JP2002365198A - 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

Abstract

(57)【要約】 【課題】三角形の金属薄膜パターンについて、その頂点
の間隔をnmオーダーの精度で作製することが不必要、お
よび近接場光プローブから発生する近接場光の強度およ
びプローブ径を温度変化等にかかわらず一定に保つこと
のできる近接場光プローブを提供すること。 【解決手段】先鋭化した金属薄膜パターン203、204を形
成した基板201、202に、それぞれの金属薄膜パターン20
3、204の相対位置を可変にできる微小移動機構208、209
を取り付けることで解決できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、近接場光学顕微鏡
もしくは近接場光を用いた光記録再生装置において、近
接場光を発生または検出する近接場光プローブに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近接場を用いた光プローブの生成につい
ては、従来、寸法がナノメートル・オーダーの微少構
造、例えば直径が光の波長以下の微少開口を用いて集光
させる方法が用いられている。光をこの微少構造に当て
ると、その微少構造近傍には近接場光とよばれる空間的
に局在した光が発生する。そこで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、微少
構造の寸法で決まる空間分解能で試料の表面形状や光学
特性を測定することが可能となる。この手法を用いた顕
微鏡は近接場光学顕微鏡とよばれ、近年、生体試料、半
導体試料、高分子試料などの形状および光学特性測定な
ど幅広い範囲に応用され始めている。さらにこの近接場
を用いた光プローブは、この光プローブによって得られ
る微小な光を高密度光記録再生に用いるなどの応用もな
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、光の波長以下の微少な開口を有する先
鋭化されたガラス製の光ファイバー（光ファイバープロ
ーブ）が広く用いられている。この光ファイバープロー
ブは、ガラスファイバーの一端を加熱しながら引き伸ば
したり、化学エッチング法により先鋭化した後、最先端
以外を金属膜でコーティングすることにより作製され
る。この光ファイバープローブに光を導入することで、
先端に形成された微少開口近傍に近接場光を発生させる
ことが可能となる。

【０００４】このような近接場光プローブの性能として
はつぎにあげる３つの点が要求される。すなわち、
（１）光利用効率が高いこと、（２）高速走査が可能な
こと、（３）検出される光に含まれるバックグラウンド
光が少ないこと、である。しかしながら上記の光ファイ
バープローブは、光の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、光ファイバープロー
ブに入射する光の強度と光ファイバープローブ先端から
出射する光の強度の比は0.001%以下であることがアプラ
イド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Lett
ers）第68巻第19号（1996年）の2612頁から2614頁に報
告されている。

【０００５】そこで、この問題点を解決し、さらに他の
（２）および（３）の性能を満足するためにつぎのよう
な近接場光プローブが報告（Technical Digest of 6th
international conference on near field optics and
related techniques, the Netherlands, Aug. 27-31, 2
000, p. 55）されている。すなわち、頂点の曲率半径が
数10nm以下の三角形の金属薄膜パターンを平面基板上に
形成した近接場光プローブである。この近接場光プロー
ブに直線偏光した光を入射させると、三角形の金属薄膜
パターンの頂点に局在した近接場光が発生する。さらに
図１に示したように上記三角形の金属薄膜パターン10
2、103を２つ、それぞれの頂点104、105の間隔が数10nm
以下になるように配置した近接場光プローブも提案され
ており、この場合は頂点104、105間に局在した近接場光
が発生する。このとき励起光は矢印106のように入射す
る。

【０００６】これら三角形の金属薄膜パターンを用いた
近接場光プローブは、いずれも非常に強い近接場光を発
生させることが可能である。とりわけ、入射光の偏光方
向と平行な軸上にある頂点に特に強い近接場光が発生す
る。さらに、入射光の波長を金属のプラズモン共鳴波長
に合わせることによって、入射光強度に比べて数100倍
以上の非常に強い近接場光を発生させることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１に示した
上記従来技術では、近接場光プローブから発生する近接
場光の強度およびそのプローブ径は、図１の三角形の金
属薄膜パターン102、103の頂点104と頂点105の間隔L1の
関数として大きく変化する。そのため、顕微鏡観察や光
記録に必要な強度とプローブ径の近接場光を得るには、
頂点104と頂点105の間隔L1をnmオーダーの精度で作製す
る必要があるため、実際にこの近接場光プローブを作製
する上で非常に高い精度の薄膜作製技術を必要とする点
で問題がある。

【０００８】さらに、上記従来技術では、金属薄膜パタ
ーン102、103を成膜してある基板101が温度変化等によ
って膨張もしくは収縮した場合、三角形の金属薄膜パタ
ーン102、103の頂点104と頂点105の間隔L1も同様に変化
するため、この近接場光プローブによって得られる近接
場光の強度およびプローブ径が変化する点で問題があ
る。

【０００９】本発明の目的は、三角形の金属薄膜パター
ンについて、その頂点の間隔をnmオーダーの精度で作製
することを必要としない近接場光プローブを提供するこ
とである。

【００１０】本発明の他の目的は、近接場光プローブか
ら発生する近接場光の強度およびプローブ径を温度変化
等にかかわらず一定に保つことのできる近接場光プロー
ブを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の問題点は、金属薄
膜パターンの基板に微小移動機構を取り付けることで解
決できる。これを図２を用いて説明する。いま説明を簡
単にするために、図２に示したように本発明の近接場光
プローブとして、２枚の三角形の金属薄膜パターン20
3、204がそれぞれ基板201、202上に成膜されたものを考
える。ここで基板201、202は微小移動機構208、209によ
って連結されている。この場合、これらの微小移動機構
208、209によって金属薄膜パターン203、204の頂点205
と頂点206の間隔L2がnmオーダーで制御できることにな
る。

【００１２】このような構成においては、作製された直
後において近接場光プローブ毎に頂点205と頂点206の間
隔L2にバラツキがあっても、実際に使用する前に微小移
動機構208、209を用いてその間隔L2を校正してから用い
れば、利用者が所望する強度とプローブ径の近接場光を
得ることが可能になる。

【００１３】さらに、このような構成においては、温度
変化等により頂点205と頂点206の間隔L2が変化したとし
ても、微小移動機構208、209によって間隔L2をもとにも
どしてやることで、常に一定の強度とプローブ径の近接
場光を得ることが可能になる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図２は本発明による近接場光プロ
ーブの実施例の第一の基本構成を示す図である。本構成
は光透過性のある基板201、202、およびこの基板201、2
02上にそれぞれ形成された２枚の三角形の金属薄膜パタ
ーン203、204、およびこの２枚の金属薄膜パターン20
3、204の頂点205、206の間隔L2を変化させる微小移動機
構208、209からなる。ここで光透過性のある基板201、2
02は例えば石英からなり、三角形の金属薄膜パターン20
3、204は例えば金や銀からなり、微小移動機構208、209
は例えばマイクロマシンやピエゾ素子（圧電素子）から
なる。このとき対向した三角形の金属薄膜パターン20
3、204の頂点205、206は互いに近接するように配置す
る。ここで特に金属薄膜パターン203、204の形状は、三
角形のように先端が先鋭化された形状をした金属薄膜で
あれば平面楕円体でもよい。この場合、それぞれの三角
形の金属薄膜パターン203、204について、その頂点20
5、206の曲率半径は10nm以下、厚さは100nm以下、頂点2
05、206の間隔L2は数10nm以下であればよいが、高い空
間分解能を得るためには小さい方が望ましい。また入射
させる励起光207の偏光状態は直線偏光が望ましく、そ
の場合、偏光方向は矢印210で示したように頂点205と頂
点206を結ぶ方向と平行になるようにすればよい。

【００１５】この構成では、光学レンズなどにより集光
された入射光207は、基板201、202に入射し、金属薄膜
パターン203、204に当たる。このとき、入射光207は金
属薄膜パターン203、204により散乱され、その結果、金
属薄膜パターン203、204近傍には高い空間フーリエ周波
数成分をもった近接場光が発生する。本発明においては
入射光207の偏光状態は直線偏光とし、その偏光方向は
矢印210で示したように頂点205と頂点206を結ぶ方向と
平行になるようにした。この直線偏光の光207が金属薄
膜パターン203、204に入射したとき、２枚の金属薄膜パ
ターン203、204にはそれぞれ大きな分極が発生するの
で、それらの相互作用の結果、２つの頂点205、206の間
には強い近接場光が発生する。

【００１６】いま、２枚の金属薄膜パターン203、204の
頂点205、206の間隔L2が、設計値よりも1nm大きかった
とすると、近接場光プローブから得られる近接場光の強
度は設計値よりも低下し、またそのプローブ径も大きく
なる。そこでこの場合には微小移動機構208、209を用い
て、間隔L2を狭めることで、当初設計値に修正すること
ができる。これによって、本発明における近接場光プロ
ーブを用いて設計値通りの強度およびプローブ径を有す
る近接場光が得られる。

【００１７】さらに、本発明では、温度変化等により頂
点205、206の間隔L2が変化した場合、微小移動機構20
8、209により校正することで、間隔L2の値を常に一定値
に保つことができる。

【００１８】さらに、本発明では、発生した近接場光の
強度もしくはプローブ径もしくはその両方をモニタし、
その値が常に一定値になるように頂点205、206の間隔L2
を微小移動機構208、209により制御することで、常に一
定の強度もしくはプローブ径もしくはその両方を有する
近接場光が得られる。

【００１９】さらに、本発明では、頂点205、206の間隔
L2を微小移動機構208、209により変化させることで、本
発明による近接場光プローブから発生する近接場光の強
度もしくはプローブ径もしくはその両方を利用者が自由
に変化させることが可能になる。

【００２０】さらに、本発明では、上述したように、金
属薄膜パターン203、204として三角形もしくは平面楕円
体の金属薄膜としたが、このとき、金属で形成されたパ
ターンの寸法がナノメートルオーダーの場合、金属薄膜
パターン203、204の内部に局在プラズモンを励起するこ
とにより、その金属薄膜パターン203、204近傍に発生す
る近接場光強度を増大させてもよい。ここで局在プラズ
モンとは、寸法が光の波長以下の楕円体や先端曲率半径
が光波長以下になるように先鋭化された金属の突起物
（すなわち本発明では、三角形や平面楕円体の金属薄膜
パターン203、204の頂点205、206がこれに相当する）内
に発生する電子の共鳴状態を意味する。局在プラズモン
が発生するとその金属近傍には非常に強い光の場が発生
する。局在プラズモンは特定の波長の光によって励起さ
れるが、その共鳴波長は散乱体である金属の種類、形
状、入射光の偏光方向によって決まる。したがって共鳴
波長が励起光源の波長に近くなるようにこれらのパラメ
ータを設定することが望ましい。たとえば散乱体の形状
が球で近似できるとき、金属が金の場合は共鳴波長は52
0nmとなる。このとき散乱体近傍に発生する近接場光強
度密度は入射光の光強度密度の30倍となる。また、金属
が銀の場合、共鳴波長は350nmとなり、散乱体近傍の近
接場光強度密度は入射光の光強度密度の480倍となる。
さらに散乱体の形状が長軸：短軸＝３：１の回転楕円体
で近似できるときには、金属が金の場合、共鳴波長は65
0nmとなり、散乱体近傍に発生する近接場光強度密度は
入射光の光強度密度の6500倍となる。また、金属が銀の
場合には、共鳴波長は500nmとなり、散乱体近傍の近接
場光強度密度は入射光の光強度密度の100000倍となる。
ただし、入射光の偏光方向は、金属の散乱体の形状が楕
円体の場合には、楕円の長軸方向と仮定した。金属の散
乱体の形状が球の場合には、中心対称であるので偏光方
向は任意となる。これらの計算結果から、形状が平面楕
円体の金属薄膜パターンの近傍には非常に強い近接場光
が発生することがわかる。三角形の頂点の形状も近似的
に長軸と短軸の長さの比が大きい楕円体と近似できるの
で、その形状および材質を最適化することにより、平面
楕円体の場合と同程度の近接場光強度の増強効果が期待
できる。

【００２１】さらに、本発明では、２枚の金属薄膜パタ
ーン203、204について述べたが、他の枚数の組み合せで
あっても金属薄膜パターンを形成した複数の基板それぞ
れを微小移動機構で結び付けることにより同様の効果が
期待できる。

【００２２】図３は本発明による近接場光プローブの実
施例の第二の基本構成を示す図である。本構成は微小移
動機能を有する基板301、およびこの基板301上に形成さ
れた２枚の三角形の金属薄膜パターン302、303からな
る。ここで微小移動機能を有する基板301は圧電素子
（ピエゾ素子）からなり、中心に孔306を開けておく。
ピエゾ素子は電界が加わると圧電効果と呼ばれる機械的
なひずみが生じ、その結果、素子の形状が変化（たとえ
ば収縮および拡大など）する。ピエゾ素子は通常、誘電
体でできているため、適当な方向に分極させた状態で電
位をかければ、変位方向を自由に設定および制御でき
る。本発明においては、金属薄膜パターン302、303はこ
の基板301上に形成してあるため、この金属薄膜パター
ン302、303を電極として利用してピエゾ素子からなる基
板301に電位を与えることで、頂点304、305の間隔L3を
制御することが可能になる。また三角形の金属薄膜パタ
ーン302、303は例えば金や銀からなるものとする。この
とき対向した三角形の金属薄膜パターン302、303の頂点
304、305は互いに近接するように配置する。ここで特に
金属薄膜パターン302、303の形状は、三角形のように先
端が先鋭化された形状であれば平面楕円体でもよい。こ
の場合、それぞれの三角形の金属薄膜パターン302、303
の頂点304、305の曲率半径は10nm以下、厚さは100nm以
下、頂点304、305の間隔L3は数10nm以下であればよい
が、高い空間分解能を得るためにはそれぞれ小さい方が
望ましい。また基板301に開けた孔306の直径は、発生す
る近接場光の直径よりも大きく、かつこの近接場光を照
射する試料からの反射光の波長よりも小さければよい。
本発明の場合、近接場光の直径は、三角形の金属薄膜パ
ターン302、303の頂点304、305の間隔L3と同程度であ
り、また光の波長は１ミクロン程度であるため、孔306
の直径は数10nm以上１ミクロン以下であればよい。また
入射光307は矢印の方向から入射させ、その偏光状態は
直線偏光とし、その偏光方向は頂点304、305を結ぶ方向
と一致させればよい。

【００２３】この構成では、光学レンズなどにより集光
された入射光307を矢印の方向から入射させると、金属
薄膜パターン302、303に当たる。このとき、光307は金
属薄膜パターン302、303により散乱され、その結果、金
属薄膜パターン302、303近傍には高い空間フーリエ周波
数成分をもった近接場光が発生する。いま、２枚の金属
薄膜パターン302、303の頂点304、305の間隔L3が、設計
値よりも1nm大きかったとすると、近接場光プローブか
ら得られる近接場光の強度は設計値よりも低下し、また
そのプローブ径も大きくなる。そこで本発明において
は、金属薄膜パターン302、303に適当な電位差を与え基
板301のピエゾ素子を変形させることで間隔L3を変化さ
せ、これにより当初設計値に修正することができる。こ
れによって、本発明における近接場光プローブを用いて
設計値通りの強度およびプローブ径を有する近接場光が
得られる。

【００２４】さらに、本発明では、温度変化等により頂
点304、305の間隔L3が変化した場合、微小移動機構を有
する基板301を用いてその間隔L3を校正することで、間
隔L3の値を常に一定値に保つことができる。

【００２５】さらに、本発明では、発生した近接場光の
強度もしくはプローブ径もしくはその両方をモニタし、
その値が常に一定値になるように頂点304、305の間隔L3
を微小移動機構を有する基板301により制御すること
で、常に一定の強度もしくはプローブ径もしくはその両
方を有する近接場光が得られる。

【００２６】さらに、本発明では、頂点304、305の間隔
L3を微小移動機構を有する基板301を用いて変化させる
ことで、本発明による近接場光プローブから発生する近
接場光の強度もしくはプローブ径もしくはその両方を利
用者が自由に変化させることが可能になる。

【００２７】さらに、本発明では、ピエゾ素子でできた
基板301を用いているので通常は遮光性がある。そのた
め、例えば近接場光プローブを試料に近づけた場合に発
生するバックグラウンド光を低減させることが可能とな
る。

【００２８】さらに、本発明では、上述したように、金
属薄膜パターン302、303として三角形もしくは平面楕円
体の金属薄膜とした。このとき、金属で形成されたパタ
ーンの寸法がナノメートルオーダーの場合、金属薄膜パ
ターン302、303の内部に局在プラズモンを励起すること
により、その金属薄膜パターン302、303近傍に発生する
近接場光強度を増大させてもよい。局在プラズモンが発
生するとその金属近傍には非常に強い光の場が発生す
る。局在プラズモンは特定の波長の光によって励起さ
れ、その共鳴波長は散乱体の金属の種類、形状、入射光
の偏光方向によって決まる。したがって上述したように
共鳴波長が励起光源の波長に近くなるようにこれらのパ
ラメータを設定することが望ましい。上述の計算結果か
ら、形状が平面楕円体の金属薄膜パターンの近傍には非
常に強い近接場光が発生することがわかる。三角形の頂
点の形状も近似的に長軸と短軸の長さの比が大きい楕円
体と近似できるので、その形状および材質を最適化する
ことにより、平面楕円体の場合と同程度の近接場光強度
の増強効果が期待できる。

【００２９】さらに、本発明では、２枚の金属薄膜パタ
ーン302、303について述べたが、他の枚数の組み合せで
あっても同様の効果が期待できる。

【００３０】さらに、本発明では、微小移動機能を有す
る基板301としてピエゾ素子を用いた場合について述べ
たが、マイクロマシンを内蔵した基板を用いても同様の
効果が期待できる。

【００３１】図４は本発明による近接場光プローブの実
施例の第三の基本構成を示す図である。本構成は微小移
動機能を有する基板401、およびこの基板401上に形成さ
れた４枚の直行した三角形の金属薄膜パターン402、40
3、404、405からなる。ここで微小移動機能を有する基
板401は圧電素子（ピエゾ素子）からなり、中心に孔410
を開けておく。ピエゾ素子には電界が加わると圧電効果
と呼ばれる機械的なひずみが生じ、その結果、素子の形
状が変化（収縮もしくは拡大など）する。ピエゾ素子は
通常、誘電体でできているため、適当な方向に分極させ
た上で電位をかければ、変位方向を自由に制御できる。
本発明においては、金属薄膜パターン402、403、404、4
05はこの基板401上に形成してあるため、この金属薄膜
パターン402、403、404、405を電極として利用してピエ
ゾ素子からなる基板401に電位を与えることで、頂点40
6、407の間隔もしくは頂点408、409の間隔もしくはその
両方を制御することが可能になる。また三角形の金属薄
膜パターン402、403、404、405は例えば金や銀からなる
ものとする。このとき対向した三角形の金属薄膜パター
ン402、403の頂点406、407および金属薄膜パターン40
4、405の頂点408、409はそれぞれ互いに近接するように
配置する。このとき特に金属薄膜パターン402、403、40
4、405の形状は、三角形のように先端が先鋭化された形
状であれば平面楕円体でもよい。この場合、それぞれの
三角形の金属薄膜パターン402、403、404、405の頂点40
6、407、408、409の曲率半径は10nm以下、厚さは100nm
以下、頂点406、407の間隔および頂点408、409の間隔は
それぞれ数10nm以下であればよいが、高い空間分解能を
得るためにはそれぞれ小さい方が望ましい。また基板40
1に開けた孔410の直径は、発生する近接場光の直径より
も大きく、かつこの近接場光を照射する試料からの反射
光の波長よりも小さければよい。本発明の場合、近接場
光の直径は、頂点406、407の間隔および頂点408、409の
間隔と同程度であり、また光の波長は１ミクロン程度で
あるため、孔410の直径は数10nm以上１ミクロン以下で
あればよい。また入射光411は矢印の方向から入射さ
せ、その偏光状態は円偏光とすればよい。

【００３２】この構成では、光学レンズなどにより集光
された入射光411は、金属薄膜パターン402、403、404、
405に当たる。このとき、光411は金属薄膜パターン40
2、403、404、405により散乱され、その結果、金属薄膜
パターン402、403、404、405近傍には高い空間フーリエ
周波数成分をもった近接場光が発生する。いま、２枚の
金属薄膜パターン402、403の頂点406、407の間隔が、設
計値よりも1nm大きかったとすると、近接場光プローブ
から得られる近接場光の強度は設計値よりも低下し、ま
たそのプローブ径も大きくなる。そこでこの場合には金
属薄膜パターン402、403に適当な電位差を与え基板401
のピエゾ素子を変形させることで頂点406、407の間隔を
変化させ、これにより当初設計値に修正することができ
る。これによって、本発明における近接場光プローブか
らは設計値通りの強度およびプローブ径を有する近接場
光が得られる。

【００３３】さらに、本発明では、温度変化等により頂
点406、407の間隔または頂点408、409の間隔が変化した
場合、微小移動機構を有する基板401により校正するこ
とで、それぞれの間隔を常に一定値に保つことができ
る。

【００３４】さらに、本発明では、発生した近接場光の
強度もしくはプローブ径もしくはその両方をモニタし、
その値が常に一定値になるように頂点406、407の間隔お
よび頂点408、409の間隔を微小移動機構を有する基板40
1により制御することで、常に一定の強度もしくはプロ
ーブ径もしくはその両方を有する近接場光が得られる。

【００３５】さらに、本発明では、頂点406、407の間隔
および頂点408、409の間隔を微小移動機構を有する基板
401を用いて変化させることで、本発明による近接場光
プローブから発生する近接場光の強度もしくはプローブ
径もしくはその両方を利用者が自由に変化させることが
可能になる。

【００３６】さらに、本発明では、ピエゾ素子でできた
基板401を用いているので通常は遮光性がある。そのた
め、例えば近接場光プローブを試料に近づけた場合に発
生するバックグラウンド光を低減させることが可能とな
る。

【００３７】さらに、本発明では、４枚の金属薄膜パタ
ーン402、403、404、405について述べたが、検出対象で
ある試料に応じてこの４枚の金属薄膜パターン402、40
3、404、405のうち１から３枚を引き離すことによっ
て、試料に最も適した金属薄膜パターンを選んで用いる
ことが可能となる。この場合、試料に応じて枚数を変化
させてもよいし、また４枚の金属薄膜パターン402、40
3、404、405についてそれぞれの頂点406、407、408、40
9の形状が異なるものを用意し、試料に応じて適当に選
択してもよいし、さらに、これら４枚の金属薄膜パター
ン402、403、404、405についてその材質が異なるものを
用意し、試料に応じて適当に選択して利用してもよい
し、さらに、これら４枚の金属薄膜パターン402、403、
404、405についてそれぞれの頂点の形状が異なるものを
用意し、試料に応じて適当に選択して利用してもよい。

【００３８】さらに、本発明では、４枚の金属薄膜パタ
ーン402、403、404、405について述べたが、このうち対
向した２枚を１組と考える。いまその２組のうちの例え
ば金属薄膜パターン402、403からなる１組についてその
頂点406、407から発生する近接場光を使い、もう１組は
微小移動機構を用いて互いに引き離しておくことで、破
損等に対応できる予備プローブとして用いることが可能
となる。

【００３９】さらに、本発明では、上述したように、金
属薄膜パターン402、403、404、405として三角形もしく
は平面楕円体の金属薄膜とした。このとき、金属で形成
されたパターンの寸法がナノメートルオーダーの場合、
金属薄膜パターン402、403、404、405の内部に局在プラ
ズモンを励起することにより、その金属薄膜パターン40
2、403、404、405近傍に発生する近接場光強度を増大さ
せてもよい。局在プラズモンが発生するとその金属近傍
には非常に強い光の場が発生する。局在プラズモンは特
定の波長の光によって励起され、その共鳴波長は散乱体
の金属の種類、形状、入射光の偏光方向によって決ま
る。したがって上述したように共鳴波長が励起光源の波
長に近くなるようにこれらのパラメータを設定すること
が望ましい。上述の計算結果から、形状が平面楕円体の
金属薄膜パターンの近傍には非常に強い近接場光が発生
することがわかる。三角形の頂点の形状も近似的に長軸
と短軸の長さの比が大きい楕円体と近似できるので、そ
の形状および材質を最適化することにより、平面楕円体
の場合と同程度の近接場光強度の増強効果が期待でき
る。

【００４０】さらに、本発明では、４枚の金属薄膜パタ
ーン402、403、404、405について述べたが、他の枚数の
組み合せであっても同様の効果が期待できる。

【００４１】さらに、本発明では、微小移動機能を有す
る基板401としてピエゾ素子を用いた場合について述べ
たが、マイクロマシンを内蔵した基板を用いても同様の
効果が期待できる。

【００４２】図５は本発明による近接場光プローブの実
施例の第四の基本構成を示す図であり、上図が上面図、
下図が断面図である。本構成は微小移動機能を有する基
板501、およびこの基板501上に形成された２枚の対向し
た三角形の金属薄膜パターン502、503、およびこの基板
501と金属薄膜パターン502、503を結ぶ微小移動機能を
内蔵した支柱504、505からなる。ここで微小移動機能を
有する基板501は例えば圧電素子（ピエゾ素子）からな
り、中心に孔506を開けておく。ピエゾ素子は電界が加
わると圧電効果と呼ばれる機械的なひずみが生じ、その
結果、素子の形状が収縮もしくは拡大する。ピエゾ素子
は通常、誘電体でできているため、適当な方向に分極さ
せた上で電位をかければ、変位方向を自由に制御でき
る。本発明においては、金属薄膜パターン502、503はこ
の基板501上に形成してあり、さらに支柱504、505に導
電性を持たせることで、この金属薄膜パターン502、503
を電極として利用してピエゾ素子からなる基板501に電
位を与えることが可能になる。これによって、頂点50
7、508の間隔を制御することが可能になる。さらに支柱
504、505に微小移動機能を内蔵することにより、金属薄
膜パターン502、503を回転させたり、その位置を変化さ
せることが可能になる。また三角形の金属薄膜パターン
502、503は例えば金や銀からなるものとする。このとき
対向した三角形の金属薄膜パターン502、503の頂点50
7、508はそれぞれ互いに近接するように配置する。この
とき特に金属薄膜パターン502、503の形状は、三角形の
ように先端が先鋭化された形状であれば平面楕円体でも
よい。この場合、それぞれの三角形の金属薄膜パターン
502、503の頂点507、508、509、510、511、512の曲率半
径は10nm以下、厚さは100nm以下、向き合った頂点（こ
の図５では頂点507、508）の間隔はそれぞれ数10nm以下
であればよいが、高い空間分解能を得るためにはそれぞ
れ小さい方が望ましい。さらに本発明においては、金属
薄膜パターン502、503のそれぞれの頂点507、508、50
9、510、511、512の形状を頂点毎に変化させておけば、
上記支柱504、505を用いて金属薄膜パターン502、503を
それぞれ回転させることで、任意の頂点の組合せを選ぶ
ことが可能となる。また基板501に開けた孔506の直径
は、発生する近接場光の直径よりも大きく、かつこの近
接場光を照射する試料からの反射光の波長よりも小さけ
ればよい。本発明の場合、近接場光の直径は、向き合っ
た頂点（この図５では頂点507、508）の間隔と同程度で
あり、また光の波長は１ミクロン程度であるため、孔50
6の直径は数10nm以上１ミクロン以下であればよい。ま
た入射光は上面図において紙面手間の方向から入射さ
せ、その偏光状態は直線偏光とし、その偏光方向は向き
合った頂点（この図５においては頂点507、508）を結ぶ
方向とすればよい。

【００４３】この構成では、光学レンズなどにより集光
された入射光を上面図において紙面手間の方向から入射
させると、金属薄膜パターン502、503に当たる。このと
き、光は金属薄膜パターン502、503により散乱され、そ
の結果、金属薄膜パターン502、503近傍には高い空間フ
ーリエ周波数成分をもった近接場光が発生する。いま、
２枚の金属薄膜パターン502、503の向き合った頂点（こ
の図５では頂点507、508）の間隔が、設計値よりも1nm
大きかったとすると、近接場光プローブから得られる近
接場光の強度は設計値よりも低下し、またそのプローブ
径も大きくなる。そこでこの場合には金属薄膜パターン
502、503に適当な電位差を与え基板501のピエゾ素子を
変形させることで向き合った頂点（この図５では頂点50
7、508）の間隔を変化させ、これにより当初設計値に修
正することができる。これによって、本発明における近
接場光プローブからは設計値通りの強度およびプローブ
径を有する近接場光が得られる。

【００４４】さらに、本発明では、２枚の金属薄膜パタ
ーン502、503のうち頂点507、508について述べたが、支
柱504、505を用いて金属薄膜パターン502、503を矢印51
3、514のように回転させることで、検出対象である試料
に応じてこの２枚の金属薄膜パターン502、503の頂点50
7、509、510および頂点508、511、512のうち試料に最も
適した頂点の組合せを選んで用いてもよい。また、試料
に応じて基板501自身を矢印515のように回転させること
で、試料に対して最も適した方位を選んで用いてもよ
い。

【００４５】さらに、本発明では、温度変化等により向
き合った頂点（この図５では頂点507、508）の間隔が変
化した場合、微小移動機構を有する基板501により校正
することで、その間隔を常に一定値に保つことができ
る。

【００４６】さらに、本発明では、発生した近接場光の
強度もしくはプローブ径もしくはその両方をモニタし、
その値が常に一定値になるように向き合った頂点（この
図５では頂点507、508）の間隔を微小移動機構を有する
基板501により制御することで、常に一定の強度もしく
はプローブ径もしくはその両方を有する近接場光が得ら
れる。

【００４７】さらに、本発明では、向き合った頂点（こ
の図５では頂点507、508）の間隔を微小移動機構を有す
る基板501を用いて変化させることで、本発明による近
接場光プローブから発生する近接場光の強度もしくはプ
ローブ径もしくはその両方を利用者が自由に変化させる
ことが可能になる。

【００４８】さらに、本発明では、ピエゾ素子でできた
基板501を用いているので通常は遮光性がある。そのた
め、例えば近接場光プローブを試料に近づけた場合に発
生するバックグラウンド光を低減させることが可能とな
る。

【００４９】さらに、本発明では、２枚の金属薄膜パタ
ーン502、503の頂点507、508を接近させて用いる場合に
ついて主に述べたが、他の頂点509、510、511、512につ
いては頂点507、508の破損等の場合に対応できる予備頂
点として用いてもよい。

【００５０】さらに、本発明では、上述したように、金
属薄膜パターン502、503として三角形もしくは平面楕円
体の金属薄膜とした。このとき、金属で形成されたパタ
ーンの寸法がナノメートルオーダーの場合、金属薄膜パ
ターン502、503の内部に局在プラズモンを励起すること
により、その金属薄膜パターン502、503近傍に発生する
近接場光強度を増大させてもよい。局在プラズモンが発
生するとその金属近傍には非常に強い光の場が発生す
る。局在プラズモンは特定の波長の光によって励起さ
れ、その共鳴波長は散乱体の金属の種類、形状、入射光
の偏光方向によって決まる。したがって上述したように
共鳴波長が励起光源の波長に近くなるようにこれらのパ
ラメータを設定することが望ましい。上述の計算結果か
ら、形状が平面楕円体の金属薄膜パターンの近傍には非
常に強い近接場光が発生することがわかる。三角形の頂
点の形状も近似的に長軸と短軸の長さの比が大きい楕円
体と近似できるので、その形状および材質を最適化する
ことにより、平面楕円体の場合と同程度の近接場光強度
の増強効果が期待できる。

【００５１】さらに、本発明では、２枚の金属薄膜パタ
ーン502、503について述べたが、他の枚数の組み合せで
あっても同様の効果が期待できる。

【００５２】さらに、本発明では、３つの頂点を持つ三
角形の金属薄膜パターン502、503について述べたが、例
えば星型や歯車型といったような複数の頂点を有する金
属薄膜パターンであってもよく、この場合も同様の効果
が期待できる。

【００５３】さらに、本発明では、微小移動機能を有す
る基板501としてピエゾ素子を用いた場合について述べ
たが、マイクロマシンを内蔵した基板を用いても同様の
効果が期待できる。

【００５４】図６は本発明による近接場光プローブを用
いた光記録再生装置への応用例を示す図である。本構成
は図６（ａ）において光ヘッド601、およびこの光ヘッ
ドにより記録再生を行うディスク602よりなる。ここ
で、この光ヘッド601は、キャリッジアクチュエーター6
03によってディスク601の半径方向に移動させることが
可能である。さらにこの光ヘッド601は、図６（ｂ）に
示したように、対物レンズ604、近接場光プローブ605、
アクチュエーター606、アクチュエーター607、サスペン
ション608からなる。

【００５５】この構成では、光ヘッド601をディスク602
に近づけ、円偏光の光609を矢印の方向から入射させ、
記録再生を行う。このときキャリッジアクチュエーター
603を用いて回転するディスクの半径方向に動かすこと
で、ディスク602上の任意の位置において光記録および
再生が可能となる。このとき光ヘッド601内において
は、対物レンズ604の位置はアクチュエーター607を用い
て調整され、また、トラッキングのための近接場光プロ
ーブの位置の微調整には、アクチュエーター606を用い
る。さらに近接場光プローブ605はサスペンション608に
よってディスク602に適切な力で押し付けられる。な
お、全体の制御および光信号の記録再生はコンピュータ
を用いて行うことにより自動化が可能になる。

【００５６】

【発明の効果】本発明の近接場光プローブは、対向した
三角形の金属薄膜パターンの頂点の間隔を、実際に使用
する前に微小移動機構を用いて校正することにより、利
用者が所望する強度とプローブ径の近接場光を得ること
が可能になる効果がある。さらに、対向した三角形の金
属薄膜パターンの頂点の間隔が温度変化等により変化し
たとしても、微小移動機構によってその間隔をもとにも
どしてやることで、常に一定の強度とプローブ径の近接
場光を得ることが可能になる効果がある。さらに、本発
明による近接場光プローブを利用中に、対向した三角形
の金属薄膜パターンの頂点の間隔を微小移動機構によっ
て変化させてやることで、近接場光の強度とプローブ径
を利用者が所望する値に変化させることが可能になる効
果がある。さらに、本発明による近接場光プローブにお
いて、複数の金属薄膜パターンのうち適当なものもしく
は複数あるうちの適当な頂点を選択して用いることで、
試料に応じて最適の性能を選択できる効果、および選択
しなかった金属薄膜パターンまたは頂点を使用中のもの
の破損等に対処できる予備として利用できる効果があ
る。さらに、本発明による近接場光プローブでは、遮光
性基板を用いた場合、近接場光プローブを試料に近づけ
たときに試料から発生するバックグラウンド光を低減さ
せることが可能となる効果がある。これらの効果の学術
分野への応用、さらにはその工業的価値は非常に高いも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の近接場光プローブの基本構成を表す図。

【図２】本発明の近接場光プローブを説明する図。

【図３】本発明の第一の基本構成を表す図。

【図４】本発明の第二の基本構成を表す図。

【図５】本発明の第三の基本構成を表す図。

【図６】本発明の光記録再生装置への応用例を表す図。

【符号の説明】

101…基板、102…金属薄膜パターン、103…金属薄膜パ
ターン、104…頂点、105…頂点、106…入射光、201…基
板、202…基板、203…金属薄膜パターン、204…金属薄
膜パターン、205…頂点、206…頂点、207…入射光、208
…微小移動機構、209…微小移動機構、210…偏光方向、
301…基板、302…金属薄膜パターン、303…金属薄膜パ
ターン、304…頂点、305…頂点、306…孔、307…入射
光、401…基板、402…金属薄膜パターン、403…金属薄
膜パターン、404…金属薄膜パターン、405…金属薄膜パ
ターン、406…頂点、407…頂点、408…頂点、409…頂
点、410…孔、411…入射光、501…基板、502…金属薄膜
パターン、503…金属薄膜パターン、504…支柱、505…
支柱、506…孔、507…頂点、508…頂点、509…頂点、51
0…頂点、511…頂点、512…頂点、513…回転方向、514
…回転方向、515…回転方向、601…光ヘッド、602…デ
ィスク、603…キャリッジアクチュエーター、604…対物
レンズ、605…近接場光プローブ、606…アクチュエータ
ー、607…アクチュエーター、608…サスペンション、60
9…入射光。

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｇ１２Ｂ 21/06 Ｇ１２Ｂ 1/00 ６０１Ｃ Ｆターム(参考） 5D118 AA13 AA20 BA01 BF02 BF03 CD15 5D119 AA12 BA01 BB03 DA01 DA05 EB02 HA12 HA16 HA17

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】厚さが光の波長以下である平面楕円体の形
   状をした金属の散乱体を、微小移動機構を有する基板上
   に形成したことを特徴とする近接場光プローブ。
2. 【請求項２】厚さが光の波長以下である三角形の形状を
   した金属の散乱体を、微小移動機構を有する基板上に形
   成したことを特徴とする近接場光プローブ。
3. 【請求項３】２枚以上の平面楕円体もしくは三角形の金
   属散乱体を、微小移動機構を有する基板上に形成し、こ
   れらの金属散乱体の相対位置を変化させることを特徴と
   する近接場光プローブ。
4. 【請求項４】請求項１および請求項２および請求項３に
   おいて、微小移動機構として圧電素子（ピエゾ素子）を
   用いたことを特徴とする近接場光プローブ。
5. 【請求項５】請求項１および請求項２および請求項３に
   おいて、微小移動機構としてマイクロマシンを用いたこ
   とを特徴とする近接場光プローブ。
6. 【請求項６】請求項１および請求項２および請求項３に
   おいて、金属散乱体を微小移動機構の駆動電源の供給用
   電極として利用することを特徴とする近接場光プロー
   ブ。
7. 【請求項７】請求項１から請求項６において、発生した
   近接場光の強度もしくはプローブ径もしくはその両方を
   モニタしながら金属散乱体の相対位置を変化させること
   を特徴とする近接場光プローブ。
8. 【請求項８】２枚以上の金属散乱体を微小移動機構を有
   する基板上に成膜し、これらの金属散乱体の相対位置を
   変化させることで、試料に最も適した金属散乱体を選ん
   で用いることを特徴とする近接場光プローブ。
9. 【請求項９】請求項１から請求項８記載の近接場光プロ
   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】請求項１から請求項８記載の近接場光プ
    ローブを用いたことを特徴とする光記録再生装置。