JP3217493B2 - 情報記録再生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、探針と記録媒体を接近
させることによって生じる物理現象を利用した情報記録
再生装置に係り、探針と記録媒体との距離を高速に制御
する制御システムを有するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、探針と試料とを接近させ、その時
に生じる物理現象（トンネル現象等）を利用して、物質
表面及び表面近傍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．，Ｈｅｌｖｅｔｉ
ｃａ Ｐｈｙｓｉｃａ，Ａｃｔａ，５５，７２６（１９
８２）］、単結晶、非晶質を問わず実空間像を高い分解
能で測定できるようになった。またＳＴＭは、試料に対
して電流による損傷を与えずに低電力で観測できる利点
をも有し、さらには超高真空中のみならず大気中・溶液
中でも動作し種々の材料に対して用いることができ、学
術的、あるいは研究分野での広範囲な応用が期待されて
いる。

【０００３】また、産業分野においても、近年、電子あ
るいは分子サイズの空間分解能を有する原理に着目し、
特開昭６３−１６１５５２号公報および特開昭６３−１
６１５５３号公報に開示されているように、記録媒体に
記録層（例えばπ電子共役有機化合物やカルコゲン化合
物類の薄膜層など）を用いることによる情報記録再生装
置への応用、実用化が精力的に進められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】係る情報記録再生装置
においては、探針を記録媒体表面と平行に走査しながら
何らかの電気的な方法によって記録媒体の表面に情報を
記録し、探針と記録媒体との接近によって生じる物理現
象（トンネル電流など）を測定することによって記録さ
れた情報を再生することが主たる目的である。

【０００５】このような場合、情報の記録再生を感度よ
く行うためには、探針は記録媒体の表面の凹凸に追従し
て位置制御されなければならない。そうでない場合に
は、探針が記録媒体と接触し、記録媒体に損傷を与える
だけでなく探針自体の変形も引き起こし、結果として情
報記録再生が正確に行われない。

【０００６】特に、そのような状況が顕著に現れる場合
として、高速走査時が挙げられる。走査が高速になれ
ば、探針から見た記録媒体表面の凹凸の周波数が上がる
ために、Ｚ方向の応答周波数も高いものが要求される。
したがって走査速度を向上させるためにはＺ方向の応答
の周波数特性を改善しなければならない。

【０００７】一般的にＺ方向制御は、トンネル電流を一
定とするためにフィードバック制御が用いられている。
制御回路の方式としてはアナログ、デジタルの２方式が
あるが、電気的な応答についてはどちらの方式でも、通
常のＰＩＤ等の制御であれば１００ｋＨｚ程度の周波数
特性は得られる。そのため１μｍで１００Ｈｚ以上の走
査速度でも、回路の応答は観測記録面の空間周波数にし
て数１００Ｈｚ／１μｍの構造にも追従すると考えられ
る。

【０００８】しかしながら、実際の応答は多くの場合、
前述のＺ方向のフィードバック制御に利用されるアクチ
ュエータ等の特性により決定される。現在もっとも多く
使用されているアクチュエータは、積層型圧電素子や円
筒型圧電素子である。一般的に圧電素子は可動変位量が
小さい方が周波数特性が良いが、Ｚ方向変位量を、走査
型トンネル顕微鏡の通常として１μｍ程度にとると、そ
の変位量を得るための圧電素子では周波数特性として数
ｋＨｚまでの応答が限界であり、電気系の特性には全く
追従しないばかりか、記録媒体の表面形状の凹凸にも追
従しないため、探針と記録媒体との接触の原因となって
おり問題となっていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】トンネル電流を検出する
手段を有し、検出された電流から探針・記録媒体面間距
離をフィードバック制御するための制御量を計算する手
段を有しており、また相対的に探針を記録面と平行に走
査することのできる機構を有している装置で、その探針
位置決め用の圧電アクチュエータが、変位量と応答周波
数に応じた複数の圧電素子により構成されている。さら
に、以前の走査の制御信号値を保持しておくためのバッ
ファメモリを有しており、その保持されたデータに、あ
る演算を施すことのできる演算部をもっており、さらに
その結果を用いて圧電素子を駆動することができる構成
をもつことを特徴とする。

【００１０】

【作用】探針と記録媒体間の距離をフィードバック制御
によって一定にする探針・記録媒体間距離制御機構とし
て、応答周波数の相異なる２つの圧電素子アクチュエー
タを設け一方、前回走査に基づく制御信号の低周波成分
を求め、これを応答周波数の低い圧電素子アクチュエー
タに供給するとともに、今回走査に基づく制御信号を応
答周波数の高い圧電素子アクチュエータに供給すること
で、全体の周波数特性を向上させ、高速の情報記録再生
を行う。

【００１１】

【実施例】実施例によって本発明の詳細な説明を行う。

【００１２】図１は、本発明実施例の基本構成を示すブ
ロック図である。記録媒体基板Ｓは、バイアス電源１１
２によって所定の電流にバイアスされており、探針１０
１との間にトンネル電流ＪＴが観測されるまでに接近し
ている状態を示している。トンネル電流ＪＴが観測され
るまで探針１０１を基板Ｓに近づける過程は本構成図に
は示していない粗動機構によって行われる。トンネル電
流ＪＴは探針１０１によって検出された後、Ａ／Ｄ変換
され（１０４）、情報抽出回路１０５、画像生成回路１
０６、トラッキング制御回路１０７、Ｚ方向位置制御回
路１０８にそれぞれ数値データとして送られる。

【００１３】情報抽出回路１０５は、あらかじめ記録さ
れてある情報をトンネル電流の形で受信し、データとし
て再構成するデコーダの働きをする。

【００１４】画像生成回路１０６は、トンネル電流デー
タから記録媒体表面の状態をＳＴＭ像として観察できる
ように設けてある。トンネル電流像はＣＲＴモニタ１０
９に出力される。

【００１５】トラッキング制御回路１０７は、トンネル
電流データから記録媒体基板上にあらかじめ形成されて
いるトラックを検出し、走査領域をトラックに追従させ
るためのトラッキング補正量をＸＹ方向走査制御回路１
１０に送る。また同時に走査のタイミング信号をＺ方向
位置制御回路１０８へ送っている。

【００１６】Ｚ方向位置制御回路１０８は、トンネル電
流データより探針１０１と記録媒体基板Ｓの距離がある
一定の距離になるようにフィードバック制御を行ってい
る。この回路の出力は、Ｚ方向の位置制御を行なう極微
動用アクチュエータ１０２とステージ１１１を駆動する
微動用アクチュエータとに送られる。

【００１７】また、ＸＹ方向走査制御回路１１０は、ス
テージ１１１のＸＹ方向走査用アクチュエータの制御を
行っている。具体的には走査信号を生成し、トラッキン
グ制御回路１０７からのトラッキング補正量を加えてス
テージ１１１を駆動するＸＹ方向走査用アクチュエータ
へ出力している。

【００１８】さらに、図２を用いて、本発明の特徴的部
分であるＺ方向位置制御回路１０８の動作を詳細に説明
する。探針で検出されたトンネル電流ＪＴはデジタル値
に変換されてｌｏｇ演算部２０１に入力される。ｌｏｇ
演算部２０１ではトンネル電流をｌｏｇ変換し探針・基
板間距離に比例する量に変換する。変換された距離デー
タはエラー信号生成部２０２によって、あらかじめ設定
されている一定距離と比較され、その差信号ΔＥを出力
する。この差信号ΔＥは、比例制御定数Ｐ倍され距離電
圧変換定数αによって電圧値に変換され、Ｄ／Ａ変換部
２０７、バッファアンプを通って、極微動用アクチュエ
ータ１０２に送られ、探針・基板間距離が一定になるよ
うにＺ方向のフィードバック制御に用いる。この極微動
用アクチュエータは円筒型ピエゾ素子を用いており、そ
の変位は最大で１０ｎｍと小さいが周波数特性は１００
ｋＨｚ程度まであるものを用いている。

【００１９】Ｚ方向の差信号ΔＥはまた、バッファメモ
リ２０５の出力と加算され、再びバッファメモリ２０５
へ送られる。バッファメモリの出力は距離電圧変換定数
βによって電圧値に変換され、Ｄ／Ａ変換部２０７、バ
ッファアンプを通って微動用アクチュエータ２０８に送
られる。この微動用アクチュエータは積層型圧電素子を
用いており、その変位は最大で１０μｍ、周波数特性は
５ｋＨｚである。

【００２０】バッファメモリ２０５は、図３に示すよう
に２つのメモリ部から構成されている。メモリＡは現ラ
スタの走査データを保持しており、メモリＢは、前ラス
タの走査データ（前回、メモリＡにあったデータ）を演
算部２０６に通し、演算後のデータを元のメモリＡに対
応するアドレスに保持している。データが送られてくる
と、メモリＡの、探針位置に応じたアドレスに書き込ま
れる。そして同時に出力としてメモリＢの、探針位置に
応じたアドレスのデータが出力される。１回の走査が完
了しメモリＡが満杯になる毎に、内部のデータは演算器
２０６に送られ演算された後、メモリＢに書き込まれ
る。演算器での演算は、フィルタ部で例えば高速フーリ
エ変換（ＦＦＴ）を行って高周波成分を除去し、Ｚ方向
の微動用アクチュエータ２０８の周波数特性に応じた値
を与えるものである。

【００２１】まず、前回走査によって得られたデータか
ら求めた表面形状が図４（ａ）のような場合、演算器の
ＦＦＴを通して出力される探針の動作軌跡は、（ｂ）の
様に低周波成分のみの形をしている。低周波成分のみで
あるこの出力値の特徴として、隣あうラスタのデータ同
士は非常に類似していることが挙げられる。つまり、前
ラスタの微動用アクチュエータの動作は現ラスタの動作
とほぼ変わらないものと考えて差支えない。従って、現
走査時における変位の大きな、周波数の低い制御は、前
ラスタのトポグラフィック（地形図的）のデータ図４
（ａ）から低い周波数成分のみを抽出して行うことで充
分に達成できる。また、このように、すでに得られてい
る前回の走査のデータからＦＦＴ等の演算によって周波
数分離を行い、高周波成分を除去するのでリアルタイム
の低域フィルタ等とは違って、低周波制御出力の位相遅
れが抑制できる。

【００２２】図４（ｂ）のデータの高周波成分の補正
は、今回の走査によって得られたデータによって行われ
る。その補正出力を図４（ｃ）に示す。この補正出力は
極微動用アクチュエータに送られる。

【００２３】このような制御を行うことによって、微動
用アクチュエータは基板の傾きや大きな構造に追従し、
極微動用アクチュエータは、結晶のステップ等の変位の
少ない構造で高速で応答することにより、周波数特性を
大幅に改善することが可能である。

【００２４】本情報記録再生装置は、探針を記録媒体面
と平行に走査しながら、電気的な方法によって記録媒体
表面に情報を記録し、探針と記録媒体との接近によって
生じる物理現象（トンネル電流など）を測定することに
よって記録された情報を再生する。たとえば、特開昭６
３−１６１５５２号公報および特開昭６３−１６１５５
３号公報に開示されている記録媒体であるＡｕ電極上に
積層されたスクアリリウム−ビス−６−オクチルアズレ
ン（ＳＯＡＺ）から成るラングミュアープロジェット
（ＬＢ）膜（２層膜）を記録媒体として用い記録再生実
験を行った実験例を示す。図１のブロック図に示す構成
の装置を用いて、前述の記録媒体上にビットを書き込
み、画像としてそれを再生した。記録は、図１のブロッ
ク図におけるバイアス電極１１２を用い、バイアス電圧
として波高値−６Ｖ及び＋１．５Ｖの連続したパルス波
を重畳した電圧を記録媒体・探針間に印加することで行
った。そしてさらに形成したビットパターンをトンネル
電流データから画像として観察した。その結果、記録パ
ターンと再生像のパターンが一致していることを確かめ
た。また、この読みだし操作を複数回行ったが像の劣化
は全く観察されなかった。

【００２５】さらに、実験例としてトラッキングを行っ
た場合の記録再生を挙げる。情報記録再生装置は一般に
トラックに沿って書き込み・読み出しが行われるが、本
発明の実験例においては、直線状の凹部溝をもつ記録媒
体を用いて行った記録再生例を示す。トラック検出は、
トラック溝内におけるトンネル電流の局所的な減少を利
用し、そのエッジ位置を検出する方法を用いている。こ
のトラッキング方式の場合には、原子・分子レベルから
すれば大きな構造であるトラック溝を走査することによ
る探針・記録媒体間の接触が問題となる。

【００２６】たとえば、従来の制御では速い速度で走査
した場合、図５（ａ）の様に探針は制御されるため、エ
ッジ部分のＡ点で探針と記録媒体とが接触することが多
かった。トラック溝構造は、周波数的にはそれほど大き
な構造ではないが大きな変位が必要であるため、それに
対応する圧電素子を用いた場合には遅れが問題になる。
そこで本発明に基づいて応答の周波数を高くすると同時
に、演算による周波数分離によって低周波部分の遅れを
軽減する。トラックは隣合うラスタではほぼ同じ位置で
検出され、トラック溝形状もほとんど変化がないと考え
ると、探針は図５（ｂ）に示す様に見かけ上応答速度が
向上し、行き帰りの走査が一致するように制御されるよ
うになるため、探針と記録媒体の接触の可能性は極端に
軽減させることができる。

【００２７】具体的にはトラック溝を半導体プロセスを
用いてＡｕ基板上に深さ５００ｎｍ、２μｍのラインア
ンドスペースで作製し、その上に前述のＬＢ膜を累積し
たものを記録媒体として用いた。そしてそれを用いて前
述の記録方法を用いてデータを記録し再生したところ、
トンネル電流からの抽出情報が、記録された情報と一致
していることが確認された。

【００２８】さらに、同じ記録エリアの情報を繰り返し
再生したところ、データの欠落や、読みとり誤りが全く
生じないことがわかった。これはトラックエッジ部と探
針の接触が無くなり、探針感度の低下や記録媒体の変形
等が生じていないことを示している。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、実施例において説明したよう
にアクチュエータを複数段とし、周波数の低い部分の制
御については前走査の制御電圧データを用いることによ
って遅れを軽減し、周波数の高い部分の制御については
小さいな圧電素子アクチュエータを用いることによって
周波数特性を向上させた構成になっているため、記録媒
体の傾き、うねり、大きな構造体（例えば結晶のバンダ
リ溝等）、さらには記録再生に必要なトラック溝などの
検出時における探針・記録媒体間の接触を抑制すること
ができるため、高速で高精度の情報記録再生が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図。

【図２】本発明実施例中のＺ方向位置制御回路の詳細な
構成を示すブロック図。

【図３】図２中のバッファメモリの詳細な構成図。

【図４】制御信号に関する説明図。

【図５】従来例および実施例のトラック溝検出時の探針
の動きを示す図ａおよび図ｂ。

【符号の説明】

Ｓ 記録媒体基板 １０１ 探針 １０２ 極微動用アクチュエータ １０５ 情報抽出回路 １０７ トラッキング制御回路 １０８ Ｚ方向位置制御回路 １１０ ＸＹ方向走査制御回路 １１１ ステージ ２０１ ｌｏｇ演算部 ２０２ エラー信号生成部 ２０５ バッファメモリ ２０６ 演算器 ２０８ 微動用アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山野 明彦 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５−210875（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11B 9/14 G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針に対して記録媒体を相対的に平行に
   走査する走査機構と、前記走査機構による平行走査時に
   探針と記録媒体との間に流れるトンネル電流から得られ
   る微細信号を検出する検出手段と、前記検出手段による
   検出信号によって探針と前記記録媒体との距離を検出
   し、制御信号によるフィードバック制御によって、探針
   と記録媒体との距離を一定にする探針・記録媒体間距離
   制御機構とを具備する情報記録再生装置において、 前記探針・記録媒体間距離制御機構は、 前回の走査時の制御信号を記憶するバッファメモリと、
   前記バッファメモリ内のデータに高速フーリエ変換を行
   い、周波数分離して出力する演算部と、応答周波数の領
   域が異なる各々の圧電素子から成り、探針と記録媒体と
   の距離を変化させる複数の圧電素子アクチュエータとを
   具備し、 前記演算部出力である低周波成分を前記応答周波数の低
   い圧電素子アクチュエータに供給し、前記検出手段より
   の微細信号を前記応答周波数の高い圧電素子アクチュエ
   ータに供給することを特徴とする情報記録再生装置。