JP2006268894A

JP2006268894A - 誘電体記録・再生装置および記録方法ならびにその電極

Info

Publication number: JP2006268894A
Application number: JP2005081209A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Cho; 康雄長
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】高速かつ超高密度で記録・再生を可能とする誘電体記録再生装置の提供を課題とする。
【解決手段】誘電体記録媒体２０の誘電体材料１７に電界を印加するために同一側に配置した探針１１および補助電極４０と、探針１１で印加する高周波電界のリターン電極１２と、探針下の誘電体材料１７に記録された分極状態に対応した情報の再生手段とを備えたことを特徴とする誘電体記録・再生装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体薄膜に高密度で情報を記録・再生する誘電体記録・再生装置の技術分野に属する。

近年、大容量記憶装置に対するニーズが高まっている。高密度大容量でランダムアクセス可能な記録・再生装置として、光ディスク装置やＨＤＤ（Hard Disc Drive）装置が知られている。磁性体を記録媒体としたＨＤＤの記録密度は年率１００％を超える勢いで上昇している。大容量記憶装置は単に小型大容量であればよいというだけでなく、速い転送レートや省電力性が強く求められている。ＨＤＤの記録密度は開発段階では１００Ｇbit/inch² を超えようとしているが、垂直磁気記録の技術を使っても記憶密度として1Ｔbit/ inch² 程度が限界といわれている。また、光ディスクで光近接場やホログラム方式を適用しても記憶容量として1Ｔbit/ inch²程度が限界といわれている。

１Ｔbit/ inch²程度が限界といわれている垂直磁気記録密度を、強誘電体を記録材料とする強誘電体記憶装置では、大きく超える可能性がある。外部電界印加による強誘電体記録では自発分極方向の制御が可能であり、自発分極の向きを記録情報に対応させ、垂直磁気記録に類似した情報記録を電気的に実現することができる。このような自発分極の向きは強誘電体結晶における単位格子内の原子の位置で決まり、典型的な強誘電体材料の分極ドメイン壁は３〜５単位結晶格子の厚さであり，強磁性体のドメイン壁の厚さよりもはるかに薄い（非特許文献１）。従って、強誘電体を記録材料とすることで垂直磁気記録の記録密度を大きく超えることができる。

しかしながら、このような特徴を有する強誘電体超高密度記録の研究は磁気記録の研究に比べて遅れていた。これは、磁気と異なり、強誘電体記録の場合はプラスの電荷とマイナスの電荷が表面に独立して存在し、電界印加によって情報を強誘電体記録媒体に分極ドメインとして記録できたとしても、自発分極に基づく表面電荷は空間に存在する単電荷によってすぐに中和されてしまうので、表面電荷を読み出すことが困難であることによる。つまり、強誘電体記録・再生装置を実現するためには、強誘電体分極ドメインの存在を高分解能かつ高速で読み出す技術の確立が必要であった。

本願発明者によって、１９９４年にＳＮＤＭ(Scanning Nonlinear Dielectric Microscope：走査型非線形誘電率顕微鏡)法による強誘電体分極ドメインの検出方法が発明され、ＳＰＭ(Scanning Probe Microscope：走査型プローブ顕微鏡)で使われる導電性のＳＰＭカンチレバーを使うことで、サブナノメートルの分解能が検証された。これは圧電イメージングによる検出方法などと比べてはるかに高い分解能である。また、ＳＮＤＭは純電気的な方法で強誘電体分極ドメインを高速で検出することが可能である。したがって、ＳＮＤＭ装置を強誘電体記録・再生装置として使用できればこれまでの常識を超える情報記録・再生装置としての可能性が考えられる。

上記したＳＮＤＭ装置を強誘電体記録・再生装置として使用する基本発明は特許文献１等で開示されている。その装置の全体機能図を図６に示す。記録密度１.５Ｔbit/ inch²の実現可能性が得られている。

特開２００４−１２７４８９号公報長他、"非線形誘電率顕微鏡と次世代超高密度強誘電体記録、"電子情報通信学会論文誌Ｃ、Vol. J88-C、 No.1、pp.1-12、2005

従来の強誘電体記録・再生装置の構成図を図６（特許文献１の図１０に相当する）に示す。記録密度１.５Ｔbit/ inch²の実現可能性が得られている。本発明は５Ｔbit/ inch²以上の記録密度でしかも高速に書き込むことを実現する技術を提供するものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した、誘電体記録媒体の誘電体材料に電界を印加するために、同一側に配置した探針および補助電極と、探針で印加する高周波電界のリターン電極と、探針下の誘電体材料に記録された分極状態に対応した情報の再生手段とを備えたことを特徴とする誘電体記録・再生装置。

請求項２に記載した、前記誘電体材料がタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶薄膜であることを特徴とする請求項１記載の誘電体記録・再生装置。

請求項３に記載した、前記タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶薄膜が１０ないし１５０ｎｍ厚であることを特徴とする請求項２記載の誘電体記録・再生装置。

請求項４に記載した、導体を有する誘電体記録媒体の誘電体材料に情報を書き込む際に、前記導体と補助電極間に所定の直流電圧を印加した状態で、前記導体と探針間にオフセット電圧を有する情報パルスを印加することを特徴とする記録方法。

請求項５に記載した、導体を有する誘電体記録媒体の誘電体材料に情報を書き込む際に、前記導体と補助電極間に所定の直流電圧を印加した状態で、前記導体と探針間には情報パルスのみを印加することを特徴とする記録方法。

請求項６に記載した、誘電体記録媒体を保持するトレー側に、探針とリターン電極とインダクタと発振器と補助電極とが配置されていることを特徴とする請求項１、２、３記載の誘電体記録・再生装置。

請求項７に記載した、探針とリターン電極とインダクタと発振器と補助電極とが一体化した構造を特徴とする請求項６記載の誘電体記録・再生装置。

請求項８に記載した、円形ないし方形の外周から中心部に向かって切り込みを有することを特徴とする誘電体記録・再生装置用の電極。

請求項１、４、５の発明によれば、従来技術と比較して、より低いパルス電圧で、より小さなサイズの分極ドメインが高速（狭いパルス幅）で生成でき、超高密度記録が実現できる。

請求項２、３の発明によれば、強誘電体を使用するので、一層の記録密度向上が期待できる。

請求項５、６、７、８の発明によれば、誘電体記録・再生装置の小型化が期待できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本願発明者は、図２（ａ）に書き込み原理図を示すように、誘電体材料２１７に接触させた探針２１１（図１の１１に相当する）に、直流オフセット電圧２５２を重畳した書き込みパルス２５１を印加すると、従来技術と比して、より低いパルス電圧で、より小さな分極ドメインが高速で生成できることを新たに見出した。このように、低いパルス電圧・狭いパルス幅のパルスを印加しても、小さな分極ドメインの形成・安定化を可能とする、誘電体表面に印加する直流バイアス電圧を、本願では直流オフセット電圧と定義する。

図３（ａ）に探針２１１に印加する書き込みパルス波形を示す。本実験では、誘電体材料２１７として、市販されている一致溶融組成のタンタル酸リチウム（Congruent LiTaO_３：以下ではＣＬＴと略記する）と定比組成のタンタル酸リチウム（Stoichiometric LiTaO_３：以下ではＳＬＴと略記する）とを使用した。ＳＬＴの抗電界はＣＬＴに比べて非常に小さい。このことは、分極反転速度が速いことを意味する。一方、ＣＬＴではＳＬＴと比してより微小な分極ドメインの生成が期待できる。

図３（ｂ）に誘電体材料２１７として厚さ２８.８ｎｍのＣＬＴに書き込んだ試料のＳＮＤＭで観測した分極ドメイン像を示す。黒いドットが分極ドメインである。１０ｎｓのパルス幅で、オフセット電圧が０.５Ｖでは１０Ｖのパルス電圧を印加しても分極ドメインを生成できないが、オフセット電圧を１.０Ｖにすることにより、パルス電圧９Ｖ以上で分極ドメインを生成できた。

どれだけ狭い間隔で分極ドメインを生成できるかを確かめる目的で、誘電体材料２１７をＸＹピエゾステージに取り付けてＸＹ方向に移動させて書き込み実験を実施した例を図４に示す。オフセット電圧を１.０Ｖ、パルス電圧９.５Ｖ、パルス幅５０ｎｓとして、書き込み可能な平均ビット間隔は８.７ｎｍであった。面記録密度８.５Ｔbit/ inch²が達成できるビット間隔である。

このように、オフセット電圧を加えることにより、狭いパルス幅（高速）と低いパルス電圧（低消費電力）で、小さな分極ドメイン（高密度）を生成できるが、この効果を得るには、書き込みパルスが終わったあとも、ドメイン安定化に要する時間以上（好ましくは１mｓ以上）探針２１１を書き込み位置に停止させて、オフセット電圧を持続させる必要がある。

この対策として、図２（ｂ）に示すように、探針２１１の極近傍に誘電体材料２１７と対向して広域にわたって補助電極２４０を配置して直流電圧２５０を印加する。こうすれば、探針２１１を誘電体材料２１７に接触させて書き込みパルスを印加したあとで、探針２１１を誘電体材料２１７表面から離して誘電体材料２１７を移動させても、生成された分極ドメインは補助電極２４０直下に移動しているので、補助電極２４０によりオフセット電圧を長い時間（１ｍｓ以上）誘電体材料２１７に印加でき、分極ドメインは安定化される。

図２（ｂ）に示す補助電極２４０を用いれば、書き込みパルス自身にオフセット電圧を付加しなくても、補助電極２４０による誘導電界により、探針２１１の書き込み位置にオフセット電圧が付加された書き込みパルスが印加されることになる。

上にのべた原理を利用して製作した強誘電体記録・再生装置の概念図を図１に示す。

図１の誘電体記録・再生装置は、誘電体記録媒体２０の誘電体材料１７に電界を印加する探針１１および補助電極４０と、探針１１が印加する高周波電界が戻るリターン電極１２と、探針１１とリターン電極１２の間に設けられるインダクタＬと、インダクタＬと探針１１の直下の誘電体材料に形成される書き込み情報に対応して分極したドメインの容量Ｃｓとで決まる共振周波数で発振する発振器１３と、記録・再生時に回路接続を切り替えるスイッチ３０及びスイッチ３６と、記録すべき情報により書き込み信号を発生する書き込み信号生成部３１と、探針１１に印加する交流信号を発生する交流信号発生部３２と、探針１１の直下の誘電体材料が有する容量で変調されるＦＭ変調信号を復調するＦＭ復調器３３と、復調された信号からデータを検出するＰＳＫ復調器３４と、復調された信号からトラッキングエラー信号を検出するトラッキングエラー検出部３５とを備えて構成される。

この誘電体記録・再生装置は、誘電体記録媒体２０に対する記録と再生の機能を併せ持つ装置であって、スイッチ３０及びスイッチ３６によって記録と再生の回路接続を切り替えると共に、再生時に交流信号を探針１１と誘電体材料１７の間に印加することを特徴とする。

補助電極４０には先に説明した情報書き込み時に必要とされるオフセット電圧を誘電体材料１７に印加するに足りる所定の直流電圧が直流電源５０によって印加される。誘電体材料１７の材質（誘電率、厚さ等）、補助電極４０と誘電体材料１７との間隙寸法で印加すべき直流電圧の値は変化する。したがって、具体的な条件が決まったら、あらかじめ実験等で求めておけばよい。なお、安全性から１０Ｖ以下に設定するのが望ましい。

まず、書き込み時には、スイッチ３０の端子３０aを端子３０bに接続し、また、スイッチ３６の端子３６aを端子３６bに接続して書き込み信号生成部３１からの書き込み信号を探針１１と誘電体材料１７との間に印加する。スイッチ３６の端子３６bは直接探針１１に接続されるため、インダクタＬのインダクタンスの影響を避けることが可能となる。

一方、再生時にはスイッチ３０の端子３０aを端子３０cに接続し、スイッチ３６の端子３６aを端子３６cに接続してインダクタＬと容量Ｃｓとで共振回路を構成させる。

再生は分極状態に対応した容量Ｃｓを検出することで行われる。即ち、容量Ｃｓが係わる発振周波数の変化を検出することでデータの再生が行われる。リターン電極１２は、探針１１から誘電体材料１７に印加した電界が戻る電極であって、探針１１の近傍に設けられている。リターン電極１２は、探針１１直下に形成される極微な静電容量よりもリターン電極１２の下に形成される静電容量が十分大きくなる形状、配置であれば何れの形態でも良い。
また、図１の誘電体記録媒体２０は、基板１５の上に電極１６が、また、電極１６の上に誘電体材料１７が積層されて形成されている。

基板１５は例えばシリコンであり、その強固さと化学的安定性、加工性等において好適な材料である。ＣＤＲＯＭやＤＶＤＲＯＭに用いられるプラスチック基板や、磁気ディスクに用いられるガラス基板でもよい。電極１６は探針１１との間で電界を発生させるための導体で、誘電体材料１７に抗電界（残留分極を打ち消すために必要な電界強度）以上の電界を印加して分極ドメインを生成させる。データに対応して分極方向を定めることにより書き込みが行われる。探針１１は針状のものやカンチレバー状等のものが具体的な形状として知られている。本実施例では探針として先端半径２５ｎｍの導電性カンチレバーを用いた。

誘電体材料１７は、本実施例では強誘電体であるＬｉＴａＯ_３を用い、分極の＋面と−面が１８０度のドメインの関係であるＬｉＴａＯ_３のＺ面に対して書き込みを行なった。他の誘電体材料を用いてもよい。

図５（ａ）に記録再生を実施する機構部の概念図を示す。円形の誘電体記録媒体２００を収納するトレー４００は、補助電極４４０、探針１１とリターン電極１２とインダクタＬと発振器１３等が収納された記録再生ヘッド４１０、誘電体記録媒体２００の支持台４５０、誘電体記録媒体２００のクランプ４５５で構成される。図１の電極１６に相当する誘電体記録媒体２００の電極２１６はクランプ４５５でスイッチ３０等に接続される。

誘電体記録媒体２００はトレー４００の支持台４５０の上に載せられて、クランプ４５５により保持される。支持台４５０の回転と、支持台４５０の中心点に向かう記録再生ヘッド４１０の移動により、情報の書き込み読み出し番地が特定される。支持台４５０と記録再生ヘッド４１０はサーボ機構により駆動が制御される。支持台４５０と補助電極４４０は１〜１０μｍ程度の段差を持ち、回転する誘電体記録媒体２００が補助電極４４０と接触しないように配置されているので、補助電極４４０によって、誘電体記録媒体２００にオフセット電圧が印加される。

この誘電体記録・再生装置は、書き込み動作に入る前に、誘電体記録媒体２００に書き込まれている誘電体記録媒体２００の特性情報（製造会社名、製品仕様等）と、誘電体記録媒体２００と補助電極４４０の間隙とを、記録再生ヘッド４１０が読み取り、書き込みに最適な直流電源５０の電圧値を自動設定するが、必要に応じて、手動で直流電源５０の電圧値を設定できる構造・手段としてもよい。

誘電体記録媒体２００をトレー４００に収容した図が図５（ｂ）である。誘電体記録媒体２００の誘電体材料面が下側に装着される。このように、誘電体記録・再生装置も、市販のＣＤＲＯＭドライブやＤＶＤＲＯＭドライブとほぼ同様な形態で実現できる。

図５（ａ）の変形例を、図５（ｃ）に示す。図５（ａ）では誘電体記録媒体２００に補助電極４４０を用いてオフセット電圧を印加するが、図５（ｃ）では補助電極４０は探針１１とリターン電極１２とインダクタＬと発振器１３等と記録再生ヘッド４１１で一体化されている。トレー窪み部４４１は支持台４５０に誘電体記録媒体２００を装着するためのガイドの役割を果たしている。誘電体記録媒体２００の電極２１６はクランプ４５５でスイッチ３０等に接続される。

誘電体記録媒体２００はトレー４００の支持台４５０の上に載せられて、クランプ４５５により保持される。支持台４５０の回転と、支持台４５０の中心点に向かう補助電極４０付き記録再生ヘッド４１１の移動により、情報の書き込み読み出し番地が特定される。支持台４５０と補助電極４０付き記録再生ヘッド４１１はサーボ機構により駆動が制御される。この場合、支持台４５０とトレー窪み部４４１の段差は数１００μｍ以上あってもよく、誘電体記録媒体２００へのオフセット電圧は補助電極付き記録再生ヘッド４１１の補助電極４０により印加される。

この誘電体記録・再生装置でも、書き込み動作に入る前に、誘電体記録媒体２００に書き込まれている誘電体記録媒体２００の特性情報（製造会社名、製品仕様等）と、誘電体記録媒体２００と補助電極４０の間隙とを、記録再生ヘッド４１１が読み取り、書き込みに最適な直流電源５０の電圧値を自動設定するが、必要に応じて、手動で直流電源５０の電圧値を設定できる構造・手段としてもよい。

図５（ｃ）で、誘電体記録媒体２００をトレー４００に収容した図が図５（ｄ）である。誘電体記録媒体２００の誘電体材料面が下側に装着される。

本発明の特定の実施形態を説明してきたが、当業者であれば、上記実施形態をさらに改良、変更、修正ができることは明らかである。本発明の技術的思想または特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、このような全ての改良、変更、修正は、本発明に包含されるものと考える。

本発明の実施例に掛かる誘電体記録・再生装置の概念平面図誘電体記録の手段を示す概念図オフセット電圧を印加したパルス書き込み実験（ａ）印加パルス波形（ｂ）形成された分極ドメインの写真（走査型非線形誘電率顕微鏡による）記録密度検証実験結果を示す（走査型非線形誘電率顕微鏡写真）本発明の実施例による誘電体記録・再生装置の機構部の概念平面図従来技術による誘電体記録・再生装置の概念平面図

符号の説明

１１探針
１２リターン電極
１３発振器
１５基板
１６電極
１７誘電体材料
２０誘電体記録媒体
３０切り替えスイッチ
３１書き込み信号生成部
３２交流信号発生部
３３ＦＭ復調器
３４ＰＳＫ復調器
３５トラッキングエラー検出部
３６切り替えスイッチ
４０補助電極
５０直流電源
２００誘電体記録媒体
２１１探針
２１６電極
２１７誘電体材料
２５０直流電源
２５１パルス電圧
４００トレー
４１０記録再生ヘッド
４１１補助電極付き記録再生ヘッド
４４０補助電極
４４１トレー窪み部
４５０支持台
４５５クランプ

Claims

誘電体記録媒体の誘電体材料に電界を印加するために、同一側に配置した探針および補助電極と、探針で印加する高周波電界のリターン電極と、探針下の誘電体材料に記録された分極状態に対応した情報の再生手段とを備えたことを特徴とする誘電体記録・再生装置。
前記誘電体材料がタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶薄膜であることを特徴とする請求項１記載の誘電体記録・再生装置。
前記タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶薄膜が１０ないし１５０ｎｍ厚であることを特徴とする請求項２記載の誘電体記録・再生装置。
導体を有する誘電体記録媒体の誘電体材料に情報を書き込む際に、前記導体と補助電極間に所定の直流電圧を印加した状態で、前記導体と探針間にオフセット電圧を有する情報パルスを印加することを特徴とする記録方法。
導体を有する誘電体記録媒体の誘電体材料に情報を書き込む際に、前記導体
と補助電極間に所定の直流電圧を印加した状態で、前記導体と探針間には情報パルスのみを印加することを特徴とする記録方法。
誘電体記録媒体を保持するトレー側に、探針とリターン電極とインダクタと発振器と補助電極とが配置されていることを特徴とする請求項１、２、３記載の誘電体記録・再生装置。
探針とリターン電極とインダクタと発振器と補助電極とが一体化した構造を特徴とする請求項６記載の誘電体記録・再生装置。
円形ないし方形の外周から中心部に向かって切り込みを有することを特徴とする誘電体記録・再生装置用の電極。