JP4309413B2 - 情報記録再生装置 - Google Patents

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Description

本発明は、情報記録再生装置に関する。
近年、小型携帯機器が世界的に普及し、同時に、高速情報伝送網の大幅な進展に伴い、小型大容量不揮発性メモリの需要が急速に拡大してきている。その中でも、NAND型フラッシュメモリ及び小型HDD(hard disk drive)は、特に、急速な記録密度の進化を遂げ、大きな市場を形成するに至っている。
このような状況の下、記録密度の限界を大幅に超えることを目指した新規メモリのアイデアがいくつか提案されている。
例えば、PRAM(相変化メモリ)は、記録材料として、アモルファス状態(オン)と結晶状態(オフ)の2つの状態をとることができる材料を使用し、この2つの状態を2値データ“0”,“1”に対応させてデータを記録する、という原理を採用する。
書き込み/消去に関しては、例えば、大電力パルスを記録材料に印加することによりアモルファス状態を作り、小電力パルスを記録材料に印加することにより結晶状態を作る。
読み出しに関しては、記録材料に、書き込み/消去が起こらない程度の小さな読み出し電流を流し、記録材料の電気抵抗を測定することにより行う。アモルファス状態の記録材料の抵抗値は、結晶状態の記録材料の抵抗値よりも大きく、その差は、103程度である。
PRAMの最大の特長は、素子サイズを10nm程度にまで縮小しても動作できるという点にあり、この場合には、約10Tbpsi (tera bite par square inch)の記録密度を実現できるため、高記録密度化への候補の一つとされる(例えば、非特許文献1を参照)。
また、PRAMとは異なるが、これと非常に似た動作原理を有する新規メモリが報告されている(例えば、非特許文献2を参照)。
この報告によれば、データを記録する記録材料の代表例は、酸化ニッケルであり、PRAMと同様に、書き込み/消去には、大電力パルスと小電力パルスとを使用する。この場合、PRAMに比べて、書き込み/消去時の消費電力が小さくなる、という利点が報告されている。
現在までのところ、この新規メモリの動作メカニズムについては解明されていないが、再現性については確認されており、高記録密度化への候補の他の一つとされる。また、動作メカニズムについても、いくつかのグループが解明を試みている。
これらの他、MEMS(micro electro mechanical systems)技術を使ったMEMSメモリが提案されている(例えば、非特許文献3を参照)。
特に、ミリピード(Millipede)と呼ばれるMEMSメモリは、アレイ状の複数のカンチレバーと有機物質が塗布された記録媒体とが対向する構造を有し、カンチレバーの先端のプローブは、記録媒体に適度な圧力で接触している。
書き込みに関しては、選択的に、プローブに付加されるヒータの温度を制御することにより行う。即ち、ヒータの温度を上げると、記録媒体が軟化し、プローブが記録媒体にめり込んで、記録媒体に窪みを形成する。
読み出しに関しては、記録媒体が軟化しない程度の電流をプローブに流しながら、記録媒体の表面に対し、このプローブをスキャンさせることにより行う。プローブが記録媒体の窪みに落ち込むとプローブの温度が低下し、ヒータの抵抗値が上昇するため、この抵抗値の変化を読み取ることによりデータをセンスできる。
ミリピードのようなMEMSメモリの最大の特長は、ビットデータを記録する各記録部に配線を設ける必要がないため、記録密度を飛躍的に向上できる点にある。現状で、既に、1Tbpsi程度の記録密度を達成している(例えば、非特許文献4を参照)。
また、ミリピードの発表を受けて、最近、MEMS技術と新たな記録原理とを組み合わせ、消費電力、記録密度や、動作速度などに関して大きな改善を達成しようという試みがなされている。
例えば、記録媒体に強誘電体層を設け、記録媒体に電圧を印加することにより強誘電体層に誘電分極を引き起こしてデータの記録を行う方式が提案されている。この方式によれば、ビットデータを記録する記録部同士の間隔(記録最小単位)を結晶の単位胞レベルにまで近づけることができる、との理論的予測がある。
仮に、記録最小単位が強誘電体層の結晶の1単位胞になると、記録密度は、約4Pbpsi(pico bite par square inch)という巨大な値になる。
最近では、SNDM(走査型非線形誘電率顕微鏡)を用いた読み出し方式の提案により、この新規メモリは、実用化に向けてかなり進展してきている(例えば、非特許文献5を参照)。
特開2005−252068号公報 特開2004−234707号公報 特開2004−185756号公報 T. Gotoh, K. Sugawara and K. Tanaka, Jpn. J. Appl. Phys., 43, 6B, 2004, L818 A.Sawa, T.Fuji, M. Kawasaki and Y. Tokura, Appl. Phys. Lett., 85, 18, 4073 (2004) P. Vettiger, G. Cross, M. Despont, U. Drechsler, U. Durig, B. Gotsmann, W. Haberle, M. A. Lants, H. E. Rothuizen, R. Stutz and G. K. Binnig, IEEE Trans. Nanotechnology 1, 39(2002) P. Vettiger, T. Albrecht, M. Despont, U. Drechsler, U. Durig, B. Gotsmann, D. Jubin, W. Haberle, M. A. Lants, H. E. Rothuizen, R. Stutz, D. Wiesmann and G. K. Binnig, P. Bachtold, G. Cherubini, C. Hagleitner, T. Loeliger, A. Pantazi, H. Pozidis and E. Eleftheriou, in Technical Digest, IEDM03 pp.763-766 A. Onoue, S. Hashimoto, Y. Chu, Mat. Sci. Eng. B120, 130(2005)
本発明の例では、高記録密度を実現するための高精度の位置制御技術について提案する。
本発明の例に関わる情報記録再生装置は、第1及び第2ヘッドと、第1ヘッドにより記録データが読み出されるデータエリア、及び、第2ヘッドによりサーボバースト信号が読み出されるサーボバーストエリアを有する記録媒体と、サーボバースト信号に基づいて第2ヘッドの位置決めを行うドライバと、サーボバーストエリアの表面を覆い、データエリアの表面を覆わない抵抗体とを備え、記録データ及びサーボバースト信号は、記録媒体の電気抵抗変動により記録される。
本発明の例によれば、高精度の位置制御技術により情報記録再生装置の高記録密度を実現できる。
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
1. 概要
本発明の例は、記録原理が記録媒体の電気抵抗変動にあって、記録媒体に対するデータの記録、消去及び読み出しがヘッドを用いて行われる情報記録再生装置に関し、その特徴は、サーボバースト信号を記録するサーボバーストエリアの表面を覆い、データエリアの表面を覆わない抵抗体を新たに付加した点にある。
この抵抗体は、ヘッドと記録ビットとの距離(位置ずれ)に応じて両者間の抵抗値を滑らかに変化させる機能を有するため、例えば、4相千鳥型サーボバーストパターンを利用することにより高精度の位置制御が可能になる。
また、抵抗体の比抵抗を最適化することにより、データの記録、消去及び読み出し時に記録媒体に流す電流を最適化できる。
抵抗体の比抵抗については、記録媒体内の記録ビットの最大の比抵抗よりも小さい値、例えば、1桁以上小さい値にするのが好ましい。
これは、抵抗体の比抵抗が大き過ぎると、その抵抗分によってサーボバースト信号が検出し難くなるためである。
これにより、ヘッドから放出される電子は、抵抗体を介して記録媒体内の記録ビットに到達することになる。
つまり、ヘッドが記録ビットの直上にないときは、電子が抵抗体を移動する距離が長く、抵抗値が大きくなり、ヘッドが記録ビットの直上にあるときは、電子が抵抗体を移動する距離が短く、抵抗値が小さくなる。
ところで、抵抗体の有力候補としては、ボロン(B)、窒素(N)又はリン(P)がドープされたDLC(ダイヤモンドライクカーボン)、ボロン、窒素又はリンがドープされたSi(シリコン)、導電性酸化物、導電性窒化物などがある。
但し、これらの抵抗体は、データの記録、消去及び読み出し時に記録媒体に印加する電圧によって相変化を起こさないように、共有結合性結晶、又は、2価以下のイオンを含まないイオン性結晶などとすることが好ましい。
ここで、抵抗体を設けても、記録ビットの最大抵抗値と最小抵抗値との差は十分に確保できるため、例えば、複数のデータトラックに対して共通に1つのサーボバースト信号を記録することもできる。
即ち、サーボバースト信号の記録ビットのサイズをデータエリア内の記録ビット(データビット)のサイズと同じにしたままで、サーボバースト信号の記録ビットを規則的に間引くことで、記録ビットのサイズのばらつきに起因するサーボバースト信号の読み取り誤差を小さくできる。
2. 実施の形態
(1) MEMSメモリ
本発明の例の適用が可能なMEMSメモリについて説明する。
図1は、MEMSメモリの概要を示している。
XYスキャナー11上には、記録媒体12が配置される。この記録媒体に対向する形でプローブアレイが配置される。
プローブアレイは、半導体基板13と、半導体基板13の一面側にアレイ状に配置される複数のプローブ(ヘッド)14とを有する。複数のプローブ14の各々は、例えば、カンチレバーから構成され、マルチプレクスドライバ15,16により駆動される。
複数のプローブ14は、それぞれ、半導体基板13内のマイクロアクチュエータを用いて個別に動作可能であるが、ここでは、全てをまとめて同じ動作をさせて記録媒体のデータエリアに対するアクセスを行う例を説明する。
まず、マルチプレクスドライバ15,16を用いて、全てのプローブ14をX方向に一定周期で往復動作させ、記録媒体12からY方向の位置情報を読み出す。Y方向の位置情報は、XYスキャナー11に転送される。
XYスキャナー11は、この位置情報に基づいて、記録媒体12をY方向に移動させ、記録媒体12とプローブ14との位置決めを行う。
両者の位置決めが完了したら、データエリア上のプローブ14の全てに対して、同時、かつ、連続的に、データの読み出し及び書き込みを行う。
データの読み出し及び書き込みは、プローブ14がX方向に往復動作していることから連続的に行われる。また、データの読み出し及び書き込みは、記録媒体12のY方向の位置を順次変えることにより、データエリアに対して、一行ずつ、実施される。
尚、記録媒体12をX方向に一定周期で往復運動させて記録媒体12から位置情報を読み出し、プローブ14をY方向に移動させるようにしてもよい。
図2は、記録媒体の概要を示している。
記録媒体12は、複数のデータエリア、並びに、複数のデータエリアのX方向の両端にそれぞれ配置されるアドレスエリア及びサーボバーストエリアから構成される。複数のデータエリアは、記録媒体12の主要部を占める。
アドレスエリア内には、アドレス信号が記録され、サーボバーストエリア内には、サーボバースト信号が記録される。いずれの信号も、データエリア内のY方向の位置情報を示している。即ち、アドレス信号は、大まかな位置情報(範囲)を示し、サーボバースト信号は、その範囲内の中心位置を特定する。
記録媒体内には、これらの情報の他に、さらに、同期をとるためのプリアンブルエリアを設けてもよい。
データ、アドレス信号及びサーボバースト信号は、記録ビット(電気抵抗変動)として記録媒体に記録される。記録ビットの“1”,“0”情報は、記録媒体の電気抵抗を検出することにより読み出す。
記録媒体12の1つのデータエリアに対応して1つのプローブ(ヘッド)が設けられる。本例では、アドレスエリア及びサーボバーストエリアのサイズは、データエリアのサイズと同じにしてある。この場合、1つのアドレスエリアに対して1つのプローブを設けると共に、1つのサーボバーストエリアに対して1つのプローブを設ける。
データエリアは、複数のトラックから構成される。アドレスエリアから読み出されるアドレス信号によりデータエリアのトラックが特定される。
また、サーボバーストエリアから読み出されるサーボバースト信号は、プローブ14をトラックの中心に移動させ、記録ビットの読み取り誤差をなくすためのものである。
ここで、X方向をダウントラック方向、Y方向をトラック方向に対応させることにより、HDDのヘッド位置制御技術を利用することが可能になる。
例えば、図2に示すように、4相千鳥型サーボバーストパターンをサーボバーストエリアに記録し、記録媒体とプローブとの位置制御を行うことができる。この場合、サーボバースト信号は、プローブが接触する記録媒体のトラック方向の位置に応じて一定の周期で変化する。
図2の例では、その周期は、1つのデータトラックの幅に相当する。
また、図3に示すように、サーボバースト信号の記録ビットのサイズをデータビットのサイズと同じにしたままで、サーボバースト信号の記録ビットを規則的に間引くことで、記録ビットのサイズのばらつきに起因するサーボバースト信号の読み取り誤差を小さくできる。
この場合、サーボバースト信号の周期は、1つのデータトラックの幅よりも大きくなる。図3の例では、サーボバースト信号の周期を複数のデータトラックの幅に対応させている。
尚、アドレスエリア及びサーボバーストエリアに関しては、例えば、図4に示すように、それらの合計のサイズをデータエリアのサイズと同じにし、記録媒体の一端側のアドレスエリアとサーボバーストエリアに対して1つのプローブを用いてデータを共通に読み出すようにしてもよい。
図4の例では、サーボバーストエリアを挟み込む形でアドレスエリアが配置される。1つのプローブを、1つのデータトラック内でX方向にサンプリング周波数(ex. 10kHz)で往復運動させ、アドレスデータとサーボバースト信号とを連続的に読み出す。データビットを読み出すスキャン周波数は、例えば、サンプリング周波数よりも低い値(ex. 1kHz)に設定される。
サーボバースト信号の周期は、複数のデータトラック分の幅とし、サーボバースト信号の読み取り誤差を小さくする。
但し、サーボバースト信号の周期を大きくし過ぎると、トラック方向の位置に対する抵抗変化の割合が小さくなり、位置検出が難しくなるため、その周期は、20データトラック分の幅以下にすることが好ましい。
ところで、サーボバーストエリアから位置情報を読み出すに当っては、プローブと記録ビットとの距離(ずれ)に応じて、信号強度が滑らかに変化することが好ましい。
しかし、このような抵抗変化原理を用いたプローブメモリにおいては、記録ビットの抵抗変化幅が104〜106に達するため、プローブと記録ビットとの距離(ずれ)に対する信号強度の変化が急峻となり過ぎる。
従って、プローブの位置が記録ビットの直上から少しでもずれると、信号をほとんど検出できなくなり、プローブと記録媒体との位置制御が難しくなる。
(2) 基本原理
本発明の基本原理を図1乃至図4の情報記録再生装置を例に説明する。
記録/再生/消去ヘッドとしてのプローブ14は、電子発生源又はホットエレクトロン発生源となり、その先端部は尖っている。記録媒体12は、例えば、図5に示すように、基板21と、基板21上の電極層22と、電極層22上の記録層23と、記録層23上の表面保護層25とから構成される。
また、サーボバーストエリア内においては、記録層23と表面保護層25との間に抵抗体24が配置される。即ち、サーボバーストエリアは、抵抗体24により覆われるが、それ以外のエリアは、抵抗体24により覆われない。
尚、サーボバーストエリアは、抵抗体24により覆われるため、この抵抗体24に表面保護層としての機能を持たせ、サーボバーストエリア内の表面保護層25を省略してもよい。
電極層22には、接地電位が印加される。
記録層23にデータを書き込むときは、プローブ14から記録媒体12にパルス電流を流し、記録層23の一部(記録ビット)を相変化させ、その抵抗値を変化させる。データの読み出しは、記録層23が相変化を起こさない程度の微少な電流を記録ビットに流し、その抵抗値を読み取ることにより行う。
記録層23のデータを消去(リセット)するときは、プローブ14から記録媒体12に、書き込み時のパルス電流よりも大きなパルス電流を流し、記録ビットを初期状態に戻す。
図1に示される情報記録再生装置では、プローブ14がXY平面内に多数並べられてプローブアレイを構成している。
記録媒体12とプローブ14とは、XY平面内で相対位置を自由に変えることができる。既に述べたように、データ読み出し時には、例えば、記録媒体12をプローブ14に対して、常時、X方向に一定周期で往復動作させた状態にしておき、プローブ14については、その位置を、Y方向に、一行ずつ、移動させることにより読み出しを行う。
データ読み出しは、記録媒体12上に配置される全てのプローブについて同時に行う。この時、記録媒体12とプローブ14とのY座標の微小な位置ずれを検出し、これを補正することが正確な読み出しを行うに当たって重要になる。そのために、記録媒体12に位置補正のためのサーボパターンを記録する。
サーボパターンは、記録媒体12の左端と右端のサーボバーストエリア内にそれぞれ記録される。また、サーボパターンを読み出すために、プローブアレイの左端と右端にそれぞれ配置されるプローブ14を使用する。
ここで、サーボバーストエリアは、抵抗体24に覆われているため、記録ビットの抵抗変化幅が大きくても、プローブと記録ビットとの距離(ずれ)に対する信号強度は、連続的、かつ、緩やかに変化する。
従って、記録媒体12とプローブ14とのY座標の微小な位置ずれを高精度に補正できるため、10Tbpsi(tera bite par square inch)を超えるような高記録密度を実現するための位置制御を容易かつ安価に実現できる。
尚、抵抗体24の厚さは、記録媒体12のトラック方向の記録ビットのピッチよりも小さいくするのが高精度の位置制御にとっては好ましい。抵抗体24の抵抗値が記録ビットの抵抗値に対して大きくなり過ぎないようにするためである。
(3) 実施例
図6は、本発明の例に関わる情報記録再生装置を示している。
プローブアレイは、全てのプローブ14がX方向に一定ピッチで並んでいるものと仮定すると、そのピッチは、約10μmに設定される。この時、記録媒体12は、X方向に、周波数約1kHz、振幅約10μmで往復運動する。
データエリアでは、プローブ14により記録ビット26の抵抗値(データ)が読み出され、同時に、サーボバーストエリアでは、プローブ14によりサーボバースト信号が読み出され、プローブ14のY方向の位置補正が実施される。
記録媒体12は、以下の製造方法により形成する。
基板21としては、例えば、縦サイズ約100mm、横サイズ約100mm、厚さ約1mmのシリコン基板を使用する。
基板21上に、プラチナ(Pt)から構成される電極層22を約500nmの厚さで形成する。続けて、基板温度約300℃〜600℃、アルゴン(Ar) 95%、酸素(O) 25%の雰囲気中において、電極層22上に、ZnMn2O4から構成される記録層23を厚さ約10nmで形成する。
記録層23の形成は、その組成がZnMn2O4となるように調整されたターゲットを使用したRFマグネトロンスパッタにより実行する。
この後、データエリア内の記録層23上に、例えば、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)から構成される表面保護層25を形成し、サーボバーストエリア内の記録層23上に、記録層23の記録ビット26の最大の比抵抗よりも小さい比抵抗を有する抵抗体24を形成する。
抵抗体24は、記録ビット26の最大の比抵抗に比べて1桁〜4桁小さい比抵抗を有する材料、例えば、ボロンドープダイヤモンドライクカーボンを使用するのが好ましい。
抵抗体24及び表面保護層25は、それぞれ約3nm厚となるようにCVD法により形成する。
以上の工程により記録媒体12が完成する。
位置決め精度の評価について説明する。
ここでは、先端の径が10nm以下のプローブ対を使用する。2つのプローブの先端の距離は変えられるようになっている。
このプローブ対の1つを用いて、記録媒体12のサーボバーストエリア内に、約10nsec幅、約1Vのパルス電圧を印加し、データ(記録ビット)の書き込みを行う。また、この書き込み後、プローブ対の他の1つを用いて、記録媒体12のサーボバーストエリア内に、約10nsec幅、約0.1Vのパルス電圧を印加し、先ほど書き込んだデータの抵抗値を読み取る。
2つのプローブの先端の距離が、読み出し時における記録ビットとプローブとのずれに相当する。
その結果、図7に示すように、プローブ対の他の1つにより検出される電流値は、2つのプローブの先端の距離、即ち、記録ビットとプローブ(読み出し用)との距離に応じて緩やかに変化することが確認された。
つまり、このサーボバーストエリア内にサーボパターンを記録することにより高精度な位置決めを行うことが可能になる。
これに対し、データエリア内において同様の評価を行った。
データエリア内には、本発明の例に関わる抵抗体24が形成されないため、この評価は、データエリアの評価であると共に、抵抗体24を有しない従来のサーボバーストエリアの評価でもある。
その結果、図8に示すように、プローブ対の他の1つにより検出される電流値は、2つのプローブの先端の距離、即ち、記録ビットとプローブ(読み出し用)との距離に応じて急峻に変化することが確認された。
これは、記録媒体12の書き込み前後の抵抗値の差があまりにも大きいため、書き込みが行われた部分(記録ビット)以外では、ほとんど電流が流れないことを意味する。つまり、記録ビットの直上でしか信号が検出できないため、これをサーボバースト信号とする場合には高精度な位置決めを行うことができない。
尚、データエリアに関しては、位置決め後にデータビットを読み出すため、抵抗体により覆われていないほうが好ましい。
(4) その他
本発明の例は、記録原理が記録媒体の電気抵抗変動にあって、記録媒体に対するデータの記録、再生及び消去がヘッド(例えば、プローブ)を用いて行われる情報記録再生装置全般に適用可能である。
特に、記録媒体上にヘッドがアレイ状に配置されるミリピードのようなMEMSメモリに有効である。
3. まとめ
本発明の例によれば、高精度の位置制御技術により情報記録再生装置の高記録密度を実現できる。
本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の例に関わる情報記録再生装置の概要を示す斜視図。 記録媒体を示す平面図。 記録媒体を示す平面図。 記録媒体を示す平面図。 記録媒体の構造を示す断面図。 書き込み時の様子を示す図。 プローブと記録ビットとの相対位置と抵抗値との関係を示す図。 プローブと記録ビットとの相対位置と抵抗値との関係を示す図。
符号の説明
11: XYスキャナー、 12: 記録媒体、 13: 半導体基板、 14: プローブ、 15,16: マルチプレクスドライバ、 17: ドライバ、 21: 基板、 22: 電極層、 23: 記録層、 24: 抵抗体、 25: 表面保護層、 26: 記録ビット。

Claims (7)

  1. 第1及び第2ヘッドと、
    前記第1ヘッドにより記録データが読み出されるデータエリア、及び、前記第2ヘッドによりサーボバースト信号が読み出されるサーボバーストエリアを有する記録媒体と、
    前記サーボバースト信号に基づいて前記第1ヘッドと前記記録媒体との位置決めを行う第1ドライバと、
    前記サーボバーストエリアの表面を覆い、前記データエリアの表面を覆わない抵抗体とを具備し、
    前記記録データ及び前記サーボバースト信号は、前記記録媒体の電気抵抗変動により記録されることを特徴とする情報記録再生装置。
  2. 前記抵抗体の比抵抗は、前記電気抵抗変動の最大の比抵抗よりも小さい値を有することを特徴とする請求項1に記載の情報記録再生装置。
  3. 前記抵抗体は、ボロン、窒素又はリンがドープされたダイヤモンドライクカーボン、ボロン、窒素又はリンがドープされたシリコン、導電性酸化物、及び、導電性窒化物のうちの1つであることを特徴とする請求項1又は2に記載の情報記録再生装置。
  4. 前記抵抗体は、共有結合性結晶、及び、2価以下のイオンを含まないイオン性結晶のうちの1つであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の情報記録再生装置。
  5. 前記抵抗体の厚さは、前記記録媒体のトラック方向の記録ビットのピッチよりも小さいことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の情報記録再生装置。
  6. 前記サーボバーストエリアに記録される記録ビットは、前記サーボバースト信号の周期が複数のデータトラックに跨るように間引かれていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の情報記録再生装置。
  7. 前記第1及び第2ヘッドを第1方向に一定周期で往復運動させる第2ドライバをさらに具備し、前記第1ドライバは、前記第1方向に直交する第2方向について前記第1ヘッドと前記記録媒体との位置決めを行うことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の情報記録再生装置。
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