DE69230511T2

DE69230511T2 - Informationsaufzeichnungs- oder Wiedergabegerät

Info

Publication number: DE69230511T2
Application number: DE69230511T
Authority: DE
Inventors: Haruki Kawada; Katsunori Hatanaka; Kunihiro Sakai; Ryo Kuroda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1992-04-21
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2012-04-22
Also published as: CA2066477A1; US5375114A; CA2066477C; JP2744359B2; ATE188571T1; DE69230511D1; EP0510579A3; JPH04324140A; EP0510579B1; EP0510579A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, beispielsweise in Form einer Speichervorrichtung, zum Ausführen einer Informationsaufzeichnung (Löschen) mit extrem hoher Dichte und/oder für eine Wiedergabe unter Verwendung eines elektrischen Stroms, z. B. eines Tunnelstroms, der zwischen einem Speichermedium und einer Sonde fließt.

Einschlägiger technischer Hintergrund

Halbleiterspeicher und Magnetspeicher mit einem magnetischen Material oder einem Halbleitermaterial entsprachen bislang der Hauptentwicklungsrichtung, in den vergangenen Jahren sind jedoch mit der fortschreitenden Lasertechnik billige und hochdichte Aufzeichnungsmedien unter Verwendung optischer Speicher mit organischen Dünnschichten aus organischem Färbungsmaterial, Photopolymer und dergleichen entwickelt worden.
Einerseits wurde in der jüngeren Zeit ein Rastertunnelmikroskop (im folgenden mit RTM abgekürzt) entwickelt, mit dessen Hilfe sich die Elektronenstruktur des Oberflächenatoms eines Leiters direkt betrachten läßt [G. Binning et al., Phys. Rev. Lett., 49, 57 (1982)], und es ist die Messung eines realen räumlichen Bildes mit hohem Auflösungsvermögen möglich geworden, und zwar sowohl bei einkristallinem als auch bei amorphem Material, wobei das RTM den Vorteil hat, daß es bei geringer elektrischer Leistung arbeitet, ohne Schäden durch einen Strom zu der Probe hervorzurufen. Das Gerät kann außerdem in Umgebungsatmosphäre arbeiten und läßt sich für verschiedene Materialien einsetzen, so daß umfangreiche Anwendungsgebiete zu erwarten sind.
Das RTM macht von dem Umstand Gebrauch, daß beim Anlegen einer Spannung zwischen eine metallische Sonde (Sondenelektrode) und eine elektrisch leitende Substanz, dann, wenn die Sonde sehr nah an die Substanz in einer Entfernung in einer Größenordnung von 1 nm herangeführt wird, ein Tunnelstrom fließt. Dieser Strom ist äußerst empfindlich gegenüber jeder Änderung des Abstands zwischen den beiden Teilen. Durch Rasterabtastung mit der Sonde unter Konstanthaltung des Tunnelstroms lassen sich auch verschiedene Arten von Information bezüglich sämtlicher Elektronenwolken im realen Raum lesen. In diesem Fall beträgt das Auflösungsvermögen in der Ebenenrichtung größenordnungsmäßig 0,1 nm.
Wenn also das Prinzip des RTM angewendet wird, besteht die Möglichkeit, eine ausreichend hochdichte Aufzeichnung und Wiedergabe im Atombereich (Sub-Nanometer-Bereich) vorzunehmen. Beispielsweise werden bei der Aufzeichnungs-/Wiedergabevorrichtung nach der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 61-80536 an der Oberfläche eines Mediums haftende Atomteilchen durch einen Elektronenstrahl oder dergleichen entfernt, um dadurch einen Schreibvorgang auszuführen, und diese Daten werden mit einem RTM reproduziert.
Ein Verfahren zum Durchführen einer Aufzeichnung und einer Wiedergabe in einem RTM unter Verwendung einer Dünnfilmschicht eines Materials mit Speichereffekt führt die Umschalteigenschaften einer Spannung oder eines Stroms beispielsweise in eine organische π-Elektroden-Verbindung oder eine Erzbildnerverbindung als Aufzeichnungsschicht, wie dies in der japanischen offengelegten Patentanmeldung 63- 161552, der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 63-161553, etc., offenbart ist. Wenn bei diesem Verfahren die Bitgröße der Aufzeichnung 10 nm beträgt, ist eine Aufzeichnung und eine Wiedergabe in einer Kapazität von bis zu 10¹² Bit/cm² möglich.
Um eine Aufzeichnung oder Wiedergabe bei einem Speichermedium in einer tatsächlich ausgeführten Vorrichtung vorzunehmen, ist es notwendig, den Abstand zwischen der Aufzeichnungsschicht und der Sondenelektrode in einem Bereich zu halten und zu stabilisieren, in welchem ein Tunnelstrom fließt. Bislang wurde die Steuerung des Abstands derart durchgeführt, daß der mittlere Abstand zwischen der Aufzeichnungsschicht und der Sondenelektrode zu einem vorbestimmten Wert angenommen wurde, d. h., der Mittelwert des Tunnelstroms wurde als vorbestimmter Wert hergenommen. Dies ist z. B. in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 1-133239 offenbart. Das Verfahren arbeitet so, daß eine Regelung erfolgt, die zum Ziel hat, die Sondenelektrode in der Nähe der durchschnittlichen Vertikal-Bewegungsposition zu fixieren und zu halten, damit die Sondenelektrode sich nicht vertikal bewegt, es sei denn, sie bewegte sich entsprechend dem Wert des Aufzeichnungsbits.
Wenn außerdem der Tunnelstrom verstärkt wird, um Information auf die Aufzeichnungsschicht zu schreiben, erfolgte die Haltesteuerung eines Aktuators (im folgenden als Vorwert-Halterung) bezeichnet, in der Weise, daß die Stellung in Z-Richtung auf einem vorbestimmten Wert gehalten wurde, damit der Abstand zwischen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht nicht in starkem Maß von dem dann fließenden starken Strom geändert würde.
Allerdings leidet das System, das die Regelung des Abstands zwischen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht mit Hilfe des Durchschnittswerts des Tunnelstroms durchführt, unter folgenden drei Problemen:
(1) Wenn die Abtastgeschwindigkeit der Sondenelektrode gesteigert wird, kollidiert möglicherweise das spitze Ende der Sondenelektrode mit einem konvexen Aufzeichnungsbit der Aufzeichnungsschicht. Speziell dann, wenn die Form der Aufzeichnungbits ungleichmäßig ist, wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Kollision häufig groß.
Was den Abstand zwischen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht bestimmt, ist der mittlere Wert der Tunnelströme, die im EIN-Zustand bzw. AUS-Zustand fließen. Dieser Mittelwert bestimmt sich hauptsächlich durch den Tunnelstrom zu der Zeit, zu der die Aufzeichnungsschicht sich im EIN-Zustand befindet. Der EIN-Zustand ist der Zustand der konvex geformten Bits für den Fall, daß die Aufzeichnung durch Modulation der Oberflächenform erfolgt, und ist ein Zustand, in welchem die Elektronendichte hoch und das elektrische Leitvermögen bezüglich der Basiselektrode groß geworden ist im Fall der Aufzeichnung durch Modulation des Elektronenzustands (des elektrischen Leitungszustands). Deshalb wird der Abstand zwischen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht beeinflußt durch das Muster der Datenteile, die auf der Aufzeichnungsschicht geschrieben sind, d. h., durch die Nachweishäufigkeit der im EIN-Zustand befindlichen Bits.
Geregelt wird der Tunnelstrom durch sehr winzige Beabstandung (üblicherweise 1 nm oder weniger) zwischen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht, so daß selbst dann, wenn von einem Modulationssystem Gebrauch gemacht wird, welches keine direkte Stromkomponente aufweist, beispielsweise das EFM, jegliche geringfügige Schwankung des durchschnittlichen Tunnelstroms aufgrund der Materialdifferenz zwischen den aufgezeichneten Daten zu einer Kollision mit der Sondenelektrode an einem Bit im EIN-Zustand führt.
Aus der Notwendigkeit, Daten mit hoher Geschwindigkeit auszulesen, wird die Eckfrequenz eines Tiefpaßfilters auf einem ausreichend niedrigen Wert im Vergleich zu der Signalbandfrequenz der aufgezeichneten Daten eingestellt. Wenn allerdings die Eckfrequenz des Tiefpaßfilters auf einen niedrigeren Wert eingestellt wird, ist die Sondenelektrode nicht in der Lage, mit hoher Geschwindigkeit zurückgezogen zu werden und kann dann mit der Aufzeichnungsschicht kollidieren, wenn ein stark konvexes Bit im EIN-Zustand erfaßt wird, bedingt durch die Unregelmäßigkeit während des Schreibvorgangs.
Kollidiert die Sondenelektrode mit der Aufzeichnungsschicht, gehen nicht nur aufgezeichnete Daten verloren, sondern es wird auch die Sondenelektrode unreparierbar beschädigt, und das oben angesprochene Problem verringert deutlich die Zuverlässigkeit einer Informationsübergabevorrichtung unter Verwendung eines Tunnelstroms.
(2) Wenn beim Schreiben von Daten der Abstand zwischen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht auf einem vorbestimmten Wert gehalten und geregelt wird, kommt es möglicherweise zu einer Unregelmäßigkeit in der Form der geschriebenen Bits. Insbesondere bei dem ersten Schreiben von Bits in Datenreihen ist die Möglichkeit des Kontakts der Sondenelektrode mit der Aufzeichnungsschicht, die durch den Schreibstrom in ihrer Form moduliert wird, hoch.
Die Zustände eines Beispiels für die Aufzeichnung im Stand der Technik sind in den Fig. 6, 7 und 8 der Zeichnungen dargestellt. Fig. 6 zeigt den Zustand vor dem Anlegen einer Schreibimpulsspannung, Fig. 7 zeigt den Zustand nach dem Anlegen der Schreibimpulsspannung, d. h., ein Zustand, in welchem die Oberfläche der Aufzeichnungsschicht geschmolzen und expandiert ist durch Energie, die aus der Impulsspannung in die Aufzeichnungsschicht übergegangen ist und in der richtigen Weise eine konvex-förmige Aufzeichnung hervorgerufen hat.
Allerdings ist dieses Aufzeichnungsverfahren mit einem sehr instabilen Faktor behaftet. Wenn ein elektrischer Strom dazu gebracht wird, aus der Sondenelektrode in die Aufzeichnungsschicht zu fließen und dabei die Aufzeichnungsschicht anzuschmelzen, beginnt die Aufzeichnungsschicht, sich auszudehnen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Abstand zwischen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht um das Ausmaß der Erweiterung der Aufzeichnungsschicht geringer. Diese Abstandsverringerung erhöht den zwischen der Son denelektrode und der Aufzeichnungsschicht fließenden Strom. Dieser erhöhte elektrische Strom beschleunigt den Schmelzvorgang der Aufzeichnungsschicht und weitet dadurch die Aufzeichnungsschicht zusätzlich in Richtung der Sondenelektrode aus. Als Ergebnis kollidiert die Aufzeichnungsschicht mit der Sondenelektrode unter Ausbildung eines extrem großen Aufzeichnungsbits, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Die Ausbildung solcher Aufzeichnungsbits unregelmäßiger Größe verringert nicht nur das S-/N-Verhältnis des Signals, sondern ruft außerdem die Kollision der Sondenelektrode bei der oben beschriebenen Wiedergabe hervor.
Ein ähnliches Problem ergab sich, als die Aufzeichnung vorgenommen wurde, indem der Elektronenzustand der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht moduliert wurde. Wird der Elektronenzustand der Aufzeichnungsschicht-Oberfläche moduliert, so kommt es nicht zu einem Schmelzen und einer Expansion der Aufzeichnungsschicht, allerdings wird die Aufzeichnung durch die Modulation der elektrischen Leitfähigkeit über die Aufzeichnungsschicht zwischen der Grundelektrode und der Sondenelektrode hervorgerufen.
Wenn allerdings eine Schreibimpulsspannung angelegt wird, während die Sondenelektrode sich sehr nahe an der Aufzeichnungsschicht befindet, und die Sondenelektrode auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, ändert sich der Elektronenzustand der Aufzeichnungsschicht, und es bildet sich ein Zustand aus, in welchem die elektrische Leitfähigkeit hoch ist. Außerdem fließt ein überstarker Strom, der den normalen Aufzeichnungspegel übersteigt, zu der Basiselektrode. Daraufhin erhitzt dieser überstarke Strom die Basiselektrode der Aufzeichnungsschicht, wodurch die Basiselektrode angeschmolzen wird und sich aufweitet. Aufgrund einer derartigen Beschädigung der Basiselektrode läßt sich ein hochdichtes Aufzeichnen nicht erreichen.
(3) Was die Regelung des Mittelwerts und die Regelung des Haltens eines vorbestimmten Werts des Abstands zwischen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht angeht, so ist es schwierig, eine geeignete Regelung sowie für das anfängliche Schreiben als auch das Überschreiben auszuführen.
Der Grund hierfür liegt darin, daß die Regelung des Abstands zwischen Sondenelektrode und Aufzeichnungsschicht während des Schreibens von Daten bestimmt wird durch den Vorgabewert des Mittelwerts des Tunnelstroms und daher eine geeignete Beabstandung nicht immer erreichbar ist, vielmehr die Möglichkeit der Abweichung gegenüber einem Vorgabewert gegeben ist. Diese Abweichung von dem richtigen Abstand schwankt in hohem Maß abhängig davon, ob der Zustand der Aufzeichnungsschicht einem Erst-Schreiben oder einem Überschreiben entspricht. Im Fall des Überschreibens wird eine Abweichung gegenüber dem richtigen Abstand auch durch früher aufgezeichnete Information hervorgerufen (EIN oder AUS).
Die EP-A-0 412 850 zeigt eine RTM-Vorrichtung mit einer Regelschaltung zum Regeln eines Feinbewegungs-Stellmechanismus in Z-Richtung unter Einsatz eines piezoelektrischen Elements, wodurch der Sondenstrom konstant gehalten werden kann. Während des Aufzeichnens und Löschens wird die Regelschaltung in der Weise betrieben, daß die Ausgangsspannung während der Zeitspanne konstant gehalten werden kann. In anderen Worten: das Dokument offenbart, die Sonde während der Aufzeichnung und während des Löschens festzuhalten und den Abstand zwischen Sonde und Aufzeichnungsmedium nicht in Betrieb auf gewisse Regelparameter zu regeln. Es besteht folglich das Risiko, daß während des Löschens und des Aufzeichnens der Abstand zwischen der Sonde und dem Medium von dem Abstand während der übrigen Zeitspannen abweicht.
Die EP-A-0 382 062 offenbart eine RTM-Vorrichtung zum Speichern eines abgetasteten Analogsignals. Die Vorrichtung enthält ein Aufzeichnungsmedium und eine Sonde, die reziprok zwischen einer rechten und einer linken Endstellung bewegt werden. Während jeder zweiten Bewegung von links nach rechts wird das Analogsignal in dem Medium gespeichert. Während der übrigen Bewegungen von der linken in die rechte Endstellung werden die gespeicherten Daten aus dem Aufzeichnungsmedium ausgelesen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die obigen Probleme zu lösen, und es ist Aufgabe der Erfindung, ein System zu schaffen, welches beim Aufzeichnen und bei der Wiedergabe unter Anwendung des RTM-Prinzips die Regelung des Abstands zwischen einer Sondenelektrode und einer Aufzeichnungsschicht stabilisiert, um dadurch eine Informationsaufzeichnung mit hoher Dichte und einer hohen Signal- Lesegeschwindigkeit zu erreichen und außerdem ein Überschreiben in stabiler Weise auch bei einem Aufzeichnungsmedium zu ermöglichen, auf dem bereits ein Schreibvorgang stattgefunden hat.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 hinsichtlich der Wiedergabevorrichtung, durch die Merkmale des Anspruchs 5 bezüglich einer Aufzeichnungsvorrichtung und durch die Merkmale des Anspruchs 9 bezüglich der Aufzeichnungs-/Wiedergabevorrichtung.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung zur Lösung der obigen Aufgabe wird zum Auslesen eines Signals von einem Aufzeichnungsmedium mit hoher Geschwindigkeit ohne Kollision mit der Sondenelektrode der Abstand zwischen der Sondenelektrode und der Signalaufzeichnungssschicht geregelt, indem ein von der Sondenelektrode mit Zeitsteuerung eines Wiedergabetakts erfaßt wird Tunnelstrom abgetastet wird und die Wiedergabe auf der Grundlage dieses abgetasteten Werts erfolgt.
In einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung wird zur Durchführung einer Informationsaufzeichnung mit guter Reproduzierbarkeit und hoher Dichte die Regelvariable einer Regelschaltung zum Regeln des Abstands zwischen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht während Zeitspannen vor und nach dem Anlegen eines Schreibimpulses an die Sondenelektrode gewechselt.
In einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung wird zur Erzielung der zuverlässigen Neuaufzeichnung ein früherer Aufzeichnungszustand an der Überschreib-Stelle erfaßt und aus dem Ergebnis dieser Erfassung wird eine optimale Regelvariable sowie die Wellenform einer Impulsspannung eingestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Aufzeichnungs-, Lösch- und Wiedergabesystems gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist ein detailliertes Blockdiagramm einer Regelschaltung aus Fig. 1.
Fig. 3 ist ein detailliertes Blockdiagramm einer Taktentziehungsschaltung aus Fig. 1.
Fig. 4 ist ein Impulsdiagramm, welches den Wiedergabebetrieb gemäß Fig. 1 veranschaulicht.
Fig. 5 ist ein Impulsdiagramm, welches den Aufzeichnungs- und Löschbetrieb gemäß Fig. 1 veranschaulicht.
Fig. 6 veranschaulicht den Schreibvorgang durch ein Beispiel aus dem Stand der Technik.
Fig. 7 veranschaulicht den Schreibvorgang durch ein Beispiel aus dem Stand der Technik.
Fig. 8 veranschaulicht den Schreibvorgang durch ein Beispiel aus dem Stand der Technik.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Im folgenden wird eine Ausführungsform einer Speichervorrichtung für extrem hohe Dichte und hoher Kapazität unter Ausnützung des RTM-Prinzips als Beispiel für eine Informationsaufzeichnungs-/Wiedergabevorrichtung beschrieben. Fig. 1 ist ein, Blockdiagramm der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Sondenelektrode, Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Piezo-Aktuator zum Treiben der Sondenelektrode 1 in Z-Richtung. Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Aufzeichnungsschicht, Bezugszeichen 4 eine Basiselektrode, Bezugszeichen 5 ein Substrat und Bezugszeichen 6 einen XY-Tisch. Bezugszeichen 7 bezeichnet einen I-V-Wandler zum Erfassen eines zwischen der Sondenelektrode und der Basiselektrode durch die Aufzeichnungsschicht 3 fließenden Tunnelstroms und zur Umwandlung des Tunnelstroms in ein Spannungssignal. Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Abtast- und Halteschaltung zum Halten des Ausgangsspannungswerts (a) des I-V-Wandlers 7 bei dem zeitlichen Ablauf durch ODER-Verknüpfen (c) Kontaktsignalen φ&sub1; und φw. Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Regelschaltung, die die Ausgangsspannung (b) der Abtast- und Halteschaltung 8 eine Spannung (d) berechnet, die an einem Z-Achsen-Steller ausgegeben wird. Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Speicher zum Speichern der Regelvariablen der Regelschaltung, Bezugszeichen 11 steht für einen Treiber des Aktuators 2, und Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Vorspannungserzeugungsschaltung zum Erzeugen einer Auslöse-Vorspannung und einer Aufzeichnungs-Impulsspannung (i) in der Basiselektrode. Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Takt-Ausziehschaltung zum Reparieren und Extrahieren eines Wiedergabetaktsignals φ&sub1; und einer Datenaufzeichnungs-Zeitsteuerung φ&sub2;, die auf der Aufzeichnungsschicht aufgezeichnet ist, wobei das Signal aus dem Ausgangssignal des I-V-Wandlers 7 gewonnen wird. Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Daten-Demodulierschaltung zum Demodulieren von auf der Aufzeichnungs schicht aufgezeichneten Daten. Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Datenmodulierschaltung zum Modulieren von Aufzeichnungsdaten, die von außen zugeführt werden, und zum Senden von Schreibimpulsdaten zu einer Schreib-Zeitsteuerschaltung 16 und der Vorspannungserzeugungsschaltung 12. Die Schreib-Zeitsteuerschaltung 16 erzeugt ein Zeitsteuersignal φw (h) zum Erzeugen einer Schreibimpulsspannung. Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Abtastschaltung zum Treiben und Steuern eines XY-Tisches derart, daß die Sondenelektrode einzelnen Datenreihen auf einem Aufzeichnungsträger folgen kann.
Fig. 2 ist ein detailliertes Blockdiagramm der Regelschaltung 9, Fig. 3 ist ein detailliertes Blockdiagramm der Takt-Ausziehschaltung 13. In der in Fig. 2 gezeigten Regelschaltung bezeichnet das Bezugszeichen 91 einen A-/D-Wandler zum Umsetzen des Abtast-Halte-Ausgangssignals (b) in ein digitales Signal, und Bezugszeichen 95 bezeichnet einen Signalprozessor zum Durchführen der Berechnung für die Regelung. Der Speicher 10 dient zum Speichern der Regelvariablen und ist an den Signalprozessor 92 angeschlossen. Bezugszeichen 93 steht für einen D-/A-Wandler zum Umwandeln des Rechen-Ausgangssignals des Signalprozessors in eine Analogspannung, und Bezugszeichen 94 steht für einen Schalter zum Beseitigen des Ausgangssignal-Versatzes des D-/A-Wandlers und zum Gewinnen eines glatten Analog-Ausgangssignals (d).
In der Takt-Ausziehschaltung nach Fig. 3 bezeichnet Bezugszeichen 131 eine Wellenformerschaltung zum Formen der Wellenform (a) am Ausgang der I-V-Wandlerschaltung und zum Durchlaufen an einer Taktsignalkomponente, Bezugszeichen 132 bezeichnet eine Phasendetektorschaltung, 133 einen Tiefpaßfilter und 134 einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO). Die Phasendetektorschaltung 132 ist eine Schaltung zum Erfassen der Phase des Ausgangssignals der Wellenformerschaltung 131 durch ein Signal, welches durch Frequenzteilung des Schwingungs- Ausgangssignals des VCO 134 mit Hilfe eines Frequenzteilers 135 erhalten wird.
Der VCO 134 führt eine Schwingung mit einer Frequenz proportional zur Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters 133 aus, wobei das Ausgangssignal dieses VCO als Referenzsignal (im folgenden als Wiedergabetaktsignal bezeichnet) ausgegeben wird, welches die Referenzgröße während der Datenwiedergabe bildet. Bezugszeichen 136 bezeichnet eine Phasenkorrekturschaltung, Bezugszeichen 137 bezeichnet eine π-Phasenschieberschaltung.
Fig. 4 zeigt ein Impulsdiagramm der Signale verschiedener Teile der Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform nach Fig. 1 während des Wiedergabebetriebs. Fig. 5 zeigt ein Impulsdiagramm der Signale verschiedener Teile während des Aufzeichnungsvorgangs. Die vorliegende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Aufzeichnungsmedium ein Datenbit zwischen benachbarte Wiedergabe- Taktsignalbits geschrieben wird.
Zunächst soll die Arbeitsweise der Vorrichtung dieser Ausführungsform bei der Datenwiedergabe beschrieben werden. Der Wiedergabevorgang erfolgt mit Hilfe eines Wiedergabe-Taktsignals als Grund-Zeitsteuerung. Das Wiedergabe-Taktsignal wird aus dem Signal der Aufzeichnungsdaten extrahiert. Die Takt-Ausziehschaltung nach Fig. 3 bildet eine sogenannte Phasenregelschlaufe (PLL) und bewirkt eine Schwingung, die mit einer Taktsignalkomponente synchronisiert ist, welche in einem Tunnelstrom-Signal enthalten ist. Von dieser Schaltung wird ein Takt φ&sub1; sowie ein gegenüber diesem um die Phase π verschobene Takt φ&sub2; erhalten.
In Fig. 4 ist bei (a) ein I-V-Umwandlungs-Ausgangssignal gezeigt, wenn der XY- Tisch angetrieben und die Sondenelektrode eine auf der Aufzeichnungsschicht geschriebene Datenzeile abtastet; (b) zeigt ein Signal, welches durch Abtasten des Ausgangssignals des I-V-Wandlers erhalten wird und mit Hilfe des Wiedergabetakts φ&sub1; ausgegeben wird, wobei dieses Signal zu einem Eingangssignal der Regelschaltung wird, die die Z-Regelung der Sondenelektrode bewerkstelligt.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist das Regelausgangssignal (d) der Z-Regelung durch den Wert des Tunnelstroms am Wiedergabetakt-Signalbit beeinflußt. Deshalb läßt sich die Z-Regelung der Sondenelektrode mit Hilfe des Wiedergabetakt-Signalbits als Referenzgröße bewerkstelligen, ohne daß eine Beeinflussung durch die Information des Datenbits gegeben ist. Was die Demodulation des Datensignals angeht, wird außerdem das Ausgangssignal (a) der I-V-Umwandlung von einem Datentakt φ&sub2; (e) bewertet, der durch Phasenverschiebung des Wiedergabetaktsignals gewonnen wird, und aus dem der logische Wert (f) des Wiedergabesignals gewonnen wird. In ähnlicher Weise wird die Z-Intervallregelung der Sondenelektrode durch den Takt φ, bewerkstelligt, und das Datenbit wird durch den in der Phase von dem Takt In abweichenden Takt φ&sub2; wiedergegeben.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf das in Fig. 5 gezeigte Impulsdiagramm die Arbeitsabläufe der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform bei der Datenaufzeichnung und beim Löschen von Daten beschrieben. In Fig. 5 zeigt (a) das Ausgangssignal des I-V-Wandlers 7, wobei schraffierte Bereiche einen Tunnelstrom angeben, der durch angelegte Schreib- und Löschimpulsspannungen erzeugt wird. Bei (b) ist das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung 8 gezeigt, und im Fall des Aufzeichnungsvorgangs wird dieses von einem Signal (c) geregelt, das der logischen Summe des Wiedergabetakts φ&sub1; und des Schreib-Zeitsteuerimpulssignals φw entspricht. Wenn das Signal (c) wahr war (1) ist, wird das Eingangssignal (a) in korrekter Weise als (b) ausgegeben, ist das Signal (b) ein falscher Wert (0), so wird das Eingangssignal (a) unmittelbar bevor das Signal (c) wahr ist, gehalten und nach (b) ausgegeben. Außerdem verlangt φw die Änderung (h) eines Regelparameters für die Regelschaltung 9. Wenn das Signal φw einen Wert wahr hat, speichert die Regelschaltung 9 die derzeitige Regeleingangsgröße (b) und Ausgangsgröße (d) sowie einen Parameter oder dergleichen für die Berechnung in dem Speicher 10. Dann wird der beim Schreiben verwendete Parameter auf dem Speicher 10 in die Regelschaltung 9 geladen. Der vorübergehend im Speicher 10 abgespeicherte Parameter wird nach Beendigung des Schreibvorgangs zurückgebracht.
Die Schreibimpulsspannung bestimmt sich durch den Vergleich zwischen den Werten des Tunnelstroms (Signal (a)) unmittelbar nach dem Ansteigen von φw, und dem aufzuzeichnenden logischen Wert. D. h.: der bereits geschriebene logische Wert auf der Aufzeichnungsschicht unmittelbar vor Erzeugung des Schreibimpulses wird erfaßt und verglichen mit einem jetzt aufzuzeichnenden logischen Wert, und nur dann, wenn die beiden logischen Werte voneinander abweichen, wird eine Impulsspannung zum Umkehren der logischen Werte angelegt, wohingegen dann, wenn die beiden logischen Werte miteinander übereinstimmen, das Anlegen der Impulsspannung nicht stattfindet.
Zur Regelung der Sondenelektrode in Z-Richtung beim Anlegen des Schreibimpulses wird eine Regelvariable gewählt, die sich für die Charakteristik der Aufzeichnungsschicht eignet. Wenn Datenbits durch Änderungen der Form der Aufzeichnungsschicht zu bilden sind, wird die Sondenelektrode von der Aufzeichnungsschicht gleichzeitig mit dem Anlegen des Impulses abgerückt. Wenn zu dieser Zeit der Tunnelstrom ständig überwacht und die in die Aufzeichnungsschicht eingebrachte Energiemenge geregelt wird, läßt sich ein Schreibvorgang mit besserer Reproduzierbarkeit erreichen. Wenn außerdem die Ausbildung der Datenbits durch Modulieren des Elektronenzustands der Aufzeichnungsschicht erfolgt, so wird der optimale Wert für den Abstand zwischen der Spitze der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht während des Anlegens des Schreibimpulses berechnet und angelegt, und während des Anlegens des Impulses wird die Sondenelektrode so gehalten, daß sie von diesem optimalen Wert nicht abweicht. Wenn zu dieser Zeit der Tunnelstrom überwacht und die in die Aufzeichnungsschicht eingebrachte Energiemenge geregelt wird, indem der angelegte Impuls novelliert wird, so läßt sich ein Schreibvorgang mit viel besserer Reproduzierbarkeit erreichen.
Wenn der Impuls anzulegen ist, so kann das Anlegen des Impulses erfolgen, während die Bewegung des XY-Tisches vorübergehend mit Hilfe des Schreib-Zeitsteuersignals φw angehalten wird. Wenn ein derartiger Betrieb stattfindet, läßt sich ver meiden, daß das Aufzeichnungsbit in Abtastrichtung des Abtastmediums zerstört wird.
Das durch die Erfindung verwendete Regelsystem ermöglicht das Anwenden unterschiedlicher Methoden nach Maßgabe der Charakteristik der Aufzeichnungsschicht. Beispielsweise läßt sich die sowohl bei analogen als auch digitalen Systemen weit verbreitete PID-Regelung in einfacher Weise anwenden, um die Regelvariable durch lediglich drei Arten von Parameteränderungen zu ändern. Außerdem wird zur optimalen Regelung bevorzugt, eine Regelung basierend auf der Fuzzy-Theorie auszuführen, indem der Tunnelstrom und der Versetzungshub der Sondenelektrode mit deren differenzierten und integrierten Werten verwendet wird. Um die Stabilität der Aufzeichnung zusätzlich zu steigern, wird bevorzugt, die Regelung durch Verwendung auch der Parameter der Ladungsmenge oder der Gesamtenergiemenge, die in die Aufzeichnungsschicht durch die angelegte Spannung und den Tunnelstrom eingebracht wird, vorzunehmen.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Signalmodulation bei einem zeitlichen Ablauf, bei dem die Aufzeichnungsdaten zwischen die Wiedergabetaktsignale eingefügt werden, wohingegen die vorliegende Erfindung nicht auf ein solches Modulationssystem beschränkt ist, sondern man auch von irgendeinem Modulationssystem Gebrauch machen kann, welches eine Taktkomponente aus einem aufgezeichneten Datenbit extrahiert.
Als Aufzeichnungsschicht der Erfindung, die für die Aufzeichnung und die Wiedergabe verwendet wird, können verschiedene Materialien verwendet werden, falls sie in der Lage sind, die auf der Aufzeichnungsschicht aufgezeichnete Information mit Hilfe eines Tunnelstroms zu erfassen, der zwischen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht liegt. In solchen Fällen z. B., in denen Ungleichmäßigkeiten der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht ausgebildet werden, um dadurch die Aufzeichnung vorzunehmen, kann ein HOPG-Gleit-Substrat (HOPG = highly-orientedpyrolithic-graphite), einen Si-Wafer, eine im Vakuum aufgedampfte oder durch epi taktisches Wachstum gebildete Metall-Dünnschicht aus Au, Ag, Pt, Mo, Cu oder dergleichen sowie Glasmetalle wie z. B. Rh&sub2;&sub5;, und Co&sub3;&sub5;Tb&sub6;&sub5; verwendet werden. Falls die Aufzeichnung durch Änderung des Elektronenzustands der Aufzeichnungsschicht erfolgt, kann von einer Dünnschicht aus amorphem Si, einer organischen π- Elektronen-Verbindung oder einer Erzbildnerverbindung Gebrauch gemacht werden.
Außerdem sind verschiedene Formen und Substratmaterialien für das erfindungsgemäß verwendete Aufzeichnungsmedium denkbar. Was die Formen angeht, kommt z. B. ein kartenähnliches oder bandähnliches Substrat, ein scheibenähnliches Substrat oder dergleichen in Betracht. Als Materialien seien ein Spaltkristall- Substrat erwähnt, beispielsweise HOPG oder Glimmer, ein Kristallsubstrat aus Si, Saphir oder MgO mit polierter Oberfläche, Schmelzquarz, Corning-No. 7059-Glas, etc. Als Substratmaterialien für ein bandförmiges Medium kommen z. B. Polycarbonat, Acryl, PEEK, PET, Nylon etc. in Betracht.
Erfindungsgemäß läßt sich eine Datenwiedergabe mit hoher Geschwindigkeit erreichen, ohne daß dabei die Sondenelektrode mit der Aufzeichnungsschicht kollidiert. Selbst bei einer Unregelmäßigkeit der Form oder dem Elektronenzustand von auf der Aufzeichnungsschicht aufgezeichneten Datenbits läßt sich eine Wiedergabe mit hohem S-/N-Verhältnis erreichen.
Bei der Aufzeichnung kann jeglicher Änderung der Aufzeichnungsbedingungen durch die Schichtdickenabhängigkeit der Aufzeichnungsschicht an einzelnen Stellen oder der Unregelmäßigkeit der physikalischen Eigenschaft der Aufzeichnungsschicht Rechnung getragen werden, und es können stabile Datenbits guter Reproduzierbarkeit ausgebildet werden.
Selbst auf einem Aufzeichnungsmedium, auf dem bereits früher eine Aufzeichnung stattgefunden hatte, läßt sich das Schreiben von Daten bei gleichzeitigem Löschen alter Daten vornehmen. Aufzeichnung und Wiedergabe wären bei geringer Fehler wahrscheinlichkeit auch dann möglich, wenn es sich um einen wiederholten Überschreibvorgang von Daten handelt.

Claims

1. Wiedergabevorrichtung zum Auslesen von auf einem Aufzeichnungsmedium (3) aufgezeichneter Information unter Verwendung eines elektrischen Stroms, der zwischen dem Aufzeichnungsmedium (3) und einer diesem gegenüberstehenden Sonde (1) fließt, umfassend:

- eine Abtastsonde (1),

- eine Einrichtung (13) zum Erzeugen eines Referenztaktsignals (Φ&sub1;) und eines Auslese-Zeitsteuersignals (Φ&sub2;) mit voneinander verschiedenem zeitlichem Ablauf,

- eine Einrichtung (8), die die Stromstärke als einen Referenzwert auf der Grundlage des Referenztaktsignals (Φ&sub1;) abtastet und hält,

gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung (2, 7, 9, 11) zum Aufrechterhalten und Steuern eines Abstands zwischen dem Aufzeichnungsmedium (3) und der Sonde (1) auf der Grundlage des Referenzwerts.

2. Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, bei der der elektrische Strom ein Tunnelstrom ist.

3. Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, bei der Datenbits auf dem Aufzeichnungsmedium (3) durch Änderungen in dessen Oberflächenform aufgezeichnet sind.

4. Aufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der Datenbits auf dem Aufzeichnungsmedium (3) durch Änderungen in dessen elektrischem Leitungszustand aufgezeichnet sind.

5. Aufzeichnungs-RTM-Vorrichtung zum Aufzeichnen von Information auf einem Aufzeichnungsmedium (3) durch Ausnutzung eines zwischen dem Aufzeichnungsmedium (3) und einer diesem gegenüberstehenden Sonde (1) fließenden elektrischen Stroms, umfassend:

- eine Regeleinrichtung (2) zum Halten eines Abstands zwischen dem Aufzeichnungsmedium (3) und der Sonde (1) auf einem eingestellten Wert,

gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung (9) zum Durchführen einer Sondensteuerung während einer Zeitspanne (Φw), während der der elektrische Strom zwecks Aufzeichnung erhöht wird, wobei der Abstand zwischen dem Aufzeichnungsmedium (3) und der Sonde (1) von dem Abstand während der anderen Zeitspanne abweichen kann,

- eine Einrichtung (2, 7, 9, 11) zum Halten und Steuern des Abstands zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Sonde (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, die während der anderen Zeitspannen aktiv ist.

6. Aufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der der elektrische Strom ein Tunnelstrom ist.

7. Aufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der Datenbits auf dem Aufzeichnungsmedium (3) durch Änderungen in dessen Oberflächenform aufgezeichnet sind.

8. Aufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der Datenbits auf dem Aufzeichnungsmedium (3) durch Änderungen von dessen elektrischem Leitungszustand aufgezeichnet sind.

9. Aufzeichnungs-Wiedergabe-RTM-Vorrichtung zum Intensivieren eines elektrischen Stroms und zum Vornehmen einer Informationsaufzeichnung auf einem Aufzeichnungsmedium (3) durch Ausnutzen eines elektrischen Stroms, der zwischen dem Aufzeichnungsmedium (3) und einer diesem gegenüberstehenden Sonde (1) fließt, und zum Auslesen der auf dem Aufzeichnungsmedium (3) aufgezeichneten Information während der Wiedergabe durch Nutzung des elektrischen Stroms, der zwischen dem Aufzeichnungsmedium (3) und der Sonde (1) fließt, umfassend:

- eine Einrichtung zum Erfassen des elektrischen Stroms an einer Stelle auf dem Aufzeichnungsmedium (3), an der eine Aufzeichnung stattfindet, gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung zum Beurteilen des logischen Werts der aufgezeichneten Information,

- eine Einrichtung zum Vergleichen des beurteilten logischen Werts mit einem nunmehr aufzuzeichnenden logischen Wert,

- eine Einrichtung zum Ausführen einer Aufzeichnung nur dann, wenn die Übereinstimmung zwischen den logischen Werten als Ergebnis des Vergleichs nicht erhalten wird, und

- eine Einrichtung (2, 7, 9, 11) zum Aufrechterhalten und Steuern des Abstands zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Sonde (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, die während der Wiedergabe aktiv ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der elektrische Strom ein Tunnelstrom ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der Datenbits auf dem Aufzeichnungsmedium (3) durch Änderungen in dessen Oberflächenform aufgezeichnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der Datenbits auf dem Aufzeichnungsmedium (3) durch Änderungen in dessen elektrischem Leitungszustand aufgezeichnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Referenztaktsignal (Φ&sub1;) auf der Grundlage eines Wiedergabetaktsignal- Bits erzeugt wird, welches auf dem Aufzeichnungsträger aufgezeichnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Auslese-Zeitablauf (Φ&sub2;) durch Verschiebung der Phase des Referenztaktsignals (Φ&sub1;) erzeugt wird.