JPH04241240A

JPH04241240A - 原子記録装置及び記録方法

Info

Publication number: JPH04241240A
Application number: JP191691A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kikukawa; 敦菊川; Akira Imura; 亮井村; Motoi Aoi; 青井　基; Masakazu Ichikawa; 昌和市川; Shigeyuki Hosoki; 茂行細木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-01-11
Filing date: 1991-01-11
Publication date: 1992-08-28

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はファイルメモリ等の情報
ストレッジ装置およびその情報の記録方法に係り、特に
大容量の情報を記録、再生、書き換え可能とする記録装
置および記録方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ファイルメモリとしては磁気デイ
スク、磁気テ−プ等が一般的に使用されている。それら
の装置に記録できる情報量、すなわち記録容量は年々増
加の一途をたどっており、現在では数十ギガバイトまで
達している。しかし、近年の情報化社会の進展は目覚ま
しく、さらに多くの情報を記録できる技術の開発が要求
されている。それは、これらの情報記録装置には、記録
密度に限界があるためである。

【０００３】このような状況のもと、多くの新しい情報
記録技術が提案されている。そのような技術の中で将来
有望な技術として、走査型トンネル電子顕微鏡（　Ｓｃ
ａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　：　ＳＴＭ　）の技術を利用し
たものがある。走査型トンネル顕微鏡の技術は、米国特
許第４，３４３，９９３号に詳しく開示されている。

【０００４】走査型トンネル顕微鏡の技術を利用した記
録技術の例は、アプライド　　フィジックス　　レタ−
ズ（　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ　）第５５巻　　第１３号　　（１９８９年）　　第
１３１２頁から第１３１４頁に示されている。そこでは
、トンネル電流の発生に使う極めて微細な金属針で記録
媒体に機械的に微小な穴をあけて情報の記録を行い、そ
の穴をＳＴＭで検出することにより読みだす。また別の
例としては、特開昭６１−８０５３６号公報に開示され
ている技術がある。そこでは、結晶表面に対する原子の
吸着、解離の現象を利用し、結晶表面の吸着原子により
２進情報を記録し、ＳＴＭにより吸着原子の有無を読み
取るものである。原子の吸着方法としては、従来の電子
工学装置によって発生される電子ビ−ムや走査型トンネ
ル顕微鏡で利用される先端が極めて小さい金属針による
トンネル電流により吸着させるべき原子を負にイオン化
し、正に帯電している結晶表面に吸引させる。また、吸
着している原子を解離させるには、同様な手段で吸着原
子またはその近傍を電気的に活性化して、吸着原子を中
性化し結晶表面との間の吸引力を消失させる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
従来技術においては情報の記録を機械的に形成した穴で
行っているために情報記録に長時間を要する、一旦形成
した穴を消去することが不可能なために書き換えが出来
ない、穴の大きさが原子レベルよりもはるかに大きい等
の問題がある。また後者の従来例においても、原子の吸
着、解離に電気的な力を利用しているため、原子が最終
的な安定状態に到達するのに長時間を要する。そのため
、高速化が要求される情報記録において、記録時間が長
くなる欠点がある。そして、原子の吸着、解離という手
段を用いた記録装置において、最も大きな課題は、情報
の位置決め手段がないこと、情報の記録、再生の際の走
査手段がないこと、そして情報を再利用可能な形で使用
する書き換え手段がないなどの欠点があることである。

【０００６】本発明の目的は、上記従来の技術が有する
技術的課題を解決し、新規な記録装置および記録方法又
は再生装置又は記録再生装置のいずれかを提供すること
にある。即ち、結晶格子の規則的な原子配列を利用する
ことにより情報の位置決めを可能とし、高速で情報の記
録が行うことができる記録装置および記録方法、同一の
場所に何度でも新しい情報を記録することができる書き
換え可能性を有し、かつ情報記録の単位が原子レベルで
ある超高密度な記録装置および記録方法又は再生装置又
は記録再生装置のいずれかを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の一局面によれば、情報の位置決めに情報を
蓄積する結晶表面の所望の結晶方位の原子配列を利用し
て、情報を記録するための記録手段と、上記結晶表面か
ら情報を検出するための検出手段とを有する記録装置が
提供される。また、本発明の限定された局面によれば、
本発明の記録装置は以下のような手段を有する。

【０００８】■原子もしくは分子の規則配列方向に沿っ
て原子もしくは分子の操作を行うことにより、情報の記
録及び検出を行う手段を有する。

【０００９】■情報の記録手段と検出手段は、記録媒体
に対しそれぞれ速度検出手段と位置検出手段を有する。

【００１０】■記録媒体は、原子・分子が規則的に配列
した結晶格子を情報格納の手段として有する。

【００１１】■情報の記録及び検出手段は、記録媒体面
の原子もしくは分子の除去あるいは付着を行う手段を有
する。

【００１２】■記録情報の単位は、単一あるいは複数の
原子もしくは分子以外に異種原子もしくは分子を操作す
る手段を有する。

【００１３】■情報の記録及び検出手段は、記録媒体面
の分子の化学反応あるいは構造変化を行う手段を有する
。

【００１４】■情報の記録及び検出すなはち原子もしく
は分子の操作は、微細な電極針を用いることにより原子
分子の電解蒸発を行う手段を有する。

【００１５】■記録媒体面における情報の検出は、電界
、磁界、力などの物理量を手段として用いる。

【００１６】■記録媒体上の原子分子操作によって、原
子分子の再配置及び原子分子層の除去を行う手段を有す
る。

【００１７】１０記録媒体面において原子もしくは分子
の配列に沿った情報格納を行う手段を有する。尚、この
ように情報を格納する領域の単位をトラックと呼ぶ。

【００１８】１１原子・分子操作による情報格納の起点
を表す符号と情報格納状態を示す領域を手段に有する。

【００１９】１２情報格納領域の置いて、記録媒体欠陥
に対する予備領域を格納手段として有する。

【００２０】１３情報記録媒体において原子もしくは分
子の配列規則化手段を有する。

【００２１】１４情報記録の再現性確立手段として、記
録媒体に層状物質を用いる。

【００２２】

【作用】情報格納を行う結晶表面における規則的な原子
配列の方向に沿って情報の記録／検出を行うことは、記
録／検出情報の位置決めが行えるように作用する。さら
に、本発明の上記手段によって以下のような作用がある
。

【００２３】■原子もしくは分子の規則配列方向に沿っ
た操作は、情報格納のアドレスを決定するように作用す
る。

【００２４】■速度検出手段と位置検出手段は情報操作
のアクセス手順を決定するように作用する。

【００２５】■規則的な結晶格子は、二次元平面におい
て格納情報の番地付けが出来るように作用する。

【００２６】■媒体面上での原子もしくは分子の除去及
び付着は、２進記録情報の１、０に対応するように作用
する。

【００２７】■異種原子分子の操作を行うことは、多値
記録が可能となるように作用する。■電界蒸発を行う電
極針は、原子及び分子の除去、付着操作に作用し、情報
の記録再生操作に作用する。

【００２８】■記録媒体面における原子・分子の再配置
及び原子分子層の除去は、記録情報の消去手段として作
用する。

【００２９】■原子もしくは分子配列に沿った情報格納
手段は、記録情報のトラック位置決定に作用する。そし
てトラック情報とデ−タ情報とを示す作用がある。

【００３０】■情報格納の予備領域は、媒体欠陥を救済
するように作用する。

【００３１】１０原子分子の配列規則化手段は、たとえ
ば転位のような結晶欠陥を除去できるように作用する。またさらに、記録媒体を層状物質とすることは、情報記
録の繰返しを可能とする。

【００３２】以上の動作により、原子・分子レベルの記
録密度を持つ高速かつ書き換え可能な不揮発性メモリが
実現できる。

【００３３】

【実施例】以下に、本発明を実施例により詳細に説明す
る。

【００３４】実施例　　１図１は、記録媒体として単純立方格子を持つ結晶の（１
００）面を用いた例を示している。この例においては、
トラック方向は（０１０）方向（図１中の３）を向いて
いて、隣接するトラックは（００１）方向（図１中の３
’）に存在する。即ち、トラックを走査するときは（０
１０）方向に、トラック間を移動する走査においては（
００１）方向である。この例においては、記録面の２次
元正方晶系の基本並進ベクトルを２次元走査の方向にと
ったが、走査の方向としては、基本並進ベクトルの一次
結合により作られるこの他のベクトルの組合せであって
も良いことは、言うまでもない。図２は、記録面に正六
方晶系が現われている例である。この例においても走査
の方向として、基本並進ベクトルをとっても良いがそれ
以外のベクトルの組でも基本並進ベクトルの１次結合に
よって得られるものならば良い。

【００３５】実施例　　２図３は、記録及び検出手段を媒体面に対して走査する方
法を説明している。図３においてはここで説明する走査
方法に関する以外の大部分の機構は省略されている。こ
こでは、記録及び検出手段は同一の探針を用いる場合を
例に挙げている。記録媒体１０１に対向する探針１０２
は、媒体表面に沿ってトラック方向あるいはトラック間
を走査する。探針の速度または位置はセンサ１０３よっ
て検出される。センサとしては、例えば、光干渉計を用
いれば１ｎｍ程度の分解能を得ることができる。センサ
の信号は速度検出機１０４に入力され、速度検出機はこ
の入力を元に速度（方向、速さ）を走査制御装置１０５
に出力する。同装置にはアクセスを行なう位置に関する
情報も別系統を通じて入力される。これらの情報を用い
て同装置は目的の位置にアクセスし、トラックを的確に
走査するための信号を探針駆動装置１０６に送る。

【００３６】図４は、記録及び検出手段を媒体面に対し
て走査する別の方法を説明している。図４においてはこ
こで説明する走査方法に関する以外の大部分の機構は省
略されている。ここでは、記録及び検出手段は同一の探
針を用いる場合を例に挙げている。記録媒体２０１に対
向する探針２０２は、媒体表面に沿ってトラック方向あ
るいはトラック間を走査する。ここで示している装置の
特徴は、探針の速度や位置を検出するセンサを持たず、
換りに探針が検出した信号を元に現在の走査の状態を知
るための手段を備えていることである。探針が検出した
信号は、雑音低減と信号増幅を行なう信号処理装置２０
３を経た後に、メモリ２０４に一定時間保持される。メ
モリの内容は探針の動きに伴って常に更新される。従っ
て、ファ−ストインファ−ストアウト型のものが効率的
である。信号解析装置２０５は、このメモリの内容を常
に参照しつつ走査の状況を判断し、走査の状態を修正す
る補正信号を走査制御装置２０６に出力する。同装置に
はアクセスを行なう位置に関する情報も別系統を通じて
入力される。これらの情報を用いて同装置は目的の位置
にアクセスし、トラックを的確に走査するための信号を
探針駆動装置２０７に送る。このようなプロセスの一例
を挙げる。一定の速さで走査を行ない、また、得られる
信号として自己同期可能なスペクトル、すなわち輝線ス
ペクトルを持つ場合を考える。仮りに、走査する方向が
トラックから少しずれたとすると、走査によって得られ
る信号のスペクトルは全体に低周波側にシフトする。こ
のシフト量は、輝線スペクトルの場合は容易に知ること
ができるので、これが最小になるように走査を補正する
。

【００３７】なお、以上に述べた装置はあるセクタある
いはレコ−ドから他のセクタあるいはレコ−ドに直接移
動する能力を持っていることは明らかである。

【００３８】実施例　　３図５は、結晶表面の原子を除去あるいは表面に付着させ
ることによって記録を行なっている様子を説明している
。図５（ａ）は、単純立方格子の（１００）を記録面に
用い、ある格子点の原子を除去することにより記録を行
なった例である。図５（ｂ）は、媒体表面に正六方晶系
を用いた例であり、１ビットの記録を行なうのに隣接す
る２つの格子点から原子を除去した様子を説明している
。２つ以上の原子を除去して同様な記録を行なえること
は言うまでもない。図５（ｃ）は、Ｓｉ結晶の表面にＣ
ｌを一層結合させた記録媒体に記録を行なった例で、あ
る部分の断面を示している。５で示される点は表面のＣ
ｌ原子のみを除去することにより記録を行なった部分で
ある。６で示される点はＣｌ原子の下のＳｉ原子も取り
去ることにより記録を行なった部分である。これにより
多値記録も行なえることは明らかである。また、除去す
るのが分子であっても良いことは言うまでもない。

【００３９】図６（ａ）は、極細い探針を用い、結晶と
探針の間の電界により結晶表面の原子を電界蒸発させる
ことにより記録を行なう様子を説明している。図６（ｂ
）は、電界を逆転させ、探針先端の原子を電界蒸発させ
この原子を結晶表面の空孔に埋め込むことにより記録を
行なう様子を説明している。埋め込む原子を記録媒体と
同じものにすれば、情報の消去あるいはオ−バ−ライト
ができることは明らかである。また、電界蒸発させた原
子を表面に付着させることによっても記録を行なえる。

【００４０】図７は、複数の記録及び検出の手段を並列
して一つの駆動系に接続した例である。これにより、並
列させて記録及び検出を行なえるので装置の高速化が可
能である。また、駆動部を共通とすることにより装置を
小型化、簡略化できる。

【００４１】図８は、情報の消去方法を説明している。図８（ａ）は、記録動作により作られた空孔に原子を埋
め戻すことにより情報を消去する様子を説明している。また、図８（ｂ）は、情報が記録されている結晶表面層
を全て除去することにより情報を消去する様子を説明し
ている。除去するのが必要に応じて複数の層でも良いこ
とは言うまでもない。

【００４２】実施例　　４図９は、前記の原子もしくは分子が規則的に配列した記
録媒体上に確保されたトラックの様子を説明している。図９において横手方向に延びる大きな長方形１つがトラ
ック１つを表している。各トラックは、先頭にトラック
の起点を表す符号（インデックス３０１）を持っている
。続く残りの部分に装置として記録すべき情報が記録さ
れるが、この部分は更に詳細な構造を持っていて、情報
格納の利便性を向上させている。

【００４３】図１０は、全トラックの情報記録部が同一
の長さのデ−タ部に区切られている場合のトラックの構
造を説明している。トラックの先頭には、トラックの起
点を示すインデックス４０１に続いて、ｎ個の情報記録
部（これをセクタと呼ぶ）が続く。各セクタ更に、ＩＤ
部（ＩｄｅｎＴｉｆｉｃａｔｉｏｎ部）４０２とデ−タ
部４０３から成る。ＩＤ部には、そのセクタが所属して
いるトラックを判別する符号と各セクタを判別するため
の符号、それにそのセクタの使用の可否（欠陥により使
用できないこともある）の情報が記録されている。デ−
タ部には、装置が記録すべき情報が記録されている。こ
の情報には必要に応じて符号訂正コ−ドを付加しても良
いことは言うまでもない。尚、本方式は全トラックの全
セクタが同一の長さを持っているので固定長方式と呼ぶ
。

【００４４】図１１は、トラックによってデ−タ部が異
なる長さを持つ場合のトラックの構造を説明している。トラックの先頭は、トラックの起点を示すインデッスが
あり、続いてホ−ムアドレスがある。ここには、トラッ
ク使用の可否（欠陥が多く使用できない場合もありうる
）、各トラックを判別する符号、デ−タ部の長さが記録
される。続いてデ−タ部を含むレコ−ドがｎ個続く。各レコ−ドは、装置が記録すべき情報を記録するデ−タ
部とトラック内における各レコ−ドを判別する符号等を
記録するレコ−ド制御部５０３から成る。ただし、先頭
のレコ−ド（レコ−ド０）は、媒体欠陥救済などの特別
な目的に使われることもある。この方式は、トラックに
よってデ−タ部の長さが変えられるので可変長方式と呼
ぶ。

【００４５】次に、トラックの一部に欠陥が存在し、記
録が正常に行なえない部分がある場合の対策について述
べる。これは、固定長方式と可変長方式とで若干異なる
が、基本的には欠陥部に替わる記録領域を指示すること
である。

【００４６】固定長方式においては、デ−タ部に欠陥が
存在するセクタのＩＤ部にそのむねを示す符号と替わり
のセクタの位置を記録する。替わりのセクタはあらかじ
めこのような場合に備えて確保しておく。

【００４７】可変長方式においては、トラック中に欠陥
が存在した場合にはホ−ムアドレスにそのむねを示す符
号と替わりのトラックの位置を記録する。トラック全体
を放棄するのは、可変長方式においてはトラックによっ
てレコ−ドの長さが異なる可能性があるので、替わりの
レコ−ドをあらかじめ確保することができないことによ
る。ただし、同一トラック内で替わりのレコ−ドが確保
できる場合には、単にそのレコ−ドを使用しないことに
する。欠陥レコ−ドの位置はレコ−ド０に記録される。

【００４８】図１２は、記録媒体である結晶の表面付近
にエッジディスロケ−ションが存在した場合の救済方法
を説明している。余分な原子面を取り除くことによって
使用に耐える表面を作り出している。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、原子レベルの状態を利
用して情報を記録するため、原子レベルの超高密度な記
録装置を実現できる。そして、微細な原子レベルの情報
記録である上に、かつ結晶格子の規則的な原子配列を特
定して情報の位置付けを行う記録であるので、情報の格
納および不揮発性を確保することが可能である。ちなみ
に、本発明の記録装置を用いると、１０ミクロン×１０
ミクロンの領域に記録密度にして約１×１０１５ビット
／ｃｍ２のメモリ装置が実現可能となる。また、原子レ
ベルの記録に要する時間は、ＳＴＭ探針の走査に要する
時間が高速であるため、原理的に極めて高速な記録をも
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原子配列に沿った情報の記録・検出を
示す図である。

【図２】別の原子配列に沿った情報の記録・検出を示す
図である。

【図３】探針の走査方法を説明する図である。

【図４】別の探針走査方法を示す図である。

【図５】原子の除去・付着による情報の記録及び検出を
表す図である。

【図６】電界蒸発による原子の除去、付着、埋め込みを
説明する図である。

【図７】複数の探針による高速原子操作を表す図である
。

【図８】原子、原子層操作による情報の消去を説明する
図である。

【図９】インデックス及びトラックを説明する図である
。

【図１０】記録デ−タ固定長方式における情報記録を説
明する図である。

【図１１】記録デ−タ可変長方式における情報記録を説
明する図である。

【図１２】記録媒体欠陥の修正及び救済方法を表す図で
ある。

【符号の説明】

１…原子、２…結晶格子（六方晶）、３…情報の操作方
向、４…原子欠如部５、６…原子欠如部（多値記録の場
合）、７…ＳＴＭ探針、８…供給物質、９…結晶欠陥（
転位）、１０１…記録媒体、１０２…探針、１０３…セ
ンサ−、１０４…速度検出機、１０５…走査制御装置、
１０６…探針駆動装置、２０３…信号処理装置、２０４
…メモリ、２０５…信号解析装置、２０６…走査制御装
置２０７…探針駆動装置、３０１…インデックス、３０
２…情報記録部、４０２ＩＤ１、４０３…セクタ１、４
０４…ＩＤｎ、４０５…セクタｎ、５０２…ホ−ムアド
レス、５０３…レコ−ド制御部０、５０４…デ−タ部０
、５０５…レコ−ド制御部ｎ−１、５０６…デ−タ部ｎ
−１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】情報を蓄積、保持する記録媒体となりうる
規則的、周期的な原子もしくは分子配列を有する物質に
おいて、原子もしくは分子の規則配列方向に沿って原子
もしくは分子の操作を行なうことにより、情報の記録及
び検出を行なう手段を有することを特徴とする記録装置
。
【請求項２】請求項１に記載の記録装置において、前記
記録媒体面に対し前記記録手段及び前記検出手段が移動
する速度を検出する速度検出手段と、あるいは前記記録
媒体面に対する前記記録手段及び前記検出手段の位置を
検出する位置検出手段とのいずれかまたは両方を有する
ことを特徴とする記録装置。
【請求項３】請求項１に記載の記録装置において、前記
記録手段及び前記検出手段は前記記録媒体の表面に現わ
れる２次元結晶格子の所望の結晶方位に沿って、前記結
晶表面の、一つあるいは複数個の原子もしくは原子群、
一つあるいは複数の分子もしくは分子群の除去あるいは
付着を行なうことにより２値あるいは多値情報の記録及
び検出を行うことを特徴とする記録装置。
【請求項４】請求項１に記載の記録装置において、前記
記録手段及び前記検出手段は前記記録媒体の表面に現わ
れる２次元結晶格子の所望の結晶方位に沿って、前記結
晶表面において、異種原子もしくは分子の除去あるいは
付着を行なうことにより２値あるいは多値情報の記録及
び検出を行うことを特徴とする記録装置。
【請求項５】請求項１に記載の記録装置において、前記
記録手段及び前記検出手段は前記結晶表面の所望の結晶
方位に沿って、前記結晶表面の分子の化学反応、あるい
は分子構造の変化によって情報の記録及び検出を行なう
こと特徴とする記録装置。
【請求項６】請求項１に記載の記録装置において、前記
記録手段及び前記検出手段は単一あるいは複数の微細な
電極針と前記記録媒体面との間に印加した正負の電界に
より原子もしくは分子を電界蒸発することにより情報の
記録及び検出を行なうことを特徴とする記録装置。
【請求項７】請求項１に記載の記録装置において、前記
検出手段は前記記録媒体面に記録された情報を電流、電
圧、電界、磁界、力、静電容量、熱、温度、音響、光、
歪波からなる物理量群から選択される少なくとも１つの
物理量の変化を検出することにより情報の検出を行なう
ことを特徴とする記録装置。
【請求項８】請求項１に記載の記録装置において、前記
記録媒体面に前記記録手段により前記記録媒体面に生じ
た原子あるいは分子の欠損部に原子もしくは分子を再配
置することにより情報の消去を行なう手段を有すること
を特徴とする記録装置。
【請求項９】請求項１に記載の記録装置において、前記
記録媒体面の原子もしくは分子の一層あるいは複数の層
を除去することによって情報消去を行う手段を有するこ
とを特徴とする記録装置。
【請求項１０】請求項１に記載の記録装置において、前
記記録媒体は前記原子もしくは分子配列に沿った、複数
のトラックを有することを特徴とする記録装置。
【請求項１１】請求項１に記載の記録装置において、前
記トラックは、該トラックの起点を表す符号と前記トラ
ックの状態を示すデ−タ及び複数のデ−タ部を有するこ
とを特徴とする記録装置。
【請求項１２】請求項１に記載の記録装置において、前
記デ−タ部は前記情報が記録されている位置及びデ−タ
部の状態を示すデ−タと前記情報からなることを特徴と
する記録装置。
【請求項１３】請求項１に記載の記録装置において、単
一または複数の前記トラックあるいはデ−タ部に記録媒
体欠陥が存在する領域においては、異なるトラックある
いはデ−タ部を提供する手段を有することを特徴とする
記録装置。
【請求項１４】請求項１に記載の記録装置において、所
望の前記情報が記録されている位置に、前記記録手段及
び前記再生手段を移動させる手段を有することを特徴と
する記録装置。
【請求項１５】請求項１に記載の記録装置において、前
記記録媒体面に原子もしくは分子の配列に不規則配列が
存在する領域においては、該不規則配列を修正する手段
を有することにより情報の記録及び検出を行なうことを
特徴とする記録装置。
【請求項１６】請求項１に記載の装置において、前記情
報の記録媒体は原子もしくは分子を規則的、周期的に配
列した層状物質であることを特徴とする記録装置。