JP2006202449A

JP2006202449A - 近接場光発生素子

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Publication number: JP2006202449A
Application number: JP2005015614A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Okamoto; 薫岡本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】近接場光を用いた光記録装置において、高密度、高転送レートを実現可能な光利用効率をもつ近接場光発生素子を提供することを目的とする。
【解決手段】基体１０２と、基体１０２には少なくとも、導電性材料からなる遮光膜１０３を備え、遮光膜１０３には、入射される光スポットよりも小なる面積を持つ微小開口部２０１と、少なくとも一つ以上の副開口部２０２が設けられており、微小開口部２０１と副開口部２０２までの距離ｄは、遮光膜１０３に励起される表面プラズモンポラリトンの波長λ_ｓｐｐに対して、λ_ｓｐｐ×（３／８）からλ_ｓｐｐ×（５／８）の範囲にあることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、近接場光発生素子に関するものであり、特に、光の回折限界を超える高い分解能を有する光ヘッドに用いる近接場光発生素子に関する。

ＣＤやＤＶＤのような光記録媒体は、高い記録密度を持つこと、可搬が容易であること、ドライブ、媒体ともに低価格である等の特徴をもつことから、現在広く普及している。

これらの光記録媒体には、高品質かつ長時間の映像データや音楽データの記録再生のために、さらなる記録密度の向上が望まれている。

記録密度を増加させるためにはデータの書き込み及び再生時の光スポットのサイズを小さくすることが必要となる。

従来、短波長の光源や、開口数の大きなレンズを用いることで光スポットの微小化を実現している。

しかし、この方法では光の回折限界によって、光スポットのサイズは光源波長程度に制限される。

この回折限界を超える技術として、近年、記録又は再生に近接場光を用いることが検討されている。

例えば、光源波長以下の大きさの微小開口に光を照射した場合には、その開口部近傍には、開口と同程度の大きさの近接場光が形成される。

この近接場光を用いれば光源の波長に依存せずに、光スポットの微小化を図ることができる。

しかしながら、実際にこの近接場光を利用して光記録又は再生を実現するには光の利用効率を上げなければならないという問題がある。

例えば、金属遮光膜に開口径ｄの微小開口を設け、開口径ｄより大きな波長λの光を照射した場合の光のパワーは、Ｈ．Ａ．Ｂｅｔｈｅ「ＴｈｅｏｒｙｏｆＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｂｙＳｍａｌｌＨｏｌｅｓ」ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ６６（１９４４）１６３−１８２によれば（ｄ／λ）の４乗に比例する。

したがって、熱記録を行うには明らかに強度不足となり、光再生に用いた場合にはＳＮ比が非常に悪くなってしまう。

その一方で、近接場光の利用効率を改善する試みもなされている。

例えば、特許文献１には導波路の端面にプラズモン増幅デバイスを設けて透過光強度を増幅する記録再生ヘッドが記載されている。

前記のプラズモン増幅デバイスは、波長以下の大きさの微小開口と、少なくとも一方の面の表面に周期的な表面トポグラフィを有する金属膜から構成されており、入射光は前記表面トポグラフィをもつ金属膜表面で表面プラズモン・モードと相互作用して微小開口を透過する光を増幅すると記載されている。

その結果、相変化記録媒体に対して微細なピットを記録可能な程に光強度が増強されたとある。

前記表面プラズモン増幅デバイスは単純な開口のみの場合に比べて１００倍以上の光強度増幅を得られるが、その場合であっても全体として透過するパワーは入射するパワーに比べると数％から１０％程度であり、高転送レートでの記録、再生を行うには不充分である。

また、例えば波長λ４０５ｎｍの青紫半導体レーザと開口率０．８５のレンズを用いた場合の光スポット径はおよそ３００ｎｍであり、この光スポット内に微小開口と表面トポグラフィの両方を持つ表面プラズモン増強デバイスを形成するのは、現在の微細加工技術では非常に難しい。

この問題はＳＩＬ（ＳｏｌｉｄＩｍｍｅｒｓｉｏｎＬｅｎｓ）やさらに短波長の光源を用いて入射する光スポット径を小さくした場合に顕著となる。

さらに、前記表面プラズモン増強デバイスは主に表面トポグラフィを利用した集光器としての働きを持つものであり、集光した微小開口部分の光伝送効率に関しては考慮されていない。

微小開口部分に着目し、励起した表面プラズモンポラリトンから近接場光を効率よく発生させる方式として、例えばＴ．Ｍａｔｕｍｏｔｏｅｔａｌ，Ｔｈｅ６ｔｈＩｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎＮｅａｒＦｉｅｌｄＯｐｔｉｃｓａｎｄＲｅｌａｔｅｄＴｅｃｈｓ．（２０００），Ｎｏ．Ｍｏ０１３に示されたシミュレーションの結果がある。

この方式では２個の微小金属体を対峙させた構造を有し、両者の先端部及びギャップ長は２０ｎｍ程度と入射光のスポット径よりも大幅に小さく形成されている。

また、入射光の偏光方向は、ギャップを横切る方向に整えられている。

このような構造により、微小金属体で励起される表面プラズモンポラリトンは、偏光方向に振動し、その先端部に発生する電荷の極性が逆となるため両者間でダイポールが形成され、効率よく近接場光を発生させることができる。

また、近接場光のサイズはギャップと同程度となるため、強力で微細な近接場光を形成することが可能となる。

前記シミュレーション結果ではギャップ部のみから光が放出され、このダイポールの形成により、放射される光の強度は入射光強度の２３００倍に増強されたとある。

しかし、入射光のスポット径は微小金属体の大きさよりもはるかに大きいため、入射光の多くは微小金属体と相互作用することなく透過される。

このため、光記録に利用することを想定した場合、この入射光を透過した部分が記録媒体を加熱してしまい、微細な記録マークを形成することが難しいという欠点がある。

上記の問題を解決するために、例えば、特許文献２では次のような開口形状をもつ光ヘッドが提案されている。

すなわち、透明集光用媒体中に微小金属体と、その周りには微小金属体を中心として遮光体が設けられており、開口部の外側に集光された部分の光は前記遮光体によって遮光されているために誤記録あるいは誤再生を防止できるとある。

また、入射光のスポット径が小さいＳＩＬには特に好適とある。

ただし、上記遮光体金属はあくまで遮光を目的としており、遮光された光スポット周辺部のエネルギーは損失するため、光の利用効率は落ちる。

また、発生する近接場光のサイズは中央の微小金属体のサイズに依存しており、さらなる高密度化のために微小金属体のサイズを小さくすると、光記録時にレーザ光の強度を上げると、微小金属体で吸収されるレーザ光が増大し、微小金属体が、加熱、融解されるという問題もあった。
特開２００１−２９１２６５号公報特開２００１−２３６６８５号公報

上記に挙げたように、入射光が金属と相互作用して表面プラズモンポラリトンを生成することで近接場光の光強度を増大させる従来技術では、微小開口部や光スポット周辺部の光利用効率を向上させ、なおかつ微小金属体と相互作用しない光が熱記録に悪影響を及ぼさないようにすることが課題であった。

さらに加えて、微小金属体の作製の簡易化、さらには微小金属体の加熱耐久性の改善が課題であった。

そこで本発明では、近接場光を用いた光記録装置において、高密度、高転送レートを実現可能な光利用効率をもつ近接場光発生素子を提供することを目的とする。

本発明者は鋭意工夫の結果、上記課題を以下の手段によって解決できることを見出した。

すなわち、基体と、該基体には少なくとも、導電性材料からなる遮光膜を備え、前記遮光膜には、入射される光スポットよりも小なる面積を持つ微小開口部と、少なくとも一つ以上の副開口部が設けられており、前記微小開口部と前記副開口部までの距離ｄは、前記遮光膜に励起される表面プラズモンポラリトンの波長λ_ｓｐｐに対して、λ_ｓｐｐ×（３／８）からλ_ｓｐｐ×（５／８）の範囲にあることを特徴とする近接場光発生素子を用いることによって上記課題を解決できる。

ここでλ_ｓｐｐはλ_ｉｎｃを入射する光の波長、ε_１、ε_２をそれぞれ前記基体の誘電率と前記導電性材料の誘電率として、数式１のように記載することができる。

また、前記遮光膜の導電性材料をＡｌ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｇ、Ａｕ又はそれらの合金とした近接場光発生素子を用いることによって上記課題を解決できる。

本発明に係る近接場光発生素子によると、副開口部を設けて表面プラズモンポラリトンを励起することで近接場光の強度分布を急峻とし、同時に開口率を大きくすることで光スポット周辺部の光利用効率を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の近接場光発生素子１０１の基本的な構成を示す断面図である。

図１に示すように、近接場光発生素子１０１は、基体１０２と、該基体表面上に形成される遮光膜１０３と、該遮光膜に設けられた微小開口部１０４及び副開口部１０５とを備えている。

基体１０２は、近接場光発生素子１０１に照射される光に対して透過率の高いＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＣ等の材料によって形成されている。

本実施の形態では屈折率１．５０の石英基板を用いた。

他方、遮光膜１０３は、近接場光発生素子１０１に照射される光に対して透過率の低い材料であって、かつ誘電率εの実部の絶対値｜Ｒｅ（ε）｜が大きな材料が求められる。

また、遮光膜１０３は、作製の容易さや、材料の入手しやすさから、例えば、Ａｌ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｇ、Ａｕ又はそれらを含む合金を用いるのが好ましい。

本実施の形態では、波長４０８ｎｍにおいて、上記の光学特性を満たす材料としてＡｌを用いた。

波長４０８ｎｍにおける誘電率を分光エリプソメータで測定したところ、Ｒｅ（ε_Ａｌ）＝−１５．７であった。

前記石英基板を洗浄し、該石英基板上にＤＣスパッタ法によりＡｌを１００ｎｍの厚さまで成膜した。

次に、石英基板を収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置に配置し、１×１０^−５Ｐａ以下の真空条件において、Ａｌ側より最小のビーム径を用いてイオンビームを照射し、Ａｌを切削加工することで微小開口部２０１及び副開口部２０２を設けた。

図２は、微小開口部２０１及び副開口部２０２の配置を示す平面図である。

また、それぞれの開口部の大きさは微小開口部２０１が幅４０ｎｍ、長さ１００ｎｍの長方形であり、副開口部２０２が幅１００ｎｍ、長さ４００ｎｍの長方形である。

さらに、微小開口部２０１と副開口部２０２の組を、Ａｌ合金上に５μｍの間隔で複数配置した。

各々の組は微小開口部２０１と副開口部２０２の距離を１００ｎｍから３００ｎｍの範囲で変化させて切削加工した。

上記のように作製した近接場光発生素子において、光源として波長４０８ｎｍの半導体レーザをＡｌ側から照射して、開口部からの光強度を測定した。

光強度の測定には、顕微鏡に分光器と視野制限用のピンホールを取り付けた装置を利用した。

また、前記光源から照射される光の偏光方向は位相差板を用いて各開口部の長手方向に垂直な方向の直線偏光とした。

図３（ａ）は、微小開口部２０１と副開口部２０２の間の距離が異なる、各々の開口部の光強度測定を行った結果を示すグラフである。

測定結果から、微小開口部２０１と副開口部２０２の間の距離が２００ｎｍから２２０ｎｍの近辺で光強度が最大となっている。

また、図３（ｂ）はレーザを石英基板から照射して同様の測定を行った結果を示すグラフである。

この場合には、微小開口部２０１と副開口部２０２の間の距離が１６０ｎｍから１８０ｎｍの間で光強度が最大となっている。

上記の結果は以下のように説明できる。

すなわち、レーザ光が入射される面の遮光膜の表面で励起される表面プラズモンポラリトンの波長λ_ｓｐｐに対して、微小開口部と副開口部の間の距離がλ_ｓｐｐ／２に近い場合に、透過光の強度が最大となる。ここでλ_ｓｐｐは、数式１のようになる。

ここでλ_ｉｎｃは入射する光の波長であり、ε_１、ε_２はそれぞれ遮光膜材料の誘電率とその界面の材料の誘電率である。

上式によれば、遮光膜材料がＡｌの場合で、その界面が空気（ｎ＝１．０）の場合にはλ_ｓｐｐ／２＝１９８ｎｍとなる。

また、界面が石英基板（ｎ＝１．５）の場合にはλ_ｓｐｐ／２＝１５８ｎｍと計算でき上記の測定結果と概ね一致する。

また、光強度が最大となる微小開口部と副開口部の間隔を選択した場合には、パワー透過率はおよそ３０％であり、光記録に必要な効率が得られる。

次に、微小開口部の光強度分布について、電磁界解析手法の一つである有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）によって数値的に解析を行った。

数値計算は以下に示す条件にて行った。

作製した近接場光発生素子と同様に基体（ｎ＝１．５）と該基体表面上の遮光膜（ｎ＝０．４９，ｋ＝４．０，厚さ１００ｎｍ）と、該遮光膜に設けられた微小開口部（４０×１００ｎｍ）及び副開口部（１００×４００ｎｍ）から構成される。

微小開口部と副開口部の間隔は１６０ｎｍとした。また数値計算可能領域には制限があるため基体の厚さは３００ｎｍとした。

図４は、遮光膜から２０ｎｍ離れた断面の光強度分布を示すグラフである。

副開口部の面積は微小開口部よりも大きいにもかかわらず、副開口部のピーク強度は微小開口部のピーク強度の半分以下であって、副開口部から出射される光が熱記録に与える影響は軽微であることが分かる。

さらに、本実施の形態では熱容量の小さな微小金属体を用いて微小スポットを形成するのでなく、微小開口で光スポットの微小化を行うため、従来技術に対して熱容量を大きく設計できる。

以上のように、導電性材料からなる遮光膜に微小開口部と副開口部を設け、その間隔を表面プラズポンポラリトンの波長と整合させることで、高効率の近接場光発生素子を得ることができる。

本実施の形態では微小開口部２０１、副開口部２０２は長方形としたが、図５に示すような円形、楕円形、多角形等の組合せであっても、微小開口部と副開口部間の距離ｄが表面プラズポンポラリトンを励起するような配置であれば良い。

すなわち、微小開口部と副開口部間の距離ｄがある領域ｄ_ｍｉｎ＜ｄ＜ｄ_ｍａｘとなる場合にはλ_ｓｐｐ×（３／８）＜ｄ_ｍｉｎ＜ｄ＜ｄ_ｍａｘ＜λ_ｓｐｐ×（５／８）であれば良い。

［比較例１］
実施の形態１と同様に、石英基板を洗浄し、該石英基板上にＤＣスパッタ法によりＣｒを１００ｎｍ成膜した。

続いて、石英基板を収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置に配置し、１×１０^−５Ｐａ以下の真空条件において、Ｃｒ側より最小のビーム径を用いてイオンビームを照射し、Ｃｒを切削加工することで微小開口部のみを設けた。

前記微小開口部の大きさは幅４０ｎｍ、長さ１００ｎｍの長方形である。図６は比較例１において作製した微小開口部６０１の例を示す平面図である。

Ｃｒ膜の誘電率を分光エリプソメータで測定したところ、波長４０８ｎｍに対してはＲｅ（ε_Ｃｒ）＝−４．２１であった。

したがって、波長４０８ｎｍの入射光に対してＣｒは表面プラズモンポラリトンを励起し難いことが分かる。

上記のように作製した近接場光発生素子において、光源として波長４０８ｎｍの半導体レーザを石英基板側から照射して、開口部からの光強度を測定した。

表１に実施の形態１と比較例１の光強度を比較したものを示す。

本比較例１は、本発明の実施の形態１のような副開口部を設けた近接場光発生素子と比べると開口部の光強度は１／１０以下であった。

［比較例２］
実施の形態１と同様に、石英基板を洗浄し、該石英基板上にＤＣスパッタ法によりＡｌを１００ｎｍ成膜した。

続いて、石英基板を収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置に配置し、１×１０−５Ｐａ以下の真空条件において、Ａｌ側より最小のビーム径を用いてイオンビームを照射し、Ａｌを切削加工することで微小開口部のみを設けた。

前記微小開口部の大きさは幅４０ｎｍ、長さ１００ｎｍの長方形である。

図６は比較例１において作製した微小開口部６０１の例を示す平面図である。

Ａｌ膜の誘電率を分光エリプソメータで測定したところ、波長４０８ｎｍに対してはＲｅ（ε_Ａｌ）＝−１５．７であった。

また、前記光源から照射される光の偏光方向は、位相差板を用いて各開口部の長手方向に垂直な方向の直線偏光とした。

図３（ｂ）に実施の形態１の結果の光強度を本比較例２で測定した結果で規格化したものを示す。

実施の形態１における微小開口部と副開口部の間の距離は、前記遮光膜に励起される表面プラズモンポラリトンの波長λ_ｓｐｐに対して、λ_ｓｐｐ×（３／８）からλ_ｓｐｐ×（５／８）の範囲であれば、比較例２に対して、より光利用効率を高めることが可能となることが分かる。

［実施の形態２］
実施の形態１と同様に前記石英基板を洗浄し、該石英基板上にＤＣスパッタ法によりＡｌとＳｉを９：１の原子数比率で成膜した。

アルミ合金を形成した理由は不純物添加により、遮光膜の表面性を向上させることで微小開口部を設ける際に加工が容易となる利点がある。

続いて、石英基板を収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置に配置し、１×１０^−５Ｐａ以下の真空条件において、Ａｌ合金側より最小のビーム径を用いてイオンビームを照射し、Ａｌ合金を切削加工することで、微小開口部、副開口部を設けた。

前記微小開口部、副開口部の配置は実施の形態１と同様である。

それぞれの開口部の大きさは微小開口部が幅４０ｎｍ、長さ１００ｎｍの長方形であり、副開口部が幅１００ｎｍ、長さ４００ｎｍの長方形である。

さらに、前記微小開口部と副開口部の組を、前記Ａｌ合金上に５μｍの間隔で複数配置した。

各々の組は、微小開口部と副開口部の距離を１００ｎｍから３００ｎｍの範囲で変化させて切削加工した。

Ａｌ合金膜の誘電率を分光エリプソメータで測定したところ、波長４０８ｎｍに対してはＲｅ（ε_{Ａｌ−Ａｌｌｏｙ}）＝−１２．４であった。

上記の場合には微小開口部と副開口部の間が１９０ｎｍの時に光強度が最大となり、その強度は表1に示すように、実施の形態１と同程度であった。

本発明の実施の形態１の近接場光発生素子１０１の基本的な構成を示す断面図である。微小開口部２０１及び副開口部２０２の配置を示す平面図である。微小開口部２０１と副開口部２０２の間の距離が異なる、微小開口部２０１及び副開口部２０２の配置を示す平面図である。遮光膜から２０ｎｍ離れた断面の光強度分布を示すグラフである。近接場光発生素子の他の例を示す平面図である。比較例１及び２において作製した微小開口部６０１の例を示す平面図である。

符号の説明

１０１近接場光発生素子
１０２基体
１０３遮光膜
１０４微小開口部
１０５副開口部
２０１微小開口部
２０２副開口部
５０１微小開口部
５０２副開口部

Claims

基体と、該基体には少なくとも導電性材料からなる遮光膜を備え、
前記遮光膜には、入射される光スポットよりも小なる面積を持つ微小開口部と、少なくとも一つ以上の副開口部が設けられており、
前記微小開口部と前記副開口部との距離ｄは、前記遮光膜に励起される表面プラズモンポラリトンの波長λ_ｓｐｐに対して、λ_ｓｐｐ×（３／８）からλ_ｓｐｐ×（５／８）の範囲にあることを特徴とする近接場光発生素子。
前記遮光膜の導電性材料をＡｌ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｇ、Ａｕ又はそれらの合金としたことを特徴とする請求項１記載の近接場光発生素子。