JPH0349087A

JPH0349087A - 記憶装置

Info

Publication number: JPH0349087A
Application number: JP18429089A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kajimura; 梶村　宏
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-07-17
Filing date: 1989-07-17
Publication date: 1991-03-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の利用分野］本発明は、ＩＣプロセス等を用いて基板上に形成された
多数のトンネル電流探針が相対する記録媒体上を走査し
て情報を書き込みまたは読み込む記憶装置に関し、詳し
くはこのトンネル電流探針の数を数１００から数１００
０本に増加しても記録媒体上を有効に走査し、数１００
ギガビツトにも及ぶ大記憶装置を提供するもの。

［従来技術］公知のトンネル顕微鏡（ＳＴＭ）では、試料とトンネル
電流探針との間に直流電圧を引加しトンネル電流探針の
先端を試料面から数ｎｍ以下に接近させるとトンネル現
象によって試料面とトンネル電流探針との間に電子が移
動する。

又スタンフォード大のＣ，Ｆ、ＱＵＡＴＥ等は、この試
料を適当な記録媒体に置き換えることにより、原子また
は分子レベル密度の記憶装置を提案シ、更にこのトンネ
ル電流探針をＩＣプロセスで圧電駆動体を組み込んだ長
さ１０００μｍ１幅２０μｍ、厚さ５μｍなるカンチレ
バーの先端に配置しＳＴＭとして外部振動に対して安定
に作動する装置を発表している。出願人等は、このカン
チレバーの先端のトンネル電流探針の数を多数にして、
記憶容量を探針の本数倍に又、カンチレバーの数を複数
本同−ＩＣ基板上に形成することで更に倍増させた記憶
装置を提案している。

［本発明が解決すべき課題］かかるカンチレバーの本数を同一基板に増加させること
で記憶容量を増加することができるが、本発明に属する
記憶装置は、記録／再生による記憶装置はトンネル電流
探針の走査距離に比例するもので、カンチレバーの利点
である先端探針の走査距離はカンチレバーの長さに依存
し、長い程走査距離を増加できる。このことはカンチレ
バー上、全体に探針を設けたとしても先端から根元に行
くにしたがって走査距離は減少するので先端部分の面積
のみが有効になり、カンチレバーの長さを長くすると装
置全体の面積に比し効率が低下する。

また先端に大きな面積を設は多数のトンネル電流探針を
配するとカンチレバー動作が不安定になり、本来の安定
性も失われる欠点を有している。

［本発明の課題を解決する手段と作用］本発明は、第１
の基板と第２の基板を間隔部材により近接、配置して構
成される装置であって、第１の基板にはトンネル電流探
針をカンチレバーの先端に多数配置することなく基板の
中央の数１角なる面積にＩＣプロセスで数１００本から
数１０００本をマトリックス状に構成したトンネル電流
探針群を配置し、このトンネル電流探針群の周囲を短形
状にエツチング等でトンネル電流探針群を本体基板から
探針基板を切り離した課程で、同時に複数本の等長の平
行配置されたカンチレバ一体を本体基板から延在するよ
うに形成し、この平行カンチレバーの先端において前記
の探針基板を平行保持するように連結させる。

また、これら平行カンチレバ一体には、圧電駆動体を、
また他部分のＩＣ基板を含めてトンネル電流検出回路や
圧電駆動体のドライバー回路や、バッファーメモリー、
記録・再生回路や外部内部との入出力回路等、適宜ＩＣ
プロセスにて構成される。

また本発明の第２の基板には、上記のプロセスと同様に
トンネル電流探針群に相対峙する記録媒体をトンネル電
流探針群に置き換えて構成し、必要に応じ同じく平行カ
ンチレバーにより保持した、記録媒体基板を設けている
。

また、いずれの平行カンチレバーと探針基板または記録
媒体基板との連結部はヒンジ構造を備え、平行カンチレ
バーに設けられた複数の圧電駆動体により平行カンチレ
バーの先端が各々同一方向に左右に振動する際、前記の
探針基板または記録媒体基板の各々全体がカンチレバー
先端の変位を伴って振動しやすくしている。

従って、トンネル電流探針が有効に走査され配置される
面積はカンチレバーの先端に限らず、装置全体の相当部
分の面積をトンネル電流探針配置に使用でき、カンチレ
バー先端と同等の振幅を与えることができる。またこの
探針基板および記録媒体基板は、少なくとも２本の支持
点を持ち安定に動作する。上記のトンネル電流探針また
は記録媒体基板の有効面積を例えば　３．２ｍｍＸ３．
２ｆｆｌＩ１１　　角とし、トンネル電流探針を０．８
μｍピッチで配置すれば　１６Ｘ１０６本となり、また
１本のトンネル電流探針が走査する距離を　０．４μｍ
としてｌＱｎｍピッチの記録ドツト密度で使用できとし
、探針基板と記録媒体基板が２次元で相対移動する際に
、２５６Ｘ１０’ビツトすなわち２５．６ギガビツト、
５ｎｍピッチの記録ドツト密度では、１０２．４ギガビ
ツトの巨大容量の記憶装置を提供できる。

［実施例コ本発明の第１の実施例を第１図乃至第４図を参照して説
明する。第１図は、第１基板の上面図、第２図は第２基
板の底面図であり、第２基板は、第１基板と外形寸法、
形状を同じであり、第１基板を９０度回転した位置にあ
り、後述するように両者を積層する。１及び１１は、平
面度を高度に維持されたシリコン基板部分上の、各々５
ｍｍＸ５ｍｍ角をベースに構成されたチ゛ツブをなして
いる。

また２及び１２は、各々１及び１１の四辺の相対する２
辺に沿って各々１．１１の隅４．４より平行に延長して
いるカンチレバ一体３（または１４）、３（または１４
）の先端に、ヒンジ部５．５を介して平行度を維持して
１．１１の中央部に位置して保持された３１Ｉ１１ない
し４ｍｍ角の面積からなる探針基板と媒体基板である。

すなわち基板１または１１は第１のコ字状溝６と、コ字
状溝に向かい合う第１のコ字状溝６より小型の第２のコ
字状溝７の２個のコ字状溝をエツチング等の加工により
成形し、更にヒンジ部５は、第１のコ字状溝６の側では
半円弧８と第２の二字状溝７の先端を円形溝９としてい
る。半円溝８と円形溝９は、レバー体３の先端を細目に
探針基板２または媒体基板１２と接続している。　　第
３図は第１図および第２図に示す基板１．１１、探針基
板２、媒体基板１２等を所定のスペーサ１３．１５を介
して紙面が合わされように重なり合った積層とし、矢印
Ｓ１の一点鎖線で示す位置での切断した断面図を示す。

第４図は、その積層を第１図矢印Ａの方向よりみた積層
を示す図。

スペーサ１３は基板１または１１にのみ、ポリシリコン
、ＡＩ等を蒸着して所定の厚さとして、あるいは導電層
として構成することで探針基板２、と媒体基板１２とを
所定の間隔でお互いに相面して保持するとともに、必要
に応じお互いの電気的接続部をも構成している。

第５図は、カンチレバ一体３（また１４）の−部を拡大
した構造を示す斜視図で、第６図はＳ２−点鎖線におけ
る断面図を示す。３１．３１及び３２．３２は圧電体３
０を挟んで蒸着等により帯状にカンチレバ一体３に沿っ
てカンチレバ一体３の上に形成している電極で、図示さ
れない配線により制御回路３００に接続され、相対する
電極３１．３１に電圧を印加できるようになっており、
溝１０で分離されたの圧電駆動体３３．３４が形成され
ている。

３５．３６は、カンチレバ一体３の長手方向に並んで配
置された電極で、第７図は、第２図矢印Ｓ３におけるそ
の断面図で、圧電体３０の中央部および下表面には、電
極３５．３６に対向して電極３５．３６に平行にそれぞ
れ電極３９．３９および電極３７．３８が構成されてお
り、電極３５．３６．３７．３８には図示されない配線
で電極３９．３９（連続体でよい）をコモンとして制御
回路３００に接続され、電極３５．３９．３７のベアー
及び電極３６．３９．３８のベアーでそれぞれ圧電バイ
モルフ４０．４１を構成している。

２本の平行するカンチレバ一体３の先端のヒンジ部５．
５に支持される探針基板２の中央部には半導体プロセス
で基本とするリソグラフィー、蒸着、エツチング等の加
工技術によりミクロンメータ、サブミクロンメータの寸
法で２次元格子状に独立した導電性の探針１θ０−Ｘ　
（１００−１，１００−２，１００−３、、、、）　（
Ｘ・１．２，８．、、、以下探針群１０００という）が
形成されている。最近のシリコンプロセスの進歩テの低
温プロセスの開発等により、基板上のローカルな領域で
の平坦度はｎｌｌルベルに維持されることが期待でき、
またスタンフォード大で開発された半導体プロセスによ
る探針針の形成方法を基にすれば、平板部材２の上の３
　、　２　ｍｍＸ　３　、　２　ｌｌｌｌ１１の領域１
００内に０．８μｍピッチで配置すると、４００Ｘ４０
０＝１６Ｘ１０’本の探針を配置できる。探針群１００
０の各々は図示されない導体配線で、また必要に応じて
後述する信号処理のためグループ化され、探針基板２の
周辺（場合によっては、探針のある領域の１部を置き換
えて）に設けられたマルチプレクサ−または増幅機能を
含む選択回路４００に導かれる。選択回路４００からは
枠体１の基板上に設けられた入力回路５００に、ヒンジ
部５、レバ一体３を介して、多層配線で導かれるか、ま
たはコ字状溝６の空間を介して相対するトランスミッタ
、レシーバ対を相対峙し光等を用い入出力回路６００と
交信するように構成する。

以上前記した電極、探針、配線、各回路等は、半導体プ
ロセスにより適宜のステップに分けて作られる。第２図
の媒体基板１２は探針基板２と対向して配置される領域
１００とほぼ同じ面積にわたって平滑な表面をもって電
荷を高密度でトラップする媒体面２００を構成し、前述
の探針群１０００の先端に接近して対峙する。基板１１
と媒体基板１２とを連結するカンチレバ一体１４．１４
は前記の圧電駆動体３３．３４と同じ構造の圧電駆動体
１５．１６を設け、図示されない配線で制御回路３００
に接続される。第８図にカンチレバー体３または１４の
他の実施例をしめす。相異なるところは、第４図、第５
図の矢印８２部分の断面図で明らかな様に電極３１，３
１間の分離部分にある溝１０を省略しである。電極３１
．３１．３２．３２に接続される圧電駆動体３３．３４
の制御回路３００の中の駆動回路３０１を第９図にしめ
す。駆動信号Ｖ０１は２個の電圧増幅器３０２．３０３
に入力される。電圧増幅器３０２．３０３は、２乃至３
０Ｖの正負の２電源より給電されており出力端子３０４
と出力端子３０５からは逆相出力となるＶｌｌとＶ１２
が出力される。圧電駆動体３３の電極３１．３２に出力
端子３０４．３０５を接続し、圧電駆動体フ３４の電極
３Ｌ、３２には出力３０５．３０５の順で接続される。

第１０図（ａ）に示す駆動信号ＶＯＩのピーク値Ｖでは
、圧電駆動体３３の電極３１．３２の間に電界Ｅを生じ
、駆動信号ＶＯＩは制御回路３００の出力端子３０７よ
り供給される所定の周期ｆｏ１を有する。

一方、圧電駆動体１５．１６においても同様な電圧増幅
器と同様な電極との間に結線関係をもって接続されてい
るが、駆動信号ＶＯ２は第１０図（ｂ）のようにその周
期ｆ０２を、ｆ　０１＝２Ｎ　ｆ　０２　（Ｎは整数）
の関係を有し、Ｎの階段波振幅とする入力信号であり制
御回路３００の出力端子３０９より供給される。

圧電バイモルフ４０゛、４１はコモン電極３９と各々の
上面の電極３５．３６、また各々の下面の電極３７，３
８の間にサンドイッチされた圧電体３０により、２枚の
張り合わされた複合圧電バイモルフであり、電極と駆動
電源等から前記の回路３０００を第１２図（ａ）および
、第１２図（ｂ）に示す。

第１図及び第４図で前述した探針基板１上の四隅の探針
１００−１．１００−ａ、１００−ｂ、１００−ｃ、の
内、ヒンジ部５に近い探針１００−１　（または探針１
００−Ｃ）は　圧電体バイモルフ４０を駆動するための
トンネル電流探針であり、トンネル電流検出回路３１１
を介してサーボ回路３１２に入力される。　サーボ回路
３１２の出力電圧ＶＯ３はコモン電極３９に対し、電極
３５．３７に正逆Ｖ１３、−Ｖ１３が印加されるように
電極３５には増幅器３１０へ、電極３７にはインバータ
３０９を介して別の増幅器３１０に印加される。

一方、ヒンジ部５から最も離れた探針１００−ａ　（ま
たは探針１００−ｂ　）は圧電体バイモルフ４１を駆動
するために設けられたトンネル探針でありその検出回路
３１３を介しサーボ回路３１４に入力される。サーボ回
路３１４の出力電圧ＶＯ４はコモン電極３９に対し、電
極３６．３８に正逆−Ｖｉａ、＋ＶＩＳが印加されるよ
うに電極３８には増幅器３１０へ、電極３６にはインバ
ータ３０９を介して別の増幅器３１０に印加される。

第１３図において、探針基板２の探針群１００の内、上
記の探針　（１００−１，１００−ａ、１００−ｂ、１
００−ｃ　）以外の探針は、媒体基板１２に設けられた
記録媒体上の個々の情報を読み込むように選択回路４０
０を介して電流検出回路群２θ０に導かれる。

図中、ＲＥＦ入力は、探針、回路の構造上の７マラツキ
や、選択制御に必要に応じて用いられる。

また、探針基板上には、単純に多数に探針１００−Ｘと
リード配線が配置される。一般に充分容量の大きいメモ
リー素子は、多層配線とともに第１４図に示すように、
探針群１００−Ｘ　（ｘ＝ｎ、ｎ＋１．ｎ＋２．、、。

、）を群でまとめて、デマルチプレクサ４０１で制御し
、トンネル電流検出には更に群でまとめてゲ−）４０２
出力で選択回路４００を介し出力をコントロールしても
よい。これらコントロールは、制御回路３００により公
知の方法で行える。

また、探針基板２と媒体基板１２のトンネル電流領域へ
の接近・維持には、圧電体にバイモルフ４０及び４１を
置き換えて、第３図または第４図にしめずスペーサ１３
．１５を圧電駆導体を兼ねることにより、バイモルフ４
０．４１と同じ制御をすることも可能である。

以上の構成の本発明の記憶装置は、トンネル探針及び圧
電駆動体、制御回路、トンネル電流検出回路等各電子回
路に［１１！圧が投入され、制御回路３０００制御端子
３０６より出力される駆動信号ｆ０１により、探針基板
２を支持する平行カンチレバー３．３の圧電駆動体３３
．３４は、おのおのの電極３１．３２に極性の異なる電
圧または、電圧差を有する電圧Ｖｌｌ、Ｖ１２が交互に
印加されると溝１０を挟む一対の圧電駆動体３３と圧電
駆動体３４を交互に伸縮し、−本のカンチレバーとして
、左右に湾曲させる。２本のカンチレバーは、平行して
媒体基板２を同じ方向に湾曲し、探針基板２は、全体を
カンチレバー３の先端の振幅分だけ左右に平行移動する
。一方媒体基板１２は平行カンチレバー１４が平行カン
チレバー３と直交するように延在配置され、支持されて
いるので、カンチレバー１４による同様な駆動により両
基板は、相互に２次元の移動を得る。従って、探針基板
２上の２次元に配列した探針群１ｏｏｏの探針１００−
ｘの各々は、媒体基板１２の相対する媒体面に振幅に基
づく面積範囲を走査する。

一方、第１１図に示すように、制御回路３００から圧電
バイモルフ４０．４１へ印加される駆動電圧Ｖ１３、Ｖ
１４＊タハＶ１５、Ｖｉａｌ；！、以下ニノヘルように
、各探針１００−Ｘと媒体基板１２の媒体にトンネル電
流が流れる距離に、探針基板２と媒体基板１２を平行に
接近させるようにサーボをかけながら印加される。

すなわち、本装置は電源が投入される前は、探針基板２
と媒体基板１２は、製造上所定の間隔で離間しトンネル
電、流は、流れない。電源投入後、制御回路３００はは
圧電バイモルフ４１の電極３６．３８の各々にコモン電
極３９にたいして、所定の電圧差が生じるように与えて
行（と、電極間の圧電体３０の上下層の伸縮ＸＳ２、Ｌ
２がＸＳ２＜ＸＬ２となるように上層が下層に比し短（
なりカンチレバー１４の湾曲で先端が持ち上がり、先端
に近い探針１００−１　（または１００−Ｃ）が最初に
トンネル領域に近ずく。次ぎに、この探針１００−１　
（または１００−Ｃ）トンネル電流領域の所定の電流Ｉ
０１に維持されるように、検出回路３１１は、サーボ回
路３１２を作動させ増幅器３１０は■１８（またはｖ１
５）を圧電バイモルフ４１に出力する。１方圧電バイモ
ルフ４０の電極３５．３７の各々にコモン電極にたいし
ては電圧Ｖ１４が印加され、圧電バイモルフ４１に作用
したのとは逆に上下層で伸縮ＸＬＩ、ｘｓｉはＸＬＩ＞
ＸＳＩとなり、カンチレバー１４の先端は降下する方向
に湾曲する。探針１００−１　（または１ｏｏ−ｃ　＞
をトンネル電流Ｉ０１を維持しながら上述のように圧電
バイモルフ４０を作用して行くと、圧電バイモルフ４１
は、矢印Ｐ４１の方向に、また圧電バイモルフ４０は矢
印Ｐ４０の方向にカンチレバー１４の位置を移動しなが
ら、探針基板２と媒体基板１２は探針１００−１のトン
ネル電流一定の距離で両者を平行になるようサーボ回路
３１２（３１５）、３１４　（３１６）作動していく。

すなわち、定常状態においては、探針群１０００はトン
ネル電流領域での距離で、媒体と対峙し、第１３図に示
すように適宜グループ化された探針（１００−２，１０
０−３，１００−４，、、、、）に印加電圧■をあたえ
ると、各探針１００−　Ｘは、対向する媒体が所定の状
態にあるとき、検出回路２００−Ｘによりトンネル電流
を検出できる。

既に述べたように、探針基板２と媒体基板１２はお互い
に直交する方向に圧電駆動体３３．３４を駆動しカンチ
レバー３．１４をもって、平行走査でき、探針１００−
Ｘ　（Ｘ＝、、、５．Ｌ、、、　　）ｉｔ、上記のトン
ネル電流領域の距離で対峙していると第１３図に示す媒
体１２上の矢印のように走行し、媒体の所定の状態Ｍの
位置では対応する検出回路２００−Ｘ　（Ｘ−、、、，
５，６，、、、）はトンネル電流を検出する。

探針は、各々媒体基板１２または探針基板２の走査振幅
で決まる自己の走査領域を有し、振幅を０゜８μｍとし
、媒体の記録密度を２ｎｍとすれば１振幅内に４００ｂ
　ｉ　ｔ　ｓ、走査領域内に１６×１０’ｂｉｔｓの情
報゛を処理することができる。

これら探針は第１０図の駆動信号の走査系のタイミング
に合わせる公知の方法で制御回路３００により群として
デマルチプレクサ４０１、ゲート４０２等により制御さ
れ媒体上の情報を記録・再生処理する。

［発明の効果コ本発明によれば、ＩＣプロセスにより平坦な基板上にサ
ブミクロンのオーダのピッチでトンネル電流探針を設は
探針基板を、同じ＜ＩＣプロセスの一環で作成された圧
電駆動体を含む平行カンチレバーで記録媒体上を走査す
ると、平行カンチレバーの先端の振幅で探針基板全体が
平行移動し、各々□のトンネル電流探針が有効な走査を
得て、同一の一体基板に同一のＩＣプロセスで形成され
た回路と協同して数ギガビットのワンチップ記憶装置を
構成する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本実施例の探針基板を含む第１基板の上面図
、第２図は、媒体基板を含む第２基板の底面図、第３、
及び第４図は、第１基板と第２基板を積層した側面図、
第５図は、カンチレバーと探針基板または媒体基板を接
続するヒンジ部の斜視図、第６図は、カンチレバーの矢
印Ｓ２での断面図、第７図は、カンチレバーの矢印Ｓ３
での断面図、第８図は、カンチレバーの他の実施例、第
９図は、カンチレバーを左右に湾曲する圧電体駆動回路
、第１０図（ａ）、（ｂ）は、平行カンチレバーの駆動
信号を示す図、第１１図は、探針基板と媒体基板を接近
させる作用を説明する図、第１２図（ａ）、（ｂ）探針
基板と媒体基板を接近させる圧電バイモルフの駆動回路
、第１３図は、探針群の媒体からの情報読出し回路を示
す図、第１４図は、探針をグループ化する回路を示す図
。２・・・・・・探針基板　　　　１２・・・・・・媒体
基板３．１４・・・・・・平行カンチレバー１３．１５
・・・・・・スペーサー３３．３４・・・・・・圧電駆動体４０．４１・・・・・・圧電バイモルフ１０００・・・
・・・探針群　　２００・・・・・・媒体領域３１２．
３１４，３１５，３１６・旧・・サーボ回路３００・・
・・・・制御回路　　４００・旧・・選択回路第１図＠２　図第３囚第６図第１０図第１図第図第９　区（０）第１２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）多数の２次元に配列されたトンネル電流探針群を
設けた第１の基板と、前記トンネル電流探針群に対向す
る部分に記録媒体を設けた第２の基板と、前記第１の基
板と第２基板との間を所定の間隔に保つためのカンチレ
バーおよび保持部材とからなる記憶装置において、前記カンチレバーは少なくとも２本の等しい長さで、平
行に配置された平行カンチレバーからなり前記第１及び
第２の基板のいずれか又はそれぞれは、前記平行カンチ
レバーの２つの先端に支持され、前記平行カンチレバー
の他の２つの終端は前記保持部材に支持され、前記平行
カンチレバーは、複数の圧電駆動体を備え、第１または
／および第２基板を各々の面に沿って平行移動するよう
に構成されたことを特徴とする記憶装置。
（２）前記各々の平行カンチレバーは、互いに直交して
設けられていることを特徴とする第１請求項の記載の記
憶装置。
（３）いづれか一方の平行カンチレバーには、第１基板
上のトンネル電流探針群のトンネル電流探針先端で決ま
る仮想平面と、第２基板上の記録媒体平面をトンネル電
流探針と記録媒体との間にトンネル電流が流れるように
近接し、平行を維持せしめる圧電駆動体を備えたことを
特徴とする第１および第２請求項記載の記憶装置。