JP5030866B2 - 情報記録再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、大容量ストレージ媒体とその記録再生方法に関する。

現在、世界中で扱われるデジタル情報の量が年々増えており、デジタルストレージデバイスの記録容量の増大が望まれている。フラッシュメモリなどの半導体メモリ、ハードディスク（ＨＤＤ）、光記録の記録密度も向上し、ビット単価が低下してきている。今後、世界で扱われるデジタル情報量は爆発的に増大すると予想されており、それに伴い、更なる大容量ストレージデバイスが必要となる。

半導体メモリは微細加工の進歩に伴い、メモリセルを小型化・高集積化することによって記録密度・記録容量を増大させている。そのセルサイズは、加工の最小サイズに依存する。この加工サイズは、現在の技術では４５ｎｍ線幅であり、今後３２ｎｍ、約２２ｎｍになると予測されている。また、微細化のみならず、セルを多層化することによる大容量化のアイデアも、例えば特開２００７−１８４０８４号公報などに提案されており、研究開発が進められている。

ＨＤＤは記録マークサイズを小さくすることによって記録密度を向上させてきた。小さいマークを精度良く記録するために、記録ヘッドで作り出す記録磁界を局所化する技術や、マーク形状の揺らぎを少なくするための媒体技術を向上させてきた。また、記録マークが小さくなることによる再生磁界の微小化に対応するために、ヘッド−媒体間距離の短縮と磁界センサの高感度化を進めている。更に１Ｔｂ／ｉｎ²以上の記録密度を実現する技術として、媒体にパターンを予め作製しておくパターンドメディアが例えばApplied Physics Letters, Vol.74, pp.2516-2518に、また、記録の際に局所的に媒体を加熱する熱アシスト磁気記録などが例えばIEEE Transaction on Magnetics, Vol.42, pp.2417-2421に提案されている。

光記録では、光源波長の短波長化、対物レンズの開口数の向上による高密度化と共に、２層化によって大容量化を進めてきた。これから更なる多層化或いは多重化、高密度化によって大容量化が進むことが期待される。また、更なる高密度・多層化技術や、ホログラムなどの多重化技術など、直径１２０ｍｍのＣＤサイズのディスクで５００ＧＢから１ＴＢ程度の記録容量を実現する技術のアイデアが、例えばOptics Letters, Vol.29, pp.1402-1404に提案されている。特にホログラム記録は、光の回折を用いて大容量記録を実現する方法であると共に、複数のデータの回折像を用いて記録データを取得する、いわゆるパラレルデータ処理を用いるため、高速データ転送の可能性を有する。

特開２００７−１８４０８４号公報 Applied Physics Letters, Vol.74, pp.2516-2518 IEEE Transaction on Magnetics, Vol.42, pp.2417-2421 Optics Letters, Vol.29, pp.1402-1404

しかし、上記の技術には以下の課題がある。

半導体メモリは複雑な構造を有しており、多層化構造を作製するには工数が多くなり、製造コストが高くなるという課題が生ずる。また、最小パターン幅の縮小については、２２ｎｍ以下のパターン幅を高スループットで作製する技術の提案がなく、セルサイズの微細化にも限界がある。

ＨＤＤは高密度化によって大容量化を進めてきたが、例えば１０Ｔｂｉｔ／ｉｎ²の記録密度を実現するには、最小ビットの直径を、記録膜の結晶粒のサイズと同等である８ｎｍよりも小さくする必要があるが、そのような小さな磁区をよく定義された形状で記録すること、及びそのようなサイズの磁区を安定に存在させることは非常に困難である。また、現在のＨＤＤではマークの記録とその再生の際に、ヘッドと媒体を近接させる必要があるため、多層記録は原理的に不可能である。

光記録におけるホログラムは、複数のデータを回折像で記録再生するため、光源波長や光の波面の乱れなどに非常に敏感であり、それらを補正する光学部品の数が多く必要であり、低コスト化の課題がある。

このように、現在提案されている技術は、コスト面の課題、或いは、更なる大容量化のための技術の課題を有している。

本発明の情報記録媒体は、誘電体中に格子点を除いて２次元格子状に配置された複数の金属配線と、その格子点に配置された記録材料とによって１つの配線層が形成され、配線層が間に誘電体層を挟んで複数積層された構造を有し、３次元的に分布する複数の格子点に記録材料が離散的に配置されている。記録材料はエネルギー吸収によって化学変化あるいは物理変化を起こす材料であり、例えば相変化材料やアゾ系色素が用いられる。

本発明による情報記憶装置は、誘電体中に格子点を除いて２次元格子状に配置された複数の金属配線と格子点に配置された記録材料とによって１つの配線層が形成され、配線層が間に誘電体層を挟んで複数積層された構造を有し、３次元的に分布する複数の格子点に記録材料が離散的に配置された情報記録媒体と、情報記録媒体の第１の面に対向し、第１の面に２次元アレイ状に露出する複数の金属配線の１つの端面に選択的に光照射するための第１の光学系と、第１の面に露出した金属配線が属する配線層に当該金属配線と交差する方向に配置された金属配線の端面が露出する情報記録媒体の第２の面に対向し、第２の面に２次元アレイ状に露出する複数の金属配線の１つの端面に選択的に光照射するための第２の光学系と、第１の光学系による光照射によって情報記録媒体の第１の面に端面が露出した金属配線に励起された表面プラズモンと、第２の光学系による光照射によって情報記録媒体の第２の面に端面が露出した金属配線に励起された表面プラズモンとが所望の格子点に配置された記録材料の位置で干渉するように、第１の光学系の位置と第２の光学系の位置を制御する制御部とを有する。

第１の光学系及び／又は第２の光学系は対物レンズと近接場光を発生するプローブを有し、対物レンズによってプローブに入射光を集光し、プローブから発生した近接場光を金属配線の端面に照射するのが好ましい。

情報記録媒体は立方体状あるいは直方体状であってもよいし、ディスク状であってもよい。ディスク状媒体を用いる装置は、ディスクを回転駆動する媒体駆動部を有し、第１の光学系はディスク状情報記録媒体の上面あるいは下面に対向し、第２の光学系はディスク状情報記録媒体の側面に対向している。また、ディスク状媒体の場合、配線層はディスク面に対して垂直に配置されている。

情報の再生に当たっては、第１の光学系と第２の光学系からそれぞれ金属配線の端面に同時に光照射し、所望の格子点に配置された記録材料の位置で干渉した表面プラズモンの散乱に起因する散乱光を検出する。

また、本発明の情報記録方法は、誘電体中に格子点を除いて２次元格子状に配置された所定の方向に延びる複数の第１の金属配線と所定の方向と交差する方向に延びる複数の第２の金属配線と、格子点に配置された記録材料とを有する情報記録媒体に対して、複数の第１の配線のうちの一つを選択する工程と、複数の第２の配線のうちの一つを選択する工程と、選択した第１の配線の端面及び選択した第２の配線の端面を光照射し、当該選択した第１の配線と第２の配線の交点に配置された記録材料を変化させてデータを記録する工程とを有する。光照射は近接場光によって行うのが好ましい。

本発明は、３次元の金属配線と、その交点に設けられた記録材料から成る媒体を作製し、金属配線の表面に沿って表面プラズモンを伝播させることにより、３次元の近接場記録を実現する。本発明の媒体は単純な構成を有していて安価に製造可能であり、低ビットコスト大容量記録を実現することが出来る。

本発明では、金属と誘電体の界面を伝播する電荷粗密波である表面プラズモンを用いて多層記録を実現することにより、上記の課題を解決する。

通常、金属に光を入射すると、金属中の自由電子が光の振動電場を遮蔽する方向へ運動するため、光は反射される。しかし、金属と誘電体の界面に平行な波数ベクトルを有する光を入射した場合、金属表面付近の自由電子がその方向に電荷粗密波を構成する。その電荷粗密波は金属／誘電体界面に沿って伝播する。この電荷粗密波を表面プラズモンと呼ぶ。表面プラズモンのエネルギーの一部はジュール熱に変換されるなどして損失するが、その伝播距離は１０ｍｍ以上にも及ぶことがScience 311,pp.189-193 (2006)に記されている。本発明では表面プラズモンの上記のような特性を利用し、金属配線を有する媒体内に表面プラズモンを伝播させて、高密度多層記録を実現する。

図１にその概念図を示す。媒体は２次元の金属配線１０１と、その周辺を満たす誘電体１０２から成る。金属配線の交点には記録材料１０３が設けられている。図１に示すように、誘電体中に複数の金属配線が格子点を除いて２次元格子状に配置され、その格子点に記録材料が配置された層を、ここでは配線層ということにする。この配線層の金属配線に、２方向から光１０４、１０５を入射する。この入射光１０４、１０５によって金属配線内に励起された表面プラズモンは金属配線を伝播し、複数の交点、即ち記録材料を通過するが、この２つの表面プラズモンは配線の交点で干渉する。この干渉をデータの記録再生に利用する。

記録材料１０３は、伝播する表面プラズモンを吸収する。よって、表面プラズモンが通過する全ての記録材料はエネルギーを吸収するが、２つの表面プラズモンの交点ではより大きな電磁エネルギーが照射されるため、吸収するエネルギーも大きくなる。よって、２つの表面プラズモンが干渉した部分に存在する記録材料だけが、エネルギー吸収によって化学変化或いは物理変化するように、入射光１０４、１０５のエネルギーを設定することにより、２つの表面プラズモンの交点の記録材料のみを変化させることができる。即ち、記録する部分を選択することができる。

記録データの再生にも、上記と同様、２つの表面プラズモンの干渉を用いる。表面プラズモンが通過する全ての記録材料は、表面プラズモンの電磁エネルギーを吸収すると共に、表面プラズモンのエネルギーの一部を散乱させる。散乱された光は近接場光から伝搬するファーフィールド光に変換され、媒体内から出て、光検出器に届く。この伝搬光の強度は、記録材料の屈折率などの光学特性によって決まるため、記録材料の記録・未記録状態に依存する。即ち、散乱光の強度を検出することにより、記録状態を知ることができる。

本発明において、表面プラズモンは複数の記録材料を通過するため、散乱光の強度はその通過する点の全ての状態を反映する。この課題は、少なくとも２方向から光を入射することによって解決される。２方向から光を入射し、２つの表面プラズモンを伝搬させると、その２つの表面プラズモンはその交点において干渉する。その交点上の記録材料によって散乱されて媒体外へ出射される光のエネルギーは、交点で表面プラズモンが干渉した場合に強くなる。このことにより、散乱された光の強度を検出した場合、２つの表面プラズモンの交点からの信号が最も強く反映されるため、その強弱を観測することにより、交点の記録状態を知ることができる。

再生信号の例を図１０に示す。ここでは、図３の２つのプローブの一つ（プローブＡ）を固定し、もう一方のプローブ（プローブＢ）を走査した場合に検出される散乱光量を、プローブＢの位置を横軸としてプロットした。横軸のプローブ位置は、配線の交点を示している。即ち、データは横軸の整数の箇所に記録されている。図中の列１と列２は、プローブＡの位置が異なる。ここで、列１のデータを見ると、例えばプローブ位置が３の場合と６の場合で信号レベルが異なっている。これは、位置が３の場合が未記録、６の場合が記録された状態であることに起因する。この２つの信号レベルの違いを検出すれば、特定した点での記録状態を検出することができる。この信号がＤＣ成分を有する理由は、他の交点を表面プラズモンが通過する際に発生する散乱光も含むからである。しかしその散乱光は、列を決めれば常に同じ量だけ発生するので、光検出信号から高帯域通過フィルタでＤＣ成分を除くことができる。列１と列２の再生信号のＤＣ成分の大きさが異なる理由は、両者の列で記録されているデータが異なるため、全体の散乱光量が異なることに起因する。しかし、列２の信号からわかるように、プローブ位置３と６の信号レベルが異なるため、この差を検出すれば、記録データの再生が可能である。

記録材料としては、光・熱で反応する材料が考えられる。この材料としては、光ディスクで用いられている記録材料を使用することができる。例えば、ＣＤ−ＲやＤＶＤ−Ｒで用いられているアゾ系色素や、結晶とアモルファスで記録をする相変化記録膜を使用することができる。ＣＤ−Ｒで用いられるアゾ系色素は、記録時の光照射によって発生する熱で分子が破壊される。このことにより、未記録時と記録時の光学特性が異なることに起因する光散乱量の違いが現れ、記録と未記録の状態を光検出器で検出することができる。この変化は不可逆であるため、データの書き換えはできない。また、相変化記録膜では、アモルファスと結晶が異なる屈折率を有するため、アモルファスと結晶による光散乱量の違いが現れるため、データの記録内容を光検出器で検出することができる。アモルファスと結晶の変化は可逆であるため、データの書き換えが可能である。

入射光１０４、１０５を入射する方法は、対物レンズを介して光を１本の金属配線に照射すればよい。一方、高密度記録を実現するためには、金属配線の間隔を小さくする必要があるが、対物レンズで光を入射した場合、光スポットのサイズは、光源波長をλ、対物レンズの開口数をＮＡとすると、λ／ＮＡとなる。そのため、金属配線の間隔をλ／ＮＡ以下とした場合、複数の金属配線に光が入射される。この場合、光スポットの強度はガウス分布か、或いはそれに近い分布を有するため、強度が最も強い中心が照射されている金属配線に最も強い表面プラズモンが励起される。このことは、通常の光ディスクで見られる符号間干渉と同じである。

しかし、金属配線の間隔がλ／４ＮＡ以下になると、光の回折限界により、複数の金属配線に励起される表面プラズモンのエネルギーはほぼ等しくなる。この問題は、入射光１０４及び１０５を近接場光で入射することによって解決される。即ち、近接場ヘッドを記録媒体の２つの面上で走査させる機構を設ける。その近接場ヘッドに光を入射し、ヘッドで近接場光を発生させ、その近接場光で金属配線に表面プラズモンを励起することによって、１本の金属配線のみに表面プラズモンを励起することが出来る。近接場ヘッドはこれまでに提案されているものがあり、例えば、Journal of Applied Physics, Vol.95, pp.3901-3906 (2004)に報告されている構造を用いることができる。通常、近接場は試料の表面としか相互作用しないが、図１の表面プラズモン伝播構造と２つの近接場ヘッドを組み合わせることにより、多層記録を実現することが可能になる。

図１は２次元の金属配線を示した１つの配線層の図であるが、図２に示すように複数の配線層を間に誘電体層を挟んで積層することにより、３次元記録を実現することが出来る。図２の例では、配線層はＸＹ面に平行であり、それをＺ方向に複数積層している。図１の場合と同様、例えば図２の２０４、２０５から光を入射することにより、記録再生する交点を選択することが出来る。ここで、入射光２０４，２０５は、同一の配線層に属する配線に対して光入射する必要がある。このことは、例えば多層記録において、記録再生する層を選択していることに等しい。

誘電体１０２は空気でもいいし、場合に応じて半導体などでも構わない。また、金属配線１０１は、ある間隔で並んだ金属粒子でも構わない。数ｎｍ〜数十ｎｍの間隔で並んだ金属粒子の１つに表面プラズモンを励起すると、その表面プラズモンによって粒子表面に発生する近接場が、隣接する金属粒子内に表面プラズモンを励起する。この現象が連鎖し、金属粒子の配列に沿って表面プラズモンが伝播する。このことは、例えば、Science 311, pp.189-193 (2006)に記されている。

図１あるいは図２のような媒体によって、例えば記録カードを作製することができる。ドライブには対物レンズから成るヘッド或いは近接場ヘッドが設けられており、カードを挿入することによって、ヘッドがカードに接近し、表面プラズモンを発生、伝播させる。

また、ディスクに対しても図１や図２の構成を応用することが出来る。入射光の一つは、ＨＤＤのヘッドのようにディスク表面からの距離をスライダなどで一定に保ちながら、回転している媒体に入射する。もう一つの入射光は、例えばディスク側面に設けたヘッドから入射する。この側面に設けたヘッドが近接場ヘッドであった場合、ディスク側面とヘッドの距離を一定に保つ必要があるが、これも通常のＨＤＤのヘッドのように、ディスク側面とヘッド間を流れる空気の圧力によって、その距離を一定に保つことが出来る。

図１や図２に示した媒体は、例えば光や電子線を用いたリソグラフィーと研磨によって作製することができる。リソグラフィーによって、基板に凹凸パターンを作製する。ここで、金属を配線をする部分を凹とする。その基板に金属膜をスパッタや蒸着などで成膜する。その状態の膜面を研磨し、凸部分の金属を除去すると、パターンの凹部分のみに金属を残し、金属配線を作製することができる。

上記の方法で金属配線の交点のみに記録材料を埋め込むには、例えば以下の方法がある。リソグラフィーでパターンを作製する際に、配線部分は凹にするが、交点は凸とする。そこで上記の方法で金属配線を作製した後、再び交点のみをリソグラフィーで凹とし、記録材料を成膜する。その状態で試料表面を研磨すると、記録材料は交点のみに埋め込まれる。

２次元の金属配線のうち、１次元が媒体の垂直方向であるような多層媒体は、例えば図３に示す方法で作製することができる。図３（ａ）のように、溝パターンを作製した基板３０１を用意する。ここで、溝は２次元の格子状に作製されているものとする。このパターンは、光や電子線を利用したリソグラフィーで作製してもいいし、或いは、リソグラフィーで作製したスタンパを用いたインプリンティングや射出成型で作製してもよい。この基板に、図３（ｂ）のように金属３０２、記録材料３０３を成膜する。それを、図３（ｃ）のように研磨する。この状態では、金属３０２と記録材料３０３は、２次元の溝の中のみに埋まった状態である。その表面に２種類の分子３０４、分子３５を並べる。ここで、第１の分子３０４と記録材料３０３の界面エネルギー、及び第２の分子３０５と基板表面や誘電体との界面エネルギーが小さくなり、両者が接着しやすいように分子を選ぶと、図３（ｄ）のように、第１の分子３０４は記録材料３０３、第２の分子３０５は基板３０１の表面の上に配列する。ここで、第２の分子３０４よりも第１の分子３０５の方がエッチングレートが高くなるような反応性イオンエッチング処理を施すと、図３（ｅ）のように第２の分子３０４のみが試料上に残る。ここで図３（ｆ）のように誘電体３０６を成膜する。次に第２の分子３０５を除去して図３（ｇ）の状態とする。ここで誘電体は、図３（ｃ）で作製した記録材料３０３上以外の全ての場所に成膜されていることになる。再び金属３０２と記録材料３０３を成膜して図３（ｈ）の状態にする。これを上記と同じように研磨すると図３（ｉ）のようになる。これを繰り返すことにより、多層媒体を作製することができる。

ストレージデバイスでは、記録再生しているデータのアドレスを同定する必要がある。本発明の方式におけるアドレス同定方法は幾つか考えられる。例えば、ユーザデータを記録する前に、幾つかの記録ポイントに所定のパターンで記録しておく方法がある。この方法はＨＤＤにおいて用いられている方法と同じである。即ち、１セクタのビット数を決めておき、セクタの先頭にアドレスデータを記録する。本発明は３次元記録であり、２つの面から光を入射するので、各面に対するアドレスを規定すればよい。即ち、例えば１つの面に対するアドレスを１６ビットとすると、アドレスデータは３２ビットとし、前半の１６ビットと後半の１６ビットをそれぞれの面に対するアドレスデータとすればよい。また、各１６ビットのアドレスデータを交互に記録する方法もある。交互に記録することにより、例えば媒体内の微小な欠陥によってアドレスデータが記録乃至再生不可能であった場合にも、エラー訂正符号によって各面に対するアドレスデータを復元することができる可能性が高くなる。

また、媒体に予めアドレスデータに対応するパターンを作製しておく方法もある。例えば、図２、図４に示した配線パターンは、単純な繰り返しパターンだが、アドレスに相当する部分のパターンを変えるなどすることでアドレスデータとすることができる。例えば、繰り返しパターンの中に周期的に、上記のような３２ビットのアドレスデータに対応する配線パターンを作製する。この様な配線は、図３の基板３０１にそのようなパターンを作製しておくことで作製可能である。金属配線の表面とヘッドとの相互作用によって光を検出することができるので、このパターンを光によって読み取ることができる。

この媒体は金属の単純なロッドから成り、半導体素子の構造に比べて非常に簡単であるため、半導体メモリよりも安価に作製することが出来る。また、これまで多層化が不可能であったＨＤＤの多層化も可能となり、ビット単価の低減を実現することが可能となる。

本発明の第１の実施形態として、本発明を情報記録カードに適用した例について述べる。作製したカードの概念図を図４に示す。カードは、樹脂４０２に金ロッド４０１が埋め込まれた構造を有し、更に金ロッドの交点にアゾベンゼンが設けられている。作製方法は図３に示した通りである。ここで用いた第１の分子、第２の分子はそれぞれ、ポリスチレンとＰＭＭＡである。金ロッドの幅は５０ｎｍ、ロッドのピッチは１００ｎｍとした。また、カードは一辺１ｃｍの立方体とした。図４の例の場合、図１に示した配線層はＸＺ面に平行に配置されており、それがＹ方向に複数積層されている。

カードをドライブに挿入すると、ドライブのヘッドは、カードの面Ａ（４０３）と面Ｂ（４０４）から接近する。ドライブの２つのヘッドは、それぞれプローブ４０６とプローブ４０８を有しており、それぞれに対物レンズ４０５、４０７を通して光が入射される。プローブ４０６と４０８は正三角形であり、ここでは一例として、その一辺を１５０ｎｍとした。この構成により、入射光の持つ振動電場によってプローブ内を振動する電子が三角形の頂点に集まり、その頂点に強い近接場光が発生する。この近接場光によって、金ロッド４０１内に表面プラズモンを発生させる。各格子点に配置した記録材料に一続きの情報を記録するとき、例えば面４０３に対向配置した対物レンズ４０５及びプローブ４０６を固定し、面４０４に対向配置した対物レンズ４０７及びプローブ４０８をＺ方向に走査して書込みを行う。あるいは、例えば面４０４に対向配置した対物レンズ４０７及びプローブ４０８を固定し、面４０３に対向配置した対物レンズ４０５及びプローブ４０６をＺ方向に走査して書込みを行う。または、面４０３に対向配置した対物レンズ４０５及びプローブ４０６と、面４０４に対向配置した対物レンズ４０７及びプローブ４０８を、同期してＹ方向に走査して書込みを行う。

プローブ４０６、４０８は、アルミナ基板上に作製した。作製方法は以下の通りである。アルミナ基板上に樹脂を塗布し、予め三角形の凸パターンを作製したスタンパをそのアルミナ基板に押し付けた。このことにより、樹脂上に三角形の凹パターンが作製された。この基板を、アルミナを除去する反応性イオンエッチングで処理することにより、アルミナ基板上に三角形の凹パターンが作製された。ここに金を成膜し、その表面を研磨することにより、上記の三角形の凹パターンに金を埋め込むことができた。これをプローブとして使用した。この完成図を図５に示す。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）はその断面図である。図中、５０１がプローブ、５０２がアルミナである。

更にこのプローブを、図６のようにスライダヘッド６０２に組み込み、ジンバル６０１に取り付けた。対物レンズ６０３を用いてプローブ５０１上に光を集光することにより、プローブ５０１へ光を導入した。

図４に示した情報カードに対してデータを記録再生するドライブの構成例を、図７に示す。波長７８０ｎｍの半導体レーザ８０１から出射された直線偏光は、対物レンズ８０２を通り、ハーフミラー８０３で２つに分けられる。一方は偏光ビームスプリッタ８０４を通過し、１／４波長板８０５で円偏光となる。その後、ミラー８０６、対物レンズ８０７を通過し、プローブへ入射される。ここで、対物レンズはアクチュエータ８０８上に取り付けた。また、プローブはアクチュエータ８１０上に取り付けたジンバル８０９の先端に取り付けてある。プローブから発生した近接場光は、記録カード８１１内の金属配線に沿って上方から下方に向かって進行する表面プラズモンを発生させる。ハーフミラー８０３によって分けられた、もう一方の光は、その光路上に設けられた上記と同様の光学系によって記録カード８１１の側面に位置するプローブに照射され、記録カード８１１内の金属配線に沿って右方から左方に向かって進行する表面プラズモンを発生させる。

金属ロッドとプローブの位置関係の調整、即ちトラッキングサーボは、プローブと金属ロッドの中心のずれによって発生する、プローブからの散乱光の左右非対称性を利用した。情報カード８１１の上方に配置されたヘッドについてみると、この左右非対称に散乱された光は、対物レンズ８０８へ戻り、１／４波長板８０５で、半導体レーザ８０１から出射された直線偏光とは向きが９０°異なる直線偏光になるため、偏光ビームスプリッタ８０４でその光路を９０°曲げられ、ハーフミラー８１２及びミラー８１５を解して光検出器８１４と８１７へ入射される。光検出器８１４は、光をプローブ上に集光するための対物レンズ８０７のフォーカスを調整するために用いた。ここでは非点収差法を用いた。光検出器８１７は２分割検出器であり、左右の光強度を別々に検出できる。このことにより、プローブから散乱された光の非対称性を検出でき、この左右の光強度差をゼロとすることにより、プローブと記録カード８１１に設けられた金属ロッドの位置を制御することが出来る。左右の光強度差が有限である場合、その信号を制御系８１８で処理し、プローブの位置の補正を行うアクチュエータ８１０へ信号を送り、左右の光強度が同じになるようにプローブ位置がフィードバック制御される。情報カード８１１の側面から金属ロッドに表面プラズモンを伝播させるためのプローブの位置制御、及びプローブに光照射する対物レンズのフォーカス調整も、同様の方法で行われる。

記録の際には、半導体レーザ８０１から強い光を出射する。このことにより、情報カード８１１内に２方向から励起された表面プラズモンが金属ロッド内を伝播し、その交点で干渉し、強い電場が発生する。その交点上の記録材料（アゾベンゼン）がこの強い電場を吸収するため、温度が上昇し、アモルファスから結晶へ相変化する。このことにより、デジタルデータを記録することができる。２方向からの表面プラズモンが衝突する金属ロッドの交点以外のアゾベンゼンでも表面プラズモンは吸収されるが、その電場強度は、アゾベンゼンを変化させる閾値よりも十分低いため、アゾベンゼンは変化しない。

記録したデータの再生には、表面プラズモンの散乱を利用する。上記と同様、２方向からの表面プラズモンが衝突する交点には強い電場が発生するため、その交点で散乱される光の強度が強く、散乱光の強度はその交点の状態を反映する。散乱光は対物レンズ８０７でピックアップし、２分割光検出器８１７の検出信号の和によって検出する。この検出信号には、プローブから散乱された光と、２つの表面プラズモンの交点で散乱された光が混合した状態であるが、プローブから散乱される光はほぼ一定であるため、和信号には常に一定であるプローブ散乱光がＤＣ成分として残留し、データ信号には影響を及ぼさない。

記録の際には、プローブ４０６、４０８上で３０ｍＷに相当するパワーの光を、パルス幅３ｎｓで入射した。再生の際には１．５ｍＷの光を入射した。記録後に再生した場合のビットエラー率は、１．５×１０^-5であった。

上記の構成により、一辺１ｃｍの立方体のカードに１．５ＴＢのデジタルデータを記録及び再生することができた。

本発明の第２の実施形態として、本発明をディスク媒体に応用した例について述べる。ディスクの直径を２５ｍｍ、厚さを１ｍｍとした。ディスクの中心には、回転系のハブに取り付けるための直径５ｍｍの穴を設けた。媒体の基本的な構成は図４とほぼ同じであり、図４に示した媒体の面４０３が通常のディスク平面に、面４０４がディスクの側面に対応する。ただしここでは、記録材料として相変化記録材料であるＧｅＳｂＴｅを用いた。図１に示した配線層はディスク状情報記録媒体のディスク面に垂直であり、ディスクの円周方向に多数積層して配置されている。面４０３における金ロッドの密度は第１の実施形態と同様に、トラック方向にロッドの幅５０ｎｍ、ロッドのピッチ１００ｎｍとしたが、厚さ方向である面４０４はロッドの幅５００ｎｍ、ロッドのピッチ５μｍとし、媒体垂直方向に１００個の金属ロッドを設けた。このことは、１００層の３次元記録に等しい。ロッドの交点に配置される記録材料の寸法は、５０ｎｍ×５０ｎｍ×５００ｎｍである。

作製したヘッドを図８に示す。ここでは、対物レンズとしての固浸レンズ７０１をヘッド上に搭載した。ディスク上面からは第１の実施形態と同様にプローブを介して光を入射するが、ディスク側面からはプローブを介さず、対物レンズによってディスク側面に光の焦点を結ぶようにした。図８のプローブは、前記の第１形態の情報カードにも適用可能である。また、本形態のディスクに図６のプローブを使用することも可能である。

ここで用いた装置の構成図を図９に示す。構成は図７と殆ど同じであるが、異なる点は、一方からの光入射がファーフィールド光であること、ディスク９０１を回転するスピンドル９０２があり、そのスピンドル９０２の動作が制御系８１８によって制御されている点である。ディスク側面から垂直に延びている金属ロッドのサイズとピッチは、上記のようにファーフィールド光で検出できるサイズである。このファーフィールド光の入射位置の制御は、図７で述べた方法と同じである。即ち、通常の光ディスクと同様、金ロッドからの回折光の非対称性を検出する。この場合、対物レンズの位置と、回転しているディスクの側面上の金ロッドの位置のずれの方向については、上下とフォーカスの方向を考慮する必要がある。このために、ファーフィールド光は４分割光検出器で検出し、その信号に応じて対物レンズが搭載されているアクチュエータへ印加する電圧量を制御した。

このディスクの表面に潤滑油を塗布し、ジンバルの先端に取り付けた図４記載のプローブをその潤滑油の上に乗せた。ディスクを回転し、ディスク上面及び側面に光を照射し、記録再生を行った。記録再生のレーザパワーについては、第１形態と同じとした。測定したビットエラー率は１．２×１０^-4であった。

このディスクが有する１層あたりの記録密度は、ビット間距離が１００ｎｍであるので、約２５０Ｇｂ／ｉｎ²である。これを１００層にすることにより、２５Ｔｂ／ｉｎ²の実効記録密度を実現することができた。

本発明による記録媒体の構成図。 本発明による３次元記録媒体の構成図。 本発明による記録媒体の作製工程図。 本発明における媒体、プローブ、入射光の関係の一例を示す概略図。 プローブの例を示す図。 プローブを有するヘッドとその周辺の説明図。 本発明における情報カードの記録再生装置の構成例を示す図。 プローブと対物レンズを有するヘッドとその周辺の説明図。 本発明をディスクに適用した記録再生装置の構成例を示す図。 本発明で得られる再生信号の一部を示す図。

符号の説明

１０１：金属配線、１０２：誘電体、１０３：記録材料、１０４：入射光、１０５：入射光、
２０４：入射光、２０５：入射光、
３０１：基板、３０２：金属、３０３：記録材料、３０４：第１の分子、３０５：第２の分子、３０６：誘電体、
４０１：金ロッド、４０２：樹脂、４０５：対物レンズ、４０６：プローブ、４０７：対物レンズ、４０８：プローブ、
５０１：プローブ、５０２：アルミナ、
６０１：ジンバル、６０２：ヘッド、６０３：対物レンズ、
７０１：固浸レンズ、
８０１：半導体レーザ、８０２：対物レンズ、８０３：ハーフミラー、８０４：偏光ビームスプリッタ、８０５：１／４波長板、８０６：ミラー、８０７：対物レンズ、８０８：アクチュエータ、８０９：ジンバル、８１０：アクチュエータ、８１１：記録媒体、８１２：ハーフミラー、８１３：対物レンズ、８１４：光検出器、８１５：ミラー、８１６：対物レンズ、８１７：光検出器、８１８：制御系
９０１：ディスク、９０２：スピンドル

Claims (10)

1. 誘電体中に格子点を除いて２次元格子状に配置された複数の金属配線と、前記格子点に配置された記録材料とによって１つの配線層が形成され、
   前記配線層が間に誘電体層を挟んで複数積層された構造を有し、
   ３次元的に分布する複数の格子点に記録材料が離散的に配置されていることを特徴とする情報記録媒体。
2. 請求項１記載の情報記録媒体において、前記記録材料はエネルギー吸収によって化学変化あるいは物理変化を起こす材料であることを特徴とする情報記録媒体。
3. 誘電体中に格子点を除いて２次元格子状に配置された複数の金属配線と前記格子点に配置された記録材料とによって１つの配線層が形成され、前記配線層が間に誘電体層を挟んで複数積層された構造を有し、３次元的に分布する複数の格子点に記録材料が離散的に配置された情報記録媒体と、
   前記情報記録媒体の第１の面に対向し、前記第１の面に２次元アレイ状に露出する複数の金属配線の１つの端面に選択的に光照射するための第１の光学系と、
   前記第１の面に露出した金属配線が属する配線層に当該金属配線と交差する方向に配置された金属配線の端面が露出する前記情報記録媒体の第２の面に対向し、前記第２の面に２次元アレイ状に露出する複数の金属配線の１つの端面に選択的に光照射するための第２の光学系と、
   前記第１の光学系による光照射によって前記情報記録媒体の前記第１の面に端面が露出した金属配線に励起された表面プラズモンと、前記第２の光学系による光照射によって前記情報記録媒体の前記第２の面に端面が露出した金属配線に励起された表面プラズモンとが所望の格子点に配置された記録材料の位置で干渉するように、前記第１の光学系の位置と前記第２の光学系の位置を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする情報記憶装置。
4. 請求項３記載の情報記憶装置において、前記第１の光学系及び／又は第２の光学系は対物レンズと近接場光を発生するプローブを有し、前記対物レンズによって前記プローブに入射光を集光し、前記プローブから発生した近接場光を前記金属配線の端面に照射することを特徴とする情報記憶装置。
5. 請求項３記載の情報記憶装置において、前記情報記録媒体は立方体状あるいは直方体状であることを特徴とする情報記憶装置。
6. 請求項３記載の情報記憶装置において、前記情報記録媒体はディスク状であり、前記ディスクを回転駆動する媒体駆動部を有し、前記第１の光学系は前記ディスク状情報記録媒体の上面あるいは下面に対向し、前記第２の光学系は前記ディスク状情報記録媒体の側面に対向していることを特徴とする情報記憶装置。
7. 請求項６記載の情報記憶装置において、前記配線層は前記ディスク状情報記録媒体のディスク面に対して垂直に配置されていることを特徴とする情報記憶装置。
8. 請求項３記載の情報記憶装置において、所望の格子点に配置された記録材料の位置で干渉した表面プラズモンの散乱に起因する散乱光を検出する光検出器を有することを特徴とする情報記憶装置。
9. 誘電体中に格子点を除いて２次元格子状に配置された所定の方向に延びる複数の第１の金属配線と前記所定の方向と交差する方向に延びる複数の第２の金属配線と、前記格子点に配置された記録材料とを有する情報記録媒体に対して、
   前記複数の第１の配線のうちの一つを選択する工程と、
   前記複数の第２の配線のうちの一つを選択する工程と、
   前記選択した第１の配線の端面及び前記選択した第２の配線の端面を光照射し、当該選択した第１の配線と第２の配線の交点に配置された前記記録材料を変化させてデータを記録する工程と
   を有することを特徴とする情報記録方法。
10. 請求項９記載の情報記録方法において、前記光照射は近接場光によって行うことを特徴とする情報記録方法。

Images