DE3856296T2

DE3856296T2 - Tunnelstromkodierer

Info

Publication number: DE3856296T2
Application number: DE3856296T
Authority: DE
Inventors: Ken Yokohama-Shi Kanagawa-Ken Eguchi; Haruki Ohta-Ku Tokyo Kawada; Hisaaki Ohta-Ku Tokyo Kawade; Eigo Ebina-Shi Kanagawa-Ken Kawakami; Toshimitsu Ohta-Ku Tokyo Kawase; Hiroshi Isehara-Shi Kanagawa-Ken Matsuda; Yuko Kawasaki-Shi Kanagawa-Ken Morikawa; Hiroyasu Zama-Shi Kanagawa-Ken Nose; Kenji Ohta-Ku Tokyo Saitoh; Kunihiro Isehara-Shi Kanagawa-Ken Sakai; Akihiko Ohta-Ku Tokyo Yamano; Yoshihiro Ohta-Ku Tokyo Yanagisawa; Minoru Nakano-Ku Tokyo Yoshii
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-08-25
Filing date: 1988-08-24
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2008-08-25
Also published as: DE3854173T2; EP0304893A3; DE3856296D1; EP0304893A2; EP0646913A3; US5519686A; EP0646913B1; DE3854173D1; US5721721A; EP0304893B1; EP0646913A2

Description

Gebiet der Erfindung und verwandter Stand der Technik:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Codiereinrichtung, wie sie bei der Erfassung von Positionsinformationen bei einer Feinpositionierung, Raumabmessung, Abstandsmessung, Geschwindigkeitsmessung und dergleichen verwendet wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Codiereinrichtung, wie sie in einer Meßsteuerung verwendet werden kann, deren Auflösung in der Größenordnung von Atomen (einigen Ångström (1 Ångström = 10&supmin;¹&sup0; m) legt.
Normalerweise besitzen derartige Codiereinrichtungen eine Bezugsskala, die einer Position oder einem Winkel entsprechende Informationen anzeigt, und eine relativ zur Bezugsskala bewegliche Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der der Position oder dem Winkel entsprechenden Informationen. Hinsichtlich der verwendeten Bezugsskala und Erfassungsvorrichtung wird die Codiereinrichtung in verschiedene Typen eingeteilt, beispielsweise in optische Codiereinrichtungen, magnetische Codiereinrichtungen, Codiereinrichtungen vom elektrostatischen Kapazitätstyp usw.
Von diesen Codiereinrichtungen weisen die optischen Codierenrichtungen die höchste Auflösung auf, die beispielsweise das Prinzip der Gitterinterferenz verwenden. Fig. 1 zeigt den Aufbau einer bekannten optischen Codiereinrichtung. In diesem Beispiel gibt eine Lichtquelle 3001 ein monochromatisches Licht 3002 ab, welches auf ein als eine Bezugsskala funktionierendes Brechungsgitter 3003 gerichtet ist. Von dem durch das Gitter gebrochene Licht werden positive und negative Lichtkomponenten 3004 und 3005 des ersten Brechungsgrades über Reflexionsspiegel 3006 auf einen halbdurchlässigen Spie gel 3007 gerichtet. Mittels dieses halbdurchlässigen Spiegels 3007 werden die Komponenten des gebrochenen Lichts miteinander kombiniert, wodurch Interferenz auftritt. Die dadurch erzeugten Interferenzstreifen werden erfaßt und photoelektrisch durch den Photowandler 3008 umgewandelt. Auf diese Weise kann eine relative Versetzung zwischen dem optischen System und der Bezugsskala auf der Basis der Interferenzstreifen erfaßt werden.
Bei den optischen Codiereinrichtungen vom Gitterinterferenztyp, welche im Vergleich zu den anderen vorherstehend beschriebenen Codiereinrichtungen die höchste Auflösung besitzen, wird die Genauigkeit (Auflösung) hauptsächlich durch den Gitterabstand bestimmt. Die Herstellung des Gitters mit einem möglichst feinen Abstand und die präzise Erfassung sind daher wichtige Faktoren. Die derzeitigen Fein-Bearbeitungstechniken (beispielsweise Mustererzeugung durch Elektronenstrahl oder Ionenstrahl) gewährleisten maximal eine Präzision von 0,01 um (100 Å). Auch beim Erfassen (beispielsweise dem optischen Heterodyn-Verfahren) ist die Auflösung auf 0,01 Mikrometer begrenzt. Es ist daher schwierig, eine Codiereinrichtung mit noch höherer Auflösung herzustellen und insbesondere in einem Herstellungsgerät für Halbleiter-Mikroschaltungen zu verwenden.
Die JP 62 209 302 offenbart eine Vorrichtung zur Erfassung einer Parallelbewegungsgröße, wobei eine Parallelbewegung einer an einer sich bewegenden Oberfläche eines Geräts befestigte Elektrodennadel relativ zu einer Gitterebene eines Monokristalls zugelassen wird. Wenn die Elektrodennadel sich der Gitterebene (Oberfläche) des Monokristalls mit einer Lükke von einigen Ångström nähert, wird eine Ladungsbewegung aufgrund des Tunneleffekts erzeugt und verändert sich das Potential der Elektrodennadel. Die Änderungen des Potentials der Elektrodennadel fallen mit dem Intervall einer Gitterebene des Monokristalls zusammen, wobei die Änderung des Potentials der Elektrodennadel durch eine Potentialmeßeinrichtung gemessen und bewertet wird. Die durch die Potentialmeßein richtung bewerteten Informationen werden in Impulsinformationen umgewandelt, die zur Messung von Parallelbewegungswerten der Elektrodennadel gezählt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Codiereinrichtung (Vorrichtung zur Erfassung der relativen Position) zu schaffen, die eine Auflösung in der Größenordnung eines zwischenatomaren Abstandes besitzt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Erfassung der relativen Position gemäß den beigefügten Patentansprüchen gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Anordnung einer bekannten optischen Codiereinrichtung, welche das Prinzip der Gitterinterferenz verwendet.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht und ein Blockschaltbild, das die Anordnung einer Codiereinrichtung gemäß einem erläuterndem Ausführungsbeispiel zeigt, wobei eine Tunnelstromerfassung verwendet wird.
Fig. 3 zeigt die an verschiedenen Teilabschnitten der Codiereinrichtung gemäß Fig. 2 erhaltenen Kurvensignale.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines erläuternden Beispiels, wobei eine periodische Atom- oder Molekülanordnung an der Oberfläche eines elektrisch leitenden Materials als Bezugsskala verwendet wird.
Fig. 5A zeigt einen schematischen Abschnitt eines erläuternden Beispiels, wobei auf der Oberfläche eines elektrisch lei tenden Materials mittels Ionenstrahl- oder Elektronenstrahl- Behandlung erzeugte Abstufungen als Bezugsskala verwendet werden.
Fig. 5B zeigt einen schematischen Abschnitt eines erläuternden Beispiels, wobei die Oberfläche, welche die Form eines Brechungsgitter aufweist und mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist, als Bezugsskala verwendet wird.
Fig. 6 zeigt einen schematischen Abschnitt eines erläuternden Beispiels einer Verbundskala, wobei ein Bezugsursprung auf einer Bezugsskala vorgesehen ist.
Fig. 7A bis 7C zeigen schematische Abschnitte von erläuternden Beispielen einer Verbundskala in die jeweils eine Vielzahl von Bezugsursprüngen innerhalb einer Bezugsskala vorgesehen sind.
Fig. 8 zeigt einen schematischen Abschnitt eines erläuternden Beispiels, wobei eine Verbundskala verwendet wird, die eine Vielzahl von Bezugsursprüngen mit vorerfaßten Breiten und Abständen auf einer Bezugsskala vorgesehen sind.
Fig. 9A und 9B zeigen einen schematischen Abschnitt und eine perspektivische Ansicht von erläuternden Beispielen, in denen jeweils eine Verbundskala verwendet wird, wobei die Information für die 5 absolute Position auf oder in der Nähe eines auf der Bezugsskala vorgesehenen Bezugsursprungs aufgezeichnet wird.
Fig. 10 zeigt einen schematischen Abschnitt gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei nicht periodische Abstufungen als eine Bezugsskala verwendet werden.
Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht und ein Blockschaltbild der Anordnung einer Codiereinrichtung, wobei eine asymmetrisch geformte Bezugsskala als Bezugsskala verwendet wird.
Fig. 12 zeigt die gemäß dem erläuternden Ausführungsbeispiel von Fig. 11 erhaltenen Kurvensignale.
Fig. 13A und 13B zeigen die Ansichten einer Ebene (1, 1, 1) eines kubisch flächenzentrierten Gitters, welches ein besonderes erläuterndes Beispiel für eine asymmetrische Bezugsskala darstellt, wobei die Fig. 13A eine Draufsicht und die Fig. 13B eine Schnittansicht darstellt.
Fig. 14 zeigt einen schematischen Abschnitt eines erläuternden Ausführungsbeispiels, wobei eine Sonde zum Erfassen der Richtung lateral schwingt.
Fig. 15 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 14 erhaltenen Kurvensignale,
Fig. 16 zeigt einen schematischen Abschnitt eines erläuternden Ausführungsbeispiels, wobei eine Sonde zum Erfassen der Richtung lateral schwingt.
Fig. 17 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 16 erhaltenen Kurvensignale.
Fig. 18 zeigt eine schematische Ansicht und ein Blockschaltbild der Anordnung eines erläuternden Ausführungsbeispiels, wobei eine Vielzahl von Sonden zum Erfassen der Richtung verwendet werden.
Fig. 19 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 18 erhaltenen Kurvensignale.
Fig. 20 ist eine schematische Ansicht und ein Blockschaltbild der Anordnung einer Codiereinrichtung, in der die vertikale Position einer Sonde erfaßt wird, als Referenz (erläuterndes Beispiel).
Fig. 21 zeigt ein Flußdiagramm, welches die aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte zum Erfassen der lateralen relativen Versetzung auf der Grundlage der erfaßten vertikalen Sondenposition unter der Bedingung eines konstanten Tunnelstroms darstellt.
Fig. 22 zeigt die an den verschiedenen Teilabschnitten gemäß dem erläuternden Ausführungsbeispiel von Fig. 20 erhaltenen Kurvensignale.
Fig. 23 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 20, wobei jedoch in diesem erläuternden Beispiel eine asymmetrisch geformte Skala als Bezugsskala verwendet wird.
Fig. 24 zeigt die gemäß dem Beispiel von Fig. 23 erhaltenen Kurvensignale.
Fig. 25 zeigt einen schematischen Abschnitt eines Beispiels gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 20, wobei jedoch in diesem erläuternden Beispiel eine Sonde zum Erfassen der Richtung lateral schwingt.
Fig. 26 zeigt die gemäß dem Beispiel von Fig. 25 erhaltenen Kurvensignale.
Fig. 27 zeigt einen schematischen Abschnitt eines Beispiels gemäß einen Ausführungsbeispiel von Fig. 20, wobei eine Sonde zum Erfassen der Richtung lateral schwingt.
Fig. 28 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 27 erhaltenen Kurvensignale.
Fig. 29 zeigt eine schematische Ansicht und ein Blockschaltbild der Anordnung eines erläuternden Ausführungsbeispiels, wobei eine Vielzahl von Sonden zum Erfassen der Richtung verwendet werden.
Fig. 30 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 29 erhaltenen Kurvensignale.
Fig. 31 zeigt eine schematische Ansicht und ein Blockschaltbild einer Codiereinrichtung gemäß einem erläuternden Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Tunnelstrom erfaßt wird.
Fig. 32 und 33 zeigen Kurvensignale, welche man an verschiedenen Teilabschnitten des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 31 erhält.
Fig. 34 zeigt eine schematische Ansicht und ein Blockschaltbild einer Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Fig. 35 und 36 zeigen Kurvensignale, welche man an verschiedenen Teilabschnitten des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 34 erhält.
Fig. 37 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel zeigt.
Fig. 38 zeigt eine Ansicht mit einer Steuervorrichtung der Codiereinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 37.
Fig. 39 erklärt mittels einer schematischen Ansicht das erfindungsgemäße Prinzip eines Abtast-Tunnelmikroskops.
Fig. 40 zeigt in einem Zeitdiagramm die Zusammenhänge zwischen den in dem Gerät nach Fig. 37 erhaltenen Kurvensignalen.
Fig. 41 zeigt ein Schaltbild eines in dem Gerät nach Fig. 37 verwendeten Impulszahlers.
Fig. 42 zeigt einen schematischen Abschnitt einer in dem Gerät nach Fig. 37 verwendeten Codierplatte.
Fig. 43 zeigt in einer Seitenansicht einen größeren Abschnitt einer Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel.
Fig. 44 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen größeren Abschnitt einer Codiereinrichtung eines weiteren erläuternden Ausführungsbeispiels.
Die Fig. 45A und 45B zeigen in einer Schnittansicht und einer Draufsicht eine Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 46 zeigt in einem Schaltbild die in der Codiereinrichtung des Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 45A und 45B verwendete Steuervorrichtung.
Fig. 47 zeigt in einem Zeitdiagramm die Zusammenhänge zwischen den in dem Gerät des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 45A und 45B erhaltenen Kurvensignalen.
Fig. 48 ist ein Flußdiagramm, das die Aufeinanderfolge beim Messen im Gerät des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 45A und 45B zeigt.
Fig. 49 zeigt einen schematischen Abschnitt einer Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel.
Fig. 50 ist eine prinzipielle Ansicht, die den Zusammenhang zwischen einer Koordinatenachse und den Aufnahmepositionen in einem erläuternden Ausführungsbeispiel zeigt.
Fig. 51 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Aufzeichnungs- und Wiedergabegeräts, welches gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 50 angeordnet ist.
Fig. 52A zeigt eine Draufsicht eines Beispiels eines gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 50 verwendeten Aufzeichnungsmediums.
Fig. 52B zeigt eine entlang der Linie A-A' in Fig. 52A genommene Schnittansicht.
Fig. 53 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels des lagemäßigen Zusammenhangs zwischen einer Koordinatenachse und den Aufzeichnungspositionen auf der Oberfläche eines im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 50 verwendeten Aufzeichnungsmediums.
Fig. 54 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Aufnahme- und Wiedergabegerätes gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 55A zeigt eine Draufsicht eines in dem Gerät nach Fig. 54 verwendeten Aufzeichnungsmediums.
Fig. 55B ist eine entlang einer Linie A-A' in Fig. 55B genommene Schittansicht.
Fig. 56 zeigt eine schematische Ansicht der Aufnahmepositionen auf dem Aufnahmemedium gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 55.
Fig. 57A zeigt eine Draufsicht eines weiteren Aufzechnungsmediums, welches in dem Gerät nach Fig. 54 verwendet werden kann.
Fig. 57B zeigt eine entlang einer Linie A-A' in Fig. 57A genommene Schnittansicht.
Fig. 58 zeigt eine schematische Ansicht der lagemäßigen Beziehung zwischen Aufzeichnungsbereichen an der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 57.
Fig. 59 zeigt eine schematische Ansicht und ein Blockschaltbild eines Aufnahme- und Wiedergabegerätes gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 60 ist ein Blockschaltbild eines in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 59 verwendeten Steuersystems.
Fig. 61 ist ein Flußdiagramm, welches den Algorithmus zeigt, der im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 59 enthaltenen Zentralverarbeitungseinheit abgearbeitet wird.
Fig. 62 zeigt eine prinzipielle schematische Ansicht eines Aufnahme- und Wiedergabegerätes gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel.
Fig. 63 zeigt eine schematische Ansicht und ein Blockschaltbild eines Aufnahme- und Wiedergabegeräts gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel.
Fig. 64 zeigt eine schematische Ansicht der Positions- Bezugsmuster und Aufnahme-/Wiedergabebereiche, welche bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 63 auf einem Aufzeichnungsmedium festgelegt sind.
Fig. 65 zeigt eine schematische Ansicht der aufgezeichneten Signale in der Form von zweidimensionalen Bildern bei einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 63.
Fig. 66 zeigt eine schematische Ansicht der Art und Weise, in der aufgezeichnete Signale durch ein Auslesesystem gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 63 abgetastet werden.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele:

Gemäß der beanspruchten Erfindung wird zwischen eine elektrisch leitende Bezugsskala, welche hinsichtlich der Länge als Referenz wirkt, und eine elektrisch leitende Sonde mit einer in der Nähe der Oberfläche der Bezugsskala angeordneten Spitze eine elektrische Spannung angelegt. Der zwischen der Bezugsskala und der Sonde fließende elektrische Strom (Tunnelstrom) wird als Tunnelstromsignal erfaßt, welches einer Signalverarbeitung unterzogen wird. Mittels dem verarbeiteten Signal wird der Betrag und die Richtung der relativen Bewegung zwischen der Bezugsskala und der Sonde in einer lateralen Richtung, d.h. einer Richtung entlang der Skalenoberfläche, derart erfaßt, daß die erhaltenen elektrischen Signale den lateralen Betrag der relativen Bewegung und der relativen Bewegungsrichtung darstellen. Anschließend wird mit diesen Signalen die relative laterale Versetzung (Abweichungsgröße) zwischen der Bezugsskala und der Sonde gemessen und schließlich die Größe der lateralen relativen Bewegung zwischen der Sonde und der Bezugsskala erfaßt. Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung bedient sich des Phänomens, daß beim Anlegen einer Spannung zwischen ein elektrisch leitendes Material und eine elektrisch leitende Meßsonde ein Tunnelstrom fließt, wenn sie nahe genug aneinander liegen, d.h. ca. 1nm ("Solid State Physics", Band 22, Nr. 3, 1987, S. 176 - 186). Der Tunnelstrom hängt sowohl vom Abstand zwischen dem elektrisch leitenden Material und der elektrisch leitenden Meßsonde als auch von der Austrittsarbeit an der Oberfläche ab. Es ist daher möglich, die Informationen im Zusammenhang mit verschiedenen Oberflächen-Formzuständen auszulesen. Wird eine elektrische Spannung V, welche kleiner als die Austrittsarbeit θ (θ > eV, wobei e die elektrische Ladung eines Elektrons ist)zwischen eine elektrisch leitende Sonde und eine elektrisch leitende Bezugsatomanordnung, welche mit einer Entfernung Z beabstandet ist, angelegt, so tunneln die Elektronen durch eine Potentialbarriere zwischen der elektrisch leitenden Sonde und der elektrisch leitenden Bezugs- Elektronenanordnung. Die Tunnelstromdichte JT kann durch freie Elektronenannäherung bestimmt werden und mit folgender Gleichung ausgedrückt werden:
JT = (βV/2πλZ)exp(-2Z/λ) ... (1)
unter der Bedingung daß:
λ = n/ 2mθ und
β = e²/n
wobei K die Abklingkonstante der Wellenfunktion im Vakuum oder einer Atmosphäre ausserhalb des Metalls ist (θ liegt im Bereich von 1 bis 5 eV und λ liegt im Bereich von 1 bis 2 Å); n gleich h/2π (h ist die Planksche Konstante); und m die Masse des Elektrons ist.
In Gleichung (1) ändert sich die Tunnelstromdichte JT mit dem Abstand Z. Genauer gesagt ändert sich der Tunnelstrom periodisch gemäß der Bezugs-Atomanordnung, wenn eine relative Lageverschiebung zwischen der Sonde und der Bezugs- Atomanordnung auftritt, sofern der Durchschnittsabstand zwischen der Sonde und der Bezugs-Atomanordnung konstant gehalten wird. Somit kann aus der Änderung des Tunnelstroms auf die Größe der lagemäßigen Verschiebung rückgeschlossen werden.
Wenn die Steuerung hinsichtlich der Lage der Sonde in der Richtung einer normalen Bezugs-Atomanordnung derart ausgelegt wird, daß der Tunnelstrom JT konstant bleibt, wodurch auch der Abstand Z konstant bleibt, so ändert sich gemäß Gleichung (1) das Sondenlage-Steuersignal (welches die Sondenposition in der Normalrichtung steuert) periodisch entsprechend der Bezugs-Atomanordnung. Daher kann anhand der Änderung des Positions-Steuersignals die Größe der Positionsverschiebung bestimmt werden. Die Auflösung 8 in der Skalenoberfläche kann durch eine feinere Spitze der Sonde erhöht werden und entsprechend Modellberechnungen folgendermaßen ausgedruckt werden:
δ = [2π(R + Z)]1/2
wobei R der Kurvenradius der Metallsondenspitze ist.
Besteht die Sondenspitze aus einem Atom, d.h. R = 1Å (1Å = 10&supmin;¹&sup0; m, so liegt die Auflösung 8 in einer Größenordnung von 3Å. Das vorstehend beschriebene und den Tunnelstrom verwendende Verfahren kann nicht nur in der Atmosphäre sondern auch in Flüssigkeiten angewendet werden und besitzt verschiedene vorteilhafte Merkmale, wie beispielsweise eine hohe Auflösung.
Die Erfindung verwendet das vorherstehend beschriebene Prinzip und schafft eine Codiereinrichtung (Vorrichtung zur Erfassung einer relativen Position), wobei eine durch eine regelmäßige Atomanordnung an einer Materialoberfläche geschaffene periodische Oberflächenstruktur als Referenz verwendet wird und wobei ein zwischen der Bezugsoberfläche und einer elektrisch leitenden Sonde fließender Tunnelstrom verwendet wird. Dadurch erhält man mit der Erfindung eine höchste Auflösung in der Größenordnung eines Atoms (einige 30 Å), welche wesentlich hoher ist als die maximale Auflösung von herkömmlichen Codiereinrichtungen.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowie verschiedene erläuternde Beispiele beschrieben.
Die Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Codiereinrichtung gemäß einem erläuternden Ausführungsbeispiel. Die Fig. 3 zeigt Kurvensignale, welche man an verschiedenen Teilabschnitten dieses Ausführungsbeispiels erhält.
In Fig. 2 sind ein Objekt 101 und ein weiteres Objekt 102 nur in einer lateralen Richtung relativ zueinander beweglich angeordnet (in der Zeichnung in einer horizontalen Richtung). Das Objekt 101 besitzt eine elektrisch leitende Bezugsskala 103 während das Objekt 102 eine elektrisch leitende Sonde 104 aufweist. Zwischen die Sonde 104 und die Bezugsskala 103 wird mittels einer Vorspannungsquelle 106 eine Vorspannung angelegt. Die Spitze der Sonde 104 wird sonahe an die Bezugsskala 103 herangeführt, bis der mit 105 schematisch dargestellte Tunnelstrom zwischen ihnen fließt. Der Tunnelstrom 105 kann mit einer Stromerfassungsvorrichtung 107 erfaßt werden und durch eine Stromverstärkungsvorrichtung 108 verstärkt werden.
Nach der Verstärkung wird das Tunnelstromsignal 118 (dessen Kurvensignal in Fig. 3, (a) dargestellt ist) einer Signalverarbeitungsvorrichtung 110 zugeführt, in der es einer Binärcodierung durch Aufteilen mit einem bestimmten Schwellwert, einer Signalverarbeitung durch Erfassen der Kanten des resultierenden binär codierten Signals zur Impuls- Ausbildung sowie einer Richtungserfassung unterzogen wird, die nachfolgend anhand einer bestimmten Vorrichtung beschrieben wird, welche zum Erfassen der Richtung der relativen lateralen Versetzung vorgesehen ist. Danach wird das Signal in ein sich bewegendes Betragssignal 112 (Fig. 3, (b)) und ein sich bewegendes Richtungssignal 113(Fig. 3, (c)) durch eine Umwandlungsvorrichtung 111 übertragen. Diese Signale werden einem Zähler 114 zugeführt. In diesem Zähler 114 werden das sich bewegende Betragssignal 112 und das Richtungssignal 113 in eine laterale relative Versetzung bzw. Verschiebung umgewandelt. Mittels vorab in einem Speicher 115 abgespeicherten Anfangspositionsdaten berechnet eine Subtrahiervorrichtung 116 die laterale relative Verschiebung als Signal 117 (Fig. 3(d)) der Anfangsposition zwischen den Objekten 101 und 102. Die Auflösung der Codiereinrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann in der Größenordnung der Teilung der Bezugsskala 103 liegen (einige Å), wenn eine periodische Atomanordnung an der Oberfläche des elektrisch leitenden Materials als Bezugsskala verwendet ist. Man erhält jedoch eine verbesserte Auflösung unter einem Å, wenn ein erfaßtes Positionssignal geteilt wird (Fig. 3, (e)). 1
Als nächstes werden die in der Erfindung verwendeten Sondenmaterialien beschrieben. Als Sondenmaterial können solche Materialien verwendet werden, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Beispiele hierfür sind Metalle wie Au, Pt, Ag, Pd, Al, In, Sn, Pb, W oder dergleichen; sowie geeignete Legierungen dieser Materialien. Darüber hinaus können Graphit, Silicide oder ein elektrisch leitendes Oxydmaterial wie beispielsweise ITO (In-Sn Oxid) verwendet werden.
Um eine hohe Auflösung der Codiereinrichtung sicher zu stellen, ist es notwendig, daß die Spitze der Sonde so scharf wie möglich in einer Größenordnung eines Atoms ausgestaltet ist.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel verwendet eine Sonde 104, welche durch mechanisches Schleifen eines Wolframdrahtes von einem Durchmesser θ = 1 mm auf einen Durchmesser von ca. 0,2 mm verringert wurde und anschließend mittels einem Elektropolierverfahren die Spitze geschärft wurde. Die Art der Behandlung ist jedoch darauf nicht beschränkt.
Als nächstes wird die Bezugsskala beschrieben. Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Sonde 104 und einer in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten elektrisch leitenden Bezugsskala 103. Fig. 4 zeigt ein Beispiel, in dem eine periodische Atom- oder Molekülanordnung 301 an der Oberfläche eines elektrisch leitenden Materials (dessen Gitterabstand vorerfaßt ist) als Bezugsskala verwendet wird. Verwendet man eine periodische Anordnung mit einer feinen Struktur von Atomen oder Molekülen als Bezugsskala 103, so ist es möglich, eine Codiereinrichtung zu schaffen, die eine Auflösung in der Größenordnung von interatomaren Abständen, d.h. einigen Ångström besitzt. Beispiele eines derartig elektrisch leitenden Materials wie es in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, sind Metalle wie beispielsweise Au, Pt, TaS&sub2; oder dergleichen; Legierungen wie beispielsweise CuAu, PtIr oder dergleichen; Untermetalle wie beispielsweise Graphit; Halbleiter wie beispielsweise Si, MoS&sub2;, GaAs, SiC oder dergleichen; elektrische leitende LB- Filme (Langmuir Blodgett Film); und elektrisch leitende organische Materialien wie beispielsweise TTF-TCNQ (tetrathiafluvalen-tetracyanoquinodimethan). Anstelle der Atom- oder Molekülanordnung der vorherstehend beschriebenen Materialien, kann eine Skala gemäß Fig. 5A mit an der Oberfläche 401 eines elektrisch leitenden Materials ausgebildeten Gradeinteilungen als Bezugsskala verwendet werden, wobei die Gradeinteilungen durch einen focusierten Ionenstrahlprozeß oder Elektronenstrahlprozeß erzeugt wurden. Gemäß Fig. 5B kann alternativ eine Skala gemäß Fig. 5B als Bezugsskala verwendet werden, in der die Oberfläche 403 eines Gegenstands, der die Form eines Brechungsgitters aufweist, mit einem elektrisch leitenden Film 404 beschichtet werden.
Als nächstes werden Beispiele beschrieben, in denen eine periodische Anordnung von Atomen, Molekülen oder dergleichen in Kombination mit einer oder mehreren hergestellten Gradeinteilungen verwendet werden, wodurch eine Bezugsskala entsteht (nachfolgend als "Verbundskala" bezeichnet).
Fig. 6 zeigt in einer Schnittansicht ein erläuterndes Ausführungsbeispiel einer Verbundskala. Gemäß dieser Figur ist auf einer Bezugsskala 103 eine Bezugsursprung 501 ausgebildet. Der Augenblick, an dem die Sonde 104 an die Position dieses Ursprungs 501 gelangt, wird als Anfangs-Einstellpunkt angesehen. Dadurch ist es jederzeit möglich, den Betrag der Bewegung der Sonde hinsichtlich dieses Bezugsursprungs 501 zu bestimmen. Somit ist es möglich, den absoluten Betrag der Bewegung des Objektes 102 in Bezug auf das Objekt 101 zu erfassen. Mit Ausnahme dieser Besonderheit kann das vorliegende Ausführungsbeispiel im wesentlichen auf gleiche Weise verstanden werden wie das bereits beschriebene Ausführungsbeispiel zum Erfassen eines relativen Betrages der Bewegung.
Die Fig. 7A bis 7C zeigen weitere erläuternde Ausführungsbeispiele der Verbundskala. Fig. 7A zeigt hierbei ein Beispiel, in dem Abschnitte der Oberfläche einer Atomanordnung einer Bezugsskala 103 durch ein unterschiedliches Material ersetzt wurden, wodurch sich Bezugsursprünge 601a&sub1;-601a&sub3; ergeben.
Fig. 7B zeigt ein Beispiel, in dem ein unterschiedliches Material auf Abschnitte der Oberfläche einer Atomanordnung einer Bezugsskala 103 aufgebracht wurden, wodurch Bezugsursprünge 601b&sub1; bis 601b&sub3; entstehen.
Fig. 7C zeigt ein Beispiel, in dem Abschnitte in der Nähe der Oberfläche einer Atomanordnung einer Bezugsskala 103 durch Ätzen entfernt wurden, wodurch Bezugsursprünge 601c&sub1; bis 601c&sub3; entstehen.
In diesen Beispielen sind eine Vielzahl (3 in den dargestellten Beispielen) von Bezugsursprüngen vorgesehen. Zur Erklärung der Arbeitsweise und unter Bezugnahme insbesondere auf die Fig. 7A wird jedesmal wenn die Sonde 104 einen Bezugsursprung 6010i (i = 1 - m) überstreicht, ein Grobausschlag-Signal ausgegeben. Wahrend einer Zeitperiode, in der die Sonde vom Bezugsursprung 601ai bis zum nächsten Bezugsursprung 601ai+1 fahrt, werden Feinausschlag-Signale ausgegeben. Im wesentlichen gleiche Operationen werden in den Verbundskalen gemäß Fig. 7A und 7B ausgeführt. Wenn der Betrag der relativen Bewegung zwischen den Objekten 101 und 102 groß ist, kann der Erfassungsprozeß und die Erfassungszeit durch selektives Auswahlen dieser Grobausschlagssignale vereinfacht, bzw. verkürzt werden.
Fig. 8 zeigt einen Abschnitt eines weiteren erläuternden Ausführungsbeispiels für eine Verbundskala. Die in dieser Figur dargestellten Bezugsursprünge 701d&sub1; bis 701d&sub4; sind hinsichtlich ihrer Breite und dem Abstand zwischen des Ursprüngen verschieden. Diese Breiten und Abstände sind jedoch durch eine vorab durchgeführte Messung vorerfaßt, wobei die vorerfaßten Werte in einem Speicher 115 (Fig. 2) gespeichert sind. In dem Beispiel gemäß Fig. 8 sind die Breiten der Bezugsursprünge 701d&sub1; bis 701d&sub3; durch Lm+1, Lm und Lm+1 bezeichnet, während die Abstände zwischen den Ursprüngen 701d&sub1; und 701d&sub2; und zwischen den Ursprüngen 701d&sub2; und 702d&sub3; als Wm-1 und Wm bezeichnet sind. Diese Werte werden vorab in den Speicher 115 (Fig. 2) gespeichert. Jedesmal wenn eine Sonde 104 einen Bezugsursprung überstreicht wird eine gespeicherte entsprechende Breite und/oder Abstand gezählt. Mit anderen Worten wird jedesmal ein Grobausschlag-Signal (, welches den Abstand Wm-1 oder Wm zwischen den entsprechenden Bezugsursprüngen darstellt, jedesmal beim Überstreichen eines Bezugsursprungs ausgegeben, während andererseits ein die Breite Lm-1, Lm oder Lm+1 des jeweiligen Bezugsursprungs entsprechendes Signal ausgegeben wird. Auf diese Weise kann der Erfassungsprozeß und die Erfassungszeit ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7A bis 7C vereinfacht, bzw. verkürzt werden.
Fig. 9A und 9B zeigen Abschnitte von weiteren erläuternden Ausführungsbeispielen von Verbundskalen. Im Beispiel gemäß Fig. 9A ist ein Bezugsursprung 801 vorgesehen. Eine Information der absoluten Position mit n-Bits (i&sub1; bis in) ist entsprechend diesem Bezugsursprung auf den Bezugsursprung 801 aufgezeichnet. Überstreicht eine Sonde 104 diesen Bezugsursprung 801 so wird die diesem Bezugsursprung entsprechende Information der absoluten Position in gleicher Weise wie beim Feinausschlag-Signal aufgenommen. Daher ist es möglich, einen derartigen Bezugsursprung als gerade von der Sonde überstrichenen Bezugsursprung zu erkennen. Demnach können Positionsinformationen in verkürzter Zeit erhalten werden.
Auf ähnliche Weise haben die im Beispiel gemäß Fig. 9B gezeigten Bezugsursprünge 802, 803 und 804 darauf aufgezeichnete absolute Positionsinformationen. Vertiefte Strukturen (Oberflächenstufen) mit einer wie in 802, 803 und 804 gezeigten Form sind als Bezugsursprünge 802, 803 und 804 ausgebildet. Jede vertiefte bzw. gerillte Struktur tragt selbst die absolute Positionsinformation. Auf diese Weise kann jeder Bezugsursprung identifiziert werden. Im einzelnen sind auf diese gerillten Strukturen 802', 803' und 804' die Adressen i-1, i, und i+1 der entsprechenden Bezugsursprünge aufgezeichnet. Die Position eines jeden Bezugsursprungs kann somit festgelegt werden. Beispielsweise kann die Position an der ganz linken Oberflächenseite eines jeden Vorsprungs (gerillte Struktur) als die Position eines entsprechenden Ursprungs angesehen werden. Mit 805 und 806 sind Atomgrad- Einteilungen bezeichnet.
Gemäß diesem erläuternden Ausführungsbeispiel sind die Bits für die absolute Positionsinformation in fortschreitender Richtung der Sonde 104 angeordnet. Sie können jedoch auch in der Nachbarschaft des Bezugsursprungs angeordnet sein. Als weitere Alternative können die Objekte 101 und 102 auch in einer zur vorherstehend beschriebenen relativen Bewegungsrichtung (horizontale Richtung in der Zeichnung) senkrechten Richtung relativ beweglich angeordnet sein, wobei diese Bits in dieser senkrechten Richtung angeordnet sind. In diesem Fall werden die Objekte 101 und 102 zum Auslesen der absoluten Positionsinformation relativ in der senkrechten Richtung bewegt.
Die Fig. 10 zeigt in einer Schnittansicht das Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei nicht periodische Gradeinteilungen als Bezugsskala verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurden die Abstände der nichtperiodischen Gradeinteilungen 901 mittels eines bekannten Skalentyps vorab vermessen und die erhaltene Abstandsinformation in einem Speicher 115 (Fig. 2) gespeichert. Der Betrag der relativen Bewegung zwischen zwei Objekten 101 und 102 wird dadurch erfaßt, daß (i) die durch die relative Bewegung zwischen den Objekten 101 und 102 hervorgerufenen und als Ergebnis des Abtastens der nichtperiodischen Gradeinteilungen durch eine Sonde 104 erhaltenen Signale verwendet werden, und (ii) die im Speicher 115 gespeicherten Abstandsinformationen verwendet werden.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 11 bis 19 eine Einlichtung zum Erfassen der Richtung der relativen lateralen Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 beschrieben.
Fig. 11 zeigt ein erläuterndes Ausführungsbeispiel, welches eine Bezugsskala 1001 mit einer asymmetrischen Form (einer Elektronenwolkenverteilung) in der Richtung der relativen Verschiebung verwendet.
Es sei angenommen, daß sich mit der relativen Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 ein Tunnelstromsignal 118 gemäß Fig. 12, (a) ändert. In diesem Fall wird in einer Vorrichtung 109 zum Extrahieren einer relativen Lateral- Positions-Information ein sich bewegendes Betragssignal (Kantenerfassungsimpulssignal) 112 und ein Richtungssignal (abgeleitetes Signal) 113 deren Kurvensignale in Fig. 1-2 (b) und (c) gezeigt sind, erzeugt. Durch Addieren bzw. Subtrahieren der Impulsanzahl des sich bewegenden Betragssignals 112 entsprechend dem Vorzeichen (positiv oder negativ) des Richtungssignals 113 kann eine relative Lateral-Verschiebung wie in Fig. 12 (d) als Impulszahl erfaßt werden. Demnach wird in diesem erläuternden Beispiel ein Zustand erfaßt, wonach sich das Objekt 102 in Bezug auf das Objekt 101 in der Zeichnung nach rechts verschoben hat und zwar um einen Betrag, wie er in Fig. 12 (d) angezeigt ist.
Wenn sich der Tunnelstrom mit der relativen Verschiebung ändert, wird in ähnlicher Weise wie in Fig. 12 (e) gezeigt, nach wiederholter Signalverarbeitung ein Bewegungs- Betragssignal 112 und ein Richtungssignal 113 erzeugt, wie sie in Fig. 12 (f) und (g) dargestellt sind. Damit kann festgestellt werden, daß sich das Objekt 102 in Bezug auf das Objekt 101 nach links in der Zeichnung um einen wie in Fig. 12 (h) gezeigten Betrag verschoben hat.
Auch wenn sich der Tunnelstrom gemäß Fig. 12 (i) ändert, kann festgestellt werden, daß sich die Richtung der relativen Verschiebung zwischen dem Objekt 102 in Bezug auf das Objekt 101 an einem Punkt T geändert hat und zwar in der Zeichnung von rechts nach links.
Beispiele für eine Bezugsskala mit einer derartigen asymmetrischen Form (einer Elektronenwolkenverteilung) sind eine in den Fig. 13A und 13B gezeigt Ebene (111) eines kubisch flächenzentrierten Gitters (wobei Fig. 13A eine Draufsicht und Fig. 13B eine Schnittansicht darstellt), ein elektrisch leitender LB-Film, in dem eine Asymmetrie in der "Pull-up"- Richtung auftritt und dergleichen.
Fig. 14 zeigt ein weiteres erläuterndes Ausführungsbeispiel, in dem die Richtung der relativen lateralen Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 erfaßt wird. Im Beispiel gemäß Fig. 14 wird eine laterale Schwingvorrichtung 1301 verwendet, um eine geringfügige Schwingung einer Sonde 104 in der Richtung der relativen Verschiebung hervorzurufen. Wenn im Vergleich zur relativen Bewegungsgeschwindigkeit zwischen den Objekten 10.1 und 102 die Sonde 104 ausreichend schnell schwingt, kann man einen Positions-Differentiations- Koeffizienten für das Tunnelstromsignal hinsichtlich der relativen lateralen Verschiebung erhalten, aufgrund dessen die Richtung der relativen Lateral-Verschiebung erfaßt werden kann.
Dies wird im nachfolgenden beschrieben. Wenn die Sonde in der Richtung der relativen Verschiebung in Schwingung versetzt wird, besitzt das erzeugte Signal eine derartige Form, daß eine von der Schwingung der Sonde resultierende geringfügige Schwingungssignalfrequenz einem Tunnelstromsignal überlagert wird, welches der Position auf der Skala entspricht, wobei die geringfügige Schwingungssignalfrequenz eine kleinere Amplitude und eine höhere Frequenz als die des Tunnelstromsi gnals besitzt. Das resultierende Signal wird geteilt und die aufgeteilten Abschnitte einem Tiefpaßfilter und einem Hochpaßfilter zugeführt. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters ist im wesentlichen ein Tunnelstromsignal (Fig. 15(a), (e), (i) und (m)), welches der Skalenposition entspricht und aus dem die Kleinsignal-Komponente ausgefiltert ist. Sie wird daher für die Messung der relativen Verschiebung verwendet. Andererseits entspricht das Ausgangssignal des Hochpaßfilters nur dem Kleinsignal (welches durch die Sondenschwingung verursacht wurde), wobei die Tunnelstrom-Signalkomponente ausgefiltert ist. Wenn die Bewegung der Sonde in einer Richtung als "positiv" bezeichnet wird, während die Bewegung der Sonde in der entgegengesetzten Richtung als "negativ" bezeichnet wird, und wenn die Sonde sich in positiver Richtung relativ zur Skala bewegt, kann das Kleinsignal bzw. geringfügige Schwingungssignal folgendermaßen beschrieben werden: Wenn das Tunnelstromsignal ansteigt, tritt ein geringfügiges Schwingungssignal mit der gleichen Phase wie die Schwingung der Sonde auf und mit einer Amplitude, welche dem Betrag des Anstiegs entspricht. Wenn jedoch das Tunnelsignal abnimmt, entsteht ein geringfügiges Schwingungssignal mit in Bezug auf die Schwingung der Sonde entgegengesetzter Phase und einer Amplitude, welche dem Betrag der Abnahme entspricht. Werden daher die so erhaltenen Signale einem mitgekoppelten Verstärker zugeführt, während das Sondenschwingungssignal als Bezugssignal verwendet wird, kann man auf der Basis der damit erhaltenen Amplitude und Phase ein derartiges Signal erhalten, welches dem Positions- Differentiations-Koeffizienten für den Tunnelstrom hinsichtlich der relativen Verschiebung in positiver Richtung erhalten, d.h. ein Signal gemäß Fig. 15(c). Wenn sich die Sonde relativ zur Skala in negativer Richtung bewegt, so wird ein geringfügiges Schwingungssignal mit einer gegenüber der Sondenschwingung entgegengesetzten Phase (, wenn das Tunnelstromsignal ansteigt,) oder ein geringfügiges Schwingungssignal mit einer gegenüber der Sondenschwingung gleichen Phase erzeugt (, wenn das Tunnelstromsignal abnimmt). Auf ähnliche Weise werden diese Signale dem mitgekoppelten Verstärker zugeführt, wodurch man ein Signal erhält, welches dem Positions-Differentiations-Koeffizienten des Tunnelstroms hinsichtlich der relativen Verschiebung in negativer Richtung entspricht, d.h. ein Signal gemäß Fig. 15(g). Die der relativen Verschiebung entsprechenden Positions-Differentiations-Koeffizientensignale, welche mittels dem gleichen Tunnelstromsignal erhalten werden können, können sicherlich die entgegengesetzten Phasen aufweisen in Bezug auf den Unterschied in der Bewegungsrichtung. Somit kann durch Erfassen der Phase die Bewegungsrichtung erfaßt werden.
Wenn beispielsweise das durch die relative laterale Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 hervorgerufene Tunnelstromsignal und der dazugehörige Positions-Differentiations-Koeffizient Änderungen gemäß Fig. 15(a) und (c) zeigt, wobei das Kurvensignal (c) dem Kurvensignal (a) um eine Viertelwelle voran eilt, so wird festgestellt, daß sich im Beispiel gemäß Fig. 14 das Objekt 102 gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben hat, und zwar um einen Betrag, wie in Fig. 15(d) angezeigt ist.
Wenn sich der Tunnelstrom mit der relativen Verschiebung in einer gemäß Fig. 15(e) gezeigten Art und Weise ändert, wobei das Kurvensignal (g) gegenüber dem Kurvensignal (e) um eine Viertelwelle verzögert ist, kann auf gleiche Weise nach Durchführung der in Fig. 15 (f) und (g) gezeigten Signalverarbeitung festgestellt werden, daß sich das Objekt. 101 gegenüber dem Objekt 102 um einen Betrag, wie er in Fig. 15(h) gezeigt ist, nach links verschoben hat.
Wenn der Tunnelstrom beispielsweise die in Fig. 15(i) und (m) gezeigten Änderungen aufweist, kann festgestellt werden, daß sich die Richtung der relativen Verschiebung des Objektes 102 gegenüber dem Objekt 101 am Punkt T geändert hat, und zwar von rechts nach links.
Fig. 16 zeigt ein weiteres erläuterndes Ausführungsbeispiel mit dem die Richtung der relativen lateralen Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 erfaßt werden kann. Im Beispiel gemäß Fig. 16 versetzt eine lateral schwingende Vorrichtung 1501 eine Sonde 104 in Richtung der relativen Verschiebung des Objektes in Schwingungen. An den beiden Punkten A und B werden die Tunnelstromsignale erfaßt. Im vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiel ist es notwendig, daß die Sonde 104 gegenüber der relativen Bewegungsgeschwindigkeit zwischen den Objekten 101 und 102 ausreichend schnell schwingt. Wenn der Schwingungsbereich der Sonde 104 mit d bezeichnet wird, entspricht das Verfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels dem Verfahren, bei dem zwei in einem Abstand d beabstandete Sonden zum Erfassen der Richtung mittels zweier Tunnelstromsignale unterschiedlicher Phasendifferenz mit Bezug auf die gleiche Bezugsskala 103 verwendet wird. Beispielsweise kann die Teilung der Bezugsskala 103 mit p bezeichnet werden und der Bereich d der Schwingung der Sonde 104 anhand der folgenden Gleichung bestimmt werden:
d = p/ 4 + N · (p/2)
wobei N = 0, 1, 2, ...
In diesem Fall und im Fall, daß sich der Tunnelstrom mit der relativen lateralen Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 ändert, wie in Fig. 17(a) gezeigt, kann festgestellt werden, daß im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16 sich das Objekt 102 gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben hat. Ändert sich andererseits der Tunnelstrom gemäß Fig. 17(e), so wird festgestellt, daß sich das Objekt 102 relativ nach links verschoben hat. Ferner zeigt die Änderung des Tunnelstroms gemäß Fig. 17(i) oder (m), daß sich die Richtung der relativen Verschiebung des Objekts 102 gegenüber dem Objekt 101 an einem Punkt T von rechts nach links geändert hat.
Fig. 18 zeigt ein weiteres erläuterndes Ausführungsbeispiel mit dem die Richtung der relativen Lateralverschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 erfaßt werden kann. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 18 zeigt ein Beispiel, welches zwei Sonden verwendet. Die Sonden 1701A und 1701B sind im Abstand d voneinander beabstandet. Durch Erfassen der Tunnelstromsignale 1705A und 1705B der beiden Sonden kann die Richtung der relativen Lateralverschiebung erfaßt werden. Wenn beispielsweise die Teilung einer Bezugsskala 103 mit p bezeichnet wird, kann der Abstand d zwischen den Sonden 1701A und 1701B mittels folgender Gleichung bestimmt werden:
d = p/4 + N · (p/2)
wobei N = 0, 1, 2, ...
In diesem Fall und in dem Fall, daß sich die Tunnelströme 1705A und 1705B der beiden Sonden 1701A und 1701B mit der relativen Lateralverschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 ändern, kann, wie in Fig. 19(a) gezeigt, festgestellt werden, daß sich das Objekt 102 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 18 gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben hat. Andererseits kann festgestellt werden, daß, wenn sich der Tunnelstrom gemäß Fig. 19(e) ändert, das Objekt 102 nach rechts verschoben wurde.
Wenn sich die Tunnelströme gemäß Fig. 19(e) oder (m) ändern, wird festgestellt, daß sich die Richtung der relativen Verschiebung des Objekts 101 gegenüber dem Objekt 102 an einem Punkt T von rechts nach links ändert.
Als nächstes werden erläuternde Ausführungsbeispiele beschrieben, in denen die vertikale Position einer Sonde mittels einer vertikalen Sondenpositions-Steuervorrichtung gesteuert wird, um einen Tunnelstrom an einem vorbestimmten Wert zu halten, und in dem der Betrag der relativen lateralen Verschiebung berechnet wird.
Die Fig. 20 zeigt den Aufbau einer Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel. Die Fig. 21 zeigt in einem Flußdiagramm die Arbeitsweise des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
Gemäß Fig. 20 wird zum Erfassen der relativen Lateralverschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 als erstes ein Tunnelstromwert I&sub0; bestimmt (Schritt B1 in Fig. 21). Die vertikale Position einer Sonde 104 wird mittels einer vertikalen Sondenpositionssteuervorrichtung 1901 gesteuert. Für diese Steuerung wird als erstes ein Tunnelstromwert I erfaßt, (Schritt B2) und anschließend der erfaßte Strom I mit dem gesetzten Tunnelstromwert I&sub0; verglichen (Schritt B4). Wenn I ungleich I&sub0; ist, führt ein Regelschaltkreis 1902 eine Regelung der vertikalen Sondenpositionssteuervorrichtung 1901 durch (Schritt B3). Wenn der erfaßte Strom I gleich dem eingestellten Strom I&sub0; ist (Schritt B4), wird ein der absoluten vertikalen Position der Sonde 104 entsprechendes Absolut-Vertikal-Positionssignal an eine Vorrichtung 109 zum Herausziehen der relativen lateralen Positionsinformationen ausgegeben (Schritt B5). Anschließend und während einer nachfolgenden relativen Lateralverschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 wird die Vorrichtung 1901 zum Steuern der vertikalen Sondenposition und der Regelschaltkreis 1902 zum Durchführen einer Regelung der vertikalen Position der Sonde 104 verwendet, wodurch der erfaßte Strom I konstant auf einem dem eingestellten Stromwert I&sub0; gleichen Wert gehalten wird, wobei das Absolut-Vertikal-Positionssignal der Sonde 104 nacheinander an die Vorrichtung 109 zum Herausziehen der relativen Lateralpositionsinformationen ausgegeben wird. In diesem Fall ist die für die vorherstehend beschriebene Regelung benötigte Zeit im Vergleich zu der Zeit, die die Objekte 101 und 102 zur relativen Lateralverschiebung benötigen, um eine einer Teilung der Bezugsskala 103 entsprechenden Betrag ausreichend kurz.
In der Vorrichtung 109 zum Herausziehen der relativen Lateralpositionsinformationen kann der Betrag und die Richtung der relativen Lateralbewegung erfaßt werden (Schritt B7), wobei dies auf der Basis des zugeführten Absolut- Vertikal-Positionssignals 1903 der Sonde 104 und der der Bezgusskala 103 und der Sonde 104 entsprechenden Informationen erfolgt (Schritt B6). Genauer gesagt, wird das Absolut-Vertikal-Positionssignal 1903 (, dessen Signal in Fig. 22(a) gezeigt ist,) mittels einer Signalverarbeitungsvorrichtung 110 einer Signalverarbeitung unterzogen und anschließend durch eine Umwandlungsvorrichtung 111 in ein Bewegungsbetragssignal 112 (Fig. 22(b)) und ein Richtungssignal 113 (Fig. 22(c)) übertragen, welche anschließend einem Zähler 114 zugeführt werden. In diesem Zähler 114 werden das zugeführte Bewegungsbetragssignal 112 und das Richtungssignal 113 in eine relative Lateralverschiebung umgeformt. Unter Verwendung von vorab in einen Speicher 115 abgespeicherten Anfangspositionsdaten, bestimmt eine Subtrahiervorrichtung 116 die relative laterale Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 (Schritt B8) als ein Signal 117 (Fig. 22(d)).
Die Auflösung der Codiereinrichtung gemäß den vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiel liegt in der Größenordnung der Gradeinteilung der Bezugsskala 103(einigen Ångström, wenn eine periodische Atomanordnung an der Oberfläche eines elektrisch leitenden Materials als Bezugsskala verwendet wird). Es können jedoch eine Vielzahl von Schwellwerten (Fig. 22(e)) zum Erzeugen des Bewegungsbetrags-Impulssignals aus dem vertikalen Sonden-Verschiebungssignal verwendet werden, so daß ein mehrfach codiertes Impulssignal wie in Fig. 22 (f) gezeigt, erzeugt wird. Verwendet man dieses Signal in Verbindung mit dem relativen Richtungs-Verschiebungssignal gemäß Fig. 22 (g), so ist es möglich, die den, geteilten Abschnitten des Positions-Erfassungssignals entsprechenden Signale zu erhalten, wodurch eine Auflösung von weniger als einem Ångström erreicht wird (Fig. 22(h)). Hinsichtlich der vertikalen Positionssteuerung ist es auch möglich, die Bezugsskala vertikal zu bewegen und ihre vertikale Position zu erfassen. Dies gilt auch für die weiteren Ausführungsbeispiele die nachfolgend beschrieben werden. Als nächstes wird anhand von den Fig. 23 bis 30 eine Vorrichtung zum Erfassen der Richtung der relativen Lateralverschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 beschrieben, wobei diese Vorrichtung in einem dem vorherstehend genannten erläuternden Ausführungsbeispiel ähnlichem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann, in dem die vertikale Position der Sonde erfaßt wird.
Die Fig. 23 zeigt ein erläuterndes Beispiel des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 20, in dem eine asymmetrische Form (einer Elektronenwolkenverteilung) in Richtung einer relativen Verschiebung des Objekts, wie in Fig. 13 gezeigt, als Bezugsskala verwendet wird. Wenn sich, wie in Fig. 24 (a) gezeigt, die vertikale Sondenposition mit der relativen Verschiebung der Objekte 101 und 102 ändert, so wird ein Bewegungsbetrag- Signal 112 und ein Richtungssignal 113 in einer nachfolgenden Vorrichtung 109 zum Herausziehen der relativen Lateral- Positionsinformationen erzeugt, wie Fig. 24 (b) und (c) zeigen. Mittels dieser Signale kann die in Fig. 24 (d) dargestellte relative Lateralverschiebung erfaßt werden. Es wird in diesem Fall daher festgestellt, daß in Fig. 23 das Objekt 102 gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben wurde und zwar um einen in Fig. 24 (d) dargestellten Betrag.
Wenn sich die vertikale Verschiebung der Sonde mit der relativen Verschiebung der Objekte wie in Fig. 24 (e) ändert, so wird nach der in Fig. 24 (f) und (g) dargestellten Signalverarbeitung festgestellt, daß sich das Objekt 102 gegenüber dem Objekt 101 nach links verschoben hat und zwar uni einen in Fig. 24 (h) gezeigten Betrag. Wenn sich ferner die vertikale Verschiebung der Sonde 104 beispielsweise gemäß der Fig. 24 (i) ändert, kann festgestellt werden, daß sich an einem Punkt T die Richtung der relativen Verschiebung des Objekts 102 gegenüber dem Objekt 101 von rechts nach links geändert hat.
Fig. 25 zeigt ein weiteres Beispiel des vorherstehend beschriebenen erläuternden Ausführungsbeispiels in dem die vertikale Sondenposition erfaßt wird, wobei die Richtung der relativen Lateralverschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 erfaßt wird. Im Beispiel gemäß Fig. 25 führt die Sonde 104 eine geringfügige Schwingung in Richtung der relativen Verschiebung mittels einer lateralen Schwingvorrichtung 1301 aus. Dadurch, daß die Sonde 104 im Vergleich zur relativen Bewegungsgeschwindigkeit der Objekte 101 und 102 ausreichend schnell schwingt, ist es möglich, einen Positions-Differentiations-Koeffizienten für das absolute vertikale Positionssignal der Sonde 104 in Bezug auf die relative Lateralverschiebung zu erhalten. Daraus kann dann die Richtung der relativen Lateralverschiebung erfaßt werden.
Wenn sich beispielsweise die vertikale Verschiebung der Sonde 104 und ihr aus der relativen Lateralverschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 resultierender Positions-Differentiations-Koeffizient gemäß Fig. 26 (a) und (c) ändern, so kann festgestellt werden, daß sich das Objekt 102 in Fig. 25 gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben hat, und zwar um einen in Fig. 26 (d) gezeigten Betrag.
Wenn sich die vertikale Verschiebung der Sonde 104 mit der relativen Verschiebung der Objekte gemäß Fig. 26 (e) verändert, so kann nach der in Fig. 26 (f) und (g) ausgeführten Signalverarbeitung festgestellt werden, daß sich das Objekt 102 gegenüber dem Objekt 101 um einen Fig. 26 (h) dargestellten Betrag nach links verschoben hat.
Wird eine Änderung gemäß Fig. 26 (i) oder (m) beobachtet, so kann festgestellt werden, daß sich die Richtung der relativen Verschiebung des Objekts 102 gegenüber dem Objekt 101 an einem Punkt T von rechts nach links geändert hat.
Fig. 27 zeigt ein weiteres Beispiel des vorherstehend beschriebenen erläuternden Ausführungsbeispiels in den die vertikale Sondenposition erfaßt wird, wodurch die Richtung der relativen Lateralverschiebung der Objekte 101 und 102 erfaßt werden kann. In diesem Beispiel wird eine laterale Sondenschwingvorrichtung 1501 zur Schwingungserzeugung einer Sonde 104 in Richtung einer relativen Verschiebung der Objekte erzeugt, so daß an zwei unterschiedlichen Punkten A und B absolute Vertikal-Positionssignale A und B der Sonde 104 erfaßt werden. Es ist notwendig, daß die Sonde 104 im Vergleich zu der relativen Bewegungsgeschwindigkeit der Objekte 101 und 102 und innerhalb einer im Vergleich zum Schwingungszyklus der Sonde 104 ausreichend kurzen Zeit schwingt, wobei die vertikale Positionssteuerung der Sonde 104 mittels einer vertikalen Sondenpositionssteuervorrichtung 1901 (d.h. Regelung zum Aufrechterhalten eines konstanten Tunnelstrom 105) durchgeführt wird. Wenn der Schwingungsbereich der Sonde 104 mit d bezeichnet wird, entspricht das vorliegende Ausführungsbeispiel einem Verfahren in dem zwei in einem Abstand d beabstandete Sonden zum Erfassen der Richtung auf der Grundlage zweier Signale mit einer Phasendifferenz in Bezug auf die gleiche Bezugsskala verwendet werden.
Wenn die Teilung der Bezugsskala mit p bezeichnet wird, kann der Bereich d der Sondenschwingung 104 mit der folgenden Gleichung beschrieben werden:
d = p/4 + N · (p/2)
wobei N = 0, 1, 2...
Wenn sich in diesem Fall die vertikale Verschiebung der Sonde 104 mit der relativen Lateralverschiebung der Objekte 101 und 102 gemäß Fig. 28 (a) ändert, so kann festgestellt werden, daß sich das Objekt 102 in Fig. 27 gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben hat. Entspricht die vertikale Verschiebung der Sonde der Fig. 28 (e), so kann festgestellt werden, daß sich das Objekt nach links verschoben hat.
Wenn sich ferner die vertikale Verschiebung der Sonde 104 gemäß Fig. 28 (i) oder (m) ändert, so kann festgestellt werden, daß sich die Richtung der relativen Verschiebung des Objekts 102 gegenüber dem Objekt 101 an einem Punkt T von rechts nach links geändert hat.
Fig. 29 zeigt ein weiteres erläuterndes Beispiel des vorherstehenden genannten Ausführungsbeispiels in dem die vertikale Sondenposition erfaßt wird, wodurch die Richtung der relativen Lateralverschiebung der Objekte 101 und 102 erfaßt werden kann. In diesem Beispiel werden zwei Sonden verwendet. In Fig. 29 sind zwei vertikale Sondenpositionssteuer-Vorrichtungen 2801A und 2801B vorgesehen, wodurch unabhängig voneinander die vertikale Positionssteuerung der zwei in einem Abstand d voneinander beabstandeten Sonden 1701A und 1701B durchgeführt werden kann (d.h. Regelung zum Aufrechterhalten eines konstanten Tunnelstroms). Durch Erfassen der beiden vertikalen Sondenverschiebungssignale 2803A und 2803B kann die relative Lateralverschiebung erfaßt werden. Wenn beispielsweise die Teilung einer Bezugsskala mit p bezeichnet ist, kann der Abstand d zwischen den Sonden 1701A und 1701B mit der folgenden Gleichung beschrieben werden:
d = p/4 + N · (p/2)
wobei N = 0, 1, 2, ...
Wenn sich die vertikalen Verschiebungen der beiden Sonden 1701A und 1701B gemäß Fig. 30 (a) mit der relativen Lateralverschiebung der Objekte 101 und 102 andern, so kann festgestellt werden, daß sich das Objekt 102 in Fig. 29 gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben hat. Wenn sich die vertikalen Verschiebungen der zwei Sonden gemäß Fig. 30 (e) andern, so kann festgestellt werden, daß sich das Objekt nach links verschoben hat.
Wenn sich ferner die vertikalen Verschiebungen der zwei Sonden 1701A und 1701B gemäß Fig. 30 (i) oder (m) mit der relativen Lateralverschiebung der Objekte 101 und 102 ändern, so kann festgestellt werden, daß sich die Richtung der relativen Verschiebung des Objekts 102 gegenüber dem Objekt 101 von rechts nach links geändert hat.
Gemäß den vorherstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird eine Atomanordnung oder dergleichen als Bezugsskala verwendet und ein zwischen einer Sonde und einer Bezugsskala erfaßter Tunnelstrom zum Bestimmen einer relativen Positionsabweichung zwischen der Sonde und der Bezugsskala erfaßt. Erfindungsgemäß wird folglich eine Codiereinrichtung mit einer hohen Auflösung in der Größenordnung von interatomaren Abstanden (Ångström) geschafffen.
Gemäß einem Teilaspekt der Erfindung wird ein Tunnelstrom erfaßt, wahrend der Abstand zwischen Sonde und Bezugsskala konstant gehalten wird. Dadurch kann die Position schneller erfaßt werden. Andererseits kann die vertikale Position einer Sonde erfaßt werden, wahrend ein Tunnelstrom konstant gehalten wird. Dies fuhrt zu einer genaueren Erfassung der Position.
Als Bezugsskala kann eine kombinierte Struktur aus einer Atomanordnung und einer hergestellten Gradeinteilung verwendet werden. Dadurch wird eine absolute Positionserfassung, eine Positionserfassung über einen weiten Bereich sowie eine sehr schnelle Positionserfassung möglich.
Die Fig. 31 zeigt den Aufbau einer Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel. Die Fig. 32 und 33 zeigen Kurvensignale die man an verschiedenen Teilabschnitten des vorliegenden Ausführungsbeispiels erhält. In Fig. 31 sind ein Objekt 101 und ein weiteres Objekt 102 relativ zueinander beweglich in einer Lateralrichtung angeordnet (horizontale Richtung in der Zeichnung). Das Objekt 102 besitzt eine elektrisch leitende Bezugsskala 103, während das Objekt 101 mit einer elektrisch leitenden Sonde 104 ausgestattet ist. Zwischen Sonde 104 und Bezugsskala 103 wird mittels einer Vorspannungsquelle 4106 eine Vorspannung angelegt. Die Sonde 104 besitzt eine Spitze, die in der Nähe der Bezugsskala 103 angeordnet ist, so daß ein schematisch als 105 dargestellter Tunnelstrom zwischen Sonde und Bezugsskala fließt. Der Tunnelstrom 105 wird mittels einer Strom/Spannungs-Umwandlungsschaltung 4107 in eine elektrische Spannung umgewandelt und nach der Verstärkung mittels einer Verstärkerschaltung 4108 einer logarithmischen Übertragung mittels einer logarithmischen Übertragungsschaltung 4109 unterworfen. Dadurch entsteht zum Abstand zwischen Sonde und Bezugsskala proportionales Ausgangssignal.
Darüberhinaus ist eine Sondenschwingvorrichtung 4110 vorgesehen, mit der die Sonde 104 in Richtung der relativen Bewegung zwischen den Objekten 101 und 102 mit einer Schwingfrequenz f und einer Amplitude d in Schwingung versetzt werden kann. Die Schwingungsgeschwindigkeit wird ausreichend höher als die relative Bewegungsgeschwindigkeit der Objekte 101 und 102 gewählt.
Ein Sondenschwingungssignal erhält man auf folgende Weise:
Ein Oszillator 4111 erzeugt ein rechteckförmiges Signal 2a mit einer Schwingungsfrequenz nf, welches an eine Frequenzteilerschaltung 4112 angelegt wird, so daß das rechteckförmige Signal in ein Ausgangssignal 2b umgewandelt wird. Das Ausgangssignal 2b wird einer Signalübertragungsschaltung 4113 zugeführt durch die es in ein Dreieckskurvensignal (Kurvensignal 2c) mit einer Schwingungsfrequenz f übertragen wird. Nach der Verstärkung durch einen Verstärker 4114 wird das Kurvensignal 2c der Sondenschwingungsvorrichtung 4110 zugeführt. Eine geeignete Schwingungsvorrichtung kann auf der Seite des Objekts 102 vorgesehen werden, um die Bezugsskala anstelle der Sonde in Schwingung zu versetzen.
Um den Durchschnittsabstand zwischen der Sonde und der Bezugsskala während der relativen Lateralbewegung zwischen den Objekten 101 und 102 konstant zu halten (d.h. den Durchschnitts-Tunnelstrom konstant zu halten), ist eine Regelung vorgesehen. Die Regelung besitzt eine Durchschnitts- Tunnelstromeinstellschaltung 4115 mit der das Ausgangssignal der logarithmischen Übertragungsschaltung 4109 erfaßt werden kann und die für den Fall daß der erfaßte Tunnelstromwert von einem eingestellten Wert abweicht, ein Korrektursignal erzeugt, das den erfaßten Fehler ausgleicht. Die Regelung besitzt ferner ein Tiefpaßfilter 4116 und eine Verstärkerschaltung 4117. Das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 4117 wird einer vertikalen Sondenpositions-Steuervorrichtung 4118 zum Einstellen des Abstands zwischen der Sonde und der Bezugsskala zugeführt. Die Sperrfrequenz des Tiefpaßfilter 4115 wird derart eingestellt, daß (i) eine schnelle Modulationskomponente des Tunnelstroms, welche von der Änderung in der Höhe der Abschnitte der der Sonde gegenüberliegenden Bezugsskala herrührt, ausgeschlossen wird, wobei die Änderungen als Folge des Abtastens der Bezugsskala mittels der relativ zur Bezugsskala in lateraler Richtung schwingenden Sonde auftreten, und daß (ii) eine geringfügige Änderungskomponente des Tunnelstroms übertragen wird, welche von der Neigung oder dergleichen der Bezugsskala während der relativen Lateralbewegung zwischen den Objekten 101 und 102 herrührt. Daraus ergibt sich, daß die vertikale Sondenpositions-Steuervorrichtung 4118 nicht der durch die Schwingung der Sonde erzeugten Tunnelstromänderung folgt, sondern nur der durch die relative Bewegung zwischen den Objekten 101 und 102 hervorgerufenen Änderung im Tunnelstrom folgt. Auf diese Weise wird die vertikale Sondenposition gesteuert.
Als Folge der durch die Sondenschwingungsvorrichtung 4110 hervorgerufenen Sondenschwingung wird in dem zwischen der Sonde und der Bezugsskala fließenden Tunnelstrom 105 eine Modulationskomponente mit einer Frequenz (2p/d)f erzeugt, (wobei p die Teilung der Bezugsskala ist) die dem Abtasten der Bezugsskala durch die Sonde entspricht. Wenn sich zu diesem Zeitpunkt die Objekte 101 und 102 relativ zueinander in lateraler Richtung bewegen, so tritt eine Phasenverschiebung der im Tunnelstrom 105 auftretenden vorherstehend genannten Modulationskomponente der Frequenz (2p/d)f in Bezug auf ein Bezugssignal (, das beispielsweise ein Sondenschwingungssignal sein kann,) auf. Da ein Zyklus des Kurvensignals (Phasenverschiebung von 2π) der relativen Lateralverschiebung der Sonde und der Bezugsskala um einen der Einheitsskala (Abstand zwischen zwei benachbarten Gradeinteilungen) der Bezugsskala entsprechenden Abstand entspricht, kann der Betrag der relativen Lateralbewegung zwischen den Objekten 101 und 102 durch Erfassen dieser Phasenverschiebung bestimmt werden. In diesem Fall wird selbst bei Vorliegen einer Beschädigung oder der-gleichen der Bezugsskala nur ein Abschnitt des Kurvensignals gestört und die Phasenverschiebung im wesentlichen nicht beeinflußt. Dadurch kann die Meßgenauigkeit aufgrund von äußeren Einflüssen wie beispielsweise Beschädigungen oder dergleichen kaum verschlechtert werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 32 und 33 wird nachfolgend die Signalverarbeitung näher beschrieben.
Die im Tunnelstrom auftretende Modulationskomponente mit der Frequenz (2p/d)f wird (als Kurvensignal 2d) aufgenommen nachdem sie durch den Strom-/Spannungs-Umwandler 4107, die Verstärkerschaltung 4108, die logarithmische Übertragungsschaltung 4109 und ein Bandpaßfilter 4118 verarbeitet wurde. Das Kurvensignal 2d wird durch eine Binärisierschaltung 4119 binär codiert, wodurch ein Kurvensignal 2e erzeugt wird.
In diesem Fall wird die Amplitude des an die Sondenschwingungsvorrichtung 4110 angelegten Sondenschwingungssignals 2c so eingestellt (d.h. die Verstärkung der Verstärkungsschaltung 4114), daß die Beziehung "d = 2p/n" erfüllt ist, wodurch die Frequenz des Kurvensignals 2e gleich "nf'" ist. Unter Verwendung des frequenzgeteilten Signals 2b als Bezugssignal wird das Kurvensignal 2e in zwei Kurven-signale 2f und 2g mittels eines analogen Schalters 4120 aufgeteilt, wobei das frequenzgeteilte Signal 2b durch Frequenzteilung des Ausgangssignals 2a des Oszillators 4111 mittels einer Frequenzteilerschaltung 4112 derart erfolgt ist, daß die Frequenz um 1/n geteilt wurde.
Mittels einem weiteren analogen Schalter 4121 wird das Kurvensignal 2a unter Verwendung des Kurvensignals 2b als Bezugssignal in zwei Kurvensignale 2h und 2i aufgeteilt. Die Kurvensignale 2f und 2h werden einem Phasenvergleicher 4122 zugeführt, wodurch man ein Phasendifferenz-Ausgangssignal 2j erhält, welches in einer Mittelungsschaltung 4123 gemittelt wird, und als Ausgangssignal das Kurvensignal 2k ausgibt. Wenn sich die Objekte 101 und 102 relativ und lateral zueinander bewegen, ändert sich das Kurvensignal 2k wie ein Kurvensignal 3a entsprechend des Betrages der relativen Bewegung. Ferner wird jedesmal bei einer Phasendifferenz von "2nπ" (n ist eine ganze Zahl) der Nulldurchgangspunkt beispielsweise des Phasendifferenz-Ausgangssignals 3a mittels einer Binärisierschaltung 4124 erfaßt, wodurch Impulse (Kurvensignal 3b) erzeugt werden. Die Anzahl dieser Impulse wird durch den Auf-/Abzähler 4125 gezählt. Dadurch ist es möglich, den Betrag der relativen Phasenverschiebung zwischen den Signalen 2f und 2h als Codiererausgangssignal 3c zu erfassen. Gleichzeitig kann das an den Zähler 4125 anliegende Phasenverschiebungs-Richtungssignal, d.h. die Auf-/Ab- Bedingung (Kennzeichen) auf folgende Art und Weise bestimmt werden:
Als erstes wird mittels dem Ausgangssignal 2a des Oszillators 4111 und mittels eines Phasenschiebers 4126 und eines analogen Schalters 4127 ein Signal 2l erzeugt, dessen Phase im Vergleich zum Signal 2h um 90º verschoben ist. Das Signal 2l sowie das Signal 2f werden dem Phasenvergleicher 4128 zugeführt, um ein Phasendifferenz-Ausgangssignal 2m zu erzeugen, welches seinerseits mittels einer Mittelungs schaltung 41291 gemittelt wird, wodurch ein Signal 2n erzeugt wird.
Auf gleiche Weise wie das Signal 2k ändert sich das Signal 2n gemäß dem Signal 3d mit der lateralen Relativbewegung zwischen den Objekten 101 und 102 und entsprechend dem Betrag einer derartigen relativen Bewegung.
Darüberhinaus wird das Signal 3d durch eine Binärisierschaltung 4130 binär codiert, so daß ein Phasenverschiebungs- Richtungssignal, d.h. ein dem Auf-/Ab-Zahler 4125 zugeführtes Auf-/Ab-Signal 3e erzeugt wird. Wenn das Kennzeichen dieses Auf-/Ab-Signals 3e zum Zeitpunkt der steigenden Flanke (3b&sub1;, 3b&sub2; und 3b&sub3;) des Bewegungsbetrags-Impulssignals 3b positiv ist, zahlt der Auf-/Ab-Zahler 4125 die Anzahl der Impulse aufwärts. Wenn demgegenüber das Kennzeichen des Auf-/Ab- Signals 3e zum Zeitpunkt der steigenden Flanke negativ ist, zahlt der Zahler 4125 die Impulse abwärts. Auf diese Weise kann der Betrag der lateralen Relativbewegung zwischen den Objekten 101 und 102 erfaßt werden. Im Verfahren gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel entspricht ein Zyklus (2π) der Phasenverschiebung der relativen Verschiebung um einen der Einheitsskala (Teilung) der Bezugsskala entsprechenden Abstand. Selbst wenn die Bezugsskala eine Beschädigung oder dergleichen aufweist, wird lediglich ein Abschnitt des Kurvensignals gestört und die Phasenverschiebung im wesentlichen dadurch nicht beeinflußt. Die Korrektheit des gemessenen Wertes erhält man daher unabhängig von der Anwesenheit von irgendwelchen externen Störungen. Anstelle der vorherstehend beschriebenen Signalverarbeitung für die Signale 2f und 2h können auch die Signale 2g und 2i auf ähnliche Weise verarbeitet werden. Die relative Verschiebung kann auf diese Weise ebenso erfaßt werden. Die Fig. 34 zeigt den Aufbau einer Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel.
Die Fig. 35 und 36 zeigen Signale, welche man an den verschiedenen Teilabschnitten des vorliegenden Ausführungsbeispiels erhält. In Fig. 34 können sich ein Objekt 101 und ein weiteres Objekt 102 lediglich in einer lateralen Richtung (einer horizontalen Richtung in der Zeichnung) relativ zueinander bewegen. Das Objekt 102 ist mit einer elektrisch leitenden Bezugsskala 103 ausgestattet, während das Objekt 101 eine elektrisch leitende Sonde 104 aufweist. Zwischen Sonde 104 und Bezugsskala 103 wird mittels einer Vorspannungsquelle 106 eine Vorspannung angelegt. Die Sonde 104 besitzt eine Spitze, welche so nahe an die Bezugsskala 103 herangeführt wird, daß ein schematisch mit 105 bezeichneter Tunnelstrom zwischen ihnen fließt. Der Tunnelstrom 105 wird mittels einer Strom-/Spannungs- Umwandlungsschaltung 4107 in eine elektrische Spannung umgewandelt und nachdem er mittels einer Verstärkerschaltung 4108 verstärkt wurde, mittels einer logarithmischen Übertragungsschaltung 4109 einer logarithmischen Übertragung unterworfen.
Mittels einer Sondenschwingvorrichtung 4110 kann eine Sonde 104 in Richtung der relativen Bewegung zwischen den Objekten 101 und 102 mit einer Schwingungsfrequenz f und einer Amplitude e in Schwingung versetzt werden. Die Schwingungsgeschwindigkeit ist ausreichend größer als die relative Bewegungsgeschwindigkeit zwischen den Objekten 101 und 102.
Das Sondenschwingungssignal erhält man auf folgende Weise:
Der Oszillator bzw. Schwingkreis 4111 erzeugt ein Rechtecksignal 2a mit einer Schwingfrequenz f welche einer Signalzerhacker-Übertragerschaltung 4113 zugeführt wird, wodurch das Signal in ein Dreieckssignal umgewandelt wird. Nach der Verstärkung durch eine Verstärkerschaltung 4114 wird das Signal (Signal 5b) der Sondenschwingvorrichtung 4110 zugeführt. Eine geeignete Schwingungsvorrichtung kann auch auf der Seite des Objektes 102 vorgesehen werden, um anstelle der Sonde die Bezugsskala in Schwingung zu versetzen.
Um den Durchschnittsabstand zwischen der Sonde und der Bezugsskala konstant zu halten (d.h. den Durchschnitts- Tunnelstrom konstant zu halten), wird während der lateralen Relativbewegung zwischen den Objekten 101 und 102 eine Regelung ausgeführt. Die Regelung besitzt eine Durchschnitts- Tunnelstrom-Einstellschaltung 4115 mit der das Ausgangssignal der logarithmischen Übertragungsschaltung 4109 erfaßt werden kann und mit der für den Fall, daß der erfaßte Tunnelstromwert von einem eingestellten Wert abweicht, ein derartiges Signal erzeugt wird, daß der erfaßte Fehler korrigiert wird. Die Regelung besitzt ferner ein Tiefpaßfilter 4116 und eine Verstärkerschaltung 4117. Das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 4117 wird einer vertikalen Sondenposition-Steuervorrichtung 4118 zum Einstellen des Abstands zwischen der Sonde und der Bezugsskala zugeführt. Hierbei ist die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 4115 derart eingestellt, daß (il) eine schnelle Modulationskomponente des Tunnelstroms ausgeschnitten wird, welche von der Höhenänderung des gegenüber der Sonde liegenden Abschnitts der Bezugsskala herrührt, wobei die Änderung als Folge des Abtastens der Bezugsskala mittels der lateral schwingenden Sonde relativ zur Bezugsskala auftritt, und daß (ii) eine graduelle Änderungskomponente des Tunnelstroms übertragen wird, die von einer Schrägstellung oder dergleichen der Bezugsskala während der relativen Lateralbewegung zwischen den Objekten 101 und 102 herrührt. Daher folgt die vertikale Sondenpositions- Steuervorrichtung 4118 nicht der durch die Sondenschwingung hervorgerufenen Änderung des Tunnelstroms sondern der durch eine relative Bewegung zwischen den Objekten 101 und 102 hervorgerufenen Änderung des Tunnelstroms. Auf diese Weise wird die vertikale Position der Sonde gesteuert.
Als Folge der von der Sondenschwingungs-Vorrichtung 4110 hervorgerufenen Sondenschwingung wird eine Modulationskomponente mit der Frequenz (2p/d)f (wobei p der Teilung der Bezugsskala entspricht), welche der Abtastung der Bezugsskala durch die Sonde entspricht, in dem zwischen der Sonde und der Bezugsskala fließenden Tunnelstrom 105 erzeugt. Wenn sich zu diesem Zeitpunkt die Objekte 101 und 102 relativ zueinander in einer lateralen Richtung bewegen, so entsteht eine Phasenverschiebung der vorstehend genannten Modulationskomponente mit einer Frequenz von (2p/d)f, welche in Bezug auf ein Bezugssignal (, welches beispielsweise das Sondenschwingungssignal sein kann,) in dem Tunnelstrom 105 auftritt. Da ein Zyklus des Signals (Phasenverschiebung um 2π ) der relativen Lateralverschiebung der Sonde gegenüber der Bezugsskala um einen Abstand entsprechend der Einheitsskala (Abstand zwischen zwei benachbarten Gradeinteilungen) der Bezugsskala entspricht, kann der Betrag der relativen Lateralbewegung zwischen den Objekten 101 und 102 durch das Erfassen einer derartigen Phasenverschiebung bestimmt werden. In diesem Fall wird sogar bei einer Beschädigung oder dergleichen auf der Bezugsskala lediglich ein Abschnitt des Kurvensignals gestört und die Phasenverschiebung dadurch im wesentlichen nicht beeinflußt. Daher kann die Genauigkeit aufgrund von externen Einflüssen und Störungen wie beispielsweise Defekten oder dergleichen kaum verschlechtert werden.
Nachfolgend werden anhand der Fig. 35 und 36 die Einzelheiten des Signalverarbeitungsverfahrens beschrieben.
Die Modulationskomponente der Frequenz (2p/d)f, welche im Tunnelstrom auftritt, wird nach Verarbeitung durch die Strom- /Spannungs-Umwandlungsschaltung 4107, die Verstärkerschaltung 4108, die logarithmische Übertragerschaltung 4109 und das Bandpaßfilter 4118 (als Signal 5c) aufgenommen. Das Signal 5c wird durch eine Binärisierschaltung 4119 binär codiert, wodurch ein Signal 5d erzeugt wird.
Darüberhinaus wird unter Verwendung des Ausgangssignals 5a des Oszillators 4111 als Bezugssignal das Signal 5d in die beiden Signale 5e und 5f mittels eines analogen Schalters 4120 getrennt.
Ein Schieberegister 4431 arbeitet als Verzögerungsglied um eine Zeit 1/2f, wodurch ein Signal 5g erzeugt wird.
Die Signale 5f und 5g werden einem Phasenvergleicher 4122 zugeführt, um ein Phasendifferenz-Ausgangssignal 5h zu erzeugen, welches seinerseits mittels einer Mittelungs schaltung 4123 gemittelt wird, wodurch ein Ausgangssignal Si erzeugt wird. Wenn sich die Objekte 101 und 102 relativ zueinander in einer lateralen Richtung bewegen, ändert sich das Signal 5i gemäß einem Signal 6a und entsprechend dem Betrag der relativen Bewegung. Jedesmal wenn die Phasendifferenz gleich "2nπ" wird, (n ist eine natürliche Zahl), so wird beispielsweise der Nulldurchgang des Phasendifferenz- Ausgangssignals 6a mittels einer Binärisierschaltung 4214 erfaßt und die Impulse (Signal 6b) erzeugt. Die Anzahl dieser Impulse wird durch einen Auf-/Ab-Zähler 4125 gezählt. Dadurch ist es möglich, den Betrag der relativen Phasenverschiebung zwischen den Signalen 5f und 5g als Ausgangssignal der Codiereinrichtung 6c zu erfassen. Gleichzeitig kann das dem Zähler 4125 zugeführte Phasenverschiebungs-Richtungssignal, d.h. die Auf-/Ab-Bedingung (Kennzeichen), auf folgende Art und Weise bestimmt werden:
Als erstes wird ein Signal 5j erzeugt, dessen Phase im Vergleich zum Signal 5g um 90º verschoben ist. Die Signale 5f und 5j werden einem Phasenvergleicher 4128 zugeführt, um ein Phasendifferenz-Ausgangssignal 5k zu erzeugen, welches seinerseits durch eine Mittelungsschaltung 4129 gemittelt wird und ein Signal 5i (6d) erzeugt wird.
Ähnlich wie beim Signal Si ändert sich das Signal 5i gemäß dem Signal 6d mit der lateralen relativen Bewegung zwischen den Objekten 101 und 102 entsprechend dem Betrag einer derartigen relativen Bewegung.
Darüberhinaus wird das Signal 6d mittels einer Binärisierschaltung 4130 binär codiert, so daß ein Phasen- Verschiebungs-Richtungssignal, d.h. dem Auf-/Ab-Zähler 4125 zugeführtes Auf-/Ab-Signal, 6e erzeugt. In diesem Ausführungsbeispiel zählt der Auf-/Ab-Zähler 4125 die Anzahl der Impulse abwärts, wenn das Kennzeichen des Signals 6e zum Zeitpunkt der steigenden Impulsflanke des Signals 6b positiv ist, während der Zähler 4125 aufwärts zählt, wenn das Kennzeichen des Signals 6e zum gleichen Zeitpunkt negativ ist.
Auf diese Weise kann die laterale relative Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 erfaßt werden. In dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten Verfahren entspricht ein Zyklus (2π) einer Phasenverschiebung der relativen Verschiebung um einen einer Hälfte der Einheitsskala (Gradeinteilung) der Bezugsskala entsprechenden Abstand.
Gemäß den vorherstehend genannten erläuternden Ausführungsbeispielen wird eine Atomanordnung oder dergleichen als Bezugsskala verwendet und ein zwischen einer Sonde und der Bezugsskala fließender Tunnelstrom erfaßt, wodurch die relative positionelle Abweichung zwischen Sonde und der Bezugsskala erfaßt werden kann. Dadurch wird erfindungsgemäß eine Codiereinrichtung mit einer hohen Auflösung in der Größenordnung von interatomaren Abständen (Ångström) geschaffen. Darüberhinaus kann durch eine relative Schwingung zwischen der Sonde und der Bezugsskala in Richtung der relativen positionellen Abweichung eine stabile und zuverlässige Codiereinrichtung geschaffen werden, in der im wesentlichen unabhängig von der Anwesenheit von lokalen Defekten auf der Bezugsskala oder irgendwelchen externen Störungen wie beispielsweise Vibrationen keine Fehler auftreten.
Als nächstes erfolgt die Beschreibung eines weiteren Aspekts der Erfindung wonach eine Codiereinrichtung geschaffen wird, die eine hohe Genauigkeit über einen weiten Meßbereich aufweist.
Die Fig. 37 zeigt ein erläuterndes Ausführungsbeispiels einer Codiereinrichtung gemäß diesem Aspekt der Erfindung. In Fig. 37 ist mit 5001 ein lichtemittierendes Element bezeichnet; mit 5002 eine Kollimatorlinse; mit 5003 ein Lichtempfangsabschnitt mit zwei Lichtempfangselementen 5003a und 5003b; und mit 5005 eine perforierte Codeplatte bezeichnet. Mit 5040 ist eine metallische Codeplatte bezeichnet, welche in der Richtung eines Pfeiles C bewegbar ist. Die Codeplatte 5040 ist mit einer Skala 5041, die mit einer ersten Positions- Erfassungsvorrichtung verwendet wird, und mit einer weiteren Skala 5042 ausgestattet, die mit einer zweiten Positions- Erfassungsvorrichtung verwendet wird, wobei diese Skalen in der gleichen Ebene ausgebildet sind. Die Codeplatte 5040 ist als Reflexionstyp ausgebildet, weshalb die Skala 5041 ein sogenanntes "Schwarz-Weiß-Muster" besitzt, welches aus einer Kombination von Abschnitten mit großem Reflexionsfaktor und Abschnitten mit im wesentlichen keiner Reflexion bestehen, wobei diese beiden Abschnitte in einem gleichmäßigen Abstand ausgebildet sind. Ein Teil des von dem Muster der Skala 5041 reflektierten Lichtes tritt durch die perforierte Codeplatte 5005 und die Intensität des hindurch tretenden Lichts ändert sich periodisch entsprechend der relativen Verschiebung zwischen den zwei Codeplatten 5005 und 5040. Die Skala 5042 besitzt eine Gradeinteilung, welche im Vergleich zu der der Skala 5041 sehr fein ist. Die Skala 5042 kann auf folgende Art und Weise hergestellt werden: Ein Substrat wird mit einem Resistmaterial beschichtet und ein Skalenmuster mittels Elektronenstrahlzeichnung oder Lithographie darauf ausgebildet. Nach der Resist-Entwicklung wird eine Ätzbehandlung durchgeführt, wodurch Vertiefungen mit einer vorbestimmten Tiefe in der Oberfläche der Codeplatte nacheinander in der Richtung des Pfeiles C ausgebildet werden. In diesem erläuternden Ausführungsbeispiel wird die Gradeinteilung der Skala 5042 auf 1/N der Gradeinteilung der Skala 5041 eingestellt, wobei N eine natürliche Zahl ist.
Ferner ist eine aus einem elektrisch leitenden Material bestehende Sonde 5007 und eine Sondenansteuervorrichtung 5008 zum Bewegen der Sonde in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zur Oberfläche der Codeplatte 5040 vorgesehen. Die Sondenansteuervorrichtung 5008 besitzt zwei piezoelektrische Stellglieder 5008a und 5008b. Das Stellglied 5008a besitzt ein einzelnes piezoelektrisches Material und funktioniert als erste Sondenansteuerung. Das Stellglied 5008a ist mit einem Ende mit der Sonde 5007 verbunden, wahrend das andere Ende mit einem Ende des piezoelektrischen Stellgliedes 5008b verbunden ist, welches aus mehrfach geschichteten piezoelektrischen Elementen besteht und als zweite Sondenansteuerung funktioniert. Das andere Ende des Stellgliedes 5008b ist gemeinsam mit der ersten Positions- Erfassungsvorrichtung fest mit einem Gehäuse eines Positions- Erfassungskopfes (, welche beide nicht gezeigt sind) sicher befestigt. Die erste Positions-Erfassungsvorrichtung ist mit einer Vielzahl von Elementen, wie beispielsweise dem lichtemittierenden Element 5001, der Kollimatorlinse 5002, dem Lichtempfangselement 5003 und der perforierten Codeplatte 5005, ausgestattet. Die Sonde 5007 und die Sondenansteuer- Vorrichtung 5008 arbeiten gemeinsam mit einer Steuervorrichtung, welche die in Fig. 38 gezeigten verschiedenen Blöcke aufweist, um die zweite Positions- Erfassungsvorrichtung zu schaffen.
Gemäß Fig. 38 ist mit 5009 eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen eines elektrischen Stromes Ip bezeichnet, welcher durch die Sonde 5007 fließt, wenn eine bestimmte Spannung Vp zwischen der Codeplatte 5040 und der Sonde 5007 angelegt wird. Die Steuereinrichtung 5010 erzeugt ein Signal Vs, welches angelegt wird, wenn ein Schalter 5011 an einem piezoelektrischen Gerätetreiber 5012 zum Steuern des piezoelektrischen Stellgliedes 5008a geschlossen wird, wodurch ein Abstand zwischen der Sonde 5007 und der Skala 5042 auf der Codeplatte 5040 konstant gehalten wird und folglich der elektrische Strom Ip konstant bleibt. Die von einer (nicht gezeigten) Treiberschaltung erzeugte elektrische Spannung Vb wird zum Ansteuern der zweiten Treiberschaltung 5008b verwendet, wodurch die Sonde 5007 der Skala 5042 bis auf einen Abstand angenähert werden kann, bei dem der elektrische Strom Ie erfaßt wird. Wenn die Spann und Vb einmal eingestellt ist, so wird ihre Größe bei Verwendung der Codiereinrichtung auf einem gleichen Wert festgehalten.
Als nächstes wird die Arbeitsweise der zweiten Positions- Erfassungsvorrichtung beschrieben.
Die zweite Positions-Erfassungsvorrichtung verwendet ein ähnliches Arbeitsprinzip wie ein Abtasttunnelmikroskop (STM) wie es in "Scanning Tunneling Microscope" von Kajimura et al. Solid State Physics, Band 22, Nr. 3, Seiten 176 bis 185 (1987) oder in "Recent Progress in the Scanning Tunneling Microscope" von H. Adachi, Proc. 6. Sensor-Symposium, Seiten 137 bis 182 (1986) oder dergleichen beschrieben wird. Dies gilt auch für die vorherstehend genannten Ausführungsbeispiele.
Insbesondere ist bekannt, daß, wenn gemäß Fig. 39 eine elektrische Spannung V zwischen einem Muster 5044 und einer aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden Sonde 5007' angelegt wird, und der Abstand dazwischen bis auf einen Abstand Z schrittweise verringert wird, ein geringfügiger elektrischer Strom JT fließt, welcher als "Tunnelstrom" bezeichnet wird. Das Abtasttunnnelmikroskop (STM) verwendet dieses Prinzip. Der Tunnelstrom ändert sich exponentiell mit dem Abstand Z wie in Gleichung (1) vorherstehend beschrieben ist.
Wenn in diesem Fall die Sonde 5007' in der Richtung eines Pfeiles C bewegt wird, wahrend die Sonde zum Beibehalten eines konstanten Abstandes Z auf- und abwärts bewegt wird, entspricht die vertikale Bewegung der Sonde 5007 der Oberflächenform des Musters 5044 in der Richtung des Pfeiles C. Darüberhinaus konnte festgestellt werden, daß die Auflösung entlang der Oberflächenrichtung in der Größenordnung eines Atoms liegt.
Die zweite Positions-Erfassungsvorrichtung des vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiels verwendet dieses Prinzip wie in den Fallen der Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 20 bis 36. Im Betrieb wird als erstes in Fig. 38 eine konstante Spannung Vp zwischen die Codeplatte 5040 und die Sonde 5007 angelegt. Nachfolgend wird mittels des piezoelektrischen Stellgliedes 5008b und der Einstellung einer elektrischen Spannung Vb die Sonde 5007 in Richtung der Codeplatte 5040 bis zu einer Position mit einem Abstand, bei dem ein Tunnelstrom fließen kann, bewegt. Daraufhin wird der Schalter 5011 geschlossen und eine dem piezoelektrischen Stellglied 5008a zugeführte elektrische Spannung Va mittels einem von der Steuereinrichtung 5010 zu der Treiberschaltung 5012 zugeführten Signals Vs derart eingestellt, daß der mittels einer Stromerfassungsvorrichtung 5009 erfaßte Tunnelstrom Ip konstant gehalten wird. Wenn in diesem Zustand zwischen der Sonde 5007 und der Codeplatte 5040 in Richtung des Pfeiles C eine relative Bewegung stattfindet, ändert sich der Tunnelstrom Ip mit der Oberflächenform (Änderung der Oberflächenhöhe) der Skala 5042. Dementsprechend liefert die Steuereinrichtung 5010 ein Signal Vs an die Treiberschaltung 5012 für das piezoelektrische Stellglied 5008a, wodurch der Tunnelstrom Ip wie vorherstehend beschrieben, konstant gehalten wird, d.h. daß der Abstand zwischen der Sonde 5007 und der Skala 5042 gleichmäßig konstant gehalten wird. Da der Betrag der Ausdehnung/Verkürzung des piezoelektrischen Stellgliedes 5008a proportional zur angelegten Spannung Va ist, entspricht das Signal Vs der Oberflächenform der Skala 5042. Mittels Binärcodierung und Signal-Gleichrichtung erhält man aus diesem Signal ein Signal S wie es in Fig. 40 dargestellt ist. Alternativ kann die Spannung Va konstant gehalten werden, während der Schalter 5011 offen bleibt; die räumliche Position der Sonde 5007 in Richtung der Dicke der Codeplatte 5040 kann damit konstant gehalten werden; und der an der Strom-Erfassungsvorrichtung 5009 erhaltene elektrische Strom Ip kann quantisiert werden. Ein vergleichbares Signal S kann auch auf diese Weise erhalten werden.
Gemäß Fig. 40 sind mit A und B die Signale der Lichtempfangselemente 5003a und 5003b aus Fig. 37 bezeichnet, nachdem sie binär codiert und gleichgerichtet wurden. Wegen der perforierten Codeplatte 5005 haben diese Signale eine gegenseitige Phasendifferenz von 90º (die Abszissenachse bezeichnet die Position). Im Beispiel gemäß Fig. 40 besitzen die Gradeinteilungen der Skalen 5041 und 5042 ein Verhältnis von 50 (keine Phasenverschiebung; Tastverhältnis = 50:50) und darüberhinaus sind gemäß Fig. 37 die Lage eines durch das lichtemittierende Element 5001 der ersten Positions- Erfassungsvorrichtung definierten Punktes auf der Skala 5041 sowie die Position der Sonde 5007 der zweiten Positions- Erfassungsvorrichtung auf der Skala 5042 beide auf einer geraden Linie D-D', welche sich rechtwinklig zu diesen beiden Skalen erstreckt.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 40 und 41 die Positions-Erfassung mittels der vorherstehend genannten Codiereinrichtung beschrieben. Die Fig. 41 zeigt den Aufbau eines Impulszählers wie er im Gerät gemäß Fig. 37 verwendet wird.
Wenn die Position eines Punktes X1 hinsichtlich einer Ursprungsposition (links: nicht gezeigt) erfaßt werden soll, kann das Signal S der Positions-Erfassungsvorrichtung (Fig. 38) in Bezug auf den Ursprung aufwärts oder abwärts gezählt werden, weil die positive (oder negative) Bewegungsrichtung mittels einem Flip-Flop 5013 (Fig. 41) festgestellt werden kann und wegen der von der ersten Positions-Erfassungsvorrichtung erzeugten Signale A und B. Da jedoch das Gradeinteilungsverhältnis der beiden Skalen 5041 und 5042 (P:p = 50:1) vorbestimmt ist, wird als erstes das Signal A (oder B) zum Durchfuhren einer Grobzahlung verwendet und nachfolgend das Signal S vom Punkt des letzten Anstiegs X0 (oder Abfalls) des Signals A (oder B) aufwärts gezahlt. Dadurch kann der Aufbau des Zahlers vereinfacht werden. Beispielsweise kann gemäß Fig. 41 ein Zahler 5016 zum Zählen des Signals A verwendet werden, wahrend ein weiterer Zähler 5017 zum Zahlen des Signals S verwendet werden kann. In diesem Fall wird der Zahler 5017 bei jedem Anstieg (oder Abfall) des Signals A gelöscht. Dadurch kann die Position des Punktes X1 erfaßt werden:
Wenn der Zählwert für das Signal A mit M bezeichnet wird und der Zählwert für das Signal S mit N bezeichnet wird, ergibt sich folgende Gleichung, da P = 50 · p:
X1 = M · P + N · P = (50 · M + N)p
In Fig. 41 ist mit 5014 und 5015 jeweils ein Multiplexer zum Andern der Eingange der Ruf-/Ab-Zahlanschlusse (U und D) der Zahler 5016 oder 5017 entsprechend der Bewegungsrichtung bezeichnet, d.h. entsprechend dem Ausgangssignal des Flip- Flops 5013. Mit 5018 und 5019 sind Anzeigevorrichtungen zum Anzeigen der Zählstände der Zahler 5016 und 5017 bezeichnet. Die Auflösung der Codiereinrichtung kann auf diese Weise verbessert werden. Wenn jedoch eine weitere Verbesserung der Auflösung gewünscht ist, kann eine Atomanordnung der Oberfläche der Codeplatte anstelle der Skala verwendet werden (die Große eines Atoms kann vorher erfaßt werden).
Ein derartiges Beispiel ist in Fig. 42 gezeigt. Fig. 42 zeigt einen vertikalen Abschnitt des Oberflächenabschnitts der Skala 5042. Mit 5042a sind Metallatome bezeichnet, welche die Codeplatte 5040 darstellen. Mit 5042b sind Vertiefungen bezeichnet, welche mit einem Elektronenstrahl, Lithographieverfahren oder dergleichen ausgebildet wurden und sich in zur Richtung der Positionserkennung senkrechten Richtungen erstrecken. Normalerweise ist es schwierig, diese Vertiefungen hinsichtlich ihrer Abstandsgenauigkeit in der Größenordnung von Atomen zu schaffen. Jedoch kann durch eine Vorabmessung die Position einer jeden Vertiefung in Bezug auf eine Ursprungsposition (durch Zahlen der Anzahl von Atome mittels der zweiten Positions-Erfassungsvorrichtung) und durch Speichern der vorab gemessenen Position in einen Speicher die Position einer m-ten Vertiefung 5042b in gleicher Weise wie gemäß Fig. 41 beschrieben erfaßt werden.
Somit kann durch Starten des Zählvorgangs der Anzahl n von Atomen von der Anstiegsposition der m-ten Vertiefung die Positions-Erfassung in der Größenordnung eines Atoms sichergestellt werden.
Fig. 43 zeigt einen größeren Abschnitt einer Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel. Dieses Beispiel bezieht sich auf einen Fall in dem die vorherstehend beschriebene zweite Positions-Erfassungsvorrichtung zwei Sonden aufweist. Die Bezugszeichen 5071 und 5072 bezeichnen zwei derartige Sonden, welche gegenüber der gleichen Skala angeordnet sind. Mit 5081a und 5082a sind piezoelektrische Stellglieder bezeichnet, welche jeweils als zweite Sonden- Ansteuerungen für eine entsprechende Sonde funktionieren. Mit 5008b ist ein piezoelektrisches Stellglied bezeichnet, welches als erste Sonden-Ansteuerung funktioniert. d bezeichnet den Abstand zwischen den zwei Sonden 5071 und 5072 in der Richtung der Positions-Erfassung (Pfeil C). Der Abstand d wird in Bezug auf die Gradeinteilung p der vorherstehend genannten Skala 5042 derart eingestellt, daß er die folgende Beziehung erfüllt:
d = (2n+1) · p/4
wobei n eine natürliche Zahl ist.
Ferner ist mit jeder Sonde 5071 und 5072 und den zweiten Sonden-Ansteuerungen 5081a und 5082a die Steuervorrichtung (Fig. 38) funktionsmäßig derart verbunden, daß auf ähnliche Weise der Abstand zwischen der Skala 5042 und jeder Sonde 5071 bzw. 5072 gesteuert und konstant gehalten werden kann. Mit dieser Anordnung erhält man zwei Signale mit einer Phasendifferenz von 90º auf gleiche Weise wie vorherstehend beschrieben, weshalb es möglich ist, die Bewegungsrichtung selbst dann festzustellen, wenn der Abstand der Bewegung derart klein ist, daß ihre Richtung nicht durch die erste Positionserfassungsvorrichtung erfaßt werden kann.
Die Fig. 44 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ,größeren Abschnitt einer Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist die mit der zweiten Positions-Erfassungsvorrichtung verwendete Skala 5042 des vorhergehenden Ausführungsbeispiels zweireihig mit den Skalen 5421 und 5422 ausgebildet; welche eine Phasenverschiebung um ein Viertel der Gradeinteilung (d.h. p/4) zueinander aufweisen. Stattdessen wird jede Phasenverschiebung zwischen den Sonden 5071 und 5072 (wie im Falle des vorherstehend genannten Ausführungsbeispiels) verhindert und die Sonden sind oberhalb der Skalen 5021 und 5022 entsprechend angeordnet. Auch in diesen erläuternden Ausführungsbeispiel erhält man im wesentlichen die gleichen vorteil haften Auswirkungen wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 43.
Die Fig. 45A und 45B zeigen eine Codiereinrichtung gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 45A eine Schnittansicht und Fig. 45B die Codiereinrichtung von Fig. 45A von unten zeigt. In diesen Figuren ist mit 6007 eine aus einem elektrisch leitenden Material bestehende Sonde bezeichnet; und mit 6008 eine Ansteuer-Vorrichtung, welche zwei elektrische Stellglieder 6008a und 6008b aufweist und derart betrieben wird, daß die Sonde 6007 in einer im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche einer zweiten Codeplatte 6042 liegenden Richtung, welche nachfolgend beschrieben wird, bewegbar ist. Das piezoelektrische Stellglied 6008a besteht aus einem einzigen piezoelektrischen Material und funktioniert als erste Sonden- Ansteuerung. Das Stellglied 6008a ist mit einem Ende mit der Sonde 6007 verbunden und mit seinem anderen Ende mit einem Ende des piezoelektrischen Stellgliedes 6008b verbunden, welche aus einem mehrschichtigen piezoelektrischen Element besteht und als zweite Sonden-Ansteuerung wirkt. Das andere Ende des piezoelektrischen Stellgliedes 6008b ist sicher mit einem Halteglied 6100 verbunden, wodurch in einer fest vorgegebenen positionellen Beziehung verschiedene Elemente wie beispielsweise ein lichtemittierendes Element 6001, eine Kollimatorlinse 6002, ein Lichtempfangselement 6003 und eine perforierte Codeplatte (Maske) 6005 festgehalten werden, welche gemeinsam eine erste Positons-Erfassungsvorrichtung darstellen. Die Sonde 6007 und die Sonden-Ansteuervorrichtung 6008 arbeiten gemeinsam mit der Steuervorrichtung, welche eine Vielzahl von in Fig. 46 gezeigten Blocken aufweist und eine zweite Positions-Erfassungsvorrichtung darstellen. Mit 6041 ist in Fig. 45A eine erste Codeplatte mit einer Oberfläche 6410 bezeichnet, auf der zur Verwendung der ersten Codeplatte 6041 als Reflexions-Typcodeplatte eine nicht gezeigte Skala aufgebracht ist, welche aus einem "Schwarz- Weiß-Muster" besteht und Flachen mit einem Reflexionsfaktor und Flachen mit im wesentlichen keiner Reflexion besitzt, wobei diese beiden Arten von Flachen in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Mit 6101 ist ein Gehäuse bezeichnet, welches vier parallele Blattfedern aus Metallplatten 6102 besitzt, die aus Phosphorbronze oder dergleichen bestehen und das Halteglied 6100 für eine relative Bewegung in der Richtung eines Pfeiles C unterstützen bzw. tragen. Das Gehäuse wird als Ganzes als "Meßkopf" bezeichnet. Der Meßkopf 6101 ist in Bezug auf die erste Codeplatte 6041 beweglich gelagert. Mit 6042 ist eine zweite Codeplatte bezeichnet, welche aus einem elektrisch leitenden Material besteht und an der inneren Oberfläche des Meßkopfes 6101 gegenüber der Sonde 6007 angeordnet ist. Zwischen die Sonde 6007 und die zweite Codeplatte 6042 wird eine konstante elektrische Spannung angelegt. An der Oberfläche 6420 der zweiten Codeplatte 6042 ist eine Skala 6021 ausgebildet, welche Vertiefungen oder Vorsprünge mit einer vorbestimmten Tiefe (Höhe) aufweisen und eine im Vergleich mit der Skala der ersten Codeplatte 6041 sehr feine Gradeinteilung besitzt. Die Vertiefungen der Skala 6421 werden nacheinander in der Richtung des Pfeiles C mittels Elektronenstrahl, Lithographie oder dergleichen ausgebildet.
Beispielsweise kann die Gradeinteilung der Skala 6421 auf einen Wert 1/N der Gradeinteilung der Skala der ersten Codeplatte 6041 eingestellt werden, wobei N eine natürliche Zahl ist. Mit 6108 ist eine Ansteuervorrichtung bezeichnet, die zwischen dem Halteglied 6100 und dem Meßkopf 6101 vorgesehen ist, um das Halteglied 6100 gegenüber dem Meßkopf 6101 zu bewegen. Diese Ansteuervorrichtung besitzt beispielsweise ein mehrschichtiges piezoelektrisches Stellglied. Mit 6003 ist ein Lichtempfangsgerät bezeichnet, welches zwei Lichtempfangselemente 6003a und 6003b besitzt, wie auch im Falle von Fig. 37.
Die Fig. 46 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung der Codiereinrichtung gemäß dem in Fig. 45 gezeigten Ausführungsbeispiel.
In Fig. 46 ist mit 6009 eine Stromerfassungsvorrichtung bezeichnet, zum Erfassen eines durch die Sonde 6007 fließenden elektrischen Stromes Ip, wenn zwischen die Sonde 6007 und die zweite Codeplatte 6042 eine bestimmte elektrische Spannung Vp angelegt wird. Eine Steuereinheit 6010 erzeugt ein Signal Vs, welches an eine piezoelektrische Geräteansteuerung 6012 angelegt wird, wenn ein Schalter 6011 geschlossen ist, wodurch das piezoelektrische Stellglied 6008a angesteuert wird und der Abstand zwischen der Sonde 6007 und der Skala 6021 auf der zweiten Codeplatte 6042 auf einem konstanten Wert gehalten wird, wobei folglich der elektrische Strom Ip konstant gehalten wird. Die von einem (nicht gezeigten) Treiber erzeugte elektrische Spannung Vb wird zum Ansteuern des piezoelektrischen Stellgliedes 6008b vom Mehrschichttyp verwendet, wodurch sich die Sonde 6007 in Richtung auf die Skala 6421 bewegt, bis zu einer Position an der der Strom Ip erfaßt werden kann. Wenn die Spannung Vb einmal eingestellt ist, so wird ihr Wert während der Verwendung der Codiereinrichtung als feste Größe beibehalten.
Die Arbeitsweise der zweiten Positions-Erfassungsvorrichtung entspricht der des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 37. Auf eine detaillierte Beschreibung wird daher verzichtet.
Fig. 47 zeigt ein Zeitdiagramm, welches die Beziehung zwischen den an verschiedenen Abschnitten der Vorrichtung gemäß 45 erzeugten Signalen darstellt. In Fig. 47 bezeichnen A und B die Signale der Lichtempfangsvorrichtung 6003 (der Elemente 6003a und 6003b) nachdem sie binär codiert und gleichgerichtet wurden. Wegen der Maske 6005 besitzen diese Signale eine gegenseitige Phasenverschiebung von 90º (die Abscissenachse bezeichnet die Position). Die Impulse PC werden durch Erzeugen eines Impulses mit einer vorbestimmten Breite ausgebildet, wobei sie jeweils bei der steigenden oder fallenden Flanke dieser beiden Signale beginnen und daher einer um vier multiplizierten ursprünglichen Impulsfrequenz entsprechen.
Die Art und Weise der Positionserkennung mittels der vorherstehend genannten Codiereinrichtung wird nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 45A, 45B und 47 sowie dem Fluß diagramm gemäß Fig. 48, welches die Reihenfolge des Meßverfahrens darstellt, näher beschrieben.
Für den Fall, daß wie in Fig. 47 gezeigt, der Abstand zwischen einer Ursprungsposition X0 bis zu einer Position Xk gemessen werden soll und lediglich die erste Positions- Erfassungsvorrichtung verwendet wird, so wird in Fig. 47 ganz links am Rand mit dem Zählen der Impulse PC begonnen. Somit erhält man aus dem Wert "M x P" den Abstand zwischen dem Ursprung und der Position Xk, wobei M die Anzahl der Impulse vom Ursprung X0 bis zur Position X1 bezeichnet, und P die Gradeinteilung der Impulse ist (welche gleich 1/4 der Gradeinteilung der Skala der Codeplatte 6041 ist). Mit diesem Verfahren kann jedoch die Lange S von der Position X1 bis zur Position X2 nicht gemessen werden. Mit anderen Worten besitzt der gemessene Wert einen Fehler entsprechend einem Impulsabstand (+/-P) des Signals PC. Gemäß den vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiel kann die Lange S auch mittels der zweiten Positions-Erfassungsvorrichtung gemessen werden, um dadurch die Meßgenauigkeit (Auflösung) zu verbessern.
Der Meßvorgang beginnt mit der Durchführung von vorbereitenden Maßnahmen (wie nachfolgend beschrieben wird), welche vor der Meßoperation durchgeführt werden.
Bezugnehmend auf die Fig. 45A und 45B wird als erstes mittels der Ansteuervorrichtung 6108 das Halteglied 6100 derart bewegt, daß die Sonde 6007 auf eine Bezugsposition auf der Codeplatte 6042 (Schritt 6110) bewegt. Dies wird deshalb durchgeführt, um die erste Positionserfassungsvorrichtung in Bezug auf das Meßkopfgehäuse 6101 auf eine feste Position zu bringen. Nachfolgend wird ein (nicht gezeigter) Zähler zum Zahlen der Impulse PF rückgesetzt (Schritt 6120). Die vorherstehend genannte Bezugsposition bzw. Bezugslage kann beispielsweise durch eine vorab und ortsmäßige Veränderung der Gradeinteilung der Skala 6421 auf der zweiten Codeplatte 6042 bestimmt werden. Daraufhin wird der Meßkopf 6101 zur Ursprungsposition X0 bewegt (Schritt 6130) und ein (nicht gezeigter) Zahler zum Zahlen der Impulse PC rück-gesetzt (Schritt 6140). Zum Positionieren an dieser Ursprungsposition kann ein weiterer Lichtschalter wie beispielsweise ein Fotounterbrecher verwendet werden. Alternativ kann eine bestimmte Marke für die Ursprungsposition auf der ersten Codeplatte 6041 vorgesehen werden, welche durch die erste Positionserfassungsvorrichtung erfaßt werden kann.
Wenn in Schritt 6150 angezeigt wird, daß die Messung durchzuführen ist, so wird der Meßkopf 6101 zur Meßposition bewegt (Schritt 6160). Während die Impulse PC mittels der ersten Positions-Erfassungsvorrichtung gezählt werden (Schritt 6170) wird der Meßkopf bewegt. Wenn der Meßkopf die Meßposition erreicht (Schritt 6180) wird der Meßkopf 6101 gestoppt, bzw. abgebremst (Schritt 6190). Darüberhinaus wird zur Messung des geringfügigen Abstandes S in Fig. 47 das Halteglied 6100 mittels der Ansteuervorrichtung 6108 in einer gegenüber der Bewegungsrichtung des Meßkopfes 6101 entgegengesetzten Richtung bewegt, bis der zuletzt gezählte Impuls PC erscheint (Schritt 6200). Während dieser Verschiebung werden die Impulse PF mittels der Sonde 6007 und dem PF-Impulszähler gezählt (Schritt 6210). Wenn der Impuls PC erscheint (obwohl zu diesem Zeitpunkt der PC-Impuls-Zähler nicht um 1 verringert wird) (Schritt 6220), wird der Abstand zwischen der Meßposition und der Ursprungsposition anhand der Zählwerte des PC-Impuls-Zählers und des PF-Impuls-Zählers berechnet (Schritt 6240). Wenn die beiden Zählwerte M und N sind, kann der zu messende Abstand X folgendermaßen berechnet werden:
X = M · P + N · p
Abschließend wird das Halteglied 6100 zur Bezugsposition zurückgeführt und der PF-Impuls-Zähler für die nächste Messung rückgesetzt.
Auf diese Weise erhält man eine im Vergleich zu herkömmlichen Codiereinrichtungen erhöhte Meßauflösung. Wenn jedoch eine weitere Verbesserung der Auflösung gewünscht ist, kann eine Atomanordnung an der Oberfläche der zweiten Codeplatte als Skala verwendet werden, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 42 dargestellt ist (die Größe eines Atoms kann vorab erfaßt werden). Da eine derartige Skala bereits anhand der Fig. 42 erklärt wurde, wird auf eine Beschreibung an dieser Stelle verzichtet.
Es ist für die zweite Positions-Erfassungsvorrichtung ausreichend, eine unterstützende Rolle für die erste Positions-Erfassungsvorrichtung zu spielen, weshalb ihr Meßbereich klein ist. Ein Bereich der nicht kleiner ist als der Abstand P der Impulse PC ist als Minimum ausreichend. Die Größe der zweiten Codeplatte und/oder des Stellgliedes (Ansteuervorrichtung) kann daher klein sein. Der Meßkopf mit diesen Komponenten kann daher im wesentlichen die gleiche Größe aufweisen, wie ein herkömmlicher Meßkopf.
Die zweite Positions-Erfassungsvorrichtug gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 45 kann auch durch eine Vorrichtung ersetzt werden, wie sie anhand der Fig. 43 oder 44 beschrieben wurde. Wie in Fig. 49 gezeigt, ist es auch möglich, daß eine Sonde 6007 und eine Sondenansteuervorrichtung 6008 an der inneren Oberfläche eines Meßkopfes 6101 angeordnet sind, während eine Codeplatte 6042 auf einem Halteglied 6100 derart vorgesehen ist, daß die Beziehung zwischen der Sonde 6007 und der Codeplatte 6042 im Vergleich zum vorherstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel entgegengesetzt ist. Auf ähnliche Weise kann in den anderen Ausführungsbeispielen die Beziehung zwischen der Skala und der ersten oder zweiten Positions-Erfassungsvorrichtung entgegengesetzt sein, bzw. umgekehrt werden.
In den mittels der Fig. 37 bis 49 beschriebenen erläuternden Ausführungsbeispielen muß die erste Positions-Erfassungsvorrichtung nicht auf eine Vorrichtung vom optischen Typ beschränkt werden, sondern es können auch magnetische oder andere Erfassungsvorrichtungen, verwendet werden. Während die vorherstehend genannten erläuternden Ausführungsbeispiele mittels einem linearen Meßsystem beschrieben wurden, ist es auch möglich ein Drehmeßsystem zu verwenden (d.h. ein Winkelmeßsystem).
Als nächstes erfolgt die Beschreibung eines weiteren erläuternden Aspekts Gemäß diesem Aspekt ist es beabsichtigt ein Aufnahme-/Wiedergabegerät zu schaffen, wobei eine Sondenelektrode zum Durchführen einer elektrischen hochdichten Aufnahme/Wiedergabe verwendet wird und wobei die Funktionen der hochgenauen Positionserfassung bzw. Positionssteuerung eingeführt werden, um eine Aufnahme/Wiedergabe mit hoher Dichte und guter Wiederholbarkeit sicherzustellen.
Gemäß diesem erläuternden Aspekt wird ein Aufnahme/Wiedergabegerät geschaffen, welches ein Aufzeichnungsmedium mit einer als Bezugssystem funktionierenden Positions- Koordinatenachse, eine Spannungs-Zuführvorrichtung mit einer Sondenelektrode und eine Erfassungsvorrichtung aufweist, zum Erfassen der Position auf der Positions-Koordinatenachse, so daß das Aufnehmen von Informationen und/oder das Wiedergeben von aufgenommenen Informationen an dieser Stelle des Aufzeichnungsmediums durchgeführt werden kann, welche der erfaßten Koordinatenposition entspricht.
Die Positionserfassungsvorrichtung und das Aufnehmen/Wiedergeben von Informationen, wie sie in einigen Ausführungsbeispielen dieses Aspekts der Erfindung Verwendung finden, nutzen das Phänomen, daß beim Zusammenbringen von einer elektrisch leitenden Sonde (Sondenelektrode) und einem elektrisch leitenden Material bis auf einen Abstand von ca. 1nm, während eine elektrische Spannung dazwischen angelegt wird, ein Tunnelstrom zwischen ihnen fließt. Da ein derartiger Tunnelstrom von der Austrittsarbeit an der Oberfläche eines Leiters abhängt, können Informationen entsprechend verschiedener Oberflächenelektronenzustände ausgelesen werden. Die vorliegende Erfindung nutzt dieses Phänomen aus. Insbesondere wird ein Aufnahmemedium mit einer gleichmäßigen Atomanordnung oder einem beliebig ausgebildeten und als Bezugspunkt arbeitenden Ursprung verwendet und in ein derartiges Aufzeichnungsmedium ein auf der gleichmäßigen Atomanordnung oder dem Bezugsursprung basierendes Positions- Koordinatensystem eingebracht. Die Positionserfassung erfolgt durch Erfassen einer charakteristischen Änderung im Tunnelstrom entsprechend dem Positionskoordinatensystem. Auf der Grundlage des Positions-Erfaßungsergebnisses wird die Aufnahme-/wiedergapeposition auf dem Aufzeichnungsmedium spezifiziert, welches sich in einer bestimmten positionellen Beziehung mit dem Positionskoordinatsystem befindet. Die Positionierug der Sondenelektrode wird entsprechend dieser Aufnahme-/Wiedergabeposition gesteuert. Nachfolgend wird mittels der Sondenelektrode die Aufnahme-/Wiedergabe durchgeführt. Die positionelle Beziehung zwischen der Koordinatenachse und der Aufnahmeposition zu diesem Zeitpunkt ist in Fig. 50 schematisch dargestellt. Die positionellen Informationen A - I befinden sich in der Form von Gradeinteilungen auf der Koordinatenachse immer in einer "relativen" positionellen Beziehung mit den Aufzeichnungs-Positionen (A' bis I'). Beispielsweise entspricht A: A'. Daher können durch Erfassen der positionellen Informationen A bis I die Aufzeichnungspositionen A' bis I' hinreichend spezifiziert werden. In diesem Fall ist es nicht immer notwendig, daß die Punkte (Gradeinteilung) auf der Koordinatenachse und die Aufzeichnungspositionen in einer eindeutigen relativen Zuordnung angeordnet sind. Beispielsweise können eine Vielzahl von Aufzeichnungspositionen wie beispielsweise ein Punkt A" ein Punkt A ''', usw. sowie ein Punkt A' vorgesehen sein, die alle einer positionellen Information A entsprechen.
Jedoch ist vom Standpunkt der Genauigkeit eine eindeutige Beziehung (1:1 Beziehung) wünschenswert. Ferner stellt die Verwendung einer einzigen Koordinatenachse keine Beschränkung dar, da auch eine Vielzahl von Achsen verwendet werden können. Darüberhinaus ist das Koordinatensystm nicht auf ein eindimensionales beschränkt, da auch zweidimensionale Systeme (gitterförmige Systeme) verwendet werden können. In diesem Falle sind entsprechend der Gitterpunkte des zweidimensionalen Koordinatensystemns die Aufzeichnungspositionen zweidimensional verteilt.

Koordinaten-Achse:

Die in der vorliegenden Erfindung als ein Glied eines Positions-Erfassungssystems verwendete Koordinatenachse kann mittels Verwendung einer gleichmäßigen Atomanordnung oder alternativ mittels eines beliebig ausgebildeten Bezugspunktes ausgebildet werden. Für eine derartige gleichmäßige Atomanordnung kann beispielsweise ein elektrisch leitendes Material dessen Gitterabstand vorerfaßt ist, beispielsweise der von verschiedenen Metallen, Graphit, Monokristallen und dergleichen vergwendet werden. Da darüberhinaus der in diesem Aspekt der Erfindung verwendete Tunnelstrom einen Wert in der Größenordnung von nA besitzt, sollten für das vorherstehend genannte leitende Material solche Materialien verwendet werden, die eine elektrische Leitfähigkeit von nicht weniger als 10&supmin;¹&sup0; (Ohm · cm)&supmin;¹ aufweisen. Folglich kann ein monokristalliner Halbleiter wie beispielsweise Silizium verwendet werden. Als Beispiel für derartige Materialien wird nachfolgend eine Metallprobe betrachtet. In der Gleichung (1) ändert sich die Tunnelstromdichte JT mit dem Abstand Z. Wenn daher eine Sondenelektrode eine Oberfläche einer Metallprobe in beliebiger geradliniger Richtung relativ dazu abtastet, während ein Durchschnittsabstand zwischen der Sonde und der Bezugsatomanordnung konstant gehalten wird, ändert sich der Tunnelstrom periodisch entsprechend der Metall-Atomanordnung. Wo eine derartige Metallprobe mit vorerfaßter Gitterkonstante verwendet wird, ist der Zustand der Atomanordnung in einer beliebigen Richtung hinsichtlich eines bestimmten Gitterpunktes auf einer beliebigen Kristallfläche offensichtlich, weshalb die periodische Änderung des Tunnelstroms, die als Folge des Abtastens der elektrischen Sonde in dieser Richtung auftritt, ausreichend vorhergesagt werden. Durch Korrigieren der Abtastrichtung der Sondenelektrode derart, daß der vorhergesagte Wert der Tunnelstromänderung und der durch das wirkliche Abtasten der Sondenelektrode hervorgerufene gemessene Wert der Tunnelstromänderung gleich werden, kann die Bewegung der Sondenelektrode mit der Atomanordnung der Metallprobe in Einklang gebracht werden. Wenn somit die Atomanordnung als Koordinatenachse betrachtet werden kann, bewegt sich die Sondenelektrode genau entlang dieser Koordinatenachse. Unter der Annahme, daß die Sondenelektrode auf dieser Koordinatenachse in einer bestimmten Richtung bewegbar ist und zu einer bestimmten Position um einen bestimmten Abstand beabstandet ist, und das Ende der Bewegung (Ziel) in einem Aufnahme-/Wiedergabebereich liegt, kann die Aufnahme/Wiedergabe an jeder Position in einer 1:1-Beziehung entsprechend einem jeden Punkt auf der Koordinatenachse durchgeführt werden. In diesem Fall ist es nicht immer notwendig, daß sich die Sondenelektrode zwischen der Koordinatenachse und dem Aufnahmebereich bewegt. Beispielsweise kann zu einer Sondenelektrode (Positionserfassungs-Sondenelektrode), die sich entlang der Koordinatenachse bewegt, eine getrennte Aufnahme-/Wiedergabesondenelektrode an einer bestimmten Position hinzugefügt werden, wobei die beiden Elektroden in einer festen Beziehung zueinander stehen.
Auf jeden Fall kann die Position der Sondenelektrode im Aufnahmebereich, d.h. die Aufnahmeposition, eindeutig in Bezug auf die Koordinatenachse bestimmt werden, welche das Kristallgitter einer Metallprobe verwendet. Für den Fall, daß ein Abschnitt oder die ganze Oberfläche eines Aufzeichnungsmediums eine gleichmäßige Atomanordnung aufweist und der Zustand einer derartigen Anordnung vorerfaßt ist, ist es möglich, einen derartigen Aufnahmebereich mit einem X-Y- Koordinatensystem einzustellen, welches eine eindeutige Beziehung mit einem das Kristallgitter einer derartigen Atomanordnung verwendenden Koordinatenachse besitzt.
Als weitere Alternative kann für die Koordinatenachse zur Positions-Erfassung eine Aussparung oder ein Vorsprung an der Oberfläche einer Probe ausgebildet werden, oder eine Vielzahl von Bezugspunkten künstlich mittels Ioneninjektion von Atomen hergestellt werden. Die Oberflächenstruktur dieser Punkte kann als Positionskoordinaten verwendet werden, obwohl im Vergleich mit einer Koordinatenachse, in der die Atomanordnung verwendet wird, die Genauigkeit dieser Koordinatenachse geringer ist.
Gemäß der vorherstehend beschriebenen Weise kann eine Positionskoordinate auf einem Aufzeichnungsmedium eingestellt werden, und bei jedem der Positionskoordinate entsprechenden Punkt die Aufnahme/Wiedergabe durchgeführt werden. Bei der tatsächlichen Aufnahme/Wiedergabe ist es jedoch notwendig, den Startpunkt zu bestimmen. Genauer gesagt ist es notwendig, einen Ursprung auf der Koordinatenachse zu definieren, welcher als Bezugspunkt wirkt. Als derartiger Bezugs> ursprung kann eine Oberflächenstufe (Aussparung oder Vorsprung) auf der Koordinatenachse mittels eines Ätzprozesses oder dergleichen ausgebildet werden. Alternativ kann mittels Ioneninjektion der Oberflächenzustand des Aufzeichnungsmediums geändert werden. Wie jedoch bereits beschrieben ist ihre Genauigkeit zur Verwendung als Ursprung für eine Koordinatenachse in einer Atomanordnung nicht ausreichend. Wenn in Fig. 50 der Punkt A' auf der Koordinatenachse als Bezugsursprung ausgewählt wird, so entspricht die Auswahl des Punktes A der Auswahl des Punktes A' im Aufzeichnungsbereich, da er in einer eindeutigen positionellen Beziehung mit dem Punkt A steht. Mit anderen Worten kann die Koordinatenachse und die Lage der Punkte auf der Koordinatenachse eindeutig bestimmt werden, wenn der Punkt A' bestimmt werden kann. Zum Einstellen eines Bezugsursprungs am Punkt A' bietet sich ein Verfahren zum Eingeben von Informationen entsprechend eines Ursprungs beim Punkt A' eher an als ein Verfahren, bei dem die Aufnahme eingeschrieben wird, da die Genauigkeit höher und die Herstellung dieses Ursprungs einfacher ist. Die Anzahl eines derartigen Bezugsursprungs muß nicht auf einen beschrankt werden, weshalb eine Vielzahl von Bezugsursprüngen gemäß den Anforderungen einer Vergrößerung des Aufnahmebereiches ausgebildet werden können.

Aufnahmemedium:

Für das gemäß diesem erläuternden Aspekt verwendbare Aufzeichnungsmedium können solche Materialien verwendet werden, die hinsichtlich ihrer Strom-/Spannungscharakteristik ein Speicherumschaltphänomen (elektrischer Speichereffekt) zeigen. Nachfolgend werden Beispiele hierfür aufgeführt:
(1) Amorphe Halbleiter wie beispielsweise Oxidglas, Boratglas oder Chalcogenidglas mit SE, Te oder As, kombiniert mit Elementen der Gruppe III, IV, V und VI im Periodensystem. Diese Materialien sind Eigenhalbleiter mit einem optischen Bandabstand Eg von 0,6 bis 1,4 eV oder einer elektrischen Aktivierungsenergie ΔE von ca. 0,7 bis 1,6 eV. Beispiele für Chalcogenidglas sind: As-Se-Te-Serien, Ge-As-Se-Serien, Si- Ge-As-Te-Serien, wie beispielsweise Si&sub1;&sub6;Ge&sub1;&sub4;As&sub5;Te&sub6;&sub5; (Index bezeichnen Atomprozente), Ge-Te-X-Serien, Si-Te-X-Serien (X = ein kleiner Betrag der V oder VI Gruppenelemente), wie beispielsweise Ge&sub1;&sub5;Te&sub8;&sub1;Sb&sub2;S&sub2;. Darüberhinaus kann Ge-Sb-Se- Serien-Chalcogenidglas verwendet werden.
In einer amorphen Halbleiterschicht in der die vorherstehend beschriebene Verbindung in einer Elektrode vorliegt, kann der elektrische Speichereffekt des Mediums durch Anlegen einer Spannung senkrecht zur Filmoberfläche mittels einer Sondenelektrode hervorgerufen werden.
Als Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Materials können alle bekannten Dünnschichtprozesse verwendet werden, um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ausreichend zu lösen. Bevorzugte Beispiele für Dünnschicht-Herstellungsverfahren sind: Vakuum-Aufdampf-Verfahren und das Cluster-Ionenstrahl- Verfahren. Normalerweise beobachtet man den elektrischen Speichereffekt dieser Materialien bei einer Dicke von wenigen Mikrometern und in Bezug auf die Aufnahme-Auflösung ist ein dünneres Aufzeichnungsmedium wünschenswert. Vom Standpunkt der Einheitlichkeit und Aufnahmequalität ist jedoch eine Dicke von nicht weniger als 100 Ångström und nicht mehr als einem Mikrometer, vorzugsweise nicht größer als 1000 Ångström, wünschenswert.
(2) Ein organischer Halbleiter, der durch Abscheidung auf einer Elektrode ein Salz ausbildet, bestehend aus einem Metall wie beispielsweise Cu oder Ag mit einem relativ geringen Reduktionspotential und einer Elektron-Akzeptanz- Verbindung wie beispielsweise Tetrachinondimethan (TCNQ), TCNQ-Derivate, wie beispielsweise Tetrafluorotetracyanochinondimethan (TCNQF&sub4;), Tetracyanoethylen (TCNE) und Tetracyanonaphtochinondimethan (TNAP).
Hinsichtlich des Verfahrens zum Ausbilden einer derartigen organischen Halbleiterschicht kann beispielsweise ein Vakuum- Abscheide-Verfahren für die vorherstehend beschriebene Elektronenakzeptanz-Verbindung auf einer Elektrode aus Cu oder Ag verwendet werden.
Der elektrische Speichereffekt eines derartigen organischen Halbleiters wird bei Dicken unterhalb von mehreren zehn Mikrometern beobachtet. Vom Standpunkt der Filmherstellungs- Eigenschaften und der Einheitlichkeit ist jedoch eine Dicke zwischen 100 Ångström bis zu einem Mikrometer wünschenswert.
(3) Aufzeichnungsmedien bestehend aus amorphem Silicium. Beispiele für derartige Aufzeichnungsmedien besitzen einen geschichteten Aufbau von Metall/A-Si (p&spplus;-Schicht/n-Schicht/i-Schicht) oder Metall/A-Si (n&spplus;-Schicht/p-Schicht/i-Schicht). Die Abscheidung jeder dieser Schichten von A-Si kann durch irgendeines der bekannten Verfahren erfolgen. Vorzugsweise wird in der vorliegenden Erfindung das Glüh-Entladungs- Verfahren (GD-Verfahren) verwendet. Hinsichtlich der Schichtdicke des A-Si-Materials besitzt die n-Schicht vorzugsweise eine Dicke von 2000 bis 8000 Ångström, während jede der i- Schichten und p&spplus;-Schichten vorzugsweise eine Dicke von ca. 1000 Ångström aufweist. Die Gesamtdicke liegt vorzugsweise zwischen 0,5 bis 1 Mikrometer.
(4) Aufzeichnungsmedien, die auf einer Elektrode einen Schichtaufbau von Molekülen besitzen, die aus einer Gruppe von π-Elektronwerten und einer Gruppe von nur O- Elektronwerten bestehen.
Als Aufbau für den für die vorliegende Erfindung geeigneten Farbstoff mit einem π-Elektronensystem können beispielsweise enthalten sein: Farbstoffe mit Porphyringerüst wie beispielsweise Phtalocyanin, Tetraphenylporphyrin, usw.; Farbstoffe vom Azulentyp mit Squarilium-Gruppe und Krokonsäuremethingruppe als Verbindungsglied sowie cyaninartige Farbstoffe mit zwei oder mehreren stickstoffhaltigen heterozyklischen Ringen wie beispielsweise Chinolin, Benzothiazol, Benzoxazol, usw. gebunden über eine Squariliumgruppe und Krokonsäuremethingruppe; oder Cyanin- Farbstoffe, kondensierte polyzyklisch aromatische Verbindungen wie beispielsweise Anthracen und Pyren und Kettenverbindungen, welche durch Polymerisation von aromatischen Ringverbindungen und heterozyklischen Verbindungen erhalten wurden und Polymere von Diacetylengruppen; ferner Derivate von Tetrachinondimethan oder Tetrathiafluvalen und ihre Analoge sowie Ladungstransferkomplexe; und ferner Metallkomplexverbindungen wie beispielsweise Ferrocen, Tris-Bipyridin-Ruthenium-Komplexe, usw.
Zum Ausbilden eines organischen Aufzeichnungsmediums sind insbesondere Abscheideverfahren, Clusterionenstrahlverfahren oder dergleichen zu verwenden. Um jedoch die Steuerbarkeit, Einfachheit und Wiederholbarkeit des Verfahrens zu gewährleisten, hat sich das LB-Verfahren unter den verschiedenen herkömmlichen Verfahren als besonders geeignet gezeigt.
Gemäß diesem LB-Verfahren kann ein Monomolekular-Film oder sein aufgebauter Film aus einer organischen Verbindung mit, in einem Molekül einer hydrophobischen Stelle und einer hydrophilen Stelle auf einfach Weise aus einem Substrat ausgebildet werden. Somit kann mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 Molekül und über einen weiten Bereich eine einheitliche und homogene organische superdünne Schicht stabil und einfach erzeugt werden.
Das LB-Verfahren ist ein Verfahren zum Ausbilden eines monomolekularen Films oder eines aufgebauten Films unter Ausnutzung des Phänomens, daß bei Aufrechterhaltung in der Molekülstruktur mit einer hydrophobischen Stelle und einer hydrophilen Stelle im Molekül eines geeigneten Gleichgewichts (amphiphatisches Gleichgewicht), die Moleküle eine monomolekulare Schicht an der Oberfläche von Wasser mit der nach unten zeigenden hydrophilen Gruppe ausbilden.
Hinsichtlich des die hydrophobische Stelle darstellenden Radikals sind verschiedene hydrophobische Radikale bekannt, wie beispielsweise weit verbreitete und bekannte gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoff-Gruppen, kondensierte polyzyklische aromatische Gruppen und kettenförmige polyzyklische Phenyl-Gruppen. Sie können einzeln oder in Verbindung mit einem hydrophoben Teil vorgesehen sein. Andererseits sind die typischen Beispiele für die einzelnen Elemente der hydrophilen Abschnitte hydrophile Radikale wie beispielsweise Carboxylgruppen, Estergruppen, Säureamidgruppen, Imidgruppen, Hydroxylgruppen und Aminogruppen (erster, zweiter und dritter Klasse sowie vierter Klasse). Ähnlich können auch sie einzeln oder in Kombination die hydrophilen Abschnitte der Moleküle ausbilden.
Diese Farbstoffmoleküle können, wenn sie gut ausgeglichene hydrophobische und hydrophile Stellen besitzen und ein π- Elektronensystem mit einer geeigneten Größe aufweisen, eine monomolekulare Schicht an der Oberfläche von Wasser ausbilden, und sind daher besonders geeignete Materialien für die vorliegende Erfindung.
Als besondere Beispiele gelten die nachfolgend beschriebenen Moleküle. [I] Krotonsäuremethin-Farbstoffe
In den vorherstehend genannten Beispielen bezeichnet R&sub1; eine langkettige Alkaligruppe entsprechend einer Gruppe mit dem vorherstehend beschriebenen δ-Elektronenwert, welche zur einfacheren Ausbildung einer monomolekularen Schicht an der Wasseroberfläche eingeführt wurde. Die Anzahl der Kohlenstoffatome n liegt vorzugsweise im Bereich von 0 ≤ n ≤ 30. Diese vorherstehend als spezifische Beispiele aufgeführten Verbindungen zeigen nur einen grundsätzlichen Aufbau, weshalb verschiedene Ersatzprodukte dieser Verbindungen selbstverständlich auch in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.

[II] Squarilium-Farbstoffe

Eine Verbindung in der eine Krotonsäuremethin-Gruppe der unter [I] beschriebenen Verbindung durch eine Squarilium- Gruppe ersetzt wird, hat folgenden Aufbau:
[III] Farbstoffverbindungen vom Porphyrintyp
R1, R2, R3, R4 = H
M = H&sub2;, CU, Ni, Al - Cl,
SiCλ&sub2; und Seltenerdmetallionen
2) R = OCH (COOH)CnH2n+1
5 ≤ n ≤ 25
M = H&sub2;, Cu, Ni, Zn, Al - Cl,
SiCλ&sub2; und Seltenerdmetallionen
3)
R = CnH2n+1
5 ≤ n ≤ 25
M = H&sub2;, Cu, Ni, Zn, Al - Cl,
SiCλ&sub2; und Seltenerdmetallionen
In diesen Beispielen wurde R zur Erleichterung der Ausbildung einer monomolekularen Schicht zugeführt, ist jedoch nicht auf die vorherstehend genannten Ersatzgruppen beschränkt. R&sub1; - R&sub4; und R entsprechen den vorherstehend genannten Gruppen mit σ- Elektronenwert.
[IV] Kondensierte polyzyklische aromatische Verbindung
R = C &sub4; H &sub9; ~ C &sub1;&sub2; H &sub2;&sub5;
σ ≤ n ≤ 20 [V] Diacetylenverbindungen
0 ≤ n, m ≤ 20
wobei n + m > 10
X bezeichnet eine hydrophile Gruppe, wobei normalerweise - COOH verwendet wird. Es können jedoch auch -OH, CONH&sub2; oder dergleichen verwendet werden. [VI) Weitere Verbindungen
Natürlich können auch andere als die vorherstehend genannten Materialien in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sofern die Farbstoff-Materialien für das LB-Verfahren geeignet sind. Beispielsweise können biologische Materialien (wie z.B. Bakteriorhodopsin oder Cytochrom c), synthetische Polypeptide (PBLG, usw.) oder dergleichen verwendet werden.
Der elektrische Speichereffekt dieser Verbindungen mit p- Elektronenwert wird bei Dicken unterhalb von mehreren zehn Mikrometern beobachtet. Vom Standpunkt der Filmherstellungseigenschaften und Einheitlichkeit ist jedoch eine Dicke im Bereich von 15 bis 2000 Ångström wünschenswert.
Das Substrat zum Tragen der in den Punkten (1) - (4) beschriebenen Materialien mit dem elektrischen Speichereffekt sollte die Charakteristika einer Elektrode aufweisen. Es kann jedoch jedes andere Material verwendet werden, sofern es ein elektrischer Leiter mit einer Leifähigkeit von zumindest 10&supmin;&sup6; (Ohm.cm&supmin;¹) aufweist. Somit können eine Vielzahl verschiedener Materialien verwendet werden. Beispiele hierfür sind:: eine Metallplatte aus beispielsweise Au, Pt, Pd, Ag, Al In, Sn, Pb, W oder dergleichen; eine Legierung von geeigneten dieser Materialien; ein Glas, Keramik oder Kunststoffmaterial auf dem ein derartiges Metall oder eine derartige Legierung aufgebracht ist, Si (kristallin, amorph) oder Graphit; elektrisch leitende Oxide wie beispielsweise ITO oder dergleichen, usw.
Das Aufzeichnungsmedium des erläuternden Aspekt kann aus einer Kombination eines diesen elektrischen Speichereffekt aufweisenden Materials und einer Tragebasis (Elektrode) bestehen. Wenn eine Atomanordnung für die vorherstehend beschriebene Koordinatenachse verwendet wird, kann die Atomanordnung eines derartigen einen elektrischen Speichereffekt aufweisendes Material hinsichtlich der Gleichmäßigkeit bzw. Regelmäßigkeit schlechter sein, weshalb die Atomanordnung nicht als Koordinatenachse verwendet werden sollte. Es ist daher wünschenswert, ein Material mit einer regelmäßigen Atomanordnung als Unterlage zu verwenden, wie beispielsweise Metall, kristallines Si oder Graphit, wahrend man ebnen Abschnitt in diesem Material definiert, in dem ein den elektrischen Speichereffekt aufweisendes Material nicht vorgesehen ist, wodurch eine Atomanordnung dieses Abschnitts der Grundlage als Koordinatenachse verwendet wird.

Sondenelektrode

Um eine erhöhte Auflösung bei der Aufnahme, Wiedergabe und/oder beim Löschen sicherzustellen, ist es notwendig, die Spitze der Sondenelektrode so scharf wie möglich auszubilden. Gemäß einem erläuternden Ausführungsbeispiel wird ein Sonde durch mechanisches Schleifen der Spitze eines Wolframdrahtes mit einem Durchmesser von 1 derart ausgebildet, daß sie einen Konus von 90º aufweist, wobei anschließend durch Anlegen eines elektrischen Feldes in einem besonders hohen Vakuum die Oberflächenatome verdampft werden. Die Form der Sonde beziehungsweise das Verfahren zur Behandlung der Sonde ist jedoch nicht darauf beschrankt.
Darüberhinaus ist es nicht immer notwendig, getrennte Sondenelektroden für die Positionserfassung und für die Aufnahme/Wiedergabe zu verwenden. Es kann auch eine gemeinsame Sondenelektrode Verwendet werden. Für jede Positionserfassung und die Aufnahme/Wiedergabe können auch unterschiedliche Sondenelektroden verwendet werden.
Fig. 51 zeigt eine schematische Ansicht eines Aufzeichnungsgerätes gemäß einem der erläuternden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Sondenelektroden für die Positionserfassung und für die Aufnahme/Wiedergabe vorgesehen. In Fig. 51 sind mit 7102 und 7103 Sondenelektroden für die Aufnahme/Wiedergabe und für die Positionserfassung vorgesehen. Obwohl der Abstand zwischen diesen beiden Sondenelektroden mittels einer Sondenelektroden-Abstands-Feineinstellung 7112, die ein piezoelektrisches Gerät verwendet, genau eingestellt werden kann, befinden sie sich normalerweise in einem festen Abstand zueinander. Mit 7106 ist ein Sondenstromverstärker und mit 7109 eine Servoschaltung zum Steuern der Feinbewegungs- Ansteuerglieder 7107 und 7108 bezeichnet, die jeweils ein piezoelektrisches Gerät verwenden, wodurch der Sondenstrom konstant gehalten wird. Mit 7113 ist eine Spannungsversorgung bezeichnet, die zwischen die Aufnahme/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 und eine Basis-Elektrode 7104 eine Impulsspannung zum Aufnehmen/Löschen anlegt.
Da sich der Sondenstrom stark ändert, wenn die Impulsspannung angelegt wird, steuert die Servoschaltung 7109 eine Halteschaltung derart an, daß die Ausgangsspannung während dieser Zeitdauer konstant gehalten wird.
Mit 7110 ist eine X-Y-Abtast-Ansteuerschaltung zum kontrollierten Bewegen der paarweisen Sondenelektroden 7102 und 7103 in den X- und Y-Richtungen bezeichnet. Grob- Bewegungs-Ansteuerungen 7114 und 7115 werden zur groben Vorabeinstellung des Abstandes zwischen dem Aufzeichnungsmedium 7001 und der Sondenelektrode 7102 (7103) derart verwendet, daß ein Sondenstrom in der Größenordnung von 10&supmin;&sup9;A erzeugt wird, oder um eine relativ große Verschiebung zwischen der Sondenelektrode und dem Substrat in X- und Y-Richtung zu ermöglichen (oberhalb des Bereiches der Feinbewegungs-Ansteuerung).
Diese Komponenten werden mittels eines Mikrocomputers 7116 zentral gesteuert. Das Bezugszeichen 7117 bezeichnet eine Anzeigevorrichtung.
Die mechanische Funktion in der Bewegungssteuerung mittels der piezoelektrischen Vorrichtungen erfolgt folgendermaßen:
Z-Achse-Feinbewegungs-steuerbarer Bereich:
0,1 nm - 1 Mikrometer
Z-Achse-Grobbewegungs-steuerbarer Bereich:
10 nm - 10 mm
X-Y-Abtastbereich:
0,1 nm - 1 Mikrometer
X-Y-Grobbewegungs-steuerbarer Bereich:
10 nm - 10 mm
Toleranz für die Messung und Steuerung:
< 0,1 nm (Feinbewegungssteuerung)
Toleranz für die Messung und Steuerung:
< 1 nm (Grobbewegungssteuerung)
Einzelheiten für die Aufnahme/Wiedergabegerät gemäß vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiel werden nachfolgend insbesondere anhand von ausgewählten Beispielen beschrieben.

Beispiel 1:

Im Aufnahme/Wiedergabegerät gemäß Fig. 51 wurde für die Sondenelektrode 7102 (7103) eine aus Wolfram bestehende Sondenelektrode verwendet. Die Sondenelektrode 7102 (7103) ist zum Steuern des Abstandes Z zur Oberfläche des Aufzeichnungsmediums 7001 vorgesehen, wobei der Abstand Z einer jeden Sondenelektrode unabhängig voneinander mittels einer piezoelektrischen Vorrichtung durch Feinbewegung derart gesteuert werden kann, daß der elektrische Strom konstant gehalten wird. Darüberhinaus bewirkt die Feinbewegungs- Ansteuerung auch eine feingesteuerte Bewegung in Richtung einer Ebene (X-Y), während der Abstand Z konstant gehalten wird.
Von den beiden Sondenelektroden wird die Positions- Erfassungs-Sondenelektrode 7103 zum Erfassen der Atomanordnung auf der Basis bzw. Grundplatte 7105 verwendet, welche als Positionskoordinatensystem wirkt. Andererseits wird die Aufnahme/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 in Bezug zur Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 7103 in der X- und Y-Richtung auf einer festen Position gehalten (, wobei die Zwischenabstände mittels der Sondenelektroden-Abstands- Feineinstellungsvorrichtung 7112 eingestellt werden können,), und wird für das Aufzeichnen/Wiedergeben und/oder Löschen auf der Aufzeichnunsschicht 7101 verwendet.
Während diese beiden Sondenelektroden in der X- und Y- Richtung innerhalb einer Ebene mittels einer Feinbewegungs- Ansteuerung als eine Einheit bewegt werden können, können sie in der Z-Richtung unabhängig voneinander mittels einer Feinbewegungsvorrichtung angesteuert werden. Das Aufzeichnungsmedium 7001 befindet sich auf einem hochpräzisen X-Y- Tisch 7118 und kann in eine gewünschte Position bewegt werden (X-Y-Grobbewegungs-Ansteuerung). Die Richtungen X und Y der Grobbewegungs-Ansteuerung und die Richtungen X und Y der Feinbewegungs-Ansteuerung können innerhalb eines bestimmten Fehlerbereichs übereinstimmen, der vom Präzisionsunterschied zwischen diesen beiden Bewegungssteuermechanismen abhängt.
Einzelheiten des in dem vorliegenden erläuternden Beispiel verwendeten Aufzeichnungsmediums werden nachfolgend beschrieben. Die Fig. 52 zeigt den Aufbau des Aufzeichnungsmediums. Ein P-Typ Si- Wafer (B-dotiert 0,3 mm Dicke) mit einem Durchmesser von 1/2 Inch und mit einer (111) belichteten Ebene wird als Substrat 7105 verwendet. Das Substrat ist entlang einer Linie B - B' abgeschnitten, wodurch man eine im wesentlichen konstante Ausrichtung erhält, wenn es auf den X-Y-Tisch 7118 des Aufnahme-/Wiedergabegerätes gelegt wird. Die Richtung B - B' ist im wesentlichen zu der [211]-Richtung des Si-Kristalls parallel. Nachfolgend wird an einer Stelle im Abstand von 1 mm vom Mittelpunkt der Seitenlinie B - B' zum Zentrum der Grundplatte ein Abschnitt der Grundplatte in einem quadratischen Bereich von 1 Mikrometer und 0,2 Mikrometer Tiefe geätzt, wodurch ein Bezugsursprung (grob) 7201 ausgebildet wird. Das Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Bezugsursprungs (grob) wird nachfolgend beschrieben.
Als erstes wird die Oberfläche einer Si-Grundplatte mit Polymethyl-Methacrylat (PMMA; Markenzeichen "OEBER-1000" hergestellt bei Tokyo Ohka Kgyo, inc. Japan), welches ein Elektronenstrahl-Resistmaterial ist. Anschließend wird ein Elektronenstrahl mit einem Durchmesser von 0,1 Mikrometer mit einer Beschleunigungsspannung von 20 keV auf die Grundplatte gerichtet, wodurch ein quadratisches Muster der Größe von 1 Mikrometer gezeichnet wird. Nachfolgend wird mittels einer bestimmten Entwicklungsflüssigkeit der mit dem Elektronenstrahl bestrahlte Abschnitt entwickelt. Zum Ätzen verwendet man ein gemischtes Gas von CF&sub4; und H&sub2;, wobei für 20 Minuten ein Sputter-Ätzen mit einem Druck von 3Pa und einer elektrischen Entladeleistung von 100W durchgeführt wird. Die Ätztiefe beträgt 0,2 Mikrometer. Abschließend wird mittels Methyl-Ethylketon das PMMA gelöst.
Nachfolgend wird nach der Maskierung des Substrat-Abschnitts in der Nähe des Bezugsursprungs (grob) 7201 mittels einem Vakuum-Abscheide-Verfahren Cr bis zu einer Dicke von 50 Ångström abgeschieden, wodurch eine Untergrundschicht ausgebildet wird. Darüberhinaus wird mit dem gleichen Verfahren Au mit einer Dicke von 400 Ångström abgeschieden, wodurch man eine Basiselektrode 7104 erhält.
Nachfolgend wird auf dieser Au-Elektrode ein LB-Film (acht Schichten) von Squarilium-bis-6-Oktylazulen (nachfolgend Vereinfacht als "SOAZ" bezeichnet) geschichtet, wodurch eine Aufzeichnungsschicht 7101 geschaffen wird. Einzelheiten des Verfahrens zum Ausbilden einer derartigen Aufzeichnungsschicht werden nachfolgend beschrieben.
Als erstes wird eine Benzenlösung, in der SOAZ mit einer Konzentration von 0,2 mg/ml gelöst ist, auf die Oberfläche von Wasser mit einer Temperatur von 20ºC aufgesprüht, wodurch auf der Wasseroberfläche ein monomolekularer Film ausgebildet wird. Nach der Verdampfung des Lösungsmittels wird der Oberflächendruck des monomolekularen Films auf 20 mN/m erhöht und, während er konstant gehalten wird, die Grundplatte langsam und wiederholt in der Richtung zur Wasseroberfläche und mit einer Geschwindigkeit von 3mm/min eingetaucht und herausgezogen, wobei ein Acht-Schichten aufgebauter Film aus einem SOAZ-monomolekularem Film auf der Grundelektrode 7104 ausgebildet wird. Unter Verwendung des wie vorherstehend ausgebildeten Aufzeichnungsmedium 7001 wurden die Aufnahme- /Wiedergabe-Experimente gemacht.
Die Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben:
Das Aufzeichnungsmedium 7001 mit einer aus acht SOAZ- Schichten akkumulierten Aufzeichnungsschicht 7101 wird auf dem X-Y-Tisch 7118 mit der Abkantung des Substrats des Aufzeichnungsmediums 1 (B - B') in Bezug auf eine vorbestimmte Richtung ausgerichtet.
Nachfolgend wird die Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 7102 an eine um einen Millimeter von der Seitenlinie B - B' beabstandeten Position auf dem Substrat nach innen bewegt und während eine Sondenspannung von 0,6 V zwischen die Positions- Erfassungs-Sondenelektrode und das Si-Substrat 7105 gelegt ist, und nachdem die X-Richtung mittels der X-Y-Feinbewegungsansteuerung (7110, 7111) zeitweise derart ausgerichtet wird, daß sie im wesentlichen parallel zur Richtung B - B' ist, eine X-Richtungs-Abtastung über die Länge von 1 Mikrometer durchgeführt. Danach wird eine Y-Richtungs- Abtastung (senkrecht zur X-Richtung) über die Länge von 1 Mikrometer durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Messung des Oberflächenzustands so lange wiederholt, während die Art der X-Y-Koordinatenachsen-Bestimmung unterschiedlich verändert wurde, bis eine Einstellung gefunden wurde, bei der die Gradeinteilung der erhaltenen Si-Atomanordnung möglichst nahe an 6,65 Ångström und 3,84 Ångström heranreicht. Gemäß dieser Einstellung kann die X-Achse der X-Y-Feinbewegungs- Ansteuerung mit der [211]-Richtung des Si-Substrats ausgerichtet werden, während die Y-Achse mit der [011]- Richtung ausgerichtet werden kann. Gleichzeitig wird die Einstellung der X- und Y-Richtungen der Grobbewegungs- Ansteuerung derart durchgeführt, daß sie mit der X- und Y- Richtung der eingestellten Feinbewegungsansteuerung innerhalb eines Steuerfehlerbereichs der Grobbewegungs-Ansteuerung übereinstimmt. Hinsichtlich der X- und Y-Richtungen wird die Grob-Bewegungsansteuerung nachfolgend verwendet, um die Positionserfassungs-Sondenelektrode abzutasten und die Position des Bezugs-Ursprungs (grob) 7201 zu erfassen. Daraufhin wird an einer in Y-Achsen-Richtung beabstandeten Position von 2 Millimetern vom Mittelpunkt des Bezugsursprungs (grob) 7201 zum Mittelpunkt des Substrats und mittels der Feinbewegungs-Ansteuerung der Si-Gitterpunkt erfaßt. Die Position dieses Gitterpunktes (Punkt C in Fig. 53) wird als Koordinatenachsenursprung 7301 verwendet, und die Positionserfassungs-Sondenelektrode 7103 tastet in X- Richtung ([211] - Richtung) ab. Durch Überprüfung eines jeden Gitterpunktes in [211]-Richtung des Si, erfolgt in Bezug auf die Richtungs-Steuerkorrektur und die Positions-Koordinaten (Gitterabstand) eine Bestätigung. Gemäß Fig. 53 stellt jeder mit 7302 bezeichnete Punkt (d.h. jeder Gitterpunkt) einen Repräsentanten von 10 Gitterpunkten dar. Es sei angenommen, daß während der vorherstehend beschriebenen Arbeitsweise die Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 entsprechend der Bewegung der Positionserfassungs-Sondenelektrode 7103 über die Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 7101 bewegt wird.
Im vorliegenden erläuternden Beispiel beträgt der Abstand zwischen den beiden Sondenelektroden in Y-Achsenrichtung 3 mm. Wahrend die Aufnahme-/Wiedergabe-Elektrode 7102 zum Durchfuhren der gewünschten Informationsaufzeichnung verwendet wurde, wurde vor dem tatsächlichen Aufzeichnen ein Bezugsursprung (fein) 7303 an einer der Position des Koordinatenachsenursprungs 7301 entsprechenden Aufzeichnungsposition (Punkt C' in Fig. 53) ausgebildet.
Ein derartiger Bezugsursprung (fein) kann mittels des elektrischen Speichereffekts der Aufzeichnungsschicht 7101 ausgebildet werden. Genauer gesagt wird zwischen die Aufnahme-/Wiedergabeelektrode 7102 und die Au-Elektrode 7104 eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt und mittels der Z- Achsen-Richtungs-Feinbewegungsansteuerung 7107 der Abstand Z zwischen der Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 7101 derart eingestellt, daß der Sondenstrom Ip 10&supmin;&sup9; A betragt. Nachfolgend wird während die Aufnahme-/Wiedergabe-Sonden elektrode 7102 an eine positive Seite und die Au-Elektrode 7104 an eine negative Seite angelegt wird, eine Rechteck- Impulsspannung (18 V, 0,1 msek), welche großer als die Schwellwertspannung Vth ON ist, zum Erzeugen des "Ein"- Zustandes angelegt, wodurch das elektrische Speichermaterial (SOAZ, 8-Schichten LB-Film) in einen Zustand mit niedrigem Widerstand gebracht wird (Ein-Zustand). Wahrend der Abstand Z zwischen der Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 und der Aufzeichnungsschicht 7101 konstant gehalten wird, wird zwischen die Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 und die Au-Elektrode 7104 eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt. Der Sondenstrom Ip wird gemessen und es erfolgt die Bestätigung, daß ein elektrischer Strom von ca. 0,5 mA fließt, wodurch der "Ein"-Zustand eingestellt ist. Durch die vorherstehend beschriebene Arbeitsweise wird der Bezugsursprung (fein) 7303 bestimmt. In diesem Fall wird der Bereich auf der Aufzeichnungsschicht mit einer quadratischen Große von 10nm in den "Ein"-Zustand gebracht, wodurch eine vermischte Wiedergabe (Fig. 53) der Ursprungs- Positionsinformation in Bezug auf den Bezugsursprung (fein) 7303 und der nachfolgend aufgezeichneten Aufzeichnungsinformation verhindert wird. Die Form des Bezugsursprungs (fein) 7303 ist jedoch nicht auf die Form des vorliegenden Beispiels beschrankt.
Nachfolgend tastet die Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 7103 in der [211]-Richtung ab, wahrend jeweils bei 15-Gradeinteilungspunkten (9,98nm) die Gitterpunkte überprüft werden, wobei die Aufzeichnung mittels der sich gleichzeitig damit bewegenden Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7103 durchgeführt wird. Somit wird die Gradeinteilung der Aufzeichnungspunkte 7304 auf 9,98nm (Fig. 53) eingestellt. Die Aufzeichnung wird gemäß einem dem Ausbilden des Bezugsursprungs (fein) 7303 ähnlichen Verfahren durchgeführt, wobei auf der Aufzeichnungsschicht (SOAZ, 8-Schichten LB- Film) 7101 der "Ein"-Zustand und der "Aus"-Zustand (hochohmiger Zustand vor der Aufzeichnung) definiert wird. Das Aufzeichnungsmedium mit einer gemäß dem vorherstehend genannten Verfahren ausgebildeten Aufzeichnung wurde von dem Aufnahme-/Wiedergabe-Gerät entfernt und anschließend wieder auf dem X-Y-Tisch 7118 gelegt, wonach Wiedergabeexperimente durchgeführt wurden. Als erstes wurden wie beim Aufzeichnen die X- und Y-Richtungen des Positionssteuersystems ausgerichtet, wobei die Si-Gitter mit der [211]-Richtung und der [011]-Richtung entsprechend verwendet wurden. Nachfolgend wurde in Bezug auf die X- und Y-Richtungen die Grobbewegungs- Ansteuerung zum Abtasten mit der Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 7103 verwendet, und die Position des Bezugs- Ursprungs (grob) 7201 erfaßt. Auf der Grundlage des erfaßten Bezugsursprungs (grob) 7201 wurden die Grobbewegungs- und Feinbewegungs-Ansteuerungen zum Abtasten der Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 verwendet und die Position des Bezugsursprungs (fein) 7303 erfaßt.
Zum Zeitpunkt an dem die Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 7103 den Si-Gitterpunkt (Positionskoordinaten-Achsenursprung 7301) erreicht, erfolgt eine Bestätigung. Wenn ein Abweichung vorliegt, kann die Feinbewegungs-Ansteuerung zum Korrigieren des X-Y-Koordinatensystems verwendet werden, wodurch die Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 7103 und der Si- Gitterpunkt in Übereinstimmung miteinander gebracht werden können. Anschließend wird zwischen die Positions-Erfassungs- Sondenelektrode 7103 und die Au-Elektrode 7104 eine Sondenspannung von 0,6 V angelegt und, wahrend die Positionen der Si-Gitterpunkte erfaßt werden, die Positions-Erfassungs- Sondenelektrode in [211]-Richtung abgetastet (X-Achsenrichtung). Zu diesem Zeitpunkt wird zwischen die Au-Elektrode 7104 und die Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102, welche gleichzeitig miteinander bewegt werden, eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt und die Wiedergabe der aufgezeichneten Informationen mittels (i) direktem Lesen der Änderungen im Sondenstrom auf der Grundlage der "Ein"- Zustande oder der "Aus"-Zustand bei jedem Aufzeichnungspunkt oder alternativ mittels (ii) dem Lesen der Änderungen des Abstandes Z zwischen der Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 7101 durchgeführt, wobei wahrend der Abtastung mit der Aufnahme- /Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 ein Sondenstrom Ip konstant gehalten wird.
Entsprechend der vorherstehend genannten Wiedergabe- Experimente betrug die Bit-Fehlerrate 2 · 10&supmin;&sup6;.
Zusätzlich wurde eine Sondenspannung, welche größer als eine Schwellwertspannung Vth OFF ist, bei der das elektrische Speichermaterial von einem "Ein"-Zustand in einen "Aus"- Zustand wechselt, auf 10V eingestellt, und die Aufzeichnungspositionen erneut festgestellt. Als Ergebnis konnte bestätigt werden, daß alle Aufzeichnungen gelöscht wurden, und ein Übergang in den "Aus"-Zustand stattgefunden hatte.

Beispiel 2

Anstelle des im Beispiel 1 verwendeten SOAZ-Vierschicht-LB- Films wird zum Schaffen einer Aufzeichnungsschicht 7101 CuTCNQF&sub4; verwendet. Die Aufzeichnungs- und Wiedergabeexperimente wurden auf ähnliche Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt.
Als die beim Aufzeichnen angelegte elektrische Spannung wird ein Rechteck-Impuls von 2 Vmax und 10 ns verwendet, und die bei der Wiedergabe angelegte elektrische Spannung auf 0,1 V eingestellt. Für die beim Löschen angelegte elektrische Spannung wird ein Rechteckimpuls von 5 Vmax und 100 ns verwendet. Der Aufzeichnungsabstand beträgt 99,8 nm (150 Si Gitterabstandspunkt) wobei die Größe des Bezugsursprungs (fein) 7303 auf ein Quadrat von 0,1 Mikrometern geändert wurde. Entsprechend den Ergebnissen der Wiedergabe- Experimente betrug die Bit-Fehlerrate 1 · 10&supmin;&sup9;.
Das Verfahren zum Ausbilden einer CuTCNQF&sub4;- Aufzeichnungsschicht 7101 wird nachfolgend beschrieben.
Auf der Au-Elektrode 7104 wurden mittels einem Vakuum- Abscheideverfahren gemeinsam Cu und TCNQF&sub4; aufgebracht und eine Cu+TCNQF&sub4;-Schicht mit einer Dicke von 2000 Ångström (Substrat-Temperatur: Zimmertemperatur) abgeschieden. Gleichzeitig wurde ein elektrischer Strom zum Einstellen der Abscheidegeschwindigkeit von ca. 5 Ångström/Sekunde für Cu und 20 Ångström/Sekunde für TCNQF&sub4; angelegt, wobei geheizt wurde. Als Ergebnis hat sich hierbei aufgrund der Produktion von CuTCNQF&sub4; ein blauer Film abgeschieden.

Beispiel 3

In Beispiel 1 wurden die Sondenelektrode 7102 und 7103 nicht nur in der X-Richtung ([211]-Richtung) abgetastet sondern auch in der Y-Richtung ([0111]-Richtung), wodurch die Aufzeichnung zweidimensional erfolgte. Gleichzeitig wurde der Aufzeichnungsabstand in der Y-Richtung auf 11,5 nm (für jeden Si-Gitterpunkt) eingestellt. Bei ähnlichen Wiedergabe- Experimenten wurde ein Bit-Fehlerrate von 3 · 10&supmin;&sup6; festgestellt.

Beispiel 4

In Beispiel 1 wurde das Substrat 7105 durch einen Ga-As-Wafer und die Aufzeichnungsschicht 7101 durch einen 8-Schichten-LB- Film eines t-Butyl-Ersatzproduktes von Siliciumchlorid- Phtalocyanin (PcSiCl&sub2;) ersetzt. Mit Ausnahme dieser Punkte entspricht das vorliegende Beispiel im wesentlichen dem Beispiel 1, wobei Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente auf gleiche Weise durchgeführt wurden. Nachfolgend erfolgt die Beschreibung anhand der Unterschiede im Vergleich zum Beispiel 1. Der Aufbau des Aufzeichnungsmediums 1 entspricht dem in Fig. 52 dargestellten Aufbau. Als Substrat wurde ein P-Typ Ga-As-Wafer (Zn-Dotierung, 0,3 mm Dicke) mit einem Durchmesser von 1/2 Inch und einer (110) Belichtungsebene verwendet. Die Richtung B - B' des Substratausschnitts ist im wesentlichen parallel zur [001]-Richtung des Ga-As-Kristalls.
Vom Mittelpunkt der Seite B - B' zum Zentrum des Substrats wurde eine Ätzung in der Größe eines Quadrats von 1 Mikrometer und einer Tiefe von 0,2 Mikrometer ausgeführt, wodurch ein Bezugsursprung (grob) ausgebildet wird.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Ausbildung eines derartigen Bezugsursprungs (grob) beschrieben.
Als erstes wird ein ultraviolettes-Strahlenresist (Markenzeichen: "AZ 1350") auf die Oberfläche des Ga-As- Substrats mit einer Dicke von 1 Mikrometer aufgebracht und nach einer thermischen Vorbehandlung eine Maske entsprechend der Form gemäß Fig. 52 verwendet. Daraufhin wurde die Belichtung mit ultraviolettem Licht, die Entwicklung und das Nachbacken durchgeführt. Entsprechend wurde ein Maskenmuster auf dem Ga-As-Substrat ausgebildet. Nachfolgend wurde mittels eines BCl&sub3;-Gases ein Sputterätzen für 3 Minuten durchgeführt, wobei der Gasdruck 1Pa und die Entladespannung 100 W betrug. Die resultierende Ätztiefe beträgt 0,2 Mikrometer. Das AZ 1350-Material der Maske wurde mittels Acetonreinigung beseitigt.
Ähnlich wie in Beispiel 1 wurde eine Cr/Au-Basiselektrode rode 7104 auf dem derart hergestellten Substrat ausgebildet und anschließend auf der Basiselektrode 7104 ein 8-Schichten-LB- Film aus einem t-Butyl-Ersatzprodukt von Siliciumchlorid- Phtalocyanin (PcSiCl&sub2;)aufgebaut, wodurch eine Aufzeichnungsschicht 7101 geschaffen wird. Die Bedingungen zum Ausbilden der Aufzeichnungsschicht sind wie folgt:
Lösungsmittel: CH&sub3;CCl&sub3;
Konzentration der Lösung: 1mg/ml
Wässerige Phase: pH 8,2 (reines Wasser eingestellt durch NaOH)
Wasseroberflächendruck: 25 mN/m
Vertikale Bewegungsgeschwindigkeit des Substrats: 5 mm/Minute (Z-Typ Akkumulation)
Mit dem vorherstehend beschriebenen Aufzeichnungsmedium 7001 wurden Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt.
Als erstes wurde in Bezug auf die Einstellung des X-Y-Koordinatensystems die X-Achsen und Y-Achsen in [001]-Richtung und [110]-Richtung des Ga-As-Kristalls eingestellt. Da der Abstand der Koordinatenachsen zu diesem Zeitpunkt auf dem Ga- Ga interatomaren Abstand beruht, ergibt sich für die [001]- Richtung 5,65 Ångström und für die [110]-Richtung 400 Ångström. Die Aufzeichnung wurde mit einem 10,17 nm-Abstand (jeweils 18 Ga-Gitterpunkte) in X-Richtung und mit einem 12 nm-Abstand (jeder 30. Ga-Gitterpunkt) in der Y-Richtung durchgeführt. Die Wiedergabe-Experimente wurden in gleicher Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt, wobei sich ein Bit- Fehlerrate von 3 · 10&supmin;&sup6; ergab.

Beispiel 5

In Beispiel 2 wurde die Aufzeichnungsschicht 7101 durch einen Film von amorphem Halbleitermaterial ersetzt, der durch das Atomzusammensetzungsverhältnis Si&sub1;&sub6;Ge&sub1;&sub4;As&sub5;Te&sub6;&sub5; beschrieben ist, wobei zur Herstellung einer Dicke von 20 Ångström ein bekanntes Vakuum-Abscheideverfahren verwendet wird. Auf ähnliche Weise wie in Beispiel 2 wurden Aufnahme-/Wiedergabe- Experimente durchgeführt. Die Aufzeichnungsspannung, die Wiedergabespannung und die Löschspannung wurden jedoch auf einen Rechteckimpuls von 20 Vmax, 0,1 Mikrosekunde; eine Spannung von 1,0 V und einen Rechteckimpuls von 50 Vmax, 10 Mikrosekunden geändert.
Der Aufzeichnungsabstand betrug 96,05 nm (jeweils 160 Ga- Gitterpunkte) in der X-Richtung und 120 nm (jeweils 300 Ga- Gitterpunkte) in der Y-Richtung. Die Größe des Bezugsursprungs (fein) wurde auf ein Quadrat von 0,1 Mikrometer geändert. Als Ergebnis der Wiedergabe-Experimente ergab sich eine Bit-Fehlerrate von 1 · 10&supmin;&sup9;.
Fig. 54 zeigt eine schematische Ansicht eines Aufzeichnungsgeräts gemäß einem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Fig. 54 ist mit 8105 ein Sondenstromverstärker und mit 8106 eine Servoschaltung zum Steuern einer Feinbewegungs-Ansteuerung 8107 bezeichnet, welche eine piezoelektrische Vorrichtung verwendet, um den Sondenstrom konstant zu halten. Mit 8108 ist eine elektrische Leistungs- Versorgung zum Anlegen einer Aufnahme-/Lösch-Impulsspannung zwischen eine Sondenelektrode 8102 und eine Elektrode 8103 bezeichnet. Da sich der Sondenstrom grundlegend mit der angelegten Impulsspannung ändert, steuert die Servoschaltung 8109 eine Halteschaltung derart an, daß die Ausgangsspannung während der Zeitperiode konstant gehalten wird.
Mit 8109 ist eine X-Y-Abtastansteuerschaltung zum steuerbaren Bewegen der Sondenelektrode 8102 in der X- und Y-Richtung vorgesehen. Grobbewegungs-Ansteuerungen 8110 und 8111 werden verwendet, um den Abstand zwischen dem Aufzeichnungsmedium 8001 und der Sondenelektrode 8102 vorab und grob derart einzustellen, daß ein Sondenstrom in der Größenordnung von 10&supmin;&sup9; A erzeugt wird, oder um eine relativ große Verschiebung zwischen der Sondenelektrode und dem Substrat in der X- und Y-Richtung (oberhalb des Bereichs der Feinbewegungs- Ansteuerung) zu bewirken.
Diese Komponenten sind mittels eines Mikrocomputers 8112 zentral gesteuert. Das Bezugszeichen 8113 bezeichnet eine Anzeigevorrichtung.
Die mechanische Funktion bei der Bewegungssteuerung mittels der piezoelektrischen Vorrichtungen erfolgt folgendermaßen:
Z-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerbereich:
0,1 nm - 1 Mikrometer
Z-Achsen-Grobbewegungs-Ansteuerbereich: 10 nm - 10 mm
X-Y-Abtastbereich:
0,1 nm - 1 Mikrometer
X-Y-Grobbewegungs-Ansteuerbereich:
10 nm - 10 mm
Toleranz für die Messung und Steuerung:
< 0,1 nm
(Feinbewegungssteuerung)
Toleranz für die Messung und Steuerung:
< 1 nm
(Grobbewegungssteuerung)
Die Einzelheiten für die Aufnahme/Wiedergabe beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden nachfolgend insbesondere anhand von einigen Beispielen beschrieben.

Beispiel 6

Als Aufnahme-/Wiedergabegerat wurde das in Fig. 54 gezeigte Gerät verwendet, wobei als Sondenelektrode 8102 eine aus, Wolfram bestehende Sondenelektrode verwendet wurde. Die Sondenelektrode 8102 ist zum Steuern des Abstandes Z zur Oberfläche des Aufzeichnungsmediums 8001 vorgesehen, wobei der Abstand Z der Sondenelektrode mittels Feinbewegung derart gesteuert werden kann, daß der elektrische Strom konstant gehalten wird. Darüberhinaus ist eine Feinbewegungs- Ansteuerung zum Durchfuhren einer Feinbewegungs-Steuerung in der Richtung innerhalb einer Ebene (X-Y) vorgesehen, wobei der Abstand Z konstant gehalten wird.
Die Sondenelektrode 8102 wird zum Erfassen der Position in der relativen Richtung innerhalb der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums verwendet, sowie für das Aufzeichnen, Wiedergeben und Löschen. Das Aufzeichnungsmedium 8001 wird auf einen Hochpräzisions-X-Y-Tisch 8114 gelegt und kann zu einer gewünschten Position bewegt werden (X-Y-Grobbewegungs- Ansteuerung). Die X- und Y-Richtungen der Grobbewegungs- Ansteuerung und die X- und Y-Richtungen der Feinbewegungs- Ansteuerung stehen miteinander in Einklang innerhalb eines Fehlerbereichs, der vom Genauigkeitsunterschied zwischen diesen beiden Bewegungs-Ansteuerungen herrührt.
Die Einzelheiten des in dem vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiel verwendeten Aufzeichnungsmediums werden nachfolgend beschrieben. Der Aufbau eines derartigen Aufzeichnungsmediums ist in den Fig. 55A und 55B gezeigt. Die Fig. 55A zeigt eine Draufsicht eines in dem vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiel verwendeten Aufzeichnungsmediums, während Fig. 55B eine Schnittansicht entlang einer Linie A - A' zeigt. 1
Als Substrat 8104 wurde ein P-Typ Si-Wafer (B-Dotierung, 0,3 mm Dicke) mit einem Durchmesser von 1/2 Inch und einer (111) Belichtungsebene verwendet. Das Substrat wurde entlang einer Linie B - B' abgeschnitten, wodurch man eine im wesentlichen konstante Ausrichtung erhält, wenn es auf den X-Y-Tisch 8114 des Aufnahme-/Wiedergabegeräts gelegt wird. Die Richtung B - B' ist im wesentlichen parallel zu der [211]-Richtung des Si- Kristalls. Nachfolgend wird an der Stelle mit einem Abstand von 1 mm vom Mittelpunkt der Seitenlinie B - B' zum Zentrum der Grundplatte hin ein Abschnitt in einem Bereich von einem Quadrat von 1 Mikrometer und einer Tiefe von 0,2 Mikrometer aus der Grundplatte heraus geätzt, wodurch ein Bezugsursprung (grob) ausgebildet wird.
Das Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Bezugsursprungs (grob) ist im wesentlichen das gleiche wie in Beispiel 1 beschrieben.
Die Art und Weise des Herstellens der Basiselektrode 8103 und der Aufzeichnungsschicht 8101 entspricht im wesentlichen der Art und Weise, wie sie gemäß Fig. 52 beschrieben wurde.
Unter Verwendung des wie vorherstehend beschrieben ausgebildeten Aufzeichnungsmediums 8001 wurden Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt.
Die Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben:
Das Aufzeichnungsmedium 8001 mit einer Aufzeichnungsschicht 8101 bestehend aus akkumulierten 8 SOAZ-Schichten wird mit dem Ausschnitt (B - B') des Substrats des Aufzeichnungsmediums 8001 auf den X-Y-Tisch 8114 gelegt, wodurch es in einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet wird. Nachfolgend wird die Sondenelektrode 8102 zu einer auf dem Substrat von der Seitenkante B - B' um 1 mm nach innen beabstandeten Position bewegt und, während zwischen die Sondenelektrode und das Si-Substrat 8104 eine Sondenspannung von 0,6 V angelegt wird, und die X-Richtung der X-Y-Feinbewegungs-Ansteuerung (8107, 8109) im wesentlichen parallel zur Richtung B - B' zeitweise ausgerichtet wurde, eine Abtastung über eine Länge von 1 Mikrometer in X-Richtung durchgeführt. Nachfolgend wird eine Abtastung in Y-Richtung (senkrecht zur X-Richtung) über eine Länge von 1 Mikrometer durchgeführt. Gleichzeitig wird die Messung des Oberflächenzustands wiederholt, während die X-Y-Koordinatenachsen unterschiedlich geändert werden, wobei die Einstellung derart erfolgt, daß die Abstände der erhaltenen Si-Atomanordnungen möglichst nahe bei 6,65 Ångström und 3,84 Ångström liegen. Mit einer derartigen Einstellung steht die X-Achse der X-Y-Feinbewegungs- Ansteuerung mit der [211]-Richtung des Si-Substrats in Einklang, während ihre Y-Achse mit der [011]-Richtung übereinstimmt. Gleichzeitig erfolgt eine Einstellung, so daß die X- und Y-Richtung der Grobbewegungs-Ansteuerung mit der X- und Y-Richtung der eingestellten Feinbewegungs-Ansteuerung innerhalb eines Steuerfehlerbereichs der Grobbewegungs- Ansteuerung übereinstimmen. Nachfolgend wurde in Bezug auf die X- und Y-Richtung die Grobbewegungs-Ansteuerung zum Abtasten der Sondenelektrode verwendet, und die Position des Bezugsursprungs (grob) 8201 erfaßt.
Im Abstand von 2 mm in Y-Achsenrichtung vom Zentrum des Bezugsursprungs (grob) in Richtung zum Zentrum des Substrats wird ein Bezugsursprung (fein) 8202 ausgebildet.
Ein derartiger Bezugsursprung (fein) kann mittels des elektrischen Speichereffekts der Aufzeichnungsschicht 8101 ausgebildet werden. Genauer gesagt wird zwischen die Elektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103 eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt und mittels der Z-Achsenrichtung-Feinbewegungs-Ansteuerung 8107 der Abstand Z zwischen der Sondenelektrode 8102 und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 8101 derart eingestellt, daß ein Sondenstrom Ip von 10&supmin;&sup9; A vorliegt. Während die Sondenelektrode 8102 an eine positive Seite und die Au-Elektrode an eine negative Seite gelegt wird, wird nachfolgend eine Rechteckimpulsspannung (18 V, 0,1 Mikrosekunden), welche größer als die Schwellenspannung Vth ON ist, und welche das elektrische Speichermaterial (SOAZ, 8 Schichten LB-Film) in einen niederohmigen Zustand ("Ein"- Zustand) ändert, zum Erzeugen eines "Ein"-Zustands angelegt. Während der Abstand Z zwischen der Sondenelektrode 8102 und der Aufzeichnungsschicht 8101 konstant gehalten wird, wird zwischen die Sondenelektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103 eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt. Der Sondenstrom Ip wird gemessen und es erfolgt eine Bestätigung, daß ein elektrischer Strom ca. 0,5 mA beträgt und der "Ein"-Zustand erreicht wurde. Mittels der vorherstehend beschriebenen Operation wurde der Bezugsursprung (fein) 8202 bestimmt. In diesem Fall wurde ein Bereich mit der Größe eines Quadrats von 10 nm auf der Aufzeichnungsschicht in den "Ein"-Zustand gebracht, um ein vermischtes Wiedergeben (Fig. 56) der Ursprungspositionsinformation in Bezug auf den Bezugsursprung (fein) 8202 und der Aufzeichnungsinformation zu verhindern. Die Form des Bezugsursprungs (fein) 8202 ist jedoch nicht auf die in dem vorliegenden Beispiel beschriebene Form beschränkt.
Nachfolgend wird unter Verwendung des Bezugsursprungs (fein) als Ursprung in der X-Y-Koordinate des Sondenelektroden- Positionssteuersystems mit der Sondenelektrode 8102 und der Feinbewegung eine Abtastung durchgeführt, und die Informationsaufzeichnung in einem Abstand von 0,01 Mikrometern durchgeführt. Die Aufzeichnungsposition pro Bit auf der Aufzeichnungsoberfläche 8101 ist in Fig. 56 schematisch dargestellt. Das Aufzeichnen erfolgt auf ähnliche Weise wie das Ausbilden des Bezugsursprungs (fein), wobei auf dem elektrischen Speichermaterial (SOAZ, 4 Schichten-LB-Film) ein "Ein"-Zustand und ein "Aus"-Zustand (hochohmiger Zustand vor dem Aufzeichnen) definiert wird.
Das Aufzeichnungsmedium mit einer gemäß dem vorherstehend beschriebenen Verfahren ausgebildeten Aufzeichnung wurde aus dem Aufnahme-/Wiedergabegerät ausgebaut und anschließend wieder auf den X-Y-Tisch 8114 gelegt, wonach Wiedergabe- Experimente durchgeführt wurden. Als erstes werden wie beim Aufzeichnen die X- und Y-Richtungen des Positions-Steuersystems ausgerichtet, wobei die Si-Atomskala mit der [211]- Richtung und der [011]-Richtung verwendet wird. Nachfolgend wird in Bezug auf die X- und Y-Richtungen die Grobbewegungs- Ansteuerung zum Abtasten mit der Sondenelektrode verwendet und die Position des Bezugsursprungs (grob) 8201 erfaßt. Auf der Grundlage des erfaßten Bezugsursprungs (grob) werden die Grobbewegungs- und Feinbewegungs-Ansteuerungen zum Erfassen des Bezugsursprungs (fein) verwendet.
Unter Verwendung des Bezugsursprungs (fein) als Ursprung für das X-Y-Koordinatensystem erfolgt die Wiedergabe der aufgezeichneten Informationen. Insbesondere wird zwischen die Sondenelektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103 eine Wiedergabe-Sondenspannung von 1,0 V angelegt und die Erfassung der Position des Bezugsursprungs (fein) 8202 sowie die Wiedergabe der aufgezeichneten Informationen folgendermaßen durchgeführt: (i) direktes Lesen der Änderungen des Sondenstroms in dem "Ein"-Zustandsbereich und dem "Aus"-Zustandsbereich oder alternativ durch (ii) Auslesen der Änderungen im Abstand Z zwischen der Sondenelektrode 8102 und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 8101 mittels der Servoschaltung 8106, wobei mit der Sondenelektrode 8102 eine Abtastung erfolgt und der Sondenstrom Ip konstant gehalten wird. In den vorherstehend beschriebenen Wiedergabe- Experimenten betrug die Bit-Fehlerrate 5 · 10&supmin;&sup6;.
Darüberhinaus kann eine Sondenspannung, welche größer ist als eine Schwellenspannung Vth OFF bei der das elektrische Speichermaterial von einem "Ein"-Zustand in einen "Aus"- Zustand umschaltet, auf 10 V eingestellt, und die Aufzeichnungspositionen erneut angefahren werden. Als Ergebnis wird bestätigt, daß alle Aufzeichnungen gelöscht wurden und daß der Übergang in den "Aus"-Zustand eingetreten ist.

Vergleichsbeispiel 1

In den Wiedergabe-Experimenten von Beispiel 6 wurde das Einstellen des X-Y-Koordinatensystems des Sondenelektroden- Abtastmechanismus mit seiner Atomskal sowie das Einstellen des Positions-Koordinatenursprungs mittels der Erfassung des Bezugsursprungs (grob und fein) unterlassen. In diesem Fall war es sehr schwierig, den Aufzeichnungs-Schreibbereich zu finden, und darüberhinaus war die Wiedergabe nahezu unmöglich.

Beispiel 7

Nachfolgend erfolgt die Beschreibung eines Beispiels, wobei das X-Y-Koordinatensystem eines Sondenelektroden-Abtastsystems mittels einer Bezugsskala unter Verwendung einer Vielzahl von Bezugsursprüngen eingestellt wird, um die Aufnahme-/Wiedergabe durchzuführen.
Der Aufbau eines in diesem Beispiel verwendbaren Aufzeichnungsmediums 8001 ist schematisch in den Fig. 57A und 57B gezeigt. In diesem Beispiel wird als Substrat 8104 eine optische Basis-Glasplatte (1 mm Dicke) mit einer Größe von 0,7 · 1,5 cm verwendet. Daraufhin wurde an einer um einen Millimeter vom Mittelpunkt der Kante B - B' in Richtung des Zentrums des Substrats beabstandeten Position ein Bezugsursprung (grob) 8202 mit einer Größe eines Quadrats von einem Mikrometer und einer Tiefe von 0,1 Mikrometern ausgebildet.
Das Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Bezugsursprungs (grob) wird nachfolgend beschrieben.
Mittels eines bekannten Photoresist-Verfahrens wird ein Resist-Material (Markenzeichen: "AZ 1350") auf das Substrat mit einer Dicke von 1 Mikrometer aufgebracht. Nach der thermischen Vorbehandlung und unter Verwendung einer Maske mit der in Fig. 56 gezeigten Form erfolgt eine Bestrahlung mit ultraviolettem Licht, eine Entwicklung und eine thermische Nachbehandlung, wodurch ein Maskenmuster auf der Glasplatte ausgebildet wird. Nachfolgend wird auf der Das Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Bezugsursprungs (grob) ist im wesentlichen das gleiche wie in Beispiel 1 beschrieben.
Die Art und Weise des Herstellens der Basiselektrode 8103 und der Aufzeichnungsschicht 8101 entspricht im wesentlichen der Art und Weise, wie sie gemäß Fig. 52 beschrieben wurde.
Unter Verwendung des wie vorherstehend beschrieben ausgebildeten Aufzeichnungsmediums 80021 wurden Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt.
Die Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben:
Das Aufzeichnungsmedium 8001 mit einer Aufzeichnungsschicht 8101 bestehend aus akkumulierten 8 SOAZ-Schichten wird mit dem Ausschnitt (B - B') des Substrats des Aufzeichnungsmediums 8001 auf den X-Y-Tisch 8114 gelegt, wodurch es in einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet wird. Nachfolgend wird die Sondenelektrode 8102 zu einer auf dem Substrat von der Seitenkante B - B' um 1 mm nach innen beabstandeten Position bewegt und, während zwischen die Sondenelektrode und das Si-Substrat 8104 eine Sondenspannung von 0,6 V angelegt wird, und die X-Richtung der X-Y-Feinbewegungs-Ansteuerung (8107, 8109) im wesentlichen parallel zur Richtung B - B' zeitweise ausgerichtet wurde, eine Abtastung über eine Länge von 1 Mikrometer in X-Richtung durchgeführt. Nachfolgend wird eine Abtastung in Y-Richtung (senkrecht zur X-Richtung) über eine Länge von 1 Mikrometer durchgeführt. Gleichzeitig wird die Messung des Oberflächenzustands wiederholt, während die X-Y-Koordinatenachsen unterschiedlich geändert werden, wobei die Einstellung derart erfolgt, daß die Abstände der erhaltenen Si-Atomanordnungen möglichst nahe bei 6,65 Ångström und 3,84 Ångström liegen. Mit einer derartigen Einstellung steht die X-Achse der X-Y-Feinbewegungs- Ansteuerung mit der [211]-Richtung des Si-Substrats in Einklang, während ihre Y-Achse mit der [011]-Richtung übereinstimmt. Gleichzeitig erfolgt eine Einstellung, so daß die X- und Y-Richtung der Grobbewegungs-Ansteuerung mit der X- und Y-Richtung der eingestellten Feinbewegungs-Ansteuerung innerhalb eines Steuerfehlerbereichs der Grobbewegungs- Ansteuerung übereinstimmen. Nachfolgend wurde in Bezug auf die X- und Y-Richtung die Grobbewegungs-Ansteuerung zum Abtasten der Sondenelektrode verwendet, und die Position des Bezugsursprungs (grob) 8201 erfaßt.
Im Abstand von 2 mm in Y-Achsenrichtung vom Zentrum des Bezugsursprungs (grob) in Richtung zum Zentrum des Substrats wird ein Bezugsursprung (fein) 8202 ausgebildet.
Ein derartiger Bezugsursprung (fein) kann mittels des elektrischen Speichereffekts der Aufzeichnungsschicht 8101 ausgebildet werden. Genauer gesagt, wird zwischen die Elektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103 eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt und mittels der Z-Achsenrichtung-Feinbewegungs-Ansteuerung 8107 der Abstand Z zwischen der Sondenelektrode 8102 und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 8101 derart eingestellt, daß ein Sondenstrom Ip von 10&supmin;&sup9; A vorliegt. Während die Sondenelektrode 8102 an eine positive Seite und die Au-Elektrode an eine negative Seite gelegt wird, wird nachfolgend eine Rechteckimpulsspannung (18 V, 0,1 Mikrosekunden), welche größer als die Schwellenspannung Vth ON ist, und welche das elektrische Speichermaterial (SOAZ, 8 Schichten LB-Film) in einen niederohmigen Zustand ("Ein"- Zustand) ändert, zum Erzeugen eines "Ein"-Zustands angelegt. Während der Abstand Z zwischen der Sondenelektrode 8102 und der Aufzeichnungsschicht 8101 konstant gehalten wird, wird zwischen die Sondenelektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103 eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt. Der Sondenstrom Ip wird gemessen und es erfolgt eine Bestätigung, daß ein elektrischer Strom ca. 0,5 mA beträgt und der "Ein"-Zustand erreicht wurde. Mittels der vorherstehend beschriebenen Operation wurde der Bezugsursprung (fein) 8202 bestimmt. In diesem Fall wurde ein Bereich mit der Größe eines Quadrats von 10 nm auf der Aufzeichnungsschicht in den "Ein"-Zustand gebracht, um ein vermischtes Wiedergeben (Fig. 56) der Ursprungspositionsinformation in Bezug auf den Bezugsursprung (fein) 8202 und der Aufzeichnungsinformation zu verhindern.
Die Form des Bezugsursprungs (fein) 8202 ist jedoch nicht auf die in dem vorliegenden Beispiel beschriebene Form beschränkt.
Nachfolgend wird unter Verwendung des Bezugsursprungs (fein) als Ursprung in der X-Y-Koordinate des Sondenelektroden- Positionssteuersystems mit der Sondenelektrode 8102 und der Feinbewegung eine Abtastung durchgeführt, und die Informationsaufzeichnung in einem Abstand von 0,01 Mikrometern durchgeführt. Die Aufzeichnungsposition pro Bit auf der Aufzeichnungsoberfläche 8101 ist in Fig. 56 schematisch dargestellt. Das Aufzeichnen erfolgt auf ähnliche Weise wie das Ausbilden des Bezugsursprungs (fein), wobei auf dem elektrischen Speichermaterial (SOAZ, 4 Schichten-LB-Film) ein "Ein"-Zustand und ein "Aus"-Zustand (hochohmiger Zustand vor dem Aufzeichnen) definiert wird.
Das Aufzeichnungsmedium mit einer gemäß dem vorherstehend beschriebenen Verfahren ausgebildeten Aufzeichnung wurde aus dem Aufnahme-/Wiedergabegerät ausgebaut und anschließend wieder auf den X-Y-Tisch 8114 gelegt, wonach Wiedergabe- Experimente durchgeführt wurden. Als erstes werden wie beim Aufzeichnen die X- und Y-Richtungen des Positions-Steuersystems ausgerichtet, wobei die Si-Atomskala mit der [211]- Richtung und der [011]-Richtung verwendet wird. Nachfolgend wird in Bezug auf die X- und Y-Richtungen die Grobbewegungs- Ansteuerung zum Abtasten mit der Sondenelektrode verwendet und die Position des Bezugsursprungs (grob) 8201 erfaßt. Auf der Grundlage des erfaßten Bezugsursprungs (grob) werden die Grobbewegungs- und Feinbewegungs-Ansteuerungen zum Erfassen des Bezugsursprungs (fein) verwendet.
Unter Verwendung des Bezugsursprungs (fein) als Ursprung für das X-Y-Koordinatensystem erfolgt die Wiedergabe der aufgezeichneten Informationen. Insbesondere wird zwischen die Sondenelektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103 eine Wiedergabe-Sondenspannung von 1,0 V angelegt und die Erfassung der Position des Bezugsursprungs (fein) 8202 sowie die Wiedergabe der aufgezeichneten Informationen folgendermaßen durchgeführt: (i) direktes Lesen der Änderungen des Sondenstroms in dem "Ein"-Zustandsbereich und dem "Aus"-Zustandsbereich oder alternativ durch (ii) Auslesen der Änderungen im Abstand Z zwischen der Sondenelektrode 8102 und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 8101 mittels der Servoschaltung 8106, wobei mit der Sondenelektrode 8102 eine Abtastung erfolgt und der Sondenstrom Ip konstant gehalten wird. In den vorherstehend beschriebenen Wiedergabe- Experimenten betrug die Bit-Fehlerrate 5 · 10&supmin;&sup6;.
Darüberhinaus kann eine Sondenspannung, welche größer ist als eine Schwellenspannung Vth OFF bei der das elektrische Speichermaterial von einem "Ein"-Zustand in einen "Aus"- Zustand umschaltet, auf 10 V eingestellt, und die Aufzeichnungspositionen erneut angefahren werden. Als Ergebnis wird bestätigt, daß alle Aufzeichnungen gelöscht wurden und daß der Übergang in den "Aus"-Zustand eingetreten ist.

Vergleichsbeispiel 1

Beispiel 7

Nachfolgend erfolgt die Beschreibung eines Beispiels, wobei das X-Y-Koordinatensystem eines Sondenelektroden-Abtastsystems mittels einer Bezugsskala unter Verwendung einer Vielzahl von Bezugsursprüngen eingestellt wird, um die Aufnahme-/Wiedergabe durchzuführen.
Der Aufbau eines bei diesem Beispiel verwendbaren Aufzeichnungsmediums 8001 ist schematisch in Fig. 57A und 57B gezeigt. In diesem Beispiel wir als Substrat 8104 eine (1 mm dicke) optische Grundglasplatte der Größe 0,7 cm · 1,5 cm verwendet. Dann wurde an einer 1 mm von dem Mittelpunkt auf der Seite B-B' zu dem Zentrum des Substrats ein Bezugsursprung (grob) 8202 mit einer Größe von 1 um² und einer Tiefe von 0,1 um ausgebildet.
Nachstehend ist das Verfahren der Herstellung eines derartigen Bezugsursprungs (grob) beschrieben.
Unter Verwendung einer bekannten Photoresistverarbeitung wurde ein Resistmaterial (Markenzeichen: "AZ 1350") auf das Substrat bis zu einer Dicke von 1 um aufgebracht. Nach dem Vorbacken und unter Verwendung einer Maske mit einer in Fig. 56 gezeigten Form, wurden eine Belichtung mit ultravioletten Strahlen, eine Entwicklung und ein Nachbacken ausgeführt und eine Maskenstruktur auf der Glasplatte ausgebildet. Darauffolgend wurde auf der Grundlage einer bekannten CF4-Plasma- Ätzverarbeitung ein Trockenätzen auf der Glasoberfläche bis zu einer Tiefe von 0,1 um bei einer Ätzleistung von 50 W und somit einem Druck von 1 Pa und sowie einer Gasströmungsgeschwindigkeit von 15 SCCM durchgeführt. Das Material aus AZ 1350 der Maske wurde durch eine Azetonreinigung entfernt.
Danauch wurde das Substrat einem gesättigten Dampf aus Hexamethyldisilzan ausgesetzt und dessen Oberfläche einer hydrophobischen Behandlung ausgesetzt. Dann wurde auf dem Substrat Cr bis zu einer Dicke von 50 Å durch ein Vakuumdampfverfahren aufgedampft, um eine rückwärtige Schicht vorzusehen. Weiterhin wurde durch dasselbe Verfahren Gold (Au) bis zu einer Dicke von 400 Å aufgedampft, um eine Basiselektrode 8103 vorzusehen. Dann wurde auf der Au-Schicht eine zehnschichtige LB-Schicht aus einem T-Butyl-Ausstauschprodukt von Luthetium- Diphthalozyanin (LuH(Pc)&sub2;)
geschichtet, wodurch eine Aufzeichnungsschicht 8101 ausgebildet wird. Das ganze erfolgt in der Art, daß die Aufzeichnungsschicht 8101 nicht in der Nähe des Bezugsursprungs (grob) 8202 abgeschieden wird.
Die Bedingungen zum Ausbilden des t-Butyl-Ersatz-LB-Films von LuH(Pc)&sub2; sind folgende:
Lösungsmittel: Chloroform/Trimethylbenezen/Aceton = 1/1/2 (V/V)
Konzentration: 0,5 mg/ml
Wässerige Phase: reines Wasser der Temperatur 20ºC
Wasseroberflächendruck: 20 mN/m
Vertikale Bewegungsgeschwindigkeit des Substrats: 3 mm/min
Unter Verwendung des vorherstehend beschriebenen Aufzeichnungsmediums 8001 und unter Verwendung des in Beispiel 6 beschriebenen Aufnahme-/Wiedergabegeräts wurden Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt.
Die Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben:
Das Aufzeichnungsmedium 8001 mit einer durch Akkumulation eines 10-Schichten-LB-Films des t-Butyl-Ersatzes von LuH(Pc)&sub2; ausgebildeten Aufzeichnungsschicht 8101 wird unter Ausrichtung der Kante B - B' des Aufzeichnungsmediums in Bezug auf die X-Achsenrichtung des X-Y-Tisches 8114 auf den X-Y-Tisch 8114 gelegt. Wie im Beispiel 6 wird nachfolgend in Bezug auf die X- und Y-Richtungen die Grobbewegungs- Ansteuerung 8110 zum Abtasten mit der Sondenelektrode 8102 verwendet, um dadurch die Position des Bezugsursprungs (grob) 8201 zu erfassen. Die Sondenspannung ist hierbei 0,1 V. An der (auf der Aufzeichnungsschicht 8101) um 2 mm in Y- Achsenrichtung vom Zentrum des Bezugsursprungs (grob) 8201 in Richtung des Zentrums des Substrats beabstandeten Position wird ein erster Bezugsursprung (fein) 8401 auf ähnliche Weise wie der Bezugsursprung (fein) in Beispiel 6 ausgebildet.
Gleichzeitig werden die X-Y-Richtungen der Grobbewegungs- Ansteuerung und die X- und Y-Richtungen der Feinbewegungs- Ansteuerung innerhalb des Steuerfehlerbereichs der Grobbewegungs-Ansteuerung ausgerichtet. Anschließend wird unter Verwendung der Feinbewegungs-Ansteuerung ein zweiter Bezugs- Ursprung (fein) 8402 an einer um einen Mikrometer in der Y- Achsenrichtung vom ersten Bezugsursprung (fein) 8401 beabstandeten Position ausgebildet. Ein derartiger zweiter Bezugsursprung (fein) 8402 kann auf ähnliche Weise wie der erste Bezugsursprung (fein) ausgebildet werden. Zur Unterscheidung können die beiden Ursprünge unterschiedliche Formen aufweisen. Dies ist jedoch nicht immer notwendig. Es wird lediglich gefordert, daß diese Ursprünge nicht mit den anderen gewöhnlichen Aufzeichnungsinformationen verwechselt werden können. Unter Verwendung eines der beiden ersten und zweiten Bezugsursprünge (fein) 8401 und 8402 als Ursprung des X-Y-Koordinatensystems und unter Verwendung der Feinbewegungs-Ansteuerung erfolgt die Aufzeichnung der Informationen in einem Abstand von 0,01 Mikrometern. Die Aufzeichnung erfolgt auf gleiche Weise wie in Beispiel 6. Das Aufzeichnungsmedium 8001, auf dem die Aufzeichnungen gemäß dem vorherstehend beschriebenen Verfahren aufgezeichnet wurden, wurde zeitweise von dem Aufnahme-/Wiedergabegerät entfernt und anschließend wieder auf den X-Y-Tisch 8114 befestigt und Wiedergabeexperimente durchgeführt. Als erstes wurde wie beim Aufzeichnen die Sondenelektrode mittels der Grobbewegungs-Ansteuerung in der X- und Y-Richtung zum Erfassen des Bezugsursprungs (grob) 8201 bewegt und auf der Grundlage des erfaßten Bezugsursprungs (grob) und mittels der Grobbewegungs- und Feinbewegungs-Ansteuerung der erste Bezugsursprung (fein) 8401 gefunden. Anschließend wurde mittels der Feinbewegungs-Ansteuerung der zweite Bezugsursprung (fein) 8402 erfaßt, und anschließend das X-Y- Koordinatensystem eingestellt (rückgesetzt), so daß die Richtung eines den ersten und den zweiten Bezugsursprung (fein) verbindenden Liniensegments und die Y-Achsenrichtung des Sondenelektroden-Abtastsystems in Übereinstimmung miteinander gebracht werden. Die Einstellung erfolgt derart, daß der erste Bezugsursprung (fein) 8402 einen Ursprung eines derartigen X-Y-Koordinatensystems darstellt. Die Wiedergabe der aufgezeichneten Informationen erfolgt unter Verwendung eines derartigen Positions-Koordinatensystems als Bezugssystem, wobei die Bitfehlerrate bei 3 · 10&supmin;&sup6; liegt. Die Wiedergabe wurde ohne Rücksetzen des X-Y-Koordinatensystems mittels der vorherstehend beschriebenen Bezugsursprünge durchgeführt, wobei jedoch eine Wiedergabe nicht möglich war.

Beispiel 8

Ein weiteres Beispiel in dem eine Vielzahl von Bezugspunkten zum Vergrößern der Aufzeichnungskapazität ausserhalb des Bereiches der Feinbewegungs-Abtastung vorgesehen sind, und wobei die Aufnahme/Wiedergabe unter Verwendung eines jeden Punktes als Bezugspunkt durchgeführt wird, wird nachfolgend beschrieben.
Als Aufnahme-/Wiedergabegerät wurde das gleiche Gerät wie in Beispiel 6 (Fig. 54) verwendet.
Das Aufzeichnungsmedium 8001 wurde auf gleiche Art und Weise wie in Beispiel 6 hergestellt und ein Bezugsursprung (fein) 8202 auf gleiche Weise ausgebildet. Unter Verwendung der Feinbewegungs-Ansteuerung wird die Sondenelektrode an eine um 5 Mikrometer entlang der Y-Achse vom Bezugsursprung (fein) 8202 in Richtung des Zentrums des Substrats beabstandete Position bewegt und ein Bezugspunkt (fein) A 8501 in ähnlicher Weise wie der Bezugsursprung (fein) 8202 ausgebildet. Darüberhinaus wird in ähnlicher Weise ein weiterer Bezugsursprung (fein) B 8502 an einer um 5 Mikrometer entlang der Y-Achse vom Bezugspunkt (fein) A in Richtung des Zentrums des Substrats beabstandeten Position ausgebildet. Unter Verwendung eines jeden dieser Punkte als Bezugspunkte und unter Verwendung der Feinbewegungs- Ansteuerung erfolgt die Aufzeichnung in einem Aufzeichnungsbereich 8503 (O), einem Aufzeichnungsbereich 8504 (A) und einem Aufzeichnungsbereich 8505 (B) (siehe Fig. 58).
Nachfolgend wurde das Aufzeichnungsmedium 8001 zeitweise vom Aufnahme-/Wiedergabegerät entfernt und nach erneutem Einsetzen die Wiedergabe der aufgezeichneten Informationen in ähnlicher Weise wie in Beispiel 6 durchgeführt. In jedem der Aufzeichnungsbereiche 8503 (O), 8504 (A) und 8505 (B) betrug die Bitfehlerrate 5 · 10&supmin;&sup6;.

Vergleichsbeispiel 2

Wie in Beispiel 8 wurde ein Aufzeichnungsmedium 8001 hergestellt und die Aufzeichnung durchgeführt. In diesem Beispiel wurde der Bezugspunkt (fein) A 8501 und der Bezugspunkt (fein) B 8502 nicht ausgebildet, wobei die Aufzeichnung an Positionen entsprechend des Aufzeichnungsbereichs A 8504 und des Aufzeichnungsbereichs B 8505 erfolgte. Mit einem derartigen Aufzeichnungsmedium 8001 mit darauf ausgebildeten Aufzeichnungen wurden anschließend Wiedergabeexperimente gemäß Beispiel 8 durchgeführt. Als Ergebnis betrug die Bitfehlerrate im Aufzeichnungsbereich O 8503 5 · 10&supmin;&sup6;, wobei keine Änderung im Vergleich zum Beispiel 8 festgestellt werden konnte. Hinsichtlich des Aufzeichnungsbereichs A 8504 und des Aufzeichnungsbereichs B 8505 war es jedoch sehr schwierig ihre Positionen zu erfassen. Darüberhinaus lag die Bitfehlerrate in einem Bereich von 2 · 10&supmin;³ bis 5 · 10&supmin;&sup4; und die Genauigkeit war im Vergleich zum Beispiel 8 verringert.

Beispiel 9

Gemäß Beispiel 6 wurde das Substrat 8104 durch einen Ga-As- Wafer ersetzt und die Aufzeichnungsschicht 8101 durch einen 8-Schichten-LB-Film eines t-Butyl-Ersatzproduktes von Silikonchlorid-Phtalocyanin (PcSniCl&sub2;) ersetzt. Mit Ausnahme dieser Punkte entspricht das vorliegende Beispiel im wesentlichen dem Beispiel 6, wobei Aufnahme-/Wiedergabe- Experimente durchgeführt wurden. Die Beschreibung erfolgt anhand der Unterschiede im Vergleich zum Beispiel 6. Der Aufbau des Aufzeichnungsmediums 1 entspricht dem in Fig. 55 gezeigten Aufbau. Als Substrat wird ein P-Typ Ga-As-Wafer (Zn-dotiert, 0,3 mm Dicke) mit einem Durchmesser von 1/2 Inch und einer (110)-Belichtungsebene verwendet. Die Richtung B - B' des Substratausschnitts ist im wesentlichen parallel zur [001]-Richtung des Ga-As-Kristalls.
Zum Ausbilden eines Bezugsursprungs (grob) wurde vom Mittelpunkt der Kante B - B' in Richtung des Zentrums des Substrats ein Ätzen bis zur Größe eines Quadrates von einem Mikrometer und einer Tiefe von 0,2 Mikrometer durchgeführt. Die Art und Weise des Ausbildens eines derartigen Bezugsursprungs (grob) wird nachfolgend beschrieben.
Als erstes wird ein Resist für ultraviolette Strahlung (Markenzeichen: "AZ 1350") auf die Ga-As-Substratoberfläche bis zu einer Dicke von 1 Mikrometer aufgebracht und nach einer thermischen Vorbehandlung eine der Form gemäß Fig. 55 entsprechende Maske verwendet und eine Bestrahlung mit ultraviolettem Licht, ein Entwickeln und eine thermische Nachbehandlung durchgeführt. Somit wurde ein Maskenmuster auf dem Ga-As-Substrat ausgebildet. Nachfolgend wurde mittels eines BCl&sub3;-Gases ein Sputterätzen unter der Bedingung eines Gasdrucks von 1 Pa und einer Entladespannung von 100 V für drei Minuten durchgeführt. Die resultierende Ätztiefe betrug 0,2 Mikrometer. Anschließend wurde das AZ 1350-Material der Maske mittels Acetonreinigung entfernt.
Ähnlich wie in Beispiel 6 wurde auf dem derart hergestellten Substrat eine Cr/Au-Basiselektrode 8103 ausgebildet und anschließend auf der Basiselektrode 8103 ein 8-Schichten-LB- Film eines t-Butyl-Ersatzsilikonchlorid-Phtalocyanin (PcSiCl&sub3;) aufgebaut, um eine Aufzeichnungsschicht 8101 zu schaffen. Die Aufzeichnungsschicht-Ausbildungsbedingungen sind wie folgt:
Lösungsmittel: CH&sub3;CCl&sub3;
Konzentration der Lösung: 1 mg/ml
Wässerige Phase: pH 8,2 (reines Wasser mit NaOH abgeglichen)
Wasseroberflächendruck: 25 mN/m
Vertikale Bewegungsgeschwindigkeit des Substrats: 5 mm/min
(Z-Typ-Akkumulation)
Mittels des vorherstehend beschriebenen Aufzeichnungsmediums 8001 wurden die Aufzeichnungs-und Wiedergabe-Experimente durchgeführt. Hierbei betrug die Bitfehlerrate bei der Wiedergabe 5 · 10&supmin;&sup6;.
Hinsichtlich der Einstellung der X-Y-Koordinatenachsen mittels der Atomskala wird hierbei hinzugefügt, daß die Einstellung derart ausgeführt wurde, daß die X-Achse und die Y-Achse in Übereinstimmung mit der [001]-Richtung und der [110]-Richtung des Ga-As-Kristalls gebracht wurden. Dabei betrugen die Ga-Ga interatomaren Abstände 5,65 Ångström in Bezug auf die [001]-Richtung und 4,0 Ångström in Bezug auf die [110]-Richtung.

Beispiel 10

In Beispiel 7 wurde die Aufzeichnungsschicht 8101 durch einen Film eines amorphen Halbleiters ersetzt, wie er durch ein Atomzusammensetzungsverhältnis von Si&sub1;&sub6;Ge&sub1;&sub4;As&sub5;Te&sub6;&sub5; dargestellt wird, wobei der Film mit einem bekannten Vakuum- Aufdampfverfahren bis zu einer Dicke von 2000 Ångström ausgebildet wird. Auf ähnliche Weise wie in Beispiel 7 werden die Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt. Hierbei wurden jedoch die Aufzeichnungsspannung, die Wiedergabespannung und die Löschspannung auf einen Rechteck-Impuls von 20 Vmax, 0,1 Mikrosekunden; eine Spannung von 1,0 V; und einen Rechteck-Impuls von 50 Vmax, 10 Mikrosekunden abgeändert.
Der Aufzeichnungsabstand betrug 0,1 Mikrometer und die Größe eines jeden der ersten und zweiten Bezugsursprünge (fein) wurde auf ein Quadrat mit 0,1 Mikrometern abgeändert. Entsprechend der Ergebnisse der Wiedergabe-Experimente betrug die Bitfehlerrate 1 · 10&supmin;&sup9;.

Beispiel 11

Anstelle des in Beispiel 6 verwendeten SOAZ-4-Schichten-LB- Films wurde CuTCNQF&sub4; verwendet, um eine Aufzeichnungsschicht 8101 zu schaffen. Die Aufzeichnungs- und Wiedergabe- Experimente wurden in ähnlicher Weise wie in Beispiel 6 durchgeführt.
Beim Aufzeichnen wurde für die angelegte elektrische Spannung ein Rechteck-Impuls von 2 Vmax und 10 ns verwendet, während die bei der Wiedergabe angelegte elektrische Spannung 0,1 V betrug. Zum Löschen würde für die angelegte elektrische Spannung ein Rechteck-Impuls von 5 Vmax und 100 ns verwendet. Der Aufzeichnungsabstand betrug 0,1 Mikrometer und die Größe des Bezugsursprungs (fein) 8201 wurde auf ein Quadrat mit 0,1 Mikrometer geändert. Entsprechend der Ergebnisse der Wiedergabe-Experimente betrug die Bitfehlerrate 1 · 10&supmin;&sup9;.
Das Verfahren zum Ausbilden einer CuTCNQF&sub4;- Aufzeichnungsschicht 8101 wird nachfolgend beschrieben. Mittels eines Vakuum-Aufdampfverfahrens wird auf der Au- Elektrode 8103 Cu und TCNQF&sub4; gemeinsam abgeschieden und eine Cu + TCNQF&sub4;-Schicht mit einer Dicke von 2000 Ångström (Substrat-Temperatur: Zimmertemperatur) ausgebildet. Gleichzeitig wurde ein elektrischer Strom zum Einstellen einer Abscheidungsgeschwindigkeit von ca. Cu: 5 Ångström/s und TCNQF&sub4;: 20 Ångström/s angelegt, und eine Erhitzung durchgeführt. Als Ergebnis wurde bestätigt, daß ein blauer Film aufgrund der Produktion von CuTCNQF&sub4; abgeschieden wurde.

Beispiel 12

In diesem Beispiel wird die in Beispiel 10 (, wobei eine Vielzahl von Bezugsursprüngen und eine amorphe Halbleiteraufzeichnungsschicht 8101 verwendet wurden,) Verwendete Basiselektrode (Cr-unterbeschichtete Au-Elektrode) 8103 durch ein Cr-Material der Dicke 500 Ångström ersetzt und die Aufzeichnungsschicht 8101 durch eine amorphe Siliziumschicht mit dem Aufbau P&spplus;-Schicht/n-Schicht/i-Schicht ersetzt. Mit Ausnahme dieser Punkte entspricht dieses Beispiel dem Beispiel 10. Somit wurden auf gleiche Weise die Aufzeichnungs- und Wiedergabeexperimente durchgeführt. Entsprechend der Ergebnisse der Wiedergabeexperimente betrug die Bitfehlerrate 1 · 10&supmin;&sup9;.
Während der Experimente wurden folgende Spannungen beim Aufzeichnen/Wiedergeben und Löschen angelegt.
Aufzeichnen: 20 V
Wiedergeben: 0,5 V
Löschen: -5 V
Nachfolgend wird das Verfahren zum Ausbilden der Aufzeichnungsschicht 8101 beschrieben. Als erstes wurde zum Ausbilden einer Elektrode Cr mittels eines Vakuum- Abscheideverfahrens bis zu einer Filmdicke von 500 Ångström abgeschieden. Anschließend wurde mittels eines Glüh- Entladungsverfahrens ein P&spplus;-Typ amorpher Siliziumfilm mit einer Dicke von 1000 Ångström ausgebildet. Die Bedingungen waren wie folgt:
Eingeführtes Gas: B&sub2;H&sub6;/SiH&sub4; (NBH/NSiH = 10&supmin;¹) (verdünnt auf 0, 025 mol % mit H&sub2; Gas)
rf-Leistung: 0,01 W/cm²
Druck: 0,5 Torr
Substrat-Temperatur: 300ºC
Abscheidegeschwindigkeit: 30 Ångström/min
Nachfolgend wurde das überflüssige Quellmaterialgas ausgestoßen, danach ein neues Quellmaterialgas zugeführt und n-Typ amorphes Silizium bis zu einer Dicke von 5000 Ångström abgeschieden. Die Bedingungen hierfür waren:
Eingeführtes Gas: PH&sub3;/SiH&sub4; (NpH/NSiH = 5 · 10&supmin;³) (verdünnt auf 0,05 mol % mit H&sub2; Gas)
rf-Leistung: 0,01 W/cm²
Druck: 0,5 Torr
Substrat-Temperatur: 300ºC
Abscheidegeschwindigkeit: 40 Ångström/min
Nachdem Ausstoßen des Quellmaterialgases wurde ein mittels H&sub2; auf 0,05 mol % verdünntes SiH&sub4;-Gas in eine Kammer eingebracht, während die anderen Bedingungen beibehalten wurden, und ein i-Phasen amorphes Silizium bis zu einer Dicke von 1000 Ångström abgeschieden.
Obwohl verschiedene Herstellungsverfahren für das Aufzeichnungsmedium mittels der vorherstehend beschriebenen erläuternden Ausführungsbeispiele und Beispiele beschrieben wurden, ist die Herstellung des Aufzeichnungsmediums nicht auf diese Verfahren beschränkt. Vielmehr kann jedes Film- Herstellungsverfahren verwendet werden, mit dem ein sehr gleichmäßiger Film hergestellt werden kann. Darüberhinaus ist es selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung das Material, die Form und die Oberflächenstruktur des Substrates nicht beschränkt.
Fig. 59 zeigt eine schematische Ansicht eines Aufnahme- /Wiedergabegeräts gemäß dem weiteren erläuternden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der zwei Sondenelektroden Voneinander getrennt zum Erfassen der Position und für die Aufnahme/Wiedergabe vorgesehen sind. In Fig. 59 sind mit 8601 und 8602 eine Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode und eine Positionserfassungs-Sondenelektrode bezeichnet, wobei eine jede durch Elektropolieren eines Wolframdrahtes mit Einem Durchmesser von einem Millimeter hergestellt wurde. Die Positionserfassungs-Sondenelektrode 8602 wird zum Erfassen der Atomanordnung eines Substrates 8603, welches als Positions-Koordinate wirkt, verwendet. Andererseits wird die Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 8601 in Bezug auf die Positionserfassungs-Sondenelektrode 8602 an einer festen Position gehalten und als Einheit beweglich gelagert. Die Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode wird zum Aufzeichnen, Wiedergeben und Löschen auf einem Aufzeichnungsmedium 8604 verwendet. Mit 8605 P und 8605 R sind X-Y-Z-Achsen-Fein bewegungs-Ansteuerungen bezeichnet, die jeweils ein Röhrentyp-Feinbewegungselement (Röhrenscanner) zum Steuern des Abstandes Z zwischen dem Aufzeichnungsmedium 8604 und der Sondenelektroden 8601 oder 8602 besitzen. Diese Feinbewegungs-Ansteuerungen können die Positionen der Sondenelektroden 8601 und 8602 derart unabhängig voneinander steuern, daß ein Durchschnittsabstand auf einem konstanten Wert gehalten werden kann. Darüberhinaus kann mit diesen Feinbewegungs-Ansteuerungen eine Feinpositions-Steuerung in einer Ebene (X und Y) durchgeführt werden, während der Abstand Z konstant gehalten wird.
Das Aufzeichnungsmedium 8604 befindet sich auf einer X-Y- Grobbewegungs-Ansteuerung, welches einen hochpräzisen elastischen Drehgelenkmechanismus besitzt und parallele Federn verwendet, so daß das Aufzeichnungsmedium an eine gewünschte Position bewegt werden kann. Mit 8607 ist eine Super-Grobbewegungs-Ansteuerung bezeichnet, die im wesentlichen ein piezoelektrisches Gerät mit Mehrschicht- Aufbau besitzt und mit dem jenseits des Feinbewegungs- Bereichs eine relative Verschiebung in Z-Achsen-Richtung durchgeführt werden kann. Diese Komponenten und Ansteuergeräte werden unter dem Einfluß einer Steuereinheit 8608 gesteuert. Darüberhinaus sind alle diese Komponenten und Ansteuergeräte auf einem Antivibrationstisch 8609 gelagert. Die mechanische Funktion des vorliegenden Ausführungsbeispiels hinsichtlich der Bewegungssteuerung ist folgendermaßen:
Z-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerbereich:
0,1 nm - 1 Mikrometer
Z-Achsen-Grobbewegungs-Ansteuerbereich:
10 nm - 10 mm
X-Y-Feinbewegungs-Ansteuerbereich:
nicht weniger als 0,01 nm
X-Y-Grobbewegungs-Ansteuerbereich:
10 nm - 10 mm
Fig. 60 zeigt ein Blockschaltbild der im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten Steuereinheit 8608. Die Position der Sondenelektrode 8601 (8602) wird gesteuert und konstant gehalten indem mittels eines Vergleichers 8620 ein zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium (oder den Atomen des Substrats für die Positionserfassung) fließender elektrischer Strom (Sondenstrom) erfaßt wird; indem der erfaßte Strom mit einem eingestellten Wert (10&supmin;&sup9; A) verglichen wird; und indem die Z-Achsen-Position der Sondenelektrode mittels der Z-Achsen-Feinbewegungs-Sondenansteuerung 8605 Pz und 8605 Rz derart angesteuert wird, daß der Sondenstrom annähernd einen Wert von 10&supmin;&sup9; A annimmt. Beim Aufzeichnen und Löschen ändert sich der Sondenstrom gleichzeitig mit dem Anlegen einer Schreib- oder Lösch- Impulsspannung. Daher wird während dieser Zeitperiode eine Halteschaltung 8611 angeschaltet, mit der die Ausgangsspannung zu der Z-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung 8605 Pz für die Sonde 8602 konstant gehalten werden kann. Die Position der Positionserfassungs-Sondenelektrode 8602 wird in X-Richtung mittels einer X-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung 8605 Px eingestellt, während sie in der Y-Richtung mittels einer Y-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung 8605 Py geringfügig mit einer Frequenz von einigen kHz in Schwingung versetzt wird. Das zu diesem Zeitpunkt erhaltene Sondenstromsignal S83 wird mit einem Abtastsignal S81 der Y-Achsen-Feinbewegungs- Ansteuerung 8605 Py, welches von einer Zentraleinheit (nachfolgend als CPU bezeichnet) 8616 und über einen Zähler 8612 und einen Digital-/Analogwandler (nachfolgend als D/A- Wandler bezeichnet) 8613 erhalten wird, einer phasenstarren Erfassung unterworfen. Dadurch wird ein der Abweichung der Sondenelektrode in der Y-Richtung entsprechendes Signal S82 als Ausgangssignal der phasenstarren Erfassungsschaltung 8614 erzeugt. Wahrend das derart erzeugte Ausgangssignal zu einem Y-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerabtastsignal S81 hinzu addiert wird, bewirken die Grobbewegungs-Ansteuerung 8615 und die X- Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung 8605 Px gemeinsam eine Abtastung in der X-Achsenrichtung. Dadurch kann die Bewegung der Positionserfassungs-Sondenelektrode 8602 in der X- Richtung entlang der Atomanordnung durchgeführt werden.
Während eine derartige Y-Achsen-Schwingung und die relativ zur Atomanordnung durchgeführte Abtastung mit der Sondenelektrode eine Schwingungskomponente mit einer hohen Frequenz im Sondenstrom hervorrufen, kann diese Komponente mittels eines Tiefpaßfilters 8618 abgeschnitten werden. Daher wird die Sonde nicht durch die Z-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung 8605 Pz und 8605 Rz bewegt, während sie der hochfrequenten Schwingungskomponente folgen. Dementsprechend kann auch die Bewegung der Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 8601 realisiert werden, welche mittels dem X-Y-Feinbewegungs- Ansteuerung 8605 Rx und 8605 Ry fest in einer vorbestimmten Beziehung mit der Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 8602 steht, und gemeinsam mit der Positionserfassungs- Sondenelektrode bewegbar ist.
Das Signal der Positionserfassungs-Sondenelektrode 8602 wird über ein Tiefpaßfilter 8618A (, welches eine derartige Frequenzkomponente des Sondenstroms durchläßt, die als Ergebnis eine X-Richtungsabtastung der Sondenelektrode relativ zur Atomanordnung zuläßt, jedoch eine hochfrequente Komponente des Sondenstroms abschneidet) einer CPU 8510 und dem A/D-Umwandler 8617 zugeführt. Anhand dieses Signals und durch Zählen der Anzahl von abgetasteten Atomen kann die Position der Sondenelektrode erfaßt werden. Die zwischen die Sondenelektroden und das Aufzeichnungsmedim 8604 oder das Positionserfassungsmedium (Atome des Substrats) 8604A angelegte Vorspannung und Aufnahme-/Wiedergabe-Impulsspannung werden von zwei voneinander unabhängigen D/A-Umwandlern 8613 zugeführt.
Für die Grobbewegungs-Ansteuerung in X- und Y-Richtung werden als Grobbewegungs-Ansteuerung 8615 wirkende parallele Federn 8615B verwendet. Jede X-Y-Z-Feinbewegungs-Ansteuerung 8605 P (8605 R) besitzt ein piezoelektrisches Gerät vom zylindrischen Typ. Ein derartiges piezoelektrisches Gerät weist eine hohe mechanische Resonanzfrequenz auf (nicht größer als 8 kHz in X- und Y-Richtung; nicht größer als 40 kHz in Z-Richtung), weshalb der erhaltene Abtastbereich nicht besonders groß ist (nicht größer als 500 nm). Er ist jedoch für eine Hochgeschwindigkeits-Abtastung geeignet.
Die Fig. 61 zeigt den gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel in der CPU verwendeten Steueralgorithmus. Im Ansprechen auf ein Startsignal setzt die CPU 8610 derartige Elemente zurück wie beispielsweise die A/D-Wandler 8613 und die Zähler 8612 und stellt entsprechende Anfangsbedingungen ein. Nachfolgend werden die Positionserfassungs-Sondenelektroden 8602 und die Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 8601 schrittweise und voneinander getrennt in Richtung auf das Substrat bewegt, wobei bei jeder schrittweisen Bewegung der in der Sondenelektrode fließende elektrische Stromwert (Jt) analog/digital gewandelt wird. Bis zum Erreichen eines eingestellten Wertes wird die Sondenelektrode 8601 (8602) an das Aufzeichnungsmedium 8604 oder das Substrat 8603 herangebracht. Anschließend wird durch Anlegen von Abtastsignalen S84x und S84y an die Parallelfeder-Vorrichtung 8615 die Sondenelektrode 8601 über den gesamten Bereich des Aufzeichnungsmediums entlang der Ebene (X- und Y-Richtung) abgetastet. Gemeinsam mit dieser Abtastung tastet auch die Sondenelektrode 8602 über das Substrat. Während der Abtastung wird der Sondenstrom Jt in geeigneten Zeitabständen mittels des A/D-Umwandlers 8617 gewandelt und die Position eines Bezugsursprungs auf dem Aufzeichnungsmedium auf der Grundlage des X-Y-Abtastsignals, dem Stromwert Jt der Sondenelektrode 8601 und der von der Positionserfassungsvorrichtung 8604A erhaltenen positionellen Information berechnet. Daraufhin wird die Sondenelektrode zu dem derart bestimmten Bezugsursprung bewegt.
Beim Aufzeichnen wird von der Position des Bezugsursprungs entlang der Ebene ein kleiner Bereich abgetastet, und im Ansprechen auf ein der Frequenz zum Zeitpunkt der Signalabtastung entsprechendes Triggersignal als erstes ein Steuersignal in Bezug auf die Z-Achsenrichtung mittels einer Halteschaltung 8611 gehalten und anschließend ein Aufzeichnungsimpuls ausgegeben, wodurch die Aufzeichnung bewirkt wird. Bei der Wiedergabe wird ein ähnliches Triggersignal verwendet, wobei ein durch die Sonderelektrode fließender elektrischer Strom analog/digital umgewandelt und die Information wiedergegeben wird. Nach Abschluß der Aufzeichnung bzw. Wiedergabe wird die Sondenelektrode vom Aufzeichnungsmedium entfernt, an seine Anfangsposition zurückgeführt und dort gehalten.
Im vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiel ist der Abtastmechanismus in einen Grobbewegungs-Abtastabschnitt und einen Feinbewegungs-Abtastabschnitt aufgeteilt, wobei für eine hochfrequente Abtastung der Feinbewegungs-Abtastabschnitt und für eine niederfrequente Abtastung der Grobbewegungs- Abtastabschnitt verwendet wird. Dadurch kann der Hub des Feinbewegungs-Abtastabschnitts verringert und seine Steifigkeit verbessert werden. Somit ist eine Erhöhung der Abtastgeschwindigkeit möglich. Damit kann auch die Informationsübertragungsgeschwindigkeit erhöht werden. Für den Feinbewegungs-Mechanismus ist hinsichtlich der Präzision die Verwendung eines Stellgliedes mit einem piezoelektrischem Gerät wünschenswert. Jede der weit verbreiteten Feinbewegungs-Mechanismen oder -Geräte können verwendet werden. Beispiele hierfür sind "piezoelektrische Stative" (IBM J. Res. & Dev. 30 (1986) 355 oder Helv. Phys. Acta. 55 (1982), 726, von G. Binnig und H. Rohrer); "3-d kontinuierliche Feinpositionierungssysteme" (Rev. Sci. Instrum. 56 (1985) 1573, von G.F.A. Van De Walle, J.W. Gerritsen, H. Van Ken-pen & P. Wyder; und "Röhrenscanner" (Rev. Sci. Instrum. 57 (1986) 168, von G. Binnig & D.P.E. Smith).
Das im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete Aufzeichnungsmedium entspricht dem in Fig. 51 gezeigten Ausführungsbeispiel. Als alternatives Ausführungsbeispiel kann wie in Fig. 62 gezeigt ein Medium 8604B zur Positionierung an der gegenüberliegenden Seite des Aufzeichnungsmediums 8604 Vorgesehen sein. Fig. 63 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Aufnahme-/Wiedergabegerätes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Fig. 63 ist mit 9001 eine Sondenelektrode bezeichnet, die für die Aufnahme und Wiedergabe verwendet wird. Um eine erhöhte Auflösung bei der Aufnahme und Wiedergabe zu erreichen, wird die Sondenelektrode aus einer mechanisch polierten und elektrisch polierten Wolframdrahtspitze hergestellt. Es kann jedoch auch jedes andere Material wie beispielsweise Pt-Ir, Pt oder dergleichen verwendet werden. Darüberhinaus können auch andere Herstellverfahren verwendet werden.
Mit 9002 ist ein Aufzeichnungsmedium bezeichnet, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Akkumulation von 8 Schichten von Squarilium-Bis-6-Oktylazulen aufweist und in Bezug auf die Schaltcharakteristika der Spannung und des Stroms einen Speichereffekt aufweist. Der geschichtete Aufbau ist hierbei auf einem Graphitsubstrat mittels dem LB-Verfahren ausgebildet.
Mit 9003 ist ein Stromverstärker bezeichnet, der einen durch die Sondenelektrode fließenden elektrischen Strom verstärkt, und in eine elektrische Spannung umwandelt. Mit 9004 ist eine Feinbewegungs-Ansteuerung bezeichnet, die ein zylindrisches piezoelektrisches Gerät besitzt und zum Einstellen der Sondenelektrodenposition in Bezug auf die Richtung in der Ebene des Aufzeichnungsmediums (d.h. X- und Y-Richtung) und in einer von der Sondenelektrode zum Aufzeichnungsmedium gegebenen Richtung (d.h. in der Z-Richtung) verwendet wird. Mit 9005 ist eine Grobbewegungs-Ansteuerung zum Bewegen des Aufzeichnungsmediums in der X- und Y-Richtung bezeichnet. Diese Ansteuerung besitzt parallele Federn, die hauptsächlich elastische Drehgelenke verwenden.
Mit 9006 ist eine X-Y-Steuereinheit bezeichnet, mit der eine Arbeitsspannung an die Ansteuerungen 9004 und 9005 angelegt werden kann. Mit 9007 ist eine Verarbeitungseinheit bezeichnet, die eine A/D-Umwandlungsschaltung zum Digitalisieren des Ausgangssignals des Sondenstrom- Verstärkers, einen Mikroprozessor zum Steuern verschiedener Gerätesysteme und eine Verarbeitungseinheit zur Mustererkennung und Codeübertragung besitzt, welche auf die Positionsbezugsskala auf dem Aufzeichnungsmedium und die Aufzeichnungssignale angewandt wird.
Mit 9008 ist eine Spannungszuführeinheit zum Zuführen von Aufzeichnungs-, Wiedergabe- und Löschspannungen bezeichnet. Die Spannungszuführeinheit kann eine gewünschte Vorspannung im Bereich von -10 V bis +10 V zuführen. Mit 9009 ist ein Antivibrationstisch bezeichnet, mit dem ein Rauschen aufgrund von Vibrationen des Gerätes während der Aufnahme und Wiedergabe wirkungsvoll unterdrückt werden kann.
Mit 9010 ist eine Supergrobbewegungs-Ansteuerung zum Steuern eines gegenüber dem Steuerbereich der Feinbewegungs- und Grobbewegungs-Ansteuerung größeren Bereichs bezeichnet. Der mittels der gestrichelten Linie 9011 definierte Abschnitt bezeichnet eine Infrastruktur, mit der verschiedene strukturelle Komponenten unterstützt werden können.
Die Fig. 64 zeigt eine schematische Ansicht eines positionellen Bezugsmusters und Signalaufzeichnungsbereiche auf dem im vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiel verwendeten Aufzeichnungsmedium. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurden Positionsbezugsmuster vorab auf dem Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet, bevor die Signalinformationen aufgezeichnet werden. Darüberhinaus wird vor dem Beginn der Aufzeichnung bzw. Wiedergabe von Signalinformationen die Sondenelektrode zum Bestimmen des positionellen Bezugsmusters abgetastet und auf der Grundlage von zumindest einem Aufnahme-/Wiedergabe- Bereich auf dem Aufzeichnungsmedium eine Aufnahme/Wiedergabe durchgeführt, welche man als Ergebnis von diesem Bereich und der Information hinsichtlich der Abtastrichtung der Sondenelektrode während der Aufnahme/Wiedergabe erhält.
Vor der Aufnahme/Wiedergabe werden die in Fig. 64 gezeigten Muster 9012a bis 9012d vorab auf das Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet. Wegen der mechanischen Genauigkeit des vorherstehend beschriebenen Aufbaus kann die Position der Sondenelektrode auf dem Aufzeichnungsmedium mit einer Genauigkeit von +/-10 Mikrometern bei einer um 200 Mikrometer in Z-Achsenrichtung von der Anfangsposition beabstandeten Position auf dem Aufzeichnungsmedium sicher gestellt werden.
Nachfolgend wird mittels einer Spannungszuführvorrichtung 9008 zwischen die beiden Pole eine elektrische Spannung von 300 mV angelegt und in diesen Zustand das Ausgangssignal des Stromverstärkers mittels einer Verarbeitungseinheit 9007 verarbeitet. Darauf basierend wird zum Verringern des Abstandes zwischen den Elektroden bis auf eine Distanz, bei der ein elektrischer Strom von 1 pA fließt, die Supergrobbewegungs-Ansteuerung angesteuert.
Auf ähnliche Weise wird nachfolgend die Feinbewegungs- Ansteuerung derart angesteuert, daß ein elektrischer Strom von 1 nA zwischen den Elektroden fließt. Anschließend wird der mittels einer strichpunktierten Linie eingeschlossene gesamte Bereich in Fig. 64 zum Einschreiben der Muster 9012a bis 9012d, wie in Fig. 64 gezeigt, abgetastet.
Im Anfangszustand des Aufzeichnungsmediums befindet sich der gesamte Bereich in einem "Aus"-Zustand. Zum Umschalten eines Abschnitts, auf dem ein Muster aufgezeichnet werden soll, in einen "Ein"-Zustand wird eine elektrische Spannung von + 10 V, die höher als ein Schwellwert des "Ein"-/"Aus"-Übergangs des Aufzeichnungsmediums ist, zwischen die Elektroden angelegt, sobald die Sondenelektrode in die Musteraufzeichnungs- Position gelangt. Dadurch kann das dargestellte Muster erzeugt werden. In der Zeichnung zeigt der schraffierte Bereich einen derartigen Abschnitt, der sich im "Ein"-Zustand befindet. Der zum Zeitpunkt der Aufzeichnung zwischen den Elektroden fließende elektrische Strom erhöht sich um ca. das Dreifache. Zur Vermeidung dieses Effekts wird daher die Feinbewegungs-Ansteuerung derart angesteuert, daß ein Durchschnittstrom zwischen den Elektroden auf 0,9 nA gehalten wird, während dabei ein Durchschnittsabstand zwischen den Elektroden konstant gehalten wird.
Für die Aufnahme/Wiedergabe auf dem normalen Aufzeichnungsbereich wird zunächst die Sondenelektrode in Bezug auf ein positionelles Bezugsmuster positioniert. Zu diesem Zweck wird eine gegenüber dem Schwellwert des "Ein"-"Aus"-Übergangs des Aufzeichnungsmediums geringere Spannung von +5 V zwischen die Elektroden angelegt und in diesem Zustand die Feinbewegungs- und Grobbewegungs-Ansteuerung derart angesteuert, daß die Sondenelektroden das gesamte Aufzeichnungsmedium abtasten. Während des Abtastens wird der "Ein/Aus"-Zustand anhand der Änderungen im Tunnelstrom zwischen den Elektroden erfaßt, wodurch das positionelle Bezugsmuster erfaßt wird. Da das positionelle Bezugsmuster einen größeren Bereich belegt als die Aufzeichnungseinheit der normalen Aufzeichnungsinformationen, wenn ihr "Ein/Aus"-Zustand durch Abtastung mit der Sondenelektrode erfaßt wird, wird die erfaßte "Ein/Aus"- Frequenz wesentlich geringer als die der normalen Aufzeichnungsinformation. Daher können mittels einer einfachen Bandfiltergruppe die Abtasterfassungs-Signale der positionellen Bezugsmuster und die normalen Aufzeichnungsinformationen auf einfache Weise als niederfrequente Komponenten und hochfrequente Komponenten voneinander getrennt werden. Auf der Grundlage von zweidimensionalen Informationen hinsichtlich mehrerer positioneller Bezugsmuster wird die Sondenelektrode an eine Position in der Nähe eines der vier Muster bewegt. Nachfolgend wird ein derartiger Bereich, welcher geringfügig größer als der Musterbereich ist, abgetastet und die dadurch erhaltenen Signale in einem Speicher als zweidimensionale Informationen abgespeichert. Gemäß Fig. 64 kann jedes Bezugsmuster anhand der Richtung der in X- und Y-Richtungen angeordneten Anordnung von gerichteten Mustern 9013 unterschieden werden. Ferner können auch die Positionen der erfaßten Muster anhand der relativen Position eines positionellen Musters 9014 in Bezug auf das positionelle Bezugsmuster festgelegt werden. Im einzelnen besitzt das positionelle Bezugsmuster somit Richtungsinformationen und Positionsinformationen. Mittels weit verbreiteten Bildverarbeitungsverfahren erhält man somit die Informationen hinsichtlich der Abtastrichtung zum Zeitpunkt der wirklichen Aufnahme/Wiedergabe sowie die Informationen hinsichtlich der Position des erfaßten Musters. Darüberhinaus kann anhand der abgespeicherten positionellen Beziehung zwischen den Mustern die Information hinsichtlich der angenäherten Position des positionellen Bezugsmusters zum nächsten normalen Aufzeichnungsbereich hergeleitet werden.
Zum Aufzeichnen der normalen Aufzeichnungsinformation wird die Sondenelektrode auf der Grundlage der Positionsinformationen an eine Position in der Nähe des normalen Aufzeichnungsbereichs bewegt. Daraufhin wird ein Bereich, der geringfügig größer als der Aufzeichnungsbereich ist, abgetastet. Nachdem im positionellen Bezugsmuster ein Synchronisationssignal erfaßt wurde, wird die Information an einer vorbestimmten Position auf der Grundlage der Positionsinformationen und mit der Genauigkeit der piezoelektrischen Vorrichtung eingeschrieben. Für die Wiedergabe der normalen Aufzeichnungsinformationen werden die mittels der Abtastung des gesamten Bereiches nach dem Synchronisationssignal erhaltenen zweidimensionalen Informationen in eine in Fig. 65 gezeigte Aufzeichnungseinheit (Einheitsinformationsbereich) aufgeteilt, wobei die Hysterese der piezoelektrischen Vorrichtung, die thermische Expansion/Kontraktion des Aufzeichnungsmediums und andere davon getrennt eingegebene Informationen berücksichtigt werden. Jeder Einheitsbereich wird zum Wiedergeben der aufgezeichneten Informationen (1 oder 0) einer Bildverarbeitung unterworfen. Nach Abschluß der Aufnahme/Wiedergabe wird die Sondenelektrode auf der Grundlage der erhaltenen Positionsinformationen an eine in der Nähe des nächsten Musters befindliche Position bewegt.
Im vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiel ist der Abtastmechanismus in einen Grobbewegungs-Abtastabschnitt für niederfrequentes Abtasten und einen Feinbewegungs-Abtastabschnitt zum hochfrequenten Abtasten unterteilt. Dadurch kann der Hub des Feinbewegungs-Abtastabschnitts wirkungsvoll verringert und seine Steifigkeit verbessert werden. Ferner kann die Abtastgeschwindigkeit und folglich die Informations-Übertragungs- Geschwindigkeit erhöht werden. Für die Feinbewegungs- Ansteuerung können die vorherstehend beschriebenen Feinbewequngs-Ansteuerungen oder Geräte verwendet werden. Im erläuternden vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Röhrenscanner mit einer hohen Eigenfrequenz verwendet. Andererseits wird für die Grobbewegungs-Ansteuerung eine Parallelfeder-Vorrichtung mit einem hochfunktionselastischen Drehgelenksmechnismus verwendet, in dem die Bewegungsfreiheit auf die Bewegungsrichtung beschränkt ist.
Durch Verwendung einer Parallelfeder-Vorrichtung mit einem elastischen Drehgelenksmechanismus für die Grobbewegungs- Ansteuerung des Aufzeichnungsmediums können Störungen des Aufzeichnungsmediums bei der Grobbewegung hin zur Richtung der Aufzeichnungsmediumsoberfläche senkrechten Richtung (d.h. in der Z-Achsen-Richtung) unterdrückt werden. Daher kann das Signal-Rauschverhältnis bei der Aufnahme/Wiedergabe verbessert werden. Darüberhinaus kann der Grobbewegungs- Bereich vergrößert werden, während die hohe Steifigkeit der piezoelektrischen Vorrichtung erhalten bleibt.
Darüberhinaus kann für die verschiedenen dreidimensionalen Abtastvorrichtungen mit normalen piezoelektrischen Vorrichtungen eine piezolelektrische Vorrichtung vom zylindrischen Typ mit einer hohen Resonanzfrequenz als Feinbewegungs-Ansteuerung für die Sondenelektrode verwendet werden. Dadurch kann die Ansprechfrequenz der Feinbewegungs- Ansteuerung verbessert und somit die Abtastgeschwindigkeit erhöht werden. Damit kann die Aufzeichnungsinformation- Übertragungsgeschwindigkeit verbessert werden.
Durch die Verwendung eines positionellen Bezugsmusters und durch die Schaffung von Einheiten für die Aufnahme/Wiedergabe von Signale, kann die Signalverarbeitung bei der Aufnahme/Wiedergabe vereinfacht werden.
Da das positionelle Bezugsmuster zweidimensionale Informationen aufweist, kann irgendeine positionelle Abweichung der Aufzeichnungsinformationen aufgrund einer beim Montieren auf das Gerät hervorgerufenen Drehung oder Störung des Aufzeichnungsmediums während des Abtastens gelöscht oder ausgeglichen werden.
Im vorliegenden erläuternden Ausführungsbeispiel wird die Information nicht als eindimensionale sondern als zweidimensionale Information behandelt. Dadurch kann bei der Wiedergabe ein erhöhter Freiheitsgrad hinsichtlich der Positionsänderung erreicht werden. Folglich können ohne Positionierung mittels einer Regelung oder dergleichen hochdichte Aufzeichnungs- Informationen fehlerfrei ausgelesen werden.
Da die aufgezeichneten Informationen als eine Flächeneinheit verarbeitet werden, muß die Position des Signals bei der Aufzeichnung nicht für jedes Abtasten wiedergegeben werden. Wie in Fig. 66 gezeigt, ist es somit möglich, ein die Aufzeichnungseinheit darstellendes zweidimensionales Bild und die positionelle Beziehung zwischen den Aufzeichnungseinheiten wiederzugeben, vorausgesetzt daß das mittels Abtastung des gesamten Bereichs erhaltene zweidimensionale Bild innerhalb des Toleranzbereichs der Bildverarbeitung liegt, selbst wenn während der Wiedergabe das Abtaststellglied für eine kurze Zeitdauer aufgrund einer externen Störung nicht korrekt auf dem aufgezeichneten Signal entspricht. Es treten daher im wesentlichen keine Probleme bei der Wiedergabe von Informationen auf. Selbst bei Auftreten von Ausdehnungen/Kontraktionen des Mediums aufgrund von Temperatur- oder Feuchteunterschieden zwischen dem Zeitpunkt der Aufnahme und dem Zeitpunkt der Wiedergabe, stellt die Änderung in dem erhaltenen zweidimensionalen Bild der Informationen lediglich eine analoge Deformation des Originalbilds dar, weshalb im wesentlichen kein Auslesefehler auftritt. Aus einem ähnlichen Grund können die Aufzeichnungsmedien zwischen Verschiedenen Geräten problemlos ausgetauscht werden.
Ferner ist für den Einbau des Aufzeichnungsmediums in das Gerät kein hochgenauer Mechanismus erforderlich. Das Aufnahme-/Wiedergabegerät kann daher mit geringen Kosten und in Massenfertigung hergestellt werden.
Während die Erfindung und die erläuternden Ausführungsbeispiele anhand der in der Beschreibung offenbarten Strukturen beschrieben wurden, beschränkt sich die Erfindung nicht ausschließlich auf diese Einzelheiten sondern umfaßt alle Änderungen oder Modifikationen, die innerhalb des Bereichs der folgenden Patentansprüche liegen.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung einer relativen Position mit einer Sonde (104), die einen in einer ersten Richtung auf eine Referenz (101) ausgerichteten Endabschnitt zur relativen Bewegung zwischen der Referenz und der Sonde in einer zweiten Richtung, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, eine Einrichtung (106) zum Anlegen einer Spannung zwischen der Sonde und der Referenz sowie eine Einrichtung (107) zur Erfassung eines zwischen der Sonde und der Referenz fließenden Tunnelstroms aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine in der zweiten Richtung verlaufende, elektrisch leitende nicht-periodische Skala (901) der Referenz (101) vorgesehen ist und die elektrisch leitende Sonde (104) eine der nicht-periodischen Skala (901) gegenüberliegende Spitze aufweist, sowie

ein Speicher (115) zum Speichern von Intervallinformationen der nicht-periodischen Skala (901) vorgesehen ist, wobei

eine relative Position zwischen der Sonde (104) und der Referenz (101) auf der Grundlage einer durch die nicht-periodischen Skala verursachte Änderung des Tunnelstroms und der in dem Speicher (115) gespeicherten Informationen erfaßt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (109) zur Erfassung eines relativen Bewegungsabstands zwischen der Sonde und der Referenz auf der Grundlage eines Zählwerts von Änderungen, die während der relativen Bewegung durch die Skala verursacht werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung des relativen Bewegungsabstands eine Einrichtung (110) zur Umformung des Signalverlaufs des durch die Tunnelstromerfassungseinrichtung erfaßten Tunnelstroms und eine Einrichtung (114), um ein Zählen von Wellen des umgeformten Signalverlaufs zu bewirken.