(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方側が支持部に固定された片持ちばり状の光導波路プローブにおいて、
前記光導波路は、前記光導波路の他方側の先端近傍が折り曲げられた屈曲部を有し、
前記屈曲部は、前記先端に前記光導波路に対して略垂直方向に先鋭化された探針と、前記探針の前記折り曲げ側の端部に微小開口と、前記探針を含み、前記光導波路を伝播する伝播光を反射させて前記微小開口へ導入する偏向面とを備え、
前記偏向面は、前記光導波路から前記微小開口までの光軸を含む光軸面に対して直交しない面であることを特徴とする光導波路プローブ。
【請求項２】
前記偏向面における前記伝播光の偏角が、９０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路プローブ。
【請求項３】
前記偏向面は、前記光軸面に対して略対称な複数の面であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の光導波路プローブ。
【請求項４】
前記複数の面は、複数の平面であることを特徴とする請求項３に記載の光導波路プローブ。
【請求項５】
前記複数の平面は、前記光軸面に対して各々垂直ではないことを特徴とする請求項４に記載の光導波路プローブ。
【請求項６】
前記屈曲部は、前記微小開口を除き、反射膜を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光導波路プローブ。
【請求項７】
前記支持部には、前記光導波路の前記一方側端部と連通して前記一方側端部に光を導入する光学素子を位置決めするガイドが設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光導波路プローブ。
【請求項８】
前記ガイドが、Ｖ溝であることを特徴とする請求項７に記載の光導波路プローブ。
【請求項９】
請求項１〜８に記載の光導波路プローブを有することを特徴とする走査型近視野顕微鏡。
【請求項１０】
走査型近視野顕微鏡に用いる光導波路プローブの製造方法において、
基板をパターニングすることにより前記基板上に斜面と、該斜面の下方に連続して形成された水平面を有する下面とを形成する基板形成工程と、
前記下面上から前記斜面上にかけて光導波路母材を堆積する堆積工程と、
前記光導波路母材をパターニングすることにより、前記斜面上に前記下面に対して略垂直方向に先鋭化された探針と、該探針の前記下面側とは反対側に微小開口とを有する屈曲部を備えた光導波路を形成する導波路形成工程と、
前記光導波路の前記屈曲部を含む一方側を前記基板から分離する分離工程とを含み、
前記導波路形成工程において、前記斜面に対応した面が、前記光導波路から前記微小開口までの光軸を含む光軸面に対して直交しない面となるように前記パターニングを行うことを特徴とする光導波路プローブの製造方法。
【請求項１１】
前記基板形成工程において、
前記斜面は、前記下面の法線を含む面に対して略対称な複数の面とされ、
前記導波路形成工程において、前記複数の斜面の各々に対応した面が、前記光軸面に対して直交しない面となるように前記パターニングを行うことを特徴とする請求項１０に記載の光導波路プローブの製造方法。
【請求項１２】
前記基板形成工程は、異方性エッチングによって行われることを特徴とする請求項１０または１１に記載の光導波路プローブの製造方法。
【請求項１３】
走査型近視野顕微鏡に用いる光導波路プローブの製造方法において、
下地基板上に前記下地基板とはエッチング特性の異なる材料を挟持して活性基板を形成する基板張合せ工程と、
前記活性基板をパターニングすることにより前記活性基板上に斜面と、該斜面の下方に連続して形成された水平面を有する下面とを形成する活性基板形成工程と、
前記下面上から前記斜面上にかけて光導波路母材を堆積する堆積工程と、
前記光導波路母材をパターニングすることにより、前記斜面上に前記下面に対して略垂直方向に先鋭化された探針と、該探針の前記下面側とは反対側に微小開口とを有する屈曲部を備えた光導波路を形成する導波路形成工程と、
前記下地基板に、前記光導波路と連通し、前記光導波路に光を導入する光学素子を位置決めするガイドを形成するガイド形成工程と、
前記光導波路の前記屈曲部を含む一方側を前記基板から分離する分離工程とを含み、
前記導波路形成工程において、前記斜面に対応した面が、前記光導波路から前記微小開口までの光軸を含む光軸面に対して直交しない面となるように前記パターニングを行うことを特徴とする光導波路プローブの製造方法。
【請求項１４】
前記活性基板形成工程において、
前記斜面は、前記下面の法線を含む面に対して略対称な複数の面とされ、
前記導波路形成工程において、前記複数の斜面の各々に対応した面が、前記光軸面に対して直交しない面となるように前記パターニングを行うことを特徴とする請求項１３に記載の光導波路プローブの製造方法。
【請求項１５】
前記活性基板形成工程及び前記ガイド形成工程は、異方性エッチングによって行われることを特徴とする請求項１３または１４に記載の光導波路プローブの製造方法。
【請求項１６】
前記下地基板及び前記活性基板は、単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１３から請求項１５のいずれか１項に記載の光導波路プローブの製造方法。
【請求項１７】
前記下地基板及び前記活性基板は、面方位が同じであることを特徴とする請求項１６に記載の光導波路プローブの製造方法。
【請求項１８】
前記下地基板及び前記活性基板は、互いに面方位が異なることを特徴とする請求項１６に記載の光導波路プローブの製造方法。
【請求項１９】
前記基板張合せ工程において、
前記光導波路の前記光軸方向と前記ガイドの前記光軸方向とが一致するように前記下地基板と前記活性基板とを張り合わせることを特徴とする請求項１３から請求項１８のいずれか一項に記載の光導波路プローブの製造方法。
【請求項２０】
前記光導波路は、光を伝播するコアを有し、
前記導波路形成工程において、前記光導波路母材のパターニングと同時に、前記コアの中心軸と前記ガイドの中心軸とを一致させるための前記ガイドの幅を規定するガイドパターンを形成する事を特徴とする請求項１３から請求項１９のいずれか一項に記載の光導波路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】
この発明は、近視野光を利用して試料の微細領域における光学特性を観察・計測する光プローブであって、特に光導波路からなる光導波路プローブおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、 走査型近視野顕微鏡（以下、ＳＮＯＭと略す）では、先端が先鋭化された光媒体からなるプローブを、光の波長以下まで測定試料に近づけることで、試料の光学特性や形状を測定している。この装置の一つとして、試料に対して垂直に保持した直線状の光ファイバープローブの先端を、試料表面に対して水平に振動させ、試料表面とプローブ先端のせん断力によって生じる振動振幅の変化を、プローブ先端に照射したレーザ光の影の変化によって検出し、振幅が一定になるように試料を微動機構で動かすことによって、プローブ先端と試料表面の間隔を一定に保ち、微動機構に入力した信号強度から表面形状を検出するとともに試料の光透過性の測定を行う装置が提案されている。
【０００３】
また、鈎状に成形した光ファイバープローブを原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭと略す）のカンチレバーとして使用し、ＡＦＭ動作すると同時に、光ファイバープローブの先端から試料にレーザ光を照射し、表面形状を検出するとともに試料の光学特性の測定を行う走査型近視野原子間力顕微鏡が提案されている（特開平７−１７４５４２号公報）。この光ファイバープローブは、光媒体に光ファイバーが用いられ、光ファイバーの周囲は金属膜被覆で覆われている。また、探針部が先鋭化されており、探針部の先端に開口を有する。
【０００４】
さらに、光導波路をコアとクラッドの積層からなるカンチレバー状に構成し、一端には先鋭化された探針部、他端には光導波路を固定する支持部が形成されており、探針部側の光導波路は湾曲した構造を持つ光導波路プローブも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳＮＯＭで使用する光ファイバープローブは、光ファイバーを材料として多くの工程を手作業で製造しており、量産性が低く、探針部の先端径や先端角、開口径などの形状が不均一であるという問題点があった。また、プローブ走査を高速かつ損傷なく行うためには、プローブの共振周波数を高く、かつバネ定数を小さくする必要がある。しかし、光ファイバーを光媒体として使用しているので、小型化して高共振周波数、低バネ定数にすることが難しいといった問題点があった。
【０００６】
さらに、光ファイバーや光導波路を湾曲させたプローブでは、湾曲している部分で伝搬光の損失が生じ、伝搬光を効率よく伝搬することができないと言う課題があった。
【０００７】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、量産性、均一性、高速走査性に優れ、効率よく伝搬光を伝搬させることのできる光導波路プローブ、およびその光導波路プローブを作製する製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明にかかる光導波路プローブは、片持ちばり状の光導波路と、前記光導波路先端に設けられ、前記光導波路に対して略垂直方向に先鋭化された探針と、前記探針の先端に設けられた微小開口と、前記光導波路の先端近傍が前記探針側に折り曲げられた屈曲部とからなり、前記屈曲部が前記光導波路内の伝搬光を偏向する偏向機能を有することを特徴とする。
【０００９】
また、前記屈曲部での前記伝搬光の偏角が、９０度以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、前記屈曲部が、単一の面で前記伝搬光を偏向することを特徴とする。
【００１１】
また、前記単一の面が前記光導波路から前記微小開口までの光軸を含む光軸面に対して直交する面であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記単一の面が前記光軸面に対して直交しない面であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記光軸面に直交し前記導波路の光軸を含む面に対して、前記単一の面の角度が４５度以下であることを特徴とする。
【００１４】
また、前記屈曲部は、前記光導波路から前記微小開口までの光軸を含む光軸面に対して略対称な複数の面で折り曲げられていることを特徴とする。
【００１５】
また、前記複数の面は、複数の平面であることを特徴とする。
【００１６】
また、複数の前記平面は、前記光軸面に対してそれぞれ垂直ではないことを特徴とする。
【００１７】
また、前記屈曲部は、反射膜を有していることを特徴とする。
【００１８】
また、前記光導波路の支持部に光学素子を位置決めするためのガイドがもうけられていることを特徴とする。
【００１９】
また、前記ガイドが、Ｖ溝であることを特徴とする。
【００２０】
上記光導波路プローブによれば、屈曲部において効率よく伝搬光を偏向することができるので、微小開口から光を出射する効率、あるいは微小開口で光を検出する効率を向上することができる。さらに、光導波路を伝搬してきた伝搬光を微小開口へ集光したり、その逆に、微小開口からの光をコリメートすることができるため、効率を向上することができる。
【００２１】
上記の目的を達成するために、本発明にかかる光導波路プローブの製造方法は、光導波路を堆積する基板を形成する基板形成工程と、前記光導波路を前記基板上に堆積する堆積工程と、前記光導波路の一部を前記基板から分離する分離工程を含み、前記基板形成工程において、前記光導波路の一部を折り曲げるための屈曲状の前記基板を形成することを特徴とする。
【００２２】
また、前記基板形成工程は、前記光導波路の光軸に平行な下面と、前記下面に対して垂直ではなく、かつ前記光軸と前記下面の法線を含む面に対して略対称な複数の面と、を含む前記基板を形成する工程であることを特徴とする。
【００２３】
また、前記基板形成工程は、異方性エッチングを用いて形成する工程であることを特徴とする。
【００２４】
また、走査型近視野顕微鏡に用いる光導波路プローブの製造方法において、エッチング特性の異なる材料を挟持して張り合わされた２枚の基板を用い、一方の前記基板に光導波路の一部を折り曲げるための段差を形成する工程と、他方の前記基板に、光学素子用ガイドを形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００２５】
また、前記基板が単結晶シリコン基板であることを特徴とする。  また、前記基板において、面方位が同じ２枚の単結晶シリコン基板を張り合わせることを特徴とする。
【００２６】
また、前記基板において、面方位が異なる２枚の単結晶シリコン基板を張り合わせることを特徴とする。
【００２７】
また、前記基板において、型を形成する基板の導波路の光軸方向と、ガイドを形成する基板のガイドの光軸方向を一致するように前記基板を張り合わせることを特徴とする。
【００２８】
また、光導波路のコアと光学素子用ガイドを規定するパターンを同時に形成することを特徴とする。
【００２９】
上記光導波路プローブの製造方法によれば、型となる基板上に光導波路を積層して作製することができるため、量産性、形状再現性、均一性が向上する。また、小型の光導波路プローブを作製することができるため、低バネ定数で高共振周波数を有する光導波路プローブを作製することができる。そのため、プローブを損傷なく高速走査することが可能となる。また、伝搬光を効率よく伝搬することのできる屈曲部を形成することが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１を示す光導波路プローブの構成を示す構成図である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）はＡＡ'断面での断面図、図１（ｃ）はＤＤ'断面での断面図、図１（ｄ）は光伝搬の様子を示す拡大模式図である。
【００３１】
光導波路プローブ５０は、光導波路２と、それを支える支持部１とから構成されている。光導波路２は、支持部１に積層され、一体に形成されている。光導波路２は、片持ちばり状の弾性機能部３とその先端の探針部９を有し、先端近傍には探針部９側に折り曲げられた屈曲部１０が形成されている。探針部９は先鋭化されており、その先端に微小開口５を有する。光導波路２は、略中心部に光を伝搬するコア４とその外周部のクラッド６とから構成されている。図示していないが、弾性機能部３や探針部９は遮光膜で覆われ、探針部９先端の遮光膜で覆われていない部分が微小開口５となる。
【００３２】
クラッド６の屈折率は、コア４の屈折率に比べて相対的に小さい。弾性機能部３の長さは、例えば５０μｍから１０００μｍである。探針部９の長さは、例えば１μｍから３０μｍである。コア４の光軸に垂直な断面形状は四角形であり、一辺長は１μｍから１００μｍである。光導波路２の光軸に垂直な断面形状は略四角形であり、一辺長は５μｍから５００μｍである。支持部１の厚さは、例えば２００μｍから６００μｍである。支持部１の長さおよび幅は、例えば１ｍｍから５０ｍｍである。コア４およびクラッド６の材料としては、二酸化珪素、フッ素やボロンをドープした二酸化珪素などのガラス材料、ポリウレタン、エポキシなどの有機材料、酸化ニオブ、酸化亜鉛などの金属酸化物など、さまざまな誘電体材料を用いることができる。遮光膜には、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。遮光膜の厚さは、例えば１００ｎｍから１μｍである。微小開口５の直径は、例えば１０ｎｍから５００ｎｍである。
【００３３】
光導波路２は、弾性機能部３の先に探針部９が形成され、弾性機能部３の途中が探針部９側に折り曲げられている。本実施の形態では、図１（ｄ）に示すように、２平面１２、１３が交差する屈曲部１０によって光導波路２が折り曲げられ、２平面１２、１３の交線に沿ってコア４を形成する。この２平面１２、１３は、図１（ｃ）に示すように、光導波路２を形成している基板１の面に対しては約５５度傾くとともに、光導波路２の光軸と微小開口５を含む面（ＡＡ'断面）に対して対称で、９０度に交差している。
【００３４】
入射端１１からの入射光８は、光導波路２に入射後、コア４内を伝搬する。伝搬してきた伝搬光７は屈曲部１０で反射して微小開口５へ導入される。コア４とクラッド６との屈折率差が十分大きく、その界面で伝搬光７が全反射されるのが望ましい。全反射しない場合には、クラッド６表面に反射膜を形成しても良い。このような構造においては、伝搬光７が偏向される偏角が小さく（例えば９０度以下）、屈曲部１０を形成する２平面１２、１３に対して伝搬光７が入射する角を小さくできるため、コア４とクラッド６の界面で全反射が起こりやすく、屈曲部１０での損失を低減できる。また、伝搬光７を光軸方向にそのまま反射させるのではなく、微小開口５側へ集光させるように反射させることが可能であり、コア４内の伝搬光７を微小開口５近傍に集光することができる。このように、屈曲部１０においては、コア４内の伝搬光７が効率よく、集光されて微小開口５に反射されるので、微小開口５から強度の強い近視野光を出射することができる。
【００３５】
微小開口５で検出し、光導波路２内を逆方向に光が伝搬する場合においても同様に、効率よく光を反射することができる。ここでは、２平面１２、１３によって屈曲部１０を形成する場合を例にとり説明したが、それぞれが曲面であっても良いし、２面ではなく４面やそれ以上の面から構成しても良い。
【００３６】
また、光導波路２の先端方向に光検出器を配置し、反射モードで試料の光学特性を観察する場合には、微小開口５がカンチレバー状の光導波路２先端に形成されているため、試料での反射光が光導波路２で遮られる部分が少なく、効率よく試料での反射光を検出することができる。
【００３７】
以上説明したように、上記光導波路プローブ５０によれば、光導波路２の入射端１１から入射光８を導入し、微小開口５から測定試料に対して光を照射することができる。または、試料表面に局在する光を微小開口５で検出し、光導波路２の入射端（この場合は出射端になる）１１後方に配置する検出器で検出することもできる。これら微小開口による光照射や光検出を効率よく行うことができる。
【００３８】
また、弾性機能部３は小型化可能で、バネ定数および共振周波数は弾性機能部３の長さや幅によって調整することができる。よって、弾性機能部３は、低バネ定数、高共振周波数とすることができるため、試料やプローブを損傷することなく高速に走査することができる。
（実施の形態２）
図２は、実施の形態１の光導波路プローブの製造方法を示す説明図である。図３、図４はそれぞれ図２（ｂ）、（ｅ）での上面図である。図２（ａ）は、基板３１上にマスクとなる二酸化珪素３２をパターニングした状態を示す。基板３１はシリコンからなるが、型が形成できれば、石英基板等でも良い。図２（ｂ）は、パターニングした二酸化珪素３２をマスクとして、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）を用いた異方性エッチングにより、光導波路の屈曲部となる型を形成する工程を示す。この型の上面図が図３である。ＢＢ'断面で示すように（ＣＣ'断面も同じ）、基板３１の下面３７に対して、角度（約５５度）を有する斜面３６を２面形成する。この２面は９０度で交差している。
【００３９】
図２（ｃ）は屈曲型上に光導波路３３を堆積する工程を表わしたものである。屈曲型上にクラッド材を堆積し、その上にパターニングしたコア材を堆積し、さらにその上にクラッド材を堆積する。 コア材およびクラッド材の堆積方法は材料によって適した方法が用いられる。例えば酸化珪素の場合、気相合成法（以下、ＣＶＤと略す）、スパッタ、真空蒸着などを用いる。クラッド材の屈折率はコア材の屈折率よりも相対的に小さい。
【００４０】
図２（ｄ）は、堆積した光導波路３３上に、探針部を有する片持ちばり状にパターニングするためのマスク３４を形成する工程を示す。図２（ｅ）は、マスク３４を用いて光導波路３３をパターニングする工程を示す。ドライエッチングやウェットエッチングにより光導波路３３をパターニングすることが可能である。この状態の上面図を図４に示す。下面３７、斜面３６に沿って探針部を有する光導波路３５を形成している。探針部は基板３１に対して略垂直方向に先鋭化されている。
【００４１】
図２（ｆ）は光導波路３５の一部を基板３１から分離する工程を示している。光導波路３５を支持する基板を残して、基板３１をエッチングで除去することにより、片持ちばり状の光導波路プローブ５０を形成する。
【００４２】
さらに図示しないが、片持ちばり状の光導波路３５の周囲に金属（ＡｌやＣｒなど）を蒸着やスパッタにより成膜し、探針部先端に微小開口を形成する。
【００４３】
以上説明した工程によれば、実施の形態１の光導波路プローブ５０を容易に、量産性、均一性良く製造することが可能である。
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態に係る光導波路プローブ５１ついて、図５を用いて説明する。なお、実施の形態１で説明した光導波路プローブ５０と重複する部分の記号は同じものを用い、説明は省略する。
【００４４】
光導波路プローブは、光導波路プローブ５０を構成する要素に加えて、Ｖ溝４２を備えた支持部１と、支持部１とクラッド６との間にもうけられた支持層４１と、クラッド６およびコア４からなり、Ｖ溝４２上に飛び出した光導入部４３からなる。なお、光導入部４３がない構成でもよい。また、支持層４１がなくてもよい。
【００４５】
Ｖ溝４２に光ファイバーを固定することによって、光ファイバーからコア４に効率よく光を導入することが容易になる。また、Ｖ溝４２には、光ファイバーのほかに、半導体レーザや発光ダイオード、レンズなどの光学素子を固定してもよい。
【００４６】
図６は、光導波路プローブ５１の作製方法を説明する図である。なお、以下では、図面の上側をおもて面、下側を裏面とする。図６（ａ）に示す、シリコンからなる基板６１、基板６１上の酸化膜６２、酸化膜上に形成されたシリコンからなる活性層６３、からなるスタート基板（シリコンオンインシュレータ基板、以下SOI基板）を用いる。活性層６３および基板６１は（１００）面のシリコン単結晶である。（１００）ウエハのオリエンタルフラットの方向は、＜１１０＞方向であるが、本発明のスタート基板では、活性層６３と基板６１のオリエンタルフラットの方向を４５度だけずらしたものを用いる。すなわち、図６（ａ）中、矢印Ａで示す基板６１の結晶方位は＜１１０＞方向、同図中矢印Ｂで示す活性層の結晶方位は、＜１００＞方向であり、それぞれの方向は、Ｖ溝中に固定される光ファイバーおよび光導波路２の光軸方向と一致する。活性層６３の上には、段差形成用マスク６４を形成する。また、基板６１の裏面側には、リリース用マスク６５を形成する。段差形成用マスクおよびリリース用マスク６５の材料は、二酸化珪素や窒化珪素など、KOHやTMAHなどをもちいた異方性エッチングに耐性のある材料を用いる。
【００４７】
次に、図６（ｂ）に示すように、おもて面からKOHやTMAHなどによる異方性エッチングによって活性層６３をエッチングして段差を形成する。このときの上面図は、実施の形態２の図３で説明した状態と同様である。
【００４８】
次に、段差形成用マスク６４を除去した後、図６（ｃ）に示すように、光導波路３３を形成する。光導波路の形成方法、寸法、材料は、実施の形態１および実施の形態２で説明したものと同様である。
【００４９】
図６（ｄ）は、堆積した光導波路３３上に、探針部を有する片持ちばり状にパターニングするためのマスク３４を形成する工程を示す。図６（ｅ）は、マスク３４を用いて光導波路３３をパターニングする工程を示す。ドライエッチングやウェットエッチングにより光導波路３３をパターニングすることが可能である。この状態の上面図は、実施の形態２で説明した図４の状態と同様である。
【００５０】
次に、図６（ｆ）に示すように酸化膜６２をパターニングする事によって、Ｖ溝用マスクを形成する。図６（ｆ）中の破線で囲んだ部分の上面図を図６（ｇ）に示す。
【００５１】
次に、図６（ｈ）に示すように、おもて面側からKOHやTMAHなどを用いた異方性エッチングによって、Ｖ溝４２を形成するとともに、活性層６３を除去する。また、図６（ｇ）で説明した酸化膜６２のパターンによって、光導入部４３を形成する事ができる。
【００５２】
次に、図６（ｉ）に示すように、裏面側からKOHやTMAHなどを用いた異方性エッチングや、リアクティブイオンエッチング（RIE）などの方法によって、支持基板６１をエッチングし、カンチレバーをリリースする。このとき、酸化膜６２が残るため、裏面側から、RIEによるドライエッチングによって、図６（ｊ）に示すように不要な酸化膜６２を除去する。このとき、酸化膜６２とリリース用マスク６５との厚さの関係によって、図６（ｊ）に示すようにリリース用マスク６５が残ったり、残らなかったりする。
【００５３】
この後、光導波路３３にスパッタや真空蒸着法などによって遮光膜を形成し、導波路３３の先端に微小開口５を形成する。
【００５４】
以上説明したように、本発明の第３の実施の形態にかかる光導波路カンチレバー５１およびその製造方法によれば、支持基板６１と活性層６３のオリエンタルフラット方向が４５度だけ異なるため、実施の形態１および２で説明した光導波路カンチレバー５０に加えて、コア４に光を導入するためのＶ溝４２を容易に形成する事ができる。したがって、実施の形態１および２で説明した効果の他に、コア４に効率よく、かつ、容易に光を導入することができる（イルミネーションモード）。また、微小開口５で検出した光をコア４およびＶ溝４２に固定された光ファイバーを通して効率よく検出することができる（コレクションモード）。さらに、以上で述べたイルミネーションモードとコレクションモードを同時に行うこともできる。また、Ｖ溝４２には、光ファイバーの他に、レンズやフィルターなどの光学素子を位置決め、固定することが可能であり、コア４に効率よく光を入射、または／および、コア４からの光を効率よく検出することや、コア４への入射光、または／および、コア４からの出射光の波長や位相を制御することが容易となる。
【００５５】
また、光導入部４３を設けることによって、Ｖ溝４２の斜面に邪魔されることなく光ファイバーとコア４との距離を近づけることができるため、効率よくコア４に光を導入することができ、微小開口５から照射される近接場光の強度を大きくすることができる。
【００５６】
また、本発明の第３の実施の形態に係る光導波路カンチレバー５１の製造方法によれば、光導波路カンチレバー５１を容易に作製することができる。本製造方法は、半導体プロセスを基にしたバッチプロセスであるため、一枚のスタート基板から複数の光導波路カンチレバーを作製することができる。したがって、光導波路カンチレバー５１を安価に製造することができる。
【００５７】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る光導波路カンチレバー５１の作製方法について、図７を用いて説明する。図７（a）は、実施の形態３において、図６（ｂ）で説明した工程後の状態を示しており、図７（ｂ）は、図７（ａ）中Ａ−Ａ‘で示す位置の断面図である。なお、段差形成用マスク６４およびリリース用マスク６５は、簡単のため省略する。
【００５８】
図７（ａ）において、スタート基板は、実施の形態３と同様のものを用いる。スタート基板に、所定の段差形成用マスク６４を形成し、ＫＯＨとイソプロピルアルコールを数〜数１０％混合したエッチング溶液（ＫＯＨ＋ＩＰＡ溶液）や、ＴＭＡＨと数〜数１０％界面活性剤を混合したエッチング溶液（ＴＭＡＨ＋界面活性剤溶液）、エチレンジアミンピロカテコール水溶液などを用いて段差を形成する。ＫＯＨ＋ＩＰＡ溶液や、ＴＭＡＨ＋界面活性剤溶液は、ＫＯＨやＴＭＡＨ単体でのエッチングに比べて、（１１１）面のエッチングレートと（１１０）面のエッチングレートが逆転する。従って、図７（ａ）中の斜面７１の角度は約４５°となる。
【００５９】
このように形成した段差と実施の形態３で説明した工程によって、光導波路カンチレバー５１は、導波路３３と探針部９との間に、４５度の角度を有する単一の面が形成される。この単一の面がミラーとして機能する。したがって、光導波路カンチレバー５１は、微小開口５へ効率よく光を導入することができ、微小開口５から照射される近接場光の発生効率を向上させることができる。
【００６０】
また、スタート基板として基板６１および活性層６３の面方位がともに（１００）面であり、かつ、結晶方向も同一のスタート基板を用いることによって、実施の形態３で説明した光導波路カンチレバー５１と同様に、屈曲部１０が二つの面からなる光導波路カンチレバー５１を得ることができる。
【００６１】
本実施例における光導波路カンチレバー５１の屈曲部の角度４５度は、第３の実施例で説明した屈曲部１０の角度５５度よりも小さい。したがって、本実施例の光導波路カンチレバー５１は、実施の形態３で説明した光導波路カンチレバー５１よりも効率よく微小開口５に光を導くことができ、微小開口５から照射される近視野光の発生効率が向上する。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る光導波路カンチレバー５１の作製方法について、図８を用いて説明する。図８（a）は、実施の形態３において図６（ｂ）で説明した工程後の状態における斜視図であり、図８（ｂ）は上面図であり、図８（ｃ）は図８（ｂ）中にＡ−Ａ‘で示す位置の断面図である。なお、段差形成用マスク６４およびリリース用マスク６５は、簡単のため省略する。
【００６２】
本実施例では、活性層６３に（１１０）面のシリコン単結晶を用いる。基板６１は、（１００）面のシリコン単結晶であり、図８（ａ）中矢印Ａで示す結晶方向は、＜１１０＞方向である。所定の段差形成用マスク６４を形成し、ＫＯＨやＴＭＡＨなどによる異方性エッチングで活性層６３をエッチングすることによって図８（ａ）に示すような段差を形成する事ができる。このときの斜面８１は、図８（ｂ）に示すように、酸化膜に対して約３５度の角度を有しており、この段差上に導波路３３を形成する。
【００６３】
図８（ａ）および同図（ｂ）に示す段差と実施の形態３で説明した工程によって、光導波路カンチレバー５１は、導波路３３と探針部９との間に、角度３５度の単一の面が形成される。この単一の面がミラーとして機能する。また、シリコン単結晶の面方位で規定される角度であるため、その角度精度は高い。したがって、幾何光学的手法、または、導波路シミュレータなどを用いて、導波路３３内を伝搬してきた光が微小開口５に向かって効率よく伝搬するような設計を行い、その設計値通りに導波路３３、ミラー、微小開口５などを形成することが容易である。微小開口５の位置は、ミラーの位置よりも導波路の先端側に形成されるため、４５度より角度のちいさな３５度のミラーの方が、効率よく微小開口５に光を導入することができる。したがって、本発明の第５の実施例に係る光導波路カンチレバー５１は、効率よく近視野光を発生させることができる。
【００６４】
なお、実施の形態３から実施の形態５では、活性層６３に（１１０）面、（１００）面の単結晶シリコンを用いているが、これ以外の結晶面を有するシリコン単結晶基板やシリコン以外の基板と基板６１との組み合わせによって、様々な角度を有するミラーを形成する事ができる。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る光導波路カンチレバー５１の作製方法について、図９を用いて説明する。
【００６５】
図９（ａ）は、実施の形態３において図６（ｅ）で説明した工程後の上面図であり、斜面の部分は簡単のため図示していない。導波路３３を形成するために、コア９１を形成し、同時に一対のＶ溝幅規定パターン９２を形成する。コア９１およびＶ溝幅規定パターン９２は、同じ材料を用い、たとえば、二酸化ケイ素を用いる。Ｖ溝幅規定パターン９２の間隔Ｗ１は、Ｖ溝４２の幅と同じか、それよりも狭い。
【００６６】
次に、図９（ｂ）または、図９（ｃ）に示すように保護膜９３を堆積し、パターニングを行う。保護膜９３はＫＯＨやＴＭＡＨに対して可溶性の材料であり、例えば、アルミニウムやクロムなどの金属を用いる。保護膜９３はＶ溝幅規定パターン９２のそれぞれ内側の稜線を保護するように形成される。また図９（ｃ）に示すように、コア９１の一部を覆うように形成してもよい。
【００６７】
次に、上部クラッド９４を堆積し、図９（ｄ）または図９（ｅ）のようにパターニングを行う。図９（ｄ）は、図９（ｂ）で説明した工程後の状態であり、図９（ｅ）は、図９（ｃ）で説明した工程後の状態である。上部クラッド９４は、ＫＯＨやＴＭＡＨに対して非可溶性の材料であり、たとえば二酸化ケイ素を用いる。
【００６８】
以上の工程後に、ＫＯＨやＴＭＡＨによる結晶異方性エッチングを行うことによって、図９（ｆ）に示すようなＶ溝４２を形成する事ができる。Ｖ溝４２の幅は、Ｖ溝幅規定パターン９２によって決まる。また、Ｖ溝の中心軸とコア９１の中心軸の位置ずれは、図９（ａ）の工程によってきまり、フォトリソグラフィ工程で用いるマスクの寸法精度程度であり、無視できる。
【００６９】
実施の形態３から実施の形態５で説明した方法では、導波路３３とＶ溝４２との光軸の位置精度は、Ｖ溝４２をパターニングする際のアライメント精度によって決まり、±１〜３μｍ程度である。しかし、導波路３３のコア４の幅が数μｍの場合には、パターニングのアライメント精度では導波路３３に導入できる光の効率が低下してしまう。しかし、本実施例の方法によれば、コア９１の中心軸とＶ溝４２の中心軸のずれは無視できるほど小さいため、効率よくコア９１に光を導入、および／または、コアからの光を検出する事ができる。したがって、光導波路カンチレバー５１から照射される近視野光の発生効率、および／または、光導波路カンチレバー５１によって検出される近視野光の検出効率を向上させることができる。
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７に係る光導波路カンチレバー５１について、図１０を用いて説明する。
【００７０】
図１０（a）は、実施の形態３において図６（ｂ）で説明した工程後の状態を示しており、図７（ｂ）は、図７（ａ）中Ａ−Ａ‘で示す位置の断面図である。なお、段差形成用マスク６４およびリリース用マスク６５は、簡単のため省略する。
【００７１】
図１０（ａ）において、スタート基板は、実施の形態３から実施の形態６で述べたものを用いる。段差を形成した後、図１０（ａ）に示すように光導波路３３を形成する。光導波路３３の形状は、実施の形態１において図１（ｄ）で述べた光導波路２の形状を図１（ｄ）中の光軸を含み、図１（ｄ）の紙面に対して垂直な面で切断したものとほぼ同様になる。活性層６３の面方位および結晶方向によって、斜面の角度が規定され、それに応じた斜面３６が光導波路３３に形成される。また、微小開口５か形成される位置は、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、光導波路３３の先端である。
【００７２】
このように形成した段差および光導波路３３と実施の形態３で説明した工程によって、光導波路カンチレバー５１は、光導波路３３と探針部の間に、光導波路３３の光軸に対して垂直ではなく、単一の面からなる偏向面を有する。例えば、活性層６２が（１００）ウエハであり、斜面３６が（１１１）面である場合、斜面３６が光軸に対して斜めに形成されていることにより、光導波路３３中を伝搬する光の光軸上に微小開口５を配置することができる。したがって、光導波路カンチレバー５１は、微小開口から強度の大きな近接場光を照射できるとともに、微小開口によって効率よく試料表面の近接場光を検出することができる。
（実施の形態８）
上述した実施の形態による光導波路プローブを光マイクロカンチレバーとして用いた走査型近視野顕微鏡の構成を図１１に示す。
【００７３】
図示したように、この走査型近視野顕微鏡１０００は、光マイクロカンチレバー４１０と、光源５０９と、光源からの伝播光を集光して光マイクロカンチレバーの光導波路に照射するレンズ５１０と、試料５０１の下方に配置され光マイクロカンチレバーの先端で発生した近視野光が散乱されることで得られる伝播光を反射するプリズム５０２と、プリズムからの伝播光を集光するレンズ５０５と、レンズにより集光された伝播光を受光する光検出部５０６と、を備えている。
【００７４】
また、光マイクロカンチレバーの上方には、レーザ光を発振するレーザ発振器５１２と、光マイクロカンチレバーの自由端において反射されたレーザ光を反射するミラー５１３と、ミラー５１３において反射されたレーザ光を受光して光電変換する上下２分割した光電変換部５１１と、を備えている。更に、試料５０１およびプリズム５０２を３次元的に移動制御する微動機構５０３および粗動機構５０４と、これら微動機構５０３および粗動機構５０４を駆動するサーボ機構５０８と、装置全体を制御するコンピュータ５０７と、を備えている。この走査型近視野顕微鏡１０００は、ダイナミックモードまたはコンタクトモードの観察に適する。
【００７５】
次に、走査型近視野顕微鏡１０００の動作について説明する。レーザ発振器５１２から発振されたレーザ光は、光マイクロカンチレバーの自由端において反射される。光マイクロカンチレバーは、その先端と試料５０１との間の原子間力によって変移する。この変移と共に、光マイクロカンチレバーの自由端において反射されたレーザ光の反射角度が振れ、この振れを光電変換部５１１で検出する。
【００７６】
光電変換部５１１により検出した信号は、コンピュータ５０７に送られる。コンピュータ５０７は、試料５０１に対する光マイクロカンチレバーのアプローチや、表面の観察の際に光マイクロカンチレバーの撓みが設定値を超えないように、サーボ機構５０８により微動機構５０３および粗動機構５０４を制御する。
【００７７】
また、光源５０９から放出された伝播光は、レンズ５１０により集光され、光マイクロカンチレバーの光導波路を介して微小開口に照射される。これにより、光マイクロカンチレバーの微小開口付近に近視野光が発生する。一方、プリズム５０２により反射した試料５０１の光学的情報は、レンズ５０５により集光され、光検出部５０６に導入される。コンピュータ５０７は、光検出部５０６の信号を受け取り、その信号から試料５０１の光学的情報を検出してトポ像や光学像などを作成する。
【００７８】
このような構成の走査型近視野顕微鏡に、本発明の光導波路プローブを用いることにより、走査型近視野顕微鏡に以下のような効果が生じる。すなわち、本発明の光導波路プローブは近視野光の強度が大きく、共振周波数が高くバネ定数が小さいため、高速に走査することができる。したがって、観察にかかる時間が短くなる。また、全長が長い光ファイバープローブにくらべ、カンチレバーホルダーへの装着をはじめとするプローブの取り扱いが容易となるため、装置の操作性が向上する。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる光導波路プローブによれば、従来のＳＮＯＭの光ファイバープローブに比べて小型で、低バネ定数、高共振周波数にすることができるため、試料やプローブに損傷を与えることなく、高速に走査することができる。
【００８０】
また、屈曲部において効率よく伝搬光を反射させることができるため、微小開口から近視野光を出射する場合でも、微小開口で光を検出する場合でも、光を効率よく導波路内を伝搬させることができる。
【００８１】
また、本発明にかかる光導波路プローブの作製方法によれば、容易に、量産性、再現性、均一性良く作製することができ、低価格で本光導波路プローブを提供できる。
【００８２】
また、本発明の第３の実施の形態によれば、支持基板と活性層のオリエンタルフラット方向が４５度だけ異なるため、コア４に光を導入するためのＶ溝４２を容易に形成する事ができる。したがって、実施の形態１および２で説明した効果の他に、コアに効率よく、かつ、容易に光を導入することができる（イルミネーションモード）。また、微小開口で検出した光をコアおよびＶ溝に固定された光ファイバーを通して効率よく検出することができる（コレクションモード）。さらに、以上で述べたイルミネーションモードとコレクションモードを同時に行うこともできる。また、Ｖ溝には、光ファイバーの他に、レンズやフィルターなどの光学素子を位置決め、固定する事が可能であり、コアに効率よく光を入射、または／および、コアからの光を効率よく検出することや、コアへの入射光、または／および、コアからの出射光の波長や位相を制御することが容易となる。
【００８３】
また、光導入部を設けることによって、Ｖ溝の斜面に邪魔されることなく光ファイバーとコアの距離を近づけることができるため、効率よくコアに光を導入することができ、微小開口から照射される近接場光の強度を大きくすることができる。
【００８４】
また、本発明の第３の実施の形態に係る光導波路カンチレバーの製造方法によれば、光導波路カンチレバーを容易に作製することができる。本製造方法は、半導体プロセスを基にしたバッチプロセスであるため、一枚のスタート基板から複数の光導波路カンチレバーを作製することができる。したがって、光導波路カンチレバーを安価に製造することができる。
【００８５】
また、本発明の第４の実施例によれば、光導波路カンチレバーの屈曲部の角度４５度は、第３の実施例で説明した屈曲部の角度５５度よりも小さい。したがって、本実施例の光導波路カンチレバーは、実施の形態３で説明した光導波路カンチレバーよりも効率よく微小開口に光を導くことができ、微小開口から照射される近視野光の発生効率が向上する。
【００８６】
本発明の第５の実施例によれば、屈曲部の角度は、シリコン単結晶の面方位で規定される角度であるため、その角度精度は高い。したがって、幾何光学的手法、または、導波路シミュレータなどを用いて、導波路内を伝搬してきた光が微小開口に向かって効率よく伝搬するような設計を行い、その設計値通りに導波路、屈曲部、微小開口などを形成することが容易である。微小開口の位置は、屈曲部の位置よりも導波路の先端側に形成されるため、４５度より角度のちいさな３５度の屈曲部の方が、効率よく微小開口に光を導入することができる。したがって、本発明の第５の実施例に係る光導波路カンチレバーは、本発明の第４の実施例にかかる光導波路カンチレバーよりも、効率よく近視野光を発生させることができる。
【００８７】
また、本発明の第６の実施例によれば、コアの中心軸とＶ溝の中心軸のずれは無視できるほど小さいため、効率よくコアに光を導入、および／または、コアからの光を検出する事ができる。したがって、光導波路カンチレバーから照射される近視野光の発生効率、および／または、光導波路カンチレバーによって検出される近視野光の検出効率を向上させることができる。
【００８８】
また、本発明の第７の実施例によれば、光導波路カンチレバーは、光導波路と探針部の間に、光導波路の光軸に対して垂直ではなく、単一の面からなる偏向面を有する。例えば、活性層６２が（１００）ウエハであり、斜面が（１１１）面である場合、斜面が光軸に対して斜めに形成されていることにより、光導波路中を伝搬する光の光軸上に微小開口を配置することができる。したがって、光導波路カンチレバーは、微小開口から強度の大きな近接場光を照射できるとともに、微小開口によって効率よく試料表面の近接場光を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる光導波路プローブの構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかる光導波路プローブの製造方法を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる光導波路プローブの製造工程における説明図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる光導波路プローブの製造工程における説明図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる光導波路プローブの構成を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３にかかる光導波路プローブの製造工程における説明図である。
【図７】本発明の実施の形態４にかかる光導波路プローブの製造工程における説明図である。
【図８】本発明の実施の形態５にかかる光導波路プローブの製造工程における説明図である。
【図９】本発明の実施の形態６にかかる光導波路プローブの製造工程における説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態７にかかる光導波路プローブの製造工程における説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態にかかる光導波路プローブを用いた走査型近視野顕微鏡の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１  支持部
２  光導波路
３  弾性機能部
４  コア
５  微小開口
６  クラッド
７  伝搬光
８  入射光
９  探針部
１０  屈曲部
１１  入射端
１２、１３  平面
３１  基板
３２  二酸化珪素
３３  光導波路
３４  マスク
３５  光導波路
３６  斜面
３７  下面
５０、５１  光導波路プローブ
【図１】
0004717235.tif 000002
【図２】
0004717235.tif 000003
【図３】
0004717235.tif 000004
【図４】
0004717235.tif 000005
【図５】
0004717235.tif 000006
【図６】
0004717235.tif 000007
【図７】
0004717235.tif 000008
【図８】
0004717235.tif 000009
【図９】
0004717235.tif 000010
【図１０】
0004717235.tif 000011
【図１１】
0004717235.tif 000012