JPH08122036A - 走査型近接場光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】測定試料に対する入射光に自由度を持たせるこ
とにより、エバネッセント波の進行方向と測定試料の配
置関係に依存して生じる光学的影響を除去し、測定試料
のみの光学情報を得ることが可能な走査型近接場光学顕
微鏡を提供する。 【構成】反射レーザー光１０ｂの照射方向を回転してエ
バネッセント波の伝搬方向を回転させる照明手段と、反
射レーザー光が試料に照射されている間、プローブ４に
より検出された検出データに演算を施す演算測定手段と
を備える。照明手段は、プリズム６と、このプリズム上
の試料裏面に反射レーザー光を臨界角以上の入射角で照
射させ且つその照射方向を回転させる回転照明光源とを
備える。回転照明光源は、光源８とモータ１２上に固定
された楔形ミラー１４とを備える。演算測定手段は、試
料の光学情報のみを測定するように、エバネッセント波
と試料からの散乱光との干渉光を積分して平均化する積
分回路１８を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測定試料の表面近傍に
局在するエバネッセント光の強度を検出することによっ
て、測定試料に対する解像を行う走査型近接場光学顕微
鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な光学顕微鏡の分解能は、光の回
折特性によって決まり、その回折限界によって波長より
小さい物体の像は観察できない。しかし上記のような光
ではなく、微小空間に局在した別形態の光を使うと、回
折限界を越える分解能が得られることが知られている。
このような光のことをエバネッセント光と呼ぶ。

【０００３】１９８０年代後半以降、エバネッセント波
を用いることにより回折限界を超える分解能を有する光
学顕微鏡が提案されている。この光学顕微鏡としては、
測定試料の表面近傍に１波長以下の距離までプローブを
近づけた状態において、このプローブ先端の微小開口を
通過する光の光強度を検出することによって、測定試料
に対する解像を行う走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯ
Ｍ；Scanning near field optical microscope）が知ら
れている。

【０００４】このＳＮＯＭの測定方式としては、コレク
ション方式とエミッション方式とが知られている。コレ
クション方式は、測定試料の裏面に光を照射した際に測
定試料の表面近傍に局在したエバネッセント波をプロー
ブを介して検出することによって測定試料に対するＳＮ
ＯＭ測定を行う方法である。

【０００５】エミッション方式は、プローブ先端の微小
開口から測定試料に光を照射した際に測定試料の裏面か
ら発生した透過光又は散乱光等を光検出器を介して検出
することによって測定試料に対するＳＮＯＭ測定を行う
方法である。これらの方式は、例えば特開平４−２９１
３１０号公報（ＡＴ＆Ｔ、Ｒ．Ｅ．Ｂｅｔｚｉｇ）や、

【０００６】

【文献１】 に開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のコレ
クション方式のＳＮＯＭでは、入射光を一方向のみから
入射させているため、入射光方向（試料面内の方向）に
エバネッセント波と測定試料からの散乱光とが干渉する
ことにより干渉縞が発生することがある。特に、干渉縞
は、球状の測定試料が単独で存在するときに発生する。
このような現象については、

【０００８】

【文献２】 に開示されている。

【０００９】このため、従来のコレクション方式のＳＮ
ＯＭでは、測定試料の光学情報とプローブ先端付近の光
学的な場の情報とが干渉してしまうため、測定試料のみ
の光学情報を得ることが困難となっている。

【００１０】本発明は、このような課題を解決するため
になされており、その目的は、測定試料に対する入射光
に自由度を持たせることにより、エバネッセント波の進
行方向と測定試料の配置関係に依存して生じる光学的影
響を除去し、測定試料のみの光学情報を得ることが可能
な走査型近接場光学顕微鏡を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の走査型近接場光学顕微鏡は、試料裏
面に照明光を照射した際に試料表面近傍に発生したエバ
ネッセント波をプローブを走査することによって検出す
る走査型近接場光学顕微鏡において、前記照明光の照射
方向を前記試料に対して回転させることによって、前記
エバネッセント波の伝搬方向を回転させる照明手段と、
その照射方向を回転しながら前記照明光が前記試料に照
射されている間、前記プローブを走査することによって
検出された検出データに所定の演算を施して前記試料の
光学情報を測定する演算測定手段とを備える。

【００１２】

【作用】照明光の照射方向を試料に対して回転しながら
照明光が試料に照射されている間、プローブを走査する
ことによって検出された検出データに所定の演算を施し
て試料の光学情報が測定される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例に係る走査型近
接場光学顕微鏡について、図１及び図２を参照して説明
する。図１及び図２（Ａ）に示すように、本実施例は、
試料２裏面に照明光（本実施例では、反射レーザー光１
０ｂが該当する）を照射した際に試料２表面近傍に発生
したエバネッセント波をプローブ４を走査して検出する
走査型近接場光学顕微鏡であって、照明光（反射レーザ
ー光１０ｂ）の照射方向を試料２に対して回転させるこ
とによって、エバネッセント波の伝搬方向を回転させる
照明手段と、その照射方向を回転しながら照明光（反射
レーザー光１０ｂ）が試料２に照射されている間、プロ
ーブ４を走査することによって検出された検出データに
所定の演算を施して試料２の光学情報を測定する演算測
定手段とを備えている。

【００１４】照明手段は、試料２裏面に照明光（反射レ
ーザー光１０ｂ）が照射されるように試料２を載置可能
なプリズム６と、このプリズム６に載置されている試料
２の裏面に照明光（反射レーザー光１０ｂ）を臨界角以
上の入射角（即ち、全反射角）で照射させ且つその照射
方向を試料２に対して回転させる回転照明光源とを備え
ている。なお、試料２は、プリズム６の試料載置面６ａ
に載置されており、この試料載置面６ａは、プローブ４
の先端に対面するように形成されている。

【００１５】また、回転照明光源は、光源８と、この光
源８から出射した出射レーザー光１０ａをプリズム６方
向に反射させるように、モータ１２の回転軸１２ａ（図
２（Ａ）参照）上に固定された楔形ミラー１４とを備え
ている。

【００１６】ここで、楔形ミラー１４から反射した反射
レーザー光１０ｂ（上記照明光）がプリズム６の試料載
置面６ａに対して臨界角以上の入射角で照射されたと
き、試料載置面６ａに載置された試料２からエバネッセ
ント波が発生する。

【００１７】かかる条件を満足するように、本実施例に
適用された楔形ミラー１４は、試料載置面６ａに垂直な
軸１６と出射レーザー光１０ａの光軸との交点Ｓに反射
面１４ａが位置付けられるように、試料載置面６ａに垂
直な軸１６と出射レーザー光１０ａの光軸との成す角を
２等分する角度に整合させたモータ１２の回転軸１２ａ
上に固定されている。

【００１８】また、演算測定手段は、試料２の光学情報
のみが測定されるように、エバネッセント波と試料２か
らの散乱光とが干渉して発生した干渉光を積分して平均
化する積分回路１８を備えている。

【００１９】このような構成において、例えば半導体レ
ーザ等の光源８から出射された出射レーザー光１０ａ
は、楔形ミラー１４の反射面１４ａからプリズム６方向
に反射される。

【００２０】プリズム６方向に反射された反射レーザー
光１０ｂは、プリズム６の入射面６ｂ（図２（Ａ）参
照）を介してプリズム６内に入射した後、第１の反射面
６ｃから反射して試料載置面６ａに対して臨界角以上の
入射角（即ち、全反射角）で照射される。なお、本実施
例において、プリズム６の入射面６ｂは、反射レーザー
光１０ｂの光軸に垂直な面になるように構成されてい
る。

【００２１】ここで、モータ１２を駆動させて回転軸１
２ａを介して楔形ミラー１４を回転させると、反射レー
ザー光１０ｂは、その照射方向が試料２を中心に回転す
るように即ち試料２を中心に円軌道を描くように、試料
載置面６ａに対して全反射角で照射される。このとき、
試料２表面近傍にエバネッセント波が発生する。なお、
本実施例において、臨界角は、例えばプリズム６の材料
としてＢＫ７（波長６５６．３ｎｍに対する屈折率１．
５１４３）を用いた場合、４１．３度となる。

【００２２】このように試料２表面近傍に局在している
エバネッセント波を検出して試料２の光学情報を測定す
る場合、光源８からの出射レーザー光１０ａの半波長程
度までプローブ４を試料載置面６ａに近づけた状態で、
試料２から発生する散乱光とエバネッセント波とが干渉
して発生した干渉光をプローブ４を介して採光しながら
試料２表面に対するラスタースキャンが行われる。

【００２３】本実施例に適用されたプローブ４は、第１
ないし第３の圧電素子２０，２２，２４に支持されたカ
ンチレバーチップ２６の先端に設けられており、第１な
いし第３の圧電素子２０，２２，２４は、コンピュータ
２８によって制御されるスキャナーコントローラ３０に
接続されている。なお、第１の圧電素子２０は図中矢印
Ｘ方向に、第２の圧電素子２２は図中矢印Ｙ方向に、そ
して第３の圧電素子２４は図中矢印Ｚ方向に、夫々伸縮
制御されるように構成されている。

【００２４】従って、スキャナーコントローラ３０を介
して第１ないし第３の圧電素子２０，２２，２４を３次
元的に駆動制御することによって、プローブ４を試料２
表面に対してラスタースキャンさせることが可能とな
る。

【００２５】本実施例の走査型近接場光学顕微鏡には、
切換スイッチ３２が設けられており、この切換スイッチ
３２を切り換えることによって、２通りの測定方法を適
宜選択することが可能である。

【００２６】その第１の測定方法としては、まず、切換
スイッチ３２の可動接片３２ａをフィードバック回路用
入力端子３２ｂに接触させる。このとき、第１ないし第
３の圧電素子２０，２２，２４によってプローブ４を３
次元的に走査させると、プローブ４の先端が走査部分の
エバネッセント波に接したときに、このエバネッセント
波が伝搬光に変換される。そして、かかる伝搬光は、プ
ローブ４によって採光された後、光ファイバ３４を介し
て光検出器３６に導光され、ここで電気信号に変換され
る。そして、切換スイッチ３２を経てフィードバック回
路３８に入力される。

【００２７】フィードバック回路３８は、入力された電
気信号に基づいて、プローブ４の先端と試料２表面との
間の距離が常時一定距離となるように即ち上記電気信号
の値が常時一定値となるように、スキャナーコントロー
ラ３０を介して第３の圧電素子２４にフィードバック電
圧を印加する。

【００２８】第１の測定方法では、かかるフィードバッ
ク電圧の大きさに基づいて、試料２の光学情報が測定さ
れることになる。このような測定過程において、モータ
ドライバ４０によってモータ１２を駆動させて楔形ミラ
ー１４を回転させると、この楔形ミラー１４から反射し
た反射レーザー光１０ｂは、その照射方向が試料２を中
心に回転するように即ち試料２を中心に円軌道を描くよ
うに、試料載置面６ａに対して全反射角で照射される。
このため、試料２表面近傍に発生するエバネッセント波
も同様に回転する。

【００２９】このような状態において、コンピュータ２
８から出力されるデジタル信号によってラスタースキャ
ンする場合、スキャナーコントローラ３０から第１及び
第２の圧電素子２０，２２に印加されるＸ印加電圧及び
Ｙ印加電圧は、図２（Ｂ）に示すように、ステップ状に
変化する。従って、図２（Ｂ）中に示した時間ｔが１ピ
クセル（測定点）の停止時間となる。

【００３０】そこで、図１及び図２（Ａ）に示すよう
に、上記停止時間ｔ中に反射レーザー光１０ｂを試料２
を中心に１回転若しくはそれ以上回転させる。このと
き、エンコーダ４２からモータ１２の回転位置に対応し
た回転位置信号がコンピュータ２８に出力される。コン
ピュータ２８は、入力した回転位置信号に基づいて、反
射レーザー光１０ｂの回転に同期して積分回路１８のリ
セット及びサンプリングを切換制御する。この結果、上
記停止時間ｔ中、フィードバック回路３８から出力され
るフィードバック電圧が、積分回路１８によって積分さ
れて測定される。この測定値と走査位置がコンピュータ
２８で画像処理されることによって、ディスプレイ４４
上に顕微鏡像が表示されることになる。

【００３１】なお、通常、第１の圧電体２０のＸ方向へ
のスキャンは、Ｘ方向の走査ラインを複数のピクセル
（測定点）に分割することで行われる。例えば、Ｘ走査
に関して、Ｘ方向の１ライン（１００μｍとする）は、
２５６ピクセルに分割され、その分割されたピクセル毎
に反射レーザー光１０ｂを試料２を中心に１回転若しく
は複数回転させ、反射レーザー光１０ｂを回転させるた
めの時間ｔだけ走査を停止する。

【００３２】次に、第１の圧電体２０のＹ方向の移動に
関しては、Ｘ方向と同様に分割されたＹ方向に１ピクセ
ル移動され、この移動が停止される。そして、上述と同
様のＸ走査が行われ、このＸ走査が終了すると、更にＹ
方向へ第１の圧電体２０は移動される。

【００３３】一方、第２の測定方法としては、まず、切
換スイッチ３２の可動接片３２ａを積分回路用入力端子
３２ｃに接触させる。そして、プローブ４の先端と試料
載置面６ａとの間の距離を常時一定距離に保ちながら、
スキャナーコントローラ３０を介して第１及び第２の圧
電素子２０，２２にＸ印加電圧及びＹ印加電圧を付与し
て、プローブ４を試料載置面６ａに沿って走査させる。

【００３４】このとき、試料２から発生する散乱光とエ
バネッセント波とが干渉して発生した干渉光をプローブ
４を介して採光し、光検出器３６によって検出する。第
２の測定方法では、光検出器３６によって検出された検
出信号に基づいて、試料２の光学情報が測定されること
になる。

【００３５】このような測定過程において、プローブ４
が採光する各走査位置に対して楔形ミラー１４から反射
した反射レーザー光１０ｂが１回転若しくはそれ以上回
転する上記停止時間ｔ中、上記検出信号が、積分回路１
８によって積分されて測定される。この測定値と走査位
置がコンピュータ２８で画像処理されることによって、
ディスプレイ４４上に顕微鏡像が表示されることにな
る。

【００３６】このように本実施例の走査型近接場光学顕
微鏡によれば、試料２裏面に入射する反射レーザー光１
０ｂの照射方向を試料２に対して回転させている間、エ
バネッセント波と試料２からの散乱光とが干渉して発生
した干渉光を積分回路１８によって積分して測定するこ
とができるため、干渉光の干渉縞が平均化され、エバネ
ッセント波の進行方向と試料２の配置関係に依存して生
じる干渉の影響を除去することが可能となる。この結
果、試料２のみの光学情報を高精度に測定することが可
能となる。更に、切換スイッチ３２を設けたことによ
り、試料２に対して異なるアプローチが可能になり、こ
の点からも上述と同様な光学情報の高精度な測定が可能
となる。

【００３７】次に、本発明の第２の実施例に係る走査型
近接場光学顕微鏡について、図３を参照して説明する。
なお、本実施例の説明に際し、第１の実施例と同一の構
成には同一符号を付して、その説明を省略する。

【００３８】図３に示すように、本実施例に適用された
照明手段の回転照明光源は、光源８と、この光源８から
出射した出射レーザー光１０ａをプリズム６方向に反射
させるガルバノ式光学系とを備えている。

【００３９】ガルバノ式光学系は、図面に平行な方向に
配置された第１の回転軸４６上に固定された第１のガル
バノミラー４８と、図面に垂直な方向に配置された第２
の回転軸５０上に固定された第２のガルバノミラー５２
とを備えている。

【００４０】このような構成において、第１及び第２の
ガルバノミラー４８，５２は、プリズム６に入射する反
射レーザー光１０ｂがプリズム６の試料載置面６ａに対
して臨界角以上の入射角（全反射角）で照射される条件
を満足しつつ、反射レーザー光１０ｂの照射方向を試料
２（図２（Ａ）参照）を中心に回転させるように、回転
制御可能に構成されている。なお、他の構成について
は、第１の実施例と同様であるため、その説明は省略す
る。

【００４１】このような構成によれば、光源８から出射
された出射レーザー光１０ａは、第１及び第２のガルバ
ノミラー４８，５２からプリズム６方向に反射される。
このとき、第１のガルバノミラー４８を第１の回転軸４
６を中心に回転させ且つ第２のガルバノミラー５２を第
２の回転軸５０を中心に回転させることによって、反射
レーザー光１０ｂは、その照射方向が試料２を中心に回
転するように即ち試料２を中心に円軌道を描くように、
試料載置面６ａに対して全反射角で照射される。なお、
他の作用については、第１の実施例と同様であるため、
その説明は省略する。

【００４２】このように本実施例の走査型近接場光学顕
微鏡によれば、第１の実施例の効果に加えて、第１及び
第２のガルバノミラー４８，５２によって、反射レーザ
ー光１０ｂの反射角度及び回転方向等の照射軌道を任意
に制御することができる。このため、照明手段の構成を
変更することなく且つ第１及び第２のガルバノミラー４
８，５２の振れ角を制御するだけで種々の形状のプリズ
ム６の試料載置面６ａに対して反射レーザー光１０ｂを
全反射角で且つその照射方向を回転させながら照射させ
ることが可能となる。なお、図３には、プリズム６の一
例として、第１の実施例に適用されたプリズム６が示さ
れている。

【００４３】次に、本発明の第３の実施例に係る走査型
近接場光学顕微鏡について、図４を参照して説明する。
なお、本実施例の説明に際し、第１の実施例と同一の構
成には同一符号を付して、その説明を省略する。

【００４４】図４に示すように、本実施例に適用された
照明手段には、略円錐台形状のプリズム５４が設けられ
ており、この照明手段の回転照明光源には、光源８と、
この光源８から出射したレーザー光１０の径を所定の大
きさに拡大するビームエキスパンダ５６と、このビーム
エキスパンダ５６を介して出射されたレーザー光１０を
プリズム５４方向に反射する固定ミラー５８と、この固
定ミラー５８とプリズム５４との間の光路中に回転自在
に配置されたピンホールプレート６０とが設けられてい
る。

【００４５】ピンホールプレート６０は、その外周縁部
に１個のピンホール６０ａを備えており、固定ミラー５
８の中心に形成された開口５８ａを介して挿通された回
転軸６２の先端に固定されている。また、この回転軸６
２の基端にはモータ６４が接続されており、このモータ
６４を駆動させて回転軸６２を回転させることによっ
て、ピンホールプレート６０が回転されるように構成さ
れている。なお、他の構成については、第１の実施例と
同様であるため、その説明は省略する。

【００４６】このような構成において、光源８から出射
されたレーザー光１０は、ビームエキスパンダ５６によ
って所定の大きさに変換された後、固定ミラー５８の反
射面５８ａからピンホールプレート６０方向に反射され
る。

【００４７】ピンホールプレート６０に照射されたレー
ザー光１０は、ピンホール６０ａに照射された光束のみ
がピンホールプレート６０を通過して、プリズム５４の
裏面５４ｃに垂直に入射する。

【００４８】そして、プリズム５４に入射したレーザー
光１０は、第１の反射面５４ｂによって試料載置面５４
ａ方向に反射され、臨界角以上の入射角（全反射角）で
試料載置面５４ａに照射される。

【００４９】このとき、モータ６４によって回転軸６２
上のピンホールプレート６０を回転させると、レーザー
光１０は、その照射方向が回転しながら試料載置面５４
ａに照射される。このため、上述した各実施例と同様
に、試料（図示しない）表面近傍に発生するエバネッセ
ント波も同様に回転する。なお、他の作用については、
第１の実施例と同様であるため、その説明は省略する。

【００５０】このように本実施例の走査型近接場光学顕
微鏡によれば、第１の実施例の効果に加えて、ピンホー
ル６０ａを通過したレーザー光１０をプリズム５４の裏
面５４ｃに垂直に入射させることができるため、プリズ
ム５４とピンホールプレート６０との間の距離を任意に
変更させることが可能となる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、試料裏面に入射する照
明光の照射方向を試料に対して回転させている間、プロ
ーブを介して検出された検出データに所定の演算を施し
て測定が行われるため、エバネッセント波の進行方向と
試料の配置関係に依存して生じる光学的影響を除去する
ことが可能となる。この結果、試料のみの光学情報を高
精度に測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る走査型近接場光学
顕微鏡の全体の構成を概略的に示す図。

【図２】（Ａ）は、第１の実施例に係る走査型近接場光
学顕微鏡に適用された照明手段の構成を概略的に示す
図、（Ｂ）は、ラスタースキャンする場合、スキャナー
コントローラから第１及び第２の圧電素子に印加される
Ｘ印加電圧及びＹ印加電圧の変化状態を示す図。

【図３】本発明の第２の実施例に係る走査型近接場光学
顕微鏡に適用された照明手段の構成を概略的に示す図。

【図４】本発明の第３の実施例に係る走査型近接場光学
顕微鏡に適用された照明手段の構成を概略的に示す図。

【符号の説明】

４…プローブ、６…プリズム、８…光源、１０ｂ…反射
レーザー光、１２…モータ、１４…楔形ミラー、１８…
積分回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料裏面に照明光を照射した際に試料表
   面近傍に発生したエバネッセント波をプローブを走査す
   ることによって検出する走査型近接場光学顕微鏡におい
   て、 前記照明光の照射方向を前記試料に対して回転させるこ
   とによって、前記エバネッセント波の伝搬方向を回転さ
   せる照明手段と、 その照射方向を回転しながら前記照明光が前記試料に照
   射されている間、前記プローブを走査することによって
   検出された検出データに所定の演算を施して前記試料の
   光学情報を測定する演算測定手段とを備えていることを
   特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記照明手段は、前記試料裏面に前記照
   明光が照射されるように前記試料を載置可能なプリズム
   と、このプリズムに載置されている前記試料の裏面に前
   記照明光を臨界角以上の入射角で照射させ且つその照射
   方向を前記試料に対して回転させる回転照明光源とを備
   えていることを特徴とする請求項１に記載の走査型近接
   場光学顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記演算測定手段は、前記試料の光学情
   報のみが測定されるように、前記エバネッセント波と前
   記試料からの散乱光とが干渉して発生する干渉光を積分
   して平均化する積分回路を備えていることを特徴とする
   請求項１又は２に記載の走査型近接場光学顕微鏡。