JPH08249732A

JPH08249732A - 情報処理装置のプローブ制御回路

Info

Publication number: JPH08249732A
Application number: JP7239595A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Oguchi; 高弘小口; Teruyoshi Washisawa; 輝芳鷲澤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1995-03-06
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、プローブの位置制御を行うアクチュ
エーターの駆動電圧値に依存した変位感度特性を補正
し、安定な位置制御の可能な情報処理装置のプローブ制
御回路およびこのプローブを複数備えた小型で高精度の
マルチプローブの制御回路を提供することを目的とする
ものである。【構成】本発明は上記目的を達成するために、プローブ
とこれに対向する媒体との物理現象から生じる信号を検
出し、該検出信号に基づく位置制御信号によってプロー
ブの位置制御を行う情報処理装置のプローブ制御回路に
おいて、前記プローブの位置制御を行うアクチュエータ
ーの駆動電圧値に依存した変位感度特性を補正し、プロ
ーブと試料間の距離が一定になるように距離制御信号を
出力する制御回路を有していることを特徴とするもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプローブと記録媒体との
物理的相互作用により情報の書込みまたは読み出しを行
なう情報処理装置、例えば記録再生装置、または走査型
トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等の情報処理装置のプローブ
制御回路に関する。

【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（以後、ＳＴＭと略
す）が開発され［Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇｅｔａｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ，４９，５７（１９８２）］、
単結晶、非晶質を問わず実空間像の高い分解能の測定が
できるようになった。ＳＴＭは金属の探針（プローブ電
極）と導電性物質間に電圧を加えてｌｎｍ程度の距離ま
で近づけるとトンネル電流が流れることを利用してい
る。この電流は両者の距離変化に非常に敏感である。ト
ンネル電流を一定に保つように探針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も読み取るこ
とができる。このとき面内方向の分解能は０．ｌｎｍ程
度である。したがって、ＳＴＭの原理を応用すれば十分
に原子オーダー（サブ・ナノメートル）での高密度記録
再生を行なうことが可能である。例えば、特開昭６１−
８０５３６号に開示されている記録再生装置では、電子
ビーム等によって媒体表面に吸着した原子粒子を取り除
き書き込みを行ない、ＳＴＭによりこのデータを再生し
ている。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持つ材料、例えばｎ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ＳＴＭで行なう方法が提案されている［特開昭６３
−１６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公
報］。この方法によれば、記録のビットサイズを１０ｎ
ｍとして、１０¹²ｂｉｔ／ｃｍ²もの大容量記録再生が
可能である。さらに、小型化を目的とし複数のプローブ
を半導体基板上に形成しこれと対向する記録媒体を変位
させ記録する装置が提案されている（特開平１−１９６
７５１号公報）。例えば、ｌｃｍ²角のシリコンチップ
上に２５００本のプローブを５０×５０のマトリック配
置したマルチプローブヘッドと上述したメモリ効果を持
つ材料を組み合わせることにより、１プローブ当たり４
００Ｍｂｉｔ、総記録容量ｌＴｂｉｔのディジタルデー
タの記録再生が行なえる。この際、このプローブを長さ
数１００μｍ程度のカンチレバー（片もち梁）上に取り
付け駆動する方法が考えられている。この時プローブを
静電力で駆動することにより媒体に対し間隔制御を行う
集積化プローブヘッドを用いた記憶装置も提案されてい
る（特開昭６２−２８１１３８号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
プローブとこれに対向する媒体を組み合わせて記録再生
等の情報処理を行うためにはつぎのような点に問題点が
ある。（１）記録再生等の情報処理時にプローブと対向する媒
体間の距離を精度よく制御する必要がある。プローブを
駆動するアクチュエータとして静電力駆動によるカンチ
レバーを用いた場合、駆動のための印加電圧と発生する
静電力の間に線形関係が成り立たない。即ちアクチュエ
ータの変位感度が印加電圧に対し変化する。通常のＳＴ
Ｍではプローブと対向する媒体間の距離制御のため、検
出トンネル電流をＬｏｇ変換し、Ｌｏｇ変換出力と設定
値との差分を誤差信号として、比例積分制御によリアク
チュエータ制御を行っている。これを静電力駆動による
カンチレバーのようにアクチュエータ変位感度が一定で
な制御対象に適応すると、駆動電圧によってサーボの応
答が非常に悪くなったり、また逆にループゲインが高す
ぎて発振したり、あるいは外乱に対して安定性が悪くな
ったりするという問題があった。（２）またプロ一プ複数本で構成されたマルチプローブ
ヘッドを用いて情報処理を行う場合、各プローブと対向
する媒体間の距離を精度よく制御する必要がある。実際
に複数本のプローブをＩＣプロセス等の微細加工で作成
する場合、加エプロセスのバラつきを避けることはでき
ない。このプロセスばらつきは、各プローブの高さ、反
りばらつきとして現れる。このばらつきを抑えるために
各プローブは独立して距離制御する必要があった。この
場合、各プローブを駆動する制御回路は各プローブの反
りばらつきを補正した状態で、媒体表面の凹凸にならう
ように駆動信号を発生する。即ち各プローブを駆動する
駆動信号は反りばらつきを補正するためのＤＣ電圧に、
凹凸にならうためのＡＣ変化分が重畳したものになる。
この時、各プローブ毎に反りばらつき補正を行うための
ＤＣ電圧量は異なるため、各プローブを同じ制御バラメ
ータによって制御しようとすると、静電力駆動アクチュ
エータのように変位特性の非線形性の大きなアクチュエ
ータではプローブ毎にサーボの応答が非常に悪くなった
り、また逆にループゲインが高すぎて発振したり、ある
いは外乱に対して安定性が悪くなったりする可能性があ
った。このために例えばプローブと媒体間のＺ制御を行
う制御系をプローブヘッドの外にプローブの数だけ設け
ることが考えられる。この場合、マルチプローブヘッド
を小さく構成できても外部構成の制御部がプローブの本
数分だけ大型となって、ＳＴＭの特徴を生かした小型の
情報処理装置を実現する上で問題があった。

【０００４】そこで本発明は、上記問題を解決し、プロ
ーブの位置制御を行うアクチュエーターの駆動電圧値に
依存した変位感度特性変化を補正し、安定な位置制御の
可能な情報処理装置のプローブ制御回路およびこのプロ
ーブを複数備えた小型で高精度のマルチプローブの制御
回路を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、プローブとこれに対向する媒体との物理
現象から生じる信号を検出し、情報処理を行うプローブ
制御回路において、プローブの位置制御を行うアクチュ
エーターの駆動電圧値に依存した変位感度特性を補正
し、プローブの安定な位置制御を可能としたものであ
る。

【０００６】すなわち、本発明は、プローブとこれに対
向する媒体との物理現象から生じる信号を検出し、該検
出信号に基づく位置制御信号によってプローブの位置制
御を行う情報処理装置のプローブ制御回路において、前
記プローブの位置制御を行うアクチュエーターの駆動電
圧値に依存した変位感度特性を補正し、プローブと試料
間の距離が一定になるように距離制御信号を出力する制
御回路を有していることを特徴とするものである。本発
明において、その制御回路は、少なくとも、プローブか
らの信号を検出する信号検出回路と、プローブの位置制
御信号に対応してプローブからの検出信号を補正する補
正回路と、該補正回路の出力信号をもとにプローブと媒
体間の位置を制御するプローブ位置制御信号の発生回路
により構成することができる。また、その補正回路は、
補正データをストアした補正データ用メモリの出力をも
とにしてプローブからの検出信号を補正する構成とし、
その補正データ用メモリは、その補正データとして前記
プローブの位置制御を行うアクチュエーターの非線形性
に起因する変位感度特性をストアするように構成すると
共に、その補正データが、プローブの位置制御を行うア
クチュエーターの非線形性を折れ線近似して前記補正デ
ータ用メモリにストアするように構成することができ
る。さらに、本発明は、複数のプローブとこれに対向す
る媒体との物理現象から生じる信号を信号検出回路を介
して検出し、該検出信号に基づく位置制御信号によって
プローブの位置制御を行う情報処理装置のプローブ制御
回路において、前記各プローブの位置制御を行うアクチ
ュエーターの駆動電圧値に依存した変位感度特性を、複
数プローブの内の一つのプローブ信号を順次選択して補
正データ用メモリの出力をもとに補正し、前記各プロー
ブと試料間の距離が一定になるように距離制御信号を出
力する制御回路を有するマルチプローブの制御回路を構
成したことを特徴としている。前記マルチプローブの制
御回路は、少なくとも、プローブからの信号を検出する
信号検出回路と、複数プローブの内の一つのプローブ信
号を順次選択する選択回路と、プローブの番号及びプロ
ーブ位置制御信号に対応してプローブからの検出信号を
補正する補正回路と、該補正回路の出力信号をもとにプ
ローブと媒体間の位置を制御するプローブ位置制御信号
の発生回路と、該プローブ位置制御信号の発生回路の出
力信号を対応するプローブに印加する切り替え回路によ
り構成することができる。そして、その補正回路は、ア
クチュエーターの変位感度特性をストアした補正データ
用メモリの出力をもとにしてプローブからの検出信号を
補正する構成を備え、その補正データが、プローブの位
置制御を行うアクチュエーターの変位感度特性を折れ線
近似して補正データ用メモリにストアされている構成を
採ることができる。また、本発明においては、これらの
制御回路により、プローブと対向する試料間の距離を制
御するＺ制御回路を構成することができ、また、その制
御回路がアクチュエータ駆動信号量に応じてプローブと
試料間の距離を制御する制御ループのゲインを補正する
回路を有するように構成することができる。

【０００７】

【作用】本発明は、上記の構成の制御回路により、プロ
ーブの位置制御を行うアクチュエーターの駆動電圧値に
依存した変位感度特性を補正し、プローブと試料間の距
離を一定とする安定な位置制御を行い、またこれにより
マルチプローブヘッドを構成して小型で高精度のマルチ
プローブを実現したものである。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。［実施例１］図１に本発明における実施例１のプローブ
を有するＳＴＭの構成図を示す。本実施例に示すＳＴＭ
は観察試料とこれに対向するプローブの間にバイアス電
圧を印加した際、流れるトンネル電流を検出するもので
ある。１は観察試料であり、これに接近してプローブ２
が対向している。プローブ２は図示せぬ積層型圧電素子
等のＺ微動機構に取り付けられている。プローブ２は静
電力によりＺ方向に駆動可能なカンチレバー型アクチュ
エータであり、電圧印加でＺ方向に変位する。またカン
チレバーの一端には先鋭な導電性のＴｉｐ（ティップ）
３が形成され、対向する観察試料間を流れるトンネル電
流を検出する。この時用いたプローブの構成について説
明する。プローブ２は静電力駆動型のカンチレバーであ
る。カンチレバー型プローブは支持体９上に絶縁層１０
を介して作製されている。そしてプローブ２は支持体９
及びプローブ２側に構成した駆動電極１１間にアクチュ
エータ駆動信号を印加することによりＺ方向に変位す
る。表面観察時、プローブ２と試料１の間にバイアス回
路４によリバイアス電圧を印加した状態でＺ微動機構を
動かし、トンネル電流が流れる程度までプローブを試料
に近づけ両者間の距離を一定とするようにプローブ２を
制御しサーボをかけておく。この状態でＸＹ微動駆動回
路５を介してＸＹ微動駆動機構６を２次元走査し、表面
観察を行う。この時試料表面の微小な凹凸により変化し
たトンネル電流（Ｊｔ）が検出される。これを制御回路
７に取り込みＸＹ走査信号に同期して処理することでＳ
ＴＭ像を得る。ＳＴＭ像はトンネル電流像とトポ像（距
離制御信号像）に対し二次元ＦＦＴなどの画像処理を行
った後、トンネル電流像とトポ像をディスプレイ８に出
力する。また観察場所を変えるときには、図示せぬＸＹ
粗動機構により試料をＸＹ方向に移動させ、所望の領域
にプローブ２を移動して観察を行う。

【０００９】次に、試料観察時のプローブの位置制御に
ついて説明する。前述したように、制御回路は試料観察
時にプローブと試料間の距離が一定となるようにサーボ
をかけている。図１においてプローブ２から検出したト
ンネル電流Ｊｔは、電流電圧変換回路１２で電圧に変換
される。この電流電圧変換回路１２出力（Ｖｔ）を対数
変換回路１３に入力し、対数変換回路出力Ｌｏｇ（Ｖ
ｔ）はＺサーボ回路１４に入る。Ｚサーボ回路１４で
は、対数回路出力Ｌｏｇ（Ｖｔ）からアクチュエータ特
性の非線形性に起因する変位感度の違いを補正データ用
メモリ１５出力をもとに補正して、プローブと試料間の
距離が一定になるように距離制御信号１６を出力する。
この距離出力信号１６を増幅器１７で増幅後、プローブ
をＺ方向に駆動するプローブ駆動電極に印加して、静電
力で駆動することによリプローブと試料間の距離は一定
に保たれる。

【００１０】続いて本発明の特徴である補正用メモリ１
５及びＺサーボ回路１４について図２を用いて説明す
る。図２において対数変換回路１１出力Ｌｏｇ（Ｖｔ）
はＺサーボ回路１４に入る。プローブ−媒体間を流れる
電流がトンネル電流の場合、Ｌｏｇ（Ｖｔ）出力はプロ
ーブ媒体間の距離信号に比例している。これを一定とす
るようにＺサーボ回路１４は距離制御信号１６を出力す
る。先ずＬｏｇ（Ｖｔ）出力は減算器２０１に入り、距
離設定値Ｚ０との減算を行ってエラー信号（ｅｒｒ）と
なる。続いてエラー信号ｅｒｒは誤差信号補正回路２０
２に入る。誤差信号補正回路２０２は補正データ用メモ
リ１５を参照して、駆動電圧値に依って変化するアクチ
ュエータ変位感度により影響されるエラー信号ｅｒｒ
を、駆動電圧に依らない補正エラー信号ＥＲＲに変換す
る。この補正用メモリの内容については後述する。補正
エラー信号ＥＲＲはＰＩ制御回路２０３に入り、比例積
分制御されて距離制御信号１６（Ｕ）となる。ＰＩ制御
回路２０３は入力ＥＲＲに対して以下の制御信号を発生
する。Ｕ＝Ｋｐ・ＥＲＲ＋Ｋｉ・∫ＥＲＲ…（１）ただしＫｐ．Ｋｉは制御パラメータ。この距離制御信号
１６は、増幅器（図１の１７）により増幅後、駆動電極
１１に印加される。また距離制御信号１６は補正用メモ
リ１５の値によって補正回路２０４で補正されて補正距
離制御信号となり、表面の凹凸を表すトポ信号としてデ
ィスプレイ９に出力される。

【００１１】さらに図３を用いて補正データ用メモリの
説明を行う。前述したように本実施例ではプローブをＺ
方向に駆動するアクチュエータとして静電力でＺ方向に
駆動可能なカンチレバー型アクチュエータを用いた。静
電力駆動のカンチレバーのＺ変位は、カンチレバーのサ
イズが幅Ｗ、長さＬ、厚さｔで、駆動電極間のギャップ
ｇ、駆動電極間の印加電圧Ｖとする時以下の式で表され
る。即ち、プローブ先端のＺ方向の変位量（δ：ギャッ
プ変化量）は、 δ＝３／４×ε／Ｅ×Ｌ⁴×Ｖ²／ｔ³／ｇ²…（２）となる（図３（Ａ））参照）。（ただしＥはヤング率。
εは真空の誘電率で、δ＜＜ｇの時）本実施例ではカン
チレバーは、Ｌ＝２００μｍ、ｔ＝ｌμｍ、ｇ＝２μｍ
で構成した。従って δ＝２．７×１０^-8×Ｖ²（ｍ）…（３）この時の変位感度はｄδ／ｄＶ＝５．４×１０^-8×Ｖ（ｍ／Ｖ）：図３（Ｂ）…（４）で表される。この式から明らかなように、このアクチュ
エータ変位感度は印加電圧のＤＣレベルに依って大きく
変化する。従ってこのままアクチュエータを制御しよう
とすると、変位感度変化によリサーボ性能が大きく影響
を受ける。そこで本実施例では、変位感度の印加電圧特
性を図３（Ｃ）に示すように印加電圧に対し、折れ線近
似した。図３（Ｃ）では、変位感度特性が印加電圧値０
ＶでＡｌ（μｍ／Ｖ）から、Ａ２（μｍ／Ｖ）→Ａ３
（μｍ／Ｖ）→Ａ４（μｍ／Ｖ）と４段階に変化する折
れ線近似とした。実際には、式（４）に従って駆動電圧
を０Ｖから５Ｖまで印加した時、変位量が最大６７５ｎ
ｍ変位し、この時の変位感度は、０から２７０ｎｍ／Ｖ
と変化した。この時駆動電圧値０≦Ｖ＜２の時、変位感度５４ｎｍ／Ｖ→Ａｌ駆動電圧値２≦Ｖ＜３の時、変位感度１３５ｎｍ／Ｖ→Ａ２駆動電圧値３≦Ｖ＜４の時、変位感度１８９ｎｍ／Ｖ→Ａ３駆動電圧値４≦Ｖ＜５の時、変位感度２４３ｎｍ／Ｖ→Ａ４と変位感度を折れ線近似し、Ｚサーボ回路の入／出力で
エラー信号に対しアクチュエータの変位感度が一定と見
なせるように、Ｚサーボ信号の入力値：エラー信号を補
正した。補正係数として、駆動電圧値に対し１／Ａｌ、
１／Ａ２、１／Ａ３、１／Ａ４に比例した補正係数を設
定した。さらにこの補正係数をアクチュエータの駆動電
圧に対応した距離制御信号をアドレス線としてメモリ１
５にストアした。このメモリを参照しながらアクチュエ
ータの制御を行うことで、アクチュエータの駆動電圧レ
ベルに依らず、アクチュエータの非線形性を補償した安
定なＺサーボ制御を実現し、安定したＳＴＭ像を得た。
なお本実施例ではアクチュエータの変位特性を４本の折
れ線近似で行い、変位感度ばらつきを４段階で補償する
ようにしたが、メモリ容量の余裕があれば、もっと細か
く補償するようにしても良い。また本実施例のようにプ
ローブからの検出信号を補正するのでなく、Ｚサーボ回
路の制御パラメータ（Ｋｐ、Ｋｉ）をアクチュエータＤ
Ｃの駆動電圧値で補正するようにしても良い。

【００１２】［実施例２］図４に本発明による第二の実
施例としてマルチプローブを有する記録再生装置の構成
図を示す。本実施例に示す記録再生装置は記録媒体と、
これに対向したプローブの間にバイアス電圧を印加した
際に流れるトンネル電流を検出する複数本のプローブを
用いて情報のやりとりを行うものである。図４に従い、
記録再生装置の構成について説明する。４０２は記録媒
体であり、これに接近してマルチプローブヘッド４０１
が対向している。マルチプローブヘッド４０１には１６
本のプローブ４００が形成されている。マルチプローブ
ヘッド４０１はＸＹ方向の駆動機構であるＸＹアクチュ
エータ４０３、さらに構造体４０４に取り付けられてい
る。一方、記録媒体４０２には、トラッキングパターン
４０５（凹状の溝もしくは表面電子状態の異なるパター
ン）が刻まれ、基台４０６に載っている。基台４０６
は、これを上下方向とα、β方向に移動させるＺアクチ
ュエータ４０７を介して構造体４０４に取り付けられて
いる。４０１のマルチプローブヘッドは４×４のマトリ
ックス状に１６本のプローブを並べたＳｉ製マルチプロ
ーブヘッドである。各プローブは両もち梁上に形成した
平板部を、両もち梁のねじれ弾性を利用して静電力によ
り駆動するトーション型アクチュエータである。このア
クチュエータは実施例１のカンチレバー型と異なり、レ
バーのたわみ弾性と梁のねじれ弾性を独立に設定でき、
剛性と共振周波数に自由度のあるアクチュエータの設計
ができる。また駆動電極４２０間に電圧印加することで
Ｚ方向に変位する。（トーション型アクチュエータの詳
細と作成法は後述する。）またレバーの一端には先鋭な
導電性のティップが形成され、対向する記録媒体間のト
ンネル電流を検出する。

【００１３】次に記録再生の概略について説明する。記
録再生の際マルチプローブヘッド４０１の各プローブ４
００は対向する記録媒体４０２とトンネル電流が流れる
程度まで近づいている。この時各プローブからのトンネ
ル電流信号はプローブヘッド制御回路４１１を介してＺ
サーボ回路４０８に入り、Ｚサーボ回路４０８は各プロ
ーブと対向する記録媒体間の距離を一定とするような距
離制御信号４０９を出力する。各プローブをＺ方向に独
立に駆動する距離制御信号４０９はアクチュエータ駆動
回路４１０を経て、各アクチュエータの電極に印加され
る。さらにこの距離制御信号４０９を元に、傾き補正回
路４１２はマルチプローブヘッド４０１と記録媒体４０
２間の傾きを補正する。また記録再生時には走査回路４
１５はＸＹ走査信号４１６によリプローブヘッド４０１
を記録媒体４０２に対しＸＹ方向に走査する。この時ト
ラッキング制御回路４１７は各プローブ４００のトンネ
ル電流変化からトラッキングパターン４０５のエッジ位
置を検出し、トラッキングパターン４０５とマルチプロ
ーブヘッド４０１の位置ずれをＸＹアクチュエータ４０
３で補正する。この状態で電圧印加回路４１４は各プロ
ーブと記録媒体間のトンネル電流を変調し記録媒体上に
記録ビットを形成する。図５は、本実施例で用いたトー
ション型アクチュエータの構造を説明する斜視図であ
る。絶縁層５０２上に固定電極５０３を形成した基板５
０１に空隙５０４をもって機械可動部が形成してある。
機械可動部は回転支持を行う両持ちの梁５０９とプロー
ブ５０８よりなり、支持部５１０により支持してある。
レバー５０８上には駆動用の上電極５０７、情報入出力
用ティップ５１２、情報入出力用配線５１３が形成して
ある。本実施例によるプローブの駆動方法は以下の通り
である。固定電極５０３への電圧印加によってレバー後
端部が固定電極５０３に引き寄せられ、梁５０９がねじ
れることにより、プローブ５０８全体が両持ち梁５０９
の軸回りに回転し、プローブ５０８先端に設けられたテ
ィップ５１２が対向する記録媒体側に接近する。

【００１４】図６の作製工程図により、本実施例による
静電アクチュエータの作製工程を説明する。まず、Ｓｉ
からなる基板５０１上にシリコン窒化膜を減圧ＣＶＤ
（ＬＰＣＶＤ）により３０００オングストローム成膜し
絶縁層５０２を形成した。次に、レジストを塗布・パタ
ーニングした後スパッタリング法によりＴｉを５０オン
グストローム、Ｐｔを２０００オングストローム堆積
し、レジストを除去することにより固定電極５０３を形
成した。次に酸化亜鉛をスパッタリング法により２００
００オングストローム堆積させた後、フォトレジストを
塗布・パターニングし、過酸化水素とアンモニアの混合
水溶液により酸化亜鉛をエッチングし、犠牲層５０５を
形成した（図６（ａ））。次に酸化シリコンをスパッタ
リング法により１００００オングストローム堆積させ
た。次に、レジストを塗布・パターニングした後、スパ
ッタリング法によりＴｉを５０オングストローム、Ａｕ
を２０００オングストローム堆積し、レジストを除去す
ることにより上電極５０７及びトンネル電流配線５１３
を形成した（図６（ｂ））。次に、酸化シリコンをレジ
ストを用いてパターニングした後、反応性イオンエッチ
ング法にてＣＦ４ガスを用いてエッチングし、機械可動
部形状をもつプローブ５０８とした（図６（ｃ））。

【００１５】並行して行われる情報入出力用ティップ５
１２の作製工程を説明する。まず、方位面（１００）の
Ｓｉ第二基板６０１を用意する。次に、第二基板６０１
表面にシリコン窒化膜６０２を減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶ
Ｄ）により１０００オングストローム堆積する（図６
（ｄ））。次に、シリコン窒化膜を図６に示すパターン
形状にフォトエッチングにより除去し第二基板表面を露
出させる。次に、第二基板６０１を１００℃に加熱した
水酸化カリウム水溶液を用いて結晶異方性エッチングに
より加工し、プローブ部分の型となる逆ビラミッド状の
凹部６０３を形成する（図６（ｅ））。次に、残りの窒
化シリコンを、反応性イオンエッチング法により除去す
る。次に、レジストをパターニングし、真空蒸着法にて
Ａｕを１００００オングストローム成膜し、その後レジ
ストをアセトンで溶解することにより、探針５１２とな
るＡｕのパターンを形成した（図６（ｅ））。次のステ
ップとして探針５１２を基板５０１上に圧力をかけ、第
二基板６０１の界面から引きはがすことにより情報入出
力用ティップ５１２を作製した。（図６（ｇ））尚、第二基板６０１のエッチング方法としては、単結晶
シリコン、ＧａＡｓ半導体等の結晶異方性エッチングは
もちろん、転写可能な形状にエッチングできるものであ
れば等方性エッチングを用いることもできる。また、保
護層６０２は第二基板６０１をエッチングするときの保
護膜であるから、この時のエッチング液に耐えられるも
のならば良い。また、ティップ５１２と第二基板６０１
との界面の密着性を低下させるために、第二基板６０１
上に剥離層を成膜しても良い。また、第一基板５０１上
に形成したプローブ５０８と第二基板６０１上に形成し
たティップ５１２との接合方法は、金属−金属間接合、
陽極接合等を用いることができる。最後に、酸化亜鉛の
犠牲層５０５を、酢酸水溶液にてエッチング除去し、プ
ローブ５０８と固定電極５０３間の空隙５０４を形成し
た。以上の作製工程により図５に示すトーションレバー
型プローブを得ることができた（図６（ｈ））。このト
ーション型プローブを４×４ケ、計１６個マトリックス
状に作製し、さらにＳｉウェハ上の各トーション型プロ
ーブ近傍にＩＣプロセスを用いてトンネル電流検出アン
ゾを構成しマルチプローブヘッド４０１とした。

【００１６】次にマルチプローブヘッド４０１に対向し
た記録媒体４０２の構成について説明する。記録媒体４
０２に半導体プロセス等の微細加工により短冊状のトラ
ッキングパターンが刻まれている。記録媒体４０２の基
板電極上にはＸ方向に２μｍピッチで幅２００ｎｍ、深
さ３０ｎｍの凹溝がＹ方向に長さ５０μｍに渡り刻まれ
ている。記録媒体４０２としては、電圧電流のスイッチ
ング特性に対し、メモリ効果をもつ材料を用いた。基板
電極としてガラスや雲母などの平坦な基板上の金のエピ
タキシャル成長面を使用した。この上にトラッキング用
凹溝を形成し、この上に記録媒体としてスクアリウム−
ビス−６−オクチルアズレン（以下ＳＯＡＺと略す）を
用い、ラングミュア・プロジェット法により、単分子膜
２層の累積膜をこの基板電極上に形成し記録媒体４０２
とした。４１３、４０８は本発明の特徴である補正デー
タ用メモリとＺサーボ回路である。

【００１７】図７に示す制御ブロックの構成図により、
プローブ制御の詳細を説明する。なおプローブ制御系全
体のシーケンスはプローブヘッド制御回路４１１からの
タイミングにより制御されている。本実施例に示す制御
回路はトンネル電流を検出する複数本のプローブと対向
する媒体間の距離制御回路に関するものである。本実施
例では各プローブからのトンネル電流信号をデジタル信
号に変換し、この信号からプローブヘッド制御回路４１
１のタイミングにより各プローブを順次Ｚ制御する制御
信号を発生するデジタルサーボ系を構成した。図７を用
いてマルチプローブのＺ制御についての詳細を説明す
る。プローブ番号１〜ｎで示されるマルチプローブ７０
１からのトンネル電流信号は、選択回路７０２につなが
っている。選択回路７０２は制御タィミングに従いマル
チプローブ７０１から一本、例えばｎ番目のプローブを
選択する。（図中：ｌｎ）選択されたｎ番目のプローブ
から検出されるトンネル電流信号は電圧変換された後、
Ａ／Ｄ変換器７０３でＡ／Ｄ変換される。（ｌｎ
（ｔ），ｔは、あるサンプリング時刻）さらにデジタル
化されたトンネル電流信号は対数変換回路７０４によ
り、プローブ−媒体間の距離に対して線形化される。
（図中：Ｌｏｇ１ｎ（ｔ））そして対数変換回路７０４
の出力は、サーボ回路の設定値Ｚ０との比較減算器７０
５に入り、誤差信号（：ｅｎ（ｔ））となる。この時、
制御回路４１１は選択しているプローブの番号をロウ・
アドレス、現在プローブｎを駆動している駆動電圧量Ｕ
ｎをカラム・アドレスで補正データ用メモリ４１３をア
ドレッシングする。メモリ４１３はプローブ番号、駆動
電圧に応じた補正係数７１１（例えば、１／Ａｌｎ）を
誤差信号補正回路７０６に出力する。そこで補正回路７
０６は、減算器７０５出力ｅｎ（ｔ）にメモリ４１３か
らの補正係数を乗じ、補正誤差信号（：Ｅｎ（ｔ））と
する。この補正誤差信号をゼロするようにＰＩ制御回路
７０７は距離制御信号Ｕｎ（ｔ）を生成する。この時Ｐ
Ｉ制御回路７０７は、メモリ７１２、７１３にストアさ
れたサンプリング時刻（ｔ−１）における距離制御信号
及び補正誤差信号データ及び、サンプリング時刻（ｔ）
における補正誤差信号Ｅｎ（ｔ）から時刻（ｔ）におけ
る新たな距離制御信号７１４Ｕｎ（ｔ）を生成する。同
時にメモリ７１２、７１３の値を更新する。距離制御信
号Ｕｎ（ｔ）は、Ｄ／Ａ変換器７０８で再びアナログ信
号に変換された後、切り替え回路７０９により番号ｎプ
ローブをＺ方向に駆動する駆動電極７１０に印加され
る。制御回路４１１は順次選択するプローブを切り替
え、全てのプローブのＺ制御をする。なお一度アクチュ
エータに信号が印加された後、再び同じアクチュエータ
に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。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。

【００１８】次にデータ補正用メモリ４１３の内容につ
いて説明する。前述のようにデータメモリ４１３には、
アクセスしているプローブ番号及び駆動電圧に応じて補
正係数７１１を誤差信号補正回路７０６に出力する。実
施例１と同様にデータメモリ４１３は駆動電圧値に依存
したアクチュエータの変位感度変化を吸収する。実際に
作製したプローブのサイズは図５でＬ＝１００μｍ、Ｗ
＝１００μｍ、ｔ＝ｌμｍ、ａ＝１０μｍ、ｂ＝５０μ
ｍ、であった。この時、トーション型レバーのパラメー
タを見積もると以下のようになった。両もち梁のねじれ
部の特性は回転弾性定数Ｋ＝２・Ｇ・ｔ³・ａ・ｍ／ｂ（Ｎ・ｍ）…（５）ただしＧはヤング率、ｍはａ，ｔで決まる定数ティップ部分でのレバーのＺ方向弾性定数はｋ＝Ｋ／Ｌ² （Ｎ／ｍ）…（６）（６）式に従って、計算するとｋ＝０．８７（Ｎ／ｍ）
となる。一方、固定電極５０３と上電極５０７間に電圧
印加で発生する静電力は、ねじれ量が小さく、ティップ
先端のＺ方向変位量が小さいとするとＦ＝ε０・Ｗ・Ｌ・Ｖ²／（２・ｄ²）（Ｎ）…（７）従って、図５でギャップｄを１０μｍ、印加電圧を５０
Ｖとするとプローブ先端のＺ方向の変位量（δ：ギャッ
プ変化量）は、δ＝Ｆ／ｋよりδ＝１．３μｍとなる。
この時の変位感度は実施例１と同様にｄδ／ｄＶ＝ａ・ｖ（ｍ／Ｖ）ただしａは定数…（８）と、変位感度が印加電圧のＤＣレベルに依って大きく変
化し、これによリサーボ性能が大きく影響を受ける。そ
こで、実施例１と同様に変位感度の印加電圧特性を図３
（Ｃ）に示すように印加電圧に対し、折れ線近似した。
即ち、駆動電圧を０Ｖから５０Ｖまで印加した時、最大
１．３μｍ変位し、この時の変位感度は、０から５２ｎ
ｍ／Ｖと変化した。そこで、駆動電圧値０≦Ｖ＜１０の時の変位感度５ｎｍ／Ｖ→Ａｎｌ駆動電圧値１０≦Ｖ＜２０の時の変位感度１５ｎｍ／Ｖ→Ａｎ２駆動電圧値２０≦Ｖ＜３０の時の変位感度２５ｎｍ／Ｖ→Ａｎ３駆動電圧値３０≦Ｖ＜４０の時の変位感度３５ｎｍ／Ｖ→Ａｎ４駆動電圧値４０≦Ｖ＜５０の時の変位感度４５ｎｍ／Ｖ→Ａｎ５と変位特性を近似し、この感度変化を吸収するように、
各変位感度の逆数値に比例した値をメモリにストアし
た。（例えば、１／Ａｎｌ、１／Ａｎ２、１／Ａｎ３、
１／Ａｎ４、１／Ａｎ５。ｎはｎ番目のプローブに対す
る補償量であることを意味する。）本実施例では複数本のプローブを駆動している。複数本
のプローブをＩＣプロセス等の微細加工で作成する場
合、加エプロセスのばらつきを避けることはできない。
このプロセスばらつきは、例えばプローブの膜厚、ギャ
ップのばらつきとなるので上記式よリアクチュエータの
変位感度特性ばらつきを招いた。実施例２では、プロー
ブ毎の変位特性ばらつきをも吸収するように補正データ
用メモリ４１３を用いた。例えばプローブ番号がｎ番目
を選択し、このプローブ番号に対する駆動信号量が２５
Ｖであったとする。この時、補正データ用メモリに対
し、ロウアドレス＝プローブ番号ｎ、カラムアドレス＝
駆動信号量２５Ｖ、に対応したアドレスがアクセスさ
れ、補正データ用メモリ４１３は補正係数７１１として
１／Ａｎ３を出力する。この補正係数に従って誤差信号
は補正され、新しい距離制御信号を生成する。この補正
係数の計測は、光学的な手法で予め各プローブの変位特
性を測定しておく。ないしは、全てのプローブからトン
ネル電流が検出できる状態でプローブヘッド制御回路４
１１は、トーション型レバーの応答周波数以下のＺ変調
信号を発生し、全てのプローブをＺ方向に変調する（△
Ｕｎ）。この時各プローブからの対数変換回路出力（△
Ｖｎ）をモニタし、各プローブについてＰＩ制御出力Ｕ
ｎから対数変換回路出力の伝達特性Gmulti＝△Ｖｎ／△
Ｕｎを測定する。これが全てのプローブで一定になるよ
うに補正メモリの係数を決定する。この測定をプローブ
ヘッドをＺ方向に少しずつ動かしながら行うことで、補
正係数の駆動信号依存性を測定した。

【００１９】記録再生は次のように行った。各プローブ
４００と記録媒体４０２の間に電圧印加回路４１４によ
りバイアス電圧０．ｌＶ印加し、一定のトンネル電流
（ｌｎＡ）が流れる程度まで近づけた。各プローブをＺ
サーボ回路４０８によってＺ方向に独立に駆動し、ｌｎ
Ａの電流が流れるようにフィードバック制御を行った。
さらに各プローブの距離制御信号４０９をもとに、傾き
補正回路４１２はマルチプローブヘッド４０１と記録媒
体間の傾きを補正するα回転信号、β回転信号を発生
し、これをＺアクチュエータ４０７に印加した。この状
態で記録媒体４０２の所望の位置までプローブを移動
後、バイアス電圧を変調し、６Ｖのパルス電圧をプロー
ブ４００と記録媒体４０２の間に印加すると、瞬間的に
約０．ｌμＡの電流が流れる大きさ１０ｎｍφのビット
が形成（記録）され、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。（再生）そこでこの低
抵抗状態にあるビットを”１”に対応づけ、高抵抗状態
の”０”と区別する。そして記録データに符号器４１８
で”０”、”１”の２値データヘのコード化を行い、復
号器４１９で２値化データの情報再生を行って、２値化
記録再生を行った。本実施例では、各プローブの変位特
性を折れ線近似し、制御を行った。このためプローブ本
数が増えても、それほど膨大なメモリを用いることな
く、かつどのプローブもばらつく事なく制御できた。ま
たプローブ本数が増えても制御系は大がかりにならず、
小型の記録再生装置が実現された。なお、本実施例で
は、プローブの変位特性が印加電圧の２乗に比例すると
して、これを折れ線近似した。しかしながら本実施例の
プローブも印加電圧が大きくなるとその変位特性は２乗
特性からずれる場合がある。この時も折れ線近似で特性
を近似することで、うまく制御できた。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、以上のような簡単な回路構成
により、プローブの位置制御を行うアクチュエーターの
駆動電圧値に依存した変位感度特性を補正し、プローブ
の安定な位置制御が可能な情報処理装置におけるプロー
ブの制御回路を実現できる。また、本発明は、非線形
変位感度を有する複数本のプローブで構成されたマルチ
プローブヘッドを構成する場合においても、各プローブ
のばらつきのない安定した制御が可能で、小型化の容易
な情報処理装置におけるマルチプローブの制御回路を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における実施例１の走査型トンネル顕微
鏡の構成図である。

【図２】図１で用いたＺ制御回路の構成図である。

【図３】図１で用いたアクチュエータの変位特性を表す
グラフである。

【図４】本発明における実施例２のマルチプローブヘッ
ドを用いた記録再生装置の構成図である。

【図５】図４で用いたプローブ１本の斜視図である。

【図６】図４で用いたプローブの作製工程図である。

【図７】図４で用いたＺ制御系の構成図である。

【符号の説明】

１観察試料２プローブ３導電性ティップ４バイアス回路７制御回路１１駆動電極１４Ｚサーボ回路１５補正データ用メモリ４０１マルチプローブヘッド４０２記録媒体４０８Ｚサーボ回路４０８ディスプレイ４１１プローブヘッド制御回路４１３補正データ用メモリ４１４電圧印加回路４１５走査回路４１８符号器４１９復号器７０２選択回路７０５減算器７０６誤差信号補正回路７０７ＰＩ制御回路７０９切り替え回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プローブとこれに対向する媒体との物理
現象から生じる信号を検出し、該検出信号に基づく位置
制御信号によってプローブの位置制御を行う情報処理装
置のプローブ制御回路において、前記プローブの位置制
御を行うアクチュエーターの駆動電圧値に依存した変位
感度特性を補正し、プローブと試料間の距離が一定にな
るように位置制御信号を出力する制御回路を有している
ことを特徴とするプローブ制御回路。
【請求項２】前記制御回路は、プローブからの信号を
検出する信号検出回路と、プローブの位置制御信号に対
応してプローブからの検出信号を補正する補正回路と、
該補正回路の出力信号をもとにプローブと媒体間の位置
を制御するプローブ位置制御信号の発生回路とを有して
いることを特徴とする請求項１に記載のプローブ制御回
路。
【請求項３】前記補正回路は、補正データをストアし
た補正データ用メモリの出力をもとにしてプローブから
の検出信号を補正する構成を備えていることを特徴とす
る請求項２に記載のプローブ制御回路。
【請求項４】前記補正データ用メモリは、その補正デ
ータとして前記プローブの位置制御を行うアクチュエー
ターの非線形性に起因する変位感度特性をストアしてい
ることを特徴とする請求項３に記載のプローブ制御回
路。
【請求項５】前記補正データが、プローブの位置制御
を行うアクチュエーターの非線形性を折れ線近似して前
記補正データ用メモリにストアされていることを特徴と
する請求項４に記載のプローブ制御回路。
【請求項６】複数のプローブとこれに対向する媒体と
の物理現象から生じる信号を信号検出回路を介して検出
し、該検出信号に基づく位置制御信号によってプローブ
の位置制御を行う情報処理装置のプローブ制御回路にお
いて、前記各プローブの位置制御を行うアクチュエータ
ーの駆動電圧値に依存した変位感度特性を、前記複数プ
ローブの内の一つのプローブ信号を順次選択して補正デ
ータ用メモリの出力をもとに補正し、前記各プローブと
試料間の距離が一定になるように位置制御信号を出力す
る制御回路を有していることを特徴とするプローブ制御
回路。
【請求項７】前記プローブ制御回路は、プローブから
の信号を検出する信号検出回路と、複数プローブの内の
一つのプローブ信号を順次選択する選択回路と、プロー
ブの番号及びプローブ位置制御信号に対応してプローブ
からの検出信号を補正する補正回路と、該補正回路の出
力信号をもとにプローブと媒体間の位置を制御するプロ
ーブ位置制御信号の発生回路と、該プローブ位置制御信
号の発生回路の出力信号を対応するプローブに印加する
切り替え回路とを有していることを特徴とする請求項６
に記載のプローブ制御回路。
【請求項８】前記補正回路は、アクチュエーターの変
位感度特性をストアした補正データ用メモリの出力をも
とにしてプローブからの検出信号を補正する構成を備え
ていることを特徴とする請求項７に記載のプローブ制御
回路。
【請求項９】前記補正データが、プローブの位置制御
を行うアクチュエーターの変位感度特性を折れ線近似し
て補正データ用メモリにストアされていることを特徴と
する請求項８に記載のプローブ制御回路。
【請求項１０】前記制御回路は、プローブと対向する
試料間の距離を制御するＺ制御回路であることを特徴と
する請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のプロー
ブの制御回路。
【請求項１１】前記制御回路は、アクチュエーター駆
動信号量に応じてプローブと試料間の距離を制御する制
御ループのゲインを補正する回路を有していることを特
徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の
プローブの制御回路。