JP7344832B2 - カンチレバーおよび走査プローブ顕微鏡ならびに走査プローブ顕微鏡による測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、カンチレバーおよび走査プローブ顕微鏡ならびに走査プローブ顕微鏡による測定技術に関し、例えば、近接場光プローブ顕微鏡、探針増強ラマン分光（ＴＥＲＳ：Tip-enhanced Raman scattering）顕微鏡に代表される分光プローブ顕微鏡に使用されるカンチレバーに適用して有効な技術に関する。

被対象物（試料）表面の光学的性質や物性情報を高分解能で測定する手段として、近接場走査顕微鏡（ＳＮＯＭ：Scanning Near-field Optical Microscope）が知られている。近年では、ＳＮＯＭ技術の１つの応用として、近接場光の局所増強効果を利用したナノ分解能ラマン分光測定を可能とする走査プローブ顕微鏡が開発されている。

例えば、特開２０１９－７７５６号公報（特許文献１）には、測定の空間分解能と再現性とを向上できる走査プローブ顕微鏡において、カンチレバー（プローブ、探針）の先端部にＦＩＢ加工技術で薄膜導波路を形成し、この薄膜導波路にプラズモン共鳴角による光の入射によってカンチレバーの先端部に近接場光を発生させる技術が記載されている。

この技術は、探針増強ラマン分光測定が実現できるように、カンチレバーに貴金属膜を成膜しており、先端部において間接的な光の入射による測定を行なう技術である。

特開２０１９－７７５６号公報

上述した特許文献１に記載された技術は、表面プラズモンを発生させてカンチレバーの先端部に伝搬させることにより、先端部における近接場光の強度を向上することを目的としている。しかしながら、表面プラズモンの伝搬距離が長い結果、表面プラズモンによって近接場光の強度を充分に向上することができない課題が明らかとなった。すなわち、上述した特許文献１に記載された技術には、例えば、走査プローブ顕微鏡を使用した探針増強ラマン分光の測定感度を向上する観点から改善の余地が存在する。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態におけるカンチレバーは、走査プローブ顕微鏡に用いる。そして、断面視において、カンチレバーは、試料に近づける部位であり、かつ、金属膜で被覆された頂点部位と、頂点部位と接続され、かつ、金属膜で被覆された稜線と、稜線と接続された上角部位とを有する。ここで、稜線の一部と上角部位とは、走査プローブ顕微鏡システムに搭載されている励起用光源より出射される励起光が照射される部位である。

一実施の形態における走査プローブ顕微鏡は、試料を保持する試料ホルダと、励起光を出射する光源と、励起光が照射されるカンチレバーとを備える。ここで、走査プローブ顕微鏡に含まれるカンチレバーは、上述した構造を有する。

一実施の形態におけるカンチレバーは、探針部と、下面より前記探針部に接続し、かつ、探針部を保持するための梁部とを備える。そして、断面視において、探針部は、金属膜で被覆された頂点部位と、頂点部位と梁部とを接続する第１線と、頂点部位と接続され、かつ、金属膜で被覆された稜線と、稜線と接続された上角部位と、上角部位と梁部とを接続する第２線とを有する。このとき、第２線は、第１構成と第２構成のいずれかの構成を有する。ここで、第１構成は、第１線および第２線のそれぞれが、梁部と直接接続される直線部を含み、第１線の直線部と第２線の直線部との間隔が、頂点部位に近づくに連れて、同じか、または、狭くなる構成である。一方、第２構成は、第２線が稜線の延長上に位置する延長線部と、上角部位と延長線部とに接続し、かつ、第１線側に凹む凹部とを含む構成である。

一実施の形態における走査プローブ顕微鏡による測定方法は、（ａ）光源から出射された励起光をカンチレバーに照射する工程と、（ｂ）カンチレバーに対して対向配置された試料からの散乱光を検出する工程とを備える。ここで、カンチレバーは、試料に近づける部位であり、かつ、金属膜で被覆された頂点部位と、頂点部位と接続され、かつ、金属膜で被覆された稜線と、稜線と接続された上角部位とを有する。このとき、稜線の一部と上角部位とは、走査プローブ顕微鏡の光源より出射される励起光が照射される部位である。

一実施の形態によれば、走査プローブ顕微鏡による測定感度を向上できる。

実施の形態における走査プローブ顕微鏡の模式的な構成を示す図である。 変形例１における走査プローブ顕微鏡の模式的な構成を示す図である。 変形例２における走査プローブ顕微鏡の模式的な構成を示す図である。 実施の形態におけるカンチレバーの模式的な構成を示す斜視図である。 図４のＡ－Ａ線で切断した断面図である。 変形例１におけるカンチレバーの模式的な構成を示す斜視図である。 図６のＡ－Ａ線で切断した断面図である。 変形例２におけるカンチレバーの模式的な構成を示す斜視図である。 図８のＡ－Ａ線で切断した断面図である。 変形例３におけるカンチレバーの模式的な構成を示す斜視図である。 図１０のＡ－Ａ線で切断した断面図である。 変形例４におけるカンチレバーの模式的な構成を示す斜視図である。 図１２のＡ－Ａ線で切断した断面図である。 実施の形態における効果を検証するためのシミュレーション計算モデルを模式的に示す図である。 探針部全体のシミュレーション結果である。 探針部の先端近傍を拡大したシミュレーション結果である。 探針部の先端近傍の電界強度をわかりやすく把握できるように画像加工したシミュレーション結果である。 探針部における稜線の長さの相違によって、稜線上に形成される表面プラズモンに起因する電場分布が相違することを示す図であり、（ａ）は、稜線の長さＬがＬ＝１０２８ｎｍの場合における電場分布を示す図であり、（ｂ）は、稜線の長さＬ＝４８２０ｎｍの場合における電場分布を示す図である。 （ａ）は、探針部の先端構造を示す図であり、（ｂ）は、第１シミュレーションを行うための前提構成を示す図である。 第１シミュレーションの結果を示すグラフである。 第２シミュレーションを行うための前提構成を示す図である。 第２シミュレーションの結果を示すグラフである。 第１シミュレーションにおいて、入射角度を６０°に固定した場合における電界強度と稜線の長さとの関係を示すグラフである。 第２シミュレーションにおいて、入射角度を６０°に固定した場合における電界強度と稜線の長さとの関係を示すグラフである。 入射角度を変更可能な走査プローブ顕微鏡に含まれる入射光学系を模式的に示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、光路構成を変更することによりカンチレバーへの励起光の入射角度を変更できることを説明する図である。 レンズを使用して光てこ検出部の光路も構成する例を示す図である。 入射角度を変更可能な走査プローブ顕微鏡に含まれるカンチレバーを示す図である。 （ａ）は、反射型対物レンズを示す図であり、（ｂ）は、放物面鏡を示す図であり、（ｃ）は、積分鏡を示す図である。 集光光学部品を使用して光てこ検出部の光路も構成する例を示す図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

＜走査プローブ顕微鏡の概要＞
走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）は、走査トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡に代表される顕微鏡の総称である。この走査プローブ顕微鏡は、微小な探針（プローブ）で試料を走査して、試料の形状や性質を観察する顕微鏡である。特に、走査プローブ顕微鏡では、探針の先端を試料の表面に近づけ、試料と探針との間の力学的・電磁気的相互作用を検出しながら走査することにより、試料表面の拡大像や物性情報を得ることができる。例えば、走査プローブ顕微鏡は、試料に対して原子レベルや分子レベルの分解能を有している。ここで、近年では、原子レベルの分解能を有する走査プローブ顕微鏡を使用して試料の光学的性質などの物性情報を調べることが行なわれている。具体的には、光源から探針の先端部に励起光を照射することにより、探針の先端部に近接場光（局所電界集中）を形成して、この近接場光に起因する試料からの散乱光を検出する。そして、この散乱光を解析することにより、試料の物性情報を得ることが行なわれている。

例えば、散乱光として、レイリー散乱光を検出する場合には、試料の表面の反射率や表面粗さなどの物性情報を取得することができる。一方、ラマン散乱光を検出する場合には、化学結合の種類や試料を構成する物質を同定することができる。

本実施の形態における走査プローブ顕微鏡は、レイリー散乱光やラマン散乱光を検出する技術に幅広く適用することができるが、特に、本実施の形態では、走査プローブ顕微鏡を使用してラマン散乱光を検出する分光測定技術に着目している。すなわち、本実施の形態における走査プローブ顕微鏡は、探針の先端部に形成される近接場光を利用する探針増強ラマン分光測定を実現する顕微鏡であり、この走査プローブ顕微鏡において、ラマン散乱光の検出感度を向上させる工夫を施している。具体的に、本実施の形態では、ラマン散乱光の検出感度を向上させるために、探針の先端部における近接場光の強度を向上させることに着目する。なぜなら、ラマン散乱光の強度は、レイリー散乱光の強度に比べて極めて微弱である一方、近接場光の強度に応じて強くなるため、探針の先端部に形成される近接場光の強度を強くできれば、ラマン散乱光の検出感度を向上できるからである。

この点に関し、本実施の形態では、走査プローブ顕微鏡の構成要素であるカンチレバーの探針部の形状に関する工夫とカンチレバーの探針部への励起光の照射方法に関する工夫とを施すことにより、探針部の先端に形成される近接場の強度を強くしている。以下では、カンチレバーの探針部の形状に関する工夫点を説明する前に、まず、このカンチレバーを備える走査プローブ顕微鏡の構成および動作について簡単に説明する。

＜走査プローブ顕微鏡の構成＞
図１は、本実施の形態における走査プローブ顕微鏡の模式的な構成を示す図である。

図１に示す走査プローブ顕微鏡１００は、例えば、近接場光走査プローブ顕微鏡、または、探針増強ラマン分光用走査プローブ顕微鏡と呼ばれる顕微鏡である。

図１において、本実施の形態における走査プローブ顕微鏡１００は、試料１０を搭載する試料ホルダ２０と、試料ホルダ２０を配置する圧電素子ステージ３０と、探針部４０ａと梁部４０ｂと被保持部４０ｃを含むカンチレバー４０を有する。ここで、梁部４０ｂは、板バネの役割を担う構造であってもよい。圧電素子ステージ３０は、カンチレバー４０の探針部４０ａに対して試料１０を相対的にｘｙ方向に走査することができるように構成されている。そして、カンチレバー４０は、例えば、シリコン、酸化シリコン、または、窒化シリコンのいずれかの材料から構成されている。

次に、本実施の形態における走査プローブ顕微鏡１００は、試料１０に対してカンチレバー４０を相対的に走査する圧電素子ステージ５０と、圧電素子アクチュエータ５１と、圧電素子ステージ５０および圧電素子アクチュエータ５１を介してカンチレバー４０を保持するヘッド５２を有する。言い換えれば、カンチレバー４０は、圧電素子ステージ５０および圧電素子アクチュエータ５１を介してヘッド５２で保持される被保持部４０ｃを有することになる。ただし、カンチレバー４０は圧電素子アクチュエータ５１による加振がいらない場合（例えば、自己検知性能をもつカンチレバーを母材とする場合）は、圧電素子アクチュエータ５１が必ずしも必要ではない。

続いて、本実施の形態における走査プローブ顕微鏡１００は、光てこ検出部６０を有している。この光てこ検出部６０は、カンチレバー４０の梁部４０ｂの変形を検出するように構成されている。具体的に、光てこ検出部６０は、光源６１と光検出器６３とを有する。そして、光てこ検出部６０では、光源６１からカンチレバー４０の梁部４０ｂに向って光６２を射出するように構成され、かつ、カンチレバー４０の梁部４０ｂで反射した光６２（反射光）を光検出器６３で受光するように構成されている。このとき、光てこ検出部６０は、カンチレバー４０の変形によって生じる光６２（反射光）の位置変化を光検出器６３で検出するように構成されている。

次に、本実施の形態における走査プローブ顕微鏡１００は、入射・検出光学系７０を有している。入射・検出光学系７０は、例えば、レーザ光（励起光）を出射する光源７１と、レーザ光を集光するレンズ７２と、試料１０からのラマン散乱光を受光する受光光学系７３を有している。分光器を使用することによって分光測定をすることが可能となる。光源７１から出射される励起光は、例えば、単波長レーザ光を使用することができるが、これに限らず、励起光を多波長からなるレーザ光から構成することもできる。

さらに、本実施の形態における走査プローブ顕微鏡１００は、光ファイバ７５を介して、受光光学系７３と光学的に接続された分光器８０と、分光器８０と電気的に接続された制御部９０とを有している。ここで、分光器８０は、受光光学系７３から光ファイバ７５を介してラマン散乱光を入力して、ラマン散乱光の各ラマンスペクトル成分を分離するように構成されている。一方、制御部９０は、圧電素子ステージ３０および圧電素子ステージ５０を制御するように構成されている。さらに、制御部９０は、光てこ検出部６０と接続されており、光てこ検出部６０で検出されたカンチレバー４０の変形量に基づいて、カンチレバー４０の探針部４０ａと試料１０との間に働く力と距離を検出するように構成されている。そして、制御部９０は、カンチレバー４０の変形量が一定となるように圧電素子ステージ３０および圧電素子ステージ５０を制御することにより、カンチレバー４０の探針部４０ａを試料１０の表面全体にわたって走査するように構成されている。また、制御部９０は、圧電素子ステージ３０および圧電素子ステージ５０を制御するためのｘｙｚ変位信号と分光器８０からの出力信号とに基づいて、近接場光画像であるラマンスペクトル画像と表面凹凸画像とを生成して出力するように構成されている。

このように構成されている本実施の形態における走査プローブ顕微鏡１００では、入射・検出光学系７０において、レンズ７２を共用していることから、走査プローブ顕微鏡１００の構成を簡素化することができる。

続いて、本実施の形態における走査プローブ顕微鏡１００の動作について簡単に説明する。まず、図１において、制御部９０によって、圧電素子ステージ３０と圧電素子ステージ５０とを制御することにより、カンチレバー４０の探針部４０ａを試料１０に近づけて所定位置に配置する。その後、光源７１から出射された励起光をカンチレバー４０の探針部４０ａに照射する。すると、探針部４０ａの先端に近接場光が生成される結果、カンチレバー４０に対して対向配置された試料１０からラマン散乱光を含む散乱光が射出される。この散乱光は、レンズ７２と受光光学系７３を通った後、光ファイバ７５を介して分光器８０で検出される。そして、分光器８０に入射したラマン散乱光は、分光器８０によって各ラマンスペクトル成分に分離される。その後、分光器８０から各ラマンスペクトル成分に対応した信号が制御部９０に出力される。このような動作をカンチレバー４０の探針部４０ａを試料１０の表面にわたって走査しながら繰り返す。具体的に、制御部９０は、カンチレバー４０の変形量が一定となるように圧電素子ステージ３０および圧電素子ステージ５０を制御することにより、カンチレバー４０の探針部４０ａを試料１０の表面全体にわたって走査する。これにより、制御部９０において、ラマン分光スペクトル画像と表面凹凸画像とが生成される。

＜走査プローブ顕微鏡の変形例１＞
図２は、本変形例１における走査プローブ顕微鏡の模式的な構成を示す図である。

図２に示す本変形例１における走査プローブ顕微鏡２００では、試料１０から射出されるラマン散乱光のうち、試料１０を透過したラマン散乱光を検出する。

具体的に、本変形例１における走査プローブ顕微鏡２００では、入射光学系７４の光源７１からカンチレバー４０の探針部４０ａに励起光を照射することにより、探針部４０ａの先端に近接場光を生成する。すると、カンチレバー４０に対して対向配置された試料１０から射出されたラマン散乱光のうち、試料１０を透過したラマン散乱光は、受光光学系７３と光ファイバ７５を通って分光器８０に集光されて、ラマン分光スペクトルが検出される。ここで、図２に示すように、本変形例１においては、試料ホルダ２０上に配置された試料１０をｘｙ方向に走査する圧電素子ステージ３０は、試料１０を透過したラマン散乱光を通過させる必要がある。したがって、図２に示すように、圧電素子ステージ３０には、開口部３１が設けられており、試料１０を透過したラマン散乱光は、この開口部３１を通って、受光光学系７３に入射するように構成されている。なお、その他の構成は、図１に示す走査プローブ顕微鏡１００と同様であるため、説明を省略する。

本変形例１における走査プローブ顕微鏡２００によれば、カンチレバー４０や圧電素子ステージ３０によってラマン散乱光が遮られにくいことから、検出立体角を大きくとることができる。この結果、高感度のラマン分光測定および高いコントラストを有する近接場光画像またはラマン分光スペクトル画像を得ることができる。すなわち、本変形例１における走査プローブ顕微鏡２００によれば、近接場光画像またはラマン分光スペクトル画像のＳ／Ｎ比および測定再現性を向上することができる。

＜走査プローブ顕微鏡の変形例２＞
図３は、本変形例２における走査プローブ顕微鏡の模式的な構成を示す図である。

図３に示す本変形例２における走査プローブ顕微鏡３００では、試料１０から射出されるラマン散乱光のうち、カンチレバー４０の側面方向に散乱されるラマン散乱光を検出する。具体的に、本変形例２における走査プローブ顕微鏡３００では、入射光学系７４の光源７１からカンチレバー４０の探針部４０ａに励起光を照射することにより、探針部４０ａの先端に近接場光を生成する。すると、カンチレバー４０に対して対向配置された試料１０から射出されたラマン散乱光のうち、カンチレバー４０の側面方向に散乱されたラマン散乱光は、受光光学系７３と光ファイバ７５を通って分光器８０に集光されて、ラマン分光スペクトルが検出される。なお、その他の構成は、図１に示す走査プローブ顕微鏡１００と同様であるため、説明を省略する。

本変形例２における走査プローブ顕微鏡３００によれば、多方向から散乱光を収集することができるため、試料１０の形状に影響を受けにくい測定を行なうことができる。

＜実施の形態におけるカンチレバーの構成＞
ラマン散乱光の強度は、レイリー散乱光の強度に比べて極めて微弱である一方、近接場光の強度に応じて強くなるため、ラマン散乱光の検出感度を向上する観点からは、カンチレバーの探針部の先端に形成される近接場光の強度を強くすることが重要である。

この点に関し、本実施の形態では、走査プローブ顕微鏡の構成要素であるカンチレバーの探針部の形状に関する工夫とカンチレバーの探針部への励起光の照射方法に関する工夫を施すことにより、探針部の先端に形成される近接場の強度を強くしている。以下では、この工夫を施した本実施の形態におけるカンチレバーの構成について説明する。

図４は、本実施の形態におけるカンチレバーの模式的な構成を示す斜視図である。

図４において、本実施の形態におけるカンチレバー４０は、例えば、図１～図３に示す走査プローブ顕微鏡に使用される。このカンチレバー４０は、走査プローブ顕微鏡のヘッドに保持される被保持部４０ｃと、被保持部４０ｃと一体的に形成された梁部４０ｂと、梁部４０ｂに支持される探針部４０ａとを備えている。梁部４０ｂは、ｘ方向に延在しており、変形可能に構成されている。一方、探針部４０ａは、例えば、ｚ方向に突出する略三角錐形状をしている。ただし、探針部４０ａの形状は、略三角錐形状に限定されるものではなく、例えば、略四角錐形状から構成することもできる。

このように構成されているカンチレバー４０の探針部４０ａには、励起光８が照射されると、探針部４０ａの先端に近接場光８ａが生成される。

ここで、図４において、ｘ軸は、梁部４０ｂの延在方向と平行する軸として定義される。一方、ｙ軸は、ｘ軸を含む仮想面で、かつ、カンチレバー４０が面対称となる仮想面の法線と平行な軸として定義される。さらに、ｚ軸は、上述するように定義されたｘ軸とｙ軸の両方に直交する軸として定義される。

続いて、図５は、図４のＡ－Ａ線で切断した断面図である。すなわち、図５は、カンチレバー４０の探針部４０ａの一部を構成する稜線を含み、かつ、カンチレバー４０の梁部４０ｂの上面と直交する仮想面で切断した断面図ということもできる。

図５において、本実施の形態におけるカンチレバー４０の探針部４０ａは、試料に近づける部位であり、かつ、金属膜７で被覆された頂点部位２と、頂点部位２と接続され、かつ、金属膜７で被覆された稜線４と、稜線４と接続された上角部位５とを有している。特に、探針部４０ａの先端は、稜線４が少なくとも１本存在している。さらに、本実施の形態におけるカンチレバー４０は、下面１より探針部４０ａに接続し、かつ、探針部４０ａを保持するための梁部４０ｂを備えている。ここで、図５において、探針部４０ａは、頂点部位２と梁部４０ｂとを接続する第一線３と、上角部位５と梁部４０ｂの上面とを接続する第二線６とを有している。このとき、図５に示すように、第一線３は、梁部４０ｂと直接接続される直線部から構成されている。一方、第二線６は、上角部位５と直接接続される傾斜部６ａと、この傾斜部６ａと梁部４０ｂの上面とを結ぶ直線部６ｂから構成されている。このように構成されている本実施の形態におけるカンチレバー４０では、図５に示すように、レンズ７２で集光された励起光８が稜線４に対して斜め方向から照射される。そして、探針部４０ａの稜線４の一部と上角部位５には、走査プローブ顕微鏡システムに搭載される励起用光源より出射される励起光８が照射される。すなわち、本実施の形態におけるカンチレバー４０では、探針部４０ａの一部を構成する稜線４と上角部位５は、励起光８が照射される部位となる。言い換えれば、本実施の形態におけるカンチレバー４０では、レンズ７２で集光される励起光８の照射スポットに少なくとも稜線４の一部と上角部位５とが内包される。

ここで、カンチレバー４０の探針部４０ａの材料は、一般的に、シリコン（Ｓｉ）になるが、探針部４０ａは、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）や窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、カーボン（Ｃ）などから形成することもできる。

また、探針部４０ａの頂点部位２および稜線４を被覆する金属膜７は、金膜、銀膜、白金膜、または、アルミニウム膜などの金属膜または合金膜または複種金属の多層膜から形成することができる。この金属膜７の膜厚は、基本的に限定しないが、例えば、励起光８の波長の０．１倍以上であることが望ましい。ただし、先端に励起される近接場光８ａの強度を確保するため、探針部４０ａの先端の径を小さく維持することが望ましいことから、金属膜７の膜厚は、厚すぎても望ましくはない。したがって、金属膜７の膜厚は、測定の目的に応じて設定すればよい。

次に、図５において、探針部４０ａは、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工によって、上角部位５と第二線６が形成されている。このとき、上角部位５は、探針部４０ａの構成材料であるシリコンが露出している。そして、本実施の形態におけるカンチレバー４０では、稜線４の長さが非常に短くなっている。例えば、稜線４の長さは、カンチレバー４０の探針部４０ａに入射される励起光８の波長の１０倍以下の長さである。具体例を示すと、励起光８の波長を６６０ｎｍのとき、稜線４の長さは、６．６μｍ以下である。別の表現をすると、探針部４０ａに照射される励起光８のビームスポット径は稜線４の長さより大きい。言い換えると、稜線４の長さは、探針部４０ａに照射される励起光８のビームスポット径よりも小さい。

本実施の形態におけるカンチレバー４０を走査プローブ顕微鏡に使用する際には、図５に示すように、カンチレバー４０の前面（稜線４に対向する方向）からレンズ７２で集光された励起光８が照射される。このとき、稜線４に対する励起光８の入射角度をθとすると、θは、０度よりも大きく９０度よりも小さい。具体例を挙げると、θは４５度である。

＜実施の形態における特徴＞
次に、本実施の形態における特徴点について説明する。

本実施の形態における第１特徴点は、例えば、図５に示すように、カンチレバー４０の探針部４０ａが、頂点部位２と稜線４と上角部位５とを含むように構成されている点にある。つまり、本実施の形態における第１特徴点は、カンチレバー４０の探針部４０ａの形状に関する工夫点であり、稜線４の長さが短くなるように上角部位５を頂点部位２に近接して配置されるように探針部４０ａを形状加工する点にある。

これにより、図５に示すように、探針部４０ａの稜線４と上角部位５とに励起光８を照射することにより、稜線４を被覆する金属膜７の表面では、表面プラズモン８ｂ（金属膜７を構成する自由電子の集団的振動）が励起される。そして、励起された表面プラズモン８ｂは、探針部４０ａの頂点部位２に向って伝搬するが、本実施の形態では、稜線４の長さが短いため、表面プラズモン８ｂが減少することなく効率良く頂点部位２に表面プラズモン８ｂを伝搬させることができる。この結果、探針部４０ａの頂点部位２では、局所電界集中が発生して、非常に強い近接場光８ａが生成される。すなわち、本実施の形態では、カンチレバーが設置された測定装置の光源によってカンチレバーの探針部に励起光が照射される結果、上角部位５から稜線４に沿って頂点部位２まで自由電子が移動し、頂点部位２に電界集中が発生する。このとき、励起光８と表面プラズモン８ｂとの結合を強めて、表面プラズモン８ｂを頂点部位２に集中させるために、励起光８の偏光方向は、稜線４と平行する成分（ｐ偏光成分）が多いことが望ましい。

続いて、本実施の形態における第２特徴点は、例えば、図５に示すように、探針部４０ａの稜線４に対して斜め方向から励起光８をカンチレバー４０に照射する点にある。この場合、稜線４を被覆する金属膜７の表面に非常に強い表面プラズモン８ｂを励起することができる。つまり、稜線４に対して斜め方向から励起光８を照射すると、稜線４を被覆する金属膜７の表面に非常に強い表面プラズモン８ｂが励起される。この結果、表面プラズモン８ｂによって頂点部位２に運ばれるエネルギーが大きくなり、これによって、頂点部位２に近傍領域に非常に強い近接場光８ａを生成することができる。以上のことから、上述した第１特徴点と第２特徴点とを組み合わせることにより、稜線４を被覆する金属膜７の表面に非常に強いエネルギーを有する表面プラズモン８ｂを励起することができる。この結果、第１特徴点と第２特徴点との相乗効果によって、探針部４０ａの頂点部位２の近傍に非常に強い近接場光８ａを生成することができる。このことは、試料からのラマン散乱光の強度を強くできることを意味することから、本実施の形態におけるカンチレバー４０を使用した走査プローブ顕微鏡によれば、ラマン散乱光の測定感度を大幅に向上できるという顕著な効果が得られる。

例えば、探針部４０ａの先端にだけ励起光８を照射する測定技術では、励起光８の一部しか近接場光８ａに変換することができない。このことから、最大限に励起光８のエネルギーを近接場光８ａの生成に利用することが困難である。また、稜線４の長さが長すぎると、稜線４を被覆する金属膜７の表面に励起される表面プラズモン８ｂの伝搬距離が長くなる結果、長い伝搬距離によって表面プラズモン８ｂが減少するため、測定感度の向上には繋がらない。これに対し、本実施の形態では、図５に示すように、レンズ７２で集光した励起光８を探針部４０ａの稜線４と上角部位５にわたって照射し、かつ、稜線４に照射された励起光８から表面プラズモン８ｂを励起している。そして、この表面プラズモン８ｂによるエネルギーの伝搬によって頂点部位２の近傍に生成される近接場光８ａの強度を強めている。このとき、本実施の形態では、稜線４の長さが短いため、表面プラズモン８ｂの減少が生じにくく、効率良く近接場光８ａの強度を向上することができる。つまり、本実施の形態では、表面プラズモン８ｂによるエネルギーの伝搬を通じて励起光８のエネルギーを最大限に利用することができるため、探針部４０ａの頂点部位２に非常に強い近接場光８ａを生成することができる。したがって、本実施の形態によれば、探針部４０ａの頂点部位２の近傍に生成される近接場光８ａの強度を向上できることから、測定感度を向上することができる。

さらに、走査プローブ顕微鏡に使用される一般的なカンチレバーは、例えば、探針先端部を被覆する金属膜の表面の汚れや酸化に起因して、測定感度が急激に低下することが知られている。例えば、一般的なカンチレバーの寿命は、最大でも数週間程度である。これに対し、本発明の構成では表面プラズモンを励起できる金属膜の面積が大きく、励起面積のすべてが汚れることが極めて少ないので、本実施の形態におけるカンチレバー４０によれば、長寿命を実現できることも確認されている。したがって、本実施の形態におけるカンチレバー４０は、測定感度を大幅に向上できる点から有用であるだけでなく、信頼性の高い長寿命なカンチレバーを提供できる点においても非常に優れているということができる。

＜変形例＞
＜＜変形例１＞＞
図６は、本変形例１におけるカンチレバーの模式的な構成を示す斜視図である。

図６において、本変形例１におけるカンチレバー４０－１も、例えば、図１～図３に示す走査プローブ顕微鏡に使用される。このカンチレバー４０－１は、走査プローブ顕微鏡のヘッドに保持される被保持部４０ｃと、被保持部４０ｃと一体的に形成された梁部４０ｂと、梁部４０に支持される探針部４０ａとを備えている。梁部４０ｂは、ｘ方向に延在しており、変形可能に構成されている。一方、探針部４０ａは、例えば、ｚ方向に突出する略三角錐形状をしている。ただし、探針部４０ａの形状は、略三角錐形状に限定されるものではなく、例えば、略四角錐形状から構成することもできる。

このように構成されているカンチレバー４０－１の探針部４０ａには、励起光８が照射されると、探針部４０ａの先端に近接場光８ａが生成される。

図７は、図６のＡ－Ａ線で切断した断面図である。

図７において、探針部４０ａは、頂点部位２と梁部４０ｂとを接続する第一線３と、上角部位５と梁部４０ｂの上面とを接続する第二線６とを有している。このとき、図７に示すように、第一線３は、梁部４０ｂと直接接続される直線部から構成されている。一方、第二線６は、上角部位５と直接接続される水平直線部６ｃと、この水平直線部６ｃと梁部４０ｂの上面とを結ぶ直線部６ｂから構成されている。

このように構成されている本変形例１におけるカンチレバー４０－１でも、図７に示すように、レンズ７２で集光された励起光８が稜線４に対して斜め方向から照射される。そして、探針部４０ａの稜線４の一部と上角部位５には、走査プローブ顕微鏡の光源より出射される励起光８が照射される。これにより、本変形例１におけるカンチレバー４０－１も実施の形態におけるカンチレバー４０と同様に探針部４０ａの頂点部位２に近傍に生成される近接場光８ａの強度を向上することができる。

＜＜変形例２＞＞
図８は、本変形例２におけるカンチレバーの模式的な構成を示す斜視図である。

図８において、本変形例２におけるカンチレバー４０－２も、例えば、図１～図３に示す走査プローブ顕微鏡に使用される。このカンチレバー４０－２は、走査プローブ顕微鏡のヘッドに保持される被保持部４０ｃと、被保持部４０ｃと一体的に形成された梁部４０ｂと、梁部４０に支持される探針部４０ａとを備えている。梁部４０ｂは、ｘ方向に延在しており、変形可能に構成されている。一方、探針部４０ａは、例えば、ｚ方向に突出する略三角錐形状をしている。ただし、探針部４０ａの形状は、略三角錐形状に限定されるものではなく、例えば、略四角錐形状から構成することもできる。

このように構成されているカンチレバー４０－２の探針部４０ａには、励起光８が照射されると、探針部４０ａの先端に近接場光８ａが生成される。

図９は、図８のＡ－Ａ線で切断した断面図である。

図９において、探針部４０ａは、頂点部位２と梁部４０ｂとを接続する第一線３と、上角部位５と梁部４０ｂの上面とを接続する第二線６とを有している。このとき、図９に示すように、第一線３は、梁部４０ｂと直接接続される直線部から構成されている。一方、第二線６は、上角部位５と梁部４０ｂの上面の両方に直接接続される傾斜直線部６ｄから構成されている。

このように構成されている本変形例２におけるカンチレバー４０－２でも、図９に示すように、レンズ７２で集光された励起光８が稜線４に対して斜め方向から照射される。そして、探針部４０ａの稜線４の一部と上角部位５には、走査プローブ顕微鏡の光源より出射される励起光８が照射される。これにより、本変形例２におけるカンチレバー４０－２も実施の形態におけるカンチレバー４０と同様に探針部４０ａの頂点部位２に近傍に生成される近接場光８ａの強度を向上することができる。

特に、本変形例２におけるカンチレバー４０－２は、第二線６が一定の傾きを有する傾斜直線部６ｄだけから構成されているため、ＦＩＢ加工しやすい利点がある。

＜＜変形例３＞＞
図１０は、本変形例３におけるカンチレバーの模式的な構成を示す斜視図である。

図１０において、本変形例３におけるカンチレバー４０－３も、例えば、図１～図３に示す走査プローブ顕微鏡に使用される。このカンチレバー４０－３は、走査プローブ顕微鏡のヘッドに保持される被保持部４０ｃと、被保持部４０ｃと一体的に形成された梁部４０ｂと、梁部４０に支持される探針部４０ａとを備えている。梁部４０ｂは、ｘ方向に延在しており、変形可能に構成されている。一方、探針部４０ａは、例えば、ｚ方向に突出する略三角錐形状をしている。ただし、探針部４０ａの形状は、略三角錐形状に限定されるものではなく、例えば、略四角錐形状から構成することもできる。

このように構成されているカンチレバー４０－３の探針部４０ａには、励起光８が照射されると、探針部４０ａの先端に近接場光８ａが生成される。

図１１は、図１０のＡ－Ａ線で切断した断面図である。

図１１において、探針部４０ａは、頂点部位２と梁部４０ｂとを接続する第一線３と、上角部位５と梁部４０ｂの上面とを接続する第二線６とを有している。このとき、図１１に示すように、第一線３は、梁部４０ｂと直接接続される直線部から構成されている。一方、第二線６は、稜線４の延長上に位置する延長線部９と、上角部位５と延長線部９とに接続し、かつ、前記第一線３側に凹む第一凹部６ｅから構成される。

このように構成されている本変形例３におけるカンチレバー４０－３でも、図１１に示すように、レンズ７２で集光された励起光８が稜線４に対して斜め方向から照射される。そして、探針部４０ａの稜線４の一部と上角部位５には、走査プローブ顕微鏡の光源より出射される励起光８が照射される。これにより、本変形例３におけるカンチレバー４０－３も実施の形態におけるカンチレバー４０と同様に探針部４０ａの頂点部位２に近傍に生成される近接場光８ａの強度を向上することができる。

特に、本変形例３におけるカンチレバー４０－３では、ＦＩＢ加工によって形成される第一凹部６ｅの体積が小さいことから、ＦＩＢ加工に要する時間を短くできる。

＜＜変形例４＞＞
図１２は、本変形例４におけるカンチレバーの模式的な構成を示す斜視図である。

図１２において、本変形例４におけるカンチレバー４０－４も、例えば、図１～図３に示す走査プローブ顕微鏡に使用される。このカンチレバー４０－４は、走査プローブ顕微鏡のヘッドに保持される被保持部４０ｃと、被保持部４０ｃと一体的に形成された梁部４０ｂと、梁部４０に支持される探針部４０ａとを備えている。梁部４０ｂは、ｘ方向に延在しており、変形可能に構成されている。一方、探針部４０ａは、例えば、ｚ方向に突出する略三角錐形状をしている。ただし、探針部４０ａの形状は、略三角錐形状に限定されるものではなく、例えば、略四角錐形状から構成することもできる。

このように構成されているカンチレバー４０－４の探針部４０ａには、励起光８が照射されると、探針部４０ａの先端に近接場光８ａが生成される。

図１３は、図１２のＡ－Ａ線で切断した断面図である。

図１３において、探針部４０ａは、頂点部位２と梁部４０ｂとを接続する第一線３と、上角部位５と梁部４０ｂの上面とを接続する第二線６とを有している。このとき、図１３に示すように、第一線３は、梁部４０ｂと直接接続される直線部から構成されている。一方、第二線６は、稜線４の延長上に位置する延長線部９と、上角部位５と延長線部９とに接続し、かつ、前記第一線３側に湾曲する第二凹部６ｆから構成される。

このように構成されている本変形例４におけるカンチレバー４０－４でも、図１３に示すように、レンズ７２で集光された励起光８が稜線４に対して斜め方向から照射される。そして、探針部４０ａの稜線４の一部と上角部位５には、走査プローブ顕微鏡の光源より出射される励起光８が照射される。これにより、本変形例４におけるカンチレバー４０－４も実施の形態におけるカンチレバー４０と同様に探針部４０ａの頂点部位２に近傍に生成される近接場光８ａの強度を向上することができる。

特に、本変形例４におけるカンチレバー４０－４では、ＦＩＢ加工によって形成される第二凹部６ｆの体積が小さいことから、ＦＩＢ加工に要する時間を短くできる。

＜カンチレバーの上位概念化＞
上述したように、本実施の形態における技術的思想が具現化されるカンチレバーの構成は、例えば、図５に示す構成と、図７に示す構成と、図９に示す構成と、図１１に示す構成と、図１３に示す構成とを包含している。ここで、例えば、図５に示す構成と図７に示す構成と図９に示す構成とを包含する構成を第１構成と呼ぶことにすると、この第１構成は、以下に示す構成として把握することができる。すなわち、第１構成は、図５と図７と図９において、探針部４０ａが頂点部位２と第一線３と稜線４と上角部位５と第二線６とを含み、かつ、第二線６が梁部４０ｂの上面と直接接続される直線部（直線部６ｂ、傾斜直線部６ｄ）を含むことを前提として、第一線３と第二線６の直線部（直線部６ｂ、傾斜直線部６ｄ）との間隔が頂点部位２に近づくに連れて、同じか、または、狭くなる構成であるということができる。これにより、第１構成は、図５に示す構成と図７に示す構成と図９に示す構成とを包含する上位概念化された構成ということができる。このような第１構成によれば、カンチレバーのｙ軸回りの剛性を高くすることができる。このことから、第１構成は、カンチレバーの形状に起因する振動を抑制することができる。

続いて、例えば、図１１に示す構成と図１３に示す構成とを包含する構成を第２構成と呼ぶことにすると、この第２構成は、以下に示す構成として把握することができる。すなわち、第２構成は、図１１と図１３において、探針部４０ａが頂点部位２と第一線３と稜線４と上角部位５と第二線６とを含むことを前提として、第二線６が稜線４の延長上に位置する延長線部９と、上角部位５と延長線部９の両方に接続し、かつ、第一線３側に凹む凹部（第一凹部６ｅ、第二凹部６ｆ）を含む構成であるということができる。これにより、第２構成は、図１１に示す構成と図１３に示す構成とを包含する上位概念化された構成ということができる。このような第２構成によれば、より簡単に本実施の形態における技術的思想を実現することができる。さらに、第２構成によれば、走査プローブ顕微鏡の励起光のレンズによる集光特性に合わせて凹部（第一凹部６ｅ、第二凹部６ｆ）を作る位置を容易に調整することができることから、より幅広い種類の走査プローブ顕微鏡用カンチレバーに適用できるという汎用性が得られる。また、加工部分が極めて小さいため、カンチレバーの振動特性への影響が小さく、従来の使い方のままで利用できる。

＜効果の検証＞
本実施の形態によれば、探針部の先端に生成される近接場光の強度を向上できる効果を得ることができるが、以下では、この効果の検証結果について説明する。

図１４は、本実施の形態における効果を検証するためのシミュレーション計算モデルを模式的に示す図である。図１４には、シミュレーション計算モデルに使用する模式的な探針部１０００が示されている。この探針部１０００には、頂点部位１００１と稜線１００２と上角部位１００３と第一線１００４が含まれている。そして、図１４において、「（１）」は、頂点部位１００１に下方から励起光を照射する場合を示しており（下方照射）、「（２）」は、頂点部位１００１に側方から励起光を照射する場合を示している（側方照射）。また、図１４において、「（３）」は、第一線１００４の裏面側から励起光を照射する場合を示しており（裏面照射）、「（４）」は、稜線１００２に対して斜め方向から励起光を照射する場合を示している（斜方照射）。ここで、「（４）」の場合が本実施の形態における提案方式に相当している。なお、シミュレーションの計算において、探針部１０００に照射される励起光は、径が３μｍのガウシアンビームであり、偏光はＰ偏光とし、かつ、入射パワーは、１Ｗに設定している。また、探針部１０００の母材は、シリコンとするとともに、金属膜１００５の膜厚は、稜線１００２側が１００ｎｍ程度であり、第一線１００４側が４５ｎｍ程度であると設定している。

以下では、上述したシミュレーション計算モデルで計算した近接場光の発生状況について説明する。図１５は、探針部全体のシミュレーション結果である。一方、図１６は、探針部の先端近傍を拡大したシミュレーション結果であり、図１７は、探針部の先端近傍の電界強度をわかりやすく把握できるように画像加工したシミュレーション結果である。図１５および図１６においては、黒い領域ほど電界強度が高いことを示している。図１７においては、探針部の先端に着目すると、「白」→「黒」→「灰色」の順で電界強度が高くなっていることを示している。そして、図１５～図１７のそれぞれにおいて、「（１）」は、下方照射を示しており、「（２）」は、側方照射を示している。また、図１５～図１７のそれぞれにおいて、「（３）」は、裏面照射を示しており、「（４）」は、斜方照射を示している。例えば、図１７に示すように、本実施の形態における提案方式に相当する斜方照射では、探針部の先端近傍領域における近接場光の最大電場強度が、１５．８（Ｖ／ｍ）^２となっており、（１）に示す下方照射や（２）に示す側方照射や（３）に示す裏面照射に比べて、いずれも２倍以上の最大電場強度を実現していることがわかる。したがって、例えば、ラマン分光の信号強度は、近接場光の強度の４乗に比例するため、斜方照射（４）により発生する近接場光で探針増強ラマン分光を行なう場合、その他の照射方法による測定感度よりも４乗倍の増幅を得られると見積もることができる。このように、上述したシミュレーション計算モデルによる検証結果を考慮すると、本実施の形態によれば、探針部の先端に生成される近接場光の強度を向上できる結果、例えば、探針増強ラマン分光の測定感度を向上できることが裏付けられることになる。

＜稜線の長さに対する考察＞
次に、稜線の長さに対する考察について説明する。

図１８には、探針部における稜線の長さの相違によって、稜線上に形成される表面プラズモンに起因する電場分布が相違することを示す図である。例えば、図１８（ａ）には、稜線の長さＬがＬ＝１０２８ｎｍの場合における電場分布が示されている。一方、図１８（ｂ）には、稜線の長さＬ＝４８２０ｎｍの場合における電場分布が示されている。

このシミュレーション結果より、稜線の長さを規定する必要性を理解することができる。すなわち、図１８（ａ）においては、稜線を被覆する金属膜の表面で表面プラズモンが励起されて閉じ込められる結果、表面プラズモンによる定在波が生じる。これにより、探針部の頂点部位では、局所電界集中が発生して非常に強い近接場光が生成される。例えば、図１８（ａ）において、探針部の頂点部位に発生する近接場光の電場強度は、２１．５（Ｖ／ｍ）となる。一方、図１８（ｂ）に示すように稜線の長さが長くなりすぎると、表面プラズモンの閉じ込め効果が弱まる。この結果、探針部の頂点部位では、発生する近接場光の電場強度が比較的弱くなる。例えば、図１８（ｂ）において、探針部の頂点部位に発生する近接場光の電場強度は、１３．９（Ｖ／ｍ）となる。なお、シミュレーション計算時の入射電場強度は、１（Ｖ／ｍ）である。

以上のことから、探針部の頂点部位における近接場光の電場強度を高くするためには、探針部における稜線の長さを所定の第１規定値以下に限定することが望ましいことがわかる。つまり、表面プラズモンによる局所電界集中を有効利用するためには、稜線の長さには上限値が存在する。一方、稜線の長さが短すぎると、表面プラズモンによる定在波が生成できなくなると考えられることから、表面プラズモンによる局所電界集中を有効利用するためには、稜線の長さは所定の第２規定値以上に限定することが望ましいことがわかる。つまり、表面プラズモンによる局所電界集中を有効利用するためには、稜線の長さには下限値が存在する。このように、探針部の頂点部位における近接場光の電場強度は、定性的に稜線の長さに依存し、近接場光の電場強度を高くする観点から、稜線の長さを所定範囲（第２規定値以上第１規定値以下）に限定することが望ましいことがわかる。

そこで、以下では、稜線の長さを変化させたときの近接場光の電場強度の変化を算出したシミュレーション結果について説明する。例えば、図１９は、稜線の長さを変化させたときの近接場光の電場強度の変化を算出する第１シミュレーションにおける前提条件を説明する図である。図１９（ａ）には、探針部４０ａの先端構造が示されている。図１９（ａ）において、頂点部位８ａと上角部位５とを結ぶ線が稜線４であり、この稜線４の長さが「Ｌ」で示されている。第１シミュレーションでは、この「Ｌ」を変化させる。

そして、図１９（ｂ）は、第１シミュレーションを行うための前提構成を示す図である。図１９（ｂ）に示すように、探針部４０ａの頂点部位８ａに励起光８を照射する。このとき、励起光８の波長は６６０ｎｍである。この励起光８はスポット形状に集光されて探針部４０ａの頂点部位８ａに照射される。詳細には、スポット形状の中心が頂点部位８ａに照射され、かつ、スポット形状の範囲は稜線４と上角部位５とを含む。そして、図１９（ｂ）において、第１シミュレーションでは、頂点部位８ａを通る水平線ＨＬ１と励起光８の入射方向とのなす角が入射角度θとして定義される。また、第１シミュレーションで算出する近接場光の電場強度は、図１９（ｂ）の「Ｐ」で示す位置における電場強度である。すなわち、第１シミュレーションでは、探針部４０ａの下方に金基板１０Ａを配置しており、探針部４０ａの頂点部位８ａと金基板１０Ａの表面との間には、２ｎｍのギャップが存在する。ここで、頂点部位８ａと金基板１０Ａの表面との中間点が「Ｐ」であり、「Ｐ」と金基板１０との間の距離は１ｎｍである。

なお、第１シミュレーションでは、頂点部位８ａに励起光８を照射する構成であることから、入射角度θが９０°以上にすることはできないことを考慮すると、入射角度θの範囲は、０°以上９０°以下である。しかしながら、実際の走査プローブ顕微鏡では、励起光８をスポット形状に集光する入射光学系と金基板１０Ａとの物理的干渉を回避するため、入射角度θは、１５°以上９０°以下に限定されることになる。

図２０は、第１シミュレーションの結果を示すグラフである。図２０において、縦軸は電場強度（Ｖ／ｍ）を示している一方、横軸は入射角度θ（°）を示している。図２０には、励起光の波長をλ（＝６６０ｎｍ）とした場合、稜線４の長さＬがλ／２（＝３３０ｎｍ）以上５λ（＝３３００ｎｍ）以下である場合の入射角度θと電場強度との関係が示されている。図２０に示すように、稜線４の長さＬがλ／２以上５λ以下のいずれの場合においても、電場強度が、例えば１６（Ｖ／ｍ）以上の最大値を取る入射角度θが存在することがわかる。したがって、稜線４の長さＬがλ／２以上５λ以下の範囲にある場合、図２０を参照して電場強度を最大値とする入射角度を決定することにより、近接場光の電場強度を高くすることができる。つまり、第１シミュレーションの結果に基づくと、近接場光の電場強度は、稜線４の長さＬと入射角度θの両方に依存し、稜線４の長さＬがλ／２以上５λ以下の場合、図２０に示すグラフに基づいて適切な入射角度θを選択することにより、近接場光の電場強度を高くすることができる。すなわち、例えば、稜線４の長さＬの違いによって、入射角度θを調整することにより、近接場光の電場強度を高くすることができる。言い換えれば、第１シミュレーションの結果に基づくと、近接場光の電場強度は、稜線４の長さＬと入射角度θの両方に依存し、例えば、入射角度θを決定した場合、図２０に示すグラフに基づいて適切な稜線４の長さＬをλ／２以上５λ以下の範囲で選択することにより、近接場光の電場強度を高くすることができる。このように、稜線４の長さＬによって入射角度θを調整したり、入射角度θによって適切な稜線４の長さＬを選択することにより、例えば、探針増強ラマン分光の測定感度を向上することができる。

続いて、第２シミュレーションの結果について説明する。

図２１は、第２シミュレーションを行うための前提構成を示す図である。図２１に示すように、探針部４０ａの上角部位５に励起光８を照射する。このとき、励起光８の波長は６６０ｎｍである。この励起光８はスポット形状に集光されて探針部４０ａの上角部位５に照射される。詳細には、スポット形状の中心が上角部位５に照射され、かつ、スポット形状の範囲は稜線４と頂点部位８ａとを含む。そして、図２１において、第２シミュレーションでは、上角部位５を通る水平線ＨＬ２と励起光８の入射方向とのなす角が入射角度θとして定義される。また、第２シミュレーションで算出する近接場光の電場強度は、図２１の「Ｐ」で示す位置における電場強度である。すなわち、第２シミュレーションでは、探針部４０ａの下方に金基板１０Ａを配置しており、探針部４０ａの上角部位５と金基板１０Ａの表面との間には、２ｎｍのギャップが存在する。ここで、上角部位５と金基板１０Ａの表面との中間点が「Ｐ」であり、「Ｐ」と金基板１０との間の距離は１ｎｍである。

なお、第２シミュレーションでは、上角部位５に励起光８を照射する構成であることから、入射角度θは９０°以上でもよいことを考慮すると、入射角度θの範囲は、例えば、０°以上１３０°以下にすることができる。しかしながら、実際の走査プローブ顕微鏡では、励起光８をスポット形状に集光する入射光学系と金基板１０Ａとの物理的干渉を回避するため、入射角度θは、例えば、１５°以上１３０°以下に限定されることになる。

図２２は、第２シミュレーションの結果を示すグラフである。図２２において、縦軸は電場強度（Ｖ／ｍ）を示している一方、横軸は入射角度θ（°）を示している。図２２には、励起光の波長をλ（＝６６０ｎｍ）とした場合、稜線４の長さＬがλ／２（＝３３０ｎｍ）以上３λ（＝１９８０ｎｍ）以下である場合の入射角度θと電場強度との関係が示されている。図２２に示すように、稜線４の長さＬがλ／２以上３λ以下のいずれの場合においても、電場強度が、例えば１６（Ｖ／ｍ）以上の最大値を取る入射角度θが存在することがわかる。したがって、稜線４の長さＬがλ／２以上３λ以下の範囲にある場合、図２２を参照して電場強度を最大値とする入射角度を決定することにより、近接場光の電場強度を高くすることができる。つまり、第２シミュレーションの結果に基づくと、近接場光の電場強度は、稜線４の長さＬと入射角度θの両方に依存し、稜線４の長さＬがλ／２以上３λ以下の場合、図２２に示すグラフに基づいて適切な入射角度θを選択することにより、近接場光の電場強度を高くすることができる。すなわち、例えば、稜線４の長さＬの違いによって、入射角度θを調整することにより、近接場光の電場強度を高くすることができる。言い換えれば、第２シミュレーションの結果に基づくと、近接場光の電場強度は、稜線４の長さＬと入射角度θの両方に依存し、例えば、入射角度θを決定した場合、図２２に示すグラフに基づいて適切な稜線４の長さＬをλ／２以上３λ以下の範囲で選択することにより、近接場光の電場強度を高くすることができる。このように、稜線４の長さＬによって入射角度θを調整したり、入射角度θによって適切な稜線４の長さＬを選択することにより、例えば、探針増強ラマン分光の測定感度を向上することができる。

上述した第１シミュレーションおよび第２シミュレーションでは、励起光８の波長λとして、λ＝６６０ｎｍを例に挙げて説明したが、第１シミュレーションの結果および第２シミュレーションの結果は、例えば、λは可視光領域の波長に適用することができる。ただし、励起光８の波長λは、可視光領域の波長に限定されるものではなく、探針部４０ａを被覆する金属膜７の材質を金膜（Ａｕ膜）から銀膜（Ａｇ膜）やアルミニウム膜（Ａｌ膜）に替えることにより近紫外領域の波長から赤外領域の波長まで幅広く適用できる。

例えば、励起光８に赤外領域の波長を使用する場合、ＳＮＯＭやＴＥＲＳの測定以外に、励起光８の照射または励起光８を照射することにより発生する近接場光の照射による試料表面の膨張や反射率の変化や光誘起力のいずれかをナノ分解能レベルで測定することで、赤外（ＩＲ）分光測定の測定感度も高感度にすることができる。

次に、第１シミュレーションの結果と第２シミュレーションの結果に基づいて、探針部４０ａの頂点部位８ａに励起光８のスポット中心を照射する構成の利点と、探針部４０ａの上角部位５に励起光８のスポット中心を照射する構成の利点について説明する。

第１シミュレーションの結果は、探針部４０ａの頂点部位８ａに励起光８のスポット中心を照射する構成に対する結果である。例えば、図２０と図２２とを対比するとわかるように、全体的に第１シミュレーションにおける近接場光の電場強度は、第２シミュレーションにおける近接場光の電場強度よりも高くなる。特に、第１シミュレーションでは、稜線４の長さＬがＬ＝１０２８ｎｍで、かつ、入射角度θがθ＝６５°のとき、近接場光の電場強度が２１（Ｖ／ｍ）となり最大値となる。したがって、第１シミュレーションに対応する頂点部位８ａに励起光８のスポット中心を照射する構成では、電場強度の大きさを大きくすることができる利点が得られる。また、第１シミュレーションの結果に基づくと、頂点部位８ａに励起光８のスポット中心を照射する構成では、稜線４の長さＬがλ／２以上５λ以下の範囲に対応できる点で稜線の長さＬの設計自由度を大きくできる。

一方、第２シミュレーションの結果は、探針部４０ａの上角部位８ａに励起光８のスポット中心を照射する構成に対する結果である。例えば、図１９（ｂ）と図２１とを対比するとわかるように、第２シミュレーションに対応する構成では、金基板１０Ａに近い頂点部位８ａでなく、金基板１０Ａから遠い上角部位５に励起光８のスポット中心を照射している。このことは、上角部位５に励起光８のスポット中心を照射する構成では、頂点部位８ａに励起光８のスポット中心を照射する構成よりも、試料の測定対象領域以外に励起光８が照射されることを低減できることを意味する。すなわち、上角部位５に励起光８のスポット中心を照射する構成では、頂点部位８ａに励起光８のスポット中心を照射する構成よりも、試料の測定対象領域以外に励起光８が照射されることに起因するバックグラウンドノイズを低減できる利点が得られる。さらに、上角部位５に励起光８のスポット中心を照射する構成では、９０°以上の入射角度θでもよい点で、頂点部位８ａに励起光８のスポット中心を照射する構成よりも入射角度θの自由度を大きくすることができる。

近接場光の電場強度は、探針部４０ａの稜線４の長さＬと入射角度θに依存する。そこで、近接場光の電場強度を高めるために、パラメータである稜線４の長さＬと入射角度θを決定する方法として２通りの方法が考えられる。すなわち、入射角度θを決定した後に近接場光の電場強度を最大にする稜線４の長さＬを決定する第１手法と、稜線４の長さＬを決定した後に近接場光の電場強度を最大にする入射角度θを決定する第２手法である。

＜第１手法＞
第１手法は、例えば、走査プローブ顕微鏡において、入射角度θが固定されている場合に有効な手法である。例えば、図２３は、頂点部位に励起光のスポット中心を照射する構成を前提として、入射角度θがθ＝６０°に固定された場合の稜線４の長さＬと近接場光の電場強度との関係を示すグラフである。この図２３は、例えば、図２０に示されるグラフに基づいて算出することができる。図２３において、入射角度θをθ＝６０°に固定した場合、電場強度が最も大きくなる稜線４の長さは、Ｌ＝１λである。したがって、入射角度θはθ＝６０°に固定された走査プローブ顕微鏡においては、探針部４０ａの稜線４の長さＬがＬ＝λのカンチレバーを採用すればよいことになる。

同様に、例えば、図２４は、上角部位に励起光のスポット中心を照射する構成を前提として、入射角度θがθ＝６０°に固定された場合の稜線４の長さＬと近接場光の電場強度との関係を示すグラフである。この図２４は、例えば、図２２に示されるグラフに基づいて算出することができる。図２４において、入射角度θをθ＝６０°に固定した場合、電場強度が最も大きくなる稜線４の長さは、Ｌ＝１λである。したがって、入射角度θはθ＝６０°に固定された走査プローブ顕微鏡においては、探針部４０ａの稜線４の長さＬがＬ＝λのカンチレバーを採用すればよいことになる。

＜第２手法＞
第２手法は、例えば、予め稜線４の長さＬが決定されているカンチレバーが製造されている場合に有効な手法である。この第２手法を実現するにあたっては、走査プローブ顕微鏡が入射角度θを変更可能なように構成されている必要がある。

以下では、入射角度θを変更可能な走査プローブ顕微鏡の構成例について説明する。

図２５は、入射角度を変更可能な走査プローブ顕微鏡に含まれる入射光学系を模式的に示す図である。図２５において、入射光学系７４は、励起光をスポット形状に集光してカンチレバー４０に照射する光学系であり、入射光学系７４は、カンチレバー４０への入射角度を、例えば、１５°以上１３５°以下の範囲で変更可能に構成されている。詳細には、例えば、入射光学系７４は、スポット形状の中心を頂点部位に照射する場合に、頂点部位を通る水平線と入射光学系７４の中心線とのなす入射角度を１５度以上９０度以下に設定可能な角度調整機構を含む。また、入射光学系７４は、スポット形状の中心を上角部位に照射する場合に、上角部位を通る水平線と入射光学系７４の中心線とのなす入射角度を１５度以上１３５度以下に設定可能な角度調整機構を含む。これにより、入射角度を変更可能な走査プローブ顕微鏡を実現することができる。

図２６は、入射角度を変更可能な走査プローブ顕微鏡に含まれる集光レンズであるレンズ７２を示す図である。図２６において、レンズ７２の開口度（ＮＡ）を大きくすることにより、例えば、図２６（ａ）～図２６（ｃ）に示すように、例えば、入射光学系は、励起光８の中心がレンズ７２の中心線ＣＬからずれた位置を通る光路構成（図２６（ａ）および図２６（ｃ）参照）と励起光８の中心がレンズ７２の中心線ＣＬに一致する光路構成（図２６（ｂ）参照）との間で光路構成を変更可能とする光路調整機構を含むように構成されている。これにより、図２６（ａ）～図２６（ｃ）に示すように、カンチレバー４０への励起光８の入射角度を変更することができる。

なお、図２７に示すように、レンズ７２は、カンチレバー４０の上方に配置することもできる。この場合、レンズ７２を使用してカンチレバー４０への励起光８の入射角度を変更することができるとともに、レンズ７２を使用して光てこ検出部６０の光路も構成することができる。具体的に、光源６１から射出された光６２は、レンズ７２を介してカンチレバー４０の梁部４０ｂに照射された後、カンチレバー４０の梁部４０ｂで反射した光６２（反射光）は、レンズ７２を介して光検出器６３で受光される。このようにして、カンチレバー４０の上方に配置されたレンズ７２によって、光てこ検出部６０の光路も構成することができる。この結果、図２７に示す構成によれば、光てこ検出部６０における空間的な配置困難性を解決できる。

図２８は、入射角度を変更可能な走査プローブ顕微鏡に含まれるカンチレバーを示す図である。図２８において、走査プローブ顕微鏡は、カンチレバー４０に照射される励起光８の入射角度を変更するようにカンチレバー４０の位置を調整する調整部を有する。これにより、例えば、図２８に示すように、カンチレバー４０の位置が調整される結果、カンチレバー４０への励起光８の入射角度を変更することができる。したがって、図２８に示す構成によっても、入射角度を変更可能な走査プローブ顕微鏡を実現することができる。

＜変形例＞
本実施の形態における走査プローブ顕微鏡では、例えば、図１に示すように、励起光８をスポット形状に集光してカンチレバー４０に照射する集光光学部品として、透過型対物レンズであるレンズ７２を使用している。ただし、集光光学部品としては、レンズ７２に限らず、例えば、図２９（ａ）に示す反射型対物レンズ７２Ａや図２９（ｂ）に示す放物面鏡７２Ｂや図２９（ｃ）に示す積分鏡７２Ｃのいずれかの光学部品を使用してもよい。

なお、図３０に示すように、励起光をスポット形状に集光してカンチレバー４０に照射する集光光学部品として、放物面鏡７２Ｄを使用する場合、この放物面鏡７２Ｄを使用して光てこ検出部６０の光路を構成することもできる。例えば、図３０に示すように、光源６１から射出された光６２は、放物面鏡７２Ｄで反射した後、カンチレバー４０に照射される。その後、カンチレバー４０に照射された光６２は、カンチレバー４０で反射された後、さらに放物面鏡７２Ｄで反射されて光検出器６３で受光される。このようにして、放物面鏡７２Ｄによって、光てこ検出部６０の光路も構成することができる。この結果、図３０に示す構成によれば、光てこ検出部６０における空間的な配置困難性を解決できる。

以上、本発明者によってなされた発明をそ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で種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、探針部４０ａと梁部４０ｂは、明確な外形的特徴で区切られていなくてもよい。そのため、探針部４０ａと梁部４０ｂと被保持部４０ｃは、それぞれ、カンチレバー４０の第１部位（４０ａ）、第２部位（４０ｂ）、第３部位（４０ｃ）のような言い方をしてもよい。

１ 下面
２ 頂点部位
３ 第一線
４ 稜線
５ 上角部位
６ 第二線
６ａ 傾斜部
６ｂ 直線部
６ｃ 水平直線部
６ｄ 傾斜直線部
６ｅ 第一凹部
６ｆ 第二凹部
７ 金属膜
８ 励起光
８ａ 近接場光
８ｂ 表面プラズモン
１０ 試料
１０Ａ 金基板
２０ 試料ホルダ
３０ 圧電素子ステージ
４０ カンチレバー
４０－１ カンチレバー
４０－２ カンチレバー
４０－３ カンチレバー
４０－４ カンチレバー
４０ａ 探針部
４０ｂ 梁部
４０ｃ 被保持部
５０ 圧電素子ステージ
５１ 圧電素子アクチュエータ
５２ ヘッド
６０ 光てこ検出部
６１ 光源
６２ 光
６３ 光検出器
７０ 入射・検出光学系
７１ 光源
７２ レンズ
７２Ａ 反射型対物レンズ
７２Ｂ 放物面鏡
７２Ｃ 積分鏡
７２Ｄ 放物面鏡
７３ 受光光学系
７４ 入射光学系
８０ 分光器
９０ 制御部
１００ 走査プローブ顕微鏡
２００ 走査プローブ顕微鏡
３００ 走査プローブ顕微鏡
１０００ 探針部
１００１ 頂点部位
１００２ 稜線
１００３ 上角部位
１００４ 第一線
１００５ 金属膜
ＣＬ 中心線
ＨＬ１ 水平線
ＨＬ２ 水平線

Claims (17)

1. 走査プローブ顕微鏡に用いるカンチレバーであって、
   断面視において、
   前記カンチレバーは、
   試料に近づける部位であり、かつ、金属膜で被覆された頂点部位と、
   前記頂点部位と接続され、かつ、前記金属膜で被覆された稜線と、
   前記稜線と接続された上角部位と、
   を有し、
   前記カンチレバーは、
   探針部と、
   下面より前記探針部に接続し、かつ、前記探針部を保持するための梁部と、
   を有し、
   断面視において、前記探針部は、
   前記頂点部位と、
   前記頂点部位と前記梁部とを接続する第１線と、
   前記稜線と、
   前記上角部位と、
   前記上角部位と前記梁部とを接続する第２線と、
   を有し、
   前記第１線および前記第２線のそれぞれは、前記梁部と直接接続される直線部を含み、
   前記第１線の前記直線部と前記第２線の前記直線部との間隔は、前記頂点部位に近づくに連れて狭くなる、カンチレバー。
2. 走査プローブ顕微鏡に用いるカンチレバーであって、
   断面視において、
   前記カンチレバーは、
   試料に近づける部位であり、かつ、金属膜で被覆された頂点部位と、
   前記頂点部位と接続され、かつ、前記金属膜で被覆された稜線と、
   前記稜線と接続された上角部位と、
   を有し、
   前記カンチレバーは、
   探針部と、
   下面より前記探針部に接続し、かつ、前記探針部を保持するための梁部と、
   を有し、
   断面視において、前記探針部は、
   前記頂点部位と、
   前記頂点部位と前記梁部とを接続する第１線と、
   前記稜線と、
   前記上角部位と、
   前記上角部位と前記梁部とを接続する第２線と、
   を有し、
   前記第２線は、
   前記稜線の延長上に位置する延長線部と、
   前記上角部位と前記延長線部とに接続し、かつ、前記第１線側に凹む凹部と、
   を含む、カンチレバー。
3. 請求項１または２に記載のカンチレバーにおいて、
   前記金属膜は、金膜、銀膜、白金膜、または、アルミニウム膜のいずれかの金属膜または合金膜または複種金属の多層膜であり、
   前記カンチレバーの材質は、シリコン、酸化シリコン、または、窒化シリコンのいずれかである、カンチレバー。
4. 試料を保持する試料ホルダと、
   励起光を出射する光源と、
   前記励起光が照射されるカンチレバーと、
   を備える、走査プローブ顕微鏡であって、
   断面視において、
   前記カンチレバーは、
   前記試料に近づける部位であり、かつ、金属膜で被覆された頂点部位と、
   前記頂点部位と接続され、かつ、前記金属膜で被覆された稜線と、
   前記稜線と接続された上角部位と、
   を有し、
   前記稜線の一部と前記上角部位とは、前記走査プローブ顕微鏡の光源より出射される励起光が照射される部位である、走査プローブ顕微鏡。
5. 請求項４に記載の走査プローブ顕微鏡において、
   前記励起光は、前記稜線に対して斜め方向から照射される、走査プローブ顕微鏡。
6. 請求項４に記載の走査プローブ顕微鏡において、
   使用される前記カンチレバーの前記稜線の長さに応じて、前記励起光を前記カンチレバーに照射する方向を調整可能に構成されている、走査プローブ顕微鏡。
7. 請求項４に記載の走査プローブ顕微鏡において、
   前記励起光の波長をλとする場合、前記稜線の長さは、λ／２以上５λ以下であり、
   前記走査プローブ顕微鏡は、前記励起光をスポット形状に集光して前記カンチレバーに照射する入射光学系を有し、
   前記入射光学系は、前記スポット形状の中心を前記頂点部位に照射する場合に、前記頂点部位を通る水平線と前記入射光学系の中心線とのなす入射角度を１５度以上９０度以下に設定可能な角度調整機構を含む、走査プローブ顕微鏡。
8. 請求項４に記載の走査プローブ顕微鏡において、
   前記励起光の波長をλとする場合、前記稜線の長さは、λ／２以上３λ以下であり、
   前記走査プローブ顕微鏡は、前記励起光をスポット形状に集光して前記カンチレバーに照射する入射光学系を有し、
   前記入射光学系は、前記スポット形状の中心を前記上角部位に照射する場合に、前記上角部位を通る水平線と前記入射光学系の中心線とのなす入射角度を１５度以上１３５度以下に設定可能な角度調整機構を含む、走査プローブ顕微鏡。
9. 請求項４に記載の走査プローブ顕微鏡において、
   前記励起光の波長をλとする場合、前記稜線の長さは、λ／２以上５λ以下であり、
   前記走査プローブ顕微鏡は、前記励起光をスポット形状に集光して前記カンチレバーに照射する集光レンズを含む入射光学系を有し、
   前記入射光学系は、前記励起光の中心が前記集光レンズの中心に一致する第１光路構成と前記励起光の中心が前記集光レンズの中心からずれた位置を通る第２光路構成との間で変更可能な光路調整機構を含む、走査プローブ顕微鏡。
10. 請求項９に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記集光レンズを介して前記カンチレバーの梁部に照射された光の前記カンチレバーの前記梁部からの反射光を、前記集光レンズを介して光検出器で検出することにより、前記カンチレバーの変形を検出する光てこ検出部を有する、走査プローブ顕微鏡。
11. 請求項４に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記励起光の波長をλとする場合、前記稜線の長さは、λ／２以上５λ以下であり、
    前記走査プローブ顕微鏡は、前記カンチレバーに照射される前記励起光の入射角度を変更するように前記カンチレバーの位置を調整する調整部を有する、走査プローブ顕微鏡。
12. 請求項４に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記走査プローブ顕微鏡は、前記励起光をスポット形状に集光して前記カンチレバーに照射する集光光学部品を有し、
    前記集光光学部品は、透過型対物レンズ、反射型対物レンズ、放物面鏡、または、積分鏡のいずれかの部品から構成されている、走査プローブ顕微鏡。
13. 請求項１２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記集光光学部品を介して前記カンチレバーの梁部に照射された光の前記カンチレバーの前記梁部からの反射光を、前記集光光学部品を介して光検出器で検出することにより、前記カンチレバーの変形を検出する光てこ検出部を有する、走査プローブ顕微鏡。
14. 請求項４に記載の走査プローブ顕微鏡において、
    前記励起光は、赤外領域の波長を有し、
    前記走査プローブ顕微鏡は、前記励起光の照射または前記励起光を照射することにより発生する近接場光の照射による試料表面の膨張や反射率の変化や光誘起力のいずれかをナノ分解能レベルで測定する、走査プローブ顕微鏡。
15. （ａ）光源から出射された励起光をカンチレバーに照射する工程、
    （ｂ）前記カンチレバーに対して対向配置された試料からの散乱光を検出する工程、
    を備える、走査プローブ顕微鏡による測定方法であって、
    前記カンチレバーは、
    前記試料に近づける部位であり、かつ、金属膜で被覆された頂点部位と、
    前記頂点部位と接続され、かつ、前記金属膜で被覆された稜線と、
    前記稜線と接続された上角部位と、
    を有し、
    前記稜線の一部と前記上角部位とは、前記走査プローブ顕微鏡の前記光源より出射される前記励起光が照射される部位である、走査プローブ顕微鏡による測定方法。
16. 請求項１５に記載の走査プローブ顕微鏡による測定方法において、
    前記励起光は、前記稜線に対して斜め方向から照射される、走査プローブ顕微鏡による測定方法。
17. 探針部と、
    下面より前記探針部に接続し、かつ、前記探針部を保持するための梁部と、
    を備える、カンチレバーであって、
    断面視において、前記探針部は、
    金属膜で被覆された頂点部位と、
    前記頂点部位と前記梁部とを接続する第１線と、
    前記頂点部位と接続され、かつ、前記金属膜で被覆された稜線と、
    前記稜線と接続された上角部位と、
    前記上角部位と前記梁部とを接続する第２線と、
    を有し、
    前記第２線は、第１構成と第２構成のいずれかの構成を有し、
    前記第１構成は、
    前記第１線および前記第２線のそれぞれが、前記梁部と直接接続される直線部を含み、
    前記第１線の前記直線部と前記第２線の前記直線部との間隔が、前記頂点部位に近づくに連れて狭くなる構成であり、
    前記第２構成は、
    前記第２線が、
    前記稜線の延長上に位置する延長線部と、
    前記上角部位と前記延長線部とに接続し、かつ、前記第１線側に凹む凹部と、
    を含む構成である、カンチレバー。

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