JPH10312592A - 情報処理装置および情報処理方法 - Google Patents

情報処理装置および情報処理方法

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JPH10312592A
JPH10312592A JP9137761A JP13776197A JPH10312592A JP H10312592 A JPH10312592 A JP H10312592A JP 9137761 A JP9137761 A JP 9137761A JP 13776197 A JP13776197 A JP 13776197A JP H10312592 A JPH10312592 A JP H10312592A
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JP
Japan
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probe
information processing
piezoresistor
recording medium
probes
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JP9137761A
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Shunichi Shito
俊一 紫藤
Takayuki Yagi
隆行 八木
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Canon Inc
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Publication date
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    • G11B9/1418Disposition or mounting of heads or record carriers
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    • G11B9/1436Disposition or mounting of heads or record carriers with provision for moving the heads or record carriers relatively to each other or for access to indexed parts without effectively imparting a relative movement with provision for moving the heads or record carriers relatively to each other
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    • Y10S977/84Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
    • Y10S977/849Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
    • Y10S977/85Scanning probe control process
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  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】ピエゾ抵抗による変位検出手段を備えた情報処
理手段において、プローブ平面と記録媒体表面との2平
面を簡便な手段により平行に設定する。 【解決手段】記録媒体102に対して探針を走査し、そ
の物理的相互作用により情報の書き込みと読み出しを行
なう複数のプローブ101を平面内に2次元的に配置
し、情報の記録再生の際にプローブ平面と記録媒体表面
との2平面を平行に設定する位置設定手段を備えた情報
処理装置であって、位置設定手段がピエゾ抵抗体を備え
たカンチレバーからなる3本の位置検出プローブを平面
内において同一直線状にない位置に配し、ピエゾ抵抗全
体を並列に接続して測定したピエゾ抵抗体の電気抵抗の
変化によりプローブ平面と記録媒体表面の傾きを補正
し、その直列接続への切り替えにより測定したピエゾ抵
抗体の電気抵抗の変化によってプローブ平面と媒体基板
面の間の距離を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、探針と試料を両者
間に電圧を印加し、接近させることによって生じる電気
現象を利用した情報の記録再生装置及び方法に係り、特
に探針と試料との間に流れる電流値を測定し、その電流
信号の変化から記録されている情報を再生する情報処理
装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、探針と試料とを接近させ、その時
に生じる物理現象(トンネル現象、原子間力等)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
る走査型プローブ顕微鏡(以下SPMと略す)が開発さ
れ、単結晶、非晶質を問わず様々な物理量の実空間像を
高い分解能で測定できるようになっている。産業分野に
おいては、近年、SPMの原子あるいは分子サイズの高
分解能を有する原理に着目し、特開昭63−16155
2号公報および特開昭63−161553号公報に開示
されているように、媒体に記録層を用いることによる情
報記録再生装置への応用、実用化が精力的に進められて
いる。
【0003】上記のような情報記録再生装置への応用に
際しては、その転送レートの向上のために、複数プロー
ブの並列処理(マルチ化)が進んでいる。また、そのた
めのプローブ作製プロセスも、従来の半導体プロセス等
を用いて検討されている。例えば、200Mbps程度
の転送速度を得るためには、1本当たり100kbps
のプローブを用いた場合2000本のプローブが必要に
なってくる。2000本のプローブは例えば同一基板上
に半導体プロセスを用いて作製されるが、多くの場合こ
れらのプローブは基板面に2次元的に配置される。この
ように、2次元的にプローブを配置した場合、すべての
プローブが媒体と相互作用を起こすことができる距離に
合わせるには、媒体表面とプローブ基板の平行性を保つ
ことが必要不可欠である。そのためには、例えばプロー
ブ基板上にプローブ基板と記録媒体との距離を測定する
ための測定機構を3点以上設けることによって、それら
によって測定される距離情報から2面の平行を保つこと
ができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、距離測
定を複数点で同時に行う場合に、従来から用いられてい
る光りてこ方式のAFMでは、光検出系の構成が必要で
あり、複数プローブの変位を同時に測定する機構は極め
て複雑であり、その上プローブの集積化の点から考えて
も問題となっていた。一方最近は、ピエゾ抵抗AFMと
いう技術が変位測定に用いられている。それは例えば、
特開平5−196458号公報に示されているような半
導体の機械的な歪みによる抵抗変化を利用してカンチレ
バー等の変位検出系の変形歪みを抵抗変化で読み取ると
いうものである。このような変位検出手段を用いた場合
には従来の光りてこ方式のAFMの様な光検出系等を用
いる必要がなく、抵抗変化のみを検出すれば良いので複
数の変位検出プローブを基板上に集積化するのに好都合
である。
【0005】本発明は、このようにピエゾ抵抗による変
位検出手段を備えた情報処理手段において、プローブ平
面と記録媒体表面との2平面を簡便な手段により平行に
設定することのできる情報処理装置および情報処理方法
を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、情報処理装置および情報処理方法をつぎの
ように構成したことを特徴とするものである。すなわ
ち、本発明の情報処理装置は、記録媒体に対して探針を
走査し、その物理的相互作用により情報の書き込みと読
み出しを行なう複数のプローブが平面内に2次元的に配
置され、情報の記録再生の際にプローブ平面と記録媒体
表面との2平面を平行に設定する位置設定手段を備えた
情報処理装置であって、前記位置設定手段がピエゾ抵抗
体を備えたカンチレバーからなる少なくとも3本の位置
検出プローブを有し、該3本の位置検出プローブが2次
元的に配置されたプローブ平面内において同一直線状に
ない位置に配されていることを特徴としている。また、
本発明の情報処理装置は、前記位置設定手段が、前記ピ
エゾ抵抗体の電気抵抗を測定する抵抗測定器を有してい
ることを特徴としている。また、本発明の情報処理装置
は、前記位置設定手段が、前記ピエゾ抵抗体におけるピ
エゾ抵抗全体を並列あるいは直列に切り換えることので
きる切り換え機構を有していることを特徴としている。
また、本発明の情報処理装置は、上記切り換え機構を有
する情報処理装置を用いて情報の処理を行う情報処理方
法であって、ピエゾ抵抗全体を並列に接続して測定され
たピエゾ抵抗体の電気抵抗の変化によりプローブ平面と
記録媒体表面の傾きを補正すると共に、その直列接続へ
の切り替えにより測定されたピエゾ抵抗体の電気抵抗の
変化によってプローブ平面と媒体基板面の間の距離を調
整し、これらの動作を順次行いプローブ平面と記録媒体
表面との位置を制御して情報の処理を行うことを特徴と
している。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明は、上記したようにピエゾ
抵抗体を備えたカンチレバーからなる少なくとも3本の
位置検出プローブというきわめて簡便な構成により、プ
ローブ平面と記録媒体表面の2平面を平行に設定するこ
とが可能となる。また、変位検出用プローブはピエゾ抵
抗を用いているために、従来のAFMの様な光を用いた
変位検出とは異なり、半導体プロセスのみによって実現
できるため、集積化が可能となる上、特に、それらの変
位検出用プローブのピエゾ抵抗を直列・並列につなぎ変
えて抵抗値を測定し、動作させる構成により、各々のプ
ローブの抵抗を個別に測定する様な複雑な手間および回
路を不要とすることができる。
【0008】
【実施例】以下、図に基づいて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の構成の
概略を示す。図1の上図は横から見たところで、記録媒
体102に対して3つのプローブ基板103が対向して
おり、プローブ基板103には変位検出用プローブ10
1が構成されている。このプローブの詳細はは図2に示
すようなもので、図2の上図に示したような形状をして
いる。203は片持ち梁で先端に探針201が付いてい
る。また、このプローブはnタイプのSi基板にpタイ
プのピエゾ抵抗204を形成しレバーにしたもので、図
2の下図に示すようになっている。ここで、201は探
針で205が絶縁保護用のSi酸化膜からなる絶縁体保
護層、202はピエゾ抵抗測定用の取り出し線である金
属配線パターンでアルミ蒸着により形成されている。
【0009】再び、図1に戻ると、プローブ基板103
は3つのアクチュエータ104で、記録媒体面に垂直方
向にプローブ基板を駆動するようになっている。105
はアクチュエータ駆動ユニットでアクチュエータの支持
も行なっている。このアクチュエータ駆動ユニット10
5は面合わせ制御回路106の制御信号によってそれぞ
れのアクチュエータを駆動する。面合わせ制御回路10
6はプローブ基板から送られてくる出力信号である抵抗
値を元に制御しているが、その抵抗値は面合わせ制御回
路106の出力する切り換え制御信号に基づいて後述す
るように変化する。図1の下図はプローブ基板103を
下から見たところである。それぞれのプローブの配置は
面を決定するように同一ライン上にはない。図中点線で
示した四角はアクチュエータ104の位置を示してい
る。(以降、それぞれのアクチュエータをプローブの記
号をとってアクチュエータA、アクチュエータB、アク
チュエータCと呼ぶ。) それぞれのプローブの実際は図2に示すような構成及び
形状になっている。上図が正面から見たところ、下図が
断面である。このプローブの作製方法については特開平
5−196458号公報に開示されているSOI基板を
用いたプロセスと同様なものを用いて形成した。203
が基板及び片持ち梁アーム、204がピエゾ抵抗体、2
01は探針、205は絶縁体保護層、202は金属配線
パターンである。Hは片持ち梁の実効的な長さ、Wは実
効的な幅の1/2、Hはレバーの厚さを示している。こ
の大きさによってレバーの機械特性(弾性定数や共振周
波数)が変化すると共に、ピエゾ抵抗の大きさにも影響
を与える。本実施例で使用したプローブはW=20μ
m、L=50μm、H=2μmで、ピエゾ抵抗体の厚さ
=0.5μm、応力が働かない場合の抵抗値Rinit=1
7kΩ(プローブ間ばらつき0.01%)であった。ま
た、共振周波数は145kHzであった。
【0010】つぎに実際の動作について図3および図4
を用いて説明する。基板103上には図3(a)に示す
ように、それぞれのレバーの抵抗を切り換えるSW1〜
4の4つのアナログスイッチが設けられている。本実施
例では、MOS−FETによるスイッチ回路をプロセス
によって基板上に作製した。これらのスイッチを図1の
面合わせ制御回路106の出力する切り換え制御信号に
よってオンオフ制御する。ピエゾ抵抗レバーはレバーた
わみ量ΔZとレバー抵抗変化量ΔRは原理的に比例関係
が成立している(詳細はM.Tortonese,R.
C.Barrett,and C.F.Quate,A
ppl.Phys.Lett.,62,834(199
3)に記載されている。)。すなわち、ピエゾ抵抗R=
0+ΔR=R0+αΔZである。例えば、図1中の2プ
ローブA、Bを例に説明する。両探針が媒体に接触して
いない揚合には、それぞれの抵抗値はRA0=RB0=R0
となる。プローブ基板と媒体が接近し、両プローブが接
触した場合には、両プローブのたわみ量をΔZA、ΔZB
とすれば、RA0=R0+αΔZA、RB0=R0+αΔZB
なる。プローブ基板面と媒体面が平行な場合には、プロ
ーブAとBのたわみ量が等しく、両抵抗値は等しい。そ
こで、ここでRA0とRB0をRA0=R0+αΔZA=R1
ΔZ、RB0=R0+αΔZB=R1−ΔZとすれば、ΔZ
=0で平行になる。そこで、このRA0とRB0を並列に接
続して(その抵抗をRPとする)、それぞれのレバー位
置のアクチュエータA、Bを反対方向に等量ずつ動かし
ながら、RPが最大になるように調節する。ここで、R
-1 P=(R1+ΔZ)-1+(R1−ΔZ)-1=2R1(R2 1
−ΔZ2 -1であるから、RPが最大のときには、ΔZが
0となっている。すなわち、媒体面とプローブABを結
ぶ線は並行となることがわかる。
【0011】そこで、本発明においては図3に示すよう
なスイッチの切り換え制御を行なって、3つのプローブ
に付いて媒体基板面とプローブ基板面との並行出し(以
降「面合わせ」と呼ぶ)を簡便に実現させた。図3の
(a)は3本のプローブが直列に接続された場合を示し
ており、(b)は並列に接続された場合を示している。
図4に示すような手順に従って面合わせを行なった。始
めに図3の(a)の接続にして(ステップ1)アクチュ
エータA、B、Cをプローブ基板と媒体基板が接近する
方向に動かす(ステップ2)。これらのアクチュエータ
は本実施例においては積層型の圧電体を用いたが、ステ
ッピングモータの様な比較的ダイナミックレンジの大き
なものを用いてもよい。接触はまずひとつのプローブに
より起こるが、接触してからの抵抗変化は1本のプロー
ブの場合には小さい。やがて2本目、3本目のプローブ
が接触すると抵抗変化は2倍、3倍となる。この抵抗変
化を測定することによって全部のプローブが接触したの
を確認できる。3本のプローブ全部が接触した後、プロ
ーブを並列接続(図3の(b))に切り換える(ステッ
プ3)。アクチュエータCは静止させたままで、アクチ
ュエータA、Bを反対に等変位量ずつ動かしながら検出
抵抗値が最大になる点を探す(ステップ4)。次に、つ
なぎ方は同じまま(図3の(b))で、今度はアクチュ
エータAとBを同じ方向に、アクチュエータCをそれと
は反対方向に等変位量ずつ動かしながら検出抵抗値が最
大になる点を探す(ステップ5)。以上の走査を終える
とプローブ基板面は媒体基板面と並行になった。つぎ
に、再びプローブ抵抗ABCを直列に接続し、全体のア
クチュエータを同方向に等変位量ずつ動かしながら任意
のプローブ御仕込両に調節する(ステップ7)。以上の
方法によって面合わせが高精度で行なわれることを確認
するために、概略として図5に示すような、大きさが2
mm□のプローブ基板を作成した。図のプローブ基板
(501)は面合わせ用プローブ(502)を3本持
ち、その他に電流検出用のマイクロプローブ(503)
を400本(20×20)を等間隔に作成した。
【0012】図6はそれぞれのプローブを横から見たも
のであり、601は面合わせ用プローブ、602は電流
検出用のプローブ、603は記録媒体面である。このマ
イクロプローブは図7に示すように、導電性の探針70
1に電流取り出し用の配線を施したもので、電位差を持
った媒体と接触することによって、電流を流し、接触を
検出することが可能である。実際の電流検出は時分割で
それぞれのプローブについて切り換えて測定した。70
2はスイッチであり、現在はR端子がマイクロプローブ
の上から3番目につながっていることを示している。R
端子は電流電圧変換回路703につながっており、検出
電流は電圧に変換されて計測される。面合わせ用のプロ
ーブと電流検出用のプローブの大きさの関係は図6の様
になっている。面合わせ用のプローブ601は長さ約5
0μm、探針の高さ10μm、電流検出用のプローブ6
02は長さ30μm、探針の高さ7μmで、両プローブ
とも厚さは2μmである。面合わせ用プローブの先端が
媒体に接触してから電流検出用のプローブが接触するま
でに3μmの差がある様に作られている。図6の(a)
の矢印の様に、両基板を接近させていくと両プローブは
(b)に示すような接触の仕方をすることになる。
【0013】上記のようなプローブ基板を用いて、面合
わせ実験を行なった。媒体基板にはSi基板上に蒸着し
たAu薄膜を用いた。初期の接近動作(粗動)はステッ
ピングモータによって目視によって行ない、微動はそれ
ぞれのアクチュエータ(前述のABCで積層型圧電素
子)によって行なった。面合わせ完了後に、ゆっくりと
アクチュエータABCを動かして図4のステップ7の動
作を行ないながら、媒体に0.1Vの電圧を印加しなが
ら電流検出プローブで電流検出を行なったところ、50
0nm以内のばらつきで全部のプローブに電流が検出さ
れた。この500nmという値はプローブ基板と媒体基
板の面内の凹凸の和にほぼ等しく、面合わせがその精度
で行なわれていることを示している。
【0014】[実施例2]実施例2は、実施例1で説明
したプローブ基板を用いて行なった記録再生の例であ
る。記録媒体は、特開昭63−161552号公報また
は特開昭63−161553号公報に記載の共役π電子
系を持つ有機化合物をラングミュア−ブロジェット法に
よって成膜した6単分子層の有機超薄膜(LB膜)を用
いた。記録は、実施例1に示した様な電流検出プローブ
に時系列で順々にパルス電圧を印加する方法で行なっ
た。回路は図7に示すものを用いて行なった。実施例1
の場合と異なり、R端子ではなくW端子を用いて、各プ
ローブにタイミングを合わせてパルスを印加した。記録
のための印加波形は波高値3Vの三角波を用いた。再生
には基板側に2VのDCバイアスを印加して、プローブ
はR端子に接続して電流を測定する方法によって行なっ
た。なお、図示はされていないが、媒体は媒体面と並行
に走査できる機構が設けてあり、ビットの記録は媒体の
走査を行ないながら、媒体上の任意の位置にビットが記
録できるようになっている。
【0015】媒体を走査しながら、電流値を用いてすべ
てのプローブからのビットをSTMと類似の画像として
観察したところ、ビットの形状及び大きさがどのプロー
ブについても一定しており、再生されない部分等は検出
されなかった。通常、プローブの媒体への押し付け圧が
大きい場合には、プローブ先端の媒体との接触面積が増
大し、ビットもそれに伴って大きくなる傾向がある。ビ
ットの大きさのばらつきや形状のばらつきは、再生時の
エラーレートに影響を与えるために望ましくない。本実
施例において得られた結果は、すべてのプローブが記録
面に接触しており、また特定のプローブ等に過大な圧力
等がかかっていないことを示している。この結果より、
複数プローブを2次元的に配置しても、本発明を用いて
媒体とプローブ面との位置を並行に設定し走査すること
によって、安定な記録再生を行なうことが可能であるこ
とが明らかとされた。
【0016】
【発明の効果】本発明は、上記したようにピエゾ抵抗体
を備えたカンチレバーからなる少なくとも3本の位置検
出プローブによるきわめて簡便な構成により、プローブ
平面と記録媒体表面の2平面を平行に設定することがで
き、安定な記録再生が可能となる。また、変位検出用プ
ローブはピエゾ抵抗を用いているために、従来のAFM
の様な光を用いた変位検出とは異なり、半導体プロセス
のみによって実現できるため、集積化が可能となる上、
特に、それらの変位検出用プローブのピエゾ抵抗を直列
・並列につなぎ変えて抵抗値を測定し、動作させる構成
により、各々のプローブの抵抗を個別に測定する様な複
雑な手間および回路が不要となり、簡便な構成によって
情報の処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の面合わせ機構を示す構成図である。
【図2】本発明の変位検出レバーの構成図である。
【図3】本発明におけるレバー抵抗接続図である。
【図4】本発明の面合わせ手順を示した図である。
【図5】本発明の記録再生用プローブ基板の該略図であ
る。
【図6】本発明の変位検出プローブと電流検出プローブ
の関係を示した図である。
【図7】記録再生用システムのブロック図である。
【符号の説明】
101:変位検出用プローブ 102:記録媒体 103:プローブ基板 104:アクチュエータ 105:アクチュエータ駆動ユニット 106:面合わせ制御回路 201:探針 202:金属配線パターン 203:片持ち梁 204:ピエゾ抵抗体 205:絶縁体保護層 501:プローブ基板 502:面合わせ用プローブ 503:電流検出用のマイクロプローブ 601:面合わせ用プローブ 602:電流検出用プローブ 603:記録媒体面 701:探針 702:スイッチ 703:電流電圧変換回路

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】記録媒体に対して探針を走査し、その物理
    的相互作用により情報の書き込みと読み出しを行なう複
    数のプローブが平面内に2次元的に配置され、情報の記
    録再生の際にプローブ平面と記録媒体表面との2平面を
    平行に設定する位置設定手段を備えた情報処理装置であ
    って、前記位置設定手段がピエゾ抵抗体を備えたカンチ
    レバーからなる少なくとも3本の位置検出プローブを有
    し、該3本の位置検出プローブが2次元的に配置された
    プローブ平面内において同一直線状にない位置に配され
    ていることを特徴とする情報処理装置。
  2. 【請求項2】前記位置設定手段が、前記ピエゾ抵抗体の
    電気抵抗を測定する抵抗測定器を有していることを特徴
    とする請求項1に記載の情報処理装置。
  3. 【請求項3】前記位置設定手段は、前記ピエゾ抵抗体に
    おけるピエゾ抵抗全体を並列あるいは直列に切り換える
    ことのできる切り換え機構を有していることを特徴とす
    る請求項2に記載の情報処理装置。
  4. 【請求項4】請求項3に記載の情報処理装置を用いて情
    報の処理を行う情報処理方法であって、ピエゾ抵抗全体
    を並列に接続して測定されたピエゾ抵抗体の電気抵抗の
    変化によりプローブ平面と記録媒体表面の傾きを補正す
    ると共に、その直列接続への切り替えにより測定された
    ピエゾ抵抗体の電気抵抗の変化によってプローブ平面と
    媒体基板面の間の距離を調整し、これらの動作を順次行
    いプローブ平面と記録媒体表面との位置を制御して情報
    の処理を行うことを特徴とする情報処理方法。
JP9137761A 1997-05-13 1997-05-13 情報処理装置および情報処理方法 Withdrawn JPH10312592A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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