JPH01151035A

JPH01151035A - 高密度再生装置および記録再生装置

Info

Publication number: JPH01151035A
Application number: JP31153187A
Authority: JP
Inventors: Akio Shiga; 志賀　明夫; Yasuhiro Ota; 康博太田; Norio Goto; 典雄後藤; Nobuhiro Tokujiyuku; 徳宿　伸弘; Koichi Moriya; 宏一森谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-09
Filing date: 1987-12-09
Publication date: 1989-06-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は新規な高密度再生装置および記録再生装置に関
し、さらに詳しくはイオンビームを利用して情報を記録
し、ＳＴＭ（走査トンネリング顕微鏡）技術を用いて情
報を再生するようにした高密度再生装置および記録再生
装置に関する。

（従来の技術）高密度記録としては従来から種々の方法が知られている
が、代表的な例として磁気記録および光記録がある。し
かし、これらの記録密度には０、５〜１μｍ程度の限界
がある。

磁気記録では、強磁性体として存在できる最小のドメイ
ン径の１０ｎｍが原理的に可能な記録密度と考えられて
いるが、記録再生に使用する磁気ヘッド等の装置側の制
約から記録の最短波長は１μｍ〜０．７μｍ程度となっ
ている。

また、光記録では、記録再生に使用する光のスポット径
によって記録密度が制限され、記録の最短波長は１μｍ
〜０．５μｍ程度となっている。

記録密度が高い程、小さいスペースに多量の情報を記録
することができるので、各種の技術分野において、特に
最近ではＡＩ（人口知能）システム用メモリの分野にお
いて、より高密度の記録再生方法が求められている。

磁気記録、光記録以上の高密度記録の方策としては、従
来、特開昭５９−２２１８４６号に記載されているよう
に電子ビームを用いる方法が行なわれていた。電子ビー
ムはビーム径を１〜２ｎｍ程度まで絞り込むことができ
るため記録ピット径を小さくできる。しかし電子は散乱
されやすく、近接したピット間のコントラストが低下す
る近接効果のためにピット間隔を小さくできず、記録の
最短波長は約０．０６μｍ程度が限度となる。

ＡＩシステム用のメモリとしての用途を考えるならば、
その容量は人間の脳細胞の容量である約１００ギガバイ
｝（Ｇ　　Ｂｙｔｅ）程度は必要であり、この大容量を
直径１００ｍｍ程度の小面積で実現するには、少なくと
も記録最短波長は約０、０３μｍ程度必要となる。

一方、最近ＳＴＭ（走査トンネリング顕微鏡）技術とし
て知られる高解像度顕微鏡技術が急速に開発されている
。ＳＴＭは、薄いポテンシャル障壁（たとえば真空層な
ど）を突き抜けて一対の電極間に流れるトンネル電流を
利用して固体の表面状態を水平分解能的０，５ｎｍ、垂
直分解能的０、０１ｎｍという極めて高い分解能で分析
することができる。このため、固体表面科学その他にお
ける革新的分析手法となりつつある。

該ＳＴＭについての議論は、たとえば「走査型トンネル
顕微鏡による原子像と電子状態」　（日本物理学会誌第
４２巻第３号Ｐ２４７〜Ｐ２５５（１９８７））に見ら
れる。

（発明が解決しようとする問題点）上述したように、従来の磁気記録、光記録さらには電子
ビーム記録においては、記録スポット径や散乱による広
がり等によって記録密度が制限され、高密度記録が得ら
れないという問題があった。

本発明の目的は、最近、技術開発されたＳＴＭの高分解
能（水平分解能、約０．５ｎｍ、垂直分解能、約０．０
１ｎｍ）に着目し、記録面密度が約５０Ｇビツト／ｃＩ
＃という極めて高密度の再生装置を提供することにある
。本発明の他の目的は、該高密度の再生装置を用いた高
密度記録再生装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、前記目的を達成するために、記録媒体表面か
ら予め選択された空間距離に設けられ、かつ該記録媒体
を半径方向に走査する導電性探針と、該導電性探針と前
記記録媒体間に電位を与える手段と、前記導電性探針と
前記記録媒体との間に生じるトンネル電流の変動を検知
し、デジタル再生情報を出力する手段とを具備し、前記
記録媒体表面に形成された突起あるいはくぼみ等の情報
に応じて変動するトンネル電流により、該情報の再生を
行うようにした点に特徴がある。

本発明は、さらに、記録情報に応じて強度変調されたイ
オンビームを放出するイオン銃と、該イオンビームを集
束し、偏向する電磁光学系とからなる記録装置を設けた
点に特徴がある。

（作用）前記導電性探針は、イオンビームによって表面に凹部を
形成されたディスクの表面上に、約１０ｍの距離に設置
され、かつ該導電性探針とディスク表面間に、数ｍＶの
電位が印加される。また、該導電性探針は、ディスクの
回転に応じて、半径方向に動かされる。

この結果、該導電性探針は、該ディスクを走査すること
になり、該導電性探針とディスク表面間に応じたトンネ
ル電流が流れる。このトンネル電流を、０と１の２値の
デジタル量に変換することにより、情報の再生を高密度
で行うことができる。

また、イオンビームを記録情報に応じて強度変調し、こ
れを集束偏向して、ディスク表面上に照射すると、該デ
ィスク上に凹凸から形成された情報を高密度に記録する
ことができる。

（実施例）まず本発明の原理について説明する。最初に記録方法に
ついて説明する。記録は、記録信号に従って強度変調さ
れたイオンビームを回転するディスク表面に照射し、該
ディスク表面に形成されている導電膜をエツチングして
四部を形成することによって行なう。

トラッキング用グループに対応するイオンビーム強度を
Ｐ、記録信号に応じてピットを形成するイオンビーム強
度をＰ　とし、Ｐ、、Ｐｐ間の強度変調を行なうことに
よりトラッキンググループ（深さｄ　）、ビット（深さ
ｄ　）をτ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｄ　
　＜ｄ　　として形成することができる。ｄ　とτ　　
　　ｐ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　τしてはトラッキングのためのトンネル電流
が流れる範囲であればよく、ｄはｄ　（ｎｍ）　＞ｄ　（ｎｍ）　＋０．１　（ｎｍ）ｐ
　　　τ を満足する範囲で任意の値をとることができる。

イオンは電子に比べて質量が大きく、導電膜内でほとん
ど散乱されないため、照射ビーム径に等しい四部が形成
でき、かつ近接して照射することも可能である。現在、
イオンビーム径は電磁光学系によって３０ｎｍ程度まで
絞ることが可能であり、ビット径を約３０ｎｍφ、トラ
ックピッチを約６０ｎｍとすると、記録面密度として約
５０Ｇビット／Ｃ−が得られる。

ここで、イオンビームによって導電膜を直接エツチング
する場合、エツチング速度Ｒと、ビーム電流■およびビ
ーム径Ｓの間には、Ｒべ　ＩＳ２の関係が成立する。すなわち、ビーム径を細く絞るとエ
ツチング速度は減少するため、短時間で工ツチングする
ためには、大電流、すなわちビームエネルギ約１００ｋ
ｅｙ、照射量約１０１フイオン／ｃｉが必要である。

したがって、イオンビーム源としては、長時間、安定に
かつ大照射量の得られる液体金属イオン源とし、イオン
の元素としてはＲ，ｂ、ＣｓあるいはＧａなどが適して
いる。

例えば、イオンビームのイオン元素としてＧａ＋、イオ
ンエネルギー約１００ｋｅＶ、イオン照射量約１０１フ
イオン／　ｃｊ、ビーム径約３０ｎｍとするとエツチン
グ速度として、約１０ｎｍ／ｓｅｃが得られる。

次に、再生方法について説明する。再生には、ＳＴＭ（
走査トンネリング顕微鏡）技術を用いる。

導電性探針をイオンビームによって表面に四部を形成さ
れたディスク上に約１ｎｍの距離に近付け、該導電性探
針とディスク表面の導電膜間に数ｍＶ〜１ｖ程度の電圧
を印加する。ディスクを回転させることにより導電性探
針はディスク表面上を走査し、導電性探針とディスク表
面間の距離に応じたトンネル電流が流れる。導電性探針
とディスク表面、トラッキンググループ、ピット部間の
距離変化に応じてトンネル電流は変動するから、この変
動量を閉ループ系で感知することにより情報の再生がな
される。

なお、ＳＴＭ技術においては、表面の凸凹を測定するの
に大きく分けて次の２つのモードがある。

（１）定電流モードと呼ばれるもので、変動するトンネ
ル電流が一定になるように、探針と試料表面の距離を圧
電駆動装置を用いて制御するもの、（２）可変電流モードと呼ばれるもので、探針と試料表
面間にあらかじめ選択された距離空間にセットされ、変
動するトンネル電流を距離変化に変換するもの、メモリとしての用途を考えた場合、高転送レートを得る
ためにはディスク表面を高速走査する必要があるため、
上記の（２）の可変電流モードを用いるのがよい。

次に、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。第２図は本発明の一実施例の記録装置の概念的構成
図である。

図において、１はガラス、プラスチックあるいはＳｉ等
表面が平坦かつ滑らかな基板である。２は導電膜であり
、その材料としてスパッタ率の大きいＡｕやＡｇ等の貴
金属が適している。該材料を用いると、スパッタリング
により均一性の良い導電膜か形成される。導電膜２の厚
さは特に厳密でなく、表面が滑らかであればよい。３は
イオンビーム発生装置であり（Ｆ　Ｉ　８機器）、極細
イオンビームを５０〜１００ｋｅＶのエネルギで発生さ
せる。４はイオンビーム収束装置であり、イオンビーム
の直径を３０ｎｍ程度に集束する。５はビーム変調器で
あり、記録信号に応じてイオンビームの強度を制御する
。６はディスク回転用モータであり、７は真空室、８は
真空ポンプである。

記録にあたっては、まず真空ポンプ８により真空室７内
を約ｌＸ１０’Ｐａ程度に排気する。基板１および導電
膜２よりなるディスクは回転用モータ６によって回転さ
れ、記録信号に応じて変調器５によって強度変調された
Ｇａ　　イオンビームが導膜膜２上に照射される。この
時、ビーム径は集束装置４によって約３０ｎｍ程度に集
束される。

イオンビームは導電膜２をエツチングし、巾約３０ｎｍ
、深さ約１ｎｍ、ピッチ約［５Ｑｎｍのトラッキンググ
ループおよび前記トラッキンググループ内に、巾約３０
ｎｍ、深さ約１ｎｍのピットを形成する。

第３図（ａ）は導電膜２表面上に形成されたトラッキン
ググループおよび四部（ビットに相当する）の一部拡大
平面図であり、同図（ｂ）および同図（ｅ）は同図（ａ
）におけるｂ−ｂ’線位置およびＣ−Ｃ’線位置におけ
る縦断側面図である。

トラッキンググループ９部ではイオンビーム強度を弱く
、ピット部１０ではイオンビーム強度を強くすることに
よりトラッキンググループ内にピットを形成することが
できる。再生時にはこのトラッキンググループ９に沿っ
て再生用探針が走査し、正確に情報を読み取ることがで
きる。

前記第３図（ｂ）、（ｅ）において、ｆｌ：Ｆ２−約３
０ｎｍ、１３−約５ＱｎｍＳｈｌ−約１ｎｍ。

ｈ２−約２ｎｍである。

第１図は本発明の一実施例の再生装置の概念的構成図で
ある。図において、１１は導電性探針、１２は圧電駆動
装置、１３は電流電圧変換器、１４は増幅器、１５は対
数変換器、１６は比較器、１７は電流センサを示す。

前記導電性探針１１はｐｔ、ｗ等の金属から構成されて
いる。その先端は機械的に研摩され、先端半径は約１１
００ｎ程度に構成されている。

なお、該先端半径Ｒと水平分解能δとの間にはδキＲ１
１２の関係があるので、ピット径が約３０ｎｍのピット
を読取るためには、その先端半径Ｒを、Ｒ＜９００ｎｍ
とすればよい。

また、前記圧電駆動装置１２は、チタン酸ジルコン酸鉛
系セラミックスから構成されており、ディスクの半径方
向および垂直方向の２次元に変位可能に構成されている
。

次に、該再生装置の動作を説明する。

前記導電性探針１１は、前記圧電駆動装置１２を用いて
、情報が凸凹により記録されたディスク１の導電膜２上
に、約１ｎｍの距離をおいて配置されている。そして、
該導電性探針１１と導電膜２間に、約ＩＶ程度の直流電
圧が印加されている。

ディスク１をモータ６により回転させることにより、導
電性探針１１はディスク表面上を走査し、導電性探針１
１と導電膜２に形成された凸凹間の距離に応じたトンネ
ル電流が流れる。記録された情報（表面の凸凹）によっ
て変動するトンネル電流は、電流センサ１７を介して、
電流電圧変換器１３により電圧の変動に変換される。こ
こで、トンネル電流は導電性探針１１と導電膜２の凸凹
間の距離に対して指数関数的に変動するため、増幅器１
４の後には対数変換器１５によって変動をリニアとし、
標準電源電圧との比較を比較器１６によって行ない、凸
凹に応じたデジタル情報を再生する。

また、高さ制御信号ａにより、導電性探針１１と導電膜
２との空間距離を設定し、導電性探針１１と導電膜２の
空間距離の許容範囲内への再設定およびトンネル電流の
異常時の際に導電性探針１１を退避させるために、増幅
器１４後の信号すを圧電駆動装置１２ヘフイードバツク
させる。

なお、本実施例においてはイオンビームにより導電膜を
直接エツチングして記録する方法を示したが、基板上に
ＰＭＭＡ等のレジストを塗布し、レジスト露光により記
録を行なうこともできる。

本実施例によれば、ピット径を約３０ｎｍ、トラックピ
ッチを約６０ｎｍ、ディスク径を約１０ｃｍとした場合
、約１００Ｇバイトの記録容量が得られる。

本実施例では外乱を抑止するために、室７を真空排気し
ているが、トンネル電流は大気中でも生じることは明白
であり、必ずしも真空排気は必要でない。

（発明の効果）本発明によれば、記録面密度を現在の光ディスクの約１
０３倍に向上でき、高密度大容量の再生装置および記録
再生装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の再生装置の概念的構成図、
第２図は本発明の実施例の記録装置の概念的構成図、第
３図はディスク表面の平面図および断面図を示す。１・・・基板、２・・・導電膜、３・・・イオンビーム
発生装置、４・・・イオンビーム収束装置、５・・・ビ
ーム変調器、６・・・ディスク回転用モータ、７・・・
真空室、８・・・真空ポンプ、１１・・・導電性探針、
１２・・・圧電駆動装置、１３・・・電流電圧変換器、
１４・・・増幅器、１５・・・対数変換器、１６・・・
比較器、１７・・・電流センサ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）記録媒体上の突起あるいはくぼみを読み取って情
報の再生を行なう高密度再生装置において、前記記録媒
体表面からあらかじめ選択された空間距離に設けられ、
かつ該記録媒体を半径方向に走査する導電性探針と、該
導電性探針と前記記録媒体間に電位を与える手段と、前
記導電性探針と前記記録媒体との間に生じるトンネル電
流の変動を検知し、デジタル再生情報を出力する手段と
を具備し、前記記録媒体表面に形成された前記突起ある
いはくぼみに応じて変動するトンネル電流により情報の
再生を行なうようにしたことを特徴とする高密度再生装
置。
（２）前記記録媒体の表面が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕおよび
Ｓｉからなる元素の群の中から選ばれた元素であること
を特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の高密度再
生装置。
（３）前記記録媒体の形状が、ディスクであることを特
徴とする前記特許請求の範囲第１項または第２項記載の
高密度再生装置。
（４）記録媒体上に突起あるいはくぼみを形成して記録
を行い、該記録媒体上の突起あるいはくぼみを読取って
情報の再生を行う高密度記録再生装置において、記録情報に応じて強度変調されたイオンビームを放出す
るイオン銃と、前記イオンビームを集束し偏向する電磁
光学系とからなる記録装置と、前記記録媒体表面からあ
らかじめ選択された空間距離に設けられ、かつ該記録媒
体を半径方向に走査する導電性探針と、該導電性探針と
前記記録媒体間に電位を与える手段と、前記導電性探針
と前記記録媒体との間に生じるトンネル電流の変動を検
知し、デジタル再生情報を出力する手段とからなる再生
装置とを具備し、前記イオンビームを前記記録媒体表面に照射して高密度
記録を行い、該記録媒体表面に形成された情報の再生を
行うようにしたことを特徴とする高密度記録再生装置。
（５）前記記録において使用するイオンビームの元素が
、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｇａからなる元素の群の中から選ばれた
元素であることを特徴とする前記特許請求の範囲第４項
記載の高密度記録再生装置。
（６）前記記録媒体の表面が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕおよび
Ｓｉからなる元素の群の中から選ばれた元素であること
を特徴とする前記特許請求の範囲第４または５項記載の
高密度記録再生装置。
（７）前記記録媒体の形状が、ディスクであることを特
徴とする前記特許請求の範囲第４ないし６項記載の高密
度記録再生装置。