(57)【要約】 【課題】近接場光顕微鏡において、高分解能と高感度を両立させ、数ナノメートルの微小な試料の観察を可能とするプローブ及びそれを用いた近接場光顕微鏡を提供すること。【解決手段】数ナノメートルサイズの試料に付随した光を波長より充分近傍で採光することを目的とする、プラズマ振動数が近赤外域〜可視域にある金属または金属に類する材質の細線を二本平行に並べ先端を揃えたものであり、他端はダイポールアンテナ状に開き、光ファイバーや光導波路へ接続する近接場光顕微鏡用プローブ。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定試料に光を照射し、これにより前記測定試料から生じる近接場光を採光するため、
前記測定試料の近傍に設置する近接場光プローブであって、
平行線路の間隔が、測定試料から生じる近接場光の波長の１/１００以下であり、
前記測定試料に近接させる前記平行線路の一端は揃えられ、他端はダイポール・アンテナであることを特徴とする近接場光プローブ。
【請求項２】
前記ダイポール・アンテナ長が、前記測定試料から生じる近接場光の波長の略１/２で
あることを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項３】
前記平行線路の材料が、金属、カーボンナノチューブのいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の近接場光プローブ。
【請求項４】
前記平行線路の間隔が、前記測定試料の電気双極子の直径と略同サイズであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の近接場光プローブ。
【請求項５】
測定試料の近傍に設けられ、前記測定試料から生じる近接場光を採光する近接場光プローブに用いられる平行線路の製造方法であって、
基板上に第一の金属材料を蒸着し、
前記第一の金属が蒸着された表面上に前記基板と同じ又は異なる材料で第一のスパッタリングを行い、
前記スパッタリングされた表面上に第２の金属材料を蒸着し、
前記第二の金属材料が蒸着された表面上に前記基板と同じ材料又は異なる材料で第二のスパッタリングを行うことで５層構造物を形成し、
前記５層構造物の片側を全切断し、
前記全切断された面側に前記基板と同じ材料又は異なる材料で第３のスパッタリングを行い、
前記５層構造物を切断した側と反対側の５層構造物を、５層構造物の幅を数ナノメートル残して全切断し、
前記全切断された面側に前記基板と同じ材料又は異なる材料で第４のスパッタリングを行うことで作製する近接場光プローブに用いられる平行線路の製造方法。
【請求項６】
第一のスパッタリングの厚さが、前記測定試料の電気双極子の直径と略同サイズであることを特徴とする請求項５に記載の近接場光プローブに用いられる平行線路の製造方法。
【請求項７】
前記金属材料の蒸着に代えて、カーボンを塗布することを特徴とする請求項５又は６に記載の近接場光プローブに用いられる平行線路の製造方法。
【請求項８】
測定試料の近傍に設けられ、前記測定試料から生じる近接場光を採光する近接場光プローブに用いられる平行線路の製造方法であって、
基板上にレジストを塗布し、前記レジスト上に電子描画により前記平行線路のパターンを描画し、
前記電子描画されたレジストを除去した後、その上面に金属を蒸着し、
前記基板上のレジストをすべて除去することを特徴とする近接場光プローブに用いられる平行線路の製造方法。
【請求項９】
前記平行線路の間隔が、前記測定試料の電気双極子の直径と略同サイズであることを特徴とする請求項８に記載の近接場光プローブに用いられる平行線路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場光プローブ及びその製造方法、並びにそれを用いた近接場光顕微鏡
に関し、特に二本の金属細線を平行にならべた平行線路を利用した近接場光プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
光を放射できる状態にある物質内では、電子や原子の変位によって生じた分極が放射される光の振動数で振動している。この分極の広がりは、水やアンモニア等の分子の場合にはその分子の大きさ即ちオングストローム程度の広がりを持っており、半導体結晶の場合にはその結晶全体に拡がることからマイクロメートル程度の広がりを持っている。
【０００３】
近接場光とは、このような分極の近傍に付随して存在し、その分極からの距離が光の波長よりも充分に近い位置に発生する電気力線によって表現される光のことである。測定試料はこのような振動する分極を一つまたはそれ以上有する物質であり、近接場光顕微鏡とは、近接場光プローブを用いた微小領域の測定を行うことにより分極の強度や振動数、位相、偏光、さらにはそれらの位置分布からその測定試料固有の情報を得るというものである。
【０００４】
一般に近接場光プローブは、開口型近接場光プローブと散乱型近接場光プローブに大別することができる。開口型近接場光プローブに関する技術については、例えば、下記非特許文献１、特許文献１に開示されている。図５にその基本的な構成を示す。
【０００５】
光ファイバー１１０の先端をフッ化水素酸等でエッチングして先鋭化し、その先端部を除く部位に金属膜５１０を塗布する。先端部５１１には金属膜が塗布されていないことから、ここを開口とすることによって微小な領域からの光を取り込むことが可能となる。開口型近接場光プローブとは、この小さな開口５１１を備えたプローブを測定試料に近接させ、この開口を通して測定試料１１３から発せられる近接場光の採光を行う、というプローブである。開口型近接場光プローブでは、採光された光は光ファイバー１１０を通って検出器へ直接導入されることから、高い検出感度を得ることが出来る。
【０００６】
この開口型近接場光プローブを用いて微細な試料を観察する場合には、開口の出来るだけ小さなプローブを用いる必要がある。しかし開口型近接場光プローブの分解能を上げるべくプローブの先端を細くし過ぎると、光ファイバーのカットオフによって光が光ファイバー中を透過しなくなるという問題と、分極が放出した近接場光が開口に入りにくくなり採光量が低下するために著しく検出感度が下がるという問題とがある。
【０００７】
そのため、従来技術においては、数十ナノメートル程度の大きな開口径をもった光プローブを用いる必要があり、その結果として高分解能が得られないという問題があった。加えて、従来の開口型近接場光プローブは、その構造が複雑であることから必然的にプローブが太くなり、細胞内部の微小組織のような奥まったところにある試料の測定が出来ないという課題があった。
【０００８】
一方、散乱型近接場光プローブに関する技術については、例えば下記非特許文献２に開示されている。図６は散乱型近接場光プローブを用いた近接場光顕微鏡の基本的な構成を示した図である。散乱型近接場光プローブを用いた顕微鏡では、金属の針６１０の先端をプローブとして測定試料１１３に近接させ、外部から光を照射することで生じた測定試料の近接場光を散乱させる。さらにこの散乱光を外部においた集光レンズ６２０を通して採
光し、光検出器２３０で検出する、というものである。
【０００９】
金属の針６１０は構造が簡便であり、例えば先端をエッチング等で加工することで先鋭化することができる。この先鋭化された針を用いれば、測定試料にある複数の隣接した分極が自身の近傍に付随して作る近接場光を十分に区別することができるようになることから、高い分解能で試料を観察することが出来る。
【００１０】
上記のとおり、散乱型近接場光プローブは、先鋭化可能な金属の針を用いるために高分解能を得ることができる。しかし、測定試料の近接場光を針の先端で散乱させて検出するという原理的な制約から、十分な測定感度を得ることは困難であった。すなわちプローブの先端から四方八方に光が散らばってしまい、その一部しか採光すなわち検出出来ないために感度が著しく低いという欠点があった。そのため、散乱型近接場光プローブの利用は、蛍光色素や半導体微結晶といった強く光を発する試料の観察や、光の非線形効果を組み合わせた特殊な観察用途にとどまっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開2009−115574
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】「電子情報通信学会誌」、電子情報通信学会（出版元）、2001、vol.84、 no.1、p26−32
【非特許文献２】応用物理学会、2009、vol.78、p1118−1122
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、分解能を高めることと、それに伴う採光量の低下すなわち検出感度の低下を回避して高感度を保つという、二つの相反する課題を同時に解決する近接場光プローブ、そのプローブの製造方法、及び近接場光顕微鏡を提供することにある。すなわち、開口型近接場光プローブの利点である高感度と散乱型近接場光プローブの利点である高分解能を同時に実現し、非常に微細な試料の観察も可能にする近接場光プローブ、そのプローブの製造方法、及び近接場光顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、以下の手段によって上述の課題を解決するものである。
請求項１に記載の近接場プローブは、 測定試料に光を照射し、これにより前記測定試
料から生じる近接場光を採光するために前記測定試料の近傍に設置する近接場光プローブであって、平行線路の間隔が測定試料から生じる近接場光の波長の１/１００以下であり
、前記測定試料に近接させる前記平行線路の一端は揃えられ、他端はダイポール・アンテナであることを特徴とする。
【００１５】
本発明による近接場プローブの前記平行線路の一端であるダイポール・アンテナは、長さが前記測定試料から生じる近接場光の波長の略１/２であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の前記平行線路の材料は、金属、カーボンナノチューブのいずれかを用いることができる。
【００１７】
また、本発明の前記平行線路の間隔は、前記測定試料の電気双極子の直径と略同サイズであることを特徴とする。これによって、微視的な大きさの無機物や有機物・生体物質の場合には、一般にこの電気双極子の大きさは分子の大きさ程度であるため、細胞内部の微
小組織のような試料についても測定が可能となる。
【００１８】
本発明の近接場光プローブに用いられる平行線路は、基板上に第一の金属材料を蒸着し、前記第一の金属が蒸着された表面上に前記基板と同じ又は異なる材料で第一のスパッタリングを行い、前記スパッタリングされた表面上に第２の金属材料を蒸着し、前記第二の金属材料が蒸着された表面上に前記基板と同じ材料又は異なる材料で第二のスパッタリングを行うことで５層構造物を形成し、前記５層構造物の片側を全切断し、前記全切断された面側に前記基板と同じ材料又は異なる材料で第３のスパッタリングを行い、前記５層構造物を切断した側と反対側の５層構造物を、５層構造物の幅を数ナノメートル残して全切断し、前記全切断された面側に前記基板と同じ材料又は異なる材料で第４のスパッタリングを行うことで作製されることを特徴とする。
【００１９】
前記第一のスパッタリングの厚さは、前記測定試料の電気双極子の直径と略同サイズとすることを特徴とする。
【００２０】
本発明の平行線路の材料として、金属材料ではなくカーボンを用いる場合には、前記金属材料の蒸着に代えて、カーボンを塗布することで、平行線路を製造する。
【００２１】
また、本発明の近接場光プローブに用いられる平行線路は、基板上にレジストを塗布し、前記レジスト上に電子描画により前記平行線路のパターンを描画し、前記電子描画されたレジストを除去した後、その上面に金属を蒸着し、前記基板上のレジストをすべて除去することで製造されることを特徴とする。
【００２２】
前記平行線路の間隔は、前記測定試料の電気双極子の直径と略同サイズとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の近接場光プローブは、開口型近接場光プローブの利点である高感度と散乱型近接場光プローブの利点である高分解能の機能を兼ね備えている。また、構造が単純であることから平行線路型プローブを細く且つ長く作製することが可能であり、例えば、細胞内部の微小組織のような奥まったところにある試料についても測定することができる。
【００２４】
本発明によれば近接場光プローブを形成する平行線路によって、その間隔と同程度の広がりを持つ分極が自身に付随して作る近接場光を電気力線として採光することが可能であり、係る間隔をナノメートルのレベルで制御した平行線路を作製することによって、従来の開口型近接場光プローブよりはるかに高い分解能を得ることができる。また、従来の散乱型近接場光プローブとは異なり、光を外部へ放射させることなく数ナノメートルの線路間に光を閉じ込めて伝搬させることが可能であることから、高い検出感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施の形態である近接場光プローブの概要を示した図である。
【図２】近接場光顕微鏡内の光の伝搬機構を示した図である。
【図３】平行線路１１２の製造方法の一例を説明した図である。
【図４】端部がダイポールアンテナとなっている平行線路１１２の製造方法の一例を説明した図である。
【図５】従来例である開口型近接場光プローブの説明図である。
【図６】従来例である散乱型近接場光プローブの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明の一実施の形態である二本の金属細線を平行に並べた平行線路１１２を用いた近接場光プローブ１０の概要を示した図である。
【００２７】
図１に示すように、この近接場光プローブ１０は、平行線路１１２と、平行線路１１２の端部と接続されたダイポールアンテナ１１１と、ダイポールアンテナ１１１と密着した光ファイバー１１０とを含んでいる。
【００２８】
載置台１１５に設置された測定試料１１３に対し光が照射されると、測定試料１１３の内部では試料に固有の振動数で振動する分極が生じ、その分極に付随して振動する電気力線１１４が作られる。この分極に付随して振動する電気力線とは、分極から光の波長の長さよりも充分に近い領域に存在し、且つ分極から放出される光の振動数で振動している近接場光を説明するための、一つの表現である。
【００２９】
さて、測定試料１１３内部の分極に付随して振動する電気力線１１４に対し端部が揃えられた平行線路１１２を近接させると、電気力線１１４が平行線路１１２の線路間に導入される。このとき、電気力線１１４の振動は平行線路１１２において電子の振動に変換され、閉じ込められたまま平行線路１１２を伝わる。平行線路１１２を伝わった電子の振動は、平行線路１１２の他端において伝搬する光に変換され、光ファイバー１１０を伝わり光検出器（図外）へと届く。
【００３０】
ここで、平行線路１１２に用いられる金属細線としては、例えば、金（Au）、銀（Ag）等の金属材料、あるいはカーボンナノチューブ、有機伝導体、またはそれらを組み合わせたものが好適である。ここで、平行線路１１２の間隔は測定試料から生じる光の波長の１／１００程度以下であることが望ましい。さらに、平行線路１１２に用いられる材料における自由電子のプラズマ振動数は、観測する光の振動数と同じ、あるいはそれ以上であることが好適である。
【００３１】
また、平行線路１１２は、光ファイバー１１０が接続する端部においてダイポールアンテナ状に開かれていることが好ましい。このような形状とすることで、平行線路１１２を伝わってきた電子の振動を、光ファイバー１１０を伝搬する光に変換しやすくなる。また、平行線路１１２の端部をダイポールアンテナ状に開く角度は、光ファイバー１１０を伝搬する光が横波であることから、直角またはそれに近い角度が好ましい。さらに、ダイポールアンテナ１１１の全体の長さは、ダイポールアンテナ１１１において変換されて光ファイバー中を伝搬する光の波長の１/２程度が好ましい。光ファイバー１１０へ導入され
た光は、光ファイバー１１０を伝搬して光検出器（図外）へと導かれる。なお、光ファイバー１１０に代えて、光導波路を用いてもよい。
【００３２】
本実施の形態においては、平行線路１１２の間隔を可視光から近赤外光の波長である３５０〜１０００ｎｍの１／１００（３．５ｎｍ〜１０ｎｍ）とした。また、本実施の形態では、平行線路１１２の材料として、銀（Ag）を用いた。また、ダイポールアンテナ１１１の角度は直角、ダイポールアンテナの部分の長さは、光ファイバー１１０を伝搬する光の波長の１／２とした。
【００３３】
このように、近接場光に相当する電気力線から変換された伝搬する光の真空中における波長の１／１００以下の間隔を持つ二本の金属細線からなる平行線路に、近接場光の電気力線を導入し変換された電子の振動を通すことで、平行線路外への放射による損失がほとんどないまま振動のエネルギーを平行線路によって伝搬させることが出来ることが明らかとなり、またダイポールアンテナを用いることで、平行線路を伝搬してきた電子の振動を、光ファイバー中を伝搬する光に高効率に変換出来ることが明らかになった。
【００３４】
このように、本発明の特徴とするところは、測定試料への光の照射によって発生した振動する分極の状態を検出するために、測定試料に対して、分極の広がりと同程度の間隔を持つ平行線路を近接させることで、その分極に付随して振動する電気力線１１４を平行線路へ直接導入することによって、最終的に光として取り出す、というものである。本発明では、分極から伝搬する光としてではなく電気力線として採光するという構造上、分解能を決定する平行線路の間隔は分極の広がり程度であり、数ナノメートルという高分解能を実現する。
【００３５】
図２は、平行線路１１２の先端から導入された電気力線が、平行線路１１２を電子の振動として伝わった後に伝搬する光に変換されて光ファイバー１１０を通って光検出器２３０へ届く、近接場光顕微鏡内の光の伝搬機構を示した図である。図２に示す通り、平行線路１１２から導入された光を伝搬させる光ファイバー１１０は、支持棒２１０により支持されている。また、支持棒２１０は、微動ステージ２２０に接続している。これにより、例えば微動ステージ２２０を水平・垂直方向に駆動させれば、測定試料１１３とその近傍をスキャンすることができる。なお、図２は、測定試料１１３を固定し、プローブ側をスキャンさせる構造となっているが、プローブを固定し、測定試料１１３をスキャンさせる構造としてもよい。
【００３６】
図３は、平行線路１１２の製造方法の一例を説明した図である。図３においては、まず、例えば石英（SiO2）基板の上に例えば真空蒸着装置により金（Au）を積層する。次に、その上に例えば石英をターゲットとしてスパッタ装置により石英を積層する。ここで石英の厚さは数ナノメートルとする。そして、その上に金を再度積層し、最後に石英を積層する。
【００３７】
このようにして得られた５層構造物に対して、例えばイオンビーム装置により、片側を切断する。次に、その切断面に対して石英を積層し、再びイオンビーム装置により、残っている５層構造を切断する。二度目の切断の際に残す５層構造の部分の幅は数ナノメートルとする。そして、その二度目の切断面にも石英を積層する。
【００３８】
このようなプロセスにより、図３に示すように、幅数ナノメートルの平行線路１１２を作製することができる。
【００３９】
なお、本実施の形態においては、基板材料やスパッタのターゲットとして石英（SiO2）を用いたが、酸化チタン（TiO2）、酸化ジルコニウム（ZrO2）、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)等を基板の材料やスパッタのターゲットとして用いてもよい。また、本実施の形態では、金属材料として金を用いたが、例えば、アルミニウム（Al）、プラチナ（Pt）、銀(Ag)、などを蒸着でき、金属または金属に類する材質であればその種類は問わない。
【００４０】
図４は、端部がダイポールアンテナである平行線路の製造方法の一例を示した図である。例えば、石英の基板上に、日本ゼオン株式会社のZEP520A等のレジストを塗布し、そこ
に電子線露光描画装置により平行線路とダイポールアンテナの形状を描写する。そして、電子線により描写した部分のレジストを選択的に除去した後、例えば金を蒸着する。最後にすべてのレジストを除去することで端部がダイポールアンテナである平行線路を作製することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明により微細加工を施した工業製品検査、数ナノメートルの微小な試料の観察が可能ならしめる近接場光プローブ、及びそれを利用した近接場光顕微鏡を提供することができる。また、本発明は、微細加工を施すためのナノリソグラフィー、超高密度光記録装置
に応用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０・・・プローブ
２０・・・伝搬機構
１１０・・・光ファイバー
１１１・・・ダイポールアンテナ
１１２・・・平行線路
１１３・・・測定試料
１１４・・・電気力線
１１５・・・載置台
１１６・・・光
２２０・・・微動ステージ
２３０・・・光検出器
【図１】
2012242300.tif 000003
【図２】
2012242300.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2012242300.tif 000007
【図６】
2012242300.tif 000008