JP4020392B2 - 近接場光プローブ作製装置及びその作製方法 - Google Patents
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Description
本発明に従って作製されるプローブは、半導体の構造解析や生体分子の計測等、近接場光顕微鏡で測定される全ての試料に対して適用可能である。
このナノメートルオーダーの測定を可能とするものとして、原子間力顕微鏡(AFM)や走査型トンネル顕微鏡(STM)、そして、前述の回折限界を打破した走査型近接場光顕微鏡(SNOM)などが挙げられる。
これらナノメートルオーダーでの測定が可能な顕微鏡のうち、原子間力顕微鏡(AFM)や走査型トンネル顕微鏡(STM)が被測定物の表面形状しか測定できないのに対して、走査型近接場光顕微鏡(SNOM)はその光学特性、更には物質の組成分析も行うことができる利点がある。
先ず、第1の方法は、FIB(Focused Ion Beam)を用いる方法である。これは予めエッチング等によって光ファイバを先鋭化し、漏光防止のために金属膜を成膜する。その後プローブにイオンビームを照射することにより、その先端部分を削って微小開口を作製するものである。操作方法に多少の熟練を必要とするが、慣れれば数10nmの開口を精度良く作製することができる。
しかし、このFIBを用いた方法では装置設備が非常に高額であり、またイオンビームを照射するための調整工程も複雑であるため、熟練者でなければ所望の開口を精度良く作製することができないという大きな欠点がある。
しかし、この押し付け法の場合は、充分な硬度を備えていない試料では、その表面を傷付けてしまうという大きな問題がある。また、プローブと試料を把持する治具に温度膨張などが発生した場合、意図するだけの押し込みを実現することができず、所望の開口径を形成し得ない事態も発生する。
しかし、前記のプローブを回転させながら斜め後方から金属膜を成膜する方法(第3の方法)では、均一な膜を得ることは難しい。また、複数のプローブを一度に作製しようとする場合、プローブをセットした位置によって膜厚に差異が生じてしまう。
このように、従来の装置や方法では、製作工程が多く製作効率も低いためコスト高を招くばかりでなく、試料にダメージを与えてしまうという大きな問題点もあった。
また、本発明の近接場光顕微鏡及び近接場光プローブに関連するものとして、特開2002−365196号公報に記載されたものがある。この公報に記載されたものは、シリコン層を近接場光プローブとして加工するものであり、シリコンからなる円錐台状の光導波部に開口を作製すべく、その光導波部の周囲に遮光膜を形成するように工夫を凝らしたものである。
光源(LD)1から照射されたレーザは、コリメートレンズ2及び集光レンズ3によってコリメート及び集光されてプローブ(光ファイバ)5に導光される。プローブ5の先端はエッチング等によって先鋭化され、FIBや押し付け法などの手段によって先端に微小開口4が形成されているため、近接場光6が発生する。一般に知られているとおり、この近接場光は開口径とほぼ同じだけの距離内に存在する非伝播光であり、通常は観察されない。しかし、PZTステージ8上に載置された試料7をこの近接場光領域に接触させると、近接場光が散乱され伝播光に変換される。この散乱光が再びプローブ5を通り、ビームスプリッタ9によって偏向され、レンズ3及びピンホール11を通過した後、フォトマルチプライヤ(PMT)12によって検知される。この検知された光の強度や周波数スペクトルに応じて、例えば、その表面形状や試料の構造又は組成を測定することが可能である。
なお、図1において、13はファンクションジェネレータ(FG)、14はロックインアンプ(LIA)、16は圧電体駆動アンプ(Amp)である。
前記先願発明のような作製装置及び作製方法を用いることにより、簡便に微小開口を作製することが可能であるが、この微小開口以外からの漏光を少なくするために金属膜を厚くしなければならないような場合、溶解に要するエネルギーも大きくなり、その厚みによっては充分な溶解が生じないで開口が作成できない場合もある。
また、金属膜の比熱が大きく融点が高い場合には、溶解に要するエネルギーが大きくなり、光源に求められる性能やプローブ作製時間も多大なものとなってしまう。
また、本発明が解決しようとする課題2は、上記課題1に加えて、さらに、近接場光プローブに異なる種類の金属膜を成膜することにより、使用環境に応じた機能を持たせることである。
〔解決手段1〕(請求項1に対応)
上記課題1を解決するために講じた解決手段1は、端面が先鋭化された光ファイバ先端に金属膜を成膜し、この金属膜を光の照射により溶解して微小開口を形成することにより、近接場光プローブを作製する近接場光プローブ作製装置であって、
前記光ファイバ先端に金属膜を成膜する成膜手段と、前記金属膜を溶解し得るエネルギーをもつ光を発生する光源と、前記光源から照射される光を前記光ファイバの先鋭化されていない端面に導光する導光手段と、前記成膜手段による成膜工程、及び前記金属膜に微小開口を形成する開口形成工程を制御する制御手段とを備えて成り、前記金属膜の成膜と溶解を繰り返すことである。
〔作 用〕
光源が発生する光によって容易に溶解し得る厚さの金属膜を光ファイバ先端に成膜し、それを光の照射により溶解して開口を形成する。これを繰り返すことにより、光ファイバ先端に被覆された所定厚さの金属膜に微小開口を形成することができる。遮光等のために被覆する金属膜を厚くする必要がある場合や該金属膜の比熱が大きく融点が高い場合でも、高価な装置を必要とすることなく、簡便かつ確実に低コストで近接場光プローブを作製することができる。
実施態様1は、上記解決手段1の近接場光プローブ作製装置において、制御手段が、開口形成工程において光源からの光の強度又は照射時間の少なくとも一方を制御することである。
〔作 用〕
光ファイバ先端に被覆された金属膜を溶解して開口を形成するとき、光源からの光の強度又は照射時間の一方又は双方を制御することにより、所望の開口径を形成することができる。
上記課題2を解決するために講じた解決手段2は、上記解決手段1又は実施態様1の近接場光プローブ作製装置において、成膜手段が、異なる種類の金属膜を成膜し得ることである。
〔作 用〕
融点、反射率及び屈折率等、様々な性質の異なる金属を選択して成膜することができるので、使用環境に応じた機能を持たせることができる。
実施態様2は、上記解決手段1、解決手段2又は実施態様1の近接場光プローブ作製装置において、成膜手段が、光源からの光により近接場光プローブ先端で発生する温度よりも高い融点を有する金属膜を、前記プローブ表面に表面金属膜として成膜し得ることである。
〔作 用〕
光源からの光により発生する熱によって溶解することのない金属膜が、近接場光プローブの表面を被覆して、該プローブの先端で露出しているコアの周囲も覆うことになるので、機械的強度が増大して測定中に試料と接触しても破損し難くなる。
実施態様3は、上記実施態様2の近接場光プローブ作製装置において、表面金属膜を表皮深さ(skin depth)以下の厚さで成膜することである。
〔作 用〕
近接場光プローブ先端において金属膜が表皮深さ以下となるように成膜されるので、該プローブのコア周囲に金属膜が被覆されている場合でも、金属膜による光の吸収等により近接場光発生効率の低下を招くことがない。
上記課題1を解決するために講じた解決手段3は、光ファイバの端面を先鋭化する第1の工程と、前記端面が先鋭化された光ファイバ先端に金属膜を成膜する第2の工程と、光源から発生され前記金属膜を溶解し得るエネルギーをもつ光を、前記光ファイバの先鋭化されていない端面に導入し、前記光ファイバ先端の金属膜を溶解して微小開口を形成する第3の工程と、前記第3の工程終了後、前記第2の工程及び第3の工程を1回以上繰り返す第4の工程と、から成ることである。
〔作 用〕
端面が先鋭化された(第1の工程)光ファイバ先端に、光源が発生する光によって容易に溶解し得る厚さの金属膜を成膜し(第2の工程)、それを光の照射により溶解して開口を形成する(第3の工程)。これを繰り返すことにより、光ファイバ先端に被覆された所定厚さの金属膜に微小開口を形成することができる(第4の工程)。遮光等のために被覆する金属膜を厚くする必要がある場合や該金属膜の比熱が大きく融点が高い場合でも、高価な装置を必要とすることなく、簡便かつ確実に低コストで近接場光プローブを作製することができる。
上記課題2を解決するために講じた解決手段4は、上記解決手段3の近接場光プローブ作製方法において、第4の工程が異なる種類の金属膜を成膜する工程を有することである。
〔作 用〕
融点、反射率及び屈折率等、様々な性質の異なる金属を選択して成膜することができるので、使用環境に応じた機能を持たせることができる。
実施態様4は、解決手段3又は解決手段4の近接場光プローブ作製方法において、第4の工程が、光源からの光により近接場光プローブ先端で発生する温度よりも高い融点を有する金属膜を、前記プローブの表面に表面金属膜として成膜する工程を有することである。
〔作 用〕
光源からの光により発生する熱によって溶解することのない金属膜が、近接場光プローブの表面を被覆して、該プローブの先端で露出しているコアの周囲も覆うことになるので、機械的強度が増大して測定中に試料と接触しても破損し難くなる。
実施態様5は、上記実施態様4の近接場光プローブ作製方法において、第4の工程が表面金属膜を表皮深さ(skin depth)以下の厚さで成膜する工程を有することである。
〔作 用〕
近接場光プローブ先端において金属膜が表皮深さ以下となるように成膜されるので、前記プローブのコア周囲に金属膜が被覆されている場合でも、金属膜による光の吸収等により近接場光発生効率の低下を招くことがない。
(1) 請求項1及び請求項6に係る発明
溶解が容易な膜厚での成膜と、光の照射による溶解とを繰り返すことにより、近接場光プローブ先端に開口を形成することができるので、遮光等のために被覆する金属膜を厚くする必要がある場合や該金属膜の比熱が大きく融点が高い場合でも、FIB等の高価な装置を必要とすることなく、簡便かつ確実に低コストで近接場光プローブを作製することが可能である。
(2) 請求項3及び請求項7に係る発明
融点、反射率及び屈折率等、様々な性質の異なる金属を選択して成膜することができるので、使用環境に応じた機能を有する近接場光プローブを作製することが可能である。
光源からの光により(近接場光により)発生する熱によって溶解することのない金属膜が、近接場光プローブの先端で露出しているコアの周囲も覆うことになるので、機械的強度が増大して測定中に試料と接触しても破損し難くなり、長時間使用することができる近接場光プローブを作製することが可能である。
(4) 請求項5及び請求項9に係る発明
近接場光プローブ先端において、金属膜が表皮深さ(skin depth)以下となるよう成膜されるので、前記プローブのコア周囲に金属膜が被覆されている場合でも、金属膜による光の吸収等により近接場光発生効率の低下を招くことがなく、高精度に測定を行うことができる近接場光プローブを作製することが可能である。
また、使用環境に応じた機能を有する近接場光プローブを作製するという目的を、光ファイバ先端に異なる種類の金属膜を成膜することにより実現するものである。
この実施例1の近接場光プローブ作製装置は、図3に示すように、真空チャンバ30内に予めエッチング等で先鋭化した光ファイバ(プローブ)5をセットすることができ、この光ファイバ5に対して光源(LD)1から照射された光を集光レンズ3を経て導光することができると共に、前記光ファイバ5の先端に金属膜を蒸着することが可能となるように構成されている。また、この近接場光プローブ作製装置は、光ファイバ5に対して金属膜を蒸着したり、この金属膜を光の照射により溶解する動作を制御する制御手段を備えており、前記真空チャンバ30内にセットされた光ファイバ5に対して、蒸着による金属膜の成膜と熱(光の吸収)による金属膜の溶解とを繰り返して行うことが可能である。なお、図3において、15はコンピュータ、20はLDコントローラ、32は蒸着用金属を示している。
このとき、光ファイバ5への入射光の強度や照射時間を制御することによって、前記金属膜の溶解の度合いを制御することができるので、予め、入射光の強度又は照射時間と溶解量とのデータを測定して、これを参照テーブルとすることによって所望の大きさの開口径を作製することが可能となる。また、光ファイバ(プローブ)5の先端部から漏れてくる光強度を検出して、光源(LD)1の発光強度や照射時間の制御にフィードバックしても良い。
先ず、先鋭化した光ファイバ5に対して所定の厚さの金属膜18を蒸着し、その後、光源(LD)1を点灯し、該光源から発せられた光を前記光ファイバ5に導光する。該導光された光は、光ファイバの先端において集中され温度を上昇させる。このとき、成膜された金属膜が溶解して所望の開口が形成されるように光の強度や照射時間を調整した後、光源1を消灯する。その後、蒸着された金属膜が、近接場光プローブの遮光機能を達成し得る膜厚となるまで、前記金属膜の蒸着と溶解とを繰り返す。このような金属膜の蒸着、光源の点灯又は消灯、光の強度や照射時間の調整、及び金属膜の蒸着と溶解の繰り返し等に関する制御は、コンピュータ15により実行される。
このような作製方法によれば、金属膜の比熱が大きい場合、又は融点が高い場合であっても、確実に開口を形成することができる。また、光源1の強度が小さくても、所望の大きさの開口を有する近接場光プローブを作製することが可能である。
この実施例2の近接場光プローブ作製装置は、例えば図7に示すように、上記実施例1において説明した装置構成に加えて、更に複数の蒸着用金属32a,32b,32cを搭載した回転テーブル31を真空チャンバ30内に設置するものである。
この実施例2の近接場光プローブ作製装置を用いる作製方法について、図9に示されたフローチャートを参照しながら説明する。
この作製方法は、上記実施例1の近接場光プローブ作製方法(図8参照)において、先ず最初の工程において、即ち、先鋭化された光ファイバに対して「金属膜を蒸着」する工程に先立って、「蒸着する金属を選択」する工程が実行されるものであり、この工程を除けば、上記実施例1の作製方法と同じである。
この実施例2の場合、複数の蒸着用金属を異なる種類のものとして、先鋭化された光ファイバ(プローブ)に蒸着する金属を、その時々の使用条件に合わせて選択して蒸着することにより、次に説明するように、近接場光プローブに様々な機能を付加することが可能である。
そして、蒸着用金属の1つとして、高い融点を有する金属を用いる場合について、以下に実施例3として説明する。
この実施例3の近接場光プローブ作製装置は、上記実施例2(図7参照)の装置構成と実質的に同じであり、作製工程の一部において異なるものである。
上記実施例2の近接場光プローブ作製方法によって作製された近接場光プローブは、その先端でコアが露出している状態になっているため、近接場光測定時に試料と接触して破損する恐れがある。この実施例3は、この破損を防止することができるように、前記プローブ表面を覆う金属膜として、光源からの光の集中によって発生する高熱においても溶解しない高い融点をもつ金属を用いるものである。これにより、図6に示されるように、前記プローブの先端が金属膜18bにより覆われるので、試料との接触による前記プローブのコアの破損を防ぐことが可能である。
このように近接場光プローブの先端部を金属膜で覆った場合、その金属膜が厚いと近接場光の発生効率が低くなってしまうので、その金属膜の厚さをその表皮深さ(skin depth)以下とすることによって、金属膜による光の吸収を防ぎ、近接場光の利用効率を向上させることができるため、近接場光測定におけるS/Nを向上させることが可能である。このような融点と硬度が共に高い金属の一例としては、クロムが挙げられる。
この実施例3の作製方法は、上記実施例2のものと殆ど同じであるから、共通する部分は説明を省略し、異なる部分についてのみ説明することとする。
図10のフローチャートに示されているように、上記実施例2において説明した作製方法において、金属膜が所定の膜厚(例えば、遮光機能を達成し得る膜厚よりも1回の成膜分だけ薄い膜厚)となったとき、最後に蒸着させる金属膜についてのみ、近接場光を発生させても溶解することのない高い融点をもつ金属を用いる。
この場合の金属膜の厚さ制御は、膜厚計からのフィードバック制御であっても良いし、予め取得したデータに基づいて算出される金属量などに依るものでも良い。
2 ‥‥‥ コリメートレンズ
3 ‥‥‥ 集光レンズ
4 ‥‥‥ 微小開口
5 ‥‥‥ 光ファイバ(プローブ)
6 ‥‥‥ 近接場光
7 ‥‥‥ 試料
8 ‥‥‥ PZTステージ
9 ‥‥‥ ビームスプリッタ
10 ‥‥‥ 加振用PZT
11 ‥‥‥ ピンホール
12 ‥‥‥ フォトマルチプライヤ(PMT)
13 ‥‥‥ ファンクションジェネレータ(FG)
14 ‥‥‥ ロックインアンプ(LIA)
15 ‥‥‥ コンピュータ(PC)
16 ‥‥‥ 圧電体駆動アンプ(Amp)
18,18a,18b ‥‥‥ 金属膜
20 ‥‥‥ LDコントローラ
30 ‥‥‥ 真空チャンバ
31 ‥‥‥ 回転テーブル
32,32a〜32c ‥‥‥ 蒸着用金属
Claims (9)
- 端面が先鋭化された光ファイバ先端に金属膜を成膜し、この金属膜を光の照射により溶解して微小開口を形成することにより、近接場光プローブを作製する近接場光プローブ作製装置であって、
前記光ファイバ先端に金属膜を成膜する成膜手段と、
前記金属膜を溶解し得るエネルギーをもつ光を発生する光源と、
前記光源から照射される光を前記光ファイバの先鋭化されていない端面に導光する導光手段と、
前記成膜手段による成膜工程、及び前記金属膜に微小開口を形成する開口形成工程を制御する制御手段とを備えて成り、
前記金属膜の成膜と溶解を繰り返すことを特徴とする近接場光プローブ作製装置。 - 前記制御手段は、前記開口形成工程において前記光源からの光の強度又は照射時間の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項1に記載の近接場光プローブ作製装置。
- 前記成膜手段が、異なる種類の金属膜を成膜し得ることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の近接場光プローブ作製装置。
- 前記成膜手段が、前記光源からの光により前記近接場光プローブ先端で発生する温度よりも高い融点を有する金属膜を、前記プローブ表面に表面金属膜として成膜し得ることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の近接場光プローブ作製装置。
- 前記表面金属膜を表皮深さ以下の厚さで成膜することを特徴とする請求項4に記載の近接場光プローブ作製装置。
- 光ファイバの端面を先鋭化する第1の工程と、
前記端面が先鋭化された光ファイバ先端に金属膜を成膜する第2の工程と、
光源から発生され前記金属膜を溶解し得るエネルギーをもつ光を、前記光ファイバの先鋭化されていない端面に導入し、前記光ファイバ先端の金属膜を溶解して微小開口を形成する第3の工程と、
前記第3の工程終了後、前記第2の工程及び第3の工程を1回以上繰り返す第4の工程と、
から成ることを特徴とする近接場光プローブ作製方法。 - 前記第4の工程が、異なる種類の金属膜を成膜する工程を有することを特徴とする請求項6に記載の近接場光プローブ作製方法。
- 前記第4の工程が、前記光源からの光により前記近接場光プローブ先端で発生する温度よりも高い融点を有する金属膜を、前記プローブの表面に表面金属膜として成膜する工程を有することを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の近接場光プローブ作製方法。
- 前記第4の工程が、前記表面金属膜を表皮深さ以下の厚さで成膜する工程を有することを特徴とする請求項8に記載の近接場光プローブ作製方法。
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