JP4543225B2 - 光導波路プローブの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、物質間の原子間力を利用して試料の形状を観察すると共に光導波路からなるプローブにより試料の微細領域における光学特性を計測する光導波路プローブおよびその製造方法に関する。

現在、 走査型近視野顕微鏡（以下、ＳＮＯＭと略す）では、先端が先鋭化された光媒体からなるプローブを、光の波長以下まで測定試料に近づけることで、試料の光学特性や形状を測定している。この装置の一つとして、試料に対して垂直に保持した直線状の光ファイバープローブの先端を、試料表面に対して水平に振動させ、試料表面とプローブ先端のせん断力によって生じる振動の振幅の変化の検出をプローブ先端にレーザ光を照射し、その影の変化を検出することによって行い、振幅が一定になるように試料を微動機構で動かすことによって、プローブ先端と試料表面の間隔を一定に保ち、微動機構に入力した信号強度から表面形状を検出するとともに試料の光透過性の測定を行う装置が提案されている。

また、鈎状に成形した光ファイバープローブを原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭと略す）のカンチレバーとして使用し、ＡＦＭ動作すると同時に、光ファイバープローブの先端から試料にレーザ光を照射し、表面形状を検出するとともに試料の光学特性の測定を行う走査型近視野原子間力顕微鏡が提案されている（平７−１７４５４２）。図３４は、従来例の光導波路プローブを示す構成図である。この光導波路プローブは、光導波路１０１に光ファイバーが用いられ、光導波路の周囲は金属膜被覆１０２で覆われてている。また、探針部１０３が先鋭化されており、探針部１０３の先端に開口１０４を有する。

一方、微細領域の形状観察手段として利用されているＡＦＭでは、シリコンプロセスで製造されたシリコンや窒化シリコンのマイクロカンチレバーが広く利用されている。

しかしながら、ＳＮＯＭで使用する光ファイバープローブは、光ファイバーを材料として多くの工程を手作業で製造しており、量産性が低く、先端径や先端角などの形状が不均一であるという問題点があった。また、高速の走査制御を行うためには共振周波数を高くする必要があるが、光ファイバー自体をカンチレバーのバネ材料として使用しているので、共振周波数を高くするためにバネ部分を短くするとバネ定数が大きくなってしまうという問題があった。また、光ファイバーは細く長い糸状の材料のため、取り扱いが難しいといった問題点があった。また、光プローブを複数個配置することにより、高速な掃引を行わなくても高速な観察が行えるが、光ファイバープローブは、光ファイバを１つ１つ手作業で製造しており、同一基板上にプローブを複数個配列する構成、すなわちアレイ化には適していない。

一方、ＡＦＭで使用されるマイクロカンチレバーは共振周波数が高く、量産性が良く形状のばらつきが少ないため、バネ定数や共振周波数などの機械的特性が均一である、取り扱いが簡単であるといった利点があるが、ＳＮＯＭで必要となる先端部の光の照射や光の検出を行うことができないという問題を有している。

また、ＳＮＯＭの応用範囲は生物試料、高分子試料などの段差の大きな試料が多く考えられ、従来のＡＦＭで使用されているマイクロカンチレバーの探針では、探針部分が１０ミクロン程度と短く、段差の大きな試料の計測は難しい。さらに、それらの試料では液体中での計測が求められる場合が多いと考えられるが、ＡＦＭのマイクロカンチレバーの形状は板状のカンチレバーのため液体中での計測が難しい。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、量産性、均一性に優れていること、バネ定数が小さいこと、取り扱いやすいこと、液体中でも使い易いこと、光の照射および検出が可能であること、アレイ化が容易であることの条件を満たす光導波路プローブを提供することを目的とする。また、そのような光導波路プローブを作製する製造方法を提供することを目的とする。

この発明は鈎状に形成され探針部が先鋭化された光導波路と、光導波路を支える基板からなる光導波路プローブにおいて、光導波路を基板上に積層して一体に形成した。光導波路は誘電体で形成された光導波路を用いた。

また、この発明は鈎状に形成され探針部が先鋭化された光導波路と、光導波路を支える基板および光導波路を覆う金属膜からなる光導波路プローブにおいて、光導波路を基板上に積層して一体に形成し、光導波路の探針部の先端に金属膜被覆で周囲を覆った開口を形成した。光導波路は誘電体で形成した。また、光導波路は光を伝送する誘電体の周りに金属膜被覆を堆積したものを用いた。

一方、光導波路プローブを製造する工程は、基板に光導波路を埋め込むための型を形成する工程と、光導波路を堆積する工程と、光導波路を埋め込むための型に沿って光導波路を分離する工程と、光導波路を基板から開放する工程とした。

これらの光導波路プローブの製造工程のうち、光導波路を埋め込むための型を形成する工程は、階調を有するフォトマスクを用いて露光した厚み分布を有するフォトレジストをエッチングマスクとした等方性のドライエッチングまたはウエットエッチング工程、階調を有するフォトマスクを用いて露光した厚み分布を有するフォトレジストをエッチングマスクとした異方性のドライエッチング工程、エッチングマスク材下部へのエッチングのまわり込みを利用する等方性のウエットエッチングまたはドライエッチング工程、少なくとも２段以上の階段状に成形したエッチングマスクを用いたシリコン基板に対する多段階の異方性ウエットエッチング工程、シリコン基板に対する異方性ウエットエッチング工程のいずれかにした。

また、光導波路を埋め込むための型に光導波路を堆積する工程は、クラッドに対応する誘電体材料を堆積し、コアに対応するクラッドより相対的に屈折率の大きい誘電体材料を堆積し、コアをパターニングし、さらにクラッドに対応する誘電体材料を堆積する工程とし、コアのパターニングは電着レジストを用いるフォトリソグラフィ工程とした。

光導波路を埋め込むための型に沿って光導波路を分離する工程は、光導波路を埋め込むための型に誘電体材料を堆積した後、光導波路を埋め込むための型の部分に形成された凹部に樹脂材料を埋め込んで平坦化し、元の基板表面まで、もしくは元の基板表面以上を研磨することによって光導波路を分離する研磨工程とした。また、光導波路をプローブ形状にパターニングする工程は、電着レジストをエッチングマスクとして用いた、異方性のドライエッチングまたはウエットエッチング工程および等方性のドライエッチングおよびウエットエッチング工程とした。

光導波路プローブを基板から分離する工程は光導波路を形成した面と反対の面からのドライエッチングまたは異方性ウエットエッチング工程とした。

上記のような光導波路プローブによれば従来のＳＮＯＭの光ファイバープローブに比べてレバー部分が短く細い形状とすることができ、バネ定数を増加させることなく共振周波数を向上させることができる。鈎状に形成された光導波路部分の長さを大きくすることによって段差の大きな試料の測定が容易に行える。また、角柱状のカンチレバー形状のため平板のカンチレバーを有する従来のＡＦＭカンチレバーと比較して液中の振動が安定である。また、従来のＡＦＭカンチレバーではできない光照射及び光検出を行うことができる。

また、シリコンプロセスを用いるので量産性が良く、形状再現性が向上して機械的特性の均一性が向上する。また、基板と光導波路部分が一体となっているので従来のＡＦＭカンチレバーと同様に取り付けや調整などの取り扱いが容易となる。

また、上記の光導波路プローブの製造方法によれば前記光導波路プローブを容易に製造することができる。

つぎに、上述の目的を達成するために、この発明の光導波路プローブでは、支持体となる基板と、基板上に積層形成され且つその一部が基板から突出すると共に、試料側または媒体側に湾曲し且つ先端を先鋭化した柱状の光導波路と、光導波路先端の開口部を除き、当該光導波路の周囲に形成した光反射層とを備えた。また、この光導波路を、クラッドとコアとの組み合わせによって構成した。

また、この発明の光導波路プローブでは、支持体となる基板と、基板上に積層形成され且つその一部が基板から突出すると共に、片面側を頂点として先端を先鋭化した柱状の光導波路と、光導波路先端の開口部を除き、当該光導波路の周囲に形成した光反射層とを備えた。

このようにすれば、上記同様に、レバー部分を短く細い形状にでき、バネ定数を増加させることなく共振周波数を向上できる。また、光導波路の先端を湾曲させた場合、段差の大きな試料を容易に測定できる。さらに、柱状であるから、液中の振動が安定する。また、従来のＡＦＭカンチレバーではできない光照射および光検出を行なえる。また、シリコンプロセスを用いるので量産性が良く、形状再現性が向上して機械的特性の均一性が向上する。

また、この発明の光導波路プローブでは、前記光導波路のうち基板から突出している部分に、溝を形成することで、湾曲しやすいようにした。また、前記基板に、光導波路と光ファイバとの接続位置を固定するガイド溝を設けて、光ファイバとのカップリングが容易にできるようにした。

つぎに、この発明の光導波路プローブの製造方法では、支持体となる基板と、基板上に積層形成され且つその一部が基板から突出すると共に、試料側または媒体側に湾曲し且つ先端を先鋭化した柱状の光導波路と、光導波路先端の開口部を除き、当該光導波路の周囲に形成した光反射層とを備えた光導波路プローブを製造するにあたり、前記光導波路の湾曲を、光導波路のうち基板から突出している部分の片面に当該光導波路と熱膨張率が異なる材料を積層形成し、当該材料と光導波路とを加熱する工程にて行うようにした。あるいは、前記光導波路の湾曲を、光導波路のうち基板から突出している部分の片面に当該光導波路と熱膨張率が異なる材料を加熱しながら積層形成し、前記光導波路を支持する基板を形成する工程にて行うようにした。

また、光導波路を、その一部が基板から突出するように当該基板上に積層形成し、その光導波路の先端を先鋭化すると共に開口部となる当該光導波路の先端を除いて周囲に光反射層を形成し、これら工程中に、光導波路と熱膨脹率が異なる材料を光導波路の片面に形成する工程と、当該材料および光導波路を加熱して光導波路を湾曲させる工程と、を含むようにした。あるいは、これら工程中に、光導波路と熱膨脹率が異なる材料を光導波路の片面に加熱しながら形成する工程を含むようにした。

このように、光導波路と熱膨脹率が異なる材料を用いれば、光導波路を容易に湾曲させることができる。この材料は、光導波路の片面の全面またはカンチレバーとなる面に形成するようにしてもよい。

また、この発明の光導波路プローブの製造方法では、光導波路を、その一部が基板から突出するように当該基板上に積層形成し、その光導波路の先端を先鋭化すると共に開口部となる当該光導波路の先端を除いて周囲に光反射層を形成し、これら工程中に、光導波路の片面を主に加熱して光導波路を湾曲させる工程を含むようにした。

光導波路の片面を加熱すると、反対面より熱吸収量が多くなる。このため、片面が軟化し、その表面張力によって光導波路が湾曲する。このようにすれば、湾曲工程が簡単になる。

さらに、この発明の光導波路プローブの製造方法では、前記工程中に、光導波路に溝を設けるようにした。溝を設けた部分は、断面２次モーメントが小さくなるので、湾曲させやすくなる。

また、この発明の光導波路プローブの製造方法では、柱状の光導波路を、その一部が基板から突出するように当該基板上に積層形成し、その光導波路の先端を先鋭化すると共に開口部となる当該光導波路の先端を除いて周囲に光反射層を形成するようにした。光導波路を柱状とすることで、バネ定数を増加させることなく共振周波数を向上できる。さらに、柱状であるから、液中の振動が安定する。なお、光導波路の先鋭化には、等方性エッチングを用いたり、異方性エッチング、特に基板を傾けた状態で異方性エッチングを用いるようにした。

また、本発明の光導波路プローブでは、開口部を形成する光導波路を、３つの面により形成した。また、少なくとも２組の垂直な面を含む３つの面により形成した。あるいは、湾曲させる工程前における光導波路を、光導波路と接している支持基板の面に対して略垂直な面と略水平な面により形成した。

従って、このようなプローブの開口部の光導波路は、約９０度の角をもつ２つの面を含む３つの面の頂点で形成されるため、開口部を試料に対して水平に配置して近接する場合、光導波路の湾曲量を小さくでき、安定して作製でき、歩留まりの向上が望める。また、光導波路の湾曲量を小さくすることで、湾曲部での光損出が低減し、光導波路の光の伝搬効率が向上する。

また、本発明の光導波路プローブでは、光導波路を基板上に複数個配列した。

従って、均一性に優れた光導波路アレイを量産性良く低コストで作製できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１を示す光導波路プローブの構成を示す構成図である。光導波路プローブは、光導波路１と、それを支える基板２とから構成されている。光導波路１は、基板２に積層され、一体に形成されている。光導波路１は、鈎状に形成されており、固定部３、弾性機能部４および探針部５から構成されている。この探針部５は、先鋭化されている。光導波路１は、光を伝搬するコア８とその外周部のクラッド９とから構成されている。

クラッド９の屈折率は、コア８の屈折率に比べて相対的に小さい。固定部３の長さは、５０μｍから５０ｍｍである。弾性機能部４の長さは、５０μｍから５００μｍである。探針部５の長さは、５μｍから５００μｍである。コア８の断面形状は四角形であり、一辺長は１μｍから１００μｍである。光導波路１の横断面形状は四角形であり、一辺長は５μｍから５００μｍである。基板２の厚さは、２００μｍから６００μｍである。基板２の長さおよび幅は、１ｍｍから５０ｍｍである。コア８およびクラッド９の材料としては、二酸化珪素、フッ素やボロンをドープした二酸化珪素などのガラス材料、ポリウレタン、エポキシなどの有機材料、酸化ニオブ、酸化亜鉛などの金属酸化物など、さまざまな誘電体材料を用いることができる。

コア８およびクラッド９の堆積方法は、材料によって適した方法が用いられる。例えば酸化珪素の場合、気相合成法（以下、ＣＶＤと略す）、スパッタ、真空蒸着などを用いる。基板２の材料には、シリコン単結晶、ガラス、石英ガラス、ガリウム砒素などを用いる。

図１に示した光導波路１の固定部端面から光を導入し、光導波路１の探針部５の先端から測定試料に対して光を照射する。また、試料表面に局在する光を探針部５の先端で検出し、固定部３の端面後方で検出器に導入する。カンチレバーのバネ定数および共振周波数は、弾性機能部４の長さによって調整することができる。

上記光導波路プローブによれば、試料に対して光を照射すると共に、試料からの光情報を検出できる。また、弾性機能部４を短く且つバネ定数を小さくできるから、バネ定数を増加させることなく共振周波数を向上させることができる。さらに、シリコンプロセスを用いて製造することができるため、量産性が高くなり、形状再現性が良く、機械的特性が均一となる。また、従来のＡＦＭカンチレバーと同様に、取り付けおよび調整などの取り扱いが容易となる。

加えて、探針部５が長いため、段差の大きな試料を容易に測定できる。また、探針部５の形状が平板ではなく多角柱なので、空気中はもちろん液体中でも容易に試料の測定ができる。
（実施の形態２）
図２は、この発明の実施の形態２を示す光導波路プローブを示す構成図である。この実施の形態２に係る光導波路プローブは、上記実施の形態１の光導波路プローブと異なり、光導波路１の周囲は金属膜被覆６で覆われており、探針部の先端には金属膜被覆６で周囲を覆われた開口７を有する点に特徴がある。金属膜被覆６は、図２に示すように基板２と接触した部分以外を被覆している。金属膜被覆６の厚さは、１００μｍから１μｍである。開口７の直径は、１０μｍから５００μｍである。その他の要素の寸法は、実施の形態１と同一である。

金属膜被覆６の材料には、金、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル等の光を反射する材料が用いられる。その他の要素の材料には、実施の形態１と同一のものを用いる。この光導波路プローブでは、光導波路１の固定部端面から光を導入することで、探針部５に形成した開口７のみから光を照射することができる。また、試料表面に局在する光を探針部５の先端で検出し、固定部端面の後方で検出器に導入することもできる。

上記光導波路プローブによれば、光導波路１の先端に開口７を設けたので、実施の形態１の光導波路プローブよりも高い空間分解能で試料の光学特性を検出することができる。
（実施の形態３）
図３は、この発明の実施の形態３を示す光導波路プローブを示す構成図である。この実施の形態３の光導波路プローブは、実施の形態２の光導波路プローブと異なり、基板２と接触した部分を含めた光導波路１全体を金属膜被覆で覆っている点に特徴がある。なお、各要素の寸法は、実施の形態２の光導波路プローブと同一である。また、光導波路プローブを構成する各要素の材料は、実施の形態２と同一である。

光導波路１の固定部３の端面から光を導入することで、探針部５に形成した開口７のみから光を照射することができる。また、試料表面に局在する光を探針部５の先端で検出し、固定部端面の後方で検出器に導入することもできる。

上記光導波路プローブによれば、光導波路１の先端に開口７を設けたので、上記同様に、実施の形態１の光導波路プローブよりも高い空間分解能で試料の光学特性を検出することができる。
（実施の形態４）
図４は、この発明の実施の形態４を示す光導波路プローブを示す構成図である。この光導波路プローブは、実施の形態２の光導波路１を単一の光伝送材料１０で構成した点に特徴がある。光伝送材料１０の横断面は四角形であり、一辺長は５μｍから１００μｍである。光伝送材料１０の材質および堆積方法は、実施の形態１におけるコア８およびクラッド９と同一である。その他の構成要素の寸法および材質は、実施の形態２と同一である。

実施の形態１から実施の形態３までに示した光導波路プローブでは、光をコア８にだけに導入する必要がある。しかし、上記光導波路プローブによれば、コア８よりも太い光伝送材料１０に光を導入すれば良いため、実施の形態１から実施の形態３までに示した光導波路プローブよりも容易に光導波路１に光を導入することができる。また、光導波路１の材料が単一であるため、実施の形態１から実施の形態３までに示した光導波路プローブよりも容易に製造できる。
（実施の形態５）
図５は、この発明の実施の形態１から実施の形態３までに示した光導波路プローブを示す構成図である。この光導波路プローブは、実施の形態３の光導波路１を単一の光伝送材料１０で構成した点に特徴がある。光伝送材料１０の形状、寸法、材質、堆積方法は、実施の形態４と同一であり、その他の構成要素の寸法、材質は、実施の形態２と同一であるため、説明を省略する。
（実施の形態６）
図６は、実施の形態１〜５の光導波路プローブの製造方法を示す説明図である。図６（Ａ）は、基板に光導波路の型を形成する工程を表わしたものであって、基板１１上にエッチングマスク１２を形成した状態を表わしている。なお、以下では基板１１の上面をおもて面とし、基板１１の下面を裏面とする。エッチングマスク１２は厚み分布を有している。基板１１の厚さは２００μｍから１ｍｍである。エッチングマスク１２の最大厚み部分の厚さは１００ｎｍから１００μｍである。基板２は基板１１から構成されており、基板１１の材料は基板２と同一である。

エッチングマスク１２は、フォトレジストやＳｉＯ２をはじめとする誘電体またはＡｌやＣｒなどの金属である。また、ＧａＡｓやＩｎＰなどの半導体の使用も可能である。フォトレジストをエッチングマスク１２とする場合、フォトレジストは、エマルジョンマスクまたはドットパターンを用いた階調を有するフォトマスクを用いて露光して、厚み分布を有するエッチングマスク１２とする。誘電体や金属をマスク材とする場合、エッチングマスク１２は、マスク材の上部に上記厚み分布を有するフォトレジストを形成し、反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥと略す）をはじめとする異方性ドライエッチングにより加工して、レジスト形状をマスク材に転写形成する。また、エッチングマスク１２は、マスク材をドライエッチングまたはウエットエッチングの等方性エッチングでパターニングすることによって厚み分布を有するように形成しても良い。

図６（Ｃ）は、基板に光導波路の型を形成する工程を表わしたものであり、光導波路を埋め込むための型が形成された状態の上面図である。また、図６（Ｄ）は、図６（Ｃ）のａ−ｂ線に沿った断面図である。光導波路の型は、立体的な形状で表わすと舟形を有する窪みである。光導波路の探針部分５に相当する部分は、緩やかに湾曲している。窪みの深さは５μｍから５００μｍである。光導波路の型は、エッチングマスク１２を用いてＲＩＥや誘導結合プラズマエッチング装置などの異方性ドライエッチングで形成される。

エッチングマスク１２は厚み分布を有しているため、異方性ドライエッチングで加工した場合、深さ方向に対してエッチングマスク１２の相似形が基板１１に転写される。エッチングマスク１２を用いて等方性のドライエッチングやウエットエッチングで形成しても良い。また、エッチングマスク１２を用いてシリコン基板に対する異方性エッチングで形成しても良い。

また、図６（Ｂ）は、基板に光導波路を埋め込む型を形成する工程を表わしたものであり、基板１１上にエッチングマスク１６を形成した状態を表わしている。エッチングマスク１６の厚さは、１００ｎｍから１００μｍである。マスク材は、フォトレジストやＳｉＯ２をはじめとする誘電体やＡｌやＣｒなどの金属、およびＧａＡｓやＩｎＰなどの半導体である。エッチングマスク１６を用いる場合、エッチングマスク１６の下部へのエッチングのまわり込みを利用し、等方性のドライエッチングまたはウエットエッチング工程によって光導波路を埋め込む型を形成しても良い。また、エッチングマスク１６を用いてシリコン基板に対する異方性ウエットエッチングによっても光導波路を埋め込む型を形成することができる。

図６（Ｄ）のように緩やかな湾曲をもつ型に光導波路を埋め込むことによって、鈎状に形成された光導波路プローブを形成することができる。図６（Ｅ）は、光導波路を埋め込む型に光導波路を埋め込む工程を表わしたものであり、光導波路が形成された状態を表わしている。基板１１の上にクラッド材１３が堆積しており、その上にパターニングしたコア材１４が堆積している。さらにその上にクラッド材１５が堆積している。クラッド材１３とクラッド材１５の屈折率はコア材１４の屈折率よりも相対的に小さい。クラッド材１３とクラッド材１５の屈折率は同じである。また、クラッド材１３とクラッド材１５の屈折率が異なるものでも良い。クラッド材１３の厚みは1μｍから３００μｍである。コア材１４の厚みは１μｍから１０μｍである。また、パターニング後のコア材１４の紙面に対して垂直方向の全幅は１μｍから１０μｍである。クラッド材１５の厚みは１μｍから３００μｍである。

まず、図６（Ｄ）に示した光導波路を埋め込む型にクラッド材１３を堆積する。次にコア材１４を堆積し、フォトリソグラフィーを用いてパターニングする。この時、光導波路を埋め込むための型の段差が大きいためフォトレジストを均一に塗布することが困難な場合、電着レジストの使用が有効である。電着レジストを用いるには、まず、コア材１４を堆積した後、電極材とする導電性の金属Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒなどを堆積したのち電着レジストを塗布し、フォトリソグラフィーを用いてパターニングする。次に、クラッド材１５を堆積する。クラッド材１３、コア材１４およびクラッド材１５の堆積方法はＣＶＤ、スパッタ、真空蒸着などがある。クラッド材１３、コア材１４およびクラッド材１５の材料は二酸化珪素を用いた場合、フッ素、ゲルマニウム、ボロンなどをドープして屈折率を調整する。また、堆積方法としてＣＶＤを用いる場合、堆積時の出力調整によっても屈折率を変化させることができる。

図６（Ｆ）は、光導波路を埋め込むための型に沿って光導波路を分離する工程を示しており、光導波路を分離した状態を表わしている。図６（Ｅ）に示した状態において窪んでいる部分に樹脂を埋め込んだ後、ポリッシング、ラッピングなどにより基板１１を元の面まで研磨加工する。研磨後、埋め込んだ樹脂を取り除けば、図６（Ｆ）の状態となる。光導波路を埋め込む型に、クラッド１３、コア１４およびクラッド１５を堆積する場合、図６（Ｅ）中の矢印Ａで示す壁の部分では、基板の平行部分に比べて堆積される誘電体の厚みは薄くなる。したがって、研磨後には光導波路１の探針部５の頂点付近が先鋭化された状態となる。また、研磨によらず、フォトリソグラフィーにより光導波路を分離することもできる。

図６（Ｇ）および図６（Ｈ）は、光導波路プローブを基板から分離する工程を示しており、それぞれ、おもて面において光導波路を露出させた状態、光導波路プローブを分離した状態を表わしている。図６（Ｆ）において基板１１のおもて面からドライエッチングやウエットエッチングによって光導波路を露出させ、図６（Ｇ）の状態とする。その後、基板１１がシリコンの場合、裏面から水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）などによる異方性ウエットエッチングによって光導波路プローブを分離する。基板１１がシリコン以外の場合は、裏面からドライエッチングまたはウエットエッチングを行って光導波路プローブを分離する。

以上説明した工程によれば、実施の形態１の光導波路プローブを容易に製造することが可能である。実施の形態２の光導波路プローブの製造方法は、実施の形態１の光導波路プローブの製造方法において、光導波路プローブを製造した後、光導波路１の周りに金属膜被覆６となるＡｌ、Ｃｒなどの金属材料を堆積することで実施できる。実施の形態３の光導波路プローブの製造方法は、図６（Ｅ）で説明した工程の前に金属膜被覆６となる金属材料を堆積した後、図６（Ｈ）で説明した工程までを進め、最後に光導波路１全体に金属膜被覆６となる金属材料を堆積することで実施できる。

実施の形態４および５の光導波路プローブの製造方法は、図６（Ｅ）で説明した工程においてクラッド１３、コア１４、クラッド１５を堆積するかわりに光伝送材料１０だけを堆積する。その他の工程は、実施の形態２および３の光導波路プローブの製造方法と同一である。開口７は、探針部５の先端部の金属をエッチングすることにより除去形成する。開口７は、金属を堆積した後に先端部分を固体表面に押し付けて形成しても良い。また、開口７は、金属を堆積した後に、フォトレジストをはじめとするマスク材を堆積し、ＲＩＥをはじめとするドライエッチングを行うことで形成しても良い。
（実施の形態７）
図７は、この発明の実施の形態７に係る光導波路プローブの製造方法を示す説明図である。同図は、基板に光導波路の型を形成する工程を表わしており、その他の工程は実施の形態６と同一である。図７（Ａ）は、基板１１上にエッチングマスク１７を形成した状態を表わしている。エッチングマスク１７は少なくとも２段以上の階段状に成形したエッチングマスクである。基板１１には、シリコンを用いる。エッチングマスクは二酸化珪素、窒化珪素、フォトレジストなどの誘電体を用いる。

図７（Ｃ）は、光導波路を埋め込むための型が形成された状態を表わしている。図７（Ｂ）は、エッチングマスク１７を用いて異方性エッチングを行った状態を表わしており、階段状に成形したエッチングマスク１７の１段目が残っている状態を表わしている。その後、エッチングを継続していくとエッチングマスク１７の１段目が除去されて２段目以降が残る。この状態で更にエッチングを継続すると図７（Ｃ）の状態となる。また、１段目のマスクが残っている状態でエッチングを止めて図７（Ｂ）の状態とし、残った１段目のマスクをエッチングによって除去してから２段目のマスクによって更にエッチングを継続することで、図７（Ｃ）の状態としても良い。

このように少なくとも２段以上の階段状に成形したエッチングマスク１７を用いて異方性エッチングを行うことにより、滑らかな傾斜面をもつ光導波路を埋め込む型を形成することができる。さらに、このような滑らかな傾斜面を持つ型を用いて光導波路プローブを製造することで、光導波路１に入射した光を効率よく光導波路１の先端から出射させることができる。また、光導波路の先端で検出した試料表面に局在する光を、効率よく伝送し光導波路の他端に出力することができる。
（実施の形態８）
図８は、この発明の実施の形態８に係る光導波路プローブの製造方法を示す説明図である。図８（Ａ）は、基板に光導波路の型を形成する工程を表わしたものであり、基板１１上にエッチングマスク１８を形成した状態の上面図を表わしている。エッチングマスク１８は、エッチングマスク１２、エッチングマスク１６およびエッチングマスク１７のうちいずれかと同じものを用いる。

図８（Ｂ）は、基板に光導波路を埋め込む型を形成する工程を表わしたものであり、光導波路を埋め込む型が形成された状態の上面図である。また、図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）のａ−ｂ線に沿った断面図である。光導波路を埋め込むための型は２つの平行平面と平行平面をつなぐ斜面をもつ段差であり、前記斜面は１つ以上の平面からなっている。また、平行平面をつなぐ斜面は湾曲した面であっても良い。この光導波路を埋め込むための型を形成する方法はエッチングマスク１８の種類によってことなり、それぞれの方法は、実施の形態６および７と同一である。光導波路を埋め込む型を形成した後、光導波路を積層する。光導波路を積相する方法および材料は、実施の形態６と同一である。

図８（Ｄ）は、光導波路をプローブ形状にパターニングする工程をあらわしたものであり、光導波路がプローブ形状にパターニングされた状態の上面図である。図８（Ｅ）は、図８（Ｄ）中のａ−ｂ線の沿った断面図である。光導波路を形成した後、フォトリソグラフィーを用いてパターニングする。光導波路を埋め込む型の段差が大きいためにフォトレジストを均一に塗布することが困難な場合は、電着レジストの使用が有効である。電着レジストを用いるには、まず、光導波路１を堆積した後、電極材とする導電性の金属Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒなどを堆積したのち電着レジストを塗布し、フォトリソグラフィーを用いてパターニングする。その後の光導波路プローブを基板から分離する工程は、実施の形態６と同じである。
（実施の形態９）
図９は、この発明の実施の形態９に係る光導波路プローブを示す構成図である。この光導波路プローブ２００は、光を伝搬するコア２１および屈折率の異なるクラッド２２からなる光導波路２３と、この光導波路２３を覆う光反射層２４と、この光導波路２３を支持する基板２５とから構成されている。カンチレバー２６は、基板２５の反対側に緩やかに湾曲している。湾曲量は、光損失が生じない程度にしておく。カンチレバー２６の先端は、全体的に先鋭化されている。

図１０は、カンチレバー２６の先端付近の拡大図である。このように、カンチレバー２６の先端では、クラッド２２または光反射層２４からコア２１が突出して、開口部２７を形成している。開口部２７の形成方法については、後に詳述する。開口部２７先端の曲率半径は、１００ｎｍ以下とする。近視野顕微鏡における光学的な分解能は、開口部２７の曲率半径に反比例して高くなる。一方、光導波路２３の基板側では、コア２１およびクラッド２２の端面が外部に露出している。

光導波路プローブ２００の具体的なサイズは、カンチレバー２６の長さが５０μｍ〜３０００μｍ、幅が３μｍ〜３００μｍ、厚みが１μｍ〜２０μｍである。また、光導波路２３の長さが１〜５０ｍｍ、幅が１０〜１０００μｍである。基板２５の厚みが１００μｍ〜１０００μｍ、面積が１〜２５００平方ｍｍである。

光導波路プローブ２００の共振周波数は、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚに設定する。ＡＦＭ動作での高速操作を行うためである。バネ定数は、０．００１Ｎ〜１００Ｎ／ｍと小さく設定する。バネ定数を小さくすることで、光導波路プローブと試料との相互作用を小さくでき、生物試料または高分子試料などの柔らかいものまで損傷なく高精度で計測できる。

イルミネーションモードにおける、上記光導波路プローブ２００の光伝搬形態を説明する。光導波路プローブ２００の基板２５側に光ファイバ２８を設置する。光ファイバ２８から出射した光は、集光レンズ２９によりコア端面２１ａに集光される。コア端面２１ａから光導波路２３内に入射した光は、コア２１を通って光導波路プローブ２００の先端に至る。その一部の光は、開口部２７から試料表面に照射される。開口部２７の径は、光の波長以下に設定されているから、当該開口部２７からは開口径のオーダで急激に減衰するエバネッセント光が出射される。

また、集光レンズ２９を用いず、光ファイバ２８からの光を直接入射するようにしてもよい。さらに、光ファイバ２８を用いず、光導波路プローブ２００の基板２５側に直接光源を配置してもよい。また、この光導波路プローブ２００は、コレクションモードでも使用することができる。この場合、開口部２７から入射した光は、光導波路２３内のコア２１を通って、基板側のコア端面２１ａから出射される。

上記構成の光導波路プローブ２００によれば、光の回折限界を超える分解能を得ることができる。つぎに、この光導波路プローブ２００の製造方法について説明する。図１１は、この光導波路プローブ２００の製造工程を示すフローチャートである。図１２〜図１４は、光導波路プローブ２００の製造工程を示す説明図である。

図１１（Ａ）は光導波路プローブ２００の製造工程の１つを示す説明図である。ステップＳ１１０１では、基板２５’を、加工テーブル上に載置する。基板２５’の材料には、シリコンウエハ（厚み１００μｍ〜１０００μｍ）を用いる。シリコンウエハの他、ガラス、石英などの誘電体結晶、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体結晶、または高分子材料を用いてもよい（図１２（Ａ）の（ａ））。

ステップＳ１１０２では、シリコンウエハ上にクラッド２２’（厚み０．１μｍ〜５μｍ）を形成する（図１２（Ａ）の（ｂ））。ステップＳ１１０３では、クラッド２２’上にコア２１’（厚み３μｍ〜１０μｍ）を形成する（図１２（Ａ）の（ｃ））。ステップＳ１１０４では、コア２１’上にクラッド２２’を形成する（図１２（Ａ）の（ｄ））。

上記コア２１’およびクラッド２２’は、屈折率の異なる酸化シリコンをスパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法によって形成する。例えばプラズマＣＶＤ法において、弗素系ガスを導入して成膜することで、クラッド層として機能する屈折率の低い膜を作成できる。なお、ボロン、リンなどを酸化シリコンにドーピングして、屈折率の異なる膜を作製するようにしてもよい。

また、コア２１’およびクラッド２２’に用いる材料としては、上記の他、ガラスや石英、窒化シリコンなどの誘電体材料、ポリメタクリル酸やポリイミドなどの高分子材料を挙げることができる。

ステップＳ１１０５では、光導波路２３のパターンを形成する（図１２（Ａ）の（ｅ））。光導波路２３のパターンは、フォトリソグラフィーにて作製したマスクの型に沿って、反応性イオンエッチングや誘導プラズマエッチングなどによる異方性を有するドライエッチング法により作製する。マスク材には、アモルファスシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコン、また、Ｃｒ、Ａｌ、ＷＳｉ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属膜、フォトレジストなどを使用する。光導波路２３のパターンの上面図を、図１２（Ａ）の（ｅ’）に示す。光導波路２３は、その先端を先鋭に形成する。

ステップＳ１１０６では、クラッド２２上にポリイミド３０（厚み１μｍ〜２０μｍ）を形成する（図１３（Ａ）の（ｆ））。このポリイミド３０を形成するには、マスクパターン工程が必要であるが、周知技術のため説明を省略する。このポリイミド３０を用いてカンチレバー２６を湾曲させる。湾曲工程は、後述する。感光性ポリイミドを用いた場合、フォトリソグラフィーにてパターン成形でき、工程が簡易化される。感光性ポリイミドは、スピンコート、ディップコート、スプレーコートなどの手法により塗布する。この時点では、７０℃〜１００℃程度でベーキングする。また、他の材料として、エポキシ系樹脂や高分子材料などの熱膨張係数の大きなものを用いることができる。

ステップＳ１１０７では、シリコンウエハをエッチングして基板２５を形成する（図１３（Ａ）の（ｇ））。エッチングは、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）またはテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）といった異方性を有するウエットエッチングを用いて、裏面側から行う。また、異方性または等方性のドライエッチングを用いてもよい。

ステップＳ１１０８では、酸化シリコンとポリイミドの熱膨張係数の差を利用して、カンチレバー２６を湾曲させる（図１３（Ａ）の（ｈ））。ポリイミド３０を再度、高温（４００℃〜５００℃）にてキュアする。熱膨脹係数の大きなポリイミド３０は、室温に戻ると、熱収縮する。この結果、酸化シリコンの上面には、大きな応力がかかり、カンチレバー２６は基板２５の反対方向に湾曲する。

ステップＳ１１０９では、エッチングによりカンチレバー２６を先鋭化する（図１３（Ａ）の（ｉ））。光導波路２３の先端を先鋭化する方法として、弗酸溶液による化学エッチングによる方法を用いる。化学エッチングの基本的方法は、体積比がＮＨ４Ｆ（４０重量％）：ＨＦ（５０重量％）：Ｈ２Ｏ＝５〜５０：１：１の弗酸溶液中に５分〜９０分間浸し、クラッド２２端部を除去してコア２１をエッチングするものである。

図１４は、先鋭化処理工程を示す説明図である。ステップＳ１１０８までの工程を経て形成した光導波路２３を、弗酸溶液中に浸す（図中（ａ））。光導波路２３を弗酸溶液中に浸すと、弗酸の表面張力により、光導波路２３の周りにメニスカスＭが発生する。メニスカスＭがかかった光導波路２３の付近では、エッチングが進行して先細りしてゆく（図中（ｂ））。メカニカスＭは、光導波路２３が細くなるにつれて小さくなる。エッチング進行の結果、光導波路２３が先鋭化される（同図（ｃ））。この方法によれば、先端部の曲率半径の寸法を２ｎｍ程度にすることができる。また、コア２１の先鋭角は、コア２１中の弗素濃度によって決まるため、先鋭角の高い再現性が可能となる。

ステップＳ１１１０では、光導波路２３の周囲に光反射層２４を形成する（図１３（Ａ）の（ｊ））。光反射層２４を構成することで、光導波路プローブ２００に光を導入する場合（コレクションモード）は、側面からの光ノイズを除去できる。一方、光導波路プローブ２００から光を照射する場合（イルミネーションモード）は、開口部２７の領域のみ光を当てることができる。この結果、分解能を向上させることができる。光反射層２４の材料は、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉなどの金属膜が適する。被覆方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、無電解メッキ法などが用いられる。

この場合、開口部２７まで光反射層２４で覆われてしまうため、開口部２７の光反射層２４を除去する必要がある。この方法として、酸、アルカリなどによるエッチングまたはドライエッチングによる穴開けや、ＡＦＭ動作時にプローブ先端を押し当てて、機械的に除去する方法を用いる。また、スパッタリングまたは真空蒸着にて光反射膜を形成する際、スパッタリングまたは蒸着の成膜方向から９０度傾けて成膜することにより、微小な開口部２７を形成できる。

なお、ステップＳ１１０６とステップＳ１１０７との順序が逆であっても製造上問題ない。また、ステップＳ１１０８とステップＳ１１０９との順序が逆であっても製造上問題ない。

図１１（Ｂ）は、光導波路プローブ２００のまた別の製造工程を示す説明図である。ステップＳ１１０１からステップＳ１１０５までは、図１１（Ａ）の工程と同様である。ステップＳ１１０６１では、クラッド２２上に窒化シリコン３８（厚み０．１μｍ〜５μｍ）を形成する（図１３（Ｂ）の（ｆ’））。この窒化シリコン３８はＣＶＤにて積層され、フォトリソグラフィー工程を通し、ドライエッチングを用いてパターニングされる。窒化シリコンは、ＣＶＤにて高温状態（４００℃以上）で積層される。窒化シリコンは大きな熱膨張係数を有しており、その結果、常温に戻すと、クラッド２２に大きな応力がかかる。他の材料として、窒化シリコンに限らずその他の誘電体材料を用いることもできる。

ステップＳ１１０７では、シリコンウエハをエッチングして基板２５を形成する（図１３（Ｂ）の（ｇ’））。エッチングは、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）またはテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）といった異方性を有するウエットエッチングを用いて、裏面側から行う。また、異方性または等方性のドライエッチングを用いてもよい。この工程にて、カンチレバー２６が形成され、且つクラッド２２にかかる大きな応力によりカンチレバー２６は湾曲される。

ステップＳ１１０９（図１３（Ｂ）の（ｉ’））は図１１（Ａ）の工程ステップＳ１１０９（図１３（Ａ）の（ｉ））と同様であり、ステップＳ１１１０（図１３（Ｂ）の（Ｊ’））は図１１（Ａ）の工程ステップＳ１１１０（図１３（Ａ）の（ｊ））と同様である。

以上、この光導波路プローブ２００では、上記のようなシリコンプロセスを経て作製するので、バッチ処置が可能になり、量産に適したのものになる。また、ウエハに対する一括した工程で作製できるため、バラツキが少ない。さらに、シリコンプロセスで作製するため、製品特性が安定化する。また、プローブの小型化によりウエハ当たりの個数が増加するので、コストを低減できる。
（実施の形態１０）
図１５は、この発明の実施の形態１０に係る光導波路プローブを示す断面図である。同図（ａ）に示す３層構造の光導波路２３では、まず、シリコンウエハ上にクラッド２２とコア２１とを成膜してからパターニングを行い、その後、クラッド２２のパターンを形成する。この光導波路２３では、コア２１が完全にクラッド２２に覆われているから、損失の少ない良好な光導波路特性を示す。

同図（ｂ）に示す３層構造の光導波路２３では、シリコンウエハ上に、クラッド２２、コア２１、クラッド２２と成膜した後、３層一括してパターニングする。このため、コア２１の上面と下面とがクラッド２２に接する。側面にクラッド２２がないため、光の導波特性は同図（ａ）の光導波路に劣るが、作製工程を少なくできる。

同図（ｃ）に示す光導波路２３は、シリコンウエハ上にクラッド２２、コア２１と成膜した２層構造である。この光導波路では、クラッド２２、コア２１を成膜した後、２層一括してパターニングする。クラッド２２がコア２１の下面にのみ存在するため、導波特性は同図（ｂ）の光導波路に劣るが、作製工程を更に少なくできる。

同図（ｄ）に示す光導波路２３は、シリコンウエハ上にコア２１のみを成膜した単層構造である。コア２１の周りは光反射層またはシリコンウエハで覆われ、導波特性は上記光導波路に劣るが、最も作製が容易である。
（実施の形態１１）
図１６は、この発明の実施の形態１１に係る光導波路プローブを示す説明図である。この光導波路プローブ２０１、２０２は、ポリイミド３０の形成パターンを変形したものである。上記ステップＳ１１０６にて形成するポリイミド３０を、同図（ａ）では、カンチレバー２６上全域にポリイミド３０を形成したのもである。このようにすれば、ステップＳ１１０８における湾曲工程において、カンチレバー２６を大きく緩やかに湾曲させることができる。このため、損失が少なく、良好な光導波特性が得られる。

同図（ｂ）の光導波路プローブ２０２では、ポリイミド３０をクラッド２２上全域に形成した。このようにすれば、更に大きな曲率半径が得られるから、光損失を更に低減できる。また、ポリイミド３０のパターニングが不要になるから、製造工程が減少するといった効果もある。同図（ａ）あるいは（ｂ）の光導波路プローブ２０１、２０２において、ポリイミドに代わり窒化シリコンを用いても良い。
（実施の形態１２）
図１７は、この発明の実施の形態１２に係る光導波路プローブを示す説明図である。この実施の形態１２の光導波路プローブ２０３では、カンチレバー２６に溝を形成し、局所的に薄片化することで、曲げ効果を向上させたものである。同図（ａ）に示すように、断面四角形の溝３１をカンチレバー２６に形成し、この上にポリイミド３０を形成する。このようにすれば、カンチレバー２６の断面２次モーメントが小さくなるので、大きく湾曲させることができる。なお、この溝３１は、クラッド形成工程（ステップＳ１１０４）の後に、形成する。

また、溝形状は、四角形に限定されない。例えば同図（ｂ）に示すような断面くさび形状にしたり、同図（ｃ）に示すような断面Ｕ字形状にしてもよい。さらに、図１８の（ａ）に示すように、基板２５側のクラッド２２に溝を設けるようにしてもよい。また、図１８の（ｂ）に示すように、上側および下側のクラッド２２に溝３１を設けるようにしてもよい。図示しないが、同図の溝形状は上記図１７の（ｂ）および（ｃ）に示すような、断面くさび形状または断面Ｕ字形状であってもよい。このようにしても上記同様に、カンチレバー２６を大きく湾曲させることができる。図１７の光導波路プローブ２０３および図１８において、ポリイミドに代わり窒化シリコンを用いても良い。
（実施の形態１３）
図１９は、この発明の実施の形態１３に係る光導波路プローブの作製方法を示す説明図である。この実施の形態１３に係る光導波路プローブ２０４の作製方法は、カンチレバー２６の湾曲にポリイミド３０を用いず、レーザ光により加熱して行うようにした点に特徴がある。レーザ発振器３２からの出射したレーザ光Ｒは、レンズ３３によりカンチレバー２６上に集光する。レーザ光Ｒの照射されたクラッド２２は、反対側のクラッド２２よりも熱吸収量が多い。このため、軟化による酸化シリコンの表面張力により、カンチレバー２６がレーザ光Ｒの当たる方向に湾曲する。曲げは１０度〜９０度の範囲とする。曲率の調整は、レーザ光Ｒのスポットサイズにより行う。この場合、上記実施の形態９〜１２の光導波路プローブに用いたポリイミド３０の形成は、不要である。
（実施の形態１４）
図２０は、この発明の実施の形態１４に係る光導波路プローブの作製方法を示す説明図である。この実施の形態１４に係る光導波路プローブでは、等方性エッチングによって光導波路２３のパターンを作製すると同時に、カンチレバー２６の先端を先鋭な形状に作製する。パターニングには、例えば弗酸水溶液によるウエットエッチング、またはドライエッチングを用いる。また、Ａｌ、Ｃｒ、ＷＳｉなどの金属またはレジストをマスクにした反応性イオンエッチングを用いてパターニングしてもよい。この光導波路プローブでは、基板２５側のクラッド２２を薄く形成する。当該クラッド２２の厚みは、０．１μｍ程度がよい。

この光導波路プローブの作製工程では、まず、実施の形態９におけるステップＳ１１０１〜ステップＳ１１０４の工程にてクラッド２２、コア２１、クラッド２２を順次形成する。次に、ステップＳ１１０５工程において、等方性エッチングを用いる。係る工程により、光導波路２３の先端を基板２５’上で先鋭化する。続いて、ステップＳ１１０６〜ステップＳ１１０８工程（図１１（Ａ））あるいはステップＳ１１０６１〜ステップＳ１１０７工程（図１１（Ｂ））までを行う。この場合、実施の形態９のステップＳ１１０９（先鋭化処理）は不要であるから、省略する。最後に、光導波路２３の周囲に光反射層２４を形成する。図２１に、完成したカンチレバー２６の先端部の拡大図を示す。

このように、等方性エッチングにより先鋭化したクラッド２２とコア２１とが光反射層２４から露出し、開口部２７を形成している。このようにすれば、実施の形態９の光導波路プローブに比べて作製工程が減少するから、歩留まりが向上し、形状が安定化する。なお、湾曲工程（ステップＳ１１０８）において、実施の形態１３の手法を用いることもできる。この場合、ポリイミド形成工程が省略できる。また、実施の形態１１および１２の手法を適宜用いてもよい。
（実施の形態１５）
図２２は、この発明の実施の形態１５に係る光導波路プローブの作製方法を示す説明図である。この実施の形態１５に係る光導波路プローブでは、異方性エッチングによって光導波路２３のパターンを作製すると同時に、カンチレバー２６の先端を先鋭な形状に作製する。

この光導波路プローブの作製工程では、まず、実施の形態９におけるステップＳ１１０１〜ステップＳ１１０４の工程にてクラッド２２、コア２１、クラッド２２を順次形成する。なお、コア２１の上面に形成するクラッド２２は薄く形成する。このクラッド２２の厚みは、０．１μｍ程度がよい。次に、ステップＳ１１０５工程において、異方性エッチングを用いる。この工程では、まず、基板を所定の角度（例えば４５度）だけ傾け、この状態でエッチングを行い、光導波路２３の先端を先鋭化する。また、これと同時に、光導波路２３のパターニングを形成する。エッチングのマスク材には、アモルファスシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコン、Ａｌ、Ｃｒ、ＷＳｉなどの金属またはフォトレジストを用いる。エッチングには、異方性の強いドライエッチングを用いる。例えば反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマエッチングなどを用いることができる。

続いて、ステップＳ１１０６〜ステップＳ１１０８工程（図１１（Ａ））あるいはステップＳ１１０６１〜ステップＳ１１０７工程（図１１（Ｂ））までを行う。この場合、実施の形態９のステップＳ１１０９（先鋭化処理）は不要であるから、省略する。最後に、光導波路２３の周囲に光反射層２４を形成する。図２３に、完成したカンチレバー２６の先端部の拡大図を示す。

このように、異方性エッチングにより先鋭化したクラッド２２とコア２１とが光反射層２４から露出し、開口部２７を形成している。このようにすれば、実施の形態９の光導波路プローブに比べて作製工程が減少するから、歩留まりが向上し、形状が安定化する。なお、湾曲工程（ステップＳ１１０８）において、実施の形態１３の手法を用いることもできる。この場合、ポリイミド形成工程が省略できる。また、実施の形態１１および１２の手法を適宜用いてもよい。
（実施の形態１６）
図２４は、この発明の実施の形態１６に係る光導波路プローブを示す説明図である。この光導波路プローブ３００は、実施の形態１５において異方性エッチングより先鋭化した光導波路２３を湾曲させず、そのまま光導波路２３の周囲に光導波層２４を形成したものである。

この光導波路プローブ３００の作製工程は、実施の形態１５におけるポリイミド形成工程（ステップＳ１１０６）と湾曲工程（ステップＳ１１０８）とを省略したもの（図１１（Ａ））、あるいは実施の形態１５における窒化シリコン形成工程（ステップＳ１１０６１）を省略したもの（図１１（Ｂ））となり、それ以外は、実施の形態１５と同様である。この光導波路プローブ３００の先端は、図２５の拡大図に示すように、異方性エッチングによって先鋭化しており、試料に対して大きく傾けることで、または垂直に配置することにより、試料表面の測定を可能としている。なお、実施の形態１４の等方性エッチングを用いて先鋭化してもよい。
（実施の形態１７）
図２６は、この発明の実施の形態１７に係る光導波路プローブの構造を示す説明図である。この光導波路プローブ４００は、カンチレバー２６の下側に誘電体材料３４を形成し、この熱膨張を利用してカンチレバー２６を湾曲させるようにしたものである。誘電体材料３４としては、例えば弗素、ボロン、リンをドーピングした酸化シリコンを用いる。誘電体材料３４は、光導波路２３全体よりも小さい熱膨脹率を持つ。この結果、カンチレバー２６に曲げ応力がかかって、カンチレバー２６が基板２５と反対側に湾曲する。なお、このカンチレバー２６に、上記実施の形態１２に記載したような溝３１を形成するようにしてもよい。
（実施の形態１８）
図２７は、この発明の実施の形態１８に係る光導波路プローブを示す概略説明図である。この光導波路プローブ５００は、光導波路２３と光ファイバ２８とのカップリングを容易にするため、基板２５に溝部３５を設けた点に特徴がある。その他の構成は上記実施の形態と同様である。

基板２５の上には、光ファイバ２８の径に合わせて断面Ｖ字形の溝部３５を形成する。基板２５は、溝部３５を形成するため、多少長めにしておく。溝部３５は、異方性のウエットエッチング法または異方性を有するドライエッチング法を用いて形成する。例えば、ＴＭＡＨによる異方性エッチング法では、結晶面のエッチングレートの差を利用することで、一定の角度を有するＶ字形状の溝部３５を形成できる。光ファイバ２８は、溝部３５の２斜面で位置決めする。光ファイバ２８の固定には、紫外線照射により硬化する接着剤を用いる。なお、これ以外の接着剤を用いるようにしてもよい。光ファイバ２８の固定状態で、当該光ファイバ２８の端面と光導波路２３の端面とが密着するようにしても良い。

光源３６からの光は、レンズ３７により光ファイバ２８の一端面に集光する。光ファイバ２８に入射した光は、当該光ファイバ２８内を通って、他端面に至る。光ファイバ２８の端面から出射された光は光導波路２３内に侵入する。

上記のように、基板２５に溝部３５を設けて光ファイバ２８を位置決めするようにすれば、光ファイバ２８と光導波路２３のカップリング時における位置合わせが容易になる。なお、上記溝部３５の形状は、Ｖ字形に限られず、Ｕ字形状、凹形状にしてもよい。
（実施の形態１９）
図２８は、この発明の実施の形態１９に係る走査型プローブ顕微鏡を示す構成図である。この走査型プローブ顕微鏡１０００は、実施の形態９から実施の形態１５、実施の形態１７および実施の形態１８までに示した光導波路プローブ２００（〜５００）と、光情報測定用の光源５１と、光源５１の前面に配置したレンズ５２と、レンズ５２で集光した光を光導波路プローブまで伝搬する光ファイバ５３と、試料Ｗの下方に配置され光導波路プローブの先端で発生した伝搬光を反射するプリズム５４と、プリズム５４で反射した伝搬光を集光するレンズ５５と、集光した伝搬光を受光する光検出部５６と、を備えている。

また、光導波路プローブ２００の上方には、レーザ光を出力するレーザ発振器５７と、光導波路プローブ２００で反射したレーザ光を反射するミラー５８と、反射したレーザ光を受光して光電変換する上下２分割した光電変換部５９と、を備えている。さらに、試料Ｗおよびプリズム５４をＸＹＺ方向に移動制御する粗動機構６０および微動機構６１と、これら粗動機構６０および微動機構６１を駆動するサーボ機構６２と、装置全体の制御をするコンピュータ６３とを備えている。この走査型プローブ顕微鏡１０００は、ダイナミックモードまたはコンタクトモードの計測に適する。

つぎに、この走査型プローブ顕微鏡１０００の動作について説明する。レーザ発振器５７から放出したレーザ光は、光導波路プローブ２００上で反射する。光導波路プローブ２００は、試料Ｗとの間の引力または斥力によって変位する。このため、反射したレーザ光が振れるから、これを光電変換部５９で検出する。

光電変換部５９により検出した信号は、サーボ機構６２に送られる。サーボ機構６２は、送信信号に基づいて試料Ｗに対する光導波路プローブ２００のアプローチや、表面の観察の際に光導波路プローブの撓みが規定値を超えないように、粗動機構６０および微動機構６１を制御する。コンピュータ６３は、サーボ機構６２の制御信号から表面形状の情報を受け取る。

また、光源５１から放出された光は、レンズ５２により集光され、光ファイバ５３に至る。光ファイバ５３内を通過した光は、光導波路２３に導入され、その開口部２７から試料Ｗに照射される。一方、プリズム５４により全反射した試料Ｗの光学的情報は、レンズ５５により集光され、光検出部５６に導入される。光検出部５６の信号は、コンピュータ６３のアナログ入力インタフェースを介して取得され、コンピュータ６３により光学的情報として検出される。
（実施の形態２０）
図２９は、この発明の実施の形態２０に係る走査型プローブ顕微鏡を示す構成図である。この走査型プローブ顕微鏡２０００は、実施の形態１６および実施の形態１８に示した光導波路プローブ３００と、光導波路プローブ３００を保持する励起手段７１と、光情報測定用の光源７２と、光源７２の前面に配置したレンズ７３と、レンズ７３で集光した光を光導波路プローブ３００まで伝搬する光ファイバ７４と、試料Ｗの下方に配置され光導波路プローブ３００の先端で発生した伝搬光を集光するレンズ７５と、集光した伝搬光を受光する光検出部７６と、を備えている。

また、光導波路プローブ３００の側方には、レーザ光を出力するレーザ発振器７７と、レーザ光を集光するレンズ７８と、レーザ光を受光して光電変換する光電変換部７９と、を備えている。さらに、試料を保持する走査手段８０と、装置全体の制御をする制御手段８１とを備えている。この走査型プローブ顕微鏡２０００は、シュアフォースモードでの計測に適する。

レーザ発振器７７から放出された光は、レンズ７８にて励起手段７１により共振振動している光導波路プローブ上に集光する。光導波路プローブの投影光は、光電変換部７９にて受光され光電変換される。光電変換部７９からの情報は、制御手段８１に伝わる。制御手段８１は、係る情報に基づいて走査手段８０を制御し、光導波路プローブの先端と試料表面との間隔を一定に保つ。

一方、光源７２から放出された光は、レンズ７３により光ファイバ７４端面に集光される。続いて、光ファイバ７４内を通った光は、光導波路プローブの光導波路２３に導入され、その開口部２７から試料Ｗに照射される。そして、この光学的情報は、レンズ７５によって集光され、光検出部７６によって検出される。

以上より、ＸＹ走査に伴う近視野光学特性の変化を検出することができる。また、光導波路プローブ３００の共振特性は、光導波路プローブ３００の先端と試料表面の間の原子間力により変化するから、この変化を制御手段８１によって電気的特性変化として検出することで、ＸＹＺの走査により試料表面の形状を観察できる。
（実施の形態２１）
図３０は、この発明の実施の形態２１に係る光導波路プローブの作製方法を示す説明図である。この実施の形態２１に係る光導波路プローブでは、異方性エッチングによって光導波路２３のパターンを作製すると同時に、光導波路２３の先端を先鋭な形状に作製する。パターニングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）に代表される異方性を有するドライエッチングを用いる。マスクには、Ａｌ、Ｃｒ、ＷＳｉなどの金属またはレジスト、あるいはポリシリコンやアモルファスシリコンを用いる。この光導波路プローブでは、基板２５側のクラッド２２を薄く形成する。当該クラッド２２の厚みは、０．１μｍ程度がよい。

この光導波路プローブの作製工程では、まず、実施の形態９におけるステップＳ１１０１〜ステップＳ１１０４の工程にてクラッド２２、コア２１、クラッド２２を順次形成する。次に、ステップＳ１１０５工程において、異方性エッチングを用いる。係る工程により、光導波路２３の先端を基板２５’上で先鋭化する。続いて、ステップＳ１１０６〜ステップＳ１１０８工程（図１１（Ａ））あるいはステップＳ１１０６１〜ステップＳ１１０７工程（図１１（Ｂ））までを行う。この場合、実施の形態９のステップＳ１１０９（先鋭化処理）は不要であるから、省略する。最後に、光導波路２３の周囲に光反射層２４を形成する。図３１に、完成したカンチレバー２６の先端部の拡大図を示す。

このように、異方性エッチングにより先鋭化したクラッド２２とコア２１とが光反射層２４から露出し、開口部２７を形成している。このようにすれば、実施の形態９の光導波路プローブに比べて作製工程が減少するから、歩留まりが向上し、形状が安定化する。なお、湾曲工程（ステップＳ１１０８）において、実施の形態１３の手法を用いることもできる。この場合、ポリイミド形成工程が省略できる。また、実施の形態１１および１２の手法を適宜用いてもよい。
（実施の形態２２）
図３２は、この発明の実施の形態２２に係る光導波路プローブを示す説明図である。

この光導波路プローブ６００では、反応性イオンエッチング（RIE）に代表される異方性のドライエッチングにより光導波路２３を基板２５に対し垂直にエッチングし、光反射膜２４の除かれた開口部２７の光導波路２３は少なくとも２組の面が垂直な３つの面で形成されている。光導波路２３は、ポリイミド３０による応力の効果により湾曲される。

この光導波路プローブ６００の作製工程は、まず、実施の形態９におけるステップＳ１１０１〜ステップS１１０４の工程にてクラッド２２、コア２１、クラッド２２の順に形成する。基板２５の反対側に位置するクラッド２２の厚みは、０．０５μｍ〜０．２μｍ程度が望ましい。次に、ステップＳ１１０５の工程において、異方性のドライエッチングを用いて、光導波路２３を基板２５に対し垂直にエッチングする。この工程にて、開口部２７となる光導波路２３の先端を少なくとも２組の面が垂直な３つの面で形成する。例えば、アモルファスシリコンをマスクとして使用したとき、基板上方より見たアモルファスシリコンのマスクの形状を三角形状にしておき、RIEにて光導波路２３の先端部を垂直にエッチングすると、その先端部は、クラッド２２の上面と、マスクとなるアモルファスシリコンの三角形状の２つの斜面に対応した、クラッド２２に垂直な２面から成る。続いて、ステップS１１０６〜ステップＳ１１０８工程（図１１（A））あるいはステップＳ１１０６〜ステップS１１０７工程（図１１（B））までを行う。この場合、実施の形態９のステップS１１０９（先鋭化処理）は不要であるから、省略する。最後に、光導波路２３の周囲に光反射層２４を形成する。

走査型近視野光学顕微鏡において、試料と原子間力が作用する光導波路の先端部を試料表面に対して等方的に配置することは、先端部の形状に依存しない測定結果を得ることができ、望ましい。光ファイバープローブの場合、先端の形状が鋭く尖った形状をしているため、試料に等方的に配置するには、プローブをほぼ直角方向に曲げる必要がある。湾曲する角度が大きいと、光導波路２３の湾曲部での光損出が増大し、光導波路２３内を伝搬する光の伝搬効率が低下する。一方、図３２に示す光導波路プローブ６００の場合、図３２に示すように側面から見た光導波路プローブ６００の開口部となる光導波路２３の先端は、直角な形状をしており、その先端部を試料に対して等方的に配置するには、光導波路の湾曲は、４５度程度でよい。つまり、光導波路プローブ６００は、光ファイバープローブに比べ、光導波路の湾曲角度が小さくなることにより、光導波路２３の湾曲部での光損出が低減し、光導波路２３内を伝搬する光の伝搬効率が向上する。また、湾曲する角度が小さくなることにより、湾曲工程（ステップＳ１１０８）において、湾曲した形状が安定し、歩留まりが向上する。また、先鋭化する工程を必要としないため、実施の形態９の光導波路プローブに比べて、作製工程数が減少し、さらに歩留まりが向上する。
（実施の形態２３）
図３３は、この発明の実施の形態２３に係る光導波路プローブアレイを示す説明図である。
基板２５上に複数の光導波路３９が形成される。すべての光導波路３９は、図３３に示すように基板２５と反対側の方向に湾曲される。また、光導波路３９は、図３３に示すように、平行に配列されても良く、また、異なった方向を向いて配列されても良い。このように、様々な組み合わせの配列が可能となる。このような光導波路プローブアレイ７００を用いることにより、プローブの掃引速度を抑えても、大面積の観察を高速に行える。また、光導波路プローブアレイ７００を光メモリ用のヘッドアレイとして使用した場合、プローブの開口部を、情報を記憶した記憶媒体上に近接させて、媒体の複数のトラック上に位置するように配置することによって、ヘッドのスピードを高速にすることなく、高速な光の記憶または再生が可能となる。

また、光導波路プローブアレイ７００を、基板２５上に複数種類の光導波路３９を形成した構成にすることにより、目的に合せて任意の光導波路３９を選択することが可能となる。このような光導波路プローブアレイ７００は、様々なアプリケーションに対応できる。

また、基板２５上に同一な形状をした複数の光導波路３９を配置した場合、１つの光導波路が破壊されても別の光導波路を選択することができ、光導波路プローブを交換することなく、継続して使用できる。

また、複数の光導波路の１つを、微小開口から光を照射して近視野光を生成させるイルミネーションモードで使用し、また別の１つの光導波路を、試料表面に生じた近視野光を微小な開口によって検出するコレクションモードとして使用することもできる。これにより、例えば、試料表面に光を照射することにより試料表面に近視野光が生成され、試料表面の近視野光と微小開口との相互作用により生じる伝搬光の取り出しが同一基板上で実現される。

以上説明したように、この発明によれば、従来のＳＮＯＭの光ファイバープローブに比べてレバー部分が短く細い形状とすることができ、バネ定数を増加させることなく共振周波数を向上させることができるため、高速、高精度で、再現性の良い形状と光学特性の同時測定が行える。また、鈎状に形成された光導波路部分の長さを大きくすることができるため、段差の大きな試料の測定が容易に行える。さらに、角柱状のカンチレバー形状のため平板のカンチレバーを有する従来のＡＦＭカンチレバーと比較して液中の振動が安定であるため、液中で高精度のＡＦＭ、ＳＮＯＭの同時測定が行える。

また、基板上に光導波路部分が積層されて一体となっているため、光ファイバープローブに比べて取り扱いが容易である。加えて、量産性、形状再現性がよい製造方法であるため、機械的特性の均一な光導波路プローブを低価格で製造することができる。

また、光導波路と熱膨脹率が異なる材料を光導波路に形成し、加熱するようにしたので、光導波路を容易に湾曲させることができる。

また、開口部の光導波路を、直角な角をもつ２つの面を含む３つの面の頂点で形成することにより、光導波路の湾曲量が小さくなり、安定して光導波路プローブの湾曲形状を得ることができる。また、光導波路での光の伝搬効率も向上する。

また、均一性、形状再現性の優れた光導波路プローブアレイを量産性よく低コストで作製できる。

このプローブアレイを用いて測定する場合、１つの光導波路が破壊されても、別の光導波路を使用することにより、プローブを交換することなく、測定が行える。

また、１つの基板上に様々な形状をしたプローブを配置することにより、測定の目的にあったプローブを選択して測定することができる。

また、プローブアレイを光メモリ用のヘッドアレイとして利用することにより、高速なデータの読み書きが可能とある。また、同一メディアにおいて、同時に読み書きができる。こういったヘッドアレイでは、トラッキングレスも可能となる。

本発明の実施の形態１にかかわる光導波路プローブの構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態２にかかわる光導波路プローブを示す構成図である。 本発明の実施の形態３にかかわる光導波路プローブを示す構成図である。 本発明の実施の形態４にかかわる光導波路プローブを示す構成図である。 本発明の実施の形態５にかかわる光導波路プローブを示す構成図である。 本発明の実施の形態６に係る光導波路プローブの製造方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態７に係る光導波路プローブの製造方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態８に係る光導波路プローブの製造方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態９に係る光導波路プローブを示す構成図である。 本発明にかかわるカンチレバー２６の先端付近の拡大図である。 図１１は、図９に示した光導波路プローブの製造工程を示すフローチャートである。 図９に示した光導波路プローブの製造工程を示す説明図である。 図９に示した光導波路プローブの製造工程を示す説明図である。 図９に示した光導波路プローブの製造工程を示す説明図である。 本発明の実施の形態１０に係る光導波路プローブを示す断面図である。 本発明の実施の形態１１に係る光導波路プローブを示す説明図である。 本発明の実施の形態１２に係る光導波路プローブを示す説明図である。 図１７の光導波路プローブの変形例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１３に係る光導波路プローブの作製方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態１４に係る光導波路プローブの作製方法を示す説明図である。 本発明にかかわる完成したカンチレバー２６の先端部を示す拡大図である。 本発明の実施の形態１５に係る光導波路プローブの作製方法を示す説明図である。 本発明にかかわる完成したカンチレバー２６の先端部を示す拡大図である。 本発明の実施の形態１６に係る光導波路プローブを示す説明図である。 図２４に示す光導波路プローブの先端部を示す拡大図である。 本発明の実施の形態１７に係る光導波路プローブの構造を示す説明図である。 本発明の実施の形態１８に係る光導波路プローブを示す概略説明図である。 本発明の実施の形態１９に係る走査型プローブ顕微鏡を示す構成図である。 本発明の実施の形態２０に係る走査型プローブ顕微鏡を示す構成図である。 本発明の実施の形態２１に係る光導波路プローブの作製方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態２１に係る光導波路プローブの先端部の拡大図である。 本発明の実施の形態２２に係る光導波路プローブを示す説明図である。 本発明の実施の形態２３に係る光導波路プローブアレイを示す説明図である。 従来例の光導波路プローブを示す構成図である。

Claims (15)

1. 基板をエッチングすることにより前記基板に平行平面と前記平行平面に対する斜面とを有する窪みを形成し、光導波路を埋め込むための型を形成する型形成工程と、前記型に前記光導波路を堆積し、前記平行部分に比べて前記斜面に堆積される前記光導波路の厚みが薄くなることにより、前記平行平面から前記斜面に向って先鋭化した前記光導波路を形成する堆積工程と、前記型に沿って前記光導波路を前記基板から分離する分離工程とを備える光導波路プローブの製造方法。
2. 前記型形成工程は、階調を有するフォトマスクを用いて露光した厚み分布を有するフォトレジストをエッチングマスクとした等方性のドライエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
3. 前記型形成工程は、階調を有するフォトマスクを用いて露光した厚み分布を有するフォトレジストをエッチングマスクとした等方性のウエットエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
4. 前記型形成工程は、階調を有するフォトマスクを用いて露光した厚み分布を有するフォトレジストをエッチングマスクとした異方性のドライエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
5. 前記型形成工程は、エッチングマスクの下部へのエッチングのまわりこみを利用する等方性のドライエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
6. 前記型形成工程は、エッチングマスクの下部へのエッチングのまわりこみを利用する等方性のウエットエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
7. 前記基板は、シリコン基板であり、
   前記型形成工程は、少なくとも２段以上の階段状に成形したエッチングマスクを用いた前記シリコン基板に対する多段階の異方性ウエットエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
8. 前記基板は、シリコン基板であり、
   前記型形成工程は、前記シリコン基板に対する異方性のウエットエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
9. 前記型は、舟形を有するものであることを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
10. 前記斜面は、湾曲した面であることを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
11. 前記光導波路は、クラッドとコアとを備え、
    前記堆積工程は、前記クラッドに対応する誘電体材料を堆積し、前記コアに対応する前記クラッドより相対的に屈折率の大きい誘電体材料を堆積し、前記コアをパターニングし、さらに前記クラッドに対応する誘電体材料を堆積する工程であることを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
12. 前記コアのパターニングは電着レジストを用いるフォトリソグラフィで行うことを特徴とする請求項１１記載の光導波路プローブの製造方法。
13. 前記分離工程は、前記クラッド及び前記コアのそれぞれに対応する前記誘電体材料を前記型に堆積した後、前記型に樹脂材料を埋め込んで平坦化し、元の前記基板の表面まで、もしくは元の前記基板の表面より深く研磨した後、前記光導波路を分離することを特徴とする請求項１１記載の光導波路プローブの製造方法。
14. 前記分離工程は、前記基板の両面うちの前記光導波路側の面とは反対側の面をドライエッチングすることを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。
15. 前記分離工程は、前記基板の両面うちの前記光導波路側の面とは反対側の面を異方性ウエットエッチングすることを特徴とする請求項１記載の光導波路プローブの製造方法。

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