にｄの間隔で極端な凸凹を有
する部分が存在すると、一方の短針が邪魔をして他方の
短針が試料に近づくことができず計測が不可能となる場
合が生じる。第２の方法は、構成が複雑で大メモリー容
量が必要であるがこのような制限は受けずに計測が可能
となる。また、さらに試料１６が導電性を有さない場合
には走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を同様に並用して
計測を行い、凸凹の情報をＡＦＭで行うようにして、同
様の計測を行うことが可能である。

【００２３】さらに、試料１６として蛍光体を使用し、
その蛍光寿命を測定することもできる。この場合、パル
ス光源３０からのパルス状のプローブ光を励起光源とし
て使用する。さらに、ゲート付き光検出器４４を単にプ
ローブ光に同期させるだけでなく、蛍光発光量の切り出
しに必要な時刻に応じて動作させる。さらに１点の観測
を切り出し時刻を除々に変化させて計測することもでき
る。またさらに光検出器にストリークカメラを用いてい
る場合には、前記実施例とは異なり、ディテクタアレイ
はストリーク掃引方向と平行に配置し、ストリーク光電
面への光入射はポイントに集光して行っても良い。この
ようにすれば蛍光の時間分解を行うことが可能となる。 これにより、光検出器のゲート時間の時間分解能で試料
１６の蛍光発光の時間特性を検出することができ、試料
の物質を広く同定することができる。また、試料１６を
Ｘ−Ｙ面内で走査するならば、試料表面の蛍光寿命のマ
ップを得ることもできる。

【００２４】さらに、ゲート付き光検出器４４の前にプ
リズムその他の分光器を設けてもよい。この場合、スト
リークカメラの入力側のスリットに検出する波長を並べ
て、入射することで、試料１６の発生する蛍光等のスペ
クトル分布を検出することができ、試料の物質をより正
確に同定することができる。光検出器がＭＣＰ−ＰＭＴ
の場合には、被測定波長を順次変更して行えば同様のこ
とが可能となる。また、試料１６をＸ−Ｙ面内で走査す
るならば、試料表面のスペクトルピークあるいは、スペ
クトル幅のマップを得ることもできる。

【００２５】またさらに、光検出器にストリークカメラ
を用いている場合には、前記ディテクタアレイをＣＣＤ
カメラ等の２次元検出器とし、一度に時間分解分光する
こともできる。この場合には、Ｘ−Ｙ走査を一度行い、
スペクトルピーク、スペクトル幅、蛍光寿命等のマップ
を一度に得ることもできる。

【００２６】さらに、Ｘ−Ｙ走査装置１４によって光学
探針２８の方をＸ、Ｙ方向に走査してもよい。また、Ｚ
変位装置２４によって試料１６の方をＺ方向に変位させ
てもよい。

【００２７】さらに、光源として、可変波長のレーザ等
を使用してもよいし、可視光線のみならず各種放射線の
使用が可能であることもいうまでもない。

【００２８】さらに、光学探針２８、対物レンズ４０等
を別の測定モードで使用してもよい。例えば、対物レン
ズ４０を用いて試料を裏面から照明し、試料表面に近接
させた光学探針によって試料を透過した光を検出しても
よい。さらに、試料表面に近接させた光学探針から照射
された光の反射光を同じ光学探針で検出してもよい。さ
らに、バルス光波は斜めから、試料の広い範囲を照射し
、光検出にだけ近接場光学系を利用しても良い。

【００２９】

【発明の効果】本発明の近接場走査光学顕微鏡によれば
、変換手段が光源の発生する光の強度の増大時に同期し
て動作するので、パルス状に変化する光源からの光の強
度が減少している間にも電気信号に変換されていた定常
的に存在するバックグラウンドノイズをから除去するこ
とができる。従って、パルス状に変化するプローブ光の
ピーク値を増大させることによりＳ／Ｎ比を向上させる
ことができ、これにより、近接場走査光学顕微鏡の分解
能を向上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示した図である。

【図２】ＳＴＭを並用する方法を示した図である。

【図３】ＳＴＭを併用する別の方法を示した図である。

【符号の説明】

２８…光学探針 ３０…光源 ２８、４０…近接場光学手段 ４４…変換手段

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　試料セット位置に照射すべき光を発生
   する光源と、光学探針の先端に設けられたピンホールを
   介して、該光学探針と前記試料セット位置との間で光を
   選択的に供給または取り出す近接場光学手段と、該近接
   場光学手段で検出された光を検出する光検出手段とを有
   する近接場走査光学顕微鏡であって、前記光源は、強度
   がパルス状に変化する光を発生し、前記光検出手段は、
   前記光源の発生する光の強度の増大時に同期して、前記
   近接場光学手段で取り出された光を検出して電気信号に
   変換することを特徴とする近接場走査光学顕微鏡。
2. 【請求項２】　　前記光検出手段は、前記光源からパル
   ス状の光が発生された後、所定の時間間隔で前記近接場
   光学手段で取り出された光を検出することを特徴とする
   請求項１に記載の近接場走査光学顕微鏡。
3. 【請求項３】　　試料への光照射時刻と、光検出時刻と
   の時間間隔を変化することを特徴とする請求項２記載の
   近接場走査光学顕微鏡。
4. 【請求項４】　　前記変換手段は、前記近接場光学手段
   で検出された光を波長ごとに分光して検出することを特
   徴とする請求項１に記載の近接場走査光学顕微鏡。
5. 【請求項５】　　ＡＦＭ，ＳＴＭの少なくとも一方を適
   用したことを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の近
   接場走査光学顕微鏡。