(57)【要約】  直線偏光を軸対称偏光に変換する偏光制御素子（１０）を、透光性を有する基板（２０）と、基板（２０）上の放射状に分割された複数の分割領域の各々に設けられた、前記複数の分割領域ごとに方向を異ならせ、かつ間にスリット（２４）を有するように延伸されるとともに、前記複数の分割領域の１つの延伸方向を基準とした場合に、隣接する分割領域の延伸方向の前記基準の延伸方向とのなす角度が、周方向に増加、または減少する方向とされている複数の金属（２２）を含んで構成された複数の波長板（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）を含む偏光変換部とを備えて構成した。
2014003146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する基板と、
前記基板上の放射状に分割された複数の分割領域の各々に設けられた、前記複数の分割領域ごとに方向を異ならせ、かつ間にスリットを有するように延伸されるとともに、前記複数の分割領域の１つの延伸方向を基準とした場合に、隣接する分割領域の延伸方向の前記基準の延伸方向とのなす角度が、周方向に増加、または減少する方向とされている複数の金属を含んで構成された複数の波長板を含む偏光変換部と、
を備えた偏光制御素子。
【請求項２】
前記波長板は２分の１波長板であり、
隣接する前記波長板に含まれる前記複数の金属の延伸方向のなす角度は、１８０を前記波長板の数で割った角度である
請求項１に記載の偏光制御素子。
【請求項３】
前記基板が、石英ガラス、溶融石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、サファイア、および蛍石のうちのいずれかで形成されている
請求項１または請求項２に記載の偏光制御素子。
【請求項４】
前記金属が、金、アルミニウムおよび銀のうちのいずれかである
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の偏光制御素子。
【請求項５】
前記金属の前記基板の表面からの高さをＨ（ｎｍ）、前記スリットの幅をＷ（ｎｍ）とした場合に、前記ＨおよびＷが、
１００≦Ｗ２／（Ｈ−１００）≦４４１
なる関係を満たす
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の偏光制御素子。
【請求項６】
前記複数の波長板の各々は、前記複数の波長板の各々を構成する複数の金属に接続されるとともに、前記複数の金属の延伸方向と交差する方向に延伸された金属をさらに含む
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の偏光制御素子。
【請求項７】
前記複数の波長板の各々は、前記複数の波長板の各々を構成する複数の金属を分断するとともに、前記複数の金属の延伸方向と交差する方向に延伸されたスリットをさらに含む
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の偏光制御素子。
【請求項８】
前記基板上に、前記偏光変換部が複数設けられている
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の偏光制御素子。
【請求項９】
先端を先鋭化した金属探針と、
前記金属探針に対して前記金属探針の先端とは反対側に配置された請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の偏光制御素子と、
前記偏光制御素子を介して、前記金属探針の先端に光を照射する光源と、
を含む近接場光源。
【請求項１０】
先端を先鋭化した金属探針を、各々の先端が同一または略同一の面上となるようにアレイ状に複数配置した金属探針アレイと、
前記金属探針アレイに対して前記金属探針の先端とは反対側に、光の入射面が前記金属探針の先端が配置された面と平行または略平行に配置された請求項８に記載の偏光制御素子と、
前記偏光制御素子を介して、前記金属探針アレイの各々の金属探針の先端に光を照射する光源と、
を含む近接場光源アレイ。
【請求項１１】
前記金属探針アレイにおける各々の金属探針は、前記偏光制御素子における各々の前記偏光変換部に対応して設けられている
請求項１０に記載の近接場光源アレイ。
【請求項１２】
先端が同一または略同一の面上に配置されるようにして、先鋭化して形成された複数の錘状部を有する透光性の基板、前記基板上の前記複数の錘状部が設けられた面に金属で形成された第１の電極と前記錘状部の先端に対し間隙を設けて前記錘状部の周囲に配置された第２の電極とを含んで構成された複数の電界放出電子源、および前記第１の電極と前記第２の電極との間に接続された電源を具備した並列電界放出電子源と、
前記並列電界放出電子源に対して前記先端とは反対側に、光の入射面が前記先端が配置された面と平行または略平行に配置された請求項８に記載の偏光制御素子と、
前記偏光制御素子に対して前記並列電界放出電子源とは反対側に配置され、励起光源からの励起光を前記偏光制御素子を介して、前記並列電界放出電子源の対応する前記電界放出電子源に照射するかしないかを選択的に切り換える複数のミラーを有するミラーアレイと、
を含む並列電子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光制御素子、近接場光源、および並列電子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光は光技術の重要な要素であり、直線偏光や円偏光などは広く利用されている。これらの偏光は，光線の断面内で一様な偏光状態を持っている。ところが近年、光線の断面内において偏光状態に分布を持つ光が注目されている。一例として、図１Ａおよび図１Ｂに示すような軸対称偏光がある。代表的な軸対称偏光に図１Ａに示すラジアル偏光、図１Ｂに示すアジムサル偏光がある。これらはそれぞれ、ビーム内での偏光状態が、光軸に対して動径方向および周方向に軸対称に分布している。前者は径偏光、軸方向偏光などとも呼ばれ、後者は周偏光、方位偏光、アジマス偏光などとも呼ばれる。ここで、軸対称とは、その形状を中心点の回りに回転させたとき、所要の回転角度で元の形状と重ね合わせることができる形状をいう。図１Ａおよび図１Ｂの例では、中心点の回りに１８０°回転させたときにも元の形状と重ね合わせることができるので、点対称でもある。【０００３】
同図において、矢印の向きは特定の偏光における電場ベクトルの位相を表しており、各偏光の電場ベクトルは、中心に対して反対向きの偏光の電場ベクトル、すなわち位相の反転した偏光の電場ベクトルと対になっている。そして、同図に示すように、電場の半周期の時間経過とともに偏光状態が反転する。【０００４】
上記のラジアル偏光状態またはアジムサル偏光状態を有する光は、特異な集光特性や電磁場分布を持つことから、観察、加工、光ピンセットなど多くの分野に応用されている。特に、ラジアル偏光した光をレンズで集光すると各偏光が角度分散を持ち、それらの干渉により光の進行方向に大きな電場成分をもつ特殊な光の場を作り出せることが知られており、今後の応用が期待されている。【０００５】
ところで、軸対称偏光を得るには、大別して二つの方法がある。第１の方法は、レーザ共振器の出力ミラーに特殊な形状のものを用いて、軸対称モードのレーザ光のみを発振させる方法である。このような方法の一例として、特許文献１には、出力ミラーとしてフォトニック結晶を採用し、円筒対称な偏光分布を有するレーザ光を発振するレーザ発振器が開示されている。【０００６】
一方、第２の方法は、直線偏光や円偏光といった従来から知られた均一な分布を持つ偏光を、軸対称偏光に変換する光学素子（軸対称偏光子）を利用する方法である。軸対称偏光子の例として、非特許文献１には、ＧａＡｓウエハをＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）で渦状に溝加工し、サブ波長回折格子としたものが開示されている。非特許文献１の回折格子は、波長１０．６μｍの円偏光を入射することにより、ラジアル偏光あるいはアジムサル偏光を得ている。【０００７】
また、第２の方法の別の例として、非特許文献２には、シリカガラスに軸対称レーザ光を照射して描画し、軸対称偏光子としたものが開示されている。非特許文献２の軸対称偏光子は、直線偏光または円偏光を入射することにより、ラジアル偏光あるいはアジムサル偏光を得ている。【０００８】
さらに、第２の方法の別の例として、特許文献２には、放射状に８分割、あるいは１６分割した光学結晶による２分の１波長板を、光学軸の方向を異ならせて基板に貼り付け軸対称偏光子としたものが開示されている。特許文献２の軸対称偏光子は、直線偏光を入射することにより、ラジアル偏光またはアジムサル偏光に近い偏光状態を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＷＯ２００８／１１７５２８
【特許文献２】特許第４５１２６９３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Z. Bomzon, G. Biener, V. Kleiner, and E. Hasman, Optics Letters, Vol.27, No.5, p285-287 (2002)
【非特許文献２】M. Beresna, M. Gecevicius, P. Kazansly, and T. Gertus, Appl. Phys. Lett., 98 201101 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１のレーザ発振器によるものは、出射波長や軸対称偏光の状態等が固定されており、取り扱いが容易で、金属加工等の特定の目的を有する用途には適する。しかしながら、出射光の波長や、軸対称偏光の状態等を目的、用途に応じて変えたいような場合には、汎用性がなく適さない。【００１２】
また、非特許文献１のサブ波長回折格子は、基板としてＧａＡｓを用いているため適用する波長が赤外域等の長波長に限定され、観察・蛍光等の分野で必要となる可視光・紫外光には適用できない。【００１３】
また、非特許文献２の軸対称偏光子は、レーザ描画による逐次的な加工により得るため、軸対称偏光子を多数アレイ状に配置する場合（軸対称偏光子アレイ）のような並列化用途への適用が困難である。そのため、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）等を利用した多数の光ビームを取り扱う並列光学素子への応用が難しい。【００１４】
さらに、特許文献２の軸対称偏光子は、結晶材料を用いているため、一定の大きさ（一例として、直径数ｍｍないし数１０ｍｍ程度、厚さ１０ｍｍ程度）が必要とされ、微細化、並列化が困難である。【００１５】
本発明は、以上のような背景に鑑みてなされたものであり、可視域全体および一部近紫外域を含む広い波長範囲に利用可能で、薄型であり、微細化・並列化（アレイ化）が可能な偏光制御素子、該偏光制御素子を用いた近接場光源、および並列電子線装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の態様に係る偏光制御素子は、透光性を有する基板と、前記基板上の放射状に分割された複数の分割領域の各々に設けられた、前記複数の分割領域ごとに方向を異ならせ、かつ間にスリットを有するように延伸されるとともに、前記複数の分割領域の１つの延伸方向を基準とした場合に、隣接する分割領域の延伸方向の前記基準の延伸方向とのなす角度が、周方向に増加、または減少する方向とされている複数の金属を含んで構成された複数の波長板を含む偏光変換部と、を備えるものである。【００１７】
第１の態様に係る偏光制御素子によれば、透光性を有する基板上に延伸して形成された複数の金属および隣接する金属に挟まれたスリットにより波長板を構成しているので、結晶による波長板を用いた従来技術に比較して、可視域全体および一部近紫外域を含む広い波長範囲に利用可能で、薄型であり、微細化が可能な偏光制御素子を実現できるという効果が得られる。【００１８】
本発明の第２の態様に係る偏光制御素子は、第１の態様に係る偏光制御素子において、前記波長板は２分の１波長板であり、隣接する前記波長板に含まれる前記複数の金属の延伸方向のなす角度が、１８０を前記波長板の数で割った角度であるものである。【００１９】
本発明の第３の態様に係る偏光制御素子は、第１または第２の態様に係る偏光制御素子において、前記基板が、石英ガラス、溶融石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、サファイア、および蛍石のうちのいずれかで形成されているものである。【００２０】
本発明の第４の態様に係る偏光制御素子は、第１ないし第３のいずれか１つの態様に係る偏光制御素子において、前記金属が、金、アルミニウムおよび銀のうちのいずれかであるものである。【００２１】
本発明の第５の態様に係る偏光制御素子は、第１ないし第４のいずれか１つの態様に係る偏光制御素子において、前記金属の前記基板の表面からの高さをＨ（ｎｍ）、前記スリットの幅をＷ（ｎｍ）とした場合に、前記ＨおよびＷが、１００≦Ｗ２／（Ｈ−１００）≦４４１なる関係を満たすものである。【００２２】
本発明の第６の態様に係る偏光制御素子は、第１ないし第５のいずれか１つの態様に係る偏光制御素子において、前記複数の波長板の各々が、前記複数の波長板の各々を構成する複数の金属に接続されるとともに、前記複数の金属の延伸方向と交差する方向に延伸された金属をさらに含むものである。【００２３】
本発明の第７の態様に係る偏光制御素子は、第１ないし第５のいずれか１つの態様に係る偏光制御素子において、前記複数の波長板の各々が、前記複数の波長板の各々を構成する複数の金属を分断するとともに、前記複数の金属の延伸方向と交差する方向に延伸されたスリットをさらに含むものである。【００２４】
本発明の第８の態様に係る偏光制御素子は、第１ないし第７のいずれか１つの態様に係る偏光制御素子において、前記基板上に、前記偏光変換部が複数設けられているものである。【００２５】
第８の態様に係る偏光制御素子によれば、偏光制御素子を並列化してアレイ状に配置した偏光制御素子アレイを実現できるという効果が得られる。【００２６】
本発明の第９の態様に係る近接場光源は、先端を先鋭化した金属探針と、前記金属探針に対して前記金属探針の先端とは反対側に配置された第１ないし第７のいずれか１つの態様に係る偏光制御素子と、前記偏光制御素子を介して、前記金属探針の先端に光を照射する光源と、を含むものである。【００２７】
第９の態様に係る近接場光源によれば、第１ないし第７のいずれか１つの態様に係る偏光制御素子を用いた近接場光源を実現できるという効果が得られる。【００２８】
本発明の第１０の態様に係る近接場光源アレイは、先端を先鋭化した金属探針を、各々の先端が同一または略同一の面上となるようにアレイ状に複数配置した金属探針アレイと、前記金属探針アレイに対して前記金属探針の先端とは反対側に、光の入射面が前記金属探針の先端が配置された面と平行または略平行に配置された第８の態様に係る偏光制御素子と、前記偏光制御素子を介して、前記金属探針アレイの各々の金属探針の先端に光を照射する光源と、を含むものである。
ここで、「略同一面上」、または「略平行」とは、近接場光源アレイの製造誤差や、経時的変化、環境状態に応じた変形等を許容した範囲内で、同一面上、または平行であることをいう。【００２９】
第１０の態様に係る近接場光源アレイによれば、偏光制御素子アレイを用いて、近接場光源をアレイ状に配置した近接場光源アレイを実現できるという効果が得られる。【００３０】
本発明の第１１の態様に係る近接場光源アレイは、第１０の態様に係る近接場光源アレイにおいて、前記金属探針アレイにおける各々の金属探針は、前記偏光制御素子における各々の前記偏光変換部に対応して設けられているものである。【００３１】
第１１の態様に係る近接場光源アレイによれば、金属探針アレイにおける各々の金属探針と、偏光制御素子における各々の偏光変換部が１：１に対応して設けられているので、さらに効率よく近接場光を発生することのできる近接場光源アレイが実現できるという効果が得られる。【００３２】
本発明の第１２の態様に係る並列電子線装置は、先端が同一または略同一の面上に配置されるようにして、先鋭化して形成された複数の錘状部を有する透光性の基板、前記基板上の前記複数の錘状部が設けられた面に金属で形成された第１の電極と前記錘状部の先端に対し間隙を設けて前記錘状部の周囲に配置された第２の電極とを含んで構成された複数の電界放出電子源、および前記第１の電極と前記第２の電極との間に接続された電源を具備した並列電界放出電子源と、前記並列電界放出電子源に対して前記先端とは反対側に、光の入射面が前記先端が配置された面と平行または略平行に配置された第８の態様に係る偏光制御素子と、前記偏光制御素子に対して前記並列電界放出電子源とは反対側に配置され、励起光源からの励起光を前記偏光制御素子を介して、前記並列電界放出電子源の対応する前記電界放出電子源に照射するかしないかを選択的に切り換える複数のミラーを有するミラーアレイと、を含むものである。【００３３】
第１２の態様に係る並列電子線装置によれば、偏光制御素子アレイを用いて、電界放出電子源をアレイ状に配置して構成した並列電子線装置を実現できるという効果が得られる。
【発明の効果】
【００３４】
可視域全体および一部近紫外域を含む広い波長範囲に利用可能で、薄型であり、微細化・並列化（アレイ化）が可能な偏光制御素子、該偏光制御素子を用いた近接場光源、および並列電子線装置を提供することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１Ａ】実施の形態に係る軸対称偏光を説明するための模式図である。
【図１Ｂ】実施の形態に係る軸対称偏光を説明するための模式図である。
【図２】第１の実施の形態に係る軸対称偏光子の機能を説明するための模式図である。
【図３】第１の実施の形態に係る軸対称偏光子の作用を説明するための説明図である。
【図４Ａ】第１の実施の形態に係る軸対称偏光子の構成を示す模式図である。
【図４Ｂ】第１の実施の形態に係る軸対称偏光子の構成を示す模式図である。
【図４Ｃ】第１の実施の形態に係る軸対称偏光子の構成を示す模式図である。
【図５】第１の実施の形態に係るナノスリット構造体の斜視図である。
【図６】第１の実施の形態に係るナノスリット構造体の作用を説明するための説明図である。
【図７】第１の実施の形態に係る軸対称偏光子の製造工程を示す工程図である。
【図８Ａ】第１の実施の形態に係る軸対称偏光子アレイの写真である。
【図８Ｂ】第１の実施の形態に係る軸対称偏光子アレイの模式図である。
【図９】第１の実施の形態に係るナノスリット構造体の複屈折量の測定値および計算値を示すグラフである。
【図１０】第１の実施の形態に係る軸対称偏光子の出射光の観測系の構成例を示すブロック図である。
【図１１】第１の実施の形態に係る軸対称偏光子の出射光の観測結果の一例を示す説明図である。
【図１２】第１の実施の形態に係るナノスリット構造体の複屈折量と金膜厚およびナノスリットの幅との関係を示すグラフである。
【図１３】第１の実施の形態に係る各波長における金膜厚およびナノスリットの幅の最適値を示すグラフである。
【図１４】第１の実施の形態に係る各波長におけるＡｌ膜厚およびナノスリットの幅の最適値を示すグラフである。
【図１５Ａ】第２の実施の形態に係る軸対称偏光子の構成を示す模式図である。
【図１５Ｂ】第２の実施の形態に係る軸対称偏光子の構成を示す模式図である。
【図１６】第３の実施の形態に係る軸対称偏光子の構成を示す模式図である。
【図１７】第４の実施の形態に係る近接場光を説明するための模式図である。
【図１８】第４の実施の形態に係る近接場光源アレイの構成を示す構成図である。
【図１９】第５の実施の形態に係る並列電子線装置の構成を示す構成図である。
【図２０Ａ】第５の実施の形態に係るミラーアレイの平面図である。
【図２０Ｂ】第５の実施の形態に係る並列電界放出電子源の平面図である。
【図２１】第５の実施の形態に係る電界放出電子源の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
【００３７】
［第１の実施の形態］
まず、図２を参照して、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０について説明する。本実施の形態に係る軸対称偏光子１０は、特定方向に偏光方向を設定された偏光を入射させることにより、ラジアル偏光またはアジムサル偏光を出射する偏光制御素子として機能する。
同図に示すように本実施の形態に係る軸対称偏光子１０は、４つのナノスリット構造体１２ａ、１２ｂ、１２ｃ，および１２ｄ（以下、個々のナノスリット構造体を区別しない場合には、単に「ナノスリット構造体１２」という。）を含んで構成されている。そして、各々のナノスリット構造体１２は、後述するように２分の１波長板（以下、「λ／２板」という。）として機能する。
【００３８】
λ／２板とは、一般的には複屈折性を有する結晶からなり、入射光に対して１８０°の位相差を与える複屈折位相子である。複屈折性とは、物質を透過する時の光の速さが、透過する光の電場ベクトルの向きに依存する性質をいい、入射した光の電場成分の位相が進む方向を進相軸（ｆａｓｔ軸）、逆に位相が遅れる方向を遅相軸（ｓｌｏｗ軸）という。
上記のような特性を有するために、その進相軸に対してθなる角度で傾いた偏光方向を有する直線偏光がλ／２板に入射すると、出射光の偏光方向は入射光の偏光方向に対して２θだけ回転する。
【００３９】
つぎに、図３を参照して、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０の作用について説明する。同図（ａ）は、軸対称偏光子１０がラジアル偏光を出射する場合の作用を示している。軸対称偏光子１０は４つのナノスリット構造体１２ａないし１２ｄを含んで構成され、その進相軸（図中一点鎖線で示している。）は同図に示すように互いに４５°ずつ異なっている。そして、任意のナノスリット構造体１２の進相軸を基準線にした場合、隣接するナノスリット構造体１２の進相軸が基準線となす角度は、周方向に４５°ずつ漸次増加または減少するように構成されている。
【００４０】
ここで、同図（ａ）に示すように、ナノスリット構造体１２ｄの進相軸を基準にとり（同図に基準線として示している）、該基準線に対し４５°傾いた偏光が入射した場合を考える。
このとき、ナノスリット構造体１２ａについては、入射光の偏光方向と進相軸とのなす角度は０°、すなわち平行であるので、出射光は入射光と平行になり、入射光はその偏光方向を回転させることなくナノスリット構造体１２ａを通過する。つぎに、ナノスリット構造体１２ｂでは、入射光と進相軸のなす角は４５°なので、出射光の偏光方向は９０°回転し、進相軸に対し入射光と対称な偏光方向となる。つぎに、ナノスリット構造体１２ｃでは、入射光は進相軸と直行する方向に入射するので、出射光は入射光の偏光方向を１８０°回転したものとなる。そして、ナノスリット構造体１２ｄでは、入射光は進相軸に対し４５°の角度で入射するのでその偏光方向は９０°回転し、出射光は進相軸に対し入射光と対称な偏光方向となる。
【００４１】
以上４つのナノスリット構造体１２ａないし１２ｄによって、それぞれ入射偏光が回転された出射偏光を合成すると、出射光全体は同図（ａ）に示すように軸対称なラジアル偏光となる。
【００４２】
同図（ｂ）に示すように、アジムサル偏光を得たい場合には、基準線に対し１３５°入射角を傾けた偏光を軸対称偏光子１０に入射すればよい。軸対称偏光子１０の作用は、上記ラジアル偏光の場合と同様に考えることができる。
【００４３】
以上のように、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０によれば、入射する偏光の偏光方向を異ならせるだけでラジアル偏光およびアジムサル偏光を切り替えて得ることができる。
【００４４】
つぎに、図４Ａないし図４Ｃ、および図５を参照して、ナノスリット構造体を形成する材料として金を用いた場合のナノスリット構造体１２の構成について詳細に説明する。
【００４５】
まず、図４Ａに示すように、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０は、先述したように、進相軸の方向が４５°ずつ異なるナノスリット構造体１２ａないし１２ｄを含んで構成されている。同図において、双方向の矢印の向きはナノスリット構造体１２におけるナノスリットの方向、すなわち進相軸の方向を示している。そして、図４Ｃに示すように、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０は、石英ガラス基板２０（図４Ｂも参照）上に蒸着された金の膜に、ナノスリット構造体１２の進相軸の方向に応じてナノスリット２４を設けた構成となっている。
図４Ｂは、図４Ｃに示す軸対称偏光子１０のナノスリット構造体１２ｄ中に示した一点鎖線Ｓで切り取った部分を射視した図である。図４Ｂに示すように、各ナノスリット構造体１２ａないし１２ｄは、石英ガラス基板２０上に形成された複数の金ライン２２、および隣接する金ライン２２に挟まれたナノスリット２４を含んで構成されている。
【００４６】
図５に、図４Ｂのナノスリット構造体１２の拡大図を示す。同図には、後述の説明で用いる各パラメータとして、ナノスリット２４の幅Ｗ、金ライン２２の金膜厚Ｈ、金ライン２２（またはナノスリット２４）の周期Ｐ、および石英ガラス基板２０の厚さｔの定義を併せて示している。なお、クロム層２６は後述する石英ガラス基板２０と金ライン２２との密着層である。
【００４７】
つぎに、図６を参照して、ナノスリット構造体１２の作用について説明する。
同図に示すように、金ライン２２はｙ軸方向に延伸されており、隣接する金ライン２２に挟まれた領域が、サブ波長オーダーの幅Ｗを有するナノスリット２４を形成している。かかる構成において、石英ガラス基板２０の底面（石英ガラス基板２０の表面のうち、金ライン２２が形成されていない側の面）から光を入射した場合、入射光の電場ベクトルは、ｙ軸方向成分（金ライン２２に平行な方向：ＴＥ方向）の偏光とｘ軸方向成分（金ライン２２に直交する方向：ＴＭ方向）の偏光に分離して考えることができる。
【００４８】
このとき、金ライン２２の作用によって、ＴＥ方向の偏光に対しては波数が小さくなるため位相が進む（進相軸）。一方、ＴＭ方向の偏光については、金ラインの表面に表面プラズモンが励起されるために波数が大きくなって位相が遅れる（遅相軸）。そのため、ＴＥ方向の偏光とＴＭ方向の偏光との間に大きな光学的位相差が発生し、複屈折性を示すようになる。このような、ＴＥ方向の偏光とＴＭ方向の偏光に対する金ライン２２の作用の相違は、金ライン２２と空気との境界において、ＴＥ方向の偏光の電場は０となり光プロファイルがナノスリット２４内に閉じ込められるのに対し、ＴＭ方向の偏光の電場は金ライン２２と空気の境界においてピークとなるという違いに起因している。（図６のナノスリット２４内に図示した、各々の光プロファイルを参照。）
なお、以上の説明は、S. Y. Hsu ， K. L. Lee， E. H. Lin， M. C. Lee. and P.K. Wei， Appl. Phy. Lett. 95， 013105 (2009)  を参考にしている。
【００４９】
本実施の形態におけるナノスリット構造体１２は、上記ＴＥ方向の偏光とＴＭ方向の偏光との間の光学的位相差が約１８０°となるように設計されている。そのため、先述したように、各ナノスリット構造体１２ａないし１２ｄは、それぞれの進相軸の方向に応じて入射した偏光の偏光軸を回転させる。
上記で説明した本実施の形態に係るナノスリット構造体１２は、その原理的な特徴により、微細構造でありながら非常に大きな複屈折性を有するので、微小サイズのλ／２板を実現することができる。
【００５０】
つぎに、図７を参照して、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０の製造方法について説明する。本実施の形態に係る軸対称偏光子１０は、一例として、電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィおよびリフトオフにより製造することができる。
【００５１】
まず、石英ガラス基板２０に電子ビーム露光用のレジスト５０を塗布する（同図（ａ））。石英ガラス基板２０の大きさは、一例として２ｃｍ角とすることができ、厚さは、一例として５００μｍとすることができる。レジスト５０は電子線用のもので、たとえば、ＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ  Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）系のレジストを用いることができる。
つぎに、レジストの取り除きたい部分に電子ビームを照射する（同図（ｂ）、露光）。
つぎに、現像液に浸して電子ビームを照射した部分のレジスト５０を取り除く（同図（ｃ）、現像）。現像液としては、たとえば、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）等を用いることができる。
【００５２】
つぎに、石英ガラス基板２０の全体にＣｒ（クロム）を蒸着した後、金を蒸着する（同図（ｄ））。この際に用いたＣｒは金ライン２２と石英ガラス基板２０との間の密着層であり、必須のものではない。
つぎに、有機溶媒に浸して、残留しているレジスト５０を除去する（同図（ｅ）、リフトオフ）。有機溶媒としては、たとえば、アセトン等を用いることができる。
以上のような工程により、図４Ｃに示すような金膜により周囲を囲まれたナノスリットを含んで構成された、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０を得ることができる。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、電子ビームを照射した部分が取り除かれるいわゆるポジ型レジストを用いているが、これに代えて電子ビームを照射した部分が残るネガ型レジストを用いてもよい。
また、本実施の形態では、基板として石英ガラス基板を用いているが、その他、溶融石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、サファイア、および蛍石などを好適に用いることができる。
また、本実施の形態では、金属ラインを形成する材料として金を用いているが、その他、表面プラズモン効果による損失が少ないアルミニウム、および銀などを好適に用いることができる。
また、石英ガラス基板２０の光の入射面には、必要に応じＡＲ（Ａｎｔｉ−rｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コート（反射防止膜）を施してもよい。
さらに、本実施の形態では金属ラインを形成する方法としてリフトオフを例示して説明したが、これに限られず、金属メッキをエッチングして形成する方法や、レジストを鋳型にして金属ラインを形成するＬＩＧＡ法などを用いて形成してもよい。
【００５４】
つぎに、図８Ａ、図８Ｂおよび図９を参照して、上記製造プロセスによって製造された本実施の形態に係る軸対称偏光子１０の特性について説明する。
図８Ａに、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０を複数有する軸対称偏光子アレイ１００の電子顕微鏡写真を示す。軸対称偏光子アレイ１００は、図４Ｃに示す軸対称偏光子１０が９個アレイ状に配置されている。図８Ｂは、ナノスリット２４の方向を明瞭化して図示した軸対称偏光子アレイ１００の模式図である。同図に示すように、本実施の形態に係る軸対称偏光子アレイ１００は、一様に形成された金膜に周囲を囲まれたナノスリット２４含んで構成されている。
軸対称偏光子１０の各ナノスリット構造体１２における各部寸法は、金ライン２２の周期Ｐを５２５ｎｍ、ナノスリットの幅Ｗを３００ｎｍ、および金膜厚Ｈを４４５ｎｍとし、軸対称偏光子１０のサイズを１辺が１０μｍの正方形とした。また、石英ガラス基板２０の厚さｔを５００μｍとした。（図５参照。）このように、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０は、結晶を並べて配置した従来例に比較して、微細化と同時に、非常に薄型にできるのも特徴のひとつである。
【００５５】
図９は、軸対称偏光子アレイ１００の各ナノスリット構造体１２における複屈折量（位相差）をセナルモン法を用いて測定した結果である。セナルモン法とは、１／４波長板と偏光子を組み合わせて、試料透過後の楕円偏光を直線偏光に戻して、楕円率と楕円主軸の方向を決定する手法であるが、公知の手法であるので詳細な説明については省略する。
図９には、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）を用いた電磁場解析による計算値も併せて図示している。
同図から、波長６１０〜６３０ｎｍ付近で位相差が１８０°に達しており、λ／２板として機能していることがわかる。また、実験値と計算値はよく一致していることもわかる。
【００５６】
つぎに、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０が、実際に直線偏光を軸対称偏光へ変換していることを確認した観測結果について説明する。なお、本観測では、上記軸対称偏光素子アレイ１００のナノスリット構造体１２の各部寸法と同様の寸法で作成した、１辺が１００μｍの軸対称偏光子１０を用いている。
【００５７】
図１０は、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０からの出力光の観測に用いた軸対称偏光観測系２００を示している。
図１０において、白色光源３０（たとえば、ハロゲンランプ等）より出射した光をコリメート用のレンズ３４を通し、偏光子３６にて偏光方向を特定した直線偏光に変換する。その直線偏光を本実施の形態に係る軸対称偏光子１０に入射させ、偏光方向を特定して軸対称偏光子１０の出射光を切り出す検光子３８を通過させる。その後、軸対称偏光子１０からの出射光を集光用のレンズ４２を通して観測用のカメラ３２に入射させる。白色光源３０とレンズ３４との間には、必要に応じ、白色光源３０からの出射光の特定波長のみを選択的に透過させる（つまり、白色光源を単一波長化する）フィルタ４０を挿入する。ここで、本実施の形態では、図９の実験結果から、６３３ｎｍのフィルタ４０を採用した。
【００５８】
以上のような軸対称偏光観測系２００を用いて軸対称偏光子１０からの出射光を観測した結果を図１１に示す。同図における写真（ａ）ないし（ｄ）は、６３３ｎｍの単色光源による軸対称偏光子１０の透過画像を示している。
まず、図１１の写真（ａ）および（ｂ）は、図１１に示す基準線に対し４５°の角度をなす偏光状態の入射光（図１１において、上側の入射偏光）を軸対称偏光子１０に入射させた場合について、検光子３８の通過方向を基準線に対し４５°および１３５°の角度をなすように設定した場合の軸対称偏光子１０からの出射光の観測結果を示している。
【００５９】
図１１の写真（ａ）を参照して、４５°方向の検光子３８を通過した軸対称偏光子１０からの出射光は、右上、左下に位置するナノスリット構造体１２ａおよびナノスリット構造体１２ｃから出射しており、左上、右下に位置するナノスリット構造体１２ｂおよびナノスリット構造体１２ｄが消光していることがわかる。一方、図１１の写真（ｂ）を参照すると、１３５°方向の検光子３８を通過した軸対称偏光子１０からの出射光は、左上、右下に位置するナノスリット構造体１２ｂおよびナノスリット構造体１２ｄから出射しており、右上、左下に位置するナノスリット構造体１２ａおよびナノスリット構造体１２ｃが消光していることがわかる。
以上の観測結果から、軸対称偏光子１０に対し、基準線に対して４５°の角度をなす偏光方向を有する光を入射させると、出射光はラジアル偏光になっていることがわかる。
【００６０】
つぎに、図１１の写真（ｃ）および（ｄ）は、基準線に対し１３５°の角度をなす偏光状態の入射光（図１１において、下側の入射偏光）を軸対称偏光子１０に入射させた場合について、検光子３８の通過方向を基準線に対し４５°および１３５°の角度をなすように設定した場合の軸対称偏光子１０からの出射光の観測結果を示している。
【００６１】
図１１の写真（ｃ）を参照して、４５°方向の検光子３８を通過した軸対称偏光子１０からの出射光は、左上、右下に位置するナノスリット構造体１２ｂおよびナノスリット構造体１２ｄから出射しており、右上、左下に位置するナノスリット構造体１２ａおよびナノスリット構造体１２ｃが消光していることがわかる。一方、図１１の写真（ｄ）を参照すると、１３５°方向の検光子３８を通過した軸対称偏光子１０からの出射光は、右上、左下に位置するナノスリット構造体１２ａおよびナノスリット構造体１２ｃから出射しており、左上、右下に位置するナノスリット構造体１２ｂおよびナノスリット構造体１２ｄが消光していることがわかる。
以上の観測結果から、軸対称偏光子１０に対し、基準線に対して１３５°の角度をなす偏光方向を有する光を入射させると、出射光はアジムサル偏光になっていることがわかる。
【００６２】
ここで、上述においては、波長が６３３ｎｍの場合について例示して説明したが、金ラインおよび隣接する金ラインで形成されたナノスリットをガラス基板上に配置したモデルについて、ＦＤＴＤ法による解析を行なうことにより、他の波長についても軸対称偏光子１０の最適設計値を求めることができる。この解析は、各波長について、たとえば、金膜厚Ｈおよびナノスリット幅Ｗをパラメータとし、位相差およびＴＥ方向の電界の振幅とＴＭ方向の電界の振幅の比である振幅比ＴＥ／ＴＭを評価して行なうことができる。
【００６３】
図１２は、光の波長が６３３ｎｍにおける上記解析の結果を示している。各図は、横軸を金膜厚（Ｇｏｌｄ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）とし、縦軸をナノスリットの幅（Ｓｌｉｔ  ｗｉｄｔｈ）として、軸対称偏光子１０におけるＴＥ方向とＴＭ方向の偏光成分の位相差を同図（ａ）に、振幅比ＴＥ／ＴＭを同図（ｂ）に、同図（ａ）における位相差１８０°の曲線と同図（ｂ）における振幅比１の曲線を重ねたものを同図（ｃ）に示している。なお、図１２の解析においては、金ライン２２の周期Ｐを５００ｎｍとしている（図５も参照）。
本実施の形態に係る軸対称偏光子１０の金膜厚Ｈおよびナノスリット幅Ｗの最適値は、同図（ｃ）における位相差１８０°の曲線および振幅比１の曲線の交点近傍の値として求めることができる。同図から、波長６３３ｎｍにおいては、金膜厚Ｈの最適値は約３２０ｎｍ、ナノスリット幅Ｗの最適値は約２５０ｎｍであることがわかる。
【００６４】
同様にして、他の波長について金膜厚Ｈとナノスリット幅Ｗの最適値を求めた結果を表１に示す。同表に示すように、金属ラインを形成する材料として金を用いた場合の本実施の形態に係る軸対称偏光子１０は、特に可視域の広い波長範囲にわたって設計することが可能であることがわかる。
【００６５】
【表１】
2014003146.tif 000003
【００６６】
さらに、図１３は、表１に示した各波長に対して、位相差が１７０°以上、１８０°以下であって、かつ振幅比が０．９５以上、１．０５以下を実現する金膜厚Ｈおよびナノスリット幅Ｗの領域をそれぞれプロットしたグラフである。位相差および振幅比についての前記範囲は、軸対称偏光子１０の性能指標であり、軸対称偏光子１０によって変換・出射された軸対称偏光が十分実用的である範囲を示している。
【００６７】
図１３には、下記（式１）および（式２）で示される、上記各波長についてのプロットを間に包含するようにして求めた２本の近似線を併せて示している。
Ｗ２／（Ｈ−１００）＝１００  ・・・  （式１）
Ｗ２／（Ｈ−１００）＝４４１  ・・・  （式２）
したがって、金膜厚Ｈおよびナノスリット幅Ｗを、下記（式３）の範囲内の領域から選択して軸対称偏光子１０を設計することにより、特に可視域の広い波長範囲にわたって軸対称偏光子１０を実現することができる。
１００≦Ｗ２／（Ｈ−１００）≦４４１  ・・・  （式３）
【００６８】
ここで、本実施の形態に係る軸対称偏光子１０では、金属ラインを形成する材料として、金以外にアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）等の材料が適用可能であるが、以下に、金属ラインを形成する材料としてＡｌを採用した場合の例を示す。
【００６９】
金属ラインを形成する材料としてＡｌを用いた本実施の形態に係る軸対称偏光子１０について、図１３と同様のグラフを作成した。すなわち、Ａｌラインおよび隣接するＡｌラインで形成されたナノスリットをガラス基板上に配置したモデル（図４Ｂに示すナノスリット構造体１２において、金ライン２２をＡｌラインに変えたモデル）について、ＦＤＴＤ法による解析を行なった。
【００７０】
図１４は、上記解析結果を元に、波長４４２ｎｍおよび３７５ｎｍの場合について、位相差が１７０°以上、１８０°以下であって、かつ振幅比が０．９５以上、１．０５以下を実現するＡｌ膜厚Ｈおよびナノスリット幅Ｗの領域をそれぞれプロットしたグラフである。ただし、波長４４２ｎｍにおけるＡｌラインの周期Ｐは２５０ｎｍ、波長３７５ｎｍにおけるＡｌラインの周期Ｐは２７５ｎｍとしている。
【００７１】
図１４に示すように、Ａｌラインを用いた場合の、波長４４２ｎｍおよび３７５ｎｍのプロットを包含する式も、上記の（式１）および（式２）と同様の式となった。したがって、Ａｌ膜厚Ｈおよびナノスリット幅Ｗを、上記（式３）の範囲内の領域から選択して軸対称偏光子１０を設計することにより、可視域全域、および一部近紫外域を含む波長範囲の短波長側において軸対称偏光子１０を実現することができる。
【００７２】
上記結果から、金属ラインを形成する材料として金およびＡｌを使い分けることにより、可視域全体および一部近紫外域を含む広い波長範囲（本実施の形態では、３７５ｎｍ〜７８０ｎｍ）にわたって適用可能な、本実施の形態の形態に係る軸対称偏光子１０を実現することが可能であることがわかる。
【００７３】
なお、Ａｌラインを用いた本実施の形態に係る軸対称偏光子１０も、図７に示した製造方法を用いて製造することが可能である。すなわち、図７（ｄ）の蒸着工程において、金を蒸着する代わりにアルミニウムを蒸着すればよい。
【００７４】
以上詳述したように、本実施の形態によれば、可視域全体および一部近紫外域を含む広い波長範囲において、一例として厚さが約５００μｍ、１辺が約１０μｍ等と、薄型で微細な軸対称偏光子、あるいは軸対称偏光子アレイを実現することができる。しかも、ＥＢリソグラフィおよびリフトオフによるプロセスで製造することができるので、大量生産にも対応可能である。また、リソグラフィプロセスをナノインプリントリソグラフィや縮小投影露光等に置き換えることにより、さらに効率的な大量生産も期待できる。
【００７５】
以上のように、本実施の形態の軸対称偏光子、あるいは軸対対称偏光子アレイによれば、可視域全体および一部近紫外域を含む広い波長範囲に利用可能で、薄型であり、微細化・並列化（アレイ化）が可能な軸対称偏光子を実現することが可能となる。
【００７６】
［第２の実施の形態］
図１５Ａおよび図１５Ｂに、本実施の形態に係る軸対称偏光子７０および軸対称偏光子８０を示す。
【００７７】
図１５Ａ示す軸対称偏光子７０は、第１の実施の形態に係る軸対称偏光子１０において、さらに金ライン７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、および７４ｄ（以下、個々の金ラインを区別しない場合には、単に「金ライン７４」という。）を設けたものである。金ライン７４ａないし７４ｄは、λ／２板を構成する各ナノスリット構造体７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、および７２ｄを構成する各金ライン２２の各々を接続するとともに、金ライン２２と交差する方向（本実施の形態では直交する方向）に延伸して形成されている。かかる構成の金ライン７４は、図７に示す製造工程において、電子ビームによる露光を変えることによって形成することができる。
【００７８】
本実施の形態に係る軸対称偏光子７０によれば、各金ライン２２の間が金ライン７４で架橋されているので、図７に示す製造工程において現像工程後に残留させるレジスト（図７（ｃ）および図７（ｄ）参照）が細分化され、レジストの倒れを防止することができるという効果を奏する。なお、レジストの倒れとは、たとえば、現像時に、現像液の毛細管現象の影響でレジストパターンが倒れることをいう。
【００７９】
一方、図１５Ｂ示す軸対称偏光子８０は、第１の実施の形態に係る軸対称偏光子１０において、さらにスリット８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、および８４ｄ（以下、個々のスリットを区別しない場合には、単に「スリット８４」という。）を設けたものである。スリット８４ａないし８４ｄは、λ／２板を構成する各ナノスリット構造体８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、および８２ｄを構成する各金ライン２２の各々を分断するとともに、金ライン２２と交差する方向（本実施の形態では直交する方向）に延伸して形成されている。かかる構成のスリット８４は、図７に示す製造工程において、電子ビームによる露光を変えることによって形成することができる。
【００８０】
本実施の形態に係る軸対称偏光子８０によれば、図７に示す製造工程において、残留させるレジスト（図７（ｃ）および図７（ｄ）参照）に架橋が生ずる。そのため、金を蒸着し、リフトオフした後、ナノスリット２４に加えて、金ライン２２を分断するように形成されたスリット８４がさらに形成される。したがって、本実施の形態に係る軸対称偏光子８０によれば、スリット８４の部分も光が透過可能となるので、光の透過率をさらに向上させることができるという効果を奏する。
【００８１】
以上のように、本実施の形態に係る軸対称偏光子によっても、可視域全体および一部近紫外域を含む広い波長範囲に利用可能で、薄型であり、微細化・並列化（アレイ化）が可能な軸対称偏光子を実現することが可能となる。また、本実施の形態に係る軸対称偏光子７０および軸対称偏光子８０によれば、前記に加えてさらに上述の効果を奏することが可能となる。
【００８２】
［第３の実施の形態］
図１６に、第３の実施の形態に係る軸対称偏光子６０を示す。本実施の形態は、石英ガラス基板（図１６では図示していない）上に８つのナノスリット構造体６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅ、６２ｆ、６２ｇ、および６２ｈ（以下、各ナノスリット構造体を区別しない場合には、単に「ナノスリット構造体６２」という。）を形成した形態例である。本発明に係る軸対称偏光子の形状は矩形に限られず任意の形状とすること可能であり、本実施の形態では円形状としている。
【００８３】
図１６（ａ）に示すように、本実施の形態に係る軸対称偏光子６０の各ナノスリット構造体６２は、その進相軸の方向を２２．５°ずつずらして配置している。すなわち、ナノスリット構造体６２ａの進相軸の方向を基準にとると、ナノスリット構造体６２ｂの進相軸は周方向左回りに２２．５°回転させており、ナノスリット構造体６２ｃの進相軸は４５°回転させている。以下、ナノスリット構造体６２ｄないしナノスリット構造体６２ｈについても同様である。つまり、ナノスリット構造体６２ａの進相軸の方向を基準にとると、隣接するナノスリット構造体６２の進相軸の方向は、周方向に漸次増加、または減少するように構成されている。
【００８４】
進相軸の方向を図１６（ａ）のように配置した場合には、ナノスリット６２ｅの進相軸の方向を基準線とすると、同図（ｂ）に示すように、基準線に対し９０°方向に偏光した光を入射することにより、軸対称偏光子６０の出射光としてラジアル偏光を得ることができる。同様に、軸対称偏光子６０に、基準線に対し１８０°の方向に偏光した光を入射することにより、その出射光としてアジムサル偏光を得ることができる。各ナノスリット構造体６２の入射偏光に対する作用は図３と同様に考えることができる。
【００８５】
本実施の形態では、ナノスリット構造体６２の分割数を増やすことにより、より完全な軸対称偏光に近づけることができる。ここで、ある点を中心として周方向にＭ等分した場合には、進相軸の回転角は一般に、（１８０／Ｍ）°ずつ漸次異ならせればよい。また、等分数Ｍは、Ｍ＝２Ｎ（Ｎは自然数）が好ましい。
しかしながら、必ずしも等分に分割する必要はなく、目的、用途に応じて、角度を異ならせて分割してもよい。
【００８６】
以上のように、本実施の形態によっても、可視域全体および一部近紫外域を含む広い波長範囲に利用可能で、薄型であり、微細化・並列化（アレイ化）が可能な軸対称偏光子を実現することが可能となる。
【００８７】
［第４の実施の形態］
つぎに、図１７および図１８を参照して、第４の実施の形態に係る近接場光源、および近接場光源アレイ３００について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態に係る軸対称偏光子アレイ１００を近接場光の発生に応用した形態である。
【００８８】
近年、ナノテクノロジーの進展に伴い、ナノ領域での光技術が必要不可欠になってきている。中でも、近接場光を利用した装置の開発が注目されている。
近接場光とは、光の波長よりも微小な物質構造に光を当てた際に、その物質構造の表面のごく近くに発生するが、遠くへ伝播することのない特殊な光である。これは、光の波長よりも小さな物質構造では光電場により原子の電気双極子が誘起されるが、この電気双極子が作る振動電界のうち、物質構造のごく近くにある電磁界は周囲にほとんど伝播せずに減衰するという現象に基づいている。
【００８９】
近接場光はその性質として、回折しないという特徴をもっている。したがって、この近接場光を照明光として用い顕微鏡を構成すると、その分可能は照明光の波長とは無関係になるので、波長以下のオーダーの分解能を得ることができ、また、照明光の波長とレンズの開口数によって決まる最小分解能（回折限界）の影響も受けない。これが、いわゆる近接場光学顕微鏡（ＮＳＯＭ：Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の原理である。
【００９０】
ところで、近接場光を発生させるための方法のひとつとして、先端部の曲率半径をサブ波長オーダーとして先鋭に加工した金属探針の先端に光を照射する方法が知られている。図１７（ａ）に、この従来技術による近接場光の発生のための構成を示す。
同図に示すように、金属探針３０４の先端に、側方から特定方向に偏光した光を照射すると、プラズモン共鳴場が発生し、このプラズモン共鳴によって増強された近接場光が発生する。
【００９１】
金属探針を作成するための材料としては、一例として、金、銀等を挙げることができ、先端部を先鋭に加工するための加工・研磨方法としては電界研磨等を挙げることができる。電界研磨とは、被研磨体を陽極として電解液中で浸漬し電圧を印加することにより、陽極溶液作用により陽極面を平滑化する技術である。
また、照射光の光源としては、たとえば偏光状態をＰ偏光（金属探針３０４の先鋭化方向と平行な方向に偏光した光）としたＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）レーザを用いることができる。Ｐ偏光状態の照射光を用いることにより、それと直交する方向に偏光した状態のＳ偏光よりも効率よくプラズモン共鳴場を発生することができる。
【００９２】
図１７（ａ）のように構成したプラズモン共鳴場により発生した近接場光を試料に照射し、該試料で散乱された光を図示しないＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）等の受光素子で観測することにより、近接場光学顕微鏡として機能させることができる。また、発生した近接場光を加工対象物に近づけることにより、従来のフォトリソグラフィでは不可能であった１０数ｎｍの加工も可能となる。これが、近接場光学顕微鏡による微細加工である。
【００９３】
ここで、上記のような従来の近接場光学顕微鏡においては、その構成上一定の大きさをもつ対象構造物に対しては近接場光をスキャン（走査）する必要がある。そのため、たとえば、近接場光学顕微鏡をリソグラフィ等に応用した場合、その描画速度が問題となることが指摘されている。
かかる問題点に対応するため、本実施の形態に係る近接場光源アレイ３００では、複数のプラズモン共鳴場をアレイ状に配置する構成を採用し、このアレイ状のプラズモン共鳴場により増強されたアレイ状の近接場光を発生するようにしている。そして、該アレイ状の近接場光に、たとえばＭＥＭＳを組み合わせ、複数の探針を同時に制御してリソグラフィを行なうことにより、速度が遅いという欠点に対応することが可能となる。
【００９４】
さらに、図１７（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る近接場光源アレイ３００の各近接場光源に対しては、照射光を側方からではなく、上方すなわち金属探針３０４の先端部３０６対し反対側から照射するようにしている。これは、金属探針３０４をアレイ状に配置し、照射光を側方から照射した場合、隣接する金属探針３０４が妨害して照射光を効率的に照射できない金属探針３０４が存在するからである。また、Ｐ偏光よりもさらに効率よくプラズモン共鳴場を発生させるために、本実施の形態では、ラジアル偏光状態の照射光を照射するようにしている。
【００９５】
図１８に、本実施の形態に係る近接場光源アレイ３００を示す。同図に示すように、本実施の形態に係る近接場光源アレイ３００では、金属探針３０４をアレイ状に配置した金属探針アレイ３０２の先端部３０６に対して反対側に、第１の実施の形態で説明した軸対称偏光子アレイ１００を配置する。このとき、該軸対称偏光子アレイ１００上の個々の軸対称偏光子１０は、個々の金属探針３０４のそれぞれに対応させるようにし、金属探針アレイ３０２の先端３０６とは反対側から軸対称偏光子アレイ１００を介して照射光を照射する構成としている。
【００９６】
先述したように、軸対称偏光子アレイ１００における個々の軸対称偏光子１０は、照射光の偏光方向状態に応じラジアル偏光またはアジムサル偏光を出射する。本実施の形態では、軸対称偏光子１０がラジアル偏光を出射するように照射光の偏光状態を設定している。かかる構成によって、各金属探針３０４の先端部３０６にはラジアル偏光状態の光が一様に照射されることになってプラズモン共鳴場がより増強され、その結果、アレイ状の近接場光を効率的に発生させることができるようになる。
【００９７】
ここで、本実施の形態では、金属探針アレイ３０２の各金属探針３０４のそれぞれに対し、軸対称偏光子アレイ１００の各軸対称偏光子１０を対応させるようにしているが、金属探針３０４と軸対称偏光子１０とは必ずしも１対１に対応させる必要はない。各金属探針３０４の先端部３０６に対し十分な照射光を照射できれば、軸対称偏光子アレイ１００上の軸対称偏光子１０の数は、金属探針アレイ３０２における金属探針３０４の数より少なくても、また多くてもよい。
【００９８】
以上説明したように、本実施の形態に係る近接場光源によれば、近接場光を効率よく発生させることができる。さらに、本実施の形態に係る近接場光源アレイ３００によれば、アレイ状の近接場光を効率よく発生させることができる。したがって、該アレイ状の近接場光とＭＥＭＳなどを組み合わせて用いることにより、高速なリソグラフィや、高速な細胞操作技術、光学分析等、近接場光学顕微鏡の用途をさらに拡大することが可能となる。
【００９９】
［第５の実施の形態］
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る軸対称偏光子アレイ１００を並列電子線装置４００に応用した形態である。
【０１００】
先に、本発明者らは、新規な電子放出装置について開示している（特開２０１０−２５７８９８号公報参照。）。本開示に係る電子線放出装置は、光照射によって電子線放出を制御する「プラズモン共鳴電子放出」という方式を採用したものである。この方式は、金属中の自由電子の集団振動であるプラズモン共鳴を電界放出に利用するもの、つまり、照射光の波長が電子源の形状・材質によって決まる固有の値に一致した場合、放出電流が共鳴的に大きくなるという現象を利用するものである。本方式によれば、電極間のギャップのポテンシャル障壁の厚さを狭くすることができるので、電極間の印加電圧を低減することも可能となる。
【０１０１】
先の開示では、先端の直径を２００〜３００ｎｍ程度に先鋭化したタングステン製母材に金薄膜を約５０ｎｍスパッタして得たエミッタと、該エミッタに対し約１ｍｍ離して配置した引出電極との間に電圧を印加し、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光を照射した。その結果プラズモン共鳴によってエミッタを励起し、電場増強を発生させて電界放出を誘起することが可能であることを示した。また、Ｐ偏光の方がＳ偏光より電界放出による電流が最大８０％増加することも示した。
【０１０２】
本実施の形態に係る並列電子線装置４００は、上記プラズモン共鳴電子放出を採用し、さらに照射光源の偏光状態を、第１の実施の形態に係る軸対称偏光子アレイ１００によって制御している。
図１９ないし図２１を参照して、本実施の形態に係る並列電子線装置４００について説明する。図１９は本実施の形態に係る並列電子線装置４００の構成を示す構成図、図２０Ａは、図１９における矢印Ａの方向から見たミラーアレイ４３０の平面図、図２０Ｂは、同様に矢印Ａの方向から見た並列電界放出電子源４１０の平面図、図２１は、本実施の形態に係る電界放出電子源４２０の構成を示す構成図である。
【０１０３】
まず、図１９に示すように、本実施の形態に係る並列電子線装置４００は、並列電界放出電子源４１０、静電レンズ４４０、ミラーアレイ４３０、光源５００、および軸対称偏光子アレイ１００を含んで構成されている。
並列電界放出電子源４１０は、石英ガラス等の透光性、および高屈折率性を有する基板４１２を複数の先端を先鋭化した錘状（たとえば、円錐状）の突起を有するように加工し、その上にたとえば金薄膜をコーティングして先鋭化した先端部４２２を有する電子源電極４１４を形成する。先端部の直径は、一例として、２００ｎｍとすることができる。錘状の部分は、その先端部４２２から電子線を放出する電界放出電子源４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｃ、４２０ｄ、４２０ｅ、４２０ｆ、４２０ｇ、４２０ｈ、および４２０ｉ（図２０Ｂも参照。以下、各電界放出電子源を区別しない場合には、単に「電界放出電子源４２０」という。）を構成する。本実施の形態では、並列電界放出電子源４１０の電界放出電子源４２０は、３×３のアレイ状に形成されている。
電子源電極４１４上には、絶縁膜４１６を介して、電界放出電子源４２０を取り囲むように、たとえば金を蒸着して形成した引出電極４１８が配されている。電子源電極４１４と引出電極４１８との間には、電源４２３が接続されている。また、絶縁膜４１６は、たとえば、酸化シリコンを用いて形成することができる。並列電界放出電子源４１０の作用については後述する。
ここで、本実施の形態においては電界放出電子源４２０の形状を円錐状としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の任意の錘状、たとえば、三角錐、四角錐、楕円錐等を採用することができる。
【０１０４】
静電レンズ４４０は放出された電子線のビーム形状を整形するためのものであり、絶縁膜４４４ａ、４４４ｂ、および４４４ｃを交互に介して形成された、静電レンズ電極４４２ａ、４４２ｂ、および４４２ｃを含んで構成されている。絶縁膜４４４ａないし４４４ｃは、たとえば酸化シリコンを用いて形成することができ、静電レンズ電極４４２ａないし４４２ｃは、たとえばニオブを用いて形成することができる。静電レンズ電極４４２ａおよび４４２ｃは接地されており、静電レンズ電極４４２ｂには電源４４３が接続されている。静電レンズは公知の技術なので、詳細な説明については省略する。
なお、本実施の形態において静電レンズ４４０は必須のものではなく、目的、用途に応じて適宜採用すればよいものである。
【０１０５】
ミラーアレイ４３０は、可動式の微細な平面鏡をアレイ状に配置したものであり、たとえば、テキサス・インスツルメンツ社のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）（登録商標）を用いることができる。ＤＭＤ（登録商標）は、ＭＥＭＳ技術により製作された、静電力によりミラーの向きを制御可能なミラーアレイである。
本実施の形態では、ミラーアレイ４３０により、各ミラー４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄ、４３２ｅ、４３２ｆ、４３２ｇ、４３２ｈ、および４３２ｉ（図２０Ａも参照。以下、各ミラーを区別しない場合には、単に「ミラー４３２」という。）に対応する電界放出電子源４２０への励起光の照射、非照射を選択的に制御する。（以下、照射する場合のミラー４３２の状態を「オン状態」、非照射の場合のミラー４３２の状態を「オフ状態」という。）したがって、ミラーアレイ４３０も並列電界放出電子源４１０同様、３×３のアレイ状に形成されている。
【０１０６】
本実施の形態における励起光源としての光源５００は、可視光を発生するＹＡＧレーザを用いており、そのスポットサイズの直径は、ミラーアレイ４３０の各ミラー４３２を一括照射可能なように約２０ｍｍ程度とされている。
軸対称偏光子アレイ１００は、図８Ａおよび図８Ｂに示したものを用いている。そして、光源５００の偏光方向は、軸対称偏光子アレイ１００を通過後の偏光状態がラジアル偏光となるような偏光方向とされている（図３参照。）。
【０１０７】
つぎに、図１９および図２１を参照して、本実施の形態に係る並列電子線装置４００の作用について説明する。
図１９に示すように、ミラーアレイ４３０におけるミラー４３２ａおよび４３２ｂはオン状態にある。したがって、光源５００より出射した励起光はミラー４３２ａおよび４３２ｂで反射されて、軸対称偏光子アレイ１００に入射し、その偏光状態を直線偏光からラジアル偏光に変換されて、電界放出電子源４２０ａおよび４２０ｂへと導かれる。
【０１０８】
変換されたラジアル偏光は、基板４１２を通過後、錘状の電界放出電子源４２０の先端部４２２に向かう。ラジアル偏光の各々の偏光は、錘状の電界放出電子源４２０の斜面において、それぞれ同位相かつ斜面に対して法線方向の偏光成分を生ずる。錘状の電界放出電子源４２０の先端部４２２においてこれらの偏光成分が干渉することにより、前記ラジアル偏光は、光の進行方向に大きな電場成分を持つ偏光状態へと変換される。
【０１０９】
つづけて図２１に示すように、電界放出電子源４２０の電子源電極４１４のテーパ部と絶縁膜４１６上の引出電極４１８との間には空隙が設けられている。そして、電子源電極４１４と引出電極４１８との間には、電源４２３により常時電圧が印加されている。かかる構成において、基板４１２の電界放出電子源４２０とは反対側から励起光を入射すると、電界放出電子源４２０の、電子源電極４１４のテーパ部において表面プラズモンが発生し、先端部４２２に向かって伝搬する。そして、伝搬したプラズモンが先端部４２２付近に集中してプラズモン共鳴４５０を形成するので、該プラズモン共鳴４５０によってアシストされ電子線４５２が放出される。
【０１１０】
一方、ミラーアレイ４３０のオフ状態にあるミラー４３２ｃにおいては、励起光は並列電界放出電子源４１０へ向かわない方向に反射されるので、電界放出電子源４２０ｃへとは導かれることはない。
【０１１１】
以上のように、本実施の形態に係る並列電子線装置４００によれば、並列電界放出電子源４１０のアレイ状に配された各電界放出電子源４２０への励起光の照射、非照射を、ミラーアレイ４３０の各ミラー４３２により個別に制御することができる。その結果、アレイ状に配置された電界放出電子源４２０を個別に制御して、電子線の発生、非発生を選択的に切り換えることが可能となる。したがって、本実施の形態に係る並列電子線装置４００を、たとえば電子線リソグラフィ装置に採用すれば、単一電子源を走査して描画していた従来の電子線リソグラフィに比較して、格段に高速な電子リソグラフィ装置等を実現することが可能となる。
【０１１２】
ここで、本実施の形態では、並列電子線装置４００の電子線を３×３のアレイとしたが、むろん電子線の数はこれに限られず任意の数とすることができ、またその配置方法も本実施の形態のようにマトリクス状に限られず、たとえば、市松状、千鳥状等の配置とすることも可能である。
【０１１３】
日本出願２０１２−１４６００６の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
【符号の説明】
【０１１４】
１０    軸対称偏光子
１２ａ〜１２ｄ  ナノスリット構造体
２０    石英ガラス基板
２２    金ライン  
２４    ナノスリット
２６    クロム層
３０    白色光源
３２    カメラ
３４    レンズ
３６    偏光子
３８    検光子
４０    フィルタ
４２    レンズ
５０    レジスト
６０、７０、８０    軸対称偏光子
６２ａ〜６２ｈ、７２ａ〜７２ｄ、８２ａ〜８２ｄ  ナノスリット構造体
７４ａ〜７４ｄ  金ライン
８４ａ〜８４ｄ  スリット
１００  軸対称偏光子アレイ
２００  軸対称偏光観測系
３００  近接場光源アレイ
３０２  金属探針アレイ
３０４  金属探針
３０６  先端部
４００  並列電子線装置
４１０  並列電界放出電子源
４１２  基板
４１４  電子源電極
４１６  絶縁膜
４１８  引出電極
４２０ａ〜４２０ｉ  電界放出電子源
４２２  先端部
４２３  電源
４３０  ミラーアレイ
４３２ａ〜４３２ｉ  ミラー
４４０  静電レンズ
４４２ａ、４４２ｂ、４４２ｃ  静電レンズ電極
４４３  電源
４４４ａ、４４４ｂ、４４４ｃ  絶縁膜
４５０  プラズモン共鳴
４５２  電子線
５００  光源
【図１Ａ】
2014003146.tif 000004
【図１Ｂ】
2014003146.tif 000005
【図２】
2014003146.tif 000006
【図３】
2014003146.tif 000007
【図４Ａ】
2014003146.tif 000008
【図４Ｂ】
2014003146.tif 000009
【図４Ｃ】
2014003146.tif 000010
【図５】
2014003146.tif 000011
【図９】
2014003146.tif 000012
【図１０】
2014003146.tif 000013
【図１３】
2014003146.tif 000014
【図１４】
2014003146.tif 000015
【図１５Ａ】
2014003146.tif 000016
【図１５Ｂ】
2014003146.tif 000017
【図１６】
2014003146.tif 000018
【図１９】
2014003146.tif 000019
【図２０Ａ】
2014003146.tif 000020
【図２０Ｂ】
2014003146.tif 000021
【図２１】
2014003146.tif 000022
【図６】
2014003146.tif 000023
【図７】
2014003146.tif 000024
【図８Ａ】
2014003146.tif 000025
【図８Ｂ】
2014003146.tif 000026
【図１１】
2014003146.tif 000027
【図１２】
2014003146.tif 000028
【図１７】
2014003146.tif 000029
【図１８】
2014003146.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成26年2月14日(2014.2.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端を先鋭化した金属探針を、各々の先端が同一または略同一の面上となるようにアレイ状に複数配置した金属探針アレイと、
前記金属探針アレイに対して前記金属探針の先端とは反対側に、光の入射面が前記金属探針の先端が配置された面と平行または略平行に配置された、透光性を有する基板、および前記基板上の放射状に分割された複数の分割領域の各々に設けられた、前記複数の分割領域ごとに方向を異ならせ、かつ間にスリットを有するように延伸されるとともに、前記複数の分割領域の１つの延伸方向を基準とした場合に、隣接する分割領域の延伸方向の前記基準の延伸方向とのなす角度が、周方向に増加、または減少する方向とされている複数の金属を含んで構成された複数の波長板を含む偏光変換部を前記基板上に複数備えた偏光制御素子と、
前記偏光制御素子を介して、前記金属探針アレイの各々の金属探針の先端に光を照射する光源と、
を含む近接場光源アレイ。
【請求項２】
前記波長板は２分の１波長板であり、
隣接する前記波長板に含まれる前記複数の金属の延伸方向のなす角度は、１８０を前記波長板の数で割った角度である
請求項１に記載の近接場光源アレイ。
【請求項３】
前記基板が、石英ガラス、溶融石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、サファイア、および蛍石のうちのいずれかで形成されている
請求項１または請求項２に記載の近接場光源アレイ。
【請求項４】
前記金属が、金、アルミニウムおよび銀のうちのいずれかである
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の近接場光源アレイ。
【請求項５】
前記金属の前記基板の表面からの高さをＨ（ｎｍ）、前記スリットの幅をＷ（ｎｍ）とした場合に、前記ＨおよびＷが、
１００≦Ｗ２／（Ｈ−１００）≦４４１
なる関係を満たす
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の近接場光源アレイ。
【請求項６】
前記複数の波長板の各々は、前記複数の波長板の各々を構成する複数の金属に接続されるとともに、前記複数の金属の延伸方向と交差する方向に延伸された金属をさらに含む
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の近接場光源アレイ。
【請求項７】
前記複数の波長板の各々は、前記複数の波長板の各々を構成する複数の金属を分断するとともに、前記複数の金属の延伸方向と交差する方向に延伸されたスリットをさらに含む
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の近接場光源アレイ。
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
前記金属探針アレイにおける各々の金属探針は、前記偏光制御素子における各々の前記偏光変換部に対応して設けられている請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の近接場光源アレイ。
【請求項１２】
先端が同一または略同一の面上に配置されるようにして、先鋭化して形成された複数の錘状部を有する透光性の基板、前記基板上の前記複数の錘状部が設けられた面に金属で形成された第１の電極と前記錘状部の先端に対し間隙を設けて前記錘状部の周囲に配置された第２の電極とを含んで構成された複数の電界放出電子源、および前記第１の電極と前記第２の電極との間に接続された電源を具備した並列電界放出電子源と、
前記並列電界放出電子源に対して前記先端とは反対側に、光の入射面が前記先端が配置された面と平行または略平行に配置された、透光性を有する基板、および前記基板上の放射状に分割された複数の分割領域の各々に設けられた、前記複数の分割領域ごとに方向を異ならせ、かつ間にスリットを有するように延伸されるとともに、前記複数の分割領域の１つの延伸方向を基準とした場合に、隣接する分割領域の延伸方向の前記基準の延伸方向とのなす角度が、周方向に増加、または減少する方向とされている複数の金属を含んで構成された複数の波長板を含む偏光変換部を前記基板上に複数備えた偏光制御素子と、
前記偏光制御素子に対して前記並列電界放出電子源とは反対側に配置され、励起光源からの励起光を前記偏光制御素子を介して、前記並列電界放出電子源の対応する前記電界放出電子源に照射するかしないかを選択的に切り換える複数のミラーを有するミラーアレイと、
を含む並列電子線装置。
【請求項１３】
前記波長板は２分の１波長板であり、
隣接する前記波長板に含まれる前記複数の金属の延伸方向のなす角度は、１８０を前記波長板の数で割った角度である
請求項１２に記載の並列電子線装置。
【請求項１４】
前記基板が、石英ガラス、溶融石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、サファイア、および蛍石のうちのいずれかで形成されている
請求項１２または請求項１３に記載の並列電子線装置。
【請求項１５】
前記金属が、金、アルミニウムおよび銀のうちのいずれかである
請求項１２ないし請求項１４のいずれか１項に記載の並列電子線装置。
【請求項１６】
前記金属の前記基板の表面からの高さをＨ（ｎｍ）、前記スリットの幅をＷ（ｎｍ）とした場合に、前記ＨおよびＷが、
１００≦Ｗ２／（Ｈ−１００）≦４４１
なる関係を満たす
請求項１２ないし請求項１５のいずれか１項に記載の並列電子線装置。
【請求項１７】
前記複数の波長板の各々は、前記複数の波長板の各々を構成する複数の金属に接続されるとともに、前記複数の金属の延伸方向と交差する方向に延伸された金属をさらに含む
請求項１２ないし請求項１６のいずれか１項に記載の並列電子線装置。
【請求項１８】
前記複数の波長板の各々は、前記複数の波長板の各々を構成する複数の金属を分断するとともに、前記複数の金属の延伸方向と交差する方向に延伸されたスリットをさらに含む
請求項１２ないし請求項１６のいずれか１項に記載の並列電子線装置。
【国際調査報告】
2014003146.tif 000031
2014003146.tif 000032
2014003146.tif 000033
2014003146.tif 000034