JP5017190B2

JP5017190B2 - 近接場光プローブの作製方法

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Publication number: JP5017190B2
Application number: JP2008155435A
Authority: JP
Inventors: 真澄山口; 達志赤崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: JP2009300269A

Description

本発明は、近接場光励起によってスピンの磁気を検出する近接場光プローブ及びその作製方法に関する。

近年盛んに研究されているスピントロニクスデバイスにおいてスピンの注入、操作、検出は重要な要素である。これらの研究においては、スピンの注入には円偏光した光によって電子スピンを励起する方法が多く用いられている。一方で、物質中の電子及び核のスピンは、量子通信や量子ビットへの応用も期待されており、ここでもスピンの注入、操作、検出が最も重要である。スピンの注入、操作と検出を単一プローブによって行うことができれば、上記の分野において非常に重要な道具を提供することになる。

高感度にスピンの磁気を検出する方法として超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）が知られており、近年では微細加工技術の進歩によって電子スピン数十個の検出が可能となっている。また、ジョセフソン接合を用いて、そのジョセフソン接合を貫く磁束を検出する素子も、微小領域においてはＳＱＵＩＤに匹敵する検出感度を持つことが知られている（非特許文献１参照）。

また、スピンの励起には通常光の偏光が用いられる。局所領域のスピンを励起する場合にはレンズを用いて集光する方法もあるが、光の回折限界を超える場合には試料表面に微小開口を開けたり、あるいはスキャニングプローブ顕微鏡のカンチレバーの先端に開口をもうけたり、あるいは、近接場光ファイバプローブが用いられる。これらの方法では、スピンを光によって励起するとともに、旋光を用いてスピンを検出することが可能である。
B.L.T. Plourde and D.J. Van Harlingen, "Design of a scanning Josephson junction microscope for submicron-resolution magnetic imaging", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 1999, Vol. 70, no. 11, p.4344-4347 T. Saiki, S. Monobe, M. Ohtsu, N. Saito and J. Kusano, "Tailoring a high-transmission fiber probe for photon scanning tunneling microscope", Appl. Phys. Lett., 1996, Vol. 68, No. 19, p.2612-2614 Kenji Yamazaki and Hideo Namatsu, "Three-Dimensional Resist-Coating Technique and Nanopatterning on a Cube Using Electron-Beam Lithography and Etching", Japanese Journal of Applied Physics, 2006, Vol. 45, No. 14, p.L403-L405 M.B. Ketchen, D.D. Awschalom, W.J. Gallagher, A.W. Kleinsasser, R.L. Sandstrom, J.R. Rozen, and B. Bumble, "DESIGN, FABRICATION, AND PERFORMANCE OF INTEGRATED MINIATURE SQUID SUSCEPTOMETERS", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, 1989, Vol. 25, No. 2, p.1212-1215

しかしながら、旋光を用いてスピンを検出するためには励起光の入射手段の他に旋光を感度よく検出するための別の光学系を必要とすることなどから、特に空間的な制約がある場合などには導入が難しい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、近接場光励起による少数スピンを励起するとともに、さらにそれが作る微小な磁気を検出する装置を提供することにある。

本発明に係る近接場光プローブの作製方法は、光ファイバのコア部をエッチングして突起部を形成する工程と、突起部を被覆する工程と、被覆した突起部の先端を加工して開口部を形成する工程と、突起部に超伝導素子を形成する工程と、を有し、被覆する工程は、金属薄膜を形成する工程と、金属薄膜に絶縁層を形成する工程と、を有することを特徴とする。

上記近接場光プローブの作製方法において、超伝導素子を形成する工程は、突起部に超伝導物質を成膜する工程と、成膜した超伝導物質をＳＱＵＩＤ形状に加工する工程と、を有することを特徴とする。

上記近接場光プローブの作製方法において、超伝導素子を形成する工程は、突起部に第１の超伝導層を形成する工程と、第１の超伝導層を所定の形状にエッチングする工程と、突起部に絶縁体層を形成する工程と、絶縁体層の上に第２の超伝導層を形成する工程と、絶縁体層及び第２の超伝導層を所定の形状にエッチングする工程と、を有することを特徴とする。

上記近接場光プローブの作製方法において、開口部近傍において被覆の一部を削除する工程をさらに有し、超伝導素子を形成する工程は、その削除した箇所に超伝導素子を形成することを特徴とする。

本発明によれば、近接場光励起による少数スピンを励起するとともに、さらにそれが作る微小な磁気を検出する装置を提供することができる。

本発明にかかる近接場光プローブは、近接場光学顕微鏡（ＮＳＯＭ：Near-field Scanning Optical Microscopy）の近接場光プローブの開口部近傍に磁気検出素子を形成したものである。磁気検出素子のサイズを微小化することで、光励起によって励起されたスピンを検出する感度を向上させるものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における近接場光プローブの構成を示す斜視図であり、図２は、突起部の先端を拡大して示す斜視図である。図１，２に示す近接場光プローブ１は、クラッド径１２５μｍ、コア径約２．５μｍのシングルモードファイバを用いて作製したものである。近接場光プローブ１の先端には、光ファイバのコア部を先鋭化した２段テーパー型の突起部２を備える。光ファイバの先端はＡｌ（アルミニウム）により被覆され、突起部２の先端には、コア部が露出した開口部３を備える。開口部３近傍にＮｂ（ニオブ）によるＳＱＵＩＤ４が形成され、ＳＱＵＩＤ４に制御線６が接続される。

突起部２は、根元の直径が約１μｍ、高さが約２μｍである。開口部３の直径は約１００ｎｍ、ＳＱＵＩＤ４の内径は約２００ｎｍである。ＳＱＵＩＤ４は、２箇所に、微小接合によるジョセフソン接合５を備える。

次に、本実施の形態における近接場光プローブ１の製作方法について説明する。図３乃至８は、近接場光プローブ１の作製方法を説明するための図である。

まず、図３に示すように、例えば非特許文献２の方法を用いてエッチングにより、光ファイバの先端のコア部１１に２段テーパー型の突起部を形成する。

続いて、図４に示すように、光ファイバの先端に蒸着あるいはスパッタリングによってＡｌによる被覆１３を形成する。このとき、突起部、コア部１１およびクラッド部１２も覆うように、光ファイバをＡｌのソースから４５度程度傾けた状態で回転させるとよい。このときの膜圧は４００〜５００ｎｍ程度が適当である。

続いて、図５に示すように、突起部の先端を集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）により加工する。ＦＩＢはガリウムイオンを約１０ｎｍに集束させたものを用いる。光ファイバをイオンビームに対して垂直に挿入し、先端の開口が１００ｎｍ程度になるように突起部先端を加工する。これにより、突起部先端には、直径約１μｍの平坦部と、平坦部の中央に１００ｎｍの開口部３が形成される。

あるいは、図６に示すように、Ａｌを被覆した突起部の先端を基板の表面に押し付けることによって開口部３を形成する。光ファイバのコア部１１は、Ａｌよりも硬いため、光ファイバをチューニングフォークに取り付けて、シアフォースによってフィードバックし、突起部の先端をわずかに基板に接触させることにより直径３０ｎｍ程度の微小な開口部３の形成が可能である。さらに、このようにして作られた突起部の先端は、基板に押し付けられたことによって平坦な面が形成される。ここで基板としては例えばＳｉなどを用いる。

続いて、オゾンプラズマ等を用いて被覆１３を酸化させることにより被覆１３の表面を絶縁化する。

続いて、図７に示すように、突起部を含む光ファイバの端面および側面にＮｂをスパッタリングあるいは蒸着し、超伝導層１４を形成する。このときの膜圧は３０ｎｍ〜１００ｎｍ程度が望ましい。

続いて、図８の平面図に示すように、ＦＩＢ加工により、突起部先端の超伝導層１４をＳＱＵＩＤ形状に加工し、光ファイバの端面、側面に制御線６を形成する。

あるいは、超伝導層１４を形成した後、ＰＭＭＡなどのレジストを塗布し、電子線露光装置によってＳＱＵＩＤ４および制御線６の形状に露光し、ケミカルエッチングによりＳＱＵＩＤ４および制御線６以外を除去することで、ＳＱＵＩＤ４、制御線６を形成する方法もある。レジスト塗布は非特許文献３に記載の３次元リソグラフィの手法を用いる。

あるいは、超伝導層１４を形成する前に、レジストを塗布し、電子線露光装置によってＳＱＵＩＤ４および制御線６の形状を描画して現像し、リフトオフによりＳＱＵＩＤ４、制御線６を形成する方法もある。

以上の工程により第１の実施の形態にかかる近接場光プローブ１を作製することができる。

本実施の形態においては、被覆１３としてＡｌを用いたが、Ａｌに代えて金や銀などを用いることも可能である。この場合は、ＳＱＵＩＤ４に用いるＮｂとの絶縁を取るために、金や銀の被覆１３の上に絶縁層を蒸着する。

［第２の実施の形態］
図９は、第２の実施の形態における近接場光プローブの構成を示す斜視図であり、図１０は、突起部の先端を拡大して示す斜視図である。図９，１０に示す近接場光プローブ１は、クラッド径１２５μｍ、コア径約２．５μｍのシングルモードファイバを用いて作製したものである。近接場光プローブ１の先端には、光ファイバのコア部を先鋭化した２段テーパー型の突起部２を備える。光ファイバの先端はＡｌにより被覆され、突起部２の先端には、コア部が露出した開口部３を備える。開口部３近傍にＮｂとＡｌ_２Ｏ_３によるジョセフソン接合素子７が形成され、制御線６が接続される。

突起部２は、根元の直径が約１μｍ、高さが約２μｍである。開口部３の直径は約３０ｎｍ、ジョセフソン接合素子７の大きさは、３００ｎｍ角で厚さは約２００ｎｍである。

図１１は、突起部２の構成を示す断面図である。同図に示すように、開口部３近傍まで被覆１３をカットして形成した平坦面上に第１の超伝導層１４、絶縁体１５、第２の超伝導層１６を積層したジョセフソン接合素子７が形成されている。

次に、本実施の形態における近接場光プローブ１の製作方法について説明する。図１２乃至１５は、近接場光プローブ１の作製方法を説明するための図である。

まず、第１の実施の形態と同様に、光ファイバの先端のコア部１１に突起部を形成し、Ａｌによる被覆１３を形成する。

続いて、図１２に示すように、突起部をＦＩＢにより加工する。ＦＩＢはガリウムイオンを約１０ｎｍに集束させたものを用いる。同図の符号Ｃ１で示すように、光ファイバをイオンビームに対して垂直に挿入し、先端の開口が１００ｎｍ程度になるように突起部先端を加工する。これにより、突起部先端には、直径約１μｍの平坦部と、平坦部の中央に１００ｎｍの開口部３が形成される。さらに、同図の符号Ｃ２，Ｃ３で示すように、開口部３近傍から突起部の側面に沿ってコア部１１がむき出しにならない程度に被覆１３を削り落として突起部の側面に平坦面を形成する。図１３に、被覆１３を削り落とした光ケーブルの端面の様子を示す平面図を示す。図１３の符号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３で示す部分が被覆１３を削り落として形成された平坦面である。

続いて、突起部を含む光ファイバの端面および側面にＮｂを蒸着し、第１の実施の形態で用いた３次元リソグラフィの手法を用いて図１４に示すように、第１の超伝導層１４のパタンに沿ってＮｂをエッチングする。

続いて、Ａｌを蒸着し酸化させて絶縁体１５を形成し、その上にＮｂを蒸着して第２の超伝導層１６を形成する。そして、図１５に示すように、第２の超伝導層１６のパタンに沿って余分な絶縁体１５、超伝導層１６をエッチングする。これにより、ＳＩＳ接合によるジョセフソン接合が形成される。

以上の工程により第２の実施の形態にかかる近接場光プローブ１を作製することができる。

本実施の形態では、ジョセフソン接合としてＳＩＳ接合を用いたが、第１の実施の形態で用いたような微小接合や超伝導体の間に金属を挟んだＳＮＳ接合を用いてもよい。

以下、本発明における近接場光プローブの効果について考察する。

ＳＱＵＩＤによるスピンの検出感度は主には、ループの作る面に垂直なスピンの作る磁気モーメント（大きさｍ）の作る磁束がどれだけＳＱＵＩＤのループ（半径ａ）を通過するかということ、

及び、ＳＱＵＩＤ素子の持つインダクタンスＬおよび接合のキャパシタンスＣ、及び温度Ｔによって決まるエネルギー感度

に支配される。ＳＱＵＩＤのインダクタンスＬはループの半径ａに比例しているので検出可能なスピンの和Ｓ_nは、

となり、ＳＱＵＩＤのサイズに依存していることがわかる（非特許文献４参照）。また、このとき、単電子スピンを検出するのに必要なサイズは、測定温度を１００ｍＫとして、最も感度が良くなるようにＳＱＵＩＤループと同じ面内に電子スピンを配置した場合において、そのサイズを０．２５μｍ程度まで小さくしなければならない。

第１の実施の形態では、ＳＱＵＩＤループが開口部直近に設けられるため、試料表面からの距離はチューニングフォークを用いて制御する通常のシアフォース型ＮＳＯＭであれば１０ｎｍ程度まで接近することが可能である。さらに、ループ径は開口径（〜１００ｎｍ）と同程度まで縮小することが可能であるので、従来と比較して、スピンの検出感度は１０００倍以上向上する。

また、第２の実施の形態のようにジョセフソン接合素子を配置した場合についても同様のことがいえる（非特許文献１参照）。ジョセフソン接合素子についても、そのサイズを小さくすることによって、熱雑音による検出感度の限界を下げることができ、ジョセフソン接合素子の大きさを１ミクロン角としたときには、４．２Ｋにおいてもそのエネルギー検出感度は量子限界ｈを超える。

以上説明したように、本発明にかかる近接場光プローブによれば、近接場光により物質中のスピンを励起することが可能であるとともに、開口部３近傍にＳＱＵＩＤ４やジョセフソン接合素子７などの磁気検出素子を設けたことにより、光励起によって生成されたスピンの作る磁気を検出することが可能となる。また、本発明によれば、磁気検出素子のサイズを十分に小さくすることができるので、単電子スピンを検出するまでに感度を向上させることが可能となる。

なお、第１、第２の実施の形態においては、突起部の形状として２段テーパ型の例を示したが、突起部は必ずしも２段テーパ型である必要は無い。

第１の実施の形態における近接場光プローブの構成を示す斜視図である。上記近接場光プローブの先端を拡大して示した斜視図である。上記近接場光プローブの作製の工程を示す断面図である。上記近接場光プローブの作製の別の工程を示す断面図である。上記近接場光プローブの作製のさらに別の工程を示す断面図である。上記近接場光プローブの作製のさらに別の工程を示す断面図である。上記近接場光プローブの作製のさらに別の工程を示す断面図である。上記近接場光プローブの作製のさらに別の工程を示す平面図である。第２の実施の形態における近接場光プローブの構成を示す斜視図である。上記近接場光プローブの先端を拡大して示した斜視図である。上記近接場光プローブの先端の構成を示す断面図である。上記近接場光プローブの作製の工程を示す断面図である。上記工程により加工された近接場光プローブの突起部の様子を示す平面図である。上記近接場光プローブの作製の別の工程を示す斜視図である。上記近接場光プローブの作製のさらに別の工程を示す斜視図である。

符号の説明

１…近接場光プローブ
２…突起部
３…開口部
４…ＳＱＵＩＤ
５…ジョセフソン接合
６…制御線
７…ジョセフソン接合素子
１１…コア部
１２…クラッド部
１３…被覆
１４，１６…超伝導層
１５…絶縁体

Claims

光ファイバのコア部をエッチングして突起部を形成する工程と、
前記突起部を被覆する工程と、
被覆した前記突起部の先端を加工して開口部を形成する工程と、
前記突起部に超伝導素子を形成する工程と、を有し、
前記被覆する工程は、
金属薄膜を形成する工程と、
前記金属薄膜に絶縁層を形成する工程と、
を有することを特徴とする近接場光プローブの作製方法。
前記超伝導素子を形成する工程は、
前記突起部に超伝導物質を成膜する工程と、
成膜した前記超伝導物質をＳＱＵＩＤ形状に加工する工程と、
を有することを特徴とする請求項１記載の近接場光プローブの作製方法。
前記超伝導素子を形成する工程は、
前記突起部に第１の超伝導層を形成する工程と、
前記第１の超伝導層を所定の形状にエッチングする工程と、
前記突起部に絶縁体層を形成する工程と、
前記絶縁体層の上に第２の超伝導層を形成する工程と、
前記絶縁体層及び前記第２の超伝導層を所定の形状にエッチングする工程と、
を有することを特徴とする請求項１記載の近接場光プローブの作製方法。
前記開口部近傍において前記被覆の一部を削除する工程をさらに有し、
前記超伝導素子を形成する工程は、その削除した箇所に前記超伝導素子を形成することを特徴とする請求項３記載の近接場光プローブの作製方法。