JP2008102152A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｓ／Ｎ比を向上させて、より正確に被測定物の表面形状や物性を測定
することができる走査型プローブ顕微鏡を提供すること。
【解決手段】 カンチレバー１０の先端に対向する被測定物Ｓの測定領域から放
射される観察光Ｌ３を集光し受光する観察光受光機構３０と、カンチレバー１０
に観察光Ｌ３と異なる波長の検出光Ｌ１を照射してカンチレバー１０で反射した
検出光Ｌ１を測定し、カンチレバー１０の変位を検出する変位検出機構２０とを
備え、検出光Ｌ１の光路と観察光Ｌ３の光路とが、少なくとも一部で共通光路を
透過するように設定され、該共通光路上に、観察光Ｌ３の透過率が検出光Ｌ１よ
りも高い光学特性を有した誘電体ビームスプリッタ（光学フィルタ）３２が配設
されている走査型プローブ顕微鏡１を提供する。
【選択図】 図１

Description

発明の詳細な説明

発明の属する技術分野

本発明は、例えば、走査型近接場顕微鏡等のカンチレバーと被測定物とを相対
的に移動させて被測定物の表面形状又は物性を測定する走査型プローブ顕微鏡に
関する。

従来の技術

周知のように、電子材料、生体サンプル、半導体デバイス等の試料を微小領域
にて測定し、試料の表面形状の観察、局所特性の測定等を行うための装置は、現
在様々なものが知られている。その一つとして、先端に微小な探針を有するカン
チレバーを利用することで、試料表面の凹凸形状や、物性を高分解能で測定する
ことができる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Prove Microscope）が
知られている（例えば、非特許文献１参照）。

この走査型プローブ顕微鏡は、円筒型の圧電素子により構成された３軸微動機
構上に試料ホルダを設け、試料ホルダ上に試料を搭載している。また、試料の上
方には、カンチレバーホルダに固定された、先端に探針を有するカンチレバーが
配置されている。この探針を試料表面に近づけた場合には、探針と試料間に働く
原子間力により、カンチレバーに撓みが生じる。この原子間力の大きさは、試料
と探針間との距離に依存しており、探針が試料に近づくに従って、指数関数曲線
に乗って増加するものである。従って、試料と探針との間の距離を一定（即ち、
カンチレバーの撓み量が一定）になるように、微動機構により試料と探針との間
の距離を制御すると共に、試料を微動機構により二元的平面内で走査することに
より、試料表面の凹凸像を得ることが可能である。

更に、カンチレバーホルダに圧電素子などの加振機構を設け、加振機構により
カンチレバーを共振周波数近傍で振動させながら、試料に近接させて、カンチレ
バーとサンプル表面との間に働く原子間力や、間欠的な接触力によるカンチレバ
ーの振幅や位相の変化を検出し、これらのパラメータを用いて試料と探針との間
の距離制御を行う場合もある。

また、この走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーの変位量を測定するため
の方法として、光てこ方式の光学式変位検出機構による方法が採用されている。
この光てこ方式の変位検出機構は、カンチレバーの微小な変位を高感度で測定す
ることが可能であると共に最も一般的に用いられている変位検出機構である。即
ち、この光てこ方式の変位検出機構は、半導体レーザを用いた光源からのレーザ
光をビームスプリッタにより反射させて、カンチレバーの背面に照射させる。そ
して、カンチレバーの背面で反射した反射光の強度をポジションセンシティブデ
ィティクタ（ＰＳＤ）と呼ばれる光検出器で検出する。なおＰＳＤは、通常受光
面を４分割した半導体光検出器が用いられている。

上記光てこ方式の変位検出機構を用いたカンチレバーの変位量測定では、まず
半導体レーザを動かして、レーザスポットがカンチレバーの背面に当たるように
半導体レーザの位置決めをする。次に、カンチレバー背面での反射率が、ＰＳＤ
の中心に当たるようにＰＳＤを動かして位置決めする。

次いで、カンチレバーを走査して試料を測定する際、カンチレバーに撓みが生
じるとスポットがＰＳＤ上で移動する。即ち、４分割された検出器上をスポット
が移動する。これにより、スポットの移動方向に対応したディティクタの各領域
の差分の出力から、カンチレバーの撓み量を検出することが可能である。また、
カンチレバーのねじれ量についても、ディティクタの各領域の差分の出力から測
定することが可能であり、更に、カンチレバーのねじれ方向に試料を移動した際
の摩擦力の測定も可能になる。

また、変位検出機構の上方には、対物レンズが配置されている。この対物レン
ズは、試料表面の観察や、変位検出機構のレーザスポットをカンチレバーの背面
に位置合わせするときのスポット観察用に用いられる。つまり、光てこ方式の変
位検出機構では、試料の上方から対物レンズで観察することが必須とされている
。即ち、対物レンズの光路を確保するように変位検出機構を配置する必要がある
。そのために、半導体レーザをカンチレバーに対して斜め方向から照射して、対
物レンズの上方に空間を設けることにより、対物レンズの光路を確保する方式が
考えられるが、この方式では、スポットの大きさが変わってしまうので光軸合わ
せが困難である。

そこで通常は、この走査型プローブ顕微鏡が採用しているように、レーザから
の光を一旦水平に飛ばし、カンチレバーの真上に配置されたミラーで９０°曲げ
て真上から光を照射する方式が用いられる。この際、レーザをミラーに対して上
下左右方向に動かすことにより、スポットの位置決めを行うことができる。また
、ミラーは、通常透過率と反射率とがそれぞれ５０％程度のビームスプリッタが
用いられている。これにより、ミラーは、レーザ光の約５０％を反射してカンチ
レバーに照射する共に、上方からの落射照明のうちビームスプリッタを透過する
約５０％の照明光により、試料表面の観察やカンチレバーとレーザスポットの位
置決めを行っている。
安武正敏著,「BASIC RESEARCH OF THE ATOMIC FORCE MICROSCOPE FOR INDUSTRIAL USE」,東京工業大学博士論文,October 1996,P18-74

ところで、上記非特許文献１記載の走査型プローブ顕微鏡では、ミラーの透過
率及び反射率が５０％のビームスプリッタであるので、上述したように、対物レ
ンズと試料との間にビームスプリッタを配置した場合、試料表面の観察を行う照
明光が５０％しか透過しない。即ち、試料の観察に必要な観察光が効率よく集光
できず、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうといった不都合があった。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、Ｓ／Ｎ
比を向上させて、より正確に被測定物の表面形状や物性を測定することができる
走査型プローブ顕微鏡を提供することである。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、先端に探針を有するカンチレバーを被測定
物の表面に近接又は接触させた状態で、カンチレバーと被測定物とを相対的に移
動させて被測定物の表面形状又は物性を測定する走査型プローブ顕微鏡であって
、前記カンチレバーの先端に対向する前記被測定物の測定領域から放射される観
察光を集光し受光する観察光受光機構と、前記カンチレバーに前記観察光と異な
る波長の検出光を照射してカンチレバーで反射した検出光を測定し、カンチレバ
ーの変位を検出する変位検出機構とを備え、前記検出光の光路と前記観察光の光
路とが、少なくとも一部で共通光路を透過するように設定され、前記共通光路上
に、前記観察光の透過率が前記検出光よりも高い光学特性を有した光学フィルタ
が配設されていることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、共通光路上に、観察光の透
過率が検出光よりも高い光学特性を有した光学フィルタが配設されているので、
光学フィルタを透過する際、検出光よりもより多くの観察光が透過して観察光の
伝達効率が向上する。従って、観察受光機構において、高効率な観察光の受光に
よりＳ／Ｎ比を向上させることができ、より正確に被測定物の表面形状や物性を
測定させることができる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡におい
て、前記観察光受光機構が、前記観察光を集光する対物レンズを備え、前記変位
検出機構が、前記検出光を前記対物レンズを通して前記照射を行うように設定さ
れ、前記光学フィルタが、前記被測定物に対して前記対物レンズの後方の前記共
通光路上に配されていることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、光学フィルタが、対物レン
ズの後方に配されると共に、変位検出機構が、検出光を対物レンズを通して照射
可能であるので、対物レンズと被測定物との距離が短くなる。即ち、対物レンズ
の作動距離（ＷＤ）が短くなる。従って、開口数（ＮＡ）の大きい対物レンズを
使用でき、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明に記載の走査型プローブ顕微鏡
において、前記光学フィルタが、ビームスプリッタであり、前記検出光の光路と
前記観察光の光路とが、前記ビームスプリッタで分岐されていることを特徴とす
る。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、検出光の光路と観察光の光
路とが、例えば、誘電体ビームスプリッタ等のビームスプリッタで分岐されるの
で、変位検出機構と観察光受光機構とを別々の位置に離して配置可能であり、配
置自由度が向上する。従って、装置をコンパクトに構成することができる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡におい
て、前記ビームスプリッタが、前記カンチレバーの真上に配され、前記検出光が
、前記カンチレバーの真上から照射されることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、検出光をカンチレバーの真
上から照射可能であるので、変位検出機構を位置決めする際、検出光のスポット
の大きさを変えずに光軸合わせをすることが容易となる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明のいずれかに記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記変位検出機構が、前記カンチレバーから反射された前
記検出光の光路上に配され、前記検出光を透過させると共に前記観察光をカット
する波長フィルタを備えていることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、変位検出機構が波長フィル
タを備えているので、該波長フィルタによってカンチレバーからの光に含まれる
観察光がカットされ、検出光の受光精度が高くなりカンチレバーの変位をより高
精度で検出することができる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明のいずれかに記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記被測定物にエバネッセント光を発生させるエバネッセ
ント光発生手段を備えていることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、被測定物にエバネッセント
光を発生させるエバネッセント光発生手段を備えているので、エバネッセント光
と被測定物との相互作用により発生した観察光を、観察光受光機構により集光し
受光することが可能になる。従って、回折限界を超えた高分解能でＳ／Ｎ比を向
上させつつ、被測定物の測定を行うことできる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡におい
て、前記エバネッセント光発生手段が、前記探針の先端部に形成された直径１０
０ｎｍ以下の開口部と、前記開口部内に照射光を照射して開口部近傍にエバネッ
セント光を発生させ、前記測定領域にエバネッセント光を照射するエバネッセン
ト光照射機構とを備え、前記測定領域で生じた観察光を前記開口部で集光して前
記光学フィルタへ入射させることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、被測定物表面に近接又は接
触させた状態の探針開口部から、エバネッセント光と被測定物との相互作用によ
って発生した観察光の集光を行えると共に、被測定物に対して効率よくエバネッ
セント光を照射可能である。従って、観察光の集光率が増加し、Ｓ／Ｎ比をより
向上させることができる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡におい
て、前記カンチレバーの少なくとも先端部が、前記観察光を透過可能な材料で形
成され、前記観察光受光機構が、前記カンチレバーの先端部を透過した前記観察
光を受光することを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバーの少なくとも
先端部が、観察光を透過可能な材料で形成されているので、カンチレバー先端の
開口加工等を施す必要がない。また、先端形状の設定により観察光を効率的に集
光することが可能となる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡におい
て、前記被測定物表面に発生した前記エバネッセント光を前記カンチレバー先端
で散乱させ、前記観察光受光機構が、前記カンチレバー先端での散乱光を受光す
ることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー先端に電場増
強効果のある金属薄膜などを蒸着することにより、より強い観察光を集光するこ
とが可能となる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、以下に示す効果を奏することがで
きる。即ち、観察光の透過率が検出光よりも高い光学特性を有した光学フィルタ
が、共通光路上に配設されているので、観察光の伝達効率が向上する。従って、
高効率な観察光の受光によりＳ／Ｎ比を向上させることができ、より正確に被測
定物の表面形状や物性を測定させることができる。

発明の実施の形態

以下、本発明に係る第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明す
る。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、図１に示すように、回折限界を超える
高分解能でサンプルＳ表面の測定が可能な近接場顕微鏡を組み合わせた走査型近
接場顕微鏡（ＳＮＯＭ；Scanning Near Field Optical Microscope）１であって
、蛍光染色された生体細胞等のサンプル（被測定物）Ｓの表面に対して先端に探
針１１を有するカンチレバー１０を近接させた状態で、カンチレバー１０とサン
プルＳとを相対的に移動させてサンプルＳの表面形状又は物性を測定するもので
ある。

この走査型近接場顕微鏡１は、カンチレバー１０に例えば、波長７８５ｎｍの
検出光Ｌ１を照射してカンチレバー１０で反射した検出光Ｌ１を測定し、カンチ
レバー１０の変位を検出する変位検出機構２０と、カンチレバー１０の先端に対
向するサンプルＳの測定領域に、例えば、波長４８８ｎｍの励起光Ｌ２を照射す
ると共に、ピーク波長５３０ｎｍの蛍光を含んだ観察光Ｌ３を集光し受光する対
物レンズ３１を有している観察光受光機構３０と、サンプルＳにエバネッセント
光を発生させるエバネッセント光発生手段４０とを備えている。

上記観察光受光機構３０は、観察光Ｌ３の透過率が検出光Ｌ１よりも高い光学
特性を有した誘電体ビームスプリッタ（光学フィルタ）３２を備えている。該誘
電体ビームスプリッタ３２は、検出光Ｌ１の光路と観察光Ｌ３の光路とが、少な
くとも一部で共通光路を透過する位置に配設されている。即ち、誘電体ビームス
プリッタ３２は、サンプルＳと対物レンズ３１との間の共通光路上であって、カ
ンチレバー１０の真上に位置するように配設されている。この誘電体ビームスプ
リッタ３２は、図２に示すように、４５°直角プリズムの斜面に誘電体多層膜３
２ａを蒸着して接着し、周囲に反射防止膜を蒸着して形成されている。また、誘
電体多層膜３２ａは、特定の波長を高効率で透過可能にするフィルタ機能を有し
ている。本実施形態の誘電体多層膜３２ａは、４５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲
の波長に対しては透過率が９０％以上であり、７８５ｎｍの波長に対しては反射
率及び透過率の割合が５０％である。これにより、誘電体ビームスプリッタ３２
は、観察光Ｌ３を検出光Ｌ１よりも高効率で透過可能であると共に、検出光Ｌ１
の光路と観察光Ｌ３の光路とを分岐している。

また、図１に示すように、誘電体ビームスプリッタ３２に対して対物レンズ３
１の後方側には、観察光受光機構３０として、ダイクロイックミラー３６、吸収
フィルタ３３、結像レンズ３４及び光検出器３５が配設されている。ダイクロイ
ックミラー３６及び吸収フィルタ３３は、誘電体ビームスプリッタ３２を透過し
て対物レンズ３１で集光された観察光Ｌ３のうち、励起光Ｌ２をカットして蛍光
を結像レンズ３４に入射させる機能を有している。また、結像レンズ３４の後方
側には、全反射ミラー３７が抜き差し可能に配置されている。この全反射ミラー
３７を光路上に挿入した場合には、光路上の光が曲げられて、ＣＣＤカメラ３８
に入射し、光学像の観察が可能となる。この際、誘電体ビームスプリッタ３２は
、検出光Ｌ１の波長に対して、５０％の透過率を持つため、サンプルＳで反射し
た検出光Ｌ１の一部は誘電体ビームスプリッタ３２を透過し、対物レンズ３１で
集光されて、ＣＣＤカメラ３８で観察可能である。これにより、検出光Ｌ１とカ
ンチレバー１０との位置合せや、サンプルＳと探針１１との位置合せが可能とな
る。

一方、蛍光を含んだ観察光Ｌ３は、結像レンズ３４で結像された後、検出光Ｌ
１をカットするフィルタであるショートパスフィルタ３９を透過して、光検出器
３５に導入されるようになっている。本実施形態では、フィルタとして、波長６
５０ｎｍ以上をカットし、波長６５０ｎｍ以下を透過させる特性を持つショート
パスフィルタ３９を用いた。なお、蛍光を検出する場合には、全反射ミラー３７
を光路上から退避させる。また、光検出器３５は、受光面が数百μｍと非常に小
さいアバランシェフォトダイオードが用いられている。なお、この種の光検出器
としては、他にもフォトマルや分光器等が使用される。

上記変位検出機構２０は、レーザ光の検出光Ｌ１を照射する半導体レーザ等の
検出光発光部ＬＤと、カンチレバー１０で反射した検出光Ｌ１を受光して測定す
る検出光受光部ＰＳＤとを備えており、光てこ方式によりカンチレバー１０の変
位を検出するものである。検出光発光部ＬＤは、誘電体ビームスプリッタ３２に
向けて水平に検出光Ｌ１を照射するように水平配置されている。これにより、検
出光発光部ＬＤから照射された検出光Ｌ１は、誘電体ビームスプリッタ３２によ
り反射されて下方に向きを変え、真上からカンチレバー１０に照射可能とされて
いる。また、検出光受光部ＰＳＤは、受光面を４分割した半導体光検出器であり
、カンチレバー１０で反射した検出光Ｌ１の強度を検出するものである。これに
より、例えば、カンチレバー１０が撓んで検出光Ｌ１のビームスポットが移動す
ると、４分割された検出器のうち、スポットの移動方向に対応した各ディテクタ
が、強度差等の差分を測定してカンチレバー１０の変位量やねじれ量等を検出す
ることが可能である。

また、変位検出機構２０は、カンチレバー１０から反射された検出光Ｌ１の光
路上に、検出光Ｌ１を透過させると共に観察光Ｌ３をカットする例えば、７００
ｎｍ波長のロングパスフィルタ（波長フィルタ）２１を検出光受光部ＰＳＤの手
前に有している。これにより、検出光受光部ＰＳＤには、観察光Ｌ３の混入が防
止されて、カンチレバー１０から反射された検出光Ｌ１を高効率で受光可能であ
る。

上記サンプルＳは、サンプルホルダ５１に載置して固定されおり、該サンプル
ホルダ５１は、円筒型圧電素子（ピエゾ素子）である微動機構５２上に配設され
ている。この微動機構５２は、円周に沿って一様に電極が設けられ、サンプルＳ
とカンチレバー１０との間の距離制御を行うためのＺ微動機構５２ａと、円周上
を４分割した電極が設けられサンプルＳを２次元平面内でＸＹ方向に走査するた
めのＸＹ微動機構５２ｂとを有している。更に、この微動機構５２は、サンプル
Ｓと探針１１との位置決めをするためのＸＹステージ１３を介して、粗動機構５
３上に配設されている。該粗動機構５３は、例えばステッピングモータ等の駆動
源による送りネジ方式により、サンプルＳをカンチレバー１０の探針１１に近づ
ける機能を有している。上述したＺ微動機構５２ａ、ＸＹ微動機構５２ｂ及び粗
動機構５３を駆動する各駆動源は、制御部５５によって総合的に制御されている
。

また、カンチレバー１０は、カンチレバーホルダ１５に固定されており、該カ
ンチレバーホルダ１５には、カンチレバー１０に微小振動を加える振動子１５ａ
が設けられている。このカンチレバーホルダ１５は、変位検出機構２０と共にカ
ンチレバー１０と対物レンズ３１との光軸中心を合わせるためのＸＹステージ１
６を介してベース１７に固定されている。このカンチレバー１０は、図３に示す
ように、観察光Ｌ３を透過可能な酸化シリコン等の材料により形成されており、
探針１１の先端部を除いてアルミニウムがコーティングされている。また、カン
チレバーの背面には、観察光Ｌ３の透過する部分を除き、検出光発光部ＬＤから
照射された検出光Ｌ１を反射するアルミニウムの反射面１０ａが設けられ、探針
１１の先端には、直径５０ｎｍの開口部１０ｂが形成されている。このように構
成されたカンチレバー１０は、励起光Ｌ２及び観察光Ｌ３の導波路として機能す
る。

更に、図１に示すように、例えば、４８８ｎｍの波長の励起光（照射光）Ｌ２
を照射する励起光光源（エバネッセント光照射機構）４１は、観察光受光機構３
０に配置されている。また、励起光光源４１は、ダイクロイックミラー３６によ
り光路を曲げられて、対物レンズ３１によりカンチレバーの開口部１０ｂ と光
学的にカップリングされており、開口部１０ｂに対して励起光Ｌ２を照射可能と
されている。即ち、励起光光源４１は、開口部１０ｂ内に励起光Ｌ２を照射して
該開口部１０ｂ近傍にエバネッセント光を発生させ、サンプルＳの測定領域にエ
バネッセント光を照射する機能を有している。またエバネッセント光の照射によ
り発生した観察光Ｌ３は、開口部１０ｂで集光され、誘電体ビームスプリッタ３
２へ入射される。即ち、これら開口部１０ｂを有するカンチレバー１０及び励起
光光源４１は、上記エバネッセント光発生手段４０を構成している。

このように構成された走査型近接場顕微鏡１を用いて、サンプルＳを測定する
場合について説明する。

まず、対物レンズ３１に設けられたフォーカシング用ステージ１２により、サ
ンプルＳの表面に対物レンズ３１の焦点を合わせる。次に、ＸＹステージ１６に
より対物レンズ３１の光軸中心にカンチレバー１０の探針１１を位置決めする。
そして、対物レンズ３１で観察しながら、変位検出器機構２０の位置決めを行う
。即ち、検出光発光部ＬＤを動かして検出光Ｌ１のレーザスポットが、カンチレ
バー１０の反射面１０ａに当たるように位置決めを行う。検出光発光部ＬＤが位
置決めされた後、反射面１０ａで反射した検出光Ｌ１が検出光受光部ＰＳＤの中
心に当たるようにＰＳＤの位置決めを行う。更に、ＸＹステージ１３により探針
１１とサンプルＳとの位置決めを行う。

次に、探針１１とサンプルＳとの距離制御を行う。即ち、振動子１５ａにより
カンチレバー１０を共振周波数近傍で振動させながら、サンプルＳに近接させた
ときの振幅の減衰量をモニタしながら粗動機構５３を動作させる。

そして、サンプルＳと探針１１との間に原子間力が働く領域若しくは接触する
領域までサンプルＳを探針１１に近接させた後、振幅が一定となるようにＺ微動
機構５２ａによりサンプルＳと探針１１との間の距離制御を行う。即ち、検出光
発光部ＬＤで照射された検出光Ｌ１は、誘電体ビームスプリッタ３２で反射して
カンチレバー１０の反射面１０ａに当たる。そして、反射面１０ａで反射した検
出光Ｌ１は、波長フィルタ２１で不必要な光（例えば、後述する観察光）がカッ
トされて検出光受光部ＰＳＤに入射する。このとき、カンチレバー１０の変位に
応じて検出光Ｌ１のレーザスポットが、検出光受光部ＰＳＤの４つの検出器上を
移動する。この各検出器の差分を測定してＺ微増機構５２ａをフィードバック制
御することにより、距離制御が行える。

上記距離制御を行った状態で、イルミネーションコレクションモードによりサ
ンプルＳの測定を行う。即ち、励起光光源４１より励起光Ｌ２を照射して、カン
チレバー１０の開口部１０ｂよりサンプルＳに対してエバネッセント光を照射す
る。該エバネッセント光により発生したサンプルＳの観察光Ｌ３を、再度開口部
１０ｂで集光する。この際、観察光Ｌ３は、励起光Ｌ２及び蛍光が含まれている
。また、集光された観察光Ｌ３は、カンチレバー１０内を通り誘電体ビームスプ
リッタ３２に入射する。この際、誘電体ビームスプリッタ３２は、波長に応じて
異なる透過率に設定され、観察光Ｌ３を検出光Ｌ１よりも多く透過させる特性を
有しているので、観察光Ｌ３が高効率で透過する。

更に、誘電体ビームスプリッタ３２を透過した観察光Ｌ３は、励起光Ｌ２成分
の大部分が反射され、蛍光の大部分が透過するような特性をもつダイクロイック
ミラー３６を透過し、さらに吸収フィルタ３３により蛍光成分を選択的に透過さ
せ、励起光Ｌ２がカットされて蛍光のみが結像レンズ３４に入射する。この蛍光
は、結像レンズ３４で結像されて、光検出器３５により検出される。これにより
、サンプルＳの光学的な物性が測定される。なお、前述したように、検出光Ｌ１
の一部も観察光受光機構３０に入射するが、この検出光Ｌ１は光検出器３５の前
に配置されているショートパスフィルタ３９によりカットされる。

また、上記測定の際、ＸＹ微動機構５２ｂを走査することにより、サンプルＳ
の凹凸像等の表面観察も同時に測定可能である。

本実施形態の走査型近接場顕微鏡１では、観察光Ｌ３の透過率が検出光Ｌ１よ
りも高い光学特性を有した誘電体ビームスプリッタ３２を備えているので、サン
プルＳからの観察光Ｌ３を他の光に比べて高効率で透過させることができる。こ
れにより、観察光Ｌ３の伝達効率があがりＳ／Ｎ比を向上させることができる。
従って、より正確なサンプルＳの表面形状や物性を測定することができる。

また、誘電体ビームスプリッタ３２は、検出光Ｌ１の光路と観察光Ｌ３の光路
とを分岐するので、変位検出機構２０と観察光受光機構４０とを別々の位置に離
して配置可能であり配置自由度が向上するので、コンパクトに構成することがで
きる。

また、誘電体ビームスプリッタ３２は、カンチレバー１０の真上に配設されて
いるので、変位検出機構２０を位置決めする際、検出光Ｌ１のスポットの大きさ
を変化させずに光軸合わせをすることが容易である。

更に、検出光受光部ＰＳＤの前に波長フィルタ２１が配設されているので、カ
ンチレバー１０からの光に含まれる観察光Ｌ３がカットされる。従って、検出光
受光部ＰＳＤは、検出光Ｌ１に対する受光精度が高くなることからも、カンチレ
バー１０の変位をより高精度で検出することができる。

次に、本発明に係る第２の実施形態を、図４及び図５を参照して説明する。こ
の実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については
、同一の符号を付しその説明を省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、イルミネー
ションコレクションモードによりサンプルＳを測定したのに対し、第２実施形態
の走査型近接場顕微鏡１００では、コレクションモードによりサンプルＳを測定
する点である。

即ち、図４に示すように、エバネッセント光発生手段１４０は、例えば、１３
００ｎｍの波長の励起光Ｌ２を照射する励起光光源１４１を備えており、該励起
光光源１４１は、光ファイバー１４２を介して、サンプルＳに励起光Ｌ２を導入
可能とする位置に配設されている。

また、本実施形態のサンプルＳは、１３００ｎｍを通す光導波路が形成された
光学デバイスであり、励起光Ｌ２を導入するために光ファイバー１４２がサンプ
ルＳに光学的にカップリングされている。また、誘電体ビームスプリッタ１２０
の誘電体多層膜１２０ａは、例えば、１３００ｎｍの波長に対しては透過率が９
０％以上、６７０ｎｍの波長に対しては反射率及び透過率の割合が５０％に設定
されている。更に、検出光受光部ＰＳＤの前には、７５０ｎｍ波長のショートパ
スフィルタ（波長フィルタ）１２１が配設されている。更には、検出光発光部Ｌ
Ｄは、６７０ｎｍ波長の検出光Ｌ１を照射するように設定されている。

また、観察光受光機構１３０は、１３００ｎｍの光が集光可能な対物レンズ１
３１、結像レンズ１３４、ビジコンカメラ１３８側に光を分岐するために抜き差
し可能に配置された全反射ミラー１３７、検出光観察に用いられるビジコンカメ
ラ１３８、観察光受光機構１３０に混入する検出光Ｌ１の成分を除去するために
用いられ波長８００ｎｍに閾値をもつロングパスフィルタ１３９及び光強度を測
定する光電子増倍管等の光検出器１３５から構成されている。

本実施形態の走査型近接場顕微鏡１００を用いてサンプルＳの測定を行う場合
、励起光光源１４１により、サンプルＳに励起光Ｌ２を導入する。導入された励
起光Ｌ２は、サンプルＳの光導波路内部を伝播する。このとき、図５に示すよう
に光導波路Ｓ１を有するサンプルＳ表面にエバネッセント光が発生する。このエ
バネッセント光成分を観察することにより、光導波路の評価を行うことができる
。

このエバネッセント光は、サンプルＳと探針１１との相互作用により周囲に観
察光Ｌ３として散乱する。また、観察光Ｌ３の一部は、探針１１の開口部１０ｂ
で集光され、その後、誘電体ビームスプリッタ１２０、結像レンズ１３４及びロ
ングパスフィルタ１３９を通って光検出器１３５により検出される。この際、誘
電体ビームスプリッタ１２０では、観察光Ｌ３が９０％以上の透過率で透過され
、光検出器３５へ伝達される。

上述したように、本実施形態の走査型近接場顕微鏡１００によれば、誘電体ビ
ームスプリッタ１２０により、観察光Ｌ３を高効率で光検出器３５に入射可能で
あるため、コレクションモードによりＳ／Ｎ比を向上させて、サンプルＳの測定
を行うことができる。

次に、本発明に係る第３の実施形態を、図６及び図７を参照して説明する。こ
の実施形態においては、第１実施形態および第２実施形態における構成要素と同
一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

第３実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、イルミネー
ションコレクションモードによりサンプルＳを測定したのに対し、第３実施形態
の走査型近接場顕微鏡２００では、散乱モードによりサンプルＳの近接場分光分
析を行う点である。即ち、本実施形態のサンプルＳは、高分子サンプルであり、
励起光Ｌ２を照射した場合のラマン散乱光を観察光受光機構２３０で集光して分
光分析を行い、高分子サンプルの構造分析を行うものである。

本実施形態では、図６に示すように、エバネッセント光発生手段２４０は、例
えば、４８８ｎｍの波長の励起光Ｌ２を照射する励起光光源２４１を備えており
、該励起光光源２４１は、サンプルＳに対して斜め上方から励起光Ｌ２を照射可
能とする位置に配設されている。

また、誘電体ビームスプリッタ２２０の誘電体多層膜２２０ａは、例えば、目
的のラマン散乱光に対しては透過率が９０％以上、７８５ｎｍの波長に対しては
反射率及び透過率の割合が５０％に設定されている。なお、本実施形態では、４
５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲に対して透過率を９０％以上確保できるようにし
た。更に、検出光受光部ＰＳＤの前には、７００ｎｍ波長のロングパスフィルタ
（波長フィルタ）２２１が配設されている。更には、検出光発光部ＬＤは、７８
５ｎｍ波長の検出光Ｌ１を照射するように設定されている。

本実施形態の走査型近接場顕微鏡２００を用いてサンプルＳの測定を行う場合
、励起光光源２４１により、サンプルＳの表面に向けて斜め上方から励起光Ｌ２
を照射する。照射された励起光Ｌ２により、図７に示すようにサンプルＳ表面に
エバネッセント光が発生する。

また、カンチレバー２１０は、探針２１１がカンチレバー部２１０ａよりも先
端に突出した形状をしており、探針の先端部２１１ａはカンチレバー部２１０ａ
に遮ぎられることなく、対物レンズ３１で観察可能である。

エバネッセント光は、サンプルＳと探針先端部２１１ａとの相互作用により周
囲に観察光Ｌ３として散乱する。このとき、散乱効率を向上させる目的で、探針
先端部２１１ａには銀の薄膜を蒸着している。この観察光Ｌ３は、誘電体ビーム
スプリッタ２２０を通って、対物レンズ３１で集光され、結像レンズ３４を通っ
て分光器２３５に導かれる。この際、誘電体ビームスプリッタ２２０では、観察
光Ｌ３が９０％以上の透過率で透過され、分光器２３５へ伝達される。なお、分
光器２３５の前には、検出光Ｌ１をカットするためのノッチフィルタ２３９と励
起光Ｌ２の光をカットするためのノッチフィルタ２３６とが挿入される。

上述したように、本実施形態の走査型近接場顕微鏡２００によれば、誘電体ビ
ームスプリッタ２２０により、観察光Ｌ３を高効率で分光器２３５に入射可能で
あるため、散乱モードによりＳ／Ｎ比を向上させて、サンプルＳの測定を行うこ
とができる。

なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明
の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態では、光学フィルタとして誘電体ビームスプリッタ３
２、１２０、２２０を用いたが、これに限らず、観察光Ｌ３の波長の透過率が検
出光Ｌ１よりも高い光学特性を有する光学フィルタであれば構わない。例えば、
ビームスプリッタに金属膜を蒸着したものや、ゼラチンフィルタを蒸着したもの
や、色ガラスを用いたものでも構わない。また、基板としてビームスプリッタで
ある必要もなく、例えば、平行平面基板を斜めに配置しても構わない。

また、誘電体ビームスプリッタ３２、１２０、２２０は、対物レンズ３１、１
３１とサンプルＳとの間に配置した構成にしたが、観察光Ｌ３の光路と検出光Ｌ
１の光路とが少なくとも一部で共通する共通光路上に配置されていれば構わない
。

例えば、第１実施形態の他の例として、図８に示す走査型近接場顕微鏡３００
では、誘電体ビームスプリッタ３２が、サンプルＳに対して対物レンズ３１の後
方の共通光路上に配設されている。更に、誘電体ビームスプリッタ３２の後方に
は、検出光発光部ＬＤがサンプルＳに向けて垂直に検出光Ｌ１を照射できるよう
に、鉛直下向きに配置されている。

この走査型近接場顕微鏡３００では、検出光発光部ＬＤが、検出光Ｌ１を対物
レンズ３１を通して照射可能であるので、対物レンズ３１とサンプルＳとの距離
が短くなる。即ち、対物レンズ３１の作動距離（ＷＤ）が短くなる。従って、開
口数（ＮＡ）の大きい対物レンズ３１を使用することができ、Ｓ／Ｎ比を更に向
上させることができる。

また、上記各実施形態のカンチレバー１０では、観察光Ｌ３を透過可能な材料
で形成して観察光を透過させたが、これに限られず、例えば、カンチレバーの背
面から探針先端に向かってＦＩＢで微細な貫通孔を設けて導波路を確保する方式
でも構わない。

また、カンチレバー１０を酸化シリコンで形成しているが、その他シリコンナ
イトライド等の透過可能な材料で形成しても構わない。

更に、制御方法としてカンチレバーの振幅を検出する方式を用いたが、制御方
法はこれに限定されず、例えばカンチレバーを振動させずに変位を検出する方法
でもよい。

更に、走査型プローブ顕微鏡は、上述したようにエバネッセント光を利用して
サンプルＳを観察する走査型近接場顕微鏡に適用したが、他の観察光で観察する
走査型プローブ顕微鏡でも構わない。例えば、顕微分光計等に適用しても良い。

本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を示す構成図である。 図１に示す走査型プローブ顕微鏡の誘電体ビームスプリッタを示す斜視図である。 図１に示す走査型プローブ顕微鏡において、サンプルから観察光を集光している状態を示すサンプル及びカンチレバーの断面図である。 本発明の第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を示す構成図である。 図３に示す走査型プローブ顕微鏡において、サンプルから観察光を集光している状態を示すサンプル及びカンチレバーの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を示す構成図である。 図６に示す走査型プローブ顕微鏡において、サンプルから観察光を集光している状態を示すサンプル及びカンチレバーの断面図である。 本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の他の例を示す構成図である。

符号の説明

Ｌ１ 検出光
Ｌ２ 励起光（照射光）
Ｌ３ 観察光
Ｓ サンプル（被測定物）
１、１００、２００、３００ 走査型近接場顕微鏡（走査型プローブ顕微鏡）
１０、２１０ カンチレバー
１０ｂ カンチレバーの開口部
１１、２１１ 探針
２０ 変位検出機構
２１、２２１ ロングパスフィルタ（波長フィルタ）
３０、１３０、２３０、３３０ 観察光受光機構
３１、１３１ 対物レンズ
３２、１２０、２２０ 誘電体ビームスプリッタ（光学フィルタ）
４０、１４０、２４０ エバネッセント光発生手段
４１、１４１、２４１ 励起光光源（エバネッセント光照射機構）
１２１ ショートパスフィルタ（波長フィルタ）

Claims (9)

1. 先端に探針を有するカンチレバーを被測定物の表面に近接又は接触させた状態で、カンチレバーと被測定物とを相対的に移動させて被測定物の表面形状又は物性を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記カンチレバーの先端に対向する前記被測定物の測定領域から放射される観察光を集光し受光する観察光受光機構と、
   前記カンチレバーに前記観察光と異なる波長の検出光を照射してカンチレバーで反射した検出光を測定してカンチレバーの変位を検出する変位検出機構とを備え、
   前記検出光の光路と前記観察光の光路とが、少なくとも一部で共通光路を通過するように設定され、前記共通光路上に前記観察光の透過率が前記検出光よりも高い光学特性を有した光学フィルタが設け、
   前記変位検出機構が、前記カンチレバーから反射された前記検出光の光路上に配され、
   前記検出光を透過させると共に前記励起光または/および前記観察光をカットする波長フィルタを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記観察光受光機構が、前記観察光を集光する対物レンズを備え、
   前記変位検出機構が、前記検出光を前記対物レンズを通して前記照射を行うように設定され、前記光学フィルタが、前記被測定物に対して前記対物レンズの後方の前記共通光路上に配されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記光学フィルタが、ビームスプリッタであり、前記検出光の光路と前記観察光の光路とが、前記ビームスプリッタで分岐されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記ビームスプリッタが、前記カンチレバーの真上に配され、前記検出光が、前記カンチレバーの真上から照射されることを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記ビームスプリッタが、前記検出光の反射率が前記観察光の反射率よりも高い光学特性を有することを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記被測定物にエバネッセント光を発生させるエバネッセント光発生手段を備えていることを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記エバネッセント光発生手段が、前記探針の先端部に形成された直径１００ｎｍ以下の開口部と、
   前記開口部内に励起光を照射して開口部近傍にエバネッセント光を発生させ、前記測定領域にエバネッセント光を照射するエバネッセント光照射機構とを備え、
   前記測定領域で生じた観察光を前記開口部で集光して前記光学フィルタへ入射させることを特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 前記カンチレバーの少なくとも先端部が、前記観察光を透過可能な材料で形成され、前記観察光受光機構が、前記カンチレバーの先端部を透過した前記観察光を受光することを特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 前記被測定物表面に発生した前記エバネッセント光を前記カンチレバー先端で散乱させ、前記観察光受光機構が、前記カンチレバー先端での散乱光を受光することを特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。

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