JPH0489640A - 記録・再生装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、大容量・高密度の記録再生装置に関するもの
である。

［従来の技術］ 近年、記録再生装置におけるデータの記録容量は年々大
きくなる傾向があり、記録単位の大きさは小さ（記録密
度は高くなっている。例えば光記録によるディジタル・
オーディオ・ディスクにおいては記録単位の大きさは１
μｍ２程度にまで及んでいる。その背景には、メモリ材
料開発の活発化があり、有機色素・フォトポリマーなと
の有機薄膜を用いた安価で高密度な記録媒体が登場して
いる。

方、最近、導体の表面原子の電子構造を直接観察できる
走査型トンネル顕微鏡（以後ＳＴＭと略す）が開発され
［Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ　ｅｔ　ａｌ、、　Ｈｅ１ｖｅｔｉ
ｃａＰｈｙｓｉｃａ　Ａｃｔａ、　５５７２６　（１９
８２）］、単結晶、非晶質を問わず実空間像の高い分解
能の測定ができるようになり、しかも媒体に電流による
損傷を与えずに低電力で観測できる利点をも有し、さら
に大気中でも動作し種々の材料に対して用いることがで
きるため広範囲な応用が期待されている。

ＳＴＭはプローブ電極と導電性物質の間に電圧を加えて
ｌｎｍ程度の距離まで近づけるとトンネル電流が流れる
ことを利用している。この電流は両者の距離変化に非常
に敏感であり、電流もしくは両者の平均的な距離を一定
に保つように深針を走査することにより実空間の表面情
報を得ることができる。この際、面内方向の分解能は１
人程度である。

このＳＴＭの原理を応用すれば十分に原子オーダー（数
人）での高密度配録再生を行うことが可能である。この
際の記録再生方法としては、粒子線（電子線、イオン線
）あるいはＸ線等の高エネルギー電磁波及び可視・紫外
線等のエネルギー線を用いて適当な記録層の表面状態を
変化させて記録を行い、ＳＴＭで再生する方法や、記録
層として電圧電流のスイッチング特性に対してメモリ効
果をもつ材料、例えばπ電子系有機化合物やカルコゲン
化物類の薄膜層を用いて、記録・再生をＳＴＭを用いて
行う方法等が提案されている。

このＳＴＭ応用の記録再生を行う場合、プローブと記録
媒体との距離をへオーダーで制御すること、及び記録媒
体上に２次元に配列した情報を記録再生するために、プ
ローブの２次元走査を数１０人オーダーで制御すること
の２点が重要である。さらに、記録・再生システムの機
能向上、特に高速化の観点から多数のプローブを同時に
駆動すること（プローブのマルチ化）が提案されている
。つまり、多数のプローブが配置された面積内で上記の
精度でプローブと記録媒体の相対位置を３次元的に制御
しなければならない。

従来、この制御には、プローブ側あるいは記録媒体側に
取りつけた、積層型圧電素子９円筒型圧電素子等を用い
ている。しかし、これらの素子は、変位量は太き（とれ
るものの、集積化には適しておらず、マルチプローブ型
の記録再生装置に使用するのは不利である。この観点か
ら、プローブを長さ数１００μｍ程度のカンチレバー上
に取りつけ、このカンチレバーを圧電体で駆動する方法
が考えられている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来例では以下のような問題がある。

１、最大変位量がとれる方向に設置してもＩＩＬｍ程度
の変位量しか得られない。

２、マルチプローブ（例えば１００〜１０００本のプロ
ーブ）を用いる場合、少なくとも１ｍｍ角程度の記録媒
体面が必要となるため、熱分布１機械的応力等の影響で
、この面積全体心こわたって、プローブと記録媒体の間
隔を１μｍ以下にすることは困難である。

３、変位量を太き（するにはカンチレノ＼−の寸法を大
きくせざるをえず、従って、剛性が小さ（なり、外来の
振動ノイズに極めて弱くなるとともに集積化が困難とな
る。

［課題を解決するための手段及び作用］前記課題を解決
するために本発明によれば、情報を記録するための記録
媒体と、情報記録あるいは検出用プローブが、それぞれ
駆動可能なカンチレバー（片持ち梁）上に設けられてｌ
／することを特徴とする記録・再生装置、 及び、プローブと、記録媒体面を対向させるように各カ
ンチレバーを設置し、該方向に各カンチレバーを変位さ
せることによりプローブと記録媒体との間隔を制御し、
かつ、該方向に直交する方向に各カンチレバーを駆動す
ることによって、記録ビット列を順次記録、あるいは検
出していくことを特徴とする記録・再生装置の駆動方法
、及び、記録媒体の物理状態を分子スケールの領域で変
化させ記録ビットを作製することを特徴とする記録・再
生装置、 及び、記録媒体に電界を印加することによって、記録媒
体の電気特性を変化させ、記録ビットを作製することを
特徴とする記録・再生装置、及び、情報検出用プローブ
と、記録媒体の相対変位を、分子スケールで制御し、記
録ビットを検出することを特徴とする記録・再生装置、
及び、記録情報を、導電性プローブと、導電性媒体ある
いは、記録媒体の下部の導電性電極との間のトンネル電
流の変化によって検出することを特徴とする記録・再生
装置とするものである。

これによりプローブと記録媒体との距離および２次元的
位置の精密制御、さらに制御範囲の拡大が可能となる。

第１図に本発明の概念図を示す。まず、Ｓｉ。

ＳｉＮ等で作製したプローブ側カンチレバー１上にトン
ネル電流を検出するためのプローブ２を設け、該プロー
ブ側カンチレバー１に対向する媒体側カンチレバー３上
に記録媒体４を設ける。該記録媒体４上には、記録ビッ
ト列５があり、上記各カンチレバー１，３を圧電力、静
電力等でｙ、ｚ軸方向に駆動し、プローブ２で記録ビッ
ト列５の情報記録、検出を行なう。ここで、カンチレバ
ー１．３は逆位相で駆動する。ここで重要なことは、プ
ローブ２と記録媒体４がどちらもカンチレバー上に設け
られていることである。カンチレバーの長さを４とする
と共振周波数ｆは、ｆｏｃ℃２であり、ｙ方向変位Δｙ
、ｚ方向変位ΔＺはじ大きさのカンチレバーを用いる場
合、片方のみカンチレバーの時と、剛性はかわらず、相
対的な変位は２倍となる。

従って１本のプローブ２がカバーする記録媒体４の相対
面積が大きくとれるとともに、大面積に多数のプローブ
を並置した場合に、全面積にわたってプローブ２と記録
媒体４との間隔を精密に制御することが可能となる。

また、同一面積の記録情報を同じ記録・検出速度で行な
う場合、カンチレバーの大きさは、プローブ２あるいは
記録媒体４の一方のみがカンチレバー上にある場合より
も小さくてすみ、よって、高剛性化が図られ、外部ノイ
ズに強いシステムとなる。また、情報記録・検出方法と
しては、記録媒体の表面あるいは内部に、２次元的に配
列された記録ビット列５を３次元的に可動できるプロー
ブ２で記録・検出する方法であればどのような方法でも
よく、トンネル電流によるもの（ＳＴＭ）、原子間力に
よるもの（ＡＦＭ）、磁気力によるもの（ＭＦＭ）等手
段を問わない。

［実施例］ 以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。

実施例１ 第２図に実施例１のメモリシステムの構成図を示す。除
振ステージｌＯの上にメインフレーム６が設置されてお
り、該メインフレーム６の上部には、プローブ２が設け
られたカンチレバー群が作製されているプローブ板７が
固定されている。また、記録媒体が設けられたカンチレ
バー群が作製されている媒体板８は、２次元粗動を行な
うための積層圧電体９を介してメインフレーム６に取り
つけられている。ここで、メインフレーム６は約１ｃｍ
角であり、プローブ板７．媒体板８．は約３μｍの間隔
で対向している。第３図ａにプローブ板７の平面図を示
す。７ｍｍＸ７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＳ　ｉ　（１０
０）基板ｌｌ上に、後述の工程によって作製されたプロ
ーブ側カンチレバー１が２４本×１ｏ本、計２４０本設
けられており、各プローブ側カンチレバー１の先端部に
情報検出用のプローブ２が作製されている。次に第３図
すに媒体板８の平面図を示す。５　ｍ　ｍ　Ｘ５　ｍ　
ｍ　、厚さ０．５ｍｍのＳｉ　（１００）基板ｌｌ上に
、媒体側カンチレバー３が２４０本設けられており、各
媒体側カンチレバー３は、プローブ側カンチレバーｌと
ちょうど向きあう形になっており、上部表面には、記録
媒体４が積層されている。なお、プローブ板７、媒体板
８上の各カンチレバー１，３の寸法は長さ３００μｍ２
幅５０μｍである。

次に、上記カンチレバー１，３の作製工程を述べる。ま
ず、Ｓｉ　（１００）基板（厚さ０．５ｍｍ）上に、Ｃ
ＶＤ法により５ｉａＮ４膜を０．１５μｍの厚さに成膜
した。使用した原料ガスは、Ｓｉ　Ｈ２Ｃρ２　：ＮＨ
，（１：９）であり、基板温度は８００℃であった。次
に、フォトリソグラフィー、ＣＦ４ドライエツチングに
よりＳｉ３Ｎ４を所望の形状にパターニングした。続い
てＣｒｙ、０１μｍ、Ａｕｇ、０９μｍ成膜し、フォト
リソグラフィーおよびウェットエツチングによりパター
ニングした。次に、スパッタ法でＡρＮを０．３μｍ成
膜した。、ターゲットはＡｕ２を用い、Ａ　ｒ　＋　Ｎ
　２雰囲気でスパッタした。

さらに、フォトリソグラフィーと、ＡＪ２用エツチング
液によるウェットエツチングでパターニングした。その
後上記の工程をくり返し、結局Ｓｉ基板１１−Ａｕ／Ｃ
ｒ−Ａｌ２Ｎ−Ａｕ／Ｃｒ　−Ａ　４２　Ｎ　−Ａ　ｕ
　／　Ｃｒのバイモルフ構造を形成した。さらに、保護
層として、アモルファスＳｉＮを０．１５μｍＣＶＤ法
により成膜した。ここまでの工程は、プローブ板７と媒
体板８で同一であり、その後の工程は、プローブ板７で
は、Ｗプローブを蒸着法で作製した後、ＫＯＨによるＳ
ｉの異方性エツチングを用いて、Ｓｉ３Ｎ４がついてい
ない部分を除去し、プローブ側カンチレバー１を作製し
た。最後に、Ｗプローブ側をｐｔココ−ィングし、情報
検出用電極とした。

一方、媒体板８では、５ｉａＮ４保護層を作製した後、
プローブ板７と同様のＳＬ異方性エツチングにより媒体
側カンチレバー３を作製した。さらに、Ｓｔ基板１１側
から、Ａρを０．１μｍ蒸着し、その上部に記録媒体４
であるポリイミド膜Ｂ膜を４層（厚さ１５人）成膜した
。

第４図ａに、上記工程により作製したプローブ側カンチ
レバー１と媒体側カンチレバー３を対向させた時の断面
図を示す。第４図すは第４図ａのＡ−Ａ’断面図である
。図中、１１はＳｉ基板、１５．２１，２５．３１は５
ｉｓＮ４層、１６１６°　、　　１ｇ、　　２０．　２
０’　　、　　２６．　２６°　。

２８．３０，３０°はバイモルフ型圧電体を３次元的に
駆動するための電極（Ｃｒ　／　Ａ　ｕ　）１７．１９
，２７．２９は圧電体Ａｌ２Ｎ、２はＷプローブ、２３
は情報検出電極（Ｐｔ）　、３２は媒体側下地電極（Ａ
ｌ２）　、４は記録媒体（ポリイミド）である。

記録媒体４上には、記録ビット列５が並んでおり、プロ
ーブ側カンチレバー１と媒体側カンチレバー３を逆位相
で駆動させることにより、プローブ２が記録媒体４上を
動き情報の記録・検出を行なう。第５図に駆動概念図を
示す。第６図に記録媒体４上でのプローブ２の動きを示
す。矢印４０の動きは、プローブ側と媒体側のカンチレ
バー１．３を逆位相で動かしたためのもので、矢印４１
．４２は、媒体板８を積層圧電体９で動かしたためのも
のである。

なお、本実施例において、記録方式は、記録媒体４（ポ
リイミド膜）に、下地電極３２とプローブ２により電界
を印加し、記録媒体４の抵抗率が変化する現象（Ｊ　Ｐ
　３０９４３３．３０９４３４）を用いており、検出は
、下地電極３２とプローブ２との間を流れるトンネル電
流の変化を検出する方法を用いた。

第７図に、本実施例の記録媒体４．プローブ２間距離の
制御の模式図を示す。プローブ板７と媒体板８は数ｍｍ
角の面積を持っており、その面内で、平面からのうねり
は５μｍ以上あったが、プローブ側カンチレバー１と、
媒体側カンチレバー３のバイモルフ型圧電体に所要の電
圧を印加することにより、プローブ２と記録媒体４との
間隔を数ｍｍ角全面にわたって、六オーダーで制御する
ことができた。

また、本構成にすることにより、プローブ２と記録媒体
４の片側のみカンチレバーにした場合に比べて、プロー
ブ２．記録媒体４の相対速度は２倍となり、より低い周
波数で駆動することができ、カンチレバーの共振を防ぐ
ことができた。

実施例２ 実施例２の概念図を第８図に示す。これは、実施例１と
同様な工程により作製されたプローブ側カンチレバー１
と媒体側カンチレバー３とを直交する方向で対向させた
ものである。この構成により、同一寸法のカンチレバー
を、プローブ側あるいは媒体側の一方に用いた場合に比
べて、プローブ２と記録媒体４との相対的な可動範囲が
大きくとれる。

実施例３ 実施例１と同様なシステムを作製した場合、バイモルフ
型カンチレバーを駆動する電圧を一定にした場合、媒体
側カンチレバー３の根元に近（なるに従って、変位量は
減少し、記録ビットが等間隔ではなくなってしまう。第
９図ａにおいて、両カンチレバー１．３の長さをβ、媒
体側カンチレバー３の先端と、プローブ２との距離をＸ
とすると、プローブ２と記録媒体４との相対変位量Δｙ
は、第９図すのようになる。つまり、媒体側カンチレバ
ー３上の記録ビット列は、第９図Ｃのようになってしま
う。

ここで、バイモルフ圧電体の駆動電圧Ｖをのように、Ｘ
が変化するにつれて変化させてやると、Δｙは、第１０
図ａのようになり、斜線部ではΔｙは一定となり、ｘ＝
Ｏ〜Ｘｏの範囲を用いると、媒体側カンチレバー３上の
記録ビット列５は、等間隔（第１０図ｂ）になる。

実施例４ 第１１図を用いて、実施例４について説明する。実施例
１と同様の構成において、媒体側カンチレバー３の駆動
用電極を、５１，５２，５３゜５４のように分割して設
置する。ここで各電極の寸法は２０ｕｍＸ４０μｍで同
一である。各電極に印加する電圧を、例えば電極５１．
５４には■、５２．５３には十Ｖのように設定すると、
プローブ２と記録媒体４との相対変位Δｙは第１０図ａ
のようになり、斜線部ではΔｙは一定となる。すると、
媒体側カンチレバー３上の記録ビット列５は、等間隔（
第１Ｏ図ｂ）になる。

［発明の効果］ 以上説明したように、記録媒体と情報記録・検出用プロ
ーブが対向した高密度大容量記録装置において、プロー
ブと記録媒体との両方をカンチレバー上に設置すること
によって、寸法を小さ（することができ、高剛性化がは
かられるとともに、プローブと記録媒体の相対変位が大
きくとれることから駆動周波数をさげることができるの
で、外来振動ノイズに対して強い装置となる。

さらに、相対変位が大きいということは、同じたけ変位
させるのに、駆動電圧が小さ（てすみ、省電力化が可能
となる。

また、プローブと記録媒体との間隔を広範囲にわたって
制御できるので、システムの大面積化、つまり、大容量
化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図・・・本発明の基本的概念図 第２図・・・実施例１のシステムの断面図第３図ａ・・
・実施例１のプローブ板平面図〃　ｂ・・・実施例１の
媒体板平面図 第４図ａ・・・実施例１のカンチレバー縦方向断面図〃
　ｂ・・・実施例１のカンチレバー横方向断面図第５図
・・・実施例１の動作概念図 第６図・・・実施例１の動作図 第７図・・・実施例１のプローブ−媒体距離制御を示し
た図 第８図・・・実施例２の概念図 第９図ａ・・・実施例２のカンチレバー断面図〃　ｂ・
・・一定電圧駆動の場合のプローブ・媒体相対変位量 〃　ｃ・・・一定電圧駆動の場合の記録ビットの配列図 第１０図ａ・・・実施例２の電圧駆動の場合のプローブ
・媒体相対変位量 〃　　ｂ・・・実施例２の電圧駆動の場合の記録ビット
配列図 第１１図・・・実施例３の駆動電極配置図１、プローブ
側カンチレバー ２、プローブ　　　　３．媒体側カンチレバー４、記録
媒体　　　　５．記録ビット列６、メインフレーム　７
．プローブ板 ８、媒体板　　　　　９．積層圧電体 １０．除振ステージ　１１．Ｓｉ基板 １５、Ｓｉ、Ｎ４層 １６．１６’、駆動電極（Ｃｒ／Ａｕ）１７、圧電体（
ＡＩ２Ｎ） １８、駆動電極（Ｃｒ　／　Ａ　ｕ　）１９、圧電体（
ＡＩ２Ｎ） ２０．２０’　、駆動電極（Ｃｒ　／　Ａ　ｕ　）２１
、Ｓｉ３Ｎ４層 ２３、読み出し電極（ｐｔ） ２５、　Ｓｉａ　Ｎ４層 ２６．２６°、駆動電極（Ｃｒ／Ａｕ）２７、圧電体（
ＡρＮ） ２８、駆動電極（Ｃｒ　／　Ａ　ｕ　）２９、圧電体（
ＡβＮ） ３０．３０’　、駆動電極（Ｃｒ　／　Ａ　ｕ　）３１
．５ｉａＮ４層 ３２、下地電極（Ａｌ１） ４０．４１，４２．プローブの動き ５１．５２，５３，５４．駆動電極 ＬｎＣＤ；トの■ へへへヘヘ 区 々 派 ■ に 、置 □ 、−一ノ 一 ９．・°°・へ （ニー、：ｊｏ・ 、・、、、、：、、（Ｖ） 、へ 第９図（ｂ） 第９図（Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、情報を記録するための記録媒体と、情報記録、ある
   いは検出用プローブが、それぞれ駆動可能なカンチレバ
   ー（片持ち梁）上に設けられていることを特徴とする記
   録・再生装置。 ２、プローブと、記録媒体面を対向させるように各カン
   チレバーを設置し、該方向に各カンチレバーを変位させ
   ることによりプローブと記録媒体との間隔を制御し、か
   つ、該方向に直交する方向に各カンチレバーを駆動する
   ことによって、記録ビット列を順次記録、あるいは検出
   していくことを特徴とする記録・再生装置の駆動方法。 ３、記録媒体の物理状態を分子スケールの領域で変化さ
   せ記録ビットを作製することを特徴とする請求項１記載
   の記録・再生装置。 ４、記録媒体に電界を印加することによって、記録媒体
   の電気特性を変化させ、記録ビットを作製することを特
   徴とする請求項３記載の記録・再生装置。 ５、情報検出用プローブと、記録媒体の相対変位を、分
   子スケールで制御し、記録ビットを検出することを特徴
   とする請求項１記載の記録・再生装置。 ６、記録情報を、導電性プローブと、導電性媒体あるい
   は、記録媒体の下部の導電性電極との間のトンネル電流
   の変化によって検出することを特徴とする請求項５記載
   の記録・再生装置。