(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスクを用いて基板に多数の垂直共振器面発光半導体レーザー素子を形成するステップと、前記マスクを用いて半導体基板の第１面にマイクロレンズを形成するステップと、前記第１面に対面する前記薄い半導体基板の第２面にフォトレジスト膜と赤外線に感光する赤外感光膜とを順次塗布するステップと、前記赤外感光膜を感光するために前記半導体基板の第２面に前記垂直共振器面発光半導体レーザー素子からの６７０nm〜８５０nmのレーザービームのビームウェストを形成するステップと、前記半導体基板の第２面の側から前記フォトレジスト膜を感光する光を照射することによって前記マイクロレンズを介した前記垂直共振器面発光半導体レーザー素子のレーザービームの焦点にセルフアライメントによりプローブ先端マスクを形成するステップと、前記プローブ先端マスクを介して前記半導体基板を異方性エッチングすることにより半導体近接場光プローブを形成するステップと、前記プローブの側面を金属膜で被覆するステップと、この金属膜被覆の後に最終的にプローブ先端マスクを除去することによりプローブアパーチャを形成するステップと、により構成される近接場半導体光プローブの製造方法。
【請求項２】
前記垂直共振器面発光半導体レーザー素子は６７０nm前後のレーザー光を出力し、前記薄い半導体基板は厚さ１０μm程度の半導体基板であり、前記フォトレジスト膜は紫外線に感光し、前記赤外線感光膜は６７０nm前後の波長の可視光および近赤外線に感光する請求項１の近接場半導体光プローブの製造方法。
【請求項３】
通常の紫外光で感光するフォトレジスト膜及び赤外線で感光する赤外線感光膜を薄い半導体基板上に順次形成するステップと、前記フォトレジスト膜及び前記赤外線感光膜が順次形成された前記半導体基板面とは反対側の前記半導体基板面の方から赤外線又は近赤外線をマイクロレンズで絞って照射して前記赤外線感光膜を感光するステップと、感光された前記赤外線感光膜の方から紫外光を照射して前記フォトレジスト膜を感光し、マスクを生成するステップとを含む近接場半導体光プローブ用マスク製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直共振器面発光半導体レーザー素子、即ちＶＣＳＥＬ（ビクセル）素子を用いた近接場半導体光プローブ装置および同プローブ装置を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近接場光学を利用した光記録再生ヘッドが開発されている。このような記録再生ヘッドは垂直共振器面発光半導体レーザー、即ちＶＣＳＥＬ（vertical cavity surface emitting laser）を用いている。このＶＣＳＥＬ素子の二次元アレイは高効率近接場光プローブアレイ並びにマイクロレンズアレイと同軸的に組み合わされ、記録再生ヘッドが作製される。この記録再生ヘッドによると、各ＶＣＳＥＬ素子からの１ｍＷ以下の光でも効率よく半導体プローブ先端に集光できる。このプローブ先端に１００nm以下の小さな開口を穿孔することによりその開口から空間へ放射される光はエバネッセント波（近接場光）となる。そのため、記録再生ヘッドはできるだけ光ディスク記録媒体に近づけられるように構成される。即ち、この記録再生ヘッドは、二次元アレイの構成素子数を５０×５０にして、光ディスクの回転の接線方向に対して二次元アレイの非半径方向列の方向を少し傾けることにより、ディスク面上において半径方向に２，５００個の構成素子が連続的に並ぶ同時記録同時再生できる超並列光ヘッドにより構成できる。このような超並列光ヘッドによると、各レーザー素子のパルス変調速度を４Ｍｂｐｓ〜４０Ｍｂｐｓにすれば光ディスクヘの記録並びに再生スピードが１０〜４０Ｇｂｐｓにも達する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
今後十数年後にはパソコンに搭載するメモリデバイスには１００Ｇｂｙｔｅ以上の容量をもち、かつデータレートが１０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上の超高速な書き込みや再生が可能なメモリデバイスが要求される。このため光ディスク用近接場光半導体プローブの高効率化が望まれている。
【０００４】
そこで、本発明は、マイクロレンズの焦点位置と近接場光プローブとを精密に一致させた高効率半導体近接場プローブを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、垂直共振器面発光半導体レーザー素子と、前記垂直共振器面発光半導体レーザー素子の出力側に同軸的に配設されるマイクロレンズと、前記マイクロレンズと同軸に一体化して形成され近接場光プローブとにより構成される近接場半導体光プローブ装置を提供する。
【０００６】
本発明は、マスクを用いて基板に多数のＶＣＳＥＬ素子を形成するステップと、前記マスクを用いて薄い半導体基板の第１面にマイクロレンズを形成するステップと、前記第１面に対面する前記薄い半導体基板の第２面に通常のフォトレジスト膜と赤外線に感光する赤外感光膜とを順次塗布するステップと、前記赤外感光膜を感光するために前記半導体基板の第２面に前記ＶＣＳＥＬ素子から６７０nm〜８５０nmのレーザービームのビームウェストを形成するステップと、前記フォトレジスト膜および赤外感光膜に紫外線を照射することによって前記マクロレンズを介した前記ＶＣＳＥＬ素子のレーザービームの焦点にセルフアライメントにより第２マスクを形成するステップと、前記第２プローブ先端マスクを介して前記半導体基板を異方性エッチングすることにより半導体近接場光プローブを形成するステップと、前記第２プローブ先端マスクを薄く、小さくエッチングし、微小化されたプローブ先端マスクを、そのまま残しておき、プローブ側面を金属で薄膜コーティングするステップと、この金属膜をコート後に最終的にプローブ先端マスクを除去することによりプローブアパーチャを形成するステップとにより構成される近接場半導体光プローブ装置を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１はスループットを１０−２程度に向上させた半導体プローブを中心とするシングルタイプのＶＣＳＥＬ素子、マイクロレンズ、プローブからなる近接場半導体光プローブ素子の断面を示している。これによると、ＶＣＳＥＬ素子１１は半導体基板１２に形成され、複数枚から数十枚の多層膜のミラーで構成される半導体ＤＢＲ（分布ブラック反射）反射鏡１３および１４、ＤＢＲ反射鏡１３および１４の間に設けられる活性層１５並びに半導体あるいは誘電体ＤＢＲ反射鏡１６により構成される。レーザー発振はＤＢＲ反射鏡１３および１４の間で垂直方向に起こるが、このレーザー発振をＶＣＳＥＬ素子の中央部で起こさせるためにＶＣＳＥＬ素子の中心部を残して周辺部は高抵抗にされている。そして、誘電体ＤＢＲ反射鏡１６は中央部でのレーザー発振により発生するレーザーを出力するために中央部に位置づけされている。このような構成において半導体基板１２側には電極１７が設けられ、半導体もしくは誘電体ＤＢＲ反射鏡１６側には電極１８が設けられる。
【０００８】
上記構成のＶＣＳＥＬ素子１１の出力部（誘電体ＤＢＲ反射鏡１６）に近接してマイクロレンズ２１が配置される。このマイクロレンズ２１に同軸に半導体ピラミッド型プローブ２２が配置される。このプローブ２２の先端部周辺には金属膜２３が形成されている。プローブ２２の先端には光を出力する開口２４が形成される。この開口２４は大約直径１００nm以下、例えば３０ｎｍのサイズを有する。
【０００９】
上記の近接場半導体光プローブ素子は、半導体プローブアレイ技術とマイクロレンズアレイ技術ならびにマイクロレンズの焦点位置と近接場光プローブの先端開口位置とをナノメータ精度でセルフアライメントする技術によって実現可能となった。このような素子を多数アレイ全体にわたって組み合わせることによって二次元アレイヘッドが作製できる。
【００１０】
図２は超並列二次元光ヘッドの３個の近接場半導体光プローブ素子の断面を示している。これらのプローブ素子は従来の光ファイバプローブに比較して、３桁から４桁のスループット（効率η）を改善でき、ＶＣＳＥＬ出力の１０％以上を１００nm開口以下、例えば３０ｎｍのプローブ出力光（プローブの外の空中ではエバネッセント波）として発生する。
【００１１】
図３は二次元アレイ光ヘッドのうち、低発振閾値電流を持つＶＣＳＥＬアレイの概念を示す。これによると、各ＶＣＳＥＬ素子の直径は１０μm程度、間隔は２０〜３０μmである。各素子出力は１．５ｍＷ程度であるが、図１および２に示された反射防止膜付きマイクロレンズによって出力の１００％がフラットトップ半導体プローブ先端付近にビームウエストを形成する波長６７０nm前後で発振するＶＣＳＥＬとＧａＰプローブとで光プローブ素子が構成された場合、１００nmの開口に到達する効率は３．４８％である。ここで、表面プラズモンを積極的に応用すれば、開口が３０nmのプローブでも１０％以上の効率が得られる。
【００１２】
図３のＶＣＳＥＬアレイで構成したヘッドをディスク回転の接線方向に少し傾けると、図４に概略的に示すように、二次元面分布アレイの構成素子からのレーザービームが前述のマイクロレンズや半導体プローブを経て光ディスクの媒体に１０nm〜２０nmのギャップのＨＤＩ（光ディスクとの間隔）を通してディスクの半径方向に一列に並ぶことになる。
【００１３】
図５は本ディスクヘッドとディスク媒体との模式図である。ディスクヘッドは図３と同じ構成を有し、ジンバル３１にて保持されている。基板にはパット３２が設けられ、これらパッドがディスクヘッドをディスク媒体上に保持する。
【００１４】
上記実施形態では半導体材料としてＳｉおよびＧａＰが用いられている。これら物質は、いずれも屈折率がガラスやダイアモンドなどの物質に比較して非常に大きい（ガラスの約２倍以上である）ことが、本発明におけるポイントのひとつである。屈折率（ｎ）が３．３であるＧａＰプローブ中におけるレーザー光の管内波長（λ／２ｎ）は波長６６０nmの場合で１００nmとなる。したがって、マイクロレンズのＮＡ（＝ｎｓｉｎθ）が３．３＊０．５のときに得られるＧａＰ中のビームウェストサイズωはレーザー光がガウスビームであるので、１／ｅ２で測定した場合に、ω＝１．３４λ／（３．３＊０．５）＝５３６nmとなる。すなわち、フラットトップＧａｐプローブの場合の開口先端１００nmに３．４８％の光が到達することになる。レーザー出力が１．５ｍＷの場合には５２．２μＷが到達する。ＭＯディスクやＰＣディスクヘ記録するに必要なパワー密度ρは約５ｍＷ／１μmφ、すなわち、１００nmφでは５０μＷで記録できることになる。この５２．２μＷの値の採用には、あまり余裕がないので、対策として、（１）マイクロレンズのＮＡすなわち開き角度θをπ／６よりも大きくする。（２）フラットトップ半導体プローブの開口をもっと狭くして、フラットトップの開口における光パワー密度を高くする必要がある。ただし開口を狭くすると近接場光プローブのスループットηが益々小さくなるので、次のような方法によってηの改善を図る。以下、半導体近接場プローブスループットの更なる改善について説明する。
【００１５】
図６に示すように、近接場光プローブの壁に光が全反射角度で入射すると通常の光は全反射するが、壁の垂直方向へはエバネッセント波が発生する。この壁の外側に、あらかじめ金や銀などの金属薄膜をコートしておくと、金属薄膜中にてエバネッセント波は縦波である表面プラズモンに変換される。この表面プラズモンは金属薄膜の表面のみを伝播する。すなわち、表面プラズモンは近接場光プローブの内部を伝播しないので、半導体プローブの先端が狭い開口であってもカットオフ周波数には関係なく、金属薄膜表面を伝播してフラットトップの開口付近に到達する。狭い開口のために（カットオフのために）、開口を通過する光波の効率ηが大幅に低下した場合でも、プローブ内部を通ってきた光波（横波）の位相と前述した表面プラズモン・ポラリトン（縦波）の位相とを図７に示すように合せることができれば、この表面プラズモン・ポラリトン波は再び光波に変換できる。すなわち、図８に示されるように光波が表面プラズモン・ポラリトンによって増強される。これまで、このような手法とは異なるが、表面ブラズモン・ポラリトンの方法によってηを１０％にまで高くさせた事例が報告されている。
【００１６】
さらに、近接場光プローブの開口を３０nmに変更し、η＝１０％が可能とすれば、記録に必要なパワー密度ρ＝５ｍＷ／１μmφ＝５０μＷ／１００nmφ＝５．５６μＷ／３０nmφとなるので、ＶＣＳＥＬレーザーの出力は５５．６μＷでよいことになる。余裕を持たせて各ＶＣＳＥＬ出力を７０μＷとすれば、５０×５０個の二次元アレイ全体の出力は１７５ｍＷとなる。ＶＣＳＥＬアレイおよびマイクロレンズ付プローブアレイの５０×５０素子サイズはわずか数１００ミクロン角であるが、電極構造を考えるとヘッド全体のサイズは数ミリ程度になると思われる。ＶＣＳＥＬレーザーは一般に電気入力対レーザー出力が５０％以上であるので、本ヘッド全体の発熱も同程度の１７５ｍＷ前後と想定される。数ミリサイズで１７５ｍＷの発熱の場合には熱の除去が問題になる。天然ダイアモンドよりも熱伝導率の良いＵＤＤＰ（ダイヤモンドパウダーを混入させた特殊プラスチック）をヒートシンク兼ヘッド本体に成形することによって熱除去問題の解決を図ることができる。
【００１７】
次に、マイクロレンズ焦点位置と半導体近接場プローブ先端とのセルフアライメントについて説明する。
【００１８】
本発明における高効率（η＝３％〜１０％）プローブ作製のポイントとして次の３点が上げられる。
【００１９】
１．高ＮＡ非球面マイクロレンズアレイの作製と各レンズに対応する各ＶＣＳＥＬ出力窓のアライメント。
【００２０】
２．高ＮＡマイクロレンズアレイの各焦点位置と近接場光プローブアレイの先端開口位置とをナノメータの精度で一致させるためのセルフアライメント技術。
【００２１】
３．セルフアライメント後に先端開口をあける方法。
【００２２】
ポイント１については、マイクロレンズアレイを作製する際に使用している径が１０ミクロンでピッチが２５ミクロンの二次元アレイ用マスクをレンズ作製だけでなく、結晶成長済みのエピタキシャル・ウェ一ハへも適用させ、ＶＣＳＥＬの二次元アレイの作製を行う。このことによって、各マイクロレンズへの入射レーザービーム位置を１μmの精度で合わせることができる。ちなみに、レーザー出力窓径は約８μmである。ＶＣＳＥＬとマクロレンズとの間隔を２０ミクロンとすると、ＶＣＳＥＬ出力ビームの回折による広がり角は０．０８３８ラジアン（radian）となり、マクロレンズへの入射ビーム径は１１．３５μmとなる。すなわち、ＶＣＳＥＬの実質径とマイクロレンズの径とを１２ミクロンとし、ＶＣＳＥＬの電流閉じ込め層の実質電流通過径を約５μmとするための酸化溝幅を設定する。そして、２５μmピッチの二次元アレイが可能となる。電子ビーム（ＥＢ）描画によるマスクは１２μm径で２５μmピッチの第１マスクと第１マスクと同軸で、内径１２μmで外径が３８μmで、かつピッチが２５μmの第２のマスクを使用する。
【００２３】
ポイント２については、図９に示されるように厚さ１０μm程度の薄い半導体基板４１のマクロレンズ２１のついていない面上に二種類の感光剤、即ち通常のフォトレジスト４２と赤外線に感光する感光剤（写真の赤外線フィルムの感光剤）４３とが順次塗布されている。この面にＶＣＳＥＬ素子１１の出力レーザービームのビームウェストが形成される。赤外線感光剤は６７０nm前後の可視光や近赤外線（約８５０nm）に感度があり、解像度は精々５〜１０μm程度であるので、ＶＣＳＥＬからの６７０nm〜８５０nmのレーザー光を受けたフォトレジスト４２はＶＣＳＥＬ光に全く感じないが、次の層の赤外感光膜には感度がある。そのため、赤外感光膜４３は黒く感光する。しかしながら、このとき、マイクロレンズのビームウェストサイズが２５０nm〜３４０nmであっても赤外感光剤は分解能が不足するためにビームウェストはおおよそ直径が５〜１０μmに大きく広がる。この後、感光済みの赤外感光膜側から紫外光を照射することにより、各マイクロレンズのＶＣＳＥＬレーザーの焦点にセルフアライメントの原理で先に塗布したフォトレジストによるマスク位置決めがされる。これを利用してＳｉＯ２マスクなどを形成することにより異方性エッチングにより図２に示すような半導体近接場光プローブ２２が形成される
【００２４】
ポイント３においては、図１０に示されるようにプローブ先端に付けたマスク４４がエッチャントを用いて注意深く薄く、小さくエッチングされる。これにより微小化されたマスク４４はそのまま残しておき、プローブ側面が金や銀などの金属で薄膜４５がコーティングされる。光の漏れが少なくなるように金属膜４５の厚さは５０〜１００nm程度に設定される。このような金属膜４５をコート後に最終的にマスク４４はエチャントにより除去される。これにより、プローブの先端に開口２４が形成される。
【００２５】
次に、非球面マイクロレンズ設計と気相ファブリケーションについて説明する。
【００２６】
本発明において近接場光プローブのスループット（η）を大きく出来た原因のひとつはＶＣＳＥＬからの光を半導体プローブ中に小さく収束できる点にあり、そのための高ＮＡな非球面マイクロレンズの設計と製作がポイントである。スネルの公式を用いた光線追跡法により、非球面形状がパソコンで自動的に算出される。このマイクロレンズの球面からの差異はわずかであるが、マイクロレンズアレイを作製する新しい方法が本発明者により開発された。この方法について以下に図１１を参照して説明する。
【００２７】
まず、スプレーコーティングにより、厚みが数ミクロンオーダーのフォトレジストをレンズとプローブとが一体化するアレイ基板に塗布し、上述した第１マスクを用いて円柱状のフォトレジストアレイを基板に形成する。この円柱フォトレジストアレイを２００℃前後の高温槽中にて溶かす。これによりフォトレジストは表面張力により大略半球状になる。このフォトレジストレンズを半導体基板に転写エッチングする。この転写にはイオンビーム・ミリング装置や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置を用いて行うことができる。これは気体による気相エッチングであり、放電させるプラズマの濃度や気体の混合率によって、フォトレジストや半導体のエッチングレートが図１２に示すように変化することを利用してフォトレジストの球面を半導体の非球面に転写できる。転写直後のレンズ表面はかなり粗面であるが、イオンビーム・ミリング装置により時間をかけて表面処理することによりＲＭＳ数nmの表面形状にすることが出来る。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、マイクロレンズと近接場光プローブとがセルフアライメントにより作製されているのでマイクロレンズの焦点位置と近接場光プローブとが精密に一致し、高効率半導体近接場プローブが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に従った近接場半導体光プローブ装置の１素子の断面図。
【図２】図１の近接場半導体光プローブ装置の３素子の断面図。
【図３】図１の近接場半導体光プローブ装置の半導体レーザーアレイの斜視図。
【図４】図３の半導体レーザーアレイの近接部光奇跡整列を示す図。
【図５】図１の近接場半導体光プローブ装置を用いた光ディスクシステムの斜視図。
【図６】全反射の際に発生するエバネッセント波と金属薄膜に誘起される表面プラズモン波を示す図。
【図７】表面プラズモンの伝搬を示す図。
【図８】エバネッセント波と表面プラズモン波とを位相整合させたときの状態を示す図。
【図９】プローブを製作する方法を説明する図。
【図１０】プローブを製作する方法を説明する図。
【図１１】マクロレンズを製作する方法を説明する図。
【図１２】ＲＩＥによるレジストエッチングの状態を表す図。
【符号の説明】
１１…ＶＣＳＥＬ素子
２１…マクロレンズ
２２…プローブ
３１…ジンバル
３２…パット
３３…光ディスク
４１…薄い半導体基板
４２…フォトレジスト
４３…赤外感光膜
４４…マスク
４５…金属膜
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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