JP3000492B2 - 情報処理装置 - Google Patents

情報処理装置

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JP3000492B2 JP3116545A JP11654591A JP3000492B2 JP 3000492 B2 JP3000492 B2 JP 3000492B2 JP 3116545 A JP3116545 A JP 3116545A JP 11654591 A JP11654591 A JP 11654591A JP 3000492 B2 JP3000492 B2 JP 3000492B2
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  • Debugging And Monitoring (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高密度大容量の情報処理
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近発明された新型の顕微鏡である原子
間力顕微鏡（以下「ＡＦＭ」と記す）は試料表面に対し
て１ナノメートル以下の距離まで接近させた探針を支持
するカンチレバー（弾性体）が、試料−探針間に働く力
を受けて撓む量から逆に力を検出し、この力を一定にす
るように試料−探針間の距離を制御しながら試料表面を
走査することにより、表面の三次元形状をナノメートル
以下の分解能で観察するものである（Ｂｉｎｎｉｇ ｅ
ｔ．ａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５６，９３０
（１９８６）。ＡＦＭでは、走査型トンネル顕微鏡（以
下「ＳＴＭ」と記す）のように、試料が導電性を有する
必要がなく、絶縁性試料、特に、半導体レジスト面や、
生体高分子などを原子・分子のオーダーで観察可能であ
るため、広い応用が期待されている。従来から、レバー
撓み量を検出する系としては、カンチレバー背後から光
を照射し、その反射光スポットの位置ずれ量から求める
光てこ法や、カンチレバー背後に導電性探針を近づけ、
間に流れるトンネル電流を一定にするように導電性探針
の位置を制御する制御量から求めるトンネル電流法があ
る。
【０００３】ＡＦＭの応用のひとつとして高密度大容量
情報処理装置がある。これは、例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｔｔ．５５，１７２７（１９８９）（Ａｌｂ
ｒｅｃｈｔ他）に示されているような、記録媒体表面の
形状を局所的に変化させる高密度大容量記録方法に対応
する再生方法のひとつとして、前述のＡＦＭの原理を用
い、その局所的形状変化に対して接近させた探針を支持
するカンチレバーが、局所的形状変化と探針との間に働
く力を受けて撓む量を検知することにより再生を行なう
ものである。また、類似の装置として、ＳＴＭの原理を
応用した高密度大容量情報処理装置における探針の位置
制御にＡＦＭの原理を応用した記録検知装置が提案され
ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
例において、再生用の探針（プローブ電極）が１本であ
る場合には、再生に長時間を要するため、実用上の限界
があった。そのため、探針のマルチ化が必須であった
が、従来の探針を支持するカンチレバーの撓み量検出方
法では、構成が大きくなってしまい、マルチ化が困難で
あった。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、複数
のプローブを用いて記録媒体表面の形状を局所的に変化
させることにより記録を行ない、その変化を複数のプロ
ーブとの間に作用する力を検知することにより検出して
再生を行なう高密度大容量情報処理装置であって、プロ
ーブを支持する力−変位変換器としての弾性体変位検出
手段を小型化することにより、装置全体を小型化したも
のである。即ち、マイクロマシーン技術を用いて弾性体
変位検出手段の小型集積化、弾性体への一体化を行なっ
た。
【０００６】 即ち本発明は、カンチレバーの撓み量を
検知することにより情報を読み出す情報処理装置におい
て、情報が記録された記録媒体に対向して配置された複
数の探針と、上記複数の探針のそれぞれを支持する複数
のカンチレバーと、上記複数のカンチレバーのそれぞれ
に一体的に集積された、該カンチレバーの撓み量を検知
する複数の検知手段と、上記検知手段の出力信号に基づ
いて、上記情報を示す再生信号を生成する手段とを備
え、上記複数の検知手段のそれぞれは、一対の電極間に
圧電体材料を挟持した構成を有し、該圧電体材料の歪み
により発生する上記電極間の電位差として、上記カンチ
レバーの撓み量を検出することを特徴とする情報処理装
置を提供するものである。
【０００７】
【０００８】
【実施例】以下、実施例により本発明をより詳細に説明
する。
【０００９】 参考例１図１に本発明の第１の参考例を
示す。図１において、弾性体からなる複数のカンチレバ
ー１０１によって支持される複数の導電性プローブ電極
（探針）１０４は記録媒体１０７に対向し近接して配置
される。
【００１０】ここで用いられるプローブ電極１０４を有
するマルチカンチレバー１０１は次のようにして作製さ
れる。
【００１１】熱酸化によりＳｉ基板の表面に厚さ０．３
μｍのＳｉＯ2膜を生成し、長さ１００μｍ，幅２０μ
ｍのマルチカンチレバー形状をパターニングする。次に
プローブ電極への電気信号配線パターンを形成し、基板
裏面からＫＯＨ液によって異方性エッチングを行ない、
マルチカンチレバーを形成する。つづいて、炭素等の電
子ビームデポジション法によって、カンチレバー先端に
高さ５μｍのプローブ電極を設ける。こうして作製され
たマルチカンチレバーの先端の撓みに対する弾性定数は
０．０１Ｎ／ｍ程度となる。また個々のカンチレバーの
そり、プローブ電極の高さのプロセス誤差等を考慮する
と、マルチカンチレバー支持部材１０９を基準にしたプ
ローブ電極の先端の高さ方向の位置のばらつきは、１μ
ｍ程度となる。また、記録媒体表面のうねりも１μｍ程
度以下まで小さくしたものを用いる。
【００１２】そこで、縦方向駆動素子１０８によって記
録媒体１０７を複数のプローブ電極１０４に近づけてい
くと、記録媒体１０７は、複数のプローブ電極１０４の
うち最も距離の近い位置にあるプローブ電極に先ず力を
及ぼし、次に２番めに距離の近い位置にあるプローブ電
極…と順次力を及ぼし、最後に最も距離の遠い位置にあ
るプローブ電極に力を及ぼす。ここで、媒体がどのプロ
ーブ電極に力を及ぼしたか、及び、及ぼされた力の大き
さは、個々のカンチレバーの撓み量を検知することによ
って検出することができる（カンチレバーの撓み量検知
の方法については、後述する。）。即ち、媒体が、ある
プローブ電極に１ナノメートル以下の距離まで近づくと
媒体とプローブ電極の間に力が作用し、この作用力によ
ってそのプローブ電極を支持する弾性体であるカンチレ
バーに撓みが生じ、その撓み量は作用力の大きさに比例
する。したがって、記録媒体１０７をプローブ電極１０
４に近づけていく際に個々のカンチレバーの撓み量を検
知しながら、縦方向駆動素子１０８を用いてマルチカン
チレバー支持部材１０９と記録媒体１０７との間隔・傾
きを調整することにより全てのプローブ電極と記録媒体
との間に作用力が生じた状態で且つその作用力の大きさ
のばらつきを一定の範囲内にすることができる。前述の
場合（カンチレバーの弾性定数０．０１Ｎ／ｍ，プロー
ブ電極先端高さのばらつき１μｍ）、そのばらつきの範
囲は０．０１Ｎ／ｍ×１μｍ＝１０-8Ｎである。ここ
で、個々のプローブ電極と記録媒体との間に働く力の大
きさのばらつきをさらに小さくするためには、プローブ
先端高さのばらつきが一定の場合、カンチレバーの弾性
定数を小さく、即ち、レバー長を大きくするか、レバー
膜厚を小さくすればよい。このようにして、複数のプロ
ーブ電極を記録媒体に接近させる際に、それぞれのプロ
ーブ電極と記録媒体との間に働く力の大きさを一定の範
囲内でそろえ、且つ、その範囲の大きさまで、小さくす
ることができる。こうして、記録媒体やプローブ電極の
材質がプローブ電極と記録媒体との間に働く力により破
壊され易い材質であっても、上に述べた方法により、そ
の破壊の閾値以上の力が加わらないようにすることがで
き、記録・再生中の破壊を避けることができる。
【００１３】上述のようにして記録媒体１０７に接近さ
せたプローブ電極１０４，…によって行なう記録方法を
次に説明する。
【００１４】位置制御回路１０９から図中横方向位置制
御信号を横方向駆動素子１１０に加え、記録媒体１０７
上の所望の記録すべき位置にプローブ電極１０４先端を
移動する。記録用電圧印加回路１１１からの記録電圧信
号を切り替え回路１１２によって印加すべきプローブ電
極１０４を選択して印加する。ここで記録媒体として
は、局所的電圧印加、電界印加、電流によって局所的な
形状変化を生ずるものを用いる。
【００１５】例えば金属又は金属化合物の薄膜、具体的
にはＡｕ，Ａｌ、或いはＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．５１，２４４（１９８７）（Ｓｔａｕｆｅｒ他）に
示されているＲｈ−Ｚｒ合金やＴｅ−Ｔｉ合金，Ｔｅ−
Ｓｅ合金，Ｔｅ−Ｃ，Ｈ系材料又はアモルファスシリコ
ン等の半導体薄膜等を用いることができる。この時、プ
ローブ電極の材料としては、タングステン，Ｐｔ−Ｉ
ｒ，Ｐｔ等が使用される。また、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．
Ｌｅｔｔ．５５，１７２７（１９８９）［Ａｌｂｒｅｃ
ｈｔ他］に示されているようなグラファイト表面への電
圧パルス印加によるエッチング法を用いてもよい。
【００１６】このようにして記録媒体の局所的形状変化
として記録された情報の再生方法について次に述べる。
レーザー１１４からの光ビームをレンズ１１５によって
集光し、回転するポリゴンミラー１１６に入射する。ポ
リゴンミラー１１６は回転速度制御回路１１７によって
回転速度を制御されており、ポリゴンミラー１１６が回
転するにしたがって、前述の入射光ビームの反射光ビー
ムが、複数のカンチレバー１０１の裏面を走査する。こ
のとき、ポリゴンミラー１１６のミラー面に図１の紙面
に垂直方向からの傾きをつけることによって、図１に示
した紙面に水平方向に並ぶカンチレバーのみならず、垂
直方向に並ぶカンチレバーをも走査することが可能にな
る。カンチレバー裏面からの反射光ビームの位置を位置
検出素子１１８によって検出する。いま、カンチレバー
の長さをｌ，カンチレバー裏面から位置検出素子までの
距離をＬとすると、カンチレバー先端がΔｚ撓みを生じ
るとカンチレバー裏面からの反射光ビームの位置検出素
子１１８上での光スポットの位置が、
【００１７】
【数１】 だけずれを生じる。位置検出素子１１８からの信号をと
もに位置検出信号処理回路１１９によってこの光スポッ
トの位置ずれを検出することにより、カンチレバー先端
の撓み量（変位量）を検知することができる。ここで、
ポリゴンミラー１１６によって光ビームを走査し、複数
のカンチレバー１０１の先端の撓み量Δｚを回転速度制
御回路１１７からの信号をもとに時分割で検知すること
ができる。
【００１８】さて、複数のプローブ電極１０４，…によ
って記録媒体１０７表面を２次元に走査し、プローブ電
極が記録位置にくると、その局所的形状変化によってプ
ローブ電極１０４が、記録媒体１０７から受ける力に変
化を生じ、そのプローブ電極１０４を支持するカンチレ
バー１０１の撓み量に変化が生じる。この撓み量の変化
を複数のカンチレバー１０１において時分割で順次検出
することにより、記録ビットを検出つまり再生を行な
う。
【００１９】 参考例２ 図２は本発明の第２の参考例を示す図である。図２にお
いて、マルチカンチレバー１０１の配置、複数のプロー
ブ電極１０４への記録媒体１０７の接近方法、記録方
法、記録媒体に関しては、参考例１と同様である。本参
考例において異なるのは、マルチカンチレバー１０１の
撓み量検出（すなわち再生）方法及び手段の構成であ
り、これを説明する。
【００２０】マルチカンチレバー１０１，…の裏面に個
々のレバーの撓み量を検出するための光集積化撓み量セ
ンサ２０８が一体化されている。光集積化撓み量センサ
２０８は主に半導体レーザー２０９，光導波路２１６，
光路変換素子であるグレーティングカップラー２１０，
フォトダイオード２１３から構成されており、個々のカ
ンチレバー１０１，…の撓み量を対応するフォトダイオ
ード２１３の出力によって検出する。このように撓み量
検出系をコンパクトにカンチレバーと一体化することに
より、個々のカンチレバーと撓み量検出系との相対位置
合わせが不必要になり、操作性が向上し、かつ装置全体
が小型化でき、外乱の影響を受けにくくなるので、検出
分解能が向上し、記録・再生装置としての信頼性が向上
する。
【００２１】次に図３を用いて、光集積化撓み量センサ
の構成および原理，作製法について説明する。図３にお
いて、表面に薄膜光導波路２１６を設けたＳｉＯ2３０
２／Ｓｉ基板３０３の一方の端面に接合された半導体レ
ーザー２０９からレーザー光を光導波路２１６中に導入
する。導入レーザー光はフレネルレンズ３０５によって
平行光に変換された後、反射ミラー３０６によって反射
しグレーティングカップラー２１０に入射する。グレー
ティングカップラー２１０において一部の光はＡで示す
ように光導波路外に取り出され、カンチレバー１０１裏
面に反射後、グレーティングカップラー２１０’で再び
光導波路中に戻り、光導波路中をそのまま伝搬してきた
光Ｂと合成される。その合成光Ｃが反射ミラー３０６’
で反射後、フォトダイオード２１３で検知される。今、
カンチレバー１０１上に作製されたプローブ電極１０４
が記録媒体との間に働く力を検出してカンチレバー１０
１先端が図中ｚ方向に撓むとその撓み量Δｚに応じて、
グレーティングカップラー２１０から外に取り出された
光Ａがグレーティングカップラー２１０’によって再び
光導波路中に戻るまでの光路長が変化する。この変化を
Δｄとすると光導波路から外に取り出された光Ａと、光
導波路中をそのまま伝搬してきた光Ｂとの間の光路差に
変化
【００２２】
【数２】 （ここでθは、光導波路面法線と出射光Ａとのなす角、
ｎは光導波路の屈折率）が生じ、合成光Ｃの光強度が変
化する。従ってこの光強度の変化を検知することによ
り、カンチレバー１０１先端のｚ方向の撓み量Δｚが検
知できる。この光強度変化信号を増幅回路３１４によっ
て増幅し、ｚ方向撓み量信号とする。
【００２３】さて、このような光集積化カンチレバーの
作成法について説明する。
【００２４】Ｓｉ基板上に通常のシリコンプロセスによ
ってＰｉＮフォトダイオードを構成した後、上部にＬＰ
ＣＶＤ法により厚さ０．１μｍの保護用Ｓｉ3Ｎ4膜を形
成する。次に他の開口部に熱酸化により厚さ２．５μｍ
のＳｉＯ2膜を形成した後、プラズマエッチングにより
Ｓｉ3Ｎ4膜を取り除く。続いて、高周波スパッタ法によ
り、ＳｉＯ2膜上にコーニング社７０５９ガラスを材料
とした厚さ２μｍのガラス薄膜導波路を作製し、イオン
交換やイオン注入による屈折率変化を利用して、導波路
中にフレネルレンズ及びグレーティングカップラーを作
製する。ここで別のＳｉ基板をカンチレバー形状にパタ
ーニングし、Ａｌ配線，プローブ電極を作製後、異方性
エッチングにより形成したマルチカンチレバーを有する
チップを陽極接合により、ガラス薄膜導波路上に接合す
る。チップにへき開・研磨後端面にＡｌ等の金属を蒸着
して反射ミラーを形成し、他の端面に半導体レーザーを
接合する。
【００２５】 実施例 図４は本発明の実施例を示す図である。図４において、
マルチカンチレバーの配置、複数のプローブ電極（探
針）１０４への記録媒体１０７の接近方法、記録方法、
記録媒体に関しては参考例１と同様である。本実施例に
おいて異なるのはマルチカンチレバー１０１の撓み量検
出（即ち再生）方法及び手段の構成であり、これを説明
する。
【００２６】マルチカンチレバー１０１，…の裏面に金
属電極ではさまれた圧電層から構成される撓み量センサ
４０８が一体化されている。撓み量センサ４０８は図５
に構造を示すようにカンチレバー構成部材とともに圧電
ユニモルフ構造をなし、プローブ電極１０４が記録媒体
１０７との間に働く力を検出してカンチレバー１０１先
端が図中ｚ方向に撓むと、その撓み量Δｚに応じて圧電
体層５０５に歪みを生じ、Ａｕ電極５０４，５０６間に
電位差を生じる。例えばカンチレバー１０１の長さを１
００μｍ，幅を２０μｍとし、各層の厚さをＡｕ電極５
０２；０．１μｍ，ＳｉＯ2５０３；１μｍ，Ａｕ電極
５０４；０．１μｍ，圧電体層（ＺｎＯ）５０５；１μ
ｍ，Ａｕ電極５０６；０．１μｍとすると、カンチレバ
ーの撓み量Δｚ＝１ｎｍの場合、約１ｍＶの電位差を生
じる。従ってこの電位差を検知することにより逆にカン
チレバー先端の撓み量を検出することができる。
【００２７】さて、このような圧電ユニモルフカンチレ
バーの作成法について説明する。Ｓｉ基板上に順次カン
チレバー形状にパターニングしながら、蒸着法によりＡ
ｕ薄膜（厚さ０．１μｍ），スパッタリング法によりＺ
ｎＯ薄膜（厚さ１μｍ），ＳｉＯ2薄膜（厚さ１μｍ）
を交互に積層した後電子ビームデポジジョン法により導
電性材料を蒸着してプローブ電極を作製し、最後に基板
裏面からＫＯＨによる異方性エッチングによりカンチレ
バーを形成する。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数のカンチレバーのそれぞれの撓み量検出手段を、マ
イクロマシーン技術により集積化して上記それぞれのカ
ンチレバーへ一体化することにより、装置全体の構成を
大きくせずに複数のカンチレバーの撓み量検出が可能と
なり、再生時間が短縮され、かつ高信頼性を有する情報
処理装置が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の参考例を示す記録・再生装置
の構成図である。
【図２】 本発明の第２の参考例を示す記録・再生装置
の構成図である。
【図３】 本発明の第２の参考例の光集積化カンチレバ
ー撓み量センサの構成図である。
【図４】 本発明の実施例を示す記録・再生装置の構成
図である。
【図５】 本発明の実施例における集積化圧電ユニモル
フカンチレバー撓み量センサの構成図である。
【符号の説明】
１０１ カンチレバー １０４ プローブ電極 １０７ 記録媒体 １０８ 縦方向駆動素子 １０９ 位置制御回路 １１０ 横方向駆動素子 １１１ 記録用電圧印加回路 １１２ 切り替え回路 １１３ 制御コンピュータ １１４ レーザー １１５ レンズ １１６ ポリゴンミラー １１７ 回転速度制御回路 １１８ 位置検出素子 １１９ 位置検出信号処理回路 ２０８ 光集積化撓み量センサ ２０９ 半導体レーザー ２１０，２１０’ グレーティングカップラー ２１３ フォトダイオード ２１６ 光導波路 ２１７ レバー撓み量検出回路 ３０２ ＳｉＯ2 ３０３ Ｓｉ基板 ３０５ フレネルレンズ ３０６，３０６’ 反射ミラー ３１３ 半導体レーザー駆動回路 ３１４ 増幅回路 ３１５ ＳｉＯ2 ３１６ Ｓｉ基板 ４０８ 撓みセンサ ５０２，５０４ Ａｕ電極 ５０３ ＳｉＯ2 ５０５ 圧電体層
フロントページの続き (72)発明者 酒井 邦裕 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 (56)参考文献 特開 平３−90853（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−76483（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−196458（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G11B 9/00 G01N 37/00 G01N 27/72 G01B 21/30

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 カンチレバーの撓み量を検知することに
    より情報を読み出す情報処理装置において、 情報が記録された記録媒体に対向して配置された複数の
    探針と、 上記複数の探針のそれぞれを支持する複数のカンチレバ
    ーと、 上記複数のカンチレバーのそれぞれに一体的に集積され
    た、該カンチレバーの撓み量を検知する複数の検知手段
    と、 上記検知手段の出力信号に基づいて、上記情報を示す再
    生信号を生成する手段とを備え、 上記複数の検知手段のそれぞれは、一対の電極間に圧電
    体材料を挟持した構成を有し、該圧電体材料の歪みによ
    り発生する上記電極間の電位差として、上記カンチレバ
    ーの撓み量を検出すること を特徴とする情報処理装置。
  2. 【請求項２】 上記検知手段が、圧電ユニモルフ構造を
    有する請求項１記載の情報処理装置。
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