专利名称：近场光探头和近场光学显微镜及光记录/再生装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及在近场光学显微镜或使用近场的光记录/再生装置上产生或探测近场光的光探头。
在以前的光学显微镜中，用透镜会聚光。这时，分辨率受到光波长的限制。与此相反地，在近场光学显微镜中，代替透镜，用尺寸为毫微米量级的微小构造，例如直径在光波长以下的小孔来会聚光。当光照射到这个微小构造上时，在这个微小构造近旁产生称为近场光的处在局部区域中的光。通过使这个近场光接近样品附近，在样品表面上进行扫描，能够用由微小构造的尺寸决定的分辨率测定样品的形状和光学特性。近年来这种显微镜开始应用于生物样品，半导体量子构造，高分子材料等的形状测定和光镨，及高密度光记录等的广大领域。
我们广泛地使用有光波长以下的小孔的经过尖锐化的光纤(光纤探头)作为产生近场光的构造(近场光探头)。这个光纤探头是通过对光纤的一端一面加热一面拉伸，并用化学刻蚀法对它进行尖锐化后，在前端以外的部分涂敷金属制成的。通过将光导入光纤中，就能在前端形成的小孔附近产生近场光。
可是上述的光纤探头有光利用效率低的缺点。例如小孔的直径为100nm时，从光纤前端射出的光的强度与入射到光纤的光的强度之比在0.001％以下。为了克服这个问题，已经提出了下面那样的光探头。(1)多阶段尖锐化的光纤探头从根部到前端分2个阶段或3个阶段地改变光纤前端的尖角的光纤探头(Applied Physics Letters,Vol.68,No.19,p2612-2614,1996；Applied Physics Letters，Vol.73,No.15,p2090-2092,1998)。(2)金属针探头用STM针作为探头来使用。通过用光照射针的前端，在前端近旁产生强的近场光(日本专利申请公开特开平6-137847)。(3)有金属小球的小孔光纤探头在前端小孔的中心形成金属小球的光纤探头(日本专利申请公开特开平11-101809，由本发明的第一发明者们提出的提案)。由于从小孔射出的光，在金属小球中激发起等离子体激元，在金属球近旁产生强的近场光。(4)涂敷金属膜的玻璃片探头在切割成三角柱状的玻璃片上，形成厚度约为50nm的金属膜，在这个金属膜上激发起表面等离子体激元。等离子体激元向顶点传播，在顶点近旁产生强的近场光(PhysicalReview B,Vol.55,No.12,p7977-7984,1997)。(5)有金属散射体的玻璃基片探头在玻璃基片底面上加上金属散射体的探头。用在金属散射体近旁产生的强的近场光(日本专利申请公开特开平11-250460)。
在近场光学显微镜中，产生近场光的微小构造和样品表面的间隔必须有数nm～数10nm。因此，在用上述的光纤或玻璃片构成的探头时，为了控制探头前端和样品表面的间隔，需要特别的控制系统。一般地，用在探头前端和样品表面之间起作用的原子间力测定间隔，使用这个测定值实施伺服控制。
但是在利用上述的伺服控制时，因为受到伺服带域的限制，所以探头扫描的速度受到限制。特别是，在要求高数据传送速度的光记录/再生装置中，必须使探头在记录光盘上高速扫描，用上述的控制法就不能对由于光盘的歪扭和倾斜产生的高频的间隔变动进行控制。因此为了解决这个问题，已经提出了下面那样的探头，(1)平面开孔探头用各向异性的刻蚀在硅基片中形成开孔的探头(The Pacific RimConference on Lasers and Electro-Optics,WL2,“Fabrication of Siplanar apertured away for high speed nenr field optical storage andread out”)。因为在小孔周边部分是平坦的，所以通过将探头压在样品上就能够保持一定的间隔。(2)有垫片的开孔探头在玻璃基片底面上形成在前端有小孔的四角锥的突起，在这个突起的周边形成垫片的探头(日本专利申请公开特开平11-265520)。由于垫片，探头前端和样品的间隔就能够保持一定。(3)有金属微小芯片的面发射激光探头在面发射激光出射口端面上形成金属的小孔和金属的微小突起(日本应用物理，Vol.68,No.12,p1380-1383,1999)。因为构造是平坦的，所以通过将探头压在样品上就能使间隔保持一定。因为具有金属的微小突起和谐振器构造，所以预料也能提高效率。
作为近场光探头的性能，要求下列的三点(1)光利用效率高。(2)可以进行高速扫描。(3)包含在探测光中的背景光少。
为了提高光利用效率，已经提出了上述的几个方法。前端的尖锐角多阶段地变化的光纤探头有比一般使用的光纤探头高10到100倍的效率，但是对于要求光利用效率在10％以上的光记录/再生装置等的要求高效率的应用来说，还是不足够的。此外，由于用了光纤，机械上就比较脆弱，不可能进行高速扫描。金属针探头，有金属小球的小孔光纤探头，涂敷金属膜的玻璃片探头，有金属散射体的玻璃基片探头中无论那一个都利用金属的特性使效率提高，能够期望有高的效率。可是，上述的无论那一个探头的前端都有机械上脆弱的形状，不适合于高速扫描。特别是，金属针探头和有金属散射体的玻璃基片探头存在因为不照射到针前端或散射体的光也入射到样品上，从而探测出很多背景光那样的问题。
可能进行高速扫描的探头也有上述那样的几个提案。在平面开孔探头和有垫片的开孔探头的情形中，能够进行高速扫描，但是光利用效率小。预计有金属微小突起的的面发射激光探头能够进行高速扫描，光利用效率也高，背景光也少。但是，为了使用金属的微小突起产生强的近场光，必须使金属的形状最佳化，可是关于形状方面还没有任何公开的结果发表。又，关于它的制造方法也没有公开发表。
本发明的目的是提供满足上述的3个要求的近场光探头，即提供光利用效率高，能够进行高速扫描，包含在探测光中的背景光少的近场光探头和它的制造方法。特别是，本发明的目的是提供为了通过用尺寸在光波长以下的金属散射体提高光利用效率的最适合的散射体形状和光入射到探头的光入射方法。
本发明的近场光探头是由基片，在基片上形成的有圆锥体或三角形等形状的金属散射体，在金属散射体周边形成的膜厚和散射体的高度相同的金属或电介质或半导体等的膜构成的。金属散射体的作用是产生强的近场光，它周围的膜的作用是为了防止探头在样品附近高速地扫描时，散射体发生破损。此外，因为膜的材质具有遮光性，通过使散射体与膜的间隔在光波长以下，能够起到使背景光降低的作用。为了防止散射体的破损，代替形成膜，可以在基片表面上形成深度与散射体高度相等的坑洼，在该坑洼中形成金属散射体。此外，为了进一步降低散射体破损的概率，也可以在上述的散射体和它的周围的膜之间或在基片表面上形成的坑洼的空间内埋入有光透过性的膜。
金属散射体的形状为圆锥，多角锥，椭圆，三角形。散射体的形状为三角形时，在三角形的3个顶点中，两个顶点的曲率半径可以比余下的一个顶点的曲率半径大。又三角形的膜和它周围的模也可以接合。这时，作为接合部分的一部分的孔的曲率半径比三角形顶点的曲率半径大。此外，作为散射体，也可以在基片上形成有平面椭圆体或三角形等前端尖锐化形状的金属膜，在它的尖锐化的顶点近旁使顶点和金属膜的间隔在光波长以下那样地形成别的金属膜。特别是，可以使尖锐化的2个顶点的间隔在数10nm以下那样地形成前端有尖锐化形状的2个金属膜。又，作为散射体，使用三角形或平面椭圆体等前端有尖锐化形状的金属膜时，也可以在基片侧面上形成这些金属膜。
为了使在入射光的聚光点上的光斑直径小，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设置全息透镜等的聚光。此外，也可以在光谐振器或半导体激光器的出射口端面上形成金属散射体。又，用平面椭圆体或三角形的膜作为金属散射体时，也可以在基片侧面或斜削的基片侧面上形成平面椭圆体或三角形的膜使得只有平面椭圆体或三角形的一个顶点与样品表面接触。
本发明的近场光探头的制造方法的特征是具有在基片上形成金属或电介质或半导体等的膜的膜形成工序，在膜上形成保护膜的保护膜涂敷工序，除去形成散射体部分的保护膜的曝光显影工序，除去膜的一部分的膜的刻蚀工序，在除去了保护膜的部分上形成金属散射体的散射体形成工序，和除去保护膜的保护膜除去工序。在制造圆锥状或多角锥状的散射体时，将除去保护膜的部分的形状做成直径在光波长以下的圆形或1边在光波长以下的多角锥，在散射体形成工序中，在圆形孔中蒸镀上直到这个圆形孔完全被堵塞那样厚的金属。此外，在上述的近场光探头的制造工序中，可以除去膜形成工序，代替膜的刻蚀工序，加入刻蚀基片的基片刻蚀工序。
此外，在本发明的近场光探头的制造中，也可以使用以具有在基片上形成金属或电介质或半导体等的膜的膜形成工序，用光刻法等除去这个膜的一部分的坑洼形成工序，形成保护膜的保护膜涂敷工序，除去形成散射体部分的保护膜的曝光显影工序，在除去保护膜的部分上形成散射体的散射体形成工序，和除去保护膜的保护膜除去工序为特征的制造方法。
此外，在上述的制造工序中，代替除去膜的一部分的坑洼形成工序，可以加入用光刻法等在基片表面上直到形成坑洼的坑洼形成工序。
此外，也可以使用以具有在基片上形成金属膜的金属膜形成工序，在金属膜上形成保护膜的保护膜涂敷工序，除去形成散射体部分周围的保护膜的曝光显影工序，在除去保护膜的部分上除去金属膜的金属膜刻蚀工序，和除去保护膜的保护膜除去工序为特征的方法来制造。
此外，也可以使用以具有在基片上形成保护膜的保护膜涂敷工序，除去形成散射体部分周围的保护膜的曝光显影工序，形成散射体的金属蒸镀工序和除去保护膜的保护膜除去工序为特征的近场光探头的方法进行制造。
此外，用电介质保护上述散射体的近场光探头，通过以具有在形成散射体和它周围的膜后，在其上形成电介质膜的电介质膜形成工序，为了使散射体前端露出表面，研磨电介质膜的电介质膜研磨工序为特征的制造方法进行制造。
又，在将光导入本发明的近场光探头时，必须使入射光的焦点位置与散射体的位置对准，为此，利用以将入射到近场光探头的光的一部分分离出来，将分离出来那部分光入射到在近场光发生源旁边形成的用于调整焦点位置的图案上，通过测定从那里反射的反射光的形状，对入射光的焦点位置进行调整为特征的焦点位置自动调整方法。特别是，将从上述的用于调整焦点位置的图案返回的光入射到凸透镜和圆柱透镜，通过测定这时的光束形状的畸变，进行与基片表面垂直的方向上的位置对准；通过形成两条宽度比光斑直径小的细长的、方向上相互正交的沟槽作为用于调整焦点位置的图案，并将入射光分成三束，将其中的一束光入射到近场光发生源，其余的两束光入射到两条沟槽的中心部分，对包含在从两条沟槽反射的反射光图案内的两个明亮部分的光量进行比较，进行与基片表面平行的方向上的位置对准。
在将上述的近场光探头应用到可以交换光盘的光记录/再生装置上时，必须防止光盘表面的污染和擦伤。因此，本发明的光记录/再生装置的特征是将近场光探头内藏在保护记录光盘的卡盘内部。在卡盘的一角有旋转轴，在这个旋转轴上安装一个臂，在这个臂上通过悬挂物安装近场光探头，使安装有这个臂的旋转轴与安装了搭载光源和光检测器的光读写头的臂接合起来，光读写头与近场光探头连动，来自光探头的光通过安装在卡盘上的窗导入近场光探头。为了使与上述的近场光探头连接的臂和与光读写头连接的臂结合起来，使用V形沟槽和半球状凸起。此外，使用有圆锥或多角锥形状的金属突起，或在基片侧面上形成的三角形或椭圆等的前端尖锐化形状的金属膜作为散射体时，为了提高分辨率和效率，可以在记录光盘的记录层下面设置金属膜层。
因为本发明的近场光探头用形状为圆锥或多锥体或平面椭圆体或三角形的金属散射体产生近场光，所以能够产生非常强的近场光。此外，因为是在散射体的周围形成有膜厚与散射体的高度相同的金属或电介质或半导体等的膜，所以能够在不破坏散射体的前提下使探头高速地进行扫描。此外，因为膜的材质具有遮光性，通过使散射体与膜的间隔在光波长以下，能够使背景光降低。
图的简单说明
图1是表示本发明的近场光探头的全体构造的图，(a)是斜视图，(b)是截面图。
图2是表示本发明的金属散射体的形状的斜视图，(a)圆锥体，(b)平面椭圆体，(c)三角形，(d)两个顶点的曲率半径比余下的一个顶点的曲率半径大的三角形，(e)与周边的膜接合的三角形。
图3是表示本发明的金属散射体的形状的斜视图，(a)在三角形的顶点近旁形成了金属膜的，(b)在三角形的顶点近旁再形成一个三角形的。
图4是表示本发明的近场光探头的全体构造的截面图，(a)代替形成膜，在基片上形成的坑洼，(b)在散射体和膜之间埋入透明的电介质，(c)代替形成膜，在基片上形成的坑洼，在散射体周边形成透明的电介质，(d)使与散射体之间没有间隔那样地形成电介质膜。
图5是光入射到三角形的金属膜上时产生的近场光强度分布，(a)计算方法，(b)计算结果(画出了与入射光强度之比)。
图6是光入射到相对的2个三角形的金属膜上时产生的近场光强度分布，(a)计算方法，(b)计算结果(画出了与入射光强度之比)。
图7是光入射到三角形的入射方法的斜视图，(a)光只照射前端的方法，(b)使在金属膜上产生表面等离子体激元那样地入射光的方法。
图8(a)在基片侧面上形成了三角形的膜的探头的斜视图，(b)在斜削的基片侧面上形成了三角形的膜的探头的斜视图。
图9是表示光入射到本发明的近场光探头的入射方法的截面图，(a)用放置在外部的透镜会聚光的方法，(b)将基片做成半球状，(c)在基片上形成全息透镜，(d)使满足光的全反射条件那样地入射光。
图10是在光谐振器端面上形成金属散射体的截面图。
图11是在半导体激光器的端面上形成金属散射体的截面图。
图12是表示近场光光纤探头的制造工序的示意图，表示(a)形成膜的步骤，(b)涂敷保护膜的步骤，(c)曝光，显影步骤，(d)膜的刻蚀步骤，(e)形成散射体的步骤，(f)除去保护膜的步骤。
图13是表示形成有圆锥或多角锥形状的散射体的方法的示意图。
图14是表示近场光光纤探头的制造工序的示意图，表示(a)形成膜的步骤，(b)形成坑洼的步骤，(c)涂敷保护膜的步骤，(d)曝光，显影步骤，(e)形成散射体的步骤，(f)除去保护膜的步骤。
图15是表示近场光光纤探头的制造工序的示意图，表示(a)形成金属膜的步骤，(b)涂敷保护膜的步骤，(c)曝光，显影步骤，(d)金属膜的刻蚀步骤，(e)除去保护膜的步骤。
图16是表示近场光光纤探头的制造工序的示意图，表示(a)涂敷保护膜的步骤，(b)曝光，显影步骤，(c)蒸镀金属的步骤，(d)除去保护膜的步骤。
图17是用透明的电介质包裹散射体周边的探头的制造工序的示意图，表示(a)形成电介质膜的步骤，(b)研磨电介质膜的步骤。
图18是表示自动焦点位置调节方法的示意图。
图19是表示在自动焦点位置调节方法中用于位置调节的标志与光束的关系和探测器与光束的关系的示意图，表示(a)在探头上形成的标志的形状与光束的位置关系，(b)探测器的形状和焦点位置对准时在探测器上的光束形状，(c)对于探头的基片面在水平方向上光束的位置偏离时在探测器上的光束形状，(d)在对于探头的基片面于垂直方向上光束的位置偏离时在探测器上的光束形状。
图20是表示将本发明的近场光探头应用于光记录/再生装置时的装置构成的斜视图，表示(a)全体的构成，(b)光学系统。
图21是表示内藏近场光探头的光盘卡盘的图，(a)表示全体构成的斜视图，(b)截面图，(c)表示用于将卡盘内部的臂和卡盘外部的臂结合起来的V形沟槽和半球突起的斜视图。
图22是表示使用有金属膜的光盘的近场光记录/再生方法的图，(a)用有圆锥状的金属散射体的探头情形的截面图，(b)用在基片侧面上有三角形的膜的探头情形的斜视图。
下面说明本发明的具体的实施形态。
本发明的近场光探头，如图1所示，是由有光透过性的基片11，有图2或图3那样的形状的金属散射体12，在金属散射体周围形成的由金属，电介质，半导体等组成的膜13构成的。基片11例如是由石英制成的，散射体12例如是由金或银制成的。此外，膜13例如是由金，银，钛或硅制成的。
散射体12的作用是产生强的近场光，被透镜等聚光的光14入射到如图1(b)所示的基片上，照射散射体12。这时，光14由于散射体12发生散射，在散射体近旁产生有高空间频率成分的近场光。因为散射体的散射效率越高，近场光强度越大，所以在有高散射效率的金属散射体近旁产生强的近场光。
在散射体接近样品15近旁时，膜13起着防止散射体与样品表面发生碰撞受到破坏的作用。所以，必须使膜13的厚度h1和散射体12的高度h1相等。又，为了这样地防止散射体的破坏，代替形成膜，可以如图4(a)所示，通过在基片上挖下只与散射体高度h1相等的深度h3，形成坑洼21，在坑洼21中形成散射体。此外进一步，可以如图4(b),(c)所示，在膜和散射体之间的空间，或在基片上形成的坑洼中埋入电介质22。通过这样做，可以进一步减少散射体破坏的概率。
在形成上述的膜13时，希望用金属或半导体等有遮光性的物质(反射或吸收光的物质)作材料，并且散射体和膜的间隔S1在数百nm以下。例如用金，钛或硅作材料，间隔S1为50nm。这样由于膜是用有遮光性的物质做成的，在测定样品的形状和光学特性及在光记录/再生装置上再生记录标志时，也能够提高图像和再生信号的对比度。即，当光照射散射体12时，因为衍射极限光束直径不可能小到与散射体同样程度。所以，光的一部分没有受到散射作为背景光入射到样品15上。结果，在入射到样品的光中有低次的空间频率成分的光的比例增大，图像和再生信号的对比度下降。这里，由于使散射体12和膜13的距离S1在光波长以下那样地形成有遮光性的膜，没有照射到散射体12的光被反射或吸收，就能够降低入射到样品15上的背景光的光量。
又，膜的材质是金属时，必须设置散射体和金属的间隔，可是膜的材质是金属以外的电介质等时，如图4(d)所示，可以使膜23和散射体12连接起来那样地形成膜。
上述的散射体12的形状，为图2(a)所示的圆锥或多角锥。光入射到这个散射体时，在顶点61近旁产生强的近场光。顶点61的曲率半径，高度h6和底面宽度(直径)d1，例如可以是顶点的曲率半径为20nm，高度为100nm和底面宽度为100nm。顶点的曲率半径在50nm以下也是可以的，可是为了得到高的分辨率希望顶点的曲率半径小。高度和底面宽度可以在数百nm以下，可是为了激发后面所述的等离子体激元，希望对顶点的曲率半径，高度和底面宽度之比进行调整。
散射体的形状可以如图2(b)所示为平面椭圆体(包括圆在内)。长轴和短轴的长度及厚度，例如，长轴的长度为150nm，短轴的长度为50nm，厚度为40nm。长轴和短轴的值可以在数百nm以下，厚度可以在100nm以下，可是希望这些值的比符合后面所述的等离子体激元的激发条件。光入射到这个平面椭圆体的膜时，在与光的偏振方向63平行的轴上的平面椭圆体的顶点62处产生强的近场光。特别是，为了产生强的近场光，希望光的偏振方向和椭圆的长轴平行。
散射体的形状可以如图2(c)所示为膜状的三角形70。三角形的一个顶点64的曲率半径和厚度，例如，顶点的曲率半径为15nm，厚度为30nm。顶点的曲率半径可以在100nm以下，厚度可以在100nm以下。希望顶点的尖角符合后面所述的等离子体激元的激发条件。当光向着在光的偏振方向63进行尖锐化的顶点64照射时，因为电子集中在尖锐地尖锐化的顶点64近旁，在那里产生强的近场光。用FDTD法(Journal of Optical Society of America A,Vol.12,No.9,p1974-1983,1995)计算在光入射到膜状三角形上时，金属膜近旁产生的近场光分布的结果表示在图5中。在这个计算中，如图5(a)所示，解析区域403的大小在x,y,z各个方向上为0.3×0.2×2.6μm，三角形膜的材质是金，膜厚=30nm，前端曲率半径=25nm，尖角q0=20°。入射波402是波长为650nm的平面波，这个波是放置在离开膜1个波长的位置上的波源401产生的(L2=650nm)。入射波的偏振方向在图中的x轴方向。关于解析区域的边界条件，在与x轴，y轴垂直的面上用周期边界条件，在与z轴垂直的面上用吸收边界条件。金属膜和边界的间隔(L3)为1个波长，波源和边界的间隔为1个波长。使用网格数在x,y,z各个方向上为60×50×60，在三角形膜的顶点附近间隔变小的不均匀的网格，在三角形膜的顶点附近的网格间隔为2.5nm，时间分割的宽度为1×10-18秒，反复计算的次数为15000次。图5(b)的计算结果表示近场光强度密度(Inear)和入射光的强度密度(Iin)之比。这样在顶点64附近产生强的光场，它的强度的最大值与入射光之比约为750倍。半值宽度在x,y方向上分别为15nm,45nm。又，作为金属用其它的金属也可以，例如用银的时候也得到同样的强度分布，强度最大值和入射光之比约为590倍。此外，可以认为有上述椭圆形状的金属膜的顶点附近的近场光分布也与从形状类似的情况得到的结果相同。
上述的三角形的长度L1在光波长以下时(例如L1=200nm)，在尖锐化的顶点以外的顶点65近旁也产生强的近场光。因此希望使三角形的长度L1，例如比1μm等的光波长大，如图7(a)所示光只照射尖锐化的顶点64。或者，为了使在顶点64以外的其它两个顶点上近场光强度小，如图2(d)所示也可以增大其它两个顶点68的曲率。这时，三角形的长度L1可以在光波长以下。例如，如果顶点64的曲率半径为10nm，则顶点68的曲率半径在50nm以上，长度L1约为30nm。通过这样做，因为电子向顶点68集中的程度变小，在那里产生的近场光强度变弱。此外，如图2(e)所示，三角形形状的散射体70可以和它周围的膜13接合。这时，接合部分71的曲率可以比顶点64的曲率半径大。这时，三角形的长度L1可以在光波长以下。例如，如果顶点64的曲率半径为10nm，则接合部分71的曲率半径在50nm以上，长度L1约为300nm。
作为散射体，如图3(a)所示，也可以用在有平面椭圆体或三角形等前端尖锐化形状的金属膜81的顶点82近旁形成了别的金属膜83的。例如，形成顶点的曲率半径为15nm，厚度为30nm的三角形膜，与三角形的顶点的间隔S2为5nm那样地形成有长方形形状的厚度为30nm的膜。三角形顶点的曲率半径可以在100nm以下，厚度可以在100nm以下。希望顶点的尖角-合后面所述的等离子体激元的激发条件。长方形膜的厚度与三角形膜的厚度相同。间隔S2可以在数10nm以下，可是为了得到高的分辨率希望间隔S2小。入射光的偏振方向如箭头63所示，指向顶点82，照射在顶点82和膜83之间。这时，在顶点82和金属膜上各自产生偶极子，由于这些偶极子相互作用，在顶点82和金属膜83之间产生强的近场光。
特别是希望金属膜83的形状是，如图3(b)所示，与金属膜81相同有平面椭圆体或三角形那样的前端尖锐化形状的膜84。各个顶点82,83相互接近地配置。例如各个顶点之间的间隔S1为5nm那样地形成顶点的曲率半径为15nm，厚度为30nm的两个三角形。各个三角形顶点的曲率半径可以在100nm以下，厚度可以在100nm以下，顶点的间隔S3在数10nm以下，可是为了得到高的分辨率希望它们小。入射光的偏振方向如箭头63所示，指向顶点82。通过这样做，因为在两个金属膜上各自产生非常大的偶极子，所以由于这些偶极子相互作用的结果，在两个顶点之间产生非常强的近场光。光入射到相对的两个三角形上时，用FDTD法计算得到的在这个金属膜近旁产生的近场光分布的结果表示在图6中。在这个计算中，如图6(a)所示，解析区域403的大小在x,y,z各个方向上为0.3×0.2×2.6μm，三角形膜的材质是金，膜厚=30nm，前端曲率半径=25nm，尖角q0=20°。入射波402是波长为780nm的平面波，这个波是放置在离开膜1个波长的位置上的波源401产生的(L2=780nm)。入射波的偏振方向在图中的x轴方向。关于解析区域的边界条件，在与x轴，y轴垂直的面上用周期边界条件，在与z轴垂直的面上用吸收边界条件。金属膜和边界的间隔(L3)为1个波长，波源和边界的间隔为1个波长。使用网格数在x,y,z各个方向上为60×50×60，在三角形膜的顶点附近，间隔变小的不均匀的网格，在三角形膜的顶点附近的网格间隔为2.5nm，时间分割的宽度为1×10-18秒，反复计算的次数为15000次。图6(b)表示近场光强密度(Inear)和入射光的光强密度(Iin)之比的分布。这样在顶点82和85的间隔中产生强的光场，它的强度的最大值与入射光之比约为5700倍。半值宽度在x,y方向上都是5nm。又，作为金属也可以用其它的金属，例如用银的时候也得到同样的强度分布，强度最大值和入射光之比约为5500倍。
作为上述的散射体，用由金属形成的尺寸为毫微米的圆锥体，多角锥体，椭圆，或三角形的膜时，也可以通过在这个散射体内部激发起局域的等离子体激元，使在这个散射体近旁产生的近场光的强度增大。局域的等离子体激元，如在尺寸在光波长以下的椭圆体或前端曲率半径在光波长以下那样地尖锐化的金属突起物(圆锥体的顶点和椭圆或三角形的膜的顶点与它相当)内产生的电子的谐振状态中，产生局域的等离子体激元则在这个金属近旁产生非常强的光场。局域的等离子体激元是由特定波长的光激发的，它的谐振波长由金属的种类，形状，激发光的偏振方向决定。所以，希望使谐振波长与激发光源的波长接近那样地设定这些参数。例如，散射体的形状能够近似成球形时，在金属是金的情形中，在谐振波长520nm处散射体近旁的近场光强密度是入射光的光强密度的30倍，在金属是银的情形中，在谐振波长350nm处散射体近旁的近场光强密度是入射光的光强密度的480倍。此外，散射体的形状能够与长轴∶短轴=3∶1的旋转椭圆体近似时，在金属是金的情形中，在谐振波长650nm处散射体近旁的近场光强密度是入射光的光强密度的6500倍，在金属是银的情形中，在谐振波长500nm处散射体近旁的近场光强密度是入射光的光强密度的105倍。但是，在金属的形状为椭球体的情形中，假定激发光的偏振方向与椭圆的长轴方向平行。在金属的形状为球的情形中，因为是中心对称的，所以偏振方向是任意的。从这个计算结果，可以清楚地看到在有椭圆形状的金属膜近旁产生非常强的近场光。因为能够认为圆锥体或三角形的顶点的形状也与长轴和短轴的长度比大的椭圆近似，所以通过使这个形状和材质最佳化，能够期待有与椭圆同等程度的电场增强。
在将散射体的形状做成三角形的情形中，也可以将光照射在金属膜上来激发表面等离子体激元波。因此，如图7(b)所示，当光的偏振方向与光的入射面平行(p偏振)时，使表面等离子体激元波的波数k3与入射光的波数矢量k1的面方向成分k2一致地调整入射角q1。例如在金属是由金做成，膜的厚度为40nm时，q1=44.5°。三角形的长度L1在例如为数μm等的光波长以上，使光点的位置在金属膜上，光的入射面的方向与表面等离子体激元波向顶点64行进的方向重合。通过这样做，在在金属膜上生成的表面等离子体激元波聚集在尖锐化顶点64上，在顶点64近旁产生强的近场光。
此外，用有平面椭圆体或三角形等的前端尖锐化形状的金属膜作散射体时，如图8(a)所示，也可以在基片侧面94上形成这个金属膜91。产生强的近场光的顶点92与基片底面93接合。基片侧面94可以如图8(b)所示发生倾斜。这时，能够使光在与底面93垂直的方向上入射。此外，为了保护金属膜，可以在金属膜上复盖透明的电介质。
将会聚的光束14入射到上述的散射体12上，例如如图9所示的那样进行。在图9(a)的例子中，光通过放置在基片附近的物镜31聚光起来，入射到散射体12上。在图9(b)的例子中，基片32的形状为半球状，使通过物镜31会聚起来的光入射到这个基片32上。通过这样做，可以提高透镜的NA，能够使焦点处的光束直径比图9(a)进一步减小。在图9(c)的例子中，在基片上形成全息透镜等的光会聚机构33，向基片入射的平行光在散射体12成为会聚的光束。在图9(d)的例子中，将基片做成半球棱镜或直角棱镜等，会聚的光在散射体12的部分基片表面上发生全反射。通过这样做，使入射到样品的背景光的光量降低。
也可以在光谐振器的端面上形成散射体12。例如，如图10所示，在基片11上形成金属膜等有光反射性的膜，接着，形成电介质等有光透过性的膜，其厚度t4为t4×n4=N×λ/2(n4电介质折射率，λ=光波长，N=1以上的整数)。在这上面形成散射体12和有反射性的膜13。因为通过这样制作的谐振器构造，能够提高入射到散射体12的光电场强度，所以，能够增强在散射体近旁产生的近场光强度。
此外，也可以在图11那样的激光器51的活性层52上的激光出射口上形成散射体12。半导体激光器可以是面发射型的。用了这种激光器，与在上述的谐振器端面上形成散射体一样可以增强近场光强度，同时没有必要用透镜了。
可以如下地制作上述那样的近场光探头。
首先，如图12(a)所示，用真空蒸镀器或溅射装置等在基片101上形成金属，电介质，半导体等的膜102。膜的厚度与要形成的散射体的高度相同(膜的形成)。
其次，如图12(b)所示，在膜的上面涂敷上正型的电子射线用的保护层103。然后，如图12(c)所示，用电子射线曝光装置对要形成散射体的部分104进行曝光，通过放入显影液中将它除去。
其次，如图12(d)所示，除去被曝光部分104的膜102。用刻蚀溶液除去膜。例如在金属膜是用金形成的情形中，用王水进行刻蚀。这时，如果刻蚀时间长，因为刻蚀液通过四周进入保护层的下面，使比被曝光的部分104大的部分除去了。这个四周进入的长度s3与图1(b)中的散射体和膜的间隔s1相当。为了膜的除去也可以用等离子体刻蚀装置。但是，因为在这种情形中不发生由于四周进入引起的刻蚀，所以s3变成0。因此，能够制作如图4(d)所示的散射体和膜连接起来那样的探头。
其次，如图12(e)所示，用真空蒸镀器堆积金属。由此，在除去了保护层的部分104上堆积金属，形成散射体105(散射体形成工序)。
最后，放入保护层的剥离液中。用剥离液除去保护层和堆积在它上面的金属膜106，制成如图12(f)所示的有散射体105和膜102的探头。
在制作如图2(a)所示的圆锥形散射体的情形中，在上述的曝光工序中圆形地曝光保护层(半径在光波长以下)。这时，在上述的散射体形成工序中在保护膜103上堆积金属膜106时，因为随着金属膜106的厚度的增加，在保护层上打开的小孔104的内侧也有金属从四周进入，所以小孔的大小会逐渐地变小。因此，通过进行金属膜的堆积直到小孔填满为止，能够形成图13所示的圆锥形的散射体111。
为了如图4(a)和(c)所示，在基片上坑洼处形成金属散射体，不用最初的膜形成工序，将保护层直接涂敷在基片上，代替膜的刻蚀工序，加入刻蚀基片的基片刻蚀工序。这时，如果使用石英等没有导电性的材料作为基片，则在用电子射线进行曝光时，为了防止基片带电致使制作的图案扩大，在涂敷保护层前用溅射法或真空蒸镀法在基片上形成厚度在数10nm以下的有导电性的透明膜，例如ITO等。
也可如下制作上述的近场光探头。
首先，如图14(a)所示，用真空蒸镀器或溅射装置等在基片101上形成金属，电介质，半导体等的膜102。膜的厚度与形成的散射体的高度相同。
其次，如图14(b)所示，用光刻法或电子射线刻蚀法除去要形成散射体部分的膜123。
其次，如图14(c)所示，涂敷正型的电子射线的保护层，如图14(d)所示，用电子射线曝光装置对要形成散射体的部分125进行曝光。曝光后，通过放入显影液中将被曝光的部分125的保护层除去。
其次，如图14(d)所示，用真空蒸镀器在保护膜上堆积金属。通过这样做，在除去了保护层的部分125上形成散射体105。
最后，通过放入保护层的剥离液中，除去保护膜124和在它上面形成的金属膜127。
为了如图4(a)和(c)所示，在基片上坑洼处形成金属散射体，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洼的工序。
此外，也可如下制作上述的近场光探头。
首先，如图15(a)所示，用真空蒸镀器或溅射装置在基片101上形成金属，电介质，半导体等的膜102。膜的厚度与形成的散射体的高度相同。
其次，如图15(b)所示，在膜102上涂敷正型的电子射线保护层，然后，如图15(c)所示，用电子射线曝光装置对与在图1上的散射体12和膜13之间的部分16相当的部分134进行曝光。曝光后，通过放入显影液中将被曝光的部分134的保护层除去。
其次，如图15(d)所示，用刻蚀溶液或等离子刻蚀等除去已经除去了保护膜的部分134的膜102。
最后，如图15(e)所示，除去保护膜133。
此外，也可用负型保护膜，如下制作上述的近场光探头。
首先，如图16(a)所示，在基片101上涂敷负型保护层141。如果使用石英等没有导电性的材料作为基片，则在用电子射线进行曝光时，为了防止基片带电致使图案扩大，在涂敷保护层前在基片上形成有导电性的透明膜，例如ITO等(厚度例如在数10nm)。
其次，如图16(b)所示，通过用电子射线曝光，除去与在图1上的散射体12和膜13之间的部分16相当的部分142以外的保护层。
其次，如图16(c)所示，用真空蒸镀器堆积金属。通过这样做，形成散射体105和它四周的膜144。
最后，如图16(d)所示，通过放入保护层的剥离液中，除去保护膜142和堆积在它上面的金属膜143。
又，如图4(b)和(c)所示，如下制作用电介质22保护散射体12的近场光探头。
首先，如图17(a)所示，用真空蒸镀器或溅射装置在散射体12和它四周的膜13上形成电介质膜151。
其次，如图17(b)所示，通过用研磨剂研磨散射体12和它四周的膜13之间22以外的部分除去这些部分。作为研磨剂，例如可以用金刚石膏剂，氧化铝膏剂或二氧化硅膏剂。
在使上述的近场光探头接近样品，对样品进行扫描时，要按照样品的凹凸变动探头的位置。特别是，应用于光记录/再生装置时，由于光盘的倾斜和歪扭，探头的位置会发生很大的变动。结果，入射到探头的光的位置发生偏移，照射金属散射体的光量发生变动。为了防止这种情况的发生，必须有使入射光的焦点位置总是与金属散射体的位置对准的自动调整机构。其方法如下所示。
如图18所示，用光栅或渥拉斯顿棱镜等1604将平行光束1600分成两条以上的光束。在探头上，在散射体的旁边设置用于焦点对准的标志，分开的光束中的一条照射散射体1609，其它的光束照射用于焦点对准的标志。通过测定照射在用于焦点对准的标志上又反射回来的光束的形状对焦点位置进行调节。
具体地说，如下构成该装置。如图19(a)所示，在散射体1702的旁边，设置两条宽度比光斑直径小，深度为λ/8n(λ光波长，n基片的折射率)的细长的沟槽(1701,1703)。这两条沟槽在方向上相互正交。用光栅或渥拉斯顿棱镜等将光束分成三条，其中的一条1705照射散射体1702，其余的两条1704,1706照射沟槽1701,1703的中心。用光束分裂器1603将这3条光束的反射光与入射光分离后，通过凸透镜1605和圆柱透镜1606后，入射到探测器1607。探测器1607有3个受光面，如图19(b)所示，外侧的受光面中的1个1707被分割成4部分，另一方的外侧的受光面1703被分割成2部分。
如下进行使与基片面平行的方向上的位置对准的操作。在受光面1707,1708,1709上的光束的形状成为1710,1711,1712那样。中心的光束1711是来自散射体的反射光，它旁边的光束1710,1712是来自沟槽的反射光。来自沟槽的反射光的图案，由于在沟槽处发生的衍射光的干涉，有图19(b)所示的2个明亮部分。在焦点位置对准时，这2个部分的亮度成为相互相等，可是在焦点位置发生偏离时，如图19(c)所示那样地在2个部分的亮度中产生差别。所以，通过使2个部分的亮度相等那样地进行控制，能够使焦点位置对准(使来自探测器的信号(A+C)-(B+D)=0和E-F=0那样地进行控制)。
使与基片面垂直的方向上的位置对准，例如在用无球面像差方式，将圆柱透镜等不发生球面像差的光学部品插入探测光学系统，使焦点位置对准的情形中，使在探测器上形成最小模糊圈那样地进行调整，在焦点对准时返回光的形状如图19(b)所示成为圆的形状。但是焦点位置偏离时，因为返回光是不平行光，通过凸透镜1605和圆柱透镜1606的光的形状如图19(d)所示成为椭圆的形状。所以，通过使光束的形状成为圆的形状那样地进行控制，能够使焦点位置对准(使来自探测器的信号(A+D)-(B+D)=0那样地进行控制)。
将上述的近场光探头用于光记录/再生装置的应用例如图20(a)所示。近场光探头搭载在搭载物镜，光源，探测器等的光读写头1802上。使这个光读写头接近光盘1801。光读写头用支架致动器1803，在光盘的半径方向上移动。光读写头内部的光学系统如图20(b)那样地构成。用半导体激光器1809作光源，将出射光射到准直仪透镜1810上，用光束整形棱镜1811使光束成为圆形的平行光束。这个光束通过用于焦点对准的光栅1812，偏振光束分裂器1813,1/4波长片，反光镜1801，物镜1807后，入射到近场光探头1804。用致动器1808调整物镜的位置。此外，为了跟踪，用致动器1806微调近场光探头的位置。近场光探头1804安装在悬挂物1805上，依靠这个悬挂物的力压在光盘1801上。用偏振光束分裂器1813将来自光探头的反射光与入射光分离，反射光通过聚光透镜1815和用于位置对准的圆柱透镜1816后，入射到探测器1817。
在以上的记录装置中，因为记录层露出在记录光盘表面上，所以从光读写头1802取出光盘1801进行搬运时，由于擦伤或污染了光盘就会发生不能再生记录数据的危险。为了防止这种情形的发生，如图21所示，将光盘1801和近场光探头1804收纳在卡盘1900内，可以使光盘表面和近场光探头与外界空气隔断。例如，如图21(b)所示，将臂1904安装在设置在卡盘角上的旋转轴上，将悬挂物1805和近场光探头1804安装在这个臂上。通过使旋转轴旋转，使臂1904移动进行跟踪。将包含光源和探测器的光读写头主体1903放置在卡盘外面，来自光读写头主体的光1902通过透明的窗1901，导入近场光探头1804。这时，光1902成为平行光，如图9(c)所示，用在近场光探头上形成的聚光机构对入射到近场光探头的光进行聚光。光读写头主体1903安装在由旋转致动器1908驱动的臂1907上，这个臂与近场光探头连接的旋转轴1905接合。因此，光读写头主体和近场光探头连动。如图21(c)所示，用V形沟槽1909和半球状的突起1910使与近场光探头连接的旋转轴1905和安装有光读写头主体的臂1907高精度地接合起来。即，将V形沟槽1909安装在旋转轴1905的上部，将半球状的突起1910安装在光读写头主体的臂1907的下部。通过将半球状的突起1910压在V形沟槽1909上，使光读写头主体的臂1907与旋转轴1905接合起来。
在用有图2(a)那样的圆锥状的金属散射体的近场光探头或如图8那样的在基片侧面上有三角形或平面椭圆体等的前端尖锐化形状的金属膜的近场光探头的情形中，如图22(a)和(b)所示，也可以将金属层设置在光盘中的记录层的下面。例如，在光盘基片2003上形成金或银等的金属层2001，在其上再形成厚度约5nm的相变化媒体等的记录膜层2000。这样，在光盘中形成金属膜时，由于在金属散射体12上产生的偶极子和在金属膜2001中产生的偶极子相互作用，能够增强金属散射体前端和金属膜之间的近场光强度。所以能够提高效率。
权利要求
1．近场光探头，其特征在于，在基片上有其轴与基片表面垂直的圆锥或多角锥形状的金属散射体。
2．近场光探头，其特征在于，在基片上有长轴和短轴的长度及厚度在光波长以下的平面椭圆体形状的金属散射体。
3．近场光探头，其特征在于，在基片上有厚度和顶点的曲率半径在光波长以下的三角形形状的金属散射体。
4．权利要求3记载的近场光探头，其特征在于，在上述三角形的3个顶点内，两个顶点的曲率半径比余下的一个顶点的曲率半径大。
5．权利要求3记载的近场光探头，其特征在于，将上述平面上三角形和它周围的膜接合，作为接合部分的一部分的孔的曲率半径比三角形顶点的曲率半径大。
6．近场光探头，其特征在于，在基片上有前端经过尖锐化的形状的金属膜和任意形状的金属膜，尖锐化的顶点与另一个金属膜的间隔为数10nm。
7．近场光探头，其特征在于，在基片上有前端经过尖锐化的形状的两个金属膜，各自顶点的间隔为数10nm。
8．权利要求1到7之任一项记载的近场光探头，其特征在于，在上述散射体的周边有膜厚与散射体的高度相同的金属膜或电介质膜或半导体膜。
9．权利要求8记载的近场光探头，其特征在于，上述膜有遮光性，散射体和它周围的膜的间隔在光波长以下。
10．权利要求1到7之任一项记载的近场光探头，其特征在于，在基片表面上形成深度与散射体的高度相等的坑洼，在这个坑洼中形成金属的散射体。
11．权利要求8到10之任一项记载的近场光探头，其特征在于，在上述散射体和它周围的膜之间或在基片表面上形成的坑洼的空间内埋入有光透过性的材料。
12．权利要求1到11之任一项记载的近场光探头，其特征在于，上述的基片是半球状的。
13．权利要求1到11之任一项记载的近场光探头，其特征在于，在上述的基片上设置聚光元件。
14．权利要求13记载的近场光探头，其特征在于，上述的聚光元件是全息透镜。
15．权利要求1到11之任一项记载的近场光探头，其特征在于，在光谐振器的端面上形成上述的金属散射体。
16．权利要求1到11之任一项记载的近场光探头，其特征在于，在半导体激光器的出射口端面上形成上述的金属散射体。
17．近场光探头，其特征在于，在基片侧面或斜削的基片侧面上形成有平面椭圆体或三角形等的前端尖锐化形状的金属膜，使得尖锐化的顶点与样品表面接触。
18．权利要求17记载的近场光探头，其特征在于，用透明的电介质复盖上述的基片侧面上形成的金属膜。
19．近场光学显微镜，其特征在于，使用权利要求1到18之任一项记载的近场光探头。
20．光记录/再生装置，其特征在于，使用权利要求1到18之任一项记载的近场光探头。
21．近场光学显微镜和光记录/再生装置，其特征在于，使用将入射到近场光探头的光的一部分分离出来，将分离出来那部分光入射到在近场光发生源的旁边形成的用于调整焦点位置的图案上，通过测定从那里反射的反射光的形状，对入射光的焦点位置进行调整的焦点位置自动调整方法。
22．权利要求21记载的近场光学显微镜和光记录/再生装置，其特征在于，使用将从上述的用于调整焦点位置的图案返回的光入射到凸透镜或圆柱透镜，通过测定这时的光束形状的畸变进行与基板表面垂直方向的位置对准的焦点位置自动调整方法。
23．权利要求21记载的近场光学显微镜和光记录/再生装置，其特征在于，使用作为上述的用于调整焦点位置的图案，形成两条宽度比光斑直径小的细长的、方向上相互正交的沟槽，将入射光分成三束，将其中的一束光入射到近场光发生源，其余的两束光入射到两条沟槽的中心部分，通过对包含从两条沟槽反射的反射光的图案的两个明亮的部分的光量进行比较，使焦点位置对准的焦点位置自动调整方法。
24．光记录/再生装置，其特征在于，使用在卡盘内部内藏近场光探头的记录光盘。
25．权利要求24记载的光记录/再生装置，其特征在于，使用在卡盘的一角有旋转轴，在旋转轴上安装一个臂，在这个臂上通过悬挂物安装着近场光探头的记录光盘。
26．权利要求24记载的光记录/再生装置，其特征在于，使安装了上述臂的旋转轴与安装了搭载光源和光探测器的光读写头的臂接合，使光读写头与近场光探头连动，将来自光读写头的光通过安装在卡盘上的窗导入近场光探头。
27．权利要求24到26之任一项记载的光记录/再生装置，其特征在于，使用V形沟槽和半球状凸起实现与上述的近场光读写头连接的臂和与光读写头连接的臂的结合。
28．光记录/再生装置，其特征在于，使用在记录层下面设置了金属膜层的记录光盘。
全文摘要
提供光利用效率高,能够进行高速扫描,包含在探测光中的背景光少的近场光探头和它的制造方法。在基片11上形成有圆锥体或多锥体或平面椭圆体或三角形形状的金属散射体12,在这个散射体周边形成膜厚和散射体高度相同的金属或电介质或半导体等的膜13。
文档编号G11B7/12GK1319777SQ0012867
公开日2001年10月31日 申请日期2000年9月20日 优先权日2000年3月13日
发明者松本拓也, 岛野健, 保坂纯男, 一色史雄 申请人:株式会社日立制作所