(57)【要約】【解決手段】本発明は光ディスクのための高解像度読取りヘッドに関する。高解像度読取りヘッドは、単色光のレーザ源(12)と、径方向に偏光するための偏光子(15)と、その中央部及び周縁部が光を通さない環状絞り(16)と、光ビームを形成するための光システム(13,14)と、半球状レンズ(1) を含む集光超小形構成部品(11)とを備えており、半球状レンズ(1) の焦点にナノワイヤ(2) が配置されており、ナノワイヤ(2) は半球状レンズ(1) の面に直交しており、ナノワイヤ(2) の先端部が金属の半球(3) で覆われている。
2012521057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ディスクのための高解像度ピックアップにおいて、
単色光のレーザ源(12)と、
径方向に偏光するための偏光子(15)と、
その中央部及び周縁部が光を通さない環状絞り(16)と、
光ビームを形成するためのシステム(13,14) と、
半球状レンズ(1) を含む集光超小形構成部品(11)と
を備えており、
前記半球状レンズ(1)は、該半球状レンズ(1) の焦点に配置され該半球状レンズ(1) の面に直交するナノワイヤ(2) を有しており、該ナノワイヤ(2) は、金属の半球(3) を先端部に有していることを特徴とする高解像度ピックアップ。
【請求項２】
前記半球状レンズ(1)の直径は、約１乃至５μm であることを特徴とする請求項１に記載の高解像度ピックアップ。
【請求項３】
前記ナノワイヤは、長さが10乃至100 nm、好ましくは30乃至60nmのシリコンナノワイヤであり、該ナノワイヤの直径は10乃至60nm、好ましくは30乃至40nmであることを特徴とする請求項１又は２に記載の高解像度ピックアップ。
【請求項４】
前記金属の半球(3) は金から形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高解像度ピックアップ。
【請求項５】
前記集光超小形構成部品によって反射した光が、スプリッタ(18)によって光センサ(19)に向けてサンプリングされることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高解像度ピックアップ。
【請求項６】
光ディスクから、大きさが約20乃至50nmであるパターンを読み取ることが可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の高解像度ピックアップ。
【請求項７】
前記高解像度ピックアップと光ディスクとの距離を制御するための装置を更に備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の高解像度ピックアップ。
【請求項８】
400 乃至520 ナノメートルの波長での作動が可能であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の高解像度ピックアップ。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスクの分野に関し、より具体的には光ディスクのための高解像度ピックアップに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスク（CD、次にDVD 、現在ではブルーレイ（BluRay））の現在の記憶容量は、読取りスポットの大きさに関連付けられており、従って、レイリー基準であるp=λ/NA に従っている。ここで、p は光スポットの半径であり、λは波長であり、NAは２nsinθに等しい開口数である。ここで、n は、光波が伝搬する材料の光学指数であり、θは、集束機能を備えたレンズシステムの口径の最大角である。このタイプの光ディスクの記憶容量を増大するための複数の選択肢が以下に示されている。
【０００３】
レイリー基準を避けた選択肢：
−  超分解能：光ディスク上の読取り／書込みスポットの大きさを、光ディスクを照射する光スポットの大きさと同一に減少させるために、光ディスクを形成する材料の特性の局所的な修正を使用する。
−  ホログラフィー：情報が、光ディスクの表面の２次元に記憶されるだけでなく、xyz 方向の体積全体にも分散される。この解決法は、光ディスクの複製を成形によって行うことができず、光ディスクに夫々光学的に書き込む必要があるので、光ディスクの迅速な複製に関する問題を引き起こす。
−  複数レベルへの書込み：２以上の双方向情報層が同一の支持体上に積み重ねられる。様々な層が、集束を調整することによって連続的に読み取られる。
【０００４】
レイリー基準を改善する選択肢：
−  波長の減少：赤外線ではなく紫外線に近い領域の波長、例えば405 nmが、いわゆる「ブルーレイ（BluRay）」システムで使用される。
−  開口数の増加：一般に使用されている手法は、固体浸漬レンズを使用することである。ビームの焦点が、開口数が大きい光システムによって半球状レンズ（SIL ）の平面上に合わせられる。開口数NAは、半球状レンズを照射するビームの開口数に半球状レンズ（SIL ）を形成する材料の光学指数を掛けた値に等しい。すなわち、NA=nSIL*NAinc 。ここで、NAinc は入射ビームの開口数を示している。この光システムは、適した照射（ビームの径方向偏光及び環状マスキング）を使用することによって更に改善され得る。最適な照射状態（適した偏光、適度なマスキング、405 nmの波長、及びNAinc=0.85）では、半球状レンズの焦点におけるスポットが約180 nmの直径を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第2008／079123号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この最後の解決法は、現在最も見込みのある解決法の内の１つである。しかしながら、上述したように、波長が405nmである状態ではスポットの大きさが約180 nmに制限されたままであり、つまり、光ディスク上のこの大きさより小さいパターンを分析することが困難である。
【０００７】
本発明の実施形態の目的は、スポットの大きさを更に小さくすることを可能にし、光ディスクの読取りに適した光ピックアップシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
従って、本発明の実施形態は、光ディスクのための高解像度ピックアップにおいて、単色光のレーザ源と、径方向に偏光するための偏光子と、その中央部及び周縁部が光を通さない環状絞りと、光ビームを形成するためのシステムと、半球状レンズを含む集光超小形構成部品とを備えており、前記半球状レンズは、該半球状レンズの焦点に配置され該半球状レンズの面に直交するナノワイヤを有しており、該ナノワイヤは、金属の半球を先端部に有していることを特徴とする高解像度ピックアップを提供する。
【０００９】
本発明の実施形態によれば、前記半球状レンズの直径は、約１乃至５μm である。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、前記ナノワイヤは、長さが10乃至100 nm、好ましくは30乃至60nmのシリコンナノワイヤであり、該ナノワイヤの直径は10乃至60nm、好ましくは30乃至40nmである。
【００１１】
本発明の実施形態によれば、前記金属の半球は金から形成されている。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、前記集光超小形構成部品によって反射した光が、スプリッタによって光センサに向けてサンプリングされる。
【００１３】
本発明の実施形態によれば、前記高解像度ピックアップは、光ディスクから、大きさが約20乃至50nmであるパターンを読み取ることが可能である。
【００１４】
本発明の実施形態によれば、前記高解像度ピックアップは、該高解像度ピックアップと光ディスクとの距離を制御するための装置を更に備えている。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、前記高解像度ピックアップは、400 乃至520 ナノメートルの波長での作動が可能である。
【００１６】
本発明の前述及び他の目的、特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に従って使用される集光超小形構成部品を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光ディスク読取りシステムを光学的に示す図である。
【図３】集光超小形構成部品を製作する一例の連続的なステップを示す図である。
【図４】集光超小形構成部品を製作する一例の連続的なステップを示す図である。
【図５】集光超小形構成部品を製作する一例の連続的なステップを示す図である。
【図６】集光超小形構成部品を製作する一例の連続的なステップを示す図である。
【図７】集光超小形構成部品を製作する一例の連続的なステップを示す図である。
【図８】集光超小形構成部品を製作する一例の連続的なステップを示す図である。
【図９】集光超小形構成部品を製作する一例の１ステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
明瞭化のために、同一の要素は異なる図面において同一の参照番号が付与されている。更に、集積回路の図示ではよく見られるように、様々な図面は正しい縮尺で示されていない。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に従って使用される集光超小形構成部品を示している。この集光超小形構成部分は半球状レンズ、すなわち固体浸漬レンズ1 を備えており、固体浸漬レンズ1 は、ナノメータサイズの小型要素、好ましくは１本のナノワイヤ2 を固体浸漬レンズ1 の平面上に有している。ナノワイヤ2 は小さな機械式小球3 を先端部に有しており、小球3 は、好ましくは半径がナノワイヤ2 の半径と同一である半球状である。このような集光のためのナノワイヤ2 は、光ディスクのためのピックアップの使用に関して顕著な利点を有する。
【００２０】
図２は、光ディスクのための高解像度光ピックアップシステムを示している。
【００２１】
光ディスクの表面が、図２の右側に参照番号10で示されており、通常通りに、識別されるべきバンプ及び孔を備えている。
【００２２】
組立体は、図１に示されているような集光超小形構成部品11を備えている。ビームが、レーザ12から生じて、単レンズとして示された光システム13によって広げられ平行ビームに変形させられ、更に単レンズとして示された集束レンズ14によって半球状レンズ1 の焦点に合わせられる。半球状レンズ1 は、このようなビームによって照射される。径方向に偏光するための偏光子15が、例えば扇状に配置された複数の直線状の偏光要素から構成されており、ビーム内に、好ましくはビームが平行である位置に配置されている。
【００２３】
環状絞り16が、ビームの途中に更に配置されており、内半径r1及び外半径r2を有する。環状絞り16によって、（可能な限り大きい値が選択され、例えば0.85に等しい）開口数より大きなピックアップ上の入射角を有するビームの全て又は一部をマスキングすることが可能になる。更に、環状絞り16によって、半球状レンズの材料、例えばシリカとの界面での全内部反射角より小さな入射角を有するビームをマスキングすることが可能になる。従って、以下の半径が選択される。
r1 = fobj*tan[Arcsin(1/nSIL)]
r2 = fobj*tan[Arcsin(NA)]
ここで、
fobjは、集束レンズの焦点距離であり、
nSILは、半球状レンズ（SIL ）を形成している材料の光学指数であり、
NAは、集束レンズの開口数である。好ましい実施形態では、この開口数は0.85に等しい。
【００２４】
環状絞り16は、光システムである集束レンズ14の後方に配置されてもよく、この場合には
r1 = d*tan[Arcsin(1/nSIL)]
r1 = d*tan[Arcsin(NA)]
ここで、d は、環状絞り16と半球状レンズ1 の平面との距離を示している。
【００２５】
スプリッタ18によって、光ディスクと相互作用した後、超小形構成部分11によって反射した光を、反射した光の強度を検出することが可能な光センサ19に向けて方向付けることが可能になる。
【００２６】
このような高解像度光ピックアップシステムでは、
−  400 乃至520 nmの波長帯内の照射光、
−  長さが10乃至100 nm、好ましくは30乃至60nmであり、直径が10乃至50nm、好ましくは20乃至30nmであるシリコンナノワイヤ2 、
−  金の半球3 、及び
−  シリカの固体浸漬レンズ1 を
選択することにより、大きさが約20乃至30nmであり、つまり半球状単レンズを用いて得られた光スポットの大きさよりはるかに小さな光スポットが、金の半球3 から数ナノメートルの位置に得られる。このため、光ディスク上の同程度の大きさのパターン、つまり大きさが20nm程度に小さい場合があるパターンを分析することが可能になる。その結果、データが非常に高密度に記憶されている光ディスクを読み取ることが可能になる。
【００２７】
更に、このような条件では、非常に高い出力効率、つまり、10％より大きい場合がある光ディスクの隆起部分と窪み部分との対比が得られることが認識され得る。更に、反射光の量が入射光の量に対して非常に多いことが認識され得る。例えば、１ワットの光が環状絞りによって画定された環に送られると、700 mW程度のエネルギーが得られる（例えば、隆起した表面に関して730 mWのエネルギーが得られ、窪んだ表面に関して700 mWのエネルギーが得られる）。
【００２８】
高解像度光ピックアップシステムは、特にエバネッセント波に基づいており、本発明に従って使用される集光超小形構成部品の金属の半球は、照射波長よりはるかに小さい光ディスクからの距離、例えば、約５乃至200 nmの距離に配置されるとみなされる。ピックアップと光ディスクとの距離を制御するための装置が更に設けられていることが好ましい。
【００２９】
上述された超小形構成部分を形成する方法が、マイクロエレクトロニクス業界で典型的な以下のステップにより実現され、図３乃至８を参照して詳述される。図３乃至８は、超小形構成部分を製作するための様々なステップにおける超小形構成部分を示す断面図である。
【００３０】
図３及び４に図示された第１ステップでは、以下の要素を有する積層体が、第１の材料の基板100 の第１の表面上に形成される。
−  等方性エッチングが行われ得る第２の材料の第１の層101 。尚、第１の層101 は実際の基板100 であってもよい。
−  少なくとも１つの第３の材料によって形成された第２の層102 。この第２の層102 は光を通さず、下方の層の等方性エッチングに対する抵抗性を有する必要がある。言うまでもなく、この単一の第２の層102 は、所望の効果を得るべく複数の層の積層体と置き換えられてもよい。
【００３１】
その後、ナノメータサイズの開口部103 がこの第２の層102 に形成される。
【００３２】
第１の材料はシリコンであってもよく、第２の材料はシリコン又は酸化シリコンであってもよく、第３の材料は、サブ層に応じて窒化シリコン、酸化シリコン、金又は白金のような金属であってもよい。
【００３３】
図５に図示された第２ステップでは、略半球状の空隙部106 が、等方性エッチングによって第２の層102 の開口部103 を通って基板100 に形成される。このようにして、開口部103 に対する焦点が自己調整される。
【００３４】
図６に図示された第３ステップでは、窒化シリコンであってもよい第４の材料から形成された第１の共形的成膜層107 が形成され、その後、酸化シリコン又は酸化ハフニウムのような光学指数が高い材料から形成された厚い層が、略半球状の空隙部106 に成膜され、固体浸漬レンズの球状部分108 になる。その後、第２の平坦化がこの最後に成膜された球状部分108 に対して行なわれる。
【００３５】
図７に図示された第４ステップでは、球状部分108 を覆う基板の一部が、この球状部分108 を露出すべく基板の裏面に対する異方性エッチングによって除去される。
【００３６】
図８に図示された第５ステップでは、ナノメータサイズの物体109 が第２の層の開口部の中央部に形成される。この第５ステップの後、焦点領域の開口部にカーボンナノチューブ又はナノワイヤのような異方性形状が強いナノ物体を成長させるステップが続く。
【００３７】
一例として、ナノ物体を形成するステップが、レンズを構造化した後に、成膜された又は層転写によって転写された補助層又は多層構造に対するエッチングステップにより行なわれてもよい。成膜される層又は多層構造の場合には、層又は多層構造がナノ物体を形成すべく直接構造化される。前記ナノ物体は、一般に多結晶であり、その形状因子はこの技術ではほとんど重要ではない。単結晶の物体を得るためには、層転写法がより適している。複数の材料から形成された平面上に分子結合によって層を転写する方法が、米国特許出願公開第2008／079123号明細書に述べられている。図９に図示されているように、転送された層は、シリコンから形成されてもよい成長層110 と、金から形成されてもよい触媒層111 と、下層が酸化物から形成されてもよい保護層112 とを有するサンドイッチ構造体から形成されてもよい。その後、単結晶のナノワイヤが、成長層110 に直接エッチングされ得る。このエッチングに続いて、残りの保護層112 の汚れを落とした後、金の触媒層111 から、又は公知のCVD 手法に応じてナノワイヤを成長させるステップが行われてもよい。従って、高い形状因子を得ることが可能になる。
【図１】
2012521057.tif 000003
【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】
2012521057.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012521057.tif 000011
【国際調査報告】
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2012521057.tif 000013
2012521057.tif 000014
2012521057.tif 000015
2012521057.tif 000016
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