(57)【要約】【課題】微小開口やスリットの出射口近傍に発生する光電場の強度分布が、これらの微小開口やスリットにおけるエッジラフネスや開口径に依存することを抑制することが可能となる集光方法、集光装置、これらを適用した近接場光学顕微鏡及びストレージ装置を提供する。【解決手段】少なくとも２箇所に開口個所を有する部材に、電場ベクトルの向きが２方向以上異なる光を照射し、これら２箇所の開口個所の間に強電場を有する集光部を形成するように構成する。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２箇所に開口個所を有する部材に、電場ベクトルの向きが２方向以上異なる光を照射し、これら２箇所の開口個所の間に強電場を有する集光部を形成することを特徴とする集光方法。
【請求項２】
前記部材が、一対のスリットまたはスリットを周期的に配列した周期構造を有する部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の集光方法。
【請求項３】
前記周期構造が、ラインアンドスペースまたはスリットを同心円状に配列した構成を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の集光方法。
【請求項４】
前記スリットが、格子状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の集光方法。
【請求項５】
前記電場ベクトルの分布が、回転対称または反転対称であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の集光方法。
【請求項６】
前記電場ベクトルの分布が、回転対称であり、且つ放射状であって、さらに対称中心から等距離の点での電場ベクトルの大きさが等しい光であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の集光方法。
【請求項７】
少なくとも２箇所に開口個所を有する部材と、電場ベクトルの向きが２方向以上異なる光を照射する光照射手段とを有し、前記２箇所の開口個所の間に強電場を有する集光部を形成する構成を備えていることを特徴とする集光装置。
【請求項８】
前記部材が、一対のスリットまたはスリットを周期的に配列した周期構造を有する部材で構成されていることを特徴とする請求項７に記載の集光装置。
【請求項９】
前記周期構造が、ラインアンドスペースまたはスリットを同心円状に配列した構成を有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の集光装置。
【請求項１０】
前記スリットが、格子状であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の集光装置。
【請求項１１】
前記光照射手段が、前記電場ベクトルの分布が回転対称または反転対称である光を照射する構成を備えていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の集光装置。
【請求項１２】
前記光照射手段が、該電場ベクトルの分布が回転対称であり、且つ放射状であり、さらに対称中心から等距離の点での電場ベクトルの大きさが等しい光を照射する構成を備えていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の集光装置。
【請求項１３】
微小開口を有する部材と、該部材に光源からの光を照射する光照射手段とを有し、該光照射手段による光照射によって微小開口から発生する近接場光を、基板上の試料表面に対して近接させ、これにより生じる散乱光を用いて試料表面の像を検出する近接場光学顕微鏡において、
前記微小開口を有する部材と光照射手段とを、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の集光装置における、開口個所を有する部材と光照射手段によって構成したことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項１４】
表面に微小開口を有する記録媒体と、該記録媒体に光源からの光を照射する光照射手段とを有し、該光照射手段による光照射によって該記録媒体の微小開口から生じる散乱透過光を用いて記録再生等を行うストレージ装置において、
前記記録媒体の微小開口を有する構成と光照射手段とを、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の集光装置における、開口個所を有する部材と光照射手段によって構成したことを特徴とするストレージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光方法、集光装置、これらを適用した近接場光学顕微鏡及びストレージ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、近接場光を用いた顕微鏡やストレージ装置、あるいは露光技術として、例えば、非特許文献１あるいは特許文献１に示されているように、様々なものが提案されている。これらの技術は、微小開口から発生する近接場光を用いるもの、もしくはスリットや空隙等から発生する近接場光を用いるもの等が、主たるものである。
例えば、近接場光を用いた顕微鏡においては、光源からの光によってスリットから発生する近接場光を、基板上の試料表面に対して近接させ、これにより生じる散乱光を用いて試料表面の像を検出するものである。また、ストレージ装置においては、光源からの光を記録媒体に照射し、記録媒体の表面に形成された周期構造の微小開口からの散乱透過光を用いて記録再生等を行うものである。
【０００３】
一方、非特許文献２等に示されているように伝播光内の光電場の向きや分布を所望のパターンにする手法や、そうして作製されたビームの挙動などの解析も行われている。特に、ラジアル偏波ビーム（ｒａｄｉａｌｌｙ  ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｂｅａｍ）と呼ばれる、光の電場ベクトルが回転対称であり、且つ放射状であり、さらに対称中心から等距離の点での電場ベクトルの大きさが等しい光（図４）などが研究されている。
【０００４】
【非特許文献１】Ｄｕｒｉｇ他，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５９，３３１８（１９８６）
【非特許文献２】Ｚｅ‘ｅｖ  Ｂｏｍｚｏｎ他，  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ  ７９，  １５８７（２００１）
【特許文献１】特開平０８−１７９４９３号公報
【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、上記した従来における近接場光学顕微鏡やストレージ装置等においては、周期構造等の微小開口やスリットから発生する近接場光を用いて、これらの微小な領域に光電場を集中させる場合、上記微小開口やスリットの出射口近傍に発生する光電場の強度分布が、上記微小開口やスリットにおけるエッジラフネスや開口径に大きく依存してしまうこととなる。このため、従来においては所望の集光性能を得るにはエッジラフネスの制御や微小開口径などの高い加工精度が必要であった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記した微小開口やスリットの出射口近傍に発生する光電場の強度分布が、これらの微小開口やスリットにおけるエッジラフネスや開口径に依存することを抑制することが可能となる集光方法、集光装置、これらを適用した近接場光学顕微鏡及びストレージ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下のように構成した集光方法、集光装置、これらを適用した近接場光学顕微鏡及びストレージ装置を提供するものである。
すなわち、本発明の集光方法は、少なくとも２箇所に開口個所を有する部材に、電場ベ
クトルの向きが２方向以上異なる光を照射し、これら２箇所の開口個所の間に強電場を有する集光部を形成するように構成される。
また、本発明の集光方法は、前記部材が一対のスリットまたはスリットを周期的に配列した周期構造を有する部材で構成することができる。
また、本発明の集光方法は、前記周期構造が、ラインアンドスペースまたはスリットを同心円状に配列した構成とすることができる。
また、本発明の集光方法は、前記スリットを格子状とすることができる。
また、本発明の集光方法は、前記電場ベクトルの分布が、回転対称または反転対称のものを用いることができる。
また、本発明の集光方法は、前記電場ベクトルの分布が、回転対称であり、且つ放射状であって、さらに対称中心から等距離の点での電場ベクトルの大きさが等しい光であるものを用いることができる。
また、本発明の集光装置は、少なくとも２箇所に開口個所を有する部材と、電場ベクトルの向きが２方向以上異なる光を照射する光照射手段とを有し、前記２箇所の開口個所の間に強電場を有する集光部を形成するように構成される。
また、本発明の集光装置は、前記部材を一対のスリットまたはスリットを周期的に配列した周期構造を有する部材で構成することができる。
また、本発明の集光装置は、前記周期構造をラインアンドスペースまたはスリットを同心円状に配列した構成とすることができる。
また、本発明の集光装置は、前記スリットを格子状とすることができる。
また、本発明の集光装置は、前記光照射手段を、前記電場ベクトルの分布が回転対称または反転対称である光を照射する構成とすることができる。
また、本発明の集光装置は、前記光照射手段を該電場ベクトルの分布が回転対称であり、且つ放射状であり、さらに対称中心から等距離の点での電場ベクトルの大きさが等しい光を照射する構成とすることができる。
また、本発明の近接場光学顕微鏡は、微小開口を有する部材と、該部材に光源からの光を照射する光照射手段とを有し、該光照射手段による光照射によって微小開口から発生する近接場光を、基板上の試料表面に対して近接させ、これにより生じる散乱光を用いて試料表面の像を検出する近接場光学顕微鏡において、前記微小開口を有する部材と光照射手段とを、上記したいずれかの集光装置における開口個所を有する部材と光照射手段によって構成することができる。
また、本発明のストレージ装置は、表面に微小開口を有する記録媒体と、該記録媒体に光源からの光を照射する光照射手段とを有し、該光照射手段による光照
射によって該記録媒体の微小開口から生じる散乱透過光を用いて記録再生等を行うストレージ装置において、前記記録媒体の微小開口を有する構成と光照射手段とを、上記したいずれかの集光装置における開口個所を有する部材と光照射手段によって構成することができる。
さらに、本発明の上記構成における細部の特徴については、以下の説明により明らかとなる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、微小開口やスリットから発生する近接場光を用いて、その微小な領域に光電場を集中させる場合において、これらの出射口近傍に発生する光電場の強度分布が、微小開口やスリットにおけるエッジラフネスや開口径に依存することを抑制することが可能となる集光方法、集光装置、これらを適用した近接場光学顕微鏡及びストレージ装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１は、電場ベクトルの向きが異なる照射ビームを周期構造に入射させることにより、周期構造の中央部における遮光部の下部に、高効率に強電場を形成することが可能となる原理を説明するための図である。
図１（ａ）は図１（ｂ）における周期構造の遮光層のＢ−Ｂ’断面図であり、また、図１（ｂ）は図１（ａ）の平面図である。
【００１０】
図１において、周期構造１０１に対して照射ビーム１０７が入射する構成をとる。周期構造１０１のピッチや開口部の大きさは入射光波長よりも小さいとする。照射ビーム１０７内の光電場ベクトルの向きは図のように、点線Ａ−Ａ’を境に右側では電場ベクトルは右向き、左側では電場ベクトルの向きは左向きであるとする。
また、照射ビームはコヒーレントまたは部分コヒーレントであり、表面プラズモンポラリトン（以下ＳＰＰと記す）の伝播長以上の空間コヒーレンスを有して
いるとする。
【００１１】
このビームを図１のように周期構造１０１に入射する場合、スリット１０２、スリット１０３、スリット１０４、スリット１０５からは近接場光が発生する。  また、この近接場光は周期構造表面に表面プラズモンポラリトン（以下ＳＰＰと略す）を励起する。ここで、スリット１０３とスリット１０４に着目した場合、スリット１０３からの＋１次回折光とスリット１０４からの−１次回折光（共に近接場光）は、コヒーレント光成分の照射の場合同位相となり、これらの近接場光によって励起されるＳＰＰは遮光部１０６の直下で必ず同位相となるため、微小領域に集中した強電場が形成されることとなる（強電場発生部１０８）。これは遮光部１０６の直下で顕著に発生する現象である。
【００１２】
この電場分布の大きさや形状は、近接場光同士の干渉や、各スリットから発生するＳＰＰ同士の干渉効果で生じるため、遮光部のエッジラフネスや線幅等の加工精度には顕著に依存せず、むしろ、スリットのピッチに依存することとなる。  また、スリットのピッチが周期構造表面でのＳＰＰの波長の整数倍になっている場合には、ＳＰＰの干渉効果が顕著に表れ、遮光部１０６の直下の電場分布が特に増強される。
また、周期構造１０１の全体から発生する表面プラズモンには遮光部１０６の下部に集まって来る成分もあり、周期構造１０１全体が一種のＳＰＰ集光レンズとして働いていることから、遮光部１０６の下部には高効率に強電場を形成できる。
【００１３】
また、遮光部１０６の形状はラインアンドスペースに限らない。格子状や同心円状など、周期構造、もしくは部分的にでも周期性があればよい。
また、周期構造のうち透過部の大きさが入射光波長より十分小さい場合は、周期構造の出射側に発生する近接場光への寄与は、もっぱらスリットと垂直な偏光方向の成分のみで
あるため、入射光の偏光成分が必ずしも周期構造と厳密に垂直である必要はない
。
【実施例】
【００１４】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図２は、本発明の実施例１における集光方法を説明する図である。
まず、周期構造２０１を用意する。周期構造２０１は母材２０２が窒化シリコン、遮光部２０３がＣｒで形成されている。
周期構造２０１は、図２に示すとおり、ピッチを４００ｎｍにする。この周期構造に、図中のようにＡ−Ａ’に対して右側と左側で電場ベクトルの向きが異なるビームを照射する。
このようなビームは、例えば旋光度が異なる二つの物質の界面に直線偏光を入射して作成することが出来る。また、ビームの作製法はこれに限らず、所定のパターンの回折格子や位相シフトデバイス等を用いても作製できる。
【００１５】
このようなビームを、図２のように周期構造２０１に照射することにより、周期構造中の透過部２０４と透過部２０５の中央部の遮光部の下部に、強電場の集光部２０７が発生する。この集光部は直線状をなしている。
このようなビームにより強電場の集光部２０７を発生させた周期構造２０１を被露光基板に近接させることで、直線状の露光パターンを形成することが出来る。そして、周期構造と被露光基板の位置関係は固定し、ビームの照射位置を移動することで周期構造全体を露光することも出来る。
【００１６】
本発明の集光方法により、集光部の形状が遮光部の作製精度に顕著には依存しない電場強度分布を形成することができる。これにより、露光パターン形状も周期構造遮光部の作製精度に依存しない形状で作製することが可能となる。なお、本実施例では周期構造として、ラインアンドスペースにしたが、周期構造はこのような形状に限定されるものではなく、格子状や同心円状でもよい。
また、平面構造ではなく図８のように立体的な構造を有してもよい。また、ビ
ームの電場ベクトルの分布も、本実施例に限定されるものではなく、回転対称や反転対称分布でもよい。
【００１７】
［実施例２］
図３は、本発明の実施例２における集光方法をイルミネーション（照射）モードの近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）に適用した装置構成を示す図である。
ビーム発生装置３０１では、図４の矢印で表されるような回転対称の電場ベクトルの分布を有するビーム（以下ラジアル偏波ビームとする）を発生する。ビーム発生装置から発生したラジアル偏波ビーム３０２を周期構造３０３に照射する。
また、周期構造３０３はピッチ４００ｎｍの、図５に示されるような同心円状スリットであり、透過部のスリット幅が約５０ｎｍとされている。
【００１８】
周期構造の出射側表面では遮光部３１３の下部に集光部が形成される。この集光部を基板３０４上の試料３０５表面に対して１００ｎｍ以下の距離まで近接させて照射した結果
生じる散乱光を集光レンズ３０６で集光し、光電子増倍管３０７で検出し、これをＳＮＯＭ信号とし、計測制御コンピュータ３０８に入力する。
計測制御コンピュータ３０８からはｘｙｚステージ３１１を駆動するための駆動信号がステージ駆動回路３０９を介して出力され、ｘｙｚステージ３１１の三次元位置制御を行う。
計測制御コンピュータ３０８では、ｘｙｚステージ３１１を駆動することにより、試料３０５に対する集光部を走査し、その位置に応じてＳＮＯＭ信号を三次元プロットすることにより、試料表面のＳＮＯＭ像を形成し、これをディスプレイ３１０に表示する。
【００１９】
本発明の集光方法を用いて、イルミネーションモードＳＮＯＭ装置を構成することにより、光の回折限界を超える解像度が達成できた。
また、本実施例で用いた集光方法によると、周期構造の作製精度に顕著には依
存しないため、周期構造の作製の歩留まりも高くなる。また、高効率な近接場光を発生させることができるため、高速に試料を観察することが出来た。
また、本実施例の装置構成を適用して、ストレージ装置や露光装置を構成してもよい。
【００２０】
［実施例３］
図６は、本発明の実施例３における集光方法をストレージ装置に適用した装置構成を示す図である。
図６において、ビーム発生装置６０１では図４のような回転対称の電場ベクトルの分布を有するビームを発生する。ビーム発生装置６０１から発生したラジアル偏波ビーム６０２を基板６０３上の記録媒体６０４に照射し、記録再生を行う。
【００２１】
記録媒体６０４の表面は周期構造層６０５になっており、その２次元構造は図７のようになっている。ビームの強度を増大させることにより強度の大きい近接場光を用いて記録を行い、ビームの強度を弱めることにより、強度の小さい近接場光を記録媒体６０４に照射してその散乱透過光を集光レンズ６０７で集光してアバランシェフォトダイオード６０８で強度を検出して再生信号とし、記録再生制御コンピュータ６０９に入力する。
【００２２】
記録再生制御コンピュータ６０９から回転モータ駆動回路６１０を介して回転モータ６１１を駆動し、ビームに対して記録媒体６０４を回転させる。
得る信号は位置合わせ（トラッキング）用の制御信号として記録再生制御コンピュータ６０９に入力し、ビーム発生装置６０１に対する記録媒体６０４の位置合わせを行うために用いられる。
【００２３】
本発明の集光方法を用いてストレージ装置を構成することにより、光の回折限界を超える記録密度を達成することが出来る。これは記録媒体上の同心円パターンが回折限界以下のピッチに作製されているためである。
また、ラジアル偏波ビームでこれらの同心円を照射し、ラジアル偏波の中心と同心円の中心が一致している場合、その同心円のみが強く励起され、その中心に集光スポットが形成される。このため記録ビット間のクロストークも抑制できる。
【００２４】
さらに、ラジアル偏波の中心近傍にある同心円の中心は、その他の同心円の中心と比べて高効率に励起される。このため、ある同心円の中心のみを励起したい場合、厳密にその同心円の中心とビームの中心を合わせなくとも、他の同心円の中心と比べて目的とする同
心円の中心がビームの中心に十分近ければ、結果として目的とする同心円の中心のみを選択的に励起することが出来る。これにより、ある同心円の中心を励起するための照射ビームの位置精度は低く抑えることが出来、位置合わせの時間短縮や装置構成の簡略化が可能となる。
【００２５】
また、高効率な近接場光発生のため短時間に情報記録、再生をすることが出来る。本実施例ではラジアル偏波ビームを同心円パターンを有する媒体表面に入射したが、この構成に限るものではなく、反転対称の電場ベクトル分布を持つビームや回転対称な電場ベクトル分布を持つビームを、作製が容易な格子状のパターンを有する媒体表面に照射してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態における高効率に強電場を形成することが可能となる原理を説明するための図であり、（ａ）は（ｂ）における周期構造の遮光層のＢ−Ｂ’断面図であり、また、（ｂ）は（ａ）における周期構造の平面図である。
【図２】本発明の実施例１における集光方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施例２における集光方法をイルミネーション（照射）モードの近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）に適用した装置構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例２に用いられる回転対称の電場ベクトルの分布を有するビーム（ラジアル偏波）を示す図である。
【図５】本発明の実施例２に用いられる同心円状スリットを示す図である。
【図６】本発明の実施例３における集光方法をストレージ装置に適用した装置構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例３に用いられる  記録媒体の表面に形成された２次元構造の周期構造層の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例１に適用可能な周期構造として、立体的な構造の周期構造を示す図。
【符号の説明】
【００２７】
１０１：周期構造
１０２：スリット
１０３：スリット
１０４：スリット
１０５：スリット
１０６：遮光部
１０７：照射ビーム
１０８：強電場発生部
２０１：周期構造
２０２：母材
２０３：遮光部
２０４：透過部
２０５：透過部
２０６：ビーム
２０７：集光部
３０１：ビーム発生装置
３０２：ラジアル偏波ビーム
３０３：周期構造
３０４：基板
３０５：試料
３０６：集光レンズ
３０７：光電子増倍管
３０８：計測制御コンピュータ
３０９：ステージ駆動装置
３１０：ディスプレイ
３１１：ＸＹＺステージ
３１２：母材
３１３：遮光部
３１４：遮光部
６０１：ビーム発生装置
６０２：ラジアル偏波ビーム
６０３：基板
６０４：記録媒体
６０５：周期構造層
６０６：記録層
６０７：集光レンズ
６０８：アバランシェフォトダイオード
６０９：記録再生制御コンピュータ
６１０：回転モータ駆動回路
６１１：回転モータ
【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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