JP2003006913A

JP2003006913A - 近視野光ヘッド

Info

Publication number: JP2003006913A
Application number: JP2001189783A
Authority: JP
Inventors: Manabu Omi; 学大海; Yasuyuki Mitsuoka; 靖幸光岡; Nobuyuki Kasama; 宣行笠間; Hidetaka Maeda; 英孝前田; Kenji Kato; 健二加藤; Yoko Shinohara; 陽子篠原; Takashi Arawa; 隆新輪
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2003-01-10
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: JP4601867B2

Abstract

(57)【要約】【課題】近視野光を介した記録媒体との相互作用によ
って、高密度な情報の記録および読取を実現させるため
の情報記録／読取装置、特に高い光効率の近視野光ヘッ
ドを提供することを目的としている。【解決手段】近視野光を発生させる微小開口の周辺
に、周期的凹凸構造を持つ金属膜を形成することで、プ
ラズモンを介したエネルギー伝播機構を実現し、光効率
の向上を実現した。

Description

【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（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅ
ａｍ）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Ａ
ｌ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、５
０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（ＴｉｎｅｋｅＴ
ｈｉｏ，Ｈ．Ｊ．Ｌｅｚｅｃ，Ｔ．Ｗ．Ｅｂｂｅｓｅ
ｎ，ＰｈｙｓｉｃａＢ，ｖｏｌ．２７９，９０（２０
００））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．Ｓｏｎｎｉｃ
ｈｓｅｎ，Ａ．Ｃ．Ｄｕｃｈ，Ｇ．Ｓｔｅｉｎｉｎｇｅ
ｒ，Ｍ．Ｋｏｃｈ，Ｇ．ｖｏｎＰｌｅｓｓｅｎ，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４
００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Ｓ７
０２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（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａ
ｍ）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Ａ
ｕ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１
７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１２Ａｕ膜１３微小開口１４直方体形状１５Ｓｉ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

フロントページの続き (72)発明者笠間宣行千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者前田英孝千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者加藤健二千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者篠原陽子千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者新輪隆千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内Ｆターム(参考） 5D119 AA38 AA40 AA43 CA06 JA34

Claims

【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。
【請求項２】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請求項１に記載の近視野光ヘッド。
【請求項３】前記凹凸構造の周期が、５０ナノメート
ルから５００ナノメートルの間のいずれかであることを
特徴とする請求項１あるいは２に記載の近視野光ヘッ
ド。