DE69928474T2 - Optiche sonde für nahfeld-messungen - Google Patents

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Nobuyuki Chiba-shi KASAMA
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Nahfeldsonde, die zur Wiedergabe und zur Aufzeichnung von Informationen in hoher Dichte unter Verwendung eines Nahfelds fähig ist, und im Besonderen optische Nahfeldsonden, die in einer Anordnung hergestellt sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Mit dem üblicherweise zum Beobachten der charakteristischen Lichtverteilung von Proben verwendeten Lichtmikroskop kann wegen der Beugungsgrenze des zur Beleuchtung der Probe verwendeten sichtbaren Lichts, d.h. des sich fortpflanzenden Lichts, keine strukturelle Beobachtung mit einem Auflösungsvermögen von weniger als der Hälfte der eigenen Wellenlänge durchgeführt werden. Folglich liegt beim Lichtmikroskop eine Begrenzung der Mindesteinheit für die Analyse einer Probenstruktur auf einige hundert Nanometer vor. Da aber Bilder als erweiterte visuelle Beobachtungen erhalten werden können, wurde eine Vereinfachung der Analyse und eine Vereinfachung der Mikroskop-Struktur erreicht.
  • Beim Elektronenmikroskop hingegen, mit dem eine Beobachtung einer Probenoberfläche mit höherem Auflösungsvermögen möglich ist, traten aufgrund der Bestrahlung der zu beobachtenden Probenoberflächen mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl Beschädigungen von Proben und Tendenzen hin zu größeren und komplexeren Mikroskopen auf.
  • Mit dem Raster-Tunnelmikroskop (STM), das zum Erzeugen von Bildern mit noch höherer Auflösung imstande ist, oder dem Rastersondenmikroskop (SPM), etwa einem Rasterkraftmikroskop (AFM) können atomare und molekulare Abbildungen der Probenoberfläche erhalten werden, und auch die Größe der das Mikroskop bildenden Einheiten konnte verringert werden. Allerdings erfolgt die Detektion der gewünschten physikalischen Größe durch eine Wechselwirkung, etwa einem Tunnelstrom oder atomarer Kraft, zwischen einer Sonde und der Probenoberfläche.
  • Die erhaltene Auflösung des Bilds der geometrischen Fläche hängt somit von der Form der Sondenspitze ab.
  • In diesem Zusammenhang wird nun dem optischen Nahfeldmikroskop Aufmerksamkeit geschenkt, das das sich fortpflanzende Licht benutzt und die zwischen einer Sonde und einem Probenoberflächen-Nahfeld auftretende Wechselwirkung detektiert, wodurch die Beugungsgrenze des Fortpflanzungslichts, auf die man mit den obgenannten Lichtmikroskopen stößt, durchbrochen wird, wobei es die Struktur einer SPM-Vorrichtung übernimmt.
  • Beim optischen Nahfeldmikroskop verursacht eine Sonde mit einer mikroskopischen Apertur, die kleiner als die Wellenlänge des zur Beobachtung verwendeten Fortpflanzungslichts ist, die Streuung in einem Nahfeld, das in an einer mit Licht bestrahlten Probenoberfläche vorhanden ist. Durch die Detektion des Lichtstreuung wird eine Beobachtung in einem kleineren mikroskopischen Bereich möglich, welche das Auflösungsvermögen der Lichtmikroskopbeobachtung übertrifft. Durch einen Wellenlängendurchlauf des auf die Probenoberfläche gestrahlten Lichts ist die Beobachtung der optischen Eigenschaften einer Probe in einem mikroskopischen Bereich möglich.
  • Üblicherweise wird in einem optischen Nahfeldmikroskop eine faseroptische Sonde verwendet, bei der in einer Spitze der optischen Faser eine mikroskopische Apertur durch Schärfen und Beschichten im Umfangsbereich ausgebildet ist. Das durch die Wechselwirkung mit einem Nahfeld erzeugte Streulicht wird durch das Sondeninnere hindurch in einen Lichtdetektor eingebracht.
  • Zudem wird Licht durch die optische Fasersonde hindurch zur Probe geführt, um an einem Spitzenabschnitt der optischen Fasersonde ein Nahfeld zu erzeugen. Es ist ferner möglich, hier das Streulicht, das durch eine Wechselwirkung zwischen dem Nahfeld und der mikroskopischen Oberflächenstruktur der Probe erzeugt wird, unter Verwendung eines zusätzlich bereitgestellten Lichtsammelsystems in den Lichtdetektor einzubringen.
  • Abgesehen von der Verwendung als Mikroskop ist es zusätzlich möglich, lokal ein hoch energetisches, dichtes Nahfeld an einer Probenoberfläche zu erzeugen, indem Licht durch die faseroptische Sonde zur Probe geführt wird. Dadurch kann eine Änderung der Struktur oder einer Eigenschaft der Probenoberfläche bewirkt und ein hochdichter Speicher bereitgestellt werden. In einem solchen Fall kann die aufgezeichnete Information durch Erzeugen einer Modulation der Wellenlänge oder der Intensität des Lichts, das beim obgenannten Nahfeld-Detektionsverfahren auf die Probe gestrahlt wird, aufgezeichnet/wiedergegeben werden.
  • Als Sonde, die für ein optisches Nahfeldmikroskop verwendet werden soll, wurde eine optische Sonde mit Ausleger vorgeschlagen, in dem ein ein Siliciumsubstrat durchdringender Aperturabschnitt mithilfe von Halbleiter-Herstellungstechnologien, etwa durch Photolithographie, ausgebildet ist, ein Isolierfilm an einer Oberfläche des Siliciumsubstrats ausgebildet ist und eine konisch geformte Lichtwellenleiterschicht an einer dem Aperturabschnitt gegenüberliegenden Seite auf dem Isolierfilm ausgebildet ist, so wie beispielsweise im US-Patent Nr. 5.294.790 geoffenbart ist. Mit dieser optischen Auslegersonde ist es möglich, Licht durch die ausgebildete mikroskopische Apertur zu übertragen, indem eine optische Faser in den Aperturabschnitt eingeführt und die Flächen unter Aussparung des Spitzenabschnitts der Lichtwellenleiterschicht mit einem Metallfilm beschichtet werden.
  • Außerdem ist der Aperturabschnitt der optischen Auslegersonde mit einer Kugellinse oder einem linsenbildenden Harz versehen, um das Licht aus der eingeführten optischen Faser an der Spitze der Lichtwellenleiterschicht zu sammeln.
  • Heute ist bereits eine Lichtwellenleiter-Auslegersonde bekannt, die anstelle einer in die optische Auslegersonde eingeführten optischen Faser wie im obgenannten US-Patent Nr. 5.294.790 einen Lichtwellenleiter verwendet. Beispielsweise umfasst der im US-Patent Nr. 5.354.985 geoffenbarte Ausleger eine Struktur mit einer Kondensatorschicht, die ausgebildet im, um die AFM-Technologie in Verbindung mit einem Lichtwellenleiter zu verwenden, um Licht in eine Apertur einzuführen, sodass der Ausleger als Schwingungs- und Biegegröße detektiert werden kann.
  • Ferner wird gemäß der Lichtwellenleiter-Auslegersonde Laserlicht auf eine Auslegeroberfläche gestrahlt. Hier werden weder die oben erwähnte Kondensatorschicht noch eine piezoelektrische Widerstandsschicht ausgebildet, sodass die AFM-Technologie der Detektion des Auslegerbiegeausmaßes durch die Reflexionsposition angewendet wird. Zudem ist eine konkav geformte Linse oder eine Fresnelsche Zonenplatte am Lichtwellenleiter in Aperturrichtung ausgebildet, und vom Lichtwellenleiter ausgesendetes Licht kann zur Apertur hin gesammelt werden.
  • Außerdem wurde vorgeschlagen, eine Sonde mit flacher Oberfläche zu verwenden, ohne wie die obgenannte Sonde eine scharfe Spitze aufzuweisen. Die Sonde mit flacher Oberfläche weist eine Apertur in der Form einer umgekehrten Pyramide auf, die durch anisotropes Ätzen in einem Siliciumsubstrat ausgebildet ist. Im Besonderen ist hier der Scheitel durchbohrt, mit einem Durchmesser von einigen Dutzend Nanometern. Solche flache Planarsonden können durch die Anwendung von Halbleiter-Herstellungstechnologien einfach in größerer Anzahl auf ein und demselben Substrat ausgebildet, d.h. als Anordnung gefertigt werden. Im Besonderen ist es möglich, eine optischen Kopf zu verwenden, der zur optischen Speicherwiedergabe und -aufzeichnung unter Verwendung des Nahfelds geeignet ist. Durch Anbringen der oben erwähnten Kugellinse in einem Aperturabschnitt dieser flachen Planarsonde ist es möglich, das auf eine flache Planarsondenoberfläche einfallende Licht an einem Spitzenabschnitt der Apertur zu sammeln.
  • Allerdings weist die oben erörterte optische Fasersonde eine scharfe Spitze auf, wodurch ihre mechanische Festigkeit unzulänglich und die Sonde nicht für die Massenherstellung und Bildung von Anordnungen geeignet ist. Da das durch die Störung eines Nahfelds erhaltene Streulicht sehr schwach ist, muss etwas erdacht werden, um am Detektionsabschnitt eine ausreichende Menge an Licht zu erhalten. Auch bei der Erzeugung eines ausreichend großen Nahfelds durch eine optische Faser bedarf es Überlegungen hinsichtlich des Sammelns von Licht an der Apertur.
  • Auch kann sich bei der oben beschriebenen optischen Auslegersonde keine ausreichend große Menge an Licht ohne Verluste zwischen dem Lichtwellenleiter und der optischen Faser fortpflanzen, da eine optische Faser im Aperturabschnitt eingeführt ist, um den Empfang des Streulichts vom Lichtwellenleiter oder die Einführung des Fortpflanzungslichts in den Lichtwellenleiter zu erzielen.
  • Ist eine Kugellinse im Aperturabschnitt bereitgestellt, so kann diese Kugellinse nicht notwendigerweise den Brennpunkt auf eine Lichteinfalls-/-aussendungsoberfläche des Spitzenabschnitts der optische Faser oder des Lichtwellenleiters einstellen, wodurch eine optimale Sammlung des Lichts unmöglich wird.
  • Bei der zuvor erwähnten Lichtwellenleitersonde mit Ausleger stellt sich ein ähnliches Problem zwischen dem Fortpflanzungslicht zum Lichtwellenleiter und dem optischen Detektor oder dem Licht aus einer Lichtquelle, wie auch bei der Verwendung einer oben beschriebenen optischen Auslegersonde.
  • Sowohl die optische Auslegersonde als auch die Lichtwellenleiter-Auslegersonde sind nur schwer als zweidimensionale Anordnung auszuführen. Auch steht hier augrund des eigentlichen Verwendungszwecks als Mikroskop der Einsatz für die Aufzeichnung/Reproduktion von optischer Speicherinformation nicht zur Debatte.
  • Die oben erläuterte flache Planarsonde ist zur Massenherstellung und Bildung von Anordnungen geeignet. Da hier kein zugespitzter Abschnitt vorsteht, ist die mechanische Festigkeit ausreichend. Da Licht aber mithilfe einer im Aperturabschnitt bereitgestellten Kugellinse gesammelt wird, stellt sich ein ähnliches Problem wie bei der Verwendung der Kugellinse in der Lichtwellenleiter-Auslegersonde.
  • Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Sonde bereitzustellen, die zur Detektion und zur Erzeugung einer ausreichenden Intensität eines Nahfelds fähig ist, und zwar in einer Sonde mit einer oben beschriebenen herkömmlichen mikroskopischen Apertur, insbesondere einer optischen Sonde, die als optischer Speicherkopf für die Massenherstellung und die Bildung von Anordnungen geeignet ist, um die Aufzeichnung/Reproduktion von optischer Speicherinformation unter Verwendung eines Nahfelds zu ermöglichen.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine optische Nahfeldsonde mit einer mikroskopischen Apertur zur Erzeugung/Streuung eines Nahfelds bereitgestellt, wobei die optische Nahfeldsonde Folgendes umfasst:
    ein flaches Oberflächensubstrat mit einem invers konischen oder pyramidenförmigen Loch, das dieses durchdringend ausgebildet ist, sodass dessen Scheitelabschnitt als die mikroskopische Apertur gefertigt ist und sodass kein Vorsprung in der Umgebung der mikroskopischen Apertur vorliegt;
    und wobei die Sonde ferner Folgendes umfasst:
    eine auf dem Substrat bereitgestellte planare Linse mit einer mikroskopischen Linse;
    eine Lichtquelle zur Aussendung von Licht an die planare Linse oder einen optischen Detektor zum Sammeln des durch die mikroskopische Apertur tretenden Lichts;
    worin die flache planare Linse in der flachen Platte (Substrat 1) an einer Oberfläche angeordnet ist, die einer Oberfläche, an der die mikroskopische Apertur ausgebildet ist, gegenüberliegt, um einen Brennpunkt der Linse an der mikroskopischen Apertur festzulegen;
    und worin die Lichtquelle oder der optische Detektor oberhalb einer Oberfläche der planaren Linse angeordnet ist.
  • Demzufolge kann von der Lichtquelle ausgesendetes Licht durch die Wirkung der oberhalb der mikroskopischen Apertur positionierten planaren Linse effizient an der mikroskopischen Apertur gesammelt werden. Somit ist eine optische Sonde bereitgestellt, die ein zu erzeugendes Nahfeld vergrößern kann, aber eine kompakte Struktur aufweist.
  • Bei der optischen Nahfeldsonde gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das flache Oberflächensubstrat eine Vielzahl mikroskopischer Aperturen aufweist, dass die planare Linse eine Vielzahl mikroskopischer Linsen aufweist, um an die Vielzahl von mikroskopischen Aperturen angepasst zu sein, und dass die Lichtquelle zumindest eine ist, die für die Vielzahl mikroskopischer Linsen geeignet ist.
  • Demzufolge kann von der Lichtquelle ausgesendetes Licht durch die Wirkung einer Vielzahl an oberhalb der Vielzahl mikroskopischer Aperturen positionierten planaren Linsen effizient an der mikroskopischen Apertur gesammelt werden. Wird nun die optische Nahfeldsonde gemäß der vorliegenden Erfindung als optischer Speicherkopf verwendet, so ist eine optische Sonde bereitgestellt, die zur Aufzeichnung/Wiedergabe von Informationen ohne Notwendigkeit einer Hochgeschwindigkeitsabtastung der Sonde fähig ist.
  • Bei einer optischen Nahfeldsonde gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die planare Linse einen Gradientenbrechungsindex aufweist.
  • Es ist demnach möglich, eine optische Sonde mit kompakter Struktur bereitzustellen, die einen Linsenabschnitt in flacher, planarer Form als planare Linse aufweist, die oberhalb der mikroskopischen Apertur angeordnet ist und für die Massenproduktion geeignet ist.
  • Es ist weiters bevorzugt, dass die planare Linse eine Oberfläche aufweist, die teilweise als Kugellinsenoberfläche gefertigt ist.
  • Demzufolge ist es möglich, eine optische Sonde mit kompakter Struktur bereitzustellen, deren mikroskopischer Linsenabschnitt imstande ist, als oberhalb der mikroskopischen Apertur angeordnete planare Linse die Wirkung einer gewöhnlichen Linsenform auszuüben, und die für die Massenproduktion geeignet ist.
  • Bei der die planaren Linse handelt es sich gegebenenfalls um eine das Prinzip der Beugung verwendende Linse.
  • Daher ist es möglich, eine optische Sonde mit kompakter Struktur bereitzustellen, deren Linsenabschnitt mit flacher Oberfläche als eine oberhalb der mikroskopischen Apertur angeordnete planaren Linse dient und die für die Massenproduktion geeignet ist.
  • Zudem kann die planare Linse im Inneren des invers konischen oder pyramidenförmigen Loches angeordnet sein.
  • Daher ist es möglich, eine optische Sonde mit kompakter Struktur bereitzustellen, deren Linse unmittelbar vor der mikroskopischen Apertur positioniert ist und die für die Massenproduktion geeignet ist.
  • Weiters verfügt die optische Nahfeldsonde gemäß der vorliegenden Erfindung über einen Lichtdetektor zur Detektion des an der mikroskopischen Apertur gestreuten Streulichts, und durch die Wirkung der oberhalb der mikroskopischen Apertur angeordneten Linse oder Lichtsammelschicht kann das von der mikroskopischen Apertur ausgesendete Streulicht am Lichtdetektor effizient gesammelt werden. Somit kann eine optische Sonde breitgestellt werden, mit der die Detektion des Streulichts erhöht werden kann, die aber eine kompakte Struktur aufweist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
  • Die 2A, 2B, 2C und 2D sind Ansichten zur Erläuterung eines Verfahrens der Herstellung einer planaren Mikrolinse gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde, die in Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung mit einer Fresnelschen Zonenplatte versehen ist;
  • 5 ist eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde, die in Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung mit einer holographischen Linse versehen ist;
  • 6 ist eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung;
  • 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde, die eine Ausleger-Lichtwellenleitersonde verwendet, als nicht beanspruchtes Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung; und
  • 8 zeigt eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde, die eine optische Auslegersonde verwendet, als nicht beanspruchtes Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
  • Hier werden in Folge Ausführungsformen von optischen Nahfeldsonden gemäß der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen detailliert dargelegt.
  • [Ausführungsform 1]
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde gemäß der Ausführungsform 1.
  • In 1 verfügt ein Siliciumsubstrat 1 mit einer Apertur 3 über eine planare Mikrolinse 5, wobei zusätzlich ein oberflächenemittierender Laser 4 an der planaren Mikrolinse bereitgestellt ist.
  • Das Siliciumsubstrat 1 ist mit einem verjüngten Abschnitt 2 versehen, der dieses durchdringt, um eine mikroskopische Apertur 3 bereitzustellen. Die Apertur 3 weist einen Durchmesser von beispielsweise 50 Nanometern auf, sodass durch das durch den verjüngten Abschnitt 2 eingebrachte Licht ein Nahfeld erzeugt werden kann. Der verjüngte Abschnitt 2 wird mikrolithographisch unter Einsatz der Photolithographie oder anisotroper Siliciumätzung ausgebildet. Beispielsweise wird ein Siliciumsubstrat 1 mit einer (100)-Ebene an beiden Oberflächen durch thermische Oxidfilme oder Au/Cr-Metallfilme als Masken für eine später ausgeführte anisotrope Ätzung gebildet. Die Maske an einer der beiden Oberflächen wird von dem Abschnitt, der das Aperturfenster bilden soll, entfernt, wodurch die (100)-Ebene freigelegt wird. Danach wird die mit dem Aperturfenster versehene Oberfläche einer Ätzlösung ausgesetzt, um eine vierwandige Verjüngung einer inversen Pyramidenkonfiguration im Siliciumsubstrat 1 auszubilden. Gleichzeitig wird die Rückseite der Maske an der anderen Oberfläche ausgesetzt, sodass seine Spitze zu einer Apertur 3 geformt wird. Nun werden die Maskenmaterialien an beiden Oberflächen des Siliciumsubstrats 1 entfernt, wodurch ein Siliciumsubstrat 1 mit der gewünschten Apertur 3 und mit dem verjüngten Abschnitt 2 erhalten wird.
  • Da die mikroskopische Apertur mit einer für die Halbleiterherstellung angewendetem Technologie wie der obgenannten ausgebildet werden kann, kann ein Siliciumsubstrat mit einer derartigen Struktur als Planarsonde verwendet werden, die zur Schaffung eines Nahfelds fähig und die für die Massenproduktion mit hoher Reproduzierbarkeit geeignet ist. Im Besonderen wird das Bilden von Anordnungen erleichtert, bei denen eine Vielzahl an Aperturen auf ein und demselben Siliciumsubstrat ausgebildet werden.
  • Die planare Mikrolinse 5 weist einen Gradientenindex auf, sodass der Brechungsindex von einer Oberfläche der Platte zur anderen Oberfläche kontinuierlich variiert, und fungiert als Linse, die zum Sammeln oder Bündeln des auf eine Oberfläche der Platte einfallenden Lichts an der anderen Oberflächenseite imstande ist.
  • Die planare Mikrolinse mit Gradientenindex kann in größerer Anzahl auf ein und derselben flachen Platte ausgebildet werden und ist für die obgenannten Anordnungen von Aperturen auf dem Siliciumsubstrat geeignet.
  • Die 2A, 2B, 2C und 2D zeigen ein Verfahren der Herstellung einer planaren Mikrolinse 5 mit Gradientenbrechungsindex. Zuerst wird, wie 2A zu entnehmen ist, ein Metallfilm 22 durch Vakuumbedampfung oder Sputtern auf einem Glassubstrat 21 ausgebildet. Danach werden, wie in 2B dargestellt ist, durch Photolithographie kreisrunde Aperturen 23 ausgebildet. Wie in 2C veranschaulicht ist, wird dieses Glassubstrat nun in eine Salzschmelze gelegt, um einen selektiven Ionenaustausch zu bewirken. Hierbei werden jene Ionen mit hoher elektronischer Polarisierbarkeit als die Ionen selektiert, die in das Glassubstrat diffundiert werden. Die auf die runden Aperturen 23 eingeschränkte Diffusion sorgt für eine dreidimensionale Verteilung der Konzentration, die zum Umfangsrand der Aperturen hin fortschreitet und dort einen dazu proportionalen Gradientenbrechungsindex verursacht. So wird eine Vielzahl an Linsen, wie in 2D dargestellt, erzeugt. Jede dieser Linsen ist eine Linse mit einem punktsymmetrischen, halbkugelförmig verteilten Brechungsindex, wobei der höchste Brechungsindex im Mittelpunkt der kreisrunden Apertur vorliegt.
  • Die planare Mikrolinse 5 wird nun am Siliciumsubstrat 1 angebracht, sodass das auf die planare Mikrolinse 5, die eine Vielzahl an Linsenabschnitten umfasst, einfallende Licht an den entsprechenden Aperturen des obgenannten Siliciumsubstrats gesammelt wird. Nun werden das Siliciumsubstrat 1 und die planare Mikrolinse 5 beispielsweise unter Verwendung eines organischen Klebers laminiert.
  • Allerdings muss es sich beim Herstellungsverfahren für die planare Mikrolinse 5 nicht unbedingt um das oben erwähnte Verfahren des selektiven Ionenaustauschs handeln, sondern es können auch andere Methoden, etwa eine CVD-Technik, angewendet werden.
  • Als Lichtquelle ist ein oberflächenemittierender Laser 4 an einer Oberfläche der planaren Mikrolinse 5 bereitgestellt, d.h. an der Oberfläche, auf die das Außenlicht einfällt. Das vom oberflächenemittierenden Laser ausgesendete Licht fällt in die planare Mikrolinse 5. Durch den Gradientenindex der planaren Mikrolinse 5 ist die Wirkung auf das einfallende Licht ähnlich wie beim Einfallen in eine Linse, und dieses Licht wird an der unterhalb der planaren Mikrolinse 5 angeordneten Apertur 3 des Siliciumsubstrats 1 gebündelt. Durch das Sammeln des Lichts wird lokal hochenergetisches Licht gesammelt, um die Intensität des in der Apertur erzeugten Nahfelds zu erhöhen.
  • Nun wird ein Verfahren zur Durchführung einer optischen Aufzeichnung mittels in einer Apertur 3 erzeugten Nahfelds erklärt, worin eine mit einem Siliciumsubstrat 1 überdeckte Struktur, eine planare Mikrolinse 5 und ein oberflächenemittierender Laser 4 als Kopf für einen optischen Speicher auf einem Aufzeichnungsmedium platziert werden.
  • Ein plattenförmiges, flaches Substrat wird beispielsweise als Aufzeichnungsmedium verwendet, auf dem der als Anordnung ausgebildete optische Speicherkopf platziert wird. Um ein in der Apertur des optischen Speicherkopfs auf dem Aufzeichnungsmedium erzeugtes Nahfeld nutzen zu können, müssen die Apertur und das Aufzeichnungsmedium bis zu einem dem Durchmesser der Apertur entsprechenden Abstand angenähert werden. Deshalb wird ein Schmiermittel zwischen dem optischen Speicherkopf und dem Aufzeichnungsmedium eingebracht, um einen ausreichend dünnen optischen Speicherkopf zu bilden, wobei der Abstand zwischen dem optischen Speicherkopf und dem Aufzeichnungsmedium durch die Nutzung der Oberflächenspannung des Schmiermittels ausreichend klein gehalten werden kann. Auch ist es möglich, Durchbiegungen des Aufzeichnungsmediums nachzuzeichnen.
  • Dieser Zustand der räumlichen Nähe zwischen dem optischen Speicherkopf und dem Aufzeichnungsmedium kann anstelle des obigen Schmiermittels auch mithilfe eines Luftkissens reguliert werden, ähnlich wie einem in der Festplattentechnologie verwendeten Schwebekopf.
  • Wird als Material für das Aufzeichnungsmedium beispielsweise ein Material, das für ein Phasenänderungs-Aufzeichnungsverfahren verwendet wird, so verwendet der Aufzeichnungsvorgang einen Lichtenergiewärmemodus. Daher ist die Erhöhung der Dichte des Lichts ein wichtiger Faktor. Folglich ist es bei der optischen Aufzeichnung unter Verwendung eines Nahfelds wünschenswert, ein Nahfeld mit ausreichender Intensität zu erzeugen. Beim optischen Speicherkopf gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verstärkung des Nahfelds durch die Benutzung und die Wirkung der planaren Mikrolinse erzielt.
  • Die obige Erläuterung bezieht sich auf einen Beleuchtungsmodus, der in einem optischen Nahfeldmikroskop als solcher bezeichnet wird, worin Licht an einer Apertur eines optischen Speichers gesammelt wird, um ein Nahfeld zu erzeugen. Die optische Nahfeldsonde der vorliegenden Erfindung kann in einem sogenannten Sammelmodus in Betrieb genommen werden, bei dem die mikroskopische Apertur ein durch eine mikroskopische Informationsaufzeichnungsstruktur auf einer Oberfläche eines Aufzeichnungsmediums erzeugtes Nahfeld durch die Bestrahlung der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums mit Licht durch andere optische Systeme detektiert. In diesem Fall wird das von der Apertur detektierte Nahfeld mittels Streulicht umgewandelt und zu einer Oberfläche der planaren Mikrolinse geführt. Da die planare Mikrolinse als Kollimatorlinse fungiert, muss anstelle des oberflächenemittierenden Lasers ein optischer Detektor an der Oberfläche der planaren Linse bereitgestellt sein.
  • Weiters ist es bei der Verwendung der optischen Nahfeldsonde der vorliegenden Erfindung als optischer Speicherkopf möglich, eine Vielzahl an Aperturen und planaren Lichtsammellinsen anzuordnen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Kopfabastung auf ein Minimum eingeschränkt wird, was das Aufzeichnen und Auslesen mit Hochgeschwindigkeit ermöglicht. Die Unnotwendigkeit der Bereitstellung einer Spurregelung wird durch Anpassen des Abstands der Anordnung auf den Abstand der Informationsaufzeichnungseinheiten auf dem Aufzeichnungsmedium erreicht.
  • Bei der oben angeführten Erklärung wurde die planare Mikrolinse 5 auf der oberen Oberfläche des Siliciumsubstrats 1 angeordnet. Alternativ dazu kann beispielsweise SiO2, das einem Glassubstrat für die Mikrolinse 5 entspricht, in den im Siliciumsubstrat 1 ausgebildeten verjüngten Abschnitt 2 eingebracht werden, sodass diesem durch den selektiven Ionenaustausch ein Gradientenbrechungsindex verliehen wird, um eine Linse zu bilden. In diesem Fall muss die Oberfläche des einzubringenden SiO2 keine flache Ebene, sondern kann auch gekrümmt sein, solange sie sich im verjüngten Abschnitt befindet. Auch kann sie eine übliche Linsenform aufweisen, um so einen auf diese Form zurückzuführenden Linseneffekt und einen auf den Gradientenindex zurückzuführenden Linseneffekt aufzuweisen.
  • [Ausführungsform 2]
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines Kopfs für einen optischen Speicher gemäß Ausführungsform 1.
  • In 3 ist ein Mikrolinsensubstrat 6 anstelle der planaren Mikrolinse 5 aus 1, die im Zuge der Ausführungsform 1 erläutert wurde, bereitgestellt. Im Mikrolinsensubstrat 6 werden bei dem in Ausführungsform 1 beschriebenen Ionenaustauschverfahren Ionen von großem Radius als die in das Glassubstrat zu diffundierenden Ionen selektiert, um im kreisrunden Aperturabschnitt aufgrund des Durchmesserunterschieds zu den ausgetauschten Ionen eine Schwellung auszulösen. Demzufolge wird eine Linse mit einer typischen Linsenform erhalten, anders als bei dem durch den selektiven Ionenaustausch in Ausführungsform 1 erhaltenen Gardientenbrechungsindex. Durch diese Schwellung weist das Mikrolinsensubstrat 6 keine flache Oberfläche auf, sodass kein oberflächenemittierender Laser 4 mehr direkt auf dieser bereitgestellt werden kann. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, einen Abstand zwischen dem Mikrolinsensubstrat 6 und dem oberflächenemittierenden Laser 4 bereitzustellen. Beim Fixieren dieser wird ein nicht dargestellter Abstandshalter verwendet.
  • Bei dem durch einen solchen selektiven Ionenaustausch ausgebildeten Mikrolinsensubstrat 6 kann der Linsenabschnitt einfach als Anordnung gefertigt und auf Aperturen des Siliciumsubstrats, die ebenfalls in einer Anordnung vorliegen, angepasst werden.
  • Nebenbei erwähnt muss die Formung der Linse zu einer herkömmlichen Linsenform mit Schwellung nicht unbedingt mittels dem obgenannten Verfahren des selektiven Ionenaustauschs erfolgen, sondern es kann beispielsweise auch ein Glaskeramikverfahren zur Anwendung gelangen, bei dem ein UV-Strahl auf lichtempfindliches Glas gestrahlt wird, um eine kristallisierte Region und eine mikroskopische, kugelförmige Oberfläche auszubilden und so eine Linse zu erhalten.
  • Mit dem auf die oben beschriebene Weise hergestellten Mikrolinsensubstrat 6 ist es im Beleuchtungsmodus möglich, das vom oberflächenemittierenden Laser 4 ausgesendete Licht an der Apertur 3 des Siliciumsubstrats 1 zu sammeln, ähnlich wie bei dem mit der planaren Mikrolinse in Ausführungsform 1 erzielten Effekt. Im Sammelmodus hingegen, bei dem anstelle des oberflächenemittierenden Lasers 4 ein Lichtdetektor vorhanden ist, kann das durch die Apertur 3 abgegebene Streulicht am Lichtdetektor gebündelt werden.
  • Folglich kann die Intensität des zu erzeugenden und zu detektierenden Nahfelds erhöht werden. Im Besonderen kann dann, wenn eine Struktur mit einer Anordnung aus dem Siliciumsubstrat 1, dem Mikrolinsensubstart 6 und dem oberflächenemittierenden Laser 4 (oder dem Lichtdetektor) als Kopf für einen optischen Speicher verwendet wird, die optische Aufzeichnung/Widergabe von Informationen unter Verwendung eines Nahfelds mit hoher Effizienz und Reproduzierbarkeit, ähnlich wie die in Ausführungsform 1 erklärte Wirkung, erreicht werden.
  • Auch kann das Mikrolinsensubstrat 6 so ausgebildet werden, dass es an der Oberfläche eine Linsenform und im Inneren des Glassubstrats einen Gradientenbrechungsindex aufweist, in dem das in Ausführungsform 1 beschriebene selektive Ionenaustauschverfahren zur Selektion von Ionen mit hoher elektrischer Polarisierbarkeit mit dem in Ausführungsform 2 beschriebenen selektiven Ionenaustauschverfahren zur Selektion von Ionen mit großem Radius kombiniert wird.
  • [Ausführungsform 3]
  • 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils der optischen Nahfeldsonde gemäß Ausführungsform 3.
  • In 4 ist eine Fresnelsche Zonenplatte 7 anstelle der planaren Mikrolinse 5 aus 1, die in Ausführungsform 1 beschrieben wurde, bereitgestellt. Die Fresnelsche Zonenplatte 7 dient der Erzeugung von Beugungslicht durch eine an der Oberfläche des Glassubstrats ausgebildete feine Struktur zum Erhalt eines Linseneffekts. Es ist möglich, das vom oberflächenemittierenden Laser 4 ausgesendete kohärente Licht ohne Aberration in der Apertur 3 zu sammeln. Zur Feinbearbeitung der Fresnelschen Zonenplatte 7 können verschiedenste Verfahren angewendet werden, einschließlich der Elektronenstrahlbearbeitung, des Laserinterferenzverfahrens, des Trockenätzverfahrens und maschinellen Feinbearbeitung. Wird aber eine Schablone gefertigt, so ist die Massenproduktion durch Prägen oder dergleichen möglich.
  • Durch die Bereitstellung einer Fresnelschen Zonenplatte 7 zwischen dem oberflächenemittierenden Laser als Lichtquelle und der Apertur kann die Intensität des zu erzeugenden und zu detektierenden Nahfelds in der Apertur erhöht werden.
  • Auch kann eine holographische Linse 8 anstelle der Fresnelschen Zonenplatte 7 verwendet werden, wie in 5 dargestellt ist. Die holographische Linse 8 ist ein so ausgebildetes Hologramm, dass der Beugungspunkt der Apertur 3 entspricht, und kann Licht aus einer Lichtquelle 9, vorzugsweise einfallendes Licht des kohärenten Lichts, in der Apertur 3 sammeln. Wenn für diese hohlgraphische Linse eine Schablone hergestellt wird, kann sie durch Prägen oder dergleichen in Massen produziert werden.
  • In der obigen Erklärung sind die Fresnelsche Zonenplatte 7 und die holographische Linse 8 an der oberen Oberfläche des Siliciumsubstrats angeordnet. Sie können aber auch innerhalb des im Siliciumsubstrat 1 ausgebildeten verjüngten Abschnitts 2 angeordnet sein. In diesem Fall wird eine Lichtquelle, z.B. ein oberflächenemittierender Laser, an der oberen Oberfläche des Siliciumsubstrats 1 angeordnet.
  • [Ausführungsform 4]
  • 6 zeigt einen Querschnitt eines Teils einer optischen Nahfeldsonde gemäß dem Ausführungsbeispiel 4.
  • In 6 ist eine Struktur mit einem Parabolspiegel 10, einem Spiegel 11 und einem Lichtübertragungselement 12 anstelle der in Ausführungsform 1 erklärten planaren Mikrolinse 5 aus 1 angeordnet. Das in das Lichtübertragungselement 12 einfallende Licht wird vom Parabolspiegel 10 zum Spiegel 11 reflektiert. Das auf den Spiegel 11 gerichtete Licht wird zur Apertur 3 hin gesammelt. Dadurch kann die Intensität eines in der Apertur zu erzeugenden Nahfelds erhöht werden.
  • [Beispiel 1]
  • 7 zeigt eine Querschnitt einer optischen Nahfeldsonde gemäß dem nicht beanspruchten Beispiel 1.
  • In 7 ist ein Lichtwellenleiter für eine Lichtwellenleiter-Auslegersonde anstelle des in Ausführungsform 1 erklärten Siliciumsubstrats aus 1 bereitgestellt. Der Lichtwellenleiter 13 weist eine Lichteinfallsoberfläche auf, auf der die in Ausführungsform 1 beschriebene planare Mikrolinse 5 diese berührend angeordnet ist. An der oberen Oberfläche der planaren Mikrolinse 5 ist ein oberflächenemittierender Laser 4 als Lichtquelle angeordnet. Dadurch kann im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen, die mit einem gewöhnlichen Optiksystem umgesetzt sind, eine intensivere Sammlung des Lichts und eine verlustlose Einbringung des Lichts in den Lichtwellenleiter erzielt werden, wodurch auf wirksame Weise ein Nahfeld in der Apertur 3 erzeugt wird. In diesem Fall ist die optische Sonde eher zur Verwendung in einem optischen Nahfeldmikroskop als einem optischen Speicherkopf geeignet.
  • Auch bei einer in 8 dargestellten optischen Auslegersonde, die an ihrer Spitze mit einem Vorsprung 15 als Apertur versehen ist, kann, wie auch bei der Lichtwellenleiter-Auslegersonde, durch die Bereitstellung einer Struktur mit einer planaren Mikrolinse 5 und einem oberflächenemittierenden Laser 4 oberhalb des Vorsprungs 15 eine intensive Sammlung des Lichts und eine verlustfreie Einbringung des Lichts in den Vorsprung erreicht werden, um in der Apertur wirksam ein Nahefeld zu erzeugen. Auch in diesem Fall ist die optische Sonde eher zur Verwendung in einem optischen Nahfeldmikroskop als einem optischen Speicherkopf geeignet.
  • Nebenbei erwähnt kann die planare Mikrolinse 5 in Beispiel 1 auch durch ein Mikrolinsensubstrat 6, eine Fresnelsche Zonenplatte 7 und eine holographische Linse 8 oder aber durch einen Parabolspiegel 10, einen Spiegel 11 und ein Lichtübertragungselement 12, erklärt in Ausführungsform 4, gebildet sein.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsform 1 bis 4 und Beispiel 1 handelt es sich bei der Lichtquelle um einen oberflächenemittierenden Laser. Es ist allerdings genauso gut möglich, das darunter liegende Linsensubstrat durch ein herkömmliches Siliciumverfahren mit einer Laserdiode oder einer LED zu überdecken.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Wie zuvor erörtert wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung von einer Lichtquelle ausgesendetes Licht durch eine oberhalb einer mikroskopischen Apertur angeordnete planare Linse effizient von der mikroskopischen Apertur gesammelt werden. Es kann eine optische Nahfeldsonde bereitgestellt werden, die ein Nahfeld mit einer im Vergleich zu herkömmlichen optischen Sonden höheren Intensität erzeugen kann, trotzdem aber eine kompakte Struktur aufweist.
  • Wird eine Vielzahl an mikroskopischen Aperturen und, über diesen, planaren Linsenabschnitten bereitgestellt, so kann eine optische Nahfeldsonde bereitgestellt werden, die zur Verwendung als optischer Speicherkopf geeignet ist, um die Aufzeichnung optischer Speicherinformation unter Verwendung eines Nahfelds zu ermöglichen, und zwar insbesondere mit Hochgeschwindigkeitsabtastung und ohne Spurregelung.
  • Die Flachheit der Oberfläche der planaren Linse kann bereitgestellt werden, indem der planaren Linse ein Gradientenbrechungsindex verliehen wird. Da die oberhalb dieser zu positionierende Lichtquelle sehr nahe angeordnet werden kann, ist es demnach möglich, eine kompakte optische Sonde bereitzustellen, die für die Herstellung im Massenumfang geeignet ist.
  • Die Herstellung einer planaren Linse mit einem Gradientenindex ermöglicht die Einebnung der Oberfläche der planaren Linse. Die darüber angeordnete Lichtquelle kann somit nahe anordnet werden. Daher kann eine optische Sonde betreitgestellt werden, die kompakter und für die Massenproduktion geeignet ist.
  • Die mit einer Kugellinsenoberfläche hergestellte planare Linse stellt den gewöhnlichen Linseneffekt in einem mikroskopischen Bereich bereit. Es kann also eine optische Sonde betreitgestellt werden, die kompakt ist, sich aber für die Massenproduktion eignet.
  • Bei der planaren Linse, die als eine das Prinzip der Beugung verwendende Linse hergestellt ist, kann auf die Justierung der optischen Achse nach dem Einbau der planaren Linse verzichtet werden. Zudem kann die darüber angeordnete Lichtquelle nahe platziert werden. Es kann also eine optische Sonde bereitgestellt werden, die kompakt ist, sich aber für die Massenproduktion eignet.
  • Außerdem kann eine kompaktere optische Nahfeldsonde bereitgestellt werden, indem die planare Linse innerhalb eines invers konischen oder pyramidenförmigen Lochs platziert wird.
  • Weiters kann eine bei herkömmlichen optischen Auslegersonden angewendete Technologie verwendet werden, indem anstelle des Plattensubstrats ein Ausleger angeordnet wird, der mit einem optischen Lichtwellenleiter mit einer mikroskopischen Apertur in einem vorstehenden Abschnitt ausgebildet ist, in welcher die planare Linse, angepasst an die Lichteinfallsebene des Lichtwellenleiters, angeordnet ist.
  • Es kann ferner eine optische Nahfeldsonde bereitgestellt werden, die zur Erzeugung eines Nahfelds mit größerer Intensität als eine herkömmliche optische Sonde fähig ist, indem das von einer Lichtquelle an die mikroskopische Apertur abgegebene Licht durch eine Lichtsammelschicht, die oberhalb der mikroskopischen Apertur angeordnet ist, auf effiziente Weise gesammelt wird.
  • Weiters kann eine bei herkömmlichen optischen Auslegersonden angewendete Technologie verwendet werden, indem anstelle des Plattensubstrats ein Ausleger angeordnet wird, der mit einem optischen Lichtwellenleiter mit einer mikroskopischen Apertur in einem vorstehenden Abschnitt ausgebildet ist, in welcher eine Lichtsammelschicht, angepasst an die Lichteinfallsebene des Lichtwellenleiters, angeordnet ist.
  • Wird hingegen die Lichtquelle durch einen Lichtdetektor zur Detektion des in der mikroskopischen Apertur gestreuten Streulichts ersetzt, kann das von der mikroskopischen Apertur abgegebene Streulicht durch eine oberhalb der mikroskopischen Apertur positionierte planare Linse oder Lichtsammelschicht effizient einem Lichtdetektor zugeführt werden. Somit kann eine optische Nahfeldsonde bereitgestellt werden, die ein Nahfeld mit weniger Übersprechen als herkömmliche optische Sonden detektiert, deren Struktur aber trotzdem kompakt ist.

Claims (6)

  1. Optische Nahfeldsonde, umfassend eine mikroskopische Apertur zur Erzeugung/Streuung eines Nahfelds, wobei die optische Nahfeldsonde Folgendes umfasst: ein flaches Oberflächensubstrat (1) mit einem invers konischen oder pyramidenförmigen Loch (2), das durch dieses hindurchdringend ausgebildet ist, sodass dessen Scheitelabschnitt als die mikroskopische Apertur (3) gefertigt ist und sodass kein Vorsprung in der Umgebung der mikroskopischen Apertur (3) vorliegt; eine Linse (5); eine Lichtquelle zur Aussendung von Licht an die Linse (5) oder einen optischen Detektor zum Sammeln des durch die mikroskopische Apertur (3) tretenden Lichts; dadurch gekennzeichnet, dass die Linse eine planare Linse (5) mit zumindest einer mikroskopischen Linse ist und auf dem Substrat (1) bereitgestellt oder im Inneren des invers konischen oder pyramidenförmigen Loches (2) angeordnet ist; wobei die flache planare Linse (5) in der flachen Platte (Substrat 1) an einer Oberfläche angeordnet ist, die einer Oberfläche, an der die mikroskopische Apertur (3) ausgebildet ist, gegenüberliegt, um einen Brennpunkt der Linse (5) an der mikroskopischen Apertur (3) festzulegen; und wobei die Lichtquelle oder der optische Detektor oberhalb einer Oberfläche der planaren Linse angeordnet ist.
  2. Optische Nahfeldsonde nach Anspruch 1, worin das flache Oberflächensubstrat (1) eine Vielzahl mikroskopischer Aperturen (3) aufweist, die planare Linse (5) eine Vielzahl mikroskopischer Linsen aufweist, die an die Vielzahl von mikroskopischen Aperturen (3) angepasst ist, und die Lichtquelle zumindest eine ist, die für die Vielzahl mikroskopischer Linsen (5) geeignet ist.
  3. Optische Nahfeldsonde nach Anspruch 1 oder 2, worin die planare Linse (5) einen Gradienten-Brechungsindex aufweist.
  4. Optische Nahfeldsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die planare Linse (5) eine Oberfläche aufweist, die teilweise als Kugellinsenoberfläche gefertigt ist.
  5. Optische Nahfeldsonde nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin die planare Linse (5) eine das Prinzip der Beugung verwendende Linse ist.
  6. Optische Nahfeldsonde nach Anspruch 1, worin die Linse (5) eine Vielzahl von Spiegeln (10, 11) aufweist, um einfallendes Licht von der Lichtquelle in die mikroskopische Apertur (3) oder von der mikroskopischen Apertur (3) in den optischen Detektor einzubringen, und worin ein Lichtübertragungselement (12) bereitgestellt ist, das eine erste Oberfläche, die an einer Oberfläche des Substrats anstößt, welche der flachen Oberfläche, an der die mikroskopische Apertur (3) ausgebildet ist, gegenüberliegt, und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche, auf der die Lichtquelle oder der optische Detektor bereitgestellt ist, umfasst.
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