JPH0821843A - Light injection probe - Google Patents
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- G01Q60/06—SNOM [Scanning Near-field Optical Microscopy] combined with AFM [Atomic Force Microscopy]
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ニアフィールド顕微鏡
に用いる光注入プローブに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light injection probe used in a near field microscope.
【０００２】[0002]
【従来の技術】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越える分解能を有する
光学顕微鏡が提案されている。この顕微鏡は、近視野顕
微鏡（ＳＮＯＭ：Scanning near field optical micros
cope）と呼ばれている。このＳＮＯＭはエバネッセント
波が“波長より小さい寸法の領域に局在し、自由空間を
伝搬しない”という特性を利用したものである。2. Description of the Related Art Since the latter half of the 1980s, an optical microscope having a resolution exceeding the diffraction limit by using an evanescent wave has been proposed. This microscope is a near field microscope (SNOM: Scanning near field optical micros).
cope) is called. This SNOM utilizes the characteristic that an evanescent wave is localized in a region having a size smaller than the wavelength and does not propagate in free space.
【０００３】ＳＮＯＭの測定原理は、まず、測定試料の
表面近傍に１波長程度以下の距離までプローブを近付け
て、プローブ先端の微小開口を通過する光強度の地図を
作成することによって、測定試料に対する解像が成され
る。The principle of SNOM measurement is as follows. First, the probe is brought close to the surface of the measurement sample up to a distance of about one wavelength or less, and a map of the light intensity passing through the minute aperture at the tip of the probe is created, whereby A resolution is made.
【０００４】ＳＮＯＭとしてはいくつかの方式が提案さ
れており、大まかには２つの方式が提案されている。一
つはコレクション方式と呼ばれ、試料の下から光を照射
した時に試料を透過し試料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しＳＮＯＭ像とする方
式である。もう一つの方式は、微小開口を持ったプロー
ブを試料に近接させ、その試料の微小範囲に対して光を
照射し、試料を透過した光を、試料下に設置された光検
出器によって検出するという、いわゆるエミッション方
式と呼ばれる方式である。これは、例えば特開平４−２
９１３１０号（ＡＴ＆Ｔ、Ｒ．Ｅ．Ｂｅｔｚｉｎｇ）に
開示されている。Several systems have been proposed as SNOM, and roughly two systems have been proposed. One is called a collection method, which is a method in which an evanescent wave that passes through the sample and is localized near the sample surface when light is irradiated from below the sample is detected through a probe to form an SNOM image. Another method is to bring a probe with a minute aperture close to the sample, irradiate light on a minute range of the sample, and detect the light transmitted through the sample with a photodetector installed under the sample. This is the so-called emission method. This is, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-2.
91310 (AT & T, RE Betzing).
【０００５】次に、一般的なＳＮＯＭ装置を図１を参照
して説明する。測定試料２５２は、３次元移動ステージ
２５４の上に載置されている。プローブ２５０は光ファ
イバをエッチングしてプローブ先端を細くし、ファイバ
全体を金属コートして、プローブ先端に微小開口を設け
たものを用いる。測定試料２５２に照射される光は、例
えばアルゴンイオンレーザ２６６を用いプローブ２５０
の外部からプローブ２５０に導入され、プローブ先端に
設けられた微小開口から照射される。この結果、測定試
料２５２を透過した光は、集光レンズ２５６を介して光
検出器２５８に導光され、光の強度の変化が検出され
る。光検出器２５８によって検出された光の強度の変化
は、マイクロコンピュータ２６２を介して対応した光強
度信号に変換されＺ位置制御機構２６０に出力される。
Ｚ位置制御機構２６０は、光強度信号に基づいて３次元
移動ステージ２５４をＺ方向に移動制御して測定試料２
５２をプローブ２５０の先端と略同位置に固定する。こ
のような状態において、マイクロコンピュータ２６２が
Ｘ／Ｙ走査装置２６４を介して３次元移動ステージ２５
４をＸ／Ｙ移動制御する。この結果、プローブ２５０は
測定試料に対して相対的にＸＹ走査される。このとき、
測定試料２５２を透過した光は、光検出器２５８によっ
て光強度に対する電気信号に変換された後、雑音、バッ
クグランド除去等の画像処理が行われ、ＳＮＯＭ画像と
して表示される。Next, a general SNOM device will be described with reference to FIG. The measurement sample 252 is placed on the three-dimensional moving stage 254. The probe 250 used is one in which an optical fiber is etched to make the probe tip thin, the entire fiber is metal-coated, and a fine opening is provided at the probe tip. The light with which the measurement sample 252 is irradiated uses, for example, an argon ion laser 266 and a probe 250.
Is introduced into the probe 250 from outside and is irradiated from a minute opening provided at the tip of the probe. As a result, the light transmitted through the measurement sample 252 is guided to the photodetector 258 via the condenser lens 256, and the change in the light intensity is detected. The change in light intensity detected by the photodetector 258 is converted into a corresponding light intensity signal via the microcomputer 262 and output to the Z position control mechanism 260.
The Z position control mechanism 260 controls the movement of the three-dimensional movement stage 254 in the Z direction based on the light intensity signal to measure the measurement sample 2
52 is fixed at substantially the same position as the tip of the probe 250. In such a state, the microcomputer 262 moves the three-dimensional moving stage 25 through the X / Y scanning device 264.
4 is controlled by X / Y movement. As a result, the probe 250 is scanned in XY relative to the measurement sample. At this time,
The light transmitted through the measurement sample 252 is converted into an electric signal with respect to the light intensity by the photodetector 258, and then image processing such as noise and background removal is performed and displayed as an SNOM image.
【０００６】上記ＳＮＯＭとは別に、原子間に働く原子
間力を利用したＡＦＭ（AtomicForce Microscope ）が
ある。このＡＦＭの構造はＳＴＭに類似しており、走査
型プローブ顕微鏡の一つとして位置づけられる。ＡＦＭ
では、自由端に鋭い突起部分（探針部）を持つカンチレ
バーを、試料に対向・近接してあり、探針の先端の原子
と試料原子との間に働く相互作用力により変異するカン
チレバーの動きを電気的あるいは光学的にとらえて測定
するものである。そして、試料をＸＹ方向に走査し、カ
ンチレバーの探針部との位置関係を相対的に変化させる
ことによって、試料の凹凸情報等を原子サイズオーダで
三次元的にとらえることができる。In addition to the SNOM described above, there is an AFM (Atomic Force Microscope) utilizing the interatomic force acting between atoms. The structure of this AFM is similar to that of the STM and is positioned as one of scanning probe microscopes. AFM
Then, a cantilever with a sharp protrusion (probe) at the free end is facing or close to the sample, and the cantilever moves mutated by the interaction force acting between the atom at the tip of the probe and the sample atom. Is measured electrically or optically. Then, by scanning the sample in the XY directions and relatively changing the positional relationship between the cantilever and the probe part, it is possible to three-dimensionally capture the unevenness information of the sample in the atomic size order.
【０００７】ＡＦＭにおいて、カンチレバーの変位を測
定する変位測定センサは、カンチレバーとは別途に設け
るのが一般的である。しかし最近では、カンチレバー自
体に変位を測定できる機能を付加した集積型ＡＦＭセン
サが、M.Tortonese らにより提案されている。この集積
型ＡＦＭセンサは、例えば、M.Tortonese,H.Yamada,R.
C.Barrett and Quate:Transducers and Sensors 1991:A
tomic forcemicroscopy using a piezoresistive canti
lever やＰＣＴ出願 ＷＯ９２／１２３９８に開示され
ている。In the AFM, the displacement measuring sensor for measuring the displacement of the cantilever is generally provided separately from the cantilever. However, recently, an integrated AFM sensor in which the cantilever itself has a function of measuring displacement has been proposed by M. Tortonese et al. This integrated AFM sensor is disclosed in, for example, M. Tortonese, H. Yamada, R.
C. Barrett and Quate: Transducers and Sensors 1991: A
tomic forcemicroscopy using a piezoresistive canti
disclosed in lever and PCT application WO92 / 12398.
【０００８】測定原理としては、圧電抵抗効果を利用し
ている。探針先端を測定試料に近接させると、探針と試
料間に働く相互作用力によりカンチレバー部がたわみ、
歪みを生じる。カンチレバー部には抵抗層が積層されて
いて、カンチレバーの歪みに応じてその抵抗値が変化す
る。従って、抵抗層に対して電極部より定電圧を加えて
おけば、カンチレバーの歪み量に応じて抵抗層を流れる
電流が変化し、電流の変化を検出することによってカン
チレバーの変位量を知ることができる。The piezoresistive effect is used as the measuring principle. When the tip of the probe is brought close to the sample to be measured, the cantilever portion bends due to the interaction force acting between the probe and the sample,
Cause distortion. A resistance layer is laminated on the cantilever portion, and its resistance value changes according to the strain of the cantilever. Therefore, if a constant voltage is applied to the resistance layer from the electrode part, the current flowing through the resistance layer changes according to the strain amount of the cantilever, and the displacement amount of the cantilever can be known by detecting the change in the current. it can.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＳＮＯＭにおける微小開口を持ったファイバプローブで
は、先鋭化処理を行っていないため、ＡＦＭプローブの
ように先端が尖っておらず、プローブの変位検出機能も
持っていない。このように、従来のファイバプローブで
は、ＡＦＭ測定は行えず、ＡＦＭ・ＳＮＯＭの同時測定
はできない。However, since the conventional fiber probe having a small aperture in SNOM is not sharpened, the tip is not sharp unlike the AFM probe, and the displacement detection function of the probe is not provided. I don't even have one. As described above, the conventional fiber probe cannot perform AFM measurement, and cannot simultaneously perform AFM / SNOM measurement.
【００１０】また、エミッション方式のＳＮＯＭにおい
て、高分解能な観察を行うには、ファイバプローブと試
料表面との距離は一定に保たれることが望ましい。この
ことは、次の２点から理解できる。（１）通常、射出さ
れた光は距離に比例して拡散する性質を有しているが、
局所的な物質特性を観察するためには、この光の拡散を
最小限に抑えることが好ましく、そのため、ファイバプ
ローブと試料表面との距離は、極力小さく保つ必要があ
る。（２）また、１つの試料の透過率は必ずしも均一で
はなく局所的に異なるため、この試料を透過する光の強
度のみに依存する局所の物質特性を観察するには、ファ
イバプローブと試料表面との距離を一定にし、さらに、
光を試料のごく限られた微小範囲に照射する必要があ
る。Further, in the emission type SNOM, it is desirable that the distance between the fiber probe and the sample surface be kept constant in order to perform high-resolution observation. This can be understood from the following two points. (1) Normally, the emitted light has the property of diffusing in proportion to the distance,
In order to observe local material properties, it is preferable to minimize this light diffusion, and therefore the distance between the fiber probe and the sample surface should be kept as small as possible. (2) Moreover, since the transmittance of one sample is not always uniform and differs locally, in order to observe local material properties that depend only on the intensity of light transmitted through this sample, the fiber probe and sample surface should be used. Keep the distance constant, and
It is necessary to irradiate light on a very small area of the sample.
【００１１】しかし、ＳＮＯＭのみでは、光の強度変化
しか測定できないため、透過率の異なる試料からの透過
光に基づいてファイバプローブと試料表面との距離を一
定に保つ制御は困難であり、高分解能化することは難し
い。However, since only the intensity change of light can be measured only by SNOM, it is difficult to control the distance between the fiber probe and the sample surface to be constant based on the transmitted light from the samples having different transmittances, and the high resolution is required. It is difficult to make it.
【００１２】さらに、従来のファイバプローブでは、測
定試料に照射する光源としてレーザ光を使用している
が、ファイバを使用して光を注入すると、界面からの漏
れ光と測定したい光が混ざり、分解能が上がらない。さ
らにまた、従来のファイバプローブは一度に大量に作製
することができず、コストが高くなる。Further, in the conventional fiber probe, laser light is used as a light source for irradiating a measurement sample. However, when light is injected using a fiber, leak light from the interface and light to be measured are mixed and the resolution is increased. Does not rise. Furthermore, the conventional fiber probe cannot be manufactured in large quantities at one time, resulting in high cost.
【００１３】この発明は、上記問題を解決するために成
されたものであり、ＡＦＭ・ＳＮＯＭの同時測定を可能
とすると共に、高分解能化を達成し、かつ低コストの光
注入プローブを提供することを目的とする。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides an optical injection probe that enables simultaneous measurement of AFM and SNOM, achieves high resolution, and is low in cost. The purpose is to
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の光注入プローブは、先端の尖った探針部
と、この探針部に設けられ、探針部先端を発光させる発
光手段と、を有することを特徴としている。In order to solve the above-mentioned problems, the light injection probe of the present invention is a probe part having a sharp tip, and a light emitting device which is provided at this probe part and causes the tip of the probe part to emit light. And means.
【００１５】[0015]
【作用】ＳＮＯＭ測定に際して、ＡＦＭ測定も同時に行
えるように、ＡＦＭ測定に用いられるＡＦＭプローブの
探針部を発光するように構成する。探針部には発光手段
が設けられており、探針部先端を発光させる。この発光
を用いて、ニアフィールド顕微鏡に利用する光注入プロ
ーブを構成する。In the SNOM measurement, the probe portion of the AFM probe used for the AFM measurement is configured to emit light so that the AFM measurement can be performed at the same time. The probe portion is provided with a light emitting means, and causes the tip of the probe portion to emit light. Using this light emission, a light injection probe used in a near-field microscope is constructed.
【００１６】[0016]
【実施例】以下、本発明の光注入プローブの実施例を添
付図面を参照して説明する。最初に本発明に係る光注入
プローブの作製方法について、図２を参照して説明す
る。まず、シリコン基板（層）１００の上に酸化シリコ
ンの分離層１１２を介してシリコン層１１４を設けたも
のを用意し、このシリコン層１００の裏面と、シリコン
層１１４の表面に、酸化シリコン膜１１１を形成する
（図２（ａ））。Embodiments of the light injection probe of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. First, a method of manufacturing the light injection probe according to the present invention will be described with reference to FIG. First, a silicon substrate (layer) 100 on which a silicon layer 114 is provided via a silicon oxide separation layer 112 is prepared. The silicon oxide film 111 is formed on the back surface of the silicon layer 100 and the surface of the silicon layer 114. Are formed (FIG. 2A).
【００１７】次に、図３に示されている形状にパターニ
ングした後、シリコン層１１４を加工してレバー構造体
部１１５及び探針部１２６を形成し、これをシリコン層
１１４と絶縁する様に酸化シリコン膜１１８を形成する
と共に表面を酸化シリコン膜１１８で覆う（図２
（ｂ））。Next, after patterning into the shape shown in FIG. 3, the silicon layer 114 is processed to form a lever structure portion 115 and a probe portion 126, which are insulated from the silicon layer 114. The silicon oxide film 118 is formed and the surface is covered with the silicon oxide film 118 (see FIG. 2).
(B)).
【００１８】次に、探針部１２６の部分の酸化シリコン
膜を除去した後、電極として、例えば、透明導電膜のＩ
ＴＯ（酸化インヂウム酸化チタン）をカンチレバー表面
にＥＣＲスパッタリング（膜の表面が滑らかで安定にな
る）して電極部１２０を形成する。続いて、電極部１２
０を保護するために表面をポリイミド１１９で覆い、そ
れから、裏面の酸化シリコン膜１１１をマスクとして湿
式異方性エッチングにより分離層１１２までエッチング
し、酸化シリコン膜１２２で覆う。そして、レバー構造
体部１１５の裏面の酸化シリコン層１２２にコンタクト
ホール１３２を形成し、金属、例えば、アルミニウムを
カンチレバー裏面にスパッタリングして電極部１２１を
形成する。電極部１２１、レバー部１２４の酸化シリコ
ン層１２２の保護のため、ポリイミド１２３をそのレバ
ー部１２４と支持部を覆うように塗付する（図２
（ｃ））。Next, after removing the silicon oxide film in the portion of the probe portion 126, as an electrode, for example, I of a transparent conductive film is used.
The electrode section 120 is formed by ECR sputtering TO (indium oxide titanium oxide) on the surface of the cantilever (making the surface of the film smooth and stable). Then, the electrode part 12
The surface is covered with polyimide 119 in order to protect 0, and then the separation layer 112 is etched by wet anisotropic etching using the silicon oxide film 111 on the back surface as a mask, and then covered with the silicon oxide film 122. Then, a contact hole 132 is formed in the silicon oxide layer 122 on the back surface of the lever structure portion 115, and a metal, for example, aluminum is sputtered on the back surface of the cantilever to form the electrode portion 121. To protect the silicon oxide layer 122 of the electrode portion 121 and the lever portion 124, a polyimide 123 is applied so as to cover the lever portion 124 and the supporting portion (FIG. 2).
(C)).
【００１９】最後に、レバー部を自由にするため、フッ
酸で酸化シリコン膜１２２の一部を除去し、ポリイミド
１１９、１２３を除去して光注入プローブが完成する
（図２（ｄ））。Finally, in order to free the lever portion, a part of the silicon oxide film 122 is removed with hydrofluoric acid and the polyimides 119 and 123 are removed to complete the light injection probe (FIG. 2 (d)).
【００２０】ところで、従来、ナノメートル構造を持つ
シリコン、例えば、数〜数十ｎｍの孔を持ったスポンジ
構造を持つポーラスシリコン（多孔質シリコン）と呼ば
れる発光材料が知られている。これまで、バンドギャッ
プが小さく間接遷移型半導体であるシリコンは、発光デ
バイス材料に不向きとされてきたが、ポーラスシリコン
は、紫外線照射により室温で可視波長域のフォトルミネ
ッセンスを示し、可視発光材料として注目されている。
また、エレクトロルミネッセンス特性があることも研究
レベルでは報告されており、このような発光は、数〜数
十ｎｍのシリコンクラスター（シリコン超微粒子）にお
いても観察されている。この発光機構については、構成
原子数が少なくなることによって現れる本質的な現像
（量子サイズ効果）と、サイズが小さくなることにより
表面現像が顕著に観測される場合の２つの要因が考えら
れているが、未だ解明されない。このポーラスシリコン
の作製方法は、単結晶シリコン基板をエタノールで希釈
した５０％フッ素酸水溶液中で、低電流（１０〜１００
ｍＡ／ｃｍ2 ）で陽極化成（３〜６０分）を行うことで
得られる。By the way, conventionally, a light-emitting material called silicon having a nanometer structure, for example, porous silicon having a sponge structure having pores of several to several tens nm has been known. Until now, silicon, which has a small band gap and is an indirect transition type semiconductor, has been unsuitable as a light emitting device material, but porous silicon shows photoluminescence in the visible wavelength range at room temperature when irradiated with ultraviolet light, and thus it is noted as a visible light emitting material. Has been done.
It has also been reported at the research level that it has electroluminescence properties, and such light emission is also observed in silicon clusters (silicon ultrafine particles) of several to several tens nm. Regarding this emission mechanism, two factors are considered: essential development (quantum size effect) that appears when the number of constituent atoms decreases, and surface development that is significantly observed due to the decrease in size. However, it has not been clarified yet. This porous silicon is manufactured by using a single crystal silicon substrate diluted with ethanol in a 50% aqueous solution of fluoric acid at a low current (10 to 100).
It is obtained by performing anodization (3 to 60 minutes) at mA / cm 2 ).
【００２１】図２で示される工程に順じて作製された光
注入プローブについては、その探針部１２６の先端のみ
が発光するように尖鋭処理されており、探針部１２６の
先端はナノメートル構造を備えている。以下、図３〜図
６を参照して、本発明の光注入プローブの一実施例の構
成を説明する。図３は、光注入プローブの正面図（探針
の形成されている面）である。この図において、Ａ−
Ａ′線に沿った断面図を図４に示す。先端側に探針部を
有するレバー部１２４は、シリコン層１１４に、酸化シ
リコン膜である絶縁層１１８及び１１２を積層し、これ
らの絶縁層に、例えば、金コートによる電極部１２０，
１２１が積層された構造となっている。そして、このレ
バー部１２４は、その基端部において、上下面に絶縁層
１１２と１２２が形成されているシリコン層１００（支
持部）と一体的に構成されている。The light injection probe manufactured in accordance with the process shown in FIG. 2 is sharpened so that only the tip of the probe portion 126 emits light, and the tip of the probe portion 126 is a nanometer. It has a structure. Hereinafter, the configuration of an embodiment of the light injection probe of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a front view of the light injection probe (the surface on which the probe is formed). In this figure, A-
A sectional view taken along the line A'is shown in FIG. The lever portion 124 having a probe portion on the tip side has insulating layers 118 and 112, which are silicon oxide films, laminated on a silicon layer 114, and these insulating layers are formed on the electrode portion 120 by gold coating, for example.
121 has a laminated structure. The lever portion 124 is integrally formed at its base end portion with the silicon layer 100 (support portion) having the insulating layers 112 and 122 formed on the upper and lower surfaces thereof.
【００２２】図５は、図３のＢ−Ｂ′線に沿った断面図
である。絶縁層１１８は、シリコン層１１４、及び探針
部１２６を除くレバー構造体部１１５の全面を覆ってい
ると共に、シリコン層１１４とレバー構造体部１１５と
を絶縁するように形成されている。そして、電極部１２
０は、探針部１２６の表面を覆うように形成されてお
り、電極部１２１は、コンタクト部１３２を介してレバ
ー構造体部１１５に電気的に接続されている。FIG. 5 is a sectional view taken along the line BB 'in FIG. The insulating layer 118 covers the entire surface of the lever structure body 115 excluding the silicon layer 114 and the probe portion 126, and is formed so as to insulate the silicon layer 114 and the lever structure body 115. Then, the electrode portion 12
0 is formed so as to cover the surface of the probe part 126, and the electrode part 121 is electrically connected to the lever structure part 115 via the contact part 132.
【００２３】図６は、図３のＣ−Ｃ′線に沿った断面図
である。レバー部１２４と一体に構成され、レバー部を
保持している支持部は、上下に絶縁層１１２と１２２が
形成されたシリコン層１００を基礎としている。シリコ
ン層１００の上には、レバー部を構成する一対のシリコ
ン層１１４と、これを覆う絶縁層１１８が積層されてい
る。絶縁層１１８の上には、電極部１２０が形成されて
いる。また、電極部１２１は、レバー部１２４側から引
き続いて支持部下面まで形成されている（図４参照）。FIG. 6 is a sectional view taken along the line CC 'of FIG. The support portion that is integrally formed with the lever portion 124 and holds the lever portion is based on the silicon layer 100 on which insulating layers 112 and 122 are formed on the upper and lower sides. On the silicon layer 100, a pair of silicon layers 114 that form the lever portion and an insulating layer 118 that covers the silicon layers 114 are stacked. The electrode portion 120 is formed on the insulating layer 118. Further, the electrode portion 121 is continuously formed from the lever portion 124 side to the lower surface of the support portion (see FIG. 4).
【００２４】電極部１２１には探針部１２６に電圧を印
加するための電圧が加えられ、電極部１２０はＧＮＤ電
位に保たれている。前述したように、探針部１２６は、
ナノメートル構造になっているため、電極部１２１に電
圧を加えることにより、探針部１２６の先端は発光す
る。この場合、エレクトロルミネッセンス特性として、
加える電圧を２０Ｖ程度にすれば発光することが確認さ
れているので、電極部１２１には２０Ｖ以上の電圧が印
加される。A voltage for applying a voltage to the probe portion 126 is applied to the electrode portion 121, and the electrode portion 120 is kept at the GND potential. As described above, the probe unit 126 is
Since it has a nanometer structure, the tip of the probe part 126 emits light when a voltage is applied to the electrode part 121. In this case, as electroluminescence characteristics,
Since it has been confirmed that light is emitted when the applied voltage is set to about 20V, a voltage of 20V or more is applied to the electrode portion 121.
【００２５】探針部１２６から射出される光強度の検出
方法は、従来エミッション方式で使用されるＳＮＯＭに
おける検出方法と同様である。すなわち、探針先端から
照射された光は、測定される試料を透過し、集光レンズ
を介して３次元移動ステージの下に設置された光検出
器、例えば高感度な光検出器に取り込まれ、マイクロコ
ンピュータに光強度変化の信号として出力される。ま
た、これと同時に、ＡＦＭ測定が行われる。このＡＦＭ
測定は、従来と同様に、光てこ法もしくは光干渉法など
光学的な手法でカンチレバーの変位を検出し、この検出
した変位に基づいてファイバプローブと試料表面との距
離を一定に保つような制御により行われる。The method of detecting the light intensity emitted from the probe 126 is the same as the method of detecting in the SNOM used in the conventional emission method. That is, the light radiated from the tip of the probe passes through the sample to be measured and is taken into a photodetector installed under the three-dimensional moving stage via a condenser lens, for example, a high-sensitivity photodetector. , Is output to the microcomputer as a light intensity change signal. At the same time, AFM measurement is performed. This AFM
As in the conventional method, the measurement detects the displacement of the cantilever by an optical method such as an optical lever method or an optical interference method, and based on this detected displacement, control to keep the distance between the fiber probe and the sample surface constant. Done by.
【００２６】この様に、既存のＡＦＭ用カンチレバーに
使用できる構成で、探針先端を発光するように構成した
ため、ＡＦＭ・ＳＮＯＭの同時測定が容易に行えるよう
になり、ＡＦＭ測定でプローブと試料表面との距離を正
確に保ちつつ、探針先端の発光を利用して、ＳＮＯＭ測
定を行うことができ、高分解能化が達成できる。またレ
ーザ光を導入するための、外部光源が必要なくなり、全
体として装置の小型化が図れる。さらに、探針部の極先
端から発光するため、界面からの漏れ光がなくなり、高
分解能化が図れる。As described above, since the probe can be used for the existing AFM cantilever and the tip of the probe emits light, simultaneous measurement of AFM and SNOM can be easily performed, and the probe and the sample surface can be measured by AFM. It is possible to perform SNOM measurement by utilizing the light emission at the tip of the probe while accurately maintaining the distance between and, and it is possible to achieve high resolution. Further, an external light source for introducing the laser light is not required, and the size of the device can be reduced as a whole. Furthermore, since light is emitted from the extreme tip of the probe portion, there is no leakage light from the interface, and high resolution can be achieved.
【００２７】上記実施例において、探針部１２６を覆う
電極１２０として、透明導電膜とすることにより、金属
電極よりも透過率を上げることができ、透過光の検出が
より容易になる。In the above embodiment, the electrode 120 covering the probe portion 126 is made of a transparent conductive film, so that the transmittance can be increased more than that of the metal electrode, and the transmitted light can be detected more easily.
【００２８】以上説明した実施例では、ナノメートル構
造を持つシリコンにおけるエレクトロルミネセンス特性
を利用して探針部を発光させるように構成されている
が、もちろん、前述したように、フォトルミネセンス特
性を用いることもできる。この場合、探針部先端を発光
させるには、紫外線照射やレーザ光、例えばＡｒイオン
レーザ光を照射するように構成すれば良い。フォトルミ
ネセンス特性を用いたプローブの構成の場合、電極膜を
設ける必要がなくなるため、その作製工程が容易にな
る。In the embodiment described above, the probe portion is made to emit light by utilizing the electroluminescence characteristic of silicon having a nanometer structure. However, of course, as described above, the photoluminescence characteristic is used. Can also be used. In this case, in order to cause the tip of the probe portion to emit light, it may be configured to irradiate with ultraviolet light or laser light, for example, Ar ion laser light. In the case of a probe structure using photoluminescence characteristics, it is not necessary to provide an electrode film, and therefore the manufacturing process thereof is facilitated.
【００２９】以上述べた光注入プローブでは、その探針
部にナノメートル構造を持たせ、エレクトロルミネッセ
ンス特性、あるいはフォトルミネッセンス特性を利用す
ることにより探針部を発光させていたが、探針部が形成
されている探針保持部の裏面に発光素子を設けて探針部
を発光させるように構成しても良い。その一構成例を図
７を参照して説明する。なお、この図面では、光注入プ
ローブの探針部分のみを示しており、（ａ）は側面から
見た内部構造を示す図、（ｂ）はそれを上面から見た内
部構造を示す図である。In the light injection probe described above, the probe portion has a nanometer structure, and the probe portion is caused to emit light by utilizing the electroluminescence characteristic or the photoluminescence characteristic. A light emitting element may be provided on the back surface of the formed probe holding portion so that the probe portion emits light. An example of the configuration will be described with reference to FIG. Note that, in this drawing, only the probe portion of the light injection probe is shown, (a) is a diagram showing an internal structure as seen from a side surface, and (b) is a diagram showing an internal structure as seen from above. .
【００３０】図７に示すように、探針部３００は、シリ
コン基板である探針保持部３０８の表面に形成されてお
り、その裏面には、絶縁層３０４を介して発光素子３２
０、例えば、発光ダイオードが形成されている。この発
光ダイオードは、ｎ型シリコン基板３０７、ｎ型シリコ
ン層３０８、ｐ型シリコン層３０９の積層構造を成して
おり、ｐ型シリコン層３０９およびｎ型シリコン基板３
０７は、絶縁層３０４に形成された孔を介して、それぞ
れｐ電極３１０およびｎ電極３１２に接続されている。
そして、探針部３００の探針先端を除いたほぼ全面と、
探針保持部３０８の全面に亘って、アルミ、金等の反射
膜３０２を被着している。As shown in FIG. 7, the probe portion 300 is formed on the front surface of the probe holding portion 308 which is a silicon substrate, and the light emitting element 32 is formed on the back surface thereof via the insulating layer 304.
0, for example, a light emitting diode is formed. This light emitting diode has a laminated structure of an n-type silicon substrate 307, an n-type silicon layer 308, and a p-type silicon layer 309. The p-type silicon layer 309 and the n-type silicon substrate 3
07 is connected to the p-electrode 310 and the n-electrode 312 through the holes formed in the insulating layer 304, respectively.
And, almost the entire surface of the probe part 300 excluding the probe tip,
A reflective film 302 made of aluminum, gold, or the like is deposited over the entire surface of the probe holding portion 308.
【００３１】そして、ｐ電極３１０およびｎ電極３１２
の間で順方向に電圧を加えれば、発光素子である発光ダ
イオード３２０は発光する。この発光ダイオード３２０
からの光は、反射膜３０２で反射された後、探針部３０
０の先端から出て試料に照射される。試料の測定方法
は、前述のエミッションモードＳＮＯＭの測定方法と同
様である。この様に、探針部に発光素子を形成しても、
前記実施例と同様な効果が得られる。Then, the p-electrode 310 and the n-electrode 312
If a voltage is applied in the forward direction between them, the light emitting diode 320, which is a light emitting element, emits light. This light emitting diode 320
After being reflected by the reflective film 302, the light from the
The sample is irradiated from the tip of 0. The measuring method of the sample is the same as the measuring method of the emission mode SNOM described above. In this way, even if a light emitting element is formed on the probe,
The same effects as in the above embodiment can be obtained.
【００３２】次に、図８乃至図１１を参照して、更に別
の実施例の光注入プローブの構成について説明する。な
お、この実施例において、前記実施例と同様な構成部分
については、同様な参照符号が付してある。また、この
実施例における光注入プローブについても、図２に示し
たプロセスに順じて作製される。Next, with reference to FIGS. 8 to 11, the structure of the light injection probe of still another embodiment will be described. In this embodiment, the same components as those in the previous embodiment are designated by the same reference numerals. The light injection probe in this embodiment is also manufactured according to the process shown in FIG.
【００３３】図８は、光注入プローブの正面図（探針の
形成されている面）である。この図において、Ａ−Ａ′
線に沿った断面図を図９に示す。先端側に探針部を有す
るレバー部１２４は、絶縁層１１９を介在したシリコン
層１１４の上面に、酸化シリコン膜である絶縁層１１８
及び金コート等による電極部１２０が積層されると共
に、その裏面に、ピエゾ抵抗層２１６及び絶縁層１１２
が積層された構造となっている。そして、このレバー部
１２４は、その基端部において、上下面に絶縁層１１２
と１２２が形成されているシリコン層１００（支持部）
と一体的に構成されている。FIG. 8 is a front view of the light injection probe (the surface on which the probe is formed). In this figure, A-A '
A cross-sectional view along the line is shown in FIG. The lever portion 124 having the probe portion on the tip side has an insulating layer 118, which is a silicon oxide film, on the upper surface of the silicon layer 114 with the insulating layer 119 interposed.
And the electrode portion 120 made of gold coating or the like is laminated, and the piezoresistive layer 216 and the insulating layer 112 are provided on the back surface thereof.
Has a laminated structure. The lever portion 124 has an insulating layer 112 on the upper and lower surfaces at the base end portion thereof.
Silicon layer 100 (supporting portion) on which the electrodes 122 and 122 are formed
It is configured integrally with.
【００３４】図１０は、図８のＢ−Ｂ′線に沿った断面
図である。絶縁層１１８は、シリコン層１１４、及び探
針部１２６を除くレバー構造体部１１５の全面を覆って
いると共に、絶縁層１１９は、シリコン層１１４とレバ
ー構造体部１１５とを絶縁するように設けられている。
また、電極部１２０は、探針部１２６の表面を覆うよう
に形成されおり、電極部１２１は、コンタクト部１３２
を介してレバー構造体部１１５に電気的に接続されてい
る。そして、ピエゾ抵抗層２１６は、下のシリコン層１
１４と絶縁層１１２との間に形成されている。FIG. 10 is a sectional view taken along the line BB 'in FIG. The insulating layer 118 covers the entire surface of the lever structure 115 except the silicon layer 114 and the probe portion 126, and the insulating layer 119 is provided so as to insulate the silicon layer 114 and the lever structure 115. Has been.
The electrode section 120 is formed so as to cover the surface of the probe section 126, and the electrode section 121 is formed in the contact section 132.
Is electrically connected to the lever structure portion 115 via. Then, the piezoresistive layer 216 is the lower silicon layer 1
It is formed between 14 and the insulating layer 112.
【００３５】図１０は、図８のＣ−Ｃ′線に沿った断面
図である。レバー部１２４と一体に構成され、レバー部
を保持している支持部は、上下に絶縁層１１２と１２２
が形成されたシリコン層１００を基礎としている。シリ
コン層１００の上には、レバー部を構成する、絶縁層１
１９を介在した一対のシリコン層１１４と、これを覆う
絶縁層１１８が積層されている。それぞれの絶縁層１１
８の上には、電極部１２１、１２０が形成されている。
また、ピエゾ抵抗層２１６は、レバー部１２４から引き
続いて支持部下面まで形成されており（図９参照）、絶
縁層１２２に形成されたコンタクト部２４１、２４０を
介して電極部２３３、２３４に電気的に接続されてい
る。FIG. 10 is a sectional view taken along the line CC 'of FIG. The support portion, which is configured integrally with the lever portion 124 and holds the lever portion, has insulating layers 112 and 122 which are vertically arranged.
Is based on the silicon layer 100 on which is formed. On the silicon layer 100, the insulating layer 1 that constitutes the lever portion is formed.
A pair of silicon layers 114 interposing 19 and an insulating layer 118 that covers the silicon layers 114 are stacked. Each insulating layer 11
Electrode portions 121 and 120 are formed on the surface 8.
Further, the piezoresistive layer 216 is formed continuously from the lever portion 124 to the lower surface of the support portion (see FIG. 9), and is electrically connected to the electrode portions 233 and 234 via the contact portions 241 and 240 formed on the insulating layer 122. Connected to each other.
【００３６】電極部１２１には探針部１２６に電圧を印
加するための電圧が加えられ、電極部１２０はＧＮＤ電
位に保たれている。前述したように、探針部１２６は、
ナノメートル構造になっているため、電極部１２１に電
圧を加えることにより、探針部１２６の先端は発光す
る。この場合、エレクトロルミネッセンス特性として、
加える電圧を２０Ｖ程度にすれば発光することが確認さ
れているので、電極部１２１には２０Ｖ以上の電圧が印
加される。A voltage for applying a voltage to the probe portion 126 is applied to the electrode portion 121, and the electrode portion 120 is kept at the GND potential. As described above, the probe unit 126 is
Since it has a nanometer structure, the tip of the probe part 126 emits light when a voltage is applied to the electrode part 121. In this case, as electroluminescence characteristics,
Since it has been confirmed that light is emitted when the applied voltage is set to about 20V, a voltage of 20V or more is applied to the electrode portion 121.
【００３７】探針部１２６から射出される光強度の検出
方法は、前述のエミッションモードＳＮＯＭにおける検
出方法と同様である。また、ＡＦＭ測定については、電
極部２４１と２４０との間に、所定の電位差、例えば、
ＧＮＤ電位にある電極部２４０に対して電極部２４１に
＋数Ｖが与えられ、これにより、ＡＦＭ信号、即ち、レ
バー部１２４のＺ方向の反り量（変位量）を検出するこ
とができるようになっている。その反り量は、電流計に
よりピエゾ抵抗層２１６に流れる電流の変化として検知
される。The method of detecting the light intensity emitted from the probe portion 126 is the same as the method of detecting in the emission mode SNOM described above. Further, regarding the AFM measurement, a predetermined potential difference between the electrode portions 241 and 240, for example,
The + number V is applied to the electrode portion 241 with respect to the electrode portion 240 at the GND potential, so that the AFM signal, that is, the warp amount (displacement amount) of the lever portion 124 in the Z direction can be detected. Has become. The amount of warpage is detected by the ammeter as a change in the current flowing through the piezoresistive layer 216.
【００３８】この様に、本実施例によれば、前述した実
施例と同様な効果が得られると共にカンチレバー自体に
変位を測定できる変位測定センサを一体的に形成したた
め、カンチレバーの変位測定機構の構成が簡単となり、
さらに装置の小型化を図ることができる。また、上記構
成において、レバー部１２４上の電極部をＥ字型に構成
することで、試料表面の摩擦を検出信号とするＬＦＭ
（Lateral Force Micro--scope）によるねじれ検出も可
能となり、ＡＦＭ・ＬＦＭ・ＳＮＯＭの同時測定を行う
ことも可能となる。As described above, according to this embodiment, the same effect as that of the above-described embodiment is obtained, and the displacement measuring sensor capable of measuring the displacement is integrally formed on the cantilever itself. Becomes easier,
Further, the size of the device can be reduced. Further, in the above configuration, the electrode portion on the lever portion 124 is formed in an E shape so that the friction on the sample surface is used as a detection signal.
(Lateral Force Micro-scope) can be used for twist detection, and simultaneous measurement of AFM / LFM / SNOM is possible.
【００３９】もちろん、この実施例においても、前述し
た実施例同様、フォトルミネセンス特性を用いることも
できる。この場合、紫外線照射やレーザ光、例えばＡｒ
イオンレーザ光を照射するように構成すれば、探針部先
端は発光する。また、図７に示すように、探針部の発光
手段として、探針部が形成されている探針保持部の裏面
に発光素子を設けて探針部を発光させるように構成して
も良い。Of course, also in this embodiment, the photoluminescence characteristics can be used as in the above-mentioned embodiments. In this case, ultraviolet irradiation or laser light such as Ar
If configured to irradiate with ion laser light, the tip of the probe portion emits light. Further, as shown in FIG. 7, as the light emitting means of the probe portion, a light emitting element may be provided on the back surface of the probe holding portion in which the probe portion is formed so that the probe portion emits light. .
【００４０】[0040]
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、探針部
に発光手段を設けることにより、ＡＦＭ・ＳＮＯＭの同
時測定が容易に行えるようになり、試料物性観察の高分
解能化が達成される。また、本発明の光注入プローブ
は、バッチプロセスで作製できるため、一度に大量に作
製でき、コストが安価になる。さらに、探針部の極先端
から発光するため界面からの漏れ光がなくなり、分解能
も高くすることが可能となる。As described above, according to the present invention, by providing the probe with the light emitting means, simultaneous measurement of AFM and SNOM can be easily performed, and high resolution of observation of physical properties of the sample can be achieved. It Further, since the light injection probe of the present invention can be manufactured by a batch process, a large amount can be manufactured at one time, and the cost is low. Furthermore, since light is emitted from the extreme tip of the probe portion, there is no leakage of light from the interface, and resolution can be increased.
【図１】従来のＳＮＯＭ測定装置を説明するための図。FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional SNOM measuring device.
【図２】（ａ）〜（ｄ）を含み、本発明の光注入プロー
ブの作製法を順に説明するための図。2A to 2D are diagrams for explaining the method for manufacturing the light injection probe of the present invention in order, including FIGS.
【図３】本発明の第１の実施例を示す光注入プローブの
正面図。FIG. 3 is a front view of the light injection probe showing the first embodiment of the present invention.
【図４】図３に示す光注入プローブにおいて、Ａ−Ａ′
線に沿った断面図。4 is a cross sectional view of the light injection probe shown in FIG.
Sectional drawing along the line.
【図５】図３に示す光注入プローブにおいて、Ｂ−Ｂ′
線に沿った断面図。5 is a sectional view of the light injection probe shown in FIG.
Sectional drawing along the line.
【図６】図３に示す光注入プローブにおいて、Ｃ−Ｃ′
線に沿った断面図。6 is a cross-sectional view of the light injection probe shown in FIG.
Sectional drawing along the line.
【図７】光注入プローブにおいて、探針部分を発光させ
る別の変形例を示す図。FIG. 7 is a view showing another modified example in which the probe portion of the light injection probe is caused to emit light.
【図８】本発明の第２の実施例を示す光注入プローブの
正面図。FIG. 8 is a front view of a light injection probe showing a second embodiment of the present invention.
【図９】図８に示す光注入プローブにおいて、Ａ−Ａ′
線に沿った断面図。9 is a cross sectional view of the light injection probe shown in FIG.
Sectional drawing along the line.
【図１０】図８に示す光注入プローブにおいて、Ｂ−
Ｂ′線に沿った断面図。FIG. 10 is a cross sectional view of the light injection probe shown in FIG.
Sectional drawing which followed the B'line.
【図１１】図８に示す光注入プローブにおいて、Ｃ−
Ｃ′線に沿った断面図。FIG. 11 is a cross sectional view of the optical injection probe shown in FIG.
Sectional drawing which followed the C'line.
１２０，１２１…電極部、１２４…レバー部、１２６，
３００…探針部、３２０…発光ダイオード。120, 121 ... Electrode part, 124 ... Lever part, 126,
300 ... Probe part, 320 ... Light emitting diode.
Claims (4)
けられ、探針部先端を発光させる発光手段と、を有す
る、ニアフィールド顕微鏡に用いられる光注入プロー
ブ。1. A light injection probe for use in a near-field microscope, which has a probe portion having a sharp tip and a light emitting means which is provided in the probe portion and emits light from the tip of the probe portion.
メートル構造としたものであり、前記シリコンナノメー
トル構造とした探針部に電圧を与えるように前記探針部
に２つの導電膜を形成したことを特徴とする、請求項１
に記載の光注入プローブ。2. The light emitting means has a probe part having a silicon nanometer structure, and two conductive films are provided to the probe part so as to apply a voltage to the probe part having the silicon nanometer structure. It is formed, The claim 1 characterized by the above-mentioned.
The optical injection probe described in 1.
ことを特徴とする、請求項２に記載の光注入プローブ。3. The light injection probe according to claim 2, wherein the conductive film is made of a transparent member.
ており、前記探針部を、その先端部を除いて反射膜で覆
ったことを特徴とする、請求項１に記載の光注入プロー
ブ。4. The light injection probe according to claim 1, wherein the light emitting means has a light emitting diode, and the probe portion is covered with a reflective film except for a tip portion thereof. .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6157421A JPH0821843A (en) | 1994-07-08 | 1994-07-08 | Light injection probe |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6157421A JPH0821843A (en) | 1994-07-08 | 1994-07-08 | Light injection probe |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0821843A true JPH0821843A (en) | 1996-01-23 |
Family
ID=15649271
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6157421A Withdrawn JPH0821843A (en) | 1994-07-08 | 1994-07-08 | Light injection probe |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0821843A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08304423A (en) * | 1995-05-12 | 1996-11-22 | Olympus Optical Co Ltd | Integrated spm sensor |
| JP2022033488A (en) * | 2020-08-17 | 2022-03-02 | 学校法人慶應義塾 | Infrared measuring device |
-
1994
- 1994-07-08 JP JP6157421A patent/JPH0821843A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08304423A (en) * | 1995-05-12 | 1996-11-22 | Olympus Optical Co Ltd | Integrated spm sensor |
| JP2022033488A (en) * | 2020-08-17 | 2022-03-02 | 学校法人慶應義塾 | Infrared measuring device |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20011002 |