JPH07169120A - 高密度記録媒体及びその記録再生装置 - Google Patents

高密度記録媒体及びその記録再生装置

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JPH07169120A
JPH07169120A JP5316124A JP31612493A JPH07169120A JP H07169120 A JPH07169120 A JP H07169120A JP 5316124 A JP5316124 A JP 5316124A JP 31612493 A JP31612493 A JP 31612493A JP H07169120 A JPH07169120 A JP H07169120A
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    • Y10S977/947—Information storage or retrieval using nanostructure with scanning probe instrument

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＳＴＭを用いて高密度に信号を記録する方
法。記録した信号ピットとカンチレバー制御信号との干
渉を防げる信号記録再生装置。 【構成】 記録媒体上での信号記録再生部分と、プロー
ブ駆動用のＳＴＭ電流を検出する部分を分離し、互いの
信号が干渉し合わないようにし、それぞれの部分から独
立に信号を検出するようにしたもの。 【効果】 外部からの振動に影響を受けず、かつ制御信
号と情報信号の干渉のない再生信号を得ることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は探針の先端と基板表面と
の間に流れるトンネル電流により、基板表面に微細な記
録ビットを形成する極めて記録密度の高いメモリに記録
装置及びその記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、微細な探針を基板表面に極めて近
接させたときに流れるトンネル電流を検出して表面の凹
凸を検出する、いわゆるＳＴＭ（Scanning Tunnel Micr
oscope）が表面の微細な形状評価に用いられて来てい
る。さらに近年ではこのＳＴＭを用いて基板表面に原子
オーダーの凹凸を形成して記録を行おうとする試みがな
されている。
【０００３】ＳＴＭは通常、図５に示すように、円筒型
に圧電素子２７、２８、２９を配置したアクチュエータ
ー３０の先端にチップ３１を配置し、このチップを表面
に近接させたときに流れるトンネル電流を検出して、表
面の凹凸を測定する構造になっている。
【０００４】そしてこのチップに大きな電流を流すと、
基板材料に微細なクレーター状の穴を明けることがで
き、記録を行うことが可能である。また記録はクレータ
ー状の穴を明けるだけでなく磁性状態の変化や誘電率の
変化などを利用して行うことが可能であるが、これらは
例えば文献（日経マイクロデバイス１９９１年７月号Ｐ
８９）に詳しい。
【０００５】また、このＳＴＭの原理を用いて記録装置
を構成する試みが、特開平４−２０６５３６に示されて
いる。この例は、チップを複数個並べた構造体を圧電素
子に取り付け、並列的に駆動することで信号を記録再生
しようとするものである。
【０００６】また、このＳＴＭのチップを磁気ハードデ
ィスクの記録に用いられる浮上式スライダーに取り付け
て記録を行う方法が特開平４−１５７６４４に示されて
いる。また、我々はスライダーとカンチレバーを一体に
形成する方法を特願平４−３２８２５６で提案した。
【０００７】ところで現在、ＳＴＭ信号を検出するには
通常２通りの方法が知られている。その一つは、ＳＴＭ
信号電流を一定に保って走査を行う方法である。即ちＳ
ＴＭ電流を検出し、その電流が一定になるようにプロー
ブの高さを圧電素子等で制御する。このとき、表面の凹
凸情報はその圧電素子の制御電圧から得られる。この方
法は測定のダイナミックレンジを大きく取れるという利
点があり広く用いられている。もう一つの方法は、プロ
ーブの高さを一定に保って走査を行う方法である。即ち
プローブと測定試料表面の高さを一定に保ったまま走査
を行い、その時のＳＴＭ電流の大きさから表面の凹凸情
報をえる方法である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記の２つの方法を、
ＳＴＭを用いた記録装置に応用しようとした時には、以
下のような問題点が生じる。まず、前記２種類の方法で
は、外部からの振動に極めて弱いという欠点がある。こ
れはどちらも外部の振動によりプローブあるいは試料が
振動すると、それがそのまま凹凸情報として検出されて
しまうからである。
【０００９】ＳＴＭ電流一定の方法であれば、外部振動
によってプローブもしくは試料が振動すると、これを補
正しようとする方向に圧電素子が駆動され、それが凹凸
情報として認識されるから、誤った凹凸情報が検出され
る。プローブ高さ一定の方法でも同じことで、外部の振
動が加わってプローブが振動するとこれによるＳＴＭ電
流の変化が直接凹凸として検出されるので、やはり誤っ
た凹凸情報が検出される。
【００１０】従って従来はこれを防ぐため、外乱を極力
遮断するように、測定装置全体を除振装置上に設置する
必要があったため、装置全体が大きく、重くかつ高価に
ならざるを得なかった。
【００１１】また、もう一つの問題点として、ＳＴＭ電
流一定の方法によって記録再生を行おうとすると、記録
信号が圧電素子駆動用の信号に外乱を与えるという点が
ある。即ちピットを記録するときにはプローブに大きな
電圧をかけて電流を流す。このときの電流は通常のＳＴ
Ｍ電流より大きな電流が流れる。またピットの信号のパ
ターンにともなって断続的に流れるために、記録を行っ
ている間はプローブと試料との間隙を一定に保つため
の、定常的なＳＴＭ電流を検出することができない。従
ってプローブと試料の間隙を一定に保っておくことが困
難となる。
【００１２】再生の時は、ピットが記録されている領域
ではピットの凹凸によりＳＴＭ電流が変化する。ＳＴＭ
電流一定の方式の場合、この変化に応じてピットの凹凸
に追従してプローブが上下する必要があるが、記録信号
を非常に高密度で記録し、これを高速で再生しようとす
ると、再生信号の周波数は数ＭＨｚ〜数ＧＨｚのオーダ
ーに達し、プローブがこれに追従するのは容易ではな
い。
【００１３】プローブ高さ一定の方式ではＳＴＭ電流の
変化を検出すれば良いので、高速の再生は比較的容易で
あるが、この場合、プローブの高さがある一定の範囲に
ないとＳＴＭ電流を検出できないため、プローブと試料
の間隙がある一定の範囲に収まる領域に限られるという
欠点がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では記録媒体上での信号記録再生部分と、プ
ローブ駆動用のＳＴＭ電流を検出する部分を分離し、互
いの信号が干渉し合わないようにし、それぞれの部分か
ら独立に信号を検出するようにしたものである。
【００１５】
【実施例】図１に本発明の実施例を示す。１はシリコン
の単結晶で構成されたスライダーで、その先端にカンチ
レバー２が取り付けられている。カンチレバー２の先端
にはチップ３が形成され、このチップ３によってＳＴＭ
信号の記録、再生が行われる。基板４上には記録媒体５
が設けられ、記録媒体５にＳＴＭによる信号が記録され
る。
【００１６】基板４としてはＡｌまたはその合金、ガラ
ス、セラミックを用いることができる。また基板４の表
面は記録ビットの小ささ、及びＳＴＭによる信号の記録
再生を考慮すると、極めて滑らかな面に仕上げておく必
要があるが、前述の基板材料に関して言えば、例えば、
研磨材を含んだ水溶液中で、基板表面に回転するポリウ
レタン球を押し付け、ポリウレタン球と基板との間に流
体及び研磨剤の流れを構成し、その研磨剤の流れによっ
て表面を研磨するＥＥＭ（Elastic Emission Machinin
g)を利用することができる。このような方法によれば、
加工面をおよそ数ｎｍ以下の面粗さに仕上げることが可
能である。ここでは基板４の表面の粗さはおおよそ１０
ｎｍ以下に、さらに望ましくは１ｎｍ以下の面粗さに仕
上げておくのが望ましい。
【００１７】記録媒体５としては金属薄膜、半導体薄
膜、アモルファス薄膜、磁性材料薄膜を用いることが可
能である。特に記録媒体５としてカーボン薄膜を用いる
と良好な記録膜を得ることが可能となる。これはカーボ
ン薄膜の表面が安定であり酸化されないことによる。ま
た仮に酸化しても酸化物はＣ０2，またはＣＯとなって
表面から離脱し、表面に酸化物の層を形成しないからで
ある。またカーボン薄膜は電気伝導性があり、ＳＴＭ電
流を表面に流すのに都合が良い。金属薄膜を用いると、
電伝導性は有するが、多くは表面が酸化しやすく特に原
子オーダーで見た場合にはたやすく酸化されて酸化皮膜
が形成される場合が多い。酸化物（ＳｉＯ，ＳｉＯ2，
Ａｌ2Ｏ3）や窒化物（ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＴｉＮ）などの
絶縁材料は表面が安定であるが電気伝導性を有さないた
めＳＴＭ信号を利用するのには適さない。
【００１８】記録媒体５としてのカーボン薄膜を形成す
る方法としては、前述したような方法で石英、ガラス、
セラミック等の基板をまず研磨して表面の粗さを原子オ
ーダーまで低減させる。この場合、表面は粗さを低減さ
せるだけでよく、平面度まで矯正する必要はない。大き
なうねりは後述する方法でプローブが追随するからであ
る。表面粗さは１ｎｍ以下、望ましくは０．１ｎｍ以下
に仕上げるのが良い。次にこの表面にカーボン薄膜を蒸
着、あるいはスパッタで形成する。ここでＳＴＭによる
記録によって、大きな電流を流してカーボン薄膜の底ま
で記録を行うような方法を用いることができるがこの場
合、厚さは１ｎｍ以下が望ましい。
【００１９】それほど大きな電流を流さずに記録して、
カーボン薄膜の表面層のみにピットを形成するような方
法も用いることができ、この場合はカーボン薄膜の厚さ
は１ｎｍ以上より厚くて良く、たとえば１０ｎｍ程度に
設定することができる。次にカーボン薄膜の表面を再度
研磨する。これは蒸着やスパッタで荒れた表面を整える
目的があり、場合によっては不要であるが、研磨を行っ
て表面の粗さを低減することにより、より良い信号品質
を得ることが可能である。
【００２０】図２に本発明による記録領域の構造を示
す。プローブ６の先端にチップ７が形成され、チップ７
によって記録が行われるわけであるが、記録媒体８の表
面は、２種類の領域９と１０に分けられる。領域９はＳ
ＴＭによる記録を行わない無記録領域であり、領域１０
は記録を行う記録領域である。記録媒体８の表面はこれ
ら２種類の領域に記録の方向に分割され、交互に配置さ
れる。無記録領域９には記録を行わず、この領域でＳＴ
Ｍ電流を検出する。記録領域１０には信号のアドレス情
報、または情報信号そのものを記録する。
【００２１】無記録領域９は記録領域１０と交互に配置
されているので、無記録領域９で検出されたＳＴＭ電流
は離散的な値になる。これを逐次サンプルホールドし、
低周波フィルターを通すことで、連続的なＳＴＭ電流と
等価な信号を得ることができる。この信号が一定になる
ようにプローブ６を圧電素子（図示せず）を駆動する
と、チップ７が記録媒体８から常に一定の間隙を保って
いるように制御することが可能である。
【００２２】ある無記録領域９−１と次の無記録領域９
−２の間隔は、記録媒体８のうねりの特性によって決定
される。すなわち無記録領域９−１から無記録領域９−
２にいたる間に生じる記録媒体８の垂直方向へのうねり
が、ＳＴＭ電流を正常に検出できる範囲に収まるように
無記録領域９−１と９−２の間隔を定める。通常基板に
は大きなうねりは存在するが微小な範囲でのうねりは小
さく、特に前述したように表面粗さを１ｎｍ以下に仕上
げるように研磨を行うと、これは非常に小さく押えられ
る。従ってＳＴＭ電流を離散的に検出しても、そのサン
プリング周波数を基板のうねりの空間周波数帯域より大
きく取ることでプローブを制御する事が可能となる。
【００２３】図３に本発明による信号記録再生装置のブ
ロックダイアグラムを示す。図４にそのときプローブに
印加される電圧Ｖｐ及びプローブに流れる電流Ｉｐを示
す。記録媒体に信号を記録するにはこれに先立ち、情報
のアドレス信号をまず記録しておく（フォーマットして
おく）必要がある。このためには図３のアドレス信号生
成部１２からアドレス信号を発生させスイッチ２３を切
り替えてアドレス信号を記録電圧生成部１４に送る。記
録電圧Ｖｐはスイッチ２５を介して駆動アンプ１８によ
りプローブ（図示せず）に印加される。記録を行う間の
ＳＴＭ信号のサンプリングタイミングはアドレス信号生
成部１２と同期してタイミング発生部１３で発生させら
れ、スイッチ２４を介してサンプルホールド部２０に与
えられ、この信号のタイミングによりサンプリングが行
われ、その電圧はローパスフィルター２１を通って制御
回路２２によりプローブの圧電素子（図示せず）駆動の
信号が生成され印加される。なお制御回路には、負帰還
の際の基準電圧生成部、基準電圧との差動増幅器、位相
補償回路、利得制御回路を含めることができる。
【００２４】アドレス信号記録時の記録電圧Ｖｐ、及び
そのとき得られるＳＴＭ電流Ｉｐの波形は図４の″アド
レス記録時″に示すことができる。アドレス信号は記録
領域２４のアドレス部２５に記録される。このとき記録
電圧Ｖｐはアドレス部分２５ではＶｐ２とよりとそれよ
り低いレベルの間で、信号に従って変調される。ここで
図４ではより低いレベルは便宜的にＶｐ１としてあるが
他の大きさでも良い。アドレス記録部分２５では記録時
には記録信号に応じた大きな電流Ｉｐ２が流れる。アド
レス記録部分２５以外では印加電圧Ｖｐは正常なＳＴＭ
信号の得られるレベルＶｐ１に保たれ、プローブの駆動
用のＳＴＭ電流は無記録領域２３でサンプリングされた
電流Ｉｐ１により得られる。このようにして、記録媒体
上にアドレス信号を記録しておくことができる。
【００２５】次に情報信号を記録する方法を説明する。
記録すべき記録データが図３のデータ変調部１１に加え
られ、記録信号を発生させスイッチ２３を切り替えて記
録信号を記録電圧生成部１４に送る。記録電圧Ｖｐはス
イッチ２５を介して駆動アンプ１８によりプローブ（図
示せず）に印加される。記録を行う間のＳＴＭ信号のサ
ンプリングタイミングは、ＳＴＭ電流検出器１９からの
信号をデータ復調部１６に与え、アドレス信号を復調
し、その信号をタイミング発生部１７に与え、アドレス
信号のタイミングから発生させられ、スイッチ２４を介
してサンプルホールド部２０に与えられる。この信号の
タイミングによりサンプリングが行われ、その電圧はロ
ーパスフィルター２１を通って制御回路２２によりプロ
ーブの圧電素子（図示せず）駆動の信号が生成され印加
される。
【００２６】データ信号記録時の記録電圧Ｖｐ、及びそ
のとき得られるＳＴＭ電流Ｉｐの波形は図４の″データ
記録時″に示すことができる。データ信号は記録領域２
４のデータ記録部分２６に記録される。このとき記録電
圧Ｖｐはデータ記録部分２６ではＶｐ２とそれより低い
レベルの間で、信号に従って変調される。ここで図４で
はより低いレベルは便宜的にＶｐ１としてあるが他の大
きさでも良い。データ記録部分２６では記録時には記録
信号に応じた大きな電流Ｉｐ２が流れる。データ記録部
分２６以外では印加電圧Ｖｐは正常なＳＴＭ信号の得ら
れるレベルＶｐ１に保たれ、プローブの駆動用のＳＴＭ
電流は無記録領域２３でサンプリングされた電流Ｉｐ１
により得られる。アドレス信号はアドレス記録部分２５
でＳＴＭ電流Ｉｐを検出することにより得られる。この
ようにして、記録媒体上にデータ信号を記録することが
できる。
【００２７】記録されたデータの再生は以下のようにし
て行うことができる。再生電圧が再生電圧生成部１５で
生成されスイッチ２５を介して駆動アンプ１８に送られ
る。再生電圧は通常図４″再生時″に示すように、全領
域で一定の値Ｖｐ１をとる。再生を行う間のＳＴＭ信号
のサンプリングタイミングは、ＳＴＭ電流検出器１９か
らの信号をデータ復調部１６に与え、アドレス信号を復
調し、その信号をタイミング発生部１７に与え、アドレ
ス信号のタイミングから発生させられ、スイッチ２４を
介してサンプルホールド部２０に与えられる。この信号
のタイミングによりサンプリングが行われ、その電圧は
ローパスフィルター２１を通って制御回路２２によりプ
ローブの圧電素子（図示せず）駆動の信号が生成され印
加される。
【００２８】データ信号再生時の記録電圧Ｖｐ、及びそ
のとき得られるＳＴＭ電流Ｉｐの波形は図４の″データ
再生時″に示すことができる。プローブの駆動用のＳＴ
Ｍ電流は無記録領域２３でサンプリングされた電流Ｉｐ
１により得られる。アドレス信号はアドレス記録部分２
５でＳＴＭ電流Ｉｐを検出することにより得られる。デ
ータ信号はデータ記録部分２６でＳＴＭ電流Ｉｐを検出
することにより得られる。このようにして、記録媒体上
からデータ信号を再生することができる。
【００２９】なおデータ記録時、データ再生時には、Ｓ
ＴＭ電流のサンプリングのタイミングは再生したアドレ
ス信号から生成しているので、アドレスが再生されない
とサンプリングも行えず、サンプリングが行えないとア
ドレスの再生も行えないという矛盾が生じる。この場合
には図３には図示していないが、最初にプローブを接近
させてゆき、大まかにアドレス信号を検出してタイミン
グを発生させるようにすれば良い。このためにアドレス
信号は再生信号品質が悪い状態でも検出できるように、
冗長度の高い変調方法にしておくのが望ましい。
【００３０】またここでは信号の記録再生に凹凸を形成
し、トンネル電流を用いて信号を再生する方法について
説明したが、記録再生の原理についてはこれに限る事な
く、他の原理を用いた記録再生方法に適用することが可
能である。例えば原子間力を用いたＡＦＭ（Atomic For
ce Microscope）や磁気力を用いたＭＦＭ(Magnetic For
ce Microscope)などに同じように応用することが可能で
ある。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、プローブと記録媒体の
間隙が、平均的にある一定量になるように制御されるの
で、外部の振動に対し極めて強固にロックされ、振動に
対して強くなる。もちろん無記録領域と次の無記録領域
の間ではプローブは、サンプリングされた駆動電圧で保
持されているのみであるが、この間隔を十分短く取るこ
とで振動の影響を受けないようにすることが可能であ
る。即ち図１に示したようなカンチレバーでプローブを
構成し、カンチレバー極めて短く作れば、その共振周波
数は極めて大きくなり、外部振動の影響を受けにくくな
る。
【００３２】さらにデータ信号の検出はＳＴＭ電流の検
出によって行うので、高速な検出が可能であり、ＳＴＭ
電流一定の方法で検出する時のように、高速でプローブ
を動かす必要がない。また記録信号、再生信号の領域と
プローブ制御信号をサンプリングする領域とを分離して
いるのでこれらが干渉せず安定した制御系、信号検出系
を構成できる。このため、記録媒体の表面に原子オーダ
ーの大きさの微細な凹凸を形成し、その凹凸情報を信号
として再生することが安定的に可能となるため、極めて
大容量の情報記録装置を構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスライダー、カンチレバーの構造
図である。
【図２】本発明による記録再生領域を示す図である。
【図３】本発明による信号制御回路ダイアグラム。
【図４】本発明による記録再生時の信号波形図である。
【図５】従来のＳＴＭ装置を示す図である。
【符号の説明】
１ スライダー ２ カンチレバー ３ チップ ４ 基板 ５ 記録媒体 ６ プローブ ７ チップ ８ 記録媒体 ９ 無記録領域 １０ 記録領域
フロントページの続き (72)発明者 石井 頼成 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 太田 賢司 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】微細なプローブにより記録媒体表面に凹凸
    を形成して情報を記録する記録媒体であって、前記記録
    媒体が凹凸を有さない無記録領域と、前記無記録領域に
    隣接した記録領域を有することを特長とする高密度記録
    媒体
  2. 【請求項２】微細なプローブにより記録媒体表面に凹凸
    を形成して情報を記録再生する装置であって、上記プロ
    ーブに流れるトンネル電流を離散的にサンプルホールド
    し、サンプルホールドした信号を用いてトンネル電流が
    一定になるようにプローブの高さを制御し、トンネル電
    流を離散的にサンプリングする間に、トンネル電流の増
    減を検出することによって記録された情報信号を検出す
    ることを特徴とする記録再生装置。
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