(57)【要約】【課題】  近視野光プローブを持つスライダーを使用して近視野光と記録媒体との相互作用によって、高密度な記録媒体に対して高速で信頼性の高い情報の記録および読取を実現させるための情報記録／読取装置を提供すること。【解決手段】  近視野光プローブを持つスライダーをフォトニックバンドギャップを持つ結晶２に微小な光の通路３を形成することによって作成し、微小開口６に至るまでの光伝播の効率を向上させた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷加重を与えるサスペンションアームにより支持されると共に記録媒体との相対運動により浮上力を得、前記負荷加重と前記浮上力との均衡により記録媒体との間に隙間をつくるスライダーと、
前記スライダーを貫通し、スライダー底面部において微小開口を形成する穴と、から成り、
前記スライダーが前記記録媒体表面を走査するときに、近視野光を介して前記記録媒体と前記微小開口が相互作用することによって情報の記録および再生を行う近視野光ヘッドにおいて、
前記スライダーがフォトニックバンドギャップを有する結晶から形成されたものであることを特徴とする近視野光ヘッド。
【請求項２】
前記穴の一部が前記スライダー内で逆錐状をしており、その頂点が前記スライダー底面部における前記微小開口となっている事を特徴とする請求項１に記載の近視野光ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近視野光を利用して記録媒体表面の微小領域との相互作用を検出することにより、入力光の波長以下の微小領域での構造情報あるいは光学情報を観察し、高密度な情報記録および再生に利用する近視野光ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
近視野光を利用した高分解能プローブは、近視野光顕微鏡や近視野光ヘッドに使われている。プローブの先端から近視野光を発生させて、顕微鏡試料あるいは記録媒体と近視野光の相互作用の結果発生する伝播光を検出することで、光の回折限界を超える空間分解能が得られる。入射伝播光と、試料あるいは記録媒体との相互作用の結果発生した近視野光をプローブによって検出する方法もある。近視野顕微鏡はこの原理によって従来の光学顕微鏡の回折限界を超える分解能を達成している。また、このような近視野光プローブを近視野光ヘッドに利用した場合には、従来の光ディスクを超えるデータ記録密度が可能となる。
【０００３】
近視野顕微鏡における近視野光利用方式の一つとして、プローブの微小開口と試料表面との距離をプローブの微小開口の径程度まで近接させ、プローブを介して且つそのプローブの微小開口に向けて伝播光を導入することにより、その微小開口に近視野光を生成させる方式（イルミネーションモード）がある。この場合、生成された近視野光と試料表面との相互作用により生じた散乱光が、試料表面の微細構造を反映した強度や位相を伴って散乱光検出系により検出され、従来の光学顕微鏡において実現し得なかった高い分解能を有した観察を可能にしている。
【０００４】
また、上述した近視野光を利用した装置として情報記録再生装置が研究されている。現状における情報再生装置の多くは、情報記録媒体として磁気ディスクまたは光ディスクを対象とした情報再生を行っており、特に、光ディスクの１つであるＣＤが、高密度な情報記録と低コストな大量生産を可能としていることから大容量の情報を記録する媒体として広く利用されている。ＣＤは、その表面に、再生の際に使用されるレーザ光の波長程度のサイズおよびその波長の４分の１程度の深さを有したピットを形成しており、光の干渉現象を利用した読取を可能としている。
【０００５】
このＣＤに代表される光ディスクから、記録された情報を読み取るのに、一般に、光学顕微鏡において用いられるレンズ光学系が利用されている。そこで、ピットの大きさやトラックピッチを縮小して情報記録密度を増加させる場合、光の回折限界の問題により、レーザ光のスポットサイズを２分の１波長以下にすることができず、情報記録単位をレーザ光の波長よりも小さなサイズにすることができないといった壁に突き当たってしまう。
【０００６】
また、光ディスクに限らず、光磁気記録方式によって情報を記録した光磁気ディスクにおいても、レーザ光の微小なスポットにより高密度な情報の記録再生を実現しているために、その情報記録密度はレーザ光を集光させて得られるスポットの径に制限される。
【０００７】
そこで、これら回折限界による制限を打破するために、再生に利用するレーザ光の波長以下、たとえばその波長の１／１０程度の径を有する微小開口を設けた光ヘッドを用い、その微小開口において生成される近視野光を利用した情報再生装置が提案されている。
【０００８】
近視野顕微鏡の技術は、顕微鏡としての利用だけでなく、光ファイバプローブを通して試料に向けて比較的強度の大きな光を導入させることにより、光ファイバプローブの微小開口にエネルギー密度の高い近視野光を生成し、その近視野光によって試料表面の構造または物性を局所的に変更させる高密度な情報記録・再生技術への応用も可能である。
【０００９】
ここで、上述した光ファイバプローブとして、例えば米国特許第5,294,790号に開示されているように、フォトリソグラフィ等の半導体製造技術によってシリコン基板にこれを貫通する開口部を形成し、シリコン基板の一方の面には絶縁膜を形成して、開口部の反対側の絶縁膜の上に円錐形状の光導波層を形成したカンチレバー型光プローブが提案されている。このカンチレバー型光プローブにおいては、開口部に光ファイバを挿入し、光導波層の先端部以外を金属膜でコーティングすることで形成された微小開口に光を透過させることができる。
【００１０】
従来においては、上述した光ファイバプローブのように先鋭化された先端をもたない平面プローブの使用が提案されている。この平面プローブは、シリコン基板に異方性エッチングによって逆ピラミッド構造の微小開口を形成したものであり、特にその頂点が数十ナノメートルの径を有して貫通されている。また、平面プローブにおいては、逆ピラミッド構造部分にレンズが設けられており、レーザ光を上記レンズにより微小開口へ集光することにより、微小開口に生じる近視野光の強度を高めるような構成とされている。この平面プローブは、特に近視野光を利用した光情報記録媒体（光メモリ）の再生及び記録に適した近視野光メモリヘッドとして使用されている。
【００１１】
一方、近年、誘電率の異なる２種類以上の誘電体を光の波長程度の格子定数を持つように周期的構造に形成することによって、ある波長領域の光の伝播が禁止されるフォトニックバンドギャップと呼ばれる現象が発生することが発見された（E.Yablonovitch, Physical Review Letters, vol.58, no.20, pp2059, 1987) 。フォトニックバンドギャップを持つ結晶をフォトニック結晶と呼ぶ。フォトニック結晶の中に光の通路を設けることで形成された光導波路は鋭角に光を曲げることも可能である（たとえば、A.Mekis, J.C.Chen, I.Kurland, S.Fan, P.R.Villeneuve, and J.D.Joannopolous, Physical Review Letters, vol.77, no.18, pp3787, 1996）。結晶内に光がまったく進入できないため、効率が100%に近い光導波が可能になる。
【非特許文献１】E.Yablonovitch, Physical Review Letters, vol.58, no.20, pp2059, 1987
【非特許文献２】A.Mekis, J.C.Chen, I.Kurland, S.Fan, P.R.Villeneuve, and J.D.Joannopolous, Physical Review Letters, vol.77, no.18, pp3787, 1996
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術として上記に説明した近視野光ヘッドにおいては、たとえば先鋭化した光ファイバの先端に開口径100[nm]程度の微小開口を形成したヘッドでは、入射光強度に対する出力光強度は10-6〜10-7程度と非常に微小である。このことは入射光エネルギーのほとんどは微小開口に到達する前にヘッド内壁で反射あるいは吸収されることを意味する。ヘッド先端に蒸着などの方法で形成した遮光膜により、光はヘッド内部で乱反射してかなりの割合が吸収される。
【００１３】
高いＳ／Ｎ比を持つ出力信号を得るためには微小開口からの発生近視野光強度を上げたいが、入射光強度を上げると遮光膜が温度上昇により形状変化し、結果的に微小開口の光特性が変化してしまうという問題点があった。また、ヘッド先端からサンプルあるいは記録媒体への熱伝導によって影響を与えてしまい、安定した動作ができないという問題点もあった。ヘッドの熱膨張によってヘッドと記録媒体との距離制御が困難になるという問題点もあった。さらに、遮光膜と、遮光膜以外の部分の熱膨張係数が大きく異なることからヘッド自体が破損することもあった。
【００１４】
本発明は上記問題を鑑みて、近視野光ヘッドの微小開口への光導波の効率を向上することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために、本発明に係る近視野光ヘッドは、負荷加重を与えるサスペンションアームにより支持されると共に記録媒体との相対運動により浮上力を得、前記負荷加重と前記浮上力との均衡により記録媒体との間に隙間をつくるスライダーと、前記スライダーを貫通し、スライダー底面部において微小開口を形成する穴と、前記スライダーが前記記録媒体表面を走査するときに、前記近視野光を介して前記記録媒体と前記微小開口が相互作用することによって情報の記録および再生を行う近視野光学ヘッドにおいて、 前記スライダーがフォトニックバンドギャップを有する結晶から形成されたものであることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、スライダーに入射した光がスライダーを貫通する穴以外の部分に全く進入することができず、ほとんどすべての光が微小開口に向けて伝播するため、より大きな強度の近視野光の発生が可能となり高いＳ／Ｎ比の出力信号を与えることができる。また、光が伝播中に吸収されることも少ないため、スライダーが加熱することも防止され、ヘッドの安定動作が可能になり、動作寿命も延長する。
【００１７】
また、本発明に係る近視野光ヘッドは、上記の近視野光ヘッドにおいて、前記穴が前記スライダー内で逆錐状をしており、その頂点が前記スライダー底面部における前記微小開口となっている事を特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、上記の効果に加えて、微小開口からの光が近視野光成分を主成分とするので、高いＳ／Ｎ比の出力信号を得ることができる。
【００１９】
また、本発明に係る近視野光ヘッドは、上記の近視野光ヘッドにおいて、前記逆錐状の穴の頂点近傍の内壁に金属膜を形成した事を特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、上記の効果に加えて、前記穴の頂点近傍での光の漏れと吸収が防止され、より局在化したさらに大きな強度の近視野光を発生でき、高密度記録に適した近視野光ヘッドが得られる。
【００２１】
また、本発明に係る近視野光ヘッドは、上記いずれかに記載の近視野光ヘッドにおいて、前記微小開口が、前記穴の前記スライダー底面側の出口の一部を金属膜で覆うことによって形成されている事を特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、上記いずれかの効果に加えて、微小開口付近の光の漏れを防止することができ、より局在化した近視野光を発生でき、高密度記録に適した近視野光ヘッドが得られる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、負荷加重を与えるサスペンションアームにより支持されると共に記録媒体との相対運動により浮上力を得、前記負荷加重と前記浮上力との均衡により記録媒体との間に隙間をつくるスライダーと、前記スライダーを貫通し、スライダー底面部において微小開口を形成する穴と、前記スライダーが前記記録媒体表面を走査するときに、前記近視野光を介して前記記録媒体と前記微小開口が相互作用することによって情報の記録および再生を行う近視野光学ヘッドにおいて、前記スライダーがフォトニックバンドギャップを有する結晶から形成されたものであることを特徴としているので、スライダーに入射した光がスライダーを貫通する穴以外の部分に全く進入することができず、ほとんどすべての光が微小開口に向けて伝播するため、より大きな強度の近視野光の発生が可能となり高いＳ／Ｎ比の出力信号を与えることができるという効果を奏する。  また、［発明が解決しようとする課題］で述べた、遮光膜の形状変化による微小開口光物性の変化、記録媒体への熱伝導による不安定動作、ヘッドの熱膨張によるヘッドと記録媒体間の距離制御の困難、ヘッド自体の破損、といった問題点が同時に解決された。
【００２４】
また、本発明によれば、上記の近視野光ヘッドにおいて、前記穴が前記スライダー内で逆錐状をしており、その頂点が前記スライダー底面部における前記微小開口となっている事を特徴とするので、上記効果に加えて、微小開口からの光が近視野光成分を主成分とするので、高いＳ／Ｎ比の出力信号を得ることができるという効果を奏する。
【００２５】
また、本発明によれば、上記の近視野光ヘッドにおいて、前記逆錐状の穴の頂点近傍の内壁に金属膜を形成した事を特徴とするので、上記効果に加えて、前記穴の頂点近傍での光の漏れと吸収が防止され、より局在化したさらに大きな強度の近視野光を発生でき、高密度記録に適した近視野光ヘッドが得られる、という効果を奏する。
【００２６】
また、本発明によれば、上記いずれかの近視野光ヘッドにおいて、前記微小開口が、前記穴の前記スライダー底面側の出口の一部を金属膜で覆うことによって形成されている事を特徴とするので、上記効果に加えて、微小開口付近の光の漏れを防止することができ、より局在化した近視野光を発生でき、高密度記録に適した近視野光ヘッドが得られる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッドの概略構造を示す。近視野光ヘッド１はフォトニック結晶２とそこに開けられた光の通路３から成る。ここで保護膜などの構造は図示していない。フォトニック結晶２は厚さ約10ミクロンであり、ここに開けられた光の通路３は光（波長515ナノメートル）の入射口では約２ミクロン径であり、ヘッド内を光が進行するにつれて狭くなっていて、最終的にヘッド底面における微小開口６は 100ナノメートル径になっている。入射光４は光の通路３を通って微小開口６に導かれる。このとき、光の通路はその周囲をフォトニック結晶２に囲まれているために、通路から光が逃げ出すことができない。結果的に微小開口６には極めて高い強度の光が発生する。この微小開口は光波長よりも小さいため近視野光を主成分とする光の場７が形成される。これが記録媒体５によって散乱されて伝播光８となり、受光部（図示省略）によって受光されることにより情報の再生が実現される。ここでは情報再生について説明しているが、情報記録についても同一のメカニズムによって可能である。
【００２８】
図２は本実施の形態に係る近視野光ヘッドを用いた情報装置の概略図である。この情報装置20は、レーザ発振器2 1と、レーザ光の偏光方向を制御する波長板22と23、前記レーザ光を伝送する光導波路24、微小開口を持つ光ヘッド１、光ヘッド駆動アクチュエータ30、近視野光７と記録媒体33の相互作用によって発生した散乱光を集光するレンズ29、散乱光を受光する受光素子25、出力信号処理回路26、制御回路27、記録媒体33の位置を制御する記録媒体駆動アクチュエータ34を備えている。レーザ発振器21から発生した光は波長板22,23によって偏光方向を制御され、光導波路24を介して光ヘッド１に導かれる。図１で述べたように光ヘッドの底面において発生した近視野光７は記録媒体33と相互作用の結果散乱光が発生する。図２においては散乱光が記録媒体から上面に反射したものを検出する構造を示したが、記録媒体を透過する構造にすることも容易にできる。散乱光は集光レンズ29によって集光され、受光素子25で電気信号に変換される。この信号は出力信号処理回路26に送られ、信号成分の抽出などの処理を行った後、制御回路27に送られる。制御回路27は受け取った信号をもとにデータ出力28を生成し、光ヘッド駆動アクチュエータ30と、記録媒体駆動アクチュエータ34に制御用信号を送る。
【００２９】
図３は３次元フォトニック結晶の製造方法の１つを示す。これは（野田進, 光学 27巻, 1号,p6, (1998)）に説明されている。図中、(A)は側面図、(B)は上面図である。ステップ１で半導体基板（GaAs）41上にフォトニック結晶となる薄膜GaAs層43を形成する。GaAs 層43の下には以降のエッチングのためのストップ層42がある。ステップ２において電子ビーム露光およびドライエッチングによってストライプ構造を形成する。このようにして作成したウエハを２枚、90度ずらして重ね合わせ、水素雰囲気中で加熱することによりウエハ融着を行う（ステップ３）。不要な一方の基板とエッチングストップ層を選択エッチングによって除去する（ステップ４）。このプロセスを繰り返すことにより３次元フォトニック結晶を作成する（ステップ５）。
【００３０】
図４は図３で説明したフォトニック結晶の作成方法を利用して本実施の形態に係る近視野光ヘッドを作成する方法を示す。３次元フォトニック結晶の作成は図３と同じなので説明は略す。図３との相違はこのフォトニック結晶を作成する過程において結晶の底面に100ナノメートル程度の大きさの微小開口を作成し、そこに繋がる光の微小な通路51を設ける点である。図３のステップ２において電子ビーム露光によってストライプ構造を作成すると説明したが、このとき100ナノメートル程度の切れ目を形成することは容易にできる。GaAs層の一層ごとに所定の位置に所定のサイズの切れ目を形成することによって、多層構造になったときに隣り合う層内の切れ目が縦方向に隣り合うことによって、光の通路51が形成される。スライダー底面では光波長よりも小さな微小開口が、上部の層に行くにつれて前記切れ目を大きくすることによって、光の通路はテーパ状にすることもできる。図５にフォトニック結晶の各層を形成するためのマスクパターンの例を示す。(A)はフォトニック結晶の底面を形成するためのマスクパターン、(B)はその一層上の層を形成するためのマスクパターン、以下同様に５層目の(E)まで示した。各マスクパターンはGaAs層43が形成される場所に対応するパターン61、GaAs層がエッチングによって除去される場所に対応するパターン62を持つ。
【００３１】
基本的には周期構造となっていて、これがフォトニックバンドギャップを生む。フォトニック結晶中の光の通路に対応するパターン63はGaAs層がエッチングによって除去される。結果として、図１に示すような内部に微小な光の通路を持ったフォトニック結晶が作成される。
【００３２】
このようにして作成されたフォトニック結晶を図２で説明した情報装置の近視野光ヘッドとすることによって、図１に示したメカニズムによる光の導波が起こり、高Ｓ／Ｎ、高感度、高密度の情報装置が実現された。
【００３３】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２に係る近視野光ヘッドの概略構造を示す。図１との違いは光の通路３の微小開口６付近の内壁にAl薄膜71を形成した点である。このような構造は、図４のステップ２でGaAsストライプパターンを形成した後で、蒸着、スパッタ、あるいはＣＶＤなどによってAlを製膜し、レジスト製膜の後でAlを除去することによって作成した。その他の構造については図１と同一であるので説明を略す。光の通路３を伝播してきた入射光４は微小開口６に近づいてきたところでフォトニック結晶２が薄くなるため、バンドギャップが乱れて光が結晶中に侵入するが、本実施の形態においてはAl薄膜71が光を反射するため、効率良く微小開口６に向けられる。
【００３４】
これにより、実施の形態１に示した近視野光学ヘッドに比較して、光効率が向上し、高感度な情報装置が実現された。また、微小開口６周辺からの光の漏れも防止でき、近視野光７がより局在化した。これにより解像度も向上したため、より高密度な記録に適した近視野光ヘッドが実現された。
【００３５】
（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３に係る近視野光ヘッドの概略構造を示す。図６との違いはAl膜をスライダー底面に形成した点である。このような構造は、図４で説明した方法で作成したスライダー底面に蒸着、スパッタ、あるいはＣＶＤなどの方法でAl膜を形成した後で、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）によって微小な開口を形成することで作成した。効果は実施の形態２と同様であるが、作成方法がより容易である。
【００３６】
これにより、実施の形態１に示した近視野光学ヘッドに比較して、光効率が向上し、高感度な情報装置が実現された。また、微小開口６周辺からの光の漏れも防止でき、近視野光７がより局在化した。これにより解像度も向上したため、より高密度な記録に適した近視野光ヘッドが実現された。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッドの概略構造を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッドを用いた情報再生装置の構成を示す概略図である。
【図３】３次元フォトニック結晶の製造方法の１つを示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は上面図である。
【図４】図３で説明したフォトニック結晶の作成方法を利用して本実施の形態に係る近視野光ヘッドを作成する方法を示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は上面図である。
【図５】フォトニック結晶の各層を形成するためのマスクパターンの例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る近視野光ヘッドの概略構造を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る近視野光ヘッドの概略構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    近視野光ヘッド
２    フォトニック結晶
３    光の通路
４    入射光
５    記録媒体
６    微小開口
７    光の場
８    伝播光
２０    情報装置
２１    レーザ発振器
２２、２３    波長板
２４    光導波路
２５    受光素子
２６    出力信号処理回路
２７    制御回路
２８    データ出力
２９    レンズ
３０    光ヘッド駆動アクチュエータ
３３    記録媒体
３４    記録媒体駆動アクチュエータ
４１    GaAs基板
４２    エッチングストップ層
４３    GaAs層
５１    光の微小な通路
６１    GaAs層43が形成される場所に対応するパターン
６２    GaAs層がエッチングによって除去される場所に対応するパターン
６３    フォトニック結晶中の光の通路に対応するパターン
７０    近視野光ヘッド
７１    Al膜
８０    近視野光ヘッド
８１    Al膜
【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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