JPH09178762A - 走査型近接場光顕微鏡を用いた試料測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料の表面凹凸情報と共に試料表面近傍から離
間するに従って変化するエバネッセント場の所望の強度
分布状態を短時間且つ簡単に測定することが可能な走査
型近接場光顕微鏡を用いた試料測定方法を提供する。 【解決手段】探針１６ｃの先端と試料２の表面とを相対
的に接離させている間、探針によって散乱したエバネッ
セント場を構成する複数の強度分布層Ｄ１，Ｄ２，Ｄ
３，Ｄ４，Ｄ５から発生する伝搬光を光学的に順次検出
することによって、試料の内部構造に対応した光学情報
を取り込む。更に、探針の先端が試料の表面に接触した
際に、圧電体スキャナへの印加電圧値に基づいて検出し
た試料の表面凹凸情報を取り込む。そして、取り込まれ
た光学情報及び表面凹凸情報に所定の演算処理を施すこ
とによって、試料の表面凹凸情報と同時に所望の強度分
布状態に対応したエバネッセント場の光学情報を選択的
に抽出して表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料の表面近傍に
局在するエバネッセント場の光学情報を検出しながら同
時に試料の表面凹凸情報を測定する走査型近接場光顕微
鏡を用いた試料測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】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。これに対して１９８０年代後半
以降、エバネッセント場の特性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お
り、この種の光学顕微鏡は、走査型近接場光顕微鏡（Sc
anning Near-Field Optical Microscope；ＳＮＯＭ）と
呼ばれている。

【０００３】このＳＮＯＭは、“波長より小さい寸法
（深さ）の領域に局在し、自由空間を伝搬しない”とい
うエバネッセント場の特性を利用した光顕微鏡であっ
て、回折限界によってその分解能が制限される一般的な
光学顕微鏡に比べて高い分解能を有している。

【０００４】実際のＳＮＯＭ測定方法としては、例え
ば、試料裏面に照明光を照射した際に試料表面近傍に局
在するエバネッセント場の強度分布をプローブを介して
光学的に検出することによって試料の光学情報を測定す
る方法や、或るいは、微小開口のプローブ先端部分にエ
バネッセント場を局在させた状態でプローブを試料表面
に対して走査させた際に、伝搬光となって試料間を伝っ
て反射側へ透過する光や試料表面から散乱する光等を取
り込んで試料の光学情報を測定する方法等が知られてい
る。

【０００５】また近年、ファンフルスト (N.F.van Huls
t)等は、上記ＳＮＯＭ技術を用いることによって、試料
の表面凹凸情報をＡＦＭ測定しながら同時に試料内部の
光学情報をＳＮＯＭ測定することが可能なＳＮＯＭ装置
を提案している（Appl.Phys.Lett.62(5)P.461(1993) 、
特開平７−１９８７３２号公報参照）。

【０００６】このＳＮＯＭ装置は、プローブとして先端
に探針が形成された窒化シリコン製ＡＦＭ用カンチレバ
ーを備えており、探針に働く相互作用によって変位する
カンチレバーの変位量を検出して試料の表面凹凸情報を
ＡＦＭ測定すると同時に、ＡＦＭ測定時に出力されるＡ
ＦＭ信号を用いて、探針先端と試料表面との間の距離を
一定に維持しながら試料内部の光学情報をＳＮＯＭ測定
するように構成されている。なお、この装置に適用され
ているＡＦＭは、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一
種として位置付けられており、その詳細は、特開昭６２
−１３０３０２号公報に開示されている。

【０００７】このようなＳＮＯＭ装置によれば、ＡＦＭ
信号に基づいて、探針先端と試料表面との間の距離を一
定に維持しながらＳＮＯＭ測定を行うことによって、試
料の表面凹凸状態（ＡＦＭ信号）に影響されることな
く、試料の内部構造のみに起因した光学情報（即ち、Ｓ
ＮＯＭ信号）が検出されることが期待されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、エバネッセ
ント場は、その強度分布が試料表面近傍から離間するに
従って変化していることが知られている。しかしなが
ら、従来のＳＮＯＭ装置は、探針先端と試料表面との間
の距離を一定に維持しながら試料内部の光学情報をＳＮ
ＯＭ測定するように構成されている関係上、このＳＮＯ
Ｍ装置によって測定される光学情報は、試料から一定距
離だけ離間した位置に局在するエバネッセント場の光学
情報に限定される。

【０００９】従って、従来のＳＮＯＭ装置によって、試
料の表面近傍から離間するに従って変化するエバネッセ
ント場の強度分布状態を測定するためには、以下のよう
な測定プロセスを多数繰り返す必要がある。

【００１０】即ち、まず、探針先端を試料表面から所定
距離（仮に、第１の距離という）だけ離間させた状態
で、試料の表面凹凸情報及び試料内部の光学情報を測定
し、次に、第１の距離よりも探針先端を試料表面から更
に離間させた状態で、同様に試料の表面凹凸情報及び試
料内部の光学情報を測定する。

【００１１】しかしながら、上述した測定プロセスは、
測定処理に手間がかかると共に測定時間もかかる。更
に、このような測定プロセスによって得られる測定デー
タは、膨大な量となるため、そのデータ解析が極めて困
難になるだけでなく、データのメモリー容量も膨大化し
てしまう。

【００１２】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、試料の表面凹凸情報と共
に試料表面近傍から離間するに従って変化するエバネッ
セント場の所望の強度分布状態を短時間且つ簡単に測定
することが可能な走査型近接場光顕微鏡を用いた試料測
定方法を提供することにある。

【００１３】

【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、本発明は、先端に探針を有するカンチレバー
と、所定の試料をセット可能であって且つ前記試料の表
面近傍にエバネッセント場を局在させる光学系と、所定
の印加電圧に基づいて、前記カンチレバーと前記試料と
の間の相対距離を変化させることによって、前記探針の
先端と前記試料の表面とを相対的に接離させる接離手段
とを備えた走査型近接場光顕微鏡を用いた試料測定方法
であって、前記接離手段によって前記探針の先端と前記
試料の表面とを相対的に接離させている間に、前記探針
によって散乱した前記エバネッセント場から発生する伝
搬光に基づいて、前記エバネッセント場を構成する全て
の強度分布状態を光学的に検出することによって、前記
試料の内部構造に対応した光学情報を取り込む光学情報
取込工程と、前記探針の先端が前記試料の表面に接触し
た際に前記接離手段に印加された電圧値に基づいて、前
記試料の表面情報を取り込む表面情報取込工程と、前記
光学情報取込工程及び前記表面情報取込工程によって取
り込まれた前記光学情報及び前記表面情報に所定の演算
処理を施すことによって、前記試料の表面情報と同時に
所望の強度分布状態に対応した前記エバネッセント場の
光学情報を選択的に抽出して表示する表示工程とを有す
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る走査型近接場光顕微鏡を用いた試料測定方法につい
て、添付図面を参照して説明する。図１には、本実施の
形態の試料測定方法に用いた走査型近接場光顕微鏡の構
成が示されている。

【００１５】図１に示すように、試料２が載置可能なガ
ラス製試料台４は、マッチングオイル６を介して、圧電
体スキャナ８に固定された臨界角プリズム１０の上に設
置されている。圧電体スキャナ８は、コンピュータ１２
からのＸＹＺ走査信号に基づいてスキャナー駆動回路１
４から出力される駆動信号によって、ＸＹ軸方向（試料
２の表面に平行な方向）とＺ軸方向（試料２の表面の法
線方向）に、臨界角プリズム１０を移動制御する。この
結果、試料２を載置した試料台４を任意の方向に移動及
び走査させることができる。

【００１６】試料２のＺ軸方向上方には、カンチレバー
１６が支持されており、このカンチレバー１６は、支持
部１６ａと、この支持部１６ａから延出したレバー部１
６ｂとを有し、レバー部１６ｂの先端には探針１６ｃが
形成されている。

【００１７】また、カンチレバー１６の変位量が光学的
に検出されるように、例えば光てこ式変位センサと、こ
の変位センサからのセンサ出力をコンピュータ１２に送
信するセンサ出力取込回路１８とが設けられており、光
変位センサは、レバー部１６ｂに測定光（レーザー光）
を照射する半導体レーザ２０と、レバー部１６ｂからの
反射光を受光する２分割フォトディテクタ（以下、２Ｐ
Ｄという）２２とから構成されている。

【００１８】また、試料２の表面近傍にエバネッセント
場を局在させるための光学系は、レーザー光源２４と、
フィルタ２６と、第１及び第２のミラー２８，３０と、
臨界角プリズム１０とから構成されている。更に、試料
台４から全反射した光をモニタするモニタ用フォトディ
テクタ３２が設けられている。

【００１９】一方、カンチレバー１６のＺ軸方向上方に
は、探針１６ｃがエバネッセント場に接触した際、この
エバネッセント場から生じる伝搬光を取り込む対物レン
ズ３４と、この対物レンズ３４によって取り込まれた伝
搬光の強度を検出する検出光学系３６とが設けられてい
る。この検出光学系３６には、集光レンズ３８、ピンホ
ール４０、光電子増倍管４２が設けられており、光電子
増倍管４２は、アンプ４４を介してコンピュータ１２に
接続されている。

【００２０】次に、このような構成を有する走査型近接
場光顕微鏡を用いた試料測定方法について説明する。な
お、本測定方法の説明に際し、図２には、試料台４，マ
ッチングオイル６，臨界角プリズム１０は、図示しな
い。

【００２１】まず、図２〜図５に示すように、測定開始
前の初期状態（経過時間０〜ｔ１）において、カンチレ
バー１６（図１参照）の探針１６ｃが試料２の測定領域
上に位置付けられており、且つ、圧電体スキャナ８がＺ
軸方向にＺ１（図４の試料Ｚ方向変位Ｚ１参照）だけ変
位した状態に位置付けられているものと仮定する。

【００２２】この場合、カンチレバー１６は、そのレバ
ー部１６ｂが基準線Ｈ（図２参照）上に位置付けられて
おり、探針１６ｃと試料２との間に相互作用は働いてい
ない（図２の時間ｔ１状態参照）。このとき、カンチレ
バー１６は、図４のカンチレバーＺ方向変位Ｌｚ１に維
持されている。

【００２３】この状態において、図１に示すように、レ
ーザー光源２４から出射されたレーザー光は、フィルタ
２６から第１及び第２のミラー２８，３０によって臨界
角プリズム１０に伝波された後、マッチングオイル６を
介して試料台４の試料載置面（即ち、試料２が載置され
ている面）に対して、臨界角以上の角度で入射して全反
射する。この結果、試料２の表面近傍にエバネッセント
場が局在する。

【００２４】このとき局在しているエバネッセント場
は、試料２の表面上に複数の強度分布層（例えば、符号
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５で示す強度分布層）とな
って局在しているものと想定される（図５（ａ），
（ｂ）参照）。なお、これら複数の強度分布層Ｄ１，Ｄ
２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５の強度は、試料２の表面近傍に接
近するに従って大きくなっているものと仮定する。

【００２５】次に、測定状態（経過時間ｔ１〜ｔ２）に
おいて、スキャナー駆動回路１４からのＺ方向印加電圧
によって圧電体スキャナ８をＺ軸上方へ変位させると、
探針１６ｃと試料２とが相対的に接近し、探針１６ｃの
先端がエバネッセント場に差し込まれて行く（図５
（ａ）参照）。なお、探針１６ｃと試料２とを相対的に
接近させて行く間、スキャナー駆動回路１４からのＺ方
向印加電圧は、コンピュータ１２に逐次入力されて行
く。

【００２６】このとき、探針１６ｃの先端によって複数
の強度分布層Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５が順次散乱
され、各強度分布層の強度に対応した伝搬光Ｐ（図５
（ａ）参照）が発生する。

【００２７】これら各強度分布層の強度に対応した伝搬
光Ｐは、逐次、試料２方向へ移動している探針１６ｃを
透過した後、対物レンズ３４によって検出光学系３６内
に取り込まれる。そして、光電子増倍管４２によって電
気信号に変換された後、アンプ４４からコンピューター
１２に順次入力されて行く（図１参照）。

【００２８】このとき入力されて行く伝搬光Ｐの光強度
は、経過時間ｔ１〜ｔ２において、図４のエバネッセン
ト光出力Ｐｚ１〜Ｐｚ２に示すように上昇して行く。そ
して、経過時間ｔ２直前において、探針１６ｃの先端が
試料２の表面に限りなく近接したとき、探針１６ｃの先
端が試料２の表面に吸着してカンチレバー１６がＺ軸下
方へ若干変位する（図４のカンチレバーＺ方向変位Ｓ１
参照）。

【００２９】このカンチレバーＺ方向変位Ｓ１の発生時
において、探針１６ｃは、試料２の表面に付着している
塵埃や表面張力によって、試料２の表面に接触している
だけである。従って、厳密に解釈すれば、探針１６ｃ
は、依然として試料２の表面に接触していないことにな
る（図４の試料Ｚ方向変位Ｚ２参照）。

【００３０】一方、経過時間ｔ２直後において、変位Ｓ
１状態にあるカンチレバー１６は、圧電体スキャナ８に
よって押し戻されて（図４のカンチレバーＺ方向変位Ｓ
２参照）、再び、元の変位Ｌｚ１に復帰する（図４の時
間ｔ２′状態参照）。

【００３１】本実施の形態では、カンチレバーＺ方向変
位Ｓ２の発生時において、探針１６ｃの先端が試料２の
表面に接触したものとみなす（図５（ｂ）参照）。そし
て、このときスキャナー駆動回路１４から圧電体スキャ
ナ８へ印加された電圧値に基づいて、圧電体スキャナ８
の最大変位量を算出し、その値をコンピュータ１２に入
力する。このとき、コンピュータ１２には、印加された
電圧値に基づいて検出された試料２の表面凹凸情報が取
り込まれることになる。

【００３２】この後、経過時間ｔ２′〜ｔ４において、
スキャナー駆動回路１４からのＺ方向印加電圧によって
圧電体スキャナ８をＺ軸下方へ変位させると、探針１６
ｃと試料２とが相対的に離間して行くが、探針１６ｃの
先端と試料２の表面との間に吸着力が作用しているた
め、圧電体スキャナ８の変位に伴って、カンチレバー１
６がＺ軸下方へ変位する（図４の時間ｔ２′〜ｔ３状態
参照）。

【００３３】この状態は、カンチレバー１６の復元力が
吸着力を上回るまで継続し、図４のカンチレバーＺ方向
変位Ｌｚ３において復元力が吸着力を上回ったとき、探
針１６ｃの先端は、試料２の表面から分離する。この結
果、カンチレバー１６は、そのレバー部１６ｂが基準線
Ｈ上に位置付けられた状態に復帰する（図２の時間ｔ４
状態参照）。

【００３４】上述した測定プロセスによれば、コンピュ
ータ１２には、圧電体スキャナ８の最大変位量に基づい
て検出された試料２の表面凹凸情報と共に、この測定領
域上に局在しているエバネッセント場の複数の強度分布
層Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５の光学情報が同時に取
り込まれる。

【００３５】従って、圧電体スキャナ８を介して探針１
６ｃを試料２に対してＸＹ走査させながら、上述した測
定プロセスを繰り返すことによって、試料２の全表面に
対する３次元表面凹凸情報と、これら全測定領域上に局
在しているエバネッセント場の複数の強度分布層Ｄ１，
Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５の３次元光学情報とが同時にコ
ンピュータ１２に取り込まれることになる。

【００３６】特に、エバネッセント場を構成する複数の
強度分布層Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５の任意の強度
分布状態を選択的に抽出することが可能となる。即ち、
これら複数の強度分布層Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５
の強度分布位置は、探針１６ｃと試料２とを相対的に接
近させて行く間、コンピュータ１２に入力したスキャナ
ー駆動回路１４からのＺ方向印加電圧に基づいて、特定
することができる。このため、測定目的や測定環境に対
応した最適な強度分布位置のエバネッセント場の光学情
報を任意に選択して簡単且つ短時間に抽出することが可
能となる。

【００３７】しかも、図６に示すように、コンピュータ
１２のディスプレイ１２ａ上には、試料２の表面凹凸像
Ｗ１と試料２の内部構造に対応した光学分布像Ｗ２とを
同時に表示することができるため、試料２の表面凹凸情
報と光学情報とを目視的に比較検討することが可能とな
る。

【００３８】また、ディスプレイ１２ａ上には、表面凹
凸情報と光学情報とに基づいて、探針１６ｃと試料２と
の間の距離（図３参照）とエバネッセント光出力（図４
参照）との関係を表示可能な表示部Ｗ４が設けられてい
る。このため、任意の距離に対するエバネッセント場の
光学情報を２次元的に目視することが可能となる。

【００３９】更に、ディスプレイ１２ａ上に表示された
測定条件設定ウィンドウＷ３を見ながら、試料Ｚ方向変
位ｄｚ（図４参照）の限定や測定領域の選択等、測定目
的や測定環境に合わせた測定条件を任意に設定すること
が可能となる。

【００４０】このように、本実施の形態の試料測定方法
によれば、試料２の３次元表面凹凸情報と同時に、この
試料２の表面に局在しているエバネッセント場の全ての
強度分布状態（即ち、試料２の内部構造に対応した光学
情報）を得ることができると共に、コンピュータ１２に
よって所定の演算処理を施すことによって、簡単且つ短
時間に、試料２の表面から所望距離だけ離間した位置に
局在するエバネッセント場の３次元光学情報を抽出する
ことができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、試料の表面凹凸情報と
共に試料表面近傍から離間するに従って変化するエバネ
ッセント場の所望の強度分布状態を短時間且つ簡単に測
定することが可能な走査型近接場光顕微鏡を用いた試料
測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態の試料測定方法に用いた走査型近
接場光顕微鏡の構成を示す図。

【図２】任意の測定領域における試料測定が行われてい
る間のカンチレバーの変位状態を示す図。

【図３】図２に示すカンチレバーの変位状態において、
探針先端と試料表面との間の距離とこの距離の変化に伴
うエバネッセント光強度との関係を示す図。

【図４】図２に示すカンチレバーの変位状態において、
試料Ｚ方向変位と、カンチレバーＺ方向変位と、エバネ
ッセント光出力との関係を示す図。

【図５】（ａ），（ｂ）は、図２に示すカンチレバーの
変位状態において、探針がエバネッセント場に差し込ま
れて行く状態を示す図。

【図６】コンピュータのディスプレイ上に試料の表面凹
凸像と光学分布像等が表示されている状態を示す図。

【符号の説明】

２…試料、１６ｃ…探針、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ
５…エバネッセント場を構成する複数の強度分布層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端に探針を有するカンチレバーと、所
   定の試料をセット可能であって且つ前記試料の表面近傍
   にエバネッセント場を局在させる光学系と、所定の印加
   電圧に基づいて、前記カンチレバーと前記試料との間の
   相対距離を変化させることによって、前記探針の先端と
   前記試料の表面とを相対的に接離させる接離手段とを備
   えた走査型近接場光顕微鏡を用いた試料測定方法であっ
   て、 前記接離手段によって前記探針の先端と前記試料の表面
   とを相対的に接離させている間に、前記探針によって散
   乱した前記エバネッセント場から発生する伝搬光に基づ
   いて、前記エバネッセント場を構成する全ての強度分布
   状態を光学的に検出することによって、前記試料の内部
   構造に対応した光学情報を取り込む光学情報取込工程
   と、 前記探針の先端が前記試料の表面に接触した際に前記接
   離手段に印加された電圧値に基づいて、前記試料の表面
   情報を取り込む表面情報取込工程と、 前記光学情報取込工程及び前記表面情報取込工程によっ
   て取り込まれた前記光学情報及び前記表面情報に所定の
   演算処理を施すことによって、前記試料の表面情報と同
   時に所望の強度分布状態に対応した前記エバネッセント
   場の光学情報を選択的に抽出して表示する表示工程とを
   有することを特徴とする走査型近接場光顕微鏡を用いた
   試料測定方法。