JPH116838A - 光プローブおよび光プローブ製造方法および走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
光プローブおよび光プローブ製造方法および走査型プローブ顕微鏡Info
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- JPH116838A JPH116838A JP10051167A JP5116798A JPH116838A JP H116838 A JPH116838 A JP H116838A JP 10051167 A JP10051167 A JP 10051167A JP 5116798 A JP5116798 A JP 5116798A JP H116838 A JPH116838 A JP H116838A
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- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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- B82—NANOTECHNOLOGY
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 光近接場効果を利用した光プロ−ブで、微小
開口におけるエバネッセント場の強度が、入射光の強度
に対して大きく減衰してしまう。 【解決手段】 微小開口を有する光プロ−ブを光共振器
もしくはその一部とすることにより光プロ−ブ内の光強
度を増強して、微小開口部に形成されるエバネッセント
場の強度を増強する光プロ−ブを提供する。
開口におけるエバネッセント場の強度が、入射光の強度
に対して大きく減衰してしまう。 【解決手段】 微小開口を有する光プロ−ブを光共振器
もしくはその一部とすることにより光プロ−ブ内の光強
度を増強して、微小開口部に形成されるエバネッセント
場の強度を増強する光プロ−ブを提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は被測定表面を光照
射もしくは光励起することにより、固体表面のナノメー
トル領域における形状観察や光物性測定を行うことを目
的とする近接場効果顕微鏡に使用する光プローブと光プ
ローブの製造法およびこの光プローブを用いた走査型プ
ローブ顕微鏡に関する。
射もしくは光励起することにより、固体表面のナノメー
トル領域における形状観察や光物性測定を行うことを目
的とする近接場効果顕微鏡に使用する光プローブと光プ
ローブの製造法およびこの光プローブを用いた走査型プ
ローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】近接場効果顕微鏡用の光プローブとし
て、従来から、微小開口を持つプローブが用いられてい
る。この微小開口光プローブとしては、ＵＳ ＰＡＴ
４６０４５２０において、その基本的な原理が開示され
ている。その基本的な構造は、先端を尖鋭化した石英ロ
ッドの先端部を除く部分に２００ナノメートル以下の厚
さの金属被覆を施し、先端部に光の波長よりも小さな開
口が形成されるようにしたものである。このプローブの
開口の反対側に設けられた光導入口より光を導入するこ
とで、先端の微小開口部にエバネッセント場を形成する
ことができる。この他に、このような微小開口を有する
プローブの形成方法としては、微粒子をおいたガラス面
に金属膜を蒸着した後、微粒子を除去して微小開口を形
成する方法が、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．
Ｂ３，３８６（１９８５）に開示されている。
て、従来から、微小開口を持つプローブが用いられてい
る。この微小開口光プローブとしては、ＵＳ ＰＡＴ
４６０４５２０において、その基本的な原理が開示され
ている。その基本的な構造は、先端を尖鋭化した石英ロ
ッドの先端部を除く部分に２００ナノメートル以下の厚
さの金属被覆を施し、先端部に光の波長よりも小さな開
口が形成されるようにしたものである。このプローブの
開口の反対側に設けられた光導入口より光を導入するこ
とで、先端の微小開口部にエバネッセント場を形成する
ことができる。この他に、このような微小開口を有する
プローブの形成方法としては、微粒子をおいたガラス面
に金属膜を蒸着した後、微粒子を除去して微小開口を形
成する方法が、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．
Ｂ３，３８６（１９８５）に開示されている。
【０００３】また、ガラスチューブを熱で破断するまで
引き延ばし、ガラス側面を金属膜をコートすることによ
って、細くなったガラスチューブの先端の穴を微小開口
とするプローブの製造方法が、ＵＳ ＰＡＴ ４９１７
４６２に開示されている。さらに、光ファイバーを熱的
に破断するまで引き延ばし、側面を金属コートすること
によって、細くなった光ファイバーの先端部を微小開口
とするプローブの製造方法について、ＵＳ ＰＡＴ ５
２７２３３０に開示されている。
引き延ばし、ガラス側面を金属膜をコートすることによ
って、細くなったガラスチューブの先端の穴を微小開口
とするプローブの製造方法が、ＵＳ ＰＡＴ ４９１７
４６２に開示されている。さらに、光ファイバーを熱的
に破断するまで引き延ばし、側面を金属コートすること
によって、細くなった光ファイバーの先端部を微小開口
とするプローブの製造方法について、ＵＳ ＰＡＴ ５
２７２３３０に開示されている。
【０００４】一方、機能性プローブとして、ガラスチュ
ーブのプローブ先端に蛍光物質を詰めた機能性プローブ
に光を導入し、蛍光物質の蛍光を微小光源として用いる
方法が、Ｌｅｗｉｓらにより Ｎａｔｕｒｅ ３５４,
１９９１，ｐ．２１４に開示されているが、この方法で
は、微小光源の波長の選択に制約があること、蛍光の消
光によって、光源の光強度が徐々に減少するなどの問題
がある。
ーブのプローブ先端に蛍光物質を詰めた機能性プローブ
に光を導入し、蛍光物質の蛍光を微小光源として用いる
方法が、Ｌｅｗｉｓらにより Ｎａｔｕｒｅ ３５４,
１９９１，ｐ．２１４に開示されているが、この方法で
は、微小光源の波長の選択に制約があること、蛍光の消
光によって、光源の光強度が徐々に減少するなどの問題
がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の微小開口光プロ
ーブにおいて問題となるのは、微小開口におけるエバネ
ッセント場の強度が、入射光の強度に対して、１／１０
０００から１／１００００００と大きく減少してしまう
点である。このことが高いＳ／Ｎ比での試料の観測や速
いスキャンでの加工・書き込みを妨げている。
ーブにおいて問題となるのは、微小開口におけるエバネ
ッセント場の強度が、入射光の強度に対して、１／１０
０００から１／１００００００と大きく減少してしまう
点である。このことが高いＳ／Ｎ比での試料の観測や速
いスキャンでの加工・書き込みを妨げている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するために、微小開口を有する光プローブを光共
振器もしくはその一部とすることにより光プローブ内の
光強度を増強して、微小開口部に形成されるエバネッセ
ント場の強度を従来法に比較して増強することを特徴と
する光プローブを提供する。
を解決するために、微小開口を有する光プローブを光共
振器もしくはその一部とすることにより光プローブ内の
光強度を増強して、微小開口部に形成されるエバネッセ
ント場の強度を従来法に比較して増強することを特徴と
する光プローブを提供する。
【０００７】
【発明の実施例の形態】本発明は、直径５０ナノメート
ルから２００ナノメートル程度の微小開口を有する光フ
ァイバーそのものを光共振器として構成し、これに外部
から光を入射することにより光ファイバー内の光電場を
光共振器を形成しない場合よりも強くすることにより微
小開口から放射されるエバネッセント波の強度を増大さ
せることを特徴としている。
ルから２００ナノメートル程度の微小開口を有する光フ
ァイバーそのものを光共振器として構成し、これに外部
から光を入射することにより光ファイバー内の光電場を
光共振器を形成しない場合よりも強くすることにより微
小開口から放射されるエバネッセント波の強度を増大さ
せることを特徴としている。
【０００８】光共振器の構成の具体例としては、微小開
口を設置する側の端面に反射率９５%以上、好ましくは
９９%以上の誘電体多層膜もしくは金属薄膜を被覆した
上で微小開口を設置し、長さ数ｃｍのファイバーの他方
の端面を光学研磨により面精度をλ/２０以下、平行度
１″以下に加工した上で反射率８５-９０%の誘電体多層
膜を被覆し、この面から顕微鏡用の対物レンズ等を光結
合器としてレーザー光を入射する。 光ファイバー内に
閉じこめられた光は両端にある誘電体多層膜もしくは金
属膜の間を往復する間にこの共振器内で増幅され、微小
開口から強い電場強度のエバネッセント光として取り出
すことができる。
口を設置する側の端面に反射率９５%以上、好ましくは
９９%以上の誘電体多層膜もしくは金属薄膜を被覆した
上で微小開口を設置し、長さ数ｃｍのファイバーの他方
の端面を光学研磨により面精度をλ/２０以下、平行度
１″以下に加工した上で反射率８５-９０%の誘電体多層
膜を被覆し、この面から顕微鏡用の対物レンズ等を光結
合器としてレーザー光を入射する。 光ファイバー内に
閉じこめられた光は両端にある誘電体多層膜もしくは金
属膜の間を往復する間にこの共振器内で増幅され、微小
開口から強い電場強度のエバネッセント光として取り出
すことができる。
【０００９】以下に本発明の実施例について図面を参照
して説明する。図１は本発明の第一実施例を示す光プロ
ーブの構成を表した図である。光プローブは、光を伝搬
するコア層２と屈折率の異なるクラッド層１によって構
成されるSiO2ファイバー３からなり、その一方の端面に
MgF2／ZrO2よりなる誘電体多層膜５と微小透過孔３３
を形成している。もう一方の端面側には結合レンズ１９
とその内側に誘電体多層薄膜１０が配置されており、こ
の誘電体多層薄膜１０は共振器長／平行度調整機構１１
により矢印で示した方向に移動可能であり、共振器の長
さや平行度の調整が可能である。この調整により共振器
のＱ値を高めることができる。共振器長／平行度調整機
構１１は圧電素子で構成され、印加電圧の制御により、
誘電体多層薄膜１０の移動量を決める。ここで、 SiO2
ファイバー３としてはシングルモードファイバー、ステ
ップインデックスファイバー、グレーデッドインデック
スファイバー、偏波面保持ファイバー等を用いることが
可能である。
して説明する。図１は本発明の第一実施例を示す光プロ
ーブの構成を表した図である。光プローブは、光を伝搬
するコア層２と屈折率の異なるクラッド層１によって構
成されるSiO2ファイバー３からなり、その一方の端面に
MgF2／ZrO2よりなる誘電体多層膜５と微小透過孔３３
を形成している。もう一方の端面側には結合レンズ１９
とその内側に誘電体多層薄膜１０が配置されており、こ
の誘電体多層薄膜１０は共振器長／平行度調整機構１１
により矢印で示した方向に移動可能であり、共振器の長
さや平行度の調整が可能である。この調整により共振器
のＱ値を高めることができる。共振器長／平行度調整機
構１１は圧電素子で構成され、印加電圧の制御により、
誘電体多層薄膜１０の移動量を決める。ここで、 SiO2
ファイバー３としてはシングルモードファイバー、ステ
ップインデックスファイバー、グレーデッドインデック
スファイバー、偏波面保持ファイバー等を用いることが
可能である。
【００１０】また結合レンズ１９は誘電体多層薄膜１０
と光ファイバーの内部に置くことも外部に置くことも可
能である。また結合レンズとしては顕微鏡用の対物レン
ズを用いることや対物レンズを屈折率整合用オイル等を
介して用いることも可能である。光共振器の長さ調節機
構により光プローブから出射する光にモジュレーション
をかけることが可能である。上記のような光プローブの
構成によれば光プローブ内に入射された光が光共振器に
より増幅され、光プローブ先端から取り出すエバネッセ
ント光の強度を増幅することができるため、短い時間で
の測定ができ、メモリーなどの書き込みにおいては高速
のスキャンが行える。
と光ファイバーの内部に置くことも外部に置くことも可
能である。また結合レンズとしては顕微鏡用の対物レン
ズを用いることや対物レンズを屈折率整合用オイル等を
介して用いることも可能である。光共振器の長さ調節機
構により光プローブから出射する光にモジュレーション
をかけることが可能である。上記のような光プローブの
構成によれば光プローブ内に入射された光が光共振器に
より増幅され、光プローブ先端から取り出すエバネッセ
ント光の強度を増幅することができるため、短い時間で
の測定ができ、メモリーなどの書き込みにおいては高速
のスキャンが行える。
【００１１】図２は本発明の第二実施例を示す光プロー
ブの構成を示したものである。微小透過孔３３の代わり
にSiO2からなる微小突起９を有しており、凹凸の大きな
試料表面を観測するために有利である。光プローブの先
端部の形状が異なること以外に発明の効果および作用は
第一実施例に示したものと変わることはないので説明を
省く。
ブの構成を示したものである。微小透過孔３３の代わり
にSiO2からなる微小突起９を有しており、凹凸の大きな
試料表面を観測するために有利である。光プローブの先
端部の形状が異なること以外に発明の効果および作用は
第一実施例に示したものと変わることはないので説明を
省く。
【００１２】図３は本発明の第三実施例を示す光プロー
ブの構成を示したものである。光プローブの材料として
長さ１００μｍ程度の石英ロッドを用いており、プロー
ブサイズを小さくすることができるため、カンチレバー
同様のプローブチップとして使用することができる。ま
た誘電体多層薄膜１０を光てこ用の反射ミラーとして利
用することができる。光プローブの材料が異なること以
外に発明の効果および作用は第一実施例に示したものと
変わることはないので説明を省く。
ブの構成を示したものである。光プローブの材料として
長さ１００μｍ程度の石英ロッドを用いており、プロー
ブサイズを小さくすることができるため、カンチレバー
同様のプローブチップとして使用することができる。ま
た誘電体多層薄膜１０を光てこ用の反射ミラーとして利
用することができる。光プローブの材料が異なること以
外に発明の効果および作用は第一実施例に示したものと
変わることはないので説明を省く。
【００１３】図４は本発明の第四実施例を示す光プロー
ブの構成を示したものである。光プローブ先端にSiO2よ
りなる複数の微小突起９を有している。突起間の距離に
ある原子または分子の間に生じる励起エネルギー移動等
を観測するのに有利である。本実施例では、３×３から
なる９つの微小突起を有する例を示したが、突起の数は
これに限定されるものではない。光プローブの先端部の
形状が異なること以外に発明の効果および作用は第一実
施例に示したものと変わることはないので説明を省く。
ブの構成を示したものである。光プローブ先端にSiO2よ
りなる複数の微小突起９を有している。突起間の距離に
ある原子または分子の間に生じる励起エネルギー移動等
を観測するのに有利である。本実施例では、３×３から
なる９つの微小突起を有する例を示したが、突起の数は
これに限定されるものではない。光プローブの先端部の
形状が異なること以外に発明の効果および作用は第一実
施例に示したものと変わることはないので説明を省く。
【００１４】図５は本発明の光プローブの作製工程を表
したものである。まず、端面を鏡面研磨した長さ２０cm
程度のシングルモード光ファイバーとしてSiO2光ファイ
バー３と薄膜の原料であるMgF2およびZrO2、また金属マ
スク材料であるCrを真空蒸着装置内に設置し、１０-5Pa
程度の圧力になるまで真空排気する。その後、電子ビー
ム溶融法もしくは抵抗加熱法等の手段により原料の１つ
であるZrO2を蒸発させる。 ZrO2の屈折率２．０５と膜
厚との積が使用する光源の波長λの1/4である２００ｎ
ｍとなるようZrO2層６を膜厚９７．５６ｎｍまで堆積す
る。この時、真空装置内に酸素ガスを１０-5Torr程度導
入して、薄膜の化学量論的組成がZrO2からずれないよう
にする。次に、 ZrO2の場合と同様にMgF2を蒸発させ、
MgF2の屈折率１．３８と膜厚との積が使用する光源の波
長λの1/4である２００ｎｍとなるようMgF2層７を膜厚
１４４．９３ｎｍまで堆積する。図５（Ａ）はこの操作
を繰り返し、 ZrO2層６とMgF2層７を交互に１１層堆積
した光ファイバーを示している。
したものである。まず、端面を鏡面研磨した長さ２０cm
程度のシングルモード光ファイバーとしてSiO2光ファイ
バー３と薄膜の原料であるMgF2およびZrO2、また金属マ
スク材料であるCrを真空蒸着装置内に設置し、１０-5Pa
程度の圧力になるまで真空排気する。その後、電子ビー
ム溶融法もしくは抵抗加熱法等の手段により原料の１つ
であるZrO2を蒸発させる。 ZrO2の屈折率２．０５と膜
厚との積が使用する光源の波長λの1/4である２００ｎ
ｍとなるようZrO2層６を膜厚９７．５６ｎｍまで堆積す
る。この時、真空装置内に酸素ガスを１０-5Torr程度導
入して、薄膜の化学量論的組成がZrO2からずれないよう
にする。次に、 ZrO2の場合と同様にMgF2を蒸発させ、
MgF2の屈折率１．３８と膜厚との積が使用する光源の波
長λの1/4である２００ｎｍとなるようMgF2層７を膜厚
１４４．９３ｎｍまで堆積する。図５（Ａ）はこの操作
を繰り返し、 ZrO2層６とMgF2層７を交互に１１層堆積
した光ファイバーを示している。
【００１５】その後、 MgF2／ ZrO2層５（誘電体多層
膜）をドライエッチングするためのマスクとしてCr層4
を1μm程度の膜厚に堆積した後、真空装置から取り出
し、フォトレジスト8をスピンコーター等で1μm程度の
膜厚に塗布する。ここでCrのかわりにTiN、TiWなどを用
いることもできる。図５（Ｂ）はこれらの膜を累積した
状態を示したものである。
膜）をドライエッチングするためのマスクとしてCr層4
を1μm程度の膜厚に堆積した後、真空装置から取り出
し、フォトレジスト8をスピンコーター等で1μm程度の
膜厚に塗布する。ここでCrのかわりにTiN、TiWなどを用
いることもできる。図５（Ｂ）はこれらの膜を累積した
状態を示したものである。
【００１６】図５（Ｃ）に示すような直径５００ｎｍの
穴１７が開いたパターンのフォトマスク１８をイオンビ
ームにより穿孔することにより作製する。フォトレジス
ト8まで塗布した図５（Ｂ）の光ファイバーにこれを縮
小投影露光(1/5)して、ドライエッチング機構とCVD機構
を兼ね備えた真空装置内に設置する。図５（Ｄ）はフォ
トレジスト8が図５（Ｃ）のパターンに加工された状態
を表したものである。次にCl2等の反応性ガスを用いてC
r層４（金属マスク層）をエッチングし 誘電体多層膜５
（ MgF2／ ZrO2層）のエッチング用マスクを形成する。
次に、Cl2等の反応性ガスを用いてZrO2層をエッチング
し、次にCF4等の反応性ガスを用いてMgF2層をエッチン
グする。次に再びCl2等の反応性ガスを用いてZrO2層を
エッチングする。
穴１７が開いたパターンのフォトマスク１８をイオンビ
ームにより穿孔することにより作製する。フォトレジス
ト8まで塗布した図５（Ｂ）の光ファイバーにこれを縮
小投影露光(1/5)して、ドライエッチング機構とCVD機構
を兼ね備えた真空装置内に設置する。図５（Ｄ）はフォ
トレジスト8が図５（Ｃ）のパターンに加工された状態
を表したものである。次にCl2等の反応性ガスを用いてC
r層４（金属マスク層）をエッチングし 誘電体多層膜５
（ MgF2／ ZrO2層）のエッチング用マスクを形成する。
次に、Cl2等の反応性ガスを用いてZrO2層をエッチング
し、次にCF4等の反応性ガスを用いてMgF2層をエッチン
グする。次に再びCl2等の反応性ガスを用いてZrO2層を
エッチングする。
【００１７】図５（E）はこのように交互にエッチング
を繰り返して直径１００ｎｍの孔３３を穿孔した図を示
している。ファイバーの端面に誘電体多層薄膜からなる
反射率８５−９０%程度の薄膜を形成するための製造方
法として、 MgF2、 SiO2等の低い屈折率を有する誘電体
薄膜と、 ZrO2、TiO2、TaO4等の高い屈折率を有する誘
電体薄膜とを交互堆積するために、C2F6等のフッ素系ガ
スもしくはCl2等の塩素系ガスもしくはClF3等の両方を
含むガスもしくはこれらの混合ガスを真空容器中に導入
し、該真空容器内に設置された電極に高周波高電圧を印
加することにより発生されるプラズマを用いるドライエ
ッチング法および半導体製造工程で用いられているフォ
トレジストおよび縮小投影露光法を用いたマスク形成法
とを組み合わせることが可能である。
を繰り返して直径１００ｎｍの孔３３を穿孔した図を示
している。ファイバーの端面に誘電体多層薄膜からなる
反射率８５−９０%程度の薄膜を形成するための製造方
法として、 MgF2、 SiO2等の低い屈折率を有する誘電体
薄膜と、 ZrO2、TiO2、TaO4等の高い屈折率を有する誘
電体薄膜とを交互堆積するために、C2F6等のフッ素系ガ
スもしくはCl2等の塩素系ガスもしくはClF3等の両方を
含むガスもしくはこれらの混合ガスを真空容器中に導入
し、該真空容器内に設置された電極に高周波高電圧を印
加することにより発生されるプラズマを用いるドライエ
ッチング法および半導体製造工程で用いられているフォ
トレジストおよび縮小投影露光法を用いたマスク形成法
とを組み合わせることが可能である。
【００１８】これらに用いられる誘電体物質、エッチン
グガス、電極の形状・種類、高周波の周波数、フォトレ
ジストの種類等は既知の全てのものを採用することが可
能であり、記述されたものには限定されない。微小透過
孔を有する光プローブを作製する場合にはここまでの工
程であるが、本発明の第二実施例である微小突起９を有
する光プローブを作製する場合にはさらに次の工程に進
む。
グガス、電極の形状・種類、高周波の周波数、フォトレ
ジストの種類等は既知の全てのものを採用することが可
能であり、記述されたものには限定されない。微小透過
孔を有する光プローブを作製する場合にはここまでの工
程であるが、本発明の第二実施例である微小突起９を有
する光プローブを作製する場合にはさらに次の工程に進
む。
【００１９】微小突起９を作製するためにまずCVD機構
によりSiH4および酸素等のガスを用いてSiO2層３４を直
径１００ｎｍの孔の中に堆積する。図５（Ｆ）は光プロ
ーブ表面をSiO2層３４が覆った状態を表している。その
後、真空装置より取り出し、硝酸をベースとした剥離液
により金属マスクを除去することにより図５（G）に示
すような微小突起を作製することができる。
によりSiH4および酸素等のガスを用いてSiO2層３４を直
径１００ｎｍの孔の中に堆積する。図５（Ｆ）は光プロ
ーブ表面をSiO2層３４が覆った状態を表している。その
後、真空装置より取り出し、硝酸をベースとした剥離液
により金属マスクを除去することにより図５（G）に示
すような微小突起を作製することができる。
【００２０】図６は本発明の第三実施例に示した光プロ
ーブの製作工程を示したものである。光プローブ材料に
石英ロッドを用いる。直径２０μmの石英ロッド２１の
端面を鏡面研磨するために、厚さ１００μmの３０mm角
のステンレス製治具２０の中央に直径２０μmの孔を穿
け、直径２０μm、長さ２００μmの石英ロッド２１を接
着剤で固定し（図６（A））機械研磨により鏡面研磨す
る(図６（Ｂ）)。
ーブの製作工程を示したものである。光プローブ材料に
石英ロッドを用いる。直径２０μmの石英ロッド２１の
端面を鏡面研磨するために、厚さ１００μmの３０mm角
のステンレス製治具２０の中央に直径２０μmの孔を穿
け、直径２０μm、長さ２００μmの石英ロッド２１を接
着剤で固定し（図６（A））機械研磨により鏡面研磨す
る(図６（Ｂ）)。
【００２１】作製された石英ロッド２１は第一実施例の
製造工程と同様にして誘電体多層膜５（ MgF2／ ZrO
2層）および微小透過孔３３を製作しファブリペロー共
振器型の光プローブを作製する。さらに微小突起９を作
製する工程を行うと、図３に示した第三実施例の光プロ
ーブとなる。 作製された光プローブは図７（Ａ）（正
面図）、図７（Ｂ）（側面図）に示すような長さ数ｍ
ｍ、幅５０μm、高さ５０μmのホルダー２２の穴の部分
に接着剤等で固定する。ホルダー２２の固定端３５で保
持されることにより、カンチレバー同様にプローブチッ
プとして用いることができる。すなわち光てこ用光源３
０からの光を図７（Ａ）に示す方向から入射し光プロー
ブ終端の誘電体多層膜１０を反射ミラーとして利用する
ことにより光てことして機能する。
製造工程と同様にして誘電体多層膜５（ MgF2／ ZrO
2層）および微小透過孔３３を製作しファブリペロー共
振器型の光プローブを作製する。さらに微小突起９を作
製する工程を行うと、図３に示した第三実施例の光プロ
ーブとなる。 作製された光プローブは図７（Ａ）（正
面図）、図７（Ｂ）（側面図）に示すような長さ数ｍ
ｍ、幅５０μm、高さ５０μmのホルダー２２の穴の部分
に接着剤等で固定する。ホルダー２２の固定端３５で保
持されることにより、カンチレバー同様にプローブチッ
プとして用いることができる。すなわち光てこ用光源３
０からの光を図７（Ａ）に示す方向から入射し光プロー
ブ終端の誘電体多層膜１０を反射ミラーとして利用する
ことにより光てことして機能する。
【００２２】本発明の第四実施例である光プローブは実
施例１および２と同様の工程で作製される。フォトマス
クに３×３からなる９つの穴が開いたパターンを用いる
こと以外に変わることはない。図８は本実施例で作製し
た光プローブの評価に使用した短パルス光応答特性評価
装置の光学系を示したものである。光源１２として、チ
タンサファイアレーザーの基本波の８００ｎｍ、パルス
幅４０ｆｓを用いた。光源１２から出た光のパルス幅と
スペクトル幅を（相関器A／分光器A）1３により測定
し、４０ｆｓおよび２４ｎｍというフーリエ変換限界パ
ルスであることを確認した。この光パルスを4個のブリ
ュースタープリズムから構成される分散制御器１６を通
過させることにより負の群速度分散を与え、パルス幅と
スペクトル幅を（相関器B／分光器B）１4により測定し
て６９ｆｓおよび7ｎｍを得た。
施例１および２と同様の工程で作製される。フォトマス
クに３×３からなる９つの穴が開いたパターンを用いる
こと以外に変わることはない。図８は本実施例で作製し
た光プローブの評価に使用した短パルス光応答特性評価
装置の光学系を示したものである。光源１２として、チ
タンサファイアレーザーの基本波の８００ｎｍ、パルス
幅４０ｆｓを用いた。光源１２から出た光のパルス幅と
スペクトル幅を（相関器A／分光器A）1３により測定
し、４０ｆｓおよび２４ｎｍというフーリエ変換限界パ
ルスであることを確認した。この光パルスを4個のブリ
ュースタープリズムから構成される分散制御器１６を通
過させることにより負の群速度分散を与え、パルス幅と
スペクトル幅を（相関器B／分光器B）１4により測定し
て６９ｆｓおよび7ｎｍを得た。
【００２３】次に本発明の第一実施例により作製した光
プローブ２８を通過させてパルス幅とスペクトル幅を
（相関器C／分光器C）１5により測定し、パルス幅の最
小値として４３ｆｓおよびスペクトル幅の最大値として
２２ｎｍを得た。この値は（相関器A／分光器A）１３で
測定された値と同様にフーリエ変換限界パルスであるこ
とを示しており、光プローブ２８による正の分散が分散
制御器1６により補償されていることを示している。尚
この時、ピエゾ素子を用いた結合定数可変機構３２によ
り平凸レンズ３１の位置を微動させて光プローブとの距
離を調整しており、平凸レンズ３１と光プローブ２８の
距離が４０ｎｍの時にフーリエ変換限界パルスが得られ
ている。この距離を大きくするとエバネッセント光を介
した光結合が弱くなり、光プローブにおける正の群速度
分散が大きくなるために、プリズムによる分散制御器で
は補償することが不可能となりフーリエ変換限界パルス
とならずにパルス幅が広がってしまう。4個のブリュー
スタープリズムによる分散制御器１６の代わりに回折格
子対による分散制御器も同等の機能を有する。
プローブ２８を通過させてパルス幅とスペクトル幅を
（相関器C／分光器C）１5により測定し、パルス幅の最
小値として４３ｆｓおよびスペクトル幅の最大値として
２２ｎｍを得た。この値は（相関器A／分光器A）１３で
測定された値と同様にフーリエ変換限界パルスであるこ
とを示しており、光プローブ２８による正の分散が分散
制御器1６により補償されていることを示している。尚
この時、ピエゾ素子を用いた結合定数可変機構３２によ
り平凸レンズ３１の位置を微動させて光プローブとの距
離を調整しており、平凸レンズ３１と光プローブ２８の
距離が４０ｎｍの時にフーリエ変換限界パルスが得られ
ている。この距離を大きくするとエバネッセント光を介
した光結合が弱くなり、光プローブにおける正の群速度
分散が大きくなるために、プリズムによる分散制御器で
は補償することが不可能となりフーリエ変換限界パルス
とならずにパルス幅が広がってしまう。4個のブリュー
スタープリズムによる分散制御器１６の代わりに回折格
子対による分散制御器も同等の機能を有する。
【００２４】本発明の第三実施例により作製した光ファ
イバープローブを通過させてパルス幅とスペクトル幅を
（相関器C／分光器C）１５により測定し、パルス幅の最
小値として４１ｆｓおよびスペクトル幅の最大値として
２３ｎｍを得た。この値は（相関器Aおよび分光器A）１
３で測定された値と同様にフーリエ変換限界パルスであ
ることを示しており、光プローブによる正の分散が分散
制御器により補償されていることを示している。本プロ
ーブについても第一実施例１と同様に種々の評価を行っ
た結果、実施例１と同様の結果が得られている。
イバープローブを通過させてパルス幅とスペクトル幅を
（相関器C／分光器C）１５により測定し、パルス幅の最
小値として４１ｆｓおよびスペクトル幅の最大値として
２３ｎｍを得た。この値は（相関器Aおよび分光器A）１
３で測定された値と同様にフーリエ変換限界パルスであ
ることを示しており、光プローブによる正の分散が分散
制御器により補償されていることを示している。本プロ
ーブについても第一実施例１と同様に種々の評価を行っ
た結果、実施例１と同様の結果が得られている。
【００２５】本発明の第四実施例の光プローブの短パル
ス光の通過特性評価実験においても、実施例１および２
と同様の結果が得られた。又、本光プローブを実施例１
および２と同様に走査型プローブ顕微鏡装置に取り付け
て種々の観察・計測を行った結果、発光分光測定では発
光強度が実施例1の場合と比較して約9倍になると共に、
発光強度の時間依存プロファイルは実施例1の場合と比
較すると減衰時間が長くなった。このことは近接した複
数箇所の同時励起により励起状態の移動過程が抑制され
たことを示している。
ス光の通過特性評価実験においても、実施例１および２
と同様の結果が得られた。又、本光プローブを実施例１
および２と同様に走査型プローブ顕微鏡装置に取り付け
て種々の観察・計測を行った結果、発光分光測定では発
光強度が実施例1の場合と比較して約9倍になると共に、
発光強度の時間依存プロファイルは実施例1の場合と比
較すると減衰時間が長くなった。このことは近接した複
数箇所の同時励起により励起状態の移動過程が抑制され
たことを示している。
【００２６】図９は本発明の光プローブを走査型プロー
ブ顕微鏡に取り付けた構成の一例を示している。プロー
ブと試料間に働く力を検出しその距離または力が一定に
なるように制御するＡＦＭの動作機構が基本構成であ
り、プローブとしてカンチレバーのかわりに本発明の光
プローブを用いてもその部分は変更なく使用することが
できる。光てこ３０は光プローブ終端に作製した誘電体
多層膜１０を反射ミラーとして使用できる。光学特性測
定用光源２６からの光を光プローブに入射すれば共振器
として増幅されたエバネッセント場を作り出すことがで
き、Ｓ／Ｎのよい測定ができる。また光学特性測定光検
出手段２７と光学特性測定用光源２６との配置を逆にし
て試料側からの光を光プローブで取り出すという使用法
も可能である。試料からの蛍光を測定する場合には、そ
の時、光プローブ２８に作製された誘電体多層膜１０は
励起光をカットし蛍光を透過する波長選択フィルターと
して機能する。
ブ顕微鏡に取り付けた構成の一例を示している。プロー
ブと試料間に働く力を検出しその距離または力が一定に
なるように制御するＡＦＭの動作機構が基本構成であ
り、プローブとしてカンチレバーのかわりに本発明の光
プローブを用いてもその部分は変更なく使用することが
できる。光てこ３０は光プローブ終端に作製した誘電体
多層膜１０を反射ミラーとして使用できる。光学特性測
定用光源２６からの光を光プローブに入射すれば共振器
として増幅されたエバネッセント場を作り出すことがで
き、Ｓ／Ｎのよい測定ができる。また光学特性測定光検
出手段２７と光学特性測定用光源２６との配置を逆にし
て試料側からの光を光プローブで取り出すという使用法
も可能である。試料からの蛍光を測定する場合には、そ
の時、光プローブ２８に作製された誘電体多層膜１０は
励起光をカットし蛍光を透過する波長選択フィルターと
して機能する。
【００２７】観察・計測を行った結果を以下に示す。ま
ず、観測への適用実験としてガラスの上に厚さ２０ｎｍ
のCr薄膜を１μｍ角の交互にエッチングしたチェック上
のパターンを観察した。結果、１００ｎｍ程度で光学分
解能を持つイメージを観察することができた。特に、本
発明のプローブでは、光強度が強いため、光信号のＳ／
Ｎ比が高いイメージを得ることができた。
ず、観測への適用実験としてガラスの上に厚さ２０ｎｍ
のCr薄膜を１μｍ角の交互にエッチングしたチェック上
のパターンを観察した。結果、１００ｎｍ程度で光学分
解能を持つイメージを観察することができた。特に、本
発明のプローブでは、光強度が強いため、光信号のＳ／
Ｎ比が高いイメージを得ることができた。
【００２８】次に、分光測定への適用実験として、本発
明で製作した光プローブによって、ＰＭＭＡにＤＯＤＣ
I(3,3'-diethyloxadicarbocyanine)を混合したものを蒸
着し、加熱圧縮した試料について、Nd:YAGレーザーの５
３２ｎｍの波長の励起光によって、発光スペクトルおよ
び発光強度の時間依存プロファイルの測定を行った。結
果、希薄ＤＯＤＣI試料に対して、高濃度のＤＯＤＣIを
含む試料では、発光ピーク波長が長波長側にシフトする
とともに、蛍光寿命が短くなることが確認できた。
明で製作した光プローブによって、ＰＭＭＡにＤＯＤＣ
I(3,3'-diethyloxadicarbocyanine)を混合したものを蒸
着し、加熱圧縮した試料について、Nd:YAGレーザーの５
３２ｎｍの波長の励起光によって、発光スペクトルおよ
び発光強度の時間依存プロファイルの測定を行った。結
果、希薄ＤＯＤＣI試料に対して、高濃度のＤＯＤＣIを
含む試料では、発光ピーク波長が長波長側にシフトする
とともに、蛍光寿命が短くなることが確認できた。
【００２９】さらに、上述の方法で製作した波長４００
ｎｍ用の光プローブを用い、固体表面の発光分光測定に
適用した。試料は、ＰＭＭＡとローダミン６Ｇをアセト
ンに溶解しスピンコーターにより薄膜作製したものを用
い、光源としては、上述のチタンサファイアレーザーを
用いた。この結果、明瞭な発光スペクトルおよび発光強
度の時間依存プロファイルの測定結果を得ることが可能
であった。
ｎｍ用の光プローブを用い、固体表面の発光分光測定に
適用した。試料は、ＰＭＭＡとローダミン６Ｇをアセト
ンに溶解しスピンコーターにより薄膜作製したものを用
い、光源としては、上述のチタンサファイアレーザーを
用いた。この結果、明瞭な発光スペクトルおよび発光強
度の時間依存プロファイルの測定結果を得ることが可能
であった。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による光プ
ローブと光プローブの製造法によれば、従来の光近接場
効果を利用した光プローブで、微小開口におけるエバネ
ッセント場の強度が、入射光に対して、大きく減衰して
しまったのに対して、微小開口を有する光プローブを光
共振器もしくはその一部とすることにより光プローブ内
の光強度を増強して、微小開口部に形成されるエバネッ
セント場の強度を増強する光プローブを提供することが
可能になり、Ｓ／Ｎ比の高い走査型プローブ顕微鏡観察
を行うことが可能になった。これによって、蛍光像観
察、微小領域のラマン分光、時間分解分光における応用
範囲を大きく広げることができる。またメモリーへの応
用では書き込み速度を向上することができる。
ローブと光プローブの製造法によれば、従来の光近接場
効果を利用した光プローブで、微小開口におけるエバネ
ッセント場の強度が、入射光に対して、大きく減衰して
しまったのに対して、微小開口を有する光プローブを光
共振器もしくはその一部とすることにより光プローブ内
の光強度を増強して、微小開口部に形成されるエバネッ
セント場の強度を増強する光プローブを提供することが
可能になり、Ｓ／Ｎ比の高い走査型プローブ顕微鏡観察
を行うことが可能になった。これによって、蛍光像観
察、微小領域のラマン分光、時間分解分光における応用
範囲を大きく広げることができる。またメモリーへの応
用では書き込み速度を向上することができる。
【図１】本発明の光プローブの第一実施例の構成図であ
る。
る。
【図２】本発明の光プローブの第二実施例の構成図であ
る。
る。
【図３】本発明の光プローブの第三実施例の構成図であ
る。
る。
【図４】本発明の光プローブの第四実施例の構成図であ
る。
る。
【図５】本発明の光プローブの作製工程図である。
【図６】本発明の光プローブの製作工程図である。
【図７】本発明の光プローブを用いたカンチレバーの構
成図である。
成図である。
【図８】本発明の光ファイバープローブの短パルス光応
答特性評価の光学系の模式図である。
答特性評価の光学系の模式図である。
【図9】本発明の光プローブを用いた走査型プローブ顕
微鏡の構成図である。
微鏡の構成図である。
１ クラッド層 ２ コア層 ３ SiO2ファイバー ４ Crマスク ５ 誘電体多層膜 ６ ZrO2層 ７ MgF2層 ８ フォトレジスト ９ 微小突起 １０ 誘電体多層鏡 １１ 共振器長／平行度調整機構 １２ 光源 １３ 相関器A/分光器A １４ 相関器B/分光器B １５ 相関器C/分光器C １６ 分散制御器 １７ 穴 １８ フォトマスク １９ レンズ ２０ ステンレス製治具 ２１ 石英ロッド ２２ ホルダー ２３ 測定試料 ２４ ＸＹＺ移動機構 ２５ 制御手段 ２６ 光学特性測定用光源 ２７ 光学特性測定光検出手段 ２８ 光プローブ ２９ バイモルフ ３０ 光てこ用光源 ３１ 平凸レンズ ３２ 結合定数可変機構 ３３ 微小透過孔 ３４ SiO2層 ３５ 固定端
フロントページの続き (72)発明者 三戸 章裕 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院計量研究所内 (72)発明者 藤平 正道 神奈川県川崎市麻生区下麻生1103−５ (72)発明者 村松 宏 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 山本 典孝 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内
Claims (15)
- 【請求項１】 固体表面における形状観察および物性測
定を行うための近接場効果顕微鏡に使用される光プロー
ブにおいて、前記光プローブは端部に光透過孔を有する
光ファイバーからなり、光ファイバー自体が光共振器と
して構成されていることを特徴とする光プローブ。 - 【請求項２】 固体表面における形状観察および物性測
定を行うための近接場効果顕微鏡に使用される光プロー
ブにおいて、前記光プローブは端部に光を透過する透過
孔を有する石英ロッドからなり、ファブリペロー共振器
を構成していることを特徴とする光プローブ。 - 【請求項３】 前記光を透過する透過孔が誘電体からな
る微小突起であることを特徴とする請求項１および２記
載の光プローブ。 - 【請求項４】 前記光プローブの一方の端面に２つ以上
の透過孔を有することを特徴とする請求項１および２記
載の光プローブ。 - 【請求項５】 前記光共振器は、特定波長の光に対して
高い反射率を有する波長選択膜による鏡を用いて光共振
器を構成することを特徴とする請求項１および２記載の
光プローブ。 - 【請求項６】 前記光プローブにおいて、特定の波長の
光に対して共振器のＱを調整する共振特性調整機構を有
することを特徴とする請求項１および２記載の光プロー
ブ。 - 【請求項７】 前記光ファイバーは、シングルモードフ
ァイバー、ステップインデックスファイバー、グレーデ
ッドインデックスファイバ、偏波面保持ファイバーの一
つを用いることを特徴とする請求項１記載の光プロー
ブ。 - 【請求項８】 前記光プローブの一方の端面に誘電体多
層薄膜もしくは金属薄膜からなる反射鏡を形成し、他方
の端面に誘電体多層薄膜もしくは金属薄膜からなる反射
鏡を形成することを特徴とする請求項１および２記載記
載の光プローブ。 - 【請求項９】 前記光プローブの一方の端面に誘電体多
層薄膜もしくは金属薄膜からなる反射鏡を形成し、他方
の端面に結合レンズおよび誘電体多層薄膜からなる反射
鏡を設置することを特徴とする請求項１および２記載記
載の光プローブ。 - 【請求項１０】 前記光プローブの一方の端面に誘電体
多層薄膜もしくは金属薄膜からなる反射鏡を形成し、他
方の端面に屈折率整合用オイル等を介して誘電体多層薄
膜からなる反射鏡とその外側に結合レンズを設置するこ
とを特徴とする請求項１および２記載の光プローブ。 - 【請求項１１】 前記の共振特性調整機構は圧電素子で
あることを特長とする請求項６記載の光プローブ。 - 【請求項１２】 前記光プローブ端面に形成された誘電
体多層薄膜もしくは金属薄膜が光てこの反射ミラーとし
ての機能を有することを特長とする請求項２記載の光プ
ローブ。 - 【請求項１３】 光プローブの一端に低い屈折率を有す
る誘電体薄膜と、高い屈折率を有する誘電体薄膜とを交
互に堆積して誘電体多層膜を形成する工程と、前記誘電
体多層膜上にエッチング用マスクを形成する工程と、フ
ッ素系ガスもしくは塩素系ガスもしくはフッ素系ガスと
塩素系ガスの両方を含むガスもしくはこれらの混合ガス
でプラズマを用いて前記誘電体多層膜をドライエッチン
グし前記光プローブの先端に光透過孔を作製する工程と
からなる光プローブ製造方法。 - 【請求項１４】 光プローブの一端に低い屈折率を有す
る誘電体薄膜と、高い屈折率を有する誘電体薄膜とを交
互堆積して誘電体多層鏡を形成する工程と、前記誘電体
多層膜上にエッチング用マスクを形成する工程と、フッ
素系ガスもしくは塩素系ガスもしくはフッ素系ガスと塩
素系ガスの両方を含むガスもしくはこれらの混合ガスで
プラズマを用いて前記誘電体多層膜をドライエッチング
し前記光プローブの先端に光透過孔を作製する工程と、
前記微小透過孔に誘電体物質をプラズマを用いて薄膜
を形成する工程と、前記形成された薄膜をエッチングし
微小突起を形成する工程とからなる光プローブ製造方
法。 - 【請求項１５】 光プローブ先端と試料との間に働く原
子間力あるいはその他の相互作用を検出しその距離また
はその間に働く力を一定に保ったまま試料表面を走査
し、試料形状と光学情報を同時に測定する近接場効果顕
微鏡において、少なくとも前記光プローブを振動させる
手段と、前記光プローブの変位を検出する手段と、前記
光プローブと試料間の距離を一定に保つための制御手段
と、前記光プローブ終端に設定された誘電体多層膜及び
レンズを微動させる制御機構を有することを特徴とする
請求光１および２記載の光プローブ搭載の走査型プロー
ブ顕微鏡。
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