JP4169270B2 - Near-field optical probe and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to a near-field optical probe for observing the surface shape of a region having a dimension smaller than the wavelength of light and performing analysis by spectroscopy, and a method for manufacturing the same.

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。   Development of a Near-Field Scanning Optical Microscope (NSOM) capable of observing the shape of a narrow region below the wavelength of light using light and performing spectral analysis is progressing (Non-Patent Document 1). reference). NSOM converts near-field light into propagating light by scattering near-field light (evanescent light) formed in the vicinity of the sample to be analyzed irradiated with laser light with a probe having a diameter smaller than the wavelength of the light, The converted propagation light is condensed on a detector by a lens.

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）。   For example, by bringing the probe close to the sample up to a distance equal to or less than the wavelength of light and scanning the approached probe over the sample, the state of the sample such as the surface shape can be observed. Since this resolution depends on the probe diameter, in order to obtain a higher resolution, development of a probe having a finer diameter is competing. For example, a probe having a tip opening diameter of about 20 nm has been developed using a chalcogenite-based optical fiber (see Patent Document 1).

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。
特開２００１−０２７５９７号公報 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 The applicant has not yet found prior art documents related to the present invention by the time of filing other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification.
JP 2001-027597 A Motoichi Otsu, Satoshi Kawada, “Introduction to near-field nanophotonics”, published by Optronics

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。 However, heretofore, there have been few examples in which a probe having an opening diameter of about several nm is realized, and a technique for manufacturing a probe having an opening diameter of about several nm has not been established.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to easily obtain a near-field optical probe having a tip diameter of about several nanometers.

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。 A near-field optical probe according to the present invention includes a clad layer made of silicon oxide and a silicon fine wire core made of a silicon fine wire, at least an optical waveguide having an exposed end face of one end of the silicon fine wire core, and a silicon fine wire core. And acicular silicon crystals provided on the end face.
In this near-field optical probe, the tip of the probe is made of a needle-like silicon crystal, and the opening diameter of the tip is almost equal to the diameter of the needle-like silicon crystal, and the proximity detected by the tip of the needle-like silicon crystal. The field light propagates through the optical waveguide.

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。   The near-field optical probe may include a tapered portion provided at the tip of the silicon fine wire core. In addition, a spot size conversion unit provided at the other end of the silicon fine wire core is provided, and the refractive index of the spot size conversion unit is set to an intermediate value between the cladding layer and the silicon fine wire core. You may make it improve the propagation (coupling | bonding) efficiency of light with the optical system provided previously.

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。   The near-field optical probe manufacturing method according to the present invention includes a clad layer made of silicon oxide and a silicon fine wire core made of a silicon fine wire, and an optical waveguide in which at least one end face of the silicon fine wire core is exposed. A method for producing a near-field optical probe comprising needle-like silicon crystals provided on an end face of a silicon fine wire core, the step of fixing metal fine particles to the end face of the silicon fine wire core; Silane is supplied to the end face while the end face of the fixed silicon fine wire core is heated to a temperature equal to or higher than the eutectic point of the metal and silicon within a range in which the metal does not melt, and the needle from the part where the metal fine particles on the end face are fixed And a step of growing a silicon crystal.

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。 The method for manufacturing a near-field optical probe may include a step of removing metal fine particles after growing a needle-like silicon crystal.
In the method for manufacturing a near-field optical probe, the metal may be gold or iron.

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。   As described above, according to the present invention, since the needle-like silicon crystal is disposed at the tip of the silicon fine wire core of the optical waveguide composed of the silicon fine wire core, the near-field having a tip diameter of about several nanometers. An excellent effect that an optical probe can be easily obtained is obtained.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a configuration example of a near-field optical probe according to an embodiment of the present invention. FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views schematically showing a cross-section of the near-field optical probe shown in FIG. It is. 2A shows a cross section taken along line AA ′ in FIG. 1, FIG. 2B shows a cross section taken along line BB ′ in FIG. 1, and FIG. 2C shows a cross section taken along line CC ′ in FIG. A cross section is shown. FIG. 3 shows a cross section taken along line DD ′ of FIG.

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。   Hereinafter, the configuration of the near-field optical probe will be described. First, a silicon thin wire core having a lower clad layer 102 made of, for example, silicon oxide and having a thickness of about 3 μm on the substrate 101, and having a cross section of a square having a side of about 500 nm on the lower clad layer 102, for example. 103. The silicon fine wire core 103 is formed to have a length of about 3 mm and several mm, for example, and both ends of the silicon fine wire core 103 have a tapered shape in which the planar shape gradually decreases over, for example, 300 μm and several 100 μm. .

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。   A needle-like silicon crystal (silicon nanowhisker) 104 is formed at one end of the silicon fine wire core 103, and a tapered portion at the other end of the silicon fine wire core 103 is followed by a spot size conversion unit 105 made of, for example, silicon oxynitride. ing. The silicon fine wire core 103 and the spot size converter 105 are covered with an upper cladding layer 106 having a thickness of about 7 μm, and the tip of the silicon fine wire core 103 on which the needle-like silicon crystal 104 is formed is exposed. Note that the refractive index of the silicon fine wire core 103> the refractive index of the spot size conversion unit 105> the refractive index of the upper cladding layer 106 may be satisfied.

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。   As shown in the cross-sectional view of FIG. 3, a V-shaped groove 111 is provided in the substrate portion 101 on the extension portion on the side where the spot size conversion portion 105 is formed, and the microlens 201 is provided in the groove 111. It is fixed. According to this configuration, since the spot size conversion region (spot size conversion unit) is provided by the tapered portion of the silicon fine wire core 103 and the spot size conversion unit 105, the optical waveguide and the microlens 201 formed of the silicon thin wire core 103 are provided. However, it is possible to optically couple with high efficiency and suppress light propagation loss.

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。   The cross section of the silicon fine wire core 103 is not limited to a square, but may be a rectangle. The dimension of the cross section of the silicon fine wire core 103 may be about 0.1 to 1 μm. Moreover, the cross-sectional dimension of the spot size conversion part 105 should just be about 3 micrometers. The diameter of the microlens 201 is about 100 μm. The microlens 201 is fixed to the groove 111 with, for example, an ultraviolet curable adhesive.

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。   As described above, according to the present embodiment, the needle-like silicon crystal 104 having a cross-sectional dimension of about 2 nm is provided at the tip of the silicon fine wire core 103, and the tip opening diameter is about 2 nm. A near-field optical probe has been realized.

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））。   The acicular silicon crystal will be described. Gold fine particles having a particle size of several nanometers are attached to the surface of silicon, and these are held at a temperature slightly higher than the eutectic point of gold and silicon. It is known that needle-like silicon crystals grow using a eutectic of gold and gold as a catalyst (Non-patent literature: Seiji Takeda, “New silicon-based nanostructure”, Japan Society of Applied Physics, Applied Physics, Vol. 69, No. 1, p48 (2000)).

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。 The acicular silicon crystal formed in this way has a very fine acicular structure with a diameter of several nanometers. In the near-field optical probe shown in FIGS. 1 and 2, the above-described needle-like silicon crystal is grown on the tip of the silicon thin wire core 103 to form a very fine tip of several nm.
In the following, an example of a method for manufacturing the near-field optical probe shown in FIGS. 1 and 2 will be described using the above-described acicular crystal silicon growth method as an example.

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。   First, an SOI (Silicon On Insulator) substrate is prepared. For example, the SOI substrate is a substrate in which a silicon layer is provided on a substrate portion made of single crystal silicon via an insulating layer made of silicon oxide. The insulating layer between the silicon layer and the substrate portion is generally called a buried insulating layer, and the silicon layer is called an SOI layer. The SOI layer of the prepared SOI substrate may be a high-resistance p-type or a high-resistance n-type, and the SOI layer may be a single crystal whose main surface has a plane orientation of (100).

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。 The SOI layer of the SOI substrate having the above configuration is finely processed by, for example, a known photolithography technique and an etching technique to form a silicon fine wire structure on the buried insulating layer. As a result, as shown in the plan view of FIG. 4, the embedded insulating layer 122 is provided on the substrate portion 101, and the silicon fine wire core 103 is formed on the embedded insulating layer 122.
At both ends of the silicon fine wire core 103, taper portions having a tapered shape toward the tip are provided. In addition, on the buried insulating layer 122 having a rectangular shape in plan view, the silicon fine wire core 103 is provided at a position shifted from the center in the longitudinal direction. FIG. 4 shows a state in which the silicon fine wire core 103 is arranged in the left direction of the drawing from the center. In the region other than the silicon fine wire core 103, the entire surface of the buried insulating layer 122 is exposed.

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。   Next, the spot size conversion unit 105 made of silicon oxynitride is formed so as to cover one end of the silicon fine wire core 103. The spot size conversion unit 105 covers the entire tapered portion of one end of the silicon fine wire core 103. The spot size conversion unit 105 can be formed by, for example, partially depositing silicon oxynitride using an stencil mask by an ECR plasma CVD method.

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。   Next, silicon oxide is deposited on the buried insulating layer 122 by, for example, ECR plasma CVD, and the silicon oxide core 103 and the spot size conversion unit 105 are buried so as to be buried as shown in the cross-sectional view of FIG. It is assumed that the film 126 is formed. In addition, a protective film 501 made of silicon oxide is formed on the back side of the substrate portion 101.

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。   Next, the side (the right side of the drawing) where the spot size converter 105 is formed of the silicon oxide film 126 is removed, and the upper cladding layer 106 is formed as shown in the plan view of FIG. Further, as shown in the cross-sectional view of FIG. 7A, an opening is formed in the region of the buried insulating layer 122 exposed by forming the upper cladding layer 106, and a part of the substrate portion 101 is exposed. State. Here, the end surface of the spot size conversion unit 105 is exposed on the side surface of the upper clad layer 106 on the exposed side of the substrate unit 101.

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。   Next, in the region exposed by forming the upper cladding layer 106, the exposed portion of the substrate portion 101 is selectively etched using the buried insulating layer 122 as a mask, as shown in the cross-sectional view of FIG. The groove 111 is formed. The groove 111 can be formed by wet etching with an alkaline solution such as potassium hydroxide. As is well known, silicon has a different dissolution rate (etching rate) in an alkaline solution for each crystal plane, and the etching rate of the (111) plane is the etching rate of other (100) planes or (110) planes. It is much smaller. Therefore, the silicon substrate portion 101 having the (100) surface as the main surface is exposed to the (111) surface in the recess by wet etching with an alkaline solution, and a V-groove state can be automatically formed.

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。   Next, the portion of the buried insulating layer 122 exposed in the region where the groove 111 is formed and the protective film 501 formed on the back surface of the substrate portion 101 are removed, and as shown in the plan view of FIG. To expose the surface. As a result, although not shown in FIG. 8, the lower clad layer 102 is formed in the lower layer of the upper clad layer 106.

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。 Next, the substrate portion 101, the lower cladding layer 102 (not shown), and the upper cladding layer 106 are cut along the FF 'line in FIG. 8 and processed into a chip shape. Here, an extremely thin (about 1 μm) upper clad layer 106 is left at the end (tip) of the silicon fine wire core 103 on the side not covered with the spot size converting portion 105.
A set of a plurality of silicon thin wire cores 103, a spot size conversion unit 105, and a groove 111 is formed on an SOI substrate, and these are cut out and divided, so that a plurality of near-field optics can be obtained from one SOI substrate. A probe tip for use may be formed.

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。   Next, as shown in FIG. 9, the tip of the chip 160 formed as described above is immersed in an alkaline solution 601 such as potassium hydroxide, and the silicon fine wire core 103 is formed as shown in the sectional view of FIG. It is assumed that the tip side substrate 101 is partially removed. By immersing only the region of the substrate portion 101 to be removed in the alkaline solution 601, the substrate portion 101 can be partially removed.

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。   Next, similarly, the lower clad layer 102 and the upper clad layer 106 on the front end side of the silicon fine wire core 103 are partially dissolved with a hydrofluoric acid aqueous solution, and as shown in the sectional view of FIG. It is assumed that the tip part of is exposed. Note that the exposed tip portion of the silicon fine wire core 103 is hydrogen-terminated by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution.

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。   Next, a gold fine particle having a particle size of several nm is attached to the exposed tip of the silicon fine wire core 103. What is necessary is just to use what is generally marketed for gold fine particles. For example, a plurality of commercially available gold fine particles are dispersed in a predetermined organic solution to prepare an organic colloid solution of gold fine particles. The organic colloid solution is applied to the tip of the silicon fine wire core 103 and dried to obtain a state in which one gold fine particle is attached to the tip of the silicon fine wire core 103. Here, by making the tip of the silicon fine wire core 103 as thin as possible, it is possible to more easily realize a state in which one gold fine particle is adhered.

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。   Next, the tip of the silicon fine wire core 103 to which one gold fine particle is adhered is heated to about 500 ° C., and silane gas is supplied thereto, so that acicular silicon crystals are several to several tens of times at the gold fine particle adhering portion. It is assumed that the film has grown to a length of about nm. The diameter of the acicular silicon crystal to be grown is defined by the particle diameter of the gold fine particle. For example, if the particle diameter of the gold fine particle is 2 nm, the acicular silicon crystal having a diameter of approximately 2 nm grows. This growth can be performed by using a CVD apparatus for forming a commonly used silicon film. Here, in the cladding region around the silicon fine wire core 103, even if gold fine particles are adhered, the acicular silicon crystal does not grow.

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）。 Next, gold fine particles remaining at the tip of the grown acicular silicon crystal are removed by using aqua regia or the like.
By the way, the gold fine particles dispersed in the organic colloid solution described above may be attached to the tip of the silicon fine wire core 103 by performing the following.
The tip of the near-field optical probe tip is immersed in the organic colloid solution described above, and in this state, the tip of the organic colloid solution is irradiated with laser light to fix the gold fine particles dispersed in the organic colloid solution. (See JP 2002-088487 A).

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。   Finally, the near-field optical probe shown in FIGS. 1 to 3 is obtained by mounting the microlens 201 in the groove 111 and fixing it with an ultraviolet curable adhesive. Note that the optical system optically connected to the optical waveguide composed of the silicon fine wire core 103 is not limited to the microlens, and an optical fiber may be used. In this case, an optical fiber may be fixed in the groove 111.

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。 In the above description, the needle-like silicon crystal is grown using the gold fine particles. However, the present invention is not limited to this, and fine particles of other metal forming an alloy with silicon may be used. For example, iron fine particles having a particle size of several nanometers may be attached to the tip of the silicon fine wire core, and needle-like silicon crystals may be grown there. Iron and silicon form β-iron silicide (β-FeSi 2 ) at about 800 ° C. If iron fine particles having a particle size of several nanometers are attached to the tip of the silicon fine wire core and silane is supplied in a state of being heated to 800 ° C., acicular silicon crystals having a diameter of several nanometers can be obtained.

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。   By the way, β iron silicide is a semiconductor having a band gap energy of 0.85 eV and transmits infrared rays having a wavelength of 1.45 μm or more. Therefore, even if β iron silicide is formed at the tip of the acicular silicon crystal obtained as described above, infrared rays having a wavelength of 1.45 μm or more can be detected without being attenuated.

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。It is a top view which shows the structural example of the probe for near-field optics in embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows typically the cross section of the probe for near-field optics shown in FIG. 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。It is sectional drawing which shows typically the cross section of the probe for near-field optics shown in FIG. 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。It is a top view which shows the state in the middle of the process explaining the manufacturing method of the probe for near-field optics in embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state in the middle of the process explaining the manufacturing method of the near-field optical probe in embodiment of this invention. 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。It is a top view which shows the state in the middle of the process explaining the manufacturing method of the probe for near-field optics in embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state in the middle of the process explaining the manufacturing method of the near-field optical probe in embodiment of this invention. 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。It is a top view which shows the state in the middle of the process explaining the manufacturing method of the probe for near-field optics in embodiment of this invention. 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。It is explanatory drawing explaining the manufacturing method of the probe for near-field optics in embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state in the middle of the process explaining the manufacturing method of the near-field optical probe in embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state in the middle of the process explaining the manufacturing method of the near-field optical probe in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate part, 102 ... Lower clad layer, 103 ... Silicon fine wire core, 104 ... Needle-like silicon crystal (silicon nanowhisker), 105 ... Spot size conversion part, 106 ... Upper clad layer, 111 ... Groove, 201 ... Micro lens.

Claims (6)

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。 An optical waveguide composed of a clad layer made of silicon oxide and a silicon fine wire core made of silicon fine wire, and at least an end face of one end of the silicon fine wire core is exposed;
A near-field optical probe, comprising: a needle-like silicon crystal provided on the end face of the silicon fine wire core. 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。 The near-field optical probe according to claim 1,
A near-field optical probe, comprising a tapered portion provided at a tip of the silicon fine wire core. 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。 The near-field optical probe according to claim 1,
A spot size converter provided at the other end of the silicon fine wire core;
The near-field optical probe according to claim 1, wherein a refractive index of the spot size conversion unit is an intermediate value between the cladding layer and the silicon fine wire core. 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。 An optical waveguide composed of a clad layer made of silicon oxide and a silicon fine wire core made of silicon fine wire, at least one end face of the silicon fine wire core is exposed, and acicular silicon provided on the end face of the silicon fine wire core A method for producing a near-field optical probe composed of a crystal,
Fixing metal fine particles to the end face of the silicon wire core;
Silane is supplied to the end face in a state where the end face of the silicon fine wire core to which the fine metal particles are fixed is heated to a temperature equal to or higher than the eutectic point of the metal and silicon within a range in which the metal does not melt, A method for producing a near-field optical probe, comprising: growing a needle-like silicon crystal from a portion where the metal fine particles are fixed. 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。 In the manufacturing method of the near-field optical probe according to claim 4,
A method for producing a near-field optical probe, comprising: growing the acicular silicon crystal and then removing the metal fine particles. 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。
In the manufacturing method of the near-field optical probe according to claim 4 or 5,
The method of manufacturing a near-field optical probe, wherein the metal is gold or iron.
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