(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたスライダーと、
前記基板上に形成された、入射光波長以下のサイズの光学的開口と、を持ち、
前記スライダーと記録媒体表面との相対運動から発生する浮上力によって前記記録媒体表面から一定距離で浮上し、
前記光学的開口から発生する近視野光を介して前記記録媒体表面と相互作用を持つことによって、情報の記録あるいは再生あるいはその両者を行う近視野光ヘッドにおいて、
前記基板上の前記光学的開口の周辺に金属から成る凹凸構造が周期的に存在し、
前記凹凸構造の凸部は、前記スライダーの底面で規定される平面内にほぼ位置することを特徴とする近視野光ヘッド。
【請求項２】
前記基板は、前記記録媒体に対向する対向面と、前記対向面に沿って形成された光導波路と、前記光導波路を伝播している入射光を前記凹凸構造に向けて誘導するグレーティング構造とを備えることを特徴とする請求項１に記載の近視野光ヘッド。
【請求項３】
前記金属が金から成ることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の近視野光ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、近視野光を利用して情報の高密度な記録および再生を行う近視野光ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料表面の微小領域を観察する手段としての光学顕微鏡は、試料を損傷しにくいという利点を持つ一方で、使用する光の回折限界を超える解像度は原理的に得られないという欠点を持っている。近年、入射光波長以下のサイズの光学的開口を持つプローブで試料表面を走査し、開口から発生する近視野光と試料表面の微小領域との相互作用を利用することによって試料の高解像度観察を実現した近視野光顕微鏡が注目されている。この原理を高密度情報記録装置に応用したものが近視野光情報記録装置である。
【０００３】
近視野光情報記録装置では、上に述べた近視野プローブの代わりに、略平面型の近視野光ヘッドに微小な光学的開口を形成したものを用いる。この近視野光ヘッドを従来型の磁気記録装置ヘッドの代わりに配置し、ディスク状記録媒体の表面に記録された情報を再生し、また、記録媒体表面の光学特性を変化させることで記録するものである。近視野光ヘッドは例えばＳｉ基板上に形成された導波路と、底面に形成された微小開口を持つ。微小開口は、Ｓｉ基板上のＳｉＯ2層を等方性エッチングするによって作成した円錐全体をＡｌ蒸着膜で覆い、先端部をＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）で切断して作製する。このヘッドを磁気記録装置と同様に空気浮上させ、微小開口を記録媒体表面に数十〜数百ナノメートルまで近接させる。レーザからの光を導波路で微小開口に導き、微小開口から発生した近視野光を記録媒体表面のデータマークで散乱させ、その散乱光を検出することによってデータマークを認識する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の近視野光ヘッドにおいては、光効率が低いという課題があった。すなわち、光が微小開口に到達する前に遮光膜によって吸収され、あるいは散乱するため、発生する近視野光のエネルギーは極めて微小である。吸収された光エネルギーは微小開口付近で熱に変換され、開口付近のＡｌ膜を損傷する。散乱された光はサスペンションアームやその他の部分でさらに反射し、その一部は検出器に入り迷光ノイズとなる。近視野光エネルギーが微弱であると、データマークとの相互作用も微小となり、検出器の出力信号も弱いものとなってしまう。このため、情報記録装置のＣ／Ｎ比が劣化し、高速なデータ転送が不可能となるという課題があった。
【０００５】
また、この光効率を上げるために導波路出射面と微小開口のあいだにマイクロレンズのような集光機能を持つ構造を挿入すると、部品点数が増えることで製造コストを押し上げ、ヘッド全体サイズが大型になるという課題だけでなく、集光した光の焦点が微小開口に正確に一致していないと光効率が急激に悪化する、という課題があった。
【０００６】
また、発生する近視野光エネルギーを増大させるために、高出力レーザーを利用するという方法があるが、これは消費電力を増加させる、吸収エネルギーによって開口付近のＡｌ膜を損傷する、などの問題点を持っている。
【０００７】
また、光効率を上げるために微小開口内部のテーパ部の傾斜を２段階にする２段テーパ構造も提案されているが、これは微小な構造を安定的に作製する必要があり、製造コストの増大という結果につながる。
【０００８】
また、レーザーからの光を導波路を介さずに直接レンズで集光して微小開口に導く方法もあるが、これは装置全体の大型化を招き、また高速に微小トラッキング動作をするヘッドに光学系を追随させる必要があるなどの問題点がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上のような従来の課題を解決するものである。本発明に係る近視野光ヘッドは、
基板上に形成されたスライダーと、
前記基板上に形成された、入射光波長以下のサイズの光学的開口と、を持ち、
前記スライダーと記録媒体表面との相対運動から発生する浮上力によって前記記録媒体表面から一定距離で浮上し、
前記光学的開口から発生する近視野光を介して前記記録媒体表面と相互作用を持つことによって、情報の記録あるいは再生あるいはその両者を行う近視野光ヘッドにおいて、
前記基板上の前記光学的開口の周辺に金属から成る凹凸構造が周期的に存在し、
前記光学的開口が、前記スライダー底面で規定される平面内にほぼ位置し、
前記凹凸構造の凸部が、前記スライダー底面で規定される平面に対して光の入射側に位置している事を特徴とする近視野光ヘッドとした。
【００１０】
このような構造の近視野光ヘッドによれば、微小開口周辺に入射した光エネルギーの多くが前記金属の周期的凹凸構造表面のプラズモンエネルギーに変換され、微小開口が前記周期的凹凸構造における欠陥となるため、微小開口が微小な光源となって近視野光を発生させる。これにより、従来の近視野光ヘッドに比べて飛躍的な光効率の向上が実現される。
【００１１】
また、本発明に係る近視野光ヘッドは、
前記近視野光ヘッドにおいて、前記金属が金、銀、銅のいずれかから成ることを特徴とする。
【００１２】
これにより、使用する光波長範囲で高効率でプラズモンを発生させることができる。また、蒸着によるパターニングなど従来のプロセス技術を用いて容易に近視野光ヘッドが作製できる。
【００１３】
また、本発明に係る近視野光ヘッドは、
前記近視野光ヘッドにおいて、前記凹凸構造の周期が、５０ナノメートルから５００ナノメートルの間いずれかであることを特徴とする。
【００１４】
これにより、従来の半導体プロセスや電子ビーム露光などの既存技術のみで本発明の近視野光ヘッドが作製でき、また、入射光エネルギーを効率良くプラズモンエネルギーに変換することで、高い光効率の近視野光ヘッドが実現される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（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２を情報記録装置に搭載した状態の概念図である。近視野光ヘッド２はサスペンションアーム３に接着され、記録媒体１の矢印方向への高速回転によって発生する空気浮上力と、サスペンションアーム３に加えられた荷重とのバランスによって、記録媒体１表面と近視野光ヘッド２底面の距離は一定に保たれている。この距離は典型的には数十ｎｍであるが、要求される記録密度によって数〜数百ｎｍの範囲で適当な値に設計される。サスペンションアーム３には図示しないが光ファイバが接着されており、図示しないレーザ光源からの波長４０５ｎｍの光を導く。近視野光ヘッド２のサイズは縦１．５ｍｍ、横１．２ｍｍ、厚さ０．８ｍｍである。
【００１６】
図２は本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッド２の断面図である。近視野光ヘッド２はミラー基板４、開口基板５と、光ファイバー７から成る。ミラー基板４はＳｉ基板上に異方性エッチングによって形成された斜面にＡｌを蒸着したミラー面６を持つ。ミラー基板４には図示しないＶ溝がやはりエッチングによって形成されており、そこに光ファイバー７が固定接着されている。開口基板５はＳｉＯ2から成り、上面に直径０．２ｍｍのマイクロレンズ９が形成されている。開口基板５の底面には空気浮上のためのスライダー８と、その間に略直方体の近視野光発生微小構造１０が形成されている。スライダー８の高さは約２ミクロンであり、スライダー底面で規定される平面上に微小構造１０の先端が位置する。光ファイバー７からの出射光１１はミラー面６で反射され、図中矢印で示したようにマイクロレンズ９で集光されて、近視野光発生微小構造１０に照射される。
【００１７】
図３は開口基板５の底面図である。２本のスライダー８の間に近視野光発生微小構造１０があり、その上にマイクロレンズ９が配置されている。図４は近視野光発生微小構造１０の断面図である。近視野光発生微小構造１０はＳｉＯ2から成り、入射光１１はその中を透過する。領域Ａで示した部分の拡大図が図５である。図５では入射光１１が照射される部分のＳｉＯ2層が周期的な凹凸構造を持っており、微小開口１３以外の領域はＡｕ膜１２でコーティングされている。この凹凸は周期約５００ｎｍ、深さ２０ｎｍであり、図６に示すように格子状に配列している。図６は図４における領域Ａの部分を、底面側から見たものである。凹凸構造の全面にＡｕ膜１２が約２０ｎｍの厚さでコーティングされており、そのうち中央に一辺１００ｎｍの正方形の微小開口１３が開けられている。微小開口１３はＡｕ膜１２の中央である必要はなく、端あるいは角付近にあっても良い。再び図５で、入射光１１のエネルギーは凹凸形状を持つＡｕ膜１２の表面プラズモンに変換される。表面プラズモンはＡｕ膜１２の表面を伝播するが、凹凸構造の欠陥となる微小開口１３で散乱されて近視野光５０となって、微小開口１３付近に局在する。
【００１８】
このように周期的凹凸形状を持つＡｕ膜に光を入射することによって表面プラズモンが発生することについては、たとえばＴｈｉｏら（Ｔｉｎｅｋｅ  Ｔｈｉｏ，Ｈ．Ｊ．Ｌｅｚｅｃ，Ｔ．Ｗ．Ｅｂｂｅｓｅｎ，Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｂ，ｖｏｌ．２７９，９０（２０００））が報告している。ここでは光ファイバーの先端を加工することによってＡｕの周期的凹凸構造を形成し、微小開口からの光放射を測定した結果、極めて高い光効率を実現した。このメカニズムについては不明点も多いが、表面プラズモンによるものであることは、たとえばＳｏｎｎｉｃｈｓｅｎらの論文（Ｃ．Ｓｏｎｎｉｃｈｓｅｎ，Ａ．Ｃ．Ｄｕｃｈ，Ｇ．Ｓｔｅｉｎｉｎｇｅｒ，Ｍ．Ｋｏｃｈ，Ｇ．ｖｏｎ  Ｐｌｅｓｓｅｎ，Ｊ．Ｆｅｌｄｍａｎｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７６，１４０（２０００））などで確実視されている。本実施の形態においても、Ａｌ平面膜に形成した微小開口に比べて１桁以上の光効率向上が実現された。
【００１９】
図７は、本実施の形態に係る近視野光ヘッドの作製プロセスを示す。ステップＳ７０１において４００ミクロン厚のＳｉＯ2基板の下面にエッチングによってマイクロレンズ９を形成する。これはグレーティングでも良いし、フレネルレンズでも良い。ステップＳ７０２において基板上面に、エッチングによって２本のスライダー８と、格子状のパターニングの入った直方体形状１４を形成する。このとき、直方体形状１４の高さはスライダー８の高さよりも少し低く、具体的には次のステップで蒸着するＡｕ膜１２の厚みと凹凸構造厚みの和だけ４０ｎｍ低くなるようにエッチングする。ステップＳ７０３において、この直方体形状１４の上面に蒸着によってＡｕ膜１２を形成する。最後にステップＳ７０４において、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）によって微小開口１３を形成する。凹凸構造の凸部は、スライダー８の底面で規定される平面内にほぼ位置する。凸部は、この平面からわずかであれば記録媒体方向に突出していても、スライダーの記録媒体表面からの浮上量よりも突出量が小さい範囲では問題ない。このようにして、通常のプロセス技術の組み合わせのみで容易に近視野光ヘッドを作製することができた。
【００２０】
このような構造の近視野光ヘッドは、ガラス表面にプラスティックを成形する、光ディスクの製造方法を応用することで作製することもできる。
【００２１】
本発明による近視野光ヘッドでは、従来のファイバーから作製した近視野光プローブや、ＳｉＯ2から成る円錐ティップの先端を切断した形状のヘッドに有るような、テーパ形状が存在しない。そのため、入射光が無損失で近視野光発生微小構造１０に照射される。入射光エネルギーのうち数十パーセントはＳｉＯ2とＡｕの界面に発生する表面プラズモンのエネルギーに変換される。また、入射光はマイクロレンズ９によって集光されるが、その焦点は必ずしも微小開口１３に一致している必要はない。それは、入射光のうち微小開口１３に直接照射されなかった成分が、Ａｕ膜表面（上面）に照射されることで光エネルギーがいったんプラズモンエネルギーに変換され、プラズモンがＡｕ表面を伝播したのち微小開口１３によって散乱されて近視野光になるためである。
（実施の形態２）
図８上図と下図は本発明の実施の形態２に係る近視野光ヘッドの底面図と上図中の線分Ｂ−Ｂ’における断面図である。本発明は近視野光を発生する微小構造の周辺に、金属から成る周期的凹凸構造を形成することに主眼点があるので、この微小構造まで光を導く方法には限定は無い。実施の形態１においては、レーザからの光を光ファイバで導き、ミラーで反射させた後、マイクロレンズで集光した。実施の形態２においては、Ｓｉ基板１５から成るヘッドの底面に形成された導波路を用いて光を導く構造とした。図８において、上図は近視野光ヘッドの底面であり、２本のスライダー８に挟まれた部分に導波路１９が形成されており、その先端には周期的凹凸構造を持つ形状にＡｕ膜１２がコーティングされ、中央付近に微小開口１３が形成されている。下図は断面を示す。導波路１９はクラッド１６とコア１７から成り、コア１７内を伝播した光はミラー面１８で反射してＡｕ膜１２に照射される。
【００２２】
図９に本実施の形態に係る近視野光ヘッドの作製方法を示す。上図がヘッド底面図で、下図が線分Ｃ−Ｃ’における断面図である。ステップＳ９０１ではＳｉ基板を異方性エッチングすることによって斜面２０を形成する。ステップＳ９０２では導波路を形成し、上面を研磨して平坦にする。ステップＳ９０３においてエッチングによって２本のスライダー８と、周期的凹凸形状２１を形成する。ステップＳ９０４でＡｕ膜１２を蒸着する。最後にステップＳ９０５においてＦＩＢによって微小開口１３を形成する。
【００２３】
このようにして作製された近視野光ヘッドでは、入射光が導波路１９によってヘッド内部を導かれ、表面プラズモンを発生するＡｕ膜１２に大きな強度で安定的に照射される。実施の形態１に比較すると、導波路から微小開口までの距離が短いため光効率が高くなっている。さらに、ヘッドの底面側に光導波構造を設けていることから、ヘッド全体を薄くすることが可能となった。本実施の形態においては約２００ミクロンの厚みのヘッドが実現できた。実施の形態１のときと同様に、光が微小開口に正確に照射されていなくても、光エネルギーがＡｕ膜表面のプラズモンエネルギーに変換されたのちに、微小開口１３から近視野光となって現れるため、十分に高い光効率が実現できた。
（実施の形態３）
図１０は本発明の実施の形態３に係る近視野光ヘッドの構造を示す。上図は底面、下図は線分Ｄ−Ｄ’における断面を示す。実施の形態１、２と同様に、２本のスライダー８に挟まれる部分に導波路１９が形成されている。周期的凹凸形状の上にＡｕ膜１２がコーティングされ、微小開口１３が形成されている。本実施の形態においては、導波路１９を伝播してきた光を微小開口１３の方向に曲げる方法として、導波路１９のコア下面のクラッドとの界面にグレーティング構造２２を形成した。このような構造は、通常のフォトリソグラフィ技術を用いてＳｉＯ2層をエッチングすることによって作製することができる。グレーティング２２によって曲げられた光はＡｕ膜１２に照射され、Ａｕ膜１２表面にプラズモンを励起する。この表面プラズモンはＡｕ膜１２上を伝播し、微小開口１３で散乱されて近視野光となって微小開口１３の外側に現れる。
【００２４】
このような構造の近視野光ヘッドによって、光効率の飛躍的な向上が実現できた。また、実施の形態２と同様にヘッド全体のサイズも小型化することができた。
【００２５】
以上紹介した実施の形態においては、近視野光を発生させる手段として光の波長以下のサイズの光学的微小開口に光を入射しているが、他の手段たとえば微小な突起形状に光を照射する方法でも近視野光を発生させることができ、その場合にも、その突起形状の周辺に周期的凹凸構造を持つ金属膜を形成することによって同様の効果を得ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、近視野光ヘッドにおいて近視野光を発生させる微小構造の周辺に、プラズモンを発生させる金属膜から成る周期的凹凸構造を形成することによって、入射光エネルギーをいったん金属の表面プラズモンエネルギーに変換し、微小構造から近視野光として発生させるメカニズムによって、従来不可能であった高い光効率の近視野光ヘッドを実現した。また、入射光の照射部位が微小構造と一致していなくても、高い光効率が実現された。これらの構造は通常のプロセス技術によって容易に作製することができ、低コストで量産性に優れた近視野光ヘッドが実現できた。このヘッドは既存の磁気記録装置とほぼ同様の構成の装置に組み込むことが可能で、情報記録装置全体の製造コストも低く抑えることができた。情報記録密度を上げるために微小開口をさらに微細化した場合でも、同様の製造方法でヘッドを作製することができ、従来の近視野光ヘッドのようなテーパ構造が無いため、光効率の低下も最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッド２を情報記録装置に搭載した状態の概念図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッド２の断面図である。
【図３】開口基板５の底面図である。
【図４】近視野光発生微小構造１０の断面図である。
【図５】図４のうち領域Ａで示した部分の拡大図である。
【図６】図４における領域Ａの部分を、底面側から見たものである。
【図７】実施の形態１に係る近視野光ヘッドの作製プロセスを示す。
【図８】本発明の実施の形態２に係る近視野光ヘッドの底面図と断面図である。
【図９】実施の形態２に係る近視野光ヘッドの作製方法を示す。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る近視野光ヘッドの構造を示す。
【符号の説明】
１  記録媒体
２  近視野光ヘッド
３  サスペンションアーム
４  ミラー基板
５  開口基板
６  ミラー面
７  光ファイバー
８  スライダー
９  マイクロレンズ
１０  近視野光発生微小構造
１１  入射光
１２  Ａｕ膜
１３  微小開口
１４  直方体形状
１５  Ｓｉ基板
１６  クラッド
１７  コア
１８  ミラー面
１９  導波路
２０  斜面
２１  周期的凹凸形状
２２  グレーティング構造
５０  近視野光
Ｓ７０１〜Ｓ７０４  作製プロセスステップ
Ｓ９０１〜Ｓ９０５  作製プロセスステップ
【図１】
0004601867.tif 000002
【図２】
0004601867.tif 000003
【図３】
0004601867.tif 000004
【図４】
0004601867.tif 000005
【図５】
0004601867.tif 000006
【図６】
0004601867.tif 000007
【図７】
0004601867.tif 000008
【図８】
0004601867.tif 000009
【図９】
0004601867.tif 000010
【図１０】
0004601867.tif 000011