近場光探頭和近場光學顯微鏡及光記錄/再生裝置的製作方法

2023-08-04 05:32:21 1

專利名稱：近場光探頭和近場光學顯微鏡及光記錄/再生裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及在近場光學顯微鏡或使用近場的光記錄/再生裝置上產生或探測近場光的光探頭。
在以前的光學顯微鏡中，用透鏡會聚光。這時，解析度受到光波長的限制。與此相反地，在近場光學顯微鏡中，代替透鏡，用尺寸為毫微米量級的微小構造，例如直徑在光波長以下的小孔來會聚光。當光照射到這個微小構造上時，在這個微小構造近旁產生稱為近場光的處在局部區域中的光。通過使這個近場光接近樣品附近，在樣品表面上進行掃描，能夠用由微小構造的尺寸決定的解析度測定樣品的形狀和光學特性。近年來這種顯微鏡開始應用於生物樣品，半導體量子構造，高分子材料等的形狀測定和光鐠，及高密度光記錄等的廣大領域。
我們廣泛地使用有光波長以下的小孔的經過尖銳化的光纖(光纖探頭)作為產生近場光的構造(近場光探頭)。這個光纖探頭是通過對光纖的一端一面加熱一面拉伸，並用化學刻蝕法對它進行尖銳化後，在前端以外的部分塗敷金屬製成的。通過將光導入光纖中，就能在前端形成的小孔附近產生近場光。
可是上述的光纖探頭有光利用效率低的缺點。例如小孔的直徑為100nm時，從光纖前端射出的光的強度與入射到光纖的光的強度之比在0.001％以下。為了克服這個問題，已經提出了下面那樣的光探頭。(1)多階段尖銳化的光纖探頭從根部到前端分2個階段或3個階段地改變光纖前端的尖角的光纖探頭(Applied Physics Letters,Vol.68,No.19,p2612-2614,1996；Applied Physics Letters，Vol.73,No.15,p2090-2092,1998)。(2)金屬針探頭用STM針作為探頭來使用。通過用光照射針的前端，在前端近旁產生強的近場光(日本專利申請公開特開平6-137847)。(3)有金屬小球的小孔光纖探頭在前端小孔的中心形成金屬小球的光纖探頭(日本專利申請公開特開平11-101809，由本發明的第一發明者們提出的提案)。由於從小孔射出的光，在金屬小球中激發起等離子體激元，在金屬球近旁產生強的近場光。(4)塗敷金屬膜的玻璃片探頭在切割成三角柱狀的玻璃片上，形成厚度約為50nm的金屬膜，在這個金屬膜上激發起表面等離子體激元。等離子體激元向頂點傳播，在頂點近旁產生強的近場光(PhysicalReview B,Vol.55,No.12,p7977-7984,1997)。(5)有金屬散射體的玻璃基片探頭在玻璃基片底面上加上金屬散射體的探頭。用在金屬散射體近旁產生的強的近場光(日本專利申請公開特開平11-250460)。
在近場光學顯微鏡中，產生近場光的微小構造和樣品表面的間隔必須有數nm～數10nm。因此，在用上述的光纖或玻璃片構成的探頭時，為了控制探頭前端和樣品表面的間隔，需要特別的控制系統。一般地，用在探頭前端和樣品表面之間起作用的原子間力測定間隔，使用這個測定值實施伺服控制。
但是在利用上述的伺服控制時，因為受到伺服帶域的限制，所以探頭掃描的速度受到限制。特別是，在要求高數據傳送速度的光記錄/再生裝置中，必須使探頭在記錄光碟上高速掃描，用上述的控制法就不能對由於光碟的歪扭和傾斜產生的高頻的間隔變動進行控制。因此為了解決這個問題，已經提出了下面那樣的探頭，(1)平面開孔探頭用各向異性的刻蝕在矽基片中形成開孔的探頭(The Pacific RimConference on Lasers and Electro-Optics,WL2,「Fabrication of Siplanar apertured away for high speed nenr field optical storage andread out」)。因為在小孔周邊部分是平坦的，所以通過將探頭壓在樣品上就能夠保持一定的間隔。(2)有墊片的開孔探頭在玻璃基片底面上形成在前端有小孔的四角錐的突起，在這個突起的周邊形成墊片的探頭(日本專利申請公開特開平11-265520)。由於墊片，探頭前端和樣品的間隔就能夠保持一定。(3)有金屬微小晶片的面發射雷射探頭在面發射雷射出射口端面上形成金屬的小孔和金屬的微小突起(日本應用物理，Vol.68,No.12,p1380-1383,1999)。因為構造是平坦的，所以通過將探頭壓在樣品上就能使間隔保持一定。因為具有金屬的微小突起和諧振器構造，所以預料也能提高效率。
作為近場光探頭的性能，要求下列的三點(1)光利用效率高。(2)可以進行高速掃描。(3)包含在探測光中的背景光少。
為了提高光利用效率，已經提出了上述的幾個方法。前端的尖銳角多階段地變化的光纖探頭有比一般使用的光纖探頭高10到100倍的效率，但是對於要求光利用效率在10％以上的光記錄/再生裝置等的要求高效率的應用來說，還是不足夠的。此外，由於用了光纖，機械上就比較脆弱，不可能進行高速掃描。金屬針探頭，有金屬小球的小孔光纖探頭，塗敷金屬膜的玻璃片探頭，有金屬散射體的玻璃基片探頭中無論那一個都利用金屬的特性使效率提高，能夠期望有高的效率。可是，上述的無論那一個探頭的前端都有機械上脆弱的形狀，不適合於高速掃描。特別是，金屬針探頭和有金屬散射體的玻璃基片探頭存在因為不照射到針前端或散射體的光也入射到樣品上，從而探測出很多背景光那樣的問題。
可能進行高速掃描的探頭也有上述那樣的幾個提案。在平面開孔探頭和有墊片的開孔探頭的情形中，能夠進行高速掃描，但是光利用效率小。預計有金屬微小突起的的面發射雷射探頭能夠進行高速掃描，光利用效率也高，背景光也少。但是，為了使用金屬的微小突起產生強的近場光，必須使金屬的形狀最佳化，可是關於形狀方面還沒有任何公開的結果發表。又，關於它的製造方法也沒有公開發表。
本發明的目的是提供滿足上述的3個要求的近場光探頭，即提供光利用效率高，能夠進行高速掃描，包含在探測光中的背景光少的近場光探頭和它的製造方法。特別是，本發明的目的是提供為了通過用尺寸在光波長以下的金屬散射體提高光利用效率的最適合的散射體形狀和光入射到探頭的光入射方法。
本發明的近場光探頭是由基片，在基片上形成的有圓錐體或三角形等形狀的金屬散射體，在金屬散射體周邊形成的膜厚和散射體的高度相同的金屬或電介質或半導體等的膜構成的。金屬散射體的作用是產生強的近場光，它周圍的膜的作用是為了防止探頭在樣品附近高速地掃描時，散射體發生破損。此外，因為膜的材質具有遮光性，通過使散射體與膜的間隔在光波長以下，能夠起到使背景光降低的作用。為了防止散射體的破損，代替形成膜，可以在基片表面上形成深度與散射體高度相等的坑窪，在該坑窪中形成金屬散射體。此外，為了進一步降低散射體破損的概率，也可以在上述的散射體和它的周圍的膜之間或在基片表面上形成的坑窪的空間內埋入有光透過性的膜。
金屬散射體的形狀為圓錐，多角錐，橢圓，三角形。散射體的形狀為三角形時，在三角形的3個頂點中，兩個頂點的曲率半徑可以比餘下的一個頂點的曲率半徑大。又三角形的膜和它周圍的模也可以接合。這時，作為接合部分的一部分的孔的曲率半徑比三角形頂點的曲率半徑大。此外，作為散射體，也可以在基片上形成有平面橢圓體或三角形等前端尖銳化形狀的金屬膜，在它的尖銳化的頂點近旁使頂點和金屬膜的間隔在光波長以下那樣地形成別的金屬膜。特別是，可以使尖銳化的2個頂點的間隔在數10nm以下那樣地形成前端有尖銳化形狀的2個金屬膜。又，作為散射體，使用三角形或平面橢圓體等前端有尖銳化形狀的金屬膜時，也可以在基片側面上形成這些金屬膜。
為了使在入射光的聚光點上的光斑直徑小，可以用半球基片代替上述的平面基片。此外也可以在基片上設置全息透鏡等的聚光。此外，也可以在光諧振器或半導體雷射器的出射口端面上形成金屬散射體。又，用平面橢圓體或三角形的膜作為金屬散射體時，也可以在基片側面或斜削的基片側面上形成平面橢圓體或三角形的膜使得只有平面橢圓體或三角形的一個頂點與樣品表面接觸。
本發明的近場光探頭的製造方法的特徵是具有在基片上形成金屬或電介質或半導體等的膜的膜形成工序，在膜上形成保護膜的保護膜塗敷工序，除去形成散射體部分的保護膜的曝光顯影工序，除去膜的一部分的膜的刻蝕工序，在除去了保護膜的部分上形成金屬散射體的散射體形成工序，和除去保護膜的保護膜除去工序。在製造圓錐狀或多角錐狀的散射體時，將除去保護膜的部分的形狀做成直徑在光波長以下的圓形或1邊在光波長以下的多角錐，在散射體形成工序中，在圓形孔中蒸鍍上直到這個圓形孔完全被堵塞那樣厚的金屬。此外，在上述的近場光探頭的製造工序中，可以除去膜形成工序，代替膜的刻蝕工序，加入刻蝕基片的基片刻蝕工序。
此外，在本發明的近場光探頭的製造中，也可以使用以具有在基片上形成金屬或電介質或半導體等的膜的膜形成工序，用光刻法等除去這個膜的一部分的坑窪形成工序，形成保護膜的保護膜塗敷工序，除去形成散射體部分的保護膜的曝光顯影工序，在除去保護膜的部分上形成散射體的散射體形成工序，和除去保護膜的保護膜除去工序為特徵的製造方法。
此外，在上述的製造工序中，代替除去膜的一部分的坑窪形成工序，可以加入用光刻法等在基片表面上直到形成坑窪的坑窪形成工序。
此外，也可以使用以具有在基片上形成金屬膜的金屬膜形成工序，在金屬膜上形成保護膜的保護膜塗敷工序，除去形成散射體部分周圍的保護膜的曝光顯影工序，在除去保護膜的部分上除去金屬膜的金屬膜刻蝕工序，和除去保護膜的保護膜除去工序為特徵的方法來製造。
此外，也可以使用以具有在基片上形成保護膜的保護膜塗敷工序，除去形成散射體部分周圍的保護膜的曝光顯影工序，形成散射體的金屬蒸鍍工序和除去保護膜的保護膜除去工序為特徵的近場光探頭的方法進行製造。
此外，用電介質保護上述散射體的近場光探頭，通過以具有在形成散射體和它周圍的膜後，在其上形成電介質膜的電介質膜形成工序，為了使散射體前端露出表面，研磨電介質膜的電介質膜研磨工序為特徵的製造方法進行製造。
又，在將光導入本發明的近場光探頭時，必須使入射光的焦點位置與散射體的位置對準，為此，利用以將入射到近場光探頭的光的一部分分離出來，將分離出來那部分光入射到在近場光發生源旁邊形成的用於調整焦點位置的圖案上，通過測定從那裡反射的反射光的形狀，對入射光的焦點位置進行調整為特徵的焦點位置自動調整方法。特別是，將從上述的用於調整焦點位置的圖案返回的光入射到凸透鏡和圓柱透鏡，通過測定這時的光束形狀的畸變，進行與基片表面垂直的方向上的位置對準；通過形成兩條寬度比光斑直徑小的細長的、方向上相互正交的溝槽作為用於調整焦點位置的圖案，並將入射光分成三束，將其中的一束光入射到近場光發生源，其餘的兩束光入射到兩條溝槽的中心部分，對包含在從兩條溝槽反射的反射光圖案內的兩個明亮部分的光量進行比較，進行與基片表面平行的方向上的位置對準。
在將上述的近場光探頭應用到可以交換光碟的光記錄/再生裝置上時，必須防止光碟表面的汙染和擦傷。因此，本發明的光記錄/再生裝置的特徵是將近場光探頭內藏在保護記錄光碟的卡盤內部。在卡盤的一角有旋轉軸，在這個旋轉軸上安裝一個臂，在這個臂上通過懸掛物安裝近場光探頭，使安裝有這個臂的旋轉軸與安裝了搭載光源和光檢測器的光讀寫頭的臂接合起來，光讀寫頭與近場光探頭連動，來自光探頭的光通過安裝在卡盤上的窗導入近場光探頭。為了使與上述的近場光探頭連接的臂和與光讀寫頭連接的臂結合起來，使用V形溝槽和半球狀凸起。此外，使用有圓錐或多角錐形狀的金屬突起，或在基片側面上形成的三角形或橢圓等的前端尖銳化形狀的金屬膜作為散射體時，為了提高解析度和效率，可以在記錄光碟的記錄層下面設置金屬膜層。
因為本發明的近場光探頭用形狀為圓錐或多錐體或平面橢圓體或三角形的金屬散射體產生近場光，所以能夠產生非常強的近場光。此外，因為是在散射體的周圍形成有膜厚與散射體的高度相同的金屬或電介質或半導體等的膜，所以能夠在不破壞散射體的前提下使探頭高速地進行掃描。此外，因為膜的材質具有遮光性，通過使散射體與膜的間隔在光波長以下，能夠使背景光降低。
圖的簡單說明

圖1是表示本發明的近場光探頭的全體構造的圖，(a)是斜視圖，(b)是截面圖。
圖2是表示本發明的金屬散射體的形狀的斜視圖，(a)圓錐體，(b)平面橢圓體，(c)三角形，(d)兩個頂點的曲率半徑比餘下的一個頂點的曲率半徑大的三角形，(e)與周邊的膜接合的三角形。
圖3是表示本發明的金屬散射體的形狀的斜視圖，(a)在三角形的頂點近旁形成了金屬膜的，(b)在三角形的頂點近旁再形成一個三角形的。
圖4是表示本發明的近場光探頭的全體構造的截面圖，(a)代替形成膜，在基片上形成的坑窪，(b)在散射體和膜之間埋入透明的電介質，(c)代替形成膜，在基片上形成的坑窪，在散射體周邊形成透明的電介質，(d)使與散射體之間沒有間隔那樣地形成電介質膜。
圖5是光入射到三角形的金屬膜上時產生的近場光強度分布，(a)計算方法，(b)計算結果(畫出了與入射光強度之比)。
圖6是光入射到相對的2個三角形的金屬膜上時產生的近場光強度分布，(a)計算方法，(b)計算結果(畫出了與入射光強度之比)。
圖7是光入射到三角形的入射方法的斜視圖，(a)光只照射前端的方法，(b)使在金屬膜上產生表面等離子體激元那樣地入射光的方法。
圖8(a)在基片側面上形成了三角形的膜的探頭的斜視圖，(b)在斜削的基片側面上形成了三角形的膜的探頭的斜視圖。
圖9是表示光入射到本發明的近場光探頭的入射方法的截面圖，(a)用放置在外部的透鏡會聚光的方法，(b)將基片做成半球狀，(c)在基片上形成全息透鏡，(d)使滿足光的全反射條件那樣地入射光。
圖10是在光諧振器端面上形成金屬散射體的截面圖。
圖11是在半導體雷射器的端面上形成金屬散射體的截面圖。
圖12是表示近場光光纖探頭的製造工序的示意圖，表示(a)形成膜的步驟，(b)塗敷保護膜的步驟，(c)曝光，顯影步驟，(d)膜的刻蝕步驟，(e)形成散射體的步驟，(f)除去保護膜的步驟。
圖13是表示形成有圓錐或多角錐形狀的散射體的方法的示意圖。
圖14是表示近場光光纖探頭的製造工序的示意圖，表示(a)形成膜的步驟，(b)形成坑窪的步驟，(c)塗敷保護膜的步驟，(d)曝光，顯影步驟，(e)形成散射體的步驟，(f)除去保護膜的步驟。
圖15是表示近場光光纖探頭的製造工序的示意圖，表示(a)形成金屬膜的步驟，(b)塗敷保護膜的步驟，(c)曝光，顯影步驟，(d)金屬膜的刻蝕步驟，(e)除去保護膜的步驟。
圖16是表示近場光光纖探頭的製造工序的示意圖，表示(a)塗敷保護膜的步驟，(b)曝光，顯影步驟，(c)蒸鍍金屬的步驟，(d)除去保護膜的步驟。
圖17是用透明的電介質包裹散射體周邊的探頭的製造工序的示意圖，表示(a)形成電介質膜的步驟，(b)研磨電介質膜的步驟。
圖18是表示自動焦點位置調節方法的示意圖。
圖19是表示在自動焦點位置調節方法中用於位置調節的標誌與光束的關係和探測器與光束的關係的示意圖，表示(a)在探頭上形成的標誌的形狀與光束的位置關係，(b)探測器的形狀和焦點位置對準時在探測器上的光束形狀，(c)對於探頭的基片面在水平方向上光束的位置偏離時在探測器上的光束形狀，(d)在對於探頭的基片面於垂直方向上光束的位置偏離時在探測器上的光束形狀。
圖20是表示將本發明的近場光探頭應用於光記錄/再生裝置時的裝置構成的斜視圖，表示(a)全體的構成，(b)光學系統。
圖21是表示內藏近場光探頭的光碟卡盤的圖，(a)表示全體構成的斜視圖，(b)截面圖，(c)表示用於將卡盤內部的臂和卡盤外部的臂結合起來的V形溝槽和半球突起的斜視圖。
圖22是表示使用有金屬膜的光碟的近場光記錄/再生方法的圖，(a)用有圓錐狀的金屬散射體的探頭情形的截面圖，(b)用在基片側面上有三角形的膜的探頭情形的斜視圖。
下面說明本發明的具體的實施形態。
本發明的近場光探頭，如圖1所示，是由有光透過性的基片11，有圖2或圖3那樣的形狀的金屬散射體12，在金屬散射體周圍形成的由金屬，電介質，半導體等組成的膜13構成的。基片11例如是由石英製成的，散射體12例如是由金或銀製成的。此外，膜13例如是由金，銀，鈦或矽製成的。
散射體12的作用是產生強的近場光，被透鏡等聚光的光14入射到如圖1(b)所示的基片上，照射散射體12。這時，光14由於散射體12發生散射，在散射體近旁產生有高空間頻率成分的近場光。因為散射體的散射效率越高，近場光強度越大，所以在有高散射效率的金屬散射體近旁產生強的近場光。
在散射體接近樣品15近旁時，膜13起著防止散射體與樣品表面發生碰撞受到破壞的作用。所以，必須使膜13的厚度h1和散射體12的高度h1相等。又，為了這樣地防止散射體的破壞，代替形成膜，可以如圖4(a)所示，通過在基片上挖下只與散射體高度h1相等的深度h3，形成坑窪21，在坑窪21中形成散射體。此外進一步，可以如圖4(b),(c)所示，在膜和散射體之間的空間，或在基片上形成的坑窪中埋入電介質22。通過這樣做，可以進一步減少散射體破壞的概率。
在形成上述的膜13時，希望用金屬或半導體等有遮光性的物質(反射或吸收光的物質)作材料，並且散射體和膜的間隔S1在數百nm以下。例如用金，鈦或矽作材料，間隔S1為50nm。這樣由於膜是用有遮光性的物質做成的，在測定樣品的形狀和光學特性及在光記錄/再生裝置上再生記錄標誌時，也能夠提高圖像和再生信號的對比度。即，當光照射散射體12時，因為衍射極限光束直徑不可能小到與散射體同樣程度。所以，光的一部分沒有受到散射作為背景光入射到樣品15上。結果，在入射到樣品的光中有低次的空間頻率成分的光的比例增大，圖像和再生信號的對比度下降。這裡，由於使散射體12和膜13的距離S1在光波長以下那樣地形成有遮光性的膜，沒有照射到散射體12的光被反射或吸收，就能夠降低入射到樣品15上的背景光的光量。
又，膜的材質是金屬時，必須設置散射體和金屬的間隔，可是膜的材質是金屬以外的電介質等時，如圖4(d)所示，可以使膜23和散射體12連接起來那樣地形成膜。
上述的散射體12的形狀，為圖2(a)所示的圓錐或多角錐。光入射到這個散射體時，在頂點61近旁產生強的近場光。頂點61的曲率半徑，高度h6和底面寬度(直徑)d1，例如可以是頂點的曲率半徑為20nm，高度為100nm和底面寬度為100nm。頂點的曲率半徑在50nm以下也是可以的，可是為了得到高的解析度希望頂點的曲率半徑小。高度和底面寬度可以在數百nm以下，可是為了激發後面所述的等離子體激元，希望對頂點的曲率半徑，高度和底面寬度之比進行調整。
散射體的形狀可以如圖2(b)所示為平面橢圓體(包括圓在內)。長軸和短軸的長度及厚度，例如，長軸的長度為150nm，短軸的長度為50nm，厚度為40nm。長軸和短軸的值可以在數百nm以下，厚度可以在100nm以下，可是希望這些值的比符合後面所述的等離子體激元的激發條件。光入射到這個平面橢圓體的膜時，在與光的偏振方向63平行的軸上的平面橢圓體的頂點62處產生強的近場光。特別是，為了產生強的近場光，希望光的偏振方向和橢圓的長軸平行。
散射體的形狀可以如圖2(c)所示為膜狀的三角形70。三角形的一個頂點64的曲率半徑和厚度，例如，頂點的曲率半徑為15nm，厚度為30nm。頂點的曲率半徑可以在100nm以下，厚度可以在100nm以下。希望頂點的尖角符合後面所述的等離子體激元的激發條件。當光向著在光的偏振方向63進行尖銳化的頂點64照射時，因為電子集中在尖銳地尖銳化的頂點64近旁，在那裡產生強的近場光。用FDTD法(Journal of Optical Society of America A,Vol.12,No.9,p1974-1983,1995)計算在光入射到膜狀三角形上時，金屬膜近旁產生的近場光分布的結果表示在圖5中。在這個計算中，如圖5(a)所示，解析區域403的大小在x,y,z各個方向上為0.3×0.2×2.6μm，三角形膜的材質是金，膜厚=30nm，前端曲率半徑=25nm，尖角q0=20°。入射波402是波長為650nm的平面波，這個波是放置在離開膜1個波長的位置上的波源401產生的(L2=650nm)。入射波的偏振方向在圖中的x軸方向。關於解析區域的邊界條件，在與x軸，y軸垂直的面上用周期邊界條件，在與z軸垂直的面上用吸收邊界條件。金屬膜和邊界的間隔(L3)為1個波長，波源和邊界的間隔為1個波長。使用網格數在x,y,z各個方向上為60×50×60，在三角形膜的頂點附近間隔變小的不均勻的網格，在三角形膜的頂點附近的網格間隔為2.5nm，時間分割的寬度為1×10-18秒，反覆計算的次數為15000次。圖5(b)的計算結果表示近場光強度密度(Inear)和入射光的強度密度(Iin)之比。這樣在頂點64附近產生強的光場，它的強度的最大值與入射光之比約為750倍。半值寬度在x,y方向上分別為15nm,45nm。又，作為金屬用其它的金屬也可以，例如用銀的時候也得到同樣的強度分布，強度最大值和入射光之比約為590倍。此外，可以認為有上述橢圓形狀的金屬膜的頂點附近的近場光分布也與從形狀類似的情況得到的結果相同。
上述的三角形的長度L1在光波長以下時(例如L1=200nm)，在尖銳化的頂點以外的頂點65近旁也產生強的近場光。因此希望使三角形的長度L1，例如比1μm等的光波長大，如圖7(a)所示光只照射尖銳化的頂點64。或者，為了使在頂點64以外的其它兩個頂點上近場光強度小，如圖2(d)所示也可以增大其它兩個頂點68的曲率。這時，三角形的長度L1可以在光波長以下。例如，如果頂點64的曲率半徑為10nm，則頂點68的曲率半徑在50nm以上，長度L1約為30nm。通過這樣做，因為電子向頂點68集中的程度變小，在那裡產生的近場光強度變弱。此外，如圖2(e)所示，三角形形狀的散射體70可以和它周圍的膜13接合。這時，接合部分71的曲率可以比頂點64的曲率半徑大。這時，三角形的長度L1可以在光波長以下。例如，如果頂點64的曲率半徑為10nm，則接合部分71的曲率半徑在50nm以上，長度L1約為300nm。
作為散射體，如圖3(a)所示，也可以用在有平面橢圓體或三角形等前端尖銳化形狀的金屬膜81的頂點82近旁形成了別的金屬膜83的。例如，形成頂點的曲率半徑為15nm，厚度為30nm的三角形膜，與三角形的頂點的間隔S2為5nm那樣地形成有長方形形狀的厚度為30nm的膜。三角形頂點的曲率半徑可以在100nm以下，厚度可以在100nm以下。希望頂點的尖角-合後面所述的等離子體激元的激發條件。長方形膜的厚度與三角形膜的厚度相同。間隔S2可以在數10nm以下，可是為了得到高的解析度希望間隔S2小。入射光的偏振方向如箭頭63所示，指向頂點82，照射在頂點82和膜83之間。這時，在頂點82和金屬膜上各自產生偶極子，由於這些偶極子相互作用，在頂點82和金屬膜83之間產生強的近場光。
特別是希望金屬膜83的形狀是，如圖3(b)所示，與金屬膜81相同有平面橢圓體或三角形那樣的前端尖銳化形狀的膜84。各個頂點82,83相互接近地配置。例如各個頂點之間的間隔S1為5nm那樣地形成頂點的曲率半徑為15nm，厚度為30nm的兩個三角形。各個三角形頂點的曲率半徑可以在100nm以下，厚度可以在100nm以下，頂點的間隔S3在數10nm以下，可是為了得到高的解析度希望它們小。入射光的偏振方向如箭頭63所示，指向頂點82。通過這樣做，因為在兩個金屬膜上各自產生非常大的偶極子，所以由於這些偶極子相互作用的結果，在兩個頂點之間產生非常強的近場光。光入射到相對的兩個三角形上時，用FDTD法計算得到的在這個金屬膜近旁產生的近場光分布的結果表示在圖6中。在這個計算中，如圖6(a)所示，解析區域403的大小在x,y,z各個方向上為0.3×0.2×2.6μm，三角形膜的材質是金，膜厚=30nm，前端曲率半徑=25nm，尖角q0=20°。入射波402是波長為780nm的平面波，這個波是放置在離開膜1個波長的位置上的波源401產生的(L2=780nm)。入射波的偏振方向在圖中的x軸方向。關於解析區域的邊界條件，在與x軸，y軸垂直的面上用周期邊界條件，在與z軸垂直的面上用吸收邊界條件。金屬膜和邊界的間隔(L3)為1個波長，波源和邊界的間隔為1個波長。使用網格數在x,y,z各個方向上為60×50×60，在三角形膜的頂點附近，間隔變小的不均勻的網格，在三角形膜的頂點附近的網格間隔為2.5nm，時間分割的寬度為1×10-18秒，反覆計算的次數為15000次。圖6(b)表示近場光強密度(Inear)和入射光的光強密度(Iin)之比的分布。這樣在頂點82和85的間隔中產生強的光場，它的強度的最大值與入射光之比約為5700倍。半值寬度在x,y方向上都是5nm。又，作為金屬也可以用其它的金屬，例如用銀的時候也得到同樣的強度分布，強度最大值和入射光之比約為5500倍。
作為上述的散射體，用由金屬形成的尺寸為毫微米的圓錐體，多角錐體，橢圓，或三角形的膜時，也可以通過在這個散射體內部激發起局域的等離子體激元，使在這個散射體近旁產生的近場光的強度增大。局域的等離子體激元，如在尺寸在光波長以下的橢圓體或前端曲率半徑在光波長以下那樣地尖銳化的金屬突起物(圓錐體的頂點和橢圓或三角形的膜的頂點與它相當)內產生的電子的諧振狀態中，產生局域的等離子體激元則在這個金屬近旁產生非常強的光場。局域的等離子體激元是由特定波長的光激發的，它的諧振波長由金屬的種類，形狀，激發光的偏振方向決定。所以，希望使諧振波長與激發光源的波長接近那樣地設定這些參數。例如，散射體的形狀能夠近似成球形時，在金屬是金的情形中，在諧振波長520nm處散射體近旁的近場光強密度是入射光的光強密度的30倍，在金屬是銀的情形中，在諧振波長350nm處散射體近旁的近場光強密度是入射光的光強密度的480倍。此外，散射體的形狀能夠與長軸∶短軸=3∶1的旋轉橢圓體近似時，在金屬是金的情形中，在諧振波長650nm處散射體近旁的近場光強密度是入射光的光強密度的6500倍，在金屬是銀的情形中，在諧振波長500nm處散射體近旁的近場光強密度是入射光的光強密度的105倍。但是，在金屬的形狀為橢球體的情形中，假定激發光的偏振方向與橢圓的長軸方向平行。在金屬的形狀為球的情形中，因為是中心對稱的，所以偏振方向是任意的。從這個計算結果，可以清楚地看到在有橢圓形狀的金屬膜近旁產生非常強的近場光。因為能夠認為圓錐體或三角形的頂點的形狀也與長軸和短軸的長度比大的橢圓近似，所以通過使這個形狀和材質最佳化，能夠期待有與橢圓同等程度的電場增強。
在將散射體的形狀做成三角形的情形中，也可以將光照射在金屬膜上來激發表面等離子體激元波。因此，如圖7(b)所示，當光的偏振方向與光的入射面平行(p偏振)時，使表面等離子體激元波的波數k3與入射光的波數矢量k1的面方向成分k2一致地調整入射角q1。例如在金屬是由金做成，膜的厚度為40nm時，q1=44.5°。三角形的長度L1在例如為數μm等的光波長以上，使光點的位置在金屬膜上，光的入射面的方向與表面等離子體激元波向頂點64行進的方向重合。通過這樣做，在在金屬膜上生成的表面等離子體激元波聚集在尖銳化頂點64上，在頂點64近旁產生強的近場光。
此外，用有平面橢圓體或三角形等的前端尖銳化形狀的金屬膜作散射體時，如圖8(a)所示，也可以在基片側面94上形成這個金屬膜91。產生強的近場光的頂點92與基片底面93接合。基片側面94可以如圖8(b)所示發生傾斜。這時，能夠使光在與底面93垂直的方向上入射。此外，為了保護金屬膜，可以在金屬膜上復蓋透明的電介質。
將會聚的光束14入射到上述的散射體12上，例如如圖9所示的那樣進行。在圖9(a)的例子中，光通過放置在基片附近的物鏡31聚光起來，入射到散射體12上。在圖9(b)的例子中，基片32的形狀為半球狀，使通過物鏡31會聚起來的光入射到這個基片32上。通過這樣做，可以提高透鏡的NA，能夠使焦點處的光束直徑比圖9(a)進一步減小。在圖9(c)的例子中，在基片上形成全息透鏡等的光會聚機構33，向基片入射的平行光在散射體12成為會聚的光束。在圖9(d)的例子中，將基片做成半球稜鏡或直角稜鏡等，會聚的光在散射體12的部分基片表面上發生全反射。通過這樣做，使入射到樣品的背景光的光量降低。
也可以在光諧振器的端面上形成散射體12。例如，如圖10所示，在基片11上形成金屬膜等有光反射性的膜，接著，形成電介質等有光透過性的膜，其厚度t4為t4×n4=N×λ/2(n4電介質折射率，λ=光波長，N=1以上的整數)。在這上面形成散射體12和有反射性的膜13。因為通過這樣製作的諧振器構造，能夠提高入射到散射體12的光電場強度，所以，能夠增強在散射體近旁產生的近場光強度。
此外，也可以在圖11那樣的雷射器51的活性層52上的雷射出射口上形成散射體12。半導體雷射器可以是面發射型的。用了這種雷射器，與在上述的諧振器端面上形成散射體一樣可以增強近場光強度，同時沒有必要用透鏡了。
可以如下地製作上述那樣的近場光探頭。
首先，如圖12(a)所示，用真空蒸鍍器或濺射裝置等在基片101上形成金屬，電介質，半導體等的膜102。膜的厚度與要形成的散射體的高度相同(膜的形成)。
其次，如圖12(b)所示，在膜的上面塗敷上正型的電子射線用的保護層103。然後，如圖12(c)所示，用電子射線曝光裝置對要形成散射體的部分104進行曝光，通過放入顯影液中將它除去。
其次，如圖12(d)所示，除去被曝光部分104的膜102。用刻蝕溶液除去膜。例如在金屬膜是用金形成的情形中，用王水進行刻蝕。這時，如果刻蝕時間長，因為刻蝕液通過四周進入保護層的下面，使比被曝光的部分104大的部分除去了。這個四周進入的長度s3與圖1(b)中的散射體和膜的間隔s1相當。為了膜的除去也可以用等離子體刻蝕裝置。但是，因為在這種情形中不發生由於四周進入引起的刻蝕，所以s3變成0。因此，能夠製作如圖4(d)所示的散射體和膜連接起來那樣的探頭。
其次，如圖12(e)所示，用真空蒸鍍器堆積金屬。由此，在除去了保護層的部分104上堆積金屬，形成散射體105(散射體形成工序)。
最後，放入保護層的剝離液中。用剝離液除去保護層和堆積在它上面的金屬膜106，製成如圖12(f)所示的有散射體105和膜102的探頭。
在製作如圖2(a)所示的圓錐形散射體的情形中，在上述的曝光工序中圓形地曝光保護層(半徑在光波長以下)。這時，在上述的散射體形成工序中在保護膜103上堆積金屬膜106時，因為隨著金屬膜106的厚度的增加，在保護層上打開的小孔104的內側也有金屬從四周進入，所以小孔的大小會逐漸地變小。因此，通過進行金屬膜的堆積直到小孔填滿為止，能夠形成圖13所示的圓錐形的散射體111。
為了如圖4(a)和(c)所示，在基片上坑窪處形成金屬散射體，不用最初的膜形成工序，將保護層直接塗敷在基片上，代替膜的刻蝕工序，加入刻蝕基片的基片刻蝕工序。這時，如果使用石英等沒有導電性的材料作為基片，則在用電子射線進行曝光時，為了防止基片帶電致使製作的圖案擴大，在塗敷保護層前用濺射法或真空蒸鍍法在基片上形成厚度在數10nm以下的有導電性的透明膜，例如ITO等。
也可如下製作上述的近場光探頭。
首先，如圖14(a)所示，用真空蒸鍍器或濺射裝置等在基片101上形成金屬，電介質，半導體等的膜102。膜的厚度與形成的散射體的高度相同。
其次，如圖14(b)所示，用光刻法或電子射線刻蝕法除去要形成散射體部分的膜123。
其次，如圖14(c)所示，塗敷正型的電子射線的保護層，如圖14(d)所示，用電子射線曝光裝置對要形成散射體的部分125進行曝光。曝光後，通過放入顯影液中將被曝光的部分125的保護層除去。
其次，如圖14(d)所示，用真空蒸鍍器在保護膜上堆積金屬。通過這樣做，在除去了保護層的部分125上形成散射體105。
最後，通過放入保護層的剝離液中，除去保護膜124和在它上面形成的金屬膜127。
為了如圖4(a)和(c)所示，在基片上坑窪處形成金屬散射體，不用最初的膜形成工序，加入用光刻法等在基片表面上直接形成坑窪的工序。
此外，也可如下製作上述的近場光探頭。
首先，如圖15(a)所示，用真空蒸鍍器或濺射裝置在基片101上形成金屬，電介質，半導體等的膜102。膜的厚度與形成的散射體的高度相同。
其次，如圖15(b)所示，在膜102上塗敷正型的電子射線保護層，然後，如圖15(c)所示，用電子射線曝光裝置對與在圖1上的散射體12和膜13之間的部分16相當的部分134進行曝光。曝光後，通過放入顯影液中將被曝光的部分134的保護層除去。
其次，如圖15(d)所示，用刻蝕溶液或等離子刻蝕等除去已經除去了保護膜的部分134的膜102。
最後，如圖15(e)所示，除去保護膜133。
此外，也可用負型保護膜，如下製作上述的近場光探頭。
首先，如圖16(a)所示，在基片101上塗敷負型保護層141。如果使用石英等沒有導電性的材料作為基片，則在用電子射線進行曝光時，為了防止基片帶電致使圖案擴大，在塗敷保護層前在基片上形成有導電性的透明膜，例如ITO等(厚度例如在數10nm)。
其次，如圖16(b)所示，通過用電子射線曝光，除去與在圖1上的散射體12和膜13之間的部分16相當的部分142以外的保護層。
其次，如圖16(c)所示，用真空蒸鍍器堆積金屬。通過這樣做，形成散射體105和它四周的膜144。
最後，如圖16(d)所示，通過放入保護層的剝離液中，除去保護膜142和堆積在它上面的金屬膜143。
又，如圖4(b)和(c)所示，如下製作用電介質22保護散射體12的近場光探頭。
首先，如圖17(a)所示，用真空蒸鍍器或濺射裝置在散射體12和它四周的膜13上形成電介質膜151。
其次，如圖17(b)所示，通過用研磨劑研磨散射體12和它四周的膜13之間22以外的部分除去這些部分。作為研磨劑，例如可以用金剛石膏劑，氧化鋁膏劑或二氧化矽膏劑。
在使上述的近場光探頭接近樣品，對樣品進行掃描時，要按照樣品的凹凸變動探頭的位置。特別是，應用於光記錄/再生裝置時，由於光碟的傾斜和歪扭，探頭的位置會發生很大的變動。結果，入射到探頭的光的位置發生偏移，照射金屬散射體的光量發生變動。為了防止這種情況的發生，必須有使入射光的焦點位置總是與金屬散射體的位置對準的自動調整機構。其方法如下所示。
如圖18所示，用光柵或渥拉斯頓稜鏡等1604將平行光束1600分成兩條以上的光束。在探頭上，在散射體的旁邊設置用於焦點對準的標誌，分開的光束中的一條照射散射體1609，其它的光束照射用於焦點對準的標誌。通過測定照射在用於焦點對準的標誌上又反射回來的光束的形狀對焦點位置進行調節。
具體地說，如下構成該裝置。如圖19(a)所示，在散射體1702的旁邊，設置兩條寬度比光斑直徑小，深度為λ/8n(λ光波長，n基片的折射率)的細長的溝槽(1701,1703)。這兩條溝槽在方向上相互正交。用光柵或渥拉斯頓稜鏡等將光束分成三條，其中的一條1705照射散射體1702，其餘的兩條1704,1706照射溝槽1701,1703的中心。用光束分裂器1603將這3條光束的反射光與入射光分離後，通過凸透鏡1605和圓柱透鏡1606後，入射到探測器1607。探測器1607有3個受光面，如圖19(b)所示，外側的受光面中的1個1707被分割成4部分，另一方的外側的受光面1703被分割成2部分。
如下進行使與基片面平行的方向上的位置對準的操作。在受光面1707,1708,1709上的光束的形狀成為1710,1711,1712那樣。中心的光束1711是來自散射體的反射光，它旁邊的光束1710,1712是來自溝槽的反射光。來自溝槽的反射光的圖案，由於在溝槽處發生的衍射光的幹涉，有圖19(b)所示的2個明亮部分。在焦點位置對準時，這2個部分的亮度成為相互相等，可是在焦點位置發生偏離時，如圖19(c)所示那樣地在2個部分的亮度中產生差別。所以，通過使2個部分的亮度相等那樣地進行控制，能夠使焦點位置對準(使來自探測器的信號(A+C)-(B+D)=0和E-F=0那樣地進行控制)。
使與基片面垂直的方向上的位置對準，例如在用無球面像差方式，將圓柱透鏡等不發生球面像差的光學部品插入探測光學系統，使焦點位置對準的情形中，使在探測器上形成最小模糊圈那樣地進行調整，在焦點對準時返回光的形狀如圖19(b)所示成為圓的形狀。但是焦點位置偏離時，因為返回光是不平行光，通過凸透鏡1605和圓柱透鏡1606的光的形狀如圖19(d)所示成為橢圓的形狀。所以，通過使光束的形狀成為圓的形狀那樣地進行控制，能夠使焦點位置對準(使來自探測器的信號(A+D)-(B+D)=0那樣地進行控制)。
將上述的近場光探頭用於光記錄/再生裝置的應用例如圖20(a)所示。近場光探頭搭載在搭載物鏡，光源，探測器等的光讀寫頭1802上。使這個光讀寫頭接近光碟1801。光讀寫頭用支架致動器1803，在光碟的半徑方向上移動。光讀寫頭內部的光學系統如圖20(b)那樣地構成。用半導體雷射器1809作光源，將出射光射到準直儀透鏡1810上，用光束整形稜鏡1811使光束成為圓形的平行光束。這個光束通過用於焦點對準的光柵1812，偏振光束分裂器1813,1/4波長片，反光鏡1801，物鏡1807後，入射到近場光探頭1804。用致動器1808調整物鏡的位置。此外，為了跟蹤，用致動器1806微調近場光探頭的位置。近場光探頭1804安裝在懸掛物1805上，依靠這個懸掛物的力壓在光碟1801上。用偏振光束分裂器1813將來自光探頭的反射光與入射光分離，反射光通過聚光透鏡1815和用於位置對準的圓柱透鏡1816後，入射到探測器1817。
在以上的記錄裝置中，因為記錄層露出在記錄光碟表面上，所以從光讀寫頭1802取出光碟1801進行搬運時，由於擦傷或汙染了光碟就會發生不能再生記錄數據的危險。為了防止這種情形的發生，如圖21所示，將光碟1801和近場光探頭1804收納在卡盤1900內，可以使光碟表面和近場光探頭與外界空氣隔斷。例如，如圖21(b)所示，將臂1904安裝在設置在卡盤角上的旋轉軸上，將懸掛物1805和近場光探頭1804安裝在這個臂上。通過使旋轉軸旋轉，使臂1904移動進行跟蹤。將包含光源和探測器的光讀寫頭主體1903放置在卡盤外面，來自光讀寫頭主體的光1902通過透明的窗1901，導入近場光探頭1804。這時，光1902成為平行光，如圖9(c)所示，用在近場光探頭上形成的聚光機構對入射到近場光探頭的光進行聚光。光讀寫頭主體1903安裝在由旋轉致動器1908驅動的臂1907上，這個臂與近場光探頭連接的旋轉軸1905接合。因此，光讀寫頭主體和近場光探頭連動。如圖21(c)所示，用V形溝槽1909和半球狀的突起1910使與近場光探頭連接的旋轉軸1905和安裝有光讀寫頭主體的臂1907高精度地接合起來。即，將V形溝槽1909安裝在旋轉軸1905的上部，將半球狀的突起1910安裝在光讀寫頭主體的臂1907的下部。通過將半球狀的突起1910壓在V形溝槽1909上，使光讀寫頭主體的臂1907與旋轉軸1905接合起來。
在用有圖2(a)那樣的圓錐狀的金屬散射體的近場光探頭或如圖8那樣的在基片側面上有三角形或平面橢圓體等的前端尖銳化形狀的金屬膜的近場光探頭的情形中，如圖22(a)和(b)所示，也可以將金屬層設置在光碟中的記錄層的下面。例如，在光碟基片2003上形成金或銀等的金屬層2001，在其上再形成厚度約5nm的相變化媒體等的記錄膜層2000。這樣，在光碟中形成金屬膜時，由於在金屬散射體12上產生的偶極子和在金屬膜2001中產生的偶極子相互作用，能夠增強金屬散射體前端和金屬膜之間的近場光強度。所以能夠提高效率。
權利要求
1．近場光探頭，其特徵在於，在基片上有其軸與基片表面垂直的圓錐或多角錐形狀的金屬散射體。
2．近場光探頭，其特徵在於，在基片上有長軸和短軸的長度及厚度在光波長以下的平面橢圓體形狀的金屬散射體。
3．近場光探頭，其特徵在於，在基片上有厚度和頂點的曲率半徑在光波長以下的三角形形狀的金屬散射體。
4．權利要求3記載的近場光探頭，其特徵在於，在上述三角形的3個頂點內，兩個頂點的曲率半徑比餘下的一個頂點的曲率半徑大。
5．權利要求3記載的近場光探頭，其特徵在於，將上述平面上三角形和它周圍的膜接合，作為接合部分的一部分的孔的曲率半徑比三角形頂點的曲率半徑大。
6．近場光探頭，其特徵在於，在基片上有前端經過尖銳化的形狀的金屬膜和任意形狀的金屬膜，尖銳化的頂點與另一個金屬膜的間隔為數10nm。
7．近場光探頭，其特徵在於，在基片上有前端經過尖銳化的形狀的兩個金屬膜，各自頂點的間隔為數10nm。
8．權利要求1到7之任一項記載的近場光探頭，其特徵在於，在上述散射體的周邊有膜厚與散射體的高度相同的金屬膜或電介質膜或半導體膜。
9．權利要求8記載的近場光探頭，其特徵在於，上述膜有遮光性，散射體和它周圍的膜的間隔在光波長以下。
10．權利要求1到7之任一項記載的近場光探頭，其特徵在於，在基片表面上形成深度與散射體的高度相等的坑窪，在這個坑窪中形成金屬的散射體。
11．權利要求8到10之任一項記載的近場光探頭，其特徵在於，在上述散射體和它周圍的膜之間或在基片表面上形成的坑窪的空間內埋入有光透過性的材料。
12．權利要求1到11之任一項記載的近場光探頭，其特徵在於，上述的基片是半球狀的。
13．權利要求1到11之任一項記載的近場光探頭，其特徵在於，在上述的基片上設置聚光元件。
14．權利要求13記載的近場光探頭，其特徵在於，上述的聚光元件是全息透鏡。
15．權利要求1到11之任一項記載的近場光探頭，其特徵在於，在光諧振器的端面上形成上述的金屬散射體。
16．權利要求1到11之任一項記載的近場光探頭，其特徵在於，在半導體雷射器的出射口端面上形成上述的金屬散射體。
17．近場光探頭，其特徵在於，在基片側面或斜削的基片側面上形成有平面橢圓體或三角形等的前端尖銳化形狀的金屬膜，使得尖銳化的頂點與樣品表面接觸。
18．權利要求17記載的近場光探頭，其特徵在於，用透明的電介質復蓋上述的基片側面上形成的金屬膜。
19．近場光學顯微鏡，其特徵在於，使用權利要求1到18之任一項記載的近場光探頭。
20．光記錄/再生裝置，其特徵在於，使用權利要求1到18之任一項記載的近場光探頭。
21．近場光學顯微鏡和光記錄/再生裝置，其特徵在於，使用將入射到近場光探頭的光的一部分分離出來，將分離出來那部分光入射到在近場光發生源的旁邊形成的用於調整焦點位置的圖案上，通過測定從那裡反射的反射光的形狀，對入射光的焦點位置進行調整的焦點位置自動調整方法。
22．權利要求21記載的近場光學顯微鏡和光記錄/再生裝置，其特徵在於，使用將從上述的用於調整焦點位置的圖案返回的光入射到凸透鏡或圓柱透鏡，通過測定這時的光束形狀的畸變進行與基板表面垂直方向的位置對準的焦點位置自動調整方法。
23．權利要求21記載的近場光學顯微鏡和光記錄/再生裝置，其特徵在於，使用作為上述的用於調整焦點位置的圖案，形成兩條寬度比光斑直徑小的細長的、方向上相互正交的溝槽，將入射光分成三束，將其中的一束光入射到近場光發生源，其餘的兩束光入射到兩條溝槽的中心部分，通過對包含從兩條溝槽反射的反射光的圖案的兩個明亮的部分的光量進行比較，使焦點位置對準的焦點位置自動調整方法。
24．光記錄/再生裝置，其特徵在於，使用在卡盤內部內藏近場光探頭的記錄光碟。
25．權利要求24記載的光記錄/再生裝置，其特徵在於，使用在卡盤的一角有旋轉軸，在旋轉軸上安裝一個臂，在這個臂上通過懸掛物安裝著近場光探頭的記錄光碟。
26．權利要求24記載的光記錄/再生裝置，其特徵在於，使安裝了上述臂的旋轉軸與安裝了搭載光源和光探測器的光讀寫頭的臂接合，使光讀寫頭與近場光探頭連動，將來自光讀寫頭的光通過安裝在卡盤上的窗導入近場光探頭。
27．權利要求24到26之任一項記載的光記錄/再生裝置，其特徵在於，使用V形溝槽和半球狀凸起實現與上述的近場光讀寫頭連接的臂和與光讀寫頭連接的臂的結合。
28．光記錄/再生裝置，其特徵在於，使用在記錄層下面設置了金屬膜層的記錄光碟。
全文摘要
提供光利用效率高,能夠進行高速掃描,包含在探測光中的背景光少的近場光探頭和它的製造方法。在基片11上形成有圓錐體或多錐體或平面橢圓體或三角形形狀的金屬散射體12,在這個散射體周邊形成膜厚和散射體高度相同的金屬或電介質或半導體等的膜13。
文檔編號G11B7/12GK1319777SQ0012867
公開日2001年10月31日 申請日期2000年9月20日 優先權日2000年3月13日
發明者松本拓也, 島野健, 保坂純男, 一色史雄 申請人:株式會社日立製作所