JP3592546B2 - 高出力光プローブおよび光システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面の微小領域の光学的な特性を観察したり、微細加工を行ったり、高密度記録・再生を行うための光プローブおよび光システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、近接場光顕微鏡においては、一般に、光ファイバー等の光伝搬体の先端を尖鋭化させ、先端以外の部分を金属皮膜でコートし、先端に微小開口を形成させたプローブを用いている。この光伝搬体としては、光ファイバーが主に用いられている。この光ファイバーを尖鋭化して、先端以外の部分を金属被覆した用いたプローブに関しては、Ｂｅｔｚｉｇらによって、詳しく説明されている（Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ ５，２７２，３３０， 特開平４−２９１３１０）。
【０００３】
これより前に、ＬｅｗｉｓらやＳｈａｌｏｎｅらが、熱的に引き延ばし破断したガラスチューブの先端部の微小開口を用いる方法を報告している（Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ ４，９１７，４６２ （１９９０）； Ｒｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ． ６３（１９９２）４０６１）。この場合には、チューブの肉厚は、比較的薄く形成され、プローブを金属被覆し、先端の孔を微小開口として用いている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のプローブにおいて問題となるのは、微小開口から取り出される光強度がきわめて小さいという点である。この原因は、例えば、光ファイバーを用いた光プローブにおいて、初めは、誘電導波モードであったものが、先端付近のテーパー部において、径が小さくなるため、金属導波モードに変換され、さらに、径が小さくなると金属導波モードの許容径より小さくなり、急激に光の減衰が生じてしまうためである。
【０００５】
この問題を解決する方法として、上記文献においても示唆されているように、図１に示すように、平坦な面を持つプローブの端面を金属被覆して、一部に微小開口を形成する方法もある。しかし、この構造を得るためには、収束イオンビームによるエッチングを行う必要があり、生産性の高い方法ではない。
一方、減衰を補うために、プローブに強力な入射光を与える方法が考えられる。しかし、もう一つの課題は、プローブ先端部における光の吸収に伴う発熱によって、プローブを構成するガラスと被覆金属の間の熱膨張率の違いによって、被覆が剥離してしまったり、先端部が溶解してしまうという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明者らは、テーパー部分でのロスが少ない構造のプローブとして、プローブの中心が中空であるガラスチューブからなり、プローブ先端に向かって、テーパー部を持ち、先端部に微小な開口を有し、テーパー部、及び、微小な開口部の周辺の表面が、電磁波遮へい材料で被覆されているプローブで、ガラスチューブ先端径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている光プローブを考案した。これによって、金属導波モードより、径が小さくなる部分がなくなり、先端部まで達する光のロスを大幅に抑えることができた。このプローブでは、単純には、先端部の内部のチューブ径で決まる面積に対して、微小開口の径で決まる面積の比が、微小開口からの、光出力になるが、この場合、図１に示したプローブ構造に比べて、はるかに面積的な効率を高くすることが可能であるとともに、試料表面を走査する場合には、小さなくぼみの形状をトレースするのにも有利である。
【０００７】
ここで、実際の光出力は、プローブ内の伝搬モードに依存するため、単純に面積の比にはならない。このため、より中央部に伝搬光を集める方法として、さらに、先端の中空部分に高屈折率のオイル、樹脂、または、ガラスなどの誘電体を充填した構造をとることができる。
さらに、高出力の入射光を入れても金属被覆がはがれない構造のプローブとして、先端を尖鋭化した光導波体が、先端を露出して、金属のブロック中に埋め込まれてた構造の光プローブを構成することができる。この光導波体としては、光ファイバー、中空ガラスチューブなどを用いることができる。中空ガラスチューブを用いた場合には、プローブ先端を有する面に、電磁波遮へい材料を被覆することで、この構造のプローブにおいても、ガラスチューブ先端径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている光プローブを構成することができる。この場合も、先端の中空部分に誘電体を充填したプローブが構成できる。
【０００８】
さらに強い入射光に耐えられるプローブとしては、光導波体部分を除去し、金属ブロックだけで構成したプローブ構造が有効であり、上で述べたような、先端を露出し、金属のブロック中に埋め込まれ、 先端を尖鋭化した光導波体と同形状の中空部分を有する金属のブロックでプローブを構成することができる。光導波体部を除去する場合には、中空ガラスチューブで一旦プローブを構成した後、中空部にエッチング液を導入し、エッチングすることによって形成することができる。この場合も、先端部の径が使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成したガラスチューブを用いて形成したプローブをエッチングすることによって、中空部分の先端部の内径が使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されているとともに、最先端部に微小開口を有する電磁波遮へい材料の薄膜を有するプローブを構成することができる。
【０００９】
この金属ブロックには、さらに、冷却機能を付与することで、より高出力に対応させることができる。
ここで、発明のプローブと、少なくとも、光源、集光光学系、プローブ−サンプル間の相対移動手段、光検出器、プローブの変位検出手段によって、走査型近接場光顕微鏡を構成することができる。
【００１０】
一方、発明のプローブと、少なくとも、光源、集光光学系、プローブ−サンプル間の相対移動手段、プローブの変位検出手段によって、微細加工装置を構成することができる。
さらに、発明のプローブと、少なくとも、プローブ支持体、光源、記録メディア、プローブ−記録メディア間の相対移動手段、制御およびデータ処理手段、必要に応じて、メモリ情報検出用フィルタ、光検出器によって、メモリ装置を構成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の内容を図面を用いて詳しく説明する。
図２は、本発明の光プローブを模式的に示したものである。図２において、光プローブは、プローブの中心が中空であるガラスチューブ２１からなり、プローブ先端２２に向かって、テーパー部２３を持ち、先端部に微小な開口２４を有し、テーパー部、及び、微小な開口部の周辺の表面が、電磁波遮へい材料２５で被覆されているプローブで、ガラスチューブ先端径２６が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている。このガラスチューブ先端径は、Ｂｅｔｚｉｇらの文献において開示されているように、屈折率と導波モードに依存した係数によって変化するが、おおむね波長と同程度である。すなわち、５００ｎｍの波長の光に対しては、５００から１０００ｎｍ程度、あるいはそれ以上の先端径を用意すればよい。開口径はチューブ内径によって決まるが、上記の例に対して、２０〜２００ｎｍ程度が、典型的な値である。被覆は、アルミ、クロム、金などを用いることができる。アルミの場合は、５０〜２００ｎｍ程度の厚さが必要になる。この構造によって、金属導波モードより、径が小さくなる部分がなくなり、先端部まで達する光のロスを大幅に抑えることができた。
【００１２】
このプローブにおいて、微小開口からの実際の光出力は、プローブ内の伝搬モードに依存するため、単純に面積の比にはならない。このため、より中央部に伝搬光を集める方法として、さらに、図３に示すように、先端の中空部分に高屈折率のオイル、樹脂、または、ガラスなどの誘電体３１を充填した構造をとることができる。
【００１３】
これらの液体または融液は、毛細管現象によって、チップ先端から、内部の中空部に充填される。
さらに、高出力の入射光を入れても金属被覆が剥離しない構造のプローブとして、図４（ａ）に示すように、先端を尖鋭化した光導波体４１が、先端４２を露出して、金属のブロック４３中に埋め込まれてた構造の光プローブを構成することができる。この光導波体としては、光ファイバーの他、図４（ｂ）に示すように、中空ガラスチューブ４４などを用いることができる。中空ガラスチューブを用いた場合には、図５（ａ）に示すように、プローブ先端を有する面に、電磁波遮へい材料５１を被覆することで、この構造のプローブにおいても、ガラスチューブ先端径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている光プローブを構成することができる。この場合も、図５（ｂ）に示すように、先端の中空部分に誘電体５２を充填したプローブが構成できる。
【００１４】
この金属ブロックのプローブは、前もって形成した光導波体を芯として、光導波体より融点の低い金属を鋳型に流し込むことによって形成できる。光導波体が、石英ガラスの場合、これより融点の低い亜鉛、アルミ、金などの金属やこれらの金属を含む合金などを用いることができる。
さらに強い入射光に耐えられるプローブとしては、光導波体部分を除去し、金属ブロックだけで構成したプローブ構造が有効であり、上で述べたような、先端を露出し、金属のブロック中に埋め込まれ、 先端を尖鋭化した光導波体と同形状の中空部分を有する金属のブロックでプローブを構成することができる。光導波体部を除去する場合には、中空ガラスチューブで一旦プローブを構成した後、中空部にエッチング液を導入し、エッチングを行う。こうして得られたプローブは、図６に示すようになる。
【００１５】
この場合も、図７に示すように、先端部の径が使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成したガラスチューブを用いて形成したプローブをエッチングすることによって、中空部分の先端部の内径が使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されているとともに、最先端部に微小開口７１を有する電磁波遮へい材料の薄膜７２を有するプローブを構成することができる。
【００１６】
この金属ブロックには、さらに、冷却機能を付与することで、より高出力に対応させることができる。この場合には、空冷用の冷却フィンを設けるか、金属ブロック内に液体を循環させて、冷却を行う。
ここで、本発明のプローブと、少なくとも、光源、集光光学系、プローブの弾性機能、プローブ−サンプル間の相対移動手段、光検出器、プローブの変位検出手段によって、走査型近接場光顕微鏡を構成する例について説明する。図８では、本発明のプローブ８１が、微小開口部８２を試料板８３の表面に近接して配置されており、プローブ８１を支持するバネ要素９８が、試料面に対して水平に変位するように配置されている。プローブの先端とは反対の端面８４には、光源８５、および、フィルター８６、レンズ８７等の光学系が配置されており、前記プローブ端面８４に、光を導入している。この結果として、微小開口部８２から、試料表面に光が照射される。図８の例では、集光レンズ８８、フィルター８９が、試料板８３の下に配置され、試料を透過してきた光を集光し、光検出器９０で、光強度が検出される。
【００１７】
変位検出手段としては、図８の装置構成では、プローブ８１を加振用圧電素子９１に交流信号を与えることによって振動させ、その振動を検出用圧電素子９２によって検出する。この振動の変化によって、プローブ−試料間の距離制御を行うことができる。
試料板８３は、プローブ−試料間の相対移動手段９３によって、ＸＹＺ方向に移動可能であり、コントローラ９４によって、ＸＹ平面でのスキャンが行われるとともに、試料表面形状に沿って、Ｚ方向の距離制御が自動的に行われる。この距離制御と同時に、検出した光信号の取得も行われる。このときのＸＹ座標に対応したＺ方向の制御信号をもとに、形状像を得ることができ、光信号から光像を得ることができる。また、相対移動手段には、粗動機構としてマイクロメーターやステッピングモーターが用いられ、微動機構には圧電素子が用いられる。
【００１８】
集光光学系のバリエーションとしては、微小開口部８２から試料板８３の表面に照射された際に、表面から反射する方向の光を集光レンズ９５、フィルター９６を介して、光検出器９７に光を集光し、光強度を検出することもできる。
ここで、バネ要素９８は、プローブ自身の持つバネ性によって、代用することもできる。
【００１９】
続いて、試料面に対して垂直方向のバネ要素を有する支持体を用いる走査型近接場光顕微鏡の構成を図９に示す。図９では、図８と同様に本発明のプローブ８１が、微小開口部８２を試料板８３の表面に近接して配置されており、プローブ８１を支持するバネ要素９８が、プローブ８１が、試料板８３に対して垂直方向に変位できるように、試料面に対して、おおむね水平となるように配置されている。プローブの端面８４には、光源８５、および、フィルター８６、レンズ８７等の光学系が配置されており、前記プローブ端面８４に、光を導入している。この結果として、微小開口部８２から、試料表面に光が照射される。図９の例では、集光レンズ８８、フィルター８９が、試料板８３の下に配置され、試料を透過してきた光を集光し、光検出器９０で、光強度が検出される。
【００２０】
変位検出手段としては、この例では、光てこ方式を用いており、光源１０１からミラー面１０２にビームを当て、反射した光の変位をプローブの変位として、分割型の光検出器１０３で、検出する。この折り曲げ型のプローブを用いた場合でも、圧電検出法を用いることも可能である。
試料板８３は、プローブ−試料間の相対移動手段９３によって、ＸＹＺ方向に移動可能であり、コントローラ９４によって、ＸＹ平面でのスキャンが行われるとともに、試料表面形状に沿って、Ｚ方向の距離制御が自動的に行われる。この距離制御と同時に、検出した光信号の取得も行われる。また、相対移動手段には、粗動機構としてマイクロメーターやステッピングモーターが用いられ、微動機構には圧電素子が用いられる。
【００２１】
集光光学系のバリエーションとしては、微小開口部８２から試料板８３の表面に照射された際に、表面から反射する方向の光を集光レンズ９５、フィルター９６を介して、光検出器９７に光を集光し、光強度を検出することもできる。
以上の構成例で使用した集光光学系は、ガラスや結晶材料で形成されたレンズなどの他、反射式のレンズ（カセグレンレンズ）を用いることもできる。従って、本発明のプローブのうち、特に、金属ブロックのみで構成されたプローブでは、波長依存性が少ないので、この特性を生かして、紫外域や赤外域で上記のシステムを使用することができる。本発明の高出力光プローブとしての特性を生かして、ラマン分光や蛍光寿命分光法などへ適用することができる。この場合には、さらに、分光器や検出器を追加すればよい。
【００２２】
さらに、プローブの変位検出法として以上の例では、圧電検出法や光てこ法を用いたが、これ以外にも、光干渉法などの変位検出法を用いることもできる。
この他、本発明の高出力光プローブとしての特性を生かして、微細加工を行うことができる。この場合は、上記の走査型近接場光顕微鏡の構成と同様の構成で装置を構成することができる。ただし、この場合は、光検出器などの光検出系は必ずしも必要とはしない。特に、本発明のプローブのうち、金属ブロックのみで構成されたプローブでは、波長依存性が少ないので、この特性を生かして、紫外域や赤外域の波長の光源を用いて微細加工を行うことができる。
【００２３】
さらに、本発明の光プローブと、少なくとも、プローブ支持体、光源、記録メディア、プローブ−記録メディア間の相対移動手段、制御およびデータ処理手段、必要に応じて、メモリ情報検出用フィルタ、光検出器によって、メモリ装置を構成することができる。図１０は、書き込み・読み出し機能を有する光メモリ装置の構成例である。図１０では、メモリ装置は、光プローブ１１１、プローブ支持体１１２、光源１１３、プローブ−記録メディア間の相対移動手段１１４、記録メディア１１５、回転手段１１６、制御およびデータ処理手段１１７などにより構成されている。光源１１３からでた光は、ビームスプリッター１２１を透過しレンズ１２２を介して、光プローブ１１１に入射される。光プローブ１１１からの戻り光は、ビームスプリッター１２１で直角に曲げられ、光検出器１２３に達する。光検出器１２３に達した光の強度によって、記録情報の読み出しが行われる。記録メディアに照射する光強度を強くすると書き込みを行うことができる。
【００２４】
記録メディアにおける偏光特性の変化を検出する場合には、偏光変化成分検出用の偏光フィルタ１２４を光検出器１２３の前に配置すればよい。
以上述べた光システムにおいて、特に、金属ブロックのみで構成されたプローブでは、複数個の走査用プローブを一体に構成することができる。この場合には、特に、メモリ装置において、より高速な処理を行うことが可能になる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によって、高出力の光プローブを実現できるようになった。これによって、光の波長を越える微細領域の光学的な分析、加工、記録・再生を実用的なものにすることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光プローブの構造を示す模式図である。
【図２】本発明の光プローブの構造を示す模式図である。
【図３】本発明の光プローブの構造を示す模式図である。
【図４】本発明の光プローブの構造を示す模式図である。
【図５】本発明の光プローブの構造を示す模式図である。
【図６】本発明の光プローブの構造を示す模式図である。
【図７】本発明の光プローブの構造を示す模式図である。
【図８】本発明の走査型近接場光顕微鏡の構成を示す模式図である。
【図９】本発明の走査型近接場光顕微鏡の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明のメモリ装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１ クラッド
２ コア
３ 金属膜
４ 微小開口
２１ ガラスチューブ
２２ プローブ先端部
２３ テーパー部
２４ 微小開口
２５ 電磁波遮へい材料
２６ 先端径
３１ 誘電体
４１ 光導波体
４２ 先端部
４３ 金属ブロック
４４ ガラスチューブ
５１ 電磁波遮へい材料
５２ 誘電体
７１ 微小開口
７２ 電磁波遮へい材料薄膜
８１ 光プローブ
８２ 微小開口部
８３ 試料板
８４ 端面
８５ 光源
８６ フィルター
８７ レンズ
８８ 集光レンズ
８９ フィルター
９０ 光検出器
９１ 圧電素子
９２ 圧電素子
９３ 相対移動手段
９４ コントローラー
９５ レンズ
９６ フィルタ
９７ 光検出器
９８ バネ要素
１０１ 光源
１０２ ミラー面
１０３ 光検出器
１１１ 光プローブ
１１２ プローブ支持体
１１３ 光源
１１４ 相対移動手段
１１５ 記録メディア
１１６ 回転手段
１１７ データ処理手段
１２１ ビームスプリッター
１２２ レンズ
１２３ 光検出器
１２４ フィルタ

Claims (19)

1. 中心が中空のガラスチューブからなり、プローブ先端に向かって、テーパー部を持ち、先端部に微小な開口を有し、テーパー部、及び、微小な開口部の周辺の表面が、電磁波遮へい材料で被覆され、前記ガラスチューブの先端径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されていることを特徴とする高出力光プローブ。
2. 前記ガラスチューブの先端の中空部分に誘電体を有することを特徴とする請求項１記載の高出力光プローブ。
3. 先端を尖鋭化した光導波体が、先端を露出して、金属のブロック中に埋め込まれ、前記光導波体の先端径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されていることを特徴とする高出力光プローブ。
4. 前記光導波体が、光ファイバーで構成されることを特徴とする請求項３記載の高出力光プローブ。
5. 前記光導波体が、中空ガラスチューブで構成されることを特徴とする請求項３記載の高出力光プローブ。
6. プローブ先端を有する面に、電磁波遮へい材料が被覆されていることを特徴とする請求項５記載の高出力光プローブ。
7. 前記ガラスチューブの先端の中空部分に誘電体を有することを特徴とする請求項６記載の高出力光プローブ。
8. 先端が尖鋭化された中空部分を有する金属のブロックからなり、前記中空部分の先端部の内径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されていることを特徴とする高出力光プローブ。
9. 前記中空部分が、中空ガラスチューブをエッチングすることによって形成されたことを特徴とする請求項８記載の高出力光プローブ。
10. 前記中空部分の最先端部に微小開口を有する電磁波遮へい材料の薄膜を有することを特徴とする請求項８記載の高出力光プローブ。
11. 前記金属ブロックに冷却機能を有することを特徴とする請求項８記載の高出力光プローブ。
12. 少なくとも、光源、集光光学系、プローブ−サンプル間の相対移動手段、光検出器、プローブの変位検出手段、および、中心が中空であるガラスチューブからなり、プローブの弾性機能、プローブ先端に向かって、テーパー部を持ち、先端部に微小な開口を有し、テーパー部、及び、微小な開口部の周辺の表面が、電磁波遮へい材料で被覆されているプローブにおいて、前記ガラスチューブの先端径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている高出力光プローブ、とからなる走査型近接場光顕微鏡。
13. 少なくとも、光源、集光光学系、プローブ−サンプル間の相対移動手段、光検出器、プローブの弾性機能、プローブの変位検出手段、および、先端を尖鋭化した光導波体が、先端を露出して、金属のブロック中に埋め込まれ、前記光導波体の先端径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている高出力光プローブ、とからなる走査型近接場光顕微鏡。
14. 少なくとも、光源、集光光学系、プローブ−サンプル間の相対移動手段、光検出器、プローブの弾性機能、プローブの変位検出手段、および、先端が尖鋭化された中空部分を有する金属のブロックからなり、前記中空部分の先端部の内径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている高出力光プローブ、とからなる走査型近接場光顕微鏡。
15. 少なくとも、光源、集光光学系、プローブ−サンプル間の相対移動手段、プローブの変位検出手段、および、中心が中空のガラスチューブからなり、プローブの弾性機能、プローブ先端に向かって、テーパー部を持ち、先端部に微小な開口を有し、テーパー部、及び、微小な開口部の周辺の表面が、電磁波遮へい材料で被覆されているプローブにおいて、ガラスチューブ先端径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている高出力光プローブ、とからなる微細加工装置。
16. 少なくとも、光源、集光光学系、プローブ−サンプル間の相対移動手段、プローブの弾性機能、プローブの変位検出手段、および、先端を尖鋭化した光導波体が、先端を露出して、金属のブロック中に埋め込まれ、前記光導波体の先端径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている高出力光プローブ、とからなる微細加工装置。
17. 少なくとも、光源、集光光学系、プローブ−サンプル間の相対移動手段、プローブの弾性機能、プローブの変位検出手段、および、先端が尖鋭化された中空部分を有する金属のブロックからなり、前記中空部分の先端部の内径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている高出力光プローブ、とからなる微細加工装置。
18. 先端を尖鋭化した光導波体が、先端を露出して、金属のブロック中に埋め込まれ、前記光導波体の先端径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている高出力光プローブ、および、プローブ支持体、光源、光検出器、記録メディア、プローブ−記録メディア間の相対移動手段、制御およびデータ処理手段より構成されるメモリ装置。
19. 先端が尖鋭化された中空部分を有する金属のブロックからなり、前記中空部分の先端部の内径が、使用する波長の金属導波モードの成り立つ径より大きく形成されている高出力光プローブ、および、プローブ支持体、光源、光検出器、記録メディア、プローブ−記録メディア間の相対移動手段、制御およびデータ処理手段より構成されるメモリ装置。

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