DE3789906T2

DE3789906T2 - Elektronenstrahl-Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät.

Info

Publication number: DE3789906T2
Application number: DE3789906T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Aida; Sumio Hosaka; Shigeyuki Hosoki; Keiji Takata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-02-17
Filing date: 1987-02-02
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2007-02-03
Also published as: JPH0766575B2; EP0235592B1; EP0235592A3; DE3789906D1; EP0235592A2; US4786922A; JPS62189649A

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät unter Verwendung von Elektronenstrahlen, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist. Ein solches Gerät ist aus der JP-A-59-221 846 bekannt; es ist insbesondere zum Aufzeichnen und Auslesen digitaler Signale mit hoher Dichte geeignet.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Vorschläge für Aufzeichnungsgeräte gemacht, bei denen ein Elektronenstrahl verwendet wird. Der größte Vorteil, der sich aus der Verwendung von Elektronenstrahlen ergibt, liegt in der hochdichten Aufzeichnung, die es ermöglicht, mit feinen Elektronenstrahlen eine Aufzeichnung in einer Größenordnung durchzuführen, die kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts. In der Praxis wird jedoch der Umfang des Gerätes, das erforderlich ist, um den Elektronenstrahl genau zu konvergieren und abzulenken und um die hochdichte Aufzeichnung oder die Wiedergabe durchzuführen, extrem groß. Mit anderen Worten, auch wenn eine hochdichte Integration des Speichers selbst erhalten wird, bringt das nichts, wenn die Ausmaße des Gerätes sehr groß sind, das von dem Speicher Gebrauch macht. Um dieses Problem zu lösen, wurde versucht, die Aufzeichnungsvorrichtung und das konvergierende Elektronenstrahlsystem in eine Elektronenröhre einzuschließen, wie es zum Beispiel in G.E. R&D Review, 1977, Seiten 12-15 beschrieben ist. Auch in diesem Fall ist jedoch die Aufzeichnungsdichte, von der Seite des Benutzers gesehen, von der Gesamtgröße der Röhre beeinflußt.
Die in der oben erwähnten JP-A-59-221 846 beschriebene Vorrichtung basiert auf dem Konzept der herkömmlichen magnetischen oder optischen Platte, wobei sowohl der Umfang der Vorrichtung, die das konvergierende Elektronenstrahlsystem bildet, als auch der Umfang der Aufzeichnungsvorrichtung selbst vergrößert ist. Im Vakuum wird eine Platte in Drehung versetzt, und der feine Elektronenstrahl wird zur Aufzeichnung und zur Wiedergabe abgelenkt. Das bei diesem Stand der Technik verwendete elektro-optische System entspricht dem Elektronenstrahl-Lithographiesystem, das zum feinen Strukturieren von Halbleitern und dergleichen verwendet wird. Es wird mit anderen Worten der Elektronenstrahl (a) so fein wie möglich konvergiert, nachdem der zur Belichtung erforderliche Strom erhalten wurde, und er wird (b) so schnell wie möglich sowie (c) über ein so großes Gebiet wie möglich an einer bestimmten, konstanten Position auf einer eine mechanische Probe bewegenden Vorrichtung abgelenkt.
Es werden daher, auch wenn wie in einem Rasterelektronenmikroskop der Elektronenstrahl leicht auf etwa 10 nm konvergiert werden kann, zur Aufzeichnung und zur Wiedergabe einige hundert Stunden benötigt, wenn die obigen Bedingungen (b) und (c) nicht berücksichtigt werden. Damit die Aufzeichnung durch Elektronenstrahlen der Aufzeichnungsdichte mit Licht wirklich überlegen wird, muß ein Aufzeichnungsgebiet von etwa 0,1 um pro Bit sichergestellt sein, und diesbezüglich weisen die obigen Verfahren nach dem Stand der Technik ein ernstes Problem auf. Angenommen, ein Elektronenstrahl mit einem Durchmesser von 0,1 um wird bei dem obigen Elektronenstrahl-Lithographiesystem durch eine konvergierende Endlinse (Objektivlinse) mit einer Brennweite von von 10 bis 20 cm abgelenkt, so beträgt die Ablenkung auf der Probenoberfläche aufgrund der Aberrations-Unschärfe, die durch die Ablenkung auftritt, nur bis zu 10 mm. Das heißt, daß der Radius der Platte, der bei diesem bekannten Beispiel für eine hochdichte Aufzeichnung verwendet werden kann, nur etwa 10 mm groß beträgt.
Wie beschrieben, wurde bisher die Erhöhung der Aufzeichnungskapazität ziemlich vernachlässigt, während man sich auf die Feinheit des Elektronenstrahles konzentrierte und der Versuch gemacht wurde, die Dichte der Aufzeichnung zu verbessern.
Aus der JP-A-57-105 834 ist eine elektrostatische Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung mit einem Aufzeichungs- und Wiedergabekopf und einem elektrostatischen Aufzeichnungsmedium bekannt, das dem Kopf gegenüber angeordnet ist. Das Medium ist isolierend, und bei der Aufzeichnung wird zwischen dem Kopf und dem Medium eine Koronaentladung erzeugt, um elektrostatische Ladungen in das Medium zu injizieren. Bei der Wiedergabe wird die Ladungsverteilung auf dem Medium elektrostatisch erfaßt.
In der US-A-3 728 570 ist ein Elektronenmikroskop beschrieben, bei dem mittels Feldemission aus einer Nadel im Vakuum ein Elektronenstrahl erzeugt wird, der durch eine magnetische Linse fokussiert wird. Der Elektronenstrahl läuft durch die Magnetpole der magnetischen Linse, wie es in solchen Fällen üblich ist. Es ist daher nicht möglich, die Nadel in der Nähe der Oberfläche eines Mediums anzubringen, und es liegen auch hier die Nachteile vor, die oben mit Bezug zu der JP-A-59-221 846 genannt wurden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektronenstrahl-Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät zu schaffen, mit dem eine hochdichte Aufzeichnung und Wiedergabe durch den Elektronenstrahl möglich ist und bei dem gleichzeitig auch eine der hohen Dichte entsprechende Kapazität erhalten wird.
Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 beschrieben.
Die Bezeichnung "Elektronenstrahl-Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät" umfaßt hier solche Geräte, die nur aufzeichnen oder wiedergeben, und solche Geräte, die sowohl aufzeichnen als auch wiedergeben.
Eine wichtige Voraussetzung zur Lösung der angegebenen Aufgabe ist es, daß der feine Elektronenstrahl, der zur Aufzeichnung und Wiedergabe verwendet wird, auf eine beliebige Position einer Platte mit einer großen Fläche eingestrahlt werden kann, ohne daß der Elektronenstrahl stark abgelenkt werden muß. Was mit anderen Worten erforderlich ist, ist eine Technik, mit der eine primäre Signalquelle wie der Magnetkopf einer magnetischen Platte oder ein Halbleiter oder Phototransistor einer optischen Scheibe und ein sekundärer Signaldetektor für die Wiedergabe aufeinander mit hoher Zuverlässigkeit ansprechen, und mit der eine beliebige Position auf einer Platte mit großer Fläche ausgewählt werden kann.
Eine solche Technik wird nicht einfach durch Verringern der Größe eines herkömmlichen elektro-optischen Systems erhalten, sondern mit der im folgenden beschriebenen Erfindung.
Wenn zwischen einer nadelförmigen Kathode, deren Spitze geschärft ist, und einer aus einem Leiter bestehenden Anode, die der Kathode gegenüberliegt, eine Spannung angelegt wird, werden aus der Kathode Feldelektronen emittiert. Wenn im Vakuum die nadelförmige Kathode und die Anode bis auf einen Abstand von zum Beispiel 0,1 um zusammengebracht werden, ist die Aufweitung des Elektronenstrahles an der Anodenoberfläche nahezu gleich dem Abstand im Vakuum, das heißt etwa 0,1 um. Wenn auf der Basis dieses Prinzips die Anode durch eine Platte ersetzt wird, ist es möglich, die leichtgewichtige nadelförmige Kathode mechanisch darüberzuscannen, ohne daß konventionelle optische Systeme verwendet werden. Da es jedoch in der Praxis schwierig ist, den Abstand im Vakuum zwischen der Platte und der nadelförmigen Kathode auf etwa 0,1 um zu halten, wenn eine große Platte in Drehung versetzt wird, wird die Elektronenverteilung auf der Platte durch die folgende Vorgehensweise verringert, auch wenn der Abstand im Vakuum im Bereich zwischen einem und 10 um liegt.
Das heißt, es wird das magnetische Feld eines Magnetpoles, der um die nadelförmige Kathode vorgesehen ist, in Axialrichtung der nadelförmigen Kathode angelegt, um die Elektronenverteilung, die eine Aufweitung aufweist, die dem Abstand im Vakuum von der Platte entspricht, zu konvergieren.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Fig. 1 ist eine seitliche Schnittansicht eines Elektronenstrahl-Aufzeichnungs- und Wiedergabegerätes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die Fig. 2A eine perspektivische Ansicht einer Spur auf einer Platte;
die Fig. 2B bis 2D sind Schnittansichten, die andere Beispiele von Spuren zeigen;
die Fig. 2E bis 2G Diagramme, die Erfassungs-Wellenformen zeigen;
die Fig. 3A ist eine erläuternde Ansicht zur Darstellung des Wiedergabeprinzips der vorliegenden Erfindung; und
die Fig. 3B bis 3E sind Schnittansichten, die Beispiele für die Oberflächenform von Platten zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Anhand der Fig. 1 wird im folgenden eine Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Gemäß der Zeichnung wird eine nadelförmige Kathode 1 so von einer Höhensteuervorrichtung 11 gehalten, daß eine vorbestimmte Höhe oder ein kleiner Abstand im Vakuum von 1 bis 10 um zwischen der Kathode und einer Platte 2 eingehalten wird, die von einer Plattenhaltevorrichtung 7 auf einem Plattenteller 2 gehalten wird, der mit einer Drehvorrichtung 5 direkt verbunden ist und davon in Drehung versetzt wird. Wenn von einer Stromquelle 3 zwischen der nadelförmigen Kathode 1 und der Platte 2 eine Spannung angelegt wird, fließt aufgrund der aus der nadelförmigen Kathode 1 emittierten Feldelektronen ein Strom, der von einem Detektor 4 erfaßt wird. Ein um die nadelförmige Kathode 1 angeordneter Magnetpol 8 erzeugt aufgrund des Anlegens eines Stromes an eine Spule 9, die um den äußeren Umfang des Magnetpoles 8 vorgesehen ist, einen magnetischen Fluß in der Axialrichtung der nadelförmigen Kathode 1. Entsprechend werden die von der nadelförmigen Kathode 1 emittierten Elektronen konvergiert und auf die Platte 2 eingestrahlt.
Wenn von einer Lesesteuervorrichtung 15 ein Befehlsignal erzeugt wird, erfolgt von einem Bewegungsmechanismus 12, der an einer Halterung 13 angebracht ist und der von der Drehvorrichtung und einer Adressierungs-Steuereinheit 16 angesteuert wird, eine Adressierung, und der vom Detektor 4 erfaßte Strom wird verstärkt oder gemäß einem Schreibsystem von einem Modulationsverstärker 18 moduliert und in das gewünschte Auslesesignal ungewandelt. Dabei wird das Innere des Vakuumkessels 14 von einer Absaugpumpe evakuiert.
Die Fig. 2 zeigt ein Signalaufzeichnungsverfahren. Wie in der Fig. 2A dargestellt, sind auf der Plattenoberfläche konzentrische oder spiralförmige Spuren 19 ausgebildet. Die Fig. 2B, 2C und 2D zeigen Schnitte durch die Spuren, während die Fig. 2E, 2F und 2G den Erfassungsstrom entsprechend der Fig. 2B, 2C bzw. 2D darstellen, der erhalten wird, wenn sich der Bewegungsmechanismus 12 bewegt, ohne daß die Platte 2 gedreht wird. Die Fig. 2B zeigt den Schnitt durch eine Spur, die etwa 0,2 um breit und 0,01 um tief ist. Die Fig. 2C zeigt den Schnitt durch eine Signalaufzeichnungseinheit 20, die einen Durchmesser von 0,1 um hat und etwa 0,005 bis 0,01 um dick ist und die in der Spur ausgebildet ist. Wenn die Signalaufzeichnungseinheit 20 aus einem Material besteht, das eine kleinere Austrittsarbeit aufweist als die Platte 2, kann ein wie in der Zeichnung gezeigter Erfassungsstrom erhalten werden. Die Fig.
2D zeigt den Fall, daß die Signalaufzeichnungseinheit 21 ein in der Spur 19 ausgebildetes Loch ist, wobei die Tiefe dieses Loches gleich oder größer sein kann wie die Tiefe der Spur 19. Die Adressierung erfolgt anhand dieser Spur 19 als Bezugspunkt, und die Drehvorrichtung 5 und der Bewegungsmechanismus 12 können eine Steuerung in einer Einheit von etwa der Breite der Spur (bis zu 0,2 um bei dieser Ausführungsform) durchführen. Eine genauere Positionseinstellung erfolgt durch eine elektromagnetische Ablenkeinheit 10 (in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen) über die Steuerung durch einen Ablenkverstärker 17.
Die Fig. 3A zeigt das Wiedergabeverfahren im einzelnen. Die nadelförmige Kathode 1 und die Platte 2 sind so angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen, und nachdem von der Stromquelle die Spannung angelegt wurde, wird der Strahlstrom durch den Detektor 4 erfaßt. Aus diesem Erfassungssignal kann durch Bezug auf die Form der Plattenoberfläche wie Vertiefungen oder auf die Änderung der Austrittsarbeit, die sich aus dem Unterschied im Material ergibt, jedes Signal abgeleitet werden. Die Fig. 3B bis 3E zeigen das Ausleseverfahren genauer. Die Fig. 3B und 3C stellen den Fall dar, daß das Signal anhand der Oberflächenform bei gleichem Material ausgelesen wird, die Fig. 3D zeigt den Fall, daß ein Material 22 mit einer anderen Austrittsarbeit auf der Plattenoberfläche vorhanden ist, wenn auch nur in der Form einer einzigen Atomlage, und die Fig. 3E zeigt den Fall, daß das Material 22 mit einer anderen Austrittsarbeit vorhanden ist, wobei auf der Plattenoberfläche keine Stufe ausgebildet ist.
Außer dem Strahlstrom können auch Röntgenstrahlen, die Lumineszenz, Sekundärelektronen und dergleichen für das obige Erfassungssignal verwendet werden. In den meisten Fällen reicht es aus, wenn sich das oben angegebene Material 22 lediglich vom Material der Platte 2 unterscheidet.
Bei der vorliegenden Erfindung spielt die nadelförmige Kathode die folgenden beiden Rollen. Erstens dient sie als primäre Strahlungsquelle für die Aufzeichnung auf der Platte, und es wird in der Axialrichtung der nadelförmigen Kathode ein magnetisches Feld angelegt, so daß die Elektronenverteilung auf der Platte auch dann konvergiert werden kann, wenn der Abstand im Vakuum zwischen der Platte und der nadelförmigen Kathode zwischen 1 und 10 um liegt. Zweitens erfaßt die nadelförmige Kathode die aufgezeichneten Signale, die bei der Wiedergabe im Strahlstrom in Erscheinung treten. Um die Signale an jeder Stelle der Platte zu erfassen, kann die nadelförmige Kathode noch eine Funktion zur Positionsbestimmung durch Kombination der Drehung der Platte mit der linearen Bewegung der nadelförmigen Kathode in einem bestimmten Radiusvektor der Platte aufweisen.
Auf die oben beschriebene Art können die aufgezeichneten Signale auf der Platte ausgelesen werden. Es sind viele Schreibverfahren möglich, und es können alle verwendet werden, solange ein Elektronenstrahl benutzt wird.
Die beschriebene Ausführung der vorliegenden Erfindung hat die folgenden Vorteile. (1) Da die Feinheit eines Elektronenstrahles verwendet wird, ist eine hochdichte Aufzeichnung von etwa 10&sup9; Bit/cm² möglich. Da erfindungsgemäß der Elektronenstrahl nicht wie bei den herkömmlichen Geräten unter einem großen Winkel abgelenkt wird, bleibt die Größe des konvergenten Elektronenstrahls unverändert. (2) Entsprechend kann die Aufzeichnungs/Wiedergabekapazität unabhängig von der Größe der Platte erhöht werden, mit der Ausnahme der Begrenzung durch die mechanische Bewegung wie der Drehung der Platte und der linearen Bewegung der nadelförmigen Kathode.
Da die erfindungsgemäße Ausführung die elektro-optische Säule nicht benötigt, die bei den herkömmlichen Geräten erforderlich ist, ist das Gerät leicht aufzubauen, und die Evakuierung kann mit einer Absaugpumpe geringer Leistung erfolgen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit unter Verwendung eines Elektronenstrahles eine hohe Aufzeichnungs- und Wiedergabedichte sowie eine hochdichte Aufzeichnung und Wiedergabe.

Claims

1. Elektronenstrahl-Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät mit

einer Elektronen emittierenden Einrichtung (1),

einer elektrisch leitenden Platte (2), die in einem Vakuum gegenüber der Elektronen emittierenden Einrichtung (1) angeordnet ist, und mit

einer Einrichtung (5) zum Drehen der Platte (2),

wobei zu der Platte (2) hin emittierte Elektronen als Mittel zur Aufzeichnung und Wiedergabe verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen emittierende Einrichtung eine nadelförmige Kathode (1) mit einer scharfen Spitze aufweist, die in einem kleinen Abstand von der Aufzeichnungs-Oberfläche der Platte (2) angeordnet ist,

daß eine Einrichtung (3) vorgesehen ist, um eine Spannung zwischen der nadelförmigen Kathode (1) und der Plattenoberfläche anzulegen, um eine Feldemission von Elektronen zu der Platte (2) hin zu erzeugen, die als Anode dient,

daß ein Magnetpol (8) um die nadelförmige Kathode (1) vorgesehen ist, um ein magnetisches Feld in Axialrichtung der nadelförmigen Kathode zu erzeugen und den Strahl von emittierten Elektronen auf die Plattenoberfläche zu konvergieren, und

daß eine Einrichtung (12, 13) vorgesehen ist, um die nadelförmige Kathode (1) parallel zu der Plattenoberfläche zu bewegen.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei der Magnetpol (8) integral mit der nadelförmigen Kathode (1) ausgebildet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Einrichtung (10) zum Ablenken des Elektronenstrahles, der von der nadelförmigen Kathode (1) emittiert wird.

4. Gerät nach Anspruch 3, wobei die Ablenkeinrichtung (10) integral mit der nadelförmigen Kathode (1) ausgebildet ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen der nadelförmigen Kathode (1) und der Bewegungseinrichtung (12, 13) zum Bewegen der nadelförmigen Kathode (1) eine Höhensteuereinrichtung (11) vorgesehen ist, um den Abstand zwischen der nadelförmigen Kathode (1) und der Platte (2) zu steuern.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bewegungseinrichtung für die nadelförmige Kathode (1) eine Halterung (13) und einen an der Halterung (13) angebrachten Bewegungsmechanismus (12) aufweist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei den aufgezeichneten Signalen entsprechende Vertiefungen auf der Plattenoberfläche ausgebildet sind.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei auf der Plattenoberfläche derart verschiedene Austrittsarbeiten vorgesehen sind, daß sie den aufgezeichneten Signalen entsprechen.