JPH05334737A - トラッキング方法及びそれを用いた情報処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トラック溝検出による探針走査領域制御を高
精度で安定に行う。 【構成】 トンネル電流増幅器７の出力はコンパレータ
１２及びエッジ検出回路１３を経て、トラック溝５の検
出信号としてサンプルホールド回路１４に入力されてい
る。ステージ駆動回路１５のＸ方向出力のホールド値が
出力制限回路１９と積分回路２０を経てオフセット値と
なり、加算器１７でＸ方向出力と加算され、ステージ４
を駆動するため、１走査ごとの誤差信号のうちノイズに
よる過大値と過小値が制限され、走査領域がより正確に
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、探針と試料とを接近さ
せることによって生ずる物理現象を利用し、記録媒体上
に設けたトラック溝に沿って情報を記録し、再生又は消
去するトラッキング方法及びそれを用いた情報処理装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、探針と試料とを接近させ、その時
に生ずるトンネル現象等の物理現象を利用して、物質表
面及び表面近傍の電子構造を直接観察できる走査型トン
ネル顕微鏡（以後ＳＴＭと略す）が開発され［G.Binnig
et al.,Helvetica Physica Acta,55,726(1982)]、単結
晶、非晶質を問わず実空間像を高い分解能で測定できる
ようになっている。また、ＳＴＭは電流による損傷を与
えずに低電力で観測できる利点をも有し、更には超高真
空中のみならず、大気中、溶液中でも動作し種々の材料
に対して用いることができ、学術的或いは研究分野での
広範囲な応用が期待されている。また、一方で産業分野
においても近年、原子或いは分子サイズの空間分解能を
有する原理に着目し、例えばπ電子系有機化合物やカル
コゲン化合物類の薄膜層等の媒体を記録層として用いる
ことによる記録再生装置への応用が特開昭６３−１６１
５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報で知ら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような情報処理装
置においては、探針を試料面と平行に掃引しながら、何
らかの電気的な方法によって試料媒体の表面に情報を記
録し、探針と試料との接近によって生ずるトンネル電流
等の物理現象を測定することにより、記録された情報を
再生することを主たる目的としている。このような場合
に、情報の記録・再生を円滑に行うためには、試料上に
或る規則性を持って情報を並べることが必要である。つ
まり、トラック溝に沿った情報の書込み、読み出しが望
まれ、更に情報記録装置においてトラッキングシステム
を付加させることが必要である。

【０００４】トラッキングはトラック溝の検出及びその
検出位置に基づいた走査領域のフィードバック制御によ
って行っているが、トラック溝の検出は探針と試料の接
近によって生ずるトンネル電流などの微弱な信号を用い
て行うために、特に情報処理装置等に用いる際に要求さ
れる高速度の走査の場合に、トラック溝の検出誤差が大
きいことが問題となっている。そして、その情報に基づ
いてフィードバック量を計算して出力した場合に、ノイ
ズがフィードバック系の発振・オーバーシュート等の不
安定性を引き起こし、トラッキングに大きく影響を及ぼ
している。

【０００５】本発明の目的は、上述の欠点を解消し、検
出誤差が大きい場合においても、安定したフィードバッ
クを実現するトラッキング方法及びそれを用いた情報処
理装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの第１発明は、探針と記録媒体を接近させて試料面と
平行に走査し、その時に生ずる物理現象によって得られ
る微小信号を検出する手段により、単数又は複数走査ご
とにトラック位置を検出し、それによってフィードバッ
ク制御を行い、その際に補正量出力値に出力制限を行っ
て走査領域の移動を制限することを特徴とするトラッキ
ング方法である。

【０００７】上記特定発明に関連する第２発明は、探針
と記録媒体を接近させて試料面と平行に走査し、その時
に生ずる物理現象によって得られる微小信号を検出する
手段と、その検出信号の変化から前記記録媒体上に形成
されたトラック溝の位置を検出し、その検出位置と走査
領域が或る決まった位置関係を保つようにフィードバッ
ク制御により走査領域をトラック溝に沿って移動させる
ための機構と、その移動量に制限を与えるための出力制
限機構とを有することを特徴とする情報処理装置であ
る。

【０００８】

【作用】上述の構成を有するトラッキング方法及びそれ
を用いた情報処理装置は、探針と試料面を接近させ、探
針を試料面と平行に掃引し、探針と試料との間に生ずる
物理現象を測定し、トラック溝を探針が通過した時に測
定される物理現象の変化を検出し、その位置からフィー
ドバック制御により、走査領域をトラック溝に沿って移
動させ、高速に探針を走査した場合でも安定したフィー
ドバックによりトラッキングが可能となり、情報の書込
み、読み出し、消去が可能となる。

【０００９】

【実施例】本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明
する。図１は情報処理装置への実施例の構成図を示し、
微動材料１に取り付けられＺ方向に微動可能な探針２
が、平板状の電極基板３に対向して配置されている。電
極基板３は金電極であり、ステージ４によってＸＹ面内
で移動可能に支持され、表面には記録媒体が形成され、
Ｙ軸に平行なトラック溝５が設けられており、また探針
２との間に電圧を印加するバイアス回路６が結線されて
いる。探針２には電流増幅器７が結線され、バイアス回
路６から流れるトンネル電流を電圧に変換して出力す
る。電流増幅器７の出力は、微動機構１を駆動するＺ方
向制御回路８と、記録されていた情報をトンネル電流デ
ータから取り出す情報抽出回路９と、モニタ１０に出力
する画像データを生成する画像データ生成回路１１と、
コンパレータ１２とに接続されている。

【００１０】コンパレータ１２の他方の入力端には参照
電圧Vtが接続され、出力端はエッジ検出回路１３に接続
している。エッジ検出回路１３の出力端はサンプルホー
ルド回路１４のタイミング入力端に接続されている。ス
テージ駆動回路１５はＸ方向バッファ１６を介してステ
ージ４の図示しないＸ方向の圧電素子に接続し、また加
算器１７とＹ方向バッファ１８を介してステージ４の図
示しないＹ方向の圧電素子に接続していて、電極基板３
をＸ方向に高速で主走査し、Ｙ方向に副走査するような
駆動電圧を出力する。ステージ駆動回路１５のＸ方向出
力端は加算器１７及びサンプルホールド回路１４の入力
端に接続されており、サンプルホールド回路１４の出力
端は、出力制限回路１９と積分回路２０を経て加算器１
７の他方の入力端に接続されている。

【００１１】出力制限回路１９においては、サンプルホ
ールド回路１４の出力端が入力抵抗R1を介してアンプA1
の第１の入力端に、位置基準電圧Vpが入力抵抗R2を介し
てアンプA1の第２の入力端に結線され、アンプA1の第１
の入力端と出力端がフィードバック抵抗R3によって接続
され、アンプA1の出力端にはダイオードD1を介して上限
電圧Vhの正極が接続され、またダイオードD2を介して下
限電圧VLの負極が接続されている。積分回路２０におい
ては、出力制限回路１９のアンプA1の出力端が入力抵抗
R4を介してアンプA2の第１の入力端に接続されており、
この入力端は抵抗R5とコンデンサC1の並列接続を介して
アンプA2の出力端と結線され、またアンプA2の第２の入
力端は接地されている。そして、アンプA2の出力端が加
算器１７の入力端に接続されている。

【００１２】電極基板３と探針２は、図示しない機構に
よりトンネル電流が流れる距離まで予め接近されてお
り、バイアス回路６により所定の電圧が印加され、その
電圧によって電極基板３と探針２の間を流れるトンネル
電流の電圧変換値が、画像データ生成回路１１、Ｚ方向
制御回路８、情報抽出回路９、そしてトラック溝位置検
出のためにコンパレータ１２に送られる。

【００１３】画像データ生成回路１１では、得られたト
ンネル電流信号から画像データを生成しモニタ１０に出
力する。Ｚ方向制御回路８は微動機構１を動作させるこ
とによって、トンネル電流が一定になるように探針２と
電極基板３との距離をフィードバック制御する。また、
情報抽出回路９はトンネル電流データから記録されてい
る情報をデジタル又はアナログ値で抽出する。コンパレ
ータ１２は参照電圧Vtによって予め設定されている参照
電流値と測定電流値とを比較し、比較結果をエッジ検出
回路１３に送り、エッジ検出回路１３ではトラック溝５
のエッジを検出した瞬間に、サンプルホールド回路１４
へ所定の電圧パルスを送る。

【００１４】一方、ＸＹ方向走査はステージ４に取り付
けられた図示しない圧電素子に、ステージ駆動回路１５
からの電圧を印加することによって行う。Ｘ方向走査電
圧はサンプルホールド回路１４によって、エッジ検出回
路１３より出力されるパルスのタイミングでホールドさ
れたものが、出力制限回路１９とオフセット生成のため
の積分回路２０を介してオフセット値とされ、加算器１
７においてＸ方向走査電圧に加えられ、Ｘ方向バッファ
１８を介してＸ方向駆動電圧としてステージ４のＸ方向
駆動用の圧電体に印加される。

【００１５】図２(a) 〜(e) を用いてトラッキング機構
の動作の詳細な説明すると、探針２がトラック溝５を横
断するとき、微動機構１のＺ方向の応答よりもトンネル
電流の変化の方が速いために、(a) に示すように急激な
トンネル電流の減少が見られる。エッジ検出回路１３は
エッジ検出のタイミングとしてトンネル電流の電圧換算
値が参照電圧Vtよりも小さくなったときに、(b) に示す
パルスを検出信号としてサンプルホールド回路１４に送
る。サンプルホールド回路１４はエッジ検出回路１３か
ら送られたパルスのタイミングで、(c) に示すＸ方向走
査電圧から電圧をサンプリングしホールドし、その出力
は(d) に示すように階段状になる。そして、正常なエッ
ジ検出の場合には、(e) に示す誤差信号が出力制限回路
１９から出力される。このように、１走査ごとに１回の
エッジ位置検出を行いフィードバックを行う。しかし、
エッジ検出が正常でない場合には若干動作が異なる。

【００１６】一般的に温度や振動によるドリフトは、走
査周波数に比べて非常に遅い動きである。また、溝エッ
ジ形状についても、現在では半導体プロセス等を用いて
ｎｍの精度で直線性の良いものが得られるようになって
いる。そのため、エッジ検出間隔が短い高速度走査にお
いては、１走査中に極端なエッジ検出位置の変化は考え
られない。ところが、実際には高速度走査の場合に、Ｚ
方向のフィードバックとのミスマッチが生じ、エッジ形
状には起因しないエッジ検出位置の乱れが生ずる。原因
としては、トラック溝５以外の部分の基板電極面の平滑
性が大きく影響していると考えられる。そして、このよ
うなエッジ検出位置の乱れによって、フィードバック系
に発振やオーバーシュート等の不安定性が起こることが
問題となっている。

【００１７】そこで、これらの検出ノイズによるステー
ジ１４の移動をできるだけ抑え、安定なフィードバック
を行うために、出力制限回路１９において出力制限を行
う。図３(a) はエッジ検出パルス、(b) はＸ方向走査電
圧、(c) は出力制限回路１９の出力を示したものであ
る。出力制限回路１９はホールドされた電圧をリファレ
ンス電圧を比較し、その差信号が大きいときに、具体的
には、上限電圧Vhよりも大きいか、又は下限電圧VLより
も小さいときに、出力を一定の上限電圧Vh又は下限電圧
VLとするように調整されている。このようにすることに
より、或る値以上のフィードバック電圧は出力されない
ため、オーバーシュート等が起き難い。

【００１８】また、この出力制限回路１９のフィードバ
ック抵抗R3の値を変化させることによって、フィードバ
ックゲインを調整することも可能であり、それによって
フィードバック系の発振や応答速度を制御することもで
きる。このようにして、トラック溝５のエッジ形状のノ
イズによる検出誤差から生ずるエッジ検出のばらつきに
よるフィードバックの不安定性を改善することができ
る。

【００１９】実験において、記録媒体はガラス基板上に
形成されたＡｕ薄膜上に半導体プロセスによって２μｍ
のラインアンドスペースでトラック溝５を形成させたも
のを用いた。トラック溝５の深さは約５０ｎｍ、長さは
３０μｍである。また、走査はＸ方向に幅１μｍ、Ｙ方
向に長さ１０μｍの範囲で、Ｘ方向５００Hzの速さで行
い、エッジ検出及びフィードバックはＸ方向１走査ごと
に１回行った。

【００２０】先ず、上述のような出力制限回路１９がな
い場合に、差信号のみを用いてフィードバック制御を行
った。図１の出力制限回路１９と積分回路２０の２つを
図４の積分回路３０で置換した。この積分回路３０にお
いては、アンプA3の第１の入力端に入力抵抗R6が接続さ
れ、アンプA3の第２の入力端には位置基準電圧Vpが接続
され、第１の入力端と出力端の間は抵抗R7とコンデンサ
C2の並列回路で結ばれている。この回路を用いた場合
に、モニタ１０の出力画像におけるトラック溝５の揺ら
ぎが概略１０ｎｍとなった。半導体プロセスによって作
られたトラック溝５のエッジ形状の揺らぎ幅は、１μｍ
の長さで高々数ｎｍであることが電子顕微鏡などを用い
た観察により明らかになっており、その値に比べると低
い数値であることが分かる。

【００２１】そこで、出力制限回路１９を付加した図１
の回路を用いて実験を行った。５００Hzで走査したとき
通常考えられる温度ドリフトの大きさは、１走査当たり
最大０．５ｎｍ、エッジ形状の揺らぎは１走査当たり１
ｎｍ以下と考えられるので、その時の上限電圧Vh、下限
電圧VLの値は、走査領域内におけるトラック溝５を固定
する目標位置から±１．５ｎｍに相当する電圧値に設定
した。また、出力制限回路１９の抵抗R1、R2、R3の値か
ら決定されるフィードバックゲインを０．５とした。そ
の結果、トラック溝５を画像上で固定することができ、
フィードバック揺らぎ幅は２ｎｍ以下に制限され、かつ
発振等のない安定したトラッキングが実現できているこ
とを確認できた。

【００２２】次に、この情報処理装置を使用し、特開昭
６３−１６１５５２号公報及び同６３−１６１５５３号
公報に開示されている記録媒体であるＡｕ電極上に積層
されたＳＯＡＺ・ＬＢ膜（２層膜）を試料として用い、
記録、再生及び消去を実験的に行った。Ａｕ電極には先
の実験で用いた試料と同様に半導体プロセスを用いてト
ラック溝５が形成されている。この試料を用い、図１に
示す構成の装置を用いてトラッキングを行いながらＸＹ
方向に探針２を１μｍの幅、１０μｍの長さで走査し、
バイアス回路６によりバイアス電圧として波高値−６Ｖ
及び＋１．５Ｖの連続したパルス波を重畳した電圧を、
試料と探針２の間に印加することで電気的な情報の書込
みを行った。

【００２３】更に、得られるトンネル電流データから、
データ抽出を行い、記録情報の読み出しを複数回繰り返
し行った結果、記録情報と再生情報が一致していること
が確認された。また、トンネル電流を画像処理した結果
から、繰り返し再生時に各画像データが誤差が僅かに１
ｎｍの精度で一致していることも確認された。また、試
料上の記録を行った領域に探針２が接近した時点で、波
高値３Ｖのパルス電圧をバイアス電圧に重畳する走査を
行ったところ、再生されるトンネル電流像及び抽出情報
から、記録された情報が消去されたことを確認した。

【００２４】なお、実施例では物理情報としてトンネル
電流を測定する情報処理装置について述べたが、それ以
外に原子間力、容量、磁束や磁力等の微小信号を用いた
系においても同様に適用できる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るトラッ
キング方法及びそれを用いた情報処理装置は、走査によ
って生ずるトラック溝エッジ検出誤差がフィードバック
系に及ぼす影響を簡単に抑制することができるため、高
速で走査した場合でも、より精度の高いトラッキングが
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】情報処理装置の構成図である。

【図２】動作状態の波形図である。

【図３】動作状態の波形図である。

【図４】積分回路の回路図である。

【符号の説明】

１ Ｚ方向微動機構 ２ 探針 ３ 電極基板 ４ ステージ ６ バイアス回路 ８ Ｚ方向制御回路 ９ 情報抽出回路 １０ モニタ １１ 画像データ生成回路 １２ コンパレータ １３ エッジ検出回路 １４ サンプルホールド回路 １５ ステージ駆動回路 １７ 加算器 １９ 出力制限回路 ２０、３０ 積分回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山野 明彦 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 畑中 勝則 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針と記録媒体を接近させて試料面と平
   行に走査し、その時に生ずる物理現象によって得られる
   微小信号を検出する手段により、単数又は複数走査ごと
   にトラック位置を検出し、それによってフィードバック
   制御を行い、その際に補正量出力値に出力制限を行って
   走査領域の移動を制限することを特徴とするトラッキン
   グ方法。
2. 【請求項２】 探針と記録媒体を接近させて試料面と平
   行に走査し、その時に生ずる物理現象によって得られる
   微小信号を検出する手段と、その検出信号の変化から前
   記記録媒体上に形成されたトラック溝の位置を検出し、
   その検出位置と走査領域が或る決まった位置関係を保つ
   ようにフィードバック制御により走査領域をトラック溝
   に沿って移動させるための機構と、その移動量に制限を
   与えるための出力制限機構とを有することを特徴とする
   情報処理装置。