(57)【要約】【課題】先端の径が数ｎｍ程度の近接場光学用プローブが容易に得られるようにする。【解決手段】基板部１０１の上に、例えば酸化シリコンからなる厚さ３μｍ程度の下部クラッド層１０２を備え、下部クラッド層１０２の上に、断面が一辺５００ｎｍ程度の正方形となっているシリコン細線コア１０３を備え、シリコン細線コア１０３の一端には、針状シリコン結晶（シリコン・ナノウィスカー）１０４が形成され、シリコン細線コア１０３の他端は、酸化窒化シリコンからなるスポットサイズ変換部１０５に続いている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンの酸化物からなるクラッド層およびシリコン細線からなるシリコン細線コアから構成され、少なくとも前記シリコン細線コアの一端の端面が露出した光導波路と、
前記シリコン細線コアの前記端面に設けられた針状シリコン結晶と
を備えることを特徴とする近接場光学用プローブ。
【請求項２】
請求項１記載の近接場光学用プローブにおいて、
前記シリコン細線コアの先端部に設けられた先細りとなるテーパー部を備える
ことを特徴とする近接場光学用プローブ。
【請求項３】
請求項１記載の近接場光学用プローブにおいて、
前記シリコン細線コアの他端に設けられたスポットサイズ変換部を備え、
前記スポットサイズ変換部の屈折率は、前記クラッド層と前記シリコン細線コアとの中間の値である
ことを特徴とする近接場光学用プローブ。
【請求項４】
シリコンの酸化物からなるクラッド層およびシリコン細線からなるシリコン細線コアから構成され、少なくとも前記シリコン細線コアの一端の端面が露出した光導波路と、前記シリコン細線コアの前記端面に設けられた針状シリコン結晶とから構成された近接場光学用プローブの製造方法であって、
前記シリコン細線コアの前記端面に金属の微粒子を固定する工程と、
前記金属の微粒子が固定された前記シリコン細線コアの前記端面を、前記金属が溶融しない範囲で前記金属とシリコンとの共融点以上の温度に加熱した状態として前記端面にシランを供給し、前記端面の前記金属の微粒子が固定された箇所より針状シリコン結晶を成長させる工程と
を少なくとも備えることを特徴とする近接場光学用プローブの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の近接場光学用プローブの製造方法において、
前記針状シリコン結晶を成長させた後、前記金属の微粒子を除去する工程
を備えることを特徴とする近接場光学用プローブの製造方法。
【請求項６】
請求項４または５記載の近接場光学用プローブの製造方法において、
前記金属は、金もしくは鉄のいずれかであることを特徴とする近接場光学用プローブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の波長より寸法の小さい領域の表面形状の観察や分光法による分析を行うための近接場光学用プローブ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の波長以下の狭い領域を、光を用いて形状観察しまた分光分析することを可能とした近接場光学顕微鏡（Near-Field Scanning Optical Microscope：ＮＳＯＭ）の開発が進んでいる（非特許文献１参照）。ＮＳＯＭは、レーザ光を照射した分析対象試料の近傍に形成される近接場光（エバネッセント光）を、光の波長より小さい径のプローブで散乱させることにより、近接場光を伝搬光に変換し、変換された伝搬光をレンズで検出器に集光するものである。
【０００３】
例えば、上記プローブを光の波長以下の距離まで試料に接近させ、接近させたプローブを試料の上で走査することにより、試料の表面形状などの状態を観測することができる。この分解能は、プローブの径に依存するため、より高い分解能を得るために、より微細な径のプローブの開発が競われている。例えば、カルコゲナイト系の光ファイバーにより、先端の開口径が２０ｎｍ程度のプローブが開発されている（特許文献１参照）。
【０００４】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開２００１−０２７５９７号公報
【非特許文献１】大津元一，河田  聡  編著、「近接場ナノフォトニクス入門」、オプトロニクス社出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来では、数ｎｍ程度の開口径のプローブが実現された例がほとんどなく、数ｎｍ程度の開口径のプローブを製造する技術が確立されていない。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、先端の径が数ｎｍ程度の近接場光学用プローブが容易に得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る近接場光学用プローブは、シリコンの酸化物からなるクラッド層及びシリコン細線からなるシリコン細線コアから構成され、少なくともシリコン細線コアの一端の端面が露出した光導波路と、シリコン細線コアの端面に設けられた針状シリコン結晶とを備えるものである。
この近接場光学用プローブは、プローブの先端部が針状シリコン結晶から構成され、先端の開口径は、針状シリコン結晶の直径にほぼ等しいものとなり、針状シリコン結晶の先端で検出される近接場光は、光導波路を伝搬する。
【０００７】
上記近接場光学用プローブにおいて、シリコン細線コアの先端部に設けられた先細りとなるテーパー部を備えるようにしてもよい。また、シリコン細線コアの他端に設けられたスポットサイズ変換部を備え、スポットサイズ変換部の屈折率は、クラッド層とシリコン細線コアとの中間の値であるようにすることで、導波路の先に設けられる光学系との光の伝搬（結合）効率を向上させるようにしてもよい。
【０００８】
また、本発明に係る近接場光学用プローブの製造方法は、シリコンの酸化物からなるクラッド層及びシリコン細線からなるシリコン細線コアから構成され、少なくともシリコン細線コアの一端の端面が露出した光導波路と、シリコン細線コアの端面に設けられた針状シリコン結晶とから構成された近接場光学用プローブの製造方法であって、シリコン細線コアの端面に金属の微粒子を固定する工程と、金属の微粒子が固定されたシリコン細線コアの端面を、金属が溶融しない範囲で金属とシリコンとの共融点以上の温度に加熱した状態として端面にシランを供給し、端面の金属の微粒子が固定された箇所より針状シリコン結晶を成長させる工程とを少なくとも備えるようにしたものである。
【０００９】
上記近接場光学用プローブの製造方法において、針状シリコン結晶を成長させた後、金属の微粒子を除去する工程を備えるようにしてもよい。
また、上記近接場光学用プローブの製造方法において、金属は、金もしくは鉄のいずれかであればよい。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、シリコン細線コアからなる光導波路のシリコン細線コアの先端部に針状シリコン結晶が配置される構成としたので、先端の径が数ｎｍ程度の近接場光学用プローブが容易に得られるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における近接場光学用プローブの構成例を示す平面図であり、図２、３は、図１に示す近接場光学用プローブの断面を模式的に示す断面図である。図２（ａ）は、図１のＡＡ’線の断面を示し、図２（ｂ）は、図１のＢＢ’線の断面を示し、図２（ｃ）は、図１のＣＣ’線の断面を示している。図３は、図１のＤＤ’線の断面を示している。
【００１２】
以下、上記近接場光学用プローブの構成について説明する。まず、基板部１０１の上に、例えば酸化シリコンからなる厚さ３μｍ程度の下部クラッド層１０２を備え、下部クラッド層１０２の上に、例えば、断面が一辺５００ｎｍ程度の正方形となっているシリコン細線コア１０３を備える。シリコン細線コア１０３は、例えば３ｍｍと数ｍｍ程度の長さに形成され、また、シリコン細線コア１０３の両端は、例えば３００μｍと数１００μｍにわたって、平面形状が徐々に細くなる先細りの形状となっている。
【００１３】
シリコン細線コア１０３の一端には、針状シリコン結晶（シリコン・ナノウィスカー）１０４が形成され、シリコン細線コア１０３の他端の先細りの部分は、例えば酸化窒化シリコンからなるスポットサイズ変換部１０５に続いている。シリコン細線コア１０３及びスポットサイズ変換部１０５は、厚さ７μｍ程度の上部クラッド層１０６に覆われ、針状シリコン結晶１０４が形成されているシリコン細線コア１０３の先端は露出している。なお、シリコン細線コア１０３の屈折率＞スポットサイズ変換部１０５の屈折率＞上部クラッド層１０６の屈折率、となっていればよい。
【００１４】
また、図３の断面図にも示すように、スポットサイズ変換部１０５が形成されている側の延長部の基板部１０１には、Ｖ形状の溝１１１が設けられ、溝１１１にマイクロレンズ２０１が固定されている。本構成によれば、シリコン細線コア１０３の先細りの部分とスポットサイズ変換部１０５とによるスポットサイズ変換領域（スポットサイズ変換部）を設けているので、シリコン細線コア１０３よりなる光導波路とマイクロレンズ２０１とが、高い効率で光結合し、光の伝搬損失を抑制できる。
【００１５】
なお、シリコン細線コア１０３の断面は、正方形に限るものではなく、長方形であってもよく、シリコン細線コア１０３の断面における寸法は、０．１〜１μｍ程度であればよい。また、スポットサイズ変換部１０５の断面寸法は、３μｍ程度であればよい。またマイクロレンズ２０１の直径は、１００μｍ程度である。なお、マイクロレンズ２０１は、例えば紫外線硬化型の接着剤により、溝１１１に固定されている。
【００１６】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、シリコン細線コア１０３の先端には、断面の寸法が２ｎｍ程度の針状シリコン結晶１０４が設けられており、先端の開口径が２ｎｍ程度の近接場光学用プローブが実現されている。
【００１７】
針状シリコン結晶について説明すると、シリコンの表面に粒径数ｎｍの金微粒子を付着させ、これらを金とシリコンとの共融点よりやや高い温度に保持し、ここにシランガスを供給することで、シリコンと金との共晶を触媒として、針状シリコン結晶が成長することが知られている（非特許文献：竹田精治，「新しいシリコン系ナノ構造」，応用物理学会，応用物理，第６９巻，第１号，ｐ４８（２０００））。
【００１８】
このようにして形成された針状シリコン結晶は、直径が数ｎｍと非常に微細な針状構造となっている。図１，２に示した近接場光学用プローブでは、シリコン細線コア１０３の先端に、上述した針状シリコン結晶を成長させることで、数ｎｍと非常に微細な先端部を形成するようにした。
以降に、図１，２に示す近接場光学用プローブの製造方法の一例について、上述した針状結晶シリコンの成長方法を適用した場合を例にして説明する。
【００１９】
まず、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意する。ＳＯＩ基板は、例えば、単結晶シリコンからなる基板部の上に、酸化シリコンからなる絶縁層を介してシリコン層が設けられたものである。シリコン層と基板部との間の絶縁層は、一般に、埋め込み絶縁層と呼ばれ、シリコン層はＳＯＩ層と呼ばれている。用意するＳＯＩ基板のＳＯＩ層は、高抵抗のｐ形あるいは高抵抗のｎ形であればよく、また、ＳＯＩ層は、主表面の面方位が（１００）の単結晶であればよい。
【００２０】
以上の構成のＳＯＩ基板のＳＯＩ層を、例えば公知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術とにより微細加工し、埋め込み絶縁層の上にシリコン細線構造を形成する。このことにより、図４の平面図に示すように、基板部１０１の上に埋め込み絶縁層１２２が設けられ、埋め込み絶縁層１２２の上にシリコン細線コア１０３が形成された状態とする。
シリコン細線コア１０３の両端には、先端にいくほど先細りの形状のテーパー部分を設ける。また、平面視長方形の埋め込み絶縁層１２２の上において、シリコン細線コア１０３は、長手方向に中央よりずれた位置に設ける。図４では、中央部より紙面左の方向に、シリコン細線コア１０３を配置した状態を示している。なお、シリコン細線コア１０３以外の領域においては、埋め込み絶縁層１２２の表面がすべて露出した状態とする。
【００２１】
次に、シリコン細線コア１０３の一端を覆うように、酸化窒化シリコンからなるスポットサイズ変換部１０５が形成された状態とする。スポットサイズ変換部１０５により、シリコン細線コア１０３の一端のテーパー部分がすべて覆われているようにする。スポットサイズ変換部１０５は、例えば、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、ステンシルマスクを用いて部分的に酸化窒化シリコンを堆積することで形成できる。
【００２２】
次に、埋め込み絶縁層１２２の上に、例えばＥＣＲプラズマＣＶＤ法により酸化シリコンを堆積し、図５の断面図に示すように、シリコン細線コア１０３及びスポットサイズ変換部１０５を埋め込むように、酸化シリコン膜１２６が形成された状態とする。加えて、基板部１０１の裏面側には、酸化シリコンからなる保護膜５０１が形成された状態とする。
【００２３】
次に、酸化シリコン膜１２６のスポットサイズ変換部１０５が形成されている側（紙面右側）を除去し、図６の平面図に示すように、上部クラッド層１０６が形成された状態とする。また、図７（ａ）の断面図にも示すように、上部クラッド層１０６が形成されたことにより露出した埋め込み絶縁層１２２の領域に、開口を形成して基板部１０１の一部が露出した状態とする。ここで、基板部１０１の露出部側において、上部クラッド層１０６の側面に、スポットサイズ変換部１０５の端面が露出した状態とする。
【００２４】
ついで、上部クラッド層１０６が形成されたことにより露出した領域において、埋め込み絶縁層１２２をマスクとして基板部１０１の露出した部分を選択的にエッチングし、図７（ｂ）の断面図に示すように、溝１１１が形成された状態とする。溝１１１は、水酸化カリウムなどのアルカリ溶液によるウエットエッチングで形成できる。よく知られているように、シリコンは、結晶面ごとにアルカリ溶液に対する溶解速度（エッチング速度）が異なり、（１１１）面のエッチング速度は、他の（１００）面や（１１０）面のエッチング速度よりきわめて小さい。従って、主表面を（１００）面としたシリコンの基板部１０１は、アルカリ液によるウエットエッチングで、凹部内に（１１１）面が露出していき、自動的にＶ溝の状態が形成できる。
【００２５】
次に、溝１１１を形成した領域で露出している部分の埋め込み絶縁層１２２と、基板部１０１の裏面に形成した保護膜５０１を除去し、図８の平面図に示すように、基板部１０１の表面を露出させる。この結果、図８には示していないが、上部クラッド層１０６の下層には、下部クラッド層１０２が形成された状態となる。
【００２６】
ついで、図８のＦＦ’線で基板部１０１，下部クラッド層１０２（図示せず），上部クラッド層１０６を切断し、チップ状に加工する。ここで、シリコン細線コア１０３のスポットサイズ変換部１０５に覆われていない側の端部（先端）の先に、ごく薄く（１μｍ程度）上部クラッド層１０６が残るようにする。
なお、複数のシリコン細線コア１０３，スポットサイズ変換部１０５，溝１１１の組を、ＳＯＩ基板の上に形成し、これらを切り出して分割することで、１枚のＳＯＩ基板より、複数の近接場光学用プローブチップを形成するようにしてもよい。
【００２７】
次に、図９に示すように、水酸化カリウムなどによるアルカリ溶液６０１に、上述したことにより形成したチップ１６０の先端部を浸漬し、図１０の断面図に示すように、シリコン細線コア１０３の先端側の基板部１０１が部分的に除去された状態とする。基板部１０１の除去したい領域だけをアルカリ溶液６０１に浸漬することで、基板部１０１を部分的に除去することができる。
【００２８】
次に、同様にしてシリコン細線コア１０３の先端側の、下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０６を、フッ酸水溶液により部分的に溶解させ、図１１の断面図に示すように、シリコン細線コア１０３の先端部が露出した状態とする。なお、フッ酸水溶液によるエッチングで、露出したシリコン細線コア１０３の先端部は、水素終端された状態となっている。
【００２９】
次に、露出したシリコン細線コア１０３の先端部に、粒径数ｎｍの金微粒子が付着した状態とする。金微粒子は、一般に市販されているものを用いればよい。例えば、市販されている複数の金微粒子を所定の有機溶液に分散させ、金微粒子の有機コロイド溶液を作製する。この有機コロイド溶液を、シリコン細線コア１０３の先端部に塗布し、乾燥させることで、シリコン細線コア１０３の先端部に１つの金微粒子が付着した状態が得られる。ここで、シリコン細線コア１０３の先端部を可能な限り細くしておくことで、１つの金微粒子が付着した状態を、より容易に実現することが可能となる。
【００３０】
次に、１つの金微粒子が付着したシリコン細線コア１０３の先端部を５００℃程度に加熱し、かつ、ここにシランガスを供給し、金微粒子の付着部分に、針状シリコン結晶が数〜数十ｎｍ程度の長さに成長した状態とする。成長する針状シリコン結晶の径は、金微粒子の粒径により規定され、例えば、金微粒子の粒径が２ｎｍであれば、直径がほぼ２ｎｍの針状シリコン結晶が成長する。この成長は、一般的に用いられているシリコン膜を形成するためのＣＶＤ装置を用いることで行える。ここで、シリコン細線コア１０３の周囲のクラッドの領域においては、たとえ金微粒子が付着していても、針状シリコン結晶は成長しない。
【００３１】
次に、王水を用いることなどにより、成長させた針状シリコン結晶の先端部に残る金微粒子を除去する。
ところで、次に示すようにすることで、上述した有機コロイド溶液中に分散している金微粒子を、シリコン細線コア１０３の先端部に付着させるようにしてもよい。
上述した有機コロイド溶液に近接場光学用プローブチップの先端部を浸漬し、この状態で、有機コロイド溶液中の先端部にレーザ光を照射し、有機コロイド溶液中に分散している金微粒子を固定することができる（特開２００２−０８８４８７号公報参照）。
【００３２】
最後に、マイクロレンズ２０１を溝１１１に装着し、紫外線硬化形接着剤により固定することで、図１〜３に示した、近接場光学用プローブが得られる。なお、シリコン細線コア１０３からなる光導波路に光接続する光学系としては、マイクロレンズに限るものではなく、光ファイバーを用いるようにしてもよい。この場合、溝１１１には、光ファイバーが固定されればよい。
【００３３】
なお、上述では、金微粒子を用いて針状シリコン結晶を成長させるようにしたが、これに限るものではなく、シリコンと合金を形成する他の金属の微粒子を用いるようにしてもよい。例えば、粒径数ｎｍの鉄微粒子をシリコン細線コアの先端に付着させ、ここに針状シリコン結晶を成長させるようにしてもよい。鉄とシリコンとは、８００℃程度においてβ鉄シリサイド（β−ＦｅＳｉ2）を形成する。シリコン細線コア先端部に、粒径数ｎｍの鉄微粒子を付着させ、８００℃に過熱した状態でシランを供給すれば、直径数ｎｍ程度の針状シリコン結晶が得られる。
【００３４】
ところで、β鉄シリサイドは、バンドギャップエネルギーが０．８５ｅＶの半導体であり、波長１．４５μｍ以上の赤外線を透過する。従って、上述したことにより得られた針状シリコン結晶の先端部にβ鉄シリサイドが形成されていても、波長１．４５μｍ以上の赤外線は、減衰させずに検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態における近接場光学用プローブの構成例を示す平面図である。
【図２】図１に示す近接場光学用プローブの断面を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示す近接場光学用プローブの断面を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における近接場光学用プローブの製造方法を説明する工程途中の状態を示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態における近接場光学用プローブの製造方法を説明する工程途中の状態を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における近接場光学用プローブの製造方法を説明する工程途中の状態を示す平面図である。
【図７】本発明の実施の形態における近接場光学用プローブの製造方法を説明する工程途中の状態を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における近接場光学用プローブの製造方法を説明する工程途中の状態を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態における近接場光学用プローブの製造方法を説明する説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態における近接場光学用プローブの製造方法を説明する工程途中の状態を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態における近接場光学用プローブの製造方法を説明する工程途中の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０１…基板部、１０２…下部クラッド層、１０３…シリコン細線コア、１０４…針状シリコン結晶（シリコン・ナノウィスカー）、１０５…スポットサイズ変換部、１０６…上部クラッド層、１１１…溝、２０１…マイクロレンズ。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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