JP4705281B2 - 散乱型近接場プローブ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、散乱型近接場プローブ及びその製造方法、特にプローブ形状の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光波長より小さい空間分解能を持ち、分光分析測定もできる近接場光学装置が開発され、その応用が期待されている。
この近接場光学装置には測定方法が異なるいくつかの型がある。例えば光源の光を直接試料に照射することで試料表面にエバネッセント光の場を形成し、そこに先鋭状のプローブを進入させることでエバネッセント光を散乱させ、試料からの散乱光や発光を集光して検出する散乱型がある。
或いは、光源の光をファイバを通して、プローブ先端に形成した微小開口まで導光することにより該開口からプローブの先端近傍にしみだしたエバネッセント光の場を試料に照射し、試料による散乱光や発光を集光し、検出する型や、試料による散乱光や発光をプローブ先端の微小開口からファイバを通して集光する型などがある。
ここで、前記したエバネッセント光の場は、試料表面から数十ｎｍ程度の領域に分布している。この可視−紫外光の光波長以下の極微小な距離内でプローブ先端−試料間の距離を調整することで、試料表面の凹凸に関する情報を高分解能で得ることが可能になる。
【０００３】
前記散乱型の近接場光学装置では、プローブ先端−試料間の距離調整のためにシアフォースフィードバックといわれる方式が主に用いられる。この方式では、プローブが安定して振動するプローブの共振周波数で微小振動させながらプローブと試料を近づけて行く。プローブ先端が、試料測定面に発生したエバネッセント光の場に進入すると共に、プローブ−試料間にシアフォースと呼ばれる力が働き、プローブの微小振動が制振される。この制振の割合とプローブ−試料間の距離との間には、プローブ、試料等の条件により定まる一定の相関関係がある。したがって制振の割合が一定となるようにプローブ−試料間の距離を制御することでプローブ−試料間の距離を常に一定に保ったまま試料表面を走査することで試料表面の凹凸に関する情報が得られる。
そして、プローブの微小振動の振幅を検出するためにスポットレーザーなどをプローブに照射し、プローブの振動により変調された反射光の強度を検出することでプローブの振動の振幅変化を検出している。
【０００４】
従来、散乱型のプローブとしては極細の金属棒を電解研磨処理したものが用いられてきた。
すなわち、ファイバ状の金属を一方の電極として電気分解を行うことで、金属の一部をイオンとして溶解し、その先端部を先鋭化してプローブを得るものであった。
【０００５】
ここで、プローブの形状としては、その測定試料に最も近接する先端部分の大きさが、測定スケールのオーダーと一致することが測定条件上最も好ましい。
すなわち、図１（Ａ）に示したような条件が最も好ましく、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示したような、プローブ先端部分４の大きさが、測定スケールよりあまり大きい場合や小さい場合は測定条件上好ましくない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように金属棒を電解研磨処理して散乱型のプローブを作製する場合、プローブを所望の形状に作成することが難しく、図１（Ａ）に示したような、測定条件上好ましい形状に調整することは困難であった。
さらに、そのプローブ形状としては図２に示したプローブ８ように金属棒６の先端部にテーパ（円錐）形状を有するのものしか得ることができない。また、電気分解を用いるので、使用できる金属の種類にも制限があった。
【０００７】
さらに、このような従来の製造方法では、同じ条件で作製した複数のプローブ間で、高い精度で同一のプローブ形状を得ることが難しかった。すなわち、各ロット間でプローブ形状にバラツキが生じてしまうという問題があった。
そして、このようにプローブ形状のバラツキがあまり大きくなると、プローブの共振周波数にも各ロット間で誤差が生じてしまう。プローブは消耗品なので交換する必要があるが、交換前後のプローブ間で共振周波数に誤差がある場合には、プローブを共振周波数で振動させる加振器の設定を変えなければならない手間が生じていた。
本発明は前記課題に鑑み為されたものであり、その目的は、散乱型近接場プローブにおいてプローブの形状を自由にコントロールでき、さらに各ロット間で高い形状安定性を有し、各ロット間の共振周波数のずれを改善した散乱型近接場プローブを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明にかかる散乱型近接場プローブは、被測定物表面と先鋭状のプローブを近接させることによりエバネッセント光を散乱させ、その散乱光より被測定物の情報を得る近接場光学装置における散乱型近接場プローブにおいて、
前記プローブは、ガラスファイバに金属を被覆してなることを特徴とする。
【０００９】
また、前記目的を達成するために本発明にかかる散乱型近接場プローブの製造方法は、被測定物表面と先鋭状のプローブを近接させることによりエバネッセント光を散乱させ、その散乱光より被測定物の情報を得る近接場光学装置における散乱型近接場プローブの製造方法において、
ガラスファイバの先端部を化学エッチング法によりエッチング処理して、前記プローブの形状を作製する工程と、
前記エッチング処理でプローブの形状が作製されたガラスファイバの先端部に金属を被覆処理する工程を含むことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施形態】
以下、図面に基づき、本発明の一実施形態について説明する。
図３には本発明のプローブを用いた近接場光学装置の概要が示されている。同図の近接場光学装置２では、次のようにして試料測定がなされる。すなわち、ステージ２６に置かれた被測定試料１６に対し、その被測定面と逆側からレーザー等の光源１２で光照射する。すると、試料の被測定面近傍の、可視−紫外光波長以下の微小領域にはエバネッセント光の場が発生する。
【００１１】
そしてガラスファイバ１４先端部に形成されたプローブ１０を被測定試料１６に近づけ、エバネッセント光の場に進入させると、エバネッセント光は散乱し、或いはエバネッセント光により被測定試料１６が発光する。この散乱光や発光などの被測定光を対物レンズ１８によって集光し、集光された光を、光学処理装置２０や検出器２２に導入することで試料の情報を検出する。
【００１２】
プローブは装置に備えられた加振器２８に接続されており、プローブ１０の共振周波数で振動している。試料測定面に発生したエバネッセント光の場の領域にプローブ１０の先端を進入させると、プローブ−試料間でシアフォースが働き、プローブ１０の振動が制振される。この制振の割合とプローブ−試料間の距離の関係には、プローブ、試料等の条件により定まる一定の相関関係がある。したがって制振の割合が一定となるようにプローブ−試料間の距離を制御しつつ試料表面を走査することで試料表面の凹凸に関する情報が得られる。
そして、プローブの微小振動の振幅を検出するために、プローブに照射するスポットレーザー等の光源と、プローブの振動により変調された光源光の反射光の強度を検出する検出器を含む位置制御機構２４でプローブの振動の振幅変化を検出し、検出結果に基づいてステージ２６の位置を調整することでプローブ−試料間の距離を制御している。
【００１３】
このような散乱型の近接場光学装置に用いる本発明のプローブは、ガラスファイバの先端部を化学エッチング法によりエッチング処理して、前記プローブの形状を作製する工程と、前記エッチング処理でプローブの形状が作製されたガラスファイバの先端部に金属をスパッタリング法等により被覆処理する工程から作製される。
このように、ガラスファイバを用いたことにより、プローブ形状を様々な形にすることが可能となる。例えば、図４に示すようにプローブ１０の先端に形成した１段目のテーパ形状４０ａの基底側にさらに連続するようにテーパ角の異なる２段目以降のテーパ形状４０ｂ、４０ｃ、或いはそれ以上テーパ形状を有する、多段テーパ型のプローブを形成することも可能である。この場合、１段目のテーパ形状から２段目以降のテーパ形状のテーパ角が順次小さくなるような、図４（Ａ）に示した形状のものや、或いは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ような、図４（Ｂ）に示した形状のものも作製可能である。
以下、ガラスファイバを用いた化学エッチング法によるプローブ形状作製工程について説明する。
【００１４】
最初に図５（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３０と、該コア部周囲を覆うクラッド部３２からなるガラスファイバ１４の先端部３４に、コア部が突出した先鋭部３６を形成する。まず、図５（Ａ）に示すようにガラスファイバの円形断面状端部３４を、ＮＨ_４Ｆ：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝Ｘ：１：１のフッ酸緩衝溶液３８（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、円形断面状先端部３４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４０ａからなる、コア部が突出した先鋭部３６が形成される。
【００１５】
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５図（Ｃ）に示すように、コア部が突出した先鋭部３６に、１段目のテーパ形状４０ａの基底側にさらに連続するように２段目のテーパ形状４０ｂ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４０ｂのテーパ角が１段目のテーパ形状４０ａのテーパ角より小さくなるように制御できる。
【００１６】
次に、図６に示すように、上記のように作成した２段テーパ型の先鋭部３６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３４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エッチング液に上記のように作成した２段テーパ型の先鋭部３６を有するファイバ先端部３４を浸漬して、先鋭部の側面側を一部除去する。
【００１７】
ここで、先鋭部３６側面を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、図６（Ａ）に示すように２段目のテーパ形状４０ｂのテーパ角が１段目のテーパ形状４０ａのテーパ角より小さい状態でファイバ先端部３４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４０ａを形成したファイバ先端部３４を、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３６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。
【００１８】
また、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、図６（Ｂ）に示すように１段目のテーパ形状４０ａのテーパ角が２段目のテーパ形状４０ｂのテーパ角より小さい状態でファイバ先端部３４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４０ａを形成したファイバ先端部３４を、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３６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。
【００１９】
次に、図７に示すように、上述の方法で作成した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。
【００２０】
これにより、図６（Ａ）に示したような、２段目のテーパ形状４０ｂのテーパ角が１段目のテーパ形状４０ａのテーパ角より小さい形状に作成した場合では、図７（Ａ）に示すように２段目のテーパ形状４０ｂ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４０ｃ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、ファイバ先端部３４を、第２エッチング液中に１５分間浸漬することで３段テーパ型プローブが製造される。
【００２１】
また、図６（Ｂ）に示した、２段目のテーパ形状４０ｂのテーパ角が１段目のテーパ形状４０ａのテーパ角より大きい形状に作成した場合では、図７（Ｂ）に示すように２段目のテーパ形状４０ｂのテーパ角よりテーパ角が小さい３段目のテーパ形状４０ｃ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３４を、第２エッチング液中に１５分間浸漬することで３段テーパ型先鋭部３６が製造される。
【００２２】
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。
【００２３】
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で、公知の蒸着法、スパッタリング法等により被覆することにより、散乱型近接場プローブが製造される。
【００２４】
このようにして製造された、ガラスファイバに金属を被覆してなる散乱型近接場プローブでは、従来の金属棒を電解研磨処理して得たプローブとは異なり、様々なプローブ形状が作製可能であり、図１（Ａ）に示したような、個々の測定に好適な形状にコントロール可能である。また、様々な種類の金属を選択することも可能である。
さらに、プローブ形状を所望の形状に高精度で作製できるので、共振周波数のロット安定性が改善される。
【００２５】
【効果】
以上説明したように、本発明によれば、プローブの形状を自由にコントロールでき、さらに各ロット間で高い形状安定性を有し、各ロット間の共振周波数のずれを改善した散乱型近接場プローブ及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】プローブ先端と測定スケールの関係の概略説明図である。
【図２】従来の散乱型近接場プローブの概略説明図である。
【図３】本発明のプローブを用いた近接場光学装置の概略説明図である。
【図４】本発明の散乱型近接場プローブの概略説明図である。
【図５】本発明の散乱型近接場プローブの製造方法の概略説明図である。
【図６】本発明の散乱型近接場プローブの製造方法の概略説明図である。
【図７】本発明の散乱型近接場プローブの製造方法の概略説明図である。
【符号の説明】
４…プローブ先端；６…金属棒；８…プローブ；１０…プローブ；１２…光源；１４…ガラスファイバ；１６…被測定試料；１８…対物レンズ；２０…光学処理装置；２２…検出器；２４…位置制御機構；２６…ステージ；２８…加振器；３０…コア部；３２…クラッド部；３４…ファイバ先端部；３６…先鋭部；３８…エッチング液；４０ａ、４０ｂ、４０ｃ…テーパ形状

Claims (1)

1. 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、
   該先鋭部を金属により被覆する被覆工程と、
   を含む散乱型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散乱型近接場光プローブの製造方法。

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