JP2001194287A - 光ファイバープローブ評価方法、光ファイバープローブ評価装置、近接場光学顕微鏡、及び近接場光加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡易な構成を用いて、近接場光強度に影響を及
ぼす光ファイバープローブの微小開口部の状態をその光
ファイバープローブを使用する前に評価する。近接場光
学顕微鏡、及び近接場光加工装置において、常に一定強
度の近接場光を発生させる。 【解決手段】光ファイバープローブ１０の先端部３４を
光散乱用基板１２に近接させ、光ファイバープローブ１
０にレーザ光を入力して発生させた近接場光を光散乱用
基板１２で散乱させ、光散乱用基板１２からの散乱光を
光検出器２６で検出し、検出した散乱光の強度に基づい
て、光ファイバープローブ１０の先端部の微小開口部の
状態を評価する。制御装置１８により、散乱光の強度が
所定値になるように光ファイバープローブ１０に入力す
るレーザ光の強度を制御して、常に一定の近接場光強度
を発生させて、再現性良く近接場光像を得ることがで
き、安定して近接場光加工を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバープロー
ブ評価方法、光ファイバープローブ評価装置、近接場光
学顕微鏡、及び近接場光加工装置に係り、光ファイバー
プローブの先端部に近接して配置した光散乱用基板によ
り近接場光を散乱させ、散乱光により近接場光の強度等
を検出する光ファイバープローブ評価方法、光ファイバ
ープローブ評価装置、近接場光学顕微鏡、及び近接場光
加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明の解決しようとする課題】現在、
一般に市販されている近接場光学顕微鏡においては、近
接場光を試料に照射するために微小開口部が設けられた
光ファイバープローブが用いられている。この光ファイ
バープローブにレーザ光が導入されると、微小開口部か
ら近接場光が発生する（近接場ナノフォトニクスハンド
ブック、オプトロニクス社、１９９７）。

【０００３】光ファイバープローブは各種誘電体材料を
用いて作製することが可能であるが、一般には、ガラス
製光ファイバーが用いられている。光ファイバーは、伝
搬光を伝送するコア部とその周囲に設けられたクラッド
部とからなり、光ファイバーの一端は延伸あるいは化学
エッチングにより先鋭化され、コア部を突出させてい
る。また、先鋭化された光ファイバーの先端部の周辺
は、金属膜により被覆されて、その最先端部に微小開口
部が形成されている。

【０００４】一方、近接場光学顕微鏡では、再現性、安
定性の高い近接場光像を得るために、常に一定強度の近
接場光を発生させることが必要とされる。また、近接場
光加工装置では、光による化学反応を制御して安定かつ
微細な加工を施すために、常に一定強度の近接場光を発
生させることが必要とされる。

【０００５】しかしながら、光ファイバープローブ作製
のプロセスは、上述の通り複雑かつ不安定であるため、
微小開口部を均一な大きさに作製することが困難であり
微小開口部のサイズのばらつきが大きい、という問題が
ある。また、光ファイバープローブにレーザ光が導入さ
れると、微小開口部に光が集光されることにより微小開
口部周辺の温度が上昇し、光ファイバーの先端部を被覆
している金属膜が融解する。近接場光像を測定している
最中に金属膜が融解すると、微小開口部のサイズやプロ
ーブ先端部の形状が変化して、微小開口部から発生する
近接場光強度も変化する、という問題がある。さらに、
光ファイバープローブにレーザ光を導入する際には、光
ファイバーのコア部にレーザ光を効率良く結合すること
が必要であるが、仮に微小開口部を一定の大きさで形成
することができても、光ファイバープローブを交換する
毎に、常に一定の結合効率を得ることは困難であり、結
合効率の変化に伴い近接場光の強度が変化する、という
問題がある。

【０００６】以上のように、光ファイバープローブ交換
の前後で一定の近接場光強度を得るのは困難であり、ま
た、長時間同じ光ファイバープローブを使用している場
合においても、常に一定の近接場光強度を得るのは困難
であった。

【０００７】また、近接場光を利用する種々の装置にお
いて使用される光ファイバープローブの性能を評価する
ためには、近接場光の強度に影響を与える光ファイバー
プローブの先端部に在る微小開口部の状態を評価する必
要がある。一般に、光ファイバープローブの微小開口部
の評価は、電子顕微鏡を用いて微小開口部を観察するこ
とにより行うが、破壊検査であるため実際に使用する光
ファイバープローブについて検査を行うことはできな
い。

【０００８】特開平１１−１３２９０４号公報には、光
ファイバープローブの微小開口部から出射されるレーザ
光（伝搬光）が拡散板に投影されて形成された投影像を
冷却ＣＣＤ等で読み取って、レーザ光の強度分布パター
ンを求め、微小開口部の状態を評価する方法が提案され
ている。しかしながら、この方法は、伝搬光の強度分布
パターンを拡散板により可視化するものであり、直接観
測しているのは微小開口部から発せられた伝搬光成分で
あって、近接場光成分を直接的に利用していない。ま
た、光の波長よりも小さな径の微小開口部から発せられ
た光の大部分は近接場光成分であり、伝搬光成分の割合
が少ないため、微小開口部の径が小さくなるに従って、
伝搬光成分の強度を評価するのが困難になる、という問
題がある。また、伝搬光成分を拡散板で散乱させるの
で、検出器に伝わる光強度が弱くなり、超高感度の検出
器でなければ散乱光を検出することができず、装置が非
常に高価なものとなる。

【０００９】以上のように、簡易な構成を用いて、近接
場光強度に影響を及ぼす光ファイバープローブの微小開
口部の状態をその光ファイバープローブを使用する前に
評価する適切な装置や方法は従来存在しなかった。

【００１０】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みな
されたものであり、本発明の目的は、簡易な構成を用い
て、近接場光強度に影響を及ぼす光ファイバープローブ
の微小開口部の状態をその光ファイバープローブを使用
する前に評価することができる光ファイバープローブ評
価方法、及び光ファイバープローブ評価装置を提供する
ことにある。本発明の他の目的は、常に一定強度の近接
場光を発生させることが可能な近接場光学顕微鏡、及び
近接場光加工装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の光ファイバープローブ評価方法は、光フ
ァイバープローブの先端部を光散乱用基板に近接させ、
光ファイバープローブにレーザ光を入力して発生させた
近接場光を光散乱用基板で散乱させ、光散乱用基板から
の散乱光を検出し、検出した散乱光の強度に基づいて、
光ファイバープローブの先端部の微小開口部の状態を評
価することを特徴とする。

【００１２】請求項２の光ファイバープローブ評価装置
は、近接場光を散乱させる光散乱用基板と、光ファイバ
ープローブの先端部を前記光散乱用基板に近接させる近
接手段と、前記光散乱用基板に近接させた状態で、前記
光ファイバープローブの先端部から発生され、かつ光散
乱用基板から散乱された散乱光を検出する光検出器と、
を備えたことを特徴とする。

【００１３】請求項１及び請求項２の発明では、光ファ
イバープローブの先端部を光散乱用基板に近接させて、
光ファイバープローブにレーザ光を入力すると、光ファ
イバープローブの先端部に近接場光が発生する。発生さ
せた近接場光を光散乱用基板で散乱させ、光散乱用基板
からの散乱光を検出する。ここで、「近接場光強度」、
「散乱光強度」、及び「入力レーザ光強度」の関係は、
以下に示す（１）及び（２）式で表される。

【００１４】 散乱光強度＝近接場光強度×光散乱用基板表面における近接場光の散乱効率 ・・・ (１） 近接場光強度＝入力レーザ光強度×結合効率×光透過効率 ・・・ (２） （１）式における「光散乱用基板表面における近接場光
の散乱効率」は、プローブ先端に生じた近接場光が光散
乱用基板表面との電磁気的相互作用により散乱光に変換
される効率である。この「光散乱用基板表面における近
接場光の散乱効率」は、プローブ先端部と光散乱用基板
表面との距離、光散乱用基板とプローブの誘電率、及び
光散乱用基板の表面形状に依存するが、できるだけ平滑
な光散乱用基板を用いてプローブ先端部と光散乱用基板
表面との距離を一定に制御することにより常に一定の値
とすることができる。即ち、散乱効率を一定の値に制御
すると、（１）式により散乱光強度は近接場光強度に正
比例することになる。

【００１５】（２）式における「結合効率」は、レーザ
光を光ファイバープローブに結合する際の効率である。
「結合効率」は、プローブを取り替える度に変化するの
で、プローブを取り替える毎に一定値に調整することが
困難である。また、（２）式における「光透過効率」
は、光ファイバー内を光が伝播する際の損失、プローブ
先端部（テーパ状の部分）における損失、微小開口部の
形状、及び微小開口部の開口径の大きさに依存する値で
あり、微小開口部の形状及び開口径等に応じて変化する
ので、互いに異なる光ファイバープローブでは「光透過
効率」が異なっている。また、同一の光ファイバープロ
ーブであっても、プローブを走査して長時間にわたり試
料観察あるいは加工を行うと、経時的に先端部の形状が
変化し「光透過効率」が変化する。さらに、入力レーザ
光強度が強すぎるとレーザ光のエネルギーがプローブ先
端部で熱に変換され、プローブ先端部が熱変形する場合
があるので、レーザ光強度によっても「光透過効率」が
変化する。

【００１６】この（２）式によれば、「入力レーザ光強
度」、「結合効率」、及び「光透過効率」の値から「近
接場光強度」を直接求めることができるが、以上の通
り、「結合効率」及び「光透過効率」は計測の度毎に異
なり、また「光透過効率」は長時間にわたり試料観察あ
るいは加工を行う場合には経時的に変化するので、近接
場光強度の計測の度毎に、別途、「結合効率」及び「光
透過効率」を求める必要があるが、「結合効率」及び
「光透過効率」を求める作業は面倒であり、それぞれを
別々に求めると検出誤差も大きくなる。

【００１７】しかしながら、「結合効率」及び「光透過
効率」は瞬時に変化するものではなく、１つのプローブ
を用いて近接場光強度を計測する際には一定とみなすこ
とができる。また、散乱効率を一定値とすると（光散乱
用基板表面における近接場光の散乱効率×結合効率×光
透過効率）は比例定数ａとみなすことができ、（１）式
と（２）式とは下記（３）式に整理することができる。
即ち、（３）式に示すように「散乱光強度」は「入力レ
ーザ光強度」に正比例する。

【００１８】 散乱光強度＝ａ×入力レーザ光強度 ・・・ (３） この比例定数ａは「光散乱用基板表面における近接場光
の散乱効率×結合効率×光透過効率」で表されるが、
「光散乱用基板表面における近接場光の散乱効率」は、
光散乱用基板の表面状態とプローブ先端部との距離に依
存する値であるので、「結合効率×光透過効率」が、光
ファイバープローブ先端部の微小開口部の状態を表す特
性値となる。即ち、「結合効率×光透過効率」の値から
光ファイバープローブ先端部の微小開口部の状態を評価
することができる。

【００１９】従って、「光散乱用基板表面における近接
場光の散乱効率」が一定の条件下で、光ファイバープロ
ーブを交換した際、または試料観察時あるいは加工時に
おけるプローブ走査の度に、「入力レーザ光強度」と
「散乱光強度」との関係を求め、各プローブの比例定数
ａを比較することで、光ファイバープローブ先端部の微
小開口部の状態を評価することができる。

【００２０】また、（１）式より「散乱光強度」は「近
接場光強度」に比例するので、「入力レーザ光強度」を
一定にした状態における「散乱光強度」を比較すること
によっても、近接場光強度の評価、即ち、光ファイバー
プローブ先端部の微小開口部の状態を評価することがで
きる。

【００２１】請求項３の近接場光学顕微鏡は、レーザ光
を入力し、先端部から近接場光を発生する光ファイバー
プローブと、光ファイバープローブの先端部から発生さ
れた近接場光を散乱させる光散乱用基板と、光散乱用基
板からの散乱光を検出する光検出器と、散乱光の強度が
所定値になるように、前記光ファイバープローブに入力
するレーザ光の強度を制御する制御装置と、を備えたこ
とを特徴とする。

【００２２】請求項４の近接場光加工装置は、レーザ光
を入力し、先端部から近接場光を発生する光ファイバー
プローブと、光ファイバープローブの先端部から発生さ
れた近接場光を散乱させる光散乱用基板と、光散乱用基
板からの散乱光を検出する光検出器と、散乱光の強度が
所定値になるように、前記光ファイバープローブに入力
するレーザ光の強度を制御する制御装置と、を備えたこ
とを特徴とする。

【００２３】請求項３及び請求項４の発明では、光ファ
イバープローブにレーザ光が入力されると、先端部から
近接場光が発生され、発生した近接場光は光散乱用基板
により散乱されて、この散乱光が光検出器により検出さ
れる。制御装置は、散乱光の強度が所定値になるよう
に、前記光ファイバープローブに入力するレーザ光の強
度を制御する。

【００２４】上記（１）〜（３）式に示す通り、散乱効
率を一定の値に制御すると、「散乱光強度」は「近接場
光強度」に正比例し、「散乱光強度」は「入力レーザ光
強度」に正比例するので、検出した「散乱光強度」に基
づいて、「散乱光強度」が一定になるように「入力レー
ザ光強度」を調整することで、高価で複雑な装置を用い
ることなく、常に一定の「近接場光強度」を得ることが
できる。これにより、請求項３の近接場光学顕微鏡で
は、再現性、安定性に優れた近接場光像を得ることがで
き、請求項４の近接場光加工装置では、化学反応を制御
して安定かつ微細な加工を施すことが可能となる。

【００２５】なお、「入力レーザ光強度」の調整は、使
用する光ファイバープローブについて予め「入力レーザ
光強度」と「散乱光強度」との関係を求め、その関係に
基づき「散乱光強度」が一定になるように「入力レーザ
光強度」を調整してもよいが、目標となる「散乱光強
度」を定め、「散乱光強度」が目標値になるように「入
力レーザ光強度」をフィードバック制御等により調整し
てもよい。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
を光ファイバープローブ評価装置を備えた近接場光学顕
微鏡に適用した具体的な実施の形態について説明する。
なお、この近接場光学顕微鏡は近接場光加工装置として
も使用することができる。

【００２７】本実施の形態に係る近接場光学顕微鏡は、
図１に示す通り、近接場光を発生させる光ファイバープ
ローブ１０と、発生した近接場光を散乱させる光散乱用
基板１２と、散乱光を検出する散乱光検出用光学系１４
と、を備えている。光ファイバープローブ１０は一方の
端部が先鋭化されており、先鋭化された端部（以下、
「先端部」という）の下方には、試料の微動を行うため
ためのピエゾ素子からなるスキャナ２４が固定配置され
ている。光散乱用基板１２はスライド装置２２により、
光ファイバープローブ１０の先端部とスキャナ２４との
間にスライド式に出し入れ可能に保持されている。スラ
イド装置２２はコンピュータで構成された制御装置１８
に接続されている。

【００２８】光ファイバープローブ１０の先端部の近傍
には、光ファイバープローブ１０の先端部を水平方向に
振動させながら光ファイバープローブ１０直下に配置さ
れた光散乱用基板１２またはスキャナ２４上の試料に近
接させるためのシェアフォース制御装置１６が設けられ
ている。シェアフォース制御装置１６は、励振用ピエゾ
素子を用いて光ファイバープローブ１０をプローブの共
振周波数で振動させる装置であり、制御装置１８に接続
されている。光ファイバープローブ１０の他方の端部
は、光強度調節器１７を介してレーザ光源２０に光結合
されている。なお、シェアフォース制御は、プローブを
共振させてプローブの位相、振幅の変化を検出する原子
間力を用いたＡＦＭ制御の１つである。

【００２９】散乱光検出用光学系１４は光検出器２６を
有し、光検出器２６は制御装置１８に接続されている。
光ファイバープローブ１０の先端部と光検出器２６との
間には、散乱光を光検出器２６に集光するための集光器
２８が配置されている。

【００３０】光ファイバープローブ１０は、図２に示す
ように、伝搬光を伝送するコア部３０とその周囲に設け
られたクラッド部３２とからなる光ファイバーにより構
成され、光ファイバーの一方の端部は延伸あるいはエッ
チングにより先鋭化された先端部３４が形成されてい
る。光ファイバープローブ１０の先端部３４の周辺は金
属膜３６により被覆されており、その最先端に微小開口
部３８が形成されている。光ファイバープローブ１０と
しては、イルミネーションモードでの測定または光加工
に用いることができる近接場光を発することができれば
よく、プローブ全般を用いることができる。例えば、先
端部周辺を金属膜で被覆せず先鋭化しただけの光ファイ
バープローブ、光ファイバープローブの先端部に蛍光を
発する色素を充填したプローブ、及び微小球を固定した
プローブ等の機能性プローブも用いることができる。

【００３１】光散乱用基板１２としては、ガラス、マイ
カ、シリコンウェハー等のように平滑な面を持つ基板を
そのまま用いることができる。また、これらの基板上に
アルミニウム等の反射率の高い金属などを蒸着した基板
を用いることができ、本実施の形態では、アルミニウム
蒸着基板を用いている。

【００３２】光検出器２６としては、光電子増倍管、ア
バランシェフォトダイオード、光子計数法を用いた装置
等を用いることができる。光検出器２６は光強度または
光子数を検出し、検出された光強度または光子数は制御
装置１８で近接場光強度に換算される。

【００３３】集光器２８としては、対物レンズまたはプ
ローブの周囲を反射鏡で囲んだ反射型集光器を用いるこ
とができる。プローブ先端形状の影響を受けにくい点
で、反射型集光器を用いることが好ましい。なお、集光
器２８として対物レンズを用いた場合には、検出した光
強度をレンズとプローブ先端部からなる全空間に対して
積分することで近接場光強度を計算することができる。
また、集光器２８として反射型集光器を用いた場合に
は、検出した光強度をそのまま近接場光強度とすること
ができる。

【００３４】なお、光検出器２６に光電子増倍管を用い
た場合、散乱光強度は光電子増倍管からの出力電流また
は出力電圧で表されるが、散乱光強度が弱い場合には、
この出力電流または出力電圧は検出器及び増幅器の暗電
流、熱ノイズ、ショットノイズ等の影響を受けて検出誤
差を生じ、図３に示すように、出力電流または出力電圧
と入力レーザ光強度との関係を表す直線が原点を通らな
い場合（プローブＢ）がある。このような問題があると
きは、光検出器２６としてアバランシェフォトダイオー
ドやフォトカウンティング装置のような高感度検出器を
用いることで対応することができる。また、原点付近を
避けて、入力レーザ光強度、散乱光強度がともに高い領
域で、入力レーザ光強度と散乱光強度との関係を求める
こともできる。

【００３５】次に、図４に示すフローチャートに従い、
図１の近接場光学顕微鏡を用いた近接場光強度の調節動
作を説明する。

【００３６】ステップ１００で、光散乱用基板１２を光
ファイバープローブ１０の先端部３４の直下に位置さ
せ、シェアフォース制御装置１６により光ファイバープ
ローブ１０と光散乱用基板１２との間の距離（以下、
「プローブ−基板間距離」という）をナノメータオーダ
ーのスケールで制御して、光ファイバープローブ１０の
先端部３４をアルミニウムを表面に蒸着した光散乱用基
板１２に近接させる。

【００３７】ここでシェアフォース制御装置１６による
プローブ−基板間距離の制御、即ちシェアフォース制御
について説明する。光ファイバープローブ１０の振動強
度とプローブ−基板間距離との関係を図５に示す。シェ
アフォース制御装置１６の励振用ピエゾ素子により光フ
ァイバープローブ１０を共振振動させ、光ファイバープ
ローブ１０を自由振動させた状態で、プローブ−基板間
距離を徐々に狭めていくと、図５に示すように、光ファ
イバープローブ１０の振動振幅は、プローブ−基板間距
離が約１００ｎｍ程度の距離になった時点から減少し始
める（または励振用ピエゾ素子の励振周期に対応して光
ファイバープローブ１０の振動周期の位相がずれる）。
このような現象が起こるのは、空気中では、基板表面の
吸着水によるキャピラリーフォース、あるいは光ファイ
バープローブ１０と光散乱用基板１２との間の摩擦力が
光ファイバープローブ１０の先端部３４に働くためであ
る。光ファイバープローブ１０の振動振幅はこのまま徐
々に減少し、プローブ−基板間距離が無くなった時点で
光ファイバープローブ１０の振動が停止する。即ち、こ
のとき光ファイバープローブ１０は光散乱用基板１２に
最も近接する。

【００３８】近接場光強度を正確に再現性よく測定する
ためには、光ファイバープローブと基板との距離を一定
にする必要がある。例えば、光ファイバープローブ１０
の振動が停止する距離（約０ｎｍ）に光ファイバープロ
ーブ１０の先端部３４が位置することで、常に距離を一
定にすることができる。

【００３９】ステップ１０２で、光ファイバープローブ
１０にレーザ光源２０から光強度調節器１７により所定
強度に調節されたレーザ光を入力すると、光ファイバー
プローブ１０の先端部３４の微小開口部３８の近傍に近
接場光が発生して、光散乱用基板１２で近接場光が散乱
される。この近接場光の散乱光が、レーザ光の強度を変
更して光検出器２６で複数回検出されて、入力レーザ光
強度と散乱光強度との関係Ａが求められる。この関係Ａ
は制御装置１８内の記憶装置に記憶される。図４に関係
Ａで示すように、入力レーザ光強度と散乱光強度とは比
例関係になる。

【００４０】ステップ１０４で、光散乱用基板１２を後
退させた後、ステップ１０２で得られた関係Ａを記憶装
置より読み出し、目標散乱光強度Ｉｏに対応するレーザ
光強度を求め、このレーザ光強度が得られるように入力
レーザ光強度を調節する。ステップ１０６で、スキャナ
２４上に試料を戴置し、シェアフォース制御装置１６の
励振用ピエゾ素子により光ファイバープローブ１０を共
振振動させると共に、ピエゾ素子からなるスキャナ２４
により試料の微動が行われ、試料と光ファイバープロー
ブ１０との距離（ｚ軸方向）を一定に保ちながら、試料
をｘｙの２次元方向に走査して、調節された入力レーザ
光強度で試料観察または加工を行う。

【００４１】試料観察または加工が終了した後、試料を
取り除き、ステップ１０８で、光散乱用基板１２を光フ
ァイバープローブ１０とスキャナ２４との間に位置さ
せ、シェアフォース制御装置１６によりプローブ−基板
間距離をナノメータオーダーのスケールで制御して、そ
の先端部３４を光散乱用基板１２に再度近接させる。

【００４２】ステップ１１０で、光ファイバープローブ
１０にレーザ光源２０からレーザ光を入力すると、上記
で説明したように、光ファイバープローブ１０の先端部
３４の微小開口部３８の近傍に近接場光が発生して、光
散乱用基板１２で近接場光が散乱され、散乱光が光検出
器２６で検出されて、入力レーザ光強度と散乱光強度と
の関係が求められる。入力レーザ光強度と散乱光強度と
の関係が関係Ａから新たな関係Ｂに変化した場合は、ス
テップ１０４に戻り、ステップ１１０で得られた関係Ｂ
に基づき、目標の散乱光強度Ｉｏが得られるように入力
レーザ光強度を調節し、ステップ１０６で、調節後の近
接場光強度で試料観察または加工を行う。

【００４３】上記の手順に従い散乱光強度を一定値に維
持しながら近接場光加工実験を行うことで、互いに異な
る光ファイバープローブを用いる場合や、同一の光ファ
イバープローブを長時間用いる場合でも、近接場光によ
る化学反応量を等しく制御することができる。即ち、散
乱光強度が一定であれば互いに異なるプローブでもプロ
ーブ先端部３４に発生している近接場光の強度は互いに
等しく、散乱光強度が一定になるように調整することに
より、常に一定の近接場光強度を得ることができる。

【００４４】また、互いに異なるプローブＡとプローブ
Ｂの２つのプローブを用い、散乱光強度と入力レーザ光
強度との関係を調べてみると、図６に示すように、それ
ぞれ傾きは異なるが、「散乱光強度」は「入力レーザ光
強度」に正比例していることが分かる。この直線の傾き
は、「結合効率×光透過効率」の値に応じて変化し、光
ファイバープローブ１０の先端部３４の微小開口部３８
の状態を表している。即ち、散乱光強度と入力レーザ光
強度との関係から、光ファイバープローブ先端部の微小
開口部の状態を評価することができる。

【００４５】本実施の形態では、光ファイバープローブ
１０の先端部を光散乱用基板１２に近接させるのに原子
間力を用いたＡＦＭ（原子間力顕微鏡）制御の１つであ
るシェアフォース制御を用いたが、光ファイバープロー
ブ１０と光散乱用基板１２との間の距離をナノメータオ
ーダーのスケールで制御することができればよく、トン
ネル電流を用いたＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）制御
を用いることもできる。また、原子間力を用いたＡＦＭ
制御の１つであるタッピングモードＡＦＭを用いてもよ
い。

【００４６】本実施の形態では、入力レーザ光強度と散
乱光強度との関係に基づいて、散乱光強度が一定になる
ように入力レーザ光強度を調整した例について説明した
が、目標の「近接場光強度」を得るために必要な散乱光
強度の値を予め求め、散乱光強度が予め求めた値になる
ように、入力レーザ光強度をフィードバック制御するよ
うにしても、同様に、常に一定強度の近接場光をプロー
ブ先端部に発生させることができる。

【００４７】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明をさらに詳細に
説明する。

【００４８】まず、実施例１により、光ファイバープロ
ーブを用いて光散乱用基板により近接場光を散乱させ、
入力レーザ光強度と散乱光強度とが比例関係にあること
を確認した。 （実施例１）近接場光学顕微鏡（ＪＥＯＬ社製）に、光
ファイバープローブ（ナノニクス社製、開口径１００ｎ
ｍ（カタログ値））を装着した。なお、使用した近接場
光学顕微鏡は、図１の近接場光学顕微鏡と同様の構成で
あり、光ファイバープローブの先端部から近接場光を試
料に照射して、試料より反射された光を対物レンズによ
り集光し、光電子増倍管を用いて検出するいわゆるイル
ミネーション型の近接場光学顕微鏡である。

【００４９】光ファイバープローブと試料との間の距離
は、圧電体により光ファイバープローブを試料に対して
水平方向に振動させて、その振幅が一定になるようにフ
ィードバックを行うシェアフォース制御を用いて制御し
た。光ファイバープローブの振動・振幅は、波長６８８
ｎｍの半導体レーザを光ファイバープローブに照射し、
その散乱光を分割ダイオードを用いて検出している。

【００５０】近接場光学頭微鏡の試料台に、ガラス基板
上にアルミニウムを蒸着して作製した光散乱用のアルミ
ニウム基板を設置した。光ファイバープローブを２５．
８０６ｋＨｚで共振させて、振幅を検出しながらアルミ
ニウム基板に近接させ、光ファイバープローブとアルミ
ニウム基板との距離が２０ｎｍになるように調節した。

【００５１】次に、光ファイバープローブにアルゴンイ
オンレーザからの波長４８８ｎｍ、強度１８〜１０００
μＷのレーザ光を結合し、光ファイバープローブ先端部
に発生した近接場光をアルミニウム基板により散乱し、
散乱光の強度を検出した。検出結果を図７に示す。図７
から分かるように、入力レーザ光強度と散乱光強度（光
電子増倍管（ＰＭ）より出力される電圧）とは比例関係
にある。

【００５２】次に、実施例２及び実施例３では、実施例
１で用いた近接場光学頭微鏡を用いて近接場光加工を行
った。互いに異なる２種類の光ファイバープローブを用
いて光感光性高分子化合物薄膜に近接場光を照射して、
その光反応量の比較から相対的な光透過効率を求めて光
ファイバープローブ先端部の微小開口部の状態を評価す
ると共に、一定の散乱光強度になるように入力レーザ光
強度を調整しながら加工を行うことで、互いに異なる光
ファイバープローブを用いる場合でも、近接場光による
化学反応量を等しく制御できることを確認した。 （実施例２）実施例１と同様に実験を行い、光ファイバ
ープローブとアルミニウム基板との距離が２０ｎｍにな
るように調節した。次に、光ファイバープローブにアル
ゴンイオンレーザからの波長４８８ｎｍ、強度１７５μ
Ｗのレーザ光を結合し、光ファイバープローブ先端部に
発生した近接場光をアルミニウム基板により散乱し、散
乱光の強度を検出した。光電子増倍管の検出値として
０．１０Ｖが得られた。

【００５３】次に、下記化学式（１）で表される光反応
性成分と下記化学式（２）で表されるポリウレタン系高
分子化合物とを用いて厚さ約ｌμｍの薄膜を作製し、こ
の薄膜をアルミニウム基板の代わりに近接場光学顕微鏡
に設置した。

【００５４】

【化１】

【００５５】尚、上記化学式（１）で表される光反応性
成分の融点は１６９℃であり、上記化学式（２）で表さ
れるポリウレタン系高分子化合物のガラス転移温度は１
４１℃で、Ｎ−メチル−２−ピロリドン中の３０℃での
固有粘度は０．６９ｄＬ／ｇ、吸収極大波長は４７５ｎ
ｍであった。

【００５６】光ファイバープローブと試料の距離を２０
ｎｍに調節した後に静止し、光ファイバープローブにア
ルゴンイオンレーザからの波長４８８ｎｍ、強度１μＷ
のレーザ光を５秒間導入した。レーザ光強度を１，１
０，１００，１０００μＷと変えて、それぞれ試料の別
の箇所に近接場光照射を行い、光ファイバープローブを
用いてシェアフォースＡＦＭモードで試料表面の凹凸を
観察した。試料表面の光照射部分では、中心部がくぼみ
その周囲に突起が生じていた。 （実施例３）実施例１及び実施例２とは異なる光ファイ
バープローブ（川口光学社製、開口径３０ｎｍ（カタロ
グ値））を用いた以外は、実施例１と同様に実験を行
い、光ファイバープローブとアルミニウム基板との距離
が２０ｎｍになるように調節した。次に、光ファイバー
プローブにアルゴンイオンレーザからの波長４８８ｎ
ｍ、強度７８μＷのレーザ光を結合し、光ファイバープ
ローブ先端に発生した近接場光をアルミニウム基板によ
り散乱し、散乱光強度を検出した。光電子増倍管の検出
値として０．１０Ｖが得られた。実施例２と同様に、レ
ーザ光強度を１、１０、１００、１０００μＷと変え
て、それぞれ試料の別の箇所に近接場光照射を行い、光
ファイバープローブを用いてシェアフォースＡＦＭモー
ドで試料表面の凹凸を観察した。試料表面の光照射部分
では、中心部がくぼみその周囲に突起が生じていた。

【００５７】実施例２、実施例３の実験結果を表１にま
とめた。近接場光をアルミニウム基板により散乱させて
検出した散乱光強度はすべて０．１０Ｖであるが、その
値を得るのに必要な入力レーザ光の強度がそれぞれ異な
っている。

【００５８】

【表１】

【００５９】実施例３の光ファイバープローブは、実施
例２の光ファイバープローブに比べて、光電子増倍管の
検出値を０．１０Ｖにするのに、入力レーザ光強度が低
くてもよいことが分かる。即ち、実施例３の光ファイバ
ープローブは実施例２の光ファイバープローブよりも光
透過効率が高い。実施例２、実施例３の光ファイバープ
ローブの光透過効率の違いは、光ファイバープローブ先
端部の開口径が異なっていること、先端部の形状が異な
っていること、光透過効率が異なること、光ファイバー
プローブへの入力レーザ光の結合効率が異なること等、
種々の原因に起因している。

【００６０】入力したレーザ光が光ファイバープローブ
より近接場光として発せられる効率（光透過効率）を、
実施例２を基準（１．０）として相対的に見積もった
「相対光透過効率」を併せて表１に記した。これらの相
対光透過効率の値から、入力レーザ光強度が同じであれ
ば、実施例３の光ファイバープローブ先端の近接場光強
度は、実施例２の光ファイバープローブの２．２倍であ
ることが分かる。

【００６１】実施例２及び実施例３の実験条件下におい
て、化合物２に近接場光を照射した後にＡＦＭで観察す
ると、照射部分の表面に窪みができ、その周辺に突起が
生じていた。また、近接場光強度が増加するとその突起
のサイズが大きくなった。突起の高さと入力したレーザ
光強度の関係を図８に示した。実施例２と実施例３との
比較に明らかなように、相対光透過効率の高いファイバ
ープローブを用いた実施例３では、突起部の高さが高く
なっている。

【００６２】図８の入力レーザ光強度に表１の相対光透
過効率を乗じることで、近接場光強度を規格化してプロ
ットした結果を図９に示した。突起部の高さが１本の曲
線上に乗ることが分かる。突起部の高さは、光ファイバ
ープローブ微小開口部の近接場光によりポリウレタン系
高分子化合物が反応した量を表している。従って、表１
の光ファイバープローブの相対光透過率は妥当な値を示
している。

【００６３】この「相対光透過効率」を算出することに
より、光ファイバープローブ先端部の状態を評価するこ
とができる。また、光散乱用基板を用いて近接場光を散
乱し、散乱光強度が一定になるようにモニターしなが
ら、入力レーザ光強度を調整して近接場光加工を行うこ
とで、互いに異なる光ファイバープローブを用いる場合
でも、近接場光による化学反応量を等しく制御できる。
即ち、互いに異なるファイバープローブを用いた際に
も、散乱光強度が一定になるように調整すれば、常に一
定の近接場光強度を得ることができる。

【００６４】

【発明の効果】請求項１及び請求項２の発明によれば、
近接場光成分の散乱光強度を検出することにより、簡易
な構成で、光ファイバープローブの先端部の微小開口部
の状態を評価することができる、という効果が得られ
る。

【００６５】請求項３の発明によれば、光ファイバープ
ローブの微小開口部の状態が変化しても、光散乱用基板
によって散乱された近接場光の散乱光強度が一定になる
ように調整することにより、常に一定の近接場光強度を
得ることができ、再現性、安定性に優れた近接場光像を
得ることができる、という効果が得られる。

【００６６】請求項４の発明によれば、常に一定の近接
場光強度を得ることができるので、化学反応を制御して
安定かつ微細な加工を施すことが可能となる、という効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に係る近接場光学顕微鏡の構成を
表すブロック図である。

【図２】本実施の形態に係る近接場光学顕微鏡の光ファ
イバープローブ先端部の構造を示す部分拡大図である。

【図３】光検出器に光電子増倍管を用いた場合の出力電
流または出力電圧と入力レーザ光強度との関係を表すグ
ラフである。

【図４】本実施の形態に係る近接場光学顕微鏡の近接場
光強度の調節動作を示すフローチャートである。

【図５】光ファイバープローブの振動強度とプローブ−
基板間距離との関係を示すグラフである。

【図６】散乱光強度と入力レーザ光強度との関係を示す
グラフである。

【図７】実施例１で得られた入力レーザ光強度と散乱光
強度との関係を示すグラフである。

【図８】照射部分周辺に生じた突起の高さと入力したレ
ーザ光強度との関係を示すグラフである。

【図９】照射部分周辺に生じた突起の高さと規格化した
近接場光強度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】 １０ 光ファイバープローブ １２ 光散乱用基板 １４ 散乱光検出用光学系 １６ シェアフォース制御装置 １８ 制御装置 ２０ レーザ光源 ２２ スライド装置 ２４ スキャナ ２６ 光検出器 ２８ 集光器 ３０ コア部 ３２ クラッド部 ３４ 先端部 ３６ 金属膜 ３８ 微小開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土森 正昭 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 渡辺 修 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 多和田 昌弘 三重県桑名市野田二丁目７番41 Ｆターム(参考） 2F065 AA00 BB12 CC23 DD00 FF01 FF42 GG04 HH04 JJ00 JJ01 JJ17 JJ18 LL02 UU01 2G086 EE12

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバープローブの先端部を光散乱用
   基板に近接させ、 光ファイバープローブにレーザ光を入力して発生させた
   近接場光を光散乱用基板で散乱させ、 光散乱用基板からの散乱光を検出し、 検出した散乱光の強度に基づいて、光ファイバープロー
   ブの先端部の微小開口部の状態を評価する光ファイバー
   プローブ評価方法。
2. 【請求項２】近接場光を散乱させる光散乱用基板と、 光ファイバープローブの先端部を前記光散乱用基板に近
   接させる近接手段と、 前記光散乱用基板に近接させた状態で、前記光ファイバ
   ープローブの先端部から発生され、かつ光散乱用基板か
   ら散乱された散乱光を検出する光検出器と、 を備えた光ファイバープローブ評価装置。
3. 【請求項３】レーザ光を入力し、先端部から近接場光を
   発生する光ファイバープローブと、 光ファイバープローブの先端部から発生された近接場光
   を散乱させる光散乱用基板と、 光散乱用基板からの散乱光を検出する光検出器と、 散乱光の強度が所定値になるように、前記光ファイバー
   プローブに入力するレーザ光の強度を制御する制御装置
   と、 を備えた近接場光学顕微鏡。
4. 【請求項４】レーザ光を入力し、先端部から近接場光を
   発生する光ファイバープローブと、 光ファイバープローブの先端部から発生された近接場光
   を散乱させる光散乱用基板と、 光散乱用基板からの散乱光を検出する光検出器と、 散乱光の強度が所定値になるように、前記光ファイバー
   プローブに入力するレーザ光の強度を制御する制御装置
   と、 を備えた近接場光加工装置。