半導體探頭以及採用其寫入和讀取信息的方法
2023-11-03 21:53:57
專利名稱：半導體探頭以及採用其寫入和讀取信息的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於掃描探頭顯微術(SPM)的半導體探頭以及採用所述半導體探頭寫入和讀出信息的方法，更具體而言，涉及一種具有能夠調整尖端和媒質之間的接觸力的懸臂結構的半導體探頭以及採用所述半導體探頭寫入和讀取信息的方法。
背景技術：
探頭應用於各種SPM技術當中。例如，探頭應用於掃視透射式顯微鏡(STM)，其通過檢測視探頭和樣品之間的電壓差而定的電流讀取信息；原子力顯微鏡(AFM)，其利用探頭和樣品之間產生的原子力；磁力顯微鏡(MFM)，其利用樣品的磁場和被磁化的探頭之間產生的力；掃描近場光學顯微鏡(SNOM)，其改善了由可見光的波長引起的解析度限制；靜電力顯微鏡(EFM)，其利用樣品和探頭之間產生的靜電力；等等。最近，開發出了一項利用STM寫入/讀取信息的技術。在幾十年的時間內，諸如硬碟驅動器的典型磁寫入/讀取裝置的記錄密度一直在急劇增大。此外，由於優化了頭和磁碟之間的界面的摩擦特性，實現了寫入/讀取裝置的高可靠性。例如，在縱向磁記錄中取得了100Gbit/in2的記錄密度，在垂直磁記錄中取得了100Gbit/in2以上的記錄密度。但是，由於超順磁性的限制，磁記錄技術在提高記錄密度方面受到了制約。隨著能夠利用極為尖銳的探頭尖端對表面屬性進行納米級測量的SPM的提出，預計將使Tbit/in2級的記錄密度成為可能。由於採用SPM的記錄技術具有降低寫入/讀取裝置的尺寸的優點，因此其作為下一代記錄技術而嶄露頭角。但是，與探頭尖端和記錄媒質之間的界面摩擦特性相關的可靠性是一項有待解決的技術問題。
圖1是說明根據相關技術由懸臂的彎曲產生的，在探頭中起著接觸力作用的機械力的示意圖。探頭包括尖端3和懸臂5。尖端3利用懸臂5的彎曲接觸媒質7。就此而言，彎曲程度根據所需的接觸力確定。例如，在採用具有電阻性(resistive)尖端的半導體探頭實施信息的寫入和讀取時，需要較高的接觸力才能利用所施加的值較小的電壓穩定地寫入和讀取信息。
就此而言，當接觸力僅由機械力決定時，問題在於，寫入過程中施加的接觸力與複製過程中施加的接觸力相同。在提高接觸力以實現穩定寫入時，探頭尖端可能被磨損。特別地，在採用諸如PbZrTio(PZT)的鐵電體作為記錄媒質時，提高了記錄媒質的表面硬度。在這種情況下，進一步增大了尖端的磨損。在採用極為尖銳的尖端時，增大了尖端與媒質的接觸壓力。在這種情況下，尖端可能易於損壞，磨損產物的量增大，引起汙染。一項發現表明，在沿滑移方向將尖端設計成鈍頭時，降低了尖端的磨損速度。但是，在這種情況下，降低了記錄密度。因此，為了提高尖端的接觸力，必須在考慮記錄密度、滑動速度和媒質材料的情況下優化尖端的設計。為了確保尖端的耐磨損，可以採用諸如金剛石的保護材料包覆尖端或媒質。韓國公開專利No.1999-069113公開一種採用金剛石包覆尖端的方法。但是，在利用鐵電體寫入和讀取時，在尖端或媒質上包覆不同材料劣化了寫入/讀取性能。在響應適於穩定寫入的接觸力而確定懸臂的彎曲時，由於尖端磨損的惡化，將導致寫入和複製屬性的劣化。在根據能夠使尖端的磨損降至最低的接觸力確定懸臂的彎曲時，所導致的不穩定記錄劣化了寫入/讀取性能。因此，必須在考慮上述問題的情況下，適當確定尖端和媒質之間的接觸力。但是，如上所述，當接觸力僅由(例如)懸臂彎曲產生的機械力確定時，問題在於，在寫入過程中施加的接觸力與複製過程中施加的接觸力相同。因此，很難同時滿足使尖端的磨損降至最低的微弱接觸力條件和實現穩定記錄的強接觸力條件。
發明內容
本發明提供了一種半導體探頭，所述半導體探頭調整尖端和媒質之間的接觸力，從而使尖端的磨損降至最低，並確保高記錄密度下的寫入/讀取性能，本發明還提供了一種採用所述半導體探頭寫入和讀取信息的方法。
根據本發明的一方面，提供了一種半導體探頭，其包括懸臂；以及形成於所述懸臂的末端部分上的尖端，用於在位於形成了電極的表面上的鐵電媒質上寫入信息或從其上讀取信息，所述尖端包括輕度摻雜了半導體雜質的電阻性區域和重度摻雜了半導體雜質的導電區域，其中，所述懸臂包括在面對所述媒質的底面上形成的靜電力生成電極，通過在形成於所述鐵電媒質上的電極和所述靜電力生成電極之間有選擇地施加電壓調整所述尖端和所述媒質之間的接觸力。
根據本發明的另一方面，提供了一種利用半導體探頭在鐵電媒質上寫入信息或從其上讀取信息的方法，所述半導體探頭包括懸臂和電阻性尖端，所述懸臂具有在面對所述鐵電媒質的表面上形成的靜電力生成電極，所述鐵電媒質位於形成了電極的表面上，所述電阻性尖端具有輕度摻雜的電阻性區域和電連接到所述靜電力生成電極的重摻雜導電區域，所述方法包括在寫入操作中，在所述鐵電媒質的所述電極和所述電阻性尖端的所述重摻雜導電區域之間施加電壓，從而通過在所述鐵電媒質的所述電極和所述懸臂的所述靜電力生成電極之間產生靜電力而增大所述鐵電媒質和所述電阻性尖端之間的接觸力。
根據本發明的又一方面，提供了一種利用半導體探頭在鐵電媒質上寫入信息或從其上讀取信息的方法，所述半導體探頭包括懸臂和電阻性尖端，所述懸臂具有在面對所述鐵電媒質的表面上形成的靜電力生成電極，所述鐵電媒質位於形成了電極的表面上，所述電阻性尖端具有輕度摻雜的電阻性區域和沒有電連接到所述靜電力生成電極的重摻雜導電區域，所述方法包括在寫入操作中，在所述鐵電媒質的所述電極和所述重摻雜導電區域之間，以及在所述鐵電媒質的所述電極和所述懸臂的所述靜電力生成電極之間施加電壓，從而通過在所述靜電力生成電極和所述鐵電媒質的所述電極之間產生靜電力而增大所述鐵電媒質和所述電阻性尖端之間的接觸力。
根據本發明的又一個方面，提供了一種檢測媒質信息的探頭，所述媒質具有關於電場的信息並且位於形成了電極的表面上，所述探頭包括尖端；以及懸臂，所述懸臂包括在面對所述媒質的底面上形成的靜電力生成電極，用於通過在形成於所述鐵電媒質上的所述電極和所述靜電力生成電極之間有選擇地施加電壓而調整所述尖端和所述媒質之間的接觸力。
通過參考附圖詳細描述其示範性實施例，本發明的以上和其他特徵和益處將變得更加顯見，附圖中圖1是說明根據相關技術由懸臂的彎曲產生的，在探頭中起著接觸力作用的機械力的示意圖；圖2A是說明根據本發明實施例在媒質和半導體探頭的尖端之間產生的接觸力的示意圖；圖2B是說明根據本發明另一實施例在媒質和半導體探頭的尖端之間產生的接觸力的示意圖；圖3A和圖3B是說明利用具有電阻性尖端的半導體探頭寫入和讀取信息的原理的示意圖；圖4A和圖4B是圖3A的虛線圓部分的放大圖，用於說明媒質和尖端之間的接觸力與數據點(dot)尺寸之間的關係；圖5A是說明根據本發明的實施例採用連續模式(continuous-mode)型半導體探頭寫入和讀取信息的方法的截面圖；圖5B是說明在採用圖5A所示的連續模式型半導體探頭寫入和讀取信息的過程中，寫入電壓、靜電力生成電壓和接觸力的曲線圖；圖6A是說明根據本發明的另一實施例採用不連續模式型半導體探頭寫入和讀取信息的方法的截面圖；圖6B是說明在採用圖6A所示的不連續模式型半導體探頭寫入和讀取信息的過程中，寫入電壓、靜電力生成電壓和接觸力的曲線圖。
具體實施例方式
現在將參考附圖更為充分地描述本發明，附圖中展示了本發明的示範性圖2A是說明根據本發明實施例在媒質和半導體探頭的尖端之間產生的接觸力的示意圖。
參考圖2A，探頭11包括懸臂13、形成於懸臂13的一個末端部分上的尖端15和形成於面對媒質18的懸臂13的表面上的靜電力生成電極17。當尖端15接觸媒質18時，在尖端15和媒質18之間產生接觸力。接觸力包括由懸臂13的彎曲產生的機械力FM和由施加到形成於媒質18的底面上的電極19和靜電力生成電極17之間的靜電電壓VE產生的靜電力FE。可以根據下述公式1計算由懸臂13的彎曲產生的機械力FM。
公式1FM＝k·x
其中，k為懸臂的剛度，x為懸臂的彎曲位移。例如，懸臂的剛度為0.84N/m，懸臂的彎曲位移為1nm，接觸力FM就變成了8.4nN。可以根據下述公式2利用在電極19和靜電力生成電極17之間累積的靜電能計算靜電力。
公式2FE=x(12CV2)=x(12CairCmediaCair+Cmedia)-012A2(1y+t)2V2]]>其中，ε0和ε1分別是空氣的介電常數和媒質18的相對介電常數，A是媒質下部電極19的截面積，t是媒質18的厚度，y是媒質18和靜電力生成電極17之間的距離。當媒質18由PZT形成，相對介電常數ε1為400，媒質18的厚度t為0.05um，媒質18和靜電力生成電極17之間的距離y為1um，所施加的電壓為5V時，靜電力變成了43.2nN，其為吸引力。如上所述，靜電力是機械力的幾倍，並且是通過有選擇地施加電壓而有選擇地產生的。因此，可以對接觸力進行有效地調整。由於靜電力與媒質18和靜電力生成電極17之間的距離y成反比，因此，可以通過改變距離y改變靜電力。
圖2B是說明根據本發明另一實施例在媒質和半導體探頭的尖端之間產生的接觸力的示意圖。
參考圖2B，除了面對媒質18的懸臂23的底面具有臺階以外，這一實施例的探頭21與如圖2A所示的上述實施例的探頭相同。也就是說，在所述底面上形成突出部分，所述突出部分從與尖端25間隔一定距離的位置延伸預定長度。因此，靜電力生成電極27和媒質18之間的距離y′小於上述實施例的y，因此與上述實施例相比增大了靜電力。就此而言，所形成的突出部分可以更加靠近尖端25，使得它可以更加靠近媒質18，由此有效增大靜電力。可以根據所需的接觸力適當確定所述突出部分的高度和長度。在採用電阻性尖端作為尖端15和25時，可以採用探頭11和21作為能夠向鐵電媒質寫入信息或從其上讀取信息的半導體探頭。
圖3A和圖3B是說明利用具有電阻性尖端的半導體探頭寫入和讀取信息的原理的示意圖。
電阻性尖端35摻有第一雜質。通過在尖端35的最末端輕度摻雜第二雜質，在尖端35的最末端上形成電阻性區域32。通過在圍繞電阻性區域32的尖端的傾斜面內重摻雜第二雜質，在所述傾斜面上形成導電區域36。在寫入操作中，如圖3A所示，在尖端的導電區域36和形成於鐵電媒質38的底面上的電極層39之間施加電壓，從而能夠使鐵電疇(domain)極化。在讀取操作中，如圖3B所示，採用了一種測量電阻性區域32的電阻變化的方法，所述電阻變化是由極化的鐵電疇生成的電場導致的。也就是說，由外部電場在電阻性尖端35的最末端部分形成耗盡區，以減小電阻性區域32的截面積，並且測量電阻性區域32的電阻的減小。
圖4A和圖4B是圖3A的虛線圓部分的放大圖，用於說明媒質和尖端之間的接觸力與所記錄的數據點尺寸之間的關係。現在將參考圖4A和圖4B說明接觸力對寫入屬性的影響。
參考圖4A和圖4B，附圖標記R表示尖端的最末端半徑。被寫入電壓極化的數據點的尺寸取決於媒質和尖端之間的接觸力。圖4A示出了實現強接觸的情況。也就是說，理想地實現了尖端和媒質之間的接觸。在施加寫入電壓時，尖端的電壓Vtip與媒質表面的電壓Vs相同。因此，數據點的尺寸與接觸長度2A相同。但是，當如圖4B所示，未實現理想接觸時，尖端和媒質表面之間的距離w不為零，而是一個有限數值。在這種情況下，鐵電媒質的較高介電常數通過距離w提高了電壓降。因此，可以根據下述公式3計算媒質表面的電壓Vs。
公式3Vs＝γ·Vtip，0＜γ＜1在這種情況下，數據點的尺寸將小於圖4A中的數據點的尺寸2A。也就是說，寫入屬性根據接觸力而改變。因此，為了穩定寫入信息，需要在媒質和尖端之間產生強接觸。
由於具有靜電力生成電極17或27的探頭產生了包括由懸臂的彎曲形成的機械力和由靜電力生成電極17或27形成的靜電力的接觸力，因此，能夠在更高的接觸力下實施寫入。
圖5A是說明根據本發明的實施例採用連續模式半導體探頭寫入和讀取信息的方法的截面圖，圖5B是說明信息的寫入和複製過程中的寫入電壓、靜電力生成電壓和接觸力的曲線圖。連續模式是指，輸入寫入信號，使得能夠在媒質的疇之間無間隔地連續發生極化。
參考圖5A，連續模式型半導體探頭51包括懸臂53和形成於懸臂53的一個末端部分上的電阻性尖端55。靜電力生成電極57形成於面對鐵電媒質58的懸臂53的底面上。懸臂53的底面可以是平的或有臺階的。在電阻性尖端55和靜電力生成電極57之間沒有縫隙。也就是說，靜電力生成電極57電連接到電阻性尖端55的重摻雜導電區域56上。在這種情況下，由於是在施加寫入電壓VW時施加靜電力生成電壓VE，因此在寫入過程中始終施加靜電力VE。當通過驅動裝置(未示出)使電阻性尖端55落在具有電極59的鐵電媒質58上時，實現寫入和讀取。如圖5B所示，在寫入操作中，在電阻性尖端55的導電區域56和形成於鐵電媒質58的底面上的電極59之間施加寫入電壓VW。就此而言，由於懸臂53的靜電力生成電極57電連接到電阻性尖端55的導電區域56。因此，寫入電壓VW除了本身固有的作用外還起著靜電力生成電壓VE的作用。因此，在施加寫入電壓VW時，產生靜電力。由於接觸力包括由懸臂彎曲形成的機械力和由靜電力生成電極形成的靜電力，因而實現了強接觸。在這種情況下，施加到電阻性尖端的電壓在沒有下降的情況下被傳送至媒質表面。從而使鐵電媒質59的疇極化，進而穩定實施寫入。在讀取操作中，檢測電阻性區域52的電阻變化，所述電阻變化是由極化疇產生的電場導致的。在這種情況下，在重摻雜導電區域56和電極59之間未施加寫入電壓，因此，也未施加靜電力生成電壓VE。也就是說，只有由懸臂的彎曲產生的機械力起著讀取操作中的接觸力的作用，由此降低了電阻性尖端的磨損。
圖6A是說明根據本發明的另一實施例採用不連續模式型半導體探頭寫入和讀取信息的方法的截面圖，圖6B是說明信息的寫入和讀取過程中的寫入電壓、靜電力生成電壓和接觸力的曲線圖。不連續模式是指，輸入寫入信號，使得能夠在媒質的疇之間以一定間隔不連續地發生極化。
參考圖6A，不連續模式型半導體探頭61包括懸臂63和形成於懸臂63的一個末端部分上的電阻性尖端65。靜電力生成電極67形成於面對鐵電媒質68的懸臂63的底面上。懸臂63的底面可以是平的或有臺階的。靜電力生成電極67與電阻性尖端65間隔一定距離。也就是說，靜電力生成電極67沒有電連接到電阻性尖端65的重摻雜導電區域66上。在這種情況下，獨立於寫入VW施加靜電力生成電壓VE。當通過驅動裝置(未示出)使電阻性尖端65落在具有電極69的鐵電媒質68上時，實現寫入和讀取。如圖6B所示，在寫入操作中，在電阻性尖端65的導電區域66和形成於鐵電媒質68的底面上的電極69之間施加寫入電壓VW，在靜電力生成電極67和電極69之間施加靜電力生成電壓VE。不連續施加寫入電壓VW。就此而言，由於電阻性尖端65的重摻雜導電區域66沒有電連接到靜電力生成電極67，因此，在施加寫入電壓VW時，必須施加靜電力生成電壓VE。可以同時打開或關閉用於施加寫入電壓VW和靜電力生成電壓VE的開關(未示出)。或者，為了增大接觸力，可以在打開用於施加寫入電壓VW的開關之前打開用於施加靜電力生成電壓VE的開關，可以在關閉用於施加寫入電壓VW的開關之後關閉用於施加靜電力生成電壓VE的開關。在寫入操作中，由於接觸力包括由懸臂彎曲形成的機械力和由靜電力生成電極形成的靜電力，因而實現了強接觸。在這種情況下，施加到電阻性尖端的電壓在沒有下降的情況下被傳送至媒質表面。從而使鐵電媒質69的疇極化，進而穩定實施寫入。在讀取操作中，檢測電阻性區域62的電阻變化，所述電阻變化是由極化疇產生的電場導致的。在這種情況下，在重摻雜導電區域66和電極69之間不施加寫入電壓VW，也不施加靜電力生成電壓VE。也就是說，只有由懸臂的彎曲產生的機械力起著讀取操作中的接觸力的作用，由此降低了電阻性尖端的磨損。
根據本發明，通過對探頭的設計調整媒質和探頭尖端之間的接觸力。也就是說，接觸力包括機械力，並且可以包括或不包括靜電力。可以通過在懸臂的電極和媒質的電極之間有選擇地施加電壓而有選擇地施加靜電力。可以將所述探頭作為具有電阻性尖端的半導體探頭應用，從而穩定地在媒質上寫入信息以及從其上讀取信息。也就是說，在寫入操作中，將靜電力連同機械力一起施加，從而實現以均勻的數據點尺寸穩定寫入。在讀取操作中，為了將尖端的磨損降至最低，不施加靜電力，僅由機械力起著接觸力的作用。
儘管已經參考其示範性實施例特別展示和描述了本發明，但是本領域的普通技術人員將要理解，可以在其中做出多種形式和細節上的變化而不脫離由權利要求所限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種半導體探頭，包括懸臂；以及形成於所述懸臂的末端部分上的尖端，用於在包括電極的鐵電媒質上寫入信息或從其上讀取信息，所述尖端包括輕度摻雜了雜質的電阻性區域和重度摻雜了雜質的導電區域，其中，所述懸臂包括在面對所述媒質的所述懸臂的表面上形成的靜電力生成電極，通過在所述鐵電媒質的所述電極和所述懸臂的所述靜電力生成電極之間有選擇地施加電壓而調整所述尖端和所述媒質之間的接觸力。
2.根據權利要求1所述的半導體探頭，所述靜電力生成電極沒有電連接到所述尖端的所述導電區域。
3.根據權利要求1所述的半導體探頭，其中，所述靜電力生成電極電連接到所述尖端的所述導電區域。
4.根據權利要求1所述的半導體探頭，其中，面對所述媒質的所述懸臂的表面具有臺階。
5.根據權利要求2所述的半導體探頭，其中，面對所述媒質的所述懸臂的表面具有臺階。
6.根據權利要求3所述的半導體探頭，其中，面對所述媒質的所述懸臂的表面具有臺階。
7.一種利用半導體探頭在鐵電媒質上寫入信息或從其上讀取信息的方法，所述半導體探頭包括懸臂和電阻性尖端，所述懸臂具有在面對包括電極的所述鐵電媒質的所述懸臂的表面上形成的靜電力生成電極，所述電阻性尖端具有輕度摻雜的電阻性區域和電連接到所述靜電力生成電極的重摻雜導電區域，所述方法包括在寫入操作中，在所述鐵電媒質的所述電極和所述電阻性尖端的所述重摻雜導電區域之間施加電壓，從而通過在所述鐵電媒質的所述電極和所述懸臂的所述靜電力生成電極之間產生靜電力而增大所述鐵電媒質和所述電阻性尖端之間的接觸力。
8.一種利用半導體探頭在鐵電媒質上寫入信息或從其上讀取信息的方法，所述半導體探頭包括懸臂和電阻性尖端，所述懸臂具有在面對包括電極的所述鐵電媒質的所述懸臂的表面上形成的靜電力生成電極，所述電阻性尖端具有輕度摻雜的電阻性區域和沒有電連接到所述靜電力生成電極的重摻雜導電區域，所述方法包括在寫入操作中，在所述鐵電媒質的所述電極和所述重摻雜導電區域之間，以及在所述鐵電媒質的所述電極和所述懸臂的所述靜電力生成電極之間施加電壓，從而通過在所述靜電力生成電極和所述鐵電媒質的所述電極之間產生靜電力而增大所述鐵電媒質和所述電阻性尖端之間的接觸力。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，在開始向所述鐵電媒質的所述電極和所述電阻性尖端的所述重摻雜導電區域之間施加電壓之前，開始向所述鐵電媒質的所述電極和所述懸臂的所述靜電力生成電極之間施加電壓，在結束向所述鐵電媒質的所述電極和所述電阻性尖端的所述重摻雜導電區域之間施加電壓之後，結束向所述鐵電媒質的所述電極和所述懸臂的所述靜電力生成電極之間施加電壓。
10.一種檢測媒質信息的探頭，所述媒質具有關於電場的信息並且位於形成了電極的表面上，所述探頭包括尖端；以及懸臂，所述懸臂包括在面對所述媒質的表面上形成的靜電力生成電極，用於通過在所述鐵電媒質的所述電極和所述懸臂的所述靜電力生成電極之間有選擇地施加電壓而調整所述尖端和所述媒質之間的接觸力。
11.根據權利要求10所述的探頭，其中，面對所述媒質的所述懸臂的表面具有臺階。
全文摘要
提供了一種半導體探頭和一種利用所述半導體探頭寫入和讀取信息的方法。所述半導體探頭包括懸臂和形成於所述懸臂的一個末端部分上的尖端，從而在位於形成了電極的表面上的鐵電媒質上寫入信息或從其上讀取信息。所述尖端包括輕度摻雜了半導體雜質的電阻性區域和重度摻雜了半導體雜質的導電區域。所述懸臂包括形成於面對所述媒質的底面上的靜電力生成電極。通過在形成於所述鐵電媒質上的電極和所述靜電力生成電極之間有選擇地施加電壓調整所述尖端和所述媒質之間的接觸力。從而使尖端的磨損降至最低，並確保高記錄密度下的寫入/讀取性能。
文檔編號G11B9/00GK1963953SQ20061012132
公開日2007年5月16日 申請日期2006年8月21日 優先權日2005年11月12日
發明者樸弘植, 丁柱煥, 高亨守, 洪承範 申請人:三星電子株式會社