JP4370880B2 - 光学素子の製造方法、記録及び／又は再生装置及び光学顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、近接場光を利用した光学素子の製造方法、このような光学素子を搭載した光学ヘッドを用いた記録及び／又は再生装置及び光学顕微鏡装置に関する。

近年、磁気ディスクや光ディスク等の記録媒体における記録密度の増加には著しいものがある。特に、光記録媒体の場合には、高記録密度化に対応して様々な記録再生方式が提案されている。例えば、ソリッド・イマージョン・レンズ（Solid Immersion Lens：以下、ＳＩＬと称する。）やソリッド・イマージョン・ミラー（Solid Immersion Mirror：以下、ＳＩＭと称する。）等を光学素子として用い、近接場（ニアフィールド）によるエバネッセント波を利用して、これまでの回折限界を超える高ＮＡでの再生を可能としている。

しかしながら、光記録媒体において、１テラビット／インチ^２を超える記録密度を実現することは、物理的な制約のため非常に困難であると考えられている。特に、ＳＩＬの場合、半球レンズに集光される光ビームのスポット径は、λ／ＮＡ（λ：波長，ＮＡ：開口数）で決まり、レンズの高ＮＡ化や光ビームの短波長化を考えても、スポット径を１００ｎｍ以下まで低減することは困難である。

一方、光記録媒体の記録密度の限界を超える方法として、近接場光学顕微鏡（Scanning Near-field Optical Microscope：以下、ＳＮＯＭと称する。）を用い、ナノメータオーダのドメインを記録再生する方法が提案されている。その中でも、特にＳＩＡＭ（Scanning Interferometric Apertureless Microscope）方式では、外部照明光の中に金属プローブ（ＡＦＭカンチレバー）を配置し、このプローブ周辺に生じる近接場光を用いた検出を行うことで、従来のＳＮＯＭに比べて、１ｎｍ程度の高分解能での検出を可能としている（例えば、非特許文献１，２を参照。）。

これらＳＮＯＭ技術は、いわゆる原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：以下、ＡＦＭと称する。）をベースとした技術であり、このＡＦＭを用いるメモリにおいては、ＡＦＭチップ先端の接触摩耗や、カンチレバーの共振周波数等の機械的な理由から、データレートの高速化を実現することは困難である。また、ＡＦＭチップ先端の接触摩耗によって、検出感度が低下してしまうことから、ＡＦＭメモリの高信頼性を実現することは極めて困難である。

そこで、この問題を解決する方法として、レンズにプローブを埋め込むという方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。しかしながら、上記特許文献１には、半球状レンズの下面にトレンチ溝を形成し、このトレンチ溝にプローブ膜を埋め込むことによって、プローブを形成するという方法が提案されているものの、トレンチ溝の深さは、一般に数１０〜１００ｎｍ程度であり、この面に摺動摩耗が生じた場合、プローブの摩耗によって検出感度が低下してしまう。このため、光学素子の信頼性を確保することは非常に困難である。

特開２００１−２９７４７０号公報 F.Zenhausern, M.P.O’Boyle, and H.K.Wickeramasinghe: Apertureless near-field optical microscope, Appl. Phys. Lett. 65 (13), 2 September 1994） Y.Martin, S.Rshton, and H.K.Wickramasinghe: Optical data storage read out at 256 Gbits/sq.in, Appl.Phys.Lett.71 (1), 7 July 1997

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、従来の光学系で集光される光ビームのスポットよりも微小なマークを検出し得ると共に、プローブの摩耗による影響を受けることなく、高分解能での検出が可能な光学素子を搭載した光学ヘッドを用いた記録及び／又は再生装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、そのような信頼性の高い光学素子を容易に作製可能であり且つ再現性に優れた光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、そのような光学素子を搭載することによって、検出感度及び検出速度の大幅な向上を可能とした光学ヘッドを用いた記録及び／又は再生装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、そのような光学ヘッドを用いて、光記録媒体に対する信号の記録及び／又は再生を高密度に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。

また、本発明は、そのような光学ヘッドを用いて、試料に対する観察を高分解能で行うことを可能とした光学顕微鏡装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光学素子の製造方法は、第１の光学ガラスの一主面上にプローブとなる膜を成膜した後に、各光学素子に対応した複数のプローブをリソグラフィ技術によりパターン形成するプローブ形成工程と、複数のプローブが形成された第１の光学ガラスと、この第１の光学ガラスと同質の第２の光学ガラスとを互いに突き合わされて接合される接合面の間に当該プローブが位置するように接合し、接合一体化された光学ガラスブロックを形成するブロック形成工程と、光学ガラスブロックに対して球面研磨加工を施すことによって、各光学素子毎に分割された球状のレンズ体を形成する球面研磨工程と、球状のレンズ体に対して平面研磨加工を施すことによって、接合面と直交する面をプローブの先端部が臨む位置まで平坦化し、この面を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を形成する平面研磨工程とを有することを特徴としている。

また、本発明に係る記録及び／又は再生装置は、近接場光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、光ビームを出射する光源と、光記録媒体に近接した状態で対向配置され、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光強度検出手段とを備える。また、光学ヘッドは、光源から出射された光ビームを集光させる対物レンズと、対物レンズにより集光される光ビームの光路中に配置された光学素子と、対物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、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子とが互いの接合面を突き合わせて接合されると共に、この接合面と直交する面を対物レンズにより集光された光ビームの出射面とするレンズ体と、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子との間に配置されると共に、レンズ体の出射面に臨む先端部が当該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小となるプローブとを備えることを特徴としている。

また、本発明に係る光学顕微鏡装置は、近接場光を利用して試料の観察を行うものであり、光ビームを出射する光源と、試料と近接した状態で対向配置され、光源から出射された光ビームを集光させて試料の表面に照射する光学ヘッドと、試料の表面で反射された光ビームの光強度の変化を検出する光強度検出手段とを備える。また、光学ヘッドは、光源から出射された光ビームを集光させる対物レンズと、対物レンズにより集光される光ビームの光路中に配置された光学素子と、対物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、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子とが互いの接合面を突き合わせて接合されると共に、この接合面と直交する面を対物レンズにより集光された光ビームの出射面とするレンズ体と、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子との間に配置されると共に、レンズ体の出射面に臨む先端部が当該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小となるプローブとを備えることを特徴としている。

以上のように、本発明に用いる光学素子では、プローブのレンズ体の出射面に臨む先端部が当該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小となることから、当該光ビームのスポットよりも微小なマークを検出することが可能である。また、プローブは、互いの接合面を突き合わせて接合される第１のレンズ素子と第２のレンズ素子との間に配置されることから、この接合面と直交する光ビームの出射面に臨む当該プローブの先端部を光軸方向に長尺且つ微細な形状とすることが可能である。したがって、プローブの先端部の摩耗による影響を受けることなく、高分解能での検出が可能となり、信頼性を大幅に向上させることが可能である。

また、本発明に係る光学素子の製造方法では、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微小なマークを検出し得ると共に、プローブの先端部の摩耗による影響を受けることなく、高分解能での検出が可能な信頼性の高い上記光学素子を容易且つ再現性に優れた方法で一括作製することが可能である。

また、本発明に係る記録及び／又は再生装置では、以上のような光学素子を搭載した光学ヘッドを用いることで、光記録媒体に対する信号の記録及び／又は再生を高密度に行うことが可能である。

また、本発明に係る光学顕微鏡装置では、そのような光学ヘッドを用いることで、試料に対する観察を高分解能で行うことが可能である。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本発明を適用した光学素子の一構成例について説明する。

図１に示すように、本発明を適用した光学素子１は、近接場での位相変化を検出可能とするものであり、ＳＩＬ（Solid Immersion Lens）と呼ばれるレンズ体２にプローブ３が埋め込まれた構造を有している。

具体的に、このレンズ体２は、高屈折率の光学ガラスからなる球体の一部を平らに削り取り、研磨して形成された半球状のレンズであり、平面側を集光された光ビームの出射面２ａとし、球面側を集光された光ビームが入射される入射面２ｂとしている。さらに、このレンズ体２は、出射面２ａと直交する方向、すなわち光軸Ａに沿った方向に２分割された第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５とから構成されている。これら第１のレンズ素子４及び第２のレンズ素子５は、球体をその中心を通り且つ互い直交する２平面により４分割されてなる、いわゆる１／４球であり、出射面２ａと直交する互いの接合面４ａ，５ａを突き合わせて溶着又は光学接着剤を用いて接着により接合することで、全体略半球状のレンズ体２を構成している。

プローブ３は、図２及び図３に示すように、金属や、半金属、レンズ体２と異なる屈折率を有する透明導電材等の導体又は誘電体からなる。また、このプローブ３は、第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５との間に配置されるように、互いに接合される第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５との何れか一方の接合面（ここでは、接合面４ａ）にリソグラフィ技術を用いてパターン形成されている。具体的に、このプローブ３は、レンズ体２の光軸中心において、先端部３ａが出射面２ａに臨むと共に、光軸方向に長尺且つ微細な形状とされている。

ここで、レンズ体２の出射面２ａに臨むプローブ３の先端部３ａは、図４及び図５に示すように、このレンズ体２の出射面２ａに集光される光ビームのスポットよりも小となる大きさ（幅、厚さ）で形成されている。ここでは、例えば幅が２０ｎｍ程度、厚さが２０ｎｍ程度となる大きさで略矩形状に形成されている。

なお、ＳＩＬのような半球レンズの場合、レンズ体２の入射面２ｂから入射された光ビームは、出射面２ａに対して垂直に入射する。このとき、レンズ体２の出射面２ｂに集光される光ビームのスポットは、１．２２×λ／ＮＡで決まる。また、開口数ＮＡ＝ｎ・sinθ（ｎ：屈折率）である。

また、このプローブ３は、レンズ体２の内部に埋めまれる基端部３ｂ側がレンズ体２の出射面２ａに臨む先端部３ａ側よりも大となる形状を有している。

これにより、光学顕微鏡を用いて、レンズ体２に埋め込まれたプローブ３の位置確認を容易に行うことができる。特に、プローブ３の大きさが光学顕微鏡の分解能の限界となる１００〜２００ｎｍ程度以下となった場合には、このプローブ３の先端部３ａの位置を光学顕微鏡で確認することは困難であり、このプローブ３の先端部３ａとレンズ体２の出射面２ａに集光される光ビームのスポットとの位置合わせができなくなる。そこで、プローブ３の基端部３ｂ側を光学顕微鏡の焦点深度の数倍程度の深さから光学顕微鏡の分解能の限界以上の大きさ（幅、厚さ）とすることで、このプローブ３の位置確認が可能となる。

なお、プローブ３の基端部３ｂ側は、レンズ体２の入射面２ｂから入射する光ビームを邪魔しない形状、すなわちレンズ体２に埋め込まれたプローブ３によって光ビームが屈折したり、反射によってレンズ体２の内部で光ビームの軌跡が影響を受けない形状とする必要がある。これにより、レンズ体２の光軸中心から入射した光ビームは、レンズ体２の出射面２ｂに集光された際に、超解像のスポットを形成することになる。

また、プローブ３が形成された第１のレンズ素子４の接合面４ａ上には、図３に示すように、このプローブ３を保護するための保護層６ａと、第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５とを接着するための接着層６ｂとが形成されている。すなわち、第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５との間には、保護層６ａ及び接着層６ｂからなる中間層６が形成されている。保護層６ａは、レンズ体２と同一材料からなる光学ガラスや酸化アルミニウム（アルミナ）等からなり、真空成膜法等により数μｍ程度の厚みで形成されている。接着層６ｂは、屈折率が光学ガラスと同程度、例えば１．４〜１．５以上となる光学接着剤からなる。

以上のように構成されるレンズ素子１は、レンズ体２に埋め込まれたプローブ３と、光記録媒体１００に形成された導電体膜又は誘電体膜との電磁相互作用による光の微弱な位相変化を検出することを基本原理としている。

すなわち、この光学素子１を用いて、例えば光ディスク１００の凹凸ピットを読み出す場合には、レンズ体２に埋め込まれたプローブ３と光ディスク１００の表面にコートされた記録層（例えばＣｒ）とが電磁相互作用を起こす。その作用は、プローブ３の先端部３ａと記録層の表面との距離に依存する。このとき、プローブ３の先端部３ａに検出光Ｌ_１を集光すると、集光された検出光Ｌ_１は、上記電磁相互作用により位相がずれる。これを参照光Ｌ_２との位相差干渉効果を用いて検出することで、プローブ３の先端部３ａの大きさに応じた解像度で信号の読み出しが可能となる。すなわち、集光された検出光Ｌ_１のスポットＳ_１よりも微少な凹凸ピットを再生することが可能となる。

具体的には、同一光源から出射されたレーザ光を検出光Ｌ_１と参照光Ｌ_２とに分岐して光学素子１に入射し、その出射面２ａに２つのスポットＳ_１，Ｓ_２を形成する。そして、検出光Ｌ_１のスポットＳ_１に対応する位置にプローブ３を配置し、これら検出光Ｌ_１と参照光Ｌ_２との光ディスク１００からの戻り光の干渉を利用して信号を再生する。

ここで、観測される位相差Δφは、数１で表される。すなわち、Ｓｉの電気感磁率χは、χ＝１４．０＋１４ｉであり、位相差Δφは、光ディスク１００の表面にコートされたＣｒのχ（＝−１．４＋３７．４ｉ）との積に依存する。

したがって、プローブ３は、Ｃｒ，Ｓｉ以外に、Ａｕ（χ＝０．１８８＋５．３９ｉ）やＡｌ（χ＝２．８０＋８．４５ｉ）のように、電気感磁率χの虚数部分の大きな導電材料を用いて形成することが好ましい。

次に、本発明を適用した光学素子１の製造方法について説明する。

上記光学素子１を作製する際は、先ず、図６に示すように、高屈折率を有する光学ガラスからなる第１のガラス基板２０を用意する。そして、図７に示すように、この第１のガラス基板２０上に、スパッタリング法や、イオンビームデポジション法等の真空成膜法によって、プローブ３となる薄膜２１を成膜する。この薄膜２１の材料としては、金属や、半金属、レンズ体２と異なる屈折率を有する透明導電材等の導体又は誘電体を用いることができる。ここでは、例えばＣｒからなる薄膜２１を成膜した。また、プローブ３の厚さは、成膜時の膜厚によって決まるが、真空成膜法を用いた場合、膜厚をサブナノメータ精度で制御可能である。したがって、ナノメータ程度の極めて高精度な薄膜２１が成膜されることになる。

次に、図８に示すように、この薄膜２１が成膜された第１のガラス基板２０上に、レジスト２２を塗布する。

次に、図９に示すように、直接電子ビーム描画法（ＥＢ描画法）等の電子線リソグラフィ法によって、プローブ３に対応した複数のレジストマスク２２ａをパターン形成する。このレジストマスク２２ａは、ＥＢ描画法によって１０〜２０ｎｍ程度の幅で高精度にパターン形成することができる。

次に、図１０に示すように、このレジストマスク２２ａを用いて、イオンミリングやリアクティブ・イオン・エッチング法（ＲＩＥ法）等の真空エッチング法によって、レジストに覆われていない薄膜２１を除去する。

次に、図１１に示すように、第１のガラス基板２０上からレジストマスク２２ａを剥離する。これにより、第１のガラス基板２０上には、各光学素子１に対応した同一形状からなる複数のプローブ３がパターン形成されることになる。

なお、複数のプローブ３が形成された第１のガラス基板２０上には、これらプローブ３を保護するための保護層６ａが形成される。この保護層６ａは、第１のガラス基板２０と同一材料からなる光学ガラスや酸化アルミニウム（アルミナ）等からなり、真空成膜法等により数μｍ程度の厚みで形成される。

次に、図１２及び図１３に示すように、この第１のガラス基板２０を複数のプローブ３が長手方向に並ぶ方向に沿って分割する。

次に、図１４に示すように、分割された第１のガラス基板２０のプローブ３が形成された面に、屈折率が光学ガラスと同程度、例えば１．４〜１．５以上となる光学接着剤を塗布することで接着層６ｂを形成する。そして、この第１のガラス基板２０と、当該第１のガラス基板２０と同一材料及び同一形状からなる第２のガラス基板２３とを接着する。これにより、第１のガラス基板２０と第２のガラス基板２１とが互いに突き合わされて接合される接合面の間にプローブ３が位置するように接合一体化されたガラスブロック２４が形成される。なお、第１のガラス基板２０と第２のガラス基板２３との接合方法としては、例えばオプティカルコンタクト法のように、表面粗度が良好な面を圧着し、熱を加えて接合面を溶着する方法を用いることができる。

次に、図１５に示すように、このガラスブロック２４に対して機械的研磨を施すことによって、円柱状のガラスブロック２４を形成する。

次に、図１６に示すように、各光学素子１に対応した略半球状の凹部２５ａが複数並んで形成された砥石２５を円柱状のガラスブロック２４の外周面に押し当てながら、このガラスブロックを図１６中矢印Ｘ_１方向に回転させる砥石研削加工を行う。これにより、各光学素子１に対応して分割された略球状のレンズ体２６が形成される。

次に、図１７に示すように、互いに平行に配置された２枚の研磨板２７ａ，２７ｂの間に、球状のレンズ体２６を挟み込み、この研磨板２７ａ，２７ｂを図１７中に示す矢印Ｘ_２，Ｘ_３方向、すなわち互いに逆向きに回転させることで、これら複数のレンズ体２６に対して球面研磨加工を行う。

次に、図１８に示すように、球状のレンズ体２６を保持具２８で保持し、この保持具２９を研磨板２９に対して図１８中矢印Ｘ_４方向に往復移動させながら、このレンズ体２６に対して、接合面と直交する面をプローブ３の先端部が臨む位置まで平坦化する平面研磨加工を行う。これにより、平面研磨加工により平坦化された面を集光された光ビームの出射面２ａとする半球状又は超半球状のレンズ体２が形成される。

ここで、各光学素子１に対応したプローブ３の基端部３ｂ側には、位置決め基準となるマーカ３ｃが形成されている。球状のレンズ体２６は、このマーカ３ｃによって内部に埋め込まれたプローブ３の位置確認を容易に行うことができ、このマーカ３ｃを基準にして平面研磨加工を行うことで、レンズ体２の光軸中心にプローブ３の中心を一致させると共に、プローブ３を出射面２ａに対して垂直に配置することができる。

次に、図１９に示すように、半球状のレンズ体２に対して仕上げ研磨加工を行う。具体的には、回転台３０上に出射面（平面）２ａを下面とした状態でレンズ体２を固定し、予め真球度を出したセラミック製の凹型３１をレンズ体２の入射面（球面）２ｂに押し当てながら、レンズ体２を回転台３０と一体に図１９中矢印Ｘ_５方向に回転させると共に、凹型３１を図１９中矢印Ｘ_６方向に揺動させて研磨加工を行う。これにより、半球状のレンズ体２は、所定の真球度、表面粗度及び収差量を得ることができる。以上のようにして、上記光学素子１を一括して作製することができる。

次に、本発明を適用した光学素子１の別の構成例について説明する。

図２０に示す光学素子１は、第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５との間に、複数のプローブ３を光軸と直交する方向に複数並べて配置した構成であり、これら複数のプローブ３は、上記プローブ形成工程において、レジストマスク２２ａを変更することにより容易にパターン形成することができる。

また、図２１に示すように、互いに隣接するプローブ３の間隔Ｔは、レンズ体２の出射面２ａに集光される光ビームのスポット径よりも大となることが望ましく、上記検出光Ｌ_１と上記参照光Ｌ_２との干渉を防ぐため、２つのスポットＳ_１，Ｓ_２間の距離よりも大となることが望ましい。

光学素子１では、これら複数のプローブ３を光軸と直交する方向に並べて配置することで、検出光Ｌ_１のスポットＳ_１に対するプローブ３の位置合わせを容易に行うことができる。すなわち、スポットＳ_１とプローブ３の先端部３ａとの相対位置は、レンズ加工誤差及びプローブ形成プロセス誤差により位置ずれが生じやすい。そこで、レンズ体２に対する光ビームの入射角を０゜（光軸方向）から僅かに傾けることにより、レンズ体２の出射面２ａにおけるスポットの形成位置の調整を行う。また、入射角の調整量が増大すると、スポットの収差が増大したり、実効スポット径が増大し、検出感度の劣化を起こす可能性がある。そこで、プローブ３を光軸と直交する方向に複数並べて配置し、且つ互いに隣接するプローブ３の間隔ＴをスポットＳ_１，Ｓ_２間の距離よりも僅かに大きい程度に抑えれば、スポット位置調整量を最大プローブ間隔以内に抑えることが可能となる。

例えば、ＮＡが１．３程度のＳＩＬのレンズ体２にプローブ３を埋め込み形成した場合には、スポット径は、およそ０．６μｍ程度となり、スポット間隔は、ＳＩＬの直上のウォラストンプリズムの分離角を０．５゜とすると、５μｍ程度となる。この場合、プローブ間隔Ｔは、例えば６〜８μｍ程度とすることが望ましい。

また、複数のプローブ３は、図２２及び図２３に示すように、第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５との何れか一方の接合面４ａ，５にリソグラフィ技術によりパターン形成することで、同一面内に複数並べて配置することができる。

これに対して、複数のプローブ３は、図２４及び図２５に示すように、第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５との間に配置された中間層６を介して積層形成する、或いは第１のレンズ素子４の接合面４ａ及び第２のレンズ素子５の接合面５ａにリソグラフィ技術によりパターン形成することで、異なる面内に複数並べて配置することができる。

また、複数のプローブ３は、形状、寸法、材質のうち少なくとも１つが異なる２種類以上のプローブから構成されたものであってもよい。

この場合、例えば、プローブ３の寸法が異なるものを並べて配置することで、再生時に高分解能モードと低分解能モードとを切り替えるといった使用が可能となる。

また、上記レンズ素子１では、図２６及び図２７に示すように、再生用プローブ３２と記録用プローブ３３とを並べて配置し、再生及び記録を行う構成としてもよい。

このうち、再生用プローブ３２は、Ｓｉ，Ａｕ，Ａｇ等の導電体で形成されている。このプローブ３２の先端部３２ａの寸法は、幅２０ｎｍ程度であり、厚さ２０ｎｍ程度である。また、プローブ３２の幅及び厚さを１０ｎｍ以下とすることで、更なる高分解能化が可能である。そして、この再生用プローブ３２は、検出光Ｌ_１のスポットＳ_１内に配置されている。

一方、記録用プローブ３３は、Ｒｈ等のエレクトロマイグレーションが生じにくい導電体で形成されている。このプローブ３３の先端部３３ａの寸法は、再生用プローブ３２と同様に、幅２０ｎｍ程度であり、厚さ２０ｎｍ程度である。

記録時には、光記録媒体１００として誘電体薄膜が形成されたものを用い、記録用プローブ３３の先端部３３ａにパルス電圧を加えることで、ナノ分極ドメインを形成することが可能である。或いは、検出光Ｌ_１や参照光Ｌ_２以外の光ビームのスポット内に記録用プローブ３３を配置し、ドメイン内の温度を誘電体薄膜のキュリー温度まで上げることにより、抗電界を用いてよりドメインサイズの小さい記録を行うことが可能である。

また、上記レンズ素子１は、図２６及び図２７に示すように、上述した単体又は複数のプローブ３に対して電流を流すための電極４０を配置した構成であってもよい。

この電極４０は、第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５との間に配置されるように、第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５との少なくとも一方の接合面（ここでは、接合面４ａ）にパターン形成された導体パターン４０ａからなる。この導体パターン４０ａは、一端部がプローブ３と電気的に接続されると共に、光軸と略直交する方向に延長された他端部が入射面２ａの第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５との間から外部に臨む位置までパターン形成されている。

この電極４０が形成された光学素子１では、導体パターン４０ａの他端部が外部配線４１ａを介して外部電源４１と電気的に接続されている。したがって、この電極４０からプローブ３に対して、外部電源４１のスイッチ４１ｂを切り替えることによって高周波電圧或いは電流変化を印加し、光記録媒体１００に形成された導電体膜又は誘電体膜とプローブ３との相互作用を高周波と同期した信号として取り出すことができ、光記録媒体１００に記録された信号を高感度に検出し再生することができる。

また、電極４０は、図２８に示すように、光軸と直交する方向に複数並んで設けられたプローブ３の各基端部３ｂと１本の導体パターン４０ａとが電気的に接続された構成であってもよい。この場合、各プローブ３は、全く等価なものとなり、電極４０と同電位に接続される。

一方、電極４０は、図２９に示すように、光軸と直交する方向に複数並んで設けられた各プローブ３に対応して複数の導体パターン４０ａが設けられた構成であってもよい。この場合、各プローブ３は、別個独立に各導体パターン４０と接続され、各外部電源４１のスイッチ４１のオン／オフを切り替えることで、高周波を重畳するプローブ３を選択することが可能である。すなわち、独立した複数のプローブ３が並ぶことで、いわゆるマルチチャンネル再生記録が可能となる。これにより、データレートの向上が可能である。

ところで、上記光学素子１を用いた信号再生方法では、プローブ３の先端部３ａにおいて最小浮上量が得られることがスペーシング制御及び信頼性確保の上で重要となる。特に、ナノメータオーダの再生分解能を得るためには、レンズ体２の出射面２ａと光記録媒体１００との間の距離（スペーシング）を１０〜５０ｎｍ程度まで近接させる必要がある。しかしながら、レンズ体２が傾いた場合には、このレンズ体２の両側でスペーシングの差が生じてしまい、両者の最小隙間が低下してしまう。したがって、光記録媒体の表面粗さや外部振動の影響等を考慮すると、スペーシングの低下量は、１０ｎｍ以下に抑える必要がある。

ここで、レンズ体２の出射面２ａの直径を１ｍｍとすると、レンズ体２の両側に発生するスペーシングの差を１０ｎｍ程度に抑えるには、レンズ体２の傾き（チルト角θ）をθ＝tan^−１（１０ｎｍ／１ｍｍ）＝１×１０^−４度（゜）まで低減しなければならない。

そこで、このような問題を解決するために、レンズ体２の出射面２ａには、図３０及び図３１に示すように、プローブ３の周辺部がパット面５１ａとして突出された第１の突部５１が設けられている。この第１の突部５１は、レンズ体２の光軸を中心とした略円柱状の突部であり、パッド面５１ａの直径をφ１０〜１００μｍ程度とし、このパッド面５１ａの周囲をエッチングすることで、１〜２０μｍ程度の高さで突出形成されている。

ここで、図３２に示すように、パッド面５１ａの直径をＤとしたとき、姿勢角θにより生じる浮上量の低下量Δｈは、Δｈ＝Ｄ×tanθとなる。このように、浮上量の低下量Δｈは、パッド面５１ａの直径Ｄに比例するので、例えば出射面２ａの直径が１ｍｍ程度のレンズ体２であっても、パッド面５１ａの直径Ｄをφ１０μｍ程度とする第１の突部５１を出射面２ａに突出形成することによって、この浮上量の低下量Δｈを１／１００程度に低減することができる。

また、レンズ体２の出射面２ａに第１の突部５１を設けた場合には、パッド面５１ａの直径Ｄの低減に伴い、逆に許容チルト角θは大きくなる。例えば、パッド面５１ａの直径Ｄを５０μｍ程度とすると、レンズ体２の両側でのスペーシングの差ｈを１０ｎｍ程度に抑えるには、レンズ体２の傾き（許容チルト角θ）は、θ＝tan^−１（１０ｎｍ／５０μｍ）＝１×１０^−２度（゜）となる。この角度θは、機械的なチルト角調整で実現できる範囲である。

さらに、パッド面５１ａのプローブ３の先端部が臨む中央部には、略円柱状の第２の突部５２が突出形成されている。この第２の突部５２は、直径がφ１〜１０μｍ程度であり、高さが５〜２０ｎｍ程度である。このように、プローブ３の近傍を僅かに突出させる第２の突部５２を設けることで、プローブ３の先端部３ａにおいて最小浮上量が得られることを確実とすることができる。

次に、上記光学素子１を搭載した光学ヘッドについて説明する。

図３３に示すように、本発明を適用した光学ヘッド６０は、光ビームＬを集光させる対物レンズ６１と、この対物レンズ６１により集光される光ビームＬの光路中に配置された上記光学素子１と、これら対物レンズ６１及び光学素子１からなる集光レンズを支持する支持体６２とを備えている。

支持体６２には、厚み方向に貫通する貫通孔６３が設けられており、この貫通孔６３には、下面からレンズ体２の出射面２ａが臨む上記光学素子１が保持されている。また、支持体６２の上面部には、貫通孔６２を閉塞するように対物レンズ６１が上記光学素子１と光軸を一致させた状態で固定されている。

また、支持体６２は、浮上スライダを構成しており、この浮上スライダ６２が光記録媒体１００上を浮上しながら、光記録媒体１００に再生光を照射して信号再生を行う。なお、浮上スライダ６２と光記録媒体１００との間の距離は、１０〜５０ｎｍ程度であり、±１ｎｍの精度で浮上スライダ６２が光記録媒体１００上を浮上することになる。

この光学ヘッド６０を作製する際は、先ず、図３４に示すように、浮上スライダとなる基板６２ａを用意し、この基板６２ａに貫通孔６３を設け、この貫通孔６３に上記光学素子１を固定する。なお、この基板６２ａの上下面には、予め所定の平行度を満足するように両面研磨が施されている。また、光学素子１の固定は、エポキシ系接着剤等による接着或いは低融点ガラスによる溶着で行う。

次に、光学的に設定された半球高さ又は超半球高さとなるまで、基板６２ａの下面を研磨する。また、この基板６２ａの上面に、対物レンズ６１を光学的に位置決めした状態で接着する。なお、基板６２ａの板厚を対物レンズ６１の作動距離（ワーキングディスタンス）と一致させるため、この基板６１ａの上面を研磨してもよい。以上のようして、上記光学ヘッド６０を作製することができる。

次に、上記光学ヘッド６０を用いて、近接場光を利用した光ディスク１００に対する信号の再生を行うディスクドライブ装置について説明する。

図３５に示すように、本発明を適用したディスクドライブ装置７０は、光ディスク１００を回転駆動する回転駆動手段となるスピンドルモータ７１と、このスピンドルモータ７１により回転駆動される光ディスク１００に対してレーザ光を出射する光源となるレーザダイオード（ＬＤ）７２と、このレーザダイオード７２から出射されたレーザ光の光路中に配されたビームスプリッタ７３と、このビームスプリッタ７３を透過したレーザ光を検出光Ｌ_１と参照光Ｌ_２とに分岐するウォラストンプリズム７４と、これら検出光Ｌ_１及び参照光Ｌ_２を集光させて光ディスク１００の信号記録面に照射する上記光学ヘッド６０と、光ディスク１００の信号記録面で反射された戻り光をビームスプリッタ７３で反射した後に分岐させるウォラストンプリズム７５と、このウォラストンプリズムで７５分岐されたレーザ光を受光する光強度検出手段となる一対のフォトディテクタ（ＰＤ）７６とを備えている。

このディスクドライブ装置７０では、スピンドルモータ７１により回転駆動される光ディスク１００の信号記録面上を浮上スライダ６２が浮上しながら、光ディスク１００に対する信号の再生が行われる。

具体的に、レーザダイオード７２から出射されたレーザ光は、図３６に示すように、ビームスプリッタ７３と光学ヘッド６０の対物レンズ６１との間に配置されたウォラストンプリズム７４によって僅かな角度で分岐され、一方は検出光Ｌ_１としてプローブ３の先端部３ａに集光され、他方は参照光Ｌ_２としてプローブ３の先端部３ａから外れた位置に集光される。また、光ディスク１００の凹凸ピットが形成された信号記録面からの戻り光は、ビームスプリッタ７３により反射された後、ウォラストンプリズム５によって分岐されて一対のフォトディテクタ７６へと導かれる。

そして、一対のフォトディテクタ７６が受光した検出光Ｌ_１と参照光Ｌ_２との位相差を干渉測定することにより、光ディスク１００からの再生信号が検出される。例えば、プローブ３の先端部３ａが光ディスク１００のピットの凸部と対向する位置にあるときと、凹部と対向する位置にあるときとで、プローブ３の先端部３ａと光ディスク１００の記録層との間の距離が変わる。その結果、電磁相互作用の強さが変わり、位相のずれが僅かに変わる。この位相のずれの変化を上記干渉測定により検出し、ピット（信号）を再生する。

また、上記光学ヘッド６０は、図３７に示すように、上記浮上スライダ６２に代わって、支持体６２にヘッド媒体間の距離を測定する測定手段となるセンサ（図示せず）と、このセンサからの測定結果に基づいて、ヘッド媒体間の距離を調整するヘッド駆動手段となるアクチュエータ６４とが搭載された構成とすることも可能である。

センサとしては、ナノメータオーダで測定可能な静電容量センサ等を用いることができる。アクチュエータ６４は、光学ヘッド６０を光軸と平行な方向と光軸方向と直交する方向とに、それぞれナノメータオーダで変位駆動するものである。アクチュエータ６４としては、例えば光学ピックアップに用いられるボイスコイルモータや、ＰＺＴ（ピエゾ素子）アクチュエータ等を用いることができる。なお、この光学ヘッド６０と光記録媒体１００との間の距離は、１０〜５０ｎｍ程度であり、±１ｎｍの精度で光学ヘッド６０が光記録媒体１００上を走査することになる。

また、記録及び／又は再生装置では、図３８に示すように、このようなアクチュエータ６４を搭載する光学ヘッド６０を用いる場合、上記ディスクドライブ装置７０のスピンドルモータ７１に代わって、光記録媒体１００が載置されるステージ７７ａを光記録媒体と平行な面内で互いに直交する２方向に移動させるアクチュエータ７７を移動手段として備えた構成とする。なお、このアクチュエータ７７には、ＰＺＴアクチュエータ、ボイスコイルモータ、ステッピングモータ等を用いることができる。

この場合、光記録媒体１００が載置されたステージ７７ａがアクチュエータ７７により面内方向に移動操作されることによって、この光記録媒体１００上を光学ヘッド６０が走査しながら、光記録媒体１００に対する信号の再生が行われる（光学ヘッド６０を用いた信号の再生方法については同様であることから、以下説明を省略する。）。

また、上記光学ヘッド６０は、近接場光を利用した試料の観察を行う近接場光学顕微鏡装置に使用することも可能である。すなわち、この近接場光学顕微鏡装置は、上記ディスクドライブ装置７０とほぼ同様の構成及び原理を用いて、試料の表面を光学ヘッド６０が走査しながら、レンズ体２に埋め込まれたプローブ３と、試料表面との電磁相互作用による光の微弱な位相変化を検出することで試料の観察を行う。すなわち、同一光源から出射されたレーザ光を検出光Ｌ_１と参照光Ｌ_２とに分岐して光学素子１に入射し、その出射面２ａに２つのスポットＳ_１，Ｓ_２を形成する。そして、検出光Ｌ_１のスポットＳ_１に対応する位置にプローブ３を配置し、これら検出光Ｌ_１と参照光Ｌ_２との試料表面からの戻り光の位相差干渉効果を用いて検出することで、プローブ３の先端部３ａの大きさに応じた解像度で試料の観察が行われる。

以上のように、本発明を適用した光学素子１では、プローブ３のレンズ体２の出射面２ａに臨む先端部３ａが当該レンズ体２の出射面２ａに集光される光ビームのスポットよりも小となることから、当該光ビームのスポットよりも微小なマークを検出することが可能である。具体的には、プローブ３先端部３ａの微細化を進めることによって、数〜数１０ナノメータオーダのマークを検出することが可能である。

また、プローブ３は、互いの接合面４ａ，５ａを突き合わせて接合される第１のレンズ素子４と第２のレンズ素子５との何れか一方の接合面４ａ，５ｂにパターン形成されることで、この接合面４ａ，５ａと直交する光ビームの出射面２ａに臨む当該プローブ３の先端部３ａを光軸方向に長尺且つ微細な形状とすることが可能である。

また、プローブ３の微細化は、薄膜形成技術や電子線リソグラフィ技術等を用いることによって、プローブ３の先端部３ａの大きさ（幅、厚さ）を数〜数１０ナノメータオーダで制御可能なことから、容易且つ再現性よく達成することができる。一方、プローブ３の先端部３ａは、幅をナノメータオーダとしたまま、長さを数〜数１００μｍ程度に極めて長く形成することが可能である。

したがって、この光学素子１では、プローブ３の先端部３ａの摩耗による影響を受けることなく、高分解能での検出が可能となり、信頼性を大幅に向上させることが可能である。

また、本発明を適用した光学素子１の製造方法では、レンズ体２の出射面２ａに集光される光ビームのスポットよりも微小なマークを検出し得ると共に、プローブ３の先端部３ａの摩耗による影響を受けることなく、高分解能での検出が可能な信頼性の高い上記光学素子１を容易且つ再現性に優れた方法で一括作製することが可能である。

また、本発明を適用した光学ヘッド６０では、そのような光学素子１を搭載することで、煩雑なサーボ機構が不要となり、近接場光を用いた検出を高感度且つ高速に行うことが可能である。

また、本発明を適用したディスクドライブ装置７０等の記録及び／又は再生装置では、そのような光学ヘッド６０を用いることで、光記録媒体に対する信号の記録及び／又は再生を高密度に行うことが可能である。

また、本発明を適用した光学顕微鏡装置では、そのような光学ヘッド６０を用いることで、試料に対する観察を高分解能で行うことが可能である。

なお、本発明は、上述したＳＩＬのような光学素子１に限らず、例えば図３９に示すようなＳｕｐｅｒ−ＳＩＬと呼ばれる超半球のレンズからなる光学素子や、図４０に示すようなＳＩＭと呼ばれる半球レンズ又は超半球レンズに反射膜が形成された光学素子にも適用可能である。

また、本発明では、上述した光記録媒体１００として、凹凸ピットにより情報が記録されている光ディスクだけでなく、相変化型の光ディスクにおいても、記録マークを検出することが可能である。相変化型の光ディスクでは、例えばＧｅＳｂＴｅなどの相変化材料により形成された信号記録層に対して、光熱記録により、反射率の異なる記録マークが形成される。相変化型の光ディスクにおける反射率の違いは、上記電気感磁率χの違いを意味している。したがって、本発明では、相変化型の光ディスクに形成された微小ピット長の記録マークを検出することが可能である。

同様に、導電体をパーマロイのような高透磁率の材料、または鉄のような強磁性体を用いることによって、光磁気あるいは磁気記録媒体の微少磁区を検出することが可能である。例えば、パーマロイをスライダの下面に配し、これに高周波電流を流し、発生した局部微少磁界が光ディスク上の上向き磁区と下向き磁区とにより、ごく僅か磁界分布に変化を生ずる。この磁界分布の変化は、光との相互作用により光の位相の変化となって検出される。

本発明を適用した光学素子の一構成例を示す斜視図である。 上記光学素子の出射面を示す端面図である。 上記光学素子の出射面を拡大して示す要部端面図である。 上記光学素子のプローブ形状を示す端面図である。 図４中に示す光学素子を拡大して示す要部端面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、第１のガラス基板を示す断面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、第１のガラス基板上にプローブとなる薄膜が形成された状態を示す断面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、薄膜上にレジストが塗布された状態を示す断面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、薄膜上にレジストマスクが形成された状態を示す断面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、レンジストマスクを用いて薄膜がエッチングされた状態を示す断面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、第１のガラス基板上にプローブが形成された状態を示す断面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、第１のガラス基板が分割された状態を示す平面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、分割された第１のガラス基板を示す斜視図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、第１のガラス基板と第２のガラス基板とが接合されたガラスブロックが形成された状態を示す斜視図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、円柱状のガラスブロックが形成された状態を示す斜視図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、ガラスブロックを球状のレンズ体に分割する状態を示す断面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、球状のレンズ体に対して球面研磨加工を行う状態を示す側面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、球状のレンズ体に対して平面研磨加工を行う状態を示す断面図である。 上記光学素子の製造方法を説明するための図であり、半球状のレンズ体に対して仕上げ研磨加工を行う状態を示す断面図である。 複数のプローブが形成された光学素子を示す端面図である。 図２０中に示す光学素子を拡大して示す要部端面図である。 複数のプローブが同一面内に形成された光学素子の出射面を示す端面図である。 図２２中に示す光学素子を拡大して示す要部端面図である。 複数のプローブが異なる面内に形成された光学素子の出射面を示す端面図である。 図２４中に示す光学素子を拡大して示す要部端面図である。 再生用プローブ及び記録用プローブが形成された光学素子を示す端面図である。 図２６中に示す光学素子を拡大して示す要部端面図である。 複数のプローブに１本の電極が接続された光学素子を示す端面図である。 複数のプローブ毎に電極が接続された光学素子を示す端面図である。 出射面に突部が形成された光学素子を示す端面図である。 図３０中に示す光学素子を拡大して示す端面図である。 光学素子の許容チルト角とパッド面の直径との関係を説明するための模式図である。 本発明を適用した光学ヘッドの一構成例を示す断面図である。 上記光学ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図３４に示す光学ヘッドを用いたディスクドライブ装置の構成を示す模式図である。 上記ディスクドライブ装置の再生動作を説明するための模式図である。 本発明を適用した光学ヘッドの別の構成例を示す断面図である。 図３７に示す光学ヘッドを用いたディスクドライブ装置の構成を示す模式図である。 Ｓｕｐｅｒ−ＳＩＬを構成するレンズ素子を示す模式図である。 ＳＩＭを構成するレンズ素子を示す模式図である。

符号の説明

１ レンズ素子、２ レンズ体、２ａ 出射面、３ プローブ、３ａ 先端部、４ 第１のレンズ素子、５ 第２のレンズ素子、６ 中間層、２０ 第１のガラス基板、２３ 第２のガラス基板、２４ ガラスブロック、４０ 電極、６０ 光学ヘッド、７０ ディスクドライブ装置、１００ 光記録媒体

Claims (9)

1. 第１の光学ガラスの一主面上にプローブとなる膜を成膜した後に、各光学素子に対応した複数のプローブをリソグラフィ技術によりパターン形成するプローブ形成工程と、
   上記複数のプローブが形成された第１の光学ガラスと、この第１の光学ガラスと同質の第２の光学ガラスとを互いに突き合わされて接合される接合面の間に当該プローブが位置するように接合し、接合一体化された光学ガラスブロックを形成するブロック形成工程と、
   上記光学ガラスブロックに対して球面研磨加工を施すことによって、各光学素子毎に分割された球状のレンズ体を形成する球面研磨工程と、
   上記球状のレンズ体に対して平面研磨加工を施すことによって、接合面と直交する面を上記プローブの先端部が臨む位置まで平坦化し、この面を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を形成する平面研磨工程とを有する光学素子の製造方法。
2. 近接場光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、
   光ビームを出射する光源と、
   上記光記録媒体に近接した状態で対向配置され、上記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、
   上記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光強度検出手段とを備え、
   上記光学ヘッドは、上記光源から出射された光ビームを集光させる対物レンズと、
   上記対物レンズにより集光される光ビームの光路中に配置された光学素子と、
   上記対物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、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子とが互いの接合面を突き合わせて接合されると共に、この接合面と直交する面を上記対物レンズにより集光された光ビームの出射面とするレンズ体と、
   上記第１のレンズ素子と上記第２のレンズ素子との間に配置されると共に、上記レンズ体の出射面に臨む先端部が当該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小となるプローブとを備えることを特徴する記録及び／又は再生装置。
3. 上記光記録媒体を回転駆動する回転駆動手段を備え、
   上記支持体は、上記回転駆動手段により回転駆動される上記光記録媒体の信号記録面上を浮上するスライダであることを特徴とする請求項２記載の記録及び／又は再生装置。
4. 上記光強度検出手段により検出された光強度の変化に基づいて、上記光記録媒体と上記光学ヘッドとの間の距離を測定する測定手段と、
   上記測定手段の測定結果に基づいて、上記光学ヘッドを光軸方向に変位駆動するヘッド駆動手段とを備えることを特徴とする請求項２記載の記録及び／又は再生装置。
5. 上記光記録媒体を面内方向に移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求項２記載の記録及び／又は再生装置。
6. 近接場光を利用して試料の観察を行う光学顕微鏡装置において、
   光ビームを出射する光源と、
   上記試料と近接した状態で対向配置され、上記光源から出射された光ビームを集光させて上記試料の表面に照射する光学ヘッドと、
   上記試料の表面で反射された光ビームの光強度の変化を検出する光強度検出手段とを備え、
   上記光学ヘッドは、上記光源から出射された光ビームを集光させる対物レンズと、
   上記対物レンズにより集光される光ビームの光路中に配置された光学素子と、
   上記対物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、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子とが互いの接合面を突き合わせて接合されると共に、この接合面と直交する面を上記対物レンズにより集光された光ビームの出射面とするレンズ体と、
   上記第１のレンズ素子と上記第２のレンズ素子との間に配置されると共に、上記レンズ体の出射面に臨む先端部が当該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小となるプローブとを備えることを特徴する光学顕微鏡装置。
7. 上記試料を回転駆動する回転駆動手段を備え、
   上記支持体は、上記回転駆動手段により回転駆動される上記試料の表面上を浮上するスライダであることを特徴とする請求項６記載の光学顕微鏡装置。
8. 上記光強度検出手段により検出された光強度の変化に基づいて、上記試料と上記光学ヘッドとの間の距離を測定する測定手段と、
   上記測定手段の測定結果に基づいて、上記光学ヘッドを光軸方向に変位駆動するヘッド駆動手段とを備えることを特徴とする請求項６記載の光学顕微鏡装置。
9. 上記試料を面内方向に移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求項６記載の光学顕微鏡装置。

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