JPH0482037A - 記録及び／又は再生を行なう装置および方法 - Google Patents

記録及び／又は再生を行なう装置および方法

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JPH0482037A
JPH0482037A JP2194825A JP19482590A JPH0482037A JP H0482037 A JPH0482037 A JP H0482037A JP 2194825 A JP2194825 A JP 2194825A JP 19482590 A JP19482590 A JP 19482590A JP H0482037 A JPH0482037 A JP H0482037A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は走査型トンネル顕微鏡等の技術を応用した記録
及び／又は再生を行なう装置および方法に関する。
［従来の技術］ 近年、メモリ材料の用途は、コンピュータおよびその関
連機器、ビデオディスク、ディジタルオーディオディス
ク等のエレクトロニクス産業の中核をなすものであり、
その材料開発も極めて活発に進んでいる。メモリ材料に
要求される性能は用途により異なるが、−殻内には、■
高密度で記録容量が大きい、■記録再生の応答速度が早
い、■消費電力が少ない、■生産性が高く価格が安い、
等が挙げられる。
従来は磁性体や半導体を素材とした半導体メモリや磁気
メモリが主であったが、近年レーザ技術の進展に伴ない
、有機色素、フォトポリマ等の有機薄膜を用いた光メモ
リによる安価で高密度な記録媒体が登場してきた。
一方、最近、導体の表面面原子の電子構造を直接観察で
きる走査型トンネルＢ微鏡（以後、ＳＴＭと略す）が開
発され［Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ　ｅｔ　ａｌ、　Ｐｈｙｓ。
Ｒｅｖ、　Ｌｅｔｔ、　４９．５７（ＨｆＢ２）］　、
単結晶、非晶質を問わず実空間像の高い分解能の測定が
できるようになった。しかもＳＴＭは試料に対し電流に
よる損傷を与えずに低電力で観測できる利点も有し、さ
らに大気中でも動作し、種々の材料に対して用いること
ができるため、広範囲な応用が期待されている。
ＳＴＭは金属の探針（プローブ電極）と導電性物質間に
バイアス電圧を加えてｌｎｍ程度の距離まて近付けると
トンネル電流が流れることを利用している。この電流は
両者の距離変化に非常に敏感である。トンネル電流を一
定に保つように探針を走査することにより実空間の全電
子雲に関する種々の情報をも読み取ることができる。こ
の際、面内方向の分解能は０．１ｎｍ程度である。
したがって、ＳＴＭの原理を応用すれば充分に原子オー
ダー（サブ・ナノメートル）での高密度記録再生を行な
うことが可能である。例えは、特開昭６１−８０５３６
号に開示されている記録再生装置では、電子ビーム等に
よって媒体表面に吸着した原子粒子を取り除いて書込み
を行ない、ＳＴＭによりこのデータを再生している。さ
らに、記録層として電圧電流のスイッチング特性に対し
てメモリ効果を持つ材料、例えばπ電子系有機化合物や
カルコゲン化合物類の薄膜層を用いて、記録・再生をＳ
ＴＭで行なう方法が提案されている（特開昭６３−１６
１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報）。
この方法によれは、記録のヒツトサイズをｉｏｎｍとし
て１０”ｂｉｔ／　ｃ　ｍ　２もの大容量記録再生が可
能である。
これらの記録再生方法におけるプローブ電極と記録媒体
間の距離制御方式に関しては、プローブ電流が一定とな
るように距離制御しながら記録・再生を行なう方式や、
電流が記録の有無により変化するのを平均化させた電流
平均値を基準とし、その基準値が得られるように距離制
御する方式や、記録時に、記録のために電流を強める前
の時点における電流の平均値を基準として保持しておき
、その基準値が得られるように距離制御する方式が提案
されている。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例において、記録時にプローブ
電流が一定となるように距離制御を行なう方法では、’
８３図（ａ）および′Ｍ５図（ａ）に示すように、記録
媒体１０２あるいは導電性記録媒体４０２に対して記録
を行なうために印加電圧■を増大させる過程でプローブ
電極１０４と記録媒体１０２あるいは４０２間の距離が
増大し、その分、電界および電位が減少するため、効率
良く電圧が印加されないという問題点や、その距離の増
大に対応して印加電圧が広い範囲に加わるため、記録ビ
ット径が大きくなるという問題点があった。
また、記録時に、記録前の位置を保持するように制御を
行なう方法では、第３図（ｂ）および第５図（ｂ）に示
すように、記録部分の抵抗値や表面形状が変化したとき
、大電流が流れることによるプローブ先端や記録部分の
媒体の損傷が起こるという問題点かあフた。
本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、
プローブ先端や記録媒体の損傷の恐れがなく効率的に記
録や再生が行なえる記録再生装置および方法を提供する
ことにある。
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため本発明の記録及び／又は再生装
置は、記録媒体に対向して配置されるプローブと、記録
媒体とプローブとの間に電圧を印加する電圧印加手段と
、記録媒体とプローブ間に流わる電流を検知する電流検
知手段と、プローブと記録媒体との距餌を調整すべくプ
ローブを駆動するプローブ駆動手段と、前記電流検知手
段が検知した電流に基づき前記プローブ駆動手段を制御
するだめの信号を出力する信号出力手段と、前記電圧印
加手段の印加電圧の変化による前記信号の変動を補正す
る補正手段とを備えるようにしている。
また、記録媒体に対向してプローブを配置し、記録媒体
とプローブとの間に電圧を印加するとともに、記録媒体
とプローブ間に流れる電流を検知し、この検知電流に基
づいてプローブ、記録媒体間距離制御のための信号を発
生してプローブと記録媒体との距離を調整する記録及び
／又は再生方法において、前記印加電圧の変化による前
記信号の変動を補正するようにしている。
［作用］ 例えは後述する実施例の構成において、記録媒体がメモ
リ効果を生ずる所定の閾値レベル以上の電圧信号が印加
されるとその記録媒体部分に電気的特性の変化や物理化
学的な変化が生じ、これによりその部分に情報が記録さ
れる。このメモリ効果が生ずる前は、プローブ電極と記
録媒体間の距離を一定とした場合に印加電圧に対して流
れる電流値と等しくなるような電流がプローブ電極と記
録媒体間に流れるようにプローブ電極と記録媒体間の距
離を制御するようにしているため、プローブ電極と記録
媒体間の距離は前記閾値レベル以下の電圧変動があって
も一定に保たれる。そして、メモリ効果が生ずると、そ
れによる電気的特性の変化や物理化学的な変化により、
プローブ電極と記録媒体間の抵抗値が減少し、上記のよ
うな制御下においては、その減少分を補う分たけプロー
ブ電極と記録媒体間の距離が大きくなる。
方、閾値レベル以下の一定の印加電圧下においても、プ
ローブ電極と記録媒体間の距離が上記制御下において一
定に保持されるが、記録媒体上の情報記録部分がプロー
ブ電極下に来ると、上述と同様に、プローブ電極と記録
媒体間の抵抗値が減少し、その減少分を補う分だけプロ
ーブＮ極と記録媒体間の距離が大ぎくなるように、制御
される。すなわち、この制御量が、記録されている情報
を示し、これによって再生が行なわれる。
そして、記録・再生いずれの場合においても、上述の制
御によって、プローブ電極と記録媒体間の距離が、記録
情報部分を除き、十分近付けて一定に保たれ、プローブ
電極と記録媒体間の電界が安定に保たれるために、安定
した電界により効率よく、かつ小さな記録ビット径でも
って、高いＳ／Ｎで誤り率の低い記録・再生が行なわれ
る。また、記録情報部分においては、プローブ電極と記
録媒体間の距離が大きくなるように制御されるため、プ
ローブ電極と記録媒体間の過大な電流によるこれらの損
傷なく記録・再生が行なわれる。
［実施例］ 第１図は本発明の好ましい一実施例に係る記録再生装置
を示す図である。
同図に示すように、この記録再生装置は、記録媒体１０
２の表面に先端を近付けて配置されるプローブ電極１０
４と、記録媒体１０２の裏面に配置した電極１０１とプ
ローブ電極１０４との間に電圧を印加する手段であるバ
イアス電源１０５、記録／消去信号発生器１０８および
これらの出力を加算する加算器１１４と、記録媒体１０
２とプローブ電極１０４間に流れる電流を検知するプロ
ーブ電流検出器１０６と、プローブ電極１０４と記録媒
体１０２間の距離を変動させるためにプローブ電極を駆
動する縦方向駆動機構１０３と、前記電圧印加手段によ
る印加電圧とプローブ電流検出器１０６が検知した電流
に基づき、プローブ電極１０４と記録媒体１０２間の距
離を一定とした場合に該印加電圧に対して流れる電流値
と等しくなるような電流がプローブ電極１０４と記録媒
体１０２間に流れるように縦方向駆動機構１０３を駆動
するための制御信号を出力するサーボ回路１０７とを具
備する。記録媒体１０２および基板電極１０１は、粗動
機構１１３上に保持されておリ、マイクロコンピュータ
１１１が粗動駆動回路１１２を介して粗動機構１１３を
駆動することによって記録媒体１０２はプローブを極１
０４に対し相対的に移動されるように構成されている。
基板電極１０１としては、ガラスや雲母等の平坦な基板
上の金のエピタキシャル成長面やグラファイトへき開面
を用いることができる。記録媒体１０２は、スクアリリ
ュウムービス−６−オクチルアズレン（以下５ＯＡＺと
略す）を用い、ラングミュア・プロジェット法によって
、単分子膜２層の累積膜を基板１ｉＦｉ１１０１表面上
に形成したものである。
プローブ電極１０４としては、タングステン線等を電界
研摩したものや、白金線等を機械的切断したもので、先
端が尖鋭（曲率半径く１μｍ）で導電性のあるものが使
用できる。
縦方向駆動機構１０３には、ＰＺＴ素子等を用い、バイ
アス電源１０５によって基板電極１０１とプローブ電極
１０４の間に１Ｖ程度のバイアス電圧を印加し、両者の
間に流れるプローブ電流をプローブ電流検出器１０６に
よって検出する。
第８図はサーボ回路１０７のブロック図である。
同図において、８０１は印加バイアス電圧値■および距
離設定値Ｚ０に対する設定電流値Ｉ。を算出する設定電
流値算出回路である。この算出方法は、プローブ電極１
０４と基板電極１０１間の電流−電圧特性によって異な
り、例えば、トンネル電流特性、電界放射電流特性を示
すとぎは、それぞれ ■。−９°ｘｐ　（−ＢＺｏ）Ｖ　（トンネル電流特性
）Ｖ　　　２　　　　　−Ｄｚ。
１ｏ−Ｃ（）　　ｅｘｐ　　（） ｚＯｖ （電界放射電流特性） の式に従りて算出すればよい。ただし、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ
は、電極や記録媒体を構成する物質によって決まる定数
である。より一般的には、プローブ電極と基板電極の間
隔・を２とするとき、電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）特性がＩ
＝ｆ　（Ｖ、Ｚ）て表わされるときは、 ＩＯ＝ｆ　（Ｖ、　Ｚｏ　） の式に従って算出すればよい。
８０２および８０３は検出プローブ電流値Ｉおよび設定
電流値Ｉ。をそれぞれ例えば対数変換して信号１ｏｇＩ
およびｌｏｇｌ、を得る関数変換回路、８０４はこの両
信号の差１ｏＨＩ　−１ｏｇＩ　ｏを算出して出力する
減算器、８０５は減算器８０４の出力に対するフィルタ
および増幅器（ゲインＧ）である、増幅器８０６が出力
する信号Ｇ（ｌｏｇＩ　−１ｏｇＩ　ｏ　）は縦方向駆
動機構制御手段１０３に出力される。増幅器８０６によ
るゲインＧの符号は、Ｉ　＞　Ｉ　ｏのとき基板電極１
０１に対してプローブ電極１０４を遠ざける方向に、Ｉ
＜ＩＯのときはこの逆に近付ける方向に駆動するように
選ばれる。これにより、プローブ電流値Ｉが常に印加バ
イアス電圧Ｖに対する設定電流値になるように制御され
る。このような制御を行なうことにより、印加バイアス
電圧Ｖを変化させてもプローブ電極１０４と基板電極１
０１の間の距離を一定に保つことができる。
プローブ電極１０４によるトラッキングの制御は、プロ
ーブ電流検出器１０６の出力に基づきマイクロコンピュ
ータｉｔｔがｘｙ走査駆動回路１１０を介してプローブ
電極１０４を駆動することによって行なう。また、バイ
アス電源１０５の制御もマイクロコンピュータ１１１が
行なう。
次に記８／消去時の動作について説明する。
まず、縦方向駆動機構１０３によって、プローブ電＆１
０４を記録媒体１０２の所望の位置に対して、サブ・ナ
ノメートル程度の距離まで近接させる。次に、記録／消
去信号発生器１０８からの信号を加算器１１４を通して
基板電極１０１とプローブ電極１０４の間に加え、プロ
ーブ電極１０４先端に近接した記録媒体１０２の所望の
位置で記録／消去を行なう。再生についても同様に、バ
イアス電源１０５によって読取り用バイアス電圧を基板
電極１０１とプローブ電極１０４の間に加え、プローブ
電極１０４先端に近接した記録媒体１０２の所望の位置
で再生を行なう。
具体的には、プローブ電極１０４と基板電極１０１との
間に、電気メモリ効果を生じる閾値電圧を越えていない
電圧であるＩＶの読取り用電圧を印加して電流値を測定
したところ、１０−”Ａ以下でオフ状態を示した。次に
オン状態を生じる閾値電圧■。以上の三角波パルス電圧
を印加した後、再生のため再び１■の電圧を印加して電
流を測定したところ１０−’Ａ程度の電流が流れオン状
態となっていたことを示した。すなわちオン状態が記録
された。次にオン状態からオフ状態へ変化する閾値以上
の逆三角波パルス電圧を印加した後、再生のため再びＩ
Ｖを印加したところ、この時の電流値は１Ｏ−１１Ａ以
下であり、オフ状態に戻ることが確認された。
次に、記録／再生におけるプローブ電極の縦方向位置制
御について、第２区〜第７図を用いて説明する。
第２図は、記録時におけるプローブ電極１０４の縦方向
位置制御方法の説明図である。記録を行なうために、印
加電圧ＶをＶ。から増大させる過程（Ｖ　＜　Ｖ　ｔｈ
　）では、プローブ電極１０４と基板電極１０１の間隔
はサーボ回路１０７による縮方向駆動機構１０３の制御
により一定に保たれる。
これにより、記録媒体１０２に対して電界および電位が
効果的に加えられるため、従来のプローブ電流Ｉを一定
にする制御では避けられなかった、印加電圧Ｖの増大に
伴なう、プローブ電８ｉ１０４と基板電極１０１の間隔
の増大による電界および電位の損失なく、より低い印加
電圧（例えは閾値電圧Ｖ　ｔｈ）で電気メモリ効果を生
じさせることが可能である。また、プローブ電１１０４
と基板電極１０１の間隔が増大しない分、記録ビット径
も小さくなる。
そして、閾値電圧Ｖｔｈを越えた印加電圧（Ｖ＞Ｖｔｈ
）により記録か行なわわ、記録部分１１５のオフ状態に
おける抵抗値Ｒ８，Ｆかオン状態における抵抗値Ｒ０Ｎ
に変化（減少）すると、プローブ電極１０４と基板室ｇ
１１０１間の間隙抵抗値ＲかＲＯＮ　＋ＲＴ　　（＝Ｒ
ＯＦＦ　）となるところまで、プローブ電極１０４と基
板電極１０１の間隔が増大する。ことにより、プローブ
電極１０４と基板電極１０１間に大電流が流れることな
く記録が行なわれ、プローブ電極１０４先端および記録
部分２０１の媒体の破損を防ぐことができる。
第６図は、再生時におけるプローブ電極の縦方向位置制
御方法の説明図である。ただし、基板電極１０１は導電
性結晶へき開面の原子配列等、表面に周期構造を有し、
バイアス電源１０５においては、基板電極１０１上の記
録媒体１０２の記録状態をプローブ電極１０４を走査し
て再生する際、再生用バイアス電源６０４とトラッキン
グ用バイアス電源６０５を、再生／トラッキング切換信
号発生回路６０７からの切換信号に応じてバイアス電圧
切換え回路６０６により交互に切り換えて用いるように
なっている。すなわち、再生用バイアスによって記録状
態を再生し、トラッキング用バイアスによって基板電極
１０１表面の周期構造を検知してトラッキングを行なう
。このとき、前述のプローブ電流値が常に印加バイアス
電圧に対する設定電流値になるようにプローブ電極１０
４の縦方向位置制御を行なうことにより、バイアス電圧
の切り換えによるプローブ電極１０４と基板電極１０１
間の間隔変化がなくなり、プローブ電極１０４の縦方向
位置制御量はそのまま、記録状態およびトラッキング用
周期構造を反映したものとなる。
第７図は、再生時におけるプローブ電極の縦方向位置制
御方法の他の実施例の説明図である。ここでは、再生用
バイアスとして、直流バイアス電源７０４による直流バ
イアスにバイアス変調回路７０５によって変調を加えた
ものを用い、得られる再生プローブ電流信号■２のうち
、変調成分のみを同期検波回路７０６で取り出す。この
ような方法によって、再生信号におけるノイズの低減化
や分光的手法（ｄｌｐ／ｄＶ信号から電子状態に関する
情報が得られる）による記録状態の検出を行なう。
この場合も上述のように、プローブ電極Ｎ流値Ｉ２が常
に印加バイアス電圧Ｖに対する設定電流値になるように
プローブ電極１０４の縦方向位置制御が行なわれるため
、バイアス電圧の変調によるプローブ電極１０４と基板
τ極１０１間の間隔の変調がなく、プローブ電極１０１
の縦方向位置制御量はそのまま記録状態を反映したもの
となる。
なお、上述においては本発明に従ったプローブ電極１０
４の縦方向位置制御の具体例として、トラツキ〉グのた
めのバイアス変化、ノイズの低減化、分光的手法による
記録状態の検出の例を挙げたか、本発明の概念はこねに
限定されるものでなく、広く、バイアスの変化に対し、
プローブ電極と基板電極間の間隔を一定に保つことにあ
る。
また、上述においては、記録媒体および記録方式として
、有機薄膜の電気メモリ効果を例に挙げたが、本発明の
概念は、これに限定されるものではなく、他に第４図に
示すように平坦な面を有する導電性記録媒体４０２に、
ある閾値以上の電圧を印加して、その表面形状を局所的
に溶融、蒸発、分解、化合、または配向方向の変化によ
り凹凸状しこ変化させるものでもよい。例えは、表面に
凹凸を形成し記録するものではＨＯＰ　Ｇ　（Ｈｉｇｈ
ｌｙ−Ｏｒｉｅｎｔｅｄ−Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ−Ｇｒａ
ｐｈｉｔｅ）　！開基板、Ｓｉウェハ、真空蒸着または
エピタキシャル成長させたＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｃ
ｕ等の金属薄膜、Ｒｈ　２５Ｚ　ｒ　７５、ＣＯ３ＳＴ
　ｂ　Ｇ５等のガラス金属が挙げられる。表面の電子状
態により記録するものではアモルファスＳｉ、ｙｒ電子
系有機化合物やカルコゲン化合物類の蒲＠眉等が挙げら
れる。
また、上述した実施例は記録または再生のいすねかのみ
を行なう装置であってもよいことは言うまでもない。
［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれは、印加電圧を変化さ
せてもプローブ、記録媒体間の距離を調整できるので、
■記録信号を効率良く印加することができ、■記録ビッ
ト径を小さくすることかてぎ、■記録時におけるプロー
ブ先端や記録部分の媒体の損傷を防止することかでき、
干して■トラッキングやＳ／Ｎ向上、分光的手法等バイ
アスに変調を加える種々の再生方法が安定に実現できる
という効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例に係る記録再生装置の構成
を示すブロック図、 第２図は、第１図の装置における記録時のプローブ電極
の制御法を示す説明図、 第３図および第５図は、従来例における記録時のプロー
ブ電極の制御法を示す説明図、第４図は、本発明におけ
る記録時のプローブ電極の制御法の他の例を示す説明図
、 第６図は、第１図の装置における再生時のプローブ電極
の制御法を示す説明図、 第７図は、本発明における再生時のプローブ電極の制御
法の他の例を示す説明図、そして第８図は、第１図にお
けるサーボ回路の詳細を示すブロック図である。 ：Ｍ方向駆動機構、１０４　　プローブ電極、１０５：
バイアス電源、１０６・プローブ電流検出器、１０７・
サーボ回路、１０８；記録／消去信号発生器、１０９：
ｘｙ走査駆動機構、１１０：ｘｙ走査駆動回路、１１ト
マイクロコンピュータ、１１２：粗動駆動回路、１１３
：粗動機構、１１４：加算器、２０１．記録部分、４０
２．導電性記録媒体、４０３：記録部分、６０４：再生
用バイアス電源、６０５ニドラツキング用バイアス電源
、６０６・バイアス電圧切り換え回路、６０７：再生／
トラッキング切換信号、７０４　直流バイアス電源、７
０５、バイアス変調回路、７０６・同期検波回路、８０
１：設定電流値算出回路、８０２８０３；関数変換回路
、８０４　減算器、８０５・フィルタ、８０６：増幅器
。 １０１・基板電極、１０２：記録媒体、１０３■−鳩 Ｖ　＜　Ｖｔｈ Ｖ　＞　Ｖｔｈ 第 図 Ｖ−■。 ｖ＜ｖｔｈ （ｂ） 第３ Ｖ＞Ｖｌｉｌ 図 句号 第 図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）記録媒体に対向して配置されるプローブと、記録
    媒体とプローブとの間に電圧を印加する電圧印加手段と
    、記録媒体とプローブ間に流れる電流を検知する電流検
    知手段と、プローブと記録媒体との距離を調整すべくプ
    ローブを駆動するプローブ駆動手段と、前記電流検知手
    段が検知した電流に基づき前記プローブ駆動手段を制御
    するための信号を出力する信号出力手段と、前記電圧印
    加手段の印加電圧の変化による前記信号の変動を補正す
    る補正手段とを具備することを特徴とする記録及び／又
    は再生装置。
  2. （２）記録媒体に対向してプローブを配置し、記録媒体
    とプローブとの間に電圧を印加するとともに、記録媒体
    とプローブ間に流れる電流を検知し、この検知電流に基
    づいてプローブ、記録媒体間距離制御のための信号を発
    生してプローブと記録媒体との距離を調整する記録及び
    ／又は再生方法において、前記印加電圧の変化による前
    記信号の変動を補正することを特徴とする記録及び／又
    は再生方法。
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