JP3817521B2 - 機械的データ処理 - Google Patents

Description

本発明は一般に機械的データ処理に関し、詳細には、機械的データ記憶装置に記録されたデータの消去に関する。ここでいう機械的データ記憶装置とは、データ・ビットを表面に書き込む際に、表面に対して付勢されたチップにエネルギーを供給し、表面を局所的に変形させてくぼみを形成し、このくぼみによってデータ・ビットを表すようなものである。

こうした記憶装置の例は、「The "Millipede" -More than one thousand tips for future AFM data storage」、P. Vettiger他、IBMJournal of Research and Development Vol. 44 No.3、２０００年５月に記載されている。その記載によれば、この装置は、シリコン基板上に設けられたカンチレバー・センサの２次元アレイを含む。各カンチレバーはその一端で基板に接続されている。各カンチレバーの他端は、抵抗性のヒータ・エレメントおよび外側に面したチップを担持している。各カンチレバーは、行導体および列導体を介してアドレスすることができる。行導体および列導体は、各カンチレバーを介して電流を選択的に通過させ、その上にある加熱エレメントを加熱する。

読み取り操作および書き込み操作の双方において、アレイのチップが記憶媒体に接し、その記憶媒体に対して移動する。この記憶媒体は、平坦な基板をコーティングしたポリマー・フィルムを含む。

各チップを介して局所的な力をポリマー層に加えるステップと、対応する行導体および列導体を介してデータ信号を加え、ポリマー層を局所的に変形させるのに十分なレベルまで各チップを選択的に加熱することによって、ポリマー層の表面にチップを浸透させ、へこみまたはくぼみを残すステップとの組合せによって、記憶媒体にデータが書き込まれる。

また各加熱エレメントは、温度に依存する抵抗を有するため、熱読み戻しセンサを提供する。データの読み取り操作では、アレイの各行に対して順次加熱信号を加える。加熱信号は、選択された行の加熱エレメントを加熱する。ただしこの段階では、ポリマー・フィルムを溶かすほどの温度までは加熱しない。加熱エレメントと記憶媒体の間の熱伝導性は、加熱エレメントと記憶媒体の間の距離によって変化する。記憶媒体にわたってアレイが走査される際に、チップがビットのへこみの中に入ると、加熱エレメントと記憶媒体の間の距離が減少する。加熱エレメントと記憶媒体の間にある媒体が、加熱エレメントと記憶媒体の間で熱を伝達する。各加熱エレメントと記憶媒体の間の熱伝達は、対応するチップがへこみの中に入ると、より効率的になる。したがって温度、そして当然ながら加熱エレメントの抵抗が減少する。連続して加熱される各行の加熱エレメントの温度変化は、並行してモニタすることができ、記録されたビットの検出が容易になる。記憶媒体は熱的に消去することができ、その後、複数回書き直すことができる。通例では、記憶媒体を消去するには、ポリマー層をその融点を超えて数秒間加熱する。加熱によってポリマー層がリフロー処理され、記憶媒体に記録されたへこみがすべて除去される。記憶媒体に記録されたへこみを１つだけ、または１サブセットだけ選択的に消去することができれば、なお望ましい。
The "Millipede" - Morethan one thousand tips for future AFM data storage、P. Vettiger他、IBM Journal ofResearch and Development Vol. 44 No.3、２０００年５月

ＵＳ５，３０７，３１１およびＪＰ０８２９７８７０は、ともに従来型のプローブをベースとした記憶装置について記載している。これらはそれぞれ、データ記憶表面と、その表面に対して移動可能なチップと、表面にデータ・ビットを記録するためにチップを介して表面を変形させる手段とを有する。

本発明によれば、チップを介してエネルギーと力の第１の組合せを表面に加えて表面を局所的に変形させて、データ・ビットを表すくぼみを表面に形成することによってデータ・ビットを表面に書き込むデータ記憶装置に記録されたデータを消去する方法であって、消去対象となる事前に記録された表面のくぼみに対してチップを介して、エネルギーと力の第１の組合せとは異なる第２の組合せを加えるステップと、消去対象となる事前に記録されたデータを表すくぼみに重なる新たなくぼみを形成して表面を実質的に平坦にするステップとを含む方法が提供される。

有利なことに、本発明では、表面に記録された複数のデータ・ビットのうち１つまたは１サブセットを選択的に消去することができる。

第１の組合せで加える力は、第２の組合せで加える力よりも大きくすることができる。同様に、第１の組合せで加えるエネルギーは、第２の組合せで加えるエネルギーよりも大きくすることができる。本発明の好ましい実施形態では、第１および第２の組合せで加えるエネルギーは熱を含む。本発明の特に好ましい実施形態における方法は、表面を実質的に平坦にするために、消去対象となる事前に記録されたデータを表す変形に重なる新たなくぼみを形成するステップを含む。新たなくぼみを形成するステップは、消去対象となる事前に記録されたデータを表す変形に対して新たなくぼみを相殺するステップを含むことが好ましい。新たなくぼみを形成するステップは、新たなくぼみのラインを形成するステップをさらに含むことができる。この新たなくぼみのラインでは、各くぼみが直前のくぼみに重なっている。

本発明の好ましい実施形態では、より密度の高い新たなデータ・ビットで上書きし、新たなデータ・ビットがそれぞれ直前のデータ・ビットを効果的に消去することによって、不要なデータ・ビットを消去する。消去は完全でなくともよい。表面に起伏がいくらか残ってもよい。消去されたビットが、読み取りメカニズムによってデータ・ビットとして検出されなければ十分である。もちろん、これはデータ読み取りの感度によるであろう。本発明のいくつかの実施形態では、不要なデータ・シーケンスを消去するために書き込まれるシーケンス中の新たなビットのうち最後のものが、記録対象となる新しいデータの一部をなす形をとることもできる。本発明の他の実施形態では、不要なビットを消去するために新たなビットを書き込む際の密度を、表面に新たなビットがまったく記録されないような密度にすることもできる。

本発明を別の側面から見ると、データ記憶表面と、その表面と接し、それに対して移動可能なチップと、書き込みモードでは、チップを介してエネルギーと力の第１の組合せを表面に加えて表面を局所的に変形させて、データ・ビットを表すくぼみを表面に形成するように動作可能で、消去モードでは、消去対象となる事前に記録された表面のくぼみに対してチップを介して、エネルギーと力の第１の組合せとは異なる第２の組合せを加え、チップを制御して、消去対象となる事前に記録されたデータを表すくぼみに重なる新たなくぼみを形成して表面を実質的に平坦にするように動作可能なコントローラとを含むデータ処理システムが提供される。

本発明の好ましい実施形態について、例示のみを目的として、添付の図面を参照しながら説明する。

まず図１を参照すると、本発明を具現化するデータ記憶システムの例は、基板２０上に配置されたカンチレバー・センサ１０の２次元アレイを含む。行導体６０および列導体５０も基板上に配置されている。各センサ１０には、行導体６０と列導体５０の異なる組合せによってアドレスする。各センサ１０は、長さが約７０μｍ、厚さがμｍ規模のU字型シリコン・カンチレバー１５を含む。カンチレバー１５のリムは、その遠位端部でシリコン基板２０に固定されている。カンチレバー１５の頂部は、基板２０に形成された凹部７０内に位置し、基板２０に対して垂直方向に移動する余地を有する。カンチレバー１５は、その頂部において抵抗性のヒータ・エレメント３０と、基板２０から離れた方向を向いているシリコン・チップ４０を担持する。カンチレバー１５のリムは、導電性を高めるために高度にドープ処理されている。ヒータ・エレメント３０は、カンチレバー１５の頂部を弱めにドープ処理し、カンチレバー１５を流れる電流に対する電気抵抗を増加させた領域を導入することによって形成される。カンチレバー１５のリムの一方は、中間ダイオード８０を介して行導体６０に接続されている。カンチレバー１５の他方のリムは、列導体５０に接続されている。行導体６０、列導体７０、およびダイオード８０も基板２０上に配置されている。カンチレバー１５に圧縮応力を与え、チップが弾力性をもって基板２０から離れて傾くようにする。

次いで図２を参照すると、厚さが約４０ｎｍのポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）のフィルムなどのポリマー層９０の形態をした平面状の記憶媒体にチップ４０が押しつけられる。チップ４０は表面の方向に機械的に傾かせることができる。しかし本発明の別の実施形態では、チップ４０を表面に押しつけるために別の傾き方を採用することもできる。ポリマー層９０はシリコン基板１００によって担持されている。厚さが約７０ｎｍのＳＵ−８など、橋かけ結合したフォトレジストの任意選択の緩衝層１１０が、ポリマー層９０と基板１００の間に配置されている。読み取り操作と書き込み操作の双方において、アレイのチップ４０は記憶媒体の表面全体に及ぶ。書き込み操作では、チップのアレイは記憶媒体に対して移動可能であり、ポリマー層９０の領域にわたってデータの書き込みを可能にする。

チップを介してポリマー層９０に局所的な力を加えるステップと、対応する行導体６０からカンチレバー１５を介して対応する列導体５０に書き込み電流を流すことによってチップ４０を介して熱の形態のエネルギーを表面に加えるステップとの組合せによって、記憶媒体にデータが書き込まれる。カンチレバー１５を介して電流が流れることによって、ヒータ・エレメント３０が加熱する。熱エネルギーは、ヒータ・エレメント３０から熱伝導によりチップ４０に流れる。

図３を参照すると、行導体６０のそれぞれが別のラインの行マルチプレクサ１８０に接続されている。同様に、列導体５０のそれぞれが別のラインの列マルチプレクサ１３０に接続されている。データ信号および制御信号は、コントローラ２１０と行マルチプレクサ１８０および列マルチプレクサ１３０との間で、それぞれ制御ライン１４０および１５０を介してやり取りされる。記憶媒体９０は、制御された方法で位置決め変換器１６０、１７０、および２２０を介してアレイに対して直交する方向に移動することができる。変換器１６０および１７０は、ポリマー層９０の表面に平行な平面でアレイを動かす。変換器２２０は、アレイに対して垂直方向にアレイを動かす。作動時においては、コントローラ２１０は、書き込み操作中にアレイを駆動する書き込み信号、読み取り操作中にアレイを駆動する読み取り信号、およびポリマー層９０の表面に対するアレイ中のチップの動きを制御するために変換器１６０、１７０、および２２０を駆動する位置決め信号を生成する。またコントローラ２１０は、読み取り操作中にアレイからの出力を受信する。本発明の特に好ましい実施形態では、変換器１６０、１７０、および２２０は、圧電変換器、電磁変換器、またはそれらの組合せによって実装される。しかし他の実装が可能なことは理解できるであろう。コントローラ２１０は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または同様の制御装置、あるいは制御装置の集合によって実装することができる。

図４を参照すると、書き込み電流が選択されて、ポリマー層９０を局所的に変形させるのに十分なレベルまでチップ４０を加熱し、それによってチップ４０はポリマー層９０の表面をへこませ、直径約４０ｎｍのくぼみ１２０を残す。たとえば、チップ４０を約７００℃の温度まで加熱することによってＰＭＭＡフィルムを局所的に変形できることがわかる。任意選択の緩衝層１１０はＰＭＭＡフィルム９０よりも高い融点を有するため、浸透を止めてチップ４０が基板９０を侵食するのを防ぐ役割を果たす。くぼみ１２０は、ポリマー層９０よりも高い位置にあるポリマー材料のリング１９０によって囲まれている。第２の重なるくぼみ１２１が、破線で示されている。

また加熱エレメント３０は、温度に依存する抵抗を有するため、熱読み戻しセンサを提供する。データ読み取り操作中は、対応する行導体６０からカンチレバー１５を介して対応する列導体５０に加熱電流が流れる。したがって加熱エレメント４０が再び加熱される。ただしこの段階では、ポリマー層９０を変形させるほどの温度までは加熱しない。たとえば約４００℃の読み取り温度は、ＰＭＭＡフィルムを溶かすには不十分だが、許容できる読み取り性能を提供する。加熱エレメント３０とポリマー層９０の間の熱伝導性は、加熱エレメントとポリマー層９０の間の距離によって変化する。読み取り操作中は、ポリマー・フィルム９０の表面にわたってチップ４０を走査する。これは、ポリマー・フィルム９０に対してアレイを動かすことによって行うことができる。チップ４０がくぼみ１２０内に入ると、加熱エレメント３０とポリマー層９０の間の距離が減少する。加熱エレメント３０とポリマー層９０の間にある媒体が、加熱エレメント４０とポリマー層９０の間で熱を伝達する。加熱エレメント３０とポリマー層９０の間の熱伝達は、チップ４０がへこみ１２０内に入ると、より効率的になる。したがって加熱エレメント３０の温度、そして当然ながら抵抗が減少する。連続して加熱される加熱エレメント３０の行の温度変化は、並行してモニタすることができ、記録されたビットの検出が容易になる。

前述の加熱電流は、対応する行導体６０に加熱電圧パルスを加えることによって生成される。したがって加熱電圧パルスが行導体６０に加えられ、この行導体６０に接続された各センサ１０を介して加熱電流が流れる。したがって、アレイの対応する行内の加熱エレメント３０がすべて加熱される。次いで、記録されたデータがセンサ１０の加熱された行から並行して読み出される。このようにして、アレイの各行が多重化スキームに従って順次読み出される。本発明の好ましい実施形態では、記憶媒体は３ｍｍ×３ｍｍの記憶表面を提供する。

次いで図５に移ると、本発明の好ましい実施形態では、消去対象となる事前に記録されたデータ上に、互いに重なる新たなくぼみ１２１〜１２４を形成することによって、記録されたデータ・ビットを選択的に消去し、ポリマー層９０の表面を実質的に平坦にする。これを行うにあたって、本発明の特に好ましい実施形態では、前述の書き込み操作を実行して、互いに重なる密度の高い新たなくぼみ１２１〜１２４で消去対象のくぼみを上書きし、新たなくぼみがそれぞれ直前のくぼみを効果的に消去する。図６を参照すると、重なる新たなくぼみ１２１〜１２４が互いに溶け合い、消去対象のくぼみ１２０がポリマー層９０を実質的に平坦にする。前述のように、消去は完全でなくてもよい。一連の起伏２００がポリマー層９０の表面に残ってもよい。消去されたビットが、読み取り操作中にデータ・ビットとして検出されなければ十分である。もちろん、これはデータ読み取りの感度によるであろう。再び図３を参照すると、コントローラ２１０は消去モードで動作することができ、新たなくぼみ１２１〜１２４の形成を制御する。図５に戻ると、本発明のいくつかの実施形態では、不要なデータ・シーケンスを消去するために書き込まれるシーケンス中の新たなビットのうち最後のもの、たとえば新たなくぼみ１２４によって表されるビットなどが、記録対象となる新しいデータ・シーケンスの一部をなす形をとることもできる。本発明の他の実施形態では、不要なビットを消去するために新たなビットを書き込む際の密度を、表面に新たなビットがまったく記録されないような密度にすることができる。

図７を参照すると、ポリマー層９０の表面は安定または基底状態２３０および準安定状態２４０を有する。チップ４０を介して力F_ｗとエネルギーE_ｗの組合せを表面に加えることによって、チップ４０と接触した点で表面を変形させて、準安定状態２４０にする。次いで図７および図８を併せて参照すると、本発明の好ましい実施形態では、表面のある位置にチップ４０を配置し、チップ４０を介して力F_ｗとエネルギーE_ｗの組合せを表面に加えて、その位置で表面を変形させることによって、その位置にデータ・ビットが書き込まれる。図９を参照すると、変形箇所にチップ４０を配置し、チップ４０を介してエネルギーＥ_ｅを表面に加えることによって、データ・ビットが消去される。エネルギーＥ_ｅは、表面にデータ・ビットを書き込むのに要するエネルギーよりも小さくすることができ、かつ表面に記録されたデータ・ビットを読み取るのに要するエネルギーよりも大きくすることができる。あるいは、エネルギーＥ_ｅはエネルギーE_ｗと同等の大きさにすることもできる。いずれにしろエネルギーＥ_ｅは、表面を準安定状態２４０から安定状態２３０へと緩和させるのに十分な大きさである。消去操作では力F_ｗが減少し、本発明のいくつかの実施形態では力F_ｗを完全にゼロにすることができる。力F_ｗの軽減は変換器２２０を介して実施することができる。力F_ｗが軽減され、変形された表面にエネルギーＥ_ｅが加えられて分子を励起すると、表面が安定状態へと緩和するにつれて、表面における分子間の力Ｆ_ｍはチップ４０を押し出すのに十分な大きさとなる。前述のように、読み取り操作、書き込み操作、および選択的消去操作に要するエネルギーと力の異なる組合せが、コントローラ２１０によってアレイに提供される。

本明細書において前述した本発明の好ましい実施形態では、書き込み操作、読み取り操作、および選択的消去操作中に、熱の形態のエネルギーがチップ４０を介して表面に加えられる。しかし本発明の他の実施形態では、かかる操作中に異なる形態のエネルギーを表面に加えることもできる。

本発明を具現するデータ記憶装置のセンサを示す平面図である。 矢印Ａ−Ａ’の方向から見たセンサを示す横断面図である。 データ記憶装置を示す等角図である。 書き込み操作後のデータ記憶システムの記憶媒体を示す横断面図である。 選択的消去操作後の記憶媒体を示す横断面図である。 選択的消去操作後の記憶媒体を示す別の横断面図である。 記憶媒体の表面のエネルギー図である。 書き込み操作中の記憶媒体を示す横断面図である。 選択的消去操作中の記憶媒体を示す横断面図である。

符号の説明

１０ カンチレバー・センサ
１５ U字型シリコン・カンチレバー
２０ シリコン基板
３０ ヒータ・エレメント
３０ 加熱エレメント
４０ シリコン・チップ
４０ 加熱エレメント
５０ 列導体
６０ 行導体
７０ 凹部
８０ 中間ダイオード
９０ ポリマー層
９０ 記憶媒体
９０ ＰＭＭＡフィルム
９０ ポリマー・フィルム
１００ シリコン基板
１１０ 緩衝層
１２０ くぼみ
１２０ へこみ
１２１ くぼみ
１２２ くぼみ
１２３ くぼみ
１２４ くぼみ
１８０ 行マルチプレクサ
１３０ 列マルチプレクサ
１４０ 制御ライン
１５０ 制御ライン
１６０ 位置決め変換器
１７０ 位置決め変換器
１９０ リング
２００ 起伏
２１０ コントローラ
２２０ 位置決め変換器
２３０ 安定または基底状態
２４０ 準安定状態

Claims (8)

1. 温度に依存する抵抗を有する加熱エレメント（３０）とチップ（４０）を介して熱エネルギーと力の第１の組合せ（Ｅ_ｗ、Ｆ_ｗ）を表面（９０）に加えて前記表面を局所的に変形させて、データ・ビットを表すくぼみ（１２０）を前記表面に形成することによって前記データ・ビットを前記表面に書き込み、前記チップ（４０）が前記くぼみ（１２０）に入ることによる前記加熱エレメント（３０）の温度変化をモニタすることによって前記データ・ビットを検出するデータ記憶装置に記録されたデータを選択的に消去する方法であって、消去対象となる事前に記録された前記表面のくぼみに対して前記チップを介して、エネルギーと力の前記第１の組合せとは異なる第２の組合せ（Ｅ_ｅ、Ｆ_ｍ）を加えることで１つの前記データ・ビットを消去するステップと、消去対象となる事前に記録されたデータを表すくぼみに重なる新たなくぼみ（１２１〜１２３）を形成して前記表面を実質的に平坦にすることで前記データ・ビットの１サブセットを消去するステップとを含み、
   前記第２の組合せで加えられる前記熱エネルギーが、前記第１の組合せで加えられる前記熱エネルギーよりも小さく、かつ、前記データ・ビットを検出するために加えられる熱エネルギーよりも大きい方法。
2. 前記第１の組合せで加えられる前記力が、前記第２の組合せで加えられる前記力よりも大きい、請求項１に記載の方法。
3. 前記新たなくぼみを形成する前記ステップが、消去対象となる事前に記録されたデータを表す前記変形に対して前記新たなくぼみを相殺するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記新たなくぼみを形成する前記ステップが、それぞれが直前のくぼみに重なる新たなくぼみのラインを形成するステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. データ記憶表面（９０）と、前記表面と接し、それに対して移動可能なチップ（４０）と、温度に依存する抵抗を有する加熱エレメント（３０）と、書き込みモードでは、チップを介して熱エネルギーと力の第１の組合せ（Ｅ_ｗ、Ｆ_ｗ）を表面に加えて前記表面を局所的に変形させて、データ・ビットを表すくぼみ（１２０）を前記表面に形成するように動作可能で、読み込みモードでは、前記チップ（４０）が前記くぼみ（１２０）に入ることによる前記加熱エレメント（３０）の温度変化をモニタすることによって前記データ・ビットを検出するように動作可能で、消去モードでは、消去対象となる事前に記録された前記表面のくぼみに対して前記チップを介して、熱エネルギーと力の前記第１の組合せとは異なる第２の組合せ（Ｅ_ｅ、Ｆ_ｍ）を加える動作と、前記チップを制御して、消去対象となる事前に記録されたデータを表すくぼみに重なる新たなくぼみ（１２１〜１２３）を形成して前記表面を実質的に平坦にする動作とを選択的に動作可能なコントローラ（２１０）とを含むデータ処理システムであって、
   前記第２の組合せで加えられる前記熱エネルギーが、前記第１の組合せで加えられる前記熱エネルギーよりも小さく、かつ、前記データ・ビットを検出するために加えられる熱エネルギーよりも大きいデータ処理システム。
6. 前記第１の組合せで加えられる前記力が、前記第２の組合せで加えられる前記力よりも大きい、請求項５に記載のシステム。
7. 前記コントローラが、消去対象となる前記事前に記録されたデータを表す前記変形に対して前記新たなくぼみを相殺するステップを制御するように動作可能な、請求項５に記載のシステム。
8. 前記コントローラが、それぞれが直前のくぼみに重なる新たなくぼみのラインを形成するために、前記チップに対する制御を行うように動作可能な、請求項７に記載のシステム。

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