TW200935104A - Integrated device for heat assisted magnetic recording - Google Patents

Description

200935104 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是在美國國家標準技術硏究院（NIST )授予 之協定No. 70NANB1H3056下基於美國政府支援而進行。 美國政府在本發明中擁有必然之權利。 【先前技術】 φ 在熱輔助磁/光學記錄中，資訊位元以提高的溫度被 記錄於儲存層上，且儲存層中加熱區判斷資料位元大小。 一種方法使用固體浸沒平面鏡（PSIM )透鏡於平面波導 上和特定形狀之金屬奈米結構組裝並設於PSIM焦點附 近，稱爲近場光學轉換器。PSIM將光引導至近場轉換器 以形成局域表面離體子（LSP)。由於金屬中電子之集體 振盪，環繞近場轉換器出現高電場。部分的該場將隧穿進 入鄰近的儲存媒體並被吸收，提昇了用於記錄之局域媒體 φ 的溫度。LSP對於近場轉換器之形狀和其在波導中之位置 是敏感的。近場轉換器可埋藏於低熱損耗之介電質層中。 光於近場轉換器中被吸收而製造了熱，爲遂行其機能需冷 卻機構。 【發明內容】 在一觀點中，本發明提供一種設備包括第一波導，用 於將電磁波集中於焦點區，及第二波導，包括定義具有置 於鄰近該焦點區之一端的開口之金屬結構，和置於該開口 -4 - 200935104 中之多層結構，該多層結構包括介電質材料之第一層，和 置於該第一層之相對側的介電質材料之第二和第三層。 在另一觀點中，本發明提供一種設備包括用於將電磁 波集中於焦點區之機構，及波導，包括定義具有置於鄰近 該第一波導之該焦點區之一端的開口之金屬結構，和置於 該開口中之多層結構，該多層結構包括介電質材料之第一 層，和置於該第一層之相對側的介電質材料之第二和第三 層。 從讀取下列詳細描述，該些及各式其他特徵與優點將 顯而易見。 【實施方式】 圖1爲依據本發明之一觀點之光學轉換器10的示意 截面圖。圖2爲沿線2-2之圖1的一部分轉換器之截面 圖。光學轉換器1〇包括兩波導丨2和14。在本範例中， 波導1 2形成包括核心或導引層1 6之固體浸沒鏡，核心或 導引層16可爲例如Ta205、SiNx或ZnS。核心層插入於 披覆層18和20之間’披覆層18和20可爲例如Al2〇3或 Si〇2。材料22被置於鄰近側壁24用以反射電磁波26進 入焦點或焦點區28，材料22可爲例如空氣或鋁（A1 ) ^ 側壁被塑形以形成垂直於波導平面之介面，用以將電磁波 26聚集於鄰近波導之末端3〇的焦點或焦點區28，電磁波 26可爲例如紫外線、紅外線或可見光。爲了描述之故， 該電磁輻射將稱爲光。 -5- 200935104 在一範例中，側壁具有拋物線形並形成拋物線鏡。於 導引層中行進之光被拋物線介面反射並指向焦點28。 波導12爲平面波導，光被耦合進入該波導，並爲聚 焦元件，經組裝用以將光聚焦爲衍射限制光點。傳播之波 導模式爲以平行於波導平面之電場極化之橫向電場 (TE)。在本範例中聚焦元件爲固體浸沒鏡（SIM)。然 而，亦可使用例如模折射率透鏡之其他類型的聚焦元件。 φ 光可以許多方式發射進入波導12，例如具光柵耦合、使 用端射技術、使用錐形的波導等。 圖3爲圖1之光學轉換器之一部分空氣軸承表面的平 面圖。光學轉換器包括經建造和配置而將光26聚集至空 氣軸承表面32之元件。 圖1、2和3之光學轉換器包括兩波導12和14。波 導12爲平面波導，使用已知技術將光耦合進入該波導。 波導1 2經組裝而將光聚集爲焦點區28中之衍射限制光 〇 點。波導12包括置於兩披覆層18和20之間之導引層 16。披覆層具有較導引層低的折射率。空氣可爲適當之披 覆層。 在圖1、2和3之範例中，波導12作爲用於將光聚集 爲衍射限制光點之機構。在一範例中，所傳播之波導模式 爲以方位平行於波導平面之電場極化之橫向電場 (TE )。在本範例中，波導形成固體浸沒鏡。然而，亦 可使用例如模折射率透鏡或通道波導之其他類型的聚焦元 件。光可以許多方式發射進入波導12，例如具光柵耦合 -6- 200935104 器、使用端射技術、使用錐形等。 波導14包括被塑形以定義開口或槽44之金屬結構 42。在本範例中，開口之壁46和48爲實質上平面’並聚 集於朝向表面32之方向。因而，開口 44爲沿Y方向而 逐渐變細，Y方向係平行於第一波導12之平面。即，開 口的大小隨著距第一波導之距離增加而減少。壁位於實質 上垂直於波導12之平面的平面中。每一該等壁相對於Y 軸傾斜（Γ至60°之間之角度。 包括以Z方向堆疊之複數介電質材料層52、54和56 的多層結構50被置於開口 44內。指向波導12之焦點區 28的光於第一末端58進入開口，並進一步藉由金屬結構 42和多層結構50而集中以於開口之第二末端60形成光 點。開口爲錐形的使得第一末端58較第二末端60爲寬。 開口 44之全錐形角度可於0°至約120°變化，但存在最佳 角度以提供最高效率。介電質層52、54和56係置於實質 上平行於波導12之平面的平面中。 核心層54之折射率高於披覆層52和56之折射率。 在開口內，光藉由來自多層結構外部或披覆層52和56之 總內部反射而侷限於Z方向；並藉由開口之壁46和48而 侷限於X方向。開口於底端60之寬度可爲例如數十奈 米。爲了良好的光傳輸效率，開口可沿光束傳播方向即Y 方向而逐漸變細，且具有低於層54之折射率的介電質材 料薄層62可包覆開口之內壁46和48。介電質材料62可 予最佳化而產生充分的光產量並侷限於底端60。表面離 -7- 200935104 體子電磁極化子可於金屬結構之壁的表面激化，並於槽之 金屬壁與層62之間之介面以低損耗傳播。該金屬可爲例 如金、銀或銅。 薄層62之必要性取決於用於波導14之核心材料54 和光波長（λ)。表面離體子（SP)爲已知之電磁波，分 別沿相對介電常數ed之介電質材料與相對介電常數之 金屬之間的介面傳播。SP之存在的狀況爲TM極化（平 φ 行於該介面之磁場）及sd + em<〇。例如，基於自由電子 之金屬的德魯特（Drude)模型ειη = 1 - ωρ2/ω2，其中ω.ρ 爲塊材電漿共振頻率及ω爲角頻率，ε<1 + επι<〇之狀況導 致於之高頻截止。對銀和金而言，ωρ = 3.8eV。若政被用作核心材料54，於λ = 830 nm處，ε<ι = 13.54’此導致於λ。= 1·24μιη之短波長截止。若λ = 830 nm’在矽/金介面無SP傳播。克服此狀況的一種方式爲 於金屬表面與高折射率材料之間插入低折射率之介電質材 〇 料薄層，此導致A 本+ ει。例如，矽土之ει = 2.13， λθ 0·58μιη。如此一來，SP可於具矽核心之波導14以λ =〇·86μιη低耗損傳播。 可使用與波導12中所用之相同介電質材料建構波導 14’或該材料可經最佳化而提供沿ζ方向之波導14內充 分之限制》 兩波導12和14可彼此堆疊。光可藉由漸消失之波耦 合而從波導12傳送至波導14。由於波導14在Υ方向 @ ’具有高折射率但輕微吸收之材料可用作多層結構之核 -8- 200935104 心層，例如矽、Cu20、SiC、GaP和硫化物玻璃。在另一 範例中，可配置波導14使得波導12之焦點在波導14內 部，以於開口 44之底部60達成更緊密之聚焦光束並提昇 傳輸效率。 波導14可沿X方向使用厚金屬壁，其提供散熱通道 以移除槽波導中光吸收所產生之熱。若轉換器用於磁記錄 頭，用於磁記錄之磁極可與Z方向或X方向之轉換器合 倂，使得極尖接近槽44之末端60。 窄金屬開口將光限制於X方向且亦較無槽之狀況提 供更高的有效導引率，槽將光較緊密地限制於Z軸並於槽 之開口提供較陡峭的電場坡度，此處可設磁極用以將明顯 轉換寫入至鄰近磁儲存媒體。 波導14之金屬結構提供錐形離體子裂縫。沿Z方 向，光藉由折射率導引而予限制；沿X方向，光藉由於 末端具奈米規模分離之槽的錐形金屬壁所形成之開口而予 限制。不論壁分離如何地窄，存在傳播TM模式，具有實 質上垂直金屬壁之電場。 圖4爲圖1之波導14部分的等角視圖。開口之壁之 間的角度Θ可介於0°至約120°的範圍。 圖5爲用於評估光學轉換器之性能的儲存媒體70之 側視圖。儲存媒體包括基板72、熱槽層74、熱屏蔽層 76、磁儲存層78和介電質層80。在一範例中，介電質層 80可包括防護層，例如轉換器之空氣軸承表面32上的鑽 石類塗層，及媒體上之潤滑層。磁儲存層可爲以鈷爲主之 -9- 200935104 合金，熱屏蔽層可爲ΖΓ〇2或SiO，熱槽層可爲銅或金， 及基板可爲玻璃或矽。 爲依據本發明之各式觀點而評估轉換器之性能，已以 該等轉換器之範例作爲模型。在下列範例中，採用固體浸 沒鏡（SIM)將光聚集於波導14。該SIM於圖1之頂端 具有50 μιη開口及於波導12和14之間之介面具有6.2μιη 末端。 φ 入射光束的光學功率假設爲1瓦。磁媒體包括8 nm 厚介電質層（η = 1.5) ，15 nm厚站層，10 nm熱屏蔽 層，及包覆於玻璃基板上之金熱槽層。 在一範例中，波導1 2和1 4使用矽作爲核心層及鋁 (Al2〇3 )作爲披覆層。以波長λ = 980 nm之光，矽 (Si)具有折射率η = 3.67及低吸收係數（~5χ1(Γ4)。對 ΑΙ2Ο3披覆層而言，假設η = 1.65。以75 nm之核心厚 度，基本TE波導模式具有傳播常數 = 2.54953。 〇 金於波導14中被用作金屬電鍍材料，具有n = 0.248 + i6.669。金屬錐形被設定爲於空氣軸承表面32具有30 nm寬的開口及於頂端58具有210 nm寬的開口。槽長 147 nm。10 nm Si02層包覆於錐形槽的金屬壁上。壁間的 全角度Θ爲7Γ。 已計算儲存層之中間平面的電場強度及吸收。該模型 顯示電場強度及光吸收被限制於具有半峰全幅値 (F WHM ) = (47 nm，110 nm)之光點。47 nm 尺寸爲 沿X方向之FWHM，1 10 run尺寸則爲沿Z方向。15 nm -10- 200935104 儲存層中總吸收經計算爲24%。 爲進行比較，亦實施無波導14之狀況的計算。 F WHM光點大小經發現爲（1 78 nm，1 3 0 nm )，儲存層中 包括旁瓣之總吸收爲42%。意即波導14以4.4因子壓縮 SIM聚焦光點，效率57%。 另一範例使用具有不同核心材料和厚度之兩波導。在 此狀況下，假定光波長λ = 660ηιη。波導12使用具有n = 2.20之100 nm厚度的Ta205核心層，同時波導14使用具 有η = 3.837 + i0.016之50 nm厚度的Si核心層。二波導 使用鋁作爲披覆層，η = 1.65。二波導於SIM焦點平面結 合。銀被用作波導14之金屬電鍍材料，η = 0.14 + i4.2。 另一方面，可使用金。 槽被設定爲於空氣軸承表面60具有30 nm寬的開 口，及於二波導12和14之間之介面具有210 nm寬的開 口。槽長147 nm。10 nm厚Si〇2層被包覆於錐形槽之內 壁46和48上。兩壁之間之全角度Θ爲7Γ。 再次塑造儲存層之中間平面的電場強度及吸收之模 型。該模型顯示電場強度及光吸收被限制於具有沿X方 向之FWHM = 41 nm及沿Z方向爲71 nm之光點。儲存層 中總吸收達2 0 %。 爲進行比較，亦實施無波導14之狀況的計算。 FWHM光點大小經發現沿X方向爲142 nm及沿Z方向爲 155 nm。包括旁瓣之總吸收爲42%。對此範例而言，波導 14以7.5因子壓縮SIM聚焦光點，光傳輸效率47%。 200935104 另一範例假設錐形槽於底部表面32具有 開口，及於頂端58具有160 nm寬的開口 nm。10 nm厚Si02層被包覆於金屬之內壁46 兩壁之間之全角度Θ減爲5 3 °。 在此狀況下，FWHM光點大小經計算沿X nm及沿Z方向爲75 nm，其略大於7Γ錐形。 率提昇。儲存層中吸收增加爲25%。意即波導 φ 因子壓縮SIM聚焦光點，效率61%。 圖6爲依據本發明之另一觀點的光學轉換 意側視圖。圖7爲沿線6-6之圖6的光學轉 圖。圖8爲圖6之光學轉換器的部分空氣軸承 圖。 在圖6至8之範例中，波導92爲平面波 已知技術將光耦合進入該波導。波導92經組 焦爲焦點區94中之衍射限制光點。波導92包 φ 覆層98和100之間之導引層96。披覆層具有 之折射率。空氣可爲適當之披覆層。 在圖6、7和8之範例中，波導92用於將 射限制點。波導92形成固體浸沒鏡。然而， 如模折射率透鏡之其他類型的聚焦元件。光可 發射進入波導92，例如藉由使用光柵耦合、 錐形的波導等。 波導102包括被塑形以定義開口或槽106 104。在本範例中，開口之壁108和110爲實 3 0 nm寬的 。槽長130 和48上。 :方向爲43 但光傳輸效 1 4 以 6 _ 8 器90之示 換器之截面 表面之平面 導其中使用 裝而將光聚 括置於兩披 低於導引層 光聚集爲衍 亦可使用例 以許多方式 端射技術、 之金屬結構 質上平面， -12- 200935104 並聚集於朝向表面112之方向。因而，開口 1〇6爲沿平行 於第一波導之平面的平面而逐漸變細。包括沿X方向堆 疊之複數層116、118和120之多層結構114係置於開口 內。波導102之結構114中介電質波導層116、118和 120實質上垂直於波導92之平面。 指向波導92之焦點94之光進入第—末端122之開 口’並進一步藉由金屬結構104和多層結構114而聚集以 於開口之第二末端1 24形成光點。該開口爲錐形的使得第 一末端122沿Z方向較第二末端124寬。開口 106之全錐 形角可於0°至約120°之間改變。另一方面，開口之每一壁 可設於相對於波導92之平面而以〇°和約60°之角度傾斜的 平面中。在任一狀況下’可存在一最佳角度而提供最高效 率。 在開口內，光藉由來自多層結構外部層116和120之 總內部反射而侷限於X方向；並藉由開口之金屬壁108 和110而被限制於Z方向，該開口於底端124可爲數十奈 米。爲了良好的光傳輸效率，開口可沿光束傳播方向即Y 方向而逐漸變細，且具有低於層118之折射率的介電質材 料薄層126可包覆開口之內壁108和110。介電質材料可 予最佳化而限制於Z方向具有良好的光產量。 由於波導102在Y方向短，具有高折射率但輕微吸 收之材料可用作多層結構之核心層，例如矽。而且，可配 置波導102使得波導90之焦點平面在該波導內部，以於 開口之底部60達成更緊密之聚焦光束並提昇傳輸效率。 -13- 200935104 金屬壁108和110可極厚，其提供散熱通道以移除槽 波導中光吸收所產生之熱。若轉換器用於磁記錄頭’用於 磁記錄之磁極可與z方向或X方向之該裝置合倂，使得 極尖接近槽106之末端124。 窄金屬開口將光限制於Z方向且亦較無槽之狀況提供 更高的有效導引率，其導致沿X方向之良好限制及於槽 之開口陡峭的電場坡度，此處可設磁極用以將具明顯轉換 φ 之資料寫入。 波導102爲錐形離體子裂縫。沿X方向，光藉由折 射率導引而予限制；沿Z方向，光藉由於末端具奈米分離 之兩錐形金屬壁所形成之開口而予限制。不論分離如何地 窄，存在傳播TM模式，具有實質上垂直金屬壁之電場。 圖9爲圖6之光學轉換器之元件的等角視圖。 在圖6至8之範例中，傳播波導模式爲以垂直於金屬 壁108和110之電場極化的TM。 φ 爲評估依據圖6至8之轉換器的性能，該等轉換器之 範例已作爲模型。在下列範例中，於波導9 2中組建之固 體浸沒鏡（SIM )將光聚集於波導102。於下列結果中假 定爲包括2.5 nm厚介電質層（η = 1.25) ，2.5 nm厚潤滑 劑層（η = 1.3) ，12.5 nm厚鈷層，1〇 nm熱屏蔽層及金 熱槽層之磁儲存媒體。 有關一範例’第一波導使用Ta2〇5 (η = 2.1)作爲核 心材料及Α1203 (η = 1.6)作爲電鍍材料。以125 nm之 核心厚度和660 nm之光波長’基本TE波導模式具有傳 -14- 200935104 播常數 =1.7154。金於波導102中被用作金屬錐形材 料，具有η = 0.248 + i6_669。該金屬槽錐形具有90°之全 錐形角度。假設該槽爲I40 nm長，於底端丨24爲20 nm 寬，及於頂端122爲300 nm寬。第二波導使用與第一波 導相同之介電質材料，但選擇核心層之厚度爲50 nrn以便 將光限制於沿X方向。1〇 nm Si02層126被置於錐形槽側 面與多層結構114之間。 F WHM光點大小經計算沿X方向爲1 3 0 nm和沿Z方 向爲33 nm。12.5 nm磁層中總吸收爲8.3%。爲進行比 較，亦實施無波導102之狀況的計算。FWHM光點大小經 發現爲168nmxl80nm，儲存層中包括旁瓣之總吸收爲 27.5%。意即金屬錐形以6.7因子壓縮SIM聚焦光點，效 率 3 0%。 有關第二範例，假設第一波導使用矽（η = 3.87)作 爲核心材料及Ta2〇5 (η = 2.1)作爲電鍍材料。以100 nm 之核心厚度和660 nm之光波長，基本TM波導模式具有 2.9116的有效指數。金屬壁使用銀（η = 0.14 + i4.2)， 且錐形槽被塡注矽。金屬錐形槽具有90°全錐形角度。其 長140 nm，於末端124爲20 nm寬，及於開口 94爲300 nm寬。10 nm Si02層被包覆於金屬與介電質塡充之間之 槽的內壁108和126上。 電場強度係於具上述金屬錐形槽之磁層中7_5 nm的 位置計算。FWHM光點大小經發現沿X方向爲90 nm和 沿Z方向爲28 nm。12.5 nm磁層中總吸收爲13.2%。無 200935104 金屬錐形之磁媒體中FWHM光點大小經發現爲1 00 nmx 93 nm，且儲存層中總吸收爲3 4 · 3 %。意即金屬錐形槽以3 · 7 -因子壓縮媒體中SIM聚焦光點’效率3S%。 上述完成和其他完成落於下列申請專利之範圍內。 【圖式簡單說明】 圖1爲依據本發明之一觀點之光學轉換器的示意側視 ❿ 圖。 圖2爲沿線2-2之圖1之光學轉換器的截面圖。 圖3爲圖1之光學轉換器之部分空氣軸承表面的平面 圖。 圖4爲圖1之光學轉換器之元件的等角視圖。 圖5爲用於展示光學轉換器之性能之儲存媒體的側視 圖。 圖6爲依據本發明之另一觀點之光學轉換器的示意側 ^ 視圖。 圖7爲沿線7_7之圖6之光學轉換器的截面圖。 圖8爲圖6之光學轉換器之部分空氣軸承表面的平面 圖。 圖9爲圖6之光學轉換器之元件的等角視圖。 【主要元件符號說明】 10、90 :光學轉換器 12、14、92、102 ：波導 -16- 200935104 16、96 :導引層 18、20、52、56、98、100 ：披覆層 2 2 :材料 24 :側壁 26 :電磁波 28、94 :焦點區 3 0 :末端 32、112:空氣軸承表面 42、1 04 :金屬結構 44、94、1 06 :開 口或槽 46、 48、 108、 110： Μ 50、1 14 :多層結構 52、 54、 56、 62、 80、 126:介電質層 5 4 :核心層 58、122 :第一末端 58、122 :頂端 60、124 :第二末端 6 0、1 2 4 :底端 70 :儲存媒體 72 :基板 74 :熱槽層 76 :熱屏蔽層 7 8 :磁儲存層' 116、118、120:介電質波導層 -17-

Claims (1)

1. 200935104 十、申請專利範圍 1.一種設備，包含： 第一波導，用於將電磁波集中於焦點區；及 第二波導，包括定義具有置於鄰近該焦點區 開口之金屬結構，和置於該開口中之多層結構’ 構包括介電質材料之第一層’和置於該第—層之 介電質材料之第二和第三層。 H 2.如申請專利範圔第1項之設備’其中該開 的。 3 .如申請專利範圍第2項之設備’其中該開 於彼此相對於〇°至約120°之間之角度的金屬壁。 4. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該開 於實質上垂直於該第一波導之平面的平面上之金 5. 如申請專利範圍第4項之設備，其中該電 實質上垂直於該第二波導中之該等金屬壁之電場 〇 極化。 6. 如申請專利範圍第2項之設備，其中該開 於相對於該第一波導之平面傾斜〇°至約60°之間 平面上之金屬壁。 7. 如申請專利範圍第6項之設備，其中該電 實質上垂直於該第二波導中之該等金屬壁之電場 極化。 8. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該第 商折射率之核心材料，其包括砂、Cu2〇、GaP、 之一端的 該多層結 相對側的 口爲錐形 口包括置 口包括位 屬壁。 磁波係以 而橫向電 口包括位 之角度的 磁波係以 而橫向磁 一層包含 Sic、鑽 -18- 200935104 石或硫化物玻璃之至少一項。 9. 如申請專利範圍第1項之設備，進—步包含： 置於鄰近該開口之壁的介電質材料之第四層。 10. 如申請專利範圍第9項之設備，其中該介電質材 料之第四層具有較該第一層爲低之折射率。 11. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該焦點區位 於該第二波導內。 12. —種設備，包含： 用於將電磁波集中於焦點區之機構；及 波導，包括定義具有置於鄰近該第一波導之該焦點區 之一端的開口之金屬結構，和置於該開口中之多層結構， 該多層結構包括介電質材料之第一層，和置於該第一層之 相對側的介電質材料之第二和第三層。 13. 如申請專利範圍第12項之設備，其中該開口爲錐 形的。 14. 如申請專利範圍第13項之設備，其中該開口包括 置於彼此相對於0°至約120°之間之角度的金屬壁。 15. 如申請專利範圍第12項之設備，其中該電磁波具 有實質上垂直於該開口之壁之電場。 16. 如申請專利範圍第12項之設備，其中該第一層包 含高折射率之核心材料，其包括矽、Cu20、GaP、SiC、 鑽石或硫化物玻璃之至少一項。 17. 如申請專利範圍第12項之設備，進一步包含： 置於鄰近該開口之壁的介電質材料之第四層。 -19- 200935104 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之設備，其中該介電質材 料之第四層具有較該第一層爲低之折射率。 19.如申請專利範圍第12項之設備，其中該焦點區位 於該第二波導內。

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