JP3572066B2 - カンチレバー型近接場探針構造体及びその作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カンチレバー型近接場探針構造体及びその作製方法に関し、より詳細には、光スループットを容易に向上させることができ、かつ、光情報格納装置のヘッドに適用可能な、カンチレバー型近接場探針構造体及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光情報格納装置において単位面積により多くの光情報を格納するためには、記録光源の波長を短くし、集光レンズの開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）を大きくすべきことが公知の事実であるが、仮に記録光源の波長を短くし、集光レンズの開口数を大きくしたとしても、高密度記録が要求される次世代情報格納装置の場合には、光の回折限界によって記録密度増大には限界がある。このため、代替技術として、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の探針を用いたＳＰＲ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ）技術と超解像媒体技術および光の回折限界を克服した近接場（Ｎｅａｒｆｉｅｌｄ）光ファイバ探針を用いた技術等が開発されている。例えば、近接場光ファイバ探針を用いた技術の場合、数１０〜数１００ｎｍの極めて小さなアパーチャ（Ａｐｅｒｔｕｒｅ）から出力されるレーザ光を用いて光情報を記録及び再生する。
【０００３】
しかし、近接場光ファイバ探針は機械的に極めて弱いために折れやすく、多数個を一度に配列し難いという短所がある。
【０００４】
また、アパーチャから出力されるレーザ光のスループット（Ｔｈｒｏｕｇｐｕｔ）は極めて低く、例えば１００ｎｍのアパーチャの場合のスループットは１×１０−５〜１０−７程度であり、実用可能な程度に光情報を記録し処理速度を向上させるには相当の困難さがある。
【０００５】
このような従来の光ファイバ探針の短所を克服するために、多数のアパーチャを備えた探針が公知の半導体技術の応用によって開発されたが、この場合にもやはり探針のアパーチャから出力されるレーザ光のスループットは既存の光ファイバ探針と同様に１×１０−５以下である。従って、スループットを増大させうる方法がなおも必要とされており、このための方法として、プラズモンモード（Ｐｌａｓｍｏｎ Ｍｏｄｅ）を励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）させる方法や、探針の先端部分の１波長範囲（ｏｎｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）で生じる光損失領域（ｏｐｔｉｃａｌ ｌｏｓｓ ｒｅｇｉｏｎ）を最小化する方法等が提案された。これらの方法のうち光損失領域を最小化する方法では、多段階のウェットエッチング（ｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇ）工程により、先端部分に極めて大きいコーン角（ｃｏｎｅ ａｎｇｌｅ）を有する構造体で探針を作製し、探針の１次テーパ（ｔａｐｅｒ）領域には反射膜を設けて入射光を反射させ、探針の２次テーパ領域には反射膜で構成されたコーン角を極めて大きくして光損失領域を最大限減らし、探針の３次テーパ領域には探針形状の極めて小さいアパーチャを設けて高スループットのアパーチャとなり得るようにする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のプラズモンモードを励起させる方法では、プラズモンモードの励起効率が入射光の偏光及び波長に左右されるので、プラズモンモードを効果的に励起させ難いだけではなく、プラズモンモードを励起させるために特別なプロセスを導入して励起可能な構造を作製しなければならないという問題点がある。
【０００７】
また、上述の光損失領域を最小化する方法では、最適なスループットを与えるアパーチャの大きさが１次テーパ領域の大きさに応じて変わるだけではなく、多段階ウェットエッチング工程によって作製されために作製プロセスが複雑化するという短所がある。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光スループットを容易に向上させることができ、かつ、光情報格納装置のヘッドに適用可能な、カンチレバー型近接場探針構造体及びその作製方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、カンチレバー型近接場探針構造体であって、基板を貫通するホールを有するシリコン基板と、当該シリコン基板の裏面側にマスク層として設けられた誘電体薄膜と、前記シリコン基板の表面側に設けられ、前記ホールの中心を軸とし上に凸の放物線形状を有する酸化膜と、当該酸化膜の外側表面上に形成された金属薄膜とを備え、前記酸化膜の放物線形状の先端部分には、前記シリコン基板を貫通するホールと通じるアパーチャが形成されており、前記金属薄膜は、前記アパーチャと通じる近接場アパーチャを構成していることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のカンチレバー型近接場探針構造体において、前記誘電体薄膜は、膜厚３００ｎｍのシリコンナイトライド薄膜であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のカンチレバー型近接場探針構造体において、前記酸化膜は、膜厚６５０ｎｍのシリコン酸化膜であることを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載のカンチレバー型近接場探針構造体において、前記金属薄膜は、膜厚１００ｎｍのアルミニウム金属薄膜であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、カンチレバー型近接場探針構造体の作製方法であって、シリコン基板の表面と裏面の各々の表面上に所望の膜厚の誘電体薄膜をマスク層として形成する第１のステップと、前記シリコン基板の表面側に形成された誘電体薄膜の上に所望の直径の誘電体円形薄膜を形成する第２のステップと、前記シリコン基板の表面側に形成された誘電体薄膜の前記誘電体円形薄膜で被覆されていない部分をエッチング除去する第３のステップと、前記誘電体円形薄膜の下面と前記シリコン基板の表面との面間隔が所望の値となるように前記シリコン基板の表面をエッチングして初期探針を形成する第４のステップと、前記初期探針の表面上に所望の厚さの酸化膜を形成する第５のステップと、前記誘電体円形薄膜を除去する第６のステップと、前記酸化膜上に保護層を形成する第７のステップと、前記シリコン基板の裏面側に形成された誘電体薄膜上にパターニングを行ない、前記シリコン基板の裏面の所望領域を部分的に露出させる第８のステップと、当該部分的に露出されたシリコン基板裏面の所望領域のシリコン結晶をエッチング除去する第９のステップと、前記保護層をエッチング除去してアパーチャを形成する第１０のステップと、当該保護層のエッチング除去後の前記酸化膜上に金属薄膜を所望の厚さで蒸着して近接場アパーチャを形成する第１１のステップと、を備えていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第１のステップで形成される誘電体薄膜は、ＬＰＣＶＤ法で形成された膜厚約３００ｎｍのシリコンナイトライド薄膜であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第２のステップで形成される誘電体円形薄膜は、直径約１０μｍのシリコンナイトライド円形薄膜であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第３のステップにおけるエッチング除去は、ＣＦ４／Ａｒプラズマを用いた反応性イオンエッチングで実行されることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第４のステップにおけるエッチングは、等方性エッチャントを用いたウェットエッチングにより前記面間隔が約６５０ｎｍとなるように実行されるものであることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第５のステップにおける酸化膜形成は、酸化温度９２５℃で膜厚約６５０ｎｍのシリコン酸化膜を形成するものであり、前記第６のステップにおける前記誘電体円形薄膜の除去は、１５０℃の高温燐酸溶液を用いて実行されるものであることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第７のステップで形成される保護層は、膜厚約３００ｎｍで蒸着されたナイトライド薄膜であることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第８のステップにおけるパターニングは、ナイトライド薄膜をパターニングして実行されるものであることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第９のステップにおけるエッチング除去は、８０℃のＫＯＨ溶液で実行されるものであることを特徴とする。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、請求項１１または請求項１３に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第１０のステップにおけるエッチング除去は、ＣＦ４／Ａｒプラズマにより実行されるものであることを特徴とする。
【００２３】
さらに、請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第１１のステップにおいて蒸着する金属薄膜は、膜厚約１００ｎｍのアルミニウム薄膜であることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
図１は、本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の構造を説明するための図で、このカンチレバー型近接場探針構造体は、基板を貫通するホール１１が形成されているシリコン基板１０と、このシリコン基板１０の裏面側に設けられた誘電体薄膜のマスク層である膜厚３００ｎｍのシリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）薄膜２０と、シリコン基板１０の表面側に形成されホール１１の中心を軸として上に凸の放物線形状を有する膜厚６５０ｎｍのシリコン酸化膜４０と、このシリコン酸化膜４０の表面に膜厚１００ｎｍで蒸着されているアルミニウム（Ａｌ）の金属薄膜７０とを備えている。
【００２６】
シリコン酸化膜４０の放物線形状先端部はシリコン基板１０を貫通するホール１１と通じるアパーチャ４１を形成しているとともに、金属薄膜７０はシリコン酸化膜４０のアパーチャ４１と通じる高スループットの近接場アパーチャ７１を形成している。
【００２７】
図２ａは、図１に示した構造の本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の形成プロセスを説明するための図で、まず、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、シリコン基板１０の表面側と裏面側の両表面上に厚さ約３００ｎｍの誘電体薄膜であるシリコンナイトライド薄膜２０をマスク層として形成（ステップａ）した後、シリコン基板１０の表面側のシリコンナイトライド薄膜２０の上に直径約１０μｍのシリコンナイトライド円形薄膜３０をフォトリソグラフィー工程により形成する（ステップｂ）。
【００２８】
次に、シリコンナイトライド円形薄膜３０を形成した部分以外のシリコンナイトライド薄膜２０をＣＦ４／Ａｒプラズマによる反応性イオンエッチャ（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｅｒ）によりドライエッチング除去し（ステップｃ）、さらに、シリコンナイトライド円形薄膜３０の下面とシリコン基板１０の上表面との面間隔が約６５０ｎｍとなるように、ＨＮＡのような等方性（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）エッチャントを用いてシリコン基板１０の表面をウエットエッチングして初期探針を得る（ステップｄ）。
【００２９】
ここで、最終的に得られるカンチレバー型近接場探針の高さは、初期探針の上部に残存するシリコンナイトライド円形薄膜３０の大きさに応じて変わることとなるため、得られる近接場アパーチャの構造（形状）はシリコンナイトライド円形薄膜３０の形状によって決定されることとなる。なお、上述したシリコン基板１０の表面のウエットエッチングに際しては、シリコンナイトライド円形薄膜３０とシリコン基板１０の露出面との境界面の幅は１μｍ以下となるようにすることが好ましく、この幅が以後の酸化膜厚さとアパーチャの大きさとを決定する。
【００３０】
このようにして初期探針を作製した後に、シリコン基板１０のエッチング面上に約６５０ｎｍ厚さのシリコン酸化膜４０を９２５℃の酸化温度で堆積する（ステップｅ）。
【００３１】
図２ｂは、ステップｅにより初期探針の先端部にアパーチャが形成される様子を説明するための概念図である。シリコン基板１０の初期探針先端領域は、マスクであるシリコンナイトライド円形薄膜３０のホルダ（Ｈｏｌｄｅｒ）の役割をしており、この状態でシリコン基板１０の露出表面が酸化されてシリコン酸化膜４０が形成される。この酸化プロセスにおいては、シリコンナイトライド円形薄膜３０の近くに位置するシリコン基板１０の探針先端近傍領域と、シリコンナイトライド円形薄膜３０から比較的遠くに位置する領域との間に、シリコンナイトライド円形薄膜３０が存在することに起因した酸化膜の成長速度の差が生じることとなる。この酸化膜成長速度の差は、いわゆる「バーズビーク（ｂｉｒｄ’ｓ ｂｅａｋ）効果」をもたらし、この効果により探針の先端部分が放物線形状となるとともに、最終的には放物線形状の先端部分が空洞化してアパーチャが形成されることとなる。
【００３２】
このようにしてアパーチャを形成した後に、シリコンナイトライド円形薄膜３０を約１５０℃の高温燐酸（Ｈ３ＰＯ４）溶液で選択的に除去し（ステップｆ）、さらに、以降の工程での損傷を防ぐために保護層５０を設ける（ステップｇ）。保護層５０としては、ＫＯＨなどの異方性シリコンエッチャントに効果的に耐え得るナイトライド（ＳｉＮ）薄膜を用いることが好ましい。本実施例では約３００ｎｍの膜厚のナイトライド薄膜を蒸着させて酸化膜の探針部を保護している。
【００３３】
このようにして初期探針部を保護した後に、シリコン基板１０の裏面側のシリコンナイトライド薄膜２０を部分的に除去してシリコン基板１０を貫通するホール１１を形成して近接場アパーチャを作製するために、先ず、ナイトライド（ＳｉＮ）薄膜パターン６０を形成し（ステップｈ）、次に、ナイトライド薄膜パターン６０で被覆されていない部分のシリコンナイトライド薄膜２０を除去してシリコン面を露出させ（ステップｉ）、８０℃のＫＯＨ溶液で約４時間エッチングしてシリコン基板１０裏面の露出部分だけを完全に選択除去する（ステップｊ）。
【００３４】
初期探針の上面に設けられた保護層５０である約３００ｎｍのナイトライド薄膜５０を、ＣＦ４／Ａｒプラズマによる約２０分間のエッチングにより除去して高スループット構造のアパーチャ４１を有する探針を形成（ステップｋ）した後、最後に、約１００ｎｍの厚みのアルミニウム金属薄膜７０を蒸着して近接場アパーチャ７１を形成する（ステップｌ）。このようにして本発明のカンチレバー型近接場探針構造体が完成する。
【００３５】
図３は、上述した工程により作製された本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の近接場探針をＳＥＭ観察した像であり、図４は、近接場アパーチャ（約９０ｎｍ程度）部分の拡大像である。また、図５は、本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の探針先端部近傍のＳＥＭ像で、この写真から探針の先端部分のコーン角が極めて大きな放物線構造となっており高いスループット特性を示すことがわかる。
【００３６】
図６は、本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の近接場探針の光スループット（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）とアパーチャサイズとの関係を説明するための図で、比較のために、従来の光ファイバ探針の光スループットも示している。この図に示した結果から、本発明による近接場探針の光スループットが、基本ディメンジョン（１００ｎｍ）のアパーチャサイズにおいて、従来の光ファイバの探針の光スループットの１０００倍以上の高い値を示すことがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、シリコンナイトライド円形薄膜３０の近くに位置するシリコン基板１０の探針先端近傍領域と、シリコンナイトライド円形薄膜３０から比較的遠くに位置する領域との間に生じる酸化膜成長速度の差に起因する「バーズビーク効果」を利用してアパーチャを形成し、このアパーチャの上に金属薄膜の近接場アパーチャを形成することとしたので、次世代の高密度光情報格納装置のヘッドに適用すると、光損失領域を最大限短くすることができ、光情報の記録及び再生に必要な探針の光スループットを既存の光ファイバ探針より数千倍以上向上させうるという効果が得られる。
【００３８】
実際に、本発明による近接場探針を多数個に配列して探針形近接場ヘッドに適用すると、高密度で光情報を極めて早い速度で記録及び再生することができ、この際の記録密度は５０ｎｍ以下のアパーチャの場合、数百Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２とすることができる。これにより従来の光ファイバ探針を用いた光情報格納装置の情報格納能力の限界を克服することが可能となる。
【００３９】
また、本発明による高スループットを有する近接場アパーチャを備える探針は、高密度光情報格納装置のヘッドだけでなく、その他の高分解能の物性分析器等にも使用できるという効果がある。
【００４０】
以上で説明したことは、本発明による光情報格納装置のヘッドに適用可能なカンチレバー型近接場探針構造体及びその作製方法を実施するための一つの実施例に過ぎないものであって、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野において通常の知識を有しているものであれば変更実施が可能な範囲にまで本発明の技術的思想が及ぶものであることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の構造を説明するための図である。
【図２ａ】本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の形成プロセスを説明するための図である。
【図２ｂ】初期探針の先端部にアパーチャが形成される様子を説明するための概念図である。
【図３】本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の近接場探針をＳＥＭ観察した像である。
【図４】近接場アパーチャ（約９０ｎｍ程度）部分の拡大ＳＥＭ像である。
【図５】本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の探針先端部近傍のＳＥＭ像である。
【図６】本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の近接場探針の光スループットとアパーチャサイズとの関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１０ シリコン基板
１１ ホール
２０ シリコンナイトライド薄膜
３０ シリコンナイトライド円形薄膜
４０ シリコン酸化膜
４１ アパーチャ
５０ 保護層
６０ ナイトライド薄膜パターン
７０ 金属薄膜
７１ 近接場アパーチャ
【発明の属する技術分野】
本発明は、カンチレバー型近接場探針構造体及びその作製方法に関し、より詳細には、光スループットを容易に向上させることができ、かつ、光情報格納装置のヘッドに適用可能な、カンチレバー型近接場探針構造体及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光情報格納装置において単位面積により多くの光情報を格納するためには、記録光源の波長を短くし、集光レンズの開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）を大きくすべきことが公知の事実であるが、仮に記録光源の波長を短くし、集光レンズの開口数を大きくしたとしても、高密度記録が要求される次世代情報格納装置の場合には、光の回折限界によって記録密度増大には限界がある。このため、代替技術として、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の探針を用いたＳＰＲ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ）技術と超解像媒体技術および光の回折限界を克服した近接場（Ｎｅａｒｆｉｅｌｄ）光ファイバ探針を用いた技術等が開発されている。例えば、近接場光ファイバ探針を用いた技術の場合、数１０〜数１００ｎｍの極めて小さなアパーチャ（Ａｐｅｒｔｕｒｅ）から出力されるレーザ光を用いて光情報を記録及び再生する。
【０００３】
しかし、近接場光ファイバ探針は機械的に極めて弱いために折れやすく、多数個を一度に配列し難いという短所がある。
【０００４】
また、アパーチャから出力されるレーザ光のスループット（Ｔｈｒｏｕｇｐｕｔ）は極めて低く、例えば１００ｎｍのアパーチャの場合のスループットは１×１０−５〜１０−７程度であり、実用可能な程度に光情報を記録し処理速度を向上させるには相当の困難さがある。
【０００５】
このような従来の光ファイバ探針の短所を克服するために、多数のアパーチャを備えた探針が公知の半導体技術の応用によって開発されたが、この場合にもやはり探針のアパーチャから出力されるレーザ光のスループットは既存の光ファイバ探針と同様に１×１０−５以下である。従って、スループットを増大させうる方法がなおも必要とされており、このための方法として、プラズモンモード（Ｐｌａｓｍｏｎ Ｍｏｄｅ）を励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）させる方法や、探針の先端部分の１波長範囲（ｏｎｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）で生じる光損失領域（ｏｐｔｉｃａｌ ｌｏｓｓ ｒｅｇｉｏｎ）を最小化する方法等が提案された。これらの方法のうち光損失領域を最小化する方法では、多段階のウェットエッチング（ｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇ）工程により、先端部分に極めて大きいコーン角（ｃｏｎｅ ａｎｇｌｅ）を有する構造体で探針を作製し、探針の１次テーパ（ｔａｐｅｒ）領域には反射膜を設けて入射光を反射させ、探針の２次テーパ領域には反射膜で構成されたコーン角を極めて大きくして光損失領域を最大限減らし、探針の３次テーパ領域には探針形状の極めて小さいアパーチャを設けて高スループットのアパーチャとなり得るようにする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のプラズモンモードを励起させる方法では、プラズモンモードの励起効率が入射光の偏光及び波長に左右されるので、プラズモンモードを効果的に励起させ難いだけではなく、プラズモンモードを励起させるために特別なプロセスを導入して励起可能な構造を作製しなければならないという問題点がある。
【０００７】
また、上述の光損失領域を最小化する方法では、最適なスループットを与えるアパーチャの大きさが１次テーパ領域の大きさに応じて変わるだけではなく、多段階ウェットエッチング工程によって作製されために作製プロセスが複雑化するという短所がある。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光スループットを容易に向上させることができ、かつ、光情報格納装置のヘッドに適用可能な、カンチレバー型近接場探針構造体及びその作製方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、カンチレバー型近接場探針構造体であって、基板を貫通するホールを有するシリコン基板と、当該シリコン基板の裏面側にマスク層として設けられた誘電体薄膜と、前記シリコン基板の表面側に設けられ、前記ホールの中心を軸とし上に凸の放物線形状を有する酸化膜と、当該酸化膜の外側表面上に形成された金属薄膜とを備え、前記酸化膜の放物線形状の先端部分には、前記シリコン基板を貫通するホールと通じるアパーチャが形成されており、前記金属薄膜は、前記アパーチャと通じる近接場アパーチャを構成していることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のカンチレバー型近接場探針構造体において、前記誘電体薄膜は、膜厚３００ｎｍのシリコンナイトライド薄膜であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のカンチレバー型近接場探針構造体において、前記酸化膜は、膜厚６５０ｎｍのシリコン酸化膜であることを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載のカンチレバー型近接場探針構造体において、前記金属薄膜は、膜厚１００ｎｍのアルミニウム金属薄膜であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、カンチレバー型近接場探針構造体の作製方法であって、シリコン基板の表面と裏面の各々の表面上に所望の膜厚の誘電体薄膜をマスク層として形成する第１のステップと、前記シリコン基板の表面側に形成された誘電体薄膜の上に所望の直径の誘電体円形薄膜を形成する第２のステップと、前記シリコン基板の表面側に形成された誘電体薄膜の前記誘電体円形薄膜で被覆されていない部分をエッチング除去する第３のステップと、前記誘電体円形薄膜の下面と前記シリコン基板の表面との面間隔が所望の値となるように前記シリコン基板の表面をエッチングして初期探針を形成する第４のステップと、前記初期探針の表面上に所望の厚さの酸化膜を形成する第５のステップと、前記誘電体円形薄膜を除去する第６のステップと、前記酸化膜上に保護層を形成する第７のステップと、前記シリコン基板の裏面側に形成された誘電体薄膜上にパターニングを行ない、前記シリコン基板の裏面の所望領域を部分的に露出させる第８のステップと、当該部分的に露出されたシリコン基板裏面の所望領域のシリコン結晶をエッチング除去する第９のステップと、前記保護層をエッチング除去してアパーチャを形成する第１０のステップと、当該保護層のエッチング除去後の前記酸化膜上に金属薄膜を所望の厚さで蒸着して近接場アパーチャを形成する第１１のステップと、を備えていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第１のステップで形成される誘電体薄膜は、ＬＰＣＶＤ法で形成された膜厚約３００ｎｍのシリコンナイトライド薄膜であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第２のステップで形成される誘電体円形薄膜は、直径約１０μｍのシリコンナイトライド円形薄膜であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第３のステップにおけるエッチング除去は、ＣＦ４／Ａｒプラズマを用いた反応性イオンエッチングで実行されることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第４のステップにおけるエッチングは、等方性エッチャントを用いたウェットエッチングにより前記面間隔が約６５０ｎｍとなるように実行されるものであることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第５のステップにおける酸化膜形成は、酸化温度９２５℃で膜厚約６５０ｎｍのシリコン酸化膜を形成するものであり、前記第６のステップにおける前記誘電体円形薄膜の除去は、１５０℃の高温燐酸溶液を用いて実行されるものであることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第７のステップで形成される保護層は、膜厚約３００ｎｍで蒸着されたナイトライド薄膜であることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第８のステップにおけるパターニングは、ナイトライド薄膜をパターニングして実行されるものであることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第９のステップにおけるエッチング除去は、８０℃のＫＯＨ溶液で実行されるものであることを特徴とする。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、請求項１１または請求項１３に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第１０のステップにおけるエッチング除去は、ＣＦ４／Ａｒプラズマにより実行されるものであることを特徴とする。
【００２３】
さらに、請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法において、前記第１１のステップにおいて蒸着する金属薄膜は、膜厚約１００ｎｍのアルミニウム薄膜であることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
図１は、本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の構造を説明するための図で、このカンチレバー型近接場探針構造体は、基板を貫通するホール１１が形成されているシリコン基板１０と、このシリコン基板１０の裏面側に設けられた誘電体薄膜のマスク層である膜厚３００ｎｍのシリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）薄膜２０と、シリコン基板１０の表面側に形成されホール１１の中心を軸として上に凸の放物線形状を有する膜厚６５０ｎｍのシリコン酸化膜４０と、このシリコン酸化膜４０の表面に膜厚１００ｎｍで蒸着されているアルミニウム（Ａｌ）の金属薄膜７０とを備えている。
【００２６】
シリコン酸化膜４０の放物線形状先端部はシリコン基板１０を貫通するホール１１と通じるアパーチャ４１を形成しているとともに、金属薄膜７０はシリコン酸化膜４０のアパーチャ４１と通じる高スループットの近接場アパーチャ７１を形成している。
【００２７】
図２ａは、図１に示した構造の本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の形成プロセスを説明するための図で、まず、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、シリコン基板１０の表面側と裏面側の両表面上に厚さ約３００ｎｍの誘電体薄膜であるシリコンナイトライド薄膜２０をマスク層として形成（ステップａ）した後、シリコン基板１０の表面側のシリコンナイトライド薄膜２０の上に直径約１０μｍのシリコンナイトライド円形薄膜３０をフォトリソグラフィー工程により形成する（ステップｂ）。
【００２８】
次に、シリコンナイトライド円形薄膜３０を形成した部分以外のシリコンナイトライド薄膜２０をＣＦ４／Ａｒプラズマによる反応性イオンエッチャ（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｅｒ）によりドライエッチング除去し（ステップｃ）、さらに、シリコンナイトライド円形薄膜３０の下面とシリコン基板１０の上表面との面間隔が約６５０ｎｍとなるように、ＨＮＡのような等方性（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）エッチャントを用いてシリコン基板１０の表面をウエットエッチングして初期探針を得る（ステップｄ）。
【００２９】
ここで、最終的に得られるカンチレバー型近接場探針の高さは、初期探針の上部に残存するシリコンナイトライド円形薄膜３０の大きさに応じて変わることとなるため、得られる近接場アパーチャの構造（形状）はシリコンナイトライド円形薄膜３０の形状によって決定されることとなる。なお、上述したシリコン基板１０の表面のウエットエッチングに際しては、シリコンナイトライド円形薄膜３０とシリコン基板１０の露出面との境界面の幅は１μｍ以下となるようにすることが好ましく、この幅が以後の酸化膜厚さとアパーチャの大きさとを決定する。
【００３０】
このようにして初期探針を作製した後に、シリコン基板１０のエッチング面上に約６５０ｎｍ厚さのシリコン酸化膜４０を９２５℃の酸化温度で堆積する（ステップｅ）。
【００３１】
図２ｂは、ステップｅにより初期探針の先端部にアパーチャが形成される様子を説明するための概念図である。シリコン基板１０の初期探針先端領域は、マスクであるシリコンナイトライド円形薄膜３０のホルダ（Ｈｏｌｄｅｒ）の役割をしており、この状態でシリコン基板１０の露出表面が酸化されてシリコン酸化膜４０が形成される。この酸化プロセスにおいては、シリコンナイトライド円形薄膜３０の近くに位置するシリコン基板１０の探針先端近傍領域と、シリコンナイトライド円形薄膜３０から比較的遠くに位置する領域との間に、シリコンナイトライド円形薄膜３０が存在することに起因した酸化膜の成長速度の差が生じることとなる。この酸化膜成長速度の差は、いわゆる「バーズビーク（ｂｉｒｄ’ｓ ｂｅａｋ）効果」をもたらし、この効果により探針の先端部分が放物線形状となるとともに、最終的には放物線形状の先端部分が空洞化してアパーチャが形成されることとなる。
【００３２】
このようにしてアパーチャを形成した後に、シリコンナイトライド円形薄膜３０を約１５０℃の高温燐酸（Ｈ３ＰＯ４）溶液で選択的に除去し（ステップｆ）、さらに、以降の工程での損傷を防ぐために保護層５０を設ける（ステップｇ）。保護層５０としては、ＫＯＨなどの異方性シリコンエッチャントに効果的に耐え得るナイトライド（ＳｉＮ）薄膜を用いることが好ましい。本実施例では約３００ｎｍの膜厚のナイトライド薄膜を蒸着させて酸化膜の探針部を保護している。
【００３３】
このようにして初期探針部を保護した後に、シリコン基板１０の裏面側のシリコンナイトライド薄膜２０を部分的に除去してシリコン基板１０を貫通するホール１１を形成して近接場アパーチャを作製するために、先ず、ナイトライド（ＳｉＮ）薄膜パターン６０を形成し（ステップｈ）、次に、ナイトライド薄膜パターン６０で被覆されていない部分のシリコンナイトライド薄膜２０を除去してシリコン面を露出させ（ステップｉ）、８０℃のＫＯＨ溶液で約４時間エッチングしてシリコン基板１０裏面の露出部分だけを完全に選択除去する（ステップｊ）。
【００３４】
初期探針の上面に設けられた保護層５０である約３００ｎｍのナイトライド薄膜５０を、ＣＦ４／Ａｒプラズマによる約２０分間のエッチングにより除去して高スループット構造のアパーチャ４１を有する探針を形成（ステップｋ）した後、最後に、約１００ｎｍの厚みのアルミニウム金属薄膜７０を蒸着して近接場アパーチャ７１を形成する（ステップｌ）。このようにして本発明のカンチレバー型近接場探針構造体が完成する。
【００３５】
図３は、上述した工程により作製された本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の近接場探針をＳＥＭ観察した像であり、図４は、近接場アパーチャ（約９０ｎｍ程度）部分の拡大像である。また、図５は、本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の探針先端部近傍のＳＥＭ像で、この写真から探針の先端部分のコーン角が極めて大きな放物線構造となっており高いスループット特性を示すことがわかる。
【００３６】
図６は、本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の近接場探針の光スループット（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）とアパーチャサイズとの関係を説明するための図で、比較のために、従来の光ファイバ探針の光スループットも示している。この図に示した結果から、本発明による近接場探針の光スループットが、基本ディメンジョン（１００ｎｍ）のアパーチャサイズにおいて、従来の光ファイバの探針の光スループットの１０００倍以上の高い値を示すことがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、シリコンナイトライド円形薄膜３０の近くに位置するシリコン基板１０の探針先端近傍領域と、シリコンナイトライド円形薄膜３０から比較的遠くに位置する領域との間に生じる酸化膜成長速度の差に起因する「バーズビーク効果」を利用してアパーチャを形成し、このアパーチャの上に金属薄膜の近接場アパーチャを形成することとしたので、次世代の高密度光情報格納装置のヘッドに適用すると、光損失領域を最大限短くすることができ、光情報の記録及び再生に必要な探針の光スループットを既存の光ファイバ探針より数千倍以上向上させうるという効果が得られる。
【００３８】
実際に、本発明による近接場探針を多数個に配列して探針形近接場ヘッドに適用すると、高密度で光情報を極めて早い速度で記録及び再生することができ、この際の記録密度は５０ｎｍ以下のアパーチャの場合、数百Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２とすることができる。これにより従来の光ファイバ探針を用いた光情報格納装置の情報格納能力の限界を克服することが可能となる。
【００３９】
また、本発明による高スループットを有する近接場アパーチャを備える探針は、高密度光情報格納装置のヘッドだけでなく、その他の高分解能の物性分析器等にも使用できるという効果がある。
【００４０】
以上で説明したことは、本発明による光情報格納装置のヘッドに適用可能なカンチレバー型近接場探針構造体及びその作製方法を実施するための一つの実施例に過ぎないものであって、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野において通常の知識を有しているものであれば変更実施が可能な範囲にまで本発明の技術的思想が及ぶものであることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の構造を説明するための図である。
【図２ａ】本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の形成プロセスを説明するための図である。
【図２ｂ】初期探針の先端部にアパーチャが形成される様子を説明するための概念図である。
【図３】本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の近接場探針をＳＥＭ観察した像である。
【図４】近接場アパーチャ（約９０ｎｍ程度）部分の拡大ＳＥＭ像である。
【図５】本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の探針先端部近傍のＳＥＭ像である。
【図６】本発明のカンチレバー型近接場探針構造体の近接場探針の光スループットとアパーチャサイズとの関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１０ シリコン基板
１１ ホール
２０ シリコンナイトライド薄膜
３０ シリコンナイトライド円形薄膜
４０ シリコン酸化膜
４１ アパーチャ
５０ 保護層
６０ ナイトライド薄膜パターン
７０ 金属薄膜
７１ 近接場アパーチャ
Claims (15)
- 基板を貫通するホールを有するシリコン基板と、
当該シリコン基板の裏面側にマスク層として設けられた誘電体薄膜と、
前記シリコン基板の表面側に設けられ、前記ホールの中心を軸とし上に凸の放物線形状を有する酸化膜と、
当該酸化膜の外側表面上に形成された金属薄膜とを備え、
前記酸化膜の放物線形状の先端部分には、前記シリコン基板を貫通するホールと通じるアパーチャが形成されており、
前記金属薄膜は、前記アパーチャと通じる近接場アパーチャを構成していることを特徴とするカンチレバー型近接場探針構造体。 - 前記誘電体薄膜は、膜厚３００ｎｍのシリコンナイトライド薄膜であることを特徴とする請求項１に記載のカンチレバー型近接場探針構造体。
- 前記酸化膜は、膜厚６５０ｎｍのシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１または２に記載のカンチレバー型近接場探針構造体。
- 前記金属薄膜は、膜厚１００ｎｍのアルミニウム金属薄膜であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のカンチレバー型近接場探針構造体。
- シリコン基板の表面と裏面の各々の表面上に所望の膜厚の誘電体薄膜をマスク層として形成する第１のステップと、
前記シリコン基板の表面側に形成された誘電体薄膜の上に所望の直径の誘電体円形薄膜を形成する第２のステップと、
前記シリコン基板の表面側に形成された誘電体薄膜の前記誘電体円形薄膜で被覆されていない部分をエッチング除去する第３のステップと、
前記誘電体円形薄膜の下面と前記シリコン基板の表面との面間隔が所望の値となるように前記シリコン基板の表面をエッチングして初期探針を形成する第４のステップと、
前記初期探針の表面上に所望の厚さの酸化膜を形成する第５のステップと、
前記誘電体円形薄膜を除去する第６のステップと、
前記酸化膜上に保護層を形成する第７のステップと、
前記シリコン基板の裏面側に形成された誘電体薄膜上にパターニングを行ない、前記シリコン基板の裏面の所望領域を部分的に露出させる第８のステップと、
当該部分的に露出されたシリコン基板裏面の所望領域のシリコン結晶をエッチング除去する第９のステップと、
前記保護層をエッチング除去してアパーチャを形成する第１０のステップと、
当該保護層のエッチング除去後の前記酸化膜上に金属薄膜を所望の厚さで蒸着して近接場アパーチャを形成する第１１のステップと、
を備えていることを特徴とするカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。 - 前記第１のステップで形成される誘電体薄膜は、ＬＰＣＶＤ法で形成された膜厚約３００ｎｍのシリコンナイトライド薄膜であることを特徴とする請求項５に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。
- 前記第２のステップで形成される誘電体円形薄膜は、直径約１０μｍのシリコンナイトライド円形薄膜であることを特徴とする請求項６に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。
- 前記第３のステップにおけるエッチング除去は、ＣＦ４／Ａｒプラズマを用いた反応性イオンエッチングで実行されることを特徴とする請求項７に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。
- 前記第４のステップにおけるエッチングは、等方性エッチャントを用いたウェットエッチングにより前記面間隔が約６５０ｎｍとなるように実行されるものであることを特徴とする請求項８に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。
- 前記第５のステップにおける酸化膜形成は、酸化温度９２５℃で膜厚約６５０ｎｍのシリコン酸化膜を形成するものであり、
前記第６のステップにおける前記誘電体円形薄膜の除去は、１５０℃の高温燐酸溶液を用いて実行されるものであることを特徴とする請求項９に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。 - 前記第７のステップで形成される保護層は、膜厚約３００ｎｍで蒸着されたナイトライド薄膜であることを特徴とする請求項１０に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。
- 前記第８のステップにおけるパターニングは、ナイトライド薄膜をパターニングして実行されるものであることを特徴とする請求項１１に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。
- 前記第９のステップにおけるエッチング除去は、８０℃のＫＯＨ溶液で実行されるものであることを特徴とする請求項１２に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。
- 前記第１０のステップにおけるエッチング除去は、ＣＦ４／Ａｒプラズマにより実行されるものであることを特徴とする請求項１１または請求項１３に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。
- 前記第１１のステップにおいて蒸着する金属薄膜は、膜厚約１００ｎｍのアルミニウム薄膜であることを特徴とする請求項１４に記載のカンチレバー型近接場探針構造体の作製方法。
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