JP3817032B2 - プローブ及びその製造方法とプローブ型メモリ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型近接場顕微鏡および近接場光学を利用した、プローブ型メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光学波長の限界を超えた超解像を実現する走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ−Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ−Ｏｐｔｉｃａｌ−Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を利用し、従来の光記録や磁気記録の限界を超えた６０Ｇｂｉｔ／ｉｎ2〜１Ｔｂｉｔ／ｉｎ2の高密度メモリ（ＳＮＯＭ型メモリ）を実現することを目的とした研究が始められている。
【０００３】
近接場光学により超解像を実現するにはエバネッセント場と呼ばれる電磁場を利用することが必要である。ＳＮＯＭ型メモリにおいては、このエバネッセント場の生成及び検知手法として光ファイバープローブや誘電体物質で形成された中空のプローブなどがよく用いられる。これらのプローブは入射する光の波長よりも小さい端部を先端に有しており、該端部からエバネッセント場として光が出射される。プローブの分解能は端部とほぼ同程度の値が得られることが知られており、このようなプローブを利用することにより超解像が実現される。
【０００４】
したがって高記録密度を狙うＳＮＯＭ型メモリ用プローブとしては、求められる分解能とほぼ等しく設計された開口径が光学的に実現されることが必要である。それと同時に、プローブ先端から出射される光強度は信号の品質（Ｓ／Ｎ）や記録密度を決めるもう一つの大きな要因であるため、いかにして入射光をプローブ外に漏れ出る事なくプローブ先端まで到達させるかが高密度メモリ用プローブとしては重要な点になる。
【０００５】
従来、これらのプローブにはプローブの外側に金属膜を形成することにより光が漏れ出ないようにする試みが行われてきた。高密度メモリ用の光源としては半導体レーザの使用が最も好ましいが、これら半導体レーザの波長は例えば、６３５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ、８３０ｎｍと６００ｎｍ以上の波長であるため、プローブを被覆する金属膜としては６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示す材料が望まれる。６００ｎｍ以上の波長に対する反射率が高い金属膜としては例えば特開平８ー９４６４９号公報に金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）が記載されているが、ＡｕやＣｕが６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示すことは『新版物理定数表、表７．１．２．３、ｐ．１７２』等に記載されているようによく知られた事実である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこの高い反射率を示すＡｕ膜をプローブに形成し、プローブ他端からＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）を入射してみたところ、入射光をプローブ外に漏れ出る事なくプローブ先端まで到達させることが出来ず、プローブ先端での光強度が著しく減少するため信号の品質（Ｓ／Ｎ）が劣り高密度記録が行えないという課題が明らかとなった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する手段として、本発明では以下のプローブが有効である事を見い出した。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、光源からの光を入射する第１の端部と、該入射光波長よりも直径が小さい第２の端部を有する誘電体物質で形成されたプローブ及び光ファイバープローブにおいて、第１及び第２の端部を除く表面に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムの少なくとも一つから選択された窒化物薄膜を形成することを特徴とする。このようなプローブを用いることにより、６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示し、かつ光がプローブから漏れでることのないためプローブ先端での光強度減少の少ないプローブが実現できる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記プローブにおいて、窒化物薄膜の膜厚が１０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする。すなわち、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム膜は、６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示すばかりでなく、膜厚が１０ｎｍ以上から均一な被覆が可能で、かつまた密着性に優れるために１０００ｎｍの膜厚まで剥離することなくプローブを被覆することが可能である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、光源からの光を入射する第１の端部と、該入射光波長よりも直径が小さい第２の端部を有する誘電体物質で形成されたプローブ及び光ファイバープローブにおいて、端部以外のプローブの表面に、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの金属膜が形成され、該金属膜の表面に、該金属膜の窒化物膜が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のプローブにおいて、前記窒化物薄膜の膜厚は１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、前記金属膜の膜厚は１０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項３及び４に記載のプローブの製造方法で、前記金属膜と、前記窒化物薄膜を、同一真空中で連続的に形成することを特徴とする。
【００１３】
窒化チタン／チタン、窒化ジルコニウム／ジルコニウム、窒化ハフニウム／ハフニウムの少なくとも一つから選択された窒化物薄膜及び該被窒化金属薄膜の２層構造を、同一真空中で連続的に形成することにより窒化物薄膜の応力を緩和し密着性を向上させることで、入射光強度を増強した際においても剥離がなくプローブ先端での光強度減少の少ないプローブが、窒化物薄膜の膜厚が上記と同様の範囲（１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下）で、かつ、被窒化金属薄膜層の膜厚が１０ｎｍ以下において作製可能となる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、プローブによる微小ビットの記録を行うプローブ型メモリにおいて、請求項１〜４のいずれかに記載のプローブを備えたことを特徴とする。このようなプローブを備えることにより高記録密度のプローブ型メモリが実現可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による窒化物薄膜を用いたプローブ及びその製造方法とプローブ型メモリの有効性を示す為の比較例及び実施例を以下に述べる。
【００１６】
（比較例）
比較として、Ａｕ膜及びＣｕ膜を被覆した２種類のプローブの例を示す。
Ａｕ膜及びＣｕ膜をガラス基板上に成膜し、反射率をＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）を用いて測定したところＡｕ膜では９２％、Ｃｕ膜では８９％と文献等でよく知られているように高い反射率が得られることを確認した。
【００１７】
ところがこの高い反射率を示すＡｕ膜及びＣｕ膜を、端部を除く光ファイバ表面に形成し、プローブの一方の端部から５ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）を入射しプローブ先端での光強度をプローブをフォトディテクタに接近させ測定したところ約６ｐＷと著しく減少していることがわかった。
【００１８】
この原因を調べるために１０ｎｍ〜１０００ｎｍと膜厚をかえて成膜しプローブの表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で調べたところ、３０ｎｍ以下の膜厚では膜にピンホールが見られた。また、１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の厚さの膜では、ピンホールは見られなかったもののいくつかの箇所で膜はがれがみられた。成膜直後には膜剥がれのなかったサンプルにおいても、数回使用したのちに再びＳＥＭで観察したところ、同様に膜剥がれがみられた。この膜剥がれの原因はＡｕ膜やＣｕ膜のプローブに対する密着性が悪いこと、またプローブの使用に際しての熱履歴においてプローブとの間に生じる熱歪みが大きいことによるためと考えられる。
【００１９】
プローブ先端での光強度が減少している要因としては、このようなＡｕ膜あるいはＣｕ膜に生じたピンホールや膜剥がれの箇所からプローブ内の光が漏れ出ることが考えられる。即ち、Ａｕ膜やＣｕ膜は６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示すのだが、密着性が悪いためにピンホールや膜剥がれが生じ、その部位から光が漏れることによりプローブ先端での光強度が減少するため高密度メモリ用プローブとしては実用上問題があることがわかる。
【００２０】
（実施例１）
プローブの基材として、外径が１４０μｍ、コア径が８μｍの光ファイバを用いた。ウエットエッチングによりファイバの片側の先端径を１００ｎｍ程度に加工している。
【００２１】
この加工したファイバ先端の外側にＴｉＮ（窒化チタン）膜を反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング法により形成した（図１）。成膜までの手順としては、ターゲットにＴｉメタルターゲット（純度：４Ｎ）を用いて、ベースプレッシャー２×１０-4Ｐａまで真空排気した後、基板加熱を行う。その後スパッタガスを成膜室内に導入しスパッタを行う圧力に調整する。スパッタガスとしてはＡｒ、及びＮ2ガスを用いた。なお、成膜直前にＡｒあるいはＮ2ガスを用いた逆スパッタリングを行う場合もある。
【００２２】
まず、はじめにＴｉＮ形成条件の検討を行った。成膜条件として、ＲＦパワー１００ｗ、基板温度２００℃、ガス圧０．６Ｐａ、を固定して、ガス比をＡｒ／Ｎ2＝８／２、７／３、６／４、５／５、４／６、２／８と変えて成膜した。膜厚は成膜時間により制御を行い２００ｎｍとした。
【００２３】
Ａｒ／Ｎ2比が７／３よりＮ2が少ない条件ではいわゆる銀白色の膜が得られ、Ｎ2が多い条件では赤味がかった銅に似た色を示す膜が得られた。また、このガス比を境にして成膜速度がＴｉ膜の約１／４程度に急激に低下し、これよりＮ2を増加しても成膜速度はほぼ一定であった。このように膜の色及び成膜速度の変化から、Ａｒ／Ｎ2比＝７／３よりＮ2が多い条件下においてはＴｉＮ膜が形成されていると判断した。この成膜速度の低下はターゲット上に窒化物が形成されることで見かけ上スパッタ率が低下したためと考えられる。
【００２４】
反射率等の測定がプローブに形成したＴｉＮ膜では調べにくいことから、ガラス基板上に同様の条件（Ａｒ／Ｎ2比＝７／３よりＮ2が多い条件）でＴｉＮ膜を成膜し、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）による反射率測定およびＸＲＤ（Ｘ線回折）測定を行い膜の特性を調べた。膜の反射率は約８０％程度であり、同様にして測定したＡｕ膜で得られた９０％以上の反射率に比べ低い値が得られた。また、ＸＲＤの結果、膜はアモルファスであることがわかった。Ｎ2ガスを増加して場合においても膜の色および反射率に大きな変化はみられずアモルファスの膜であったことから、膜中にＮ2は取り込まれているものの実際にＴｉＮ形成に寄与している量が少ないことが考えられる。
【００２５】
そこで、反射率の向上を目的としてさらに成膜条件を検討したところ、ガス圧が０．２６Ｐａ（２ｍＴｏｒｒ）以下の時に金色を示す膜が得られることがわかった。また、同一のガス比で成膜した場合には、ガス圧が低い方が成膜速度は大きい値が得られることもわかった。言い換えると、成膜速度が一定の場合には、ガス圧は低い方が良い。反射率および結晶性を調べたところ、反射率はほぼ９０％にまで向上し、さらに膜は（１１１）配向していることがわかった。ＴｉＮ膜の結晶化が十分に行われていることからアモルファス膜と比較して膜中に取り込まれたＮ2のＴｉＮ形成に寄与する量が増加を示し、このことがさらなる反射率向上に寄与したと考えられる。
【００２６】
この高反射率を示す条件（ＲＦパワー１００ｗ、基板温度２００℃、ガス圧０．２６Ｐａ、ガス比Ａｒ／Ｎ2＝７／３）で膜厚を１０ｎｍ〜１０００ｎｍまで変えてＴｉＮ膜をプローブに形成しプローブの表面をＳＥＭで調べたところ、１０ｎｍの薄膜においてもピンホールなどは見られず膜剥離のない平坦な膜が均一に形成されていることが確認された。すなわち、これは形成したＴｉＮ膜の密着性が優れており被覆性が高いためであると考えられる。
【００２７】
次に、５ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）をプローブに入射し光強度を測定したところプローブ先端で約２０ｐＷと比較例の３倍以上の光強度が得られた。
【００２８】
ＺｒＮ膜、ＨｆＮ膜を被覆したプローブにおいても密着性よく結晶化した膜が得られ、同様の膜厚範囲においてＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）に対して高い反射率を示しプローブ先端での光強度も同様に十分大きな値が得られることを確認した。またＴｉＮ膜の被覆によりプローブの機械的強度が向上したためかプローブの損傷がＡｕ膜を形成したプローブに比べほとんど無いことがわかった。
【００２９】
被覆する膜の膜厚に関しては、走査型近接場光学顕微鏡や高密度メモリのプローブとして、試料や記録媒体に１０〜２０ｎｍ程度にまで接近させることを考慮することが重要となる。プローブ先端の開口径やテーパー角度にもよるが、被覆する膜厚が厚い場合には物理的なプローブ先端径が膜厚の２倍＋開口径にほぼ等しくなり太い先端径を有するプローブを用いて媒体に１０〜２０ｎｍ程度まで接近させることになるため、プローブと記録媒体との間に振動などによる角度ぶれが生じた場合、プローブと媒体との衝突を防ぐクリアランスのマージン確保が難しくなることが考えられる。例えば、媒体の表面が平滑であると仮定し、プローブと媒体との距離を１０ｎｍに設定、開口径１００ｎｍのプローブに１０００ｎｍの膜を被覆した場合、ワーストケースで許される角度ぶれの大きさはθ＝ａｒｃｔａｎ｛１０／（２×１０００＋１００）｝から見積もることができ、その値は約０．２７ｄｅｇ．と小さくマージン確保が難しくなり始める。
【００３０】
このように被覆する膜厚としては、十分にプローブ内の光を閉じ込めるに足る厚さが必要であることは言うまでもないが、厚い場合には歪みに伴う膜剥がれの問題に加えて上述のプローブと媒体との衝突を防ぐクリアランスの問題が新たに発生するため、実用上は１０００ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００３１】
以上述べたように、光源からの光を入射する第１の端部と、該入射光波長よりも直径が小さい第２の端部を有する誘電体物質で形成されたプローブ及び光ファイバープローブにおいて、第１及び第２の端部を除く表面に窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムの少なくとも一つから選択された窒化物薄膜を形成することにより、６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示し、かつ光がプローブから漏れでることのないためプローブ先端での光強度減少の少ないプローブが実現できることが示された。
【００３２】
また、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム膜は、６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示すばかりでなく、膜厚が１０ｎｍ以上から均一な被覆が可能で、かつまた密着性に優れるために１０００ｎｍの膜厚まで剥離することなく被覆したプローブを作製できることを示した。
【００３３】
本実施例では、作製方法としてＲＦ−マグネトロンスパッタリング法を用いたが、ＤＣ−マグネトロンスパッタリング法や蒸着、イオンプレーティングなどその他の物理的成膜方法やＣＶＤなどの化学的成膜方法を用いても勿論構わない。また、プローブ基材として光ファイバを用いたがその他にも中空のプローブなどを用いても構わない。
【００３４】
（実施例２）
実施例１で作製したプローブを用いて、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）の入力パワーを４０ｍＷにまであげて長時間プローブを使用したところ、出射光強度が約６ｐＷにまで減少していた。ＳＥＭによる観察を行ったところ、プローブに被覆した膜にクラックが生じていることが判明した。これは、長時間大きなパワーで光をプローブに入射し続けたことにより、膜を被覆したプローブ先端の温度が上昇し再び冷却する繰り返しの際の窒化物膜と光ファイバーあるいは誘電体プローブとの熱膨張差に起因するものであることを見い出した。そこで、この熱歪みを緩和しクラック発生を抑止する目的でプローブとＴｉＮ膜の間にＴｉ膜を形成することを試みた。
【００３５】
プローブ基材及び成膜条件は実施例１と同様のものを用いてＴｉＮ／Ｔｉ／プローブ構造を、ＴｉＮ膜厚を１０ｎｍ〜１０００ｎｍ、Ｔｉ膜厚を１０ｎｍとして作製した。６００ｎｍ以上の入射波長に対するＴｉ膜の反射率はＴｉＮ膜ほどよくはなかったのだが、Ｔｉ膜厚が１０ｎｍ程度に薄い場合にはＴｉＮ／Ｔｉの反射率には実質的には影響が見られなかった。また、この時、同一真空中で連続的にＴｉＮ／Ｔｉを形成したことによりＴｉＮ／Ｔｉの界面は酸素の吸着などの影響をほとんど受けることがなく密着性のよい２層構造を形成することがわかった。
【００３６】
このプローブに同様にＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）の入力パワーを４０ｍＷにまであげて光を入射し使用したものをＳＥＭ観察したが、クラックの発生などは観測されず、プローブ先端での出射光強度も約１２０ｐＷと大きな値が得られることが確認された。
【００３７】
また、同様にＺｒＮ／Ｚｒ膜、ＨｆＮ／Ｈｆ膜を被覆したプローブにおいても熱膨張差によるクラックの発生がないことを確認している。この理由を調べるために熱伝導性および熱膨張を測定したところ、ＺｒＮ膜の場合には、熱伝導性がＴｉＮ、ＨｆＮに比べて最もよく放熱性に優れているため温度上昇が抑制され熱膨張による歪みの発生が少ないことがその要因の一つであることがわかった。また、ＨｆＮ膜の場合には、熱伝導性はＺｒＮ膜に及ばないものの熱膨張が小さくファイバー材料であるガラスの値に近いためにＨｆＮ／Ｈｆ膜との膜熱膨張差自体が小さく歪みの発生が少ないことがその要因の一つであることがわかった。
【００３８】
このように、窒化チタン／チタン、窒化ジルコニウム／ジルコニウム、窒化ハフニウム／ハフニウムの少なくとも一つから選択された窒化物薄膜及び該被窒化金属薄膜の２層構造を、同一真空中で連続的に形成することにより窒化物薄膜の応力を緩和し密着性を向上させることで、入射光強度を増強した際においても剥離がなくプローブ先端での光強度減少の少ないプローブが、窒化物薄膜の膜厚が上記と同様の範囲（１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下）で、かつ、被窒化金属薄膜層の膜厚が１０ｎｍ以下において作製可能となることが示された。
【００３９】
本実施例では、作製方法としてＲＦ−マグネトロンスパッタリング法を用いたが、ＤＣ−マグネトロンスパッタリング法や蒸着、イオンプレーティングなどその他の物理的成膜方法やＣＶＤなどの化学的成膜方法を用いても勿論構わない。また、プローブ基材として光ファイバを用いたがその他にも中空のプローブなどを用いても構わない。
【００４０】
（実施例３）
実施例１及び２で作製したプローブによる微小ビットの書き込みを行い、高密度メモリ用プローブとしての有効性を調べた。プローブには先端径を各々５０ｎｍ、１００ｎｍに加工し膜厚２００ｎｍの窒化チタン／チタンを被覆した２種類を用いた。光源として波長λ＝６３５ｎｍ、入射パワー２０ｍＷの半導体レーザを使用しプローブに光を入射し、プローブ先端から出射され媒体に反射した光の検出をフォトディテクターにより行う構成とした。このプローブを媒体との距離を約２０ｎｍに保ちながらＸＹ走査させ、ビットの書き込みを試みた。媒体には相変化記録膜として一般的なＧｅＳｂＴｅ膜をガラス基板上に形成しその上部に保護膜として膜厚１５ｎｍのＣ膜を形成したものを用いた。
【００４１】
先端径１００ｎｍのプローブでは約１００ｎｍ径のビット、先端径５０ｎｍのプローブを用いた場合には約５０ｎｍ径のビット、とプローブ径にほぼ等しいサイズのビットが形成できていることがわかった。これは、上記プローブにおいては先端端部付近からの光漏れがないためその先端開口径のみから光が出射されていること、漏れ光の輻射熱によるビットサイズ拡大等の悪影響を抑制することができているためと考えられる。また、従来は光入射強度をあげると先端端部付近から光が漏れ、ビットサイズが大きくなるため小さいビットを形成するには光入射強度を落とすしかなく、その場合には光強度が弱いため媒体に不完全な記録しか行えず信号品質が低下するという問題があったが、上記プローブにおいては媒体に記録を行うに十分な強度の入射光においてもビットサイズの拡大などの問題がなく高密度でなおかつ信号品質の優れた記録を行うことが可能になる。各々ビット間隔としてビットサイズの２倍を仮定した場合、１６Ｇｂ／ｉｎ2、６４Ｇｂ／ｉｎ2の高記録密度に相当することになり上記プローブが高密度メモリ用として適していることがわかる。
【００４２】
更に、実用的なメモリ用プローブとしてはそのアクセス回数に等しい熱履歴に対する耐久性、機械的強度などが要求されるが、上記プローブにおいて１０００万回の光入力の繰り返し試験をおこなったところ劣化はなく、ＸＹ走査によるプローブ先端の損傷も見られないなど耐久性にも優れていることが明らかとなった。
【００４３】
すなわち上記プローブを使用することで微小なビット形成が可能でかつ優れた信号品質に必要な記録を行うに十分な強度の光を入射することが可能であり、さらに実用上大切な耐久性にもすぐれたプローブを備えた高密度プローブ型メモリが実現されることがわかった。
【００４４】
本実施例では、媒体の記録膜に相変化膜を用いたがその他光磁気膜など本プローブを用いた光記録、熱記録が可能であれば構わない。また、保護膜にＣ膜を用いているがその他ＳｉＯ2膜などを用いても勿論構わない。また、構成として簡便のためフォトディテクターを配置したが本プローブにより信号検出を行うことも可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明により、近接場光学を利用した高密度メモリの実用化に必要とされる
６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示し、入射光をプローブ外に漏れ出る事なくプローブ先端まで到達させ、プローブ先端での光強度減少の少ないプローブ及びその製造方法が提供される。
【００４６】
さらに、本発明によるプローブは実用上大切な機械的強度や耐久性にも優れておりプローブに大きな入射光強度を用いても熱膨張差による損傷なく出射光強度を向上することが可能であり、かつまたビットサイズの拡大などの問題がなく高密度でなおかつ信号品質の優れた記録ができるため、本プローブを用いることで高密度なプローブ型メモリが可能となる。また、原材料及び製造方法も安価であり、工業上極めて大きな価値を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプローブを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 光ファイバ（クラッド）
２ 光ファイバ（コア）
３ 窒化物膜（ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＮ／Ｔｉ、ＺｒＮ／Ｚｒ、ＨｆＮ／Ｈｆ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型近接場顕微鏡および近接場光学を利用した、プローブ型メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光学波長の限界を超えた超解像を実現する走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ−Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ−Ｏｐｔｉｃａｌ−Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を利用し、従来の光記録や磁気記録の限界を超えた６０Ｇｂｉｔ／ｉｎ2〜１Ｔｂｉｔ／ｉｎ2の高密度メモリ（ＳＮＯＭ型メモリ）を実現することを目的とした研究が始められている。
【０００３】
近接場光学により超解像を実現するにはエバネッセント場と呼ばれる電磁場を利用することが必要である。ＳＮＯＭ型メモリにおいては、このエバネッセント場の生成及び検知手法として光ファイバープローブや誘電体物質で形成された中空のプローブなどがよく用いられる。これらのプローブは入射する光の波長よりも小さい端部を先端に有しており、該端部からエバネッセント場として光が出射される。プローブの分解能は端部とほぼ同程度の値が得られることが知られており、このようなプローブを利用することにより超解像が実現される。
【０００４】
したがって高記録密度を狙うＳＮＯＭ型メモリ用プローブとしては、求められる分解能とほぼ等しく設計された開口径が光学的に実現されることが必要である。それと同時に、プローブ先端から出射される光強度は信号の品質（Ｓ／Ｎ）や記録密度を決めるもう一つの大きな要因であるため、いかにして入射光をプローブ外に漏れ出る事なくプローブ先端まで到達させるかが高密度メモリ用プローブとしては重要な点になる。
【０００５】
従来、これらのプローブにはプローブの外側に金属膜を形成することにより光が漏れ出ないようにする試みが行われてきた。高密度メモリ用の光源としては半導体レーザの使用が最も好ましいが、これら半導体レーザの波長は例えば、６３５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ、８３０ｎｍと６００ｎｍ以上の波長であるため、プローブを被覆する金属膜としては６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示す材料が望まれる。６００ｎｍ以上の波長に対する反射率が高い金属膜としては例えば特開平８ー９４６４９号公報に金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）が記載されているが、ＡｕやＣｕが６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示すことは『新版物理定数表、表７．１．２．３、ｐ．１７２』等に記載されているようによく知られた事実である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこの高い反射率を示すＡｕ膜をプローブに形成し、プローブ他端からＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）を入射してみたところ、入射光をプローブ外に漏れ出る事なくプローブ先端まで到達させることが出来ず、プローブ先端での光強度が著しく減少するため信号の品質（Ｓ／Ｎ）が劣り高密度記録が行えないという課題が明らかとなった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する手段として、本発明では以下のプローブが有効である事を見い出した。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、光源からの光を入射する第１の端部と、該入射光波長よりも直径が小さい第２の端部を有する誘電体物質で形成されたプローブ及び光ファイバープローブにおいて、第１及び第２の端部を除く表面に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムの少なくとも一つから選択された窒化物薄膜を形成することを特徴とする。このようなプローブを用いることにより、６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示し、かつ光がプローブから漏れでることのないためプローブ先端での光強度減少の少ないプローブが実現できる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記プローブにおいて、窒化物薄膜の膜厚が１０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする。すなわち、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム膜は、６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示すばかりでなく、膜厚が１０ｎｍ以上から均一な被覆が可能で、かつまた密着性に優れるために１０００ｎｍの膜厚まで剥離することなくプローブを被覆することが可能である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、光源からの光を入射する第１の端部と、該入射光波長よりも直径が小さい第２の端部を有する誘電体物質で形成されたプローブ及び光ファイバープローブにおいて、端部以外のプローブの表面に、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの金属膜が形成され、該金属膜の表面に、該金属膜の窒化物膜が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のプローブにおいて、前記窒化物薄膜の膜厚は１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、前記金属膜の膜厚は１０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項３及び４に記載のプローブの製造方法で、前記金属膜と、前記窒化物薄膜を、同一真空中で連続的に形成することを特徴とする。
【００１３】
窒化チタン／チタン、窒化ジルコニウム／ジルコニウム、窒化ハフニウム／ハフニウムの少なくとも一つから選択された窒化物薄膜及び該被窒化金属薄膜の２層構造を、同一真空中で連続的に形成することにより窒化物薄膜の応力を緩和し密着性を向上させることで、入射光強度を増強した際においても剥離がなくプローブ先端での光強度減少の少ないプローブが、窒化物薄膜の膜厚が上記と同様の範囲（１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下）で、かつ、被窒化金属薄膜層の膜厚が１０ｎｍ以下において作製可能となる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、プローブによる微小ビットの記録を行うプローブ型メモリにおいて、請求項１〜４のいずれかに記載のプローブを備えたことを特徴とする。このようなプローブを備えることにより高記録密度のプローブ型メモリが実現可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による窒化物薄膜を用いたプローブ及びその製造方法とプローブ型メモリの有効性を示す為の比較例及び実施例を以下に述べる。
【００１６】
（比較例）
比較として、Ａｕ膜及びＣｕ膜を被覆した２種類のプローブの例を示す。
Ａｕ膜及びＣｕ膜をガラス基板上に成膜し、反射率をＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）を用いて測定したところＡｕ膜では９２％、Ｃｕ膜では８９％と文献等でよく知られているように高い反射率が得られることを確認した。
【００１７】
ところがこの高い反射率を示すＡｕ膜及びＣｕ膜を、端部を除く光ファイバ表面に形成し、プローブの一方の端部から５ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）を入射しプローブ先端での光強度をプローブをフォトディテクタに接近させ測定したところ約６ｐＷと著しく減少していることがわかった。
【００１８】
この原因を調べるために１０ｎｍ〜１０００ｎｍと膜厚をかえて成膜しプローブの表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で調べたところ、３０ｎｍ以下の膜厚では膜にピンホールが見られた。また、１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の厚さの膜では、ピンホールは見られなかったもののいくつかの箇所で膜はがれがみられた。成膜直後には膜剥がれのなかったサンプルにおいても、数回使用したのちに再びＳＥＭで観察したところ、同様に膜剥がれがみられた。この膜剥がれの原因はＡｕ膜やＣｕ膜のプローブに対する密着性が悪いこと、またプローブの使用に際しての熱履歴においてプローブとの間に生じる熱歪みが大きいことによるためと考えられる。
【００１９】
プローブ先端での光強度が減少している要因としては、このようなＡｕ膜あるいはＣｕ膜に生じたピンホールや膜剥がれの箇所からプローブ内の光が漏れ出ることが考えられる。即ち、Ａｕ膜やＣｕ膜は６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示すのだが、密着性が悪いためにピンホールや膜剥がれが生じ、その部位から光が漏れることによりプローブ先端での光強度が減少するため高密度メモリ用プローブとしては実用上問題があることがわかる。
【００２０】
（実施例１）
プローブの基材として、外径が１４０μｍ、コア径が８μｍの光ファイバを用いた。ウエットエッチングによりファイバの片側の先端径を１００ｎｍ程度に加工している。
【００２１】
この加工したファイバ先端の外側にＴｉＮ（窒化チタン）膜を反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング法により形成した（図１）。成膜までの手順としては、ターゲットにＴｉメタルターゲット（純度：４Ｎ）を用いて、ベースプレッシャー２×１０-4Ｐａまで真空排気した後、基板加熱を行う。その後スパッタガスを成膜室内に導入しスパッタを行う圧力に調整する。スパッタガスとしてはＡｒ、及びＮ2ガスを用いた。なお、成膜直前にＡｒあるいはＮ2ガスを用いた逆スパッタリングを行う場合もある。
【００２２】
まず、はじめにＴｉＮ形成条件の検討を行った。成膜条件として、ＲＦパワー１００ｗ、基板温度２００℃、ガス圧０．６Ｐａ、を固定して、ガス比をＡｒ／Ｎ2＝８／２、７／３、６／４、５／５、４／６、２／８と変えて成膜した。膜厚は成膜時間により制御を行い２００ｎｍとした。
【００２３】
Ａｒ／Ｎ2比が７／３よりＮ2が少ない条件ではいわゆる銀白色の膜が得られ、Ｎ2が多い条件では赤味がかった銅に似た色を示す膜が得られた。また、このガス比を境にして成膜速度がＴｉ膜の約１／４程度に急激に低下し、これよりＮ2を増加しても成膜速度はほぼ一定であった。このように膜の色及び成膜速度の変化から、Ａｒ／Ｎ2比＝７／３よりＮ2が多い条件下においてはＴｉＮ膜が形成されていると判断した。この成膜速度の低下はターゲット上に窒化物が形成されることで見かけ上スパッタ率が低下したためと考えられる。
【００２４】
反射率等の測定がプローブに形成したＴｉＮ膜では調べにくいことから、ガラス基板上に同様の条件（Ａｒ／Ｎ2比＝７／３よりＮ2が多い条件）でＴｉＮ膜を成膜し、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）による反射率測定およびＸＲＤ（Ｘ線回折）測定を行い膜の特性を調べた。膜の反射率は約８０％程度であり、同様にして測定したＡｕ膜で得られた９０％以上の反射率に比べ低い値が得られた。また、ＸＲＤの結果、膜はアモルファスであることがわかった。Ｎ2ガスを増加して場合においても膜の色および反射率に大きな変化はみられずアモルファスの膜であったことから、膜中にＮ2は取り込まれているものの実際にＴｉＮ形成に寄与している量が少ないことが考えられる。
【００２５】
そこで、反射率の向上を目的としてさらに成膜条件を検討したところ、ガス圧が０．２６Ｐａ（２ｍＴｏｒｒ）以下の時に金色を示す膜が得られることがわかった。また、同一のガス比で成膜した場合には、ガス圧が低い方が成膜速度は大きい値が得られることもわかった。言い換えると、成膜速度が一定の場合には、ガス圧は低い方が良い。反射率および結晶性を調べたところ、反射率はほぼ９０％にまで向上し、さらに膜は（１１１）配向していることがわかった。ＴｉＮ膜の結晶化が十分に行われていることからアモルファス膜と比較して膜中に取り込まれたＮ2のＴｉＮ形成に寄与する量が増加を示し、このことがさらなる反射率向上に寄与したと考えられる。
【００２６】
この高反射率を示す条件（ＲＦパワー１００ｗ、基板温度２００℃、ガス圧０．２６Ｐａ、ガス比Ａｒ／Ｎ2＝７／３）で膜厚を１０ｎｍ〜１０００ｎｍまで変えてＴｉＮ膜をプローブに形成しプローブの表面をＳＥＭで調べたところ、１０ｎｍの薄膜においてもピンホールなどは見られず膜剥離のない平坦な膜が均一に形成されていることが確認された。すなわち、これは形成したＴｉＮ膜の密着性が優れており被覆性が高いためであると考えられる。
【００２７】
次に、５ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）をプローブに入射し光強度を測定したところプローブ先端で約２０ｐＷと比較例の３倍以上の光強度が得られた。
【００２８】
ＺｒＮ膜、ＨｆＮ膜を被覆したプローブにおいても密着性よく結晶化した膜が得られ、同様の膜厚範囲においてＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）に対して高い反射率を示しプローブ先端での光強度も同様に十分大きな値が得られることを確認した。またＴｉＮ膜の被覆によりプローブの機械的強度が向上したためかプローブの損傷がＡｕ膜を形成したプローブに比べほとんど無いことがわかった。
【００２９】
被覆する膜の膜厚に関しては、走査型近接場光学顕微鏡や高密度メモリのプローブとして、試料や記録媒体に１０〜２０ｎｍ程度にまで接近させることを考慮することが重要となる。プローブ先端の開口径やテーパー角度にもよるが、被覆する膜厚が厚い場合には物理的なプローブ先端径が膜厚の２倍＋開口径にほぼ等しくなり太い先端径を有するプローブを用いて媒体に１０〜２０ｎｍ程度まで接近させることになるため、プローブと記録媒体との間に振動などによる角度ぶれが生じた場合、プローブと媒体との衝突を防ぐクリアランスのマージン確保が難しくなることが考えられる。例えば、媒体の表面が平滑であると仮定し、プローブと媒体との距離を１０ｎｍに設定、開口径１００ｎｍのプローブに１０００ｎｍの膜を被覆した場合、ワーストケースで許される角度ぶれの大きさはθ＝ａｒｃｔａｎ｛１０／（２×１０００＋１００）｝から見積もることができ、その値は約０．２７ｄｅｇ．と小さくマージン確保が難しくなり始める。
【００３０】
このように被覆する膜厚としては、十分にプローブ内の光を閉じ込めるに足る厚さが必要であることは言うまでもないが、厚い場合には歪みに伴う膜剥がれの問題に加えて上述のプローブと媒体との衝突を防ぐクリアランスの問題が新たに発生するため、実用上は１０００ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００３１】
以上述べたように、光源からの光を入射する第１の端部と、該入射光波長よりも直径が小さい第２の端部を有する誘電体物質で形成されたプローブ及び光ファイバープローブにおいて、第１及び第２の端部を除く表面に窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムの少なくとも一つから選択された窒化物薄膜を形成することにより、６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示し、かつ光がプローブから漏れでることのないためプローブ先端での光強度減少の少ないプローブが実現できることが示された。
【００３２】
また、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム膜は、６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示すばかりでなく、膜厚が１０ｎｍ以上から均一な被覆が可能で、かつまた密着性に優れるために１０００ｎｍの膜厚まで剥離することなく被覆したプローブを作製できることを示した。
【００３３】
本実施例では、作製方法としてＲＦ−マグネトロンスパッタリング法を用いたが、ＤＣ−マグネトロンスパッタリング法や蒸着、イオンプレーティングなどその他の物理的成膜方法やＣＶＤなどの化学的成膜方法を用いても勿論構わない。また、プローブ基材として光ファイバを用いたがその他にも中空のプローブなどを用いても構わない。
【００３４】
（実施例２）
実施例１で作製したプローブを用いて、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）の入力パワーを４０ｍＷにまであげて長時間プローブを使用したところ、出射光強度が約６ｐＷにまで減少していた。ＳＥＭによる観察を行ったところ、プローブに被覆した膜にクラックが生じていることが判明した。これは、長時間大きなパワーで光をプローブに入射し続けたことにより、膜を被覆したプローブ先端の温度が上昇し再び冷却する繰り返しの際の窒化物膜と光ファイバーあるいは誘電体プローブとの熱膨張差に起因するものであることを見い出した。そこで、この熱歪みを緩和しクラック発生を抑止する目的でプローブとＴｉＮ膜の間にＴｉ膜を形成することを試みた。
【００３５】
プローブ基材及び成膜条件は実施例１と同様のものを用いてＴｉＮ／Ｔｉ／プローブ構造を、ＴｉＮ膜厚を１０ｎｍ〜１０００ｎｍ、Ｔｉ膜厚を１０ｎｍとして作製した。６００ｎｍ以上の入射波長に対するＴｉ膜の反射率はＴｉＮ膜ほどよくはなかったのだが、Ｔｉ膜厚が１０ｎｍ程度に薄い場合にはＴｉＮ／Ｔｉの反射率には実質的には影響が見られなかった。また、この時、同一真空中で連続的にＴｉＮ／Ｔｉを形成したことによりＴｉＮ／Ｔｉの界面は酸素の吸着などの影響をほとんど受けることがなく密着性のよい２層構造を形成することがわかった。
【００３６】
このプローブに同様にＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）の入力パワーを４０ｍＷにまであげて光を入射し使用したものをＳＥＭ観察したが、クラックの発生などは観測されず、プローブ先端での出射光強度も約１２０ｐＷと大きな値が得られることが確認された。
【００３７】
また、同様にＺｒＮ／Ｚｒ膜、ＨｆＮ／Ｈｆ膜を被覆したプローブにおいても熱膨張差によるクラックの発生がないことを確認している。この理由を調べるために熱伝導性および熱膨張を測定したところ、ＺｒＮ膜の場合には、熱伝導性がＴｉＮ、ＨｆＮに比べて最もよく放熱性に優れているため温度上昇が抑制され熱膨張による歪みの発生が少ないことがその要因の一つであることがわかった。また、ＨｆＮ膜の場合には、熱伝導性はＺｒＮ膜に及ばないものの熱膨張が小さくファイバー材料であるガラスの値に近いためにＨｆＮ／Ｈｆ膜との膜熱膨張差自体が小さく歪みの発生が少ないことがその要因の一つであることがわかった。
【００３８】
このように、窒化チタン／チタン、窒化ジルコニウム／ジルコニウム、窒化ハフニウム／ハフニウムの少なくとも一つから選択された窒化物薄膜及び該被窒化金属薄膜の２層構造を、同一真空中で連続的に形成することにより窒化物薄膜の応力を緩和し密着性を向上させることで、入射光強度を増強した際においても剥離がなくプローブ先端での光強度減少の少ないプローブが、窒化物薄膜の膜厚が上記と同様の範囲（１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下）で、かつ、被窒化金属薄膜層の膜厚が１０ｎｍ以下において作製可能となることが示された。
【００３９】
本実施例では、作製方法としてＲＦ−マグネトロンスパッタリング法を用いたが、ＤＣ−マグネトロンスパッタリング法や蒸着、イオンプレーティングなどその他の物理的成膜方法やＣＶＤなどの化学的成膜方法を用いても勿論構わない。また、プローブ基材として光ファイバを用いたがその他にも中空のプローブなどを用いても構わない。
【００４０】
（実施例３）
実施例１及び２で作製したプローブによる微小ビットの書き込みを行い、高密度メモリ用プローブとしての有効性を調べた。プローブには先端径を各々５０ｎｍ、１００ｎｍに加工し膜厚２００ｎｍの窒化チタン／チタンを被覆した２種類を用いた。光源として波長λ＝６３５ｎｍ、入射パワー２０ｍＷの半導体レーザを使用しプローブに光を入射し、プローブ先端から出射され媒体に反射した光の検出をフォトディテクターにより行う構成とした。このプローブを媒体との距離を約２０ｎｍに保ちながらＸＹ走査させ、ビットの書き込みを試みた。媒体には相変化記録膜として一般的なＧｅＳｂＴｅ膜をガラス基板上に形成しその上部に保護膜として膜厚１５ｎｍのＣ膜を形成したものを用いた。
【００４１】
先端径１００ｎｍのプローブでは約１００ｎｍ径のビット、先端径５０ｎｍのプローブを用いた場合には約５０ｎｍ径のビット、とプローブ径にほぼ等しいサイズのビットが形成できていることがわかった。これは、上記プローブにおいては先端端部付近からの光漏れがないためその先端開口径のみから光が出射されていること、漏れ光の輻射熱によるビットサイズ拡大等の悪影響を抑制することができているためと考えられる。また、従来は光入射強度をあげると先端端部付近から光が漏れ、ビットサイズが大きくなるため小さいビットを形成するには光入射強度を落とすしかなく、その場合には光強度が弱いため媒体に不完全な記録しか行えず信号品質が低下するという問題があったが、上記プローブにおいては媒体に記録を行うに十分な強度の入射光においてもビットサイズの拡大などの問題がなく高密度でなおかつ信号品質の優れた記録を行うことが可能になる。各々ビット間隔としてビットサイズの２倍を仮定した場合、１６Ｇｂ／ｉｎ2、６４Ｇｂ／ｉｎ2の高記録密度に相当することになり上記プローブが高密度メモリ用として適していることがわかる。
【００４２】
更に、実用的なメモリ用プローブとしてはそのアクセス回数に等しい熱履歴に対する耐久性、機械的強度などが要求されるが、上記プローブにおいて１０００万回の光入力の繰り返し試験をおこなったところ劣化はなく、ＸＹ走査によるプローブ先端の損傷も見られないなど耐久性にも優れていることが明らかとなった。
【００４３】
すなわち上記プローブを使用することで微小なビット形成が可能でかつ優れた信号品質に必要な記録を行うに十分な強度の光を入射することが可能であり、さらに実用上大切な耐久性にもすぐれたプローブを備えた高密度プローブ型メモリが実現されることがわかった。
【００４４】
本実施例では、媒体の記録膜に相変化膜を用いたがその他光磁気膜など本プローブを用いた光記録、熱記録が可能であれば構わない。また、保護膜にＣ膜を用いているがその他ＳｉＯ2膜などを用いても勿論構わない。また、構成として簡便のためフォトディテクターを配置したが本プローブにより信号検出を行うことも可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明により、近接場光学を利用した高密度メモリの実用化に必要とされる
６００ｎｍ以上の波長に対して高反射率を示し、入射光をプローブ外に漏れ出る事なくプローブ先端まで到達させ、プローブ先端での光強度減少の少ないプローブ及びその製造方法が提供される。
【００４６】
さらに、本発明によるプローブは実用上大切な機械的強度や耐久性にも優れておりプローブに大きな入射光強度を用いても熱膨張差による損傷なく出射光強度を向上することが可能であり、かつまたビットサイズの拡大などの問題がなく高密度でなおかつ信号品質の優れた記録ができるため、本プローブを用いることで高密度なプローブ型メモリが可能となる。また、原材料及び製造方法も安価であり、工業上極めて大きな価値を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプローブを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 光ファイバ（クラッド）
２ 光ファイバ（コア）
３ 窒化物膜（ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＮ／Ｔｉ、ＺｒＮ／Ｚｒ、ＨｆＮ／Ｈｆ）
Claims (6)
- 光源からの光を入射する第１の端部と、該入射光波長よりも直径が小さい第２の端部を有する、誘電体物質で形成されたプローブ及び光ファイバープローブにおいて、
端部以外のプローブ表面に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムの少なくとも一つから選択された窒化物薄膜を形成することを特徴とするプローブ。 - 前記プローブにおいて、窒化物薄膜の膜厚が１０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
- 光源からの光を入射する第１の端部と、該入射光波長よりも直径が小さい第２の端部を有する誘電体物質で形成されたプローブ及び光ファイバープローブにおいて、
端部以外のプローブの表面に、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの金属膜が形成され、該金属膜の表面に、該金属膜の窒化物膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。 - 前記窒化物薄膜の膜厚は１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、前記金属膜の膜厚は１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のプローブ。
- 請求項３及び４に記載のプローブの製造方法で、前記金属膜と、前記窒化物薄膜を、同一真空中で連続的に形成することを特徴とする請求項３または４に記載のプローブ製造方法。
- プローブによる微小ビットの記録を行うプローブ型メモリにおいて、請求項１〜４のいずれかに記載のプローブを備えたことを特徴とするプローブ型メモリ。
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