JPH06300513A - プローブ位置制御方法，走査型トンネル顕微鏡および記録再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プローブ位置制御方法，走査型トンネル顕微
鏡および記録再生装置を、弾性体プローブのフィードバ
ック制御を正確に行うことができるようにする。 【構成】 弾性体プローブ４０により検出されたトンネ
ル電流Ｊ_t は、電流電圧変換回路２１で変換電圧Ｖ_t に
変換されたのち、対数変換回路２２を介してＺサーボ回
路２３に入力される。Ｚサーボ回路２３では、対数変換
回路２２からの対数電圧Ｌｏｇ(Ｖ_t) とＦＢループゲイ
ン設定回路２６からのゲインパラメータＰ _G とに基づい
て、弾性体プローブ４０と観察試料１との間の距離が一
定になるようにＺ微動機構２５を駆動制御する距離制御
信号Ｓ_L が作成される。距離制御信号Ｓ_L は増幅器２４
で増幅されたのち、Ｚ微動機構２５に入力される。その
結果、Ｚ微動機構２５によって弾性体プローブ４０がバ
イモルフ駆動されることにより、弾性体プローブ４０と
観察試料１との間の距離が一定に保たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プローブ位置制御方
法，走査型トンネル顕微鏡および記録再生装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、導体の表面原子の電子構造を直接
観察できる走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が開発さ
れ、単結晶および非晶質を問わずに、実空間像を高い分
解能で測定できるようになった (G. Binnig et al., Ph
ys. Rev. Lett., 49, 57, 1982)。走査型トンネル顕微
鏡は、金属のティップ（探針）と導電性物質との間に電
圧を加えた状態で、ティップを導電性物質の表面から１
ｎｍ程度の距離まで近づけたときに、ティップと導電性
物質との間に流れるトンネル電流を利用するものであ
る。このトンネル電流の大きさは、ティップと導電性物
質の表面との間の距離に依存し、かつ、この距離の変化
に非常に敏感である。このため、トンネル電流の大きさ
をを一定に保つようにティップを走査することにより、
実空間の全電子雲に関する種々の情報を読み取ることが
可能となる。このときの導電性物質の面内方向の分解能
は、０．１ｎｍ程度である。

【０００３】このような走査型トンネル顕微鏡の原理を
応用すれば、十分に原子オーダ（サブ・ナノメートル）
での高密度記録再生を行うことが可能である。たとえ
ば、特開昭６１−８０５３６号公報に開示されている記
録再生装置では、電子ビームなどによって記録媒体の表
面に吸着した原子粒子を取り除くことにより情報の記録
を行うとともに、走査型トンネル顕微鏡を用いて、記録
された情報の再生を行っている。

【０００４】また、記録層として、電圧電流のスイッチ
ング特性に対してメモリ効果をもつ材料（たとえば、π
電子系有機化合物やカルコゲン化合物類の薄膜層）を用
いて記録再生を走査型トンネル顕微鏡で行う方法が、特
開昭６３−１６１５５２号公報および特開昭６３−１６
１５５３号公報に開示されている。この方法によれば、
記録ビットのサイズを１０ｎｍとすれば、１０¹²ｂｉｔ
／ｃｍ² もの大容量記録再生が可能である。

【０００５】さらに、小型化を目的とし、先端にティッ
プが設けられた複数個のマイクロプローブを半導体基板
上に形成し、各ティップと対向する記録媒体で、プロー
ブを変位させることにより情報の記録を行う記録装置
が、特開昭６２−２８１１３８号公報および特開平１−
１９６７５１号公報に開示されている。たとえば、１ｃ
ｍ² 角のシリコンチップ上に２５００本のプローブを５
０×５０のマトリック状に配置したマルチプローブヘッ
ドと、上述したメモリ効果をもつ材料とを組み合わせる
ことにより、ティップ１本当たり４００Ｍｂｉｔ、総記
録容量１Ｔｂｉｔのデジタルデータの記録再生を行うこ
とができる。

【０００６】この際、ティップを長さ数１００μｍ程度
のカンチレバー（片持ちばり）上に取り付けることによ
りカンチレバー状のマイクロプローブを構成するととも
に、このカンチレバー状のマイクロプローブを圧電体で
構成して駆動する方法が考えられている。従来、このよ
うなカンチレバーの作成法としては、半導体プロセスを
応用し、一つの基板上に微細加工を施す加工技術を用い
て圧電体薄膜，金属膜などの多層構造を有するカンチレ
バーを作成する方法がある（T.R.Albrecht etal.,“Mic
rofabrication of integrated scanning tunneling mic
roscope”, Proceedings of 4th International Confer
ence on scanning tunneling microscope/spectroscop
y, 1990)。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来、上記のようなマ
イクロプローブやこれを集積化したマルチプローブヘッ
ドは、ＩＣプロセスを応用して作成されていた。すなわ
ち、ティップをプローブ先端に形成したカンチレバー型
プローブをフォトリソグラフィー技術を用いて作成し、
このカンチレバーを圧電力や静電力により駆動するとい
うマイクロプローブやマルチプローブヘッドが、提案さ
れていた。しかしながら、このようなフォトリソグラフ
ィー技術で作成したマイクロプローブはサイズが大きく
ないため、それほど大きな弾性定数をもたない。このた
め、マイクロプローブに対向する記録媒体または試料に
マイクロプローブを近づけ、両者間に流れる電流を利用
して記録再生装置や走査型トンネル顕微鏡を構成しよう
とする場合、以下の問題があった。

【０００８】（１）前述したように、マイクロプローブ
を試料（記録媒体）に近づけた場合、ティップの先端と
ファンデルワールス力，水など液体の表面張力，両者間
に印加される電圧による静電力などを原因とする吸着力
が働く。この力とアクチュエータのたわみの弾性力との
つりあいの関係で、ティップの先端を試料に近づけたと
き、吸着力と弾性力とのつりあいが不安定点に達した瞬
間、カンチレバーがたわんで、試料にティップが吸着
し、このとき、ティップからの検出電流は急にある値に
達してしまう。このような吸着状態下において、ティッ
プの変位量は、ティップの先端がフリーの状態に比べ大
きく減少してしまう。このため、この状態でティップの
先端と試料との間を流れる電流を一定とするフィードバ
ック制御を行おうとすると、先端がフリーの状態に比
べ、制御成績が非常に悪くなった。したがって、この状
態でマイクロプローブを記録再生に用いると、プローブ
を試料上をアクセスする際、両者の距離が大きく変動
し、記録再生の性能劣化をもたらした。また、走査型ト
ンネル顕微鏡に用いた場合は、正しい試料表面の凹凸情
報が得られなかった。

【０００９】（２）また、マイクロプローブを集積化し
たマルチプローブヘッドを作成した場合、プロセスのば
らつきなどによるプローブ性能のばらつきが生じた。こ
のとき、プローブの機械特性、特に弾性定数がばらつく
と、プローブ接触時、プローブ先端の変位減少量がばら
つき、プローブごとの制御性能のばらつきが発生した。
このため、複数のマイクロプローブを集積化したマルチ
プローブを用いた記録再生装置は、プローブごとに信号
がばらつき、思い通りの性能が得られなかった。

【００１０】本発明の目的は、弾性体プローブのフィー
ドバック制御を正確に行うことができるプローブ位置制
御方法，走査型トンネル顕微鏡および記録再生装置を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のプローブ位置制
御方法は、弾性体プローブの先端に設けられた導電性テ
ィップを試料に接触させたときの該導電性ティップと該
試料との間に流れる電流を用いて、該弾性体プローブの
位置を制御するプローブ位置制御方法において、前記導
電性ティップと前記試料との接触に伴って生じる前記弾
性体プローブの先端の変位減少を補正する。

【００１２】ここで、前記導電性ティップと前記試料と
の間の距離を制御するための制御ループのゲインを補正
することにより、前記弾性体プローブの先端の変位減少
を補正してもよい。

【００１３】または、先端に導電性ティップが設けられ
た弾性体プローブが複数個集積されたマルチプローブヘ
ッドの前記各導電性ティップを試料に接触させたときの
該各導電性ティップと前記試料との間に流れる各電流を
用いて、前記各弾性体プローブの位置をそれぞれ制御す
るプローブ位置制御方法において、前記各導電性ティッ
プと前記試料との接触に伴って生じる前記各弾性体プロ
ーブの先端の変位減少をそれぞれ補正する。

【００１４】ここで、前記各導電性ティップと前記試料
との間の距離を制御するための各制御ループのゲインを
それぞれ補正することにより、前記各弾性体プローブの
先端の変位減少をそれぞれ補正してもよい。

【００１５】本発明の走査型トンネル顕微鏡は、先端に
導電性ティップが設けられた弾性体プローブが複数個集
積されたマルチプローブヘッドと、前記各導電性ティッ
プを試料に接触させたときの該各導電性ティップと前記
試料との間に流れる各電流を用いて前記各弾性体プロー
ブの位置をそれぞれ制御する複数個の制御手段とを備え
た走査型トンネル顕微鏡において、前記各制御手段の制
御ループのゲインをそれぞれ補正する複数個の補正手段
を含む。

【００１６】ここで、前記各補正手段の補正量がそれぞ
れ格納される記憶手段をさらに含んでいてもよいし、前
記各制御手段のフィードバックパラメータがそれぞれ格
納される記憶手段をさらに含んでいてもよい。

【００１７】本発明の記録再生装置は、先端に導電性テ
ィップが設けられた弾性体プローブが複数個集積された
マルチプローブヘッドと、前記各導電性ティップを試料
に接触させたときの該各導電性ティップと前記試料との
間に流れる各電流を用いて前記各弾性体プローブの位置
をそれぞれ制御する複数個の制御手段とを備えた記録再
生装置において、前記各制御手段の制御ループのゲイン
をそれぞれ補正する複数個の補正手段を含む。

【００１８】ここで、前記各補正手段の補正量がそれぞ
れ格納される記憶手段をさらに含んでいてもよいし、前
記各制御手段のフィードバックパラメータがそれぞれ格
納される記憶手段をさらに含んでいてもよい。

【００１９】

【作用】本発明のプローブ位置制御方法は、導電性ティ
ップと試料との接触に伴って生じる弾性体プローブの先
端の変位減少を補正することにより、弾性体プローブの
フィードバック制御を正確に行うことができる。具体的
には、導電性ティップと試料との間の距離を制御するた
めの制御ループのゲインを補正することにより、弾性体
プローブの先端の変位減少を補正すればよい。

【００２０】本発明の走査型トンネル顕微鏡は、各制御
手段の制御ループのゲインをそれぞれ補正する複数個の
補正手段を含むことにより、弾性体プローブのフィード
バック制御を正確に行うことができる。

【００２１】本発明の記録再生装置は、各制御手段の制
御ループのゲインをそれぞれ補正する複数個の補正手段
を含むことにより、弾性体プローブのフィードバック制
御を正確に行うことができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。

【００２３】図１は、本発明の走査型トンネル顕微鏡の
一実施例を示す概略構成図である。

【００２４】走査型トンネル顕微鏡１０は、ＸＹ微動駆
動機構１１と、ＸＹ微動駆動回路１２と、バイアス回路
１３と、先端に導電性ティップ４９が設けられた弾性体
プローブ４０と、電流電圧変換回路２１と、対数変換回
路２２と、Ｚサーボ回路２３と、増幅器２４と、Ｚ微動
機構２５と、フィードバックループゲイン設定回路（以
下、「ＦＢループゲイン設定回路２６」と称する。）
と、制御回路３０と、スイッチ回路３１と、ディスプレ
イ３２とを含む。走査型トンネル顕微鏡１０の各構成要
素について、以下に詳細に説明する。

【００２５】（１）ＸＹ微動駆動機構１１，ＸＹ微動駆
動回路１２およびバイアス回路１３ ＸＹ微動駆動機構１１は、導電性ティップ４９を観察試
料１の表面に対して図示Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれ
ぞれ走査させるためのものである。ＸＹ微動駆動回路１
２は、ＸＹ微動駆動機構１１を駆動させるためのもので
ある。バイアス回路１３は、導電性ティップ１１と観察
試料１との間に所定のバイアス電圧を印加するためのも
のである。

【００２６】（２）弾性体プローブ４０ 弾性体プローブ４０は、具体的には、図２（Ａ），
（Ｂ）にそれぞれ示すように、シリコン基板４１と、第
１のＳｉＮｘ層４２と、第１の駆動用電極４３と、第１
の圧電体薄膜４４と、第２の駆動用電極４５と、第２の
圧電体薄膜４６と、第３の駆動用電極４７と、第２のＳ
ｉＮｘ層４８と、トンネル電流Ｊ_t を検出するための先
鋭な導電性ティップ４９と、ティップ用電極５０とから
なる。すなわち、弾性体プローブ４０は、バイモルフ構
造を有するカンチレバーとなっており、第１から第３の
駆動用電極４３，４５，４７に所定の電圧がそれぞれ印
加されることによって、逆圧電効果で図示上下方向に変
位する。

【００２７】弾性体プローブ４０を作製するには、たと
えば、厚さ０．５μｍのシリコン（１００）基板４１上
に、厚さ０．１５μｍのＳｉ₃Ｎ₄膜をＣＶＤ法により成
膜する。このとき使用する原料ガスはＳｉＨ₂Ｃｌ₂：Ｎ
Ｈ₃（１：９） であり、また、基板温度は８００℃とす
る。続いて、フォトリソグラフィーおよびＣＦ₄ ドライ
エッチングによりＳｉ₃Ｎ₄膜を所望の形状にパターニン
グして、第１のＳｉＮｘ層４２を形成する。続いて、厚
さ０．０１μｍのＣｒ膜および厚さ０．０９μｍのＡｕ
膜を成膜したのち、フォトリソグラフィーおよびウェッ
トエッチングによりＣｒ膜およびＡｕ膜を所望の形状に
パターニングして、第１の駆動用電極４３を形成する。
続いて、厚さ０．３μｍのＡｌＮ膜（圧電体薄膜）をス
パッタ法により成膜する。このとき、ターゲットとして
はＡｌを用い、Ａｒ＋Ｎ₂ 雰囲気中でスパッタする。続
いて、フォトリソグラフィーとＡｌ用エッチング液によ
るウェットエッチングによりＡｌＮ膜を所望の形状にパ
ターニングして、第１の圧電体薄膜４４を形成する。

【００２８】その後、上記工程と同様にして、第２の駆
動用電極４５，第２の圧電体薄膜４６および第３の駆動
用電極４７を順次形成することにより、シリコン基板−
Ａｕ／Ｃｒ−ＡｌＮ−Ａｕ／Ｃｒ−ＡｌＮ−Ａｕ／Ｃｒ
のバイモルフ構造を形成する。続いて、保護層として、
厚さ０．１５μｍのアモルファスＳｉＮをＣＶＤ法によ
り成膜して、第２のＳｉＮｘ層４８を形成する。続い
て、タングステン（Ｗ）からなる導電性ティップ４９を
蒸着法により形成したのち、ＫＯＨによるシリコンの異
方性エッチングを用いてＳｉ₃Ｎ₄膜がついていない部分
を除去して、カンチレバーを作製する。最後に、導電性
ティップ４９をＰｔコーティングする。

【００２９】以上のようにして作製した一本のカンチレ
バーの寸法は、長さ５００μｍ×幅１００μｍであり、
図１図示Ｚ軸方向の共振周波数は２．３ｋＨｚであり、
１Ｖ印加時のバイモルフの平均変位量は１．５μｍであ
る。また、フリーな状態で圧電バイモルフのＺ軸方向の
たわみの弾性定数ｋ_P は、以下の式を用いて、ｋ_P ≒
０．０１Ｎ／ｍと算出される。

【００３０】ｋ_P ＝ｂ×ｔ³／４×Ｌ³×Ｅ （１） ただし、Ｅ＝カンチレバーのヤング率 ｂ＝カンチレバーの密度 ｔ＝カンチレバーの膜厚 Ｌ＝カンチレバーの長さ さらに、導電性ティップ４９の先端の曲率半径を約０．
１μｍとし、被覆層が有機材料であると仮定し、そのヤ
ング率が約１０^-9Ｎ／ｍ² とすると、この被覆層の凹に
対する弾性定数ｋ_S ≒１Ｎ／ｍと見積もられた。

【００３１】（３）電流電圧変換回路２１，対数変換回
路２２，Ｚサーボ回路２３，増幅器２４およびＦＢルー
プゲイン設定回路２６ 電流電圧変換回路２１，対数変換回路２２，Ｚサーボ回
路２３，増幅器２４およびＦＢループゲイン設定回路２
６は、試料観察時に、弾性体プローブ４０と観察試料１
との間の距離が一定となるようにサーボをかけるための
ものである。すなわち、弾性体プローブ４０により検出
されたトンネル電流Ｊ_t は、電流電圧変換回路２１で変
換電圧Ｖ_t に変換されたのち、対数変換回路２２を介し
てＺサーボ回路２３に入力される。Ｚサーボ回路２３で
は、対数変換回路２２の出力信号（対数電圧Ｌｏｇ
(Ｖ_t)） とＦＢループゲイン設定回路２６の出力信号で
あるゲインパラメータＰ_G とに基づいて、弾性体プロー
ブ４０と観察試料１との間の距離が一定になるように弾
性体プローブ４０を駆動制御する距離制御信号Ｓ_L が作
成される。距離制御信号Ｓ_L は増幅器２４で増幅された
のち、弾性体プローブ４０に入力される。その結果、弾
性体プローブ４０がバイモルフ駆動されることにより、
弾性体プローブ４０と観察試料１との間の距離が一定に
保たれる。なお、積層型圧電素子などからなるＺ微動機
構２５は、弾性体プローブ４０を大きくＺ軸方向に移動
する際に用いられる。

【００３２】ここで、Ｚサーボ回路２３は、図３に示す
ように、対数電圧Ｌｏｇ(Ｖ_t) がプラス入力端子に入力
されるとともに予め定められた距離設定値Ｚ₀ がマイナ
ス入力端子に入力される減算器101 と、減算器101 の出
力信号であるエラー信号ｅが入力端子に入力されるとと
もにゲインパラメータＰ_G が制御端子に入力される可変
ゲインアンプ102 と、可変ゲインアンプ102 の出力信号
が入力されるカットオフ周波数ｆ_C のローパスフィルタ
103 と、ローパスフィルタ103 の出力信号である距離制
御信号Ｓ_L およびゲインパラメータＰ_G がそれぞれ入力
される補正回路104 とを含む。なお、補正回路104 の出
力信号は、補正距離制御信号Ｓとしてスイッチ回路３１
に出力される（図１参照）。

【００３３】対数変換回路２２から減算器101 のプラス
入力端子に入力される対数電圧Ｌｏｇ(Ｖ_t) の大きさ
は、導電性ティップ４９と観察試料１との間の距離に比
例するため（ティップと試料間の電流がトンネル電流の
場合）、Ｚサーボ回路２３は、対数電圧Ｌｏｇ(Ｖ_t) の
大きさを一定とするように、距離制御信号Ｓ_L を出力す
る。このため、Ｚサーボ回路２３では、減算器101 にお
いて対数電圧Ｌｏｇ(Ｖ_t) と距離設定値Ｚ₀ との減算が
行われることにより、エラー信号ｅが作成される。続い
て、エラー信号ｅは、可変ゲインアンプ102 において、
ＦＢループゲイン設定回路２６から可変ゲインアンプ10
2 に送られてくるゲインパラメータＰ_G に応じた増幅率
で、増幅される。可変ゲインアンプ102 で増幅されたエ
ラー信号ｅは、ローパスフィルタ103 を透過することに
より、高周波成分が除去されたのち、距離制御信号Ｓ_L
として増幅器２４（図１参照）に出力される。また、ロ
ーパスフィルタ103 から出力される距離制御信号Ｓ_L
は、補正回路104 で、ＦＢループゲイン設定回路２６か
ら補正回路104 に送られてくるゲインパラメータＰ_G に
応じて補正されることにより、補正距離制御信号Ｓとし
てスイッチ回路３１に出力される。なお、補正距離制御
信号Ｓは、観察試料１の表面の凹凸を表すトポ信号とし
て、ディスプレイ３２に出力される。

【００３４】ＦＢループゲイン設定回路２６の説明を行
うために、弾性体プローブ４０の導電性ティップ４９の
先端と観察試料１との間に吸着力が働くことにより生ず
る両者の接触状態について、図４（Ａ）〜（Ｃ）をそれ
ぞれ参照して説明する。図４（Ａ）は、導電性ティップ
４９と観察試料１とが吸着力によって接触した状態を示
す図である。大気中などでＳＴＭ観察を行う場合には、
観察試料１の表面（または導電性ティップ４９の先端）
は、ごく薄い絶縁性の被覆層201 で覆われていることが
多い。したがって、導電性ティップ４９は、被覆層201
を介して観察試料１の表面からのトンネル電流を検出す
る。このとき、導電性ティップ４９の先端と被覆層201
との間には、接触による斥力が作用する。この斥力によ
り、弾性体プローブ４０には、たわみの弾性変形が生
じ、また、被覆層201 には、凹の弾性変形が生じる。図
４（Ｂ）は、接触の初期状態において、導電性ティップ
４９の先端が観察試料１の表面の被覆層201 に接触した
ときの弾性体プローブ４０の根元の位置，導電性ティッ
プ４９の先端の位置および観察試料１の表面の位置関係
を表すモデルを示す図である。ここで、弾性体プローブ
４０の根元とは、弾性体プローブ４０がＺ微動機構２５
に接合されている部分をいう。同図に示すように、弾性
体プローブ４０の根元，導電性ティップ４９の先端およ
び観察試料１の表面は、弾性体プローブ４０のたわみに
関する弾性体と被覆層201 のたわみに関する弾性体とが
相互に連結された状態になる。ここで、弾性体プローブ
４０のたわみの弾性定数を“ｋ_P ”とし、被覆層201 の
弾性定数を“ｋ_S ”とする。この状態から、弾性体プロ
ーブ４０を“ΔＺ_d ”だけ観察試料１の表面に近づける
ように駆動したとき、導電性ティップ４９の先端が“Δ
Ｚ_S ”だけ変位したとする（図４（Ｃ）参照）。このと
きの導電性ティップ４９の先端の力の釣合いを考える
と、 ｋ_P ×（ΔＺ_d−ΔＺ_S）＝ｋ_S ×ΔＺ_S （２） が成り立つ。上記（２）式を変形すると、 ΔＺ_S＝ｋ_P ×ΔＺ_d／（ｋ_P ＋ｋ_S ） （３） が成り立つ。上記（３）式より、弾性体プローブ４０を
駆動したときの導電性ティップ４９の先端の実際の変位
量は、弾性体プローブ４０の駆動量に比べて、ｋ _P ／
（ｋ_P ＋ｋ_S ）だけ減少することになる。たとえば、弾
性体プローブ４０の弾性定数ｋ_P を約０．０１Ｎ／ｍと
し、被覆層210 の弾性定数ｋ_S を約１Ｎ／ｍとすると、
導電性ティップ４９の先端の変位減少量は、約１／１０
０程度となる。

【００３５】このように、導電性ティップ４９の先端が
接触した状態では、導電性ティップ４９の先端の変位が
大きく減少することがわかったが、このことが弾性体プ
ローブ４０の位置制御に及ぼす影響について、図５
（Ａ），（Ｂ）および図６をそれぞれ参照して、詳しく
説明する。

【００３６】図５（Ａ）は、弾性体プローブ４０の図１
図示Ｚ軸方向の位置制御を行う際に通常用いられる制御
系を示すブロック図である。この制御系は、導電性ティ
ップ４９の先端の変位Ｚからトンネル電流Ｊ_t の変化を
検出する導電性ティップ４９に相当する第１のブロック
301 と、トンネル電流Ｊ_t から変位Ｚに対し線形信号の
エラー信号ｅを求める電流電圧変換回路２１，対数変換
回路２２およびＺサーボ回路２３の減算器101 に相当す
る第２のブロック302 と、エラー信号ｅから弾性体プロ
ーブ４０への印加電圧Ｖを求めるＺサーボ回路２３の可
変ゲインアンプ102 乃至増幅器２４に相当する第３のブ
ロック303 と、弾性体プローブ４０への印加電圧Ｖ対変
位Ｚの変換特性を示す第４のブロック304 とで表され
る。なお、図中、“Ａ”，“Ｂ”および“Ｇ₁ ”は定数
を示し、“Ｇ₂(ｓ)”は、Ｚサーボ回路２３の可変ゲイ
ンアンプ102 から増幅器２４の伝達特性を示し、“Ｇ
₃(ｓ)”は、弾性体プローブ４０の印加電圧Ｖから変位
Ｚへの変換の伝達特性を示す。一方、導電性ティップ４
９の先端が接触し、前述したように導電性ティップ４９
の先端の変位が減少した場合の制御系は、図５（Ｂ）に
示すように、第４のブロック304 と第１のブロック301
との間に、導電性ティップ４９の先端の変位の減少に相
当する第５のブロック305 が付加されたものとなる。こ
こで、第５のブロック305 は、利得がｋ_P ／（ｋ_P＋
ｋ_S）のアッテネータとして機能する。なお、図中、
“Ｚ’”は導電性ティップ４９の変位量を示す。図５
（Ａ）で示される制御系と図５（Ｂ）で示される制御系
との違いが制御性能に与える影響について、図６に示す
制御系開ループ利得特性の周波数特性を参照して、以下
詳細に説明する。なお、圧電体プローブ４０の印加電圧
−変位変換特性のカットオフ周波数は十分高いものと
し、また、圧電体プローブ４０の共振周波数のＱ値は小
さいものとする。

【００３７】図５（Ａ）で示される制御系の開ループ利
得特性は、図６に実線で示すものとなる。ここで、“ｆ
_C ”はＺサーボ回路２３のローパスフィルタ103 （図３
参照）のカットオフ周波数であり、ローパスフィルタ10
3 が一次の減衰特性をもつときには、周波数がカットオ
フ周波数ｆ_C よりも大きくなると、開ループ利得は−２
０ｄＢ／ｄｅｃの割合で減衰していく。このとき、Ｚ軸
方向のサーボの応答周波数は、開ループ利得が０ｄＢと
交差する周波数ｆ₁ となる。一方、図５（Ｂ）で示され
る制御系の開ループ利得特性は、図６に破線で示すよう
に、図５（Ａ）で示される制御系の開ループ利得特性に
比べて、全周波数にわたって、利得が“ｋ_P ／（ｋ_P＋
ｋ_S）”だけ小さくなる。この場合のＺ軸方向のサーボ
の応答周波数は、周波数ｆ₂ となり、周波数ｆ₁ に比べ
て“ｋ_P ／（ｋ_P＋ｋ_S）”だけ小さくなる。したがっ
て、たとえば、弾性体プローブ４０がフリーの状態のと
きのＺサーボの応答周波数が１ｋＨｚになるように開ル
ープ利得を設計しても、被覆層201 の弾性定数ｋ_S が約
１Ｎ／ｍであり、弾性体プローブ４０の弾性定数ｋ_P が
約０．０１Ｎ／ｍであるようなサーボ系では、サーボの
応答は１０Ｈｚ程度しか得られないことになる。

【００３８】そこで、ＦＢループゲイン設定回路２６
（図１参照）では、弾性体プローブ４０の弾性定数ｋ_P
と被覆層201 の弾性定数ｋ_S との値から、導電性ティッ
プ４９の先端の接触時の変位減少量を見積もり、これを
補償するように、ゲインパラメータＰ_G が決定される。
決定されたゲインパラメータＰ_G に基づいてＺサーボ回
路２３の可変ゲインアンプ102 （図３参照）の利得が決
定される。これにより、制御系の開ループゲインが補償
される。また、Ｚサーボ回路２３の可補正回路104 で
は、ゲインパラメータＰ_G に基づいて、ローパスフィル
タ103 から出力される距離制御信号Ｓ_L が補正されるこ
とにより、実際の導電性ティップ４９の先端の変位量を
示す補正距離制御信号Ｓが作成される。

【００３９】（４）制御回路３０，スイッチ回路３１お
よびディスプレイ３２ 図１に示した制御回路３０は、ＸＹ微動駆動回路１２，
バイアス回路１３およびＺ微動機構２５をそれぞれ制御
するとともに、観察試料１の表面観察時に電流電圧変換
回路２１から送られてくる変換電圧Ｖ_t を処理してトン
ネル電流像を作成するためのものである。スイッチ回路
３１は、制御回路３０の出力信号とＺサーボ回路２３で
作成された補正距離制御信号Ｓとを切り換えるためのも
のである。ディスプレイ３２は、スイッチ回路３１から
送られてくる制御回路３０の出力信号および補正距離制
御信号Ｓにより、観察試料１のトンネル電流像およびト
ポ像を表示するためのものである。

【００４０】次に、走査型トンネル顕微鏡１０の動作に
ついて、簡単に説明する。

【００４１】表面観察時には、所定のバイアス電圧が導
電性ティップ４９と観察試料１との間にバイアス回路１
３から印加された状態で、Ｚ微動機構２５が駆動される
ことにより、導電性ティップ４９と観察試料１との間に
所定の値のトンネル電流Ｊ_tが流れる程度にまで、弾性
体プローブ４０が観察試料１に近づけられたのち、両者
間の距離が一定となるように、弾性体プローブ４０がサ
ーボ制御される。この状態で、ＸＹ微動駆動回路１２に
よってＸＹ微動駆動機構１１が駆動されることにより、
導電性ティップ４９が観察試料１の表面上を二次元走査
される。このとき、観察試料１の表面の微小な凹凸によ
って値が変化するトンネル電流Ｊ_t が、導電性ティップ
４９により検出される。検出されたトンネル電流Ｊ_t
は、電流電圧変換回路２１で変換電圧Ｖ_t に変換された
のち、制御回路３０に取り込まれる。制御回路３０で、
変換電圧Ｖ_t が、導電性ティップ４９を観察試料１の表
面上を二次元走査させるＸＹ走査信号に同期して処理さ
れることにより、トンネル電流像が作成される。トンネ
ル電流像は、スイッチ回路３１を介してディスプレイ３
２に表示される。なお、観察場所を変えるときには、Ｘ
Ｙ粗動機構（図１には不図示）により観察試料１を図示
Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ移動させて、所望の
観察領域に導電性ティップ４９を移動したのち、同様に
して、観察が行われる。

【００４２】観察の際、ＦＢループゲイン設定回路２６
において、接触時の変位減少量を０．０１と見積もっ
て、この減少量を補正するように、通常のフィードバッ
クループゲインよりも１００倍高い利得をもつように可
変ゲインアンプ102 のゲインを設定し、弾性体プローブ
４０の図示Ｚ軸方向の位置制御を行った。このとき、図
示Ｚ軸方向の位置制御は、アクチュエータ性能限界に近
い約１ｋＨｚ程度まで追従していることが、閉ループ利
得応答からわかった。この状態で、導電性ティップ４９
と観察試料１との間にバイアス回路１３から１Ｖのバイ
アス電圧を印加したままＺ微動機構２５を駆動し、導電
性ティップ４９と観察試料１との間に１ｎＡのトンネル
電流Ｊ_t が流れる程度にまで導電性ティップ４９を観察
試料１に近づけたのち、両者間の距離が一定となるよう
に、弾性体プローブ４０をＺサーボ回路２３で制御し
た。この状態で、ＸＹ微動駆動回路１２によりＸＹ微動
駆動機構１１を駆動して、観察試料１の表面観察を行っ
た。このとき、主走査方向の周波数を１００Ｈｚ程度と
し、導電性ティップ４９の走査を高速で行っても、観察
試料１の表面の微小な凹凸に対応した補正距離制御信号
Ｓが作成でき、安定した走査型トンネル顕微鏡像（ＳＴ
Ｍ像）をディスプレイ３２に表示することができた。

【００４３】なお、本実施例の走査型トンネル顕微鏡１
０では、弾性体プローブ４０を薄膜の圧電アクチュエー
タのバイモルフ構成にしたが、弾性体プローブ４０は、
アクチュエータでなく、電流検出型のマイクロ電流プロ
ーブとして、このマイクロ電流プローブを積層型圧電素
子のような微動駆動素子に取り付けて、Ｚ軸方向の制御
を行ってもよい。

【００４４】次に、本発明の記録再生装置の第１の実施
例について、図７を参照して、説明する。

【００４５】記録再生装置600 は、構造体611 と、記録
媒体601 が載置される基台612 と、Ｚアクチュエータ61
3 と、４×４本のプローブ614₁₁〜614₄₄を有するマルチ
プローブヘッド614 と、ＸＹアクチュエータ615 と、プ
ローブヘッド制御回路616 と、Ｚサーボ回路617 と、Ｆ
Ｂループゲイン設定回路618 と、カンチレバー駆動回路
619 と、傾き補正回路620 と、電圧印加回路621 と、走
査回路622 と、トラッキング制御回路623 と、加算回路
624 と、符号器625 と、復号器626 とを含む。次に、記
録再生装置600 の各構成要素について、詳しく説明す
る。

【００４６】（１）構造体611 ，基台612 およびＺアク
チュエータ613 構造体611 は、密閉された内部空間を有するものであ
る。記録媒体601 が載置される基台612 は、Ｚアクチュ
エータ613 を介して構造体611 内部の底面に取り付けら
れており、Ｚアクチュエータ613 により図示Ｚ軸方向，
図示α回転方向およびβ回転方向にそれぞれ移動させら
れる。なお、記録媒体601 の表面には、幅２００ｎｍお
よび深さ３０ｎｍの凹溝が図示Ｘ軸方向に２μｍピッチ
で図示Ｙ軸方向に長さ１００μｍにわたって半導体プロ
セスなどの微細加工によって刻まれることにより、４×
４組の短冊状の、各プローブ１４₁₁〜１４₄₄の位置制御
用のトラッキングパターン602 が形成されている。ま
た、記録媒体601 は、ガラスや雲母などの平坦な基板
と、この基板上に成長された金のエピタキシャル成長面
からなる、各トラッキングパターン602 が形成された基
板電極と、この基板電極上に形成された、スクアリウム
−ビス−６−オクチルアズレン（以下、「ＳＯＡＺ」と
称する。）の単分子膜二層の累積膜とからなる。ここ
で、ＳＯＡＺは、電圧電流のスイッチング特性に対して
メモリ効果をもつ材料であり、公知のラングミュア・プ
ロジェット法により形成することができる。

【００４７】（２）マルチプローブヘッド614 およびＸ
Ｙアクチュエータ615 マルチプローブヘッド614 は、４×４本のプローブ614
₁₁〜614₄₄を有するものである。ここで、各プローブ614
₁₁〜614₄₄は、図８に示すように、記録媒体601の表面に
形成された各トラッキングパターン602 と互いに対向す
る位置に、同図図示Ｘ軸方向に１ｍｍのピッチ（Ｗ₁ ＝
１ｍｍ）および図示Ｙ軸方向に２００μｍのピッチ（Ｌ
₁ ＝２００μｍ）で形成されている。マルチプローブヘ
ッド614は、記録媒体601 の表面と近接かつ互いに対向
して、ＸＹアクチュエータ615 を介して構造体611 内部
の上面に取り付けられており、ＸＹアクチュエータ615
により図１図示Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ移動
される。なお、各プローブ614₁₁〜614₄₄は、図２に示し
た弾性体プローブ４０と同様に作成された、ＺｎＯ，Ａ
ｌＮなどの圧電体薄膜および金属膜の薄膜を積層したカ
ンチレバー型アクチュエータを含むものである。

【００４８】（３）プローブヘッド制御回路616 プローブヘッド制御回路616 は、各プローブ614₁₁〜614
₄₄からそれぞれ出力される各トンネル電流信号Ｊ_t11〜
Ｊ_t44を受け取って、各トンネル電流信号Ｊ_t11〜Ｊ_t44
をＺサーボ回路617 および復号器626 に出力する。

【００４９】（４）Ｚサーボ回路617 ，ＦＢループゲイ
ン設定回路618 ，カンチレバー駆動回路619 および傾き
補正回路620 Ｚサーボ回路617 は、制御回路616 から入力される各ト
ンネル電流信号Ｊ_t11〜Ｊ_t44の値が所定の値となるよう
に各プローブ614₁₁〜614₄₄と記録媒体601 の表面との間
の距離をそれぞれ変化させるＺ方向駆動信号Ａ₁₁〜Ａ₄₄
を作成し、作成したＺ方向駆動信号Ａ₁₁〜Ａ₄₄をカンチ
レバー駆動回路619 および傾き補正回路620 にそれぞれ
出力する。カンチレバー駆動回路619 は、Ｚサーボ回路
617 から入力されるＺ方向駆動信号Ａ₁₁〜Ａ₄₄に応じ
て、各プローブ614₁₁〜614₄₄の第１から第３の駆動用電
極（図２参照）に所定の電圧をそれぞれ印加することに
よって、各プローブ614₁₁〜614₄₄を図示Ｚ軸方向に変位
させる。傾き補正回路620は、Ｚサーボ回路617 から入
力されるＺ方向駆動信号Ａ₁₁〜Ａ₄₄に応じてマルチプロ
ーブヘッド614 の傾きを変化させる傾き補正信号Ｄを作
成し、Ｚアクチュエータ613 に出力する。ＦＢループゲ
イン設定回路618 は、図１に示したＦＢループゲイン設
定回路２６と同様のものである。

【００５０】（５）電圧印加回路621 電圧印加回路621 は、各プローブ614₁₁〜614₄₄と記録媒
体601 との間に各種の電圧を印加するためのものであ
る。

【００５１】（６）走査回路622 ，トラッキング制御回
路623 および加算回路624 走査回路622 ，トラッキング制御回路623 および加算回
路624 は、各プローブ614₁₁〜614₄₄をトラッキング制御
しながら記録媒体601 の表面上を二次元走査させるため
のものである。

【００５２】（７）符号器625 および復号器626 符号器625 は、外部から入力される記録情報（データ）
のコード化を行い、記録情報を“０”または“１”の二
値化データへ変換する。変換された二値化データは、プ
ローブヘッド制御回路616 を介して各プローブ614₁₁〜6
14₄₄に入力される。復号器626 は、再生した二値化デー
タを記録情報（データ）へ変換したのち、外部に出力す
る。

【００５３】次に、記録再生装置600 の動作について説
明する。

【００５４】Ｚアクチュエータ613 を駆動することによ
り、マルチプローブヘッド614 を記録媒体601 に近づけ
る。各プローブ614₁₁〜614₄₄は記録媒体610 の表面の弾
性定数よりも小さい弾性定数を有するため、すべてのプ
ローブ614₁₁〜614₄₄を一括して記録媒体601 に接近する
際に、弾性体カンチレバーの変形により両者の間に働く
力を一定レベル以下にできる。その結果、接触の際に、
記録媒体601 の表面や各プローブ614₁₁〜614₄₄のティッ
プ用電極の損傷を防ぐことができる。記録再生の際に
は、マルチプローブヘッド614 の各プローブ614₁₁〜614
₄₄は、トンネル電流がそれぞれ流れる程度にまで記録媒
体601 に近づいている。各プローブ614₁₁〜614₄₄から出
力されるトンネル電流信号Ｊ_t11〜Ｊ_t44は、プローブヘ
ッド制御回路616 を介してＺサーボ回路617 に入力され
る。Ｚサーボ回路617 では、各プローブ614₁₁〜614₄₄と
記録媒体601 との間の距離を一定とするような各Ｚ方向
駆動信号Ａ₁₁〜Ａ₄₄が、各トンネル電流信号Ｊ_t11〜Ｊ
_t44に基づいてそれぞれ作成される。作成された各Ｚ方
向駆動信号Ａ₁₁〜Ａ₄₄は、カンチレバー駆動回路619を
経て、各プローブ614₁₁〜614₄₄の第１から第３の駆動用
電極（図２参照）にそれぞれ印加される。また、傾き補
正回路620 では、各Ｚ方向駆動信号Ａ₁₁〜Ａ₄₄に基づい
て、マルチプローブヘッド614 と記録媒体601 との間の
傾きを補正する傾き補正信号Ｄが作成され、Ｚアクチュ
エータ613 に出力される。

【００５５】記録再生時には、走査回路622 からマルチ
プローブヘッド614 へ、ＸＹ走査信号が出力され、これ
により、マルチプローブヘッド614 が記録媒体601 に対
して図示Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ走査され
る。このとき、トラッキング制御回路623 では、各プロ
ーブ614₁₁〜614₄₄で検出されるトンネル電流の変化から
トラッキングパターンエッジ位置が検出される。この検
出結果に基づいて、トラッキングパターン602 とマルチ
プローブヘッド614 との位置ずれが、ＸＹアクチュエー
タ615 により補正される。この状態で、記録用電圧が各
プローブ614₁₁〜614₄₄と記録媒体601 との間に電圧印加
回路612 から印加されることにより、トンネル電流が変
調されて、記録媒体601 上に記録ビットが形成される。

【００５６】記録再生装置600 におけるマルチプローブ
ヘッド614 の図示Ｚ軸方向の制御について、図９を参照
して、以下に詳細に説明する。

【００５７】Ｚサーボ回路617 は、プローブヘッド制御
回路616 からのタイミングで、各プローブ614₁₁〜614₄₄
からの各トンネル電流信号Ｊ_t11〜Ｊ_t44をデジタル信号
に変換するとともに、デジタル信号から各プローブ614
₁₁〜614₄₄をＺ軸方向に制御する各制御信号を順次発生
する、デジタルサーボ系の構成とした。Ｚサーボ回路61
7 は、具体的には、図９に示すように、選択回路701
と、Ａ／Ｄ変換回路702 と、対数変換回路703 と、所定
の設定値Ｚ₀ がマイナス入力端子に入力されている減算
器704 と、ゲイン補正回路705 と、各プローブ614₁₁〜6
14₄₄ごとの補正量Ｇ ₁₁〜Ｇ₄₄が格納されるメモリ706
と、ＰＩ制御回路707 と、Ｄ／Ａ変換回路708と、切替
回路709 とを含む。

【００５８】各プローブ614₁₁〜614₄₄からの各トンネル
電流信号Ｊ_t11〜Ｊ_t44は、プローブヘッド制御回路616
を介して選択回路701 にそれぞれ入力される。選択回路
701では、プローブヘッド制御回路616 からのタイミン
グに従って、各トンネル電流信号Ｊ_t11〜Ｊ_t44の一つだ
けが選択される（以下、選択されたトンネル電流信号
を、「トンネル電流信号Ｊ_tn」と称する。）。選択され
たトンネル電流信号Ｊ_tnは、Ａ／Ｄ変換器702 でデジタ
ル信号に変換される（以下、デジタル信号に変換された
トンネル電流信号Ｊ_tnを、「デジタルトンネル電流信号
Ｊ_tn(t) 」と称する。）。デジタルトンネル電流信号Ｊ
_tn(t) は、対数変換回路703 で対数変換されることによ
り、プローブと記録媒体601 との間の距離に対して線形
化される（以下、線形化されたデジタルトンネル電流信
号Ｊ_tn(t) を、「線形化デジタルトンネル電流信号Ｌｏ
ｇＪ_tn(t) 」と称する。）。線形化デジタルトンネル電
流信号ＬｏｇＪ_tn(t) は減算器704 のプラス入力端子に
入力され、減算器704 で所定の設定値Ｚ₀ と減算される
ことにより、誤差信号ｅ_n(t)に変換される。

【００５９】このとき、メモリ706 は、プローブヘッド
制御回路616 によって、選択回路701 で選択されている
プローブに対応するアドレスが指定されており、この選
択されているプローブの補正量Ｇ_n が、メモリ706 から
補正回路705 に出力されている。なお、メモリ706 に格
納されている各補正量Ｇ₁₁〜Ｇ₄₄は、ＦＢループゲイン
設定回路618 によって、接触に伴う変位減少量を補償す
るよう、作成されたものである。補正回路705 では、誤
差信号ｅ_n(t)に補正量Ｇ_n が乗じられることにより、補
正誤差信号ｅ_n(t)’が作成される。ＰＩ制御回路708 で
は、補正誤差信号ｅ_n(t)’がゼロとなるように、選択さ
れたプローブと記録媒体601 との距離を変位させる距離
制御信号Ｕ_n(t)が生成される。距離制御信号Ｕ_n(t)は、
Ｄ／Ａ変換器708 でアナログ信号に変換されたのち、切
替回路709 によって、選択されたプローブをＺ軸方向に
駆動するアクチュエータに印加される。

【００６０】プローブヘッド制御回路616 は、各プロー
ブ番号に対応した距離制御信号Ｕ_n(t)をストアしなが
ら、選択するプローブを順次切り替えて、すべてのプロ
ーブ614₁₁〜614₄₄に対して、同様にして、Ｚ軸方向の制
御を行う。なお、アクチュエータに距離制御信号が一度
印加されたのちは、再び同じアクチュエータに距離制御
信号が印加されるまでの間、アクチュエータはフローテ
ィング状態になる。すなわち、この間は、アクチュエー
タの電極間の容量により制御電圧が保持されており、ア
クチュエータの変位は保たれる。これにより、すべての
プローブ614₁₁〜614₄₄の変位減少によるＺサーボ応答の
低下とそのばらつきとが補正でき、補正後の誤差信号を
ＰＩ制御回路707 に入力することにより、すべてのプロ
ーブ614₁₁〜614₄₄について、同程度の精度で、かつ、ア
クチュエータの性能限界に近い周波数まで、サーボ制御
を行うことができる。

【００６１】次に、以上のようにしてサーボをかけなが
ら行った記録再生について説明する。

【００６２】マルチプローブヘッド614 の各プローブ61
4₁₁〜614₄₄のティップが記録媒体601 の表面に接触する
と、記録媒体601 の表面が弾性変形し、ティップと基板
電極との間にトンネル電流が流れる。１６本のプローブ
614₁₁〜614₄₄の弾性定数ｋ_Pは、図１に示した弾性体プ
ローブ４０と同様に、約０．０１Ｎ／ｍ±１０％であっ
た。さらに、ティップの先端の曲率半径を約０．１μｍ
とし、記録媒体601 の有機材料のヤング率を約１０^-9Ｎ
／ｍ² とすると、記録媒体601 の凹に対する弾性定数ｋ
_S は約１Ｎ／ｍと見積もられた。そこで、ＦＢループゲ
イン設定回路618 では、接触時の変位減少量が０．０１
±１０％と見積もられ、この変位減少量を補正するよう
に、各プローブ614₁₁〜614₄₄の補正量Ｇ₁₁〜Ｇ₄₄が作成
されたのち、メモリ706 に格納された。

【００６３】記録情報の記録は、以下のようにして、行
った。各プローブ614₁₁〜614₄₄と記録媒体601 との間
に、０．１Ｖのバイアス電圧を印加し、一定のトンネル
電流（１ｎＡ）が流れる程度にまで、各プローブ614₁₁
〜614₄₄を記録媒体601 にそれぞれ近づけた。各プロー
ブ614₁₁〜614₄₄をＺサーボ回路617 によってＺ軸方向に
それぞれ独立に駆動し、１ｎＡのトンネル電流が流れる
ように、フィードバック制御をそれぞれ行った。さら
に、Ｚ方向駆動信号Ａ₁₁〜Ａ₄₄に基づいて、マルチプロ
ーブヘッド614 と記録媒体601 との間の傾きを補正する
傾き補正信号Ｄを作成し、Ｚアクチュエータ613 に出力
する。この状態で、記録媒体601 の所望の位置まで各プ
ローブ614₁₁〜614₄₄を移動したのち、バイアス電圧を変
調し、６Ｖのパルス電圧を所定のプローブ614₁₁〜614₄₄
と記録媒体601 との間に印加すると、瞬間的に約０．１
μＡのトンネル電流が流れる大きさの記録ビット（１０
ｎｍφの記録ビット）が形成された。パルス電圧の印加
後、走査を行ったところ、その状態を保持した。そこ
で、低抵抗状態にある記録ビットを“１”に対応づける
とともに、高抵抗状態にある記録ビットを“０”に対応
づける。そして、符号器625で、外部から入力されてく
る記録情報（データ）を“０”および“１”の二値デー
タへコード化し、復号器626 で二値化データの再生を行
うことにより、二値化データの記録再生を行った。

【００６４】次に、本発明の記録再生装置の第２の実施
例について、図１０を参照して、説明する。

【００６５】本実施例の記録再生装置は、図１０に示す
Ｚサーボ回路を有する点で、図７に示した、記録再生装
置600 と異なる。すなわち、Ｚサーボ回路は、選択回路
801と、Ａ／Ｄ変換回路802 と、対数変換回路803 と、
所定の設定値Ｚ₀ がマイナス入力端子に入力されている
減算器804 と、ＰＩ制御回路806 と、ＰＩ制御回路806
の制御パラメータＫ₁₁〜Ｋ₄₄が各プローブ614₁₁〜614₄₄
ごとに格納されるメモリ807 と、Ｄ／Ａ変換回路808
と、切替回路809 とを含む。

【００６６】各プローブ814₁₁〜814₄₄からの各トンネル
電流信号Ｊ_t11〜Ｊ_t44は、プローブヘッド制御回路（不
図示）を介して選択回路801 にそれぞれ入力される。選
択回路801 では、プローブヘッド制御回路からのタイミ
ングに従って、各トンネル電流信号Ｊ_t11〜Ｊ_t44の一つ
だけが選択される（以下、選択されたトンネル電流信号
を、「トンネル電流信号Ｊ_tn」と称する。）。選択され
たトンネル電流信号Ｊ _tnは、Ａ／Ｄ変換器802 でデジタ
ル信号に変換される（以下、デジタル信号に変換された
トンネル電流信号Ｊ_tnを、「デジタルトンネル電流信号
Ｊ_tn(t) 」と称する。）。デジタルトンネル電流信号Ｊ
_tn(t) は、対数変換回路803 で対数変換されることによ
り、プローブと記録媒体との間の距離に対して線形化さ
れる（以下、線形化されたデジタルトンネル電流信号Ｊ
_tn(t) を、「線形化デジタルトンネル電流信号ＬｏｇＪ
_tn(t) 」と称する。）。線形化デジタルトンネル電流信
号ＬｏｇＪ_tn(t) は減算器804 のプラス入力端子に入力
され、減算器804 で所定の設定値Ｚ₀ と減算されること
により、誤差信号ｅ_n(t)に変換される。ＰＩ制御回路80
6 では、誤差信号ｅ_n(t)がゼロとなるように、選択され
たプローブと記録媒体との距離を変位させる距離制御信
号Ｕ_n(t)が作成される。距離制御信号Ｕ_n(t)は、Ｄ／Ａ
変換器808 でアナログ信号に変換されたのち、切替回路
809 によって、選択されたプローブをＺ軸方向に駆動す
るアクチュエータに印加される。

【００６７】プローブヘッド制御回路は、選択するプロ
ーブを順次切り替えて、すべてのプローブ814₁₁〜814₄₄
に対して、同様にして、Ｚ軸方向の制御を行う。このと
き、ＦＢループゲイン設定回路（不図示）は、接触に伴
う各プローブ814₁₁〜814₄₄の変位減少量を見積もって、
見積もった各変位減少量を補償するＰＩ制御回路806の
制御パラメータＫ₁₁〜Ｋ₄₄を作成して、メモリ807 に格
納させる。その結果、ＰＩ制御回路806 では、 Ｕ_n(t)＝Ｋ_p ×ｅ_n(t)＋Ｋ_i ×∫ｅ_n(t)dt （４） ただし、Ｋ_p，Ｋ_i＝制御パラメータ により、距離制御信号Ｕ_n(t)が作成されるが、変位減少
分を補うように、たとえば上記（４）式の積分項（同式
の２項）の制御パラメータＫ_i が大きくされる。この制
御パラメータＫ_i として、メモリ807 に格納された制御
パラメータＫ₁₁〜Ｋ₄₄を用いる。

【００６８】なお、本実施例では、上記（４）式の２項
目の制御パラメータＫ_i を変えることにより、接触に伴
う変位減少を補償したが、上記のようなデジタルサーボ
系においては、アナログ値からデジタル値に離散値化す
るサンプリングタイミングのクロック周波数を上げるこ
とにより、上記（４）式の積分項の利き方を大きくする
ようにしてもよい。

【００６９】

【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、次の効果を奏する。

【００７０】（１）弾性体プローブの先端の媒体への接
触による導電性ティップの先端部の変位減少によって生
じる弾性体プローブと試料との間の距離制御性能の低下
を補償し、弾性体プローブの安定した制御を可能とする
ことができる。これにより、マイクロプローブを用いた
走査型トンネル顕微鏡や記録再生装置において、安定し
た信号の再生を実現することができる。

【００７１】（２）マイクロプローブを集積化したマル
チプローブヘッドを用いた走査型トンネル顕微鏡や記録
再生装置において、複数の弾性体プローブの機械特性の
ばらつきを吸収し、各弾性体プローブの接触時の変位減
少に伴うプローブ位置制御性能の低下を補償し、すべて
のプローブから安定した信号の再生を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型トンネル顕微鏡の一実施例を示
す概略構成図である。

【図２】図１に示した弾性体プローブの具体的構成を示
す図であり、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）を（Ａ）のＡ−
Ａ線に沿う断面図である。

【図３】図１に示したＺサーボ回路の構成を示すブロッ
ク図である。

【図４】図１に示したＦＢループゲイン設定回路の説明
を行うための図であり、（Ａ）は導電性ティップと観察
試料とが吸着力によって接触した状態を示す図、（Ｂ）
は接触の初期状態において導電性ティップの先端が観察
試料の表面の被覆層に接触したときの弾性体プローブの
根元の位置，導電性ティップの先端の位置および観察試
料の表面の位置関係を表すモデルを示す図、（Ｃ）は導
電性ティップの先端が“ΔＺ_S ”だけ変位したときの弾
性体プローブの根元の位置，導電性ティップの先端の位
置および観察試料の表面の位置関係を表すモデルを示す
図である。

【図５】図１に示した導電性ティップの先端の変位が大
きく減少することが弾性体プローブの位置制御に及ぼす
影響について説明するための図であり、（Ａ）は弾性体
プローブのＺ軸方向の位置制御を行う際に通常用いられ
る制御系を示すブロック図、（Ｂ）は導電性ティップの
先端の変位が減少した場合の制御系を示すブロック図で
ある。

【図６】図１に示した導電性ティップの先端の変位が大
きく減少することが弾性体プローブの位置制御に及ぼす
影響について説明するためのグラフである。

【図７】本発明の記録再生装置の第１の実施例を示す概
略構成図である。

【図８】図７に示したマルチプローブヘッドの構成を説
明するための図である。

【図９】図７に示したＺサーボ回路の構成を説明するた
めの図である。

【図１０】本発明の記録再生装置の第２の実施例におけ
るＺサーボ回路の構成を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 観察試料 １０ 走査型トンネル顕微鏡 １１ ＸＹ微動駆動機構 １２ ＸＹ微動駆動回路 １３ バイアス回路 ２１ 電流電圧変換回路 ２２ 対数変換回路 ２３ Ｚサーボ回路 ２４ 増幅器 ２５ Ｚ微動機構 ２６ ＦＢループゲイン設定回路 ３０ 制御回路 ３１ スイッチ回路 ３２ ディスプレイ ４０ 弾性体プローブ ４１ シリコン基板 ４２ 第１のＳｉＮｘ層 ４３ 第１の駆動用電極 ４４ 第１の圧電体薄膜 ４５ 第２の駆動用電極 ４６ 第２の圧電体薄膜 ４７ 第３の駆動用電極 ４８ 第２のＳｉＮｘ層 ４９ 導電性ティップ ５０ ティップ用電極 101 減算器 102 可変ゲインアンプ 103 ローパスフィルタ 104 補正回路 201 被覆層 301〜305 ブロック 600 記録再生装置 601 記録媒体 611 構造体 612 基台 613 Ｚアクチュエータ 614 マルチプローブヘッド 614₁₁〜614₄₄，814₁₁，814₁₂，814₄₄ プローブ 615 ＸＹアクチュエータ 616 プローブヘッド制御回路 617 Ｚサーボ回路 618 ＦＢループゲイン設定回路 619 カンチレバー駆動回路 620 傾き補正回路 621 電圧印加回路 622 走査回路 623 トラッキング制御回路 624 加算回路 625 符号器 626 復号器 701，801 選択回路 702，802 Ａ／Ｄ変換回路 703，803 対数変換回路 704，804 減算器 705 ゲイン補正回路 706，807 メモリ 707，806 ＰＩ制御回路 708，808 Ｄ／Ａ変換回路 709，809 切替回路 ｋ_P，ｋ_S 弾性定数 Ｊ_t トンネル電流 Ｖ_t 電圧 Ｌｏｇ(Ｖ_t) 対数電圧 Ｐ_G ゲインパラメータ Ｓ_L 距離制御信号 Ｚ₀ 距離設定値 ｅ エラー信号 Ｓ 補正距離制御信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川瀬 俊光 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 多川 昌宏 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体プローブの先端に設けられた導電
   性ティップを試料に接触させたときの該導電性ティップ
   と該試料との間に流れる電流を用いて、該弾性体プロー
   ブの位置を制御するプローブ位置制御方法において、 前記導電性ティップと前記試料との接触に伴って生じる
   前記弾性体プローブの先端の変位減少を補正することを
   特徴とするプローブ位置制御方法。
2. 【請求項２】 前記導電性ティップと前記試料との間の
   距離を制御するための制御ループのゲインを補正するこ
   とにより、前記弾性体プローブの先端の変位減少を補正
   することを特徴とする請求項１記載のプローブ位置制御
   方法。
3. 【請求項３】 先端に導電性ティップが設けられた弾性
   体プローブが複数個集積されたマルチプローブヘッドの
   前記各導電性ティップを試料に接触させたときの該各導
   電性ティップと前記試料との間に流れる各電流を用い
   て、前記各弾性体プローブの位置をそれぞれ制御するプ
   ローブ位置制御方法において、 前記各導電性ティップと前記試料との接触に伴って生じ
   る前記各弾性体プローブの先端の変位減少をそれぞれ補
   正することを特徴とするプローブ位置制御方法。
4. 【請求項４】 前記各導電性ティップと前記試料との間
   の距離を制御するための各制御ループのゲインをそれぞ
   れ補正することにより、前記各弾性体プローブの先端の
   変位減少をそれぞれ補正することを特徴とする請求項３
   記載のプローブ位置制御方法。
5. 【請求項５】 先端に導電性ティップが設けられた弾性
   体プローブが複数個集積されたマルチプローブヘッド
   と、前記各導電性ティップを試料に接触させたときの該
   各導電性ティップと前記試料との間に流れる各電流を用
   いて前記各弾性体プローブの位置をそれぞれ制御する複
   数個の制御手段とを備えた走査型トンネル顕微鏡におい
   て、 前記各制御手段の制御ループのゲインをそれぞれ補正す
   る複数個の補正手段を含むことを特徴とする走査型トン
   ネル顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記各補正手段の補正量がそれぞれ格納
   される記憶手段をさらに含むことを特徴とする請求項５
   記載の走査型トンネル顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記各制御手段のフィードバックパラメ
   ータがそれぞれ格納される記憶手段をさらに含むことを
   特徴とする請求項５記載の走査型トンネル顕微鏡。
8. 【請求項８】 先端に導電性ティップが設けられた弾性
   体プローブが複数個集積されたマルチプローブヘッド
   と、前記各導電性ティップを試料に接触させたときの該
   各導電性ティップと前記試料との間に流れる各電流を用
   いて前記各弾性体プローブの位置をそれぞれ制御する複
   数個の制御手段とを備えた記録再生装置において、 前記各制御手段の制御ループのゲインをそれぞれ補正す
   る複数個の補正手段を含むことを特徴とする記録再生装
   置。
9. 【請求項９】 前記各補正手段の補正量がそれぞれ格納
   される記憶手段をさらに含むことを特徴とする請求項８
   記載の記録再生装置。
10. 【請求項１０】 前記各制御手段のフィードバックパラ
    メータがそれぞれ格納される記憶手段をさらに含むこと
    を特徴とする請求項８記載の記録再生装置。