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課題

本発明は、散乱体を用いたプローブにおいて、強い近接場光が発生する点以外の部分で発生する近接場光がノイズとなる。

解決手段

散乱体の強い近接場光が発生する頂点以外の部分の表面を、削る深さが近接場光のしみ出し深さ以上になるように削る。

効果

試料観察記録マーク再生する場合のノイズを抑えることが出来る。

概要

背景

近年、平面金散乱体を用いたプローブが提案されている。これは、図43に示すように、三角形の形状をした平面状金属散乱体351を平面基板上に形成したプローブである。a)には、金属散乱体351を1つ形成したプローブを、b)には、金属散乱体351を2つ形成したプローブを示す。X方向に偏光した光を入射させると、頂点352に局在した近接場光が発生する。特に、入射光波長プラズモン共鳴に合せることにより非常に強い近接場光を発生させることが出来る(Technical Digest of 6th international conference on near field optics and related techniques, the Netherlands, Aug. 27−31, 2000, p55)。a)では、金属散乱体351の頂点352から、近接場光が発生し、b)では、金属散乱体354を2つ、それぞれの頂点の間隔が数10nm以下になるように配置され、頂点間353に局在した近接場光が発生する。なお、本明細書で近接場光とは、局在した光、すなわち波数虚数成分を持つ光をいう。
非特許文献1】
Technical Digest of 6th international conference on near field optics and related techniques, the Netherlands, Aug. 27−31, 2000, p55

概要

本発明は、散乱体を用いたプローブにおいて、強い近接場光が発生する点以外の部分で発生する近接場光がノイズとなる。散乱体の強い近接場光が発生する頂点以外の部分の表面を、削る深さが近接場光のしみ出し深さ以上になるように削る。試料観察記録マーク再生する場合のノイズを抑えることが出来る。

目的

本発明は、散乱体を用いたプローブで、強い近接場光が発生する点以外の部分で発生する近接場光の影響を小さくすることを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
8件
牽制数
13件

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請求項1

光源と、前記光源からの光を照射されることによって、近接場光を発生させる導電性散乱体を備え、前記散乱体の、近接場光が発生する箇所における厚さよりも、前記箇所以外の領域における厚さが、薄いことを特徴とする近接場光発生装置

請求項2

前記近接場光を照射される媒体と前記領域との距離は、前記近接場光のしみ出し深さ以上であることを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置。

請求項3

前記散乱体は平面状の散乱体であり、前記散乱体は、設置される試料または媒体面に対し実質的に平行になるように配置されていることを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置。

請求項4

前記散乱体は第1の面とその反対側の第2の面を有する平面状の散乱体であり、前記散乱体の平面の方向が、設置される試料または媒体面に対し実質的に垂直になるように前記散乱体は配置され、かつ前記第1の面上にある近接場が発生する箇所以外の部分、または前記第1の面上にある前記試料または媒体面に近接する頂点と前記第2の面上にある前記試料または媒体面に近接する頂点の間にある頂点以外の部分において、その厚さが前記近接場が発生する箇所の厚さよりも薄くされたことを特徴とする請求項1に記載の近接場光発生装置。

請求項5

前記散乱体は、近接場光を発生させる1の頂点の方向に向かい幅が小さくなった平面状の散乱体、円の形状をした平面状の散乱体、楕円の形状をした平面状の散乱体、長方形の形状をした平面状の散乱体のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の近接場光発生装置。

請求項6

前記散乱体の近接場光が発生する箇所近傍に導電性を持つ別の散乱体が形成され、前記散乱体同士の間隔は、前記光源から入射する光の波長以下であることを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置。

請求項7

前記散乱体は、その直径が入射光の波長よりも小さい球もしくは半球、または、長軸の長さが入射光の波長よりも小さい回転楕円体もしくは半回転楕円体の形状を持つ散乱体で、かつ前記散乱体表面の近接場光が発生する1点以外の部分が薄くされたことを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置

請求項8

前記散乱体の近接場光が発生する頂点近傍を構成する材料が、残りの部分を構成する材料と異なっていることを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置。

請求項9

前記散乱体の近接場光が発生する頂点近傍を構成する材料の硬度が残りの部分を構成する材料の硬度より強いことを特徴とする請求項8記載の近接場光発生装置。

請求項10

前記散乱体の近接場光が発生する頂点近傍を構成する材料が発光物質であることを特徴とする請求項8記載の近接場光発生装置。

請求項11

前記散乱体は基板に埋め込まれて形成され、前記散乱体の近接場光が発生する箇所と前記基板表面とが、実質的に同一平面上にあることを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置。

請求項12

前記散乱体が基板上に形成され、前記基板の前記散乱体の周囲にはパッド部が形成され、前記散乱体の近接場光が発生する頂点とパッド部表面とが実質的に同一平面上にあることを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置。

請求項13

前記表面を削った部分に、散乱体を構成する材料とは異なった材料を埋め込んだことを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置。

請求項14

前記散乱体に入射する光の中心位置が、前記散乱体の中心位置または前記近接場光が発生する頂点の位置に実質的に一致することを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置。

請求項15

前記散乱体の近傍に、遮光膜が形成され、前記散乱体と前記遮光膜の間隔が前記光源からの光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置。

請求項16

前記散乱体が、集光素子上の集光点光導波路終端光共振器の近傍、半導体レーザー出射面近傍光検出器受光面近傍円錐もしくは多角錐突起の先端部の何れかに形成されたことを特徴とする請求項1記載の近接場光発生装置。

請求項17

光を照射されることによって、近接場光を発生させる導電性の散乱体を備え、前記散乱体の近接場光が発生する1つの箇所の厚さよりも、前記箇所以外の領域の厚さが薄く形成されていることを特徴とする近接場光発生プローブ

請求項18

光源と、前記光源からの光を照射されることによって、所定の箇所で近接場光を発生させる導電性の散乱体と、前記散乱体から発生した近接場光を照射する媒体または試料を設置する手段と、前記散乱体の前記所定の箇所以外の領域と、設置される前記媒体または試料との間隔は、前記近接場光のしみ出し深さ以上の距離離れていることを特徴とする近接場光応用装置

技術分野

0001

本発明は、近接場光を発生させる近接場光発生プローブ及び装置に関する。

背景技術

0002

近年、平面金散乱体を用いたプローブが提案されている。これは、図43に示すように、三角形の形状をした平面状金属散乱体351を平面基板上に形成したプローブである。a)には、金属散乱体351を1つ形成したプローブを、b)には、金属散乱体351を2つ形成したプローブを示す。X方向に偏光した光を入射させると、頂点352に局在した近接場光が発生する。特に、入射光波長プラズモン共鳴に合せることにより非常に強い近接場光を発生させることが出来る(Technical Digest of 6th international conference on near field optics and related techniques, the Netherlands, Aug. 27−31, 2000, p55)。a)では、金属散乱体351の頂点352から、近接場光が発生し、b)では、金属散乱体354を2つ、それぞれの頂点の間隔が数10nm以下になるように配置され、頂点間353に局在した近接場光が発生する。なお、本明細書で近接場光とは、局在した光、すなわち波数虚数成分を持つ光をいう。
非特許文献1】
Technical Digest of 6th international conference on near field optics and related techniques, the Netherlands, Aug. 27−31, 2000, p55

0003

上記の三角形の形状をした平面状の散乱体を用いたプローブは、非常に高い近接場光発生効率を実現することが可能である。このプローブでは、光の振動数と金属中に発生するプラズモンの共鳴周波数を一致させると非常に高い効率が得られる。

0004

しかし、上記のような平面状の散乱体を用いる場合、近接場光が発生する頂点以外の部分にも弱い近接場光が発生してしまう。例えば、図1に示すような三角形の形状をした散乱体を用いる場合、プラズモン共鳴を発生させるためには散乱体の長さ(L1)は光波長以下にすることが好ましい。このとき、強い近接場光が発生する頂点12以外の頂点13も励起用の光スポットの中に入る。その結果この頂点13にも弱い近接場光が発生してしまう。このように、頂点13にも近接場光が発生すると、試料観察記録マーク再生する場合、そこから発生する散乱光ノイズとして検出されてしまう。

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は、散乱体を用いたプローブで、強い近接場光が発生する点以外の部分で発生する近接場光の影響を小さくすることを目的とする。

0006

上記目的は、以下の構成とすることによって達成される。即ち、散乱体を1の箇所で近接場光を発生させるようにし、この1の箇所以外の表面と試料(または媒体)との間隔が近接場光が発生する1の箇所と試料(または媒体)との間隔よりも大きくなるように、近接場光が発生する1の箇所以外の厚さを薄くした。この時、近接場光が発生する1の箇所以外の表面と試料(または媒体)との間隔が近接場光のしみ出し深さ以上になるように薄くすると良い。ここで、近接場光強度のしみ出し深さとは光強度が散乱体表面での強度の1/2となる距離と定義する。図2に示すように、近接場光強度は散乱体表面から離れると減少し、しみ出し深さは、通常2nm以上10nm以下である。近接場光が発生する1の頂点以外の表面と試料(または媒体)との間隔が近接場光のしみ出し深さ以上になるように薄くすると、近接場光が発生する1の頂点以外の部分で発生する近接場光は試料または媒体に到達しなくなる。したがって、近接場光が発生する1の頂点以外で発生する近接場光により発生するノイズ成分を小さくすることができる。散乱体は、その散乱体の面の方向と試料または記録媒体の面の方向とが実質的に平行になるように配置されることとなるが、ここで、散乱体の面の方向とは薄くする前の状態で考えた散乱体の面の方向を言う。また実質的に平行とは、散乱体の面と試料または記録媒体表面とのなす角が10度以内であることを言う。なお、頂点とは、第1の線(辺)と第2の線(辺)が現実に交差する点のみならず、所定の曲率を有する場合も含まれる。

0007

上記の散乱体は、曲率半径が入射光の波長より小さな頂点を持ち、その頂点に向かい幅が徐々に小さくなった平面状の散乱体(例えば、平面状の三角形または扇形台形の散乱体)にする。これら散乱体の幅が狭くなった部分にある頂点近傍を除いて表面を削る。光源からの光を散乱体に入射させると、幅が狭くなった部分の頂点に、散乱体中の電荷が集中し、その結果、前記頂点近傍に強い近接場光が発生する。特に、プラズモン共鳴が発生するように入射光の波長、散乱体の材質、長さなどを調整すると、幅が狭くなった部分にある頂点近傍に非常に強い近接場光が発生する。このとき頂点の他端側のエッジにも弱い近接場光が発生するが、この部分は試料または媒体から離れているため、試料または媒体に到達しない。

0008

上記の散乱体は、1つの頂点を除いて表面を削った平面状の円または楕円または長方形の形状をした散乱体であっても良い。楕円の場合、長軸方向に偏光した光を入射させると、プラズモン共鳴が発生し、長軸上にある2つの頂点に強い近接場光が発生するが、片側の表面を削ることにより、そこで発生する近接場光が試料または記録媒体に到達することを防ぐことが出来る。

0009

上記削る部分は、例えば削った面が散乱体の削る前の状態の面に対し実質的に水平になるように削り、削った面と削らない部分の境界部は斜めになるように削る。ここで実質的に水平とは、削った面と散乱体の面のなす角が10度以内であることを言う。

0010

上記散乱体は、平面状の散乱体の面と試料または記録媒体の面のなす角が実質的に垂直になるように配置しても良い。ここで実質的に垂直とは、散乱体の面と試料または記録媒体の面のなす角が、80度以上90度以下になることを言う。

課題を解決するための手段

0011

なお、試料または媒体に対しほぼ平行に散乱体を設置した場合には、平面状とは、Z軸(厚さ)方向に比べてXY(平面)方向に延伸しているとの意味である。一方、試料または媒体に対しほぼ垂直に散乱体を設置した場合には、平面状とは、Z軸(平面)方向に比べてXY(厚さ)方向に延伸しているとの意味である。

0012

(実施例1)
本発明の近接場光発生器は、図3に示すように、頂点22に強い近接場光25が発生する平面状の散乱体21とそれを支持する基板24から構成される。前記平面状の散乱体は、散乱体の面の方向と試料または記録媒体27の面の方向とのなす角が実質的に平行になるように配置され、前記散乱体の表面は、強い近接場光が発生する頂点22近傍以外の部分(他端側の頂点もしくはエッジ23の周辺26)において、削る深さdが近接場光のしみ出し深さ以上になるように、削り取られている。言い換えれば、前記散乱体の表面は、近接場光を発生させたい頂点22近傍以外の部分(他端側の頂点もしくはエッジ23の周辺26)において、近接場光のしみ出し深さ以上の距離dだけ記録媒体27に対して離間している。光源19からの光を集光素子17を通して散乱体21に入射させると、頂点22に強い近接場光が発生するが、このとき頂点22の他端側23にも弱い近接場光が発生する。しかし、削る深さdが近接場光のしみ出し深さ以上であるであるため、他端側23近傍で発生する近接場光は試料または記録媒体27に到達しない。すなわち、試料または記録媒体27表面で測定した光強度は、他端側23近傍において無視できる程小さくなる。なお、本明細書では、頂点とは、第1の線(辺)と第2の線(辺)が現実に交差する点のみならず、所定の曲率を有する場合も含まれる。また、光は矢印29の方向から入射させても良い。図3では、散乱体がdだけ薄くなった場合を示したが、図44に示す通り、散乱体の近接場光を発生させる頂点22近傍以外の部分について、近接場光のしみ出し深さ以上の距離だけ試料(または媒体)27に対し離間させるようにしても良い。

0013

散乱体の材質は、金属(例えば金、銀、銅、アルミマグネシウムチタンクロム)や半導体(例えばSi、GaAs)などの導電性のあるものにする。散乱体が形成される基板は、光透過性のあるもの(ここでは透過率が70%以上あるものと定義する)であると好ましい。なぜなら、基板を通して光を入射させる(すなわち図3中矢印28の方向に入射させる)ことが出来るためである。例えば、散乱体を形成する基板の材質はSiO2やサファイア、GaNなどにする。

0014

上記の散乱体は、曲率半径が入射光の波長より小さな頂点を持ち、その頂点に向かい幅が徐々に小さくなった平面状の散乱体(例えば、平面状の三角形、扇形、台形)にする。図4(a)に形状が三角形の場合の実施例を示す。この実施例では、頂点12以外の部分を、削った面が散乱体の面に対し実質的に水平になるように削り、削る部分と削らない部分の境界部30は斜めになるように削った。光源からの光を、偏光方向が図中のx方向を向くように入射させると、散乱体11中の電荷が偏光方向と同一方向に振動し、頂点12に集中する。その結果、頂点12近傍に強い近接場光が発生する。特に、プラズモン共鳴が発生するように入射光の波長、散乱体の材質、長さL1などを調整すると、頂点12近傍に非常に強い近接場光が発生する。このとき頂点13近傍にも近接場光が発生するが、その周辺16が、削る深さdが近接場光のしみ出し深さ以上になるように削られているため、試料または媒体表面までその近接場光は到達しない。なお、境界部30の傾き(図3中θ2)は、大きすぎると境界部30により散乱体中の電子の振動が妨げられ、頂点22に発生する近接場光強度が低下してしまう。境界部30の傾きθ2は60度以下にするのが好ましい。

0015

図5に、三角形の形状をした散乱体近傍の近接場光強度分布を示す。これは、Finite Difference Time Domain(FDTD)法(Journal of Optical Society of America A, Vol.12, No.9, p1974−1983, 1995, (和名)ジャーナルオブオプティカルソサエティオブアメリカA1)を用いて求めた。図5(a)が表面を削らない場合、図5(b)が表面を削った場合を示す。散乱体の材質は金とし、散乱体は空気中に置かれているとした。頂点12の曲率半径は20nm、厚さt1は30nm、頂点12の頂角θ1は60°、長さL1は150nm、削る部分の削る深さdは5nm、削る部分と削らない部分の境界部分30の傾きθ2は30度とした。光波長は780nmで、観測面は頂点12から5nm離れた面内とした。強度の値は、近接場光強度と入射光強度との比を表す。この図に示すように、表面を削ることにより、頂点13近傍の強度を小さくすることが出来た。なお、表面を削ることにより、光スポットの大きさ(近接場光の広がり)も小さくなった。これは、頂点12近傍の散乱体が削られたため、その部分に発生する近接場光(図5(a)中A)が試料または媒体に到達しなくなったためと考えられる。図6に頂点12に発生する近接場光強度(観測面は頂点12から2nm離れた位置)の光波長依存性を示す。この図に示すように、波長700nm付近でプラズモン共鳴が発生し、近接場光強度が最大となる。

0016

上記の散乱体の形状は、1つの頂点近傍を除いて表面を削った平面状の円または楕円であっても良い。図4(b)にその例を示す。この実施例では、頂点33周辺を水平に削り、削る部分と削らない部分の境界部30は斜めになるように削った。この散乱体に、偏光方向がXの方向になるように光を入射させると頂点32およびその反対側の頂点33に近接場光が発生する。ただし、頂点33の周辺34は、削る深さdが近接場光のしみ出し深さ以上になるように削られているため、頂点33近傍に発生する近接場光は試料または媒体表面まで到達しない。

0017

上記頂点32に強い近接場光を発生させるためには、形状を楕円にし、頂点32は楕円の長軸上の1点とし、入射光の偏光方向を長軸に平行な方向にするのが好ましい。特に、楕円の長軸長L2と短軸長L3、散乱体の材質、および光波長などを調整することによりプラズモン共鳴を励起すると、非常に強い近接場光を発生させることが出来る。本実施例では、散乱体の材質を金、長軸長L2を100nm、短軸長L3を40nm、厚さt1を35nm、削る深さdを10nmとし、入射光の波長は633nmにした。なお、光スポットの大きさは、短軸長L3が小さい程小さくなる。したがって、図7(a)に示すように、短軸長L3が厚さt1より小さくなるようにしても良い。図7(a)の実施例では、散乱体の材質を金、長軸長L2を100nm短軸長L3を10nm、厚さt1を40nm、削る深さdを10nmとした。

0018

上記散乱体の形状は、1つの辺近傍を除いて表面を削った直方体であっても良い。図4(c)にその例を示す。この実施例では、辺37周辺を水平に削り、削る部分と削らない部分の境界部30は斜めになるように削った。この散乱体に、偏光方向がXの方向になるように光を光を入射させると、辺36およびその反対側の辺37近傍に近接場光が発生する。ただし、辺37の周辺部38は、削る深さdが近接場光のしみ出し深さ以上になるように削られているため、辺37近傍に発生する近接場光は試料または媒体表面まで到達しない。

0019

上記辺36に強い近接場光を発生させるためには、辺36は短辺とすることが好ましく、そのとき入射光の偏光方向は長辺に平行な方向(図4(c)中X方向)にするのが好ましい。特に、長辺の長さL4と短辺の長さL5、および光波長を調整することによりプラズモン共鳴を励起すると、非常に強い近接場光を発生させることが出来る。本実施例では、長辺の長さL4を100nm、短辺の長さL5を40nm、厚さt1を35nm、削る深さdを5nmとし、入射光の波長は633nmにした。なお、光スポットの大きさは、短辺の長さL5が小さい程小さくなる。したがって、図7(b)に示すように、短辺の長さL5が厚さt1より小さくなるようにしても良い。図7(b)の実施例では、散乱体の材質を金、長辺の長さL4を100nm、短辺の長さL5を10nm、厚さt1を40nm、削る深さdを10nmとした。

0020

上記削る部分(図3中26)は、図8および図9に示すように、削った面と削らない部分の境界30が曲面となるように削っても良い。細かな凹凸のある試料を測定する場合は、このように削ることにより、近接場光が発生する頂点22が凹んだ部分の中に入り込みやすくなる。したがって、より正確に試料形状を測定することが可能になる。

0021

上記削る部分(図3中26)は、図10に示すように、削った部分の表面が散乱体の面に対し斜めになるように削っても良い。強い近接場光が発生する頂点22の他端側の頂点もしくはエッジ23の部分で削る深さdは、近接場光のしみ出し深さ以上になるようにする。このように削ることで、頂点22の突き出た部分の機械的強度を強くすることが出来る。図11に、散乱体の形状を三角形、楕円、長方形とした場合の例を示す。図11(a)に示すような三角形の場合、散乱体の材質を金、頂点12の曲率半径は20nm、厚さt1は40nm、頂点12の頂角θ1は60°、長さL1は150nm、削る部分の削る深さdは10nm、光波長は780nmとした。図11(b)に示すような楕円の場合、散乱体の材質を金、長軸長L2を100nm短軸長L3を40nm、厚さt1を40nm、削る深さdを10nmとし、入射光の波長は633nmにした。図11(c)に示すような長方形の場合、長辺の長さL4を100nm、短辺の長さL5を40nm、厚さt1を35nm、削る深さdを10nmとし、入射光の波長は633nmにした。

0022

上記散乱体は、散乱体の面が試料(または記録媒体)の面に対して傾くように配置しても良いし、散乱体の面と試料または記録媒体の面のなす角が実質的に垂直になるように配置しても良い。ここで実質的に垂直とは、散乱体の面と試料または記録媒体の面のなす角が、80度以上90度以下になることを言う。図13に散乱体の面と試料または記録媒体の面のなす角を実質的に垂直にした場合の実施例を示す。図13(a)の実施例では、散乱体の2つの面のうち、一方の面上にある近接場光が発生する頂点102近傍以外の部分を、削る深さdが近接場光のしみ出し深さ以上になるように削った。(このとき光は矢印111に示すように横から入射させても良いし、矢印112のように斜めに入射させても良い。)なお、本願明細書で、散乱体の平面状の方向を媒体や試料に対しほぼ垂直に配置した場合について、散乱体の厚さとは、近接場光を照射される試料(媒体を含む)に対し垂直方向の厚さをいう。従って、図13の実施例では、dに示す方向が厚さとなる。図13(b)の実施例では、片方の面上にある近接場光が発生する頂点101とそれと反対側の面上にある近接場光が発生する頂点102の間にある頂点103近傍を除いて、削る深さdが近接場光のしみ出し深さ以上になるように削った。もしこのように削らない場合、図12に示すように、散乱体の片面(右面)とその反対側の面(左面)のそれぞれの頂点101、102に近接場光が発生するので分解能が低下してしまう。上記のように頂点部を削れば、片側102(片側のみを削った場合)もしくは頂点103(両側を削った場合)に発生する近接場光のみが試料または媒体に到達する。したがって、分解能が向上する。

0023

図14に実際の散乱体の形状を示す。図14(a)の実施例では散乱体の形状を三角形にした。散乱体の材質は金、頂点91の幅waは10nm、幅t1は30nm、頂点91の頂角θ1は60°、長さL1は150nm、削る部分の削る深さdは10nm、光波長は635nmとした。この時の近接場光強度分布を図15に示す。この分布は、FDTD法により計算した。この強度分布は頂点101から2nm離れた面で測定した。強度の値は、入射光強度との比を表す。この図に示すように、頂点101側に強い近接場光が発生した。図14(b)の実施例では、散乱体の形状を楕円にした。散乱体の材質が金、長軸の長さL2は100nm、短軸の長さは40nm、幅t1は30nm、削る深さdは10nmとし、入射光の波長は633nmにした。図14(c)の実施例では、散乱体の形状を長方形にした。長辺の長さL4を100nm、短辺の長さL5を40nm、幅t1を30nm、削る深さdを10nmとし、入射光の波長は633nmにした。

0024

図16(a)(b)に、上記先端部の削る部分を階段状にした例を示す。例えば、削る深さdが10nm、幅t1が30nm、先端の幅t2が5nmになるように削る。細かな凹凸のある試料を測定する場合は、このように削ることにより、先端部102または103が凹んだ部分の中に入り込みやすくなる。したがって、より正確に試料形状を測定することが可能になる。

0025

図17に、近接場光強度をさらに強くするために、上記散乱体の近接場光が発生する頂点22近傍に導電性のある第二の散乱体151を形成した場合を示す。ここで、第一の散乱体の近接場光が発生する頂点22と第二の散乱体の間隔(G)を光波長より小さくすると、頂点22に集まる電荷と第二の散乱体中の電荷が互いに相互作用することにより、2つの散乱体の間154に強い近接場光が発生する。

0026

第二の散乱体の表面は、第一の散乱体に最も近い点152の他端側の点またはエッジ153が入射光スポット内にないときは、必ずしも第一の散乱体と同様に削る必要はない(図17(a))。しかし、第一の散乱体に最も近い点152の他端側の点またはエッジ153が入射光スポット内あるときは、図17(b)に示すように、第一の散乱体と同様に、第一の散乱体に最も近い点152近傍を除いて表面を削ることが好ましい。

0027

第一と第二の散乱体の形状は、必ずしも同一にする必要はない。しかし、同一にすることにより、両方の散乱体中にプラズモン共鳴を同時に励起することが可能になり、より強い近接場光を2つの散乱体の間に発生させることが出来る。例として、図18に三角形の形状をした二つの散乱体を2つ組み合わせた場合の形状を示す。X方向に偏光した光を入射させると、それぞれの散乱体中の電荷が頂点12に集まり、互いに相互作用する。その結果2つの頂点間154に強い近接場光が発生する。本実施例では、散乱体の材質を金、頂点12の曲率半径は20nm、厚さt1は40nm、頂点12の頂角θ1は60°、長さL1は150nm、削る部分の削る深さdは10nm、間隔Gは5nm、光波長は780nmとした。

0028

上記の散乱体は、図19に示すように、厚さ方向(Z軸方向)を大きくし、XY(平面)方向に比べてZ軸(厚さ)方向に延伸するようにしても良い。このように厚さ方向を大きくすることにより、散乱体中に発生する熱が逃げやすくなる。したがって、入射光パワー限界値パワーが大きいと発熱により散乱体が破壊する)を大きくすることが出来る。本実施例では、散乱体の外周部の形状を三角形にし、頂点12以外の表面部16を削った。頂点12とその他端側のエッジの距離L1は150nm、厚さt1は300nm、削る深さdは10nmとした。

0029

上記の散乱体は、平面状の散乱体に替えて、直径が入射光の波長よりも小さい球もしくは半球、または長軸の長さが入射光の波長よりも小さい回転楕円体もしくは半回転楕円体の散乱体にしても良い。これら散乱体表面の近接場光が発生する1点以外の部分を削ると、近接場光が発生する点の曲率半径を小さくすることができるので、近接場光の広がりをより狭くすることが出来る。すなわち、分解能を向上させることができる。図20にその例を示す。図20(a)の例では、基板24上に半回転楕円体の形状をした散乱体を形成し、近接場光が発生する点172以外の部分を削った。この散乱体に偏光方向が試料または記録媒体面に垂直な方向(Z方向)を向いた光を入射させると、点172近傍に局在した近接場光が発生する。半回転楕円体の高さh1は光波長以下とし、削る深さdは、近接場光のしみ出し深さ以上とするのが好ましい。削った後に形成される突起173の根元の幅aは小さい方が高い分解能が得られる。入射光の波長は、プラズモン共鳴が発生する波長にするのが好ましい。本実施例では、半回転楕円体の高さh1は100 nm、幅bは40nm、削る深さは10nm、突起の根元の幅aは15nm、散乱体の材質は金とした。図20(b)の例では、172以外の部分を削ることに替えて、球の散乱体表面に微小な突起174を形成した。このように突起を形成しても、上記の削ったものと同様の効果が得られる。本実施例では、半回転楕円体の高さh1は100nm、幅bは40nm、突起の高さdは10nm、根元の幅aは15nm、散乱体の材質は金とした。
(実施例2)
実施例2は、散乱体の摩耗を防ぐための実施例を示す。

0030

上記散乱体の面が試料または媒体面に実質的に平行に配置した平面状の散乱体を用いて凹凸のある試料を測定する場合、図3のように、散乱体は基板表面上に形成するのが好ましい。なぜなら、凹んだ部分に近接場光が発生する頂点22が入り込み易いからである。ただし、この時、頂点22は磨耗し易い。これを防ぐためには、図21(a)に示すように、頂点181近傍の散乱体の側面を硬度の高い物質で覆うと良い。ここで、頂点181近傍とは、頂点181からの距離が50nm以下である範囲と定義する。本実施例では、ガラス基板上に長さL1が150nm、角度θ1が60度、厚さt1が30nm、材料が金、形状が三角形、表面がd=5nm削られた散乱体を形成し、散乱体側面のうち、頂点181からの距離が30nm以下となる範囲内において、幅t3が10nmのカーボンまたはダイアモンドまたはSiまたはSiNの膜を形成した。

0031

上記散乱体の面が試料または媒体面に実質的に平行に配置した平面状の散乱体を記録装置へ応用する場合は、図21(a)のように散乱体を形成しても、記録媒体を高速に回転させるため、頂点181が磨耗してしまう。これを防ぐためには、図21(b)のように、散乱体21が基板24に埋め込まれるように形成するか、図21(c)のように、散乱体181の周辺に、パッド183を形成するのが好ましい。散乱体を基板に埋め込む場合は、図21(b)のように、近接場光が発生する頂点181と基板表面182が実質的に同一平面上にあることが好ましい。パッドを形成する場合は、近接場光が発生する頂点とパッド表面が実質的に同一平面上にあることが好ましい。ここで、実質的に同一平面上とは、高さの差が10nm以内であることを言う。本実施例では、ガラス基板表面に長さL1が150 nm、頂角θ1が60度、厚さt1が30nm、材料が金、形状が三角形、表面がd=5nm削られた散乱体が、図21(b)のように埋め込まれるように形成した。

0032

(実施例3)
実施例3では、散乱体が試料や媒体面に対し垂直になるように配置した例を示す。

0033

前記散乱体の面が試料または媒体面に垂直になるように配置した平面状の散乱体を用いて凹凸のある試料を測定する場合、図22のように、近接場光が発生する頂点191は基板表面192から突き出るように形成するのが好ましい。なぜなら、凹んだ部分に頂点191が入り込み易いからである。ただし、上記のように頂点191を突出させるとき、散乱体が試料に接触し破壊され易い。これを防ぐためには、実施例2で説明したとおり、散乱体の側面を硬度の高い材料で覆うのが好ましい。本実施例では、短辺の長さが20nm、長辺の長さが150nm、幅t1が30nm、材料が金の長方形の散乱体をガラス基板側面に形成し、頂点191付近を削る深さdが10nmになるように斜めに削った。頂点191は基板表面192からh3=50nm突き出るようにし、散乱体側面には、散乱体の破壊を防ぐために幅t4=10nmのカーボンまたはダイアモンドまたはSiまたはSiNの膜を形成した。

0034

前記散乱体の面が試料または媒体面に垂直になるように配置した平面状の散乱体を記録装置へ応用する場合は、図22(a)のように散乱体を形成しても、記録媒体が高速に回転するため、散乱体先端が磨耗してしまう。これを防ぐためには、図22(b)のように、近接場光が発生する頂点191と基板表面192が実質的に同一平面上にあるように散乱体を形成する。本実施例では、短辺の長さが20nm、長辺の長さが150nm、幅t1が30nm、材料が金で、先端部分が削る深さdが10nmとなるように斜めに削られた長方形の散乱体を、頂点181と基板表面182が実質的に同一平面上にあるように形成した。なお、上記散乱体は、図22(c)に示すように、基板に埋め込まれるように形成しても良い。埋め込む時は、近接場光が発生する頂点181と基板表面182が実質的に同一平面上にあることが好ましい。ここで実質的に同一平面上とは高さの差が10nm以内であることを言う。
(実施例4)
実施例4では、散乱体の近接場光が発生する頂点近傍の材料を残りの部分の材料と異なるようにした例を示す。例えば、近接場光が発生する頂点近傍の材料を残りの部分の材料よりも硬度の高い材料にすれば、散乱体の耐久性を向上させることができる。また、近接場光が発生する頂点近傍の材料を発光材料にしても良い。ここで発光材料とは、例えば、フォトルミネッセンス、2次の非線形光、3次の非線形光、ラマン散乱二光子吸収による発光などを発生させる物質を言う。これら発光をフィルタグレーティングを用いて励起光から分離し、その強度変化または発光波長シフト量を検出することにより、近接場光が発生する頂点からの信号のみを選択的に検出することが可能になる。すなわち、バックグランド光の検出を抑えることができ、像のコントラストを向上させることが可能になる。また、発光材料を、特定の物質と反応すると発光強度または発光波長が変化する物質にすれば、高い空間分解能を持つ微小なセンサとしてプローブを用いることが出来る。

0035

平面状の散乱体を使うときの実施例を図23および図24に示す。

0036

図23(a)および図24(a)の実施例では、材料を変える部分と変えない部分の境界面204が試料または記録媒体面に実質的に平行になるようにした。ここで実質的に平行とは、材料を変える部分と変えない部分の境界面204と試料または記録媒体面のなす角が30度以内であることを言う。本実施例では、散乱体の耐久性を向上させるために、近接場光が発生する頂点202から幅xの領域201の材料をPtまたはPdまたはRhあたはIrまたはTiまたはCrまたはCoまたはSiまたはSiNにした。近接場光が発生する頂点近傍201の材料は硬度の高いものであれば良いが、強い近接場光を発生させるためには、金属や半導体などの導電性のある材料が好ましい。材料を変える部分201の幅xは削る深さd以下になるようにしても良いし、削る深さd以上になるようにしても良い。材料を変える部分201が変えない部分203から剥がれることを防止するためには、材料を変える部分201の幅xを削る深さd以上になるようにし、材料を変える部分201と変えない部分203の接触面積を大きくすることが好ましい。しかし、近接場光が発生する頂点近傍の材料を変えることにより発生する近接場光強度が材料を変えることにより小さくなる場合は(例えば変える部分201の材料の導電性が、変えない部分203の材料の導電性より低い場合)、材料を変える部分201の幅xが削る深さd以下になるようにして、材料を変える部分201の体積を小さくすることが好ましい。本実施例では、削る深さdを10nm、材料を変える部分の幅xを5nmにした。また本実施例では、像のコントラスト向上させるために、近接場光が発生する頂点202から深さxの領域201の材料を蛍光体または非線形物質にした。蛍光体の材料にはRhodamineやCoumarin、Pyridine、Fluorescein、Styrylなどの色素や、GaAs、GaN、CdSなどの半導体を用いた。非線形物質にはCdS、CdTe、LiNbO3などを用いた。高いコントラストを実現するためには、材料を変える部分201の幅xが削る深さd以下になるようにして、発光体の体積を小さくすることが好ましい。本実施例では、削る深さdを10nm、材料を変える部分の幅xを5nmにした。

0037

材料を変える部分と変えない部分の境界面の方向は任意であり、例えば、図23(b)および図24(b)に示すように、材料を変える部分と変えない部分の境界面204が試料または記録媒体面に対し実質的に垂直になるようにしても良い。本実施例では、図23(b)および図24(b)の場合ともに、材料を変える部分と変えない部分の境界面204と試料または記録媒体面のなす角は90度、変える部分の幅xは5nm、削る深さdは10nm、変える部分の材料は、PtまたはPdまたはRhあたはIrまたはTiまたはCrまたはCoまたはSiまたはSiNなどの硬度の高いもの、およびRhodamineやCoumarin、Pyridine、Fluorescein、Styrylなどの色素や、GaAs、GaN、CdSなどの半導体の蛍光材料、およびCdS、CdTe、LiNbO3などの非線形物質にした。
(実施例5)
実施例5は削られた部分を所定の物質で埋め込んだ例を示す。図25に、上記表面が削られた部分221を散乱体の材料とは異なる物質で埋めた例を示す。例えば、削られた部分221をSiO2やAl2O3などの誘電体で埋めれば、近接場光のしみ出し深さが小さくなるので、近接場光が発生する頂点22以外で発生する近接場光が、試料または記録媒体27にさらに到達しにくくなる。本実施例では、図25(a)または(b)のように、金の散乱体を、表面から5nm削り、そこをSiO2またはAl2O3またはCr2O3の誘電体で埋めた。
(実施例6)
次に、遮光膜を用いた例を示す。試料の形状や記録媒体上に形成された記録マークの有無等を検出するために、プローブを透過した光のパワーを検出する場合、散乱体に当たらなかった光は、そのまま検出器で検出されてしまう。この光はバックグランド光として働き、検出のS/N比の低下を招く。これを防ぐために、図26のように、散乱体の近傍に遮光性のある膜241を形成すると好ましい。ここで、遮光性のある膜とは透過率が50%以下である膜と定義する。この遮光性のある膜には、例えば金や銀などの金属、SiやGaAsなどの半導体、カーボンなどの誘電体などを用いる。散乱体と遮光性のある膜の間隔W1を光波長以下(本実施例では50nmとした)にすることにより、バックグランド光の発生を抑制することができる。なお、遮光膜として光吸収性のある膜(透過率同様、反射率も低い膜。ここでは透過率および反射率が50%以下の膜と定義する)を利用する場合、プローブの透過光を検出する方式(Illumination mode)だけでなく、光源側に戻ってくる光を検出する方式(Illumination−Collection mode)の装置においても、バックグランド光を抑制することが可能である。本実施例では、図26(a)および図26(b)に示すように、近接場光が発生する頂点22以外の表面が削られた、三角形または楕円の形状をした散乱体を形成し、その周辺に遮光膜241を形成した。散乱体および遮光膜の材料はともに金とし、散乱体と遮光性のある膜の間隔W1は50 nmとした。

0038

なお、各実施例に共通することだが、上記の散乱体へ入射させる光の中心位置は、散乱体上での光強度が最大となるよるに、図27(a)のように散乱体の中心に実質的に一致させる。もしくは、近接場光強度の最大となる位置と入射光の中心位置を一致させるために、図27(b)のように入射光の中心位置を近接場光が発生する頂点22に実質的に一致させても良い。ここで実質的に一致とは、入射光の中心位置と頂点の距離が入射光の光スポットの半値全幅の1/2以内となることをいう。
(実施例7)
実施例7は、散乱体を所定の素子上に形成した例を示す。

0039

まず、散乱体を集光素子上に形成した例を示す。散乱体21を、図28(a)に示すようなSolid Immersion Lens281や、図28(b)に示すようなフレネルレンズ284のついた基板24、図28(c)に示すような凸レンズ285のついた基板24などの上に形成する。このとき散乱体は光の集光点に形成する。このようにすれば、集光素子と散乱体の位置調整が不必要になる。また、図28(d)に示すように、散乱体を導波路286の終端に形成しても良い。このとき、なるべく多くの光が散乱体に当たるようにするには、導波路終端の径w2は、光波長以下にすることが好ましい。しかし、w2が光の波長の1/2以下になると、導波路中に光の伝播モードが存在しなくなる。したがってw2は導波路中の波長の1/2以上にすることが好ましい。また、散乱体を光共振器出射面の近傍、即ち出射面から10μm以内に形成しても良い。例えば、図29(a)に示すように、光を共振させるための反射膜291を基板に形成し、その反射層291上に開口を形成し、その開口中に散乱体21を形成する。このとき、バックグランド光の発生を抑制するために、散乱体と反射膜の間隔w1は光波長以下にするのが好ましい。本実施例では、w1を50nmとした。このように共振器出射面近傍に形成すれば、散乱体に当たらずに反射した光が共振器により戻され、再び散乱体に照射されるので、光利用効率を向上させることが出来る。また、散乱体は半導体レーザの出射面の近傍、即ち出射面から10μm以内に形成しても良い。例えば、図29(b)に示すように、散乱体11を面発光レーザー293の出射面近傍に形成する。このとき、バックグランド光を抑制するために、レーザの出射面上に反射膜292を形成し、そこに開口を形成し、その中に散乱体を形成すると良い。この時、散乱体と反射膜の間隔w1は光波長以下にするのが好ましい。本実施例では、w1を50nmとした。このように半導体レーザーの出射面に形成することにより、光源と散乱体の位置調整が不必要になる。また、散乱体はフォトダイオードなどの光検出器受光面近傍、即ち受光面から10μm以内に形成しても良い。これにより、検出器と散乱体の位置位置調整が不要になる。

0040

前記の散乱体は、図30(a)に示すように、円錐もしくは多角錐302の突起先端に形成された平坦な部分301に形成しても良い。このとき、平らな部分の幅の最小値W3は、散乱体が試料に近づきやすくするために、できるだけ小さくするのが好ましい。また、図30(b)に示すように、円錐もしくは多角錐の側面を金属で覆えば、円錐もしくは多角錐の突起が光導波路の働きをし、光を散乱体21のある部分に集光させる働きをする。この場合、先端の平坦な部分の幅の最小値W3は突起中を伝搬する光の波長以下(面積表現すると先端の平坦な部分の面積が突起中を伝搬する光の波長の2乗以下)になるようにすれば、散乱体周辺から発生するバックグランド光の発生も抑制することができる。ただし、平坦な部分の幅w3を突起中を伝搬する光の波長の1/2以下にすると、先端から出射する光量が減るため(導波路の径が光波長の1/2以下になると光の伝搬モードが存在しないため)、平坦な部分の幅w3は突起中を伝搬する光の波長の1/2以上(面積で表現すると先端の平坦な部分の面積が突起中を伝搬する光の波長の1/2を2乗した値以上)にした方が良い。本実施例では、SiO2の四角錐の突起の側面を厚さ100nmの金で覆い、先端の幅w3は250nmとした。
(実施例8)
次に、前記プローブの作製方法について説明する。散乱体の面と試料または媒体面が実質的に平行になる場合は、図31(a)のように、まず基板24中に埋め込まれた散乱体21を形成する。つぎに、図31(b)のようにイオンミリングRIEなどの異方性エッチングを用い、散乱体部分を斜めに選択的に削る。このとき、近接場光が発生する部分22は基板24の影となるため、エッチングされずに残り、残りの部分のみが削られる。散乱体の面と試料または媒体面が実質的に垂直になる場合も、図32に示すような同様の方法で作製可能である。

0041

また、前記近接場光が発生する頂点近傍の材料が残りの部分とは異なった散乱体は図33のように作製する。まず図33(a)のように、近接場光が発生する頂点近傍の材料262と残りの部分の材料261で構成される2層の膜でできた散乱体を、異なる材料同士の境界面が基板表面263に対し実質的に平行になり、かつ基板24中に埋め込まれるように形成する。このとき散乱体の面は基板表面263、すなわち試料または媒体面に対し実質的に平行であっても良いし、実質的に垂直であっても良い(図33は散乱体の面が基板表面に対し実質的に平行である場合を示す)。つぎに、図33(b)のようにイオンミリングやRIEなどの異方性エッチングを用い、散乱体の部分を斜めに削る。このとき、近接場光が発生する部分22近傍は基板24の影となるため、エッチングされずに残り、残りの部分のみが削られる。

0042

また、図34のように異なる材料どうしの境界面が基板表面263に対し実質的に垂直になるように加工することも可能である。このとき散乱体の面は基板表面に対し実質的に平行であっても良いし、実質的に垂直であっても良い(図34は散乱体の面が基板表面に対し実質的に垂直である場合を示す)。まず図34(a)のように、近接場光が発生する頂点近傍の材料262と残りの部分の材料261で構成される2層の膜でできた散乱体を基板24中に埋め込むように形成する。つぎに図34(b)のように、イオンミリングやRIEなどの異方性エッチングを用い、散乱体の部分を斜めに削る。

0043

また、前記の異なる材料どうしの境界面が基板表面に対し実質的に垂直である場合、イオンミリングやRIEなどの異方性エッチングを用いて散乱体の部分を斜めに削ることに替えて、図35に示すように、近接場光が発生する頂点近傍の材料の部分262を残して、残りの部分261のみを、RIEなどの選択エッチングによりエッチングしても良い。

0044

図36に、導波路終端に散乱体を形成したプローブの作製方法を示す。この実施例では、散乱体の形状は長方形とした。まず、基板360上に、散乱体の材質でできた部分361と導波路の材質で出来た部分362の2層で構成された細線を形成する(図36(a))。このとき、散乱体の材質でできた部分361の厚さt5は長方形の長辺の長さL4に等しくなるようにし、細線の長さL6は作製する散乱体の厚さより大きくなるようにする。本実施例では、基板の材質をガラス、散乱体の材質を金、導波路の材質を不純物拡散させたガラスにし、厚さt5は150nm、細線の長さL6は500nmとした。つぎに、図36(b)に示すように、細線を覆うように導波路363を形成した後、図36(c)中の矢印の方向に研磨する。このとき、細線の長さが散乱体の厚さt1に等しくなる点で、研磨を止める。最後に図31で示した方法により、近接場光が発生する点36以外の表面を、イオンミリングなどの異方性エッチングにより削る。なお、三角形の形状をした散乱体を作製するために、上記の細線の形状を三角柱にしても良い。
(実施例9)
実施例9は、応用装置について説明する。図37に、上記の近接場光プローブ近接場光学顕微鏡に応用した例を示す。ここでは、散乱体を原子間力顕微鏡カンチレバの先端に形成したプローブを用いた例を示す。試料910は基板911の上に置き、その表面に、上記の近接場光プローブ901を近づけた。レーザー906から出射した光はレンズ916によりコリメートされ、ビームスプリッタ905を通過後、対物レンズ904に入射するようにした。光は対物レンズにより集光され金属の微小構造部で収束する。プローブからの光は、対物レンズ904により集光され、検出器907で検出されるか、もしくは試料の反対側に置かれた対物レンズ912により集光され、検出器913で検出されるようにした。試料をピエゾ素子908を使い平方向に走査させると、試料表面で発生する散乱光強度が変化する。この変化を記録することにより、試料の像を得た。ここで、試料からの信号の偏光方向が、入射光の偏光方向と異なっている場合、偏光子917、918を光路中に起き(レーザーが直線偏光の場合偏光子918のみで良い)、偏光子918の偏光方向が入射光の偏光方向に対し直角になるようにすると、コントラストを向上させることができる。また、上記散乱体の近接場光が発生する頂点近傍に発光物質を形成した場合は、検出器の前にバンドパスフィルターを置き、発光のみを検出できるようにする。

0045

上記プローブ先端と試料表面の間隔は近接場光のしみ出し深さである数10 nm以内にする必要があるが、その間隔はプローブ先端と試料表面の間に働く原子間力を測定することにより制御する。すなわちプローブを数nm以内の振幅ピエゾ909を使い縦方向に振動させ、その振幅が一定になるようにプローブ先端と試料表面の間隔を制御する。振幅の変化の測定は、レーザー906から出射した光とは別の光をカンチレバーの上面902に当て、そこからの反射光PSD(Position Sensing Detector)で検出することにより行う。

0046

上記近接場プローブの記録/再生装置への応用例を図38に示す。散乱体と記録媒体の間隔が数10nm以下になるよう保ちながら、高速に走査させるため、散乱体はスライダ702上に形成され、そこに、光源、検出器等を搭載した光ヘッド703からの光を入射させた。本実施例では、スライダ中に集光素子を集積化し、スライダには並行光を入射させるようにした。光ヘッドはキャリッジアクチュエーター704を用いて、ディスク半径方向に動かされるようにした。光ヘッド内部の光学系は図38(b)のように構成した。光源には半導体レーザー708を用い(波長780nm、出力30mWの半導体レーザーを用いた)、出射光コリメーターレンズ709、ビーム整形プリズム710を用いて円形平行ビームにした。このビームはビームスプリッタ712、ミラー714を通過後、近接場光プローブ702に入射するようにした。トラッキングのため近接場光プローブの位置を微調整するためには、圧電素子711を用いた。プローブ702はサスペンション705に取り付けられていて、このサスペンションの力によりディスク701に押し付けられるようにした。本実施例では光ディスク701には相変化媒体を用い、記録マークは、近接場プローブにより発生した近接場光により結晶相アモルファス相に変化させることにより形成した。再生は、ディスクから戻ってくる光の強度変化を検出することにより行った。すなわち、近接場光がディスクにより散乱される割合が、記録マークの有無により変化するので、その散乱光の強度変化を検出することにより行う。実際には、ディスクからの光(信号光)をビームスプリッタ−712により入射光と分離し、集光レンズ715を通過させた後、検出器717で検出した。ここで、ディスクからの信号光の偏光方向が、入射光の偏光方向と異なっている場合、偏光子716を光路中に起き、偏光子716の偏光方向が入射光の偏光方向に対し直角になるようにすると、コントラストを向上させることができる。

0047

上記記録/再生装置へ応用する場合、図39に示すように、散乱体は、散乱体の近接場光が発生する頂点22の接線方向332とトラックに平行な方向331が直交するように配置するのが好ましい。なぜなら、図5および図15に示すように、近接場光強度分布は近接場光が発生する頂点22の接線方向に伸びた形状をしている。記録/再生装置では、トラッキングサーボを容易にするためには、記録マークの形状はトラック方向に垂直な方向に長い方が好ましい。したがって、そのようなマークを記録するためには、散乱体は、散乱体の近接場光が発生する頂点22の接線方向332とトラックに平行な方向331が直交するように配置するのが好ましい。

0048

上記の記録/再生装置において、媒体には磁気媒体を用いても良い。図40に磁気媒体用ヘッドの例を示す。散乱体21はスライダ407の表面に形成し、散乱体21周辺に磁界印加用コイル405を形成した。光源である半導体レーザ401はスライダ上に形成し、そこから発生する光はコリメートレンズ402、ミラー403および集光レンズ404を通過後、散乱体21に入射するようにした。なお、上記の記録/再生装置において、再生には磁気再生ヘッドを用いても良い。磁気再生ヘッドを用いることにより、光検出用の光学系が不要になるため装置を小型化することが可能になる。図40の実施例では、散乱体の近くにGMR素子406を設置した。

0049

上記の磁気媒体を用いた記録/再生装置において、磁界印加素子として、磁気記録装置で使用される記録ヘッドを用いても良い。図41(a)にその実施例を示す。この実施例では、磁極412に接するように導波路411を形成し、その先端に散乱体21を形成した。光源である半導体レーザ401はスライダ上に形成し、そこから発生する光はコリメートレンズ402、ミラー403および集光レンズ404を通過後、導波路411に入射するようにした。再生はGMR素子406で行うようにした。図41(b)に、散乱体周辺の拡大図を示す。この実施例では、散乱体の形状は長方形とし、長方形の長辺の長さL4は100 nm、短辺の長さL5は20nm、厚さt1は40 nm、削る深さdは10 nmとした。光照射により温度が上昇する領域と磁界印加される領域は重なる必要があるため、近接場光が発生する点36と磁極412はできるだけ近い方が良く、本実施例では5 nmとした。導波路先端の径W4は300 nmとした。

0050

上記近接場プローブは、光リソグラフィ用の露光装置へ応用することも可能である。図42(a)、(b)にその実施例を示す。加工する基板342上にフォトレジスト341を塗布し、そこに散乱体21を有するプローブを近づける。ここにフォトレジストを感光させる光を入射させると頂点22に強い近接場光が発生し、その部分のフォトレジストが感光される。ここで、入射光の波長は、レジストが感光し、かつプラズモン共鳴が励起される波長にすると好ましい。本実施例では、散乱体21の材質をアルミにし、波長442nmの光を入射させた。このように本発明のプローブを用いれば、数10nm以下の寸法を持つ微細パターン露光を高速に行うことが出来る。

発明を実施するための最良の形態

0051

なお、本願発明は以下の構成を包含する。
1.光源と、近接場光を発生させる導電性の散乱体を備え、前記散乱体上の近接場光が発生する1つの頂点以外の部分の表面が削られた近接場光発生装置を用いた記録または再生装置。
2.上記1記載の記録または再生装置であって、前記散乱体の近接場光が発生する頂点の接線方向が記録トラックの方向と直交するように配置されている。
3.光源と、近接場光を発生させる導電性の散乱体を備え、前記散乱体上の近接場光が発生する1つの頂点以外の部分の表面が削られた近接場光発生装置を用いた近接場光学顕微鏡。
4.光源と、近接場光を発生させる導電性の散乱体を備え、前記散乱体上の近接場光が発生する1つの頂点以外の部分の表面が削られた近接場光発生装置を用いた露光装置。
【非特許文献2】
Journal of Optical Society of America A, Vol.12, No.9,
p1974−1983, 1995

図面の簡単な説明

0052

散乱体を用いたプローブで、強い近接場光が発生する点以外の部分で発生する近接場光の影響を小さくできる。

図1
従来の近接場光発生装置の形状を示す図で、(a)断面図、(b) 斜視図。
図2
散乱体からの距離と近接場光強度の関係を示す図。
図3
本発明の近接場光発生器の形状を示す断面図で、(a)散乱体周辺部、(b)全体図。
図4
散乱体の形状を示す図で、(a)三角形の散乱体、(b) 円または楕円の散乱体、(c)長方形の散乱体。
図5
散乱体近傍の近接場光強度分布を示す図で、 (a) 従来の近接場光発生装置の分布、(b)本発明の近接場光発生装置の分布。
図6
頂点部以外の部分の表面が削られた三角形の散乱体の共鳴特性を示す図。
図7
頂点部以外の部分の表面が削られた散乱体を示す図。
図8
削る部分と削らない部分の境界面が曲面になった散乱体の断面図。
図9
削る部分と削らない部分の境界面が曲面になった散乱体の斜視図で、(a)三角形の場合、(b) 円または楕円の場合、(c)長方形の場合。
図10
削る部分を斜めに削った散乱体の断面図。
図11
削る部分を斜めに削った散乱体の斜視図で、(a)三角形の場合、(b) 円または楕円の場合、(c)長方形の場合。
図12
従来の平面状の散乱体を試料または記録媒体に対し垂直に配置したときの断面図。
図13
平面状の散乱体を試料または記録媒体に対し垂直に配置し、片側もしくは両側の面の頂点を斜めに削った場合の断面図で、(a)片側を削った場合、(b)両側を削った場合。
図14
平面状の散乱体を試料または記録媒体に対し垂直に配置し、片側の面の頂点を斜めに削った場合の斜視図で、(a)三角形の場合、(b) 円または楕円の場合、(c)長方形の場合。
図15
三角形の散乱体を試料または記録媒体に対し垂直に配置し、片側の面の頂点を斜めに削った場合の近接場光強度分布を示す図。
図16
平面状の散乱体を試料または記録媒体に対し垂直に配置し、片側もしくは両側の面の頂点を階段状に削った場合の断面図で、(a)片側を削った場合、(b)両側を削った場合。
図17
第一の散乱体近傍に第二の散乱体を形成した時の形状を示す断面図で、(a)第二の散乱体の表面を削らない場合、(b)第二散乱体表面を削った場合。
図18
表面を削った三角形の散乱体を2つ並べて配置した場合を示す図。
図19
XY(平面)方向に比べてZ軸(厚さ)方向に延伸させた散乱体を示す図。
図20
半球または半楕円体の散乱体先端部周辺を削った場合を示す図で、(a)先端部周辺を削った場合、(b)先端部に突起を形成した場合。
図21
散乱体の磨耗を防ぐ手段を示した図で、(a)近接場光が発生する頂点近傍に補強用の膜を形成する場合、(b)散乱体を基板表面に埋め込む場合、(c)散乱体周辺にパッドを形成する場合。
図22
散乱体を試料または記録媒体に対し垂直に配置する場合の散乱体の磨耗を防ぐ手段を示した図で(a)近接場光が発生する頂点近傍に補強用の膜を形成する場合、(b)近接場光が発生する頂点と基板表面が実質的に同一平面上にある場合、(c) 散乱体を基板表面に埋め込む場合。
図23
近接場光が発生する頂点近傍の材料が残りの部分と異なるようにした散乱体を試料または記録媒体に平行に配置したものの断面図で、(a) 材料を変える部分と変えない部分の境界面が試料または記録媒体面に平行になるようにした場合、(b) 材料を変える部分と変えない部分の境界面が試料または記録媒体面に垂直になるようにした場合。
図24
近接場光が発生する頂点近傍の材料が残りの部分と異なるようにした散乱体を試料または記録媒体に垂直に配置したものの断面図で、(a) 材料を変える部分と変えない部分の境界面が試料または記録媒体面に平行になるようにした場合、(b) 材料を変える部分と変えない部分の境界面が試料または記録媒体面に垂直になるようにした場合。
図25
削った部分を散乱体とは異なる材料で埋めたものを示す図で、(a) 散乱体を試料または記録媒体に対し平行に配置した場合、(b) 散乱体を試料または記録媒体に対し垂直に配置した場合。
図26
散乱体周辺に遮光膜を形成したものを表す図で、(a)散乱体の形状が三角形の場合、(b) 散乱体の形状が楕円の場合。
図27
光スポットと散乱体の位置関係を表す図で、(a) 光の中心位置が散乱体の中心に実質的に一致した場合、(b)入射光の中心位置が近接場光が発生する頂点に実質的に一致した場合。
図28
散乱体が集光素子または導波路の端面に形成されたものを示す図で、(a)Solid Immersion Lens、(b)フレネルレンズ、(c)凸レンズ、(d)導波路の終端に形成されたもの。
図29
散乱体が共振器または半導体レーザーの端面に形成されたものを示す図で、(a)共振器、(b)面発光レーザの端面に形成されたもの。
図30
散乱体が円錐または多角錐の突起の頂点に形成された平坦な部分に形成されたプローブを示す図で、(a)側面が遮光膜で覆われていないもの、(b)側面が遮光膜で覆われたもの。
図31
散乱体の面と試料または媒体面が実質的に平行であるプローブの作製方法を示す図で、(a)埋め込みパターン形成工程、(b)異方性エッチング工程。
図32
散乱体の面と試料または媒体面が実質的に垂直であるプローブの作製方法を示す図で、(a)埋め込みパターン形成工程、(b)異方性エッチング工程。
図33
近接場光が発生する頂点近傍の材料が残りの部分と異なるようにした散乱体の作製方法を示す図(異なる材料どうしの境界面と基板表面が実質的に平行になる場合)で、(a)2層の埋め込みパターン形成工程、(b)異方性エッチング工程。
図34
近接場光が発生する頂点近傍の材料が残りの部分と異なるようにした散乱体の作製方法を示す図(異なる材料どうしの境界面と基板表面が実質的に垂直になる場合)で、(a)2層の埋め込みパターン形成工程、(b)異方性エッチング工程。
図35
近接場光が発生する頂点近傍の材料が残りの部分と異なるようにした散乱体の作製方法を示す図で、(a)2層の埋め込みパターン形成工程、(b)選択エッチング工程。
図36
導波路の終端に散乱体を形成する方法を示す図で、(a)細線形成工程、(b)導波路形成工程、(c)研磨工程、(d)エッチング工程。
図37
本発明のプローブの近接場光学顕微鏡への応用例を示す図。
図38
本発明のプローブの近接場記録/再生装置への応用例を示す図で、(a)全体図、(b)光学系を示す図。
図39
散乱体の方向とトラックの方向の関係を示す図で、散乱体の形状が(a)三角形の場合、(b) 円または楕円の場合、(c)長方形の場合、(d)長方形の散乱体を記録媒体に対して垂直に配置した場合。
図40
磁気媒体用記録ヘッドを示す図で、磁界印加コイルの中心に散乱体を設置した場合。
図41
磁気媒体用記録ヘッドを示す図で、磁気記録ヘッド近傍に散乱体を設置した場合。
図42
本発明のプローブの露光装置への応用例を示す図で、(a) 散乱体を記録媒体に対して平行に配置した場合、(b) 散乱体を記録媒体に対して垂直に配置した場合。
図43
従来の平面金属散乱体を用いたプローブを示す図で、(a)散乱体が1つの場合、(b)2つの散乱体を組み合わせた場合。
図44
本発明のプローブ構造を示す図。
【符号の説明】
11 三角形の形状をした平面状の散乱体
12、103、172、181、191、202 近接場光が発生する頂点
13 近接場光が発生する頂点の他端側の頂点
14、24、911 基板
試料または記録媒体
17、集光素子
18コリメートレンズ
21 平面状の散乱体
22 近接場光が発生する頂点
23 近接場光が発生する頂点の他端側の頂点またはエッジ
25 近接場光
26 削った部分
27 試料または記録媒体
28 基板側から入射する場合の光の入射方向
29 基板の反対側から入射する場合の光の入射方向
30 削った平面と削らない部分の境界面
31 楕円の形状をした平面状の散乱体
32 近接場光が発生する楕円の一頂点
33 近接場光が発生する頂点の他端側の頂点
34、38 削る部分
35 長方形の形状をした散乱体
36 近接場光が発生する辺
37 近接場光が発生する辺の他端側の辺
101 一方の面上にある近接場光が発生する頂点
102 もう一方の面上にある近接場光が発生する頂点
111 横から入射させる場合の光の入射方向
112 斜めに入射させる場合の光の入射方向
151 第二の散乱体
152 第一の散乱体に一番近い第二の散乱体のエッジまたは頂点
153 他端側のエッジまたは頂点
154 二つの散乱体の間のギャップ
171 半球または半楕円体の散乱体
173、174微小な突起
182、192 基板表面
183 パッド
184、193 補強用の膜
201 材料が変わった部分
203 材料が変わっていない部分
204 異なる材料どうしの境界面
221 削った部分に散乱体と異なる材料の物質を埋め込んだ部分
231 光スポット
241 遮光膜
242 散乱体と遮光膜の間の部分
261 散乱体
281ソリッドイマ—ジョンレンズ
282対物レンズ
283 入射光
284 フレネルレンズ
285 凸レンズ
286 導波路
291 共振器
292反射膜
293 面発光レーザ
円錐または多角錐の突起の先端に形成された平坦な面
円錐または多角錐の突起の側面
361 散乱体の材質でできた部分
362 導波路の材質でできた部分
363 導波路
401半導体レーザ
402 コリメートレンズ
403反射プリズム
404集光レンズ
405、413磁気コイル
406スライダ
411 導波路
412磁極
414シールド
901近接場光プローブ
902カンチレバの裏面
715,904、912 集光レンズ
712、905ビームスプリッタ
906 半導体レーザ
907、913検出器
908走査用ピエゾ素子
909振動用ピエゾ素子
910 試料
916、709 コリメートレンズ
701記録ディスク
702 スライダ
703 光学系
704アクチュエータ
705サスペンション
708 半導体レーザー
710ビーム整形プリズム
711圧電素子
714ミラー
716偏光子
717光検出器
331 トラックと平行な方向
332 近接場光が発生する頂点における接線方向
333 トラック
341フォトレジスト
342 加工する基板
351 平面状金属パターン
352 頂点
353 2つの頂点間。

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