JP2008517408A - 傾斜したカーボンナノチューブを有するデータ記録装置及びその生産方法 - Google Patents
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Abstract
平らな基板（１０）上に形成され、ほぼ平らな記憶媒体（１１）と協働するマイクロドットを形成するカーボンナノチューブ（９）のネットワークを有するデータ記録用装置。カーボンナノチューブ（９）は基板（１０）の平面に対して５°〜４０°の範囲の所定角度で当初傾斜している。ナノチューブ９は基板（１０）と平行な記憶媒体（１１）に接触する際に曲がる。基板（１０）はナノチューブ（９）の自由端の支持を与えるために用いられる凹凸構造を有することが好ましい。
Description
［発明の背景］
本発明はほぼ平らな記憶媒体と協働するマイクロティップ（ｍｉｃｒｏｔｉｐ）を構成するカーボンナノチューブのネットワークを有するデータ記録装置に関連し、このような装置の製造方法にも関連する。
本発明はほぼ平らな記憶媒体と協働するマイクロティップ（ｍｉｃｒｏｔｉｐ）を構成するカーボンナノチューブのネットワークを有するデータ記録装置に関連し、このような装置の製造方法にも関連する。
［該当技術の状態］
コンピュータ分野及びマルチメディア分野の両方において、データ記録は増加の一途をたどる必要容量を満たさなければならない。磁気ハードディスクから光学式記憶装置に及び、ソリッドメモリ（フラッシュメモリ）を含む様々な技術が開発されている。どのような記録技術を用いても、常にメモリドット（ビット）のサイズ低減が求められ、記録密度の増加が記録容量の増加をもたらす。
コンピュータ分野及びマルチメディア分野の両方において、データ記録は増加の一途をたどる必要容量を満たさなければならない。磁気ハードディスクから光学式記憶装置に及び、ソリッドメモリ（フラッシュメモリ）を含む様々な技術が開発されている。どのような記録技術を用いても、常にメモリドット（ビット）のサイズ低減が求められ、記録密度の増加が記録容量の増加をもたらす。
マイクロティップネットワークの利用は約１テラビット／ｃｍ２の極めて大きな記憶容量を得られる。図１に示されるように、マイクロティップ１は基板４に形成された記憶層３のナノメータメモリドットと選択的に接触される。基板４及び記憶層３は記憶媒体５を形成する。アクチュエータ（図示せず）はマイクロティップネットワークと記憶媒体を平行に及び／又は記憶媒体に垂直に相対的に移動させることができる。メモリドットへのデータ書き込みは、このメモリドットに面して配置されたマイクロティップの選択アドレス指定とこのメモリドットの物理的、電気的及び／又は磁気的特性の変更により行われる。この変更は従来、熱的効果又はマイクロティップを流れる電流により実現され、例えばメモリドット材料の位相変化及び／又はメモリドットの抵抗率の変更が起こる（米国特許４９１６６８８）。
ネットワークのすべてのマイクロティップ１が関連記憶媒体５と完全に接触することを保証し、マイクロティップとメモリドットとの機械的接触を和らげるために、従来、各マイクロティップはカンチレバーの一端に搭載されており、特に文書ＷＯ−Ａ−２００３／０６０９２３に示されている。この文書では、マイクロティップに埋め込まれたカーボンナノチューブの利用により分解能が改良できる。図２に示されるように、カーボンナノチューブ６は各マイクロティップの自由端に形成でき、それ自体はボディ８に確実に固定されたカンチレバー７の端部に配置される。
円錐又はピラミッド形の支持ティップの端部に形成されたカーボンナノチューブの利用は、原子間力顕微鏡分野におけるマイクロティップの製造のための米国特許６４０１５２６にも記載されている。
文書ＷＯ−Ａ−２００４／０３２１３２は、可撓性膜状であり好ましくは複数の凹部を形成するフレームに支持されている記憶媒体と、ベースに直接形成されたマイクロティップのネットワークとの結合におけるマイクロティップの高さばらつきの問題の別の解決法を記載している。マイクロティップのアドレス指定及びメモリのデータ書き込み及び／又は読み出し制御のための電子回路は、マイクロティップを支持するベース内に集積できる。後者の解決法はメモリの製造を簡単化し、その結果、コストを低減する。記憶媒体は実現にはかなり複雑なままであるが、マイクロティップネットワーク変形の趣旨に従いマイクロティップの高さばらつきを一様にする限り、それと同時に記憶媒体にかかる大きすぎる耐力が生み出されるのを避ける。
［発明の目的］
本発明の１つの目的は、上記欠点がなく、さらにマイクロティップの高さ分散を気にしなくてよく、同時に装置の製造コストを低減する、特に超高密度記憶装置のためのデータ記録装置を提供することである。
本発明の１つの目的は、上記欠点がなく、さらにマイクロティップの高さ分散を気にしなくてよく、同時に装置の製造コストを低減する、特に超高密度記憶装置のためのデータ記録装置を提供することである。
本発明によれば、この目的はカーボンナノチューブが記憶媒体に平行なほぼ平らな基板上に形成され基板平面に対して傾斜しているという事実により達成される。
本発明の成果によれば、各ナノチューブは自由端及び基板に確実に固定されたベース端を有し、各ナノチューブはそのベースにて前記平面に対して垂直な軸に５°と４０°との間の初期角度を形成する。
本発明の別の成果によれば、基板はナノチューブの自由端の支持体としての役割を果たすために設計された隆起構造を有する。
本発明のさらなる目的は、データ記録装置の製造方法を提供することである。この方法は基板上でのナノチューブの成長を有し、それはナノチューブの成長軸を決める電界に対して傾斜している。
その他の有利点及び特徴は、限定しない例としてのみ与えられ添付の図面に示される下記の本発明の特定の実施形態から、より明確に明らかになるであろう。
［特定の実施形態の説明］
図３に示されるように、本発明による装置のマイクロティップネットワークは、ナノチューブ９のセットにより形成されており、ナノチューブ９はそれらが形成されている基板１０の平面に対して傾斜している。ナノチューブ９は、記憶媒体にデータの書き込み及び／又は読み出しを行うための、基板１０に平行なほぼ平らの記憶媒体（図３に図示せず）とともに動作するよう設計されたマイクロティップを形成する。
図３に示されるように、本発明による装置のマイクロティップネットワークは、ナノチューブ９のセットにより形成されており、ナノチューブ９はそれらが形成されている基板１０の平面に対して傾斜している。ナノチューブ９は、記憶媒体にデータの書き込み及び／又は読み出しを行うための、基板１０に平行なほぼ平らの記憶媒体（図３に図示せず）とともに動作するよう設計されたマイクロティップを形成する。
各ナノチューブ９は記憶媒体と接触するために設計された自由端及び基板１０に確実に固定されたベース端を有する。ナノチューブがそのベースにて基板１０の平面に垂直な軸Ｓに対し形成する初期角度αは好ましくは５°と４０°の間である。好適な実施形態では、初期角度αは約１０°である。
特に文書ＷＯ−Ａ−２００３／０６０９２３及びＵＳ６４０１５２６に記載されている従来技術のような垂直ナノチューブは水平の記憶装置に接触するとき極めて固かったのに対し、傾斜したナノチューブ９はいくらかの可撓性を示す。そして、実際、屈曲し、剛性は低減される。例えば、数百ナノメートル（１００〜５００ｎｍ）の長さと１〜５０ｎｍの外径を有する傾斜したナノチューブはおよそ数Ｎ／ｍの剛性を持つ。
図５及び７に示されるように、ナノチューブ９は基板１０と平行な記憶媒体１１と接触する際に曲がる。この曲がりはナノチューブ９により記憶媒体１１に加えられる耐力を制限でき、ナノチューブの長さの不可避なばらつきを程度の差はあるが後の大曲率により補正することができる。さらに、ナノチューブの曲がりは、記憶媒体１１と基板１０との間に起こり得る数十ナノメートルの距離のばらつきを吸収する。
しかし数百ナノメートルの長さを有するナノチューブは、例えば空気分子のブラウン運動や記憶媒体の摩擦力のような外部応力の作用で振動する傾向がある。これらの振動は特にメモリドットの輪郭において精度の損失をもたらす。この欠点を克服するために、ナノチューブ９を支持する基板１０は、記憶媒体１１と接触する後の曲がりの際、ナノチューブ９の自由端を圧迫する支持体の役割を果たすために設計された隆起構造１２を有することが好ましい。このように、曲げられたナノチューブは自身で自然に隆起構造１２上で割り込み、安定化される。
隆起構造１２のパターンは色々な形状にできる。図４及び５の実施形態では、隆起構造はナノチューブ９が位置する間に平行なストリップ１３により形成される。この構造は、記憶媒体が常に同じ方向に移動する、図５の矢印１４により図式化されている（示されている例では水平に右方向）、場合は特に興味深い。これは特にディスク状のメモリの場合である。図４に示されるように、ストリップ１３は、真っ直ぐでも曲がっていてもよく、基板の平面と平行な方向の記憶媒体の移動（水平、図５の矢印１４により図式化されている）軸に対して傾斜しているのが好ましい。記憶媒体が通過するとき、ナノチューブ９は安定した位置のままである。ストリップ１３を分離する距離は一定であり、固定点を構成するナノチューブ９のベース端が２つの近接ストリップから等しい距離に配置される。
図６及び７の実施形態では、隆起構造１２は基板１０上に堆積された層により形成され、ナノチューブ９が配置されるホール１５を有する。ホール１５は直径が約１マイクロメートルのほぼ円筒型の貫通孔であることが好ましい。この構造は、図７の矢印１６に図示されるように（水平に、右及び／又は左へ）、記憶媒体の２次元揺動運動を想定通りにすることができる。各ナノチューブ９は２つの安定位置を有し、それぞれ実線（右へ）と、図７のナノチューブの１つに点線（左へ）とで表される。記憶媒体１１の運動によるナノチューブの屈曲運動において対称性があるように、ナノチューブの初期角度が決められる。
隆起構造１２は基板１０に垂直な方向にナノチューブ９を固定することができる。従って、記憶媒体がマイクロティップから離れていくような記憶媒体１１及び基板１０の相対運動が軸Ｓに沿って起こったとき、粘着現象によりナノチューブ９は隆起構造１２に自動的に接触し続ける。隆起構造１２は、ナノチューブ９の破壊をもたらす記憶媒体１１と基板１０の偶発的接着を防止し、記憶媒体を基板１０から最小距離にしておくことができるパッドとしての役割を果たすこともできる。
例えば、２００〜５００ｎｍの長さのナノチューブに対し、隆起構造１２の高さは約１００〜２００ｎｍにすることができる。
装置の製造には従来のマイクロエレクトロニクス技術及びいくつかの知られているカーボンナノチューブの製造方法を用いる。ナノチューブの成長プロセスは特に２００１年１１月１５日発行の”Journal of Applied Physics”, vol.90, n°10, p5308-5317の”Growth process conditions of vertically aligned carbon nanotubes using plasma enhanced chemical vapor deposition”に記載されている。
ナノチューブ９の傾斜は、ナノチューブの成長軸を決定する電界に対して傾けて基板上にナノチューブを成長させることにより得られる。このため、ナノチューブ９が形成される基板１０はナノチューブの成長のために用いられるＰＥＣＶＤ反応装置（図示せず）のフレームに対して角度αで傾斜する。
好適な実施形態では、マイクロティップのアドレス指定及びメモリでのデータ書き込み及び／又は読み出しの制御のための電子回路がナノチューブを支持する基板１０に集積される。傾斜した基板上へのナノチューブ９の形成は、電子アドレス指定・制御回路１７が基板１０に形成され、隆起構造１２が基板１０上に形成された後に行われる。
図８〜１５に示される製造方法では、第一に電子アドレス指定・制御回路１７が、例えばＣＭＯＳ技術により集積回路の形式で、例えばシリコンで出来ている基板１０に形成される（図８）。そして電子回路１７を有する基板１０上にマスク１８が蒸着により形成された後に、例えばフォトレジスト又は酸化被膜のリソグラフィによる局所的エッチングが続く（図９）。そして、マスク１８にエッチングされた対応するホール２１における、電子回路１７のコンタクトパッド２０上に触媒パッド１９（Ｎｉ，Ｆｅ，ＦｅＮｉ，Ｃｏ…）が形成される（図１０）。マスク１８は必要に応じて取り除くことができる。
図１１〜１３に示される代替実施形態では、隆起構造１２が３つのステップで形成される。第１に（図１１）、犠牲層２２が基板上に堆積され、例えばフォトリソグラフィにより隆起構造の空洞部を形成するための領域をふさぐように構造化される。触媒パッド１９を覆う犠牲層２２は隆起構造を形成するための材料の層２３により覆われる。層２３の材料は例えばシリカ又は例えばシリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）やカーボン（ダイヤモンド状炭素又は非晶質炭素）などのその他の耐摩擦材料である。平坦化後、層２３の厚さが犠牲層２２の初期高さより小さい隆起構造の所望の高さに抑えられ、犠牲層２２が除去され（図１３）、触媒パッド１９へのアクセスが自由になり、隆起構造１２の形成が完了する。
基板１０が水平に対して角度αで傾斜している一方で、知られている方法で触媒パッド１９からナノチューブ９の垂直成長が行われる（図１４）。ナノチューブ９の成長は典型的に約４００℃の温度でそのまま行われ、電子回路１７に適合する。例えば、基板は水平グラファイトソール（図示せず）上に前記角度αをなして配置される。組み立て全体の温度は水素雰囲気で３０分間４００℃に加熱される。数パーセントの炭化水素（例えばアセチレン又はエチレン）を含んでもよい水素の存在下で、３００Ｗの電力で１時間ＲＦプラズマが活性化される。このように形成されたナノチューブ９は自動的に傾斜し、図１５に示されるように、基板１０の平面に垂直な軸Ｓに対して同じ角度αを形成する。
どんな力（安静位での衝撃又は圧力）が続けて加わっても、特に基板１０での機械的固定の信頼性を高めるために、ナノチューブ９のベースを硬直化することが望まれてもよい。この目的のために、ナノチューブ９のベースを覆うため、絶縁材料で出来ている被覆層２４が基板１０上の少なくとも構造化層１２の空洞の底部に堆積される。図１５では被覆層２４が隆起構造１２の全体を覆っている。この被覆層２４は任意の適当な方法、特に化学気相成長（ＣＶＤ）、陰極スパッタリング、スピンコーティング等により堆積することができ、使用される絶縁材料の性質に依存する。例えばダイヤモンド状炭素はメタン又は一酸化炭素（ＣＯ）から化学気相成長により堆積できる。シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）の層は陰極スパッタリングにより堆積でき、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）はスピンコーティングにより堆積でき、ゾルゲル法（ＳＯＧ：スピンオンガラス）によってもでき得る。
代替実施形態では、図９〜１３のステップが図１６〜２１に示される以下のステップに置き換えられている。図１６に示されるように、隆起構造を構成するための材料の層２３が、あらかじめ電子回路１７が形成された基板１０上に直接堆積される。そしてフォトレジスト層２５が層２３上に堆積される（図１７）。そして触媒パッド１９のために設計された位置に面し、コンタクトパッド２０の反対に、ホール２６がフォトレジスト層２５にエッチングされる（図１８）。このエッチングは例えばフォトリソグラフィ又は他の同等の方法により行うことができる。そして隆起構造１２の空洞を形成するために、ホール２６を介して層２３がエッチングされる（図１９）。そしてホール２６を介してコンタクトパッド２０上に触媒パッド１９が形成される（図２０）。最後に、図２１に示されるように、層２５が取り除かれる。この代替実施形態では、単一リソグラフィステップの、隆起構造及び触媒パッドのパターンの自己整合がある。そしてナノチューブ成長及びコーティングステップは図１４及び１５に示すのと同一である。
本発明は記述及び図示された実施形態に限定されない。特に記憶媒体１１は剛性又は可撓性どんなタイプでもよい。
Claims (8)
- ほぼ平らな記憶媒体と協働するマイクロティップを構成するカーボンナノチューブのネットワークを有し、前記カーボンナノチューブは前記記憶媒体に平行なほぼ平らな基板上に形成され、前記基板の平面に対して傾斜していることを特徴とするデータ記録装置。
- 各ナノチューブは自由端及び前記基板に確実に固定されたベース端を有し、各ナノチューブはそのベースにて前記平面に垂直な軸に対して５°と４０°の間にある初期角度を形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記初期角度は約１０°であることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
- 前記基板は前記ナノチューブの前記自由端の支持体となるように設計された隆起構造を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
- 前記隆起構造は間に前記ナノチューブが配置された複数の平行ストリップを有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
- 前記ナノチューブの前記ベース端は２つの隣接したストリップから等距離に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
- 前記隆起構造は前記ナノチューブが配置されたところに複数のほぼ円筒型の孔部を有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
- 前記ナノチューブの成長軸を決定する電界に対して斜めとなる基板上でのナノチューブの成長を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかによる装置の製造方法。
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