DE69125538T2

DE69125538T2 - Informationsaufzeichnungs- und/oder Wiedergabegerät und Methode

Info

Publication number: DE69125538T2
Application number: DE69125538T
Authority: DE
Inventors: Ryo C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Kuroda; Toshihiko C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Miyazaki; Hiroyasu C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Nose; Takahiro C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Oguchi; Akihiko C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Yamano
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-07-25
Filing date: 1991-07-23
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: DE69125538D1; EP0468456A3; EP0468456A2; US5289455A; CA2047801C; EP0468456B1; CA2047801A1; JP2743213B2; JPH0482037A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufzeichnung und/oder Wiedergabe gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 12.
Insbesondere kann die Erfindung in geeigneter Weise in einer Vorrichtung und bei einem Verfahren zum Aufzeichnen und/oder Wiedergeben eingesetzt werden, bei der bzw. dem eine Technik wie ein Rastertunnelmikroskop oder dergleichen angewendet wurde.

Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik

In den vergangenen Jahren stellt die Anwendung von Speichermaterialien eine Hauptrichtung der Elektronikindustrie für beispielsweise Rechner und zugehörige Geräte wie Videoplatte, digitale Audio-Platte und dergleichen, dar. Die Entwicklung von Speichermaterialien wird ebenfalls in extrem aktiver Weise durchgeführt. Obschon die Leistungsmerkmale, die für das Speichermaterial erforderlich sind, abhängig von den Anwendungen differieren, lassen sich grundsätzlich folgende Punkte anführen: (1) Eine hohe Speicherdichte und eine große Aufzeichnungskapazität; (2) hohe Ansprechgeschwindigkeiten für die Aufzeichnung und die Wiedergabe; (3) geringe elektrische Leistungsaufnahme; (4) hohe Produktivität und geringer Preis; und dergleichen.
Bislang sind Hauptspeicher ein Halbleiterspeicher unter Verwendung eines Halbleiters als Ausgangsmaterial, außerdem ein magnetischer Speicher, der als Ausgangsmaterial magnetischen Werkstoff verwendet. In den vergangenen Jahren jedoch wurde in Verbindung mit der Entwicklung der Lasertechnik ein billiges Aufzeichnungsmedium hoher Speicherdichte in Form eines optischen Speichers vorgeschlagen, der eine dünne organische Schicht, wie zum Beispiel einen organischen Farbstoff, Photopolymer und dergleichen, verwendet.
Außerdem wurde in jüngerer Zeit ein Rastertunnelmikroskop (im folgenden mit "STM" abgekürzt) entwickelt, mit dem man direkt eine Elektronenstruktur einer ebenen Atomoberfläche eines Leiters betrachten kann [G. Binnig et al., "Phys. Rev. Lett.", 49, 57 (1982)], so daß man ein Bild im realen Raum mit hoher Auflösung ausmessen kann, ungeachtet, ob es einkristallin oder amorph ist. Darüberhinaus hat das STM auch den Vorteil, daß man eine Probe mit geringer elektrischer Leistung betrachten kann, ohne daß die Probe durch einen Strom Schaden erleidet. Man kann das STM auch in der Atmosphäre betreiben und es für verschiedene Arten von Materialien einsetzen. Deshalb sind für das STM Anwendungen auf einem großen Gebiet zu erwarten.
Das STM macht von dem Prinzip Gebrauch, daß, wenn man zwischen eine Sonde (eine Sondenelektrode) aus einem Metall und eine leitende Substanz eine Vorspannung anlegt und die Sonde sich bis zu einem Abstand von etwa 1 nm annähern läßt, ein Tunnelstrom fließt. Der Tunnelstrom ist sehr empfindlich gegenüber einer Änderung zwischen den Teilen. Durch Rasterführung der Sonde in der Weise, daß der Tunnelstrom konstant gehalten wird, lassen sich außerdem unterschiedliche Informationen über eine ganze Elektronenwolke in einem realen Raum lesen. Hierbei beträgt die Auflösung in einer Richtung innerhalb der Ebene etwa 0,1 nm.
Bei Anwendung des Prinzips des STM läßt sich also eine Aufzeichnung sowie eine Wiedergabe mit hoher Dichte in der Größenordnung von Atomen in zufriedenstellender Weise durchführen (im Subnanometerbereich). Beispielsweise werden bei dem in der JP-A-61-80536 offenbarten Aufzeichnungs-/Wiedergabe- Gerät atomare Teilchen, die an der Mediumoberfläche adsorbiert wurden, von einem Elektronenstrahl oder dergleichen beseitigt, und der Schreibvorgang sowie die Wiedergabe der Daten erfolgt durch das STM. Außerdem wurden Verfahren vorgeschlagen, mit deren Hilfe die Aufzeichnung und die Wiedergabe mit Hilfe des STM in der Weise durchgeführt wurden, daß eine Dünnfilmschicht als Aufzeichnungsschicht aus einem Material wie zum Beispiel einer organischen Verbindung des p-Elektronensystems oder eine Chalkogen-Verbindungsklasse mit Speichereffekt benutzt wurde für eine Schaltkennlinie von Spannung/Strom (JP- A-63-161552, JP-A-63-161553). Bei den oben erläuterten Verfahren läßt sich unter der Annahme, daß die Größe eines Aufzeichnungsbits 10 nm beträgt, eine Aufzeichnung und eine Wiedergabe mit einer großen Kapazität von 10&supmin;¹² Bits/cm² durchführen.
Die US-A-4 575 822 betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Datenspeicherung und Verwendung des Tunnelstrom-Datenlesens. Wie in dieser Druckschrift in Spalte 4, Zeilen 26 bis 32, beschrieben ist, wird die Lücke zwischen der Sonde und dem Medium (einer dieelektrischen Schicht 14 aus Siliciumnitrid) basierend auf einer Welligkeitsinformation der Mediumoberfläche korrigiert, die durch Vorabtasten erhalten wurde. Das heißt, in dieser Druckschrift wird die Lücke zwischen der Sonde und dem Medium konstant gehalten durch eine Steuerung, die auf der Welligkeitsinformation basiert. Wenn eine starke Vibration auf die Vorrichtung bzw. die Sonde/das Medium einwirkt, kollidiert möglicherweise jedoch die Sonde mit dem Medium und wird beschädigt oder beschädigt das Medium.
Die JP-A-1133239 betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Distanz zwischen der Sonde und dem Medium in der Weise, daß der zwischen der Sonde und dem Medium fließende Strom konstant gehalten wird. Genauer gesagt, wird ein Regelsystem zum Steuern dieses Abstandes zwischen der leitenden Spitze und der Aufzeichnungsschicht verwendet.
Weiterhin sind aus der EP-A-0 335 487 und der EP-A-0 338 083 eine Vorrichtung zum Steuern des Abstandes zwischen der Sonde und dem Medium in der Weise bekannt, daß der dazwischen fließende Strom konstant gehalten wird. Letztgenannte Druckschrift offenbart, den Strom von einer Feldemission über der Lücke für die Spitze abzuweisen, um den Probenabstand zu korrigieren. Die Gleichung, auf der die Berechnung des Stroms für die Feldemission basiert, ist im Stand der Technik als Fowler-Nordheim-Gleichung bekannt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung und ein Verfahren nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 12 anzugeben, wobei die Aufzeichnung und/oder die Wiedergabe in wirksamer Weise durchgeführt werden kann, ohne daß die Befürchtung bestehen muß, daß die Sondenspitze und das Aufzeichnungsmedium beschädigt werden.
Erreicht wird dieses Ziel durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 1 hinsichtlich der Vorrichtung und durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 12 hinsichtlich des Verfahrens.
Das obige sowie weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau einer Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches die Einzelheiten einer in Fig. 1 gezeigten Regelschaltung zeigt;
Fig. 3A, 3B, 4A und 4B sind Diagramme eines Steuerverfahrens für eine Sondenelektrode bei der Aufzeichnung bei dem konventionellen Beispiel;
Fig. 5 ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein Steuerverfahren für eine Sondenelektrode bei der Aufzeichnung mit der Vorrichtung nach Fig. 1 darstellt;
Fig. 6 ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein Beispiel für ein weiteres Medium bei einem Steuerverfahren einer Sondenelektrode während der Aufzeichnung gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 7 ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein Steuerverfahren einer Sondenelektrode bei der Wiedergabe in der Vorrichtung nach Fig. 1 veranschaulicht; und
Fig. 8 ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein weiteres Beispiel für ein Steuerverfahren einer Sondenelektrode bei der Wiedergabe gemäß der Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, welches die Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabe- Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Wie in der Skizze dargestellt ist, enthält die Aufzeichnungs-/Wiedergabe- Vorrichtung: eine Sondenelektrode 104, die derart angeordnet ist, daß eine Spitze der Sondenelektrode sich nahe bei der Oberfläche eines Aufzeichnungsmediums 102 befindet; eine elektrische Vorspannquelle 105 als Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen eine Substratelektrode 101 auf der Rückseite des Aufzeichnungsmediums 102 und die Sondenelektrode 104; einen Aufzeichnungs-/Löschsignal-Generator 108; einen Addierer 114 zum Addieren der Ausgangssignale der elektrischen Vorspannquelle 105 und des Generators 108 sowie zum Anlegen zwischen die Elektrode 104 und das Medium 105; einen Sondenstromdetektor 106 zum Nachweisen eines zwischen dem Aufzeichnungsmedium 102 und der Sondenelektrode 104 fließenden Stroms; einen Längsantriebsmechanismus 103 zum Antreiben der Sondenelektrode in Längsrichtung (Z-Richtung), um eine Distanz zwischen der Sondenelektrode 104 und dem Aufzeichnungsmedium 102 zu variieren; und eine Regelschaltung 107 zum Ausgeben eines Stellsignals, welches den Längsantriebsmechanismus 103 auf der Grundlage der von der Spannungsanlegeeinrichtung angelegten Spannung und des von dem Sondenstromdetektor 106 nachgewiesenen Stroms in der Weise anzutreiben, daß ein Strom, der einer Stärke des Stroms entspricht, die bei der angelegten Spannung zwischen der Sondenelektrode 104 und dem Aufzeichnungsmedium 102 dann fließt, wenn der Abstand zwischen der Sondenelektrode 104 und dem Aufzeichnungsmedium 102 auf einen konstanten Wert eingestellt ist. Das Aufzeichnungsmedium 102 und die Substratelektrode 101 werden auf einem Grobeinstellmechanismus 113 gehalten. Durch Antreiben des Grobeinstellmechanismus 113 mit Hilfe einer Grobeinstellmechanismus- Treiberschaltung 112 über einen Mikrocomputer 114 wird das Aufzeichnungsmedium 102 relativ zu der Sondenelektrode 104 bewegt.
Eine durch epitaktisches Wachstum gebildete Goldebene oder eine Graphit- Spaltfläche auf einem flachen Substrat aus Glas oder Glimmer oder dergleichen kann als Substratelektrode 101 verwendet werden. Als Aufzeichnungsmedium wird Squarilium-bis-6-octyl-azylen (im folgenden mit "SOAZ" abgekürzt) verwendet. Ein aus zwei monomolekularen Schichten aufgebauter Film ist auf der Oberfläche der Substratelektrode 101 mit Hilfe der Langmuir-Blodgett-Methode gebildet.
Als Sondenelektrode 104 kann man eine Elektrode verwenden, die man durch elektrolytisches Polieren einer Wolframleitung oder dergleichen oder durch mechanisches Schneiden einer Platinleitung oder dergleichen erhält, und deren Spitze scharf ist (der Krümmungsradius beträgt weniger als 1 µm), und die außerdem leitet.
Ein PZT-Bauelement oder dergleichen dient als Längsantriebsmechanismus 103, wobei eine Vorspannung von etwa 1 V zwischen die Substratelektrode 101 und die Sondenelektrode 104 mit Hilfe der elektrischen Vorspannquelle 105 gelegt wird, so daß von dem Sondenstromdetektor 106 ein zwischen ihnen fließender Sondenstrom nachgewiesen wird.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Regelschaltung 107.
In dem Diagramm bezeichnet das Bezugszeichen 801 eine Rechenschaltung für eine Voreinstellstromstärke, um einen Einstellstromwert I&sub0; für einen angelegten Vorspannungswert V und einen Abstands-Einstellwert Z&sub0; zu berechnen. Ein Berechnungsverfahren für den obigen Fall hängt ab von der Strom-Spannungs- Kennlinie zwischen der Sondenelektrode 104 und der Substratelektrode 101. Wenn beispielsweise eine Tunnelstromkennlinie oder eine Feldemissionsstromkennlinie gegeben ist, wird der Einstellstromwert I&sub0; nach folgenden Gleichungen berechnet:
I&sub0; = Aexp(-BZ&sub0;)/Z&sub0;V .... (1)
(Tunnelstromkennlinie)
I&sub0; = C(V/Z&sub0;)² exp(-DZ&sub0;/V) ... (2)
(Feldemissionsstrom-Kennlinie)
Hierbei bedeuten A, B, C und D Konstanten, die durch Substanzen festgelegt sind, aus denen die Elektrode und das Aufzeichnungsmedium bestehen.
Allgemeiner gesprochen, wird unter der Annahme, daß zwischen der Sondenelektrode und der Substratelektrode ein Abstand von Z&sub0; gegeben ist, der Einstellstromwert I&sub0; nach folgender Gleichung berechnet,
I&sub0; = f(V, Z&sub0;)
solange die Strom-(I)-Spannungs-(V)-Kennlinie ausgedrückt wird durch I = f(V, Z).
Bezugszeichen 802 und 803 bezeichnen Funktionswandlerschaltungen zum Erhalten von Signalen logI und logI&sub0;, indem beispielsweise der Sondenstrom I und der Einstellstrom I&sub0; einer logarithmischen Umwandlung unterzogen werden. 804 bezeichnet einen Subtrahierer zum Berechnen einer Differenz (logI - logI&sub0;) zwischen diesen Signalen und zur Ausgabe derselben; 805 und 806 bezeichnen einen Filter bzw. einen Verstärker (Verstärkung G) für ein Ausgangssignal des Subtrahierers 804. Ein Signal G (logI - logI&sub0;), welches von dem Verstärker 806 erzeugt wird, wird der Steuerschaltung für den Längsantriebsmechanismus zugeleitet. Das Vorzeichen der durch den Verstärker 806 bewirkten Verstärkung G wird so gewählt, daß der Antrieb in der Richtung erfolgt, daß die Sondenelektrode 104 von der Substratelektrode 101 abgerückt wird, wenn I > I&sub0;, hingegen die Sondenelektrode 104 der Substratelektrode 101 angenähert wird, wenn I < I&sub0;. Deshalb wird der Sondenstrom I derart gesteuert, daß er stets gleich dem Einstellstrom für die angelegte Vorspannung V ist. Durch Steuerung in der oben beschriebenen Weise ändert sich auch dann, wenn die angelegte Vorspannung V sich ändert, was im folgenden noch erläutert wird, die Widerstandskennlinie zwischen den Elektroden 101 und 104 nicht, so daß die Distanz zwischen der Sondenelektrode 104 und der Substratelektrode 101 konstant gehalten werden kann.
Da im Fall der Gleichung (1) I&sub0;/V eine Konstante ist, ist die Ausführung der obigen Steuerung gemäß der Gleichung (1) äquivalent zu der Steuerung, nach der I&sub0;/V konstant gemacht wird.
Die Nachführsteuerung der Sondenelektrode 104 erfolgt durch Antreiben der Sondenelektrode 104 mit Hilfe des Mikrocomputers 111 über die XY-Raster- Treiberschaltung 110 auf der Grundlage des Ausgangssignals des Sondenstrom- Detektors 106. Von dem Mikrocomputer 111 wird außerdem eine elektrische Vorspannungsquelle 105 gesteuert.
Im folgenden werden die Arbeitsabläufe beim Aufzeichnen/Löschen erläutert.
Zunächst wird die Sondenelektrode 104 von dem Längsantriebsmechanismus 103 derart angetrieben, daß sie sich einer Sollposition des Aufzeichnungsmediums 101 bis auf einen Abstand von etwas unterhalb des Nanometerbereichs nähert. Anschließend wird ein Signal von dem Aufzeichnungs-/Lösch- Signalgenerator 108 über den Addierer 114 zwischen die Substratelektrode 101 und die Sondenelektrode 104 gelegt. Die Aufzeichnungs-/Lösch-Vorgänge werden an einer gewünschten Stelle des Aufzeichnungsmediums 101 ausgeführt, die sich in der Nähe der Spitze der Sondenelektrode 104 befindet. Ähnlich, wie es oben erläutert wurde, wird bei der Wiedergabe eine Vorspannung zum Lesen zwischen die Substratelektrode 101 und die Sondenelektrode 104 mit Hilfe der elektrischen Vorspannungsquelle 105 gelegt, und der Wiedergabevorgang wird an einer Soliposition auf dem Aufzeichnungsmedium 102 ausgeführt, die sich in der Nähe der Spitze der Sondenelektrode 104 befindet.
Anschaulich gesagt, eine Lesespannung von 1 V als Spannung, die eine Schwellenspannung, welche einen elektrischen Speichereffekt hervorruft, nicht überschreitet, wurde zwischen die Sondenelektrode 104 und die Substratelektrode 101 gelegt, und es wurde die Stromstärke gemessen. Dadurch zeigte sich ein Aus-Zustand bei einer Stromstärke von 10&supmin;¹¹ A oder darunter. Anschließend wurde eine Dreieckimpulsspannung, die gleich oder höher ist als eine Schwellenspannung Vth, die einen Ein-Zustand verursacht, angelegt, und daraufhin wurde erneut zur Wiedergabe eine Spannung von 1 V angelegt, und es wurde die Stromstärke gemessen. Dabei floß ein Strom von etwa 10&supmin;&sup7; A, und man beobachtete den Ein-Zustand. Das heißt, es war der Ein-Zustand aufgezeichnet. Anschließend wurde eine umgekehrte Rechteckimpulsspannung, die gleich oder höher war als der Schwellenwert, welcher einen Übergang vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand bewirkt, angelegt, und danach wurde erneut zur Wiedergabe eine Spannung von 1 V angelegt. Dabei betrug die Stromstärke 10¹¹ A und darunter, was bestätigte, daß der Zustand erneut der Aus-Zustand war.
Die Steuerung der Position in Längsrichtung der Sondenelektrode beim Aufzeichnen/Wiedergeben wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 3A und 3B bis 8 erläutert.
Als nächstes wird ein Vergleichsbeispiel der Ausführungsform beschrieben.
Als Verfahren zum Steuern des Abstandes zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium beim Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Verfahren gibt es folgende Vefahrensmöglichkeiten: Bei einem Verfahren werden die Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Operationen ausgeführt, während der Abstand so gesteuert wird, daß der Sondenstrom konstant wird; bei einem Verfahren wird die mittlere Stromstärke, erhalten durch Mittelwertbildung der Stromstärken, die sich aufgrund des Vorhandenseins oder Fehlens der Aufzeichnung ergeben, als Referenzgröße verwendet, und der Abstand wird so gesteuert, daß ein derartiger Referenzwert erhalten wird; schließlich gibt es ein Verfahren, bei dem während der Aufzeichnung ein Mittelwert des Stroms zu einem Zeitpunkt vor der Erhöhung des Stroms zur Aufzeichnung als Referenzwert gehalten und der Abstand so gesteuert wird, daß ein derartiger Referenzwert erzielt wird.
Fig. 3A und 4A beziehen sich auf ersteren Fall. Fig. 3B und 4B beziehen sich auf letzteren Fall. Fig. 3A und 3B zeigen den Fall des Mediums, bei dem die Aufzeichnung durch Änderung des Widerstandswerts erfolgt. Fig. 4A und 4B zeigen den Fall des Mediums, bei dem die Aufzeichnung durch Formänderung ausgeführt wird. Jedes Diagramm zeigt einen Zustand, in welchem die zwischen die Elektroden 101 und 104 angelegte Spannung sequentiell von der linken Seite ausgehend erhöht wurde.
Allerdings wird bei demjenigen der oben angegebenen Verfahrensarten, bei welchem der Abstand so gesteuert wird, daß der Sondenstrom bei der Aufzeichnung konstant wird, wie es in Fig. 3A und 4A gezeigt ist, der Abstand zwischen der Sondenelektrode 104 und dem Aufzeichnungsmedium 102 oder einem leitenden Aufzeichnungsmedium 402 in einem Prozeß erhöht, der dazu dient, die angelegte Spannung V zu erhöhen, um den Aufzeichnungsvorgang auf dem Aufzeichnungsmedium 102 oder 402 durchzuführen, wobei das elektrische Feld und das Potential um einen Betrag abnehmen, welcher der Zunahme der Entfernung entspricht. Deshalb ergeben sich Probleme, wie zum Beispiel jenes, daß die Spannung nicht effizient angelegt wird und ein Aufzeichnungsbit- Durchmesser deshalb zunimmt, weil die angelegte Spannung entsprechend der Zunahme der Entfernung in einem breiten Bereich liegt.
Andererseits wird bei dem Verfahren, bei dem der Abstand so gesteuert wird, daß die Position vor und bei der Aufzeichnung beibehalten wird, wie dies in Fig. 3B und 4B gezeigt ist, das Problem angetroffen, daß, wenn der Widerstandswert oder die Oberflächenform des Aufzeichnungsteils sich geändert hat, ein starker Strom fließt, so daß die Spitze der Sonde und das Medium in dem Aufzeichnungsabschnitt beschädigt werden.
Fig. 5 ist ein anschauliches Diagramm eines Verfahrens zum Steuern der Position der Sondenelektrode 104 bei der Aufzeichnung in Längsrichtung. Fig. 5 zeigt ein Steuerverfahren ähnlich wie Fig. 3A und 3B. Bei dem Prozeß des Erhöhens der angelegten Spannung V von V&sub0; (V < Vth) zum Zweck der Aufzeichnung, wird der Abstand zwischen der Sondenelektrode 104 und der Substratelektrode 101 durch die Steuerung des Längsantriebsmechanismus 103 seitens der Regelschaltung 107 konstant gehalten. Weil also das elektrische Feld und das Potential effektiv an das Aufzeichnungsmedium 102 angelegt werden, kann der elektrische Speichereffekt durch eine niedrigere angelegte Spannung (z. B. der Schwellenspannung Vth) veranlaßt werden, ohne Verluste des elektrischen Feldes und des Potentials aufgrund einer Zunahme der Entfernung zwischen der Sondenelektrode 104 und der Substratelektrode 101 in Verbindung mit einer Zunahme der angelegten Spannung V. Solche Verluste lassen sich bei der Steuerung, durch die der Sondenstrom I in der oben erläuterten Weise konstant gemacht wird, nicht vermeiden. Der Aufzeichnungsbit-Durchmesser nimmt ebenfalls ab, weil der Abstand zwischen der Sondenelektrode 104 und der Substratelektrode 101 nicht zunimmt.
Ausgeführt wird die Aufzeichnung dadurch, daß die angelegte Spannung (V > Vth) die Schwellenspannung Vth übersteigt. Wenn ein Widerstandswert ROFF im Aus-Zustand eines Aufzeichnungsabschnitts 105 sich ändert (abnimmt) auf einen Widerstandswert RON im Ein-Zustand, erhöht sich die Entfernung zwischen der Sondenelektrode 104 und der Substratelektrode 101 bis zu einer Entfernung, bei der ein Widerstandswert R der Lücke zwischen der Sondenelektrode 104 und der Substratelektrode 102 den Wert RON + RT (= ROFF) aufweist. Aus diesem Grund wird die Aufzeichnung ausgeführt, ohne daß ein starker Stromfluß zwischen der Sondenelektrode 104 und der Substratelektrode 108 veranlaßt wird. Beschädigungen der Spitze der Sondenelektrode 104 und des Mediums eines Aufzeichnungsabschnitts 201 lassen sich verhindern.
Fig. 7 ist ein anschauliches Diagramm eines Verfahrens zum Steuern der Position der Sondenelektrode bei der Wiedergabe in Längsrichtung. Die Substratelektrode 101 wird gebildet durch eine Atomanordnung einer leitenden Kristall-Spaltebene oder dergleichen und besitzt auf der Oberfläche eine periodische Struktur. Die elektrische Vorspannungsquelle 105 ist so ausgebiidet, daß, wenn der Aufzeichnungszustand des Aufzeichnungsmediums 102 auf der Substratelektrode 101 durch Abrastern mit der Sondenelektrode 104 wiedergegeben wird, eine elektrische Vorspannungsquelle 604 für die Wiedergabe und eine elektrische Vorspannungsquelle 605 für die Spurverfolgung abwechselnd von einer Vorspannungs-Umschaltvorrichtung 606 nach Maßgabe eines Umschaltsignals aus einem Wiedergabe-/Verfolgungs-Umschaltsignalgenerator 607 umgeschaltet wird, wobei die eingeschaltete Quelle zum Einsatz kommt. Das heißt: Der Aufzeichnungszustand wird reproduziert durch die Vorspannung für die Wiedergabe, und die periodische Struktur der Oberfläche der Substratelektrode 101 wird von der Vorspannung für die Spurverfolgung nachgewiesen, um die Spurverfolgung auszuführen. Hierbei wird durch Steuerung der Längsposition der Sondenelektrode 104 in der Weise, daß die Sondenstromstärke stets gleich der eingestellten Stromstärke für die angelegte Vorspannung ist, eine Änderung der Entfernung zwischen der Sondenelektrode 104 und der Substratelektrode 101 aufgrund des Umschaltens der Vorspannungsquelle beseitigt. Der Steuerbetrag für die Längsposition der Sondenelektrode 104 speigelt direkt den Aufzeichnungszustand und die periodische Struktur für die Spurverfolgung wieder.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der Ausführungsform zusammenfassend dargestellt. Wenn bei dieser Ausgestaltung dieser Ausführungsform ein Spannungssignal, welches gleich oder höher ist als ein vorbestimmter Schwellenwert, der den Speichereffekt in dem Aufzeichnungsmedium hervorruft, angelegt wird, stellt sich eine Änderung in den elektrischen Kennwerten ein, und es kommt in dem Teil des Aufzeichnungsmediums zu physikalischen und chemischen Änderungen, so daß an dieser Stelle Information aufgezeichnet wird.
Bevor der Speichereffekt veranlaßt wird, wird der Abstand zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium in der Weise gesteuert, daß ein Strom entsprechend der Stromstärke, der bei der angelegten Spannung dann fließt, wenn der Abstand zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium konstant gemacht wird, zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium fließt. Deshalb wird der Abstand zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium auch dann konstant gehalten, wenn eine Spannungsschwankung des Schwellenwertes oder eines darunterliegenden Wertes stattfindet. Wenn der Speichereffekt hervorgerufen wird, nimmt der Widerstandswert zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium aufgrund der Änderung der elektrischen Eigenschaften sowie der physikalischen und chemischen Änderungen aufgrund eines solchen Speichereffekts ab. Mit der oben erläuterten Steuerung ist also der Abstand zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium um lediglich einen zusätzlichen Betrag einer solchen Abnahme gesteigert.
Andererseits wird auch dann, wenn bei konstanter angelegter Spannung, die gleich oder niedriger ist als der Schwellenwert, der Abstand zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium mit der obigen Steuerung konstant gehalten. Wenn der Informationsaufzeichnungsabschnitt des Aufzeichnungsmediums an einer Stelle unterhalb der Sondenelektrode ankommt, nimmt, ähnlich, wie es oben beschrieben wurde, der Widerstandswert zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium ab, und der Abstand zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium wird so gesteuert, daß er nur um einen zusätzlichen Betrag einer derartigen Abnahme erhöht wird. Das heißt: Ein Steuerbetrag in dem oben geschilderten Fall gibt die aufgezeichnete Information an, so daß hierdurch die Wiedergabe erfolgt.
Bei jedem der Aufzeichnungs- und Wiedergabevorgänge ist der Abstand zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium auf einen genügend kleinen Wert eingestellt und wird unter Ausschluß des Aufzeichnungsinformationsabschnitts durch die erläuterte Steuerung konstant gehalten, wobei das elektrische Feld zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium stabil gehalten wird. Deshalb werden Aufzeichnung und Wiedergabe mit hohem Rauschabstand und geringem Fehlerverhältnis von dem stabilen elektrischen Feld und durch einen kleinen Aufzeichnungsbit-Durchmesser effizient ausgeführt. Da der Abstand zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium an dem Informationsaufzeichnungsteil so gesteuert wird, daß er zunimmt, werden Aufzeichnung und Wiedergabe durchgeführt, ohne daß die Sondenelektrode und das Aufzeichnungsmedium aufgrund eines dazwischen fließenden Überstroms beschädigt werden.
Fig. 8 ist ein anschauliches Diagramm einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern der Position in Längsrichtung der Sondenelektrode bei der Wiedergabe. Eine von einer elektrischen Gleich-Vorspannungsquelle gelieferte Gleich-Vorspannung wird von einer Vorspannungsmodulschaltung 705 moduliert, und die erhaltene modulierte Vorspannung wird zum Vorspannen bei der Wiedergabe eingesetzt. Lediglich die Modulationskomponente in einem abgeleiteten Wiedergabe-Sondenstromsignal Ip wird von einer Synchrondetektierschaltung 706 extrahiert. Durch dieses Verfahren wird das Rauschen in dem Wiedergabesignal verringert, und es wird der Nachweis des Aufzeichnungszustands durch ein spektroskopisches Verfahren ausgeführt (Information über einen Elektronenzustand wird aus einem dIp/dV-Signal erhalten).
Auch in dem obigen Fall wird, wie oben erläutert wurde, die Positionssteuerung in Längsrichtung der Sondenelektrode 104 in der Weise ausgeführt, daß die Sondenelektroden-Stromstärke Ip Stets gleich dem eingestellten Strom bei der angelegten Vorspannung V ist. Eine Schwankung des Abstands zwischen der Sondenelektrode 104 und der Substratelektrode 101 aufgrund der Modulation der Vorspannung erfolgt also nicht. Der Steuerhub der Position in Längsrichtung der Sondenelektrode 101 spiegelt direkt den Aufzeichnungszustand wieder.
Als ein praktisches Beispiel für die Positionssteuerung in Längsrichtung der Sondenelektrode 104 gemäß der Erfindung wurde eine Erläuterung in Bezug auf die Beispiele der Vorspannungsänderung für die Spurverfolgung, die Rauschreduzierung und den Nachweis des Aufzeichnungszustandes durch das spektroskopische Verfahren erläutert. Allerdings ist das erfindungsgemäße Konzept nicht auf die obigen Beispiele beschränkt, sondern soll in großem Umfang den Abstand zwischen der Sondenelektrode und der Substratelektrode bei einer Vorspannungsänderung konstant halten.
Wenngleich das Beispiel des elektrischen Speichereffekts der organischen Dünnschicht oben in Bezug auf ein Aufzeichnungsmedium und ein Aufzeichnungsverfahren angegeben wurde, so ist das erfindungsgemäße Konzept jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt. Es ist ebenfalls möglich, in der Weise zu verfahren, daß eine Spannung gleich oder größer als ein gewisser Schwellenwert an das leitende Aufzeichnungsmedium 402 angelegt wird, welches gemäß Fig. 6 eine flache Oberfläche besitzt, um auf diese Weise lokal die Oberflächengestalt des Aufzeichnungsmediums 402 durch Schmelzen, Verdampfen, Zersetzen, Verbinden oder eine Orientierungsrichtungs-Änderung in eine konkave/konvexe Form zu bringen. Fig. 6 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die Fig. 4A und 4B. Der erfindungsgemäße Effekt ist aus Fig. 6 offensichtlich. Für den Fall des Verfahrens, bei dem die Aufzeichnung dadurch erfolgt, daß auf der Oberfläche eine konkave/konvexe Form gebildet wird, lassen sich die folgenden Stoffe angeben: HOPG-(Highly-Oriented-Pyrolytic-Graphite)- Spaltsubstrat; ein 5Si-Wafer; eine Metall-Dünnschicht aus Au, Ag, Pt, Mo, Cu, etc., die in einem Vakuumzustand aufgedampft wurde oder durch epitaktisches Wachstum erzeugt wurde; und ein Glasmetall aus Rh&sub2;&sub5;Zr&sub7;&sub5;, Co&sub3;&sub5;Tb&sub6;&sub5;, oder dergleichen. Bei dem Verfahren, bei dem die Aufzeichnung durch den Elektronenzustand der Oberfläche erfolgt, kommt eine Dünnschicht aus amorphem Si, eine organische Verbindung des π-Elektronensystems, oder eine Glanzbildner- Verbindungsklasse oder dergleichen in Betracht.
Es ist ersichtlich, daß die obige Ausführungsform auch bei einer Vorrichtung eingesetzt werden kann, die entweder nur eine Aufzeichnung oder nur eine Wiedergabe vornimmt.
Wie oben beschrieben, wird bei jedem der erläuterten Ausführungsbeispiele auch dann, wenn sich die angelegte Spannung ändert, der Abstand zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium justierbar. Hierdurch ergeben sich folgende Effekte: (1) Das Aufzeichnungssignal läßt sich effizient anlegen; (2) der Aufzeichnungsbit-Durchmesser läßt sich verkleinern; (3) die Beschädigungen der Spitze der Sonde und des Mediums des Aufzeichnungsbereichs bei der Aufzeichnung können ausgeschlossen werden; und (4) verschiedene Wiedergabeverfahren mit Anwendung der Modulation auf die Vorspannung, beispielsweise bei der Spurverfolgung, eine Verbesserung eines Rauschabstands, ein spektroskopisches Verfahren, etc., lassen sich in stabiler Weise realisieren.

Claims

1. Vorrichtung zum Aufzeichnen und/oder Reproduzieren von Information auf ein/von einem Medium (102, 402) über eine Sondenelektrode (104), umfassend: - eine Spannungsanlegeeinrichtung (105, 108, 114) zum Anlegen einer Spannung zwischen Medium und Sondenelektrode,

- eine Abstandsjustiereinrichtung (103, 106) zum Justieren eines Abstands zwischen dem Medium und der Sondenelektrode in der Weise, daß der Stromfluß zwischen dem Medium und der Sondenelektrode beim Anlegen der Spannung zwischen Medium und Sondenelektrode eine vorbestimmte Stromstärke wird,

- eine Stromstärkenänderungseinrichtung (801) zum Ändern der vorbestimmten Stromstärke,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärkenänderungseinrichtung (801) die vorbestimmte Stromstärke ändert, indem ein gewünschter Abstand zwischen dem Medium und einer Spitze der Sondenelektrode und der Wert der zwischen das Medium und die Sondenelektrode durch die Spannungsanlegeeinrichtung angelegten Spannung berücksichtigt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Spannungsanlegeeinrichtung (105, 108, 114) zwischen das Medium (102, 402) und die Sondenelektrode (104) eine konstante Spannung legt, die die Kennwerte des Mediums veranlaßt, sich nicht zu ändern, wenn Information reproduziert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Spannungsanlegeeinrichtung (105, 108, 114) eine Spannung zwischen das Medium (102, 402) und die Sondenelektrode (104) legt, die die Kennwerte des Mediums veranlaßt, sich zu ändern, wenn Information aufgezeichnet wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Abstandsjustiereinrichtung (103, 106) aufweist:

- eine Sondenstrom-Detektiereinrichtung (106) zum Nachweisen der Stromstärke zwischen dem Medium (102, 402) und der Sondenelektrode (104),

- eine erste Funktionswandlereinrichtung (802) zum logarithmischen Umsetzen der von der Sondenstrom-Detektiereinrichtung nachgewiesenen Stromstärke, um ein erstes logarithmisches Umwandlungssignal (log I) auszugeben,

- eine zweite Funktionsumsetzeinrichtung (803) zum logarithmischen Umsetzen der vorbestimmten Stromstärke, um ein zweites logarithmisches Umwandlungssignal (log I&sub0;) auszugeben,

- eine Subtrahiereinrichtung (804) zum Bilden einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten logarithmischem Umwandlungssignal, um ein Differenzsignal auszugeben,

- eine Verstärkungseinrichtung (806) zum Verstärken des Differenzsignals mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor, und

- eine Änderungseinrichtung zum Ändern des Abstands zwischen dem Medium und der Sondenelektrode auf der Grundlage des von der Verstärkungseinrichtung verstärkten Differenzsignals.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Stromstärkenänderungseinrichtung (801) die vorbestimmte Stromstärke in der Weise ändert, daß ein Verhältnis der zwischen die Sondenelektrode (104) und das Medium (102, 402) angelegten Spannung und der vorbestimmten Stromstärke stets konstant wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der zwischen dem Medium (102, 402) und der Sondenelektrode (104) fließende Strom ein Tunnelstrom ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der zu der Sondenelektrode (104) fließende Strom ein Feldemissionsstrom ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Spannungsanlegeeinrichtung (105, 108, 114) aufweist:

- eine elektrische Vorspannungsquelle (105) zum Erzeugen einer Vorspannung, um die Information von dem Medium (102, 402) nachzuweisen,

- eine Signalgeneratoreinrichtung (108) zum Generieren eines Signals zwecks Aufzeichnung oder Löschung der Information auf das/von dem Medium über die Sondenelektrode (104),

- eine Addiereinrichtung (114) zum Addieren eines Ausgangssignals der elektrischen Vorspannungsquelle und eines Ausgangssignals der Signalgeneratoreinrichtung, und zum Anlegen zwischen das Medium und die Sondenelektrode.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Spannungsanlegeeinrichtung (105, 108, 114) aufweist:

- eine elektrische Wiedergabe-Vorspannungsquelle (604) zum Erzeugen einer Vorspannung (V&sub1;), um die Information zu reproduzieren,

- eine elektrische Spurverfolgungs-Vorspannungsquelle (605) zum Erzeugen einer Vorspannung (V&sub2;) für die Spurverfolgung, und

- eine Schalteinrichtung (606) zum Schalten der Vorspannung für die Wiedergabe und der Vorspannung für die Spurverfolgung und zum Anlegen der geschalteten Vorspannungen zwischen das Medium (102, 402) und die Sondenelektrode (104).

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Spannungsanlegeeinrichtung (105, 108, 114) aufweist: eine elektrische Gleich-Vorspannungsquelle (105) und eine Vorspannungs-Moduliereinrichtung zum Modulieren einer von der elektrischen Gleich-Vorspannungsquelle erzeugten Gleich-Vorspannung,. und zum Anlegen der Spannung zwischen die Sondenelektrode (104) und das Medium (102, 402).

11. Verfahren zum Aufzeichnen und/oder Wiedergeben von Information auf ein/von einem Medium (102, 402) über eine Sondenelektrode, umfassend die Schritte:

- Anlegen einer Spannung zwischen das Medium und die Sondenelektrode,

- Justieren eines Abstands zwischen dem Medium und der Sondenelektrode in der Weise, daß ein zu der Sondenelektrode beim Anlegen der Spannung zwischen das Medium und die Sondenelektrode fließender Strom eine vorbestimmte Stromstärke annimmt,

- Ändern der vorbestimmten Stromstärke nach Maßgabe der im Spannungsanlegeschritt angelegten Spannung,

dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Stromstärke in dem Schritt zum Ändern der Stromstärke geändert wird, indem ein gewünschter Abstand zwischen dem Medium (102, 402) und einer Spitze der Sondenelektrode (104) ebenso berücksichtigt wird, wie der Spannungswert, der zwischen das Medium und die Sondenelektrode gelegt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem bei der Wiedergabe von Information während des Spannungsanlegeschritts zwischen das Medium und die Sondenelektrode (104) eine konstante spannung gelegt wird, die veranlaßt, daß sich die Kennwerte des Mediums (102, 402) nicht ändern.

13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem bei der Informationsaufzeichnung während des Spannungsanlegeschritts zwischen das Medium und die Sondenelektrode (104) eine konstante Spannung gelegt wird, die veranlaßt, daß sich die Kennwerte des Mediums (102, 402) ändern.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Abstands-Justierschritt folgende Schritte umfaßt:

- Nachweisen der Stärke des zwischen dem Medium (102, 402) und der Sondenelektrode (104) fließenden Stroms,

- logarithmisches Umsetzen der nachgewiesenen Stromstärke, um ein erstes logarithmisches Umwandlungssignal auszugeben,

- logarithmisches Umsetzen der vorbestimmten Stromstärke, um ein zweites logarithmisches Umwandlungssignal auszugeben,

- Nachweisen einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten logarithmischen Umwandlungssignal, um ein Differenzsignal auszugeben,

- Verstärken des Differenzsignals mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor, und

- Ändern des Abstands zwischen dem Medium und der Sondenelektrode auf der Grundlage des verstärkten Differenzsignals.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die vorbestimmte Stromstärke in dem Stromstärke-Änderungsschritt in der Weise geändert wird, daß ein Verhältnis der zwischen die Sondenelektrode (104) und das Medium (102, 402) gelegten Spannung und der vorbestimmten Stromstärke stets konstant wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei der zwischen dem Medium (102, 402) und der Sondenelektrode (104) fließende Strom ein Tunnelstrom ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem der zu der Sondenelektrode (104) fließende Strom ein Feldemissionsstrom ist.