JP3264824B2 - 光伝搬体プローブと走査型近視野顕微鏡及び光伝搬体プローブの透過孔形成方法 - Google Patents
光伝搬体プローブと走査型近視野顕微鏡及び光伝搬体プローブの透過孔形成方法Info
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Description
顕微鏡の1つであり、計測物質の微細領域での光学特性
を計測する走査型近視野顕微鏡に使用する光伝搬体プロ
ーブと走査型近視野顕微鏡及び光伝搬体プローブの開口
形成方法に関する。
走査型トンネル顕微鏡(以下STMと略す)に代表され
る走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の微細な形状を観
察することができることから広く普及している。
プローブを光の波長以下まで測定試料に近づけることに
よって、試料の光学特性や形状を高分解能で測定しよう
という試みがあり、いくつかの近接場光顕微鏡が提案さ
れている。この一つの装置として、試料に対して垂直に
保持した光ファイバー・プローブの先端を試料表面に対
して水平に振動させ、試料表面とプローブ先端の摩擦に
よって生じる振動の振幅の変化を光ファイバー・プロー
ブ先端から照射され試料を透過したレーザー光の光軸の
ズレとして検出し、試料を微動機構で動かすことによっ
て、プローブ先端と試料表面の間隔を一定に保ち、微動
機構に入力した信号強度から表面形状を検出するととも
に試料の光透過性の測定を行う装置が提案されている。
ーブをAFMのカンチレバーとして使用し、AFM動作
させると同時に、光ファイバープローブの先端から試料
にレーザー光を照射し、表面形状を検出するとともに試
料の光学特性の測定を行う走査型近視野原始間力顕微鏡
が提案されている。
測定する走査型近視野顕微鏡では、透過孔部を除く先端
部に被覆膜を有する光伝搬体プローブを使用している。
図7は従来使用される光伝搬体プローブの構成を示した
断面図である。1は尖鋭化された光伝搬体、51は被覆
膜で、被覆膜51は単層で構成され、透過孔部の端面に
おいて、透過孔と同一の平面で構成されている。この光
伝搬体プローブを走査型近視野顕微鏡に搭載した場合、
その分解能は、表面形状については被覆膜を含む光伝搬
体プローブの先端径、光学特性についてはプローブ先端
の透過孔の大きさで、それぞれ制限されている。例え
ば、光伝搬体自体の先端径が100nmの場合、金属被
覆膜の透過孔部への回り込みがないと仮定して、先端部
周囲を膜厚100nmの被覆膜で被覆した場合、透過孔
部の径は100nmとなり、被覆膜を含む光伝搬体プロ
ーブの先端径は約300nmとなる。
上させるためには、光伝搬体プローブの先端径を小さく
する必要がある。しかし、被覆膜の膜厚を薄く堆積する
と、透過孔周辺から漏れ光が生じ、光学特性の分解能や
コントラストを低下させる問題があった。
を厚く堆積すると、表面形状の分解能が低下する問題
や、透過孔が埋没し、透過孔からの出射光量が減少して
光学特性の分解能やコントラストを低下させる問題があ
った。図7に示した従来例による光伝搬体プローブの構
成では、波長500nm周辺の領域で、被覆膜51をア
ルミニウムとした場合、理想的には50nm程度の膜厚
で被覆可能であるが、実際には膜質の劣化やピンホール
の発生を考慮して100nm程度の膜厚が必要である。
この場合、光伝搬体プローブの先端径は少なくとも20
0nm以上となる。
する場合や、磁性膜などの機能性膜を追加堆積する場
合、上記の被覆膜を厚く堆積する場合と同様の問題が生
じる。本発明の目的は、走査型近視野顕微鏡において、
表面形状の高分解能化と、光学特性の高分解能化を両立
するための、光伝搬体プローブと光伝搬体プローブの透
過孔形成方法を提供することにある。
解決するため、端部に光を透過する透過孔を有する光伝
搬体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部となるように構
成され、透過孔部を除く先端部に被覆膜を有する光伝搬
体プローブは、被覆膜を、透過孔部端において、透過孔
部から外周に向かって漸次後退する曲面とした。
第1の被覆膜と、第1の被覆膜の外側にあって、先端部
近傍でテーパー状となる第2の被覆膜で構成した。一
方、端部に光を透過する透過孔を有する光伝搬体からな
り、透過孔部が尖鋭な先端部となるように構成され、透
過孔部を除く先端部に被覆膜を有する光伝搬体プローブ
の透過孔形成方法は、光伝搬体の先端部の方向と平行な
方向に長さを有する蒸発源を用いて、真空蒸着により金
属膜被覆を堆積する工程とした。
は、光伝搬体の先端部の方向と平行な方向に少なくとも
2個以上配置された蒸発源から真空蒸着により金属膜被
覆を堆積する工程とした。さらに、光伝搬体プローブの
透過孔形成方法は、光伝搬体の側方から第1の被覆膜を
堆積する工程と、第1の被覆膜の堆積方向より先端に向
かって後方から第2の被覆膜を堆積する工程とした。
て説明する。図1は本発明の第1実施例を示す光伝搬体
プローブの構成を表した断面図である。
属膜被覆で、光ファイバー1は尖鋭化され、先端5の透
過孔部を除く部分は金属膜被覆4で被覆された構成であ
る。金属膜被覆4は、透過孔部から外周に向かって漸次
後退する曲面とした。光ファイバー1としては、様々な
コア径、クラッド径のシングルモードファイバー及びマ
ルチモードファイバー、さらに偏波面保存ファイバーな
どを用いることが可能である。他の光伝搬体としてはキ
ャピラリーを用いることもできる。金属膜被覆4の材料
としては、金、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル
等の光を反射する材料が用いられる。
れば、透過孔端部の金属膜被覆を曲面にすることによ
り、金属膜被覆の厚さが測定する表面形状に与える影響
を小さくすることができ、容易に金属膜被覆の膜厚を厚
くすることができる。従って、透過孔周辺の漏れ光を防
止できるとともに、透過孔の埋没を防止することがで
き、表面形状の高分解能化と、光学特性の高分解能化を
両立させることができる。
先端部分が直線状の光伝搬体プローブ及び先端部分が鈎
状の光伝搬体プローブにおいて実施可能である。図2は
本発明の第2実施例を示す光伝搬体プローブの構成を表
した断面図である。
1の被覆膜、3は第2の被覆膜で、光ファイバー1は尖
鋭化され、先端5の透過孔部を除く部分は第1の被覆膜
2で被覆され、第1の被覆膜2の外側に先端部近傍でテ
ーパー状となる第2の被覆膜3が設置された構成であ
る。第1の被覆膜2の材料としては、金、白金、アルミ
ニウム、クロム、ニッケル等の光を反射する材料が用い
られる。第2の被覆膜3の材料としては、第1の被覆膜
と同一の材料、または堆積方向に異方性を有する薄膜堆
積手段で堆積可能な他の金属材料、非金属材料が用いら
れる。
材料の組み合わせは、プローブの使用目的により選択す
ることができる。通常は第1の被覆膜2、第2の被覆膜
3ともに同一の材料とし、アルミニウム、金など高反射
率を有する材料を用いる。また、第1の金属膜として単
波長域で高反射率を有するアルミニウムを用いた場合、
あるいは高温多湿環境や薬品などによる酸化や腐食の問
題がある場合、第2の被覆膜3としては金、白金などの
貴金属材料を用いればアルミニウムの保護膜として機能
させることができる。第2の被覆膜3を保護膜としての
み機能させる場合は、非金属材料を用いることもでき
る。さらに、光伝搬体プローブを走査型磁気力顕微鏡に
搭載して使用する場合、第1の被覆膜2として高反射率
を有するアルミニウムや金などの材料を用い、第2の被
覆膜3としてクロム、ニッケルなどの磁性材料や磁性合
金材料を用いる。
れば、光伝搬体プローブの被覆膜を含む先端径を小さく
することができ、さらに透過孔周辺の漏れ光や透過孔の
埋没を防止することができる。従って、表面形状の高分
解能化と、光学特性の高分解能化を両立させることがで
きる。また、被覆膜をむ先端径を大きくすることなく、
光伝搬体プローブに保護膜や機能性膜を付加することが
できる。
先端部分が直線状の光伝搬体プローブ及び先端部分が鈎
状の光伝搬体プローブにおいて実施可能である。図3
は、図2の実施例で示した光伝搬体プローブの透過孔形
成方法を表した工程図である。
る工程を表したものであり、尖鋭化した光ファイバーを
表している。光ファイバー1の末端から1cmから10
cm程度、合成樹脂の被覆を取り除き、表面を清浄にし
た後尖鋭化する。尖鋭化の方法は、加熱手段により加熱
しながら張力を付加して引張破断する方法や化学エッチ
ングによる方法が用いられる。引張破断の方法におい
て、加熱の手段としては、炭酸ガスレーザー光を集光し
て当てる方法や、コイル状に巻いた白金線の中央に光フ
ァイバー1を通し、白金線に電流を流して加熱する方法
を用いることができる。また、化学エッチングによる方
法は、フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合溶液に
光ファイバー1を浸漬して、コアとクラッドのエッチン
グ速度の差を利用する方法や、フッ化水素酸と有機溶媒
の2層液に光ファイバー1を浸漬して、2層界面のメニ
スカスを利用して尖鋭化する方法が用いられる。
は、尖鋭化した後、光ファイバーの尖鋭化した先端から
0.1mmから2mmの部分に炭酸ガスレーザーのレー
ザー光をあて、変形させる前の角度を0度としたとき、
60度から90度程度の鈎状の形状に変形させる。この
とき、レーザー光の当たる側がその裏側に対して、熱の
吸収量が多いため、軟化にともなう表面張力により、光
ファイバー先端はレーザー光の当たる方向に折れ曲がっ
ていく。この曲がり角度の調整は、曲がり具合を確認し
ながらレーザー光の出力をコントロールすることによっ
て行うことが可能である。
場合は、鈎状に成形した後、機械研磨により鈎状部の背
面に反射面を形成して用いる。図3(B)は、図3
(A)に示した工程で成形した光ファイバーの、透過孔
部を除く先端部に第1の被覆膜2を堆積する工程を表し
た断面図である。第1の被覆膜2の堆積方法としては真
空蒸着、スパッタなど異方性を有する薄膜堆積法が用い
られ、膜厚は20nmから1000nmの範囲で選択さ
れる。堆積方向は図3(B)中に矢印で示したとおり、
先端の後方であり、角度Aが、20度から90度の範囲
で選択される。被覆膜堆積中は光ファイバー1を、先端
部の中心軸6の周りに回転させる。光ファイバー1を先
端部の中心軸と平行な軸7の周りに回転させた場合、光
ファイバー1の回転の偏心量が、成膜距離と比較して十
分に小さい場合、光ファイバー1を先端部の中心軸6の
周りに回転さる場合と同様の作用が得られる。回転させ
ない場合は、先端部の中心軸6の周りに少なくとも2方
向以上に分けて堆積させる。
端部近傍でテーパー状となる第2の被覆膜3を堆積する
工程を表した断面図である。第2の被覆膜3の堆積方法
としては第1の被覆膜を堆積する場合と同様に、真空蒸
着、スパッタなど異方性を有する薄膜堆積法が用いら
れ、膜厚は20nmから1000nmの範囲で選択され
る。堆積方向は図3(C)中に矢印で示したとおり、先
端の後方であり、角度Bは、図2(B)に示した角度A
よりも小さくする。被覆膜堆積中は光ファイバー1を、
先端部の中心軸6の周りに回転させる。光ファイバー1
を先端部の中心軸と平行な軸7の周りに回転させる場
合、光ファイバー1の回転の偏心量が、成膜距離と比較
して十分に小さければ、光ファイバー1を先端部の中心
軸6の周りに回転さる場合と同様の作用が得られる。回
転させない場合は、先端部の中心軸6の周りに少なくと
も2方向以上に分けて逐次堆積させる。
成方法によれば、被覆膜を、透過孔部を形成している第
1の被覆膜と、第1の被覆膜の外側にあって、先端部近
傍でテーパー状となる第2の被覆膜とで構成することが
できる。図4は、図1の実施例で示した光伝搬体プロー
ブの透過孔形成方法を表した図である。透過孔形成のた
めの真空蒸着工程における真空蒸着装置内部の配置を表
した図である。
で、尖鋭化した光ファイバー1の先端部の方向に対し、
平行な方向に有限の長さを有する蒸着ボート31を設置
する。この時、蒸着ボート31の端は光ファイバー1の
先端を越えない位置に配置する。光ファイバー1を先端
部の中心軸6の周りに回転させながら、蒸着ボート31
を通電加熱して蒸着を行う。光ファイバー1の先端部に
着目すると、蒸着角度は図4中の角度Cから角度Dの範
囲で角度範囲を持って金属膜被覆が蒸着される。従っ
て、図1の実施例で示したような、透過孔端部で透過孔
部から外周に向かって漸次後退する曲面を有する金属膜
被覆を形成することができる。
軸7の周りに回転させた場合、光ファイバー1の回転の
偏心量が、蒸着ボート31と光ファイバー1の距離と比
較して十分に小さければ、光ファイバー1を先端部の中
心軸6の周りに回転さる場合と同様の作用が得られる。
また、回転させない場合は、先端部の中心軸6周りに少
なくとも2方向以上に分けて逐次堆積させる。
選択されるが、セラミクス、タングステン、アルミナな
どを使用する。図5は、図1の実施例で示した光伝搬体
プローブの透過孔形成方法を表した図である。透過孔形
成のための真空蒸着工程における真空蒸着装置内部の配
置を表した図である。
置が異なる。尖鋭化した光ファイバー1の先端部の方向
に対し、平行な方向に2個の蒸発源32を設置する。こ
の時、1個目の蒸発源32は光ファイバー1の先端を越
えない位置に配置する。光ファイバー1を先端部の中心
軸6の周りに回転させながら、蒸発源32を加熱して蒸
着を行う。光ファイバー1の先端部に着目すると、蒸着
角度は図5中の角度Eと角度Fの2方向から同時に金属
膜被覆が蒸着される。従って、図1の実施例で示したよ
うな、透過孔端部で透過孔部から外周に向かって漸次後
退する曲面を有する金属膜被覆を形成することができ
る。
軸7の周りに回転させた場合、光ファイバー1の回転の
偏心量が、蒸着ボート32と光ファイバー1の距離と比
較して十分に小さければ、光ファイバー1を先端部の中
心軸6の周りに回転さる場合と同様の作用が得られる。
また、回転させない場合は、先端部の中心軸6の周りに
少なくとも2方向以上に分けて逐次堆積させる。
法を示したが、2個以上の蒸発源を配置しても同様の作
用が得られる。蒸発源32は、タングステン、アルミナ
などの抵抗加熱用蒸発源や電子ビーム蒸発源などが用い
られる。
た走査型近視野顕微鏡の構成を示す図である。本発明に
よる光伝搬体プローブ20を、振動手段であるバイモル
フ21に設置し、光伝搬体プローブ20の先端を試料2
3に対して垂直に振動させ、プローブ20の先端と試料
23の表面の間に作用する原子間力あるいはその他の相
互作用に関わる力をプローブ20の振動特性の変化とし
て変位検出手段22で検出する。光伝搬体プローブ20
の先端と試料23の表面の間隔を一定保つように制御手
段25で制御しながら、XYZ移動機構24により試料
を走査して表面形状を測定する。同時に、光学特性測定
用光源26の光を光伝搬体プローブ20に導入し、プロ
ーブ20先端の透過孔から試料23に照射し、光学特性
測定光検出手段27で検出することによって微小領域の
光学特性の測定を行う。
透過型の構成を示したが、試料表面で測定光を検出する
反射型の構成や、光伝搬体プローブ20で光を検出する
構成も可能である。また、図6は鈎状の光伝搬体プロー
ブを用いた実施例であるが、直線状の光伝搬体プローブ
を用い、プローブ先端を試料23の表面に対して水平に
振動させる構成とすれば、プローブ先端と試料表面の間
に働くずり力を利用して、プローブの先端と試料表面の
間隔を一定保つように走査する走査型近視野顕微鏡を実
現することができる。
搬体プローブの構成では、透過孔端部の金属膜被覆を曲
面にすることにより、被覆膜の厚さが測定する表面形状
に与える影響を小さくして、金属膜被覆の膜厚を厚くす
ることができる。従って、表面形状の分解能を向上させ
ることが可能である。また、透過孔周辺の漏れ光や透過
孔の埋没を防止することができ、光学特性の分解能及び
コントラストを向上させることが可能である。
成では被覆膜を第1の被覆膜と第2の被覆膜とで構成す
ることにより、光伝搬体プローブの金属膜被覆を含む先
端径を小さくすることができ、表面形状の分解能を向上
させることが可能である。さらに、透過孔より後方では
金属膜被覆の膜厚が厚くなるため、透過孔周辺の漏れ光
や透過孔の埋没を防止することができ、光学特性の分解
能及びコントラストを向上させることが可能である。
過孔形成方法によれば、被覆膜を、透過孔端部で曲面と
したり、透過孔部を形成している第1の金属膜被覆と、
第1の金属膜被覆の外側にあって、先端部近傍でテーパ
ー状となる第2の金属膜被覆とで構成することができ、
容易に本発明による光伝搬体プローブの透過孔を形成す
ることが可能である。
構成を表した断面図である。
構成を表した断面図である。
表した工程図である。
表した図である。
表した図である。
野顕微鏡の構成図である。
である。
Claims (12)
- 【請求項1】 端部に光を透過する透過孔を有する光伝
搬体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部となるように構
成され、透過孔部を除く先端部に被覆膜を有する光伝搬
体プローブの透過孔形成方法であって、前記光伝搬体の
先端部の方向と平行な方向に長さを有する蒸発源を用い
て、前記透過孔部周辺から後方にかけて、先端部の中心
軸からの角度が、所定の角度からこれより小さい角度ま
での角度範囲を持った蒸着角度で真空蒸着を行うことに
より、金属膜被覆を前記透過孔部周辺からプロ−ブ本体
方向に徐々に曲線状に厚さを増して堆積する工程よりな
ることを特徴とする光伝搬体プローブの透過孔形成方
法。 - 【請求項2】 端部に光を透過する透過孔を有する光伝
搬体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部となるように構
成され、透過孔部を除く先端部に被覆膜を有する光伝搬
体プローブの透過孔形成方法であって、前記光伝搬体の
先端部の方向と平行な方向に少なくとも2個以上配置さ
れた蒸発源から、先端部の中心軸からの角度が、それぞ
れ前方の角度より後方の角度が小さくなる蒸着角度で真
空蒸着を行うことにより前記金属膜被覆を、前記透過孔
部周辺から、プロ−ブ本体方向に徐々に曲線状に厚さを
増して堆積する工程よりなることを特徴とする光伝搬体
プローブの透過孔形成方法。 - 【請求項3】 端部に光を透過する透過孔を有する光伝
搬体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部となるように構
成され、透過孔部を除く先端部に被覆膜を有する光伝搬
体プローブの透過孔形成方法であって、前記光伝搬体の
側方から所定の角度で第1の被覆膜を堆積する工程と、
前記第1の被覆膜の堆積方向より先端に向かって後方か
ら前記第1の被覆膜を堆積する工程の角度よりも小さい
角度で第2の被覆膜を堆積する工程よりなり、前記透過
孔部周辺から、プロ−ブ本体方向に徐々に曲線状に厚さ
を増して堆積することを特徴とする光伝搬体プローブの
透過孔形成方法。 - 【請求項4】 前記金属膜被覆あるいは前記被覆膜を堆
積する工程において、前記光伝搬体プローブを、先端部
の中心軸周りに回転させることを特徴とする請求項1か
ら3のいずれか一項に記載の光伝搬体プローブの透過孔
形成方法。 - 【請求項5】 前記金属膜被覆あるいは前記被覆膜を堆
積する工程において、前記光伝搬体プローブを、先端部
の中心軸と平行な軸周りに回転させることを特徴とする
請求項1から3のいずれか一項に記載の光伝搬体プロー
ブの透過孔形成方法。 - 【請求項6】 前記金属膜被覆あるいは前記被覆膜を堆
積する工程において、前記光伝搬体プローブの先端部の
中心軸と平行な軸周りに、少なくとも2方向以上から逐
次被覆膜を堆積させることを特徴とする請求項1から3
のいずれか一項に記載の光伝搬体プローブの透過孔形成
方法。 - 【請求項7】 請求項1から6のいずれか一項に記載の
光伝搬体プローブの透過孔形成方法による光伝搬体プロ
ーブであり、端部に光を透過する透過孔を有する光伝搬
体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部となるように構成
され、透過孔部を除く先端部に金属膜被覆あるいは被覆
膜を有する光伝搬体プローブにおいて、 前記金属膜被覆あるいは前記被覆膜が、前記透過孔部周
辺から、プロ−ブ本体方向に徐々に曲線状に厚さを増し
ていることを特徴とする光伝搬体プローブ。 - 【請求項8】 請求項1から6のいずれか一項に記載の
光伝搬体プローブの透過孔形成方法による光伝搬体プロ
ーブであり、端部に光を透過する透過孔を有する光伝搬
体からなり、透過孔部が尖鋭な先端部となるように構成
され、透過孔部を除く先端部に被覆膜を有する光伝搬体
プローブにおいて、 前記被覆膜が、透過孔部を形成している第1の被覆膜
と、前記第1の被覆膜の外側にあって、先端部近傍でテ
ーパー状の厚みを有する第2の被覆膜よりなることを特
徴とする光伝搬体プローブ。 - 【請求項9】 前記第1の被覆膜と前記第2の被覆膜
は、同一材料の被覆膜であることを特徴とする請求項8
記載の光伝搬体プローブ。 - 【請求項10】 前記第1の被覆膜と前記第2の被覆膜
は、同一材料の金属被覆膜であることを特徴とする請求
項8記載の光伝搬体プローブ。 - 【請求項11】 前記第1の被覆膜と前記第2の被覆膜
は、異なる材料の被覆膜であり、前記第1の被覆膜は金
属被覆膜で、前記第2の被覆膜は非金属被覆であること
を特徴とする請求項8記載の光伝搬体プローブ。 - 【請求項12】 光伝搬体プローブの先端部と測定すべ
き試料あるいは媒体表面との間隔を、前記光伝搬体プロ
ーブ先端部と前記表面との間に原子間力あるいはその他
の相互作用に関わる力が作用する動作距離内に近づけた
状態で、2次元的な走査手段によって前記試料表面を走
査するとともに、制御手段によって前記表面の形状に沿
って前記光伝搬体プローブを制御し、前記表面の微小領
域に対して、光照射あるいは光検出を行い、試料形状と
2次元光学情報を同時に測定する走査型近視野顕微鏡に
おいて、前記光伝搬体プローブの先端と前記表面を相対
的に水平方向あるいは垂直方向に振動させる振動手段
と、前記光伝搬体プローブの変位を検出する変位検出手
段と、前記検出手段が出力する検出信号に基づいて前記
光伝搬体プローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保
つための制御手段を有するとともに、少なくとも請求項
7から11のいずれか一項に記載の光伝搬体プローブを
有することを特徴とする走査型近視野顕微鏡。
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