JPH11271338A - フラミンゴ型光プローブおよびフラミンゴ型光プローブ製造方法と走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

フラミンゴ型光プローブおよびフラミンゴ型光プローブ製造方法と走査型プローブ顕微鏡

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JPH11271338A
JPH11271338A JP7466498A JP7466498A JPH11271338A JP H11271338 A JPH11271338 A JP H11271338A JP 7466498 A JP7466498 A JP 7466498A JP 7466498 A JP7466498 A JP 7466498A JP H11271338 A JPH11271338 A JP H11271338A
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典孝 山本
Tokuo Chiba
徳男 千葉
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光照射あるいは光検出を行い、試料形状と２
次元光学情報を同時に測定する走査型プローブ顕微鏡に
おいて、光プローブ外径を細くすることによりバネ定数
を小さくした鉤型の光プローブでは、極細化により光て
こに利用するためのミラーが小さくなってしまい光てこ
によるプローブと試料間の制御が使えなくなってしま
う。 【解決手段】 光ファイバー１は、光を伝搬するコア部
２と屈折率の異なるクラッド部３からなる。光プローブ
はその弾性要素として機能する部分の先端部４が鉤型に
曲げられ、かつ支持部５に対して相対的に細く加工され
ている。細く加工されている弾性要素部の先端部４のう
ち鉤型の曲がり部分の径が弾性要素部の径に対して相対
的に太くなっている。曲げられた部分の背面には機械的
な研磨により平らなミラー面９が作製されている。外側
は開口８以外が金属膜７で覆われている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は被測定表面のナノメ
ートル領域における形状観察を行うことを目的とする原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や被測定物表面を光照射もしく
は光励起することにより、光物性測定や加工を行うこと
を目的とする近接場効果顕微鏡に使用する光プローブと
光プローブ製造法と走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガラスキャピラリおよび光ファイバーを
尖鋭化して作製するアパチャータイプの光プローブが報
告されており、マイクロ加工技術の発達に伴い先端部が
非常に尖ったプローブを作製することができ、従来の光
学顕微鏡の分解能を上まわる光学像が走査型プローブ顕
微鏡により実現できるようになった。また化学エッチン
グの手法により光プローブ外径を細く加工することで光
プローブのバネ弾性を小さくし、軟らかい試料に対して
損傷を与えることなく、またＡＦＭで使われるコンタク
トモードでの動作を可能とした光プローブが利用されて
いる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のバネ弾
性を小さくするため細く加工した光プローブにおいては
プローブの極細化に伴い、光プローブと対象試料間の距
離制御に使用する光てこのための反射ミラーの大きさが
小さくなってしまうことや、プローブのバネ定数が小さ
いがためにミラーを作製できないという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するため光プローブの作製工程において、まず光フ
ァイバーを鉤型に曲げ、続いて極細化することにより、
形状による湿式の化学エッチングレートの差を利用し曲
げ部分をフラミンゴ型に相対的に太く保ちながら弾性要
素部として機能する部分を極細化することを可能とし
た。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例について図
面を参照して説明する。図１（Ａ），は本発明の第一実
施例であるフラミンゴ型光プローブを横から見た断面図
である。光ファイバー１は、光を伝搬するコア部２と屈
折率の異なるクラッド部３からなる。光プローブはその
弾性要素として機能する部分の先端部４が鉤型に曲げら
れ、かつ支持部５に対してステップ状に相対的に細く加
工されている。外側は開口８以外が金属膜７で覆われて
いる。金属膜７としては金、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。
【０００６】図１（Ｂ）は光プローブを上から見た図で
ある。細く加工されている弾性要素部の先端部４のうち
ちょうど曲げられている部分が相対的に太くなってい
る。曲げられた部分の背面には機械的な研磨により平ら
なミラー面９が作製されている。図２は本発明の第二実
施例であるフラミンゴ型光プローブの製作工程の一部を
示した図である。光ファイバー１の末端の１ｃｍから１
０ｃｍ程度、合成樹脂の被覆を取り除き、表面を清浄に
する。図２（Ａ）はＣＯ２レーザーなどの局所加熱手段
により、先端部４を鉤型に加工する工程を表している。
熱せられたファイバーは内側と外側で応力の差を生じ熱
源の方向に曲げられる。
【０００７】図２（Ｂ）は光プローブのエッチング工程
を示したものであり、ファイバーをエッチング液に浸し
た状態を表している。光ファイバー１の末端から０．５
ｍｍから５０ｍｍの先端部４をエッチング液の第１の溶
液層１０に挿入する。エッチング液は、フッ化水素酸を
主成分とする第１の溶液層１１と、第１の溶液層より比
重が小さく、第１の溶液層と互いに反応かつ混合しない
第２の溶液層１０の２層で構成されている。第２の溶液
層１０としては、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの
有機溶媒や、鉱物油、植物油、化学合成油などの油脂類
が用いられるが、第１の溶液層１１より比重が小さく、
第１の溶液層１１またはと互いに反応かつ混合しない他
の溶液も使用可能である。
【０００８】支持部５を垂直にエッチング液中に浸し所
望の細さになるまでこの状態を保つ。光プローブ外径を
細くすることにより光プローブのバネ弾性を小さくする
ことができ、軟らかい試料表面の観測に適したフラミン
ゴ型光プローブとなる。先端部４のうち曲げられている
部分は、この形状の効果でイオン拡散における濃度勾配
が生じ、エッチング速度が均一でなくなるために、曲げ
に対してその内側から側面部分のエッチング速度が遅く
なった状態、つまり太く残されエッチングされる。この
ことにより光てこのためのミラー面を作製する部分が大
きくでき、弾性機能部を極細化した光プローブにおいて
もミラー面が作製できなくなることを防ぐことができ
る。
【０００９】図２（Ｃ）はフラミンゴ型光プローブ先端
を先鋭化する工程を示している。先端部４の曲げから前
方部分が垂直になるようエッチング液に浸し、先端がち
ょうど２層エッチング液の液界面のメニスカス部分とな
るようにする。メニスカス部分でエッチングされること
によりテーパー形状が作製され先端は尖鋭化される。こ
の尖鋭化の工程は、Ｄｅｎｎｉｓ Ｒ．Ｔｕｒｎｅｒら
（ＵＳ ４，４６９，５５４）によって開示されてい
る。フッ酸溶液は揮発性が高いために濃度が徐々に変化
してしまうことと人体や環境に対する影響が大きいとい
う問題がある。フッ化水素酸溶液と有機溶液層の２層構
造にすることで揮発を防ぐと共に、大気に放出されるフ
ッ酸を押さえる効果もある。
【００１０】図２では、化学エッチングによる尖鋭化の
工程を示したが、先端部の尖鋭化は加熱引き伸ばし方法
によっても実施可能である。図３は本発明の第３実施例
である本光プローブを熱引き法でフラミンゴ型プローブ
を作製する工程を示している。図３（Ａ）に示すよう
に、光ファイバー１の両端を引っ張りながらフラミンゴ
型光プローブの先端となる部分を加熱する。光ファイバ
ー１はテーパー状に引き延ばされ最後に破断する。加熱
の手段としては、ＣＯ２レーザー光を集光して当てる方
法や、コイル状に巻いた白金線の中央に光ファイバーを
通し、白金線に電流を流して加熱する方法を用いること
ができる。
【００１１】以下は図２で示した工程を使い光プローブ
外形を作製する。熱引き法によりテーパーを作製するこ
とでコア部も先細りに破断されているところが構造的に
異なるが、以下の工程は図２に示したものと変わるとこ
ろはない。図４は、本発明の第４実施例である本光プロ
ーブに金属被覆を行う工程を示している。前工程で成形
した光ファイバーの、開口８を除く部分に金属膜７を堆
積する工程を表した断面図である。金属膜７の堆積方法
としては真空蒸着、スパッタなど異方性を有する薄膜堆
積法が用いられ、膜厚は２０ｎｍから１０００ｎｍの範
囲で選択される。堆積方向は図６中に矢印で示したとお
り、先端の後方であり、角度Ａが、２０度から９０度の
範囲で選択される。
【００１２】図５は本発明の第５実施例である本光プロ
ーブを搭載した光プローブ顕微鏡の例を示している。図
１Ｂの第２実施例に示した鈎状のフラミンゴ型光プロー
ブ１２を、支持部５で振動手段であるバイモルフ１３に
設置し、フラミンゴ型光プローブ１２の先端を試料１４
に対して垂直に振動させ、フラミンゴ型光プローブ１２
の先端と試料１４の表面の間に作用する原子間力あるい
はその他の相互作用に関わる力をフラミンゴ型光プロー
ブ１２の振動特性の変化として変位検出手段１５で検出
し、フラミンゴ型光プローブ１２の先端と試料１４の表
面の間隔を一定に保つように制御手段１６で制御しなが
ら、ＸＹＺ移動機構１７により試料を走査して表面形状
を測定する構成である。同時に、光学特性測定用光源１
８の光をフラミンゴ型光プローブ１２に導入し、フラミ
ンゴ型光プローブ１２の開口８から試料１４に光を照射
し、光学特性測定光検出手段１９で検出することによっ
て微小領域の光学特性の測定を行う。
【００１３】図５は試料１４の裏面で測定光を検出する
透過型の構成を示したが、試料表面で測定光を検出する
反射型の構成や、フラミンゴ型光プローブ１２で光を検
出する構成も可能である。また、図５はフラミンゴ型光
プローブ１２を振動させる装置構成を示したが、バイモ
ルフ１３を振動させないか、バイモルフ１３を使用しな
い装置構成とし、コンタクトモードのＡＦＭとして測定
を行うことも可能である。
【００１４】さらに、これらの装置にプローブと試料が
液体中に保持されるように液だめの覆いを設けることで
液中における測定を行うことができる。以上では、フラ
ミンゴ型光プローブ１２について説明を行ってきたが、
このプローブはＡＦＭ専用のプローブとして用いること
ができる。この場合は、金属膜７は不要であり、先端は
より尖鋭な形状にすることができる。プローブ材料とし
ては、光ファイバー、その他、ガラスファイバー、金属
細線等を用いることができる。 ＡＦＭプローブとして
用いた場合の特徴としては、特に液中においてプローブ
を振動させて原子間力を検出するモードでは、従来ＡＦ
Ｍプローブが板構造であるため液体の粘性の影響や液体
を伝わる外乱振動の影響を受けるのに対し、きわめて安
定な共振特性を示し、安定に測定することができる。
【００１５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるフラ
ミンゴ型光プローブとフラミンゴ型光プローブの製造法
によれば、従来のスリムタイプ光プローブより弾性機能
部のバネ定数を小さくすることができ、かつ曲げ部分が
相対的に太いということから、光てこに必要なミラーが
小さくなり操作性が悪くなることや、バネ定数が小さい
ことによりミラーが作製すらできないといったことを回
避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフラミンゴ型光プローブの構成を表し
た図である。
【図２】本発明のフラミンゴ型光プローブのエッチング
工程を示した図である。
【図３】本発明のフラミンゴ型光プローブの熱引き工程
を示した図である。
【図４】本発明のフラミンゴ型光プローブに金属膜を被
覆する工程を示した図である。
【図５】本発明のフラミンゴ型光プローブを走査型プロ
ーブ顕微鏡に搭載した例を示した図である。
【符号の説明】
１・・・光ファイバー ２・・・コア部 ３・・・クラッド部 ４・・・先端部 ５・・・支持部 ６・・・テーパー部 ７・・・金属膜 ８・・・開口 ９・・・ミラー面 １０・・・第１の溶液層 １１・・・第２の溶液層 １２・・・フラミンゴ型光プローブ １３・・・バイモルフ １４・・・試料 １５・・・変位検出手段 １６・・・制御手段 １７・・・ ＸＹＺ移動機構 １８・・・光学特性測定用光源 １９・・・光学特性測定光検出手段

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 先端部分がテーパー状に尖鋭化された光
    ファイバーからなり、弾性要素部の端部に光を透過する
    開口を有し、開口以外の部分は金属膜で被覆されるとと
    もに、先端近傍の形状が鉤型をしている光プローブにお
    いて、鉤型の曲がり部分の径が弾性要素部の径に対して
    相対的に太くなっていることを特徴とするフラミンゴ型
    光プローブ。
  2. 【請求項２】 前記光プローブ弾性要素部の外径が基材
    に対してステップ状に細く加工してあることを特徴とす
    る特徴とする請求項１記載のフラミンゴ型光プローブ。
  3. 【請求項３】 前記光プローブはファイバーの先端近傍
    の形状を鉤型に加工する工程と外径を細く加工する工程
    と先端部分をテーパー状に尖鋭化する工程から成ること
    を特徴とするフラミンゴ型光プローブ製造方法。
  4. 【請求項４】 前記光プローブは加熱し、熱引き破断す
    る工程と、ファイバーの先端近傍の形状を鉤型に加工す
    る工程と外径を細く加工する工程から成ることを特徴と
    するフラミンゴ型光プローブ製造方法。
  5. 【請求項５】 前記プローブの先端部と測定すべき試料
    あるいは媒体表面との間隔を、前記プローブ先端部と前
    記表面との間に原子間力あるいはその他の相互作用に関
    わる力が作用する動作距離内に近づけた状態で、２次元
    的な走査手段によって前記試料表面を走査するととも
    に、制御手段によって前記表面の形状に沿って前記プロ
    ーブを制御し、試料形状を測定する走査型プローブ顕微
    鏡において前記プローブの先端と前記表面を相対的に垂
    直方向に振動させる振動手段と、前記プローブの変位を
    検出する変位検出手段と、前記検出手段が出力する検出
    信号に基づいて前記プローブの先端部と前記表面の間隔
    を一定に保つための制御手段を有するとともに、少なく
    とも請求項１および２記載のプローブを有することを特
    徴とする走査型プローブ顕微鏡。
  6. 【請求項６】 前記プローブの先端部と測定すべき試料
    あるいは媒体表面との間隔を、前記プローブ先端部と前
    記表面との間に原子間力あるいはその他の相互作用に関
    わる力が作用する動作距離内に近づけた状態で、２次元
    的な走査手段によって前記試料表面を走査するととも
    に、制御手段によって前記表面の形状に沿って前記プロ
    ーブを制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あ
    るいは光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時
    に測定する走査型プローブ顕微鏡において、前記プロー
    ブの先端と前記表面を相対的に垂直方向に振動させる振
    動手段と、前記プローブの変位を検出する変位検出手段
    と、前記検出手段が出力する検出信号に基づいて前記プ
    ローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つための制
    御手段を有するとともに、少なくとも請求項１および２
    記載のプローブを有することを特徴とする走査型プロー
    ブ顕微鏡。
  7. 【請求項７】 前記プローブの先端部と測定すべき試料
    あるいは媒体表面との間隔を、前記プローブ先端部と前
    記表面との間に原子間力あるいはその他の相互作用に関
    わる力が作用する動作距離内に近づけた状態で、２次元
    的な走査手段によって前記試料表面を走査するととも
    に、制御手段によって前記表面の形状に沿って前記プロ
    ーブを制御し、試料形状を測定する走査型プローブ顕微
    鏡おいて、前記プローブの変位を検出する変位検出手段
    と、前記検出手段が出力する検出信号に基づいて前記プ
    ローブの先端部と前記表面の間隔を一定に保つための制
    御手段を有するとともに、少なくとも請求項１および２
    記載のプローブを有することを特徴とする走査型プロー
    ブ顕微鏡。
  8. 【請求項８】 前記プローブの先端部と測定すべき試料
    あるいは媒体表面との間隔を、前記プローブ先端部と前
    記表面との間に原子間力あるいはその他の相互作用に関
    わる力が作用する動作距離内に近づけた状態で、２次元
    的な走査手段によって前記試料表面を走査するととも
    に、制御手段によって前記表面の形状に沿って前記プロ
    ーブを制御し、前記表面の微小領域に対して、光照射あ
    るいは光検出を行い、試料形状と２次元光学情報を同時
    に測定する走査型プローブ顕微鏡において、前記プロー
    ブの変位を検出する変位検出手段と、前記検出手段が出
    力する検出信号に基づいて前記プローブの先端部と前記
    表面の間隔を一定に保つための制御手段と、前記プロー
    ブのねじれを検出するねじれ検出手段を有するととも
    に、少なくとも請求項１および２記載のプローブを有す
    ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7282157B2 (en) * 2002-11-11 2007-10-16 Sii Nanotechnology Inc. Method of manufacturing light-propagating probe for near-field microscope

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7282157B2 (en) * 2002-11-11 2007-10-16 Sii Nanotechnology Inc. Method of manufacturing light-propagating probe for near-field microscope

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