JP4296924B2

JP4296924B2 - 露光装置、記録及び／又は再生装置

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Publication number: JP4296924B2
Application number: JP2003420902A
Authority: JP
Inventors: 慎悟今西
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Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: JP2005182895A

Description

本発明は、ソリッド・イマージョン・レンズ（Solid Immersion Lens：以下、ＳＩＬという。）やソリッド・イマージョン・ミラー（Solid Immersion Mirror：以下、ＳＩＭという。）等の光学素子を搭載した光学ヘッドを用いて、露光用原盤に対する露光を行う露光装置や、光記録媒体に対する信号の記録及び／又は再生を行う記録及び／又は再生装置に関する。

近年、ＳＩＬやＳＩＭと呼ばれる光学素子を搭載した光学ヘッドを用いて、通常の対物レンズの回折限界を超えた近接場による露光を行う露光装置や、信号の記録・再生を行う記録及び／又は再生装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

具体的に、このような光学ヘッドを用いて、光源から出射された光ビームを集光レンズで集光させながら、この集光された光ビームを集光レンズの焦点付近に配置したＳＩＬに入射させると、ＳＩＬ中における光ビームの速度は、空気中よりもＳＩＬの屈折率ｎの分だけ遅くなり、ＳＩＬ中における光ビームの波長は、空気中の１／ｎまで短くなる。ここで、ＳＩＬの出射面から出射される光ビームは、再び空気中に伝搬することによって、通常は元の波長に戻るが、このＳＩＬの出射面と露光用原盤の露光面又は光記録媒体の信号記録面との間の距離（ギャップ）を光ビームの波長の約１／４以下まで近づけると、ＳＩＬの出射面から滲み出す近接場光が、露光用原盤の露光面又は光記録媒体の信号記録面とカップリングし、ＳＩＬ中と同じ１／ｎの波長のまま露光用原盤又は光記録媒体の内部へと伝播することになる。これにより、通常の対物レンズの回折限界を超えて光ビームのスポットを縮小させることができる。

ところで、この近接場によるカップリング効率は、上記ギャップの増加に伴って指数関数的に減少することになる。このため、上述した露光装置や記録及び／又は再生装置では、ギャップ長に変動が生じないよう光学ヘッドを光軸方向に動かしながら、光ビームの波長の約１／４以下まで近づけた状態を維持するギャップ制御を行っている。

一方、露光用原盤の線密度の増加や光記録媒体の記録密度の増加に伴って、照射される光ビームの波長も短くなっている。この場合、上述したギャップも狭くする必要があるため、たとえギャップ制御を行っていても、外乱等により光学ヘッドと露光用原盤又は光記録媒体とが衝突する危険性が非常に高くなる。すなわち、この光学ヘッドと露光用原盤又は光記録媒体との衝突によって、例えばＳＩＬの出射面に露光用フォトレジストが付着したり、光記録媒体の信号記録面に傷が発生したり、或いはＳＩＬ自体が破損するといった問題が発生してしまう。

逆に、衝突を回避するためには、ギャップを広げる必要があるが、上述したカップリング効率の低下によってＳＩＬの出射面から露光用原盤の露光面又は光記録媒体の信号記録面に到達する近接場光が非常に弱くなる。

ところで、上述した特許文献１に記載される光学装置では、ＳＩＬの出射面に形成されたプラズモン励起材料に、集光された光ビームを照射し、このプラズモン励起材料にプラズモンを励起させて、近接場光よりも数十倍から数百倍程度に増強させた電磁場を用いて、光学的な情報の記録或いは再生を行うことが提案されている。

しかしながら、上述した特許文献１に記載される光学装置では、ＳＩＬの出射面に集光される光ビームのスポットのうち、プラズモンを励起させるための外側の光成分と、近接場とならない内側の光成分との両方を用いて、光記録媒体に対する信号の記録・再生を行っている。

このため、プラズモン励起により近接場を増強したとしても、ギャップを広げると、上述した光ビームのスポットの近接場とならない内側の光成分の光強度が支配的となり、光記録媒体に到達し得る近接場が非常に弱くなる。その結果、ＳＩＬを用いたことによる光ビームのスポットを縮小する効果を充分に得ることができなくなってしまう。

特開２００１−６７６６８号公報

そこで、本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、光学ヘッドにより近接場を増強すると共に、この近接場をより離れた位置まで到達させることを可能とし、且つ光学ヘッドと露光用原盤との衝突を回避すると共に、露光用原盤に対する露光を高分解能で行うことを可能とした露光装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、光学ヘッドと光記録媒体との衝突を回避すると共に、光記録媒体に対する信号の記録及び／又は再生を高密度且つ高感度で行うことを可能とした記録及び／又は再生装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る露光装置は、近接場を利用して露光用原盤に対する露光を行うものであり、露光用の光ビームを出射する露光用光源と、露光用原盤の露光面に近接した状態で対向配置され、露光用光源から出射された光ビームを集光させて露光用原盤の露光面に照射する光学ヘッドとを備え、光学ヘッドは、露光用光源から出射された光ビームを集光させる集光レンズと、集光レンズにより集光された光ビームの光路中に配置される光学素子と、集光レンズ及び光学素子を支持する支持体とを備える。そして、光学素子は、球体の一部が平坦化され、その球面側を集光レンズにより集光された光ビームが入射される入射面とし、その平面側を集光レンズにより集光された光ビームの出射面とする半球状又は超半球状のレンズ体と、レンズ体の出射面に形成されると共に、当該出射面に集光される露光用光源からの光ビームのスポットよりも大となる金属薄膜とを有し、当該露光装置は、さらに、上記露光用光源から出射される光ビームと波長の異なるギャップ制御用の光ビームを出射するギャップ制御用光源と、上記ギャップ制御用光源から出射された光ビームを上記光学ヘッドの集光レンズに入射させて上記光学素子の出射面に集光させると共に、上記光学素子の出射面で反射された戻りの光ビームの光強度を検出する光強度検出手段と、上記光強度検出手段により検出された光強度に応じて、上記光学ヘッドと上記露光用原盤との間の間隔を制御するギャップ制御手段と、上記ギャップ制御手段からの制御信号に基づいて、上記光学ヘッドを少なくとも光軸方向に変位駆動するヘッド駆動手段とを備え、上記レンズ体の出射面には、上記金属薄膜よりも大となる上記ギャップ制御用光源からの光ビームのスポットが形成される。

また、本発明に係る記録及び／又は再生装置は、近接場を利用して光記録媒体に対する信号の記録及び／又は再生を行うものであり、記録及び／又は再生用の光ビームを出射する記録及び／又は再生用光源と、光記録媒体の信号記録面に近接した状態で対向配置され、記録及び／又は再生用光源から出射された光ビームを集光させて光記録媒体の信号記録面に照射する光学ヘッドと、光記録媒体の信号記録面で反射された光ビームの光強度の変化を検出する記録及び／又は再生用光強度検出手段とを備え、光学ヘッドは、記録及び／又は再生用光源から出射された光ビームを集光させる集光レンズと、集光レンズにより集光された光ビームの光路中に配置される光学素子と、集光レンズ及び光学素子を支持する支持体とを備える。そして、光学素子は、球体の一部が平坦化され、その球面側を上記集光レンズにより集光された光ビームが入射される入射面とし、その平面側を上記集光レンズにより集光された光ビームの出射面とする半球状又は超半球状のレンズ体と、レンズ体の出射面に形成されると共に、当該出射面に集光される光ビームのスポットよりも大となる金属薄膜とを有し、当該記録及び／又は再生装置は、さらに、上記記録及び／又は再生用光源から出射される光ビームと波長の異なるギャップ制御用の光ビームを出射するギャップ制御用光源と、上記ギャップ制御用光源から出射された光ビームを上記光学ヘッドの上記集光レンズに入射させて上記光学素子の出射面に集光させると共に、上記光学素子の出射面で反射された戻りの光ビームの光強度を検出する光強度検出手段と、上記光強度検出手段により検出された光強度に応じて、上記光学ヘッドと上記光記録媒体との間の間隔を制御するギャップ制御手段と、上記ギャップ制御手段からの制御信号に基づいて、上記光学ヘッドを少なくとも光軸方向に変位駆動するヘッド駆動手段とを備え、上記レンズ体の出射面には、上記金属薄膜よりも大となる上記ギャップ制御用光源からの光ビームのスポットが形成される。

以上のように、本発明に係る露光装置は、光学ヘッドが、レンズ体の出射面に集光される光ビームのスポットよりも大となる金属薄膜が当該レンズ体の出射面に形成されていることから、光ビームの近接場光とならない内側の光成分を金属薄膜で遮光すると共に、レンズ体の出射面から近接場光として滲み出す外側の光成分により金属薄膜に表面プラズモンを励起させることによって、このレンズ体の出射面から出射される電磁場を増強することが可能であり、近接場光によりスポットが縮小された電磁場をより離れた位置まで到達させることが可能であり、かかる光学ヘッドを用いることで、当該光学ヘッドと露光用原盤との衝突を回避しながら、露光用原盤に対する露光を高分解能で行うことが可能である。

また、本発明に係る記録及び／又は再生装置では、レンズ体の出射面に集光される光ビームのスポットよりも大となる金属薄膜が当該レンズ体の出射面に形成されていることから、光ビームの近接場光とならない内側の光成分を金属薄膜で遮光すると共に、レンズ体の出射面から近接場光として滲み出す外側の光成分により金属薄膜に表面プラズモンを励起させることによって、このレンズ体の出射面から出射される電磁場を増強することが可能であり、近接場光によりスポットが縮小された電磁場をより離れた位置まで到達させることが可能である光学ヘッドを用いることで、当該光学ヘッドと光記録媒体との衝突を回避しながら、光記録媒体に対する信号の記録及び／又は再生を高密度且つ高感度で行うことが可能である。

以下、本発明を適用した露光装置、記録及び／又は再生装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本発明を適用した露光装置、記録及び／又は再生装置を構成する光学ヘッド１について説明する。

図１に示すように、本発明を適用した露光装置、記録及び／又は再生装置を構成する光学ヘッド１は、光ビームＬ１を集光させる集光レンズ２と、この集光レンズ２により集光された光ビームＬ１の光路中に配置された光学素子３とを備え、これら集光レンズ２及び光学素子３が２群対物レンズを構成すると共に、支持体４に支持された構造を有している。

集光レンズ２は、入射した光ビームＬ_１を集光させるための対物レンズであり、例えば光学プラスチック材料をモールド成形した非球面レンズからなる。

光学素子３は、ソリッド・イマージョン・レンズ(Solid Immersion Lens：以下、ＳＩＬ３という。)であり、高屈折率の球体の一部を平坦化した半球状又は超半球状のレンズ体５からなる。このレンズ体５は、集光レンズ２の焦点付近に配置されると共に、その球面側を集光レンズ２により集光された光ビームＬが入射される入射面５ａとし、その平面側を集光された光ビームＬを出射する出射面５ｂとしている。

また、レンズ体５の出射面５ｂ（以下、ＳＩＬ３の出射面５ｂという。）には、図１及び図２に示すように、集光された光ビームＬ_１のスポットＳ_１が形成されると共に、このスポットＳ_１が形成される中央部分がパット面６ａとして突出された突部６が設けられている。この突部６は、当該光学ヘッド１の傾きによる露光用原盤や光記録媒体との衝突を防止するためのものであり、パッド面６ａの周囲を集光される光ビームＬ_１の光路を妨げない範囲でエッチングにより除去することで略円柱状に突出形成されている。

また、パッド面６ａの光ビームＬ_１のスポットＳ_１が形成される中央部には、図２に示すように、この集光される光ビームＬ_１のスポットＳ_１よりも大となる金属薄膜７が形成されている。この金属薄膜７は、ＳＩＬ３の出射面５ｂ（ここでは、パッド面６ａ）に集光された光ビームＬ_１により表面プラズモンを励起させて、このＳＩＬ３の出射面５ｂから出射される電磁場を増強するためのものである。この金属薄膜７には、光ビームＬ_１の波長に対して表面プラズモンを励起させる金属、例えばスパッタ法により成膜したニッケル膜を用いている。

このニッケル膜は、後述する集光レンズ２からＳＩＬ３に入射した光ビームＬ_１の近接場光とならない内側の光成分を遮光すると同時に、ＳＩＬ３の出射面５ｂから近接場光として滲み出す外側の光成分により金属薄膜７に表面プラズモンを励起させるため、２０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚で成膜することが望ましい。

なお、金属薄膜７は、このような表面プラズモンを励起する金属を成膜したものに限らず、電磁場を増強する条件を満たせば、金属微粒子或いは金属でコーティングされた微粒子を所定の領域に選択的に付着させたものであってもよい。

支持体４は、厚み方向に貫通する孔部８を有し、この孔部８には、下面から出射面５ｂが臨むようにＳＩＬ３が保持されている。また、孔部８の上部には、ＳＩＬ３と光軸を一致させた集光レンズ２が保持されている。また、支持体４には、ピエゾ素子や電磁コイル等からなるアクチュエータ９が取り付けられており、このアクチュエータ９は、ヘッド駆動手段として当該光学ヘッド１を光軸方向及びこの光軸方向と直交する方向とに変位駆動する。

以上のように構成される光学ヘッド１において、集光レンズ２及びＳＩＬ３で実現される開口数ＮＡと、ＳＩＬ３の屈折率ｎと、集光レンズ２により集光された光ビームＬ_１のＳＩＬ３への最大入射角θ_ｍａｘとの関係は、次式のように表される。
ＮＡ＝ｎ・sinθ_ｍａｘ
ここで、最大入射角θ_ｍａｘよりも小さい一定の入射角θ_０と屈折率ｎとの積ｎ・sinθ_０が１となるように、屈折率ｎ及び最大入射角θ_ｍａｘが設定されている。これにより、集光レンズ２及びＳＩＬ３で実現される開口数ＮＡを１よりも大きくすることが可能である。

具体的に、ＳＩＬ３が露光用原盤や光記録媒体と接触しているときには、θ_０よりも大きな入射角、すなわち開口数が１よりも大きくなる入射角で集光レンズ２からＳＩＬ３に入射した光ビームＬ_１の外側の光成分（図１中に示す斜線部分のＮＡ＞１となる高周波成分）は、ＳＩＬ３の出射面５ｂをほとんど透過して露光用原盤や光記録媒体側に近接場光として滲み出すことになる。このとき、ＳＩＬ３の出射面５ｂから滲み出す近接場光は、開口数ＮＡが１を超えてスポット径が縮小されたものとなる。

さらに、この光学ヘッド１では、ＳＩＬ３の出射面５ｂから近接場光として滲み出す外側の光成分により金属薄膜７に表面プラズモンを励起させて、このＳＩＬ３の出射面５ｂから出射される電磁場を増強している。

これに対し、ＳＩＬ３が露光用原盤や光記録媒体から離れるに従って、このＳＩＬ３の出射面５ｂで反射される高周波成分の割合が急激に増加していき、ＳＩＬ３が露光用原盤や光記録媒体から近接場領域を超えて離れると、この高周波成分は、ＳＩＬ３の出射面５ｂでほぼ１００％の割合で反射（全反射）されることになる。

したがって、ＳＩＬ３の出射面５ｂと露光用原盤の露光面又は光記録媒体の信号記録面との間の距離（以下、ギャップという。）を広げると、θ_０よりも小さい入射角、すなわち開口数が１よりも小さくなる入射角で集光レンズ２からＳＩＬ３に入射した光ビームＬ_１の内側の光成分（近接場光とならないＮＡ＜１となる高周波成分以外の成分）の光強度が支配的となり、プラズモン励起により近接場を増強したとしても、露光用原盤や光記録媒体に到達し得る近接場が非常に弱くなってしまう。

そこで、この光学ヘッド１では、ＳＩＬ３の出射面５ｂに集光される光ビームＬ_１のスポットＳ_１よりも大となる金属薄膜７が当該ＳＩＬ３の出射面５ｂに形成されている。

この場合、集光レンズ２からＳＩＬ３に入射した光ビームＬ_１の近接場光とならない内側の光成分を金属薄膜７で遮光すると同時に、ＳＩＬ３の出射面５ｂから近接場光として滲み出す外側の光成分により金属薄膜７に表面プラズモンを励起させる。これにより、ＳＩＬ３の出射面５ｂから出射される電磁場を増強すると共に、近接場光によりスポットが縮小された電磁場をより離れた位置まで到達させることが可能である。

ここで、本発明のようにＳＩＬの出射面に金属薄膜を形成した光学ヘッド（以下、本発明のヘッドという。）と、従来のようにＳＩＬの出射面に金属薄膜を形成しない光学ヘッド（以下、従来のヘッドという。）とについて、近接場におけるスポットの強度分布を測定した測定結果を図３に示す。なお、図３中に示す実線は、本発明の光学ヘッドの場合であり、図３中に示す破線は、従来のヘッドの場合である。

図３に示すように、本発明のヘッドの場合、スポット形状が０次ベッセル形状となり、従来のヘッドの場合に比べてサイドローブが大きくなるものの、スポットの半値幅は小さくなることがわかる。そこで、スポット強度の閾値をこのサイドローブのパワーよりも大きくなるように設定しておけば、より微細なスポットを用いて、露光用原盤に対する露光を高分解能で行うことが可能となり、また、光記録媒体に対する信号の記録及び／又は再生を高密度且つ高感度で行うことが可能となる。

また、上記本発明のヘッド及び上記従来のヘッドについて、ギャップと近接場強度との関係を測定した測定結果を図４に示す。なお、図４中に示す実線は、本発明の光学ヘッドの場合であり、図４中に示す破線は、従来のヘッドの場合である。

図４に示すように、本発明のヘッドの場合、従来のヘッドの場合に比べて表面プラズモンにより近接場強度が増幅されている。したがって、本発明のヘッドは、例えばギャップ長をギャップ１からギャップ２まで広げた場合でも、従来のヘッドのギャップ長がギャップ１となる場合の近接場強度よりも大きな近接場強度を得ることが可能である。また、本発明のヘッドは、ギャップ長をギャップ１からギャップ３に広げた場合でも、従来のヘッドのギャップ長がギャップ１となる場合の近接場強度と同じ近接場強度を得ることが可能である。

以上のように、この光学ヘッド１では、ＳＩＬ３の出射面５ｂから出射される電磁場を増強すると共に、スポットが縮小された電磁場をより離れた位置まで到達させることが可能である。

次に、図５に示す本発明を適用した露光装置１００について説明する。

この露光装置１００は、上記光学ヘッド１を用いて、露光用原盤１０１に対する露光を行うものである。露光用原盤１０１は、光ディスクを製造する際に使用されるスタンパ（光記録媒体製造用原盤）を作製するものであり、ガラス基板１０１ａ上に感光層となるフォトレジスト１０１ｂが塗布されてなる。そして、この露光装置１００では、図示を省略する回転駆動機構により露光用原盤１０１が回転駆動されると共に、上記光学ヘッド１のＳＩＬ３の出射面５ｂと露光用原盤１０１の露光面との間の間隔（ギャップ）を制御しながら、上記光学ヘッド１が露光用原盤１０１の半径方向に移動することで、ガラス基板１０１ａ上に塗布されたフォトレジスト１０１ｂに対する露光が行われる。

具体的に、この露光装置１００は、露光用の光ビームＬ_１を出射する露光用光源１０２と、ギャップ制御用の光ビームＬ_２を出射するギャップ制御用光源１０３と、ギャップ制御用光源１０３から出射された光ビームＬ_２の光路中に配置されたエキスパンダーレンズ群１０４、偏光ビームスプリッタ１０５及び１／４波長板１０６と、露光用光源１０２から出射された光ビームＬ_１及びギャップ制御用光源１０３から出射された光ビームＬ_２の間の光路中に配置されたダイクロイックミラー１０７と、偏光ビームスプリッタ１０５で反射された露光用原盤１０１からの戻りの光ビームＬ_２の光路中に配置された集光レンズ１０８及び受光素子１０９とを備えている。

露光用光源１０２は、フォトレジスト１０１ｂを露光するための光ビームＬ_１として、例えば波長が２６６ｎｍのレーザ光を出射する。

ギャップ制御用光源１０３は、上記光学ヘッド１のギャップ制御を行うための光ビームＬ_２として、露光用光源１０２から出射される光ビームＬ_１と波長の異なる、例えば波長が５３２ｎｍのレーザ光を出射する。なお、このギャップ制御用光源１０３から出射される光ビームＬ_２の波長は、露光用光源１０２から出射される光ビームＬ_１の波長に比べて長波長とされており、且つフォトレジスト１０１ｂの感光帯域以外の波長とされている。

エキスパンダーレンズ群１０４は、ギャップ制御用光源１０３から出射された光ビームＬ_２のビーム径を拡大するためのものであり、集光レンズ１０４ａとコリメータレンズ１０４ｂとから構成されている。すなわち、エキスパンダーレンズ群１０４は、これら集光レンズ１０４ａとコリメータレンズ１０４ｂとの間の間隔を制御することで、ギャップ制御用光源１０３から出射された光ビームＬ_２のビーム径を変化させることができる。

偏光ビームスプリッタ１０５は、ギャップ制御用光源１０３からの光ビームＬ_２を透過させて１／４波長板１０６に導くと共に、露光用原盤１０１の露光面で反射された戻りのビームＬ_２を反射させて受光素子１０９へと導く。

１／４波長板１０６は、通過する光ビームＬ_２にπ／２の位相差を与えるものであり、偏光ビームスプリッタ１０５を透過した光ビームＬ_２は、この１／４波長板１０６を通過する際に円偏光となり、露光用原盤１０１で反射された戻りの光ビームＬ_２は、この１／４波長板１０６を通過する際に直線偏光となる。

ダイクロイックミラー１０７は、露光用光源１０２からの光ビームＬ_１を透過させると共に、ギャップ制御用光源１０３からの光ビームＬ_２を反射させることによって、これら光ビームＬ_１，Ｌ_２を上記光学ヘッド１の集光レンズ２へと導く。そして、上記光学ヘッド１は、露光用原盤１０１の露光面に近接した状態で対向配置されており、露光用光源１０２から出射された光ビームＬ_１及びギャップ制御用光源１０３から出射された光ビームＬ_２を集光させて露光用原盤１０１の露光面に照射することになる。

集光レンズ１０８は、偏光ビームスプリッタ１０５で反射された戻りの光ビームＬ_２を受光素子１０９の受光面に集光させる。

受光素子１０９は、集光レンズ１０８により集光された光ビームＬ_２を受光することによって、ＳＩＬ３の出射面５ｂで反射された戻りの光ビームの光強度を検出する光強度検出手段である。そして、この受光素子１０９は、上記光学ヘッド１のギャップ制御を行うギャップ制御部１１０と接続されている。

ギャップ制御部１１０は、受光素子１０９が受光した光ビームＬ_２の光強度の変化に応じて、ヘッドアクチュエータ９を駆動制御し、アクチュエータ９は、このギャップ制御部１１０からの制御信号に基づいて、上記光学ヘッド１のＳＩＬ３の出射面５ｂと露光用原盤１０１の露光面との間の間隔が一定となるように、上記光学ヘッド１を光軸方向に変位駆動する。

以上のように構成される露光装置１００では、露光用光源１０２から出射された光ビームＬ_１が、ダイクロイックミラー１０７を透過して、上記光学ヘッド１の集光レンズ２に入射される。そして、集光レンズ２に入射した光ビームＬ_１は、集光レンズ２によりＳＩＬ３の出射面５ｂに集光される。

一方、ギャップ制御用光源１０３から出射された光ビームＬ_２は、エキスパンダーレンズ群１０４によりビーム径が拡大された後、偏光ビームスプリッタ１０５及び１／４波長板１０６を透過し、ダイクロイックミラー１０７で反射されて、上記光学ヘッド１の集光レンズ２に入射される。そして、集光レンズ２に入射した光ビームＬ_２は、集光レンズ２によりＳＩＬ３の出射面５ｂに集光される。

ここで、図２に示すように、露光用光源１０２から出射された光ビームＬ_１のＳＩＬ３の出射面５ｂに形成されるスポットＳ_１は、直径２００ｎｍ程度であり、一方、ギャップ制御用光源１０３から出射された光ビームＬ_２のＳＩＬ３の出射面５ｂに形成されるスポットＳ_２は、光ビームＬ_１の波長２６６ｎｍで最適化された集光レンズ２の影響により色収差が発生するため径が拡大し、直径１０μｍ程度となっている。また、このＳＩＬ３の出射面５ｂに形成された金属薄膜７は、その直径が１μｍ程度とされ、その厚みが３０ｎｍ程度とされている。

この場合、ギャップ制御用光源１０３からの光ビームＬ_２のスポットＳ_２は、金属薄膜７に比べて十分大きいことから、この金属薄膜７による反射等の影響をほとんど受けることない。したがって、この露光装置１００では、後述する上記光学ヘッドのギャップ制御を適切に行うことが可能である。

一方、露光用光源１０２からの光ビームＬ_１のスポットＳ_１は、金属薄膜７に比べて径が小さく、この金属薄膜７に完全に覆われた状態となる。上述したように、この光学ヘッド１では、集光レンズ２からＳＩＬ３に入射した光ビームＬ_１の近接場光とならない内側の光成分を金属薄膜７で遮光すると同時に、ＳＩＬ３の出射面５ｂから近接場光として滲み出す外側の光成分により金属薄膜７に表面プラズモンを励起させる。

これにより、ＳＩＬ３の出射面５ｂから出射される電磁場を増強すると共に、近接場光によりスポットが縮小された電磁場をより離れた位置まで到達させることが可能である。

すなわち、この露光装置１００では、ＳＩＬ３の出射面５ｂから滲み出す近接場が露光用原盤１０１の露光面とカップリングし、ガラス基板１０１ａ上に塗布されたフォトレジスト１０１ｂの内部へと伝播することになる。これにより、ガラス基板１０１ａ上に塗布されたフォトレジスト１０１ｂを露光した際に微細な潜像を形成することが可能である。

また、この露光装置１００では、近接場が到達し得る距離（ギャップ長）を広げることが可能であり、具体的には、このギャップ長を露光用光源１０２から出射された光ビームＬ_１の波長の１／２から同程度にまで広げることが可能である。

したがって、この露光装置１００では、光学ヘッド１と露光用原盤１０１との衝突を回避しながら、露光用原盤１０１に対する露光を高分解能で行うことが可能である。

この露光装置１００において、上記光学ヘッド１のギャップ制御は、ＳＩＬ３の出射面５ｂで反射される戻りの光ビームＬ_２を用いて行われる。具体的に、このＳＩＬ３の出射面５ｂで反射された戻りの光ビームＬ_２は、ダイクロイックミラー１０７で反射され後、１／４波長板１０６を透過し、偏光ビームスプリッタ１０５で反射されて、集光レンズ１０８に入射される。そして、集光レンズ１０８に入射した戻りの光ビームＬ_２は、この集光レンズ１０８により受光素子１０９の受光面に集光される。

ここで、受光素子１０９で受光される戻りの光ビームＬ_２の光強度は、ＳＩＬ３の出射面５ｂが露光用原盤１０１の露光面から近接場領域を超えて離れている場合には、ギャップ制御用光源１０３からの光ビームＬ_２のうち、ＳＩＬ３の出射面５ｂに臨界角以上で入射した光成分は、ＳＩＬ３の出射面５ｂで全反射するので、ある一定の値を示すことになる。

これ対し、ＳＩＬ３の出射面５ｂと露光用原盤１０１の露光面との間の距離が近接場領域内まで近づく場合には、ギャップ制御用光源１０３からの光ビームＬ_２のうち、ＳＩＬ３の出射面５ｂで全反射していた光成分が、ＳＩＬ３の出射面５ｂを透過して露光用原盤１０１側に近接場光として滲み出すことになる。この場合、受光素子１０９で受光される戻りの光ビームＬ_２の光強度は、上記一定の値よりも低下することになる。

さらに、ＳＩＬ３の出射面５ｂと露光用原盤１０１の露光面とが接触している場合には、ＳＩＬ３の出射面５ｂで全反射していた光成分がほぼ全て露光用原盤１０１側に滲み出すことになる。この場合、受光素子１０９で受光される戻りの光ビームＬ_２の光強度は、ほぼ０となる。

したがって、この露光装置１００では、受光素子１０９で受光される戻りの光ビームＬ_２の光強度が、ＳＩＬ３の出射面５ｂが露光用原盤１０１の露光面から近接場領域を超えて離れている場合の光強度レベルに対して、例えば６０％程度となるように、ギャップ制御部１１０におけるリファレンスレベルを設定する。そして、ギャップ制御部１１０は、この受光素子１０９で受光される戻りの光ビームＬ_２の光強度がリファレンスレベルとなるように、アクチュエータ９の駆動制御を行い、このアクチュエータ９により上記光学ヘッド１を光軸方向に変位駆動しながら、上記光学ヘッド１のＳＩＬ３の出射面５ｂと露光用原盤１０１の露光面との間の間隔が一定となるギャップ制御を行う。

次に、図６に示す本発明を適用した光ディスク装置２００について説明する。

なお、以下の説明では、上記露光装置１００と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

この光ディスク装置２００は、上記光学ヘッド１を用いて、光記録媒体である光ディスク２０１に対して情報信号の記録及び／又は再生を行う記録及び／又は再生装置である。また、上記光学ヘッド１は、電磁アクチュエータ等のアクティブ駆動制御により光ディスク２０１の信号記録面２０１ａ上を走査することになる。そして、この光ディスク装置２００では、上記光学ヘッド１のＳＩＬ３の出射面５ｂと光ディスク２０１の信号記録面２０１ａとの間の間隔（ギャップ）を制御しながら、上記光学ヘッド１が光ディスク２０１の半径方向に移動することで、光ディスク２０１に対する情報信号の記録及び／又は再生が行われる。

具体的に、この光ディスク装置２００は、記録再生用光学系として、記録及び／又は再生用の光ビームを出射する記録再生用光源２０２と、この記録再生用光源２０２とダイクロイックミラー１０７との間の光路中に配置された偏光ビームスプリッタ２０４と、この偏光ビームスプリッタ２０４で反射された光ディスク２０１からの戻りの光ビームＬ_１の光路中に配置された集光レンズ２０５及び受光素子２０６とを備えている。

記録再生用光源２０２は、光ディスク２０１の信号記録面に照射される光ビームＬ_１として、所定の波長のレーザ光を出射する。また、記録再生用光源２０２は、レーザドライバ部２０３と接続されており、このレーザドライバ部２０３により記録や再生に応じた出力の制御が行われる。

偏光ビームスプリッタ２０４は、記録再生用光源２０２からの光ビームＬ_１を透過させてダイクロイックミラー１０７に導くと共に、光ディスク２０１の信号記録面２０１ａで反射された戻りのビームＬ_１を反射させて集光レンズ２０５へと導く。

集光レンズ２０５は、偏光ビームスプリッタ２０４で反射された戻りの光ビームＬ_１を受光素子２０６の受光面に集光させる。

受光素子２０６は、集光レンズ２０５により集光された戻りの光ビームＬ_１を受光することによって、光ディスク２０１の信号記録面２０１ａで反射された戻りの光ビームＬ_１の光強度を検出する光強度検出手段である。

さらに、この光ディスク装置２００は、光ディスク２を回転駆動する回転駆動手段であるスピンドルモータ２０７と、このスピンドルモータ２０７の回転駆動を制御する回転サーボ部２０８と、受光素子２０６から出力された電気信号を増幅するＲＦアンプ２０９と、ＲＦアンプ２０９から出力された信号の各種デジタル信号処理を行うデジタル信号処理部２１０と、レーザドライバ部２０３、回転サーボ部２０８、デジタル信号処理部２１０等と接続されてシステム全体を制御するシステムコントローラ２１１とを備えている。

以上のように構成される光ディスク装置２００では、記録再生用光源２０２から出射された光ビームＬ_１が、偏光ビームスプリッタ２０４及びダイクロイックミラー１０７を透過して、上記光学ヘッド１の集光レンズ２に入射される。そして、集光レンズ２に入射した光ビームＬ_１は、集光レンズ２によりＳＩＬ３の出射面５ｂに集光される。

ここで、図２に示すように、ギャップ制御用光源１０３からの光ビームＬ_２のスポットＳ_２は、金属薄膜７に比べて十分大きいことから、この金属薄膜７による反射等の影響をほとんど受けることない。したがって、この光ディスク装置２００では、後述する上記光学ヘッド１のギャップ制御を適切に行うことが可能である。

一方、記録再生用光源２０２からの光ビームＬ_１のスポットＳ_１は、金属薄膜７に比べて径が小さく、この金属薄膜７に完全に覆われた状態となる。上述したように、この光学ヘッド１では、集光レンズ２からＳＩＬ３に入射した光ビームＬ_１の近接場光とならない内側の光成分を金属薄膜７で遮光すると同時に、ＳＩＬ３の出射面５ｂから近接場光として滲み出す外側の光成分により金属薄膜７に表面プラズモンを励起させる。

すなわち、この光ディスク装置２００では、ＳＩＬ３の出射面５ｂから滲み出す近接場が光ディスク２０１の信号記録面２０１ａとカップリングし、光ディスク２０１の内部へと伝播することになる。これにより、再生時において、光ディスク２０１からより微細なマークを検出したり、また、記録時において、光ディスクに対してより微細なマークを書き込むことが可能となる。

また、この光ディスク装置２００では、近接場が到達し得る距離（ギャップ長）を広げることが可能であり、具体的には、このギャップ長を記録再生用光源２０２から出射された光ビームＬ_１の波長の１／２から同程度にまで広げることが可能である。

したがって、この光ディスク装置２００では、光学ヘッド１と光ディスク２０１との衝突を回避しながら、光ディスク２０１に対する信号の記録及び／又は再生を高密度且つ高感度で行うことが可能である。

この光ディスク装置２００において、上記光学ヘッド１のギャップ制御は、ＳＩＬ３の出射面５ｂで反射される戻りの光ビームＬ_２を用いて行われる。具体的に、このＳＩＬ３の出射面５ｂで反射された戻りの光ビームＬ_２は、ダイクロイックミラー１０７で反射され後、１／４波長板１０６を透過し、偏光ビームスプリッタ１０５で反射されて、集光レンズ１０８に入射される。そして、集光レンズ１０８に入射した戻りの光ビームＬ_２は、この集光レンズ１０８により受光素子１０９の受光面に集光される。

ここで、受光素子１０９で受光される戻りの光ビームＬ_２の光強度は、ＳＩＬ３の出射面５ｂが光ディスク２０１の信号記録面２０１ａから近接場領域を超えて離れている場合には、ギャップ制御用光源１０３からの光ビームＬ_２のうち、ＳＩＬ３の出射面５ｂに臨界角以上で入射した光成分は、ＳＩＬ３の出射面５ｂで全反射するので、ある一定の値を示すことになる。

これ対し、ＳＩＬ３の出射面５ｂと光ディスク２０１の信号記録面２０１ａとの間の距離が近接場領域内まで近づく場合には、ギャップ制御用光源１０３からの光ビームＬ_２のうち、ＳＩＬ３の出射面５ｂで全反射していた光成分が、ＳＩＬ３の出射面５ｂを透過して光ディスク２０１側に近接場光として滲み出すことになる。この場合、受光素子１０９で受光される戻りの光ビームＬ_２の光強度は、上記一定の値よりも低下することになる。

さらに、ＳＩＬ３の出射面５ｂと光ディスク２０１の信号記録面２０１ａとが接触している場合には、ＳＩＬ３の出射面５ｂで全反射していた光成分がほぼ全て光ディスク２０１側に滲み出すことになる。この場合、受光素子１０９で受光される戻りの光ビームＬ_２の光強度は、ほぼ０となる。

したがって、この光ディスク２０１では、受光素子１０９で受光される戻りの光ビームＬ_２の光強度が、ＳＩＬ３の出射面５ｂが光ディスク２０１の信号記録面２０１ａから近接場領域を超えて離れている場合の光強度レベルに対して、例えば６０％程度となるように、ギャップ制御部１１０におけるリファレンスレベルを設定する。そして、ギャップ制御部１１０は、この受光素子１０９で受光される戻りの光ビームＬ_２の光強度がリファレンスレベルとなるように、アクチュエータ９の駆動制御を行い、このアクチュエータ９により上記光学ヘッド１を光軸方向に変位駆動しながら、上記光学ヘッド１のＳＩＬ３の出射面５ｂと光ディスク２０１の信号記録面２０１ａとの間の間隔が一定となるギャップ制御を行う。

また、上記光学ヘッド１は、例えば図７に示すヘッドアクチュエータ５０によって露光用原盤１０１の露光面又は光ディスク２０１の信号記録面２０１ａに対して接離可能な方向に変位駆動される構成であってもよい。

このヘッドアクチュエータ５０は、ヘッド駆動手段として上記光学ヘッド１を光軸方向に変位駆動するものであり、上記光学ヘッド１が搭載されたエアスライダ５１と、このエアスライダ５１を支持する支持アーム５２とを備え、この支持アーム５２の先端部にジンバルバネ５３を介してエアスライダ５１取り付けられた構造を有している。

エアスライダ５１は、略平板状に形成されており、支持アーム５２の露光用原盤１０１又は光ディスク２０１と対向する主面にジンバルバネ５３を介して取り付けられている。また、エアスライダ５１の略中央部には、略円形状の貫通孔５１ａが形成されると共に、上記露光用原盤１０１又は上記光ディスク２０１と対向する主面とは反対側の主面に、この貫通孔５１ａに臨む略円筒状のハウジング部５１ｂが設けられている。そして、上記光学ヘッド１は、このハウジング部５１ｂの内側にアクチュエータ９を介して光軸方向に移動可能に支持されている。

このエアスライダ５１は、上記露光用原盤１０１の露光面又は上記光ディスク２０１の信号記録面２０１ａ上を僅かに浮上する。このため、エアスライダ５１の露光用原盤１０１又は光ディスク２０１と対向する主面には、空気を噴出させるノズル５４が設けられている。このノズル５４は、基端側が空気供給源５５と接続されており、この空気供給源５５から供給される空気をノズル５４の先端から噴出することで、エアスライダ５１に浮上力を発生させる。また、空気供給源５５は、制御回路５６によりノズル５４に供給する空気の圧力等が制御されている。

支持アーム５２は、図示を省略するボイスコイルモータ等の駆動により露光用原盤１０１又は光ディスク２０１の半径方向に移動操作される。また、支持アーム５２には、上述した各光源１０２，１０３，２０２からの光ビームＬ_１，Ｌ_２を入射させるための開口部５２ａと、ノズル５４を貫通させる貫通孔５２ｂとが設けられている。

ジンバルバネ５３は、エアスライダ５１を上記露光用原盤１０１や上記光ディスク２０１の面振れ等に対して高さ方向に追従させるためのものであり、所定の角度で折り曲げられた板状の弾性体等からなる。

以上のように構成されるヘッドアクチュエータ５０では、制御回路５６により空気供給源５５からノズル５４に供給される空気の圧力を調整することで、エアスライダ５１を浮上させながら、上記光学ヘッド１と上記露光用原盤１０１の露光面又は上記光ディスク２０１の信号記録面２０１ａとの間の距離を調整することができる。

したがって、このようなヘッドアクチュエータ５０を備える露光装置１００や光ディスク装置２００では、例えばヘッドアクチュエータ５０により上記光学ヘッド１と上記露光用原盤１０１の露光面又は上記光ディスク２０１の信号記録面２０１ａとの間の距離を粗調整した後に、上述したアクチュエータ９による上記光学ヘッド１のギャップ制御を安定的且つ高精度に行うことが可能である。

なお、上記光学ヘッド１は、上述した集光レンズ２及びＳＩＬ３が２群対物レンズを構成する構成に限らず、３群以上とすることも可能である。

また、上記光学素子３は、上述したＳＩＬに限らず、例えば図８に示すソリッド・イマージョン・ミラー(Solid Immersion Mirror：以下、ＳＩＭという。)３０であってもよい。

このＳＩＭ３０は、高屈折率の球体の一部を平坦化した半球状又は超半球状のレンズ体３１を有し、このレンズ体３１の球面３１ａ側の中央部には、球面状の凹部３２が形成されている。また、レンズ体３１の平面３１ｂ側の中央部には、上述した光学ヘッド１の傾きによる露光用原盤や光記録媒体との衝突を防止するための略円柱状の突部３３が突部形成されている。そして、このレンズ体３１の凹部３２を除く球面３１ａ及び突部３３を除く平面３２ｂには、反射膜３４ａ，３４ｂが形成されている。

以上のように構成されるＳＩＭ３０では、レンズ体３１の凹部３２から光ビームＬが入射されると、屈折しながら平面３１ｂ側の反射膜３４ｂで反射された後、球面３１ａ側の反射膜３４ａで反射されることによって、突部３３のパッド面３３ａに集光された光ビームＬのスポットが形成される。

この突部３３のパッド面３３ａの中央部には、上述した図２に示すＳＩＬ３の突部６と同様に、集光される光ビームＬのスポットＳよりも大となる金属薄膜７が形成されている。

したがって、このようなＳＩＭ３０の場合も同様に、ＳＩＭ３０に入射した光ビームＬの近接場光とならない内側の光成分を金属薄膜７で遮光すると同時に、ＳＩＭ３０の出射面（パッド面３３ａ）から近接場光として滲み出す外側の光成分により金属薄膜７に表面プラズモンを励起させる。これにより、ＳＩＭ３０の出射面３３ａから出射される電磁場を増強すると共に、近接場光によりスポットが縮小された電磁場をより離れた位置まで到達させることが可能である。

本発明を適用した光学ヘッドの構成図である。ＳＩＬを出射面側から見た平面図である。本発明のヘッド及び従来のヘッドによるスポットの強度分布を示す特性図である。本発明のヘッド及び従来のヘッドのギャップと近接場強度との関係を示す特性図である。本発明を適用した露光装置の構成図である。本発明を適用した光ディスク装置の構成図である。ヘッドアクチュエータの構成図である。ＳＩＭの構成図である。

符号の説明

１光学ヘッド、２集光レンズ（対物レンズ）、３光学素子(ＳＩＬ)、４支持体、５レンズ体、６突部、７金属薄膜、９アクチュエータ、３０光学素子（ＳＩＭ）、５０ヘッドアクチュエータ、１００露光装置、１０１露光用原盤、１０２露光用光源、１０３ギャップ制御用光源、２００光ディスク装置、２０１光ディスク、２０２記録再生用光源

Claims

近接場を利用して露光用原盤に対する露光を行う露光装置において、
上記露光用の光ビームを出射する露光用光源と、
上記露光用原盤の露光面に近接した状態で対向配置され、上記露光用光源から出射された光ビームを集光させて上記露光用原盤の露光面に照射する光学ヘッドとを備え、
上記光学ヘッドは、上記露光用光源から出射された光ビームを集光させる集光レンズと、
上記集光レンズにより集光された光ビームの光路中に配置される光学素子と、
上記集光レンズ及び上記光学素子を支持する支持体とを備え、
上記光学素子は、球体の一部が平坦化され、その球面側を上記集光レンズにより集光された光ビームが入射される入射面とし、その平面側を上記集光レンズにより集光された光ビームの出射面とする半球状又は超半球状のレンズ体と、
上記レンズ体の出射面に形成されると共に、当該出射面に集光される上記露光用光源からの光ビームのスポットよりも大となる金属薄膜とを有し、
当該露光装置は、さらに、
上記露光用光源から出射される光ビームと波長の異なるギャップ制御用の光ビームを出射するギャップ制御用光源と、
上記ギャップ制御用光源から出射された光ビームを上記光学ヘッドの集光レンズに入射させて上記光学素子の出射面に集光させると共に、上記光学素子の出射面で反射された戻りの光ビームの光強度を検出する光強度検出手段と、
上記光強度検出手段により検出された光強度に応じて、上記光学ヘッドと上記露光用原盤との間の間隔を制御するギャップ制御手段と、
上記ギャップ制御手段からの制御信号に基づいて、上記光学ヘッドを少なくとも光軸方向に変位駆動するヘッド駆動手段とを備え、
上記レンズ体の出射面には、上記金属薄膜よりも大となる上記ギャップ制御用光源からの光ビームのスポットが形成される露光装置。
上記レンズ体は、上記金属薄膜が形成された上記出射面の中央部分が突出された突部を有する請求項１記載の露光装置。
上記光学素子は、ソリッド・イマージョン・レンズ(ＳＩＬ：Solid Immersion Lens)又はソリッド・イマージョン・ミラー(ＳＩＭ：Solid Immersion Mirror)である請求項１記載の露光装置。
近接場を利用して光記録媒体に対する信号の記録及び／又は再生を行う記録及び／又は再生装置において、
上記記録及び／又は再生用の光ビームを出射する記録及び／又は再生用光源と、
上記光記録媒体の信号記録面に近接した状態で対向配置され、上記記録及び／又は再生用光源から出射された光ビームを集光させて上記光記録媒体の信号記録面に照射する光学ヘッドとを備え、
上記光学ヘッドは、上記記録及び／又は再生用光源から出射された光ビームを集光させる集光レンズと、
上記集光レンズにより集光された光ビームの光路中に配置される光学素子と、
上記集光レンズ及び上記光学素子を支持する支持体とを備え、
上記光学素子は、球体の一部が平坦化され、その球面側を上記集光レンズにより集光された光ビームが入射される入射面とし、その平面側を上記集光レンズにより集光された光ビームの出射面とする半球状又は超半球状のレンズ体と、
上記レンズ体の出射面に形成されると共に、当該出射面に集光される光ビームのスポットよりも大となる金属薄膜とを有し、
当該記録及び／又は再生装置は、さらに、
上記記録及び／又は再生用光源から出射される光ビームと波長の異なるギャップ制御用の光ビームを出射するギャップ制御用光源と、
上記ギャップ制御用光源から出射された光ビームを上記光学ヘッドの上記集光レンズに入射させて上記光学素子の出射面に集光させると共に、上記光学素子の出射面で反射された戻りの光ビームの光強度を検出する光強度検出手段と、
上記光強度検出手段により検出された光強度に応じて、上記光学ヘッドと上記光記録媒体との間の間隔を制御するギャップ制御手段と、
上記ギャップ制御手段からの制御信号に基づいて、上記光学ヘッドを少なくとも光軸方向に変位駆動するヘッド駆動手段とを備え、
上記レンズ体の出射面には、上記金属薄膜よりも大となる上記ギャップ制御用光源からの光ビームのスポットが形成される記録及び／又は再生装置。
上記レンズ体は、上記金属薄膜が形成された上記出射面の中央部分が突出された突部を有する請求項４記載の記録及び／又は再生装置。
上記光学素子は、ソリッド・イマージョン・レンズ(ＳＩＬ：Solid Immersion Lens)又はソリッド・イマージョン・ミラー(ＳＩＭ：Solid Immersion Mirror)である請求項４記載の記録及び／又は再生装置。