JP3978818B2 - 微小ヘッド素子の製造方法 - Google Patents

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  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Recording Or Reproducing By Magnetic Means (AREA)
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報信号をメモリ媒体に比較的高密度でデジタル的に記録し、またはメモリ媒体に比較的高密度でデジタル的に予め記録されている情報信号を再生（或いは検出）するための情報信号の記録再生に用いられる記録再生用ヘッド装置、特に、微小ヘッド素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、大容量メモリとしてはＤＲＡＭ、Ｆｌａｓｈメモリに代表される半導体メモリ、ビデオレコーダーに代表される磁気テープ、コンパクトディスク、ハードディスクに代用されるディスクメモリがあるが、これらは、それぞれビット単価が高い、アクセス速度が遅いなどの問題を抱えており、今後ますますデータ転送速度及びデータ容量が上がるマイクロプロセッサー、ネットワークなどの情報入出力装置を快適に使いこなすことができない。従来のハードディスク、光ディスク或いは磁気テープ装置は単位データ（ビット）当たりのコストは半導体メモリと比較して２桁以上安い。しかしながら、アクセス時間、データ転送時間及び装置の体積は半導体メモリと比較にならないほど劣っている。
【０００３】
ビット当たりのコストが磁気ディスク、光ディスク程度でありながら、アクセス時間、データ転送時間及び装置の体積が半導体メモリなみの再生専用メモリ及び記録可能なメモリを実現することは、コンピュータの性能及び情報ネットワークでの通信速度の向上により取り扱うデータ量の膨大化及び高速化が増している今日、理想的なメモリである。
【０００４】
半導体チップの大きさは、例えば、ＤＲＡＭの場合、世代ごとに大きくなっており、４Ｇｂｉｔの世代には３×３ｃｍ程度以上となることが予想されており、この場合、パッケージを含めた面積はおよそ１２ｃｍ2 程度となる。ＤＲＡＭと同じように取り扱われるためには、この程度の大きさ以下でビット単価の安いメモリができることが望ましい。
上記の面積内に貯えられる記憶容量としては、最低、動画が１時間程度記憶できることが好ましく、帯域の圧縮されたデジタル画像信号を考慮すると１２Ｇｂｉｔ程度、即ち、少なくとも１Ｇｂｉｔ／ｃｍ2 程度の記録密度を備えている必要がある。
【０００５】
前記の要求に応えられる可能性を有するものとしては、ＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope ）或いはＡＦＭ（Atomic Force Microscope ）などの、所謂、ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope ）を用いたメモリがあり、盛んに研究されている。
【０００６】
例えば、Ｈ．Ｊ．ＭａｍｉｎらによりＩＢＭ J.Res.Develop.Vol.39,681(1995)に詳しく紹介されている。これらは、図１１に示したようなヘッド装置１００を用いて情報信号を検出している。このヘッド装置１００は一端がヘッド基板１０２に固定されて片持ちされた一般にカンチレバー１０３と呼ばれる梁の先端が、図１１Ｂに示したように、半導体プロセスにより３角錐、４角錐などの形状に鋭く尖らされた信号検出部であるヘッド素子１０１（以下、単に「ヘッド素子」と略記する）を備えている。原子サイズのレベルまで鋭く尖ったヘッド素子１０１の先端を被測定物の表面、メモリの場合にはデータ表面に接近させ、ヘッド素子１０１と被測定物表面との間に働く原子間力、或いはその間に流れるトンネル電流を直接的或いは間接的に検出することにより情報を得ている。
【０００７】
Ｂ．Ｄ．ＴｅｒｒｉｓらはAppl.Phys.Lett.69(27),4262(1996)に電子ビーム描画装置でディスク状媒体に適用できるデータパターンを作製し、そのパターンを、所謂、ガラス２Ｐ方法によりガラスディスク上に形成された紫外線硬化樹脂層に転写を行ってデータを作製し、そのディスクに記憶されたデータ信号をＡＦＭにより再生したことを報告している。
【０００８】
また、Ｈ．Ｊ．Ｍａｍｉｎらは、高分子基板にＡＦＭの先端を接触させ、ＡＦＭの先端をレーザで加熱し、その熱で高分子基板の表面を溶融させることによりデータの記録を行い、ＡＦＭにより高速再生を行っており、データ再生速度として１Mbits/sec の結果を得ている（Ｈ．Ｊ．ＭａｍｉｎらによるSensors and
Actuators A48,215(1995) 。
更にまた、これらの報告における情報信号の記録再生装置では、１つのＡＦＭヘッドを用いてディスク媒体を回転させながら記録再生を行っている。
【０００９】
そしてまた、Ｈ．Ｋａｄｏらは、Appl.Phys.Lett.66(22)2961(1995) で、シリコン基板上に白金薄膜を成膜し、更にその上にアモルファスＧｅＳｂ2 Ｔｅ4 を成膜し、導電性の先鋭なヘッド素子と白金薄膜との間にパルス電解を加えることにより記録を行い、再生は電気伝導率の違いを電流変化として検出することにより行っている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記ＡＦＭにおけるデータの検出では、前記原子間力はカンチレバー１０３の機械的変位に変換されて、その変位をピエゾ抵抗効果或いはレーザー変位計により検出しているため、高速再生には適さない。また、記録媒体がディスク状であり、ディスクを回転させながら情報信号の記録再生を行う場合には、回転待ちに時間を要し、アクセス速度が遅くなるという欠点がある。
【００１１】
実効的なデータ転送速度を改善するために、ヘッド装置を複数個用いて並列処理する方法がある。例えば、Ｓ．Ｃ．ＭｉｎｎｅらはAppl.Phys.Lett.67(26)3918(1995) に、ヘッド素子の先端が１００μｍ離された２個のＡＭＦヘッド装置を並列に並べて５μｍ周期のグレーティングのイメージを再生している。この並列処理装置においては、２本のカンチレバーを深さ方向に個々に変位させるためにカンチレバーの一部に圧電効果を有するＺｎＯを用いており、そして変位量を十分確保するためにカンチレバーが大きくなり（長さ４２０μｍ、幅８５μｍ）、その結果として、機械的共振周波数が低くなり、データ転送速度が遅くなっている。従って、ＡＦＭヘッド装置を複数個用いた場合においても、データ転送速度はそれ程改善されない。
【００１２】
また、この参考文献にあるような複数個のヘッド素子を用いたデータ再生装置（顕微鏡）では、被測定面に対して平行な方向での、各ヘッド素子と所望のデータの位置関係を知る、或いは補正する方式、機構は報告されておらず、メモリ装置として重要なデータのアドレス管理が行えないという問題も有する。予め、各ヘッド素子間の距離、位置関係が明確に判っており、かつ、いずれか１つのヘッド素子についてデータ面のアドレスとの位置関係が判っていたとしても、例えば、温度変化があった場合のヘッドアレイと記憶媒体基板との熱膨張係数の違いなどに起因して、各ヘッド素子と対応するデータ位置との相対関係は保てない。
【００１３】
更にまた、ＳＰＭを用いたメモリ装置では、図１１に示したように、ヘッド装置１００のヘッド素子１０１の先端が非常に尖っており、データ再生中に何らかの衝撃が加わった場合には、ヘッド素子の先端部以外にはデータ面に接触する可能性を有する部分が無いため、ヘッド素子とデータ面が接触した際には、局所的に非常に高い圧力が加わりデータを破壊する危険性がある。例えば、Ｓ．Ｃ．ＭｉｎｎｅらによるSensors and Actuators A48,215(1955) では、ヘッド素子の先端部は球状で、その曲率は１００ｎｍ以下であることが報告されている。また、カンチレバーのバネ定数は１Ｎ／ｍのオーダーである。何らかの衝撃が加わりヘッド素子の先端が１０ｎｍだけデータ面側に変位してデータ面に衝突する場合を考える。ここで、ヘッド素子の先端は半径１０ｎｍの平坦な円とみなす。この場合、平坦な円に加わる圧力は３×１０7 Ｎ／ｍ2 となり、非常に高い圧力が加わることになり、通常の材料では破壊を免れない。また、データが破壊されない場合においても、ヘッド素子の先端が磨耗することにより、その先端の形状が変化し、強いては記録或いは再生の分解能が低下するという問題も生じる。
【００１４】
そしてまた、前記Ｈ．Ｋａｄｏらの記録再生方法は、再生時の電流値は記録が行われていない場所では１０ｐＡであり、記録後の場所では１ｎＡであるため、データ再生速度が遅い場合には再生信号帯域が狭いため十分な再生信号のＳ／Ｎは得られるが、データ再生速度が早い場合には信号周波数帯域が広がるため、信号電流が１ｎＡ程度では十分な再生信号のＳ／Ｎは確保されない。
以上記したようにＳＰＭにも諸問題がある。
【００１５】
本発明は、このような諸問題を解決しようとするものであって、データが破壊されること無く、μｓオーダーのアクセス速度、１〜１０ＧＢ／ｃｍ２の記録密度、Ｇｂｉｔ／ｓｅｃのデータ転送速度を有するＲＯＭ及びＷｒｉｔａｂｌｅメモリ媒体を用いたデータなどの情報信号の記録再生方式に適用して有用な微小ヘッド素子を得ることを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、平坦な記録面を備えたメモリ媒体に、２次元的に配列され、先端に０．１μｍ２以下の面積の平坦部が形成されている複数のヘッド素子を備えたヘッド装置を対向させて、隣接する前記ヘッド素子間の距離以上に前記メモリ媒体と前記ヘッド装置とを相対的に移動させながら、前記記録面の所定位置に情報信号を１Ｇｂｉｔ／ｃｍ２以上の記録密度の形式で記録し、または所定の前記記録面に予め記録されている前記形式の情報信号を前記ヘッド装置にて再生する情報信号の記録再生方式に採用して有用な微小ヘッド素子の製造方法であって、偏平な導電性基板の平面に中央部が断面台形状になるようにレジストからなる犠牲層を形成する第１工程と、前記犠牲層の表面から前記導電性基板の平面にわたって１〜数μｍの厚さの金属膜を形成する第２工程と、前記金属膜の台形中央部に対称的なバネパターンを形成する第３工程と、前記バネパターンの中央部に１辺が前記金属膜以下の微小面積のレジスト膜を形成する第４工程と、前記微小レジスト膜と金属膜とが完全に分離する直前まで前記金属膜をエッチングして、先端に平坦部が形成された微小ヘッド素子を形成する第５工程と、前記犠牲層及び前記微小レジスト膜とを除去して前記金属膜で前記微小ヘッド素子を弾力的に支持するバネを形成する第６工程とからなるものである。
【００１７】
従って、本発明の微小ヘッド素子の製造方法により製造されたヘッド素子を用いた情報信号の記録再生方式によれば、情報信号を１Ｇｂｉｔ／ｃｍ２以上の高記録密度で記録でき、しかもμｓオーダーのアクセス速度及びＧｂｉｔ／ｓｅｃのデータ転送速度で情報信号を処理することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。
先ず、図１乃至図４を用いて、本発明の各種ヘッド素子を説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示すヘッド素子の先端部の形状を示す一部拡大側面図であり、図２は本発明の第２の実施例を示すヘッド素子の先端部の形状を示す一部拡大側面図であり、図３は本発明の第３の実施例を示すヘッド素子の先端部の形状を示す一部拡大側面図であり、そして図４は本発明の第４の実施例を示すヘッド素子の先端部の形状を示す一部拡大側面図である。
【００１９】
先ず、図１を用いて、本発明の第１の実施例のヘッド素子を説明する。
図１１Ｂに示したように、従来のヘッド素子の先端は原子サイズレベルの変化をも検出できるほど尖っており、拡大してみると、非常に小さい曲率の半球と見なされ、ヘッド素子とメモリ媒体とが接触した際に局所的に非常に高い圧力が生じ、メモリ媒体上のデータが破壊される恐れがあることを前述した。図１に、この欠点を解決したヘッド素子を例示した。
図１において、符号１Ａは本発明のヘッド素子を指す。このヘッド素子１Ａは前記衝突時にメモリ媒体に加わる圧力を低減するために、情報信号検出部或いは情報信号検出電極であるヘッド素子１Ａの先端部２が、符号３で示したように、平坦に形成されている。ヘッド素子１Ａの先端の大きさは１Ｇｂｉｔ／ｃｍ2 以上の密度で記録されている情報信号を検出することを考慮すると、大きくとも０．１μｍ2 以下である必要がある。
【００２０】
平坦部３にする面積が広いほど衝突時の力が分散されるため、データ破壊の確率は低減される。例えば、再生（検出）しようとしているデータのセルサイズが０．１×０．１μｍであり、この大きさの凹部が在るか無いかでデータの“１”、“０”の判断をする場合には、再生時の空間分解能としてはセルサイズと同じ程度でよい。仮に、分解能をセルサイズの１／２の０．０５×０．０５μｍとすれば、ヘッド素子１Ａ先端部２の平坦部３の大きさは同程度でよく、従来技術の問題点の項で採り上げた衝突時の接触面積が半径１０ｎｍの円から一辺が０．０５μｍの正方形になり、面積比で凡そ８倍となり、それだけ衝突時の衝撃が低減される。なお、ここで用いている「平坦」という意味は、完全な平坦な状態を指すものではなく、表面が多少荒れているもの、或いはデータセルサイズと同程度或いはそれ以上の緩やかな曲率を有する形状でもよい。
【００２１】
ヘッド素子の先端部を平坦にすることだけでも衝突時の衝撃を低減する効果はあるが、図２に示した本発明の第２実施例のヘッド素子１Ｂのように、導電性がある先端部２の周辺部４を非導電性材料で形成し、情報信号記録部或いは検出部である前記先端部２の平坦部３の面積を実質的には広げず、衝突時のメモリ媒体との接触面積を広げる構造で構成すると一層効果的になる。
【００２２】
また、ヘッド素子の先端部の形状を従来のＡＦＭなどに用いられていた角錐とか針状ではなく、図３に示した本発明の第３実施例のヘッド素子１Ｃのように、非導電性材料の基板５の表面に、その先端部２を薄膜状に形成することにより、その先端部２の平坦性を一層容易に確保することができる。
このヘッド素子１Ｃ及び図２に示したヘッド素子１Ｂの先端部２の形状であれば、例えば、凹凸により情報信号が記録（記憶）されているメモリ媒体の再生を行う場合には、それら先端部２の平坦部３をメモリ媒体の凹部の面積に比べて広くすることができるため、それらの先端部２が凹部に誤って食い込むことがなく、従って、先端部２が凹部に誤って食い込むことによって生じる再生信号のエラー或いはデータ面の機械的破壊を本質的に防ぐ効果がある。
【００２３】
更にまた、図４に示した本発明の第４実施例のヘッド素子１Ｄのように、基板５の表面に、その先端部２を柱状の構造で形成することにより、その先端部２の端が磨耗により削られても、先端部２の大きさは変化しない。即ち、記録或いは再生の空間分解能は低下しない。
【００２４】
前記のように、各ヘッド素子の先端部の平坦部の面積を拡大させ、接触面積を広くすることにより、一方では摩擦、磨耗によるメモリ媒体のデータ面の劣化が懸念される。メモリ媒体のデータ面或いはヘッド素子の先端部２の保護のために、いずれか一方或いは双方に、摩擦係数が小さく、かつ、硬度の大きい導電性材料を形成することが望ましい。例えば、スパッタ法或いはＣＶＤ法によりカーボン或いは水素化カーボン（ダイアモンドライクカーボン）の膜を被覆するとよい。更にこのような膜の上に高分子材料の潤滑剤を薄く塗布することも有効である。高分子潤滑剤は導電性を有していることが望ましいが、それが絶縁性であっても、膜厚が薄い場合には交流電流での再生を行うことができる。
【００２５】
次に、データ再生を高速化する解決方法を説明する。
大容量のデータを瞬時に再生するためにはデータ転送速度を速くすることとアクセス速度を速くすることが必要である。
データ転送速度を速くするためには、広い帯域でも十分なＳ／Ｎを確保することと、機械の共振周波数で制限される再生方式など、速度に本質的に制限のない再生方法を用いることが重要である。ＡＦＭ、ＳＴＭなどは空間分解能は非常に高いものの、原子間力或いはトンネル電流といった非常に微弱な力或いは電流による出力のため、大きな再生信号を得ることは難しい。従って、広帯域で十分なＳ／Ｎを得ることは難しい。
【００２６】
そこで、本発明の情報信号の再生方式は、“１”、“０”のデータを電流のスイッチに対応させ、電流が流れるか流れないかにより再生を行う再生方法を用いる。
図５は、その本発明の情報信号の記録再生方式を説明するための実施例である情報信号の再生装置の概念図であり、図６は本発明の情報信号の記録再生方式に用いて好適なメモリ媒体の概念的平面図であり、そして図７は本発明の情報信号の記録再生方式に用いて好適なヘッド装置の概念的平面図である。
【００２７】
図５において、符号１０は本発明の実施例である情報信号の記録再生装置を指す。この記録再生装置１０は６に示したメモリ媒体２０、図７に示したヘッド装置３０、電源１１、増幅器１２などから構成されている。
なお、本明細書において、「記録再生装置」とは「記録及び再生」の両機能を備えた装置だけでなく、「記録」のみ機能、或いは「再生」のみの機能の装置をも含むことを予め断っておく。
本発明のメモリ媒体２０は、図５及び図７に示したように、四辺形の平板状の導電性基板２１上に導電層２２が形成された構造のものであって、その導電層２２の記録表面を、図６に示したように、特定の一つのヘッド素子１が再生を行えるメモリ媒体２０上のデータエリアの単位にである、例えば、碁盤面状に複数のセクター２３に区切り、各セクター２３に情報信号を凹凸状に記録する。
【００２８】
また、前記ヘッド装置３０は、図５及び図７に示したように、基板５上に多数のヘッド素子１（前記ヘッド素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃのいずれでもよい）を、それぞれ所定の２次元配列で、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向に前記メモリ媒体２０の各セクター２３に１対１で対応させてマトリックス状に、少なくとも隣接するＸ方向のヘッド間距離（ピッチ）はＰａで、Ｙ方向のヘッドピッチはＰｂで形成されている。即ち、１つのヘッド素子１は１つのセクタ２３を記録領域或いは再生領域として受け持つ。
【００２９】
次に、本発明の記録再生装置１０を用いた本発明の情報信号の再生方法を説明する。
図５には、情報信号がそれぞれのセクター２３に凹凸状に予め記録された前記メモリ媒体２０に前記ヘッド装置３０を接触させて再生する場合の原理を示したものであるが、メモリ媒体２０の導電性基板２１とヘッド素子１との間に電源１１から電界を掛ける。図示していないがヘッド素子１とメモリ媒体２０とには、両者を適度に接触させるための機構が設けられていて、メモリ媒体２０の凸部にヘッド素子１が接触した時のみ、そのヘッド素子１からメモリ媒体２０へ電流が流れる。この電流を増幅器１２で電流電圧変換し、増幅することにより大きな信号電圧が得られる。
【００３０】
例えば、ヘッド素子１のメモリ媒体２０に接触する接触面積が０．０５×０．０５μｍの場合、電流密度を５×１０8 Ａ／ｍ2 と仮定すると、ヘッド素子１が凸部に接触した時のみ１．４μＡの電流が流れることになる。仮に５０Ｏｈｍの抵抗により電流電圧変換を行うとすると出力電圧は７０μＶとなり、再生信号帯域が１０ＭＨｚであっても十分なＳ／Ｎが得られる。
電流電圧変換を行う抵抗として５０Ｏｈｍを用いたとき、理想的な場合のノイズとしては抵抗の熱雑音が支配的となる。信号帯域を１０ＭＨｚ、温度を３００Ｋとした場合の熱雑音電流は５７ｎＡと計算される。このノイズ電流に阻害されることなくデジタル信号を再生するために必要な信号電流は、低くて２００ｎＡ、望ましくは５７０ｎＡ必要となる。前記の電流密度での再生を仮定すると、ヘッド素子１のメモリ媒体２０に接触する接触面積は小さくて０．０００４μｍ2 、望ましくは０．００１１μｍ2 程度となる。接触部を正方形とすると、それぞれ０．０２×０．０２μｍ、０．０３３×０．０３３μｍの大きさになる。
【００３１】
図５に示した実施例では、ヘッド素子１には直流の電界を印加しているが、交流でもよい。ヘッド素子１或いはメモリ媒体２０の再生表面に極薄い絶縁層が形成されている場合、或いはヘッド素子１とメモリ媒体２０の再生表面との間に極薄い空気などによるスペースが形成されている場合には、周波数の高い交流電界を印加する方が望ましい。
【００３２】
また、静電気力によりメモリ媒体２０とヘッド装置３０とを接触させるようなフォーカス機構を用いる場合には、信号検出用の電界とフォーカス機構用の電界とが干渉する恐れがあり、それを避けるためにも、信号検出用の電界は交流、しかもヘッド装置３０の可動部の共振周波数よりかなり高い周波数を用いることが望ましい。
【００３３】
前記のＨ．Ｋａｄｏらは、Appl.Phys.Lett.66(22)2961(1995) で報告しているように、アモルファスＧｅＳｂ2 Ｔｅ4 を用い、記録前、記録後の電気伝導率の変化を利用して記録可能なメモリ媒体を用いて情報信号の再生を行っているが、再生信号電流が１ｎＡと微弱であるため、高速の再生は困難である。これは、再生に用いる電流値を大きくしようとすると、メモリ媒体２０の未記録部分の伝導率が変化するため、即ち、記録が行われてしまうため、電流を大きくとることができないという制約から生じている。再生時に電流を大きくするためには、未記録部分への記録が始まる電流値を大きくする必要があり、それには材料の組成、膜厚を変えるか、ヘッド素子の形状を変えるかのいずれかが有効である。
【００３４】
前記実施例のように、再生専用のメモリ媒体２０では、記録の心配が少ないことから電流の上限を高めることができた。記録可能（Writable) 型のメモリ媒体では、記録のメカニズムにより記録開始電流の制御方法が異なるが、一般には、電流を流すことにより発生する熱により記録が行われるものと、局所的に作られる高い電界により記録が行われるもの、ヘッド素子（プローブ）とメモリ媒体との衝突時の圧力により記録を行うものに大別することができる。これらの記録メカニズムではいずれもヘッド素子（プローブ）の先端を先鋭にすればするほど、記録開始電流は小さくなり、従って、大きな再生電流を得ることは困難になる。このような観点からも、ヘッド素子（プローブ）の先端を平坦構造とすることが望ましく、これにより１０ｎＡ以上の再生信号電流を得ることが望ましい。
【００３５】
高速アクセスを行うためには、可動部ができるだけ小さく、軽く、移動距離が短いことが望ましい。ハードディスク装置や光ディスク装置などのディスク媒体利用装置では、通常、記録面１面当たり１個のヘッドが搭載されており、ディスクの半径方向へはスイングアーム或いはリニアアクチュエータで動く仕組みで構成されている。このようなディスク媒体に対しては、磁気ヘッドを半径方向へ多数並べて１個当たりの移動距離を少なくするように所望な半径位置へのアクセス速度を改善できるが、実際には、磁気ヘッド或いは光ヘッドは１個当たりのコストが高いこと、及び体積も大きいために、メモリ装置が大きくなるという欠点があり、前記のように多数の磁気ヘッドを配列してアクセス速度を改善する方法は採られていない。
【００３６】
しかし、本発明のヘッド装置３０は極めて小さく、複数個のヘッド素子の作製も容易であることから（後記する）、図５に一例を示したようにマルチヘッドとすることができる。この他に、例えば、ディスクのように回転するメモリ媒体の半径方向にヘッドを複数個並べ、各ヘッドが少なくとも隣接ヘッド間のピッチ以上に半径方向に移動させることにより全ての記録情報信号にアクセスさせることができる。
例えば、ヘッドピッチが１ｍｍである場合には、１ｍｍ移動するだけでよいため、所望のトラックへ瞬時にアクセスすることができる。
【００３７】
しかし、このような方法を採っても、回転型ディスク媒体では必ず回転待ちの時間を要する。ディスク媒体の回転数を上げ、高速で回転させる方法もあるが、スピンドルモータの安定性、信頼性で問題がある。
本発明では、図５乃至図７に示したように、複数個のヘッド素子１をマトリックス状に配列したヘッド装置３０を用い、このヘッド装置３０をメモリ媒体２０の記録表面に接触させ、そのヘッド装置３０とメモリ媒体２０とをヘッド素子１のピッチＰだけ相対的に移動させることによりアクセス速度を向上させている。ＸＹ方向への移動は、例えば、ステッピングモータ、ＤＣモータ、ピエゾアクチュエータによりヘッド装置３０が装着されている可動ステージを移動させることにより行うことができる。
ヘッド素子１のピッチＰが２ｍｍ、即ち、ヘッド装置３０のヘッド素子１の密度が２５ヘッド素子／ｃｍ2 の場合、データ位置までの凡その移動距離は１ｍｍで、アクチュエータの平均駆動速度を１ｍ／ｓとすると、アクセス速度は１ｍｓとなり、従来の回転型ディスク媒体での回転待ち時間と比較して数倍以上早くなる。更に、ヘッド素子のピッチＰを、例えば、０．２ｍｍと短くすると、アクセス速度は１００μｓとすることができる。
【００３８】
前記のように、複数個のヘッド素子１を具備したヘッド装置３０によりメモリ媒体２０に記録されている情報信号を再生する場合には、メモリ媒体２０の複数セクタ２３のデータを複数個のヘッド素子１で同時に再生することができる。長さが長い情報信号の場合は、その長い情報信号を連続して１つのヘッド素子１により再生を行うよりも、その長い情報信号をメモリ媒体２０上の異なるセクタ２３に分散させて予め記録しておけば、再生時には、ヘッド装置３０の複数個のヘッド素子１を複数のセクタ２３に対向させて同時に走査することにより、その記録された長い情報信号を短時間に再生することができる。
【００３９】
また、再生速度の問題以外にも、前記のように、情報信号を分散させて記録しておけば、或るセクタ２３のデータが破壊されたり、或るヘッド素子１が故障した場合においても、全てのデータが再生できなくなることはなく、適当なエラーコレクションを用いることによりエラーのない再生を行うことができる。従って、情報信号を異なるセクタ２３に分散して記録しておくことは有効である。
【００４０】
更に、前記ヘッド装置３０とメモリ媒体２０との組合せによる情報信号の記録再生装置１０を複数台組合せ、異なる記録再生装置１０に同じ情報信号系列の情報信号を分散させて記録或いは再生を行うことにより、信頼性を向上させ、或いは実効的なデータ転送速度を向上させることができる。
【００４１】
次に、前記記録再生装置１０におけるアドレッシング方法を説明する。
情報信号の再生には、所望の情報信号がメモリ媒体２０のどの位置に記録されているかを知り、その位置へヘッド装置３０をアクセスさせる必要がある。そのためには、情報信号の位置情報を知ること、その位置へヘッド素子１を移動させること（面内方向及び深さ方向）が必要である。ここで面内方向（Ｘ、Ｙ方向）での位置合わせを便宜上「ポジショニング」、深さ方向への位置合わせを便宜上「フォーカシング」と呼ぶことにする。
【００４２】
記録時或いは再生時に、前記メモリ媒体２０の各セクタ２３に前記ヘッド装置３０の各ヘッド素子１を対向させて、各セクタ２３へのヘッド素子１のポジショニングを行うには、ヘッド装置３０全体を移動させ、或いはヘッド装置３０を固定してメモリ媒体２０を移動させて行う方法が好ましい。ポジショニングを行うためには、各ヘッド素子１が面内方向に移動しなければならない距離はほぼ隣接するヘッド素子１間のピッチＰ程度である。例えば、そのヘッド素子１間のピッチＰが０．１×０．１ｍｍである場合、０．１ｍｍ以上移動できなければならない。仮に、個々のヘッド素子１毎に独立してポジショニングを行おうとすると、各ヘッド素子１がそれぞれ０．１ｍｍ以上移動できるアクチュエータを具備しなければならない。即ち、隣接するヘッド素子１間のピッチＰだけ移動させる機構を各ヘッド素子１間隔以内に形成しなければならず、これは困難なことである。この方法に対して、ヘッド装置３０全体を０．１ｍｍ程度移動させることは何ら問題ではない。
【００４３】
だだし、ヘッド装置３０を移動する場合には、個々のヘッド素子１と再生したい情報信号位置との微細なポジショニングを行う場合には不利となる。これはヘッド装置３０の作製時に生じるヘッド素子１間のピッチＰの誤差、メモリ媒体２０の作製時に生じる情報信号間隔の誤差、或いは使用環境の変化、例えば、温度、湿度により、メモリ媒体２０とヘッド装置３０との膨張係数が異なる場合に生じる位置合わせの誤差を補正できないからである。
この誤差の補正（以下、これを「ファインポジショニング」と呼ぶ）を行うには、各ヘッド素子１毎に微小な距離移動させることができるアクチュエータを具備させることが有効である。前記の０．１ｍｍ移動させる場合に比較して、このファインポジショニングの場合は、多く見積もってもヘッド素子１間のピッチＰの１／１０の距離だけ移動させることができれば十分であるので、例えば、圧電素子を用いた小型のアクチュエータで十分に対応することができる。
従って、本発明におけるヘッド装置３０の制御は、ヘッド装置３０全体を移動させるポジショニング（コースポジショニング）と個々のヘッド素子１を微細に移動させるファインポジショニングとの２段階で行う。
【００４４】
この２段階制御の他に、より簡素化した記録再生方法がある。コースポジショニングのみ行い、ファインポジショニングは行わない方法である。この場合、コースポジショニングにより各ヘッド素子１を再生を行いたい位置或いは記録を行いたい位置へおよそ移動させた後、その周辺の情報信号をまとめて再生し、或いは記録を行い、再生については、得られた情報信号をバッファメモリに蓄積し、その後に信号処理により所定の位置のデータを特定する方法である。情報信号が、例えば、１列に揃って記録されており、この列をトラックと呼ぶと、トラックに沿って情報信号を再生するということ、即ち、トラッキングは掛けられていない状態での再生になる。この場合には、少なくともトラックの周期（ピッチ）の倍以上の周期で情報信号を再生すれば、後の信号処理により情報信号の復元が可能となる。情報信号が２次元に記録されている場合には、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれに、その周期の倍以上の周期で情報信号を再生すればよい。ここでヘッド素子１の先端部の大きさとしては空間分解能が高いことが望ましい一方、信号電流を大きく取るためには大きい方がよいため、ヘッド素子１の長さとしては前記トラックのピッチの１／１０以上１／２以下であることが望ましい。
【００４５】
また、バッファメモリへ蓄積される情報信号は信号処理を容易に行うために時間的に連続ではないデジタル信号が望ましい。信号をバッファメモリへ取り込むサンプリング周期としては、情報信号のセルサイズ或いは１ビットに相当する長さ分だけ、コースポジショニングでアクチュエータで移動する時間の半分以下であることが望ましい。
【００４６】
メモリ媒体２０、ヘッド装置３０ともに平滑性、平面性が極めて良い場合には、フォーカシングは必要ないが、実際には、温度、湿度による変形、膜の応力による反りなどにより平面性を保つことは困難である。例えば、メモリ媒体２０の大きさが２×２ｍｍ2 で反りの角度が２度とすると、メモリ媒体２０の両端では深さ方向に７０μｍ高さが異なることになる。前記のポジショニングと同様に、この程度の距離を移動させるアクチュエータ機能を各ヘッド素子１毎に持たせることは困難であり、従って、このような場合も、前記の場合と同様に、２段階制御方法が有効である。
【００４７】
大まかなフォーカシングの役割を担うものとしては、ヘッド装置３０及びメモリ媒体２０を平坦にするという方法が簡単で望ましい。そのためには双方の基板材料に弾性率が大きく、厚さが厚いものを用いること、ヘッド装置３０の基板には弾性率が大きく、厚さが厚いものを用い、一方、メモリ媒体２０の基板には弾性率が小さく、厚さが薄く、容易に変形できる材料を用い、記録再生時には、メモリ媒体２０を平坦なステージ上に密着させる、或いはヘッド装置３０で押さえ込む。このような手段を採ることにより所望の平坦度を得ることができる。
変形を生じない、弾性率が大きい材料としては、ガラスなどのセラミック、シリコン、アルミニウム、ステンレススチールなどの金属が有用であり、容易に変形する材料としては、アクリル、ポリカーボネート、ナイロンなどの高分子材料が有用である。
また、ステージ或いはヘッド装置３０への密着には静電力を用いることが有効である。
【００４８】
ファインフォーカシングは各ヘッド素子１に独立に深さ方向に約１０μｍ以下ほど移動できるアクチュエータ機構を搭載させることが望ましい。例えば、静電力或いは圧電素子を用いることにより実現できる。ヘッド素子１がメモリ媒体２０に接触しているか否かは再生信号系或いは記録回路でのインピーダンスをモニタすることにより判定できるため、この信号を用いてフィードバックを掛け、安定に制御できる。このファインフォーカシング機構は、前記のように、個々のヘッド素子１に設けてもよく、また、隣接する複数個のヘッド素子１当たりに１つ設けてもよい。
【００４９】
メモリ媒体２０には、情報信号とは別に、ヘッド素子１或いはヘッド装置３０に対するメモリ媒体２０との相対位置を知らせるためのアドレス信号が記録されている。アドレス信号はセクタ２３内の２次元位置情報を知らせる信号で、凹凸によりメモリ媒体２０に予め記録しておいてもよいし、記録時にヘッド装置３０で記録した信号を用いてもよい。
【００５０】
次に、前記メモリ媒体２０の作製方法を説明する。
再生専用のメモリ媒体２０は基板表面に形成された微細な凹凸を信号として用いることが望ましい。コンパクトディスクと同様に、ホトリソグラフィ或いは電子線描画装置で微細な凹凸パターンが形成された原盤を作製し、これを金型として射出成形或いは押し出し成形により基板と一体で形成することができる。
または、基板に、別途、紫外線硬化樹脂を塗布し、これに、所謂、２Ｐ法（Photo Polymerization）で凹凸を形成することができる。
基板としては、アクリル、ポリカーボネートなどの高分子材料の他、ガラス或いは金属などを用いることができる。
【００５１】
記録可能なメモリ媒体２０は、凹凸のない平坦な基板或いはアドレス信号用に前記のような方法によりメモリ媒体２０の一部に凹凸が形成された基板の上に、局所的な電界、電流、熱、圧力などの印加により印加前と印加後とでヘッド素子１とメモリ媒体２０とのインピーダンスが局所的に変化する材料を形成する。
そのような材料としては、例えば、前記参考文献に見られるようなアモルファスＧｅＳｂ2 Ｔｅ4 や、熱や圧力で溶解、変形する高分子材料、電荷を蓄積するキャパシタ或いは強誘電体材料などを挙げることができる。
【００５２】
ヘッド素子１或いはヘッド装置３０はシリコン、ガラスなどの平坦な基板上に半導体プロセスを用いて形成することができる。ファインフォーカシングのための可動部はマイクロマシニング技術で片持ち梁、両端固定ビーム、ビームで基板に支持されたメンブレンなどにより形成する。ヘッド装置３０の基板内にはフォーカスサーボ用コントローラ、ヘッドアンプ、電流ドライバなどのＩＣが集積されて搭載されていてもよい。
【００５３】
次に、図８乃至図１０を用いて、ヘッド装置３０の作製方法の実施例を説明する。
図８は本発明の第１実施例のヘッド装置の製造方法を説明するための製造工程の内の前半の工程図であり、図９は図８の前半工程に次ぐ後半の工程図であり、そして図１０は本発明の第２実施例のヘッド装置の製造方法を説明するための製造工程図である。
【００５４】
先ず、図８の工程（１）において、前記ヘッド装置３０の基板５に相当するものとして、不純物濃度が比較的高い（即ち、導電性を有する）シリコンウエハの基板３１を用意する。既に信号処理回路、電流ドライバなどの回路が形成されていてもよい。
次に、工程（２）において、前記基板３１の表面に、マイクロマシニング技術で犠牲層と呼ばれる、断面が台形状の形状の膜の堆積をパターニングにより形成する。この堆積は後にエッチングで除去されるものである。材料はホトレジスト、アルミニウム、ＳｉＯ2 などで以後に使用される材料との兼ね合いにより適宜選択する。ここでは露光、現像後のホトレジストをそのまま用いている。符号３２はこのホトレジストパターンである。
【００５５】
次の工程（３）においては、後に上下方向へファインフォーカシング機構のために動くバネ部材となる１〜数μｍの厚さの材料を成膜する。実施例ではアルミニウム合金３３を用いている。
そして、工程（４）に示したように、前記アルミニウム合金膜３３のパターニング３４を行う。このパターニング３４は前記台形形状のホトレジストパターン３２のほぼ中央部上に形成されたアルミニウム合金３３に複数本のバネの役割を持たすもので、その周辺部は基板３１の周辺部に固定されるようにする。工程（４）の図Ｂは図ＡにおけるＡ−Ａ線上における断面図である。
【００５６】
次に、工程（５）において、前記台形形状のホトレジスト３２のほぼ中央部上に形成された前記アルミニウム合金３３の中央部にホトレジスト３５により、１辺がアルミニウム合金３３の膜厚以下の微小な正方形のパターンを形成する。
そして次の工程（６）では、燐酸を用いて前記アルミニウム合金３３を等方性エッチングを行う。この時、エッチングが進むことにより、前記正方形のホトレジスト３５とアルミニウム合金３３とが完全に離れる前にエッチングを終了して、アルミニウム合金３３の先端に平坦部が残るようにしておく。
【００５７】
これを次の工程（７）で酸素を含有するガス雰囲気中でアニールする。アニールすることにより、アルミニウム合金３３部分に生じる応力を緩和でき、そしてヘッド素子の先端部分（微小ホトレジスト３５と接触している部分）以外の部分のアルミニウム合金３３の表面を酸化し、その表面を絶縁性にできる。
【００５８】
このアニール処理の後、工程（８）で台形形状のホトレジスト３２及び微小ホトレジスト３５をレジスト剥離剤で除去する。かくして、アルミニウム合金３３部分と基板３１（図３及び図４における基板５に相当）との間は空洞６となり、その空洞６上方の台形形状のアルミニウム合金３３はバネ７となり、そのバネ７の中央部には先端２が平坦３なヘッド素子１が形成されたことになる。なお、このヘッド素子に付した符号は図３及び図４に示したヘッド素子に付した符号と整合をとって付したものである。
【００５９】
そして、最後にシリコン基板３１に電極を設置し、ＤＣバイアス電圧を印加し、表面に導電性を有するアルミニウム合金平坦部に選択的にアモルファス水素化カーボンをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法により成膜して、所望のヘッド素子１を得ることができる。
なお、この実施例の説明に用いた図８及び図９には、１個分のヘッド素子だけを図示して説明したが、この実施例の製造工程を用いると、基板３１上に多数のヘッド素子を同時に形成でき、また、同時に多数のヘッド装置３０を製造できることを付言しておく。
【００６０】
次に、図１０を用いて、本発明の第２実施例のヘッド装置の製造方法を説明する。この製造方法は図４に示した柱状ヘッド素子１Ｄを製造するためのものである。
先ず、工程（１）において、少なくとも表面に導電性を有する基板４１の表面に１μｍ程度の厚い絶縁性材料の膜４２で覆う。この絶縁性膜４２の材料としては、例えば、酸化珪素、窒化珪素、ホトレジスト、ポリイミドなどを用いることができる。
【００６１】
次に、工程（２）において、ヘッド素子の柱状先端部に相当する部分以外の部分に前記絶縁性膜４２のエッチングに耐える材料でマスク４３を形成する。このマスク４３の形成にはシンクロトロン放射光を用いたＸ線リソグラフィまたはＡｒＦエキシマレーザのような波長の短い紫外線によるホトリソグラフィを用いることが望ましい。
【００６２】
続いて、工程（３）で、ヘッド素子１Ｄの先端部に相当する部分の絶縁性膜４２をＲＩＥ（Reactive Ion Etching) により異方的に除去し、先端形成部４４を形成する。
次に、マスク４３を除去し、次の工程（４）で、導電性基板４１を電極としてメッキによりニッケルなどの金属で先端部２を前記先端形成部４４に形成する。先端部２が形成された後、その先端表面の平坦性を改善するための仕上げ研磨を行う。
かくして、図４に示したような柱状先端部２を備えてヘッド素子１Ｄが得られる。
この実施例の場合も、用いた図１０には、１個分のヘッド素子だけが形成される状態を図示して説明したが、この実施例の製造工程を用いると、基板４１上に多数のヘッド素子を同時に形成でき、また、同時に多数のヘッド装置３０を製造できることを付言しておく。
【００６３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の微小ヘッド素子の製造方法により製造されたヘッド素子を用いた情報信号の記録再生方式及びその記録再生装置によれば、μｓオーダーのアクセス速度、１〜１０ＧＢ／ｃｍ２の記録密度、Ｇｂｉｔ／ｓオーダーのデータ転送速度を有するＲＯＭシステム及びWritableメモリシステムを得ることができる。
【００６４】
従って、本発明の微小ヘッド素子の製造方法により製造されたヘッド素子を用いた情報信号の記録再生装置は、半導体メモリに比べると、速さ、信頼性の点では劣るものの、ビットコストで２桁以上の差があるため、様々な技術方面に応用することができる。即ち、ＣＤ、ＭＤ、電子ゲーム機、ＤＶＤ、ビデオカメラなど光ディスク、磁気記録を用いているアプリケーションの置き換えが考えられる。特に、携帯性が問われるウォークマン、デジタルカメラ、更にラップトップ、携帯端末などのハードディスクの置換に効果的である。
【００６５】
更に、本発明の微小ヘッド素子の製造方法により製造されたヘッド素子を用いた情報信号の記録再生方式及びその記録再生装置は、膨大なデータ量を扱い、そして高速検索、高速アクセスが要求される音声認識、画像認識などの認識データベース或いはビデオデマンド配信用のデータバンクなどへの応用に非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例を示すヘッド素子の先端部の形状を示す一部拡大側面図である。
【図２】 本発明の第２の実施例を示すヘッド素子の先端部の形状を示す一部拡大側面図である。
【図３】 本発明の第３の実施例を示すヘッド素子の先端部の形状を示す一部拡大側面図である。
【図４】 本発明の第４の実施例を示すヘッド素子の先端部の形状を示す一部拡大側面図である。
【図５】 本発明の情報信号の記録再生方式を説明するための概念図である。
【図６】 本発明の情報信号の記録再生方式に用いて好適なメモリ媒体の概念的平面図である。
【図７】 本発明の情報信号の記録再生方式に用いて好適なヘッド装置の概念的平面図である。
【図８】 本発明の第１実施例のヘッド装置の製造方法を説明するための製造工程の内の前半の工程図である。
【図９】 図８の前半工程に次ぐ後半の工程図である。
【図１０】 本発明の第２実施例のヘッド装置の製造方法を説明するための製造工程図である。
【図１１】 従来技術のヘッド装置の概念図であって、同図Ａはその側面図同図Ｂはそのヘッド素子の一部拡大側面図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…本発明の実施例のヘッド素子、２…先端部、３…平坦部、４…周辺部、５…基板、７…バネ、１０…本発明の情報信号の記録再生装置、１１…電源、１２…増幅器、２０…メモリ媒体、２１…導電性基板、２２…導電層、２３…セクタ、３０…本発明のヘッド装置

Claims (2)

  1. 偏平な導電性基板の平面に中央部が断面台形状になるようにレジストからなる犠牲層を形成する第１工程と、
    前記犠牲層の表面から前記導電性基板の平面にわたって１〜数μｍの厚さの金属膜を形成する第２工程と、
    前記金属膜の台形中央部に対称的なバネパターンを形成する第３工程と、
    前記バネパターンの中央部に１辺が前記金属膜以下の微小面積のレジスト膜を形成する第４工程と、
    前記微小レジスト膜と金属膜とが完全に分離する直前まで前記金属膜をエッチングして、先端に平坦部が形成された微小ヘッド素子を形成する第５工程と、
    前記犠牲層及び前記微小レジスト膜とを除去して前記金属膜で前記微小ヘッド素子を弾力的に支持するバネを形成する第６工程と
    からなる微小ヘッド素子の製造方法。
  2. 少なくとも表面に導電性を有する基板のその表面に所定の厚さの絶縁膜を形成する第１工程と、
    前記絶縁膜の所定の位置に、製造目的とする柱状ヘッド素子の断面に相当する部分以外の部分にマスクを施す第２工程と、
    前記柱状ヘッド素子の断面に相当する部分の前記絶縁膜を除去する第３工程と、
    前記絶縁膜が除去された部分にメッキなどにより金属を成長させて前記柱状ヘッド素子を形成する第４工程と
    からなる微小ヘッド素子の製造方法。
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