JP3004825B2 - メモリー装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、メモリー装置、特に走
査型トンネル顕微鏡の原理を応用したメモリー装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、導体の電子構造を直接観察できる
走査型トンネル顕微鏡（以後、ＳＴＭと略す）が開発さ
れ［Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ，Ｒｅ
ｖ，Ｌｅｔｔ，４９，５７（１９８２）］、単結晶、非
晶質を問わず、実空間像の高い分解能の測定ができるよ
うになった。

【０００３】ＳＴＭは、金属の探針と導電性物質間に電
圧を加えて１ｎｍ程度の距離まで近づけるとトンネル電
流が流れることを利用している。この電流は両者の距離
変化に非常に敏感である。トンネル電流を一定に保つよ
うに探針を走査することにより実空間の全電子雲には関
する種々の情報をも読み取ることができる。

【０００４】従って、ＳＴＭの原理を応用すれば、十分
に原子オーダー（サブナノメートル）での高密度記録再
生を行なうことが可能である。例えば、特開昭６１−８
０５３６号公報に開示されている記録再生装置では、電
子ビーム等によって媒体表面に吸着した原子粒子を取り
除いて書き込みを行い、ＳＴＭによりこのデータを再生
している。

【０００５】記録層として電圧電流のスイッチング特性
に対してメモリ効果を持つ材料、例えば、パイ電子系有
機化合物やカルコゲン化合物類の薄膜を用いて、記録，
再生をＳＴＭで行なう方法が提案されている［特開昭６
３−１６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号
公報］。この方法によれば、記録のビットサイズを１０
ｎｍとすれば、１ Ｔｅｒａ ｂｉｔ／ｃｍ² もの大容
量記録再生が可能である。

【０００６】前記プローブの形成方法として半導体製造
プロセス技術を用い、１つの基板上には微細な構造を作
る加工技術（Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，“Ｓｉｌｉｃ
ｏｎａｓ ａ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａ
ｌ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＩＥＥＥ，７０
巻，４２０頁，１９８２年）を利用し、かかる手法によ
り構成したＳＴＭが特開昭６１−２０６１４８号公報に
提案されている。

【０００７】また、特開昭６２−２８１１３８号公報に
は、前記特開昭６１−２０６１４８号公報に開示された
ものと同様の舌状部をマルチに配列した変換器アレイを
備えた記録装置が記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来例の走査型
トンネル顕微鏡の原理を応用したメモリー装置におい
て、記録速度を高めるためには電圧印加可能な探針の数
を増加させるといった方法が考えられる。しかしなが
ら、単純に探針の数を増加させていくと、各々の探針に
付随する電気系の素子数及び配線数が膨大になり、装置
全体が大型化してしまい大量生産に適さなくなるという
問題があった。特に、ビットの状態を“０”または
“１”のデジタル信号として記録するデジタル式のメモ
リーの装置においてセンサーからのアナログ情報にもと
づいて情報の記録を行なう場合、Ａ／Ｄ変換器を用い
て、アナログ信号をデジタル信号に変換する必要があ
り、電気系の素子数及び配線数が増加するという問題が
あった。特に、センサー数が増加すると、Ａ／Ｄ変換器
を構成するための素子数及び配線数が膨大になるという
問題があった。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上記問題点を解
決し、電気系の素子数及び配線数の少ないセンサー付き
の大容量小型メモリー装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、複数の
探針と、該探針と対向配置した記録媒体と、該記録媒体
と前記探針との間に電圧を印加する手段を有し、該探針
と記録媒体間の距離に依存する各種の相互作用を検出し
ながら、該探針を記録媒体表面に沿って相対的に走査す
る走査型トンネル顕微鏡の技術を利用したメモリー装置
において、スイッチングしきい値が互いに異なる条件と
なる複数の探針と、外部刺激に応じてアナログ電気信号
を供給する手段を有し、前記スイッチングしきい値が互
いに異なる条件となる複数の探針と前記記録媒体間に前
記アナログ電気信号に応じた電圧を印加することによっ
て、互いに異なるスイッチングしきい値に比べて、前記
アナログ電気信号に応じた電圧が大きいか小さいかによ
り、記録ビットが形成されたりされなかったりする現象
を生じさせ、前記アナログ電気信号に応じたビットパタ
ーンが記録媒体上に形成されるようにしたものである。

【００１１】

【作用】記録媒体に対向して並設した複数の探針につい
て、それぞれ、スイッチングしきい値が互いに異なる条
件に構成し一方、記録すべき情報をアナログ信号に変換
し、このアナログ信号によって、記録媒体とスイッチン
グしきい値が互いに異なる各探針との間に印加する電圧
を制御することで、記録媒体にはアナログ電気信号に応
じたビットパターンが形成されることになる。

【００１２】

【実施例】

実施例１ 図１は、本発明の第１の実施例の構成を表す図である。
同図において、１は複数の探針であり、２は該探針と対
向配置した記録媒体であり、３は平面状電極であり、４
は該探針１により電圧を印加するための電圧印加手段で
ある。また１１は記録媒体２および平面状電極３を配置
した基板であり、１２，１３は探針１を記録媒体２の表
面に沿って相対的に走査する手段であり、記録媒体表面
に略平行な平面であるところのｘ−ｙ平面に対して各
々、ｘ方向およびｙ方向の走査手段である。また、１４
は上記ｘ−ｙ平面に垂直なＺ−方向の粗動手段である。
また、１５は探針１を配置したカンチレバーであり、上
記ｘ−ｙ平面に垂直なＺ−方向の微動手段である。ここ
で、カンチレバー１５は、例えば金属／酸化亜鉛／金属
／酸化亜鉛／金属なる圧電体と金属とのサンドイッチ構
造を持つものである。また、１６はカンチレバー１５の
支持台であり、１７はカンチレバー１５及び支持台１６
の作成基板である。また、２１は探針１と記録媒体２間
の距離に依存する各種の相互作用を検出する手段であ
り、例えば探針１と記録媒体２間に流れるトンネル電流
を検知する手段である。また、２２は比較器であり、２
３はローパスフィルターであり、２４はゲインアンプで
ある。すなわち、実施例における探針１のＺ−方向の制
御手段は、検知手段２１で検知したトンネル電流と相異
なる各目標電流値Ａ１〜Ａ３とを比較器２２で比較し
て、その差に比例した量をローパスフィルター２３でノ
イズの可能性の高い高周波成分を除去したのち、ゲイン
アンプ２４で適当に増幅してカンチレバー１５に供給
し、カンチレバー１５でＺ−方向の微動量をフィードバ
ック制御するものである。このフィードバック制御は、
相異なる目標電流値に等しい各トンネル電流が得られる
ように、各探針と記録媒体との各距離を一定に保つ制御
を行なう。また、２５は情報の読み出し時に用いるロー
パスフィルターであり、２６はシステムを制御するマイ
コンである。また、５は外部刺激に応じてアナログ電気
信号を供給する手段、例えば、外部刺激をアナログ電気
信号に変換するセンサーであり、ここでは例えば、位置
センサーを用いた。ここで位置センサー５は上部抵抗シ
ート３１と柔軟な下部シート電極３３をスペーサー３２
を介して対峙させ、端部に電極端子３４，３５をもうけ
た構成を有する。また外部刺激は先端が尖ったプラスチ
ック製の棒６による圧力である。すなわち位置センサー
５は、プラスチック棒６が指し示した位置で柔軟な下部
シート電極３３が上部抵抗シート３１に接触し、指し示
した位置に対応した抵抗値で示すセンサーである。また
３６は一種の可変抵抗である位置センサー５に直列に接
続された抵抗値Ｒ１の抵抗素子である。ゆえに、端子３
７には電圧印加手段４により印加される電圧の分圧が、
位置センサーの抵抗値に対応して得られる。よって、セ
ンサー５は、位置に関係した外部刺激を位置に関係した
アナログ電気信号に変換する機能をもち、複数の探針１
と記録媒体２間に位置に関係したアナログ電気信号を印
加することができる。また、記録媒体としてはポリイミ
ドのＬＢ膜をもちいた。

【００１３】次に、実施例１の特徴であるスイッチング
しきい値が互いに異なる条件となる複数の探針について
説明する。図１に示した各目標電流値Ａ１〜Ａ３を互い
に異なる値に設定することにより、トンネル電流が互い
に異なる電流値となるべくフィードバック制御される複
数の探針１となる。そして記録媒体がポリイミドＬＢ膜
の場合、トンネル電流が各目標電流値と等しくなるよう
にフィードバック制御した状態で、パルス幅が０．５ｓ
ｅｃ程度の書き込み用の三角波を印加した時に形成され
る記録ビットのしきい値は目標電流値が小さい程、大き
くなる傾向があることを見出した。

【００１４】図２は、ポリイミド２層膜について各探針
の各トンネル電流が一定となるようにフィードバック制
御した状態で、パルス幅が０．５ｓｅｃ程度の三角波を
印加した時に形成される記録ビットの直径の印加ピーク
電圧に対する値を示す測定データである。同図において
目標電流値が、それぞれ １０ｎＡの場合には、スイッチングしきい値Ｖｔｈは、
２．９Ｖであり、１ｎＡの場合には、スイッチングしき
い値Ｖｔｈは、３．３Ｖであり、１００ｎＡの場合に
は、スイッチングしきい値Ｖｔｈは、３．７Ｖであっ
た。ゆえに、図１に示した各目標電流値Ａ１〜Ａ３を互
いに異なる値に設定することにより、トンネル電流が互
いに異なる電流値となるべくフィードバック制御された
複数の探針１となることが示された。ただし図２はポリ
イミド材料として次式、

【００１５】

【化１】 で表されるフッソ系のポリイミドの前駆体を水面上に展
開し表面圧を２５ｍＮ／ｍに保ちながら基盤を水面に対
して垂直に下方向および上方向に移動させて２分子膜を
形成させたのちに乾燥させその後、電気炉中で３００℃
で焼成しイミド化させたポリイミド２層膜についての測
定結果である。ただし、平面状電極３としてはマイカ基
盤１１上にエピタキシャル成長させたＡｕ電極を用い
た。

【００１６】いま、図１に示した３つの探針に対する目
標電流値に対応するスイッチングしきい値をＶｔｈ、電
圧印加手段４により印加される書き込み用の三角波パル
スのピーク電圧をＶｉｎｐ、抵抗素子３６の抵抗値をＲ
１、位置センサーの抵抗値をＲ２とすると、一般的に Ｖｉｎｐ＊Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）＝Ｖｔｈ なる関係を満たす位置センサの抵抗値Ｒ２で、はじめて
記録媒体にビットが形成されることになる。

【００１７】さらに、具体的に説明すると例えば、図１
に示した３つの探針に対する目標値Ａ１＝１００ｐＡ，
Ａ２＝１ｎＡ，Ａ３＝１００ｐＡとして、 ０Ω≦Ｒ２≦４．０ｋΩ なる可変範囲をもったＲ２に対して Ｖｉｎｐ＝３．８Ｖ，Ｒ１＝１０ｋΩ とすると ０Ω≦Ｒ２＜０．３ｋΩで０個のビットが形成され、
０．３ｋΩ≦Ｒ２＜１．５ｋΩで１個のビットが形成さ
れ、１．５ｋΩ≦Ｒ２＜３．１ｋΩで２個のビットが形
成され、３．１ｋΩ≦Ｒ２＜４．０ｋΩで３個のビット
が形成されることとなる。それゆえ、位置センサーの抵
抗値Ｒ２に応じてビット数が異なって形成されることに
なる。すなわち位置センサーの抵抗Ｒ２の抵抗変化に応
じて位置センサーの位置に関する情報が記録媒体上にデ
ジタル信号として符合化されることがわかる。

【００１８】図３は、連続的な記録を行なう場合の印加
電圧のタイムチャート例を示す図であり、同図におい
て、Ｖｉｎは電圧印加手段４による電圧信号であり、Ｖ
ｘはｘ−方向移動手段１２を駆動するために印加する駆
動電圧信号、Ｖｙはｙ−方向移動手段１３を駆動するた
めに印加する駆動電圧信号をしめす。実施例１の駆動法
は、図３に示したようにＶｉｎがオフセットバイアスを
有する信号であって三角波パルスからなる書き込み期間
部と間隔△Ｔの休止期間部からなり、Ｖｉｎの休止期間
はＶｘまたはＶｙを変動させ探針の記録媒体に対するア
クセス位置を変化させるための期間である。このよう
に、Ｖｉｎ，Ｖｘ，Ｖｙを印加しながらプラスチック棒
６で、入力を続けることにより、プラスチック棒の移動
に関する軌跡をサンプリングし、記録媒体にデジタルパ
ターンとして記録することができる。ただし図３におい
て、例えばオフセットバイアスを０．１Ｖとしパルス幅
を０．５ｓｅｃ、パルスピーク値を３．８Ｖの三角波パ
ルスとし、その間隔△Ｔを０．５ｓｅｃとした。

【００１９】また、例えば、図１と同様に作成されたメ
モリー１組のメモリー装置において、１組の位置センサ
ーを直交させて配置しそれぞれの位置をＸ軸座標、Ｙ軸
座標に対応させるとプラスチック棒の移動に関する軌跡
（Ｘ，Ｙ）がサンプリングされて、記録媒体にデジタル
記録される。すなわち、本発明によって、文字や図形の
入力が、鉛筆書きと同じ要領でできる小型大容量メモリ
ーが実現される。 実施例２ 図４は、実施例２の構成を示す図であり、実施例２で
は、互いに異なる抵抗値をもった抵抗体６１を直列接続
した複数の探針１ｂを用いてスイッチングしきい値が互
いに異なる条件となる複数の探針１ｂを実現したこと、
および外部刺激をアナログ電気信号に変換するセンサー
として、光照射によって抵抗値の変化する光センサー６
２を用いることを除いて、実施例１と同様である。ただ
し、図４では、特に回転ローラー６７及び、光照射手段
６３を有する画像入力装置への応用例をしめした。

【００２０】同図において１ｂは複数の探針であり、２
ｂは該探針と対向配置した記録媒体であり、３ｂは分割
された平面状電極であり、４ｂは探針１ｂにより電圧を
印加する手段である。また１１ｂは記録媒体２および平
面状電極３を配置した基板であり、平面状電極３は該基
板に設けられたスルーホール６８によって裏面に配置さ
れた光センサー６２および抵抗素子３６ｂに接続されて
いる。また、１２ｂ，１３ｂは探針１ｂを記録媒体２の
表面に沿って相対的に走査する手段であり、記録媒体表
面に略平行な平面であるところのｘ−ｙ平面に対して各
々ｘ方向およびｙ方向の走査手段である。また、１４ｂ
は、上記Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ−方向の粗動手段であ
る。また、１５ｂは、互いに異なる抵抗値をもった抵抗
体６１を直列接続したことを特徴とするしきい値が互い
に異なる条件となる探針１ｂを配置したカンチレバーで
あるとともに、上記Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ−方向の微動
手段である。また図５は、互いに異なる抵抗値をもった
抵抗体６１を直列接続したことを特徴とするしきい値が
互いに異なる条件となる探針１ｂを配置したカンチレバ
ーの詳しい構造を示す図であり、７１は上金属電極であ
り、７２は第一の酸化亜鉛層であり、７３は中金属電極
であり、７４は第二の酸化亜鉛層であり、７５は下金属
電極であり、カンチレバーが金属／酸化亜鉛／金属／酸
化亜鉛／金属なる圧電体と金属とのサンドイッチ構造を
持つことを示す。また、１６ｂはカンチレバー１５ｂの
支持台であり１７ｂは１５ｂ及び１６ｂの作成基板であ
る。また、２１ｂは探針１ｂと記録媒体２ｂ間にながれ
るトンネル電流を検知する手段の初段アンプを模式的に
示したものであり、図４において、わかりやすくするた
めに図１で示した比較器２２、ローパスフィルター２
３，２５、ゲインアンプ２４等のフィードバック系につ
いては、省略した。また、２６ｂはシステムを制御する
マイコンである。

【００２１】実施例１と同様に３６ｂは一種の可変抵抗
である光センサー６２に直列に接続された抵抗値Ｒ１の
抵抗素子である。ゆえに端子３７ｂには電圧印加手段４
ｂにより印加される電圧の分圧が、光センサーの抵抗値
に対応して得られる。よって、複数の光センサー６２は
それぞれの場所における光量に応じたアナログ電気信号
を複数の探針１ｂと記録媒体２ｂ間に印加することがで
きる。

【００２２】さて、実施例１と同様に作成されたポリイ
ミド記録媒体２ｂに対して、探針１ｂに接続された抵抗
体６１の抵抗値が０Ωの場合について、探針１ｂと平面
状電極３ｂ間のトンネル抵抗値が１ＧΩとなるような探
針１ｂと平面状電極３ｂ間の距離条件において、フィー
ドバック制御を止めて、距離を保持した状態で、０．５
ｓｅｃ幅の三角波を印加した時のビット形成のしきい値
Ｖｏｒを調べたところ、しきい値Ｖｏｒが、３．０ｖで
あった。

【００２３】いま、図４に示した抵抗体６１のうちで１
つの分割された平面状電極３ｂに対向配置された３つの
探針に接続された抵抗体６１の抵抗値Ｒｐ１−３をそれ
ぞれＲｐ１＝０Ω，Ｒｐ２＝５０ＭΩ，Ｒｐ３＝１００
ＭΩとして、探針１ｂと平面状電極３ｂ間のトンネル抵
抗値が１ＧΩとなる探針と平面状電極との距離条件にお
いて、０．５ｓｅｃ幅の三角波パルス電圧を電圧印加手
段４ｂにより印加するときの対応するスイッチングしき
い値をＶｔｈとすると、 Ｒｐ１＝ ０ＭΩでは，Ｖｔｈ＝３．００ｖ Ｒｐ２＝ ５０ＭΩでは，Ｖｔｈ＝３．１５ｖ Ｒｐ３＝１００ＭΩでは，Ｖｔｈ＝３．３０ｖ となる。ゆえに、実施例１と同様に、電圧印加手段４に
より印加される書き込み用の三角波パルスのピーク電圧
をＶｉｎｐ、光センサー６２の抵抗値をＲ２とすると Ｖｉｎｐ＊Ｒｐ／（Ｒｐ＋Ｒ２）＝Ｖｔｈ なる関係を満たす抵抗値Ｒ２で、はじめて記録媒体にビ
ットが形成されることになる。

【００２４】さらに、具体的に説明するとたとえば ５０Ω（１００ルクスの光照射時）≦Ｒ２≦１ＭΩ（暗
状態） なる可変範囲をもったＲ２に対して Ｖｉｎｐ＝３．４Ｖ， Ｒｐ＝１０ＭΩ とすると ０Ω≦Ｒ２＜０．３ＫΩで０個のビットが形成され、
０．３ＫΩ≦Ｒ２＜０．８ＫΩで１個のビットが形成さ
れ、０．８ＫΩ≦Ｒ２＜１．３ＫΩで２個のビットが形
成され、１．３ＫΩ≦Ｒ２＜１００ＫΩで３個のビット
が形成されることとなる。すなわち、光センサー６２の
抵抗Ｒ２の抵抗変化に応じて光センサーの検出光量に関
する階調情報が記録媒体上にデジタル信号として符号化
されることがわかる。ここで、高精細な画像情報を扱う
場合は、光センサー６２の数が多ければ多いほど、高精
細な情報を記録できるが、この時、アナログ／デジタル
変換を従来の半導体技術に基づく電気回路で、実現しよ
うとすると、素子数が膨大となると同時に、配線が複雑
となりメモリー装置全体が大型化してしまうという問題
があったが、本発明では、光センサーの数を増やして
も、電気系の負担がそれほど増加しないという利点があ
る。

【００２５】特に、図４では、白黒写真のような階調情
報をもった２次元画像６４に対して、回転ローラ６７を
押しあて、光照射手段６３で２次元画像６４を光照射し
ながら、２次元画像６４上で回転ローラをすべらせ、該
回転ローラの回転に同期したパルス電圧を探針１ｂと分
割平面電極３ｂ間に印加することにより、階調情報を有
する２次元画像情報を簡単に入力できる大容量小型メモ
リー装置が実現できる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したごとく、本発明によりスイ
ッチングしきい値が互いに異なる条件となる複数の探針
と記録媒体間に記録すべきアナログ電気信号に応じた電
圧を印加することにより前記アナログ電気信号に応じた
ビットパターンが記録媒体上に形成されるようになり、
半導体技術によるＡ／Ｄ変換器を用いずに、アナログ信
号をデジタル信号に変換できるようになり、電気系の素
子数及び配線数の増加を抑制したセンサー付きの大容量
小型メモリー装置を実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の構成を示す図。

【図２】ビット形成のしきい値特性を示すグラフ。

【図３】実施例１での記録を行なう場合の印加電圧のタ
イムチャート。

【図４】実施例２の構成を示す図。

【図５】実施例２のカンチレバーの構成を示す図。

【符号の説明】

１，１ｂ 探針 ２，２ｂ 記録媒体 ４，４ｂ 電圧印加手段 ５ 位置センサー ６ 棒 １２，１２ｂ，１３，１３ｂ Ｘ−Ｙ走査手段 １４，１４ｂ Ｚ方向粗動手段 １５，１５ｂ カンチレバー ２１，２１ｂ 電流検知手段 ２６，２６ｂ マイコン ３６，３６ｂ 抵抗体 ６１ 抵抗体 ６２ 光センサー ６３ 光照射手段 ６４ ２次元画像 ６５ 照射光 ６６ 反射光 ６７ 回転ローラ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 情報を記録再生するための記録媒体と、
   該記録媒体に対向して並べて設けた記録再生を行う複数
   の探針と、前記の記録媒体と複数の探針とを相対移動さ
   せる移動走査手段と、前記の記録媒体と複数の探針との
   間に電圧を印加する電圧印加手段及び前記両者の間を流
   れるトンネル電流を検出する各電流検出手段とから成
   り、各トンネル電流が一定となるように各探針・記録媒
   体間をフィードバック制御することを特徴とするメモリ
   ー装置において、 外部刺激に応じてアナログ電気信号を発生する手段を設
   け、上記電圧印加手段より上記複数の探針と上記記録媒
   体との間に上記アナログ電気信号に応じた電圧を印加さ
   せるとともに、上記複数の探針がそれぞれスイッチング
   しきい値が異なる構成であることを特徴とするメモリー
   装置。
2. 【請求項２】 それぞれスイッチングしきい値が異なる
   複数の探針が互いに異なる抵抗値をもった抵抗体を直列
   接続したものであることを特徴とする請求項１記載のメ
   モリー装置。
3. 【請求項３】 外部刺激に応じてアナログ電気信号を発
   生する手段が少なくとも一方が柔軟な抵抗体シートとシ
   ート電極とをスペーサを介して対峙させ、端部に電極端
   子を設けた構成を有する位置センサーであることを特徴
   とする請求項１又は２記載のメモリー装置。