JPH10112082A - 情報記録再生装置、および情報記録再生方法 - Google Patents

情報記録再生装置、および情報記録再生方法

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JPH10112082A
JPH10112082A JP8284670A JP28467096A JPH10112082A JP H10112082 A JPH10112082 A JP H10112082A JP 8284670 A JP8284670 A JP 8284670A JP 28467096 A JP28467096 A JP 28467096A JP H10112082 A JPH10112082 A JP H10112082A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、情報をビットとして記録するに際し
て、記録媒体の局所的な特性に合わせて、バイアス、及
び記録媒体を流れる電流を制御し、ビットの形状や形成
位置の安定した記録が可能な情報記録再生装置および情
報記録再生方法を提供することを目的としている。 【解決手段】本発明は、探針と記録媒体を有し、前記探
針と前記記録媒体との間に電圧印加手段によって電圧を
印加し、情報の記録・再生を行う情報記録再生装置また
は方法において、前記電圧印加手段が直流電源と電荷蓄
積手段とを有し、情報の記録に際してスイッチ機構によ
り前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を直流電源から切
り離して、前記探針又は前記記録媒体に出力することを
特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、探針と試料との両
者間に電圧を印加し、接近させることによって生じる電
気現象を利用した情報の記録再生装置および記録再生方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、探針と試料とを接近させ、その時
に現われる物理現象(トンネル現象等)を利用して、物
質表面及び表面近傍の電子構造を直接観察できる走査型
トンネル顕微鏡(以下STMと略す)が開発され、
[G.Binning et al.,Helveti
ca Physica Acta,55,726(19
82)]、単結晶、非晶質を問わず実空間像を高い分解
能で測定できるようになった。またSTMは、媒体に対
して電流による損傷を与えずに低電力で観測できる利点
をも有し、さらには超高真空中のみならず大気中・溶液
中でも動作し種々の材料に対して用いることができるた
め、様々な学術分野、あるいは研究分野での広範囲な応
用が期待されている。
【0003】また、産業分野においても、近年、原子あ
るいは分子サイズの空間分解能を有する原理に着目し、
特開昭63−161552号公報および特開昭63−1
61553号公報に着目し、特開昭63−161552
号公報および特開昭63−161553号公報に開示さ
れているように、媒体に記録層を用いることによる情報
記録再生装置への応用、実用化が精力的に進められてい
る。これらの方法では具体的には、Au電極上に積層さ
れたSOAZ・ラングミュア−ブロジェット(LB)膜
を記録媒体として用いる。記録はプローブと媒体の間に
バイアス印加回路を用いてパルス波を重畳した電圧を試
料・探針間に印加することで行なう。また再生はプロー
ブと媒体の間にある一定のDC電圧を印加しながら媒体
表面をプローブで走査し、電流変化を検出することによ
って行なう。たとえばこの方法によって、媒体上には図
7に模式的に示すように高抵抗なLB膜中の一部に低抵
抗な部分Aができている。再生時に、Au電極に所定の
DC電圧を印加して探針を流れる電流を測定すると、高
抵抗な部分を走査移動しているときはほとんど電流が流
れないが、ひとたび記録されたビット部分に探針が入る
と電流値は急に上昇する。この電流値の変化を検出する
ことでビットの有無を検出できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この記録には上述した
とおりに媒体にプローブを用いて電圧パルスを印加する
こと行なわれるが、記録の場合の波高値はある閾値以上
を印加することが必要である。しかしながらこの閾値電
圧は、媒体として用いられている有機膜厚の局所的なば
らつきによって変動を起こすことが問題となっていた。
膜厚の大きいところでは高いバイアスで、小さいところ
では低いバイアスで遷移を起こすが、この閾値を一定と
してパルス波高値を決めると、膜厚の大きなところでは
遷移が起こらず、膜厚の小さなところでは過大電流によ
る破壊が起こるために、安定に形成されるビットの確率
が低下してしまう結果になった。
【0005】さらに、例えば、この膜厚ばらつきに十分
な電圧を波高値として決めた場合には、閾値の小さな部
分のビットに過大な電圧を印加することになり、その結
果、ビット形状や、大きさ、位置などが不安定なビット
が形成されることとなる。そのときの最大電流を見てみ
ると、ある電流値以下の電流の場合には、形状が探針先
端形状を反映した、大きさ10nm程度の安定したビッ
トが得られるが、その電流値以上の場合には媒体が電流
によって破壊され、ビットの形状は探針先端の形状とは
無関係で大きさも数100nm程度もある構造物が形成
されてしまう。ビットの記録された部分の有機膜の抵抗
値とされていないところのそれとを比較してみると、記
録されているところは記録されていないところの抵抗値
の2桁以上小さいために、ある一定電圧を印加した場
合、その電圧が適正値でない場合は、印加部分の抵抗が
下がると同時に図6に示すように媒体部分の抵抗RT
流れる電流は急激に増加し破壊が起こる電流閾値IE
大きく上回り、検出系の飽和電流値Isatまで到達し
てしまう。その結果、作成されたビットは破壊を伴い、
形状や位置に不安定性を生じるという問題があった。
【0006】また、さらには、これらの記録時の問題点
によって、エラー訂正機能や読み出し時のトラッキング
機能等を強化しなければならず、システムに大きな負荷
を与えていた上、記録再生のエラーレートも高いもので
あった。
【0007】そこで、本発明は、情報をビットとして記
録するに際して、記録媒体の局所的な特性に合わせて、
バイアス、及び記録媒体を流れる電流を制御し、ビット
の形状や形成位置の安定した記録が可能な情報記録再生
装置および情報記録再生方法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】本発明の情報記録再生装
置は、上記課題を解決するため、探針と記録媒体を有
し、前記探針と前記記録媒体との間に電圧印加手段によ
って電圧を印加し、情報の記録・再生を行う情報記録再
生装置において、前記電圧印加手段が直流電源と電荷蓄
積手段とを有し、情報の記録に際してスイッチ機構によ
り前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を直流電源から切
り離して、前記探針又は前記記録媒体に出力することを
特徴としている。また、本発明の情報記録再生装置にお
いては、前記記録媒体が、有機膜で形成され、そしてま
た、前記電荷蓄積手段が、電荷蓄積用のコンデンサで構
成されていることを特徴としている。さらに、本発明の
情報記録再生方法は、探針と記録媒体との間に電圧を印
加して情報をビットとして記録し、該ビットを検出して
再生を行う情報記録再生方法において、前記情報の記録
に際して、直流電源を電荷蓄積部に接続して該電荷蓄積
部に電荷を蓄積し、次に該電荷蓄積部から該直流電源を
切り離し、該電荷蓄積部を前記探針又は前記記録媒体に
接続し、該電荷蓄積部に蓄積された電荷を出力し、前記
ビットの形成に必要なバイアスを印加しつつ、前記記録
媒体を流れる電流を制御することを特徴としている。ま
た、本発明の情報記録再生方法においては、前記記録媒
体が、有機膜で形成され、そしてまた、前記電荷蓄積部
が、電荷蓄積用のコンデンサで構成されていることを特
徴としている。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明は、上記したとおり情報の
記録に際して、電該荷蓄積手段に蓄積された電荷を直流
電源から切り離して、探針又は記録媒体に出力する構成
によって、ビットの形成に必要なバイアスを印加しつ
つ、媒体を流れる電流を制御することが可能となり、ビ
ットの形状や形成位置の安定した記録を行うことができ
る。また、本発明においては、電圧のコントロールをコ
ンデンサのみによって行なうことが可能であるから、パ
ルス印加用の複雑な回路システムなどを必要としない。
たとえば、プローブ側からバイアスを印加する場合にお
いて、プローブを複数個用意し、同じ媒体に対して複数
のプローブによってアクセスすることができるようにす
ることによって転送レートを格段に向上させる場合で
も、系の構成が非常に単純なために、プローブをマイク
ロメカニクス等の半導体プロセスによって作製する上
で、プロセス上への負担が軽減され、またプローブあた
りのコストやプローブ実装密度の向上が図れる。また情
報の記録再生においては、ビット形状や形成位置が非常
に安定化されるので強力なトラッキング機構を設けるこ
となく、読みとりエラーを低減することが可能となり、
余分な誤り訂正のための冗長なビットを設ける必要がな
くなり、エンコード・デコード時のシステム負荷が低減
されると共に、記録密度の向上を図ることが可能とな
る。
【0010】つぎに、図に基づいて本発明の内容を詳細
に説明する。図1は本発明の基本構成である。記録情報
は入力装置111に入力され、それは記録ビットの媒体
上の位置情報として展開される。記録媒体102はバイ
アス印加部105によって所定の電圧が印加され、カン
チレバー103上に設置された探針101との間にトン
ネル電流JTが観測されるまで接近した状態を示してい
る。トンネル電流JTが観測されるまで探針101を記
録媒体102に近づける過程は本構成図には示していな
いが粗動および微動機構によって精度よく行なった。ト
ンネル電流JTは探針101によって検出した後、ビッ
ト信号検出部106に入力され、ビット信号が電流信号
から検出される。ビット信号検出部106は図5に示す
ような電流電圧変換回路がその入力部分にあり、JT
ここで電圧信号に変換されて後段の処理に回される。そ
の後検出されたビット信号は情報再生のためにデータ抽
出処理部112に送られて情報としての再生が行なわれ
る。ビット信号とは検出されたトンネル電流のビットの
周波数成分を増幅した信号で、データ抽出処理部112
は、その信号のビット検出タイミングと媒体上の探針位
置情報から、あらかじめ記録されてある情報を再生す
る。再生された情報はデータ抽出処理部112から、図
示されていないが、画像データ出力部や音声出力部、あ
るいはコンピュータの数値データとして利用する等、情
報に応じた処理をする情報処理系に送られる。
【0011】また、記録媒体102と探針101との相
対位置関係は可動ステージ104の走査運動によって変
化させることができる。具体的には、ステージ104は
内部にアクチュエータを備え、Y走査信号生成部10
8、X走査信号生成部109からアンプ110を通して
送られてくる駆動信号によって記録媒体表面面内方向
(XY方向)に記録媒体を移動させる。各走査信号生成
部(108、109)は前段の走査制御部107の出力
する制御信号によってオフセット位置、走査周波数、主
走査(X走査)幅、副走査(Y走査)幅などの制御情報
を元に走査信号を生成する。この走査制御部107はま
たプローブ位置情報を入力装置111へ送って、入力装
置111ではその値からビットの記録タイミングを算出
してバイアス印加回路105に記録制御信号を与える。
【0012】次に本発明で特徴的な部分であるバイアス
印加部105の動作の詳細について図を用いて説明す
る。バイアス印加部105は図2に示すような内部構成
になっている。SW1及びSW2はスイッチを示し、C
Sは容量CSの電荷蓄積用コンデンサ、VBは出力可変の
電源(出力をVBとする)である。またSW1及びSW
2はスイッチタイミング制御回路201によって、入力
されてくる記録制御信号を参照してそのON・OFFが
制御されている。SW1の左側の出力端子から媒体ヘバ
イアスが送られる。また、RLはライン抵抗あるいは印
加パルスの立ち上がりを決めている制限抵抗を示してい
る。
【0013】次にこのバイアス印加回路の動作について
詳細に説明する。まずSW1とSW2の制御及び電荷の
流れについてのフローを以下の1〜4に示す。まず初期
設定ではSW1・SW2共にOFF状態であるとする。 1・SW2→ON・・所定バイアスVBにセットされた
電源によってCSに電荷を蓄積。 2・SW2→OFF・・電源の切り離し。 3・SW1→ON・・プローブが指定位置(記録位置)
になったらCSを媒体に接続。RLを通して電圧印加。 4・SW1→OFF・・CSの切り離し。 上記の4つの状態をサイクリックに繰り返すことによっ
てビット記録用のパルスを印加する。
【0014】次に実際のパルス印加時に系がどのような
電気的挙動を示すかを説明する。まず上記1の状態にお
いてはCSにはCSBの電荷が蓄積される。上記2の状
態においては電気的な変化はない。このときにプローブ
は媒体表面上を走査され記録位置へ運ばれる。次の上記
3の状態においては実際のパルス印加のところである。
図3のパルス印加系の等価回路を用いて説明する。図3
におけるCT、RT0、RT1は媒体あるいはその他の寄生
容量の和の容量及び媒体の抵抗を示している。上方の図
において電荷蓄積用コンデンサCSにはCSBの電荷が
蓄積されている。図4に電流電圧の挙動を示した。時刻
0にSW1が閉じるとCSの電荷の一部がRLを通って
Tに流れ込みはじめプローブ電位VAが上昇する。この
とき媒体の抵抗RT0は非常に大きいために、この部分に
流れる伝導電流はほとんど0である。しかしながら、プ
ローブ電位VAが時刻TONに、媒体上局所的に存在する
ある閾値電圧VONを超えると有機媒体が遷移を起こし初
期高抵抗状態RT0から低抵抗状態RT1に移行するため
に、この抵抗部分に流れる伝導電流値は急激に上昇す
る。この電流によって蓄積された電荷が放電されるため
にプローブ電圧VAの上昇は緩和される。また電流値は
一時的には大きく流れるが、この電流値はプローブ電圧
Aに応じて流れるために、余分なバイアスを印加する
ことがないので破壊の閾値IEに到達しないようにな
る。
【0015】ここで例えばVONの変動可能範囲を図4の
Mまでとすると、VMはCTとCSより決まる。
【0016】VM=CSB/(CS+CT) これから、VBを大きくすることでVMを大きくすること
ができる。以上の動作によって、VONの局所的変動に左
右されることなく、十分なバイアスを印加することが可
能となり、加えて生じる電流をコントロールすることが
可能となった。以上、本発明では媒体の方にバイアス、
パルスを印加したが、もちろんプローブ側から印加する
場合も全く同様に、図2の回路の出力端子を媒体からプ
ローブに変更するだけで機能する。
【0017】
【実施例】つぎに、本発明の実施例について説明する。
【0018】本実施例においては、上記した本発明のパ
ルス印加機構を用いて、記録再生実験を行なった。媒体
としてAu電極上に積層されたポリイミド・ラングミュ
ア−ブロジェット(LB)膜を記録媒体として用い、本
発明のバイアス印加回路を用いてバイアス電圧印加して
記録を行なった。図2に示した電源電圧VBとして10
Vを設定し、電荷蓄積用コンデンサCSの容量として5
pFを設定した。また寄生容量CTは1pF以下であっ
た。このときのパルス印加時間はこれらの放電時間より
約50μsec前後であることが測定され、これによっ
て、SW1及びSW2の開閉タイミングをスイッチタイ
ミング制御回路201にセットしてパルス印加を行なっ
た。
【0019】一方読み出しはVBを読み出し電圧2.5
Vにセットし、スイッチタイミング制御回路201に読
み出し動作を指示し、両スイッチSW1、SW2を閉じ
てDCバイアスを媒体に印加した。以上の設定を用い
て、文字情報および画像情報の記録再生を行なったとこ
ろ、エラーレートが従来に比べて10分の1に減少した
ことを確かめた。また、記録したビットの電気的な形状
を走査型トンネル顕微鏡によって観察したところ、ビッ
トの破壊現象は全く起こっておらず、ビット大きさ及び
位置のばらつきがビット大きさの0.1%前後であるこ
とが確認された。
【0020】
【発明の効果】本発明は、以上のように、情報の記録に
際して、電荷蓄積手段に蓄積された電荷を直流電源から
切り離して、探針又は記録媒体に出力する構成によっ
て、パルス印加時に印加地点の媒体の局所的な特性に合
わせてバイアス、及び電流のコントロールし、ビット形
状や形成位置の安定した記録が可能となり、記録再生動
作におけるエラーレートを格段に向上させることができ
る。
【0021】また、電圧のコントロールをコンデンサの
みによって行なうことにより、パルス印加用の複雑な回
路システム等が不要となり、プローブ側からバイアスを
印加する場合において、転送レートの向上を図るため複
数のプローブによるアクセスに際しても、系の構成が非
常に単純なために、プローブをマイクロメカニクス等の
半導体プロセスによって作製する上での、プロセス上へ
の負担が軽減され、またプローブあたりのコストやプロ
ーブ実装密度の向上を図ることができる。
【0022】また情報の記録再生においては、ビット形
状や形成位置が非常に安定化されるので強力なトラッキ
ング機構を設けることなく読みとりエラーを低減するこ
とができるため、余分な誤り訂正のための冗長なビット
を設ける必要がなくなり、エンコード・デコード時のシ
ステム負荷が低減されると共に、記録密度をも向上させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の構成を示すブロック図であ
る。
【図2】バイアス印加部の構成の概略を示す図である。
【図3】パルス印加動作を説明する等価回路を示す図で
ある。
【図4】本発明を利用した場合のパルス印加時の電流電
圧の時間波形を示す図である。
【図5】ビット信号検出部の電流電圧変換回路を示す図
である。
【図6】矩形パルス印加時の電流電圧の時間波形を示す
図である。
【図7】ビット記録を模式的に表わした図である。
【符号の説明】
101:探針 102:記録媒体 103:カンチレバー 104:ステージ 105:バイアス印加部 106:ビット信号検出部 107:走査制御部 108:Y走査信号生成部 109:X走査信号生成部 110:アンプ 111:入力装置 112:データ抽出処理部 201:スイッチタイミング制御回路

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】探針と記録媒体を有し、前記探針と前記記
    録媒体との間に電圧印加手段によって電圧を印加し、情
    報の記録・再生を行う情報記録再生装置において、前記
    電圧印加手段が直流電源と電荷蓄積手段とを有し、情報
    の記録に際してスイッチ機構により前記電荷蓄積手段に
    蓄積された電荷を直流電源から切り離して、前記探針又
    は前記記録媒体に出力することを特徴とする情報記録再
    生装置。
  2. 【請求項2】前記記録媒体が、有機膜で形成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の情報記録再生装置。
  3. 【請求項3】前記電荷蓄積手段が、電荷蓄積用のコンデ
    ンサで構成されていることを特徴とする請求項1または
    請求項2に記載の情報記録再生装置。
  4. 【請求項4】探針と記録媒体との間に電圧を印加して情
    報をビットとして記録し、該ビットを検出して再生を行
    う情報記録再生方法において、前記情報の記録に際し
    て、直流電源を電荷蓄積部に接続して該電荷蓄積部に電
    荷を蓄積し、次に該電荷蓄積部から該直流電源を切り離
    し、該電荷蓄積部を前記探針又は前記記録媒体に接続
    し、該電荷蓄積部に蓄積された電荷を出力し、前記ビッ
    トの形成に必要なバイアスを印加しつつ、前記記録媒体
    を流れる電流を制御することを特徴とする情報記録再生
    方法。
  5. 【請求項5】前記記録媒体が、有機膜で形成されている
    ことを特徴とする請求項4に記載の情報記録再生方法。
  6. 【請求項6】前記電荷蓄積部が、電荷蓄積用のコンデン
    サで構成されていることを特徴とする請求項4または請
    求項5に記載の情報記録再生方法。
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