JPH0894650A - 近接場走査型顕微鏡の光プローブ保持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】近接場走査型顕微鏡の光プローブを確実に保持
するとともに、容易に交換することのできるプローブ保
持装置を提供する。 【構成】プローブ５を挿入する空隙部を備えたプローブ
保持部材１２と、プローブ保持部材１２を締め付ける締
め付け部材１３とを有する。プローブ保持部材１２の空
隙部のプローブと接触する部分は、弾性材料で構成され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、近接場走査型顕微鏡の
光プローブ保持機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】試料に光を入射すると、試料の構造によ
り光が散乱される。散乱光のうち光の波長よりも細かい
構造によって散乱された光は、空間を伝搬することがで
きず、試料近傍に局在する。この光はエバネッセント光
とよばれ、試料から離れるに従って減衰する。近接場走
査型顕微鏡（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下ＮＦＭと称す、）は、試料
によって散乱された光のうちエバネッセント光を検出す
ることにより、試料の明暗像を得る。

【０００３】ＮＦＭにおいて、試料に光を照射し、エバ
ネッセント光を検出する方法は、先端部が光の波長より
も細い開口になっている光プローブを試料面に対して垂
直に保持し、これに光を入射させ、光プローブの先端に
局在するエバネッセント光を試料に照射し、試料によっ
て散乱されたエバネッセント光を検出する方法が用いら
れる。

【０００４】したがって、破損しやすい光プローブを、
破損させることなく保持し、しかも取付け、取外しが容
易な保持機構を備えていることが肝要である。しかしな
がら、ＮＦＭは最近になって開発され始めたばかりであ
るため、従来技術はほとんどない。

【０００５】一方、従来より、導電性の針状プローブを
用いる走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕ
ｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下ＳＴＭと
称す）が知られている。特開平５−４０００６号公報で
は、プローブを締め付けることによって、プローブを容
易に取り付けることができ、プローブの先端を一定位置
に再現することができるプローブ保持機構を持つＳＴＭ
が開示されている。また、特開平５−１８０６１６号公
報では、プローブに切欠きを設け、切欠き治具を掛ける
ことによって、ＳＴＭプローブを、容易にかつ確実に固
定し、交換も容易に行うことができる保持機構を備えた
ＳＴＭが開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＮＦＭのプローブは、
長さ約５０ｍｍ、外径約１ｍｍ、内径約０．５ｍｍ、先
端の開口径１００ｎｍと微細である上、ガラス製である
ために、非常に破損しやすい。また、交換する者の手を
傷つけるおそれがある。また、ＮＦＭは、プローブ内に
光を入射させるため、保持機構が光の入射を妨げない構
造である必要がある。そのため、従来のＳＴＭプローブ
の保持機構を用いることはできない。

【０００７】本発明は、ＮＦＭの光プローブを確実に保
持するとともに、容易に交換することのできるプローブ
保持装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、光プローブを挿入する空隙部を備えた
プローブ保持部材と、プローブ保持部材を締め付ける締
め付け部材とを有するプローブ保持装置を提供する。こ
のときプローブ保持部材の光プローブと接触する部分
を、弾性材料で構成する。

【０００９】

【作用】本発明において光プローブは、プローブ保持部
材の空隙部に挿入される。締め付け部材が、プローブ保
持部材を締め付けることにより、プローブ保持部材の弾
性部材で形成されている部分が光プローブに押しつけら
れ、光プローブはプローブ保持部材に保持される。光プ
ローブを、弾性部材によって締め付けるため、光プロー
ブの破損を防止することができる。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例について図面を用いて説明
する。

【００１１】本実施例のＮＦＭの全体の構成を図７を用
いて説明する。図７のように、本実施例のＮＦＭのベー
ス１１１上には、ステージ１０５が固定され、ステージ
１０５の上には、プローブ保持ユニット１０４が取外し
可能に搭載されている。アーム１１０の上部には、光源
１０１と、反射鏡１０２と集光レンズ１０３が光軸１１
２上に順に配置され、照明光学系を構成している。

【００１２】プローブ保持ユニット１０４は、光プロー
ブ５が光軸１１２上に位置するように搭載されている。

【００１３】また、ベース１１１には、反射鏡１０６
と、検出装置１０９が、光軸１１３上に配置されてい
る。反射鏡１０６は、光軸１１３上に着脱可能に配置さ
れている。ステージ１０５上には、別の検出装置１２１
が配置されている。これらは、検出光学系を構成してい
る。

【００１４】また、ベース１１１には、光源２０１、ハ
ーフミラー２０３、対物レンズ２０５、反射鏡２０４、
１０７、観察装置１０８が、光軸２０２上に配置されて
いる。これらは、プローブ保持ユニット１０４に搭載さ
れた試料３を、下面側から観察する光学倒立顕微鏡光学
系を構成している。

【００１５】プローブ保持ユニット１０４の構成につい
て図１、図２、図３を用いてさらに説明する。

【００１６】図３のように、プローブ保持ユニット１０
４は、ベース３１と、ベース３１に固定された３本の支
柱３２と、３本の支柱３２の上に３本の脚部３３で立脚
する架台４を備えている。架台４の中央部には、光を通
過させるための、貫通孔７１があけられている。脚部３
３のうち１本は、図２のように、送りねじ９によって、
架台４に取り付けられており、架台４に搭載された接近
機構８が送りねじ９を回転させることにより、脚の長さ
が調節できる。これにより、架台４の水平を保つことが
できる。他の２本の脚部３３は、架台４に固定されてい
る。

【００１７】ベース３１の上には、試料台７３が配置さ
れ、試料３が搭載される。

【００１８】架台４には、保持ベース３４が固定されて
いる。保持ベース３４には、ピニオン３５と、これを回
転させる回転つまみ３６が回転可能に取り付けられてい
る。また、ラック３７の形成された上下機構７が、ラッ
ク３７とピニオン３５とを噛み合わせることにより、保
持ベース３４に上下動可能に取り付けられている。上下
機構７は、架台４の主平面と平行な方向にアリ溝３８を
備えている。このアリ溝３８には、アリ部材１０が係合
している。アリ部材１０の中心部には、図３（ｂ）のよ
うに、貫通孔４１が設けてあり、貫通孔４１には、圧電
材料で構成したチューブと電極とからなるチューブスキ
ャナー４２が取り付けられている。

【００１９】チューブスキャナー４２の内側には、図４
（ａ）に示すように、内壁に板バネ１４が取り付けられ
た固定円筒部材１３が取り付けられている。また、光プ
ローブ５は、図４（ｂ）に示すように、円筒弾性部材１
２に押圧挿入されている。円筒弾性部材１２の外側に
は、円筒弾性部材１２を保持する円筒保持部材１１が接
着されている。光プローブ５は、チューブスキャナー４
２内に挿入される。このとき、円筒弾性部材１２が板バ
ネ１４により締め付けられ、プローブ５が図３（ｂ）の
様に、チューブスキャナー４２内に保持される。本実施
例では、円筒弾性部材１２を非金属のデルリン、テフロ
ン等により形成している。光プローブ５は、図１に示す
ように、長さ５５ｍｍ、外径１ｍｍ、内径０．５ｍｍ、
先端の開口径１００ｎｍである。

【００２０】また、アリ部材１０には、図４（ａ）、図
５のように、プローブ５を中心に、保持板１５、１６が
取り付けられている。保持板１５には、プローブ５の位
置に、Ｖ字型の凹部が設けられている。保持板１５は、
アリ部材１０にねじ１７で固定されている。また、保持
板１６は、ピン１８によりアリ部材１０に回転可能に固
定されている。保持板１６とアリ部材１０の間には、板
バネ１９が配置されている。したがって、保持板１６
を、板バネ１９を押し縮める方向に回転させて、保持板
１５と保持板１６の間に図５のようにプローブ５の入射
口を挾むことにより、プローブの入射口７５を保持する
ことができる。

【００２１】つぎに、図７の本実施例のＮＦＭの動作に
ついて説明する。

【００２２】光源１０１から出射した光は、反射鏡１０
２で偏向された後、集光レンズ１０３で集光され、図３
（ａ）のように、架台４の中央部の貫通孔７１を通過
し、プローブ５の入射口に入射する。プローブ５の先端
の開口径は、光源１０１から出射された光の波長よりも
小さいため、プローブ５の先端付近には、エバネッセン
ト光が局在する。配線７４より印加される駆動電圧によ
って、チューブスキャナ４２は、プローブ５を試料３に
近接させるとともに、プローブ５の先端が試料３の上を
走査するように、プローブ５を動かす。

【００２３】プローブ５による走査を開始する前に、あ
らかじめ、試料３とプローブ５の先端との位置合わせを
行っておく。この位置合わせは、光学倒立顕微鏡光学系
を用いて行う。

【００２４】光学倒立顕微鏡光学系の光路について説明
する。光学倒立顕微鏡光学系によって試料の観察を行う
場合には、反射鏡１０６を光軸１１３から外しておく。
光源２０１から出射された光は、ハーフミラー２０３に
よって偏向された後、対物レンズ２０５で集光され、試
料３の下面に照射される。試料３によって反射された光
は、再び対物レンズ２０５を通過し、さらに、ハーフミ
ラー２０３を通過し、反射鏡２０４および１０７で偏向
されて、観察装置１０８に入射する。観察者は、観察装
置１０８を観察することによって、試料３を観察するこ
とができる。試料３が透明である時や、試料３がプロー
ブ５の外形よりも小さい場合には、試料３とプローブ５
とを同時に観察できるので、この像によって試料３とプ
ローブ５とを位置合わせしておく。

【００２５】プローブ５の先端のエバネッセント光のう
ち、試料３を透過した光は、対物レンズ２０５、ハーフ
ミラー２０３を通過し、反射鏡１０６で偏向され、検出
装置１０９に入射し、ディテクトされる。これによっ
て、試料３のエバネッセント光の明暗像が得られる。ま
た、試料３によって反射されたエバネッセント光は、検
出装置１２１によってディテクトされ、試料３のエバネ
ッセント光の明暗像が得られる。

【００２６】プローブ５を他のプローブに交換する際に
は、図４（ｂ）のように、固定円筒部材１３から、円筒
弾性部材１２および円筒保持部材１１ごとプローブ５を
取外し、さらに、プローブ５から円筒弾性部材１２およ
び円筒保持部材１１を取り外す。つぎに、図４（ｃ）の
ように、新たなプローブ５の入射口７５側から、矢印の
方向に円筒弾性部材１２および円筒保持部材１１を押圧
挿入する。そして図４（ｂ）のように、プローブ５の先
端から約５ｍｍまで円筒部材１２および円筒保持部材１
１を押圧移動し、プローブ５を保持する。そして、再
び、円筒弾性部材１２を固定円筒部材１３に挿入する。
この時、保持板１６を押し広げて、プローブ５の入射口
７５側の端部を保持板１５と保持板１６との間に挾んで
保持する。

【００２７】このように、本実施例では、プローブ５を
円筒弾性部材１２と、これを締め付ける固定円筒部材１
３とよって、保持するため、プローブ５を破損すること
なくプローブ５を保持することができ、交換も容易であ
る。また、プローブ５の入射口７５側の端部を保持板１
５、１６で保持するため、入射口７５がぐらつくことが
なく、光を効率よく入射させることができる。

【００２８】また、本実施例のＮＦＭは、光学倒立顕微
鏡光学系を備えているため、観察装置１０８により試料
の観察を行うことができるとともに、および試料とプロ
ーブ５との位置合わせを行うことができる。また、一般
的な光学倒立顕微鏡のステージ上に、プローブ保持ユニ
ット１０４を取り付けることにより、本実施例のＮＦＭ
を構成することができるので、ＮＦＭのコストを低減す
ることができる。

【００２９】つぎに本発明の別の実施例のプローブ保持
装置について、図６を用いて説明する。

【００３０】チューブスキャナー４２の内側には、固定
円筒９１を介して、弾性材料で構成された筒状のプロー
ブ保持部材２０が固定されている。プローブ保持部材２
０は、先端より２つに割る割りが形成されている。ま
た、プローブ保持部材２０の外形の一部にはテーパ部９
２が設けられている。また、プローブ保持部材２０の外
側には、締め付け部材９３が配置されている。締め付け
部材９３には、探針保持部材２０のテーパ部９２と接す
る部分に、テーパ部９２と同じ角度のテーパが形成され
ている。また、固定円筒９１と、締め付け部材の間に
は、圧縮コイルバネ９４が配置されている。圧縮コイル
バネ９４は、その反発力で、締め付け部材９３のテーパ
部を、プローブ保持部材２０のテーパ部９２に押しつけ
る。テーパ部は、圧縮コイルバネ９４の反発力を、プロ
ーブ保持部材２０の割りを押し縮めてプローブ５を保持
する方向の力に変える。これによって、プローブ５が保
持される。プローブ５を交換する場合には、締め付け部
材９３をバネ９４を押し縮める方向に押し上げ、割りを
開かせて、プローブ５を交換する。他の部分の構成は、
第１の実施例と同様であるので説明を省略する。

【００３１】図６に実施例のプローブ保持装置の場合
も、プローブに接触する保持部材２０は、弾性部材によ
って形成されているため、プローブを破損することな
く、確実にプローブを保持するとともに、交換を安全に
容易に行うことができる。

【００３２】

【発明の効果】以上に述べてきたように、本発明によれ
ば、ＮＦＭの光プローブを確実に保持するとともに、容
易に交換することのできるプローブ保持装置が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例で用いた光プローブ５の
断面図。

【図２】第１の実施例のプローブ保持ユニットの上面
図。

【図３】（ａ）図２のプローブ保持ユニットのＡ−Ａ’
断面図。（ｂ）、（ａ）図の部分断面図。

【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）図２のプローブ保持ユ
ニットの部分断面図。

【図５】図２のプローブ保持ユニットの説明図。

【図６】第２の実施例のプローブ保持装置の断面図。

【図７】第１の実施例のＮＦＭのブロック図。

【符号の説明】 ５…プローブ、１１…円筒保持部材、１２…円筒弾性部
材、１３…固定円筒部材、１０１…光源、１０３…集光
レンズ、１０４…プローブ保持ユニット、１０８…観察
装置、１０９、１２１…検出装置。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を搭載する試料台と、光源と、光プロ
   ーブと、光プローブを前記試料に近接させて保持する保
   持装置と、前記試料で散乱された光を検出する検出光学
   系と、前記試料を前記光プローブに対して相対的に走査
   させる走査手段とを有し、 前記光プローブは、前記光源からの光を入射させるため
   の入射口、および、前記光源の光の波長よりも小さい出
   射口を備え、 前記保持装置は、前記光プローブを挿入する空隙部を備
   えたプローブ保持部材と、前記光プローブ保持部材を締
   め付ける締め付け部材とを有し、 前記光プローブ保持部材のうち、少なくとも前記光プロ
   ーブと接触する部分は、弾性材料で構成されていること
   を特徴とする近接場走査型顕微鏡。
2. 【請求項２】試料台と、プローブ保持装置と、前記光プ
   ローブ保持装置を前記試料台上に立脚させる支持部とを
   有し、 前記光プローブ保持装置は、プローブを挿入する空隙部
   を備えたプローブ保持部材と、前記光プローブ保持部材
   を締め付ける締め付け部材とを有し、 前記光プローブ保持部材のうち、少なくとも前記光プロ
   ーブと接触する部分は、弾性材料で構成されていること
   を特徴とする近接場走査型顕微鏡のプローブ保持ユニッ
   ト。
3. 【請求項３】請求項２において、前記支持部は、前記光
   プローブの入射口に光を導くための窓が設けられた架台
   と、前記架台を支持する脚部とを有し、 前記光プローブ保持装置は、前記架台に支持されている
   ことを特徴とするプローブ保持ユニット。
4. 【請求項４】光を入射させるための入射口、および、光
   の波長よりも小さい出射口を備えた近接場走査型顕微鏡
   用光プローブの保持装置であって、 前記光プローブを挿入する空隙部を備えたプローブ保持
   部材と、前記光プローブ保持部材を締め付ける締め付け
   部材とを有し、 前記光プローブ保持部材のうち、少なくとも前記光プロ
   ーブと接触する部分は、弾性材料で構成されていること
   を特徴とする近接場走査型顕微鏡用光プローブの保持装
   置。
5. 【請求項５】請求項４において、前記締め付け部材は、
   バネ圧で前記探針保持部を締め付けるバネ部材を有し、
   前記探針保持部材と締め付け部材の接触面は、前記光プ
   ローブの軸方向に向いたバネ圧による力を軸方向と垂直
   方向に分力する傾斜面を有することを特徴とする近接場
   走査型顕微鏡用光プローブの保持装置。
6. 【請求項６】請求項４において、前記光プローブに入射
   口を支持する入射口支持部材をさらに有し、前記入射口
   支持部材は、前記入射口に入射する光を通過させるため
   の窓部を備えていることを特徴とする近接場走査型顕微
   鏡用光プローブの保持装置。