JP4293283B2 - Information reproducing apparatus and information reproducing method - Google Patents
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Description
本発明は、画像情報、大容量のデータ等の超高密度記録再生を行うことができる情報再生装置、情報再生方法に関する。 The present invention relates to an information reproducing apparatus and information reproducing method capable of performing ultra-high density recording / reproducing of image information, large-capacity data, and the like.
コンピュータネットワークの発達により、コンピュータで処理する情報量が急増し、それに伴って非常に容量の大きな情報記録再生装置の必要性が高まっている。半導体メモリやHDD(ハードディスクドライブ)、光ディスクシステムの中で、面記録密度(単位面積あたりの情報記録量)が現在最も高いのはHDDで、製品レベルでは50Gbit/in2(Gbit/in2:1平方インチあたり109bit)記録密度が達成されている。 With the development of computer networks, the amount of information processed by a computer has increased rapidly, and the need for an information recording / reproducing apparatus with a very large capacity has increased. Semiconductor memory or a HDD (hard disk drive), in an optical disc system, in surface recording density (recording amount per unit area) is currently highest in HDD, at product level 50Gbit / in 2 (Gbit / in 2: 1 Recording density is achieved (10 9 bits per square inch).
しかし、HDDのような磁気記録では、熱ゆらぎによる磁化反転現象により、100Gbit/in2を越える記録密度を安定して実現するのは非常に困難である。光の回折限界により記録密度が制限される現行の光ディスクシステムでは、光源が可視光の範囲では20Gbit/in2程度の記録密度が限界である。 However, in magnetic recording such as HDD, it is very difficult to stably realize a recording density exceeding 100 Gbit / in 2 due to a magnetization reversal phenomenon due to thermal fluctuation. In the current optical disk system in which the recording density is limited by the diffraction limit of light, the recording density of about 20 Gbit / in 2 is the limit when the light source is in the visible light range.
半導体メモリの面記録密度はHDDや光ディスクシステムより劣り、これらと同等の記録密度を得るには10nm程度の最小加工線幅が必要となってくる。このように磁気や光による情報記録方式では、記録密度を決定する最小ピットサイズには限界があり、半導体メモリでも微細加工技術の大幅な進展が必要となる。 The surface recording density of a semiconductor memory is inferior to that of an HDD or an optical disk system, and a minimum processing line width of about 10 nm is required to obtain a recording density equivalent to these. As described above, in the information recording system using magnetism or light, there is a limit to the minimum pit size that determines the recording density, and it is necessary to significantly advance the microfabrication technology even in the semiconductor memory.
記録密度が限界に達しつつある従来の情報記録装置に代わり、記録・再生方法の異なる新しい情報記録方式が検討されている。その1つとして、微小探針を用いた走査プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscopy)の技術を利用した情報記録システムがある。 In place of the conventional information recording apparatus whose recording density is reaching its limit, a new information recording method with a different recording / reproducing method has been studied. One of them is an information recording system using a scanning probe microscope (SPM) technique using a microprobe.
例えば、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscopy)を応用した数百Gbit/in2の超高密度の情報記録システムが開発されている(例えば、特許文献1参照)。このシステムではAFMで使われるような微小探針付きカンチレバーを用いて、有機記録媒体上に数十nm径の微小な窪み(ピット)を形成し、同じカンチレバーでピットの読み出しが行われる(非特許文献1参照)。 For example, an ultra-high density information recording system of several hundred Gbit / in 2 using an atomic force microscope (AFM) has been developed (see, for example, Patent Document 1). In this system, a cantilever with a microprobe as used in AFM is used to form a small depression (pit) with a diameter of several tens of nanometers on an organic recording medium, and the pit is read by the same cantilever (non-patent) Reference 1).
つまり、このシステムでは、支持ベースに固定されたカンチレバーの先端に、曲率半径が20nm未満の非常に鋭い微小探針と、この探針を加熱するためのヒータとが形成されている。探針の先端を記録媒体表面に軽く接触させた状態で、2本の配線を通してヒータに電流を流すと、探針の先端と接触している有機記録媒体が局所的に溶融し、直径30〜40nmの微小なピットが形成される(Thermomechanical Writing)。 That is, in this system, a very sharp microprobe having a radius of curvature of less than 20 nm and a heater for heating the probe are formed at the tip of the cantilever fixed to the support base. When a current is passed through the heater through the two wires while the tip of the probe is lightly in contact with the surface of the recording medium, the organic recording medium in contact with the tip of the probe is locally melted, and the diameter of 30 to 40nm minute pits are formed (Thermomechanical Writing).
一方、ピットの読み出しは、ピット形成と同様に、同じヒータにパルス電流を印加することで行われるが、電流値は記録時よりもやや小さくしてピットが形成されないようにする。この状態で微小探針を記録媒体上に接触させながら走査すると、ピットの有無によってヒータと記録媒体との距離が変動する。距離が変わるとヒータから記録媒体への熱伝導率が変化し、ヒータの温度が変化する。 On the other hand, pit reading is performed by applying a pulse current to the same heater as in pit formation, but the current value is slightly smaller than that during recording so that pits are not formed. In this state, when scanning is performed while the microprobe is in contact with the recording medium, the distance between the heater and the recording medium varies depending on the presence or absence of pits. When the distance changes, the thermal conductivity from the heater to the recording medium changes, and the heater temperature changes.
最終的にヒータの温度変化をヒータ電流の変化として測定することでピットの有無が検出される(Thermomechanical Reading)。MEMS(Micro Electro Mechanical System)作製技術を用いてこのようなヒータ付きのAFMカンチレバーを32×32個集積化したアレイにおいて、100〜200Gbit/in2の記録密度での記録・再生動作が実証されている(非特許文献2参照)。 Finally, the presence or absence of pits is detected by measuring the temperature change of the heater as the change in heater current (Thermomechanical Reading). Recording / reproducing operation at a recording density of 100 to 200 Gbit / in 2 has been demonstrated in an array in which 32 × 32 AFM cantilevers with heaters are integrated using a micro electro mechanical system (MEMS) fabrication technique. (See Non-Patent Document 2).
この微小探針用いて形状的(Topological)なピットを形成する記録方式は、磁気や光による記録方式とは異なり、原理的にピットサイズの下限がないという利点がある。しかしながら探針を加熱し、それと接触している記録媒体に微小ピットを形成し、ピットの有無を検出するというThermomechanical方式には熱に関係する問題が3つある。1つ目は消費電力が大きいこと、2つ目は温度変化によるトラッキング不整の問題、3つ目は熱時定数の問題である。 Unlike the recording method using magnetism or light, the recording method for forming topological pits using this microprobe has the advantage that there is no lower limit of pit size in principle. However, the Thermomechanical system in which the probe is heated, minute pits are formed on the recording medium in contact with the probe, and the presence or absence of the pits is detected has three problems related to heat. The first is large power consumption, the second is the problem of tracking irregularities due to temperature changes, and the third is the problem of thermal time constant.
従来の情報記録再生装置では、ヒータに投入された電力のうち、わずか2%しかピット形成に利用されていない。しかも記録時だけでなく再生時にもヒータ電流が必要なため、2次元アレイ全体が消費する電力は非常に大きくなる。さらに熱の利用効率が悪いため、ヒータで発生した熱によってアレイの温度が上昇する。 In the conventional information recording / reproducing apparatus, only 2% of the electric power supplied to the heater is used for pit formation. Moreover, since a heater current is required not only during recording but also during reproduction, the power consumed by the entire two-dimensional array becomes very large. Furthermore, since the heat utilization efficiency is poor, the temperature of the array rises due to the heat generated by the heater.
この上昇温度はヒータの消費電力によって変わる。このシステムでは2次元アレイの同じ行に属する32個のAFMカンチレバーを並列動作させるため、記録時には記録するデータのパターンによって全体のヒータ電流が大幅に変わる(ピットを形成するカンチレバーのヒータにだけ電流を流す)。 This rising temperature varies depending on the power consumption of the heater. In this system, 32 AFM cantilevers belonging to the same row of the two-dimensional array are operated in parallel, so that the overall heater current varies greatly depending on the data pattern to be recorded during recording (current is applied only to the heater of the cantilever forming the pit). Flow).
一方再生では同じ行に属する32個の全てのカンチレバーにヒータ電流を流すが、個々のヒータ電流は記録時より小さい。したがってアレイの温度は記録時と再生時で異なる。 On the other hand, in reproduction, a heater current is passed through all 32 cantilevers belonging to the same row, but each heater current is smaller than that during recording. Therefore, the temperature of the array differs between recording and reproduction.
この温度変化によりアレイの材料の熱膨張率に応じて膨張あるいは収縮が起こる。記録時と再生時でアレイの温度が異なると、記録時のピットの位置と再生時の探針の位置がずれ、情報の再生が不可能になる。 This temperature change causes expansion or contraction according to the coefficient of thermal expansion of the array material. If the temperature of the array is different between recording and reproduction, the pit position at the time of recording and the probe position at the time of reproduction are shifted, making it impossible to reproduce information.
従来の情報記録再生装置では熱膨張・収縮によるトラッキングエラーを防ぐために、アレイ上に加熱ヒータと温度センサを内蔵し、±1℃の精度でアレイの温度が一定となるように調節している。このため制御回路が複雑となるばかりか、加熱ヒータにより消費電力がさらに大きくなるという欠点がある。 In a conventional information recording / reproducing apparatus, in order to prevent tracking errors due to thermal expansion / contraction, a heater and a temperature sensor are built in the array, and the temperature of the array is adjusted to be constant with an accuracy of ± 1 ° C. As a result, the control circuit becomes complicated, and there is a drawback that the power consumption is further increased by the heater.
さらに、この情報記録再生装置では熱時定数が数μsと遅いため、カンチレバー1個の記録・再生の速度は100kHz程度に制限されている。熱時定数はヒータの大きさや形状によって決まるが、機械的強度の制約からヒータサイズをあまり小さくできない。したがってヒータによる加熱を利用したThermomechanical方式では高速の記録・再生は困難である。 Further, in this information recording / reproducing apparatus, since the thermal time constant is as slow as several μs, the recording / reproducing speed of one cantilever is limited to about 100 kHz. The thermal time constant is determined by the size and shape of the heater, but the heater size cannot be made too small due to mechanical strength constraints. Therefore, high-speed recording / reproduction is difficult with the Thermomechanical method using heating by a heater.
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、走査プローブ型の情報再生装置、情報再生方法、情報記録または再生装置、情報記録または再生方法において、微小探針に対して加熱手段ではなく弾性波を発生させる手段を備えており、この微小探針から放出される弾性波のエネルギーを利用して、記録媒体上に形状的なピット(窪み)を形成して情報を記録する。また、この微小探針から放出される弾性波のエネルギーを利用して、その微小探針の突端と近接する記録媒体上のピットの有無により情報を再生する。 The present invention has been made to solve such problems. That is, the present invention includes a scanning probe type information reproducing apparatus, information reproducing method, information recording or reproducing apparatus, and information recording or reproducing method, including means for generating an elastic wave instead of a heating means for a microprobe. The information is recorded by forming a shape pit (indentation) on the recording medium using the energy of the elastic wave emitted from the microprobe. In addition, by using the energy of the elastic wave emitted from the microprobe, information is reproduced based on the presence or absence of a pit on the recording medium close to the tip of the microprobe.
このような本発明では、微小探針に対する加熱手段を具備していないため、Thermomechanical方式が有する熱に関連する課題を解決することができる。すなわち、弾性波によるピット形成はエネルギー利用効率が高いため消費電力が小さい。また加熱手段を利用していないため発熱量は小さく、それによる熱膨張・収縮が少ない。さらに弾性波の伝播速度は速いため時定数が小さく、高速の記録・再生が可能となる。 In the present invention, since the heating means for the microprobe is not provided, it is possible to solve the problems related to heat that the Thermomechanical system has. That is, pit formation by elastic waves has low energy consumption because of high energy utilization efficiency. Further, since no heating means is used, the amount of heat generation is small, and thermal expansion / contraction due to this is small. Furthermore, since the propagation speed of elastic waves is fast, the time constant is small, and high-speed recording / reproduction is possible.
本発明によれば、弾性波を発生する手段と微小探針を備えた走査プローブ型の情報記録再生装置において、微小探針の突端から発生する弾性波を使って、記録媒体に形状的で非可逆的なピットを形成する方法を用いることで、消費電力が低く、発熱が小さく、また高速の情報記録が可能となる。 According to the present invention, in a scanning probe type information recording / reproducing apparatus provided with means for generating elastic waves and a microprobe, the elastic wave generated from the tip of the microprobe is used to form a non-circular shape on the recording medium. By using a reversible pit forming method, power consumption is low, heat generation is small, and high-speed information recording is possible.
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図1は、本実施形態に係る情報記録再生装置を説明する模式図である。すなわち、この情報記録再生装置は、記録媒体24の表面にカンチレバーである微小探針21のプローブ21a(突端)を走査させることで情報の記録、再生を行うものである。微小探針21はアレイチップ210に例えば32×32個(図1では5×5個に省略されている)のマトリクス状に配置されており、微小探針21のプローブ21aが記録媒体24と対向する状態となっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an information recording / reproducing apparatus according to the present embodiment. That is, this information recording / reproducing apparatus records and reproduces information by scanning the surface of the
記録媒体24はドライブ25に載置されており、ドライブ25がXYZ方向へ移動することによって各微小探針21と相対的な位置を合わせることができるようになっている。記録媒体24には一つの微小探針21の接触範囲に対応したサブフィールドが設けられており、各サブフォールド内に微小ピットが形成される。微小探針21の接触で微小ピットを形成することにより記録が行われ、この微小ピットを微小探針21で検出することにより再生が行われる。
The
本実施形態では、カンチレバーに対してエネルギーを与える手段として弾性波発生手段を用いており、この弾性波発生手段からカンチレバーに与えられる弾性波によってプローブの位置にある記録媒体表面に窪みを形成することで情報を記録し、またこの窪みの有無を読み取って情報の再生を行っている。 In this embodiment, elastic wave generating means is used as means for applying energy to the cantilever, and a depression is formed on the surface of the recording medium at the position of the probe by the elastic wave applied from the elastic wave generating means to the cantilever. The information is recorded and the information is reproduced by reading the presence or absence of the depression.
次に、本実施形態で適用される微小探針の部分における実施例を説明する。 Next, an example of the microprobe portion applied in the present embodiment will be described.
<第1実施例>
図2は、第1実施例に係る情報記録再生装置の一例を模式的に示したものである。支持ベース23上に弾性波発生素子(弾性波発生手段)22が、さらにその上に微小探針21が一体的に形成され、探針の先端の近傍には記録媒体24が設置されている。弾性波発生素子22で発生した弾性波は微小探針21を介して記録媒体24表面に照射される。
<First embodiment>
FIG. 2 schematically shows an example of an information recording / reproducing apparatus according to the first embodiment. An elastic wave generating element (elastic wave generating means) 22 is integrally formed on the
弾性波が照射される領域は微小探針21の先端近傍に限られ、その領域へ局所的に振動が加えられる。それに伴い加熱されることで窪み(ピット)が形成される。記録媒体24として例えば軟化温度の低い樹脂材料を用いることで、小さな弾性波エネルギーでピットを形成することができる。
The region irradiated with the elastic wave is limited to the vicinity of the tip of the
図2に示す例では、微小探針21の先端を記録媒体24の樹脂表面に接触させず近接させることでピットを形成する形態であるが、弾性波は微小探針21の先端からのみ効率的に照射されるので、微小探針21の先端と樹脂表面との距離が小さければ微小なピットを形成することができる。
In the example shown in FIG. 2, the pit is formed by bringing the tip of the
もちろん微小探針21の先端と記録媒体24の樹脂表面とを接触させることでより効率的に弾性波のエネルギーを記録媒体に与えることができ、非接触の場合に必要な弾性波強度より小さな強度でピットを形成することができる。
Of course, by contacting the tip of the
記録媒体24に加える微小探針21の荷重は、記録媒体24表面での弾性波の強度に応じて適宜調整されるが、典型的には0.1μN程度の荷重で充分な深さと半径のピットが形成できる。弾性波は微小探針21の先端からのみ効率的に照射されるので、先端の局率半径を小さくするほど微小なピットを形成でき、記録密度を高めることができる。
The load of the
本実施形態では、微小探針21を介して記録媒体24の表面に弾性波を印加することで記録媒体24の表面に形状的なピットを形成する手法であるが、形成されたピットは、実用上充分な時間に渡って、その形状を保持することが必要である。このため記録媒体表面に与える弾性波強度は、弾性波の供給を断ち切った後でもピットが残存するのに必要な大きさとなる。
In the present embodiment, a method of forming a shape pit on the surface of the
弾性波の供給を断ち切った後でもピットが残存するのに必要な弾性波の大きさは、弾性波の発生方法、弾性波発生素子22と微小探針21との結合効率、微小探針21と記録媒体24との距離、微小探針21の材料・形状・サイズ、記録媒体24の材料などによって変わるが、記録動作での消費電力を低減するためには、エネルギー変換効率の高い弾性波の発生方法を用いることが望ましい。弾性波の発生方法には圧電型、磁歪型、電磁型、静電型等があるが、集積化の容易さとエネルギー変換効率から、ピエゾ電気効果を利用した圧電型の弾性波発生方法を用いるのが望ましい。
The magnitude of the elastic wave necessary for the pits to remain even after the supply of the elastic wave is cut off is the elastic wave generation method, the coupling efficiency between the elastic
圧電型の弾性波発生素子22には、長さ伸び振動子(length-extensional mode vibrator with field perpendicular to length)、厚み伸び振動子(thickness-extensional mode vibrator)、厚みすべり振動子(thickness shear mode vibrator)などがあるが、厚み伸び振動子の一種で、微細加工に適したバルク音響波共振器(bulk acoustic resonator)が好適である。
The piezoelectric elastic
図3は微小探針を備えた薄膜バルク音響波共振器の構造を模式的に示したものである。薄膜バルク音響波共振器の基本構造は圧電薄膜36を挟む下部電極35と上部電極37より成る3層構造である。
FIG. 3 schematically shows the structure of a thin film bulk acoustic wave resonator including a microprobe. The basic structure of the thin film bulk acoustic wave resonator is a three-layer structure including a
下部電極35と上部電極37間に電圧を印加することで圧電薄膜36が膜厚方向に収縮し、厚み方向に伝播するバルク弾性波を発生させる。この薄膜バルク音響波共振器は、絶縁膜34を介して、支持ベース33上に形成されている。支持ベース33は素子全体の機械的強度を保つために用いられる。
When a voltage is applied between the
支持ベース33の下面には絶縁膜32を介して、先端が下方に向いた微小探針31が形成されている。微小探針31は支持ベース33の一部が除去された窓領域38に形成されているため、薄膜バルク音響波共振器から発生した弾性波は、絶縁膜32、34を介して微小探針31に高い効率で伝達される。
A
図4〜図5は、図3に示した構造を作製するための方法を示した模式断面図である。基板には図4(a)に示したように、表面に熱酸化膜44が形成されたSOI(Silicon on Insulator)基板を使用する。図中符号41と43はSi層、42は埋めこみ酸化膜層(BOX層:Buried Oxide層)を示している。
4 to 5 are schematic cross-sectional views showing a method for producing the structure shown in FIG. As shown in FIG. 4A, an SOI (Silicon on Insulator) substrate having a
先ず、微小探針を形成するために、図4(b)に示したように、微小探針の位置に相当する部分の上部絶縁膜44をフォトリソグラフィーと反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)を用いて円形にパターンニングする。エッチングに用いるガスは例えばCF4とO2の混合ガスを使う。
First, in order to form a microprobe, as shown in FIG. 4B, the upper insulating
次に、パターンニングされた絶縁膜44をマスクとして、その下のSi層43をSF6とO2の混合ガスで反応性イオンエッチングを行い、Siのみを等方的にエッチングし、エッチングマスク直下のSiを円錐状に残す。
Next, using the patterned insulating
この後、エッチングマスクだけを例えばBHF(Buffered Hydrogen Fluoride)溶液で除去し、残った円錐形のSi先端を先鋭化するため、熱酸化と酸化膜の除去を何度か繰り返す。 Thereafter, only the etching mask is removed with, for example, a BHF (Buffered Hydrogen Fluoride) solution, and the remaining conical Si tip is sharpened, and thermal oxidation and removal of the oxide film are repeated several times.
熱酸化により円錐形のSiの表面は酸化膜で覆われ、それを除去することで円錐形全体が細くなっていくが、先端部は残留応力により酸化の進行が遅いため、非常に鋭い先端形状が得られる。図4(c)に示したように、このようにして作製された微小探針43は先端を保護するために適当な保護膜45で埋めこまれる。
The surface of the cone-shaped Si is covered with an oxide film due to thermal oxidation, and removing it removes the entire cone, but the tip has a very sharp tip shape because the oxidation progresses slowly due to residual stress. Is obtained. As shown in FIG. 4C, the
続いて、薄膜バルク音響波共振器を作製する。まずSOI基板のSi層41の一部を取り除き窓領域を形成するために、SOI基板の裏面に例えばPE-CVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)法によりSiO2膜46Aを全面に形成する。
Subsequently, a thin film bulk acoustic wave resonator is manufactured. First, in order to remove a part of the
このSiO2膜のうち開口部に相当する部分を除去するために、例えばTMAH(Tetramethylammonium Hydroxide)溶液を用いてSi基板を異方性エッチングする。TMAHはSiの選択エッチャントであり、図4(d)に示したように、BOX層42を残した状態の傾斜のある窓が形成される。引き続きSiO2膜46を除去し、絶縁のために再びPE-CVD法で裏面にSiO2膜46Bを形成する(図5参照)。
In order to remove a portion corresponding to the opening in the SiO 2 film, the Si substrate is anisotropically etched using, for example, a TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide) solution. TMAH is a Si selective etchant, and as shown in FIG. 4D, an inclined window with the
図5に示したように、この全面形成されたSiO2膜46B上に、薄膜バルク音響波共振器の下部電極47、圧電体薄膜48、上部電極49をパターニングし、下部電極47と上部電極49の間に外部から電圧を印加するための配線領域を形成する。
As shown in FIG. 5, the
上部電極49と下部電極47は例えば、共にNi-CrとAuの2層膜から成り、電子ビーム蒸着とリフトオフ法によりパターンニングされる。圧電体薄膜48は、例えばZnOを用いるとすれば、Znをターゲットとし、ArとO2の混合を用いた反応性スパッタ法により成膜し、フォトレジストをマスクとして、CH3COOH:H3PO4:H2O=1:1:10の混合液でZnO膜をエッチングすることでパターンニングされる。
The
最後に微小探針の保護膜45を適当な手段(有機膜ならO2によるプラズマエッチング)を用いて除去する。このようにして作製された微小探針を備えた薄膜バルク音響波共振器の電極間に交流あるいは短パルス電圧を印加することにより、微小探針の先端より弾性波が放出される。
Finally, the
この微小探針を適当な記録媒体(例えばPolymethylmethacrylate)に近接あるいは接触させ、弾性波を印加することで記録媒体表面に微小なピットを形成することができる。なお、薄膜バルク音響波共振器に用いられる圧電薄膜の厚さを、発生させる弾性波の圧電薄膜内での波長の半分とすれば、その周波数で最大の弾性波発生効率とすることができる(定在波条件)。したがって、圧電膜の厚さは使用する弾性波の周波数に応じて適宜調整すべきで本発明では特に規定しない。 Fine pits can be formed on the surface of the recording medium by applying this elastic probe close to or in contact with an appropriate recording medium (for example, polymethylmethacrylate) and applying an elastic wave. If the thickness of the piezoelectric thin film used in the thin film bulk acoustic wave resonator is half the wavelength of the generated acoustic wave in the piezoelectric thin film, the maximum acoustic wave generation efficiency can be obtained at that frequency ( Standing wave condition). Therefore, the thickness of the piezoelectric film should be appropriately adjusted according to the frequency of the elastic wave to be used, and is not particularly defined in the present invention.
図2〜図5では単一の微小探針を備えた装置および作製方法を示したが、複数の微小探針を備えた1次元あるいは2次元アレイ構造としても良い。アレイ構造を用いて複数の微小探針を並列動作させることで、単一の微小探針を備えた装置よりも高速の動作速度を得ることができる。この場合、弾性波を与える素子を微小探針毎に具備することも、1つの弾性波発生素子から複数の微小探針に弾性波を与える構造としても良い。 Although FIGS. 2 to 5 show an apparatus and a manufacturing method including a single microprobe, a one-dimensional or two-dimensional array structure including a plurality of microprobes may be used. By operating a plurality of microprobes in parallel using the array structure, it is possible to obtain a higher operating speed than an apparatus having a single microprobe. In this case, an element for applying an elastic wave may be provided for each microprobe, or a structure for applying an elastic wave from a single elastic wave generating element to a plurality of microprobes may be employed.
<第2実施例>
次に、微小探針における第2実施例を説明する。図6は第2実施例に係る微小探針を説明する図で、図6(b)は微小探針側から見た平面図、図6(a)はこの平面図の線分A-A’での断面を示している。SOI基板のBOX層52は、微小探針53を支持している短冊状の部分52Aを除き、窓領域50の全体に渡って除去されている。
<Second embodiment>
Next, a second embodiment of the microprobe will be described. FIG. 6 is a diagram for explaining the microprobe according to the second embodiment. FIG. 6B is a plan view seen from the microprobe side, and FIG. 6A is a line AA ′ of this plan view. The cross section in is shown. The
さらに、Si基板51との絶縁のために設けられた層56は、微小探針53の下部を含めて窓領域50全体に渡って除去されている。したがって微小探針53を支持するBOX層52Aと薄膜バルク音響波共振器の下部電極57との間には、絶縁層56の厚さに相当する空隙が形成されている。
Further, the
このとき微小探針53は短冊状のBOX層52AによってSi基板51に両端が支持されているため、記録媒体と微小探針53とを接触させたとき、短冊状BOX層52Aのたわみのため、過度の荷重が微小探針53に加わらない。
At this time, since both ends of the
このように微小探針と薄膜バルク音響波共振器との間に空隙を設けることで、微小探針と記録媒体とを接触させる記録方法を用いた場合でも、微小探針に加えられた荷重が薄膜バルク音響波共振器に加わらないようにすることができる。 By providing a gap between the microprobe and the thin film bulk acoustic wave resonator as described above, even when a recording method in which the microprobe and the recording medium are brought into contact with each other, the load applied to the microprobe is not affected. It can be prevented from being added to the thin film bulk acoustic wave resonator.
短冊状のBOX層52Aの形状は、両端が固定された構造に限定されず、片持ち梁(カンチレバー)や多点支持の任意の構造を取ることが可能である。単位荷重あたりの梁の変位(バネ定数)は、梁の長さや幅、厚さ、あるいは材料のヤング率等によって設計できる。
The shape of the strip-shaped
例えば、梁を長くしたり、幅を小さくしたり、あるいは薄くすることでバネ定数は小さくできる。バネ定数を小さくすれば、同じ変位に対して、微小探針に印加される荷重は小さくできるので、微小探針の磨耗や破壊を軽減できる。しかし、同時に梁の自己共振周波数も低下する。共振周波数が低すぎると、弾性波による梁の応答速度が低下し、高速の記録動作が困難になる。粘性の無視できる固体中の弾性波の伝播は、熱の伝播と異なり、本質的に時定数が小さい。したがってこの小さな時定数を犠牲にすることのないよう、適当な共振周波数を持つ梁の構造を設計すべきである。 For example, the spring constant can be reduced by making the beam longer, reducing the width, or making it thinner. If the spring constant is reduced, the load applied to the microprobe can be reduced for the same displacement, so that wear and destruction of the microprobe can be reduced. However, the self-resonant frequency of the beam also decreases at the same time. If the resonance frequency is too low, the response speed of the beam due to the elastic wave is lowered, and high-speed recording operation becomes difficult. Unlike the propagation of heat, the propagation of elastic waves in solids with negligible viscosity is essentially a small time constant. Therefore, a beam structure with an appropriate resonance frequency should be designed so as not to sacrifice this small time constant.
図7〜図8は、図6に示した構造を作製するための方法を示したものである。基板には図7(a)に示したように、表面に熱酸化膜64が形成されたSOI基板を使用する。図中符号61と63はSi層、62はBOX層を示している。
7 to 8 show a method for manufacturing the structure shown in FIG. As the substrate, an SOI substrate having a
先ず、微小探針を形成するために、図7(b)に示したように、微小探針の位置に相当する部分の上部SiO2膜64をフォトリソグラフィーとRIE法を用いて円形にパターンニングする。エッチングに用いるガスは例えばCF4とO2の混合ガスを使う。次にパターンニングされた絶縁膜64をマスクとして、その下のSi層63をSF6とO2の混合ガスで反応性イオンエッチングを行い、Siのみを等方的にエッチングし、エッチングマスク直下のSiを円錐状に残す。
First, in order to form a microprobe, as shown in FIG. 7B, a portion of the upper SiO 2 film 64 corresponding to the position of the microprobe is patterned into a circle using photolithography and the RIE method. To do. As a gas used for etching, for example, a mixed gas of CF 4 and O 2 is used. Next, using the patterned insulating
この後、エッチングマスクだけを例えばBHF溶液で除去し、残った円錐形のSi先端を先鋭化するため、熱酸化と酸化膜の除去を何度か繰り返す。このようにして作製された微小探針63は図7(c)に示したように、先端を保護するために適当な保護膜65で埋めこまれる。
Thereafter, only the etching mask is removed with, for example, a BHF solution, and thermal oxidation and removal of the oxide film are repeated several times in order to sharpen the remaining conical Si tip. As shown in FIG. 7C, the
続いて、薄膜バルク音響波共振器を作製する。まずSi基板61の一部を取り除き窓領域を形成するために、SOI基板の裏面に例えばPE-CVD法によりSiO2膜66Aを全面に形成する(図7(d)参照)。このSiO2膜66Aのうち窓に相当する部分を円形に除去するために、例えばTMAH溶液を用いてSi基板を異方性エッチングする。その結果、図7(d)に示したように、BOX層62を残した状態の傾斜のある窓が形成される。
Subsequently, a thin film bulk acoustic wave resonator is manufactured. First, in order to remove a part of the
引き続きSiO2膜66Aを除去し、絶縁膜66Bを全面に形成する。図8(a)に示したように、この絶縁膜66B上に、薄膜バルク音響波共振器の下部電極67、圧電体薄膜68、上部電極69をパターニングし、下部電極67と上部電極69の間に外部から電圧を印加するための配線領域を形成する。
Subsequently, the SiO 2 film 66A is removed, and an insulating
上部電極69と下部電極67は例えば、共にNi-CrとAuの2層膜から成り、電子ビーム蒸着とリフトオフ法によりパターンニングされる。圧電体薄膜68は、例えばZnOを使用し、フォトレジストをマスクとしてCH3COOH:H3PO4:H2O=1:1:10の混合液でZnO膜だけをエッチングすることでパターンニングされる。
The
そして、微小探針の保護膜65を適当な手段(有機膜ならCF4とO2の混合ガスによるプラズマエッチング)を用いて除去する(図8(b)参照)。さらに、BOX膜62をフォトリソグラフィーとRIE法を用いて、微小探針63の支持構造52A(図6(b)参照)をパターンニングする。
Then, the
エッチングに用いるガスは例えばCF4とO2の混合ガスを使う。最後に窓部分の絶縁膜66Bを選択除去する(図8(c)参照)。このときSi基板61や微小探針63、BOX層62が冒されないように、絶縁膜66Bには有機材料を用いることが好ましい。こうすれば有機材料の剥離液あるいはO2ガスによるドライエッチングにより、絶縁膜66Bのみを選択除去できる。
As a gas used for etching, for example, a mixed gas of CF 4 and O 2 is used. Finally, the insulating
このようにして作製された微小探針を備えた薄膜バルク音響波共振器の電極間に交流あるいは短パルス電圧を印加することにより、薄膜バルク音響波共振器から放出された弾性波は、微小探針63下部の空隙を介して、微小探針63に伝播され、先端より弾性波が放出される。
By applying an alternating current or a short pulse voltage between the electrodes of the thin film bulk acoustic wave resonator having the microprobe thus fabricated, the elastic wave emitted from the thin film bulk acoustic wave resonator is It propagates to the
この微小探針63を適当な記録媒体(例えばPolymethylmethacrylate)に接触させることで記録媒体表面に微小なピットを形成することができる。なお、薄膜バルク音響波共振器に用いられる圧電薄膜の厚さを、発生させる弾性波の圧電薄膜内での波長の半分とすれば、その周波数で最大の弾性波発生効率とすることができる)。したがって、圧電膜の厚さは使用する弾性波の周波数に応じて適宜調整すべきで本発明では特に規定しない。
By bringing the
図6〜図8では単一の微小探針を備えた装置および作製方法を示したが、複数の微小探針を備えた1次元あるいは2次元アレイ構造としても良い。アレイ構造を用いて複数の微小探針を並列動作させることで、単一の微小探針を備えた装置よりも高速の動作速度を得ることができる。この場合、弾性波を与える素子を微小探針毎に具備することも、1つの弾性波発生素子から複数の微小探針に弾性波を与える構造としても良い。 Although FIGS. 6 to 8 show an apparatus and a manufacturing method including a single microprobe, a one-dimensional or two-dimensional array structure including a plurality of microprobes may be used. By operating a plurality of microprobes in parallel using the array structure, it is possible to obtain a higher operating speed than an apparatus having a single microprobe. In this case, an element for applying an elastic wave may be provided for each microprobe, or a structure for applying an elastic wave from a single elastic wave generating element to a plurality of microprobes may be employed.
また、上記の例では、いずれも情報記録再生装置として情報の記録と再生との両方を行うことのできる装置を説明したが、各々別個の装置すなわち情報記録装置および情報再生装置として構成してもよい。 In the above examples, the information recording / reproducing apparatus has been described as an apparatus capable of both recording and reproducing information. However, the information recording / reproducing apparatus may be configured as separate apparatuses, that is, an information recording apparatus and an information reproducing apparatus. Good.
21…微小探針、22…弾性波発生素子、23…支持ベース、24…記録媒体 21 ... microprobe, 22 ... elastic wave generating element, 23 ... support base, 24 ... recording medium
Claims (12)
前記微小探針に高周波振動である弾性波を与える弾性波発生手段を備えており、前記弾性波発生手段から前記微小探針の突端へ伝わった弾性波を用いて、前記微小探針の突端と近接する位置にある前記記録媒体表面の窪みの有無の情報を前記微小探針で読み取る
ことを特徴とする情報再生装置。 In an apparatus for reproducing information by scanning a microprobe on the surface of a recording medium in which a concave shape corresponding to recording information is formed in a subfield on the surface by scanning the microprobe,
Elastic wave generating means for applying an elastic wave that is high-frequency vibration to the microprobe, and using the elastic wave transmitted from the elastic wave generating means to the microtip tip , the tip of the microprobe and An information reproducing apparatus, wherein information on the presence or absence of a depression on the surface of the recording medium at a close position is read by the microprobe.
ことを特徴とする請求項1記載の情報再生装置。 The microprobe is arranged in a plurality of matrixes corresponding to a plurality of subfields of the recording medium , and for each microprobe, the presence or absence of the depressions in the corresponding subfield is read. 1. An information reproducing apparatus according to 1.
ことを特徴とする請求項1記載の情報再生装置。 The information reproducing apparatus according to claim 1, wherein the elastic wave generating means is a piezoelectric element.
ことを特徴とする請求項1記載の情報再生装置。 The information reproducing apparatus according to claim 1, wherein the elastic wave generating means is a bulk acoustic wave resonator.
ことを特徴とする請求項1記載の情報再生装置。 The information reproducing apparatus according to claim 1, wherein the microprobe is disposed between the elastic wave generating unit and the recording medium.
ことを特徴とする請求項1記載の情報再生装置。 The information reproducing apparatus according to claim 1, wherein the microprobe is integrally formed on the elastic wave generating means.
ことを特徴とする請求項1記載の情報再生装置。 The information reproducing apparatus according to claim 1, wherein the microprobe is formed on the elastic wave generating means via a predetermined gap.
ことを特徴とする請求項4記載の情報再生装置。 The microprobe is formed on the bulk acoustic wave resonator via a predetermined gap, and is supported by a part other than the thin film vibrator of the bulk acoustic resonator. 4. The information reproducing apparatus according to 4.
前記微小探針に高周波振動である弾性波を与え、その微小探針の突端へ伝わった弾性波を用いて、その突端と近接する位置にある前記記録媒体表面の窪みの有無の情報を前記微小探針で読み取る
ことを特徴とする情報再生方法。 In a method of reproducing information by scanning a microprobe on the surface of a recording medium in which a shape-like depression corresponding to recording information is formed in a subfield on the surface by scanning the microprobe,
By applying an elastic wave that is high-frequency vibration to the microprobe and using the elastic wave transmitted to the tip of the microprobe, information on the presence or absence of depressions on the surface of the recording medium at a position close to the tip is obtained. An information reproduction method characterized by reading with a probe.
ことを特徴とする請求項9記載の情報再生方法。 The microprobe is arranged in a plurality of matrixes corresponding to a plurality of subfields of the recording medium , and for each microprobe, the presence or absence of the depressions in the corresponding subfield is read. 9. The information reproducing method according to 9.
請求項1から8のうちいずれか1項に記載の情報再生装置。The information reproducing apparatus according to any one of claims 1 to 8.
請求項4記載の情報再生装置。The information reproducing apparatus according to claim 4.
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