JP2002174585A

JP2002174585A - 近視野光素子の作製方法

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Publication number: JP2002174585A
Application number: JP2000373310A
Authority: JP
Inventors: Manabu Omi; 学大海; Nobuyuki Kasama; 宣行笠間; Kenji Kato; 健二加藤; Hidetaka Maeda; 英孝前田; Yasuyuki Mitsuoka; 靖幸光岡; Susumu Ichihara; 進市原; Takashi Arawa; 隆新輪; Yoko Shinohara; 陽子篠原
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2002-06-21
Anticipated expiration: 2020-12-07
Also published as: JP4421768B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の課題は、簡便な方法で均一な開口径
を有する微小開口を形成する方法を提供することであ
る。【解決手段】錐状のチップ１先端に光学的な開口を有
し、前記開口面内に金属から成る散乱体５０１を有する
近視野光素子の作製方法において、チップ１と、チップ
１の近傍に配置され、チップ１と略同じ高さを有する度
当たり２と、少なくともチップ１上に形成された遮光膜
３からなる被開口形成体に対して、少なくともチップ１
および度当たり２の少なくとも一部を覆う押しこみ体
を、チップ１に向かう成分を有する力によって変位させ
ることによって、チップ１先端に光学的な開口８及び散
乱体５０１を形成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は近視野顕微鏡や近
視野光メモリ装置に用いられる、近視野光を照射・検出
する近視野光素子の作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料表面においてナノメートルオーダの
微小な領域を観察するために走査型トンネル顕微鏡（Ｓ
ＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に代表される走査型
プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が用いられている。ＳＰＭ
は、先端が先鋭化されたプローブを試料表面に走査さ
せ、プローブと試料表面との間に生じるトンネル電流や
原子間力などの相互作用を観察対象として、プローブ先
端形状に依存した分解能の像を得ることができるが、比
較的、観察する試料に対する制約が厳しい。

【０００３】そこでいま、試料表面に生成される近視野
光とプローブとの間に生じる相互作用を観察対象とする
ことで、試料表面の微小な領域の観察を可能にした近視
野光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）が注目されている。

【０００４】近視野光学顕微鏡においては、先鋭化され
た光ファイバーの先端に設けられた開口から近視野光を
試料の表面に照射する。開口は、光ファイバーに導入さ
れる光の波長の回折限界以下の大きさを有しており、た
とえば、１００ｎｍ程度の直径である。プローブ先端に
形成された開口と試料間の距離は、ＳＰＭの技術によっ
て制御され、その値は開口の大きさ以下である。このと
き、試料上での近視野光のスポット径は、開口の大きさ
とほぼ同じである。したがって、試料表面に照射する近
視野光を走査することで、微小領域における試料の光学
物性の観測を可能としている。

【０００５】顕微鏡としての利用だけでなく、光ファイ
バープローブを通して試料に向けて比較的強度の大きな
光を導入させることにより、光ファイバープローブの開
口にエネルギー密度の高い近視野光を生成し、その近視
野光によって試料表面の構造または物性を局所的に変更
させる高密度な光メモリ記録としての応用も可能であ
る。強度の大きな近視野光を得るために、プローブ先端
の先端角を大きくすることが試みられている。

【０００６】これら近視野光を利用した素子において、
開口の形成が最も重要である。開口の作製方法の一つと
して、特許公報平５−２１２０１に開示されている方法
が知られている。特許公報平５−２１２０１の開口作製
方法は、開口を形成するための試料として、先鋭化した
光波ガイドに遮光膜を堆積したものを用いている。開口
の作製方法は、遮光膜付きの先鋭化した光波ガイドを圧
電アクチュエータによって良好に制御された非常に小さ
な押しつけ量で硬い平板に押しつけることによって、先
端の遮光膜を塑性変形させている。

【０００７】また、開口の形成方法として、特開平１１
−２６５５２０に開示されている方法がある。特開平１
１−２６５５２０の開口の作製方法において、開口を形
成する対象は、平板上に集束イオンビーム（ＦＩＢ）に
よって形成された突起先端である。開口の形成方法は、
突起先端の遮光膜に、側面からＦＩＢを照射し、突起先
端の遮光膜を除去することによって行っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特許公
報平５−２１２０１の方法によれば、光波ガイド一本ず
つしか開口を形成する事ができない。また、特許公報平
５−２１２０１の方法によれば、移動分解能が数ｎｍの
圧電アクチュエータによって押し込み量を制御する必要
があるため、開口形成装置をその他の装置や空気などの
振動による影響が少ない環境におかなくてはならない。
また、光伝搬体ロッドが平板に対して垂直に当たるよう
に調整する時間がかかってしまう。また、移動量の小さ
な圧電アクチュエータの他に、移動量の大きな機械的並
進台が必要となる。さらに、移動分解能が小さな圧電ア
クチュエータをもちいて、押し込み量を制御するさい
に、制御装置が必要であり、かつ、制御して開口を形成
するためには数分の時間がかかる。したがって、開口作
製のために、高電圧電源やフィードバック回路などの大
がかりな装置が必要となる。また、開口形成にかかるコ
ストが高くなる問題があった。

【０００９】また、特開平１１−２６５５２０の方法に
よれば、加工対象は平板上の突起であるが、ＦＩＢを用
いて開口を形成しているため、一つの開口の形成にかか
る時間が１０分程度と長い。また、ＦＩＢを用いるため
に、試料を真空中におかなければならない。従って、開
口作製にかかる作製コストが高くなる問題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題に
鑑みてなされたものであり、錐状のチップ先端に光学的
な開口を有し、前記開口面内に金属から成る散乱体を有
する近視野光素子の作製方法において、前記チップと、
前記チップの近傍に配置され、前記チップと略同じ高さ
を有する度当たりと、少なくとも前記チップ上に形成さ
れた遮光膜からなる被開口形成体に対して、少なくとも
前記チップおよび前記度当たりの少なくとも一部を覆う
押しこみ体を、前記チップに向かう成分を有する力によ
って変位させることによって、前記チップ先端に光学的
な開口を形成することを特徴とする近視野光素子の作製
方法とした。

【００１１】したがって、本発明の光学的な開口の作製
方法によれば、前記チップと略同じ高さを有する度当た
りによって、前記平面の変位が制御されるため、所定の
力で平面を押すだけで簡単に光学的な開口を作製する事
ができる。また、真空中、液中、大気中など様々な環境
下で開口を作製することができる。また、光学的な開口
を作製する際に特別な制御装置を必要としないため、光
学的な開口を作製するための装置を単純化する事ができ
る。また、所定の力を与える時間を非常に短くすること
が容易であり、開口作製にかかる時間を短くすることが
できるため、開口作製にかかるコストを低くすることが
できる。

【００１２】また、前記散乱体と前記遮光膜が同一の材
質から成ることを特徴とする近視野光素子の作製方法と
した。

【００１３】したがって、簡単な作製工程のみで高性能
の近視野光素子を安定的、安価に作製することができ
る。

【００１４】また、前記散乱体が入射光によってプラズ
モンを発生させる材質であることを特徴とする近視野光
素子の作製方法とした。

【００１５】したがって、高い光効率と解像度を持つ近
視野光素子を安価に作製することができる。

【００１６】また、前記チップが先端に略平坦部を有す
ることを特徴とする近視野光素子の作製方法とした。

【００１７】したがって、同一サイズおよび形状の光学
的開口を持つ近視野光素子を大量に作製することができ
る。

【００１８】また、前記チップが先端に凹部を有するこ
とを特徴とする近視野光素子の作製方法とした。

【００１９】したがって、同一サイズおよび形状の散乱
体を有する光学的開口を持つ近視野光素子を大量に作製
することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の開口の形成方法に
ついて、添付の図面を参照して詳細に説明する。（実施の形態１）図１から図３は、本発明の実施の形態
１に係る開口の形成方法について説明した図である。図
１に示す、ワーク１０００は、基板４上に形成された透
明層5、透明層5の上に形成された錐状のチップ１および
尾根状の度当たり２、チップ１、度当たり２および透明
層5の上に形成された遮光膜３からなる。チップ１は先
端に１ミクロン以下のサイズの平坦な部分を持つ。な
お、ワーク１０００において、透明層５は、必ずしも必
要ではなく、その場合、遮光膜３は、チップ１、度当た
り２および基板４上に形成される。また、遮光膜３は、
チップ1にだけ堆積されていてもよい。

【００２１】チップ１の高さＨ１は、数mm以下であり、
度当たり２の高さＨ２は、数mm以下である。高さＨ１と
高さＨ２の差は、１０００nm以下である。チップ１と度
当たり2の間隔は、数mm以下である。また、遮光膜３の
厚さは、遮光膜３の材質によって異なるが、数１０nmか
ら数１００nmである。

【００２２】チップ１、度当たり２および透明層５は、
二酸化ケイ素やダイヤモンドなどの可視光領域において
透過率の高い誘電体や、ジンクセレンやシリコンなどの
赤外光領域において透過率の高い誘電体や、フッ化マグ
ネシウムやフッ化カルシウムなどの紫外光領域において
透過率の高い材料を用いる。また、チップ１の材料は、
開口を通過する光の波長帯において少しでもチップ1を
透過する材料であれば用いることができる。また、チッ
プ１、度当たり２および透明層５は、同一の材料で構成
されても良いし、別々の材料で構成されても良い。遮光
膜３は、たとえば、アルミニウム、クロム、金、白金、
銀、銅、チタン、タングステン、ニッケル、コバルトな
どの金属や、それらの合金を用いる。後述するプラズモ
ン効果を大きくするためには銀、金、銅が特に望まし
い。

【００２３】図２は、開口を形成する方法において、チ
ップ１上の遮光膜３を塑性変形させている状態を示した
図である。図１で示したワーク１０００の上に、チップ
１および少なくとも度当たり２の一部を覆い、かつ、少
なくともチップ１および度当たり２側が平面である板６
を載せ、さらに板６の上には、押し込み用具７を載せ
る。このとき、板６は透明なガラスを用いた。板６を載
せた後でも顕微鏡あるいは目視によってチップ１の位置
を確認することができる。本実施の形態においては顕微
鏡によって２方向からチップ１と押し込み用具７の位置
を確認し、押し込み用具７がチップ１の真上に配置され
るようにした。押し込み用具７にチップ１の中心軸方向
に力Ｆを加えることによって、板６がチップ１に向かっ
て移動する。チップ１と板６との接触面積に比べて、度
当たり２と板６との接触面積は、数百〜数万倍も大き
い。したがって、与えられた力Ｆは、度当たり2によっ
て分散され、結果として板６の変位量は小さくなる。板
6の変位量が小さいため、遮光膜３が受ける塑性変形量
は非常に小さい。また、チップ１および度当たり２は、
非常に小さな弾性変形を受けるのみである。力Fの加え
方は、所定の重さのおもりを所定の距離だけ持ち上げ
て、自由落下させる方法や、所定のバネ定数のバネを押
し込み用具７に取り付け、所定の距離だけバネを押し込
む方法などがある。板６が、遮光膜よりも硬く、チップ
１および度当たり２よりも柔らかい材料である場合、チ
ップ１および度当たり２が受ける力は、板６によって吸
収されるため、板6の変位量がより小さくなり、遮光膜
３の塑性変形量を小さくすることが容易となる。

【００２４】図３は、力Ｆを加えた後に、板６および押
し込み用具７を取り除いた状態を示した図である。遮光
膜３の塑性変形量が非常に小さく、チップ１および度当
たり２が弾性変形領域でのみ変位しているため、チップ
１の先端に開口８が形成される。開口８の大きさは、数
nmからチップ１を通過する光の波長の回折限界程度の大
きさである。チップ１は先端に略平面状の部分を持つこ
とにより、その上の遮光膜３は板６によっても完全に除
去されることがない。開口８の中央付近に略円形状に遮
光膜が残存し、これが近視野光素子における散乱体５０
１となる。なお、上記では、押し込み用具7とワーク１
０００の間に板６が挿入されていたが、板6を除去して
直接押し込み用具７で押し込むことによっても同様に開
口８を形成できる。開口８に光を導入するために、基板
４をチップ１の形成面と反対側からエッチングすること
によって透明体５またはチップ１の少なくとも一部を露
出させて、開口８への光の導入口を形成する。また、基
板４を透明材料１０３で構成することによって、光の導
入口を形成する工程を省くことができる。開口８へ導入
された光は散乱体５０１に照射され、散乱体５０１の表
面にプラズモンを発生させる。これによって散乱体５０
１が擬似的な微小光源として機能する。開口８のサイズ
はたとえば５００ｎｍ程度であっても散乱体５０１が８
０ｎｍ程度であれば、近視野光素子の機能としての解像
度は散乱体５０１のサイズで決まり、高解像度が実現さ
れる。また、プラズモンによる光の増強効果によって開
口８の光透過率自体も大きなものが実現される。

【００２５】以上説明したように、本発明の開口作製方
法によれば、度当たり２によって板６の変位量を良好に
制御することができ、かつ、板６の変位量を非常に小さ
くできるため、大きさが均一で小さな開口８をチップ１
先端に容易に作製することができる。また、基板側から
光を照射して、開口８から近視野光を発生させることが
できる。この近視野光は散乱体５０１によって増強さ
れ、高解像度、高効率な近視野光素子が作製できる。

【００２６】次に、ワーク１０００の製造方法を図４、
図５を用いて説明する。図４は、基板材料１０４上に透
明材料１０３を形成したのち、チップ用マスク１０１お
よび度当たり用マスク１０２を形成した状態を示してい
る。図4（ａ）は上面図を示しており、図４（ｂ）は、
図４（ａ）のＡ−Ａ’で示す位置における断面図を示し
ている。透明材料１０３は、気相化学堆積法（ＣＶＤ）
やスピンコートによって基板材料１０４上に形成する。
また、透明材料１０３は、固相接合や接着などの方法に
よっても基板材料１０４上に形成することができる。次
に、透明材料１０３上にフォトリソグラフィ工程によっ
て、チップ用マスク１０１及び度当たり用マスク１０２
を形成する。チップ用マスク１０１と度当たり用マスク
１０２は、同時に形成しても良いし、別々に形成しても
良い。

【００２７】チップ用マスク１０１および度当たり用マ
スク１０２は、透明材料１０３の材質と次工程で用いる
エッチャントによるが、フォトレジストや窒化膜などを
用いる。透明材料１０３は、二酸化ケイ素やダイヤモン
ドなどの可視光領域において透過率の高い誘電体や、ジ
ンクセレンやシリコンなどの赤外光領域において透過率
の高い誘電体や、フッ化マグネシウムやフッ化カルシウ
ムなどの紫外光領域において透過率の高い材料を用い
る。

【００２８】チップ用マスク１０１の直径は、たとえば
数mm以下である。度当たり用マスク１０２の幅Ｗ１は、
たとえば、チップ用マスク１０１の直径と同じかそれよ
りも数１０nm〜数μmだけ小さい。また、度当たり用マ
スク１０２の幅Ｗ１は、チップ用マスク１０１の直径よ
りも数１０nm〜数μmだけ大きくてもよい。また、度当
たり用マスク１０２の長さは、数１０μｍ以上である。

【００２９】図５は、チップ１および度当たり２を形成
した状態を示している。図５（ａ）は上面図であり、図
５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ’で示す位置の断面図
である。チップ用マスク１０１および度当たり用マスク
１０２を形成した後、ウエットエッチングによる等方性
エッチングによってチップ１および度当たり２を形成す
る。透明材料１０３の厚さとチップ１および度当たり２
の高さの関係を調整することによって、図１に示す透明
層５が形成されたり、形成されなかったりする。チップ
１の先端は平坦部を持つ。この後、遮光膜をスパッタや
真空蒸着などの方法で堆積する事によって、図1に示す
ワーク１０００を形成する事ができる。また、遮光膜３
をチップ１にだけ堆積する場合、遮光膜３の堆積工程に
おいて、チップ１上に遮光膜が堆積するような形状を有
するメタルマスクを乗せてスパッタや真空蒸着などを行
う。また、ワーク１０００のチップが形成された面の全
面に遮光膜３を堆積した後、チップ１にだけ遮光膜３が
残るようなフォトリソグラフィ工程を用いても、チップ
1上にだけ遮光膜３を形成する事ができる。

【００３０】また、遮光膜３を形成する前にＦＩＢ（Ｆ
ｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ）などの加工技術を用
いてチップ１の先端に凹部を形成しておくことで、図６
に示すように散乱体５０１をチップ１先端の凹部に作製
することができる。この方法によれば、散乱体５０１は
形状、サイズともに所望のものを作製することができ
る。

【００３１】以上説明したように、本発明の実施の形態
１によれば、チップ１と度当たり２の高さを良好に制御
することができ、かつ、度当たり２を設けることによっ
て板６の変位量を小さくすることができるため、分解能
の高いアクチュエータを用いなくても、大きさが均一で
微小な開口８をチップ１先端に形成し、かつ開口８面内
に散乱体５０１を形成する事が容易である。我々の実験
では、手に持ったハンマーなどで、押し込み用具７を叩
くだけで直径１００ｎｍ以下の開口８と、直径５０ｎｍ
以下の散乱体を形成する事ができた。また、チップ１と
度当たり２の高さが良好に制御されるため、開口８の作
製歩留まりが向上した。また、本発明の実施の形態１で
説明したワーク１０００は、フォトリソグラフィ工程に
よって作製可能なため、ウエハなどの大きな面積を有す
る試料に、複数個作製することが可能であり、力Ｆを一
定にすることによって複数個作製されたワーク１０００
それぞれに対して均一な開口径の開口８を形成する事が
できる。また、力Ｆの大きさを変えることが非常に簡単
なため、複数個作製されたワーク１０００に対して個別
に開口径の異なる開口８を形成する事が可能である。ま
た、単純に力Ｆを加えるだけで開口8が形成されるた
め、開口作製にかかる時間は数秒から数１０秒と非常に
短い。また、本発明の実施の形態１によれば、加工雰囲
気を問わない。従って、大気中で加工する事が可能であ
りすぐに光学顕微鏡などで加工状態を観察できる。ま
た、走査型電子顕微鏡中で加工することによって、光学
顕微鏡よりも高い分解能で加工状態を観察することも可
能である。また、液体中で加工することによって、液体
がダンパーの役目をするため、より制御性の向上した加
工条件が得られる。

【００３２】また、ワーク１０００が複数個作製された
試料に対して、一括で力Ｆを加えることによって、開口
径のそろった開口８を一度に複数個作製する事も可能で
ある。一括で加工する場合、ウエハ一枚あたりのワーク
１０００の数にもよるが、開口1個あたりの加工時間
は、数百ミリ秒以下と非常に短くなる。

【００３３】

【発明の効果】チップ１と度当たり２の高さ、および、
力Ｆを制御する事によって、分解能の高いアクチュエー
タを用いなくても、簡単に散乱体５０１を有する開口８
を形成する事ができる。また、チップ１と度当たり２の
高さが良好に制御されるため、開口８の作製歩留まりが
向上した。また、本発明の実施の形態１で説明したワー
ク１０００は、フォトリソグラフィ工程によって作製可
能なため、ウエハなどの大きな面積を有する試料に、複
数個作製することが可能であり、力Ｆを一定にすること
によって複数個作製されたワーク１０００それぞれに対
して均一な開口径の開口８を形成する事ができる。ま
た、力Ｆの大きさを変えることが非常に簡単なため、複
数個作製されたワーク１０００に対して個別に開口径の
異なる開口８を形成する事が可能である。また、単純に
力Ｆを加えるだけで開口が形成されるため、開口作製に
かかる時間は数10秒以下と非常に短い。また、本発明の
実施の形態１によれば、加工雰囲気を問わない。従っ
て、大気中で加工する事が可能でありすぐに光学顕微鏡
などで加工状態を観察できる。また、走査型電子顕微鏡
中で加工することによって、光学顕微鏡よりも高い分解
能で加工状態を観察することも可能である。また、液体
中で加工することによって、液体がダンパーの役目をす
るため、より制御性の向上した加工条件が得られる。

【００３４】また、ワーク１０００が複数個作製された
試料に対して、一括で力Ｆを加えることによって、開口
径のそろった開口８を一度に複数個作製する事も可能で
ある。一括で加工する場合、ウエハ一枚あたりのワーク
１０００の数にもよるが、開口1個あたりの加工時間
は、数百ミリ秒以下と非常に短くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る開口の形成方法に
ついて説明した図である。

【図２】本発明の実施の形態１に係る開口の形成方法に
ついて説明した図である。

【図３】本発明の実施の形態１に係る開口の形成方法に
ついて説明した図である。

【図４】ワーク１０００の製造方法について説明した図
である。

【図５】ワーク１０００の製造方法について説明した図
である。

【図６】ワーク１０００の製造方法について説明した図
である。

【符号の説明】

１チップ２度当たり３遮光膜４基板５透明層６板７押し込み用具８開口１０１チップ用マスク１０２度当たり用マスク１０３透明材料１０４基板材料５０１散乱体１０００ワークＦ力Ｈ１チップの高さＨ２度当たりの高さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤健二千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者前田英孝千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者光岡靖幸千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者市原進千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者新輪隆千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者篠原陽子千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内Ｆターム(参考） 5D119 AA11 AA22 BA01 JA34 NA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】錐状のチップ先端に光学的な開口を有
し、前記開口面内に金属から成る散乱体を有する近視野
光素子の作製方法において、前記チップと、前記チップの近傍に配置され、前記チップと略同じ高さ
を有する度当たりと、少なくとも前記チップ上に形成された遮光膜からなる被
開口形成体に対して、少なくとも前記チップおよび前記度当たりの少なくとも
一部を覆う押しこみ体を、前記チップに向かう成分を有する力によって変位させる
ことによって、前記チップ先端に光学的な開口及び前記
散乱体を形成することを特徴とする近視野光素子の作製
方法。
【請求項２】前記散乱体と前記遮光膜が同一の材質か
ら成ることを特徴とする請求項１に記載の近視野光素子
の作製方法。
【請求項３】前記散乱体が入射光によってプラズモン
を発生させる材質であることを特徴とする請求項１また
は２に記載の近視野光素子の作製方法。
【請求項４】前記チップが先端に略平坦部を有するこ
とを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の近視
野光素子の作製方法。
【請求項５】前記チップが先端に凹部を有することを
特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の近視野光
素子の作製方法。