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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5733724
(24)【登録日】2015年4月24日
(45)【発行日】2015年6月10日
(54)【発明の名称】走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ近接検出方法
(51)【国際特許分類】
G01Q 20/04 20100101AFI20150521BHJP
G01Q 10/06 20100101ALI20150521BHJP
G01Q 60/18 20100101ALI20150521BHJP
【ＦＩ】
G01Q20/04
G01Q10/06
G01Q60/18
【請求項の数】14
【全頁数】31
(21)【出願番号】特願2011-519892(P2011-519892)
(86)(22)【出願日】2010年6月21日
(86)【国際出願番号】JP2010060494
(87)【国際公開番号】WO2010150756
(87)【国際公開日】20101229
【審査請求日】2013年6月14日
(31)【優先権主張番号】特願2009-149205(P2009-149205)
(32)【優先日】2009年6月23日
(33)【優先権主張国】JP
(31)【優先権主張番号】特願2010-25975(P2010-25975)
(32)【優先日】2010年2月8日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】504132272
【氏名又は名称】国立大学法人京都大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001069
【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】西村 活人
(72)【発明者】
【氏名】川上 養一
(72)【発明者】
【氏名】船戸 充
(72)【発明者】
【氏名】金田 昭男
(72)【発明者】
【氏名】橋本 恒明
【審査官】
後藤 大思
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２００６／０５１９８３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００９−２５０３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平９−８９９１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−３１５９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００５−５３２５５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−２９８４８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
Ruggero Micheletto et al，Direct mapping of the far and near field optical emission of nano-sized tapered glass fibers by an i，Applied Surface Science，ELSEVIER，１９９９年 ４月，Vol. 144-145，p514 - p519
【文献】
重藤知夫、横山浩，デュアルプローブ近接場光学顕微鏡，電子情報通信学会技術研究報告. OME, 有機エレクトロニクス，日本，社団法人電子情報通信学会，１９９６年 ５月，９６−１２，ｐ１３−ｐ１８
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｑ １０／００〜９０／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第１及び第２プローブを有する走査型プローブ顕微鏡において、
a)前記第１プローブの共振周波数の振動を該第１プローブに付与しつつ、試料に対して相対的に前記第１プローブを走査する第１走査手段と、
b)前記第２プローブの共振周波数の振動を該第２プローブに付与しつつ、試料に対して相対的に前記第２プローブを走査する第２走査手段と、
c)前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に前記第１プローブ及び前記第２プローブの共振周波数とは異なる特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
d)前記第１プローブ及び前記第２プローブの前記特定周波数の振動を監視する振動監視手段と、
e)前記第１プローブ及び前記第２プローブの少なくとも一方の振動が変化したことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と、
f)前記プローブ近接検出手段の検出結果に基づき第１及び第２走査手段を制御する制御手段と
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
a)前記第１プローブの共振周波数の振動を該第１プローブに付与しつつ、試料に対して相対的に前記第１プローブを走査する第１走査手段と、
b)前記第２プローブの共振周波数の振動を該第２プローブに付与しつつ、試料に対して相対的に前記第２プローブを走査する第２走査手段と、
c)前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に前記第１プローブ及び前記第２プローブの共振周波数とは異なる特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
d)前記第１プローブ及び前記第２プローブの前記特定周波数の振動を監視する振動監視手段と、
e)前記第１プローブ及び前記第２プローブの少なくとも一方の振動が変化したことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と、
f)前記プローブ近接検出手段の検出結果に基づき第１及び第２走査手段を制御する制御手段と
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項2】
試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第１及び第２プローブを有する走査型プローブ顕微鏡において、
a)試料に対して相対的に前記第１プローブを走査する第１走査手段と、
b)試料に対して相対的に前記第２プローブを走査する第２走査手段と、
c)前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
d)前記第１プローブ及び前記第２プローブの前記特定周波数の振動を監視する振動監視手段と、
e)前記第１プローブ及び前記第２プローブの少なくとも一方の振動が変化したことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と、
f)前記プローブ近接検出手段の検出結果に基づき第１及び第２走査手段を制御する制御手段と
を有し、
前記第１及び第２プローブは第１及び第２の音叉型振動子に取り付けられ、前記走査手段は、前記音叉型振動子を共振させて前記第１及び第２プローブを走査するように構成され、
前記第１及び第２の音叉型振動子を共振させて前記第１プローブ及び第２プローブの先端をそれぞれ試料表面に接近させたときに各音叉型振動子に誘起される電圧信号を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段の検出結果に基づき、各プローブ先端と前記試料表面との距離を一定に保持するプローブ・試料間距離制御手段とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
a)試料に対して相対的に前記第１プローブを走査する第１走査手段と、
b)試料に対して相対的に前記第２プローブを走査する第２走査手段と、
c)前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
d)前記第１プローブ及び前記第２プローブの前記特定周波数の振動を監視する振動監視手段と、
e)前記第１プローブ及び前記第２プローブの少なくとも一方の振動が変化したことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と、
f)前記プローブ近接検出手段の検出結果に基づき第１及び第２走査手段を制御する制御手段と
を有し、
前記第１及び第２プローブは第１及び第２の音叉型振動子に取り付けられ、前記走査手段は、前記音叉型振動子を共振させて前記第１及び第２プローブを走査するように構成され、
前記第１及び第２の音叉型振動子を共振させて前記第１プローブ及び第２プローブの先端をそれぞれ試料表面に接近させたときに各音叉型振動子に誘起される電圧信号を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段の検出結果に基づき、各プローブ先端と前記試料表面との距離を一定に保持するプローブ・試料間距離制御手段とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項3】
前記振動付与手段は、前記第１プローブに振動を付与するように構成され、
前記プローブ近接検出手段が、前記第１プローブの振動の変化率が閾値以下になったことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記プローブ近接検出手段が、前記第１プローブの振動の変化率が閾値以下になったことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項4】
前記振動付与手段は、前記第１プローブに振動を付与するように構成され、
前記プローブ近接検出手段が、前記第２プローブの振動の変化率が閾値を上回ったことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記プローブ近接検出手段が、前記第２プローブの振動の変化率が閾値を上回ったことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項5】
試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第１及び第２プローブを有する走査型プローブ顕微鏡において、
a)前記第１プローブが取り付けられた第１音叉型振動子と、
b)前記第２プローブが取り付けられた第２音叉型振動子と、
c)前記第１音叉型振動子と前記第２音叉型振動子をそれぞれ共振させて、前記第１及び前記第２プローブのそれぞれを前記試料に対して相対的に走査する走査手段と、
d)前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
e)前記第１及び第２音叉型振動子を共振させて前記第１及び第２プローブを互いに接近させたときに各音叉型振動子に誘起される前記特定周波数の電圧信号を検出する信号検出手段と、
f)前記第１音叉型振動子及び第２音叉型振動子にそれぞれ誘起される前記特定周波数の電圧信号に基づき第１及び第２プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
a)前記第１プローブが取り付けられた第１音叉型振動子と、
b)前記第２プローブが取り付けられた第２音叉型振動子と、
c)前記第１音叉型振動子と前記第２音叉型振動子をそれぞれ共振させて、前記第１及び前記第２プローブのそれぞれを前記試料に対して相対的に走査する走査手段と、
d)前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
e)前記第１及び第２音叉型振動子を共振させて前記第１及び第２プローブを互いに接近させたときに各音叉型振動子に誘起される前記特定周波数の電圧信号を検出する信号検出手段と、
f)前記第１音叉型振動子及び第２音叉型振動子にそれぞれ誘起される前記特定周波数の電圧信号に基づき第１及び第２プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項6】
前記プローブ近接検出手段が、前記第１音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号と前記第２音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号の積に基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項7】
前記プローブ近接検出手段が、前記第１音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号と前記第２音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号の和に基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項8】
前記特定周波数は、前記音叉型振動子の共振周波数と異なる周波数であることを特徴とする請求項２、５〜７のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項9】
試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第１及び第２プローブを有する走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法において、
前記第１プローブに共振周波数の振動を付与しつつ該第１プローブを試料に対して相対的に走査し、
前記第２プローブに共振周波数の振動を付与しつつ該第２プローブを試料に対して相対的に走査し、
前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に、前記第１プローブの共振周波数及び前記第２プローブの共振周波数とは異なる特定周波数の振動を付与し、
前記第１プローブ及び前記第２プローブの前記特定周波数の振動を監視し、
前記第１プローブ及び前記第２プローブの少なくとも一方の前記特定周波数の振動が変化したことにより前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
前記第１プローブに共振周波数の振動を付与しつつ該第１プローブを試料に対して相対的に走査し、
前記第２プローブに共振周波数の振動を付与しつつ該第２プローブを試料に対して相対的に走査し、
前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に、前記第１プローブの共振周波数及び前記第２プローブの共振周波数とは異なる特定周波数の振動を付与し、
前記第１プローブ及び前記第２プローブの前記特定周波数の振動を監視し、
前記第１プローブ及び前記第２プローブの少なくとも一方の前記特定周波数の振動が変化したことにより前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
【請求項10】
前記第１プローブに特定周波数の振動を付与するように構成され、
前記第１プローブの振動の変化率が閾値以下になったことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
前記第１プローブの振動の変化率が閾値以下になったことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
【請求項11】
前記第１プローブに特定周波数の振動を付与するように構成され、
前記第２プローブの振動の変化率が閾値を上回ったことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項９又は１０に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
前記第２プローブの振動の変化率が閾値を上回ったことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項９又は１０に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
【請求項12】
試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第１及び第２プローブを有する走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法において、
前記第１プローブは第１音叉型振動子に取り付けられ、
前記第２プローブは第２音叉型振動子に取り付けられ、
前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与し、
前記第１音叉型振動子及び第２音叉型振動子にそれぞれ誘起される前記特定周波数の電圧信号に基づき第１プローブ及び第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
前記第１プローブは第１音叉型振動子に取り付けられ、
前記第２プローブは第２音叉型振動子に取り付けられ、
前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与し、
前記第１音叉型振動子及び第２音叉型振動子にそれぞれ誘起される前記特定周波数の電圧信号に基づき第１プローブ及び第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
【請求項13】
前記第１音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号と前記第２音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号の積に基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項１２に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
【請求項14】
前記第１音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号と前記第２音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号の和に基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項１２に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数のプローブを有する走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ近接検出方法に関し、特にはシアフォース方式でプローブ先端と試料表面との距離を制御する走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ近接検出方法に関する。【背景技術】
【0002】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ:Scanning Probe Microscopy)は、尖鋭な突端を有する探針（プローブ）で試料表面上を走査することにより、試料の表面形状や試料表面の多様な物性・機能をナノスケールで計測する技術である。また、近年、試料のより複雑な表面形状や様々な物性・機能を計測するために、複数のプローブを有する走査型プローブ顕微鏡が開発されている。従来、このような複数のプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡においては、複数のプローブを試料表面の測定位置に移動させるために光学顕微鏡や電子顕微鏡が用いられている（特許文献１参照）。
【0003】
走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）では、試料に近接させたプローブの周りに近接場光を発生させ、プローブと試料表面との相互作用による散乱光の光強度や光学特性を計測することにより試料の表面状態を検出する。試料表面とプローブ先端との距離を正確に検出し、プローブ先端位置を精度良く制御することは、光の回折限界を超えた分解能を実現する上で非常に重要である。【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2008-14903号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ＳＮＯＭでは、試料表面とプローブ先端との間やプローブ相互間を光の回折限界を超えて近接させる場合がある。このような場合、光学顕微鏡を用いてモニタしながらプローブ先端位置を制御することは不可能である。一方、電子顕微鏡を用いれば、試料表面とプローブ先端との間やプローブ相互間の距離を観察することは可能であるが、手間や時間がかかる。【0006】
また、単一のプローブを有するＳＮＯＭでは、プローブ先端と試料表面とが近接したときに両者の間に発生する相互作用（シアフォース）を利用してプローブ先端と試料表面との間の距離を制御しているが、この制御方法は複数のプローブを有するＳＮＯＭでは用いることができない。なぜなら、複数のプローブを有する場合、プローブ同士が近接した場合にプローブ相互間のシアフォースの影響を受けるため、各プローブの位置制御を独立に行うことができないからである。【0007】
本発明が解決しようとする課題は、複数のプローブの相対距離を精度良く制御することができる走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ近接検出方法を提供することである。【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、本出願の第１発明は、試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第１及び第２プローブを有する走査型プローブ顕微鏡であって、a)試料に対して相対的に前記第１プローブを走査する第１走査手段と、
b)試料に対して相対的に前記第２プローブを走査する第２走査手段と、
c)前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
d)前記第１プローブ及び前記第２プローブの前記特定周波数の振動を監視する振動監視手段と、
e)前記第１プローブ及び前記第２プローブの少なくとも一方の振動が変化したことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と、
f)前記プローブ近接検出手段の検出結果に基づき第１及び第２走査手段を制御する制御手段と
を有することを特徴とする。ここで、第１プローブは、１本に限らず複数本の場合を含む。同様に、第２プローブも１本又は複数本の場合を含む。
【0009】
上記の第１発明においては、前記振動付与手段が、前記第１プローブに振動を付与するように構成され、前記プローブ近接検出手段が、前記第１プローブの振動の変化率が閾値以下になったことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出しても良く、前記第２プローブの振動の変化率が閾値を上回ったことに基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出するようにしても良い。【0010】
また、本出願の第２発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記第１発明において、前記第１及び第２プローブが第１及び第２の音叉型振動子に取り付けられ、
前記走査手段が、前記音叉型振動子をそれぞれ共振させて前記第１及び第２プローブのそれぞれを走査するように構成され、
前記第１及び第２の音叉型振動子をそれぞれ共振させて前記第１プローブ及び第２プローブの先端をそれぞれ試料表面に接近させたときに各音叉型振動子に誘起される電圧信号を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段の検出結果に基づき、各プローブ先端と前記試料表面の距離を一定に保持するプローブ・試料間距離制御手段とを備えることを特徴とする。
【0011】
また、本出願の第３発明は、試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第１及び第２プローブを有する走査型プローブ顕微鏡であって、a)前記第１プローブが取り付けられた第１音叉型振動子と、
b)前記第２プローブが取り付けられた第２音叉型振動子と、
c)前記第１音叉型振動子と前記第２音叉型振動子をそれぞれ共振させて、前記第１及び前記第２プローブのそれぞれを前記試料に対して相対的に走査する走査手段と、
d)前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
e)前記第１及び第２の音叉型振動子をそれぞれ共振させて前記第１プローブと第２プローブを互いに接近させたときに各音叉型振動子に誘起される前記特定周波数の電圧信号を検出する信号検出手段と、
f) 前記第１音叉型振動子及び第２音叉型振動子にそれぞれ誘起される前記特定周波数の電圧信号に基づき第１及び第２プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と
を有することを特徴とする。
【0012】
第３発明においては、前記プローブ近接検出手段が、前記第１音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号と前記第２音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号の積に基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出するように構成すると良い。【0013】
また、第３発明においては、前記プローブ近接検出手段が、前記第１音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号と前記第２音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号の和に基づき前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出するように構成することもできる。【0014】
第２発明及び第３発明においては、前記特定周波数は、前記音叉型振動子の共振周波数と異なる周波数であることが好ましい。【0015】
また、本出願の第４発明は、試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第１及び第２プローブを有する走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法であって、前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与し、
前記第１プローブから前記第２プローブに伝播した特定周波数の振動を検出することにより前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする。
【0016】
具体的には、前記第１プローブ及び前記第２プローブの少なくとも一方の前記特定周波数の振動が変化したことにより前記第１プローブと前記第２プローブが互いに近接したことを検出することができる。【0017】
また、本出願の第５発明は、試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第１及び第２プローブを有する走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法であって、前記第１プローブは第１音叉型振動子に取り付けられ、
前記第２プローブは第２音叉型振動子に取り付けられ、
前記第１プローブ及び第２プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与し、
前記第１音叉型振動子及び第２音叉型振動子にそれぞれ誘起される前記特定周波数の電圧信号に基づき第１プローブ及び第２プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
試料表面上にて複数のプローブを走査すると、これら複数のプローブが近接することによりプローブ間にシアフォースと呼ばれる相互作用が発生し、この相互作用の影響を受けて各プローブの振動状態が変化する。本発明の走査型プローブ顕微鏡では、第１及び第２プローブを走査する際に一方のプローブに特定周波数の振動を付与し、両プローブの該特定周波数の振動を監視するようにした。そして、両プローブのうちの少なくとも一方において特定周波数の振動が変化したことに基づき、両プローブが近接したことを検出するようにしたので、第１及び第２プローブの走査時に両プローブが衝突することを未然に防ぐことができる。【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の第１の実施の形態に係る走査型近接場光学顕微鏡の概略構成図。
【図2】第１及び第２プローブに付与する振動を説明するための図。
【図3】第１プローブに付与される振動波形を示す図。
【図4】二帯域変調制御方式の各プローブの水晶振動子の振動によって生じる圧電信号の処理の流れを示すダイヤグラム。
【図5】第１及び第２プローブ間の制御の概念図（ａ）及び制御が期待通りに行われていないときに予想される現象（ｂ）〜（ｄ）を示す図。
【図6】二帯域変調制御方式の検証結果を示す図であり、第２プローブに第１プローブを接近させたときの第１プローブのＸ軸座標の位置（ｘ）と各プローブのＺ軸座標の位置（ｚ）との関係（ａ）、第１プローブのＸ軸座標の位置（ｘ）と各プローブの共振振動の振幅との関係（ｂ）、第１プローブのＸ軸座標の位置（ｘ）と各プローブの変調振動の振幅との関係（ｃ）を示す図。
【図8】第２プローブの先端との衝突を避けつつ第２プローブ先端付近の領域を第１プローブで走査したときの第１プローブの軌跡を示す図。
【図9】第２プローブの先端付近の領域を第１プローブで走査したときの検証結果を示し、（ａ）はプローブ先端のＳＥＭ像、（ｂ）は第１プローブの軌跡を示す。
【図11】第２プローブの先端付近の領域を第１プローブで走査したときの検証結果を示し、（ａ）は各プローブ先端のＳＥＭ像、（ｂ）は各プローブの変調信号マッピングを示す。
【図12】第２プローブの先端付近の領域を第１プローブで走査したときの検証結果を示し、（ａ）は各プローブ先端のＳＥＭ像、（ｂ）は第１プローブの変調信号マッピングを示す。
【図13】別の検証結果を示す図１２相当図。
【図14】本発明の実施例に係るＳＮＯＭの光学系を示す図。
【図15】デュアルＩＣモードで測定を行う場合のＳＮＯＭの光学系の一例を示す図。
【図16】Ｉモードで測定を行う場合のＳＮＯＭの光学系の一例を示す図。
【図17】ＩＣモードで測定を行う場合のＳＮＯＭの光学系の一例を示す図。
【図18】Ｉプローブ及びＣプローブと試料の測定時の写真を示す。
【図19】ＳＱＷのキャリアを励起したときの再結合発光の発光強度マッピング（ａ）、発光ピーク波長マッピング（ｂ）を示す。
【図23】本発明の第２の実施の形態におけるプローブに対する水晶振動子の配置を説明するための図であり、（ａ）は第１実施形態の水晶振動子の配置、（ｂ）及び（ｃ）は第２実施形態の水晶振動子の配置を示す。
【図25】両プローブを接近させたときの各プローブの距離に関する信号の測定結果を示す図であり、（ａ）は両プローブが離間しているとき、（ｂ）は両プローブが近接しているときの結果を示す。
【図26】第２プローブ先端付近の領域を第１プローブで走査したときの両プローブの信号s3(x)及び両信号の積の変化を示す。
【図27】往復走査方式の説明図。
【図28】往復走査時の試料表面像（トポグラフィック像(topographic image)）。
【図29】一方向走査方式の説明図。
【図30】一方向走査時の試料表面像（トポグラフィック像）。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面を参照して説明する。まず、本発明の第１実施形態について図１〜図２２を参照して説明する。本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）であり、図１に、本実施形態に係る走査型近接場光学顕微鏡の概略構成図を示す。図１に示すように、第１実施形態のＳＮＯＭ１は試料Ｓが載置される試料ステージ３、試料Ｓの表面を走査する第１プローブ５及び第２プローブ６、試料ステージ３をＸＹ方向（水平方向）及びＺ方向（垂直方向）に移動させる試料移動機構８、第１プローブ５をＸＹ方向（水平方向）及びＺ方向（垂直方向）に移動させるプローブ移動機構１０、第１プローブ５及び第２プローブ６の先端と試料との間の距離を制御する距離制御機構１２、レーザ光を出射する光源１４、試料から放射される信号光を検出する検出部１６を備えている。検出部１６は、集光レンズ、分光器、ＣＣＤを含んで構成されている。
【0021】
試料移動機構８は、ピエゾアクチュエータを駆動源とする微動機構１８、ステッピングモータを駆動源とする粗動機構２０からなり、水平（ＸＹ）方向及び垂直方向（Ｚ方向）に試料ステージ３を移動させる。制御装置２２は、粗動機構２０による比較的大きな移動と微動機構１８による微小な移動とを切り替えて行うよう試料移動機構８を制御する。これにより、試料ステージ３に載置された試料が水平方向及び垂直方向に移動される。【0022】
第１プローブ５及び第２プローブ６は、いずれも先端が尖鋭化され、当該先端部に近接場光として取り出す波長以下の微小開口を有する光ファイバープローブから成る。各光ファイバープローブは、先端及び開口を除き金属コーティング（例えば金（Au)コーティング）されている。【0023】
光源１４から出射されたレーザ光は、第１プローブ５及び第２プローブ６のいずれかの端部から当該プローブに導入され、そのプローブ先端の微小開口から外部に洩れ出て試料表面に近接場光を形成する。一方、試料表面に形成された近接場光によって試料表面で発生した散乱光等は第１プローブ５及び第２プローブ６のいずれかの先端開口から当該開口に導入され検出部１６に導かれる。光源１４からの光を試料表面に導くプローブをイルミネーションプローブ（Ｉプローブ）、試料表面で発生した光を集光して検出部１６に導くプローブをコレクションプローブ（Ｃプローブ）と呼ぶ。本実施形態のＳＮＯＭ１では、第１プローブ５及び第２プローブ６のいずれもがＩプローブ、Ｃプローブとなり得る。【0024】
プローブ移動機構１０は、ピエゾアクチュエータを駆動源とする微動機構１０ａ、ステッピングモータを駆動源とする粗動機構１０ｂからなり、ＸＹ方向（水平方向）及びＺ方向（垂直方向）に第１プローブ５を移動させる。微動機構１０ａ及び粗動機構１０ｂは前記制御装置２２に接続されている。制御装置２２は、粗動機構１０ｂによる比較的大きな移動と微動機構１０ａによる微小な移動とを切り替えて行う。本実施形態では、試料移動機構８及びプローブ移動機構１０が第１走査手段として機能し、試料移動機構８が第２走査手段として機能する。
【0025】
距離制御機構１２は、微小振動された第１プローブ５及び第２プローブ６が試料表面に近づいたときに第１プローブ５及び第２プローブ６それぞれの先端と試料表面との間に働くシアフォースを検出することにより第１プローブ５及び第２プローブ６の先端と試料表面との距離を制御する。具体的には、距離制御機構１２は音叉状（Ｕ字状）の水晶振動子（チューニングフォーク）２５，２７、各水晶振動子２５，２７に接続された発振器２９，３０、及びロックインアンプ３２，３４から成る。各水晶振動子２５，２７は一対の振動体を連結したＵ字構造を有している。一対の振動体は電気的に絶縁されている。水晶振動子２５の一方の振動体に発振器２９が、水晶振動子２７の一方の振動体に発振器３０が、それぞれ電気的に接続されている。図１では、発振器（発振器２９，発振器３０）が接続された振動体にプローブ（第１プローブ５、第２プローブ６）が固定されているが、ロックインアンプ（ロックインアンプ３２，ロックインアンプ３４）が接続された振動体に前記プローブ（第１プローブ５、第２プローブ６）を固定しても良い。
なお、ロックインアンプ３２，３４には、発振器２９，３０から参照用の信号が供給され、位相検波（同期検波）するようになっている。
【0026】
発振器２９，３０から振動体に加振用電圧（交流電圧）が印加されると、当該振動体がチューニングフォークのU字構造が存在する面内に振動し、これに同期して他方の振動体も振動する。そして、共振点の周波数のときに最大の振幅で共振する。このとき、振動体に誘起される電圧はロックインアンプ３２，３４で測定され、制御装置２２に入力される。この状態で、プローブ５，６の先端を試料表面に近づけていくと、プローブ５，６の先端と試料表面との距離が一定以下になったときにシアフォースが作用してプローブ５，６の振幅が小さくなり、この影響により振動体の振幅も小さくなる。振動体の振幅が小さくなるとロックインアンプ３２，３４で測定される電圧振幅も小さくなる。制御装置２２は電圧振幅の変化をモニタし、ロックインアンプ３２で測定される電圧振幅を一定に保つようにプローブ移動機構１０を制御、ロックインアンプ３４で測定される電圧振幅を一定に保つように試料移動機構８を制御する。これにより、プローブ５，６の先端と試料表面との距離をそれぞれ一定に保ちながらプローブ５，６を走査することができる。
【0027】
本実施形態のＳＮＯＭ１では、第１プローブ５及び第２プローブ６の両方、或いはいずれか一方のみを用いて試料表面を観察することができる。第１プローブ５及び第２プローブ６のいずれか一方をＩプローブ、他方をＣプローブとして試料表面を観察するモードをデュアルＩＣモードと呼ぶ。また、第１プローブ５及び第２プローブ６のうちの一方のみを用いて試料表面を観察するモードをＩＣモード、Ｉモード、Ｃモードと呼ぶ。ＩＣモードでは、１本のプローブがＩプローブ及びＣプローブを兼用するＩＣプローブとなり、光源１４からのレーザ光を試料表面に導くプローブ自身が試料表面で発生した散乱光を検出部１６に導く。Ｃモードでは第１プローブ５及び第２プローブ６のいずれかがＣプローブとなり、ファーフィールドから試料表面に光を照射し、その光によって試料表面に発生した散乱光等をＣプローブで集光する。Ｉモードでは第１プローブ５及び第２プローブ６のいずれかがＩプローブとなり、このＩプローブを用いて試料表面に光を照射し、その光によって発生する散乱光等をレンズにより広域的に観察する。【0028】
例えば半導体を試料Ｓとした場合、上述した４種類のモードによって次のような観察が可能である。すなわち、Ｃモードでは、ファーフィールドから半導体に広域的に光を照射してキャリアを励起し、そのキャリアの再結合による局所的な発光をＣプローブで集光して観察することができる。Ｉモードでは、Ｉプローブを用いて半導体に局所的に光を照射し、励起されたキャリアの発光をレンズにより広域的に観察することができる。ＩＣモード又はデュアルＩＣモードでは、Ｉプローブ又はＩＣプローブを用いて半導体を局所的に励起し、その励起されたキャリアの再結合による発光の局所的な集光をＣプローブ又はＩＣプローブにより観察することができる。【0029】
特に、デュアルＩＣモードでは、ＩプローブとＣプローブとを近接させることで、Ｉプローブからの光で励起されたキャリアの発光をＣプローブで捉ることができ、キャリアが流れる方向、つまりキャリア流路を観察することができる。半導体の一種であるＩｎＧａＮ中のキャリア拡散長は数百nm程度と見積もられており、ＩｎＧａＮのキャリア流路を観察する場合は、第１及び第２プローブ５、６間の距離を数百nm以下まで近づける必要がある。【0030】
このように、１本のプローブで試料表面を走査するＩＣモード、Ｉモード、Ｃモードに対して、２本のプローブで試料表面を走査するデュアルＩＣモードは、両プローブと試料との距離に加えてプローブ間の距離を制御する必要がある。特に両プローブ５，６を近接させる場合には、両プローブ５，６が衝突しないように両プローブ５，６の移動を制御する必要がある。ところが、プローブ５，６間の距離が一定値以下になるとプローブ５，６相互間にシアフォースが働くため、両プローブ５，６の移動を制御する際は、シアフォースの影響を考慮しなければならない。
【0031】
そこで、本実施形態のＳＮＯＭ１では、デュアルＩＣモードで測定を行う場合は、第１プローブ５及び第２プローブ６のうちの一方、例えば第１プローブ５に、水晶振動子２５の共振周波数とは異なる特定周波数の振動（以下、この振動を「変調振動」という）を付与している。そして、両プローブ５，６の変調振動の振幅を検出し、この振幅の変化に基づき２本のプローブ５，６が互いに近接したことを判定するようにしている。【0032】
図２は、各プローブに付与される振動を示す図である。具体的には、制御装置２２の制御により微動機構１０ａを駆動させ、これにより水晶振動子２５を、共振周波数の30kHz近辺とは異なる特定周波数（100Hz）で物理的に振動させている。つまり、本実施形態では、制御装置２２は各プローブの移動を制御する機能と、一方のプローブ（水晶振動子）を特定周波数（100Hz）で発振させる機能を備えている。これにより、第１プローブ５は、水晶振動子２５の共振周波数である30kHzで振動すると同時に、100Hzで試料表面と平行方向（水平方向）に振動する。図３は、第１プローブ５に付与される振動波形を示す図である。このように本実施形態のＳＮＯＭ１では、第１及び第２プローブ５，６を共振周波数で振動させると共に、第１プローブ５に物理的な振動による変調を与えることにより、第１プローブ５及び第２プローブ６と試料との距離及び、第１プローブ５と第２プローブ６との間の距離（プローブ間距離）を制御している。以下の説明では、このような制御方式を二帯域変調制御方式と呼ぶ。【0033】
図４は二帯域変調制御方式の処理の流れを示すダイヤグラムである。なお、図４では、発振器が特定周波数(100Hz)で発振させることとしているが、実際は、前述の通り制御装置２２が特定周波数で発振させる機能を有している。以下に、二帯域変調制御方式の処理の流れについて詳細に説明する。
例えばプローブＡの近傍にプローブＢと試料（の表面）の２つの物体が存在するものとし、プローブＡからプローブＢまで及び試料の表面までの距離をそれぞれx、zとする。また、水晶振動子（チューニングフォーク）の振幅をCとしたときの実際の振動を
C cos ω1t
と記述するものとし、このときのCとx、zの関係を
C＝fx(x) fz(z)
と表すこととする。
【0034】
Fx(x)はプローブＢがプローブＡに与える振幅減衰量の大きさの関係を表す関数、fz(z)は試料表面がプローブＡに与える振幅減衰量の大きさの関係を表す関数である。fx(x)とfz(z)はいずれも単調減少する関数であり、さらに、ある程度離れている領域では微分関数f’x(x)とf’z(z)も単調減少する。距離ｘに周波数ωm/2π、振幅aの変調をかけた場合、振幅aが十分に小さいとすると、fx(x)は次の近似式
fx(x)＝fx(x0)＋af’x(x0) cosωmt
で表すことができる。
これより、例えば水晶振動子２７の振動によって生じるチューニングフォークの圧電信号s(x,z,t)（＝kC cosω1t）は、
s(x,z,t) ＝ kfz(z) (fx(x0) ＋ af’x(x0) cosωmt）cosω1t
となり、変調振動と共振振動が重畳された形になる。ここで、kは水晶振動子の振幅Cと圧電信号s(x,z,t)の関係を表す比例（物理）定数である。
【0035】
この圧電信号s(x,z,t)に共振振動と同期した参照信号のcosω1tを乗じるとs(x,z,t) cosω1t
＝k fz(z) (fx(x0) ＋ af'x(x0) cosωmt) cos2ω1t
＝k fz(z) (fx(x0) ＋ af'x(x0) cosωmt) [(1＋cos2ω1t)/2]
＝(1/2) k fz(z) (fx(x0) ＋ af'x(x0) cosωmt)
＋ (1/2) k fz(z) (fx(x0) ＋ af'x(x0) cosωmt) cos2ω1t
となる。
ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２１を通すことで、第１項の共振振動と等しい周波数成分のみの共振振動の振幅s1(x,z,t)が得られる。
すなわち、
s1(x,z,t)＝(1/2) k fz(z) (fx(x0) ＋ af'x(x0) cosωmt)
である。
この信号s1(x,z,t)には、変調信号成分cosωmtも含まれるため、さらにＬＰＦ２２２を通過させることで変調信号成分を取り除くことができる。
すなわち、
s1(x,z)＝(1/2) k fz(z) fx(x0)
が得られる。
【0036】
これにより、第２プローブ６と試料表面との間の距離h及び第２プローブ６と第１プローブ５との間の距離dに関する情報s1(x,z) が得られる。一方、s1(x,z,t)に変調信号成分cosωmtを乗じると
s1(x,z,t) cosωmt＝(1/2) k fz(z) (fx(x0) ＋ af’x(x0) cosωmt) cosωmt
＝(1/2)k fz(z) (fx(x0) cosωmt＋(1/2)k fz(z) af’x(x0) cos2 ωmt)
＝(1/2)k fz(z) (fx(x0) cosωmt＋(1/2)k fz(z) af’x(x0) [(1＋cos2ωmt)/2]
＝(1/2)k fz(z) (fx(x0) cosωmt＋(1/4)k fz(z) af’x(x0) ＋(1/4)k fz(z) af’x(x0) cos2ωmt
となる。
ＬＰＦ２２４を通すことで、第２項の変調信号と等しい周波数成分のみ（変調振動の振幅s2(x,z)）が得られる。
すなわち、
s2(x,z)＝(1/4) k fz(z) af’x(x0)
が得られる。
【0037】
この信号s2(x,z)にも第２プローブ６と試料表面との距離hと第２プローブ６と第１プローブ５との間の距離dに関する情報が含まれている。この信号s2(x,z)をs1(x,z)で除することで、第２プローブ６と第１プローブとの間の距離に関する情報s2(x)が得られる。すなわち、
s2(x)＝(1/2) a [f’x(x0)/fx(x0)]
が得られる。
さらに得られた信号s2(x)をs1(x,z)に反映させることで、第２プローブ６と試料表面との間の距離hに関する情報s1(z)が得られる。
なお、ここでは、第２プローブ６に取り付けられた水晶振動子２７の振動によって生じる圧電信号について説明したが、第１プローブ５に取り付けられた水晶振動子２５の振動によって生じる圧電信号についても同様である。
【0038】
これらプローブと試料表面との間の距離hに関する情報、プローブ間の距離dに関する情報に基づき制御装置２２は第１プローブ５と第２プローブ６が互いに近接したことを検出し、試料移動機構８及びプローブ移動機構１０を制御する。従って、本実施形態では、ロックインアンプ３２，３４及び制御装置２２が振動監視手段として機能する。また、制御装置２２が振動付与手段、プローブ近接検出手段、制御手段として機能する。【0039】
二帯域変調制御方式による第１プローブ５及び第２プローブ６の制御について検証するために、いくつかの実験を行った。検証は、両プローブの近接判定の可否を中心に行い、近接判定が期待通りに行われなかった場合に予測される現象（「近接不十分」、「衝突」、「一方のプローブの他方のプローブへの乗り上げ」）についても判定可能か調べた。図５の（ａ）は、第１及び第２プローブ間の制御の概念図を、（ｂ）〜（ｄ）は制御が期待通りに行われていないときに予想される現象をそれぞれ示す。以下、その結果について説明する。【0040】
まず、第１プローブ５を第２プローブ６に近接させていき、そのときの両プローブ（第１プローブ５及び第２プローブ６）の振動の変化を調べた。その結果を、図６及び図７に示す。図６、図７は、二帯域変調制御方式の検証結果を示す図である。なお、図７は、図６とは別の検証結果を示している。図６及び図７の（ａ）は、第２プローブ６に第１プローブ５を接近させたときの第１プローブ５のＸ軸座標の位置（ｘ）と各プローブのＺ軸座標の位置（ｚ）との関係を示している。また、図６及び図７の（ｂ）は、第１プローブ５のＸ軸座標の位置（ｘ）と、各プローブ５，６の共振振動の振幅との関係を、図６及び図７の（ｃ）は、第１プローブ５のＸ軸座標の位置（ｘ）と、各プローブ５，６の変調振動の振幅との関係をそれぞれ示している。ここでは、第１プローブ５の初期位置（試料表面に対して任意の位置）の先端をＸ軸座標の原点とし、原点から第２プローブ６に向かう方向を正（＋）とする。従って、Ｘ軸座標が大きいほど第１プローブ５が第２プローブ６に近接していることになる。【0041】
図６及び図７の横軸はいずれも第１プローブ５のＸ軸座標を表す。また、図６及び図７の（ａ）の縦軸は、試料ステージ３と各プローブ５，６との間の距離（ｚ）、（ｂ）の縦軸は水晶振動子２５，２７の振動から変調振動を除いたものの振幅、（ｃ）の縦軸は第１及び第２プローブ５，６の変調信号の振幅を表す。【0042】
図６に基づき説明すると、図６（ａ）に示すように、第１プローブ５及び第２プローブ６と試料ステージ３との距離は、第１プローブ５及び第２プローブ６が離間しているとき及び接近しているときのいずれにおいても、ほぼ同じで且つ一定であった。また、図６（ｂ）に示すように、第１プローブ５の水晶振動子２５の振動のうち変調振動を除いたもの及び第２プローブ６の水晶振動子２７の振動のうち変調振動を除いたもの、すなわち共振振動の振幅もほぼ一定となった。【0043】
一方、図６（ｃ）に示すように、第１プローブ５及び第２プローブ６が離間しているときは第１プローブ５からのみ変調信号が検出された。変調を停止すると、変調信号が検出されなくなったことから、これは、第１プローブ５自身の変調信号が検出されたものと考えられる。【0044】
また、第１プローブ５を第２プローブ６に近づけていくと、第１、第２プローブ５，６の両方から変調信号が検出された（図６（ｃ）において破線の円で囲んだ部分）。つまり、第１及び第２プローブ５，６の接近により第１プローブ５の変調信号が第２プローブ６に伝播したと考えられる。なお、第２プローブ６から変調信号が検出されることに応じて第１プローブ５から検出される変調信号が減衰した。第１及び第２プローブ５，６が近接すると、第１プローブ５と第２プローブ６の相互作用により第１プローブ５も第２プローブ６の影響を受けるためだと考えられる。このため、第１プローブ５の変調信号が減衰したものと思われる。【0045】
さらに、上述したように、第１プローブ５と第２プローブ６とが接近しても、両プローブ５、６と試料ステージ３との距離（ｚ）はほぼ同じで且つ一定であった（図６（ａ））。また、第１プローブ５の水晶振動子２５及び第２プローブ６の水晶振動子２７の共振振動の振幅もほぼ一定であった（図６（ｂ））。このことから、両プローブ５，６が近接し、第１プローブ５の変調信号が第２プローブ６に伝播しても、一方のプローブが他方のプローブに乗り上げていないことが分かる。また、少なくとも第２プローブ６から変調信号が検出される初期においては、両プローブ５，６の衝突を回避できていると考えられる。両プローブ５，６が衝突すれば、水晶振動子の共振振動の振幅も大きく減衰すると考えられるからである。【0046】
図７では、第１プローブ５を第２プローブ６に近接させたときの両プローブ５，６のＺ軸座標（ｚ）及び水晶振動子の共振振動の振幅は図６とほぼ同様の結果が得られた（図７の（ａ）及び（ｂ）参照）。一方、第２プローブ６で変調信号が検出されても第１プローブ５の変調信号の減衰が観察されず、図６に示す結果と異なる傾向を示した（図７の（ｃ）参照）。【0047】
以上、図６及び図７に示す結果から、第１及び第２プローブ５，６が近接すると、（１）第１プローブ５の変調信号の減衰、（２）第２プローブ６の変調信号の検出、のいずれか或いは両方に基づいて、第１及び第２プローブ５，６の接近判定が可能であることが示唆された。この場合、例えば第１及び第２プローブ５，６の少なくとも一方の変調信号の変化が所定の閾値を超えたことに基づき第１及び第２プローブ５，６の接近を判定する方法が考えられる。【0048】
そこで、次に、第２プローブ６の先端との衝突を回避しつつ該第２プローブ６の先端付近の領域を第１プローブ５で走査可能かについて検証した。この検証実験では、まず、光学顕微鏡を用い、目視にて第１及び第２プローブ５，６のＹ方向の位置合わせを行った。図８は、プローブ同士の衝突を避けつつ第２プローブ６先端付近の領域を第１プローブ５で走査したときの第１プローブの軌跡を示す図である。図８において左右方向をＸ方向、上下方向をＹ方向とする。また、図８中、白抜き丸数字は第１プローブ５の移動順序を示す。図８に示すように、第１プローブ５を第２プローブ６に向かってＸ方向に移動させ（アプローチ）、変調信号の変化を検出したら引き返し、Ｙ方向に500nmほど移動させてから再び第２プローブ６にアプローチする、という動作を繰り返した。【0049】
ここでは、第１プローブ５の変調信号の電圧値が80〜90％に減少したことをもって変調信号が変化したと判断した。電圧値の減少の下限を80％に設定したのは、第１プローブ５と第２プローブ６の衝突をできるだけ避けるためである。変調信号が大きく減衰するほどシアフォースの影響が大きく、両プローブが接近していることになる反面、両プローブが接触したり衝突したりする可能性が大きくなる。今回用いたプローブは金コーティングしており、接触により金コーティングが剥がれ易い。金コーティングが剥がれたプローブは交換が必要になることから、接触の可能性を小さく抑えるために、電圧値の減少の下限を80％とした。ただし、多少接触しても破損し難いプローブの場合や、コーティングが多少剥離しても測定に影響を及ぼさないプローブの場合には、下限を70％程度に設定しても良い。【0050】
また、変調信号の上限を90％としたのは、ノイズの影響を除くためである。変調信号の減衰は、両プローブ間にシアフォースが作用し始めたことを意味するが、シアフォースが作用していない場合でもノイズによって変調信号が減衰する場合があるからである。従って、ノイズの影響を無くすことができれば、変調信号の上限を95％程度に設定しても良い。【0051】
図９〜図１１に具体的に第２プローブ６の先端付近の領域を第１プローブ５で走査したときの結果を示す。図９〜図１１の各（ａ）は走査に用いた第１プローブ５及び第２プローブ６の先端のＳＥＭ像を示す。また、図９及び図１０の各（ｂ）は第１プローブ５の軌跡及びこの軌跡から推定される第２プローブ６の先端位置を示す。また、図１１（ｂ）は走査中の両プローブ５，６の変調信号の大きさを示す。なお、図９及び図１０の各（ｂ）では、説明を簡単にするため、第１プローブ５の軌跡を直線で表しているが、実際は、第１プローブ５は周期100Hz、振幅50nm（peak-to-peak）で振動しながら２次元走査される。すなわち、第１プローブ５はｙ軸方向に波打つように動きながらｘ軸方向に移動している。【0052】
図９及び図１０に示すように、第１プローブ５の軌跡から破線の円が第２プローブ６の先端位置であると推定された。また、第１プローブ５の軌跡の変調信号検出位置を結んだ形状は第２プローブの先端の輪郭と類似していた。図９に示す検証実験では、終了後の第１及び第２プローブ５，６の先端に破損が見られなかったことから、第２プローブ６と衝突させることなく当該第２プローブ６の近辺の領域を第１プローブ５で走査できた。図１０に示す検証実験では、終了後の第１及び第２プローブ５、６，の先端の一部から金コーティングが剥がれていた。ただし、ガラス部分の破損は見られなかったことから、第１プローブ５の走査時に両プローブ５，６が接触した可能性が示唆された。
【0053】
また、図１１に示すように、両プローブ５，６間の距離が所定値を下回ると（近接すると）、第１プローブ５の変調信号が急激に減衰することが分かった。さらに、第１プローブ５の変調信号マッピングの形状から、第２プローブ６の先端部分の輪郭が推定可能であることが分かった。なお、実験終了後の第２プローブ６の先端部において金コーティングの大きな剥離が見られた（図１１（ａ）参照）。ただし、変調信号マッピングからは、両プローブが衝突した形跡はみられなかった。【0054】
図１２は、特徴的な先端形状を有するプローブを用いて広範囲に走査したときの第１プローブ５の変調信号マッピングを示す。変調マッピングでは各点の色の濃淡で電圧値の増減を表しており、最も濃い黒色が、両プローブが離間しているときの変調信号の電圧値に対して１０％減少したことを、最も淡い黒色（灰色）が１０％増加したことを意味する。【0055】
図１２（ａ）に示すように、両プローブの先端部はダブルテーパ状になっており、異なる角度の２段の傾斜が見られる。一方、図１２（ｂ）に示す変調マッピングでも２段の傾斜が観察され、プローブの先端形状を推定可能であることが分かった。【0056】
図１３は、先端が大きく破損した第１プローブを用いてアプローチを行った場合の図１２相当図である。図１３（ｂ）に示すように、破損によるプローブ先端の特殊形状が観察された。また、第１プローブ５と第２プローブ６の衝突の形跡（楕円で囲んだ部分）が変調信号マッピングに見られることが分かった。【実施例】
【0057】
次に、上記近接場光学顕微鏡を用い、デュアルＩＣモードにてＩｎＧａＮの単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）サンプルについてキャリア流路の観察を行った結果について説明する。ここでは、第１プローブ５をＣプローブ、第２プローブ６をＩプローブとし、プローブ移動機構１０により第１プローブ５を移動させながら観察を行った。また、第１及び第２プローブ５，６間の距離の制御は上述の二帯域変調制御方式で行った。【0058】
図１４は観察に用いた近接場光学顕微鏡の光学系の概要を示す。本実施例の光学系は、デュアルＩＣモード、ＩＣモード、Ｉモード、Ｃモードのいずれかの測定モードに自由に変更できるように設計されている。また、デュアルＩＣモードの場合には、ＩプローブとＣプローブの配置を変更できるように設計されている。【0059】
具体的には、ＩｎＧａＮ半導体レーザ１００の出射光路上には２個のレンズ１０１，１０２と１個のミラー１０３が配置されている。そして、このミラー１０３と３個のファイバーマウント１０４〜１０６との間及び３個のファイバーマウント１０４〜１０６と分光器１０８との間には、５個のミラーｍ１〜ｍ５及び１個のビームスプリッタｂｓがマトリックス状に配置されている。前記ファイバーマウント１０４〜１０６には、先端にプローブを有する光ファイバが保持される。マトリックス状に配置されたミラーｍ１〜ｍ５及びビームスプリッタｂｓはいずれも光路から外れた位置に移動可能に構成されている。分光器１０８とミラーｍ５との間にはロングパスフィルター（ＬＰＦ、430nm）１０９とレンズ１１０が配置されている。ＬＰＦ１０９は半導体レーザ１００の405nm励起光をカットするためのものである。ＬＰＦ１０９、レンズ１１０を通って分光器１０８に入射した光は、液体窒素冷却ＣＣＤ１１２によって検出される。【0060】
図１５は、左右両側のファイバーマウント１０６及びファイバーマウント１０４にそれぞれＣプローブ、Ｉプローブを取り付けたデュアルＩＣモードの光学系を示している。図１５に示すように、この場合は、ミラー１０３の直ぐ後段のミラーｍ１と、ＬＰＦ１０９の直ぐ前段のミラーｍ５を除く3個のミラー及びビームスプリッタは光路から外れた位置に移動されている。このため、半導体レーザ１００からのレーザ光は、一点鎖線Ｌ１で示すようにミラーｍ１によってＩプローブに導かれる。Ｉプローブに導かれたレーザ光はプローブ先端の開口から出射してSQWを励起する。一方、Ｃプローブで集光された発光は、一点鎖線Ｌ２で示すようにミラーｍ５によってＬＰＦ１０９に導かれ、分光器１０８を経てＣＣＤ１１２によって検出される。なお、図１６及び図１７は１本のプローブを用いるＩモード及びＩＣモードの光学系の例を示す。
【0061】
図１８は、Ｉプローブ及びＣプローブと試料の測定時の様子を示す写真である。図１８ではまだＣプローブのアプローチを行っていないが、右側のＩプローブから励起光(レーザ光)が照射されている様子がわかる。【0062】
図１９に観察結果を示す。図１９の（ａ）は、発光強度マッピングを、（ｂ）は発光ピーク波長マッピングを示す。ここでは、ＣプローブをＩプローブにアプローチさせ、Ｃプローブの変調信号の電圧値が８５％に減少するとアプローチを止めて引き返し、Ｙ方向に少し移動させて再びアプローチさせることとした。なお、図１９（ａ）及び（ｂ）の中央部のデータが欠落しているのは、ノイズにより変調信号の減衰を誤検出したことによってＣプローブが引き返したことによる。また、図１９の（ａ）及び（ｂ）に丸数字で示すラインのプロファイルを図２０及び図２１に示す。図２０は図１９の丸数字の「１」に対応し、図２１は図１９の丸数字の「２」に対応する。更に、図２０及び図２１の発光強度の縦軸を対数スケールに換算したグラフを図２２に示す。
【0063】
図１９〜図２１から、励起点から離れるに従って発光が弱くなっていることが分かる。このことから、Ｃプローブで段階的なキャリアの分布を捉えることができることが示唆された。特に、励起点から１μm程度以内の領域において発光が強くなっていることから、励起点からのキャリアの拡散がこの領域内に及んでいる可能性が示唆された。【0064】
次に、本発明の第２実施形態について図２３〜図３０を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、第１実施形態と異なる部分について説明する。第２実施形態が第１実施形態と大きく異なる点は次の３点である。
（１）特定周波数の振幅方向及び水晶振動子の配置
（２）二帯域変調制御方式の処理の流れ
（３）プローブの走査方式
また、上記以外にも、本実施形態では金(Au)に比べて硬いアルミニウム(Al)コーティングのプローブを用いた点が第１実施形態と異なるが、この点については説明を省略し、以下では上記（１）〜（３）について順に説明する。
【0065】
（１）特定周波数の振幅方向及び水晶振動子の配置図２３（ａ）は第１実施形態における第１及び第２プローブ５，６の振動の様子を示している。第１実施形態では、図２３（ａ）に矢印で示すように、第１及び第２プローブ５，６の特定周波数の振幅方向は、いずれも試料表面を叩く方向に設定されている。また、両プローブ５，６の対向面とは反対側の面に水晶振動子２５，２７がそれぞれ取り付けられている。
【0066】
一方、図２３（ｂ）及び（ｃ）は第２実施形態における第１及び第２プローブ５，６の振動の様子を示している。第２実施形態では、図２３（ｂ）及び（ｃ）に矢印で示すように、第１及び第２プローブ５，６の特定周波数の振幅方向を、試料表面とほぼ平行な方向に設定した。また、水晶振動子２５，２７は、第１実施形態の取り付け位置からプローブ５，６を中心に９０度回転させた位置、つまり、各プローブ５，６の側方に取り付けた。【0067】
このような設計変更により、本実施形態では、各プローブ５，６が試料にタッピングするモードを除去することができ、各プローブ５，６の先端が試料に接触して破損することを防止できる。【0068】
（２）二帯域変調制御方式の処理の流れ図２４は第２実施形態における二帯域変調制御方式の処理の流れを示すダイヤグラムである。第２実施形態では、制御装置２２は、第１プローブ５に取り付けられた水晶振動子２５の圧電信号S(x,z,t)から得られる第１プローブ５と第２プローブ６の間の距離dに関する情報s3(x)、第２プローブ６に取り付けられた水晶振動子２７の圧電信号S(x,z,t)から得られる第２プローブ６と第１プローブ５の間の距離dに関する情報s3(x)の積ｄ'から、両プローブ５，６が近接したことを検出する。尚、図２４では、発振器が特定周波数(100Hz)で発振させることとしているが、実際は、第１実施形態と同様、制御装置２２が特定周波数で発振させる機能を有している。
【0069】
なお、本実施形態では32kHz付近（32.7kHz）に共振周波数をもつ音叉型水晶振動子２５，２７を第１及び第２プローブ５，６に取り付けている。また、第１プローブ５に与える物理的な振動の周波数（特定周波数）は100Hzとする。【0070】
図２５は、特定周波数(100Hz)の変調振幅を25nm、ピーク・ツー・ピーク(peak-to-peak)値を50nm、スキャンステップ間隔を25nm、水晶振動子２５，２７の印加電圧を50mVに設定して、第１及び第２プローブ５，６の一方を他方のプローブに徐々に接近させたときの各プローブ５，６の信号s3(x)の測定結果を示している。このうち、図２５（ａ）は両プローブ５，６が離間しているとき（ファーフィールド）の測定結果、（ｂ）は両プローブ５，６が近接しているとき（ニアフィールド）の測定結果を示す。図２５の縦軸は信号の強度、横軸は時間（ミリ秒）を示している。図２５から分かるように、両プローブ５，６が離間しているとき、近接しているときのいずれであっても両プローブ５，６の信号s3(x)は変動するが、プローブ５，６が近接している場合は両プローブ５，６の信号s3(x)の変化が同期する。なお、ニアフィールド（図２５（ｂ））では、両プローブ５，６が近接して信号s3(x)が減衰したことにより、両プローブ５，６が一旦離れ、再度、両プローブ５，６が接近するという動作を繰り返しているため、信号s3(x)の減衰のピークが複数箇所見られるのが分かる。【0071】
図２５から分かるように、各プローブ５，６の変調信号s3(x)の変化は、両プローブ５，６が近接したときだけでなく、各プローブ５，６が試料に近接したときにもみられる。従って、一方のプローブの信号が閾値を超えたことにより両プローブ５，６の近接を検出する場合は、パルスノイズを考慮して閾値を高く設定する必要がある。これに対して、本実施形態のように両プローブ５，６の信号s3(x)の積を利用することにより、一種の同期検波方式による信号検出が可能となり、Ｓ／Ｎ比が向上する。このため、閾値を低く設定することが可能となり、検出感度の向上を図ることができる。
【0072】
また、両プローブ５，６の信号s3(x)の積を利用することで、一方のプローブに発生したパルスノイズの影響による信号の変化を、プローブ５，６が近接したものと誤って判定してしまうことを防止することができる。特に、両プローブ５，６が近接しているときは信号s3(x)の変化が同期することから、両プローブ５，６の信号s3(x)の積を利用することにより、両プローブ５，６が離間領域にあるときの誤判定を極力排除することができ、プローブ５，６の近接を精度良く検出することができる。【0073】
図２６は、第２プローブ６先端付近の領域を第１プローブ５で走査したときの両プローブ５，６の信号s3(x)及び両信号の積の変化を示す。図２６から、信号s3(x)の積の変化が大きいときは両プローブ５，６の信号も大きく変化していること、つまり、各プローブ５，６の特定周波数の電圧信号の変化がプローブ５，６の近接によるものであることが分かる。なお、図２６に複数のピークが見られるのは、おそらく、第２プローブ６の先端に第１プローブ５の先端が近接したときだけでなく第２プローブ６の側部に第１プローブ５の先端が近接したときにも信号が減衰したためと思われる。【0074】
（３）プローブの走査方式図２７は第１実施形態で採用した走査方式を示す。図２７に示すように、第１実施形態では、走査を行うＣモードのプローブ（Ｃプローブ）がＩモードのプローブ（Ｉプローブ）に接近したことが認識されると、Ｃプローブは次のラインに強制的に移動される。そして、Ｉプローブから離れる方向に折り返して走査した後、再びＩプローブに近づく方向に走査する往復走査が行われている。
【0075】
しかし、Ｃプローブを強制的に次のラインに移動させる場合、この強制的移動によってＣプローブとＩプローブが衝突するおそれがある。また、ＣプローブとＩプローブが接近すると、特定周波数（100Hz）の信号だけでなく共振周波数(32kHz)の信号も減衰する。このため、制御装置２２はＣプローブが試料に接近したものと誤認識し、Ｃプローブを試料から離れる方向に移動させてしまう。この結果、往復走査方式では、ＣプローブとＩプローブの最近接領域におけるＣプローブの折り返し走査時にＣプローブが試料から離間する。【0076】
図２８は、往復走査時における試料表面像（トポグラフィック像）を示す。ここでは、表面がほぼ平坦な試料を用いている。また、図２８中、左側がＣプローブの走査領域を示し、右側の真っ黒の領域との境界部分がＣプローブとＩプローブの最近接領域となる。図２８に示すように、ＣプローブとＩプローブの最近接領域では、隣接する走査ラインの濃淡が異なることから、プローブ走査の往路と復路とではＣプローブと試料との距離が異なることが分かる。【0077】
そこで、第２実施形態では、図２９に示す一方向走査方式を採用した。図３０は一方向走査時における試料表面像を示す。一方向走査方式では、両プローブ５，６の最接近領域での走査時における両プローブ５，６の衝突を避けることができる。また、図２８との比較から、一方向走査方式では、両プローブ５，６の最接近領域においても隣接するラインに濃淡の差が小さく、また、同じラインで濃淡が異なることもないことから、試料との距離を一定に保持した状態でＣプローブを走査できることが分かる。【0078】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、走査型プローブ顕微鏡には、走査型近接場光学顕微鏡の他、走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡等が含まれる。
第１及び第２プローブの数は１本に限らない。第１及び第２プローブの両方が２本以上であっても良く、一方が１本、他方が２本以上でも良い。
【0079】
試料ステージを移動させることにより試料表面に対して相対的に第２プローブが走査されるように構成したが、直接的に第２プローブを移動させて試料表面上を走査するようにしても良い。また、直接的に移動させるプローブは第１及び第２プローブの一方でも良く、両方でも良い。特定周波数の振動を付与するプローブは、第１及び第２プローブのいずれでも良く、また、両方のプローブに特定周波数の振動を付与するようにしても良い。
特定周波数は100Hzに限らず、自由に設定することが可能である。
【0080】
第２実施形態では、第１及び第２プローブの距離に関する信号s3(x)の積に基づき両プローブの近接を検出したが、前記信号s3(x)の和に基づき両プローブの近接を検出するようにしても良い。【符号の説明】
【0081】
１・・・走査型近接場光学顕微鏡３・・・試料ステージ
５・・・第１プローブ
６・・・第２プローブ
８・・・試料移動機構
１０・・・プローブ移動機構
１２・・・距離制御機構（プローブ・試料間距離制御手段）
１４・・・光源
１６・・・検出部
２２・・・制御装置（制御手段、振動付与手段、プローブ近接検出手段、振動監視手段）
２５，２７・・・水晶振動子
２９，３０・・・加振用の発振器
３２，３４・・・ロックインアンプ（振動監視手段）