(57)【要約】【課題】情報の再生時におけるプローブ先端または記録媒体上面の磨耗を抑制する。【解決手段】記録再生装置は、下部電極層１６と、下部電極層１６上に設けられかつ印加される電流パルスにより抵抗状態が変化する記録層１７とを含む記録媒体１４と、記録媒体１４を走査し、かつ記録媒体１４に電流パルスを印加するプローブ１１と、プローブ１１と下部電極層１６との電位差がゼロの場合に、記録媒体１４の上面から一定間隔を空けるようにしてプローブ１１を支持するカンチレバー１２と、記録媒体１４から情報を再生する場合に、プローブ１１と下部電極層１６との間に再生電圧を印加する再生回路３３とを具備する。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極層と、この下部電極層上に設けられかつ印加される電流パルスにより導電性状態と絶縁体状態との抵抗状態が変化する記録層とを含む記録媒体と、
前記記録媒体を走査し、かつ前記記録媒体に電流パルスを印加するプローブと、
前記プローブと前記下部電極層との電位差がゼロの場合に、前記記録媒体の上面から一定間隔を空けるようにして前記プローブを支持するカンチレバーと、
前記記録媒体から情報を再生する場合に、前記プローブと前記下部電極層との間に再生電圧を印加する再生回路と
を具備し、
前記記録層のうち導電性状態の第１の部分と前記プローブとが接触する場合の前記プローブと前記下部電極層との間の電圧の下限値をＶ１、前記記録層のうち絶縁体状態の第２の部分と前記プローブとが接触しない場合の前記プローブと前記下部電極層との間の電圧の上限値をＶ２とすると、前記再生電圧Ｖは、Ｖ２≧Ｖ≧Ｖ１に設定されることを特徴とする記録再生装置。
【請求項２】
前記プローブと前記記録媒体との間の静電引力は、前記第１の部分では前記カンチレバーの復元力以上であり、前記第２の部分では前記カンチレバーの復元力より小さいことを特徴とする請求項１に記載の記録再生装置。
【請求項３】
前記再生電圧は、前記導電性状態と前記絶縁体状態とのスイッチング電圧よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の記録再生装置。
【請求項４】
前記カンチレバーが複数個アレイ状に配列されたカンチレバーアレイをさらに具備し、
複数のカンチレバーを並列動作させることにより、前記記録媒体に記録された複数ビットの再生を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の記録再生装置。
【請求項５】
前記記録層は、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、ＣｕＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＨｆＯ、ＷＯ３、ＰｒｘＣａ１−ｘＭｎＯ３、Ｃｒが添加されたＳｒＴｉＯ３、Ｃｒが添加されたＳｒＺｒＯ３、Ｎｂが添加されたＳｒＴｉＯ３、ＡＭｎ２Ｏ４（Ａ＝Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ）、ＡＣｏ２Ｏ４（Ａ＝Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ）、ＡＴｉＯ３（Ａ＝Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ）、Ｃｕ２Ｓ、ＡｇＧｅＳ、ＣｕＧｅＳ、およびＺｎＣｄＳを含む群から選択される材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の記録再生装置。
【請求項６】
前記プローブに電気的に接続され、かつ前記プローブの側面に設けられた導電部分をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記録再生装置に係り、特にプローブを用いて情報の記録および再生を行う記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報記録ストレージ・メモリとして従来から磁気ディスク、光ディスク、あるいはフラッシュメモリを代表とする半導体メモリが広く用いられている。しかし、いずれのストレージ・メモリにおいても今後の大容量化および高速化は困難度が増しており、特に１Ｔｂｐｓｉ（bits per square inch）を超える面記録密度を実用化するに当たっては従来型の記録方式では多大なる困難を伴うと予測される。
【０００３】
このような背景の下、これらに代わる小型で大容量、高速しかも安価な新規ストレージ・メモリの実用化が求められており、昨今、新原理に基づく記録再生方式の研究開発が国内外で精力的に進められている。
【０００４】
その中で、注目すべき記録再生原理の１つとして、記録層への電流パルス印加による抵抗状態の変化を利用した抵抗変化型のＲＲＡＭ（Resistance Random Access Memory）を挙げることができる（特許文献１および特許文献２参照）。この記録再生原理は、将来の固体メモリへの適用を主眼に開発が進められているものである。しかし、昨今、リソグラフィ技術の微細化の困難度が技術的にも、またプロセスコストの点からも増大しており、現状技術の延長線上では２０ｎｍ以下の配線幅を得ることは困難と予想される。したがって、上述の記録再生原理を適用しても、配線幅２０ｎｍ以下の１Ｔｂｐｓｉ超級の高密度固体メモリを実現することは、非常に困難と予想される。
【０００５】
一方、配線幅に依存せず、高密度記録再生に適するメモリとして、昨今、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて作製したカンチレバーを用いたプローブメモリが知られている。これは、有機ポリマー材料から成る記録層にプローブによって熱的にトポ記録するメモリである。信号再生は、記録の有無によって生じるカンチレバー抵抗器の抵抗変化を検出することにより行われる。シングル・プローブでのデモンストレーションではあるが、記録密度においては既にＨＤＤのレベルを遥かに凌ぐ１．１４Ｔｂｐｓｉが実証されている。
【０００６】
このメモリは将来のモバイルストレージとしての実用化が期待されるが、ＳＤカードサイズのメモリを想定した場合、転送速度が現行のＨＤＤと比較して１／１０程度以下と非常に遅いことが欠点である。また、熱による記録であるために高密度化に伴って消費電力が増大することも欠点である。
【０００７】
そこで、ポリマーへの熱トポ記録に代えて、高速、かつ低消費電力の記録再生が期待できるＲＲＡＭ記録原理を適用すれば、より高速、低消費電力、および高密度のプローブメモリが実現できると考えられる。なお、プローブメモリの記録密度は配線幅の制限を受けないため、固体メモリよりも高密度化に適すると考えられる。また、プローブによる記録再生をＨＤＤのようなディスク装置へ適用することも可能で、記録密度１Ｔｂｐｓｉ超級の大容量・超高速ディスク装置を実用化できる可能性がある。
【０００８】
しかし、ＲＲＡＭ原理をディスク装置やＭＥＭＳメモリに適用する場合には、記録時にも再生時にもプローブを記録媒体上面に接触させて、記録媒体とプローブとの間に実電流を通電する必要がある。特に、再生時には、記録の有無に関わらずプローブ先端を記録媒体上面に接触させて、記録媒体の記録部分と非記録部分との抵抗値の差を読み取る必要がある。
【０００９】
実際には、再生時にプローブ先端を記録媒体上面に常時接触させて走査することが考えられる。しかし、記録部分の読み出しのためにプローブを記録媒体上面に接触させて多数回走査することによって、プローブ先端あるいは記録媒体上面が徐々に磨耗および損傷を受け、多数回の読み出し動作の後には読み出しが困難になるという問題点がある。
【特許文献１】特開２００４−１８５７５６号公報
【特許文献２】特開２００４−２３４７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、情報の再生時におけるプローブ先端または記録媒体上面の磨耗および損傷を抑制し、これにより再生動作の寿命を改善することが可能な記録再生装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一視点に係る記録再生装置は、下部電極層と、この下部電極層上に設けられかつ印加される電流パルスにより導電性状態と絶縁体状態との抵抗状態が変化する記録層とを含む記録媒体と、前記記録媒体を走査し、かつ前記記録媒体に電流パルスを印加するプローブと、前記プローブと前記下部電極層との電位差がゼロの場合に、前記記録媒体の上面から一定間隔を空けるようにして前記プローブを支持するカンチレバーと、前記記録媒体から情報を再生する場合に、前記プローブと前記下部電極層との間に再生電圧を印加する再生回路とを具備する。前記記録層のうち導電性状態の第１の部分と前記プローブとが接触する場合の前記プローブと前記下部電極層との間の電圧の下限値をＶ１、前記記録層のうち絶縁体状態の第２の部分と前記プローブとが接触しない場合の前記プローブと前記下部電極層との間の電圧の上限値をＶ２とすると、前記再生電圧Ｖは、Ｖ２≧Ｖ≧Ｖ１に設定される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、情報の再生時におけるプローブ先端または記録媒体上面の磨耗および損傷を抑制し、これにより再生動作の寿命を改善することが可能な記録再生装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る記録再生装置を説明する概略図である。図２は、図１に示した領域Ａを拡大した概略図である。記録再生装置は、カンチレバーアレイ１３と、それに相対配置された記録媒体１４とを備えている。
【００１５】
カンチレバーアレイ１３は、マトリクス状に配置された複数のカンチレバー１２を備えている。この複数のカンチレバー１２はそれぞれ、基板に設けられており、この基板の底面から記録媒体１４に対向するように設けられている。各カンチレバー１２の先端には、導電性プローブ１１が設けられている。各導電性プローブ１１は、上記基板に設けられた配線を介して再生回路、記録回路、及び消去回路に電気的に接続されている。
【００１６】
図３は、図１に示した記録媒体１４を説明する断面図である。記録媒体１４は、基板１５上に下部電極層１６、記録層１７が順次積層されて構成されている。そして、カンチレバーアレイ１３に相対する面が記録層１７となっている。また、下部電極層１６は接地される。
【００１７】
記録媒体１４は、この記録媒体１４とカンチレバーアレイ１３とを相対変位（図１中のｘ、ｙ方向の変位）させるためのｘ−ｙ駆動ステージ１８上に載置される。ｘ−ｙ駆動ステージ１８には、このｘ−ｙ駆動ステージ１８を駆動するアクチュエータ１９が接続されている。アクチュエータ１９は、直線状に複数本のトラックを有する記録媒体をトラック方向とその垂直方向とに精密に送り、記録及び再生の位置を決定する。なお、ｘ−ｙ駆動ステージ１８およびアクチュエータ１９は、カンチレバーアレイ１３側に接続されていても良い。
【００１８】
また、記録媒体１４とカンチレバーアレイ１３との距離（図１中のｚ方向の記録媒体１４とカンチレバーアレイ１３との距離）を調整するためのｚアクチュエータ（図示せず）が記録媒体１４側またはカンチレバーアレイ１３側に接続されていても良い。カンチレバーアレイ１３側に接続される場合、カンチレバーアレイ１３全体にｚアクチュエータが接続されていても良いし、個々のカンチレバー１２にｚアクチュエータが接続されていても良い。
【００１９】
カンチレバーアレイ１３は、導電性プローブ１１と下部電極層１６との電位差をゼロとしたとき、導電性プローブ１１先端と記録層１７上面とが所望のほぼ一定間隔（図１中のｚ方向における間隔が所望のほぼ一定間隔）となるように配置される。また、カンチレバーアレイ１３は、記録媒体１４とほぼ平行な状態を保ったまま配置される。
【００２０】
ｚ方向のプローブ１１先端と記録層１７上面との距離調整に関しては、ｚアクチュエータによらずとも、この距離が所望のほぼ一定間隔を保持できる機構であれば良い。以下、これらのプローブ１１先端と記録層１７上面との距離調整（一定距離保持）機構を高さ調整機構と呼ぶ。
【００２１】
これらのアクチュエータ１９およびｚ方向の高さ調整機構によって、導電性プローブ１１先端が記録層１７上面に対して所望のほぼ一定間隔を保持したまま、ｘ−ｙ方向に相対的に変位（走査）することが可能となる。特に、ｘ−ｙ方向の変位の大きさは、それぞれｘ方向またはｙ方向に隣接するカンチレバーとの間の距離にほぼ等しく、１つの導電性プローブが記録媒体１４上を走査する領域が、その導電性プローブが受け持つ記録エリアに相当する。
【００２２】
記録エリアの記録媒体への記録、再生、および消去は後述するように、下部電極層１６を接地し、導電性プローブ１１に正または負の電圧を印加することで、記録層１７を介してプローブ１１と下部電極層１６との間を通電させることによって行われる。
【００２３】
特に図１に示した構成例では、マトリクス状に配置されたカンチレバー１２の各々を並列動作させることによって、高速大容量の記録が可能となる。なお、図１では、カンチレバー１２をマトリクス状に配置した場合を示したが、カンチレバー１２がｘ方向またはｙ方向に１列のみに配列していても良いし、カンチレバー１２がただ１つであっても良い。
【００２４】
図４は、本発明の一実施形態に係る記録再生装置の第２の構成例を説明する概略図である。図５は、図４に示した領域Ｂを拡大した概略図である。
【００２５】
記録再生装置は、記録媒体１４と、この記録媒体１４の上方に配置されたアーム２３とを備えており、アーム２３の先端にカンチレバー１２が設けられている。さらに、カンチレバー１２の先端には、導電性プローブ１１が設けられている。基板１５上に下部電極層１６、記録層１７が順次積層された記録媒体１４は、円盤状を有している。
【００２６】
円盤状の記録媒体（ディスク）１４は、例えばチャックを介してスピンドルモータ等の回転装置２１の回転軸２２に固定されている。回転装置２１は接地されており、下部電極層１６は回転装置２１の回転軸２２を介して接地されている。
【００２７】
導電性プローブ１１と下部電極層１６との電位差をゼロとしたとき、ディスク１４回転時に導電性プローブ１１先端が記録層１７上面から所望のほぼ一定間隔となるように、導電性プローブ１１の高さが調整されている（図１の場合と同様に、簡単のために高さ調整機構と呼ぶ）。例えばハードディスクドライブ技術で用いられるように、アームにスライダおよびサスペンション（図示せず）を配置して、ディスク１４回転時のスライダへの浮上力を用いて導電性プローブ１１と記録層１７上面とを所望の一定間隔に保っても良い。
【００２８】
また、アーム２３は、ボイスコイルモータ等のアーム駆動装置（図示せず）に接続されており、導電性プローブ１１先端はディスク１４の半径方向に移動可能となっている。ディスク１４回転時のディスク同心円部分が記録部分となるトラックであり、導電性プローブ１１はディスク半径方向の移動によりトラック間を移動する。
【００２９】
記録媒体１４への記録、再生、および消去は、図１の場合と同様、後述するように、下部電極層１６を接地し、導電性プローブ１１に正または負の電圧を印加することで、記録層１７を介してプローブ１１と下部電極層１６との間を通電させることによって行われる。なお、上述の例は１つのアームに１つの導電性プローブを配置した場合であるが、１つのアームに複数の導電性プローブを配置しても良いし、複数のアームに複数の導電性プローブを配置しても良い。
【００３０】
図６は、本発明の一実施形態に係る記録再生装置を説明する構成図である。なお、図６には、カンチレバー１２が１つの場合を一例として示している。記録媒体１４は、図３にも示したように、基板１５上に下部電極層１６、記録層１７が順次積層されて形成されており、ｘ−ｙ駆動ステージ１８もしくは回転装置２１に載置されている。
【００３１】
ｘ−ｙ駆動ステージ１８もしくは回転装置２１には、位置制御回路３２が接続されている。位置制御回路３２は、ｘ−ｙ駆動ステージ１８（具体的にはアクチュエータ１９）もしくは回転装置２１の動作を制御する。この位置制御回路３２によって、記録媒体１４は、ｘ、ｙ変位もしくは回転可能となっている。
【００３２】
カンチレバー１２には、高さ調整機構３１が接続されている。高さ調整機構３１は、カンチレバー１２と記録媒体１４との距離を調整する。この高さ調整機構３１によって、導電性プローブ１１と下部電極層１６との電位差がゼロのとき、カンチレバー１２先端に設けられた導電性プローブ１１先端が記録層１７上面に対して所望の一定間隔を保つように配置される。なお、高さ調整機構３１が記録媒体１４に接続され、カンチレバー１２と記録媒体１４との距離を調整するようにしても良い。
【００３３】
記録媒体１４の下部電極層１６は、接地されている。記録層１７は、通電されることにより、この通電された部分の抵抗値が不揮発的に変化する可変抵抗である。すなわち、電流パルスが印加された記録層１７の記録部分（記録ビット）１７Ｂは低抵抗状態（本実施形態では、導電性状態という）となり、電流パルスが印加されていない非記録部分１７Ａは高抵抗状態（本実施形態では、絶縁体状態という）となる。
【００３４】
このような特性を有する記録層１７としては、下記の（１）〜（３）の群から選択される材料があげられる。
【００３５】
（１）ＮｉＯ、ＴｉＯ２、ＣｕＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＨｆＯ、ＷＯ３等の二元金属酸化物
（２）ＰｒｘＣａ１−ｘＭｎＯ３、Ｃｒが添加されたＳｒＴｉＯ３、Ｃｒが添加されたＳｒＺｒＯ３、Ｎｂが添加されたＳｒＴｉＯ３、ＡＭｎ２Ｏ４（Ａ＝Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ）、ＡＣｏ２Ｏ４（Ａ＝Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ）、ＡＴｉＯ３（Ａ＝Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ）等の複合酸化物
（３）Ｃｕ２Ｓ、ＡｇＧｅＳ、ＣｕＧｅＳ、ＺｎＣｄＳ等の硫化物
記録再生装置は、再生回路３３、記録回路３４、消去回路３５、および制御部３６を備えている。制御部３６は、記録再生装置の統括的な制御を行うと共に、再生回路３３、記録回路３４、及び消去回路３５と導電性プローブ１１との電気的な接続を制御する。具体的には、制御部３６は、スイッチ回路３７のオン／オフを制御することで、再生回路３３、記録回路３４、および消去回路３５と、導電性プローブ１１との電気的な接続を制御する。
【００３６】
導電性プローブ１１は、カンチレバー１２に設けられた配線を介して、再生回路３３、記録回路３４、および消去回路３５に接続されている。特に再生回路３３は、プローブ１１と下部電極層１６との間に所定の一定電圧（再生電圧）を印加するための定電圧源、保護抵抗、再生信号検出回路等を備えている。
【００３７】
記録層１７に形成された記録ビット（導電性ビット）の再生には、プローブ１１と下部電極層１６との間に再生電圧を印加しながら、導電性プローブ１１先端を記録媒体１４の上方に走査する。この走査によって、記録層１７の導電性の変化（導電性ビットの有無）に応じて、導電性プローブ１１と記録層１７との電気的接触の有無を自発的に引き起こすことが可能となる。これにより、電気的接触時に記録層１７を介してプローブ１１と下部電極層１６との間に流れる実電流をビット再生信号として検出することが可能となる。
【００３８】
以下、この再生動作原理について図を用いてより詳細に説明する。図７は、記録再生装置に係る情報再生原理を説明するための主要部分の一例を示す概略断面図である。図７に示した記録層１７の非記録部分１７Ａは絶縁体状態であり、記録部分（記録ビット）１７Ｂは導電性状態である。また、図７に示した破線は、導電性プローブ１１先端が動く跡を示している。
【００３９】
再生回路３３によりプローブ１１と下部電極層１６との間に電圧が印加されていないとき、カンチレバー１２に接続される高さ調整機構３１によって、導電性プローブ１１先端の記録媒体１４上面にもっとも近い部分が、記録媒体１４上面から高さｚ０の位置になるように、カンチレバー１２の高さが調整されている。
【００４０】
まず、再生回路３３によりプローブ１１と下部電極層１６との間に再生電圧が印加されると、導電性プローブ１１先端と記録媒体１４とに互いに反対符号の電荷が誘起される。これにより、プローブ１１と記録媒体１４との間に静電引力が働き、導電性プローブ１１先端は記録媒体１４に近づこうとする。なお、図７においては、プローブ１１側に正の電荷が誘起される場合を示したが、再生電圧の極性を逆にしてプローブ１１側に負の電荷が誘起されるようにしても良い。
【００４１】
一方、導電性プローブ１１先端が記録媒体１４上方に変位すると、導電性プローブ１１を支持するカンチレバー１２の復元力が働き、導電性プローブ１１先端は記録媒体１４から離れようとする。したがって、プローブ１１と下部電極層１６との間に再生電圧を印加したときの導電性プローブ１１先端の安定な位置（高さ）は、静電引力と復元力とのつり合いによって決定される。
【００４２】
このとき、導電性プローブ１１先端が導電性状態の記録ビット１７Ｂ上にあるときと、絶縁体状態の非記録部分１７Ａ上にあるときとでは、導電性プローブ１１先端に誘起される電荷量が異なる。これは、導電性プローブ１１側および記録媒体１４側に誘起される電荷は、記録層１７が導電性状態にある場合には、導電性プローブ１１と記録層１７とのギャップのみから形成されるキャパシタの両極板に誘起される電荷となる。一方、記録層１７が絶縁体状態にある場合には、導電性プローブ１１と記録層１７とのギャップ、および絶縁層（絶縁体状態の非記録部分１７Ａに対応する）とから形成されるキャパシタの両極板に誘起される電荷となる。これにより、前者のキャパシタの静電容量は、後者のそれよりも大きくなるからである。
【００４３】
したがって、導電性プローブ１１と下部電極層１６との間に印加される再生電圧が一定の場合、導電性プローブ１１が絶縁体状態の非記録部分１７Ａ上方にあるときよりも、導電性プローブ１１が導電性状態の記録ビット１７Ｂ上方にあるときの方が、記録ビット１７Ｂ上と記録媒体１４との間に働く静電引力は大きいことになる。このことを利用して、カンチレバー１２のばね定数、プローブ１１と記録層１７との距離、記録層１７の膜厚を調整することにより、記録層１７の非記録部分１７Ａで導電性プローブ１１が非接触、かつ記録ビット１７Ｂで接触となるような再生電圧を設定することが可能となる。
【００４４】
また、この一定の再生電圧を導電性プローブ１１と下部電極層１６との間に印加して導電性プローブ１１を記録媒体１４上方に走査することにより、導電性プローブ１１が導電性状態の記録ビット１７Ｂに接触した時にプローブ１１と記録層１７との間に流れるＤＣ電流で記録ビットを読み出すことが可能となる。
【００４５】
以下、この記録再生装置における情報再生の動作について数式および図面を用いてより具体的に説明する。なお、数式化を簡略化するために、導電性プローブ１１先端の形状等を簡略化して説明するが、本発明はこれらに何ら拘泥されるものではない。
【００４６】
記録層１７に接触する導電性プローブ１１先端の導電性平坦面の面積をＳ、カンチレバー１２のばね定数をｋ、記録層１７の膜厚をｄｉ、記録層１７が絶縁体状態にあるときの誘電率をεｉ、真空の誘電率をε０、導電性プローブ１１先端の導電性平坦面と記録層１７上面との距離をｚ、導電性プローブ１１と下部電極層１６との間に印加される再生電圧をＶ、とする。この再生電圧Ｖは、図６に示した再生回路３３により生成される。
【００４７】
導電性プローブ１１先端の導電性平坦面が導電性状態の記録層１７（記録ビット１７Ｂ）の上方にある場合に、導電性プローブ１１と記録媒体１４との間に働く静電引力Ｆ１は、次式で与えられる。
【００４８】
Ｆ１＝ε０ＳＶ２／（２ｚ２）
一方、導電性プローブ１１先端の導電性平坦面が絶縁体状態の記録層１７（非記録部分１７Ａ）の上方にある場合に、導電性プローブ１１と記録媒体１４との間に働く静電引力Ｆ２は、次式で与えられる。
【００４９】
Ｆ２＝ε０ＳＶ２／{２（ｚ＋ｄｉε０／εｉ）２}
また、カンチレバー１２の復元力Ｆ３は、次式で与えられる。
【００５０】
Ｆ３＝ｋ（ｚ０−ｚ）
図８は、静電引力Ｆ１、Ｆ２、および復元力Ｆ３の関係を示す図である。ｚ０は導電性プローブ１１と下部電極層１６との間の印加電圧が０Ｖのときの、導電性プローブ１１先端の導電性平坦面と記録層１７との距離である。復元力Ｆ３の力の向きは、ｚ０＞ｚのとき記録層１７上面から離れる方向、すなわち静電引力と反対向きである。
【００５１】
したがって、導電性プローブ１１先端の導電性平坦面が導電性状態の記録層１７に接触し、かつ、絶縁体状態の記録層１７に接触しないための力の条件は、次式で与えられる。
【００５２】
ｚ０≧ｚ≧０を満たす全てのｚについて、
ε０ＳＶ２／（２ｚ２）≧ｋ（ｚ０−ｚ）    ・・・（１）
かつ、
ｚ０≧ａ＞０を満たすあるａの値に対し、ａ≧ｚ≧０を満たす全てのｚについて、
ｋ（ｚ０−ｚ）＞ε０ＳＶ２／{２（ｚ＋ｄｉε０／εｉ）２}    ・・・（２）
ここで、絶縁体状態の記録層１７の上方で導電性プローブ１１先端が接触しない条件（条件式（２））は、導電性プローブ１１と記録層１７との距離ｚが０（接触時）および０に近いある正の値の範囲、すなわち、ある正のａの値についてａ≧ｚ≧０の範囲で復元力＞静電引力であれば、絶縁体状態の記録層１７の上方で導電性プローブ１１先端は非接触状態を安定に保持する、ということである。
【００５３】
ただし、ここで言う非接触状態とは、導電性プローブ１１先端が記録層１７へ貼りつかない状態、あるいは長時間接触しない状態という意味であって、導電性プローブ１１先端の振動に起因する絶縁体状態の記録層１７への一時的な接触は、ここでは接触に含めないものとする。
【００５４】
導電性状態の記録層１７上方での静電引力Ｆ１はｚの関数として下に凸であるから、条件式（１）は、ε０ＳＶ２／（２ｚ２）の接線の傾きが−ｋとなるときのε０ＳＶ２／（２ｚ２）の接線が、ｚ０≧ｚ≧０を満たす全てのｚについてＦ３より大きいかまたは等しい条件と同じとなって、次式のように簡略化することができる。
【００５５】
ε０ＳＶ２／（２ｚ１２）≧ｋ（ｚ０−ｚ１）    ・・・（３）
ただし、ｚ１＝（ε０ＳＶ２／ｋ）１／３
なお、図８に示したＰ点（ｚ１，ε０ＳＶ２／（２ｚ１２））は、静電引力Ｆ１の接線の傾きが−ｋとなる点である。
【００５６】
また、条件式（２）は、絶縁体状態の記録層１７上での静電引力Ｆ２がｚの関数として下に凸であるから、次式のように簡略化することができる。
【００５７】
ｋｚ０＞ε０ＳＶ２／{２（ｄｉε０／εｉ）２}    ・・・（４）
なお、図８に示したＱ点（０，ε０ＳＶ２／{２（ｄｉε０／εｉ）２}）は、ｚ＝０（すなわち、導電性プローブ１１が絶縁体状態の記録層１７に接触する）の場合における静電引力Ｆ２の値を示している。
【００５８】
条件式（１）かつ（２）、すなわち条件式（３）かつ（４）は、導電性プローブ１１先端の導電性平坦面が絶縁体状態の記録層１７に接触せず、かつ、導電性状態の記録層１７に接触するという条件を満たすための、プローブ１１と下部電極層１６との間に印加する再生電圧Ｖの範囲を定める。以下に、これを具体的に説明する。
【００５９】
条件式（３）の等号が成り立つときの印加電圧をＶ３、また条件式（４）の不等式の両辺が等しいときの印加電圧をＶ４とすると、Ｖ３及びＶ４はそれぞれ、次式（５）および（６）で与えられる。
【００６０】
Ｖ３＝{８ｋｚ０３／（２７ε０Ｓ）}１／２    ・・・（５）
Ｖ４＝{２ε０ｋｚ０ｄｉ２／（εｉ２Ｓ）}１／２    ・・・（６）
（ε０ｄｉ）／（εｉｚ０）＞２／（３√３）のときＶ４＞Ｖ３となるから、このときＶ４＞Ｖ≧Ｖ３となる範囲にある一定の再生電圧Ｖを設定すれば、導電性プローブ１１先端の導電性平坦面が絶縁体状態の記録層１７に接触せず、かつ、導電性状態の記録層１７に接触するという条件が満たされる。（ε０ｄｉ）／（εｉｚ０）＞２／（３√３）なる条件は、εｉすなわち記録層１７の材料、記録層１７の膜厚ｄｉ、印加電圧０Ｖ時のプローブ１１と記録層１７との距離ｚ０を調整することにより達成される。
【００６１】
この一定の再生電圧Ｖに設定して導電性プローブ１１を記録媒体１４の上方に走査すれば、絶縁体状態の記録層１７（非記録部分１７Ａ）では、導電性プローブ１１先端は記録層１７に非接触状態で走査される。
【００６２】
また、導電性プローブ１１先端が導電性状態の記録層１７（記録ビット１７Ｂ）の上方に達すると、導電性プローブ１１先端にかかる静電引力が増加して、導電性プローブ１１先端が記録層１７に接触する。この接触と同時に、導電性プローブ１１先端および記録ビット１７Ｂ上面にある互いに逆符号の電荷が瞬時に消滅するとともに、プローブ１１と下部電極層１６との間に印加された再生電圧によって、導電性プローブ１１と記録ビット１７Ｂとの間に瞬時に実電流が流れる。この実電流を再生回路３３により検出することで、記録ビットを読み出すことが可能となる。
【００６３】
なお、接触時の導電性プローブ１１先端および記録ビット１７Ｂ上面の電荷消滅によって、プローブ１１と記録媒体１４との間に働く静電引力は消滅するため、カンチレバー１２の復元力によって導電性プローブ１１は記録層１７から離れようとする。しかし、導電性プローブ１１先端が記録層１７に接触してから離れるまでの時間は十分長いため、プローブ１１と記録層１７との間に流れる実電流の検出は可能である。
【００６４】
ここで、導電性プローブ１１を走査させるとは、導電性プローブ１１を記録媒体１４の上方で連続的な速度で移動させる場合を含んでいても良いし、また、導電性プローブ１１を記録媒体１４上である速度で移動させた後、一旦停止させ、再びある速度で移動させる、いわゆるステップ・アンド・リピート方式で移動させる場合を含んでいても良い。
【００６５】
この実施形態の場合、Ｖ３は、導電性プローブ１１先端の導電性平坦面のうち少なくとも一部が記録ビット１７Ｂ上面に接触する際のプローブ１１と下部電極層１６との間の電圧の下限値Ｖ１に等しい（Ｖ１＝Ｖ３）。また、Ｖ４は、導電性プローブ１１先端と非記録部分１７Ａ上面とが接触する際のプローブ１１と下部電極層１６との間の電圧の下限値である。よって、Ｖ４は導電性プローブ１１先端と非記録部分１７Ａとの間に所定の間隔を有する際（すなわち、導電性プローブ１１先端と非記録部分１７Ａとが接触しない際）のプローブ１１と下部電極層１６との間の電圧の上限値Ｖ２よりも僅かに大きい電圧であるが、Ｖ２はＶ４に限りなく近く、かつ実質的にＶ４と区別して設定可能な電圧とすることが可能である。
【００６６】
すなわち、この実施形態の場合、プローブ１１と下部電極層１６との間の再生電圧ＶをＶ２≧Ｖ≧Ｖ１なる範囲に設定して導電性プローブ１１を記録媒体１４の上方に走査すれば、導電性状態の記録ビット１７Ｂ上でのみで導電性プローブ１１は記録媒体１４に接触し、かつプローブ−記録ビット間に実電流が流れる。これにより、記録ビットを読み出すことができる。
【００６７】
次に、記録再生装置における情報の記録動作の一例について説明する。情報の記録は、絶縁体状態の記録層１７（非記録部分１７Ａ）を導電性状態に変化させることにより行われる。
【００６８】
絶縁体状態の記録層１７（非記録部分１７Ａ）に導電性状態のビットを記録する場合、記録回路３４は、Ｖ２より大きく、かつ絶縁体状態から導電性状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ１よりも大きいか等しい電圧パルスＶｗを、プローブ−下部電極層間に印加する。これにより、導電性プローブ１１先端が絶縁体状態の記録層１７に接触し、かつ記録層１７にスイッチング電圧Ｖｓｗ１より大きいか等しい電圧Ｖｗが印加されるため、絶縁体状態の記録層１７のうちプローブ接触部分が導電性状態へ変化する。このようにして、記録層１７に記録ビット１７Ｂが形成される。
【００６９】
次に、記録再生装置における情報の消去動作の一例について説明する。情報の消去は、導電性状態の記録層１７（記録ビット１７Ｂ）を絶縁体状態に変化させることにより行われる。
【００７０】
導電性状態の記録ビットを消去して絶縁体状態に戻す場合、消去回路３５は、Ｖ１より大きく、かつ導電性状態から絶縁体状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ２よりも大きいか等しい電圧Ｖｅを、プローブ−下部電極層間に印加する。これにより、導電性プローブ１１先端が導電性状態の記録ビット１７Ｂに接触し、かつビット部分にスイッチング電圧Ｖｓｗ２よりも大きいか等しい電圧Ｖｅが印加されるため、ビット部分が絶縁体状態へ変化する。このようにして、記録層１７に記録されたビットが消去される。
【００７１】
なお、情報の再生動作に用いられ、かつ再生回路３３により生成される再生電圧は、例えば、絶縁体状態から導電性状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ１よりも小さく、かつ導電性状態から絶縁体状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ２よりも小さい値に設定される。ここで、多くの記録層材料では導電性状態から絶縁体状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ２は、絶縁体状態から導電性状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ１よりも小さい。再生電圧をＶｓｗ２よりも小さい値に設定することにより、情報の再生時に情報を破壊せずに再生動作を行うことが可能となる。
【００７２】
しかし、これに限定されず、例えば再生電圧を導電性状態から絶縁体状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ２よりも大きいか等しい値に設定し、破壊読み出しにより情報を再生するようにしても良い。この場合、絶縁体状態の記録層１７へのプローブ１１先端の偶然の一時的接触によるスイッチングを回避するために、再生電圧は絶縁体状態から導電性状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ１よりも小さいことが望ましい。
【００７３】
また、導電性状態から絶縁体状態へのスイッチングに要する時間が長い、例えば１μsecよりも長い記録層材料を用い、再生動作時に記録ビットを走査する速度を上げることによって、記録ビットへの再生電圧印加時間をスイッチング時間より短くすれば、導電性状態から絶縁体状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ２よりも大きいか等しい値の再生電圧を用いても記録ビットを破壊せずに再生することが可能である。
【００７４】
さらに、記録層材料によっては、導電性状態から絶縁体状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ２が、絶縁体状態から導電性状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ１と逆極性のもの、すなわち、導電性状態から絶縁体状態へのスイッチングが、絶縁体状態から導電性状態へのスイッチング電圧Ｖｓｗ１と逆極性でなければ起こらないものも存在する。このとき、Ｖｓｗ１とＶｓｗ２の大きさ（絶対値）については、Ｖｓｗ１がＶｓｗ２よりも大きい材料もあれば、Ｖｓｗ１がＶｓｗ２よりも小さい材料もある。
【００７５】
このような記録層材料を用いる場合には、例えば再生電圧の極性をＶｓｗ１と同極性にすれば、記録ビットを破壊せずに再生することが可能である。この場合、再生電圧はＶｓｗ１よりも小さいことが望ましい。また、例えば再生電圧の極性をＶｓｗ２と同極性としてもよい。この場合、再生電圧をＶｓｗ２よりも小さく設定して記録ビットを破壊せずに再生するようにしても良いし、再生電圧をＶｓｗ２よりも大きいか等しい値に設定して、破壊読み出しにより再生するようにしても良い。
【００７６】
ところで、前述の説明では、導電性プローブ１１先端が導電性平坦面を構成する場合を一例として示している。そして、この導電性平坦面が記録媒体１４上面に平行となって、記録媒体１４との接触面を構成している。しかし、導電性プローブ１１先端の記録媒体１４との接触部位の導電性領域の形状はこれに限定されるものではない。
【００７７】
導電性プローブ１１の形状は円柱、角柱、円錐、角錐等の形状であっても良いし、その先端部分の形状は平板であっても良いし、先鋭なものであっても良いし、ほぼ球体の一部分となるようなものであってもよい。また、先端部分の形状が不定形であってもよい。これらの場合、導電性プローブ１１先端の記録媒体１４との接触部位の少なくとも一部に導電性領域が含まれており、接触時に導電性プローブ１１と記録層１７との間に実電流を流すことができれば良い。
【００７８】
また、導電性プローブ１１先端のうち記録媒体１４との接触部位の導電性領域とは別個に、導電性プローブ１１先端部分の側面に、記録媒体１４とは接触しない導電性領域、例えば導電性平坦部分を設け、導電性プローブ１１と記録媒体１４との間に働く静電引力の大きさを調整してもよい。例えば、図９乃至図１１に示す断面図のような形態をあげることができる。
【００７９】
図９は、導電性プローブ１１の他の構成例を示す断面図である。導電性プローブ１１は、導電性プローブ１１の先端部分１１Ａに電気的に接続された導電性平坦部分１１Ｂを備えている。導電性平坦部分１１Ｂは、先端部分１１Ａの側面の周囲を覆うように設けられている。このとき、先端部分１１Ａは、この周囲の導電性平坦部分１１Ｂの底面よりも記録媒体１４側に突き出している。
【００８０】
図１０は、導電性プローブ１１の他の構成例を示す断面図である。図１０の導電性プローブ１１では、導電性平坦部分１１Ｂの底面（すなわち、記録媒体１４側の面）が絶縁層１１Ｃで被覆されている。この場合も、導電性プローブ１１の先端部分１１Ａは、絶縁層１１Ｃの底面（すなわち、記録媒体１４側の面）よりも記録媒体１４側に突き出している。この絶縁層１１Ｃは、導電性平坦部分１１Ｂと記録層１７とが接触しないようにするために設けられている。
【００８１】
図１１は、導電性プローブ１１の他の構成例を示す断面図である。図１１の導電性プローブ１１では、導電性平坦部分１１Ｂの底面が絶縁層１１Ｃで被覆されている。そして、絶縁層１１Ｃの底面は、導電性プローブ１１の先端部分１１Ａの底面と同一平面上にある。この場合、先端部分１１Ａ周囲の絶縁層１１Ｃによって、先端部分１１Ａ底面と記録媒体１４上面との電気的接触が阻害されなければ良い。
【００８２】
これらの形態では、導電性プローブ１１の先端部分１１Ａと、導電性平坦部分１１Ｂとが電気的に接続され、導通していれば良い。このとき、先端部分１１Ａと導電性平坦部分１１Ｂとは実質的に同電位となることが望ましいが、小さい電位勾配があっても良い。特に、先端部分１１Ａと導電性平坦部分１１Ｂとを構成する導電性材料は、同一の材料であっても良いし、異なる材料であっても良い。
【００８３】
図９乃至図１１のいずれの場合も、導電性プローブ１１の先端部分１１Ａおよびそれに対向する記録媒体１４側に誘起される互いに逆符号の電荷に加え、導電性平坦部分１１Ｂおよびそれに対向する下部電極層１６または記録層１７上面に誘起される互いに逆符号の電荷が、プローブ１１と記録媒体１４との間の静電引力に寄与する。したがって、いずれの場合も、導電性平坦部分１１Ｂが無い場合に比べて静電引力は大きくなる。
【００８４】
すなわち、導電性平坦部分１１Ｂの面積を調整することによって、プローブ１１と記録媒体１４との間の静電引力を大きくする方向に調整することが可能である。このことは、カンチレバー１２のばね定数がある一定値であるとすると、導電性平坦部分１１Ｂが無い場合に比べて、平坦部分１１Ｂがある場合の方が所望の再生電圧が低電圧となることを意味する。これは、動作電圧の低減の点からみて有利である。
【００８５】
また、動作電圧が一定であるとすると、導電性平坦部分１１Ｂが無い場合に比べて、有る場合の方がカンチレバー１２のばね定数を大きくすることができることになる。一般的に、カンチレバー１２の材質が同じ場合には、ばね定数を小さくするためにはカンチレバー１２の厚さを薄くすること、あるいはカンチレバー１２の長さを長くすることが必要であり、設計上、および作製プロセス上の制約が大きくなる。ばね定数を大きくできることは、設計上、および作製プロセス上のマージンの点からみても有利である。
【００８６】
なお、図９乃至１１では、導電性平坦部分１１Ｂの底面が平坦である場合を示したが、この底面形状は任意の形状であっても良い。この場合、導電性プローブ１１の先端部分１１Ａの底面と記録媒体１４の上面との電気的接触が、導電性平坦部分１１Ｂまたは絶縁層１１Ｃの底面によって阻害されないか、あるいは先端部分１１Ａの底面と記録媒体１４の上面との電気的接触の際に、導電性平坦部分１１Ｂの底面が記録媒体１４の上面に接触しなければ良い。
【００８７】
また、前述の説明では、説明の簡略化のために、一例として導電性プローブ１１の先端部分１１Ａの底面の大きさが１つの記録ビット１７Ｂの上面の大きさよりも小さく、先端部分１１Ａの底面直下の記録層１７が全て導電性状態である場合について説明した。しかし、先端部分１１Ａの底面の大きさと、記録ビット１７Ｂの上面の大きさとの関係は、この場合のみに限定されるものではない。
【００８８】
例えば、先端部分１１Ａの底面の大きさが、記録ビット１７Ｂの上面の大きさよりも大きく、先端部分１１Ａの一部分のみが記録ビット１７Ｂの上面上にあり、残り部分が絶縁体状態の非記録部分１７Ａの上面上にある場合が考えられる。この場合には、記録ビット１７Ｂに誘起される電荷、および先端部分１１Ａ直下にある非記録部分１７Ａに対応する下部電極層１６の一部分に誘起される電荷が、導電性プローブ１１と記録媒体１４との間の静電引力に寄与することになる。この静電引力は、導電性プローブ１１の先端部分１１Ａの全部が非記録部分１７Ａの上面上にある場合の静電引力よりも大きい。
【００８９】
また、先端部分１１Ａの底面の大きさが、記録ビット１７Ｂの上面の大きさと同程度または小さくとも、先端部分１１Ａの位置によっては先端部分１１Ａの一部分のみが記録ビット１７Ｂの上面上にあり、残り部分が絶縁体状態の非記録部分１７Ａの上面上にある場合が生じる。この場合には、記録ビット１７Ｂの一部分に誘起される電荷、および先端部分１１Ａ直下にある非記録部分１７Ａに対応する下部電極層１６の一部分に誘起される電荷が、導電性プローブ１１と記録媒体１４との静電引力に寄与することになる。この静電引力は、導電性プローブ１１の先端部分１１Ａの全部が非記録部分１７Ａの上面上にある場合の静電引力よりも大きい。
【００９０】
より一般的に言って、導電性プローブ１１の先端部分１１Ａと記録媒体１４との距離が同じとして、導電性プローブ１１直下の記録層１７が概ね絶縁体状態にある場合と、導電性プローブ１１直下の記録層１７が概ね導電性状態にある場合とを比較する。すると、導電性プローブ１１直下の記録層１７が概ね絶縁体状態にある場合に比べ、導電性プローブ１１直下の記録層１７が概ね導電性状態にある場合の方が、先端部分１１Ａ近傍の導電性部位と、それに対向する記録媒体１４側に誘起される電荷によって生じるプローブ１１と記録媒体１４との間の静電引力は大きい。
【００９１】
なぜなら、記録媒体１４側に誘起される電荷は、記録層１７が導電性状態にある場合には記録層１７のプローブ１１に近い上面側に誘起されるが、記録層１７が絶縁体状態にある場合には記録層１７内には電荷は誘起されず、記録層１７と下部電極層１６との界面の下部電極層１６側に誘起されるからである。
【００９２】
これらいずれの場合にも、記録層１７の抵抗状態の違いによって静電引力が異なるため、記録層１７の材料、記録層１７の膜厚、または印加電圧０Ｖ時のプローブ１１と記録媒体１４との距離ｚ０を調整することによって、導電性プローブ１１先端の導電性平坦面が絶縁体状態の記録層１７に接触せず、かつ、導電性平坦面が導電性状態の記録層１７に接触するという条件を満たすための、プローブ１１と下部電極層１６との間に印加される再生電圧Ｖの範囲を定めることが可能となる。
【００９３】
また、導電性プローブ１１先端の接触面の一部分のみが導電性状態の記録層１７上面上にあり、残り部分が絶縁体状態の記録層１７上面上にある場合と、導電性プローブ１１先端の接触面のほぼ全部が導電性状態の記録層１７上面上にある場合とを比較すると、後者の場合の方が、プローブ１１と記録媒体１４との間の静電引力は大きい。
【００９４】
したがって、導電性プローブ１１先端の導電性平坦面のうち少なくとも一部が導電性状態の記録層１７に接触し始める際のプローブ１１と下部電極層１６との間の電圧は複数存在することになる。しかし、その下限値Ｖ１以上の再生電圧であれば、導電性プローブ１１先端の導電性平坦面のうち少なくとも一部が導電性状態の記録層１７に接触し、プローブ１１と記録層１７との間に実電流が流れる。このとき、一定の再生電圧ＶをＶ１より遠い値に設定してプローブ１１を走査すると、プローブ１１先端の接触面の一部分が記録ビット１７Ｂの一部分の上に来たときに、プローブ１１先端が記録ビット１７Ｂに接触する。
【００９５】
一方、一定の再生電圧ＶをＶ１に近い値に設定すると、プローブ１１先端の接触面の中央部分が記録ビット１７Ｂの中央部分に来たときに、プローブ１１先端が記録ビット１７Ｂに接触する。いずれの場合も接触と同時にプローブ１１と記録層１７との間に実電流が流れるため、記録ビットの検出が可能である。
【００９６】
また、プローブ１１先端の接触面が絶縁体状態の記録層１７上にあって、プローブ１１先端の接触面近傍の接触面でない導電性領域が絶縁体状態の記録層１７上にある場合と、プローブ１１先端の接触面が絶縁体状態の記録層１７上にあって、プローブ１１先端の接触面近傍の接触面でない導電性領域が導電性状態の記録層１７上にある場合とを比較すると、後者の場合の方がプローブ１１と記録媒体１４との間の静電引力は大きい。
【００９７】
したがって、プローブ１１先端の接触面が絶縁体状態の記録層１７上で接触しない再生電圧の条件も、プローブ１１位置によって複数存在することになる。しかしこの場合も、プローブ１１先端の接触面が絶縁体状態の記録層１７上にあるという条件のもとであらゆるプローブ１１位置を考えたとき、プローブ１１先端の接触面が絶縁体状態の記録層１７上で接触しない再生電圧の上限値Ｖ２が存在する。実際には、Ｖ２はプローブ１１先端に対向する記録層１７が全て絶縁体状態であるときの、接触しない再生電圧の上限値である。一定の再生電圧ＶをＶ２≧Ｖに設定してプローブ１１を走査すれば、概ね絶縁体状態の記録層１７上で非接触という目的は達せられる。
【００９８】
したがって、より一般的に言えば、プローブ１１先端の導電性領域のうち少なくとも一部が導電性状態の記録層１７に接触する際のプローブ１１と下部電極層１６との間の電圧の下限値をＶ１、プローブ１１先端と絶縁体状態の記録層１７上面との間に所定の間隔を有する際のプローブ１１と下部電極層１６との間の電圧の上限値をＶ２としたとき、再生電圧ＶをＶ２≧Ｖ≧Ｖ１なる一定電圧に設定してプローブ１１を記録媒体１４上方に走査すれば、プローブ１１は絶縁体状態の記録層１７上方で概ね非接触状態で走査され、導電性状態の記録層１７上で瞬時接触してプローブ１１と記録層１７との間に流れる実電流を検出することが可能である。
【００９９】
以上詳述したように本実施形態によれば、情報の再生時に、導電性プローブ１１は、導電性状態の記録ビット１７Ｂ上でのみで記録媒体１４に接触する。これにより、記録媒体１４に記録された情報を読み出すことが可能となる。
【０１００】
また、導電性プローブ１１は、絶縁体状態の非記録部分１７Ａ上方では、記録媒体１４に接触しない。これにより、情報の再生時における導電性プローブ１１先端または記録媒体１４上面の磨耗および損傷を抑制することができる。この結果、再生動作の寿命を改善することが可能となる。
【実施例１】
【０１０１】
次に、本発明の一実施形態に係る記録再生装置の第１の実施例について説明する。まず、記録媒体１４の構成について説明する。
【０１０２】
ｐ型シリコン（Ｓｉ）基板１５上に、例えばチタン（Ｔｉ）からなる接着層、例えば白金（Ｐｔ）からなる下部電極層１６を形成する。接着層の膜厚は例えば５ｎｍ、下部電極層１６の膜厚は例えば５０ｎｍである。
【０１０３】
次に、下部電極層１６上に、反応性スパッタリングにより例えば酸化ニッケル（ＮｉＯ）からなる記録層１７を形成する。記録層１７の膜厚は、例えば２０ｎｍである。反応性スパッタリングは、ニッケル（Ｎｉ）ターゲットを用い、アルゴン（Ａｒ）ガスおよび酸素（Ｏ２）ガスを導入したＤＣスパッタリング装置を用いて行われる。酸化ニッケル（ＮｉＯ）成膜時の基板（Ｐｔ／Ｔｉ／Ｓｉ）温度を３００℃程度に設定し、酸素（Ｏ２）分圧を１５％程度に設定する。
【０１０４】
次に、カンチレバー１２の構成について説明する。カンチレバー１２は、不純物が高濃度にドープされた導電性シリコン（Ｓｉ）が用いられる。カンチレバー１２は、長さが約１０μｍ、幅が約２μｍの矩形であり、厚さは約５０ｎｍである。このカンチレバー１２のばね定数は、以下のように計算式から見積もることができる。
【０１０５】
長さｌ、幅ｗ、厚さｔの矩形カンチレバー１２のばね定数ｋは、次式で与えられる。
【０１０６】
ｋ＝Ｅ・ｔ３・ｗ／４・ｌ３
Ｅはカンチレバー材質のヤング率であり、シリコンの場合、Ｅ＝１．９×１０１１Ｎ／ｍである。長さ１０μｍ、幅２μｍ、厚さ５０ｎｍのシリコンカンチレバーの場合、ばね定数ｋは約０．０１Ｎ／ｍとなる。図１２は、矩形カンチレバー１２において長さと幅の比が５：１で、ばね定数ｋが０．０１Ｎ／ｍの場合の、カンチレバー１２の長さと厚さとの関係を示す図である。この図１２から、カンチレバー１２の厚さ５０ｎｍが算出される。
【０１０７】
カンチレバー１２先端に設けられたチップの先端表面を白金（Ｐｔ）でコートしたものを導電性プローブ１１として用いる。導電性プローブ１１の形状はほぼ平坦な先端面を有するコーン状（円錐台形状）で、この先端面の直径は約２０ｎｍである。プローブ１１先端表面への白金（Ｐｔ）コートについては、まずプローブ１１先端表面へ接着層としてチタン（Ｔｉ）を膜厚７ｎｍ程度形成した後、白金（Ｐｔ）層を膜厚５ｎｍ程度形成する。
【０１０８】
次に、このように形成された記録再生装置を用いて電流パルス印加による記録、再生の実験を行った。プローブ１１先端と記録媒体１４上面との距離が約３ｎｍとなるように、カンチレバー１２の高さを高さ調整機構３１により設定する。
【０１０９】
まず、下部電極層１６を接地し、プローブ１１を記録媒体１４上方の一方向に走査させる。そして、プローブ１１にパルス高さ２Ｖ、パルス幅１μｓｅｃ、パルス間隔１０μｓｅｃの２０点の電圧パルス列を印加し、記録層１７に記録ビット１７Ｂ列を作製した。
【０１１０】
次に、下部電極層１６を接地して、プローブ１１に２００ｍＶの再生電圧を印加したまま、記録ビット１７Ｂ列を再度走査し、プローブ１１と下部電極層１６との間に流れる電流をモニターした。この走査によって、１μＡ、１００ｎｓｅｃ程度の再生信号電流パルスを２０点検出することができた。
【０１１１】
さらに、再生時に、導電性プローブ１１は、導電性状態の記録ビット１７Ｂ上でのみで記録媒体１４に接触していた。また、導電性プローブ１１先端または記録媒体１４上面の磨耗はほとんど確認されなかった。
【実施例２】
【０１１２】
次に、本発明の一実施形態に係る記録再生装置の第２の実施例について説明する。記録媒体１４の構成は、実施例１と同様である。
【０１１３】
まず、カンチレバー１２の構成について説明する。カンチレバー１２は、不純物が高濃度にドープされた導電性シリコン（Ｓｉ）が用いられる。カンチレバー１２は、長さが約１０μｍ、幅が約２μｍの矩形であり、厚さは約８０ｎｍである。このカンチレバー１２のばね定数は、実施例１と同様に計算式から０．０５Ｎ／ｍと見積もることができた。
【０１１４】
カンチレバー１２先端に設けられたチップの先端表面を粒状構造の金（Ａｕ）でコートしたものを導電性プローブ１１として用いる。チップの形状はほぼ球面形状の先端を有するコーン状で、この先端の曲率半径は約５０ｎｍである。チップ先端表面への金（Ａｕ）コートについては、スパッタにより、まずチップ先端表面へ接着層としてチタン（Ｔｉ）を膜厚７ｎｍ程度形成したのち、金（Ａｕ）層を平均膜厚として５ｎｍ程度形成することにより、金の粒状構造を形成する。
【０１１５】
同様に形成したプローブ１１の断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）観察により、チップ先端には、粒径１５ｎｍ程度の金の粒状構造（グレイン）がほぼ密集して形成されており、チップ先端の中央部分にある１個のグレインが、周囲のグレインよりも３ｎｍ程度、チップ先端から突出していることが確認できた。すなわち、近似的に図９に示される構造、つまり１個の金グレインからなる導電性先端部分１１Ａ側面に、複数個の金グレインからなる導電性部分１１Ｂが設けられた構造が形成されていることが確認できた。
【０１１６】
次に、このように形成された記録再生装置を用いて実施例１と同様に電流パルス印加による記録、再生の実験を行った。プローブ１１先端と記録媒体１４上面との距離が約２ｎｍとなるように、カンチレバー１２の高さを高さ調整機構３１により設定する。
【０１１７】
まず、下部電極層１６を接地し、プローブ１１を記録媒体１４上方の一方向に走査させる。そして、プローブ１１にパルス高さ２Ｖ、パルス幅１μｓｅｃ、パルス間隔１０μｓｅｃの２０点の電圧パルス列を印加し、記録層１７に記録ビット１７Ｂ列を作製した。
【０１１８】
次に、下部電極層１６を接地して、プローブ１１に２００ｍＶの再生電圧を印加したまま、記録ビット１７Ｂ列を再度走査し、プローブ１１と下部電極層１６との間に流れる電流をモニターした。この走査によって、１μＡ、１００ｎｓｅｃ程度の再生信号電流パルスを２０点検出することができた。
【０１１９】
さらに、再生時に、導電性プローブ１１は、導電性状態の記録ビット１７Ｂ上でのみで記録媒体１４に接触していた。また、導電性プローブ１１先端または記録媒体１４上面の磨耗はほとんど確認されなかった。
【０１２０】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る記録再生装置を説明する概略図。
【図２】図１に示した領域Ａを拡大した概略図。
【図３】図１に示した記録媒体１４を説明する断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係る記録再生装置の第２の構成例を説明する概略図。
【図５】図４に示した領域Ｂを拡大した概略図。
【図６】本発明の一実施形態に係る記録再生装置を説明する構成図。
【図７】記録再生装置に係る情報再生原理を説明するための主要部分の一例を示す概略断面図。
【図８】静電引力Ｆ１、Ｆ２、および復元力Ｆ３の関係を示す図。
【図９】導電性プローブ１１の他の構成例を示す断面図。
【図１０】導電性プローブ１１の他の構成例を示す断面図。
【図１１】導電性プローブ１１の他の構成例を示す断面図。
【図１２】矩形カンチレバー１２において長さと幅の比が５：１で、ばね定数ｋが０．０１Ｎ／ｍの場合の、カンチレバー１２の長さと厚さとの関係を示す図。
【符号の説明】
【０１２２】
１１…導電性プローブ、１１Ａ…先端部分、１１Ｂ…導電性平坦部分、１１Ｃ…絶縁層、１２…カンチレバー、１３…カンチレバーアレイ、１４…記録媒体、１５…基板、１６…下部電極層、１７…記録層、１７Ｂ…記録部分（記録ビット）、１７Ａ…非記録部分、１８…ｘ−ｙ駆動ステージ、１９…アクチュエータ、２１…回転装置、２２…回転軸、２３…アーム、３１…高さ調整機構、３２…位置制御回路、３３…再生回路、３４…記録回路、３５…消去回路、３６…制御部、３７…スイッチ回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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