JP2002257704A

JP2002257704A - 近接場光プローブ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002257704A
Application number: JP2001053399A
Authority: JP
Inventors: Masaya Otsuka; 正也大塚; Toshishige Fujii; 俊茂藤井
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は製造容易な構造の近接場光プローブ
及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】微小開口５からなる、本発明の近接場光
プローブにおいて、２層以上で且つ、それぞれ異なる無
機材料からなる膜３、４が遮光膜として最表面に成膜し
てあり且つこの２層以上の無機材料からなる膜３、４
は、光または熱により光学的な透過率が高くなることを
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】本発明は、近接場光を発生さ
せる近接場光プローブの構造およびその近接場光プロー
ブが有する微小開口の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査トンネ
ル顕微鏡（ＳＴＭ）を代表とする走査プローブ顕微鏡
は、試料表面の微細な凹凸形状観察方法として、広く普
及されている。現在、この走査プローブ顕微鏡は、表面
形状観察だけでなく、摩擦力、磁気力、弾性率など、様
々な微小領域の特性の観察に応用されている。この走査
プローブ顕微鏡の１つとして、走査近接場光学顕微鏡
（Scanning Near-field Optical Microscope；以下ＳＮ
ＯＭと略す）がある。

【０００３】この近接場光とは、屈折率の異なる２つの
媒体の一方から全反射条件以上で入射した光が、反射境
界面ですべて反射されるが、一部境界面を越え非伝播の
電磁場成分のみが染み出した領域ができ、この非伝播の
電磁場領域のことをいう。このような領域は、微小開口
を有する所謂近接場光ファイバプローブでも形成するこ
とが可能である。この近接場光プローブは、その導入さ
れる光の波長よりも微小な開口を有しており、この開口
近傍にのみ近接場が染み出す。この近接場は、開口寸法
とほぼ同じ位しか横方向の広がりを持たないと言われて
いる。そのため、開口寸法を小さくすることにより、光
の回折限界を超える解像度が可能となる。

【０００４】ＳＮＯＭとは、一般的には、この近接場光
ファイバプローブを、測定試料に対して一定距離（開口
と同じもしくはそれ以下の距離）を保持し、ラスタスキ
ャンさせ、試料のトポグラフィー像と同時にその微小領
域の光学特性を測定する装置のことである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この近接場光ファイバ
プローブの有する微小開口は、通常１端面が先鋭化され
た光ファイバに、金属遮光膜を成膜し、その後、ＦＩＢ
（Focused Ion Beam）を用いてその先端部を切断するこ
とにより形成される。

【０００６】しかし、この方法では１つ１つ光ファイバ
をＦＩＢ装置にセットし、切断しなければならないの
で、１本あたりに要する製造時間が非常に長く、また、
ＦＩＢ装置自体も非常に高価である。

【０００７】別の近接場光プローブの微小開口の形成方
法に関するものとして、以下のものがある。１）特開２０００−４８３９３号公報日本板硝子
（株）三橋慶喜この特許公開された発明は、光記録装置に用いられる光
ピックアップの構造および微小開口の形成方法に関し、
半径方向に屈折率分布を有するロット状マイクロレンズ
の１端面に微小開口が形成される。この微小開口の形成
方法としては、遮光金属を溶融、蒸発もしくはアブレー
ションすることにより形成することを特徴としている。
しかし、この方法では、ロット状マイクロレンズに高パ
ワーの光を入力しなければならず、この光を作り出すの
は非常に難しい。また、ロット状マイクロレンズでない
遮光膜側から補助的な光もしくはイオンビームを同時に
照射することも記述されているが、遮光膜の両側（ロッ
ト状マイクロレンズ側から遮光膜およびロット状マイク
ロレンズでない側から遮光膜）から２つの光線を一致さ
せることも非常に難しい。

【０００８】２）第４７回平成１２年春季応用物理学
会講演会オリンパス鈴木良義この発表によると、金属の固相拡散（ＡｇもしくはＣｕ
と、カルコゲン（Ｓｅ、Ｔｅ等））を用いて微小開口を
形成することを特徴としており、具体的には、尖鋭化し
たプローブにＡｇ膜を成膜し、Ｓｅ等の基板にその先端
を弱い力で押付けることにより、接触面で固相拡散を起
こさせている。しかし、この方法では、先端を傷つける
可能性が高く、また、複数個の近接場プローブからなる
光ピックアップの場合、その先端を接触させることは非
常に難しい。

【０００９】本発明は以上のような現状に鑑みてなされ
たもので、製造容易な構造の近接場光プローブ及びその
製造方法を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明では、複数の異なる無機材料からなり、光の強度に
より光透過率が変化する遮光膜を、突起部を有する光の
出射部の全表面に形成したことを特徴としている。ま
た、この遮光膜に作られる微小開口の形成方法として、
この近接場光プローブに導入される光を用いることを特
徴としている。

【００１１】即ち、請求項１の発明は、微小開口からな
る近接場光プローブの構造において、２層以上で且つ、
それぞれ異なる無機材料からなる膜が遮光膜として最表
面に成膜してあり且つこの２層以上の無機材料からなる
膜は、光または熱により光学的な透過率が高くなること
を特徴とする近接場光プローブである。

【００１２】請求項２の発明は、２層以上の異なる無機
材料の膜の材料として、少なくとも１層の膜が主に、１
Ｂ族の１元素からなる膜からなり、且つ、少なくとも１
層の膜が主に、３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ、６Ｂ族の１元素から
なる膜からなることを特徴とする請求項１に記載の近接
場光プローブである。

【００１３】請求項３の発明は、成膜される２層以上の
異なる無機材料において、１Ｂ族の元素である、Ａｇを
用いることを特徴とする請求項１または２に記載の近接
場光プローブである。

【００１４】請求項４の発明は、成膜される２層以上
の異なる無機材料において、一つの層に１Ｂ族の元素で
あるＡｇからなる膜を用いた場合、別の層に３Ｂ、４
Ｂ、５Ｂ、６Ｂ族の１元素である、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｅ、
Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｂｉを用いることを特徴とする請求
項１〜３の何れか１項に記載の近接場光プローブであ
る。

【００１５】請求項５の発明は、成膜された２層以上の
異なる無機材料の膜構成として、熱伝導率の高い方を最
表面にすることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項
に記載の近接場光プローブである。

【００１６】請求項６の発明は、成膜された２層以上の
異なる無機材料の膜構成として、熱伝導率の低い方を最
表面にすることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項
に記載の近接場光プローブに近接場光プローブである。

【００１７】請求項７の発明は、成膜された２層以上の
異なる無機材料の膜厚の合計が、少なくとも、２０ｎｍ
以上１０ｕｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６
の何れか１項に記載の近接場光プローブである。

【００１８】また、請求項８の発明は、請求項１〜７の
何れか１項に記載の近接場光プローブの開口形成方法と
して、近接場光プローブに入射される光を用いて、２層
以上の異なる無機材料を局所的に拡散させることにより
微小開口を形成することを特徴とする近接場光プローブ
の製造方法である。

【００１９】請求項９の発明は、無機材料の局所的拡散
を、酸素含有の雰囲気中で行うことを特徴とする請求項
８に記載の近接場光プローブの製造方法である。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を詳述する。

【００２１】請求項１、２、３、４および７に記載の近
接場光プローブの構造の１例を、図１〜図３を用いて説
明する。また、この近接場光プローブの構造の製造方法
として、請求項８および９に記載の近接場光プローブの
製造方法を用いる。

【００２２】この近接場光プローブは、図１に示すよう
に、ＧｅＯ_２を少量含有するＳｉＯ _２からなる径約３ｕ
ｍのコア２ａとそれを包み込み、純ＳｉＯ_２からなる径
約１２５ｕｍのクラット１で構成された光ファイバを用
いて形成している。コア２ａの先端とクラット１の表面
は、２層の異なる無機材料からなる膜３、４で覆われて
いる。このコア２ａとクラット１の屈折率比として、約
０．５％ものを用いている。この実施形態では、上記の
ものを用いているが、他の光ファイバでも問題はない。

【００２３】図１に示す近接場光プローブを形成すると
きは、光ファイバの１端面（図２の（ａ））を、フッ酸
およびフッ化アンモンからなる溶液にディッピングする
ことで、上面径が約φ３００ｎｍ程度で、先端角が約２
５°の、コア２ａに連続する円錘台状の突起部２ｂを形
成する（図２の（ｂ））。この実施形態で用いた溶液の
混合体積比としては、フッ酸（５０％）：フッ化アンモ
ン（４０％）：水＝１：１０：１で、エッチング時間
は、約９０分である。この突起部２ｂの上面径および傾
斜角は、フッ酸とフッ化アンモンの混合比およびそのデ
ィッピング時間により変えることができ、この近接場光
プローブの使用用途に合わせて作成することができる。

【００２４】次に、この円錘台状の突起部２ｂを含む光
ファイバの１端面全体を、請求項１に記載の如く、少な
くとも２層の異なる無機材料からなる膜３、４で覆う
（図２の（ｃ））。この少なくとも２層の膜３、４は、
請求項２に記載のように、少なくとも１層の膜として、
１Ｂ族の元素からなる膜と且つ、他の少なくとも１層の
膜として３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ、６Ｂ族の元素からなる膜の
組み合わせ構成とする。この実施形態では、１Ｂ族の元
素として、請求項３のようにＡｇを、また、４Ｂ族の元
素として、請求項４に記載のようにＴｅを用いている。
このＡｇの膜３およびＴｅの膜４の膜厚は、各１００ｎ
ｍで、合計２００ｎｍの膜を形成している。この２００
ｎｍの膜厚により、波長７８０ｎｍの光においては、ほ
ぼ１００％光を遮光することができる。

【００２５】近接場光プローブから近接場光を出射させ
るときは、図３に示すように、この光ファイバの円錘台
状の突起部２ｂが形成されていない方の端面から、短い
１つのパルス光６を入射させる。この実施例では、光フ
ァイバに、波長７８０ｎｍ、光強度７５ｍＷの光を１０
ｎｓｅｃ程度入射した。この入射された光６は、光ファ
イバのコア２ａ内を伝播し、円錐台状の突起部２ｂに到
達する。この円錐台状の突起部２ｂに伝達してきたパル
ス光６は、そのまま直線的に突起部２ｂの先端部に到達
するパルス光６ａや斜面部に形成されたＡｇの膜３によ
り反射され、突起部２ｂの先端部に到達するパルス光６
ｂ、６ｃが存在する。これらのパルス光６は、円錘台状
の突起部２ｂの先端部に集中するため、他の光ファイバ
部分に比較し、光強度が大きくなる。この円錘台状突起
部２ｂの先端部での光集中により、熱が発生し、Ａｇの
膜３とＴｅの膜４は、それぞれ拡散する。この局所的な
拡散により、他の部分の２層からなる膜３、４と比較
し、光の透過率が大きくなり、近接場光ファイバプロー
ブの開口のような構造を効果的に形成することができ
る。この実施形態では、約１００ｎｍ程度の開口５が形
成された。

【００２６】また、上記した開口形成方法において、入
射されるパルス光６の強度により開口５の寸法を変える
ことができる。この開口５の寸法に関しては、この近接
場光プローブから出射する光強度をモニタすることによ
り、または、標準サンプルの測定等により開口寸法を算
出することができる。通常のＳＥＭ観察でも、その拡散
状態から、電子線のチャネリング状態に変化が現れ、２
次電子像として寸法を確認することは可能である。

【００２７】さらに、請求項８に記載の近接場光プロー
ブの製造方法を、請求項９に記載のように、酸素含有の
雰囲気で行うことにより、２層の無機材料の膜３、４を
拡散させるとともに、酸化も行い、更に効果的に、光の
透過率を上げることができる。この雰囲気の酸素含有率
としては、１０％以上、好ましくは、４０％以上が良
い。

【００２８】この局所的に２層の膜３、４が拡散された
部分、即ち開口５と他の部分との透過率差を出すために
は、各膜３、４の合計膜厚は２０ｎｍ以上が良い。この
合計膜厚を２０ｎｍにすることにより、各膜厚をどのよ
うにするかにより少し値としては異なるが、波長７８０
ｎｍの光において、約９０％の光を遮光することができ
る。また、２層の膜厚を１０ｕｍ以上にすると、２層の
膜３、４の拡散状態を均一にするためには、強いパルス
光強度および長いパルス時間が必要となり、無機膜での
熱拡散により、局所的に小さな開口構造を形成すること
ができない。このため、２層以上の異なる無機材料の膜
厚の合計が、少なくとも、２０ｎｍ以上１０ｕｍ以下で
あることが望ましい（請求項７）。

【００２９】上記した実施例では、表面からＴｅの膜
４、Ａｇの膜３のように成膜した。この２つの膜３、４
の熱伝導率は、Ａｇの膜３の方が大きい。即ち、請求項
６に記載のように、熱伝導率の低い方の膜４を最表面に
している。このため、光ファイバ内を伝播してきた光
は、まず、Ａｇの膜３で熱に変換される。このＡｇの膜
３での熱拡散は早いため、この２つの膜３、４の拡散を
起こさせるには（開口５を形成するには）、非常に大き
な光強度が必要となるが、一度開口５を形成すれば、熱
に対する安定性は非常に大きくなる。

【００３０】また、逆に、上記と同様の方法でＡｇの膜
３とＴｅの膜４を、表面からＡｇの膜３、Ｔｅの膜４と
なるように成膜した場合、請求項５に記載のように、熱
伝導率の高い方の膜３を最表面にすることになる。この
膜構成にすることにより、入射する光の強度が弱くて済
むため、効果的に開口５を形成することができる。

【００３１】上記記載の近接場光プローブを走査型近接
場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）に用いることにより、開口５の
径を、測定物の目的に即して効果的に測定中に変えるこ
とができる。つまり、解像度が必要とされる場合、光フ
ァイバに弱い光を入射し、微小な開口５を形成すること
ができ、また、光強度が必要とされる場合、光ファイバ
に強い光を入射し、少し大き目の開口５を形成すること
ができる。

【００３２】また、上記記載の近接場光プローブを近接
場光記録方式の光ピックアップに用いることにより、微
小開口５を容易に形成することができ、光の回折限界を
超える微細なマーク記録が可能となり、高密度光記録に
効果を奏する。

【００３３】さらに、上記記載の近接場光プローブを複
数個形成し、近接場光記録方式の光ピックアップに用い
ることにより、この近接場光プローブに入射する光によ
り、複数個の微小開口５を同時に且つ容易に形成するこ
とができ、光の回折限界を超える微細なマーク記録によ
る高密度光記録に効果を奏するだけでなく、それぞれを
並列処理することで、転送レートも効果的に高くするこ
とができる。

【００３４】この実施例では、光ファイバから形成され
る近接場光プローブに関するもののみを記述したが、カ
ンチレバー状の近接場光プローブ、平面基板に貫通穴を
施した近接場光プローブ、平面基板上に突起状の構造物
を形成した近接場光プローブ等でも問題はない。さら
に、ＳＩＬ（Solid Immersion Lens）の出射レンズ側に
遮光膜をつけ、その遮光膜に微小開口を形成した近接場
光プローブにも、上記した実施例を同じように適用する
ことができる。

【００３５】また、無機材料からなる膜の構成として２
層のものを例示したが、３層以上の無機材料の膜を形成
して実施することもできるものである。

【００３６】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、複数の異なる
無機材料からなり、光の強度により光透過率が変化する
遮光膜を、突起部を有する光の出射部の全表面に形成
し、突起部の内面の反射光を集光して光の強度を強くす
ることにより、所望の微小開口を形成することができ、
従来のＦＩＢ装置を用いた開口形成に比べ、容易且つ短
時間で形成することができる。

【００３７】請求項２の発明によれば、請求項１に記載
の近接場光プローブの遮光膜として用いられる、光また
は熱により光学的な透過率が高くなる２層以上のそれぞ
れ異なる無機材料からなる膜が、少なくとも１層の膜と
して、１Ｂ族の元素からなり、また、少なくとも１層と
して、３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ、６Ｂ族の元素から成ることに
より、この光または熱により光学的な透過率が高くなる
膜を効果的に形成することができる。

【００３８】請求項３の発明によれば、請求項２に記載
の近接場光プローブの遮光膜の１層として、１Ｂ族の元
素であるＡｇを用いることで、平坦度が高く、また、グ
レインサイズも小さいことから、３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ、６
Ｂ族の元素から成る膜との拡散で、微小な開口形成に効
果を有する。

【００３９】請求項４の発明によれば、請求項１、２ま
たは３に記載の近接場光プローブに成膜される２層以上
の異なる無機材料において、請求項３記載の１Ｂ族の元
素としてＡｇからなる膜を用いた場合、３Ｂ、４Ｂ、５
Ｂ、６Ｂ族の１元素として、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｉｎ、
Ｓｎ、Ｔｅ、Ｂｉを用いることで、効果的に２層の拡散
により透過光強度の大きい微小開口を形成することがで
きる。

【００４０】請求項５の発明によれば、請求項１、２、
３または４に記載の２層以上の無機材料の膜構成とし
て、熱伝導率の高い膜を最表面に用いることで、近接場
光プローブに入射する光は、熱伝導率が低い膜で熱変換
されるため、この部分での熱拡散は低く、効果的に微小
な開口形成を行うことができる。

【００４１】請求項６の発明によれば、請求項１、２、
３または４に記載の２層以上の無機材料の膜構成とし
て、熱伝導率の低い膜を最表面に用いることで、近接場
光プローブに入射する光は、熱伝導率が高い膜で熱変換
されるため、この部分での熱拡散は大きく、開口形成に
大きな光強度が必要になるが、開口形成後は、入射され
る光（もしくは熱）に対して、開口の安定性が非常に大
きくなる

【００４２】請求項７の発明によれば、請求項１、２、
３、４、５または６に記載の２層以上の無機材料の合計
膜厚として、２０ｎｍ以上１０ｕｍ以下にすることによ
り、光または熱により局所的に２層の膜が拡散された部
分（開口部分）と他の部分との透過率差効果的に高くす
ることができる。

【００４３】請求項８の発明によれば、請求項１、２、
３、４、５、６または７に記載の近接場光プローブの製
造方法において、近接場光プローブに入射する光によ
り、局所的に、２層以上の異なる無機材料を拡散させる
ことができ、効果的に微小な開口を形成することができ
る。また、この入射する光の条件を変えることにより、
効果的に開口寸法を任意に変えることができる。

【００４４】請求項９の発明によれば、請求項８に記載
の近接場光プローブの製造方法において、酸素雰囲気中
で行うことにより、２層以上の無機材料の膜を拡散させ
るとともに、酸化も行い、更に効果的に、開口部の透過
率を上げることができる。

【００４５】上記記載の近接場光プローブを走査型近接
場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）に用いることにより、近接場光
プローブの開口径を測定物の目的に合わせて測定中に変
えることができるので、効果的な、ＳＮＯＭ観察ができ
る。つまり、解像度が必要な観察の場合、光ファイバに
弱い光を入射し、微小な開口形成後に、測定することで
達成することができる。また、逆に、光強度を必要とす
る測定の場合、光ファイバに強い光を入射させ、少し大
き目の開口を形成後に、測定することで達成できる。ま
た、この開口寸法に対しては、近接場光プローブから出
射する光強度をモニタすることにより、または、標準サ
ンプルの測定等により開口寸法も算出することができ
る。

【００４６】上記記載の近接場光プローブを近接場光記
録方式の光ピックアップに用いることにより、微小開口
を容易に形成することができ、光の回折限界を超える微
細なマーク記録が可能となり、高密度光記録に効果を奏
す。

【００４７】上記記載の近接場光プローブを複数個形成
し、近接場光記録方式の光ピックアップに用いることに
より、この近接場光プローブに入射する光により、複数
個の微小開口を同時に且つ容易に形成することができ、
光の回折限界を超える微細なマーク記録による高密度光
記録に効果を奏すだけでなく、それぞれを並列処理する
ことで、転送レートも効果的に高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の近接場光プローブの断面図で
ある。

【図２】本実施例の近接場光プローブの製造において、
光ファイバに突起部が形成された後、無機材料の膜が形
成される様子を説明する図で、（ａ）は光ファイバの断
面図、（ｂ）は突起が形成された状態の断面図、（ｃ）
食む機材料が形成された状態の断面図である。

【図３】本実施例の近接場光プローブの開口を形成する
方法を説明する図である。

【符号の説明】

１；クラット、２ａ；コア、２ｂ；突起部、３，４；
膜、５；開口、６；パルス光。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の異なる無機材料からなり、光の強
度により光透過率が変化する遮光膜を、突起部を有する
光の出射部の全表面に形成したことを特徴とする近接場
光プローブ。
【請求項２】２層以上の異なる無機材料の膜の材料と
して、少なくとも１層の膜が主に、１Ｂ族の１元素から
なる膜からなり、且つ、少なくとも１層の膜が主に、３
Ｂ、４Ｂ、５Ｂ、６Ｂ族の１元素からなる膜からなる請
求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項３】成膜される２層以上の異なる無機材料に
おいて、１Ｂ族の元素である、Ａｇを用いる請求項１ま
たは２に記載の近接場光プローブ。
【請求項４】成膜される２層以上の異なる無機材料に
おいて、一つの層に１Ｂ族の元素であるＡｇからなる膜
を用いた場合、別の層に３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ、６Ｂ族の１
元素である、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｂ
ｉを用いる請求項１〜３のいずれかに記載の近接場光プ
ローブ。
【請求項５】成膜された２層以上の異なる無機材料の
膜構成として、熱伝導率の高い方を最表面にする請求項
１〜４のいずれかに記載の近接場光プローブ。
【請求項６】成膜された２層以上の異なる無機材料の
膜構成として、熱伝導率の低い方を最表面にする請求項
１〜４のいずれかに記載の近接場光プローブ。
【請求項７】成膜された２層以上の異なる無機材料の
膜厚の合計が、少なくとも、２０ｎｍ以上１０ｕｍ以下
である請求項１〜６のいずれかに記載の近接場光プロー
ブ。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の近接場
光プローブの開口形成方法として、近接場光プローブに
入射される光を用いて、２層以上の異なる無機材料を局
所的に拡散させることにより微小開口を形成することを
特徴とする近接場光プローブの製造方法。
【請求項９】無機材料の局所的拡散を、酸素含有の雰
囲気中で行う請求項８に記載の近接場光プローブの製造
方法。