JP4389052B2

JP4389052B2 - 近接場光メモリヘッド

Info

Publication number: JP4389052B2
Application number: JP2003076282A
Authority: JP
Inventors: 顕也後藤
Original assignee: Tokai University Educational Systems
Current assignee: Tokai University Educational Systems
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP2004288246A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、近接場光を利用した近接場光メモリヘッドに係り、特に、超高速・超高密度での記録再生が可能な超微細開口アレイと微細構造グレーティングとを有する平面形光記録アレイ光メモリヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近接場光（エバネッセント波）を利用した近接場光メモリヘッドに関しては、下記特許文献１〜特許文献５で知られている。これら特許文献に開示された光記録再生用光メモリヘッドは、複数の垂直共振器表面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を光源とし、この表面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を二次元アレイに配置している。この表面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を備えた近接場光メモリヘッドでは、各単一モード半導体レーザの出力が１ｍＷ以下という低いパワーであり、従って、記録媒体としての光ディスクに十分に記録ができるような記録パワー密度向上のための工夫が必要とされている。
【０００３】
特許文献３には、出力窓から出力される近接場光（エバネッセント波）のパワーを向上すべく、各垂直共振器表面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）からのレーザをレーザ素子と一体に形成された全反射プリズムに導き、その先端の出力窓から近接場光を出力させる構造が開示されている。また、特許文献５には、垂直共振器表面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）のアレイに対向して同様にアレイ状に配置されたプリズム体に夫々レーザ素子からのレーザを導き、このプリズム体の先端に設けた出力窓から近接場光（エバネッセント波）を効率的に記録媒体に向けて出力する構造を開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１７２１６６
【特許文献２】
特開平１０−１４３８９５
【特許文献３】
特開２０００−１９５０９３
【特許文献４】
特開２００１−０２８１０９
【特許文献５】
特開２００２−１０９７６９
【０００５】
【特許文献２】
特開平１０−１４３８９５
【０００６】
【特許文献３】
特開２０００−１９５０９３
【０００７】
【特許文献４】
特開２００１−０２８１０９
【０００８】
【特許文献５】
特開２００２−１０７６９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近い将来、二次元アレイの超並列光メモリヘッドに対しては、超高速のデータ転送レート（略１０Ｇｂｐｓ）が要求されると想定され、このような超高速のデータ転送レートを実現する技術が必要とされる。従来、１ｍＷ以下という低いシングルモードの出力パワーの垂直共振器表面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を有効に活用するために、特許文献３或いは特許文献５が提案されているが、より出力パワーが大きな近接場光（エバネッセント波）を効率的に記録媒体に向けることが要求されると想定され、そのような技術の提案が待たれている。
【００１０】
この発明は、上述したような事情に鑑みなされたものであって、その目的は、半導体レーザ素子から超微細開口を介して光波を高効率で記録媒体に向けることが可能な近接場光メモリヘッドを提供するにある。
【００１１】
また、この発明の目的は、低いレーザ出力で高い記録パワー密度が確保される新方式の光ヘッドを提供するにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、
少なくとも１つの半導体レーザ発振構造を備える半導体レーザ基板と、
この半導体基板に対向され、前記半導体レーザ発振構造からのレーザビームが入射されるレーザビームに対して略透明な透明基板と、この透明基板に形成され、この透明基板を介して前記レーザビームが向けられる開口を有し、周期的な凹凸を有する金属膜構造とを備えたプローブ基板と、
前記レーザビームを前記開口に向けて集束するマイクロレンズと、
前記開口から発生される近接場光を光記録媒体に向けて照射するようにプローブ基板と前記光記録媒体を略一定間隔に保持する保持機構と、
から構成される近接場光メモリヘッドにおいて、
前記開口は、前記レーザビームの光波長の十分の一或いはそれ以下に定められた開口径で形成され、前記金属膜構造が波長オーダーでは平坦に観察され、波長単位以下の数ナノメートルから数１００ナノメータのオーダーでは、周期的な凹凸構造として形成され、前記集束レーザビームが前記金属膜構造上に前記開口径よりも大きなビームポットを形成してこの金属膜構造上に表面プラズモン・ポラリトンを励振させ、この表面プラズモン・ポラリトン波によって増強された近接場光を前記開口から出力させることを特徴とする近接場光メモリヘッドが提供される。
【００１３】
また、この発明によれば、
概略マトリックス状に配列されている複数の半導体レーザ発振構造を備える半導体レーザ基板と、
この半導体基板に対向され、前記半導体レーザ発振構造からのレーザビームに対して略透明な透明基板と、この透明基板に形成され、この透明基板を介して前記レーザビームが向けられる開口を有する金属膜構造とを備えるプローブ基板と、
前記レーザビームを夫々前記開口に向けて集束するマイクロレンズと、
前記開口から発生される近接場光を光記録媒体に向けて照射するようにプローブ基板と前記光記録媒体を略一定間隔に保持する保持機構と、
から構成される近接場光メモリヘッドにおいて、
前記開口は、前記レーザビームの光波長の十分の一或いはそれ以下に定められた開口径で形成され、前記金属膜構造が波長オーダーでは平坦に観察され、波長単位以下の数ナノメートルから数１００ナノメータのオーダーでは、周期的な凹凸構造に形成され、前記集束レーザビームが前記金属膜構造上に前記開口径よりも大きなビームポットを形成してこの金属膜構造上に表面プラズモン・ポラリトンを励振させ、この表面プラズモン・ポラリトン波によって増強された近接場光を前記開口から出力させることを特徴とする近接場光メモリヘッドが提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態に係る光メモリヘッドついて説明する。光メモリヘッドの構造は、図１に示されているが、この光メモリヘッドは、種々の記録媒体から後に説明するように情報を再生することができ、或いは、情報を記録媒体に記録することができる。従って、本実施の形態の光メモリヘッドは、再生用の光メモリヘッド、記録用の光メモリヘッド、或いは、記録再生用の光メモリヘッドとして実現できるものである。また、ここで記録媒体は、光学的に再生或いは記録可能な媒体の総称であって、光記録媒体とは、いわゆる一度の記録可能な光記録媒体である読出専用光ディスク（ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒ）、書換え可能な光記録媒体である相変化光ディスク（ＰＣ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ）、或いは、フォトンモード記録媒体を含む光ディスク、或いは、光磁気記録媒体、いわゆる光磁気ディスク（ＭＯ）等を含むものである。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例に係る光メモリヘッドの構造及びこのヘッドを組み込んだシステムを概略的に示す断面図である。
【００１６】
図１に示されるように光メモリヘッド６は、垂直共振器表面発光半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser:以下「ＶＣＳＥＬ素子」と称する。）が格子状、即ち、マトリックス状に配列されているレーザ基板構造２を備えている。このレーザ基板構造２上には、垂直共振器表面発光半導体レーザが格子状に配列されるに伴い多数のレーザ出力ポート３が格子状、即ち、行列に所定ピッチで配置されている。このレーザ基板構造２に対向してプローブ基板構造１０がギャップ８を介して配置されている。レーザ基板構造２とプローブ基板構造１０とは、一体化されて光メモリヘッド６を構成し、ジンバル４にレーザ基板構造２が固定されている。従って、光メモリヘッド６がジンバル４によって光ディスク１２に対して水平に支持されている。プローブ基板構造１０が光記録媒体、即ち、光ディスク１２に対向する面には、プローブ基板構造１０と光ディスク１２との間を一定に維持すべく３本足のトライパッド１４或いは浮上防止のためのジンバル付きスライダが設けられ、この３本足のトライパッド１４或いは浮上防止のためのジンバル付きスライダによって光メモリヘッド６が光ディスク１２に実質的に載置されている。光メモリヘッド６と光ディスク１２との間には、１０〜２０ｎｍ程の間隙が設けられ、この間隙には、潤滑剤１６が塗布されている。光ディスク１２は図示しない回転機構によって回転され、光メモリヘッド６から発生される。後に説明される近接場光（エバネッセント波）によって走査されている。ここで、光ディスク１２上に光メモリヘッド６が載置されるコンタクトヘッド方式を採用する場合に限らず、光ディスク１２上に後に説明するような微細間隔を空けて光メモリヘッド６が保持される方式、例えば、空気流で光メモリヘッド６が微小浮上されて保持されるフローティングヘッド方式等が採用されても良い。
【００１７】
図２に示されるように垂直共振器表面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ素子）は、既に知られているように、半導体基板２２上に形成され、複数枚から数十枚の多層膜ミラーで構成される半導体ＤＢＲ（分布ブラック反射）反射鏡２３、２４、ＤＢＲ反射鏡２３および２４の間に設けられる活性層２５並びに半導体あるいは誘電体ＤＢＲ反射鏡２６により構成される。レーザ発振はＤＢＲ反射鏡２３及び２４の間で垂直方向に生ずるが、このレーザ発振をＶＣＳＥＬ素子の中央部で生じさせるためにＶＣＳＥＬ素子の中心部を残して周辺部は高抵抗にされている。そして、誘電体ＤＢＲ反射鏡２６は、中央部でのレーザ発振により発生するレーザを出力するために中央部に位置づけされている。このような構造において半導体基板２２側には、電極２７が設けられ、半導体もしくは誘電体ＤＢＲ反射鏡２６側には電極２８が設けられている。レーザ基板構造２の一例として、夫々が直径１０μmを有するＶＣＳＥＬ素子が２０〜３０μｍの間隔で配置され、各素子は、１．０ｍＷ程度のレーザビームを出力する。
【００１８】
レーザ基板構造２に対向するプローブ基板構造１０には、マイクロレンズアレイが設けられている。即ち、多数のレーザ出力ポート３に対応して格子状にマイクロレンズ３２が設けられている。この各マイクロレンズ３２は、例えば、１０μｍの直径を有し、好ましくは、各レーザ出力ポート３からのレーザビームを出力ポート３に反射しないようにする為に反射防止膜が複数層形成されている。各マイクロレンズ３２には、各レーザ出力ポート３からのレーザビームが入射され、このレーザビームは、各マイクロレンズ３２によって光ディスク１２に対向されるプローブ基板構造１０の面に向けて集束される。プローブ基板構造１０の一方の面には、上述したマイクロレンズ３２が設けられ、その他方の面には、ＡｕやＡｇ等の金属薄膜の金属格子構造３４が設けられている。マイクロレンズ３２は、非金属材料、例えば、半導体結晶材料、或いは、ＭＭＡ（ポリメチルメタアクリル）又はＰＣ（ポリカーボネイト）等のプラスチック材料で作られている基板３６上に基板３６と一体的に形成され、金属薄膜の金属格子構造３４は、後に述べる製造工程から明らかなように半導体としてのＧａＰ或いはＳｉ結晶（ＳＯＩ）基板３６に組み付け固定され、この金属薄膜の金属格子構造３４中には、各マイクロレンズ３２からのレーザビームが集束される開口径ＡＳを有する開口（アパーチャ）３８が穿けられている。この金属薄膜の金属格子構造３４は、図３に示すように金属薄膜３４−１及び金属薄膜３４−１上を延出される格子状セグメント３４−２を備えている。この格子状セグメント３４−２は、高さＧＨ及び幅ＧＷを有する略壁状に基板３６内に立設され、格子ピッチＧＰで配列されている。この格子状セグメント３４−２は、格子状に配列される場合に限定されるものではなく、直線状セグメント３４−２が金属薄膜３４―１上に複数列配置されるような構造でも良く、このような直線状セグメント３４−２の配列にあっても格子状構造に含めるものとする。尚、開口（アパーチャ）３８は、金属薄膜３４−１に形成される。
【００１９】
金属薄膜の金属格子構造３４は、波長のオーダーでは平坦な金属薄膜構造に形成されている。ここで、波長のオーダーで平坦な構造とは、波長の単位で観察すれば平坦であるが、波長の単位以下、例えば、数１０ナノメータから数１００ナノメータのオーダーでは凸凹がある構造に観察できることを意味している。開口３８は、金属薄膜、例えば、厚さ３０ナノメータ程度の薄膜平面上に光波長の十分の一以下の小さな開口径を有している。金属周期構造、即ち、金属格子構造としての格子状セグメント３４−２は、開口３８の開口サイズの数倍の大きさの値を有し、しかも、光波長λの数分の一のピッチＧＰを有し、深さも３０ナノメータ前後で、幅が１０ナノメータ前後に形成される。換言すれば、格子状セグメント３４−２は、開口３８を通過するエバネッセント波の半波長サイズ、即ち、基板３６材料である非金属物質の屈折率をｎとし，真空中における光の波長をλとした場合に、半波長（λ／(２ｎ)）の整数倍或いは光波長λ/ｎの(１/４)倍（λ／(４ｎ)）のピッチを有する。
【００２０】
図１に示す近接場光メモリヘッド６では、ＶＣＳＥＬ素子からのレーザビームは、マイクロレンズ３２によって比較的広いビームウエスト（５００ｎｍ〜１μｍのスポットサイズ）を形成するように金属薄膜３４−１上に集束される。このビームウエスト、即ち、ビームスポットのサイズは、入射されたレーザビームによって微細周期構造金属に表面プラズモン・ポラリトンを励振させるために前記開口３８の開口径よりもかなり大きな値となっている。
【００２１】
光ディスク１２は、金属材料、或いは、ＧｅＳｂＴｅ等の相変化材料で作られた光記録媒体層４０が基板４２上に形成され、この光記録媒体層４０上に厚さ５ｎｍ程の特殊加工された炭素系保護膜４４が形成されている。この炭素系保護膜４４上の潤滑剤１６は、この保護膜のカーボンに結合する構造を有する潤滑剤分子をその組成とし、厚さ１ｎｍで光メモリヘッド６にも接触している。
【００２２】
尚、上述した実施形態では、半導体レーザは垂直共振器表面発光半導体レーザアレイがレーザ基板構造２に形成される場合について説明したが、他の構造のレーザが基板に形成されても良く、また、マトリックス、即ち、格子状に半導体レーザアレイが配置される場合について説明したが、一列アレイに半導体レーザがレーザ基板構造２に形成される場合或いは単に１つの半導体レーザがレーザ基板構造２に形成され、光メモリヘッド６が唯１つの半導体レーザを備える場合にも適用することができるものである。
上述した構造を光メモリヘッド６に採用する理由は、下記のような発明者の考察及び考察を背景としたシュミュレーションに基づいている。下記シュミュレーションにおいては、ＶＣＳＥＬ素子からは、ガウス分布を有するレーザビームが発生され、その波長７８０ｎｍ或いは８５０ｎｍを有するレーザビームが金属膜の金属格子構造３４に向けられるものとしている。
【００２３】
上述した構造を光メモリヘッド６に採用する理由は、下記のような発明者の考察及び考察を背景としたシュミュレーションに基づいている。下記シュミュレーションにおいては、ＶＣＳＥＬ素子からは、ガウス分布を有するレーザビームが発生され、その波長７８０ｎｍ或いは８５０ｎｍを有するレーザビームが金属膜の金属格子構造３４に向けられるものとしている。
【００２４】
この半導体結晶で作られたマイクロレンズ３２の焦点側に超微細構造の金属周期構造、即ち、金属格子構造３４を配置すると、その焦点付近に穿孔した１０ｎｍ開口のアパーチャから射出するエバネッセント波（近接場光）出力が１，０００倍から１００，０００倍も増強することが判明した。即ち、シングルモード半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）の出力が１００μＷで，近接場光を射出するアパーチャ（開口）サイズが１０ｎｍとすると、通常のエバネッセント光の出力は４桁低下し，１０ｎＷとなる。しかし、直径１０μｍの半球状マイクロレンズによって前述開口付近にＶＣＳＥＬ光を集めると約７０倍の増倍光が得られることが判明した。また，波長が７８０ｎｍのときで金属薄膜グレーティングの微細な金属格子構造３４を幅１０ｎｍ，深さ３０ｎｍとし，周期すなわちピッチをレンズ兼平面プローブ構造媒質（たとえばＳｉやＧａＰなどの半導体材料）の屈折率をｎとした場合の媒質内での半波長λ／(２ｎ)はＳｉのときに１０８ｎｍ，ＧａＰのときに１１８ｎｍとなることが判明している。このピッチで金属薄膜グレーティングを前述マイクロレンズで収束させたＶＣＳＥＬ光の焦点付近でかつ近接場開口付近に開口よりは広いビームで照射されるように構成したところＳｉ内での吸収やＶＣＳＥＬから開口までの伝搬損失があるにもかかわらず，１０００倍以上の増強効果があることがわかった。したがって，最終的に１０ｎＷ×７０×１０００＝７００μＷのエバネッセント波が開口直後に得られることがわかった。開口のサイズを１５ｎｍとすると１００μＷの出力が得られ，ほぼ１００％のスループットとなる。相変化媒体のときに必要な記録光パワーは、３０ｎｍの開口のときに３０μＷ、１５ｎｍのときに７．５μＷ、１０ｎｍのときに４μＷであるので，十分に記録できることが判明した。
【００２５】
次に、図１に示されるＶＣＳＥＬアレイを備えた光メモリヘッド６における再生及び記録動作について図４及び図５を参照して説明する。ＶＣＳＥＬアレイを備えた光メモリヘッド６においては、同一行に配置されたＶＣＳＥＬ素子から射出される一列のエバネッセント光は、光記録媒体又は光磁気記録媒体としての光ディスク１２の記録層上に照射され、その一列の素子数に対応したビームスポットを形成し、記録媒体が回転されていれば、その数に対応したビーム軌跡が記録媒体上に形成される。
【００２６】
以下、説明を簡単にするために便宜上、ＶＣＳＥＬ素子がＮ行Ｍ列の一例として５行５列に配置されているＶＣＳＥＬアレイについて説明する。本明細書において、行とは、図５に示す光記録媒体の回転方向Ｒｘの接線方向Ｋに沿って配列されるものを称し、列Ｌとは、光記録媒体の半径方向に沿って配列されたものを称する。尚、図４においては、エバッネセント波がしみだされる開口３８に代えてＶＣＳＥＬアレイを用いて説明している。実際には、開口３８からのエバッネセント波によって光ディスク１２への情報の書き込み及び再生が実現されることから、Ｎ行Ｍ列のエバッネセント波で書き込み及び再生されると以下の説明で理解されたい。
【００２７】
図４に示される５行５列のＶＣＳＥＬアレイにおける第５行第１列目から第５列目に配列された５つのＶＣＳＥＬ素子１からのレーザに基づいて合計５本のエバネッセント光がＶＣＳＥＬアレイに対して垂直方向に向かって射出される。従って、このＶＣＳＥＬ素子１と対向して配置される光記録媒体の記録層上には、５個のビームスポットが形成される。通常、光記録媒体としての光ディスク１２は、回転して情報が記録され、また、再生されることから、その記録層４０上には、５本のエバネッセント光の軌跡が描かれることとなる。ここで、光記録媒体の回転の接線Ｋと前記ＶＣＳＥＬ素子１における行方向Ｌとが平行となるように、光記録媒体と前記ＶＣＳＥＬ素子１が配置されている場合には、５個のビームスポットが記録層上で描く軌跡は重なり合って一本になり、実質的に５個のエバネッセント光で光記録媒体をスキャンすることができない。そこで、図１及び図４に示されるＶＣＳＥＬアレイにおいては、ＶＣＳＥＬアレイの行方向Ｌが図５にも示すように光記録媒体の回転の接線Ｋに対して所定の微小角度θだけ傾けられている。このように配置する場合には、５個のビームスポットは、同列かつ隣り合う行に配置された２つのＶＣＳＥＬ素子が形成する２個のビームスポット、すなわち、前述の場合第４行第１列と第５行第１列に位置するＶＣＳＥＬ素子が形成する２個のビームスポットの間に重なり合うことなく配置することができる。ただし、端点である第３行第１列に位置するＶＣＳＥＬ素子１が形成する１個のビームスポットは、前記５個のビームスポットに含めるものとする。従って、図５に示すように中心Ｏの回りに光ディスク１２が回転すれば、その記録層上に５本の重ならない連続した軌跡を描くことができるので、５トラックによる情報の記録再生が可能となる。
【００２８】
図５に示された記録用のＶＣＳＥＬアレイを有する光メモリヘッド６で記録された情報を再生する再生システムにおいは、ＶＣＳＥＬ素子に戻される光の強弱によってレーザ素子の端子間電圧を監視し、その変化を二値情報に対応させることで光ディスク１２に記録されている情報を読み取ることができる。具体的には、光ディスク１２に記録された情報ビットの有無に応じて、例えば、情報ビットが存在するときには、情報ビットを高い反射率を有する結晶状態としておけば、該情報ビットに反射した光が光メモリヘッド６の開口３８を通してマイクロレンズ３２を介してＶＣＳＥＬアレイの中に入射し、ＶＣＳＥＬ素子に戻される光の強弱によってレーザ素子の端子間電圧を監視している。反対に、情報ビットが存在しないときは、情報ビットを低い反射率を有するアモルファス状態としておけば、この情報ビットが存在しない領域でレーザ素子のインピーダンス変化が少なく、情報ビットで反射した光がＶＣＳＥＬ素子内に入射されてもこのＶＣＳＥＬ素子の端子電圧変化分が少なくなる。従って、レーザ素子の端子間電圧を監視し、これらを二値情報に対応させることができ、記録用のＶＣＳＥＬアレイを有する光メモリヘッド６で記録された情報を読み取ることができる。
【００２９】
再生時には、各ＶＣＳＥＬ素子には、常時注入電流を流してＶＣＳＥＬ素子への戻り光の強弱によって生ずる電極の端子間電圧変化をモニターしている。このようなメカニズムで光記録媒体に記録された情報ビットを読み取ることが可能となる。なお、ここでは説明のため記録用光メモリヘッド６と再生用光メモリヘッド６を個別に記載したが、記録と再生とを光メモリヘッド６に共有させることも可能である。
【００３０】
次に、図６（ａ）〜（ｃ）を参照して金属薄膜周期構造並びに超微小開口の作成方法について説明する。
【００３１】
初めに図６（ａ）に示すように半導体基板、即ち、ＧａＰ基板或いはＳｉ結晶（ＳＯＩ）シリコン基板５０が用意される。ここでは、例えば、１０μｍ厚のＳＯＩ５０が用意される。このＳＯＩ５０上に１０ｎｍ厚の金（Ａｕ）が蒸着される。更に、この金蒸着膜５１上に３０ｎｍ厚の電子ビーム用の超分解能フォトレジスト５２が形成される。その後、ＡＦＭリソグラフィ装置（原子間力顕微鏡リソグラフ装置）を利用して、線幅１０ｎｍで、ピッチ１１８ｎｍで格子状のパターン５４がフォトレジスト５２に描画される。ここで、ＡＦＭリソグラフィ装置は、３次元（Ｘ−Ｙ−Ｚ方向）の広い範囲に亘ってそのカンチレバー先端を位置させることができる装置であって、その先端がダイヤモンド化され、或いは、シリコン（Ｓｉ）製のカンチレバーの先端に金（Ａｕ）の薄膜が蒸着されて導電化されている。このような３次元ＡＦＭリソグラフィ装置では、平面部のカンチレバー先端５６と金蒸着膜５１との間に約２０Ｖ程度の電圧を印加して１０ｍＡ程度の電流をカンチレバー先端５６から金属膜コートされたＳｉ基板間のフォトレジスト５２に流しながら幅１０ｎｍの格子パターン５４をフォトレジスト５２上に描いて、線幅１０ｎｍのパターン５４が形成される。このパターン５４は、フォトレジスト５２に電流を注入することによって本来モノマーであった部分が通電によって硬化されてポリマーに変化した領域に相当する。その後、格子パターン５４が設けられた基板５０は、１１０°Ｃの炉で１．５分間ベーク（焼成）されて格子パターン５４が描かれた領域が確実にポリマー化され、図６（ｂ）に示される基板構造が形成される。
【００３２】
尚、上述した工程で、ＧａＰ基板（屈折率ｎ＝３．３）にあっては、レーザ波長λとして７８０ｎｍを想定していることから、好ましくは、格子溝５７のピッチ（グレーティングピッチ）は、１２０ｎｍで描かれ、Ｓｉ基板（屈折率ｎ＝３．６）にあっては、レーザ波長λとして８５０ｎｍを想定していることから、好ましくは、格子溝５７のピッチ（グレーティングピッチ）は、１１８ｎｍで描かれる。
【００３３】
次に、図６（ｂ）に示される基板構造のフォトレジスト５２は、現像液、例えば、ＭＦ−ＣＤ−２６に晒されて現像処理が施され、図６（ｃ）に示すように格子パターン５４の領域のみが残され、モノマーであった部分が溝５５に形成される。現像された基板構造は、純水にてリンスされ、その後乾燥される。乾燥された基板構造は、格子パターン５４の領域をマスクとしてＮｉ薄膜メッキ処理が施される。このメッキ処理は、金蒸着膜５１が一方の電極として繰り返しが２００ｍｓでパルス幅が１００ｍｓのパルスメッキが実施される。従って、図６（ｄ）に示すように微細なニッケル金属粒子で溝５５内がメッキされてメッキ層５７が形成される。表面状態がＳＥＭ等で確認され、その後、メッキ層５７がマスクとされて、図６（ｅ）に示すようにシリコンの１０μｍ厚のＳＯＩなどへ深さ３０ｎｍの垂直溝５９をＲＩＥ或いはイオンミリングによるドライエッチングにて形成する。この工程では、シリコンウエーハ表面のエッチングにより、幅１０ｎｍ深さ３０ｎｍの格子溝５８、５９が形成される。その後、図６（ｆ）に示すようにこの格子溝５８、５９を真空蒸着もしくはスパッタにて深さ３０ｎｍの最内部まで金属、例えば、ＡｕやＡｇで埋め戻す。このとき，全面は、厚さ３０ｎｍの一様な金薄膜３４−１及び金属セグメント３４−２で覆われるが、格子溝５８、５９の表面の上はかなり凹んで形成される。この表面を凹みのない平面状に形成することは難しいが、表面の周期構造はこのまま残しても良く、この凹凸は、光ディスク表面に光メモリヘッド６が張り付くのを防ぐ機能を有することとなる。
【００３４】
金属膜格子構造３４への３０ｎｍの大きさを有する開口３８の穿孔も上で述べたと同様な手法で形成しても良い。即ち、フォトレジストコート後、ＡＦＭリソグラフィ装置のカンチレバーの先端で３０ｎｍの逆ピラミッド孔を開け，これをマスクとしてドライエッチングにて厚さ３０ｎｍの金薄膜部に開口３８のアレイを形成することができる。
【００３５】
尚、金薄膜部に開口３８のアレイを形成する際には、図６（ｆ）に示す基板構造の金属膜３４−１に図６（ａ）と同様に超高分解能のフォトレジストが塗布され、その後、この基板構造がレーザ基板構造２に組み付けられ、レーザ基板構造２の各半導体レーザ８が発振されて金属格子構造３４を介して図６（ｂ）と同様にレーザ光が照射された箇所がポリマー化されて開口３８を形成すべき箇所を特定し、図６（ａ）に示すようにＡＦＭリソグラフィ装置を利用して開口パターンを描かいても良い。この描かれた開口パターンは、図６（ｂ）〜図６（ｄ）と同様の工程で開口３８に形成される。
【００３６】
尚、ＡＦＭリソグラフィ装置装置は、その走査面積を１５０×１５０μｍにして上述した製造工程を実現することができる。
【００３７】
図７〜図１３を参照して本発明者によるシュミュレーションの結果について説明する。
【００３８】
図７は、開口サイズ（アパーチャサイズ）ＡＳが３０ｎｍの場合で金属格子構造を設けない場合(1)、格子ピッチ（＝２４０ｎｍ）の金属格子構造を設けた場合(2)及び格子ピッチＧＰ（＝１２０ｎｍ）の金属格子構造を設けた場合(3)における光メモリヘッド６からのエバネッセント波の出力を示している。ここで、金属格子構造を設けた場合には、格子のセグメントの幅ＧＷは、１０ｎｍに設定され、格子セグメントの高さＧＨは、３０ｎｍに設定されている。図７から明らかなように金属格子構造を設けない場合には、光メモリヘッド６からのエバネッセント波の出力が相対値で３１であったものが、格子ピッチ（＝２４０ｎｍ）の金属格子構造を設けた場合には、光メモリヘッド６からのエバネッセント波の出力が相対値で約３００倍以上の９６４３となった。また、格子ピッチ（＝１２０ｎｍ）の金属格子構造を設けた場合には、光メモリヘッド６からのエバネッセント波の出力が相対値で約４６０倍近くの１４２１６（無定数）となった。図７から明らかなようにエバネッセント波の出力を大きくするには、金属格子構造３４を設けることが極めて有効であることが判明した。ここで、開口サイズＡＳを２０ｎｍにした場合には、更に各２〜４倍の増強効果、即ち、ピッチ１２０ｍｍのときで９２０倍〜１８４０倍の増強硬化が生じていることが確認された。
【００３９】
次に、開口３８のサイズＡＳを種々変えた場合における光メモリヘッド６からのエバネッセント波の出力の変化をシュミュレーションした。図８から図１１は、このシュミュレーションの結果を示している。図８から図１１は、金属格子構造３４から２０ｎｍ離間した空間におけるエバネッセント波の電界の二乗、即ち、光パワー分布を示し、横軸は、開口３８を中心とする左右の距離（金属格子構造３４に沿った距離）を示し、縦軸は、エバネッセント波の出力（相対値）を示している。図８に示すように開口３８のサイズＡＳが５１０ｎｍの通常光の出力は、左右に２つのピークを有し、センターのピークも低く、光波の出力分布として好ましいもので無かった。開口３８のサイズＡＳが３１０ｎｍエバネッセント波の出力を示す図９では、出力は大きくなっているも、２つのピークが生じ、分布として好ましいもので無かった。開口３８のサイズＡＳが１１０ｎｍのエバネッセント波の出力を示す図１０では、単一のピークが生じ、比較的大きな出力が生じていた。更に、開口３８のサイズＡＳが３０ｎｍのエバネッセント波の出力を示す図１１では、単一のピークが生じ、十分に大きな出力が生じていた。
【００４０】
図８から図１０の比較から明らかなように、開口３８のサイズＡＳは、１１０ｎｍより大きくない（ＡＳ≦１１０）ことが好ましく、より好ましくは略３０ｎｍないしは２０ｎｍであることが判明した。
【００４１】
更に、格子状セグメント３４−２のサイズ（ＡＳ）と幅（ＧＷ）について、シュミュレーションした。この結果は、図１２に示されている。図１２において、横軸は、開口３８のサイズを示し、縦軸は、エバネッセント波の出力（相対値）を示している。曲線▲４▼は、単なる平坦な金属膜（幅ＧＷが無限大に相当する）が設けられている場合を示し、曲線▲５▼は、格子状セグメント３４−２の幅が１０ｎｍ、曲線▲６▼は、格子状セグメント３４−２の幅が３０ｎｍ、曲線▲７▼は、格子状セグメント３４−２の幅が５０ｎｍ及び曲線▲８▼は、格子状セグメント３４−２の幅が１００ｎｍを示している。曲線▲４▼から曲線▲８▼の出力の変化から明らかなように開口のサイズＡＳは、６０ｎｍよりも小さくなるとエバネッセント波の出力（相対値）が大きくなり、４０ｎｍから１０ｎｍにおいて急激にエバネッセント波の出力が大きくなっている。この曲線の変化並びに既に説明した図９から図１１とを勘案すると、開口のサイズＡＳは、６０ｎｍよりも小さい（ＡＳ≦６０）ことが好ましく、より好ましくは、４０ｎｍから１０ｎｍの範囲（１０≦ＡＳ≦４０）であることが判明する。また、格子状セグメント３４−２の幅ＧＷに関しては、１０ｎｍ〜４０ｎｍの範囲（１０≦ＧＷ≦４０）であることが好ましく、より好ましくは、略１０ｎｍであることが判明した。
【００４２】
図１３は、格子状セグメント３４−２の格子状セグメント３４−２のピッチＧＰ（横軸）に対するエバネッセント波の出力（相対値：縦軸）が示されている。このグラフから明らかなように格子状セグメント３４−２のピッチＧＰが１２０ｎｍ、２４０ｎｍ、３６０ｎｍ、４８０ｎｍ及び６００ｎｍと周期的にピークが表れることが判明している。ピークが表れる格子状セグメント３４−２のピッチＧＰは、光波長の数分の一のピッチ、即ち、開口３８を通過するエバネッセント波の半波長サイズ、換言すれば、金属薄膜３４―１の内側に配置された非金属物質（透明基板）の屈折率をｎとし，真空中における光の波長をλとした場合に［λ／(２ｎ)］のピッチまたはλ／(２ｎ)の整数倍のピッチに相当していることが判明した。
【００４３】
以上説明したように、この発明の実施例によれば、波長のオーダーで平坦な（数１０ナノメータから数１００ナノメータのオーダーでは凸凹がある）金属薄膜（厚さ３０ナノメータ程度の薄膜）平面に光波長の十分の一以下の小さな開口を有し、その金属薄膜表面の内側には前記開口サイズの数倍のサイズでかつ光波長の数分の一のピッチ（開口を通過するエバネッセント波の半波長サイズ，すなわち該金属薄膜の内側に配置された非金属物質の屈折率をｎとし，真空中における光の波長をλとした場合にλ／(２ｎ)及びその整数倍のピッチ）を有し、深さも３０ナノメータ前後の構造で幅が１０ナノメータ前後の金属周期構造、即ち、金属格子構造が形成されている近接場光メモリヘッドが提供される。
【００４４】
また、この発明の実施例によれば、前記平面状近接場光メモリヘッドにおいて近接場光が発生され，発生した近接場光が光ディスク媒体から反射して再び戻ってきて再浸入するための近接場光波の出入口である該開口の数が該平面上に複数個ある光メモリヘッドが提供される。
【００４５】
さらに、この発明の実施例によれば、前記平面状近接場光メモリヘッドにおいて該開口が該金属薄膜平面上に二次元（平面）状に並んでいる近接場光メモリヘッドが提供される。
【００４６】
同様に、この発明の実施例によれば、前記金属の内側に配置された非金属材料が半導体結晶である近接場光メモリヘッドが提供される。
【００４７】
更にまた、この発明の実施例によれば、前記非金属材料がＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリル）やＰＣ（ポリカーボネイト）等のプラスチック材料である近接場光メモリヘッドが提供される。
【００４８】
また、更にこの発明の実施例によれば、該平坦な平面状近接場光メモリヘッドが光ディスク媒体表面に覆われた厚さ５〜１０ナノメータ程度の媒体保護膜や，その保護膜の上に塗布された極薄い厚さ１ナノメータ程度の潤滑剤との間の間隔が約１０ナノメータに保たれるように前記平面状近接場光メモリヘッド上に高さ１０ナノメータ程度の複数個の足（たとえばトライパッドとか浮上スライダ）を具備する光メモリヘッドディスクインターフィースが提供される。
【００４９】
また、同様にこの発明の実施例によれば、半導体レーザから発せられたレーザ光を前記平坦な平面状近接場光メモリヘッドに穿孔された開口付近に集光するように該金属薄膜内側に配置された構成材料の非金属側に該非金属材料と一体成型された直径１０ミクロン（μｍ）程度のマイクロレンズを持っている平面状近接場光メモリヘッドが提供される。
【００５０】
更に、また同様に、この発明の実施例によれば、該開口が複数個である場合各開口付近に各半導体レーザ光を効率よく照射させるために各開口に対応させた複数のマイクロレンズを具備する平面状近接場光メモリヘッドが提供される。
【００５１】
また、この発明の他の実施例によれば、前項において開口が二次元アレイ状の場合にこの開口にそれぞれ対応するマイクロレンズも二次元アレイであり，半導体レーザも二次元アレイである平面状近接場光メモリヘッドが提供される。
【００５２】
更に、この発明の他の実施例によれば、半導体レーザは垂直共振器表面発光半導体レーザレイである平面状近接場光メモリヘッドが提供される。
【００５３】
また更に、この発明の他の実施例によれば、前記マイクロレンズのほぼ半球状の表面には入射する半導体レーザ光が反射して再びレーザへ戻ることを防ぐために複数層の反射防止膜が形成される平面状近接場光メモリヘッドが提供される。
【００５４】
更にまた、この発明の他の実施例によれば、半導体レーザ光を効率よく開口に導くための前記マイクロレンズではあるが、半導体レーザで微細周期構造金属に表面プラズモン・ポラリトンを励振させるために、この焦点の大きさは前記開口径よりは、かなり大きい（５００ナノメータ程度から１ミクロンメータ程度）平面状近接場光メモリヘッドが提供される。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように半導体レーザ素子からレーザを高効率で記録媒体に向けることが可能な近接場光メモリヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係る近接場光メモリヘッドを用いたシステムを概略的に示す断面図である。
【図２】図１に示した光メモリヘッドに組み込まれる垂直共振器表面発光半導体レーザ８の構造を概略的に示す断面図である。
【図３】図１に示した光メモリヘッド内の金属薄膜格子構造を概略的に示す断面図である。
【図４】図１に示した光メモリヘッド内に配置される垂直共振器表面発光半導体レーザの配置を概略的に示す平面図である。
【図５】図１に示した光メモリヘッドと記録媒体としての光ディスクとの配置関係を概略的に示す平面図である。
【図６】（ａ）〜（ｆ）は、図３に示した金属薄膜格子構造の製造過程を示す工程図である。
【図７】比較例として金属薄膜格子構造を備えない光メモリヘッドの出力と図１に示した金属薄膜格子構造を備える光メモリヘッドの出力とを示すグラフである。
【図８】図１に示した光メモリヘッドの金属薄膜格子構造に穿けた開口サイズ（５１０ｎｍ）と出力との関係を示すグラフである。
【図９】図１に示した光メモリヘッドの金属薄膜格子構造に穿けた開口サイズ（３１０ｎｍ）と出力との関係を示すグラフである。
【図１０】図１に示した光メモリヘッドの金属薄膜格子構造に穿けた開口サイズ（１１０ｎｍ）と出力との関係を示すグラフである。
【図１１】図１に示した光メモリヘッドの金属薄膜格子構造に穿けた開口サイズ（３０ｎｍ）と出力との関係を示すグラフである。
【図１２】図１に示した光メモリヘッドの金属薄膜格子構造における開口サイズ及び格子セグメントの幅と出力との関係を示すグラフである。
【図１３】図１に示した光メモリヘッドの金属薄膜格子構造における格子セグメントのピッチと出力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
２．．．レーザ基板構造、４．．．ジンバル、６．．．光メモリヘッド、１０．．．ギャップ、１２．．．光ディスク、１４．．．トライスパッド、３２．．．マイクロレンズ、３４．．．金属格子構造、３６．．．基板、、４０．．．光記録媒体層、４２．．．基板

Claims

少なくとも１つの半導体レーザ発振構造を備える半導体レーザ基板と、
この半導体基板に対向され、前記半導体レーザ発振構造からのレーザビームが入射されるレーザビームに対して略透明な透明基板と、この透明基板に形成され、この透明基板を介して前記レーザビームが向けられる開口を有する金属膜構造とを備えたプローブ基板と、
前記レーザビームを前記開口に向けて集束するマイクロレンズと、
前記開口から発生される近接場光を光記録媒体に向けて照射するようにプローブ基板と前記光記録媒体を略一定間隔に保持する保持機構と、
から構成される近接場光メモリヘッドにおいて、
前記開口は、前記レーザビームの光波長の十分の一或いはそれ以下に定められた開口径で形成され、前記金属膜構造が波長オーダーでは平坦に観察され、波長単位以下の数ナノメートルから数１００ナノメータのオーダーでは、周期的な凹凸構造として形成され、前記集束レーザビームが前記金属膜構造上に前記開口径よりも大きなビームポットを形成してこの金属膜構造上に表面プラズモン・ポラリトンを励振させ、この表面プラズモン・ポラリトン波によって増強された近接場光を前記開口から出力させることを特徴とする近接場光メモリヘッド。
概略マトリックス状に配列されている複数の半導体レーザ発振構造を備える半導体レーザ基板と、
この半導体基板に対向され、前記半導体レーザ発振構造からのレーザビームに対して略透明な透明基板と、この透明基板に形成され、この透明基板を介して前記レーザビームが向けられる開口を有する金属膜構造とを備えるプローブ基板と、
前記レーザビームを夫々前記開口に向けて集束するマイクロレンズと、
前記開口から発生される近接場光を光記録媒体に向けて照射するようにプローブ基板と前記光記録媒体を略一定間隔に保持する保持機構と、
から構成される近接場光メモリヘッドにおいて、
前記開口は、前記レーザビームの光波長の十分の一或いはそれ以下に定められた開口径で形成され、前記金属膜構造が波長オーダーでは平坦に観察され、波長単位以下の数ナノメートルから数１００ナノメータのオーダーでは、周期的な凹凸構造に形成され、前記集束レーザビームが前記金属膜構造上に前記開口径よりも大きなビームポットを形成してこの金属膜構造上に表面プラズモン・ポラリトンを励振させ、この表面プラズモン・ポラリトン波によって増強された近接場光を前記開口から出力させることを特徴とする近接場光メモリヘッド。
前記金属膜構造は、略厚さ３０ナノメータ程度の薄膜を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記金属膜構造は、真空中における前記近接場光の波長をλとし、前記透明基板の屈折率をｎとした場合に、前記開口を通過する近接場光の半波長（λ/(２ｎ)）或いは半波長（λ/(２ｎ)）の整数倍のピッチで凹凸が繰り返される周期構造を有することを特徴とする請求項２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記金属膜構造の溝もしくは突起部は、略３０ナノメータの深さ及び略１０〜３０ナノメータの幅を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記保持機構は、前記近接場光が前記開口から光記録媒体に向けられ、且つ、この記録媒体から反射されて前記開口に再浸入するようにプローブ基板を維持することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記透明基板は、半導体結晶であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記透明基板は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリル）或いはＰＣ（ポリカーボネイト）などのプラスチック材料であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記光記録媒体は、光記録媒体膜と、略厚さ５〜１０ナノメータの媒体保護膜とを具備し、前記保持機構は、この媒体保護膜の上に塗布された略厚さ１ナノメータの潤滑剤層を含み、この媒体保護膜と前記プローブ基板との間を約１０ナノメータに保持する基板保持部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記プローブ基板は、前記半導体レーザ発振構造からのレーザビームを前記開口に向けて集光するマイクロレンズを具備することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記マイクロレンズは、略直径１０ミクロン（μｍ）を有し、前記透明基板に一体的に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の近接場光メモリヘッド。
前項半導体レーザ発振構造は、垂直共振器表面発光半導体レーザであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記マイクロレンズは、ほぼ半球状の表面を備え、この表面に形成され、入射するレーザ光が反射して再び半導体レーザ発振構造に戻ることを防止する反射防止膜を備えることを特徴とする請求項１０又は請求項１２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記マイクロレンズは、前記金属膜構造に表面プラズモン・ポラリトンを励振させるために、前記開口の径より大きいビームウエストで前記レーザビームを集光することを特徴とする請求項１０又は請求項１２に記載の近接場光メモリヘッド。
前記マイクロレンズは、５００ナノメータから１ミクロンメータの範囲のビームスポットを前記金属膜構造表面に形成することを特徴とする請求項１４に記載の近接場光メモリヘッド。