JP2007256288A - 光学表面顕微鏡法のための微小球プローブとその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本願発明は、微小球共振プローブのセンサとしての使用を光学的な表面測定の分野まで拡張し、物質に関連する広範な情報を得る方法を提供する。
【解決手段】本願発明は、近接場プローブとして微小球端部を含む先細光ファイバを使用する。伝送ファイバは光試験信号を微小球の内部に短時間だけ結合するように微小球に近接して配される。一連のきわめて狭いウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）共振が微小球から外に向かって放射される関連した電磁場をともなって微小球の内部に生起される。それから微小球プローブは解析される光デバイスの表面上を動かされ（あるいはデバイスが微小球の真下で移動させられる）、表面のどのような異常性（欠陥、引っかきおよび類似のもの）も電磁場のパターンを乱し、微小球からの測定される出力パワーの変化に反映される。
【選択図】図１

Description

本発明は光学的表面顕微鏡法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を行うために表面を移動する微小球プローブに関し、特にウィスパリングギャラリモード（Ｗｉｓｐｅｒｉｎｇ Ｇａｌｌｅｒｙ Ｍｏｄｅ）による局部的な表面検出を行う光学微小球共振器プローブに関する。

光の応用分野におけるウィスパリングギャラリモード（Ｗｉｓｐｅｒｉｎｇ Ｇａｌｌｅｒｙ Ｍｏｄｅ：ＷＧＭ）はもっぱら、光学的ＷＧＭに入射した光が物質の境界面にほぼ平行な角度で当たり内部全反射しながら進行する円形行路共振空胴（ｃｉｒｃｕｌａｒ−ｐａｔｈ ｒｅｓｏｎａｔ ｃａｖｉｔｙ）に関連している。この数年間にＷＧＭ光共振器に対する関心が、特にその「検知」用途について劇的に高まっている。光学的検出は一般に検出すべき物質と相互作用する光プローブビームを使用する。この光プローブビームと物質との相互作用は光プローブビームのある一面を変化させる。物質に関連するある種の情報を得るために、この変化したビームの一部（例えば、散乱光など）が集められ測定される。例えば、光の強さ、位相、スペクトル、偏光および／あるいは集めた光の方向が、個々にあるいは他のパラメータと組み合わせて測定され、物質の構成を決定する。

最近、そのような用途のための光プローブは、先細の光ファイバの端部に形成された微小球の形をしている。そのような微小球は、狭いスペクトル共振に対応する極めて高い品位（Ｑ）要因のＷＧＭを有している。これらの共振の位置および幅は周囲の媒質の変化に対して極めて敏感である。そのため、「センサ」として用いるときには、微小球プローブはきわめて高い精度でその組成を決定するために観察対象の媒質に沈められる。２００２年１２月３日にＬ．Ｍａｌｅｋｅ他に対して発行された「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ−Ｇａｌｌｅｒｙ−Ｍｏｄｅ Ｍｉｃｒｏ ｃａｖｉｔｙ」と題する米国特許第６，４９０，０３９号は、与えられた試料中のごく僅かな量のある特定物質を検出するために微小球空胴である「ウィスパリングギャラリモード」共振器を利用する検知装置の１つの例である。２００５年７月２６日にＡ．Ｓａｖｃｈｅｎｋｏｖ他に対して発行された「Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ Ｇａｌｌｅｒｙ Ｍｏｄｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」と題する米国特許第６，９２２，４９７号は、検知機能を「チューニング」できるカスケード構成で配置した１組のＷＧＭ光共振器を用いる異なる形式の装置を開示している。
米国特許第６，４９０，０３９号明細書 米国特許第６，９２２，４９７号明細書

しかしながら、従来技術による研究は微小球共振プローブの使用は「観察対象の媒質」の組成解析を行うことに限定されるという結果を生じている。

前記課題を解決するべく、本発明は微小球共振プローブの有用性を光学的な表面測定（つまり、光学的表面顕微鏡法）の分野まで拡張することに関するものであり、微小球プローブが光デバイス（例えばグレーティング構造）の表面を横切るように移動させられ、ＷＧＭ共振が光デバイスに関連する位相情報を与えるために使われる。

本発明によれば、微小球共振器が「観察対象の表面（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｕｎｄｅｒ Ｔｅｓｔ：ＳＵＴ）」の光学的特性の最小の変化に対して極めて敏感である近接場プローブとして使われる。本発明の微小球共振プローブの敏感さは、（微小球プローブの内側で非常に大きくなる）関連する電磁場の共振の高まりとＷＧＭ共振のきわめて狭い線幅とによってもたらされ、微小球プローブの極めて近傍に短時間だけ存在する。

本発明の好ましい実施例においては、微小球プローブの性能はその部分の関連する電磁場の強さを増しそして測定されるパワーの感度を改善するために、微小球の表面に金属性の欠陥を含むことによりいっそう高められる。

本発明のその他さらなる実施形態が以下の議論の中で、また付属する図面の参照によって明らかになるであろう。

図１は本発明によって形成される典型的な微小球共振プローブ１０を図示し、この場合は光位相マスク１２の表面特性を評価するために使われる。「観察対象の表面」として位相マスクを使うことは単なる例であり、本発明の微小球共振プローブは実際上いかなる光デバイスの表面特性を調査する（つまり、光学的顕微鏡法を行う）ことにも使うことができるということが理解されるべきである。図１に示されるような特定の構成において、光位相マスク１２は微小球共振プローブ１０がマスク１２の全表面を走査するよう図示する方向に動く移動テーブル１４の上に置かれる。

本発明によれば、微小球共振プローブ１０は、表面領域を照明する光源を含み、双円錐形の先細光ファイバ２０を用いるこの特定の場合には、先細の光ファイバ２０の第１の（入力）端部２４に結合された広帯域光源２２と先細の光ファイバ２０の第２の（出力）端部２８に結合された光スペクトルアナライザ（ＯＳＡ）２６からなる。さまざまな他の光ガイド構成（例えば、光導波路あるいは自由空間光伝送システムなど）を光試験信号をプローブ１０に短時間だけ結合するために用いてもよい。ＯＳＡ２６は、観察する表面に関わるスペクトル情報をモニタし集めるために本発明にしたがって利用される。特に、ＯＳＡ２６によって得られる結果は光ファイバの表面の欠陥あるいは他の問題に起因すると考えられる共振（非周期的特性）の変化を生じる。

プローブ１０はさらにその端部に形成される微小球３２を有する光ファイバ先細部３０を含む。先細の光ファイバ２０に沿って伝播する光信号は微小球３２の内部に短時間だけ結合され、微小球３２の内部に数多くのＷＧＭ共振を作り出す。

図２は図１の構成の一部を拡大して示し、微小球３２、先細の光ファイバ２０とデバイス１２との間の関係をこの図に明瞭に示している。上に述べたように、ファイバ２０を経る光入力信号は微小球３２の内部に短時間だけ結合されて微小球の内側表面内にウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）を生成することとなる。図２は例示のために暗い輪３４でこれらのＷＧＭの存在を示す。ＷＧＭ３４の短時間だけ発生する電磁場３６が光デバイス１２の表面１２−Ｓを突きぬけるように微小球３２から外側方向に放射する。本発明の技術によって、表面１２−Ｓのどのような変化（欠陥、引っかき傷など）も短時間だけ発生する場３６の分布を変化させ、ＯＳＡ２６に記録される伝送共振の位置を変化させる。こうしてＯＳＡ２６における共振（非周期的特性）の変化を観察することによって表面１２−Ｓの特性が完全に観察、解析される。

図３は、図１および２に示す本発明による微小球共振プローブを使用する場合にＯＳＡ２６により記録される典型的な伝送スペクトルを図示している。この特有の結果が得られるように、双円錐形の先細光ファイバ２０はそれが微小球３２と接する点においてビームのくびれが１．２μｍを示すように形成された。微小球３２は半径が６６μｍになるように形成された。光位相マスク１２は、グレーティング深さが０．２６μｍ、デューティサイクル（ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ）が５０％で、グレーティング周期Λ＝０．９７μｍであった。それから広帯域光源が光ファイバ２０に接続され、微小球３２に結合されて、その結果、図３（ａ）に示す伝送スペクトルが得られ、多数の共振（ＷＧＭ）が観察される。図３（ｂ）は波長λ＝１５５９．７９ｎｍにおける単一ＷＧＭの近傍のスペクトルの拡大図を示す。

したがって、本発明により、プローブ１０に対するデバイス１２の位置が図１に示す方法により移動させられ、選択波長１５５９．７９ｎｍにおける時間の関数として伝達される光のパワーを測定するためにＯＳＡ２６が使われる。図４は、マスク１２が微小球３２の真下で移動させられるときにＯＳＡ２６に記録された伝送パワーを例示している。この特定の試験においては既知の欠陥を持つマスクが用いられ、これらの欠陥は図４にプロットされた関係の非周期的な部分に関連している。

こうして、図４に示す結果により実証されたように、本発明の微小球共振プローブは走査した表面の光学的な特性を極めて精密な干渉法により測定するために使用できる。本発明の微小球共振プローブの解像度は解析される光デバイスとの「接触点」で微小球にナノメータサイズの金属性の欠陥を加えることによりさらに高められる。図２は微小球３２の接線点Ｔに形成された欠陥４０を一般形で例示している。欠陥４０は解析される表面近傍にはっきりしたナノメータオーダーの直径の頂点を備えるものであれば、球形、円錐形、あるいは他の形（あるいは微小球３２の開口）でもよい。

図５は、本発明の微小球プローブの感度を高めるために使われる金属性の欠陥の３つの実施形態を例示している。図５（ａ）は、微小球３２の接線点Ｔに配されたナノメータサイズの金属性の突起片４２を持つ第１の実施形態を示す。ナノメータサイズの開口４６を有する金属蒸着箔が、図５（ｂ）に示すように、微小球３２の底部表面部に沿って形成されてもよく、また解析される表面近傍の電場を強めるために適当な欠陥を形成するために使われてもよい。図５（ｃ）はさらに別の実施形態を示し、この場合、微小球３２そのものの表面内に形成された金属ナノ粒子を有する。このほかの実施形態が可能であり、図５に示される上記の構成は単に例示であると考えられる。

本発明の微小球共振プローブの上記実施形態は単なる例示であることが理解されるべきであり、例えば、解析のために異なるＷＧＭ共振波長が選択され、いろいろサイズが異なる微小球が使われてもよい。光信号を微小球プローブに入出力させる他の方式が同じように使われてもよい。それ故に本発明はここに付加される特許請求の精神および範囲から逸脱することなく種々の改良、変更が行われ得るものであり、またそのような改良、変更は以下に添付する請求の範囲内に含まれるものであることを当業者は理解するべきである。

光学的な表面超微細観察を行うために本発明の微小球共振プローブを利用する典型的な構成を示す。 本発明による微小球プローブの端部の拡大図であって、特に微小球、光供給ガイド（ファイバ）、および「観察対象の光学的表面」の間の関係を示す。 光を当てられ、光学的表面に置かれたときに本発明の微小球が示す典型的なスペクトル応答を図示するもので、図３（ａ）はほぼ１５５５から１５６５ｎｍの波長範囲にわたるスペクトル応答を図示し、図３（ｂ）は１５５９．８ｎｍにおける単一共振の近傍のスペクトルの拡大図を示す。 共振波長１５５９．８ｎｍで測定された光デバイス表面に沿って「移動させられる」距離の関数で表した伝達パワーのグラフである。 光パワーの測定点近傍の電磁場の強度を高めるために有用な３つの異なる微小球の実施形態を図示し、図５（ａ）は金属性突起片を持つものを示し、図５（ｂ）はナノメータオーダーの大きさの開口を有する金属性の箔を持つものを示し、図５（ｃ）は微小球そのものの表面内に埋め込まれた金属ナノ粒子を使うものを示す。

符号の説明

１０ 微小球共振プローブ
１２ 光位相マスク
１４ 平行移動テーブル
２０、３０ 先細光ファイバ
２２ 広帯域光源
２４ 第１の（入力）端部
２６ 光スペクトルアナライザ
２８ 第２の（出力）端部
３２ 微小球
３４ ＷＧＭ（ウィスパリングギャラリモード）
３６ 短時間だけ発生する電磁場
４０ 欠陥
４２ 金属性突起片
４６ 開口

Claims (10)

1. 光デバイスの表面超微細観察を行う光微小球プローブであって、
   第１の端点に形成された微小球を含む先細の光ファイバと、
   光試験信号の伝送を支援する光信号経路とを含み、前記光信号経路は、前記微小球と接触するように前記先細の光ファイバに配されて前記光試験信号を短時間だけ前記微小球の内部に結合し、ウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）共振とそれに伴って短時間だけ発生する電磁場とをその中に作り出すものであり、さらに、
   前記微小球プローブが前記光デバイスの表面を平行移動するに従い、伝送パワーが前記光デバイスの表面形態の関数となる前記光デバイス表面を覆う電磁場で前記光信号経路から出る伝送パワーを測定する手段とからなることを特徴とする光微小球プローブ。
2. 前記光信号経路が単一の接線点において前記微小球と接触するように配された光ファイバからなることを特徴とする請求項１に記載の光微小球プローブ。
3. 前記光ファイバが前記微小球の近傍に先細部分を含むことを特徴とする請求項２に記載の光微小球プローブ。
4. 前記伝送パワーを測定する手段が光スペクトルアナライザを含むことを特徴とする請求項１に記載の光微小球プローブ。
5. 前記微小球が光デバイスの表面に沿って移動するに従い、記録されたパワー信号の中に非周期的特性として認識される表面の不規則性を有する伝送パワーを記録するように、前記光スペクトルアナライザが機能することを特徴とする請求項４に記載の光微小球プローブ。
6. 前記電磁場の強さを高め、そして前記伝送パワーの測定解像度を増加させるために、前記微小球が単一のナノメータオーダーの欠陥を含むように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の光微小球プローブ。
7. 微小球プローブを用いて光学的表面超微細観察を行う方法であって、
   ａ）光試験信号を前記微小球に当てて内部にウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）共振を作り出すステップを含み、前記共振は外に放射する電磁場を作り出すものであり、さらに、
   ｂ）特定のＷＧＭ共振波長を選択して、顕微鏡法を行いそして前記選択されたＷＧＭ共振波長を前記微小球に当てるステップと、
   ｃ）放射される前記電磁場が前記デバイス表面を覆うような方法で、前記微小球を解析される前記光デバイスの表面を移動させるステップと、
   ｄ）表面に沿う距離の関数として選択されたＷＧＭ共振波長で伝送される光パワーを記録するステップとを含み、前記伝送される光パワーは前記光デバイスの表面形態の関数であることを特徴とする方法。
8. ｅ）前記光デバイスの表面形態の不規則性に関わる非周期的な特性の記録された光測定を評価するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. ステップａ）の実行において、光ファイバが、光試験信号の伝送をサポートするために用いられることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. ステップａ）の実行において、ナノメータサイズの欠陥を含む微小球が用いられ、その欠陥が、放射される電磁場の強さを増加させる結果をもたらし、ステップｄ）において記録された光パワーの測定解像度を改善することを特徴とする請求項７に記載の方法。

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