(57)【要約】【課題】  光電場増強効率が高い近接場光散乱用プローブを提供する。【解決手段】  誘電材料で形成され先鋭な先端部分を有する円錐状又は角錐状のプローブ本体１３ａと、プローブ本体１３ａ先端部分の一方向側面を覆うように形成される金属領域１３ｃ、あるいはプローブ本体１３ｄの先端部分を覆うように形成され長軸方向がプローブ本体１３aの軸方向である回転楕円体形状の金属領域１３ｄとを備えるようにしてプローブ先端のエネルギー増強度を増大する。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体材料で形成され先鋭な先端部分を有する円錐状又は角錐状のプローブ本体と、プローブ本体の先端部分の一方向側面を覆うように形成される金属領域とを備えたことを特徴とする近接場光散乱用プローブ。
【請求項２】
誘電体材料で形成され先鋭な先端部分を有する円錐状又は角錐状のプローブ本体と、プローブ本体の先端部分を覆うように形成され長軸方向がプローブ本体の軸方向である回転楕円体形状の金属領域とを備えたことを特徴とする近接場光散乱用プローブ。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の近接場光散乱用プローブと、プローブ先端近傍に向けて局所プラズモン共鳴を誘起するための励起光を入射する励起光光学系と、プローブ先端に発する検出光を検出する検出光光学系とを備えたことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、局所プラズモン共鳴による近接場光を発生するための近接場光散乱用プローブに関し、さらに詳細にはプローブ先端に発生する近接場光の光電場の増強効率を高くすることができる近接場光散乱用プローブに関する。
また、本発明は近接場散乱用プローブを用いて光学測定を行う近接場光学顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、分子生物学や材料解析など広範な分野において非破壊の高分解能顕微鏡による測定の重要性が高まっている。
一般的な光学顕微鏡は被測定物に対して、非破壊で試料の形状・構造・成分などを比較的短時間で分析することができるという面では優れているが、光の波動性による回折限界のため光の波長以下のサイズでの測定ができず、空間分解能に限界があった。
【０００３】
この問題を解決する手法として、近接場光を用いて回折限界による分解能よりも高い分解能を得ることができる近接場プローブを利用した近接場光学顕微鏡が開発され、その応用が期待されている。
近接場光学顕微鏡の基本原理は、被測定物の表面に近接場プローブの尖った先端部分を近づけるとともにレーザー光を照射し、プローブ先端近傍に局在する近接場光を散乱させ、伝播光に変換して検出するものであり、これによって光の波長以下の高分解能での測定を可能としている。
【０００４】
図４は、近接場光学顕微鏡の構成を示す図である。
この近接場光学顕微鏡１０は、試料Ａを載置するステージ１１、ステージ１１をＸＹ方向に移動させてステージ上の試料のＸＹ位置を走査するためのステージＸＹ方向駆動部１２、測定部位近傍に先端を接触させて近接場光を散乱させるためのプローブ１３（コンタクトモード測定）、プローブ１３のＸＹ方向およびＺ方向位置を調整するためのプローブＸＹＺ方向駆動部１４を備えている。
【０００５】
ステージ１１は、透過測定ができるように下方からの励起用レーザー光を試料Ａに照射したり、試料Ａからの近接場散乱光をステージ１１の下方に出射したりすることができるようになっている。
【０００６】
ステージ１１の下方には対物レンズ１５を含む顕微鏡光学系が設けられる。この対物レンズ１５の下方にはハーフミラー１８が取り付けられており、ハーフミラー１８によりレーザー光源１６から出射されるレーザー光を試料に照射するための励起光光学系Ｅと試料Ａから出射される検出光を検出するための検出光光学系Ｐとが結合される。
【０００７】
励起光光学系Ｅは、レーザー光源１６の前方にリング状の窓を設けたマスク１７が設けられており、マスク１７を通過することによりリング状の光路を有するレーザー光がハーフミラー１８を介して対物レンズ１５に入射し、対物レンズで屈折した光をプローブ１３先端に全反射臨界角以上で集光するように調整されている。
【０００８】
検出光光学系Ｐはプローブ１３の先端部分で強く散乱された近接場光を対物レンズ１５により平行光束にして取り出し、ハーフミラー１８を介して検出器１９に導くように調整されている。
【０００９】
近接場光を散乱するプローブ１３の形状は大きく分類すると、散乱型と開口型に分類することができ、それぞれ一長一短を有しているので、近接場光学顕微鏡に用いる場合、その測定目的に合わせて使い分けられている。このうち散乱型プローブ１３は先鋭な先端を有するプローブ１３を作りやすいことから、例えば空間分解能をより高くして測定する場合に適している。
【００１０】
散乱型プローブの一形態として、シリコンや窒化シリコン等を基材とした散乱型近接場プローブを用いられたものが開示されている（例えば非特許文献１参照）。この文献に記載されたプローブは、基材としてシリコン、窒化シリコンなどの誘電体材料を使用したＡＦＭ（原子間力顕微鏡）カンチレバーの先端部分全体が（全周囲にわたって）銀の蒸着膜で覆われている。
【００１１】
図３は、典型的な散乱型近接場プローブの先端部分の従来例を示す断面図である。プローブ１３は、シリコンや窒化シリコンを基材としたプローブ本体１３ａとその最先端部分および先端周囲を被覆する金属部材１３ｂとから構成される。この金属部材１３ｂは蒸着などの薄膜形成技術を用いてプローブ先端部分の全周囲を覆うようにしてある。
【００１２】
そしてプローブ１３（カンチレバー）先端を透明試料の表面に接触させて、図４に示したように試料の裏面側から全反射臨界角以上の入射角成分のみを持つ入射光を照射すると、プローブ１３先端で強く散乱された近接場光が発生する。この近接場光を検出することにより、プローブ先端径とほぼ同等の空間分解能を持った光学像を得ることができるものである。
【００１３】
【非特許文献１】N.Hayazawa 他、Optics Communication 183, p.333(2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
近接場光学顕微鏡では、高い信号強度を得るために近接場光散乱用プローブ先端での光電場の増強効率を高くすることが望ましい。
特に、局所プラズモン共鳴を起こす金属部材の形状は、信号強度に影響を及ぼすはずであるが、その最適形状については特に考察されずに済まされており、先端形状を先鋭にして金属部材を均一に被覆する形状が、電界集中しやすいものと信じられてきた。
そこで、本発明は、プローブ先端の形状を工夫し、プローブ先端での光電場の増強効率をより高くすることができる近接場光散乱用プローブ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】
【００１５】
上記課題を解決するためになされた本発明の近接場光散乱用プローブは、先鋭な先端部分を有する円錐状又は角錐状のプローブ本体と、プローブ本体の先端部分の一方向側面を覆うように形成される金属領域とを備えるようにしている。
【００１６】
また、上記課題を解決するためになされた本発明の他の近接場光散乱用プローブは、誘電材料で形成され先鋭な先端部分を有する円錐状又は角錐状のプローブ本体と、プローブ本体の先端部分を覆うように形成され長軸方向がプローブ本体の軸方向である回転楕円体形状の金属領域とを備えるようにしている。
【００１７】
さらに別の観点からなされた本発明の近接場光学顕微鏡は、上述した本発明の近接場光散乱用プローブと、プローブ先端近傍に向けて局所プラズモン共鳴を誘起するための励起光を入射する励起光光学系と、プローブ先端に発する検出光を検出する検出光光学系とを備えるようにしている。
【発明の効果】
【００１８】
試行錯誤的に種々の形状のプローブを考案し、計算機シミュレーションを行ったところ、エネルギー増強度を高めるためには、これまでのようにプローブ先端部分の全周囲を金属部材とするのではなく、近接場光散乱用プローブ本体の先端部分の一方向側面を覆うように金属領域を形成する場合にエネルギー増強度が高くなることを見出した。
【００１９】
また、エネルギー増強度が高くなる第２の形状としてプローブ本体の先端部分において、回転楕円体状の金属領域形成され、その長軸方向がプローブ本体の軸方向となるようにすればよいことを見出した。
【００２０】
そして、これらのいずれかの近接場光散乱用プローブを近接場光学顕微鏡に用いることにより、高い信号強度での測定が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は、一例にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施することが可能である。
【００２２】
図１は本発明の一実施形態である近接場光散乱用のプローブの構成を示す図である。このものは図１に見られるように、プローブ本体１３ａの一方向側面にそって金属領域１３ｃが形成される。金属領域１３ｃが形成されたプローブ先端は、マイナスドライバーの先端形状のようになっている。
プローブ本体１３ａの先端の曲率半径は２００ｎｍ以下、より好ましくは２０〜１００ｎｍ程度であればよい。
【００２３】
プローブ本体１３ａには、シリコン、窒化シリコンなどの誘電体材料が用いられる。金属領域１３ｃは、蒸着法、スパッタ法など方向性のある製膜技術を用いて一方向からプローブ先端に向けて金属物質を飛ばすことにより形成することができる。金属材料としては銀、金、白金などが好ましい。
【００２４】
図２は、本発明の他の一実施形態である近接場光散乱用のプローブの構成を示す図である。図２に見られるように、プローブ本体１３ａの最先端部分に回転楕円体状の金属領域１３ｄが形成される。金属領域１３ｄはその長軸方向がプローブ本体１３ａの軸方向となっている。
金属領域１３ｄは、数１０ｎｍオーダーの精度での加工が必要であり、先端部分に金属膜を形成した後でフォーカスイオンビーム加工により回転楕円体状の金属領域を形成することができる。
【００２５】
そして、図１または図２に示した近接場光散乱用のプローブ１３を図４に示した近接場光学顕微鏡を用いるようにする。
【実施例】
【００２６】
次に、従来例と本発明にかかる実施例とにおけるプローブ先端のエネルギー密度分布について計算機シミュレーションした結果について説明する。
計算機シミュレーションでは、ＦＤＴＤ法（Finite Difference Time Domain method)により、マックスウェルの方程式を計算した。リング状のレーザビームの入射条件には、収差レンズを通してできる球面波（参照球面）のフレネル積分で得られる電磁界の数値をＦＤＴＤ解析領域の端面に境界条件として配置し、参照球面上の経度、緯度をそれぞれ２０分割するようにした。
【００２７】
図５は各種プローブ先端形状について、計算したエネルギー密度分布およびエネルギー増強度を説明する図であり、図５（ａ）は図３で示した従来例、図５（ｂ）は図１（実施例１）のもの、図５（ｃ）は図２（実施例２）のものに対応する。また、図５（ｄ）は基準としてプローブがないとき（すなわち近接場光の散乱がないとき）のものである。
【００２８】
プローブ無しのときのエネルギー密度を1とすると、従来例のものでは2.4、実施例１のものでは44、実施例２のものでは23であった。
【００２９】
実施例１、実施例２ともに従来例に対してエネルギー増強度が格段に高くなっており、増強度が高いほど図に示すように発光強度が増大している。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明にかかる近接場光散乱用プローブの利用は近接場光学顕微鏡以外にも近接場リソグラフィ、近接場加工等への応用ができる。
さらに、ラマン散乱分光、赤外吸収分光、蛍光分光、ＳＨＧ顕微鏡として使用する場合にも局所プラズモン共鳴の光電場増強効果によって励起光強度を局所的に増大することにより、高い光信号量を得るようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】近接場光学顕微鏡の構成図。
【図２】本発明の一実施例である近接場光散乱用プローブの構成を示す図。
【図３】従来からの近接場光散乱用プローブの構成を示す図。
【図４】本発明の他の一実施例である近接場光散乱用プローブの構成を示す図。
【図５】各種プローブ先端形状についての計算したエネルギー密度分布およびエネルギー増強度を説明する図。
【符号の説明】
【００３２】
１０：近接場光学顕微鏡
１１：ステージ
１２：ステージＸＹ方向駆動部
１３：近接場散乱光用プローブ
１３a：プローブ本体
１３ｂ〜ｄ：金属領域
１４：プローブＸＹＺ方向駆動部
１５：対物レンズ
１６：レーザー光源
１７：マスク
１８：ハーフミラー
１９：検出器
【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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