(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面あるいは記録媒体に対向して配置され、基板に設けられた光の通路の先端部に近視野光を生成する微小開口を備えた近視野光プローブにおいて、
前記試料表面あるいは前記記録媒体と対向する面は、前記試料表面あるいは前記記録媒体に対して略平行に設けられるとともに、前記微小開口に接する位置に一端を持ち、前記光の通路から離れる方向に延伸する熱除去部材を備え、
前記熱除去部材は前記基板よりも熱伝導性の良い材質からなり、前記微小開口に発生した熱を除去することを特徴とする近視野光プローブ。
【請求項２】
前記熱除去部材は、金属からなることを特徴とする請求項１に記載の近視野光プローブ。
【請求項３】
前記光の通路の内壁に遮光膜を備えることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の近視野光プローブ。
【請求項４】
前記熱除去部材は、熱電機能を持つ構造体を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに近視野光プローブ。
【請求項５】
前記熱電機能を持つ構造体が、柱状のp型素子とn型素子が複数個配列した熱電素子であることを特徴とする請求項４に記載の近視野光プローブ。
【請求項６】
前記熱電素子がBi-Te系の熱電半導体であることを特徴とする請求項５に記載の近視野光プローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近視野光を利用してサンプル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、サンプル表面を高分解に観察したり、高密度な情報記録および再生に利用したりする近視野光プローブとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような近視野光プローブにおいては、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プローブでは、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プローブ内壁で反射あるいは吸収されることを意味する。プローブ先端に蒸着などの方法で形成した遮光膜により、光はプローブ内部で乱反射してかなりの割合が吸収される。吸収された光は遮光膜内部で電子の運動エネルギーとなり、最終的には遮光膜の温度上昇を招く。たとえばStahelinら（Stahelin,M.et.al, Appl.Phys.Lett., 68(19),6 (1996)）は先鋭化した光ファイバにAlを蒸着した典型的な近視野光プローブの先端の温度測定を行い、230[℃]〜470[℃]という高温になっている事を確認した。
【０００８】
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、プローブ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。プローブの熱膨張によってプローブとサンプルあるいは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プローブ自体が破損することもあった。
【０００９】
本発明は上記問題を鑑みて、近視野光プローブの微小開口周辺の遮光膜の加熱を防止することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る１番目の近視野光プローブは、近視野光を生成するための微小開口を設けたプローブによって対象物との近視野相互作用を起こす近視野光プローブにおいて、前記プローブ先端の前記微小開口に発生した熱を除去する構造を持つことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を除去するため、遮光膜が加熱することが防止され、より大きな強度の入射光を用いることが可能となり高いＳ／Ｎ比の出力信号を与えることができる。
また、本発明に係る２番目の近視野光プローブは、１番目の近視野光プローブにおいて、前記熱を除去する構造が、前記微小開口に接するあるいは近接する部分に形成された、SiO2よりも熱伝導性の良い材質からなる層であることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を熱伝導性材質からなる層によって除去するため、遮光膜が加熱することが防止され、より大きな強度の入射光を用いることが可能となり高いＳ／Ｎ比の出力信号を与えることができる。
また、本発明に係る３番目の近視野光プローブは、近視野光を生成する微小開口を設けたプローブによって、対象物との近視野相互作用を起こす近視野光プローブにおいて、前記微小開口と前記微小開口の近傍が金属より成ることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、プローブ先端および微小開口が熱伝導率が高い金属より成るため、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を効率良く拡散することができ、遮光膜が加熱することが防止され、より大きな強度の入射光を用いることが可能となり高いＳ／Ｎ比の出力信号を与えることができる。
また、本発明に係る４番目の近視野光プローブは、３番目の近視野光プローブにおいて、前記金属より成る前記プローブ先端と前記微小開口に、前記微小開口に発生した熱を除去する熱伝導性材質からなる層が接するあるいは近接していることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を金属から成るプローブ先端と微小開口が拡散した上に、その熱を前記熱伝導性材質からなる層が拡散するため、遮光膜が加熱することが防止され、より大きな強度の入射光を用いることが可能となり高いＳ／Ｎ比の出力信号を与えることができる。
また、本発明に係る５番目の近視野光プローブの製造方法は、近視野光を生成する微小開口を設けたプローブによって、物との近視野相互作用を起こす近視野光プローブにおいて、前記プローブ先端の前記微小開口に発生した熱を除去する構造を持つ近視野光プローブを製造するにあたり、型を形成する工程と、前記型に金属を埋め込む工程と、前記型を除去する工程を含むことを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、プローブ先端と微小開口は高い精度で形状制御されて形成され、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を金属から成るプローブ先端と微小開口が拡散した上に、金属膜がその熱を拡散するため、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を金属から成るプローブ先端と微小開口が拡散するため、より大きな強度の入射光を用いることが可能となり高いＳ／Ｎ比の出力信号を与えるような光プローブを製造することができる。
【００１６】
また、本発明に係る６番目の近視野光プローブは、１番目の近視野光プローブにおいて、前記熱を除去する構造が、前記微小開口に接するあるいは近接する部分に形成された、熱電機能を持つ構造体であることを特徴とする。
この発明によれば、微小開口によって発生した熱を前記熱電機能を持つ構造体が除去するので、微小開口の熱損傷が防止でき、安定した動作が可能となる。また、入射光の強度を上げても微小開口が過熱しないので、大きな強度の入射光を用いることができ、結果として強い近視野光が発生する。これにより、高いＳ／Ｎ比を持つ出力信号が得られ、高速なデータ転送が可能となる。さらに、データ記録（書きこみ）時には前記熱電機能を持つ構造体の高熱部によって記録媒体を予熱して、記録動作のアシストとすることもできる。
【００１７】
また、本発明に係る７番目の近視野光プローブは、６番目の近視野光プローブにおいて、前記熱電機能を持つ構造体が、柱状のp 型素子と n 型素子が複数個配列した熱電素子であることを特徴とする。
この発明によれば、６番目の近視野光プローブで述べた効果に加えて、熱電素子が微細なので、近視野光ヘッド全体が小型化、軽量化できる。これによって、ヘッドが安定して記録媒体上を走査し、トラッキングやシーク動作も容易になる。
【００１８】
また、本発明に係る８番目の近視野光プローブは、６番目あるいは７番目の近視野光プローブにおいて、前記熱電素子がBi-Te系の熱電半導体であることを特徴とする。
この発明によれば、６番目あるいは７番目の近視野光プローブで述べた効果に加えて、大きな熱流束が得られ、効果的な冷却が可能である。
【００１９】
【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に係る近視野光プローブの概略構造を示す。近視野光ヘッド１はSi基板２と熱伝導性層４とから成る。ここで保護膜などの構造図示は省略している。熱伝導層４はAu,Ag,Cu,Alなど熱伝導率と光反射率の高いものを約１[μm]の厚みで形成した。このような構造の製造方法は後述する。入射光８はレーザからの光を光ファイバあるいは光導波路、レンズ光学系などによって光ヘッド１の上面から入射する。光ヘッド１に開けられた光の通路９は光ヘッド１の下方に進むにつれて狭くなっており、入射光８の波長以下になると光は伝播できなくなる。これより下方には近視野光を主成分とした光が分布することになるが、熱伝導層４の光の通路９に向いた表面10で反射と吸収がおきる。光ヘッド１の底面には微小開口６が形成されており、その下は開放されている。近視野光７はこの微小開口６から下方に発生し、記録媒体５と相互作用する。その結果発生する散乱光11は記録媒体５の表面から反射したり、透過したりするがこれを検出することで出力信号とする。表面10で吸収された光のエネルギーは熱に変わるが、熱伝導層４は上述のように熱伝導率の高いものであるので、図中矢印３で表したようにこの熱を周辺に拡散する。
【００２０】
図２は本発明の実施の形態１に係る近視野光プローブを用いた情報再生装置の構成を示す。この情報再生装置20は、レーザ発振器21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、微小開口から拡散された熱を受け入れる熱受容体32、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で説明し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。図１で説明したように、微小開口の周辺には熱伝導体を配置してあり、これが遮光膜中に発生した熱を拡散させるが、この熱を熱受容体32が受け入れる。熱受容体32は熱容量が大きく、熱伝導率の高いものならなんでもよいが、ここではCuの層を１[mm]の厚さで形成した。
【００２１】
図３(A)および図３(B)に本実施の形態に係る光ヘッドの製造方法の１つを示す。
図３(A)は側面からみた形状を、図３(B)は上面からみた形状を示す。
はじめに、ステップ１では、シリコンの異方性を有するエッチング法によってシリコン基板41内にテーパ部42を形成し、その上面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）あるいは熱酸化によりSiO2層を形成する。ステップ２では下方からのエッチングによってシリコン基板を除去してテーパ部42を下方側に露出させる。ステップ３で、電鋳法によりCu層を下面に形成する。このときテーパ部42の下面はCu層によって覆われる。ステップ４で、下方側からの研磨あるいはＲＩＥ(Reactive Ion Etching)によってふたたびテーパ部42を下方側に露出させる。ステップ５で、上方からのＲＩＥによってSiO2膜を除去することによって、本発明の光ヘッドが製造される。
【００２２】
このようにして製造された光ヘッドを図２に示した装置に組み込んで、情報再生を行ったところ、微小開口付近の遮光膜中に発生した熱がCu層によってすばやく拡散し、従来９[mW]で熱損傷を起こしていた光プローブが、その２倍の20[mW]の強度の入射光に対しても安定した動作が実現された。Cuの熱伝導率は380〜400 [Wm-1K-1]であり、シリコンの168[Wm-1K-1]に比べてはるかに大きい。このCu層を本実施の形態のように形成することで、開口の加熱が防止できた。これにより、得られた信号のＳ／Ｎ比も向上した。また、金属の表面反射率は温度が下がると上昇することが期待されるため、入射光に対する微小開口面での光強度も増加していると思われる。
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２に係る近視野光プローブの構造を示す。図１との違いは光の通路９の内壁にAl層51を形成した点である。これは実施の形態１で説明した方法で製造した光プローブの上面から蒸着などの方法によって可能である。実施の形態１で説明したように、テーパ部はシリコンの異方性エッチングによって形成するため、熱伝導層４を厚くすると形状を安定的に形成することがだんだんと困難になる。図１の構造では光がSi基板２内に漏れて行かないためには光の通路９は熱伝導層４に接触するまでは入射光波長よりも大きくしておかねばならないという制約があったが、Al層51によって入射光が反射を繰り返して開口６に導かれるようになり、この制約がなくなった。これにより、熱伝導性層４を厚くしなくても光効率を落とさずにしかも開口部の加熱を防止することができた。
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３に係る近視野光プローブの構造を示す。図１との違いは開口６で発生した熱を除去するために、ビスマス、テルル、アンチモンから成る熱電素子61を形成した点である。熱電素子61は、Bi-Te-Sb から成る p 型素子の柱と、Bi-Te から成る n 型素子の柱が配列している。このような構造は、例えば(Kishi,M. et al, IEEE 16th International Conference on Thermoelectrics, 653, 1997) に示されたようなフォトリソグラフィ技術によって作成できる。熱電素子61下面側は熱電素子61を作成後に研磨によって平坦化し、スライダーとして機能するようにする。
【００２３】
このような熱電素子は、本実施の形態においてはヘッド底面側に形成したが、テーパ10に沿って形成することも可能であり、発熱するテーパ10全体に熱電素子が接していることによって、より効果的な冷却が可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る１番目の近視野光プローブによれば、近視野光を生成するための微小開口を設けたプローブによって対象物との近視野相互作用を起こす近視野光プローブにおいて、前記プローブ先端の前記微小開口に発生した熱を除去する構造を持っているので、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を除去するため、遮光膜が加熱することが防止され、より大きな強度の入射光を用いることが可能となり高い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。
【００２５】
また、本発明に係る２番目の近視野光プローブによれば、１番目の近視野光プローブにおいて、前記熱を除去する構造が、前記微小開口に接するあるいは近接する部分に形成された、SiO2よりも熱伝導性の良い材質からなる層であるので、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を熱伝導性材質からなる層によって除去するため、遮光膜が加熱することが防止され、より大きな強度の入射光を用いることが可能となり高い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。
【００２６】
また、本発明に係る３番目の近視野光プローブによれば、近視野光を生成する微小開口を設けたプローブによって、対象物との近視野相互作用を起こす近視野光プローブにおいて、前記微小開口と前記微小開口の近傍が金属より成るので、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を効率良く拡散することができ、遮光膜が加熱することが防止され、より大きな強度の入射光を用いることが可能となり高い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。
【００２７】
また、本発明に係る４番目の近視野光プローブによれば、３番目の近視野光プローブにおいて、前記金属より成る前記プローブ先端と前記微小開口に、前記微小開口に発生した熱を除去する熱伝導性材質からなる層が接するあるいは近接しているので、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を金属から成るプローブ先端と微小開口が拡散した上に、その熱を前記熱伝導性材質からなる層が拡散するため、遮光膜が加熱することが防止され、より大きな強度の入射光を用いることが可能となり高い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。
【００２８】
また、本発明に係る５番目の近視野光プローブによれば、近視野光を生成する微小開口を設けたプローブによって、対象物との近視野相互作用を起こす近視野光プローブにおいて、前記プローブ先端の前記微小開口に発生した熱を除去する構造を持つ近視野光プローブを製造するにあたり、型を形成する工程と、前記型に金属を埋め込む工程と、前記型を除去する工程を含むので、プローブ先端と微小開口は高い精度で形状制御されて形成され、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を金属から成るプローブ先端と微小開口が拡散した上に、金属膜がその熱を拡散するため、入射光を吸収した遮光膜中に発生した熱を金属から成るプローブ先端と微小開口が拡散するため、より大きな強度の入射光を用いることが可能となり高いＳ／Ｎ比の出力信号を与えるような光プローブを製造することができる、という効果を奏する。
【００２９】
また、本発明に係る６番目の近視野光プローブによれば、１番目の近視野光プローブにおいて、前記熱を除去する構造が、前記微小開口に接するあるいは近接する部分に形成された、熱電機能を持つ構造体であることを特徴とするので、微小開口によって発生した熱を前記熱電機能を持つ構造体が除去するので、微小開口の熱損傷が防止でき、安定した動作が可能となる。また、入射光の強度を上げても微小開口が過熱しないので、大きな強度の入射光を用いることができ、結果として強い近視野光が発生する。これにより、高いＳ／Ｎ比を持つ出力信号が得られ、高速なデータ転送が可能となる。さらに、データ記録（書きこみ）時には前記熱電機能を持つ構造体の高熱部によって記録媒体を予熱して、記録動作のアシストとすることもできる、という効果を奏する。
【００３０】
また、本発明に係る７番目の近視野光プローブによれば、６番目の近視野光プローブにおいて、前記熱電機能を持つ構造体が、柱状のp 型素子と n 型素子が複数個配列した熱電素子であることを特徴とするので、６番目の近視野光プローブで述べた効果に加えて、熱電素子が微細なので、近視野光ヘッド全体が小型化、軽量化できる。これによって、ヘッドが安定して記録媒体上を走査し、トラッキングやシーク動作も容易になる、という効果を奏する。
【００３１】
また、本発明に係る８番目の近視野光プローブによれば、６番目あるいは７番目の近視野光プローブにおいて、前記熱電素子がBi-Te系の熱電半導体であることを特徴とするので、６番目あるいは７番目の近視野光プローブで述べた効果に加えて、大きな熱流束が得られ、効果的な冷却が可能である、という効果を奏する。
【００３２】
また、これらいずれの発明においても、【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、プローブの熱膨張によるプローブと記録媒体間の距離制御の困難、プローブ自体の破損、といった問題点が同時に解決された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る近視野光プローブを示す概略構造図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る近視野光プローブを用いた情報再生装置を示す構成図である。
【図３】本実施の形態に係る光ヘッドの製造方法の１つを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る近視野光プローブを示す構造図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る近視野光プローブを示す構造図である。
【符号の説明】
１    近視野光ヘッド
２    Si基板
３    熱伝導の方向
４    熱伝導層
５    記録媒体
６    微小開口
７    近視野光
８    入射光
９    光の通路
１０    熱伝導層４の光の通路９に向いた表面
１１    散乱光
２０    情報再生装置
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
３２    熱受容体
３３    記録媒体
３４    記録媒体駆動アクチュエータ
４１    Si基板
４２    テーパ部
５１    Al層
６１    熱電素子
【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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