JP4451015B2

JP4451015B2 - 光学的な開口の作製方法

Info

Publication number: JP4451015B2
Application number: JP2001126415A
Authority: JP
Inventors: 隆新輪; 健二加藤; 学大海; 靖幸光岡; 宣行笠間; 英孝前田; 陽子篠原; 進市原
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2021-04-24
Also published as: JP2002071545A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学的な開口の作製方法に関するものである。特に近視野光を照射・検出する近視野光デバイスに用いる開口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。
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。
【０００４】
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。
【０００５】
これら近視野光を利用したデバイスにおいて、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、特公平５−２１２０１号公報に開示されている方法が知られている。特公平５−２１２０１号公報に開示された開口作製方法においては、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。そして、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開口を作製している。
【０００６】
また、開口の形成方法として、特開平１１−２６５５２０号公報に開示されている方法がある。特開平１１−２６５５２０号公報に記載された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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公平５−２１２０１号公報の方法によれば、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、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。さらに、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。
【０００８】
また、特開平１１−２６５５２０号公報の方法によれば、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。
【０００９】
【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ストッパーと、少なくとも前記チップ上に形成された遮光膜を有する被開口形成体に対して、前記チップおよび前記ストッパーの少なくとも一部を覆うよう略平面を、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光学的な開口の作製方法とした。
【００１０】
すなわち、錐状のチップと、前記チップと略同じ高さを有するストッパーと、前記チップ上に設けられた遮光膜とを有する被開口形成体に対して、前記チップおよび前記ストッパーの少なくとも一部を覆うような略平面部を有する押し込み体を、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、前記チップ先端に開口を形成することとした。あるいは、錐状のチップと、前記チップと略同じ高さを有するストッパーと、前記チップ上に設けられた遮光膜とを有する被開口形成体に対して、前記チップ及び前記ストッパーの少なくとも一部と接触する平面部を有する押し込み体を、前記チップに向かう方向に変位させることにより前記チップの先端に開口を形成することとした。
【００１１】
このような方法によれば、チップと略同じ高さを有するストッパーによって、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】
さらに、前記錘状のチップと、前記チップの近傍に配置されたストッパーを同時に形成し、前記被開口形成体とすることを特徴とする光学的な開口の作製方法とした。したがって、前記チップおよび前記ストッパーの高さの差を制御でき、かつ、高さの差を非常に小さくできるため、大きさが均一で、かつ、微小な光学的な開口を簡単に作製する事ができ、光学的な開口の作製歩留まりを向上させることが容易である。
【００１３】
また、前記被開口形成体が、複数個の前記チップおよび前記ストッパーからなることを特徴とする光学的な開口の作製方法とした。したがって、前記チップおよび前記ストッパーからなる前記被開口形成体に、一括で前記力を加えることによって、一度に複数の前記チップに光学的な開口を形成することが可能であり、開口一つあたりの加工時間を非常に短くすることができ、結果として光学的な開口の作製コストを低くすることができる。
【００１４】
【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の上に形成された錘状のチップ１および尾根状のストッパー２、チップ１、ストッパー２および透明層５の上に形成された遮光膜３からなる。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、ストッパー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。
【００１５】
チップ１の高さH1は、数mm以下であり、ストッパー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とストッパー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。
【００１６】
チップ１、ストッパー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、ストッパー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。
【００１７】
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および少なくともストッパー２の一部を覆い、かつ、少なくともチップ１およびストッパー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。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、ストッパー２と板６との接触面積は、数１００〜数万倍も大きい。したがって、与えられた力Ｆは、ストッパー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およびストッパー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、遮光膜よりも堅く、チップ１およびストッパー２よりも柔らかい材料である場合、チップ１およびストッパー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。
【００１８】
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およびストッパー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。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を形成できることは、いうまでもない。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のは言うまでもない。
【００１９】
上述の方法で開口を形成するためには、図１で示した高さH1と高さH2の差を１０００ｎｍ以下にすればよい。すなわち、チップ１がストッパー２より高くても、また、ストッパー２がチップ１より高くても良い。さらに、チップ１とストッパー２の高さが同じでもよい。また、チップ１やストッパー２の破壊を防ぐためには、力Ｆを小さくすればよい。小さな力Ｆによって開口を形成するためには、高さH1と高さH2の差は１００ｎｍ以下がよい。このとき、ストッパー２がチップより高い方がより好ましい。
【００２０】
以上説明したように、本発明の開口作製方法によれば、ストッパー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。
【００２１】
次に、ワーク１０００の製造方法を図４から図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およびストッパー用マスク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及びストッパー用マスク１０２を形成する。チップ用マスク１０１とストッパー用マスク１０２は、同時に形成しても良いし、別々に形成しても良い。
【００２２】
チップ用マスク１０１およびストッパー用マスク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。
【００２３】
チップ用マスク１０１の直径は、例えば数ｍｍ以下である。ストッパー用マスク１０２の幅Ｗ１は、例えば、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、ストッパー用マスク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、ストッパー用マスク１０２の長さは、数１０μｍ以上である。
【００２４】
図５はチップ１およびストッパー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およびストッパー用マスク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およびストッパー２を形成する。
【００２５】
透明材料１０３の厚さとチップ１およびストッパー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の先端半径は、数ｎｍから数１００ｎｍである。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ことは言うまでもない。
【００２６】
図６および図７は、上記で説明したワーク１０００の作製方法におけるチップ１とストッパー２の高さの関係を説明する図である。なお、以下では、チップ用マスク１０１の直径が、ストッパー用マスク１０２の幅よりも小さい場合について説明する。図６は、図５（ａ）で説明した工程において、チップ１とストッパー２だけを示した図であり、図７は、図６中Ｂ−Ｂ'で示す位置のチップ１と、図６中Ｃ−Ｃ'で示す位置のストッパー２の断面図である。
【００２７】
図７（ａ）は、チップ１がちょうど形成された状態を示した図である。ストッパー用マスク１０２の幅は、チップ用マスク１０１の直径よりも大きいため、図７（ａ）の状態では、ストッパー２の上面には、平らな部分が残り、この平らな部分上にストッパー用マスク１０２が残っている。しかしながら、チップ用マスク１０１は、チップ１との接触面積が非常に小さくなるため、はずれてしまう。図７（ａ）の状態では、チップ１の高さＨ11とストッパー２の高さＨ22は、同じである。
【００２８】
図７（ｂ）は、図７（ａ）の状態からさらにエッチングを進め、ストッパー２上面の平らな部分がちょうどなくなった状態を示している。図７（ａ）の状態からさらにエッチングを行うと、チップ用マスク１０１が無いチップ１の高さＨ111は、徐々に低くなっていく。一方、ストッパー用マスクが残っているストッパー２の高さＨ222は、H22と同じままである。ストッパー２の上面の平らな部分の幅は、徐々に狭くなり、断面形状は図７（ｂ）に示すように三角形になる。このときのチップ１とストッパー２の高さの差ΔＨは、チップ用マスク１０１の直径とストッパー用マスク１０２の幅の差、および、チップ１とストッパー２の先端角によって異なるが、おおよそ１０００nm以下程度である。
【００２９】
図７（ｃ）は、図７（ｂ）の状態からさらにエッチングを進めた状態を示している。チップ１の高さＨ１１１１は、高さＨ１１１よりも低くなる。同様に、ストッパーＨ２２２２の高さも、高さＨ２２２よりも小さくなる。しかし、高さＨ１１１１と高さＨ２２２２の減少量は同じであるため、チップ１とストッパー２の高さの差ΔＨは変化しない。なお、ストッパー用マスク１０２の幅が、チップ用マスク１０１よりも小さい場合は、チップ１とストッパー２の高さの関係が逆になるだけである。また、チップ用マスク１０１とストッパー用マスク１０２が等しい場合は、チップ１とストッパー２の高さが等しくなることは言うまでもない。
【００３０】
本発明のワーク１０００の作製方法によれば、フォトリソグラフィ工程によってチップ１とストッパー２の高さの差ΔＨを良好に制御することができる。したがって、図１から図３で説明した開口作製方法において、板６の変位量を良好に制御することができる。
【００３１】
また、フォトリソグラフィ工程によって作製されるワーク１０００は、ウエハなどの大面積を有する試料に複数個形成することが容易である。この場合、それぞれの開口径を均一にするためには、それぞれのワーク１０００におけるΔＨのばらつきを、１０００nm以下にすればよい。また、開口の大きさを精度よく制御するためには、ΔＨのばらつきは、１００nm以下がよい。
【００３２】
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とストッパー２の高さを良好に制御することができ、かつ、ストッパー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を形成する事ができた。また、チップ１とストッパー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を形成することができる。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。
【００３３】
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ことも可能である。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１００ミリ秒以下と非常に短くなる。
【００３５】
【発明の効果】
チップ１とストッパー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、簡単に開口８を形成する事ができる。また、チップ１とストッパー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。
【００３６】
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。
【００３７】
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ことも可能である。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１００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の作製方法におけるチップ１とストッパー２の高さの関係を説明する図である。
【図７】ワーク1000の作製方法におけるチップ１とストッパー２の高さの関係を説明する図である。
【符号の説明】
１チップ
２ストッパー
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ストッパー用マスク
１０３透明材料
１０４基板材料
１０００ワーク
Ｆ力
Ｈ１チップの高さ
Ｈ２ストッパーの高さ

Claims

錐状のチップと前記チップ上に備えられた遮光膜とを有する近視野光デバイスにおける前記チップ先端に、押し込み体を接触させることによって前記遮光膜を塑性変形させて開口を形成する光学的な開口の作製方法において、
前記近視野光デバイスと、前記チップと略同じ高さの度当たり部を有するストッパーとを備える被開口形成体を略平坦な面上に形成し、
前記押し込み体は前記チップを覆うとともに前記ストッパーの少なくとも一部を覆うような略平面部を有するものであり、前記押し込み体と前記度当たり部との接触によって前記押し込み体の変位を制御する
ことにより、前記チップ先端に前記開口を形成することを特徴とする光学的な開口の作製方法。
透明材料上に、前記チップを形成するために用いられるチップ用マスク及び前記ストッパーを形成するために用いられるストッパー用マスクを形成し、
前記チップ用マスク及び前記ストッパー用マスクを用いて前記透明材料の等方性エッチングを行うことにより、前記透明材料に前記チップと前記ストッパーとを同時に形成することを特徴とする請求項１に記載の光学的な開口の作製方法。
前記被開口形成体が複数の前記チップを有し、
複数の前記チップの先端に同時に開口を形成することを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の光学的な開口の作製方法。
前記被開口形成体が、複数の前記ストッパーを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学的な開口の作製方法。
前記押し込み体が、前記遮光膜よりも堅く、前記チップおよび前記ストッパーよりも柔らかい材料であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学的な開口の作製方法。