JP2000268421A

JP2000268421A - 記録再生用プローブ、及び該プローブによって構成された記録再生装置

Info

Publication number: JP2000268421A
Application number: JP11066830A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Takimoto; 清瀧本; Takehiko Kawasaki; 岳彦川崎; Yasuhiro Shimada; 康弘島田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2000-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、記録ビットが高密度に形成された場
合においても、情報の再生を高速で行うことが可能で、
ビットの検出感度をさらに向上させることができ、同時
に同じ探針を用いて電圧印加による情報の記録を行うこ
とが可能な記録再生用プローブ、及び該プローブによっ
て構成された記録再生装置を提供することを目的として
いる。【解決手段】本発明の記録再生用プローブは、導電性探
針と該導電性探針を支持する弾性体からなる記録再生用
プローブであって、前記弾性体上の前記導電性探針近傍
に第１及び第２の電界効果トランジスタを有し、前記第
１の電界効果トランジスタのゲート電圧を、前記導電性
探針の電位変化または誘導分極により変調して、記録情
報に対応した２値信号を再生信号として出力する一方、
前記第２の電界効果トランジスタを介して、前記導電性
探針に記録電圧を印加する構成を備えてなることを特徴
とするものであり、また本発明の記録再生用装置は、本
発明の上記プローブによって構成されたことを特徴とす
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ）と原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の原理を応
用した高密度情報記録再生に用いるプローブ、及び該プ
ローブによって構成された高密度情報記録再生装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】試料表面の様子を原子スケールの分解能
で調べることのできる顕微鏡の代表例として、走査型ト
ンネル顕微鏡（ＳＴＭ）と原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が
あげられる。ＳＴＭの動作原理は以下のとおりである。
金属の針からなる探針電極を、導電性のある試料の表面
から数十Ａ以内の位置に近付け、探針電極と試料の間に
電圧をかけると、トンネル電流が流れる。トンネル電流
は探針電極と試料表面との間の距離に非常に敏感であ
る。ＳＴＭは、このトンネル電流が一定となるように、
探針電極と試料表面との間の距離をフィードバック制御
によって調節しながら、探針電極を試料表面上で２次元
走査する。フィードバック制御信号を２次元走査に同期
させてマッピングすることによりトンネル電流を一定と
する探針先端の軌跡を画像化することができる。試料表
面の物性が一定であれば、この軌跡は試料表面形状を画
像化したものと見なすことができる。探針電極と試料表
面間の距離の調節、および、探針電極の走査には、通常
圧電素子が用いられる。

【０００３】ＡＦＭの動作原理は以下のとおりである。
先端の鋭利な探針を、試料表面の極近傍の位置に近付け
ると、探針先端は試料表面の原子から力を受ける。探針
を小さな弾性体で支持しておけば、探針先端が試料表面
の原子から受ける力は弾性体の変位に変換できる。この
変位が一定になるように、探針と試料表面との間の距離
をフィードバック制御によって調節しながら、探針を試
料表面上で２次元走査する。フィードバック制御信号を
２次元走査に同期させてマッピングすることにより試料
表面の形状を画像化することができる。弾性体として一
般には片持ち梁（カンチレバー）が用いられる。カンチ
レバーの変位は非常に小さく、レバー背面にレーザー光
をあて反射光のふれ角により検出する方法や、レバーの
後方にＳＴＭを設けトンネル電流の変化により検出する
方法などにより検出される。

【０００４】ＡＦＭでは探針をごく小さな力で接触させ
た状態で動作させる接触モードが可能であり、この場合
には弾性体の変位（カンチレバーのたわみ）から直接表
面形状が画像化される。すなわち接触モードでは探針と
試料表面との間の距離を特にフィードバック制御する必
要がないため高速走査による表面観察が可能である。ま
たＡＦＭにおける探針として導電性の探針電極を用いれ
ば、試料表面の形状をＡＦＭにより観察しながら同時か
つ独立に試料表面の伝導度分布等を観察することができ
る。ＳＴＭやＡＦＭは、探針先端と試料表面との近接相
互作用を用いて試料表面の様子を直接的に観察すること
を特徴としている。トンネル電流や力以外の相互作用を
用いた顕微鏡も多く開発されており、このような顕微鏡
はまとめて、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と呼ばれ
ている。

【０００５】近年、ＳＰＭを応用して、物体表面の微小
な領域に情報を書き込み、またこれを読み取る、情報記
録再生装置が考えられつつある。例えば、Ｔ．Ｒ．Ａｌ
ｂｒｅｃｈｔ，Ｍ．Ｍ．Ｄｏｖｅｋ，Ｍ．Ｄ．Ｋｉｒ
ｋ，Ｃ．Ａ．Ｌａｎｇ，ａｎｄＣ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ，Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５５，１７２７（１９
８９）には、グラファイトのへき開面に、３〜８Ｖ，１
００μｓの電圧のパルスを加え、直径４ｎｍ、深さ０．
７ｎｍ程度の穴を形成し、ＳＴＭによって、これを観察
する研究が示されている。また、薄膜状の物質の導電率
を局所的に変化させることによって、情報の高密度記
録、および、再生を行うことも考えられている。例え
ば、瀧本清、矢野享治、畑中勝則、江口健、中桐孝志：
応用物理，６３，４７０（１９９４）には、導電率の極
めて小さなＬＢ膜に、探針電極を介してパルス電圧を印
加して、直径１０ｎｍ程度の非常に電流の流れやすい領
域を作り、これを記録ビットに使うという試みがなされ
ている。

【０００６】さらには、Ｒ．Ｃ．Ｂａｒｒｅｔｔａｎ
ｄＣ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．，７０，２７２５（１９９１）にはＳｉＮ／ＳｉＯ
₂／Ｓｉ積層構造におけるＳｉＮ／ＳｉＯ₂界面に探針電
極を介したパルス電圧の印加によって電荷を注入、蓄積
することで記録を行い、静電容量の変化によって読み出
しを行う方法が開示されている。また、強誘電体薄膜の
自発分極を探針電極を介したパルス電圧の印加によって
局所的に反転させて情報の記録を行い、自発分極と探針
電極との間の静電力を直接検出することによって再生を
行う方法が開示されている。この方式では、この他にも
静電容量の変化、もしくは圧電効果による媒体の変位を
検出して再生を行う方法も可能である。これらの方法を
使えば、きわめて高密度な情報記録が可能になると期待
される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】媒体の局所的導電率の
変化によって記録された情報を読み出す場合には、媒体
と探針電極との間を流れる電流の変化を検出する。再生
動作を高速で行うためには、導電性の探針を用いたＡＦ
Ｍを利用し、ＡＦＭ自体は接触モードで動作させ、同時
に電流の検出を行うのが適当である。実際には探針電極
または媒体からの配線を電流増幅器に導き、電流／電圧
変換を行う。しかしながら、上記の構成では、以下のよ
うな点に問題があった。（１）記録密度を向上させた場合、書き込まれる記録ビ
ットの面積は小さくなる。これを高速で走査して読み出
す場合、一つの記録ビットから探針に流れ込む電荷の総
量が減少する。このため、高いコントラストでのビット
の検出が難しくなる。また、ビットの検出感度を向上さ
せると、高速再生が難しくなる。（２）探針電極または媒体から電流増幅器までの配線に
よって生じる浮遊容量は電流増幅器の帯域を低下させる
ため、高速再生には浮遊容量をなるべく小さくするため
に配線は可能なかぎり短くするのが望ましい。しかし通
常の電流増幅回路を用いる限り、配線の短縮には限界が
ある。

【０００８】一方、記録が電荷の蓄積や強誘電体の自発
分極の反転による場合も、高速走査のためにはＡＦＭを
接触モードで動作させる方式を採用するのが望ましい。
しかしこの条件下では静電力の直接検出は困難である。
また静電容量の変化や圧電効果による媒体の変位を検出
する場合には交流電圧を印加した際の電流の応答もしく
は弾性体の変位の応答を検出する必要がある。前者の場
合、ロックイン検出等複雑な検出系が必要になるほか電
流の直接検出の場合同様浮遊容量による帯域低下の問題
が伴う（上記（２）の問題点）。後者の場合には印加す
る交流電圧の周波数は弾性体の共振周波数以下に設定し
なければならず、走査速度の新たな規制要因が生じ、高
速再生に有利とは言えない。

【０００９】そこで、本発明は、上記した課題を解決
し、記録ビットが高密度に形成された場合においても、
情報の再生を高速で行うことが可能で、ビットの検出感
度をさらに向上させることができ、同時に同じ探針を用
いて電圧印加による情報の記録を行うことが可能な記録
再生用プローブ、及び該プローブによって構成された記
録再生装置を提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、上記
課題を達成するために、記録再生用プローブ、及び該プ
ローブによって構成された記録再生装置を、つぎのよう
に構成したことを特徴とするものである。すなわち、本
発明の記録再生用プローブは、導電性探針と該導電性探
針を支持する弾性体からなる記録再生用プローブであっ
て、前記弾性体上の前記導電性探針近傍に第１及び第２
の電界効果トランジスタを有し、前記第１の電界効果ト
ランジスタのゲート電圧を、前記導電性探針の電位変化
または誘導分極により変調して、記録情報に対応した２
値信号を再生信号として出力する一方、前記第２の電界
効果トランジスタを介して、前記導電性探針に記録電圧
を印加する構成を備えてなることを特徴としている。ま
た、本発明の記録再生用プローブは、前記導電性探針
が、前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極に接
続され、かつ前記第２の電界効果トランジスタのソース
電極に接続されていることを特徴としている。また、本
発明の記録再生用プローブは、前記導電性探針が、シリ
コン単結晶基板に形成された凹部に剥離層を介して形成
された金属薄膜を、前記弾性体上の金属接合層に圧着接
合させて前記凹部形状を転写することによって形成され
た探針であることを特徴としている。また、本発明の記
録再生装置は、導電性探針と該導電性探針を支持する弾
性体からなる記録再生用プローブと、導電性基板上に記
録層が設けられた記録媒体とを備え、前記記録再生用プ
ローブを前記記録媒体表面に接触させて該記録媒体表面
上を走査させ、前記導電性探針と前記記録媒体間に電圧
を印加することにより前記導電性探針と前記記録媒体間
の相互作用の変化を引き起こすことで前記記録媒体に情
報の記録を行い、また前記導電性探針と前記記録媒体間
の相互作用の変化を検出して前記記録媒体に記録された
情報を再生する記録再生装置において、前記記録再生用
プローブが上記した本発明のいずれかの記録再生用プロ
ーブによって構成され、前記導電性探針を前記記録媒体
表面上で走査させながら、スイッチ制御手段により前記
第２の電界効果トランジスタをＯＮにして前記第２の電
界効果トランジスタを介して前記導電性探針と前記記録
媒体間に電圧を印加して記録を行い、また、前記スイッ
チ制御手段により前記第２の電界効果トランジスタをＯ
ＦＦに切り替えた状態で、前記導電性探針を前記記録媒
体表面上で走査させた際の前記導電性探針の電位変化ま
たは誘導分極によって前記電界効果トランジスタのゲー
ト電圧を変調して、前記記録媒体に記録された記録情報
に対応した２値信号を再生信号として出力して記録の再
生を行うことを特徴としている。また、本発明の記録再
生装置は、前記電界効果トランジスタのソース電極と前
記記録媒体の導電性基板間に再生バイアス電圧を印加す
るバイアス印加手段が設けられているとともに、前記第
２の電界効果トランジスタを介して前記記録媒体に情報
を記録するための電圧を印加する記録電圧印加手段が設
けられ、前記スイッチ制御手段が、前記第２の電界効果
トランジスタのゲート電極に制御電圧を印加してプロー
ブの記録再生動作の切り替えを行うとともに、記録再生
装置の記録再生動作を切り替えるためのスイッチ機構を
制御するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の記録再生装置は、前記記録再生プローブ
を複数備えていることを特徴としている。また、本発明
の記録再生装置は、前記記録媒体が、記録層の導電率の
局所的な変化によって情報が記録されるように構成され
ていることを特徴としている。また、本発明の記録再生
装置は、前記記録媒体が、記録層中への局所的な電荷の
蓄積によって情報が記録されるように構成されているこ
とを特徴としている。また、本発明の記録再生装置は、
前記記録媒体が、強誘電体層を記録層とし、該強誘電体
層の自発分極の局所的な反転によって情報が記録される
ように構成されていることを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】上述した記録媒体には２値情報が
記録されており、再生時には「０」と「１」を区別して
読み出すことができればよく、顕微鏡としてのＳＰＭに
要求されるような探針・試料表面間の相互作用検出にお
ける検出系は入出力信号間の直線性は必ずしも要求され
ない。したがって、記録ビットの有無により生じる相互
作用の変化に対してあるしきい値を境に２値信号を出力
する検出回路を少なくとも備えていればよい。このよう
なことから、本発明においては前記探針を記録媒体表面
に接触させて該記録媒体表面上を走査させた際の探針の
電位変化または誘導分極により電界効果トランジスタの
ゲート電圧を変調して、記録情報に対応した２値信号を
再生信号として出力することができるように構成したも
のであり、具体的には、それを前記探針近傍に電界効果
トランジスタを配置し、該電界効果トランジスタのゲー
ト電極を前記探針に接続することによって解決したもの
である。一方、この状態では探針は常にフローティング
状態にあり、情報を記録するための電圧を記録媒体に印
加することができないことから、前記ゲート電極を前記
探針に接続された第１の電界効果トランジスタとは別の
第２の電界効果トランジスタを介して、前記導電性探針
に記録電圧を印加し、記録媒体に記録するように構成し
たものである。

【００１２】つぎに、これらの構成による作用について
説明する。本発明の上記した構成によれば、第２の電界
効果トランジスタがＯＦＦの場合、第２の電界効果トラ
ンジスタのドレイン・ソース間の抵抗は極めて高く、実
質的に探針はフローティング状態に置かれる。すなわ
ち、第２の電界効果トランジスタがＯＦＦの場合は再生
の状態に対応する。記録媒体に局所的な導電率の変化と
して記録された記録ビットを再生する場合、記録ビット
の有無は導電性探針の電位の差に変換され、これによる
電界効果トランジスタのゲート電圧の差によってドレイ
ン・ソース間のチャンネルがＯＮ／ＯＦＦされ、もしく
はチャンネル抵抗が変調されて記録情報に対応した２値
信号が出力される。このため探針に流れ込む電荷の総量
が減少しても高いコントラストでのビットの検出が可能
になる。更に導電性探針の極近傍に電界効果トランジス
タが設けられ、探針が直接ゲートに接続されるため、探
針・検出回路間の配線は理想的に短くなり、この間の浮
遊容量を極めて低減できるため、検出回路の帯域を落と
すことなく高密度記録下での情報再生の高速化が図れ
る。

【００１３】また記録媒体に局所的に電荷を蓄積するこ
とにより、または強誘電体薄膜からなる記録媒体の自発
分極を局所的に反転することにより情報が記録されてい
る場合も、記録ビットの有無、すなわち蓄積電荷の有無
あるいは自発分極の向きの違いは導電性探針の電位の差
または導電性探針内の誘導分極の向きの違いに変換さ
れ、これによって生じる電界効果トランジスタのゲート
電圧の差によってドレイン・ソース間のチャンネルがＯ
Ｎ／ＯＦＦされ、もしくはチャンネル抵抗が変調されて
記録情報に対応した２値信号が出力される。このため静
電容量の変化や圧電効果による媒体の変位を検出する場
合に比べ、検出系が単純となるほか、変調の必要がない
ため高速再生に適する。更に導電性探針の極近傍に電界
効果トランジスタが設けられ、探針が直接ゲートに接続
されるため、探針・検出回路間の配線は理想的に短くな
り、この間の浮遊容量を極めて低減できるため、検出回
路の帯域を落とすこともなく高密度記録下での情報再生
の高速化が図れる。

【００１４】一方、第２の電界効果トランジスタがＯＮ
の場合、第２の電界効果トランジスタのドレイン・ソー
ス間の抵抗は極めて低くなり、導電性探針は外部回路と
の接続が可能となる。すなわち、第２の電界効果トラン
ジスタがＯＮの場合は記録の状態に対応し、第２の電界
効果トランジスタのドレインを電圧印加手段に接続すれ
ば、第２の電界効果トランジスタを介して電圧印加によ
る記録が可能になる。上記いずれの場合でも、現状の素
子作成工程では信号検出用の電界効果トランジスタの占
有面積はμｍ²以上であるが、ゲートに金属探針を直接
接続するため、顕微鏡の空間分解能は探針の先端形状に
支配され、ｎｍオーダーの高い空間分解能を維持し得
る。さらに導電性探針の作製法として、シリコン単結晶
基板に形成された凹部に剥離層を介して形成された金属
薄膜を前記弾性体上の金属接合層に圧着接合させ、前記
凹部形状を転写することによって形成する方法を用いれ
ば、弾性体上に電界効果トランジスタを作製する工程と
探針を製造する工程が独立になるため、弾性体上に電界
効果トランジスタを配置する設計、及び作製工程の自由
度が増す。

【００１５】

【実施例】つぎに、本発明の実施例について説明する。［実施例１］図１は、本発明の特徴を最も良く表す実施
例１の記録再生用プローブの構成図である。記録媒体２
０は導電性基板２２上に形成された記録層２１からな
り、導電性基板２２はスイッチ機構ＳＷ２に接続され
る。探針電極１１は弾性体（図示せず）に支持され、弾
性体上で探針の近傍に２個の電界効果トランジスタＴ
１、Ｔ２が配置されている。探針は電界効果トランジス
タＴ１のゲートＧ１に接続され、同時に電界効果トラン
ジスタＴ２のドレインＤ２に接続されている。また、電
界効果トランジスタＴ１のソースＳ１は電界効果トラン
ジスタＴ２のソースＳ２に接続され、同時にスイッチ機
構ＳＷ１に接続されている。

【００１６】再生時には電界効果トランジスタＴ２のド
レイン（Ｄ２）・ソース（Ｓ２）間のチャンネルがＯＦ
Ｆの状態となるようにゲートＧ２に制御電圧を印加して
おき、Ｔ１のゲートＧ１すなわち探針１１がフローティ
ング状態にあるようにしておく。さらにスイッチ機構Ｓ
Ｗ１によりソースＳ１、Ｓ２を接地し、スイッチ機構Ｓ
Ｗ１により導電性基板２２をバイアス電圧印加手段に接
続し、導電性基板２２に再生バイアス電圧が印加される
ようにする。記録層２１に記録された記録ビットの有無
によって探針電極の電位を変化させ、これによる電界効
果トランジスタＴ１のゲートＧ１の電位の変化によって
Ｔ１のドレイン（Ｄ１）・ソース（Ｓ１）間のチャンネ
ルがＯＮ／ＯＦＦされ、もしくはチャンネル抵抗が変調
されて記録情報に対応した２値信号が出力される。

【００１７】記録時には電界効果トランジスタＴ２のド
レイン（Ｄ２）・ソース（Ｓ２）間のチャンネルがＯＮ
の状態となるようにゲートＧ２に制御電圧を印加し、ス
イッチ機構ＳＷ２により導電性基板が接地されるように
する。さらにスイッチ機構ＳＷ１によりソースＳ１、Ｓ
２を記録電圧印加手段に接続して、Ｔ２を介して探針１
１に記録電圧を印加し、記録層２１に情報を記録する。
記録媒体２０に局所的な導電率の変化として情報が記録
されている場合、導電性基板２２にバイアス電圧を印加
しておけば、局所的な導電率の差によって探針１１の電
位が変化し、これによりＴ１のゲートＧ１の電位が変化
してＴ１のドレイン（Ｄ１）・ソース（Ｓ１）間のチャ
ンネルがＯＮ／ＯＦＦされ、もしくはチャンネル抵抗が
変調されて記録情報に対応した２値信号が出力される。

【００１８】また記録媒体２０に局所的に電荷を蓄積す
ることにより、または強誘電体薄膜からなる記録媒体の
自発分極を局所的に反転することにより情報が記録され
ている場合も、記録ビットの有無、すなわち蓄積電荷の
有無あるいは自発分極の向きの違いは導電性探針１１の
電位の差または導電性探針１１内の誘導分極の向きの違
いに変換され、これによって生じるゲート電圧の差によ
り、しきい値Ｖ_Tをはさんだゲート電圧の変動を生じ、
ドレイン・ソース間のチャンネルがＯＮ／ＯＦＦされ、
もしくはチャンネル抵抗が変調されて記録情報に対応し
た２値信号が出力される。導電性基板２２に印加する再
生バイアス電圧は記録ビットの有無による探針１１の電
位がＴ１のドレイン・ソース間のチャンネルのＯＮ／Ｏ
ＦＦのしきい値をはさんで変化するように設定される。
また、このような設定が可能ならばｎ型チャンネル、ｐ
型チャンネル、あるいはエンハンスメント型、デプレシ
ョン型いずれのタイプの電界効果トランジスタも使用可
能である。

【００１９】［実施例２］図２は、本発明の記録再生用
プローブによって構成した実施例２の記録再生装置の構
成図である。導電性を有する基板２２上の記録層２１か
らなる記録媒体２０に対し、先端に設けられている探針
１１が接触するように、複数のプローブ１０が配置され
ている。各ブロープ１０において、探針１１は、たわむ
様に弾性変形を生じる弾性体１２により支持されてい
る。また、各プローブは支持体３１に一体で支持されて
いる。ここで、弾性体１２のたわみの弾性定数が約０．
１［Ｎ／ｍ］、弾性変形量が約１［μｍ〕であるとする
と、記録媒体に対する探針の接蝕力は約１０^-7［Ｎ］程
度となる。制御コンピュータ４１により制御された位置
制御回路４２からの位置制御信号を受け、ｘｙｚ駆動機
構３２により、記録媒体２０に取り付けられたｘｙｚス
テージ３３が駆動され、プローブ１０と記録媒体２０と
は相対的に３次元方向に移動する。記録媒体２０に対
し、プローブの１０のｘｙ方向及びｚ方向位置を調節
し、探針１１先端が記録媒体２０上の所望の位置で、か
つ所望の接触力で接触させた状態になるようプローブ１
０が位置合せされる。

【００２０】上記の再生装置において、記録媒体２０に
対しプローブ１０を走査する際、プローブ１０上の探針
１１先端は記録媒体２０に対し、常に接触した状態を保
つ。このような接触走査方式は、探針１１先端を記録媒
体２０に対し接触させたまま走査する場合に、記録媒体
２０の表面に凹凸があっても、弾性体１２の弾性変形に
よりこれを吸収するため、探針１１先端と記録媒体２０
表面の接触力はほぼ一定に保たれ、探針１１先端や記録
媒体２０表面が破壊することを避けられる。この方式は
個々のプローブをＺ方向に位置合せするピエゾ素子等の
手段が不必要であるため、構成が複雑にならず、特に複
数のプローブを有する装置に適している。また、記録媒
体２０に対する個々のブローブ１０のｚ方向位置のフィ
ードバック制御が不要であるため、記録媒体２０に対す
るプローブ１０の高速走査が可能となる。

【００２１】上述の装置における記録層２１としては、
電圧印加により流れる電流値が変化するような材料を用
いる。具体例としては、第１に、特開昭６３−１６１５
５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報に開示さ
れているようなポリイミドやＳＯＡＺ（ビス−ｎ−オク
チルスクアリリウムアズレン）等電気メモリー効果を有
するＬＢ膜（＝Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ法
により作成された有機単分子膜の累積膜）が挙げられ
る。この材料は、探針−ＬＢ膜−基板間にしきい値以上
の電圧（５〜１０［Ｖ］程度）を印加すると間のＬＢ膜
の導電性が変化（ＯＦＦ状態→ＯＮ状態）し、再生用の
バイアス電圧（０．０１〜２［Ｖ］程度）を印加した際
に流れる電流が増大するものである。この媒体を使用し
た場合、記録されたドットは周囲に比べて導電性が向上
する。第２の具体例として、ＧｅＴｅ，ＧａＳｂ，Ｓｎ
Ｔｅ等の非晶質薄膜材料が挙げられる。この材料は、探
針−非晶質薄膜材料−基板間に電圧を印加し、流れる電
流により発生する熱で非晶質→晶質への相転移を起こさ
せるものである。これにより材料の導電性が変化し、再
生用のバイアス電圧を印加した際に流れる電流が増大す
るものである。第３の具体例として、ＺｎやＷ，Ｓｉ，
ＧａＡｓ等の酸化性金属・半導体材料が挙げられる。こ
の材料は、探針−酸化性金属・半導体材料間に電圧を印
加すると、流れる電流により、材料表面に吸着している
水や大気中の酸素と反応し、表面に酸化膜が形成され
る。このため材料表面の接触抵抗が変化し、バイアス電
圧を印加した際に流れる電流が減少する。この媒体を使
用した場合は、記録されたビットは周囲に比べて導電性
が低下する。また上述の装置における記録層２１とし
て、電圧印加により記録層中に電荷を蓄積し得る材料あ
るいは分極を反転し得る材料も用いることができる。こ
の場合、再生は蓄積電荷、または分極電荷の直接検出、
またはこれらによる媒体表面の電位変化の検出によって
なされる。

【００２２】電圧印加により媒体内に電荷を蓄積させる
方法では使用し得る媒体は主に２種類あり、一つは窒化
Ｓｉ層／酸化Ｓｉ層／Ｓｉ基板（ＮＯＳ）タイプ、もう
一つは酸化Ｓｉ層／窒化Ｓｉ層／酸化Ｓｉ層／Ｓｉ基板
（ＯＮＯＳ）タイプである。両者共酸化Ｓｉ層と窒化Ｓ
ｉ層の界面付近に電荷を蓄積させる点では同一である
が、ＯＮＯＳタイプの方が、より表面付近に電荷を蓄積
できるためビット径を小さくでき、高密度化に有利にな
る。電圧印加により分極を反転し得る材料としては強誘
電性を有するものが挙げられる。例えばＰｂＴｉＯ₃、
Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、ＢａＴｉＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａ
Ｏ₃やＰＺＴ（チタン酸ジルコニア酸鉛）、ＰＬＺＴ
（チタン酸ジルコニア酸ランタン鉛）、さらにはＶＤＦ
／ＴｒＦＥ（フッ化ビニリデン／三フッ化エチレン）共
重合体、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）といった強
誘電性高分子など数多くの材料が挙げられ、これらの本
発明への適用が考えられる。記録媒体は下部電極層と上
部強誘電体層とから構成され、下部電極層はＡｕ，Ｐｔ
などの金属だけでなく、Ｓｉ等の半導体であってもよ
い。プローブ電極と記録媒体の下部電極層との間にパル
ス電圧を印加し、強誘電体の抗電界よりも大きな電界が
記録媒体に印加されればパルス電圧の極性に対応して記
録媒体の自発分極の方向が決まり情報を記録することが
できる。

【００２３】さて、上述の記録媒体上に記録されたビッ
トの再生は次のように行う。スイッチ制御回路４６によ
り各プローブ１０のＴ２のゲートＧ２にＴ２のドレイン
・ソース間のチャンネルをＯＦＦ状態に保持するような
電圧を印加する。またスイッチ制御回路４６によりスイ
ッチ機構（ＳＷ２）４８を再生バイアス印加側に切り替
え、バイアス印加回路４５により、各プローブのソース
（Ｓ：Ｓ１とＳ２）と記録媒体２０との間にバイアス電
圧を印加し、記録ビットの有無によりゲート電圧がしき
い値を境に変調されるようにする。さらにスイッチ制御
回路４６によりスイッチ機構（ＳＷ１）４７を接地側に
切り替える。各プローブ１０のドレインＤ１には抵抗を
介して電圧Ｖ_Dが印加される。記録ビットの有無により
変調されたゲート電圧による各プローブ１０のドレイン
・ソース間のチャンネルのＯＮ／ＯＦＦが電圧の変化に
変換され、再生制御回路４３に出力される。再生制御回
路４３はこれらの電圧信号を基に再生信号を構成し、制
御コンピュータ４１に出力する。

【００２４】記録媒体上に情報を記録する場合には次の
ように行う。スイッチ制御回路４６により各プローブの
Ｔ２のゲートＧ２にＴ２のドレイン・ソース間のチャン
ネルをＯＮ状態に保持するような電圧を印加する。また
スイッチ制御回路４６によりスイッチ機構（ＳＷ２）４
８を接地側に切り替える。さらにスイッチ制御回路４６
によりスイッチ機構（ＳＷ１）４７を記録電圧印加側に
切り替える。制御コンピュータ４１からの出力信号に基
づいて記録電圧印加回路４４は、各プローブのソース
（Ｓ１＆Ｓ２）と記録媒体２０との間に記録用電圧を印
加し、記録ビットの形成を行う。なお、スイッチ機構４
７、４８はＦＥＴスイッチとして、支持体３１上にプロ
ーブとともに一体で形成されていてもよい。またドレイ
ン抵抗を含む各プローブヘの配線（図２の４９）、スイ
ッチ制御回路、バイアス印加回路、記録電圧印加回路及
び再生制御回路も支持体３１上に一体で形成されていて
もよい。また、ここでは複数のプローブよりなる記録再
生回路を示したが、１個のプローブからなる記録再生装
置であってもよい。

【００２５】［実施例３］図３は、本発明の実施例３に
おけるカンチレバー型記録再生プローブの全体像を示し
た図である。１０１は厚さ５μｍのｐ形Ｓｉ単結晶薄膜
（面方位（１００）面）、１０２は厚さ１μｍのＳｉＯ
₂薄膜、１０３は厚さ０．５ｍｍ、面方位（１００）面
のＳｉ単結晶基板である。ｐ形Ｓｉ単結晶薄膜１０１の
一部は、カンチレバー本体１０４として、Ｓｉ基板１０
３から突出している。カンチレバー本体１０４の上面は
ＳｉＯ₂薄膜１０５で覆われている。カンチレバー本体
１０４の大きさは、長さＬ＝８００μｍ、幅Ｗ＝２００
μｍ、厚さｄ＝５μｍとした。これにより約１．７［Ｎ
／ｍ］のたわみのバネ定数を有するカンチレバーが得ら
れる。

【００２６】図４は、カンチレバー先端のふかん図であ
る。また、図４のＡＡ’の断面を示したのが図５
（ａ）、ＢＢ’の断面を示したのが図５（ｂ）である。
カンチレバー本体１０４の先端には、ピラミッド形の探
針１１０と、その探針１１０に接続された電極１１１が
取り付けられている。電極１１１の両側には、ＳｉＯ₂
薄膜１０５の除去された窓があり、そこにｎ形Ｓｉ領域
１１２、１１３が形成されている。ｎ形Ｓｉ領域１１
２、１１３には、アルミニウム（Ａｌ）電極１１６、１
１７が取り付けられている。さらに、もう１組ＳｉＯ₂
薄膜１０５の除去された窓があり、そこにもｎ形Ｓｉ領
域１１４、１１５が形成されている。ｎ形Ｓｉ領域１１
５は、Ａｌ電極１１７が取り付けられており、ｎ形Ｓｉ
領域１１４に取りつけられた電極は電極１１１が接続さ
れている。すなわちカンチレバー本体１０４の先端付近
には、ＦＥＴが構成されており、ｎ形Ｓｉ領域１１２、
１１４がドレイン、１１３、１１５がソースの役割を果
たし、ｎ形Ｓｉ領域１１２と１１３の間のＳｉＯ₂薄膜
１０５上に形成された電極１１１がこれらに対するゲー
トの役割を果たしている。電極１１１は、更に探針１１
０に接続される。ｎ形Ｓｉ領域１１４と１１５の間のＳ
ｉＯ₂薄膜１０５上にはＡｌゲート電極１１８が取り付
けられ、Ａｌ引き出し電極１１９に接続されている。

【００２７】以下にカンチレバーの作成方法を示す。図
６（ａ）のように、厚さ０．５ｍｍ、面方位（１００）
面のＳｉ結晶基板１０３、厚さ１μｍのＳｉＯ₂薄膜１
０２、厚さ５μｍのＳｉ単結晶薄膜１０１を積層させた
ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）
基板を用意する。Ｓｉ単結晶薄膜１０１として、ボロン
（Ｂ）を不純物原子として導入したｐ形Ｓｉ単結晶薄膜
を用いる。なお、図６は各工程における図４のＡ−Ａ’
断面に相当する断面を示したものである。まず、図６
（ｂ）のように、ＳＯＩの上下両面に、熱酸化によっ
て、ＳｉＯ₂薄膜１０５、１０６を形成する。次に、図
６（ｃ）のように、ＳｉＯ₂薄膜１０５に、フォトリソ
グラフィ、エッチングによって、窓の領域を作り、イオ
ン注入法により、リン（Ｐ）原子を不純物として導入す
る。Ｐ原子は、５０〜１００ｋｅＶに加速し、ドーズ量
（半導体表面の１ｃｍ²あたりに注入されるイオンの個
数）は、およそ１０¹³ｃｍ^-2とする。その後熱処理（６
００〜７００℃で３０分間）を行って、イオン注入によ
る結晶格子の損傷を回復する。これにより、ｎ形Ｓｉ領
域１１２、１１３が形成される。

【００２８】ＳｉＯ₂薄膜１０５、および、ｎ形Ｓｉ領
域１１２、１１３上にＡｌを蒸着して、Ａｌ薄膜５０１
を作る。Ａｌ薄膜５０１上に、レジスト層を作り、これ
をフォトリソグラフィによって、電極のパターン５０
２、５０３、５０４にする（図６（ｄ））。エッチング
によって、Ａｌ薄膜５０１のレジスト層に覆われていな
い部分を取り除き、さらに、レジストのパターン５０
２、５０３、５０４を取り除く。こうして、Ａｌ電極１
１１、１１６、１１７ができあがる（図６（ｅ））。以
上の工程により、ｎ形Ｓｉ領域１１４、１１５とこれら
をおおうＡｌ電極、さらにはゲート電極１１８と引き出
し電極１１９も同時に形成される。次に、Ｓｉ基板１０
３の裏面に窒化シリコン膜５０５を０．５μｍ成膜し
た。フォトリソグラフィによってカンチレバー本体のパ
ターンにしたレジスト層５０６を形成し（図６
（ｆ））、ドライエッチングによって、Ｓｉ単結晶薄膜
１０１をカンチレバーの形状にパターニングした。次い
で、裏面の窒化シリコン膜５０５、及びＳｉＯ₂薄膜１
０５を同様にエッチングマスク形状にパターニングした
（図６（ｇ））。

【００２９】図７は、本実施例のカンチレバーに取り付
ける探針の製造工程を示す図である。まず、面方位（１
００）面のＳｉ単結晶基板６０１に、保護層６０２とし
て熱酸化膜を１００ｎｍ形成した。次に、保護層６０２
の所望の箇所を、フォトリソグラフィとエッチングによ
りパターニングし、６μｍ平方のシリコンを露出した。
次に、水酸化カリウム水溶液を用いた結晶軸異方性エッ
チングによりパターニング部のシリコンをエッチングし
た。なお、エッチング条件は、濃度３０％の水酸化カリ
ウム水溶液を用い、液温９０℃、エッチング時間は１５
分とした。このとき（１１１）面と等価な４つの面で囲
まれた深さ約４μｍの逆ピラミッド状の凹部６０３が形
成された（図７（ａ））。次に、保護層６０２である熱
酸化膜をフッ酸とフッ化アンモニウムの混合水溶液（Ｈ
Ｆ：ＮＨ₄Ｆ＝１：５）で除去した（図７（ｂ））。次
に、１２０℃に加熱した硫酸と過酸化水素水の混合液、
及び、２％フッ酸水溶液を用いて基板６０１の洗浄を行
った。次に、熱酸化炉をもちいて基板６０１を酸素及び
水素雰囲気中で１０００℃に加熱し、剥離層６０４であ
る二酸化シリコンを４００ｎｍ堆積した（図７
（ｃ））。次に、探針１１０となる部分を作製する。ま
ず、探針１１０の材料として金Ａｕを真空蒸着法により
３００ｎｍ成膜した（図７（ｄ））。次に探針１１０の
材料６０５をフォトリソグラフィとエッチングによりパ
ターニングし、探針１１０を形成した（図７（ｅ））。

【００３０】図８は、探針１１０をカンチレバー本体１
０４に接合する工程を示したものであり、図４で探針部
分の断面（Ｃ−Ｃ’断面）に相当する面で工程を示して
いる。まず、チタンＴｉを３ｎｍ、金Ａｕを５０ｎｍ成
膜し、フォトリソグラフィとエッチングによりパターン
形成を行い、接合層１２０を形成した（図８（ａ））。

【００３１】探針１１０とカンチレバー上の接合層１２
０とを位置合わせして対向・接触させ、荷重を加えるこ
とにより探針１１０と接合層１２０の接合（圧着）を行
った（図８（ｂ））。次いで、双方の基板（１０３、６
０１）を引き離すことにより、剥離層６０４と探針１１
０との界面で剥離させた（図８（ｃ））。表面保護層７
０１としてポリイミド層をスピンコートにより塗布し、
次いでベークして形成した（図８（ｄ））。裏面の窒化
シリコン５０５をエッチングマスクにして、９０℃に加
熱した３０％水酸化カリウム水溶液により裏面から基板
１０３のエッチングを行った。次に、フッ酸とフッ化ア
ンモニウム混合水溶液によりＳｉＯ₂薄膜１０２を除去
した（図８（ｅ））。最後に、酸素プラズマを用いて表
面保護層７０１を除去してカンチレバー型プローブを形
成した（図８（ｆ））。以上のようにして作成したカン
チレバー型プローブを用いて前述した構成の記録再生装
置を製作したところ、電圧印加による微小なビットパタ
ーンの形成が可能であった。さらに、このようにして高
密度に記録された情報の再生を高速に行うことが可能
で、かつ、ビットの検出感度を従来よりも向上させるこ
とができた。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の記録再
生プローブによれば、導電性探針を支持する弾性体上の
探針の極近傍に電界効果トランジスタを形成し、探針を
電界効果トランジスタのゲートに接続する構成を採るこ
とにより、探針電位の変化により電界効果トランジスタ
のゲート電圧を変調して記録情報に応じた２値信号を再
生信号として出力することができる。また探針の極近傍
に電界効果トランジスタが設けられるため、配線を理想
的に短くすることができ、浮遊容量を極めて低減できる
ため、検出帯域を落とすことなく記録情報の高速検出が
可能となる。さらに、ゲート電極を探針に接続した電界
効果トランジスタとは別の電界効果トランジスタを介し
て、前記導電性探針に記録電圧を印加する構成によっ
て、同じ探針を用いて電圧の印加が可能となり、電圧印
加による記録媒体への微小な記録ビットの形成が可能と
なる。また、本発明の記録再生プローブを用いた記録再
生装置では、探針を介した電圧印加による情報の記録が
可能である。すなわち、電圧印加による記録媒体の導電
率の局所的な変化、あるいは記録媒体中への電荷蓄積ま
たは記録媒体の分極反転を利用した情報記録が可能とな
る。また、同じ記録再生プローブを用いて記録媒体の導
電率の局所的な変化により記録された情報、あるいは記
録媒体中への電荷蓄積または記録媒体の分極により記録
された情報の再生を行うことができ、高密度に記録され
た情報の再生を高速に行うことが可能となる。さらに、
導電性探針として、シリコン単結晶基板に形成された凹
部に剥離層を介して形成された金属薄膜を前記弾性体上
の金属接合層に圧着接合させ、前記凹部形状を転写する
ことによって形成した導電性探針を用いることにより、
弾性体上に電界効果トランジスタを作製する工程と探針
を製造する工程が独立になるため、弾性体上に電界効果
トランジスタを配置する設計、及び作製工程の自由度の
大きい方法で得られた導電性探針によって記録再生プロ
ーブを構成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における記録再生プローブの
構成を示した図である。

【図２】本発明の実施例２における記録再生プローブを
用いた記録再生装置の構成を示した図である。

【図３】本発明の実施例３におけるカンチレバー型記録
再生プローブの全体像を示した図である。

【図４】本発明の実施例３におけるカンチレバー型記録
再生プローブの先端の構造を示すふかん図である。

【図５】（ａ）は図４で示したＡ−Ａ’方向の断面を示
した図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ’方向の断面を示した図
である。

【図６】本発明の実施例３におけるカンチレバー型記録
再生プローブの製造工程の一部、カンチレバー上にＦＥ
Ｔを作製する工程及び探針接合層を作製する工程を示し
た図である。

【図７】本発明の実施例３におけるカンチレバー型記録
再生プローブの製造工程の一部、導電性探針の製造工程
を示した図である。

【図８】本発明の実施例３におけるカンチレバー型記録
再生プローブの製造工程の一部、探針をカンチレバー上
に圧着・接合する工程、及びカンチレバーを作製する工
程を示した図である。

【符号の説明】

１０：プローブ１１：導電性探針１２：弾性体２０：記録媒体２１：記録層２２：導電性基板３１：支持体３２：ｘｙｚ駆動機構３３：ｘｙｚ駆動ステージ４１：制御コンピュータ４２：位置制御回路４３：再生制御回路４４：記録電圧印加回路４５：バイアス印加回路４６：スイッチ切り替え回路４７：スイッチ機構（ＳＷ１）４８：スイッチ機構（ＳＷ２）１０１：ｐ形Ｓｉ単結晶薄膜１０２，１０５，１０６，４０２，６０２：ＳｉＯ₂薄
膜１０３，６０１：面方位（１００）面のＳｉ結晶基板１０４：カンチレバー本体１１０：探針１１１，１１６，１１７，１１８，１１９：Ａｌ電極１１２，１１３，１１４，１１５：ｎ形Ｓｉ領域１２０：接合層５０１：Ａｌ薄膜５０２，５０３，５０４，５０６：レジスト５０５：窒化シリコン薄膜６０３：逆ピラミッド形の凹部６０４：剥離層６０５：探針材料７０１：保護層

フロントページの続き (72)発明者島田康弘東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 5D044 BC10 GK11 GK20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性探針と該導電性探針を支持する弾性
体からなる記録再生用プローブであって、前記弾性体上
の前記導電性探針近傍に第１及び第２の電界効果トラン
ジスタを有し、前記第１の電界効果トランジスタのゲー
ト電圧を、前記導電性探針の電位変化または誘導分極に
より変調して、記録情報に対応した２値信号を再生信号
として出力する一方、前記第２の電界効果トランジスタを介して、前記導電性
探針に記録電圧を印加する構成を備えてなることを特徴
とする記録再生用プローブ。
【請求項２】前記導電性探針が、前記第１の電界効果ト
ランジスタのゲート電極に接続され、かつ前記第２の電
界効果トランジスタのソース電極に接続されていること
を特徴とする請求項１に記載の記録再生用プローブ。
【請求項３】前記導電性探針が、シリコン単結晶基板に
形成された凹部に剥離層を介して形成された金属薄膜
を、前記弾性体上の金属接合層に圧着接合させて前記凹
部形状を転写することによって形成された探針であるこ
とを特徴とする請求項１または請求項２に記載の記録再
生用プローブ。
【請求項４】導電性探針と該導電性探針を支持する弾性
体からなる記録再生用プローブと、導電性基板上に記録
層が設けられた記録媒体とを備え、前記記録再生用プロ
ーブを前記記録媒体表面に接触させて該記録媒体表面上
を走査させ、前記導電性探針と前記記録媒体間に電圧を
印加することにより前記導電性探針と前記記録媒体間の
相互作用の変化を引き起こすことで前記記録媒体に情報
の記録を行い、また前記導電性探針と前記記録媒体間の
相互作用の変化を検出して前記記録媒体に記録された情
報を再生する記録再生装置において、前記記録再生用プローブが請求項１〜３のいずれか１項
の記録再生用プローブによって構成され、前記導電性探
針を前記記録媒体表面上で走査させながら、スイッチ制
御手段により前記第２の電界効果トランジスタをＯＮに
して前記第２の電界効果トランジスタを介して前記導電
性探針と前記記録媒体間に電圧を印加して記録を行い、また、前記スイッチ制御手段により前記第２の電界効果
トランジスタをＯＦＦに切り替えた状態で、前記導電性
探針を前記記録媒体表面上で走査させた際の前記導電性
探針の電位変化または誘導分極によって前記電界効果ト
ランジスタのゲート電圧を変調して、前記記録媒体に記
録された記録情報に対応した２値信号を再生信号として
出力して記録の再生を行うことを特徴とする記録再生装
置。
【請求項５】前記電界効果トランジスタのソース電極と
前記記録媒体の導電性基板間に再生バイアス電圧を印加
するバイアス印加手段が設けられているとともに、前記
第２の電界効果トランジスタを介して前記記録媒体に情
報を記録するための電圧を印加する記録電圧印加手段が
設けられ、前記スイッチ制御手段が、前記第２の電界効果トランジ
スタのゲート電極に制御電圧を印加してプローブの記録
再生動作の切り替えを行うとともに、記録再生装置の記
録再生動作を切り替えるためのスイッチ機構を制御する
ように構成されていることを特徴する請求項４に記載の
記録再生装置。
【請求項６】前記記録再生プローブを複数備えているこ
とを特徴とする請求項４または請求項５に記載の記録再
生装置。
【請求項７】前記記録媒体が、記録層の導電率の局所的
な変化によって情報が記録されるように構成されている
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の
記録再生装置。
【請求項８】前記記録媒体が、記録層中への局所的な電
荷の蓄積によって情報が記録されるように構成されてい
ることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載
の記録再生装置。
【請求項９】前記記録媒体が、強誘電体層を記録層と
し、該強誘電体層の自発分極の局所的な反転によって情
報が記録されるように構成されていることを特徴とする
請求項４〜６のいずれか１項に記載の記録再生装置。