DE3018529C2 - Informations-Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,

— daß der plattenförmige Körper ein Halbleitersubstrat (U) enthält.

— daß die Informations-Aufzeichnungsschichten den ersten Isolierfilm (12) und einen zweiten Isolierfilm (13) umfassen,

— daß Ladungen im zweiten Isolierfilm (13) durch den ersten Isolierfilm (12) mittels des Tunneleffekts hindurch entsprechend der Aufzeichnungssignalspannung einfangbar sind, um gemäü den eingefangenen Ladungen im Halbleitersubstrat (Γ.) Vera .nungsschich ten zu bilden, und

— daß die Veränderungen in der Größe der Verarmungsschichten als entsprechende Kapazitätsänderungen zwischen dem Halbleitersubstrat (U) auslesbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (U) eine monokristalline Silizium-Scheibe ist und der erste sowie der zweite Isolierfilm (12, 13) aus Siliziumc'ioxid (SiO₂) bzw. Siliziumnitrid (Si₃N₄) bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (U) eine auf ein Glassubstrat (81) aufgebrachte polykristalline Siliziumschicht (1 la) ist, und daß der erste und der zweite Isolierfilm (12, 13) aus Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrid bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der in der Oberfläche des plattenförmigen Körpers eine Spiralrille entsprechend der zu formenden Informations-Aufzeichnungsspur (71) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die nacheinander auf dem Halbleitersubstrat (H) ausgebildeten ersten und zweiten Isolierfilme (12,13) eine ähnliche Oberflächenkonfiguration besitzen wie die die Spiralrille aufweisende Oberfläche des Halbleitersubstrats (11).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenstift (14) einen Nadelkörper (61) aus einem harten, isolierenden Material und eine auf der ersten Seitenfläche des Nadelkörpers (61) ausgebildete rechteckige Metallelektrode (62) aufweist

Die Erfindung betrifft eine Informations-Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Informations-Aufzeichnungs- und -Wiedergabe-S vorrichtungen mit plattenförmigen Aufzeichnungsmedien werden üblicherweise ζ. Β magnetische, optische und elektrostatische Video- bzw. Bildplatten verwendet. Eine Magnetplatte ermöglicht dabei nur eine sehr geringe Informationsaufzeichnungsdichte: im FHl einer Magnetplatte mit einem Durchmesser von 40 cm beträgt die Aufzeichnungsdauer für das Videosignal auf jeder Seite nur 73 s.

Dagegen ermöglicht eine optische Video- bzw. Bildplatte eine Aufzeichnung mit hoher Dichte, da hierfür eine Platte aus Kunststoff verwendet und als Aufzeichnungs- und Ausleseelement ein Laserstrahl benutzt wird. Bei einem Plattendurchmesser von 30 cm läßt sich dabei beispielsweise eine 30- bis 60minütige Videosignalaufzeichnung vornehmen. Es ist jedoch eine physikaiische 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 gewöhnlich nicht unmittelbar nach dem Einschreiben 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 Erstaufzeichnung erforderlich, und eine Umschreibung aller Informationer» oder eines Teils derselben unmittelbar nach der Aufzeichnung ist nicht möglich.

Die mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Bildplatten besitzen ähnliche Vor- und Nachteile wie die optischen Bildplatten.

Aus der DE-PS 22 13 920 ist eine Informationsträgerplatte aus einem umlaufenden plattenförmigen Körper bekannt, der Informations-Aufzeichnungsschichten und eine Informations-Aufzcichriungsspur enthält, wobei die Informations-Aufzeichnungsschichten einen ersten Isolierfilm umfassen. Eine nadeiförmige Abtasteinrichtung aus einer Elektrode ist in Berührung mit der Oberfläche des plattenförmigen Körpers beweglich und tastet die Informations-Aufzeichnungsspur ab, wobei eine Aufzeichnungssignalspannung zwischen der Elektrode und einem Metallfilm liegt, der auf den Körper aufgetragen ist.

Diese bekannte Informationsträgerplatte arbeitet aber als Festwertspeicher (ROM), da die Informations-Aufzeichnungsspur in der Form einer Rille in eine Oberfläche des plattenförmigen Körpers eingeschnitten wird. Es ist daher unmöglich, auf dem plattenförmigen Körper neue oder andere Daten aufzuzeichnen.
Eine ähnliche Aufzeichnungsvorrichtung mit einer ein Aufzeichnungsmedium abtastenden Elektrode ist auch aus der US-PS 27 75 650 bekannt.

Weiterhin ist es auch h. Beneking, »Feldeffekttransistoren«. Berlin 1973, Punkt 4.3.2, bekannt, daß ein geschichtetes Dielektrikum eine Schwellspannungshysterese hervorzurufen vermag, wodurch beispielsweise ein Feldeffekliransistor reversibel in zwei langzeiisiabilen Zuständen fixiert werden kann. Auf eine Informations-Auf/.cichnungs- und -Wiedergabevorrichtung wird in dieser Druckschrift aber nicht eingegangen.

Schließlich beschreibt noch die DE-OS 24 20 370 eine Speicherschaltung mit einem Halbleitersubstrat, bei der aber die Steucrelektroden — wie allgemein in der HaIbleitcrtechnik üblich — ortsfest auf einer Isolierschicht

vorgesehen sind.

Rs isi Aufgabe der Erfindung, eine Informations-Aufzeichnungs- und -Wiedergabevorrichtung zu schaffen, die kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit und großer Dichte Daten aufzeichnen und wiedergeben kann und dabei keine chemische oder physikalische Einwirkung hinsichtlich des Aufzeichnungsträgers beim Andern des Betriebs vom Aufzeichnen zum Wiedergeben erfordert.

Diese Aufgabe wird bei einer Informations-Aufzeichnungs- und -Wiedergabevorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.1 crfindungsgemäO durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 5.

Die Erfindung sieht also eine Informations-Aufzeichnungs- und -Wiedergabevorrichtung vor, bei der — um Informationen aufzeichnen und wiedergeben zu können — auf einem plattenförmigen Halbleitersubstrat zwei Isolierfüme vor. von denen der erste isolierfilm Ladungen einzufangen vermag. Ein Elektrodensiif'. wird so über den zweiten Isolierfilm bewegt, daß er mit diesem praktisch in Berührung ist. Dadurch entstehen entsprechend den durch den ersten Isolierfilm eingefangenen Ladungen im Halbleitersubstrat Verarmungsschichten. Aus diesen Verarmungsschichten kann die aufgezeichnete Information kapazitiv ausgelesen werden. Dies bedeutet, daß die erfindungsgemäße Informations-Aufzeichnungs- und -Wiedergabevorrichtung als Schreib-Lese-Speicher (RAM) und nicht als Festwertspeicher (ROM) arbeitet.

Der erste Isolierfilm wird in Form einer dünnen Oxidschicht mit einer Dicke entsprechend einem Mehrfachen von 1 nm (10 Ä) auf dem Halbleitersubstrat aus z. B. mono- oder polykristallinem Silizium ausgebildet; sodann wird auf der Oxidschicht der zweite Isolierfilm mit Ladungsspeicherfunktion, z. B. ein Siliziumnitridfilm, mit einer Dicke von nicht mehr als 100 nm (1000 Ä) geformt. Al- Elektrodenstift für das Aufzeichnen, 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 des Halbleitersubstrats eine in dieser Fläche ausgebildete \ufzeichnungsspur abläuft. Dabei wird eine Signalspannung entsprechend einem Mehrfachen von 10 V zwischen dem Elcktrodenstift und dem Halbleitersubstrat angelegt, und elektrische Ladung wird durch Oxidfilm hindurch entsprechend dem Signal in im Siliziumnitridfilm geformten Haftsteller injizieri, um die Einschreibung oder Aufzeichnung durchzuführen.

Bei dieser Einschreibung wird eine Verarmungsschicht-Kapazität, die sich entsprechend der Menge der injizierten elektrischen Ladungen ändert, in einem niit dem Siliziumnitridfilm in Berührung stehenden Bereich gebildet. Die aufgezeichnete Information kann somit durch Abtasten der Änderungen der Verarmungsschicht-Kapazität bei der Bewegung des Eleklrodensiifis ausgelesen werden. Beispielsweise kann eine zerstörungsfreie Auslosung dadurch erfolgen, daß dem F.lekirodcnstift ein Hochfrcquenzsignal aufgeprägt wird und die Änderungen der genannten Verarmungsschicht-Kapj/ität mittels der Bewegung des Elektrodenstifts abgegriffen werden. Zum Loschen einer aufgezeichneten information kann die in die Haflsicllen des Siliziumnitridfilms injizierte elektrische Ladung durch Entladung beseitigt werden, indem zwischen Elektrodenstift und Halbleitersubstrat eine Spannung entgegengesetzter Polaritci wie beim Aufzeichnen angelegt wird.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus der Informations-Aufzcichnungs- und -Wiedergabevorrichtung gemäß der Erfindung,

to Fig.2 eine schematische Darstellung eines an sich bekannten leistungslosen MNOS-Halbleiterspeicher.

Fig.3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der an den MNOS-Speicher angelegten Spannung und seiner Ladungsspcicherdichte,

Fig.4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Informationsaufzeichnung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung zur Veranschaulichung des Vorgangs der Informationsauslesung aus der Vorrichtung,

F i g. 6 eine in stark vergrößertem Maßstab gehaltene perspektivische Darstellung des Spitzen! !ils eines Elektrodenstifts, der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufzeichnen, Löschen und Auslesen von Informationen benutzt wird,

Fig." eine perspektivische Darstellung des Zustands, in welchem der Elektrodenstift in eine Aufzeichnungsspur in der Oberfläche des Halbleitersubstrats eingreift, und

F i g. 8 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. i veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Ein Teil der Vorrichtung dient dabei als Informations-Aufzeichnungsträger 10, welcher den sogenannten »Massiv«- oder »Vo!!p!atten«-NOS- bzw. Nitrid-Oxid-Halbleiter-Aufbau besitzt, der beispielsweise dadurch erhalten wird, daß ein etwa 2 nm (20 A) dicker SiOrFiIm 12 auf einem scheiben- oder plattenförmigen n- oder p-T>.p-SiIiziumsubstrat 11 und auf dem SiOj-FiIm ein etwa 50 nm (500 A) dicker Si3N4-Film 13 geformt werden. Für das Autzeichnen, Löschen und Auslesen von Informationen aus diesem Aufzeichnungsträger 10 wird ein mit dessen Oberfläche in Berührung stehender Metall-Hiektrodenstift 14 benutzt. Beim Aufzeichnen, Löschen und Auslesen von Informationen wird eine entsprechende Signalspannung Va zwischen den Elektrodenstift 14 und das Silizium-Halbleitersubstrat 11 angelegt, und der Elektrodenstift 14 wird, während das Signal an ihr anliegt, relativ zum Aufzeichnungsträger 10 über diesen bewegt. Im praktischen Gebrauch ist das Substrat 11 unmittelbar auf einen aus Metall bestehenden Dreh- bzv. Plattenteller aufgelegt, wobei das Spannungssignal Vr. zv/isc.ie-.i dem Elektrodenstift 14 und dem nicht dargestellten Plattenteller anliegt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß der Aufzeichnungsträger 10 mit dem NOS-Aufbau in seinem mit dem Elektrodenstift 14 in Berührung stehenden Zustand praktisch der Konstruktion Hnes an sich bekannten MNOS-Kondensators 10a äquivalent ist, wie er in F i g. 2 dargestellt ist. In F i g. 2 sind die den Teilen von F i g. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern, zuzüglich eines angehängten Buchstabens »a«. bezeichnet. Der MNOS-Kondensator 10a besitzt bekanntlich eine Hysterese-Kennlinie gemäß F i 3. 3. in welcher auf der Ordinate die Dichte der im Nitridfilm 13a gespeicherten Ladung und auf der Abszisse die Elektrodenspannung Vt;j aufgetragen sind. Mit anderen Worten: Dieser Kondensator

wirkt als Speicher. Der Aufbau, bei welchem der Elektrodcnstift 14 über den NOS-Aufzeichnungsiräger 10 bewegt wird, kann als einer Konstruktion äquivalent angesehen werden, bei welcher eine Vielzahl von MNOS-Kondensatoren 1Oe fortlaufend vorgesehen sind.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung bei der Aufzeichnung und zerstörungsfreien Auslesung von Informationen beispielsweise in einem n-Typ-Substrat erläutert.

Das Aufzeichnen erfolgt zunächst durch Anlegung der Spannung Vg zwischen das Substrat H und den Elektrodenstift 14. Wenn die Spannung Va an den Elektrodenstift 14 angelegt wird, können sich Elektronen (oder Elektronenfehlstellen) aufgrund des Tunnclcffekts durch den SiOj-FiIm 12 verlagern bzw. bewegen, um die Haftstellen in der SijN<-Schicht 13 zu erreichen und in diesen festgehalten zu werden. Wenn die Ladungsdichte (Zahl der Ladungseinheiten pro cm') mit Q/q bezeichnet wird, erhält man im allgemeinen die Hysteresekurve gemäß F i g. 3, Wenn der Elektrodenstift 14 in Richtung des gestrichelten Pfeils gemäß Fig.4 aus der in ausgezogenen Linien eingezeichneten Stellung in die gestrichelt eingezeichnete Stellung bewegt wird, während gleichzeitig die Spannung V_r, von +30V auf —30 V geändert wird, wird die SijNj-Schicht 13 entsprechend aufgeladen, d. h. zunächst negativ und sodann positiv. Tatsächlich dreht sich der Aufzeichnungsträger 10 in Richtung des ausgezogen eingezeichneten Pfeils (Fig.4) relativ zu dem als »Schreib- und Abtastnadel« wirkenden Llektrodenstift 14; zur Vereinfachung der Beschreibung sei jedoch angenommen, daß sich der Elektrodenstift 14 relativ zum Aufzeichnungsträger 10 bewegt. Die Ladungsdichte erreicht zu diesem Zeitpunkt eine Größe von 10" bis lO'Vcm². Beim Schreiben führt eine an dem Elektrodenstift 14 liegende positive Spannung zu einer Verarmung des Bereiches unter dem Eiekirodcnsiifi i4 in einem p-7yp-Suu5trat, wie dies durch eine Strichlinie 1 Ic/ in F i g. 4 gezeigt ist. und eine negative Spannung bewirkt nicht eine Verarmung, sondern eine Anreicherung dieses Bereiches im Substrat. Dagegen führt in einem n-Typ-Substrat eine an dem Elcktrodenstift 14 liegende negative Spannung zu einer Verarmung des Bereiches unter dem Elcktrodcnstift 14. Durch Anlegung einer Spannung V_f; 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. Nachdem der Elektrodenstift 14 beim Schreiben die Oberfläche eines p-Typ-Substrats abgetastet hat. wird positive oder negative Ladung zurück im SijN<-Filrr. 13 gelassen. Dann bedingt die gespeicherte positive Ladung eine Verarmung des Bereiches unter der Ladung, wie dies in F i g. 5 gezeigt ist. Dagegen wird in einem n-Typ-Substrat eine gespeicherte negative Ladung verursacht, um eine Verarmungsschicht zu bilden. In diesem Fall lassen sich die Kapazität Ca des SijNVFiinis 13 und die Kapazität C, der Verarmungsschicht lic/pro Flächeneinheit wie folgt ausdrucken:

bzw.

es,fo/ti„

wobei bedeuten: dr - Dicke des SijNvFüms 13. t„, = Dicke der Verarmungsschicht lic/ im Siliziumsubstrat und tu und fs, — relative Dielektrizitätskonstanten von

ίο SijNi bzw. Si. In obigen Gleichungen ist die Kapazität Co des Si)N₄-FiImS konstant, während sich die Kapazität C, de Verarmungsschicht 1 lc/ändert. weil sich die Dicke I_n, der Verarmungsschicht lic/ entsprechend dem Ladungsspcicherzustand des SijNvFilms 13, d. h. entspre-

IS chend dem Aufzeichnungszustand iindcrt. 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 lic/ erfolgen. Fig.5 veranschauiicht ein spezielles Beispiel für eine Mugüchkeii zur Erfassung der Kapazitätsänderungen. Dabei wird ein als »Lese- bzw. Abtastnadel« dienender, mit der Oberfläche des Nitridfilms 13 des Aufzeichnungsträgers 10 in Berührung stehender Klektrodenstift 51 mit einem Wechsclspannungssignal von z. B. I MHz — 0,5 V (Mittelwert) gespeist und längs einer im Aufzcichungstrüger 10 ausgebildeten Spur relativ zu diesem Aufzeichnungsträger 10 über diesen bewegt, wobei die Kapazitäten der im Aufzeichnungsträger 10 vorhandenen Verarmungsschichten lic/—1. lic/—2 usw. gemessen werden. Zur Nachführung des Elektrodenstifts über die lnformalionsaufzcichnungsspur 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 müsser die Änderungen der Kapazität CV der Verarmungsschicht gemessen bzw. erfaßt werden während es nichi nötig ist, die tatsächliche Größe der Kapazität zu ermitteln. Für die Informationsauslesung kann somit ein System verwendet werden, welches die Kapazitälsänderungen als entsprechende Frequenzänderungen mittels einer Detektor- oder Meßfühlerschaltung in einer Oszil- ^torschaltung ausliest, wie dies in »RCA Review«, VoI

39. März 1978. Seite 39, beschrieben ist. Diese Literaturstelle beschreibt die Anwendung eines Wechselspannungsignals von 915 MHz. 10 V_pp als Lcsesignal. Bei einer Signalamplitude dieser Größe erfolgt keine Zerstörung der Speicherladung.

Der Rauschabsland des ausgelesenen bzw. abgetasteten Signals bestimmt sich zunächst durch Schwankungen der Quantität der Speicherladung, d. h. der Zahl Λ von Elektronen, die in der Kontaktelektroden-Öffnungszone vorhanden sind, nämlich in der Fläche, auf welcher die Spitze des Elektrodcnstifts 14 mit dem Film 13 in Berührung steht. Da die Ladungselektronendichte Qt im Si₃N₄-FiIm 13 einen Wert von lO'Vcm² erreicht sind bei einer Apertur- bzw. Öffnungszone vor (13 μπι χ 0.2 μπι) 3 χ ΙΟ³ Elektronen in der öffnungszo ne enthalten. In diesem Fall beträgt die Schwankung oder Fluktuation ei= I//7? =-= 0.018. so daß ein Rauschab stand von 35 dB erreicht werden kann. Dies entsprich praktisch dem Rauschabstand, der bei den derzeit ver fügbaren magnetischen Aufzcichnungs- und Wicderga besysiemen gegeben ist. Bei einem System, bei welchen ein nach dem NTSC-System geformtes Fcrnschsigna mittels Frequenzmodulation aufgezeichnet wird, ist eii 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 Dick«" des SiO₂-FiImS 12 2 nm (20 A), während der SijN₄-Film 13 eine Dicke von 55 nm (550 A) besitzt. In diesem Fall wird im Si]N₄-FiIm 13 cine Ladungsclektronendichte von etwa 10''/cm² erreicht. Der durch den SIjN₄-FiIm 13 fließende Strom ändert sich dabei jodoch 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 Spcichercharakieristik reduziert wird. Durch Verkleinerung der Dicke des SiO₂-FiImS 12 kann praktisch eine Speichcr-Ladungselektronendichte derselben Größenordnung erreicht werden. Zur Gewährleistung einer Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung mit niedrigerer Spannung können weiterhin beabsichtigt Ladungshaflstellen vorgesehen werden, indem ein Metall hohen Schmelzpunkts, wie Wolfram, längs der Grenzschicht zwischen dem SiOj-FiIm 12 und dem Si₁N₄-FiIm 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 wird ein Verfahren zur Herstellung des Aufzeichnungsträgers erläutert. Der sehr dünne Oxidfilm 12, der auf dem Halbleitersubstrat 11 (z. B. vom n-Typ) vorf ?sehen ist, wird dadurch geformt, daß das Substrat bei einer Temperatur von 800"C etwa 30 Minuten lang in einer mit einem Inertgas, wie Argon (Ar), verdünnten Sauerstoff- bzw. O₂-Atmosphäre belassen wird. Außerdem kann dieser dünne Film durch Wasscrdampfoxidation bei etwa 600⁰C hergestellt werden. Neben diesen Hochtemperatur-Oxidationsverfahren ist es auch möglich, ein Niedertemperatur-Oxidaiionsveriahren unter Verwendung von siedend heißer, konzentrierter Salpetersäure anzuwenden. Nach der Ausbildung des Oxidfilms 12 kann auf diesem der Si₃N₄-FiIm 13 nach einem beliebigen Verfahren hergestellt werden. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist ein Aufdampfverfahren. Bei diesem Verfahren können als Reaktionsgas Gaskombinationen wie (SiH₄. NH₃) (SiH₂. Cl₂, NH₃) und (SiHCI₃, NHj) verwendet werden. In jüngster Zeit ist auch ein Verfahren entwickelt worden, bei dem zur Herstellung des Siliziumnitridfilms 13 ein Plasma in einem Gasgemisch aus SiH₄ und NH₃ erzeugt wird. Der Siliziumnitridfilm 13 kann nach einem dieser Verfahren hergestellt werden. Wenn in Abwandlung zwangsweise Ladungshaftstellen von außen her in den Aufzeichnungsträger 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 SiO₂ Film 12 und dem Si₃N₄-FiIm 13 vorgesehen. Zu diesem Zweck kann ein langsam durchgeführtes Vakuumaufdampfvcrfahren oder Molekülstrahl-Epitaxie-Vcrfahrcn angewandt werden. Ebenso ist die Anwendung eines auf chemischen Reaktionen basierenden Verfahrens möglich. Je nach dem zu speichernden Informationsgehalt kann die erfindungsgemäße Vorrichtung noch wirksamer gestaltet werden, wenn als letzter Verrahrensschritt bei der Herstellung eine Wärmebehandlung unter geeigneten Bedingungen angewandt wird.

Im folgenden ist der Elcktrodenstift 14 zum Einschreiben, Löschen und Auslesen von Informationen erläutert. Gemäß F i g. 6 besitzt der Stift 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 F i g. 6 ist nur der Spitzenteil des Stifts 14 veranschaulicht. Dabei hat die mit dem Aufzeichnungsträger in Berührung stehende Kontaktfläche der Metallelektrode 62 den größten Einfluß

ίο auf die Aufzeichnungsleistung. Insbesondere bestimmt die Breite W der Metallelektrode 62 (üblicherweise 1— 2 μιτι) die Breite der Aufzeichnungsspur, und die Dicke rder aufgetragenen Metallelektrode 62 (normalerweise 0,1 —0,2 μΐπ) stellt einen der Faktoren dar, we!· eher die kürzeste Aufzeichnungswellenlänge bestimmt. Der Isolator 61 aus Saphir oder Diamant dient lediglich als Träger für die Metallelektrode 62. Zur Gewährleistung eines zufriedenstellenden Kontakts zwischen der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 10 mit NOS-Struktur und der Spitzenfläche der Metallelektrode 62 wird ein sogenannter Auflagcdruck ausgeübt, der vorzugsweise möglichst gleichmäßig über die gesamte Spitzenflächc von 70 μπι³ verteilt ist. Mit einem Auflagcdruck von etwa 40 mg kann in der Praxis ein zufriedenstellender Kontakt zwischen der Metallelektrode 62 und der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 10 erzielt werden; der Flächendruck beträgt dabei 60 kg/cm². Bei einer Langspielschallplatte beträgt zum Vergleich der Nadelauflagedruck 1000 kg/cm². Wenn die Metallelektrode 62 die rechteckige Form gemäß Fig.6 besitzt, bleiben Aufzeichnungsspurbreite und Aufzeichnungswellenlänge auch dann unverändert, wenn der aus Saphir oder dergleichen bestehende Träger 61 bis zu der durch die strichpunktierte Linie 63 in F i g. 6 angedeuteten Höhe abgenützt ist. Wenn somit der Elektrodenstift nach einer (linearen) Laufstrecke von z. B. 40 000 km unter dem angegebenen Auflagedruck bis zur Höhe der strichpunktierten Linie 63 abgenützt ist, tritt während einer Betriebszeil von ciwa 1000 Stunden bei einer miitleren Geschwindigkeit von 10 m/s keine Verschlechterung der Aufzeichnungs- oder Wiedergabeleistung auf. Wenn Siliconöl als Schmiermittel auf die Fläche des Aufzeichnungsträgers 10 aufgetragen wird, kann ein zufriedenstellender Kontakt zwischen der Metallelektrode 62 und dem Si₃N₄-FiIm 13 gewährleistet und außerdem das Eindringen von Luft verhindert werden, die eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante besitzt.

Bei der beschriebenen Vorrichtung 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 erfindungsgemäßen 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 (IVx T beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.6) 1,5x0.2 μπι beträgt, d.h. mit einem Aufzeichnungsspurabstand von 1,5 μπι und einer kürzesten Aufzeichnungswelienlänge von 0,4 μιτι. Die anderen Faktoren, weiche die kürzeste Aufzeichnungswelienlänge, d.h. die Aufzeichnungsdichte, bestimmen, sind die Dicke des Si₃N₄-FiImS 13 und die Dik-

ke der Verarmungsschicht lld(Fig.5). Diese Größen können mit weniger als 0,1 μπι festgelegt werden. Im Vergleich zur derzeit im Handel erhältlichen Magnetplatte kann somit die Aufzeichnungsdichte um drei Größenordnungen (d.h. um ein mehrfaches von 1000) erhöht werden, während sich die Aufzeichnungswellenlängc um etwa eine Größenordnung vergrößert und der Spurabstand um etwa zwei Größenordnungen kleiner wird. Dies bedeutet, daß bei gleichem Plattendurchmesser (40 cm) 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 F'latten-Drehmechanismus zu stellen sind, 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 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 F i g. 7, bei welcher im Aufzeichnungsträger 10 eine bei Einschreibung, Löschung und Auslesung von Informationen durch den Stift 14 in Richtung des Pfeils abgetastete Spurrille 71 ausgebildet ist, kein Servo-NachfUhrmechanismus erforderlich, so daß zur Wiedergabe ein übliches, mit elektrostatischer Kapazität arbeitendes Rillenabtast-Videoplattenabspielgerät ohne weitere Abwandlung benutzt werden kann.

Als Halbleitersubstrat für den Aufzeichnungsträger bietet sich vom Standpunkt der Handhabung eine Siliziumkristall-Platte bzw. -Scheibe als zweckmäßig an. Bei der Herstellung z. B. einer Videoplatte aus einer solchen

C^KjmKa cinri ΪαΛλ/»Κ Aam »rAfltAn PlattenHuf'hm^ccAt-

Grenzen gesetzt In der Entwicklungsstufe wurden jedoch bereits Platten mit 50 cm Durchmesser hergestellt, und bei Verwendung eines Einkristallblocks mit einer Länge von 30 cm können aus diesem Block nahezu 100 Siliziumscheiben mit einer Dicke von 5 mm hergestellt werden. Ähnliche Vorteile wie mit einer Einkristallscheibe werden auch mit einer Scheibe oder Platte 10a mit dem Aufbau gemäß F i g. 8 erzielt, die dadurch hergestellt worden ist, daß durch chemisches Aufdampfen polykristallines Silizium in Form einer Schicht 11p oder Scheibe auf die Oberfläche einer Glasplatte 81 aufgebracht wird, wobei sodann auf dieser Schicht 11p der SiOj-Film 12 und der SijN^-Film 13 ausgebildet werden. Nach einem herkömmlichen chemischen Polierverfahren kann weiterhin auf der Plattenoberfläche ein Rauheitsgrad von etwa 1 nm (10A) erzielt werden. Der SiOj-FiIm 12 und der durch chemisches Aufdampfen hergestellte Si3N4-Film lassen sich sehr einfach nach üblichen Verfahren ausbilden. Da der Si]N^FiIm sehr hart ist, dient er gleichzeitig auch als Schutzschicht Im Gegensatz zur Herstellung von Magnetplatten ist es dabei auch nicht nötig, eine harte Grundschicht 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 Dsfektsteüe pro 1 crn^J und ist damit um z*s\ Größenordnungen niedriger als die angekündigte Defektstellendichte von einer Defektstelle pro 1 mm² bei Videomasterplatten. Diese Defektstellen lassen sich somit mit Hilfe einss gewöhnlichen Signalausfallunterdrückers ausreichend unterdrücken.
Als Aufnahme-, Lösch- und Wiedergabe-Elektrodenstift läßt sich prinzipiell, ähnlich wie ein Magnetkopf für Magnetaufzeichnung, ein und derselbe Stift verwenden, so daß nur ein einziger Stift erforderlich ist. Dieser Stift besitzt jedoch aufgrund seines in Verbindung mit F i g. 6 beschriebenen Aufbaus im Vergleich zu einem Magnetkopf eine einfache Konstruktion. Dabei ist der Stift außerdem so ausgebildet, daß bei einer Abnützung der Spiucnfläche des Isolators 61 aus Saphir oder Diamant zusammen mit der Elektrode Breite und Dicke des Stifts unverändert bleiben, so daß eine derartige Abnützung keinerlei ungünstigen Einfluß auf Aufnahme und Wiedergabe hat.

Als leistungslose Speicher sind MNOS-Rand-jmspeicher entwickelt worden: die Verschlechterung der Eigenschaften derartiger Speicher bei wiederholtem Einschreiben und Löschen sieüt jedoch eines der derzeit noch zu lösenden Probleme dar. Aus der Literatur geht beispielsweise hervor, daß die Verschlechterung der Eigenschaften nach IO⁴maliger Wiederholung einsetzt. Auch wenn dies der Fall ist, tritt dann, wenn der Aufzeichnungsträger beispielsweise als Videoplatte benutzt wird, bei welcher Aufzeichnung und Löschen pro Tag lOmal wiederholt werden, während einer Zeitspanne von mindestens drei Jahren keine Verschlechterung der Eigenschaften auf. Speziell bei Verwendung der Platte für die Zusammenstellung von Fernsehübertragungsprogrammen sind derart häufige Einschreib- und Löschvorgänge im normalen Arbcitsverlauf die Ausnahme. Andererseits ist bekannt, daß die zerstörungsfreie bzw. löschfreie Wiedergabe bis zu lO'mal möglich ist. Dies bedeutet, daß keine Verschlechterung der Bildqualität auftritt, auch wenn ein und dasselbe Bild 10'rnal in Stehbildwiedergabe reproduziert worden ist, d. h. auch dann nicht, wenn, die Bildwiedergabe ein Jahr lang ununterbrochen durchgeführt wird.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung die Aufzeichnung mit hoher Dichte und eine Wiedergabe unmittelbar nach der Aufzeichnung oder AuTnahme und ohne die Notwendigkeit für irgendeine chemische oder physikalische Behandlung zuläßt, besitzt sie einen weiten An-Wendungsbereich. 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 Vertikaisynchronsignal beim NTSC-System bis zum nächsten) gebildet wird. Bisher erfolgte diese Programmzusammenstellung mittels eines Video-Magnetbandgeräts. Dabei sind eine Spleißeinrichtung, in welcher das bespielte Band geschnitten wird und die gewünschten Bandabschnitte miteinander verspleißt werden, sowie eine Dupliziereinrichtung vorgesehen, bei welcher zwei Videomagnetbandgeräte gleichzeitig laufen und das aufgezeichnete Signal Schnitt für Schnitt von einem Gerät auf das andere nach jedem Schnitt 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 άύΓ Anfangspunkt eines aufgezeichneten Programms festgestellt werden muß uid außerdem das Originalband und das Master- bzw. Kopieband zusätzlich transponier; und bei jedem Schnitt im Schnellvorlauf iis zur nächsten Schnittstelle bewegt werden müssen, 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 Programmzusammensicllungsarbeit angestrebt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für diesen Zweck außerordentlich vorteilhaft. Wenn nämlich die Vorrichtung so ausgelegt wird, daß bei einer Umdrehung jeweils ein Bildfeld aufgezeichnet wird, sind A'ia Si"P.2le benachbarter Büdfc'/Jcr im Aufzeichnungs* spurabstand (üblicherweise I— 2 μιτι) voneinander entfernt, so daß ("sr Elcktrodensiift innerhalb der Zugriffzeit (d. h. der Vertikal-Austastperiodc) von 1 ms über ein Mehrfaches von 10 μΓη bewegt werden kann und somit innerhalb dieser Zeitspanne ohne weiteres ein Zugriff zu den in mehr als 10 Bildfeldern enthaltenen Informationen möglieh ist. Weiterhin können zwei Wiedergabe-Elektrodenstifte symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten des Drchmittelpunkts der Platte für die abwechselnde Abtastung je eines Schnitts angeordnet sein, so daß jeweils ein Stift innerhalb weniger Sekunden an den nächsten Schnitt herangeführt werden kann, während mit dem anderen Stift 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 Vorrichtung ohne Bandschnitt oder Kopieren entsprechende Programme zusammenstellen. Gegenüber der bisherigen Video- oder Bildplatte ist es weiterhin mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, ein Videosignal einfach aufzuzeichnen, das Signal ohne Notwendigkeit für eine Zwischenbehandlung wiederzugeben oder nach Belieben zu überspielen oder zu löschen. Infolgedessen kann der Arbeils- und Zeitaufwand bei der Programmzusammenstellung erheblich verringert werden, während sich auch der Freiheitsgrad beider Programmzusammenstellung erweitern läßt.

Neben den genannten Zwecken eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Speicher für einen elektronischen Rechner. Derzeit steht als Silizium-VoIlplattenspeicher 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 in einem Chip von 6 mm² untergebracht werden, so daß 1 Bit eine Fläche von 6 μη·)² einnimmt. Dieser bisherige Speicher erfordert dabei eine Verdrahtung am Halbleiterelement, und sein Produktionsausbringen ist gering. Im Gegensatz dazu benötigt die erfindungsgemäß? Vorrichtung 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 μιη und der Spurabstand 13 μπι betragen, wird außerdem eine große Spei cher- 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

s Aufzeichnungskapazität von einer Trillion Bits erzielen. Bei einer Kristall-Defektstellendichte von 1/cm² besitzt eine Platte mit 30 cm Durchmesser nur 530 Defektstellen, wobei es möglich ist, die Adressen dieser Defektsteilen in einer Speichervorrichtung abzuspeichern, so

IO daß diese Stellen unbelegt bleiben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit aufgrund ihrer sehr kompakten Konstruktion auch als Speicher großer Kapazität für einen elektronischen Rechner eingesetzt werden. Die Erfindung ist auch auf band- oder folienförmige

15 Halbleiter-Speicher anwendbar.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Informations-Aufzeichnungs- und -Wiedergabevorrichtung, mit

— einem Informations-Aufzeichnungsträger aus einem umlaufenden plattenförmigen Körper, der Informations-Aufzeichnungsschichten und eine Informaiions-Aufzeichnungsspur enthält, wobei die Informations-Aufzeichnungsschichtcn einen ersten Isolierfilm umfassen, und

— einer nadclförmigen Abtasteinrichtung aus einem Elektrodenstift, der in Berührung mit der Oberfläche des plattenförmigen Körpers beweglich ist und die Informaiions-Aufzeichnungsspur abtastet, wobei eine Aufzeichnungssignalspannung zwischen dem Elektrodenstift und dem plattenförmigen Körper liegt,