JPH06215425A - 記録再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 膜厚、膜質の変化に応じて最適記録または消
去条件を補正することができる。 【構成】 記録層情報に基づいて記録条件サーボ回路１
０において補正された記録電圧パルスをプローブ記録層
間に印加する。これにより、記録領域の層数が標準層数
からばらついている場合にも、層数の変化に対応して最
適記録電圧パルスの補正が実時間で行われ、ばらつきの
ない記録ビットが常に再現性よく形成または消去され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プローブと試料間に発
生するトンネル電流または力などによって表面情報を検
出する装置（Scanning Probe Microscopy , 以下、ＳＰ
Ｍという）を利用して情報を記録再生する装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＳＰＭは検出する物質により分類され、
トンネル電流、原子間力、静電気力、磁気力などの力、
光、静電容量など多種多様な物理量が検出対象となる。
いずれの場合も先端の尖ったプローブによって物理量を
検出する点で共通しており、０．１〜数十ｎｍの高い空
間分解能を示す検出法として近年急速に発展してきた。

【０００３】ＳＰＭの発展に伴い、ＳＰＭの原理を応用
した記録再生装置に関する提案が数多くされている。Ｓ
ＰＭの高い空間分解能を生かしＳＰＭプローブと記録層
の局部領域との間に発生する電流、電界、力などの刺激
によって１ｎｍ〜数百ｎｍの極微小記録ビットを形成し
再生することが可能となり、記録密度を飛躍的に高める
ことができる。

【０００４】記録方法としては、表面の物理的形状変化
と表面の電気的、磁気的、化学的、光学的状態変化とに
大別され、前者としてはプローブによる物理的変形、レ
ーザ光線、電子線など高エネルギー線による熱的変形、
高電界による電界蒸発、微粒子の付着など、後者として
はπ電子系有機化合物やカルコゲン化合物において見い
だされた電気的スイッチング現象（特開昭６３−１６１
５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報参
照）、シリコン窒化膜における電荷蓄積（米国特許第４
５７５８２２号明細書参照）、遷移金属酸化物、ビオロ
ゲン、スチリル類化合物、希土類ジフタロシアニン、ポ
リアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、金属−Ｔ
ＣＮＱ電荷移動錯体など各種酸化還元反応、酸化バナジ
ウム系結晶化ガラスを用いた結晶相，非結晶相変化など
が挙げられる。

【０００５】図４および図５は、それぞれ従来の記録再
生装置のシステムを示した図である。これらの図に示す
装置は、ＳＰＭプローブと記録層間に発生する力（図４
参照）またはトンネル電流（図５参照）をサーボ信号と
して記録層プローブ間の距離を制御し、記録層プローブ
間に電圧パルスを印加することにより記録または消去が
行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例において
は、記録または消去電圧パルス発生回路におけるパルス
幅、パルス高などの記録または消去条件は固定されてい
る。記録層に欠陥が存在せず膜厚、膜質が理想的に均質
である場合には問題はないが、記録層記録領域に膜厚、
膜質などのばらつきが存在する場合には最適記録または
消去条件がシフトすることによる形成ビットサイズのば
らつき、ビット記録または消去の失敗、更に深刻には絶
縁破壊、熱破壊などによる記録層、およびプローブの損
傷などの重大な問題を引き起こす可能性がある。

【０００７】本発明は上記従来例の引き起こす可能性の
ある問題に鑑みてなされたものであって、膜厚、膜質の
変化に応じて最適記録または消去条件を補正することが
できる記録再生装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、プローブと記録層の間に発生する電流、電
圧、力、光などの物理量を検出する手段と、前記プロー
ブと記録層の間の距離を制御する手段と、前記記録層表
面に相対して前記プローブが走査する手段と、前記記録
層に記録ビットを形成または消去する手段とを具備する
記録再生装置において、前記記録層上の記録領域、また
は記録領域近傍における記録層情報を検出する手段と、
該記録層情報に基づいて記録または消去条件を補正する
手段が備えられたことを特徴とする。

【０００９】また、前記記録または消去条件の補正手段
が、記録層信号の帰還制御による実時間補正であること
を特徴とする。

【００１０】尚、特許請求の範囲に記載の、検出する記
録層情報とは、各ＳＰＭモードにおいて検出されるトン
ネル電流、電界放射電流、接触電流、静電容量、原子間
力、磁気力、静電力、エバネッセント光など記録層の電
気的特性、磁気的特性、力学的特性、光学的特性、表面
形状、内部構造、膜厚などを反映する信号、あるいはそ
れらの変調信号である。これらの記録層情報の検出には
記録再生用プローブを利用してもよいし、新たに専用の
検出部を設けてもよい。また、記録層情報は記録または
消去直前に記録領域上で検出するか、記録領域間の移動
時に記録領域近傍において検出すればよい。

【００１１】また、補正する対象となる記録または消去
条件としては、記録または消去刺激である電気、光、磁
気、力などの刺激パルスの高さ、幅、形状あるいはパル
スを印加する高さ方向の位置などであり、これらのうち
の少なくとも一つに対して補正を行う。記録または消去
条件の補正は各記録領域ごとにおこなわれてもよいし、
例えば各記録領域列ごとのように、ある一定期間または
一定区間ごとに行われてもよい。

【００１２】

【作用】以上の構成の本発明では、記録ビットを形成ま
たは消去する前に記録領域または記録領域近傍において
膜厚、膜質を反映する記録層情報を検出することによ
り、この記録情報に基づいて記録または消去条件が補正
される。

【００１３】また、記録または消去動作中、各記録領域
における膜厚、膜質などの変化に対応して記録または消
去条件が実時間で補正され、それぞれの記録領域に対し
て最適の記録または消去条件が独立に設定される。

【００１４】

【実施例】

（第１実施例）本実施例においては記録層の検出情報と
してトンネル電流、電界放射電流、接触電流またはそれ
らの変調信号を記録条件へと帰還制御する場合について
説明する。図１は本発明の第１実施例を示すシステムブ
ロック図である。

【００１５】記録層１としてポリイミドを用いる。ラン
グミュア・ブロジェット法によって、単分子膜１０層の
累積膜を基板電極表面上に形成したものである。ポリイ
ミドは従来例で述べたπ電子系有機化合物の一種であり
電圧印加によって膜の導電性が可逆的に変化することが
知られており、消去可能な記録媒体として用いることが
できる。閾値以上の電圧を印加することによって導電率
が３桁〜４桁上昇することが図１に示すＳＰＭのシステ
ムにおいて確認されている。

【００１６】この閾値電圧は記録層の層数に依存して変
化することが実験的に確かめられており、最適記録電圧
も層数が多くなるにつれて上昇する。最適記録電圧以上
の電圧を印加するにつれて記録ビットも大きくなる傾向
が認められ、更に大きな電圧を印加すると絶縁破壊など
による記録層、プローブの損傷が認められる場合があ
る。したがって、従来例におけるように記録電圧パルス
が一定である場合、記録層の欠陥部において膜層数が少
なくなっている記録領域において、記録ビットサイズが
異常に大きくなったり、記録層、プローブに修復不能な
損傷が発生する可能性がある。

【００１７】そこで、本実施例において膜層数と検出電
流との間に認められる負の相関に基づいて、記録層情報
の一つである膜層数を反映する検出電流によって記録パ
ルス電圧を帰還制御することによって本発明の目的を達
成する。以下図１を用いて更に詳しく説明する。

【００１８】本実施例では検出力をサーボ信号として距
離を制御する方法について示す。導電性プローブ２を支
持する弾性部材３は片持ち梁型の板ばねであり、実際の
記録再生システムではマイクロメカニクス技術によって
同一基板上に集積化して形成される複数の弾性部材によ
り構成されるが、ここでは簡単のため一つにのみ注目し
て説明する。プローブ２を記録層１の表面に対して数十
ｎｍ〜数ｎｍ付近まで接近させるとプローブ２と記録層
１間に原子間力が発生し始める。この原子間力による片
持ち梁型の弾性部材３の弾性変形を光てこ方式、または
トンネル電流検出方式などの力検知センサー９によって
検出し、この検出力が常に一定になるように距離サーボ
回路７を介して記録層プローブ間にて距離微動機構４を
帰還制御することによってプローブ記録層間の距離を一
定に保持することができる。

【００１９】この方法では検出力が引力領域（プローブ
記録層間距離＞０）と斥力間領域（プローブ記録層間距
離＝０、すなわち接触）の場合があるが、検出感度に優
れる斥力領域において使用されることが多い。また弾性
部材３の弾性定数を記録層１の表面に比べてはるかに小
さく設定することによって距離微動機構４による帰還制
御なしでもプローブと記録層の接触状態をほぼ一定に保
つことが可能である。

【００２０】以上のようにしてプローブ記録層間距離を
一定に保持した状態（接触状態を含む）で再生バイアス
発生回路５によって記録層１と導電性プローブ２との間
に記録閾値以下のバイアス電圧を印加し発生する電流を
電流電圧変換回路、対数変換回路よりなる電流検出回路
８により検出する。検出された電流は本発明において新
たに設けられた記録条件サーボ回路１０に導かれる。

【００２１】記録条件サーボ回路１０では、差分回路に
よって記録層の標準層数である１０層に相当する標準電
流値との差分信号が出力された後、予め実験的に求めら
れている膜層数と検出電流間の負の相関に基づいて設定
される補正係数による掛け算回路などを含む換算回路に
よって記録電圧補正サーボ信号が形成され、この補正信
号電圧が記録パルス発生回路６において標準パルス電圧
に加算される。

【００２２】以上のようにして補正された記録電圧パル
スをプローブ記録層間に印加することによって、記録領
域の層数が標準層数からばらついている場合にも、層数
の変化に対応して最適記録電圧パルスの補正が実時間で
行われ、ばらつきのない記録ビットを常に再現性よく形
成または消去することができる。

【００２３】不図示の水平方向変位手段によってプロー
ブを移動しながら順次記録ビットを形成する。記録層情
報による記録条件の補正は記録電圧パルス印加中を除く
一連の記録動作中定常的に行われてもよいし、タイミン
グ信号によって記録直前に記録領域上で検出するか、記
録領域間の移動時に記録領域近傍において検出してもよ
い。または各記録領域列ごとのように、ある一定帰還ま
たは一定区間ごとに行われてもよい。記録電圧パルスは
パルス幅を記録条件サーボ回路１０の帯域外に設定する
ことによってパルス印加中一定の値を保持している。パ
ルス幅が大きくサーボ回路の帯域内に含まれる場合には
サンプルホールド回路によって記録条件を一定値に保持
する必要がある。

【００２４】記録ビットの再生は不図示の水平信号変位
手段によってプローブを移動しながら順次各記録領域に
おける再生信号を検出する。再生信号は検出電流回路８
より出力され、ＯＮビット上において３桁から４桁の電
流増加に対応する信号変化が得られる。

【００２５】（第２実施例）本実施例においては記録層
の検出情報として電気容量を記録条件へと帰還制御する
場合について説明する。図２は本発明の第２実施例を示
すシステムブロック図である。

【００２６】記録層１はシリコン基板上に形成されたシ
リコン酸化膜、シリコン窒化膜によって構成される。ボ
ロンドープのＰ型シリコン［１００］基板上にＨＣｌに
よる化学的処理によりシリコン酸化膜１〜２ｎｍ形成し
た後ＬＰＣＶＤ（低圧ＣＶＤ）によってシリコン窒化膜
を３０〜５０ｎｍ形成する。この窒化膜はトラップ準位
を豊富に含んでおり、図２に示すようなＳＰＭのシステ
ムにおいてプローブ記録層間に記録電圧パルスを印加す
ることによって窒化膜中に電子がトラップされ、逆極性
の電圧パルスを印加することによって放電されることが
確認されており消去可能な電荷蓄積型記録媒体として注
目されている。

【００２７】再生は記録領域における容量を検出するこ
とによって行う。電荷の蓄積によって発生する過電圧に
よってＰ型シリコン基板界面に発生する空乏層の発生閾
値電圧がシフトする。したがって適当な再生バイアス電
圧下で空乏層の発生状態に対応して変化する記録層の容
量を検出することによって蓄積電荷の有無を検出するこ
とができる。

【００２８】この電荷の蓄積領域サイズは窒化層、酸化
層の膜厚、およびシリコン界面でのドーピングレベルの
ムラによって変動するため、所望のビットサイズを得る
ための最適記録電圧も対応して変動する。最適記録電圧
以上の電圧を印加するにつれて記録ビットが急激に大き
くなる傾向にあるため従来例におけるように記録電圧パ
ルスが一定である場合、記録層のばらつきが記録ビット
サイズに顕著に反映されてしまう可能性がある。

【００２９】そこで本実施例においては上述した記録層
のばらつきに応じて変化する特定バイアス下での容量を
検出し、この検出容量またはその電圧微分信号によって
記録パルス電圧のパルス高またはパルス幅を帰還制御す
ることによって本発明の目的を達成する。以下図２を用
いてさらに詳しく説明する。

【００３０】本実施例は検出力をサーボ信号として距離
を制御する方法について示しているが距離制御の説明に
ついては第１実施例と同様のため省略する。記録層１と
導電性プローブ２間に再生バイアス発生回路５による記
録閾値以下のバイアス電圧と変調バイアス発生回路１２
による変調バイアスを重畳した状態で、記録層の容器を
ＬＣ共振器、ロックイン検出器などで構成される容量検
出回路１１により検出する。検出された容量またはその
電圧微分信号は本発明において新たに設けられた記録条
件サーボ回路１０に導かれる。

【００３１】記録条件サーボ回路１０では、差分回路に
よって記録層の標準容量（微分）値との差分信号が出力
された後、予め実験的に求められている補正係数による
掛け算回路などを含む換算回路によって記録電圧パルス
高補正サーボ信号が形成され、この補正信号電圧が記録
パルス発生回路６において標準パルス電圧に加算され
る。また本実施例の電荷蓄積型記録の場合には、制御対
象となる記録条件としてパルス高の代わりにパルス幅を
補正するようにしてもよい。

【００３２】以上のようにして補正された記録電圧パル
スをプローブ記録層間に印加することによって、記録層
にばらつきがある場合にも、記録層の変化に対応して最
適記録電圧パルスの補正が実時間で行われ、ばらつきの
ない記録ビットを常に再現性よく形成することができ
る。

【００３３】（第３実施例）図３は、本発明の第３実施
例を示すシステムブロック図である。上述の第１および
第２実施例では距離の制御を力検出によって行ったが、
図３に示すように検出電流をサーボ信号として距離とし
て制御してもよい。この場合電流検出回路８から記録条
件サーボ回路１０へ出力される記録層信号は一定電流制
御の場合には設定電流の差分出力に相当するいわゆるト
ポ信号、一定高さ制御の場合には検出電流であるカレン
ト信号である。

【００３４】再生バイアス、または距離制御信号に変調
信号を加算し応答電流成分をロックイン検出することに
よって、記録層信号として膜形状、膜厚にはよらない電
子状態密度、または障壁高さなどの電子状態を反映する
膜質を設定することも可能である。

【００３５】以上の実施例ではすべての記録条件に関す
る補正について述べてきたが、消去可能な記録方式にお
いて消去条件に対する補正に関しても記録条件の場合と
全く同様の方法による補正が可能であることはいうまで
もない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したような本発明では、記録層
情報信号を記録または消去条件へ帰還制御する機構を設
けることにより記録または消去動作中、各記録領域にお
ける膜厚、膜質などの変化に対応して記録または消去条
件を実時間で補正しそれぞれの記録領域に対して最適の
記録または消去条件を独立に設定することが可能にな
り、記録層記録領域に膜厚、膜質などのばらつきが存在
する場合に問題であった最適記録または消去条件シフト
に伴う形成ビットサイズのばらつき、ビット記録または
消去の失敗、絶縁破壊、熱破壊などによる記録層、およ
びプローブの損傷なくばらつきのない記録ビットを常に
再現性よく形成または消去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すシステムブロック図
である。

【図２】本発明の第２実施例を示すシステムブロック図
である。

【図３】本発明の第３実施例を示すシステムブロック図
である。

【図４】従来の記録再生装置のシステムを示した図であ
る。

【図５】従来の記録再生装置のシステムを示した図であ
る。

【符号の説明】

１ 記録層 ２ 導電性プローブ ３ 弾性部材 ４ 距離微動機構 ５ 再生バイアス発生回路 ６ 記録パルス発生回路 ７ 距離サーボ回路 ８ 電流検出回路 ９ 力検知センサー １０ 記録条件サーボ回路 １１ 容量検出回路 １２ 変調バイアス発生回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢野 亨治 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブと記録層の間に発生する電流、
   電圧、力、光などの物理量を検出する手段と、前記プロ
   ーブと記録層の間の距離を制御する手段と、前記記録層
   表面に相対して前記プローブが走査する手段と、前記記
   録層に記録ビットを形成または消去する手段とを具備す
   る記録再生装置において、 前記記録層上の記録領域または記録領域近傍における記
   録層情報を検出する手段と、 該記録層情報に基づいて記録または消去条件を補正する
   手段が備えられたことを特徴とする記録再生装置。
2. 【請求項２】 記録または消去条件の補正手段が、記録
   層信号の帰還制御による実時間補正であることを特徴と
   する請求項１に記載の記録再生装置。