成果報告書詳細
管理番号20090000000029
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 「ナノテク・先端部材実用化研究開発 超高密度強誘電体記録の実用化研究」
公開日2009/8/26
報告書年度2006 - 2008
委託先名パイオニア株式会社 株式会社村田製作所 国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P05023
部署名ナノテクノロジー・材料技術開発部
和文要約本プロジェクトは、磁気HDDの記録密度を遥かに超える新しい強誘電体記録再生の実用化を目的とした。東北大学のシーズ技術であるSNDMを再生方法としたマルチプローブ構成のX-Y駆動型ストレージを目標とし、実用化的なスペックを設定した上で研究開発を進めた。MEMS技術を応用した1024本構成の耐磨耗マルチプローブアレイヘッド、ユニークな圧電・共振駆動による大ストロークX-Yステージ、静電容量型の高精度位置センサーを開発し、記録媒体とともにこれらを組み合わせたデバイスを試作することで課題抽出を行った。この際、1枚の基板にまとめた高速再生のための回路を開発し、記録再生を行うことができた。さらに潤滑層を介した非接触記録再生ができることを示し、デバイスの信頼性向上の可能性を示した。1 Tbit/inch2以上の超高密度記録が可能な強誘電体薄膜を開発し、安価で高性能な強誘電体記録用薄膜媒体の実用化の研究開発を進めた。下部電極形成条件およびCVD成膜による薄膜形成条件などの検討により、高品質なLiTaO3薄膜の作製に成功した。その得られたLiTaO3薄膜において、微小領域における最高記録密度として1.5 Tbit/inch2相当のドットパターンの形成に成功した。LiTaO3薄膜の作製コストは、現行品(単結晶加工媒体)に比べ、1/5以下のコストで作製可能なことを実証した。また、薄膜作製の開発と並行して、分極反転疲労特性を評価した。その結果、106回以上の分極反転が可能であった。保持特性も評価した。これらの結果は、安価で高性能な強誘電体記録用薄膜媒体の実用化の可能性を示すものである。SNDM強誘電体記録再生実用化の基礎となる学理研究を行った。二相位相変調波形高速再生信号評価システムを構築し、この装置による高速再生の評価試験を行った。LiTaO3単結晶を記録媒体として単一プローブでの再生を行い、良好なSNで2 Mbpsの転送レートを確認することができた。さらに、高速記録試験も行い20 Mbpsでの書き込みを確認するとともに、100 Mbps書き込みにも部分的に成功した。また、ナノサイズの微小分極反転の研究を行うことで3.9 Tbit/inch2の高密度記録を達成した。微小ドメインの経時変化を知るための加速試験を行い、ドメインサイズの変化を算出できる実験式を求めることができた。さらに、微小ドメインの断面観察を行うことで分域壁の深さ方向プロファイル等の知見を得た。ドメイン壁の厚さは最高記録密度と密接な関係があり、ここで得られた知見は今後のさらなる高密度化に対しての指針となる。非接触記録再生の研究も行い、ヘッドと媒体間隔をナノメートルオーダーに制御した条件下でのHDDと同様の浮上ヘッドでも記録再生可能であることが確認できた。以上のように、MEMSデバイス、強誘電体結晶薄膜、学理研究の各分野において、強誘電体ストレージ実用化の基礎となる多くの成果を得ることができた。
英文要約Title : Research and Development of Nanodevices for Practical Utilization of Nanotechnology. "Practical Research on Extremely High Density Ferroelectric Recording" (FY2006-FY2008) Final Report
Our project aimed for practical use of a new ferroelectric storage system far beyond the magnetic recording density of HDD. Scanning nonlinear dielectric microscopy (SNDM) was employed as a ferroelectric signal reproduction technique. An X-Y drive type storage system with multiprobe head was chosen as an ideal device structure. Research and development was started after having set specifications suitable for the practical use. A wear resistive 1024-multiprobe-array head, a unique long stroke piezoelectric resonant drive X-Y stage and a capacitance type precise position sensor were developed using MEMS-technologies. These MEMS parts were put together with a recording medium experimentally, and some practical combination problems were extracted through this experiment. Then a ferroelectric recording and reproduction experiment was successfully performed by a circuit board developed for high-speed reproduction. Furthermore, non-contact recording and reproduction through a lubrication layer was successfully demonstrated. This result shows the possibility of the reliability improvement of the device. Ferroelectric thin films for low-cost recording media having extremely higher memory density than 1 Tbit/inch2 were developed. The purpose of this work is to put these recording media using SNDM into practical use. The improvement in the surface morphology and the crystallinity of the LiTaO3 thin films was achieved with optimization of LiTaO3 and bottom electrode depositing condition. The LiTaO3 thin films formed under optimal condition locally showed the memory density of 1.5 Tbit/inch2. The cost of the recording media based on LiTaO3 thin films was calculated to be less than one-fifth that of the conventional LiTaO3 single-crystal media. In addition to the measurement of memory density, we also checked reliability of these films such as retention properties and fatigue behavior. Cyclic domain inversion ability of above 1 x 106 times was confirmed. Thus, the SNDM storage media with LiTaO3 thin films was shown to have the potential to replace conventional ones because of their ultra-high memory density and low cost. In our project, academic scientific research was carried out as fundamental support for the development of the ferroelectric storage system. A high-speed ferroelectric reproduction signal evaluation system with double phase modulation was fabricated. High-speed signal reproduction experiments were performed by this equipment. 2 Mbps signal transfer rate was confirmed with good SN ratio using a single probe and a LiTaO3 single crystal media. High-speed recording experiments were also performed. 20 Mbps signal writing was successfully confirmed and 100 Mbps signal writing was partially performed. 3.9 Tbit/inch2 very high-density ferroelectric recording was accomplished by studying nano-sized domain inversion characteristics. Furthermore, time-dependent change of nano-sized domain was examined by accelerated tests. The experimental formula which can calculate domain size change was obtained. Moreover, cross sectional domain distributions were successfully observed. The domain-wall thickness has a strong relationship to the maximum areal recording density. These knowledges obtained here will be an indicator toward higher recording density. Non-contact recording and reproducing like HDD was investigated and succeeded by controlling nano-sized spacing between probe-tip and recording-media. As mentioned above, many results were obtained in the realm of research and development for MEMS device technology, ferroelectric thin film and theoretical study. These results are expected to be a basis of the practical ferroelectric storage system.
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