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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sonde zum Beobachten
und Messen von optischen Eigenschaften einer Probe in einem winzigen Bereich
durch Verwenden von Nahfeldlicht und insbesondere eine Lichtwellenleitersonde,
die aus einem Lichtwellenleiter besteht.
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Gegenwärtig wird
in einem optischen Nahfeldabtastmikroskop (im Folgenden abgekürzt mit SNOM
für engl.
scanning nearfield optical microscope) eine Sonde, die eine zugespitzte
Spitze aufweist und aus einem optischen Medium gebildet ist, veranlasst,
sich einer Messprobe innerhalb einer Wellenlänge von Licht so zu nähern, dass
die optische Eigenschaft oder Form der Probe gemessen wird. Als eine
dieser Art von Geräten
wird ein Gerät
vorgeschlagen, in welchem eine Spitze einer Lichtleitfasersonde,
die in Bezug auf eine Probe vertikal gehalten wird, in Bezug auf
die Oberfläche
der Probe horizontal geschwungen wird, wobei eine Änderung
der Schwingungsamplitude, die durch eine Scherkraft zwischen der
Oberfläche
der Probe und der Spitze der Sonde erzeugt wird, durch eine Änderung
des Schattens von Laserlicht, das auf die Spitze der Sonde gestrahlt
wird, erfasst wird und die Probe durch einen Feinbewegungsmechanismus
bewegt wird, um die Amplitude konstant zu machen, derart dass der Abstand
zwischen der Spitze der Sonde und der Oberfläche der Probe konstant gehalten
wird, wodurch eine Oberflächenform
aus der Intensität
eines Signals, das in den Feinbewegungsmechanismus eingegeben wird,
erfasst wird und die Messung der optischen Durchlässigkeit
der Probe erfolgt.
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Daneben
wird ein Nahfeldatomkraftabtastmikroskop vorgeschlagen, in welchem
eine Lichtleitfasersonde, die wie ein Haken ausgebildet ist, als
ein Kragarm des Atomkraftmikroskops (im Folgenden abgekürzt mit
AFM für
engl. atomic force microscope) verwendet wird und gleichzeitig als
ein AFM-Arbeitsgang Laserlicht von einer Spitze der Lichtleitfasersonde
auf eine Probe gestrahlt wird, derart dass eine Oberflächenform
erfasst wird und optische Eigenschaften der Probe gemessen werden
(ungeprüfte japanische
Patentanmeldung Nr. Hei. 7-174542). Bei dieser Lichtleitfasersonde
wird eine Lichtleitfaser als ein optisches Medium verwendet, und
der Umfang der Lichtleitfaser ist mit einer Metallfilmbeschichtung überzogen.
Ein Sondenabschnitt ist zugespitzt, und an der Spitze des Sondenabschnitts
ist eine Öffnung vorgesehen.
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Darüber hinaus
ist auch eine Lichtwellenleitersonde bekannt, in welcher ein Lichtwellenleiter aus
einem Laminat aus einem Kern und einem Mantel so hergestellt ist,
dass er wie ein Kragarm konstruiert ist, wobei ein zugespitzter
Sondenabschnitt an einem Ende ausgebildet ist, ein Trägerabschnitt
zum Befestigen des Lichtwellenleiters am anderen Ende ausgebildet
ist und der Lichtwellenleiter an der Seite der Sondenabschnitts
eine gebogene oder stufenweise gekrümmte Struktur aufweist, siehe EP-A-0964251.
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Die
Lichtleitfasersonde, die in dem SNOM verwendet wird, wird jedoch
durch Verwenden einer Lichtleitfaser als ein Material durch viele
Handarbeitsschritte hergestellt, derart dass die Probleme auftreten,
dass die Massenproduktivität
gering ist und eine Form, wie beispielsweise ein Spitzendurchmesser
oder ein Spitzenwinkel eines Sondenabschnitts oder ein Durchmesser
einer Öffnung,
unregelmäßig ist.
Daneben ist es zur Durchführung
einer Sondenabtastung mit hoher Geschwindigkeit ohne Beschädigung notwendig,
dass die Resonanzfrequenz der Sonde hoch gemacht wird und die Federkonstante
klein gemacht wird. Da jedoch die Lichtleitfaser als das optische
Medium verwendet wird, gibt es das Problem, dass es schwierig ist,
die Sonde zu miniaturisieren, um die hohe Resonanzfrequenz und die
niedrige Federkonstante bereitzustellen.
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Ferner
gibt es das Problem, dass in der Sonde, in der die Lichtleitfaser
oder der Lichtwellenleiter gekrümmt
sind, der Verlust von fortgepflanztem Licht am gekrümmten Abschnitt
auftritt und das fortgepflanzte Licht sich nicht wirksam fortpflanzen
kann.
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht des Vorhergesagten gemacht,
und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Lichtwellenleitersonde bereitzustellen,
welche eine ausgezeichnete Massenproduktivität, Gleichförmigkeit und Hochgeschwindigkeitsabtasteigenschaft
aufweist, sowie ein fortgepflanztes Licht wirksam fortpflanzen kann.
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Um
das zuvor erwähnte
Aufgabe zu erreichen, umfasst eine Lichtwellenleitersonde der vorliegenden
Erfindung einen kragarmähnlichen
Lichtwellenleiter gemäß Anspruch
1.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
behandelt.
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Gemäß der zuvor
erwähnten
Lichtwellenleitersonde kann, da das fortgepflanzte Licht am gekrümmten Abschnitt
wirksam abgelenkt werden kann, der Wirkungsgrad des Austretens von
Licht aus der winzigen Öffnung
oder der Wirkungsgrad der Erfassung von Licht an der winzigen Öffnung verbessert
werden. Da außerdem
das fortgepflanzte Licht, das durch den Lichtwellenleiter fortgepflanzt
wurde, auf die winzige Öffnung
konzentriert werden kann oder da, im Gegenteil, das Licht aus der
winzigen Öffnung
kollimiert werden kann, kann der Wirkungsgrad verbessert werden.
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Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich zu Veranschaulichungszwecken
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1A bis 1D sind
strukturelle Ansichten sind, welche eine Struktur einer Lichtwellenleitersonde
gemäß einer
Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung gehört,
darstellen;
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2A bis 2F erläuternde
Ansichten sind, welche ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleitersonde
gemäß Ausführungsform
1 darstellen;
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3 eine
erläuternde
Ansicht in einem Schritt der Herstellung der Lichtwellenleitersonde
gemäß Ausführungsform
1 ist;
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4 eine
erläuternde
Ansicht in einem Schritt der Herstellung der Lichtwellenleitersonde
gemäß Ausführungsform
1 ist;
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5 eine
strukturelle Ansicht ist, welche die Struktur einer Lichtwellenleitersonde
gemäß Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung darstellt;
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6A bis 6J erläuternde
Ansichten sind, welche ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleitersonde
gemäß Ausführungsform
2 darstellen; und
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7 eine
schematische Ansicht ist, welche eine Struktur eines optischen Nahfeldabtastmikroskops,
das eine Lichtwellenleitersonde der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verwendet, im Überblick
darstellt.
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
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(Ausführungsform
1)
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1A bis 1D sind
strukturelle Ansichten, welche eine Struktur einer Lichtwellenleitersonde
gemäß einer
Ausführungsform
1 darstellen. 1A ist eine Draufsicht von oben, 1B ist
eine Schnittansicht entlang eines Schnitts AA', 1C ist eine
Schnittansicht entlang eines Schnitts DD', und 1D ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht, welche einen Lichtfortpflanzungszustand darstellt.
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Eine
Lichtwellenleitersonde 50 wird durch einen Lichtwellenleiter 2 und
einen Trägerabschnitt 1 zum
Tragen desselben gebildet. Der Lichtwellenleiter 2 ist
auf den Trägerabschnitt 1 laminiert
und einstückig
ausgebildet. Der Lichtwellenleiter 2 umfasst einen kragarmähnlichen
elastischen Funktionsabschnitt 3 und einen Sondenabschnitt 9 an
seiner Spitze. Ein gekrümmter
Abschnitt 10, der zu einer Seite des Sondenabschnitts 9 hin
gekrümmt
ist, ist in der Umgebung der Spitze ausgebildet. Der Sondenabschnitt 9 ist
zugespitzt und umfasst eine winzige Öffnung 5 an seiner
Spitze. Der Lichtwellenleiter 2 wird durch einen Kern 4 zum
Fortpflanzen von Licht in dem im Wesentlichen mittigen Abschnitt
und einen Mantel 6 an seinem äußeren Umfangsabschnitt gebildet.
Obwohl nicht dargestellt, sind der elastische Funktionsabschnitt 3 und
der Sondenabschnitt 9 mit Lichtschutzfilmen überzogen,
und ein Abschnitt der Spitze des Sondenabschnitts 9, der
nicht mit dem Lichtschutzfilm überzogen
ist, wird die winzige Öffnung 5.
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Die
Brechzahl des Mantels 6 ist im Vergleich zur Brechzahl
des Kerns 4 verhältnismäßig klein.
Die Länge
des elastischen Funktionsabschnitts 3 beträgt zum Beispiel
50 μm bis
1.000 μm.
Die Länge
des Sondenabschnitts 9 beträgt zum Beispiel 1 μm bis 30 μm. Die Profilform
vertikal zur optischen Achse des Kerns 4 ist viereckig,
und die Länge
einer Seite beträgt
1 μm bis
100 μm.
Die Profilform des Lichtwellenleiters 3 vertikal zur optischen
Achse ist im Wesentlichen viereckig, und die Länge einer Seite beträgt 5 μm bis 500 μm. Die Dicke
des Trägerabschnitts 1 beträgt zum Beispiel
200 μm bis
600 μm.
Die Länge
und die Breite des Trägerabschnitts 1 betragen
zum Beispiel 1 mm bis 50 mm. Als Materialien des Kerns 4 und
des Mantels 6 ist es möglich,
verschiedene dielektrische Materialien, wie bei spielsweise Siliciumdioxid,
Glasmaterial, wie beispielsweise Siliciumdioxid dotiert mit Fluor
oder Bor, ein organisches Material, wie beispielsweise Polyurethan
oder Epoxid, Metalloxid, wie beispielsweise Niobiumoxid oder Zinkoxid, und
dergleichen zu verwenden. Für
den Lichtschutzfilm kann ein Material, das Licht reflektiert, wie
beispielsweise Gold, Platin, Aluminium, Chrom oder Nickel, verwendet
werden. Die Dicke des Lichtschutzfilms beträgt zum Beispiel 100 nm bis
1 μm. Der Durchmesser
der winzigen Öffnung 5 beträgt zum Beispiel
10 nm bis 500 nm.
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In
dem optischen Lichtwellenleiter 2 ist der Sondenabschnitt 9 an
der Spitze des elastischen Funktionsabschnitts 3 ausgebildet,
und der halbe Abschnitt des elastischen Funktionsabschnitts 3 ist
zur Seite des Sondenabschnitts 9 hin gekrümmt. In
dieser Ausführungsform
ist, wie in 1D dargestellt, der Lichtwellenleiter 2 durch
den gekrümmten
Abschnitt 10 gekrümmt,
wo zwei flache Flächen 12 und 13 einander
schneiden, und der Kern 4 ist entlang der Schnittlinie
der beiden flachen Flächen 12 und 13 ausgebildet.
Wie in 1C dargestellt, sind die beiden
flachen Flächen 12 und 13 in
Bezug auf die Oberfläche
des Substrats 1, das den Lichtwellenleiter 2 bildet,
etwa 55 Grad geneigt, sind in Bezug auf die Ebene (Schnitt AA'), welche die optische
Achse des Lichtwellenleiters 2 und die winzige Öffnung 5 umfasst,
symmetrisch und schneiden einander bei 90 Grad.
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Nachdem
einfallendes Licht 8 von einem Einfallende 11 auf
den Lichtwellenleiter 2 auftrifft, pflanzt es sich durch
den Kern 4 fort. Ein fortgepflanztes Licht 7 wird
am gekrümmten
Abschnitt 10 reflektiert und in die winzige Öffnung 5 eingeführt. Es
ist wünschenswert,
dass ein Unterschied der Brechzahl zwischen dem Kern 4 und
dem Mantel 6 groß genug
ist und das fortgepflanzte Licht 7 durch eine Grenzfläche dazwischen
total reflektiert wird. Im Fall, dass keine Totalreflexion erfolgt,
kann ein reflektierender Film auf der Oberfläche des Mantels 6 gebildet
werden. Bei solch einer Struktur ist ein Ablenkungswinkel, in dem
das fortgepflanzte Licht 7 abgelenkt wird, klein (90 Grad
oder weniger), und ein Einfallswinkel des fortgepflanzten Lichts 7 auf
die beiden flachen Flächen 12 und 13,
welche den gekrümmten
Abschnitt 10 bilden, kann klein gemacht werden, derart
dass die Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kern 4 und
dem Mantel 6 erfolgen kann und ein Verlust am gekrümmten Abschnitt 10 verringert
werden kann. Außerdem
wird das fortgepflanzte Licht 7 nicht direkt in der optischen
Achsrichtung reflektiert, sondern kann so reflektiert werden, dass
es auf die Seite der winzigen Öffnung 5 konzentriert
wird, und das fortgepflanzte Licht 7 im Kern 4 kann
auf die Umgebung der winzigen Öffnung 5 konzentriert
werden. Wie dies kann im gekrümmten
Abschnitt 10, da das fortgepflanzte Licht 7 im
Kern 4 wirksam konzentriert und zur winzigen Öffnung reflektiert
wird, Nahfeldlicht mit hoher Intensität von der winzigen Öffnung 5 emittiert
werden.
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Auch
im Fall, dass eine Erfassung an der winzigen Öffnung 5 erfolgt und
Licht sich in einer umgekehrten Richtung durch den Lichtwellenleiter 2 fortpflanzt,
kann das Licht auf ähnliche
Weise wirksam reflektiert werden. Hierbei kann, obwohl die Beschreibung
als Beispiel des Falles erfolgte, in dem der gekrümmte Abschnitt 10 durch
die beiden flachen Flächen 12 und 13 ausgebildet
ist, der gekrümmten Abschnitt
nicht aus zwei, sondern aus vier oder mehr Flächen gebildet werden.
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Im
Fall, dass ein optischer Detektor in der Spitzenendrichtung des
Lichtwellenleiters 2 angeordnet wird und die optischen
Eigenschaften einer Probe in einem Reflexionsmodus beobachtet werden,
gibt es, da die winzige Öffnung 5 an
der Spitze des kragarmähnlichen
Lichtwellenleiters 2 ausgebildet ist, keinen großen Abschnitt,
an dem ein reflektiertes Licht an der Probe durch den Lichtwellenleiter 2 blo ckiert wird,
und das reflektierte Licht an der Probe kann wirksam erfasst werden.
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Wie
bereits erwähnt,
wird gemäß der zuvor beschriebenen
Lichtwellenleitersonde 50 das einfallende Licht 8 vom
Einfallende 11 des Lichtwellenleiters 2 eingeführt, und
das Licht kann von der winzigen Öffnung 5 auf
die Messprobe gestrahlt werden. Alternativerweise wird Licht, das
nahe der Oberfläche
der Probe lokal vorhanden ist, durch die winzige Öffnung 5 erfasst
und kann durch einen Detektor, der hinter dem Einfallende (in diesem
Fall wird es ein Austrittsende) 11 des Lichtwellenleiters 2 angeordnet ist,
erfasst werden. Die Lichtstrahlung und die Lichterfassung durch
die winzige Öffnung
können
wirksam durchgeführt
werden.
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Der
elastische Funktionsabschnitt 3 kann klein gemacht werden,
und seine Federkonstante und seine Resonanzfrequenz können durch
die Länge
und die Breite des elastischen Funktionsabschnitts 3 eingestellt
werden. Da der elastische Funktionsabschnitt 3 so gemacht
werden kann, dass er eine kleine Federkonstante und eine hohe Resonanzfrequenz
aufweist, kann die Abtastung demnach mit hoher Geschwindigkeit ohne
Beschädigung
der Probe und der Sonde erfolgen.
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2A bis 2F sind
erläuternde
Ansichten, welche ein Verfahren zur Herstellung der Lichtwellenleitersonde
Ausführungsform
1 darstellen. 3 und 4 sind Draufsichten
von oben von 2B beziehungsweise 2E. 2A stellt
einen Zustand dar, in welchem ein Siliciumdioxid 32, das
eine Maske wird, auf einem Substrat 31 gemustert wird.
Obwohl das Substrat 31 aus Silicium besteht, kann, wenn
eine Form gebildet werden kann, ein Quarzsubstrat oder dergleichen
verwendet werden. 2B stellt einen Schritt des
Bildens einer Form, welche ein gekrümmter Abschnitt eines Lichtwellenleiters
wird, durch Verwenden des gemusterten Siliciumdioxids 32 als
eine Maske und durch ani sotropes Ätzen unter Verwendung von Kaliumhydroxid
(KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) dar. Die Draufsicht
von oben dieser Form ist 3. Wie durch einen Schnitt BB' dargestellt (was auch
auf einen Schnitt CC' zutrifft),
sind zwei geneigte Flächen 36 ausgebildet,
die jeweils einen Winkel (etwa 55 Grad) in Bezug auf eine untere
Oberfläche 37 des
Substrats 31 aufweisen. Die beiden Flächen schneiden einander bei
90 Grad.
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2C stellt
einen Schritt des Aufbringens eines Lichtwellenleiters 33 auf
die gekrümmte
Form dar. Ein Mantelmaterial wird auf die gekrümmte Form aufgebracht, dann
wird darauf ein gemustertes Kernmaterial aufgebracht, und darauf
wird schließlich
ein Mantelmaterial aufgebracht. Als Aufbringverfahren des Kernmaterials
und des Mantelmaterials werden Verfahren verwendet, welche für die Materialien
geeignet sind. Zum Beispiel wird im Fall von Siliciumoxid ein Gasphasensyntheseverfahren
(im Folgenden abgekürzt
mit CVD), Sputtern, eine Vakuumbedampfung oder dergleichen verwendet.
Die Brechzahl des Mantelmaterials ist verhältnismäßig kleiner als die Brechzahl
des Kernmaterials.
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2D stellt
einen Schritt des Bildens einer Maske 34 auf dem Lichtwellenleiter 33 zum
Mustern desselben zu einer Kragarmform mit einem Probenabschnitt
dar.
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2E stellt
einen Schritt des Musterns des Lichtwellenleiters 33 unter
Verwendung der Maske 34 dar. Der Lichtwellenleiter 33 kann
durch Trockenätzen
oder Nassätzen
gemustert werden. 4 ist eine Draufsicht von oben,
welche diesen Zustand darstellt. Ein Lichtwellenleiter 35,
welcher den Sondenabschnitt umfasst, ist entlang der unteren Oberfläche 37 und
der geneigten Flächen 36 ausgebildet. Der
Sondenabschnitt ist in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung
in Bezug auf das Substrat 31 zugespitzt.
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2F stellt
eine Schritt des Trennens eines Teils des Lichtwellenleiters 35 vom
Substrat 31 dar. Das Substrat 31 wird durch Ätzen entfernt,
während das
Substrat, das den Lichtwellenleiter 35 trägt, belassen
wird, derart dass die kragarmähnliche
Lichtwellenleitersonde 50 gebildet wird.
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Ferner
wird, obwohl nicht dargestellt, ein Film aus Metall (Al, Cr oder
dergleichen) um den kragarmähnlichen
Lichtwellenleiter 35 gebildet, und eine winzige Öffnung wird
an der Spitze des Sondenabschnitts gebildet.
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Gemäß den zuvor
beschriebenen Schritten kann die Lichtwellenleitersonde 50 der
Vergleichsausführungsform 1 leicht
und mit einer ausgezeichneten Massenproduktivität und Gleichförmigkeit
hergestellt werden.
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(Ausführungsform
2)
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Eine
Lichtwellenleitersonde 51 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden
Erfindung wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Im Übrigen sind
Abschnitte, welche jenen der in Ausführungsform 1 beschriebenen
Lichtwellenleitersonde 50 ähneln, mit denselben Bezugszeichen
benannt, und die Beschreibung wird unterlassen.
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Diese
Lichtwellenleitersonde umfasst zusätzlich zu den Elementen, welche
die Lichtwellenleitersonde 50 bilden, einen Trägerabschnitt 1,
der mit einer V-Nut versehen ist, eine Trägerschicht 41, die zwischen
dem Trägerabschnitt 1 und
einem Mantel 6 vorgesehen ist, und einen Lichteinführungsabschnitt 43,
der aus dem Mantel 6 und dem Kern 4 besteht und über die
V-Nut 42 vorsteht. Im Übrigen
kann auch eine Struktur eingesetzt werden, in welcher der Lichteinführungsabschnitt 43 nicht
vorgesehen ist. Außerdem
muss die Trägerschicht 41 nicht
bereitgestellt werden.
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Durch
Anbringen einer Lichtleitfaser in der V-Nut 42 wird es
leicht, Licht von der Lichtleitfaser wirksam in den Kern 4 einzuführen. Außerdem kann zusätzlich zur
Lichtleitfaser ein optisches Element, wie beispielsweise ein Halbleiterlaser,
eine Leuchtdiode oder eine Linse, in der V-Nut angebracht werden.
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6A bis 6J sind
Ansichten zum Erläutern
eines Verfahrens zur Herstellung der Lichtwellenleitersonde 51.
Im Folgenden ist die obere Seite der Zeichnung als eine Vorderfläche ausgeführt, und
die untere Seite ist als eine Rückfläche ausgeführt. Wie
in 6A dargestellt, wird ein Ausgangssubstrat (Silicium-auf-Isolator-Substrat,
im Folgenden als SOI-Substrat für
engl. Silicium on isolator substrate bezeichnet) verwendet, welches
ein Substrat 61, das aus Silicium besteht, einen Oxidfilm 62 auf dem
Substrat 61 und eine aktive Schicht 63, die aus Silicium
besteht und auf dem Oxidfilm ausgebildet ist, umfasst. Die aktive
Schicht 63 und das Substrat 61 bestehen aus Siliciumkristall
einer (100)-Ebene. Obwohl eine Richtung von östlich flach eines (100)-Wafers
eine <110>-Richtung ist, ist
im Ausgangssubstrat der vorliegenden Erfindung die östliche
flache Richtung der aktiven Schicht 63 so gemacht, dass
sie von der des Substrats 61 um 45 Grad abweicht. Das heißt, in 6A ist
die Kristallorientierung des Substrats 61, die durch den
Pfeil A angezeigt wird, die <110>-Richtung, die Kristallorientierung der
aktiven Schicht, die in der Zeichnung durch den Pfeil B angezeigt
wird, ist eine <100>-Richtung, und die
Richtungen stimmen jeweils mit den optischen Achsrichtungen der
Lichtleitfaser und des Lichtwellenleiters 2, die in der
V-Nut angebracht sind, überein.
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Eine
Maske 64 zur Stufenabschnittsbildung wird auf der aktiven
Schicht 63 gebildet. Außerdem wird auf der Rückflächenseite
des Substrats 61 eine Maske 65 zur Freigabe gebildet.
Als Materialien der Maske für
die Stufenabschnittsbildung und der Maske 65 zur Freigabe
wird ein Material verwendet, das gegen anisotropes Ätzen unter
Verwendung von KOH, TMAH oder dergleichen beständig ist, wie beispielsweise
Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid.
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Als
Nächstes
wird, wie in 6B dargestellt, aus der Vorderseite
die aktive Schicht 61 durch anisotropes Ätzen unter
Verwendung von KOH, TMAH oder dergleichen geätzt, um einen Stufenabschnitt
zu bilden. Eine Draufsicht von oben zu diesem Zeitpunkt ist gleich
wie der Zustand, der zuvor unter Bezugnahme auf 3 erläutert wurde.
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Als
Nächstes
wird nach dem Entfernen der Maske 64 für die Stufenabschnittsbildung,
wie in 6C dargestellt, ein Lichtwellenleiter 33 gebildet. Ein
Bildungsverfahren, eine Größe und ein
Material des Lichtwellenleiters sind dieselben wie jene, die in Ausführungsform
1 erläutert
wurden.
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6D stellt
einen Schritt des Bildens einer Maske 34 auf dem aufgebrachten
Lichtwellenleiter 33 zum Mustern desselben zu einer Kragarmform
mit einem Sondenabschnitt dar. 6E stellt
einen Schritt des Musterns des Lichtwellenleiters 33 durch Verwenden
der Maske 34 dar. Der Lichtwellenleiter 33 kann
durch Trockenätzen
oder Nassätzen
gemustert werden. Die Draufsicht von oben in diesem Zustand ähnelt dem
Zustand von 4, der zuvor erläutert wurde.
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Als
Nächstes
wird, wie in 6F dargestellt, der Oxidfilm 62 gemustert,
derart dass eine Maske für
eine V-Nut gebildet wird. Eine Draufsicht von oben eines Abschnitts,
der in 6F von einer gestrichelten Linie
umgeben ist, ist in 6G dargestellt.
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Als
Nächstes
wird, wie in 6H dargestellt, durch das anisotrope Ätzen unter
Verwendung von KOH, TMAH oder dergleichen die V-Nut aus der Vorderflächenseite
gebildet, und die aktive Schicht 63 wird entfernt. Außerdem kann
der Lichteinführungsabschnitt 43 durch
das Muster des Oxidfilms 62, der in 6G erläutert wurde,
gebildet werden.
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Als
Nächstes
wird, wie in 6I dargestellt, das Trägersubstrat 61 durch
ein Verfahren, wie beispielsweise anisotropes Ätzen unter Verwendung von KOH,
TMAH oder dergleichen oder reaktives Ionenätzen (RIE für engl. reactive ion etching),
aus der Rückflächenseite
geätzt,
und ein Kragarm wird freigegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird, da der
Oxidfilm 62 bleibt, der unnötige Oxidfilm 62 durch
Trockenätzen
durch RIE von der Rückflächenseite
entfernt, wie in 6J dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt
bleibt die Maske 65 zur Freigabe gemäß einer Dickenbeziehung zwischen
dem Oxidfilm 62 und der Maske 65 zur Freigabe,
oder sie bleibt nicht.
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Danach
wird durch Sputtern oder Vakuumbedampfung der Lichtschutzfilm auf
dem Lichtwellenleiter 33 gebildet, und die winzige Öffnung 5 wird
an der Spitze des Lichtwellenleiters 33 gebildet.
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Wie
bereits erwähnt,
kann gemäß dem Lichtwellenleiterkragarm 51 und
seinem Herstellungsverfahren der zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, da sich die östliche
flache Richtung des Trägersubstrats 61 und
die der aktiven Schicht 63 um 45 Grad voneinander unterscheiden,
zusätzlich
zu dem Lichtwellenleiterkragarm 50, der in Ausführungsform
1 erläutert
wurde, die V-Nut 42 zum Einführen von Licht in den Kern
leicht gebildet werden. Demgemäß kann das
Licht zusätzlich
zu den Wirkungen, die in Ausführungsform
1 erläutert
wurden, wirksam und leicht in den Kern 4 eingeführt werden
(Beleuchtungsmodus). Außerdem
kann das Licht, das an der winzigen Öffnung 5 erfasst wird, durch
den Kern 4 und die Lichtleitfaser, die in der V-Nut 42 angebracht
ist, wirksam erfasst werden (Sammelmodus). Außerdem können der zuvor erwähnte Beleuchtungsmodus
und der Sammelmodus gleichzeitig ausgeführt werden. Darüber hinaus
ist es möglich,
zusätzlich
zur Lichtleitfaser ein optisches Ele ment, wie beispielsweise eine
Linse oder ein Filter, in der V-Nut 42 zu positionieren
und anzubringen, und es wird leicht, Licht auf dem Kern 4 auftreffen
zu lassen und/oder Licht vom Kern 4 zu erfassen, sowie die
Wellenlänge
und die Phase von Licht, das auf dem Kern 4 auftrifft,
und/oder Licht, das vom Kern 4 abgeht, zu steuern.
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Außerdem kann
Licht durch Bereitstellen des Lichteinführungsabschnitts 43,
da der Abstand zwischen der Lichtleitfaser und dem Kern 4 verringert werden
kann, ohne durch die geneigte Fläche
der V-Nut 42 gestört
zu werden, wirksam in den Kern 4 eingeführt werden, und die Intensität von Nahfeldlicht,
das von der winzigen Öffnung 5 ausgestrahlt wird,
kann hoch gemacht werden.
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Darüber hinaus
kann gemäß dem Verfahren zur
Herstellung des Lichtwellenleiterkragarms 51 der Lichtwellenleiterkragarm 51 leicht
hergestellt werden. Da dieses Herstellungsverfahren ein Chargenprozess
auf der Basis eines Halbleiterprozesses ist, kann eine Mehrzahl
von Lichtwellenleiterkragarmen aus einem Ausgangssubstrat hergestellt
werden. Demgemäß kann der
Lichtwellenleiterkragarm 51 kostengünstig hergestellt werden.
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7 stellt
eine Struktur eines optischen Nahfeldabtastmikroskops dar, welches
eine Lichtwellenleitersonde als einen optischen Mikrokragarm verwendet.
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Wie
in der Zeichnung dargestellt, umfasst das optische Nahfeldabtastmikroskop 1000 einen
optischen Mikrokragarm 410, eine Lichtquelle 509,
eine Linse 510 zum Konzentrieren eines fortgepflanzten Lichts
von der Lichtquelle und Bestrahlen eines Lichtwellenleiters des
optischen Mikrokragarms, ein Prisma 502, das unter einer
Probe 501 angeordnet ist und ein fortgepflanztes Licht
reflektiert, das durch Streuen eines Nahfeldlichts erhalten wird,
das an einer Spitze des optischen Mikrokragarms erzeugt wird, eine
Linse 505 zum Konzentrieren des fortgepflanzten Lichts vom Prisma
und einen Lichtdetektor 506 zum Empfangen des fortgepflanzten
Lichts, das durch die Linse konzentriert wird.
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Darüber hinaus
umfasst das Mikroskop über dem
optischen Mikrokragarm einen Laseroszillator 512 zum Schwingen
eines Laserlichts, einen Spiegel 513 zum Reflektieren des
Laserlichts, das an einem freien Ende des optischen Mikrokragarms
reflektiert wird, und einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 511,
der in einen oberen und einen unteren Teil geteilt ist, zum Empfangen
des Laserlichts, das am Spiegel 513 reflektiert wird, und
zum Durchführen einer
photoelektrischen Umwandlung. Ferner umfasst das Mikroskop einen
Feinbewegungsmechanismus 503 und einen Grobbewegungsmechanismus 504 zum
dreidimensionalen Bewegen und Steuern der Probe 501 und
des Prismas 502, einen Servomechanismus 508 zum Antreiben
des Feinbewegungsmechanismus 503 und des Grobbewegungsmechanismus 504,
sowie einen Rechner 507 zum Steuern des Ganzen. Dieses
optische Nahfeldabtastmikroskop 1000 ist zur Beobachtung
eines dynamischen Modus oder eines Kontaktmodus geeignet.
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Als
Nächstes
wird die Funktionsweise des optischen Nahfeldabtastmikroskops 1000 beschrieben.
Das Laserlicht, das vom Laseroszillator 512 in Schwingung
versetzt wird, wird am freien Ende des optischen Mikrokragarms reflektiert.
Der optische Mikrokragarm wird durch Atomkraft zwischen seiner Spitze
und der Probe 501 verschoben. Bei dieser Verschiebung wird
ein Reflexionswinkel des Laserlichts, das am freien Ende des optischen
Mikrokragarms reflektiert wird, abgelenkt, und diese Ablenkung wird
durch den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 511 erfasst.
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Ein
Signal, das durch den fotoelektrischen Abschnitt 511 erfasst
wird, wird an den Rechner 507 geendet. Der Rechner 507 steuert
den Feinbewegungsmechanismus 503 und den Grob bewegungsmechanismus 504,
derart dass die Biegung des optischen Mikrokragarms bei der Annäherung des
optischen Mikrokragarms an die Probe 501 oder der Beobachtung
der Oberfläche
einen eingestellten Wert nicht überschreitet.
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Das
fortgepflanzte Licht, das von der Lichtquelle 509 emittiert
wird, wird durch die Linse 510 konzentriert und durch den
Lichtwellenleiter des optischen Mikrokragarms auf die winzige Öffnung gestrahlt.
Dadurch wird das Nahfeldlicht in der Umgebung der winzigen Öffnung des
optischen Mikrokragarms erzeugt. Andererseits wird die optische
Information der Probe 501, die durch das Prisma 502 reflektiert
wird, durch die Linse 505 konzentriert und in den optischen
Detektor 506 eingeführt.
Der Rechner 507 empfängt
das Signal des optischen Detektors 506 und erfasst die
optische Information der Probe 501 aus dem Signal, um ein
topologisches Bild, ein optisches Bild oder dergleichen zu erzeugen.
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Durch
Verwenden der Lichtwellenleitersonde der vorliegenden Erfindung
in dem optischen Nahfeldabtastmikroskop mit einer Struktur wie dieser
erzielt das optische Nahfeldabtastmikroskop die folgenden Wirkungen:
Das heißt,
da die Lichtwellenleitersonde ein Nahfeldlicht mit hoher Intensität, eine hohe
Resonanzfrequenz und eine niedrige Federkonstante aufweist, kann
die Abtastung mit hoher Geschwindigkeit erfolgen. Demgemäß wird eine
Zeit, die zur Beobachtung notwendig ist, kurz. Außerdem wird,
da Handhabungsvorgänge
einer Sonde, welche einen Vorgang der Befestigung am Kragarmhalter umfassen,
leicht werden, die Betriebsfähigkeit
des Geräts
im Vergleich zu einer Lichtleitfasersonde mit einer langen Überlappungslänge verbessert.
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Wie
bereits erwähnt,
kann, da die Lichtwellenleitersonde der vorliegenden Erfindung so
ausgeführt
werden kann, dass sie eine geringe Größe, eine niedrige Federkonstante
und eine hohe Resonanzfrequenz aufweist, eine Abtastung im Vergleich
zu einer herkömmlichen
Lichtleitfasersonde eines SNOMs mit hoher Geschwindigkeit ohne Beschädigung einer
Probe oder der Sonde erfolgen.
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Darüber hinaus
kann sich, da das fortgepflanzte Licht sowohl im Fall, dass Nahfeldlicht
von der winzigen Öffnung
emittiert wird, als auch im Fall, dass Licht durch die winzige Öffnung erfasst
wird, am gekrümmten
Abschnitt wirksam reflektiert werden kann, das Licht wirksam durch
den Lichtwellenleiter fortpflanzen.
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Außerdem kann
die Lichtwellenleitersonde leicht und mit einer ausgezeichneten
Massenproduktivität,
Reproduzierbarkeit und Gleichförmigkeit
hergestellt und zu niedrigen Kosten bereitgestellt werden.
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Überdies
kann, da sich die östlichen
flachen Richtungen des Trägersubstrats
und der aktiven Schicht um 45 Grad voneinander unterscheiden, die V-Nut 42 zum
Einführen
des Lichts in den Kern 4 leicht gebildet werden. Demgemäß kann Licht
zusätzlich
zu den in Ausführungsformen 1 erläuterten Wirkungen
wirksam und leicht in den Kern eingeführt werden (Beleuchtungsmodus).
Zudem kann Licht, das durch die winzige Öffnung erfasst wird, durch den
Kern und die Lichtleitfaser, die in der V-Nut angebracht ist, wirksam
erfasst werden (Sammelmodus). Ferner können der vorher erwähnte Beleuchtungsmodus
und der Sammelmodus gleichzeitig ausgeführt werden. Außerdem kann
zusätzlich
zur Lichtleitfaser ein optisches Element, wie beispielsweise eine Linse
oder ein Filter, in der V-Nut positioniert und angebracht werden,
und es wird leicht, Licht wirksam auf dem Kern auftreffen zu lassen
und/oder Licht vom Kern wirksam zu erfassen oder die Wellenlänge und die
Phase von einfallendem Licht auf dem Kern und/oder von abgehendem
Licht vom Kern zu steuern.
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Darüber hinaus
kann Licht durch Bereitstellen des Lichteinführungsabschnitts, da der Abstand zwischen
der Lichtleitfaser und dem Kern kurz gemacht werden kann, ohne durch
die geneigte Fläche der
V-Nut gestört
zu werden, wirksam in den Kern eingeführt werden, und die Intensität von Nahfeldlicht,
das von der winzigen Öffnung
ausgestrahlt wird, kann hoch gemacht werden.
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Außerdem kann
der Lichtwellenleiterkragarm leicht hergestellt werden. Da dieses
Herstellungsverfahren ein Chargenprozess auf der Basis eines Halbleiterprozesses
ist, kann eine Mehrzahl von Lichtwellenleiterkragarmen aus einem
Ausgangssubstrat hergestellt werden. Demgemäß kann der Lichtwellenleiterkragarm
kostengünstig
hergestellt werden.