(57)【要約】【課題】高密度記録可能な記録媒体及び記憶装置を提供する。【解決手段】主面を（００１）結晶面とする単結晶Ｇｅ基板１１と、主面上にマトリックス状に配列されたメモリセル１２と、メモリセル１２同士を区切るメモリ境界線１３などから構成し、メモリセル１２は、結晶面の最表面にあるＧｅ原子１４が形成するダイマー１５が２行２列に並んだ４つのダイマー１５から構成されている。ダイマー１５の再配列構造であるｃ（４×２）及びｐ（２×２）を可逆的に切り替える。【選択図】        図１
2005071421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶Ｇｅまたは単結晶Ｓｉの（００１）結晶面の表面に形成されたメモリセルと、該メモリセルを囲むメモリセル境界線とを有し、
前記メモリセルが前記表面のＧｅ原子またはＳｉ原子のダイマーよりなり、
前記メモリセル境界線がダイマーの構造変化の伝搬を抑止することを特徴とする記録媒体。
【請求項２】
前記メモリセルは、ダイマーを構成する２つの原子を結ぶ方向に隣接する２つのダイマーを含むことを特徴とする請求項１記載の記録媒体。
【請求項３】
前記ダイマーは構造状態ｃ（４×２）及びｐ（２×２）のいずれかの状態であることを特徴とする請求項１または２記載の記録媒体。
【請求項４】
前記メモリセル境界線は、（００１）結晶面において［１−１０］結晶方位及び［１１０］結晶方位に形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の記録媒体。
【請求項５】
前記メモリセル境界線は、前記表面のＧｅ原子またはＳｉ原子に、炭素、酸素、窒素の群のうちいずれか１種を結合してなることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の記録媒体。
【請求項６】
請求項１〜５うちいずれか一項記載の記録媒体と、走査型トンネル顕微鏡とを備えた記憶装置であって、
前記記録媒体に接近させた走査型トンネル顕微鏡の探針と該記録媒体との間に第１の電圧より絶対値の大きな正又は負の電圧を印加して、メモリセルのダイマーの構造状態を変化させて情報を記録することを特徴とする記憶装置。
【請求項７】
前記記録媒体に接近させた走査型トンネル顕微鏡の探針と該記録媒体との間に前記第１の電圧より絶対値の小さな電圧を印加して、該探針を流れる電流に基づいてメモリセルのダイマーの構造状態に対応する情報を再生することを特徴とする請求項６記載の記憶装置。
【請求項８】
前記記録媒体に接近させた走査型トンネル顕微鏡の探針と該記録媒体との間に前記第１の電圧より絶対値の大きな正または負の電圧を印加して、メモリセルのダイマーの構造状態に対応する情報を再生すると共に、再生した該情報を再び記録することを特徴とする請求項６記載の記憶装置。
【請求項９】
電子線を出射する電子線源と電子線を検出する電子検知器を更に備え、
前記電子線源より出射した電子線を前記メモリセルに照射して、反射した電子線の回折パターンを前記電子検知器を用いて検出して、該メモリセルのダイマーの構造状態に対応する情報を再生することを特徴とする請求項６記載の記憶装置。
【請求項１０】
原子間力顕微鏡を更に備え、原子間力顕微鏡の探針を用いてメモリセルのダイマーの構造状態を検出して、該メモリセルのダイマーの構造状態に対応する情報を再生することを特徴とする請求項６記載の記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶基板の最表面の可逆的な双安定構造を利用した相変化記録媒体及び記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
記録媒体では、これまでに様々な記録媒体の状態に情報を保持させ、様々な記録再生方式が開発されてきた。情報を保持する状態の変化を起こさせる方式としては、例えば、半導体メモリや誘電体メモリなどの電荷制御型、強磁性体を用いた磁気記録媒体や光磁気記録媒体などの磁化制御型、光記録媒体や相変化メモリなどの結晶質−非晶質相変化型、原子や分子を操作する原子・分子メモリなどの原子・分子制御型が挙げられる。これらの記録媒体の特性、例えばアクセス速度、記憶容量、揮発性・不揮発性などに基づいて、それぞれの適切な用途に合わせて用いられてきている。
【０００３】
ところで、最近の急速な通信速度の向上に伴い、デジタルの動画映像などの放送・配布等が始まり、大容量・高記録密度の記録装置のニーズが高まっている。
【０００４】
例えばハードディスクなどの磁気記録装置では１００Ｇビット／平方インチの記録密度の面内記録方式の技術が発表され、さらに垂直磁気記録方式により１Ｔビット／平方インチの記録密度が実現されることが期待されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０２−１３７３１３号公報
【０００６】
【非特許文献１】
Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．  ８１，  Ｎｏ．  １９，  （２００２）  ｐｐ．３５５５。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでの記録媒体では、記録密度の向上により情報の一単位が記録される体積の減少に伴って、読出し信号が減少してしまうという根本的な問題がある。また、情報が担持される対象は多結晶や微結晶からなるので、多結晶の一つ一つの結晶粒は結晶性を向上すると共に結晶粒径を均一化してノイズを低減しなければならないが、多結晶性と結晶性という二面性のため自ずと限界がある。すなわち、例えば磁気記録媒体では、情報を記録する結晶粒と、各々の結晶粒を区切る境界部より構成されるが、材料自体の自己形成的な相分離によりかかる境界部を形成するので、相分離の完全性と、均一な大きさを有し、かつ良好な結晶性を有する結晶粒を同時に得ることは困難である。特に結晶粒の大きさが１０ｎｍ以下では微量な不純物によっても結晶粒の成長が阻害されて形成される結晶粒の結晶性と粒径がばらつくため、結晶性の向上及び粒径分布の制御がほとんど困難である。
【０００８】
したがって、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は高密度記録可能な記録媒体及び記憶装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、単結晶Ｇｅまたは単結晶Ｓｉの（００１）結晶面の表面に形成されたメモリセルと、該メモリセルを囲むメモリセル境界線とを有し、前記メモリセルが前記表面のＧｅ原子またはＳｉ原子のダイマーよりなり、前記メモリセル境界線がダイマーの構造変化の伝搬を抑止する記録媒体が提供される。
【００１０】
本発明によれば、単結晶Ｇｅまたは単結晶Ｓｉの（００１）結晶面の最表面に存在するＧｅ原子またはＳｉ原子から構成されるダイマー（２量体）が形成する表面構造の状態に基づいて情報を記録・再生する。単結晶Ｇｅを例にとると、ダイヤモンド結晶構造を有する単結晶Ｇｅの（００１）面を切断等して露出させると、最表面のＧｅ原子は下方の２個のＧｅ原子と結合しており、さらに配位数を４に近づけるために同じ最表面の隣りのＧｅ原子とダイマーを形成し、本来のダイヤモンド結晶構造にはない再配列構造を形成する。本発明に係る記録媒体のメモリセルはこのダイマーの構造状態すなわち表面構造の状態を情報単位として情報を記録・再生する。メモリセル境界線は、記録する際に、所望のメモリセルの表面構造を変化させるときに、その変化に起因して隣接したメモリセルの構造状態が変化することを抑止する。したがって、本発明の記録媒体は、ダイマーレベルの微小な記録単位を有し、規則的に配列されたメモリセルから構成されるので、従来にはない高密度記録を実現することができる。なお、単結晶Ｓｉの場合もその作用・効果は単結晶Ｇｅの場合と同様である。
【００１１】
前記メモリセルは、ダイマーを構成する２つの原子を結ぶ方向に隣接する２つのダイマーを含んでもよく、ダイマーは構造状態ｃ（４×２）及びｐ（２×２）のいずれかの状態であってもよい。
【００１２】
前記メモリセル境界線は、（００１）結晶面において［１−１０］結晶方位及び［１１０］結晶方位に形成されてもよい。ダイマーの配列に応じた方向にメモリ境界線を設けることにより、効率的にメモリセルを配置することができる。なお、本明細書では［１−１０］は、正式な結晶方位の表記である、
【外１】
2005071421.tif 000003
の代わりに用いている。
【００１３】
また、前記メモリセル境界線は、前記表面のＧｅ原子またはＳｉ原子に、炭素、酸素、窒素を結合して形成されてもよい。メモリセルのダイマーの表面構造は、メモリセルの一部を変化させると欠陥等がない限り表面構造が伝搬する性質を有している。メモリセル境界線は、Ｇｅ原子またはＳｉ原子に炭素、酸素、窒素を結合させてなるので、Ｇｅ原子またはＳｉ原子の欠陥と同様の機能を有し、表面構造の状態が変化する際にその変化の伝搬を抑止することができる。
【００１４】
本発明の他の観点によれば、上記いずれかの記録媒体と、走査型トンネル顕微鏡とを備えた記憶装置であって、前記記録媒体に接近させた走査型トンネル顕微鏡の探針と該記録媒体との間に第１の電圧より絶対値の大きな正又は負の電圧を印加して、メモリセルのダイマーの構造状態を変化させて情報を記録する記憶装置が提供される。
【００１５】
本発明によれば、走査型トンネル顕微鏡の探針と該記録媒体との間に第１の電圧より絶対値の大きな正又は負の電圧を印加することにより、メモリセルのダイマーの構造状態を、例えば、ｃ（４×２）からｐ（２×２）に、あるいはｐ（２×２）からｃ（４×２）に変化させることにより構造状態を情報に対応させてメモリセルに記録することができる。
【００１６】
前記記録媒体に接近させた走査型トンネル顕微鏡の探針と該記録媒体との間に前記第１の電圧より絶対値の小さな電圧を印加して、該探針を流れる電流に基づいてメモリセルのダイマーの構造状態に対応する情報を再生する。走査型トンネル顕微鏡の探針と該記録媒体との間に第１の電圧より絶対値の小さな電圧を印加して、走査型トンネル顕微鏡の探針に流れる電流の変化、すなわちコンダクタンスの変化を検出することにより、メモリセルのダイマーの構造状態を検出し、構造状態に対応する情報を再生することができる。
【００１７】
前記記録媒体に接近させた走査型トンネル顕微鏡の探針と該記録媒体との間に前記第１の電圧より絶対値の大きな正または負の電圧を印加して、メモリセルのダイマーの構造状態に対応する情報を再生すると共に、再生した該情報を再び記録してもよい。第１の電圧より大きな例えば正の電圧を印加することにより、走査型トンネル顕微鏡の探針に流れる電流の変化を大とすることができ、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。
【００１８】
電子線を出射する電子線源と電子線を検出する電子検知器を更に備え、前記電子線源より出射した電子線を前記メモリセルに照射して、メモリセルのダイマーの構造状態に対応する反射した電子線の回折パターンを前記電子検知器を用いて再生する。メモリセルのダイマーの構造状態に対応して、反射した電子線の回折パターン、例えば３回対称あるいは４回対称のパターンをＣＣＤイメージセンサなどの電子検知器を用いて認識することによりメモリセルのダイマーの構造状態を再生することができる。
【００１９】
また、原子間力顕微鏡を用いてメモリセルのダイマーの構造状態を再生してもよい。原子間力顕微鏡の探針先端部とメモリセルのダイマーの構造状態とに対応する信号が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態に係る記録媒体の要部を示す斜視図である。図１を参照するに、本実施の形態に係る記録媒体１０は、主面を（００１）結晶面とする単結晶Ｇｅ基板１１と、主面上にマトリックス状に配列されたメモリセル１２と、メモリセル１２同士を区切るメモリ境界線１３などから構成されている。
【００２２】
メモリセル１２は、結晶面の最表面にあるＧｅ原子１４が形成するダイマー１５、例えば２行２列に並んだ４つのダイマー１５から構成されている。ダイマー１５は、［１１０］結晶方位に並んだ２つの最表面のＧｅ原子１４が結合して形成され、そのダイマー１５の列が［１−１０］結晶方位及び［１１０］結晶方位に形成されている。
【００２３】
メモリ境界線１３は、最表面のＧｅ原子１４のダングリングボンドを終端する炭素、窒素、及び酸素等から選択される原子または原子団から構成され、例えば、［１−１０］結晶方位及び［１１０］結晶方位に形成されている。メモリ境界線１３は、メモリセル１２に記録してダイマー１５の再配列構造の変化を変化させると、隣接するメモリセル１２にその影響が及ぶことを防止する。すなわち、本願発明者等の検討によれば、メモリ境界線１３を形成しない場合は、あるメモリセル１２に電場を印加して書き込んで再配列構造を変化させると、一定の結晶方位にあるメモリセル１２の再配列構造もドミノ的に変化してしまう。メモリ境界線１３はかかるドミノ的変化を防止するものである。なお、メモリ境界線１３をホウ素、アルミニウム、インジウム等の原子を用いて終端してもよい。
【００２４】
図２は、本実施の形態に係る記録媒体を拡大して示す平面図である。図中矢印はダイマーが形成する電気双極子を示しており、矢印の基点はＧｅ原子１４Ａが正に帯電し、矢印の先端はＧｅ原子１４Ｂが負に帯電していることを示している。構造上Ｇｅ原子１４Ａ、１４Ｂが最表面において浮かび上がっていることに付随してポテンシャルが高くなっていることによるものである。
【００２５】
図２を参照するに、２行×２列の４個のメモリセル１２Ａ〜１２Ｄが形成されている。このうち、メモリセル１２Ａ及び１２Ｄはｃ（４×２）、メモリセル１２Ｂ及び１２Ｃはｐ（２×２）の再配列構造を形成している。ｃ（４×２）の再配列構造を形成しているメモリセル１２Ａは、４つのダイマー１５Ａ１〜１５Ａ４から構成され、ダイマー１５Ａ１及び１５Ａ２（ダイマーを形成するＧｅ原子の結合方向に配列する２つのダイマー）は、ダイマーが形成する電気双極子１６Ａ１、１６Ａ２が互いに向き合い、ダイマー１５Ａ３及び１５Ａ４は電気双極子１６Ａ３、１６Ａ４が互いに反対を向いている。
【００２６】
一方、ｐ（２×２）の再配列構造を形成しているメモリセル１２Ｂは、ダイマー１５Ｂ１及び１５Ｂ２の電気双極子１６Ｂ１及び１６Ｂ２、ダイマー１５Ｂ３及び１５Ｂ４の電気双極子１６Ｂ３及び１６Ｂ４がそれぞれ互いに同じ方向を向き、電気双極子１６Ｂ１及び１６Ｂ２と電気双極子１６Ｂ３、１６Ｂ４とは互いに反対方向を向いている。
【００２７】
すなわち、再配列構造ｃ（４×２）とｐ（２×２）は、ダイマーを形成する２つのＧｅ原子の結合方向に沿って隣接する２つのダイマーの電気双極子の向きが異なっている。ｃ（４×２）の場合は互いに向き合うか反対を向いており、ｐ（２×２）の場合は互いに同じ方向を向いている。
【００２８】
図３（Ａ）はｃ（４×２）の再配列構造、図３（Ｂ）はｐ（２×２）の再配列構造のそれぞれのダイマーが結合する一層下のＧｅ原子を合わせて示す要部拡大図である。図３（Ａ）を参照するに、ダイマー１５Ａ１〜１５Ａ４を構成するＧｅ原子１４Ａ，１４Ｂのうち、負に帯電するＧｅ原子１４Ｂに結合する一層下の２つのＧｅ原子１８は互いに接近するように位置する。これはＧｅ原子１４Ｂが上方に突出して位置するので表面の格子歪みを低下させるためである。一方正に帯電するＧｅ原子１４Ａに結合する一層下の２つのＧｅ原子１８は互いに離れ合うように位置する。これはＧｅ原子１４ＡがＧｅ原子１４Ｂより下に位置するので表面の格子歪みを低下させるためである。ｃ（４×２）の再配列構造の場合、［１１０］結晶方位の方向に配列するＧｅ原子１８の位置が、ゆるやかに［１−１０］結晶方位の方向に変化しているので、次に述べるｐ（２×２）の再配列構造と比較して表面の格子歪みエネルギーが低くなっていると考えられる。
【００２９】
図３（Ｂ）を参照するに、図３（Ａ）と同様に、ｐ（２×２）の再配列構造の場合も、ダイマー１５Ｂ１〜１５Ｂ４を構成するＧｅ原子１４Ａ，１４Ｂと結合する一層下の２つのＧｅ原子１８との関係により、表面の格子歪みを低下させるためにＧｅ原子１８が互いに接近あるいは離れるように位置する。ｐ（２×２）の再配列構造の場合、［１１０］結晶方位の方向に配列するＧｅ原子１８の位置が、１原子毎に［１−１０］結晶方位の方向に対して交互に変化しているので、ｃ（４×２）の再配列構造の場合と比較して表面の格子歪みエネルギーが高くなっていると考えられる。
【００３０】
これらのことから、ｃ（４×２）の場合とｐ（２×２）の場合とでは全体の表面の格子エネルギーはｃ（４×２）の方が低くなっていると考えられる。構造状態は、この表面の格子エネルギーとダイマーが有する双極子モーメントの静電エネルギーとの関係から決定されると考えられる。静電エネルギーについては後述する。
【００３１】
図４は、ｃ（４×２）の再配列構造のダイマーおよびそれに結合する一層下のＧｅ原子の配置を示す断面図である。なお、図４は、原子同士の結合の様子を示すためのもので、必ずしも原子は同一面内に位置していない。
【００３２】
図４を参照するに、ダイマー１５は、一層下の［１１０］結晶方位の方向に配列したＧｅ原子１８と結合している。図３（Ａ）及び（Ｂ）において説明したように、ダイマー１５のうちの負に帯電したＧｅ原子は表面から突出し、正に帯電したＧｅ原子１４Ｂは表面に引き込まれるように配置され、ダイマー１５は傾斜して形成されている。したがって、かかる構造から形成されるメモリセル１２の微細な表面構造の凹凸を検出することにより、表面構造に対応した情報を再生することができる。
【００３３】
図５（Ａ）はｃ（４×２）の再配列構造の走査型トンネル顕微鏡像、図５（Ｂ）は（Ａ）の模式図である。図５（Ａ）中、明部はトンネル電流が大の部分、暗部はトンネル電流が小の部分である。また、単結晶Ｇｅの表面にはメモリ境界線は形成されていない。なお、以下、走査型トンネル顕微鏡をＳＴＭと略称する。
【００３４】
図５（Ａ）及び（Ｂ）を参照するに、［１１０］結晶方位に周期的に明部及び暗部が形成され、暗部が島状に周期的に形成される。明部２０Ａは、ダイマーのうち負に帯電して最表面から上方に位置する原子が存在する部分を示し、暗部はダイマーのうち正に帯電して最表面から下方に位置する原子が存在する部分を示している。したがって、図５（Ｂ）において、電気双極子の方向を模式的に矢印を用いて示すように、ダイマーにより形成される電気双極子は［１−１０］結晶方位に交互に繰り返して配列され、［１１０］結晶方位には電気双極子は互いに向き合うかあるいは反対向きに配列されていることが分かる。
【００３５】
図６（Ａ）はｐ（２×２）の再配列構造のＳＴＭ像、図６（Ｂ）は（Ａ）の模式図である。図６（Ａ）及び（Ｂ）を参照するに、［１１０］結晶方位に明部２１Ａ及び暗部２１Ｂが交互に形成され、［１−１０］結晶方位に明部２１Ａと暗部２１Ｂがそれぞれ階段状に形成されている。図６（Ｂ）において矢印を用いて示すように、［１−１０］結晶方位には電気双極子の向きが交互に逆向きとなり、［１１０］結晶方位には同じ向きに配列されている。
【００３６】
したがって、ＳＴＭ像においても再配列構造のｃ（４×２）及びｐ（２×２）は互いに異なっており、ＳＴＭの探針を用いてかかる構造状態を走査することにより、表面構造に対応した情報を再生することができる。なお、ｃ（４×２）からｐ（２×２）、あるいはｐ（２×２）からｃ（４×２）への変換は後述する記録方法において説明する。
【００３７】
（記録媒体の製造方法）
図７は、本実施の形態に係る記録媒体の製造方法を示すフローチャートである。図７を参照しながら、本実施の形態の記録媒体の製造方法を説明する。
【００３８】
以下に説明する工程は総て超高真空（ＵＨＶ（Ｕｌｔｒａ  Ｈｉｇｈ  Ｖａｃｕｕｍ））装置において行う。超高真空装置はそのチャンバ内を１×１０−８Ｐａより高真空にすることが可能であり、したがって、不純物ガス等に阻害されずに清浄なＧｅ単結晶基板表面に欠陥の少ない記録媒体を形成することができる。
【００３９】
まず、例えば室温での比抵抗が０．３５Ω・ｃｍとなるようにＳｂを不純物元素としてドープした、（００１）結晶面を主面とするＧｅ単結晶基板を準備し、超高真空装置内においてＡｒイオンを用いて（００１）結晶面のイオンエッチングを行う（Ｓ１００）。具体的には、Ａｒイオンを例えば１ｋｅＶに加速して、２．５μＡ／ｃｍ２の密度で約１０分間に設定して、Ｇｅ単結晶基板をエッチングし表面に吸着した不純物を除去すると共に表面を活性化する。なおこのイオンエッチングは複数回繰り返してもよい。
【００４０】
次いで、（００１）結晶面の水素化処理を行う（Ｓ１０２）。水素化処理は（００１）結晶面の最表面のＧｅ原子のダングリングボンドに水素原子を結合させ不活性化させる。具体的には、超高真空装置内に導入した水素ガスを、熱分解プラズマやマイクロ波プラズマ等により水素ラジカルを発生させて（００１）結晶面に触れさせ、最表面のＧｅ原子を水素により終端する。
【００４１】
次いで、予め測定した結晶方位に沿ってメモリセル境界線を形成する（Ｓ１０４）。具体的には、ＳＴＭ装置の探針とＧｅ単結晶基板間に電流を流しながら、［１−１０］結晶方位および［１１０］結晶方位に掃引し、Ｇｅ原子と結合している水素原子を除去して活性化させる。さらに、炭素ラジカル、酸素ラジカル又は窒素ラジカルを発生させて活性化された部分を炭化、酸化又は窒化させてメモリセル境界線を形成する。メモリ境界線を形成する方向は特に限定されることはないが、面積効率の観点からは［１−１０］結晶方位および［１１０］結晶方位が好ましい。また、メモリセル境界線の間隔は、メモリセル境界線により区切られるメモリセルに最小２個×２個のダイマーが確保されればよい。なお、ＳＴＭリソグラフィ法の替わりに電子ビームなどのビームリソグラフィ法を用いてもよい。
【００４２】
また、メモリセルの境界線の幅は少なくとも１原子分あればよい。１原子分あればメモリセルの構造状態の変化をピン留めでき、また、単結晶Ｇｅ表面のメモリセル領域の割合を向上することができる。但し、メモリセル境界線の幅はＳＴＭの探針先端部の形状やビーム径などに依存して適宜決定される。
【００４３】
次いで、メモリセル領域のＧｅ原子と結合している水素原子を除去する（Ｓ１０６）。具体的には、上記Ｓ１００と同様にして、Ｇｅと水素の結合エネルギーより大なるエネルギーを有するＡｒイオンによりエッチングする。この際、メモリセル境界線の炭素原子や酸素原子や窒素原子が除去されないエネルギーに設定する。以上により本実施の形態に係る記録媒体が形成される。
【００４４】
なお、上記製造工程において、エッチングの後に基板に直流電流を１０分間流して９８０Ｋ〜１０００Ｋにする加熱処理を行ってもよい。エッチングにより生じた基板表面の損傷を除去することができる。
【００４５】
（記録媒体の記録方法）
次に本発明の実施の形態に係る記録媒体の記録方法について説明する。図８は、本発明の実施の形態に係る記録媒体の記録に用いられる記憶装置の概念図である。図８を参照するに、記憶装置３０は、真空容器３１と、真空容器３１内を１×１０−８Ｐａ以下の超高真空雰囲気に排気可能な分子ターボポンプなどからなる排気部３２と、真空容器３１内の温度を８０Ｋ以下まで冷却可能な冷却部３３と、真空容器３１内に配設された記録媒体１０と、記録媒体１０を移動する駆動部３４と、ＳＴＭの探針３５と、探針３５に接続されたインピーダンス変換ヘッドアンプ３６と、記録信号発生部３８などから構成されている。
【００４６】
探針３５及びインピーダンス変換ヘッドアンプ３６は、通常のＳＴＭ装置に用いられるものを使用することができる。探針３５の材料としては、Ｗ、あるいはカーボンナノチューブが先端形状の安定性、すなわち読み出し信号の安定性の観点から好ましく、探針３５先端部の曲率半径は、記録媒体１０のメモリセル１２の大きさに応じて適宜選択されるが、メモリセル１２が４つのダイマーよりなる場合は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であることが好ましい。
【００４７】
記録信号発生部３８は、図示されない記録制御部から供給された“０”または“１”に対応した記録信号を探針３５に供給し、探針３５と記録媒体１０との間に電圧を印加する
記録媒体１０の記録には、駆動部３４によりメモリセル１２が配列されているＸ方向あるいはＹ方向に沿って記録媒体１０を移動して所望のメモリセル１２にアクセスし、ＳＴＭの探針３５をメモリセル１２に接近させ、パルス状の記録信号を入力して探針３５とメモリセル１２との間に電圧を印加する。記録の際、記録媒体１０を停止させて記録動作を行ってもよく、記録媒体１０をＸまたはＹ方向に移動しながら所望のメモリセル１２に電圧を印加してもよい。
【００４８】
図９は、印加する電圧と表面構造との関係を示す図である。本願発明者等は、Ｇｅ単結晶基板の清浄な（００１）結晶面におけるダイマーの再配列構造は、８０Ｋ以下において、電場を印加することにより双安定な２つの状態ｃ（４×２）及びｐ（２×２）を可逆的に切換えることができることを見出した。従来は、Ｇｅ単結晶基板の微傾斜（００１）面においてｃ（４×２）からｐ（２×２）に切換ることができることが報告されているのみであった（Ｂ．  Ｒｏｅｔｔｇｅｒ  ｅｔ  ａｌ，  Ｊ．  Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｂ１４，  ９２５  （１９９６））。
【００４９】
図９を参照するに、負の印加電圧を印加された状態、すなわちｃ（４×２）の状態から０．６Ｖ以上の電場を印加するとｐ（２×２）の状態に変化する。また、０．６Ｖ以下では、ｐ（２×２）の状態に変化せずにｃ（４×２）の状態のままである。また、ｐ（２×２）の状態から、−０．６Ｖ以上の負電圧を印加するとｃ（４×２）の状態に変化し、−０．６Ｖ以下の負電圧あるいは正電圧を印加するとｐ（２×２）の状態のままである。このような挙動は８０Ｋ以下の温度においてこれまでのところ確認されている。
【００５０】
これは以下のような機構によるものと考えられる。２つの状態ｃ（４×２）及びｐ（２×２）の状態は、表面の歪みエネルギーとダイマーの電気双極子が形成する静電エネルギーにより決定されると考えられ、電場が印加されていない状態では、表面の歪みエネルギーが支配的と考えられている。例えば、表面の歪みエネルギーの観点からは、ダイマーの下層のＧｅ原子の配列からｃ（４×２）の方がエネルギー的に低いと考えられ、電気双極子による静電エネルギーの観点からは、電気双極子同士が相対しないｐ（２×２）の方が低いと考えられる。
【００５１】
そこで、ＳＴＭの探針によって表面が正電圧にバイアスされている場合は、最表面のダイマーの上側の原子は負に帯電しているため、静電気力により下方に押し下げされ、その結果、ダイマーの歪みが低減され、その結果ｃ（４×２）とｐ（２×２）との歪みエネルギーの差が電気双極子によるエネルギー差より小さくなるので、電気双極子によるエネルギーが低いｐ（２×２）の状態が安定となる。
【００５２】
一方、ＳＴＭの探針によって表面が負電圧にバイアスされている場合は、最表面のダイマーの上側の原子は負に帯電しているため、静電気力により上方に押し上げられ、ダイマーの歪みが増加されるので、表面歪みエネルギーの低いｃ（４×２）の状態が安定となる。
【００５３】
また、±０．６Ｖのヒステリシスについては両状態間の遷移エネルギーに相当するものであると考えられ、ダイマーの角度は温度の関数としてある範囲で揺らいで確率的に遷移するとの予測もあるが、その機構についてまだ解明されていない。
【００５４】
図１０（Ａ）〜（Ｄ）は記録信号の一例を示す図である。図１０（Ａ）に示すように、ｐ（２×２）の状態を書き込む場合は、波高値が０．６Ｖ以上の正電圧のパルスを印加する。また、図１０（Ｂ）に示すように、ｃ（４×２）の状態を書き込む場合は、波高値が−０．６Ｖ以上の負電圧のパルスを印加する。また、図１０（Ｃ）に示すように、一旦、波高値が−０．６Ｖ以上の負電圧のパルスを印加してメモリセルの表面構造を初期状態としてのｃ（４×２）にリセットした後、０．６Ｖ以上の正電圧のパルスを印加して、ｐ（２×２）の状態を書き込んでもよく、図１０（Ｄ）に示すように、一旦、波高値が＋０．６Ｖ以上の正電圧のパルスを印加してメモリセルの表面構造を初期状態としてのｐ（２×２）にリセットした後、−０．６Ｖ以上の負電圧のパルスを付加してｃ（４×２）の状態を書き込んでもよい。書き込む前のメモリセルの状態が不安定な場合でも、一旦初期状態にリセットすることにより、確実に所望の状態を書き込むことができる。なお初期状態としてｃ（４×２）の替わりにｐ（２×２）の状態を選択してもよい。
【００５５】
この記録方法に基づいて、図１０（Ａ）及び（Ｂ）を組み合わせたパルス列の記録信号を用いて、記録媒体１０とＳＴＭの探針３５とを相対的に移動させて連続的に記録することができる。その際、パルス列は−０．６Ｖ以上の負電圧あるいは０．６Ｖ以上の正電圧のパルスを印加した後で印加電圧を０Ｖにする必要はなく、ＳＴＭの探針３５が各々のメモリセル１２上を走査する時点と同期させるようにしてパルスの電圧値を切り換えればよい。なお、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すパルスに換えて図１０（Ｃ）及び図１０（Ｄ）を用いてもよい。
【００５６】
本実施の形態の記録方法によれば、ＳＴＭの探針と記録媒体との間に印加する電圧を制御することにより、２つの状態を制御することができ、“０”及び“１”の情報を書込むことができる。
【００５７】
（記録媒体の再生方法）
次に再生方法について説明する。始めにＳＴＭの探針を用いてＳＴＭの探針と記録媒体間に印加して電圧を掃引することにより、探針に流れる電流に基づいて再生する方法を説明する。図８に示す記憶装置を用いて、探針３５と記録媒体１０間の電圧をバイアス電圧掃引部３７によりを変化させたときの探針と基板間とのコンダクタンスの変化、すなわち、探針に流れる電流の変化をトンネル電流検出部３９により検出する。トンネル電流検出部３９は、例えばトンネル電流が流れる経路に直列に配置された抵抗３９Ａと、その抵抗３９Ａの両端に接続され、その両端の電位差を増幅するオペアンプ３９Ｂと、微分器、ピーク検出器などからなる演算部３９Ｃから構成されている。
【００５８】
図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれｃ（４×２）の状態、及びｐ（２×２）の状態の非破壊再生波形を示す図である。図１１（Ａ）及び（Ｂ）を参照するに、ＳＴＭの探針を印加電圧０Ｖの状態でメモリセルに近づけた後、バイアス電圧掃引部３７により印加電圧を０Ｖから±０．６Ｖを超えない範囲で掃引してその際の流れる電流の変化ｄＩ／ｄＶ値を検出する。印加電圧をこの範囲内にすることによって、メモリセルの状態を変化することなく再生することができる。すなわち非破壊再生をすることができる。
【００５９】
図１１（Ａ）に示すように、メモリセルがｃ（４×２）の状態の場合は、ｄＩ／ｄＶ値は印加電圧０Ｖ付近では負の値になる。また、図１１（Ｂ）に示すように、メモリセルがｐ（２×２）の状態の場合は、ｄＩ／ｄＶ値は印加電圧０Ｖ付近では正の値になる。このようにしてメモリセルの表面構造の状態、すなわち記録された情報を再生することができる。なお、ｄＩ／ｄＶ値は、例えば微分回路により容易に得ることができる。
【００６０】
ＳＴＭの探針を用いて読出す方法は、記録の際のＳＴＭの探針と共通化することができるため、記憶装置の小型化及び簡易化を図ることができる。
【００６１】
図１２（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれｃ（４×２）の状態、及びｐ（２×２）の状態の破壊再生波形を示す図である。図１２（Ａ）及び（Ｂ）を参照するに、ＳＴＭの探針を印加電圧０Ｖの状態でメモリセルに近づけた後、バイアス電圧掃引部３７により印加電圧を０Ｖから例えば正電圧側に０．６Ｖを超えて掃引する。その際に流れる電流の変化ｄＩ／ｄＶ値を検出する。メモリセルが図１２（Ａ）に示すｃ（４×２）の状態の場合は、ｄＩ／ｄＶ値が急激に増加し、印加電圧が０．６Ｖにおいて最大となりその後減少する。また、メモリセルが図１２（Ｂ）に示すｐ（２×２）の状態の場合はほぼ単調にｄＩ／ｄＶ値が減少し、０．６Ｖにおいて最大値を示さない。したがって、０．６Ｖにおいて最大値を示すか否かにより、メモリセルの表面構造の状態を検出することができる。
【００６２】
また、印加電圧を０Ｖから例えば負電圧側に−０．６Ｖを超えて掃引すると、ｃ（４×２）の状態の場合は、ほぼ単調にｄＩ／ｄＶ値がほぼ単調に増加するのに対して、ｐ（２×２）の状態の場合は印加電圧が−０．６Ｖにおいて最小値を示す。したがって、この最小値を示すか否かによってもメモリセルの表面構造の状態を検出することができる。
【００６３】
なお、図１２（Ａ）及び（Ｂ）の波形を図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示す非破壊再生波形と比較すると、破壊再生波形は波高値が大となり良好なＳ／Ｎ比の再生動作が可能となる。なお、破壊再生を行った場合は、再生後に上述した記録動作を行う。
【００６４】
次に、反射電子線を用いた再生方法について説明する。図１３は、本発明の実施の形態に係る記録媒体の再生に用いられる記憶装置の概念図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６５】
図１３を参照するに、記憶装置４０は、記録媒体１０と、記録媒体１０に電子線ＥＢ１を射出する電子線源４１と、記録媒体１０から反射して回折した反射電子線ＥＢ２を検出する電子検出器４２と、これらを収納する真空容器３１と、真空容器３１内を１×１０−８Ｐａ以下の超高真空雰囲気に排気可能な分子ターボポンプなどからなる排気部３２と、真空容器３１内の温度を８０Ｋ以下まで冷却可能な冷却部３３などから構成されている。
【００６６】
電子線源４１は例えば、電子顕微鏡の線源として用いられているＦＥ線源を小型化したものを用いることができ、電子レンズ４３により電子線ＥＢ１のビーム径を記録媒体１０上でメモリセル１２の大きさ以下の大きさ、例えば直径１〜１０ｎｍに絞る。また、電子線ＥＢ１のエネルギーは例えば２５０ｅＶ以下、好ましくは８０ｅＶ以下とする。２５０ｅＶを超えると記録媒体１０の表面構造を変化させてしまうおそれがある。
【００６７】
電子検出器４２は例えばＣＣＤイメージセンサ等により構成されており、記録媒体表面の表面構造に対応して干渉して形成される電子線回折パターンを検出する。電子検出器４２は画像認識部４４に接続され、画像認識部４４は電子検出器４２が検出した回折パターンを認識し、予め取得した回折パターンと比較して電子線回折パターンを分類することができるようになっている。
【００６８】
電子線源４１より出射された電子線は、記録媒体１０の所望のメモリセル１２に照射され、メモリセル１２のｃ（４×２）及びｐ（２×２）の状態に対応して、反射した電子線は図１４（Ａ−１）及び（Ｂ−１）に示す回折斑点を形成する。図１４（Ａ−１）を模式的に示す図１４（Ａ−２）を参照するに、表面構造ｃ（４×２）の場合は３回対称をなす１２０度配置の回折斑点５０Ａが形成される。一方、図１４（Ｂ−１）を模式的に示す図１４（Ｂ−２）を参照するに、ｐ（２×２）の場合は４回対称をなす直交配置の回折斑点５０Ｂを形成する。この回折斑点を電子検出器４２により画像情報として検出し、画像認識部４４が回折斑点のパターンを認識する。再生速度は、干渉した電子線パターンを検出し解析する速度が律速となり、記録媒体１０を移動しながらであっても再生可能である。
【００６９】
本記憶装置４０によれば、電子線を照射し反射した回折線を用いて再生するので、非接触でかつ高速度で再生することができる。
【００７０】
次に原子間力顕微鏡を用いた再生方法について説明する。記録媒体のダイマーにより形成される凹凸形状により表面構造の状態を検出する。なお、以下、原子間力顕微鏡をＡＦＭと略称する。
【００７１】
再生動作に用いられる記憶装置は図８に示すＳＴＭと同様な構成である。ＡＦＭは、記録媒体１０表面と探針３５先端との原子間力が一定となる走査条件により記録媒体１０の表面を走査し、その際のＡＦＭの探針の高さ方向の探針駆動用回路に流すサーボ信号（電流）を再生信号とすることができる。サーボ信号は、原子間力を一定に保つために高さ方向に探針を駆動するための信号であり、メモリセル１２の表面構造とＡＦＭの探針３５先端の原子配置との関係により決定されるものである。ここで、ＡＦＭの探針３５はその先端に、記録媒体に対向する表面を（００１）結晶面とした単結晶Ｇｅの微小片を固定して用いる。
【００７２】
図１５（Ａ）はＡＦＭの探針先端の原子配置によるポテンシャル像の一例を示す図、（Ｂ）はその探針を用いてｃ（４×２）の表面構造を走査して得られたサーボ信号像、（Ｃ）はｐ（２×２）の表面構造を走査して得られたサーボ信号像である。図１５（Ｂ）及び（Ｃ）は探針と記録媒体表面とに働く斥力の大きさを表し、例えば明部５１Ａはダイマーを構成するＧｅ原子のうち、より凸となっているＧｅ原子が存在する位置であり、ここで働く斥力を一定に保つためサーボ信号は正となる領域である。一方、暗部５１Ｂは、凹となっているＧｅ原子が位置するところであり、サーボ信号は負となる領域である。
【００７３】
図１５（Ａ）に示すように、ＡＴＭの探針先端の単結晶Ｇｅの微小片はｃ（４×２）の表面構造を有する。この探針を用いてメモリセルを走査すると、メモリセルがｃ（４×２）の表面構造である場合は、図１５（Ｂ）に示すように、ダイマー列の周期性が大きいサーボ信号像が得られる。一方、メモリセルがｐ（２×２）の表面構造である場合は、図１５（Ｃ）に示すように、ダイマー列の周期性が小さいサーボ信号像が得られる。したがって、これらのサーボ信号像をパターン認識することによりメモリセルのｃ（４×２）あるいはｐ（２×２）の表面構造の状態を検出することができる。なお、明部５１Ａと暗部５１Ｂのコントラスト、すなわち明部５１Ａと暗部５１Ｂの信号の振幅は、いずれの場合もほぼ同様であり、後述する、図１６（Ｂ）のサーボ信号像とほぼ同様となる。
【００７４】
図１６（Ａ）はＡＦＭの他の探針先端の原子配置によるポテンシャル像の一例を示す図、（Ｂ）はその探針を用いてｃ（４×２）の表面構造を走査して得られたサーボ信号像、（Ｃ）はｐ（２×２）の表面構造を走査して得られたサーボ信号像である。
【００７５】
図１６（Ａ）に示すように、ＡＴＭの探針先端の単結晶Ｇｅの微小片はｐ（２×２）の表面構造を有する。この探針を用いてメモリセルを走査すると、メモリセルがｃ（４×２）の表面構造である場合は、図１６（Ｂ）に示すように、明部５２Ａと暗部５２Ｂの信号の振幅が大きいサーボ信号像が得られる。一方、メモリセルがｐ（２×２）の表面構造である場合は、図１６（Ｃ）に示すように、明部５２Ａと暗部５２Ｂの信号の振幅が図１６（Ｂ）に示すサーボ信号像より小さいサーボ信号像が得られる。したがって、これらのサーボ信号像をパターン認識することによりメモリセルのｃ（４×２）あるいはｐ（２×２）の表面構造の状態を検出することができる。
【００７６】
本再生方法によれば、記録の際に用いた探針によりメモリセルの表面構造を検出することができるので、装置を小型化・簡易化することができる。
【００７７】
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００７８】
例えば、上記の実施の形態では単結晶Ｇｅの（００１）結晶面を例に説明したが、単結晶Ｓｉの（００１）結晶面により記録媒体を構成しても単結晶Ｇｅの場合と同様の作用・効果を得ることができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば、単結晶ＧｅまたはＳｉ原子の（００１）結晶面の最表面に存在するＧｅ原子またはＳｉ原子のダイマーから構成されるメモリセルを有し、ダイマーの表面構造の状態に情報を記録することにより、最小記録単位が２つのダイマーよりなるので、従来と比較して極めて微小な最小記録単位を有しかつ規則的に配列された、高密度記録が可能な記録媒体を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る記録媒体の要部を示す斜視図である。
【図２】実施の形態に係る記録媒体を拡大して示す平面図である。
【図３】（Ａ）および（Ｂ）はメモリセルの再配列構造を示す要部拡大図である。
【図４】ダイマーおよびそれに結合するＧｅ原子の配置を示す断面図である。
【図５】（Ａ）はｃ（４×２）の再配列構造のＳＴＭ像、（Ｂ）は（Ａ）の模式図である。
【図６】（Ａ）はｐ（２×２）の再配列構造のＳＴＭ像、（Ｂ）は（Ａ）の模式図である。
【図７】実施の形態に係る記録媒体の製造方法を示すフローチャートである。
【図８】実施の形態に係る記録媒体の記録に用いられる記憶装置の概念図である。
【図９】印加する電圧と表面構造との関係を示す図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｄ）は記録信号の一例を示す図である。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は非破壊再生波形を示す図である。
【図１２】（Ａ）及び（Ｂ）は破壊再生波形を示す図である。
【図１３】実施の形態に係る記録媒体の再生動作に用いられる記憶装置の概念図である。
【図１４】（Ａ−１）及び（Ｂ−１）は回折像、（Ａ−２）及び（Ｂ−２）は（Ａ−１）及び（Ｂ−１）の各々の模式図である。
【図１５】（Ａ）はＡＦＭの探針先端の原子配置によるポテンシャル像の一例を示す図、（Ｂ）及び（Ｃ）はその探針を用いて得られたサーボ信号像である。
【図１６】（Ａ）はＡＦＭの他の探針先端の原子配置によるポテンシャル像の一例を示す図、（Ｂ）及び（Ｃ）はその探針を用いて得られたサーボ信号像である。
【符号の説明】
１０      記録媒体
１１      単結晶Ｇｅ基板
１２      メモリセル
１３      メモリ境界線
１４      Ｇｅ原子
１５、１５Ａ１〜１５Ａ４、１５Ｂ１〜１５Ｂ４  ダイマー
１６Ａ１〜１６Ａ４、１６Ｂ１〜１６Ｂ４  電気双極子
１８      ダイマーの一層下のＧｅ原子
３０、４０      記憶装置
３５      ＳＴＭの探針
３８      記録信号発生部
【図１】
2005071421.tif 000004
【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】
2005071421.tif 000010
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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