JP2007334132A - Actuator and storage device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、データを記憶する記憶装置に関し、特に小型、大容量 かつ信頼性が要求されるシステムに好適なアクチュエータ及びそれを用いた記憶装置に関するものであるに関する。 The present invention relates to a storage device for storing data, and more particularly to an actuator suitable for a system that requires a small size, a large capacity, and reliability, and a storage device using the actuator.
演算処理能力とソフトウェアの進歩により、コンピュータに搭載されるハードディスクなどの大容量の記憶媒体であるデータストレージの容量が年々増大している。
また、インターネットを介して、公開される情報も爆発的に増加しており、この公開された情報からパーソナルコンピュータへ蓄積する情報量も比例して増加し、データストレージ(記憶装置)にさらなる大容量化が望まれている。
これに伴い、記憶装置の大容量化を実現するため、データの記録密度も年々増加しており、現在においては1平方インチあたり、約百Gビット(bpi)が実現されている。
With the progress of arithmetic processing capability and software, the capacity of data storage, which is a large-capacity storage medium such as a hard disk mounted on a computer, is increasing year by year.
In addition, the information disclosed via the Internet has increased explosively, and the amount of information stored in the personal computer from this disclosed information has also increased in proportion to the data storage (storage device). Is desired.
Accordingly, in order to realize a large capacity of the storage device, the data recording density is also increasing year by year, and at present, about 100 Gbit (bpi) is realized per square inch.
携帯電話に対しての動画配信などが実現された場合、さらに小型で、かつ大容量の記憶装置への需要が増大する。
小型で大容量の記憶装置を実現する場合、従来の磁気ディスク型記憶装置(ハードディスク)においては、磁性材料の熱揺らぎ限界のため、室温程度の温度環境でも熱により記録データが消えてしまい、データ密度の改善が困難な状況になりつつある。
この磁性材料を使用した際に起こる問題を解決するため、垂直磁気記録方式が開発され、1平方インチあたり数百Gbit以上のデータ密度が実現できる可能性がある。
しかしながら、読み取り/書き込みに用いる磁気ヘッドを、データをアクセスする微小な領域に対して、精度良く位置合わせを行うことが困難な問題がある。
When moving image distribution to a mobile phone is realized, the demand for a smaller and larger capacity storage device increases.
When realizing a small and large-capacity storage device, the recorded data in the conventional magnetic disk storage device (hard disk) is lost due to heat even in a temperature environment of about room temperature due to the thermal fluctuation limit of magnetic materials. It is becoming difficult to improve density.
In order to solve the problems that occur when this magnetic material is used, a perpendicular magnetic recording method has been developed, and there is a possibility that a data density of several hundred Gbits per square inch or more can be realized.
However, there is a problem that it is difficult to accurately position the magnetic head used for reading / writing with respect to a minute area where data is accessed.
そのため、磁気型の記憶媒体に替わる記憶装置として、図17に示すIBMのチューリヒ研究所からAFM型(原子間力顕微鏡型)の記録装置が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。MEMS(Micro Electro Mecanical System)技術によるマイクロカンチレバー(片持ち梁)アレイの先端を、抵抗体としてバイメタル特性を有する梁に、梁が変形する温度となる電流量を通電し、梁に熱を発生させることにより、片持ち梁を変形させ記録媒体のプラスチックフィルムに押しつけ、通電した熱によりアレイの先端によって、フィルム表面にインデント(窪み)を形成してデータを書き込む。データをアクセスする際、フィルム面をx軸及びy軸方向に平行移動させで、梁の先端と接触する書き込み及び読み出し位置を移動させる。 For this reason, an AFM type (atomic force microscope type) recording apparatus has been proposed by IBM's Zurich Research Laboratory as shown in FIG. 17 as a storage apparatus that can replace the magnetic type storage medium (see, for example, Non-Patent Document 1). At the tip of a micro cantilever (MEMORY cantilever) array using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology, a beam that has a bimetallic property as a resistor is energized with a current amount that causes the beam to deform, and heat is generated in the beam. As a result, the cantilever is deformed and pressed against the plastic film of the recording medium, and data is written by forming indents (dents) on the film surface by the tip of the array by the energized heat. When accessing data, the film surface is translated in the x-axis and y-axis directions to move the writing and reading positions in contact with the beam tip.
一方、データの読み出し時には、プラスチックの変形しない温度となる電流を印加して、片持ち梁の先端をフィルムに押しつけ、フィルムにデータが書き込まれている場合、窪みに先端が入り熱がフィルムに放熱され、梁の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化によりデータを読み出す。読み出し及び書き込み時にz軸方向へ移動(フィルムを上下)させる。
また、データの読み出し時における書き込み及び読み出しのアクセスを、記録媒体のフィルムを平行移動させて行う。上述した構成により、大容量の記憶装置を形成することができる(例えば、非特許文献2参照)。
Also, writing and reading access at the time of reading data is performed by moving the film of the recording medium in parallel. With the above structure, a large-capacity storage device can be formed (see Non-Patent
しかしながら、上述した従来例においては、データの書き込み及び読み出しの際に、マイクロカンチレバーを変形させるため、消費電力が大きくなり、携帯機器に用いる場合、低消費電力に対応できないという問題がある。上記従来例の場合、マイクロカンチレバーが32×32(=1024)本有り、これらを一度に加熱するための電流が必要となる。
すなわち、マイクロカンチレバーを増加させ、データ転送速度を向上させ用とする場合、さらに消費電流を必要とすることとなる。
また、上記従来例においては、マイクロカンチレバーを加熱させるための電気配線が必要となり、マイクロカンチレバーを増加させる場合、電気配線の面積が相対的に大きくなり小型化に限界がある。
However, in the above-described conventional example, since the micro cantilever is deformed when data is written and read, there is a problem that power consumption increases, and when used in a portable device, low power consumption cannot be supported. In the case of the conventional example, there are 32 × 32 (= 1024) micro cantilevers, and an electric current is required to heat them at a time.
That is, when the number of micro cantilevers is increased to improve the data transfer speed, further current consumption is required.
Further, in the above conventional example, electric wiring for heating the micro cantilever is required, and when the micro cantilever is increased, the area of the electric wiring becomes relatively large and there is a limit to downsizing.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、従来例に比して消費電力が少なく、電気配線の面積を低下させ小型化が可能となるMEMS技術を使用した記録装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a recording apparatus using the MEMS technology that consumes less power than the conventional example, reduces the area of the electrical wiring, and enables miniaturization. For the purpose.
本発明のアクチュエータは、半導体基板と、該基板(例えば、実施形態におけるP型シリコン基板100)上に形成された太陽電池(例えば、実施形態における太陽電池4)と、該基板上に形成され、前記太陽電池の一方の電源出力端子(アノード、またはカソード)に接続された中空支持構造体(例えば、実施形態における片持ち梁3)及び前記基板上の導体部(例えば、本実施形態における導電性基板6)から形成された静電駆動アクチュエータとを有することを特徴とする。
The actuator of the present invention is formed on a semiconductor substrate, a solar cell (for example, the
本発明のアクチュエータは、前記中空支持構造体が前記太陽電池の電源出力端子(例えば、実施形態における、太陽電池を直列接続して太陽電池4を形成する金属層の配線パターン109、またはPiN型フォトダイオードの太陽電池のP型シリコン層102)と同一の部材の層で形成されていることを特徴とする。
In the actuator of the present invention, the hollow support structure is a power output terminal of the solar cell (for example, the
本発明の記憶装置は、支持基板に対し、該支持基板表面と平行となるよう一端が固定され、固定されていない側の端部近傍の表面に先端が急峻な突起を有し、静電型アクチュエータとして構成された片持ち梁と、前記片持ち梁の前記表面に設けられた反射ミラーと、該片持ち梁の突起と対向して設けられた記録フィルムとを有し、データの書き込みを前記突起にフィルム表面を押しつけ、該表面に窪みを形成することで行い、データの読み出しを前記突起に記録フィルム表面を押しつけ、窪みに先端が入ると前記反射ミラーの角度が変化せず、窪みに先端が入らないと前記片持ち梁が変形し、入射される読み出し光を反射する際、前記反射ミラーの角度が変化し、所定の角度における読み出し光の反射の有無により行うことを特徴とする。 The storage device of the present invention has one end fixed to the support substrate so as to be parallel to the surface of the support substrate, and has a protrusion with a sharp tip on the surface near the end on the non-fixed side. A cantilever configured as an actuator, a reflection mirror provided on the surface of the cantilever, and a recording film provided opposite to the protrusion of the cantilever, and writing data The film surface is pressed against the protrusion, and a depression is formed on the surface, and data is read out by pressing the recording film surface against the protrusion, and the tip of the reflection mirror does not change when the tip enters the depression. If the light does not enter, the cantilever beam is deformed, and when the incident read light is reflected, the angle of the reflection mirror changes, and the read light is reflected at a predetermined angle.
本発明の記憶装置は、データの書き込みを行う際、塑性変形が起こる荷重により、前記突起を記録フィルム表面に押しつけ、データの読み出しを行う際、弾性変形が起こる荷重により、前記突起を記録フィルム表面に押し付けることを特徴とする。 The storage device of the present invention presses the protrusion against the surface of the recording film by a load that causes plastic deformation when data is written, and presses the protrusion with a load that causes elastic deformation when reading data. It is characterized by being pressed against.
本発明の記憶装置は、前記記録フィルム表面を前記先端に押しつけて、データの書き込みを行う際に、データを書き込まない片持ち梁に電圧を印加させ、記録フィルム表面に接触しない位置に先端が記録フィルム表面から離れる方向に片持ち梁を変形させることを特徴とする。 In the storage device of the present invention, when writing data by pressing the recording film surface against the tip, a voltage is applied to a cantilever beam to which no data is written, and the tip is recorded at a position where it does not contact the recording film surface. The cantilever is deformed in a direction away from the film surface.
本発明の記憶装置は、片持ち梁毎に、該片持ち梁に対して印加する書き込み電圧を生成する太陽電池が設けられており、該太陽電池に書き込み光を供給するか否かにより、書き込み電圧の生成を制御することを特徴とする。 In the memory device of the present invention, a solar cell that generates a write voltage to be applied to the cantilever is provided for each cantilever, and writing is performed depending on whether write light is supplied to the solar cell. It is characterized by controlling generation of voltage.
本発明の記憶装置は、前記書き込み光の波長と読み出し光の波長とが異なり、読み出し光として前記太陽電池が発電しない波長の光を用いることを特徴とする。 The storage device according to the present invention is characterized in that the wavelength of the writing light is different from the wavelength of the reading light, and the light having a wavelength that is not generated by the solar cell is used as the reading light.
本発明の記憶装置は、前記太陽電池が前記支持基板に対して直列接続され、前記片持ち梁の一端が前記太陽電池の直列接続の終端に固定層されていることを特徴とする。 The storage device of the present invention is characterized in that the solar cell is connected in series to the support substrate, and one end of the cantilever is fixed to the terminal end of the serial connection of the solar cell.
本発明の記憶装置は、前記片持ち梁が前記太陽電池の形成層の一部にて形成されていることで、太陽電池にて固定されていることを特徴とする。 The memory device of the present invention is characterized in that the cantilever is formed by a part of a formation layer of the solar cell and is fixed by a solar cell.
以上説明したように、本発明の記憶装置によれば、片持ち梁の変形を静電駆動のアクチュエータとして行うため、従来例に比して消費電力を少なくすることができるとともに、静電駆動のアクチュエータを駆動する電源として、各片持ち梁毎に太陽電池を設け、この太陽電池に対して書き込み光を照射か否かにより、書き込み制御を行うため、片持ち梁を駆動制御するための電気配線を必要とすることが無くなるため、配線のための領域を設ける必要が無くなり、小型化が可能となるMEMS技術を使用した記録装置を提供できるという効果が得られる。 As described above, according to the storage device of the present invention, since the cantilever is deformed as an electrostatic drive actuator, the power consumption can be reduced as compared with the conventional example, and the electrostatic drive As a power source for driving the actuator, a solar cell is provided for each cantilever beam, and writing control is performed depending on whether or not the write light is irradiated to the solar cell. Therefore, electric wiring for driving and controlling the cantilever beam Therefore, there is no need to provide an area for wiring, and an effect of providing a recording apparatus using the MEMS technology that can be miniaturized can be obtained.
本発明の記憶装置は、支持基板に対し、支持基板表面と平行となるよう一端が固定され、固定されていない側の端部近傍の表面に先端が急峻な突起を有し、静電型アクチュエータとして構成された片持ち梁と、片持ち梁の前記表面に設けられた反射ミラーと、片持ち梁の刻印突起と対向して設けられた記録フィルムとを有し、データの書き込みの際、記録フィルムを支持基板方向に変位、すなわち記録フィルムを片持ち梁方向に変位させ、刻印突起をフィルム表面に対して塑性変形の荷重により押しつけ、表面に窪みを形成することで行い、データの読み出しを行う際、刻印突起に記録フィルム表面を、弾性変形の荷重により押しつけ、窪みに対し刻印突起の先端が挿入されると反射ミラーの角度が変化せず、窪みに刻印突起の先端が挿入されると片持ち梁が弾性変形し、入射される読み出し光を反射する際、反射ミラーの角度が変化し、反射された反射光の受光を受光素子により行い、所定の角度における読み出し光の反射の有無により、データの読み出しを行っている。例えば、反射ミラーの角度が変化しない反射光の光路に受光素子(例えば、CCDやフォトダイオードなど)を置き、読みだしの際に片持ち梁が弾性変形しない場合に受光素子に反射光が入力され、片持ち梁が変形した場合に受光素子が入力されないように設定しておく。 The storage device according to the present invention has one end fixed to the support substrate so as to be parallel to the surface of the support substrate, and has a protrusion with a sharp tip on the surface near the end on the non-fixed side. A cantilever configured as above, a reflection mirror provided on the surface of the cantilever, and a recording film provided opposite to the marking protrusion of the cantilever, and when recording data, Data is read by displacing the film in the direction of the support substrate, that is, by displacing the recording film in the cantilever direction, pressing the marking protrusion against the film surface with a plastic deformation load, and forming a depression on the surface. At this time, when the recording film surface is pressed against the marking protrusion by a load of elastic deformation and the tip of the marking protrusion is inserted into the recess, the angle of the reflecting mirror does not change, and the tip of the marking protrusion is inserted into the recess. Then, when the cantilever is elastically deformed and the incident readout light is reflected, the angle of the reflection mirror changes, the reflected light is received by the light receiving element, and the reflection of the readout light at a predetermined angle is reflected. Data is read depending on the presence or absence. For example, if a light receiving element (for example, a CCD or a photodiode) is placed in the optical path of reflected light where the angle of the reflecting mirror does not change, and the cantilever beam does not elastically deform during reading, reflected light is input to the light receiving element. The light receiving element is set not to be input when the cantilever is deformed.
以下、本発明の一実施形態による記憶装置を図面を参照して説明する。図1は同実施形態の記憶装置における1ビット分のデータの書き込み及び読み込みを行う1単位部分(MEMS書き込み読みだしヘッドの単位ブロック)の構成の断面を示す概念図である。
この図において、記憶領域として支持基板1の裏面(図の下面側)に樹脂フィルム2が形成されている。支持基板1はガラス基板または石英ガラス等の広い波長の光を透過する材料で形成されている。また、支持基板1は、光を透過する柔軟アクリルポリマーなどの樹脂フィルムでも良い。
Hereinafter, a storage device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross section of a configuration of one unit portion (unit block of a MEMS write / read head) that writes and reads 1-bit data in the storage device of the embodiment.
In this figure, a
樹脂フィルム2はPMMAやポリイミドなどの高分子材料のプラスチックフィルムで形成されている。データが刻印されて記録された後、データを消去する場合に、樹脂フィルム2に熱を印加することにより、データの消去(片持ち梁3に設けられた刻印突起3により形成された窪みKが熱によるフィルムの軟化により消去)される。
片持ち梁(マイクロカンチレバー)3は、予め設定された弾性特性を有する厚さ及び幅で形成されており、一端が太陽電池4のアノードに接続されている。ここで、片持ち梁3の厚さは、太陽電池の形成により決定されるため、幅にて設定される。
The
The cantilever (microcantilever) 3 is formed with a thickness and width having preset elastic characteristics, and one end is connected to the anode of the
ここで、片持ち梁3の幅とは、長尺方向を長さとすると、太陽電池4に一端が接続され、太陽電池4から遠ざかる方向に長尺方向に伸びる片持ち梁3において、長尺方向に対して垂直方向の片持ち梁3の横幅を示している。
また、片持ち梁3は、前記一端の逆の端である他端の近傍の表面3b(図の上面側)に、先端が尖った(頭頂部の径が約数十nm)突起である刻印突起3aが形成され、中央より刻印突起3aに近い該表面3b上に反射ミラー7が形成されている。
したがって、片持ち梁3における刻印突起3aの頭頂部の先端半径が数十nm以下であるため、磁気ディスクや光磁気ディスクに比較し、より小さな記憶のピットを形成することができる。例えば、面密度換算にて、1平方インチあたり、6Tbpiの記録密度となり、現在の垂直磁気記録方式の約10倍の記録密度が実現できる。
Here, the width of the
In addition, the
Therefore, since the tip radius of the top of the
太陽電池4は、エピ成長PIN接合(例えば、シリコンPINフォトダイオード)により、絶縁膜5上面に形成された太陽電池が複数個(図においては3個)が直列に接続されている。太陽電池の構造については、後述する製造過程にて説明する。この太陽電池の接続される個数は、片持ち梁3に印加する電圧と、太陽電池1個当たりの発電量とによって決定される。また、太陽電池4の材料としては、本実施形態において、シリコンが用いられているが、InP(インジュウム・リン)やGaAs(ガリウム・砒素)などの化合物半導体で形成しても良い。さらに、電力が必要な場合には、太陽電池の複数個を並列に接続した後、この並列に接続された太陽電池を直列に接続し、直並列のマトリクス状の接続として用いてもよい。
In the
絶縁膜5は、導電性基板6上部に形成されており、プロセスの説明時に説明するが、シリコン酸化膜101であり、上下間においては絶縁膜としての特性を有し、太陽電池のアノードと導電性基板とが電気的に接続されないために形成されている。
片持ち梁3の弾性のみでなく、この絶縁膜5の厚さによっても、すなわち、片持ち梁3と導電性基板6との距離によっても、片持ち梁3と導電性基板6との間の電界が変化し、静電引力が異なり、片持ち梁3の刻印突起3aが形成されている他端の変位量が変化する。本実施形態においては、5Vの電圧を片持ち梁3に印加した場合、上記他端が100nm程度変化するように、上述した各パラメータが設定されている。
The insulating
Not only the elasticity of the
導電性基板6は、本実施形態において、シリコン基板(後述するプロセスにおけるN型不純物層104や図1及び図2の構成におけるP型シリコン基板100)にて説明しているが、他の半導体基板や、太陽電池4及び片持ち梁3を形成した後、金属(ニッケル,クロム,チタン等)基板や、あるいは絶縁膜に半導体または金属を積層した基板に貼り付けることにより形成してもよい。
片持ち梁3は、構成として、上記太陽電池4のと同一の積層構造(同一材料)を有し、すなわち太陽電池5と同一のプロセス過程において形成される。また、片持ち梁3は、太陽電池4の積層された半導体層のいずれの層または複数の層にて形成しても良い。さらに、片持ち梁3は、太陽電池4を直列に接続する金属配線層(材料として、ニッケル,クロム,チタン,金,銅,アルミ等)にて形成しても良い。以下の実施形態としては太陽電池4のと同一の積層構造として説明する(プロセスの構成は太陽電池を直列に接続して太陽電池4を形成する金属配線を用いているが、動作は同様である)。
In this embodiment, the
The
支持基板1の樹脂フィルム2の面と、片持ち梁3に形成された刻印突起3aとが対応するよう、支持基板1の面と導電性基板6の面とが平行に配置されている。
上述した片持ち梁3は、導電性基板6との間が絶縁膜5の厚さ(例えば、1〜2μm)に対応する空間となっており、導電性基板6とによりコンデンサを形成し、静電駆動型のアクチュエータとして動作する。ここで、導電性基板6が接地され、片持ち梁3の一端が太陽電池4のアノードに接続され、太陽電池4のカソードが接地されている。このため、太陽電池4に書き込み光Lwが入射されると太陽電池4のアノード側に電圧が発生し、その電圧が片持ち梁3に印加されることで、片持ち梁3の開放されている刻印突起3aが形成された他端が、図1(a)に示すように、導電性基板6に静電引力により引きつけられる。上述した太陽電池4のアノード及びカソードとは、直列接続されている複数の太陽電池の最外端にある太陽電池それぞれのアノード,カソードを示している。
The surface of the
The
次に、樹脂フィルム2に対するデータの書き込み及び読みだしを図1及び図2を用いて説明する。図1は、樹脂フィルム2表面に刻印突起3aにより窪みK(インデント)を形成して、データの書き込みを行う処理を説明する図である。また、図1は、樹脂フィルム2表面に窪みKの有無を刻印突起3aにより検出して、データの有無を読み出す処理を説明する図である。
・データの書き込み処理(図1)
本実施形態においては、データを樹脂フィルム2にデータを書き込む場合、図1(a)に示すように、太陽電池4に書き込み光Lwを、支持基板1及び樹脂フィルム2を介して照射させた場合、直列接続の結果として太陽電池4(シリコンPINフォトダイオードの直列接続)が約5Vの電圧を発生し、片持ち梁3の他端部が導電性基板6表面方向に対して、変位量d(例えば約100nm程度)の変位を生じる。
Next, writing and reading of data with respect to the
Data writing process (Fig. 1)
In the present embodiment, when data is written on the
そして、書き込み光Lwを照射させた状態にて、上記片持ち梁の変位量dと、樹脂フィルム2の対向面及び片持ち梁3が変位していない静止位置における刻印突起3aの頭頂部間の距離と、片持ち梁3が変位していない場合に樹脂フィルム2の表面に窪みKが生成される塑性変形の荷重となる距離と、を加算した変位量Dだけ、支持基板1を導電性基板6方向に変位させる。
このとき、片持ち梁3は、変位量d分だけ導電性基板6方向へ変位しているため、片持ち梁3の刻印突起3aが樹脂フィルム2表面に接触したとしても、樹脂フィルム2表面は弾性変形を生じるのみであり、窪みKが生成されない。したがって、樹脂フィルム2に対してデータの書き込みは行われない。
Then, in the state where the writing light Lw is irradiated, the displacement amount d of the cantilever and between the top surface of the marking
At this time, since the
一方、データを樹脂フィルム2にデータを書き込む場合、図1(b)に示すように、太陽電池4に書き込み光Lwを、支持基板1及び樹脂フィルム2を介して照射させない場合、直列接続の結果として太陽電池4(シリコンPINフォトダイオードの直列接続)が電圧を発生せず、片持ち梁3の他端部が導電性基板6表面方向に対する変位を生じない。
そして、書き込み光Lwを照射させない状態にて、データを書き込まない場合と同様に、上記片持ち梁の変位量dと、樹脂フィルム2の対向面及び片持ち梁3が変位していない静止位置における刻印突起3aの頭頂部間の距離と、片持ち梁3が変位していない場合に樹脂フィルム2の表面に窪みKが生成される塑性変形の荷重となる距離と、を加算した変位量Dだけ、支持基板1を導電性基板6方向に変位させる。
このとき、片持ち梁3は、変位を生じていないため、片持ち梁3の刻印突起3aが、樹脂フィルム2表面に塑性変形を生じる荷重にて接触し、樹脂フィルム2表面は塑性変形を生じ、窪みKが生成される。したがって、樹脂フィルム2に対してデータの書き込みが行われる。
On the other hand, when data is written on the
Then, as in the case where data is not written in the state where the writing light Lw is not irradiated, the displacement amount d of the cantilever and the opposite surface of the
At this time, since the
・データの読み出し処理(図2)
本実施形態においては、データを樹脂フィルム2にデータを読み出す場合、図2(a)及び図2(b)に示すように、太陽電池4に書き込み光Lwの照射を行わず、支持基板1及び樹脂フィルム2を介して、読みだし光LRを照射させる。このとき、読みだし光LRを照射させた状態にて、樹脂フィルム2の対向面及び片持ち梁3が変位していない静止位置における刻印突起3aの頭頂部間の距離と、片持ち梁3が変位していない場合に樹脂フィルム2の表面に刻印突起3aが接触しても弾性変形の荷重となる距離と、を加算した変位量Gだけ、支持基板1を導電性基板6方向に変位させる。
-Data read processing (Figure 2)
In this embodiment, when data is read out to the
図2(a)に示すように、樹脂フィルム2表面にデータが書き込まれている(窪みKが形成されている)場合、窪みKに対して、刻印突起3aが挿入され、片持ち梁3の他端は変位しない。このため、照射された読みだし光LRは、反射ミラー7により反射光LRRとして、支持基板1平面に対して角度αの方向に出射される。
一方、図2(b)に示すように、樹脂フィルム2表面にデータが書き込まれていない(窪みKが形成されていない)場合、窪みKに対して、刻印突起3aが挿入されことがないため、片持ち梁3の他端は導電性基板6表面側に対して変位する。このため、照射された読みだし光LRは、データが書き込まれている場合と角度が異なる反射ミラー7により、反射光LRRとして、支持基板1平面に対して角度βの方向に出射される。
As shown in FIG. 2A, when data is written on the surface of the resin film 2 (the depression K is formed), the marking
On the other hand, as shown in FIG. 2B, when no data is written on the surface of the resin film 2 (the dent K is not formed), the marking
そして、反射光LRRをCCD(電荷結合素子)などを用いて受光し、データの読み出しを行う。このとき、CCDの受光素子は、角度αの反射光LRRが入射され、角度βの反射光LRRが入射されない位置に配置することにより、データの有無の読みだし処理を行うことができる。
また、上記書き込み光Lwと読みだし光LRとは、樹脂フィルム2のデータの書き込み面に対して垂直に入射され、スポット径を片持ち梁3及び太陽電池4の形成領域に対応させて設定(例えば、100μm)してよく、読みだし光LRが照射された際に太陽電池3にて発電が起こり、電圧が発生しないように、異なった波長の光を用いる。
Then, the reflected light LRR is received using a CCD (charge coupled device) or the like, and data is read out. At this time, the light receiving element of the CCD can read out the presence / absence of data by being arranged at a position where the reflected light LRR having the angle α is incident and the reflected light LRR having the angle β is not incident.
Further, the writing light Lw and the reading light LR are incident perpendicularly to the data writing surface of the
例えば、シリコンPINフォトダイオードを使用する場合、波長が1.1μm以上であるとバンドギャップの幅から発電を行わないため、読み出しには赤外線を用い、発電に対しては可視光(620〜680μm)を用いるようにする。
また、読みだし光LRの波長を任意に設定し、太陽電池4の上部に読みだし光LRの波長を透過させないフィルタを形成するようにしても良い。
For example, when a silicon PIN photodiode is used, power generation is not performed from the band gap width when the wavelength is 1.1 μm or more. Therefore, infrared light is used for reading, and visible light (620 to 680 μm) is used for power generation. To use.
Further, the wavelength of the readout light LR may be arbitrarily set, and a filter that does not transmit the wavelength of the readout light LR may be formed on the top of the
上述したような処理により、データの書き込み及び読みだし処理を行うことができる。
図3に示すように、図1及び図2で説明したデータ書き込み/読みだしヘッドとしての片持ち梁3及び太陽電池4との単位ブロックを複数集積化し(図3においては5×5であるが、これに制限されるものではない)、全ての単位ブロックに書き込み光Lwまたは読みだし光LRを同時に照射させることにより、書き込み速度及び読みだし速度を向上させることができる。ここで、記録媒体200は、支持基板1と樹脂フィルム2とで形成されている。また、MEMS書き込み読みだしヘッドは、複数の上記単位ブロックから構成されている。
By the processing as described above, data writing and reading processing can be performed.
As shown in FIG. 3, a plurality of unit blocks of the
図4を用いて、単位ブロックによる支持基板1と樹脂フィルム2とで形成された記録媒体200に対する書き込み及び読み出しのアクセスについて説明する。
メディア駆動MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)アクチュエータは、記録媒体200をz軸方向に上下させ、かつx軸方向及びy軸方向に移動させる。
ここで、樹脂フィルム2表面は、それぞれの単位ブロックにより書き込み及び読みだしが行われる単位書き込み領域に分割されている。すなわち、単位書き込み領域内の異なる位置に縦(列)及び横(行)のマトリクス状に複数のデータを書き込むことができ、マトリクスの位置がデータのアドレスに対応している。
With reference to FIG. 4, writing and reading access to the recording medium 200 formed of the
A medium drive MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) actuator moves the recording medium 200 up and down in the z-axis direction and moves in the x-axis direction and the y-axis direction.
Here, the surface of the
したがって、メディア駆動MEMSアクチュエータは、機械的な駆動により、各単位ブロックにおける刻印突起3aを、外部から与えられた書き込み位置の情報に対応して、所定の縦(列)及び横(行)のマトリクスのデータ書き込み位置に移動するように、記録媒体200を駆動させる。
プリズム8は、記録装置の高さを抑制するため、記録媒体200の上面に平行に入射してくる書き込み光Lw及び読みだし光LRを、樹脂フィルム2の書き込み面に対して垂直に入射するよう、光路を変更する。
また、書き込み時及び読み出し時において、樹脂フィルム2の書き込み面を、片持ち梁3における刻印突起3aの頭頂部に近づける変位の駆動も行う。
Accordingly, the medium drive MEMS actuator is mechanically driven so that the marking
In order to suppress the height of the recording apparatus, the prism 8 causes the writing light Lw and the reading light LR incident in parallel to the upper surface of the recording medium 200 to enter perpendicularly to the writing surface of the
Further, at the time of writing and at the time of reading, the displacement driving is performed so that the writing surface of the
図5(a)に、静電駆動アクチュエータの概念図を示す。X−Yステージ(メディア、すなわち記録媒体200)のx軸方向に垂直な2つの辺の一方が静電駆動アクチュエータ(メディア駆動MEMSアクチュエータ)に接続され、他方が板バネに接続されている。同様に、X−Yステージのy軸方向に垂直な2つの辺の一方が静電駆動アクチュエータに接続され、他方が板バネに接続されている。
そして、図5(b)に示すように、印加電圧に応じて、静電駆動アクチュエータの変位量が変化させることができる。図5(b)において、横軸が印加電圧(Applied Voltage,単位V)を示し、縦軸が印加電圧に対応した変位量(Displacement ,単位μm)
この印加電圧を各列(x軸方向)及び行(y軸方向)の変位量に対応して、予め設定しておくことにより、マトリクスにおける読み出したいデータの書き込み位置に移動させることができる。例えば、50Vの印加にて、X−Yステージを最大20μmの距離を変位させる駆動が可能である。
FIG. 5A shows a conceptual diagram of the electrostatic drive actuator. One of two sides perpendicular to the x-axis direction of the XY stage (medium, that is, the recording medium 200) is connected to an electrostatic drive actuator (media drive MEMS actuator), and the other is connected to a leaf spring. Similarly, one of the two sides perpendicular to the y-axis direction of the XY stage is connected to the electrostatic drive actuator, and the other is connected to the leaf spring.
And as shown in FIG.5 (b), the displacement amount of an electrostatic drive actuator can be changed according to an applied voltage. In FIG. 5B, the horizontal axis represents the applied voltage (Applied Voltage, unit V), and the vertical axis represents the displacement amount (Displacement, unit μm) corresponding to the applied voltage.
By setting this applied voltage in advance corresponding to the amount of displacement in each column (x-axis direction) and row (y-axis direction), it is possible to move it to the writing position of the data to be read in the matrix. For example, by applying 50 V, it is possible to drive the XY stage to displace a maximum distance of 20 μm.
次に、図6から図16を用いて、太陽電池4及び片持ち梁3の部分を形成するプロセスの一例について説明する。図6から図16は、各製造工程における太陽電池4及び片持ち梁3の部分の断面を示す概念図である。
図6に示すように、厚さ500μのP型シリコン基板100の上面に熱酸化あるいはCVD(化学気相成長法)等により、絶縁膜としてシリコン酸化膜101を形成する。
そして、上記シリコン酸化膜101の上面にエピタキシャル成長にて、P型シリコン層102を30μの厚さにて形成する。
Next, an example of a process for forming the
As shown in FIG. 6, a
Then, a P-
次に、P型シリコン層102上面にI(イントリンシリック)型(不純物の混入がない)シリコン層103を、エピタキシャル成長により、3μmの厚さに形成する。
そして、エピタキシャル成長にて、上記I型シリコン層103上部にN型シリコン層104を形成する。
次に、上記N型シリコン層104上部に、シリコン熱酸化膜105を形成し、このシリコン熱酸化膜105上にフォトレジストを塗布し、太陽電池4を形成するためのマスクにより、フォトリソグラフィを行い、レジストパターンを形成し、HFなどによりレジストパターンの開口部のシリコン熱酸化膜をエッチングする。
Next, an I (intrinsic) type (no impurities mixed)
Then, an N-
Next, a silicon
そして、レジストを除去し、形成された酸化膜パターン(シリコン熱酸化膜105による)をマスクとして、等方性または異方性のシリコンのエッチングを行う。このエッチングは、シリコン酸化膜101表面が露出されるまで行われ、図7に示すように、シリコン酸化膜101上に形成された各太陽電池(フォトダイオード)が分離される。一端、熱酸化膜105をHFにより除去する。
そして、酸素雰囲気中にて、シリコンの熱酸化を行い、図8に示すように、シリコン熱酸化膜106を形成する。
Then, the resist is removed, and isotropic or anisotropic silicon etching is performed using the formed oxide film pattern (by the silicon thermal oxide film 105) as a mask. This etching is performed until the surface of the
Then, thermal oxidation of silicon is performed in an oxygen atmosphere to form a silicon
次に、図9に示すように、シリコン熱酸化膜106上にフォトレジスト(ポジレジスト)を塗布し、分離されている複数の太陽電池を直列に接続する配線のコンタクトを形成するマスクにより、フォトリソグラフィを行い、コンタクトのためのレジストパターンを形成する。
そして、形成されたレジストパターン107をマスクとして、シリコン熱酸化膜106のエッチングを行う。すなわち、図10に示すように、各太陽電池におけるアノードのP型シリコン層102と、カソードのN型シリコン層104とのコンタクト部分(アノードのコンタクト106A,カソードのコンタクト106B)の形成を行い、レジストパターン107をアセトンにより除去する。
Next, as shown in FIG. 9, a photoresist (positive resist) is applied on the silicon
Then, the silicon
次に、片持ち梁3を形成する部分において、片持ち梁3と導電性基板6との間の所定の距離(例えば、1〜2μm)の空間を形成するため、図11に示すようにネガレジストのレジストパターン108を形成する。ネガレジストの場合、露光してパターンとした際、エッジがなだらかな斜面を形成するため、後の配線形成における断線を防止することができる。
ここで、塗布されたネガレジストの厚さが上記所定の距離に対応し、図1及び図2における絶縁膜5の厚さ、すなわち片持ち梁3が下部方向に駆動させる距離に対応している。
Next, in order to form a space of a predetermined distance (for example, 1 to 2 μm) between the
Here, the thickness of the applied negative resist corresponds to the predetermined distance, and corresponds to the thickness of the insulating
ここで、図1及び図2においては、片持ち梁3をN型シリコン層102等の太陽電池のいずれかの層にて形成し、導電性基板6をP型シリコン基板100にて構成し、刻印突起部3aを該太陽電池のいずれかの層上に、図14に示す工程で形成しても良いし、また、上記片持ち梁3上にシリコン層をエピタキシャル成長させ、このシリコン層に対して、シリコン層の厚さに対応した径のレジストマスクを形成し、等方性のエッチングを行い、前端が尖った刻印突起部3aを、シリコン(例えば、P型シリコン層102)にて形成しても良い。また、片持ち梁3及び導電性基板6との空隙は、片持ち梁3直下のシリコン酸化膜101(絶縁膜5)を、等方性エッチング等を用いて形成する。この際、シリコン酸化膜101は片持ち梁3を下部方向に駆動する距離に対応して設定する。そして、刻印突起部3aが形成された面にAlなどの金属膜を形成し、反射ミラー7を形成している。
Here, in FIGS. 1 and 2, the
しかしながら、図6から図16による本実施形態のプロセスにおいて形成される構成においては、片持ち梁3を太陽電池の接続するために形成する金属膜にて形成し、導電性基板6を、太陽電池を形成する半導体層(102,103,104)を用い、これら全てを接地電位として用いている。片持ち梁3と導電性基板6と間には、空間とシリコン熱酸化膜106とが介挿されているが、シリコン酸化膜106の厚さが空間の距離に比較して薄いため、片持ち梁3と導電性基板6と間の誘電率を、ほぼ空気の誘電率として考えることができる。
However, in the configuration formed in the process of the present embodiment according to FIGS. 6 to 16, the
そして、全面にCr(300nm)/Al(200nm)からなる配線の金属膜を形成し、の膜を形成し、配線金属膜の上にフォトレジストを塗布し、太陽電池を電気的に接続して太陽電池4を形成する金属配線及び片持ち梁3の稼動部(静電駆動における稼動量に対応する弾性を持たせるための幅及び長さ対応させる)を形成するためのマスクにより、フォトリソグラフィを行い、形成されたレジストパターンをマスクとして、配線金属のエッチングを行い、図12に示すように、配線パターン109及び片持ち梁3を形成する。
これにより、分離されている太陽電池のカソードとアノードとを各々接続させ、複数の太陽電池がコンタクト106A及びコンタクト106Bを介して、配線パターン109により太陽電池のアノードが他の太陽電池のカソードに接続され、各太陽電池が直列に接続された太陽電池4が形成される。
Then, a metal film of wiring composed of Cr (300 nm) / Al (200 nm) is formed on the entire surface, a film is formed, a photoresist is applied on the wiring metal film, and the solar cells are electrically connected. Photolithography is performed by a mask for forming metal wiring forming the
Thereby, the cathodes and anodes of the separated solar cells are connected to each other, and a plurality of solar cells are connected to the cathodes of other solar cells by the
次に、配線パターン109等の上部にポジレジストを形成し、刻印突起部3aを形成するためのマスクにより、フォトリソグラフィを行い、レジストパターン110を形成する。図13に示すように、刻印突起部3aを形成する部分に開口部110hが形成されている。
そして、図14に示すように、レジストパターン110上部にAu(またはAl)を蒸着させ、金属膜(例えばアルミ層)111を形成する。これにより、開口部110hの径を調整することにより、高さを制御して、先端の尖った刻印突起部3aがAu(またはAl)によって形成される。
Next, a positive resist is formed on the
Then, as shown in FIG. 14, Au (or Al) is deposited on the resist
次に、図15に示すように、アセトンにてレジストパターン110を除去することにより、リフトオフプロセスとして、刻印突起部3a以外のAu(またはAl)の金属膜111が、レジストパターン110と共に除去される。
そして、図16に示すように、ネガレジストのレジストパターン108を、酸素プラズマによるアッシングにより除去することで、片持ち梁3が、配線パターン109と一体となり形成され、太陽電池4のアノードに接続され、片持ち梁3と酸化膜107との間には、ネガレジストのパターン108の厚さ分の空間が形成され、静電駆動型のアクチュエータが形成される。
Next, as shown in FIG. 15, by removing the resist
Then, as shown in FIG. 16, by removing the negative resist
そして、本プロセスにより製作される構成において、片持ち梁3の上部表面自体が反射ミラー7となり、図1におけるMEMS書き込み読みだしヘッドが製作される。
また、上述した図1及び図2、図6から図16のプロセスにて形成した片持ち梁は太陽電池4におけるフォトダイオードのアノードに接続されているが、フォトダイオードのカソードに接続するように形成しても良い。
また、図6から図16のプロセスに形成したフォトダイオードは、P型シリコン層102/I型シリコン層103/N型不純物層104の順にシリコン酸化膜101上に形成されているが、P型シリコン層10N型不純物層104/I型シリコン層103/P型シリコン層102の順に形成してもよい。
In the structure manufactured by this process, the upper surface of the
In addition, the cantilever formed by the processes of FIGS. 1, 2, and 6 to 16 described above is connected to the anode of the photodiode in the
The photodiodes formed by the processes of FIGS. 6 to 16 are formed on the
上述した実施形態においては、記憶装置の書き込み用として、片持ち梁3からなるアクチュエータと太陽電池4とを同一半導体基板上に形成した構造及びプロセスを説明した。
しかしながら、本実施形態における太陽電池とアクチュエータとを同一基板に形成する技術は、片持ち梁3のみでなく、広く中空支持構造体(サスペンディッド・ストラクチャ)を用いた構成に用いることができる。
ここで、中空支持構造体(サスペンディッド・ストラクチャ)とは、弾性体を介して中空に支持された機械構造体のことであり、例えば、例えば、曲がり梁、捻りバネによる機械構造体などが挙げられる。
In the embodiment described above, the structure and process in which the actuator composed of the
However, the technology for forming the solar cell and the actuator on the same substrate in the present embodiment can be used not only for the
Here, the hollow support structure (suspended structure) is a mechanical structure that is supported hollowly through an elastic body, and examples thereof include a bending structure and a mechanical structure using a torsion spring. .
1…支持基板
2…樹脂フィルム
3…片持ち梁
3a…刻印突起
3b…表面(片持ち梁3の表面)
4…太陽電池
5…絶縁膜(シリコン酸化膜101)
6…導電性基板(P型シリコン基板)
7…反射ミラー
8…プリズム
100…P型シリコン基板
101,108…シリコン酸化膜
102…P型シリコン層
103…I型シリコン層
104…N型不純物層
105,106…シリコン熱酸化膜
107,108,110…レジストパターン
109…配線パターン
111…アルミ層
200…記録媒体
DESCRIPTION OF
4 ...
6 ... Conductive substrate (P-type silicon substrate)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 ... Reflection mirror 8 ...
Claims (9)
該基板上に形成された太陽電池と、
該基板上に形成され、前記太陽電池の一方の電源出力端子に接続された中空支持構造体及び前記基板上の導体部から形成された静電駆動アクチュエータと
を有することを特徴とするアクチュエータ。 A semiconductor substrate;
A solar cell formed on the substrate;
An actuator comprising: a hollow support structure formed on the substrate and connected to one power supply output terminal of the solar cell; and an electrostatic drive actuator formed from a conductor portion on the substrate.
前記片持ち梁の前記表面に設けられた反射ミラーと、
該片持ち梁の突起と対向して設けられた記録フィルムと
を有し、
データの書き込みを前記突起にフィルム表面を押しつけ、該表面に窪みを形成することで行い、データの読み出しを前記突起に記録フィルム表面を押しつけ、窪みに先端が入ると前記反射ミラーの角度が変化せず、窪みに先端が入らないと前記片持ち梁が変形し、入射される読み出し光を反射する際、前記反射ミラーの角度が変化し、所定の角度における読み出し光の反射の有無により行うことを特徴とする記憶装置。 A cantilever configured as an electrostatic actuator with one end fixed to the support substrate so as to be parallel to the surface of the support substrate and a protrusion with a sharp tip on the surface in the vicinity of the unfixed end. With a beam,
A reflection mirror provided on the surface of the cantilever;
A recording film provided opposite to the projection of the cantilever,
Data writing is performed by pressing the film surface against the projection and forming a depression on the surface, and data reading is performed by pressing the recording film surface against the projection and the tip of the depression enters the angle of the reflecting mirror. If the tip does not enter the recess, the cantilever is deformed, and when the incident readout light is reflected, the angle of the reflection mirror changes, and depending on whether or not the readout light is reflected at a predetermined angle. A storage device characterized.
The storage device according to claim 8, wherein the cantilever is formed by a part of a formation layer of the solar cell and is fixed by the solar cell.
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