JP2002221478A - 近接場光プローブおよびそれを用いた近接場光学顕微鏡および光記録／再生装置 - Google Patents

近接場光プローブおよびそれを用いた近接場光学顕微鏡および光記録／再生装置

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JP2002221478A
JP2002221478A JP2001016501A JP2001016501A JP2002221478A JP 2002221478 A JP2002221478 A JP 2002221478A JP 2001016501 A JP2001016501 A JP 2001016501A JP 2001016501 A JP2001016501 A JP 2001016501A JP 2002221478 A JP2002221478 A JP 2002221478A
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Takuya Matsumoto
拓也 松本
Fumio Isshiki
史雄 一色
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は（１）凹凸のある試料表面に対しても
使用可能で、（２）バックグランド光の少ない高効率な
プローブを提供することを目的とする。 【解決手段】三角錐や四角錐などの多角形の側面うちの
1つもしくは２つの面上に近接場光を発生させるための
金属膜を全面に渡り形成する。そしてさらに、全面を金
属で覆った面以外の面を、先端の光波長以下の領域を除
いて金属で覆う。これにより、光は先端部の金属の覆わ
れていない部分のみを透過するので、バックグランド光
の発生を抑えることが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、近接場光学顕微鏡
もしくは近接場を用いた光記録/再生装置において用い
る近接場光プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の光学顕微鏡では、光はレンズを用
いて集光させる。この場合、分解能は光波長により制限
される。これに対し近接場光学顕微鏡では、レンズの代
わりに、寸法がナノメートルオーダーの微小構造、例え
ば径が光波長以下の微小開口を用いて光を集光させる。
光をこの微小構造に当てると、その微小構造近傍には近
接場光と呼ばれる局在した光が発生する。この近接場光
を試料近傍に近づけ、試料表面上を走査させることによ
り、微小構造の寸法で決まる分解能で試料の形状や光学
特性を測定することができる。近年この顕微鏡は、生体
試料、半導体量子構造、高分子材料等の形状測定や分
光、および高密度光記録など幅広い分野に応用され始め
ている。
【０００３】近接場光を発生させる構造（近接場光プロ
ーブ）としては、光波長以下の微小開口をもつ先鋭化さ
れた光ファイバ（光ファイバ・プローブ）が広く用いら
れる。このファイバ・プローブは、光ファイバの一端
を、加熱しながら引き伸ばしたり、化学エッチング法を
用いることにより先鋭化した後、先端以外を金属でコー
ティングすることにより作製される。光ファイバに光を
導入することにより、先端に形成された微小開口近傍に
近接場光を発生させることができる。
【０００４】しかし上記のファイバ・プローブは、光利
用効率が低いという欠点を持つ。例えば開口径が100nm
のとき、ファイバに入射する光の強度とファイバ先端か
ら出射する光の強度の比は0.001％以下である（Applied
Physics Letters, （和名）アプライドフィジックスレ
ターズ, Vol.68, No 19, p2612-2614,1996）。この問題
点を克服するために、つぎのようなプローブが提案され
ている。（1）多段階先鋭化ファイバ・プローブ：ファ
イバ先端のとがり角を、根元から先端に行くにしたがい
2段階または３段階に変化させたファイバ・プローブ（A
pplied Physics Letters, （和名）アプライドフィジッ
クスレターズ, Vol.68, No 19, p2612-2614,1996; Appl
ied Physics Letters, （和名）アプライドフィジック
スレターズ, Vol. 73, No.15, p2090-2092,1998）。
（２）金属針プローブ：STMの針をプローブとして使
う。針先端に光を照射することにより、先端近傍に強い
近接場光を発生させる。（特開平6-137847）（３）金属
微小球つき微小開口ファイバ・プローブ：先端の微小開
口の中心に金属の微小球が形成されたファイバ・プロー
ブ（特開平11-101809、本第一発明者らにより提案）。
微小開口から出射した光により、金属微小球中にプラズ
モンが励起され、金属球近傍に強い近接場光が発生す
る。(４) 金属の散乱体つきガラス基板プローブ：ガラ
ス基板底面に金属の散乱体をつけたプローブ。金属の散
乱体近傍に発生する強い近接場光を用いる（特開平11-2
50460）。(５)ボウタイアンテナプローブ：中心に幅が
電磁波の波長以下のギャップを持つ２つの台形型金属ア
ームを平面基板上に形成したプローブ。適当な向きに偏
光した電磁波を入射させると、ギャップに局在した電磁
波が発生する（United States Patents 5696372）。た
だし、実施例はマイクロ波に対してのみである。(6) 三
角形の金属パターンを平面基板に形成したプローブ：頂
点の曲率半径が数10nm以下の三角形の金属パターンを平
面基板上に形成したプローブ。適当な向きに偏光した光
を入射させると、頂点に局在した近接場光が発生する。
特に、入射光の波長をプラズモンの共鳴に合せることに
より非常に強い近接場光を発生させることが出来る。上
記の三角形のパターンを２つ、それぞれの頂点の間隔が
数10nm以下になるように配置したプローブも提案されて
おり。この場合、頂点間に局在した近接場光が発生する
（Technical Digest of 6th international conference
on near field optics and related techniques, theN
etherlands, Aug. 27-31, 2000, p55）。（7）四角錘の
２つの側面に金属膜を形成したプローブ：四角錘の４つ
の側面のうち対向する２つの側面に金属の膜を形成し、
かつ頂点に幅が光波長以下のギャップを形成したプロー
ブ。ギャップ部に強い近接場光が発生する（Technical
Digest of 6th international conference on near fie
ld optics and related techniques, the Netherlands,
Aug. 27-31, 2000, p100）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例(6)の三角
形の金属パターンを使った近接場光プローブは、非常に
強い近接場光を発生させることができる。特に光波長を
プラズモン共鳴波長に合わせることにより、強度が入射
光強度と比べ数100倍以上の、非常に強い近接場光を発
生させることが出来る。しかし、このように金属のパタ
ーンを平面基板の底面に形成した場合、広い面積にわた
ってプローブが平坦になっているので、生体試料など表
面に凹凸がある試料を観察する場合、強い近接場光が発
生する三角形の頂点またはギャップに試料表面を近づけ
ることが困難になる。従来例(7)の四角錐の２つの面を
金属膜で覆ったプローブも従来例（6）と同様、強い近
接場光を発生させることが出来、かつ近接場光を発生さ
せる部分が突き出ているので、凹凸のある試料に対して
も使用することができる。しかし、四角錐の４つの面の
うち、金属で覆われた面以外の面から光が漏れ出てきて
しまい、そのもれ出た光がバックグランド光として検出
器で検出されてしまう。その結果、信号検出のS／N比が
低下してしまう。本発明は、上記問題点を解決するプロ
ーブ、すなわち（１）凹凸のある試料表面に対しても使
用可能で、（２）バックグランド光の少ない高効率なプ
ローブを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の近接場光プロー
ブでは、三角錐や四角錐などの多角形の側面うちの1つ
もしくは２つの面上に近接場光を発生させるための金属
膜を全面に渡り形成する。そしてさらに、全面を金属で
覆った面以外の面を、先端の光波長以下の領域を除いて
金属で覆う。これにより、光は先端部の金属の覆われて
いない部分のみを透過するので、バックグランド光の発
生を抑えることが可能になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下本発明の具体的な実施の形態
について説明する。本発明のプローブは三角錐や四角錘
などの多角錘の形状をした光透過性のある突起およびそ
の側面に形成された金属膜で形成される。図1に突起の
形状が四角錐である場合のプローブの構造を示す。四角
錐の形状をした突起は光透過性を持つ材料で構成され、
突起の側面のうちの１つの面（11）すべてが金属で覆で
覆われている。すべてが金属膜で覆われた面11以外の面
（12-14）においては、頂点に寸法Ｌ1が光波長以下（例
えばＬ1＝300 nm）の開口(16)が形成されるように、金
属膜が形成されている。全面を金属で覆った面（11）
は、三角形の金属パターンと同じ働きをし、矢印18で示
した方向に偏光した光を入射させることにより、頂点15
に強い近接場光が発生する。光は突起の内側から入射さ
せても良いし（矢印17）、外側から入射させても良い
（矢印19）。面（12-14）の頂点部(16)以外に形成され
た金属膜は、バックグランド光を抑える働きをする。突
起を構成する材料は、光透過性を持つものであれば良
く、例えばSiO2やSiNにする。金属の膜には例えば金、
銀、アルミなどを用いる。金属膜の厚さは数100nm以下
であれば良く、例えば30 nmにする。頂点15における金
属膜の端の曲率半径は100 nm以下であれば良いが、高い
分解能を実現するためには、小さい方が好ましい。例え
ば曲率半径は20 nmにする。
【０００８】頂点部分の開口の形状は、寸法が光波長以
下であれば良く、例えば図２のような幅Ｗ１が光波長以
下（例えば100nm）であるような線状の開口21でも良
い。
【０００９】突起が四角錘である場合は、図3に示すよ
うに、対向する2つ面31、33の全面を金属で覆い、かつ
頂点に間隔Ｇ1が100 nm以下のギャップ35を形成し、か
つ面32、34を頂点部36を除いて金属の膜で覆っても良い
（開口部の寸法Ｌ2は光波長以下）。この場合、面31,33
に形成された金属膜が対向する２つの三角形のパターン
と同じ働きをし、ギャップ部35により頂点に強い近接場
光が発生する。面32、34に形成された金属膜は、バック
グランド光を抑える働きをする。開口部36の形状は、寸
法が光波長以下であれば良く、例えば図3(b)に示すよう
に、幅Ｗ2が光波長以下（例えば100 nm）の線状の開口
であっても良い。上記のプローブに入射させる光の波長
は、金属膜中の電子のプラズマ振動の共鳴点（プラズモ
ン共鳴点）に合わせるのが好ましい。例として、突起の
側面に形成された金属膜を平面的な三角形の形状をした
金属パターン（三角形の形状をしたパターン、もしくは
三角形の形状をした膜が２つ対向するように並んだパタ
ーン）と近似して計算した、近接場光強度と光波長の関
係をを図４に示す。この値はFDTD法（Journal of Optic
al Society of America A, Vol.12, No.9, p1974-1983,
1995, （和名）ジャーナルオブオプティカルソサエテ
ィオブアメリカA）を用いて計算した値である。この計
算においては、三角形の膜の材質は金、膜厚＝30nm、先
端曲率半径＝25nm、頂点の頂角＝40°、ギャップの間隔
=5 nm（２つの三角形の場合）とし、この膜がＸＹ方向
の面内に置かれているとした（金属膜は空気中に置かれ
ているものとした）。波源は金属パターンからＺ方向に
1波長離れた位置に置かれているとし、波源からはＺ軸
方向に平面波が発生しているとした。解析領域の大きさ
はx,y,zそれぞれの方向に0.3×0.2×2.6μmとし、解析
領域の境界条件にはｘ軸、ｙ軸に垂直な面で周期境界条
件、ｚ軸に垂直な面で吸収境界条件を用いた。波源と吸
収境界の間隔は1波長とした。メッシュ数はx,y,zそれぞ
れの方向に60×50×60とし、三角形膜の頂点付近で間隔
が小さくなる不均一メッシュを用い、三角形膜の頂点付
近でのメッシュ間隔は2.5nmとした。時間刻み幅は1×10
-18秒、計算繰り返し回数は15000回とした。破線は単一
三角形の場合（一つの面を金属膜で覆った場合に相
当）、実線は２つの三角形を組み合わせた場合（二つの
面を金属膜で覆った場合に相当）を示す。縦軸は近接場
光強度と入射光のパワー密度の比を表す。このように単
一三角形の場合650 nm、２つの三角形を組み合わせた場
合780 nm付近に共鳴波長があり、そのとき近接場光強度
が最大になる。上記の突起は、面発光レーザーなどの半
導体レーザーの出射面に形成しても良い。半導体レーザ
ーを出射した光は、突起の側面に形成された金属膜によ
り頂点に導かれる。そして、頂点にある金属膜の先端に
より散乱され、強い近接場光が頂点に発生する。このよ
うに光源とプローブを一体化させることにより、光源と
プローブの位置合わせが不要になる。上記の突起は、共
振器の出射面に形成しても良い。これにより光利用効率
がさらに向上する。
【００１０】上記の金属パターンが形成された突起は、
球面レンズやホログラフィックレンズなどの集光素子の
端面に形成しても良い。焦点の位置が三角形の頂点にく
るようにすることにより、プローブに入射させる光を平
行光にすることが可能になる。したがって、プローブに
入射させる光の焦点の位置合わせが不要になる。
【００１１】上記の金属パターンはフォトダイオードな
どの光検出器の受光面に形成しても良い。これにより、
検出器とプローブの位置合わせが不要になる。
【００１２】上記の金属パターンが形成された突起は、
原子間力顕微鏡のカンチレバーの先に形成しても良い。
これにより原子間力像と光学像を同時に測定することが
可能になる。
【００１３】上記の金属パターンが形成された突起51の
周辺に、図5のように、高さＨ１が突起の高さＨ2と等し
いパッド52を形成しても良い。これにより、突起51を試
料表面に近づけたとき、突起が破損する確立が低下す
る。また、パッドを形成することに換えて、突起の高さ
Ｈ１と同じ深さのくぼみを基板上に形成し、そのくぼみ
中に突起を形成しても良い。
【００１４】図6に、金属膜が形成された突起601を原子
間力顕微鏡のカンチレバー603の先に形成したプローブ
を近接場光学顕微鏡に応用した例を示す。試料610は基
板611の上に置き、その表面に、カンチレバーの先に形
成された突起601を近づける。レーザー606から出射した
光はレンズ616によりコリメートされ、ビームスプリッ
タ605を通過後、対物レンズ604に入射する。光は対物レ
ンズにより集光され突起先端で収束する。プローブによ
り発生した近接場光は試料610と相互作用し、その結果
散乱光や発光などが発生する。この試料からの光は対物
レンズ604により集光され検出器607で検出されるか、も
しくは試料の反対側に置かれた対物レンズ612および検
出器613で検出される。試料はピエゾ素子608を使い水平
方向に走査させ像を得る。
【００１５】プローブ先端と試料表面の間隔は数10 nm
以内にする必要があるが、その間隔ははプローブ先端と
試料表面の間に働く原子間力を測定することにより制御
する。すなわちプローブを数10 nm以内の振幅でピエゾ6
09を使い縦方向に振動させ、その振幅が一定になるよう
にプローブ先端と試料表面の間隔を制御する。振幅の変
化の測定は、レーザー606から出射した光とは別の光を
カンチレバーの上面602に当て、そこからの反射光をＰ
ＳＤ(Position Sensing Detector)で検出することによ
り行う。振幅の変化の測定は、レーザー606から出射し
た光のうち、カンチレバーの上面602で反射したもの
を、PSD 614で検出することにより行っても良い。
【００１６】入射した光の偏光方向と試料から発生する
光の偏光方向が異なっている場合は、偏光子615を用い
て、試料からの光を入射光から分離しても良い。
【００１７】入射した光の波長と試料から発生する光の
波長が異なっている場合は、波長フィルタまたは分光器
を用いて、試料からの光を入射光から分離しても良い。
【００１８】上記近接場プローブの光記録/再生装置へ
の応用例を図7に示す。近接場光プローブ702は対物レン
ズ、光源、検出器等を搭載した光ヘッド703に搭載さ
れ。その光ヘッドをディスク701に近づける。光ヘッド
はキャリッジアクチュエーター704を用いて、ディスク
の半径方向に動かされる。光ヘッド内部の光学系は図7
(b)のように構成する。光源には半導体レーザー708を用
い、出射光をコリメーターレンズ709、ビーム整形プリ
ズム710を用いて円形の平行ビームにする。このビーム
はビームスプリッタ712、ミラー715、対物レンズ707を
通過後、近接場光プローブ702に入射する。対物レンズ
の位置はアクチュエーター706を用いて調整される。ま
た、トラッキングのため近接場光プローブの位置を微調
整するためには、アクチュエーター704を用いる。プロ
ーブ702はサスペンション705に取り付けられていて、こ
のサスペンションの力によりディスク701に押し付けら
れる。プローブからの反射光（信号光）はビームスプリ
ッタ-712により入射光と分離され、検出器714に入射す
る。ここでプローブからの光の偏光方向が入射光の偏光
方向と異なっている場合、入射光と反射光を分離するた
めに、偏光子711、713を挿入しても良い。
【００１９】
【発明の効果】本発明により（１）凹凸のある試料表面
に対しても使用可能で、（２）バックグランド光の少な
い高効率なプローブの実現が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の近接場光プローブを示す図で、(a)斜
視図,(b)上方より見た図。
【図2】頂点の開口部が線状になったプローブを上方よ
り見た図。
【図3】四角錘の側面のうちの2つの面全体を金属膜で覆
い、その他の面を先端を除いて金属で覆ったプローブを
上方より見た図で、（a）頂点の開口部が線状になって
いない場合、(b)頂点の開口部が線状になっている場
合。
【図4】近接場光強度と光波長の関係。実線は金属膜が
対向する２つの面に形成された場合で、破線は金属膜が
一つの面のみ形成された場合。
【図5】突起の周辺にパッドが形成されたプローブの斜
視図。
【図6】近接場光学顕微鏡への応用例。
【図7】近接場光記録/再生への応用例。
【符号の説明】
11 全面が金属で覆われた面 12 頂点以外が金属で覆われた面 13 頂点以外が金属で覆われた面 14 頂点以外が金属で覆われた面 15 頂点 16 開口部 17 突起の内側から光を入射させる場合の光の入射方向 18 偏光方向 19 突起の外側から光を入射させる場合の光の入射方向 21 線状の開口 31 全面が金属で覆われた面 32 頂点以外が金属で覆われた面 33 全面が金属で覆われた面 34 頂点以外が金属で覆われた面 35 頂点部に形成されたギャップ 36 開口部 51 金属膜が形成された突起 52 パッド 601 金属膜が形成された突起 602 カンチレバーの上面 603 カンチレバー 604 対物レンズ 605 ビームスプリッター 606 半導体レーザー 607 光検出器 608 走査用ピエゾ 609 カンチレバー振動用ピエゾ 610 試料 611 基板 612 集光レンズ 613 光検出器 614 PSD 615 偏光子 616 コリメートレンズ 701 ディスク 702 近接場光プローブ 703 光ヘッド 704 キャリッジアクチュエーター 705 サスペンション 706 アクチュエーター 707 対物レンズ 708 半導体レーザー 709 コリメートレンズ 710 ビーム整形プリズム 711 偏光子 712 ビームスプリッタ 713 偏光子 714 光検出器 715 ミラー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ１１Ｂ 7/135 Ｇ１１Ｂ 7/135 Ａ Ｇ１２Ｂ 21/06 Ｇ１２Ｂ 1/00 ６０１Ｃ Ｆターム(参考） 2H052 AA07 AC04 AC05 AC15 AC33 AC34 5D090 AA01 CC16 FF11 KK16 5D119 AA43 BA01 FA05 JA34 JA43 KA02

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】多角錐の形状をした光透過性のある突起か
    らなり、その側面のうちの１面が金属の膜で覆われ、か
    つその他の面が先端の光波長以下の領域を除いて金属膜
    で覆われたことを特徴とする近接場光プローブ
  2. 【請求項２】四角錐の形状をした光透過性のある突起か
    らなり、その側面のうち対向する２つの面が金属膜で覆
    われ、かつその２つの面の頂点部分の間に間隔が数100
    nm以下のギャップが存在し、かつ残り２つの面が、先端
    の光波長以下の領域を除いて金属膜で覆われたことを特
    徴とする近接場光プローブ
  3. 【請求項３】前記の突起が、半導体レーザーの出射面に
    形成されたことを特徴とする請求項1又は２記載の近接
    場光プローブ
  4. 【請求項４】前記の突起が、光共振器の出射面に形成さ
    れたことを特徴とする請求項1又は２記載の近接場光プ
    ローブ
  5. 【請求項５】前記の突起が、半球面レンズやホログラフ
    ィックレンズなどの集光素子の端面に形成されたことを
    特徴とする請求項1又は２記載の近接場光プローブ
  6. 【請求項６】前記の突起が、フォトダイオードなどの光
    検出器の受光面に形成されたことを特徴とする請求項1
    又は2記載の近接場光プローブ
  7. 【請求項７】前記の突起が、原子間力顕微鏡のカンチレ
    バーの先に形成されたことを特徴とする請求項1又は2記
    載の近接場光プローブ
  8. 【請求項８】前記の突起の周辺に、突起の高さと同じ高
    さをもつパッドが形成されたことを特徴とする請求項1
    乃至7何れかに記載の近接場光プローブ
  9. 【請求項９】多角錐の形状をした光透過性のある突起か
    らなり、その側面のうちの１面が金属の膜で覆われ、か
    つその他の面が先端の光波長以下の領域を除いて金属膜
    で覆われたプローブ、または四角錐の形状をした光透過
    性のある突起からなり、その側面のうち対向する２つの
    面が金属膜で覆われ、かつその２つの面の頂点部分の間
    に間隔が数100 nm以下のギャップが存在し、かつ残り２
    つの面が、先端の光波長以下の領域を除いて金属膜で覆
    われたプローブを用いたことを特徴とする近接場光学顕
    微鏡
  10. 【請求項１０】多角錐の形状をした光透過性のある突起
    からなり、その側面のうちの１面が金属の膜で覆われ、
    かつその他の面が先端の光波長以下の領域を除いて金属
    膜で覆われたプローブ、または四角錐の形状をした光透
    過性のある突起からなり、その側面のうち対向する２つ
    の面すべてが金属膜で覆われ、かつその２つの面の頂点
    部分の間に間隔が数100 nm以下のギャップが存在し、か
    つ残り２つの面が、先端の光波長以下の領域を除いて金
    属膜で覆われたプローブを用いたことを特徴とする光記
    録／再生装置
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