JP4427343B2

JP4427343B2 - 近接場光学顕微鏡

Info

Publication number: JP4427343B2
Application number: JP2004020432A
Authority: JP
Inventors: 一成松田; 敏治斎木; 紀子穂坂
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: JP2005214745A

Description

本発明は、近接場光学顕微鏡に関し、より詳細には、開口型において明るい近接場光を生成する技術に関する。

金属膜に波長寸法よりも小さい孔（開口）を形成し、開口に光を照射すると、その近傍に近接場光と呼ばれる強く局在した光電磁場が生じる。近接場光は、照射する波長とは関係なく開口のサイズのみによってその空間的な広がりが決まる点を特徴とする。この近接場光を照明光源として利用したものが開口型の近接場光学顕微鏡であり、これにより回折限界に縛られない高い空間分解能での局所分光やイメージングが可能となる。

近年、半導体微細構造の作成技術の進展がめざましく、低欠陥で高品質なナノメートルスケールの量子構造が作成されるよになってきた。例えば、開口型の近接場光学顕微鏡を利用して、約３５ｎｍのスポットを用いることにより、光通信波長帯での新しい半導体レーザーの材料であるＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ（Ｎ＝０.８５％）の単一量子構造を形成した場合のＮクラスター（量子ドット）のサイズを２０〜３０ｎｍと見積もっている（例えば非特許文献１参照）。その他の分野においても、その分野ごとの技術の発展に伴って、より分解能の高い顕微鏡の必要性はますます高まってきている。

松田一成、斎木敏治、「高分可能近接場光学顕微鏡による単一半導体量子構造イメージング／分光の新展開」、光学、３１巻１０号（２００２）７３２〜７３７ページ。

図８は、一般的な開口型近接場光学顕微鏡におけるプローブ先端近傍と観測試料とに関連する構成を示す図である。図８に示すように、開口型近接場光学顕微鏡は、先鋭化光ファイバー１０３と、金属層１０５と、を有するプローブ１００であって、先鋭化光ファイバー１０３の先端に形成された開口１０７と、を有している。さらに、プローブ１００を観察対象となる試料の近傍において走査するための図示しない走査機構（スキャナ）を有している。

ファイバー１０３内には、ファイバー１０３の図示しない末端側に配置された光源から先端側に向かうプローブ光１２１の金属層１０５により反射し、微細な開口１０７近傍において開口径に準じたサイズの近接場光を形成する。プレート１１７上に載せられた試料１１５によって反射した光のうち、上記開口１０７を通って末端側に戻る光は検出光として検出される（反射配置）。もしくは、プレート１１７上に載せられた試料１１５によって散乱された光１２３を、図示していない下部のレンズで集め検出光として検出される（透過配置）。

上記開口型の装置では、透過配置においてバックグラウンドとなる伝播光成分は遮光の金属層１０５でカットされるため（フィルタリング）、開口１０７を通り発生した光は近接場光１１１成分のみとなり、バックグラウンド信号を非常に小さくすることができる。しかしながら、開口径を小さくして空間分解能を上げようとするればするほど、プローブ光１２１はカットオフ径（〜波長）よりも狭い導波路として働く先鋭化光ファイバー１０３内を長い距離伝播することになる。そのような、カットオフ径よりも狭い導波路を長い距離伝播するとプローブ光の減衰が大きくなるため、近接場光の強度が大きくなりにくく視野が暗くなるという問題点があった。

図９は、開口型近接場光学顕微鏡とは異なる原理を有する散乱型近接場光学顕微鏡の一構成例を示す図である。図９に示すように、散乱型近接場光学顕微鏡２００は、先鋭な先端部２０３ａを有する金属製チップ（ｔｉｐ）２０３と、チップが指示する方向に配置された図示しない光源と、光源からのプローブ光２１５がチップ２０３の先端２０３ａに照射された場合に、局在プラズモン励起によってチップ先端に生じる近接場光（検出光）２１１を検知する図示しない検出部とを有している。試料２０７は、透明なプレート２０５上に載せられており、プローブ光２１５はこの透明なプレート２０５を透過して試料の形状を反映した散乱光２１３を形成する。この場合には、チップ２００の先鋭さにより空間分解能を決めることができる。

上記散乱型近接場光学顕微鏡では、プローブ光は強度減衰を生じさせるような導波路である先鋭化光ファイバーを通らないため、光強度を減衰することなく効率的に近接場光を発生させることができる。しかし、バックグランドとなる伝播光と近接光とを分離するフィルター（開口型近接場光学顕微鏡の金属遮光膜）として働くものがない。そのため、検出光２１３には非常に強いバックグラウンドである伝播光成分（バックグラウンド）とわずかな近接場光成分（信号）が混在して含まれており、それらを分離することが難しく、バックグラウンドの強度が高くコントラスト（信号/バックグラウンド）が著しく悪いという問題点がある。

本発明は、近接場光学顕微鏡におけるバックグラウンド信号の低減とエネルギー損失の低減とを両立することを目的とする。

本発明の一観点によれば、導波路と、該導波路の外側を覆う遮光層であって測定対象試料と近接する先端側において前記導波路を露出する開口が形成された遮光層と、を有するプローブを有する開口型近接場光学顕微鏡において、前記先端側に向けて前記導波路を伝搬するプローブ光が、前記遮光層に特有の局在プラズモンの共鳴励起波長又はその近傍の波長を有することを特徴とする開口型近接場光学顕微鏡が提供される。

上記開口型近接場光学顕微鏡によれば、プローブ光が遮光層に特有の局在プラズモンの共鳴波長又はその近傍の波長を有するため、プローブ光と遮光層との間に強い局在プラズモンが励起され、光電場の増強作用が生じる。従って、開口径で決まる空間分解能を維持しつつ、明るい近接場光を得ることができる。

本発明の他の観点によれば、導波路と、該導波路の外側を覆う遮光層であって先端において前記導波路を露出する開口が形成された遮光層と、を有するプローブを有する開口型近接場光学顕微鏡において、前記遮光層として、該遮光層に特有の局在プラズモンの共鳴励起波長又はその近傍の波長が前記先端側に向けて前記導波路を伝搬するプローブ光の波長と実質的に同じ波長を有する材料を用いることを特徴とする開口型近接場光学顕微鏡が提供される。

上記開口型近接場光学顕微鏡によれば、プローブ光の波長と、遮光層に特有の局在プラズモンの共鳴波長又はその近傍の波長とが実質的に同じ波長を有するため、プローブ光と遮光層との間に強い局在プラズモンが励起され、光電場の増強作用が生じる。従って、開口径で決まる空間分解能を維持しつつ、明るい近接場光を得ることができる。

本発明の別の観点によれば、導波路と、該導波路を遮光する遮光層と、を有し、先端側に光放出部が形成されたプローブと、プローブ光が、前記遮光層に特有の局在プラズモンの共鳴励起波長又はその近傍の波長を有するとともに、試料から検出された検出光が前記導波路を通って先端側から基端側に伝搬することを特徴とする近接場光学顕微鏡が提供される。前記プローブは、先端部において先端側に向けて縮径する形状を有しているのが好ましい。これにより、伝搬光は遮光層に入射しやすくなり、開口近傍において局在プラズモン共鳴を生じやすくなる。

一般に、顕微鏡では空間分解能と明るさが両立しない。しかし、本発明の近接場光学顕微鏡によれば、空間分解能を高めるために開口径を微小にした場合に生じる近接場光の減衰を、プラズモン共鳴による光電場の増強効果を利用することによって防ぎ、空間分解能と明るさを両立して高めることができる。しかも、開口型近接場光学顕微鏡の形態を取っているため、散乱型近接場光学顕微鏡で問題となる伝播光成分（バックグラウンド）を金属膜でカットし、コントラストの高い画像を得ることができる特徴がある。従って、より微細な構造を詳細に観察することが可能になる。

本発明の第１の実施の形態による近接場光学顕微鏡について図面を参照しつつ説明を行う。図１は、本実施の形態による近接場光学顕微鏡の全体構成を示す図であり、図２は、近接場光学顕微鏡に用いられる先鋭化された光ファイバーの構造と作用を模式的に示す図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態による近接場光学顕微鏡１は、先鋭な先端部３ａを有するファイバー３と、試料８が載せられたプレート５と、プレートを走査するスキャナ２５と、プローブ３にプローブ光Ｌ１であるレーザー光を供給するレーザー光源１１と、検出された検出光Ｌ５を検出するスペクトロメータ１５及びＣＣＤカメラ１７と、ＣＣＤカメラ１７の画像を解析する画像解析装置２１を有している。また、プローブ３と試料８との距離をある近接した距離に調整するフィードバック制御装置２３とを有している。さらに、ファイバー３内のプローブ光Ｌ１と試料８からの検出光Ｌ５とを分離するビームスプリッター（ハーフミラー：透過率５０％／反射率５０％）２７と、検出光Ｌ５をスペクトロメータ１５に導くミラー３１とを有している。

光ファイバー３は、ファイバー部３ａ−１とその外側を覆う金属層３ａ−２とを有している。先鋭化された光ファイバーの先端に近接場光Ｌ３が形成され、試料８によって反射しファイバー部３ａ−１に戻った光は検出光Ｌ５となり、それ以外の光Ｌ７は損失となる。上記近接場光学顕微鏡１においては、空間分解能がレーザー光Ｌ１の波長よりも十分小さい開口７の開口径にほぼ一致するため、波長が比較的長い可視光を用いても開口径に応じて高い空間分解能を持たせることができる。光ファイバープローブの先端部３ａの形状の加工方法の一例について説明する。まず、化学エッチングを用いてプローブの先鋭化を行う。これにより、２段テーパ形状の円錐状の先端部を有する高性能近接場光学顕微鏡のファイバープローブを形成する。例えば先端部の基端部は外径約２μｍ程度であり、２段テーパ形状の先端方向はより傾きが大きいテーパ形状を有しており先端は先鋭な形状を有する。この状態において、金属層をファイバーの外表面にコーティングし、先端を押しつける押し付け法により約２０から２００ｎｍ程度の開口（金属層からファイバーが露出している部分）を形成する。これにより、開口部以外は金属層により遮光された先端部を形成することができる。

発明者は、上記のような開口型近接場光学顕微鏡において、顕微鏡としての明るさを決める近接場光の強度を向上させるために、ファイバーとその外側に設けた遮光用の金属層との界面におけるプラズモンの共鳴励起による近接場光の増強作用を利用することを思い付いた。

プラズモンとは、物質内部の電荷の集団振動を量子化したものをいう。金属・半導体などの導電性材料表面に光や電子線が入射すると、クーロン力による長距離相互作用のために導電性材料表面に電荷の集団振動が誘起される。均一な導体に対して固有振動が存在し、電荷の集団振動が量子化され、プラズモンを形成する。特に、電荷の振動が表面に局在している場合を表面プラズモンをと呼ぶ。表面プラズモンは、表面に局在する電子の疎密波であり、縦波として伝搬する。その際、境界面において光と結合し、いわゆる表面プラズモンポラリトンを形成する。

空間を伝搬する伝搬光は表面プラズモンと相互作用しない。表面プラズモンと相互作用するのは、物質の境界面近傍に存在する光（近接場光）である。表面プラズモンが共鳴的に励起される場合には、表面近傍のナノメートル領域の近接場光強度が増強される。特に、導電性物質の微小な突起などが存在すると、この突起などに局在した電子による集団振動が存在する。この場合の固有振動を局在プラズモンと称する。この局在プラズモンの共鳴励起を利用することにより、近接場光を増強することができる。

図３は、開口型近接場光学顕微鏡におけるプローブ光の状態を示す模式的な図である。図３に示すように、本実施の形態による開口型近接場光学顕微鏡においては、プローブの先端部は、符号６ａと符号６ｂとで示すように、テーパ角度の緩やかな第１部分６ａと先端に近くテーパ形状の急な第２部分６ｂとを含むテーパ形状の異なる２段構成を有している。ファイバー部３ａ−１内を伝搬するＥ＝ｈνのフォトンエネルギーを有する伝搬光は、先端近傍の第２部分６ｂのファイバー部３ａ−１と金属層３ａ−２との界面の金属表面において上述のプラズモンポラリトン現象によるプラズモンの共鳴励起が生じることにより、開口７の近傍において近接場光の増強が生じる。上記のような局在プラズモンの共鳴励起を開口型近接場光学顕微鏡に利用する場合に、ファイバー内を伝搬するプローブ光がプローブの先端近傍において金属層とプラズモン共鳴する波長を選択する必要がある。換言すれば、波長が決まれば、金属層を選択することにより共鳴励起を生じさせることができる。図５は、金属層として金を用いた場合の電場強度の波長依存性を示す図であり、図６は、金属層として銀を用いた場合の電場強度の波長依存性を示す図である。図５及び図６に示すように、金及び銀はある波長（共鳴波長）近傍で急激に電場強度が著しく高くなるようなピークを示す。金の場合の共鳴波長は、約５２０ｎｍであり、銀の場合は約３６０ｎｍである。

従って、金属層として金を用いた場合には、ファイバーを伝搬する光の波長を５２０ｎｍ程度にし、金属層を銀にした場合には波長を３６０ｎｍ程度にすることにより、局在プラズモン共鳴による近接場光の増強効果が得られる。尚、金と銀との合金を用いると、共鳴波長を３６０ｎｍから５２０ｎｍの間で任意に調整することができる。

図７は、金属層として金と銀とを用いた場合の近接場光強度の波長依存性を示す図である。開口径１２ｎｍ、試料とプローブ先端との距離を３ｎｍとし、金属層として金を用いた場合と銀を用いた場合について、入射電場に垂直方向の電場Ｅ（ｖ）と水平方向の電場Ｅ（ｐ）のそれぞれについて近接場光の強度を示す。図７に示すように、金属層が銀の場合には波長４００ｎｍ付近に強度のピークが観測されるのに対して、金属層が金の場合には波長６００ｎｍ付近に強度のピークが観測された。ピーク強度を示す波長は、図５及び図６に示す局在プラズモンの共鳴励起の波長とほぼ一致していることがわかる。例えば銀の場合には、波長３００ｎｍに比べ４００ｎｍでは１００００倍以上近接場光強度が強くなることがわかる。金の場合でも、波長４００ｎｍに比べ６００ｎｍでは２００倍以上強度が強くなることがわかる。

以上の結果から、金属層に特有の局在プラズモンの共鳴励起波長とプローブ光の波長とをほぼ一致させることにより、ピーク強度を飛躍的に高めることができることがわかった。

尚、図６に示すプラズモンの共鳴周波数には、ある波長幅が存在する。共鳴周波数の幅は、周波数とフーリエ変換の関係にある時間軸で考える。光を入射してプラズモンを励起すると、励起直後はプラズモンの位相が保たれるが、ある時間を経過すると、不純物や他の素励起（フォノンなど）に散乱されて次第にその位相情報を失っていく。この時間を位相緩和時間と称する。共鳴周波数の幅は、その位相緩和の逆数に比例する。例えば、金属に不純物が多く含まれると、位相緩和時間が短くなり、共鳴周波数の幅が広がる。

また、プローブは、プローブ光に応じて交換可能に構成されていると、測定目的に応じてプローブの形状又は金属層の異なるプローブを適宜交換して使用することができて好ましい。

次に、本発明の第２の実施の形態による近接場電子顕微鏡システムについて図４を参照しつつ説明を行う。図４に示すように、本実施の形態による近接場光学顕微鏡システムは、透明な試料５７を透過した検出光を集光するレンズ７６と、導く検出光用導波路と、レーザー光源６１から出射したプローブ光を導く導波路５３と異なり検出光を導く検出光用導波路７７と、この検出光用導波路７７により導かれた検出光を解析する検出光解析部６５とを含んで構成される。この構成によれば、プローブ光と検出光とが異なる導波路を通ため、干渉の影響や分離手段を設ける必要がないという利点がある。

以上に説明したように、本発明の各実施の形態による近接場光学顕微鏡によれば、開口径に依存する空間分解能の低下を防止しつつ、プラズモン共鳴による光電場の増強効果により明るさを高めることができる。従って、より微細な構造を詳細に観察することが可能になる。尚、プローブのテーパー形状（チップの角度など）と開口の形状（丸だけでなく四角や三角）などを変えることにより、プラズモンによる増強の度合いを変化できる可能性がある。すなわち、婦ローブや開口の形状を最適化することにより、さらに強い近接場光を発生でき、顕微鏡としての明るさを向上させることも可能である。

以上、本実施の形態による近接場光学顕微鏡について説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の近接場光学顕微鏡は、半導体微細構造の観察に用いることができるのみでなく、医療分野での内臓などの病変の観察など、種々の分野において微細構造の観察にも適用することができる。また、強度が強くスポットサイズの小さい近接場光の発生技術は顕微鏡としてだけでなく、光微細加工、光リソグラフィーなどに転用可能である。

本発明の第１の実施の形態による近接場光学顕微鏡の全体構成を示す図である。近接場光学顕微鏡に用いられる先鋭化された光ファイバーの構造と作用を模式的に示す図である。開口型近接場光学顕微鏡におけるプローブ光の状態を示す模式的な図である。本発明の第２の実施の形態による近接場光学顕微鏡の全体構成を示す図である。金属層として金を用いた場合の電場の波長依存性を示す図である。金属層として銀を用いた場合の電場の波長依存性を示す図である。金属層として金と銀とを用いた場合の近接場光の強度の波長依存性を示す図である。一般的な開口型近接場光学顕微鏡におけるプローブ先端近傍と観測試料とに関連する構成を示す図である。開口型近接場光学顕微鏡とは異なる原理を有する散乱型近接場光学顕微鏡の一構成例を示す図である。

符号の説明

１…近接場光学顕微鏡、３…ファイバー、３ａ…先鋭な先端部、３ａ−１…ファイバー部、３ａ−２…金属層、５…プレート、８…試料、１１…レーザー光源、１５…スペクトロメータ、１７…ＣＣＤカメラ、２１…画像解析装置、２３…フィードバック制御装置、２５…スキャナ、Ｌ１…プローブ光、Ｌ５…検出光。

Claims

光ファイバーと、該光ファイバーの外側面を覆う金属遮光層であって先端において前記光ファイバーの先端を露出する開口が形成された金属遮光層と、を有するプローブを有し、前記先端側に向けて前記光ファイバーを伝搬するプローブ光が、前記金属遮光層と前記光ファイバーとの界面において前記金属遮光層を形成する金属表面において局在プラズモンの共鳴励起が生じる共鳴励起波長又はその近傍の波長を有することを特徴とする開口型近接場光学顕微鏡において、
前記金属遮光層は、テーパ角度の緩やかな第１部分と、先端に近くテーパ形状の急な第２部分と、を含むテーパ形状の異なる２段構成を有し、前記第２部分のファイバー部と金属遮光層との界面の金属表面においてプラズモンポラリトン現象によるプラズモンの共鳴励起を生じさせることにより、開口の近傍において近接場光の増強させることを特徴とする開口型近接場光学顕微鏡。
前記金属遮光層として、金と銀との合金を用いることを特徴とする請求項１に記載の開口型近接場光学顕微鏡。
前記金属遮光層として、該金属遮光層に特有の局在プラズモンの共鳴励起波長又はその近傍の波長が前記先端側に向けて前記光ファイバーを伝搬するプローブ光の波長と実質的に同じ波長を有する材料を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の開口型近接場光学顕微鏡。
さらに、前記光ファイバーの基端側に設けられ、
前記プローブ光を出射する出射部と、試料からの戻り光である検出光を解析する検出光解析部と、を有する請求項１から３までのいずれか１項に記載の開口型近接場光学顕微鏡。
さらに、前記光ファイバーの先端側に設けられ、
前記光ファイバーと異なる導波路であって透明な試料を透過した検出光を導く検出光用導波路と、
該検出光用導波路からの検出光を解析する検出光解析部と、を有する請求項１から３までのいずれか１項に記載の近接場光学顕微鏡。