JPH10170524A - Observation method by near-field optical microscope - Google Patents
Observation method by near-field optical microscopeInfo
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- JPH10170524A JPH10170524A JP2470497A JP2470497A JPH10170524A JP H10170524 A JPH10170524 A JP H10170524A JP 2470497 A JP2470497 A JP 2470497A JP 2470497 A JP2470497 A JP 2470497A JP H10170524 A JPH10170524 A JP H10170524A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、近接視野顕微鏡に
よる観測方法に係わり、特に、汎用的、かつ、解像度の
高い観測結果が得られる近接視野顕微鏡による観測方法
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an observation method using a near-field microscope, and more particularly to an observation method using a near-field microscope capable of obtaining a general-purpose and high-resolution observation result.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光を利用した光学顕微鏡は、被観測物体
（試料）凹凸情報だけでなく、偏光あるいは波長依存性
観測などに広く用いられ、これが被観測物体の特性把握
に有用であることはいうまでもない。2. Description of the Related Art Optical microscopes utilizing light are widely used not only for information on the unevenness of an object (sample) to be observed, but also for observation of polarization or wavelength dependence. This is useful for understanding the characteristics of the object to be observed. Needless to say.
【０００３】通常の光顕微鏡において空間分解能は、光
の回折限界で制限される。そして、一般に、光学顕微鏡
の分解能は、おおよそ（光の波長）／（レンズの開口
数）で与えられ、その値は、おおよそ波長のオーダであ
ることはよく知られている。In a normal light microscope, the spatial resolution is limited by the diffraction limit of light. In general, the resolution of an optical microscope is approximately given by (wavelength of light) / (numerical aperture of a lens), and it is well known that the value is on the order of wavelength.
【０００４】即ち、通常の光学顕微鏡による偏光・波長
依存性の観測には、原理的な分解能の限界がある。この
限界を打破する手段として、近接視野顕微鏡が知られて
いる。That is, observation of polarization / wavelength dependence with a normal optical microscope has a fundamental limit in resolution. A near-field microscope is known as a means for overcoming this limitation.
【０００５】一般に、光が照射された被観測物体からは
散乱光が発生され、この散乱光は、無限遠方まで伝搬す
る成分と被観測物体の近傍に局在する非伝搬成分の二つ
の成分から成っている。非伝搬成分は、被観測物体から
遠ざかるに従って急激に減衰し、被観測物体の微細構造
の大きさ程度の距離にしか存在しない。被観測物体から
の散乱光のうち、伝搬成分は光の波長程度以上の寸法に
関する情報しか伝えない。Generally, scattered light is generated from an object to be observed irradiated with light, and the scattered light is divided into two components, a component propagating to infinity and a non-propagating component localized near the object. Made up of The non-propagating component rapidly attenuates as it moves away from the object to be observed, and exists only at a distance about the size of the fine structure of the object to be observed. Of the scattered light from the object to be observed, the propagation component transmits only information relating to the size of about the wavelength of light or more.
【０００６】通常の光学顕微鏡は、光検出器を被観測物
体の遠方に配置し散乱光のうち伝搬成分しか検出してい
ないので、原理的に波長程度の空間分解能しか実現でき
ない。これに対して、近接視野顕微鏡は、被観測物体と
光検出器を近づけ、被観測物体の近傍にしか存在しない
散乱光の非伝搬成分を検出する。An ordinary optical microscope has a photodetector located far from an object to be observed and detects only a propagation component of scattered light. Therefore, in principle, only a spatial resolution of about a wavelength can be realized. On the other hand, the near-field microscope brings the object to be observed close to the photodetector and detects a non-propagating component of the scattered light existing only near the object to be observed.
【０００７】そして、この非伝搬成分には、波長以下の
空間周波数成分を含んでいる。そのため、近接視野顕微
鏡では、波長以下の空間分解能を実現することができ
る。[0007] The non-propagating component includes a spatial frequency component equal to or less than the wavelength. Therefore, the near-field microscope can realize a spatial resolution equal to or less than the wavelength.
【０００８】近接視野顕微鏡では、プローブを被観測物
体に近づけ、被観測物体からの非伝搬光を散乱させ、こ
のプローブからの散乱光を光検出器で検出する。分解能
はプローブの大きさ程度となるので、分解能を向上させ
るためには、プローブの大きさはできるだけ小さくする
必要がある。現在、有効サイズが１０ｎｍオーダのプロ
ーブが使用されている。In a near-field microscope, a probe is brought close to an object to be observed, non-propagating light from the object to be observed is scattered, and scattered light from the probe is detected by a photodetector. Since the resolution is on the order of the size of the probe, it is necessary to reduce the size of the probe as much as possible in order to improve the resolution. Currently, probes with an effective size on the order of 10 nm are used.
【０００９】しかしながら、近接視野顕微鏡において、
プローブの大きさを小さくすると、プローブからの散乱
光の強度は急激に低下する。また、被観測物体を照明す
る照明光は、プローブの大きさより十分大きな範囲を照
明する。However, in a near-field microscope,
When the size of the probe is reduced, the intensity of the scattered light from the probe rapidly decreases. The illumination light for illuminating the object to be observed illuminates a range sufficiently larger than the size of the probe.
【００１０】そのため、プローブの大きさを小さくする
と、プローブからの散乱光の強度よりも背景光の強度の
方が大きく、ＳＮ比の良い近接視野像を得るためには、
この背景光の強度を低減させる必要がある。Therefore, when the size of the probe is reduced, the intensity of the background light is greater than the intensity of the scattered light from the probe, and in order to obtain a near-field image with a good SN ratio,
It is necessary to reduce the intensity of the background light.
【００１１】従来の背景光の強度を低減させる方法とし
て、エバネッセント光照明法あるいは微小開口型プロー
ブを用いる方法が知られている。As a conventional method for reducing the intensity of background light, there is known an evanescent light illumination method or a method using a small aperture type probe.
【００１２】エバネッセント光照明法は、被観測物体の
波長程度の近傍にしか局在しないエバネッセント光を発
生させる方法で、プローブが近づいた部分の被観測物体
からのエバネッセント光をプローブ先端で散乱光に変換
し検出する。The evanescent light illumination method is a method of generating evanescent light that is localized only in the vicinity of the wavelength of an object to be observed. Convert and detect.
【００１３】それ以外の部分の被観測物体からのエバネ
ッセント光は光検出器に到達しないので、背景光を低減
させることができる。Since the evanescent light from the object to be observed in other parts does not reach the photodetector, the background light can be reduced.
【００１４】また、微小開口型プローブを用いる方法で
は、先端部の微小開口を残して、照射光を吸収する物体
で被覆したプローブを用いる。先端の微小開口を通して
のみ被観測物体からの光が光検出器に到達するので、背
景光を低減させることができる。In the method using a micro-aperture type probe, a probe covered with an object absorbing the irradiation light is used, leaving a micro-aperture at the tip. Since the light from the object to be observed reaches the photodetector only through the small aperture at the tip, the background light can be reduced.
【００１５】図１５は従来のエバネッセント光照明法を
採用した近接視野顕微鏡の概略構成を示す模式構成図で
ある。FIG. 15 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a near-field microscope employing a conventional evanescent light illumination method.
【００１６】図１５において、１は光源、２はプリズ
ム、３は被観測物体である。光源１とプリズム２との関
係は、光源１からの照射光７がプリズム２の上面で全反
射するように配置する。以下、光源１の中心波長はλと
する。In FIG. 15, 1 is a light source, 2 is a prism, and 3 is an object to be observed. The relationship between the light source 1 and the prism 2 is such that the irradiation light 7 from the light source 1 is totally reflected on the upper surface of the prism 2. Hereinafter, the center wavelength of the light source 1 is λ.
【００１７】図１５に示す配置の場合に、同図中に摸式
的に示すように、プリズム２の上面にはエバネッセント
光４と呼ばれる波長（λ）程度だけの光のしみ出しが生
ずる。このエバネッセント光４が被観測物体３で変調さ
れる。In the case of the arrangement shown in FIG. 15, light having a wavelength (λ) called evanescent light 4 exudes on the upper surface of the prism 2 as schematically shown in FIG. This evanescent light 4 is modulated by the observed object 3.
【００１８】この変調されたエバネッセント光４を、プ
ローブ６２に設けた探針６１により散乱し、その散乱光
を散乱光集光用レンズ等の光学系１０１で集光した後、
光検出器５で電気信号（光電流）に変換し、プリアンプ
１０２で増幅する。さらに、走査機構１０によりプロー
ブ６２に設けた探針６１を被観測物体３の面内で走査す
ることにより、２次元的な光分布を得ることができる。The modulated evanescent light 4 is scattered by a probe 61 provided on a probe 62, and the scattered light is collected by an optical system 101 such as a scattered light collecting lens.
The light is converted into an electric signal (photocurrent) by the photodetector 5 and amplified by the preamplifier 102. Furthermore, a two-dimensional light distribution can be obtained by scanning the probe 61 provided on the probe 62 in the plane of the observed object 3 by the scanning mechanism 10.
【００１９】探針６１の先端は波長（λ）以下になるよ
うに先鋭化してあり、その先端からエバネッセント光４
が散乱する。空間分解能は、深針６１の先端の曲率の直
径程度である。また、エバネッセント光４は、被観測物
体３付近に局在し、被観測物体３から離れるにしたがっ
て急激に減衰し、光検出器５まで到達しないので、これ
により、背景光を低減させることができる。The tip of the probe 61 is sharpened so as to have a wavelength (λ) or less.
Are scattered. The spatial resolution is about the diameter of the curvature of the tip of the deep needle 61. Further, the evanescent light 4 is localized in the vicinity of the observed object 3 and rapidly attenuates as the distance from the observed object 3 increases, and does not reach the photodetector 5, so that the background light can be reduced. .
【００２０】このエバネッセント光照明法については、
文献「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，（１９９３），
ｖｏｌ．６２（５），ｐ．４６１」に記載されている。Regarding the evanescent light illumination method,
Reference "Appl. Phys. Lett, (1993),
vol. 62 (5), p. 461 ".
【００２１】図１６は従来の微小開口型プローブを採用
した近接視野顕微鏡の概略構成を示す模式構成図であ
る。FIG. 16 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a near-field microscope employing a conventional micro aperture probe.
【００２２】図１６において、１は光源、６は先端を先
鋭化した光ファイバ（プローブ）、８は先端に被覆され
た金属層、１２は試料台である。ここで、金属層８は、
光ファイバ６の先端に直径が（λ）以下の微小開口９が
形成されるように被覆されている。In FIG. 16, 1 is a light source, 6 is an optical fiber (probe) having a sharpened tip, 8 is a metal layer coated on the tip, and 12 is a sample stage. Here, the metal layer 8
The distal end of the optical fiber 6 is coated so as to form a minute opening 9 having a diameter of (λ) or less.
【００２３】被観測物体３を透過した、光源１からの照
射光のうち、プローブ直下の照射光１１は、微小開口９
を通過して光検出器５に到達し、電気信号に変換され
る。走査機構１０によりプローブ６を被観測物体３の面
内で２次元的に走査することにより、被観測物体３の２
次元像を得ることができる。The irradiation light 11 immediately below the probe among the irradiation light from the light source 1 that has passed through the object 3 to be observed
And reaches the photodetector 5 and is converted into an electric signal. By scanning the probe 6 two-dimensionally in the plane of the observed object 3 by the scanning mechanism 10, the 2
A two-dimensional image can be obtained.
【００２４】この場合に、被観測物体３を透過した照射
光のうち、プローブ直下の照射光１１以外の照射光であ
る背景光１３は金属層８で反射・吸収され、光検出器５
には到達しない。In this case, of the irradiation light transmitted through the observed object 3, the background light 13, which is irradiation light other than the irradiation light 11 immediately below the probe, is reflected and absorbed by the metal layer 8, and
Does not reach.
【００２５】これにより、背景光を低減させることがで
き、また、分解能は微小開口９の直径にほぼ等しいの
で、回折限界を打破する分解能が可能である。As a result, the background light can be reduced, and the resolution is almost equal to the diameter of the minute aperture 9, so that the resolution that can overcome the diffraction limit is possible.
【００２６】この微小開口型プローブを用いる方法につ
いては、文献「Ｓｃｉｅｎｃｅ，（１９９２），ｖｏ
ｌ．２５７，ｐ．１８９」に記載されている。The method using the micro-aperture probe is described in the literature “Science, (1992), vo.
l. 257, p. 189 ".
【００２７】[0027]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記図
１５および図１６に示す従来の近接顕微鏡では、以下に
示すような問題点があった。However, the conventional proximity microscope shown in FIGS. 15 and 16 has the following problems.
【００２８】図１５に示すエバネッセント光照明方法で
は、エバネッセント光４のしみ出しの長さ以上の高さを
有する被観測物体３には照射光が届かないため、被観測
物体３の凹凸が大きなもの、あるいは、厚さの大きな被
観測物体３の観測は困難であり、被観測物体３は、薄膜
か透明な平板状のものにしか適用が難しいという問題点
があった。即ち、図１５に示すエバネッセント光照明方
法では、観測できる被観測物体３に制限がある。In the evanescent light illuminating method shown in FIG. 15, since the irradiation light does not reach the object 3 having a height equal to or greater than the length of the seepage of the evanescent light 4, the unevenness of the object 3 is large. Alternatively, it is difficult to observe the observation object 3 having a large thickness, and there is a problem that the observation object 3 is difficult to apply only to a thin film or a transparent flat plate. That is, in the evanescent light illumination method shown in FIG. 15, there is a limit to the observed object 3 that can be observed.
【００２９】また、エバネッセント光４を発生させるた
めの光学系が必要なため、光学系が複雑で制約が多くな
るという問題点もあった。Further, since an optical system for generating the evanescent light 4 is required, there is a problem that the optical system is complicated and the restrictions are increased.
【００３０】図１６に示す微小開口型プローブを用いる
方法では、プローブ（先鋭化したファイバ）６の先端に
１０ｎｍオーダの微小開口９を作製する必要がある。従
来の微小開口の作製法では量産性に乏しいこと、また、
プローブ（先鋭化したファイバ）６は観測中に壊れやす
く工業化に向かないという問題点があった。In the method using a micro-aperture probe shown in FIG. 16, it is necessary to form a micro-aperture 9 on the order of 10 nm at the tip of a probe (sharpened fiber) 6. The conventional method for producing a small aperture is poor in mass productivity,
The probe (sharpened fiber) 6 has a problem that it is easily broken during observation and is not suitable for industrialization.
【００３１】一般に、近接視野顕微鏡では、プローブ６
と被観測物体３との間隙を制御する必要があり、従来は
プローブ６と被観測物体３との間に働く力が一定になる
ように制御していた。Generally, in a near-field microscope, a probe 6
It is necessary to control the gap between the probe 6 and the object 3 to be observed. Conventionally, the force acting between the probe 6 and the object 3 has been controlled to be constant.
【００３２】また、図１６に示す金属層８としてアルミ
ニウムが用いられる。アルミニウムの可視光に対する吸
収係数は１５ｎｍ程度であり、金属層８の厚さとしては
数１０ｎｍ程度が必要となる。そのため、プローブ６２
の先端径は５０ｎｍ程度以上となる。Aluminum is used for the metal layer 8 shown in FIG. The absorption coefficient of aluminum for visible light is about 15 nm, and the thickness of the metal layer 8 needs to be about several tens of nm. Therefore, the probe 62
Has a tip diameter of about 50 nm or more.
【００３３】即ち、プローブ６２の先端径は、微小開口
９の開口径よりも大きくなる。そして、間隙制御の空間
分解能は、プローブ６２の先端径程度で、光学的空間分
解能は微小開口９の開口径程度であるため、光学的空間
分解能が間隙制御の空間分解能に制限される恐れがあっ
た。That is, the tip diameter of the probe 62 is larger than the diameter of the minute opening 9. Since the spatial resolution of the gap control is about the tip diameter of the probe 62 and the optical spatial resolution is about the opening diameter of the minute aperture 9, the optical spatial resolution may be limited to the spatial resolution of the gap control. Was.
【００３４】このように、従来の近接視野顕微鏡におけ
る背景光の除去方法では、エバネッセント光を発生させ
るための光学系等が必要である、観測可能な被観測物体
に制限がある、あるいは、プローブに微小開口を形成す
る必要があるため工業化に向かないといった問題点があ
った。As described above, in the conventional method of removing background light in the near-field microscope, an optical system or the like for generating evanescent light is required, the observable object to be observed is limited, or the probe is not used. There is a problem that it is not suitable for industrialization because it is necessary to form a minute opening.
【００３５】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、本発明の目的は、近接視
野顕微鏡による観測方法において、観測可能な被観測物
体に制限がなく、かつ、工業化に適した技術を提供する
ことにある。The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method of observing with a near-field microscope in which an observable object which can be observed is not limited, and To provide a technology suitable for industrialization.
【００３６】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
【００３７】[0037]
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。The outline of a typical invention among the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
【００３８】本発明の（１）の手段は、近接視野顕微鏡
による観測方法において、被観測物体とプローブとの少
なくとも一方を、前記被観測物体の表面に対して略平行
な方向に一定の周期で振動させ、光検出器で検出された
電気信号から前記一定の振動周期に同期した信号成分を
弁別することを特徴とするものである。According to a first aspect of the present invention, in the observation method using a near-field microscope, at least one of the object to be observed and the probe is arranged at a constant period in a direction substantially parallel to the surface of the object to be observed. It is characterized by vibrating and discriminating a signal component synchronized with the predetermined vibration period from the electric signal detected by the photodetector.
【００３９】本発明の（２）の手段は、近接視野顕微鏡
による観測方法において、プローブを、被観測物体の表
面に対して略垂直な方向にＴ１の周期で振動させ、ま
た、前記被観測物体と前記プローブとの少なくとも一方
を、前記被観測物体の表面に対して略平行な方向に、前
記周期Ｔ１の偶数倍の周期であるＴ２の周期で振動さ
せ、光検出器で検出された電気信号から前記周期Ｔ２の
振動周期に同期した信号成分を弁別することを特徴とす
るものである。According to a second aspect of the present invention, in the observation method using a near-field microscope, the probe is vibrated at a period of T1 in a direction substantially perpendicular to the surface of the object to be observed. And at least one of the probe and the probe are vibrated in a direction substantially parallel to the surface of the observed object at a period of T2 which is an even multiple of the period T1, and an electric signal detected by the photodetector. And discriminates a signal component synchronized with the oscillation cycle of the cycle T2.
【００４０】本発明の（３）の手段は、前記（２）の手
段の近接視野顕微鏡による観測方法において、前記光検
出器で検出された信号のうち、周期Ｔ１に同期した信号
成分を弁別し、かつ、その信号成分を用いてプローブと
被観測物体との間の間隙制御信号を生成することを特徴
とするものである。According to a third aspect of the present invention, in the observation method using a near-field microscope of the second aspect, the signal component synchronized with the period T1 among the signals detected by the photodetector is discriminated. And generating a gap control signal between the probe and the observed object using the signal component.
【００４１】本発明の（４）の手段は、前記（３）の手
段の近接視野顕微鏡による観測方法において、前記光検
出器で検出された信号のうち、周期Ｔ２に同期した信号
成分を周期Ｔ１に同期した信号成分で割り算し、被観測
物体像を得ることを特徴とするものである。According to a fourth aspect of the present invention, in the observation method using the near-field microscope of the third aspect, the signal component synchronized with the cycle T2 of the signal detected by the photodetector is changed to the cycle T1. In this case, the image is divided by a signal component synchronized with the above to obtain an object image to be observed.
【００４２】すなわち、本発明は、近接視野顕微鏡によ
る観測方法において、被観測物体とプローブとの少なく
とも一方を、前記被観測物体の表面に対して略平行な方
向に一定の周期で振動させ、光検出器で検出された電気
信号から前記一定の振動周期に同期した信号成分を弁別
する。That is, according to the present invention, in an observation method using a near-field microscope, at least one of an object to be observed and a probe is vibrated at a constant cycle in a direction substantially parallel to the surface of the object to be observed. A signal component synchronized with the predetermined oscillation cycle is discriminated from the electric signal detected by the detector.
【００４３】前記プローブを、被観測物体の表面に対し
て略垂直な方向にＴ１の周期で振動させ、また、前記被
観測物体と前記プローブとの少なくとも一方を、前記被
観測物体の表面に対して略平行な方向に、周期Ｔ１の偶
数倍の周期であるＴ２の周期で振動させ、光検出器で検
出された電気信号から前記周期Ｔ２の振動周期に同期し
た信号成分を弁別する。The probe is vibrated at a period of T1 in a direction substantially perpendicular to the surface of the object to be observed, and at least one of the object and the probe is moved with respect to the surface of the object to be observed. In the direction substantially parallel to each other at a cycle of T2 which is an even multiple of the cycle T1, and discriminates a signal component synchronized with the oscillation cycle of the cycle T2 from the electric signal detected by the photodetector.
【００４４】前述の手段によれば、被観測物体とプロー
ブとの少なくとも一方を、被観測物体の表面に対して略
平行な方向に一定の周期で振動させ、光検出器で検出さ
れた電気信号からその振動周期に同期した信号成分を弁
別し、被観測物体の各点での差分信号を得るようにした
ので、従来のエバネッセント光照明法および微小開口プ
ローブを用いることなく、背景光を除去することができ
る。According to the above-mentioned means, at least one of the object to be observed and the probe is vibrated at a constant period in a direction substantially parallel to the surface of the object to be observed, and the electric signal detected by the photodetector is detected. Signal components synchronized with the oscillation cycle of the object are discriminated from each other to obtain a differential signal at each point of the object to be observed, so that background light is removed without using a conventional evanescent light illumination method and a small aperture probe. be able to.
【００４５】また、プローブを、被観測物体の表面に対
して略垂直な方向にＴ１の周期で振動させ、また、被観
測物体と前記プローブとの少なくとも一方を、被観測物
体の表面に対して略平行な方向に、Ｔ２の周期（但し、
Ｔ２はＴ１の偶数倍）で振動させ、光検出器で検出され
た電気信号から周期Ｔ２の振動周期に同期した信号成分
を弁別し、被観測物体の各点での差分信号を得るように
したので、従来のエバネッセント光照明法および微小開
口プローブを用いることなく、背景光を除去することが
できる。The probe is vibrated at a period of T1 in a direction substantially perpendicular to the surface of the object to be observed, and at least one of the object to be observed and the probe is moved with respect to the surface of the object to be observed. In a substantially parallel direction, the period of T2 (however,
(T2 is an even multiple of T1), and a signal component synchronized with the oscillation period of the period T2 is discriminated from the electric signal detected by the photodetector to obtain a difference signal at each point of the observed object. Therefore, the background light can be removed without using the conventional evanescent light illumination method and the minute aperture probe.
【００４６】[0046]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【００４７】なお、本願の実施の形態を説明するための
全図において、同一機能を有するものは同一符号を付
け、その繰り返しの説明は省略する。In all the drawings for describing the embodiments of the present invention, components having the same functions are denoted by the same reference numerals, and their repeated description will be omitted.
【００４８】（発明の実施の形態１）図１は本発明の実
施形態１である近接顕微鏡による観測方法の概略構成を
示す模式図である。(First Embodiment of the Invention) FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an observation method using a proximity microscope according to a first embodiment of the present invention.
【００４９】図１において、６２は片持ち梁状のプロー
ブ、１２０はプローブホルダ、１２１はプローブ６２を
被観測物体３の表面に対して略水平な方向に走査するた
めの第一走査手段、１２２はプローブ６２を被観測物体
３の表面に対して略垂直な方向に走査するための第二走
査手段、１１１は試料台を振動させるための第三走査手
段である。In FIG. 1, 62 is a cantilever probe, 120 is a probe holder, 121 is first scanning means for scanning the probe 62 in a direction substantially horizontal to the surface of the object 3 to be observed, 122. Is a second scanning means for scanning the probe 62 in a direction substantially perpendicular to the surface of the object 3 to be observed, and 111 is a third scanning means for vibrating the sample stage.
【００５０】ここで、前記各走査手段（１１１，１２
１，１２２）は、ピエゾ素子を用いた走査機構で構成さ
れる。Here, each of the scanning means (111, 12)
1, 122) comprises a scanning mechanism using a piezo element.
【００５１】図２はピエゾ素子を組み合わせたｘ、ｙ、
ｚ軸方向に駆動可能な走査機構の一例を示す模式構成図
である。FIG. 2 shows x, y,
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a scanning mechanism that can be driven in a z-axis direction.
【００５２】同図に示す走査機構は、３つのピエゾ素子
１６ａ，１６ｂ，１６ｃを、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に治具１５
により組み合わせたものである。The scanning mechanism shown in FIG. 1 includes three piezo elements 16a, 16b and 16c which are connected to a jig 15 in the X, Y and Z directions.
Are combined.
【００５３】ピエゾ素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、印
加電圧によりｎｍの精度でプローブ６２（あるいは試料
台１２）を走査させることが可能であり、図２に示す走
査機構は、ｎｍ以下の精度でプローブ６２（あるいは試
料台１２）の位置制御が可能である。The piezo elements 16a, 16b and 16c are capable of scanning the probe 62 (or the sample stage 12) with an accuracy of nm by the applied voltage, and the scanning mechanism shown in FIG. The position of the sample table 62 (or the sample table 12) can be controlled.
【００５４】レーザ光源４１と、レーザスポットの位置
検出器４２とは、プローブ６２と被観測物体３との間隙
を制御するためのものである。プローブ６２は片持ち梁
状になっているので、探針６１の先端と被観測物体３の
間に働く原子間力が変化すると、プローブ６２で反射さ
れたレーザ光源４１の反射光４３のスポット位置が変化
する。この変化をレーザスポットの位置検出器４２で検
出し、これにより、探針６１の先端と被観測物体３との
間隔を第二走査手段１２２で制御する。The laser light source 41 and the laser spot position detector 42 are for controlling the gap between the probe 62 and the object 3 to be observed. Since the probe 62 has a cantilever shape, when the atomic force acting between the tip of the probe 61 and the observed object 3 changes, the spot position of the reflected light 43 of the laser light source 41 reflected by the probe 62 changes. Changes. This change is detected by the laser spot position detector 42, whereby the distance between the tip of the probe 61 and the observed object 3 is controlled by the second scanning means 122.
【００５５】この探針６１の先端と被観測物体３の間に
働く原子間力から、探針６１と被観測物体３との間隙を
制御する方法は、文献「Ａｐｐｌｙｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ （１９８８） ｖｏｌ．５３，ｐ．
１０４５」に記載されている光てこ法と呼ばれる方法で
あり、１オングストローム以下の分解能で制御すること
が可能である。A method of controlling the gap between the probe 61 and the object 3 based on the interatomic force acting between the tip of the probe 61 and the object 3 is described in the document “Applyed Physic”.
s Letters (1988) vol. 53, p.
1045 ", which can be controlled with a resolution of 1 angstrom or less.
【００５６】駆動信号発生手段１１０は、信号線８２を
介して、第三走査手段１１１に駆動信号を供給する。ま
た、駆動信号発生手段１１０からの駆動信号は、プリア
ンプ１０２から出力される電気信号中から、前記駆動信
号発生手段１１０からの駆動信号に同期した成分を検出
する検出手段１０３にも、信号線８１を介して供給され
る。さらに、検出手段１０３には、プリアンプ１０２か
らの出力信号も、信号線８３を介して供給される。The driving signal generating means 110 supplies a driving signal to the third scanning means 111 via the signal line 82. The drive signal from the drive signal generation unit 110 is also supplied to the detection unit 103 that detects a component synchronized with the drive signal from the drive signal generation unit 110 from the electrical signal output from the preamplifier 102, and the signal line 81 Is supplied via Further, an output signal from the preamplifier 102 is also supplied to the detection means 103 via a signal line 83.
【００５７】ここで、駆動信号発生手段１１０は、例え
ば、正弦波発生器で構成され、検出手段１０３は、例え
ば、ロックインアンプで構成される。Here, the driving signal generating means 110 is constituted by, for example, a sine wave generator, and the detecting means 103 is constituted by, for example, a lock-in amplifier.
【００５８】本実施形態１では、被観測物体３を光源１
で照射し、被観測物体３からの散乱光を散乱光集光用レ
ンズ等の光学系１０１で集光し、光検出器５で電気信号
に変換し、プリアンプ１０２で増幅する。In the first embodiment, the object 3 to be observed is
The scattered light from the observed object 3 is condensed by an optical system 101 such as a scattered light condensing lens, converted into an electric signal by the photodetector 5, and amplified by the preamplifier 102.
【００５９】光検出器５には、探針６１の直下点３１か
らの散乱光７１と被観測物体３の各点からの散乱光の総
和である背景光７２の両方が到達する。この背景光７２
は、被観測物体３の各点からの散乱光の総和であるた
め、被観測物体３の面内で概ね一様な光である。Both the scattered light 71 from the point 31 directly below the probe 61 and the background light 72 which is the sum of the scattered light from each point of the object 3 reach the photodetector 5. This background light 72
Is the sum of the scattered light from each point of the observed object 3, and is substantially uniform in the plane of the observed object 3.
【００６０】この場合に、第一走査手段１２１で、プロ
ーブ６２を被観測物体３の面内で２次元的に走査し、被
観測物体３の２次元像を得る。さらに、第三走査手段１
１１で、試料台１２を被観測物体３を表面に対して水平
な方向（図１中の１１２の方向）にＴ２の周期で振動さ
せて、被観測物体３を表面に対して水平な方向に振動さ
せる。In this case, the first scanning means 121 scans the probe 62 two-dimensionally in the plane of the object 3 to obtain a two-dimensional image of the object 3. Further, the third scanning means 1
At 11, the sample stage 12 is caused to vibrate the object 3 in a direction horizontal to the surface (direction of 112 in FIG. 1) at a period of T2, and the object 3 is moved in a direction horizontal to the surface. Vibrate.
【００６１】第三走査手段１１１により振動する被観測
物体３の振幅１１２を、光源１の波長（λ）より十分小
さく（典型的には１０ｎｍ程度）すると、背景光７２は
全体の平均的な散乱光で、かつ、プローブ６２は、被観
測物体３に対して小さいので、被観測物体３の振動によ
る背景光７２の振幅変調は小さい。When the amplitude 112 of the observed object 3 vibrated by the third scanning means 111 is sufficiently smaller than the wavelength (λ) of the light source 1 (typically, about 10 nm), the background light 72 becomes the average scattering of the whole. Since the probe 62 is light and small relative to the observed object 3, the amplitude modulation of the background light 72 due to the vibration of the observed object 3 is small.
【００６２】これに対して、被観測物体３の直下点３１
の部分は、プローブ６２が真上にあるか、１０ｎｍずれ
ているかで電磁気学的境界条件が大きく異なるので、そ
のため、被観測物体３の直下点３１からの散乱光７１
は、背景光７２に比べ大きく振幅変調される。On the other hand, the point 31 directly below the object 3
In the part, the electromagnetic boundary condition greatly differs depending on whether the probe 62 is directly above or shifted by 10 nm. Therefore, the scattered light 71 from the point 31 directly below the observed object 3
Is amplitude-modulated more than the background light 72.
【００６３】したがって、検出手段（ロックインアン
プ）１０３で、被観測物体３の振動周期（Ｔ２）に同期
して、被観測物体３の直下点３１からの散乱光７１を検
出することにより、背景光７２を信号処理的に低減する
ことが可能となる。Therefore, the detecting means (lock-in amplifier) 103 detects the scattered light 71 from the point 31 directly below the object 3 to be observed, in synchronization with the oscillation period (T2) of the object 3 to be observed, thereby obtaining the background. The light 72 can be reduced in signal processing.
【００６４】このように、本実施形態１では、一定の周
期でプローブ６２を被観測物体３の表面に対して略水平
な方向に振動させた状態で、被観測物体３からの散乱光
を光検出器５で検出し、光検出器５で検出された電気信
号の中から、前記被観測物体３の振動周期に同期した成
分を取り出し、被観測物体３の各点での差分信号を得る
ことにより、信号処理的に背景光７２を除去することが
でき、従来の物理的除去法で必要だったエバネッセント
照明法および微小開口プローブが不要となる。As described above, in the first embodiment, the scattered light from the observed object 3 is reflected by the probe 62 while the probe 62 is vibrated in a direction substantially horizontal to the surface of the observed object 3 at a constant period. A component synchronized with the oscillation cycle of the observed object 3 is extracted from the electric signal detected by the detector 5 and detected by the photodetector 5 to obtain a difference signal at each point of the observed object 3. As a result, the background light 72 can be removed in signal processing, and the evanescent illumination method and the small aperture probe, which are required in the conventional physical removal method, are not required.
【００６５】（発明の実施の形態２）図３は本発明の実
施形態２である近接顕微鏡による観測方法の概略構成を
示す模式構成図である。(Embodiment 2) FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of an observation method using a proximity microscope according to Embodiment 2 of the present invention.
【００６６】本実施形態２の近接視野顕微鏡による観測
方法は、より汎用的な被観測物体３の観測を目的とし
て、プローブ６を被観測物体３の表面に対して、略垂直
な方向（図３中の１２３の方向）に振動させるようにし
た点で、前記実施形態１の近接視野顕微鏡による観測方
法と相違する。In the observation method using the near-field microscope of the second embodiment, the probe 6 is moved in a direction substantially perpendicular to the surface of the object 3 (FIG. This is different from the observation method using the near-field microscope of the first embodiment in that the vibration is performed in the direction of 123 in FIG.
【００６７】そのため、本実施形態２では、駆動信号発
生手段１１０から第二走査手段１２２に、信号線８４を
介して駆動信号を供給し、この駆動信号発生手段１１０
からの駆動信号に同期して、第二走査手段１２２は、プ
ローブ６を被観測物体３の表面に対して略垂直な方向
（図３中の１２３の方向）に振動させる。Therefore, in the second embodiment, a drive signal is supplied from the drive signal generation means 110 to the second scanning means 122 via the signal line 84, and the drive signal generation means 110
The second scanning means 122 oscillates the probe 6 in a direction substantially perpendicular to the surface of the object 3 to be observed (direction of 123 in FIG. 3) in synchronization with the drive signal from.
【００６８】前記実施形態１では、被観測物体３と探針
６１との間隙が一定になるように第二走査手段１２２で
制御していた。本実施形態２では、被観測物体３と探針
６１との間隙を、Ｔ１の周期で正弦的に振動させ、振動
振幅をレーザスポットの位置検出器４２で検出する。In the first embodiment, the second scanning means 122 controls the gap between the observed object 3 and the probe 61 to be constant. In the second embodiment, the gap between the observed object 3 and the probe 61 is vibrated sinusoidally at the cycle of T1, and the vibration amplitude is detected by the laser spot position detector.
【００６９】被観測物体３と探針６１との間隙が小さく
なると、その間に働く原子間力により、振動振幅は小さ
くなる。この現象を利用して鉛直振動振幅による間隙を
制御する。この方法は、文献「Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉ
ｅｎｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，（１９９３） Ｖｏｌ．２９
０，ｐ．６８８」に記載されている。When the gap between the observed object 3 and the probe 61 becomes smaller, the vibration amplitude becomes smaller due to the atomic force acting between them. This phenomenon is used to control the gap by the vertical vibration amplitude. This method is described in the document “Surface Sci.
ence Letters, (1993) Vol. 29
0, p. 688 ".
【００７０】一般に、大気中で観測を行う場合、被観測
物体３の表面は主に水分から成る吸着層に覆われている
ことが多い。In general, when the observation is performed in the atmosphere, the surface of the observed object 3 is often covered with an adsorption layer mainly composed of moisture.
【００７１】被観測物体３によっては、前記実施形態１
の方法で間隙を制御する場合には、探針６１が吸着層に
より吸着されて、第三走査手段１１１で被観測物体３と
探針６１との相対的位置関係が変更できなくなる場合が
ある。The first embodiment depends on the object 3 to be observed.
When the gap is controlled by the method described above, the probe 61 may be adsorbed by the adsorption layer, and the relative position relationship between the observed object 3 and the probe 61 may not be changed by the third scanning unit 111 in some cases.
【００７２】これに対して、本実施形態２の方法で間隙
を制御する場合には、探針６１が被観測物体３の表面の
吸着層を突き破って、被観測物体３の表面に対して略垂
直な方向に振動するため、吸着層に吸着されることがな
い。On the other hand, when the gap is controlled by the method of the second embodiment, the probe 61 penetrates through the adsorbing layer on the surface of the object 3 to be observed, and is substantially separated from the surface of the object 3. Since it vibrates in the vertical direction, it is not adsorbed by the adsorption layer.
【００７３】そのため、任意の被観測物体３に対して、
探針６１と被観測物体３との被観測物体３の面内方向の
相対的位置関係を変更することができる。Therefore, for any object 3 to be observed,
The relative positional relationship between the probe 61 and the observed object 3 in the in-plane direction of the observed object 3 can be changed.
【００７４】このように、本実施形態２では、被観測物
体３の表面に対して略垂直な方向にＴ１の周期でプロー
ブ６２を振動させ、その略垂直な方向の振動に同期させ
て、被観測物体３の表面に対して略水平な方向にＴ２の
周期で被観測物体３を振動させる。As described above, in the second embodiment, the probe 62 is vibrated at a period of T1 in a direction substantially perpendicular to the surface of the object 3 to be observed, and is synchronized with the vibration in the direction substantially perpendicular thereto. The observed object 3 is vibrated in a direction substantially horizontal to the surface of the observed object 3 at a period of T2.
【００７５】即ち、探針６１と被観測物体３とは、被観
測物体３の表面に対して略水平な方向では振幅１１２の
振動で、略垂直な方向には振幅１２３の振動で相対的位
置関係が変化している。That is, the relative position of the probe 61 and the observed object 3 is a vibration of an amplitude 112 in a direction substantially horizontal to the surface of the object 3 and a vibration of an amplitude 123 in a direction substantially perpendicular to the surface of the object 3. Relationships are changing.
【００７６】ここで、周期Ｔ２は周期Ｔ１の偶数倍とな
るように設定する。これにより、探針６１と被観測物体
３との間隔を一定として、被観測物体３の面内方向に振
幅１１２で被観測物体３を振動させることができる。Here, the period T2 is set to be an even multiple of the period T1. Accordingly, the observed object 3 can be vibrated with the amplitude 112 in the in-plane direction of the observed object 3 while keeping the distance between the probe 61 and the observed object 3 constant.
【００７７】図４は本実施形態２における探針６１と被
観測物体３との位置関係を時系列的に説明する図であ
る。FIG. 4 is a diagram for explaining the positional relationship between the probe 61 and the object 3 in time series in the second embodiment.
【００７８】同図中において、３１３は被観測物体３の
構造を模式的に示したものであり、また、６２１は探針
６１の先端部を示したものである。また、同図では、被
観測物体３の表面に対して略水平な方向をｘ軸に、被観
測物体３の表面に対して略垂直な方向をｚ軸に取ってあ
る。In the drawing, reference numeral 313 schematically shows the structure of the observed object 3, and reference numeral 621 shows the tip of the probe 61. Further, in the same figure, a direction substantially horizontal to the surface of the observed object 3 is taken on the x-axis, and a direction substantially perpendicular to the surface of the observed object 3 is taken on the z-axis.
【００７９】図４（ａ）はｔ＝０、図４（ｂ）はｔ＝
０．５ｘＴ１のとき、図４（ｃ）はｔ＝Ｔ１のとき、図
４（ｄ）はｔ＝１．５ｘＴ１のとき、図４（ｅ）はｔ＝
２ｘＴ１のときの位置関係を示している。FIG. 4A shows t = 0, and FIG. 4B shows t =
4 (c) when t = T1, FIG. 4 (d) when t = 1.5 × T1, and FIG. 4 (e) when t = T1.
The positional relationship at 2 × T1 is shown.
【００８０】光検出器５で検出された電気信号のうち、
検出手段（ロックインアンプ）１０３で、Ｔ２の周期に
同期した成分のみ取り出すことにより、プローブ６２１
の高さｚを固定して、被観測物体３１３をｘ軸方向に振
幅ａで振動させることと等価となる。Of the electric signals detected by the photodetector 5,
The detection means (lock-in amplifier) 103 extracts only a component synchronized with the cycle of T2, thereby
Is fixed, and the observed object 313 is oscillated with the amplitude a in the x-axis direction.
【００８１】これに対して、被観測物体３の表面に対し
て略垂直な方向の振動と、被観測物体３の表面に対して
略水平な方向の振動とを同期させない場合、あるいは、
周期Ｔ２が周期Ｔ１の偶数倍でない場合には、それぞれ
の振動の位相がずれるため、図４でｔ＝０とｔ＝Ｔ２の
時の探針６１の高さが等しくなく、位相ずれに従って変
化してしまう。On the other hand, when the vibration in the direction substantially perpendicular to the surface of the observed object 3 and the vibration in the direction substantially horizontal to the surface of the observed object 3 are not synchronized, or
If the period T2 is not an even multiple of the period T1, the phases of the respective vibrations are shifted, so that the height of the probe 61 at t = 0 and t = T2 in FIG. Would.
【００８２】背景光７２の強度は、水平方向の振動では
変調は小さい。しかし、垂直方向の振動は、探針６１と
被観測物体３との間の光干渉により、振動振幅が１０ｎ
ｍ程度でも背景光７２の強度は、大きく変調される。The intensity of the background light 72 is less modulated by horizontal vibration. However, the vibration in the vertical direction has a vibration amplitude of 10 n due to optical interference between the probe 61 and the observed object 3.
Even at about m, the intensity of the background light 72 is greatly modulated.
【００８３】結局、周期Ｔ２が周期Ｔ１の偶数倍でない
場合には、ｔ＝０とｔ＝Ｔ２とで探針６１の高さが異な
ることにより、背景光７２の信号成分が、光検出器５で
検出された電気信号の中に混入してしまう。When the period T2 is not an even multiple of the period T1, the height of the probe 61 is different between t = 0 and t = T2, so that the signal component of the background light 72 is In the electric signal detected in the step (1).
【００８４】（発明の実施の形態３）図５は本発明の実
施形態３である近接顕微鏡による観測方法を実施するた
めの装置の概略構成を示す模式構成図である。(Embodiment 3) FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of an apparatus for implementing an observation method using a proximity microscope according to Embodiment 3 of the present invention.
【００８５】本実施形態３の近接視野顕微鏡による観測
方法は、プローブ６として、シリコン基板から作成さ
れ、その先端にフォトダイオード部６２２１を組み込ん
だ片持ち梁状プローブ６２２を用いた点で、前記実施の
形態１の近接視野顕微鏡による観測方法と相違する。こ
れにより、本実施の形態では、散乱光集光用レンズ等の
光学系１０１と光検出器５が不要となり装置構成を小型
化・簡略化することが可能となる。The observation method using a near-field microscope of the third embodiment is different from the above-described embodiment in that a cantilever probe 622 made of a silicon substrate and having a photodiode 6221 incorporated at the tip is used as the probe 6. This is different from the observation method using the near-field microscope of the first mode. Thus, in the present embodiment, the optical system 101 such as a scattered light condensing lens and the photodetector 5 become unnecessary, and the device configuration can be reduced in size and simplified.
【００８６】被観測物体３からの散乱光は、プローブ６
２２上のフォトダイオード部６２２１で電気信号に変換
され、この電気信号は、信号線８５を介してプリアンプ
１０２に到達する。The scattered light from the observed object 3 is
The light is converted into an electric signal by the photodiode section 6221 on the signal 22, and the electric signal reaches the preamplifier 102 via the signal line 85.
【００８７】図６ないし図１０に、このプローブ６２２
の一例を示す。FIGS. 6 to 10 show this probe 622.
An example is shown below.
【００８８】図６において、２１，２２は電極、２７は
導線、２３はｐ領域、２４はｎ領域、２３１は高濃度の
ｐ領域、２４１は高濃度のｎ領域、３０は反射防止膜で
ある。In FIG. 6, 21 and 22 are electrodes, 27 is a conductor, 23 is a p region, 24 is an n region, 231 is a high concentration p region, 241 is a high concentration n region, and 30 is an antireflection film. .
【００８９】電極２１，２２はアルミニウムで形成し、
電極２１，２２の下に、電極２１，２２とオーミックな
コンタクトを取るため、ｐおよびｎの高濃度領域２３
１，２４１を設けた。The electrodes 21 and 22 are formed of aluminum.
Under the electrodes 21 and 22, in order to make ohmic contact with the electrodes 21 and 22, the p and n high concentration regions 23 are formed.
1,241 were provided.
【００９０】一定の電圧が印加されたｐｎ接合に光が入
射されると、ｐｎ接合には入射光の強度に応じた光電流
が流れるので、被観測物体（試料）３で散乱された散乱
光は、ｐｎ接合で光電流に変換され、当該光電流を測定
することにより散乱光の光強度を測定できる。When light is incident on the pn junction to which a constant voltage is applied, a photocurrent corresponding to the intensity of the incident light flows through the pn junction, so that the scattered light scattered by the observed object (sample) 3 Is converted into a photocurrent by a pn junction, and the light intensity of the scattered light can be measured by measuring the photocurrent.
【００９１】また、反射防止膜３０として酸化シリコン
膜を１００ｎｍ程度設けて、その反射率を数％程度まで
に低減させた。反射防止膜３０の材料としては、シリコ
ンに対しては屈折率が２程度の材料が適しており、酸化
シリコンの他に、例えば、窒化シリコンが有効であるの
はいうまでもない。Further, a silicon oxide film having a thickness of about 100 nm was provided as the antireflection film 30, and the reflectance was reduced to about several percent. As the material of the antireflection film 30, a material having a refractive index of about 2 is suitable for silicon, and it goes without saying that, for example, silicon nitride is effective in addition to silicon oxide.
【００９２】図７に示すプローブ６２２は、図６に示す
プローブ６２２の先端部を梁状に加工したものである。
これにより、被観測物体（試料）３が溝など凹凸の大き
な試料の場合でも観測でき、汎用性という点で有利であ
る。The probe 622 shown in FIG. 7 is obtained by processing the tip of the probe 622 shown in FIG. 6 into a beam shape.
This allows observation even when the observed object (sample) 3 is a sample having large irregularities such as a groove, which is advantageous in terms of versatility.
【００９３】図８（ａ）に示すプローブ６２２は、空間
分解能のさらなる向上を図って、図７に示すプローブ６
２２を作成した後、例えば、アルミニウム等の金属膜２
６をコーティングしたものである。この場合に、可視域
の光のアルミニウムに対する侵入の深さが１０ｎｍ程度
なので、コーティング層は数１０ｎｍ以上とした。The probe 622 shown in FIG. 8A is designed to further improve the spatial resolution, and the probe 622 shown in FIG.
22 is formed, for example, a metal film 2 such as aluminum.
No. 6 is coated. In this case, since the penetration depth of visible light into aluminum is about 10 nm, the coating layer is made several tens nm or more.
【００９４】図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すプローブ
６２２の先端部を拡大して示す図である。FIG. 8B is an enlarged view of the tip of the probe 622 shown in FIG. 8A.
【００９５】図８（ｂ）に示すように、プローブ６２２
の先端部のみ、金属膜２６が除去されている。空間分解
能は、この先端のｐｎ接合分の大きさ程度となるため、
金属膜２６が除去された径（ｄ）を小さくすればするほ
ど、空間分解能を向上させることができる。As shown in FIG. 8B, the probe 622
The metal film 26 has been removed only at the tip of. Since the spatial resolution is about the size of the pn junction at the tip,
The smaller the diameter (d) from which the metal film 26 is removed, the higher the spatial resolution can be improved.
【００９６】図９に示すプローブ６２２は、その先端部
に、梁状の突起５０が設けられており、これにより、被
観測物体（試料）３が溝等の凹凸の大きな試料の場合で
も観測でき、汎用性という点で有利である。The probe 622 shown in FIG. 9 is provided with a beam-shaped projection 50 at the tip thereof, so that the object (sample) 3 to be observed can be observed even when the object 3 is a sample having large irregularities such as a groove. This is advantageous in terms of versatility.
【００９７】図１０示すプローブ６２２は、空間分解能
のさらなる向上を図って、図９に示すプローブ６２２の
突起５０上に、厚さ数１０ｎｍの金属膜５１を塗布した
ものである。この金属膜５１としては金を用いることが
できる。The probe 622 shown in FIG. 10 is obtained by applying a metal film 51 having a thickness of several tens nm on the protrusion 50 of the probe 622 shown in FIG. 9 in order to further improve the spatial resolution. As the metal film 51, gold can be used.
【００９８】金の散乱効率は、可視域の光に対してシリ
コンの散乱効率の約４倍であるため、散乱効率を向上さ
せることができる。Since the scattering efficiency of gold is about four times that of silicon with respect to light in the visible region, the scattering efficiency can be improved.
【００９９】なお、図６ないし図１０に示すプローブ６
２２は、同一出願人により既に出願済みの特願平６−２
２２０６０号に記載されているものである。The probe 6 shown in FIGS.
22 is Japanese Patent Application No. 6-2 filed by the same applicant.
No. 22060.
【０１００】なお、前記各発明の実施の形態では、被観
測物体３を、被観測物体３の表面に対して略水平な方向
に振動させて変調信号を得たが、プローブ（６、６２
２）、あるいは、その両方を、被観測物体３の表面に対
して略水平な方向に振動させて変調信号を得るようにし
てもよい。In each of the embodiments of the present invention, the modulated signal is obtained by oscillating the object 3 in a direction substantially horizontal to the surface of the object 3.
2) Or, both may be oscillated in a direction substantially horizontal to the surface of the observed object 3 to obtain a modulation signal.
【０１０１】（発明の実施の形態４）図１１は本発明の
実施形態４である近接顕微鏡による観測方法を実施する
ための装置の概略構成を示す模式構成図である。(Embodiment 4) FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of an apparatus for performing an observation method using a proximity microscope according to Embodiment 4 of the present invention.
【０１０２】図１１において、１０４は光検出器５で検
出された光信号の信号のうち、周期Ｔ１に同期した成分
を弁別する検出手段であり、例えば、ロックインアンプ
を用いる。８５、８６、８７、８８は信号線、１２３は
間隙制御回路（実施形態１、２、３でも用いられている
が、簡単のため省略した）である。ちなみに、検出手段
１０３は、光検出器５で検出された光信号の信号のう
ち、周期Ｔ２に同期した成分を弁別する手段である。In FIG. 11, reference numeral 104 denotes detection means for discriminating a component synchronized with the cycle T1 of the optical signal detected by the photodetector 5, and uses, for example, a lock-in amplifier. Reference numerals 85, 86, 87, and 88 denote signal lines, and reference numeral 123 denotes a gap control circuit (also used in the first, second, and third embodiments, but omitted for simplicity). Incidentally, the detecting unit 103 is a unit that discriminates a component synchronized with the cycle T2 in the optical signal detected by the photodetector 5.
【０１０３】前記実施形態２では、レーザ光源４１とレ
ーザスポット位置検出器４２の組み合わせによる光てこ
法を用いて、プローブの周期Ｔ１での振幅の大きさをプ
ローブと被観測物体との間の間隙制御信号として用いた
（図３）。本実施形態４では、プローブ６２と被観測物
体３との間の光干渉を利用し、制御信号を生成する。こ
れ以外の点は実施形態２と同じである。In the second embodiment, the magnitude of the amplitude in the cycle T1 of the probe is determined by using the optical leverage method in which the laser light source 41 and the laser spot position detector 42 are combined. Used as a control signal (FIG. 3). In the fourth embodiment, a control signal is generated using optical interference between the probe 62 and the observed object 3. Other points are the same as the second embodiment.
【０１０４】この実施形態４では、４１、４２が不要と
なり測定系が簡単になる。さらに、本実施形態４ではプ
ローブと被観測物体が、全く接触せずに１０ｎｍオーダ
の間隙の維持したままプローブの走査が可能となるの
で、生物などの柔らかい被観測物体も傷つけずに観測で
きる、および吸着層の効果が影響されないという長所が
ある。In the fourth embodiment, 41 and 42 are not required, and the measuring system is simplified. Further, in the fourth embodiment, since the probe and the object to be observed can be scanned while maintaining a gap of the order of 10 nm without any contact between the probe and the object to be observed, a soft object to be observed such as a living thing can be observed without damage. In addition, there is an advantage that the effect of the adsorption layer is not affected.
【０１０５】図１１において、光検出器５で検出する光
信号のうち、周期Ｔ２に同期した成分は、前述したよう
に被観測物体の微細な光学特性分布を反映した近接視野
光学信号である。In FIG. 11, the component synchronized with the period T2 in the optical signal detected by the photodetector 5 is a near-field optical signal reflecting the fine optical characteristic distribution of the object to be observed as described above.
【０１０６】しかるに、図１２に示したように、周期Ｔ
１に同期した成分は、探針６１と被観測物体３の表面で
の光干渉による信号となる。すなわち、試料３を透過し
た光７３と探針６１からの反射光７４が干渉した信号で
ある。探針６１と被観測物体の間隙距離を変化させる
と、図１３に示すように、光源１の波長の２分の１を周
期とするおおむね正弦関数的に変化する光信号が得られ
る。この光干渉は探針６１の先端の波長λ程度の領域で
起こり、この範囲の被観測物体３の光学特性分布を平均
化した信号となる。However, as shown in FIG.
The component synchronized with 1 becomes a signal due to optical interference between the probe 61 and the surface of the observed object 3. That is, it is a signal in which the light 73 transmitted through the sample 3 and the reflected light 74 from the probe 61 interfere. When the gap distance between the probe 61 and the object to be observed is changed, as shown in FIG. 13, an optical signal that changes in a substantially sinusoidal function with a cycle of half the wavelength of the light source 1 is obtained. This optical interference occurs in a region of about the wavelength λ at the tip of the probe 61, and becomes a signal obtained by averaging the optical characteristic distribution of the observed object 3 in this range.
【０１０７】これに対して周期Ｔ２に同期した成分は、
周期Ｔ２の振動振幅（１０ｎｍ）程度の被観測物体の微
細な構造を反映した信号である。結局、周期Ｔ１に同期
した成分は、被観測物体の高さを平均した面からの探針
６１との間隙距離を示す信号となる。この周期Ｔ１に同
期した成分の強度を一定とすることにより、試料からの
平均的な高さを一定とした間隙制御が可能となる。On the other hand, the component synchronized with the cycle T2 is
This signal reflects the fine structure of the object to be observed having a vibration amplitude of about 10 nm in the period T2. Eventually, the component synchronized with the period T1 becomes a signal indicating the gap distance from the surface on which the height of the observed object is averaged to the probe 61. By keeping the intensity of the component synchronized with the period T1 constant, it is possible to control the gap with a constant average height from the sample.
【０１０８】光源として波長６３３ｎｍのＨｅＮｅレー
ザを用いた場合、谷と山の距離は１５８ｎｍであり、Ｓ
Ｎ比（信号／ノイズ比）を１０3程度以上に保持すれば
１ｎｍのオーダの間隙制御が可能である（図１２）。本
実施形態４では、間隙距離は試料の平均的な高さの面か
らの距離なので、試料の微細な形状変化には追随しな
い。これに対して、前記実施形態２で述べた方法は、試
料の微細な形状変化に追随して間隙制御を行う。この点
が、本実施形態４は前記実施形態２と異なる。When a 633 nm wavelength HeNe laser is used as the light source, the distance between the valley and the peak is 158 nm,
If the N ratio (signal / noise ratio) is maintained at about 10 3 or more, gap control on the order of 1 nm is possible (FIG. 12). In the fourth embodiment, since the gap distance is a distance from the plane of the average height of the sample, it does not follow a minute change in the shape of the sample. On the other hand, in the method described in the second embodiment, the gap control is performed according to the minute shape change of the sample. This point is different from the second embodiment in the fourth embodiment.
【０１０９】本実施形態４において、間隙制御に用いる
光干渉信号は、プローブを鉛直方向に振動させなくも、
原理的には得られることはいうまでもない。しかし、実
際のところ、１ｎｍオーダの鉛直方向の距離分解能に必
要なＳＮ比を得るためには、プローブを鉛直方向に振動
させ同期検出しないと実現は困難である。In the fourth embodiment, the optical interference signal used for gap control can be obtained without vibrating the probe in the vertical direction.
Needless to say, it can be obtained in principle. However, as a matter of fact, it is difficult to realize an SN ratio required for a vertical distance resolution of the order of 1 nm unless the probe is vibrated in the vertical direction and synchronously detected.
【０１１０】また、本実施形態４においても、前記実施
形態３で述べたように、フォトダイオードを組み込んだ
プローブ６２２を用いることにより、装置構成が小型化
・簡略化できることはいうまでもない。Also, in the fourth embodiment, as described in the third embodiment, it is needless to say that the configuration of the device can be reduced in size and simplified by using the probe 622 incorporating the photodiode.
【０１１１】（発明の実施の形態５）図１４は本発明の
実施形態５である近接顕微鏡による観測方法を実施する
ための装置の概略構成を示す模式構成図である。図１４
において、１０５は割り算回路、８９、９０は信号線で
ある。これ以外の点は、前記実施形態４で述べたものと
同じである。凹凸の変化の激しい試料に実施形態４を適
用する場合、探針６１の先端と被観測物体３の体面との
間の光干渉により、形状のみの不要なコントラストが得
られる可能性もある。また、光源１の光スポットが不均
一な場合、それが不要なコントラストを与える可能性も
ある。すなわち、検出手段１０３で得られる信号Ｉ
T2は、おおむね以下の数１の式で表される。(Embodiment 5) FIG. 14 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of an apparatus for performing an observation method using a proximity microscope according to Embodiment 5 of the present invention. FIG.
In the figure, 105 is a division circuit, and 89 and 90 are signal lines. Other points are the same as those described in the fourth embodiment. In the case where the fourth embodiment is applied to a sample in which the irregularities change drastically, unnecessary contrast of only the shape may be obtained due to optical interference between the tip of the probe 61 and the body surface of the observed object 3. If the light spot of the light source 1 is not uniform, it may give unnecessary contrast. That is, the signal I obtained by the detection means 103
T2 is generally expressed by the following equation (1).
【０１１２】[0112]
【数１】 (Equation 1)
【０１１３】数１の式において、Ｉ0（ｘ，ｙ）は光源
１からの入射光強度分布、Ｓ（ｚ）は被観測物体と探針
との間の光干渉の頃、Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は近接視野信号
である。また、検出手段１０４で得られる信号ＩT1は、
以下の数２の式で表わされる。In the equation (1), I 0 (x, y) is the intensity distribution of the incident light from the light source 1, S (z) is the time of light interference between the observed object and the probe, and N (x, y) (y, z) is a near-field signal. The signal I T1 obtained by the detection means 104 is
It is represented by the following equation (2).
【０１１４】[0114]
【数２】 (Equation 2)
【０１１５】前述の数１，数２の式から、割り算回路１
０５において、検出手段１０３の出力信号を検出手段１
０４の出力信号で割り算すれば、光干渉の頃Ｓ（ｚ）お
よび光源スポットの不均一性Ｓ（ｚ）を打ち消し、近接
視野信号Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）のみを得ることができる。本
実施形態５は、前記実施形態４に比べ、より純粋な近接
視野像を得られるという長所がある。From the above equations (1) and (2), the dividing circuit 1
At 05, the output signal of the detecting means 103 is
By dividing by the output signal of No. 04, S (z) and non-uniformity S (z) of the light source spot are canceled at the time of light interference, and only the near-field signal N (x, y, z) can be obtained. The fifth embodiment has an advantage that a purer near-field image can be obtained as compared with the fourth embodiment.
【０１１６】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本
発明は、前記発明の実施の形態に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能で
あることは勿論である。As described above, the invention made by the present inventors is described below.
Although specifically described based on the embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the embodiments of the present invention, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. .
【０１１７】[0117]
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
【０１１８】（１）本発明によれば、近接視野顕微鏡の
観測方法において、エバネッセント光照明法あるいは微
小開口プローブなどの物理的手段を用いることなく、信
号処理的に背景光を取り除くことが可能であり、近接視
野顕微鏡から得られる近接視野像のＳ／Ｎ比を向上させ
ることが可能となる。(1) According to the present invention, in the observation method of the near-field microscope, background light can be removed by signal processing without using physical means such as an evanescent light illumination method or a small aperture probe. In addition, it is possible to improve the S / N ratio of a near-field image obtained from a near-field microscope.
【０１１９】（２）本発明による近接視野顕微鏡の観測
方法を採用することにより、観測できる被観測物体の制
限をなくし、かつ、工業化に適した近接視野顕微鏡を提
供することが可能となる。(2) By adopting the observation method of the near-field microscope according to the present invention, it is possible to eliminate the limitation of the observable object to be observed and to provide a near-field microscope suitable for industrialization.
【図１】本発明の実施形態１である近接顕微鏡による観
測方法を実施するための装置の概略構成を示す模式構成
図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a schematic configuration of an apparatus for performing an observation method using a proximity microscope that is Embodiment 1 of the present invention.
【図２】ピエゾ素子を組み合わせたｘ、ｙ、ｚ軸方向に
駆動可能な走査機構の一例を示す模式構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a scanning mechanism that can be driven in x, y, and z-axis directions by combining piezo elements;
【図３】本発明の実施形態２である近接顕微鏡による観
測方法を実施するための装置の概略構成を示す模式構成
図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating a schematic configuration of an apparatus for performing an observation method using a proximity microscope that is Embodiment 2 of the present invention.
【図４】本実施形態２における探針と被観測物体との位
置関係を時系列的に説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for describing a positional relationship between a probe and an object to be observed in a time series according to the second embodiment.
【図５】本発明の実施形態３である近接顕微鏡による観
測方法を実施するための装置の概略構成を示す模式構成
図である。FIG. 5 is a schematic configuration diagram illustrating a schematic configuration of an apparatus for performing an observation method using a proximity microscope that is Embodiment 3 of the present invention.
【図６】図５に示すプローブの概略構成の一例を示す図
である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of a probe illustrated in FIG. 5;
【図７】図５に示すプローブの概略構成の他の例を示す
図である。FIG. 7 is a diagram showing another example of a schematic configuration of the probe shown in FIG. 5;
【図８】図５に示すプローブの概略構成の他の例を示す
図である。8 is a diagram showing another example of a schematic configuration of the probe shown in FIG.
【図９】図５に示すプローブの概略構成の他の例を示す
図である。9 is a diagram showing another example of the schematic configuration of the probe shown in FIG.
【図１０】図５に示すプローブの概略構成の他の例を示
す図である。10 is a diagram showing another example of a schematic configuration of the probe shown in FIG.
【図１１】本発明の実施形態４である近接顕微鏡による
観測方法を実施するための装置の概略構成を示す模式構
成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram illustrating a schematic configuration of an apparatus for performing an observation method using a proximity microscope that is Embodiment 4 of the present invention.
【図１２】本実施形態４における周期Ｔ１に同期した成
分が探針と被観測物体の表面での光干渉による信号とな
ることを説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining that a component synchronized with a cycle T1 in the fourth embodiment is a signal due to optical interference between the probe and the surface of the object to be observed.
【図１３】本実施形態４において、光源の波長の２分の
１を周期とするおおむね正弦関数的に変化する光信号が
得られることを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing that an optical signal that changes approximately in a sinusoidal function with a cycle of half the wavelength of the light source is obtained in the fourth embodiment.
【図１４】本発明の実施形態５である近接顕微鏡による
観測方法を実施するための装置の概略構成を示す模式構
成図である。FIG. 14 is a schematic configuration diagram illustrating a schematic configuration of an apparatus for performing an observation method using a proximity microscope that is Embodiment 5 of the present invention.
【図１５】従来のエバネッセント光照明法を採用した近
接視野顕微鏡の概略構成を示す模式構成図である。FIG. 15 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a near-field microscope employing a conventional evanescent light illumination method.
【図１６】従来の微小開口型プローブを採用した近接視
野顕微鏡の概略構成を示す模式構成図である。FIG. 16 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a near-field microscope employing a conventional minute aperture probe.
１…光源、２…プリズム、３…被観測物体、４…エバネ
ッセント光、５…光検出器、６…先端を先鋭化した光フ
ァイバ、７…照射光、８…金属層、９…微小開口、１０
…走査機構、１１…照射光、１２…試料台、１３，７２
…背景光、１５…治具、１６…ピエゾ素子、２１，２２
…電極、２３…ｐ領域、２４…ｎ領域、２６，５１…金
属膜、２７…導線、３０…反射防止膜、３１…直下点、
４１…レーザ光源、４２…レーザスポットの位置検出
器、４３…反射光、５０…梁状の突起、６１…探針、６
２，６２２…プローブ、７１…プローブ直下の散乱光、
８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８
９，９０…信号線、１０１…散乱光集光用レンズ等の光
学系、１０２…プリアンプ、１０３，１０４…検出手段
（ロックインアンプ）、１０５…割り算回路、１１０…
駆動信号発生手段（正弦波発生器）、１１１…第三走査
手段、１１２…振幅、１２１…第一走査手段、１２２…
第二走査手段、１２０…プローブホルダ、１２３…間隙
制御回路、２３１…高濃度のｐ領域、２４１…高濃度の
ｎ領域、６２２１…フォトダイオード部。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source, 2 ... Prism, 3 ... Object to be observed, 4 ... Evanescent light, 5 ... Photodetector, 6 ... Optical fiber with sharpened tip, 7 ... Irradiation light, 8 ... Metal layer, 9 ... Micro aperture, 10
... Scanning mechanism, 11 Irradiation light, 12 Sample stage, 13, 72
... background light, 15 ... jig, 16 ... piezo element, 21, 22
... electrodes, 23 ... p regions, 24 ... n regions, 26, 51 ... metal films, 27 ... conductive wires, 30 ... anti-reflection films, 31 ... directly below points,
Reference numeral 41 denotes a laser light source, 42 denotes a laser spot position detector, 43 denotes reflected light, 50 denotes a beam-like projection, 61 denotes a probe, 6
2,622: probe, 71: scattered light immediately below the probe,
81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 8
9, 90 signal line, 101 optical system such as a scattered light condensing lens, 102 preamplifier, 103, 104 detection means (lock-in amplifier), 105 division circuit, 110
Drive signal generating means (sine wave generator), 111: third scanning means, 112: amplitude, 121: first scanning means, 122:
Second scanning means, 120: probe holder, 123: gap control circuit, 231: high-concentration p region, 241: high-concentration n region, 6221: photodiode section.
Claims (4)
て、被観測物体とプローブとの少なくとも一方を、前記
被観測物体の表面に対して略平行な方向に一定の周期で
振動させ、光検出器で検出された電気信号から前記一定
の振動周期に同期した信号成分を弁別することを特徴と
する近接視野顕微鏡による観測方法。In an observation method using a near-field microscope, at least one of an object to be observed and a probe is vibrated at a constant period in a direction substantially parallel to a surface of the object to be observed, and detected by a photodetector. An observation method using a near-field microscope, wherein a signal component synchronized with the predetermined oscillation cycle is discriminated from the obtained electric signal.
て、プローブを、被観測物体の表面に対して略垂直な方
向にＴ１の周期で振動させ、また、前記被観測物体と前
記プローブとの少なくとも一方を、前記被観測物体の表
面に対して略平行な方向に、前記周期Ｔ１の偶数倍の周
期であるＴ２の周期で振動させ、光検出器で検出された
電気信号から前記周期Ｔ２の振動周期に同期した信号成
分を弁別することを特徴とする近接視野顕微鏡による観
測方法。2. An observation method using a near-field microscope, wherein a probe is vibrated at a period of T1 in a direction substantially perpendicular to the surface of the object to be observed, and at least one of the object to be observed and the probe is moved. Vibrating in a direction substantially parallel to the surface of the observed object at a period of T2, which is an even multiple of the period T1, and converting the electric signal detected by the photodetector to a vibration period of the period T2. An observation method using a near-field microscope, wherein a synchronized signal component is discriminated.
観測方法において、前記光検出器で検出された信号のう
ち、周期Ｔ１に同期した信号成分を弁別し、かつ、その
信号成分を用いてプローブと被観測物体との間の間隙制
御信号を生成することを特徴とする近接視野顕微鏡によ
る観測方法。3. The observation method using a near-field microscope according to claim 2, wherein, of the signals detected by the photodetector, a signal component synchronized with a period T1 is discriminated, and the signal component is used. An observation method using a near field microscope, which generates a gap control signal between a probe and an object to be observed.
観測方法において、前記光検出器で検出された信号のう
ち、周期Ｔ２に同期した信号成分を周期Ｔ１に同期した
信号成分で割り算し、被観測物体像を得ることを特徴と
する近接視野顕微鏡による観測方法。4. The observation method using a near-field microscope according to claim 3, wherein, among the signals detected by the photodetector, a signal component synchronized with a cycle T2 is divided by a signal component synchronized with a cycle T1. An observation method using a near-field microscope, wherein an image of an object to be observed is obtained.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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-
1997
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