JP4281760B2 - 記録再生装置 - Google Patents
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P×(-2.5×(e/em +M+A)+30) < L < P×(-20×(e/em +M+A)+50)
または
P×(-70×(e/em +M+A)-850) < L < P×(-90×(e/em +M+A)+50)
が満たされるようにすると良い。これによりプラズモン共鳴を励起させることが出来、強い近接場光が発生させることが出来る。ここで、散乱体の材質に依存する係数Pは、例えばアルミを70%以上含む場合0.5、マグネシウムを70%以上含む場合0.8、金を70%以上含む場合1、銅を70%以上含む場合1、銀を70%以上含む場合1とする。また、媒体または試料の誘電率に依存する係数Mは、媒体または試料が存在しないときは0、媒体または試料が誘電体であるときは0、媒体または試料が金属や半導体であるとき5とする。角度に依存する係数Aは、近接場光の発生する頂点の頂角をQとしたとき、A = -0.05×Q+3とする。なお、強い近接場光を発生させるためには、上記の近接場光が発生する頂点の頂角Qは30度以上、80度以下にすると良い。
P×(-2.5×(e/em +M+A)-20) < L < P×(-20)×(e/em +M+A)
または
P×(-70×(e/em +M+A)-900) < L < P×(-90)×(e/em +M+A)
が満たされるようにすると良い。これによりプラズモン共鳴を励起させることが出来、強い近接場光が発生させることが出来る。ここで、散乱体の材質に依存する係数P、媒体または試料の誘電率に依存する係数M、角度に依存する係数Aは、散乱体が1つの場合と同じようにする。
(実施例1)
以下に、本発明の近接場光発生装置について説明する。
上記の散乱体の形状は、曲率半径が入射光の波長より小さな頂点を持ち、その頂点に向かい幅が徐々に小さくなった膜状のものが好ましい。ただし、近接場光が発生する頂点以外の部分での曲率半径は近接場光が発生する頂点の曲率半径より大きくするのが好ましい。なぜなら、近接場光が発生する頂点以外の部分にも、近接場光が発生する頂点と同程度の曲率半径を持つ点が存在すると、そこにも近接場光が発生してしまうからである。
ここでは、散乱体の材質は金とし、散乱体は空気中に置かれているとした。頂点の曲率半径r1は20nm、厚さは30nm、頂点12の頂角Qは60°、長さL1は150nmとした。図5(b)の三角形の場合、頂点31の曲率半径31は30nmとした。光波長は図5(a)、(b)ともに650nmで、観測面は散乱体表面から10nm離れた位置とした。強度の値は、近接場光強度と入射光強度との比を表す。この図に示すように、頂点12に強い近接場光が発生することが分かる。
(1)近接場光強度がピーク強度の10%となるとき
(-2.5×(e/em )+30) < L1 < (-20×(e/em )+50)
(2)近接場光強度がピーク強度の50%となるとき
(-3×(e/em)+30) < L1 < (-12.5×(e/em )+50)
(3)近接場光強度がピーク強度の80%となるとき
(-3.5×(e/em )+30) < L1 < (-9×(e/em )+50)
なお、図6(b)に示すように、長さが400nm以上となるとき、第2の共鳴点が誘電率の大きな領域に発生する。例えば長さが400nmのとき、誘電率が約-10となる位置にピークが存在する。効率が1〜2%程度で十分な場合は、この共鳴点を用いても良い。すなわち、つぎの範囲に長さL1を設定しても良い。
(-70×(e/em )-850) < L1 < (-90×(e/em )+50)
つぎに、頂点12の頂角依存性について説明する。図10に、図3(a)のような扇型の散乱体において、頂点12の角度Qを20度から50度に変化させたとき、近接場光強度と誘電率の関係がどのように変化するか、FDTD法を用いて計算した結果を示す。散乱体の材質は銀、厚さは30nmとし、頂点の曲率半径r1は20nm、長さL1は150nmと仮定した。入射光の光スポット径は波長の3倍とした。縦軸の近接場光強度は、散乱体からの距離zが2nmのときの値で、近接場光強度と入射光強度との比を表す。この図に示すように、角度を小さくすると、最適な誘電率はわずかに大きくなる。この角度依存性を考慮すると、上記の長さL1の最適値はつぎのようになる。
(1)近接場光強度がピーク強度の10%となるとき
(-2.5×(e/em +A)+30) < L1 < (-20×(e/em +A)+50)
(2)近接場光強度がピーク強度の50%となるとき
(-3×(e/em +A)+30) < L1 < (-12.5×(e/em +A)+50)
(3)近接場光強度がピーク強度の80%となるとき
(-3.5×(e/em +A)+30) < L1 < (-9×(e/em +A)+50)
(4)第2の共振点を利用するとき
(-70×(e/em +A)-850) < L1 < (-90×(e/em +A)+50)
ここで、Aは角度に依存する係数で、頂点12の頂角Qとつぎの関係にある。
A = -0.05×Q+3
ところで、近接場光強度は、頂点12の頂角Qが80度以上になると低下する。上に述べたような、10%以上の高い効率が要求される場合は、角度を80度以下にするのが好ましい。ただし、角度が小さすぎると、頂点12と他端側のエッジ16における近接場光強度も強くなってしまう。エッジ16における強度が頂点12における強度の1/2以下になるようにするには、角度を30度以上にするのが好ましい。
(1)近接場光強度がピーク強度の10%となるとき
P×(-2.5×(e/em +A)+30) < L1 < P×(-20×(e/em +A)+50)
(2)近接場光強度がピーク強度の50%となるとき
P×(-3×(e/em +A)+30) < L1 < P×(-12.5×(e/em +A)+50)
(3)近接場光強度がピーク強度の80%となるとき
P×(-3.5×(e/em +A)+30) < L1 < P×(-9×(e/em +A)+50)
(4)第2の共振点を利用するとき
P×(-70×(e/em +A)-850) < L1 < P×(-90×(e/em +A)+50)
ここで、Pは散乱体の材質に依存する係数で、例えばアルミを70%以上含む場合0.5、マグネシウムを70%以上含む場合0.8、金を70%以上含む場合1、銅を70%以上含む場合1、銀を70%以上含む場合1となる。
(実施例2)
次に、散乱体の位置について、説明する。
(1) 近接場光強度がピーク強度の10%となるとき
P×(-2.5×(e/em +A+M)+30) < L1 < P×(-20×(e/em +A+M)+50)
(2)近接場光強度がピーク強度の50%となるとき
P×(-3×(e/em +A+M)+30) < L1 < P×(-12.5×(e/em +A+M)+50)
(3)近接場光強度がピーク強度の80%となるとき
P×(-3.5×(e/em +A+M)+30) < L1 < P×(-9×(e/em +A+M)+50)
(4)第2の共振点を利用するとき
P×(-70×(e/em +A+M)-850) < L1 < P×(-90×(e/em +A+M)+50)
ここでMは試料または媒体の材質により決まるシフト量で、近づける物体がない場合0、近づける物体が誘電体の場合0、金属や半導体の場合5となる。ここで、誘電体とは電気伝導率が10−7 S・m−1 以下であるものをいう。
(実施例3)
次に、散乱体を2つ以上設ける場合について説明する。
(1)近接場光強度がピーク強度の10%となるとき
P×(-2.5×(e/em +M+A)-20) < L1< P×(-20)×(e/em +M+A)
(2)近接場光強度がピーク強度の50%となるとき
P×(-3×(e/em +M+A)-20) < L1 < P×(-12.5)×(e/em +M+A)
(3)近接場光強度がピーク強度の80%となるとき
P×(-3.5×(e/em +M+A)-20) < L1 < P×(-9)×(e/em +M+A)
(4)第2の共振点を利用するとき
P×(-70×(e/em +M+A)-900) < L1< P×(-90)×(e/em +M+A)
ここでPは散乱体の材質に依存する係数、Aは近接場光が発生する頂点の頂角に依存する係数、Mは媒体に依存する係数を表し、それぞれ散乱体が1つのときと同じ値である。
(実施例4)
ところで、試料の形状や記録媒体上に形成された記録マークの有無等を検出するために、プローブを透過した光のパワーを検出する場合、散乱体に当たらなかった光は、そのまま検出器で検出されてしまう。この光はバックグランド光として働き、検出のS/N比の低下を招く。これを防ぐために、図21(a)のように、散乱体の近傍に遮光性のある膜182を形成すると好ましい。ここで、遮光性のある膜とは透過率が50%以下である膜と定義する。この遮光性のある膜には、例えば金や銀などの金属、SiやGaAsなどの半導体、カーボンなどの誘電体などを用いる。散乱体と遮光性のある膜の間隔W1を光波長以下(本実施例では50nmとした)にすることにより、バックグランド光の発生を抑制することができる。なお、遮光膜として光吸収性のある膜(透過率同様、反射率も低い膜。ここでは透過率および反射率が50%以下の膜と定義する)を利用する場合、プローブの透過光を検出する方式(Illumination mode)だけでなく、光源側に戻ってくる光を検出する方式(Illumination-Collection mode)の装置においても、バックグランド光を抑制することが可能である。
(実施例5)
次に、プローブの作製方法について説明する。
(実施例6)
次に、散乱体の設置場所について説明する。
このようにすれば、集光素子と散乱体の位置調整が不必要になる。また、散乱体を光共振器の出射面の近傍、即ち出射面から10μm以内に形成しても良い。例えば、図28(c)に示すように、光を共振させるための反射膜264を基板に形成し、その反射層264上に開口を形成し、その開口中に散乱体11を形成する。このとき、バックグランド光の発生を抑制するために、散乱体と反射膜の間隔w2は光波長以下にするのが好ましい。本実施例では、w2を50nmとした。このように共振器の出射面近傍に形成すれば、散乱体に当たらずに反射した光が共振器により戻され、再び散乱体に照射されるので、光利用効率を向上させることが出来る。また、散乱体は半導体レーザの出射面の近傍、即ち出射面から10μm以内に形成しても良い。例えば、図28(d)に示すように、散乱体11を面発光レーザーの出射面近傍に形成する。このとき、バックグランド光を抑制するために、レーザの出射面上に反射膜を形成し、そこに開口を形成し、その中に散乱体を形成すると良い。この時、散乱体と反射膜の間隔w2は光波長以下にするのが好ましい。本実施例では、w2を50nmとした。このように半導体レーザーの出射面に形成することにより、光源と散乱体の位置調整が不必要になる。また、散乱体はフォトダイオードなどの光検出器の受光面近傍、即ち受光面から10μm以内に形成しても良い。これにより、検出器と散乱体の位置位置調整が不要になる。
(実施例7)
図31に、上記の近接場光プローブを近接場光学顕微鏡に応用した例を示す。ここでは、散乱体を原子間力顕微鏡のカンチレバの先端に形成したプローブを用いた例を示す。試料910は基板911の上に置き、その表面に、上記の近接場光プローブ901を近づける。レーザー906から出射した光はレンズ916によりコリメートされ、ビームスプリッタ905を通過後、対物レンズ904に入射する。光は対物レンズにより集光され金属の微小構造部で収束する。プローブで発生した発光は、対物レンズ904により集光され、検出器907で検出されるか、もしくは試料の反対側に置かれた対物レンズ912により集光され、検出器913で検出される。試料をピエゾ素子908を使い水平方向に走査させると、試料により検出される発光強度が変化し、その変化を記録することにより、試料の像を得ることができる。ここで、試料からの信号の偏光方向が、入射光の偏光方向と異なっている場合、偏光子917、918を光路中に起き(レーザーが直線偏光の場合偏光子918のみで良い)、偏光子918の偏光方向が入射光の偏光方向に対し直角になるようにすると、コントラストを向上させることができる。
(実施例8)
上記近接場プローブの光記録/再生装置への応用例を図32に示す。散乱体はスライダ702上に形成され、対物レンズ、光源、検出器等を搭載した光ヘッド703上に搭載される。このスライダをディスク701に近づける。光ヘッドはキャリッジアクチュエーター704を用いて、ディスクの半径方向に動かされる。光ヘッド内部の光学系は図32(b)のように構成する。光源には半導体レーザー708を用い(本実施例では波長780nm、出力30mWの半導体レーザーを用いた)、出射光をコリメーターレンズ709、ビーム整形プリズム710を用いて円形の平行ビームにする。このビームはビームスプリッタ712、ミラー714、対物レンズ707を通過後、近接場光プローブ702に入射する。対物レンズの位置はアクチュエーター706を用いて調整される。また、トラッキングのため近接場光プローブの位置を微調整するためには、圧電素子711を用いる。プローブ702はサスペンション705に取り付けられていて、このサスペンションの力によりディスク701に押し付けられる。本実施例では光ディスク701には相変化媒体を用い、記録マークは、近接場プローブにより発生した近接場光により結晶相をアモルファス相に変化させることにより形成した。再生は、ディスクから戻ってくる光の強度変化を検出することにより行う。すなわち、近接場光がディスクにより散乱される割合が、記録マークの有無により変化するので、その散乱光の強度変化を検出することにより行う。実際には、ディスクからの光(信号光)をビームスプリッタ-712により入射光と分離し、集光レンズ715を通過させた後、検出器717で検出する。ここで、ディスクからの信号光の偏光方向が、入射光の偏光方向と異なっている場合、偏光子716を光路中に起き、偏光子716の偏光方向が入射光の偏光方向に対し直角になるようにすると、コントラストを向上させることができる。
(実施例9)
上記近接場プローブは、光リソグラフィ用の露光装置へ応用することも可能である。図33(a)、(b)にその応用例を示す。加工する基板322上にフォトレジスト321を塗布し、そこに幅が徐々に小さくなる散乱体11を有するプローブを近づける。ここにフォトレジストを感光させる光を入射させると頂点部12に局在する強い近接場光が発生し、その部分のフォトレジストが感光される。露光後は、フォトレジストを現像し、エッチング等の加工を基板322に施す。ここで、入射光の波長は、レジストが感光し、かつプラズモン共鳴が励起される波長にすると好ましい。本実施例では、散乱体11の材質をアルミにし、波長442nmの光を入射させた。本発明のプローブを用いることにより、光波長以下の微細な散乱体を、非常に低パワーの光で露光させることが可能で、またプローブをレジスト上で高速に走査させることも可能なので露光時間の低減化も可能である。
12 近接場光が発生する頂点
13 基板
14 入射光
16 近接場光が発生する頂点と他端側のエッジ
91 試料または媒体
161 パッド
171 試料または媒体
181 散乱体と遮光膜の間に形成された開口
182 遮光膜
183 近接場光が発生する頂点近傍に形成された開口
184 近接場光が発生する頂点と他端側のエッジ近傍に形成された開口
191 近接場光が発生する頂点近傍に形成されたV字の開口
192 近接場光が発生する頂点と他端側のエッジ近傍に形成された直線状の開口
193 近接場光が発生する頂点と他端側のエッジ近傍に形成された曲線状の開口
211 遮光膜
212 開口
213 開口を透過した光
214 入射光
221 光検出器
231 犠牲基板
232 光透過性層
233 レジスト層
234 露光用の光の入射方向
235 透明基板
251 基板
253 斜めに入射する入射光
254 垂直に入射する入射光
255 斜めに削られた基板面
261 Solid Immersion Lens
262 対物レンズ
263 フレネルレンズ
264 反射膜
265 遮光膜
266 電極
267 反射膜
268 活性層
271 円錐または多角錐の突起の先端に形成された平坦な面
272 円錐または多角錐の突起の側面
281 四角錐
282 外側から入射する入射光
283 内側から入射する入射光
284 偏光方向
901 近接場光プローブ
902 カンチレバの裏面
904 集光レンズ
905 ビームスプリッタ
906 半導体レーザ
907 検出器
908 走査用ピエゾ素子
909 振動用ピエゾ素子
910 試料
911 基板
912 集光レンズ
913 検出器
914 PSD
916 コリメートレンズ
701 記録ディスク
702 スライダ
703 光ヘッド
704 アクチュエータ
705 サスペンション
706 アクチュエーター
707 対物レンズ
708 半導体レーザー
709 コリメートレンズ
710 ビーム整形プリズム
711 圧電素子
712 ビームスプリッタ
714 ミラー
715 集光レンズ
716 偏光子
717 光検出器
321 フォトレジスト
322 基板
341 平面状金属パターン
342 頂点
343 2つの頂点間。
Claims (2)
- 近接場光発生装置を用いて、記録媒体に情報の記録再生を行う記録再生装置であって、
前記近接場光発生装置は、近接場光を発生する頂点部を有するプローブ領域と、開口径が前記プローブ領域の長手方向の長さよりも小さな開口を備え当該開口から前記近接場光を透過させる遮光領域とを有し、
前記プローブ領域と前記記録媒体との距離は、前記遮光領域と前記記録媒体との距離よりも小さく、かつ前記頂点部が前記開口の中心と実質的に同じ位置に配置されるように構成されたことを特徴とする記録再生装置。 - 請求項1に記載の記録再生装置において、
前記開口の位置において、前記近接場光の透過する側に配置された光検出器を有することを特徴とする記録再生装置。
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