(57)【要約】【課題】簡易な構成を用いて、近接場光強度に影響を及ぼすプローブの微小開口部の状態を評価することができる近接場光評価装置およびそれに用いる探針ならびに平面型プローブの製造方法を提供すること。【解決手段】入射光の波長よりも小さい直径を持つ微小開口部１３’を備えた平面型プローブ１３と、先端が微小開口部１３’に近接した位置に配置された探針１２と、探針１２で散乱された光を検出する光検出手段１８と、平面型プローブ１３と探針１２の先端を相対的に走査する走査手段（図示せず）とを有する。図中、１１はホルダー、１４は対物レンズ、１５はコリメータレンズ、１６は半導体レーザ、１７は集光レンズである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の波長よりも小さい直径を持つ微小開口部を備えた平面型プローブと、
先端が前記微小開口部に近接した位置に配置された探針と、
該探針で散乱された光を検出する光検出手段と、
前記平面型プローブと前記探針の先端を相対的に走査する走査手段と
を有することを特徴とする近接場光分布測定装置。
【請求項２】
入射光の波長よりも小さい大きさを持つ微小開口部を備えた光ファイバープローブと、
先端が前記微小開口部に近接した位置に配置された探針と、
該探針で散乱された光を検出する光検出手段と、
前記プローブと前記探針の先端を相対的に走査する走査手段と
を有することを特徴とする近接場光分布測定装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の近接場光分布測定装置において、
前記探針は、先端を尖らせた誘電体針あるいは金属針を用いたものであることを特徴とする近接場光分布測定装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の近接場光分布測定装置において、
前記探針は、ナノチューブを用いたものであることを特徴とする近接場光分布測定装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置において、
前記探針−前記微小開口表面間に流れるトンネル電流を検知し、前記探針を前記微小開口表面から一定の距離に保持しながら試料を走査することを特徴とする近接場光分布測定装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置において、
前記探針の先端を前記微小開口表面に接近させたとき、前記微小開口表面の凹凸に応じて微小開口表面原子からの斥力によって生じる前記探針の先端の上下変動を検出して、前記探針と前記微小開口表面の距離を一定に保持することを特徴とする近接場光分布測定装置。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置において、
前記探針に共振周波数の振動を与え、前記微小開口表面とのせん断応力による共振周波数の変化に起因する前記探針振動の振幅および位相差の変化を検出し、該振幅または位相差が一定になるようにフィードバックして前記探針の先端と前記微小開口表面間の距離を制御することを特徴とする近接場光分布測定装置。
【請求項８】
入射光の波長よりも小さい直径を持つ微小開口部を備えたプローブと、先端が微小開口部に近接した位置に配置された探針と、前記探針で散乱された光を検出する光検出手段と、前記プローブと前記探針の先端を相対的に走査する走査手段を有し、前記光検出手段の前方にピンホールを有していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置。
【請求項９】
請求項８記載の近接場分布測定装置において、前記ピンホールの大きさが前記光検出器上に形成されるスポットのエアリーディスクの２倍以下であることを特徴とする近接場分布測定装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置に用いる探針の製造方法において、
ナノチューブを分散させた電気泳動液内の電極間に電圧を印加して電極にナノチューブを突出状に付着させるステップと、前記ナノチューブを突出状に付着させた電極とホルダーを接近させ、前記ナノチューブの先端部が突出した状態でその基端部がホルダー面に付着するように前記ナノチューブを前記ホルダーに転移させるステップとを有することを特徴とする近接場光分布測定装置に用いる探針の製造方法。
【請求項１１】
請求項１、または請求項３から９のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置に用いる平面型プローブの製造方法において、
窒化シリコン膜を形成した石英基板基板上に、半導体プロセスのフォトリソグラフ技術を用いて円柱状のレジストパターンを形成するステップと、前記レジストパターンをマスクとして窒化シリコン膜をドライエッチングにより除去し、石英基板をストッパー層として、光学的に透明な石英基板上に高屈折率材料からなる突起を設けるステップと、前記突起上に微小開口部を設けるように金属膜を形成するステップとを有することを特徴とする近接場光分布測定装置に用いる平面型プローブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近接場分布測定装置技術に係り、特に近接場光強度に影響を及ぼすプローブの微小開口部の状態を評価することができる近接場分布測定装置およびそれに用いる探針ならびに平面型プローブの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、オーディオおよびビデオ動画像ファイル、テキストファイルなどのような多様なタイプの情報が組み合わされたマルチメディア時代がめざましい勢いで発展してきており、それに伴い大容量の情報を迅速に処理し格納する大容量の情報の記録および格納媒体が必須となってきている。
【０００３】
今後、更に普及が予想される高鮮明（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）動画像とＶＯＤ（Ｖｉｄｅｏ−Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ）のような双方向性画像通信が実現されると、必要とされる情報記録媒体および格納媒体の容量は更に増大することになる。
【０００４】
このような状況において、現在、多くの記録および再生方式が提案されているが、このようなデータの記録再生方法の一つとして、光を用いて記録媒体に記録、再生する方法がある。
【０００５】
光を用いた記録方法の代表的な例として、次のような方法が知られている。
▲１▼特定の高分子材料に所定の光を照射し、局所的にその分子構造を変化させ、それによってその部分の屈折率を変化させる方法。
【０００６】
▲２▼一般に希土類金属と遷移金属からなるアモルファス合金薄膜を所定の磁界中で光を照射し、局所的にキュリー点または補償点以上に加熱し、それによってその部分の磁化方向を変化させる方法。
【０００７】
▲３▼レーザ光照射により物質を融点以上に加熱し、その後急冷することによりアモルファス相を形成し、あるいは結晶化転移点以上の温度から徐冷することにより結晶相を形成したりすることにより、結晶−アモルファス間を可逆的に構造変化させる方法。
【０００８】
これらの方法は、レーザ光をレンズ光学系で集光したものを記録媒体に照射するため、このレーザ光のスポット径が記録マークの大きさを決定する重要なパラメータになっている。すなわち、レーザ光のスポットの大きさを小さくすればするほど、光記録媒体に多くの情報を記録することができ、高記録密度化することができる。
【０００９】
このためには、レーザ光の波長を短くし、光ピックアップの対物レンズの開口数（ＮＡ）を増加させればよい。しかし、レーザ光の波長を短かくし、対物レンズの開口数を増加させることによって低減可能なレーザ光のスポットの大きさは、高々該レーザ光の波長程度までである。
【００１０】
例えば、レーザ光の波長を短かくするため、現在、ＤＶＤの光源として用いられる赤色半導体レーザ（〜６６０ｎｍ）に代わって、青色半導体レーザ（〜４００ｎｍ）をＤＶＤの光源に用いると、ＤＶＤの単位面積当たり記録可能な情報量は、赤色半導体レーザを用いた場合の記録媒体の情報量に比べて、約２．５倍ほど向上させることができる。
【００１１】
しかしながら、このような方法では、光のスポット径は光の回折限界により制限され、記録媒体の記録密度を向上するには限界がある。
【００１２】
このような問題点に鑑みて、テラバイト（ＴＢ：ＴｅｒａＢｙｔｅ）  級の情報量を処理する際の、従来技術とは全く異なる原理に基づく技術として、近接場光学又はボリュームホログラム（Ｖｏｌｕｍｅ  Ｈｏｌｏｇｒａｍ）、光化学ホールバーニング（ｐｈｏｔｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｈｏｌｅ  ｂｕｒｎｉｎｇ）  、３次元光記録などのような超高密度記録方式が提案されている。
【００１３】
しかし、前記ボリュームホログラムおよび光化学ホールバーニングにおいては、記録媒体の使用環境に大きな制約があり、実用化し難いという欠点があった。
【００１４】
一般に、光の回折理論より、光集束スポットの大きさ（長径）は、光源波長および開口数により決定され、前記光集束スポットの大きさの低減程度により、記録媒体の記録密度の上限が決定される。
【００１５】
さらに、光の回折現象は、レンズを用いて光のビームの大きさを小さくするほど、ビームが広くなる性質を有するもので、これを数式に示すと、θ〜λ／ｄ  となる。式中、θは回折角を表し、ｄはビームの直径を表し、λは光の波長を表している。
【００１６】
従って、レンズを利用してビームの直径ｄを小さくするほど、回折角θは大きくなり、ビームの直径（大きさ）を所定値以下に低減することはできない。
【００１７】
光記録媒体の記録密度の限界は、ｄ〜１．２２λ／ＮＡと近似的に表される光の回折理論により決定される。ここで、ＮＡは対物レンズの開口数を表している。
【００１８】
すなわち、レーザ光の波長（λ）が短いほど、且つ、レンズの開口数（ＮＡ）が大きくなるほど、集光されるビームの大きさ（直径）は小さくなり、記録媒体の記録面密度は、スポットの大きさの自乗に反比例して増大し、光の波動性による回折現象により、１ビット当たり記録および再生可能な情報の最小の大きさはほぼ光の波長程度になる。
【００１９】
従って、このような従来の技術においては、光の波長を短くし、開口数が大きいレンズを用いて集束光のスポットの大きさを小さくし、記録密度を増大させる方法が用いられ、このような方法により得られる記録密度は、２０〜３０Ｇｂｉｔ／ｉｎ２  が限界になると予想される。すなわち、従来のシステムでは、光を電磁気波として利用するため、記録密度を向上させるとき、回折限界に伴う制約が避けられないという問題点があった。
【００２０】
そこで、このような回折限界を克服するため、近接場領域（物質の表面から光波長以下の距離）の近接場に存在する光（近接場光）を記録媒体への光源として用いる方法が提案されている。
【００２１】
これは「光の波長よりも小さい開口から発生する近接場光は原則的に放射されない」という原理を利用したものである。この近接場光を開口付近に位置した記録媒体となる材料と相互作用させることによって記録媒体への情報の記録および再生を行う。これにより、上述した如き回折限界を克服し、従来の光記録の記録密度を飛躍的に向上できる可能性がある。
【００２２】
従来、これを実現するために、光ファイバーの先端を先鋭化した後、表面に金属薄膜をコーティングし、さらに、その先端に波長以下のサイズの微小開口部を設けたプローブを用い、その先端からの近接場光を媒体に照射することにより光記録を行うようにしている。
【００２３】
この場合、光ファイバーのスキャンは、ピエゾ素子をアクチェーターとして用いてラスタスキャンすることにより行われていた。しかし、実用的なピエゾ素子はスキャンできる範囲が最大１００μｍ程度、さらにスキャン速度も高々数十ｋＨｚ程度であり、記録データの読み出し速度に限界があった。さらに、実際に出力される光の強度も小さく、記録、再生速度を高速にすることにも限界があった。
【００２４】
これらの課題に対して、従来、平面アレイ型プローブが提案されている（特許第３０２３０８６号、特開平１１−１９１２３８号公報（特許文献１）参照）。平面アレイ型プローブは、シリコン基板を異方性エッチングすることにより、同一基板上に微小開口部をアレイ状に作製したものである。
【００２５】
平面アレイ型プローブを用いた場合、１つの素子にプローブが多数個あることになり、素子自体の掃引速度はそれほど高速である必要はない。碁盤目状に並んだプローブに対し記録媒体は回転するように配置され、２次元平面上に配置されたプローブはそれぞれ記録媒体上の異なった点を通過することになる。
【００２６】
また、これらの平面開口プローブ（平面アレイ型プローブ）は、Ｓｉ基板を異方性エッチングにより掘り込むことで微小開口部をアレイ状に作製していた。この場合、レーザ光が平面開口プローブを通過する部分は空洞で、より高効率な光出力（すなわち、より高速な光書き込み、読み出しをするため）が必要となったときに、この空洞部分を光の閉込め効果の高い屈折率の高い物質で充填する必要があった。
【００２７】
また、近接場光を効率よく発生させるためにピラミッド状のシリコンが形成されたプローブが提案されている（特開２００１−２０８６７２号公報（特許文献２））。この公開公報では、ガラス基板上にピラミッド状のシリコン突起を有する近接場光プローブが提案されている。このピラミッド状のシリコン突起はＫＯＨおよびＩＰＡ（イソプロピルアルコール）からなるエッチング液によりウエットエッチングにより形成されている。
【００２８】
また、この試料近傍に形成される近接場光を検出することにより、回折限界を超える分解能を有する光学顕微鏡として、生体試料の蛍光測定や、素子の評価（例えば、誘電体光導波路各種特性評価、半導体量子ドットの発光スペクトルの測定、半導体面発光素子の諸特性の評価など）などへ応用することができる。
【００２９】
現在、一般に市販されている近接場光学顕微鏡においては、近接場光を試料に照射するために微小開口部が設けられた光ファイバープローブが用いられている。この光ファイバープローブにレーザ光が導入されると、先端の微小開口部から近接場光が発生する。光ファイバープローブは各種誘電体材料を用いて作製することが可能であるが、一般には、ガラス製光ファイバーが用いられている。
【００３０】
光ファイバーは、伝搬光を伝送するコア部とその周囲に設けられたクラッド部とからなり、光ファイバーの一端は延伸あるいは化学エッチングにより先鋭化され、コア部を突出させている。また、先鋭化された光ファイバーの先端部の周辺は、金属膜により被覆されて、その最先端部に微小開口部が形成されている。
【００３１】
近接場光を利用した光記録装置において、再現性、安定性の高い情報記録再生を行うためには、この近接場光の強度分布の状態、および記録再生時に強度を一定に保つ必要がある。近接場光学顕微鏡においても、同様に、再現性、安定性の高い近接場光像を得るために、常に一定強度の近接場光を発生させることが必要とされる。また、近接場光加工装置では、光による化学反応を制御して安定かつ微細な加工を施すために、常に一定強度の近接場光を発生させる必要がある。
【００３２】
このような、近接場光を利用する種々の装置において使用されるプローブの性能を評価するために、電子顕微鏡を用いて微小開口部を観察して検査することが一般に行われている。しかし、これら従来の検査方法は、破壊検査であるため実際に使用するプローブについて検査を行うことはできない、という欠点がある。
【００３３】
また、プローブに入射する光の状態によって、開口から出射される近接場光の分布が変化するため、上記方法では実際に形成される近接場光の分布を測定しているわけではない、という欠点もある。
【００３４】
特開平１１−１３２９０４号公報（特許文献３）には、光ファイバープローブの微小開口部から出射されるレーザ光（伝搬光）が拡散板に投影されて形成された投影像を冷却ＣＣＤなどで読み取って、レーザ光の強度分布パターンを求め、光ファイバープローブの微小開口部の状態を評価する方法が提案されている。
【００３５】
しかしながら、この方法は、伝搬光の強度分布パターンを拡散板により可視化するものであり、直接観測しているのは微小開口部から発せられた伝搬光成分であって、近接場光成分を直接的に利用していない。
【００３６】
また、光の波長よりも小さな径の微小開口部から発せられた光の大部分は近接場光成分であり、伝搬光成分の割合が少ないため、微小開口部の径が小さくなるに従って、伝搬光成分の強度を評価するのが困難になる、という問題がある。
【００３７】
また、伝搬光成分を拡散板で散乱させるので、検出器に伝わる光強度が弱くなり、超高感度の検出器でなければ散乱光を検出することができず、装置が非常に高価なものとなる。
【００３８】
また、特開２００１−１９４２８７号公報（特許文献４）では、光ファイバープローブの先端部を光散乱用基板に近接させ、光ファイバープローブにレーザ光を入力して発生させた近接場光を光散乱用基板で散乱させ、光散乱用基板からの散乱光を検出し、検出した散乱光の強度に基づいて、光ファイバープローブの先端部の微小開口部の状態を評価する方法が提案されている。
【００３９】
しかし、この方法では、形成された近接場光の散乱成分の強度のみが検出可能であり、開口全体から出射される光強度は検出できるが、開口から出射される近接場光成分の分布を知ることはできなかった。
【００４０】
一方、プローブの先端に開口を作るのではなく、波長以下の構造の高屈折率誘電体か金属が近接場光を強く散乱することを利用した近接場光学顕微鏡（散乱モードＳＮＯＭ）が提案されている。
【００４１】
すなわち、特開平６−１３７８４７号公報（特許文献５）では、散乱モードＳＮＯＭ（散乱型近接場光学顕微鏡）が開示されている。この散乱モードＳＮＯＭ（散乱型近接場光学顕微鏡）では、試料表面に形成されたエバネッセント光を針状の先端の鋭いプローブで散乱させて伝搬光に変換し、この伝搬光すなわち散乱光をプローブの側方に配置された集光レンズと光検出器を用いて検知し、この検知信号に基づいて試料の光学情報を得ている。
【００４２】
さらに、第４２回日本応用物理学関係連合講演会（予稿集Ｎｏ．３、９１６頁、１９９５年３月）（非特許文献１）において、河田らは、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の金属探針をプローブに使用し、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により試料と探針間の距離制御を行ないながら、試料表面に発生されたエバネッセント光が金属探針先端で散乱されたために発生する伝搬光を、探針と試料の横方向から観察してＳＴＭ観察とＳＮＯＭ観察を行なえる装置を開示している。
【００４３】
さらに、河田らは、第４３回日本応用物理学関係連合講演会（予稿集Ｎｏ．３、８８７頁、１９９６年３月）（非特許文献２）において、エバネッセント光でなく、試料の上方から斜入射した伝搬光の金属探針先端一試料間の多重散乱でもＳＮＯＭ観察可能であることを報告している。
【００４４】
また、戸田らは、特開平９−５４０９９号公報（特許文献６）において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）用マイクロカンチレバーを利用し、暗視野照明系を使用するようにした散乱モードＳＮＯＭを開示している。
【００４５】
散乱型近接場光学顕微鏡（散乱型ＳＮＯＭ）は、とがった探針先端への電場集中効果により、探針に照射した光が先端部で強い散乱を引き起こすことを利用して、この散乱光で探針に近接した試料の微小部を照明し、試料をスキャンしながらこの光を取り込むことで回折限界を超える画像を得ている。
【００４６】
また、特開２０００−２２７４３５号公報（特許文献７）ではカーボンナノチューブを探針に利用した走査型プローブ顕微鏡が開示されている。
【００４７】
【特許文献１】
特開平１１−１９１２３８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０８６７２号公報
【特許文献３】
特開平１１−１３２９０４号公報
【特許文献４】
特開２００１−１９４２８７号公報
【特許文献５】
特開平６−１３７８４７号
【特許文献６】
特開平９−５４０９９号公報
【特許文献７】
特開２０００−２２７４３５号公報
【非特許文献１】
第４２回日本応用物理学関係連合講演会（予稿集Ｎｏ．３、９１６頁、１９９５年３月）
【非特許文献２】
第４３回日本応用物理学関係連合講演会（予稿集Ｎｏ．３、８８７頁、１９９６年３月）
【００４８】
【発明が解決しようとする課題】
以上、各従来技術とその問題点について詳細に検討してきたが、上記各従来技術では、簡易な構成を用いて近接場光強度に影響を及ぼす光ファイバープローブの微小開口部の状態を、その光ファイバープローブを使用する前に評価することはできないという問題があった。
【００４９】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、簡易な構成を用いて、近接場光強度に影響を及ぼすプローブの微小開口部の状態を評価することができる近接場光評価装置およびそれに用いる探針ならびに平面型プローブの製造方法を提供することを目的としている。
【００５０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために次のような構成を有する。
【００５１】
ａ）請求項１記載の発明は、入射光の波長よりも小さい直径を持つ微小開口部を備えた平面型プローブと、先端が微小開口部に近接した位置に配置された探針と、探針で散乱された光を検出する光検出手段と、平面型プローブと探針の先端を相対的に走査する走査手段とを有する近接場光分布測定装置である。
【００５２】
ｂ）請求項２記載の発明は、入射光の波長よりも小さい大きさを持つ微小開口部を備えた光ファイバープローブと、先端が微小開口部に近接した位置に配置された探針と、該探針で散乱された光を検出する光検出手段と、光ファイバープローブと探針の先端を相対的に走査する走査手段とを有する近接場光分布測定装置である。
【００５３】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の近接場光分布測定装置において、探針が、先端を尖らせた誘電体針あるいは金属針を用いたものであり、請求項４記載の発明は、同じく探針が、ナノチューブを用いたものであることを特徴としている。
【００５４】
ｄ）請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置において、探針−微小開口表面間に流れるトンネル電流を検知し、探針を微小開口表面から一定の距離に保持しながら試料を走査することを特徴としている。
【００５５】
ｅ）請求項６記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置において、探針の先端を微小開口表面に接近させたとき、微小開口表面の凹凸に応じて微小開口表面原子からの斥力によって生じる探針の先端の上下変動を検出して、探針と微小開口表面の距離を一定に保持することを特徴としている。
【００５６】
ｆ）請求項７記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置において、探針に共振周波数の振動を与え、微小開口表面とのせん断応力による共振周波数の変化に起因する探針振動の振幅および位相差の変化を検出し、該振幅または位相差が一定になるようにフィードバックして探針の先端と微小開口表面間の距離を制御することを特徴としている。
【００５７】
ｇ）請求項８記載の発明は、入射光の波長よりも小さい直径を持つ微小開口部を備えたプローブと、先端が微小開口部に近接した位置に配置された探針と、探針で散乱された光を検出する光検出手段と、プローブと探針の先端を相対的に走査する走査手段を有し、光検出手段の前方にピンホールを有していることを特徴としている。
【００５８】
ｈ）請求項９記載の発明は、請求項８記載の近接場分布測定装置において、ピンホールの大きさが光検出器上に形成されるスポットのエアリーディスクの２倍以下であることを特徴としている。
【００５９】
ｉ）請求項１０記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置に用いる探針の製造方法において、ナノチューブを分散させた電気泳動液内の電極間に電圧を印加して電極にナノチューブを突出状に付着させるステップと、ナノチューブを突出状に付着させた電極とホルダーを接近させ、ナノチューブの先端部が突出した状態でその基端部がホルダー面に付着するようにナノチューブをホルダーに転移させるステップとを有することを特徴としている。
【００６０】
ｊ）請求項１１記載の発明は、請求項１、または請求項３から９のいずれか１項に記載の近接場光分布測定装置に用いる平面型プローブの製造方法において、窒化シリコン膜を形成した石英基板基板上に、半導体プロセスのフォトリソグラフ技術を用いて円柱状のレジストパターンを形成するステップと、レジストパターンをマスクとして窒化シリコン膜をドライエッチングにより除去し、石英基板をストッパー層として、光学的に透明な石英基板上に高屈折率材料からなる突起を設けるステップと、突起上に微小開口部を設けるように金属膜を形成するステップとを有することを特徴としている。
【００６１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る近接場光評価装置の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【００６２】
（第１の実施例）
図１は、本発明に係る近接場光評価装置の第１の実施例を示す図である。
本実施例は、図１に示すように、入射波長よりも十分小さい大きさを持った微小開口部のアレイ（図１では一個の微小開口部１３’だけを示してある）を備えた平面型プローブ１３を用いたものであり、半導体レーザ１６から出射した光はコリメータレンズ１５で平行光束に変換された後、対物レンズ１４を通して集光され平面型プローブ１３の微小開口部１３’にスポットを結像する。
【００６３】
具体的に説明すると、対物レンズ１４を通して集光されたレーザ光は平面型プローブ１３に設けられた微小開口部１３’に照射され、微小開口部１３’から近接場光を発生する。発生した近接場光を、ホルダー１１の先端に形成された針状の探針１２で散乱させて伝搬光に変換し、この伝搬光すなわち散乱光を探針１２の側方に配置された集光レンズ１７と光検出器１８を用いて検知する。図示しない走査手段によって探針１２を微小開口部１３’の表面に沿って走査する。このようにして検知した信号に基づいて微小開口部１３’に発生した近接場光の分布情報を得る（請求項１）。
【００６４】
針状の探針１２としては、先端を鋭く尖らせた誘電体針あるいは金属針を散乱体として用いることができる。また、探針材質を金属にした場合は、誘電体探針に比べ、散乱効率が非常に高く、空間分解能が高いという特徴がある。さらに、この近接場を散乱させる探針１２の先端径が小さいほど空間分解能が向上する（請求項３）。
【００６５】
このような探針は、白金、白金イリジウム、タングステンなどの線材を先鋭化処理して形成することができる。例えば、白金イリジウムは工具のニッパで切断するだけで鋭い破断面が形成されこの破断面を探針として利用することができる。
【００６６】
また、タングステンの場合、電解研磨法によって探針を形成することができる。例えば、白金電極と探針となるタングステン電極を交流電源に接続して亜硝酸ナトリウム水溶液中に吊り下げる。タングステン電極は、電流が流れるにつれて次第に溶液中で溶解され、先端が針状の形成になる。
【００６７】
また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に用いられているカンチレバーも探針として利用可能である。このカンチレバー探針は半導体プレーナ技術によるリソグラフィーとエッチング技術により形成可能であることが知られている。
【００６８】
この探針１２にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることにより、さらに空間分解能を向上させることが可能である。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、直径が約１ｎｍ〜数十ｎｍで長さが数μｍの擬一次元的構造を有する円筒状炭素物質である。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）はチューブ構造をしているために、中心軸方向や曲げ方向への剛性が極めて強く、グラファイトなどと同様に化学的・熱的に極めて安定である。
【００６９】
また、断面直径は前述したように約１ｎｍから数十ｎｍに分布しているため、曲率半径の小さなナノチューブを選択すれば、近接場光の散乱源として最も適切な材料となりうる（請求項４）。
【００７０】
しかも、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は導電性を有しているから、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）用探針としてだけでなく、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）用探針としても活用できる。
【００７１】
更に、上述したように、チューブ構造をしているために剛性が強く折れにくいことから水平力顕微鏡（ＬＦＭ）など他の走査型プローブ顕微鏡の探針としても利用できる。
【００７２】
このようなカーボンナノチューブを用いた探針の製造方法として、次のような方法が知られている。
【００７３】
まず、探針となるナノチューブを分散させた電気泳動液内の電極間に電圧を印加して電極にカーボンナノチューブを突出状に付着させ、このカーボンナノチューブを突出状に付着させた電極とホルダーを極微接近させ、ナノチューブの先端部が突出した状態でその基端部がホルダー面に付着するようにナノチューブをホルダーに転移させる。
【００７４】
その後、ホルダー面に付着したナノチューブの基端部領域を含む所要領域をコーティング処理してこのコーティング膜によりナノチューブをホルダーに固着させることによりカーボンナノチューブを先端に設けた探針を製造することができる（特開２０００−２２７４３５号公報（特許文献７参照））（請求項１０）。
【００７５】
このような微小探針を用いた近接場光評価装置で近接場光分布の測定を行ったとき、近接場光は、試料表面の形状と光学的情報を含んでいるため、試料の光学的情報のみ取り出すには、探針を試料表面から数ｎｍの位置に制御し走査する必要がある。
【００７６】
探針が導電性を有している場合、探針と微小開口表面間に流れるトンネル電流を検知し、探針を微小開口表面から一定の距離に保持しながら試料を走査することができる。この場合、探針と微小開口表面間にトンネル電流を流さなければならないため、金属薄膜で薄く試料をコートする必要がある（請求項５）。
【００７７】
また、探針の先端を微小開口表面に接近させると、微小開口表面原子から斥力を受ける状態になる。この状態で探針を微小開口表面に沿って走査すると、表面の凹凸に応じて前記斥力により探針が上下変動し、カンチレバー（ホルダー１１）が「てこ」のようにそれに応じて撓む。この撓みをカンチレバーの背面に照射されたレーザビーム（図示せず）の反射角度のずれにより検出して探針−微小開口表面間の距離を制御する（請求項６）。
【００７８】
また、探針１２を振動させたとき、探針−微小開口表面間に発生するシェアフォース（せん断応力）を利用して探針−微小開口表面間の距離制御を行うことも可能である。探針１２は細い針であるため、バネの振動と同様に探針の長さ、径、および曲げ剛性に対応した共振周波数をもつ。
【００７９】
その探針の上部で横方向に探針の共振周波数の振動を与えると、探針先端は開放端であるため、強制変位の周波数と同じ周波数で振動する。探針を強制振動させながら、微小開口表面に近づけると、微小開口表面とせん断応力が作用し、共振周波数が変化する。
【００８０】
それに伴い、探針振動の振幅が減少し、また、強制周期振動と探針の振動との間で位相差に変化が生じる。ここで、振幅および位相差の変化を検出し、振幅または位相差が一定になるようにフィードバックし、探針−微小開口表面間の距離制御をする（請求項７）。
【００８１】
これらの探針−微小開口表面間の距離制御信号をモニタすることで、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と同様に、微小開口表面の凹凸像も同時に測定することができる。シェアフォースと原子間力を用いた場合、トンネル電流の検出と異なり微小開口表面の導電性を必要としないため、絶縁体の微小開口表面も特に処理することなく観察することができる。
【００８２】
次に、平面型プローブアレイの作製方法の一例を説明する。
図２は、平面型プローブアレイの作製方法の一例を示す図である。
【００８３】
同図に示すように、透明な基板（石英基板）２２に高屈折率材料として窒化シリコン膜２６を形成する（同図（ａ））。この窒化シリコン膜２６はＳｉＨ４とＮＨ３を７００〜１１００度の高温下で熱反応させる高温熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成膜することができる。この窒化シリコン膜２６の膜厚は２μｍ以上であることが望ましい。
【００８４】
ここでは高屈折率材料として窒化シリコン膜をあげたが、他の高屈折率材料でもなんら問題無い。例えば、石英ガラス上にＳｉＯ２をスパッタ（基板表面から１μｍ程度）したのち、Ｎ原子あるいはＣ原子の侵入層を作製する。
【００８５】
Ｃ原子の場合、ＣＨ４をソースガスとするイオン注入法により石英ガラスへイオン注入、またＮ原子の場合、ＳｉＨ４とＮ２Ｏを原料とする熱分解ＣＶＤ法によってＳｉＯ２を成膜することにより高屈折率層を形成することができる。
【００８６】
この高屈折率層は前記方法以外にも、他のＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリングなどや熱拡散法によっても形成できる。また、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板と呼ばれるシリコン単結晶基板に、酸化シリコンのバッファー層が形成されている基板を使用し、ＳＯＩ基板とガラス基板に電極を設け、約３００度程度の温度雰囲気中で適当な電圧を印加してＳＯＩ基板とガラス基板を接合することにより、石製基板上に高屈折率材料を形成することができる。
【００８７】
別の方法としては、接合する石英基板表面を十分に洗浄し、ＳＯＩ基板の活性シリコン層を張り合わせ、窒素雰囲気中９００℃以上で熱処理することにより接合することが可能である。また、接合する石英基板とＳＯＩの接合面を鏡面研磨し、ＲＣＡ洗浄（ＲＣＡ社が提案した過酸化水素水をベースにした洗浄方法）を行い、１×１０−９Ｔｏｒｒ以下の真空度のチャンバー内でＡｒのＦＡＢ（ＦａｓｔＡｔｏｍ  Ｂｅａｍ）を３００ｓｅｃ程度同時に照射し、１０ＭＰａの圧力で圧着することにより接合することができる。
【００８８】
この石英基板２２上に窒化シリコン膜２６を成膜した基板に、半導体プロセスのフォトリソグラフ技術を用いて円柱状のレジストパターン２３を形成する（同図（ｂ））。この円柱状のレジストパターン２３は、シリコンの突起を形成する領域に作製される。
【００８９】
このレジストパターン２３をマスクとして窒化シリコン膜２６をドライエッチングにより除去する（同図（ｃ））。このエッチング時に、石英基板２２をストッパー層とすることで、光学的に透明な石英基板上に高屈折率材料の突起からなる近接場光学プローブ２５を形成することができる。
【００９０】
また、エッチング時間を調節することにより、石英基板２２上にレジストパターン２３が無い領域の窒化シリコン膜２６を基板上に残して、石英基板２２上に高屈折率材料の突起からなる近接場光学プローブ２５を形成することができる。
【００９１】
ここで、ドライエッチングの条件を変化させることにより、形成された窒化シリコン突起の形状を変化させることができる。ドライエッチングは、平行平板型のＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置を用いた。
【００９２】
ここで、ガス種、処理圧力、ＲＦパワーを最適条件に変化させることで各種形状の窒化シリコン突起が形成できる。このエッチング時に透明基板２２をストッピングレイヤーとすることで、透明基板上に円柱もしくは円錐形のシリコン突起から成る近接場光プローブを形成することができる。
【００９３】
エッチング後、レジストパターン２３を酸素プラズマによるレジストアッシングを行いレジストを除去する。この窒化シリコン突起が形成される面に、金属膜２４をスパッタにより成膜する（同図（ｄ））。この金属膜２４を光の染み込み深さ以上に蒸着することで、シリコン突起から生じる近接場光以外を遮断することができる。
【００９４】
シリコンエッチング後、残ったレジストパターン２３を酸素プラズマによるレジストアッシングを行うことにより、レジストを除去することができる。またシリコン突起側面に付着した側壁保護膜などはＢＨＦ溶液によって除去することができる。シリコン突起先端の金属膜２４は収束イオンビーム装置（ＦＩＢ；ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎ  Ｂｅａｍ）を用いることで先端のみ選択的に除去することができる。また、研磨など従来よく知られている方法でも先端のみ金属膜２４を除去することが可能である（請求項１０）。
【００９５】
（第２の実施例）
次に、本発明に係る近接場光評価装置の別の実施例を説明する。
図３は、本発明に係る近接場光評価装置の第２の実施例を示す図である。
【００９６】
本実施例は、同図に示すように、入射波長よりも十分小さい大きさを持った微小開口部を備えた光ファイバープローブ３３に、半導体レーザ３６から出射した光をコリメータレンズ３５で平行光束に変換された後、対物レンズ３４で光ファイバープローブ３３の後方端面から入射する。入射したレーザ光はファイバー中を伝播し、光ファイバープローブ３３の先端に設けられた微小開口部３３’から近接場光が発生する。
【００９７】
発生した近接場光をホルダー３１の先端に形成された針状の探針３２で散乱させて伝搬光に変換し、この伝搬光すなわち散乱光を探針３２の側方に配置された集光レンズ３７と光検出器３８を用いて検知し、この検知信号に基づいて微小開口部３３’に発生した近接場光の分布情報を得ることができる（請求項２）。
【００９８】
なお、詳細には示さないが、上記平面型プローブを用いた実施例で示した探針の構成や走査制御に関する構成（請求項３，４，５，６，７に関連する構成）や後述する光検出器の前にピンホールを設ける構成（請求項８，９に関連する構成）は、本光ファイバープローブを用いた実施例に対しても同様に適用できる。
【００９９】
（第３の実施例）
次に、本発明に係る近接場光評価装置のさらに別の実施例を説明する。
図４は、本発明に係る近接場光評価装置の第３の実施例を示す図である。
【０１００】
本実施例は、同図に示すように、入射波長よりも十分小さい大きさを持った微小開口部のアレイを備えた平面型プローブ４３に、半導体レーザ４６から出射した光をコリメータレンズ４５で平行光束に変換された後、対物レンズ４４で平面型プローブ４３の微小開口部４３’にスポットを結像する。集光されたレーザ光は平面型プローブ４３に設けられた微小開口部４３’に照射され、近接場光が発生する。
【０１０１】
微小開口部４３’から発生した近接場光をホルダー４１の先端に形成された針状の探針４２で散乱させて伝搬光に変換し、この伝搬光すなわち散乱光をプローブ４２の側方に配置された集光レンズ４７とピンホール４９を通して光検出器４８を用いて検知し、この検知信号に基づいて微小開口部４３’に発生した近接場光の分布情報を得ることができる。
【０１０２】
ここで、光検出器４８の前にピンホール４９を設けたことで、集光レンズ４７の焦点面からの光のみが光検出器４８上に到達し、焦点面以外からの探針４２からの散乱光は光検出器４８上でぼけてしまい検出されない。
【０１０３】
ここで、ピンホール４９の大きさは光検出器４８上に形成されるスポットのエアリーディスクの１〜２倍程度にするとよい。またピンホールの代わりに、ピンホールの大きさと同じ程度の大きさの受光範囲を持つ光検出器４８を用いても全く同じ効果を得ることができる（請求項８、９）。
【０１０４】
なお、この第３の実施例の如き光検出器の前にピンホールを設けた構成は、先に述べたように、第２の実施例の光ファイバープローブを用いた場合にも第１の実施例と同様に適用できる。
【０１０５】
【発明の効果】
以下、、本発明の効果を請求項毎に記す。
（請求項１）
請求項１記載の近接場光分布測定装置によれば、入射光の波長よりも小さい直径を持つ微小開口部を備えた平面型プローブと、先端が前記微小開口部に近接した位置に配置された探針と、該探針で散乱された光を検出する光検出手段と、平面型プローブと探針の先端を相対的に走査する走査手段とを有するしているため、微小開口部近傍の近接場光強度を高分解能で測定可能であり、プローブの微小開口部の状態を適切に評価することが可能になる。
【０１０６】
（請求項２）
請求項２記載の近接場光分布測定装置によれば、入射光の波長よりも小さい大きさを持つ微小開口部を備えた光ファイバープローブと、先端が前記微小開口部に近接した位置に配置された探針と、該探針で散乱された光を検出する光検出手段と、プローブと探針の先端を相対的に走査する走査手段とを有しているため、微小開口部近傍の近接場光強度を高分解能で測定可能であり、プローブの微小開口部の状態を適切に評価することが可能になる。
【０１０７】
（請求項３）
請求項３記載の近接場光分布測定装置によれば、探針として先端を尖らせた誘電体針あるいは金属針を用いているため、探針を安定かつ比較的安価に作成可能であり、微小開口部近傍の近接場光強度を高分解能で測定可能であり、プローブの微小開口部の状態を適切に評価することが可能になる。
【０１０８】
（請求項４）
請求項４記載の近接場光分布測定装置によれば、探針としてナノチューブを用いているため、微小開口部近傍の近接場光強度を数ナノメータオーダーの高分解能で測定可能であり、プローブの微小開口部の状態を適切に評価することが可能になる。
【０１０９】
（請求項５）
請求項５記載の近接場光分布測定装置によれば、探針−微小開口表面間に流れるトンネル電流を検知し、探針を微小開口表面から一定の距離に保持しながら微小開口表面を走査するため、微小開口部近傍の近接場光強度を高分解能で測定可能であり、プローブの微小開口部の状態を適切に評価することが可能になる。
【０１１０】
（請求項６）
請求項６記載の近接場光分布測定装置によれば、探針の先端を微小開口表面に接近させたとき、微小開口表面の凹凸に応じた斥力により探針が上下変動することによる撓みを検出することにより、探針を微小開口表面から一定の距離に保持して走査するため、微小開口部近傍の近接場光強度を高分解能で測定可能であり、プローブの微小開口部の状態を適切に評価することが可能になる。
【０１１１】
（請求項７）
請求項７記載の近接場光分布測定装置によれば、探針の共振周波数の振動を与え、試料表面とのせん断応力が作用し、共振周波数が変化することにより、探針振動の振幅および位相差の変化を検出し、振幅または位相差が一定になるようにフィードバックするため、微小開口部近傍の近接場光強度を高分解能で測定可能であり、プローブの微小開口部の状態を適切に評価することが可能になる。
【０１１２】
（請求項８）
請求項８記載の近接場光分布測定装置によれば、入射光の波長よりも小さい直径を持つ微小開口部を備えたプローブと、先端が微小開口部に近接した位置に配置された探針と、探針で散乱された光を検出する光検出手段と、プローブと探針の先端を相対的に走査する走査手段を有し、かつ光検出手段の前方にピンホールを有しているため、外乱に対して安定かつ、微小開口部近傍の近接場光強度を高分解能で測定可能であり、プローブの微小開口部の状態を適切に評価することが可能になる。
【０１１３】
（請求項９）
請求項９記載の近接場光分布測定装置によれば、ピンホールの大きさが光検出器上に形成されるスポットのエアリーディスクの２倍以下である外乱に対してより安定、かつ、微小開口部近傍の近接場光強度を高分解能で測定可能であり、プローブの微小開口部の状態を適切に評価することが可能になる。
【０１１４】
（請求項１０）
請求項１０記載の近接場光分布測定装置に用いる探針の製造方法によれば、ナノチューブを分散させた電気泳動液内の電極間に電圧を印加して電極にナノチューブを突出状に付着させ、ナノチューブを突出状に付着させた電極とホルダーを接近させ、ナノチューブの先端部が突出した状態でその基端部がホルダー面に付着するようにナノチューブをホルダーに転移させるようにしたので、安定に探針を製造可能となり、その結果、微小開口部近傍の近接場光強度を数ナノメータオーダーの高分解能で測定可能であり、プローブの微小開口部の状態を適切に評価することが可能な近接場光分布測定装置を実現できる。
【０１１５】
（請求項１１）
請求項１１記載の近接場光分布測定装置に用いる平面型プローブの製造方法によれば、窒化シリコン膜を形成した石英基板基板上に、半導体プロセスのフォトリソグラフ技術を用いて円柱状のレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとして窒化シリコン膜をドライエッチングにより除去し、石英基板をストッパー層として、光学的に透明な石英基板上に高屈折率材料からなる突起を設け、突起上に微小開口部を設けるように金属膜を形成するようにしたので、微小開口部近傍の近接場光強度を高分解能で測定可能なプローブが得られ、その結果、プローブの微小開口部の状態を適切に評価し、安定に記録再生を行うことが可能にな近接場光分布測定装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る近接場光評価装置の第１の実施例を示す図である。
【図２】本発明に係る第１の実施例に用いる平面型プローブアレイの作製方法の一例を示す図である。
【図３】本発明に係る近接場光評価装置の第１の実施例を示す図である。
【図４】本発明に係る近接場光評価装置の第３の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１１，３１，４１：ホルダー、
１２，３２，４２：探針、
１３，４３：平面型プローブ、
１３’、３３’４３’：微小開口部、
１４，３４，４４：対物レンズ、
１５，３５，４５：コリメータレンズ、
１６，３６、４６：半導体レーザ、
１７，３７，４７：集光レンズ、
１８，３８，４８：光検出器、
２２：透明な基板（石英基板）、
２３：レジストパターン、
２４：金属膜、
２５：近接場光学プローブ、
２６：窒化シリコン膜、
４９：ピンホール。
【図１】
2004239721.tif 000003
【図２】
2004239721.tif 000004
【図３】
2004239721.tif 000005
【図４】
2004239721.tif 000006