JP4099066B2 - データ読出し／書込みシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般にチップ（tip）を介して記憶表面にデータを書き込み、または記憶表面からデータを読み出し、あるいはその両方を行うための方法および機器に関する。

かかる記憶装置の例は、P.Vettiger他の「The"Millipede"-More than one thousand tips for future AFM data storage」、IBMJournal of Research and Development、44巻、No.3、2000年5月に記載されている。この論文に記載されているように、この装置はシリコン基板上に作成されたカンチレバー・センサ（cantileversensor）の２次元アレイを備える。各カンチレバーは基板の一端に取り付けられる。各カンチレバーの他端は、抵抗性のヒータ要素、および外側に向いたチップを有する。各カンチレバーは、行導体および列導体を介してアドレス可能である。行導体および列導体により、その上のヒータ要素を加熱するため、各カンチレバーに選択的に電流を流すことが可能になる。

読出し動作および書込み動作の両方で、アレイのチップを、平面基板にコーティングしたポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）層などのポリマー層を含む記憶媒体と接触させ、記憶媒体に対して相対的に移動させる。

各チップを介してポリマー層に局所的な力がかかることが、対応する行導体および列導体を介してポリマー層を局所的に変形させるのに十分なレベルまでデータ信号を印加することにより各チップが選択的に加熱されることとあいまって、データが記憶媒体に書き込まれ、それによって、チップは、ポリマー層の表面にくぼみ（indentation）またはピット（pit）を残す。従来は、ポリマー層に対してチップを機械的にバイアスすることによって局所的な力を加える。記憶媒体は、熱的に消去することが可能であり、その後複数回書き換えすることが可能である。記憶媒体を消去するためには、ポリマー層がリフローするのに十分なレベルまでポリマー層を加熱し、それによって、その記憶媒体に記録されたすべてのくぼみを除去する。

各ヒータ要素はまた、温度に依存する抵抗をもつことから熱リードバック・センサにもなる。データ読出し動作では、加熱信号をアレイ中の各行に順次印加する。加熱信号は選択行のヒータ要素を加熱するが、この場合は、ポリマー層を変形させるのに不十分な温度までの加熱である。ヒータ要素と記憶媒体の間の熱伝導は、ヒータ要素と記憶媒体の間の距離に応じて変化する。記憶媒体上でアレイをスキャンするときにチップがビットのくぼみ中に移動すると、ヒータ要素と記憶媒体の間の距離は減少する。ヒータ要素と記憶媒体の間の媒体は、ヒータ要素と記憶媒体の間で熱を伝達する。各ヒータ要素と記憶媒体の間の熱伝達は、関連したチップがくぼみ中を移動するとき効率がより高くなる。このようにしてヒータ要素の温度が、したがって抵抗が減少する。各行の連続的に加熱されたヒータ要素の温度変化を並列に監視することが可能であり、それによって、記録されたビットの検出が容易になる。従来は、許容可能な信号対雑音比を達成するために、比較的長いチップを使用してきた。しかしながら、かかる長いチップは比較的壊れやすく、製造することが難しい。従来の装置ではまた、書込みを容易にするために比較的柔らかいポリマーを使用している。しかしながら、かかる材料に関する問題は、その変形が比較的温度変化の影響を受けやすいことである。具体的には、環境温度の変化によって変形が除去されるため、対応するデータが失われてしまう可能性がある。さらに、アレイが表面全体にわたってスキャンされるので、チップがポリマー材料に対して摩耗する。
P.Vettiger他、「The"Millipede"-More than one thousand tips for future AFM data storage」、IBMJournal of Research and Development、44巻、No.3、2000年5月

本発明によれば、チップを介して表面上の位置にデータを書き込み、または表面上の位置からデータを読み出し、あるいはその両方を行うための方法が提供される。

この方法は、表面上の位置間でチップを移動すること、および各位置でチップを介して表面にエネルギーを選択的に加え、エネルギーを選択的に加えることに同期してチップを表面に選択的に押しつけることを含む。この構成により読出しと書込みの感度が改善される。

チップを交互に表面に近づけ、表面から遠ざけることが好ましい。こうすると、チップを位置間で移動させるときチップ上の摩耗を減少させる。

本発明の好ましい実施形態では、チップを介して表面にエネルギーを選択的に加えるのと同時に、チップを表面に選択的に押しつけることによって、読出し動作および書込み動作のさらなる改善が実現される。

本発明の特に好ましい実施形態では、チップを表面に選択的に押しつけるのに対して、表面にエネルギーを選択的に加えるのをずらせる（offset）ことによって読出し動作および書込み動作の追加の改善を実現する。

本発明の好ましい実施形態では、チップと表面を互いに近づくように移動させるときにチップを介して表面にエネルギーを加えることを含む、表面にエネルギーを選択的に加えることにより、書込み性能の改善を実現する。本発明の特に好ましい実施形態では、チップが表面と係合するのと同時に、チップを介して表面にエネルギーを加えることを含む、表面にエネルギーを選択的に加えることによって、書込み性能のさらなる改善を実現する。

同様に、本発明の好ましい実施形態では、チップと表面を互いに遠かるように移動させるときにチップを介して表面にエネルギーを加えることを含む、表面にエネルギーを選択的に加えることによって、読出し性能の改善を実現する。本発明の特に好ましい実施形態では、チップが表面を離れると同時に、チップを介して表面にエネルギーを加えることを含む、表面にエネルギーを選択的に加えることによって、読出し性能のさらなる改善が得られる。

本発明の特に好ましい実施形態では、チップを表面に選択的に押しつけることは、チップに作用してチップを表面に押しつける力の場を選択的に発生させることを含む。力の場の選択的な発生によって、チップを表面と接触させ、また接触を解くことが好ましい。力の場は、電界を含むことができる。あるいは、力の場は磁界を含むこともできる。本発明の特に好ましい実施形態では、エネルギーは、熱エネルギーを含む。

本発明の他の態様では、チップを介して、表面上の位置にデータを書き込み、または表面上の位置からデータを読み出し、あるいはその両方を行う機器が提供される。この機器は、表面上の位置間でチップを移動させるための第１のトランスデューサ・サブシステムと、各位置でチップを介して表面にエネルギーを選択的に加えるための第２のトランスデューサ・サブシステムと、第２のトランスデューサ・サブシステムによりエネルギーを加えるのと同期して、チップを表面に選択的に押しつけるための第３のトランスデューサ・サブシステムとを備える。

第３のトランスデューサ・サブシステムは、第２のトランスデューサ・サブシステムによりエネルギーを加えることと同期して、チップを交互に表面に近づけ、表面から遠ざけるように移動させることが好ましい。本発明の好ましい実施形態では、第２のトランスデューサ・サブシステムによりエネルギーを加えるのと同時に、第３のトランスデューサ・サブシステムがチップを表面に選択的に押しつける。

本発明の特に好ましい実施形態では、第３のトランスデューサ・サブシステムによりチップを表面に選択的に押しつけることに対して、第２のトランスデューサ・サブシステムにより表面にエネルギーを加えることがずらされる。かかる実施形態では、書込み動作時に、第３のトランスデューサ・サブシステムによってチップと表面が互いに近づくように移動するときに、第２のトランスデューサ・サブシステムが、チップを介して表面にエネルギーを加えることが好ましい。書込み動作時には、第３のトランスデューサ・サブシステムによりチップが表面と接触するのと同時に、第２のトランスデューサ・サブシステムがチップを介して表面にエネルギーを加えることができる。読出し動作時には、第３のトランスデューサ・サブシステムによりチップと表面が互いに遠ざかるように移動するときに、第２のトランスデューサ・サブシステムがチップを介して表面にエネルギーを加えることが好ましい。読出し動作時には、第３のトランスデューサ・サブシステムによりチップが表面との接触が解かれると同時に、第２のトランスデューサ・サブシステムはチップを介して表面にエネルギーを加えることができる。

本発明の特に好ましい実施形態では、第３のトランスデューサ・サブシステムは、チップに作用してチップを表面に押しつける力の場を選択的に生成するための、力の場の発生装置を備える。その力の場の発生装置は、その力の場の選択的な発生により、表面と接触するように、また接触が解かれるようにチップを移動させることが好ましい。力の場の発生装置は電界発生装置を備えることができる。あるいは、力の場の発生装置は、磁界発生装置を備えることができる。

第２のトランスデューサ・システムが、表面に熱の形でエネルギーを加えるためのヒータを備えることが好ましい。

本発明はまた、本明細書で前述したように、記憶表面と、記憶表面に対向するチップと、チップを介して表面上の位置にデータを書き込み、または表面上の位置からデータを読み出し、あるいはその両方を行うための機器とを備えるデータ記憶装置にも適用される。本発明はさらに、中央処理装置と、中央処理装置に接続されたかかるデータ記憶装置を備えるデータ処理システムにも適用される。

本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照して、例としてのみ以下に説明することにする。

まず図１を参照すると、本発明を実施したデータ記憶システムの一例は、基板２０上に配置された２次元カンチレバー・センサ・アレイ１０を備える。行導体６０及び列導体５０も基板上に配置される。各センサ１０は、行導体６０及び列導体５０の異なる組合せによってアドレスされる。各センサ１０は、長さ約７０μｍ、厚さ約数マイクロメートルのＵ字形シリコン・カンチレバー１５を備える。カンチレバー１５のリムは、その両遠端でシリコン基板２０に固定される。カンチレバー１５のアペックス（apex）は、基板２０中に形成された凹部７０中に存在し、基板２０の法線方向に運動の自由度を有する。カンチレバー１５は、そのアペックスに抵抗性のヒータ要素３０を有し、また基板２０から離れているシリコン・チップ４０を有する。カンチレバー１５のリムは、電気伝導を改善するために高濃度にドープされている。ヒータ要素３０は、カンチレバー１５のアペックスをより低濃度にドーピングし、それによってカンチレバー１５を流れる電流に対する電気抵抗の増大領域を導入することにより形成される。カンチレバー１５のリムの一方が、中間のダイオード８０を介して行導体６０に接続される。カンチレバー１５の他方のリムは、列導体５０に接続される。行導体６０、列導体７０、及びダイオード８０も、基板２０上に配置される。

次に図２を参照すると、約４０ｎｍの厚さのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）膜などポリマー層９０の形の平面記憶媒体に、チップ４０が押しつけられている。このポリマー層９０は、シリコン基板１００の上に載っている。厚さ約７０ｎｍのＳＵ−８などの架橋されたフォトレジストの任意選択のバッファ層１１０が、ポリマー層９０と基板１００の間に配置される。読出し動作時にも書込み動作時にも、記憶媒体の表面上でアレイのチップ４０を移動させる。書込み動作時には、ポリマー層９０の区域上へのデータの書込みを可能にするために、記憶媒体に対してチップ・アレイを移動させることができる。

カンチレバー１５中に対応する行導体６０から対応する列導体５０へと書込み電流を流すことにより、チップを介してポリマー層９０に局所的な力を加えることと、チップ４０を介して熱の形で表面にエネルギーを加えることの組合せによって記憶媒体にデータを書き込む。カンチレバー１５に電流を通すことによってヒータ要素３０が加熱される。熱伝導によりヒータ要素３０からチップ４０に熱エネルギーが渡される。

図３を参照すると、各行導体６０は、行マルチプレクサ１８０の別々の線に接続されている。同様に、各列導体５０は、列マルチプレクサ１３０の別々の線に接続されている。制御装置２１０と、それぞれ制御線１４０および１５０を介して行マルチプレクサ１８０および列マルチプレクサ１３０との間で、データ信号及び制御信号が交信される。位置決めを行うトランスデューサ１６０、１７０、２２０を介して直交方向に記憶媒体９０を制御された方式でアレイに対して相対移動させることができる。トランスデューサ１６０および１７０は、ポリマー層９０の表面に平行な平面内でアレイを移動させる。トランスデューサ２２０はアレイに垂直な方向のアレイに移動をもたらす。動作中は、制御装置２１０は、書込み動作時にアレイを駆動するための書込み信号、読出し動作時にアレイを駆動するための読出し信号、およびポリマー層９０の表面に対するアレイ中のチップの相対移動を制御するトランスデューサ１６０、１７０、および２２０を駆動するための位置決め信号を生成する。制御装置２１０はまた、読出し動作時にアレイからの出力を受け取る。本発明の特に好ましい実施形態では、トランスデューサ１６０、１７０、および２２０を、圧電性トランスデューサ、電磁トランスデューサ、またはこれらの組合せによって実施することができる。しかしながら、他の実装形態も可能であることが理解されよう。制御装置２１０は、少なくとも一部を、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラもしくは同様の制御デバイス、または制御デバイスの集合体により実施することができる。本発明の一部の実施形態では、トランスデューサ２２０を省略することができる。

図４を参照すると、書込み電流を選択して、ポリマー層９０を局所的に変形させるのに十分なレベルまでチップ４０を加熱し、それによって、チップ４０でポリマー層９０の表面にくぼみを作り、直径約４０ｎｍのピット１２０を残す。例として、ほぼ摂氏７００度の温度までチップ４０を加熱することにより、ＰＭＭＡ膜の局所的な変形を実現できることが判明している。任意選択のバッファ層１１０は、ＰＭＭＡ膜９０よりも融点が高く、したがって、貫通阻止材（penetration stop）として作用して、基板１１０に対するチップ４０の摩耗を防止する。ピット１２０は、ポリマー層９０上に盛り上がったポリマー材料のリング１９０によって取り囲まれる。第２の重なり合ったピット１２１を破線で示す。

ヒータ要素３０はまた、温度に依存する抵抗をもつので、熱リードバック・センサともなる。データ読出し動作では、カンチレバー１５中を加熱電流が対応する行導体６０から対応する列導体５０に流れる。したがって、ヒータ要素３０はこの場合も加熱され、ただし今度はポリマー層９０を変形させるには不十分な温度まで加熱される。ほぼ摂氏４００度の読出し温度は、例えばＰＭＭＡ膜を溶かすには不十分であるが、それでもなお許容可能な読出し性能をもたらす。ヒータ要素３０とポリマー層９０の間の熱伝導は、ヒータ要素とポリマー層９０の間の距離に応じて変化する。読出し動作時には、ポリマー膜９０の表面上でチップ４０をスキャンする。これはポリマー膜９０に対してアレイを移動させることにより実現する。チップ４０がピット１２０に入るとヒータ要素３０とポリマー層９０の間の距離が減少する。ヒータ要素３０とポリマー層９０の間の媒体は、ヒータ要素３０とポリマー層９０の間で熱を伝達する。ヒータ要素３０とポリマー層９０の間の熱伝達は、チップ４０がくぼみ１２０中を移動するときにより効率的である。それ故に、ヒータ要素３０の温度が、したがって抵抗が減少する。加熱されたヒータ要素３０の行の温度変化を並列に監視し、それによって記録されたビットの検出を容易にすることができる。

対応する行導体６０に加熱電圧パルスを印加することによって前述の加熱電流を生成する。したがって、加熱電圧パルスが印加された行導体６０に接続された各センサ１０を通じて、加熱電流が流れる。したがって、対応するアレイ行のヒータ要素３０のすべてが加熱される。次いで、加熱されたセンサ１０の行から、記録済みのデータを並列に読み出す。マルチプレクス方式によって、各アレイ行をこのように順次読み出す。本発明の好ましい実施形態では、記憶媒体は３ｍｍ×３ｍｍの記憶表面を提供する。

次に、図５を参照すると、消去すべき事前記録済みのデータ上に互いに重なり合う新しいピット１２１〜１２４を形成してポリマー層９０の表面を十分に平坦化することにより、記録済みのデータ・ビットを選択的に消去することができる。新しい各ピットが直前のピットを効果的に消去するように、互いに重なり合う新しいピット１２１〜１２４の密度をより大きくして、消去すべきピットに上書きする前述の書込み動作を実施することにより、これを実現することができる。図６を参照すると、重なり合う新しいピット１２１〜１２４が、消去すべきピット１２０と互いに融合し、ポリマー層９０の表面を十分に平坦化する。前述したように、消去は全面的である必要はない。一連の波紋２００がポリマー層９０の表面に残ることもある。読出し動作時に消去済みのビットがデータ・ビットとして検出されなければ十分である。もちろんこれはデータ読出し感度によって決まることになる。消去モードでは、制御装置２１０が、新しいピット１２１〜１２４の形成を制御するように動作可能である。図５に戻ると、例えば新しいピット１２４で示されるビットなど、不必要なデータ・シーケンスを消去するために書き込まれたシーケンス中の最後の新しいビットが、記録すべき新しいデータ・シーケンスの一部を形成することが、一部の応用例では許容されることがある。他の構成では、不必要なビットを消去するために新しいビットが書き込まれる密度を、表面に記録されて残っている新しいビットが１つもないような密度にすることができる。

図７を参照すると、ポリマー層９０の表面は、安定状態または基底状態２３０、および準安定状態２４０を有する。チップ４０を介して表面に力Ｆ_ＷとエネルギーＥ_Ｗの組合せを加えることにより、表面が変形してチップ４０との接触点で準安定状態２４０になる。次に図７および図８を併せ参照すると、本発明の好ましい実施形態では、ある位置にチップ４０を位置決めし、チップ４０を介して表面に力Ｆ_ＷとエネルギーＥ_Ｗの組合せを加えてその位置で表面を変形させることにより、表面上のある位置にデータ・ビットを書き込む。図９を参照すると、次いで、変形部にチップ４０を位置決めし、チップ４０を介してその表面にエネルギーＥ_ｅを加えることにより、そのデータ・ビットを消去する。エネルギーＥ_ｅは表面にデータ・ビットを書き込むために必要なエネルギーよりも小さく、表面に記録されたデータ・ビットを読み出すために必要とされるエネルギーよりも大きくすることができる。あるいは、エネルギーＥ_ｅはエネルギーＥ_Ｗと同様の大きさにすることもできる。いずれにしても、エネルギーＥ_ｅは、準安定状態２４０から安定状態２３０に表面を緩和するのに十分である。消去動作では、力Ｆ_Ｗを低減し、またすっかり取り除くこともできる。力Ｆ_Ｗの除去も、トランスデューサ２２０を介して実施することができる。力Ｆ_Ｗを取り除き、エネルギーＥ_ｅを加えて変形した表面内の分子を励起する場合、表面内の分子間力Ｆ_ｍは、表面がその安定状態に緩和するときに、チップ４０を押し出すのに十分である。先に示唆したように、読出し動作、書込み動作、および選択消去動作に必要とされるエネルギーと力の様々な組合せが、制御装置２１０によってアレイに提供される。

図１０を参照すると、本発明の好ましい実施形態では、基板１１０は導電性であり、制御装置２１０は、アレイの各チップ４０に選択的に接続可能で、各チップ４０と記憶媒体の隣接領域の間の電位差を選択的に確定するための電圧信号生成装置２５０を備える。電位差により、各チップ４０の領域中に電界Ｅが生じる。電界Ｅの向きはチップ４０をポリマー層９０の表面に向かって押しつける向きである。したがって、チップ４０は、電界Ｅの影響下でポリマー層９０の表面に追加の力を加える。この追加の力を読出し動作の改善にも、また特に書込み動作の改善にも用いることができる。具体的には、追加の力により、読出し動作と書込み動作の両方で高速データ速度を実現することができるようになる。実験では、ナノメートル領域で、約５マイクロ秒以上の速度で、粘性の対抗力が、チップ４０によるポリマー層９０の表面の変形に対抗して作用することが示される。電界Ｅによって加えられる追加の力は、かかる粘性力を克服するのに役立つ。チップ４０のサイズを縮小することにより、電界Ｅの効果をさらに高めることができる。実験では、チップ４０を１マイクロメートルよりかなり短くするとき、ポリマー層９０の表面に局所的にかなり大きな力をかけることができることが示される。かかる短いチップでは、センサ１０と基板１００の間の静電容量が比較的大きい。例えば、実験では、基板１００と長さ１００ｎｍのチップ４０の間に１０Ｖの電圧をかけると、ポリマー層９０上に約０．１ｍＮの力がかかることが示される。チップ４０およびポリマー層９０が室温のときでさえ、この力は、比較的柔らかいポリマーにくぼみを生成するのに十分な強さである。電界がない場合には、チップは約０．０００１ｍNの負荷をかける。チップ４０を加熱すると、電界Ｅの存在下で貫通時間が大いに短縮される。具体的には、実験では、電界Ｅによってもたらされる追加の力が書込み動作時のデータ速度をナノ秒レベルにすることが示される。また、チップ４０を加熱することが電界Ｅを加えることとあいまって、選択的ビット消去動作または上書き動作を実施する際の柔軟性が増す。あるビットを書き込み、同時に隣接するビットを消去するには、チップ４０の温度を比較的高いレベルに保持することが望ましい。しかし、あるビットを書き込み、同時に隣接するビットを消去するのを回避するには、チップ４０を介してポリマー層９０に加えられる力を比較的高いレベルに保持することが望ましい。実験では、前述の電界Ｅによって加えられる力とチップ４０の加熱の組合せにより、データ記憶密度の４倍の増加がもたらされ得ることが示される。

図１１を参照すると、本発明の特に好ましい実施形態では、連続した読出し動作と連続した書込み動作の間に、チップ４０がポリマー層９０の表面からリフトオフされる。例として、図１１は、チップ４０が、ポリマー層９０上で連続した位置ＡないしＥを順次移動するときの、チップ４０とポリマー層９０の表面の間の間隔ｄの変化を示す。チップ４０が表面と接触しているときの間隔をｄ_０で示す。位置ＡないしＥは、ｄ_０＝０に従って表面上に、等間隔または不等間隔で配置することができる。チップ４０を表面から最も遠く離したときの間隔をｄ_１で示す。制御装置２１０によりトランスデューサ２２０を介して、間隔ｄを制御する。

図１２を参照すると、位置ＡないしＥにデータ・ビットを書き込むための書込み動作では、チップ４０がポリマー層９０に衝撃を与えるとき、制御装置２１０は、チップ４０に対応するヒータ要素に書込み電圧パルスＷ_１を印加する。この書込み電圧パルスＷ_１により、チップ４０のところで十分なエネルギーが生成するのに十分な大きさの電流がヒータ要素３０中に生じて、チップ４０の領域内のポリマー層９０の表面が局所的に変形される。チップ４０が離れた位置から表面に衝撃を与えることによって、追加のエネルギーがポリマー層９０の表面に与えられるので、ポリマー層９０の表面のいっそうの変形が実現される。このいっそうの変形によって記録されたデータの明瞭度（definition）が改善される。一連の位置ＡないしＥを順次書き込むとき、対応する連続した書込みパルスは、上位電圧レベルＷ_１と下位電圧レベルＷ_０の間で交互に変化する書込み信号Ｗの形を取る。本発明の一部の実施形態では、書込みパルスＷ_１は、チップ４０がポリマー層９０の表面と接触している期間と一致することもある。しかしながら、本発明の特に好ましい実施形態では、チップ４０とポリマー層９０の間の接触期間に対して書込みパルスＷ_１を相対的にずらして、ポリマー層４０の表面にチップ４０が衝突する時間以前に書込み電圧がヒータ要素３０に印加され、チップ４０がポリマー層９０と接触している期間中にも印加され続け、チップ４０がポリマー層９０から離れる以前に取り除かれるようにする。このように書込みパルスを接触期間に対して相対的にずらせることにより、チップ４０からポリマー層９０の表面に至るエネルギー伝達が最適化され、それによって、ポリマー表面の表面の変形の程度が増大する。

図１３を参照すると、位置ＡないしＥにあるデータ・ビットを読むための読出し動作において、チップ４０がポリマー層９０から取り除かれるときに、制御装置２１０がチップ４０に対応するヒータ要素に読出し電圧パルスＲ_１を印加する。この読出し電圧パルスＲ_１は、チップ４０の領域に十分なエネルギーを生成するのに十分な大きさの電流をヒータ要素３０に発生させ、それによってポリマー層９０の表面の変形に対応するエネルギー伝達の変化の検出が可能となる。記録済みのデータの検出は、ポリマー層９０の表面における、ポリマー層９０からチップ４０を解放するのと反対に作用する力により促進される。一連の位置ＡないしＥを順次読み出すとき、対応する連続した読出しパルスは、上位電圧レベルＲ_１と下位電圧レベルＲ_０の間で交互に変化する読出し信号Ｗの形を取る。本発明の一部の実施形態では、読出しパルスＲ_１はチップ４０がポリマー層９０の表面と接触している期間と一致することもある。しかし、本発明の特に好ましい実施形態では、読出しパルスＲ_１を、チップ４０とポリマー層９０の間の接触期間に対して相対的にずらして、チップ４０がポリマー層９０の表面に接触している期間はヒータ要素３０に読出し電圧を印加し、ポリマー層９０からチップ４０を離した後で、ただしチップ４０とポリマー材料９０が次に接触する以前に、取り除かれるようにする。このように読出しパルスを接触期間に対して相対的にずらせることにより、ポリマー材料９０の表面の変形の形で記録されたデータ・ビットの検出が最適化される。図１１ないし図１３を参照して先に説明した読出し動作および書込み動作時に、アレイのチップ４０は（一般に数ミリ秒から数マイクロ秒の範囲の）比較的短い時間だけ、ポリマー層９０と接触を維持する。これにより、有利なことに、ポリマー層１００に対するチップ４０の相対的な横方向の動きに対する摩擦による妨害が低減する。さらに、そうしなかった場合にはチップ４０とポリマー層９０の間の長期の接触によって生じるはずのチップ４０への摩耗がこれにより制限される。また、これによって、チップ４０のサイズの一様性および正確性の必要が低減される。チップ４０とポリマー層１００の間隔のより大きな変動を許容することができる。これによって、製造コストが低減され、プロセス歩留まりが改善される。

図１４を参照すると、本発明の特に好ましい実施形態では、制御装置２１０の電圧信号生成装置２５０を介して電圧Ｖ_１およびＶ_０の間のチップ４０と基板１００の間の電位差を変化させることにより、読出し動作と書込み動作をともに改善する。チップ４０がポリマー層９０の表面と係合する期間およびそれから解放される期間に、この電圧変化を同期させる。具体的には、チップ４０のポリマー層９０の表面との接触期間を、電圧信号生成装置２５０がチップ４０と基板１１０の間にかける電圧パルスの印加と一致するようにタイミングを決める。この電圧パルスはチップ４０の領域内に電界Ｅを生ずる。電界Ｅの向きはチップ４０をポリマー層９０の表面に向かって押しつける向きである。チップ４０は、このようにして電界Ｅの影響下でポリマー層９０の表面に追加の力を加える。本発明のこの実施形態の好ましい修正形態では、基板１００とチップ４０の間に加えられる電圧パルスは、書込み動作時に、チップ４０に印加された書込みパルスと同期し、それによってポリマー層９０中のデータの記録を改善する。同様に、本発明の好ましい他の修正形態では、基板１００とチップ４０の間に加えられる電圧パルスは、読出し動作時に、チップ４０に印加された読出しパルスと同期して、ポリマー層９０中に記録されたデータの読出しを改善する。

図１４を参照すると、これまでに記載した本発明の好ましい実施形態では、ポリマー層９０とチップ４０の周期的な係合に対応して、電位差の変化がチップ４０と基板１００の間に加えられる。しかし、本発明の一部の実施形態では、チップ４０をポリマー層９０に対して相対的にポリマー層９０の法線方向に移動させることとは独立に、基板１００とチップ４０の間の電位差の周期的変動を行うことができることを理解されたい。具体的には、本発明のかかる実施形態では、基板１００とチップ４０の間にかけられる電圧パルスは、チップ４０に印加される、所望の動作が指示する読出しパルスまたは書込みパルスに同期したままである。ただし、トランスデューサ１６０および１７０を介して、チップ４０をポリマー層９０に対して相対的に横方向に移動させるとき、チップ４０はポリマー層９０の表面と常に接触したままである。

図１０に戻ると、本発明の特に好ましい実施形態では、基板の区域は、個別にアドレス可能な導電性ゾーンに分割される。電圧信号生成装置２５０は、基板１００中に形成されたアドレス線を介してゾーンに選択的に接続可能である。こうすることにより、電圧生成装置２５０およびそれに付随するアドレス線を介して、制御装置２１０が、選択されたゾーンと、選択されたチップ４０またはチップ４０の群との間に電界Ｅを確立することが可能となる。先に述べたように、基板１００とチップ４０のヒータ要素３０の間に、電界Ｅを確立することができる。あるいは、基板１００と、ヒータ３０から独立に電界Ｅを生成するためのセンサ１０内に統合された別の導通プラットフォームとの間に電界Ｅを確立することができる。次いで、基板２０中または基板２０上に形成され、それぞれが異なる導通プラットフォームに接続されたアドレス可能な導通経路を、制御装置２１０が使用して、選択されたチップ４０またはチップ４０の群に電界Ｅを加えることができる。本発明の他の実施形態では、電界Ｅを、基板２０およびセンサ１０のそれぞれの中またはこれらの上に形成された導電性コイルに電流を選択的に流すことによって生成される磁力場で置き換えることが可能である。

本明細書に提示された本発明の様々な実施形態を要約すると、表面上の位置間でチップを移動させることを含む、チップを介して表面上の位置にデータを書き込み、または表面上の位置からデータを読み出し、あるいはその両方を行うための方法について以上説明してきた。各位置において、チップと表面を互いに近づける。次いで、チップを介して表面にエネルギーと力を加える。その後チップと表面を互いに遠ざける。本明細書に記載した他の構成では、チップの領域にある力の場を加えて、チップを表面に押しつける。

本発明を実施するデータ記憶装置のセンサの平面図である。 矢印Ａ−Ａ’の方向で見たときのセンサの断面図である。 データ記憶装置の等角図である。 書込み動作後のデータ記憶システムの記憶媒体の断面図である。 選択消去動作後の記憶媒体の断面図である。 選択消去動作後の記憶媒体の他の断面図である。 記憶媒体の表面のエネルギー準位図である。 書込み時の記憶媒体の断面図である。 選択消去動作時の記憶媒体の断面図である。 データ記憶装置のセンサの他の断面図である。 センサが記憶表面上の連続位置でアドレスされるときの、センサと記憶媒体の間の間隔を示すグラフである。 各連続位置でセンサに印加される書込み信号を示すグラフである。 各連続位置でセンサに印加される読出し信号を示すグラフである。 各連続位置でセンサに印加される時間的に変化する電界を示すグラフである。

Claims (26)

1. シリコン基板と、シリコンで形成され温度に依存する抵抗を有するチップと、前記シリコン基板と前記チップとの間に延びるドープされたカンチレバーの前記チップを介して表面上の位置にデータを書き込み、または表面上の位置からデータを読み出し、あるいはその両方を行う方法であって、前記表面上の前記位置間で前記チップを移動させること、および各位置で、前記チップを介して前記表面にエネルギーを選択的に加え、エネルギーを選択的に加えることに同期して前記チップを前記表面に選択的に押しつけること、および前記チップを交互に前記表面に近づけ、遠ざけるように移動させることを含む、方法。
2. 前記チップを介して前記表面にエネルギーを選択的に加えることと同時に、前記チップを前記表面に選択的に押しつけることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記チップを表面に選択的に押しつけることに対して、相対的に前記表面にエネルギーを選択的に加えることをずらすことを含む請求項１に記載の方法。
4. 前記表面にエネルギーを選択的に加えることが、前記チップと前記表面を互いに近づくように移動させるときに、前記チップを介して前記表面にエネルギーを加えることを含む、請求項１または３に記載の方法。
5. 前記表面にエネルギーを選択的に加えることが、前記チップが前記表面と係合するのと同時に、前記チップを介して前記表面にエネルギーを加えることを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記表面にエネルギーを選択的に加えることが、前記チップと前記表面を互いに遠ざかるように移動させるときに、前記チップを介して前記表面にエネルギーを加えることを含む、請求項１または３に記載の方法。
7. 前記表面にエネルギーを選択的に加えることが、前記チップが前記表面から解放されるのと同時に、前記チップを介して前記表面にエネルギーを加えることを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記チップを前記表面に選択的に押しつけることが、前記チップに作用して前記チップを前記表面に押しつける力の場を選択的に発生させることを含む、請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. 前記力の場の前記選択的発生により、前記チップを前記表面と接触および解放するように移動させることを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記力の場が電界を含む、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記力の場が磁界を含む、請求項８または９に記載の方法。
12. 前記エネルギーが熱エネルギーを含む、請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。
13. チップを介して表面上の位置にデータを書き込み、表面上の位置からデータを読み出し、あるいはその両方を行う機器であって、前記機器は、シリコン基板と、シリコンで形成され温度に依存する抵抗を有するチップと、前記シリコン基板と前記チップとの間に延びるドープされたカンチレバーを備え、前記表面上の前記位置間で前記チップを移動させるための第１のトランスデューサ・サブシステムと、各位置で前記チップを介して前記表面に選択的にエネルギーを加えるための第２のトランスデューサ・サブシステムと、前記第２のトランスデューサ・サブシステムによってエネルギーを加えることに同期して、前記チップを前記表面に選択的に押しつける第３のトランスデューサ・サブシステムとを備え、前記第２のトランスデューサ・サブシステムによってエネルギーを加えることに同期して、前記第３のトランスデューサ・サブシステムが、チップを交互に前記表面に近づき、前記表面から遠ざかるように移動させる、機器。
14. 前記第２のトランスデューサ・サブシステムによってエネルギーを加えることと同時に、前記第３のトランスデューサ・サブシステムが前記チップを前記表面に選択的に押しつける、請求項１３に記載の機器。
15. 前記第３のトランスデューサ・サブシステムによって前記チップを表面に選択的に押しつけることに対して、相対的に前記第２のトランスデューサ・サブシステムによって前記表面にエネルギーを加えることをずらせる、請求項１３に記載の機器。
16. 前記第３のトランスデューサ・サブシステムにより前記チップと前記表面を互いに近づくように移動させるときに、前記第２のトランスデューサ・サブシステムが前記チップを介して前記表面にエネルギーを加える、請求項１３または１５に記載の機器。
17. 前記第３のトランスデューサ・サブシステムによって前記チップを前記表面と接触させるのと同時に前記第２のトランスデューサ・サブシステムが前記チップを介して前記表面にエネルギーを加える、請求項１６に記載の機器。
18. 前記第３のトランスデューサ・サブシステムにより前記チップと前記表面とを互いに遠ざかるように移動するとき、前記第２のトランスデューサ・サブシステムが前記チップを介して前記表面にエネルギーを加える、請求項１３または１５に記載の機器。
19. 前記第３のトランスデューサ・サブシステムにより前記チップを前記表面との接触を解くように移動させるのと同時に、前記第２のトランスデューサ・サブシステムが前記チップを介して前記表面にエネルギーを加える、請求項１８に記載の機器。
20. 前記第３のトランスデューサ・サブシステムが、前記チップに作用して、前記チップを前記表面に押しつける力の場を選択的に発生させるための力の場の発生装置を備える、請求項１２ないし１９のいずれかに記載の機器。
21. 前記力の場の発生装置が、前記力の場の前記選択的発生により前記チップを移動させて、前記表面と接触させ、また接触を解くようにする、請求項２０に記載の機器。
22. 前記力の場の発生装置が、電界発生装置を備える、請求項２０または２１に記載の機器。
23. 前記力の場の発生装置が、磁界発生装置を備える、請求項２０または２１に記載の機器。
24. 前記第２のトランスデューサ・サブシステムが、前記表面に熱の形でエネルギーを加えるためのヒータを備える、請求項１３ないし２３のいずれかに記載の機器。
25. 記憶表面と、前記記憶表面と対向するチップと、請求項１３ないし２４のいずれかに記載の、前記チップを介して前記表面上の位置へデータを書き込み、または前記表面上の位置からデータを読み出し、あるいはその両方を行うための機器とを備える、データ記憶装置。
26. 中央処理装置と、前記中央処理装置に接続された請求項２５に記載のデータ記憶装置とを備える、データ処理システム。

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