JPH0926427A - 位置決め装置、およびこれを用いたメディア移動型メモリ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プローブとステージとの相対的な位置制御を
正確に行うことができる位置決め装置およびメディア移
動型メモリ装置を提供する。 【解決手段】 ステージ面３１を持つステージ３と、ス
テージ３をステージ面３１にほぼ平行な方向に移動させ
るアクチュエータ４と、２組の位置決めユニットと、を
具備する位置決め装置であって、前記位置決めユニット
は、ステージ表面３１との間のトンネル電流を検知する
ための位置検出用プローブ１１，２１と、前記ステージ
が一の方向に移動した際に位置検出用プローブ１１，２
１が感知できるステージ面３１の所定領域に形成された
目盛り部５１，５２と、位置検出用プローブ１１，２１
による感知信号に基づき、ステージ３の移動量を検出す
る位置検出手段６と位置検出手段６の検出結果に基づい
て前記アクチュエータを駆動する位置制御手段８と、前
記ステージの位置を記憶する位置記憶部と、を有するこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡、メディア移動型メモリ装置、マニピュレータ、さ
らに広くは評価装置、情報処理装置、表示装置等におけ
るプローブ対象（試料や記録メディア等）の移動機構に
適した、高度な制御が可能な微細な位置決め装置および
そのその応用に関する。

【０００２】

【技術背景】走査型プローブ顕微鏡では、プローブ先端
の針と試料表面との間の物理量（両者間の静電容量や接
触圧、両者間を流れるトンネル電流）を測定することで
針の先端と試料表面との間の距離を測定している。この
走査型プローブ顕微鏡では、試料表面上の数ｎｍのオー
ダの極めて狭小な領域内の前記物理量の検出が可能であ
る。また、前記顕微鏡技術を応用したメディア移動型メ
モリ装置では、直径３０ｎｍ程度の狭小領域への１ビッ
トの記録が可能であり、また前記顕微鏡技術を応用した
マニピュレータでは数十ｎｍ程度のサイズの加工が可能
である。

【０００３】ところで、前記顕微鏡、あるいは前記メモ
リ装置やマニピュレータでは、プローブ対象（本発明で
は、プローブ対象を移動させるので、プローブ対象を
「ステージ」と称する）に対する位置決めの目的位置か
らのずれを、前記１ビットの記録に要する領域や、加工
サイズよりも小さく抑える必要がある。従来、この種の
位置決めには、例えば、特開平６−８８７２４号公報に
示すように、光学干渉を用いて位置測定を行う場合が多
い。しかし、一般に、光学干渉を用いた場合、光源や干
渉系のためにプローブ装置全体が大型化すると言った問
題がある。

【０００４】

【発明の目的】本発明の目的は、プローブとステージと
の相対的な位置の制御を行う種々のプローブ装置におい
て、装置全体が大型化することなく、プローブとステー
ジとの相対的な位置制御を正確に行うことができる位置
決め装置を提供することである。また、本発明の目的
は、前記位置決め装置を有するメディア移動型メモリ装
置を提供することである。

【０００５】

【発明の概要】本発明の位置決め装置は、平面を持つス
テージと、このステージを前記平面（以下、「ステージ
面」と言う）にほぼ平行な方向に移動させるアクチュエ
ータと、位置決めユニットとを具備している。また、本
発明のプローブ装置は、この位置決めユニットを少なく
とも１組有することができる。

【０００６】この位置決めユニットは、前記ステージの
表面との間の所定物理量を検知するための位置検出用プ
ローブと、前記ステージが一の方向に移動した際に前記
位置検出用プローブが感知できる前記平面の所定領域に
形成された目盛り部と、前記位置検出用プローブによる
感知信号に基づき、前記ステージの移動量を検出する位
置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果に基づいて
前記アクチュエータを駆動する位置制御手段と、前期ス
テージの位置を記憶する位置記憶部と、を有している。

【０００７】前記アクチュエータとして、圧電力動作型
のもの、静電気力動作型のものが用いられる。本発明の
位置決め装置が、位置決めユニットを２組有するときに
は、アクチュエータは、ステージをｘ，ｙの二方向に移
動できるように構成される。この場合には、ステージ
は、通常四角形状のプレート状とされる。この位置決め
装置が、メディア移動型メモリ装置のメディア移動機構
として使用されるときは、ステージは記録メディアとな
る。

【０００８】位置検出用プローブとして、目盛り部の目
盛りを感知できるものであれば、静電容力動作型（一般
にはカンチレバー形状である）、圧電力動作型（一般に
は柱またはブロック状である）の何れでも用いることが
できる。位置検出用のプローブが前記目盛り部の目盛り
を感知する際の物理量として、たとえば電圧、トンネル
電流、静電容量等が用いられる。

【０００９】前記目盛り部は、位置検出用プローブがど
のような機構を持つのか、あるいはどのような物理量を
検出するのかによって異なった形態をとることができ
る。たとえば、位置検出用プローブが記録メディア表面
との間に生ずる圧力を検知するタイプのものである場
合、あるいは位置検出用プローブがステージの表面との
間に流れるトンネル電流を検知するタイプのものである
場合には、目盛り部を凹凸条とすることができる。

【００１０】なお、凹条とは、長さの長い溝であり、凸
条とは、長さの長い突起である。目盛り部には複数の平
行な溝と突起とが交互に形成されるため、本明細書で
は、前記の交互に形成された複数の溝と突起とを凹凸条
と称する。本発明において、凹凸条は、エッチングの速
度が結晶の方向によって異なることを利用することで形
成することができる。

【００１１】ところで、本発明の位置決め装置では、ス
テージ面がステージの移動方向に対して、最初から傾き
を持っている（すなわち、ｘ方向やｙ方向に平行でな
い）場合がある。また、ステージを移動させたときに、
ステージ面がｚ方向（ｘ方向およびｙ方向と別な方向）
にずれる場合も生じる。さらに、ステージが、その移動
方向に対して、ステージ面内の移動方向と直交する方向
にずれる場合も生じる。このような傾きやずれが生じる
と、位置検出用プローブによる目盛りの読み取りが不能
になったり、誤った読み取りがなされる等、正確な位置
検出ができなくなる。

【００１２】この不都合を解消するために、本発明で
は、位置検出用プローブとペアを成す補助プローブを用
いることができる。垂直ずれ成分検出手段は、ステージ
が移動した際に生じる該ステージ面のｚ方向のずれ等
を、前記ステージ表面と補助プローブとの間の物理量の
変化として検出する。この補助プローブの採用により、
（１）当該補助プローブとペアとなる位置検出用プロー
ブによる測定が行われるときに、該検出用プローブによ
る検出量の誤差を補正することができ、（２）当該補助
プローブとペアとなる位置検出用プローブによる測定が
行われないときに、該検出用プローブの先端位置とステ
ージ表面との距離（あるいは該検出用プローブの先端位
置とステージ表面と押圧力）に変動が生じないように位
置検出用プローブを動作させることができる。

【００１３】位置検出用プローブと同様、補助プロー
ブ、ステージ面のｚ方向のずれを検出できるものであれ
ば、静電容量動作型や圧電力動作型の何れをも用いるこ
とができる。また、ステージ面のｚ方向のずれを検出す
るための物理量として、圧力、トネンル電流、静電容量
等が用いられる。

【００１４】ステージ面の補助プローブに対するｚ方向
のずれを検出することで、位置検出用プローブのｚ方向
変位をも知ることができる。通常、補助プローブは、位
置検出用プローブに近接して設けられる。また、位置検
出用プローブと補助プローブとはステージの移動方向に
沿って設けることが好ましい。

【００１５】本発明では、垂直ずれ成分検出手段の検出
結果に基づき、前記ｚ方向のずれを補償する信号を、位
置検出用プローブの駆動回路（ｚ制御回路）に与える手
段を設けることもできる。

【００１６】本発明では、位置検出用プローブを、２つ
のプローブ針をｚ方向に一体に動かす機構を持つように
構成することもできる。この場合には、位置検出用プロ
ーブの一方の針が、ステージが移動した際に生じる該ス
テージ面のｚ方向のずれを検出する。この位置決め装置
では、２つのプローブ針の長さ（プローブ針先端の高
さ）を同じにすることもできるし、異ならせることもで
きる。

【００１７】なお、本発明の位置決め装置は、入出力イ
ンタフェースを設けることができる。これにより、位置
記憶部に記憶されたステージの位置データを表示装置に
より表示したり、該位置決め装置を信号処理装置等の他
の装置に接続したりすることができる。

【００１８】また、本発明では、位置検出ユニットを３
組（またはそれ以上）設けることができる。たとえば、
ステージがｚ軸を軸芯として回転し、これが大きな位置
検出誤差となって現れるような場合には、例えばｘ方向
の位置を検出するための位置検出ユニットを間隔を隔て
て２組設け、ｙ方向の位置を検出するための位置検出ユ
ニットを１組設けることができる。３組の位置検出ユニ
ットを使用することで、ステージが上記回転運動を生じ
ないようにアクチュエータを制御することができる。な
お、上記位置検出ユニットは、上記した補助プローブを
有していなくてもよいが、補助プローブを有しているこ
とが望ましい。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例を示す図であ
る。同図では、本発明の位置決め装置を用いたメモリ装
置の概略が切り欠き図により示されている。メモリ装置
全体は、通常、外部からの熱、電磁界、空気の振動等の
物理的環境変化の影響を受けないように（あるいは、該
影響を低減するように）、筐体に密閉されている。筐体
内には、プローブ側基板（プローブ支持部材）１００
と、ステージ側基板（ステージ支持部材）２００とが対
向して設けられている。本実施例の位置決め装置は、位
置決めユニットを２組有している。ここでは、１組目の
ユニットの構成要素に適宜「第１」なる語を付し、２組
目のユニットの構成要素に適宜「第２」なる語を付す。
なお、図１では２組のユニットは、プローブ側基板１０
０の側部に近接して図示されているが、各ユニットの配
置はこれに限定されないことは言うまでもない。

【００２０】プローブ側基板１００には、第１位置検出
用プローブ１１とこれとペアをなす第１補助プローブ１
２との組、および第２位置検出用プローブ２１とこれと
ペアをなす第２補助プローブ２２との組が設けられてい
る。本実施例では、これらのプローブとして、先端に導
電性プローブ針が設けられた、圧電駆動型のもの（ペン
シルタイプのＰＺＴ伸縮素子から成るもの）が用いられ
ており、各プローブは、ｚ方向（ステージ側基板２００
からプローブ側基板に向いた方向）に伸縮動作すること
ができる。なお、図示はしないが、プローブ側基板１０
０には読出し／書込み用のプローブが設けられ、ステー
ジ３の少なくとも表面には記録メディアとして機能する
材料が用いられる。上記読出し／書込み用のプローブと
して、公知の静電駆動型、圧電駆動型のものを用いるこ
とができ、読出し／書込みに公知の方法が採用される。

【００２１】ステージ側基板２００には、ステージ３お
よびｘｙアクチュエータ４が組み込まれており、ｘｙア
クチュエータ４はステージ３を、互いに直交するｘ方
向、ｙ方向に独立に駆動できるような構成となってい
る。ここでは、ｘｙアクチュエータ４として、ｘ方向，
ｙ方向に変位する積層型圧電アクチュエータが用いられ
ている。

【００２２】ステージ面３１は概ね平坦に形成されてお
り、第１位置検出用プローブ１１および第２位置検出用
プローブ２１が位置する部分には、それぞれ複数の凹凸
条から成る第１目盛り部５１および第２目盛り部５２が
形成されている。第１目盛り部５１の凹凸条はｘ方向に
沿って一定ピッチで並設されており、第２目盛り部５２
の凹凸条はｙ方向に沿って一定ピッチで並設されてい
る。第１目盛り部５１および第２目盛り部５２は、ステ
ージ３が最大移動したときに、第１位置検出用プローブ
１１および第２位置検出用プローブ１２から外れない領
域にそれぞれ設けられる。

【００２３】なお、第１補助プローブ１２および第２補
助プローブ２２は、第１位置検出用プローブ１１または
第２位置検出用プローブ２１から、少なくとも移動機構
の可動距離の長さ分だけ離して設けられる。ステージ３
が移動した際に、第１補助プローブ１２または第２補助
プローブ２２が位置するステージ面３１の領域（３１
１，３１２）は、周囲部分よりも平滑にすることができ
る。

【００２４】本実施例では、ｘｙアクチュエータ４の可
動範囲はｘ方向およびｙ方向共に、２０μｍとした。ま
た、第１，第２目盛り部５１，５２、および領域３１
１，３１２のサイズは３０μｍ×３０μｍとした。

【００２５】本実施例では、第１，第２目盛り部５１，
５２は、高さ４１ｎｍの断面鋸歯状の凸条が、ピッチ６
０ｎｍで、それぞれｘ方向，ｙ方向に連続して並設され
ている。なお、図２に、第１目盛り部５１の断面形状
を、第１位置検出用プローブ１１と共に例示しておく。

【００２６】上記の目盛り部５１，５２は、電子ビーム
描画装置を用いたリソグラフィー技術とＳｉの異方性エ
ッチング技術を用いることで形成することができる。前
述したように、凹凸条は、エッチングの速度が結晶の方
向によって異なることを利用することで形成することが
できる。本実施例では、この目盛り部を形成するため
に、まず、電子ビーム描画装置を用いて、Ｓｉウエハー
の（１００）面に、（０１１）方向ピッチが６０ｎｍ、
幅１０ｎｍの感光材のラインアンドスペースのパターン
を形成した（図３（Ａ）参照）。これを２０℃のＫＯＨ
水溶液に９０秒間浸漬しすることにより、Ｓｉウエハー
の（０１１）方向にピッチが６０ｎｍ、高さ４１ｎｍの
断面鋸歯状の凹凸条を形成した（図３（Ｂ）参照）。そ
して、このパターン上に、厚さ１０ｎｍのＰｔを一様に
スパッタリングで成膜した。

【００２７】図４は、図１に示したメモリ装置の位置決
め回路部分を示す図である。なお、ｘ方向，ｙ方向につ
いての位置決め回路は同一構成であるので、以下ｘ方向
の位置決め回路について説明する。第１位置検出用プロ
ーブ１１には、第１位置検出手段６が接続されている。
本実施例では、第１位置検出手段６は、トンネル電流検
出回路６１と、プローブ駆動回路（図１では、ｚ制御回
路６２）と、垂直ずれ成分除去回路６３と、位置検出回
路６４とから成る。また、第１補助プローブ１２には、
第１垂直ずれ成分検出手段７が接続されている。第１垂
直ずれ成分検出手段７は、トンネル電流検出回路７１
と、プローブ駆動回路（図１では、ｚ制御回路７２）と
から成る。

【００２８】トンネル電流検出回路６１は、第１位置検
出用プローブ１１のプローブ針とステージ３の表面との
間に流れるトンネル電流Ｉ_Ｔを検知する。トンネル電流
検出回路６１は、検出信号をｚ制御回路６２に出力する
と共に、スイッチＳＷ_１が閉じているときに該出力信号
をｘｙアクチュエータ４のｘ方向の移動を制御する位置
制御手段（図４では、ｘ制御回路８）に出力する。この
ｘ制御回路８は、ステージ３の位置を記憶する位置記憶
部（図示せず）を有している。ｚ制御回路６２は、前記
トンネル電流Ｉ_Ｔが一定の値を持つように（すなわち、
第１位置検出用プローブ１１のプローブ針とステージ面
３１との間のギャップが一定となるように）第１位置検
出用プローブ１１を駆動すると共に、垂直ずれ成分除去
回路６３に変位量信号ｄ_１を出力する。

【００２９】一方、第１垂直ずれ成分検出手段７のトネ
ンル検出回路７１も、第１補助プローブ１２のプローブ
針とステージ面３１との間に流れるトンネル電流Ｉ_Ｔ′
を検知する。トンネル電流検出回路７１は、検出信号を
ｚ制御回路７２に出力する。ｚ制御回路７２は、前記ト
ンネル電流Ｉ_Ｔ′が一定の値を持つように第１補助プロ
ーブ１２を駆動する。また、ｚ制御回路７２は、変位量
信号ｄ_２（垂直ずれ成分）を、垂直ずれ成分除去回路６
３に出力すると共に、スイッチＳＷ_２が閉じているとき
に補正信号ｆ_２をｚ制御回路６２に出力する。このＳＷ
_２は、本発明における「ｚ方向のずれを補償する信号
を、位置検出用プローブに与えるための手段」に相当す
る。なお、本実施例では、第１位置検出手段６、第１垂
直ずれ成分検出手段７等の回路部分は、プローブ側基板
１００に形成されている。

【００３０】垂直ずれ成分除去回路６３は、変位量信号
ｄ_１から変位量信号ｄ_２を差し引いた信号を、正しい位
置検出信号として位置検出回路６４に出力する。位置検
出回路６４は、位置信号をｘ制御回路８に送出し、ｘ制
御回路８はｘｙアクチュエータ４を制御する。

【００３１】以上の構成の回路において、ステージ３が
ｘ方向に移動したときのｘ方向位置制御、およびステー
ジ３がｙ方向移動したときのｘ方向位置制御について説
明する。

【００３２】ステージ３がｘ方向に移動したときのｘ方
向の位置制御に際しては、ＳＷ_１，ＳＷ_２は共に「開」
とされる。ｘ制御回路８は、移動量設定値に基づき、ス
テージ３をｘ方向に移動する。ステージ面３１がｘ方向
に対して傾きを持つ（ｘ方向に平行でない）場合等にお
いて、上記移動に伴ってステージ３に垂直ずれ（ｚ方向
のずれ）が生じることがある。垂直ずれ成分除去回路６
３は、第１位置検出手段６のｚ制御回路６２の出力（変
位量信号ｄ_１）から垂直ずれ成分（すなわち変位量信号
ｄ_２）を除去して位置検出回路６４に出力する。したが
って、位置検出回路６４における検出値には、前記ステ
ージ面３１がｘ方向に対して傾きを持つこと等に起因す
る誤差が実質上含まれない。第１位置検出用プローブ１
１が、ｘ方向の目標位置に達したときは、ｚ制御回路６
２は、その時点での制御量（出力信号）を記憶し、ｘ制
御回路８は、その時点でのｘ方向の制御出力信号を記憶
する。

【００３３】ステージ３がｙ方向に移動したときのｘ方
向の位置制御に際しては、ＳＷ_１，ＳＷ_２は共に「閉」
とされる。図示しないｙ制御回路（ｘ制御回路８に相当
する）は、移動量設定値に基づき、ステージ３をｙ方向
に移動する。このとき、ステージ面３１がｙ方向に対し
て傾きを持つ（ｙ方向に平行でない）場合等において、
上記移動に伴ってステージ３に垂直ずれ（ｚ方向のず
れ）、または水平ずれ（ｘ方向のずれ）が生じることが
ある。

【００３４】ステージ３に水平ずれが生じる場合、該水
平ずれは以下のように補償される。すなわち、水平ずれ
が生じると、第１位置検出用プローブ１１のプローブ針
とステージ３の表面との間に流れるトンネル電流Ｉ_Ｔの
検出値が変化する。この検出値（補正信号ｆ_１）は、Ｓ
Ｗ_１を介してｘ制御回路８に送出される。ｘ制御回路８
は、記憶されている前記のｘ方向の制御出力信号を参照
して、前記検出値の変化分がゼロとなるように、ｘｙア
クチュエータ４をｘ方向に駆動する。

【００３５】ステージ３に垂直ずれが生じる場合、該垂
直ずれは以下のように補償される。すなわち、第１位置
検出手段６のｚ制御回路６２は、補正信号ｆ_２（ｚ制御
回路７２からの第１補助プローブ１２についてのｚ方向
のずれ成分）をＳＷ_２を介して入力している。ｚ制御回
路６２は内部に記憶されている前記制御量からｚ方向の
ずれに相当する制御量を差し引いて第１位置検出用プロ
ーブ１１を制御する。これにより、第１位置検出用プロ
ーブ１１のプローブ針とステージ３の表面との距離を、
ステージ３がｙ方向に移動する前の状態に常に保持する
ことができる。

【００３６】以上の水平ずれ（ｘ方向のずれ）、垂直ず
れ（ｚ方向のずれ）を補償する動作は同時にかつ逐次行
われるので、ステージ３がｙ方向に移動した際に、水平
ずれ、垂直ずれが生じたとしても、第１位置検出用プロ
ーブ１１のプローブ針の先端は、ステージ３の表面上の
目標の位置（ｘ方向およびｙ方向位置）に位置決めされ
る。

【００３７】既に述べたように、ｙ方向についての位置
決め回路も、上記と同様の動作を行う。したがって、ス
テージ面３１がｘ方向やｙ方向に対して傾きを持つ等に
起因して、ｘやｙ方向のずれあるいはｚ方向のずれが生
じても、位置制御は正しく行われ、位置決めの誤差が著
しく低減される。さらに、ｘ方向移動時のｘ，ｙ方向の
ずれや、ｙ方向移動時のｘ，ｙ方向のずれも逐次補正さ
れる。

【００３８】図５は本発明の第２の実施例を示す図であ
る。図５のメモリ装置では、ｘ方向についての位置決め
機構部のみを示してある。図５のメモリ装置には、図１
のメモリ装置に示したような位置検出用プローブと独立
して動作する補助プローブは設けられていない。その代
わりに、第１位置検出用プローブ１は、２つのプローブ
針１Ａ，１Ｂを持っている。２つのプローブ針１Ａ，１
Ｂは圧電駆動される共通のアクチュエータ（ここでは、
積層型圧電アクチュエータ）１Ｃに設けられている。さ
らに、図５のメモリ装置では、目盛り部の構成が図１の
メモリ装置の目盛り部の構成と異なっている。なお、図
５において、図１のメモリ装置と同一構成要素について
は、図１と同一の符合を付してある。

【００３９】図６は図５におけるステージ３の表面部を
やや拡大して示す図である。図６において、第１目盛り
部５４は、断面台形の多数の凹凸条が、ｘ方向に一定ピ
ッチで連続して並設されている。本実施例では、台形の
繰り返しピッチは６００ｎｍ、台形の高さは約２５０ｎ
ｍ、台形の上底は２００ｎｍ、台形の下底は５６０ｎｍ
としてある。

【００４０】この目盛り部を形成するために、まず、電
子ビーム描画装置を用いて、Ｓｉウエハーの（１００）
面に、（０１１）方向にピッチが６００ｎｍ、幅が３０
０ｎｍの感光材のラインアンドスペースのパターンを形
成した。これを８０℃のＫＯＨ水溶液に２４０秒間浸漬
した。これにより、Ｓｉウエハーの（０１１）方向に前
記形状の凹凸条を形成した。この凹凸条の上に、厚さ１
０ｎｍのＰｔを一様にスパッタリングで成膜した。

【００４１】本実施例では、アクチュエータ１Ｃから一
方のプローブ針１Ａの先端までの距離は、アクチュエー
タ１Ｃから他方のプローブ針１Ｂの先端までの距離より
も、前記凹凸条断面の台形高さの１／２だけ長い。すな
わち、プローブ針１Ａの長さは、プローブ針１Ｂよりも
約１２５ｎｍ長くしてある。また、本実施例では、２つ
のプローブ針１Ａとの１Ｂ間隔は、前記台形の繰り返し
ピッチの（ｎ＋３／４）倍の値（ｎは、０または正の整
数）、つまり１０５０ｎｍ，１６５０ｎｍ，２２５０ｎ
ｍ，・・・といったように、ピッチ６００ｎｍごとの距
離にすることができる。本実施例では、両プローブ間距
離は１６５０ｎｍとした。

【００４２】図７は図５に示したメモリ装置の位置決め
回路を示す図である。なお、この場合にも、ｘ方向とｙ
方向とについての位置決め回路は同一であるので、以下
ｘ方向の位置決め回路について説明する。プローブ針１
Ａは加算器９に接続されている。また、プローブ針１Ｂ
は１入力２出力端子を持つ切換スイッチＳＷ_３の入力端
子に接続されている。ＳＷ_３の一方の出力端子は加算器
９に接続されており、他方の出力端子は２入力１出力端
子を持つ切換スイッチＳＷ_４の一方の入力端子に接続さ
れている。加算器９の出力はＳＷ_４の他方の入力端子に
入力されると共に、スイッチＳＷ_５の一方の端子に接続
されており、このスイッチＳＷ_５の他方の端子はｘ制御
回路８に接続されている。

【００４３】第１位置検出手段６は、本実施例では、ト
ンネル電流検出回路６１と、プローブ駆動回路（図７で
は、ｚ制御回路６２）と、位置検出回路６４とから成
る。ＳＷ_４の出力端子からの信号はトンネル電流検出回
路６１に入力される。トンネル電流検出回路６１からの
信号は、ｚ制御回路６２に出力される。ｚ制御回路６２
はアクチュエータ１Ｃを入力信号に応じて駆動すると共
に、変位信号ｄ_３を位置検出回路６４に出力する。位置
検出回路６４は検出信号をｘ制御回路８に出力し、ｘ制
御回路８はｘｙアクチュエータ４を制御する。

【００４４】以上の構成の回路において、ステージ３が
ｘ方向に移動するときのｘ方向位置制御、およびｙ方向
に移動するときのｘ方向位置制御について説明する。

【００４５】ステージがｘ方向に移動するときには、Ｓ
Ｗ_３はプローブ針１Ｂを加算器９に接続し、ＳＷ_４は加
算器９をトンネル電流検出回路６１に接続する。また、
ＳＷ_５は「開」とされる。これによりトンネル電流検出
回路６１にはプローブ針１Ａと１Ｂの出力信号の加算値
が入力され、ｚ制御回路６２からの制御信号に基づきア
クチュエータ１Ｃが駆動される。位置検出回路６４は、
ｚ制御回路６２からの変位量信号ｄ_３に基づき、第１位
置検出用プローブ１の位置を検出し、位置検出信号をｘ
制御回路８に送出する。

【００４６】このときの、プローブ針１Ａのｘ方向の位
置とアクチュエータ１Ｃの変位量との関係を図８に示
す。ｘ制御回路８によるｘｙアクチュエータ４の変位量
は、図８に示したように一定のパターンを有する。した
がって、位置検出回路６４はこのパターンを予め記憶し
ておくことで、第１位置検出用プローブ１の位置を正確
に知ることができ、ｘ制御回路８は、ｘｙアクチュエー
タ４の＋，−方向を含む制御を正確かつ容易に行うこと
ができる。

【００４７】図８における矢印ｐの位置は、プローブ針
１Ａが、断面台形の凹凸条の２つの斜辺のうち、図７に
示す右下がりの斜辺上の位置していることに対応する。
このとき、プローブ針１Ｂは前記台形の上底部分に位置
している（図６における各プローブ１Ａ，１Ｂの位置参
照）。プローブ針１Ａ（或いは、１Ｂ）が、ｘ方向の目
標位置に達したときは、ｚ制御回路６２は、その時点で
の制御量（出力信号）を記憶し、ｘ制御回路８は、その
時点でのｘ方向の制御出力信号を記憶する。

【００４８】ステージがｙ方向に移動するときには、Ｓ
Ｗ_３〜ＳＷ_５の切り換えが行われる。すなわち、Ｓ
Ｗ_３，ＳＷ_４はプローブ針１Ｂをトンネル電流検出回路
６１に接続する。また、ＳＷ_５は「閉」となり、加算器
９をｘ制御回路８に接続する。この後に、ｘ制御回路８
は、ｘｙアクチュエータ４をｙ方向に移動させる。ｙ方
向の移動においては、プローブ針１Ｂのトンネル電流が
一定となるようにアクチュエータ１Ｃの変位量が制御さ
れ、かつプローブ針１Ａのトンネル電流が一定になるよ
うに、ｘｙアクチュエータ４が制御される。

【００４９】ｘ制御回路８は加算器９からの信号（補正
信号ｆ_３）に基づく補正成分を、前記の記憶された制御
出力信号に重畳して出力する。このとき、ステージ３の
垂直方向のずれ（ステージ面３１が傾きを持つこと等に
起因するずれ）は、プローブ針１Ｂとステージ３の表面
との間を流れるトンネル電流の変化として検出され、ア
クチュエータ１Ｃにより補正される。

【００５０】図示しないｙ方向についての位置決め回路
も、上記ｘ方向についての位置決め回路と同様の動作を
行う。さらに、ｘ方向移動時のｘ，ｙ方向のずれや、ｙ
方向移動時のｘ，ｙ方向のずれも逐次補正される。図１
〜図４において述べたメモリ装置と同様、図５〜図７の
メモリ装置においても、ステージ面が傾きを持つ等に起
因して生じる種々のずれ（ｘ方向やｙ方向のずれ、或い
はｚ方向のずれ）が生じても、位置制御は正しく行わ
れ、位置決めの誤差が著しく解消される。

【００５１】以上、プローブとして圧電動作型のものを
用いた場合を説明したが、本発明においては、圧電動作
型のプローブに代えて静電動作型のプローブ（カンチレ
バー等）を用いることもできることは言うまでない。ま
た、以上の実施例では、プローブの先端とステージ面３
１との間に流れるトンネル電流を検出することで、ステ
ージの位置決め等を行ったが、プローブ針と凹凸条と間
に加わる押圧力を検出することで、上記と同様にしたス
テージの位置決めを行うこともできる。

【００５２】

【発明の効果】以上述べた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）制御回路等を基板に組み込むことができるので、
装置全体が大型化することなく、プローブとステージと
の相対的な位置制御を正確に行うことができる位置決め
装置を提供することができる。 （２）ステージに目盛りを形成し、これをプローブによ
り感知することにしたので、精度が高い位置決め装置を
提供することができる。 （３）ステージ表面が移動方向に対して傾きを持つ場合
や、ステージ移動の際に該ステージがｚ方向にずれる場
合に生じる、位置検出誤りや位置検出不能を解消するこ
とができる。 （４）プローブ顕微鏡、メディア移動型メモリ装置の
他、原子レベルのマニピュレータ、情報処理装置や評価
装置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の実施例を示す図である。

【図２】図１における第１目盛り部の断面形状を示す図
である。

【図３】図１における目盛り部材の製造過程を示す図で
ある。

【図４】図１に示したメモリ装置の位置決め回路部分を
示す図である。

【図５】本発明の第２の実施例を示す図である。

【図６】図５におけるステージの表面部をやや拡大して
示す図である。

【図７】図５に示したモリ装置の位置決め回路部分を示
す図である。

【図８】図５のメモリ装置における一方のプローブ針の
ｘ方向の位置とアクチュエータの変位量との関係を示す
図である。

【符号の説明】

１００ プローブ側基板 ２００ ステージ側基板 １１ 第１位置検出用プローブ １２ 第１補助プローブ ２１ 第２位置検出用プローブ ２２ 第２補助プローブ ３ ステージ ３１ ステージ面 ４ ｘｙアクチュエータ ５１ 第１目盛り部 ５２ 第２目盛り部 ６ 第１位置検出手段 ６１ トンネル電流検出回路 ６２ ｚ制御回路 ６３ 成分除去回路 ６４ 位置検出回路 ７ 第１垂直ずれ成分検出手段 ７１ トンネル電流検出回路 ８ ｘ制御回路 ９ 加算器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面を持つステージと、 前記ステージを前記平面にほぼ平行な方向に移動させる
   アクチュエータと、 少なくとも１組の位置決めユニットと、を具備する位置
   決め装置であって、 前記位置決めユニットは、 前記ステージの表面との間の所定物理量を検知するため
   の位置検出用プローブと、 前記ステージが一の方向に移動した際に前記位置検出用
   プローブが感知できる前記平面の所定領域に形成された
   目盛り部と、 前記位置検出用プローブによる感知信号に基づき、前記
   ステージの移動量を検出する位置検出手段と、 前記位置検出手段の検出結果に基づいて前記アクチュエ
   ータを駆動する位置制御手段と、 前記ステージの位置を記憶する位置記憶部と、を有する
   ことを特徴とする位置決め装置。
2. 【請求項２】 前記位置検出用プローブが、２つのプロ
   ーブ針をｚ方向に一体に動かす機構を持つ、請求項１に
   記載の位置決め装置であって、 前記位置検出用プローブの一方のプローブ針が、前記ス
   テージが移動した際に該ステージ面の前記位置検出用プ
   ローブに対するｚ方向のずれを検出する、ことを特徴と
   する位置決め装置。
3. 【請求項３】 前記位置決めユニットを２組有すること
   を特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
4. 【請求項４】 前記位置決めユニットは、 前記ステージの表面との間の所定物理量を検知するため
   の、前記位置検出用プローブとペアを成す補助プローブ
   と、 前記ステージが移動した際に前記平面のｚ方向のずれ
   を、前記ステージ表面と前記補助プローブとの間の物理
   量の変化として検出する垂直ずれ成分検出手段と、 前記ｚ方向のずれを補償する信号を、前記位置検出用プ
   ローブに与えるための手段と、を有することを特徴とす
   る請求項１または３に記載の位置決め装置。
5. 【請求項５】 前記目盛り部が、導電性の複数の凹凸条
   から成り、 前記位置検出用プローブが、先端に設けた導電性プロー
   ブ針をｚ方向に動かす機構を備え、 前記ステージ表面と、前記位置検出用プローブとの間の
   物理量が、前記微小針と凹凸条とのギャップに流れるト
   ンネル電流であり、 前記位置検出手段は、該トンネル電流を検出するトンネ
   ル電流検出回路、および前記プローブ針をｚ方向に動か
   すギャップ制御回路をそれぞれ有して成る、ことを特徴
   とする請求項１〜４に記載の位置決め装置。
6. 【請求項６】 前記目盛り部が、複数の凹凸条から成
   り、 前記位置検出用プローブが、プローブ針をそれぞれｚ方
   向に動かすカンチレバー機構を備え、 前記ステージ表面と、前記置検出用プローブとの間の物
   理量が、前記微小針と凹凸条と間に加わる押圧力であ
   り、 前記位置検出手段は、前記押圧力を検出する応力検出回
   路、および微小針を凹凸条に押圧する押圧制御回路を有
   して成る、ことを特徴とする請求項１〜５に記載の位置
   決め装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜６に記載の位置決め装置を有
   するメディア移動型メモリ装置であって、前記ステージ
   が記録メディアであり、前記表面に対して読出し／書込
   み用プローブを有することを特徴とするメモリ装置。