JP3053142B2

JP3053142B2 - 情報処理装置

Info

Publication number: JP3053142B2
Application number: JP4149636A
Authority: JP
Inventors: 明彦山野; 邦裕酒井; 高弘小口; 俊一紫藤; 勝則畑中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 2000-06-19
Anticipated expiration: 2015-06-19
Also published as: JPH05342647A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、情報処理装置に関し、
特に走査型トンネル電子顕微鏡技術を用いて記録媒体か
ら情報の再生を行なう情報処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】メモリ材料技術は、コンピュータおよび
その周辺機器、ビデオディスク、デジタルオーディオデ
ィスクなどのエレクトロニクス産業の分野においてその
中核をなすものであり、近年、メモリ材料の開発が極め
て活発に行なわれている。メモリとしては、従来、磁性
体や半導体を素材とした磁気メモリや半導体メモリが主
流であったが、レーザ技術の発展に伴い、有機色素やフ
ォトポリマーなどの有機薄膜を用いた光メモリが登場し
てきている。光メモリは、安価で高記録密度の記録媒体
である。

【０００３】一方、導体の表面原子の電子構造を直接観
察できる走査型トンネル電子顕微鏡（Scanning Tunneli
ng Microscope、以下、ＳＴＭと略す。）が開発され
［Ｇ.ビニッヒ（G. Binnig）ら、Phys. Rev. Lett., 4
9, 57(1982)］、単結晶あるいは非晶質などを問わず、
実空間像を高い分解能で測定できるようなった。さらに
ＳＴＭは、試料に対して電流による損傷を与えることな
く低電力で観測でき、大気中でも動作するという利点も
有し、広範囲な応用が期待されている。

【０００４】ＳＴＭは、金属の探針（プローブ電極）と
試料である導電性物質との間に電圧を印加して両者を１
ｎｍ程度の距離まで近付けると、両者間にトンネル電流
が流れることを利用している。この電流は両者の距離の
変化に対して指数関数的に応答するため、ＳＴＭは表面
状態に非常に鋭敏である。また、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、実空間における
全電子雲に関する種々の情報も読み取ることができる。
この際、面内方向の分解能は０.１ｎｍ程度となる。し
たがって、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）での高密度記録および再生
を行なうことが可能となる。

【０００５】例えば、記録層として、電圧対電流のスイ
ッチング特性にメモリ効果を有する材料、例えば共役π
電子系有機化合物やカルコゲン化合物などの薄膜層を用
い、記録、再生をＳＴＭを用いて行なう方法が提案され
ている（特開昭６３−１６１５５２号公報、特開昭６３
−１６１５５３号公報）。すなわちこれらの記録層は、
しきい値を越える電圧を印加することにより、印加時の
極性によって、２つの異なる状態間を遷移させることが
でき、これらの状態は電圧を印加しないときには安定に
存続する。そして、記録層の表面と探針との距離を一定
にしたときのトンネル電流値の相違で、どちらの状態に
あるかを検出できる。トンネル電流検出用の探針を用い
て記録層にしきい値を越える電圧を印加することができ
るから、結局、ＳＴＭの面内分解能に見合う記録密度で
情報の２値記録と再生が行なえることなる。この方法に
よれば、記録ビットのサイズを１０ｎｍとすれば、１０
¹²ビット／ｃｍ²もの大容量記録および再生が可能とな
る。この方法による情報処理装置の構成例が図４に示さ
れている。

【０００６】この情報処理装置では、トンネル電流検出
用のプローブ電極（探針）１０２は、円筒型のピエゾア
クチュエータ１０１でｘｙｚの各方向に走査されるよう
になっている。ここで、ｘｙ方向は記録媒体１０３の面
内方向であり、ｚ方向は、記録媒体１０３の表面に垂直
な方向とする。プローブ電極１０２で検出されたトンネ
ル電流は電流アンプ１０４で増幅され、その高周波成分
が高域通過フィルタ（ＨＰＦ）１０６によって取り出さ
れ、再生情報として出力される。一方、電流アンプ１０
４の出力の低周波成分は、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
１０５で取り出され、位相補償回路１０７で位相補償さ
れる。位相補償回路１０７の出力は、誤差増幅器１０８
に入力し、サンプルホールド回路１０９を経てピエゾア
クチュエータ１０１にフィードバックされる。このフィ
ードバックループは、トンネル電流を一定に保つことに
よってプローブ電極１０２と記録媒体１０３との間隔を
一定に保つためのものであり、この間隔は、誤差増幅器
１０８に入力するオフセット電圧によって調節できる。

【０００７】次に、この情報処理装置における記録の再
生について説明する。記録媒体１０３の表面が原子レベ
ルでも平坦であり、記録媒体１０３の面内方向に記録ビ
ットが点状に形成されているとする。そして、記録媒体
１０３の表面とプローブ電極１０２の先端との距離を厳
密に一定に保ったままこのプローブ電極を記録媒体１０
３の面内方向に走査したとする。そのときのトンネル電
流は、理想的には図５に示すように、記録状態に応じて
大小の２値に変化する。トンネル電流の高周波成分は、
図６に示すように、図５でのトンネル電流の変化がある
ごとに、上下いずれかの方向に振れるパルスで表わされ
る変化を示すようになる。すなわち、トンネル電流の高
周波成分は、対をなす２つのパルス（一方は＋側、他方
は−側）が１つの記録ビットに対応する。そして、トン
ネル電流の高周波成分を検出することで、情報の再生が
行なわれる。

【０００８】ここで、記録媒体１０３の表面に１原子層
程度の厚さの段差構造があったとする。例えば、記録媒
体の下地電極として、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）
法による原子オーダーで平滑な金薄膜を使用したとして
も、どうしても記録媒体の表面に原子オーダーのステッ
プが残ってしまう。トンネル電流は図７に示すように段
差の場所でも変化し、トンネル電流の高周波成分は、図
８に示したように、段差の場所でもパルス成分を含むよ
うになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の情報処
理装置では、記録媒体表面に段差があった場合、この段
差からもトンネル電流の高周波成分に信号が混入し、こ
の信号が再生時に悪影響を及ぼしてしまうという問題点
がある。

【００１０】本発明の目的は、記録媒体表面に段差構造
などがあっても、情報の再生に悪影響が及ぼされない情
報処理装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の情報処理装置
は、記録媒体に対向して配置されたプローブで前記記録
媒体を走査し、前記記録媒体に記録された情報ビットを
再生する情報処理装置において、前記プローブで前記記
録媒体を走査することによって情報ビットを検出する検
出手段と、前記検出手段の出力信号の高周波成分に含ま
れる記録媒体表面に存在する原子ステップの影響による
ノイズ成分を、前記出力信号から除去することによっ
て、再生信号を生成する再生信号生成手段と、前記プロ
ーブで単一の情報ビットを検出したときに得られる前記
検出手段の理想的な出力信号パターンを記憶した記憶手
段と、を有し、前記再生信号生成手段は、前記記憶手段
に記憶された出力信号パターンと前記検出手段の出力信
号との相関を計算し、この計算信号に基づいて再生信号
を生成することを特徴とする。また、本発明の情報処理
装置は、上述の情報処理装置において、前記検出手段
は、前記記録媒体と前記プローブとの間に電圧を印加す
る手段と、電圧を印加したときに前記記録媒体と前記プ
ローブとの間に流れるトンネル電流を検出する手段とか
ら成ることを特徴とするものも包含する。

【００１２】

【作用】検出信号と予め格納された信号パターンとの相
関を計算して出力するので、真正な検出信号が入力した
場合と、記録媒体表面の段差構造などによって検出信号
に類似した信号が入力した場合とでは、相関の計算結果
が異なり、真正な検出信号のみを検出することが可能と
なる。信号パターンとしては、単位ビットの記録を記録
媒体から読み出すときの理想的な検出信号に基づいたも
のを用いることが望ましい。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は、本発明の一実施例の情報処理装置
の構成を示すブロック図である。

【００１４】この情報処理装置は、ＣＰＵ２１で全体が
制御されるものであり、ｘｙｚの３軸方向の粗動機構を
備えたステージ１、ステージ上１に設けられた平滑な下
部電極層２、下部電極層２の上に設けられた記録層３、
円筒型のアクチュエータ５を有している。アクチュエー
タ５には、先端が極めて尖っているプローブ電極４が記
録層３に対向するように取り付けられている。アクチュ
エータ５は、プローブ電極４の先端をｘｙｚの各方向に
それぞれ微動させるためのものであり、例えば、各方向
にそれぞれ２μｍずつプローブ電極４の先端を移動させ
ることができる。ここで、ｘ方向およびｙ方向は記録層
３の面内方向、ｚ方向は記録層３の表面に垂直な方向と
する。ステージ１は、ｘｙｚの各方向ごとにそれぞれバ
ッファ３１〜３３の出力側と接続され、ＣＰＵ２１のス
テージ制御部５３から出力されそれぞれバッファ３１〜
３３に入力される信号に応じて駆動されるようになって
いる。下部電極層２には、バイアス電圧を加えるための
電源３５と、コンデンサ３４を介してパルス発生器２４
が接続されている。パルス発生器２４は、ＣＰＵ２１内
のデータ変復調部５２からのデータ変調信号によって記
録層３に情報の書き込みを行なうためのものである。

【００１５】基準周波数発生器１５が設けられ、この基
準周波数発生器１５からのクロックは、分周器１６とｘ
方向のアップダウンカウンタ１７とに入力する。分周器
１６の出力はｙ方向のアップダウンカウンタ１８に入力
する。このアップダウンカウンタ１８の出力は、Ｄ／Ａ
変換器２０によってＤ／Ａ変換され、バッファ３６で増
幅され、アクチュエータ５のｙ方向の駆動端子に入力す
る。一方、ｘ方向のアップダウン１７の出力は、Ｄ／Ａ
変換器１９によってＤ／Ａ変換され、バッファ３７で増
幅され、アクチュエータ５のｘ方向の駆動端子に入力す
る。これら両方のアップダウンカウンタ１７,１８の加
算／減算の切り替えは、それぞれＣＰＵ２１内の走査制
御部５１からの信号によって行なわれるようになってい
る。ここでは、両方のＤ／Ａ変換器１９,２０の出力が
三角波となるようにアップダウンの制御が行なわれ、そ
の結果、プローブ電極４は、ｘ方向の往復運動を繰り返
しながら、ｘ方向の動きに比べて桁違いにゆっくりした
動きでｙ方向に往復運動することになり、記録層３の所
定の範囲全体を走査することになる。ｘ方向とｙ方向と
の動きの速さの比は、概ね、分周器１６での分周比に対
応する。

【００１６】プローブ電極４には、トンネル電流検出用
の電流アンプ６が接続され、電流アンプ６の出力は、サ
ンプル／ホールド回路７に入力する。サンプル／ホール
ド回路７の出力は、誤差増幅器９と高域通過フィルタ８
のそれぞれの入力端子に接続されている。誤差増幅器９
の入力側には、可変電源３８も接続されている。誤差増
幅器９の出力は、低域通過フィルタ１０を介してアクチ
ュエータ５のＺ方向の駆動端子に入力する。これによ
り、プローブ電極４のｚ方向についてのフィードバック
ループが完成したことになる。一方、高域通過フィルタ
８の出力は、Ａ／Ｄ変換器１１に入力し、Ａ／Ｄ変換器
１１の出力は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）
１２の入力ポートに接続されている。そして、デジタル
シグナルプロセッサ１２の出力ポートはＤ／Ａ変換器１
３の入力に接続され、Ｄ／Ａ変換器１３の出力はコンパ
レータ１４の(−)入力端子に接続されている。コンパレ
ータ１４の(＋)入力端子には、ＣＰＵ２１内のデータ変
復調部５２からの制御で電圧が変化する可変電源３９が
接続されている。そして、コンパレータ１４の出力は、
データ変復調部５２に入力する。

【００１７】次に、本実施例の動作を説明する。

【００１８】まず、記録層３の表面とプローブ電極４と
の間の距離の制御について説明する。ＣＰＵ２１内のス
テージ制御部５３によってステージ１を粗動させ、記録
層３の所定の記憶領域をプローブ電極４に対向させる。
そして、サンプル／ホールド回路７をスルー状態とし、
電源３５により記録層３とプローブ電極４との間に１０
０ｍＶ程度（通常時）を印加し、この間に２ｎＡ程度の
トンネル電流が流れるように誤差増幅器９に接続された
可変電源３８を調整する。

【００１９】プローブ電極４で検出されたトンネル電流
は、電流アンプ６で電圧に変換（Ｉ／Ｖ変換）され、誤
差増幅器９に入力する。誤差増幅器９では、電流アンプ
６の出力電圧と可変電源３８の電圧との差に応じた出力
が行なわれ、この出力は低域フィルタ１０を介してアク
チュエータ５のｚ方向の駆動端子に入力するから、結
局、フィードバック制御が行なわれていることになり、
外乱があったとしても、記録層３とプローブ電極４との
間隔は一定値（トンネル電流が２ｎｍ程度となる間隔）
に維持される。ここで低域フィルタ１０が挿入されてい
るのは、情報の再生による検出信号（高周波成分が主で
あることが予想される）の影響を排し、ステージ１の傾
きや下地電極層２の凹凸などによって生じる成分（記録
ビットの大きさに比べ大きいスケールでの変化なので、
低周波成分が主であると予想される）のみに追従するよ
うにするためである。また、積極的に両者の間隔を変え
たいのであれば、可変電源３８を操作すればよいことは
当業者には明らかであろう。

【００２０】次に、情報の書き込みについて説明する。
プローブ電極４の先端をｘ方向およびｙ方向に走査しな
がら、所定の書き込み位置にプローブ電極４が達するタ
イミングで、ＣＰＵ２１のデータ変復調部５２から書き
込み信号をパルス発生器２４に送り、記録層３とプロー
ブ電極４との間に所定の電圧の書き込みパルスを印加す
る。このとき、この書き込みパルスが印加されたことに
よってプローブ電極４の位置制御のためのフィードバッ
クループが乱されるのを防ぐため、書き込み信号と同期
してデータ変復調部５２からサンプル／ホールド回路７
にホールド信号を送り、このサンプル／ホールド回路７
をホールド状態として、書き込みパルスの影響が誤差増
幅器９などに加わらないようにする。プローブ電極４の
ｘｙ方向への走査を行ないながら適宜に書き込み信号を
発生させることにより、一連の情報の記録が行なわれた
ことになる。

【００２１】次に、記録の再生について説明する。サン
プル／ホールド回路７はスルー状態としておく。また、
予めデジタルシグナルプロセッサ１２には、図２に示す
ような信号パターンを記憶させておく。この信号パター
ンとしては、理想的な記録ビットが形成されているとこ
ろをプローブ電極４が走査したときに、そのとき得られ
るトンネル電流の変化のパターンと同様のパターンのも
のを用いるとよい。信号パターンは、真正の記録ビット
を走査したときの実測値に基づいて定めてもよいし、記
録層３の２値の状態におけるそれぞれのトンネル電流の
値と記録ビットの大きさと走査の速さとに基づいて計算
で定めてもよい。

【００２２】プローブ電極４によって記録層３をｘｙ方
向に走査する。記録層３とプローブ電極４間のトンネル
電流は電流アンプ６で検出され、サンプル／ホールド回
路７を通過し、その高周波成分（検出信号）が高域通過
フィルタ８で抽出される。高周波成分には、記録ビット
が存在することによるトンネル電流の変化すなわち検出
信号が含まれている。この高周波成分は、Ａ／Ｄ変換器
１１でＡ／Ｄ変換されたのち、プローブ電極４のｘ方向
の１回の片道の走査分ごとに、デジタルシグナルプロセ
ッサ１２内のメモリ（不図示）に格納される。

【００２３】デジタルシグナルプロセッサ１２では、そ
のメモリ上のデータが、上述の信号パターンと逐次比較
される。データと信号パターンとの比較は、以下のよう
に行なわれる。

【００２４】まずデジタルシグナルプロセッサ１２のメ
モリ上のデータ（ｘ方向の１回の走査分のデータ）は、
信号振幅を補正され、一定の最大振幅値を有するように
全体が規格化される。そしてこの規格化されたデータ
は、信号パターンと同じ長さ分の時間幅ごとに、信号パ
ターンとの差の絶対値の総和が相関値として算出され
る。つまり、信号パターンの長さをｎとし、信号パター
ンをＰ_j（ただし０≦ｊ≦ｎ）で表わし、メモリ上のデ
ータの長さ（１回の走査長さに対応する）をｍで表わ
し、このデータをＤ_i（ただし０≦ｉ≦ｍ）で表わすと
き、式(1)を演算することができる。

【００２５】

【数１】デジタルシグナルプロセサ１２は、この相関値Ｏ_iをｉ
ごとに逐次計算し、その結果を出力する。例えば、上述
の図８に示したデータを用い、この逐次の計算を行なう
と、その結果は図３に示されるように、相関値Ｏ_iは、
ちょうど記録ビットがあったところで０となり、その他
のところでは０より大きい値となる。

【００２６】この結果は、Ｄ／Ａ変換器１３によってＤ
／Ａ変換され、コンパレータ１４の(−)入力端子に供給
される。ここで、可変電源３９を０Ｖよりわずかに大き
い電圧値としておくと、記録ビットのある位置でのみコ
ンパレータ１４の出力が"１"となり、その他のところで
は、記録層３の表面に段差構造があるところも含め、コ
ンパレータ１４の出力が"０"となる。これにより、正し
く記録ビットが２値化信号に変換されることになる。こ
の２値化信号は、ＣＰＵ２１のデータ変復調部５２に送
られ、最終的にこの情報処理装置の再生情報として外部
に出力されることになる。

【００２７】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明においては、検出信号と信号パターンとの相
関を求めるための関数としては、上記の式(1)に示され
たものに限定されるものではなく、例えば、検出信号と
信号パターンとの差の自乗和などによるものも、有効に
利用することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、検出信号
と予め格納された信号パターンとの相関を計算して出力
することにより、記録ビットの存在による真正な検出信
号が入力した場合と、記録媒体表面の段差構造などによ
って検出信号に類似した信号が入力した場合とでは、相
関の計算結果が異なり、真正な検出信号のみを検出する
ことが可能となって、表面が平滑でなく段差構造を有す
るような記録媒体を使用する場合であっても、再生時の
誤りが少なく、高いＳ／Ｎ比が得られるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の情報処理装置の構成を示す
ブロック図である。

【図２】ビット判断に用いる信号パターン波形の例を示
す波形図である。

【図３】相関値の逐次の演算結果を示す波形図である。

【図４】従来の情報処理装置の構成例を示すブロック図
である。

【図５】平滑な記録媒体を走査したときのトンネル電流
の変化を示す波形図である。

【図６】平滑な記録媒体を走査したときのトンネル電流
の高周波成分の変化を示す波形図である。

【図７】表面に段差構造がある記録媒体を走査したとき
のトンネル電流の変化を示す波形図である。

【図８】表面に段差構造がある記録媒体を走査したとき
のトンネル電流の高周波成分の変化を示す波形図であ
る。

【符号の説明】

１ステージ２下部電極層３記録層４プローブ電極５アクチュエータ６電流アンプ７サンプル／ホールド回路８高域通過フィルタ９誤差増幅器１０低域通過フィルタ１１Ａ／Ｄ変換器１２デジタルシグナルプロセッサ１３,１９,２０Ｄ／Ａ変換器１４コンパレータ１５基準周波数発生器１６分周器１７,１８アップダウンカウンタ２１ＣＰＵ２４パルス発生器３１〜３３,３６,３７バッファ３４コンデンサ３５電源３８,３９可変電源５１走査制御部５２データ変復調部５３ステージ制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者紫藤俊一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 (72)発明者畑中勝則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５−314550（ＪＰ，Ａ) 特開平５−101457（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−223081（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11B 9/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】記録媒体に対向して配置されたプローブ
で前記記録媒体を走査し、前記記録媒体に記録された情
報ビットを再生する情報処理装置において、前記プローブで前記記録媒体を走査することによって情
報ビットを検出する検出手段と、前記検出手段の出力信号の高周波成分に含まれる記録媒
体表面に存在する原子ステップの影響によるノイズ成分
を、前記出力信号から除去することによって、再生信号
を生成する再生信号生成手段と、前記プローブで単一の情報ビットを検出したときに得ら
れる前記検出手段の理想的な出力信号パターンを記憶し
た記憶手段と、を有し、前記再生信号生成手段は、前記記憶手段に記憶された出
力信号パターンと前記検出手段の出力信号との相関を計
算し、この計算信号に基づいて再生信号を生成すること
を特徴とする情報処理装置。
【請求項２】前記検出手段は、前記記録媒体と前記プ
ローブとの間に電圧を印加する手段と、電圧を印加した
ときに前記記録媒体と前記プローブとの間に流れるトン
ネル電流を検出する手段とから成る請求項１に記載の情
報処理装置。