WO2010106283A1 - Tete de lecture haute resolution pour disque optique - Google Patents

Tete de lecture haute resolution pour disque optique Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une tête de lecture haute résolution pour disque optique comprenant une source monochromatique laser (12); un polariseur à polarisation radiale (15); un diaphragme annulaire (16) opaque au centre et à la périphérie; un système optique de mise en forme du faisceau (13, 14); et un microcomposant concentrateur de lumière (11) comprenant une lentille hémisphérique (1) au foyer de laquelle est disposé un nanofil (2), orthogonal au plan de cette lentille, ce nanofil étant coiffé d'une demi-bille de métal (3).

Description

TETE DE LECTURE HAUTE RESOLUTION POUR DISQUE OPTIQUE
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des disques optiques, et plus particulièrement une tête de lecture haute résolution pour disque optique. Exposé de l ' art antérieur
La capacité de stockage actuelle des disques optiques
(CD puis DVD puis maintenant BluRay) est liée à la taille du spot de lecture et donc soumise au critère de Rayleigh : p=λ/NA où p est le rayon de la tache lumineuse, λ la longueur d'onde et NA l'ouverture numérique égale à 2nsinθ, où n est l'indice optique du matériau dans lequel se propage l ' onde optique et θ l'angle maximum d'ouverture du système de lentille assurant la focalisation. Afin d'augmenter la capacité de stockage de ce type de support, plusieurs options ont été suivies. ^ Options s ' affranchissant du critère de Rayleigh :
- SuperRésolution : on joue sur des modifications locales des propriétés du matériau constituant le disque optique pour diminuer la taille du spot de lecture/écriture sur le disque pour une même taille de spot lumineux éclairant le disque ; - Holographie : l'information n'est plus seulement stockée sur deux dimensions en surface de disque mais est distribuée sur tout un volume xyz ; cette solution pose des difficultés de réplication rapide des disques puisque celle-ci ne peut plus être réalisée par moulage mais nécessite une écriture optique de chaque disque ;
- Ecriture multi-niveaux : On superpose deux à plusieurs couches d'informations bidimensionnelles sur un même support.
Les différentes couches seront lues successivement par ajus¬ tement de la focalisation. ^ Options d'amélioration du critère de Rayleigh :
- Réduction de la longueur d'onde : on utilise des longueurs d'onde dans le domaine du proche UV plutôt que de l'infra¬ rouge, par exemple 405 nm dans le système dit "BluRay" ;
- Augmentation de l'ouverture numérique : une approche actuelle consiste à utiliser une lentille à immersion solide. Le faisceau est focalisé sur la face plane d'une lentille hémisphérique (SIL) au moyen d'un système optique de grande ouverture numérique. L'ouverture numérique NA totale est égale à l'ouverture numérique du faisceau éclairant la lentille hémisphérique multipliée par l'indice optique du matériau constituant la lentille hémisphérique (SIL) : NA=nSIL*NAinc' NAj_nc désignant l'ouverture numérique du faisceau incident. Ce système peut encore être amélioré par l'utilisation d'un éclairage adapté (polarisation radiale et masquage annulaire du faisceau) . Dans des conditions optimales d'éclairage (polarisation adaptée, masquage judicieux et longueur d'onde 405nm, NAj_nc=0, 85) le spot au foyer de la lentille hémisphérique a un diamètre à mi-hauteur de l'ordre de 180 nm.
Cette dernière solution est l'une des plus promet¬ teuses actuellement mais, comme on le voit, on reste limité, avec des longueurs d'onde courantes (405 nm) , à des dimensions de spot de l'ordre de 180 nm, c'est-à-dire que l'on peut diffi¬ cilement analyser sur un disque optique des motifs inférieurs à cette dimension. Résumé
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un système de lecture optique adapté à la lecture de disques optiques, permettant de minimiser encore la dimension du spot.
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une tête de lecture haute résolution pour disque optique comprenant une source monochromatique laser ; un polariseur à polarisation radiale ; un diaphragme annulaire opaque au centre et à la périphérie ; un système optique de mise en forme du faisceau ; et un microcomposant concentrateur de lumière comprenant une lentille hémisphérique au foyer de laquelle est disposé un nanofil, orthogonal au plan de cette lentille, ce nanofil étant coiffé d'une demi-bille de métal. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la lentille hémisphérique a un diamètre de l'ordre de 1 à 5 μm.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le nanofil est un nanofil de silicium d'une longueur de 10 à 100 nm, de préférence de 30 à 60 nm, et d'un diamètre de 10 à 60 nm, de préférence de 30 à 40 nm.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la demi-bille de métal est en or.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la lumière renvoyée par le microcomposant concentrateur de lumière est prélevée par une séparatrice en direction d'un photodétecteur .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la tête de lecture est adaptée à une lecture de motifs de l'ordre de 20 à 50 nm sur un disque optique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la tête de lecture comporte un dispositif d'asservissement de la distance entre la tête de lecture et le disque optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la tête de lecture est adaptée pour fonctionner à une longueur d'onde comprise entre 400 et 520 nanomètres . Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente un microcomposant concentrateur de lumière utilisé dans un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 2 représente un schéma optique d'un système de lecture de disque optique selon un mode de réalisation de la présente invention ; les figures 3 à 8 représentent des étapes successives d'un exemple de fabrication du microcomposant concentrateur de lumière ; et la figure 9 représente une étape d'un exemple de fabrication du microcomposant concentrateur de lumière. Description détaillée
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à
1 ' échelle.
La figure 1 représente un microcomposant concentrateur de lumière utilisé selon un mode de réalisation de la présente invention. Ce microcomposant comprend une lentille hémisphérique ou lentille à immersion solide 1 sur la face plane de laquelle on a ajouté un petit élément de dimension nanométrique, de préférence un morceau de nanofil 2 dont l'extrémité comprend une petite pastille métallique 3, de préférence hémisphérique, de même rayon que le nanofil. On va montrer qu'un tel microcomposant concentrateur de lumière présente des avantages importants dans le cadre d'une utilisation à une tête de lecture de disque optique.
La figure 2 représente un système de lecture optique haute résolution pour disque optique. La surface du disque optique est représentée à droite de la figure et est désignée par la référence 10, elle comprend de façon classique des bosses et des creux qu'il s'agit d'iden¬ tifier. Le montage comprend un microcomposant concentrateur de lumière 11 tel que représenté en figure 1. La lentille hémisphérique est éclairée par un faisceau provenant d'un laser 12, élargi et transformé en un faisceau parallèle par un système optique 13 de mise en forme, représenté sous forme d'une lentille unique, et focalisé au foyer de la lentille hémisphérique 1 par un objectif de focalisation 14 également représenté sous forme d'une lentille unique. Un polariseur à polarisation radiale 15, par exemple constitué d'éléments de polarisation rectilignes disposés en secteurs, est disposé dans le faisceau, de préférence à un emplacement où il est parallèle.
Un diaphragme en anneau 16 est également disposé dans le trajet du faisceau, ce diaphragme a un rayon interne ri et un rayon externe r2. Il permet de masquer tout ou partie des rayons dont l'angle d'incidence sur la tête de lecture est supérieur à l'ouverture numérique (que l'on choisira aussi élevée que possible, par exemple égale à 0,85) . Il permet aussi de masquer les rayons dont l'angle d'incidence est inférieur à l'angle de réflexion totale interne pour l'interface entre le matériau de la lentille hémisphérique, par exemple de la silice. On choisit donc : ri = fobj *tan [Arcsin ( l /nS IL) ] ,
r2 = fo]3J *tan [Arcsin (NA) ] ,
où :
^obj est ^ la distance focale de l'objectif de focalisa- tion ; nSIL est l'indice optique du matériau dans lequel est réalisée la lentille hémisphérique (SIL) ; NA est l'ouverture numérique de l'objectif de focalisation. Dans la réalisation préférée, cette ouverture numérique est égale à 0,85.
Le diaphragme peut être placé après le système optique 14, auquel cas ri = d*tan [Arcsin (1/ngjL) ] , r2 = d*tan [Arcsin (NA) ] , où d désigne la distance entre le diaphragme et la face plane de la lentille hémisphérique. Une séparatrice 18 permet de diriger la lumière renvoyée par le microcomposant 11 après avoir interagi avec le disque optique vers un photodétecteur 19 apte à détecter l'intensité du faisceau renvoyé.
Avec un tel système, en choisissant : - une lumière d'éclairement dans une plage de longueur d'onde de 400 à 520 nm,
- un nanofil 2 en silicium d'une longueur de 10 à 100 nm, de préférence de 30 à 60 nm, et d'un diamètre de 10 à 50 nm, de préférence de 20 à 30 nm, - une demi-bille 3 en or,
- une lentille à immersion solide 1 en silice, on peut obtenir à quelques nanomètres de la première bille en or un spot lumineux ayant une dimension de l'ordre de 20 à 30 nm, c'est-à-dire bien inférieure à la dimension du spot lumineux obtenu avec la seule lentille hémisphérique. Ceci permet donc d'analyser des motifs sur le disque optique du même ordre de grandeur, c'est-à-dire pouvant avoir des dimensions aussi petites que 20 nm. Il en résulte que l'on peut lire des disques optiques à très forte concentration de données. En outre, on constate que, dans de telles conditions, on obtient un rendement en sortie, c'est-à-dire un contraste entre les parties en relief et les parties en creux sur le disque optique, très élevé, pouvant être supérieur à 10 %. On constate également que la lumière renvoyée est très importante par rapport à la lumière injectée. Par exemple avec 1 watt de lumière envoyé dans la couronne délimitée par le diaphragme annulaire, on obtient des puissances de l'ordre de 700 mW (par exemple 730 mW pour les surfaces en relief et 700 mW pour les surfaces en creux) . On considère que le système est notamment basé sur un fonctionnement en ondes évanescentes, on placera donc la demi- bille métallique du microcomposant concentrateur de lumière utilisé selon l'invention à une distance du disque optique très inférieure à la longueur d'onde d'éclairement, par exemple une distance de l'ordre de 5 à 200 nm. On prévoira en outre de préférence un dispositif d'asservissement de la distance entre la tête de lecture et le disque optique.
Un procédé de réalisation du microcomposant sus¬ mentionné est donné par les étapes suivantes, typiques de l'industrie microélectronique, et détaillées sur les figures 3 à 8. Ces figures représentent des vues en coupe du microcomposant à différentes étapes de sa réalisation.
Dans une première étape illustrée en figures 3 et 4, on réalise sur une première face d'un substrat 100 d'un premier matériau un empilement comprenant :
- une première couche 101 d'un second matériau apte à être gravé de façon isotrope. Il est à noter que cette couche aurait pu être le substrat 100 lui-même ;
- une seconde couche 102 formée par au moins un troisième matériau. Cette seconde couche doit être à la fois opaque à la lumière et résistante à la gravure isotrope de la couche inférieure. Bien entendu, on peut remplacer cette couche unique par un empilement de couches pour obtenir les effets souhaités. On réalise ensuite dans cette seconde couche une ouverture de dimensions nanométriques 103.
Le premier matériau peut être du silicium, le second matériau peut être du silicium ou de l'oxyde de silicium et le troisième matériau peut être, en fonction des sous-couches, du nitrure de silicium, de l'oxyde de silicium et un métal tel que l'or ou le platine.
Dans une seconde étape illustrée en figure 5, on réalise à travers l'ouverture de la seconde couche une cavité 106 dans le substrat de forme sensiblement hémisphérique par gravure isotrope. On obtient ainsi un auto-alignement de la zone focale par rapport à l'ouverture 10.
Dans une troisième étape illustrée en figure 6, on réalise un premier dépôt conforme 107 d'un quatrième matériau qui peut être du nitrure de silicium puis on dépose une couche épaisse 108 d'un matériau à fort indice optique tel que l'oxyde de silicium ou l'oxyde d'hafnium dans la cavité hémisphérique de façon à former le secteur sphérique de la lentille à immersion.
On réalise alors une seconde planarisation sur ce dernier dépôt. Dans une quatrième étape illustrée en figure 7, on supprime, par gravure anisotrope sur la face arrière du substrat, la partie du substrat recouvrant le secteur sphérique
108 de façon à dégager ce secteur sphérique.
Dans une cinquième étape illustrée en figure 8, on réalise un objet 109 de dimensions nanométriques au centre de l'ouverture de la seconde couche. Cette étape peut être suivie d'une phase de croissance d'un nano-objet à forme fortement anisotrope tel qu'un nanofil ou un nanotube de carbone dans l'ouverture sur la zone focale. A titre d'exemple, l'étape de réalisation du nano- objet peut être effectuée à partir d'un procédé de gravure dans une couche ou une structure multicouche additionnelle déposée ou reportée par report de couches après structuration de la lentille. Dans le cas d'une couche déposée, on structure directement par gravure la couche ou la structure multicouche pour réaliser le nano-objet. Celui-ci est généralement polycristallin et de facteur de forme peu important avec cette technique. Pour obtenir un objet monocristallin le procédé de report de couche est mieux adapté. Un procédé de report d'une couche par collage moléculaire sur une surface planaire composée de plusieurs matériaux est décrit dans la demande de brevet US2008/079123. Comme l'illustre la figure 9, la couche rapportée peut être constituée d'un sandwich comprenant une couche de croissance 110 qui peut être en silicium, une couche catalyseur 111 qui peut être en or et une couche de protection 112 qui peut être en oxyde de la couche inférieure. Un nanofil monocristallin peut alors être gravé directement dans la couche de croissance. Cette gravure peut également être suivie après dégagement de la couche de protection résiduelle d'une étape de croissance du nanofil à partir du catalyseur en or selon des procédures connues de type CVD. Il est possible ainsi d'obtenir des facteurs de forme élevés .

Claims

REVENDICATIONS
1. Tête de lecture haute résolution pour disque optique comprenant : une source monochromatique laser (12) ; un polariseur à polarisation radiale (15) ; un diaphragme annulaire (16) opaque au centre et à la périphérie ; un système optique de mise en forme du faisceau (13, 14) ; et un microcomposant concentrateur de lumière (11) comprenant une lentille hémisphérique (1) au foyer de laquelle est disposé un nanofil (2) , orthogonal au plan de cette lentille, ce nanofil étant coiffé d'une demi-bille de métal (3) .
2. Tête de lecture haute résolution selon la revendication 1, dans laquelle la lentille hémisphérique a un diamètre de l'ordre de 1 à 5 μm.
3. Tête de lecture haute résolution selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le nanofil est un nanofil de silicium d'une longueur de 10 à 100 nm, de préférence de 30 à 60 nm, et d'un diamètre de 10 à 60 nm, de préférence de 30 à 40 nm.
4. Tête de lecture haute résolution selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la demi-bille de métal (3) est en or.
5. Tête de lecture haute résolution selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la lumière renvoyée par le microcomposant concentrateur de lumière est prélevée par une séparatrice (18) en direction d'un photodétecteur (19) .
6. Tête de lecture haute résolution selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, adaptée à une lecture de motifs de l'ordre de 20 à 50 nm sur un disque optique.
7. Tête de lecture haute résolution selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant un dispositif d'asservissement de la distance entre la tête de lecture et le disque optique.
8. Tête de lecture haute résolution selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, adaptée pour fonctionner à une longueur d'onde comprise entre 400 et 520 nanomètres.
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