JP2566653B2 - 間隔制御トンネリング変換器 - Google Patents

間隔制御トンネリング変換器

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Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、記録媒体に対向して配列された複数個のト
ンネル尖頭電極（tunnel tip）、即ち尖頭チツプを有す
る直接アクセス・ストレージ装置に使用される間隔制御
トンネリング変換器に係り、より詳細に言えば、本発明
は、マイクロメカニカル（micromechanical）技術を使
用した新規なギヤツプ（空隙）制御手段に関する。本発
明は、ギヤツプの大きさが、トンネリング・レジーム
（tunnelng regime）の間隔の大きさよりも幾分か大き
い間隔を持つている低電圧の電界エミツシヨン環境にお
いても同様に適用することが出来る。従つて、以下の説
明において、トンネリング現象に関して言及している技
術を、この道の専門家であれば、所謂、電界エミツシヨ
ン現象にも容易に適用することが出来る。
B.従来の技術 トンネリング・レジームにおいて、尖頭チツプ、即ち
尖頭電極と表面との距離は、通常、２ナノメートル以下
であり、そして、電界エミツシヨンの環境の下では、上
記の距離は20ナノメートルである。記録媒体の表面の平
坦性（planarity）からの局部的な小さな逸脱、言うな
れば、約数十分の一ナノメートル程度の逸脱が、尖頭電
極の電流を比較的大きな変化を発生し、特に、尖頭電極
と表面間の距離に対して、トンネル電流が依存している
トンネル・レジームにおいては、指数関数的である。ト
ンネリング・レジームの環境と、電界エミツシヨンの環
境において、尖頭電極と表面の距離をほぼ一定に維持す
るための何んらかの手段を施さなければ、尖頭電極が表
面上のアスペリテイ（asperity）（微小な凸部）に衝突
して、破損することがある。通常のトンネリング顕微鏡
の場合、この問題は、尖頭電極の電流を一定にする方法
によつて、表面上の尖頭電極の間隔から動作するフイー
ドバツク・ループを設けることによつて解決している。
尖頭電極が記録媒体の表面上を走査するときに、媒体
の表面上のアスペリテイと尖頭電極とが遭遇する相対速
度が大きく、そして、チツプと媒体表面との距離が急激
に変化する場合には、非常に速く応答するフイードバツ
ク・ループが必要であることは、この道の専門家には明
らかなことである。
最近になつて、トンネリング型の走査電子顕微鏡の原
理で動作する直接アクセス・ストレージ装置が提案され
ている。この分野での基本的な先行技術は、ヨーロツパ
特許出願第247219号に記載されており、これは、トンネ
リング電流の変化によつて、デイジタル情報を書込み、
または読取りが出来る記録媒体の表面からトンネリング
・レジームの距離に配列されたトンネル尖頭電極のアレ
ーを含むストレージ装置を開示している。トンネリング
距離は、フイードバツク・ループによつて維持されてお
り、トンネル尖頭電極のアレー上にフイードバツク・ル
ープの制御回路を集積回路にすると言う考えが、記載さ
れている。然しながら、この出願明細書には、フイード
バツク・ループの回路の詳細も、その集積回路化の詳細
も記載されていない。
マイクロメカニカル技術において知られているトンネ
リング型の走査電子顕微鏡は、米国特許第4520570号に
記載されている。この装置において、複数個のトンネル
尖頭電極のパターンを形成するように蝕刻されたスロツ
トを持つ半導体チツプが、半導体材料の条片の丁番によ
つてチツプの主ボデーに装着されている。この特許にお
いても、トンネル尖頭電極に関連する制御回路を含む半
導体チツプ上にインピーダンス・トランスフオーマとし
て動作するトランジスタの領域が与えられている。
トンネル尖頭電極が形成される半導体チツプ内にトン
ネル尖頭電極のフイードバツク・ループを集積する考え
があることは認識出来るけれども、トンネリング型の走
査電子顕微鏡や、電界エミツシヨン型電子顕微鏡のため
の通常の制御回路は、従来から非常に複雑なので、小さ
なアレーに配列された複数個の尖頭電極を半導体チツプ
内に設けた上、更に、上述の制御回路を、その半導体チ
ツプに設けることは、余りにも嵩張り過ぎることにな
る。
代案として、全体的なギヤツプの制御を行つて、すべ
ての尖頭電極の電流を平均化するために、尖頭電極のア
レーと、記録媒体の表面とを十分に平坦にすることが考
えられるが、これは、例えば、走査される領域全体で0.
1ナノメートル以内の間隔にすることが要求される。然
しながら、このような要求は、製造の精度及びアライメ
ントの精度や、記録媒体の材料の選択に対して、望まし
くない条件を課すことになる。
C.発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、上述の望ましくない条件を克服する
ことの出来る新規なギヤツプ制御手段を提供することに
ある。
D.問題点を解決するための手段 本発明は、フイードバツクにより完全に調節するこ
と、即ちエラーをゼロにする考え方を棄て去ることによ
つて、この問題を解決している。本発明は、距離の変化
を、不完全にではあるが、補償する開ループ回路であつ
て、複数の尖頭チツプ、即ち尖頭電極の走査ヘツドに容
易に集積回路化されるように十分に簡単な開ループ回路
を使用している。尖頭電極と表面との距離の変化に関す
る距離変化の減少は、30倍から100倍までの率で達成可
能である。このことは、記録媒体の平坦度の裕度の要件
を、容易に維持することの出来る値に緩和する。
E.実施例 本発明は、通常のマイクロメカニカル・アレーに使用
されている静電偏向型の片持ち梁と関連して説明される
が、ピエゾ・セラミツク走査器にも適用出来ることは、
当業者であれば容易に推考出来ることは自明である。
第１図及び第２図は、本発明の変換器の実施例を示す
模式図である。第１図を参照すると、アレーに配列され
た複数個のトンネル尖頭電極２（または電界エミツシヨ
ン尖頭電極）の内から３個の変換器の部分を示してい
る。トンネル尖頭チツプ、即ちトンネル尖頭電極２は、
変換器１の第２図のボデー４から、一体的な部分として
延びた、例えば蝕刻によつて形成された片持ち梁３に装
着されている。変換器１は、トンネリング電流の合計を
ほぼ一定に保つことによつて、トンネル尖頭電極２と、
尖頭電極が対向している表面６との間の平均距離の大ま
かな位置付け及びその調節と、横方向の偏向とを与える
慣用的なxyz方向駆動装置５に装着されている。
トンネリング型走査電子顕微鏡の場合、表面６は、電
子顕微鏡によつて検査されるべきサンプルの表面であ
る。然しながら、本発明は、情報ストレージ装置と関連
する使用を特に意図しているので、この明細書では、表
面６は、記録媒体７の表面として説明する。これの表面
は、例えば、磁化可能の材料を含んでいる。トンネル効
果は、トンネル尖頭電極が対向している面が電気的に導
電性であることが必要だから、記録媒体として使用され
るすべての非導電性材料は、非常に薄い導電性被膜を与
えねばならない。
各片持ち梁３は、片持ち梁３上の電極８及び、変換器
１のボデー４中に蝕刻された切込み10の下側の対向電極
９との間に電圧U1と、片持ち梁上の電極８及び、記録媒
体７の表面６との間に電圧U2を印加することによつて、
片持ち梁３を静電的に偏向（deflection）することが出
来る。この偏向は、トンネリング・モードにおける動作
の間で、尖頭電極と表面のギヤツプの間隔を制御するの
に使用される。
アレー中のすべての片持ち梁３の偏向を制御し、そし
て、記録媒体７の表面６と尖頭電極２との間のギヤツプ
を通るトンネリング電流を発生するのに使用する電気的
回路素子11乃至17が、変換器１のボデー４上に配列され
ている。第３図は、関連部分のｚ座標軸方向の距離と、
電圧とを、より良く示すために、第２図を拡大した図面
である。ホーム・ポジシヨン、即ち無電圧状態におい
て、第３図においてzCBとして示されている片持ち梁３
の位置は、zBOTで示されている対向電極９の面から離隔
した距離z1の所にあり、そして、zSで示されている記録
媒体７の表面６から離隔した距離z2の所にある。尖頭電
極の高さをzPとし、且つトンネル尖頭電極２がホーム・
ポジシヨンがあるとすれば、尖頭電極の頂点zTIPは、記
録媒体７の表面６から離隔した距離、即ちギヤツプZGを
持つている。
片持ち梁３の電極８と媒体表面６との間に電圧U1、U2
を印加すると、片持ち梁３は、ΔＺだけ偏向され、新し
い位置zCB0に位置付けられる。片持ち梁３を偏向するた
めに必要な電圧は、電圧供給ライン12と片持ち梁３上の
電極８との間に接続された電界効果トランジスタ11を含
む回路によつて与えられる。電界効果トランジスタ11は
ゲート・ライン13によつてセツトされる一定の電流によ
り動作する。対向電極９は、電圧供給ライン12の一部で
あり、一定電位U0にある。従つて、片持ち梁に偏向を与
える電圧は、U1＝U0−Ut,U2＝Utである。
トンネル尖頭電極が、記録媒体の表面６から遠く離れ
た位置にある時、即ちギヤツプZGが大きくなると、トン
ネル・ギヤツプに跨がる抵抗Rt→∞となり、U1→０、U2
→U0となる。片持ち梁３が、記録媒体７の表面６の方に
最大限に偏向した時は、ΔZmax≡（U0/ZP）２であ
る。ここで、ZG＜＜ZPと仮定する。係数は以下で説明
する。
トンネリング電流Itが有限値になる、即ち電界効果ト
ランジスタ11の避けることの不可能な漏洩電流（通常10
0ピコ・アンペアよりも小さい）よりも大きくなるほ
ど、尖頭電極２が媒体の表面６に接近すると、U1/U2の
電圧比が増加し、その結果、片持ち梁３を引き込める。
従つて、zsの増加、即ち、例えば媒体表面の粗さのよう
なzsの増加は、遥かに小さなZGの減少しか生じない。
第４図は、１つの変換器セルの回路図、即ち１つの片
持ち梁３に関連した電子回路の回路図である。尖頭電極
と媒体表面との間のギヤツプを通つて流れる電流、即ち
トンネル抵抗Rtを通つて流れるトンネリング電流は、負
荷抵抗14（RL）によつて監視される。この場合、負荷抵
抗14（RL）は、動作状態の下で、RL＜＜Rtになるように
選択されている。負荷抵抗14を通つて発生する信号USIG
は、ライン15及び16を介して取り出される。負荷容量17
（CL）は、時定数τＬ＝RtCLによつて特徴付けられる補
償プロセスに或る大きさの慣性を導入する。従つて、時
定数τＬよりも短い時間内で尖頭電極２を通過し、情報
を持つ電気的変化は、補償されず、USIGに大きな変化を
生じる。
この装置の性能は、準静止状態（τＬに関して）の下
で、ZG（zS）の特性によつて記載される。従つて、以下
の説明では、RL及びCLは、無視される。また、浮遊容量
C1及びC2の大きさは負荷の容量CLの大きさに比べて無視
しうる値なので、それらの容量は考慮されない。全体性
を失うことなく、zCB0≡０とすることが出来、従つて、
zS＜０である。これらの条件の下で、ZG（zS）は、以下
の数式から誘導することが出来る。
ZG＝−ZP−zS＋ΔＺ ［１］ ΔＺ［（U1/Z1）２−（U2/Z2）２］ ・・・［２］ Z1＝zBOT−ΔＺ ［３］ Z2＝−zS＋ΔＺ ［４］ U1＝U0−U2 ［５］ U2＝Ut＝ItRt ［６］ Rt＝Rt0exZG ［７］ ＝εε0l4/4E３ ［８］ 上式において、εε０＝誘電体定数（0.8pF/m）、
Ｅ＝弾性率、ｌ＝片持ち梁３の長さ、＝片持ち梁３の
厚さ、そして、Rt040KΩ、ｘ1010m-1である。
数式［１］乃至［７］は、ZGに対して分析的には解く
ことは出来ないが、その導関数は、次式により容易に決
めることが出来る。
従つて、 パラメータを下記のように選択し、即ち、Z1ZBOT及
びZ2ZP、更に、U1U0＜＜U2＝Utに選択し、そしてト
ンネリング・モードの現実的な状態、ZG＜＜ΔＺ＜＜Ｚ
1,2とすれば、数値Ａは次式のようになる。
Ａ−2xU0Ut/Z2 BOT ［11］ 数値計算に対して、次の値が適当値であることが判つ
ている。即ち、 ε＝1;ε０＝８×10-12F/m;l＝200μm;t＝２μm;E＝10
11N/m2（シリコン、石英）;ZBOT＝ZP＝３μｍである。
これらの値と、片持ち梁の突出幅Ｗ＝200μｍによつ
て、スプリング定数Ｃ＊は、4.5N/mとなり、これは、相
互表面力（interfacial force）に起因する機械的な不
安定を阻止するのに十分な力である。この片持ち梁の最
初の弾性共振は、100キロヘルツ以上の周波数で発生
し、これは、従来の走査電子顕微鏡よりも遥かに秀れた
性能である。偏向パラメータは、 ＝0.4×10-20m3/V2 ［12］ になる。
Ut＝0.5ボルトで動作したとすると、Ａ100であるこ
とが判る。Ａ＞＞１だから、上式［10］の分母中の１
は、無視することが出来る。従つて、 この結果は、10ナノメートルの表面の高さの変化が、
トンネル・ギヤツプ幅に0.1ナノメートル以上の変化を
起こすことがないことを意味する。
非常に小なトンネル・ギヤツプ幅と、非常に大きなト
ンネル・ギヤツプ幅に対して、上述の与えられた一組の
等式は、zS（ZG）に対して容易に解くことが出来る。減
少効果は、期待できない。
ZGが０の場合は、 zS＝ΔZmax−ZP−ZG （ａ） ZGが大きいが＜＜ZPの場合は、 zs＝−ΔZmax［ZP/（ZP＋ZG）］２−ZP−ZG （ｂ） ZGが∞の場合は、 zs＝−ZP−ZG （ｃ） ・・・［14］ 第５図は等式［14］に従つて計算されたリニヤな関
係、または殆どリニヤな関係を示している。幅ΔZmax及
び２ΔZmaxによつて相互に平行に並び、且つ−１の傾斜
を持つａ、ｂ及びｃで示された破線は、準定量的な方法
（semi−quantitative way）で表わされた実線のカーブ
zS（ZG）に対する算出された漸次線である。動作点は、
破線ａ及びｂの間の水平な台部（幅２ΔZmaxの水平部
分）上に選ばれる。Utは通常小さく保たれているから、
動作点は、上述の水平な台部の右側の端部近くに選ばれ
るのが好ましい。
この目的のために、少数の選択されたセルからのトン
ネリング電流が、通常のフイードバツク制御回路に供給
することが出来る。これを測定すれば、全体のシステム
が、個々の素子の動作点をほぼ設定することを保証す
る。応答カーブの量的な作用は、数式［13］を積分する
ことによつて得ることが出来る。パラメータの初期設定
は、以下のように選択される。
ZG＝０、Rt＝Rt0、U2＝ItRt0＜＜U1＝U0、ΔＺ＝（U0
/ZP）２、zS＝ΔＺ 結果の特性は第６図乃至第８図に示されている。第６
図は、第５図のカーブｄの関連部分、即ち、0.1ナノア
ンペア、１ナノアンペア及び10ナノアンペアのトンネリ
ング電流の３つの値に対して、ギヤツプ幅対サンプル位
置を、より大きなスケールで示している。第７図は、dZ
G/dzS対Utとの間の対応関係を示しており、これはItと
は独立している。dZG/dzS0.01の値は、動作範囲がUt
＝0.5ボルトの付近にあることが判る。第８図は、トン
ネリング電流Itの３つの値、即ち0.1ナノアンペア、１
ナノアンペア及び10ナノアンペアに対して、ギヤツプ幅
とトンネリング電圧との関係を示している。
以上の説明から明らかになつたように、 RL/CL回路の時定数τＬに比較して高速度に生じるト
ンネリング電流の変化は、電界効果トランジスタ11を含
む電流安定装置によつては補償することが出来ない。そ
れ故、記録媒体７の表面６上の小さなアスペリテイ（構
造的な）や、記録材料の仕事関数局部的な変化は、トン
ネリング電流It中に最大の強さで現われる。それらの変
化は、負荷抵抗RL14に跨がる電圧信号USIGを発生し、こ
れは、記憶された情報の処理のために使用することが出
来る。
本発明は、ストレージ媒体それ自身には向けられてい
ないけれども、トンネリング電流の変化を記録すること
が出来るストレージ媒体を簡明に説明している。適当な
ストレージ媒体は、例えば、シリコン基板の表面上の酸
化シリコンの薄い層を含んでいる。その酸化物は、約2.
4電子ボルトの深さの複数個の捕捉サイト（trapping si
te）を持つように準備される。トンネル尖頭電極からエ
ミツトされる電子は、室温において、そのような捕捉サ
イトで安定的に捕捉することが出来る（パンテリデス
（Pantelides）のデマリア（D.J.Dimaria）の「SiO2の
物理的性質とそのインターフエース」“The Physics of
SiO2 and its Interface"と題する1978年のペルガモン
（Pergamon）の160頁以下の記述を参照）。このメカニ
ズムが書込み／読取りのアプリケーシヨンを現実のもの
とする。
慣用的なストレージ・デイスクにおいて、ストレージ
場所は、共通の単一中心軸の囲りの同心円状とトラツク
に位置している。本発明を適用したストレージ媒体にお
けるストレージ位置は、従来のものとは相対的に、複数
個の同じグループに配列されたストレージ位置を持つて
おり、任意の１つのグループのすべてのストレージ位置
は、そのグループ自身の中心を取り巻く同心円のトラツ
ク中に配列され、そして、すべての中心は、ストレージ
媒体の記録面の上で、順序付けられたアレーに配列され
る。各グループのストレージ位置の同心円のトラツク
は、0.1ミリメートルよりも小さい直径を持つ「マイク
ロデイスク」を形成する。１枚の記録デイスク当り数百
の「マイクロデイスク」が可能であり、与えられたスト
レージ容量に必要な領域は、他のあらゆるストレージ装
置が必要とする領域よりも小さい。
上述のストレージ媒体は、例えばヨーロツパ特許出願
第147219号で開示されているように、他端が固定されて
いるピエゾ電気材料の細長い可撓性の管の自由端に装着
されている。上述の管の自由端にある記録面に近接し
て、本発明の変換器が装着され、その変換器中のトンネ
ル尖頭電極のアレーの各トンネル尖頭電極は、マイクロ
デイスクの１つに整列されている。各トンネル尖頭電極
は、ストレージ媒体上の記録面と対向し、且つ記録面に
極めて近接して装着される。各トンネル尖頭電極と記録
面との間の距離（ナノメートル単位の大きさ）は、各尖
頭電極と記録面６とのギヤツプが、予め決められた同じ
トンネリング距離に配列されるように、最初に個々に調
節される。
上述の管に装着された電極対を逐次に付勢することに
よつて、、記録面が円形状の軌道に移動するよう強制さ
れる。この軌道の直径は、選択された電位差に従つて変
化する。従つて、ピエゾ・セラミツク管の自由端は、変
換器アレーのトンネル尖頭電極と相対的に、複数個の同
心円の軌道の任意の１つに移動させることが出来る。そ
の結果、各尖頭電極は、管の選択された軌道の直径に対
応するマイクロデイスクの複数個の同心円トラツクの１
つを走査する。デイジタル情報は、トンネル尖頭電極と
記録面との間のギヤツプを通つて流れるトンネリング電
流を変化することによつて、ストレージ媒体に書込ま
れ、または読取られる。
従つて、記録動作は、アドレスすることと、変換器１
のアレー中の尖頭電極２の１つを選択的に移動すること
と、関連するマイクロデイスク上の同心円トラツクの所
望の１つヘアクセスする軌道の直径に対応する電位に管
を取り巻く１対の電極を同時に付勢することとを含む。
他の幾つかの記録媒体や、変換器、即ちトンネル尖頭
電極、または記録媒体を移動させる他の方法が、所望の
結果を得るために利用することが出来るのは、この道の
専門家には容易に遂行出来ることである。重要な点は、
上述した特徴によつて、夫々独立しているトンネル尖頭
電極と、記録媒体の表面との間の距離の変化を補償する
のに必要な制御回路が、変換器上に集積回路化されると
言うことである。
F.発明の効果 上述したように、本発明は、媒体表面と尖頭電極との
距離の変化を補償するための制御手段を、完全ではない
が、開ループ回路とによつて、上述の制御手段を複数個
の走査ヘツド中に集積回路化することを容易にする。
【図面の簡単な説明】
第１図はトンネル尖頭電極のアレーの部分の平面図、第
２図は第１図のＡ−Ａ線に沿つて切断したトンネル領域
を拡大した断面図、第３図は片持ち梁の動作中の異なつ
た位置を示すトンネル尖頭電極の模式図、第４図はトン
ネル尖頭電極と関連する回路図、第５図は第４図の回路
の動作点を決定するために使用するグラフ、第６図は第
５図の１部分を拡大したグラフ、第７図及び第８図は選
択されたパラメータに従つた制御回路の特性を示すグラ
フである。 １……変換器、２……トンネル尖頭電極、３……片持ち
梁、４……変換器ボデー、５……xyz方向駆動装置、６
……媒体の表面、７……記録媒体、８……片持ち梁上の
電極、９……対向電極、10……切込み、11、12、13……
電気素子、14……負荷抵抗、17……負荷の容量。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】導電性の表面からトンネリング距離離れて
    アレー状に配列された複数の尖端チップを有し、上記尖
    端チップは、上記尖端チップと上記導電性の表面の間の
    ギャップを流れるトンネリング電流の変化に依存して、
    上記尖端チップと上記導電性の表面の間の距離を静電偏
    向手段によって調節することが可能ならしめられるよう
    に片持ち梁に取り付けられてなる間隔制御トンネリング
    変換器であって、 （ａ） 上記片持ち梁と協働する制御回路が設けられ、 （ｂ） 上記制御回路は、トランジスタと負荷抵抗とキ
    ャパシタをもち、 （ｃ） 上記制御回路の動作電圧は、上記尖端チップと
    上記導電性の表面の間の距離を調節するために設けられ
    た上記静電偏向手段を制御するために使用されることを
    特徴とする間隔制御トンネリング変換器。
  2. 【請求項２】記録媒体と、 上記記録媒体に近接する変換器上に配列された複数の尖
    端チップと、 上記記録媒体と上記変換器の間の変位をもたらすための
    手段をもち、 上記尖端チップは、上記尖端チップと上記記録媒体表面
    の間のギャップを流れる電流の検出器として動作し、 上記尖端チップは、上記尖端チップと上記記録媒体表面
    の間の距離を静電偏向手段によって調節することが可能
    ならしめられるように片持ち梁に取り付けられている直
    接アクセス記憶装置において、 （ａ） 上記特定の片持ち梁に隣接して上記変換器上に
    集積された制御回路が設けられ、 （ｂ） 上記制御回路は、トランジスタと負荷抵抗とキ
    ャパシタをもち、 （ｃ） 上記記録媒体の表面と上記尖端チップの間のギ
    ャップを流れる電流を生じさせる供給電圧が上記制御回
    路の動作電圧としても機能するようにされ、該動作電圧
    は、上記記録媒体の表面と上記尖端チップの間の距離を
    調節するために設けられた上記静電偏向手段を制御する
    ために使用されることを特徴とする直接アクセス記憶装
    置。
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