JPH06267120A - マルチプローブヘッド及びこれを具備する記録再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 汚染層の有無に関わらずに、各プローブの電
流検出を安定して行うことのできる記録再生装置を実現
すること。 【構成】 先端に導電性ティップを有する弾性体プロー
ブを複数本有するマルチプローブヘッドと、マルチプロ
ーブヘッドと対向配置された記録媒体と、弾性体プロー
ブと情報記録媒体との間に流れる電流を検出する信号検
出回路と、弾性体プローブ先端と情報記録媒体との接触
状態を検出するプローブ接触回路と、プローブ接触回路
の出力によりマルチプローブヘッドと情報記録媒体間の
相対移動を行うアクチュエータと、プローブ接触回路の
出力と信号検出回路の出力により弾性体プローブの先端
に設けられたティップの先端の汚染層を検出し、該汚染
層が確認された弾性体プローブ先端のティップと情報記
録媒体間に電圧を発生させるプローブ再生回路とを有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、先端に導電性ティップ
を有するプローブを複数個構成したマルチプローブヘッ
ドとこれに対向する記録媒体との物理的相互作用により
情報の書込みまたは読み出しを行なう記録再生装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、導体の表面原子の電子構造を直接
観察できる走査型トンネル顕微鏡（以後、ＳＴＭと略
す）が開発され［Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ ｅｔ ａｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ，４９，５７（１９８２）］、
単結晶、非晶質を間わず実空間像の高い分解能の測定が
できるようになった。

【０００３】ＳＴＭは金属の探針（ティップ）と導電性
物質間に電圧を加えて１ｎｍ程度の距離まで近づけたと
きに流れるトンネル電流を利用している。この電流は両
者の距離変化に非常に敏感である。トンネル電流を一定
に保つように探針を走査することにより実空間の全電子
雲に関する種々の情報をも読み取ることができる。この
とき面内方向の分解能は０．１ｎｍ程度である。

【０００４】したがって、ＳＴＭの原理を応用すれば十
分に原子オーダー（サブ・ナノメートル）での高密度記
録再生を行なうことが可能である。例えば、特開昭６１
−８０５３６号に開示されている記録再生装置では、電
子ビーム等によって媒体表面に吸着した原子粒子を取り
除いて書き込みを行ない、ＳＴＭによりこのデータを再
生している。

【０００５】また記録層として電圧電流のスイッチング
特性に対してメモリ効果を持つ材料、例えばπ電子系有
機化合物やカルコゲン化合物類の薄膜層を用いて、記録
・再生をＳＴＭで行なう方法が提案されている［特開昭
６３−１６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３
号公報参照］。これらの方法によれば、記録のビットサ
イズを１０ｎｍとして、１０¹²ｂｉｔ／ｃｍ²もの大容
量記録再生が可能である。さらに、小型化を目的とし、
探針の付いたプローブを複数本、半導体基板上に形成
し、これと対向する記録媒体上でプローブを変位させて
記録する装置が提案されている（特開昭６２−２８１１
３８号公報、特開平１−１９６７５１号公報参照）。

【０００６】例えば、１ｃｍ²角のシリコンチップ上に
２５００本のプローブを５０×５０のマトリック配置し
たマルチプローブヘッドと上述したメモリ効果を持つ材
料を組み合わせることにより、探針１本当たり４００Ｍ
ｂｉｔ、総記録容量１Ｔｂｉｔのディジタルデータの記
録再生が行なえる。

【０００７】この際、この探針を長さ数１００μｍ程度
のカンチレバー（片持ちばり）上に取り付け、このカン
チレバー状のプローブを圧電体で構成し、駆動する方法
が考えられている。従来この様なカンチレバーの作製法
としては、半導体プロセスを応用し、一つの基板上に微
細加工を施す加工技術を用いて圧電体薄膜、金属膜等の
多層構造を有するカンチレバーを作成する方法があった
（T.R.Albrecht et al. "Microfabrication of integra
ted scanning tunneling microscope" ; Proceedings o
f 4th International Conference on scanning tunneli
ng microscope/spectroscopy 1990）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
複数のプローブを有するマルチプローブヘッドとこれに
対向する媒体を組み合わせて記録再生等の情報処理を行
うためには以下の問題点があった。

【０００９】マルチプローブヘッド複数本のプローブの
プローブ先端のティップの特性を均一にしておく事は記
録再生に於いて必須である。何故なら、ＳＴＭを応用し
た記録再生に於いてはティップと対向する記録媒体間を
流れる電流を検出して記録再生とプローブ位置制御を行
っているからである。マルチプローブヘッドをＩＣプロ
セス等の微細加工で作成する場合、プローブ先端の導電
性ティップは通常リフトオフ法やエッチング法で作成さ
れる。このときプロセスにより導電性ティップ先端に絶
縁性の汚染層（コンタミ層）が形成されてしまう事があ
った。このコンタミ層が導電性ティップ先端に形成され
てしまうと、 （１）プローブによって検出される電流信号のレベルが
ばらつき、信号の再生や制御が困難となる。 （２）ティップと対向する記録媒体間に電圧印加を行っ
て記録を行う場合には記録媒体でなく汚染層に電界が集
中し記録がうまく行われなくなる。 （３）絶縁性の汚染層が厚い場合、ティップと記録媒体
間に電流が全く流れず、記録再生、プローブ制御がほと
んどできなくなってしまう。 といった問題点が生じる。

【００１０】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点に鑑みてなされたものであって、汚染層の有無
に関わらずに、各プローブの電流検出を安定して行うこ
とのできる記録再生装置を実現することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の記録再生装置
は、情報記録媒体に情報を記録し、該記録された情報を
再生する記録再生装置において、先端に導電性ティップ
を有する弾性体プローブを複数本有するマルチプローブ
ヘッドと、前記マルチプローブヘッドと対向配置された
記録媒体と、前記弾性体プローブと前記情報記録媒体と
の間に流れる電流を検出する信号検出回路と、前記弾性
体プローブ先端と前記情報記録媒体との接触状態を検出
するプローブ接触回路と、前記プローブ接触回路の出力
によりマルチプローブヘッドと前記情報記録媒体間の相
対移動を行うアクチュエータと、前記プローブ接触回路
の出力と前記信号検出回路の出力により弾性体プローブ
の先端に設けられたティップの先端の汚染層を検出し、
該汚染層が確認された弾性体プローブ先端のティップと
前記情報記録媒体間に電圧を発生させるプローブ再生回
路と、を少なくとも有することを特徴とする。

【００１２】この場合、弾性体プローブが圧電体と電極
を積層した圧電バイモルフ構造体または圧電ユニモルフ
構造体とし、プローブ接触回路をプローブのアドミタン
ス変化から接触を検出するものとして構成してもよい。

【００１３】本発明のマルチプローブヘッドは、上記の
ような記録再生装置に用いられるマルチプローブヘッド
において、プローブ電流信号の信号検出回路と、弾性体
プローブ先端と対向する記録媒体の接触を検出するプロ
ーブ接触回路とを各プローブ毎にマルチプローブヘッド
上に構成したことを特徴とする。

【００１４】この場合、弾性体プローブが圧電体と電極
を積層した圧電バイモルフ構造体または圧電ユニモルフ
構造体とし、プローブ接触回路をプローブのアドミタン
ス変化の検出回路として構成してもよい。

【００１５】上記のいずれのマルチプローブヘッドにお
いても、アドミタンス変化を検出する回路を発振器、電
流検出抵抗、検出抵抗を流れる電流検出回路により構成
してもよい。

【００１６】

【作用】上記のように構成される本発明の記録再生装置
においては、ティップ先端に汚染層が形成されている場
合には、プローブ再生回路によって、該ティップと情報
記録媒体との間に電圧が発生される。これにより、汚染
層は該印加電圧により電界蒸発され、その後は良好な記
録、再生を行うことが可能となる。

【００１７】

【実施例】

［実施例１］次に、本発明の実施例について図面を参照
して説明する。

【００１８】図１は本発明によるマルチプローブを有す
る記録再生装置の構成を示す図である。

【００１９】本実施例に示す記録再生装置は、記録媒体
と、これに対向して設けられたプローブの間にバイアス
電圧を印加した際に流れるトンネル電流を検出する複数
本のプローブを用いたものである。

【００２０】図１に従い記録再生装置の構成について説
明する。図中、１０２は記録媒体であり、これに接近し
てマルチプローブヘッド１０１が対向して設けられてい
る。マルチプローブヘツド１０１には複数（ｎ）本のプ
ローブ１００が形成されており、ＸＹ方向の駆動機構で
あるＸＹアクチュエータ１０３を介して構造体１０４に
取り付けられている。

【００２１】一方、記録媒体１０２は、基台１０６に載
置され、その上面にはトラッキングパターン（凹凹状の
トラックもしくは表面電子状態の異なるパターン）１０
５が刻まれている。基台１０６はこれを上下方向及び
α、β方向に回動させるＺアクチュエータ１０７を介し
て、構造体１０４に取り付けられている。マルチプロー
ブヘッド１０１は４×４のマトリックス状にプローブを
並ベたＳｉ製マルチプローブヘッドである。１０１のマ
ルチプローブヘッドは図２に示すように１６ヶのプロー
ブ１００を集積化した構造である。

【００２２】各プローブはＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電体薄
膜、金属膜の薄膜を積層したカンチレバー型アクチュエ
ータであり、逆圧電効果により電圧印加でＺ方向に変位
する。（カンチレバー型アクチュエータの詳細と作成法
は後述する）またカンチレバーの一端には先鋭な導電性
のティップが形成され、対向する記録媒体間の電流を検
出する。

【００２３】図２は、４×４のマトリックス状にプロー
ブを並ベたＳｉ製マルチプローブヘッドである。１６ヶ
のプローブ１００はＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電体簿膜、金
ー膜の薄膜を積層したカンチレバータイプのアクチュエ
ータであり、逆圧電効果により電圧印加でＺ方向に変位
する。またカンチレバーの一端には先鋭な導電性のテイ
ツプ３０１が形成され、対向する記録媒体間のトンネル
電流を検出する。プローブ１００は、上述した作製工程
により、Ｘ方向１ｍｍ、Ｙ方向２００μｍのピッチで形
成されている。

【００２４】マルチプローブヘッドの作成について図３
を用いて説明する。

【００２５】図３（ａ）は、図２のマルチプローブヘッ
ドの内、一本のプローブ構造であり、図３（ｂ）は、図
３（ａ）中Ａ−Ｂの断面図である。図中４０１はＳｉ基
板、４０２、４０８はＳｉＮ_x層、４０３、４０５、４
０７は駆動用電極、４０４、４０６は圧電体薄膜、４０
９はブロープ先端の導電性ティップ、４１０はティップ
用電極である。このカンチレバーはバイモルフ構造を有
し、逆圧電効果により電圧印加で変位する。以下にその
作製行程を記す。

【００２６】まず、Ｓｉ（１００）基板（厚さ０．５μ
ｍ）上に、ＣＶＤ法によりＳｉ₃Ｎ₄膜を０．１５μｍの
厚さに成膜した。使用した原料ガスはＳｉＨ₂Ｃｌ₂：Ｎ
Ｈ₃（１：９）であり、基板温度は８００℃であった。
次に、フォトリソグラフィーおよびＣＦ₄ドライエッチ
ングにより、Ｓｉ₃Ｎ₄を所望の形状にパターニングし
た。続いてＣｒを０．０１μｍ、Ａｕを０．０９μｍ成
膜させ、フォトリソグラフィー法およびウェットエッチ
ング法によりパターニングした。続いてスパッタ法で圧
電体薄膜ＡｌＮを０．３μｍ成膜させた。ターゲットは
Ａｌを用い、Ａｒ＋Ｎ₂雰囲気でスパッタした。さらに
フォトリソグラフィーとＡｌ用エッチング液によるウェ
ットエッチングでパターニングした。その後、上記工程
を繰り返し、結局Ｓｉ基板−Ａｕ／Ｃｒ−ＡｌＮ−Ａｕ
／Ｃｒ−ＡｌＮ−Ａｕ／Ｃｒのバイモルフ構造を形成し
た。

【００２７】さらに保護層としてアモルファスＳｉＮを
０．１５μｍＣＶＤ法により成膜させた。その後、タン
グステン（Ｗ）ティップを蒸着法で作製した後、ＫＯＨ
によるＳｉの異方性エッチングを用いて、Ｓｉ₃Ｎ₄がつ
いていない部分を除去し、カンチレバーを作製した。最
後にＷティップをＰｔコーティングした。一本のカンチ
レバーの寸法は、長さ５００μｍ×幅５０μｍで、Ｚ方
向の固有振動数は２．３ｋＨｚ、１Ｖ印加時のバイモル
フの平均変位量は１．５μｍであった。

【００２８】このカンチレバー型プローブを４×４ケ、
計１６個マトリックス状に作製し、さらにＳｉウェハ上
の各カンチレバー型プローブ近傍にＩＣプロセスを用い
てトンネル電流検出アンプを構成し、マルチプローブヘ
ッド１０１とした。

【００２９】次に、マルチプローブヘッド１０１に対向
した記録媒体１０２の構成について説明する。

【００３０】記録媒体１０２に半導体プロセス等の微細
加工により短冊状のトラッキングバターンが刻まれてい
る。記録媒体１０２の基板電極上にはＸ方向に２μｍピ
ッチで幅２００ｎｍ、深さ３０ｎｍの凹溝がＹ方向に長
さ５０μｍに渡って刻まれている。記録媒体１０２とし
ては、電圧電流のスイッチング特性に対し、メモリ効果
をもつ材料を用いた。基板電極としてガラスや雲母など
の平担な基板上の金のエビタキシャル成長面を用いる。
この上にトラッキング用凹溝を形成し、この上に記録媒
体としてスクアリウムーピスー６−オクチルアズレン
（以下ＳＯＡＺと略す）を用い、ラングミュア・ブロジ
ェット法により、単分子膜２層の累積膜をこの基板電極
上に形成し記録媒体１０２とした。

【００３１】再び図１にもどり本実施例の記録再生の概
略について説明する。

【００３２】記録再生の際、マルチプローブヘッド１０
１の各プローブは、対向する記録媒体とトンネル電流が
流れる程度まで近づけられる。このとき、各プローブか
らのトンネル電流信号１２１はプローブヘッド制御回路
１１１を介して距離制御回路１０８に入り、距離制御回
路１０８は各プローブと対向する記録媒体間の距離を一
定とするＺ方向駆動信号１０９を出力する。

【００３３】各プローブをＺ方向に独立に駆動するため
のＺ方向駆動信号１０９は、カンチレバー駆動回路１１
０を経て各圧電体カンチレバーの電極に印加される。さ
らにＺ方向駆動信号１０９を基に、傾き補正回路１１２
はマルチプローブヘッド１０１と記録媒体１０２間の傾
きを補正する。また、走査回路１１５は記録再生時にＸ
Ｙ走査信号１１６によりプローブヘッド１０１を記録媒
体１０２に対してＸＹ方向に走査する。このとき、各プ
ローブ１００が検出するトンネル電流変化からトラッキ
ングパターンのエッジ位置をトラッキング制御回路１１
７で検出し、トラッキングパターン１０５とマルチプロ
ーブヘッド１０１との位置ずれをＸＹアクチュエータ１
０３で補正する。この状態で各プローブと記録媒体１０
２間のトンネル電流を変調し、記録媒体１０２上に記録
ビットを形成する。

【００３４】１１３、１１４は本発明の特徴であるプロ
ーブ接触検出回路、電圧印加回路である。

【００３５】図４はプローブ接触検出回路１１３の構成
を示す図である。図４を用いて本記録再生装置における
プローブ接触検出回路１１３の詳細を説明する。

【００３６】プローブ接触検出回路全体のシーケンスは
プローブヘッド制御回路１１１からのタイミングにより
制御されている。図４において２０１は第１の選択回路
である。選択回路２０１は各プローブをＺ方向に駆動す
る駆動電極に接続されている。前述のように各プローブ
はカンチレバータイプの圧電体アクチュエータであり、
このプローブの駆動電極に電圧を印加することでアクチ
ュエータはＺ方向に変位する。選択回路２０１は上述し
たようにこの駆動電極に接続されており、プローブの中
から一本のプローブが順次選択される。選択されたプロ
ーブの駆動電極はアドミタンス検出回路２０２に接続さ
れている。

【００３７】アドミタンス検出回路２０２は選択された
プローブの駆動電極間のアドミタンスを測定するもの
で、アドミタンス測定のためアドミタンス検出回路２０
２は交流のスィープ信号２０３を発生し、選択したプロ
ーブのＺ方向駆動電極に信号を印加する。スィープ信号
２０３の交流電圧の周波数はカンチレバーの固有振動数
と同じに選ぶ。カンチレバー先端部がフリー状態におい
てカンチレバーのＺ方向の一次の固有振動数ｆｒは ｆｒ＝0.162×（Ｅ／ρ）^1/2×ｔ／Ｌ² ここで、 Ｅはカンチレバーのヤング率 ρはカンチレバーの密度 ｔはカンチレバーの膜厚 Ｌはカンチレバーの長さ となる。

【００３８】通常この値は数ｋＨｚから数十ｋＨｚの値
となる。スィープ信号２０３の周波数がこの固有振動数
にほぼ一致した場合、Ｚ方向の屈曲運動のエネルギーは
最小となって、カンチレバー先端の変位は最大となり、
カンチレバーの駆動電極間のアドミタンスは最大になっ
て極大点となって観測される（図５Ａ参照）。

【００３９】このときカンチレバーのティップ先端が接
触し、言わば、片持ち梁から両持ち梁に変化すると固有
振動数は高い側にシフトする。このとき、周波数ｆｒに
おいてアドミタンスは減少する（図５Ｂ参照）。そこ
で、周波数ｆｒで駆動を行ってアドミタンス変化を検出
することによりカンチレバー先端の記録媒体との接触を
検出できる。選択回路２０１で順次プローブを選択し、
各プローブのアドミタンスを測定し、プローブ番号に対
応させて測定した各プローブのアドミタンスをメモリ２
０４にストアする。

【００４０】傾き補正回路２０５は接触したプローブ番
号を基にマルチプローブヘッド１０１と記録媒体１０２
間の傾きを補正する。具体的にはＺアクチュエータをＺ
方向に並進させながらアドミタンス検出回路２０２はプ
ローブの接触を検出し、接触したプローブ番号からマル
チプローブヘッドをα回転、β回転する位置制御信号
（２０６、２０７）を発生する。例えば図２に示したマ
ルチプローブヘッド１０１でプローブ１００₁₃、１００
₁₄、１００₂₃、１００₂₄のプローブの一本が真っ先に接
触した場合、α回転’−’、β回転’＋’方向にマルチ
プローブヘッドを回転する。このとき、プローブ先端の
ティップを支持する部材として記録媒体表面の弾性定数
より小さい弾性定数を有する弾性体カンチレバー（弾性
定数＜０．１Ｎ／ｍ程度）を用いることにより全プロー
ブを一括で記録媒体に接近の際、弾性体カンチレバーの
変形により両者の間に働く力を一定レベル以下にでき、
接触の際、記録媒体表面やティップ電極の損傷を防いで
いる。

【００４１】この様な回転補正を繰り返して全てのプロ
ーブを記録媒体に接触させるようにα回転、β回転信号
を制御する。この後プローブ接触検出回路１１３は接触
状態のティップと記録媒体間に電圧を印加し、このとき
流れる接触電流を検出する。このためプローブ接触検出
回路１１３の選択回路２０８は順次各プローブ先端のテ
ィップ電極を選択し、各プローブと記録媒体間を流れる
接触電流を電流検出回路２０９で検出し、メモリ２１０
に順次ストアしていく。

【００４２】プローブ再生回路２１１はメモリ２１０の
内容からティップ先端に汚染層があり、接触時に接触電
流の検出されないプローブを選択し、このプローブと記
録媒体間に電圧を印加するための電圧変調信号２１２を
発生する。電圧変調信号２１２は電圧印加回路１１４を
経て、選択されたプローブ先端のティップと記録媒体間
に電圧を発生させ、電界蒸発により汚染層を取り除く。
導電性ティップと記録媒体間が汚染層を介して接触した
状態で両者間に電圧を印加する事で汚染層に強大な電界
がかかり、汚染層は除去される。汚染層が除去できたか
どうかは接触電流をモニタして行った。

【００４３】この様子を図６の概念図で説明する。

【００４４】図６（Ａ）はマルチプローブヘッド１０１
を接近させ、プローブの内、一本のティップ先端が記録
媒体に接触した様子を示している。この状態から傾き補
正回路２０５はマルチプローブヘッドをα回転またはβ
回転を行わせて全てのプローブのティップ先端が接触す
るように制御を行う。図６（Ｂ）は全てのプローブのテ
ィップ先端が記録媒体と接触した状態を表している。こ
の状態でプローブ再生回路２１１は各プローブと記録媒
体間を流れる接触電流を検出する。図示するようにプロ
ーブ番号ｍ＋１のプローブから電流が検出されなかった
場合、プローブ再生回路２１１はプローブ番号ｍ＋１を
選択し、このプローブ先端のティップと媒体間に電圧を
印加し汚染層を取り除く。図６（Ｃ）は、全てのプロー
ブのティップ先端の汚染層が除去され、電流が流れるよ
うになった状態を示している。

【００４５】記録再生は次のように行った。図１で切り
替え回路１１８をプローブ接触検出回路１１３側に切り
替える。この状態でプローブ接触回路１１３は２．３ｋ
Ｈｚのスィープ信号２０３を発生し、先のシーケンスに
従ってマルチプローブヘッドと記録媒体１０２間の傾き
補正とティップの再生を行った。各プローブ電極と記録
媒体１０２間に１Ｖの電圧を印加時に、全てのプローブ
から１μＡの接触電流が検出できるように、汚染層の確
認されたプローブのティップ先端に接触電流のレベルに
応じて最大１０Ｖの電圧を印加した。この後、マルチプ
ローブヘッドを媒体から少し離して切り替え回路１１８
をカンチレバー駆動回路１１０側に切り替えた。この状
態で各プローブ１００と記録媒体１０２の間に、バイア
ス電圧を印加し、トンネル電流が流れる程度まで近づ
け、さらに、記録媒体１０２の所望の位置まで各プロー
ブ１００を移動する。

【００４６】続いて、バイアス電圧を変調し、電気メモ
リ効果が生じるしきい値電圧をこえる電圧を各プローブ
１００と記録媒体１０２の間に印加して記録を行った。
各プローブ１００と記録媒体１０２の間にバイアス電圧
０．１Ｖを印加し、一定のトンネル電流（１ｎＡ）が流
れる程度まで近づけた。各プローブを距離制御回路１０
８によってＺ方向に独立に駆動し、１ｎＡの電流が流れ
るようにフィードバック制御を行った。さらにプローブ
接触検出回路１１３からα回転信号、β回転信号に加
え、各プローブのＺ駆動信号１０９を元に、傾き補正回
路１１２はマルチプローブヘッド１０１と記録媒体間の
傾きを補正するα回転信号、β回転信号を発生し、これ
を加算器で加えてＺアクチュエータ１０７に印加した。
この状態でプローブを記録媒体１０２の所望の位置まで
移動させた後に、バイアス電圧を変調し、６Ｖのパルス
電圧をプローブ１００と記録媒体１０２の間に印加した
ところ、瞬間的に約０．１μＡの電流が流れる大きさ１
０ｎｍφのビットが形成（記録）された。このようなパ
ルス電圧の印加後、走査を行ったところ、その状態を保
持した（再生）。

【００４７】そこでこの低抵抗状態にあるビットを”
１”に対応づけ、高抵抗状態の”０”と区別する。そし
て記録データに符号器１１９で”０”、”１”の２値デ
ータヘのコード化を行い、復号器１２０で２値化デ‐タ
の情報再生を行って、２値化記録再生を行った。なお記
録媒体１０２は、局所的電圧、電界、電流の印加により
局所的な形状変化を生ずるものを用いても良い。例え
ば、特開平１−３１２７５３号公報に述ベられているよ
うな金属または金属化合物の薄膜、具体的にはＡｕ、Ａ
ｌ、更に文献Appl. Phys. Lett.51.,244(1987)[Stanfer
等]に示されているＲｈ−Ｚｒ合金、Ｔｅ−Ｔｉ合金材
料やアモルファスＳｉ等の半導体薄膜等を用いる事がで
きる。このときのティップ電極材料としてＷ，Ｐｔ等が
使用される。また文献Appl. Phys. Lett.55.,1727(198
9)[Albrecht等]に示されるようにグラファイト表面の電
圧パルス印加によるエッチング法を用いても良い。

【００４８】更に、本実施例では圧電対プローブの駆動
電極間のアドミタンス変化を検出し接触の判断を行った
が、プローブを固有振動数で駆動し、接触による固有振
動数のシフトを検出して接触検出を行ってもよい。

【００４９】また、ディスク上の媒体上にアレイ（列）
状のマルチプローブヘッドを対向させるようにしてもよ
い。

【００５０】［実施例２］以下、図７、８を用いて本発
明の第二の実施例を説明する。

【００５１】本実施例では実施例１で用いたマルチプロ
ーブヘッドを改良し、圧電体カンチレバープローブ近傍
のチップ上にプローブ接触検出のために圧電体プローブ
の駆動電極間のアドミタンス検出回路を集積化したマル
チプローブヘッドを用いた記録再生装置である。

【００５２】図７に示したのは、本実施例で用いたマル
チプローブヘッドの圧電体プローブ及びプローブ駆動回
路部を示す模式図である。マルチプローブヘッドに、弾
性体からなる複数の圧電体カンチレバーのプローブ１、
２・・・・・が形成され、かつ各々のカンチレバー先端
には導電性のティップが形成されている。実際のマルチ
プローブヘッドは図２に示したように４×４のマトリッ
クス状にプローブを並ベたＳｉ製マルチプローブヘッド
である。

【００５３】各プローブはＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電体簿
膜、金属膜の薄膜を積層したカンチレバー型アクチュエ
ータであり、逆圧電効果により電圧印加でＺ方向に変位
する。またカンチレバーの一端には先鋭な導電性のティ
ツプが形成され、対向する記録媒体間のトンネル電流を
検出する。圧電体プローブの作成は実施例１と同様のプ
ロセスで行われる。一本のカンチレバーの寸法は、長さ
５００μｍ×幅５０μｍでＺ方向の固有振動数は２．３
ｋＨｚ、１Ｖ印加時のバイモルフの平均変位量は１．５
μｍであった。このとき、圧電体カンチレバー作成の前
にＳｉウエハ上にトンネル電流検出アンプと圧電体プロ
ーブのアドミタンス信号検出回路をＩＣ化し、マルチプ
ローブヘッド８０１とした。

【００５４】図７を参照して各プローブ近傍にＩＣ化し
た信号処理回路について説明する。各プローブ先端の導
電性ティップからの信号線は図示せぬ電流検出アンプを
通って、選択回路７０６に接続されている。これにより
マルチプローブヘッドから各プローブからの電流信号は
マルチプレクスされて電流信号７０９として取り出され
る。一方、圧電体カンチレバーをＺ方向に駆動する電極
間には切り替えＳＷ７０１が設けられている。切り替え
ＳＷ７０１は切り替え信号７１３により制御され、カン
チレバー駆動電極に選択回路７０７からの駆動信号もし
くは発振器７０３及び電流検出抵抗７０２で構成される
アドミタンス信号検出回路からの出力を印加する。即
ち、切り替え信号７１３が”Ｌ”のとき、カンチレバー
駆動電極に選択回路７０７の出力が印加される。このと
き＋ＤＲＶ信号７１０、−ＤＢＶ信号７１１によるＺ駆
動信号によってカンチレバーはバイモルフ駆動されて、
Ｚ方向に変位する。切り替え信号７１３が”Ｈ”のと
き、各カンチレバーはそれぞれのプローブ近傍のアドミ
タンス信号検出回路によって駆動される。アドミタンス
信号検出回路は発振器７０３と電流検出抵抗７０２とカ
ンチレバー駆動電極からなる閉回路である。発振器の発
振周波数はカンチレバーの固有振動数で、２．３ｋＨｚ
である。このとき閉回路を流れる電流はカンチレバー駆
動電極間のアドミタンスを反映している。そこで電流検
出抵抗７０２の両端の電圧を電流検出回路７０４で検出
し、アドミタンス検出回路７０５で平滑化した。

【００５５】このようにして各プローブ電極間のアドミ
タンスに比例した信号Ｙｌ、Ｙ２・・・・を選択回路７
０８でアドミタンス信号７１２としてマルチプレクスに
よりマルチプローブヘッドから取り出した。

【００５６】図８に本実施例によるマルチプローブヘッ
ドを有する記録再生装置の構成図を示す。

【００５７】本実施例に示す記録再生装置は実施例１と
同様にマルチプローブヘッドを記録媒体に対向し、プロ
ープの間にバイアス電圧を印加した際に流れるトンネル
電流を検出する複数本のプローブを用いたものであり、
図１の構成図と、ほば同じである。

【００５８】図８に従い記録再生装置の構成について説
明する。８０２は記録媒体であり、これに接近してマル
チプローブヘッド８０１が対向している。マルチプロー
ブヘツド８０１にはｎ本のプローブ８００が形成されて
いる。マルチプローブヘッド８０１はＸＹ方向の駆動機
構であるＸＹアクチュエータ８０３、さらに構造体８０
４に取り付けられている。一方、記録媒体８０２には、
トラッキングパターン（凹状の溝もしくは表面電子状態
の異なるバターン）８０５が刻まれ、基台８０６に載っ
ている。基台８０６はこれを上下方向とα、β方向に移
動させるＺアクチユエータ８０７を介して、構造体８０
４に取り付けられている。８０１のマルチプローブヘッ
ドは４×４のマトリックス状にプローブを並ベたＳｉ製
マルチプローブヘッドである。次に記録再生の概略につ
いて説明する。記録再生の際、マルチプローブヘッド８
０１の各プローブは対向する記録媒体はトンネル電流が
流れる程度まで近づけられている。このときプローブヘ
ッド８０１から電流信号７０９がプローブヘッド制御回
路８１１に入力し、プローブ番号に従ってデマルチプレ
クスされて各プロ−ブ毎の電流信号として距離制御回路
８０８に入力する。

【００５９】距離制御回路８０８は各プローブと対向す
る記録媒体８０２間の距離を一定とするようなＺ方向駆
動信号８０９を各プローブ毎に出力する。各プローブを
Ｚ方向に独立に駆動するＺ方向駆動信号８０９はカンチ
レバー駆動回路８１０を経て、＋ＤＲＶ信号７１０、−
ＤＲＶ信号７１１の二相の駆動信号となる。このプロー
ブ毎の駆動信号をマルチプレクスしてマルチプローブヘ
ッド８０１に印加する。マルチプローブヘッド８０１に
より駆動信号７１０、７１１は各プローブ番号に従って
各プローブに印加され、各プローブは独立に駆動され
る。さらにＺ方向駆動信号８０９を元に、傾き補正回路
８１２はマルチプローブヘッド８０１と記録媒体８０２
間の傾きを補正する。また、走査回路８１５は、記録再
生時にはＸＹ走査信号８１６によりプローブヘッド８０
１を記録媒体８０２に対してＸＹ方向に走査する。この
とき各プローブ８００のトンネル電流変化からトラッキ
ングバターンのエッジ位置をトラッキング制御回路８１
７で検出し、トラッキングパターン８０５とマルチプロ
ーブヘッド８０１の位置ずれをＸＹアクチュエータ８０
３で補正する。

【００６０】この状態で各プローブと記録媒体間のトン
ネル電流を変調し、記録媒体８０２上に記録ビットを形
成する。８１３、８１４はそれぞれプローブ接触検出回
路、電圧印加回路である。プローブ接触検出回路８１３
の構成は図４に示したものとほとんど同じである。プロ
ーブ接触検出回路全体のシーケンスはプローブヘッド制
御回路８１１からのタイミシグにより制御されている。
プローブ接触検出回路８１３は、マルチプローブヘツド
８０１からのアドミタンス信号７１２を検出し、各プロ
ーブの接触状態を検出する。本実施例のプローブ検出回
路８１３には、各プローブのアドミタンスを測定するア
ドミタンス検出回路が設けられておらず、マルチプロー
ブヘッド８０１上に設けられている点が実施例１のプロ
ーブ接触回路１１３と異なっている。

【００６１】記録再生の際、プローブ接触回路８１３は
実施例１と同様のシーケンスに従って、全てのプローブ
を記録媒体に接触させるようにα回転、β回転制御を行
う。この後プローブ接触検出回路８１３は接触状態でテ
ィップと記録媒体８０２間に電圧を印加し、このとき流
れる接触電流を検出する。プローブ接触検出回路８１３
は、電流信号７０９から順次プローブを選択し、各プロ
ーブと記録媒体８０２間を流れる接触電流を検出する。
そして接触時にティップ先端に汚染層があり、接触電流
の検出されないプローブを選ぶ。電圧印加回路８１４は
選択されたプローブ先端のティップと記録媒体８０２間
に電圧を発生させ、電界蒸発により汚染層を取り除く。
汚染層が除去できたかどうかは、接触電流をモニタして
行う。

【００６２】次に、マルチプローブヘッド８０１に対向
した記録媒体８０２の構成について説明する。記録媒体
８０２に半導体プロセス等の微細加工により短冊状のト
ラッキングパターンが刻まれている。記録媒体８０２の
基板電極上にはＸ方向に２μｍビッチで幅２００ｎｍ、
深さ３０ｎｍの凹溝がＹ方向に長さ５０μｍに渡り刻ま
れている。

【００６３】記録媒体８０２としては、実施例１と同様
に、電圧電流のスイッチング特性に対し、メモリ効果を
もつ材料を用いた。基板電極としてガラスや雲母などの
平坦な基板上の金のエピタキシャル成長面を用いる。こ
の上にトラッキング用凹溝を形成し、この上に記録媒体
としてスクアリウムービスー６−オクチルアズレン（以
下ＳＯＡＺと略す）を用い、ラングミュア・ブロジェッ
ト法により、単分子膜２層の累積膜をこの基板電極上に
形成し記録媒体８０２とした。記録再生は以下のように
行った。

【００６４】図８に示されるプローブヘッド制御回路８
１１により切り替え信号７１３を”Ｈ”として、マルチ
プローブヘッド８０１のアドミタンス検出回路をアクテ
ィブとした。

【００６５】この状態でプローブ接触回路１１３は、各
プローブのアドミタンス信号を受信し、実施例１と同様
のシーケンスに従ってマルチプローブヘッドと記録媒体
８０２間の傾き補正とティップの再生を行った。各プロ
ーブ電極と記録媒体８０２間に１Ｖの電圧を印加し、こ
の状態で全てのプローブから１μＡの接触電流が検出で
きるように、汚染層の確認されたプローブのティップ先
増に最大１０Ｖの電圧を印加した。この後、切り替え信
号７１３を”Ｌ”としてカンチレバー駆動電極にカンチ
レバー駆動回路８１０からの駆動信号が印加されるよう
にした。この状態で各プローブ８００と記録媒体８０２
の間にバイアス電圧を印加し、トンネル電流が流れるよ
うに距離制御した。

【００６６】続いて、記録媒体８０２の所望の位置まで
各プローブ８００を移動させる。バイアス電圧を変調
し、電気メモリ効果が生じるしきい値電圧をこえる電圧
を各プローブ８００と記録媒体８０２の間に印加して記
録を行った。各プローブ８００と記録媒体８０２の間に
バイアス電圧０．１Ｖを印加し、一定のトンネル電流
（１ｎＡ）が流れる程度まで近づけた。各プローブを距
離制御回路８０８によつてｚ方向に独立に駆動し、１ｎ
Ａの電流が流れるようにフィードバック制御を行った。

【００６７】さらにプローブ接触検出回路８１３からα
回転信号、β回転信号に加え、各プローブのＺ駆動信号
８１９を元に、傾き補正回路８１２はマルチプローブヘ
ッド８０１と記録媒体間の傾きを補正するα回転信号、
β回転信号を発生し、これを加算器で加えてＺアクチュ
エータ８０７に印加した。

【００６８】この状態で記録媒体８０２の所望の位置ま
でプローブを移動後、バイアス電圧を変調し、６Ｖのパ
ルス電圧をプローブ８００と記録媒体８０２の間に印加
すると、瞬間的に約０．１μＡの電流が流れる大きさ１
０ｎｍφのビットが形成（記録）された。このようなパ
ルス電圧の印加後、走査を行ったところ、その状態を保
持した。（再生）そこでこの低抵抗状態にあるビット
を”１”に対応づけ、高抵抗状態の”０”と区別する。
そして記録データに符号器８１９で”０”、”１”の２
値データヘのコード化を行い、復号器８２０で２値化デ
ータの情報再生を行って、２値化記録再生を行った。本
実施例においては図７に示すようにオンチップのアドミ
タンス検出回路を用いてプローブの接触検出を行ってい
る。通常プローブの駆動電極間の容量は数十ｐＦ程度と
小さい。本実施例のようにアドミタンス検出回路をオン
チップ化することで各プローブからアドミタンス検出用
の信号線を引き出す際の寄生容量等による悪影響を排
し、かつＳ／Ｎの高いアドミタンス検出が可能になっ
た。

【００６９】

【発明の効果】本発明によると導電性ティップを先端に
有するプローブを複数構成したマルチプローブヘッドを
用いた情報処理装置において、 （１）全てのプローブから安定した電流の検出を可能と
し、プローブ毎の信号ばらつきをなくすとともに、安定
したプローブ制御と信号の再生を実現することができ
た。 （２）全てのプローブにおいて、記録の際、ティップと
記録媒体間に安定した記録電圧を印加することができ、
エラーレートの低い記録をすることが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の実施例であるマルチプロー
ブヘッドを有する記録再生装置の構成図である。

【図２】図１のマルチプローブヘッドの構成図である。

【図３】図２のマルチプローブヘッドの内、一本の圧電
体プローブ近傍の断面図である。

【図４】図１のプローブ接触検出回路の構成図である。

【図５】図３の圧電体プローブ駆動電極間のアドミタン
スの周波数特性図である。

【図６】マルチプローブヘッドのティップ再生の様子を
説明する概念図である。

【図７】本発明による第２の実施例の記録再生装置で用
いたマルチプローブヘッドの回路図である。

【図８】本発明による第２の実施例であるマルチプロー
ブヘッドを有する記録再生装置の構成図である。

【符号の説明】

１００，８００ プローブ １０１，８０１ マルチプローブヘッド １０２，８０２ 記録媒体 １０３，８０３ ＸＹアクチュエータ １０４，８０４ 構造体 １０５，８０５ トラッキングパターン １０７，８０６ Ｚアクチュエータ １０８，８０７ 距離制御回路 １１０，８１０ カンチレバー駆動回路 １１１，８１１ プローブヘッド制御回路 １１３，８１３ プローブ接触検出回路 １１４，８１４ 電圧印加回路 １１５，８１５ 走査回路 １１７，８１７ トラッキング制御回路 １１９，８１９ 符号器 １２０，８２０ 復号器 ２０１ 選択回路 ２０２ アドミタンス検出回路 ２０４ メモリ ２０５ 傾き補正回路 ２０８ 選択回路 ２０９ 電流検出回路 ２１０ メモリ ２１１ プローブ再生回路 ７０１ 切り替えＳＷ部 ７０２ 電流検出抵抗 ７０３ 発振器 ７０４ 電流検出回路 ７０５ アドミタンス検出回路 ７０６〜７０８ 選択回路

フロントページの続き (72)発明者 紫藤 俊一 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 (72)発明者 川瀬 俊充 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 (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 情報記録媒体に情報を記録し、該記録さ
   れた情報を再生する記録再生装置において、 先端に導電性ティップを有する弾性体プローブを複数本
   有するマルチプローブヘッドと、 前記マルチプローブヘッドと対向配置された記録媒体
   と、 前記弾性体プローブと前記情報記録媒体との間に流れる
   電流を検出する信号検出回路と、 前記弾性体プローブ先端と前記情報記録媒体との接触状
   態を検出するプローブ接触回路と、 前記プローブ接触回路の出力によりマルチプローブヘッ
   ドと前記情報記録媒体間の相対移動を行うアクチュエー
   タと、 前記プローブ接触回路の出力と前記信号検出回路の出力
   により弾性体プローブの先端に設けられたティップの先
   端の汚染層を検出し、該汚染層が確認された弾性体プロ
   ーブ先端のティップと前記情報記録媒体間に電圧を発生
   させるプローブ再生回路と、 を少なくとも有することを特徴とする記録再生装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の記録再生装置において、 弾性体プローブが圧電体と電極を積層した圧電バイモル
   フ構造体とされ、 プローブ接触回路がプローブのアドミタンス変化から接
   触を検出するものであることを特徴とする記録再生装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の記録再生装置において、 弾性体プローブが圧電体と電極を積層した圧電ユニモル
   フ構造体とされ、 プローブ接触回路がプローブのアドミタンス変化から接
   触を検出するものであることを特徴とする記録再生装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
   の記録再生装置に用いられるマルチプローブヘッドにお
   いて、 プローブ電流信号の信号検出回路と、弾性体プローブ先
   端と対向する記録媒体の接触を検出するプローブ接触回
   路とを各プローブ毎にマルチプローブヘッド上に構成し
   たことを特徴とするマルチプローブヘッド。
5. 【請求項５】 請求項４に記載のマルチプローブヘッド
   において、 弾性体プローブが圧電体と電極を積層した圧電バイモル
   フ構造体とされ、 プローブ接触回路がプローブのアドミタンス変化の検出
   回路であることを特徴とするマルチプローブヘッド。
6. 【請求項６】 請求項４に記載のマルチプローブヘッド
   において、 弾性体プローブが圧電体と電極を積層した圧電ユニモル
   フ構造体とされ、 プローブ接触回路がプローブのアドミタンス変化を検出
   する回路であることを特徴とするマルチプローブヘッ
   ド。
7. 【請求項７】 請求項５または請求項６記載のマルチプ
   ローブヘッドにおいて、 アドミタンス変化を検出する回路が発振器、電流検出抵
   抗、検出抵抗を流れる電流検出回路であることを特徴と
   するマルチプローブヘッド。