JPH08220111A - プローブ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ギャップの大きさに応じて変化する電気的量
のうち、ギャップ検出に寄与する電気的量のみを抽出し
て、プローブに設けられた導電性針の先端と対向部材の
表面とのギャップを、極めて高い精度で検出する。 【構成】 ほぼ同一形状の２つのプローブ部材からなる
プローブセット２４を少なくとも１セット備え、かつ、
一方のプローブ部材２４１に設けられた導電性針２５１
の先端と、該針の先端に向かい合わせて配置された対向
部材３３の表面との間のギャップの大きさを所定の電気
的量（たとえば、キャパシタンス）に基づき検出するギ
ャップ検出回路５２を備えてなる、プローブ装置であっ
て、前記ギャップ検出回路は、前記プローブ部材２４１
を介して取得される電気的量のうち、ギャップ検出に寄
与しない電気的量を、他方のプローブ部材２４２を介し
て取得される電気的量によりキャンセルして、前記ギャ
ップの大きさを検出することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】プローブに設けられた導電性針
（以下、単に「針」と言う）の先端と、該針の先端に向
かい合わせに配置された対向部材の表面とのギャップに
依存する電気的量に基づき精度よく検出することができ
るプローブ顕微鏡，原子レベルのマニピュレータ，記録
／再生装置等のプローブ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡を応用した半導体
評価装置、記録／再生装置等の装置が提案されている
（たとえば、瀧本他：第４０回応用物理学関係連合講演
会予稿集２９ｐＺＨ１３，ｐ１１１１（１９９３）等参
照）。

【０００３】走査型トンネル顕微鏡では、微小な針の先
端と対向部材表面（導電性試料表面）とを、微かなギャ
ップ（トンネルギャップ）を介して近接させ、両者間に
直流バイアスを印加する。そして、針の先端と試料表面
との間に流れる直流電流（トンネル電流）をギャップ検
出回路により検出し、この直流電流が一定となるよう
に、ギャップ制御装置により上記ギャップの大きさを制
御しつつ走査を行う。また、走査型トンネル顕微鏡にお
ける技術を用いた、原子レベルのマニピュレータや記録
／再生装置も知られている。

【０００４】さらに、絶縁物試料にまでその適用範囲を
広げた、走査型キャパシタンス顕微鏡も開発されてい
る。この走査型キャパシタンス顕微鏡では、針と対向電
極との間に絶縁性試料を配置し、両者間に交流バイアス
を印加する。この交流バイアスにより流れる交流電流の
振幅は、絶縁性試料のキャパシタンス、および針先端と
絶縁性試料表面とのギャップのキャパシタンスに依存す
る。このキャパシタンスは、該ギャップの大きさにより
変化する。したがって、上記ギャップを流れる交流電流
の振幅を測定することで、上記ギャップの大きさを検出
することができる。

【０００５】走査型キャパシタンス顕微鏡における技術
も、原子レベルのマニピュレータや記録／再生装置等に
応用されている（たとえば、Ｒ．Ｃ．Ｂａｒｒｅｔｅｔ
ａｌ．Ｊ．ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７０，２７２５（１９９
１）等参照）。なお、通常、針は微小なプローブの端部
に設けられる。このような微小プローブとして、カンチ
レバー式のものが採用されることも多い。また、上記記
録／再生装置においては、高記録密度化等のために、プ
ローブが多数備えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、走査型キャ
パシタンス顕微鏡や、該顕微鏡における技術を応用した
マニピュレータや記録／再生装置では、針の先端と対向
部材の表面とのギャップに流れる交流電流の変化から、
ギャップの大きさを検出することができる（このような
検出回路を「ギャップ検出回路」と言う）。

【０００７】しかし、針の先端部以外の部分と、対向電
極間に寄生キャパシタンスが存在しており、この寄生キ
ャパシタンスの大きさは、上記ギャップの変化に伴うキ
ャパシタンスの変化量と比較して著しく大きい。

【０００８】このため、従来のプローブ装置において
は、ギャップの変化に伴う電流の変化量を正確に測定す
ることができず、この結果、針の先端と対向部材の表面
とのギャップを精度良く検出することができない。

【０００９】このような不都合を解消するために、対向
部材の表面とプローブ本体とを十分に離して寄生キャパ
シタンスを小さくする方法が考えられるが、プローブ本
体から針の先端までの距離が大きくなる。このため、プ
ローブの垂直動作時に針先端の横振れが大きくなって、
針先端が対向部材の目的点からずれるといった問題が生
じる。

【００１０】また、単に、各ギャップ検出回路に寄生キ
ャパシタンス分だけを除去できるような電気回路を組み
込んで、寄生キャパシタンスの影響を除去する方法を採
用することも考えられる。しかし、この方法では、相対
感度が低く、かつギャップ検出回路が複雑化し、該電気
回路を組み込むために大きな領域を必要とする。このた
め、多数のプローブを備える記録／再生装置において
は、全てのプローブにギャップ検出回路を組み込むこと
は難しくなり、結果として、プローブ装置に備えるプロ
ーブ数を限定せざるを得ない等の問題が生じる。

【００１１】本発明の目的は、針の先端と対向部材の表
面とのギャップの大きさに応じて変化する電気的量のう
ち、ギャップ検出に寄与する電気的量のみを抽出して、
該ギャップを極めて高い精度で検出することができるプ
ローブ装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のプローブ装置に
おいては、ほぼ同一形状の、主プローブ部材と補償プロ
ーブ部材とからなるプローブセットを少なくとも１セッ
ト備えている。補償プローブ部材は、いわばダミーの部
材である。これらのプローブ部材は微小であり、その形
成は、マイクロマシーニング技術，電子ビーム描画技術
等の微細加工技術の進歩に伴い、従来と比較して格段と
容易となっている。したがって、補償プローブ部材を本
来のプローブ部材（主プローブ）付加してもプローブ装
置全体が大型化することはない。

【００１３】上記の各プローブ部材は、同時に駆動され
るが、必ずしも一体に構成されていなくてもよく、また
その駆動機構として、圧電駆動型、静電気駆動型等の駆
動機構を採用することができる。また、これらのプロー
ブ部材は、電気的に絶縁された状態で（すなわち、電気
的に相互干渉しない状態で）、通常並列に配置される。
プローブ部材の形状として、カンチレバー型、３軸構造
型等、種々のタイプのものを使用することができる。

【００１４】本発明のプローブ装置は、プローブ顕微鏡
として使用できることはもちろん、たとえば、原子レベ
ルのマニピュレータ、記録／再生装置として使用するこ
とができる。また、本発明のプローブ装置を記録／再生
装置として使用する場合に、該プローブ装置にはプロー
ブセットが複数セット備えられる。

【００１５】さらに、本発明のプローブ装置は、前記主
プローブ部材に設けられた針の先端と、該針の先端に向
かい合わせに配置された対向部材の表面とのギャップの
大きさを所定の電気的量に基づき検出するギャップ検出
回路を備えている。ここで「所定の電気的量」とは、通
常は、前記針と前記対向部材の下層に設けた電極（対向
部材が該電極となる場合もある。以下「対向電極」と言
う）との間に流れる、交流電流や直流電流である。これ
らの交流電流や直流電流は、上記ギャップにおけるキャ
パシタンスやコンダクタンスに依存するものであるの
で、上記の電気的量をキャパシタンスやコンダクタンス
と考えることもできる。

【００１６】一方、前記補償プローブ部材に、針を設け
ることもできるし、設けないようにもできる。補償プロ
ーブ部材に針を設ける場合には、該針の長さは主プロー
ブ部材に設けられた針よりも短くするのが好ましい。補
償プローブ部材に設けた針は、ギャップの大きさの測定
には直接は寄与しない。ギャップ検出に敏感な部分は、
針の先端と対向電極との間に形成されるキャパシタンス
である。

【００１７】前記ギャップ検出回路は、主プローブ部材
を介して取得される電気的量（前記ギャップの大きさに
応じて変化するものに限らない）のうち、ギャップ検出
に寄与しない電気的量を、補償プローブ部材を介して取
得される電気的量によりキャンセルして、前記ギャップ
の大きさを高精度に検出する。

【００１８】ギャップ検出回路には、種々のギャップ検
出機能を持たせることができる。ギャップ検出回路は、
最も簡単な例では、主プローブ部材を流れる電流と、補
償プローブ部材を流れる電流との差分を測定し、該差分
に基づき、前記ギャップを検出することができるように
構成される。

【００１９】本発明のプローブ装置では、上述したギャ
ップ検出回路の検出結果に基づき、前記ギャップの大き
さをギャップ制御装置により制御することもできる。こ
のギャプ制御装置を用いることにより、主プローブ部材
に設けられた針の先端と、対向部材の表面とのギャップ
の大きさを一定に維持しておくことができる。また、該
針の先端を対向部材に接触等させて、原子レベルでのマ
ニピュレーションを行うこともできる。さらに、該針の
先端を対向部材に近接させて、情報の書込み／読出しを
行うこともできる。

【００２０】本発明のプローブ装置には、通常、前記針
を、該針の先端に向かい合わせに配置された前記対向部
材の表面に沿って相対的に移動させる走査手段ガ設けら
れる。この走査手段として、従来の走査型プローブ装置
（走査型トンネル顕微鏡等）における技術がそのまま適
用される。

【００２１】前述したように走査手段を有する本発明の
プローブ装置は、記録／再生装置として使用することも
できる。この場合には、主プローブ部材に設けられた針
を情報の書込み／読出し用の針により形成し、該針の先
端に向かい合わせに配置された前記対向部材の表面を形
成する層を、情報の書込み／読出しが可能な記録再生層
により形成する。また、通常、１つのプローブ装置につ
いて多数のプローブセットが備えられる。

【００２２】

【実施例】

《第１の実施例》図１は本発明のプローブ装置の第１の
実施例を示す概略図である。同図において、プローブ装
置１は、プローブ側要素２、対向部材側要素３、Ｘ−Ｙ
微動機構４、交流バイアス発生回路５１、ギャップ検出
回路５２、ギャップ制御回路５３、Ｘ−Ｙ制御回路５４
を含んで構成されている。プローブ側要素２は、プロー
ブ基板２１、アクチュエータ２２、基台２３、およびプ
ローブセット２４を含んで構成されている。プローブセ
ット２４は、プローブ部材２４１，２４２からなる。プ
ローブ部材２４１と２４２は、ほぼ同一形状のカンチレ
バーであり、並列に配置されている。

【００２３】プローブ部材２４１，２４２は、アクチュ
エータ２２、基台２３を介して、プローブ基板２１の下
面に取り付けられている。アクチュエータ２２は、圧電
材料からなり、ギャップ制御回路５３からの信号により
各プローブ部材２４１，２４２を同時に上下移動させる
ことができる。図２（Ａ），（Ｂ）に、プローブセット
２４の底面図および正面図を参考に示す。プローブ部材
２４１の先端には、微細な針２５１が対向部材側要素３
に向けて設けられている。プローブ部材２４２には、本
実施例では針は設けられていない。なお、プローブ部材
２４１，２４２の対向部材側要素３側には図示しないア
ルミニウム層が形成されている。プローブ部材２４１の
アルミニウム層は、針２５１と電気的に接続されてお
り、プローブ部材２４２のアルミニウム層の、針の取り
付け部分に相当する領域（プローブ部材２４１の針２５
１が取り付けられた領域に対応する微小領域）のアルミ
ニウム層は除去してある。上記の微細な針の形成、およ
び上記微小領域のアルミニウム層除去等は、現在広く用
いられている電子ビーム描画装置を利用したリソグラフ
ィー技術を使用すれば実現できる。

【００２４】プローブ基板２１には、プローブセット２
４に対応して、ギャップ検出回路５２が備えられてお
り、ギャップ検出回路５２による検出結果（検出の詳細
については後述する）は、前記のギャップ制御回路５３
に送出される。

【００２５】対向部材側要素３は、基板３１と、該基板
上に形成された対向電極層３２と、対向部材層３３とが
積層されて構成されている。対向部材層３３は、前記プ
ローブセット２４側に位置している。対向電極層３２に
は、交流バイアス発生回路５１が接続されている。対向
部材側要素３は、Ｘ−Ｙ微動機構４上に固定されてい
る。Ｘ−Ｙ微動機構４は、Ｘ−Ｙ制御回路５４により動
作するもので、対向部材側要素３を、プローブ側要素２
に対してＸ−Ｙ移動させることができる。

【００２６】図１に示すプローブ装置１においては、プ
ローブ部材２４１，２４２、アクチュエータ２２、基台
２３、ギャップ検出回路５２、およびギャップ制御回路
５３からなる各要素を、ひとつづつしか図示していな
い。プローブ装置を走査型プローブ顕微鏡やマニピュレ
ータとして使用する場合には、前記各要素は、ひとつづ
つ設けれるだけでもよい。図１に示すプローブ装置１
を、たとえば記録／再生装置として用いる場合には、プ
ローブ基板２１に、前記要素からなる組を多数形成する
こともできる。

【００２７】図３はギャップ検出回路５２の動作原理を
説明するための図である。同図において、ギャップ検出
回路５２は、メインプローブ部材２４１および補償プロ
ーブ部材２４２からの電流を入力とし、これを電圧に変
換して出力する電流／電圧変換器（Ｉ／Ｖ変換器）５２
１，５２２と、これらＩ／Ｖ変換器５２１，５２２から
の電圧出力をそれぞれ入力として、各入力の差分を出力
する引算器５２３とにより構成されている。すなわち、
メインプローブ部材２４１の全体を流れる電流と、補償
プローブ部材２４２の全体を流れる電流とは、Ｉ／Ｖ変
換器５２１，５２２（各変換器は、入力電圧を等しくお
くことが好ましい）を介して、それぞれ電圧信号に変換
された後、引算器５２３で引き算され、信号Ｖ_ｏとして
出力される。こな、図３では、プローブ部材２４１，２
４２からの電流をそれぞれ電圧に変換した後に、各電圧
の差分を求めているが、プローブ部材２４１，２４２か
らの各電流を電圧に変換することなく、各電流の差分を
求めるようにしてもよい。

【００２８】ギャップ検出回路５２は、プローブ基板２
３上に形成される。特に、図３のギャップ検出回路５２
は、Ｉ／Ｖ変換器５２１，５２２、引算器５２３とから
なるので、少ない数の素子により構成できる。なお、補
償プローブ部材２４２に付随して新たに必要となる素子
や配線の数は僅かである。したがって、本発明のプロー
ブ装置１を記録／再生装置として使用し、プローブ基板
２１にプローブセット２４を多数備える場合において
も、ギャップ検出回路を各プローブごとに設けることこ
ともできる。

【００２９】図１のプローブ装置の作用を、図３の動作
原理図を参照しつつ説明する。交流バイアス発生回路５
１により、プローブ部材２４１，２４２と対向電極層３
２との間に所定振幅の交流バイアスを印加する。これに
より、メインプローブ部材２４１の先端に設けられた針
２５１の先端と対向電極層３２との間、およびメインプ
ローブ部材２４１の本体と対向電極層３２との間に交流
電流が流れる。また、補償プローブ部材２４２の本体と
対向電極層３２との間にも、メインプローブ部材２４１
の本体と対向電極層３２との間に流れる交流電流と同一
振幅の交流電流が流れる。

【００３０】図３において説明したように、メインプロ
ーブ部材２４１の全体を流れる電流、および補償プロー
ブ部材２４２の全体を流れる電流は、それぞれギャップ
検出回路５２のＩ／Ｖ変換器５２１，５２２に入力さ
れ、電圧信号に変換される。Ｉ／Ｖ変換器５２１，５２
２からの電圧出力は、引算器５２３に入力され、引算器
５２３は、実質上メインプローブ部材２４１の先端に設
けられた針２５１の先端と対向電極層３２との間に流れ
る交流電流に基づく信号Ｖ_ｏを出力する。

【００３１】すなわち、ギャップ検出回路５２は、メイ
ンプローブ部材２４１により取得される電気的量（この
場合には、交流電流あるいはキャパシタンス）のうち、
ギャップ検出に寄与しない電気的量を、補償プローブ部
材２４２を介して取得される電気的量によりキャンセル
して、前記ギャップの大きさを高精度に検出することが
できる。

【００３２】〈具体例〉本具体例では、以下ような条件
でプローブ装置を構成した。

【００３３】〔対向部材層３３〕比誘電率が１００で厚
さ１００ｎｍのＳｒＴｉＯ_３薄膜を用いた。

【００３４】〔メインプローブ部材２４１〕本体は、幅
１μｍ，長さ３０μｍ，厚さ０．５μｍの非導電性のも
のを用いた。また、針２５１（本体の先端に形成されて
いる）として、直径３０ｎｍ，高さ０．５μｍの円柱形
のものを用いた。

【００３５】〔補償プローブ部材２４２〕本体は、メイ
ンプローブ部材２４１と等しい形状であり、対向部材層
３３側にアルミ層を有するものを用いた。また、前述し
たように、補償プローブ部材２４２には、導電性針が設
けられていない。そして、導電性針が取り付けられる部
分のアルミ層は除去されている。

【００３６】〔交流バイアス〕針２５１と対向電極層３
２との間に印加する交流バイアスは、振幅１００ｍＶ、
周波数１００ＭＨｚとした。

【００３７】ここでは、上記した交流バイアスを印加
し、針２５１の先端と対向電極層３２との間に流れる交
流電流ｉ_ｍ１（振幅Ｉ_ｍ１）をギャップ検出回路５２に
より検出し、アクチュエータ２２によりメインプローブ
部材２４１の針２５１の先端と対向部材層３３とのギャ
ップが常に１ｎｍになるように、ギャップ制御回路５３
により制御している。以下、図３を参照しながら説明す
る。

【００３８】本具体例においては、ギャップが１ｎｍの
ときには針２５１の先端と対向電極層３２の表面との間
にはＩ_ｍ１＝６２．５ｐＡのｉ_ｍ１が流れ、また上記ギ
ャップが０．１ｎｍ減少または増加したとき、Ｉ_ｍ１は
６２．５ｐＡから６．２５ｐＡだけ増加または減少す
る。

【００３９】また、本具体例では、プローブ部材２４１
の本体部分Ｂと対向電極層３２との間には、寄生キャパ
シタンスにより、交流電流ｉ_ｍ２（振幅Ｉ_ｍ２）が流
れ、プローブ部材２４２の本体部分Ｂと対向電極層３２
との間には、寄生キャパシタンスにより、交流電流ｉ
_ｄ２（振幅Ｉ_ｄ２）が流れる。ここで、ｉ_ｍ２＝ｉ_ｄ２
である（すなわち、ｉ_ｍ２とｉ_ｄ２との位相および振幅
は等しい）。

【００４０】ｉ_ｍ１＋ｉ_ｍ２（これを、ｉ_ｍｓで表
す），ｉ_ｄ２は、それぞれＩ／Ｖ変換器５２１，５２２
を介して、電圧出力Ｖ（ｉ_ｍｓ），Ｖ（ｉ_ｄ２）に変換
された後、引算器５２３に入力される。引算器５２３は
Ｖ（ｉ_ｍｓ）−Ｖ（ｉ_ｄ２）を行う。Ｖ（ｉ_ｍｓ）のう
ちｉ_ｍ２に基づく成分（Ｖ（ｉ_ｍ２）で表す）とｉ_ｄ２
に基づく成分（Ｖ（ｉ_ｄ２）で表す）とは同一の値を持
つ。したがって、引算器５２３は、Ｖ（ｉ_ｍ２）とＶ
（ｉ_ｄ２）とを相殺し、Ｖ（ｉ_ｍｓ）のうちｉ_ｍ１に基
づく成分（Ｖ（ｉ_ｍ１）で表す）のみをＶ_ｏとして出力
する。

【００４１】したがって、針２５１の先端と対向電極層
３２の表面とのギャップが変化したときに、寄生キャパ
シタンスの影響を受けることなく、該ギャップの変化に
伴うｉ_ｍ１の増加分に相当するＶ（ｉ_ｍ１）のみが引算
器５２３からＶ_ｏとして出力される。すなわち、本具体
例では、ギャップが１ｎｍから０．１ｎｍだけ減少また
は増加したときには、Ｉ_ｍ１は、６２．５ｐＡから６．
２５ｐＡだけ増加または減少する。

【００４２】本具体例ではギャップ検出のために交流バ
イアスを用いたが、これに代えて直流バイアスを用いる
こともできる。すなわち、対向部材側要素がＸ−Ｙ移動
することによりプローブ部材と対向部材との距離が変化
し、これにより、プローブ部材の本体と対向電極との間
に直流電流が流れるような場合、メインプローブ部材の
本体と対向電極との間に流れる直流電流を、補償プロー
ブ部材の本体と対向電極との間に流れる直流電流により
キャンセルすることができる。

【００４３】本実施例では、対向部材層３３としてＳｒ
ＴｉＯ_３を用いたが、これ以外にも、ＰＺＴ，ＰＬＺ
Ｔ，ＬｉＮｂＯ_３，ＢａＴｉＯ_３，ＳｒＴｉＯ_３，（Ｂ
ａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３，ＫＮｂＯ_３，ＰｂＴｉＯ_３，Ｌｉ
ＴａＯ_３，ＶＤＦなどの強誘電体、ＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ
_４，Ｔａ_２Ｏ_３，Ｙ_２Ｏ_３，ＨｆＯ_２などの誘電体、さ
らにＳｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＳｂなどの半導体、Ａ
ｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ａｌなどの金属、Ｓｂ化合物、
Ｔｅ化合物、Ｉｎ化合物、Ｇｅ化合物、等の相変化材料
であっても同様の効果が得られることは言うまでもな
い。

【００４４】《第２の実施例》図４および図５は本発明
のプローブ装置の第２の実施例を示す図である。図４の
プローブ装置１は、図１のプローブ装置１と同様、プロ
ーブ側要素２、対向部側要素３、Ｘ−Ｙ微動機構４、お
よび交流バイアス発生回路５１、ギャップ検出回路５
２、ギャップ制御回路５３を含んで構成されている。図
４に示すプローブ装置は、図１のプローブ装置と比べる
と、基本的に、プローブ側要素２のみが異なる。

【００４５】図４のプローブ装置１では、プローブセッ
ト２６は、静電アクチュエータにより動作する、プロー
ブセット２６（カンチレバー形の、メインプローブ部材
２６１および補償プローブ部材２６２）からなる。これ
らのプローブ部材２６１と２６２とは絶縁性の接合部材
２７により一体に連結されている。プローブ部材２６１
の先端には対向部側要素３に向けて針２８１が設けら
れ、針２８１の反対側の面に静電アクチュエータ電極２
９１が形成されている。また、プローブ部材２６２には
針が設けられてはいないが、プローブ部材２６２と同様
の位置に静電アクチュエータ電極２９２が形成されてい
る。なお、図には表れていないが、各プローブ部材２６
１，２６２の対向部側要素３側の面には、図１のプロー
ブ部材２４１，２４２と同様、アルミニウム層が形成さ
れている。図４のプローブ装置１では、プローブセット
２６を２セット示してある。もちろん、図４のプローブ
装置１は、プローブセット２６を１つのみ備えるように
もできる。また、図４のプローブ装置１を記録／再生装
置として使用するような場合には、該プローブ装置１は
プローブセット２６を多数備えることができる。

【００４６】静電アクチュエータ電極２９１および２９
２は、静電アクチュエータを構成する１組の電極のうち
の一方を示す。図４においては、静電アクチュエータを
構成する電極のうちの他方の図示は省略してある。この
他方の静電アクチュエータ電極２９３は、図５（図４に
おけるＡ−Ａ方向断面図）に示すように、静電アクチュ
エータ電極２９１および２９２の上面に対向して形成さ
れている。

【００４７】図４に示すプローブ装置１においても、ギ
ャップ検出回路５２（Ｉ／Ｖ変換器５２１，５２２およ
び引算回路５２３）は、プローブ基板２１上に形成され
る。図４では、便宜上、空間に浮遊した状態で示してあ
る。ギャップ検出回路５２がプローブ基板２１に占める
面積は、図１のプローブ装置の場合と同様小さい。した
がって、プローブ基板２１にプローブセット２６を多数
備えた場合であっても、各プローブセット２６それぞれ
について、ギャップ検出回路５２（およびギャップ制御
回路５３）を設けることができる。

【００４８】本実施例のプローブ装置１においても、ギ
ャップ検出の精度は第１の実施例と同様、従来のプロー
ブ装置と比較して極めて高くなる。

【００４９】《第３の実施例》次に、本発明のプローブ
装置の第３の実施例を説明する。第３の実施例のプロー
ブ装置１は、図６に示すように、補償プローブ部材２４
２にメインプローブ２４１の針２５１と形状が異なる針
２５２が取り付けられていることを除いて第１の実施例
のプローブ装置１と同一である。針２５２の形状は、該
針２５２や針２５１を構成する材料、メインプローブ２
４１，補償プローブ２４２を構成する材料の電気的特性
等に関係付けられその形状が決められる。つまり、実施
例１に示したような、ギャップ測定のための印加電圧に
対し、メインプローブ全体を流れる電流の位相と補償プ
ローブからの高さが針２５１のメインプローブからの高
さに対し低くなるようにするのがよい。このとき、針２
５２の材料は針２５１の材料と異なるものであってもよ
い。

【００５０】《第４の実施例》次に、本発明のプローブ
装置の第４の実施例を説明する。本実施例では、プロー
ブ装置を走査型顕微鏡として用いている。本実施例にお
けるプローブ装置１は、図１に示したプローブ装置１と
基本的には同じであるので、以下図１を参照して説明す
る。プローブ装置１は、プローブ側要素２、対向部側要
素３、Ｘ−Ｙ微動機構４、および交流バイアス発生回路
５１、ギャップ検出回路５２、ギャップ制御回路５３、
Ｘ−Ｙ制御回路５４を含んでいる。さらに、本実施例の
プローブ装置１では、図７に示すように、ギャップ制御
回路５２からの信号は、アナログ／ディジタル・コンバ
ータ（Ａ／Ｄ）５５およびデジタル・シグナル・プロセ
ッサ（ＤＳＰ）５６を介してイメージ出力部６に送出さ
れるように構成されている。

【００５１】本実施例では、Ｘ−Ｙ微動機構４（図１参
照）を、図８に示すように、Ｙ方向に一定の間隔ｄをお
いてＸ方向に一定の距離Ｌ走査させその走査線上でのギ
ャップを検出し、これをＤＳＰで処理している。これに
よって、図９のような対向部材層３３の表面の形状を高
い精度で評価することができる。

【００５２】以上述べたように、本発明のプローブ装置
は、〔１〕ほぼ同一形状の、主プローブ部材と補償プロ
ーブ部材とからなるプローブセットを少なくとも１セッ
ト備え、かつ、前記主プローブ部材に設けられた導電性
針の先端と、該針の先端に向かい合わせて配置された対
向部材の表面との間のギャップの大きさを所定の電気的
量に基づき検出するギャップ検出回路を備えてなる、プ
ローブ装置であって、前記ギャップ検出回路は、前記主
プローブ部材を介して取得される電気的量のうち、ギャ
ップ検出に寄与しない電気的量を、前記補償プローブ部
材を介して取得される電気的量によりキャンセルして、
前記ギャップの大きさを検出する、ことを特徴とするも
のであり、〔２〕〜〔７〕のような好適な実施態様を含
んでいる。

【００５３】〔２〕前記ギャップ検出回路は、前記一方
のプローブ部材を流れる電流と、前記他方のプローブ部
材を流れる電流との差分に基づき、前記ギャップを検出
することを特徴とする〔１〕に記載のプローブ装置。

【００５４】〔３〕前記電気的量が、前記一方のプロー
ブ部材を介して取得される電気的量が、該一方のプロー
ブ部材に設けられた導電性針と前記対向部材との間のキ
ャパシタンスであり、前記ギャップ検出に寄与しない電
気的量が前記一方のプローブ部材の本体と前記対向部材
との間のキャパシタンスであることを特徴とする〔１〕
または〔２〕に記載のプローブ装置。

【００５５】〔４〕前記他方のプローブ部材に、前記一
方のプローブ部材に設けられた導電性針よりも短い導電
性針を設けること、または、前記他方のプローブ部材に
は導電性針を設けないことを特徴とする〔１〕〜〔３〕
に記載のプローブ装置。

【００５６】〔５〕前記ギャップ検出回路の検出結果に
基づき、前記ギャップの大きさをギャップ制御装置によ
り制御することを特徴とする、〔１〕〜〔４〕に記載の
プローブ装置。

【００５７】〔６〕前記導電性針を、前記対向部材の表
面に沿って相対的に移動させる走査手段を有してなるこ
とを特徴とする〔１〕〜〔５〕に記載のプローブ装置。

【００５８】〔７〕記録／再生装置として使用される
〔６〕に記載のプローブ装置の、前記導電性針を情報の
書込み／読出し用の針により形成し、前記対向部材の表
面を形成する層を情報の書込み／読出しが可能な記録再
生層により形成したことを特徴とする前記プローブ装
置。

【００５９】

【発明の効果】以上述べたことから明らかなように本発
明によれば以下のような効果を奏することができる。 （１）針の先端と対向部材の表面とのギャップの大きさ
に応じて変化する電気的量のうち、ギャップ検出に寄与
する電気的量のみを抽出して、該ギャップを、極めて高
い精度で検出することができる。

【００６０】（２）上記電気的量がキャパシタンスであ
る場合において、寄生キャパシタンスの影響が極めて小
さいプローブ装置を提供することができる。また、寄生
キャパシタンスの影響を取り除くための回路を複雑化す
ることのない、プローブ装置を提供することができる。

【００６１】（３）ギャップの検出精度を高くできるの
で、プローブセットをカンチレバー型としたような場合
には、プローブ本体から針の先端までの距離を小さくで
きる。したがって、プローブの垂直動作の際に針の先端
が対向部材の目的点からずれるといった問題は生じな
い。 （４）本来のプローブ顕微鏡として使用できることはも
ちろん、原子レベルのマニピュレータ、さらにはギャッ
プ検出を必要とする記録再生装置、評価装置、情報処理
装置等への利用が可能であり工業的価値が極めて高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す概略図である。

【図２】（Ａ）は本発明におけるプローブセットの底面
図、（Ｂ）は同じく正面図である。

【図３】図１におけるギャプ検出回路の動作原理を説明
するための図である。

【図４】本発明の第２の実施例を示す概略図である。

【図５】図４におけるＡ−Ａ方向の断面を示す説明図で
ある。

【図６】本発明の第３の実施例におけるプローブ部材
（セット）を示す図である。

【図７】本発明の第４の実施例における電気回路の一部
を示す図である。

【図８】第４の実施例における、走査方法の一例を示す
図である。

【図９】第４の実施例における、イメージ出力の一例を
示す図である。

【符号の説明】

１ プローブ装置 ２ プローブ側要素 ２１ プローブ基板 ２２ アクチュエータ ２３ 基台 ２４ プローブセット ２４１ メインプローブ部材 ２４２ 補償プローブ部材 ２５１ 針 ３ 対向部側要素 ３１ 基板 ３２ 対向電極層 ３３ 対向部材層 ４ Ｘ−Ｙ微動機構 ５１ 交流バイアス発生回路 ５２ ギャップ検出回路 ５３ ギャップ制御回路 ５４ Ｘ−Ｙ制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ほぼ同一形状の、主プローブ部材と補償
   プローブ部材とからなるプローブセットを少なくとも１
   セット備え、かつ、 前記主プローブ部材に設けられた導電性針の先端と、該
   針の先端に向かい合わせて配置された対向部材の表面と
   のギャップの大きさを所定の電気的量に基づき検出する
   ギャップ検出回路を備えてなる、プローブ装置であっ
   て、 前記ギャップ検出回路は、前記主プローブ部材を介して
   取得される電気的量のうち、ギャップ検出に寄与しない
   電気的量を、前記補償プローブ部材を介して取得される
   電気的量によりキャンセルして、前記ギャップの大きさ
   を検出する、ことを特徴とするプローブ装置。