JPH05100168A - ニアフイールド光学顕微鏡用光導入装置 - Google Patents

ニアフイールド光学顕微鏡用光導入装置

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JPH05100168A
JPH05100168A JP3262235A JP26223591A JPH05100168A JP H05100168 A JPH05100168 A JP H05100168A JP 3262235 A JP3262235 A JP 3262235A JP 26223591 A JP26223591 A JP 26223591A JP H05100168 A JPH05100168 A JP H05100168A
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field optical
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Abstract

(57)【要約】 【目的】ニアフィールド光学顕微鏡において安定にエバ
ネッセント光を試料に照射する光導入装置を提供する。 【構成】シリコン基板101にはこれを貫通する開口部
102が形成されている。シリコン基板101の一方の
面には絶縁膜106が形成されていて、これにより開口
部102の一方の開口が閉塞されている。この閉塞面に
は反射防止膜111が形成されている。この開口部10
2には光ファイバー103が挿入され固定されている。
開口部102の反対側の絶縁膜106の上には円錐形状
の光導波層108が形成されている。光導波層108は
先端を除いて金属膜109で覆われていて、これにより
先端には光を透過する微小な開口110が形成されてい
る。金属膜109は、開口110を試料の近傍に配置す
るために利用するトンネル電流を取り出すための電極1
07に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、非常に高い分解能を有
するニアフィールド顕微鏡において、試料に光を照射す
るための光導入装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、サブミクロンの形状観察は、通常
の光学顕微鏡では光の回折により限界がありλ/2程度
以下の位置分解能は不可能とされてきた。ところが近
年、微小なピンホールから放射されるエバネッセント光
を利用し、試料表面に数nm程度の近傍から試料に光を
照射し、その透過光あるいは反射光を光電子増倍管で検
出するニアフィールド顕微鏡が提案され、0.1μm程
度の微細パターンの形状観察が可能であることが示され
た。
【0003】デューリッヒらの論文に掲載された走査型
ニアフィールド顕微鏡を図9に示す。試料はバイモルフ
で駆動されるxy走査系に配置され、試料の近傍には光
を試料に照射する探針が配置されている。探針は光を通
す開口を先端に有し、この開口からエバネッセント光が
照射される。開口からの距離に対するエバネッセント光
の光対数強度を図10に示す。このグラフでは横軸は、
開口からの距離zを開口径aで割った規格化距離ζで示
してある。規格化距離ζに対する光強度の関係は、3つ
の領域(第3図のPROX,NEAR,FARに対応す
る)に分けることができ、ζ=0.3〜1(実際の距離
にして2〜5nmに相当する)ではエバネッセント光の
強度はほぼ一定である。図9に示したニアフィールド顕
微鏡では、試料と探針の間の距離をPROX領域に設定
している。このため、試料は導電性とし、導電性試料と
探針との間に流れるトンネル電流が一定になるように探
針のz方向の位置を制御している。
【0004】探針の先端から試料に入射したエバネッセ
ント光は対物レンズで集光され光電子増倍管で増幅され
る。このようにして、試料表面の光学的情報を含んだ光
が対物レンズで集められる。探針と試料の間の距離をP
ROX領域に維持しつつ試料をxy走査することにより
ニアフィールドの光学像を得ることができる。ニアフィ
ールド光学顕微鏡の位置分解能は探針先端の開口の大き
さや検出器の感度などによって決まり、実際には20n
m程度の解像度が得られるものと期待されている。
【0005】サブミクロンオーダーでの形状観察はSE
MやTEM等の電子線を使った方法に限られ、真空を必
要とする上に得られる情報は電気的情報である。最近で
はSTM,AFM等のトンネル電流や原子間力を利用し
た方法も実用化されつつあるが、光を使ってのサブミク
ロン観察は、空気中で行なえる上に、生体や細胞等の観
察が困難な材料をも観察対象にできるため、その応用範
囲は広い。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ニアフィールド顕微鏡
では、xy方向の走査系や探針のz方向の位置決めはS
TM等で用いているピエゾ素子やバイモルフを利用でき
るが、エバネッセント光を放射する探針の製作が問題で
ある。
【0007】その一例を図11に示す。まず、同図
(a)に示すように機械加工等で先端を鋭利にした石英
チップの表面にアルミニウム膜を蒸着で被着形成する。
その後、同図(b)に示すようにこれを試料に押し付け
てアルミニウム膜の先端をつぶすことによって、先端部
に開口を有する探針が得られる。この方法で作製した探
針は、先端の開口の大きさが不明確である上に、使用中
に開口の径が増大する(アルミニウムの内部ストレスが
原因と推定される)ため、その寿命が数時間しかないと
いう不都合がある。
【0008】本発明は、安定にエバネッセント光を試料
に照射する、ニアフィールド光学顕微鏡の光導入装置の
提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の光導入装置は、
半導体基板と、半導体基板の表面に形成した絶縁膜と、
表面の反対側から開けた半導体基板を貫通する開口部
と、開口部に装着した光ファイバーと、開口部の反対側
に位置する絶縁膜上に形成した円錐形状の光導波層と、
光導波層の表面を除いて光導波層の表面を覆う金属膜と
を備えている。
【0010】別の光導入装置は、半導体基板と、一方の
開口の寸法が光の波長同等以下である半導体基板を貫通
する開口部と、他方の開口から開口部に装着される光フ
ァイバーとを備えている。
【0011】さらに別の光導入装置は、基板と、基板上
に形成した光導波路とを備えており、光導波路は、入射
端と射出端とを有し、射出端近傍では側面が金属膜で覆
われ、射出端の寸法が光の波長同等以下であることを特
徴とする。
【0012】また、さらに別の光導入装置は、周期構造
を持つ導波路型分布反射器を有し、光を射出する射出端
の寸法が光の波長同等以下である半導体レーザーで構成
されている。
【0013】他の光導入装置は、発光面を有する面発光
レーザーと、発光面を覆う金属電極と、金属電極に設け
た光の波長同等以下の径のピンホールとを有している。
【0014】さらに他の光導入装置は、基板と、基板上
に形成した光導波路と、光導波路を覆う金属膜と、光の
波長同等以下の径を有し、金属膜を貫通して光導波路に
達するピンホールとを備えている。
【0015】
【作用】ニアフィールド顕微鏡において、試料を照明す
る光は試料の近傍に配置された微小開口からの放射光で
あれば良い。開口の大きさは信号強度や解像度を決める
上に重要であり、その形状制御・寸法制御の高精度化が
求められている。この要求を満たすためにホトリソグラ
フィーやシリコン異方性エッチングなどを用いたマイク
ロマシーニングを応用した三次元微細加工を利用する。
ホトリソグラフィーを利用すれば、試料を照明する光の
波長程度の開口を形状制御性・寸法制御性よく形成する
ことができる。
【0016】
【実施例】本発明によるニアフィールド光学顕微鏡用光
導入装置の第1実施例を図1に示す。同図(a)は本実
施例の装置の斜視図で、同図(b)はそのA−A断面図
である。本実施例の光導入装置はシリコン基板101を
有し、シリコン基板101にはこれを貫通する開口部1
02が形成されている。シリコン基板101の一方の面
には絶縁膜106が形成されていて、これにより開口部
102の一方の開口が閉塞されている。開口部102の
底面すなわち絶縁膜106で閉塞された面には反射防止
膜111が形成されている。この開口部102には、コ
ア104とクラッド105を有する光ファイバー103
が挿入され固定されている。開口部102の反対側の絶
縁膜106の上には円錐形状の光導波層108が形成さ
れている。光導波層108は先端を除いて金属膜109
で覆われ、これにより光を透過する開口110が先端に
設けられている。この結果、光ファイバー103から光
導波層108に導入された光は、その先端の開口110
からエバネッセント光として放射される。光導波層10
8を覆う金属膜109は、開口110を試料の近傍に配
置するために利用するトンネル電流を取り出すための電
極107に接続されている。
【0017】次に図1に示した光導入装置の製造方法に
ついて図2を参照しながら説明しよう。まず(a)に示
すように、n型あるいはp型の結晶面(100)を有す
るシリコン基板201の表面に熱酸化膜203とシリコ
ン窒化膜(Si34)204を形成する。シリコン窒化
膜の屈折率は通常2程度なので、熱酸化膜(屈折率n=
1.46)の膜厚を100nm程度に選ぶと、波長λ=
0.63μmの光に対して反射防止膜として機能する。
また、シリコン基板201の裏面には次に行なう異方性
エッチングのマスクとなる材料の膜202たとえば熱酸
化膜やAu/Cr膜などを設け、この膜202に正方形
に開口206を形成する。
【0018】次に(b)に示すように、KOHやエチレ
ンジアミン/ピロカテコール/水混合液などの異方性エ
ッチング液を用いてシリコン基板201をエッチングす
る。このとき、シリコン窒化膜204はエッチング液に
溶解しないので、シリコン基板201は膜202をマス
クとして裏面からエッチングされ、四角錘台の開口部2
05が形成される。このとき、シリコン基板201の厚
さtに対して、膜202に形成する開口206の一辺の
長さLをL>21/2tに設定しておく。これにより開口
部205はシリコン窒化膜204まで達する。シリコン
窒化膜204は1GPa程度の残留引張り応力を有して
いるので、シリコン窒化膜の開口された部分207は平
坦のままに保たれる。
【0019】続いて(c)に示すように、シリコン窒化
膜204の上にホトリソグラフィーで電極208を形成
する。
【0020】その後(d)に示すように、開口部205
の底面210よりも広い円形の穴211を有するマスク
209をシリコン基板201の表側に距離dだけ離して
配置する。
【0021】そして(e)に示すように、電子ビーム蒸
着あるいはスパッタ等の方法でマスク209を介してシ
リコン窒化膜204の上にガラスを堆積させる。この
間、マスク209の穴211の側面212にもガラスが
堆積するため、穴211の直径は徐々に小さくなり、穴
211がガラスで密閉された時点で鋭く尖った円錐形状
の光導波層213がシリコン窒化膜204上に形成され
る。
【0022】続いて(f)に示すように、光導波層21
3の底部よりも大きい径の円形の穴を有するマスク21
4を穴の内側に光導波層213が位置するように配置
し、これをマスクとして金属を蒸着して、光導波層21
3と電極208の一部を覆う金属膜215を形成する。
【0023】その後(g)に示すように、金属膜215
の先端をイオンミリング等の物理的方法を用いて、その
膜厚に相当する分だけエッチングして光導波層213の
先端を露出させ開口216を形成する。エッチングの
際、必要であれば先端付近にのみマスクをかけてもよ
い。
【0024】最後に(h)に示すように、シリコン基板
201に開けた開口部205に、コア218とクラッド
219を有する光ファイバー220を挿入し、接着剤で
固定して、図1に示した光導入装置が作られる。
【0025】なお、上述の説明では電極208を先に形
成しておき、後に金属膜215を形成したが、電極20
8と金属膜215は光導波層213の表面に金属を蒸着
する際に電極パターンも含めたマスクを用いることによ
り一回の蒸着で同時に形成してもよい。
【0026】次に本発明の第2実施例である別の光導入
装置の製造方法について図3を参照しながら説明する。
本実施例は、光導波層の表面を覆う金属膜とシリコン基
板とを電気的に接続し、シリコン基板を介してトンネル
電流を取り出す点が第1実施例と異なる。
【0027】まず(a)に示すように、n型あるいはp
型のシリコン基板301の表面に厚さ約0.1μmの熱
酸化膜304とシリコン窒化膜305を形成する。本実
施例ではシリコン基板301には不純物濃度が1017
-3程度以上の高濃度基板を用いる。シリコン基板30
1の裏面には容易にオーミック接触のとれる金属膜30
2たとえばAu/Cr膜を設け、この金属膜302に正
方形の開口303を形成する。
【0028】次に(b)に示すように、金属膜302お
よびシリコン窒化膜305をマスクとしてシリコン基板
301を異方性エッチングし、四角錘台形状の開口部3
06を形成する。
【0029】続いて(c)に示すように、ホトリソグラ
フィーによりシリコン基板301の表側に形成した絶縁
膜304と305に開口307を形成してシリコン基板
301の一部を露出させる。
【0030】その後(d)と(e)に示すように、円形
の開口を有するマスク308をシリコン基板301の表
側に配置し、電子ビーム蒸着あるいはスパッタ等の方法
でマスク208を介してシリコン窒化膜305の上にガ
ラスを堆積させ、円錐形状の光導波層309を形成す
る。
【0031】続いて(f)に示すように、マスク310
をマスクとして金属を蒸着し、光導波路309と開口3
07を覆う金属膜311を形成する。このとき金属膜3
11の材料には、シリコン基板301と容易にオーミッ
ク接触のとれるものを選ぶ。
【0032】そして(g)に示すように、マスク312
を用いてイオンミリング等のドライエッチングで光導波
層309の先端部の金属膜311だけ膜厚相当分エッチ
ングし、光導波層309の先端を露出させ開口313を
形成する。
【0033】最後に(h)に示すように、シリコン基板
301に形成した開口部306にコア315とクラッド
316からなる光ファイバー317を挿入し、接着剤で
固定する。
【0034】本発明の第3実施例である光導入装置の製
造方法を図4に示す。本実施例は、異方性エッチングと
側壁保護膜が堆積する反応性イオンエッチングを併用し
てシリコン基板に貫通孔を形成し、開口の広い側を光フ
ァイバーからの光入力側とし、反対側を微小な光射出側
とする。
【0035】まず(a)に示すように、n型あるいはp
型で結晶面(100)面を有するシリコン基板401の
表裏面に熱酸化膜402と403を形成し、シリコン基
板401の表面に形成した熱酸化膜402に正方形の開
口403を形成する。このとき開口403の一辺の長さ
Lは、シリコン基板401の厚さtに対して、L<2
1/2tとなるように選ぶ。
【0036】次に(b)に示すように、熱酸化膜402
をマスクとしてシリコン基板401に対して異方性エッ
チングを行ない、(111)面で囲まれる四角錘形状の
孔404を形成する。この孔404の先端は、開口40
3の一辺の長さLをL<21/ 2tに設定しているため、
シリコン基板401内側で止まる。例えば400μm厚
のシリコン基板に対して一辺が552μmの開口を用い
て異方性エッチングすれば裏面から10μmの深さの位
置に孔の先端が止まることになる。
【0037】続いて(c)およびその円内を拡大した
(d)に示すように、シリコン基板401に設けた孔4
04に対して側壁保護膜405が堆積する条件で反応性
イオンエッチングを行ない、シリコン基板401に貫通
孔406を形成する。側壁保護膜405が堆積する反応
性イオンエッチングでは、イオン衝撃のある孔404の
先端部のみ選択的にエッチングが進行するため、原理的
にサブミクロンのピンホールを貫通孔406の先端に形
成することができる。
【0038】最後に(e)に示すように、貫通孔406
の内側の側壁保護膜405と熱酸化膜402を除去し、
貫通孔406に光ファイバー407を挿入し固定する。
これにより貫通孔406の先端には微小な開口409が
形成され、光ファイバー407から導入された光がこの
開口409からエバネッセント光として放射される。
【0039】本発明による光導入装置の第4実施例を図
5に示す。図において(a)は外観図、(b)は線A−
Aに沿って切った断面図である。基板501の上には、
バッファー層502と第1クラッド層503とコア層5
04と第2クラッド層505と金属膜506とが積層さ
れている。この積層構造体の一端面には金属膜あるいは
光吸収膜510が形成されている。そして、金属膜50
6と第2クラッド層505には、コア層504に達する
ピンホール507が形成されている。このピンホール5
07は、ホトリソグラフィーにより使用する光の波長程
度の径に形成されている。この装置では、コア層504
に導入された光がピンホール507からエバネセント光
として放射される。本実施例によれば、光伝搬媒体に平
面型の光導波路を用いているので、ホトリソグラフィー
により波長程度以下のピンホールを寸法制御性よく開け
ることができ、従って最適なS/Nと解像度を得ること
ができる。
【0040】本発明による光導入装置の第5実施例を図
6に示す。図において、(a)は外観図、(b)は先端
付近の拡大図、(c)は線A−Aに沿って切った断面
図、(d)は線B−Bに沿って切った断面図、(e)は
線C−Cに沿って切った断面図である。本実施例では、
シリコン基板601の上には光導波路602が設けら
れ、光導波路602の上には電極605と半導体レーザ
ー603が設けられている。光導波路602は、バッフ
ァー層607と第1クラッド層608とコア層609と
第2クラッド層610とで構成されている。第1クラッ
ド層609と第2クラッド層610は先端に近づくにつ
れて次第に薄くなり、先端部では光導波路はコア層60
9だけとなり、このコア層609はその周囲が電極60
5で覆われている。この電極605は、先端611と試
料との間の距離を制御するために使用するトンネル電流
のモニター端子として使用される。半導体レーザー60
3から射出された光604は、光導波路602のコア層
609の内部を伝搬して、先端からエバネッセント光6
06として放射される。
【0041】本発明による光導入装置の第6実施例を図
7に示す。本実施例は、一方の光射出端側の活性層幅を
波長同等以下としたDFBレーザーで構成されている。
図において、(a)は平面図、(b)は線A−Aに沿っ
て切ったDFBレーザー領域(I)の断面図、(c)は
線B−Bに沿って切ったリッジ型導波路の横寸法を細く
絞り込んだ領域(II)の断面図である。
【0042】本実施例は、n型GaAs基板701の上
にn型GaAsバッファー層702とn型Al0.4Ga
0.6As第1クラッド層703とGaAs活性層704
とp型Al0.3Ga0.7Asバリア層705とp型Al
0.15Ga0.85Asガイド層706とp型Al0.3Ga0.7
As第2クラッド層707とn型Al0.4Ga0.6As第
3クラッド層708とp型GaAsコンタクト層709
を順に積層し、領域(I)では第2クラッド層707ま
でエッチングし、領域(II)では基板701までエッ
チングしてリッジを形成した後、上面を除いてリッジの
覆う絶縁膜710を設け、コンタクト層709に接触す
るAu/CrやAu/Zn/Auなどのp型金属電極7
11と、基板701に接触するAu/Ni/AuGeな
どのn型金属電極712とを設けて構成される。ガイド
層706の内部には、周期m×λ/2neff(ここでm
=1,2,…、λ:空気中での波長、neff:活性層の
実効屈折率)の回折格子713が形成されている。領域
(II)の光導波路は、その幅が徐々に細くなり、最終
的に波長程度以下の幅で一定になるように作り、一定と
なったところで劈開されている。この結果、本実施例で
ある半導体レーザーの端面からはエバネッセント光が放
射される。本実施例によれば、光源を試料の間近に直接
配置できるので、光ファイバーや光学系を途中に挿入す
る必要がないという利点がある。
【0043】本発明による光導入装置の第7実施例を図
8に示す。面発光レーザーの発光面をピンホールを有す
る膜で覆って構成され、このピンホールからエバネッセ
ント光を放射する。
【0044】n型GaAs基板801の上には、n型G
aAsバッファー層802、n型Al0.1Ga0.9As/
AlAs半導体多層膜反射鏡803、p型GaAs80
4、活性層805、p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層
806、p型Al0.1Ga0.9Asキャップ層807、n
型GaAs808、p型GaAs809、絶縁膜81
0、Au/Zn/Auなどのp型金属電極811が順に
積層され、基板801の下面にAu/Ni/AuGeな
どのn型金属電極812が設けられている。n型GaA
s808は電流挟窄層を形成し、p型電極811からp
型GaAs809、p型Al0.1Ga0.9As807、p
型Al0.3Ga0.7As806を経由して活性層805へ
注入された電荷は、ここで再結合し発光する。活性層8
05での発光した光は半導体多層膜803とn型金属電
極811とで構成される共振器で往復し誘導放出を起こ
す。活性層805上のn型電極811の中央部にはホト
リソグラフィで形成された波長同等以下のピンホール8
13が開けられており、このピンホール813からエバ
ネッセント光が放射される。本実施例によれば、第6実
施例と同様に光源を試料の間近に直接配置できるので、
光ファイバーや光学系を途中に挿入する必要がないとい
う利点がある。
【0045】
【発明の効果】本発明では、その製造においてホトリソ
グラフィ等のマイクロマシーニング技術を用いているた
め、光を射出する微小開口が形状および寸法の制御性良
く形成されている光導入装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光導入装置の第1実施例を示す。
【図2】図1の装置の製造方法を説明するための図であ
る。
【図3】本発明の第2実施例である光導入装置の製造工
程を説明するための図である。
【図4】本発明の第3実施例である光導入装置の製造工
程を説明するための図である。
【図5】本発明による光導入装置の第4実施例を示す。
【図6】本発明による光導入装置の第5実施例を示す。
【図7】本発明による光導入装置の第6実施例を示す。
【図8】本発明による光導入装置の第7実施例を示す。
【図9】ニアフィールド顕微鏡の構成を示す。
【図10】開口からの距離に対するエバネッセント光の
光対数強度を示すグラフである。
【図11】ニアフィールド顕微鏡で使用する、エバネッ
セント光を放射する探針の一例を示す。
【符号の説明】
101…シリコン基板、102…開口部、103…光フ
ァイバー、108…光導波層、109…金属膜。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ニアフィールド光学顕微鏡において試料
    に光を導く装置であって、半導体基板と、半導体基板の
    表面に形成した絶縁膜と、表面の反対側から開けた半導
    体基板を貫通する開口部と、開口部に装着した光ファイ
    バーと、開口部の反対側に位置する絶縁膜上に形成した
    円錐形状の光導波層と、光導波層の先端を除いて光導波
    層の表面を覆う金属膜とを備えているニアフィールド光
    学顕微鏡用光導入装置。
  2. 【請求項2】 開口部内の絶縁膜表面に反射防止膜が設
    けられている請求項1記載のニアフィールド光学顕微鏡
    用光導入装置。
  3. 【請求項3】 ニアフィールド光学顕微鏡において試料
    に光を導く装置であって、半導体基板と、一方の開口の
    寸法が光の波長同等以下である半導体基板を貫通する開
    口部と、他方の開口から開口部に装着される光ファイバ
    ーとを備えているニアフィールド光学顕微鏡用光導入装
    置。
  4. 【請求項4】 ニアフィールド光学顕微鏡において試料
    に光を導く装置であって、基板と、基板上に形成した光
    導波路とを備えており、光導波路は、入射端と射出端と
    を有し、射出端近傍では側面が金属膜で覆われ、射出端
    の寸法が光の波長同等以下であることを特徴とするニア
    フィールド光学顕微鏡用光導入装置。
  5. 【請求項5】 ニアフィールド光学顕微鏡において試料
    に光を導く装置であって、周期構造を持つ導波路型分布
    反射器を有し、光を射出する射出端の寸法が光の波長同
    等以下である半導体レーザーで構成されるニアフィール
    ド光学顕微鏡用光導入装置。
  6. 【請求項6】 ニアフィールド光学顕微鏡において試料
    に光を導く装置であって、発光面を有する面発光レーザ
    ーと、発光面を覆う金属電極と、金属電極に設けた光の
    波長同等以下の径のピンホールとを有しているニアフィ
    ールド光学顕微鏡用光導入装置。
  7. 【請求項7】 ニアフィールド光学顕微鏡において試料
    に光を導く装置であって、基板と、基板上に形成した光
    導波路と、光導波路を覆う金属膜と、光の波長同等以下
    の径を有し、金属膜を貫通して光導波路に達するピンホ
    ールとを備えているニアフィールド光学顕微鏡用光導入
    装置。
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