JP5007383B2 - Ｍｅｍｓメモリ用マイクロプローブ - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）メモリに用いられるマイクロプローブに関する。

動画撮影機能付きの携帯電話、６００万画素を超えるデジタルカメラなど、我々が扱う情報量は年々急速に増大しており、情報記録装置の大容量化、小型化が求められている。情報記録装置の記録密度を向上させる直接的な方法は、ハードディスクや光ディスクでは記録／再生ビットの径を小さくすることであり、フラッシュメモリなどの不発揮性メモリでは単位セルサイズをより小さくすることであるが、既存の原理（光の回折など）に基づいた方法では近い将来に高密度化に物理的限界が来るという予測がある。例えば、ハードディスクドライブでは、高密度化に伴い磁気の熱揺らぎの影響が大きくなってくるため、単純に今のまま高密度化していけば室温でデータが壊れてしまう問題がある。光ディスクにおいても、光の回折限界により記録／再生ビットのサイズは限界に達しつつある。これを打破する有力な手段として、走査型プローブ顕微（ＳＰＭ）の原理を利用したプローブ型ＭＥＭＳメモリが研究されている。

プローブ型ＭＥＭＳメモリとは、プローブ先端の記録／再生用電極と記録媒体との間の様々な物理的相互作用を利用して情報の書き込み、読み出し、および消去を行う記録装置である。プローブ型ＭＥＭＳメモリの記録／再生のヘッドとしてマイクロプローブを適用する場合、電荷、低抗、電流および電圧のような重要な因子がマイクロプローブによって精密に測定されねばならない。このため記録／再生時においてマイクロプローブ先端の記録／再生用電極を含む特定の領域が記録媒体に確実に接触していることが重要である。記録／再生用電極と記録媒体の接触が十分でない場合には、記録／再生動作が不安定となり、プローブ型ＭＥＭＳメモリの信頼性低下につながる。このため、記録／再生用電極と記録媒体とを記録／再生時に確実に接触させることが重要である。言い替えれば、記録／再生時に記録／再生用電極と記録媒体の記録／再生ビットとが非接触となる可能性を低くすることが重要である。

従来、プローブ型ＭＥＭＳメモリが高速かつ高密度に情報を記録または再生できるようにするため、プローブを先鋭化構造とする場合が多い。この場合、プローブ先端の直径は数ｎｍ〜数百ｎｍである。単純にプローブの先端を小さくすると、プローブ先端の摩耗が激しくなり、先端径が大きくなってしまう。これは、プローブ先端に対向して接触させる記録媒体上の記録／再生ビットのサイズ制約をもたらす。また、摩耗が激しく進行すると、プローブ先端と記録／再生ビットとが上述したように記録／再生時に非接触となり、記録／再生動作自体が行えなくなってしまう。

下記特許文献１の第３頁には、このようなプローブ先端の摩耗についての実験結果が示されている。この実験は、プローブ先端のチップ半径が５ｎｍであるシャープタイプのＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブと、同チップ半径が５０ｎｍであるブラントタイプのＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブの両者に同じ荷重を加えたとき、各々の摩耗の程度を観察するというものである。プローブの移動速度は２μｍ／ｓである。同実験結果によれば、同じ荷重が加えられた場合、シャープタイプのプローブのチップがブラントタイプのチップより激しく摩耗することが分かる。これは、シャープタイプのプローブのチップ半径がブラントタイプのチップ半径より小さく荷重が集中することによる。シャープタイプのプローブの分解能はブラントタイプのプローブの分解能よりも高いことから、高密度記録装置にはブラントタイプではなくシャープタイプのプローブとする場合が多い。しかし、シャープタイプのプローブはこのようにブラントタイプのプローブよりも摩耗の程度が激しいという短所がある。

特開２００６−２２１７９２号公報

従って本発明は、プローブ先端の記録／再生用電極と記録媒体の記録／再生ビットとが記録／再生時に非接触となる可能性が低く安定な記録／再生特性を実現することができ、かつプローブ先端に耐摩耗性を有するＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、一態様に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブは、記録媒体に対向するように配置され、該記録媒体に接触させて情報の記録／再生を行うプローブ先端部と、前記プローブ先端部との電気的および機械的接続を担うレバー部と、前記レバー部との電気的および機械的接続を担うベース部とを具備する。

前記プローブ先端部には、前記記録／再生に用いられる電極と、該電極とともに前記プローブ先端部を形成する支持部とが交互に複数配置され、前記電極および前記支持部が前記記録媒体に対向する同一平面をなすことを特徴とする。

なお、前記電極の材料を前記支持部よりも硬い材料としてもよい。前記電極と前記支持部との間に挟まれる絶縁層をさらに具備してもよい。前記記録媒体に接触する面に平行な前記プローブ先端部の任意の断面が互いに同一であってもよい。前記電極は、前記プローブ先端部の前記記録媒体に対する相対的な移動方向であるプローブスキャン方向に対して平行な方向に沿ってアレイ状に配置されてもよい。前記レバー部は、前記プローブ先端部を第１の方向から支える第１のレバー部と、前記プローブ先端部を前記第１の方向に対向する第２の方向から支える第２のレバー部とを有してもよい。

本発明によれば、プローブ先端の記録／再生用電極と記録媒体の記録／再生ビットとが記録／再生時に非接触となる可能性が低く安定な記録／再生特性を実現することができ、かつプローブ先端に耐摩耗性を有するＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブを提供することができる。

第１実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブをボトム方向から見た斜視図 上記ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブをトップ方向から見た斜視図 上記ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブのＡ−Ａ’方向の断面図 上記ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブのＢ−Ｂ’方向の断面図 上記ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブにおける記録／再生用電極配置のいくつかの例を示す図 上記ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブのプローブ先端部が記録媒体に接触する様子を示す図 上記ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブのレバー部を両持ち構造とする場合を示す図 上記ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブの製造プロセスの一例を示す図 第２実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブを示す斜視図 第３実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブを示す斜視図

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブをある方向から見た斜視図、図２は、上記ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブを別の方向から見た斜視図である。本実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ１０は、プローブ先端部１１と、レバー部１５と、ベース部１７とを備える。レバー部１５は、プローブ先端部１１とベース部１７との間の電気的および機械的接続を担う。レバー部１５は、プローブ先端部１１を支え、ベース部１７はレバー部１５を支える。

図１においてレバー部１５より紙面上方に突出するように示されるプローブ先端部１１の面が記録媒体に対向し、両者が接触し、同記録媒体に対する情報の書き込み動作（記録）、または同記録媒体からの情報の読み出し動作（再生）が行われる。ＭＥＭＳメモリは、このような本実施形態に係るマイクロプローブ１０と記録媒体とによって構成される。

なお、本実施形態では説明の簡単化のため一本のマイクロプローブ１０について説明するが、複数本のマイクロプローブにも本発明は適用可能である。

プローブ先端部１１は、交互に配置される複数の支持部１４と記録／再生用スライス型電極１２とを有する。直方体のような形状を有する支持部１４の一面と、同じく直方体のような形状を有する記録／再生用スライス型電極１２の一面とが同一平面を成している。この平面は上述したように記録媒体に対向しており、記録／再生用スライス型電極１２が記録媒体上の記録／再生ビットに接触することで記録媒体に対する情報の書き込み動作（記録）、または同記録媒体からの情報の読み出し動作（再生）が行われる。

なお、支持部１４と共に交互に配置される記録／再生用スライス型電極１２は、支持部１４よりも硬い材料を用いて構成することが好ましい。

また、支持部１４と記録／再生用スライス型電極１２との間には、両者によって挟み込まれるように絶縁層１３が形成される。絶縁層１３は、例えば絶縁酸化膜（例：ＳｉＯ２）である。このように絶縁層１３を設ける構成とする場合、プローブ先端部１１における複数のスライス型電極１２間の電気干渉を抑えることができる。また、スライス型電極１２の各々の電気スポットが絶縁層１３によって絞られることにより、記録／再生ビットの広がりを防ぐことができる。

図２に示すように、レバー部１５にはレバー部電極アレイ１６が設けられ、ベース部１７にはベース部電極アレイ１８が形成される。プローブ先端部１１の記録／再生用スライス型電極１２とレバー部１５のレバー部電極アレイ１６とは電気的に接続される。レバー部１５のレバー部電極アレイ１６とベース部１７のベース部電極アレイ１８とは、貫通電極を介して電気的に接続される。

図３は、図１および図２に示される第１実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブのＡ−Ａ’方向の断面図、図４は、上記ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブのＢ−Ｂ’方向の断面図である。

図３および図４の紙面下側が記録媒体に対向する方向である。図３および図４からわかるように、記録媒体に接触する面に平行なプローブ先端部１１の任意の断面は互いに同一である。このような一定断面を持つ構造によれば、記録媒体との接触によってプローブ先端部１１が摩耗しても、ヘッドとしての性能を維持することができる。

図５は、第１実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブにおける記録／再生用電極配置のいくつかの例を示す図である。図１ないし図４には、記録／再生用スライス型電極１２が等間隔で５つ配置される場合が示されているが、記録／再生用スライス型電極１２を複数設ける構成はこれに限定されない。例えば、図５（ａ）に示すように支持部１４の両側を挟むように記録／再生用スライス型電極１２を２つ設ける構成としてもよい。図５（ｂ）は、記録／再生用スライス型電極１２を中央に寄せて図５（ａ）よりも狭い間隔で２つ設ける構成としたものである。図５（ｃ）（ｄ）は、同様に３つの記録／再生用スライス型電極１２を設ける構成例、図５（ｅ）（ｆ）は、同様に４つの記録／再生用スライス型電極１２を設ける構成例である。また、記録／再生用スライス型電極１２の数は限定されず、１本から数万本までの構成としてもよい。

図６は、第１実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ１０のプローブ先端部１１が記録媒体に接触する様子を示す図である。図６において、１００は記録媒体、１０１は記録媒体１００上の記録／再生ビットを示している。

記録／再生用スライス型電極１２から記録媒体１００に電流が流れる場合、記録媒体１００の記録／再生ビット１０１には情報が記録される。

一方、記録／再生ビット１０１が存在する箇所と記録／再生ビット１０１が存在しない箇所との電気特性の違いから、記録／再生ビット１０１に記録されている情報がスライス型電極１２を通じて読み出される。

ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ１０が情報を書き込み或いは読み出す時のヘッド（プローブ先端部１１）の記録媒体に対する相対的な移動方向のことをプローブスキャン方向という。記録／再生用スライス型電極１２は、このようなプローブスキャン方向と平行な方向に沿って、アレイ状に複数設けられる。

図７は、上記ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブのレバー部を両持ち構造とする場合を示す図である。この場合、プローブ先端部１１はベース部１７ａおよびレバー部１５ａによって第１の方向から支える共に、ベース部１７ｂおよびレバー部１５ｂによって第１の方向に対向する第２の方向から支えることができる。これによりプローブ先端部１１を記録媒体１００に対して安定に接触させることができる。

以上説明した第１実施形態は、数μｍ〜数百μｍであるプローブ先端部１１に、数ｎｍ〜数十ｎｍの複数の記録／再生用スライス型電極１２を設ける構成であって、プローブ１本でマルチ化の機能を有するものであり、当該プローブを使用して、高い記録／再生レートと高記録密度を両立するＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブを提供することができる。

特に、記録／再生用スライス型電極１２を複数配置する構成であることにより、記録／再生用スライス型電極１２を１つのみ備える構成に比べて記録／再生用スライス型電極１２と記録媒体１００の記録／再生ビット１０１とが非接触となる可能性が低く、プローブ先端部１１と記録媒体１００との接触状態によらず確実に記録／再生を行うことができ、装置の信頼性を向上することができる。

また、プローブ先端部１１において、同一平面（接触面）をなすように記録／再生用スライス型電極１２、支持部１４（および絶縁層１３）を交互に複数配置する構成とし、このような接触面を記録媒体１００に対向して接触させる構成としていることにより、接触時に記録／再生電極１２に加わる荷重が分散される。従って本実施形態によれば、プローブ先端部１１と記録媒体１００との間の電気的の接触面積は増大させずに、その機械的の接触面積のみを増大させることができることから、記録／再生用スライス型電極１２の摩耗を抑制することができる。

また、記録媒体に接触する面に関してプローブ先端部１１が一定断面を持つ構造によれば、記録媒体との接触によってプローブ先端部１１が摩耗しても、ヘッドとしての性能を維持することができる。また、支持部１４と共に交互に配置される記録／再生用スライス型電極１２は、支持部１４よりも硬い材料を用いて構成する構成によれば、プローブ先端部１１において、記録／再生用スライス型電極１２は支持部１４よりも後に摩耗し、これにより記録／再生用スライス型電極１２は常に接触面側に突出することになる。従って、摩耗が生じたとしても記録／再生用スライス型電極１２と記録媒体１００との電気的接触を維持することができ、安定な記録／再生特性を実現することができる。

以下、上述したようなＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブの試作例に係る製造プロセスの一例を図８を参照して説明する。この試作ではデバイスレイヤーの厚さが１０μｍ、ボックスレイヤーの厚さが０．５μｍ、ハンドリングレイヤーの厚さが３８０μｍであるＳＯＩ基板８０を用いた。

まず、リソグラフィーおよびＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）工程によりＳＯＩ基板８０のデバイスレイヤー上にプローブ先端のトレンチ８１を形成し（図８（ａ））、このトレンチ８１を形成した面に熱酸化処理によって絶縁膜（ＳｉＯ２）８２を形成し（図８（ｂ））、さらにＣｒ／Ａｕ８３を蒸着する（図８（ｃ））。

次に、デバイスレイヤーに形成されたトレンチ８４に対しめっき工程によりＡｕ８４を充填したのち（図８（ｄ））、Ａｕ８１およびＣｒ／Ａｕ８３およびＳｉＯ２の３つの層を研磨する（図８（ｅ））。次に、表面および裏面にＡｌ８５，８６を蒸着し、裏面のリソグラフィ、Ａｌエッチングを行い、レジスト８７を塗布し（図８（ｆ））、表面にリソグラフィおよびＡｌエッチングを行ってレジスト８８を塗布する（図８（ｇ））。次に、ＤＲＩＥ工程８９，９０，９２を再度行って、デバイスレイヤーにプローブの形状を形成する（図８（ｈ），（ｉ），（ｊ））。表面にはレジスト９１を塗布してＡｌエッチングを行う。次に、酸化膜（ＳｉＯ２）を除去（ＢＨＦ）し、Ａｌエッチングを行ったのち、レジスト９１を除去する（図８（ｋ））。最終的に、裏面にＡｌ９３を蒸着して完成する（図９（ｌ））。

（第２実施形態）
図９は、第２実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブを示す斜視図である。

第２実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ２０は、プローブ先端部２１と、レバー部２５と、ベース部２７とを備える。ベース部２７は、プローブ先端部２１とレバー部２５を支える。

図９（ａ）においてレバー部２５より紙面上方に突出するように示されるプローブ先端部２１の面が記録媒体に対向し、両者が接触し、同記録媒体に対する情報の書き込み動作（記録）、または同記録媒体からの情報の読み出し動作（再生）が行われる。ＭＥＭＳメモリは、このような本実施形態に係るマイクロプローブ２０と記録媒体とによって構成される。

プローブ先端部２１は、プローブ２０の先端２１は貫通トレンチ構造を有する支持部２４と、支持部２４のトレンチの各側壁にコーティングされる記録／再生用薄膜電極２２とから構成される。支持部２４の一面と、記録／再生用薄膜電極２２の一面とが同一平面を成している。この平面は上述したように記録媒体に対向しており、記録／再生用薄膜電極２２が記録媒体上の記録／再生ビットに接触することで記録媒体に対する情報の書き込み動作（記録）、または同記録媒体からの情報の読み出し動作（再生）が行われる。

図１０（ｂ）に示すように、レバー部２５にはレバー部電極アレイ２６が設けられ、ベース部２７にはベース部電極アレイ２８が形成される。プローブ先端部２１の記録／再生用薄膜電極２２とレバー部２５のレバー部電極アレイ２６とは電気的に接続される。レバー部２５のレバー部電極アレイ２６とベース部２７のベース部電極アレイ２８とは、貫通電極を介して電気的に接続される。

第１実施形態と同様に、第２実施形態においても図７に示したような両持ち構造としてもよい。

第２実施形態によれば、第１実施形態と同様にプローブ先端の記録／再生用電極と記録媒体の記録／再生ビットとが記録／再生時に非接触となる可能性が低く安定な記録／再生特性を実現することができ、かつプローブ先端に耐摩耗性を有するとともに、支持部２４のトレンチの側壁に記録／再生用薄膜電極２２を設ける構成としていることにより、高密度および高転送レートの記録／再生を実現することができる。

（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブを示す斜視図である。

第３実施形態に係るＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ３０は、プローブ先端部３１と、レバー部３５と、ベース部３７とを備える。ベース部３７は、プローブ先端部３１とレバー部３５を支える。

図１０（ａ）においてレバー部３５より紙面上方に突出するように示されるプローブ先端部３１の面が記録媒体に対向し、両者が接触し、同記録媒体に対する情報の書き込み動作（記録）、または同記録媒体からの情報の読み出し動作（再生）が行われる。ＭＥＭＳメモリは、このような本実施形態に係るマイクロプローブ３０と記録媒体とによって構成される。

プローブ先端部３１は貫通トレンチ構造を有する支持部３４と、支持部３４のトレンチの各側壁にコーティングされた記録／再生用薄膜電極３２と、トレンチ内で対向する２つの記録／再生用薄膜電極３２の間に挿入される電極間絶縁層３９とから構成される。

支持部３４の一面と、記録／再生用薄膜電極３２の一面とが同一平面を成している。この平面は上述したように記録媒体に対向しており、記録／再生用薄膜電極３２が記録媒体上の記録／再生ビットに接触することで記録媒体に対する情報の書き込み動作（記録）、または同記録媒体からの情報の読み出し動作（再生）が行われる。

図１０（ｂ）に示すように、レバー部３５にはレバー部電極アレイ３６が設けられ、ベース部３７にはベース部電極アレイ３８が形成される。プローブ先端部３１の記録／再生用薄膜電極３２とレバー部３５のレバー部電極アレイ３６とは電気的に接続される。レバー部３５のレバー部電極アレイ３６とベース部３７のベース部電極アレイ３８とは、貫通電極を介して電気的に接続される。

第１実施形態と同様に、第３実施形態においても図７に示したような両持ち構造としてもよい。

第３実施形態によれば、第１実施形態と同様にプローブ先端の記録／再生用電極と記録媒体の記録／再生ビットとが記録／再生時に非接触となる可能性が低く安定な記録／再生特性を実現することができ、かつプローブ先端に耐摩耗性を有するとともに、支持部３４のトレンチの側壁に記録／再生用薄膜電極３２を設ける構成としていることにより、高密度および高転送レートの記録／再生を実現することができる。さらに第３実施形態によれば、トレンチ内で対向する２つの記録／再生用薄膜電極３２の間に電極間絶縁層３９を挿入する構成としていることにより、２つの記録／再生用薄膜電極３２の間の電気的な干渉を電極間絶縁層３９により抑制することができ、より安定な記録／再生特性を実現することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０，２０，３０…ＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ
１１，２１，３１…プローブ先端部
１２…記録／再生用スライス型電極
１３，２３，３３…絶縁層
１４，２４，３４…支持部
１５，２５，３５…レバー部
１６，２６，３６…レバー部電極アレイ
１７，２７，３７…ベース部
１８，２８，３８…ベース部電極アレイ
２２，３２…記録／再生用薄膜電極
３９…電極間絶縁層
１００…記録媒体
１０１…記録／再生ビット

Claims (7)

1. 記録媒体に対向するように配置され、該記録媒体に接触させて情報の記録／再生を行うプローブ先端部と、
   前記プローブ先端部との電気的および機械的接続を担うレバー部と、
   前記レバー部との電気的および機械的接続を担うベース部とを具備し、
   前記プローブ先端部には、
   前記記録／再生に用いられる電極と、該電極とともに前記プローブ先端部を形成する支持部とが交互に複数配置され、
   前記電極が角部を介して２面を有し、その２面が共に露出しており、
   前記電極および前記支持部が前記記録媒体に対向する同一平面をなし、前記記録媒体に接触する面に平行な前記プローブ先端部の任意の断面が互いに同一であることを特徴とするＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ。
2. 前記電極の材料を前記支持部よりも硬い材料とすることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ。
3. 前記電極と前記支持部との間に挟まれる絶縁層をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ。
4. 前記電極は、前記プローブ先端部の前記記録媒体に対する相対的な移動方向であるプローブスキャン方向に対して平行な方向に沿ってアレイ状に配置されることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ。
5. 前記レバー部は、前記プローブ先端部を第１の方向から支える第１のレバー部と、前記プローブ先端部を前記第１の方向に対向する第２の方向から支える第２のレバー部とを有することを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ。
6. 前記プローブ先端部は複数のトレンチを有し、前記電極は前記トレンチの中に形成されることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ。
7. 前記プローブ先端部は、前記レバー部から前記記録媒体の方向に突出するように設けられる請求項１に記載のＭＥＭＳメモリ用マイクロプローブ。

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