JP2008520982A - 近接場探針 - Google Patents
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Abstract
本発明は、先端部付きの誘電性の成形体を有する近接場探針に関する。この成形体は、この先端部の少なくとも一部の表面が、金属で被覆されていることを特徴とする。このことは、例えば分光器，顕微鏡又は書込読取ヘッドのような近接場探針を有する装置の感度を高くする。
Description
本発明は、近接場探針に関する。
分解能が、回折効果に起因して使用される媒体、例えば光のほぼ半波長に制限されていることが公知である。
試料の表面から光学プローブの距離が、励振されたビームの波長より小さい場合、いわゆる近接場領域が得られる。近接場内の動作によって、回折限界を回避することができ、ナノメートル範囲内の分解能を実現することができる。
近接場顕微鏡検査法又は近接場分光器の場合、波長より小さい開口部又はアパーチャが、試料の検査すべき表面にわたって走査される。これによって、試料の画像が、点ごとに生成される。開口部が小さいため、表面の一部だけが検査される。この一部は、測定開口部に相当する。したがって、この領域からの情報だけが得られる。
一般に電磁波への伝達は、適切なビーム源及び近接場探針から開始されて、テラヘルツのビームを生成する。検査すべき試料にわたってテラヘルツビームの伝幡方向に対して垂直なこのテラヘルツビームの走査によって、場所解析された画像が生成される。この場合、生成された各画素が、スペクトル情報を含む。
サブマイクロメートルの範囲内の分解能を実現するため、顕微鏡を近接場テラヘルツの周波数範囲内で作動させることが、Yuan等（T. Yuan, J.Z. Xu, X.C. Zhang, 2004. Development of Terahertz Wave Microscopes, Infrared Physics and Technology 45, 417-425）から公知である。約150 ナノメートルの最も高い分解能が、無開口プローブ顕微鏡によって実現される。このプローブ顕微鏡の場合、近接場が、場所解析プローブとして使用される。この近接場は、入射して拡散されたマイクロ波の散乱によって細い金属先端部で生成される。この場合、制御されるビームの極端に小さい信号強度及び針の周期的な移動のために位相の測定が事実上不可能であるという事実が欠点である。
Tselev等（A. Tselev, S.M. Anlage, H.N.Christen, R.L. Moreland, V.V. Talanov, A.R. Schwartz, 2003. Near-field microwave microscope with improved sensitivity and spatial resolution, Review of Scientific Instruments 74, 3167ff ）から、同軸共振プローブを有するマイクロ波・近接場顕微鏡が公知である。
マイクロ波が、同軸ケーブル中で約50ギガヘルツ（ＧＨｚ）より上で強く減衰するので、このマイクロ波・近接場顕微鏡は、この周波数より上の周波数範囲に対して適さないことが欠点である。
T. Yuan, J.Z. Xu, X.C. Zhang, 2004. Development of Terahertz Wave Microscopes, Infrared Physics and Technology 45, 417-425 A. Tselev, S.M. Anlage, H.N.Christen, R.L. Moreland, V.V. Talanov, A.R. Schwartz, 2003. Near-field microwave microscope with improved sensitivity and spatial resolution, Review of Scientific Instruments 74, 3167ff
T. Yuan, J.Z. Xu, X.C. Zhang, 2004. Development of Terahertz Wave Microscopes, Infrared Physics and Technology 45, 417-425 A. Tselev, S.M. Anlage, H.N.Christen, R.L. Moreland, V.V. Talanov, A.R. Schwartz, 2003. Near-field microwave microscope with improved sensitivity and spatial resolution, Review of Scientific Instruments 74, 3167ff
本発明の課題は、電磁波用の近接場探針を提供することにある。特に10 GHz〜10 THzの範囲内の電磁波が、この近接場探針によって波長より短いいろいろな寸法を有する表面に向かって集中され得る。
この課題は、請求項１に記載の近接場探針によって解決される。好適な実施の形態は、この請求項１を引用するそれぞれの従属請求項に記載されている。
この近接場探針は、一部を金属で被覆した誘電性の成形体を有する。この金属被覆部分は、好ましくは特に約10 GHzと10 THzとの間の周波数範囲内でほぼ分散及び損失なしにマイクロメートル範囲内の試料面上に電磁波を集中させるという特性を有する。
好ましくは非常に高い交流電場が、先端部に生成される。この交流電場の大きさは、先端部の寸法に対する波長の比（100 GHz で10マイクロメートルの場合に3300）に乗算して入射された電磁波の電界強度から得られる。このことは、例えば分光器，顕微鏡又は書込読取ヘッドのような近接場探針を有する装置の感度を高くする。
本発明の範囲内では、誘電性の成形体上の部分的な金属被覆部分が、伝播する電磁波を近接場探針の先端部の集中場(Kondensatorfeld) に変える。この集中場の周波数は、入射された電磁波の周波数に一致する。これによって、好ましくはプローブが、電磁波による場所解析される測定に対して提供される。この集中場の空間分解能は、近接場探針の先端部の物理的な寸法に対応する。近接場探針の広帯域性によって、これらの場所解析された情報は、例えば試料の誘電率の周波数依存性に関するさらなるスペクトル情報を有し得る。
例えば誘電性の成形体の対向する２つの側面上の互いに電気絶縁な少なくとも２つの金属被覆部分によって、長手軸線に対して平行に誘電性の成形体の先端部方向に伝播する電磁波が、誘電性の成形体の先端部の高周波集中場に変換される。誘電性の成形体の先端部が、電磁波による場所解析された測定に対するプローブの機能を有する。
先端部が、検査すべき試料のすぐ近くに持って来られると、電磁波が、入射後に試料の部分容積から近接場探針に反射される。この部分容積の寸法は、先端部の大きさに依存する。これで、反射率が算定される。
反射又は透過する電磁波の振幅及び位相を分析することによって、試料の性質に関する、特に試料の誘電性の特性に関する情報が得られる。
誘電性の成形体の先端部の側面上の対称に配置され互いに絶縁された金属被覆領域によって、電磁波が妨害されずに先端部まで伝播され得ることが特に好ましく実現される。金属被覆部分がない場合、場所分解能が、波長より遥かに小さくない。これに対して先端部の全面が金属で被覆されている場合は、電磁波が先端部まで伝播しない。先端部の下の誘電性の成形体のその他の部分も、対称な金属被覆部分を有してもよい。
試料中に入射された電磁波が、あらゆる場合に線形に偏光される必要がある。交流電場が、両金属被覆部分間の先端部で発生できるように、この偏光の方向が、先端部の金属被覆部分の表面に対して垂直になくてはならない。
金属被覆部分は、例えば金，銀又は銅から成り得る。その高い伝導率が、近接場探針を有する装置の感度に影響する。
成形体自体は、磨耗しにくい誘電性の材料から、特にケイ素，サファイア又はポリエチレンから成る。特に100 GHz より上の範囲内では、損失が最小限であり、ケイ素が誘電率の分散を呈さないので、ケイ素は、この100 GHz より上の分析に対して適している。サファイアは、僅かな損失に起因して100 GHz 未満の周波数で適していて、さらに機械的に非常に安定している。ポリエチレンは、同様に僅かな損失を呈する。しかもポリエチレンは安価である。
本発明の別の構成では、近接場探針の底面が、四角形に形成され得る。特にこの四角形の底面では、金属面が、成形体上に容易に対称に形成され得る。部分的な金属被覆部分が、例えば熱蒸着によって被覆され得る。何故ならこの方法の場合、金属原子の軌道方向に平行に指向されている近接場探針の側面が被覆されないからである。
本発明の特に好適な構成では、近接場探針が、先端の尖っていないピラミッド型の先端部を有する。四角形の底面に関連して、電磁波が、波長より遥かに僅かな寸法を有する試料面上に分散及び損失なしに集中され得ることが特に好ましく実現される。先端の尖っていないピラミッド型では、金属被覆部分が、本発明の近接場探針の先端部に対して直接対称に配置されてもよい。
誘電性の成形体の先端の尖っていないピラミッド型の先端部の２つの対向する成形体上の２つの互いに電気絶縁された金属膜によって、先端の尖っていないピラミッド型の対称軸に沿って伝播する電磁波が、先端の尖っていないピラミッド型の先端部の上述した高周波の集中場に変換される。
しかし本発明の範囲内では、対称な金属被覆部分が近接場探針の先端部上に配置され得る限り、その他の幾何構造を近接場探針に対して設けることも考えられる。例えば、楕円又は円形の断面を有するシリンダ状の幾何構造及びこれに対応した対称な金属被覆部分を有する球状の先端部を設けることも考えられる。
本発明によれば、近接場探針が、誘電性のファイバに連結され得る。エアギャップが、近接場探針と誘電性のファイバとの間に設けられてもよい。近接場探針は、中空導体に連結されてもよい。
これらの場合、近接場探針の全体が、誘電性の共振器の働きをする。例えば共振周波数のようなこの共振器の特性及び先端部の前方に配置されている検査すべき試料の特性が変化する。これによって、特に高感度な位相測定が可能である。期待すべき共振特性が1000である場合、これらの位相測定は、共振しない配置に比べて1000倍だけ感度が良い。
先端部は、好ましくは従来の高真空蒸着設備によって金属被覆できる。近接場探針用の幾何構造としての先端の尖っていないピラミッド型の場合、被覆すべき側面が、蒸着設備内の部材の移動方向に対して垂直に被覆される。先端の尖っていないピラミッド型の被覆すべきでない側面上の場合によっては残っている薄い金属膜は、例えばイオンビームエッチングによって除去することができる。
先端部の最も小さい場所の先端部の直径は、この先端部の底面に関連して好ましくは１マイクロメートル未満、例えば約50ナノメートルである。
この約50ナノメートルの直径は、例えば収束イオンビームマシニング（ＶＩＢ）によって実現され得る。これによって、ナノスケールの画素の情報が、テラヘルツの周波数までのクロック周波数で極めて速く読み取ることができることが特に好ましく得られる。
これに関連して、生成された交流電場に起因して、先端部の終端部の108 V/m の大きさの高い電界強度が、例えばチタン酸バリウムストロンチウムのような強誘電性の層中にナノスケールの特定の領域を不変な偏向によって書き込むことが考えられる。ナノ画素が、書き込まれている残留電気分極を呈する領域内で例えばテラヘルツの電磁波の反射率を変えることによって読み取られる。これによって、近接場探針が、例えば強誘電性のハードディスク用の書込読取ヘッドとして機能する。この場合、伝達されるデータ速度は、ギガビット／秒の範囲内にあり、したがって従来のハードディスクより明らかに速い。
２つの異なる立体配座にある双安定な分子も、記憶媒体として考えられる。この場合、２つの状態間の移行が、テラヘルツビームによって誘導することができる。反射したテラヘルツの電磁波の振幅変化の必要な速い測定に対しては、例えば超伝導性のジョセフソン接触が使用され得る。この場合、ハードディスクと同様に、二次元の記憶媒体が、本発明の近接場探針の下で回転する。
以下に、本発明を実施の形態及び添付された図面に基づいて詳しく説明する。
図１によれば、近接場探針１は、側面１２，１３を有する長方形に形成されたブロックから成る絶縁成形体を有する。この成形体は、絶縁材、例えばケイ素，サファイア又はポリエチレンから成る。
この成形体の端部が、ピラミッド型の先の尖っていない表面１２ａ，１３ａを有する先端部を持つ。この先端部の少なくとも先端の領域内の表面１３ａ及びこの表面１３ａに対向する表面が、例えば金，銀又は銅から成る金属被覆部分を有する。表面１３ａに加えて、この表面１３ａに対向する表面も金属で被覆されている。このように、金属被覆部分が対称に形成されている。表面１２ａ及びこの表面１２ａに対向する表面は金属で被覆されていない。
絶縁成形体の表面１３及びこの表面１３に対向する表面も、金属で被覆されている。同様に表面１２及びこの表面１２に対向する表面が、金属で被覆されていない。
電磁波が、平面から近接場探針１内に入射される。これに対して、平面波が、先端部に対向する表面に向かって焦点合わせされる。この表面の寸法は、少なくともビームの直径、すなわち数波長の大きさの程度の大きさでなければならない。
したがって近接場探針１の先端部は、表面１２ａ，１３ａ及びこれらの表面１２ａ、１３ａに対向する表面から構成されて先の尖っていないピラミッド型として形成されている。この先端部の自由端部が平坦にされている。これによって、生成された高周波の集中場が非常に均質であるという作用が得られる。このことは、実現可能な空間分解能に対して好ましい。
金属又はその他の摩耗しにくい誘電体から成る、例えばケイ素の先端部の場合はテフロンから成る円形保持部１４が、分光器又は顕微鏡検査法に対する装置内に近接場探針又は書込読取ヘッドを取り付けるために使用される。この保持部の誘電率は、好ましくは近接場探針の材料より少なくとも係数２だけ小さい。
誘電性のファイバを通じて近接場探針の中に入射する電磁波が、最初に基底モードを励起する。このモードが下限周波数を有さないことが公知である。その結果、電磁波は、近接場探針の中に入射した後に先端部にかけて狭くなる横断面を通じて伝幡できる。使用される材料に応じて十分に小さい角度及び先の尖っていないピラミッド型の斜面の場合、電磁波が、内部の全反射に起因して非金属面を通じて出射できない。これによって、誘電性のファイバモードが、先の尖っていないピラミッド型の長さを通じてストリップラインに相当するウェイブモードに徐々に変換される。すなわち電磁場が、両金属被覆部分間に形成される。このウェイブモードの連続した移行が、さほどの分散及び減衰もなく少なくとも10 GHz〜10 THzの非常に広い周波数範囲にわたって実施される。さらに、先端部の領域内の電波インピーダンスが一定であることが、この先端部のピラミッド型によって得られる。このため、空間的に強く限定された望ましい交流電場(Wechselfeld) が、励振された電磁波によって広い周波数範囲にわたって先端部で生成される。
図２は、近接場探針２１の先端部２２ａ，２３ａでの電場の計算した分布を示す。図２の計算した電界分布から読み取れるように、平板コンデンサの交流電場と同様に空間的に強く密にされた高周波交流電場が、電磁波の励振及びさらなる伝幡後に先端部の先の尖っていないピラミッド型の端部で発生する。高周波交流電場又は先端部の空間的な広がりが、プローブの実現可能な空間分解能を決定する。コンデンサの漏れ電場が、プローブの直前にある試料を通過する。したがってこの漏れ電場は、高感度なプローブの働きをする。空間的に変化する誘電特性又は金属特性を有する試料が、近接場探針１，２１の近くに来ると、先端部から反射した電磁波つまり先端部から放射された電磁波の振幅及び位相が変化する。この振幅及びこの位相は、測定信号としてそれぞれの周波数範囲に対応した検出器によって、例えばショットキーダイオードによって約200 GHz まで検出可能である。
図２は、100 GHz の周波数に対する電場の計算した分布を示す。電磁波が、ピラミッド型の先端部まで達することが明らかである。図２中に示された近接場探針の場合、先端部の寸法は、100 GHz 時の3 mmの波長のときに約100 マイクロメートルの縁の長さに達する。図２の右側部分内では、コンデンサの高周波漏れ電場が、矢印として先端部の右側に示されている。この漏れ電場は、場所解析される測定に固有のプローブの働きをする。
図２は、100 GHz の周波数に対する電場の計算した分布を示す。電磁波が、ピラミッド型の先端部まで達することが明らかである。図２中に示された近接場探針の場合、先端部の寸法は、100 GHz 時の3 mmの波長のときに約100 マイクロメートルの縁の長さに達する。図２の右側部分内では、コンデンサの高周波漏れ電場が、矢印として先端部の右側に示されている。この漏れ電場は、場所解析される測定に固有のプローブの働きをする。
図３によれば、ミリメータ波源３５、例えばガン発振器又は後進波発振器から出射する単色波が、方向性結合器３３及び柔軟な誘電性のファイバ３４を介して本発明の近接場探針３１内に入射される。試料Ｐから反射した電磁波が、方向性結合器３３を通じて検出器ダイオード３２に誘導される。この場合、ファイバ３４及び近接場探針３１が、例えば高密度のポリエチレンから成る部材から製造され得る。
この代わりに、半波長未満、すなわち100 GHz で1 mm未満の大きさのエアギャップを近接場探針３１とファイバ３４との間に保持することが可能である。近接場探針３１は、例えばサファイアのような磨耗しにくい誘電性の材料から製造されていて、高品質の誘電体共振器の働きをする。試料Ｐによって生じる共振周波数及び特性の変化が、反射信号を測定することによって検出可能である。
図３の装置は、周波数が水に対して異なる強さの吸収と互いに比較される一方で、例えば皮膚癌の早期発見の際の皮膚科学における生体内での使用に適している。機械的に柔軟なファイバに起因して、この測定装置を経口で使用することも可能である。
図４〜５中に示された近接場探針４１，５１は、図１中に示されたように先端部，誘電性の成形体及び保持部を有する。
図４〜５中に示された近接場探針４１，５１は、図１中に示されたように先端部，誘電性の成形体及び保持部を有する。
図４は、ピコ秒の時間領域の分光器に基づいて場所解析されるテラヘルツの近接場分光器に対して可能な配置を示す。この場合、フェムト秒のレーザーパルスによって放射器４５で生成された電気パルスが、自由に伝播する電磁波として （図示しなかった）ミラー又はレンズを通じて近接場探針４１の平坦な裏面上に焦点合わせされる。均質なケイ素が、本発明の近接場探針４１の材料として設けられている。このケイ素は、ほとんど磨耗せずかつテラヘルツ領域内でほとんど分散しない。ケイ素は、その異方性の腐食挙動に起因して先端部をサブマイクロメートルの範囲内の寸法で製造することに特に適している。試料Ｐによって反射した信号が、部分反射するミラー又は円偏光フィルタ４３を介して検出器４２内に入射される。このミラー又は円偏光フィルタ４３は、電磁波の伝播方向に対して45°だけ傾斜して配置されている。円偏光フィルタ４３の場合、正しくない偏光を伴うモードの励起を抑制する第２偏光フィルタ４４が有益である。追加の吸収器４７が、寄生する伝播路によるエコー信号を回避するために使用され得る。スペクトル分解された画像が、試料Ｐを走査することによって得られる。この試料Ｐは、先端部の寸法より短い間隔で探針の先端部の前方に伝播方向に対して垂直に配置されている。この代わりに、試料を固定して近接場探針が移動されてもよい。
可能な用途としては、例えば微細電子回路をこのような方法によって検査することができる。
さらに詳しい情報が、例えば試料中の何回もの反射に基づいてピコ秒のパルスのパルス波形の変化を測定することによって得られる。このような測定に対しては、本発明の近接場探針の通過後のピコ秒のパルスの分散が非常に僅かであることが重要である。
図５中に示された配置では、検出器５２が、試料Ｐの後方に配置されている。これによって、試料を通過した信号が検出される。この配置は、非常に薄い透過性の試料に対してより高い感度を呈し、個々の生物細胞が例えばピペットを用いて先端部の直前に持って来られた場合にこれらの個々の生物細胞のテラヘルツの分光器に適している。このピペットは、微細操作によって先端部の直近の周囲に持って来られる。
上述した実施の形態に対しては、空間内で自由に伝播する電磁波が近接場探針場入射することを改良するため、近接場探針の平坦な裏面が、半球レンズの平坦面上にあるように、半球レンズが、近接場探針の前方に配置されてもよい。この半球レンズは、近接場探針と可能な限り同じ誘電率を有する材料から構成されなければならない。
本発明の近接場探針の別の可能な用途は、ダイヤモンド窓のミリメートル波範囲内の誘電損失の場所解析測定である。これらのダイヤモンド窓は、将来の核融合炉内でのミリメートル波のプラズマ加熱に対して提唱されている。
別の用途は、誘電率の場所解析測定及びウェハー観察時及び半導体製造時の誘電損失の場所解析測定並びにドープ分布及び表面ドープを検査することにあり、ＣＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜を観察することにもある。
もう１つの用途は、相互の顆粒特性と内部の顆粒特性との区別を考慮した（圧電性，強誘電性の）セラミック材の分野の場所解析測定にある。このことは、バルク材及び膜の双方に対して成立する。
１ 近接場探針
１２ 表面
１２ａ 表面
１３ 表面
１３ａ 表面
１４ 円形保持部
２１ 近接場探針
２２ａ 先端部
２３ａ 先端部
３１ 近接場探針
３２ 検出器ダイオード
３３ 方向性結合器
３４ ファイバ
３５ ミリメータ波源
４１ 近接場探針
４２ 検出器
４３ 円偏光フィルタ
４４ 第２偏光フィルタ
４５ 放射器
４７ 吸収器
５１ 近接場探針
５２ 検出器
Ｐ 試料
１２ 表面
１２ａ 表面
１３ 表面
１３ａ 表面
１４ 円形保持部
２１ 近接場探針
２２ａ 先端部
２３ａ 先端部
３１ 近接場探針
３２ 検出器ダイオード
３３ 方向性結合器
３４ ファイバ
３５ ミリメータ波源
４１ 近接場探針
４２ 検出器
４３ 円偏光フィルタ
４４ 第２偏光フィルタ
４５ 放射器
４７ 吸収器
５１ 近接場探針
５２ 検出器
Ｐ 試料
Claims (6)
- 先端部付きの誘電性の成形体を有する近接場探針において、
この先端部の少なくとも一部の表面が、金属で被覆されていることを特徴とする近接場探針。 - 金属被覆部分は、対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の近接場探針。
- 先端部として先端の尖っていないピラミッド型を特徴とする請求項１又は２に記載の近接場探針。
- 誘電性の成形体としてケイ素，サファイア又はポリエチレンを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の近接場探針。
- 金属被覆部分として金，銀又は銅を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の近接場探針。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の近接場探針を有する分光器，顕微鏡又は書込読取ヘッド。
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