JP2981786B2

JP2981786B2 - 記録媒体、およびそれを用いて記録、再生、消去を行う情報処理装置

Info

Publication number: JP2981786B2
Application number: JP18706491A
Authority: JP
Inventors: 有子森川; 春紀河田; 宏松田; 芳浩柳沢
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-07-02
Filing date: 1991-07-02
Publication date: 1999-11-22
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: JPH0512726A

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
（ＳＴＭ）の原理を用いた超高密度メモリおよびそれを
用いた情報処理装置に関するものである。より詳しく
は、ＳＴＭを応用した情報処理において、情報処理を行
う領域への位置決めを容易にした記録媒体およびそれを
用いた情報処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年メモリ材料の用途は、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、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）消費電力が少ない４）生産性が高く価格が安い等が挙げられる。

【０００３】一方、導体の表面原子の電子構造を直接観
察できる走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が開発され
「Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇｅｔａｌ．フィジカルレビュ
ーレター（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ），４９，５
７（１９８２）」、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察できる利点をも有
し、更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。

【０００４】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原子の全電
子雲に関する種々の情報をも読みとることができる。こ
の際、面内方向の分解能は０．１ｎｍ程度である。従っ
て、ＳＴＭの原理を応用すれば十分に原子オーダー（数
Å）で高密度記録再生を行なうことが可能である。この
際の記録再生方法としては、粒子線（電子線、イオン
線）或いは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で再生する方法や、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
て行なう方法等が提案されている（特開昭６３−１６１
５５２号公報等）。

【０００５】従来、ＳＴＭにおいて、試料とプローブ電
極を近接し、試料表面に対するプローブ電極の位置確認
のため、即ち所望の位置へプローブ電極を移動させるた
めには光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い
て、試料あるいはプローブ電極を操作者が像を見ながら
ＸＹ方向に動かしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来例では次
のような問題点があった。

【０００７】（１）試料、プローブ電極、顕微鏡の相対
位置の調整が面倒であり、また操作者の熟練を必要とし
ていた。

【０００８】（２）位置確認のためにＳＥＭ等を組み合
わせた場合は真空系を必要とし、装置が大がかりになっ
た。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は上記問
題点に鑑み、記録媒体の記録領域として、凸部または凹
部を用い、更に係る記録領域に位置情報と方向情報を含
んだ位置検出マークを設け、係る記録領域の段差エッジ
及び位置検出マークを散乱光によって検出することが可
能な記録媒体を提供するものである。

【００１０】更に、本発明は、かかる記録媒体を用いて
位置検出を行う手段を有する情報処理装置を提供するも
のである。

【００１１】以下、本発明につき詳細に説明する。

【００１２】図１は本発明の記録媒体の記録領域周辺部
の一例を示す概略図、図２，３は図１のＡ−Ａ’断面図
である。

【００１３】本発明において、電極層１０２及び記録層
１０３を支持するための基板１０１としては、表面が平
滑であればどの様な材料を用いてもよい。

【００１４】また、電極層１０２の材料も高い導電性を
有するものであればよく、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｐ
ｄ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｗなどの金属やこれらの
合金、さらにはグラファイトやシリサイド、またさらに
はＩＴＯなどの導電性酸化物を始めとして数多くの材料
が挙げられるが、記録層１０３をＬＢ膜とする場合は基
板１０１上に直接形成される電極材料は、表面がＬＢ膜
形成の際に絶縁性の酸化膜をつくらない導電材料、例え
ば、貴金属やＩＴＯなどの酸化物導電体を用いることが
望ましい。なお、いずれの材料を用いるにしてもその表
面が平滑であることが好ましい。係る材料を用いた電極
形成法は従来公知の薄膜技術で充分である。

【００１５】つぎに、係る電極層１０２の上への電気メ
モリー効果を有する記録層１０３の形成方法としては、
従来公知の真空蒸着法やクラスターイオンビーム法、塗
布吸着法などが挙げられるが、最も簡便に均一な膜厚を
得るにはラングミュアーブロジェット（ＬＢ）法が好ま
しい。ＬＢ法によれば、有機化合物の単分子膜または該
単分子膜を累積した累積膜を容易に形成することが可能
である。

【００１６】更に、本発明で記録層１０３に用いる電流
−電圧特性に於いてメモリースイッチング現象（電気メ
モリー効果）を有する材料としては、例えば、π電子準
位を有する群と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
が挙げられる。

【００１７】一般に、有機材料のほとんどは、絶縁性も
しくは半絶縁性を示すことから係る本発明において、適
用可能なπ電子準位を持つ群を有する有機材料は著しく
多岐にわたる。本発明に好適なπ電子系を有する色素の
構造として例えば、フタロシアニン、テトラフェニルポ
ルフィリン等のポルフィリン骨格を有する色素、スクア
リリウム基及びクロコニックメチン基を結合鎖として持
つアズレン系色素及びキノリン、ベンゾチアゾール、ベ
ンゾオキサゾール等の２個の含窒素複素環をスクアリリ
ウム基及びクロコニックメチン基により結合したシアニ
ン系類似の色素、またはシアニン色素、アントラセン及
びピレン等の縮合多環芳香族、及び芳香環及び複素環化
合物が重合した鎖状化合物及びジアセチレン基の重合
体、さらにはテトラシアノキノジメタンまたはテトラチ
アフルバレンの誘導体およびその類縁体およびその電荷
移動錯体、またさらにはフェロセン、トリスビピリジン
ルテニウム錯体等の金属錯体化合物が挙げられる。

【００１８】本発明に好適な高分子材料としては、例え
ばポリイミド、ポリアミド等の縮合重合体、バクテリオ
ロドプシン等の生体高分子が挙げられる。

【００１９】これらのπ電子準位を有する化合物の電気
メモリー効果は数１０μｍ以下の膜厚のもので観測され
ているが、本発明の情報処理方法を用いるため、プロー
ブ電極と対向電極間にトンネル電流が流れるように両者
間の距離を近づけなければならないので、本発明の記録
層１０３の膜厚は、０．３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ま
しくは、０．３ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好まし
い。

【００２０】本発明における記録領域１０６及び位置検
出マーク１０５の形成方法は、従来公知のリソグラフィ
ー技術で充分である。また、記録媒体上の段差及び位置
検出マーク１０５は、基板１０１、電極層１０２、記録
層１０３のいずれかに形成されればよく、位置検出マー
ク１０５として回折格子やゾーンプレートなどを用いれ
ばより精密な位置決めが可能になる。

【００２１】また、プローブ電極の材料は、導電性を示
すものであれば何を用いてもよく、例えばＰｔ、Ｐｔ−
Ｉｒ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ等が挙げられる。プローブ電極の
先端は記録再生の分解能を上げるためできるだけ尖らせ
る必要がある。本発明では、針状の導電性材料を電解研
磨法を用い、先端形状を制御して、プローブ電極を作成
しているが、プローブ電極の作成方法及び形状は何等こ
れに限定するものではない。更には、プローブ電極の本
数も一本に限る必要もなく、複数のプローブ電極を用い
ても良い。

【００２２】本発明の目的は、上記記録媒体を用いて位
置検出を簡単な構造で容易に行うことができる情報処理
装置を提供することにもある。本発明によれば、記録領
域１０６のエッジ、および位置検出マーク１０５からの
散乱光を検出し、一般に行われているフィードバック制
御を行うことで、位置検出機能を備えた情報処理装置を
提供することが可能になった。

【００２３】具体的には図４に示すように、記録媒体上
の段差から生じる散乱光が得られる位置に光源４０１と
受光部４０２を設置し、該記録媒体の位置座標を検出す
る手段を有し、検出された位置座標に対応する記録媒体
上にプローブ電極２０２を移動し、係る位置座標で記録
再生消去を行う情報処理装置に特徴を有している。光源
４０１としては半導体レーザーやＨｅ−Ｎｅレーザーの
ほかＬＥＤや光ファイバー等を用いることができる。
尚、図４においては簡略のため記録媒体上の記録領域１
０６の１つを拡大して示してある。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を実施例に従って説明する。

【００２５】実施例１図１及び図２に示す記録媒体では、基板１０１としてＳ
ｉＯ₂が１μｍ積層されたＳｉウエハを用いた。かかる
基板１０１上にフォトレジスト（商標名ＲＤ−２０００
Ｎ−１０）を厚さ１μｍに塗布したのち、露光、現像を
経て１ｍｍ□のパターンを得た。かかるパターンをマス
クとしてＳｉＯ₂のエッチングを行った。エッチングの
深さは０．５μｍであり、エッチガスにＣＦ₄を用い
て、圧力５Ｐａ、放電電力１５０Ｗの条件で２０分間エ
ッチングした。その後専用剥離液を用いてレジストを剥
離し、凸形状の記録領域１０６を形成した。

【００２６】続いて、かかる記録領域１０６上に電子線
レジストであるポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ；商
標名ＯＥＢＲ−１０００）を厚さ０．５μｍに塗布し、
電子線を加速電圧２０ｋＶ、ドーズ量５０μＣ／ｃｍ²
の条件で位置検出マーク１０５およびトラッキングパタ
ーンの描画を行った。かかるパターンをマスクとして再
び前記条件によりＳｉＯ₂のエッチングをおこない、最
後にメチルエチルケトンを使ってレジストを剥離した。

【００２７】次に、かかる基板上にＡｕを真空蒸着法を
用いて形成し、電極層１０２とした。この時の条件は、
蒸着速度５Å／ｓｅｃ、到達圧力２×１０^-6Ｔｏｒｒ、
基板温度４００℃、膜厚５０００Åであった。

【００２８】その後、かかる電極層１０２上に記録層１
０３として、ポリイミドＬＢ膜を４層累積した。なお、
ポリイミドＬＢ膜の形成方法は以下の通りである。

【００２９】ポリアミック酸（分子量約２０万）を濃度
１×１０^-3％（ｇ／ｇ）で溶かしたジメチルアセトアミ
ド溶液を、別途調整したＮ，Ｎ−ジメチルオクタデシル
アミンの同溶液による１×１０^-3Ｍ溶液を１：２（ｖ／
ｖ）に混合し、ポリアミド酸オクタデシルアミン塩溶液
を調整した。かかる溶液を水温２０℃の純水からなる水
相上に展開し、水面上に単分子膜を形成した。この単分
子膜の表面圧を２５ｍＮ／ｍまで高め、更にこれを一定
に保ちながら、前記基板を水面に横切るように５ｍｍ／
分で移動させて浸漬、引き上げを行ない、Ｙ型単分子膜
の累積を行なった。係るポリアミック酸単分子累積膜を
３００℃で１０分間加熱を行なうことによりポリイミド
にした。

【００３０】なお、ポリイミド１層あたりの厚さは、エ
リプソメトリー法により約４Åと求められた。

【００３１】以上の様にして形成した、記録媒体を本発
明の情報処理装置に設置し、位置検出と情報の記録・再
生・消去を行った。

【００３２】位置検出の方法は次の様におこなった。図
４に示す本発明の情報処理装置にかかる記録媒体を設置
し、光源４０１からのレーザー光スポットを記録媒体上
に照射した。これと同時に記録媒体のステージ位置とプ
ローブ電極２０２の位置をステージ原点に設定した。次
に記録媒体をＸ方向、Ｙ方向に移動させていくと、記録
媒体からの散乱光の明暗の強度が変化する位置がある。
かかる散乱光の強度変化は記録領域１０６の段差による
もので、かかる位置を記録領域１０６の原点とする。ま
た、記録媒体のステージ原点から記録領域１０６の原点
までのステージ移動量は移動量検出回路から出力、記憶
され、ステージ駆動回路３０６へフィードバックがかけ
られる。引き続きかかる位置からステージ２０１を移動
させると再び散乱光の明暗強度が変化する位置がある。
かかる位置は記録領域１０６における位置検出マーク１
０５の位置であり、かかる位置検出マーク１０５を原点
としてプローブ電極２０２をかかる位置検出マーク１０
５上まで移動させトラッキングを開始し、プローブ電極
２０２の走査を行うことで記録再生を行う。また以上の
ステージ２０１上の記録媒体のステージ原点、記録領域
１０６原点、位置検出マーク１０５およびプローブ電極
２０２の位置はそれぞれ位置情報と方向情報を含んでい
るので、かかる位置を座標として検出し、位置検出回路
４０３に出力、記憶され、ステージ２０１の粗動機構、
微動機構へフィードバックをかけることができる。その
ため、一般に行われている画像処理の手法を用いて、実
際の記録再生時の走査方向の情報と検出中のパターンの
位置情報が得られ、更に記憶されている各パターンの位
置関係から次のトラッキングパターンの大まかな位置の
情報が得られる。

【００３３】次に、記録・再生・消去方法について述べ
る。プローブ電極２０２を記録領域１０６上トラックパ
ターンに対して走査した。この際記録媒体に対してプロ
ーブ電極（Ｐｔ−Ｒｈ合金）２０２に−０．５Ｖのバイ
アス電圧を印加し、トンネル電流が０．１ｎＡとなるよ
うにドライバー３０５及びアクチュエータ２０４を用い
てプローブ電極２０２と記録層１０３との距離Ｚを一定
に保ちながら走査し、図１に示されているトラック１０
４の位置を検出し、プローブ電極２０２を走査させた。
かかるトラック位置の検出はプローブ電極２０２とトラ
ック１０４との間でトラック電流が急激に変化すること
を利用している。記録は記録層１０３の電気メモリ効果
を利用して行った。即ち情報に従って図５に示した波形
を持つ三角波パルス電圧をパルス電源３０８を用いて記
録層１０３に印加し、印加部に低抵抗状態を生じさせ
た。この時、トンネル電流は２ｎＡとなった。なお図５
において、プローブ電極２０２側が＋極、電極層１０２
側が−極としてある。記録後再び記録情報の再生を行っ
た。再生用バイアス電圧は新たな情報の記録、あるいは
記録された情報の消去が生じない様、０．５Ｖとし、ト
ンネル電流の変化を測定し、情報再生をおこなった。以
上の再生実験においてデータ転送速度を１Ｍｂｐｓとし
た時のビットエラーレートは１×１０^-5であった。引き
続き情報記録部に図６に示すパルス電圧を印加した後に
再び再生してみると初期の高抵抗状態（トンネル電流＝
０．１ｎＡ）に戻っており、記録情報の消去が行われた
ことを確認できた。

【００３４】また本実施例では、ステージ２０１を移動
させて位置検出をおこなったが、ビームスポットを移動
させることで位置検出を行っても良い。その他、記録領
域１０６の形状も凸形状でなく凹形状にしてもよく、同
様の位置検出方法、記録再生方法が適用可能である。

【００３５】実施例２実施例１と同様に記録媒体を作成した。ただし、記録層
にはスクアリリウムービス−６−オクチルアズレン（Ｓ
ＯＡＺ）の２層ＬＢ膜（厚さ３０Å）を用いた。以下、
ＳＯＡＺＬＢ膜の形成方法を述べる。２０℃の純水上に
ＳＯＡＺのクロロホルム溶液（濃度０．２×１０^-3Ｍ）
を水面上に展開し、溶媒蒸発除去後、表面圧を２０ｍＮ
／ｍまで高めて水面上にＳＯＡＺの単分子膜を形成し
た。次に、表面圧を一定に保ったまま、基板を水面上Ｓ
ＯＡＺ単分子膜を垂直に横切る方向に速度３ｍｍ／ｍｉ
ｎで静かに浸漬・引き上げを行い、ＳＯＡＺの２層ＬＢ
膜を形成し、記録媒体とする。

【００３６】実施例１と同様に上述した方法により作成
した記録媒体の位置検出および記録再生実験を行ったと
ころ、ビットエラーレートは１×１０^-6であった。

【００３７】実施例３図３に示すように大気中でマイカ板をへき開し、平滑基
板１０１とする。

【００３８】次に、かかる平滑基板１０１上にＡｕを真
空蒸着法を用いて、エピタキシャル成長させ、電極層１
０２とした。この条件は、蒸着速度５Å／ｓｅｃ、到達
圧力２×１０^-6Ｔｏｒｒ、基板温度４００℃、膜厚５０
００Åであった。

【００３９】その後、かかる平滑電極基板上に、ＥＢレ
ジスト（ＰＭＭＡ：商標名ＯＥＢＲ−１０００東京応
化製）を塗布し、露光、現像を経て、所望の凸形状記録
領域を形成した。ＥＢ描画条件は、加速電圧２０ｋＶ、
ドーズ量５０μＣ／ｃｍ²であった（記録領域面積１ｍ
ｍ²）続いて、かかるレジストパターンをイオンエッチ
ング法により、電極層１０２であるＡｕをエッチング
し、レジストを剥離した。この時の、イオンエッチング
条件は、エッチングガスＡｒ、イオンエネルギー５００
ｅＶ、電流値０．５ｍＶ、エッチング深さ１０００Åで
あった。また剥離液には、メチルエチルケトンを用い
た。

【００４０】更にもう一度上記条件によりＥＢ描画、Ａ
ｕエッチングにより記録領域上に所望のトラックパター
ンを形成した。ただし、Ａｕのエッチングの深さは１０
０Åであった。

【００４１】かかる基板上に、実施例１と同様にポリイ
ミドＬＢ膜の記録層１０３を形成し、記録媒体とした。

【００４２】上記のように作製した記録媒体を用いて、
実施例と同様の位置検出、記録再生実験をおこなったと
ころ、ビットエラーレートは２×１０^-6であり、消去も
可能であった。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に依れば１）記録媒体上の記録領域に段差と位置検出マークを設
けることにより、位置検出を容易に行うことができ、高
速位置決めが可能になった。

【００４４】２）記録領域を凸形状または、凹形状にす
ることで位置検出を行うので、記録密度を下げることな
く記録再生の高再現性が可能になった。

【００４５】３）位置検出を記録媒体の形状および位置
検出マークを用いて行うので、記録媒体の互換性が高ま
った。

【００４６】４）位置検出に記録媒体上の段差から生じ
る散乱光を用いるので簡単な装置で精度よく位置検出を
行うことが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の記録媒体の記録領域周辺部の一例を示
す概略図。

【図２】図１のＡ−Ａ’断面図の一例。

【図３】図１のＡ−Ａ’断面図の他の例。

【図４】本発明による情報処理装置の構成図。

【図５】本発明の記録媒体の記録層を高抵抗状態から低
抵抗状態へ遷移させるのに必要な電気パルスの波形を示
す図。

【図６】本発明による記録媒体の記録層上の低抵抗状態
部位を再び高抵抗状態に戻すのに必要な電気パルスの波
形を示す図。

【符号の説明】

１０１基板１０２電極層１０３記録層１０４トラック１０５位置検出マーク１０６記録領域１０７非記録領域２０１ステージ２０２プローブ電極２０３プローブ電極の支持体２０４プローブ電極をＺ方向に駆動するアクチエータ２０５ステージをＸ方向に駆動するアクチエータ２０６ステージをＹ方向に駆動するアクチエータ３０１増幅器３０２対数圧縮器３０３低域通過フィルタ３０４誤差増幅器３０５ドライバー３０６ステージ駆動回路３０７高域通過フィルタ３０８パルス電源３０９サーボ回路４０１光源４０２フォトダイオード４０３位置検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柳沢芳浩東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開平２−141601（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G11B 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】断面形状が凸形状または凹形状であり、
係る凸部または凹部を記録領域とし、さらに該記録領域
内に位置検出マークを有することを特徴とする記録媒
体。
【請求項２】記録媒体における記録層が電気メモリ効
果を有する有機化合物の単分子膜もしくは該単分子膜を
累積した単分子累積膜からなることを特徴とする請求項
１記載の記録媒体。
【請求項３】有機化合物が、分子中にπ電子準位をも
つ群とσ電子準位をもつ群とを有することを特徴とする
請求項２記載の記録媒体。
【請求項４】単分子膜または単分子累積膜の膜厚が、
０．３ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であることを特徴とする請
求項２又は請求項３記載の記録媒体。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の記
録媒体と該記録媒体に対向して設けられたプローブ電極
と該記録媒体とプローブ電極との間に電圧を印加する手
段と該記録媒体に照射する光源と該記録媒体からの散乱
光を受けて位置情報を得る位置情報読み取り手段と前記
位置情報読み取り手段によって得られた位置情報に基づ
いて該記録媒体上の所望の位置で記録再生消去を行う手
段を有することを特徴とする情報処理装置。