(57)【要約】【課題】プローブの突出部先端の温度をリアルタイムに検出することができる近接場光プローブを提供する。【解決手段】コア２０の周囲にクラッド２１が設けられた光ファイバの一端に先鋭化したコア２０を突出させた突出部１２を有する近接場光プローブ１において、突出部１２表面に第１の金属層３１が形成されるとともに、先端部を除く第１の金属層３１を覆って絶縁層３２が形成されてなり、さらに絶縁層３２と先端部を覆って第１の金属層３１と異なる材料からなる第２の金属層３３が形成されてなる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有する近接場光プローブにおいて、
上記突出部表面に第１の金属層が形成されるとともに、先端部を除く上記第１の金属層を覆って絶縁層が形成されてなり、さらに上記絶縁層と上記先端部を覆って上記第１の金属層の異なる材料からなる第２の金属層が形成されてなること
を特徴とする近接場光プローブ。
【請求項２】
上記第１の金属層及び上記第２の金属層を介して、上記先端部の電圧を検出する電圧検出手段を備えること
を特徴とする請求項１記載の近接場光プローブ。
【請求項３】
上記第１の金属層及び上記第２の金属層を介して、上記先端部へ電圧を印加する電圧印加手段を備えること
を特徴とする請求項１記載の近接場光プローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばプローブ走査型顕微鏡の一つである近接場光学顕微鏡において、エバネッセント光を検出又は照射する光プローブとして使用される近接場光プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微細加工技術の発展を基盤として、単一分子光メモリ、単一電子デバイスといったナノメートルサイズの微細構造を有する素子が実用化されようとしている。ナノメートルサイズの分解能を有する近接場光学顕微鏡は、上述した素子の開発或いは評価に欠かせない技術として注目されている。この近接場光学顕微鏡は、例えば試料からの発光或いは透過光の光強度、波長、偏光等を検出することにより、試料から得られる発光や透過光から試料の物性を知ることができる。
【０００３】
近接場光学顕微鏡は、コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有し、当該突出部に例えばＡｕやＡｇ等の金属により被覆されたプローブを備え、光の波長を超えた分解能を有する光学像を得ることができる。すなわち、かかる近接場光学顕微鏡を利用することにより、ナノメートル級の分解能で試料の微小領域における物性を測定することに加え、書き込みや読み出し等のメモリ操作、更には光加工等も行うことが可能となる。この近接場光学顕微鏡に用いられる上述のプローブについては、既に開示されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００４】
ちなみに、この近接場光学顕微鏡により試料の微小領域における物性を測定する場合には、試料表面の光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光を検出して試料の形状を測定する。そして、全反射条件下で試料に光が照射されることにより生じたエバネッセント光を上述したプローブにより散乱させて伝搬光に変換する。この変換された伝搬光は、プローブが形成されている突出部を通じて光ファイバのコアに導かれ、光ファイバのもう一方の出射端に接続された検出器により検出される。すなわちこの近接場光学顕微鏡は、突出部の設けられたプローブにより散乱と検出の双方を行うことができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−０８２７９２
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の如く試料の微小領域にエバネッセント光を生じさせる際に、励起される光に対する材料の温度依存性により、当該試料の温度が上昇してしまう。特にこのエバネッセント光は、プローブの突出部に被覆された金属内部で電子を振動させることにより生じるプラズモンに基づくものであるため、照射する光の波長領域や光強度により、試料の温度変化が著しくなるものと考えられている。
【０００７】
しかしながら、従来では、近接場光を用いて試料の微小領域における物性を測定しつつ、プローブの突出部先端の温度をリアルタイムに検出することができず、試料の温度依存性を考慮した信頼性の高い物性データを得ることができないという問題点があった。
【０００８】
また、量子力学的効果を利用したナノスケールの量子ドットが近年において特に注目されているが、かかる量子ドットを上述したプローブを用いて作製する際に、基板上に照射する光に対する温度依存性をリアルタイム検出することができず、均一な量子ドットに仕上げることできないという問題点があった。
【０００９】
そこで本発明は上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、プローブの突出部先端の温度をリアルタイムに検出することができる近接場光プローブを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る近接場光プローブは、上述の課題を解決するために、コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有する近接場光プローブにおいて、上記突出部表面に第１の金属層が形成されるとともに、先端部を除く第１の金属層を覆って絶縁層が形成されてなり、さらに絶縁層と先端部を覆って第１の金属層の異なる材料からなる第２の金属層が形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
この近接場光プローブは、一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部表面に第１の金属層が形成されるとともに、先端部を除く上記第１の金属層を覆って絶縁層が形成されてなり、さらに上記絶縁層と上記先端部を覆って第２の金属層が形成される。
【００１２】
本発明に係る近接場光プローブは、上述の課題を解決するために、コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化したコアを突出させた突出部を有する近接場光プローブにおいて、突出部表面に第１の金属層が形成されるとともに、先端部を除く第１の金属層を覆って絶縁層が形成されてなり、絶縁層と上記先端部を覆って上記第１の金属層の異なる材料からなる第２の金属層が形成されてなり、第１の金属層及び上記第２の金属層を介して先端部の電圧を検出する電圧検出手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
この近接場光プローブは、一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部表面に第１の金属層が形成されるとともに、先端部を除く上記第１の金属層を覆って絶縁層が形成されてなり、絶縁層と先端部を覆って第２の金属層が形成され、第１の金属層及び上記第２の金属層を介して先端部の電圧を検出する。
【００１４】
また本発明に係る近接場光プローブは、上述の課題を解決するために、コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有する近接場光プローブにおいて、突出部表面に第１の金属層が形成されるとともに、先端部を除く上記第１の金属層を覆って絶縁層が形成されてなり、絶縁層と先端部を覆って第１の金属層の異なる材料からなる第２の金属層が形成されてなり、第１の金属層及び第２の金属層を介して先端部へ電圧を印加する電圧印加手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
この近接場光プローブは、一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部表面に第１の金属層が形成されるとともに、先端部を除く第１の金属層を覆って絶縁層が形成されてなり、絶縁層と先端部を覆って第２の金属層が形成され、さらに第１の金属層及び第２の金属層を介して先端部へ電圧が印加される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明を適用した近接場光プローブ１を示している。この近接場光プローブ１は、例えば試料から得られる発光や透過光に基づいて物性を識別する近接場光学顕微鏡等に用いられ、図１に示すように光導波部１１と、突出部１２とを備える。
【００１８】
光導波部１１は、コア２０の周囲にクラッド２１が設けられた光ファイバより構成される。コア２０及びクラッド２１は、それぞれＳｉＯ２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３等を添加することにより、コア２０よりもクラッド２１の屈折率が低くなるように組織制御されている。
【００１９】
突出部１２は、光導波部１１の一端においてクラッドから突出させたコア２０ａを先鋭化させることにより構成されている。この突出させたコア２０ａは、図１に示すように先端部１３に至るまで徐々に先細になるような円錐形状として構成される。ちなみにこの突出部１２は、根元径がコア２０の径より短くなるように形成されている。
【００２０】
図２は、突出部１２の詳細な構成を示している。この図２に示すように、突出部１２における突出させたコア２０ａ表面には、第１の金属層３１が形成されるとともに、先端部１３を除く第１の金属層３１を覆って絶縁層３２が形成されてなり、さらに絶縁層３２と先端部１３を覆って第２の金属層３３が形成されている。ちなみに各金属層の厚みは、数十ｎｍから数百ｎｍの範囲である。
【００２１】
第１の金属層３１は、例えばＡｕ等の導電性材料からなる薄膜である。第２の金属層３３は、第１の金属層３１とは異なる、例えばＰｔ等の導電性材料からなる薄膜である。絶縁層３２は、例えば、ＭｇＦ、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＦ２、ＳｉＯ２、又はプラスチック薄膜等の絶縁材から構成されている。この絶縁層３２は、先端部１３を除いて第１の金属層３１と第２の金属層３３の間に積層されているため、先端部１３のみに第１の金属層３１と第２の金属層３３との接合領域１４を設けることができる。
【００２２】
接合領域１４は、第１の金属層３１と第２の金属層３３の異なる２種の金属材料が互いに接触されてなる。すなわち、近接場光プローブ１は、この接合領域１４においてゼーベック効果により生ずる電圧を、第１の金属層３１及び第２の金属層３３を介して測定することにより、いわゆる熱電対としての機能を奏することになる。このため、第１の金属層３１と第２の金属層３３とにおける材料の組み合わせを選択することにより、測定条件に応じて適切な温度範囲内での温度測定を実現することができる。この第１の金属層３１と第２の金属層３３との組み合わせとして、例えば、ＡｌとＣｒ、ＡｕＦｅとＣｒ、ＢｉとＳｂ等がある。
【００２３】
次に、本発明を適用した近接場光プローブ１の作製方法について図３を用いて説明をする。
【００２４】
先ずステップＳＴ１において、光導波部１１に対して、選択化学エッチングを施すことにより、突出部１２を作製する。この選択化学エッチングは、例えばＮＨ４Ｆ、ＨＦ、Ｈ２０からなる緩衝ふっ酸溶液中に光ファイバを約１時間浸し、クラッド２１端部を除去することによりコア２０を選択的に先鋭化する。また本発明では、例えば特開平１０−８２７９１に提案されている手法を採用することにより、エッチング液の組成と、光ファイバーを構成する材料により溶解速度を制御して、コア２０の先端を例えば先端曲率半径１０ｎｍまで先鋭化させてもよい。
【００２５】
次にステップＳＴ２へ移行し、突出部１２上に第１の金属層３１を被覆する。この被覆については、例えば高真空（１×１０−６Ｔｏｒｒ）のチャンバ内で、原料の金属粉末を乗せたボートに電流を流し、当該金属粉末の沸点以上の温度で加熱する。その結果、金属粉末は蒸発して突出部１２上に被覆されてゆくことになる。ちなみに被覆される第１の金属層３１の膜厚は、チャンバ内に設けられた図示しない膜厚計により制御される。
【００２６】
次にステップＳＴ３へ移行し、第１の金属層３１上に絶縁層３２を被覆する。具体的には、第１の金属層３１が被覆された突出部１２を、絶縁層３２として用いる樹脂系溶剤に軽く浸し、電気オーブン中で加熱乾燥させることにより蒸着させる。
【００２７】
次にステップＳＴ４へ移行し、絶縁層３２が形成されている先端部１３を、例えば集束イオンビームを用いてイオン照射することにより切断し第１の金属層３１を先端部１３表面に露出させる。
【００２８】
最後にステップＳＴ５へ移行し、突出部１２上に第２の金属層３３を被覆する。例えば第２の金属層３３としてＰｔを用いる場合には、一定圧力に制御されたチャンバ内に上記突出部１２を配設し、Ｐｔを蒸着させる。ステップＳＴ４において既に先端部１３のみに第１の金属層３１を露出させているため、突出部１２の全表面を第２の金属層３３により被覆しても、先端部１３のみに接合領域１４を作り出すことが可能となる。
【００２９】
このようにして構成された近接場光プローブ１は、図示しない近接場光学顕微鏡に装着されることにより、試料表面の光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光（近接場光）を検出して試料の形状を測定すことができる。そして、全反射条件下で試料に光が照射されることにより生じた近接場光を近接場光プローブ１により散乱させて伝搬光に変換する。この変換された伝搬光は、突出部１３を通じて光導波部１１のコア２０に導かれ、近接場光学顕微鏡により検出される。すなわち、本発明に係る近接場光プローブ１は、突出部１２を介して光の散乱と検出の双方を行うことができる。
【００３０】
これによりナノメートルオーダーの分解能で試料の微小領域における物性を測定することができ、光の波長を超えた分解能を有する光学像を得ることができる。
【００３１】
ちなみに本発明に係る近接場光プローブ１において、先端部１３には第１の金属層３１に加え、第２の金属層３３が積層されてなるが、これらは非常に薄くコーティングされているにすぎず、近接場光を発生させる上で障壁となることは殆どない。また先端部１３においてかかる金属層３１、３３が被覆されている場合であっても、コア２０を介して伝搬される光により当該先端部１３に被覆された金属内で電子を振動させて、プラズモンを発生させることができる。この伝搬させる光とプラズモンの波長を一致させてさらにカップリングさせることにより、高効率に近接場光を発生させることができる。
【００３２】
また、このようにして構成された近接場光プローブ１は、さらに第１の金属層３１及び第２の金属層３３を介してこの接合領域１４の電圧を測定することにより、いわゆる熱電対として動作させることができ、当該接合領域１４における温度をリアルタイムに検出することができる。図４は、近接場光プローブ１に、接合領域１４の温度を検出する機能を付加した例を示している。この図４に示すように、第１の金属層３１と第２の金属層３３に対して接続された導線は、それぞれ電圧計５に連結されている。これにより接合領域１４における電圧を測定することができ、温度情報を随時得ることができる。
【００３３】
すなわち、本発明を適用した近接場光プローブ１は、上述した試料の微小領域における物性測定時において、接合領域１４における電圧を測定することにより、温度をリアルタイムに検出することができる。これにより特にコア２０を介して伝搬される光の波長領域や光強度に対する温度依存性を、物性を測定する試料に応じて明確にすることができる。また近接場光を用いた物性測定時において、試料の温度依存性を考慮した信頼性の高い物性データを常時得ることができる。
【００３４】
また、近年において注目されている量子力学的効果を利用したナノスケールの量子ドットを作製する際に、基板上に照射する光に対する温度依存性をリアルタイム検出することができるため、量子ドットの最適な作製条件を見つけだして、当該作製条件に応じて照射量を制御することにより、均一な量子ドットを作製することができる。
【００３５】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図５に示すように、第１の金属層３１及び第２の金属層３３を介してこの接合領域１４へ電圧印加部６より電圧を印加させることにより、二つの異なる導体を環状につないで電流を流すことができるため、ペルチェ効果により当該接合領域１４を発熱させ、或いは吸熱させることができる。
【００３６】
これにより、この接合領域１４をいわゆるヒーターとして、近接場光による物性測定時の条件を自在に変化させることができる。特に量子井戸構造を有する半導体素子や、量子力学的効果を利用した量子ドットの物性を測定する場合において、被測定物の温度を変化させることができ、これによりバンドギャップを自在に変化させつつ、同時に物性を測定することができる。
【００３７】
なお、上述の近接場光プローブ１等により、近接場光を用いた物性測定をする際には、被測定物の試料台として例えば図６（ａ）に示すような近接場測定ステージ６を用いてもよい。この近接場測定ステージ６は、例えば合成石英からなり、水平方向から入射される光をＡｌ＋ＭｇＦ２によるコーティングが施された反射面６ｂにより反射させて試料載置面６ａ上へ集光させる。これにより、試料載置面６ａ上に載置された試料を励起させることができる。
【００３８】
また、この近接場測定ステージ６を用いることにより、図６（ｂ）の如く斜め下からではなく、水平から光を入射させれば足りるため、近接場測定ステージ６全体の構成を簡略化させることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した近接場光プローブは、一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部表面に第１の金属層が形成されるとともに、先端部を除く第１の金属層を覆って絶縁層が形成されてなり、さらに上記絶縁層と先端部を覆って第２の金属層が形成される。
【００４０】
これにより、本発明を適用した近接場光プローブは、試料の微小領域における物性測定時において、第１の金属層と第２の金属層が互いに接触する接合領域の電圧を測定することにより、当該領域の温度をリアルタイムに検出することができる。
【００４１】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した近接場光プローブは、一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部表面に第１の金属層が形成されるとともに、先端部を除く上記第１の金属層を覆って絶縁層が形成されてなり、絶縁層と先端部を覆って第２の金属層が形成され、さらに第１の金属層及び第２の金属層を介して、先端部へ電圧が印加される。
【００４２】
これにより、本発明を適用した近接場光プローブは、試料の微小領域における物性測定時の条件を、自在に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した近接場光プローブの構成を示した図である。
【図２】突出部の詳細な構成を説明するための図である。
【図３】本発明を適用した近接場光プローブの作製方法について説明するための図である。
【図４】近接場光プローブに対して接合領域における温度を検出する機能を付加した例を示した図である。
【図５】本発明を適用した近接場光プローブの他の構成を示した図である。
【図６】被測定物の試料台として用いる近接場測定ステージを示す図である。
【符号の説明】
１　近接場光プローブ、１１　光導波部、１２　突出部、２０　コア、２１　クラッド、３１　第１の金属層、３２　絶縁層、３３　第２の金属層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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