DE69613607T2

DE69613607T2 - Informationsverarbeitungs-Apparat mit einer einer Kreisbewegung ausgesetzten Sonde

Info

Publication number: DE69613607T2
Application number: DE69613607T
Authority: DE
Inventors: Katsunori Hatanaka; Takahiro Oguchi; Kunihiro Sakai; Shunichi Shido; Akihiko Yamano
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1996-02-21
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2016-02-22
Also published as: EP0729006B1; EP0729006A3; DE69613607D1; US5831961A; EP0729006A2; JP3581421B2; JPH08235651A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Informationsverarbeitungsvorrichtung zum Durchführen einer hochdichten Aufzeichnung und/oder Wiedergabe von Information unter Ausnutzung des Prinzips eines Rastertunnelmikroskops.

Einschlägiger Stand der Technik

In jüngerer Zeit sind Anwendungen von Speichermaterialien Kernbestandteil der Elektronikindustrie einschließlich Rechnern und dazugehöriger Geräte, Videoplatten sowie digitaler Audioplatten. Ferner gibt es eine stürmische Entwicklung dieser Materialien.
Der Großteil konventioneller Speicher sind magnetische Speicher wie Halbleiterspeicher unter Einsatz magnetischer bzw. Halbleitermaterialien; mit dem Fortschritt der Lasertechnologie gibt es in zunehmendem Maße aber billige und hochdichte Aufzeichnungsträger, beispielsweise optische Speicher, die einen organischen Dünnfilm eines organischen Farbstoffs, ein Photopolymer oder dergleichen verwenden.
Außerdem wurde in jüngerer Zeit das Rastertunnelmikroskop (im folgenden mit RTM bezeichnet) entwickelt, welches imstande ist, auf direktem Wege eine Elektronenstruktur von Atomen in einer Probenoberfläche mit extrem hoher Auflösung (in der Größenordnung von Nanometern oder darunter) zu betrachten (G. Binnig et al., Phys. Rev. Lett., 49 (1982) 57). Die Entwicklung zielt darauf ab, ein Speichersystem praxistauglich zu machen, was in der Lage ist, eine superhochdichte Aufzeichnung und/oder Wiedergabe im atomaren oder molekularen Maßstab durchzuführen, wobei das Prinzip des RTM's benutzt wird (vergleiche zum Beispiel die EP- A-0516380).
Das RTM nutzt den Umstand, dass abhängig von einer zwischen eine Elektrodenspitze und einer Mediumoberfläche gelegten Spannung ein Tunnelstrom fließt, wenn eine Sondenelektrode in einer Entfernung von etwa 1 nm oder weniger an die Mediumoberfläche gebracht wird. Dieser Strom ist äußerst empfindlich gegenüber einer Änderung der Entfernung zwischen den Teilen. Man kann sogar verschiedene Informationen über die gesamte Elektronenwolke im realen Raum dadurch lesen, dass man ihn mit der Sonde abtastet und dabei den Tunnelstrom konstant hält.
Die Analyse mit Hilfe des RTM wird derzeit nicht nur für die Analyse elektrisch leitender Stoffe eingesetzt, sondern auch für die Strukturanalyse eines dünnen isolierenden Films, der auf einer Oberfläche eines leitenden Materials gebildet ist. Außerdem wurde in jüngerer Zeit der Versuch gemacht, eine Oberflächenstruktur zu betrachten oder eine lokale physikalische Größe zu messen, wozu verschiedene physikalische Phänomene genutzt wurden (Zwischenatomkraft, magnetische Kraft etc.), die zwischen der Sonde und der Mediumoberfläche auftreten, ohne dass eine Beschränkung auf den Strom besteht.
Die RTM-Familie derartiger Typen wird als Rastersondenmikroskop (RSM) bezeichnet, weil mit einer Mikrosonde eine Abtastung durchgeführt wird.
In jedem Fall beträgt die Auflösung in Richtung der Ebene Nanometer bis Subnanometer. Der superhochdichte Speicher, wie er oben angesprochen wurde, macht Gebrauch von dieser extrem hohen räumlichen Auflösung, indem Information durch eine gegebene physikalische Verformung auf den Aufzeichnungsträger oder eine Änderung des Elektronenzustands in der Aufzeichnungsträgeroberfläche aufgezeichnet wird, oder Information durch Abtasten mit der Sonde wiedergegeben wird. Wenn beispielsweise eine impulsförmige Spannung (z. B. mit einem Scheitelwert von 3-8 V und einer Impulsbreite von 1-100 us) zwischen den Träger und die Sonde gelegt wird, so können Aufzeichnungsbits in der Form von Mikrolöchern (mit beispielsweise einem Durchmesser von etwa 4 nm) auf einer Graphitoberfläche oder in Form von Mikrovorsprüngen (mit einem Durchmesser von z. B. 10 nm) auf einer Oberfläche von Metall, z. B. Au, gebildet werden. Die japanische Patent- Offenlegungsschrift 63-161552, die japanische Patent-Offenlegungsschrift 63- 161553 etc. zeigen das Verfahren zum Aufzeichnen und/oder Wiedergeben von Information mit Hilfe des RTM's, wobei als Aufzeichnungsschicht ein Material mit Speichereffekt verwendet wird, um Kennwerte der Leitfähigkeitsänderung umzuschalten, beispielsweise eine dünne Filmschicht eines Repräsentanten aus der π- Elektronengruppe organischer Verbindungen und Erzbildner.
Dieses Verfahren ermöglicht das hochdichte und sehr umfangreiche Aufzeichnen und/oder Wiedergeben von sogar 1 Terabit/cm², wenn die Bitgröße der Aufzeichnung 10 nm beträgt. Außerdem gibt es einen Träger- und Versetzungsmechanismus für die Sondenelektrode in Form eines Auslegerarms (japanische Patent-Offenlegungsschrift 62-281 138), der die Möglichkeit bietet, eine Mehrzahl von Sondeneinheiten auf einem Si-Substrat zu fertigen und zu integrieren, wobei in dem Substrat zuvor Schreib- und Leseschaltungen gebildet wurden.
Allerdings führt ein Versuch zum Steigern der Geschwindigkeit der Abtastung mit der Sonde durch Erhöhung der Abtastfrequenz unter Verwendung des herkömmlichen Abtastmechanismus in dessen unveränderter Form zu dem Problem, dass der Einfluß von Resonanz am Resonanzpunkt des Abtastmechanismus unübersehbar wird.
Zur Ausbildung des RSM oder einer Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung als praxistaugliche Vorrichtung müssen die Vorrichtungen einen Mechanismus haben, mit dem der Abstand zwischen dem Aufzeichnungsträger und der Sondenelektrode aufrecht erhalten bleibt, damit der Tunnelstrom weiter fließt, außerdem muß die Relativbewegung (Abtastung) der Sondenelektrode gegenüber dem Aufzeichnungsträger aufrecht erhalten bleiben. Der Abtastmechanismus der Sondenelektrode, die eher in herkömmlicher Weise verwendet wird, ist ein Tisch aus parallelen Blattfedern und einem als Laminat ausgebildeten piezoelektrischen Bauelement, oder einem zylindrischen piezoelektrischen Bauelement mit unterteilten Elektroden.
Bei einer solchen herkömmlichen Vorrichtung muß die Abtastfrequenz gesteigert werden, um die Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabegeschwindigkeit von Daten zu steigern. Aus diesem Grund, insbesondere dann, wenn eine zweidimensionale Abtastung in X- und Y-Richtung durchgeführt wird, gibt es Fälle, dass die Resonanz des Abtastmechanismus oder des Probenhaltemechanismus hervorgerufen wird durch Frequenzkomponenten höherer Ordnung, die erzeugt werden durch Wiederholungen von hin- und hergehender Abtastung in X-Richtung (in Hauptabtastrichtung) mit hoher Abtastfrequenz. Diese Vibration moduliert eine Lücke zwischen dem Träger und der Sonde oder eine Abtastversetzung, welche Ursache ist für das Zustandekommen von Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabefehlern aufgrund eines fehlerhaften Lesens einer Detektorsignalintensität oder einer Aufzeichnungsbit- Stelle.
Beispielsweise besitzt der Abtastmechanismus mit parallelen Federn und laminiertem piezoelektrischen Bauelement eine Resonanzfrequenz bei etwa 1-8 kHz, wo die Anordnung in üblicher Weise für das RSM verwendet wird.
In diesem Fall liegt die maximale betriebsfähige Abtastfrequenz ohne Einfluß des Resonanzpunkts auf ein Bild des RSM zwischen etwa 10 und 100 Hz.
Im Fall des Abtastmechanismus unter Einsatz eines zylindrischen piezoelektrischen Bauteils, welches eine Gewichtsreduktion des beweglichen Teils gestattet, liegt die Resonanzfrequenz zwischen 10 und 50 kHz, die maximale Abtastfrequenz liegt zwischen etwa 100 und 300 Hz.
Wenn die oben erläuterten Abtastmechanismen bei der Aufzeichnungsvorrichtung eingesetzt werden, ist, wenngleich dies von den eingesetzten Produkten abhängt, die Abtastfrequenz von mindestens 5 kHz notwendig, um eine Bitrate von 1 Mbps zu erhalten. Aus diesem Grund wurden Anstrengungen unternommen, den Effekt der Resonanz des Abtastmechanismus zu mildern, beispielsweise durch Anheben der Resonanzfrequenz mittels der Höhe und der Festigkeit durch weitere Kompaktierung, außerdem durch Gewichtsreduktion des Abtastmechanismus oder durch Verringerung des Q-Werts der Resonanz durch Hinzufügung eines Dämpfungsmechanismus.
Es gab eine Beschränkung bei solchen Gegenmaßnahmen, der Einfluß der Resonanz ist nach wie vor ein großes Problem bei der Erzielung einer hohen Abtastfrequenz.
Die EP-A-0 397 11 6 zeigt eine Informationslesevorrichtung mit einer Sonde, die so angeordnet ist, dass sie dem Informationsträger gegenüber steht, wobei eine Relativbewegung gegenüber dem Informationsträger erfolgt, um dadurch Information von dem Träger zu detektieren. Die Vorrichtung enthält eine erste Schwingungseinrichtung, um die Sonde relativ zu dem Informationsträger in eine erste Richtung parallel zu dem Informationsträger in Schwingung zu versetzen, und eine zweite Schwingungseinrichtung, um die Sonde relativ zu dem Informationsträger in einer zweiten Richtung parallel zur Oberfläche des Informationsträgers und quer zu der ersten Richtung in Schwingungen zu versetzen. Diese Bewegungen werden erreicht mit Hilfe eines zylindrischen piezoelektrischen Bauteils zum Treiben der Sonde in die Richtungen X, Y und Z.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Informationsverarbeitungsvorrichtung anzugeben, die eine stabile Aufzeichnung und/oder Wiedergabe auch dann durchführen kann, wenn ein hochfrequenter Antrieb des Abtastmechanismus erfolgt, um dadurch das obige Problem zu lösen.
Erreicht wird dieses Ziel mit Hilfe einer Informationsverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Einzelheiten werden in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen erläutert:

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches die Ausgestaltung einer Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung einer Ausführungsform 1 der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Signaldiagramm zum Erläutern der Arbeitsweise der Drehabtast- Treiberschaltung der Ausführungsform 1 der Erfindung;
Fig. 3 ist eine Konzeptdarstellung, die den Bewegungsweg bei einer Sondenabtastung auf dem Aufzeichnungsträger der Ausführungsform 1 der Erfindung darstellt;
Fig. 4 ist eine Konzeptdarstellung, in einen Sondenweg für den Fall darstellt, dass bei der Ausführungsform 1 der Erfindung kontinuierlich eine drehende und eine translatorische Abtastung erfolgt;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Ausgestaltung einer Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung einer Ausführungsform 2 der Erfindung;
Fig. 6 ist eine Konzeptdarstellung zur Veranschaulichung der Ausgestaltung eines Speicherblocks der Ausführungsform 2 der Erfindung;
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf einen Tisch-Abtastmechanismus für die X-Richtung der Ausführungsform 2 der Erfindung;
Fig. 8 ist eine Schnittansicht, die den Tisch-Abtastmechanismus für die X-Richtung der Ausführungsform 2 der Erfindung veranschaulicht; und
Fig. 9 ist eine Konzeptdarstellung für die Bahn einer Sondenabtastung der Ausführungsform 2 der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass der Abtastmechanismus eine stabile Hochgeschwindigkeits-Sondenabtastung durchführt mit Hilfe eines Verbund- Betriebs mit einer kreisförmigen oder elliptischen Bewegung einerseits und einer translatorischen Bewegung andererseits.
Die vorliegende Erfindung kann verhindern, dass Information wiederholt in der selben Zone aufgezeichnet oder von der selben Zone wiedergegeben wird, derart dass eine Aufzeichnung oder Wiedergabe entweder in einem Hin-Weg oder in einem Rück-Weg erfolgt, beispielsweise einer X-Achsenkomponente der Kreisbewegung, das heißt, einer einfachen harmonischen Schwingung (Hin- und Herbewegung) in Hauptabtastrichtung innerhalb der kreisförmigen Bewegung.
Wenn die Kreisbewegung mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit erfolgt, so ist die Sondenbewegung pro Zeiteinheit konstant, was die Steuerung der Sondenbewegung auf der Zeitachse erleichtert. Da ein Stellungs-Änderungshub proportional zur Zeit ist, lässt sich die Sondenstellung in einfacher Weise dadurch verfolgen, dass man einen Takt konstanter Frequenz gemäß der Dauer der Sondenbewegung hält, um ein Beispiel zu nennen.
Was Aufzeichnung und Wiedergabe angeht, so wird der Aufzeichnungsvorgang in konstanten Zeitintervallen durch gleichmäßiges Abtasten durchgeführt, um Aufzeichnungsbits in gleichen Intervallen auf dem Träger zu bilden, und bei der Wiedergabe werden die Informationsbits, die auf dem Träger in gleichen Intervallen ausgerichtet sind, in konstanten Zeitintervallen gelesen.
Da außerdem der Abtastort keinerlei Abschnitt mit rascher Geschwindigkeitsänderung oder irgend einen Rückkehrpunkt enthält, was im Fall der linearen Hubbewegungsabtastung mit der konventionellen Sonde ein Problem darstellte, kann die Erfindung das Auftreten einer resonanten Schwingung verhindern, die an jenem Abschnitt mit schneller Geschwindigkeitsänderung leicht zustande kommt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[Ausführungsform 1]

Fig. 1 ist eine schematische Strukturdarstellung der Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 der Erfindung, Fig. 2 ist ein Wellenformdiagramm von Signalen, die an einem Drehabtast-Treiberschaltungsteil erhalten werden, und Fig. 3 ist eine anschauliche Darstellung eines Zustands der Sondenabtastung.
Zunächst werden im einzelnen die Bestandteile der Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung gemäß Fig. 1 erläutert.
In der Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Sonde und 2 ein zylindrisches piezoelektrisches Bauteil.
Das zylindrische piezoelektrische Bauteil 2 mit unterteilten Elektroden setzt sich zusammen aus einem Z-Treiberabschnitt 2a und einem XY-Treiberabschnitt 2b.
I Der Z-Treiberabschnitt 2a ist mit einer Treiberschaltung 9 gekoppelt, und bewegt die Sondenelektrode 1 in Z-Richtung gemäß Darstellung, entsprechend einem von einer Servoschaltung 8 gelieferten Signal Vz.
In ähnlicher Weise ist der XY-Treiberabschnitt 2b an eine Treiberschaltung 16 angeschlossen und bewegt die Sonde in Richtung der X-Achse und in Richtung der Y- Achse gemäß Darstellung, abhängig von Ausgangssignalen vor x und y einer Drehabtasttreiberschaltung 14.
Ziffer 5 bezeichnet einen XY-Tisch. Ein Linearaktuator 6 wird von einer Treiberschaltung 17 angetrieben, um den XY-Tisch 15 in Richtung der X- und der Y-Achse abhängig von einem Ausgangssignal einer Translationsabtast-Treiberschaltung 15 zu bewegen.
Auf dem XY-Tisch 5 ist ein auf einem Substrat 4 gebildete Aufzeichnungsträger 3 ausgebildet.
Ziffer 7 steht für einen Strom-Spannungs-Wandler, 8 für eine Servoschaltung und 9 für eine Treiberschaltung.
Der Strom-Spannungs-Wandler 7 detektiert einen zwischen der Sondenelektrode 1 und dem Aufzeichnungsträger 3 fließenden Strom I, um diesen in ein Spannungssignal V umzuwandeln.
Die Servoschaltung 8 führt anhand des Spannungssignals V eine vorbestimmte arithmetische Verarbeitung durch, um eine Treiberspannung Vz zu errechnen, und die Treiberschaltung 9 führt eine Gleichstromverstärkung des Signals durch und gibt das verstärkte Signal an das piezoelektrische Bauteil 2. Ziffer 11 steht ferner für eine Vorspannungserzeugungsschaltung, 12 für eine Datencodierschaltung und 13 für eine Datendecodierschaltung.
Die Vorspannungsschaltung 11 erzeugt eine Lese-Vorspannung Vb oder eine Aufzeichnungsimpulsspannung Vp gemäß einem Steuersignal von einer Zeitsteuerschaltung 10, um an den Aufzeichnungsträger 3 eine Voltspannung anzulegen. Die Datencodierschaltung 12 codiert Aufzeichnungsdaten D, die von außerhalb gesendet werden und sie steuert die Vorspannungserzeugungsschaltung 11, basierend auf der Zeitsteuerung durch den Zeitgeber 10. Die Datendecodierschaltung 13 decodiert die in den Aufzeichnungsträger 3 aufgezeichneten Aufzeichnungsdaten D auf dem von dem Strom-Spannungs-Wandler 7 gesendeten Spannungssignal, um decodierte Ausgangsdaten auszugeben.
Ziffer 10 steht ferner für einen Zeitgeber, 14 für eine Drehabtast-Treiberschaltung und 15 für eine Translationsabtast-Treiberschaltung.
Die Drehabtast-Treiberschaltung 14 und die Translations-Treiberschaltung 15 sind Schaltungen zum Generieren von Treiberwellenformen zur Sondenabtastung, die synchron mit einem Referenztakt arbeiten, welcher von dem Zeitgeber 10 erzeugt wird.
Der Referenztakt wird in der Nähe der natürlichen Frequenz des piezoelektrischen Bauteils 2 eingestellt. Das Schreiben oder das Lesen von Daten erfolgt ebenfalls synchron mit dem von dem Zeitgeber 10 kommenden Steuersignal.
I Als nächstes soll anhand der Fig. 1, 2 und 3 die Arbeitsweise der Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung erläutert werden. Unter Konstanthaltung des Abstands zwischen der Sonde 1 und der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 3 durch das Ausgangssignal Vz von der Servoschaltung 8, tastet die Sonde 1 den Aufzeichnungsträger 3 parallel zu diesem ab durch Versetzung des XY-Treiberteils 2b des piezoelektrischen Bauteils 2 und des Linearaktuators 6. Insbesondere gibt die Drehabtast-Treiberschaltung 14 Sinuswellen mit einer Phasenverschiebung von π/2 gemäß Fig. 2 als Signal Vx bzw. Signal Vy aus, um Vx und Vy an die Segmentelektrode zur X-Abtastung bzw. die Segmentelektrode zur Y-Abtastung des piezoelektrischen Bauteils 2 anzulegen.
Im Ergebnis stellt sich ein Sondenabtastort 20 in Form eines Kreises gemäß Fig. 3 ein. Die Frequenz der Sinuswellen beträgt hier 12,5 kHz (Periodendauer T = 8 ms), nach der Eigenfrequenz (etwa 13 kHz) des piezoelektrischen Bauteils. Das Ausgangssignal Vd für den Linearaktuator wird schrittweise innerhalb der Periodendauer T so geändert, dass der XY-Tisch 5 in Y-Richtung versetzt ist, wodurch die Sondenstellung in der durch den Fall 21 in Fig. 3 dargestellten Weise geändert wird.
Da die Sondenorte benachbarter kreisförmiger Bewegungen einander überlappen, wird die Dauer oder Zeitspanne zur Erzeugung von Aufzeichnungsbits oder zum Lesen von Aufzeichnungsdaten vorzugsweise auf etwa einen Halbkreis der Drehabtastung festgelegt. Noch bevorzugter beträgt die Dauer nicht mehr als einen Halbkreis (nicht mehr als T/2). Damit wird das Signal XENB innerhalb des Zeitgebers 10 während der Zeitdauer B aktiv, bei der es sich um eine Zeitspanne handelt, die man erhält durch Abziehen der vorderen und hinteren Spanne tF bzw. tB von der Zeitdauer A, in welcher Vx monoton ansteigt, um auf diese Weise einen Takt XCLK (mit der Periode tCK) für die Aufzeichnungs- oder Wiedergabeverarbeitung zu erzeugen. Das schrittweise Versetzen des XY-Tischs 5 durch translatorische Abtastung erfolgt, während XENB nicht aktiv ist.
Das Aufzeichnen von Information basiert auf einem Verfahren zum Nachweisen, dass die Sonde 1 eine Sollposition auf dem Aufzeichnungsträger 3 durch die Sondenabtastung erreicht, was von einem Signal aus dem Zeitgeber 10 ermittelt wird, Anlegen einer Spannung zwischen die Sonde und den Träger synchron mit dem Takt XCLK, wie es oben erläutert wurde, um den Aufzeichnungsträger 3 elektrisch zu verarbeiten, und um dadurch ein Aufzeichnungspit 22 zu bilden, entsprechend den codierten Aufzeichnungsdaten D. Die Wiedergabe von Information erfolgt durch Messen eines physikalischen Phänomens, welches in Erscheinung tritt, wenn sich die Sonde dem Träger nähert.
Speziell bei diesem Beispiel ist der Aufzeichnungsträger 3 der organische SOAZ- Farbstoff-Dünnfilm (doppellagiger Film), der auf einer Goldelektrode auflaminiert ist, wobei es sich um das Aufzeichnungsmedium handelt, welches in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 63-161552 sowie der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 63-161553 offenbart ist, Aufzeichnungsbits werden auf den Träger durch eine Impulsspannung geschrieben, die von der Vorspannungserzeugungsschaltung 11 erzeugt wird, und ein Sondenstrom wird erfaßt in Form eines Spannungssignals durch den Strom-Spannungs-Wandler 7, um die Daten zu reproduzieren.
Wenn die obige Vorrichtung zum Aufzeichnen oder Wiedergeben verwendet wird, so werden die Aufzeichnungsbits kontinuierlich in gleichen Intervallen tCK erzeugt. Wenn eine Drehabtastung mit gleicher Geschwindigkeit durchgeführt wird, so drückt sich eine Entfernung zwischen den Aufzeichnungsbits aus in der Form 2 R sin(π tCK/T).
Wenn beispielsweise R = 0,5 um, T = 8 ms und tCK = 25 us betragen, so werden Aufzeichnungsbits in Intervallen von etwa 10 nm erzeugt. Da die Aufzeichnungsbits in gleichen Intervallen auf dem Träger gebildet werden, besitzen Signale, die den Aufzeichnungsbits in dem Nachweissignal bei der Wiedergabe entsprechen, gleiche Zeitintervalle. Dies erleichtert das Steuern der Sondenstellung und ermöglicht eine Steigerung des Rauschabstands durch eine einfache elektrische Schaltung I im Fall der Filterung des Nachweissignals.
Außerdem wurde die obige Vorrichtung dazu benutzt, Änderungen der Sonde in Z- Richtung zu betrachten, die hervorgerufen werden durch ein parasitäres Schwingen beim Vorgang der Sondenabtastung über der Trägeroberfläche, auf der kein Aufzeichnungsbit gebildet war, wobei die Änderungen unterhalb der Nachweisgrenze auch dann liegen, wann eine Hochgeschwindigkeits-Sondenabtastung mit einer Wiederholfrequenz von 12,5 kHz erfolgt.
Bezüglich der Drehbewegung sei angemerkt, dass die Schwingung in Richtung der X-Achse nicht immer die gleiche sein muß, wie die in der Y-Achse.
Der erfindungsgemäß Effekt kann nämlich auch durch eine elliptische Bewegung erreicht werden. Außerdem zeigt das obige Ausführungsbeispiel eine lineare translatorische Bewegung, natürlich kann aber eine solche translatorische Bewegung auch entlang einer Kurve mit dem Vergleich zur Drehabtastung ausreichend größerem Krümmungsradius definiert werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung in einer Situation angewendet werden, in der die Aufzeichnungsträger einer Scheibe mit einem Radius in der Größenordnung von mm oder cm ist, Aufzeichnungszonen konzentrisch in den Mittelpunkt der Scheibe gebildet sind, und die translatorische Bewegung entlang der Y-Achse in Umfangsrichtung erfolgt. Außerdem ist die translatorische Bewegung nicht auf eine schrittweise Bewegung beschränkt, die Bewegung kann auch kontinuierlich stattfinden.
In diesem Fall hat der Verlauf der Probenabtastung, basierend auf einer Zusammensetzung von Drehung und Translation die in Fig. 4 dargestellte Form. In der Zeichnung bedeuten die ausgezogenen Linien Abtastorte mit Zeitspannen, in denen eine Aufzeichnung oder eine Wiedergabe erfolgt, deren gestrichelte Linie solche Zeitspannen sind, in denen keine Aufzeichnung oder Wiedergabe durchgeführt wird. Die translatorische Bewegung kann jede Bewegung sein, welche eine Zone für die Drehabtastung aktualisiert, sie ist nicht beschränkt bezüglich Richtung oder Mechanismus.
Die obige Ausführungsform ist so angelegt, dass die Aufzeichnungsbits bei Anlegen einer Spannung gebildet werden, wobei sie durch den Sondenstrom (Tunnelstrom etc.) gelesen werden, allerdings lässt sich der oben beschriebene Sonden-Abtastmechanismus ohne weiteres auf ein anderes Verfahren übertragen, beispielsweise den Fall, dass die Aufzeichnungsbits in Form von Vertiefungen gebildet werden, in denen die Sonde gegen den Träger gedrückt wird, oder indem die Form des Mediums mit Hilfe eines Lichtstrahls geändert wird, und wobei eine Kraft (Zwischenatomkraft), die zwischen der Sonde und dem Träger wirkt, gemessen wird, um die Aufzeichnungsbits zu lösen. Es sei angemerkt, dass die Verfahren oder Mittel zum Aufzeichnen und Wiedergeben der Information die vorliegende Erfindung in keiner Weise beschränken, so lange die Vorrichtung eine solche für super-dichte Aufzeichnung und/oder Wiedergabe unter Verwendung der Sonde ist.

[Ausführungsform 2]

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches den schematischen Aufbau der Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung der Ausführungsform 2 der Erfindung darstellt.
Bezugszeichen 61 steht für einen Speicherblock zum Speichern von Eingangsdaten, seine detaillierte Bauweise wird unten in Verbindung mit Fig. 6 noch erläutert. 63 steht für eine Schaltung zum Verarbeiten von Eingangsdaten zu codierten Signalen, 64 für einen Multiplexer, 65 für einen Demultiplexer, 66 für eine Decodierverarbeitungsschaltung zum Decodieren codierter Signale, 68 für eine Speichereinheit zur Bildung des Speicherblocks, und 69 für eine Schaltung zum Steuern der Sondenabtastung, um Signale zur Drehabtastung und Translationsabtastung an den Treibermechanismus aufzugeben.
Angegebene Daten werden von der Codierverarbeitungsschaltung 63 einer Codierverarbeitung unterzogen, anschließend werden die codierten Daten von dem Multiplexer 64 aufgeteilt, um in den vorbestimmten Speichereinheiten innerhalb des Speicherblocks 61 aufgezeichnet und gespeichert zu werden.
Bei der Wiedergabe der Daten werden diese in ihre ursprüngliche kontinuierliche Datensequenz mit Hilfe des Demultiplexers 65 zurückverwandelt, daran anschließend werden die Daten über die Decodierverarbeitungsschaltung 66 ausgegeben. Um kontinuierliche Daten im Echtzeitbetrieb zu handhaben, sind sowohl Eingangs- als auch Ausgangsabschnitte der Daten, das heißt, die Codierverarbeitungsschaltung 63 und die Decodierverarbeitungsschaltung 66, mit einer Pufferfunktion versehen, um Datenverluste während der Totzeit (z. B. während der Zeit der Bewegung der Sonde oberhalb einer Spur oder eines aufzeichnungsfreien Bereichs) zu vermeiden, die sich aus dem Mechanismus beim Vorgang des Aufzeichnens oder der Wiedergabe durch Rundenabtastung ergibt.
Der Multiplexer 64 und der Demultiplexer 65 werden beide von einer Zeitsteuerung 62 gesteuert.
Der Speicherblock 61 besitzt ein Merkmal zum Durchführen der Aufzeichnung oder Wiedergabe von Information an gewünschten Stellen oder Zonen des Aufzeichnungsträgers mit Hilfe von Abtastsonden. Die vorliegende Ausführungsform verwendet den Speicherblock mit den in Fig. 6 gezeigten Aufbau. Anhand dieser Fig. 6 soll der Speicherblock als nächstes erläutert werden. In der Zeichnung sind mehrere Sondenelektroden 71 an ihren jeweiligen Auslegerarmen 72 eines elastischen Körpers gehaltert, und sie befinden sich in der Nähe des Aufzeichnungsträgers 73.
Jede Speichereinheit setzt sich zusammen aus einem Paar aus einer Sondenelektrode 71 und einem Aufzeichnungsträger 73, die einander gegenüber stehen. Der Aufzeichnungsträger 73 ist auf einem Trägersubstrat 74 gebildet, und Führungsnuten 75 zur Auswahl der Aufzeichnungszone und zur Spurverfolgung beim Abtasten sind auf seiner Oberfläche ausgebildet. Am Treiberelement 77 und 78 eines piezoelektrischen Glieds ist ein Wandlungsstellungsregler 69 angeschlossen, außerdem an eine Schaltung zum Versetzen eines Tisches 79, auf dem ein Sondeneinheiten-Substrat gelagert ist, wobei die Lücke (Abstand in Z-Richtung) zwischen Sonde und Träger und die Sondenabtaster (die Bewegung und Position in X- und Y-Richtung) gesteuert wird. Die Einzelheiten der Tischabtastung werden weiter unten anhand der Fig. 7 und 8 erläutert. Aufzeichnung und Wiedergabe der Daten erfolgt in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform 1.
Im einzelnen: der Aufzeichnungsträger 73 ist der organische SOAZ-Dünnfilm (ein doppellagiger Film), der auf einer Goldelektrode auflaminiert ist, wobei es sich um den Aufzeichnungsträger handelt, der in der japanischen Patent-Offenlegungsschriften 63-161552 und 63-161553 dargestellt ist, es werden Aufzeichnungsbits auf dem Träger durch eine Impulsspannung beschrieben, die von einer Spannungsanlegeschaltung 63 erzeugt wird, und es werden Sondenströme zur Wiedergabe der aufgezeichneten Daten mit Hilfe einer Wechselschaltung 80 und einer Wellenformschaltung 81 wiedergegeben.
Werte der Sondenströme werden ebenfalls auf Z-Stellungssteuerinformation in den Sondenstellungsregler 69 eingegeben. Die Zeitsteuerung 82 ist an den Sondenstellungsregler 69 angeschlossen, ferner an die Spannungsanlegeschaltung zum Aufzeichnen und Wiedergeben 83, und die Umschaltschaltung 80, wobei die Zeitsteuerung die zeitliche Teilung von Daten und die Zuweisung von Aufzeichnungssignalen zu den einzelnen Sonden steuert.
Die mehreren Sondeneinheiten, die die Form eines Hebels haben und hier die Sondenelektroden enthalten, werden folgendermaßen hergestellt: Ein SiO&sub2;-Film wird durch thermische Oxidation mit einer Stärke von 0,3 um auf der Oberfläche eines Si-Substrats gebildet, es erfolgt eine Musterbildung zur Herstellung mehrerer Hebel mit einer Länge von 100 um und einer Breite von 20 um. Als nächstes werden Verdrahtungsmuster für elektrische Signale, die zu den Sondenelektroden zu übertragen sind, ausgebildet, und mit Hilfe anisotropen Ätzens unter Einsatz einer KOH- Lösung von der Rückseite des Substrats her werden die Auslegerarme gebildet. Anschließend werden an den Spitzen der Hebel Sondenelektroden 71 mit einer Höhe von 7 um durch Elektrodenstrahl-Niederschlagung von Kohlenstoff oder Darstellungen ausgebildet, wodurch mehrere Sondeneinheiten auf dem Sondeneinheitensubstrat 76 entstehen.
Als nächstes soll anhand der Fig. 7 und 8 der Abtastmechanismus erläutert werden.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf den X-Treibermechanismus des Tischs 79, und Fig. 8 ist ein Querschnitt entlang der Linie 8-8 in Fig. 7.
Die Sondeneinheiten 76 sind an den XY-Tisch 79 fixiert, bei dem es sich um einen Schwinger mit Bewegungsrichtungen durch parallele Scharniere 85 handelt, die an seinen Enden bezüglich eines Trägerglieds 70 fixiert sind. Der Tisch 79 ist über ein piezoelektrisches Bauteil 78a, welches ihm Schwingungsenergie zuführt, an ein Gewicht 86 gekoppelt, und ist über ein piezoelektrisches Bauteil 78b zum Erfassen seiner Versetzungen an ein Gewicht 86b gekoppelt. Der Tisch 79 schwingt, wenn das piezoelektrische Bauteil sich wiederholt ausdehnt und zusammenzieht. Das Gewicht 86a hat eine größere Trägheitsmasse als der Tisch 79, so dass nahezu die gesamte Schwingungsenergie beim Ausdehnen und Zusammenziehen des piezoelektrischen Bauteils 78a auf den Tisch 79 übertragen wird.
Das Schwingen des Tisches 79 wird auch auf das piezoelektrische Bauteil 78b übertragen. Da dieses auch an einem Ende von dem Gewicht 86b abgestützt wird, dient nahezu das gesamte Schwingen des Tisches 79 zum Ausdehnen und I Zusammenziehen des piezoelektrischen Bauteils 78b, bedingt durch den großen Unterschied der Trägheitsmasse.
Wenn zunächst der Abtastmechanismus in Gang gesetzt wird, sind die Gewichte 86a und 86b ortsfest.
Wenn an das piezoelektrische Bauteil 78a eine Oszillationsspannung gelegt wird, beginnt der Tisch 79 das oben beschriebene Vibrieren. Der Schwingungszustand des Tisches 79 wird mit dem piezoelektrischen Bauteil 78b erfaßt, die Schwingungsfrequenz des Antriebs ist derart geregelt, dass die Phasensicherung zwischen einer Antriebsphase des piezoelektrischen Bauteils 78a und derjenigen des Bauteils 78b die Resonanzbedingung für den oszillierenden Tisch 79 erfüllen.
Erfüllt der Abtastmechanismus die Resonanzbedingung, so beginnen auch die Gewichte 86a und 86b das Vibrieren, und der Tisch 79 sowie die Gewichte 86a und 86b werden praktisch gleichphasig versetzt.
Die Schwingung ist in diesem Zeitpunkt äußerst stabil, die seitens des piezoelektrischen Bauteils 78a zugeführte Schwingungsenergie ist minimal.
Der (nicht gezeigte) Y-Treibermechanismus hat den selben Aufbau.
Allerdings ist die Antriebsphase des piezoelektrischen Bauteils für die Bereitstellung der Y-Schwingungsenergie entsprechend dem piezoelektrischen Bauteil 78a des X- Antriebsmechanismus so gesteuert, dass sie um eine Phase von π/2 voreilt, was durch das piezoelektrische Bauteil 78b erfaßt wird. Abgesehen von diesem Punkt ist das Antriebsverfahren das gleiche.
Der X- und Y-Antriebsmechanismus gemäß obiger Beschreibung bewegen den I Tisch 79 in einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XY-Ebene.
Andererseits verlagert gemäß Fig. 6 der Linearaktuator 84 an dem Aufzeichnungsträger diesen zusammen mit dem Substrat 74 und dem Z-Antriebselement 77 linear in die X- oder Y-Richtung.
Wenn der Aufzeichnungsträger 73 synchron mit der obigen Drehbewegung in Y- Richtung versetzt wird, lässt sich eine relative Versetzung zwischen den Sondenelektroden 71 und dem Aufzeichnungsträger 73 erhalten, die in Fig. 9 durch die Sondenorte 87 dargestellt ist.
In Fig. 9 bezeichnet 75 eine Spurnut und 88 sind in dem Aufzeichnungsträger aufgezeichnete Bits. Ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 entsprechen ausgezogene Linien der Sondenorte 87 den Verweildauern zur Durchführung einer Aufzeichnungs- oder Wiedergabeverarbeitung. Andere Zeitspannen als solche für das Aufzeichnen und Wiedergeben oder solche, in denen die Sonde relativ verlagert wird, stellen Codezeiten dar, in denen keine Aufzeichnungs- oder Wiedergabeverarbeitung durchgeführt wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der in Fig. 5 gezeichnete Speicherblock in zwei oder mehr Gruppen unterteilt, insbesondere in drei Gruppen, welche mit einer Phasenverschiebung von 2π/3 gegeneinander betrieben werden, um die obigen Totzeiten in den einzelnen Gruppen zu eliminieren.
Diese werden von dem Sondenstellungsregler 69 geregelt.
Die Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, wie sie oben beschrieben wurde, führt eine Aufzeichnung mit 1.920 Sonden bei einer Dreh-Abtastfrequenz von 500 Hz in einer Hauptabtastbreite von 1 um, bei einem Bitdurchmesser von 5 nm und mit einer Dichte von 10 nm durch, wobei eine Aufzeichnungs- oder Wiedergabegeschwindigkeit von 192 Mbps für die gesamte Vorrichtung und mit 100 kHz pro Einheit durchgeführt wird.
Bei der Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung gemäß Beschreibung wird die Energie für den Sondenabtastantrieb äußerst stark reduziert, und die Bitintervalle aus dem Aufzeichnungsträger sind gleich groß, genau so wie bei der Ausführungsform 1. Zusätzlich zu den Signalintervallen beim Aufzeichnen werden auch bei der Wiedergabe erfaßte Bitsignale mit konstanten Zeitintervallen gewonnen, und damit lässt sich das Multiplexen der Signalverarbeitungssysteme realisieren, wie durch die vorliegende Ausführungsform belegt wird.

Claims

1. Informationsverarbeitungsvorrichtung zum Durchführen einer Aufzeichnung- und/oder Wiedergabe von Information bei zweidimensionaler Abtastung eines Aufzeichnungsträgers (3, 73) mit einem Sondenglied (1, 71) unter Ausnutzung eines physikalischen Phänomens, welches zwischen dem Sondenglied (1, 71) und dem Träger (3, 73) auftritt, umfassend:

einen Abtastmechanismus zum Bewirken einer Relativbewegung zwischen dem Sondenglied (1, 71) und dem Medium (3, 73);

eine Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabeschaltung zum Durchführen der Aufzeichnung und/oder Wiedergabe von Information unter Ausnutzung des erwähnten physikalischen Phänomens während der Relativbewegung; und

eine Abtastsignal-Erzeugungseinrichtung (14, 15), die Signale zum Treiben des Abtastmechanismus erzeugt, welche ein erstes Signal (Vx, Vy) zum Bewirken einer Relativbewegung in der Weise, dass das Sondenglied (1, 71) auf dem Medium (3, 73) eine Kreisform oder eine Ellipsenform beschreibt, und ein zweites Signal zum Bewirken einer Relativbewegung derart, dass das Sondenglied (1, 71) sich linear auf dem Medium (3, 73) bewegt, enthalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Abtastmechanismus einen ersten Abtastmechanismus zum Bewegen des Sondenglieds (1, 71) entlang des Kreises oder der Ellipse und einen zweiten Abtastmechanismus zur translatorischen Bewegung des Trägers (3, 73) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der zweite Abtastmechanismus den Träger (3, 73) schrittweise bewegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der zweite Abtastmechanismus den Träger (3, 73) kontinuierlich bewegt;

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabeschaltung die Aufzeichnung und/oder Wiedergabe von Information nur in einem Teil des Kreises oder der Ellipse vornimmt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Sondenglied (71) eine Mehrzahl von Sonden aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Mehrzahl von Sonden (71) aufgeteilt ist in eine Mehrzahl von Gruppen, die voneinander verschiedene Treiberphasen des Abtastmechanismus aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das physikalische Phänomen das Auftreten eines Tunnelstroms ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das physikalische Phänomen eine Zwischenatomkraft ist.