(57)【要約】【課題】データ記憶デバイス、およびデータ記憶デバイスにおいてデータを読み出す方法を提供する。【解決手段】本発明の第１の態様は、データ記憶デバイスである。データ記憶デバイスは、サスペンション機構２０２上に取り付けられたプローブ先端構造２０８と、データ記憶層２１４と、サスペンション機構２０２との間にキャパシタンス２１２が形成される少なくとも１つの導電層２１８と、ビット２１０の存在に起因するプローブ先端構造２０８の変位に基づくキャパシタンス２１２の変化を検出するためのセンサ２０４と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サスペンション機構上に取り付けられたプローブ先端構造と、
データ記憶層と、
少なくとも１つの導電層であって、前記サスペンション機構と該少なくとも１つの導電層との間にキャパシタンスが形成される、該少なくとも１つの導電層と、
ビットの存在に起因する前記プローブ先端構造の変位に基づく前記キャパシタンスの変化を検出するためのセンサと、
を備えているデータ記憶デバイス。
【請求項２】
前記データ記憶層が、前記プローブ先端構造と接触する、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３】
前記データ記憶層が前記ビットを含み、該ビットは窪みあるいは突起のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４】
前記データ記憶層がポリマー材料を含む、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５】
前記導電層が導電性薄膜を含む、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６】
前記導電性薄膜が、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｔａの堆積された金属膜のうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項７】
前記導電層が導電性基板を含む、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項８】
データ記憶デバイスからデータを読み出す方法であって、
サスペンション機構を介してデータ記憶層上にプローブ先端構造を吊り下げた状態で支持するステップと、
少なくとも１つの導電層を配設するステップであって、前記サスペンション機構と該少なくとも１つの導電層との間にキャパシタンスが形成される、該少なくとも１つの導電層を配設するステップと、
ビットの存在に起因する前記プローブ先端構造の変位に基づく前記キャパシタンスの変化を検出するステップと、
を含む、方法。
【請求項９】
前記データ記憶層がポリマー材料を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの導電層が導電性薄膜を含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般にデータ記憶媒体に関し、より詳細にはデータ記憶デバイス、およびデータ記憶デバイスにおいてデータを読み出す方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータおよび他のタイプの電子機器のための記憶媒体は一般的に２つのタイプ、すなわち揮発性メモリおよび不揮発性メモリの形をとる。揮発性メモリは、電源がメモリに供給されていないときに、その内容を失うのに対して、不揮発性メモリは、電源がメモリに供給されていないときでも、その内容を保持する。最も多く見られるタイプの揮発性メモリはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）であり、それは最も一般的には集積回路（ＩＣ）として入手することができ、実施される。用語「データ記憶媒体」は本明細書では広い意味で用いられ、ＩＣメモリおよび他のタイプのデータ記憶媒体を含む。
【０００３】
それと比較すると、不揮発性メモリはおそらく、より一般的には、ハードディスクドライブ、フロッピィディスク、コンパクトディスク・リードオンリーメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、ＣＤリライタブル（ＣＤ−ＲＷ）ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）などを含む磁気および光学媒体として入手することができ、実装されている。従来では、ＩＣとして実装される不揮発性メモリは主に、ハードワイヤードＲＯＭおよびプログラマブルＲＯＭ（ＰＲＯＭ）のような、記録し直すことができないＲＯＭとして入手することができた。最近になって、ＩＣ不揮発性メモリは種々のタイプのフラッシュメモリとして入手できるようになっており、それは技術的には電気的に消去可能なＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）として広く知られている。
【０００４】
一般的にコンピュータ業界が目標とするのは、コンピュータによって用いられている記憶媒体の記憶密度を高めることである。しかしながら一方では、全ての新規の技術は、その新規の技術の中でさらに改善し続けるだけの余地の残すために、長期的な展望を提供しなければならない。これは、記憶技術毎に根本的な変更があると、コンピュータ業界は、既存の製造設備を改造するか、あるいは既存の設備を新規の設備に入れ替えて、その新たな技術に関連する任意の技術的な目標を達成するために莫大な投資を行わなければならないという事実による。したがって、記憶システムがさらに発展していくための結論として、より高められた記憶エリア密度を有する任意の新規技術は、さらにスケールダウン、望ましくはナノメートルまでスケールダウンしていくための長期的な可能性を持たなければならない。
【０００５】
簡単で、しかもこれらの長期にわたる展望を提供する唯一の利用可能な現在既知の手段はナノメートルプローブ先端構造である。そのような先端構造は、原子スケールまで画像化し、構造化するために、あらゆる原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）および走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）において用いられる。簡単な先端構造は、１つの機能性、すなわち相互作用の究極的な局部的限定に焦点を合わせる非常に信頼性の高い手段である。
【０００６】
近年では、主に、さらに簡単に、かつデータ速度および記憶密度を高めるように設計されたセンサおよびヒータを組み込むために、ポリマー記憶媒体におけるＡＦＭ熱機械記録が大幅な変更を受けている。加熱式カンチレバー（cantilever：片持ち梁）を用いるとき、４００Ｇｂ／ｉｎ2の記憶密度での熱機械記録と、読出しの場合に数Ｍｂ／ｓ、および書込みの場合に１００ｋｂ／ｓのデータ速度とが実証されている。
【０００７】
そのような従来の熱機械式の書込みは、ポリマー層にカンチレバー／先端構造による局部的な力を加えることと、局部的に加熱することによりそれを軟化させることとの組み合わせである。十分な熱を加えることにより、あるビットを書き込むための窪みを記憶媒体内に形成することができ、レバーが移動して、その窪みの中に入るときに撓み、それとともに読取り回路の電気抵抗が変化するという事実によって、そのビットは同じ先端構造で読み出されることができる。
【０００８】
データあるいはビットを書き込むとき、小さなコンタクトエリアを介して先端構造からポリマーに伝達される熱は、最初は非常に少ないが、コンタクトエリアが大きくなるのに応じて多くなる。これは、先端構造が比較的高い温度まで加熱され、溶融過程を開始しなければならないことを意味する。一旦、溶融が開始されたなら、先端構造はポリマーに圧入され、それにより、ポリマーへの熱伝達が大きくなり、溶融されるポリマーの体積が増加し、それゆえビットのサイズが拡大する。溶融が始まり、コンタクトエリアが拡大された後に、窪みを生成するために利用することができる加熱電力は、少なくとも１０倍増加し、全加熱電力の２％以上になる（設計による）。完全なデータ記憶方法を提供するために、許容可能なデータ速度で適度な信号対雑音比（ＳＮＲ）を提供することができる読出し方法が提案されなければならない。
【０００９】
データを読み出すための従来の方法は、加熱式（非書込み）カンチレバーとデータ記憶媒体との間のギャップの変化による。ギャップ変化は、先の段落に記載された書込み過程によって導入される媒体トポグラフィーに従って動く先端構造によって生成される。上記のギャップ変化は、カンチレバーと媒体との間の熱流束の変動によって、カンチレバー温度内に同期した変化を生み出す。ヒータの抵抗率の温度係数が、この温度変動を抵抗変動に変換し、それが適当な電子回路によって出力信号として読み取られる。しかしながら、この読出し方法のための帯域幅あるいはデータ速度は根本的には、ヒータ／カンチレバーの熱時定数によって制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、同等あるいは改善されたＳＮＲの場合に、より高いデータ速度でこれらのビットを読み出すことができる方法およびシステムが必要とされる。その方法およびシステムは簡単であり、かつ既存の技術に容易に適合させることができなければならない。本発明はこれらの要件に対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、データ記憶デバイス、およびデータ記憶デバイスにおいてデータを読み出す方法を有する。したがって、本発明の第１の態様は、データ記憶デバイスである。データ記憶デバイスは、サスペンション機構上に取り付けられたプローブ先端構造と、データ記憶層と、少なくとも１つの導電層であって、この少なくとも１つの導電層とサスペンション機構との間にキャパシタンスが形成される、少なくとも１つの導電層と、ビットの存在に起因するプローブ先端構造の変位に基づくキャパシタンスの変化を検出するためのセンサと、を備える。
【００１２】
本発明の第２の態様は、データ記憶デバイスからデータを読み出す方法である。本方法は、サスペンション機構を介して少なくとも１つの材料層上に吊り下げた状態でプローブ先端構造を支持することと、少なくとも１つの導電層を配設することであって、この少なくとも１つの導電層とサスペンション機構との間にキャパシタンスが形成される、少なくとも１つの導電層を配設することと、ビットの存在に起因するプローブ先端構造の変位に基づくキャパシタンスの変化を検出することと、を含む。
【００１３】
本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を例示する、添付の図面とともに取り上げられる、以下に記載される詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１４】
ここで参照される図面は本明細書の一部を構成する。図面に示される特徴は、他に明示されない限り、本発明のいくつかの実施形態のみを例示しており、本発明の全ての実施形態を例示することを意図するわけではなく、さらに、別の状況でも、それに反するような解釈がなされるべきではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明はデータ記憶デバイス、およびデータ記憶デバイス内のデータを読み出す方法に関連する。以下の説明は、当業者が本発明を実施し、利用できるようにするために提供されており、特許出願およびその要件に沿った形で与えられる。本明細書に記載される実施形態への種々の変更、ならびに一般原理および特徴は当業者には容易に明らかになるであろう。したがって、本発明は、図示された実施形態に限定されることを意図するわけではなく、本明細書に記載される原理および特徴と矛盾しない最も広い範囲を与えられるべきである。
【００１６】
本発明の様々な実施形態に基づいて、データ記憶デバイス、およびデータ記憶デバイス内のデータを読み出す方法が開示される。そのデバイスは、サスペンション機構を介して記憶媒体上に吊り下げた状態で支持されるプローブ先端構造を備える。したがって、プローブ先端構造が記憶媒体にわたって走査されるとき、その先端構造が記憶媒体内のトポグラフィービットに出会うのに応じて、先端構造と下側にある記憶媒体との間のギャップが変化する。先端構造と下側にある記憶媒体との間のギャップが変化するとき、プローブ先端構造／サスペンションとそのデバイスの他の構成要素との間のキャパシタンスが変化する。したがって、ある読出し方式が実施されることができ、それによりプローブ先端構造／サスペンションと他の構成要素との間のキャパシタンスがモニタされる。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態による方法の上位レベルの流れ図である。第１のステップ１１０は、サスペンション機構を介してデータ記憶層上にプローブ先端構造を吊り下げた状態で支持することを含む。一実施形態では、サスペンション機構は可撓性のサスペンション機構である。第２のステップ１２０は、少なくとも１つの導電層を配設することを含み、その少なくとも１つの導電層とサスペンション機構との間にキャパシタンスが形成される。最後のステップ１３０は、プローブ先端構造の変位に基づくキャパシタンスの変化を検出することを含む。一実施形態では、その変位は、データ記憶層内にトポグラフィービットが存在することにより引き起こされる。
【００１８】
図２は、本発明の一実施形態によるデータを格納するためのシステム２００の図である。システム２００は、キャパシタンスセンサ２０４およびカンチレバー２０６を含むサスペンション機構２０２を備える。一実施形態では、可撓性のカンチレバー２０６が用いられ、それにより、可撓性のサスペンション機構２０２を形成する。図２の実施形態は、サスペンション機構２０２内で結合されたキャパシタンスセンサ２０４を示すが、キャパシタンスセンサ２０４の一部（たとえば、電極のうちのいくつか）がさらに遠隔して配置され、実際のサスペンション機構２０２上に存在しないようにすることもできる。プローブ先端構造２０８がカンチレバー２０６に結合される。
【００１９】
システム２００は少なくとも１つの材料層も備える。一実施形態では、その層は２つのポリマー層２１４、２１６を含む。第１のポリマー層２１４はデータ記憶媒体としての役割を果たし、それによりデータがビット２１０の形で第１のポリマー層２１４上に格納される。第２のポリマー層２１６は第１のポリマー層２１４内のビット（単数または複数）２１０の深さを制限するように作用する。一実施形態では、第１のポリマー層２１４は軟らかいポリマー層（たとえば、ポリメチルメタクリレート）であるのに対して、第２のポリマー層２１６はより硬い層（たとえば、ＳＵ８）である。第２のポリマー層２１６は第１のポリマー層２１４よりもいくぶん硬いが、第２のポリマー層２１６はそれでも、プローブ先端構造２０８を摩耗および衝撃から保護できるようにするほど十分に軟らかいであろう。
【００２０】
最後に、システム２００は導電層２１８を備え、カンチレバー２０６と導電層２１８との間にキャパシタンス２１２が形成される。別の実施形態では、導電層２１８には、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｔａあるいはいくつかの元素からなる合金の堆積された金属膜のような、導電性の薄膜を用いることができる。種々の組成物を有する多数の金属層を用いることもできるであろう。導電層２１８には、高濃度にドープされたシリコンのような導電性の基板を用いることもできるであろう。
【００２１】
したがって、第１のポリマー層２１４にわたってプローブ先端構造２０８を走査することにより、第１のポリマー層（データ記憶媒体）２１４からデータが読み出される。プローブ先端構造２０８が第１のポリマー層２１４にわたって走査されるのに応じて、プローブ先端構造２０８はビット２１０に出会い、先端構造２０８と導電層２１８とのギャップが変化する。ビット２１０には、窪み、隆起、あるいは記憶媒体２１４のトポグラフィーの任意の他の変化を用いることができる。したがって、プローブ先端構造２０８と導電層２１８との間のギャップが変化するとき、キャパシタンスセンサ２０４が、記憶媒体２１４上の非移動容量性素子に対するカンチレバー２０６上の容量性素子の位置の変化に起因するキャパシタンス２１２の変化を検出する。本発明の重要な特徴は、大きなエリアにわたって、小さなエリア内に記録されるトポグラフィーの変化が先鋭なプローブによって検出され、容量性ギャップの変化に変換されて、それが大きな信号を与えることである。
【００２２】
カンチレバー２０６と導電層２１８との間のキャパシタンス２１２は、典型的なカンチレバー設計の場合に１〜２フェムトファラド（１０-15Ｆ）にすることができるが、容量性の読出しの場合に最適になるようにカンチレバー設計を変更することにより、２倍（２〜４フェムトファラド）あるいはそれ以上この値を増加させることができる可能性がある。さらに、カンチレバー２０６とデータ記憶媒体２１４との間の距離は調整されることができ（たとえば、２００ｎｍから少なくとも１００ｎｍまで）、その結果として、概ねさらに２倍（４〜８フェムトファラド）増加させることができる。また、距離を短くすることにより、全キャパシタンスに対して信号（デルタキャパシタンス）が大きくなるであろう。キャパシタンス２１２に印加される電圧を増加させることにより、信号を改善することもできる。これは、キャパシタンス２１２の変化を検出するために利用することができる信号を大きくする。たとえば、１０Ｖの電圧が印加され、全キャパシタンスが２ｆＦであるものと想定する場合、５％のデルタキャパシタンス（１００ａＦ）が、２０ｆＦの帰還キャパシタを有する電荷前置増幅器の出力において、５０ｍＶの信号を与える。
【００２３】
上記の方式は、ビットがトポグラフィーによって格納される任意の記憶媒体とともに用いられることができることに留意されたい。したがって、データ記憶媒体には、ビットがトポグラフィーによって格納されることができる任意の材料あるいは１組の材料を用いることができる。そのビットは、窪み、突起あるいはその両方の組み合わせにすることができ、熱的な書込み以外の手段によって書き込まれることができる。さらに、多数のプローブ先端構造および導電性材料（領域）を並列に用いて、より高いデータ読出しおよび書込み速度を達成することができる。また、カンチレバー以外の可撓性のサスペンションを用いることもできる。
【００２４】
代替的な実施形態では、キャパシタンスはサスペンション機構の種々の部分の間で測定されることができる。図３は、本発明の別の実施形態によるデータ記憶システム３００の図である。システム２００（図２を参照されたい）と同様に、データ記憶システム３００は、キャパシタンスセンサ３０４およびカンチレバー３０６を含むサスペンション機構３０２を備える。この実施形態では、サスペンション機構３０２は導電層３２０を備え、カンチレバー３０６と導電層３２０との間にキャパシタンス３１２が形成される。再び、プローブ先端構造３０８がカンチレバー３０６に結合される。軟らかいポリマー層３１４はデータ記憶媒体としての役割を果たすのに対して、より硬いポリマー層３１６は軟らかいポリマー層３１４内のビット（１つまたは複数）３１０の深さを制限する。より硬いポリマー層３１６は層３１８上に堆積される。この実施形態では、キャパシタンスセンサ３０４は、プローブ先端構造３０８の変位に基づくキャパシタンス３１２の変化を検出する。
【００２５】
本発明のさらに代替的な実施形態では、第１のキャパシタンスと第２のキャパシタンスとの間のキャパシタンスの差をモニタすることによりデータが読み出される。図４は、本発明の別の実施形態によるデータ記憶システム４００を示す。システム４００は、カンチレバー４０６と第１の導電層４２０との間の、カンチレバー４０６の第１の側に形成された第１のキャパシタンス４０２を備える。またシステム４００は、カンチレバー４０６と第２の導電層４１８との間の、カンチレバー４０６の第２の側に形成された第２のキャパシタンス４０４も備える。したがって、キャパシタンスセンサ４０８は、プローブ先端構造４１０の変位に基づく第１のキャパシタンス４０２と第２のキャパシタンス４０４との間のキャパシタンスの差を検出する。図に示されるように、第１のキャパシタンス４０２および第２のキャパシタンス４０４を実装することにより、いくつかのコモンモードノイズ源を改善することができる。
【００２６】
キャパシタンス４０２、４０４は、より大きなエリアを用いることにより、さらに大きくできることに留意されたい。たとえば、プローブ先端構造４１０は、その上に導電性膜を堆積された、比較的大きな面積のカンチレバー４０６の端部に配置されることができる。結果として、導電性膜は実質的に、キャパシタンス４０２または４０４の１つのプレートとして機能する。そのプレートおよびサスペンションのサイズ、形状および材料特性は、多くの事例において、帯域幅、先端構造／媒体にかかる力、ダイナミックレンジなどの要件によって指示されるサスペンションの所望の機械的特性と一致しなければならない。したがって、先鋭なプローブ先端構造は高い空間分解能を提供するが、サスペンションの容量性の部分の比較的大きな面積が大きな信号を提供する。この結果として、プローブ先端構造の小さな変位に基づいて、キャパシタンスが大きく変化するようになる。
【００２７】
プレート間の材料の量とプレート間の材料の誘電率とを同時に最小限に抑えながら、キャパシタンスを形成する導電性プレートはできる限り互いに近接して保持されるべきであることにも留意されたい。これは、所与の深さあるいは高さのビットが書き込まれている場合に、キャパシタンスのわずかな変動を最大にできるようにする。たとえば、図２の実施形態に基づいて、キャパシタンス２１２がモニタされるとき、カンチレバー２０６の底面（記憶層２１４に最も近い部分）に金属コーティングを用いて、カンチレバーの材料がキャパシタンス２１２に寄与しないようにすることが望ましいかもしれない。この事例では、誘電率を最小限に抑えながら、導電層２１８上にある記憶層２１４をできる限り薄くすることも有益であろう。再び、これは、先端構造２０８が記憶層２１４上を走査する際に、キャパシタンス２１２のわずかな変動を最大にするのを助けるであろう。
【００２８】
本発明の別の実施形態は、本発明によるデータ記憶デバイスを実装するコンピュータシステムを含む。図５は、本発明の代替的な実施形態によるコンピュータシステム５００を示す。コンピュータシステム５００は、データ記憶デバイス５２０に接続された中央演算処理装置（ＣＰＵ）５１０を備える。データ記憶デバイス５２０には、データ記憶デバイスの上記の実施形態のうちの１つを用いることができることは理解されたい。
【００２９】
データ記憶デバイス、およびデータ記憶デバイス内のデータを読み出す方法が開示されてきた。本発明は図示された実施形態にしたがって記載されてきたが、それらの実施形態に対する変形形態が存在することができ、それらの変形形態が本発明の精神および範囲内に入ることは当業者には容易に理解されよう。したがって、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、数多くの変更が当業者によってなされることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態による方法の流れ図である。
【図２】本発明の一実施形態によるデータ記憶システムの図である。
【図３】本発明の代替的な実施形態によるデータ記憶システムの図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるデータ記憶システムを示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態によるデータ記憶システムを示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
２００：システム
２０２：サスペンション機構
２０４：キャパシタンスセンサ
２０６：カンチレバー
２０８：プローブ先端構造
２１０：ビット
２１２：キャパシタンス
２１４：第１のポリマー層
２１６：第２のポリマー層
２１８：導電層
【図１】
2005085460.tif 000003
【図２】
2005085460.tif 000004
【図３】
2005085460.tif 000005
【図４】
2005085460.tif 000006
【図５】
2005085460.tif 000007