JP4675000B2

JP4675000B2 - 近接場光プローブ及びその製造方法

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Publication number: JP4675000B2
Application number: JP2001193356A
Authority: JP
Inventors: 勉井上; 貴人成田
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: JP2003004623A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は近接場光プローブの製造方法、特にコアの光透過効率の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な顕微鏡は、試料に対して非接触、非破壊で微細極小部位の観察が行え、さらに分光分析器等を接続することにより観察対象の形状、構造のみでなく、その成分等まで分析することも可能であり、各種の分野で応用が行なわれている。
しかしながら、一般的な光学顕微鏡は、光の波長より小さなものは観察することができず、その分解能には限界がある。光には回折限界があり、使用する波長程度までしか絞れないからである。
【０００３】
この回折限界を越えた極微小領域での観察を可能にしたのが、例えば数十〜百ｎｍ程度の微小開口をもつプローブを用いた近接場顕微鏡である。
このプローブは、例えば光ファイバの端面略中央部に先鋭状コア部を突出させ、その先鋭状コア部表面を金属等で被覆した遮光性マスクを形成して最先端部を微小開口を設けることにより製造することが常套手段となっている。
【０００４】
この近接場顕微鏡では、イルミネーション−コレクションモード、イルミネーションモード、コレクションモードなどの測定方法が一般的に用いられている。
前記イルミネーション−コレクションモードでは、例えば数十〜百ｎｍ程度の微小開口をもつプローブに光を導入すると、先端付近に開口と同程度の大きさをもつ近接場光が発生する。この近接場光の近傍に試料測定面を近づけ、その散乱光或いは発光を開口を通して集光している。
【０００５】
また、前記イルミネーションモードでは、プローブにより開口を通して近接場光を試料測定面に照射し、試料表面で散乱ないし発光した被測定光を側方から集光レンズなどで集光している。
また、前記コレクションモードでは、側方から励起光を試料測定面に照射し、試料測定面に発生した近接場光をプローブにより散乱させ、開口を通して集光している。
このようなプローブを用いた近接場顕微鏡により、近接場光と試料測定面との相互作用の結果を数十〜百ｎｍ程度の空間分解能で観測することができる。
【０００６】
そして、ある近接場測定を行う場合、その用途に適した顕微鏡モードを選択し、目標とする分解能を設定し、目標分解能に対して十分な検出光強度が得られるようにプローブを最適化する必要がある。
【０００７】
ここで、先鋭状のコア突出部と、遮光性金属膜等のマスクで形成された開口を持つファイバプローブは、通常、光ファイバのコア先端を選択化学エッチング法や、熱して引き延ばす方法等により先鋭化し、該先鋭化ファイバに、金属膜等のマスクを蒸着した後、先端部の遮光性金属膜を選択的に除去する等して、先端開口を作成している。
そして、前記プローブの従来の形状としては、第１図（Ａ）のようにクラッド部１４からコア部１２がテーパ形状に突き出た先鋭部１６からなるテーパ型のもの、或いは第１図（Ｂ）のように先鋭部１６に形成した１段目のテーパ形状１８ａの基底側にさらに連続するように、１段目のテーパ角より小さいテーパ角を有する２段目のテーパ形状１８ｂを形成した２段テーパ型のものや、或いは第１図（Ｃ）のように先鋭部１６に形成した１段目のテーパ形状１８ａの基底側にさらに連続するように、１段目のテーパ角より大きいテーパ角を有する２段目のテーパ形状１８ｂを形成した２段テーパ型がある。
【０００８】
このようなプローブの形状は、ファイバへの入射光の透過効率（出力光強度／入射光強度）と空間分解能に大きく影響する。
すなわち、プローブのマスクに金属を用いた場合、コア−被覆金属界面では金属による光吸収が生じ光強度が減衰し始め、特にコア断面直径が光波長程度になる部分からプローブ先端までは伝播光が遮断され光強度の減衰率が顕著に高くなる。それゆえ光透過効率を増加させるには、プローブ先端の先鋭角を大きくしてコア断面直径が光波長程度になる部分からプローブ先端までの長さを短くするのが好ましい。さらに、プローブの形状は、伝播光がコア界面を反射しながら先端へ到達する集光性を考慮すると、その側面が第２図に示すように２次曲線型に近似するほど好ましい。第１図（Ｂ）に示した従来の２段テーパ型プローブはこのような問題を考慮して、１段のテーパ型に比して２次曲線型に近似させることで伝播光の集光性を改善し、透過効率を向上させたものである。
【０００９】
このような従来のテーパ型或いは２段テーパ型プローブは一般的に知られている選択化学エッチング法で例えば次の方法により製造される。
すなわち、最初に第３図（Ｂ）に示すようにＳｉＯ_２／ＧｅＯ_２の組成からなる単一層のコア部１２と、該コア部周囲を覆うクラッド部１４からなるガラスファイバの端部１０に、コア部が突出した先鋭部１６を形成する。このために第３図（Ａ）に示すようにガラスファイバの円形断面状端部１０を、ＮＨ_４Ｆ：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝Ｘ：１：１のフッ酸緩衝溶液２０（第１エッチング液）に浸漬する。そして同図（Ｂ）に示すようにクラッド端部を除去しつつコア部を選択的に先鋭化する。
【００１０】
次に、前記フッ酸緩衝溶液のＮＨ_４Ｆ組成比Ｘを変えてクラッド部に対するコア部の溶解速度が第１エッチング液に浸漬した場合より遅い第２エッチング液を用意する。この第２エッチング液にファイバ端部を浸漬すると、コア部及びクラッド部が一部溶解することにより第３図（Ｃ）に示すように、コア部が突出した先鋭部１６に、１段目のテーパ形状１８ａの基底側にさらに連続するように２段目のテーパ形状１８ｂが形成される。
【００１１】
このようにして２段テーパ型の先鋭部が形成される。また、このときのエッチング時間を十分に長くすることで１段のテーパ型とすることもできる。そしてこのようにして形成した先鋭部を被覆し、先鋭部頂点付近を露出させて微小開口を設けることにより従来のテーパ型或いは２段テーパ型プローブが製造される。
【００１２】
一方で、光透過効率を向上するために先鋭角を大きくすると先端付近の金属膜の薄い部分から光が漏洩する影響で分解能が低下してしまう。そこで高分解能を得るためには先鋭角が小さいプローブを用いる必要があるが、１段のテーパ型プローブの形状では次の問題がある。すなわち、伝播光強度が大きく減衰する領域である、コア断面直径が光波長程度になる部分からプローブ先端までの間の距離が、先鋭角が小さい場合非常に長くなってしまうのである。したがって、１段のテーパ型プローブでは光透過効率と遮光性が極めて両立し難く、高分解能測定条件下（小さい先鋭角のプローブによる測定条件下）では極めて低い光透過効率で測定しなければならない。
【００１３】
そこで、第１図（Ｃ）のように、１段目のテーパ形状１８ａの基底側にさらに連続するように、１段目のテーパ角より大きいテーパ角を有する２段目のテーパ形状１８ｂを形成することで、伝播光強度が大きく減衰する領域である、コア断面直径が光波長程度になる部分からプローブ先端までの距離を、１段のテーパ型プローブに比して短くすることができ、光透過効率をある程度保持しつつ高分解能が確保できる。
このように、２段テーパ型とすることで光透過効率等を向上することができるが、３段以上の多段テーパ型が実現できればさらなる向上が図れる。
【００１４】
そこで、特開平１０−１５３６０４に記載の技術では多層コア及び多層クラッドからなるファイバを用いて多段テーパ型プローブを形成している。すなわち、単一の溶解液に対する溶解速度が異なる２層のコア及び２層のクラッドからなるファイバの先端を該溶解液に浸漬することで、１段目のテーパ形状の基底側にさらに連続するように、２段目、３段目のテーパ形状を有する３段テーパ型プローブを形成している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにコア或いはクラッドを多層とするファイバは一般的でなく特別に製造する必要があり、また実際に製造する場合汎用されている単層コアのファイバに比してコスト的に高価である。また、コア及びクラッドに不純物をドープする必要があるので、ファイバ自身が蛍光等を発し、光測定に大きな障害となる。しかし、単層コアでは従来２段テーパ型までしか製造することができなかったので、透過効率及び分解能の点でさらに改善の余地があった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的はコアの光透過効率を向上する近接場光プローブ及びその製造方法を提供することにある。
【００１６】
前記目的を達成するために本発明にかかる近接場光プローブは、
単一層からなるコア部と、該コア部周囲を覆うクラッド部からなるファイバの端部にコア部が突出した先鋭部と、
該先鋭部を被覆した被覆部と、
該先鋭部頂点付近において前記被覆部からコア部が露出した、近接場光を発生させる微小開口部からなる近接場光プローブにおいて、
前記先鋭部が、該先鋭部先端に形成した１段目のテーパ形状の基底側にさらに連続するようにテーパ角の異なる２段目及び３段目以降のテーパ形状を有する、３段以上の多段テーパ型の先鋭部であることを特徴とする。
【００１７】
また、前記プローブにおいて、１段目のテーパ形状から２段目、３段目以降のテーパ形状のテーパ角を順次小さくすることでコアの光透過効率を向上することができる。
【００１８】
また、前記プローブにおいて、１段目のテーパ形状のテーパ角が２段目のテーパ形状のテーパ角より小さくすることで高分解能測定条件下でコアの光透過効率を向上することができる。
【００１９】
また、前記目的を達成するために本発明にかかる近接場光プローブの製造方法は、
単一層からなるコア部と、該コア部周囲を覆うクラッド部からなるファイバの端部をエッチング液に浸漬し、該コア部を突出させて先鋭部を形成する先鋭部形成工程と、
該先鋭部を被覆する被覆工程と、
該先鋭部頂点付近の被覆を除去し、コア部を露出させて近接場光を発生させる微小開口部を設ける開口部形成工程からなる近接場光プローブの製造方法において、
前記先鋭部形成工程が、前記ファイバの端部を前記コア部のクラッド部に対する溶解速度比が異なる複数のエッチング液に順次浸漬することにより、前記先鋭部に形成した１段目のテーパ形状の基底側にさらに連続するようにテーパ角の異なる２段目及び３段目以降のテーパ形状を順次形成して３段以上の多段テーパ型の先鋭部を形成する工程であることを特徴とする。
【００２０】
また、前記先鋭部形成工程を、
前記ファイバの端部を第１エッチング液に浸漬して１段目のテーパ形状を形成する第１工程と、
前記ファイバの端部を前記クラッド部に対するコア部の溶解速度が第１エッチング液に浸漬した場合より遅い第２エッチング液に浸漬して１段目のテーパ形状の基低側にさらに連続するように２段目のテーパ形状を形成する第２工程と、
前記ファイバの端部をエッチング液に浸漬する間実質的にコア部のみがエッチングされる第３エッチング液に浸漬して１段目及び２段目のテーパ形状からなる先鋭部の側面側を、１段目のテーパ形状のテーパ角が２段目のテーパ形状のテーパ角より大きくなるように一部除去する第３工程と、
前記ファイバの端部を第２エッチング液に浸漬して２段目のテーパ形状の基底側にさらに連続するように３段目のテーパ形状を形成する第４工程からなる工程とすることで、１段目のテーパ形状からテーパ角が順次小さくなるように２段目、３段目のテーパ形状を形成してコアの光透過効率を向上することができる。
【００２１】
また、前記先鋭部形成工程を、
前記プローブの先端を第１エッチング液に浸漬して１段目のテーパ形状を形成する第１工程と、
前記ファイバの端部を前記クラッド部に対するコア部の溶解速度が第１エッチング液より遅い第２エッチング液に浸漬して１段目のテーパ形状の基底側にさらに連続するように２段目のテーパ形状を形成する第２工程と、
前記ファイバの端部をエッチング液に浸漬する間実質的にコア部のみがエッチングされる第３エッチング液に浸漬して１段目及び２段目のテーパ形状からなる先鋭部の側面側を、１段目のテーパ形状のテーパ角が２段目のテーパ形状のテーパ角より小さくなるように一部除去する第３工程と、
前記ファイバの端部を第２エッチング液に浸漬して２段目のテーパ形状の基底側にさらに連続するように３段目のテーパ形状を形成する第４工程からなる工程とすることで、高分解能測定条件下でコアの光透過効率を向上することができる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、工程順に本発明の好適な実施形態について説明する。
第１工程
最初に第４図（Ｂ）に示すようにＳｉＯ_２／ＧｅＯ_２の組成からなる単一層のコア部１１２と、該コア部周囲を覆うクラッド部１１４からなるガラスファイバの端部１１０に、コア部が突出した先鋭部１１６を形成する。まず、第４図（Ａ）に示すようにガラスファイバの円形断面状端部１１０を、ＮＨ_４Ｆ：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝Ｘ：１：１のフッ酸緩衝溶液１２０（第１エッチング液）に浸漬し、同図（Ｂ）に示すようにクラッド端部を除去しつつコア部を選択的に先鋭化する。例えば、円形断面状端部１１０の直径が１２５μｍのガラスファイバ端部をＮＨ_４Ｆ：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝１．８：１：１の第１エッチング液に９０分間浸漬すると、ファイバ先端の一部が溶解して直径が３０μｍ程度まで縮小し、その中心部にはテーパ形状１１８ａからなる、コア部が突出した先鋭部１１６が形成される。
【００２３】
第２工程
次に、前記フッ酸緩衝溶液のＮＨ_４Ｆ組成比Ｘを変えてクラッド部に対するコア部の溶解速度が第１エッチング液に浸漬した場合より遅い第２エッチング液を用意する。この第２エッチング液にファイバ端部を浸漬すると、コア部及びクラッド部が一部溶解することにより第４図（Ｃ）に示すように、コア部が突出した先鋭部１１６に、１段目のテーパ形状１１８ａの基底側にさらに連続するように２段目のテーパ形状１１８ｂが形成される。第２エッチング液の組成をこのような条件とすることで２段目のテーパ形状１１８ｂのテーパ角が１段目のテーパ形状１１８ａのテーパ角より小さくなるように制御できる。
【００２４】
第３工程
次に、第５図に示すように、第２工程で作成した２段テーパ型の先鋭部１１６の側面側を一部除去する。フッ酸緩衝溶液の組成を、前記のようにＮＨ_４Ｆ：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝Ｘ：１：１ではなく他の適当な組成とすることでファイバ端部１１０を浸漬する間実質的にコア部のみがエッチングされる条件の溶液（第３エッチング液）を用意する。この第３エッチング液に第２工程で作成した２段テーパ型の先鋭部１１６を有するファイバ端部１１０を浸漬して、先鋭部の側面側を一部除去する。
【００２５】
ここで、コアの光透過効率を向上させるために先鋭部１１６側面を２次曲線状に近似させるべく１段目のテーパ形状からテーパ角が順次小さくなるように２段目、３段目のテーパ形状を形成する場合（透過率タイプ）には、第３エッチング液の組成や浸漬時間等を調整することで、第５図（Ａ）に示すように２段目のテーパ形状１１８ｂのテーパ角が１段目のテーパ形状１１８ａのテーパ角より小さい状態でファイバ端部を第３エッチング液から取り出し先鋭部側面側の除去を停止する。
例えば、前記に例示した条件で１段目のテーパ形状１１８ａを形成したファイバ端部１１０を、第２工程でＮＨ_４Ｆ：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝１０：１：１の第２エッチング液に５分間浸漬することで５００ｎｍ程度突出した２段テーパ型の先鋭部１１６を形成させた後、ＮＨ_４Ｆ：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝１．８：１：５の第３エッチング液に２０秒間浸漬すると、２段目のテーパ形状のテーパ角が１段目のテーパ形状のテーパ角より小さい状態で先鋭部側面側の一部を除去することができる。また、この先鋭部側面側を除去する過程は、電子顕微鏡等で監視しながら制御することも可能である。
【００２６】
また、高分解能時に光透過効率を保持するために先鋭部において１段目のテーパ形状のテーパ角が２段目より小さくなるようにする場合（分解能タイプ）には、第３エッチング液の組成や浸漬時間等を調整することで、第５図（Ｂ）に示すように１段目のテーパ形状１１８ａのテーパ角が２段目のテーパ形状１１８ｂのテーパ角より小さい状態でファイバ端部１１０を第３エッチング液から取り出し先鋭部側面側の除去を停止する。
例えば、前記に例示した条件で１段目のテーパ形状１１８ａを形成したファイバ端部１１０を、第２工程でＮＨ_４Ｆ：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝１０：１：１の第２エッチング液に１０分間浸漬することで１０００ｎｍ程度突出した２段テーパ型の先鋭部１１６を形成させた後、ＮＨ_４Ｆ：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝１．８：１：５の第３エッチング液に１分間浸漬すると、１段目のテーパ形状のテーパ角が２段目のテーパ形状のテーパ角より小さい状態で先鋭部側面側の一部を除去することができる。。
【００２７】
第４工程
次に、第６図に示すように第３工程で作成した２段テーパ型の先鋭部を有するファイバ端部を第２エッチング液に浸漬して２段目のテーパ形状の基底側にさらに連続するように３段目のテーパ形状を形成する。
【００２８】
これにより、第３工程において図５（Ａ）に示したような、コアの光透過効率を向上させるために先鋭部側面を２次曲線状に近似させるように２段目のテーパ形状１１８ｂのテーパ角が１段目のテーパ形状１１８ａのテーパ角より小さい形状に作成した透過率タイプでは、図６（Ａ）に示すように２段目のテーパ形状１１８ｂのテーパ角よりさらにテーパ角が小さい３段目のテーパ形状１１８ｃが形成される。
例えば、前記に例示した条件で２段テーパ型の先鋭部を作成した場合では、ファイバ端部１１０を、第２エッチング液中に１５分間浸漬することで透過率タイプの３段テーパ型プローブが製造される。
【００２９】
また、第３工程において図５（Ｂ）に示した、高分解能測定時に光透過効率を保持するように２段目のテーパ形状１１８ｂのテーパ角が１段目のテーパ形状１１８ａのテーパ角より大きい形状に作成した分解能タイプでは、図６（Ｂ）に示すように２段目のテーパ形状１１８ｂのテーパ角よりテーパ角が小さい３段目のテーパ形状１１８ｃが作成される。
例えば、前記に例示した条件で２段テーパ型の先鋭部を作成した場合では、ファイバ端部１１０を、第２エッチング液中に１５分間浸漬することで分解能タイプの３段テーパ型先鋭部１１６が製造される。
【００３０】
このようにして形成された３段テーパ型先鋭部表面を金属等で、真空蒸着等公知の手段により被覆した後、例えば先鋭部の頂点を平面に押し付けて頂点付近の被覆を除去しコアを露出させる等の手段で光波長より小さい微小開口を作成することにより、３段テーパ型プローブが製造される。
【００３１】
本発明の製造方法により製造された３段テーパ型プローブのＳＥＭ写真を第７図に示す。第７図（Ａ）では透過率タイプ、第７図（Ｂ）では分解能タイプの３段テーパ型プローブが形成されていることがわかる。
【００３２】
また、上記の製造過程に加えて、さらに適当な組成のエッチング液を用いてファイバ端部を順次エッチングすることにより３段以上の多段型プローブを得ることも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる近接場光プローブ及びその製造方法によれば、単一層のコアを有するファイバを用いて３段以上のテーパ型プローブを製造できるので、汎用されているファイバを用いて光透過効率が向上したプローブを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の近接場プローブの概略説明図である。
【図２】プローブ側面が２次曲線と仮定した場合の近接場プローブの概略説明図である。
【図３】従来の近接場プローブの製造過程の概略説明図である。
【図４】本発明の製造方法の第１、２工程の概略説明図である。
【図５】本発明の製造方法の第３工程の概略説明図である。
【図６】本発明の製造方法の第４工程の概略説明図である。
【図７】本発明の製造方法により製造された近接場プローブのＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１０、１１０…ファイバ端部
１２、１１２…コア部
１４、１１４…クラッド部
１６、１１６…先鋭部
１８ａ、１１８ａ…１段目テーパ形状
１８ｂ、１１８ｂ…２段目テーパ形状
１１８ｃ…３段目テーパ形状
２０…エッチング液

Claims

単一層からなるコア部と、該コア部周囲を覆うクラッド部からなるファイバの端部をエッチング液中に浸漬し、該コア部を突出させて先鋭部を形成する先鋭部形成工程と、
該先鋭部を被覆する被覆工程と、
該先鋭部頂点付近の被覆を除去し、コア部を露出させて近接場光を発生させる微小開口部を設ける開口部形成工程からなる近接場光プローブの製造方法において、
前記先鋭部形成工程が、
前記ファイバの端部を第１エッチング液に浸漬して１段目のテーパ形状を形成する第１工程と、
前記ファイバの端部を前記クラッド部に対するコア部の溶解速度が第１エッチング液に浸漬した場合より遅い第２エッチング液に浸漬して１段目のテーパ形状の基底側にさらに連続するように２段目のテーパ形状を形成する第２工程と、
前記ファイバの端部をエッチング液に浸漬する間実質的にコア部のみがエッチングされる第３エッチング液に浸漬して１段目及び２段目のテーパ形状からなる先鋭部の側面側を一部除去する第３工程と、
前記ファイバの端部を第２エッチング液に浸漬して２段目のテーパ形状の基底側にさらに連続するように３段目のテーパ形状を形成する第４工程を含み、
３段以上の多段テーパ型の先鋭部を形成する工程であることを特徴とする近接場光プローブの製造方法。
請求項１記載の方法において、前記先鋭部形成工程の第３工程が、
前記ファイバの端部をエッチング液に浸漬する間実質的にコア部のみがエッチングされる第３エッチング液に浸漬して１段目及び２段目のテーパ形状からなる先鋭部の側面側を、１段目のテーパ形状のテーパ角が２段目のテーパ形状のテーパ角より大きくなるように一部除去するものであり、
１段目のテーパ形状からテーパ角が順次小さくなるように２段目、３段目のテーパ形状を形成してコアの光透過効率を向上することを特徴とする近接場光プローブの製造方法。
請求項１記載の方法において、前記先鋭部形成工程の第３工程が、
前記ファイバの端部をエッチング液に浸漬する間実質的にコア部のみがエッチングされる第３エッチング液に浸漬して１段目及び２段目のテーパ形状からなる先鋭部の側面側を、１段目のテーパ形状のテーパ角が２段目のテーパ形状のテーパ角より小さくなるように一部除去するものであり、
高分解能測定条件下でコアの光透過効率を向上することを特徴とする近接場光プローブの製造方法。