(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
針状電極を含むヘッドを有し、
酸化シリコン膜と、該酸化シリコン膜中にシリコンナノ結晶が埋め込まれてなるナノ結晶層を有する記録媒体に対して、前記ヘッドの前記針状電極からパルス電圧印加を行うことにより、前記記録媒体に存在する電子またはホールトラップの所定領域への電荷移動を行って１個の記録ビットに３値以上の情報を記録する
ことを特徴とする記録装置。
【請求項２】
針状電極を含むヘッドを有し、
酸化シリコン膜と、該酸化シリコン膜中にシリコンナノ結晶が埋め込まれてなるナノ結晶層を有する記録媒体に対して、前記ヘッドの前記針状電極からパルス電圧印加を行うことにより、前記記録媒体に存在する電子またはホールトラップの所定領域への電荷移動を行って１個の記録ビットに３値以上の情報を記録し、
針状電極を含むヘッドによる針状電極を、前記記録媒体に対して接触あるいは非接触させた状態で、該記録媒体の前記所定領域における情報を、該所定領域における電荷、表面電位または静電容量の変化量の検出によって再生する
ことを特徴とする記録再生装置。
【請求項３】
前記ヘッドが、前記記録媒体に非接触な状態で、前記所定領域に記録された情報を、該領域における電荷、表面電位または静電容量の変化量をヘテロダイン法による検出によって再生することを特徴とする請求項２に記載の記録再生装置。
【請求項４】
前記ヘッドが、前記記録媒体に非接触な状態で、前記所定領域に記録された情報を、該領域における電荷、表面電位または静電容量の変化量を、ヘッドの共振周波数の周波数、位相、振幅の変化量として検出することによって再生することを特徴とする請求項２に記載の記録再生装置。
【請求項５】
記録用ヘッドと再生用ヘッドとが共通のヘッドとされたことを特徴とする請求項２に記載の記録再生装置。
【請求項６】
記録用ヘッドと再生用ヘッドとがそれぞれ設けられたことを特徴とする請
求項２に記載の記録再生装置。
【請求項７】
前記ヘッドに２０Ｖ以下のパルス電圧を印加することにより情報の記録または消去を行い、前記記録媒体の単位記録領域が直径１００ｎｍ以下とされたことを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
【請求項８】
前記ヘッドに２０Ｖ以下のパルス電圧を印加することにより情報の記録または消去を行い、前記記録媒体の単位記録領域が直径１００ｎｍ以下とされたことを特徴とする請求項２に記載の記録再生装置。
【請求項９】
単位記録領域の記録時間を、１μｓ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
【請求項１０】
単位記録領域の記録時間を、１μｓ以下とすることを特徴とする請求項２に記載の記録再生装置。
【請求項１１】
単位記録領域の再生時間を、１μｓ以下とすることを特徴とする請求項２に記載の記録再生装置。
【請求項１２】
情報の記録を、前記ヘッドを前記記録媒体に接触させて行うことを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
【請求項１３】
情報の記録を、前記ヘッドを前記記録媒体に接触させて行うことを特徴とする請求項２に記載の記録再生装置。
【請求項１４】
前記記録を、前記記録媒体を回転または並進させて行うことを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
【請求項１５】
前記記録または再生を、前記記録媒体を回転または並進させて行うことを特徴とする請求項２に記載の記録再生装置。
【請求項１６】
前記記録媒体は、十分なキャリアトラップを有するヘテロ層を含むことを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
【請求項１７】
前記記録媒体は、十分なキャリアトラップを有するヘテロ層を含むことを特徴とする請求項２に記載の記録再生装置。
【請求項１８】
前記記録媒体は、２層以上のヘテロ層を有し、十分なキャリアトラップを有するヘテロ界面、ヘテロ層を含むことを特徴とする請求項１記載の記録装置。
【請求項１９】
前記記録媒体は、２層以上のヘテロ層を有し、十分なキャリアトラップを有するヘテロ界面、ヘテロ層を含むことを特徴とする請求項２記載の記録再生装置。
【請求項２０】
前記記録媒体は、導電性シリコン基体上に少なくとも酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を有することを特徴とする請求項１６に記載の記録装置。
【請求項２１】
前記記録媒体は、導電性シリコン基体上に少なくとも酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を有することを特徴とする請求項１７に記載の記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像情報、大容量のデータ情報等の記録情報の超高密度記録を行うことができる新規な記録、再生および記録再生装置、すなわち上記情報の記録のみを行う記録装置、または上記情報の再生のみを行う再生装置、あるいは情報の記録および再生の双方を行う記録再生装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
マルチメディア社会、特にハイビジョンシステムおよび高度情報通信システム、コンピュータネットワーク、ビデオオンデマンド、インフォメーションオンデマンドなどに必要とされる大容量の画像情報、データファイルにおいて高速高密度な記録再生装置の要求が益々高まっている。
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。
【０００３】
半導体メモリではその集積度が年々向上しているにもかかわらず、半導体メモリの製造技術の例えばフォトリソグラフィの限界に起因するメモリトランジスタの微細化の限界から、高精細度の画像情報を記録するだけの容量を満たすような、すなわち少なくとも３Ｇバイト以上の容量を満たすような半導体メモリを得るには至っていない。
【０００４】
一方、光記録、磁気記録において、大容量の情報を記録するには記録ビットの単位記録領域を小さくして、面記録密度を向上させることが必要である。
【０００５】
光記録においても、短波長半導体レーザの開発などその記録領域を小さくする試みはなされているが、波長５００ｎｍ付近の半導体レーザー光源が開発された場合でも、物理的な限界、光の回折限界が存在するため記録ビット直径（スポットエリア）をその光の波長以下にすることは原理的に不可能である。超解像方式等、その限界を超える方式が提案されているが、それらの方法を用いても直径１００ｎｍ以下の記録領域を実現することは難しいとされている。
【０００６】
また、磁気記録においても、特にハードディスクにおいて磁気抵抗効果を用いたＭＲ（磁気抵抗効果）ヘッド、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）ヘッドの開発により記録密度の向上が著しいが、再生ヘッドの感度の限界の問題で直径１００ｎｍ以下の記録領域を達成することは難しい。
【０００７】
一方、原子分子レベルの空間分解能を持つ走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope ）が開発され、種々の材料の微細表面形状の解析に適用され、表面解析装置として非常な成功を収めている。ＡＦＭでは試料とカンチレバーチップとの原子間相互作用をカンチレバーを制御するためのプローブとして用いているが、近年ＡＦＭは種々の相互作用に伴う物理量を制御プローブとして用いた走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）として発展している。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、記録領域を極めて小さくした高密度メモリとしての実現可能性の検討がなされている。
【０００８】
これまでにＳＴＭまたはＡＦＭを用いて、高密度記録実現の試みの報告はなされているが、原理的な可能性が述べられているにとどまり、実用化に至っていない。
【０００９】
例えば、スタンフォード大学のクエート（Prof. Quate ）氏等は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ2 膜およびＳｉＮ膜を形成したＮＯＳ（ＳｉＮ／ＳｉＯ2 ／Ｓｉ）構造による記録媒体を用いてＡＦＭの発展系である走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscope ）構成によって高密度メモリへの応用の可能性を示した（R.C.Barret and C.F.Quate;Journal of Applied Physics,70 2725-2733(1991)参照。）。
【００１０】
ところで、図１５に示すように、Ｓｉ基体１上に、熱酸化によるＳｉＯ2 膜２および熱ＣＶＤ（化学的気相成長）法によるＳｉＮ膜３を被着形成し、このＳｉＮ膜３上に金属電極による上部電極４が被着されたいわゆるＭＮＯＳ（Metal Nitride Oxide Semiconductor ）系の記録媒体は、不揮発性半導体メモリの１つであるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programable Read Only Memory）ですでに実用化されている。
【００１１】
これらＮＯＳ系、ＭＮＯＳ系記録再生の基本は、Ｓｉ基体とＳｉＯ2 ／ＳｉＮヘテロ界面付近のヘテロ界面トラップ（ＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面およびＳｉＮ膜中に存在するキャリアトラップ）との間の電荷の移動を用いることである。クエート氏等はトンネル酸化膜（ＳｉＯ2 ）に十分厚い膜厚のものを用いて、局所的な記録ビットのデータの保持特性を良好なものにしている。
【００１２】
すなわち、この層構造でＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近（ＳｉＮ／ＳｉＯ2 界面とＳｉＮ膜中）にキャリアのトラップが形成されることが分かっており、例えば図１５のＭＮＯＳ系においてＳｉＮ膜３上の上部電極４に正電圧を掛けると、強電界によりＳｉ基体１側から電子がＳｉＯ2 膜２およびＳｉＮ膜３の一部分をトンネルして、ＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近に存在するトラップに注入され蓄積される。一方、上部電極４に負電圧を掛けると、逆向きの強電界によりＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近にトラップされていた電子がＳｉ基体１側にＳｉＯ2 膜２をトンネルして、放出されてＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近トラップに存在する電子が欠乏する。また、トンネル酸化膜の膜厚が比較的薄い場合には電子の放出と同時にホールがＳｉＯ2 膜２をトンネルして、ＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近のトラップに蓄積される。
【００１３】
このようにして、ＭＮＯＳ記録媒体への電圧パルス印加に伴う電荷の移動により記録、消去を行っている。そして、この記録媒体からの記録情報の読み出しすなわち再生は、この記録媒体すなわちＭＮＯＳ構造キャパシタに電荷が注入された場合と注入されていない場合のＳｉ基体における空間電荷層の空間的な変化に起因する静電容量の変化として電気的に読み出すという方法がとられる。
【００１４】
上述のクエート（Quate ）氏等の研究では、ＮＯＳ媒体に記録・再生ヘッドとなる導電性カンチレバーを接触させた状態で記録、消去を行い、同様に導電性カンチレバーの接触状態でその記録情報に基くＳｉ基体表面の空間電荷層の変化に起因する容量変化を、導電性カンチレバーの後段に接続された容量センサーおよび信号処理回路を用いて検出することによって再生するという方法がとられている。
【００１５】
この方法による場合、現在実用化ないしは研究、開発がなされている光記録、あるいは磁気記録方法では不可能な微小領域での情報の記録再生、すなわち高密度記録が可能であることを示した。この場合、記録媒体ではトンネル酸化膜が厚いためキャリア（電子）の移動を用いているものである。
この場合、最小記録領域は、直径で１５０ｎｍであり、トラップに蓄積された電子は、７日間以上安定であったことが確認されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した高密度記録装置では、１つの記録ビットに対して２値のデジタルデータを対応させているため、記録密度は微小記録ビットの大きさで直接的に制限されるという問題点がある。
【００１７】
また、従来の容量変化検出方式を再生に用いる方式の記録装置では静電容量型（ＣＥＤ）または高密度記録が可能なＶＨＤビデオディスク等がある。しかし、これを大容量の記録媒体とするには記録密度が低く、また再生専用であって記録消去の機能を有するものではない。
また、Iwamura 等によるディスク形状のＭＮＯＳ記録媒体を用いて静電容量検出方式の記録再生の試みがなされている（IEEE Transactions on Electron Devices. Vol28 No7 854-860(1981)）。しかし、これも高記録密度の点で問題があり、上記クエート氏のＳＰＭを用いた記録密度の実験結果と比較しても及ばない。
【００１８】
本発明においては、鋭意研究を重ねた結果、ＳＰＭと、２層以上のヘテロ層を有する電荷蓄積材料媒体との組み合わせによって１つの記録ビットに対して３値以上の情報を記録することにより上述した諸問題の解決をはかり、高速、高密度記録にすぐれヘッドの長寿命化をはかることができる記録再生装置を提供するに至ったものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明装置は、針状電極を含むヘッドを有し、酸化シリコン膜と、酸化シリコン膜中にシリコンナノ結晶が埋め込まれてなるナノ結晶層を有する記録媒体に対して、ヘッドの針状電極からパルス電圧を印加することにより記録媒体に存在する電子またはホールトラップの所定領域への電荷移動を行って１個の記録ビットに３値以上の情報を記録する。
【００２１】
また、本発明装置は、針状電極を含むヘッドを有し、酸化シリコン膜と、酸化シリコン膜中にシリコンナノ結晶が埋め込まれてなるナノ結晶層を有する記録媒体に対して、ヘッドの針状電極からパルス電圧を印加することにより記録媒体に存在する電子またはホールトラップの所定領域への電荷移動を行って１個の記録ビットに３値以上の情報を記録し、針状電極を含むヘッドが記録媒体に接触または非接触な状態で、上記所定領域に記録された情報を、この領域における電荷、表面電位または静電容量の変化量の検出によって再生する。
【００２２】
本発明装置によれば、１つの記録ビットに３値以上の情報を記録するものであるので、従来の２値記録と比較して同一の空間的記録密度で、情報の記録密度を少なくとも１．５倍以上に高めることが可能となる。
【００２３】
また、本発明装置によれば、針状電極を含むヘッドによる電圧印加により記録媒体に対し、電荷移動により情報を記録または消去する態様をとることから、高速、高密度記録がなされ、しかもその再生においては、記録媒体に対してヘッドを非接触の状態で、記録媒体上の記録情報を、この微小記録領域における電荷、表面電位または静電容量の変化量を検出することにより再生することによって針状電極を含むヘッドを記録媒体に対し、非接触状態で再生することが可能となり、この場合は、針状電極を含むヘッドや記録媒体を損耗させることが回避される。そして、その表面電位の検出分解能は、１〜３ｍＶであるため、多値記録の情報の再生を充分行うことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明による記録再生装置の実施の形態を説明する。
本発明は、針状電極を含むヘッドと記録媒体とを相対的に移行、例えば回転あるいは並進させることによって相対的に移行させて、ヘッドの針状電極を一方の電極として、記録媒体に電圧を印加することにより記録媒体に存在する電子またはホールトラップ（キャリアトラップ）の所定領域への電荷移動を行って１個の記録ビットに３値以上の情報を記録または消去し、上記ヘッドが記録媒体に接触または非接触な状態で、上記所定領域に記録された情報を、上述と同様に相対的に移行させてこの領域における電荷、表面電位または静電容量の変化量の検出によって再生する。
【００２５】
図１は本発明装置における記録媒体１０の基本構成を示し、この基体構成においては、基体１１上に、情報の記録がなされる活性層１３が形成される。
活性層１３は、電荷の移動が生じる電荷蓄積材料膜による電荷蓄積層によって構成される。
この記録媒体１０は、例えば、基体１１が導電性を有するＳｉ基体よりなり、これの上に例えばＳｉＯ2 シリコン酸化膜、ＳｉＮ窒化シリコン膜、ＳｉＯ2 シリコン酸化膜が順次積層されて隣接する異種の層（ヘテロ層）から構成される界面（ヘテロ界面）を有する電荷蓄積層による活性層１３が形成されて成る。
【００２６】
基体１１は、上述したＳｉ基体等の半導体基体によって構成することができるものであり、また、その裏面に下部電極１２が被着形成された構成とすることができるが、この基体１１が導電率の高い半導体基体である場合、下部電極１２の形成を省略することもできる。
【００２７】
また、記録媒体１０に対する記録態様によっては、基体１１を半導体基体以外の良導電性を有する基体によって構成することができ、この場合においても、下部電極１２を省略することができる。
【００２８】
記録媒体１０を構成する電荷蓄積材料膜はそれぞれ例えば熱酸化法、熱窒化法、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、分子線蒸着法、通常の蒸着法、レーザアブレーション法、ゾルゲル法、スピンコート法などによって成膜することができる。
【００２９】
この記録媒体１０に対する情報の記録は、多値記録によるものであるが、例えば３値記録による多値記録の場合、周辺部と同一の電位（キャリア注入なし）を基準として、電位が低い場合（電子注入）、電位が高い場合（電子放出）の３種類の状態を３値記録の３種類のデジタルデータの値にそれぞれ対応させることにより実現する。３値以上の多値記録の場合には表面電位の値を分割して、各々の情報に対応させる。
【００３０】
また、３値情報の再生には、キャリアトラップの状態に応じた静電容量の変化量値を用いて行うことも可能である。この場合、その再生は、記録媒体に対してヘッドを接触、または非接触いずれの態様によって行うこともできる。
【００３１】
記録媒体１０に対する情報の記録構成は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）構成とする。すなわち、記録ヘッドは、先端に針状電極を有するＡＦＭ制御の導電性カンチレバー構成とされる。
【００３２】
電荷蓄積層を有する記録媒体１０に対する記録は、記録ヘッドとしての針状電極を先端に有する導電性カンチレバーに記録電圧ＶR を印加して、キャリア（キャリアトラップに注入または放出することにより行なう。例えば、｜ＶR ｜＜１０Ｖの例えば負電圧の−９Ｖのパルス電圧を印加することによりカンチレバーより電子を局所的に例えば前述のＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近のトラップに注入し、この電荷の移動によって情報の記録を行う。そして、この局所的に電荷が注入された領域に対し、所要の正電圧例えば約９Ｖのパルス電圧を印加することにより電子を放出して、情報の記録によって上記ＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近のトラップの電荷が注入された領域を、周辺部の電位と同一の電位に戻して記録情報の消去を行う。
【００３３】
この記録態様によれば、別の記録された情報を記録する場合、９Ｖの電圧パルスを印加することにより表面電位を周囲より高くして記録する。このようにして、同一の記録領域（記録ビット）に、３値の情報を記録することができる。
【００３４】
また、５値記録を行う場合は、その表面電位の値を、それぞれ例えば以下のように分割選定することができる。
情報“０”の記録は、その記録部における表面電位が−４０ｍＶ以下、
情報“１”の記録は、その記録部における表面電位が−３５〜−１５ｍＶ、
情報“２”の記録は、その記録部における表面電位が−１０〜＋１０ｍＶ、
情報“３”の記録は、その記録部における表面電位が＋１５〜＋３５ｍＶ、
情報“４”の記録は、その記録部における表面電位が４０ｍＶ以上。
【００３５】
情報の書き込みは、プラスマイナス１０Ｖまたはプラスマイナス６Ｖの電圧パルスの印加で行って、多値記録が可能な表面電位の値を制御した。
【００３６】
また、本発明においては、ナノ結晶（ナノ結晶とは、ｎｍオーダーの粒径による微細結晶を指称する）特にシリコンナノ結晶を含む記録媒体を用いて、これに多値記録を行うこともできる。
【００３７】
この記録媒体は、例えばシリコンＳｉ基体上に、ナノ結晶が絶縁膜中に埋込まれて配列された結晶層を有して成る。この絶縁膜中に埋込まれたナノ結晶は、空間的に離散化されたエネルギーレベルの深いキャリアトラップになっている。この結晶サイズは直径１０ｎｍ以下、その間の距離は１０ｎｍ以下である。このような場合、キャリア（電子）は記録ヘッドとＳｉ基体との間に印加された強電界によりＳｉ基体側または記録ヘッド側からトンネル絶縁膜（例えばＳｉＯ2 膜）をトンネルして空間的に離散化されたキャリアトラップに注入されるようになされることにより情報の記録がなされる。注入される電子の方向は、キャリアトラップとＳｉ基体、記録ヘッドとの間のトンネル絶縁膜の厚さおよび、記録ヘッドでの記録時の表面電界集中の大きさなどに依存している。キャリアトラップの密度は約１０12ｃｍ-3である。また、一つのキャリアトラップには複数個のキャリア（電子）をトラップすることができる。
【００３８】
一方、情報の消去は、記録ヘッドと基体との間に、記録の場合とは逆の極性の強電界を印加することによりトラップに注入されていた電子を放出して情報の消去を行う。
【００３９】
情報の再生は、キャリアトラップに捕獲された電子と再生ヘッドとのクーロン相互作用を表面電位、静電容量等として直接検出することによって行う。この再生方法は、非常に高感度であり、このため、少数のキャリアトラップに捕獲された電子を高感度に検出することが可能となる。すなわち、表面電位の検出感度は数ｍＶであるため、１００ｍＶ程度のポテンシャルシフトを容易に検出することができる。
【００４０】
このナノ結晶（ナノクリスタル）を用い記録媒体は、
（１）ナノクリスタルの元素を選択することにより、エネルギーレベルが深く、密度が高いキャリアトラップを絶縁膜中に作製することができる。
（２）ナノクリスタルから構成されるキャリアトラップを空間的に離散化した状態で絶縁膜中に作製することができる。
という利点がある。
その結果として、
（１）書き込み動作電圧を１０Ｖ以下（場合によっては５Ｖ以下）にすることができる。
（２）トラップが空間的に離散化しているため、低電圧での繰り返し書き換え消去特性が良好となる。
（３）トラップのエネルギーレベルが深いため、同一トンネル絶縁膜で比較した場合、データ保持特性が良好になる。
という効果を奏する。
そして、このシリコンナノ結晶記録媒体に対して多値記録を行う場合には、表面電位の量を分割して同一の記録ビットを用いて３値、５値などの多値記録を行う。
【００４１】
次に、本発明装置の記録、消去の機構と、再生機構の具体例を説明する。
【００４２】
〔記録、消去機構〕
図２は記録、消去の一例の概略構成図を示す。この記録ヘッドＨＲは、先端に例えば円錐状、３角錐状、断面例えば３角の柱状等の実質的に記録媒体に対して点接触ないしは微小面接触できる針状電極２１が形成された例えば短冊状の板バネ構成を有し、一端が固定されたカンチレバー２２によって構成される。このカンチレバー２２は、バネ定数０．０１〜１０［Ｎ／ｍ］のＳｉもしくはＳｉＮよりなりその表面にＡｕ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｃｒ等の単層ないしは多層構造の金属層が被覆されることによって高い導電性が付与されて成る。或いは針状加工が可能で、導電性を有する不純物ドーピングのなされた導電性シリコンによって構成される。これらカンチレバー２２は、いわゆるマイクロファブリケーション技術によって作製することができる。
【００４３】
３０は、記録媒体１０が載置され、その面方向に沿って例えば互いに直交するｘ軸およびｙ軸に関して移動するように、もしくは回転するようになされた記録媒体１０の載置台であり、この載置台３０は、さらに記録ヘッドすなわちカンチレバー２２の針状電極２１との接触状態を調整できるように記録媒体１０の面方向と垂直方向（以下ｚ軸方向という）に移動制御できるように構成される。
【００４４】
この載置台３０のｚ軸方向の制御は、例えば、半導体レーザー３８からのレーザー光を、収束レンズ系３１によって収束させてカンチレバー２２の先端に照射し、その反射光を例えば複数の分割フォトダイオード例えば４分割フォトダイオードによる光検出器３２によって差動検出し、その検出信号をプリアンプ３３を通じて、載置台３０のｚ軸制御を行うサーボ回路３４に入力して載置台３０のｚ軸方向の位置を制御することによって、常時記録媒体１０に対して、記録ヘッドすなわち針状電極２１が、最適な接触状態にあるように制御される。
【００４５】
一方、カンチレバー２２と記録媒体１０の下部電極１２との間に、記録信号に応じた電圧が印加される。この印加電圧は、記録信号に応じたパルス電圧発生回路３５よりのパルス電圧を直流電源３６による所要の直流バイアス電圧（０Ｖを含む）に重畳して印加する。
【００４６】
このようにして、記録媒体１０に、カンチレバー２２の先端の針状電極２１すなわち記録ヘッドを接触させた状態で記録媒体と相対的に移行させて上述の直流電圧にパルス電圧を重畳させた電圧をカンチレバーとＳｉ基体裏面の間に印加することにより情報の記録を行う。
【００４７】
次に、再生機構について説明する。
〔再生機構〕
記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、再生ヘッドが記録媒体と接触しない、すなわち非接触状態で行うか、あるいは接触状態で行う。
先ず、非接触状態による場合について説明する。この再生装置は、基本的には、下記(i) 〜(iv)のいづれかの構成による。
(i) 走査型マックスウエル応力顕微鏡（ＳＭＭ：Scanning Maxwell Stress Mi  croscope) 構成。
(ii)上記ＳＭＭ構成においてヘテロダイン検出方式を採る構成。
(iii) ケルビン力顕微鏡（ＫＦＭ：Kelvin Force Microscope ）構成。
(iv)走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscope)構成。
【００４８】
上記(i) 〜(iv)の構成について説明する。
〔(i) のＳＭＭ構成による場合。〕
図３は、この再生装置における再生ヘッドＨＰとその制御部の構成図を示す。この再生はＳＭＭで知られている動作原理（例えばMolecular Electronics and Bioelectronics,vol.3 p79(1992)参照。）によってなされる。ここで、再生ヘッドＨＰは、図２で説明した記録ヘッドＨＲ自体を用いることができるが、いずれの場合においてもこの再生ヘッドＨＰは記録媒体１０に対して非接触状態で用いられる。この再生ヘッドＨＰは、前述した記録ヘッドＨＲにおける場合と同様に、先端に例えば円錐状、３角錐状、断面例えば３角の柱状等の実質的に針状電極２１が形成された例えば短冊状の板バネ構成を有し、一端が固定されたカンチレバー２２によって構成される。このカンチレバー２２は、前述した載置台３０上に載置された記録媒体１０に非接触な状態で記録媒体１０の表面電位Ｖｓまたは静電容量の検出によって記録情報の再生がなされる。
【００４９】
載置台３０は、前述したように、これに載置された記録媒体１０の面方向に沿って例えば互いに直交するｘ軸およびｙ軸に関して移動するように、もしくは回転するようになされ、さらに再生ヘッドＨＰとしてのカンチレバー２２の針状電極２１との間隔を調整できるように記録媒体１０の面方向と直交するｚ軸方向に移動制御できるように構成される。
【００５０】
再生ヘッドＨＰすなわち針状電極２１を有するカンチレバー２２と記録媒体１０との間にバイアス電圧Ｖを印加すると、静電結合により針状電極２１と、記録媒体との間に（数１）で与えられる力ＦZ が働く。
【００５１】
【数１】
0003937486.tif 000002
（ここでＣは針状電極２１と記録媒体１０との間の静電容量、Ｚは針状電極２１と記録媒体１０との間の距離。）
今、記録媒体１０の表面電位をＶS とし、
Ｖ＝ＶAC・ｓｉｎωｔ＋Ｖoff 
のバイアス電圧Ｖを印加すると、力ＦZ は次式（数２）のようになる。
【００５２】
【数２】
0003937486.tif 000003
【００５３】
これによってカンチレバー２２は力ＦZ を受けて振動する。一方カンチレバー２２の先端に、半導体レーザー４３からのレーザー光を照射し、その反射光をフォトダイオード等の光検出器４４によって検出する。この光検出器４４によって得られる検出信号Ａは、次式（数３）で表すことができる。
【００５４】
【数３】
0003937486.tif 000004
【００５５】
この検出信号Ａは、ロックインアンプ４５に入力され、ここで、２ω成分の出力（数４）を取り出す。
【００５６】
【数４】
0003937486.tif 000005
【００５７】
この２ω成分による出力は、載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行うサーボ回路４６に入力し、これによって載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行ってこの２ω成分による出力が一定になるようになされる。２ω成分は静電容量の微分信号であり、２ωを一定に制御することにより、誘電率を一定に仮定すれば、カンチレバー２２の針状電極２１と記録媒体との距離を一定に制御できる。
【００５８】
このときの載置台３０のｚ軸の制御信号を画像化すると、記録媒体１０の表面形状の情報が得られることになる。
【００５９】
また、このとき同時にω成分の出力（数５）をロックインアンプ４５で取り出す。
【００６０】
【数５】
0003937486.tif 000006
【００６１】
これは媒体１０の表面電位ＶS にのみ依存することになる。つまり、これが記録媒体１０の表面電位分布に対応した出力となる。そして、このとき、この出力が∂Ｃ／∂ｚの大きさによって変わることのないように、さらに、ω項がゼロになるようにω成分出力をＶoff の制御回路４７にフィードバックしてＶoff の制御を行って∂Ｃ／∂Ｚの大きさによる影響を排して、
Ｖoff ＋ＶS ＝０  すなわち  ＶS ＝−Ｖoff 
とする。このようにすればＶS 、云い換えれば、記録媒体１０上の表面電位分布として生じる記録情報を読み出すことができる。
【００６２】
〔(ii)上記ＳＭＭ構成においてヘテロダイン検出方式を採る構成による場合。〕通常のＳＭＭでは、周波数特性はカンチレバーの機械的共振周波数によって限定されるが、この方法によるときは、カンチレバーと記録媒体に働くマックスウエル応力の非線形性を利用することにより、カンチレバーの機械的共振周波数の影響を受けることなく、高周波数成分の差周波を持つビート信号を検出することによる表面電位または静電容量の変化量の再生が可能であり、高周波数領域における高速な多値情報の再生が可能となる。このため、再生ヘッドの周波数特性は、ＭＨｚ帯域までの応答が可能となる。
【００６３】
図４は、この再生装置における再生ヘッドＨＰとその制御部の構成図を示す。図４において図３と対応する部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６４】
この検出方式は、ヘテロダイン検出方式によるＳＭＭの動作原理による（前記Molecular Electronics and Bioelectronics,Vol.3 p79(1992)およびVol.79 p34(1995)参照）。
この方式では、通常のＳＭＭ検出方式による表面電位の検出等、カンチレバーの共振点より高い周波数領域における表面電位または静電容量の検出を行うことができる。
【００６５】
この検出方式においても、再生ヘッドＨＰすなわち針状電極２１を有するカンチレバー２２と記録媒体１０との間にバイアス電圧Ｖを印加すると、静電結合により針状電極２１と、記録媒体１０との間に前記（数１）で与えられる力ＦZ が働く。今、記録媒体１０の表面電位をＶｓとし、
Ｖ＝ＶAC・ｓｉｎωｔ＋Ｖoff 
のバイアス電圧Ｖを印加すると、力ＦZ は前記（数２）のようになる。これによってカンチレバー２２は力ＦZ を受けて振動する。一方カンチレバー２２の先端に半導体レーザー４３からのレーザー光を照射し、その反射光をフォトダイオード等の光検出器４４によって検出する。この光検出器４４によって得られる検出信号Ａは、前記（数３）で表すことができる。
【００６６】
この検出信号は、ロックインアンプ４５Ｂに入力され、ここで、２ω成分の出力（前記（数４））を取出す。
この２ω成分による出力は、載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行うサーボ回路４６に入力し、これによって載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行ってこの２ω成分による出力が一定になるようになされる。２ω成分は静電容量の微分信号であり、２ωを一定に制御することにより、誘電率を一定に仮定すれば、カンチレバー２２の針状電極２１と記録媒体１０との距離を一定に制御できる。
このときの載置台３０のｚ軸の制御信号を画像化すると、記録媒体１０の表面形状の情報が得られることになる。
【００６７】
また、このとき同時にω成分の出力（前記（数５））をロックインアンプ４５Ｂで取り出す。
これは記録媒体１０の表面電位Ｖｓにのみ依存することになる。つまり、これが記録媒体１０の表面電位分布に対応した出力となる。そして、このとき、この出力が∂Ｃ／∂ｚの大きさによって変わることのないように、さらに、ω項がゼロになるようにω成分出力をフィードバックしてＶoff の制御を行って∂Ｃ／∂ｚの大きさによる影響を排して、
Ｖoff ＋Ｖｓ＝０  すなわち  Ｖｓ＝−Ｖoff 
とする。また、ω項の値を直接検出することによっても情報を読み出すことは可能である。
このようにしてＶｓ、云い換えれば、記録媒体１０上の表面電位分布として生じる記録情報を読み出すことができる。
【００６８】
そして、通常のＳＭＭでは、その再生系の周波数特性はカンチレバーの共振周波数によって制限されるが、ヘテロダイン検出方式を用いることによりカンチレバーの機械的共振周波数よりも高い周波数帯域での静電容量または表面電位の検出が可能となる。このため再生ヘッドの周波数特性は、ＭＨｚ帯域までの応答が可能となる。
ヘテロダイン検出方式のＳＭＭの動作原理は以下の通りである。
ＳＭＭでＭＨｚ以上の高周波数成分を含む複数の交流電圧をカンチレバー２２と記録媒体１０との間に印加し、誘起されたカンチレバー２２の振動を４分割光検出器４４で検出する。
【００６９】
【数６】
0003937486.tif 000007
【００７０】
ここで、ＶAFは、（数７）で与えられ、カンチレバーの共振周波数以下の周波数成分からなる低周波電圧で、低周波発振器５６およびローパスフィルタ５７によって得たＤＣ（直流）バイアス電圧ＶDcと周波数ω0 の交流電圧からなる。ＶRFは、（数８）で与えられ、カンチレバーの共振周波数より高い交流電圧を示し、高周波発振器５８からの周波数ωa でハイパスフィルタ５９よりの周波数ωr の高周波キャリア信号を変調の深さＭ（Ｍ≒１）で振幅変調したものである。
【００７１】
【数７】
0003937486.tif 000008
【００７２】
【数８】
0003937486.tif 000009
【００７３】
この結果、印加電圧は、ＤＣ、ω0 、ωr とωr ＋ωa 、ωr −ωa の５種類の周波数成分から構成される交流電圧となる。上記交流電圧がカンチレバーに印加されるとマックスウエル応力が電界の２乗に比例するために、周波数の混合が引き起こされ、和と差の周波数を持つ振動成分がカンチレバー上に誘起され、この振動が光検出器４４で検出されプリアンプ５５で増幅され、ロックインアンプ４５Ａおよび４５Ｂに導入される。ロックインアンプ４５Ａおよびロックインアンプ４５Ｂから得たヘテロダインビート成分、ω0 成分、２ω0 成分は、コンピュータ１４７に入力される。特にωa で振動するヘテロダインビート成分は周波数ωr での記録媒体での誘電応答についての情報を与える（下記（数９））。このためヘテロダイン検出方式は、カンチレバーの共振器周波数よりも高い周波数での記録媒体の静電容量の検出を可能にする。また、カンチレバーの位置の制御は、２ω0 の振幅が常に一定になるように、例えばｚ軸方向のピエゾ素子（図示せず）による制御によって行われる。
【００７４】
【数９】
0003937486.tif 000010
【００７５】
〔(iii) ケルビン力顕微鏡（ＫＦＭ：Kelvin Force Microscope ）構成。〕
この動作原理は、ケルビン力顕微鏡で知られている（例えばApplied Physics Letters 52 1103 (1993)参照）。
【００７６】
図５を参照して説明する。図５において、図４と対応する部分には同一符号を付して示す。この場合においても、再生ヘッドＨＰは、図２で説明した記録ヘッドＨＲ自体を用いることができるが、この場合における再生ヘッドＨＰは記録媒体１０に対して非接触状態で用いられる。すなわち、図２で説明した記録ヘッドにおけると同様に、再生ヘッドＨＰは、先端に例えば円錐状、３角錐状、断面例えば３角の柱状等の実質的に針状の電極２１が形成された例えば短冊状の板バネ構成を有し、一端が固定されたカンチレバー２２によって構成される。このカンチレバー２２は、前述した載置台３０上に載置された記録媒体１０に非接触な状態で記録媒体１０の表面電圧Ｖｓの検出すなわち記録情報の再生がなされる。そして、この場合、共振周波数が充分高く、バネ定数が充分低いカンチレバーを用いることにより、ＫＦＭを用いてＭＨｚ帯の高周波数領域における高速の再生が可能となる。
【００７７】
この載置台３０は、前述したと同様にこれに載置された記録媒体１０の面方向に沿って例えば互いに直交するｘ軸およびｙ軸に関して移動するように、もしくは回転するようになされ、さらに再生ヘッドＨＰとしてのカンチレバー２２の針状電極２１との間隔を調整できるように記録媒体１０の面方向と直交するｚ軸方向に移動制御できるように構成される。
【００７８】
そして、再生ヘッドＨＰすなわち針状電極２１を有する圧電素子２３を用いて共振周波数で振動しているカンチレバー２２と記録媒体１０との間に、バイアス電圧Ｖを印加すると、静電結合により針状電極２１と、記録媒体１０との間に前記（数１）で与えられる力Ｆｚが働く。
そして、いま、記録媒体１０の表面電位をＶｓとし、
Ｖ＝ＶAC・ｓｉｎωｔ＋Ｖoff 
で与えられるバイアス電圧Ｖを印加すると、力ＦZ は（数１０）のようになり、カンチレバー２２は、力Ｆｚを受けて振動する。
【００７９】
【数１０】
0003937486.tif 000011
【００８０】
一方、カンチレバー２２の先端に、半導体レーザー４３からのレーザー光を照射し、その反射光をフォトダイオード等の光検出器４４によって検出する。この光検出器４４によって得られる検出信号Ａで、カンチレバー２２の共振周波数の振幅の減少量に着目する。カンチレバー２２の共振周波数の振幅は、記録媒体１０とのクーロン相互作用により減少する。この共振周波数の周波数シフトに起因する共振周波数の振幅の減少量または位相変化を検出することにより表面電位または静電容量の微分量等の物理量を求めることができる。
この検出信号は、ロックインアンプ４５に入力され、ここでカンチレバーの共振器周波数ωr 成分の出力（数１１）を取り出す。
【００８１】
【数１１】
0003937486.tif 000012
【００８２】
このωr 成分による出力は、載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行うサーボ回路４６に入力し、これによって載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行ってこの２ω成分による出力が一定になるようにされる。ωr 成分は、ファンデルフワールス力とクーロン力に起因する力であり、ωr を一定に制御することにより、誘電率を一定と仮定すれば、カンチレバー２２の針状電極２１と記録媒体１０との距離を一定に制御できる。
このときの載置台３０のｚ軸の制御信号を画像化すると、記録媒体１０の表面形状の情報が得られることになる。
【００８３】
また、このとき同時に、ω成分の出力（数１２）をロックインアンプ４５で取り出す。
【００８４】
【数１２】
0003937486.tif 000013
【００８５】
測定される変位量Ａは、カンチレバーの共振点での振動の振幅または位相に対する微分信号となるため記録媒体１０の表面電位Ｖｓの微分に対応する信号が得られる。つまり、これが記録媒体１０の表面電位分布に対応した出力となる。そして、このとき、この出力が∂Ｃ／∂ｚの大きさによって変わることのないように、さらにω項が０になるように、ω成分出力をＶoff の制御回路４７にフィードバックしてＶoff の制御を行って∂Ｃ／∂ｚの大きさによる影響を排して、
Ｖoff ＋Ｖｓ＝０すなわちＶｓ＝−Ｖoff 
とする。このようにすれば、Ｖｓ言い換えれば、記録媒体１０上の表面電位分布の微分信号として生じる記録情報を読み出すことができる。
【００８６】
また、記録媒体１０からの記録情報の再生の他の例としては、再生ヘッドを記録媒体に接触させた状態での容量変化の検出によって行うことができる。この再生は、具体的には、上述のＡＦＭを発展させた周知の装置である走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ）構成によることができる。
【００８７】
上述した(i) 〜(iii) の各再生方法によるときは、再生ヘッドが記録媒体１０に対して非接触状態とされることから、再生ヘッド、すなわち針状電極２１の摩耗を回避でき、再生ヘッドと記録媒体の長寿命化をはかることができる。
【００８８】
〔(iv)のＳＣＭによる場合〕
この記録媒体１０からの記録情報の再生は、再生ヘッドを記録媒体１０に対して接触させた状態で行う。図６は、記録情報に基く静電容量の変化量を検出して記録情報の再生を行うこの再生装置の一例の概略構成図を示す。この再生装置は、具体的には上述のＡＦＭを発展させた周知の走査型静電容量顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscop）構成とした（以下、この再生装置をＳＣＭ型再生装置という）。すなわち、この場合においても、前述した記録装置におけると同様に、先端に針状電極２１を有する導電性カンチレバー２２が設けられた再生ヘッドＨＰを有してなる。この再生ヘッドＨＰは、記録ヘッドＨＲと共用することも別構成とすることもできる。この再生ヘッドＨＰにおいても、先端に例えば円錐状、三角錐状、断面例えば三角の柱状等の実質的に記録媒体に対して点接触ないしは微小面接触できる針状電極２１が形成された例えば短冊状の板バネ構成を有し、一端が固定されたカンチレバー２２によって構成される。このカンチレバー２２は、バネ定数０．０１〜１０〔Ｎ／ｍ〕のＳｉもしくはＳｉＮよりなりその表面にＡｕ，Ｐｔ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｉｒ，Ｃｒ等の単層ないしは多層構造の金属層が被覆されることによって高い導電性が付与されて成る。或いは針状加工が可能で、導電性を有する不純物ドーピングのなされた導電性シリコンによって構成される。これらカンチレバー２２は、いわゆるマイクロファブリケーション技術によって作製することができる。
【００８９】
載置台３０は、前述したように、これに載置された記録媒体１０の面方向に沿って例えば互いに直交するｘ軸およびｙ軸に関して移動するように、もしくは回転するようになされ、更に再生ヘッドＨＰとしてのカンチレバー２２の針状電極２１との接触状態を調整できるように記録媒体１０の面方向と直交するｚ軸方向に移動制御できるように構成される。
【００９０】
再生ヘッドＨＰの針状電極２１を記録媒体１０上に接触させ、この状態で載置台３０によって記録媒体を例えば回転させて針状電極２１を記録媒体１０上に走査しつつ、直流電源４０からの直流バイアス電圧Ｖ記録媒体１０に印加し、カンチレバー２２と記録媒体１０との間の静電容量を検出器５０に内蔵する発振周波数９１５ＭＨｚの発振器からの発振周波数シフトとして静電容量信号Ｃ（Ｖ）を検出し、ロックインアンプ４５からｄＣ／ｄＶ信号を取り出し、これをコンピュータ５２に入力する。この場合、媒体の極くわずかな容量変化が共振周波数のシフトとなり、出力振幅の高低が変化する。この信号を検波回路で検波し、静電容量または静電容量の電圧微分（ｄＣ／ｄＶ）の変化として検出する。
【００９１】
その概略構成を説明すると、カンチレバー２２に、例えば半導体レーザ４３からのレーザー光を照射し、その反射光を光検出器４４によって検出し、サーボ回路に入力し、載置台３０のｚ軸方向の制御がなされる。
【００９２】
この場合の再生ヘッドは、前述した例えば記録ヘッドＨＲにおけると同様のカンチレバー構成を採り得る。このカンチレバーすなわち再生ヘッドは、上述した記録ヘッドと兼用することもできるし、別の構成とするこもできる。いずれにおいても、その再生ヘッドとしてのカンチレバーは、これが記録媒体に接触した状態で通常のＡＦＭ装置と同一の方式でフィードバック制御される。そして、記録媒体内の空間電荷に起因する静電容量を再生ヘッドの後段に配置された容量センサで検出する。そして、この検出された静電容量を２次元画像化することができ、これにより静電容量の２次元分布を検出することができる。
【００９３】
ＳＣＭでは、周波数特性はカンチレバーの共振周波数によって限定されず、カンチレバーよりも高い周波数帯域での静電容量の検出が可能となる。このため再生ヘッドの周波数特性は、ＭＨｚ帯域までの応答が可能となる。
【００９４】
次に、本発明の実施例を説明する。
〔実施例１〕
この実施例における記録媒体は、針状電極を含むヘッドから電子を、記録媒体のキャリアトラップに注入または放出することによる記録態様で３値記録をとる場合である。
この場合の記録媒体１０は、図７でその概略断面図を示すように、Ｓｉ基体１１上に、その表面熱酸化による厚さ４ｎｍＳｉＯ2 膜１４が形成され、これの上にＬＰＣＶＤ（低圧ＣＶＤ（化学的気相成長））法により厚さ１０ｎｍのＳｉＮ膜１５が形成され、これの上に、熱酸化法により厚さ３．５ｎｍのＳｉＯ2 膜１６による電荷蓄積層が形成されて成る。
【００９５】
この電荷蓄積層を有する記録媒体１０に対する記録は、前述した図２の記録ヘッドＨＲによって行う。すなわち、記録媒体１０を、移動載置台３０上に配置し、記録媒体１０の表面ＳｉＯ2 層１６に、針状電極２１を、いわば微小面接触させて、載置台３０を移動させて記録媒体１０上に針状電極２１を走査しつつ記録情報に基いてパルス電圧を印加して、導電性カンチレバーよりＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近に存在するキャリアトラップに電子を局所的に注入または放出して３値情報に対応する情報の記録をパルス電圧の極性に対応させて行う。
【００９６】
すなわち、記録媒体中のキャリアトラップに局所的に注入または放出したキャリア（電子）の状態により表面電位が制御可能であり、その結果として３値記録の記録情報に応じた電位パターンを形成することができる。
【００９７】
次に、この実施例における記録媒体の電圧容量特性を検討した。
記録層のトラップが電荷の注入を受けている場合と、電荷の注入を受けていない場合と比較して電圧容量特性が異なる。その結果として、注入電荷の有無で電圧容量特性にヒステリシス特性を示すことが分かる。
【００９８】
ヒステリシス特性におけるフラットバンド電圧のシフト量ΔＶは注入された電荷量に依存しており、注入電荷量が多いほどΔＶは大きくなる。このヒステリシス特性は一定のバイアス電圧では注入電荷の有無によって静電容量の値が異なるため、キャリアトラップへの局所的キャリアの注入の有無による空間的な容量変化を表面電位の変化として記録媒体に非接触状態で検出することにより情報の記録再生が可能になる。
【００９９】
次に、この実施例１における記録消去再生特性を示す。
まず、記録媒体１０に、−９Ｖまたは９Ｖのパルス電圧を、針状電極を含むヘッドＨＲの針状電極２１から、これに近接した場所に印加して、局所的に電子をＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近のトラップに注入または放出する。
【０１００】
図８に９Ｖ、４ｍｓのパルス電圧を印加した場合の記録ビットパターンをＳＭＭで検出再生した例を示した。図８はその表面電位像であり、周囲と比較して表面電位が増大している部分を情報“２”、周囲と同一の表面電位の部分を情報の“１”に対応させることができる。また、図９に示すように−９Ｖ、４ｍｓのパルス電圧を印加することにより、周囲と比較して表面電位が減少している部分が生じ、この表面電位が情報“０”に対応させることができる。図１０にＳＭＭ再生法を用いて検出再生した１次元記録ビットパターンを示す。情報“２”は９Ｖ、２ｍｓのパルス電圧による電子の局所的な放出により形成した。情報“２”と情報“１”に対応する記録ビットパターンが形成されていることが分かる。図１１に情報“２”に対応する２次元記録ビットパターンを示す。記録ビットの直径は約１００ｎｍであり、従来と比較して数倍の高記録密度を実現した。このことより、３値情報の記録、再生ができることが分かった。
【０１０１】
次に、図４のヘテロダイン検出ＳＭＭ再生装置を用いて、上述の記録媒体に対する記録、すなわち局所的な注入電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布として検出した。この場合、１０ＭＨｚの高周波数領域で表面電位分布を評価した。
【０１０２】
その結果、表面形状は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察されず、パルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
【０１０３】
このヘテロダイン検出ＳＭＭ像において、電子が注入または放出された部分にコントラストが生じ、記録ビットが再生された。その表面電位は周辺と比較して増大または減少していることが分かり、パルス電圧の極性によって記録ビットの極性が対応することが分かった。この２種類の極性と周辺の電子の注入または放出されていない位置の表面電位とを併せて３値の情報の記録再生が可能なことが分かった。
【０１０４】
また、ヘテロダイン検出ＳＭＭ再生法を用いることにより、１０ＭＨｚでの高周波数領域でも通常のＳＭＭの動作領域である５〜２０ｋＨｚの場合と同様な表面電位分布が得られていることが分かった。これは表面電位分布が１０ＭＨｚの高周波数領域においても記録ビットの検出再生ができることを示すものである。
【０１０５】
キャリアの注入電荷量の差は電位差で約７０ｍＶであり、ＳＭＭの電位分解能が１ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”，“１”および“２”のデータの識別を充分行うことができる値であることが分かった。
【０１０６】
このことから、この実施例の記録媒体の局所的な電荷の注入または放出量がカンチレバー記録ヘッドよりのパルスバイアス電圧印加により制御可能であることが示された。
【０１０７】
この２種類の局所的な電荷に起因した表面電位の値をデジタルデータのストレージの“０”，“１”と“２”に対応させることができることが分かった。
【０１０８】
種々の実験の結果、最小記録ビットの直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入の記録または消去時間も１μｓよりの小さくすることが可能であることが分かった。
【０１０９】
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この実施例１では３値記録の高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが分かった。
【０１１０】
本実施例では３値記録再生装置について示したが、３値記録装置、または３値再生装置としても適用可能なことは言うまでもない。
【０１１１】
〔実施例２〕
本実施例では、実施例１と同様の記録ヘッド、記録媒体１０を用いて、５値情報の記録再生消去の検討結果を示した。図１２に表面電位のパルス電圧依存性を示した。これにより表面電位はパルス電圧が増大するにつれて単調に増大していることが分かる。また、バイアス電圧の極性が反対の場合も、表面電位とパルス電圧は図１２と同様の関係を示した。このため、この傾向はパルス電圧の極性に依存していないことも分かった。
【０１１２】
そこで、情報を以下に示す表面電位に分割して５値の記録再生を試みた。
情報“０”として表面電位  −４０ｍＶ以下
情報“１”として表面電位  −３５ｍＶ〜−１５ｍＶ
情報“２”として表面電位  −１０ｍＶ〜＋１０ｍＶ
情報“３”として表面電位  ＋１５ｍＶ〜＋３５ｍＶ
情報“４”として表面電位  ＋４０ｍＶ以上
【０１１３】
データの書き込みはプラスマイナス１０Ｖまたはプラスマイナス６Ｖの電圧パルスの印加で行い、多値記録が可能な表面電位の値を制御した。
【０１１４】
再生は通常のＳＭＭまたはヘテロダイン検出方式のＳＭＭの表面電位分布の表面電位差として、局所的な電荷トラップ領域に記録させた情報を読み出した。
【０１１５】
電荷蓄積層のＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近のトラップに存在する電荷の状態を表面電位の変化としてパルス印加電圧条件により制御し、デジタルデータの“０”，“１”，“２”，“３”および“４”に対応する表面電位が得られることが分かった。ビット情報間の電位差はＳＭＭの検出感度１ｍＶに対して充分とれることが分かった。
【０１１６】
以上より、表面電位の極性と大きさをパルス電圧の極性と電圧の大きさで制御して、５値の情報の記録再生消去を実現した。
【０１１７】
また、先端直径の鋭いカンチレバーを再生ヘッドに用いることにより、記録ビットの直径も１００ｎｍ以下になることが分かった。
また、局所的に電荷が注入または放出された記録ビット領域は充分安定に保持されることが分かった。
【０１１８】
以上より、この実施例では５値記録の高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが分かった。
【０１１９】
本実施例では５値の記録再生装置について示したが、本発明が５値の記録装置、または５値の再生装置としても適用可能なことは言うまでもない。
【０１２０】
〔実施例３〕
この実施例における記録媒体は、記録ヘッドから電子をトラップに注入または放出することによる３値記録の記録態様をとる場合である。
この実施例では、図１３にその概略断面図を示すように、記録媒体１０は、Ｓｉ基体１１上に、その表面熱酸化によって厚さ４ｎｍＳｉＯ2 膜１４が形成され、これの上にＬＰＣＶＤ法により厚さ５ｎｍのＳｉＮ膜１５が形成され、さらにこれの上にＬＰＣＶＤ法により厚さ３ｎｍのＳｉＯ2 膜１６が形成され、さらにこれの上に、厚さ５ｎｍのＳｉＮ膜１７が形成され、これの上に熱酸化法またはＬＰＣＶＤ法により厚さ３．５ｎｍのＳｉＯ2 膜１６が形成された電荷蓄積層を有して成る。
上記ＬＰＣＶＤで形成したＳｉＯ2 膜とＳｉＮ膜は、クラスタツールＣＶＤ装置を用いて連続的に作製した。
【０１２１】
この電荷蓄積層を有する記録媒体１０に対する記録は、前述した図２の記録ヘッドＨＲによって行う。すなわち、記録媒体１０を、移動載置台３０上に配置し、記録媒体１０の表面ＳｉＯ2 層１６に、針状電極２１を、いわば点接触させて、載置台３０を移動させて記録媒体１０上に針状電極２１を走査しつつ記録情報に基いてパルス電圧を印加して、導電性カンチレバーよりＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近に存在するキャリアトラップに電子を局所的に注入または放出して情報の記録を行う。すなわち、キャリアトラップに局所的に注入したキャリア（電子）の有無の記録情報に応じた電位パターンを形成する。
【０１２２】
この実施例では、ヘテロ界面の数は実施例１と比較して１．５倍になっているため、その結果として、界面に存在し得るキャリアトラップの濃度も大きくなる。
【０１２３】
この実施例では、ＳｉＯ2 膜とＳｉＮ膜のヘテロ界面付近のキャリアトラップに導電性カンチレバーより電子を局所的に注入または放出することによって局所的に電荷量の差を生じさせ、電荷量の差の検出を表面電位Ｖｓの分布の検出によって行う。
【０１２４】
次に、この実施例３における３値情報の記録消去再生特性を示す。
まず、記録媒体１０のＳｉＯ2 ／ＳｉＮ／ＳｉＯ2 ／ＳｉＮ／ＳｉＯ2 ／Ｓｉ構造の記録媒体に−９Ｖまたは９Ｖのパルス電圧をヘッドすなわち針状電極２１から印加して、局所的に電子を界面トラップに注入または放出して形成した３値情報は以下の表面電位に分割して検出再生する。
【０１２５】
情報“０”として表面電位  −７０ｍＶ〜−３０ｍＶ
情報“１”として表面電位  −１５ｍＶ〜＋１５ｍＶ
情報“２”として表面電位  ＋３０ｍＶ〜＋７０ｍＶ
【０１２６】
次に、上述の図３の通常のＳＭＭ再生装置、および図４のヘテロダイン検出ＳＭＭ再生装置を用いて、記録媒体の局所的な注入または放出電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布として検出する。通常のＳＭＭおよびヘテロダインＳＭＭ再生法によって３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、表面形状は、パルス電圧を印加する直後で変化は観察されず、パルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
【０１２７】
ヘテロダインＳＭＭ像では３μｍ×３μｍの部分でキャリアの注入または放出させた部分の表面電位のコントラストは周囲と比較して変化した。これは−９Ｖまたは９Ｖのパルス電圧印加によって電子が導電性カンチレバーより界面付近のトラップに局所的に注入または放出され、その結果として表面電位の値が周囲と比較して増加または減少していること、すなわち、記録ビットが形成されていることを示した。
【０１２８】
また、ヘテロダインＳＭＭのスキャンエリアをさらに小さくして、例えば１．５μｍ×１．５μｍとして、同様な実験を試みた場合も、電子のキャリア注入または放出により電荷量、その結果として表面電位が増大または減少している記録ビットが検出再生された。
【０１２９】
以上より微細な記録ビットをヘテロダイン検出ＳＭＭ再生法によって検出可能であることが分かった。ＳＭＭの電位分解能が１ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”，“１”および“２”のデータの識別を充分行うことのできる値であることが分かった。
【０１３０】
このことから、この実施例の記録媒体の局所的な電荷の注入または放出量がカンチレバー記録ヘッドよりのバイアス電圧印加により制御できることが示された。
【０１３１】
この２種類の局所的な電荷の有無をデジタルデータのストレージの“０”，“１”と“２”に対応させることができる。すなわち、コントラストの明るい部分と暗い部分と周辺の部分でデジタルデータの“０”，“１”と“２”に対応させることにより高密度記録ができることが分かった。
【０１３２】
種々の実験の結果、最小記録領域の直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入の記録消去時間も１μｓよりの小さいことが分かった。
【０１３３】
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この実施例３では高密度記録再生装置として十分な機能をもっていることが分かった。
【０１３４】
尚、この実施例ではＳｉＯ2 ／ＳｉＮヘテロ界面が３種類形成されている場合について示したが、ヘテロ界面が１種類の場合、すなわち、ＳｉＮ／ＳｉＯ2 ／Ｓｉ構成による記録媒体の場合も、３値記録の記録、再生、消去ができることを確認した。
【０１３５】
また、本実施例では記録、再生装置について示したが、３値の記録装置または再生装置としても本発明は適用可能である。
【０１３６】
〔実施例４〕
この実施例では、蓄積キャリアをＳｉ基体側から電荷蓄積記録のキャリアトラップに注入または放出する方式での３値情報の記録再生を行った場合である。
【０１３７】
この実施例で用いた記録媒体１０は、実施例１におけると同様に、図７に示すように、ＳｉＯ2 膜１４（厚さ３ｎｍ）、ＳｉＮ膜１５（厚さ１０ｎｍ）およびＳｉＯ2 膜１６の構成によるものの、この実施例で用いた記録媒体においては、そのＳｉＯ2 膜１６を熱ＣＶＤ法によって形成し、その膜厚を５ｎｍとした。
【０１３８】
そして、その記録、消去、および再生方法も実施例１と同様の方法によった。
この場合の３値記録での電位分布の分割は次の通りである。
【０１３９】
情報“０”として表面電位  −７０ｍＶ〜−３０ｍＶ
情報“１”として表面電位  −１５ｍＶ〜＋１５ｍＶ
情報“２”として表面電位  ＋３０ｍＶ〜＋７０ｍＶ
【０１４０】
実施例１と同様に、カンチレバーにパルス電圧を印加することにより、Ｓｉ基体側から電荷蓄積記録の電子をキャリアトラップに注入、放出することができ、その結果として、３値記録での記録ビットの記録再生消去が可能であることが分かった。
【０１４１】
記録ビットの記録再生特性については本実施例も実施例１と同等の特性が得られた。また、この実施例では、再生にヘテロダイン検出方式のＳＭＭ再生法を用いているため、記録ビットの高周波領域での高速な再生が可能になった。
【０１４２】
また、本実施例では３値情報の記録再生装置について示したが、本発明を３値情報の記録装置および再生装置としても適用することは可能である。
【０１４３】
〔実施例５〕
この実施例では記録媒体として、実施例１と同様の記録媒体を用い、図２および図４で説明した記録および消去ヘッドＨＲと、再生ヘッドＨＰをそれぞれ別構成として、３値記録を行った。
【０１４４】
すなわち、各ヘッドＨＲとＨＰのカンチレバーを独別に構成し、記録媒体１０に対して接触状態で用いられる記録および消去ヘッドの針状電極に関しては、その磨耗を考慮して表面に形成される導電層を比較的厚く形成した例えばその先端の曲率半径が５０〜１００ｎｍとするが、非接触状態で用いられる再生ヘッドＨＰに関してはその磨耗を考慮する必要がないことから、表面導電層は薄く形成して、その針状電極の先端の曲率半径は記録および消去ヘッドＨＲのそれより小さい３０ｎｍ以下でその共振周波数を５ＭＨｚとした。
【０１４５】
このように、再生ヘッドの針状電極の先端の曲率半径を小さくすることによって、再生時の表面電位の空間分解能の解像度を上げることができることから、その最小記録領域の大きさを直径約６０ｎｍ以下にまで小さくすることができた。
【０１４６】
また、局所的に電荷が注入された領域は、充分安定に保持できた。また、ヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用いることにより、記録ビットの高周波数領域での再生ができた。
【０１４７】
このように、この実施例においても、高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが確認された。
【０１４８】
また、この実施例では、図７で示した構成による記録媒体を用いたが、他の構成、例えば図１３で示した構成による電荷蓄積層を有する記録媒体を用いた場合であっても本発明の本質が変わらないことは言うまでもない。
【０１４９】
さらに、本実施例では３値情報の記録再生装置について示したが、本発明を３値情報の記録装置または再生装置として適用することが可能であることは言うまでもない。
【０１５０】
〔実施例６〕
この実施例における針状電極を有するカンチレバー記録ヘッドと記録媒体の基体との間に電圧パルスを印加し、電子を電荷蓄積層のトラップへ注入することによる３値記録態様をとる場合である。
【０１５１】
この場合の記録媒体１０は、図１４にその概略断面図を示すように、Ｓｉ基体１１上に、その表面熱酸化による下層絶縁層としての厚さ３ｎｍのＳｉＯ2 膜７４を形成した後、プラズマＣＶＤ法によりＳｉナノ結晶７５ｃを形成し、これの上に、Ｓｉ結晶７５ｃを埋込む絶縁膜７５ｉを形成して、この絶縁膜７５ｉ中にナノ結晶７５ｃが埋込まれて成るナノ結晶層７５を形成し、続いてこれの上に、ＬＰＣＶＤ法により上層絶縁膜として厚さ５ｎｍのＳｉＯ2 膜７６を形成して成る。
【０１５２】
この記録媒体１０にＳｉナノ結晶層７５を有する電荷蓄積層に対する記録は、前述した図２の記録ヘッドＨＲによって行う。すなわち、記録媒体１０を、移動載置台３０上に配置し、記録媒体１０の表面ＳｉＯ2 層１６に、針状電極２１を、いわば微小面接触させて、載置台３０を移動させて記録媒体１０上に針状電極２１を走査しつつ記録情報に基いてパルス電圧を印加して、導電性カンチレバーよりＳｉナノ結晶層を有する電荷蓄積層のキャリアトラップに電子を局所的に注入して情報の記録を行う。すなわち、キャリアトラップに局所的に注入したキャリア（電子）の有無の記録情報に応じた電位パターンを形成する。
【０１５３】
この記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、本実施例ではＳｉＯ2 膜１４をトンネルして主としてＳｉナノ結晶層１５のトラップに電子を局所的に注入することによって局所的に電荷量の差が生じさせ、電荷量の差の検出を表面電位Ｖｓの分布の検出によって行う。
【０１５４】
次に、この実施例６における記録消去再生特性を示す。
まず、記録媒体１０のＳｉＯ2 ／Ｓｉ結晶層／ＳｉＯ2 ／Ｓｉ基体に５Ｖのパルス電圧をヘッドすなわち針状電極２１から印加して、電子を主としてＳｉナノ結晶層に存在する局所的なトラップに注入する。
【０１５５】
次に、図３のＳＭＭ再生装置を用いて記録媒体の局所的な注入電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布として検出するＳＭＭによって３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、表面形状は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察されず、パルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
ＳＭＭ像では２μｍ×２μｍの部分でキャリアの注入させた部分のコントラストは周囲と比較して暗くなっており、これは５Ｖのパルス電圧によって電子がＳｉ基体側よりトラップに局所的に注入され、負の電荷量が周囲と比較して増加していることを示している。
【０１５６】
以上より微細な記録ビットをＳＭＭ再生法によって検出可能であることが分かった。注入電荷量の差は電位差では約４０ｍＶであり、ＳＭＭの電位分解能が１ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”及び、“１”のデータの識別を充分行うことのできる値であることが分かった。
また、−５Ｖのパルス電圧を記録メディアにかけた場合、すなわち、上述のキャリアの注入、すなわち記録は反対の極性の電圧を印加した場合、ＳＭＭの電位分布で観察される画像のコントラストも逆転していることが分かった。すなわち、記録媒体のトラップに注入されるキャリアの量が反対になっていることが分かる。
【０１５７】
このことから、本実施例の記録媒体の局所的な電荷の注入量がカンチレバー記録ヘッドよりのバイアス電圧印加により制御可能なことが示された。
この最高の表面電位、中間電位と周辺の電位、または電子の注入と放出の各々の表面電位と周辺の電位を３種類の局所的な記録ビットを、デジタルデータのストレージの“０”と“１”および“２”に対応させることができる。すなわち、コントラストの明るい部分と暗い部分と周辺部で、デジタルデータの“０”，“１”および“２”に対応させることにより３値情報を同一の記録ビットに記録する高密度多値記録ができることが分かった。
また、種々の実験の結果、最小記録領域の直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入のスイッチング時間も１μｓよりの小さいことが分かった。
【０１５８】
また、図４に示したヘテロダイン検出ＳＭＭ法を用いることにより、１０ＭＨｚ以上の高周波数領域での記録ビット信号の検出再生を行うことができた。
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この実施例６では高密度記録再生装置として十分な機能をもっていることが分かった。
【０１５９】
〔実施例７〕
この実施例では、記録媒体がいわゆるディスク形状をなしている場合で、これを回転させて３値情報の記録再生を行った。
ヘッドは、実施例５で確認した２種類の記録および再生用ヘッドを用いた。また、記録媒体の構造は、実施例１と同様の記録媒体を用いた。
【０１６０】
この場合の３値情報の記録再生特性は、実施例１と同様に確認することができた。また、記録媒体と非接触状態で情報の再生を行っているため、記録媒体が高速回転している場合でも、ヘッドと記録媒体間の摩擦磨耗による影響を最小限に抑止することができた。また、ヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用いることにより、記録ビットの高周波数領域での再生ができた。
【０１６１】
種々の実験の結果、この場合においても最小記録ビット直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。記録の消去時間は１μｓより小さくすることができた。また、局所的に電荷が注入された領域は充分安定に保持された。
【０１６２】
以上より、本実施例で高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが確認された。この実施例においても、図７で示した構成による記録媒体を用いたが、他の構成、例えば図１３、図１４で示した構成による電荷蓄積層を有する記録媒体を用いた場合であっても本発明の本質が変わらないことは言うまでもない。
【０１６３】
さらに、本実施例では３値情報の記録再生装置について示したが、本発明を３値情報の記録装置または再生装置として適用することが可能であることは言うまでもない。
【０１６４】
〔実施例８〕
この実施例においては、実施例１と同様の構成による記録媒体を用い、実施例１と同様の記録装置によって３値記録を行った場合である。
【０１６５】
しかしながら、この実施例８においては、その記録情報の再生を、図５で説明したＫＦＭで検出再生した場合である。
【０１６６】
この実施例における記録消去再生特性を示す。
まず、記録媒体１０に、−９Ｖまたは＋９Ｖのパルス電圧を、針状電極を含むヘッドＨＲの針状電極２１から、これに近接した場所に印加して、電子を界面付近のトラップに局所的に注入または放出する。
【０１６７】
９Ｖ、４ｍｓのパルス電圧を印加した場合の記録ビットパターンを、ＫＦＭで検出再生した場合の表面電位像を検討した。図８〜図１０で示したＳＭＭ再生法の場合と同様に、周囲と比較して表面電位が増大している部分が情報“２”と、周囲と同一の表面電位の分が情報の“１”に対応させることができることが分かった。また、−９Ｖ、４ｍｓのパルス電圧を印加することにより、周囲と比較して表面電位が減少している部分が生じ、この表面電位を情報“０”に対応させることができる。このことより、３値情報の記録、再生ができることが分かった。
【０１６８】
次に、ＫＦＭ再生装置を用いて、上述の記録媒体に対する記録、すなわち局所的な注入電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布として検出した。この場合、共振周波数５ＭＨｚのカンチレバーを用い、５ＭＨｚの高周波数領域で表面電位分布を評価した。
【０１６９】
その結果、表面形状は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察されず、パルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
【０１７０】
ＫＦＭ像において電子が注入または放出された部分にコントラストが生じ、記録ビットが再生されたことを確認した。その表面電位は周辺と比較して増大または減少していることが分かり、パルス電圧の極性によって記録ビットの極性が対応することが分かった。この２種類の極性の表面電位と周辺の電子の注入または放出されていない位置の表面電位とを併せて３値の情報の記録再生が可能なことが分かった。
【０１７１】
また、共振周波数を５ＭＨｚのカンチレバーの再生ヘッドを用いたＫＦＭ再生法を用いることにより、５ＭＨｚでの高周波数領域でも５−１０ｋＨｚと同様な表面電位分布が得られていることが分かった。また、共振周波数が１０ＭＨｚ以上で十分バネ定数の小さいカンチレバーを作製することは可能であり、その結果として１０ＭＨｚ以上の高周波数領域においても記録ビットの検出再生ができることを示すものである。
【０１７２】
キャリアの注入電荷量の差は電位差で約７０ｍＶであり、ＫＦＭの電位分解能が３ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”，“１”および“２”のデータの識別を充分行うことのできる値であることが分かった。
【０１７３】
このことから、この実施例の記録媒体の局所的な電荷の注入量がカンチレバー記録ヘッドよりのバイアス電圧印加により制御できることが示された。
【０１７４】
この２種類の局所的な電荷に起因した表面電位の値をデジタルデータのストレージの“０”，“１”と“２”に対応させることができることが分かった。
【０１７５】
種々の実験の結果、最小記録ビットの直径を１００ｎｍ以下にすることができることが分かった。また、キャリア注入の記録、消去時間も１μｓよりの小さくすることができることが分かった。
【０１７６】
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。
上述したように、この実施例では３値記録の高密度記録再生装置として十分な機能をもっていることが分かった。
【０１７７】
本実施例では３値情報の記録、再生装置について示したが、本発明を３値情報の記録装置または再生装置に適用することは可能である。
【０１７８】
〔実施例９〕
本実施例では、実施例８と同様の記録ヘッド、記録媒体を用いて、５値情報の記録再生消去の検討結果を示した。図１２に記録ビット最大表面電位のパルス電圧依存性を示した。この図より表面電位はパルス電圧が増大するにつれて単調に増大していることが分かる。また、上記傾向はパルス電圧の極性が反対の場合に依存せず、パルス電圧の極性が反対の場合も図１２と同様な傾向を示すことが分かった。そこで、情報を以下に示す表面電位に分割して５値の記録再生を行った。
【０１７９】
情報“０”として表面電位  −４０ｍＶ以下
情報“１”として表面電位  −３５ｍＶ〜−１５ｍＶ
情報“２”として表面電位  −１０ｍＶ〜＋１０ｍＶ
情報“３”として表面電位  ＋１５ｍＶ〜＋３５ｍＶ
情報“４”として表面電位  ＋４０ｍＶ以上
【０１８０】
データの書き込みはプラスマイナス１０Ｖまたはプラスマイナス６Ｖの電圧パルスの印加で行い、多値記録が可能な表面電位の値を制御した。
【０１８１】
再生はＫＦＭの表面電位分布の表面電位差として、局所的な電荷トラップ領域に記録させた情報を読み出した。
【０１８２】
ＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近のトラップに存在する電荷の状態を表面電位としてパルス印加電圧により制御し、デジタルデータの“０”，“１”，“２”，“３”および“４”に対応する表面電位が得られることが分かった。ビット情報間の電位差は、ＫＦＭの検出感度３ｍＶに対して充分とれることが分かった。
【０１８３】
以上より、表面電位の極性と大きさをパルス電圧の極性と電圧の大きさで制御して、５値の情報の記録再生消去を実現した。
【０１８４】
また、先端直径の鋭い針状電極を含むヘッドを用いることにより、記録ビットの直径も１００ｎｍ以下になることが分かった。
また、局所的に電荷が注入または放出された記録ビット領域は充分安定に保持されることが分かった。
【０１８５】
以上より、この実施例において、５値記録の高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが分かった。
【０１８６】
本実施例では５値情報の記録、再生について示したが、本発明が５値情報の記録装置または再生装置としても適用可能なことは言うまでもない。
【０１８７】
〔実施例１０〕
この実施例における記録および記録媒体は、実施例３と同様の記録方法および記録媒体を用いて行った。すなわち、この実施例においても、図１３で説明した記録媒体を用い、そのキャリアトラップへの針状電極を含む記録ヘッドから電子の注入によって３値記録を行った場合である。
【０１８８】
この実施例においても、実施例８および９に比し、ヘテロ界面の数が１．５倍になっているため、その結果として、界面に存在し得るキャリアトラップの濃度も大となる。
【０１８９】
そして、この実施例においては、図５で説明した通常のＫＦＭ再生装置を用いて記録媒体の電荷蓄積層における局所的な注入または放出電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布として検出する。
【０１９０】
この実施例における記録消去再生特性を示す。
まず、記録媒体１０に、−９Ｖまたは９Ｖのパルス電圧を、針状電極を含むヘッドＨＲの針状電極２１から、これに近接した場所に印加して、局所的に電子を界面トラップに注入または放出する。
３値情報は、以下の表面電位に分割して記録、再生した。
【０１９１】
情報“０”として表面電位  −７０ｍＶ〜−３０ｍＶ
情報“１”として表面電位  −１５ｍＶ〜＋１５ｍＶ
情報“２”として表面電位  ＋３０ｍＶ〜＋７０ｍＶ
【０１９２】
次に、通常のＫＦＭによって３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、表面形状は、パルス電圧を印加する直後で変化は観察されず、パルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
【０１９３】
ＫＦＭ像では３μｍ×３μｍの部分でキャリアの注入または放出させた部分の表面電位のコントラストは周囲と比較して低下した。これは−９Ｖまたは９Ｖのパルス電圧印加によって電子が導電性カンチレバーよりヘテロ界面付近のトラップに局所的に注入または放出され、その結果として表面電位の値が周囲と比較して増加または減少していること、すなわち、記録ビットが形成されていることを示した。
【０１９４】
また、ＫＦＭのスキャンエリアをさらに小さくして、例えば１．５μｍ×１．５μｍとして、同様な実験を試みた場合も、電子のキャリア注入または放出により電荷量が増大または減少している記録ビットが検出された。
【０１９５】
以上より微細な記録ビットをＫＦＭによって検出可能であることが分かった。ＫＦＭの電位分解能が３ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”，“１”および“２”のデータの識別を充分行うことのできる値であることが分かった。
【０１９６】
このことから、この実施例の記録媒体の局所的な電荷の注入または放出量がカンチレバー記録ヘッドよりのバイアス電圧印加により制御可能なことが示された。
【０１９７】
この２種類の局所的な電荷の有無をデジタルデータのストレージの“０”，“１”と“２”に対応させることができる。すなわち、周辺部と比較して表面電位の低い部分と高い部分と周辺の部分でデジタルデータの“０”，“１”と“２”に対応させることにより３値情報の高密度記録がのできることが分かった。
【０１９８】
種々の実験の結果、最小記録領域の直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入の記録、消去時間も１μｓより小さいことが分かった。
【０１９９】
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この実施例３では高密度記録再生装置として十分な機能をもっていることが分かった。
【０２００】
尚、この実施例ではＳｉＮ／ＳｉＯ2 ヘテロ界面が３種類形成されている場合について示したが、ヘテロ界面が１種類の場合、すなわち、ＳｉＮ／ＳｉＯ2 ／Ｓｉ構成による記録媒体の場合も、３値記録の記録、再生、消去ができることを確認した。
【０２０１】
さらに、本実施例では３値情報の記録再生装置について示したが、本発明を３値情報の記録装置または再生装置として適用することが可能であることは言うまでもない。
【０２０２】
〔実施例１１〕
この実施例では、実施例４におけると同様に、蓄積キャリアをＳｉ基体側から電荷蓄積記録のキャリアトラップに注入する方式での３値情報の記録再生を行った場合である。
【０２０３】
この実施例で用いた記録媒体は、実施例１におけると同様に、図７に示すように、ＳｉＯ2 膜１４（３ｎｍ）、ＳｉＮ膜１５（１０ｎｍ）およびＳｉＯ2 膜１６の構成によるものの、この実施例で用いた記録媒体においては、そのＳｉＯ2 膜１６を熱ＣＶＤ法によって形成し、その膜厚を５ｎｍとした。
【０２０４】
そして、その記録、消去、および再生方法は、実施例７と同様の方法によった。
この場合の３値記録での表面電位分布の分割は次の通りである。
【０２０５】
情報“０”として表面電位  −７０ｍＶ〜−３０ｍＶ
情報“１”として表面電位  −１５ｍＶ〜＋１５ｍＶ
情報“２”として表面電位  ＋３０ｍＶ〜＋７０ｍＶ
【０２０６】
実施例１および７と同様に、カンチレバーにパルス電圧を印加することにより、Ｓｉ基体側から電荷蓄積記録の電子を注入、放出することができ、その結果として、３値記録での記録ビットの記録再生消去が可能であることが分かった。
【０２０７】
この実施例における記録再生特性は、実施例１および７と同等の特性が得られた。また、この実施例では再生に共振周波数５ＭＨｚのカンチレバーを用いたＫＦＭ再生装置を用いたことにより、記録ビット５ＭＨｚまでの高周波数領域での高速な再生が可能になった。
【０２０８】
さらに、本実施例では３値情報の記録再生装置について示したが、本発明を３値情報の記録装置または再生装置として適用することが可能であることは言うまでもない。
【０２０９】
〔実施例１２〕
この実施例では、蓄積キャリアをＳｉ基体側から電荷蓄積層のキャリアトラップに注入する方法を取った場合で、その３値情報の記録再生の結果を示す。この実施例では３値情報の再生にＳＣＭを用いた静電容量の変化量を記録に対して接触した状態で検出再生している。
【０２１０】
この実施例で用いた記録媒体は、実施例１および７におけると同様に、図７に示すように、ＳｉＯ2 膜１４（３ｎｍ）、ＳｉＮ膜１５（１０ｎｍ）およびＳｉＯ2 膜１６の構成によるものの、この実施例で用いた記録媒体においては、そのＳｉＯ2 膜１６を熱ＣＶＤ法によって形成し、その膜厚を５ｎｍとした。
【０２１１】
３値記録での静電容量の分布を表面電位分布で表わし電位分布の分割は以下に示す通りである。
情報“０”として表面電位  −７０ｍＶ〜−３０ｍＶ
情報“１”として表面電位  −１５ｍＶ〜＋１５ｍＶ
情報“２”として表面電位  ＋３０ｍＶ〜＋７０ｍＶ
【０２１２】
実施例１および７と同様に、カンチレバーにパルス電圧を印加することにより、Ｓｉ基体側から電荷蓄積記録の電子を注入、放出することができ、その結果として、３値記録での記録ビットの記録再生消去が可能であることがわかった。
【０２１３】
記録ビットの記録再生特性についてはこの実施例も実施例７と同等の特性が得られた。記録再生ヘッドとして用いたカンチレバーはヘッドと記録媒体との間の浮遊容量を低減するような設計がなされている。
【０２１４】
また、この実施例では再生にＳＣＭ再生技術を用いているため、記録ビット１０ＭＨｚ以上の高周波数領域での高速な再生が可能になった。
【０２１５】
本実施例では３値情報の記録、再生装置について示したが、本発明は３値情報の記録装置または再生装置に適用可能なことは言うまでもない。
【０２１６】
〔実施例１３〕
この実施例における記録媒体は、カンチレバーと記録媒体に電圧パルスを印加することにより、電子を記録媒体の電荷蓄積層のトラップへ局所的に注入または放出することによる３値記録態様をとった場合である。
【０２１７】
この場合の記録媒体１０は、図１４で示した、前記実施例６と同一のものを用いた。
この電荷蓄積層を有する記録媒体１０に対する記録は、前述した図２の記録ヘッドＨＲによって行う。すなわち、記録媒体１０を、移動載置台３０上に配置し、記録媒体１０の表面ＳｉＯ2 層１８に、針状電極２１を、いわば微小面接触させて、載置台３０を移動させて記録媒体１０上に針状電極２１を走査しつつ記録情報に基づいてパルス電圧を印加して、導電性カンチレバーよりＳｉナノ結晶層付近に存在するキャリアトラップに電子を局所的に注入して情報の記録を行う。すなわち、キャリアトラップに局所的に注入したキャリア（電子）の有無の記録情報に応じた電位パターンを形成する。
【０２１８】
この記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、本実施例では主としてＳｉナノ結晶のキャリアトラップにＳｉ基体より電子を局所的に注入することによって局所的に電荷量の差を生じさせ、電荷量の差の検出を表面電位Ｖｓの分布の検出によって行う。
【０２１９】
次に、この実施例１３における記録消去再生特性を示す。
まず、記録媒体１０のＳｉＯ2 ／Ｓｉナノ結晶層／ＳｉＯ2 ／Ｓｉナノ結晶層／ＳｉＯ2 膜／Ｓｉ基体（以下材料２という）に５Ｖのパルス電圧を針状電極２１から印加して、局所的に電子を界面トラップに注入する。
【０２２０】
次に、図５のＫＦＭ再生装置を用いて記録媒体の局所的な注入電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布として検出する。ＫＦＭによって３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、表面形状は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察されず、パルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
【０２２１】
ＫＦＭ像では３μｍ×３μｍの部分でキャリアの注入させた部分の表面電位は周辺部と比較して低くなっており、電子注入により記録ビットが形成されることが分かった。
【０２２２】
また、ＫＦＭのスキャンエリアをさらに小さくして、例えば１．５μｍ×１．５μｍとして、同様のキャリア注入を試みた場合も、キャリア（電子）の注入により表面電位が周辺と比較して減少している記録ビットが検出再生された。
【０２２３】
以上より微細な記録ビットをＫＦＭによって検出可能であることが分かった。注入電荷量の周辺電位との差は電位差では約４０ｍＶであり、ＫＦＭの電位分解能が３ｍＶであることから、中間電位と周辺電位を考慮すると、例えばデジタル信号“０”，“１”及び“２”のデータの識別を充分行うことのできる値であることが分かった。
【０２２４】
また、−５Ｖのパルス電圧を記録媒体にかけた場合、すなわち、上述のキャリアの注入（記録）とは反対の極性の電圧を印加した場合、ＫＦＭの電位分布で観察される画像のコントラストも逆転していることが分かった。すなわち、記録媒体のトラップに注入されるキャリアの量が反対になっていることが分かる。
【０２２５】
このことから、本実施例の記録媒体の局所的な電荷の注入量がカンチレバー記録ヘッドよりのバイアス電圧印加により制御可能なことが示された。
この最高の表面電位、中間電位と周辺電位、または電子の注入と放出に対応する各々の電位と周辺電位を３種類の表面電位を有する局所的な記録ビットをデジタルデータのストレージの“０”と“１”及び“２”に対応させることができる。すなわち、コントラストの明るい部分と暗い部分と周辺部でデジタルデータの“０”，“１”及び“２”に対応させることにより３値情報を同一の記録ビットに記録する高密度多値記録が可能であることが分かった。
【０２２６】
種々の実験の結果、最小記録領域の直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入のスイッチング時間も１μｓよりの小さいことが分かった。
【０２２７】
また、記録ヘッドの共振周波数が十分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が十分小さく（約１Ｎ／ｍ）することにより、記録ビットの５ＭＨｚ帯での高速な再生が可能になった。
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、十分安定に保持されることが分かった。上述したように、この実施例１３では高密度記録再生装置として十分な機能をもっていることが分かった。
【０２２８】
本実施例では記録媒体の電荷蓄積層が、ナノ結晶層である場合に対して説明を行ったが、他の電荷蓄積層による記録媒体に適用しても本発明の本質が変わらないことは言うまでもない。
【０２２９】
〔実施例１４〕
この実施例では記録媒体として、実施例１および７と同様の記録媒体を用い、図２および図５で説明した記録および消去ヘッドＨＲと、再生ヘッドＨＰをそれぞれ別構成として、３値記録を行った。
【０２３０】
すなわち、各ヘッドＨＲとＨＰのカンチレバーを独別に構成し、記録媒体１０に対して接触状態で用いられる記録および消去ヘッドＨＲの針状電極に関しては、その磨耗を考慮して表面に形成される導電層を比較的厚く形成した例えばその先端の曲率半径が５０〜１００ｎｍとするが、非接触状態で用いられる再生ヘッドＨＰに関してはその磨耗を考慮する必要がないことから、表面導電層は薄く形成して、その針状電極の先端の曲率半径は記録および消去ヘッドＨＲのそれより小さい３０ｎｍ以下でその共振周波数を５ＭＨｚとした。
【０２３１】
このように、再生ヘッドの針状電極の先端の曲率半径を小さくすることによって、再生時の記録ビットの空間分解能の解像度を上げることができることから、その最小記録領域の大きさを直径約６０ｎｍ以下にまで小さくすることができた。
【０２３２】
また、局所的に電荷が注入された領域は、充分安定に保持できた。また、共振周波数を５ＭＨｚの再生ヘッドを用いたＫＦＭ再生を用いることにより、記録ビットの５ＭＨｚまでの高周波数領域での再生が可能になった。
【０２３３】
上述したように、この実施例で高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが確認された。
【０２３４】
また、この実施例では電荷蓄積材料による記録媒体を用いたが、他の実施例で示した電荷蓄積材料を記録媒体に適用した場合であっても本発明の本質が変わらないことは言うまでもない。
【０２３５】
また、本実施例では３値情報の記録再生装置について示したが、本発明は３値情報の記録装置または再生装置としても適用可能である。
【０２３６】
〔実施例１５〕
この実施例ではディスク形状をしている記録媒体を回転させて３値情報の記録再生を行った。
ヘッドは実施例１４で確認した２種類の記録および再生用ヘッドを用いた。また、記録媒体は実施例１１で用いた記録媒体を用いた。
【０２３７】
この場合の３値情報の記録再生特性は、実施例７と同様に確認することができた。また、記録媒体と非接触状態で情報の再生を行っているため、記録媒体が高速回転している場合でも、ヘッドと記録媒体間の摩擦磨耗による影響を最小限に抑止することができた。また、共振周波数が５ＭＨｚより大きいカンチレバーを用いたＫＦＭ再生技術を用いることにより、記録ビットの高周波領域での再生が可能になった。
【０２３８】
種々の実験の結果、この場合においても最小記録ビット直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。記録消去時間は１μｓより小さくすることができた。また、局所的に電荷が注入された領域は充分安定に保持された。
【０２３９】
以上より、この実施例で高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが確認された。この実施例では記録媒体として電荷蓄積材料１に対して説明を行ったが、他の電荷蓄積材料を記録媒体に適用しても本発明の本質が変わらないことは言うまでもない。
【０２４０】
また、本実施例では３値情報の記録再生装置について示したが、本発明は３値情報の記録装置または再生装置としても適用可能である。
【０２４１】
以上、種々の実施例によって、本発明の有効性を示したが、全ての実施例において、記録再生媒体の最上部にダイヤモンドライクカーボン等の保護層を付加した場合、記録再生装置および記録媒体の信頼性が向上した。
【０２４２】
尚、上述した各実施例で用いた記録媒体においては、基体１１がＳｉ基体、すなわち半導体基体によって構成され、その裏面に下部電極１２がオーミックに被着された構成とした場合であるが、例えば実施例３におけるように、キャリアトラップに対して、記録ヘッド側からキャリア（電子）の注入を行う記録態様を採る場合には、基体１１は半導体基体である必要はなく、表面が平滑な導電体例えば金属または導電性高分子基体によって構成することもできる。そして、このように基体１１が高導電率を有する半導体基体あるいは金属基体または導電性高分子基体等によって構成する場合は、下部電極１２が形成されない構成とすることができる。
【０２４３】
上述したように本発明装置によれば、多値記録による記録密度の向上、高周波数領域での記録再生がはかられた。この本発明による高密度記録再生装置は、従来に比較して実効的に１桁以上大きな記録密度を実現できるものである。
【０２４４】
尚、上述したように本発明装置においては記録、再生ヘッドが針状電極を有する構成とするものであるが、この針状電極の機械的強度を補強するなどの目的で針状電極の周囲に絶縁体を配するなど上述の各実施例に限られず、種々の変更を行うことができる。
【０２４５】
また、本発明による記録再生装置は、多値情報の記録および再生の双方の機能を有する構成とすることもできるし、記録機能がなく、上述の記録方法で記録されている多値情報を再生する機能を有する構成とすることもできる。
【０２４６】
以上、種々の実施例によって、本発明の有効性を示したが、各実施例においては、すべて単一の記録ヘッド、または再生ヘッドを用いた多値高密度記録についての実施例であった。しかしながら、記録または再生ヘッドの数を複数にした集積マルチヘッドを用いた同時並列記録、または並列再生、または並列記録再生を行う場合であっても、一つの記録ビットに３値以上の情報を記録する多値高密度記録に本発明を適用できることは言うまでもない。
【０２４７】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、極めて優れた記録密度、記録再生速度を有するため、従来技術と比較して格段に優れた高密度記録装置が実現された。したがって、高度情報化社会に必要とされる大容量で高速なアクセスが必要とされる画像情報のストレージ、ハイビジョン放送などの画像の記録およびコンピュータにおける大容量なデータの記録に有効な記録、再生および記録再生装置となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置に用いる記録媒体の基本的構成を示す図である。
【図２】本発明装置の記録消去機構の一例の構成図である。
【図３】本発明装置の再生装置の一例の構成図である。
【図４】本発明装置の再生装置の一例の構成図である。
【図５】本発明装置の再生装置の一例の構成図である。
【図６】本発明装置の再生装置の一例の構成図である。
【図７】本発明装置に用いる記録媒体の一例の概略断面図である。
【図８】本発明装置の一例の走査型マックスウエル応力顕微鏡における表面電位分布を示すディスプレイ上に表示した中間調画像である。
【図９】本発明装置の一例の走査型マックスウエル応力顕微鏡における表面電位分布を示すディスプレイ上に表示した中間調画像である。
【図１０】本発明装置の一例の走査型マックスウエル応力顕微鏡における表面電位分布を示すディスプレイ上に表示した中間調画像である。
【図１１】本発明装置の一例の走査型マックスウエル応力顕微鏡における表面電位分布を示すディスプレイ上に表示した中間調画像である。
【図１２】本発明装置の一例の表面電位のパルス電位依存性を示す図である。
【図１３】本発明装置に用いる記録媒体の一例の概略断面図である。
【図１４】本発明装置に用いる記録媒体の一例の概略断面図である。
【図１５】従来装置に用いる記録媒体の一例の概略断面図である。
【符号の説明】
１０  記録媒体、１１  基体、１２  下部電極、１３  活性層、２２  カンチレバー
【図１】
0003937486.tif 000014
【図２】
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【図３】
0003937486.tif 000016
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003937486.tif 000020
【図８】
0003937486.tif 000021
【図９】
0003937486.tif 000022
【図１０】
0003937486.tif 000023
【図１１】
0003937486.tif 000024
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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