JPH06267121A - 記録媒体及び情報処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型トンネル顕微鏡の原理を応用した情報
処理装置に用いられ、ランダムアクセスが可能で高速ア
クセスが得られる記録媒体を提供する。 【構成】 格子状トラックパターンにより四方をトラッ
クで囲まれた複数の小記録領域を有し、この四方を囲む
トラックの幅を規定する両側のエッジが直線かつ平行で
あり、該トラックの幅の組み合わせが各小記録領域で異
なると共に、トラックの各交点における対向角が２組と
も等しくないことを特徴とする記録媒体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
の原理を応用した情報処理装置に用いられる大容量高密
度の記録媒体、及びその記録媒体を用いた情報処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、メモリー素子の用途はコンピュー
タ及びその関連機器、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、その開発も活発に進んでいる。かかるメモ
リー素子に要求される性能は一般的には、 （１）高密度で、記録容量が大きい （２）記録・再生の応答速度が速い （３）エラーレートが小さい （４）消費電力が少ない （５）生産性が高く、価格が安い 等が挙げられる。

【０００３】従来までは磁性体や半導体を素材とした磁
気メモリー、半導体メモリーが主流であったが、近年、
レーザー技術の進展に伴い、有機色素、フォトポリマー
などの有機薄膜を用いた安価で高密度な記録媒体を用い
た光メモリー素子などが登場してきた。

【０００４】一方、最近、導体の表面原子の電子構造を
直接観測できる走査型トンネル顕微鏡（以後、ＳＴＭと
略す）が開発され［ジー・ビーニッヒら，フェルベティ
カフィジィカ アクタ，５５，７２６（１９８
２）．］、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り、しかも媒体に電流による
損傷を与えずに低電力で観測できる利点をも有し、更に
大気中でも動作させることが可能であるため広範囲な応
用が期待されている。

【０００５】ＳＴＭは、金属の探針（プローブ電極）と
導電性物質の間に電圧を加えて１ｎｍ程度の距離まで近
づけると、これらの間に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
あり、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表面構造を描くことができると同時
に、表面素子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０．１ｎ
ｍ程度である。従って、ＳＴＭの原理を応用すれば十分
に原子オーダー（０．数ｎｍ）での高密度記録再生を行
うことが可能である。

【０００６】この際の記録再生方法としては、プローブ
電極と基板電極間に局所的電界を加えることにより、基
板電極の表面形状を局所的に変化させる方法や、粒子線
（電子線、イオン線）或はＸ線等の高エネルギー電磁波
及び可視・紫外光等のエネルギー線を用いて、適当な記
録層の表面状態を変化させて記録を行ない、ＳＴＭで再
生する方法がある。更には、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（電流メモリ効
果）をもつ材料、例えばπ電子系有機化合物やカルコゲ
ン化物類の薄膜層を用いて、記録・再生をＳＴＭを用い
て行う方法等が提案されている。この方法によれば、記
録のビットサイズを１０ｎｍとすることができ、１０¹²
ｂｉｔ／ｃｍ²もの大容量記録再生が可能である。

【０００７】このような大容量記録再生を行う際、記録
媒体の広範な記録面への記録・再生を行うためには、記
録・再生に用いられるプローブ電極を記録媒体上の所望
の情報記録部位まで素早く動かす必要が生じる。このア
クセスは、各記録媒体上に、位置に関する何らかの情報
を設け、係る情報を検出して行っている。具体的には、
記録媒体上に、位置に関する基準（以後、基準目盛りと
称す）と係る基準目盛りの原点を設定して、係る原点よ
り基準目盛りで測定して記録媒体上の位置を特定してい
る。係る基準目盛りとしては、例えば結晶性基板の規則
的な原子配列である結晶格子を利用し、原点として例え
ば人工的に設けた凹凸を利用する例があった

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、従来例に示
された記録媒体では、記録媒体上の位置の特定におい
て、基準目盛りの原点を設定して、係る原点より基準目
盛りで測定しているため、ランダムアクセスを行うこと
が困難であり、位置の特定に時間がかかった。

【０００９】従って、本発明の目的とするところは、ラ
ンダムアクセスが可能で高速アクセスが得られる記録媒
体及びそれを用いた情報処理装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するために成された本発明は、プローブ電極を用いて情
報の記録再生を行う情報処理装置に用いられる記録媒体
であって、該記録媒体は（１）格子状トラックパターン
により四方をトラックで囲まれた複数の小記録領域を有
し、（２）小記録領域を囲む四方のトラックの幅を規定
する両側のエッジが直線かつ平行であり、（３）小記録
領域を囲む四方のトラックの幅の組み合わせが、各小記
録領域ごとに異なり、（４）格子状トラックパターンに
よるトラックの各交点における対向角の少なくとも１組
が等しくない、ことを特徴とする記録媒体であり、更に
は、この記録媒体を用いたことを特徴とする情報処理装
置である。

【００１１】本発明によれば、小記録領域を囲むトラッ
クは、その幅を規定する両側のエッジが直線かつ平行で
あるため、トラックと直交する方向にプローブ電極を走
査することにより、トラック幅を正確に読み取ることが
できる。また小記録領域を囲う四方のトラックの幅の組
み合わせが各小記録領域に割り当てるアドレスとして使
用できる。本発明の情報処理装置では、記録媒体上にお
けるにトラックの幅と配置の関係の情報は装置内の制御
系に保存される。これにより、記録媒体を情報処理装置
の予め決められた方位に設置すれば、プローブ電極がト
ラックで囲まれたいずれの小記録領域にあったとして
も、その小記録領域を囲むトラックの幅を読み出すこと
で記録媒体上のプローブ電極が存在する小記録領域の位
置の検知が瞬時にできる。さらに、記録媒体上の他の任
意のアドレスまで最短距離を経由するランダムアクセス
が可能になる。

【００１２】以下に本発明の態様を詳細に説明する。

【００１３】本発明の記録媒体の一例として、図４にそ
の断面図を示す。本発明の記録媒体は、基本的には基板
３０４上に基板電極３０３、記録層３０１を順次積層す
ることにより形成することができる。また、格子状トラ
ックパターンは、素子において基板・基板電極・記録層
のいずれかに形成され、凹凸形状あるいは導電率の差と
して形成する場合がある。

【００１４】具体的には、凹凸形状を形成する例として
基板３０４自身に溝を形成する構成（図４（ａ）参
照）、基板電極３０３に溝を形成する構成（図４（ｂ）
参照）がある。

【００１５】また、導電率の差を形成する構成として
は、スイッチングメモリー特性を有する記録層３０１の
一部に導電性の異なる部位４０１を形成した構成（図４
（ｃ）参照）がある。更に、以上の例はトラックを凸形
状したものであるが、これが凹形状であってもかまわな
い。また、記録層にトラックとなる凹凸を形成した構造
も可能である。

【００１６】以上のトラックの形成方法も従来公知の方
法で容易に達成可能である。例えば基板に形成するので
あれば、電子ビームを用いたコンタミの付着・レジスト
のパターニング等数多くの方法が挙げられ、基板電極に
形成するのであれば、集束化イオンビームを用いた基板
電極の直接パターニングなどが挙げられる。

【００１７】本発明に用いられる基板３０４は、基板電
極３０３を支持するために用いるので、表面が平滑であ
れば、どのような材料を用いても良いが、基板電極の形
成法によってある程度利用できる基板材料は限定され
る。

【００１８】このような基板上に形成する基板電極３０
３の材料としては、高い導電性を有する材料が好まし
く、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｐｄなどの金属やこれら
の合金等の数多くの材料が挙げられ、これらの本発明へ
の適用が考えられる。係る材料を用いた電極形成法とし
ても真空蒸着法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法等の従来公知の薄
膜技術で十分である。

【００１９】本発明で記録層３０１として用いる有機化
合物絶縁層の材料としては、σ電子及びπ電子を有する
有機材料であれば何を用いても良い。

【００２０】かかる有機化合物絶縁層の形成には、具体
的には、蒸着法やクラスターイオンビーム法等の適用も
可能であるが、制御性、容易性、再現性、そして、記録
層表面の平滑性から公知の従来技術の中ではＬＢ法が極
めて好適である。

【００２１】本発明で用いる記録層としては、さらに電
流−電圧特性に於いてスイッチングメモリー特性（電気
メモリー効果）を発現する材料、例えば、π電子準位を
もつ群とσ電子準位のみを有する群を併有する分子を電
極上に積層した有機単分子膜あるいはその累積膜を用い
ることが可能となる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を実施例に従って説明する。

【００２３】実施例１ 図３にＳＴＭを応用した本発明の情報処理装置の構成例
を示す。以下図面に従って説明する。

【００２４】１は、基板３０４，基板電極３０３，記録
層３０１から構成される本発明の記録媒体である。この
記録媒体１はＸＹステージ３１２上に設置され、これに
より記録媒体上の記録・再生を行う大まかな位置が設定
される。３１０はプローブ電流増幅器で、３０９はプロ
ーブ電極の記録媒体からの高さが一定になるように圧電
素子を用いたＺ方向微動制御機構３０７を制御するサー
ボ回路である。３１１はプローブ電極３０５と基板電極
３０４との間に記録・消去用のパルス電圧を印加するた
めの電源である。なお、パルス電圧を印加するときにプ
ローブ電流が急激に変化するため、サーボ回路３０９は
その間出力電圧が一定になるように、サーボ回路内のＨ
ＯＬＤ回路をＯＮになるように制御している。３０８は
プローブ電極３０５を３０６のＸＹ方向微動制御機構を
用いてＸＹ方向に移動制御するためのＸＹ走査駆動回路
である。３１３の粗動機構と３１４の粗動駆動回路は、
予め１０^-9 Ａ程度のプローブ電流が得られるように、プ
ローブ電極３０５と記録媒体１との距離を粗動制御した
り、プローブ電極３０５と記録媒体１とのＸＹ方向相対
変位を大きくとる（微動制御機構の範囲外）のに用いら
れる。これらの各機器は、全てマイクロコンピューター
３１５により中央制御されている。また、３１６は表示
装置である。

【００２５】次に、本実施例の記録媒体の作製方法につ
いて述べる。先ず、熱酸化膜を３００ｎｍ形成したＳｉ
ウエハを基板３０４とした。続いて、基板３０４上に電
子線描画装置を用いてエレクトロン・ビーム照射でコン
タミを付着させてトラック３０２を形成した。この時の
エレクトロン・ビームの描画条件は、加速電圧３０ｋ
Ｖ、電子線電流８×１０^-11Ａ、スポット径０．１μ
ｍ、掃引速度１０^-4ｍｍ／ｓｅｃで行った。描画は約２
０μｍ角の領域に図１に示されるパターンで行った。こ
の際、各小記録領域（ａ〜ｐ）を囲むトラック幅の組み
合わせは、各小記録領域についてａ（１，２，２，
４）、ｂ（１，２，３，４）、ｃ（１，１，２，４）、
ｄ（１，２，３，３）、ｅ（１，２，２，３）、ｆ
（２，２，３，３）、ｇ（１，１，２，２）、ｈ（２，
２，３，４）、ｉ（１，３，４，４）、ｊ（２，３，
３，４）、ｋ（１，１，２，３）、ｌ（２，２，２，
２）、ｍ（１，２，４，４）、ｎ（１，１，３，４）、
ｏ（１，１，４，４）、ｐ（２，２，２，４）（単位μ
ｍ）で形成した。トラックのこれらの幅及び位置関係
は、マイクロコンピューター３１５に記憶させた。以上
より、四方をトラックで囲まれた小記録領域の記録媒体
上の位置は、その領域を囲むトラックの幅を測ることで
特定が可能になる。

【００２６】次に、係るトラックが形成された基板上に
真空蒸着法によりＡｕを１００ｎｍ成膜して基板電極３
０３を形成した。最後に、基板電極３０３上に記録層３
０１となるポリイミド（以下、Ｐ１と略記す）ＬＢ膜を
形成した。以下に、このＬＢ膜の成膜方法を示す。

【００２７】（１）式に示すポリアミック酸（以下ＰＡ
と略す）をＮ，Ｎ−ジメチルアセドアミドーベンゼン混
合溶液１：１（Ｖ／Ｖ）に溶解させた（単量体換算濃度
１×１０^-3Ｍ）後、別途調整したＮ，Ｎ−ジメチルオク
タデシルアミンの同溶媒による１×１０^-3Ｍとを１：２
（Ｖ／Ｖ）に混合して（２）式に示すポリアミド酸オク
タデシルアミン塩溶液を調整した。係る溶液を、２０℃
の純水上に展開し、水面から溶媒を蒸発除去させた後、
その表面圧を２５ｍＮ／ｍに高めて水面上単分子膜を形
成させた。次に、この表面圧を一定に保持したまま、前
記基板を水面に横切るように速度５ｍｍ／分で静かに浸
漬し、更に引き上げる動作を繰り返して４層のＹ形単分
子膜の累積を行った。最後に、係る基板を３００℃で１
０分間熱処理することによりＰＡ累積膜をイミド化して
（（３）式）記録層３０１となるＰＩ薄膜を形成し、記
録媒体を得た。

【００２８】

【化１】

【００２９】次に以上のように作製した記録媒体に対し
て記録・再生・消去の実験を行った。

【００３０】まず、図３に示した情報処理装置のＸＹス
テージ３１２上に記録媒体１のＸＹ方向を一致させて設
置し、白金／ロジウムのプローブ電極３０５を記録媒体
１上のトラック３０２を形成した領域に接近させた。こ
の時、記録媒体１の基板電極３０３に対してプローブ電
極３０５に−１．０Ｖの電圧を印加し、記録層３０１に
流れる電流をモニターしながらプローブ電極３０５と記
録層３０１表面との距離（Ｚ）を調整した。

【００３１】その後、Ｚ方向微動制御機構３０７を制御
してプローブ電極３０５と記録層３０１表面までの距離
を変えていくと、図５に示すような電流特性が得られ
た。なお、プローブ電流及びプローブ電圧を変化させる
ことでプローブ電極３０５と記録層３０１表面との距離
（Ｚ）を調整することができるが、距離（Ｚ）を適当な
値で一定に保持するためには、プローブ電流Ｉ_Pが１０
^-7Ａ≧Ｉ_P≧１０^-12Ａ、好適には１０^-8Ａ≧Ｉ_P≧１０
^-10Ａになるようにプローブ電圧を調整する必要があ
る。ここでは、プローブ電圧を０．５Ｖとし、プローブ
電流Ｉ_Pを１０^-9Ａ（図５のｂ領域に相当する。）に設
定して、プローブ電極３０５と記録層３０１表面との距
離を調整した。この時の記録媒体１上のプローブの位置
を以下の手順で特定した。

【００３２】先ず、プローブ電極３０５をＸ・Ｙ方向に
掃引してトラックを見いだし、Ｘ・Ｙ方向のトラックの
幅を測定した。測定は、プローブ電流をモニターしなが
らプローブ電極をトラックに対して垂直方向に掃引さ
せ、プローブ電流が記録領域と異なる部分の幅を読み出
すことで行った。この結果、この小記録領域のトラック
幅の組合わせは、（１，１，２，３）（単位μｍ）であ
った。よって、この小記録領域が記録媒体上の図１に示
す“ｋ”領域であることがわかった。更に、このｋ領域
部分を拡大した図２の小記録領域２０２内でのプローブ
電極３０５の位置を特定するために、トラックエッジよ
りの距離を測定した。この距離は、ＸＹ方向微動制御機
構３０６に対してＸＹ走査駆動回路３０８より加える電
圧の量で把握できる。この結果、プローブ電極３０５は
図２に示す位置２０１であった。

【００３３】次に、この位置２０１において記録を行っ
た。この時の記録条件は、プローブ電極３０５を＋側、
基板電極３０３を−側にして、電気メモリー材料（ポリ
イミドＬＢ膜４層）が低抵抗状態（ＯＮ状態）に変化す
る図６に示すしきい値電圧Ｖ_thＯＮ以上の矩形パルス電
圧を加えた。

【００３４】次に、係る記録点２０１の読み出しを行っ
た。先ず、プローブ電極３０５を一度記録媒体１より離
した後、プローブ電極３０５を記録媒体１に接近させ、
上記した方法によって現在プローブ電極がある、四方を
トラックで囲まれた小記録領域のアドレスを判断し、小
記録領域２０２までの距離・方向をマイクロコンピュー
ター３１５で計算し、ＸＹステージ３１２及びプローブ
電極３０５を操作して係る小記録領域２０２の存在する
アドレスまでアクセスした。係るアドレスの小記録領域
２０２内に於ける記録点２０１は、トラックエッジから
の距離として図２に示した距離を測定することにより捜
し当てることができた。記録点２０１に於いては、１０
ｎＡ程度のプローブ電流が流れ、ＯＮ状態となっている
ことが示された。係る再生の操作の後、係る記録の消去
も可能であった。係る記録ビットの消去の条件は、図７
に示されるように、プローブ電圧を電気メモリー材料が
ＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化するしきい値電圧Ｖ_thＯ
ＦＦ以上の１０Ｖに設定して行った。

【００３５】本実施例ではプローブ電極３０５として、
白金／ロジウムを用いているが、その材料は導電性を示
すものであれば何を用いてもよく、例えばＰｒ，Ｐｔ−
Ｉｒ，Ｗ，Ａｕ，Ａｇ等が挙げられる。

【００３６】また、プローブ電極３０５の先端は、記録
・再生・消去の分解能を上げるためできるだけ尖らせる
必要がある。本実施例では、針状の導電性材料を電界研
磨法を用い先端形状を制御して、プローブ電極３０５を
作製しているが、プローブ電極３０５の作製方法及び形
状は何らこれに限定するものではない。

【００３７】さらには、プローブ電極３０５の本数も１
本に限る必要もなく、位置検出用と記録・再生用とを分
ける等、複数のプローブ電極を用いても良い。

【００３８】実施例２ 図１に示したパターンで基板電極に凹形状のトラックを
形成した以外は実施例１と同様に記録媒体を作成した。
この時の記録媒体の作成手順は、実施例１と同様に基板
上に基板電極を蒸着法で形成した後、集束化イオンビー
ム法によりドーズ量１×１０¹¹ｉｏｎｓ／ｃｍで基板電
極に実施例１と同様のパターンの凹形状の溝を形成し
た。

【００３９】次に、係る記録媒体に対して実施例１と同
様の実験を行ったところ、実施例１と同様の結果を得
た。

【００４０】実施例３ 本実施例では記録媒体として、実施例１の記録媒体にお
いて、基板電極上に記録層を形成しないものを用い、ま
た、Ａｕのプローブ電極を用いて実施例１と同様に記録
・再生の実験を行った。

【００４１】尚、記録時にはプローブ電極側をアースし
て、波高値３．６Ｖ，パルス幅６００ｎｓｅｃのパルス
電圧を基板電極に印加し、基板電極の表面形状を局所的
に変化させた。また、このようにして記録された記録点
を観察したところ、大きさが直径２０ｎｍ・高さが３ｎ
ｍの記録ビットを見いだすことが出来た。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、各
小記録領域を囲う四方のトラックの幅の組み合わせを記
録媒体上のアドレスとして使用するという極めて単純な
構成により、高速アクセス・ランダムアクセスが可能な
高密度記録媒体及び情報処理装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の記録媒体に係る格子状トラックパター
ンの一例である。

【図２】本発明の記録媒体への記録した際の記録点の一
例である。

【図３】本発明の情報処理装置の構成例である。

【図４】本発明の記録媒体の構成例である。

【図５】プローブ電極と記録層表面との距離と、流れる
電流の関係を示す図である。

【図６】本発明の記録媒体に対して記録を行う際に加え
るパルス電圧の波形図である。

【図７】本発明の記録媒体に対して記録の消去を行う際
に加えるパルス電圧の波形図である。

【符号の説明】

１ 記録媒体 ２０１ 記録点 ２０２ 小記録領域 ３０１ 記録層 ３０２ トラック ３０３ 基板電極 ３０４ 基板 ３０５ プローブ電極 ３０６ ＸＹ方向微動制御機構 ３０７ Ｚ方向微動制御機構 ３０８ ＸＹ走査駆動回路 ３０９ サーボ回路 ３１０ プローブ電流増幅器 ３１１ パルス電源 ３１２ ＸＹステージ ３１３ 粗動機構 ３１４ 粗動駆動回路 ４０１ 導電性の異なる部位

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブ電極を用いて情報の記録再生を
   行う情報処理装置に用いられる記録媒体であって、該記
   録媒体は（１）格子状トラックパターンにより四方をト
   ラックで囲まれた複数の小記録領域を有し、（２）小記
   録領域を囲む四方のトラックの幅を規定する両側のエッ
   ジが直線かつ平行であり、（３）小記録領域を囲む四方
   のトラックの幅の組み合わせが、各小記録領域ごとに異
   なり、（４）格子状トラックパターンによるトラックの
   各交点における対向角の少なくとも１組が等しくない、
   ことを特徴とする記録媒体。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の記録媒体を用いたこと
   を特徴とする情報処理装置。