(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
針状電極よりなるヘッドにより記録媒体に情報を記録または再生する記録再生装置であって、
上記記録媒体は、少なくともトンネル絶縁膜と、絶縁膜中にナノ結晶が埋め込まれてなるナノ結晶層を有する電荷蓄積層を２層以上有して成り、
上記ヘッドからの電圧印加によって上記電荷蓄積層の所定領域に対する上記トンネル絶縁膜を通じての電荷移動により情報の記録または消去がなされ、
上記ヘッドを、上記記録媒体に非接触または接触させた状態で、上記所定領域における電荷、あるいは表面電位、または静電容量、あるいはこれらの微分量の少なくともいづれかの変化量を検出して、上記記録情報を再生することを特徴とする記録再生装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記所定領域に記録された情報を、ヘテロダイン検出法によって上記所定領域における表面電位あるいは静電容量の少なくともいづれかの変化量を、再生ヘッドが上記記録媒体に対し非接触状態で、該再生ヘッドの機械共振周波数より高い周波数で高速に検出して、上記記録情報を再生することを特徴とする記録再生装置。
【請求項３】
請求項１において、
上記所定領域に記録された情報を、該領域における表面電位または静電容量の少なくともいづれかの変化量の微分を、再生ヘッドが上記記録媒体に対し非接触状態で、該再生ヘッドの共振周波数の振幅または位相の変動量またはその微分量を用いて検出して、上記記録情報を再生することを特徴とする記録再生装置。
【請求項４】
請求項１において、
記録情報の再生を、静電容量の変化量あるいは静電容量の変化量の微分を、再生ヘッドが上記記録媒体に対し接触状態で、該再生ヘッドまたは再生ヘッド系の発振器の共振周波数の周波数シフトに起因する共振点での振幅または位相の変化を検出して、上記記録情報を再生することを特徴とする記録再生装置。
【請求項５】
請求項１において、上記ヘッドを、少なくとも記録用および再生用の共通のヘッドとしたことを特徴とする記録再生装置。
【請求項６】
請求項１において、上記ヘッドを、少なくとも記録用および再生用の２種のヘッドとしたことを特徴とする記録再生装置。
【請求項７】
請求項１において、上記記録または消去を、上記ヘッドに１０Ｖ以下の電圧を印加することにより行い、上記記録媒体の単位記録領域は直径１００ｎｍ以下であることを特徴とする記録再生装置。
【請求項８】
請求項１において、単位記録領域の記録および消去時間を、それぞれ１μｓ以下とすることを特徴とする記録再生装置。
【請求項９】
請求項１において、上記記録または再生を、上記記録媒体を回転させて行うことを特徴とする記録再生装置。
【請求項１０】
請求項１において、上記記録媒体の上記ナノ結晶層の結晶粒の粒径が１０ｎｍ以下、結晶粒間隔が１０ｎｍ以下とされたことを特徴とする記録再生装置。
【請求項１１】
請求項１において、上記記録媒体の電荷蓄積層の、上記ナノ結晶層の結晶粒が、酸化シリコン膜中埋め込まれて形成されてなることを特徴とする記録再生装置。
【請求項１２】
請求項１において、上記ナノ結晶が半導体ナノ結晶であることを特徴とする記録再生装置。
【請求項１３】
請求項１において、上記ナノ結晶がシリコンナノ結晶であることを特徴とする記録再生装置。
【請求項１４】
請求項１において、上記記録媒体が、最上層に保護層を有することを特徴とする記録再生装置。
【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超高密度記録を行うことができる新規な記録および再生を行う、あるいは記録情報の再生のみ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な記録再生装置の要求が益々高まっている。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
光記録において、その記録領域を小さくする試みはなされているが、その光源として波長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、その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。この限界を越えることのできる記録方法の試みや、提案も種々なされているものの、いづれのものも、直径１００ｎｍ以下の記録領域（記録ビット）を実現することは難しいとされている。
【０００７】
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型磁気ヘッド（ＭＲ型磁気ヘッド）、巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッド（ＧＭＲ型磁気ヘッド）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１００ｎｍ以下の記録領域を達成することは難しい。
【０００８】
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大きな成功を収めている。
【０００９】
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プローブとして用いているが、近年ＡＦＭは種々の物理量を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、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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。) 。
【００１２】
ところで、図１０に示すように、ｐ型またはｎ型Ｓｉ基板１上に、熱酸化によるＳｉＯ2 膜２および熱ＣＶＤ法（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。
【００１３】
このようなＭＮＯＳ系、あるいはＮＯＳ系記録再生の基本は、Ｓｉ半導体と、ＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面やその近傍のＳｉＮ中のキャリアのトラップとの間の電荷の移動を用いることである。この場合、データ保持特性を良好にするために、ＳｉＯ2 膜の膜厚を充分厚く設計している。
【００１４】
すなわち、この層構造でＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面およびこの界面を形成するＳｉＮ層中（以下単にＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近という）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１０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基板１側から電子がＳｉＯ2 膜２をトンネルして、ＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近のトラップに注入されてここに蓄積される。一方、上部金属電極４に負電圧を掛けると、トンネル酸化膜２の膜厚が厚い場合逆向きの強電界によりトラップに蓄積されている電子がＳｉ基板１側にＳｉＯ2 膜２をトンネルして逆注入、すなわち放出されてＳｉＯ2 ／ＳｉＮ界面付近のトラップに存在する電子が欠乏する。このようにして、ＭＮＯＳ記録媒体への電気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構造キャパシタの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。
【００１５】
上述のクエート(Quate) 氏等の研究では、ＮＯＳ媒体に導電性カンチレバーを接触させた状態で記録消去し、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ずく容量変化を、ＳＣＭのカンチレバー直近に配置された容量センサーを用いて検出することによって再生するという方法が採られている。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。この場合記録媒体にはキャリア（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、直径約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。
【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、次に挙げる問題点がある。
（１）ＮＯＳ材料の特徴として、情報の記録、消去時に必要な各時間が、ｍｓ（ミリ秒）オーダー、電圧が４０Ｖ（しきい値電圧２５Ｖ）となり、高速、低電圧駆動を充分満たすものではない。
また、再生ヘッドを記録媒体に接触させた状態で情報の再生を行う接触型構成による場合には、
（２）情報の再生すなわち容量変化の読み出しは、メタルコートされたカンチレバーを記録媒体に接触させて動作させていることから、カンチレバーすなわちヘッドの記録媒体との接触による摩擦磨耗が大きいためにヘッドの劣化が生じ、その結果として記録再生特性が劣化する。
（３）情報の再生は、記録媒体の容量変化を、カンチレバーの直後に設けたキャパシタセンサで直接的に検出しているが、この系での記録媒体表面形状に極めて敏感であり、特に場合によっては浮遊容量が大きくなる可能性があり、信号のＳ／Ｎが劣化する。
という問題がある。
【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記録媒体を用いた静電容量検出方式の記録再生の試みが行われている(IEEE Transactions on Electron Devices Vol.28 No.7 854-860(1981)。しかし、高記録密度の点で問題があり、上記クエート（Quate)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】
また、最近になってTiwariらがＳｉナノ結晶を用いた新しい半導体不揮発メモリの提案を行った（Applied Physics Letters 68 1377(1996) ）。しかし、この報告によれば、メモリトランジスタのしきい値のシフト量が約０．２Ｖしかとれず、従来のメモリトランジスタのしきい値のシフト量を検出しているセンスアンプの感度では検出できないという問題点がある。
【００１９】
本発明においては、鋭意研究を重ねた結果、ＳＰＭと、微小領域でのキャリアトラップとなるナノ結晶（ナノクリスタル）すなわちｎｍオーダーの粒径による微細結晶が絶縁膜中に埋め込まれて配列されたナノ結晶層を有する電荷蓄積層が形成された記録媒体を用いることによって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、またヘッドの長寿命化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。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明による記録再生装置は、針状電極よりなるヘッドにより記録媒体に情報を記録または再生する記録再生装置であって、その記録媒体は、少なくともトンネル絶縁膜と、絶縁膜中にナノ結晶が埋め込まれてなるナノ結晶層を有する電荷蓄積層を２層以上有して成る。そして、上記ヘッドからの電圧印加によって電荷蓄積層の所定領域に対するトンネル絶縁膜を通じての電荷移動により情報の記録または消去がなされ、ヘッドを、上記記録媒体に非接触または接触させた状態で、上記所定領域における電荷、あるいは表面電位、または静電容量、あるいはこれらの微分量の少なくともいづれかの変化量を検出して、記録情報の再生を行う。
【００２１】
上述の本発明による記録再生装置によれば、記録媒体として特にナノ結晶、すなわち結晶粒の大きさがｎｍオーダー、つまり１０ｎｍ以下のナノ結晶を有する電荷蓄積層が形成された構成とし、さらに針状電極ヘッドによる電圧印加により、この電荷蓄積層のキャリアトラップに対する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る。
【００２２】
また、その再生においても、針状電極によったことから電位分解能および空間分解能の高い再生を行うことができる。
【００２３】
そして、この記録媒体上の記録情報を、記録媒体に対してヘッドを非接触の状態で、再生するときは、再生時における針状電極によるヘッドや記録媒体の磨耗を効果的に低減化することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、記録媒体の参考例の基本構成を示す。この記録媒体１０は、導電性基体例えばシリコンＳｉ基体１１に下部電極１２が被着形成され、これとは反対側に、活性層１３が形成される。活性層１３は、少なくとも例えばＳｉＯ2 を介しての電荷の注入、放出における電荷のトンネルが可能なトンネル絶縁膜を有し、例えば半導体のＳｉのナノ結晶がＳｉＯ2 等の絶縁膜中に埋め込まれ、ナノ結晶層を有する電荷蓄積層を有してなる。
【００２５】
このＳｉＯ2 膜によるトンネル膜は、ナノ結晶が埋め込まれたナノ結晶層を挟んでその上下に形成することができ、ナノ結晶粒と、更にナノ結晶粒とトンネル膜もしくはナノ結晶粒を埋め込むＳｉＯ2 膜との界面において高密度に電荷のトラップを形成するヘテロ界面を形成させることができる。
【００２６】
ここで、絶縁膜中に埋め込まれたナノクリスタルは、空間的に離散化されてかつ伝導帯端から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。そのサイズは直径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）が記録ヘッドと記録媒体の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例えばＳｉＯ2 膜によるトンネル絶縁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ことにより情報の記録が成される。この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、５〜１０11〜１×１０12ｃｍ-2である。また、一つのキャリアトラップには複数個の電子をトラップすることができる。一方、キャリア（電子）が記録ヘッドと記録媒体のＳｉ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することにより情報の消去を行うことができる。
【００２７】
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。この再生方法は非常に高感度であり、このため、小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、数１０ｍＶ程度の表面ポテンシャルの変化量を容易に検出することができる。
【００２８】
そして、ナノクリスタルを用いた記録媒体の特徴は、
（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。
ということであり、
その結果として、
（１）書込み動作電圧を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、記録ビット（記録領域）における情報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く、空間的に離散化されているために同一トンネル絶縁膜の厚さで比較した場合、記録ビットのデータ保持特性が良好になる。
【００２９】
記録媒体１０を構成する各構成材料層は、それぞれ例えばスパッタリング法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法、ＬＰＣＶＤ（低圧ＣＶＤ）法、分子線蒸着法、通常の蒸着法、ＭＯＤ（Metal Oxide Deposition）法、レーザアブレーション法、ゾルゲル法、スピンコート法、熱酸化法、熱窒化法などによって成膜することができる。
【００３０】
記録媒体１０に対する情報の記録は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）構成により、その記録ヘッドは、先端に針状電極を有するＡＦＭ制御の導電性カンチレバーによる構成とし、この記録ヘッド、すなわち針状電極が活性層１３側に接触して行われる。
【００３１】
この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として、｜ＶＲ｜＜１０Ｖの、例えばキャリアが電子である場合は、負電圧の例えば−５Ｖのパルス電圧を印加する。このようにして、カンチレバーから電子を局所的に、少なくとも電荷蓄積層のトラップに注入することによって、すなわち電荷の移動を行わしめて情報の記録を行う。
【００３２】
そして、この局所的な電荷が注入された領域に対し、記録時の印加電圧とは、逆極性の所要の電圧、例えば＋５Ｖ程度のパルス電圧を印加することにより、電荷蓄積層のキャリアトラップから電荷の放出、すなわち電荷の移動を行って記録情報の消去を行う。
【００３３】
また、電荷（電子）をＳｉ基体側からキャリアトラップに注入する場合は、記録ヘッドに＋５Ｖのパルス電圧を印加して記録する。そして、これを消去する場合は、−５Ｖのパルス電圧を印加してキャリアトラップから電荷（電子）をＳｉ基体に放出する。
【００３４】
そして、その記録情報の読み出し（再生）は、記録媒体の上述したトラップへの電荷の注入領域と再生ヘッドとのクーロン相互作用に起因する静電容量、電荷、表面電位の変化量またはそれらの微分量として、針状電極による再生ヘッドを記録媒体に対して接触あるいは微小間隙をもって非接触の状態で検出することによって行う。
【００３５】
上述したように、記録媒体に対する記録および消去は、１０Ｖ以下の例えば１０Ｖの動作電圧、さらに本発明の電荷蓄積層の構成、例えばナノ結晶の構成材料、粒径、間隔等の最適化によってさらに低い５Ｖ以下とすることもできる。また、キャリアのトンネル膜例えばＳｉＯ2 膜の膜厚を小とすることによってキャリアの注入、逆注入すなわち放出に要する時間すなわち記録、消去時間をそれぞれ１μｓ以下とすることができる。
【００３６】
さらに、上述した静電容量の変化、あるいは電荷もしくは表面電位の変化の検出、すなわち記録情報の再生も、１ＭＨｚ以上の高速再生ができる。
また、記録領域の直径は、１００ｎｍ以下、例えば検出系の感度を向上させることにより５０ｎｍ以下、さらにナノ結晶の粒径に対応する１０ｎｍ程度とすることもできる。
【００３７】
次に、本発明装置の記録、消去装置と、再生装置の具体例を説明する。
【００３８】
〔記録、消去装置〕
図２は記録、消去装置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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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に重畳して印加する。
【００４２】
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印加することにより情報の記録を行う。
【００４３】
〔再生装置〕
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 Microscope) 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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
【数１】
0003899561.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。
【００４８】
【数２】
0003899561.tif 000003
【００４９】
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。
【００５０】
【数３】
0003899561.tif 000004
【００５１】
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。
【００５２】
【数４】
0003899561.tif 000005
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
【数５】
0003899561.tif 000006
【００５７】
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。
【００５８】
〔(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共振周波数によって限定されるが、ヘテロダイン検出法を用いることによりカンチレバー機械的共振周波数よりも高い周波数帯域での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。
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。
【００５９】
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静電容量の検出を行うことができる。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。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。
【００６３】
そして、通常のＳＭＭでは、その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るが、ヘテロダイン検出法を用いることによりカンチレバー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。
【００６４】
【数６】
0003899561.tif 000007
【００６５】
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。
【００６６】
【数７】
0003899561.tif 000008
【００６７】
【数８】
0003899561.tif 000009
【００６８】
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。
【００６９】
【数９】
0003899561.tif 000010
【００７０】
〔(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）。
【００７１】
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ＨＲ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を用いて高周波数領域における高速の再生が可能となる。
【００７２】
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。
【００７３】
そして、再生ヘッドすなわち針状電極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。
【００７４】
【数１０】
0003899561.tif 000011
【００７５】
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 成分の出力を（数１１）を取り出す。
【００７６】
【数１１】
0003899561.tif 000012
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
【数１２】
0003899561.tif 000013
【００８０】
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配して、
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。
【００８１】
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。
【００８２】
〔(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。
【００８３】
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。
【００８４】
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、静電容量の変化として検出する。
【００８５】
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。
【００８６】
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、このカンチレバーすなわち再生ヘッドと記録媒体との間に働く静電容量を容量センサで検出する。尚、本明細書においては、この再生ヘッドとその後段に位置する容量センサ（静電容量検出器）を合せて再生ヘッド系という。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。
【００８７】
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。
【００８８】
次に、本発明の参考例及び実施例を説明する。
〔参考例１〕
この参考例においては、記録ヘッドであるカンチレバーと記録媒体との間に電圧パルスを印加して情報の記録を行うものであるが、この場合、記録媒体の基体側からのキャリア（電子）を電荷蓄積層のトラップに注入する記録態様をとる場合である。この場合の記録媒体１０は、図７にその概略断面図を示すように、導電性半導体基体１１としてのｐ型のＳｉ基体上に、下層絶縁膜１４を被着形成する。この下層絶縁膜１４は、キャリア、この例では電子をトンネルすることのできる厚さに選定されたボトム側のトンネル絶縁膜となるものであり、この下層絶縁膜１４は、基体１１の表面熱酸化による厚さ１．８ｎｍのＳｉＯ2 膜によって形成し得る。この下層絶縁膜１４上に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉによるナノ結晶（ナノクリスタル）１５Ｃを形成する。このナノ結晶１５Ｃは、結晶粒径が約５ｎｍで、約５ｎｍの間隔で配列される。これの上に、ＬＰＣＶＤ法によりＳｉＯ2 絶縁膜１５ｉを形成してナノ結晶１５Ｃを埋め込んだナノ結晶層１５を形成し、続いてこれの上にＳｉＯ2 による上層絶縁膜１６を形成することによって電荷蓄積層１７を形成する。この上層絶縁膜１６の厚さは、６ｎｍとされ、これにより記録媒体の表面は比較的平面に形成される。しかしながら、必要に応じて、この記録媒体の表面を例えばＣＭＰ（化学的機械的研磨）処理によって平坦化処理することもできる。
【００８９】
この構成による記録媒体１０の電荷蓄積層１７は、ナノ結晶１５Ｃと、これと絶縁膜１５ｉおよび１６のＳｉＯ2 のためにキャリアトラップとして動作するキャリアトラップを有する層として形成される。
【００９０】
そして、基体１１の電荷蓄積層１７が形成された側とは反対側の裏面に、金属電極層による下部電極１２がオーミックに被着される。
【００９１】
この電荷蓄積層１７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の活性層側すなわち電荷蓄積層１７側の表面、つまり上層絶縁膜１６側の表面に、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電荷蓄積層１７の主としてＳｉナノ結晶層１５におけるキャリアトラップにキャリア例えば電子を局部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）の有無による電荷量の変化として記録がなされ、この記録情報に応じた電位パターンを形成する。
【００９２】
この記録媒体１０の、電荷蓄積層１７の主としてＳｉナノ結晶層１５によるキャリアトラップへの電荷注入、すなわち情報の記録は、Ｓｉ基体１１側からのキャリアの注入と、カンチレバー側からの注入との２種類存在するが、本参考例ではＳｉＯ2 下層絶縁膜１４をトンネル膜として主として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。なお、本参考例においてＳｉＯ2 膜１６は膜厚が厚いため、このＳｉＯ2 膜１６でのトンネル確率が低くカンチレバー側からのＳｉナノ結晶層への電子が注入される確率は少ない。
【００９３】
次に、本参考例１における記録媒体の電圧−容量特性について述べる。本参考例における記録媒体の記録層、すなわち電荷蓄積層において、そのＳｉナノ結晶層である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では、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。ヒステリシス特性におけるフラットバンド電圧のバイアス電圧の差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容量の値が異なるため、空間的な容量変化を表面電位の変化として情報の記録、かつこれを検出することにより情報の再生を行うことができる。
【００９４】
次に、この参考例１における記録、消去および再生特性を示す。まず、ＳｉＯ2 上層絶縁膜１６／Ｓｉナノ結晶層１５／ＳｉＯ下層絶縁膜１４／Ｓｉ基体１１／下部電極１２による記録媒体１０に、５Ｖのパルス電圧をヘッドすなわち針状電極２１と下部電極１２との間に印加して、基体１１側から、電子を主としてＳｉナノ結晶層１５におけるキャリアトラップに局所的に注入する。この場合、１つのＳｉナノ結晶トラップには複数個の電子を注入することが可能である。
【００９５】
このようにして、情報の記録がなされた記録媒体１０に対して、図４で説明したヘテロダイン検出ＳＭＭ再生装置によって、その局所的な注入電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布の変化量として検出する。このヘテロダイン検出方式において１０ＭＨｚの高周波数領域で表面電位分布を評価した。
【００９６】
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なかった。すなわち、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。
【００９７】
そして、ＳＭＭ像では、３μｍ×３μｍの領域の表面電位分布を検討した。この場合、通常のＳＭＭ測定で行っている５〜１０ｋＨｚでの評価結果とほぼ同一であることが分かった。この場合、電子が注入された部分の表面電位のコントラストが、その周辺と比較して低くなっており、記録ビットが観測された。つまり、１０ＭＨｚ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。これは、表面電位分布が１０ＭＨｚの高周波数領域においても検出可能であることを示すものである。
【００９８】
注入電荷量の差は、電位差では約３０ｍＶ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”および“１”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。
【００９９】
また、＋５Ｖを先に、上述の記録媒体１０に印加した後に、−５Ｖのパルス電圧を印加した場合、周辺の表面電位と同様な値を示すことが分かった。これは記録ビットの消去が可能であることを示している。
【０１００】
また、オーバーライト特性は、パルス電圧条件を最適化することにより可能となることも分かった。また、ヘテロダイン検出方式により、表面電位分布像における記録ビットの検出が１０ＭＨｚの高周波数領域においても可能であることも分かった。
【０１０１】
このことはヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用いることにより、高周波領域での記録ビットの再生が可能であることを示している。このことから、本参考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。
【０１０２】
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”と“１”に対応させることができる。すなわち、ＳＭＭ像において、表面電位のコントラストの低い部分とその周辺に生じた高い部分でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。
【０１０３】
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、キャリア注入による記録、消去時間はそれぞれ１μｓより小さいことが分かった。
【０１０４】
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、この参考例１では高密度記録再生装置として充分な強をもっていることが分かった。
〔参考例２〕
この参考例においては、カンチレバーによるパルス電圧印加により、記録ヘッド側から、キャリア（電子）を、記録媒体の電荷蓄積層のトラップに注入する記録態様をとる場合である。この場合の記録媒体１０は、参考例１におけると同様の方法によって、図７にその概略断面図を示すように、導電性半導体基体１１としてのｎ型のＳｉ基体上に、ＳｉＯ2 による下層絶縁膜１４、Ｓｉナノ結晶層１５、ＳｉＯ2 による上層絶縁膜１６を形成するものであるが、この場合、ボトム側の下層絶縁膜１４においては、電子のトンネルが生じにくい程度の厚さの３．５ｎｍに形成した。そして、Ｓｉナノ結晶層１５は、ナノ結晶１５Ｃの粒径および粒子間隔をそれぞれ３．５ｎｍとし、このナノ結晶１５Ｃを埋込んでＳｉＯ2 絶縁膜１５ｉを形成し、続いてこれの上に上層の絶縁膜１６を、３ｎｍとなるように形成した場合である。
【０１０５】
この電荷蓄積層１７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の活性層側すなわち電荷蓄積層１７側の表面、つまり上層絶縁膜１６側の表面に、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側から、Ｓｉナノ結晶存在するキャリアトラップにキャリア例えば電子を局部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、すなわち電荷の変化として記録がなされ、この記録情報に応じた電位パターンを形成する。
【０１０６】
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、記録情報に応じた電位ＶＳの分布の検出によって行う。
【０１０７】
次に、本参考例２における記録、消去および再生特性を示す。まず、ＳｉＯ2 上層絶縁膜１６／Ｓｉナノ結晶層１５／ＳｉＯ下層絶縁膜１４／Ｓｉ基体１１／下部電極１２による記録媒体１０に、−５Ｖのパルス電圧をヘッドすなわち針状電極２１と下部電極１２との間に印加して、記録ヘッド側から電子を主としてＳｉナノ結晶層１５におけるキャリアトラップに局所的に注入する。
【０１０８】
次に、図３のＳＭＭ再生装置によって、その局所的な注入電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布の変化量として検出する。ＳＭＭによって、２μｍ×２μｍの領域を評価した結果、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。
【０１０９】
ＳＭＭ像では、２μｍ×２μｍの部分でキャリアの注入させた部分の表面電位のコントラストは、周囲と比較して低くなっており、これは−５Ｖのパルス電圧によって電子が記録ヘッド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。
【０１１０】
以上より微細な記録ビットをＳＭＭ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、電位差で約３０ｍＶであり、ＳＭＭの電位分解能が、数ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”および“１”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。
【０１１１】
また、−５Ｖのパルス電圧を印加した後＋５Ｖのパルス電圧を記録媒体１０に印加した場合、すなわち上述と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周囲と比較して同一の電位になっていることが分かった。すなわち記録媒体１０のトラップに注入されるキャリアの量が相殺されていることが分かり、記録ビットの消去が可能であることが分かった。
このことから、この参考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”と“１”に対応させることができる。すなわち、ＳＭＭ像において、表面電位のコントラストの高い部分と低い部分でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。
【０１１２】
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、キャリア注入に必要な記録、消去時間はそれぞれ１μｓより小さくできることが分かった。
【０１１３】
また、図４に示したヘテロダイン検出ＳＭＭを用いることにより、１ＭＨｚ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、この参考例２では高密度記録再生装置として充分な機能を有していることが分かった。
【０１１４】
〔実施例１〕
この実施例における記録媒体１０は、電荷蓄積層１７のキャリアトラップであるＳｉナノ結晶に、カンチレバーすなわち記録ヘッド側から電子を注入することによって情報の記録を行うようにした場合である。この実施例では、Ｓｉナノ結晶層を２層構造としてナノ結晶の実質的トラップ密度が増加する素子構造になっている。
【０１１５】
この実施例１における記録媒体１０は、図８にその概略断面図を示すように、ｎ型Ｓｉ基体１１上に、その表面熱酸化により形成した厚さ３ｎｍのＳｉＯ2 膜による下層絶縁膜１４を形成し、これの上にプラズマＣＶＤ法によりＳｉナノ結晶１５Ｃを形成し、これにＳｉＯ2 絶縁膜１５ｉをＬＰＣＶＤ法により形成してナノ結晶１５Ｃを埋込んで、第１のＳｉナノ結晶層１５Ａを形成する。このナノ結晶は、粒径約３ｎｍで、約３ｎｍ間隔で配列されている。続いてこれの上にＬＰＣＶＤ法によって厚さ３ｎｍのＳｉＯ2 膜による中間絶縁膜１８を成膜する。さらにこれの上にＳｉナノ結晶１５Ｃを同様にプラズマＣＶＤ法により形成し、さらにこれの上にＬＰＣＶＤ法によりＳｉナノ結晶１５Ｃを埋込んでＳｉＯ2 絶縁膜１５ｉを形成して第２のナノ結晶層１５Ｂを形成する。続いてＬＰＣＶＤ法によって４ｎｍのＳｉＯ2 膜による上層絶縁膜１６を形成した。そして、その表面の平坦化を行なうため、必要に応じてＣＭＰ処理を行なうこともある。
【０１１６】
基体１１の電荷蓄積層１７が形成された側とは反対側には金属層による下部電極１２を被着する。
【０１１７】
本実施例による記録媒体１０は、第１および第２のナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂによるキャリアトラップ層が、厚さ方向に２箇所、つまり２層存在することになり、トラップされるキャリアの数が参考例１の場合と比較して多くなり、その結果として参考例１で説明した表面電位の周辺部との差を、参考例１に比し大きくすることができる。
【０１１８】
この２層のナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂを有する荷蓄積層１７を有してなる記録媒体１０に対する記録も、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ナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂとその近傍に存在するキャリアトラップに電子を局部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。この場合、２層のナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂのキャリアトラップの数は、１層のナノ結晶層１５による参考例１と比較して多くなっているため、その結果として、キャリアトラップの濃度も大きくなる。
【０１１９】
このようにして、ナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂのキャリアトラップに、Ｓｉ基体１１側から、電子を局所的に注入することによって情報の記録を行った記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、上述した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。
【０１２０】
次に、この実施例１における記録、消去および再生特性を示す。まず、上述したＳｉＯ2 上層絶縁膜１６／第２のナノ結晶層１５Ｂ／ＳｉＯ2 中間絶縁膜１８／第１のナノ結晶層１５Ａ／ＳｉＯ2 下層絶縁膜１４／Ｓｉ基体１１による記録媒体１０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、局所的に電子をＳｉＯ2 上層絶縁膜１６／第２のナノ結晶層１５Ｂ／ＳｉＯ2 中間絶縁膜１８／第１のナノ結晶層１５Ａ／ＳｉＯ2 下層絶縁膜１４／による電荷蓄積層１７の、主として両ナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂのキャリアトラップに注入して情報の記録を行う。
【０１２１】
この情報の記録は、図４で説明したヘテロダイン検出によるＳＭＭ再生装置によって再生する。すなわち、上述の図７の構成による記録媒体１０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。この場合、ヘテロダイン検出によるＳＭＭ再生装置によって３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、この場合においても、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。
【０１２２】
ヘテロダイン検出ＳＭＭ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のコントラストは周囲と比較して低くなって観察された。これは−５Ｖのパルス電圧印加によって電子が記録ヘッド側より局所的に注入され、負の電荷量が周囲と比較して増加していること、すなわち、記録ビットが形成されていることを示している。
【０１２３】
また、ヘテロダイン検出によるＳＭＭ装置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により電荷量が増大している記録ビットが検出された。
【０１２４】
以上より微細な記録ビットを、ヘテロダイン検出ＳＭＭ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に行うことのできる値であることが分かった。
【０１２５】
また、＋５Ｖのパルス電圧を、上述の図７の記録媒体１０材料２に印加した場合、すなわち、上述とは反対の極性の電圧を印加した場合、ヘテロダイン検出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、すなわち、トラップに注入されるキャリアの極性が反対の関係になっていることが分かった。また、記録と逆極性の電圧パルスを印加することにより情報の消去も可能であることが分り、オーバーライト特性も有することが分かった。
【０１２６】
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”と“１”に対応させることができる。すなわち、表面電位のコントラストの高い部分と低い部分でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。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、消去時間はそれぞれ１μｓよりも小さいことが分かった。
【０１２７】
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。
【０１２８】
〔参考例３〕
この参考例３では、キャリアの注入を、記録ヘッドと記録媒体の間のパルス電圧印加により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ようにする場合である。
【０１２９】
この参考例３では、記録媒体１０として、図９にその概略断面図を示すように、ボトムトンネル膜として下層絶縁膜１４を、厚さ２ｎｍのＳｉＯＮ膜によって形成し、これの上に順次Ｓｉナノ結晶層１５、表面層の厚さが５ｎｍのＳｉＯ2 膜による上層絶縁膜１６を参考例１と同様の方法によって成膜して形成した。この場合においても、基体１１の上述した各成膜による電荷蓄積層１７が形成された側とは反対側に金属層による下部電極１２が被着形成される。
【０１３０】
すなわち、この参考例３は、参考例１および実施例１における各下層側つまりボトムトンネル膜としての下層絶縁膜１４のＳｉＯ2 膜に換えてＳｉＯＮ膜とした場合である。このようにＳｉＯＮトンネル膜１４を用いることにより、ＳｉＯ2 トンネル膜による場合に比し、情報の消去速度を速められることが期待される。
【０１３１】
本参考例３においても、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１１側から電荷蓄積記録媒体に電子を注入、放出することができ、その結果として、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。
【０１３２】
記録ビットの記録再生特性については本参考例３も参考例１と同等の特性が得られた。また、本参考例３においても、再生にヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用いているため、記録ビットの高周波数領域での高速な再生が可能になった。
【０１３３】
〔実施例２〕
本実施例では、パルス電圧印加による記録媒体の電荷蓄積層に対するキャリアの注入を、Ｓｉ基体側からキャリアトラップに注入するようにした場合である。
【０１３４】
この場合、記録媒体１０の構成は、図８の構成において、ＳｉＯ2 による下層絶縁膜１４の厚さを２ｎｍとし、第１のナノ結晶層１５Ａの厚さを３ｎｍとし、中間絶縁膜１８の厚さを３ｎｍとし、第２のナノ結晶層１５Ｂの厚さを３ｎｍとし、上層絶縁膜１６の表面層の厚さを５ｎｍとした場合である。また、この実施例２においても、その各膜の成膜方法は、参考例１と同様とした。
【０１３５】
この実施例２においては、実施例１の場合と比較して、ＳｉＯ2 膜１６の厚さを５ｎｍと厚くして、下層絶縁膜１４の膜厚を２ｎｍと薄くしてこれをトンネル絶縁膜とするものであり、参考例１におけると同様に、カンチレバーにパルス電圧を印加して、記録および消去を行うとき、Ｓｉ基体側から電荷蓄積層１７へのキャリア（電子）を注入、放出がなされて記録ビットの記録消去がなされるようにしたものである。
【０１３６】
この実施例２における記録、消去および再生特性についても、参考例１と同等の特性が得られた。また、本実施例では再生にヘテロダイン検出方式のＳＭＭ再生法を用いた。この場合においても、記録ビットの高周波数領域での高速な再生が可能になった。
【０１３７】
〔参考例４〕
本参考例では、参考例１と同一構成の記録媒体を用い、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た。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は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以下とした。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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を用いたことにより、記録ビットの高周波数領域での再生が可能になった。上述したように、本参考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。
【０１４０】
また、この参考例４では、参考例１における構成による記録媒体を用いたが、上述した他の実施例で示した構成による記録媒体を用いる場合においても本発明の本質が変わらないことは言うまでもない。
【０１４１】
〔参考例５〕
本参考例ではディスク形状をしている記録媒体を回転させて記録再生を行った。この場合の記録、再生の各ヘッドは、参考例４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、記録媒体は参考例４で用いた構成、すなわち参考例１における構成と同様の構成とした。この場合の情報の記録再生特性は、参考例１と同様に確認することができた。
【０１４２】
また、記録媒体と非接触状態で情報の再生を行なっているため、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磨耗による影響を最小限に抑制することができた。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可能になった。
【０１４３】
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。
【０１４４】
尚、上述した各例においては、情報の再生を、図４で説明したヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用いた場合で、この場合記録ビットの高周波数領域での再生が可能となるものであるが、各例において、図３のヘテロダイン検出方式によらないＳＭＭ装置によってその再生を行うこともできる。
【０１４５】
〔参考例６〕
この参考例における記録媒体は、参考例１と同一構成とし、同一記録態様を採った。
この場合においても記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、記録媒体１０の、ナノ結晶層１５のキャリアトラップを主とする電荷蓄積層１７のキャリアトラップへの電荷注入方式は、Ｓｉ基体側とカンチレバー側の２種類存在するが、本参考例ではＳｉＯ2 下層絶縁膜１４をトンネル膜として、キャリアトラップにＳｉ基体側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て情報の記録を行い、この電荷量の差の検出を表面電位Ｖｓの分布として検出することによって記録情報の再生を行う。
【０１４６】
そしてこの記録情報の検出、すなわち再生は、図５で説明したＫＦＭ再生装置によって行った。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。
【０１４７】
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のコントラストは周囲と比較して低くなっており、これは５Ｖのパルス電圧によって電子がＳｉ基板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。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により電荷量が増大している記録ビットが検出された。
【０１４８】
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。注入電荷量の差は電位差では約３０ｍＶであり、ＫＦＭの電位分解能が数ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”および“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。
【０１４９】
また、５Ｖの電圧パルスを印加した後−５Ｖのパルス電圧を記録媒体１０にかけた場合、すなわち、上述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は周囲の表面電位とほぼ同一の表面電位の値を示すことが分かった。すなわち、記録媒体１０の電荷蓄積層１７のトラップに注入されるキャリアの量の分布が、消去されていることが分かった。また、オーバーライト特性を有することが分かった。
【０１５０】
このことから、本参考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”と“１”に対応させることができる。すなわち、局所的に注入された電荷の有無でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。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、キャリア注入の書込み、消去時間はそれぞれ１μｓよりも小さいことが分かった。
【０１５１】
また、記録ヘッドの共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（約１Ｎ／ｍ）することにより、記録ビットの５ＭＨｚ帯で高速な再生が可能になった。
【０１５２】
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、この参考例６では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。
【０１５３】
〔実施例３〕
この実施例における記録媒体は、実施例１と同一構成とし、同一記録態様を採った。記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、本実施例においてもナノ結晶層１５のキャリアトラップを主とする電荷蓄積層１７のキャリアトラップへの電子の注入を、Ｓｉ基体１１側より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。
【０１５４】
そして、この実施例３においても、参考例５で説明したと同様に図５のＫＦＭ再生装置を用いて記録媒体１０の電荷蓄積層における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。
【０１５５】
ＫＦＭ像では３μｍ×３μｍ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導電性カンチレバーより局所的に注入され、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。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により電荷量が増大している記録ビットが検出された。
【０１５６】
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。注入電荷量の差は電位差では約４０ｍＶであり、ＫＦＭの電位分解能が数ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”および“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。
【０１５７】
また、−５Ｖのパルス電圧を印加した後に、＋５Ｖのパルス電圧を材料１にかけた場合、すなわち、上記の実験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は周囲の表面電位とほぼ同一の値を示すことが分かった。すなわち、材料１のトラップに注入されるキャリアの量が消去されていることが分かる。また、オーバーライト特性も有することが分かった。
【０１５８】
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”と“１”に対応させることができる。すなわち、表面電位コントラストの高い部分と低い部分でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。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、キャリア注入の書込みおよび消去時間はそれぞれ１μｓよりも小さいことが分かった。
【０１５９】
また、記録ヘッドの共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（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。
【０１６０】
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分かった。
【０１６１】
〔参考例７〕
この参考例は、参考例３と同一の構成による記録媒体に対して、参考例３と同様にＳｉ基体１１側からＳｉＯＮ下層絶縁膜１４をトンネルして電荷蓄積層１７のキャリアトラップに電子を注入して、参考例３と同様の情報の記録を行い、実施例３と同様にＫＦＭ再生装置による情報の再生を行った。この場合においても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”と“１”に対応させることができる。すなわち、表面電位のコントラストの高い部分と低い部分でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。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、キャリア注入の書込みおよび消去時間もそれぞれ１μｓよりも小さいことが分かった。
【０１６２】
この参考例７においても、参考例６と同様にＫＦＭ再生装置によって記録情報の再生を行った。この参考例７においても、記録ヘッドの共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（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であった。
【０１６３】
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、この参考例７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分かった。
【０１６４】
〔参考例８〕
この参考例では、参考例２と同様の記録媒体を用い参考例２と同様に、電荷蓄積層１７のキャリアトラップにカンチレバー側から電荷の注入を行って情報の記録を行った。そして、その再生は、参考例５と同様にＫＦＭ再生装置によって記録情報の再生を行った。この参考例８においても、記録ヘッドの共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（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であった。
【０１６５】
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、この参考例８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分かった。
【０１６６】
〔参考例９〕
この参考例では記録媒体として、参考例５、すなわち参考例１と同様の電荷蓄積層構成による記録媒体を用い、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た。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、その摩擦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に関してはその摩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以下とする。
【０１６７】
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。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。
【０１６８】
上述したように、この参考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、また、この参考例９では参考例１の電荷蓄積層構成による記録媒体を用いたが、他の参考例及び実施例で示した電荷蓄積層構成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。
【０１６９】
〔参考例１０〕
この参考例ではディスク形状をしている記録媒体を回転させて記録再生を行った。ヘッドは参考例９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、記録媒体は参考例９で用いた電荷蓄積層構成による媒体を用いた。この場合の情報の記録特性は、参考例１、再生特性は参考例５と同様に確認することができた。そして、この参考例においても情報の再生を記録媒体と非接触状態で行なっているため、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。
【０１７０】
また、種々の実験の結果、この場合においても記録スポット直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。記録時間は１μｓより小さくすることができた。また、記録ヘッドの共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（数１Ｎ／ｍ）とすることにより、記録ビットの５ＭＨｚ帯での高速な再生が可能になった。
さらに、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。
【０１７１】
以上より、この参考例１０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また、この参考例１０は記録媒体として参考例１に対して説明を行ったが、他の電荷蓄積層構成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。
【０１７２】
〔参考例１１〕
上述した各例においては、記録媒体に対する情報の再生を、ヘッドが非接触状態でなされるようにした場合で、この場合ヘッドおよび記録媒体の磨耗を回避できることから、繰返し再生を可能にするものであるが、再生装置として、記録ヘッドと同様に、走査型すなわちいわゆるコンタクト型ＳＣＭによる再生装置を用いて再生ヘッドにおいても記録媒体に対して接触状態で、各構成による電荷蓄積層を具備する記録媒体に対する情報の再生を行うようにすることもできる。このように、記録媒体に対して再生ヘッドを非接触状態で再生するときは、再生感度の向上、解像の向上、したがって、より記録密度の向上をはかることができる。この場合、参考例１と同様の記録媒体を用いて記録再生を行ったところ、参考例１と同等の記録再生特性が得られることが分かった。
【０１７３】
上述したように、種々の参考例及び実施例によって、本発明の有効性を示したが、これらの参考例、実施例および他の本発明装置で用いられる記録媒体において、その最上層に、例えばダイヤモンドライクカーボンによる保護層（図示せず）を被着することが望ましく、この保護層の形成によって、記録再生装置および記録媒体の信頼性をより向上させることができる。
【０１７４】
上述したように本発明装置によれば、記録密度の向上、記録、消去再生速度の高速化がはかられた。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１桁以上大きな記録密度を実現できるものである。
【０１７５】
そして、特に本発明装置においては、記録媒体として、例えばナノＳｉクリスタルによるナノ結晶を有する電荷蓄積層による構成としたものであり、このナノ結晶は、微細結晶の集合によることから、そのキャリアトラップ密度は高く、より高密度記録が図られ、またその記録消去の高速、低電圧駆動が図られる。
【０１７６】
すなわち、前述したようにＳｉナノクリスタルは空間的に離散化されており、絶縁膜例えばＳｉＯ2 膜中に埋め込まれた形状になっている。そのサイズは直径１０ｎｍ以下、その間の距離は１０ｎｍ以下である。このような場合、ＳｉナノクリスタルはＳｉＯ2 膜中の離散化されたキャリアトラップとして動作する。ＳｉＯ2 とＳｉとのバンドエネルギーダイヤグラムよりトラップレベルは、３．ｌｅＶと推定される。キャリア（電子）は記録ヘッドと基板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ＳｉＯ2 膜をトンネルして離散化されたキャリアトラップに注入されることにより情報の記録が成される。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酸化膜の厚さおよび、記録ヘッドでの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５×１０11〜１×１０12ｃｍ-2である。また、一つのキャリアトラップには複数個の電子をトラップすることができる。
【０１７７】
一方、キャリア（電子）は記録ヘッドとＳｉ基体との間に記録の場合と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することにより情報の消去を行う。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。この再生方法は非常に高感度であり、このため、小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、数１０ｍＶ程度の表面ポテンシャルの変化シフトを容易に検出することができる。
【０１７８】
Ｓｉナノクリスタルを用いた記録媒体の特有の効果としては
（１）伝導帯端を基準にした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ＳｉＯ2 絶縁膜中に作製することができる。
（２）Ｓｉ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。
その結果として、
（１）書き込み動作電圧を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、記録ビットにおける情報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く、空間的に離散化されているために同一トンネル絶縁膜の厚みで比較した場合、記録ビットのデータ保持特性が良好になる。
【０１７９】
尚、ナノ結晶は、Ｓｉ以外の半導体や金属によることもできる。
また、上述した例では基体１１がｎ型Ｓｉ基体とした場合であるが、ｐ型基体を用いることもできる。
【０１８０】
また、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。
【０１８１】
また、上述したように、記憶ヘッドＨＲおよび再生ヘッドＨＰを、共通に構成する場合において、そのヘッド、したがってカンチレバーを複数個設けたいわゆるマルチヘッド構成とすることができる。あるいは記録ヘッドＨＲおよび再生ヘッドＨＰとを、それぞれ別構成とする場合においてもその記録ヘッドＨＲおよび再生ヘッドＨＰの双方もしくは一方をヘッド、したがってカンチレバーを複数個設けたいわゆるマルチヘッド構成とすることができる。
【０１８２】
また、本発明による記録再生装置は、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情報を再生する機能を有する構成とすることもできる。
【０１８３】
【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、高速な記録再生感度を有するため、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。
【０１８４】
したがって、高速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デンサにおける大容量なデータの記録に有効な記録再生装置なるものである。
【０１８５】
また、その再生を、ヘッドの非接触状態で行うときは、ヘッドおよび記録媒体の損耗を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  記録媒体の参考例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他の例の構成図である。
【図５】  本発明装置の再生装置の他の例の構成図である。
【図６】  本発明装置の再生装置の他の例の構成図である。
【図７】  記録媒体の参考例の概略断面図である。
【図８】  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９】  記録媒体の参考例の概略断面図である。
【図１０】  従来装置における記録媒体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、１４  下層絶縁層、１５，１５Ａ，１５Ｂ  ナノ結晶層、１６  上層絶縁層、１７  電荷蓄積層、１８  中間絶縁層、２２  カンチレバー
【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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