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技術 近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置

出願人 キヤノン株式会社
発明者 水谷夏彦山田朋宏
出願日 2002年7月30日 (17年11ヶ月経過) 出願番号 2002-221517
公開日 2004年2月26日 (16年4ヶ月経過) 公開番号 2004-061360
状態 特許登録済
技術分野 器械の細部 自動分析、そのための試料等の取扱い 走査型プローブ顕微鏡 ホトレジスト感材への露光・位置合せ 光学的記録再生4(ヘッド自体) 光ヘッド 半導体の露光(電子、イオン線露光を除く) 半導体の露光(電子、イオン線露光を除く)
主要キーワード 円錐形状部材 微小スリット 超微細孔 光近接場 カンチレバ コーナーミラー エバネセント場 浮上型光ヘッド
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図面 (12)

課題

効率よく光近接場を生成し、低しきい値動作をすることができ、戻り光との結合効率を向上させることが可能となる近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド光学装置露光装置顕微鏡装置を提供する。

解決手段

近接場光を発生させる近接場光源装置であって、リング共振器型半導体レーザに接して配置された遮光膜102と、該遮光膜に形成されたレーザ光波長よりも小さな開口部105を有し、該開口部によりエバネセント波拡がりを制限して近接場光を発生させるように構成する。

概要

背景

最近、尖鋭プローブ先端の100nm程度以下の微小開口から染み出すエバネッセント光を用いた光技術、いわゆる近接場近視野またはニアフィールド光学系を用いた高分解能観察や次世代用高密度記録超微細露光技術等の開発が盛んになってきている。高分解能観察に関しては、試料表面の様子を光プローブで検出して試料表面を調べる走査型近接場光顕微鏡(以下 SNOM と略す)(Durig et al.,J.Appl.Phys.,vol.59,3318(1986)等)が開発されている。

概要

効率よく光近接場を生成し、低しきい値動作をすることができ、戻り光との結合効率を向上させることが可能となる近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド光学装置露光装置顕微鏡装置を提供する。近接場光を発生させる近接場光源装置であって、リング共振器型半導体レーザに接して配置された遮光膜102と、該遮光膜に形成されたレーザ光波長よりも小さな開口部105を有し、該開口部によりエバネセント波拡がりを制限して近接場光を発生させるように構成する。      

目的

本発明は、効率よく光近接場を生成し、低しきい値動作をすることができ、戻り光との結合効率を向上させることが可能となる近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
1件

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請求項1

近接場光を発生させる近接場光源装置であって、リング共振器型半導体レーザに接して配置された遮光膜と、該遮光膜に形成されたレーザ光波長よりも小さな開口部を有し、該開口部によりエバネセント波拡がりを制限して近接場光を発生させることを特徴とする近接場光源装置。

請求項2

前記遮光膜が、誘電体膜金属膜からなる多層膜で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の近接場光源装置。

請求項3

前記遮光膜における誘電体膜が、前記リング共振器型半導体レーザに接するように配置されていることを特徴とする請求項2に記載の近接場光源装置。

請求項4

前記開口部が、前記遮光膜における金属膜に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の近接場光源装置。

請求項5

前記開口部が、円形であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の近接場光源装置。

請求項6

前記開口部が、一方向に長いスリットであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の近接場光源装置。

請求項7

前記スリットは、該スリットの長手方向がレーザ光の磁界方向に沿っていることを特徴とする請求項6に記載の近接場光源装置。

請求項8

前記遮光膜が、前記リング共振器型半導体レーザのコーナーミラー上に形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の近接場光源装置。

請求項9

前記コーナーミラーが、レーザ光の全反射条件を満たすことを特徴とする請求項8に記載の近接場光源装置。

請求項10

前記コーナーミラーと、該コーナーミラーと接する前記遮光膜における誘電体膜との界面が、レーザ光の全反射条件を満たすことを特徴とする請求項9に記載の近接場光源装置。

請求項11

前記コーナーミラーと、該コーナーミラーと接する前記遮光膜における誘電体膜との界面が、レーザ光の全反射条件を満たさないことを特徴とする請求項8に記載の近接場光源装置。

請求項12

前記遮光膜が形成されているコーナーミラー以外のコーナーミラー部において、レーザ光の全反射条件を満たすことを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載の近接場光源装置。

請求項13

前記遮光膜は、厚さがレーザ光の波長よりも薄いことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の近接場光源装置。

請求項14

前記リング共振器型半導体レーザは、そのリング共振器の形状が多角形であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の近接場光源装置。

請求項15

前記リング共振器型半導体レーザは、そのリング共振器の形状が円形であることを特徴とする請求項1〜10、または請求項12〜13のいずれか1項に記載の近接場光源装置。

請求項16

前記円形のリング共振器は、その円形の導波路の内側と外側の両方の界面での屈折率差によって導波される導波路モードによって構成されていることを特徴とする請求項15に記載の近接場光源装置。

請求項17

前記リング共振器は、導波路の外側の界面だけの屈折率差によって導波される共振器モードウィスパリングギャラリモード)であることを特徴とする請求項14または請求項15に記載の近接場光源装置。

請求項18

請求項1〜17のいずれか1項に記載の近接場光源装置を搭載したスライダを有し、該スライダを光記録媒体面上に浮上させて前記遮光膜に形成されたレーザ光の波長よりも小さな開口部の近傍に発生する光で記録再生消去を行うことを特徴とする浮上型光ヘッド

請求項19

前記リング共振器型半導体レーザの端子間電圧の変化から再生信号を得ることを特徴とする請求項18に記載の光ヘッド

請求項20

前記リング共振器型半導体レーザの近傍に配した受光素子から再生信号を得ることを特徴とする請求項18に記載の光ヘッド。

請求項21

請求項1〜17のいずれか1項に記載の近接場光源装置を搭載したスライダを有し、該スライダを媒体面上に近接させて前記遮光膜に形成されたレーザ光の波長よりも小さな開口部の近傍に発生する光で記録、再生を行うことを特徴とする光学装置

請求項22

請求項1〜17のいずれか1項に記載の近接場光源装置を支持するカンチレバーを有し、該カンチレバーをウェハステージに近接させ、前記遮光膜に形成されたレーザ光の波長よりも小さな開口部の近傍に発生する光で露光を行うことを特徴とする露光装置

請求項23

請求項1〜17のいずれか1項に記載の近接場光源装置を支持するカンチレバーを有し、該カンチレバーを試料台に近接させ、前記遮光膜に形成されたレーザ光の波長よりも小さな開口部の近傍に発生する光を試料照射して試料の観察をすることを特徴とする顕微鏡装置

技術分野

0001

本発明は、近接場光に係る装置に関し、特に近接場光を発生させる近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド光学装置露光装置顕微鏡装置に関するものである。

0002

最近、尖鋭プローブ先端の100nm程度以下の微小開口から染み出すエバネッセント光を用いた光技術、いわゆる近接場近視野またはニアフィールド光学系を用いた高分解能観察や次世代用高密度記録超微細露光技術等の開発が盛んになってきている。高分解能観察に関しては、試料表面の様子を光プローブで検出して試料表面を調べる走査型近接場光顕微鏡(以下 SNOM と略す)(Durig et al.,J.Appl.Phys.,vol.59,3318(1986)等)が開発されている。

0003

これらに用いる近接場光源装置として、たとえば特開平5−100168号公報に以下のようなものが示されている。ここでは、図9のように、Si基板901上に設けられた円錐形状部材の先端に微小開口910が形成され、Si基板901の裏面側には開口部902が形成され、そこに光ファイバ903が挿入され、これを通して光を出射している。なお、図9において、907は電極、908は光導波層、909は金属膜、911は反射防止膜である。
また、特開平10−143895号公報には、図10のように、面発光レーザVCSEL)の光送出部1003に超微細孔1004を形成したものも示されている。なお、図10において、1001はVCSEL素子、1002は多層反射膜レーザ活性層とを含むレーザ基板である。

背景技術

0004

さらに、特開平9−145603号公報において、図11のように端面発光型半導体レーザ1100の片方の端面に非均質レーザ放出面1102を有するものが提案されている。多層膜1102の凹部1106は、その幅がレーザ波長の1/2以下であり、ここから全放射線の少なくとも50%が放出するというものである。なお、図11において、1101はリッジ導波管、1103はバックファセット、1104は放出面皮膜誘電体部、1105は放出面皮膜の導体部、1107は凹部をとおって放出される放射線である。

0005

ところで、近接場光学系では、微小開口からしみ出るエバネッセント波を用いるため、光源の効率が要求され、低しきい値で量子効率の高い半導体レーザが必要となる。しかしながら、図9の如く光ファイバ903などで導波するための光結合部では結合損などを生じやすく、改善の余地がある。また、図11のような端面発光レーザを用いたSNOMヘッドでは、端面反射率が高くないために素子長を短くすることが難しく、このために動作電流を小さくして、消費電力を減らすことには限界がある。

0006

また、図10のように面発光レーザの出射端面に微小開口を形成するばあい、高反射率ミラー上に微小開口を形成すると、この高反射率ミラー戻り光に対しても反射率が高いので、光ディスクからの戻り光を再び共振器に結合させる自己結合型光ピックアップとして使用する場合には、結合効率が小さくなる。そのため、戻り光に対する結合効率を上げるためには、レーザの性能を犠牲にしてミラーの反射率を低くする必要があった。

発明が解決しようとする課題

0007

そこで、本発明は、効率よく光近接場を生成し、低しきい値動作をすることができ、戻り光との結合効率を向上させることが可能となる近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0008

本発明は、つぎの(1)〜(23)のように構成した近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置を提供するものである。
(1)近接場光を発生させる近接場光源装置であって、リング共振器型半導体レーザに接して配置された遮光膜と、該遮光膜に形成されたレーザ光波長よりも小さな開口部を有し、該開口部によりエバネセント波拡がりを制限して近接場光を発生させることを特徴とする近接場光源装置。
(2)前記遮光膜が、誘電体膜と金属膜からなる多層膜で構成されていることを特徴とする上記(1)に記載の近接場光源装置。
(3)前記遮光膜における誘電体膜が、前記リング共振器型半導体レーザに接するように配置されていることを特徴とする上記(2)に記載の近接場光源装置。
(4)前記開口部が、前記遮光膜における金属膜に形成されていることを特徴とする上記(2)に記載の近接場光源装置。
(5)前記開口部が、円形であることを特徴とする上記(1)〜(4)いずれかに記載の近接場光源装置。
(6)前記開口部が、一方向に長いスリットであることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載の近接場光源装置。
(7)前記スリットは、該スリットの長手方向がレーザ光の磁界方向に沿っていることを特徴とする上記(6)に記載の近接場光源装置。
(8)前記遮光膜が、前記リング共振器型半導体レーザのコーナーミラー上に形成されていることを特徴とする上記(1)〜(7)のいずれかに記載の近接場光源装置。
(9)前記コーナーミラーが、レーザ光の全反射条件を満たすことを特徴とする上記(8)に記載の近接場光源装置。
(10)前記コーナーミラーと、該コーナーミラーと接する前記遮光膜における誘電体膜との界面が、レーザ光の全反射条件を満たすことを特徴とする
上記(9)に記載の近接場光源装置。
手(11)前記コーナーミラーと、該コーナーミラーと接する前記遮光膜における誘電体膜との界面が、レーザ光の全反射条件を満たさないことを特徴とする
上記(8)に記載の近接場光源装置。
(12)前記遮光膜が形成されているコーナーミラー以外のコーナーミラー部において、レーザ光の全反射条件を満たすことを特徴とする
上記(8)〜(11)のいずれかに記載の近接場光源装置。
(13)前記遮光膜は、厚さがレーザ光の波長よりも薄いことを特徴とする
上記(1)〜(12)のいずれかに記載の近接場光源装置。
(14)前記リング共振器型半導体レーザは、そのリング共振器の形状が多角形であることを特徴とする上記(1)〜(13)のいずれかに記載の近接場光源装置。
(15)前記リング共振器型半導体レーザは、そのリング共振器の形状が円形であることを特徴とする上記(1)〜(10)、または上記(12)〜(13)のいずれかに記載の近接場光源装置。
(16)前記円形のリング共振器は、その円形の導波路の内側と外側の両方の界面での屈折率差によって導波される導波路モードによって構成されていることを特徴とする上記(15)に記載の近接場光源装置。
(17)前記リング共振器は、導波路の外側の界面だけの屈折率差によって導波される共振器モードウィスパリングギャラリモード)であることを特徴とする上記(14)または上記(15)に記載の近接場光源装置。
(18)上記(1)〜(17)のいずれかに記載の近接場光源装置を搭載したスライダを有し、該スライダを光記録媒体面上に浮上させて前記遮光膜に形成されたレーザ光の波長よりも小さな開口部の近傍に発生する光で記録再生消去を行うことを特徴とする浮上型光ヘッド
(19)前記リング共振器型半導体レーザの端子間電圧の変化から再生信号を得ることを特徴とする上記(18)に記載の光ヘッド。
(20)前記リング共振器型半導体レーザの近傍に配した受光素子から再生信号を得ることを特徴とする上記(18)に記載の光ヘッド。
(21)上記(1)〜(17)のいずれかに記載の近接場光源装置を搭載したスライダを有し、該スライダを媒体面上に近接させて前記遮光膜に形成されたレーザ光の波長よりも小さな開口部の近傍に発生する光で記録、再生を行うことを特徴とする光学装置。
(22)上記(1)〜(17)のいずれかに記載の近接場光源装置を支持するカンチレバーを有し、該カンチレバーをウェハステージに近接させ、前記遮光膜に形成されたレーザ光の波長よりも小さな開口部の近傍に発生する光で露光を行うことを特徴とする露光装置。
(23)上記(1)〜(17)のいずれかに記載の近接場光源装置を支持するカンチレバーを有し、該カンチレバーを試料台に近接させ、前記遮光膜に形成されたレーザ光の波長よりも小さな開口部の近傍に発生する光を試料に照射して試料の観察をすることを特徴とする顕微鏡装置。

0009

上記構成を適用して近接場光源装置を構成することで、リング共振器の全反射によって共振器近傍の低屈折率部に生じるエバネセント波の拡がりを遮光膜とこれに設けた開口部で制限してスポットサイズの小さな光近接場を発生させることが可能となる。
また、浮上型光ヘッドを構成するに際しては、上記構成の近接場光源装置をスライダに搭載し、前記スライダを光記録媒体面上に浮上させて前記開口部近傍に発生する光で記録再生消去を行う光ヘッドを実現することができる。これにより、リング共振器の全反射によって共振器近傍の低屈折率部に生じるエバネセント波の拡がりを、遮光膜とこれに設けた開口部で制限してスポットサイズの小さな光近接場を発生させる光源を用い、これを搭載したスライダを光記録媒体面上に浮上・近接させることで、スポットサイズの小さな光近接場を記録媒体上に生じさせて記録再生消去を行うことが可能となる。同様に、上記開口部の近傍に発生する光で記録、再生を行う光学装置を実現することができる。
また、露光装置を構成するに際しては、上記構成の近接場光源装置をカンチレバーで支持して、ウェハステージに近接させ、該光源の開口部近傍に発生する光で露光を行う露光装置を実現することができる。これにより、フォトレジスト膜を塗布したウェハ上で回折限界以下の光スポットを2次元走査して、フォトレジスト膜を露光して、任意のパターンを形成することが可能となる。
また、顕微鏡装置を構成するに際しては、上記構成の近接場光源装置をカンチレバーで支持して試料台に近接させ、前記開口部近傍に発生する光を試料に照射して試料を観察する顕微鏡装置を実現することができる。これにより、回折限界以下の光スポットを試料上で2次元走査して、ここからの散乱光を検出することで、微細な構造を観察することが可能となる。

0010

つぎに、図1を用いて、本発明の実施の形態における近接場光源装置を説明する。図1は後述する本実施例の構成を示す図であり、図1において100は近接場光源装置、101はリング共振器型半導体レーザ、102は遮光膜である多層膜であり、誘電体膜103と金属膜104からなる。105は金属膜104に形成した微小な開口である。

0011

はじめに、遮光膜102のないリング共振器型半導体レーザについて簡単に説明する。リング共振器型半導体レーザの光共振器は、複数の直線光導波路とこれらを接続するコーナーミラーから構成される。図示したような正方形のリング共振器の場合、コーナーミラーへの入射角は45度となる。例えば AlGaAs/GaAs系の化合物半導体レーザの場合、導波モードの有効屈折率3.3に対して、半導体空気界面での全反射臨界角は17度となり、コーナーミラーへの入射角はこれよりも大きいので全反射となる。
共振器外へ放出される光が少なく損失が小さいので、低しきい値の半導体レーザを構成できる。このとき、全反射面の低屈折率側には、全反射面からの距離に対して指数関数的に減衰するエバネッセント場が発生する。

0012

次に、このような半導体リングレーザのようにコーナーミラー上に遮光膜としての多層膜がある場合について説明する。多層膜第1層である誘電体膜と半導体との界面で、先の例同様に全反射条件が満たされるときには、ここでの全反射によってエバネッセント場が発生する。多層膜第2層である金属膜104には、導波光のスポットサイズよりも小さなサイズの開口105が形成されている。この開口は、上記全反射にともなうエバネッセント場の拡がりを制限し、横方向の広がりの小さいエバネッセント場を、開口105の近傍に発生させることができる。

0013

図4は、後述する本発明の実施例における近接場光源装置を用いた記録再生用の浮上型光ピックアップの一部の構成をを示す図である。図4において、401は、光磁気ディスクまたは、微小ピット相変化記録などの光ディスクである。402はスライダであり、アーム(不図示)によってディスク401から所定の間隔だけ浮上して保持される。ここで、所定の間隔とは、概ね近接場光源装置の開口のサイズ以下である。スライダ402は、アクチュエータ(不図示)によって光ディスク401上の所定の範囲を往復運動する。

0014

スライダ402上には、近接場光源装置403が搭載されていて、近接場光源装置のリング共振器型半導体レーザがレーザ発振すると、光ディスク上に微小な光スポットが形成される。光ディスクの反射特性の変化は、微小開口を介して光共振器にふたたび結合する戻り光量を変化させる。光磁気ディスクの場合には、戻り光の偏波面の回転によって、レーザモードに結合する光量が変化する。この戻り光量の変化は、自己結合型光ピックアップ(SCOOP)として知られる原理によって検知することができる。すなわち、戻り光が光共振器に結合すると、半導体レーザ内の光強度が変動するので、これを検知する。光強度の変動は、別のコーナーミラー近傍に設けた受光素子で検出したり、半導体レーザの端子間電圧変動から検出することができる。

0015

【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
図1は、本発明の実施例1における近接場光源装置を示す図である。この図1によって、本実施例における近接場光源装置の形成方法駆動方法等について説明する。図1において100は本実施例における近接場光源装置、101はリング共振器型半導体レーザ、102は遮光膜である多層膜であり、誘電体膜103と金属膜104からなる。105は金属膜104に形成した微小な開口である。

0016

近接場光源装置100は以下のようにして作製した。はじめに、素子断面図 A−A’に示す半導体多層構造有機金属気相成長法によって成膜した。すなわち、n−GaAs基板111上に、n−AlGaAsクラッド層112、 AlGaAs/AlGaAs量子井戸活性層113、p−AlGaAsクラッド層114、p−GaAsキャップ層115を結晶成長した。フォトレジストを塗布し、マスクパタンを露光、現像してリング共振器形状のレジストパタンを形成した。

0017

塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングによって、p−クラッド層114の一部を除去してリング状のリッジ導波路を形成した。例えば、p−クラッドの残し厚を0.1μmとした。引き続いてコーナーミラー部のマスクパタンを再度形成して、活性層よりも1μm程度深くエッチングして、図B−B’断面に示すようにコーナーミラーを形成した。導波モードはリッジ幅よりも広がっているので、コーナーミラー幅はリッジ導波路の幅よりも大きくしている。誘電体膜116および103としてSiNxを成膜し、リッジ上部にのみコンタクト窓を開けた。このとき、コーナーミラー面上の誘電体膜103の厚さは100nmとした。Cr/Au を蒸着して、p−電極117および遮光膜第2層の金属膜104とする。また、Crは全面に形成し、Auは斜め蒸着を用いて、遮光膜第2層の金属膜は104はCrだけとした。

0018

ウェハの下側にはAuGe/Ni/Auを蒸着してn−電極110とする。水素雰囲気中でアロイ化して、p、nの電極と半導体の界面をオーミック接触とする。コーナーミラーの位置でウェハを劈開する。FIB加工によって、コーナーミラー上の金属膜104の一部を除去して、微細な開口を形成する。
p−電極117、n−電極110をレーザ駆動ドライバに接続して、発振しきい値電流を越えた一定電流で駆動すると、リング共振器型半導体レーザ101はレーザ発振した。

0019

本実施例のように全面を金属電極で覆った構成の素子の場合、レーザ発振しきい値は、電流Iと素子の微分抵抗dV/dIとをプロットしたI−dV/dIカーブキンクとして確認できる。あるいはまた、コーナーミラー部の電極の一部を除去して、光取り出し窓を形成すれば、コーナーミラーからの散乱光を遠視野まで取り出すことができる。このように光取り出し窓を形成した素子に対しては、通常の端面出射半導体レーザと同様に電流Iと光出力LとをプロットしたI−Lカーブの折れ曲がりとして、発振しきい電流を測定することができた。ただし、このときの光出力は全反射ミラーでの散乱光によるものであるため、通常の端面発光レーザの光出力と比べて1/1000程度ときわめて小さいものである。

0020

このようにして放出される光を、共振器内の光強度のモニタとして用いるために、図5に示すようにコーナーミラー近傍に受光素子503、504を配してもよい。また、図6に示すように、この受光素子 603、604を、同一基板上に集積して形成してもよい。

0021

このようにリング共振器型半導体レーザ101がレーザ発振しているときには、共振器内の光は右回りの光と左回りの光が共存している。この右回りの光と左回りの光はコーナーミラー部や導波路部での後方散乱によって結合している。また、コーナーミラー部ではこれらの光の全反射によってエバネセント波が生じるが、コーナーミラー面に沿った横方向の広がりは、開口によって制限される。こうして、開口近傍にのみ光近接場が生じる。開口の形状は、円形、あるいは細長いスリット状でもよい。例えば、光ディスクの読み取りに用いる光源では、このスリットの長さは、光ディスク上のトラック間隔より小さくしておけばよい。

0022

さらに、レーザモードの偏波TEモード電界ベクトル基板に平行)のとき、エバネセント場の電界ベクトルも基板に平行になるので、スリット状微小開口の長手方向を、基板に垂直とすることで、微小スリットを透過する光量を大きくすることができる。
この実施例では、AlGaAs/GaAs系の半導体レーザによる例を示したが、波長400nm前後のInGaN/GaN系、波長650nm帯のGaInP/GaAs系、980nm帯のInGaAs/GaAs系、1.3 〜1.55μm帯のInGaAsP/InP系、GaInNAs/GaAs系等どのような材料による半導体レーザであってもよい。

0023

[実施例2]
図2は、本発明の実施例2における近接場光源装置を示す図である。
図2において、200は本実施例による近接場光源装置、201はリング共振器型半導体レーザ、202は遮光膜である多層膜であり、誘電体膜203と金属膜204からなる。205は金属膜204に形成した微小な開口である。

0024

リング共振器型半導体レーザ素子201は以下のようにして作製した。はじめに、素子断面図A−A’に示す半導体多層構造を有機金属気相成長法によって成膜した。すなわち、n−GaAs基板211上に、n−AlGaInPクラッド層212、GaInP/AlGaInP量子井戸活性層213、p−AlGaInPクラッド層214、p−GaAsキャップ層215を結晶成長した。フォトレジストを塗布し、マスクパタンを露光、現像してリング共振器形状のレジストパタンを形成した。この実施例ではリング共振器の形状を円形とした。円形導波路の外側は、活性層よりも1μm程度深くエッチングした。一方円形導波路の内側は、上側クラッド層の一部を残した浅いエッチングとして、電流狭窄および屈折率導波構造とした。

0025

誘電体膜216、203としてSiNxを成膜し、リッジ上部にのみコンタクト窓を開けた。Cr/Auによるp−電極217、AuGe/Ni/Auによるn−電極210などの構成は実施例1と同様である。水素雰囲気中でアロイ化して、p、nの電極と半導体の界面をオーミック接触とする。円形導波路に接する位置でウェハを劈開し、FIB加工によって、コーナーミラー上の金属膜204の一部を除去して、微細な開口を形成する。

0026

本実施例の円形導波路は、外周の空気/半導体界面だけではなく、内周リッジ構造による屈折率差によっても導波される円形リング共振器とした。ここで、外周の空気/半導体界面では、実施例1と同様に全反射にともなうエバネセント波が生じている。このエバネセント場の広がりを開口によって制限して、開口近傍にのみ光近接場が生じる。

0027

また、円形導波路の直径を小さくしていくと、外周の空気/半導体界面のみで導波されるウィスパリングギャラリモードによるリング共振器を形成することができる。この場合も、半導体レーザの低しきい値化のためには、上に述べたようなリッジ構造による電流狭窄が有効である。ウィスパリングギャラリモードで動作するリング共振器型半導体レーザにおいても、外周の空気/半導体界面では、全反射にともなうエバネセント波が生じているので、このエバネセント場の広がりを開口によって制限して、開口近傍にのみ光近接場を生じさせることができる。

0028

[実施例3]
図3は、本発明の実施例3における近接場光源装置を示す図である。
図3において、300は本実施例による近接場光源装置、301はリング共振器型半導体レーザ、302は遮光膜である多層膜であり、誘電体膜303と金属膜304からなる。305は金属膜304に形成した微小な開口である。

0029

この実施例は、実施例1及び実施例2と同様の層構成からなるリング共振器型半導体レーザであるが、リング共振器の形状が異なっていて、近接場光を発生するコーナーミラーでの入射角が小さくなり、半導体/誘電体膜界面が全反射条件を満たさない。ここでは、正三角形のリング共振器のコーナーミラー上に、誘電体膜として屈折率1.95のSiNx膜を形成している。例えば半導体層等価屈折率が3.3の場合、半導体/誘電体界面での全反射臨界角は36度となり、コーナーミラーへの入射角30度よりも大きくなる。このとき、コーナーミラーに入射する光の大部分は半導体/誘電体界面で反射されるが、一部は伝播光として誘電体膜303中に進入し、誘電体/金属界面で反射される。

0030

また、微小開口部では一部の光が開口を通り抜ける。実施例1では全反射界面からエバネセント場となっているので、この誘電体膜が波長と比べて薄い必要があった。一方、本実施例では、誘電体膜303の厚さについてのこのような制約は、緩められる。ただし、コーナーミラーの反射率は、半導体/誘電体界面での反射と誘電体/金属界面での反射を重ねあわせたものであり、誘電体膜厚を増やしていくにつれて、コーナーミラー反射率が低減していく傾向があるので、誘電体303の膜厚は100から200nm程度で、少なくとも波長よりも薄いことがのぞましい。

0031

また、金属の微小開口部を通り抜けた光は、開口近傍のみに光近接場を生じる。半導体/誘電体界面が全反射条件を満たす場合と本実施例を比較すると、コーナーミラーの反射率が低下することで半導体レーザのしきい値は上昇するが、一方、伝播光が誘電体膜中まで進入することで、近接場光の強度が強められる。これらの違いは、実施例1では、半導体/誘電体界面エバネセント場の減衰がはじまるのに対して、本実施例では誘電体/金属界面から近接場の減衰がはじまる、という光の振る舞いの差異によっている。

0032

[実施例4]
図4は、本発明の実施例4における光ヘッドを示す図である。
図4において、401は、光磁気ディスクまたは、微小ピット、相変化記録などの光ディスクである。402はスライダであり、アーム(不図示)によってディスク401から所定の間隔だけ浮上して保持される。ここで、所定の間隔とは、概ね近接場光源装置の開口のサイズ以下である。スライダ402は、アクチュエータ(不図示)によって光ディスク401上の所定の範囲を往復運動する。スライダ402上には、近接場光源装置403が搭載されていて、リング共振器型半導体レーザをレーザ発振させると、光ディスク上に微小な光スポットを形成する。

0033

光ディスク401の反射特性の変化は、微小開口をとおして光共振器に戻る光量を変化させる。光磁気ディスクの場合には、戻り光の偏波面の回転によって、レーザモードに結合する光量が変化する。この戻り光量の変化は、自己結合型光ピックアップ(SCOOP)として知られる原理によって検知することができる。すなわち、戻り光によって半導体レーザ内の光強度が大幅に変化するのでこれを検知する。光強度の変動は、近接場光を発生するコーナーミラーとは別のコーナーミラー近傍に設けた受光素子で検出したり、半導体レーザの端子間電圧変動から検出することができる。後者のように端子間電圧変動から光強度変動を検出する場合には、半導体レーザを定電流駆動しておいて、このときの端子間電圧を直接モニタすればよい。あるいはカップリングコンデンサを介して変動成分だけをモニタしてもよい。

0034

また図5は、上記目的のためにコーナーミラー近傍に受光素子を設けた近接場光源装置を示す。501は、本実施例による近接場光源装置であり、502 は光取り出し用のコーナーミラー部であり、503と504は受光素子、505は誘電体膜、506は金属膜である。

0035

コーナーミラー502は、これまで述べてきた近接場光源装置と同様の全反射ミラーであるが、ミラー面上には誘電体膜505だけを形成し、金属膜506は形成していない。そこで、図中矢印の方向にコーナーミラー面から放射される散乱光が、受光素子503、504へ届くように、ミラー近傍を幅広くエッチングして除去し、また、C−C’断面図に示すように、ミラー近傍で基板を除去している。戻り光による半導体レーザ内の光強度の変化は、受光素子503、504に到達する光量の変化として検出することができるので、光ディスク501上に反射率の変化として記録された情報を、光量の変化として読み出すことができる。

0036

図6は、コーナーミラー近傍の受光素子をリング共振器型半導体レーザと集積した近接場光源装置を示す。601は、本実施例による近接場光源装置であり、602は光取り出し用のコーナーミラー部であり、603と604は受光素子である。
受光素子603、604はリング共振器型半導体レーザと同様の層構成からなっている。コーナーミラー形成と同時にエッチングによって、活性層の下までを除去しており、基板を活性層およびそれより上部は電気的に分離されている。活性層のp−n接合に対して逆バイアス印加し、pin受光素子としてコーナーミラーから放射される光を検出する。受光素子を集積することで、部品点数を減らし、組立工程を簡略化することができる。

0037

[実施例5]
図7は、本発明の実施例5におけるる露光装置を示す図である。
図7において、701は本発明による近接場光源装置、702はカンチレバー、703はウェハステージ、704はピエゾ素子、705は位置検出用半導体レーザ、706は2分割センサ、707はウェハ、708はウェハ上のレジスト膜である。

0038

近接場光源装置701の微小開口近傍の近接場光に感光するレジスト薄膜708がウェハ707上に塗布されている。近接場光源装置701は、カンチレバー702に搭載されており、ピエゾ素子704によって、ウェハステージ703およびその上に載せたウェハ表面のレジスト膜708からの距離を制御できる。この距離は、位置検出用半導体レーザ705からのレーザ光をカンチレバー702の先端近傍に照射し、その反射光を2分割センサ706で受光する、光てこの原理によって制御した。

0039

ウェハ707を載せたウェハステージ703が2次元方向に走査するタイミングにあわせて、近接場光源装置701の駆動電流を制御して近接場光をOn/Offさせることで、所望のレジストパタンを形成することができる。

0040

[実施例6]
図8は、本発明の実施例6におけるる顕微鏡を示す図である。
図8において、801は本実施例による近接場光源装置、802はカンチレバー、803は試料ステージ、804はピエゾ素子、805はレンズ、806は干渉フィルタ、807は光検出器、808は試料である。
近接場光源装置801の微小開口近傍の光近接場を試料のおもて面側から照射し、試料からの反射散乱光をレンズ805で集光し、干渉フィルタ806を介して光検出器807で検出する、いわゆる反射型斜方光検出構成のSNOMである。近接場光源装置801は、カンチレバー802に搭載されていて、ピエゾ素子804によって、ウェハステージ803およびその上に載せた試料808からの距離を制御できる。

0041

微小開口から滲み出す光近接場の強度は開口からの距離に対して指数関数的に減少するので、試料表面に対して光プローブ先端を100nm以下の距離に近づけたうえで、一定の距離に保つように制御を行う必要がある。このための距離制御方式として、例えば、つぎの(1)〜(2)ような方式がある。
(1)試料面の法線方向と垂直な方向に光プローブを微小振動させ、光プローブ先端が試料表面から受けるファンデルワールス力による振動振幅の減少を一定にするように距離制御を行うシアーフォース方式。
(2)光プローブを試料面の法線方向に弾性変形可能な弾性体で支持し、光プローブ先端と試料表面との間に作用するファンデルワールス力により生じる弾性体の弾性変形量が一定になるように距離制御を行うAFM方式。

発明を実施するための最良の形態

0042

このような方法で、光プローブと試料との間の距離制御を行った状態で、試料808を取り付けた2次元ステージ803を駆動し、近接場光源装置801にたいして2次元相対走査を行う。2次元走査中の各位置における光検出器807からの信号の大きさをマッピングし、試料表面の近接場光学顕微鏡像を得る。

図面の簡単な説明

0043

本発明によれば、効率よく光近接場を生成し、低しきい値動作をすることができ、戻り光との結合効率を向上させることが可能となる近接場光源装置、該近接場光源装置を有する光ヘッド、光学装置、露光装置、顕微鏡装置を実現することができる。

図1
本発明の実施例1における近接場光源装置を説明するための図。
図2
本発明の実施例2における近接場光源装置を説明するための図。
図3
本発明の実施例3における近接場光源装置を説明するための図。
図4
本発明の実施例4における光ヘッドを示す図。
図5
本発明の実施例における記録再生用の浮上型光ピックアップに用いる近接場光源装置の平面図。
図6
本発明のの実施例における記録再生用の浮上型光ピックアップに用いる近接場光源装置の平面図。
図7
本発明の実施例5における近接場光源装置を用いた露光装置の構成を示す図。
図8
本発明の実施例6における近接場光源装置を用いた顕微鏡の構成を示す図。
図9
従来例における近接場光源装置を示す図。
図10
従来例における近接場光源装置を示す図。
図11
従来例における近接場光源装置を示す図。
【符号の説明】
101、201、301:リング共振器型半導体レーザ
102、202、302:遮光膜
103、203、303:誘電体膜
104、204、304:金属膜
105、205、305:開口
401:光ディスク
402:スライダ
403、701、801:近接場光源装置

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