JPWO2008029787A1 - 情報が凹凸として記録された情報記録媒体およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

分極方向に応じてエッチングレートが異なる強誘電体を用いて強誘電体薄膜１１を形成し、強誘電体薄膜１１にエッチング処理を施すことにより、配列方向における長さの最小値が１ｎｍないし３０ｎｍのピット１４を形成する。また、強誘電体薄膜１１の分極方向による静電容量とピット１４による静電容量との識別が可能となるように、ピット１４の深さを設定する。

Description

本発明は、例えば走査型プローブメモリー装置に用いるのに適しており、強誘電体を利用し、表面に情報が有形的な凹凸として記録された情報記録媒体およびその製造方法に関する。
特開平6-111392号公報には、強誘電体の表面に有形的な凹凸（例えばピット）を形成し、これにより強誘電体に情報を記録する技術が記載されている。
この公報の記載によれば、次のような方法で強誘電体の表面に有形的なピットを形成する。
まず、抵抗率１０Ωｃｍで不純物濃度５×１０21ｍ-3のｐ型シリコン・ウエハから形成された半導体基板を用意する。
続いて、この半導体基板の表面に電子ビーム描画とエッチングにより、長さ０．２μｍ、幅１．０μｍ、深さおよそ０．１μｍの有形的なピットを０．２μｍ間隔に形成する。
続いて、フッ化ビニリデン（VDF）と３フッ化エチレン（TrFE）との共重合体（フッ化ビニリデンが６５mol％）をメチル・エチル・ケトン（MEK）に５wt％にて溶解し、この溶液を市販のスピンコータを用いて回転数5000rpmで１０秒間振り切りの条件で、半導体基板の上に塗布する。
続いて、この塗布膜を、オーブンを用い大気雰囲気で１４５℃×２時間の条件でアニールし、膜厚０．３μｍのVDF／TrFE共重合体の薄膜を形成する。
このようにして形成されたVDF／TrFE共重合体の薄膜からなる有機強誘電体層の表面には、半導体層に形成された有形的なピットに対応して有形的なピットが形成される。
他方、現在、強誘電体を情報記録媒体として用いた走査型プローブメモリー装置の研究が行われている。
この走査型プローブメモリー装置では、先端の直径がおよそ２５ｎｍのプローブを強誘電体の表面に接近または接触させ、このプローブを介して、強誘電体の抗電界を超える電界を形成することが可能な大きさの電圧を強誘電体に印加し、強誘電体の分極方向を変化させ、これにより強誘電体に情報を記録する。この走査型プローブメモリー装置によれば、情報１ビットを、一方向における長さがおよそ２５ｎｍの領域に記録することができる。この結果、情報記録密度は、１平方インチ（6.45ｃｍ2）あたり１テラビットを超える。
なお、この走査型プローブメモリー装置は、強誘電体の分極方向を変化させることによって情報を記録するのであって、強誘電体の表面に凹凸を形成することによって情報を記録するのではない。
特開平6-111392号公報
ところで、強誘電体の表面に、配列方向における長さが数ｎｍないし数十ｎｍの有形的なピットを形成することができれば、情報１ビット当たりの配列方向の長さが数ｎｍないし数十ｎｍである新しいタイプの高密度情報記録媒体を作り出すことができる。
そして、このような高密度情報記録媒体を上述したような走査型プローブメモリー装置に用いることにより、新しいタイプの大容量情報記憶装置を作り出すことができる。
さらに、表面に配列方向における長さが数ｎｍないし数十ｎｍの有形的なピットとして情報が記録された情報記録媒体をスタンパーまたはマザー基板として用いることができれば、表面に配列方向における長さが数ｎｍないし数十ｎｍの有形的なピットとして情報が記録された情報記録媒体のレプリカを大量にかつ容易に作り出すことができる。そして、このレプリカを、情報が予め記録された情報記録媒体製品（例えばＲＯＭ製品）として取り扱うことにより、情報記録媒体製品を安く大量に生産することが可能になる。
しかし、上述した公報に記載されたピットの大きさは、せいせい０．２μｍである。このため、上述した公報記載の技術では、数ｎｍないし数十ｎｍの大きさを有するピットの形成は期待できない。この結果、上述した公報記載の技術では、情報１ビット当たりの配列方向における長さが数ｎｍないし数十ｎｍである新しいタイプの高密度情報記録媒体を作り出すことはほぼ不可能である。
本発明は上記に例示したような問題点に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、情報が有形的な凹凸として記録され、この情報１ビット当たりの配列方向の長さが数ｎｍないし数十ｎｍである高密度の情報記録媒体およびその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明の情報記録媒体は、強誘電体薄膜と、前記強誘電体薄膜の下側に設けられた電極層と、前記強誘電体薄膜の上面に形成された複数の凹部または複数の凸部とを備え、前記複数の凹部または前記複数の凸部はデジタルデータのビット配列に対応するように配列されおり、前記各凹部または前記各凸部の１ビット当たりの配列方向の長さの最小値が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
上記課題を解決するために請求項７に記載の情報記録媒体は、強誘電体薄膜と、前記強誘電体薄膜の下側に設けられた電極層と、前記強誘電体薄膜の上面に形成された複数の凹部または複数の凸部とを備え、前記複数の凹部または前記複数の凸部はデジタルデータのビット配列に対応するように配列されおり、前記強誘電体薄膜の分極方向に基づく前記強誘電体薄膜の静電容量の変化量よりも、前記凹部または前記凸部の有無に基づく前記強誘電体薄膜の静電容量の変化量の方が大きくなるように、前記各凹部の深さまたは前記各凸部の高さが設定されている。
上記課題を解決するために本発明の情報記録媒体の製造方法は、媒体材料に情報が有形的な凹部または凸部として記録された情報記録媒体の製造方法であって、分極方向の違いに応じてエッチングレートが異なる強誘電体から形成され、前記強誘電体の分極方向と交わる上面を有する強誘電体薄膜と、前記強誘電体薄膜の下面に接合された電極層とを有する媒体材料を用意し、前記上面にプローブの先端を接近または接触させ、前記プローブの先端と前記電極層との間に電圧を印加することにより、前記強誘電体の分極方向を局所的に変化させる電圧印加工程と、前記電圧印加工程を経た前記媒体材料の前記強誘電体薄膜の前記上面をエッチャントに接触させ、これにより当該上面をエッチングするエッチング工程とを備えている。
本発明の情報記録媒体の実施形態を示す断面図である。 図１中の強誘電体薄膜の一部を示す拡大断面図である。 図１中の強誘電体薄膜の分極方向を示す説明図である。 図１中の情報記録媒体に第２情報を記録する方法を示す説明図である。 図１中の情報記録媒体に記録された第１情報および第２情報の読み取り方法を示す説明図である。 情報読み取り装置のプローブが情報記録媒体に形成されたピット上に位置するときの高周波信号の経路を示す説明図である。 情報読み取り装置のプローブが情報記録媒体においてピットが形成されていない部分に位置するときの高周波信号の経路を示す説明図である。 情報読み取り装置により読み取られた検出信号などを示す説明図である。 本発明の情報記録媒体の製造方法の実施形態において、情報記録媒体の製造に用いられる媒体材料を示す断面図である。 図９中の媒体材料の強誘電体薄膜を形成する強誘電体の分極方向を示す説明図である。 本発明の情報記録媒体の製造方法の実施形態における電圧印加工程を示す説明図である。 電圧印加工程において印加されたパルス信号の波形、このパルス信号の印加により形成された強誘電体の分極方向、およびこの分極方向に対応して形成された強誘電体薄膜上面のピットを示す説明図である。 情報記録媒体をスタンパーとして用い、これにより情報記録媒体のレプリカを量産する過程を示す説明図である。 情報記録媒体をマザー基板として用い、これにより情報記録媒体のスタンパーを製造し、さらに情報記録媒体のスタンパーを用いて情報記録媒体のレプリカを量産する過程を示す説明図である。
符号の説明
１ 情報記録媒体
１１、３１ 強誘電体薄膜
１２、３２ 電極層
１３、３３ 支持基板
１４、３４ ピット
２０ 情報読み取り装置
２１ プローブ
２２ リターン電極
３０ 媒体材料
４０ プローブ電圧印加装置
４３ プローブアレイ
４４ プローブ
以下、本発明を実施するための最良の形態について実施形態毎に順に図面に基づいて説明する。
（情報記録媒体の構造）
図１は本発明の情報記録媒体の実施形態を示している。図１中の情報記録媒体１は、強誘電体薄膜１１、電極層１２、支持基板１３およびピット１４を備えている。情報記録媒体１の外形は例えば板状である。
強誘電体薄膜１１は情報を記録する機能を有する。強誘電体薄膜１１は例えばLiTaO3単結晶のZ-cut基板またはLiNbO3単結晶のZ-cut基板により形成されている。
強誘電体薄膜１１の上面１１Ａは、ピット１４が形成されている部分を除き、平らである。また、強誘電体薄膜１１の厚さＴＨはおよそ１００ｎｍ以下であることが望ましい。
電極層１２は強誘電体薄膜１１の下側に設けられている。電極層１２は強誘電体薄膜１１の下面１１Ｂに接合されている。電極層１２は例えば白金、銅、アルミ、クロムなどの導電材料により形成されている。電極層１２の厚さは例えばおよそ１μｍ以下である。
情報記録媒体１の製造時において強誘電体薄膜１１にピット１４を形成するとき、強誘電体薄膜１１の抗電界を超える電界を強誘電体薄膜１１に形成する。また、強誘電体薄膜１１の上面１１においてピット１４が形成されていない部分に情報を記録するとき、強誘電体薄膜１１の抗電界を超える電界を強誘電体薄膜１１に形成する。電極層１２は、このような電界を強誘電体薄膜１１に形成するための電極として機能する。
支持基板１３は、電極層１２の下側に設けられている。支持基板１３は強誘電体薄膜１１および電極層１２を支持する機能を有する。
支持基板１３は、強誘電体薄膜１１と同じ材料で形成することが望ましい。支持基板１３を強誘電体薄膜１１と同じ材料で形成することにより、支持基板１３の熱膨張係数と強誘電体薄膜１１の熱膨張係数とを同じにすることができる。これにより、支持基板１３の熱膨張により強誘電体薄膜１１に歪みまたは亀裂が生じるのを防ぐことができる。
支持基板１３の厚さは、情報記録媒体１の強度を維持することができる程度の厚さとすることが望ましい。例えば支持基板１３の厚さはおよそ５００μｍである。
なお、電極層１２を厚くすることにより、電極層１２だけで情報記録媒体１の強度を確保することができる。この場合には、支持基板１３を設けなくてもよい。
ピット１４は強誘電体薄膜１１の上面１１Ａに形成されている。ピット１４は複数形成されている。図２に示すように、各ピット１４は有形的な凹部である。各ピット１４は、その深さ方向が上面１１Ａに対しほぼ直交している。各ピット４１の配列方向における長さの最小値はおよそ１ｎｍないし３０ｎｍであり、例えばおよそ２５ｎｍである。また、各ピット４１の深さＤ１はおよそ１５ｎｍ以上であることが望ましい。
ピット１４の配列は情報に対応している。すなわち、強誘電体薄膜１１の上面１１Ａには情報がピット１４の配列として記録されている。具体的には、情報はデジタルデータである。ピット１４の配列はデジタルデータのビット配列に対応している。例えば、デジタルデータのビット「１」がピット１４に対応している。
一方、図３に示すように、強誘電体薄膜１１の上面１１Ａにおいて、ピット１４が形成されていない部分には、情報を強誘電体薄膜１１の分極方向Ｐ１として記録することができる。
以下、強誘電体薄膜１１にピット１４として記録された情報を「第１情報」といい、強誘電体薄膜１１に分極方向Ｐ１として記録された情報を「第２情報」という。
ピット１４は、情報記録媒体１の製造工程において形成される。すなわち、第１情報は情報記録媒体１の製造工程において強誘電体薄膜１１に記録される。ピット１４の形成、すなわち第１情報の記録については後述する。
一方、第２情報は、情報記録媒体１の製造工程において記録してもよいし、情報記録媒体１の製造が完了した後に記録してもよい。例えば、第２情報が記録されていない情報記録媒体１を販売し、情報記録媒体１を購入した者がその情報記録媒体１に第２情報を記録するようにしてもよい。また、第２情報は記録しなくてもよい。
第２情報を記録する場合、その記録は、例えば図４に示す情報記録装置１６を用いて次のような手順で行うことができる。
まず、強誘電体薄膜１１の抗電界を超える電界を強誘電体薄膜１１に形成することができる大きさを有する電圧を、強誘電体薄膜１１の上面１１Ａの全域に印加する。これにより、強誘電体薄膜１１の上面１１Ａにおいてピット１４が形成されていない部分の分極方向を一方向（例えば上向き）に揃える。
次に、第２情報のビット配列に対応して電圧レベルが変化するパルス信号をパルス信号生成回路１７により生成する。このパルス信号の電圧のハイレベル値は、強誘電体薄膜１１の抗電界を超える電界を強誘電体薄膜１１に形成することができる値に設定する。
次に、このパルス信号を、先端の直径が例えばおよそ２５ｎｍであるプローブ１８を用いて強誘電体薄膜１１に印加する。パルス信号を強誘電体薄膜１１に印加すると同時に、情報記録媒体１またはプローブ１８を上面１１Ａと平行な方向に移動させ、情報記録媒体１の上面１１Ａ上におけるプローブ１８の先端の位置を変える。これにより、強誘電体薄膜１１の分極方向がパルス信号のレベルに応じて反転し、強誘電体薄膜１１の上面１１Ａに第２情報が記録される。
（情報読み取り方法）
強誘電体薄膜１１に記録された第１情報および第２情報の読み取りは、例えば図５に示す情報読み取り装置２０を用いて行うことができる。
情報読み取り装置２０は、走査型非線形誘電率顕微鏡（ＳＮＤＭ：Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy）の原理を用いている。情報読み取り装置２０は、プローブ２１、リターン電極２２、インダクタンス素子２３、ＦＭ復調器２４、ロックインアンプ２５、情報再生回路２６および発振器２７を備えている。プローブ２１の先端の直径は例えばおよそ２５ｎｍである。
情報読み取り装置２０において、プローブ２１、リターン電極２２およびインダクタンス素子２３は、プローブ２１先端直下に位置するピット１４内の空間の静電容量またはプローブ２１先端直下に位置する強誘電体薄膜１１の静電容量と共に、ＬＣ共振器を構成している。
すなわち、図６に示すように、情報読み取り装置２０を駆動すると、プローブ２１の先端から高周波信号が出力される。プローブ２１がピット１４上に位置するときには、この高周波信号は、プローブ２１の先端とリターン電極２２との間に形成された経路Ａを通ってリターン電極２２に戻る。これにより、高周波信号の周波数は、インダクタンス素子２３のインダクタンスと、ピット１４内の空間を含む経路Ａの静電容量Ｃｓとによって定まる共振周波数と等しくなる。
また、図７に示すように、強誘電体薄膜１１の上面１１Ａにおいてピット１４が形成されていない部分にプローブ２１が位置するときには、プローブ２１から出力された高周波信号は、プローブ２１の先端とリターン電極２２との間に形成された経路Ｂを通ってリターン電極２２に戻る。これにより、高周波信号の周波数は、インダクタンス素子２３のインダクタンスと、プローブ２１先端直下に位置する強誘電体薄膜１１を含む経路Ｂの静電容量Ｃｓとによって定まる共振周波数と等しくなる。
ピット１４上にプローブ２１が位置するときと、強誘電体薄膜１１の上面１１Ａにおいてピット１４が形成されていない部分にプローブ２１が位置するときとでは、静電容量Ｃｓが異なる。さらに、強誘電体薄膜１１の上面１１Ａにおいてピット１４が形成されていない部分にプローブ２１が位置する場合には、プローブ２１先端直下に位置する強誘電体薄膜１１の分極方向Ｐ１が上向きか下向きかによって静電容量Ｃｓが異なる（図３参照）。
強誘電体薄膜１１の上面１１Ａにおいてピット１４が形成されておらず、かつ分極方向Ｐ１が上向きの部分にプローブ２１が位置するときの静電容量ＣｓをＣ１とする。強誘電体薄膜１１の上面１１Ａにおいてピット１４が形成されておらず、かつ分極方向Ｐ１が下向きの部分にプローブ２１が位置するときの静電容量ＣｓをＣ２とする。ピット１４上にプローブ２１が位置するときの静電容量ＣｓをＣ３とする。すると、高周波信号の周波数は、プローブ２１先端直下の静電容量ＣｓがＣ１、Ｃ２およびＣ３のいずれであるかによって３通りに変化する。なお、この高周波信号の周波数の平均値は例えばおよそ１．２ＧＨｚである。
プローブ２１、リターン電極２２、インダクタンス素子２３および静電容量Ｃｓにより構成されるＬＣ共振器により作り出された高周波信号は、ＦＭ復調器２４に供給される。そして、高周波信号はＦＭ復調器２４により復調され、ロックインアンプ２５に供給される。そして、ロックインアンプ２５により、図８に示すような検出信号２８が得られる。
すなわち、静電容量ＣｓがＣ１のとき、つまりプローブ２１先端直下の強誘電体薄膜１１の分極方向Ｐ１が上向きのとき、検出信号２８のレベルはＬ１になる。また、静電容量ＣｓがＣ２のとき、つまりプローブ２１先端直下の強誘電体薄膜１１の分極方向Ｐ１が下向きのとき、検出信号２８のレベルはＬ２になる。また、静電容量ＣｓがＣ３のとき、つまりプローブ２１先端がピット１４上に位置するとき、検出信号２８のレベルはＬ３になる。
検出信号２８の３種類のレベルＬ１、Ｌ２、Ｌ３は、それぞれ互いに例えば１〜３Ｖの差がある。このため、単純な構造を有する電圧検出回路を備えた情報再生回路２６により、検出信号２８の３種類のレベルＬ１、Ｌ２、Ｌ３を容易に識別することができ、これにより、強誘電体薄膜１１にピット１４または２種類の分極方向として記録された情報を容易にかつ高精度に再生することができる。
なお、発振器２７は例えばおよそ５〜１００ｋＨｚの周波数を有する交流信号を生成する。この交流信号は、ピット１４または２種類の分極方向として強誘電体薄膜１１に記録された情報を読み取るときに、強誘電体薄膜１１およびロックインアンプ２５に供給される。この交流信号の供給はＳＮＤＭ原理を用いて情報を読み取る際に必要である。
（ピットの深さ）
上述したように、強誘電体薄膜１１の上面１１Ａには複数のピット１４が形成されており、各ピット１４の深さＤ１は例えばおよそ１５ｎｍであることが望ましい。しかし、強誘電体薄膜１１に記録された情報を読み取るときに、静電容量Ｃ１とＣ３との識別および静電容量Ｃ２とＣ３との識別とが可能であれば、各ピット１４の深さＤ１は１５ｎｍ以外の値であってもよい。
ピット１４の深さＤ１は、強誘電体薄膜１１に記録された情報を読み取るときに、静電容量Ｃ１とＣ３との識別および静電容量Ｃ２とＣ３との識別とが可能となるように設定する。
具体的には、強誘電体薄膜１１の分極方向に基づく強誘電体薄膜１１の静電容量Ｃｓの変化量よりも、ピット１４の有無に基づく強誘電体薄膜１１の静電容量Ｃｓの変化量の方が大きくなるように、ピット１４の深さＤ１を設定することが望ましい。
例えば、静電容量の大小関係はＣ３＜Ｃ２＜Ｃ１となり、次の式（１）を満たすようにピット１４の深さＤ１を設定する。
Ｃ１−Ｃ２＜Ｃ１−Ｃ３ （１）
静電容量Ｃ３は、図６中の経路Ａの静電容量Ｃｓである。経路Ａにはピット１４内の空間が含まれている。経路Ａにおいて空間の割合が増し、強誘電体の割合が減ると、静電容量Ｃ３は小さくなる。このため、静電容量Ｃ３はピット１４が深いと小さくなり、ピット１４が浅いと大きくなる。したがって、ピット１４の深さを適切な値に設定することにより、上記式（１）を満たすことが可能になる。
ピット１４の深さの適切な値は例えば次のような手順で決める。まず、静電容量Ｃ１、Ｃ２の値を計算により求め、あるいはこれらの値を実際に測定する。そして、これらの値を上記式（１）に当てはめ、静電容量Ｃ３の値の許容範囲を計算する。そして、静電容量Ｃ３の実測値が、この許容範囲内となるようにピット１４の深さを決める。
研究の結果、ピット１４の深さを１５ｎｍ以上とすることにより、上記式（１）を満たすことがわかった。
（情報記録媒体の製造方法）
情報記録媒体１は次のような製造方法により製造することができる。
まず、図９に示すように、情報記録媒体１の材料である媒体材料３０を用意する（準備工程）。
媒体材料３０は、強誘電体薄膜３１、電極層３２および支持基板３３を備えている。
強誘電体薄膜３１の材料には、(1)硬く安定な結晶材料であり、(2)導電性プローブによる電圧印加により、微小な分極分布形成による情報記録が可能であり、(3)分極方向の違いに応じてエッチングレートが異なり、(4)上面が強誘電体の分極方向と交わっている強誘電体を用いる。(3)および(4)の条件を満たす強誘電体は、後述のエッチング工程において、強誘電体上面におけるプラス領域またはマイナス領域が選択的にエッチングされる性質を有する。
LiTa1-xNbxO3 (0≦x≦1)単結晶のZ-cut基板は、上記(1)ないし(4)のすべての条件を満たす強誘電体である。したがって、LiTa1-xNbxO3 (0≦x≦1)単結晶のZ-cut基板を強誘電体薄膜３１の材料として用いることが望ましい。具体的には、LiTaO3単結晶のZ-cut基板またはLiNbO3単結晶のZ-cut基板を強誘電体薄膜３１の材料として用いることが望ましい。
なお、強誘電体薄膜３１の材料として用いる強誘電体は必ずしもLiTaO3またはLiNbO3である必要なないが、LiTaO3またはLiNbO3であれば上記(1)ないし(3)の条件を満足する。また、強誘電体薄膜３１の材料として用いる強誘電体は必ずしも単結晶である必要はないが、単結晶であれば、上記(1)ないし(3)の条件を満たす。また、強誘電体薄膜３１の材料として用いる強誘電体は必ずしもZ-cut基板である必要はないが、Z-cut基板であれば上記(4)の条件を満たす。
また、強誘電体薄膜３１の厚さはおよそ１００ｎｍ以下であることが望ましい。
また、LiTaO3単結晶のZ-cut基板またはLiNbO3単結晶のZ-cut基板のZ-cut面が強誘電体薄膜３１の上面３１Ａとなるようにする。
電極層３２は、強誘電体薄膜３１の下面３１Ｂに接合されている。電極層３２は例えば白金、銅、アルミ、クロムなどの導電材料により形成されている。電極層３２の厚さは例えばおよそ１μｍ以下である。
支持基板３３は、電極層３２の下側に配置されている。支持基板３３は、強誘電体薄膜３１と同じ材料で形成することが望ましい。支持基板３３の厚さは例えばおよそ５００μｍである。なお、電極層３２を厚くすることにより、電極層３２だけで媒体材料３０ないし情報記録媒体１の強度を確保することができる。この場合には、支持基板３３を設けなくてもよい。
強誘電体薄膜３１と電極層３２とは直接接合により接合することが望ましい。また、電極層３２と支持基板３３とは、直接接合により接合するか、または接着層を介して接合することが望ましい。電極層３２上に強誘電体薄膜３１が接合された構造体の製造には、例えば出願番号2003-208221号の特許公開公報に記載された方法を用いる。
また、図１０に示すように、媒体材料３０において、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａが全面的に＋Ｚ面となるように強誘電体を配置する。すなわち、上面３１Ａの分極方向Ｐ２が上面３１Ａ全域にわたって上向きとなるようにする。出願番号2003-208221号の特許公開公報に記載された方法によれば、電極層３２上に強誘電体薄膜３１が接合された構造体を生成する過程で、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａを全面的に＋Ｚ面とすることができる。
次に、プローブ電圧印加装置を用いて強誘電体薄膜３１に電圧を印加する（電圧印加工程）。
図１１に示すように、この電圧印加工程では、プローブ電圧印加装置４０を用いる。
プローブ電圧印加装置４０は、Ｘ−Ｙステージ４１、アクチュエータ４２、プローブアレイ４３およびパルス信号生成回路４５を備えている。
Ｘ−Ｙステージ４１は、その上面に媒体材料３０を載置する基台である。
アクチュエータ４２は、Ｘ−Ｙステージ４１を、その上面に載置された媒体材料３０の上面３１Ａに対し平行な方向に移動させる。これにより、Ｘ−Ｙステージ４１の上面に載置された媒体材料３０は、当該媒体材料３０の上面３１Ａに対し平行な方向に移動する。アクチュエータ４２は、このような媒体材料３０の移動の量を例えば数ｎｍ単位で制御することができる。
プローブアレイ４３は、Ｘ−Ｙステージ４１の上面に載置された媒体材料３０の上方に位置し、ハウジング４６に固定されている。プローブアレイ４３は、複数のプローブ４４を有している。各プローブ４４の先端の直径は例えばおよそ２５ｎｍである。また、各プローブ４４の少なくとも先端は導電性を有する。
パルス信号生成回路４５は、各プローブ４４の先端の導電性を有する部分に電気的に接続されている。パルス信号生成回路４５は、各プローブ４４を介して強誘電体薄膜３１にピットとして記録すべき情報、つまり第１情報に対応する波形を有するパルス信号を生成し、このパルス信号を各プローブ４４に供給する。パルス信号生成回路４５から各プローブ４４に供給されるパルス信号のハイレベルの電圧は、強誘電体の抗電界を超える電界を形成することができる大きさを有する。
電圧印加工程では、図１１に示すように、プローブ電圧印加装置４０のＸ−Ｙステージ４１の上面に媒体材料３０を置き、媒体材料３０の電極層３２を例えば接地する。続いて、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａに各プローブ４４を接近または接触させる。続いて、パルス信号生成回路４５から各プローブ４４へパルス信号を供給する。これにより、パルス信号のレベルに応じて、各プローブ４４の先端と電極層３２との間に電圧が印加される。これにより、パルス信号のレベルに応じて、各プローブ４４の先端と電極層３２との間に配置された強誘電体の分極方向Ｐ２が局所的に変化する。さらに、このような電圧印加を行いながら、アクチュエータ４２を駆動し、媒体材料３０を上面３１Ａに対し平行な方向に移動させる。これにより、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａの分極分布が、第１情報に応じて設定される。
例えば、図１２に示すように、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａにおいて、ハイレベルのパルス信号５１が印加された部分では、強誘電体薄膜３１の分極方向Ｐ２が反転し、上面３１Ａが局所的に−Ｚ面となる。なお、上面３１Ａにおいて、パルス信号５１のローレベルに対応する部分は、＋Ｚ面のままである。
次に、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａをエッチングする（エッチング工程）。すなわち、電圧印加工程を経た媒体材料３０の強誘電体薄膜３１の上面３１Ａをエッチャントに接触させ、これにより当該上面３１Ａをエッチングする。
エッチングには、HF（フッ酸）を含む液状あるいはガス状のエッチャントを用いることが望ましい。LiTaO3またはLiNbO3のZ面にHFあるいはHFを含むエッチャントを接触させると、実質的に−Ｚ面だけがエッチングされる。
また、エッチングには、スピンコート技術を用いることが望ましい。具体的には、媒体材料３０をプローブ電圧印加装置４０から取り出し、この媒体材料３０をスピンコート装置に装着する。そして、スピンコート装置により、エッチャントを強誘電体薄膜３１の上面３１Ａ上に拡散させる。この処理の後、例えば室温で５分間エッチングを行い、さらに純水で洗浄してエッチングをストップさせる。
なお、エッチングの方法は、スピンコートに限られない。例えば、媒体材料３０をエッチャントに漬け込む方法でもよい。この場合には、媒体材料３０において上面３１Ａ以外の部分を保護するためのプロテクターを媒体材料３０に取り付ける。
エッチング工程により、図１２に示すように、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａには、ピット３４が形成される。
エッチング工程においてエッチングが実質的に進行するのは上面３１Ａにおける−Ｚ面だけである。したがって、ピット３４は、上面３１Ａにおいて−Ｚ面に対応する領域に形成される。そして、上面３１Ａにおいて−Ｚ面に対応する領域は、ハイレベルのパルス信号５１が印加された領域である。したがって、ピット３４は第１情報に対応している（例えばピット３４はデジタルデータの「１」に対応している）。
ピット３４の配列方向における長さの最小値は例えばおよそ２５ｎｍである。また、ピット３４の深さは例えばおよそ１５ｎｍ以上である。ピット３４の配列方向における長さおよび深さは、エッチング工程におけるエッチング時間などを増減することにより変化させることができる。
また、ピット４１の配列方向における長さの最小値は、電圧印加工程において形成された強誘電体薄膜３１の上面３１Ａにおける局所的な−Ｚ面の大きさと深い関係がある。すなわち、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａにおける局所的な−Ｚ面の大きさが小さければ、ピット３４の配列方向における長さの最小値が小さくなる。また、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａにおける局所的な−Ｚ面の大きさは、プローブ４４の先端の直径と深い関係がある。すなわち、プローブ４４の先端の直径が小さければ、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａにおける局所的な−Ｚ面の大きさも小さくなる。
以上のような製造方法により、媒体材料３０を用いて情報記録媒体１を製造することができる。すなわち、媒体材料３０における強誘電体薄膜３１、電極層３２、支持基板３３およびピット３４はそれぞれ、情報記録媒体１における強誘電体薄膜１１、電極層１２、支持基板１３およびピット１４となる。
なお、製造工程において、情報記録媒体１に第２情報を記録する場合には、エッチング工程が完了した後に、第２情報を記録する工程を追加する。
（情報記録媒体の使用例）
情報記録媒体１は、それ自体を、第１情報が予め記録された情報記録媒体製品（ＲＯＭ製品）として使用することができる。例えば、防塵対策が施されたカートリッジに情報記録媒体１を封入する。そして、カートリッジに情報記録媒体１が封入された構造体を製品として取り扱う。あるいは、読み取り専用のプローブヘッドと共に防塵対策が施されたカートリッジに情報記録媒体１を封入してもよい。この場合には、カートリッジに情報記録媒体１およびプローブヘッドが封入された構造体を製品として取り扱う。
一方、図１３に示すように、第１情報が記録された情報記録媒体１をスタンパーとして用い、これにより第１情報が記録された情報記録媒体１のレプリカ５を量産してもよい。レプリカ５は樹脂材料により形成する。LiTaO3またはLiNbO3は樹脂よりも硬いので、周知のナノインプリントなどの手法を用いることにより、情報記録媒体１の上面１１Ａに形成されたピット１４をレプリカ５の上面に転写することができる。
また、図１４に示すように、第１情報が記録された情報記録媒体１をマザー基板として用い、これにより第１情報が記録された情報記録媒体のスタンパー６を製造し、さらに第１情報が記録された情報記録媒体のスタンパー６を用い、これにより第１情報が記録された情報記録媒体のレプリカ７を量産してもよい。
スタンパー６は例えば次のように製造する。まず、ナノインプリントなどの手法を用い、情報記録媒体１の上面１１Ａに形成されたピット１４を樹脂基板の上面に転写する。続いて、この樹脂基板の上面上にNiを堆積させ、Niメッキ型を生成する。このNiメッキ型の上面にはピット１４が転写されている。このNiメッキ型をスタンパー６として用いる。
レプリカ７の製造は、ナノインプリントなどの手法を用い、スタンパー６の上面に形成されたピットを、樹脂材料から形成されたレプリカ７の上面に転写することにより行うことができる。
図１４に示す量産方法によれば、情報記録媒体１をレプリカ量産用のスタンパーとして直接用いないので、情報記録媒体１のピット１４が劣化するのを抑制することができ、情報記録媒体１の寿命を延ばすことができる。また、情報記録媒体１を用いて複数のスタンパー６を製造し、これら複数のスタンパー６を用いてレプリカ７を製造することができるので、レプリカ７を大規模に量産することが容易となり、量産性を向上させることができる。
他方、情報記録媒体１には、第１情報をピット１４として記録することができ、第２情報を分極方向として記録することができる。そして、第１情報と第２情報とを識別して再生することができる。この特質を利用し、次のような情報記録を実現することができる。
例えば、映画作品や音楽作品などのコンテンツデータを第１情報として情報記録媒体１に記録することができる。この場合には第２情報は記録しない。これにより、コンテンツデータを記録したＲＯＭ製品を作り出すことができる。また、このようなコンテンツデータを記録した情報記録媒体１をスタンパーまたはマザー基板として使用することにより、コンテンツデータを記録したＲＯＭ製品の量産を容易に実現することができる。
また、アドレスデータ、トラッキング制御に関するデータ、著作権保護のためのデータ、製品管理に関するデータなど、ユーザによる書き換えを防止すべきデータや、要保存性の高いデータを第１情報として情報記録媒体１に記録すると共に、販売後にユーザが第２情報を記録するための領域（つまりピット１４が形成されていない領域）を強誘電体薄膜１１の上面１１Ａ上に確保しておいてもよい。これにより、ユーザによる情報記録が可能な情報記録媒体製品を作り出すことができる。
（実施形態の効果など）
以上説明した通り、本実施形態における情報記録媒体１の製造方法では、分極方向の違いに応じてエッチングレートが異なる強誘電体から形成された強誘電体薄膜３１と電極層３２とを有する媒体材料３０を用意し、プローブ４４を用いて強誘電体薄膜３１の上面３１Ａと電極層３２との間に電圧を印加し、これにより強誘電体の分極方向を局所的に変化させ、その後、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａをエッチングする。これにより、強誘電体薄膜１１の上面１１Ａに配列方向における長さの最小値がおよそ１ｎｍないし３０ｎｍの有形的なピット１４が形成された情報記録媒体１を製造することができる。
そして、この情報記録媒体１によれば、配列方向における長さの最小値がおよそ１ｎｍないし３０ｎｍのピット１４として情報（第１情報）が記録された情報記録媒体製品（ＲＯＭ製品）を実現することができる。また、情報記録媒体１によれば、１インチ当たり１テラビット以上の高密度な情報がピット１４として記録された大記録容量のＲＯＭ製品を実現することができる。
また、情報記録媒体１によれば、配列方向における長さの最小値がおよそ１ｎｍないし３０ｎｍのピット１４として情報が記録されているので、次の(i)ないし(iii)の効果がある。
(i) 情報記録媒体１には、情報が有形的なピット１４として記録されており、この情報は、電圧印加などの電気的な方法によって書き換えることができない。したがって、情報を強誘電体の分極方向として記録する場合と比較して、情報の保護を強化することができる。例えば、情報記録媒体１に記録された情報がユーザにより書き換えられるのを防止することができる。
(ii) 情報記録媒体１には、情報が有形的なピット１４として記録されており、この情報は、情報記録媒体１が高温になっても消えない。すなわち、強誘電体の温度がこの強誘電体のキューリー点を超えると、強誘電体の分極方向が変化する。このため、強誘電体に分極方向として情報を記録した場合には、強誘電体の温度がキューリー点を超えると、情報が消えてしまうおそれがある。これに対し、強誘電体にピットとして情報を記録した場合には、強誘電体の温度がキューリー点を超えても情報が消えない。したがって、情報の耐久性を高めることができ、情報の保護を強化することができる。
(iii) 情報記録媒体１の強誘電体薄膜１１上には、情報が有形的なピット１４として記録されている。したがって、情報記録媒体１をスタンパーまたはマザー基板として用いることにより、配列方向における長さの最小値がおよそ１ｎｍないし３０ｎｍのピットとして記録された情報記録媒体のレプリカの量産を容易に実現することができる。これにより、大量の情報が高密度に記録された情報記録媒体製品を容易にかつ低コストで量産することができる。
また、情報記録媒体１のピット１４の深さＤ１は、ピット１４が形成されておらず、かつ分極方向が上向きの部分にプローブ２１が位置するときの静電容量Ｃ１と、ピット１４上にプローブ２１が位置するときの静電容量Ｃ３との識別が可能であり、かつ、ピット１４が形成されておらず、かつ分極方向が下向きの部分にプローブ２１が位置するときの静電容量Ｃ２と静電容量Ｃ３との識別が可能である深さに設定されている。これにより、次の(iv)および(v)の効果がある。
(iv) 情報（第２情報）を情報記録媒体１に分極方向として記録しても、情報読み取り時において、ピット１４として記録された情報（第１情報）と第２情報とを識別することが可能となる。これにより、情報の書き換え不能な記録と、情報の書き換え可能な記録との双方を単一の情報記録媒体で実現することができる。例えば、アドレスデータ、トラッキング制御に関するデータ、著作権保護のためのデータ、製品管理に関するデータなど要保存性の高いデータを書き換え不能に記録し、コンテンツデータを書き換え可能に記録することが可能な情報記録媒体を実現することができる。
(v) ノイズに強い情報記録媒体を実現することができる。すなわち、情報記録媒体１に第２情報を記録しなくても、強誘電体薄膜１１の分極方向が何らかの事情により変化することがあり得る。そして、この分極方向の変化が、第１情報の読み取り時にノイズとなって検出されてしまうことがあり得る。しかし、分極方向の変化による静電容量Ｃｓの変化量、つまりノイズによる静電容量Ｃｓの変化量はおよそＣ１−Ｃ２である。一方、第１情報に対応する静電容量Ｃｓの変化はＣ１−Ｃ３である。そして、情報記録媒体１のピット１４の深さＤ１は、Ｃ１−Ｃ２＜Ｃ１−Ｃ３となるように設定されている。したがって、情報記録媒体１によれば、分極方向の変化によるノイズと第１情報とを識別することができる。
また、上述した情報記録媒体１の製造方法によれば、さらに次の(vi)ないし(ix)の効果がある。
(vi) LiTa1-xNbxO3 (0≦x≦1)単結晶のZ-cut基板を強誘電体薄膜３１として用いることにより、強誘電体薄膜３１の分極方向の違いに応じたエッチングレートの差を大きくすることができる。これにより、エッチング工程において深さＤ１を有するピット３４を容易にかつ短時間で形成することができる。
(vii) 強誘電体薄膜３１の上面３１Ａを強誘電体（例えばLiTaO3やLiNbO3単結晶）のZ-cut面とすることにより、適切な形状を有するピット３４を強誘電体薄膜３１の上面３１Ａに形成することができる。具体的には、エッチングの進行方向を強誘電体薄膜３１の上面３１Ａとほぼ直交する方向に設定することができ、これにより、深さ方向が強誘電体薄膜３１の上面３１Ａとほぼ直交する方向に伸びるピット３４を形成することができる。
(viii) 強誘電体薄膜３１の厚さをおよそ１００ｎｍ以下とすることにより、電圧印加工程において、一方向における長さがおよそ１ｎｍないし３０ｎｍといった局所における分極方向の変化を生じさせることができる。これにより、配列方向における長さがおよそ１ｎｍないし３０ｎｍのピット３４を形成することができる。
(ix) 電圧印加工程において、プローブアレイ４３に設けられた複数のプローブ４４の先端を強誘電体薄膜３１の上面３１Ａに接近または接触させ、各プローブ４４の先端と電極層３２との間に電圧を印加する。これにより、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａにおける複数の箇所で分極方向の設定を同時に行うことができる。したがって、電圧印加工程において分極方向の設定にかかる時間を短くすることができ、情報記録媒体１の製造時間を短縮することができる。
（他の実施形態など）
なお、上述した情報記録媒体１の製造方法では、媒体材料３０の上面３１Ａにピット３４（凹部）を形成する場合を例にあげたが、本発明はこれに限られない。媒体材料の上面に凸部を形成してもよい。この場合には、電圧印加工程において電圧印加を行う前の媒体材料３０において、強誘電体薄膜３１の上面３１Ａが全面的に−Ｚ面となるように強誘電体を配置する。
最終的に製品として取り扱われるもの（これは上述したように情報記録媒体１である場合もあれば、レプリカ５である場合もあれば、レプリカ７である場合もある）のそれぞれの上面には、ピット（凹部）が形成されていることが望ましい。なぜなら、情報記録媒体１、レプリカ５またはレプリカ７に記録されている情報を情報読み取り装置２０により読み取るときには、情報記録媒体１、レプリカ５またはレプリカ７の上面に情報が凸部として記録されているよりも、凹部として記録されている方がプローブ２１による走査がやりやすいからである。
したがって、情報記録媒体１それ自体を製品として扱うときには、図１０に示すように、媒体材料３０における強誘電体薄膜３１の上面３１Ａが全面的に＋Ｚ面となるように強誘電体を配置し、上面にピット３４が形成された情報記録媒体１を製造することが望ましい。
一方、図１３中のレプリカ５を製品として扱うときには、媒体材料３０における強誘電体薄膜３１の上面３１Ａが全面的に−Ｚ面となるように強誘電体を配置し、上面に凸部が形成された情報記録媒体１を製造することが望ましい。これにより、レプリカ５の上面にはピットが形成される。
他方、図１４中のレプリカ７を製品として扱うときには、図１０に示すように、媒体材料３０における強誘電体薄膜３１の上面３１Ａが全面的に＋Ｚ面となるように強誘電体を配置し、上面にピット１４が形成された情報記録媒体１を製造することが望ましい。これにより、スタンパー６の上面には凸部が形成され、レプリカ７の上面にはピットが形成される。
また、本発明は、請求の範囲および明細書全体から読み取るこのできる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う情報記録媒体およびその製造方法もまた本発明の技術思想に含まれる。
本発明は、例えば走査型プローブメモリー装置に用いるのに適しており、強誘電体を利用し、表面に情報が有形的な凹凸として記録された情報記録媒体およびその製造方法に関する技術分野に利用可能である。

Claims (12)

  1. 強誘電体薄膜と、
    前記強誘電体薄膜の下側に設けられた電極層と、
    前記強誘電体薄膜の上面に形成された複数の凹部または複数の凸部とを備え、
    前記複数の凹部または前記複数の凸部はデジタルデータのビット配列に対応するように配列されおり、
    前記各凹部または前記各凸部の１ビット当たりの配列方向の長さの最小値が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする情報記録媒体。
  2. 前記強誘電体薄膜はLiTa1-xNbxO3 (0≦x≦1)単結晶のZ-cut基板により形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の情報記録媒体。
  3. 前記強誘電体薄膜の厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の情報記録媒体。
  4. 前記強誘電体薄膜の分極方向に基づく前記強誘電体薄膜の静電容量の変化量よりも、前記凹部または前記凸部の有無に基づく前記強誘電体薄膜の静電容量の変化量の方が大きくなるように、前記各凹部の深さまたは前記各凸部の高さが設定されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の情報記録媒体。
  5. 前記各凹部の深さまたは前記各凸部の高さが１５ｎｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の情報記録媒体。
  6. 前記強誘電体薄膜は、分極方向の違いに応じてエッチングレートが異なる強誘電体から形成され、
    前記強誘電体薄膜の上面は前記強誘電体の分極方向と交わり、
    前記凹部または前記凸部は、前記強誘電体薄膜の上面にプローブの先端を接近または接触させ、前記プローブの先端と前記電極層との間に電圧を印加し、これにより、前記強誘電体の分極方向を局所的に変化させ、その後、前記強誘電体薄膜の上面をエッチャントに接触させ、これにより当該上面をエッチングすることにより形成されたものであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の情報記録媒体。
  7. 強誘電体薄膜と、
    前記強誘電体薄膜の下側に設けられた電極層と、
    前記強誘電体薄膜の上面に形成された複数の凹部または複数の凸部とを備え、
    前記複数の凹部または前記複数の凸部はデジタルデータのビット配列に対応するように配列されおり、
    前記強誘電体薄膜の分極方向に基づく前記強誘電体薄膜の静電容量の変化量よりも、前記凹部または前記凸部の有無に基づく前記強誘電体薄膜の静電容量の変化量の方が大きくなるように、前記各凹部の深さまたは前記各凸部の高さが設定されていることを特徴とする情報記録媒体。
  8. 前記各凹部の深さまたは前記各凸部の高さが１５ｎｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の情報記録媒体。
  9. 媒体材料に情報が有形的な凹部または凸部として記録された情報記録媒体の製造方法であって、
    分極方向の違いに応じてエッチングレートが異なる強誘電体から形成され、前記強誘電体の分極方向と交わる上面を有する強誘電体薄膜と、前記強誘電体薄膜の下面に接合された電極層とを有する媒体材料を用意し、前記上面にプローブの先端を接近または接触させ、前記プローブの先端と前記電極層との間に電圧を印加することにより、前記強誘電体の分極方向を局所的に変化させる電圧印加工程と、
    前記電圧印加工程を経た前記媒体材料の前記強誘電体薄膜の前記上面をエッチャントに接触させ、これにより当該上面をエッチングするエッチング工程とを備えていることを特徴とする製造方法。
  10. 前記強誘電体薄膜はLiTa1-xNbxO3 (0≦x≦1)単結晶のZ-cut基板により形成されていることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の製造方法。
  11. 前記強誘電体薄膜の厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の製造方法。
  12. 前記電圧印加工程では、プローブアレイに設けられた複数のプローブの先端を前記強誘電体薄膜の前記上面に接近または接触させ、前記各プローブの先端と前記電極層との間に電圧を印加することを特徴とする請求の範囲第９項に記載の製造方法。
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