DE3018529A1 - Informations-aufzeichnungsmedium sowie aufzeichnungs- und wiedergabevorrichtung unter verwendung eines solchen aufzeichnungsmediums - Google Patents
Informations-aufzeichnungsmedium sowie aufzeichnungs- und wiedergabevorrichtung unter verwendung eines solchen aufzeichnungsmediumsInfo
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Description
^ Registered Representative·
before the t European Patent Office
Nippon Hoso Kyokai und MöhtetraBe37
Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, D-8000 München 80
Tokio bzw. Kawasaki-shi, Japan Te)Όθθ/θβ2085-67
Telex: 0529802 hnM d Telegramme: ellipsoid
TI-55P344-3
11», M^t 1980
Informations-Aufzeichnungsmedium sowie Aufzeichnungsund
Wiedergabevorrichtung unjber Verwendung eines solchen
Aufzeichnungsmediums
Die Erfindung betrifft ein Informations-Aufzeichnungsmedium mit
einem Halbleiterelement in Form von z.B. einer Scheibe oder Platte sowie eine Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung unter
Verwendung eines solchen Aufzeichnungsmediums.
Als Informations-Aufzeichnungs- und -Wiedergabesysteme mit plattenförmigem
Aufzeichnungsmedium sind solche Systeme bekannt, die
magnetische, optische und elekstrostatische Kapazitäts-Video- bzw. -Bildplatten verwenden. Eine magnetische Videoplatte ermöglicht
dabei nur eine sehr geringe Informationsaufzeichnungsdichte;
im Fall einer Magnetplatte mit einem Durchmesser von 40 cm beträgt die Aufzeichnungsdauer für das Videosignal auf jeder Seite
nur 7,5s.
Andererseits ermöglicht die optische Video- bzw. Bildplatte eine
Aufzeichnung mit hoher Dichte, da hierfür eine Scheibe oder Platte aus einem Kunststoff verwendet und als Aufzeichnungs- und Auslese-
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element ein Laserstrahl benutzt wird. Bei einem Plattendurchmesser
von 30cm läßt sich dabei bespielsweise eine 30- bis 60-minütige Videosignalaufzeichnung unterbringen. Bei diesem
optischen System ist jedoch eine physikalische oder chemische
Behandlung erforderlich, um eine Platte zu erhalten, aus welcher
das aufgezeichnete Signal nach dem Einschreiben ausgelesen
werden kann; dies bedeutet, daß das Aufzeichnungssignal nicht unmittelbar nach der Einschreibung (Aufnahme) ausgelesen
werden kann. Sobald eine Information einmal aufgezeichnet worden ist, läßt sie sich zudem nicht ohne weiteres ändern.
Für die Neuaufzeichnung oder Neueinschreibung von Informationen
ist eine ähnliche chemische oder physikalische Behandlung wie nach der (Erst-)Aufzeichnung erforderlich, und eine Umschreibung
aller Informationen oder eines Teils derselben unmittelbar
nach der Aufzeichnung ist nicht möglich.
Die mit elektrostatischer Kapazität arbeitende Bildplatte besitzt
ähnliche Vor- und Nächteile wie die optische Bildplatte.
Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines
verbesserten Informations-Aufzeichnungsmediums und einer dieses
verwendenden Aufzeichnungs/Wiedergabevorrichtung, die ein Auslesen,
d.h. Wiedergeben, der Informationen unmittelbar nach dem Einschreiben, d.h. Aufzeichnen, zulassen und wobei zudem ein Teil
der aufgezeichneten Informationen oder alle Informationen ohne weiteres und ohne die Notwendigkeit für eine physikalische oder
chemische Behandlung umschreibbar bzw. änderbar sind, während gleichzeitig auch die Informationsaufzeichnung mit hoher Aufzeichnungsdichte
möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen
gekennzeichneten Merkmale gelöst. 'W. ■ ^ ·..'■>
... i ·ι
Das erfindungsgemäße Aufzeichnungsmedium besteht aus einem Halbleiterelement
mit einem Aufbau, der dadurch erhalten wird, daß zunächst ein erster Isolierfilm in Form einer dünnen Oxidschicht
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_ <i
mit einer Dicke entsprechend einem Mehrfachen von 10 Ä auf
einem Halbleitersubstrat aus z.B. mono- oder polykristallinem Silizium ausgebildet und sodann auf der Oxidschicht ein zweiter
Isolierfilm mit Ladungsspeicherfunktion, z.B. ein Siliziumnitridfilm,
mit einer Dicke von nicht mehr als 1000 X geformt wird. Als "Schreibstift" bzw. Stichel oder Nadel (stylus) für
die Aufzeichnung, das Löschen und das Auslesen von Informationen kann beispielsweise eine durch Aufbringen einer Metallelektrode
auf die eine Seitenfläche eines harten, isolierenden Körpers hergestellte Saphirnadel benutzt werden, die in Berührung mit
der Oberfläche der Halbleiterplatte eine in dieser Fläche ausgebildete Aufzeichnungsspur abläuft. Dabei wird eine Signalspannung
entsprechend einem Mehrfachen von 10 V zwischen der Elektrode der Nadel und dem Halbleitersubstrat angelegt, und
eine elektrische Ladung wird durch den Oxidfilm hindurch entsprechend dem Signal in im Nitridfilm geformte Haftstellen
(traps) injiziert, um die Einschreibung oder Aufzeichnung durchzuführen.
Bei dieser Einschreibung wird eine Verarmungsschicht-Kapazität, die sich entsprechend der Größe der injizierten elektrischen
Ladung ändert, in einem mit dem Nitridfilm in Berührung stehenden Bereich gebildet. Die aufgezeichnete Information kann somit durch
Abtastung oder Abgreifen der Änderungen der Verarmungsschicht-Kapazität bei der Bewegung der Nadel ausgelesen werden. Beispielsweise kann eine zerstörungsfreie Auslesung dadurch erfolgen, daß
der Nadelelektrode ein Hochfrequenzsignal aufgeprägt wird und die Änderungen der genannten Verarmungsschicht-Kapazität mittels
der Bewegung der Nadelelektrode abgegriffen werden. Zum Löschen einer aufgezeichneten Information kann die in die Haftstellen des
Nitridfilms injizierte elektrische Ladung durch Entladung beseitigt werden, indem zwischen Nadelelektrode und Halbleitersubstrat
eine Spannung der entgegengesetzten Polarität wie beim Aufzeichnen angelegt wird.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer
Halbleiter-Speicherplattenvorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines an sich bekannten leistungslosen MNOS-Halbleiterspeicher,
Fig. 3 ein graphische Darstellung der Beziehung zwischen der an den MNOS-Speicher angelegten Spannung und seiner Ladungsspeicherdichte,
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der
Informationsaufzeichnung auf einer Halbleiter-Speicherplatte
gemäß der Erfindung,
Fig. 5 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung zur Veranschaulichung des
Vorgangs der Informationsauslesung aus der Speicherplatte,
Fig. 6 eine in stark vergrößertem Maßstab gehaltene perspektivische
Darstellung des Spitzenteils eines Stichels bzw. einer Nadel, der bzw. die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Aufzeichnen, Löschen und Auslesen von Informationen benutzt wird,
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Zustands, in welchem die Nadel in eine Aufzeichnungsspur in der Oberfläche der
Halbleiter-Speicherplatte eingreift, und
Fig. 8 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer abgewandelten
Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau eigner Halbleiter-Speicherplatte
gemäß der Erfindung. Ein Teil 10 der Speicherplatte dient dabei als Informations-Aufzeichnungsmedium, welches den sogenannten
"Massiv"- oder "Vollplatten"-NOS- bzw. Nitrid-Oxid Halbleiter-Aufbau besitzt, der beispielsweise dadurch erhalten
wird, daß ein etwa 2Q-X dicker SiO3-FiIm 12 auf einem scheiben-
oder plattenförmigen n- oder p-Typ-Siliziumsubstrat 11 und auf
dem SiO-FiIm ein etwa 500 A* dicker Si-N-FiIm 13 geformt wird.
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Als "Schreibstift" bzw. Nadel für das Aufzeichnen, Löschen und Auslesen von Informationen aus diesem Aufzeichnungsmedium 10
wird eine mit dessen Oberfläche in Berührung stehende Metallelektrode 14 benutzt. Beim Aufzeichnen, Löschen und Auslesen
von Informationen wird eine entsprechende Signalspannung V_
zwischen die Metallelektrode 14 und das Siliziumsubstrat 11 angelegt, und die Metallelektrode 14 wird, während das Signal
an ihr anliegt, relativ zum Aufzeichnungsmedium 10 über dieses
bewegt. Im praktischen Gebrauch ist das Siliziumsubstrat 11
unmittelbar auf einen aus Metall bestehenden Dreh- bzw. Plattenteller aufgelegt, wobei das Spannungssignal V zwischen der
Metallelektrode 14 und dem nicht dargestellten Plattenteller anliegt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß das Aufzeichnungsmedium 10 mit_
dem NOS-Aufbau in seinem mit der Metallelektrode 14 in Berührung stehenden Zustand praktisch der Konstruktion eines an sich
bekannten MNOS-Kondensators 10a äquivalent ist, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 2 sind die den Teilen von
Fig. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern, zuzüglich eines angehängten Buchstabens "a" bezeichnet. Der MNOS-Kondensator
10a besitzt bekanntlich eine Hysterese-Kennlinie gemäß Fig. 3, in welcher auf der Ordinate die Dichte der im
Nitridfilm 13a gespeicherten Ladung und auf der Abszisse die Elektrodenspannung V_ aufgetragen sind. Mit anderen Worten:
(ja
Dieser Kondensator wirkt als Speicher. Erfindungsgemäß kann die
Konstruktion, bei welcher die Metallelektrode 14 über das NOS-Aufzeichnungsmedium 10 bewegt wird, als effektiv einer Konstruktion
äquivalent angesehen werden, bei welcher eine Vielzahl von MNOS-Kondensatoren 10a fortlaufend (aufeinanderfolgend)
vorgesehen sind.
Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Halbleiter-Speicherplatte bei der Aufzeichnung und zerstörungsfreien
Auslesung von Informationen erläutert.
Das Aufzeichnen erfolgt zunächst durch Anlegung der Spannung V_
zwischen das Siliziumsubstrat 11 und die Metallelektrode 14.
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Wenn die Spannung Vr an die Metallelektrode 14 angelegt wird,
können sich Elektronen (oder Elektronenmangelstellen) aufgrund des Tunneleffekts durch den SiO2-FiIm 12 verlagern bzw. bewegen,
um die, Haftstellen in der Si_N .-Schicht 13 zu erreichen und in
diesen festgehalten zu werden. Wenn die Ladungsdichte (Zahl der
Ladungseinheiten pro cm ) mit Q/q bezeichnet wird, erhalt man
im allgemeinen die Hysteresekurve gemäß Fig. 3. Wenn sich die Metallelektrode 14 in Richtung des gestrichelten Pfeils gemäß
Fig. 4 aus der in ausgezogenen Linien eingezeichneten Stellung
in die gestrichelt eingezeichnete Stellung bewegt, während gleichzeitig die Spannung VQ von + 30 V auf - 30 V geändert
wird,, wird die Si-O.-Schicht 13 entsprechend aufgeladen,
d.h. zunächst negativ und sodann positiv. Tatsächlich dreht sich die Halbleiter-Speicherplatte 10 in Richtung des ausgezogen
eingezeichneten Pfeils (Fig. 4) relativ zu der als Schreibstichel
und Abtastnadel wirkenden Metallelektrode 14, zur Vereinfachung
der Beschreibung sei jedoch angenommen, daß sich die Metallelektrode
bzw. Nadel 14 relativ zur Speicherplatte bewegt. Die Ladungs-
. 2.1 12
dichte erreicht zu diesem Zeitpunkt eine Größe von 10 bis 10 /cm
Durch Anlegung einer Spannung V_ entsprechend einem Aufzeichnungssignal
kann mithin eine Aufzeichnung vorgenommen werden, bei welcher die Ladung als Informationsträger dient. Bei der Aufzeichnung
eines Fernseh- bzw. Videosignals wird im allgemeinen ein frequenzmoduliertes
(FM) Videosignal aufgezeichnet. In diesem Fall erfolgt die Informationsaufzeichnung in Form von Bereichen vorhandener und
fehlender Ladung anstelle von Ladungsgrößenänderungen. Dasselbe
gilt auch für die digitale Signalaufzeichnung.
Nachstehend ist das Verfahren zum Auslesen der Informationen, die
in Form der entsprechenden Ladung aufgezeichnet sind, im einzelnen
erläutert. Gemäß Fig. 4 sei angenommen, daß bei der negativen
Aufladung des Si3N4-FiImS 13 eine Verarmungsschicht lld im η Siliziunisubstrat
11 entsteht. In diesem Fall lassen sich die Kapazität C_ des Si^N.-Films 13 und die Kapazität C der Verarmungsschicht
lld pro Flächeneinheit wie folgt ausdrücken:
Λ co * *n VdT
- 10 -
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cv -. si o/tm ■
dahin bedeutend: d = Dicke des Si^N -Films 13, tm = Dicke
der Verarmungsschicht lld im Siliziumsubstrat und y und y . _
spezifische induktive Kapazität von Si_N bzw. Si. In obigen
Gleichungen ist die Kapazität C des Si N.-Films konstant, während sich die Kapazität C der Verarmungsschicht lld ändert,
weil sich die Dicke tm der Verarmungsschicht lld entsprechend dem Ladungsspeicherzustand des Si N.-Films 13, d.'h. entsprechend
dem Aufzeichnungszustand ändert. Die Feststellung bzw. Abgreifung des Ladungszustands, d.h. die Auslesung der aufgezeichneten Information,
kann somit durch Erfassung der Änderungen der Kapazität C in der Verarmungsschicht lld erfolgen. Fig. 5 veranschaulicht
ein spezielles Beispiel für eine Möglichkeit zur Erfassung der Kapazitätsänderungen.
Dabei wird eine als Lese- bzw. Abtastnadel dienende, mit der Oberfläche des Nitridfilms 13 des Aufzeichnungsmediums
10 in Berührung stehende Metallelektrode 51 mit einem Wechselspannungssignal
von z.B. 1 MHz - 0,5 V (Mittelwert) gespeist und längs einer im Aufzeichnungsmedium 10 ausgebildeten Spur relativ
"zu diesem Medium über dieses bewegt, wobei die Kapazitäten der im
Aufzeichnungsmedium 10 vorhandenen Verarmungsschichten lld - 1, lld - 2 usw. gemessen werden. Zur Nachführung der Abtastnadel über
die Informationsaufzeichnungsspur kann ein Nachführmechanismus verwendet werden wie er auf Seiten 43-47 von NIKKEI ELECTRONICS
vom 30. Oktober 1978 beschrieben ist.
Beim Auslesen des aufgezeichneten Signals müssen die Änderungen
der Kapazität C der Verarmungsschicht gemessen bzw. erfaßt werden, während es nicht nötig ist, die tatsächliche Größe der Kapazität zu ermitteln. Für die Informationsauslesung kann somit ein
System verwendet werden, welches die Kapazitätsänderungen als entsprechende Frequenzänderungen mittels einer Detektor- oder Meßfühlerschaltung
in einer Oszillatorschaltung ausliest, wie dies in RCA .Review
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-Xi-
(VoI. 39,.-März- 1978, Seite 39) beschrieben ist. Diese Literaturstelle
beschreibt die Anwendung eines Wechselspannungsignals von 915 MHz, 10V als Lesesignal. Bei einer Signalamplitude
dieser Größe erfolgt keine Zerstörung der Speieherladung.
Das CN- bzw. Träger/Rauschen-Verhältnis des ausgelesenen bzw.
abgetasteten Signals bestimmt sich durch Schwankungen der Quantität der Speicherladung, d.h. der Zahl N von Elektronen,
die in der Kontaktelektroden-Öffnungsgröße vorhanden sind, nämlich
in der Fläche, auf welcher die Spitze der Nadel 14 mit dem Film 13 in Berührung steht. Da die Lädungselektronendichte Q im
12 2 T
Si ..N -Film 13 einen Wert von 10 /cm erreicht, sind bei einer
■■"".. 3
Apertur- bzw. Offnungsgröße von (1,5 χ 0,2) 3 χ 10 Elektronen
in der Öffnungsfläche enthalten. In diesem Fall beträgt die
Schwankung oder Fluktuation b = 1/ <^W = 0,018, so daß ein
CN-Verhältnis bzw. Rauschabstand von 35 dB erreicht werden kann. Dies entspricht praktisch dem Rauschabstand, der bei den derzeit
verfügbaren magnetischen Aufzeichnungs- und Wiedergabesystemen
gegeben ist. Bei einem System, bei welchem ein nach dem NTSC-System
geformtes Fernsehsignal mittels Frequenzmod 1ation aufgezeichnet
wird, ist ein Trägersignalband von mindestens 15 MHz erforderlich,
wobei die informationen in einer Zeitspanne von höchstens 20 ns eingeschrieben werden müssen. Zu diesem Zweck wird typischerweise
eine Einschreib- bzw. Aufzeichnungsspannung von etwa 50 V benötigt;
hierbei beträgt die Dicke des Si0„-Films 12 20 %, während der
Si_N.-Film 13 eine Dicke von 550 Ä besitzt. In diesem Fall wird
3 4 11 2
im Nitridfilm 13 eine Lädungselektronendichte von etwa 10 /cm
erreicht. Der durch den Si-N.-Film 13 fließende Strom ändert sich
3 4
dabei jedoch exponentiell mit der anliegenden Spannung, wobei dieser
Strom im Vergleich zu einem durch einen Oxidfilm derselben Dicke fließenden Strom groß ist, so daß vorteilhaft die Einschreibspannung zur Erzielung einer stabilisierten SDeichercharakteristik
reduziert wird. Durch Verkleinerung der Dicke des Si0„-Films 12
kann praktisch eine Speicher-Lädungselektronendichte derselben
Größenordnung erreicht werden. Zur Gewährleistung einer Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung
mit niedrigerer Spannung können weiter-
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hin beabsichtigt Ladungshaftstellen vorgesehen werden, indem ein
Metall hohen Schmelzpunkts, wie Wolfram, längs der Grenzschicht zwischen SiO„-Film 12 und Si_N.-Film 13 angeordnet wird.
Nach der allgemeinen Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus und des Grundprinzips der Aufzeichnung und Wiedergabe bei der
erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im folgenden deren einzelne Bauteile näher beschrieben.
Zunächst ist ein Verfahren zur Herstellung des Aufzeichnungsmediums
erläutert. Der sehr dünne Oxidfilm 12, der auf dem Halbleitersubstrat 11 (z.B. vom η-Typ) vorgesehen ist, wird dadurch geformt, daß
das Substrat bei einer Temperatur von 800°C etwa 30 Minuten lang ι in einer mit einem Inertgas, wie Argon (Ar), verdünnten Sauers-toff—
bzw. 0 -Atmosphäre belassen wird. Außerdem kann dieser dünne
· ο Film durch Wasserdampfoxidation bei etwa 600 C hergestellt werden.
Neben diesen Hochteaperatur-Oxidationsverfahren ist es auch möglich,
ein Niedertemperatur-Oxidationsverfahren unter Verwendung von siedend heißer, konzentrierter Salpetersäure anzuwenden. Nach
der Ausbildung des Oxidfilms 12 kann auf diesem der Siliziumnitridfilm 13 nach einem beliebigen Verfahren hergestellt werden. Ein
Beispiel für ein solches Verfahren ist ein Aufdampfverfahren.
Bei diesem Verfahren können als Reaktionsgas Gaskombinationen wie (SiH., NH3) (SiH Cl , NH-) und (SiHCl3, NH ) verwendet werden.
In jüngster Zeit ist auch ein Verfahren entwickelt worden, bei dem zur Herstellung eines Siliziumnitridfilms 13 ein Plasma in
einem Gasgemisch aus SiH NH erzeugt wird. Der Siliziumnitridfilm
13 kann nach einem dieser Verfahren hergestellt werden. Wenn in Abwandlung zwangsweise Ladungshaftstellen von außen her in
das Aufzeichnungsmedium 10 eingeführt werden, wird zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Behandlung ein hochschmelzendes
Metall, wie Wolfram oder Molybdän, in Form einer Schicht mit einer Dicke entsprechend einem Einzelatom oder einer anderen entsprechenden
Dicke zwischen dem SiO0-FiIm 12 Und dem Si3N4-FiIm
vorgesehen. Zu diesem Zweck kann ein langsam durchgeführtes Vakuumaufdampfverfahren
oder Molekülstrahl-Epitaxie-Verfahren angewandt werden. Ebenso ist die Anwendung eines auf chemischen Reaktionen
basierenden Verfahrens möglich. Je nach dem zu speichernden Informationsgehalt
kann die erfindungsgemäße Konstruktion noch wirk-
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samer gestaltet werden, wenn als letzter Verfahrensschritt
bei der Herstellung eine Wärmebehandlung unter geeigneten Bedingungen
angewandt wird.
Im folgenden ist der Schreibstift bzw. die Nadel 14 zum Einschreiben,
Löschen und Auslesen von Informationen erläutert. Gemäß Fig. 6 besitzt diese Nadel 14 eine Konstruktion, bei welcher
eine Metallelektrode 62 aus Tantal oder Titan auf die eine Seite
eines harten Isolators 61, wie Saphir oder Diamant, aufgebracht ist. In Fig. 6 ist nur der Spitzenteil der Nadel 14 veranschaulicht.
Dabei hat die mit dem Aufzeichnungsmedium in Berührung
stehende Kontaktfläche der Metallelektrode 62 den größten Einfluß auf die Aufzeichnungsleistung. Insbesondere bestimmt die
Breite W der Metallelektrode 62 (üblicherweise 1-2 pm) die Breite der Aufzeichnungsspur, und die Dicke T der aufgetragenen
Metallelektrode 62 (normalerweise ·0,1 - 0,2 μτα) stellt einen
der Faktoren dar, welcher die kürzeste Aufzeichnungswellenlänge bestimmt. Der Isolator 61 aus Saphir oder Diamant dient lediglich
als Träger für die Elektrode 62. Zur Gewährleistung eines zufriedenstellenden
Kontakts zwischen der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums 10 mit NOS-Struktur und der Spitzenflache der Elektrode
wird ein sogenannter Auflagedruck ausgeübt, der vorzugsweise mög-
2 liehst gleichmäßig über die gesamte Spitzenfläche von 70 um kann
mit einem Auflagedruck von etwa 40 mg in der Praxis ein zufriedenstellender Kontakt zwischen der Elektrode 62 und der Oberfläche des
Aufzeichnungsmediums 10 erzielt werden; der Flächendruck beträgt
dabei 60 kg/cm . Bei einer Langspielschallplatte beträgt zum
'2 Vergleich der Nadelauflagedruck 1000 kg/cm . Wenn die Elektrode
die rechteckige Form gemäß Fig. 6 besitzt, bleiben Aufzeichnungsspurbreite und Aufzeichnungswellenlänge auch dann unverändert,
wenn der Saphir oder dergleichen bestehende Träger 61 bis zu der durch die strichpunktierte Linie 63 in Fig. 6 angedeuteten
Höhe abgenützt ist. Wenn somit die Abtastnadel nach einer (linearen) Laufstrecke von z.B. 40000 km unter dem angegebenen Auflagedruck
bis zur Höhe der strichpunktierten Linie 63 abgenützt ist, tritt während einer Betriebszeit von etwa 1000 Stunden bei einer mittleren
Geschwindigkeit von 10 m/s keine Verschlechterung der Aufzeich-
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nungs- oder Wiedergabeleistung auf. Wenn Siliconöl als Schmiermittel auf die Fläche des Aufzeichnungsmediums 10 aufgetragen
wird, kann ein zufriedenstellender Kontakt zwischen der Metallelektrode 62 und dem Si^N4-FiIm 13 gewährleistet und außerdem
das Eindringen von Luft verhindert werden, die eine niedrige spezifische induktive Kapazität besitzt.
Bei der beschriebenen Vorrichtung gemäß der Erfindung erfolgt also die Aufzeichnung nicht auf magnetischem Wege, sondern elektronisch,
wodurch ein zerstörungsfreies Einschreiben, Löschen und Auslesen bzw. Abtasten möglich wird. Wie im Fall der magnetischen
Aufzeichnung ist außerdem keine chemische oder physikalische Behandlung zwischen dem Einschreiben und dem anschließenden Auslesen
erforderlich, vielmehr kann die Aufzeichnung unmittelbar nach dem Einschreiben zerstörungsfrei ausgelesen bzw. abgetastet werden.
Der wichtigste Vorteil der erfindüngsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß sie eine Aufzeichnung mit hoher Dichte zuläßt. Mit
anderen Worten: eine zufriedenstellende Aufnahme- und Wiedergabeleistung
läßt sich auch dann erzielen, wenn die Elektroden-Kontaktfläche (W χ T beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6) 1,5 χ 0,2 /im
beträgt, d.h. mit einem Aufzeichnungsspurabstand von 1,5 Jim und einer
kürzesten Aufzeichnungswellenlänge von 0,4 um.Die anderen Faktoren,
welche die kürzeste Aufzeichnungswellenlänge, d.h. die Aufzeichnungsdichte,
bestimmen, sind die Dicke des Si-N -Films 13 und die Dicke der Verarmungsschicht lld (Fig. 4). Diese Größen können mit weniger
als 0,1 pm. festgelegt werden.im Vergleich zur derzeit im Handel erhältlichen Magnetplatte kann somit die Aufzeichnungsdichte um drei
Größenordnungen (d.h. um ein mehrfaches von 1,000) erhöht werden, während sich die Aufzeichnungswellenlänge um etwa eine Größenordnung
vergrößert und der Spurabstand um etwa zwei Größenordnungen
kleiner wird. Dies bedeutet, daß bei gleichem Plattendurchmesser auf einer Plattenseite ein Videosignal einer Dauer von mehreren
Stunden aufgezeichnet werden kann. Während zur Verhinderung unerwünschter Schwingungen der Plattenoberfläche oder der Plattenachse
im Hinblick auf die Verkleinerung der Spurbreite sehr hohe Präzisionsanforderungen
an den Platten-Drehmechanismus zu stellen sind,
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ist die hierbei erforderliche Präzision nur geringfügig höher als für ein Mutterplatten-Aufzeichnungsgerät für herkömmliche optische
Videoplatten, so daß eine derartige Präzision technisch ohne weiteres
realisiert werden kann.
Da erfindungsgemäß weiterhin die Informationsauslesung durch
Erfassung von Änderungen der elektrostatischen Kapazität erfolgt, kann für die Informationsauslesung bzw. -wiedergabe ein elektrostatisches
Kapazitäts-Videoplattengerät benutzt werden. Insbesondere ist bei der Anordnung gemäß Fig. 7, bei welcher im Aufzeichnungsmediüm10
eine bei Einschreibung, Löschung und Auslesung von Informationen durch die Nadel 14 in Richtung des Pfeils abgetastete Spurrille
71 ausgebildet ist, kein Servo-Nachführmechanismus er- . forderlich, so daß zur Wiedergabe ein übliches, mit elektrostatischer Kapazität arbeitendes RiI1enabtast-Videoplattenabspielgerät
ohne weitere Abwandlung benutzt werden kann.
Als Halbleitersubstrat für das erfindungsgenäße Aufzeichnungsmedium
bietet sich vom Standpunkt der Handhabung eine Siliziumkristall-Plätte
bzw. -Scheibe als zweckmäßig an. Bei der Herstellung z.B. einer Videoplatte aus einer solchen Scheibe sind jedoch dem größtem
Plattendurchmesser Grenzen gesetzt. In der Entwicklungsstufe wurden
jedoch bereits Platten mit 30 cm Durchmesser hergestellt, und bei Verwendung eines Einkristallblocks mit einer Länge von 30 cm
und einem Durchmesser von 30 cm können aus diesem Block nahezu 100 Siiiziumscheiben mit einer Dicke von 5 mm und einem Durchmesser
von 30 cm hergestellt werden. Ähnliche Vorteile wie mit einer Einkristalischeibe
werden auch mit einer Scheibe oder Platte 10a mit dem Aufbau gemäß Fig". 8 erzielt, die dadurch hergestellt worden
ist, daß durch chemisches Aufdampfen polykristallines Silizium 11p
in Form einer Schicht oder Scheibe auf die Oberfläche einer Glasplatte
81 aufgebracht wird und sodann auf dieser Schicht 11p der
. Si-Qy-Fiim. 12 und der Si-N-FiIm 13 ausgebildet werden. Nach einem
herkömmllcheh chemischen Polierverfahren kann weiterhin auf der
Plattenoberfläche ein Rauheitsgrad Von etwa 10 A erzielt werden,.
Der SiOy-FiIm 12 und der durch chemisches Aufdampfen hergestellte
• . .--.-· './--■■ . ./«■ ■ . '.. . */; ' · - 16 -1^
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Si N -Film lassen sich sehr einfach nach üblichen Verfahren ausbilden.
Da der Si,N.-Film sehr hart ist, dient er gleichzeitig
auch als Schutzschicht. Im Gegensatz zur Herstellung von Magnetplatten ist es dabei auch nicht nötig, eine harte (Grund-)
Schicht, eine magnetische Metallisierungsschicht und eine Schutzschicht
auf eine Aluminiumplatte aufzulaminieren, so daß die
Fertigungskosten im Vergleich zu einer Magnetplatte verhältnismäßig niedrig sind. Die Defektstellendichte von monokristallinem
Silizium beträgt derzeit etwa eine Defektstelle pro cm und ist damit um zwei Größenordnungen niedriger als die angekündigte
Defektstellendichte von einer Defektstelle pro 1 mm bei Videomasterplatten.
Diese Defektstellen lassen sich somit mit Hilfe eines gewöhnlichen Signalausfallunterdrückers ausreichend unterdrücken.
Als Aufnahme-, Lösch- und Wiedergabenadel läßt sich prinzipiell, ähnlich wie ein Magnetkopf für Magnetaufzeichnung, ein und dieselbe
Nadel verwenden, so daß nur eine einzige Nadel erforderlich ist. Diese Nadel besitzt jedoch aufgrund ihres in Verbindung mit Fig.
beschriebenen Aufbaus im Vergleich zu einem Magnetkopf eine einfache
Konstruktion. Dabei ist die Nadel außerdem so ausgebildet, daß bei einer Abnützung der Spitzenfläche des Isolators 61 aus Saphir oder
Diamant zusammen mit der Elektrode Breite und Dicke der Nadel unverändert
bleiben, so daß eine derartige Abnützung keinerlei ungünstigen Einfluß auf Aufnahme und Wiedergabe hat.
Als leistungslose Speicher sind MNOS-Randomspeicher entwickelt worden; die Verschlechterung der Eigenschaften derartiger Speicher
bei wiederholtem Einschreiben und Löschen stellt jedoch eines der derzeit noch zu lösenden Probleme dar. Aus der Literatur geht
beispielsweise hervor, daß die Verschlechterung der Eigenschaften
4
nach 10 —maliger Wiederholung einsetzt. Auch wenn dies der Fall ist, tritt dann, wenn das Aufzeichnungsmedium beispielsweise als Videoplatte benutzt wird, bei welcher Aufzeichnung und Löschen pro Tag 10 mal wiederholt werden, während einer Zeitspanne von mindestens drei Jahren keine Verschlechterung der Eigenschaften auf. Speziell bei Verwendung der Platte für die Zusammenstellung
nach 10 —maliger Wiederholung einsetzt. Auch wenn dies der Fall ist, tritt dann, wenn das Aufzeichnungsmedium beispielsweise als Videoplatte benutzt wird, bei welcher Aufzeichnung und Löschen pro Tag 10 mal wiederholt werden, während einer Zeitspanne von mindestens drei Jahren keine Verschlechterung der Eigenschaften auf. Speziell bei Verwendung der Platte für die Zusammenstellung
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von Fernsehübertragungsprogrammen sind derart häufige Einschreib- und
Löschvorgänge im normalen Arbeitsverlauf die Ausnahme. Andererseits ist bekannt, daß die zerstörungsfreie bzw. löschfreie Wieder-
gäbe bis zu 10 mal möglich ist. Dies bedeutet, daß keine Verschlechterung
der Bildqualität auftritt, auch wenn ein und dasselbe Bild
9
10 -mal in Stehbildwiedergabe reproduziert worden ist, d.h. auch dann nicht, wenn die Bildwiedergabe ein Jahr lang ununterbrochen durchgeführt wird.
10 -mal in Stehbildwiedergabe reproduziert worden ist, d.h. auch dann nicht, wenn die Bildwiedergabe ein Jahr lang ununterbrochen durchgeführt wird.
Da die erfindungsgemäße Speicherplattenvorrichtung die Aufzeichnung
mit hoher Dichte und eine Wiedergabe unmittelbar nach der Aufzeichnung oder Aufnahme und ohne die Notwendigkeit für irgendeine
chemische oder physikalische Behandlung zuläßt, besitzt sie einen weiten Anwendungsbereich. Insbesondere eignet sie sich für
die Zusammenstellung oder Aufzeichnung von Fernsehprogrammen, wobei sie die auf diesem Gebiet an sie zu stellenden Anforderungen
erfüllt. Bei der Herstellung und Zusammenstellung von Fernsehprogrammen
müssen sich verschiedene Spezialeffekt-Wiedergaben einfach durch unterschiedliche Anordnung von Grundwörtern erreichen lassen,
von denen jedes durch ein Reihensignal für ein Videosignalfeld
(von 33 m/s von einem Vertikalsynchronsignal beim NTSC-System bis zum nächsten) gebildet wird. Bisher erfolgte diese Programmzusammenstellung
mittels eines Video-Magnetbandgeräts. Dabei sind eine Schneideinrichtung, in welcher das bespielte Band geschnitten
wird und die gewünschten Bandabschnitte miteinander verbunden werden, sowie eine Dupliziereinrichtung vorgesehen, bei welcher zwei
Videomagnetbandgeräte gleichzeitig laufen und das aufgezeichnete Material nach jedem Schnitt von einem Gerät auf das andere überspielt
wird, um auf diese Weise das endgültige Programmband herzustellen. In der Schneidstation ist für das Schneiden und Spleißen
des Bands ein ziemlich großer Arbeitsaufwand erforderlich. Das Duplizieren bzw. Kopieren nimmt ebenfalls viel Zeit in Anspruch,
weil dabei der Anfangspunkt eines aufgezeichneten Programms festgestellt
werden muß und außerdem das Originalband und das Masterbzw. Kopieband zusätzlich transportiert und bei jedem Schnitt im
Schnellvorlauf bis zur nächsten Schnittstelle bewegt werden müssen,
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bis das Programmband fertiggestellt ist. Die für die zusätzlichen Arbeiten nötige Zeit beträgt das Zehnfache der eigentlichen
Kopierzeit. In jedem Fall ist eine derartige Bearbeitung umständlich und zeitraubend. Im Zuge der Miniaturisierung von
Farbfernsehkameras und Videomagnetbandgeräten werden zunehmend entsprechende Videomagnetbandaufnahmen im Freien durchgeführt,wobei
jedoch die Arbeit der Programmzusammenstellung sehr mühsam ist und daher eine Automatisierung dieser Programmzusammenstellungsarbeit
angestrebt wird. Die erfindungsgemäße Speicherplatte ist für diesen
Zweck außerordentlich vorteilhaft. Wenn nämlich die Speicherplatte
so ausgelegt wird, daß bei einer Umdrehung jeweils ein Bildfeld aufgezeichnet wird, sind die Signale benachbarter Bildfelder
im Aufzeichnungsspurabstand (üblicherweise 1-2 iim) voneinander
entfernt, so daß die Abtastnadel innerhalb der Zugriffzeit (d.h. der Vertikal-Austastperiode) von 1 ms über ein Mehrfaches
von 10 um bewegt werden kann und 'somit, innerhalb dieser Zeitspanne eine
weiteres ein Zugriff zu den in mehr als 10 Bildfeldern enthaltenen
Informationen möglich ist. Weiterhin können zwei Wiedergabenadeln symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten des Drehmittelpunkts
der Platte für die abwechselnde Abtastung je eines Schnitts angeordnet sein, so daß jeweils eine Nadel innerhalb weniger Sekunden an
den nächsten Schnitt herangeführt werden kann, während mit der anderen Nadel eine Wiedergabeabtastung durchgeführt wird. Wenn dabei
sämtliche Schnitte länger sind als die maximale Zugriffzeit., können
diese Schnitte unter Erzeugung eines Reihensignals in der gewünschten Reihenfolge zusammengestellt werden, auch wenn sie an willkürlichen
oder beliebigen Stellen auf der Platte aufgezeichnet sind. Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe der Speicherplatte ohne
Bandschnitt oder Kopieren entsprechende Programme zusammenstellen. Gegenüber der bisherigen Video- oder Bildplatte ist es weiterhin
mit Hilfe der erfindunqsgemäßen Speicherplatte möglich, ein Videosignal
einfach aufzuzeichnen,das Signal ohne Notwendigkeit für eine Zwischenbehandlung wiederzugeben oder nach Belieben zu überspielen
oder zu löschen. Infolgedessen kann der Arbeits- und Zeitaufwand bei der Programmzusammenstellung erheblich verringert werden, während
- 19 -
030048/0760
sich auch der Freiheitsgrad bei der Programmzusammenstellung erweitern läßt.
Neben den genannten Zwecken eignet sich die erfindungsgemäße
Speicherplatte auch als Speicher für einen elektronischen Rechner.
Derzeit steht als Silizium-Vollplattenspeiche.r großen Durchmessers
ein aus einem Chip bestehender 1-Megabit-Randomspeicher zur Verfügung,
der im Vergleich zu anderen Halbleiterspeichern eine sehr hohe
Aufzeichnungs- bzw. Speicherdichte besitzt^Dabei kann ein Megabit
2
in einem Chip von 6 mm untergebracht werden, so daß 1 Bit eine
in einem Chip von 6 mm untergebracht werden, so daß 1 Bit eine
: 2
Fläche von 6 um einnimmt.Dieser bisherige Speicher erfordert dabei
eine Verdrahtung am Halbleiterelement, und sein Produktionsausbringen,
ist gering. Im Gegensatz dazu benötigt die erfindungsgemäße
Halbleiter-Speicherplatte keine Elektrodenverdrahtungen oder -anschlüsse am Halbleiterelement. Bei einer Platte mit 30 cm Durchmesser
und mit einem Innendurchmesser von 15 cm, wobei die kleinste Bit Länge 0,2 um und der Spurabstand 1,5 um betragen, wird außerdem
'- 11
eine große Speicher- bzw. Aufzeichnungskapazität von 10 Bits gewährleistet*
Wenn weiterhin der Durchmesser auf 40 cm vergrößert wird und Spurabstand sowie Aufzeichnungslänge für 1 Bit weiter verkleinert
werden, läßt sich eine Aufzeichnungskapazität von einer Trillion Bits erzielen. Bei einer Kristall-Defektstellendichte
von 1/em besitzt eine Platte mit 30 cm Durchmesser nur 530 Defektstellen,
wobei es möglich ist, die Adressen dieser Defektstellen in einer Speichervorrichtung abzuspeichern, so daß diese Stellen
unbelegt bleiben. Die erfindungsgemäße Speicherplatte kann somit
aufgrund ihrer sehr kompakten Konstruktion auch als Speichervorrichtung großer Kapazität für einen elektronischen Rechner eingesetzt
werden.
Obgleich die Erfindung vorstehend anhand von scheiben- oder plattenförmigen
Speichervorrichtungen beschrieben ist, ist sie auch auf band- oder folienförmige Halbleiter-Speichervorrichtungen anwendbar.
0 30048/076 0
Claims (6)
- Hqpkftl Kernt Mtr fr HiiiMl Patentanwalt·Register*! Representativesbefore theEuropean Patent Offlc«Nippon Hoso Kyokai und Möhl8tra8e37Tokyo Shibaura Denk! Kabushiki Kaisha, D-8000München 80Tokio bzw. Kawasaki-shi, Japan i2ex° tt29«K! d-/·"·.- . . ' Telegramme:ellipsoid; ■" . TI-55P344-314. Ma! 1980Informations-Aufzeichnungsmedium sowie Aufzeichnungsund Wiedergabevorrichtung unter Verwendung eines sol-.-V-,-chen AufzeichnungsmediumsPatentansprücheJ Informations-Aufzeichnungsmedium, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat, durch einen auf dessen einer Hauptfläche ausgebildeten ersten Isolierfilm und durch einen auf letzterem ausgebildeten zweiten Isolierfilm mit Ladungsspeicherfunktion, wobei eine als Aufzeichnungselektrode dienende Nadel (stylus) auf der Oberfläche des zweiten Isolierfilms relativ zu diesem bewegbar ist,- während zwischen Elektroden-Nadel und Halbleitersubstrat eine Aufzeichnungssignalspannung anlegbar ist, so daß aufgrund des Tunneleffekts der AufZeichnungssignalspannung entsprechende Ladungen durch den ersten Isolierfilm übertragen und im zweiten Isolierfilm gespeichert werden und damit eine Informations-Aufzeichnungsspur gebildet wird.
- 2. Informations-Aufzeichnungs- und -Wiedergabevorrichtung, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat, durch einen auf dessen030048/0760einer Hauptfläche ausgebildeten ersten Isolierfilm, durch einen auf letzterem ausgebildeten zweiten Isolierfilm mit einer Ladungsspeicherfunktion und durch ein Mittel zur Anlegung einer vorbestimmten Signalspannung zwischen eine Elektroden-Nadel und das Halbleitersubstrat, während sich die Elektroden-Nadel zur Aufzeichnung, Wiedergabe oder Löschung eines Signals auf der Oberfläche des zweiten Isolierfilms relativ zu diesem bewegt, wobei bei der Aufzeichnung eine Aufzeichnungsspannung zwischen der Elektroden-Nadel und dem Halbleitersubstrat längs einer Informations-AufZeichnungsspur angelegt wird, um dieser Spannung entsprechende Ladungen in einem Grenzschichtbereich des zweiten Insolierfilms zu speichern, welcher sich unmittelbar über dem ersten Isolierfilm und in Berührung mit der Spitze der Elektroden-Nadel befindet, und wobei bei der Informationswiedergabe eine Wiedergabespannung zwischen Elektroden-Nadel und Halbleitersubstrat angelegt wird, während sich die Elektroden-Nadel längs der Aufzeichnungsspur bewegt und dabei Änderungen der Größe einer im Halbleitersubstrat entsprechend dem Ladungsspeicherzustand des zweiten Isolierfilms gebildeten Verarmungsschicht in Form entsprechender Kapazitätsänderungen ausliest bzw. abgreift.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat eine monokristalline Silizium-Scheibe oder -Platte (wafer) ist und daß erster und zweiter Isolierfilm aus Siliziumdioxid (SiO_) bzw. Siliziumnitrid (Si-N.) bestehen.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat eine auf ein Glassubstrat aufgebrachte polykristalline Siliziumschicht ist und daß erster und zweiter Isolierfilm aus Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrid bestehen.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche des Halbleitersubstrats eine Spiralrille entsprechend einer zu formenden Informations-Aufzeichnungsspur ausgebildet ist und daß die nacheinander auf dem Halbleitersubstrat ausgebil-0300A8/0760 - 3 -deten ersten und zweiten Isolierfilme eine ähnliche Oberflächenkonfiguration besitzen wie die die Spiralrille aufweisende Substratoberfläche.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Elektroden-Nadel einen Nadelkörper aus einem harten, isolierenden Material und eine auf der einen Seitenfläche des Nadelkörpers ausgebildete rechteckige Metallelektrode aufweist.0300A8/0760
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