JPH07225975A

JPH07225975A - 情報記録再生装置、プローブ走査型顕微鏡、微細加工装置

Info

Publication number: JPH07225975A
Application number: JP1711694A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Suketa; 裕史助田; Sumio Hosaka; 純男保坂; Junko Ushiyama; 純子牛山; Toshimichi Shintani; 俊通新谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-02-14
Filing date: 1994-02-14
Publication date: 1995-08-22

Abstract

(57)【要約】【目的】プローブを記録媒体表面に沿って走査させな
がら情報の記録再生を行なう情報記録再生装置等におい
て、実用上十分な速度でのプローブ走査を実現する。【構成】光源１０１から出射した直線偏光の光束は、
偏波面保存型光ファイバ１０２を通り、前記光の波長よ
りも小さな微小開口部１０４を有する金属マスク１０３
を経てエバネッセント波の形態をとる。ここで、金属マ
スク，光磁気記録媒体は導体であるので、その双方に電
極を取り付けて容量距離センサ１３０に接続することに
より、両者間の容量ｃから距離ｄを感知することができ
る。【効果】金属マスク１０３の光磁気記録媒体１０５に
正対した部分の面積が微小開口部１０４の面積に比べて
大きいため、高精度かつ高帯域な前記距離ｄの情報を得
ることができる。この距離ｄの情報をアクチュエータ１
１４に帰還させて微小開口部１０４の位置を制御するこ
とにより、高速プローブ走査が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、情報記録媒体に対し、
相対的に走査される情報記録再生用プローブを用いて情
報の記録再生を行う情報記録再生装置に関する。さらに
本発明は上記情報記録再生用プローブを表面情報検出用
プローブとして用いることにより、試料の表面近傍の情
報を探査するプローブ走査型顕微鏡に関する。さらにま
た本発明は上記プローブを加工用に用いることにより、
試料の表面を加工する微細加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】１ミクロン以下の径を有するプローブを
用いた情報記録再生装置及びプローブ走査型顕微鏡で
は、プローブと媒体表面との距離を検知する手段及びそ
の距離を制御する手段を有する。これに関しては、アプ
ライド・フィジックス・レターズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰ
ｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）第６１巻の２の第１４
２頁より第１４４頁に記載された技術を挙げることがで
きる。以下に該技術について説明する。

【０００３】図２に光ファイバを用いた情報記録再生装
置の一例を示す。光源２０１から出射した直線偏光の光
束は、光ファイバ２０２を通り、前記光の波長よりも小
さな微小開口部２０４を有する金属マスク２０３を経て
エバネッセント波の形態をとる。通常、光波は波長より
も小さな微小開口部２０４を通過することができない
が、微小開口部２０４と光磁気記録媒体２０５との距離
ｄが十分小さい場合にのみ、微小開口部２０４を通過し
て光磁気記録媒体２０５、透明基板２０６を伝播してい
くことができる。従って、前記距離ｄを正確に検出制御
することが非常に重要となる。

【０００４】透明基板２０６を伝播した光はレンズ２０
７で集光され、ビームスプリッタ２０８を透過し、レン
ズ２０９で絞りこまれる。前記レンズ２０９の集光点２
１０には、針穴２１２を有する遮光物２１１が置かれて
いる。前記光ファイバ２０２の微小開口部２０４の位置
が変化すると、針穴２１２と集光点２１０との相対位置
が変化し、光検出器２１３に到達する光量が変化する。
ここで、アクチュエータ２１４を用い、金属マスク２０
３が付着している光ファイバ２０２の先端部分を固有共
振周波数ｆ２付近で光磁気記録媒体２０５の表面と平行
に振動させた場合、光ファイバ２０２の先端部分の振動
状態は、光ファイバ２０２が光磁気記録媒体２０５から
受ける力に応じて微小変化する。光ファイバ２０２が光
磁気記録媒体２０５から受ける力は、光ファイバ２０２
と光磁気記録媒体２０５との距離ｄに対し逆比例の関係
にあるため、前記距離ｄは光検出器２１３の出力を信号
処理回路２１５で処理することにより検出することがで
きる。また、信号処理回路２１５の出力をサーボ回路２
１６に帰還してアクチュエータ２１４を制御することに
より、前記距離ｄを一定に保つことができる。

【０００５】記録は、光源２０１の出力を増大し光磁気
記録媒体２０５を局所的に加熱して行なう。再生は、ビ
ームスプリッタ２０８で反射された光の偏光面回転成分
をアナライザ２１７によって抽出し、レンズ２１８で集
光したものを光検出器２１９で検出することにより行な
う。アクセスは、アクチュエータ２２０で光磁気記録媒
体２０５の付着した透明基板２０６を位置決めすること
によって行なう。情報記録再生装置としての統一的な制
御は、コントローラ２が外部のデータバス１とやりとり
しながら行なう。

【０００６】また、再生出力をアクセス位置情報を用い
て地図化すれば、同様の構成でプローブ走査型顕微鏡と
して用いることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、コンピュータの
外部記憶装置などでは、記録再生の高密度化と高速化が
望まれている。従来のプローブを用いた情報記録再生装
置あるいはプローブ走査型顕微鏡では、記録再生の高密
度化については検討されているものの、高速化という観
点からは実用に程遠いレベルにある。

【０００８】例えば、サブミクロンサイズのプローブを
記録媒体と接触状態で走査させる場合、媒体に損傷を与
えることなく高速にプローブを走査させることは不可能
である。また、媒体と非接触のプローブに共振周波数前
後の振動を与え、プローブ媒体間の距離を一定に保ちな
がら走査する場合も、プローブの共振周波数でプローブ
の走査可能速度が制限されてしまう。その理由は、プロ
ーブ媒体間の微弱な力を感知するためにやわらかいプロ
ーブが必要だということと、プローブの共振周波数を上
げるためにプローブの剛性を上げる必要があるというこ
とが二律背反の関係にあるからである。さらに、媒体と
非接触のプローブに共振周波数前後の振動を与える前述
の方式においては、プローブ媒体間の距離を検知するた
めには少なくとも固有振動の１０周期程度の時間が必要
である。現在実用化されているプローブの共振周波数が
５０キロヘルツ程度であることと考え合わせると、５キ
ロビット毎秒以上の情報記録再生速度は望めない。以上
のように、従来の方式では、十分にプローブ走査速度あ
るいは記録再生速度を十分に上げられないという問題が
あった。

【０００９】本発明の目的は、サブミクロンサイズない
しナノメートルサイズのプローブを記録媒体表面に沿っ
て走査させながら情報の記録再生を行なう情報記録再生
装置ないしプローブ走査型顕微鏡ないし微細加工装置に
おいて、十分な速度でのプローブ走査あるいは記録再生
を実現することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、信号記録再
生用プローブよりも有効検知面積の大きなサーボ用プロ
ーブを用いることや、プローブの機械的固有振動の周期
程度以下の時定数で位置決めサーボ用信号を得る手段を
有することにより達成される。

【００１１】

【作用】情報記録再生装置の情報記録再生用のプローブ
に有効検知面積の大きなサーボ用プローブを複合させる
ことにより、サーボ用信号の信号対雑音比が大きく向上
し、サーボ信号帯域を大きく取ることができる。また、
情報記録再生装置のプローブから機械的固有振動の周期
程度以下の時定数でサーボ信号を得ることにより、任意
のタイミングで記録再生を行なうことができる。以上に
よって、超高密度記録が可能なプローブ走査型の情報記
録再生装置においても、実用化されている磁気ディスク
ドライブなどと同等以上の速度で記録再生が可能にな
る。またプローブ走査型顕微鏡ないし微細加工装置の走
査時間が大幅に短縮される。

【００１２】

【実施例】以下、図面を用いて説明する。

【００１３】図１は本発明による情報記録再生装置の一
実施例を示す図である。まず、プローブの位置制御方法
について説明する。波長７８０ナノメートルの光源１０
１から出射した直線偏光の光束は、偏波面保存型光ファ
イバ１０２を通り、前記光の波長よりも小さな直径５０
ナノメートルの微小開口部１０４を有する金属マスク１
０３を経てエバネッセント波の形態をとる。通常、光波
は波長よりも小さな微小開口部１０４を通過することが
できないが、微小開口部１０４と光磁気記録媒体１０５
との距離ｄが十分小さい場合にのみ、微小開口部１０４
を通過して光磁気記録媒体１０５、透明基板１０６を伝
播していくことができる。従って、前記距離ｄを正確に
検出制御することが非常に重要となる。

【００１４】ここで、金属マスク１０３は導体である。
また、光磁気記録媒体１０５としては、テルビウム−鉄
−コバルトなどの希土類遷移金属合金膜や、プラチナ−
コバルト多層膜媒体などが使用可能であり、いずれも導
体である。従って、金属マスク１０３と光磁気記録媒体
１０５の双方に電極を取り付けて容量距離センサ１３０
に接続することにより、両者間の容量ｃから距離ｄを感
知することができる。この距離ｄの情報をアクチュエー
タ１１４に帰還させて微小開口部１０４の位置を制御
し、距離ｄを一定に保つ。ここで、金属マスク１０３の
光磁気記録媒体１０５に正対した部分の面積を５００ナ
ノメートルｘ５００ナノメートル程度にすると、該面積
が微小開口部１０４の面積に比べて２桁程度も大きいた
め、高い信号対雑音比が得られ、高精度な前記距離ｄの
情報を高速に得ることができる。サーボ帯域が信号品質
で決まるような場合、サーボ帯域は信号対雑音比の二乗
に比例して高くとれるので、本実施例では従来比で４桁
程度サーボ帯域を拡大することができ、記録再生時の走
査速度も４桁程度高速化できる。また記録密度を一定と
して転送速度を見積もれば、従来の５キロビット毎秒か
ら５０メガビット毎秒までの高速化が可能となる。情報
記録再生装置３を使用しないときは、コントローラ２か
らの命令により、アクチュエータ１１４は微小開口部１
０４を光磁気記録媒体１０５から遠ざけて、衝突の危険
を避ける。

【００１５】次に、記録過程について詳細に説明する。

【００１６】図９は前記記録過程を示す図である。通
常、光磁気記録には熱と磁界の印加が必要である。加熱
は、光源１０１の出力を増大し、微小開口部１０４近傍
の光磁気記録媒体１０５を局所的に光照射加熱して行な
う。光磁気記録媒体１０５中のキュリー温度以上まで光
照射加熱された部分１５０は、一旦磁化を失い、温度降
下の過程で外部磁界Ｈの方向に倣う。以上のように、前
記光照射加熱された部分１５０が磁区として記録され
る。該磁区径は約５０ナノメートルとなる。磁界印加系
は磁性材で形成された金属マスク１０３の周囲に電磁コ
イル１３２を巻くことによって構成され、磁界ドライバ
１３１で駆動される。磁性材で構成された金属マスク１
０３は磁気コアとして働くため、効率の高い磁界印加が
可能となる。また、電磁コイル１３２は微小な部分に巻
かれるため、自己インダクタンスの低減、即ち磁界反転
時間の短縮が図られる。これは、磁界変調型の光磁気オ
ーバライトを高速化する上でも都合が良い。記録制御回
路１３３は光源１０１に光照射の命令を出すと同時に、
磁界ドライバ１３１に磁界の印加の命令を出すことによ
り、光磁気記録媒体１０５上への磁区パターンを記録す
る。

【００１７】次に再生過程について詳細に説明する。

【００１８】図１０は前記再生過程を示す図である。偏
波面保存型光ファイバ１０２を伝播する直線偏光は、微
小開口部１０４近傍の光磁気記録媒体１０５を通過す
る。このとき、前記直線偏光の偏波面は、光磁気記録媒
体中の磁化方向Ｍに応じて右回りＲまたは左回りＬに回
転する。さらに、透明基板１０６を伝播した光はレンズ
１０７で集光される。この光の偏波面回転成分をアナラ
イザ１１７によって抽出し、レンズ１１８で集光したも
のを光検出器１１９で検出することにより、微小開口部
１０４近傍の光磁気記録媒体１０５の磁化情報ｍを検出
する。前記磁化情報ｍはコントローラ２に送られてデジ
タル情報化される。

【００１９】アクセスは、アクチュエータ１２０で光磁
気記録媒体１０５の付着した透明基板１０６を位置決め
することによって行なう。

【００２０】情報記録再生装置３としての統一的な制御
は、コントローラ２が外部のデータバス１とやりとりし
ながら行なう。以上によって、本発明によれば、記録ビ
ットサイズが５０ナノメートルｘ５０ナノメートルで、
転送速度が５０メガビット毎秒という高速超高密度の情
報記録再生装置が実現される。

【００２１】図３は本発明によるプローブ走査型顕微鏡
の一実施例を示す図である。プローブの位置制御と再生
の構成は図１と同じものである。インタフェース４はコ
ンピュータ５からの命令に応じて、光源１０１の制御と
アクチュエータ１１４の監視を行なうと同時に、プロー
ブ媒体間のスキャンを司るアクチュエータ１２０を制御
しながら、アクチュエータ１１４の変位情報及び光磁気
記録膜１０５上の磁化情報ｍを取り込む。コンピュータ
５はアクチュエータ１２０の位置情報とアクチュエータ
１１４の変位情報を合成して、光磁気記録媒体１０５の
凹凸マップ６を出力する。さらに、コンピュータ５はア
クチュエータ１２０の位置情報と磁化情報ｍを合成し
て、光磁気記録媒体１０５の磁化情報マップ７を出力す
る。以上、本発明によれば、図１での説明と同様の原理
で、高速高精度のプローブ走査型顕微鏡が実現される。

【００２２】図４は、本発明によるプローブ走査型顕微
鏡の別の一実施例を示す図である。変位センサ４０１は
単一モード光ファイバ４０２に一定強度のレーザ光を送
り出し、単一モード光ファイバ４０２端面からの戻り光
強度を検知するものである。単一モード光ファイバ４０
２端面及び該端面と正対するカンチレバー４０３表面が
ファブリペロー共振器を構成するため、前記戻り光強度
はカンチレバー４０３の変位に応じて変化する。

【００２３】図１２は磁気力検出過程を示す図である。
カンチレバー４０３のプローブ４０４は該先端部の軸方
向に磁化した微小な磁石である。基板４０６につけられ
た磁化膜４０５上の磁化パターンに応じてプローブ４０
４は外力を受ける。すなわち、プローブ４０４の磁化方
向と磁化膜４０５上の磁化Ｍの方向が対向している場合
には、プローブ４０４は斥力ＲＦを受ける。同様に両者
の磁化方向が揃っている場合には、プローブ４０４は引
力ＡＦを受ける。カンチレバー４０３は非常にやわらか
いばねであり、前記外力の向きや大きさに応じて微小に
変形する。前記変形に応じて生じるカンチレバー４０３
の変位を変位センサ４０１で検出するのである。この場
合、外力の印加に伴ってカンチレバーの共振周波数の変
化を検出する場合とは異なり、カンチレバーの変位自体
は該カンチレバーの固有振動の周期程度の時定数で検出
することができ、情報検出信号の高帯域化が可能とな
る。変位センサ４０１の出力はプローブ４０４近傍の磁
化膜４０５の磁化情報ｍとなる。

【００２４】ここで、プローブ４０４に生じる磁力の大
きさは、プローブ４０４と磁化膜４０５の距離によって
も変化する。従って、前記の距離を一定に保つことが重
要である。まず、プローブ４０４の位置制御方法につい
て説明する。ここで、カンチレバー４０３とプローブ４
０４は導体である。また、磁化膜４０５としては、テル
ビウム−鉄−コバルトなどの希土類遷移金属合金膜や、
プラチナ−コバルト多層膜媒体などが測定可能であり、
いずれも導体である。従って、カンチレバー４０３と磁
化膜４０５の双方に電極を取り付けて容量距離センサ４
３０に接続することにより、両者間の容量ｃからプロー
ブ４０４と磁化膜４０５間の距離を検知することができ
る。これにより、高精度な前記距離の情報ｄをカンチレ
バー４０３の変位とは独立にに得ることができる。この
距離の情報ｄをアクチュエータ４１４に帰還させてプロ
ーブ４０４の位置を制御し、前記距離を一定に保つ。

【００２５】インタフェース４はコンピュータ５からの
命令に応じて、プローブ媒体間のスキャンを司るアクチ
ュエータ４２０を制御しながら、アクチュエータ４１４
の変位と等価な情報ｄ及び磁化膜４０５上の磁化情報ｍ
を取り込む。コンピュータ５はアクチュエータ４２０の
位置情報とアクチュエータ４１４の変位と等価な情報ｄ
を合成して、磁化膜４０５の凹凸マップ６を出力する。
さらに、コンピュータ５はアクチュエータ４２０の位置
情報と磁化情報ｍを合成して、磁化膜４０５の磁化情報
マップ７を出力する。以上により、本発明によれば高速
走査が可能なプローブ走査型顕微鏡が実現する。

【００２６】図５は、本発明による情報記録再生装置の
別の一実施例を示したものである。プローブの位置制御
と再生の構成は図４と同様である。再生時、インタフェ
ース２はプローブ媒体間のスキャンを司るアクチュエー
タ４２０を制御しながら、アクチュエータ４１４の変位
情報及び熱磁気記録膜５０５上の磁化情報ｍを取り込
む。

【００２７】図１１は電界による記録過程を示す図であ
る。記録時、インタフェース２はアクチュエータ４２０
を用いて位置決めした後、電源４３１をオンしてプロー
ブ４０４と熱磁気記録膜５０５の間に電圧をかけ、電流
Ｉを流す。該電流のジュール熱により、プローブ４０４
近傍の熱磁気記録膜５０５の温度が上昇し、磁化が周囲
の磁化からの反磁界により反転して記録される。このと
き外部から該熱磁気記録膜５０５に磁界Ｈを印加しても
良い。情報記録再生装置３としての統一的な制御は、コ
ントローラ２が外部のデータバス１とやりとりしながら
行なう。

【００２８】図６は、本発明による情報記録再生装置の
別の一実施例を示したものである。まず、プローブの位
置制御方法について説明する。光源１０１から出射した
直線偏光の光束は、偏波面保存型光ファイバ１０２を通
り、前記光の波長よりも小さな微小開口部１０４を有す
る金属マスク１０３を経てエバネッセント波の形態をと
る。前記微小開口部１０４は、鏡面部６０１にて折り返
されたるレンズ１０７の焦点近傍にある。通常、光波は
波長よりも小さな微小開口部１０４を通過することがで
きないが、微小開口部１０４と光磁気記録媒体１０５と
の距離ｄが十分小さい場合にのみ、微小開口部１０４を
通過して光磁気記録媒体１０５、透明基板１０６を伝播
していくことができる。従って、前記距離ｄを正確に検
出制御することが非常に重要となる。

【００２９】ここで、金属マスク１０３は導体である。
また、光磁気記録媒体１０５としては、テルビウム−鉄
−コバルトなどの希土類遷移金属合金膜や、プラチナ−
コバルト多層膜媒体などが使用可能であり、いずれも導
体である。従って、金属マスク１０３と光磁気記録媒体
１０５の双方に電極を取り付けて容量距離センサ１３０
に接続することにより、両者間の容量ｃから距離ｄを感
知することができる。金属マスク１０３の光磁気記録媒
体１０５に正対した部分の面積が微小開口部１０４の面
積に比べて大きいため、高精度な前記距離ｄの情報を高
速に得ることができる。この距離ｄの情報をアクチュエ
ータ１１４に帰還させて微小開口部１０４の位置を制御
し、距離ｄを一定に保つ。情報記録再生装置３を使用し
ないときは、コントローラ２からの命令により、アクチ
ュエータ１１４は微小開口部１０４を光磁気記録媒体１
０５から遠ざけて、衝突の危険を避ける。

【００３０】次に、記録過程について説明する。通常、
光磁気記録には熱と磁界の印加が必要である。加熱は、
光源１０１の出力を増大し、微小開口部１０４近傍の光
磁気記録媒体１０５を局所的に光照射加熱して行なう。
磁界印加系は磁性材で形成された金属マスク１０３の周
囲に電磁コイル１３２を巻くことによって構成され、磁
界ドライバ１３１で駆動される。磁性材で構成された金
属マスク１０３は磁気コアとして働くため、効率の高い
磁界印加が可能となる。また、電磁コイル１３２は微小
な部分に巻かれるため、自己インダクタンスの低減、即
ち磁界反転時間の短縮が図られる。これは、磁界変調型
の光磁気オーバライトを高速化する上でも都合が良い。
記録制御回路１３３は光源１０１に光照射の命令を出す
と同時に、磁界ドライバ１３１に磁界の印加の命令を出
すことにより、光磁気記録媒体１０５上への磁区パター
ンを記録する。

【００３１】次に再生過程について説明する。偏波面保
存型光ファイバ１０２を伝播する直線偏光は、微小開口
部１０４近傍の光磁気記録媒体１０５を通過する。この
とき、前記直線偏光の偏波面は、光磁気記録媒体１０５
中の磁化方向に応じて回転する。さらに、透明基板１０
６を伝播した前記直線偏光は鏡面部６０１で反射され
る。前記直線偏光は、再び透明基板１０６を伝播し、光
磁気記録媒体１０５に到達する。このとき、前記直線偏
光が照射される面積は、透明基板１０６往復の伝播によ
り微小開口部１０４の面積に比べて十分大きくなる。光
磁気記録媒体１０５上で、前記直線偏光が照射される面
積当たりに占める上向き下向きの磁区の割合は記録に際
し略一定にしておく。これにより、前記直線偏光は復路
において光磁気記録媒体１０５の巨視的な影響を受ける
ことなくレンズ１０７で集光される。この光の偏波面回
転成分をアナライザ１１７によって抽出し、レンズ１１
８で集光したものを光検出器１１９で検出することによ
り、微小開口部１０４近傍の光磁気記録媒体１０５の磁
化情報ｍを検出する。前記磁化情報ｍはコントローラ２
に送られてデジタル情報化される。

【００３２】アクセスは、アクチュエータ１２０で光磁
気記録媒体１０５の付着した透明基板１０６を位置決め
することによって行なう。情報記録再生装置３としての
統一的な制御は、コントローラ２が外部のデータバス１
とやりとりしながら行なう。

【００３３】図７は、本発明による情報記録再生装置の
別の実施例を示す図である。この実施例では、多数のプ
ローブを用いたパラレル記録再生について説明する。各
チャネルのデータ用プローブは、偏波面保存型光ファイ
バ１０２の先端を光の波長よりも小さな微小開口部１０
４を有する金属マスク１０３によって封じたものであ
る。プローブモジュール７１０は、微小開口部１０４を
直線上に多数個ならべたものと、前記微小開口部１０４
と同一平面上にある金属電極７２０とからなる。各チャ
ネル毎に、偏波面保存型光ファイバ１０２のプローブモ
ジュール７１０とは反対側の端部には記録再生ユニット
７０１が接続されている。記録再生ユニット７０１は、
偏波面保存型光ファイバ１０２の延長上に接続された直
線偏光を発生する光源１０１と、別の偏波面保存型光フ
ァイバ７０５と、偏波面保存型光ファイバ１０２および
偏波面保存型光ファイバ７０５を結合する方向性結合器
７０２と、偏波面保存型光ファイバ７０５の両端に接続
された光検出器７０３および７０４とからなる。

【００３４】まず、プローブの位置制御方法について説
明する。光源１０１から出射した直線偏光の光束は、方
向性結合器７０２により、光源モニタ７３２用の光検出
器７０４に向かう光と、偏波面保存型光ファイバ１０２
を通り、前記微小開口部１０４に向かう光とに分配され
る。微小開口部１０４に向かう光は、金属マスク１０３
を経てエバネッセント波の形態をとる。通常、光波は波
長よりも小さな微小開口部１０４を通過することができ
ないが、微小開口部１０４と光磁気記録媒体１０５との
距離ｄが十分小さい場合にのみ、微小開口部１０４を通
過して光磁気記録媒体１０５、透明基板１０６を伝播し
ていくことができる。従って、前記距離ｄを正確に検出
制御することが非常に重要となる。

【００３５】ここで、金属電極７２０は導体である。ま
た、光磁気記録媒体１０５としては、テルビウム−鉄−
コバルトなどの希土類遷移金属合金膜や、プラチナ−コ
バルト多層膜媒体などが使用可能であり、いずれも導体
である。従って、金属電極７２０と光磁気記録媒体１０
５の双方に電極を取り付けて容量距離センサ１３０に接
続することにより、両者間の容量ｃから距離ｄを感知す
ることができる。金属電極７２０の光磁気記録媒体１０
５に正対した部分の面積が微小開口部１０４の面積に比
べて大きいため、高精度な前記距離ｄの情報を高速に得
ることができる。この距離ｄの情報を低域通過フィルタ
７３０によって濾波したものをアクチュエータ１１４に
帰還させて微小開口部１０４の位置を制御し、距離ｄを
一定に保つ。ここで、プローブモジュール７１０をスラ
イダの形状とすることにより、プローブモジュール７１
０と光磁気記録媒体１０５との相対速度が大きい場合に
は、両者間の距離を略一定に保つことができる。これに
より、前記距離ｄを一定に保つためのサーボ系の負担が
軽減され若しくは不要となる。

【００３６】情報記録再生装置３を使用しないときは、
コントローラ２からの命令により、アクチュエータ１１
４は微小開口部１０４を光磁気記録媒体１０５から遠ざ
けて、衝突の危険を避ける。

【００３７】図８は、本実施例の光磁気記録媒体１０５
上の凹部パターンとプローブモジュール７１０との関係
を模式的に示したものである。プローブモジュール７１
０は図８中を向かって右方向に光磁気記録媒体１０５に
対し相対的に走査されるものとする。凹部７２１はサー
ボや記録再生のタイミング抽出用に付けられた溝状の凹
部であり、凹部７２２はサンプルサーボ方式のトラッキ
ングサーボ用に設けられたウォブルピット状の凹部であ
る。金属電極７２０と光磁気記録媒体１０５間の距離は
容量距離センサ１３０によって検出され、その低域成分
は前述のように距離サーボに用いられている。ここで、
その高域成分を高域通過フィルタ７３１によって抽出す
ることにより、凹部７２１及び凹部７２２を検出するこ
とができる。凹部７２２を用いたトラッキングサーボで
は、各微小開口部１０４を個別に正確に位置付けること
は困難であるが、光ディスクの技術を用いて簡単に前記
凹部を光磁気記録媒体上に形成可能という特徴および、
位置決めサーボ引き込み範囲が個別のトラック幅の数倍
以上とれて高速走査に適するという特徴を有する。

【００３８】次に、記録過程について説明する。通常、
光磁気記録には熱と磁界の印加が必要である。加熱は、
光源１０１の出力を増大し、微小開口部１０４近傍の光
磁気記録媒体１０５を局所的に光照射加熱して行なう。
磁界印加系はプローブモジュール７１０近傍の偏波面保
存型光ファイバ１０２の束の周囲に電磁コイル１３２を
巻くことによって構成され、磁界ドライバ１３１で駆動
される。記録制御回路１３３は光源１０１に光照射の命
令を出すと同時に、磁界ドライバ１３１に磁界の印加方
向及び強度の命令を出す。以上により、光磁気記録媒体
１０５上への磁区パターンの記録及び消去が可能にな
る。ここで、光学系７４０は常に、プローブモジュール
７１０近傍の光磁気記録媒体１０５を、透明基板１０６
側から照明する。各微小開口部１０４が凹部７２１を通
過する際、各微小開口部１０４と光磁気記録媒体１０５
との結合効率が変化し、それぞれの微小開口部１０４が
凹部７２１の端を通過する通過時刻ｔを検出することが
できる。前記通過時刻ｔを元に記録を行なうことによ
り、精度の高い記録が可能になる。

【００３９】次に、再生過程について説明する。半導体
レーザ７１１から発せられる直線偏光はレンズ７０９で
コリメートされ、二分の一波長板７０８で偏光面を回転
される。二分の一波長板７０８の出射側での偏光面は、
プローブモジュール７１０近傍の偏波面保存型光ファイ
バ１０２を通過可能な偏光面に対し、９０度±Ｋ（Ｋは
微小角）の角度をなしている。前記直線偏光はレンズ７
０７で絞りこまれた後、透明基板１０６を経由して微小
開口部１０４全体と正対する光磁気記録膜１０５を照明
する。光磁気記録膜１０５から滲出するエバネッセント
波は、微小開口部１０４と光磁気記録媒体１０５との距
離ｄが十分小さい場合にのみ、微小開口部１０４を通過
して偏波面保存型光ファイバ１０２中を伝播していくこ
とができる。

【００４０】前述の如く、光磁気記録媒体１０５を照明
する直線偏光は、微小開口部１０４近傍の光磁気記録媒
体１０５を通過した後、微小開口部１０４から進入して
いく。このとき、前記直線偏光の偏波面は、光磁気記録
媒体中の磁化方向に応じて回転する。この光の偏波面回
転成分を、アナライザとして作用する偏波面保存型光フ
ァイバ１０２によって抽出する。該偏波面回転成分は、
該偏波面保存型光ファイバ１０２と方向性結合器７０２
を介して結合された、別の偏波面保存型光ファイバ７０
５に取り付けられた光検出器７０３により検出される。
これにより、各微小開口部１０４近傍の光磁気記録媒体
１０５の磁化情報ｍがそれぞれ検出される。

【００４１】プローブモジュール７１０から集められる
前記磁化情報ｍは、同期回路７３３により、各微小開口
部１０４が凹部７２１の端を通過する時刻ｔで同期化さ
れ、コントローラ２に送られて地図情報化される。前記
地図情報から記録データを復調することができる。ここ
で、図８に示すように、記録のチャネル数を全記録再生
用プローブ数の半分程度以下にする事により、再生時の
トラッキング誤差がトラック幅と比較して大きな場合で
も、正確なデータを復調することができる。また、個別
のトラック幅に比較して大きなトラッキング誤差が許容
されるため、前述のように高速走査が可能となる。

【００４２】アクセスは、アクチュエータ１２０で光磁
気記録媒体１０５の付着した透明基板１０６を位置決め
することによって行なう。情報記録再生装置３としての
統一的な制御については、コントローラ２が外部のデー
タバス１とやりとりしながら行なう。

【００４３】以上の説明は光磁気記録媒体または磁性体
を中心とした議論であったが、媒体が相変化型記録媒体
のようなものを用いる場合でも、マークの記録や表面情
報の検出を行なうことができる。

【００４４】図１３は相変化型記録媒体への記録過程を
示したものである。通常、相変化記録には熱の印加が必
要である。加熱は、光源１０１の出力を増大し、微小開
口部１０４近傍の相変化型記録媒体１３０５を局所的に
光照射加熱して行なう。相変化型記録媒体１３０５中の
融点以上まで光照射加熱された部分は、一旦溶融し、急
激な温度降下の過程でアモルファス状態Ａとなる。

【００４５】図１４は相変化型記録媒体の再生過程を示
す図である。相変化型記録媒体１３０５のアモルファス
部分と結晶部分とでは、組成が同じでも構造が異なるた
め、光学定数が異なる。このため、微小開口部１０４と
相変化型記録媒体１３０５との距離が一定であっても、
前記微小開口部１０４と前記相変化型記録媒体１３０５
との光学的結合効率は、アモルファス状態Ａと結晶状態
Ｘとで変化する。該光学的結合効率の変化に応じ、相変
化型記録媒体１３０５を透過する光強度は変化するた
め、記録データ再生または表面情報検出が可能となる。

【００４６】図１５は微細加工装置の一実施例を示した
ものである。結晶へき開面等の原子オーダで非常に平坦
な被加工表面８０５上に原子単位で凹凸をつけるような
微細加工方法について示す。

【００４７】先ず、プローブの位置制御方法について説
明する。プローブはサーボ用のファイバ干渉計８０１の
一部をなす光ファイバ８０２と微細加工用の金属探針８
０４からなっている。波長７８０ナノメートルのレーザ
光源を有するファイバ干渉計８０１から出射した光束
は、単一モード型の光ファイバ８０２を通り、光ファイ
バ８０２の導波方向に対し垂直に形成された端面から出
射される。該光ファイバ８０２の端面と被加工表面８０
５とは略平行であり、かつ互いの距離は数ミクロン程度
に設定されている。この場合、被加工表面８０５で反射
された光と該光ファイバ８０２の出射端面で反射された
光とは干渉を起こし、両者間の距離の変化をファイバ干
渉計８０１で非常に高精度に検出することができる。単
一モード型光ファイバ８０２の導波コアの直径は約２ミ
クロン有るので、被加工表面８０５に水平な面内の分解
能も同様に約２ミクロン程度となる。ところが、ファイ
バ干渉計８０１は垂直距離変化に対し数百分の１ナノメ
ートルもの高分解能を有している。原子の直径が１０分
の１ナノメートル乃至１ナノメートルで有ることを考え
れば、ファイバ干渉計８０１は１原子層の１０分の１以
下の垂直距離変化を検出できることになる。ファイバ干
渉計８０１の垂直距離情報は垂直位置決めサーボ系８０
３に送られ、被加工表面８０５と光ファイバ８０２の端
面との距離を１原子層の１０分の１以下の垂直距離精度
で一定に保つ。

【００４８】光ファイバ８０２の端面付近には、先端が
単原子から成る微細な金属探針８０４が取り付けられて
いる。コンピュータ５はインタフェース４を介して垂直
位置決めサーボ系８０３に司令を送り、金属探針８０４
の先端と被加工表面８０５との間隔を１０分の１ナノメ
ートル程度に位置付ける。この時、コンピュータ５が前
記間隔を認識する方法について説明する。コンピュータ
５はインタフェース４を介して電源８０８の出力電圧を
比較的低く設定する。電源８０８の出力の一端は金属探
針８０４に接続されている。また電源８０８の他方の一
端は電流計８０９を介してステージ８０６上の被加工表
面８０５に接続されている。金属探針８０４の先端と被
加工表面８０５との間隔が２分の１ナノメートル程度以
下で、かつ両者の間に低電界が印加されている場合、両
者の間にはトンネル電流が流れる。このトンネル電流を
電流計８０９でモニタすることにより、コンピュータ５
は金属探針８０４の先端と被加工表面８０５との間隔を
知ることができる。以上のようなトンネル走査型顕微鏡
の原理を用いて金属探針８０４の先端と被加工表面８０
５との間隔を一度設定してしまえば、相対精度が高いフ
ァイバ干渉計８０１を初期化したことになり、原子オー
ダの垂直位置決めがこれ以後可能になる。

【００４９】ファイバ干渉計８０１を用いて垂直位置決
めを行なう利点は、数十キロヘルツという高帯域で、２
ミクロン平方という比較的広い範囲の平均距離が、２ミ
クロン程度離れた点から１０分の１原子層以下の精度で
検出できるという点である。従って、垂直位置決めサー
ボ系８０３は被加工表面８０５上に形成された一原子層
程度の微細な凹凸に影響されることなく前記平均距離変
化に追従していくことができる。

【００５０】次に微細加工方法について説明する。金属
探針８０４は前述のように被加工表面８０５から２分の
１ナノメートル程度離れた位置で垂直距離サーボをかけ
られている。コンピュータ５はインタフェース４を介し
て水平位置決め用のアクチュエータ８０７を制御し、金
属探針８０４の位置を被加工表面８０５上の加工箇所に
位置付ける。さらにコンピュータ５はインタフェース４
を介して垂直位置決めサーボ系８０３に司令を送り、金
属探針８０４の先端と被加工表面８０５との間隔を、一
時的に原子サイズとほぼ等しい１０分の１ナノメートル
程度まで近づけ、加工に備える。前記加工箇所におい
て、コンピュータ５はインタフェース４を介して電源８
０８に司令を出して金属探針８０４の被加工表面８０５
に対する電圧を制御する。前記金属探針８０４への電圧
印加によって金属探針８０４の先端周辺には局所的に非
常に強い電場が生じ、印加電圧の大小や極性の正負によ
って該局所電場を制御することができる。

【００５１】通常、被加工表面８０５上の原子は該表面
の物体側のみ他の原子と結合しているため、電気的な偏
りを生じている。そのため、金属探針８０４の先端付近
の局所電場によって、被加工表面８０５上の原子に対し
局所的な外力を与えることができる。この外力を制御す
ることにより、被加工表面８０５上を原子オーダで加工
することができるわけである。また、被加工表面８０５
を形成する物質によって表面原子が非常に電離しやすい
場合も有る。この場合は、金属探針８０４周辺の局所電
場を用いて、被加工表面８０５上の特定原子を狙って抜
き取ることも可能である。また逆に金属探針８０４上の
原子を飛ばせば被加工表面８０５上の特定箇所に原子を
付着させることも可能である。

【００５２】さらに、金属探針８０４の先端を直接被加
工表面８０５上にあてて機械的に加工することもでき
る。ここで、ファイバ干渉計８０１は、光ファイバ８０
２の端面と被加工表面８０５の往復の光路差を用いてい
るため、ダイナミックレンジが４分の１波長程度即ち２
００ナノメートル程度とれる。従って、数ナノメートル
程度までの凹凸を被加工表面８０５上に形成する場合で
も、本実施例は十分に対応することができる。以上本発
明によれば、原子層オーダで平坦な被加工表面８０５に
対し、非常に高速に位置決めが可能でしかも原子レベル
までの超精密加工が可能な微細加工装置が実現される。

【００５３】また、以上の実施例では媒体側を移動させ
てアクセスするものについて説明したが、反対にプロー
ブ部全体を移動させてアクセスする場合も同様である。
この場合、媒体をディスク形状にして回転させることも
できる。

【００５４】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、サブミクロ
ンサイズないしナノメートルサイズのプローブを記録媒
体表面に沿って高速で走査させることにより、超高密度
高速の情報記録再生が可能な情報記録再生装置ないしプ
ローブ走査型顕微鏡、さらには微細加工装置が実現され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による情報記録再生装置の一実施例を示
す図である。

【図２】光ファイバを用いた情報記録再生装置の従来の
例を示す。

【図３】本発明によるプローブ走査型顕微鏡の一実施例
を示す図である。

【図４】本発明によるプローブ走査型顕微鏡の別の一実
施例を示す図である。

【図５】本発明による情報記録再生装置の別の一実施例
を示す図である。

【図６】本発明による情報記録再生装置の別の一実施例
を示したものである。

【図７】本発明による情報記録再生装置の別の実施例を
示す図である。

【図８】光磁気記録媒体上の凹部パターンとプローブモ
ジュールとの関係を模式的に示したものである。

【図９】図９は光磁気記録過程を示す図である。

【図１０】光磁気再生過程を示す図である。

【図１１】電界による記録過程を示す図である。

【図１２】磁気力検出過程を示す図である。

【図１３】相変化型記録媒体への記録過程を示したもの
である。

【図１４】相変化型記録媒体の再生過程を示す図であ
る。

【図１５】本発明による微細加工装置の一実施例を示す
図である。

【符号の説明】

１０１…光源，１０２…偏波面保存型光ファイバ，１０
３…金属マスク，１０４…微小開口部，１０５…光磁気
記録媒体，１３０…容量距離センサ，１１４…アクチュ
エータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｚ (72)発明者新谷俊通埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学的、磁気的、静電的、電気的、或は機
械的信号を記録可能な情報記録媒体に対し、プローブを
非接触で該情報記録媒体表面に沿って走査させて記録再
生を行なう情報記録再生装置において、前記プローブは
情報記録マークを記録かつ／または検知する第１のプロ
ーブと、該第１のプローブよりも有効検知面積の大きな
位置決めサーボ用第２のプローブとが一体化して成るプ
ローブであることを特徴とする情報記録再生装置。
【請求項２】プローブを非接触で試料表面に沿って走査
させて該試料表面を観察するプローブ走査型顕微鏡にお
いて、前記プローブは光学的、磁気的、静電的、電気
的、或は機械的信号を検知可能な第１のプローブと、該
第１のプローブよりも有効検知面積の大きな位置決めサ
ーボ用第２のプローブとが一体化して成るプローブであ
ることを特徴とするプローブ走査型顕微鏡。
【請求項３】光学的、磁気的、静電的、電気的、或は機
械的信号を記録可能な情報記録媒体に対し、プローブを
非接触で該情報記録媒体表面に沿って走査させて記録再
生を行なう情報記録再生装置において、前記プローブは
１ミクロン以下の有効検知径を有する情報記録再生用第
１のプローブと位置決めサーボ用第２のプローブを一体
化して成るプローブであり、該プローブの機械的固有振
動の周期程度以下の時定数で１ビットの情報及びサーボ
信号を得る手段を有することを特徴とする情報記録再生
装置。
【請求項４】プローブを非接触で試料表面に沿って走査
させて該試料表面を観察するプローブ走査型顕微鏡にお
いて、前記プローブは１ミクロン以下の有効検知径を有
する表面情報検出用第１のプローブと位置決めサーボ用
第２のプローブを一体化して成るプローブであり、該プ
ローブの機械的固有振動の周期程度以下の時定数で１点
の表面情報を得る手段を有することを特徴とするプロー
ブ走査型顕微鏡。
【請求項５】請求項１に記載の情報記録再生装置におい
て、該情報記録媒体上を滑走するスライダを配置し、前
記スライダ上に該プローブを搭載することを特徴とする
情報記録再生装置。
【請求項６】光学的、磁気的、静電的、電気的、或は機
械的信号を記録可能な情報記録媒体に対し、略等間隔で
直線上に並んだ少なくとも３個の情報記録再生用プロー
ブを有し、前記情報記録再生用プローブの数の２分の１
を越えない数の記録再生チャネルを有し、前記情報記録
再生プローブ一本当たりの幅よりもサーボ引き込み範囲
の大きなトラッキングサーボ手段を有することを特徴と
する情報記録再生装置。
【請求項７】光学的、磁気的、静電的、電気的、或は機
械的信号を記録可能な情報記録媒体に対し、略等間隔で
直線上に並んだ少なくとも３個の情報記録再生用プロー
ブを有し、前記情報記録再生用プローブの数の２分の１
を越えない数の記録再生チャネルを有し、情報記録の度
にトラッキングサーボ情報も更新して記録することを特
徴とする情報記録再生装置。
【請求項８】光学的、磁気的、静電的、電気的、或は機
械的信号を記録可能な情報記録媒体に対し、情報記録再
生用プローブを配置した情報記録再生装置において、ト
ラッキングサーボ用マークとタイミング検出用マークの
内、少なくとも一方がプローブとは反対側へのエンボス
孔あるいは溝であることを特徴とする情報記録再生装
置。
【請求項９】請求項１に記載の情報記録再生装置におい
て、信号記録再生用プローブが微小な光ファイバ端開口
部であり、サーボ用プローブが前記光ファイバ端開口部
周辺の導体コーティング部を用いた容量検出用プローブ
であることを特徴とする情報記録再生装置。
【請求項１０】請求項２に記載のプローブ走査型顕微鏡
において、サーボ用プローブとして容量検出用プローブ
を用いることを特徴とするプローブ走査型顕微鏡。
【請求項１１】請求項２に記載のプローブ走査型顕微鏡
において、信号記録再生用プローブが微小な光ファイバ
端開口部であり、サーボ用プローブが前記光ファイバ端
開口部周辺の導体コーティングを用いた容量検出用プロ
ーブであることを特徴とするプローブ走査型顕微鏡。
【請求項１２】請求項９に記載の情報記録再生装置にお
いて、光ファイバ端開口部周辺の導体コーティング部の
直近に磁界印加手段を具備することを特徴とする情報記
録再生装置。
【請求項１３】請求項１２に記載の情報記録再生装置に
おいて、光ファイバ端開口部周辺の導体コーティングが
磁性体であることを特徴とする情報記録再生装置。
【請求項１４】請求項１に記載の情報記録再生装置にお
いて、直線上に並んだ少なくとも２本の光ファイバ端を
情報記録再生用プローブとして用い、前記光ファイバ端
のそれぞれから光を独立に出射する手段、媒体を照明す
る手段、照明された媒体から前記光ファイバ端へのエバ
ネッセント光を独立に検出する手段を具備することを特
徴とする情報記録再生装置。
【請求項１５】請求項９、１２、１３、１４に記載の情
報記録再生装置において、信号光検出用かつ／または媒
体照明用のレンズを、記録媒体表面に対して光ファイバ
端と同じ側または反対側の少なくとも一方に有すること
を特徴とする情報記録再生用装置。
【請求項１６】請求項１に記載の情報記録再生装置にお
いて、電流で記録媒体を加熱する手段を具備することを
特徴とする情報記録再生装置。
【請求項１７】請求項１に記載の情報記録再生装置にお
いて、記録再生用トラック１チャネル分の幅よりも幅広
のサーボ用マークを用いたトラッキング手段を具備する
ことを特徴とする情報記録再生装置。
【請求項１８】被加工試料に対し、プローブを非接触で
該試料表面に沿って走査させて該試料表面を加工する微
細加工装置において、前記プローブは試料表面を加工す
る第１のプローブと、該第１のプローブよりも有効検知
面積の大きな位置決めサーボ用第２のプローブとが一体
化して成るプローブであることを特徴とする微細加工装
置。
【請求項１９】請求項１８に記載の微細加工装置におい
て、試料表面を加工する第１のプローブが導電性の物質
から成ることを特徴とする微細加工装置。
【請求項２０】請求項１８に記載の微細加工装置におい
て、位置決めサーボ用の第２のプローブが光ファイバ端
面から成ることを特徴とする微細加工装置。
【請求項２１】請求項１８に記載の微細加工装置におい
て、試料表面を加工する第１のプローブが導電性の物質
から成ることとり、サーボ用の第２のプローブが光ファ
イバ端面から成ることを特徴とする微細加工装置。
【請求項２２】被加工試料に対し、プローブを用いて該
試料表面を微細に切削加工する微細加工装置において、
前記プローブは試料表面を切削加工する第１のプローブ
と、該第１のプローブよりも有効検知面積が大きく該試
料表面とは非接触の位置決めサーボ用第２のプローブと
が一体化して成るプローブであることを特徴とする微細
加工装置。