JP4309438B2 - 情報記録再生装置 - Google Patents

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Description

本発明は、記録媒体に対して導電性プローブを用いて情報の記録／再生を行う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開発が進められており、昨今、新原理に基づく記録再生方式の研究開発成果が国内外で報告されている。
その中で、最も注目すべき記録再生方式の１つとして、記録層への電流パルスの印加による抵抗変化を利用する抵抗変化型RAM（RRAM: Resistive RAM）を挙げることができる（例えば、非特許文献１，２を参照）。
記録層は、例えば、TiO2, CuxO, Fe2O3 などの二元金属酸化物、Pr(1-x)CaxMnO3 、 CrをドープしたSrTiO3 、 CrをドープしたSrZrO3 などの複合酸化物から構成される。また、Cu2Sなどの金属カルコゲナイド化合物から記録層を構成したものは、PMC (Programmable Metallization Cell)と呼ばれる。
これらのRRAMでは、記録層に対して電圧を印加することによって、記録層内に抵抗が低く実質的に金属的な電気伝導度を持つ電流経路を形成する。その結果、記録層の抵抗値が低下する。一方、このような電流経路が形成されていない場合には、記録層は、絶縁体又は半導体となるため、その抵抗値は大きい。
そして、これら抵抗値の差、即ち、オン／オフ比は、103以上に達する。
従って、記録層に読み出しのための電流を流すと、記録層の抵抗差に応じた電圧差が発生するため、この電圧差を検出することで高感度の再生が可能になる。
また、この記録再生方式では、記録層のサイズを小さくすればするほど、記録に必要な電流値が減少することから、高密度化にも有利に作用する。
これらの他、高密度記録再生に適するメモリとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成されるカンチレバーアレイを有するプローブメモリが注目されている（例えば、非特許文献３，４を参照）。プローブ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。
プローブメモリでは、例えば、有機ポリマー材料から構成される記録層にプローブを接触させ、記録層の一部（ビット）に対して熱的にトポ記録する。また、再生時には、ビットの記録の有無によって生じるカンチレバー抵抗器の抵抗変化を検出する。
このようなプローブメモリの駆動方式については、１チップ内に１０００本程度のカンチレバー（プローブ）を設け、これらをパラレル駆動する方式が有力である。１チップ内のカンチレバーは、ＭＥＭＳ技術により同時に形成される。
シングル・プローブでのデモンストレーションによれば、プローブメモリの記録密度は、既に、HDD（ハードディスクドライブ）の記録密度を遥かに凌ぐ、1.14 Tb/in2が実証されている。
プローブメモリは、将来のモバイルストレージとしての実用化が期待されるが、メモリカードへの適用を想定すると、転送速度が現行のHDDと比較して1/10以下と非常に遅いことが欠点である。また、熱による記録を行う場合には、高密度化に伴って消費電力が増大することも懸念される。
そこで、ポリマーへの熱トポ記録に代えて、高速、かつ、低消費電力の記録再生が期待できるRRAM記録再生方式をプローブメモリ、さらには、HDDのような情報記録再生装置に適用すれば、高速、低消費電力、かつ、高密度の理想的なメモリの実現が期待される。
しかし、この場合、高精度のプローブの位置制御方式を確立しなければならない。
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
本発明では、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。
本発明の例に係る情報記録再生装置は、導電材料から構成される導電領域を有する第１及び第２ヘッドと、第１ヘッドにより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１ヘッドと記録媒体との位置決めを行うドライバと、第２ヘッドの導電領域の表面を覆う抵抗体とを備える。
本発明によれば、高精度の位置制御技術により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
本発明は、プローブなどのヘッドを記録媒体に接触又は近接させて、記録媒体に対するデータの記録、再生及び消去を実行する情報記録再生装置、例えば、プローブメモリ、HDDのようなディスクメモリに適用される。
このような情報記録再生装置において、本発明では、サーボバーストエリアからサーボバースト信号を読み出すためのヘッドを、導電材料から構成される導電領域と、導電領域の表面を覆う抵抗体とから構成する。
記録媒体の電気抵抗変動によりデータ及びサーボバースト信号を記録する場合、記録媒体の最大抵抗率と最小抵抗率との差が大きければ大きいほど、高感度のデータ再生が可能になるが、反面、サーボバースト信号による高精度のヘッドの位置制御が難しくなる。
本発明では、データを読み出すためのヘッドはそのままとし、サーボバースト信号を読み出すためのヘッドに抵抗体を付加することにより、サーボバースト信号の急激な変化、即ち、記録媒体の急激な抵抗変化を緩和し、高感度のデータ再生と高精度の位置制御との両立を図る。
本発明によれば、高精度の位置制御技術が確立されるため、例えば、RRAM記録再生方式と組み合わせることにより、記録密度1 Tbpsi超の大容量・超高速の情報記録再生装置を実現できる。
２． 位置制御方式
まず、ヘッドの位置制御方式の例について説明する。
ヘッドの位置制御方式としては、例えば、HDDで採用されているいわゆる４相千鳥型サーボバーストパターン（A-B-C-D バーストパターン）を用いる方式が知られている。
本発明をHDDのようなディスクメモリに適用する場合には、この４相千鳥型サーボバーストパターンにより高精度の位置制御が可能である。
また、本発明をプローブメモリに適用する場合にも、この４相千鳥型サーボバーストパターンにより高精度の位置制御が可能である。
プローブメモリでは、記録媒体と、マトリックス状の複数のプローブから構成されるプローブアレイとを対向させて配置する。そして、マイクロアクチュエータにより、記録媒体又はプローブアレイを駆動し、両者の位置合わせを行う。
例えば、記録媒体のデータエリアが直線状の複数のトラックから構成される場合、記録媒体及びプローブアレイのうちの一方を固定し、他方をトラックが延びる第１方向（ダウントラック方向）に往復運動させる。この時、複数のプローブは、記録媒体に対して相対的にパラレル駆動され、記録媒体のトラック上を往復スキャンする。
ここで、複数のプローブをトラック上で往復スキャンさせる場合に、ダウントラック方向に垂直となる第２方向（トラック間方向）の位置合わせを正確に行う必要がある。この位置合わせに４相千鳥型サーボバーストパターンを用いることができる。
例えば、トラックが延びる方向における記録媒体の両端又は一端にサーボバーストエリアを配置し、そこにサーボバーストパターンを記録する。また、複数のプローブのうちの１つをサーボバーストエリア上でスキャンさせ、サーボバーストエリア内に記録されたサーボバースト信号を読み出す。
本発明では、既に述べたように、サーボバースト信号を読み出すためのプローブに抵抗体を付加する。この場合、例えば、記録媒体のデータビット（低抵抗部）とそれ以外の非記録エリア（高抵抗部）との抵抗比が103以上と非常に大きいRRAM記録再生方式（RRAM記録媒体）を採用しても、その抵抗体により、サーボバースト信号の強度は、サーボバーストパターンを構成するビット（サーボバーストビット）とプローブとの距離（位置ずれ）に応じて滑らかに変化する。
従って、本発明をプローブメモリに適用する場合にも、この４相千鳥型サーボバーストパターンにより高精度の位置制御が可能である。
３． 実施の形態
本発明の実施の形態について説明する。
(1) 全体図
図１は、プローブメモリを示している。
ステージ１１上には、媒体基板１２が配置される。媒体基板１２は、例えば、図２に示すように、絶縁基板１２Ａと、絶縁基板１２Ａ上の下部電極１２Ｂと、下部電極１２Ｂ上の記録媒体１２Ｃとから構成される。
媒体基板１２の記録媒体は、アレイ状の複数のブロックＢＫから構成される。図面上では、説明を分かり易くするため、ブロックＢＫの境界を明示しているが、このブロックＢＫの境界は、記録媒体に明確に表れていなくてもよい。
媒体基板１２上には、媒体基板１２の記録媒体の複数のブロックＢＫに対向する形で複数のプローブ（ヘッド）１３が配置される。複数のプローブ１３は、プローブアレイを構成している。
複数のプローブ１３は、半導体基板１４の一面側に取り付けられる。このように、半導体基板１４を利用することで、例えば、ＭＥＭＳ技術を利用した半導体プロセスにより、複数のプローブ１３を、容易に、半導体基板１４の一面側に形成できる。複数のプローブ１３は、例えば、カンチレバーから構成される。
複数のプローブ１３の各々は、導電材料から構成される導電領域を有し、この導電領域は、例えば、ＬＳＩ配線により、マルチプレクスドライバ１５，１６に接続される。
媒体基板１２と半導体基板１４とは、ほぼ平行な状態を保って配置される。
本例では、プローブアレイと記録媒体との相対的な位置関係を、半導体基板（プローブアレイ）１４の位置を固定し、媒体基板１２の位置をドライバ１７により変化させることにより制御する。但し、これに代えて、媒体基板１２の位置を固定し、半導体基板１４の位置を変えてもよいし、両者をそれぞれ駆動してもよい。
ステージ１１には、ｘ−ｙ−ｚ−アクチュエータ１８−ｘ，１８−ｙ，１８−ｚが結合される。ドライバ１７は、アクチュエータ１８−ｘ，１８−ｙ，１８−ｚを駆動し、プローブアレイと記録媒体との相対変位（ｘ，ｙ，ｚ方向の変位）を制御する。
ここで、アクチュエータ１８−ｘ，１８−ｙ，１８−ｚの一部又は全部を半導体基板１４の駆動のために使用することも可能である。
例えば、ｘ−ｙ−アクチュエータ１８−ｘ，１８−ｙをステージ１１に結合し、ｚ−アクチュエータ１８−ｚを半導体基板１４の駆動のために使用してもよい。この場合、複数のプローブ１３の全てのｚ方向の位置を同時に変更したり、複数のプローブ１３のｚ方向の位置をプローブごとに個別に変更したりすることが可能になる。
また、ｚ−アクチュエータ１８−ｚをステージ１１に結合し、ｘ−ｙ−アクチュエータ１８−ｘ，１８−ｙを半導体基板１４の駆動のために使用してもよい。この場合、複数のプローブ１３の全てのｘ，ｙ方向の位置を同時に変更したり、複数のプローブ１３のｘ，ｙ方向の位置をプローブごとに個別に変更したりすることが可能になる。
ｘ，ｙ方向の変位幅は、１つのプローブが受け持つデータエリア、即ち、ブロックＢＫのｘ、ｙ方向のサイズに等しいか、又は、それよりも小さくなる。また、複数のプローブ１３をパラレル駆動する場合には、複数のプローブ１３同士の間隔が、ｘ，ｙ方向の変位幅に概ね等しくなる。
複数のプローブ１３をパラレル駆動する場合には、記録媒体のデータエリアに対する記録、再生及び消去を多チャンネル同時に行うことができる。
(2) プローブ構造
本発明の主要部となるプローブ構造の例について説明する。
図３及び図４は、プローブ構造の第１例を示している。
図３のプローブ１３は、記録媒体のデータエリア上に配置され、データの記録、再生及び消去を行うために使用される。図４のプローブ１３は、記録媒体のサーボバーストエリア上に配置され、サーボバースト信号を読み出すために使用される。
プローブ１３は、導電材料から構成される導電領域１９を有し、カンチレバー２０の端部に結合される。導電領域１９は、円錐形を有し、底面がカンチレバー２０に取り付けられ、先端が記録媒体に対向する。
そして、図３に示すように、データエリア上のプローブ１３については、導電領域１９の表面に抵抗体が付加されることはないが、図４に示すように、サーボバーストエリア上のプローブ１３については、導電領域１９の表面に抵抗体２１が付加される。
また、プローブ１３の導電領域１９は、ＬＳＩ配線２２を介して、マルチプレクスドライバ１５，１６に接続される。
抵抗体２１の抵抗率は、導電領域１９を構成する導電材料の抵抗率よりも高く、かつ、電気抵抗変動によりデータを記録する記録媒体の最大抵抗率よりも低い。
尚、記録媒体の最大抵抗率とは、例えば、記録媒体が絶縁状態にあるときの抵抗率のことである。
図５及び図６は、プローブ構造の第２例を示している。
図５のプローブは、記録媒体のデータエリア上に配置され、図６のプローブは、記録媒体のサーボバーストエリア上に配置される。
第２例が第１例と異なる点は、カンチレバー２０の形状にある。第１例では、カンチレバー２０は、スティック形状を有するのに対し、第２例では、カンチレバー２０は、Ｖ字形状を有する。Ｖ字形状のカンチレバー２０は、例えば、スティック形状のカンチレバー２０に比べて、カンチレバー（梁）部分の面積が減少するために、バネ定数を小さくすることが可能である。バネ定数は、カンチレバーの面積及び厚さにより制御する。
図７及び図８は、プローブ構造の変形例を示している。
ここでは、プローブの先端に配置される導電領域１９と抵抗体２１の形状例について示す。カンチレバーの形状については、例えば、上述の第１例及び第２例の形状のうちの１つを採用する。
実施の形態は、上述の第１例及び第２例に相当する。
この形状の特徴は、データエリア上及びアドレスエリア上のプローブの導電領域１９が円錐形を有する点、並びに、サーボバーストエリア上のプローブの導電領域１９及び抵抗体２１が円錐形を有すると共に、導電領域１９の先端が抵抗体２１から露出する点にある。
第１変形例の特徴は、データエリア上及びアドレスエリア上のプローブの導電領域１９が円錐形を有する点、並びに、サーボバーストエリア上のプローブの導電領域１９及び抵抗体２１が円錐形を有すると共に、導電領域１９の先端が抵抗体２１により覆われる点にある。
第２変形例の特徴は、データエリア上及びアドレスエリア上のプローブの導電領域１９が円柱形を有する点、並びに、サーボバーストエリア上のプローブの導電領域１９及び抵抗体２１が円柱形を有すると共に、導電領域１９の先端が抵抗体２１から露出する点にある。
第３変形例の特徴は、データエリア上及びアドレスエリア上のプローブの導電領域１９が円柱形を有する点、並びに、サーボバーストエリア上のプローブの導電領域１９及び抵抗体２１が円柱形を有すると共に、導電領域１９の先端が抵抗体２１により覆われる点にある。
第４変形例の特徴は、データエリア上及びアドレスエリア上のプローブの導電領域１９が角柱形を有する点、並びに、サーボバーストエリア上のプローブの導電領域１９及び抵抗体２１が角柱形を有し、導電領域１９が抵抗体２１に挟み込まれると共に、導電領域１９の記録媒体側の面が抵抗体２１から露出する点にある。
第５変形例の特徴は、データエリア上及びアドレスエリア上のプローブの導電領域１９が角柱形を有する点、並びに、サーボバーストエリア上のプローブの導電領域１９及び抵抗体２１が角柱形を有し、導電領域１９が抵抗体２１に挟み込まれると共に、導電領域１９の記録媒体側の面が抵抗体２１により覆われる点にある。
第６変形例の特徴は、データエリア上及びアドレスエリア上のプローブの導電領域１９が角柱形を有する点、並びに、サーボバーストエリア上のプローブの導電領域１９及び抵抗体２１が角柱形を有し、導電領域１９が抵抗体２１の端部に配置されると共に、導電領域１９の記録媒体側の面が抵抗体２１から露出する点にある。
第７変形例の特徴は、データエリア上及びアドレスエリア上のプローブの導電領域１９が角柱形を有する点、並びに、サーボバーストエリア上のプローブの導電領域１９及び抵抗体２１が角柱形を有し、導電領域１９が抵抗体２１の端部に配置されると共に、導電領域１９の記録媒体側の面が抵抗体２１により覆われる点にある。
第８変形例の特徴は、サーボバーストエリア上のプローブの導電領域１９の先端（記録媒体側の面）が抵抗体２１により覆われると共に、抵抗体２１の先端（記録媒体側の面）が曲面を有している点にある。
尚、プローブ構造については、上記のほかにも、様々な変形が可能である。例えば、導電領域のトラック間方向の両端部の抵抗体の厚さが異なるいわゆる非対称形であってもよい。また、導電領域及び抵抗体の先端形状についても、平面及び曲面に限られず、それ以外の任意の形状であってもよい。
(3) 記録媒体の構造
記録媒体の構造の例について説明する。
図９は、記録媒体とプローブアレイとの関係を示している。
記録媒体１２Ｃは、アレイ状に配置される複数のブロック（例えば、1024 × 1024）ＢＫから構成される。１つのブロックのサイズは、記録密度の観点から、100μｍ×100μｍ 以下にするのが好ましい。
また、複数のブロックＢＫに対応してアレイ状の複数のプローブ（例えば、1024 × 1024）１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが配置される。
記録媒体１２Ｃは、データエリアと、ｘ方向（第１方向）におけるデータエリア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。
既に述べたように、本発明では、データエリア上のプローブ１３Ａ及びアドレスエリア上のプローブ１３Ｂについては、導電領域１９の表面を抵抗体により覆わない。これに対し、サーボバーストエリア上のプローブ１３Ｃについては、導電領域１９の表面を抵抗体２１により覆う。
図９の例では、一例として、図８の第５変形例のＶ字形状のプローブを使用する。
図１０は、記録媒体のブロックを拡大して示す図である。
ここでは、プローブ１３は、スティック状のものを使用する。
データは、データビット２３として記録媒体のブロックＢＫ内に記録される。データビット２３は、最小抵抗率（例えば、導電性）を有するため、例えば、これを“０”に対応させる。また、データビット２３が形成されない非記録エリアは、最大抵抗率（例えば、絶縁性）を有するため、例えば、これを“１”に対応させる。
プローブ１３を用いて、記録媒体のブロックＢＫ内にデータビット２３を記録し、又は、データビット２３を消去することにより、データの書き換えを可能にする。読み出しは、ブロックＢＫ内でプローブ１３を走査させることにより行う。
図１１は、記録媒体の詳細を示している。
記録媒体１２は、データエリア、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。データエリア、アドレスエリア及びサーボバーストエリアは、それぞれ、アレイ状に配置される複数のブロックＢＫから構成され、複数のブロックＢＫの各々は、複数のトラックを有する。
複数のトラックは、ｘ方向（第１方向）に延び、ｘ方向に垂直となるｙ方向（第２方向）に並んで配置される。ここで、ｘ方向をダウントラック方向と呼び、ｙ方向をトラック間方向と呼ぶことにする。
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、記録媒体１２Ｃのｙ方向の位置情報を示している。即ち、アドレス信号は、選択されたトラックの位置（範囲）を示し、サーボバースト信号は、その選択されたトラックの中心（点）を特定する。
記録媒体１２Ｃ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。
データは、データエリア内にデータビットとして、アドレス信号は、アドレスエリア内にアドレスビットとして、さらに、サーボバースト信号は、サーボバーストエリア内にバーストビットとして記録される。
ここで、記録媒体１２Ｃのｙ方向の位置制御方式として、HDDのヘッド位置制御技術として採用されている４相千鳥型サーボバーストパターン（A-B-C-Dバーストパターン）を使用すれば、本発明のプローブにより高精度の位置制御が可能になる。
４相千鳥型サーボバーストパターン（バーストビット）は、ｙ方向に一定間隔で配置される。本例では、その間隔（バーストピッチ）は、１つのトラック幅（トラックピッチ）に相当する。
但し、これに代えて、例えば、図１２に示すように、バーストピッチをトラックピッチ以上のピッチ、例えば、複数のトラック幅に相当するピッチで配置してもよい。
この場合、バースト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。
逆に、バーストピッチを大きくし過ぎると、トラック間方向の位置に対する抵抗変化の割合が小さくなり、位置制御が難しくなるため、バーストピッチは、20データトラック幅以下にすることが好ましい。
ところで、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１３に示すように、それらのｘ方向のサイズの合計ＷｓをデータエリアのサイズＷｄと同じにし、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、アドレス信号とサーボバースト信号を連続的に読み出してもよい。
尚、アドレスエリア及びサーボバーストエリアの配置については、本例に限られることはなく、様々な変形が可能である。
(4) プローブと記録媒体との関係
プローブと記録媒体との関係、特に、サイズについて説明する。
図１４は、サーボバーストエリア上のプローブのトラック間方向の断面を示している。また、図１５は、プローブとバーストビットとの関係を示している。
サーボバーストエリアでは、バーストビット２４がｙ方向（トラック間方向）に一定ピッチ（バーストピッチ）Ｐ１で配置される。バーストビット２４は、４相千鳥型サーボバーストパターン（A-B-C-D-バーストパターン）を構成する。
バーストビット２４のサイズは、データエリア内のデータビットのサイズと同じ又は概ね同じにする。例えば、バーストビット２４のトラック間方向の幅Ｗ２は、20 nm以下にし、ダウントラック方向の幅Ｗ６は、50 nm以下にするのが好ましい。
また、データビットの最小サイズは、記録媒体としての金属酸化物薄膜の抵抗変化部位の最小単位、即ち、結晶単位格子の大きさにより決まり、その最小値は、概ね0.4 nmとなる。このため、バーストビット２４のトラック間方向及びダウントラック方向のサイズは、それぞれ、0.4 nm以上とするのが好ましい。
プローブの導電領域１９の下部端面（記録媒体側の端面）のトラック間方向の幅Ｗ１は、バーストビット２４のトラック間方向の幅Ｗ２以下にする。
また、プローブの下部端面のトラック間方向の幅Ｗ３は、バーストピッチＰ１の半分以上、さらには、バーストピッチＰ１以上にするのが好ましい。プローブの下部端面のダウントラック方向の幅Ｗ５は、ダウントラック方向に隣接する異なる位相のサーボビットのピッチＰ２以下にするのが好ましい。さらに好ましくは、幅Ｗ５は、バーストビット２４のダウントラック方向の幅Ｗ６と同じ又は概ね同じにする。
このようなサイズ関係にすることで、サーボバースト信号（電流値）のプロファイルにプラトー部分（電流がほぼ一定値となる部分）や電流が検知されない部分の発生を最小限に押さえることができ、また、隣接するバーストビット２４からの電流を抑制でき、４相千鳥型サーボバーストパターンによる高精度の位置制御を可能にする。
ここで、プローブの下部端面とは、図１４に示すように、抵抗体２１が導電領域１９の下部端面を覆っている場合には、抵抗体２１の下部端面のことであり、図７及び図８の実施の形態、並びに、第２、第４及び第６変形例に示すように、導電領域１９の下部端面が抵抗体２１から露出している場合には、導電領域１９及び抵抗体２１の双方を含んだ下部端面のことである。
また、図１４に示すように、導電領域１９の下部端面又はプローブの下部端面の形状が平面である場合には、下部端面はその平面そのものであるため、下部端面の幅を決定し易い。これに対し、導電領域１９の下部端面又はプローブの下部端面の形状が曲面（球面、円筒面など含む）又は不定形の場合には、記録媒体と接触、又は、記録媒体に最も近接していると認められる部分を、下部端面とする。
但し、この場合、グレイン構造などによる記録媒体の表面の凹凸は無視する。
データエリア内のデータビットのトラック間方向のピッチは、トラックピッチに等しい。これに対し、サーボバーストエリア内のバーストビットのトラック間方向のピッチ（バーストピッチ）Ｐ１は、記録媒体の構造の欄で既に述べたように、トラックピッチ以上にする。
４相千鳥型サーボバーストパターンによる位置制御を考慮すると、バーストピッチＰ１は、1データトラック幅以上、20データトラック幅以下、さらに好ましくは、2〜3データトラック幅以上、10データトラック幅以下にする。
データビットのトラック間方向のピッチは、データビットのトラック間方向のサイズの２倍程度、即ち、0.8 nm以上、40 nm以下の範囲内の値にする。これを考慮すれば、バーストピッチＰ１は、0.8 nm以上、400 nm以下の範囲内の値にし、プローブの下部端面のトラック間方向の幅Ｗ３は、0.4 nm以上とするのが好ましい。
プローブの下部端面のトラック間方向の幅Ｗ３の最大値は、ブロックサイズになる。トラック間方向のブロックサイズが100 μmである場合には、プローブの下部端面のトラック間方向の幅Ｗ３は、100 μm以下になる。
但し、より好ましくは、互いに隣接するバーストビット２４からの電流の影響を小さくするために、プローブの下部端面のトラック間方向の幅Ｗ３は、バーストピッチＰ１の２倍以下にするのが好ましい。
プローブの下部端面のトラック間方向の幅Ｗ３がバーストピッチＰ１の約半分であり、サーボバースト信号のプロファイルにおいて電流が検知されない部分が発生し、位置制御精度の低下が懸念される場合には、A-B-C-D-バーストパターンに加え、位相の異なるバーストパターンをダウントラック方向にさらに増やせばよい。
ところで、図１４に示すように、導電領域１９の下部端面が抵抗体２１により覆われる場合には、導電領域１９の下部端面から抵抗体２１の下部端面までの幅Ｗ４は、１原子層又は１分子層に相当する幅（0.1 nm）以上にする。
導電領域１９の下部端面から抵抗体２１の下部端面までの幅Ｗ４の最大値は、バーストビット２４のトラック間方向のサイズの10倍以下、より好ましくは、バーストビット２４のトラック間方向のサイズと概ね同じにするのが好ましい。
この幅Ｗ４があまりに大きくなり過ぎると、プローブの位置に応じた電流値の変化量が小さくなるため、このように上限を設ける必要がある。
即ち、導電領域１９の下部端面から抵抗体２１の下部端面までの幅Ｗ４は、導電領域１９の下部端面がバーストビット２４の直上にある場合とバーストビット２４の直上から外れている場合とで、導電領域１９とバーストビット２４との間に流れる電流値に十分な差異があることを条件に決められる。
例えば、幅Ｗ４がバーストビット２４のトラック間方向のサイズの約10倍であるとき、プローブとバーストビット２４との位置ずれＤ１がバーストビット２４のトラック間方向のサイズ程度になったときの電流値の変化分（減少分）は10％程度となり、十分な電流差を得ることができる。
従って、導電領域１９の下部端面が抵抗体２１により覆われる場合には、導電領域１９の下部端面から抵抗体２１の下部端面までの幅Ｗ４は、0.1 nm以上、200 nm以下の範囲内の値とするのが好ましい。
尚、４相千鳥型サーボバーストパターンに関し、同一位相のバーストビット（例えば、A-バーストビット）をダウントラック方向（ｘ方向）に配列した複数のビットによって表現してもよい。この場合、ダウントラック方向のバーストピッチは、データエリア内のデータビットダウントラック方向のピッチ以上にする。
(5) 記録、再生及び消去
記録、再生（読み出し）及び消去の方法について説明する。
データエリアに対する記録、再生及び消去は、図２の下部電極１２Ｂを接地電位にし、プローブの導電領域に正又は負の電位を印加し、プローブと下部電極との間に電流を流すことによって行う。
例えば、記録は、記録媒体が高抵抗状態から低抵抗状態に変化する第１スイッチング電圧よりも絶対値が大きい電圧パルスを印加することによって行う。消去は、記録媒体が低抵抗状態から高抵抗状態に変化する第２スイッチング電圧よりも絶対値が大きい電圧パルスを印加することによって行う。
また、読み出しは、第１及び第２スイッチング電圧よりも十分に小さい電圧パルスを印加したときに、プローブと下部電極との間に流れる電流を検知することによって行う。
図１の情報記録再生装置の場合、マトリクス状のプローブアレイ１３が媒体基板１２の記録媒体の表面を同時に走査する。即ち、媒体基板１２の記録媒体とプローブアレイ１３との位置合わせを行いながら、複数のプローブをパラレル駆動できるため、高速大容量の記録再生が可能になる。
より詳しく言えば、プローブアレイ１３は、記録媒体の表面を、ｘ方向に、プローブ同士の間隔程度の幅で往復スキャンするため、データを連続的に記録／再生できる。このとき、記録媒体の一部分（サーボバーストエリア）に記録されたサーボバースト信号を読み出してｙ方向の位置制御を行う。
サーボバースト信号の読み出しは、データエリア内のデータの読み出しと同様に、媒体基板１２の下部電極を接地電位にし、プローブに正又は負の電位を印加し、下部電極とプローブとの間に流れる電流を検出することにより行う。
複数のプローブは、例えば、半導体基板内に形成される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、記録媒体のデータエリアに対するアクセスを行う例について、図１を参照しながら説明する。
まず、マルチプレクスドライバ１５，１６を用いて、プローブアレイ１３をｘ方向に一定周期で往復動作させ、媒体基板１２の記録媒体からｙ方向の位置情報を読み出す。ｙ方向の位置情報は、制御回路（ドライバ１７を含む）に転送される。
ドライバ１７は、この位置情報に基づいて、ｘ−ｙ−ｚ−アクチュエータ１８−ｘ、１８−ｙ、１８−ｚを駆動する。即ち、ステージ１１をｙ方向に移動させ、媒体基板１２の記録媒体とプローブアレイ１３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１３の全てに対して、同時、かつ、連続的に、データの記録、再生又は消去を行う。
データの記録及び再生は、プローブ１３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、記録及び再生は、記録媒体の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１トラックずつ実施される。
(6) まとめ
記録媒体は、バーストビットが記録された部分では、金属的な導電性を示すが、非記録部分では、絶縁体になっている。
このため、抵抗体が被覆されていないプローブによりサーボバースト信号を読み出そうとしても、例えば、図１７に示すように、プローブがバーストビット上にある場合とそうでない場合とで信号強度が急峻に変化し、高精度な位置制御ができない。
これに対し、本発明のプローブでは、導電領域の表面を抵抗体により覆うことで、サーボバースト信号の強度は、例えば、図１６に示すように、プローブとバーストビットとの位置ずれ（相対位置）に応じて滑らかに変化する。
このように、本発明によれば、プローブとバーストビットとの位置ずれによるサーボバースト信号のリニアリティが確保されるため、高精度の位置制御が可能になる。
４． 材料例
材料例について説明する。
記録媒体は、例えば、以下のグループから選択される１つの材料により構成される。
1. NiO, TiO2, CuxO, Fe2O3, CoO, Nb2O5, MnO, Al2O3, Ta2O5, MgO, ZrO2, ZnO, HfO, WO3
2. PrxCa1-xMnO3, Crが添加されたSrTiO3, Crが添加されたSrZrO3, Nbが添加されたSrTiO3, AMn2O4 (A = Zn, Mg, Co, Cu, Fe), ACo2O4 (A = Zn, Mg, Cu), Alが添加されたZnCo2O4, ATiO3 (A = Ni, Fe, Co)
3. Cu2S, AgGeS, CuGeS, ZnCdS
プローブ（ヘッド）の導電領域を覆う抵抗体は、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つから構成される。
また、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つから構成されていてもよい。
さらに、抵抗体は、これらの材料のうちの２つ以上から構成されるスタック構造を有していてもよい。この場合、複数の材料を複合体として、その複合体の抵抗率が、プローブの導電領域の抵抗率よりも高く、かつ、記録媒体の最大抵抗率よりも低ければよい。
５． 実施例
まず、図３及び図４に示すように、カンチレバー２０の長さは、約10μmとし、カンチレバー２０同士の間隔は、20μmとする。カンチレバー２０により1024 × 1024 のアレイを構成する。カンチレバー２０の先端には、導電材料から構成される導電領域１９を取り付ける。
導電領域１９は、不純物が高濃度にドープされたシリコンとし、円錐形状にする。導電領域１９の先端の直径は、約10 nmである。抵抗体２１は、導電領域１９に比べ、導電率が２桁程度低いボロンがドープされたダイヤモンドライクカーボンを使用する。
サーボバーストエリア上のプローブ１３Ｃ（図９）については、導電領域１９の下部端面は、抵抗体２１によって覆う。データエリア上のプローブ１３Ａ及びアドレスエリア上のプローブ１３Ｂについては、導電領域１９の表面を抵抗体により覆わない。
導電領域１９の下部端面を覆う抵抗体２１の厚さは、約 3 nm とし、導電領域１９の側面を覆う抵抗体２１の幅は、約20 nm とする。
従って、プローブの下部端面のトラック間方向の幅は、約50 nmである。
次に、図１２に示すように、記録媒体１２Ｃの表面は、1024 × 1024 のブロックに区分けされているものとする。記録媒体１２Ｃのダウントラック方向の両端から１つ目の列は、サーボバーストエリアとなり、２つ目の列は、アドレスエリアとなる。
サーボバーストエリア内には、サーボバーストパターン（バーストビット）が記録される。バーストビットのトラック間方向の幅は、約10nm、トラック間方向のピッチは、約50 nmである。
そして、図１に示すように、媒体基板１２を、ｘ方向に、周波数約1 kHz、振幅約20 μmで往復運動させ、サーボバースト信号に基づくｙ方向の位置合わせと共に、データの記録、再生及び消去を実行する。
媒体基板１２は、図２に示すように、100 mm × 100 mmの正方形とし、絶縁基板１２Ａは、表面に絶縁層を有する厚さ約0.5 mmのシリコン基板とする。また、下部電極１２Ｂは、厚さ約 5 nmのTi接着層及び厚さ約200 nmのPt電極層のスタック構造とする。記録媒体１２Ｃは、厚さ約10 nmのZnMn2O4とする。
ZnMn2O4は、例えば、Ar: 95％, O2: 25％のガス雰囲気内で、基板温度300℃〜600℃で、ＲＦマグネトロンスパッタにより形成される。スパッタのターゲットとなる材料の組成は、ZnMn2O4が堆積されるように制御される。
次に、本発明による位置決め精度の評価を次のようにして行った。
まず、アドレスエリア上のプローブ１３Ｂ（アドレス用プローブ）をサーボバーストエリア内の未記録部の直上に移動させ、記録媒体の表面に弱く接触させる。この後、下部電極とプローブとの間に、10 nsec幅で、1 Vのパルス電圧を印加し、バーストビット（低抵抗領域）を記録する。
尚、バーストビットの記録は、抵抗体が被覆されていないプローブを用いて行う。
バーストビットの記録は、バーストビット記録専用のプローブアレイを用いて行うことも可能である。
次に、サーボバーストエリア上のプローブ１３Ｃ（図９）、即ち、サーボ用プローブをサーボバーストエリア内に移動させる。そして、10 nsec幅で、0.1 Vのパルス電圧を印加し、サーボ用プローブとバーストビットとの位置ずれ量とそのときの電流値との関係を求めた。
その結果、図１６に示すように、サーボ用プローブがバーストビットから離れるに従い、電流量が滑らかに減少することが確認された。
同様のことを、抵抗体を有しないサーボ用プローブに対しても行った。その結果、図１７に示すように、バーストビットの直上付近においてのみ電流が観測され、それ以外の位置では記録媒体の抵抗が高すぎるために、微弱な電流しか観測されなかった。
６． 適用例
本発明は、プローブなどのヘッドを記録媒体に接触又は近接させて、記録媒体に対するデータの記録、再生及び消去を実行する情報記録再生装置、例えば、プローブメモリ、HDDのようなディスクメモリに適用できる。
本発明によれば、高精度の位置制御技術が確立されるため、例えば、RRAM記録再生方式と組み合わせることにより、記録密度1 Tbpsi超の大容量・超高速の情報記録再生装置を実現できる。
７． むすび
本発明によれば、抵抗変化のオン／オフ比が103 以上と極めて大きい抵抗変化型プローブメモリにおいても、十分に高い精度で位置決めを実施することができる。即ち、本発明によれば、極めて単純な仕組みで、従来技術では達成できない極めて高い記録密度を有する情報記録再生装置を実現でき、産業上のメリットは多大である。
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。
プローブメモリの概要を示す図。 記録媒体の構造を示す図。 データエリア用プローブの第１例を示す図。 サーボバーストエリア用プローブの第１例を示す図。 データエリア用プローブの第２例を示す図。 サーボバーストエリア用プローブの第２例を示す図。 プローブの変形例を示す図。 プローブの変形例を示す図。 記録媒体とプローブとの関係を示す図。 記録媒体の１ブロック内のデータビットを示す図。 記録媒体上のエリアの区分とビットとを示す図。 記録媒体上のエリアの区分とビットとを示す図。 記録媒体上のエリアの区分の変形例を示す図。 プローブとバーストビットとの関係を示す図。 プローブとバーストビットとの関係を示す図。 抵抗体ありのプローブによる検出信号を示す図。 抵抗体なしのプローブによる検出信号を示す図。
符号の説明
１１： ステージ、 １２： 媒体基板、 １２Ａ： 絶縁基板、 １２Ｂ： 下部電極、 １２Ｃ： 記録媒体、 １３： プローブ、 １３Ａ: データエリア用プローブ、 １３Ｂ： アドレスエリア用プローブ、 １３Ｃ： サーボバーストエリア用プローブ、 １４： 半導体基板、 １５，１６： マルチプレクスドライバ、 １７： ドライバ、 １８−ｘ，１８−ｙ，１８−ｚ： アクチュエータ、 １９： 導電領域、 ２０： カンチレバー、 ２１： 抵抗体、 ２２： ＬＳＩ配線、 ２３： データビット、 ２４： バーストビット。

Claims (13)

  1. 導電材料から構成される導電領域を有する第１及び第２ヘッドと、
    前記第１ヘッドにより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ドライバと、
    前記第２ヘッドの導電領域の表面を覆う抵抗体と
    を具備することを特徴とする情報記録再生装置。
  2. 前記抵抗体の抵抗率は、前記導電材料の抵抗率よりも高く、かつ、前記記録媒体の最大抵抗率よりも低い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. 前記第１及び第２ヘッドは、パラレル駆動され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. 前記データエリアは、アレイ状に配置される複数のブロックから構成され、複数のブロックの各々は、第１方向に延び、前記第１方向に垂直となる第２方向に並んで配置される複数のトラックを有す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. 前記複数のブロックにそれぞれ対向して配置される前記第１及び第２ヘッドを含む複数のヘッドをさらに具備し、前記複数のヘッドをパラレル駆動することにより前記データエリアに対する記録、再生及び消去を多チャンネル同時に行うことを特徴とする請求項４に記載の情報記録再生装置。
  6. 前記第２ヘッドの導電領域の下部端面の前記第２方向の幅は、前記サーボバーストエリア内に記録されるバーストビットのサイズ以下であり、かつ、前記第２ヘッドの下部端面の前記第２方向の幅は、前記バーストビットの前記第２方向のピッチの半分以上であることを特徴とする請求項４又は５に記載の情報記録再生装置。
  7. 前記第２ヘッドの下部端面の前記第２方向の幅は、前記バーストビットの前記第２方向のピッチ以上、前記ピッチの２倍以下であることを特徴とする請求項６に記載の情報記録再生装置。
  8. 前記サーボバーストエリア内に記録されるバーストビットの前記第２方向のピッチは、トラックピッチよりも大きいことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の情報記録再生装置。
  9. 前記第１及び第２ヘッドは、前記第１方向に一定周期で往復運動し、前記ドライバは、前記第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４乃至８のいずれか１項に記載の情報記録再生装置。
  10. 前記記録媒体は、金属酸化物又は金属カルコゲナイド化合物により構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の情報記録再生装置。
  11. 前記記録媒体は、
    1. NiO, TiO2, CuxO, Fe2O3, CoO, Nb2O5, MnO, Al2O3, Ta2O5, MgO, ZrO2, ZnO, HfO, WO3
    2. PrxCa1-xMnO3, Crが添加されたSrTiO3, Crが添加されたSrZrO3, Nbが添加されたSrTiO3, AMn2O4 (A = Zn, Mg, Co, Cu, Fe), ACo2O4 (A = Zn, Mg, Cu), Alが添加されたZnCo2O4, ATiO3 (A = Ni, Fe, Co)
    3. Cu2S, AgGeS, CuGeS, ZnCdS
    のグループから選択される１つの材料により構成されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の情報記録再生装置。
  12. 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つから構成されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の情報記録再生装置。
  13. 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つから構成されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の情報記録再生装置。
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