JP2000082231A

JP2000082231A - 光ヘッド

Info

Publication number: JP2000082231A
Application number: JP10265689A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Miyauchi; 大助宮内; Toru Kineri; 透木練; Osamu Shinoura; 治篠浦; Hidehiko Yamaoka; 英彦山岡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2000-03-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ソリッドイマージョンレンズを利用する光ヘ
ッドにおいて、精度の向上、量産性の向上、小型化を実
現する。【解決手段】光情報媒体への照射光を集光するための
対物レンズと、光情報媒体と対物レンズとの間に設けら
れ、実効的な開口数を変換するソリッドイマージョンレ
ンズとを備える光ヘッドであって、対物レンズ１２およ
び／またはソリッドイマージョンレンズ２２が、ガラス
基板１の一部の屈折率をイオン交換によって変えること
により形成されたものである光ヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光の回折限界を超
えて光記録媒体上の情報を記録再生できる光ヘッドに関
する。

【０００２】

【従来の技術】光記録デバイスの大容量化、小型化にと
もない、記録ビットの高密度化が要求されている。

【０００３】光記録におけるビットサイズは、光ビーム
のスポットサイズ径に相当し、光の波長λに比例、か
つ、開口数ＮＡに反比例する。そのため、高密度化の方
向としては、光の短波長化、使用レンズの高ＮＡ化の２
種類が挙げられる。

【０００４】レンズの高ＮＡ化技術として、ソリッドイ
マージョンレンズ（ＳＩＬ：固浸レンズ）を用いた方法
が提案されている［米国特許第５，００４，３０７号明
細書（文献１）, Applied Physics Letters 57, p2615-
2616 (1990)（文献２）］。

【０００５】ＳＩＬは屈折率の大きい透明材質で構成さ
れる半球状レンズである。対物レンズで収束した光ビー
ムをＳＩＬの球面に対して垂直に入射させ、ＳＩＬの底
面の中心に集光させる。その状態でＳＩＬを試料表面に
接近させ、波長λの１／４以内の間隔で試料に光を入射
させると、λ／ｎの波長の光が試料に伝搬し、回折限界
で決定されるビームスポット径を１／ｎにすることがで
きる。

【０００６】Applied Physics Letters 65, p388-390
(1994)（文献３）には、ＳＩＬの球面で入射光を屈折さ
せ、スポット径を１／ｎ²とする方法が示されている。
この場合のＳＩＬは半球状レンズではなく、レンズ半径
をｒ、レンズ屈折率をｎとしたとき、厚さがｒ（１＋１
／ｎ）である、いわゆる超半球レンズになる。

【０００７】米国特許第５，４９７，３５９号明細書
（文献４）には、ＳＩＬと、これを貼り付けるスライ
ダ、スライダを支持するサスペンション、光源、記録媒
体を有するディスク、その回転用のモータを備える光記
録システムが開示されている。前述のように、ＳＩＬと
試料表面（この場合、記録媒体表面）との間隔は光の波
長λの１／４以内を維持する必要があるので、ＳＩＬを
浮上スライダに搭載してλ／４以内の間隔に制御してい
る。浮上スライダは、磁気記録分野においてハードディ
スクドライブ用ヘッドに利用されており、上記間隔（浮
上量）を１００nm以下に安定して制御することができる
技術である。

【０００８】Applied Physics Letters 68,P141-143(19
96)（文献５）には、前述のＳＩＬを貼り付けたスライ
ダを光ピックアップヘッドに組み込み、ＴｅＦｅＣｏを
記録材料とする光磁気記録媒体を用いて記録、再生を行
った例が報告されている。この例では、ＳＩＬは屈折率
１．８３のガラスでできており、１５０nmの浮上量で３
６０nmのスポット径を実現している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】文献１、２に示される
ように、ＳＩＬを用いた顕微鏡では１００nmのライン-
スペースが観察され、分解能が非常に向上している。た
だし、光記録媒体に対し、高速に記録、再生を行うため
には、文献４、５に示されるように、ＳＩＬを浮上スラ
イダと一体化する必要がある。しかし、文献４、５で
は、ＳＩＬをスライダに接着する方法を採っているた
め、製造に非常に手間がかかり、量産には適さない。

【００１０】また、ＳＩＬを利用する光ヘッドでは、Ｓ
ＩＬに集光させるための対物レンズが必要であり、か
つ、この対物レンズはＳＩＬに対し極めて高精度に位置
決めされている必要がある。しかし、文献４には、スラ
イダ上に支持体を載せ、この支持体に、半導体レーザー
およびフォトディテクタを含むアセンブリと共に対物レ
ンズを搭載している例が記載されているだけである。こ
のような構造にすると、高精度の位置決めが困難であ
り、また、量産が難しく、また、光ヘッドが大型化して
しまうという問題がある。一方、文献５では、通常の光
磁気ディスクのテストシステムにＳＩＬを搭載したスラ
イダを組み込んでおり、対物レンズとスライダとの一体
化および小型化については考慮されていない。

【００１１】本発明は、このような事情からなされたも
のである。本発明の目的は、ソリッドイマージョンレン
ズを利用する光ヘッドにおいて、精度の向上、量産性の
向上、小型化を実現することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、下記（１）
および（２）のいずれかの構成により達成される。（１）光情報媒体への照射光を集光するための対物レ
ンズと、光情報媒体と対物レンズとの間に設けられ、実
効的な開口数を変換するソリッドイマージョンレンズと
を備える光ヘッドであって、対物レンズおよび／または
ソリッドイマージョンレンズが、ガラス基板の一部の屈
折率をイオン交換によって変えることにより形成された
ものである光ヘッド。（２）前記ガラス基板が、スライダの少なくとも一部
を構成している上記（１）の光ヘッド。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１に、本発明の光ヘッドの構成
例の主要部を示す。この光ヘッドは、光記録媒体に照射
光を集光するための対物レンズ１２と、実効的な開口数
を変換するソリッドイマージョンレンズ（以下、ＳＩ
Ｌ）２２とを有する。対物レンズ１２およびＳＩＬ２２
は、イオン交換によって板状のガラス基板１の屈折率を
部分的に変化させることにより形成された半球状領域で
あり、いずれも半球の底面、すなわち、ガラス基板の表
面において最も屈折率の高くなる屈折率勾配のついたレ
ンズである。

【００１４】このような平板レンズの作製方法の例を、
図２により説明する。まず、ナトリウムを含有するガラ
ス基板１を用意する。ガラス基板１の表面に、マスクと
してＴｉ薄膜９１を形成する（１）。次に、Ｔｉ薄膜９
１をパターニングして、微小孔９２を形成する（２）。
そして、溶融塩である亜鉛・カリウム・タリウムの混合
硫酸塩にガラス基板１を浸漬し、微小孔９２を通して、
ガラス中のナトリウムイオンと溶融塩中のカリウムイオ
ンとを交換する。このとき、溶融塩中において、ガラス
基板１の表面および裏面に電極を設けて電圧を印加すれ
ば、イオン交換が速やかに進行する。イオン交換が生じ
る範囲は、微小孔９２から等距離の領域であるため、微
小孔９２を中心とする半球状の領域においてイオン交換
が生じて屈折率が増大し、対物レンズ１２が形成される
（３）。

【００１５】ここで、Ｔｉ薄膜９１をいったん取り除い
た後、再びＴｉ薄膜９１を形成する。これにより、対物
レンズ１２はＴｉ薄膜９１でマスクされる。次に、対物
レンズ１２を形成した面の反対側の面において、Ｔｉ薄
膜９１をパターニングして微小孔９３を形成する
（４）。この微小孔９３は、対物レンズ形成に用いた上
記微小孔９２よりも小径とすることが好ましい。この微
小孔９３を形成するに際しては、その中心が対物レンズ
１２の光軸上に存在するように、正確なアライメントを
行う。次いで、対物レンズ形成のときと同様にして、上
記溶融塩中に浸漬してイオン交換を行う（５）。これに
より、半球状のＳＩＬ２２が形成される。最後に、Ｔｉ
薄膜９１を除去する（６）。

【００１６】このようにイオン交換により平板レンズを
作製する方法は、例えば、応用物理,55,661(1986)に記
載されている。

【００１７】対物レンズ１２およびＳＩＬ２２の曲率半
径は、実効的開口率などの要求特性に応じて適宜決定す
ればよい。また、ガラス基板１の厚さは、必要とされる
光路長などに応じ、適宜決定すればよい。

【００１８】本発明では、このような方法により対物レ
ンズ１２とＳＩＬ２２とを形成するので、両レンズ間の
光軸を精度よく一致させることができ、また、両レンズ
の間隔を高精度に設定することができる。また、光ヘッ
ドの組み立ておよび使用の際に、光軸の一致およびレン
ズ間隔に狂いが生じることがない。また、製造の際の工
程数が少なくなり、量産性が良好となる。

【００１９】図２では、ガラス基板１に対物レンズ１２
およびＳＩＬ２２を一組だけ形成しているが、実際の製
造の際には、ガラス基板１にこれらを複数組形成し、素
子単位に切り出すことにより、複数の光ヘッドを同時に
作製する。切り出した素子をそのままスライダとして用
いてもよく、切り出した素子を別体のスライダに接着し
て用いてもよい。

【００２０】切り出した素子自体をスライダとして利用
する場合には、例えば図１に示すように、ガラス基板１
の底面の形状をスライダとして機能するように加工す
る。図示例では、磁気ディスク装置における浮上型ヘッ
ドのスライダと同様に、ガラス基板１の下面に、テーパ
部２３およびレール２４を形成してある。また、スライ
ダは浮上時にテーパ部２３の反対側が下がるため、ガラ
ス基板１の図中左端側に面取り部２５を設けて、ＳＩＬ
２２の光情報媒体への接近が阻害されないように構成し
てある。また、ＳＩＬ２２底面を光情報媒体に接近させ
るために、レール２４を形成する際にＳＩＬ２２底面付
近はエッチングせず、円板状に残してある。ガラス基板
１下面へのテーパ部２３、レール２４、面取り部２５の
形成およびその他の形状加工は、素子を切り出す前およ
び／または切り出した後に、エッチングなどにより行う
ことができる。また、図２に示すレンズ形成工程の前
に、ガラス基板１を形状加工してもよい。

【００２１】ガラス基板１下面には、光情報媒体に対し
接触ないし摺動する際の保護や摩擦低減のために、磁気
ディスク装置におけるスライダと同様に、ＤＬＣ（ダイ
ヤモンドライクカーボン）やカーボン等からなる保護膜
を設けてもよい。これらは、ＣＶＤ法やスパッタ法など
により形成すればよい。保護膜は、ＳＩＬの機能を妨げ
ないように、極めて薄く形成するか、ＳＩＬを除く領域
に形成することが好ましい。

【００２２】光情報媒体に対する接触ないし摺動により
生じた微細な塵埃がＳＩＬに付着することを防ぐため
に、ガラス基板１下面のＳＩＬ２２の周囲に凹部を設
け、塵埃が微小開口に到達する前にトラップされる構成
とすることも好ましい。この凹部の形状は、ＳＩＬを包
囲するドーナツ状であることが好ましい。この凹部は、
ガラス基板１下面のパターニングにより形成できるが、
ＤＬＣ等からなる上記保護膜をパターニングしたり、保
護膜の一部の厚さを調整することによっても形成でき
る。

【００２３】このように、磁気ディスク装置における浮
上型ヘッドと同様な構成とすることにより、ＳＩＬと光
情報媒体との間隔を、数十から百ナノメートル程度の範
囲で一定間隔に制御することができる。したがって、Ｓ
ＩＬ２２底面と光情報媒体との間隔を、入射光の波長λ
の１／４以内に制御することができ、回折限界を超える
微小な径の光スポットによる高速な記録再生が可能とな
る。なお、本発明の光ヘッドは、再生専用光情報媒体に
対する情報の再生、光記録媒体に対する情報の記録およ
び再生に利用可能である。

【００２４】本発明は、対物レンズおよびＳＩＬの一方
だけを平板レンズとする構成も包含する。この構成で
は、平板レンズとしないほうのレンズを、ガラス、樹
脂、Ｓｉなどからなる基板を成形することにより形成す
ることが好ましい。そして、この基板と平板レンズを形
成したガラス基板とを直接ないしスペーサを介して接合
することにより、光ヘッドの主要部を構成することが好
ましい。この構成の例を、図３、図４および図５にそれ
ぞれ示す。

【００２５】図３は、上記イオン交換により形成したＳ
ＩＬ２２を有するＳＩＬ基板２１と、形状加工により形
成した対物レンズ１２を有する対物レンズ基板１１とを
接合して製造したスライダである。図４は、図３と同様
な対物レンズ基板１１とＳＩＬ基板２１とを、スペーサ
３１を介して接合して製造したスライダである。図５
は、形状加工により形成したＳＩＬ２２を有するＳＩＬ
基板２１と、上記イオン交換により形成した対物レンズ
１２を有する対物レンズ基板１１とを、スペーサ３１を
介して接合して製造したスライダである。

【００２６】平板レンズではないレンズを有する基板の
材質およびスペーサ３１の材質は、接合対象の材質に応
じ、接合性を考慮して適宜決定すればよい。例えば、後
述する陽極接合法を利用する場合、ガラスとＳｉとが接
する組み合わせとする。したがって、この場合、図３で
は対物レンズ基板１１をＳｉから構成する。また、図４
では、スペーサ３１をＳｉから構成し、対物レンズ基板
１１をガラスから構成する。また、図５では、スペーサ
３１をＳｉから構成し、ＳＩＬ基板２１をガラスから構
成する。Ｓｉは、赤外領域の波長の光を透過するので、
Ｓｉをレンズ形状に加工すれば、赤外光に対してレンズ
として機能する。赤外光は長波長なので、スポット径を
小さくする目的には本来適さないが、赤外域におけるＳ
ｉの屈折率が３．５程度と非常に大きいので、波長が長
くてもスポット径を十分に小さくすることができる。

【００２７】図３〜図５において、平板レンズではない
レンズを有する基板がガラス製である場合、レンズ形成
にはガラスの型抜きを利用することができる。また、例
えば特公昭６１−４６４０８号公報に記載されているよ
うなガラスの熱変形法を利用することもできる。樹脂基
板を用いる場合には、例えば特公平５−７０９４４号公
報に記載されているようなプラスチックレンズアレイが
利用できる。Ｓｉ基板を用いる場合には、例えば図６に
示すプロセスが利用できる。図６では、まず、Ｓｉ（１
００）基板４１にフォトレジスト４３を塗布し、円板状
にパターニングする（１）。次いで、１８０℃程度でポ
ストベークを行うことによりフォトレジスト４３を軟化
させ、レンズ形状とする（２）。そして、ＲＩＥ（Reac
tive IonEtching）によりＳｉ（１００）基板４１をエ
ッチングすると、フォトレジスト４３の形状がＳｉ（１
００）基板４１に転写され（３）、最終的にＳｉ（１０
０）基板４１がレンズ形状となる（４）。フォトレジス
ト４３とＳｉとのエッチング速度の選択比を、エッチン
グガス組成で制御することにより、所望の形状のＳｉレ
ンズが得られる。

【００２８】図４および図５では、それぞれ対物レンズ
１２およびＳＩＬ２２を収容する空隙を確保するため
に、スペーサ３１を設けると共に、このスペーサ３１の
対物レンズ１２とＳＩＬ２２との間に貫通孔３２を形成
してある。

【００２９】スペーサ３１をＳｉから構成する場合、貫
通孔３２の形成には、アルカリ溶液によるエッチングを
利用することができる。その場合のプロセスの例を、図
７により説明する。まず、Ｓｉ（１００）基板４１の表
面に窒化ケイ素膜４２を形成し、さらにその上にフォト
レジスト４３を塗布し、これをパターニングしてＳｉ
（１００）基板４１に達する孔を形成する（１）。窒化
ケイ素膜４２の形成には、例えば、原料ガスとしてＳｉ
Ｈ₄およびＮＨ₃を用いるＬＰＣＶＤ（Low Pressure Che
mical Vapor Deposition）を利用すればよいが、他の方
法を利用してもよい。窒化ケイ素膜４２のエッチングに
は、ＲＩＥ等のドライエッチング法、フッ化水素水溶液
を用いるウエットエッチング法のいずれを用いてもよ
い。次いで、窒化ケイ素膜４２をエッチングマスクとし
てＳｉ（１００）基板４１をエッチングし、貫通孔３２
を形成する（２）。このエッチングには、ＫＯＨ水溶液
を用いることができる。よく知られているように、Ｓｉ
は（１００）面と（１１１）面とでエッチング速度が極
端に異なるため、このエッチングは異方性エッチングと
なる。したがって、貫通孔３２は、図示するように内側
面が（１１１）面である四角錐状となる。最後に、窒化
ケイ素膜４２を除去する（３）。

【００３０】一方、スペーサ３１をガラスから構成する
場合、貫通孔３２はエッチングにより形成することがで
きる。

【００３１】レンズ基板同士の接合や、レンズ基板とス
ペーサとの接合には、接着剤を用いてもよいが、好まし
くは陽極接合法を利用する。陽極接合法は、アルカリガ
ラスとＳｉとを密着させ、電界を印加することにより両
者を均一に接合できる方法であり、シリコンマイクロマ
シニング技術においてよく知られている方法である。対
物レンズ１２の中心とＳＩＬ２２の中心とを正確にアラ
イメントした上で陽極接合法により接合すれば、対物レ
ンズ１２とＳＩＬ２２との間の光軸ずれおよび両者間の
距離のばらつきを回避することができ、それ以降の製造
工程および使用時に狂いが生じることもない。また、対
物レンズ１２とＳＩＬ２２との間隔は、レンズ基板の厚
さやスペーサの厚さにより決定されるが、これらの厚さ
を高精度に管理することは容易である。したがって、図
３〜図５に示す構成においても、焦点をＳＩＬ２２の底
面に正確に位置させることは容易である。なお、陽極接
合法における条件は特に限定されないが、通常、ガラス
製基板とＳｉ製基板との間に印加する電圧は３００〜５
００V程度、接合時の温度は３００〜４００℃程度とす
ることが好ましい。

【００３２】

【実施例】図２に示す前記方法により、ガラス基板１に
対物レンズ１２およびＳＩＬ２２を形成し、図１に示す
形状のスライダを得た。スライダは、幅２mm、長さ４m
m、高さ２mmとした。ガラス基板１には、ソーダ・ケイ
酸ガラス（波長６５０nmにおける屈折率１．５１）を用
いた。微小孔９２の径は０．３mmとし、曲率半径１．２
mmの半球状の対物レンズ１２を形成し、微小孔９３の径
は０．１mmとし、曲率半径０．４mmの半球状のＳＩＬ２
２を形成した。これらのレンズは、半球の底面における
波長６５０nmでの屈折率が２．０２であった。これによ
り、光スポット径は１／２．０２にまで縮小された。

【００３３】

【発明の効果】本発明では、ガラス基板の表裏面からイ
オン交換を行って平板レンズを形成し、これらを対物レ
ンズおよびＳＩＬとして用いる。このため、対物レンズ
の光軸とＳＩＬの光軸とを精度よく一致させることがで
き、また、両レンズ間の間隔を精度よく設定できる。ま
た、大面積のガラス基板に複数組の対物レンズ、ＳＩＬ
を形成した後、素子単位に分割して光ヘッドを作製する
ことができるので、高精度の光ヘッドを容易に量産する
ことができる。

【００３４】また、対物レンズおよびＳＩＬの一方だけ
を平板レンズとした場合でも、同様な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ヘッドの構成例の主要部を示す断面
図である。

【図２】本発明の光ヘッドを製造する方法を説明する図
である。

【図３】本発明の光ヘッドの構成例の主要部を示す断面
図である。

【図４】本発明の光ヘッドの構成例の主要部を示す断面
図である。

【図５】本発明の光ヘッドの構成例の主要部を示す断面
図である。

【図６】Ｓｉから構成されるレンズ基板を作製する方法
を説明する図である。

【図７】Ｓｉから構成されるスペーサに貫通孔を形成す
る方法についての説明図である。

【符号の説明】

１ガラス基板１１対物レンズ基板１２対物レンズ２１ソリッドイマージョンレンズ（ＳＩＬ）基板２２ソリッドイマージョンレンズ（ＳＩＬ）２３テーパ部２４レール２５面取り部３１スペーサ３２貫通孔４１Ｓｉ（１００）基板４２窒化ケイ素膜４３フォトレジスト９１Ｔｉ薄膜９２、９３微小孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者篠浦治東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者山岡英彦東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内Ｆターム(参考） 5D119 AA01 AA11 AA22 JA44 JB02 JB03 MA06 NA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光情報媒体への照射光を集光するための
対物レンズと、光情報媒体と対物レンズとの間に設けら
れ、実効的な開口数を変換するソリッドイマージョンレ
ンズとを備える光ヘッドであって、対物レンズおよび／またはソリッドイマージョンレンズ
が、ガラス基板の一部の屈折率をイオン交換によって変
えることにより形成されたものである光ヘッド。
【請求項２】前記ガラス基板が、スライダの少なくと
も一部を構成している請求項１の光ヘッド。