JP2005207957A - プローブ開口作製装置、プローブ開口作製方法およびプローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 微小開口を前記プローブ先端部に形成することが可能なプローブ開口作製装置を提供する。
【解決手段】 先端が先鋭化された光導波路と前記光導波路を覆っている遮光性被膜層とを有するプローブ１３の先端部を、圧力印加部材と接触させることにより、前記プローブ先端部の前記遮光性被膜層を塑性変形させ開口を形成するプローブ開口作製装置において、前記圧力印加部材が、基板１４と前記基板上に配置された微小粒子１５で構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＮＯＭ）による、ナノオーダの計測・加工技術に関する。

近年、ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）、ＡＦＭ（走査型原子間力顕微鏡）をはじめとするＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）技術により、ナノオーダの計測・加工が行われている。このＳＰＭの中にあって、回折限界以下の微小領域での光学的特性を検出することが可能なＳＮＯＭ（走査型近接場光学顕微鏡）は、バイオテクノロジーなど様々な分野での測定・評価装置として用いられている。
ＳＮＯＭでは、回折限界以下の寸法の微細構造体をプローブとして用い、プローブ先端部を照明することでその近傍に近接場光を発生させる。この状態でプローブを試料面上で走査させることにより、プローブ近傍に局在している近接場光と試料面との電磁気的な相互作用により散乱、あるいは試料面を透過した近接場光を検出することで、試料面の光学的情報を得ることができる。また、上記のＳＮＯＭ技術を応用した、光記録装置や微細加工装置の研究開発も進められている。
ＳＮＯＭにおいては、近接場光発生・検出用のプローブの形態によって開口型、散乱型の２つに大別できる。各々の代表例として、前者には、光ファイバの端部を先鋭化した後に遮光膜で覆い、一部ファイバコアを露出させることにより形成した微小開口（例えば、D.W.Pohl,W.Denk,M.Lanz,Appl.Phys.Lett.40,651(1984)）を用いたもの、後者には、先鋭化した金属探針によるもの（例えば、S.Kawata,Y.Inoue,Opt.Lett.19,159(1994)）などが有る。
前述した開口型に該当するＳＮＯＭにおいては、光導波路部が遮光膜から露出している部分の外径（開口径）が検出光の横分解能に大きく影響する。このため、高分解能化には開口径を可能な限り小さく形成することが望ましい。
従来から行われている開口形成方法としては、イオンビームを用いてのエッチングによる方法や、近接場光学顕微鏡に開口作製対象となるプローブを搭載し、試料配置部に配置した基板に対して前記プローブの先端部を押付けることにより開口を作製する方法がある。
前者のイオンビームによるエッチングの場合、任意の開口径を形成しやすいが、開口作製対象となるプローブを真空環境に投入しなくてはならないなど、処理が煩雑である上に長時間を要する。
後者のプローブの先端部を基板に押付ける方法においては、従来のＳＮＯＭに開口作製のための手段を付加することで開口作製装置を構成でき、作業が簡便である上、短時間で行うことが可能である。よって、ＳＮＯＭにプローブを搭載し開口作製の後、プローブをＳＮＯＭから外すことなくそのままＳＮＯＭ観察を行うことができる。
このため、プローブ準備からＳＮＯＭ観察まで含めた一連の作業の効率化が図れる。また、前記基板と、ＳＮＯＭ観察試料の平行出しがなされていれば、試料面に対し平行な開口面を形成することができ、観察結果の再現性向上につながる利点も有する。
前述の、プローブの先端部を基板に押付けることにより開口を形成する手段を有する装置の例として、特許文献１に記載されている構成・動作の概要について以下で説明する。

図４は上記した従来のプローブ開口作製装置の構成図である。光源１０１から発振された光はビームスプリッタ１０２を透過してファイバプローブ１０３に入射する。前記ファイバプローブ１０３は、石英コアに先鋭化処理が施されたうえ金属遮光膜で覆われているものであり、この時点では無開口とする。前記金属遮光膜を構成するのは、金、銀、アルミ、クロム、チタン、等である。
先のファイバプローブ１０３に入射した光は、プローブ先端の内部で反射し戻り光となりビームスプリッタ１０２側に進み、ビームスプリッタ１０２で反射することで分光器１０５を経て検出器１０６に入射する。検出された入射光量に基づいた信号は計算機１０７に送られる。計算機１０７には記憶手段１０８、演算手段１０９が含まれており、前記入射光量値を記憶することが可能である。
開口作製の際はまず、上記の光検出系によりプローブ１０３からの戻り光を随時検出しながら、ステージ１１１をファイバプローブ１０３の光軸方向に駆動（駆動信号は計算機１０７より発信されドライバ１１０を介してステージ１１１に送られる）することにより、ファイバプローブ１０３の先端部と基板１０４を接触させる。
接触した後、更にステージ１１１を駆動し基板１０４をファイバプローブ１０３に徐々に押付けていくと、ファイバプローブ１０３の先端部を覆っている金属遮光膜は、基板１０４と石英コア（前記金属遮光膜と比較して高硬度である）の間で圧縮されながらファイバプローブ１０３の根元側に押し退けられ、ファイバプローブ１０３先端部に石英コアが露出することにより、開口が形成される。
上記開口の外径と、検出器１０６で検出される入射光量値には互いに一意に対応する値がある。このため、予め開口径に応じた検出器１０６への入射光量値情報を取得して、記憶手段１０８に記憶しておき、開口作製処理を遂行する際の検出器１０６への入射光量値と比較することで、随時、開口径情報を得ることが可能となる。検出器１０６への入射光量値を、前記予め取得した入射光量値情報と照合し、所望の開口径に対応した入射光量値になったときにステージ１１１の駆動を停止することで、ファイバプローブ１０３の開口形成が完了する。
上記の手順により作製されるプローブ１０３の先端部は、基板１０４の表面形状が反映される。基板１０４が平坦であるならば、プローブ先端部は図５に示すように平坦な面になる（図５において、符号１は光導波路部、２は金属遮光膜である）。

また、特許文献２は、光ファイバプローブおよびＳＮＯＭ用カンチレバーの開口作製方法についての提案であり、プローブの先端部を基板に押付けることにより開口形成する際に発生する、シアフォース、原子間力、トンネル電流、試料面上に発生しているエバネッセント光のうちのいずれかの信号と、形成される開口径との対応値を予め実験により取得し、参照値とすることで、押し付け力の微調整が可能となり、所望の開口径を得ることができる、との記載がなされている。
また、特許文献３は、光ファイバプローブの開口作製方法についての提案であり、プローブの根元側から光を入射し、プローブ先端部で発生した近接場光が試料を透過し、プローブに対し試料の裏面側に配置された検出器による検出光量を開口径に基づいた信号として利用する技術が示されている。特許文献２記載の技術と同様、開口径と検出光量値との対応情報を予め実験により取得した上で参照値として用いている。
特開２００３−６５９３４公報 特開２００１−２０８６７１公報 特開２００２−５５０４１公報

先に挙げた３つの公開公報には、いずれも、プローブ先端に押圧を加える媒体の詳細については明記されていない。実施例に記載された構成・動作についても、平坦基板の使用を前提とした記述がなされている。
上述したように、平坦な基板を押付けに使用した場合は、プローブ先端部は図５のように平坦となる。光導波路部１における先端部曲率半径以下の外径を持つ開口を形成したい場合には、押し付け量の制御を精密に行う必要が生じる。フィードバック信号としている検出光量値にはばらつきを含むため、前述の精密な制御はできない可能性がある。このため、光導波路部１の先端部曲率半径以下の開口径を実現するのは難しく。ＳＮＯＭの高分解能化における障害となる。
本発明は、微小開口を前記プローブ先端部に形成することが可能なプローブ開口作製装置およびプローブ開口作製方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、先端が先鋭化された光導波路と前記光導波路を覆っている遮光性被膜層とを有するプローブの先端部を、圧力印加部材と接触させることにより、前記プローブ先端部の前記遮光性被膜層を塑性変形させ開口を形成するプローブ開口作製装置において、前記圧力印加部材が、基板と前記基板上に配置された微小粒子で構成されているプローブ開口作製装置を最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明は、先端が先鋭化された光導波路と前記光導波路を覆っている遮光性被膜層とを有するプローブの先端部を、圧力印加部材と接触させることにより、前記プローブ先端部の前記遮光性被膜層を塑性変形させ開口を形成するプローブ開口作製方法において、前記圧力印加部材としての基板と前記基板上に配置された微小粒子を、前記プローブの先端部に押付けることにより開口を作製するプローブ開口作製方法を最も主要な特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記微小粒子が、球形であることを特徴とする請求項１のプローブ開口作製装置を主要な特徴とする。
請求項４記載の発明は、光源から出射された光を伝搬させる光導波路と、前記光導波路を覆っている遮光性被膜層と、前記遮光性被膜層中に嵌入された光透過性を有する微小粒子とを備えているプローブを最も主要な特徴とする。

本発明では、基板上に配置した微小粒子をプローブ先端部の遮光性被膜層に嵌め込むことで、微小粒子の寸法、形状を反映することにより、微小開口を前記プローブ先端部に形成することが可能なプローブ開口作製装置およびプローブ開口作製方法を提供することができる。
また、微小粒子として形状異方性の無い球形のものを用いることにより、形成されるプローブ開口形状、開口径のばらつきを低減することが可能なプローブ開口作製装置を提供することができる。
また、プローブ先端部の遮光性被膜層に嵌入された微小粒子の、寸法、形状を反映した微小開口を備えていることにより、高分解能な近接場光観測を可能とするプローブを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るプローブ開口作製装置の構成図、図２は図１に示すプローブ開口作製装置によるファイバプローブを対象とした開口作製過程のフローチャートである。
先ず、開口作製用の基板１４と粒子１５をファイバプローブ１３の直下（Ｚ軸負方向を「下」とする）に用意する。粒子１５は基板１４の上に散布されている（Ｓ１）。粒子１５は例えばシリカなどの誘電体であり、直径は数ｎｍ〜数百ｎｍのものである。散布には、液中に分散した状態のものを用いる。基板１４は、ガラス板である。
前記ファイバプローブ１３は、例えば、石英コアからなる光導波路に化学エッチングおよび熱溶融延伸などにより先鋭化処理が施されたうえ金属遮光膜（遮光性被膜層）で覆われているものである。前記金属遮光膜を構成するのは、例えば金、銀、アルミ、クロム、チタン、等であり、スパッタ、蒸着処理により成膜できる。
次に、粒子１５が散布された基板１４の形状像を取得する（Ｓ２）。励振用アクチュエータ１６（駆動は発振器１７、ドライバ１８からの信号によりなされる）により、ファイバプローブ１３の先端部を振幅数ｎｍ以下で基板１４に平行な方向に励振した状態で、ＸＹＺ軸ステージ２４（計算機２０からの駆動指令がドライバ２３を介してステージ２４を駆動する）により基板をＺ軸正方向に移動させ、ファイバプローブ１３の先端との距離が数十ｎｍになると、ファイバプローブ１３先端部は基板１４表面からシアフォースを受け、振動が減衰する。
この減衰量とファイバプローブ１３−基板１４表面との間の距離には相関があることを利用し、振動減衰量を一定に保つことにより、前記距離を一定値で保持できる。このことを利用し、前記距離を保持しつつ、基板１４をＸＹＺステージ２４によりＸＹ平面上でファイバプローブ１３に対し相対的にスキャンする。スキャン領域は例えば□２０μｍである。スキャン時のＸＹＺステージ２４の駆動量から、基板１４表面の形状像を取得し、計算機２０内の記憶手段２１に記憶しておく。基板１４と粒子１５は、圧力印加部材を構成している。
前記手順により得られた形状像から、基板１４上に分布している粒子１５の位置を検出できる。基板１４上に沈降している粒子の多くは複数個の集合体となって検出されるが、それ以外の、単一で存在する粒子を検索する。ここでいう単一とは、当該粒子を中心として、その周囲半径数百ｎｍ程度の領域に、他粒子が存在していない状態である。前記形状像情報から単一粒子が検出されない場合には、（Ｓ３でＮ）前記スキャン領域をシフトし、他の領域の形状像を取得し、再び単一粒子検索を行う。単一粒子の存在を確認できるまで上記手順を繰り返す。
単一粒子を確認でき次第、開口形成（押し付け）処理に移行する。先ず、前記単一粒子の頂点位置から数十ｎｍ程度、上（Ｚ軸正方向）の位置にファイバプローブ１３先端部を配置する（ステージ２４を駆動し、基板１４を移動させる）。

次にステージ２４をＺ軸正方向に駆動し、徐々にファイバプローブ１３−基板（粒子）間距離を縮小していく。ここでのステージ２４の速さは１〜１０ｎｍ／ｓ程度である。前記距離の縮小により、ファイバプローブ１３の先端部が、単一粒子１５の頂点に接触する（Ｓ４）。
更にステージ２４を駆動していくと、ファイバプローブ１３先端部の金属遮光膜中が、単一粒子１５によって圧縮されるとともに、単一粒子１５が前記金属遮光膜中に入り込んでいき、ファイバプローブ１３の石英コア先端部に接触する（Ｓ５）。このことにより粒子１５を開口端面とした開口が形成される。
先に述べた一連の開口形成処理において、粒子１５がファイバプローブ１３の石英コア先端部に接触した時点でステージ２４の駆動を停止するために、粒子１５と石英コア先端部の接触を検知する必要があるが、この検出には、開口から出射される検出光量情報を利用する。前記検出光量を取得する手順を以下に示す。
光源１１から発振されている光はコリメートレンズ、集光レンズ系１２ａによりファイバプローブ１３の根元に入射する。上述のように、ステージ２４をＺ軸正方向に駆動していき、駆動粒子１５と石英コア先端部間距離が数十ｎｍ程度になると、徐々に前記入射光がファイバプローブ１３の石英コアから粒子１５に伝わり、粒子１５中を経てファイバプローブ１３の外に漏れ出す。
この漏れ出した光を、ファイバプローブ１３に対し基板を隔てた位置に対向配置されている対物レンズ、集光レンズ系１２ｂを介して検出器１９で受光し、受光量の情報は計算機２０に送られる（図１は、基板１４の透過光を検出する光学系を用いた例であるが、従来技術例で示した図４のような、基板からの反射光を検出する光学系でも代替できる）。
ここで、計算機２０の記憶手段２１に、予め実験により取得した駆動粒子１５と石英コア先端部間距離に応じた検出光量情報を格納しておき、前記受光量情報と照合することで、単一粒子１５とファイバプローブ１３の石英コア先端部の接触を検知できる。接触を検出した（Ｓ６でＹ）と同時に前記ステージ２４の駆動を停止することにより、粒子１５を開口端面とした開口が形成される。

前述のプローブ開口作製装置、プローブ開口作製方法により作製されたファイバプローブ１３先端部の断面を図３に示す。ここで符号１は石英コア（光導波路）、２は金属遮光膜（遮光性被膜層）、１５は単一粒子（球形）、４は開口である。
粒子１５をプローブ先端部に押し付けることによって形成される開口４は、その粒子の形状、寸法を反映したものになる。特に、外径が数十ｎｍ程度の微小開口を形成する場合、従来の手法（基板にプローブを押し付ける手法）では困難を伴う。光導波路部の先端部曲率半径が大きい程、難度が増大する。
それに対し、本プローブ作製装置、方法においては、望みの開口と同サイズの粒子を用意することにより、光導波路部の先端部曲率半径に関わらず、上記の簡便な手順で所望の開口径を持つ開口形成が可能となる。
また、光透過性を有した前記微小粒子が球形であることにより、粒子をプローブ先端部に押し付ける工程における、押し付け中の粒子の姿勢変化に起因する開口形状、開口径のばらつきを回避できる。また、準備工程としてプローブに対して粒子のアライメント調整を行う際にも、プローブに対する粒子の相対的な姿勢を考慮する必要が無いため、作業が容易になる。
上述のように、本装置、方法により微小開口プローブが容易に形成できる。また、このような微小開口を有するプローブをＳＮＯＭに適用することにより、高分解能な近接場光像を得ることが可能になる。

本発明の実施の形態に係るプローブ開口作製装置の構成図である。 図１に示すプローブ開口作製装置によるファイバプローブを対象とした開口作製過程のフローチャートである。 本発明のファイバプローブ先端部の断面図である。 従来例に係るプローブ開口作製装置の構成図である。 従来例に係るファイバプローブ先端部の断面図である。

符号の説明

１３ ファイバプローブ
１４ 基板
１５ 粒子

Claims (4)

1. 先端が先鋭化された光導波路と前記光導波路を覆っている遮光性被膜層とを有するプローブの先端部を、圧力印加部材と接触させることにより、前記プローブ先端部の前記遮光性被膜層を塑性変形させ開口を形成するプローブ開口作製装置において、前記圧力印加部材が、基板と前記基板上に配置された微小粒子で構成されていることを特徴とするプローブ開口作製装置。
2. 先端が先鋭化された光導波路と前記光導波路を覆っている遮光性被膜層とを有するプローブの先端部を、圧力印加部材と接触させることにより、前記プローブ先端部の前記遮光性被膜層を塑性変形させ開口を形成するプローブ開口作製方法において、前記圧力印加部材としての基板と前記基板上に配置された微小粒子を、前記プローブの先端部に押付けることにより開口を作製することを特徴とするプローブ開口作製方法。
3. 前記微小粒子が、球形であることを特徴とする請求項１のプローブ開口作製装置。
4. 光源から出射された光を伝搬させる光導波路と、前記光導波路を覆っている遮光性被膜層と、前記遮光性被膜層中に嵌入された光透過性を有する微小粒子とを備えていることを特徴とするプローブ。

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