JP4421768B2

JP4421768B2 - 近視野光素子の作製方法

Info

Publication number: JP4421768B2
Application number: JP2000373310A
Authority: JP
Inventors: 学大海; 宣行笠間; 健二加藤; 英孝前田; 靖幸光岡; 進市原; 隆新輪; 陽子篠原
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2020-12-07
Also published as: JP2002174585A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は近視野顕微鏡や近視野光メモリ装置に用いられる、近視野光を照射・検出する近視野光素子の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料表面においてナノメートルオーダの微小な領域を観察するために走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に代表される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が用いられている。ＳＰＭは、先端が先鋭化されたプローブを試料表面に走査させ、プローブと試料表面との間に生じるトンネル電流や原子間力などの相互作用を観察対象として、プローブ先端形状に依存した分解能の像を得ることができるが、比較的、観察する試料に対する制約が厳しい。
【０００３】
そこでいま、試料表面に生成される近視野光とプローブとの間に生じる相互作用を観察対象とすることで、試料表面の微小な領域の観察を可能にした近視野光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）が注目されている。
【０００４】
近視野光学顕微鏡においては、先鋭化された光ファイバーの先端に設けられた開口から近視野光を試料の表面に照射する。開口は、光ファイバーに導入される光の波長の回折限界以下の大きさを有しており、たとえば、１００ｎｍ程度の直径である。プローブ先端に形成された開口と試料間の距離は、ＳＰＭの技術によって制御され、その値は開口の大きさ以下である。このとき、試料上での近視野光のスポット径は、開口の大きさとほぼ同じである。したがって、試料表面に照射する近視野光を走査することで、微小領域における試料の光学物性の観測を可能としている。
【０００５】
顕微鏡としての利用だけでなく、光ファイバープローブを通して試料に向けて比較的強度の大きな光を導入させることにより、光ファイバープローブの開口にエネルギー密度の高い近視野光を生成し、その近視野光によって試料表面の構造または物性を局所的に変更させる高密度な光メモリ記録としての応用も可能である。強度の大きな近視野光を得るために、プローブ先端の先端角を大きくすることが試みられている。
【０００６】
これら近視野光を利用した素子において、開口の形成が最も重要である。開口の作製方法の一つとして、特許公報平５−２１２０１に開示されている方法が知られている。特許公報平５−２１２０１の開口作製方法は、開口を形成するための試料として、先鋭化した光波ガイドに遮光膜を堆積したものを用いている。開口の作製方法は、遮光膜付きの先鋭化した光波ガイドを圧電アクチュエータによって良好に制御された非常に小さな押しつけ量で硬い平板に押しつけることによって、先端の遮光膜を塑性変形させている。
【０００７】
また、開口の形成方法として、特開平１１−２６５５２０に開示されている方法がある。特開平１１−２６５５２０の開口の作製方法において、開口を形成する対象は、平板上に集束イオンビーム（ＦＩＢ）によって形成された突起先端である。開口の形成方法は、突起先端の遮光膜に、側面からＦＩＢを照射し、突起先端の遮光膜を除去することによって行っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許公報平５−２１２０１の方法によれば、光波ガイド一本ずつしか開口を形成する事ができない。また、特許公報平５−２１２０１の方法によれば、移動分解能が数ｎｍの圧電アクチュエータによって押し込み量を制御する必要があるため、開口形成装置をその他の装置や空気などの振動による影響が少ない環境におかなくてはならない。また、光伝搬体ロッドが平板に対して垂直に当たるように調整する時間がかかってしまう。また、移動量の小さな圧電アクチュエータの他に、移動量の大きな機械的並進台が必要となる。さらに、移動分解能が小さな圧電アクチュエータをもちいて、押し込み量を制御するさいに、制御装置が必要であり、かつ、制御して開口を形成するためには数分の時間がかかる。したがって、開口作製のために、高電圧電源やフィードバック回路などの大がかりな装置が必要となる。また、開口形成にかかるコストが高くなる問題があった。
【０００９】
また、特開平１１−２６５５２０の方法によれば、加工対象は平板上の突起であるが、ＦＩＢを用いて開口を形成しているため、一つの開口の形成にかかる時間が１０分程度と長い。また、ＦＩＢを用いるために、試料を真空中におかなければならない。従って、開口作製にかかる作製コストが高くなる問題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、
錐状のチップ先端に光学的な開口を有し、前記開口面内に金属から成る散乱体を有する近視野光素子の作製方法において、
前記チップと、
前記チップの近傍に配置され、前記チップと略同じ高さを有する度当たりと、
少なくとも前記チップ上に形成された遮光膜からなる被開口形成体に対して、
少なくとも前記チップおよび前記度当たりの少なくとも一部を覆う押しこみ体を、
前記チップに向かう成分を有する力によって変位させることによって、前記チップ先端に光学的な開口を形成することを特徴とする近視野光素子の作製方法とした。
【００１１】
したがって、本発明の光学的な開口の作製方法によれば、前記チップと略同じ高さを有する度当たりによって、前記平面の変位が制御されるため、所定の力で平面を押すだけで簡単に光学的な開口を作製する事ができる。また、真空中、液中、大気中など様々な環境下で開口を作製することができる。また、光学的な開口を作製する際に特別な制御装置を必要としないため、光学的な開口を作製するための装置を単純化する事ができる。また、所定の力を与える時間を非常に短くすることが容易であり、開口作製にかかる時間を短くすることができるため、開口作製にかかるコストを低くすることができる。
【００１２】
また、前記散乱体と前記遮光膜が同一の材質から成ることを特徴とする近視野光素子の作製方法とした。
【００１３】
したがって、簡単な作製工程のみで高性能の近視野光素子を安定的、安価に作製することができる。
【００１４】
また、前記散乱体が入射光によってプラズモンを発生させる材質であることを特徴とする近視野光素子の作製方法とした。
【００１５】
したがって、高い光効率と解像度を持つ近視野光素子を安価に作製することができる。
【００１６】
また、前記チップが先端に略平坦部を有することを特徴とする近視野光素子の作製方法とした。
【００１７】
したがって、同一サイズおよび形状の光学的開口を持つ近視野光素子を大量に作製することができる。
【００１８】
また、前記チップが先端に凹部を有することを特徴とする近視野光素子の作製方法とした。
【００１９】
したがって、同一サイズおよび形状の散乱体を有する光学的開口を持つ近視野光素子を大量に作製することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の開口の形成方法について、添付の図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１から図３は、本発明の実施の形態１に係る開口の形成方法について説明した図である。図１に示す、ワーク１０００は、基板４上に形成された透明層5、透明層5の上に形成された錐状のチップ１および尾根状の度当たり２、チップ１、度当たり２および透明層5の上に形成された遮光膜３からなる。チップ１は先端に１ミクロン以下のサイズの平坦な部分を持つ。なお、ワーク１０００において、透明層５は、必ずしも必要ではなく、その場合、遮光膜３は、チップ１、度当たり２および基板４上に形成される。また、遮光膜３は、チップ1にだけ堆積されていてもよい。
【００２１】
チップ１の高さＨ１は、数mm以下であり、度当たり２の高さＨ２は、数mm以下である。高さＨ１と高さＨ２の差は、１０００nm以下である。チップ１と度当たり2の間隔は、数mm以下である。また、遮光膜３の厚さは、遮光膜３の材質によって異なるが、数１０nmから数１００nmである。
【００２２】
チップ１、度当たり２および透明層５は、二酸化ケイ素やダイヤモンドなどの可視光領域において透過率の高い誘電体や、ジンクセレンやシリコンなどの赤外光領域において透過率の高い誘電体や、フッ化マグネシウムやフッ化カルシウムなどの紫外光領域において透過率の高い材料を用いる。また、チップ１の材料は、開口を通過する光の波長帯において少しでもチップ1を透過する材料であれば用いることができる。また、チップ１、度当たり２および透明層５は、同一の材料で構成されても良いし、別々の材料で構成されても良い。遮光膜３は、たとえば、アルミニウム、クロム、金、白金、銀、銅、チタン、タングステン、ニッケル、コバルトなどの金属や、それらの合金を用いる。後述するプラズモン効果を大きくするためには銀、金、銅が特に望ましい。
【００２３】
図２は、開口を形成する方法において、チップ１上の遮光膜３を塑性変形させている状態を示した図である。図１で示したワーク１０００の上に、チップ１および少なくとも度当たり２の一部を覆い、かつ、少なくともチップ１および度当たり２側が平面である板６を載せ、さらに板６の上には、押し込み用具７を載せる。このとき、板６は透明なガラスを用いた。板６を載せた後でも顕微鏡あるいは目視によってチップ１の位置を確認することができる。本実施の形態においては顕微鏡によって２方向からチップ１と押し込み用具７の位置を確認し、押し込み用具７がチップ１の真上に配置されるようにした。押し込み用具７にチップ１の中心軸方向に力Ｆを加えることによって、板６がチップ１に向かって移動する。チップ１と板６との接触面積に比べて、度当たり２と板６との接触面積は、数百〜数万倍も大きい。したがって、与えられた力Ｆは、度当たり2によって分散され、結果として板６の変位量は小さくなる。板6の変位量が小さいため、遮光膜３が受ける塑性変形量は非常に小さい。また、チップ１および度当たり２は、非常に小さな弾性変形を受けるのみである。力Fの加え方は、所定の重さのおもりを所定の距離だけ持ち上げて、自由落下させる方法や、所定のバネ定数のバネを押し込み用具７に取り付け、所定の距離だけバネを押し込む方法などがある。板６が、遮光膜よりも硬く、チップ１および度当たり２よりも柔らかい材料である場合、チップ１および度当たり２が受ける力は、板６によって吸収されるため、板6の変位量がより小さくなり、遮光膜３の塑性変形量を小さくすることが容易となる。
【００２４】
図３は、力Ｆを加えた後に、板６および押し込み用具７を取り除いた状態を示した図である。遮光膜３の塑性変形量が非常に小さく、チップ１および度当たり２が弾性変形領域でのみ変位しているため、チップ１の先端に開口８が形成される。開口８の大きさは、数nmからチップ１を通過する光の波長の回折限界程度の大きさである。チップ１は先端に略平面状の部分を持つことにより、その上の遮光膜３は板６によっても完全に除去されることがない。開口８の中央付近に略円形状に遮光膜が残存し、これが近視野光素子における散乱体５０１となる。なお、上記では、押し込み用具7とワーク１０００の間に板６が挿入されていたが、板6を除去して直接押し込み用具７で押し込むことによっても同様に開口８を形成できる。開口８に光を導入するために、基板４をチップ１の形成面と反対側からエッチングすることによって透明体５またはチップ１の少なくとも一部を露出させて、開口８への光の導入口を形成する。また、基板４を透明材料１０３で構成することによって、光の導入口を形成する工程を省くことができる。開口８へ導入された光は散乱体５０１に照射され、散乱体５０１の表面にプラズモンを発生させる。これによって散乱体５０１が擬似的な微小光源として機能する。開口８のサイズはたとえば５００ｎｍ程度であっても散乱体５０１が８０ｎｍ程度であれば、近視野光素子の機能としての解像度は散乱体５０１のサイズで決まり、高解像度が実現される。また、プラズモンによる光の増強効果によって開口８の光透過率自体も大きなものが実現される。
【００２５】
以上説明したように、本発明の開口作製方法によれば、度当たり２によって板６の変位量を良好に制御することができ、かつ、板６の変位量を非常に小さくできるため、大きさが均一で小さな開口８をチップ１先端に容易に作製することができる。また、基板側から光を照射して、開口８から近視野光を発生させることができる。この近視野光は散乱体５０１によって増強され、高解像度、高効率な近視野光素子が作製できる。
【００２６】
次に、ワーク１０００の製造方法を図４、図５を用いて説明する。図４は、基板材料１０４上に透明材料１０３を形成したのち、チップ用マスク１０１および度当たり用マスク１０２を形成した状態を示している。図4（ａ）は上面図を示しており、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ’で示す位置における断面図を示している。透明材料１０３は、気相化学堆積法（ＣＶＤ）やスピンコートによって基板材料１０４上に形成する。また、透明材料１０３は、固相接合や接着などの方法によっても基板材料１０４上に形成することができる。次に、透明材料１０３上にフォトリソグラフィ工程によって、チップ用マスク１０１及び度当たり用マスク１０２を形成する。チップ用マスク１０１と度当たり用マスク１０２は、同時に形成しても良いし、別々に形成しても良い。
【００２７】
チップ用マスク１０１および度当たり用マスク１０２は、透明材料１０３の材質と次工程で用いるエッチャントによるが、フォトレジストや窒化膜などを用いる。透明材料１０３は、二酸化ケイ素やダイヤモンドなどの可視光領域において透過率の高い誘電体や、ジンクセレンやシリコンなどの赤外光領域において透過率の高い誘電体や、フッ化マグネシウムやフッ化カルシウムなどの紫外光領域において透過率の高い材料を用いる。
【００２８】
チップ用マスク１０１の直径は、たとえば数mm以下である。度当たり用マスク１０２の幅Ｗ１は、たとえば、チップ用マスク１０１の直径と同じかそれよりも数１０nm〜数μmだけ小さい。また、度当たり用マスク１０２の幅Ｗ１は、チップ用マスク１０１の直径よりも数１０nm〜数μmだけ大きくてもよい。また、度当たり用マスク１０２の長さは、数１０μｍ以上である。
【００２９】
図５は、チップ１および度当たり２を形成した状態を示している。図５（ａ）は上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ’で示す位置の断面図である。チップ用マスク１０１および度当たり用マスク１０２を形成した後、ウエットエッチングによる等方性エッチングによってチップ１および度当たり２を形成する。透明材料１０３の厚さとチップ１および度当たり２の高さの関係を調整することによって、図１に示す透明層５が形成されたり、形成されなかったりする。チップ１の先端は平坦部を持つ。この後、遮光膜をスパッタや真空蒸着などの方法で堆積する事によって、図1に示すワーク１０００を形成する事ができる。また、遮光膜３をチップ１にだけ堆積する場合、遮光膜３の堆積工程において、チップ１上に遮光膜が堆積するような形状を有するメタルマスクを乗せてスパッタや真空蒸着などを行う。また、ワーク１０００のチップが形成された面の全面に遮光膜３を堆積した後、チップ１にだけ遮光膜３が残るようなフォトリソグラフィ工程を用いても、チップ1上にだけ遮光膜３を形成する事ができる。
【００３０】
また、遮光膜３を形成する前にＦＩＢ（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ）などの加工技術を用いてチップ１の先端に凹部を形成しておくことで、図６に示すように散乱体５０１をチップ１先端の凹部に作製することができる。この方法によれば、散乱体５０１は形状、サイズともに所望のものを作製することができる。
【００３１】
以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、チップ１と度当たり２の高さを良好に制御することができ、かつ、度当たり２を設けることによって板６の変位量を小さくすることができるため、分解能の高いアクチュエータを用いなくても、大きさが均一で微小な開口８をチップ１先端に形成し、かつ開口８面内に散乱体５０１を形成する事が容易である。我々の実験では、手に持ったハンマーなどで、押し込み用具７を叩くだけで直径１００ｎｍ以下の開口８と、直径５０ｎｍ以下の散乱体を形成する事ができた。また、チップ１と度当たり２の高さが良好に制御されるため、開口８の作製歩留まりが向上した。また、本発明の実施の形態１で説明したワーク１０００は、フォトリソグラフィ工程によって作製可能なため、ウエハなどの大きな面積を有する試料に、複数個作製することが可能であり、力Ｆを一定にすることによって複数個作製されたワーク１０００それぞれに対して均一な開口径の開口８を形成する事ができる。また、力Ｆの大きさを変えることが非常に簡単なため、複数個作製されたワーク１０００に対して個別に開口径の異なる開口８を形成する事が可能である。また、単純に力Ｆを加えるだけで開口8が形成されるため、開口作製にかかる時間は数秒から数１０秒と非常に短い。また、本発明の実施の形態１によれば、加工雰囲気を問わない。従って、大気中で加工する事が可能でありすぐに光学顕微鏡などで加工状態を観察できる。また、走査型電子顕微鏡中で加工することによって、光学顕微鏡よりも高い分解能で加工状態を観察することも可能である。また、液体中で加工することによって、液体がダンパーの役目をするため、より制御性の向上した加工条件が得られる。
【００３２】
また、ワーク１０００が複数個作製された試料に対して、一括で力Ｆを加えることによって、開口径のそろった開口８を一度に複数個作製する事も可能である。一括で加工する場合、ウエハ一枚あたりのワーク１０００の数にもよるが、開口1個あたりの加工時間は、数百ミリ秒以下と非常に短くなる。
【００３３】
【発明の効果】
チップ１と度当たり２の高さ、および、力Ｆを制御する事によって、分解能の高いアクチュエータを用いなくても、簡単に散乱体５０１を有する開口８を形成する事ができる。また、チップ１と度当たり２の高さが良好に制御されるため、開口８の作製歩留まりが向上した。また、本発明の実施の形態１で説明したワーク１０００は、フォトリソグラフィ工程によって作製可能なため、ウエハなどの大きな面積を有する試料に、複数個作製することが可能であり、力Ｆを一定にすることによって複数個作製されたワーク１０００それぞれに対して均一な開口径の開口８を形成する事ができる。また、力Ｆの大きさを変えることが非常に簡単なため、複数個作製されたワーク１０００に対して個別に開口径の異なる開口８を形成する事が可能である。また、単純に力Ｆを加えるだけで開口が形成されるため、開口作製にかかる時間は数10秒以下と非常に短い。また、本発明の実施の形態１によれば、加工雰囲気を問わない。従って、大気中で加工する事が可能でありすぐに光学顕微鏡などで加工状態を観察できる。また、走査型電子顕微鏡中で加工することによって、光学顕微鏡よりも高い分解能で加工状態を観察することも可能である。また、液体中で加工することによって、液体がダンパーの役目をするため、より制御性の向上した加工条件が得られる。
【００３４】
また、ワーク１０００が複数個作製された試料に対して、一括で力Ｆを加えることによって、開口径のそろった開口８を一度に複数個作製する事も可能である。一括で加工する場合、ウエハ一枚あたりのワーク１０００の数にもよるが、開口1個あたりの加工時間は、数百ミリ秒以下と非常に短くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る開口の形成方法について説明した図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る開口の形成方法について説明した図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る開口の形成方法について説明した図である。
【図４】ワーク１０００の製造方法について説明した図である。
【図５】ワーク１０００の製造方法について説明した図である。
【図６】ワーク１０００の製造方法について説明した図である。
【符号の説明】
１チップ
２度当たり
３遮光膜
４基板
５透明層
６板
７押し込み用具
８開口
１０１チップ用マスク
１０２度当たり用マスク
１０３透明材料
１０４基板材料
５０１散乱体
１０００ワーク
Ｆ力
Ｈ１チップの高さ
Ｈ２度当たりの高さ

Claims

錐状のチップ先端に光学的な開口を有し、前記開口面内に金属から成る散乱体を有する近視野光素子の作製方法において、
先端に略平坦部あるいは凹部を有する前記チップと、
前記チップと同一の略平坦な面に形成されるとともに前記チップの近傍に配置され、前記チップと略同じ高さを有する度当たりと、
少なくとも前記チップ上に形成された遮光膜とを備える被開口形成体に対して、
＿前記チップを覆うとともに、前記度当たりの少なくとも一部を覆う押しこみ体を、
前記チップに向かう成分を有する力によって変位させることによって、前記チップ上に形成された前記遮光膜を塑性変形させることにより、前記チップ先端に光学的な開口を形成するとともに、前記平坦部あるいは前記凹部に前記遮光膜の一部により前記散乱体を形成することを特徴とする近視野光素子の作製方法。
前記散乱体と前記遮光膜が同一の材質から成ることを特徴とする請求項１に記載の近視野光素子の作製方法。
前記散乱体が入射光によってプラズモンを発生させる材質であることを特徴とする請求項１または２に記載の近視野光素子の作製方法。