(57)【要約】【課題】  金属探針を使用して通電して情報を記録再生する記録再生装置において、記録密度、転送速度が大きく、簡単な構成で装置寿命の長い記録再生装置を提供する。【解決手段】  金属探針５を上方から見て保持部より突出させ、金属探針の上方に設けた導光路３４から金属探針先端に光照射することにより再生信号を増大させる。金属探針下部に導光路を設けるよりも、装置全体の構成が簡便になり、製造コストが低減すると共に、記録再生装置の信頼性が向上する。【選択図】  図５
2005276269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の強磁性金属層、前記第１の強磁性金属層の上に形成された非磁性金属層及び前記非磁性金属層の上に形成された第２の強磁性金属層を含む多層膜を備える記録媒体と、
前記記録媒体に対向させて配置した金属探針と、
前記金属探針を固定する探針保持部と、
前記金属探針と前記記録媒体の間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記金属探針の上方に設けられた導光路を有する光入射手段とを含み、
前記記録媒体に記録された情報の再生時に前記導光路から前記金属探針と前記記録媒体の間に光を照射することを特徴とする磁化情報記録再生装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁化情報記録再生装置において、上方より見たとき、前記金属探針は前記探針保持部より前方に突出していることを特徴とする磁化情報記録再生装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の磁化情報記録再生装置において、前記多層膜は、少なくとも前記第２の強磁性金属層が電気的に絶縁された複数の柱状領域が多数離間して形成されたナノピラー構造を有し、前記ナノピラー単位で情報の記録再生を行うことを特徴とする磁化情報記録再生装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の磁化情報記録再生装置において、前記探針保持部は矩形状フレームの一部をなし、各々が１個の金属探針を有する複数のフレームによって格子状のフレーム集合体が構成され、当該フレーム集合体の上部に複数の導光路、前記導光路に接続された導光路構成部、前記金属探針に接続されたＲ／Ｗ用の配線構成部が配置されていることを特徴とする磁化情報記録再生装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項記載の磁化情報記録再生装置において、前記探針保持部は矩形状フレームの一部をなし、各々が１個の金属探針を保持する複数のフレームによって格子状のフレーム集合体が構成され、当該フレーム集合体の周辺部に複数の導光路、前記導光路に接続された導光路構成部が配置されていることを特徴とする磁化情報記録再生装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の磁化情報記録再生装置において、前記記録媒体を水平及び垂直方向に駆動する駆動部を有することを特徴とする磁化情報記録再生装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項記載の磁化情報記録再生装置において、前記フレーム内部に前記金属探針と前記記録媒体の間の距離を調整するための伸縮部材が設けられていることを特徴とする磁化情報記録再生装置。
【請求項８】
請求項１記載の磁化情報記録再生装置において、前記記録媒体を回転駆動するモータと、前記記録媒体の回転により前記記録媒体の表面に浮上するスライダとを有し、前記金属探針は前記スライダの後端下部に固定されていることを特徴とする磁化情報記録再生装置。
【請求項９】
請求項８記載の磁化情報記録再生装置において、前記金属探針及び前記導光路が前記スライダに複数設けられていることを特徴とする磁化情報記録再生装置。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の記録再生装置において、前記スライダ上部にジンバルを有し、前記導光路が前記ジンバルに設けられていることを特徴とする磁化情報記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大容量の情報を超高密度で記録・再生することのできる磁化情報記録再生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高度情報通信システムやコンピュータネットワーク等において、インターネットブロードバンドの広がりと共にコンピュータで使用されるデータは、年々急速に増大している。それに伴って、大容量、高速な記録再生装置の要求が急速に高まっている。従来のランダムアクセスが可能な高密度記録技術には磁気記録、光記録、半導体メモリ等がある。半導体メモリではその集積度が年々向上しているが、製造技術等の問題により、大容量のデータ（３ＧＢ以上）の容量を満たすような半導体メモリは未だ実現されていない。また、磁気記録及び光記録においては、大容量の情報記録を行うには記録領域を小さくして記録密度を向上させることが必要である。磁気記録においては、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）型磁気ヘッド等の開発により記録密度向上が著しいが、再生ヘッドの感度の問題で１００ｎｍ以下の単位記録領域の達成は難しい。また、光記録においても、波長５００ｎｍの半導体レーザが開発された場合でも、光の回折限界のため、１００ｎｍ以下の記録領域の実現は難しいとされている。
【０００３】
一方、原子分子レベルの空間分解能を持つ走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴＭと言う）や原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと言う）が開発されて、種々の微細形状解析に適用されて、表面解析装置として広く利用されている。特に近年ではＡＦＭは種々の物理量を検出できる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）として発展しており、最近、これらの手段、すなわち原子分子にアクセスする手段を用いて記録再生装置としての実現可能性の検討が種々行われている。これらのＳＴＭ、ＡＦＭ等に使用されるカンチレバーを用いた記録再生装置としては、例えば特許文献１に記載の情報記録再生装置のように、先鋭化した導電性プローブ（金属探針）にバイアス電圧を印加し、トンネル電流を流してアモルファス層のフィールドに多結晶層のマークを書き込むことにより情報を記録し、その後の抵抗値の変化を電流の変化により確認することで読み取るようになっている。また、カンチレバーを用いた磁化情報の読み出し手法として、特許文献２には、強磁性体金属層／非磁性金属層／強磁性体金属層の三層膜構造の電子状態が、磁化方向に依存して変化することを用いて、トンネル電流により検出する方法が記載されている。また、非特許文献１には、磁化検出技術ではないが、金属表面とカンチレバーとの間に光を照射しプラズモンを励起することで、大きな直流電流が流れることが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８８８９６号公報
【特許文献２】特開平１１−７３９０６号公報
【非特許文献１】N.Kroo et al, Europhys.Lett., 15, 289(1991)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記カンチレバーを用いた磁化制御／検出方法では、書き込まれた磁化状態を読み出す方法として、トンネル電流を用いて磁化の平行、反平行状態の違いを計測する。この手法は、通常のＳＴＳ（scanning tunneling spectroscopy）技術を用いたものであり、金属探針と媒体表面とが１ｎｍ程度離れている時に測定電流は通常ｎＡ程度である。一方、テラビット級のＨＤＤにおいては磁化情報の読み出し速度として、少なくとも１ＧＨｚ（１０９回／ｓ）程度が必要とされており、ＳＴＳ技術のようなトンネル過程を用いた検出手法において、ショットノイズを低減させるためには、トンネル電流を増大させることが必要である。例えば１ＧＨｚの動作速度において、２０ｄＢのＳ／Ｎ比を持たせるためには、μＡ程度のトンネル電流を流す必要がある。金属探針を媒体表面にさらに近づけることで、測定電流値をより増大させることは可能であるが、この場合、金属探針と媒体表面とが接触し、金属探針が変形／損傷する可能性が高くなってくる。
【０００６】
本発明は、金属探針を媒体表面からなるべく離した状態で、媒体に書き込まれた磁化状態をＧＨｚレベルの動作速度で読み取ることができる記録再生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、金属探針を媒体表面に近づけずにトンネル電流を増大させる方法の一つとして多層膜媒体と金属探針の間に光を照射する方法について検討した。すなわち、強磁性金属層／非磁性金属層／強磁性金属層の少なくとも３層膜構造を持つ多層膜媒体に書き込まれた磁化情報を読み取るために、多層膜と金属探針間に光を照射し、金属探針・多層膜間のプラズモン共鳴／非共鳴を制御する方法について検討した。金属探針・多層膜間にプラズモンが励起されると、トンネル電流が３桁程度増大するため、ＧＨｚレベルの読み取り動作に耐えるトンネル電流を得ることができる。同時に、金属探針先端に励起されたプラズモンからの発光の強度や偏光状態の変化を測定することで、多層膜中の磁化の平行／反平行を読み取ることも可能である。
【０００８】
検討の結果、この方法の実現に当たっては、照射する光は金属探針の先端と多層膜媒体表面の間に入射する必要があり、また照射光の偏向方向が媒体表面に垂直であることが必要であることが分かった。従って、従来のＳＴＭやＡＦＭのように、カンチレバーに対して金属探針が垂直に設置され、上方から見たとき金属探針がカンチレバーの下に隠れてしまう構造の場合、金属探針の横方向に光照射部となる導光路等を設けて真横から光を照射しなければならない。金属探針をスライダに取り付ける媒体回転型の装置、もしくはＡＦＭ装置のようなステージ移動型の装置において、光照射用の導光路を金属探針の真横に個々に配置するとなると、構造が複雑になる。また、多数の金属探針を設けた場合には全ての金属探針の真横に導光路を設置しなければならないため、長い導光路が必要であり、製造も難しいため製造コストが高価になると予想される。
【０００９】
そこで、本発明では、金属探針の上方に導光路を有する光入射手段を設け、記録媒体に記録された情報の再生時に導光路を通して金属探針の上方から金属探針と記録媒体の間に光を照射する構成を採用した。金属探針と記録媒体の間に電界又は電圧をかけることにより記録媒体の磁化や抵抗等を変化させて通電記録を行い、情報の再生時には金属探針と記媒体の間に光を照射して金属探針・多層膜間にプラズモンを励起し、トンネル電流を増大させてデータ再生時の感度を向上させる。金属探針と記録媒体の間に上方から光を照射するためには、上方より見たとき、金属探針がそれを固定している探針保持部より前方に突出した構造とする必要がある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、装置全体の構成を簡便にすると共に製造コストも低減することができ、記録再生装置の低価格化、信頼性向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。理解を容易にするため、以下の図において同じ機能部分には同じ符号を付して説明する。
【００１２】
まず、本発明で用いられている記録方式の原理について説明する。図１は、本発明の磁化情報記録再生装置で用いられる記録原理を示す説明図である。この磁化情報記録再生装置は、磁気記憶媒体５０とこれに対面して設けられた金属探針５及び照射光１２０を発生する光源としての半導体レーザ１３０を主要な構成要素とする。
【００１３】
磁気記憶媒体５０は、基板１０１上に順次積層して形成された強磁性金属層１、非磁性金属層２、強磁性金属層３、保護膜４を備える多層膜５１より構成されている。この多層膜５１の保護膜４の面に対向して、１ｎｍオーダーの極めて近い距離に金属探針５が配置される。金属探針５は、探針保持部６に固定されている。保護膜４と金属探針５との距離を制御するために、磁気記録媒体５０と金属探針５の間に流れるトンネル電流をフィードバック信号として用いても良く、また、原子間力顕微鏡における光てこ方式を用いてフィードバック信号を生成してもよい。また、距離制御用の探針を電界制御用金属探針５とは別に設けても良い。
【００１４】
多層膜５１を構成する強磁性金属層１及び３としては、例えばＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の強磁性単体金属又はＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，ＣｏＮｉなどの合金が使用できる。非磁性金属層２としては、例えばＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の金属が使用できる。保護膜４は例えばＡｕのような非磁性貴金属を用いるが、保護膜４は無くてもよい。ちなみに本実施例では、強磁性金属層１，３としてＦｅ、非磁性金属層２としてＡｕ、保護膜４としてＡｕを用いた。
【００１５】
多層膜５１中のフェルミ準位近傍の電子は多層膜５１中に閉じ込められており、その閉じ込められた状態に応じて図１に模式的に示すような種々の量子井戸状態７〜１０を形成する。図１の右半分の領域は、強磁性金属層１及び３の磁化の方向が長い矢印で示すように平行な場合であり、この場合には、その磁化と反平行な短い矢印で示す電子スピンを持つ電子の状態は参照符号８のように非磁性金属層２中にほぼ閉じ込められる。これに対し、磁化と平行な短い矢印で示す電子スピンを持つ電子の状態は参照符号７のように多層膜５１中の全体に閉じ込められる。一方、図１の左半分の領域は、強磁性金属層１及び３の磁化の方向が反平行な場合であり、この場合には、電子の状態はそのスピンの向きに依存して参照符号９で示すように、層１〜２中に閉じ込められ、あるいは、参照符号１０で示すように、層２〜３中に閉じ込められる。
【００１６】
これらの量子井戸を形成する電子の状態は、強磁性金属層１及び３の磁化の方向に依存するだけでなく、多層膜５１の表面（保護膜４の表面）の状態に敏感に依存する。多層膜５１の表面である保護膜４の表面に金属探針５を近づけると、保護膜４と金属探針５のイメージポテンシャルが重なり合い、量子井戸電子を閉じ込めている実効的なポテンシャルが変形する。
【００１７】
本例の磁化情報記録再生装置は、保護膜４の表面と金属探針５との距離を所定値に維持した状態で、多層膜５１と金属探針５との間に電圧Ｅ０又は−Ｅ０を印加できるようにしている。すなわち、スイッチ１７又は１８を選択的にオンとして、多層膜５１と金属探針５との間に電圧Ｅ０又は−Ｅ０を印加すると、保護膜４の表面における閉じ込めポテンシャルが変化する。その結果、量子井戸電子を閉じ込める境界条件が変化するため、量子井戸電子のエネルギー準位が変化する。この量子井戸準位のエネルギーが変化することにより、強磁性金属層１と強磁性金属層３との相対的な磁化の方向が変化するため、強磁性金属層１と強磁性金属層３の磁化が平行か反平行かで情報を記録することができる。また、例えば、強磁性金属層１及び３／非磁性金属層２の組み合わせがＣｏ／Ｐｄ，Ｃｏ／Ｐｔ，Ｆｅ／Ｐｔの場合は、磁化方向が膜面に垂直方向であるが、同様に量子井戸準位を制御することが可能である。
【００１８】
多層膜５１に書き込まれた磁化情報は、スイッチ１６をオンにし、多層膜５１と金属探針５との間に電圧Ｅ（│Ｅ│＜＜│Ｅ０│）を印加し、金属探針５と多層膜５１との間に流れるトンネル電流１５を用いて読み出すことができる。これは、強磁性金属層１と強磁性金属層３の磁化が平行か反平行かで、多層膜５１中に形成される量子井戸電子のエネルギー準位が変化するため、一定電圧Ｅのもとで測定されるトンネル電流が、磁化方向に依存して変化するからである。
【００１９】
磁化情報をトンネル電流により読み出す際に、半導体レーザ１３０からの照射光１２０を、金属探針５と保護膜４との間近傍に照射する。入射光のエネルギーを適当に選ぶことにより、金属探針５と保護膜４との間にプラズモンを励起することが可能である。
【００２０】
図２は、照射光１２０のエネルギーをプラズモン共鳴エネルギー近傍に設定した時のトンネル電流の大きさを、金属探針５と保護膜４との間のバイアス電圧Ｅの関数として示したものである。照射光１２０をオンすることにより、光なしの時に比べてトンネル電流を増大させることが可能である。特に、バイアス電圧が０Ｖ近傍では、３桁程度トンネル電流を増大させることが可能であり、照射光１２０をオンすることで、ｎＡレベルのトンネル電流をμＡレベルまで増幅することが可能である。
【００２１】
図３は、強磁性金属層１と強磁性金属層３の磁化が反平行の時のプラズモン共鳴エネルギーに照射光１２０のエネルギーを設定した場合の、トンネル電流１５の変化を、記録位置の関数として示したものである。強磁性金属層１と強磁性金属層３の磁化が平行か反平行かに依存してプラズモン共鳴エネルギーが変化するため、トンネル電流１５の大きさも、強磁性金属層１及び３の磁化が平行か反平行かに依存して変化する。また、トンネル電流の増大は入射光１２０の偏光方向が金属探針５の軸方向（Ｐ偏光）の時に顕著に観測され、偏光方向が探針の軸に垂直方向（Ｓ偏光）の時はあまり大きな増大効果はみられない。金属探針の軸方向の偏光（Ｐ偏光）を用いることで、記録された磁化の方向をμＡレベルのトンネル電流で読み出すことができ、ＧＨｚレベルの読み出し動作が２０ｄＢ程度のＳ／Ｎ比で可能になる。なお、金属探針５先端と多層膜５１間に生じるプラズモンからの発光強度を光検出器で検出してもトンネル電流検出と同様の効果が得られる。
【００２２】
図３では、強磁性金属層１と強磁性金属層３の磁化が反平行の場合にプラズモン共鳴が起きるように照射光１２０のエネルギーを設定しているため、反平行の場合にトンネル電流が増大しているが、逆に強磁性金属層１と強磁性金属層３の磁化が平行の場合にプラズモン共鳴が起きるように照射光１２０のエネルギーを設定してもよい。その場合には、トンネル電流１５は磁化が平行の場合に増大するようになる。
【００２３】
次に、磁化情報記録再生装置の媒体５０として、ナノピラー１１を構成した媒体を用いた実施例について述べる。図４はナノピラー１１と呼ばれる平面上の寸法がｎｍレベルの円形あるいは四角柱の記録ドットが構成された媒体５０の断面図を示している。図示した媒体５０では、多層膜５１を構成する強磁性体１、非磁性体２、強磁性体３及び保護膜４が、各層の形成時にレジストパターニング、イオンミリング、レジスト除去等の半導体製造に広く用いられているリソグラフィ技術により、ドット状にパターニングされており、柱状のナノピラー１１が規則的に多数離間して形成されている。なお、強磁性体１を各ナノピラーで共通とした構造、強磁性体１と非磁性体２を各ナノピラーで共通とした構造等としてもよい。
【００２４】
図１に示したように、多層膜５１中のフェルミ準位近傍の電子は、上記で述べた量子井戸状態を形成するが、本実施例の媒体ではこれらがナノピラー１１中に閉じ込められる。形成した量子井戸状態がナノピラー１１中に閉じ込められるので、隣接した記憶領域の影響を受けにくくなり、媒体の記憶特性は向上する。ナノピラー１１は、現在の磁気記憶ディスクの記憶フォーマットに対応できるように、配列されて構成されるのが良い。
【００２５】
また、各ナノピラー１１は、各々電気的に完全に絶縁された構造となっている。各ナノピラー１１間には図４に示すように空間が配置される場合もあるが、この間隙部分がアルミナ、窒化シリコン、酸化シリコン、ダイヤモンド等の絶縁体もしくはＳｉ等の半導体のように磁性を持たない材料により埋められていても同様の効果を得ることができる。このような構成とすることにより、各ナノピラー１１間で電気的、磁気的に干渉し合うということがなく、熱記録方式等と比較しても各ナノピラー１１（記録ドット）間を極めて小さく（５ｎｍ以下）できるという利点があり、ナノピラー１１間を高密度に配置できるため記憶容量を増大させることが可能となり、記憶特性は向上する。
【００２６】
上記で述べた記録原理及び記録媒体を用いた本発明による磁化情報記録再生装置の構成例を次に示す。最初に平面ステージ型の記憶装置の構成例を述べる。
【００２７】
図５は本発明による記録再生装置の主要部を、図６は記録再生装置全体の構成を示すブロック図である。図５において、複数の金属探針５は、上部のフレーム３３（フレーム集合体３３’）により支持されている。フレーム３３上部には、金属探針５の先端に照射光１２０を照射する導光路３４が形成されており、その上部には導光路３４と図６に示す照射光制御回路４０を結ぶための導光路構成部３５が構成されている。照射光制御回路４０により出力された照射光１２０は導光路構成部３５を通り、各導光路３４から金属探針５の先端に照射される。さらに導光路構成部３５上部には金属探針５先端からのＲ／Ｗ（read/write）信号、トンネル電流等を図６に示す信号処理回路４１に送信するための配線構成部３６が設けられている。信号は配線構成部３６に接続したコネクタ部を通して図６の信号処理回路４１に出力される。また、フレーム３３とその上部に形成された導光路構成部３５、配線構成部３６は支持部３７により支持されている。
【００２８】
図６を用いて、さらに詳細に動作を説明する。フレーム３３、導光路構成部３５、配線構成部３６等を支持する支持部３７上部の四隅にはＰＺＴ３８が設けられており、支持部３７が媒体５０に平行になるように制御する構成となっている。支持部３７と媒体５０間の平行度を保つために、フレーム集合体３３’の四隅には静電容量センサ３９が設けられており、フレーム集合体３３’と媒体５０間の平行度を平行度検出回路１０７により常時チェックして、ＰＺＴコントローラ４２により支持部上部のＰＺＴ３８に信号を出して一定の平行度を保つように制御している。また、金属探針５が位置しているフレーム３３内部にはＰＺＴ４８等のＸＹＺ方向の位置決め駆動機構（図示せず）を薄膜状にして組み込んであり、所望の電圧をかけることにより微小な位置制御を行わせることも可能となっている。
【００２９】
一方、媒体５０は媒体が固定されたステージ４５の下部にはＸＹ及びＺスキャナ４６，４７が配置されていて、金属探針５に対してＸＹスキャナ４６により平行に、Ｚ軸スキャナ４７により垂直方向に媒体５０を移動する構成となっている。ＸＹ及びＺ方向のスキャナ４６，４７には高精度に位置決めを行うため、各方向に精度よく駆動させるためのスキャナコントローラ（位置決め駆動制御回路）４４が設けられている。ＸＹ及びＺスキャナ４６，４７は支持部３７の上部に設けても同様の動作を行うことは可能である。しかし、金属探針５への配線等の関係から、実際には媒体５０を固定したステージ４５の下部に設けるのが望ましい。
【００３０】
また、既に述べたように金属探針５には電圧又は電界等をかけて電流を流して情報の記録再生を行う電圧印加（Ｒ／Ｗ）回路４３及びその読み取り情報を信号として処理する信号処理回路４１が設けられており、高速で大容量の信号処理を行うようになっている。これらの回路は製品に組み込まれる際には回路素子として構成される。
【００３１】
Ｒ／Ｗ時の動作としては、金属探針５と媒体５０間に電圧印加回路４３により電界、又は電圧が印加され、トンネル電流等の位置検知信号により金属探針５の先端と媒体５０間の距離が所望の距離になるように、ＸＹ及びＺスキャナ４６，４７にスキャナコントローラ（位置決め駆動制御回路）４４から信号が送られる。さらに、ＰＺＴ３８により媒体に平行に、また後述するフレーム３３の金属探針５上部に埋め込まれたＰＺＴ４８等により垂直方向の距離を制御する。所望の距離になった後に電圧印加（Ｒ／Ｗ）回路４３によりＲ／Ｗ用の電界、又は電圧を再度印加し、媒体５０に情報を記録、消去する。再生時には、電界又は電圧を再度印加し、情報をその電流変化により読み取る。これらの信号は全て金属探針５の上部に設けられた配線構成部３６内に形成された配線を通して送信される。
【００３２】
本実施例では、媒体５０の面積を３２ｍｍ角とし、媒体５０の１００×１００μｍ角の面積を１本の金属探針５が専用にＲ／Ｗ（read/write）する受け持ちエリア（面積）とした。媒体５０は、１本の金属探針５の受け持ち面積に相当するエリア（１００×１００μｍ角）を媒体５０下部に設けられたＸＹスキャナ４６によりＸＹ方向に、Ｚ軸スキャナ４７によりＺ方向に移動し、所望の位置のデータを金属探針５によりＲ／Ｗする構成となっている。また、金属探針５は、図１０に示す各受け持ちエリア（面積）に相当する各フレーム３３に１個設けられている。各フレーム３３は例えば１００μｍ角で構成され、媒体５０全体が３２ｍｍ角とすると、１００μｍ×１００μｍ角のフレームがＸＹ方向に３２個構成される。従って、金属探針５が構成されたフレーム３３の集合体全体の総数は３２×３２＝１０２４個となる。従って、媒体全体に設けられた金属探針５の総数も１０２４本となる。このように多数の金属探針５を設けることにより一度に処理できるデータ数を飛躍的に増やすことが出来る。また、各受け持ちエリア（面積）に存在する金属探針の数を増やすことにより、さらにデータ処理速度を上げることも可能である。
【００３３】
また、既に述べたように、媒体５０表面に平行に位置したフレーム集合体３３’はその四隅の媒体５０表面の対向面に媒体５０とフレーム集合体３３’間の距離に応じて容量が変化する静電容量センサ３９が設けられており、各々の容量が少なくとも３箇所が一致するように支持部３７上部に設けられたＰＺＴ３８を変位させることにより媒体５０表面とフレーム集合体３３’の平行度を制御する構成としている。
【００３４】
図７に、フレーム３３上部に設けられた導光路３４と導光路構成部３５の内部構造を示す。各導光路３４は各フレーム３３上部に位置した導光路構成部３５に接続された数μｍ〜数１００μｍ程度の太さを持つファイバー等により形成されている。各導光路３４は前記導光路構成部３５内部を通り、超小型化された光照射装置６０にコネクタ部１０５等を介して接続される。さらに図６に示した照射光制御回路４０に接続されて、制御信号が光照射装置６０に送信されることにより照射光が金属探針５に照射される。照射光制御回路４０が搭載された回路基板上には、図６に示した各制御回路４０〜４４，１０７が超小型化されて搭載されている。
【００３５】
このように金属探針５を支持するフレーム３３の上部に導光路構成部３５を設けた場合は、媒体５０を支持するステージ４５側にＸＹＺ方向走査用のスキャナ４６，４７を設けることが装置的には望ましい。
【００３６】
また金属探針５の材料としては、トンネル電流を効率的に流すＷが望ましく、また金属探針の先端部には大気中における酸化を防止するＰｔ，Ｐｔ／Ｉｒ等の貴金属などを設けることが望ましい。各金属探針５にはＲ／Ｗ信号を検知する電線（配線）が設けられており、各配線はフレーム３３を通り、配線構成部３６、コネクタ部１０５等を介して図６に示した前記電圧印加（Ｒ／Ｗ）回路４３及び信号処理回路４１に接続される。
【００３７】
図８は、本発明の金属探針５と金属探針５を支える探針保持部６を上部から見た図である。図８（ａ）は比較的長い金属探針５が探針保持部６に片持ち梁式に固定されている例を示し、図８（ｂ）は比較的短い金属探針５が探針保持部６に両持ちはり式で固定されている例を示している。いずれの場合においても、金属探針５は上部からみて、その先端部が探針保持部６より前方に突出する構造となっている。このような構造を採用することにより、金属探針の先端に光照射するための導光路３４を金属探針５の上部に設けることが可能になる。これにより、上部に位置した導光路３４から金属探針５の先端に斜め上から照射光１２０を照射することが出来るため、装置の構成を簡単にすることができ、コストも削減できる。以下にさらに詳しく構成例について述べる。
【００３８】
図９に、金属探針５が設けられた各フレーム３３、フレーム集合体３３’の構成例を示す。図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は側面図である。各フレーム３３は例えば１００μｍ角の大きさを有し、媒体全体が３２ｍｍ角とすると、１００μｍ×１００μｍ角のフレームがＸＹ方向に３２個構成される。従って、それぞれ１個の金属探針を有するフレーム３３の集合体全体の総数は３２×３２＝１０２４個となる。各フレームは静電容量センサ３９により媒体５０に対する平行度を検知し、上部に位置したＰＺＴ３８により調整される。
【００３９】
次に図１０に、各フレーム３３の内部の構成例を示す。図１０（ａ）はフレーム集合体に設けられたフレーム（ここでは６個）の概略図、図１０（ｂ）は一つのフレーム部分を表す上面図、図１０（ｃ）は一つのフレーム部分の側面図である。各々のフレーム３３に、探針保持部６に固定された１本の金属探針５が設けられており、各金属探針５の上部には照射光１２０を照射する導光路３４が設けられている。この導光路３４により照射光１２０が探針保持部６より突出した金属探針５の先端に入射し、トンネル電流を増大させ、Ｓ／Ｎ比を向上させる。また図１０において、探針保持部６の中央部の上部には金属探針を上下に移動させるＰＺＴ４８（圧電素子）等の伸縮部材が内蔵されており、検出されたトンネル電流に基づいて金属探針５を上下させて所望の高さになるように制御する構成となっている。
【００４０】
図１１は、比較的長い金属探針５がフレームの一部に片持ち梁式に固定された実施例を示している。図１１（ａ）はフレーム集合体に設けられたフレーム（ここでは６個）の概略図、図１１（ｂ）は一つのフレーム部分を表す上面図、図１１（ｃ）は一つのフレーム部分の側面図である。
【００４１】
金属探針５は図１０の実施例と異なり、フレームの一部である探針保持部６に片持ち梁式に固定されている。しかし、金属探針５の先端が探針保持部６よりも先端に突出しているため、上部に設けた導光路３４より探針の先端に効率的に照射光１２０を照射することが可能であり、図１０の実施例と同様にトンネル電流を増大させ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００４２】
以上述べたように、導光路３４を金属探針５の上部に導光路構成部３５として設けることにより個々の金属探針５を軽量化することができ、金属探針５の位置決め等の動作を正確に行うことができる。また、同時に金属探針５の浮上量制御（０〜１ｎｍ）を正確に行うことができる。従って、個々の金属探針５を正確に早く所望のデータにアクセスさせることができ、転送速度が大きく、Ｒ／Ｗエラーの少ない記録再生装置を提供することができる。また、個々の金属探針５に設けていた導光路の配線を削減することができるため、支持部３７全体の重量も軽量化でき、フレーム集合体３３’全体の平行度制御も容易に行えるようになり、さらに装置全体も軽量化できる。
【００４３】
次に図１２に、金属探針５全体にフレーム集合体３３’周辺部に設けた導光路構成部３５、その内部に構成された導光路３４から光を照射する方式の実施例を示す。導光路３４は、金属探針５の先端に照射光１２０を効率的に照射するために、各金属探針５に妨げられない角度で照射されるように真横の周辺部に所望の角度で光照射を行うように最適に配置されている。また、その導光路３４の数も全金属探針５の照射に必要十分な数を配置している。また、照射光１２０の強度は、トンネル電流に必要かつ内部の温度上昇を起さない範囲内で設定される。その際に、もし温度上昇が生じた場合には、図示しないファンや放熱フィン等の冷却手段を装置内に設けるものとする。また、各導光路３４の先端には光を所望の角度で広げるための最適なレンズが設けるか、又は先端形状が所望の開口数（ＮＡ）になるように構成される。
【００４４】
また、各フレーム３３の金属探針５は照射光１２０が妨げられないように図１２に示すように少しずらして配置される。このように配置することにより効果的に全金属探針に光照射することができる。探針の先端位置をフレーム毎に変えると、各割り当て領域の走査エリアが変わる可能性があるが、その際には、ＸＹスキャナ４６の移動距離を金属探針５の配置に応じて変えることやそれと共に探針のデータ読み取りを移動や位置に応じて制御し、データの効率的なＲ／Ｗを行う。
【００４５】
上記のような構成とすることにより、効率的に金属探針５の先端に照射光１２０を照射することができ、個々の金属探針５毎に導光路３４を設けるより導光路の個数を減らすことが出来るため、装置全体の構成も簡単にすることができ、製造コストを低減できる。
【００４６】
また、さらに別の効果としては、個別の導光路の配線が不要になったため、金属探針５の上部に導光路構成部３５を設ける必要がなくなり、支持部３７の軽量化が図れるため、上記したように平行度の調整や位置決めがより正確に行えるようになり、また移動速度も向上するため転送速度が上昇する。さらに、周囲に導光路構成部３５を設けて全体に照射することにより個々の金属探針５に導光路３４を設けるより、光源及び導光路３４の配線を低減できる。また構造も簡単になり、装置の低コスト化が図れる。
【００４７】
また、上部に設けた配線構成部３６と導光路構成部３５との干渉を防止でき、配線構成部３６の配線間隔を広げることができ、配線間の干渉を防止でき、Ｒ／Ｗ特性を向上することができる。導光路構成部３５に設けられた導光路３４は超小型化された光照射装置６０に接続される。光照射装置６０は照射光制御回路４０からの指示により照射光を照射する。
【００４８】
図１３は、図１２に示したユニット１５０を４つに組み合わせて構成した実施例を示している。このように図１２の各ユニット１５０を複数搭載することにより、光を効率的に照射し、かつ多数の金属探針５を搭載することが可能となる。
【００４９】
次に、回転型の記録再生装置の実施例について述べる。図１４は、本発明による磁気記録再生装置の構成例を示す概念図である。前述した多層膜５１を、円板状の記録媒体２０とする。多層膜５１に対向して設けられる金属探針５は、アーム２３の先端部に設けられたスライダ６５の下部に取り付けられる。アーム２３は回転支持軸２４の回りに回動可能であり、アーム制御用モータ１６３により位置制御される。円板状の記録媒体２０を、スピンドルモータ１６１により回転軸１６０を中心に回転させると、通常の磁気ディスク装置と同様、スライダ６５は所定の距離だけ浮上する。
【００５０】
円板状記録媒体２０の基板表面と、金属探針５との間にアーム２３を介して電圧を付与することにより、多層膜５１と金属探針５との間に電界を加えれば、多層膜５１に付与電圧に対応した磁化方向のドメインとして情報を記録させることができる。ここで、多層膜５１、回転軸１６０、及び絶縁支持台１６２上に支持されているスピンドルモータ１６１は導電性がありかつ電気的に接続されており、スピンドルモータ１６１もしくは回転軸１６０と接続された信号電流線１７０により電圧印加、電流検出等を行うことができる。回転軸１６０部分から信号電流線１７０をとる場合は、スピンドルモータ１６１と回転軸１６０とは電気的に絶縁されていてもよい。
【００５１】
書き込みデータは、信号処理回路１６７から書き込み制御信号１７５として電圧印加装置１６４に出され、電圧印加装置１６４は金属探針電圧１７４を金属探針５と多層膜５１との間に印加する。読み出し動作時は、書き込み用の印加電圧（Ｅ０）よりも小さな読み出し用印加電圧Ｅを金属探針５と多層膜５１との間に印加し、かつ光制御装置１６６からの光制御信号１７３により光照射部６０から金属探針５に光照射する。金属探針５により円板状記録媒体２０に書き込まれた磁化方向は、光入射によりプラズモン共鳴増大された金属探針５と円板状記録媒体２０との間に流れるトンネル電流信号１７０を、電流増幅検出装置１６５によって読み取ることが可能である。読み取りデータ信号１７６は、信号処理回路１６７で信号処理され、必要に応じて入出力される。また、電流増幅検出装置／サーボ信号生成装置１６５は検出されたサーボパターンからサーボ信号１７１を生成し、アーム２３のトラック位置を制御することが可能である。
【００５２】
このように、多層膜５１に対して金属探針５の電位を記録すべき信号に対応して制御し、プラズモン共鳴増大によるトンネル電流により書き込まれた磁化方向を検出すれば、一般の磁気ディスク装置と同様の磁気記録装置が実現できる。また、媒体として前記で述べたナノピラー１１で構成された媒体５０を用いることも可能である。その際の動作は以下のようになる。アーム２３の先端に取り付けられたスライダ６５による揚力で金属探針５は円板状記録媒体２０と一定の間隔を維持し、金属探針５は所望の位置のナノピラー１１に磁化を書き込む。一方、金属探針５によりナノピラー１１に書き込んだ磁化は、光入射によるプラズモン共鳴増大による金属探針５とナノピラー１１との間に流れるトンネル電流の変化により読み取る。
【００５３】
図１５に本発明の金属探針５上部に導光路６１を設けたスライダ６５を示す。図１５（ａ）はスライダ６５の構造を示している。スライダ６５の後端部に図に示した切り欠き部を設け、その切り欠き部の上部に導光路６１を設けている。さらに切り欠き部の下部に金属探針５を設けている。スライダ６５は浮上時には図１５（ｂ）に示すように空気流入により前端が後端より高く浮上する姿勢になるため、金属探針５の先端が媒体５０に非常に近接する（１０ｎｍ以下）状態で浮上し、Ｒ／Ｗを行うことができる。このようなスライダ６５により、切り欠き部上部に埋め込まれた導光路６１から切り欠き部下部の金属探針５に効果的に照射光１２０を照射することが出来る。また、導光路６１を切り欠き部の上部に設けたことにより、導光路６１をスライダ６５を支持するジンバル６６上部、又は内部を通らせてスライダ６５上部に導光路６１を構成することが可能となった。これは従来例で示したようにスライダ６５の下部に導光路６１を通すことよりもスライダ６５の製造が簡単になり、また導光路６１の使用長さも減らせるためコスト的を削減できるメリットがある。
【００５４】
また、さらに簡単にするためには、図１５（ｃ）に示すように、ジンバル６６に導光路６１を埋め込み、直接金属探針５先端に照射光１２０を照射する構成とすることもできる。
【００５５】
図１５（ｄ）は切り欠き部の拡大図を示している。金属探針５の上部には伸縮できるＰＺＴ６７が埋め込まれており、媒体５０と金属探針５先端との間隙をトンネル電流等を検知することにより所望の距離になるように制御する構成としている。また、図１５（ｅ）はスライダ６５後端部に複数の金属探針５を設けた場合の実施例であり、スライダ６５の後端の図である。図１５（ｅ）の場合、各金属探針５の浮上高さは、個別にＰＺＴ６７より制御されており、各々対応する導光路６１により金属探針５先端に照射光１２０が照射される。
【００５６】
本発明のスライダ６５を用いることにより、金属探針５の先端部を媒体５０に近接させて浮上させることができ、Ｒ／Ｗ信号を増大させることが出来るため、正確にＲ／Ｗすることが可能となり、装置としての信頼性が向上する。また、ジンバル６６に配線を設けたことにより、スライダ６５まで配線をのばす必要がなくなり、スライダ６５の構成が簡単になり、低コスト化が図れる。また、スライダ６５後端部に複数の金属探針５を搭載することによりさらにデータの高速転送も可能となる。
【００５７】
次に、図１６を用いて本発明で用いた金属探針５の製作方法の実施例を説明する。まずＳｉ基板７１を準備する（図１６（ａ））。次に、Ｓｉ基板７１表面上にＳｉＯ２膜７２をスパッタリング等で成膜し、その後、光リソグラフィと反応性イオンエッチングで４μｍ四方の穴パターンをＳｉＯ２膜に形成する（図１６（ｂ））。次に、ＳｉＯ２膜をマスクとして異方性エッチング等により、金属探針先端の形状に合わせた穴をＳｉ基板７１に作製し、次にＳｉＯ２膜７２を弗化水素酸等により取り除く（図１６（ｃ））。ＳｉＯ２膜７２を除去後、Ｓｉ基板上に下部金属層７３、窒化Ｓｉ等の金属探針層７４、上部金属層７５を順次ＣＶＤ法やスパッタ蒸着等により成膜する。また、各層間に接着層が必要な場合は適宜接着層を成膜する。さらに表面に耐摩耗性の保護膜を形成する場合には、カソーディックアーク法等によりＤＬＣ膜等を成膜しても良い。金属層７３，７５の材料としては、チタン、タングステン、クロムやモリブデン、それらの窒化物や炭化物が考えられる。各金属層、接着層の膜厚は５０ｎｍ以下で最適な値に成膜する。また、金属探針層７４は所望のバネ定数になるように材質、膜厚（０．５〜数μｍ程度）共に最適に決定される（図１６（ｄ））。次に、光リソグラフィや反応性イオンエッチング等により金属探針５形状を作製する（図１６（ｅ））。このように製作された金属探針は、前述した各フレーム３３に接着される。最後に、水酸化カリウム水溶液によりＳｉ基板７１を溶かして、金属探針を完成する（図１６（ｆ））。その後、必要があれば摩耗低減のため、金属探針５の先端を研磨する（図示せず）。
【００５８】
図１７は、本発明による記録再生装置の一例の全体図である。図１７（ａ）は上面図、図１７（ｂ）は側断面図である。記録再生装置２００内には、本発明の金属探針５が設けられた記録再生ユニット１００及び制御回路一式が設けられた回路基板１０６、記録再生装置２００とコンピュータ（図示せず）等のインターフェイスとなるバス部１０９及び全体を衝撃や振動から守る緩衝材１１０を保護層として設けた筐体１０４により構成される。制御回路一式は、前述した照射光制御回路４０、信号処理回路４１、ＰＺＴコントローラ４２、電圧印加回路（Ｒ／Ｗ回路）４３、スキャナコントローラ（位置決め駆動制御回路）４４に加えて、平行度検出回路１０７、電源回路１０８等によって形成される。記録再生ユニット１００はコネクタ部１０５により前記制御回路一式が搭載された基板１０６と接続されていて、各制御回路と信号をやり取りしている。以下に詳細を説明する。
【００５９】
前述したように記録再生ユニット１００は、金属探針５を支持する上部のフレーム３３により支持されており、そのフレーム３３上部には導光路３４、導光路構成部３５、配線構成部３６及び支持部３７が形成されている。一方、媒体５０はステージ４５上に固定されており、そのステージ４５は下部のＸＹスキャナ４６によりＸＹ方向に、Ｚ軸スキャナ４７により垂直方向に移動する構成となっている。本実施例では、金属探針５が形成された各フレーム３３を１００μｍ角とし、縦横に３２個ずつで合計３２×３２＝１０２４個設けられている。従って、本実施例では、フレーム集合体３３’は約３．２×３．２ｍｍ角であり、記録再生ユニット１００の大きさは約３．５×３．５ｍｍ程度に製作する。
【００６０】
また、金属探針５を支持する支持部３７上部の四隅にはＰＺＴ３８が設けられており、フレーム集合体３３’が媒体５０に平行になるように制御する構成となっている。フレーム集合体３３’と媒体５０間の平行度を保つために、フレーム集合体３３’の四隅には静電容量センサ３９が設けられており、フレーム集合体３３’と媒体５０間の平行度を常時チェックして、ＰＺＴコントローラ４２によりフレーム部上部のＰＺＴ３８に信号を出して平行度を一定値以下になるように制御している。
【００６１】
各回路は集積化されているため、非常に小さいチップで構成されている。また、回路基板１０６はコンピュータ等とのインターフェイスとなるバス部１０９と接続されており、記録再生装置２００として着脱可能で持ち運びできる構成となっている。記録再生装置２００は全体を緩衝材１１０で保護されており、衝撃や振動に対して保護される構成となっている。また、持ち運び時にはデータを保護するため、フレーム集合体３３’を固定する等の安全装置（図示せず）も設けられている。本実施例では、記録再生ユニット１００、制御回路一式を含めた記録再生装置２００の大きさを約５×１０ｍｍ程度としている。もちろん本発明を用いた記録再生装置２００はこの大きさに限るものでない。
【００６２】
また、上記説明では記録再生ユニット１００をステージ型で説明したが、回転型の場合は媒体５０がスピンドルモータにより回転し、スライダ６５によりＲ／Ｗを行う方式となるが、その他のＲ／Ｗや信号処理等の動作は同様に行うものとする。
【００６３】
以上述べたように、本発明によるマルチプローブストレージ装置は、大容量ストレージで問題となるデータ転送速度の低下を解決し、高速、小型、高密度のストレージ装置を提供することができる。さらに、情報書き込み読出しの際のＳ／Ｎ比を高め、記録エラー発生率を効果的に低減した大容量ストレージ装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明による磁化情報記録再生装置の原理を示す概念図。
【図２】入射光をオンオフさせたとき、金属探針と多層膜との間に流れるトンネル電流の変化を示す図。
【図３】記録された磁化の平行、反平行に伴うトンネル電流の変化を示す図。
【図４】ナノピラーを構成した媒体を示す説明図。
【図５】本発明による記録再生装置の主要部の構成例を示す図。
【図６】本発明による記録再生装置の一例のブロック構成図。
【図７】本発明による記録再生装置の主要部の構成例を示す図。
【図８】金属探針の説明図。
【図９】フレームの説明図。
【図１０】金属探針を支持するフレーム部の構成例を示す説明図。
【図１１】金属探針を支持するフレーム部の他の構成例を示す説明図。
【図１２】本発明の他の実施例を示す説明図。
【図１３】本発明の他の実施例を示す説明図。
【図１４】本発明による回転型記録再生装置の概念図。
【図１５】スライダの構成例を示す説明図。
【図１６】金属探針の製造方法を示す説明図。
【図１７】本発明を用いた記録再生装置を示す説明図。
【符号の説明】
【００６５】
１…強磁性金属層、２…非磁性金属層、３…強磁性金属層、４…保護膜、５…金属探針、６…探針保持部、７〜１０…量子井戸状態、１１…ナノピラー、１５…トンネル電流、３３…フレーム、３３’…フレーム集合体、３４…導光路、３５…導光路構成部、３６…配線構成部、３７…支持部、３８，４８，６７…ＰＺＴ、３９…静電容量センサ、４０…照射光制御回路、４１…信号処理回路、４２…ＰＺＴコントローラ、４３…電圧印加（Ｒ／Ｗ）回路、４４…スキャナコントローラ（位置決め駆動制御回路）、４５…ステージ、４６…ＸＹスキャナ、４７…Ｚスキャナ、５０…磁気記録媒体、５１…多層膜、６０…光照射装置、６１…導光路、６２…端面、６５…スライダ、６６…ジンバル、７１…Ｓｉ基板、７２…ＳｉＯ２膜、７３…下部金属層、７４…金属探針層、７５…上部金属層、１００…記録再生ユニット、１０４…筐体、１０５…コネクタ部、１０６…回路基板、１０７…平行度検出回路、１０８…電源回路、１０９…バス部、１１０…緩衝材、１２０…照射光、１５０…ユニット、２００…記録再生装置
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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