JP2007164950A - 光情報記録媒体およびそれを用いた光情報記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の近接場効果を用いた光情報記録再生において、高効率かつ高品質な信号を高密度に記録、再生可能な光情報記録媒体およびそれを用いた光情報記録再生装置を提供する。
【解決手段】光源よりの入射光が照射される側から、誘電体層、金属層の順に積層されて、前記入射光の波長より小さく形成された微細構造層を有する基板からなり、前記入射光の波長より小さい微小開口を備えたプローブより前記微細構造層へ近接場光を照射することにより情報の記録再生を行う光情報記録媒体となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、近接場光学効果を用いた超高密度でデータの再生、記録を行う光情報記録再生装置に関し、特に、高効率かつ高品質な信号を高密度に記録、再生可能な光情報記録媒体に関するものである。

近年、オーディオ及びビデオ動画像（motion picture）ファイル、テキストファイルなどのような多様なタイプの情報が組み合わされたマルチメディア時代への進展に伴い、大容量の情報を迅速に処理し格納する大容量の情報の記録及び格納媒体が必要になりつつある。
今後、更に普及されると予想される高鮮明（high-definition）動画像とＶＯＤ（Video-On-Demand）のような双方向性画像通信が実現されると、情報記録媒体及び格納媒体の容量は更に増大されることになる。このような要請に従い、現在広く使用される記録媒体に対する多様な記録及び再生方式が提案されているが、このような、データの記録再生方法の一つとして、光を用いて記録媒体に記録、再生する方法がある。

光を用いた記録の方法の代表的な例としては、特定の高分子材料に所定の光を照射してその分子構造を変化させることによる局所的な屈折率の変化をもちいるもの、一般に希土類金属と遷移金属からなるアモルファス合金薄膜を所定の磁界中で光を照射し、局所的にキュリー点または補償点以上に加熱することにより局所的な磁化方向を変化させるもの、などがある。
しかし、これらの方法ではレーザ光をレンズ光学系で集光したものを、記録媒体に照射し、このレーザのスポット径が記録マークの大きさを決定する重要なパラメータになっている。即ち、レーザ光のスポットの大きさを小さくすればするほど、光記録媒体に多くの情報を記録し、再生することができ、高記録密度を達成することができるが、このためには、レーザ光の波長を短くし、光ピックアップの対物レンズの開口数（ＮＡ）を増加させれば良い。しかし、レーザ光の波長を短くし、対物レンズの開口数を増加させて低減可能なレーザ光のスポットの大きさは、該レーザ光の波長程度まである。例えば、レーザ光の波長を短くするため、現在、ＤＶＤの光源として用いられる赤色半導体レーザ（〜６６０ｎｍ）に代わって、青色半導体レーザ（〜４００ｎｍ）を前記ＤＶＤの光源に用いると、前記ＤＶＤの単位面積当たり記録可能な情報量は、赤色半導体レーザを用いた場合の記録媒体の情報量に比べて、約２.５倍ほど向上させることができる。

しかし、このような方法では、光のスポット径は光の回折限界により、記録媒体の情報記録密度を向上するには限界がある。従って、前記したような問題点に鑑みて、テラバイト（TB, terabyte）級の情報量を処理する際の、従来技術とは全く異なる原理に基づく技術として、近接場光学又はボリュームホログラム（Volume Hologram）、光化学ホールバーニング（photo-chemical hole burning）、３次元光記録などのような超高密度記録方式が提案されている。
特許３０２３０８５号 特開平１１−１９１２３８号公報 特開２００２−３４０７７３公報 特開２００３−３１７３０１公報 特開２００３−３２２６０３公報 特開２００４−５９０５公報 特開２００４−３９０４１公報 特開２００４−６１２１９公報 特開２０００−３２２７７２公報 特開２００３−３９４００公報 特開２００３−３０８６３２公報 特開２００５−２７６３２１公報 特開２００５−２０２９８７公報 特開２００５−１４１７８６公報 特開２００５−２５８６８公報 特開２００４−２８０９３２公報

しかしながら、前記ボリュームホログラム及び光化学ホールバーニングにおいては、記録媒体の使用環境に大きな制約があり、実用化し難いという欠点があった。
一般に、光の回折理論に基いて、光集束スポットの大きさ（長径）は、光源波長及び開口数により決定され、前記光集束スポットの大きさの低減程度により、記録媒体の情報記録密度の上限が決定される。且つ、光の回折現象は、レンズを用いて光のビームの大きさを小さくするほど、ビームが広くなる性質を有するもので、これを数式に示すと、θ〜λ／ｄ―（１）となる。式中、θは回折角を表し、ｄはビームの直径（waist）を表し、λは光の波長を表す。
即ち、回折理論に基づき、レンズを利用してビームの大きさを小さくするほど、回折角は大きくなり、ビームの大きさを所定値以下に低減することはできない。従って、光記録媒体の記録密度の限界は、ｄ〜１．２２λ／ＮＡ（２）と近似的に表される光の回折理論により決定される。ここで、ＮＡは対物レンズの開口数を表す。

即ち、レーザ光の波長（λ）が短いほど、且つ、レンズの開口数（ＮＡ）が大きくなるほど、集光されるビームの大きさは小さくなり、記録媒体の記録面密度は、スポットの大きさの自乗に反比例して増大し、光の波動性による回折現象により、１ビット当たり記録及び再生可能な情報の最小の大きさはほぼ光の波長程度になる。従って、このような従来の技術においては、光の波長を短くし、開口数が大きいレンズを用いて集束光のスポットの大きさを小さくし、記録密度を増大させる方法が最善であり、該方法により得られる記録密度は、２０〜３０Ｇｂｉｔ／ｉｎ²が限界になると予想される。即ち、従来のシステムでは、光を電磁気波として利用するため、記録密度を向上させるとき、回折限界に伴う制約が避けられないという問題点があった。
そこで、このような回折限界を克服するため、近接場領域（物質の表面から光波長以下の距離）の近接場に存在する光を記録媒体への光源として用いた方法が提案されている。
すなわち、光の波長よりも小さい開口から発生する近接場光は原則的に放射されない。この近接場光を開口付近に位置した材料と相互作用させることを用いて、記録媒体への情報の記録及び再生を行うことにより、回折限界を克服し、従来の光記録の情報記録密度を飛躍的に向上できる可能性がある。

また、高速で情報の記録再生を行うために、平面アレイ型プローブが提案されている（特許文献１および２）。これはシリコン基板を異方性エッチングする事により同一基板上に微小開口をアレイ状に作製している。したがって、１つの素子にプローブが多数個あることになり、素子自体の掃引速度はそれほど高速である必要はない。碁盤目状に並んだプローブに対し記録媒体は回転するように配置され、２次元平面上に配置されたプローブはそれぞれ記録媒体上の異なった点を通過することになる。
また、これらの平面開口プローブは、Ｓｉ基板を異方性エッチングにより掘り込むことで微小開口を作製していた。この場合、レーザ光がプローブを通過する部分は、空洞でありより高効率な光出力（すなわちより高速な光書き込み、読み出しをするため）が必要となったときに、この空洞部分を光の閉じ込め効果の高い屈折率の高い物質で充填する必要があった。
この課題に対して、透明な基板上に高屈折率材料からなる円錐台状の突起が形成されていると共に、近接場光プローブの製造方法において、上記高屈折率材料からなる円錘台状の突起をドライエッチングにより形成した近接場光プローブが提案されている（特許文献３）。この近接場プローブでは、寸法制御性が良く、また屈折率を高くしているため、微小開口から出射される光等の到達性に優れている。

また、複数の微小開口列を有し、当該微小開口の近傍に近接場光を発生させて光記録媒体に記録・再生を行うための平面開口プローブを形成する方法として、基板上に感光性樹脂膜を形成する工程と、少なくとも、リング形状パターンを有するフォトマスクと、拡散光成分を有する露光手段とを用い、基板上に円錐形感光性樹脂パターンの潜像を形成する工程と、円錐形感光性樹脂パターンの潜像を現像する工程と、円錐形感光性樹脂パターンをドライエッチングにより基板に転写する工程により、透明な基板上に円錐台状の突起が形成されている近接場光プローブが提案されている（特許文献４〜８）。
また、近接場記録方法に適した光記録再生媒体及び、その製造方法として光スポットの案内溝を構成する凹凸において、該凹もしくは凸部の少なくとも一方の、前記案内溝に直交する方向における断面形状を、光スポットの光軸に対して直交する辺を有しないように形成した光記録再生媒体、この光記録再生媒体を用いてトラッキング方法を改良した光記録再生方法、並びに、矩形状の凹凸を形成し、熱処理により前記矩形状の凹凸を変形するようにした光記録再生媒体の製造方法が提案されている（特許文献９）。

さらに、照射光強度に依存して凹部又は凸部を形成する感光材料を用いた被加工品に対し、強度を制御された照射光を用いて、感光材料面に微細な凹凸形状を加工する微細光加工方法により、微細光加工や光記録媒体において、単一の感光材料及び光学系によって簡易かつ安価に、微細な凹凸形状の加工もしくは２値又は多値の凹凸形状の情報記録ビットを形成する方法も提案されている（特許文献１０）。
また、記録媒体上に光源の波長より小さい微細構造と記録層を形成し、光の波長以下の微小開口を備えた平面型プローブの微小開口から放射する近接場光により、記録媒体上の記録層に情報を記録し、プローブから放射する近接場光の記録媒体に記録層に対する結合を高め、高効率でかつ安定に情報を記録し再生する方法が提案されている。さらに、記録媒体上の微細構造を積層構造にすることにより、プローブから放射する近接場光の記録媒体に記録層に対する結合効率をより向上させ、高効率でかつ安定に情報を記録し再生する方法が提案されている（特許文献１１〜１６）。

しかしながら、上記従来の記録媒体上に形成された積層構造の微細構造層では、高効率かつ高品質な信号を高密度に記録、再生するには限界があった。
本発明は、上述のような状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、光の近接場効果を用いた光情報記録再生において、高効率かつ高品質な信号を高密度に記録、再生可能な光情報記録媒体およびそれを用いた光情報記録再生装置を提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光源よりの入射光が照射される側から、誘電体層、金属層の順に積層されて、前記入射光の波長より小さく形成された微細構造層を有する基板からなり、前記入射光の波長より小さい微小開口を備えたプローブより前記微細構造層へ近接場光を照射することにより情報の記録再生を行う光情報記録媒体を特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、光源よりの入射光が照射される側から、誘電体層、金属層の順に積層されて、前記入射光の波長より小さく形成された微細構造層を具備した基板からなる光情報記録媒体の微細構造層へ、前記入射光の波長より小さい微小開口を備えたプローブより近接場光を照射することにより情報の記録再生を行う光情報記録再生装置を特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、前記誘電体層が、硫化物材料あるいはシリコン化合物材料からなる光情報記録媒体を特徴とする。
また、請求項４記載の発明は、前記誘電体層が、硫化物材料あるいはシリコン化合物材料からなる光情報記録再生装置を特徴とする。
また、請求項５記載の発明は、前記微細構造層を形成している誘電体層の屈折率が前記基板の屈折率よりも高い光情報記録媒体を特徴とする。
また、請求項６記載の発明は、前記微細構造層を形成している誘電体層の屈折率が前記基板の屈折率よりも高い光情報記録再生装置を特徴とする。
また、請求項７記載の発明は、前記金属層がＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｕなどからなる光情報記録媒体を特徴とする。

また、請求項８記載の発明は、前記金属層がＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｕなどからなる光情報記録再生装置を特徴とする。
また、請求項９記載の発明は、前記基板上に形成された前記微細構造層の上面の大きさと、波長以下の微小開口を備えたプローブの開口の大きさとが等しい光情報記録媒体を特徴とする。
また、請求項１０記載の発明は、前記基板上に形成された前記微細構造層の上面の大きさと、波長以下の微小開口を備えたプローブの開口の大きさとが等しい光情報記録再生装置を特徴とする。
また、請求項１１記載の発明は、前記基板上に形成された前記誘電体層の厚みが前記微細構造層の上面の大きさよりも薄い光情報記録媒体を特徴とする。
また、請求項１２記載の発明は、前記基板上に形成された前記誘電体層の厚みが前記微細構造層の上面の大きさよりも薄い光情報記録再生装置を特徴とする。

本発明によれば、光源よりの入射光が照射される側から、誘電体層、金属層の順に積層されて、前記入射光の波長より小さく形成された微細構造層へ、前記入射光の波長より小さい微小開口を備えたプローブより近接場光を照射することにより情報の記録再生を行うようにしたので、高効率かつ安定に、大容量の情報を高品質に記録・再生することができる。
また、本発明によれば、前記誘電体層が、硫化物材料あるいはシリコン化合物材料からなるため、良好な記録マークの形成、高ＳＮ比での信号の記録再生が可能になる。
また、本発明によれば、前記微細構造層を形成している誘電体層の屈折率が前記基板の屈折率よりも高いため、良好な記録マークの形成、高ＳＮ比での信号の記録再生が可能になる。

また、本発明によれば、前記金属層がＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｕなどからなるため、良好な記録マークの形成、高ＳＮ比での信号の記録再生が可能になる。
また、本発明によれば、前記基板上に形成された前記微細構造層の上面の大きさと、波長以下の微小開口を備えたプローブの開口の大きさとが等しいため、プローブから高効率に微細構造に近接場光を結合させることができ、良好な記録マークの形成、高ＳＮ比での信号の記録再生が可能になる。
また、本発明によれば、前記基板上に形成された前記誘電体層の厚みが前記微細構造層の上面の大きさよりも薄いため、プローブから高効率に微細構造に近接場光を結合させることができ、良好な記録マークの形成、高ＳＮ比での信号の再生、記録が可能になる。

以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。
＜実施例＞
図１は、本発明による光情報処理装置の要部に関する一実施形態の概略図であり、図２は、図１に示した光情報処理装置の光照射部分の概略説明図である。
まず、図２を参照して、光情報処理装置の光照射部分について説明すると、光源よりの入射波長よりも十分小さい大きさを持った円形の微小開口を備えたプローブ１３から近接場光を光情報記録媒体１１に照射するが、光情報記録媒体１１上にはプローブ１３の微小開口とほぼ同じ大きさを持った微細構造層１２が形成されている。すなわち、微細構造層１２の上面の直径とプローブ１３の微小開口の直径とはほぼ同じ大きさとなっている。
この微細構造層１２に、プローブ１３から近接場光を照射することにより、あらかじめ光情報記録媒体１１に形成された積層構造をもつ微細構造層１２に記録されている情報を再生する。また、光情報記録媒体１１に記録可能な材料を用いることにより、追記型、あるいは書き換え型の情報記録が可能となる。

次に、図１を参照して、光情報処理装置の要部について説明する。図２に示したプローブ１３は、浮上型ヘッドとなる平面型基板２７の底面に突起形状で形成されており、このプローブ１３はアレイ状に形成することが可能であり、アレイ化されたプローブからは、逐次的あるいは並列的に光情報記録媒体からの情報が再生可能となっている。このプローブ１３は、スライダ状に平面型基板（スライダ）２７底面に形成され、この平面型基板２７は、ホルダ２８に支持され、回転する記録媒体３０上を走引される。
光情報記録媒体１１は、波長以下の微細構造層１２をもち、複数の物質からなる複数の層からなる積層構造になっている。
従って、記録の場合、光源（半導体レーザ）２１から照射された光は、コリメータレンズ２２により平行光束に変換され、ビームスプリッタ２３に入射し、ビームスプリッタ２３を通過した光は、対物レンズ２６によってスライダ２７底面に形成された平面プローブ１３にスポットを結像し、平面プローブ１３の先端部より近接場光を発生させる。発生した近接場光は、光記録媒体１１に形成された積層構造をもつ微細構造層１２に結合する。

ここで、再生の場合、記録媒体１１から反射する近接場光成分をスライダ２７の底面に形成された平面プローブ１３で検出する。検出した近接場光はプローブ部分を通して対物レンズ２６により平行光束に変換され、ビームスプリッタ２３で偏向されて、結像レンズ２４で光検出器２５上にスポットを結ぶ。この検出器上の光強度の明暗により、記録媒体上に記録された情報を再生することができる。
すなわち、この光情報再生装置の実施形態によれば、基板表面上もしくは表面内部に形成された、光源波長より小さく、光が照射される側から、誘電体層、金属層の順に積層された微細構造層に、波長より小さい微小開口を備えたプローブで情報を再生するため、高効率かつ安定に、大容量の情報を高品質に再生することができる。

また、図３に示すように、記録媒体１１を透過した光を検出することでも情報の記録再生を行うことができる。この場合には図２に示した実施形態と異なりビームスプリッタ２３が不用であり、結像レンズ３４で光検出器３５上に記録媒体１１表面の近接場光を照射した部分の光を結像し検出する。この検出器３５上の光強度の明暗により、記録媒体１１上に記録された情報を再生することができる。図３は、記録媒体を透過した光を検出して情報の記録再生を行う場合の光情報再生装置の実施形態を示す概略図である。
そして、本発明においては、光記録媒体１１の表面に、例えば円柱形状の積層構造を有する微細構造層１２を形成することにより、微小開口を有するプローブ１３からの近接場光を、高効率に利用することが可能となる。

図４に、図１に示した積層構造を有する微細構造層１２の一例の斜視図を示す。ここで、微小構造層１２の上面の大きさは光源波長以下の大きさであり、例えばその直径は３０ｎｍである。
図４に示すように、まず、ガラス基盤４０上には、微細構造突起４３が形成され、この微細構造突起４３は、ガラスもしくはイオンをドープした高屈折率ガラス、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどのシリコン化合物材料、ＺｎＳ、ＣａＳ、ＢａＳなどの硫化物材料、ＺｎＳｅ、ＢａＳｅなどのセレン化物材料、ＣａＦ₂、ＢａＦ₂などのフッ素化合物材料、ＺｎＳＳｉＯ₂などから構成される。その微細構造突起４３の上に、金属層４２、誘電体層４１が積層されている。誘電体層４１としては、ガラス、もしくはイオンをドープした高屈折率ガラス、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどのシリコン化合物材料、ＺｎＳ、ＣａＳ、ＢａＳなどの硫化物材料、ＺｎＳｅ、ＢａＳｅなどのセレン化物材料、ＣａＦ₂、ＢａＦ₂などのフッ素化合物材料、ＺｎＳＳｉＯ₂などを用いることができ、特に、ＺｎＳＳｉＯ₂が好ましい。
この誘電体層４１の厚みが、少なくとも微細構造層１２の直径よりも小さく、入射する光の波長よりも十分小さい時、誘電体層４１に良好な光分布形状かつ高効率で近接場光を結合することができる。

誘電体層４３の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどの半導体材料、ＢｉＴｅ、ＢｉＩｎ、ＧａＳｂ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＴｅ、ＳｎＳｎなど低融点金属を含む金属間化合物材料、Ｖ₂Ｏ₅、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ｍｎ₃Ｏ₄、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｃｏ₃Ｏ₄、ＣｕＯなどの酸化物材料、Ｃ、ＳｉＣなどの炭化物材料、ＡｌＮなどの窒化物材料、ＳｂＴｅなどの２元系の相変化材料や、ＧｅＳｂＴｅ、ＩｎＳｂＴｅ、ＢｉＳｂＴｅ、ＧａＳｂＴｅなどの３元系の相変化材料、ＡｇＩｎＳｂＴｅなどの４元系材料の相変化材料でもよい。
金属層４２としてはプラズモンを励起することができるＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔなどを用いることが望ましい。
この微小構造１２にプローブ１３から結合した近接場光は、金属層４２に生じるプラズモン増強により、高効率で金属微細構造に結合する。金属層４２にプローブ１３から照射された近接場光が強く結合するため、プローブ１３と金属層４２にはさまれた誘電体層４１中にも強く結合する。
このときの誘電体層４１中に結合した電磁界分布を図５に示す。

ここでは、例えば、金属層（Ａｇ）４２と誘電体層４１を円柱状に積層した構造が誘電体薄膜内（ＺｎＳＳｉＯ₂）に島状にある構成について計算を行った。波長４００ｎｍの光を入射、微細構造の直径を３０ｎｍ、誘電体層４１の厚みを５ｎｍ、金属層４２には厚さ１５ｎｍのＡｇを配置した。誘電体層４１は屈折率を１．３〜２．５８まで５点変化させた場合に関して計算を行ったところ、低屈折率側（ｎ＝１．３、１．５）の場合には、エッジ部分が強い円環形状の分布になり、高屈折率側（ｎ＝２．２、２．３、２．５８）の場合には単一ピーク形状になった。単一ピーク形状ではｎ＝２．３付近で誘電体層４１中の電界強度が最大になり、半値全幅が18nmになる。すなわち、誘電体層４１は、金属微細構造層４１で生じるプラズモンによって増強された近接場光の微細構造層１２内での空間分布を良好にする効果があり、誘電体層４１が無い場合には、入射偏光に直交した金属微細構造のエッジ部分に近接場光の強い部分が分布するが、誘電体層４１があることにより、微細構造層１２の中心付近に強度の強い部分が位置する単一ピークを有する形状になり、より狭い範囲に光を集中させることが可能になる。すなわち、基板にもちいている材料の屈折率よりも、誘電体層４１を屈折率の高い材料で形成することで、単一ピークで結合する電界強度を強くすることが可能となる。
このため、この記録構造によれば、良好かつ高密度に情報を記録・再生することができる。

ここで、誘電体層４１の厚みは、入射光の波長よりも十分小さく、少なくとも微細構造層１２の直径よりも小さい必要がある。この誘電体層４１に光記録材料を用いると、結合した近接場光を吸収し、発熱する。誘電体層４１が相変化材料であれば、結合した近接場光の発熱と、プラズモンに結合し強度が増強されたのち、金属構造層で発生した熱が誘電体層４１に転写されることにより、例えば結晶相からアモルファス相、もしくはアモルファス相から結晶相へ相変化することにより情報を記録することができる。また光磁気材料では近接場光照射時に磁界を印加することで、情報を記録することが可能である。
また、光近接場においては、微小開口を有するプローブ１３の先鋭部に設けられた開口半径の大きさと、照射される媒体の構造の大きさがほぼ同じ時に、開口先端から媒体に結合する光強度は最大になる。従って、記録再生媒体にプローブ開口半径と同程度の微細構造層が形成されているとき、微細構造層がない平面形状のときに比べて高効率で光を利用することができるので、微細構造層の大きさはプローブ開口半径と同程度であることが望ましく、微細構造間の間隔は微細構造の大きさ以上であることが望ましい。

また、この場合、図２に示すプローブ１３と光情報記録媒体１１の間隔は入射光の波長より十分接近していることが必要である。また、この場合には、図１に示すように作製した平面型近接場光ピックアップを浮上型ヘッド２７に形成することにより、光情報記録媒体と上記光ピックアップの微小開口部の間隔を一定且つ微小に保つことが可能になり、より微小な記録マークが形成できることにより超高密度記録が可能となる。
また、記録媒体側の微細構造層１２は、屈折率の実部がある間隔で変化しているもの、あるいは虚部すなわち、吸収率がある間隔で変化している構造などでもよい。基板４０としては、例えば化学強化ガラス（アルミノシリケート系ガラスなど）、石英ガラスなどがあり、その厚みは通常０．５〜１．５ｍｍ、好ましくは０．６〜１．２ｍｍである。

次に、光記録媒体１１側の微細構造層１２の形成方法について説明する。
図６は、光記録媒体１１側の微細構造層１２の形成方法の工程図である。なお、図６に示した形成方法は、図４に示した微細突起４３の無い場合の例を示している。
まず、図６（ａ）に示すように、ガラス基板４０の表面全面にイオンを注入し、高屈折率層６６を形成する。次に、図６（ｂ）に示すように、その表面にレジスト６３により円柱形状の凹凸を形成した後、図６（ｃ）に示すように、該レジスト６３を後退させながらガラス基板４０をエッチングしてガラス基板表面に所定の微細構造の凹凸６４を形成する。
さらに、図６（ｄ）に示すように、レジスト６３を残した状態で、表面全体に金属膜４２、誘電体層４１を形成し、図６（ｅ）に示すように、この状態でレジストを除去することにより積層の微細構造を有した光情報記録媒体を構成する。
また、図６に示した高屈折率層６６を形成することなく、基板６２に直接フォトリソグラフィーを行いガラス基板そのものをエッチングした後、図６（ｂ）〜（ｅ）の工程を行うことにより、同様の微細構造層を有した光情報記録媒体を作成することが可能である（図４の実施形態）。

なお、ガラス基板としては、例えば化学強化ガラス（アルミノシリケート系ガラスなど）、石英ガラスなどがあり、その厚みは通常０．５〜１．５ｍｍ、好ましくは０．６〜１．２ｍｍである。不純物としては、ナトリウム、カリウム、リチウム、マグネシウム、タリウムなどが挙げられるが、とくに分極率の大きいイオンもしくは分極能力の大きいイオンが良い。前者としては、Ｔｌ（タリウム）が良い。後者としては、Ｌｉ（リチウム）が良い。
さらに、基板表面に、選択的にイオン注入するには、イオン半径が大きい前者のＴｌが良い。イオンの注入はたとえばイオン注入法、イオン交換法、エレクトロフロート法などがあるが、とくにイオン注入法が好ましい。この場合、注入するイオン濃度を大きくすることにより、屈折率も大きくなる。したがって、凸部の屈折率は、注入するイオンの種類やその注入ドープ量を変えることで、簡単に変えることができる。
また、上記した屈折率を高めるために導入する物質としては種々のものがあるが、例えばイオン交換法の場合では、イオン交換を効率よく行うために高温ガラス中での移動度が十分大きくなければならないこと及びガラス中に多量にドープしてもその性質を損なわないことなどの条件から１価イオンが選択される。

さらに、光プローブ（例えば、光ファイバープローブや平面プローブ）の性能を高めるためには、なるべく屈折率を高める効果を持ったイオンが望まれる。このことを考慮するとタリウムイオン（Ｔｌ＋）やセシウムイオン（Ｃｓ＋）が適当である。タリウムイオン（Ｔｌ＋）は、高温ガラス中で拡散し易くしかもガラス編目修飾イオンとして多量にガラスに添加することができ、かつ大きな屈折率変化を得ることができる。金属膜６５の形成は、金属蒸着、メッキ、電着など任意の方法を採用することができる。金属としては、アルミニウム、金、銀などがあるが、とくに酸化性の低いものが好ましい。
上記以外にも、コバルト酸化物系ナノガラス薄膜を形成しても良い。Ｃｏ₃Ｏ₄薄膜を通常良く用いられる高周波スパッタリング法により室温で形成することにより、基板４０上に、Ｃｏ₃Ｏ₄薄膜６６を形成することが可能である。

また、図２、３中に示した半導体レーザ光源は直線偏光であることが好ましく、直線偏光は偏光板を挿入してもよいが、レーザーダイオード（ＬＤ：半導体レーザ）などはそれ自体直線偏光をもっているので、そのまま、または偏光板と組合せて発生させることができる。平面微小開口上部に１／４波長板と偏光ビームスプリッタを配置することにより、入射光と信号光の偏波面を９０度回転させることにより信号光をより高いＳＮ比で検出することが可能である。
また、この場合半導体レーザへの戻り光を抑制することが可能であり、レーザの発振状態を良好に保つことが可能であり、良好な記録マークの形成、再生信号を安定に検出することができる。
また、光情報記録媒体の最表面は近接場平面プローブと波長以下の距離に近づいて高速に走引するため、記録層の磨耗を防ぐための保護層が必要である。保護層として近接場光はプローブからの染み出しが波長以下であるため、記録層までの距離をできるだけ近づけるために、厚みが薄く、光の吸収がほとんどない材料が望ましい。
ここでは、上記条件を満足する材料としてダイヤモンドライクカーボンを用いても良い。この保護膜の形成はスパッタリング、イオンビームスパッタリングやＣＶＤ法などの成膜装置で可能である。本実施例では最表面保護膜としてダイヤモンドライクカーボンをＣＶＤ法により作製した。また保護層としてはＳｉＮを使用することも可能である。このＳｉＮ保護層もスパッタリング、イオンビームスパッタリングやＣＶＤ法などの成膜装置で形成することが可能である。

また、近接場光を発生させるプローブ１３としては、平面型プローブアレイを利用することもできる。この平面型プローブの作製方法の一例を図７に示す。
まず、図７（ａ）に示すように、透明な基板（石英基板）８２に高屈折率材料として窒化シリコン膜８６を形成する。この窒化シリコン膜はＳｉＨ₄とＮＨ₃を７００〜１１００度の高温下で熱反応させる高温熱ＣＶＤ法で成膜することが出来る。この窒化シリコン膜の膜厚は２μｍ以上であることが望ましい。ここでは、高屈折率材料として窒化シリコン膜をあげたが、他の高屈折率材料でもなんら問題無い。例えば、石英ガラス上にＳｉＯ₂をスパッタ（基板表面から１μｍ程度）したのち、Ｎ原子あるいはＣ原子の侵入層を作製する。Ｃ原子の場合、ＣＨ４をソースガスとするイオン注入法により石英ガラスへイオン注入、またＮ原子の場合、ＳｉＨ₄とＮ₂Ｏを原料とする熱分解ＣＶＤ法によってＳｉＯ₂を成膜することにより高屈折率層を形成することができる。この高屈折率層８６は、上記方法以外にもほかのＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング等や熱拡散法によっても形成できる。また、ＳＯＩ基板と呼ばれる、シリコン単結晶基板に酸化シリコンのバッファー層が形成されている基板を使用し、上記ＳＯＩ基板とガラス基板に電極を設け約３００度程度の温度雰囲気中で適当な電圧を印可することによりＳＯＩ基板とガラス基板を接合することにより、石製基板上に高屈折率材料を形成することが出来る。別の方法としては、接合する石英基板表面を十分に洗浄し、ＳＯＩ基板の活性シリコン層を張り合わせ、窒素雰囲気中９００℃以上で熱処理することにより接合することが可能である。また接合する石英基板とＳＯＩの接合面を鏡面研磨しＲＣＡ洗浄し、１×１０―９Ｔｏｒｒ以下の真空度のチャンバー内でＡｒのＦＡＢ（Fast Atom Beam）を３００ｓｅｃ程度同時に照射し、１０ＭＰａの圧力で圧着することにより接合することが出来る。

次に、図７（ｂ）に示すように、この石英基板８２上に窒化シリコン膜８６を成膜した基板に、半導体プロセスのフォトリソグラフ技術を用いて円柱状のレジストパターン８３を形成する。この円柱状のレジストパターン８３は、シリコンの突起を形成する領域に作製される。図７（ｃ）に示すように、このレジストパターン８３をマスクとして窒化シリコン膜８６をドライエッチングにより除去する。このエッチング時に、石英基板８２をストッパー層とすることで、光学的に透明な石英基板上に高屈折率材料からなる突起からなる近接場光学プローブ８５を形成することができる。また、図７（ｄ）、（ｅ）に示すように、エッチング時間を調節することにより、石英基板８２上にレジストパターン８３が無い領域の窒化シリコン膜８６を基板上に残して、石英基板８２上に高屈折率材料からなる突起からなる近接場光学プローブ８４を形成する。このあと、図７（ｆ）に示すように、基板８２の裏面にスパッタ等で反射防止膜８７をコーティングすることで、平面型プローブを形成する。
ここで、ドライエッチングの条件を変化させることにより、形成された窒化シリコン突起の形状を変化させることができる。ドライエッチングは、平行平板型のＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用いた。ここでガス種、処理圧力、ＲＦパワーを最適条件に変化させることで各種形状の窒化シリコン突起が形成できる。このエッチング時に透明基板をストッピングレイヤーとすることで、透明基板上に円柱もしくは円錐形のシリコン突起から成る近接場光プローブを形成することができる。

平面プローブのレーザ光が入射する上面には、反射防止膜が形成されている。反射防止膜がない場合に比べ、例えば、ＭｇＦ₂の反射防止膜を１４０ｎｍ形成した場合、反射率は４％から１．４％に軽減することができる。単層の薄膜としてはＭｇＦ₂以外にも、ＳｉＯ、ＣｅＦ₃なども使用可能である。したがって、反射率が低下した分、近接場光を効率良く発生することができるため、高効率かつ高速に信号を検出することが可能になる。
また、反射防止膜を単層膜から多層膜にすることで、単層膜の場合より、広い波長域で低い反射率を得ることが可能になる。例えば、入射波長より十分小さい開口を備えた平面型プローブに、ＭｇＦ₂からなる膜厚１４０ｎｍの第１の誘電体膜を形成し、第２の誘電体膜は、ＣｅＯ₂からなる厚さが９６ｎｍの薄膜、第３の誘電体膜として、厚さが１０８ｎｍのＳｉＯからなる薄膜から構成した場合、反射率をほぼ０にすることが可能である。

本発明による光情報処理装置の要部に関する一実施形態の概略図である。 図１に示した光情報処理装置の光照射部分の概略説明図である。 記録媒体を透過した光を検出して情報の記録再生を行う場合の光情報再生装置の実施形態を示す概略図である。 図１に示した積層構造を有する微細構造層１２の一例の斜視図である。 微細構造層１２における誘電体層４１中に結合した電磁界分布を示すグラフ図である。 光記録媒体１１側の微細構造層１２の形成方法の一例を示す工程図である。 平面型プローブの作製方法の一例を示す工程図である。

符号の説明

１１…光記録媒体、１２…微細構造層、１３…プローブ、２１…半導体レーザ、２２…コリメータレンズ、２３…ビームスプリッタ、２４…結像レンズ、２５…光検出器、２６…対物レンズ、２７…平面型基板、２８…ホルダ、３０…記録媒体、３４…結像レンズ、３５…光検出器、４０…ガラス基盤、４１…誘電体層、４２…金属層、４３…誘電体層、６２…基板、６３…レジスト、６４…凹凸、６５…金属膜、６６…高屈折率層、８２…基板、８３…レジストパターン、８４…近接場光学プローブ、８６…高屈折率層、８７…反射防止膜

Claims (12)

1. 光源よりの入射光が照射される側から、誘電体層、金属層の順に積層されて、前記入射光の波長より小さく形成された微細構造層を有する基板からなり、
   前記入射光の波長より小さい微小開口を備えたプローブより前記微細構造層へ近接場光を照射することにより情報の記録再生を行うことを特徴とする光情報記録媒体。
2. 光源よりの入射光が照射される側から、誘電体層、金属層の順に積層されて、前記入射光の波長より小さく形成された微細構造層を具備した基板からなる光情報記録媒体の微細構造層へ、前記入射光の波長より小さい微小開口を備えたプローブより近接場光を照射することにより情報の記録再生を行うことを特徴とする光情報記録再生装置。
3. 前記誘電体層が、硫化物材料あるいはシリコン化合物材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光情報記録媒体。
4. 前記誘電体層が、硫化物材料あるいはシリコン化合物材料からなることを特徴とする請求項２に記載の光情報記録再生装置。
5. 前記微細構造層を形成している誘電体層の屈折率が前記基板の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１あるいは３に記載の光情報記録媒体。
6. 前記微細構造層を形成している誘電体層の屈折率が前記基板の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項２あるいは４に記載の光情報記録再生装置。
7. 前記金属層がＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｕなどからなることを特徴とする請求項１あるいは３に記載の光情報記録媒体。
8. 前記金属層がＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｕなどからなることを特徴とする請求項２あるいは４に記載の光情報記録再生装置。
9. 前記基板上に形成された前記微細構造層の上面の大きさと、波長以下の微小開口を備えたプローブの開口の大きさとが等しいことを特徴とする請求項１に記載の光情報記録媒体。
10. 前記基板上に形成された前記微細構造層の上面の大きさと、波長以下の微小開口を備えたプローブの開口の大きさとが等しいことを特徴とする請求項２に記載の光情報記録再生装置。
11. 前記基板上に形成された前記誘電体層の厚みが前記微細構造層の上面の大きさよりも薄いことを特徴とする請求項１あるいは３に記載の光情報記録媒体。
12. 前記基板上に形成された前記誘電体層の厚みが前記微細構造層の上面の大きさよりも薄いことを特徴とする請求項２あるいは４に記載の光情報記録再生装置。

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