JPH0821843A

JPH0821843A - 光注入プローブ

Info

Publication number: JPH0821843A
Application number: JP6157421A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Kamiya; 宜孝神谷
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1994-07-08
Publication date: 1996-01-23

Abstract

(57)【要約】【目的】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。【構成】ニアフィールド顕微鏡に用いられる光注入プロ
ーブは、先端の尖った探針部１２６において、探針部先
端を発光させるように、探針部１２６をシリコンナノメ
ートル構造とし、探針部１２６に電圧を与えるように探
針部に２つの電極部１２０，１２１を形成したことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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））。

【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））。

【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））。

【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））。

【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。

【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。

【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。

【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）。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＳＮＯＭ測定装置を説明するための図。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

１２０，１２１…電極部、１２４…レバー部、１２６，
３００…探針部、３２０…発光ダイオード。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、ニアフィールド顕微鏡に用いられる光注入プロー
ブ。
【請求項２】前記発光手段は、探針部をシリコンナノ
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。
【請求項３】前記導電膜が透明部材で構成されている
ことを特徴とする、請求項２に記載の光注入プローブ。
【請求項４】前記発光手段は、発光ダイオードを有し
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。