JPH09282722A

JPH09282722A - 記録媒体および記録装置と再生装置

Info

Publication number: JPH09282722A
Application number: JP9087696A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kugimiya; 公一釘宮; Osamu Kusumoto; 修楠本; Kazuo Yokoyama; 和夫横山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】高い記録密度を持ち、信頼性の高い大容量の
記録や再生媒体と装置を提供する。【解決手段】導体、半導体及び絶縁体の少なくとも一
つよりなる基板１１ｂ上に、第１、第２の絶縁薄膜１２
ａ，１２ｂよりなる記録層上の最表面を改質する界面導
電膜１３を形成し、特に、界面導電膜１３を導電性薄膜
と撥水性吸着膜との複合構成を取るなどして界面導電膜
が１ＭΩ／□以下の表面電気抵抗を有するように修飾し
て、水分の吸着や同時に表面の帯電の防止を効果的に実
現して、プローブ１４と記録層表面との界面における問
題を解決して、前記の両絶縁薄膜界面の電気的性質の変
化に忠実に追随した信号を保持せしめ、また、検出する
記録媒体１１を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は映像情報やデーター
情報などの信号を記録し、また記録再生する媒体や装置
に関するものであり、より詳しくはマイクロプローブ技
術を応用した信号記録や再生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年はマルチメディア時代と言われ、画
像、動画などのデータを保存する大容量メモリの需要が
高まっている。これらの大容量メモリの代表としては光
ディスク、磁気ディスクがあげられる。例えば光ディス
クではトラックピッチ０．７５μｍ、最短記録マーク長
０．４μｍのものが実用化されようとしているし、磁気
ディスクではトラックピッチは数μｍと大きいがビット
長は０．４μｍ以下のものが実用化されている。しかし
これより記録ビットを小さくし、高密度化を図るには、
光の回折限界、磁気ヘッドの低浮上化など克服すべき課
題は多い。

【０００３】これとは別に走査プローブ顕微鏡（以下Ｓ
ＰＭと略する）を用いた記録再生方式が提案されてい
る。ＳＰＭは先鋭化したプローブを用いてnmオーダーの
分解能を持つ顕微鏡である。このＳＰＭのプローブを用
いて試料表面の微小領域の電気的性質を変化させて記録
する方式を高密度記録に応用する提案がなされている。
例えば、微小領域の導電率を変化させる方法としては特
開平７ー１０５５８０号公報に、記録層にＡg-Ｉn-Ｓb-
Ｔe 等の四元系材料を用い、探針からのトンネル電流に
よる加熱を利用して局所的に相変化させて、情報の記録
を行う情報記録装置が開示されている。相変化した領域
では導電率が変化し、これをトンネル電流の変化により
検出して読みだしを行う。この方法で１ビットあたりの
記録径を数十nmにまで微小化することが可能とされてい
る。

【０００４】また微小領域の静電容量を変化させる方法
としては「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジック
ス」第７０巻 2725頁〜2733頁（1991年）（Journal of
Applied Physics 70,2725-2733(1991)）に、図４のよう
にシリコン基板４１上にシリコン酸化膜４２ａとシリコ
ン窒化膜４２ｂを形成した記録媒体表面に、先鋭化した
プローブ４４を接触させてシリコン基板４１とプローブ
４４の間にパルス電圧を印加し、シリコン基板４１の電
子４５をシリコン酸化膜４２ａをトンネリングさせ、シ
リコン酸化膜４２ａとシリコン窒化膜４２ｂの界面にト
ラップさせることによって記録をする方式が開示されて
いる。プローブ４４とシリコン基板４１間の静電容量Ｃ
はプローブ４４とシリコン基板４１間に印加する電圧Ｖ
によって変化し、その変化に相応したＣＶ特性を示す。

【０００５】これらの装置は、実用化に至っていないが
いろいろと原理的な実験や検討が大学などの機関で実施
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電子を界面にトラップする記録装置において、低湿時の
動作では信号の検出時のエラーレートが非常に高く、一
方、高湿時にはプローブの動きが悪くなりそのためにや
はり信号の検出時のエラーレートが非常に高くなるばか
りか記録時の信頼性も低下するといった実用的には致命
的な欠陥が発見された。

【０００７】

【課題を解決するための手段】以上のような従来の課題
を解決するため、第１の発明は、導体、半導体及び絶縁
体の少なくとも一つよりなる基板上に、第１、第２の絶
縁薄膜よりなる記録層上の最表面を改質する界面導電膜
を形成し、特に、界面導電膜を導電性薄膜と撥水性吸着
膜との複合構成を取るなどして界面導電膜が１ＭΩ／□
以下の表面電気抵抗を有するように修飾して、水分の吸
着や同時に表面の帯電の防止を効果的に実現して、プロ
ーブと記録層表面との界面における問題を解決して、前
記の両絶縁薄膜界面の電気的性質の変化に忠実に追随し
た信号を保持せしめ、また、検出する記録媒体を実現す
る。

【０００８】また、第２の発明は、導体、半導体及び絶
縁体の少なくとも一つよりなる基板上に、第１、第２の
絶縁薄膜よりなる記録層上の最表面を改質する界面導電
膜を形成し、前記の両絶縁薄膜界面の電気的性質を変化
させて信号を保持する記録媒体を具備し、前記記録媒体
を移動させる手段と、前記記録媒体の表面に少なくとも
１つのプローブを対向させ、前記記録層と前記プローブ
の間に電圧を印加することによって前記記録媒体に信号
を記録することを特徴とした記録装置や、同様に、前記
記録層と前記プローブとの間に記録された信号を、前記
記録層と前記プローブの間に生ずる相互干渉を検出する
ことによって再生することを特徴とした再生装置を提供
し、エラーレートの少ない信頼性の高い装置を提供する
ことにある。

【０００９】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）以下本発明の第１の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図３に本発明の１つ
の実施形態である情報記録再生装置の構成を示す。片面
だけでなく両面に活性な記録層をもつ例を示している。
導体、絶縁体または半導体のいずれかでなる基板３１ｂ
の表裏それぞれに第１の記録層３１ａ、第２の記録層３
１ｃを形成した記録媒体３１が回転軸３Ｘにハブ３Ｈで
押し付けられて固定されている。ハブ３Ｈはスリップリ
ング３Ｓと導通しており、これに接触摺動するブラシ３
ＢＳを通して、基板３１ｂは必要に応じてバイアス電源
３６に接続される。

【００１０】さて、記録媒体３１は回転軸３Ｘを介して
回転装置３Ｒによって回転させられる。第１のプローブ
３４ａは少なくともその表面が導体によって覆われてお
り、記録ないし再生を行う記録再生回路３８ａに電気的
に接続されている。第１のプローブ３４ａは弾性体（図
示せず）に支持され、第１の記録層３１ａの表面に接触
している。また図示していない位置決め機構によって記
録媒体３１の半径方向に移動することができる。第２の
プローブ３４ｂも、第１のプローブ３４ａと同様に構成
されている。

【００１１】図２は図３の記録再生回路を詳細に説明し
たものである。例えば、記録時には切り替えスイッチ２
７によってプローブ２４をパルス電源２９に接続し、記
録媒体２１の基板２１ｂとプローブ２４間にパルス電圧
を印加する。再生時には、必要に応じてバイアス電源２
６によってプローブ２４と基板２１ｂの間にバイアス電
圧を印加し、切り替えスイッチ２７を切り替え、プロー
ブ２４を検出器２８に接続し、プローブ２４と基板２１
ｂの間の容量の絶対値または容量変化を検出する。

【００１２】図１は、本発明の一実施の形態に係る記録
媒体１１の一例を詳細に示した図である。基板１１ｂの
少なくとも片面に第１の絶縁薄膜１２ａを介し、第２の
絶縁薄膜１２ｂを堆積させ、さらにその表面に表面抵抗
を下げる界面導電膜１３を形成したものである。例え
ば、基板１１ｂとしては抵抗率が１０Ω・ｃｍ以下で表
面の平坦性のよいシリコン基板を使用できる。また、第
１の絶縁薄膜１２ａとしては電子がトンネリングできる
程度の膜厚、例えば１０nm以下のシリコン酸化膜が適当
であり、第２の絶縁薄膜１２ｂとしては、例えばシリコ
ン窒化膜を対応して使用するのがよい。これらの膜は通
常のＳｉデバイスの製造に通常使用される方法で形成す
る。

【００１３】より詳しく述べるとシリコン基板を酸素雰
囲気中にて９００℃〜１１００℃に加熱して表面を酸化
するドライ熱酸化法によって、表面に所定の膜厚の酸化
膜を形成した後に、例えばＬＰＣＶＤ法によりジクロル
シランとアンモニアの混合ガス中で８００℃程度に加熱
し、シリコン酸化膜の表面にシリコン窒化膜を所定の膜
厚だけ形成する。

【００１４】さらにその表面に表面抵抗を下げる界面導
電膜１３としては、例えば１０nm厚のＴｉＣ導体極薄膜
をスパッター法などで形成し、その上に撥水性のある各
種シリケート化合物や弗素化合物吸着膜、例えば、ＣＦ
₃（ＣＨ₂）₉Ｓｉ（ＯＨ）₃を１nm程度の分子膜厚膜分吸
着させて、プローブ１４と記録媒体の吸い付きを除いて
滑らかな走行を可能とせしめ、同時に帯電を防止して、
エラーレートの向上を計ることが可能となった。このよ
うな吸着膜としては、各種の物が報告されており、例え
ば、米国特許第５,２７０,０８０号明細書に記載の化合
物は全て適応できる。尚、図中１５は電荷である。

【００１５】図２、図３に示す装置を用いて、記録や再
生の検討を行った。記録媒体としては抵抗率０．８Ω・
cmのｎ型シリコンの表裏両面にシリコン酸化膜２．５n
m、シリコン窒化膜２０nmを堆積させたものを、外径５
０mm、内径２０mmのディスク形状に加工したものを用い
た。この記録媒体を１００rpm の回転速度で回転させ記
録再生を行った。

【００１６】記録はそれぞれのプローブ１４に＋２０
Ｖ、０.１μsecのパルス電圧を印加してデジタル信号の
記録を行った。読みだしはプローブ１４とシリコン基板
の間の容量変化を測定する。この場合は、再生時にはシ
リコン基板に適当なバイアス電圧を印加する必要がある
が、これにはシリコン基板にバイアス電圧を印加するだ
けで第１の記録層、第２の記録層共通にバイアス電圧を
印加できる。本実施の形態では−２Ｖのバイアス電圧を
印加した。記録された領域での容量センサーの信号は１
００mVであり、記録されていない領域では５０mVであっ
た。記録ビット１個あたりの径は約５０nmの大きさであ
り、トラックピッチは５０nmとした。したがって記録媒
体片面あたりの記録密度は２７０Ｇbits/in²であり、片
面の記録容量は８７．５ＧByteであるが、裏面にも同様
に記録しているので両面合わせた情報記録装置全体の記
録容量は１７５ＧByteと２倍になる。また異なる記録層
どうしでの影響は見られなかった。

【００１７】なお、記録時と逆極性のパルス電圧を印加
することによって、情報を消去することも可能であっ
た。

【００１８】（比較例１）さて、比較実験の例を先ず示
す。実施形態１の時に、界面導電膜の形成されていない
記録媒体においては、初期の記録や再生に於ては大きな
困難は認められなかったが、１０時間の連続走行実験の
後にエラーレートを測定したところ、１００から１００
０ＰＰＭの大きな値が認められた。大気中の極端な実験
の場合には、塵埃などが表面に吸着されているのが観測
された。これは走行による帯電と推定された。

【００１９】（比較例２）別の比較実験の例を示す。実
施形態１の時に、界面導電膜の形成されていない記録媒
体においては、やはり、初期の記録や再生に於ては大き
な困難は認められなかった。しかし、高温高湿（８０度
８０％）に１０時間放置後、同じ環境下でエラーレート
を測定したところ、１０００から１０００００ＰＰＭの
大きな値が認められた。極端な場合には、プローブが表
面に吸い付くようになり、いわゆるスティックスリップ
状況に陥っており、プローブが不規則な振動をしている
ことが推測された。これは、表面に水が吸着されている
と推定された。

【００２０】（実施の形態２）さて、本発明の実験例を
示す。実施形態１の時に、界面導電膜を形成して比較例
１や２と同様の検討を行った。初期の記録媒体において
は、記録や再生に於てはやはり比較例１と同様に問題は
認められなかった。１０時間の連続走行実験の後や高温
高湿の実験では、エラーレートは大幅に改善されてお
り、本実験での測定限界以下の１ＰＰＭ以下の値が認め
られ、飛躍的な改善が得られた。大気中の極端な実験の
場合でも、塵埃などの表面への吸着は観測されず、非常
に滑らかな走行が得られた。帯電や吸着水の問題が解決
されたと推定される。

【００２１】（実施の形態３）なお、記録媒体として
は、記録層に強誘電体を用いてもよい。強誘電体として
は例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、フッ化ビ
ニリデン／三フッ化エチレン共重合体などを検討した。

【００２２】記録媒体は第１の実施の形態と同じく、抵
抗率０．８Ω・cmのｎ型シリコンの表裏両面にシリコン
酸化膜２.5nm、シリコン窒化膜２０nmを堆積させたもの
を、外径５０mm、内径２０mmのディスク形状に加工した
もの５枚を連結して用いた。この記録媒体を１００rpm
の回転速度で回転させた。

【００２３】記録はそれぞれのプローブに＋２０V、
０．１μsecのパルス電圧を印加してデジタル信号の記
録を行った。再生時のバイアス電圧は−２Ｖとした。

【００２４】記録された記録媒体を取り外し、走査容量
顕微鏡で容量分布を確認したところ５枚の記録媒体の表
裏全ての面にビット長５０nm、トラックピッチ５０nmで
確かに記録されていた。したがって記録密度は２７０Ｇ
bits/in²であり、片面の記録容量は８７．５ＧByteであ
った。

【００２５】なお、本実施の形態では記録媒体にシリコ
ン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン基板からなる記録
媒体を用いたが、例えばチタン酸ジルコン酸鉛やフッ化
ビニリデン／三フッ化エチレン共重合体などの強誘電
体、シリコン酸化膜、シリコン基板からなる記録媒体を
用いても同様の高い記録密度２７０Ｇbits/in²が実現で
きた。

【００２６】さて、この時に上記の比較例１や２と同様
に、実施の形態２と同様に、本発明の界面導電膜の有無
による特性を比較した所、上記と同様の値をそれぞれ得
た。やはり、エラーレートの飛躍的な改善が本発明の場
合に得られた。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明を用いれば、エラ
ーレートを飛躍的に改善でき実用的な記録媒体および記
録再生装置を提供できる。上記の原理に基づけば、界面
導電膜は帯電を防止できる程度の低抵抗であれば良く、
上記の限定的な例に縛られることはない。また、記録や
再生の方法が異なっても、基板が導体、絶縁体や半導体
であっても同様の効果の有ることは自明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における記録媒体の一つの
構成を示す図

【図２】本発明の第１の実施の形態における記録や再生
装置の動作概念を示す図

【図３】本発明の第１の実施の形態における記録や再生
装置の動作概念を示す図

【図４】従来の静電容量変化で記録を行う方式を示す図

【符号の説明】

１１記録媒体１１ｂ基板１２ａ第１の絶縁薄膜１２ｂ第２の絶縁薄膜１３界面導電膜１４プローブ１５電荷

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導体、半導体及び絶縁体の少なくとも一つ
よりなる基板上に、第１、第２の絶縁薄膜や誘電体薄膜
よりなる記録層上の最表面を改質する界面導電膜を形成
し、前記両絶縁薄膜界面の電気的性質を変化させて信号
を保持する記録媒体。
【請求項２】絶縁薄層が酸化膜ないしは窒化膜の少なく
とも一つを含むことを特徴とした請求項１記載の記録媒
体。
【請求項３】界面導電膜が１ＭΩ／□以下の表面電気抵
抗を有することを特徴とする請求項１記載の記録媒体。
【請求項４】界面導電膜が導電性薄膜と撥水性吸着膜と
の複合構成を特徴とする請求項１記載の記録媒体。
【請求項５】導体、半導体及び絶縁体の少なくとも一つ
よりなる基板上に、第１、第２の絶縁薄膜や誘電体薄膜
よりなる記録層上の最表面を改質する界面導電膜を形成
し、前記の両絶縁薄膜界面の電気的性質を変化させて信
号を保持する記録媒体を具備し、前記記録媒体を移動さ
せる手段と、前記記録媒体の表面に少なくとも１つのプ
ローブを対向させ、前記記録層と前記プローブの間に電
圧を印加することによって前記記録媒体に信号を記録す
ることを特徴とした記録装置。
【請求項６】導体、半導体及び絶縁体の少なくとも一つ
よりなる基板上に、第１、第２の絶縁薄膜や誘電体薄膜
よりなる記録層上の最表面を改質する界面導電膜を形成
し、前記の両絶縁薄膜界面の電気的性質を変化させて信
号を保持する記録媒体を具備し、前記記録媒体を移動さ
せる手段と、前記記録媒体の表面に少なくとも１つのプ
ローブを対向させ、前記記録層と前記プローブの間に記
録された信号を、前記記録層と前記プローブの間に生ず
る相互干渉を検出することによって再生することを特徴
とした再生装置。