JP2001296231A - 近接場光学装置評価用試料およびその作成法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】近接場光学装置のプローブ微小開口付近の光強
度分布を簡便かつ開口部を損傷せずに測定し、装置の評
価を行う。 【解決手段】光ファイバプローブを保持する治具と、そ
の位置を制御する制御系、平面基板上に作成された蛍光
色素を含む高分子でできた評価体と、発生する蛍光を観
測する検出器からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、近接場光を用いた
光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常の光学顕微鏡などの分解能は、光の
回折限界で限定されていた。しかし、波長より小さい領
域に局在し、自由空間を伝播しない近接場光と呼ばれる
光を用いることで、波長以下の分解能を得ることができ
るようになった。こうした近接場を利用した顕微鏡は一
般に近接場光学顕微鏡と呼ばれ、そのうちの典型的なも
のとして、微小開口を備えたプローブを用いたものがあ
る。この場合、顕微鏡の分解能がプローブの先端の開口
径でほぼ決定される。

【０００３】プローブから光を入射して微小光源として
用いるタイプの近接場顕微鏡では、先端をとがらせたフ
ァイバーを金属などでコーティングし、最先端にのみ微
小な開口を作る。その開口の大きさは数十ナノメートル
程度なので、これを観察するには、アプライド・オプテ
ィクス３５（１９９６年）の第６７４０頁から第６７４
３頁（Appl. Opt. 35 (1996),PP6740-6743）に記載
されているように、走査型電子顕微鏡が用いられてい
た。また、プローブ開口を直接見るのではなく、大きさ
のわかっている微小パターンを観察して、その分解能を
見積もる方法もとられている。

【０００４】一般的に、分解能は開口の大きさ程度であ
るので、これを評価する試料としては、例えば波長以下
の領域で光学的特性が異なるような、波長以下の大きさ
の光学的構造を持っている必要がある。光学的特性が異
なる領域が波長より大きくとも、その特性が変化する境
界領域が波長以下であって、急激に変化しているような
ものであれば、ナイフエッジ法と同様の手法で近接場光
強度分布を測定でき、分解能評価につなげることができ
る。

【０００５】従来の評価方法としては、微小パターンを
金属などで作成し、それを観察するという方法が採られ
てきた。近接場光を形成するプローブ開口と同程度かそ
れ以下の大きさの微小パターンを得る方法としては、例
えばスキャニング・マイクロスコピー３（１９８９年）
第１頁から第７頁（Scanning Microscopy 3(1989),PP
1-7）に記載されているように、微小なポリスチレン球
を並べた上から金属を蒸着し、球を取り去って金属のパ
ターンを作成する方法がある。

【０００６】また、微小パターンの作製方法として他
に、ジャーナル・オブ・マイクロスコピー１９４（１９
９９年）の第２頁から第３頁（J. Microscopy 194(19
99),PP2-3）に記述されているように、走査型プローブ
顕微鏡を利用してレジストを露光し、現像して微小な凹
凸を作成する方法が報告されている。これを近接場光学
顕微鏡を用いて透過光または散乱光の強度変化を観測し
て、その分解能を評価していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、プローブを電子顕微鏡で直接観察する場合は、試料
を真空チャンバーに入れて測定しなければならず、非常
な手間である。また、金属をコートしていない部分を観
察するために、通常は全体に白金などの金属をスパッタ
蒸着してしまう。このような前処理をしたファイバー
は、もはや近接場顕微鏡用ファイバーとして再度利用す
ることはできず、測定前にファイバーがどのような状態
であるかを知ることができないという問題もあった。

【０００８】また、電子顕微鏡での直接観察では、開口
の形状は観察できるが、コーティングしている金属の厚
さなどによっては、開口からの光の強度分布が電子顕微
鏡で見える形状と異なる場合がある。実際に必要なもの
は、みかけのファイバーの形状ではなく、その近傍に存
在する近接場光分布であるが、外形からだけでは実際の
光強度分布を知ることができないという問題もあった。

【０００９】また、従来では微小な形状を観察すること
で評価を行っていたが、反射散乱光強度は観察する方向
により異なるため、このような伝播光を観察すると近接
場強度分布を必ずしも反映しないという問題があった。
また、遮光率が高い材料として金属を用いてパターンを
作成することが多いが、この場合、金属による空間的な
凹凸が存在することになり、形状の影響が出るため評価
に影響を与えるという問題もあった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】通常、近接場光を生じる
微小開口は波長の二分の一程度またはそれ以下で、近接
場光の広がりもその開口程度である。したがって上記微
小開口の評価のためには、それより小さい領域で光の強
度を反映する機構を備えねばならない。そのためには、
波長以下の領域で光学的特性が異なるような評価試料を
用意する必要がある。

【００１１】上記光学特性としては、屈折率、吸収の変
化や、蛍光性などがあげられる。中でも蛍光は入射した
波長と異なる波長を観測するので特に感度のよい測定が
可能である。このような蛍光を利用した試料は、ごく小
さい領域のみから蛍光を発する高分子膜あるいは一部か
ら蛍光を発する高分子膜で、蛍光発光領域と非発光領域
との境界領域（エッジ部分）が上記入射光の波長以下の
大きさである試料を作成することで実現できる。

【００１２】蛍光強度は、数１で与えられる。ここでＦ
は蛍光強度、Ｅは励起光強度、εはモル吸光度、ｃは色
素の密度、Ｌは色素中を光が通る距離、ｑは蛍光の量子
効率である。

【００１３】

【数１】

【００１４】開口から放射される光の中を蛍光色素を３
次元的に走査して発生する蛍光強度を測定するとき、蛍
光色素が薄膜に均質に分布しているとすると、Ｅ以外の
パラメータは変わらない。したがって、蛍光強度は励起
光強度に比例するため、微小開口からの放射パターンは
この蛍光色素からの蛍光強度で置き換えられる。

【００１５】蛍光はインコヒーレントに等方的に発生す
るので、観測はどの方向からしてもよい評価ができる。
積分球などを用いれば、さらに高い信号強度を得ること
ができる。微小領域からの蛍光を観測する場合は、色素
の存在する領域の大きさをあらかじめ知っておけば、そ
の大きさでデコンボルーションすることにより近接場光
強度分布を知ることができる。

【００１６】蛍光色素の中には、紫外線やガンマ線、電
子線などの高いエネルギで励起されると、化学反応を起
こして蛍光を発しない物質に変化する。この過程は色素
によって異なるので、蛍光を発しなくなる以外は光吸収
等の変化がない蛍光色素を用いて、これをポリマーの薄
膜中に分散させた試料であれば、平坦かつ吸光度や屈折
率が変化せず、蛍光発生効率だけが部分的に異なる薄膜
を簡便に得ることができ、しかも散乱の影響が小さく、
効率よい測定ができる。

【００１７】上述のような、蛍光を発する領域を限定す
るための膜の微小パターニングは、電子線描画、あるい
は走査型プローブ顕微鏡などを利用して作成することが
できる。

【００１８】また、微小開口によって開口付近に局在
し、およそ開口径程度の広がりを持つ近接場光が発生す
るが、同時に伝播光も発生している。開口近傍では近接
場光からの信号が支配的であるが、近接場光の広がり範
囲の２倍程度よりも離れると、伝播光からの信号が支配
的となる。伝播光は近接場光のように局在していないの
で、それによる空間分解能は波長で限定される。したが
って、近接場光学装置の評価を正しく行うためには、伝
播光からの信号により分解能が本来よりも悪くなること
を避けるために、近接場光の広がり範囲の２倍程度より
薄い膜を試料として用いればよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】（実施例１）本発明の一実施例
を、図１を用いて説明する。ネオジウムヤグレーザ１０
１から発せられる５３２ナノメートルの波長のレーザ光
を、評価する光ファイバプローブ１０２に導入する。評
価されるファイバプローブ１０２は、通常先端径がレー
ザの波長以下になるように尖らせてあり、先端には微小
開口があけられている。

【００２０】このファイバプローブ１０２と評価体１０
９間の距離制御には、１９９２年のアプライド・フィジ
ックス・レター６０の２９５７頁（Appl. Phys. Let
t. 60(1992),PP2957）あるいは同じく２４８４頁（App
l. Phys. Lett. 60(1992),PP2484）に記載のシェア
フォース制御を利用している。具体的には以下のとおり
である。

【００２１】ファイバプローブ１０２にはディザー用の
バイモルフ１０３が取付けてあり、ファイバプローブ１
０２をωの振動数で振動させている。プローブ先端が評
価体試料１０９に近づくと、この振動数ωがずれてく
る。半導体レーザ１０４と反対側に設置したフォトダイ
オード１０５によってファイバプローブに横からレーザ
光を当て、ロックインアンプ１０６を用いて透過光強度
をωの周波数でロックイン検出することによって、試料
１０９とファイバプローブ１０２との距離を測る。

【００２２】この信号をコントローラー１０７に送って
ピエゾ素子１０８を制御し、ステージ上の評価体１０９
の高さ方向（Ｚ方向）の位置をコントロールしている。
このステージには面内のスキャンを行うため横方向（Ｘ
Ｙ方向）の位置をコントロールするピエゾ素子１１０も
設けられている。

【００２３】評価体１０９中の蛍光色素から発せられる
蛍光は、レンズ１１１で光電子増倍管１１２に導かれ、
強度測定がなされる。光電子増倍管１１２の前にはフィ
ルタ１１３を設置し、入射レーザ光や半導体レーザ１０
４の光をカットしている。ここでは反射方向に発せられ
る蛍光の一部をレンズで集光しているが、蛍光は等方的
に発せられるので、どの方向で観測してもよい。全体を
積分球で覆って強度をかせぐこともできる。

【００２４】本実施例で用いた評価体１０９の作成方法
を説明する。ポリメチルメタクリレートの酢酸２エトキ
シエチル溶液にローダミン系蛍光色素のベンジルアルコ
ール溶液を混合し、洗浄したガラス基板上に回転塗布し
た。これを１２０度Ｃのホットプレートで１０分間ベー
クし、溶媒を蒸発させた。

【００２５】これに絞り込んだ電子線を１００マイクロ
メートル角の領域に照射した。その表面形状を表面計測
器で測定したところ、電子線を照射した部分としなかっ
た部分との間に違いは観測されなかった。ここで用いた
ローダミン系蛍光色素は赤い色素であるため、膜は薄い
赤色を呈しているが、光学顕微鏡による観察でも電子線
を照射した部分とそうでない部分との色や形状の違いは
観測されなかった。

【００２６】そこで、同様の手順で電子線を２０ナノメ
ートル角の領域を残して照射し、波長より小さい領域に
蛍光体が局在した評価体１０９を作成した。作成された
評価体１０９の模式的平面図を図２に示す。観察を容易
にするために２０ナノメートル角の領域を繰り返し作成
してある。隣の領域からの蛍光が影響しないように、そ
れぞれは観察に使用したレーザ光の波長の２倍程度（本
実施例では１マイクロメートル）離して作成した。

【００２７】ここで、上記の実施例では蛍光色素として
ローダミン系色素を用いたが、波長を他に選択するため
にクマリンなど、異なる色素を用いてもよい。その場合
は溶媒等を適当に選択しなければならない。

【００２８】（実施例２）別な実施例について述べる。
ポリメチルメタクリレートの酢酸２エトキシエチル溶液
に０．００４２重量％のキトンレッドのベンジルアルコ
ール溶液を混合し、洗浄したガラス基板上に回転塗布し
た。これを１２０度Ｃのホットプレートで１０分間ベー
クし、溶媒を蒸発させた。このときの膜の厚みは、近接
場光の広がりが５０ナノメートル程度であると予想され
たことから、その２倍より小さい４０ナノメートルにな
るよう調整した。これに絞り込んだ電子線を１００マイ
クロメートル角の領域に照射したのち、イソプロピルア
ルコールで現像し、メタノールで洗浄後、乾燥した。こ
のときの表面形状を表面計測器で測定したところ、露光
されずに残ったポリマーの立ち上がりが３０ナノメート
ルであった。

【００２９】以上の予備実験から、露光によって蛍光が
発生しなくなる領域から蛍光が発生する領域へと変化す
る境界領域は上記ポリマーの立ち上がりの範囲と同等で
あることがわかる。

【００３０】図３は以上のパターン形成と同様の手順で
作成した評価試料の断面を示す。すなわちポリメチルメ
タクリレートにキトンレッドを含ませたポリマー膜３０
２を４０ナノメートルの厚さでガラス基板３０１上に形
成し、これに絞り込んだ電子線を１００マイクロメート
ル角の領域３０３に照射し、現像はせずに近接場光装置
の評価試料を得た。

【００３１】実施例１と同様に、先端を先鋭化し、金属
コートして先端だけに微小開口をあけたファイバをプロ
ーブとして用いた近接場光学顕微鏡でこの試料から発生
する蛍光を観察した。ファイバプローブに導入した光は
ネオジウムヤグレーザから発せられる５３２ナノメート
ルの波長のレーザ光である。

【００３２】電子線露光によって蛍光が発生しなくなっ
た領域から電子線が未露光で、蛍光が発生する領域へと
変化する境界領域は、上記予備実験から３０ナノメート
ルと考えられるので、観察に使用した波長より十分小さ
い。このとき、試料の電子線露光部から未露光部にかけ
てのプローブ走査において、図４に示すような蛍光強度
プロファイルが得られた。グラフの立ち上がりが６０ナ
ノメートルであったことから、この近接場光学顕微鏡で
用いたプローブ先端の微小開口径は６０ナノメートルと
測定された。

【００３３】（実施例３）図５はポリスチレンビーズを
用いた実施例の評価試料の断面図である。本実施例で
は、蛍光色素を含んだ直径２５ナノメートルのポリスチ
レンビーズ５０１をポリメチルメタクリレートのエチレ
ングリコール溶液に分散させ、洗浄したガラス基板５０
２上に回転塗布した。これを１２０度Ｃのホットプレー
トで１０分間ベークし、溶媒を蒸発させた。このとき、
ポリメチルメタクリレートの濃度と回転速度を調整し
て、ポリマー５０３の膜厚がビーズ５０１の直径と等し
くなるようにした。

【００３４】この評価試料を用い、実施例１と同様に先
端を先鋭化し金属コートして先端だけに微小開口をあけ
たファイバをプローブとした近接場光学顕微鏡で、発生
する蛍光を観察した。ファイバプローブに導入した光は
ネオジウムヤグレーザから発せられる５３２ナノメート
ルの波長のレーザ光であった。このとき、蛍光強度と表
面形状を同時に測定したところ、図６に示すようなプロ
ファイルが得られた。この蛍光強度の幅から、プローブ
の分解能を５０ナノメートルと評価した。

【００３５】（実施例４）図７は本発明のさらに別の実
施例の評価試料の断面図である。本実施例の評価試料
は、先に述べた例と同様に、ローダミン系蛍光色素を混
合したポリメチルメタクリレートの厚み４０ナノメート
ルの膜７０１を、電子線を照射することによって露光お
よび現像まで行い、１００マイクロメートル四方、３０
ナノメートルの立ち上がりのパターンをガラス基板（図
示せず）上に作成した。この上にさらにポリメチルメタ
クリレート７０２を回転塗布、ベークを行い、全体で２
マイクロメートルの厚みにした。この膜をガラス基板か
ら剥がして、図７に示すように、基板側の面を試料とし
て用いた。本実施例でも、実施例１と同様の評価を行う
ことができた。

【００３６】

【発明の効果】本発明を用いれば、近接場光学を利用し
た装置における、近接場光の強度分布を測定できる。平
たんな膜にコントラストをつけて評価体とするので、近
接場光発生部分付近で評価体を走査させるにあたり、障
害となるものがなく、近接場光発生部分を傷つけること
がない。また、膜中で屈折率の変化は少ないので、散乱
を抑えることができる。さらに、形状による影響もなく
すことができる。

【００３７】蛍光を用いることで、信号光を入射光と分
離することができ、より精度よい測定が可能になる。

【００３８】微小領域に蛍光色素を残すこともできる
し、また、膜の一部に蛍光色素がある場合は、通常のビ
ームパターンなどを調べるナイフエッジ法と同様の手法
で測定できる。

【００３９】本実施例では、蛍光を発生しなくするため
に電子線を用いたが、蛍光体の種類によっては走査型プ
ローブ顕微鏡で電流を流して蛍光を発生しないようにし
てもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の近接場光評価装置の構成を
示すブロック図。

【図２】本発明の一実施例の評価体の模式的平面図。

【図３】本発明の一実施例の評価体の断面図。

【図４】図３の評価体による蛍光強度の位置変化を示し
た測定図。

【図５】本発明の一実施例の評価体の断面図。

【図６】図５の評価体の厚さと蛍光強度の位置変化を示
した測定図。

【図７】本発明の一実施例の評価体の断面図。

【符号の説明】

１０１…ネオジウムヤグレーザ、１０２…光ファイバプ
ローブ、１０３…バイモルフ、１０４…半導体レーザ、
１０５…フォトダイオード、１０６…ロックインアン
プ、１０７…コントローラ、１０８…Ｚ方向ピエゾ、１
０９…評価体、１１０…ＸＹ方向ピエゾ、１１１…集光
レンズ、１１２…光電子増倍管、１１３…フィルタ、２
０１…蛍光色素入ポリマー膜、２０２…蛍光部分、３０
１…ガラス基板、３０２…蛍光色素入ポリマー膜、３０
３…電子線照射部、５０１…蛍光色素を含んだポリスチ
レンビーズ、５０２…ガラス基板、５０３…ポリマー
膜、７０１…蛍光色素入ポリマー膜、７０２…ポリマー
膜。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定波長で吸収を有する蛍光色素がポリマ
   ー膜中に測定波長以下の領域に局在していることを特徴
   とする近接場光学装置評価用試料。
2. 【請求項２】測定波長で吸収を有する蛍光色素がポリマ
   ー膜中の一部分にのみ存在し、その境界領域が近接場光
   学装置で用いる波長より小さいことを特徴とする近接場
   光学装置評価用試料。
3. 【請求項３】測定波長で吸収を有する蛍光色素が均一に
   分布したポリマー膜で、蛍光色素が近接場光学装置で用
   いる波長以下の領域以外で蛍光を発しないことを特徴と
   する近接場光学装置評価用試料。
4. 【請求項４】測定波長で吸収を有する蛍光色素が均一に
   分布したポリマー膜で、蛍光色素がポリマー膜中の一部
   分でのみ蛍光を発し、その境界領域が近接場光学装置で
   用いる波長より十分小さいことを特徴とする近接場光学
   装置評価用試料。
5. 【請求項５】請求項３または４に記載の近接場光学装置
   評価用試料において、電子線または走査型プローブ顕微
   鏡を用いて蛍光色素が蛍光を発しない領域を形成したこ
   とを特徴とする近接場光学装置評価用試料。
6. 【請求項６】請求項１から５のいずれか記載の近接場光
   学装置評価用試料において、試料の厚みが近接場光のひ
   ろがりの２倍より小さいことを特徴とする近接場光学装
   置評価用試料。