JP2008021407A - データ記憶方法及びデータ記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ナノメートルスケールで制御して金属膜をエッチングしてデータを記憶することが可能なデータ記憶方法及びデータ記憶装置を提供する。
【解決手段】上面に金属膜２０が形成された基板１００を調製する段階と、金属膜２０の上方にマイクロチップ５０を配置する段階と、金属膜２０とマイクロチップ５０との間に所定の電圧を印加してマイクロチップ５０から電子ビーム３０を発生させる段階と、電子ビーム３０により金属膜２０の表面を所定のパターンにエッチングする段階とを含む。マイクロチップ５０に負のバイアスを印加することにより、従来のように機械的な強い力を加えずに、所定電圧を印加したマイクロチップ５０から発生された電子ビーム３０による加熱及び溶解を実行する方式を用いて、情報を表すエッチングパターンを所望の形状と大きさに制御して形成することが容易となる。
【選択図】図１
【解決手段】上面に金属膜２０が形成された基板１００を調製する段階と、金属膜２０の上方にマイクロチップ５０を配置する段階と、金属膜２０とマイクロチップ５０との間に所定の電圧を印加してマイクロチップ５０から電子ビーム３０を発生させる段階と、電子ビーム３０により金属膜２０の表面を所定のパターンにエッチングする段階とを含む。マイクロチップ５０に負のバイアスを印加することにより、従来のように機械的な強い力を加えずに、所定電圧を印加したマイクロチップ５０から発生された電子ビーム３０による加熱及び溶解を実行する方式を用いて、情報を表すエッチングパターンを所望の形状と大きさに制御して形成することが容易となる。
【選択図】図１
Description
本発明は、データ記憶方法及びデータ記憶装置に係り、特にマイクロチップに印加するバイアス電圧を制御することにより金属膜にナノスケールで所望のエッチングを施してデータを記憶するものに関する。
従来、マイクロチップを用いて金属膜をエッチングすることにより、データを記憶する技術があり、このデータ記憶技術によるエッチングは、物質と接したマイクロチップに比較的強い機械的な荷重（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｌｏａｄ ｆｏｒｃｅ）を作用させて、このマイクロチップの下部の物質を掘り出す方式により行なわれていた。このため、前記従来の技術は、エッチングに際し、エッチングのパターンを所望の形状と大きさに形成し、かつそのエッチング速度を適切に制御するのが困難という短所を有していた。このように機械的な荷重を物質に作用させて行なわれる金属膜のナノスケールエッチング技術は、データの記憶技術に一般的に応用されているものである。
一方、従来の他のデータを記憶するための技術として、強誘電体を分極させる方法、ポリマーを熱的に変形させる方法、磁性体を相変換させる方法、抵抗体を相変換させる方法、金属あるいは半導体を酸化させて相変換させる方法等が挙げられるが、これらの技術は、いずれもデータの記録時間及びデータの安定保持等の点で、長所と短所とを有するものであった。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、所定の電圧がバイアスされたマイクロチップによって、エッチングパターンを、所望の形状と大きさに、所望のエッチング速度で、しかもナノメートルスケールで制御して形成することができるデータ記憶方法及びデータ記憶装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明の請求項１は、データを書き込む書き込み段階と、データを読み出す読み出し段階とを含み、前記書き込み段階は、上面に金属膜が形成された基板を調製する段階と、前記金属膜の上方にマイクロチップを配置する段階と、前記金属膜とマイクロチップとの間に所定の電圧を印加してマイクロチップから電子ビームを発生させる段階と、前記電子ビームにより前記金属膜の表面を所定のパターンにエッチングする段階とを含むことを特徴とするデータ記憶方法を提供する。
ここで、前記読み出し段階は、前記金属膜の表面に形成された所定のパターンの形状を検出して行うことが望ましい。（請求項２）
ここで、前記読み出し段階は、前記金属膜の表面に形成された所定のパターンの形状を検出して行うことが望ましい。（請求項２）
また、本発明の請求項８は、上面に金属膜が形成された基板からなる記録板と、前記金属膜の上方に配置されるマイクロチップと、前記マイクロチップから前記金属膜の表面に向けて電子ビームを放出すべく、前記金属膜とマイクロチップとの間に所定の電圧を印加する電圧印加手段とからなることを特徴とするデータ記憶装置を提供する。
前記データ記憶方法及びデータ記憶装置において、前記金属膜をエッチングする際、前記金属膜に対して前記マイクロチップが相対的な運動をすることが望ましい。（請求項３）
特に望ましくは、前記電圧が所定の範囲内で可変であり、前記金属膜に対するエッチング度を適宜制御する。（請求項４）
前記データ記憶方法及びデータ記憶装置において、前記金属膜をエッチングする際、前記金属膜に対して前記マイクロチップが相対的な運動をすることが望ましい。（請求項３）
特に望ましくは、前記電圧が所定の範囲内で可変であり、前記金属膜に対するエッチング度を適宜制御する。（請求項４）
前記基板はその表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板であり、前記金属膜は金（Ａｕ）として前記シリコン酸化膜の上面に形成されることがさらに望ましい。（請求項５、９）
また、さらに望ましくは、前記電圧は１２〜２５Ｖであり、前記マイクロチップは負にバイアスされる。（請求項６）
そして、前記マイクロチップは表面にチタン薄膜が形成されたシリコン（Ｓｉ）から構成されることが望ましい。（請求項７、１０）
また、さらに望ましくは、前記電圧は１２〜２５Ｖであり、前記マイクロチップは負にバイアスされる。（請求項６）
そして、前記マイクロチップは表面にチタン薄膜が形成されたシリコン（Ｓｉ）から構成されることが望ましい。（請求項７、１０）
本発明によれば、マイクロチップに負のバイアスを印加することにより、従来のデータ記憶方法及びデータ記憶装置で行なわれていたように、比較的強い機械的な力を加えることなく、所定の電圧を印加したマイクロチップから発生された電子ビームによる加熱及び溶解の方式を用いて、金属膜にナノメートルスケールで制御されたエッチングパターンを形成することが可能なデータ記憶方法及びデータ記憶装置を提供することができる。
以下、添付した図面に基づき、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るデータ記憶方法及びデータ記憶装置並びにその原理を示した模式的な断面図である。本実施形態にあっては、まず、図１に示すように、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）が被覆されたＳｉ基板（ＳｉＯ２／Ｓｉ）１０の上に、金（Ａｕ）からなる金属膜２０が形成されたＡｕ／ＳｉＯ２／Ｓｉ記録板１００が調製される。
図１は、本発明の実施形態に係るデータ記憶方法及びデータ記憶装置並びにその原理を示した模式的な断面図である。本実施形態にあっては、まず、図１に示すように、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）が被覆されたＳｉ基板（ＳｉＯ２／Ｓｉ）１０の上に、金（Ａｕ）からなる金属膜２０が形成されたＡｕ／ＳｉＯ２／Ｓｉ記録板１００が調製される。
そして、前記記録板１００の上方には、シリコンの表面にチタン膜がコーティングされたＴｉ／Ｓｉマイクロチップ５０が配置される。このマイクロチップ５０と記録板１００との間には所定の電圧が印加され、マイクロチップ５０は負にバイアスされる。このように所定の電圧がマイクロチップ５０に印加されると、マイクロチップ５０から電子ビーム３０が発生して前記Ａｕ／ＳｉＯ２／Ｓｉ記録板１００の金属膜２０に到達する。このとき、金属膜２０が電子ビームによって局部的に加熱され、溶解される。
前記Ｔｉ／Ｓｉマイクロチップ５０と、前記Ａｕ／ＳｉＯ２／Ｓｉ記録板１００との間には、所定範囲の電圧として、例えば、１２〜２５Ｖの電圧が印加される。このような所定範囲の電圧を印加すると、前述したように、負にバイアスされたマイクロチップ５０から発生した電子ビームによって、前記Ａｕからなる金属膜２０が局部的にエッチングされる。
このとき、前記Ａｕ／ＳｉＯ２／Ｓｉ記録板１００と、前記Ｔｉ／Ｓｉマイクロチップ５０との間に印加される電圧が前記所定範囲から外れると、前記Ａｕ／ＳｉＯ２／Ｓｉ記録板１００における金属膜（Ａｕ）の局部的なエッチングの状態を適切に制御することが困難となり、その結果として、エッチングによって形成されるパターンの形状と大きさ（広さ、深さ、幅）を設計値通りとするのが難しくなる。
すなわち、本実施形態にあっては、前記Ａｕ／ＳｉＯ２／Ｓｉ記録板１００と、Ｔｉ／Ｓｉマイクロチップ５０との間に印加される電圧を、前記所定の範囲内（例えば、１２〜２５Ｖ）で適宜制御することによって、金属膜（Ａｕ）の局部的なエッチングの状態が適切に制御され、所望の形状と大きさを有するエッチングパターンを得ることができる。そして、このようにして形成された所望の構造を有するエッチングパターン部分の形状を把握することにより、このように記録された情報の読出し、すなわち、情報の再生が可能となる。
本実施形態では、図１に示すように、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；原子間力顕微鏡）に取り付けられたマイクロチップ５０を用い、記録板１００で局部的なエッチングを実行すべき部分（金属膜２０の特定部分）にマイクロチップ５０を移動させ、この部分で、マイクロチップ５０と金属膜２０との間に所定範囲（例えば、１２〜２５Ｖ）内で所定のバイアス電圧を印加して電子ビーム３０を発生させ、局部的なエッチングを実行することができる。
この過程は、データ記憶装置（ｓｔｏｒａｇｅ；ストレージ）における「書込み」、あるいは、所定の基板（シリコン板等）に被覆されたレジスト膜に対し、特定のパターンを有するマスクを介して所定部分に電子ビームを照射して行なわれる従来公知の「リソグラフィー」に相当する。このようにして記録された情報の読出しに際しては、前記のようにマイクロチップ５０にバイアス電圧を作用させずに、次のようにして実行することができる。
すなわち、前記Ｔｉ／Ｓｉマイクロチップ５０と、前記Ａｕ／ＳｉＯ２／Ｓｉ記録板１００との間に所定の電圧を印加することによって金属膜２０の表面のエッチングされた部分において、変質された状態と元の状態との間における物理的な諸特性の違い、例えば、形状の違いや電気的な特性の違い等を、従来公知の測定法で検出することができる。例えば、前記変質した状態と元の状態との間における形状の違いは、これに起因する屈折率の差を、所定のレーザビームを照射すること（顕微エリプソメトリの原理等）によって検出することができる。このような過程は、前記データを再生する「読出し」に相当する。
また、前記情報の読出し方法としては、前記エッチングされた部分で変質された状態と元の金属膜２０の状態との間の形状の違いを、前述したように前記両者の光学的な屈折率の差を検出して実行する方法のほかに、容量の違い、抵抗の違い、摩擦係数の違いを検出して実行する方法が挙げられる。
以上述べた過程を具体的に説明すると次の通りである。図１に示すように、前記ＳｉＯ２／Ｓｉ基板１０の上に、金属膜２０が形成された記録板１００を調製し、この記録板１００にカンチレバー（図示せず）に固定され、表面にチタンがコーティングされたマイクロチップ５０を配置させた後、記録板１００の金属膜２０とマイクロチップ５０との間に前記所定の電圧を印加すると、マイクロチップ５０から大気中、ひいては金属膜２０に向けて電子が放出される。
このようにして放出された電子が記録板１００の金属膜２０の上で、電流によって誘導された抵抗熱を発生し、この抵抗熱によって、金属膜２０が局部的に溶解される。その結果、居部的にエッチングされた部分４０が、金属膜２０の上に形成される。そして、このようにエッチングが施されて記録された情報の読出しを実行するには、例えば前述したように、エッチングされた金属膜と元の金属膜との形状の違いを検出することによって実行することができる。
図２は、前記記録板１００に対するマイクロチップ５０の相対的な運動を誘導することにより、エッチングによってグルーブ（ｇｒｏｏｖｅ；溝）４０ａが形成された状態を示したものである。前述したように、前記マイクロチップ５０と金属膜２０との間に所定範囲内の電圧を印加した状態で、金属膜２０に対するマイクロチップ５０の相対的な運動を実行すると、マイクロチップ５０から発生された電子ビームによってグルーブ（溝）４０ａが形成される。このとき、マイクロチップ５０の運動中に、電圧を前記所定範囲内で適宜制御すれば、グルーブ（溝）４０ａで局部的なエッチングレート（エッチング速度）の差が生じる。
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は各々、本発明に係るデータ記憶方法及びデータ記憶装置と対比させて説明するべく、従来の機械的な方法によって行なわれるデータ記憶方法及びデータ記憶装置を示した図である。前記従来のデータ記憶方法及びデータ記憶装置は、図３（Ａ）に示すように、マイクロチップ５０’に所定の力Ｆが加えられ、金属膜２０に直接的なダメージを作用させる。この状態で、図３（Ｂ）に示すように、マイクロチップ５０’を、金属膜２０に対して相対的に運動させると、マイクロチップ５０’によって金属膜２０に刻みがつけられてグルーブ（溝）４０ｂが形成される。
図４は、前記マイクロチップ５０に約１０ｎＮ（ナノニュートン、１０−９Ｎ）の荷重を加えると共に、−１９Ｖの負のバイアスを印加して形成したトレンチ形状のエッチングラインまたはグルーブ（溝）のＡＦＭ像の写真である。このエッチングラインまたはグルーブの読出しは、前記ＡＦＭの探針に電圧を印加することなく、約１０ｎＮの荷重のみを加えた状態で行った。このような読出し条件下では、図４に示すように、前記金属膜２０はまったくダメージまたはエッチングを受けないことがわかる。
図５は、図４に示すエッチングラインを形成する過程で行なった電気測定の結果を示すグラフである。図５において、横軸は時間を示し、縦軸は電流値を示し、グラフは時間（ｓ；秒）に関する電気特性Ｇ（Ｓ；ジーメンス）の関数を示す。また、このグラフの傾きは、Ａｕからなる金属膜の局部的エッチング速度に対応している。すなわち、このグラフの傾きが大きいほど、局部的エッチング速度が大きい。
図４及び図５から明らかなように、このエッチングラインは、幅が数ｎｍ程度であり、さらに数ｎｓ（ナノ秒）以下という非常に短い時間で形成されていることがわかる。このことから、本実施形態に係るデータ記憶方法及びデータ記憶装置は、数百ギガバイト級以上のデータ記憶装置に、好適であることがわかる。
図６は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す従来のデータ記憶方法及びデータ記憶装置のように、電圧を前記マイクロチップ５０に印加しない状態で、１μＮ以上の比較的強い物理的な力のみを加えて形成したエッチングラインのＡＦＭ像の写真である。図７は、図６に示すエッチングラインを形成する過程で前記図５と同様に行なった電気測定の結果を示したグラフである。図５及び図７を比較しながら参照すると、電気特性値Ｇ（Ｓ）が約１００Ｓから約５０ｐＳ（×１０−１２Ｓ）となるまでの時間が、本実施形態では０．０１ｓ程度であるのに対し、従来の技術では１０ｓ程度となっており、このことから、本実施形態に係るデータ記憶方法及びデータ記憶装置は、従来のデータ記憶方法及びデータ記憶装置に比べて、前記エッチングラインの形成速度が千倍程度大きくなっていることがわかる。
図８は、本実施形態に係るデータ記憶方法又は装置を大容量のデータ記憶装置（あるいはリソグラフィー）に適用した場合の構造を示した図である。図８に示すように、１枚の記録板１００に対し、負にバイアスされた複数のマイクロチップ５０を、一つの構造体５１に配列させ、記録板１００に対して電子ビーム３０等を作用させることにより大容量のデータ記憶装置を具現することができる。
すなわち、本実施形態によれば、前記マイクロチップに印加する電圧を所定の範囲内で適宜制御することにより、記憶すべきデータ（情報）を表わすエッチングパターンを、所望の形状と大きさに容易に形成することできる。さらに、エッチング速度も従来に比べて千倍程度、高速化することができ、数百ギガバイト級以上のデータ記憶装置または大容量のナノリソグラフィーに好適である。
１０ シリコン酸化膜が被覆されたＳｉ基板（ＳｉＯ２／Ｓｉ）
２０ 金（Ａｕ）からなる金属膜
３０ 電子ビーム
４０ 居部的にエッチングされた部分
５０ シリコンの表面にチタン膜がコーティングされたマイクロチップ
１００ シリコン酸化膜が被覆されたＳｉ基板１０の上に、Ａｕからなる金属膜２０が形成された記録板（Ａｕ／ＳｉＯ２／Ｓｉ）
２０ 金（Ａｕ）からなる金属膜
３０ 電子ビーム
４０ 居部的にエッチングされた部分
５０ シリコンの表面にチタン膜がコーティングされたマイクロチップ
１００ シリコン酸化膜が被覆されたＳｉ基板１０の上に、Ａｕからなる金属膜２０が形成された記録板（Ａｕ／ＳｉＯ２／Ｓｉ）
Claims (10)
- データを書き込む書き込み段階と、データを読み出す読み出し段階とを含み、
前記書き込み段階は、
上面に金属膜が形成された基板を調製する段階と、
前記金属膜の上方にマイクロチップを配置する段階と、
前記金属膜とマイクロチップとの間に所定の電圧を印加してマイクロチップから電子ビームを発生させる段階と、
前記電子ビームにより前記金属膜の表面を所定のパターンにエッチングする段階と、
を含むことを特徴とするデータ記憶方法。 - 前記読み出し段階は、
前記金属膜の表面に形成された所定のパターンの形状を検出して行うことを特徴とする請求項１に記載のデータ記憶方法。 - 前記金属膜をエッチングする段階において、前記マイクロチップが前記金属膜に対して相対的な運動をすることを特徴とする請求項１に記載のデータ記憶方法。
- 前記電圧は、所定の範囲内で可変であり、前記金属膜のエッチングの度合いが制御可能に構成されることを特徴とする請求項１に記載のデータ記憶方法。
- 前記基板は、その表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板であり、
前記金属膜は、金（Ａｕ）として前記シリコン酸化膜の上面に形成されることを特徴とする請求項１に記載のデータ記憶方法。 - 前記所定の電圧は、１２〜２５Ｖであり、
前記マイクロチップは、負にバイアスされることを特徴とする請求項１に記載のデータ記憶方法。 - 前記マイクロチップは、表面にチタン薄膜が形成されたシリコン（Ｓｉ）から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のデータ記憶方法。
- 上面に金属膜が形成された基板からなる記録板と、
前記金属膜の上方に配置されるマイクロチップと、
前記マイクロチップから前記金属膜の表面に向けて電子ビームを放出すべく、前記金属膜とマイクロチップとの間に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、
からなることを特徴とするデータ記憶装置。 - 前記基板は、その表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板であり、
前記金属膜は、金（Ａｕ）として前記シリコン酸化膜の上面に形成されることを特徴とする請求項８に記載のデータ記憶装置。 - 前記マイクロチップは、表面にチタン薄膜が形成されたシリコン（Ｓｉ）から構成されていることを特徴とする請求項８に記載のデータ記憶装置。
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