DE4022711C2

DE4022711C2 - Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung, Rastertunnel-Mikroskop und Datenspeichervorrichtung damit

Info

Publication number: DE4022711C2
Application number: DE4022711A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kajimura
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-07-17
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2010-07-18
Also published as: GB2235052A; GB9015309D0; US5075548A; DE4022711A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tunnelstromsonden-Verstellvor richtung zum Verstellen einer großen Anzahl von Tunnelstrom sonden entlang einer Substratoberfläche, sowie auf ein Rastertunnel-Mikroskop und eine Datenspeichervorrichtung mit einer solchen Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung.

Wenn eine leitfähige Probe als Substrat verwendet wird, und eine große Anzahl von Tunnelstromsonden entlang der Probe be wegt, d.h. abtastend geführt wird, kann eine Oberflächenfein struktur der Probe mit einer Auflösung im atomaren Maßstab bzw. auf atomarer Ebene untersucht werden. Eine Vorrichtung für einen derartigen Abtastvorgang wird als Rastertunnel-Mikroskop (nachfolgend STM für "Scanning Tunneling Microscope" genannt) bezeichnet, das von Binning et al. bei IBM entwickelt worden ist. Das STM wird nachfolgend näher beschrieben.

Es ist bekannt, daß dann, wenn eine scharfe Spitze mit einem Krümmungs- bzw. Verrundungsradius von mehreren 100 nm zur An näherung an eine Oberfläche einer leitfähigen Probe bis auf einen Abstand von 1 nm veranlaßt wird, und eine vorbestimmte Spannung zwischen der Sonde und der Probe angelegt wird, zwi schen diesen ein Tunnelstrom fließt. Dieser Tunnelstrom rea giert höchst empfindlich auf eine Änderung des Abstands zwi schen der Probe und der Sonde. Mit einer Abstandsänderung von beispielsweise einem Atom ändert sich der Wert des Tunnel stroms um den Faktor zehn oder mehr. Bei einem Mikroskop zum Untersuchen einer Probenoberfläche unter Verwendung dieser Ei genschaften eines Tunnelstroms handelt es sich um ein soge nanntes STM. Es soll angenommen werden, daß eine Sonde auf ei nem dreidimensionalen Antriebselement angeordnet ist, das zur Bewegung in einer dreidimensionalen Richtung ausgelegt ist. Wenn diese Sonde auf einer Probenoberfläche in der X-Y- Richtung zweidimensional abtastend geführt wird, während sie in einer Richtung (Z-Achsen-Richtung) lotrecht zur Probenober fläche (X-Y-Ebene) servogesteuert wird, um den Tunnelstrom konstant zu halten, so zeichnet die Sonde (Struktur-) Unregel mäßigkeiten der Probenoberfläche auf, während der Abstand zur Probe konstant gehalten wird. Ein Servosteuerbetrag der Sonde in der Z-Achsen-Richtung zu diesem Zeitpunkt wird synchron zu einem Abtastsignal in der X-Y-Richtung gewonnen, und die Stel lung des distalen bzw. hinteren Endes der Sonde wird als drei dimensionales Bild ausgegeben, wodurch eine Beobachtung der Oberflächenfeinstruktur der Probe als ein Abbild in atomarem Maßstab möglich ist.

Wenn eine zu beobachtende Probenoberfläche im atoma ren Maßstab eben ist, kann eine Einrichtung verwendet werden, die dazu ausgelegt ist, einen Tunnelstrom im zweidimensiona len Sonden-Abtastbetrieb ausschließlich in der X-Y-Richtung abzubilden, ohne Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Servosteuerung in der Z-Richtung.

Wenn nach herkömmlicher Methode mit dem STM ein kleiner Be reich auf der Probenoberfläche untersucht werden soll, wird die Probe zunächst mit einem Lichtmikroskop untersucht, um ei nen bestimmten Untersuchungsabschnitt festzulegen, und dieser Abschnitt wird daraufhin im einzelnen mit dem STM untersucht.

Wenn das Lichtmikroskop jedoch ein üblicherweise verwendetes optisches System mit einer 50-fachen oder 100-fachen Vergröße rung aufweist, so ist der (frei zugängliche) Arbeitsbereich, d.h. der Abstand zwischen der Probenoberfläche und dem Objek tiv üblicherweise auf einige Millimeter festgelegt (maximal etwa 5 mm). Da STM mit herkömmlichen Antriebselementen vom Stativtyp oder vom Röhrenabtasttyp große Abmessungen aufwei sen, können sie nicht in den Arbeitsbereich eingebracht wer den. Deshalb müssen das Objektiv des Lichtmikroskops und die Sondeneinheit des STM für jede Untersuchung ausgewechselt wer den. Die Folge ist eine (unerwünschte) Verstellung der Unter suchungsposition oder ein mühsamer Einstellvorgang.

Ein weiteres Problem herkömmlicher STM betrifft Relativschwin gungen von Probe und Sonde.

Bodenschwingungen, die im allgemeinen eine Amplitude von etwa 1 µm aufweisen und hauptsächlich aus Frequenzkomponenten von 100 Hz oder weniger zusammengesetzt sind, werden auch an Orten beobachtet, an denen keine Schwingungsquelle in der Nähe vor handen ist. Diese Bodenschwingung verursacht die Relativ schwingungen zwischen Probe und Sonde des STM und erscheint als Rauschen in einem aufgenommenen STM-Bild. Es ist bekannt, das Antischwingungsverhalten durch weicheres Abstimmen eines Antischwingungssystems sowie durch Erhöhen der Steifigkeit der Gesamtvorrichtung zu verbessern. Aus diesem Grunde muß in dem STM die Resonanzfrequenz einer Antischwingungsunterlage so weit als möglich herabgesetzt werden, und diejenige der STM- Einheit muß so weit wie irgend möglich erhöht werden (übli cherweise auf 10 kHz).

Bei dem STM unter Verwendung herkömmlicher Antriebselemente vom Stativtyp oder vom Röhrenabtasttyp ist jedoch die Steifig keit der Gesamtvorrichtung unvermeidlich reduziert, weil ein Sondenabtastsystem zum Abtasten der Probe und ein Probenträ gersystem zur Aufnahme einer Probe grundsätzlich als unabhän gige Einheiten ausgebildet sind. Da diese beiden Systeme kein (gemeinsames) Resonanzsystem von mehreren 100 Hz zu bilden vermögen, tritt leicht eine Resonanz auf. Demzufolge wird, wie vorstehend ausgeführt, im STM-Bild Rauschen erzeugt, und es ist schwierig, ein Bild mit hoher Auflösung im atomaren Maß stab zu erhalten.

Um die vorstehend beschriebenen beiden Probleme zu lösen, ha ben C.F. Quate et al. von der Stanford Universität eine Tech nik zur Herstellung eines STM vom Konsolentyp (nachfolgend als Mikro-STM bezeichnet) unter Verwendung einer Mikroherstell technik vergleichbar der IC-Herstellung entwickelt. Ein derartiges STM weist eine Größe von 1000 µm×200 µm×5 µm auf einem Silizium substrat auf. Ein Verfahren zur Herstellung dieses STM wurde auf der Konferenz Transducers 89, 4th Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators, Montreux, Schweiz, 25.-30. 6. 1989 vorgetragen, vergl. Sensors and Actuators, A21-A23, 1990, S. 967-970.

Fig. 27 zeigt eine perspektivische Ansicht einer schematischen Anordnung dieses Mikro-STM. Eine Konsole 90 umfaßt piezoelek trische Elemente (ZnO) 92 und 93, die unter sandwichartigem Einschluß einer Al-Elektrode 91 ausgebildet sind, und strei fenförmige Al-Elektroden 94, 95, 96 und 97, die in der Längs richtung der Konsole 90 parallel angeordnet sind. Der proxima le bzw. hintere Endabschnitt der Konsole 90 ist an einem Sili ziumsubstrat befestigt. Weiterhin erstreckt sich eine Sonde 98 in einem Mittelabschnitt des distalen Endabschnitts der Konso le 90. Die Konsole 90 ist an einen (nicht dargestellten) Tun nelstromdetektor über einen (nicht dargestellten) Draht ange schlossen.

Wenn mit einer derartigen Anordnung eine Probe untersucht wer den soll, wird die Silziumsubstrat-Oberfläche des Mikro-STM an der Probenoberfläche befestigt bzw. an diese angepreßt, und die Sonde wird durch die vorstehend beschriebene Konsole zur Erfassung eines Tunnelstroms abtastend (über die Probenober fläche) geführt.

Das Prinzip des Abtastbetriebs der Sonde des an der Stanford Universität entwickelten Mikro-STM wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 27 näher erläutert.

Wenn an die Elektroden 94 und 91 Spannungen angelegt werden, wird ein elektrisches Feld E4 erzeugt, das von der Elektrode 94 zur Elektrode 95 gerichtet ist. In diesem Falle dehnt sich ein Abschnitt des zwischen den Elektroden 94 und 91 sandwichartig angeordneten piezoelektrischen Elements 92 in der in Fig. 27 dargestellten positiven X-Achsenrichtung aus. Dies kann auch auf die anderen Elektroden angewendet werden. Zwischen den Größen der in Fig. 27 gezeigten elektrischen Feldvektoren E1, E2, E3 und E4 und den Abtastrichtungen der Sonde 98 bestehen die folgenden Beziehungen:

X: positive Richtung E1 = E2 = E3 = E4 < 0
X: negative Richtung E1 = E2 = E3 = E4 < 0
Y: positive Richtung E1 = E2 < E3 = E4
Y: negative Richtung E1 = E2 < E3 = E4
Z: positive Richtung E1 = E3 < E2 = E4
Z: negative Richtung E1 = E3 < E2 = E4.

Demnach wird die Sonde in der X-Richtung durch Expandie ren/Kontrahieren der gesamten Konsole 90 dreidimensional ange trieben. In den Y- und Z-Richtungen wird die Sonde durch Ex pansion eines piezoelektrischen Elements bei Kontraktion eines anderen piezoelektrischen Elements unter Verformung bzw. Ver windung der gesamten Konsole 90 angetrieben. Im Ergebnis wird die Konsole 90 um 2,2 nm/V in der X-Richtung, um 22 nm/V in der Y-Richtung und um 770 nm/V in der Z-Richtung verstellt. Durch geeignete Einstellung der an die Elektroden anzulegenden Spannun gen wird die Sonde 98 am distalen Ende der Konsole 90 auf die se Weise dreidimensional abtastend verstellt.

Ein derartiges Mikro-STM vom Konsolentyp kann in den Arbeits bereich eines Lichtmikroskops eingebracht werden. Nachdem so mit ein Untersuchungsabschnitt durch die (Vor-) Untersuchung eines großen Felds der Probenoberfläche mittels des Lichtmi kroskops festgelegt ist, kann der Untersuchungsabschnitt mit tels des STM direkt im Detail ohne Austausch des Objektivs und der Sondeneinheit untersucht werden. Hinzu kommt, daß die Son de und die Probe im wesentlichen integriert werden können, weil die Konsole dieses Mikro-STM gegen die Probenfläche ge drückt bzw. an dieser abgestützt wird. Deshalb hängt die Reso nanzfrequenz zwischen der Sonde und der Probe ausschließlich von der Resonanzfrequenz der Konsole selbst ab und kann um mehrere 10 bis 100 kHz (im Vergleich zu bisherigen Anordnun gen) erhöht werden. Im Ergebnis erhält man eine STM- Vorrichtung hoher Steifigkeit und ein STM-Bild, das frei ist von Schwingungseinflüssen und dadurch verursachtem Rauschen.

Wenn jedoch die Sonde des vorstehend beschriebenen, an der Stanford Universität entwickelten Mikro-STM etwa in der Y- Achsenrichtung in Fig. 27 bewegt bzw. verstellt wird, wird die Sonde im Abtastbetrieb bei erhöhter Y-Verstellung der Sonde bogenartig geführt. Wenn deshalb ein durch diesen bogenartigen Abtastbetrieb erzeugtes (Oberflächen-) Unregelmäßigkeitssignal direkt (unentzerrt) abgegeben wird, ist das dadurch gewonnene Bild mit Bezug auf die tatsächliche Probenoberfläche verzerrt. Demnach sind Abschnitte, wo die Sonde im linearen Abtastbe trieb arbeitet auf solche Y- und Z-Verstellungen der Konsole be schränkt, die nahe Null liegen. Dadurch ist der effektive Ab tastbetrieb stark eingeschränkt.

Darüber hinaus schwankt die Verstellung der Konsole in den drei Richtungen, etwa den X-, Y- und Z-Richtungen mit Bezug auf dieselbe Antriebsspannung. Um deshalb (ein und) dieselbe Verstellung etwa in den X- und Y-Richtungen zu erhalten, ist eine größere Antriebsspannung zur Verstellung in der X- Richtung erforderlich, was einen komplizierten Schaltungsauf bau erforderlich macht. Wenn die Konsole in den X- und Y- Richtungen durch dieselbe Spannung angetrieben wird, wird eine Verstellung in die Y-Richtung kleiner als in der X-Richtung. Dies verlängert die Abtastoberfläche der Probe mit der Folge eines (in Längsrichtung ausgedehnten) verlängerten STM-Bilds. Um ein in einfacher Weise zu untersuchendes im wesentlichen quadratisches STM-Bild zu erhalten, sind deshalb eine Viel zahl aufeinanderfolgender Abtastvorgänge erforder lich.

Andererseits haben C.F. Quate et al. von der Stanford Univer sität eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche Daten mit einer Dichte im atomaren oder molekularen Maßstab zu speichern ver mag, indem eine Probe durch ein geeignetes Speichermedium er setzt wird. Diese Vorrichtung ist derart ausgelegt, daß eine Tunnelstrom-Sonde an dem distalen Ende einer Konsole mittels des IC- (Herstellungs-) Prozesses angeordnet ist, die ein pie zoelektrisches Antriebselement einschließt und eine Länge von 1000 µm, eine Breite von 20 µm und eine Dicke von 5 µm auf weist. Mit dieser Anordnung wird ein stabiler STM-Betrieb die ser Vorrichtung frei von externen Schwingungen erreicht.

Hierauf wurde in der nicht vorveröffentlichten DE 39 33 160 A1 ein Daten speicher vorgeschlagen, dessen Speicherkapazität durch eine Erhöhung der Anzahl der Tunnelstrom-Sonden auf n, oder durch Aus bilden einer Mehrzahl von Konsolen auf demselben IC-Substrat vervielfacht ist.

Grundsätzlich kann die Speicherkapazität durch Erhöhen der Konsolenanzahl auf demselben Substrat erhöht werden. Weiterhin ist eine Datenmenge, die gespeichert und wieder verfügbar ge macht werden kann, proportional zur Abtastreichweite einer Tunnelstrom-Sonde. Diese Abtastreichweite hängt von der Länge einer Konsole ab. Deshalb kann die Abtastreichweite einer Son de durch Vergrößern der Konsolenlänge erhöht werden. Wenn die Länge einer Konsole erhöht wird, wird jedoch die Abtasteffi zienz im Vergleich zur Fläche der Gesamtvorrichtung vermin dert. Da weiterhin die Abtastentfernung zum proximalen Ende der Konsole hin abnimmt, steht lediglich die Fläche des di stalen Endabschnitts für eine effektive Abtastreichweite zur Verfügung.

Demnach kann der distale Endabschnitt einer Konsole zugunsten einer großen Anzahl von Tunnelstrom-Sonden bezüglich seiner Fläche vergrößert werden. Diese Vorgehensweise hat jedoch ei nen unstabilen Betrieb der Konsole und somit eine Beeinträchtigung der Betriebsstabilität der Gesamtvorrichtung zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung mit erhöhter Abtast reichweite unter Gewährleistung eines stabilen Betriebs zu schaffen mit der die Erzeugung eines im wesentlichen quadratischen STM- Bilds zur treuen Abbildung der tatsächlichen Oberflächenfein struktur einer Probe erzielbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird also eine erhöhte Abtastreichweite bei originalgetreuer Abbildung der Feinstruktur einer Probenober fläche durch die Verwendung paralleler Konsolen realisiert, während ein stabiler Betrieb durch eine parallele Anordnung eines Sondensubstrats an den distalen Enden der parallelen Konsolen erreicht wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er läutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des er findungsgemäßen Mikro-STM;

Fig. 2A und 2B Schnittansichten enlang den strichlierten Lini en 5a, 5b, 5c und 5d in Fig. 1;

Fig. 3A und 3B eine perspektivische Ansicht und eine Schnitt ansicht paralleler Konsolen;

Fig. 4 ein Schaltbild eines Antriebsschaltkreises für piezoe lektrische Antriebselemente;

Fig. 5A und 5B Zeitdiagramme von Antriebssignalen für den Ab tastbetrieb einer Sondengruppe;

Fig. 6 eine vergößerte Ansicht der Sondengruppe;

Fig. 7A, 7B und 7C schematische Ansichten von Schaltkreisen zum Parallelausrichten der Sondengruppe mit einer Probe;

Fig. 8 ein Schaltbild eines Schaltkreises zur Verstärkung von Tunnelströmen;

Fig. 9 ein Schaltbild betreffend die gruppenweise Prozeß steuerung der Sondengruppe;

Fig. 10A und 10B Ansichten von Abtastverstellungen von Konso len;

Fig. 11 eine Draufsicht auf eine Abwandlung der ersten Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen STM;

Fig. 12 eine Ansicht einer Einheit zum Einbringen des Mikro- STM zwischen das Objektiv eines Lichtmikroskops und eine Probe;

Fig. 13 eine Draufsicht auf ein ein Sondensubstrat umfassendes erstes Substrat eines Datenspeichers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14 eine Ansicht eines ein Trägersubstrat umfassenden zweiten Substrats von unten;

Fig. 15 und 16 Seitenansichten einer Anordnung, bei welcher die ersten und zweiten Substrate aufeinander stapelartig angeordnet sind;

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht eines Gelenkabschnitts zum Anschließen einer Konsole an der Sonde oder dem Substrat;

Fig. 18 eine Schnittansicht der Konsole entlang des Pfeils S2 in Fig. 17;

Fig. 19 eine Schnittansicht der Konsole enlang des Pfeils S3 in Fig. 14;

Fig. 20 eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Konsole;

Fig. 21 eine Ansicht eines piezoelektrischen Antriebsschalt kreises zum seitlichen Verbiegen von Konsolen;

Fig. 22A und 22B ein Zeitdiagramme von dem Antrieb paralleler Konsolen dienender Antriebssignale;

Fig. 23 eine Darstellung zum Verdeutlichen des Betriebsab laufs, bei dem die Sonde und das Substrat einander angenähert werden;

Fig. 24A und 24B Schaltbilder von Schaltkreisen zum Antrieb bimorpher Zellen, die dem gegenseitigen Annähern der Son de und des Substrats dienen;

Fig. 25 einen Schaltkreis zum Lesen von Daten aus einem Substrat;

Fig. 26 einen Schaltkreis zum Aufteilen der Sondengruppe in Untergruppe; und.

Fig. 27 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung eines her kömmlichen Mikro-STM.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Mikro-STM so aufge baut, daß zwei parallele, piezoelektrische Antriebselemente umfassende Konsolen in einem Rahmenteil unter Verwendung eines Siliziumwafers als Substrat angeordnet sind, das eine Größe von mehreren mm² aufweist, wobei eine Mehrzahl von Sonden an den distalen Endabschnitten der parallelen Konsolen mit einer vorbestimmten Neigung zweidimensional angeordnet sind, und wobei die Mehrzahl der Sonden durch geeignete Ansteuerung der piezoelektrischen Antriebselemente abtastend betrieben werden.

Durch eine solche Anordnung kann dieses Micro-STM, ähnlich wie das an der Stanford Universität entwickelte Mikro-STM in den Arbeitsbereich eines Lichtmikroskops eingeführt werden, wobei es zudem nicht mit dem Problem einer relativen Sonden- Probenschwingung behaftet ist.

Da bei dem vorstehend beschriebenen Mikro-STM die Mehrzahl von Sonden mittels paralleler Konsolen abtastend angetrieben wer den, führen die Sonden keinen bogenförmigen Abtastbetrieb durch, wie dies bei dem anhand der Fig. 27 beschriebenen STM der Fall ist, sondern tasten (eine Probe) vielmehr linear ab.

Weiterhin ist aufgrund dieser Konsolen die effektive Ab tastreichweite jeder Sonde in den X-Y- und Z-Richtungen erwei tert und die X-Y- und Z-Verstellungen sind bezüglich der gleichen Antriebsspannung nicht gegeneinander versetzt (wie dies jeweils der Fall ist bei dem anhand von Fig. 27 be schriebenen STM).

Eine erste Ausführungsform des vorstehend skizzierten Mikro- STM soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Mikro-STM dieser Ausführungsform, während die Fig. 2a bis 2d Schnittan sichten entlang strichlierter Linien Sa, Sb, Sc und Sd in Fig. 1 betreffen.

In Fig. 1 ist mit 1a ein rahmenartiges 11 mm×6 mm STM Chip- Substrat bezeichnet, das aus einem Siliziumsubstrat besteht, welches einem Spiegeloberflächenprozeß unterzogen worden ist. Innerhalb des STM-Chip-Substrats 1a sind erste bis dritte U- förmige Schlitze 7a, 7b und 7c in einem aus PZT oder dgl. be stehenden piezoelektrischen Substrat mittels Ätztechniken oder dergleichen derart ausgebildet, daß sie unter gegenseitiger Ausrichtung stapelartig aufeinanderfolgend so angeordnet sind, daß die Öffnungsenden der jeweiligen Schlitze einander gegenüberste hen. Der zweite Schlitz ist kleiner als der erste Schlitz und der dritte Schlitz ist kleiner als der zweite Schlitz. Auf diese Weise sind durch die genannten Schlitze erste Konsolen 2a und 2b, zweite Konsolen 3a und 3b, eine Sondenkonsole 4a, ein erstes Zwischensubstrat 5a und ein zweites Zwischensub strat 6a ausgebildet.

Die ersten parallelen Konsolen 2a und 2b werden nachfolgend anhand der Fig. 1, 2a, 3a und 3b beschrieben.

Die Konsolen 2a und 2b erstrecken sich von einer Seite des Rahmens des Substrats 1a und tragen die Zwischenschicht 5a an ihren distalen Endabschnitten mittels Gelenkabschnitten 8a und 8b. Wie in Fig. 2a dargestellt, ist eine Elektrode 27a in der Mitte eines Abschnitts eines piezoelektrischen Elements 20a nahe dem STM-Chip-Substrat 1a angeordnet. Zusätzlich sind vier Elektroden 23a, 24a, 25a und 26a paarweise in Reihe in Längs richtung auf den oberen und unteren Oberflächen des piezoelek trischen Elements 20a in Reihe angeordnet, welches der Elek trode 27a gegenüberliegt. Diese vier Elektroden sind mittels (nicht dargestellter) Drähte an einen Steuerschaltkreis 100 angeschlossen und dazu ausgelegt, selektiv Spannungen an das piezoelektrische Element 20a anzulegen, während die Elektrode 27a als gemeinsame Elektrode verwendet wird. Die Elektroden 23a, 25a und 27a bilden eine bimorphe Zelle 11a. Die Elektro den 24a, 26a und 27a bilden eine bimorphe Zelle 12a.

In der Fig. 3A ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Konsole 2a nahe dem Zwischensubstrat 5a dargestellt. Die Fig. 3B zeigt eine Schnittansicht entlang der strichpunktierten Linie Se in Fig. 3A. In den Fig. 3A und 3B sind mit den Bezugszeichen 21a und 22a streifenförmige Elek troden bezeichnet, die an den oberen und unteren Oberflächen des piezoelektrischen Elements 20a derart angeordnet sind, daß sie parallel zur Längsrichtung der Konsole verlaufen. Diese Elektroden 21a und 22a sind mittels (nicht dargestellter) Drähte an den Steuerschaltkreis 100 auf dem Siliziumsubstrat angeschlossen und dazu ausgelegt, selektiv eine Spannung an das piezoelektrische Element 20a anzulegen. Wie in Fig. 3B dargestellt, bilden diese Elektroden 21a und 22a piezoelektri sche Elemente 13a und 14a. Eine halbkreisförmige Ausnehmung ist in dem Gelenkabschnitt 8a zur Verbindung der Konsole 2a mit dem Zwischensubstrat 5a ausgebildet und dazu ausgelegt, eine Verstellung der Konsole 2a in X-Richtung in dem Koordina tensystem in Fig. 1 zu erweitern.

Die Konsole 2b weist dieselbe Anordnung und denselben Aufbau auf wie die Konsole 2a und wird deshalb nicht näher beschrie ben.

Die zweiten parallelen Konsolen 3a und 3b werden nachfolgend anhand der Fig. 1A und 2B näher beschrieben.

Die Konsolen 3a und 3b erstrecken sich von dem vorstehend er wähnten ersten Zwischensubstrat 5a und tragen das zweite Zwi schensubstrat 6a an ihren Endabschnitten. In der Fig. 2B be zeichnen die Bezugsziffern 31a und 32a Elektroden, welche an den oberen und unteren Oberflächen des piezoelektrischen Ele ments 20a der parallelen Konsole 3a angeordnet sind. Die Elek troden 31a und 32a sind mittels (nicht dargestellter) Drähte an den Steuerschaltkreis 100 angeschlossen und dazu ausgelegt, selektiv Spannungen an das piezoelektrische Element 20a anzu legen. Die Elektroden 31a und 32a und das piezoelektrische Element 20a bilden ein piezoelektrisches Antriebselement 15a. Ähnlich der Konsole 3a sind Elektroden 31b und 32b das piezo elektrische Element 20a sandwichartig umschließend angeordnet, um dadurch ein piezoelektrisches Antriebselement 15b zu bil den.

Die Sondenkonsole 4a wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2C näher beschrieben.

Die Sondenkonsole 4a erstreckt sich von dem zweiten Zwischen substrat 6a. (Elektrisch) leitfähige Sonden 100-X (100-1, 100- 2, 100-3, ..., 100-a, 100-b, 100-c und 100-d) (X = 1, 2, 3, ... nachfolgend als Sondengruppe 1000a bezeichnet) sind ausge bildet auf einem mittleren Abschnitt des distalen Endes des zweiten Zwischensubstrats 6a zugunsten einer Anordnung in Ge stalt eines zweidimensionalen Gitters in der Größenordnung von Mikrometern oder Submikrometern.

In der Fig. 2C betreffen die Bezugszeichen 41a und 42a Elek troden, die auf den oberen und unteren Flächen des piezoelek trischen Elements 20a der Sondenkonsole 4a angeordnet sind.

Die Elektroden 41a und 42a sind mittels (nicht dargestellter) Drähte an den Steuerschaltkreis 100 angeschlossen und dazu ausgelegt, selektiv Spannungen an das piezoelektrische Element 20a anzulegen. Die Elektroden 41a und 42a und das piezoelek trische Element 20a bilden ein piezoelektrisches Antriebsele ment 16a.

Die vorstehend erwähnte Sondengruppe 1000a besteht aus 50×50 = 25×10² Sonden, welche mit einer Neigung von 2 µm innerhalb eines 0,1 mm×0,1 mm großen Bereichs des distalen Endabschnitts der Sondenkonsole 4a angeordnet sind, und zwar unter Verwendung des Verfahrens zur Ausbildung einer Sondengruppe basierend auf dem Halbleiterherstellungsprozeß, der an der Stanford Univer sität entwickelt worden ist.

Die Sonden der Sondengruppe sind mittels nicht dargestellter Verbindungsdrähte an einen Verstärker 300a angeschlossen, der nahe der Sondenkonsole 4a angeordnet ist. Diese Sonden können zugunsten der Signalverarbeitung (die nachfolgend näher be schrieben wird) bedarfsweise in Gruppen angeordnet sein. Der Verstärker 300a ist entweder angeschlossen an einen Einga be/Ausgabeschaltkreis 500a auf dem STM-Chip-Substrat 1a, und zwar mittels eines Mehrschichtenverdrahtungsnetzes oder dazu ausgelegt, mit Eingabe/Ausgabeschaltkreisen 200a und 400a mit tels Licht oder dergleichen zu kommunizieren, um dadurch Sig nale von den Sonden zu übertragen. Außerdem sind Kontaktfelder 45a jeweils mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen auf der oberen Oberfläche des STM-Chips 1a ausgebildet. Die Kontaktfelder 45a sind mittels (nicht dargestellter) Drähte oder dergleichen an die Schaltkreise 100a, 200a, 300a, 400a, 500a zwecks Verwen dung mit Eingangs/Ausgangssignalen an externe Einheiten ange schlossen.

Die vorstehend beschriebenen Elektroden, piezoelektrischen Elemente, Sonden, Drähte, Schaltkreise und dergleichen werden durch geeignete Halbleiter-Herstellungsverfahrensschritte un ter Verwendung von Maskenanordnungen hergestellt, beispiels weise durch Ablagerungs- oder Ätztechniken.

Antriebsschaltkreise für die vorstehend genannten piezoelek trischen Antriebselemente 11a bis 16a werden nachfolgend näher erläutert.

Ein Antriebsschaltkreis 101 für die piezoelektrischen Antrieb selemente 13a und 14a als piezoelektrische Antriebselemente zum Antreiben der Sonden in der X-Richtung werden nachfolgend anhand der Fig. 4 näher erläutert.

Ein Antriebssignal V01, das von einem Steuerschaltkreis 100z erzeugt wird, wird in zwei Spannungsverstärker 102 und 103 eingespeist. Positive und negative Spannungen +VB und -V von zwei bis dreißig V werden an die Spannungsverstärker 102 und 103 angelegt und Spannungen V11 und V12 mit entgegengesetzten Phasen über Ausgangsanschlüsse 104 und 105 ausgegeben. Die Ausgangsanschlüsse 104 und 105 sind jeweils an die Elektroden 21a und 22a des piezoelektrischen Antriebselements 13a so an geschlossen, daß die Spannungen V11 und V12 an dieses angelegt sind. Die Ausgangsanschlüsse 105 und 104 sind jeweils an die Elektroden 21a und 22a des piezoelektrischen Antriebselements 14a so angeschlossen, daß die Spannungen V12 und V11 an dieses angelegt sind.

In Fig. 5A ist das Antriebssignal V01 für die piezoelektri schen Antriebselemente 13a und 14a dargestellt. Wie in Fig. 5A gezeigt, wird dieses Signal bezüglich seiner Spannung als +V, -V, +V, . . . während einer vorbestimmten Periode t kontinuier lich geändert. Wenn dieses Antriebssignal V01 in den Antriebs schaltkreis 101 zugeführt wird, geben die Spannungsverstär ker 102 und 103 jeweils Ausgangssignale V11 und V12 ab, welche umgekehrte Phasen aufweisen und bezüglich ihrer Spannung wäh rend der vorbestimmten Periode t kontinuierlich geändert sind. Diese Signale V11 und V12 werden jeweils den piezoelektri schen Antriebselementen 13a und 14a zugeführt. Als Folge da von expandieren und kontrahieren die piezoelektrischen An triebselemente 13a und 14a wiederholt und aufeinanderfolgend. Durch diesen Vorgang werden die Konsolen 2a und 2b seitlich bewegt bzw. verstellt (in der X-Achsenrichtung) zugunsten ei nes Abtastbetriebs der Sonden in der X-Richtung.

Die funktionelle Beziehung zwischen den Spannungsverstärkern und den piezoelektrischen Antriebselementen 15a, 15b und 16a als piezoelektrische Antriebselemente für die Y-Richtung und den Elektroden wird nachfolgend beschrieben.

Die funktionelle Beziehung zwischen den Verstärkern der pie zoelektrischen Antriebselemente 15a, 15b und 16a und den Elek troden ist äquivalent zu derjenigen in der Anordnung, bei wel cher das piezoelektrische Antriebselement 13a ersetzt ist durch die piezoelektrischen Antriebselemente 15a und 15b und das piezoelektrische Antriebselement 14a durch das piezoelek trische Antriebselement 16a. Deshalb wird den piezoelektri schen Antriebsteilen 15a und 15b dasselbe Antriebssignal zuge führt, während ein Antriebssignal mit einer hierzu entgegenge setzten Phase dem piezoelektrischen Antriebselement 16a zuge führt wird. In diesem Fall wird jedoch anstelle des Signals V01 ein Antriebssignal V02 (siehe Fig. 5B) verwendet.

Das Antriebssignal V02 für die piezoelektrischen Antriebsele mente 15a, 15b und 16a wird nachfolgend beschrieben. Das in Fig. 5B dargestellte Signal ist ein Signal, dessen Spannung während der vorbestimmten Periode t um einen vorbestimmten Wert erhöht ist. Wenn dieses Antriebssignal V02 an den An triebsschaltkreis 101 angelegt wird, geben die Spannungs verstärker 102 und 103 jeweils Signale V21 und V22 ab, welche entgegengesetzte Phasen aufweisen und bezüglich ihrer Spannung um einen vorbestimmten Wert während der vorbestimmten Periode t erhöht sind. Diese Signale V21 und V22 werden jeweils in die piezoelektrischen Antriebselemente 15a und 15b und das piezo elektrische Antriebselement 16a angelegt. Als Folge davon expandiert ein Ende jedes der piezoelektrischen Antriebsele mente 15a, 15b und 16a um einen vorbestimmten Betrag während der vorbestimmten Periode t, während deren anderes Ende um ei nen vorbestimmten Betrag während der Periode t kontrahiert. Dieser Vorgang beruht darauf, daß die proximalen und distalen Enden der Konsolen 3a und 3b und die Sondenkonso le 4a aufeinanderfolgend angeordnet sind. Bei diesem Betriebs ablauf verursachen die Konsolen 3a und 3b und die Sondenkonso le 4a einen Abtastbetrieb der Sonden in derselben Richtung entlang der Y-Richtung.

Ein Antriebsschaltkreis für die bimorphen Zellen 11a und 12a als piezoelektrische Antriebselemente für die Sonden in Z- Richtung wird nachfolgend anhand der Fig. 6 und 7A bis 7C beschrieben.

Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines distalen Endab schnitts der Sondenkonsole 4a, welche die Sondengruppe 1000a einschließt. Von den Proben 100-a, 100-b, 100-c und 100-d an den vier Ecken der in Fig. 6 dargestellten Sondengruppe 1000a ist die Sonde 100-a (oder 100-d) eine Tunnelstromsonde zum An treiben der bimorphen Zelle 11a. Fig. 7A zeigt einen Antriebs schaltkreis für die bimorphe Zelle 11a. Gemäß Fig. 7A wird ein von der Sonde 100-a (oder 100-d) erfaßter Tunnelstrom einem Servoschaltkreis 112 über einen Tunnelstromdetektor 111 zugeführt. Eine Ausgangspannung V03 von dem Servoschaltkreis 112 wird an die Elektroden 23a über einen Verstärker 110 an gelegt sowie weiterhin angelegt an die Elektrode 25a über ei nen Inverter 109 und einen weiteren Verstärker 110, so daß po sitive und negative Spannungen +V13 und -V13 jeweils an die Elektroden 23a und 25a angelegt sind.

Die in Fig. 6 gezeigte Sonde 100-b, 100-c, ist eine Tunnel stromsonde zum Antrieb der bimorphen Zelle 12a. Fig. 7B zeigt einen Antriebsschaltkreis für die bimorphe Zelle 12a. Wie in Fig. 7B gezeigt, wird ein durch die Sonde 100-b erfaßter Tun nelstrom in einen Servoschaltkreis 114 durch einen Tunnel stromdetektor 113 eingespeist. Eine Ausgangsspannung von dem Servoschaltkreis 114 wird an die Elektrode 26a über einen Verstärker 110 angelegt und weiterhin angelegt am die Elektro de 24a über einen Inverter 109 und einen weiteren Verstärker 110, so daß Spannungen -V14 und +V14 mit entgegengesetzten Po laritäten jeweils an die Elektroden 24a und 26a angelegt sind.

Ein Betriebsablauf des Einrichtens der Sondengruppe 1000a nahe einer Probe 50a in dem Mikro-STM der vorstehend beschriebenen Ausführung wird nachfolgend anhand der Fig. 7A bis 7C beschrieben.

Bevor bei der vorstehend beschriebenen STM-Vorrichtung die Spannungsversorgung angeschaltet wird, wird die Sondengruppe 1000a von der Probe 50a um einen vorbestimmten Abstand derart entfernt daß kein Tunnelstrom in den Sonden fließt. Nachdem die Span nungsversorgung angeschaltet worden ist, legt der Steuer schaltkreis 100 eine Spannung an, um eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 24a und 26a der bimorphen Zelle 12a sowie der gemeinsamen Elektrode 27a zu erzeugen. Wie in Fig. 7C gezeigt, weisen Expansions-/Kontraktionsbeträge XS2 und XB2 an den oberen und unteren Schichten des piezoelektrischen Ele ments 20a eine Beziehung XS2 < XB2 auf, d.h., die untere Schicht wird kürzer als die obere Schicht, weshalb die Konsole 2a nach unten gebogen wird. Durch diesen Betriebsablauf wird der distale Endabschnitt der Sondengruppe 1000a nach unten bewegt und die Sonde 100-a (oder 100-d), welche nahe dem distalen Ende angeordnet ist, nähert sich einem Tu nellbereich (Bereich, bei welchem ein Tunnelstrom erfaßt wer den soll) als erste.

Wenn durch die Sonde 100-a (oder 100-d) ein Tunnelstrom erfaßt wird, steuert der Detektor 111 den Servoschaltkreis 112 in Fig. 7A so an, daß der Verstärker 110 veranlaßt wird, die Spannung V13 oder -V13 in geeigneter Weise an das piezoelektrische An triebselement 11a anzulegen, um dadurch den Strom, der in der Sonde 100-a (oder 100-b) mit einem Wert von I01 (konstanter Wert) fließt, aufrechtzuerhalten.

Zwischenzeitlich werden die negativen und positiven Spannungen -V14 und +V14 jeweils an die Elektroden 24a und 26a des pie zoelektrischen Antriebselements 12a angelegt. Im Gegensatz zu dem piezoelektrischen Antriebselement 11a weisen die Expan sions-/Kontraktionsbeträge XS1 und XB1 der oberen und unteren Schichten des piezoelektrischen Antriebselements 12a deshalb eine Beziehung XS1 < XB1 auf, d.h., die untere Schicht wird länger als die obere Schicht. Als Ergebnis davon wird die Kon sole 2a nach oben gebogen. Zusammen mit dieser Ver biegung wird der proximale Endabschnitt der Sondengruppe 1000 nach unten verstellt bzw. bewegt und die Sonde 100-b (oder 100-c), welche nahe dem proximalen Ende angeordnet ist, bewegt sich zum Tunnelbereich vor.

Wenn ein durch die Sonde 100-b (oder 100-c) fließender Tunnelstrom erfaßt wird, steuert der Detektor 113 den Servoschaltkreis 114 in Fig. 7B so an, daß der Verstärker 110 dazu veranlaßt wird, die Spannung V14 oder -V14 in geeigneter Weise an das piezoelek trische Antriebselement 12a anzulegen, um den in der Sonde 100-b (oder 100-c) mit einen Wert I02 (konstanter Wert) flie ßenden Strom aufrechtzuerhalten.

Wenn die piezoelektrischen Antriebselemente 11a und 12a ange trieben werden, während die Tunnelströme I01 und I02 der Son den 100-a (oder 100-d) und 100-b (oder 100-c) aufrechterhalten bleiben, werden die piezoelektrischen Antriebselemente 11a und 12a jeweils in Richtungen deformiert, die durch Pfeile P11 und P12 in Fig. 7C angedeutet sind. Wenn der Abstand zwischen der Sondengruppe 1000a und der Probe 50a so eingestellt ist, daß die Tunnelströme der Sonden 100-a bis 100-b konstant gehalten sind, werden die Servoschaltkreise 112 und 114 freigegeben und in diesem Zustand gehalten.

In diesem Zustand stehen deshalb die Sonden 100-a bis 100-d der Probe 50a im Tunnelstrombereich gegenüber, während ein vorbestimmter Abstand von der Probenoberfläche eingehalten wird, und die Abtastoberfläche der Sondengruppe 1000a verläuft perfekt parallel zu der Probenoberfläche. Deshalb können ande re Sonden 100-x (x = 1, 2, 3, ...) Tunnelströme durch den Ver stärker 300a in Übereinstimmung mit den Unregelmäßigkeiten (Strukturunregelmäßigkeiten) der gegenüberliegenden Probe er fassen.

Wenn in diesem Falle die Anzahl der Sonden groß ist, und Sig nale von den jeweiligen Sonden zeitgetrennt verarbeitet wer den, können die Sonden in geeigneter Weise so in Gruppen an geordnet sein, daß Tunnelstromwerte gelesen werden, während eine Torauswahl von einem Tor 402a und eine Demultiplexer auswahl durch einen Demultiplexer 401a unter der Steuerung des Steuerschaltkreises 100z ausgeführt werden, wie in Fig. 19 gezeigt.

Wenn Servooperationen der Sonden 100-a bis 100-d durch die Servoschaltkreise 112 und 114 in der vorstehend beschriebenen Art ausgeführt werden, können den Servoschaltkreisen zu sätzlich Tiefpaßfilter beigeordnet werden, so daß selbst nach dem die Sondengruppe in Parallelausrichtung zu der Probenober fläche gelangt, die Servooperationen der Servoschaltkreise 112 bis 114 nicht gelöscht werden, und die Sonden im Abtastbereich laufen, während die Servooperation über die Tiefpaßfilter aus geführt wird. Durch diese Betriebsweise kann selbst dann ein Kontakt zwischen den Sonden und der Probe verhindert werden, wenn externe Störungen während der Untersuchung auftreten, und die Probenoberfläche und die Probengruppe können wiederum parallel zueinander eingestellt werden.

Der STM-Abtastbetrieb der Sondengruppe 1000a wird nachfolgend näher beschrieben.

Wenn Versorgungsspannungen, wie vorstehend beschrieben, an die entsprechenden elektronischen Schaltkreise angelegt werden, nämlich an die Tunnelstromsonden, die piezoelektrischen An triebselemente, den Steuerschaltkreis und die Tunnelstromde tektoren, während die Sondengruppe 1000a parallel zu der Probe 50a eingestellt wird, werden die Spannungen V11 und V12 mit den verschiedenen Polaritäten abwechselnd an die Elektroden 21a und 22a der piezoelektrischen Antriebselemente der paral lelen Konsolen 2a und 2b angelegt in Erwiderung auf das An triebssignal V1 (siehe Fig. 5A), welches von dem Steuerschalt kreis 100 ausgegeben wird. Als Resultat expandieren und kon trahieren die piezoelektrischen Antriebselemente 13a und 14a aufeinanderfolgend, um die gesamten Konsolen 2a und 2b (2b ist nicht dargestellt) seitlich zu verbiegen und die Sondengruppe 1000 in der X-Richtung zu verstellen (Δx), wie in Fig. 10A dargestellt. Dadurch werden vollständige Abschnitte der Konso len 2a und 2b, die näher an den Sonden angeordnet sind als die Konsolen 3a und 3b seitlich um eine Distanz translatiert, wel che der Amplitude der distalen Enden der Konsolen 2a und 2b entspricht.

Darüber hinaus expandieren (oder kontrahieren) wie in Fig. 10B gezeigt, in Erwiderung auf das Antriebssignal V02, das von dem Schaltkreis 100 ausgegeben wird, die piezoelektrischen An triebselemente 15a und 15b (15b ist nicht dargestellt) zum Ex pandieren/Kontrahieren der Konsolen 3a und 3b, und das piezoe lektrische Antriebselement 16a für die Sondenkonsole 4a die parallelen Konsolen 3a und 3b und die Sondenkonsole 4a um ei nen vorbestimmten Betrag für jede seitliche Abtastoperation durch die Konsolen 2a und 2b so, daß die Sondengruppe 1000a in der Y-Richtung verstellt wird. Da die Expansion und Kontrak tion für dieses Verstellung entgegengesetzte Phasen aufweisen, wie in dem Schaltkreis gemäß Fig. 4 gezeigt, resultiert die Y- Richtungsverschiebung längs der Sondengruppe 1000a als die Sum me von Expansions- und Kontraktionsbeträgen ( Δ y = Δ y1 + Δy2). Daraus resultiert eine große Bewegungslänge.

Auf diese Weise arbeiten die Sonden 100-x der Sondengruppe 1000a, die zweidimensional auf der Sondenkonsole 4a angeordnet sind, im zweidimensionalen Abtastbetrieb auf der Untersu chungsoberfläche der Probe.

Die Sonden 100-x (100-1, 100-2, 100-3, ...) der Sondengruppe 1000a erfassen jeweils Tunnelströme an vorbestimmten Positionen und übermitteln diese an den Verstärker 200a.

Nachfolgend soll der Verstärker 200a näher beschrieben werden.

Fig. 8 zeigt den Verstärker 200a. Wenn die Sonde 100-x (100-1, 100-2, 100-3, ...), an welche die Spannung V über Widerstände angelegt ist, dazu veranlaßt wird, sich der Probe 50a zu nä hern, wird in dem Verstärker 200-x (200-1, 200-2, 200-3, ...) ein Tunnelstrom detektiert. In Fig. 8 betrifft das Bezugszei chen Ref einen Anschluß, der entsprechend Variationen im Auf bau der Sonden und Schaltkreise verwendet wird sowie im Zusam menhang mit ausgewählten Steuerungen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des Mikro- STM, arbeiten die Sonden nicht in einem bogenförmigen Abtast betrieb, sondern tasten vielmehr zugunsten eines verzerrungs freien STM-Bildes linear ab, im Gegensatz zu dem Mikro-STM, das in Fig. 27 dargestellt ist, weil die Sondengruppe 1000a durch die parallelen Konsolen 2a und 2b im Abtastbetrieb ge führt ist.

Mittels dieser parallelen Konsolen kann die effektive Abtast reichweite der Sonden in den drei Richtungen, beispielsweise den X-Y- und Z-Richtungen erweitert werden. Da die X-Y- und Z- Verstellungen mit Bezug auf dieselbe Antriebsspannung nicht versetzt sind, ist eine Verstärkung der Antriebsspannung nicht notwendig und das Abtaststeuersystem der Sonden kann verein facht ausgeführt werden. Darüber hinaus kann ein im wesentli chen quadratisches STM-Bild erhalten werden, welches eine ver einfachte Untersuchung erlaubt. Jede Sonde ist durch ihren eigenen Abtastbereich gekennzeichnet, der durch die Abtastam plitude der Sondenkonsole 4a bestimmt ist. Deshalb kann selbst dann, wenn die Amplitude jeder Sonde geringer als 2 µm ist, eine Abtastreichweite erzielt werden, welche der gesamten Flä che der Sondengruppe 1000a entspricht.

Nachfolgend wird eine Modifikation des vorstehend beschriebe nen Mikro-STM näher beschrieben.

Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf eine solche modifizierte Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Mikro-STM. Diese Modifikation unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebe nen Ausführungsführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dadurch, daß Kon solen 17a und 17b entsprechend den parallelen Konsolen 2a und 2b in Fig. 1 direkt vor einer Sondengruppe 1000 angeordnet sind, während Konsolen 18a und 18b entsprechend den parallelen Konsolen 3a und 3b in Fig. 1 zusätzlich zwischen dem STM-Chip- Substrat 1a und den Konsolen 3a und 3b in Fig. 1 angeordnet sind. Andere Teile dieses modifizierten STM entsprechen denje nigen der vorstehend beschriebenen STM-Ausführungsform, wes halb eine detaillierte Beschreibung dieser Teile hier nicht erfolgt.

Bei dem modifizierten Mikro-STM ist jedes piezoelektrische An triebselement von einem Substrat gebildet, das einen großen piezoelektrischen Koeffizienten aufweist, wie beispielsweise PZT, und das STM-Chip-Substrat 1a und die parallelen Konsolen 18a und 18b sind integriert durch direktes Verbinden bzw. Bon dieren, Anodenbondieren oder mittels eines Klebstoffes. Mit dieser Anordnung kann die Expansions-/Kontraktionslänge in Y- Richtung weiter vergrößert und ein stabiles Antriebselement realisiert werden.

Fig. 12 zeigt einen zentralen Querschnitt einer STM- Einsetzvorrichtung zum Einsetzen oder Zuführen des Mikro-STM der vorstehend beschriebenen Art in den Arbeitsbereich eines Lichtmikroskops. Bei einem Lichtmikroskop wird die Untersu chungsposition einer Probe 50a, die auf einer Bühne 56 an geordnet ist, auf welcher die STM-Untersuchung durchgeführt wird, im voraus festgelegt durch ein Objektiv 51. Arme 54 die nen der Klemmhalterung des STM-Chips 1a an seinen distalen Endabschnitten und sind dazu ausgelegt, an einer Drehwelle 57 in der vertikalen Richtung in Fig. 12 bezüglich eines Mikro trommeltragelement 58 verschwenkt zu werden.

Wenn bei dieser Anordnung die Arme 54 verschwenkt werden, um den STM-Chip 1a zwischen das Objektiv 51 und die Probe 50a einzubringen, wird der STM-Chip 1a durch einen (nicht darge stellten) Mechanismus freigegeben. In diesem Zustand werden in dem Spiegeltrommelträgerelemet 58 angeordnete Sonden 53 von dem Element 58 abgesenkt und bringen Schraubenfederkontakte 52 in Kontakt mit Kontakten 45, die auf der Oberfläche des STM- Chip-Substrats 1a angeordnet sind, wodurch das STM-Chip- Substrat 1a mit einem vorbestimmten Druck an die Probe 50a an gedrückt/befestigt wird. Die Kontakte 52 sind an ein Erdungs system, eine Spannungsquelle oder ein Signalsystem (nicht dar gestellt) angeschlossen und dienen der Signal- und Anzeigever arbeitung der STM-Vorrichtung.

Wie anhand einer ersten Ausführungsform des Mikro-STM vorste hend beschrieben wurde, kann deshalb, weil die Abtastreichreichweite bzw. der Abtastbereich der Sonden wegen Verwendung der paral lelen Konsolen erweitert werden kann, ein im wesentlichen quadratisches STM-Bild erzeugt werden, welches die aktuelle Oberflächenfeinstruktur der Probe getreu wieder gibt.

Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform des Mikro-STM nä her beschrieben, bei der eine Tunnelstrom-Sonden- Verstellvorrichtung in Gestalt eines Datenspeichers reali siert ist.

Zunächst sollen die Grundzüge dieser zweiten Ausführungsform beschrieben werden.

Bei dieser Ausführungsform sind erste und zweite Substrate so angeordnet, daß sie einander über ein Zwischenelement gegen überstehen, und Tunnelstrom-Sonden sind nicht an dem distalen Ende einer Konsole angeordnet, sondern mehrere hundert bis mehrere tausend Sonden sind mittels eines IC-Prozesses in ei nem mehrere Millimeter mal mehrere Millimeter großen Bereich auf einem Zentralabschnitt des Substrats in Gestalt einer Ma trix angeordnet. Wenn ein Abschnitt oder Teil in Gestalt eines Rechtecks um diese Tunnel stromstrom-Sondengruppe herum von dem Hauptsubstrat abge schnitten wird mittels Ätztechnik, wenn also das Sondensubstrat von dem Hauptsubstrat abgeschnit ten wird, so werden eine Mehrzahl von parallelen Konsolenele menten mit derselben Länge gleichzeitig ausgebildet, um sich von dem Hauptsubstrat hinweg zu erstrecken. Im Ergebnis wird das Sondensubstrat an den distalen Enden der parallelen Konsolen in paralleler Ausrichtung zueinander ge tragen.

Piezoelektrische Antriebselemente sind auf diesen parallelen Konsolenelementen angeordnet und ein Tunnelstrom-Detektor, Treiber und Pufferspeicher des piezoelektrischen Antriebsele ments, ein Aufzeichnungs-/Wiedergabeschaltkreis, ein Eingabe- /Ausgabeschaltkreis für externe/interne Einheiten und dgl. sind auf den anderen Abschnitten des Substrats mittels eines IC-Prozesses angeordnet.

Ein Aufzeichnungsmedium ist auf dem zweiten Substrat mittels eines IC-Prozesses, ähnlich dem vorstehend genannten IC-Prozeß derart ausgebildet, daß dieses Medium bzw. der Tun nelstrom-Sondengruppe gegenüberliegt, und ein Aufzeichnungsme dium-Substrat, welches von den parallelen Konsolen getragen ist, ist ebenfalls vorgesehen.

Ein Verbindungs- bzw. Anschlußabschnitt zwischen den parallelen Konsolen und dem Sonden-Substrat oder dem Auf zeichungsmedium-Substrat weist eine Gelenkstruktur derart auf, daß dann, wenn die distalen Enden der parallelen Konsolen mittels der Mehrzahl der piezoelektrischen Antriebselemente, die auf den parallelen Konsolen angeordnet sind, seitlich in dieselbe Richtung in Schwingung versetzt werden die ge samte Sondenkonsole oder das Aufzeichnungsmedium-Substrat pro blemlos in Schwingung versetzt wird mittels Ver setzungen oder Verschiebungen der distalen Enden der Konsolen.

Zu bemerken ist, daß ein Bereich, in welchem die Tunnelstrom- Sonden effektiv im Abtastbetrieb arbeiten, nicht beschränkt ist auf die distalen Enden der Konsolen, sondern, daß eine be trächtliche Fläche der gesamten Vorrichtung verwendet werden kann, um die Tunnelstromsonden anzuordnen, während dieselbe Amplitude wie diejenige des distalen Endes jeder Konsole er zielt werden kann. Da die Sonden-Substrate und das Aufzeich nungsmedium-Substrat zumindest zwei Lagerpunkte aufweisen, ist ein stabiler Betrieb dieser Substrate gewähr leistet.

Wenn die effektive Fläche der Tunnelstrom-Sonde oder des Auf zeichungsmedium-Substrats eingestellt wird auf beispielsweise 3,2 mm×3,2 mm, und die Tunnelstrom-Sonde mit einer Teilung von 0,8 µm angeordnet wird, beträgt die Anzahl der Tunnel strom-Sonden 16×10⁶. Es soll beispielsweise angenommen wer den, daß der Abstand bzw. die Strecke, welche eine Tunnel strom-Sonde abtastet 0,4 µm beträgt, und daß die Tunnelstrom sonden mit einer Aufzeichungspunkt-Dichte entsprechend einer Teilung von 10 nm verwendet werden. In diesem Falle ergibt sich dann, wenn das Sonden-Substrat und das Aufzeichnungsmedi um-Substrat in einer zweidimensionalen Ebene relativ verstellt werden, ein 256×10⁸-Bit-Speicher, d.h. ein 25,6 Gigabit-Speicher. Wenn die Aufzeichnungspunktdichte einer Teilung von 5 nm entspricht, resuliert ein Speicher mit einer Kapazität von nicht weniger als 102,4 Gigabits.

Das vorstehend im Prinzip beschriebene Ausführungsbeispiel des Mikro-STM wird nachfolgend im Detail näher erläutert.

Fig. 13 zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Substrat 1. Fig. 14 zeigt eine Ansicht von unten auf ein zweites Substrat 11.

Das zweite Substrat 11 weist denselben Außenumriß, dieselbe Größe und Gestalt auf wie das erste Substrat 1. Fig. 14 zeigt eine Stellung, bei wel cher das erste Substrat 1 aus der Stellung, die in Fig. 13 ge zeigt, ist, um 90° gedreht bzw. verschwenkt ist. Wie nachfol gend näher beschrieben wird, sind die ersten und zweiten Sub strate 1 und 11 übereinander im Stapel angeordnet. Weiterhin ist jedes der Substrate 1 und 11 gebildet aus einer 5 mm×5 mm Basis in Gestalt eines Chips auf einem Abschnitt eines Si liziumsubstrats, dessen Flachheit mit hoher Qualität reali siert ist.

Konsolenelemente 3 (oder 14) erstrecken sich parallel von den Ecken 4 entlang zwei gegenüberliegenden Seiten der vier Seiten von jedem der ersten und zweiten Substrate 1 und 2. Ein Son den-Substrat 2 und ein Medium-Substrat 12 sind an zentralen Abschnitten der Substrate 1 und 11 mittels Gelenkabschnitten 5 an den distalen Enden der Konsolen 3 gehaltert, während die Parallelität mit den Substraten 1 und 11 aufrechterhalten bleibt. Jedes der Substrate 2 und 12 weist eine Fläche von 3 mm×4 mm auf. Eine erste U-förmige Ausnehmung oder Nut 6 und eine zweite U-förmige Nut 7, die kleiner ist als die erste U- förmige Nut 6, sind in dem ersten Substrat 1 mittels einer Prozeßtechnik wie beispielsweise Ätzen derart ausgebildet, daß sie einander gegenüberliegen. Halbkreisförmige Nuten 8 sind in den Gelenkabschnitten 5 auf der Seite der ersten U-förmigen Nut 6 ausgebildet, und die distalen Enden der zweiten U- förmigen Nut 7 sind kreisförmig erweitert bzw. als kreisförmi ge Nuten 9 ausgebildet. Die halbkreisförmigen Nuten 8 und die kreisförmigen Nuten 9 sind mit dem Sonden-Substrat 2 oder dem Medium-Substrat 12 unter Annäherung an die distalen Enden der Konsolenelemente 3 ausgebildet.

Fig. 15 zeigt einen Querschnitt entlang einer strichpunktier ten Linie, die in den Fig. 13 bzw. 14 durch einen Pfeil S1 be zeichnet ist, und diese Figur zeigt eine Struktur, bestehend aus einer stapelartigen Anordnung der Substrate 1 und 11, dem Sonden-Substrat 2, dem Medium-Substrat 12 und dgl., jeweils gemäß den Fig. 13 und 14, wobei der Stapel mittels vorgegebe ner Abstandshalter 13 und 15 derart gebildet ist, daß die Oberflächen der Zeichnungen einander überlappen. Fig. 16 zeigt die Struktur, die durch Stapeln der Substrate erhalten wird, wobei dieser Stapel aus einer Richtung betrachtet wird, die in Fig. 13 durch einen Pfeil A angedeutet ist.

Die Abstandshalter 13 und 15 bestehen aus (elektrisch) leiten den Schichten, die ausgebildet sind durch Niederschlagen von Polysilizium, Al(uminium) oder dgl. auf dem Substrat 1 oder 11, und zwar mit einer vorbestimmten Dicke. Mit tels dieser Abstandshalter werden das Sonden-Substrat und das Medium-Substrat 12 mit einem vorbestimmten Ab stand in Gegenüberlage zueinander gehalten, und elektrische Anschlußabschnitte der derselben sind je nach Bedarf vorgese hen.

Fig. 17 zeigt eine teilweise vergrößerte perspektivische An sicht einer Struktur des Konsolenelements 3 (oder 14). Fig. 18 zeigt eine Schnittansicht entlang einer strichpunktierten Linie, die in Fig. 17 durch einen Pfeil S2 angedeutet ist. Wie aus Fig. 18 ersichtlich, sind streifenför mige Elektroden 31 und 32 auf dem Konsolenelement 3 mittels Ablagerungstechnik oder dgl. so ausgebildet, daß ein piezo elektrisches Element 30 sandwichartig eingeschlossen ist. Diese Elektroden sind über (nicht dargestellte) Dräh te an den Steuerschaltkreis 300 angeschlossen. Vorbestimmte Spannungen sind von diesem Steuerschaltkreis 300 an die gegen überliegenden Elektroden 31 und 32 angelegt. Wie in Fig. 18 gezeigt, bilden die Elektroden 31 und 32 und das piezoelektri sche Element 30 piezoelektrische Antriebselemente 33 und 34, die mittels einer Nut 10 voneinander isoliert sind.

Wie in Fig. 14 gezeigt, sind Elektroden 35 und 36 parallel entlang der Längsrichtung des Konsolenelements 3 angeordnet. Fig. 19 zeigt eine Schnittansicht entlang einer strichpunk tierten Linie, welche in Fig. 14 durch einen Pfeil S3 bezeich net ist. Wie aus Fig. 19 hervorgeht, sind Elektroden 39 und 37 (38) parallel auf dem Mittelabschnitt und der unteren Fläche des piezoelektrischen Elements 30 in Gegenüberlage zu den Elektroden 35 und 36 angeordnet. Die Elektroden 35, 36, 37 und 38 sind mittels (nicht dargestellter) Drähte an den Steuer schaltkreis 300 angeschlossen, wobei die Elektroden 39 gemein same Elektroden bilden.

Die Elektroden 35, 39 und 37 und die Elektroden 36, 39 und 38 bilden jeweils bimorphe Zellen 40 und 41.

Wie in Fig. 13 gezeigt, ist eine (elektrisch) leitfähige Son dengruppe 100-x (x = 1,2,3,...; nachfolgend als Sondengruppe 1000 bezeichnet) auf dem zentralen Abschnitt des Sonden-Substrats 2 angeordnet, das gelagert ist in den Gelenkabschnitten 5 an den distalen Enden der bei den parallelen Konsolenelemente 3. Jede Sonde weist eine Größe in der Größenordnung von Mikrometern oder Submikrometern auf. Die Sonden sind zur Ausbildung eines zweidimensionalen Gitters unabhängig angeordnet. Diese Sondengruppe 1000 wird herge stellt mittels eines Basisprozesses der Halbleiter-Herstellungs technik, wie beispielsweise Lithographie, Ablagerungstechni ken und Ätztechniken. Die Flachheit eines lokalen Bereichs auf einem Substrat kann im Nanometer-Maßstab gewährleistet werden durch Anwendung eines Niedertemperaturprozesses und dgl. ent sprechend dem neuesten Stand der Siliziumtechnik. Weiterhin können mittels des Sonden-Herstellungsverfahrens unter Anwen dung der Halbleiter-Herstellungstechnik, die an der Standford Universität entwickelt worden ist, 400×200 = 16×10⁴ Sonden geschaffen werden, wenn Sonden mit einer Tei lung von 0,8 µm in einem 3,2 mm×3,2 mm Bereich 100 auf einem flachen Element (Sonden-Substrat) 2 angeordnet sind.

Anschlußdrähe (nicht dargestellt) sind an der Sondengruppe 1000 angeschlossen. Die Sondengruppe 1000 ist je nach Bedarf (wie nachfolgend beschrieben) zur Signalverar beitung in Gruppen unterteilt. Die Sondengruppe 1000 ist an Auswahlschaltkreise 400 angeschlossen, die Multiplexer- oder Verstärkerfunktionen einschließen und die an peripheren Ab schnitten des Sonden-Substrats 2 angeordnet sind (beispiels weise auf Abschnitten des Sondenbereichs). Die Auswahlschalt kreise 400 sind an einen Eingabe-/Ausgabeschaltkreis 500 mit tels Mehrschichten-Verdrahtung über die Gelenkabschnitte 5 und die Konsolenelemente 3 angeschlossen oder dazu ausgelegt, mit einem Eingabe-/Ausgabeschaltkreis 600 über eine Lichtstrecke oder dgl. zu kommunizieren, indem ein Sen der und ein Empfänger einander gegenüberliegend durch die U- förmige Nut 6 angeordnet sind.

Die vorstehend erwähnten Elektroden, Sonden, Drähte und weite ren Schaltkreise sind mittels geeigneten Herstellungsschritten des Halbleiter-Herstellungsprozesses ausgebildet.

Wie aus Fig. 14 hervorgeht, ist das Medium-Substrat 12 dem Sonden-Substrat 2 gegenüberliegend angeordnet und umfaßt eine ebene Mediumoberfläche 200 der im wesentlichen selben Fläche wie diejenige des Bereichs 100. Diese Medium oberfläche 200 ist nahe dem distalen Ende der Sondengruppe 1000 angeordnet und dazu ausgelegt, die (elektrische) Ladung mit einer hohen Dichte aufzunehmen bzw. zu erfassen. Die Kon solenelemente 14 verbinden das Substrat 11 mit dem Medium- Substrat 12 und schließen piezoelektrische Antriebselemente 15 und 16 ein, welche dieselbe Struktur und denselben Aufbau aufweisen wie die vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Antriebselemente 33 und 34. Diese Antriebselemente 15 und 16 sind über (nicht dargestellte) Drähte an den Steuerschaltkreis 300 angeschlossen.

Die Fig. 20 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vor stehend beschriebenen Konsolenelemente 3 und 14. In der Fig. 20 ist eine Nut 10 zwischen Elektroden 31 weggelassen.

Fig. 21 zeigt eine Schaltkreisanordnung eines Antriebsschalt kreises 301 zum Ansteuern der piezoelektri schen Antriebselemente 33 und 34 und des Steuerschaltkreises 300. Ein Antriebssignal V01 mit einer vorbestimmten Periode f01 wird an einem Ausgangsanschluß 307 des Steuerschaltkreises 300 ausgegeben. Dieses Antriebssignal V01 wird in zwei Span nungsverstärkern 302 und 303 zugeführt. Spannung wird den Spannungsverstärkern 302 und 303 von zwei negativen und posi tiven Spannungsquellen von 2 bis 30 Volt zugeführt. Demnach werden Ausgangsspannungen V11 und V12 mit entgegengesetzten Phasen an Ausgangsanschlüssen 304 und 305 ausgegeben. Die Ausgangsanschlüsse 304 und 305 sind jeweils angeschlossen an die Elektroden 31 und 32 des piezoelektri schen Antriebselements 33. Weiterhin sind die Ausgangsan schlüsse 305 und 304 jeweils angeschlossen an die Elektroden 31 und 32 des piezoelektrischen Antriebselements 34. Im vor liegenden Fall soll angenommen werden, daß die in Fig. 22A ge zeigte Antriebsspannung V01 an einer Ausgangsklemme 307 ausgegeben wird. Wenn das Antriebssignal V01 einen Spit zenwert V annimmt, wird zwischen den Elektroden 31 und 32 des piezoelektrischen Antriebselements 33 ein elektrisches Feld E erzeugt.

Ein ähnlicher Antriebsschaltkreis ist an die piezoelektrischen Antriebselemente 15 und 16 angeschlossen. In diesem Falle wird an der Ausgangsklemme 309 ein Antriebssignal V02 ausgege ben, dessen Signalform in Fig. 22B dargestellt ist. Das An triebssignal V02 erfüllt die Gleichung f01 = 2Nf02 (N = eine ganze Zahl), weshalb dieses Signal einen treppenförmigen Ver lauf mit N verschiedenen Amplituden aufweist, wie in Fig. 22B dargestellt ist.

Wie in den Fig. 24 und 24B dargestellt, ist das piezoelektri sche Element 30 zwischen der gemeinsamen Elektrode 39 und der Elektrode 35 (36) auf der oberen Fläche sowie zwischen der ge meinsamen Elektrode 39 und der Elektrode 37 (38) auf der unte ren Fläche sandwichartig eingeschlossen. Da durch bildet die bimorphe Zelle 40 (41) eine bimorphe Verbund zelle.

Es sei angenommen, daß Sonden 100-1, 100-a, 100-b und 100-c an den vier Ecken auf dem Substrat 1 angeordnet sind, wie in Fig. 13 gezeigt. Von diesen Sonden wird die Sonde 100-1 (oder 100-c), die nahe des Gelenkabschnitts 5 abgeordnet ist, als Tunnelstromsonde zum Antrieb der bimorphen Zelle 40 ver wendet. Ein von der Sonde 100-1 detektierter Tunnelstrom wird mittels eines Tunnelstrom-Detektors 311 an einen Servo- Schaltkreis 312 angelegt. Eine Ausgangsspannung V03 von dem Servo-Schaltkreis 312 ist an die Elektrode 35 als Spannung 15 mittels eines Verstärkers 310 angelegt. Gleichzeitig wird die Spannung V03 an die Elektrode 37 als Spannung -V13 mittels ei nes Inverters 309 und eines Verstärkers 310 angelegt. Auf die se Weise werden jeweils positive und negative Spannungen V13 und -V13 an die Elektroden 35 und 37 mit Bezug auf die gemein same Elektrode 39 angelegt. Die Sonde 100-a (oder 100-b), die am weitesten entfernt von dem Gelenkabschnitt 5 angeordnet ist, wird als Tunnelstrom-Sonde zum Antreiben der bimorphen Zelle 41 verwendet. Ein von der Sonde 100-a detektierter Tun nelstrom wird an einen Servo-Schaltkreis 314 mittels eines Tunnelstrom-Detektors 313 angelegt. Eine Ausgangsspannung V04 von dem Servoschaltkreis 314 ist an die Elektrode 38 als eine Spannung V14 mittels eines Verstärkers 310 angelegt. Gleich zeitig ist die Spannung V04 an die Elektrode 36 als eine Span nung -V14 mittels eines Inverters 309 und eines Verstärkers 310 angelegt. Auf diese Weise werden jeweils negative und po sitive Spannungen -V13 und +V13 an die Elektroden 36 und 38 mit Bezug auf die gemeinsame Elektrode 39 angelegt.

Wie in Fig. 25 gezeigt, sind von der Sondengruppe 1000 die an deren Sonden als die vorstehend beschriebenen Sonden (100-1, 100-a, 100-b und 100-c) an eine Stromdetektorgruppe 200 mit tels des Auswahlschaltkreises 400 angeschlossen, um so die je weiligen Daten aus dem Aufzeichnungsmediumbereich zu lesen, der auf dem Mediumsubstrat 12 angeordnet ist. Wie aus Fig. 25 hervorgeht, wird ein REF-Eingangsanschluß je nach Bedarf entsprechend Abwandlungen der Struktur bzw. des Aufbaus der Sonden und Schaltkreise und der Auswahlsteue rung verwendet.

Weiterhin sind eine große Anzahl von Sonden 100-x sowie Lei tungen auf dem Sondensubstrat angeordnet. Wenn die Sonden 100- x sehr eng zueinander angeordnet sind und entsprechend die Verbindungsdrahtanordnung für jede Sonde schwierig zu reali sieren ist, kann die Sondengruppe 1000 in Gruppen unterteilt werden, wie in Fig. 26 gezeigt. Mittels dieser Anordnung wird ein Tunnelstrom beispielsweise durch die Sonde 100-2n an dem Ausgang O2n des Verstärkers 400-2n detektiert mittels Auswahl entsprechender Anschlüsse eines Demulti plexers 401 und eines Gatters 402 mittels des Steuerschaltkreises 300.

Zum Anordnen sowie Haltern des Sonden-Substrats 2 in einer Stellung nahe des Tunnelstrombereichs des Medium-Substrats 12, können die bimorphen Zellen 40 und 41 ersetzt werden durch piezoelektrische Elemente. Mit Hilfe dieser Anordnung kann die selbe Steueroperation wie mit Hilfe der bimorphen Zellen 40 und 41 ausgeführt werden, weil die Abstandshalter 13 und 15 gemäß den Fig. 15 und 16 außerdem als piezoelektrische Antriebsele mente dienen.

Eine Operation bzw. einen Betriebsablauf des Speichers der vorstehend beschriebenen Anordnung wird nachfolgend näher be schrieben.

Spannungen von einer Spannungsversorgung werden angelegt an die Sonden, die piezoelektrischen Antriebselemente und die je weiligen elektronischen Schaltkreise einschließlich des Steu erschaltkreises und der Tunnelstrom-Detektoren. Ein von dem Steueranschluß 307 des Steuerschaltkreises 300 ausgegebenes Antriebssignal V01 wird an die piezoelektri schen Antriebselemente 33 und 34 der parallelen Konsolen 3 an gelegt, welche das Sonden-Substrat 2 tragen. Als Folge hiervon werden Spannungen mit unterschiedlichen Polari täten oder Spannnungen V11 und V12 mit unterschiedlichen Pola ritäten und unterschiedlichen Potentialen aufeinanderfolgend an die Elektroden 31 und 32 angelegt. Zu diesem Zeitpunkt ex pandieren und kontrahieren das Paar der piezoelektrischen An triebselemente 33 und 34, welche einander über die Nut 10 ge genüberstehen, aufeinanderfolgend, um die parallelen Konsolen 3 seitlich zu verbiegen, wobei das Sonden-Substrat 2 als Gan zes seitlich translatiert wird mit der Amplitude des distalen Endes jeder Konsole 3. Da die mit dem Mediumsubstrat 12 ver bundenen parallelen Konsolen 14 so gelagert sind, daß sie sich in einer Richtung lotrecht zu den paral lelen Konsolen erstrecken, werden beide Substrate durch die selbe Antriebsoperation zweidimen sonal verstellt. Deshalb tastet jede der Sonden 100-x der Son dengruppe 100, die auf dem Sondensubstrat 2 zweidimensional angeordnet ist, die Fläche basierend auf der Amplitude der Me diumoberfläche des Mediumsubstrats 12 ab.

Zwischenzeitlich werden Antriebsspannungen V13 und V14 oder V15 und V16 von dem Steuerschaltkreis 300 an die bimorphen Zellen 40 und 41 unter Servosteuerung angelegt, wie in Fig. 23 gezeigt, um das Sonden-Substrat 2 und das Medium-Substrat 12 aufeinanderzu zu translatieren, bis auf einen Abstand, bei welchem ein Tunnelstrom in einem Mediumbereich 2000 zwischen jeder Sonde 100-x und dem Medium-Substrat 12 fließt.

Da das Sonden-Substrat und das Medium-Substrat 12 herstel lungsbedingt um einen vorbestimmten Abstand voneinader ge trennt sind, fließt bei dem vorstehend beschriebenen Daten speicher solange kein Tunnelstrom, bis die Spannungsversorgung ange schaltet wird. Nachdem die Spannungsversorgung angeschaltet worden ist, führt der Steuerschaltkreis 300 den Elektroden 36 und 38 der bimorphen Zelle 41 Spannungen zu, um vorbestimmte Potentialdifferenzen mit Bezug auf die gemeinsame Elektrode 39 zu erzeugen. Da Expansions/Kontraktionswerte XS2 und XL2 der oberen und unteren Schichten des piezoelektrischen Elements 30 zwischen den Elektroden die Ungleichung XS2 < XL2 erfüllen, wird die obere Schicht kürzer als die untere Schicht und das distale Ende der Konsole 14 erfährt eine Biegung, Verbiegung oder Durchbiegung. Als Resultat hiervon nähert sich die Sonde 100-1 (oder 100-c), die nahe dem distalen Ende angeordnet ist, als erste dem Tunnelstrombereich. Der Tunnelstromdetektor 311 steuert den Servoschaltkreis 312 derart an, daß ein Tunnelstrom, der in der Sonde 100-1 (oder 100-c), welcher in dem Tunnelstrombereich angeordnet ist, mit einem vorbe stimmten Strom I01 aufrechterhalten bleibt. Der Verstärker 310 gibt dann die Spannung V13 (V15) an die bimorphe Zelle 41 aus. Zwischenzeitlich wird die Spannung V14 an jede der Elektroden 35 und 37 der bimorphen Zelle 40 angelegt. Als Ergebnis erfül len die Expansions-/Kontraktionswerte XL1 und XS1 der oberen und unteren Schichten im Gegensatz zu dem (entsprechenden) Ef fekt bei der bimorphen Zelle 41 die Ungleichung XL1 < XS1, und das distale Ende der Konsole 14 wird nach unten gebogen. Wenn die bimorphe Zelle in der vorstehend beschriebenen Weise ange trieben wird, während der Tunnelstrom I01, der in der Probe 100-1 (oder 100-c) auf einem konstanten Wert gehalten wird, verstellt die bimorphe Zelle 41 die Position der Konsole 14 in einer Richtung, die durch einen Pfeil P41 bezeichnet ist, und die bimorphe Zelle 40 verstellt die Position der Konsole 14 in einer Richtung, welche durch einen Pfeil P40 angegeben ist. Zu diesem Zeitpunkt werden das Sonden-Substrat 2 und das Medi um-Substrat 12 durch Servoschaltkreise 312 (315) und 314 (316) so gesteuert, daß sie parallel zueinander mit einem Abstand verlaufen, durch welchen der Tunnelstrom, der in der Sonde 100-1 fließt, konstant gehalten wird. D.h., daß die Sonden gruppe 1000 in einem normalen Betriebszustand dem Medium mit dem Abstand gegenüberliegt, welcher dem Tunnelstrombereich entspricht. Wie in Fig. 25 gezeigt, kann in diesem Zustand, wenn eine Spannung V angelegt ist an die Gruppen (100-2, 100- 3, 100-4 ...), welche geeignet in (Unter)gruppen aufgeteilt sind, und das gegenüberliegende Medium sich in einem vorbe stimmten Zustand befindet, jede Sonde 100-X einen Tunnelstrom detektieren mittels eines entsprechenden Detektors 200-X (X = 5, 6, ...).

Wie vorstehend beschrieben, werden das Sonden-Substrat 2 und das Medium-Substrat 12 in paralleler Ausrichtung zueinander in Abtastbetrieb betrieben mittels der Konsolen 3 und 14 durch Antreiben der piezoelektrischen Antriebselemente 33 und 44, die sich in den orthogonalen Richtungen erstrecken. Da die Sonde 100-X (X = 5, 6, ....) dem Medium-Substrat 12 mit einem Abstand entsprechend dem Tunnelstrombereich gegenüberliegt, wenn sie in einer Richtung verstellt ist, die durch einen Pfeil oberhalb des Medium-Substrates 12 in Fig. 25 bezeichnet ist, detektiert der entsprechende Detektor 200-X (X = 5, 6, ...) einen Tunnelstrom an einer Position, entsprechend einem vorbestimmten Zustand M des Mediums.

Jede Sonde weist ihren eigenen Abtastbereich auf, der bestimmt ist durch die Abtastamplitude jedes Medium-Substrats 12 und dem Sonden-Substrats 2. Wenn die Amplitude 0,8 m und die Aufzeich nungsdichte auf dem Medium zwei nm beträgt, können 400 Bits pro Amplitude, d.h. 16×104-Bit-Daten in dem Abtastbereich verarbeitet werden. Diese Sonden werden gruppenweise gesteuert durch den Demultiplexer 410, das Gatter 402 und dgl., welche ge steuert werden durch den Steuerschaltkreis 100 mittels dem be kannten Verfahren zum Anpassen der Antriebssignale (Fig. 22a und 22b) mit der Zeitsteuerung der Abtastsysteme, wodurch Da ten auf dem Medium aufgezeichnet bzw. von diesen wiedergegeben werden.

Entsprechend der zweiten Ausführungsform des Mikro-STM wird das Sonden-Substrat, auf dem die Tunnelstromsonden mit einer Teilung im Submikrometerbereich mittels IC-Prozeß ausgebildet sind, abtastend auf dem Aufzeichnungsmedium geführt unter Ver wendung der parallelen Konsolen, welche die piezoelektrischen Antriebselemente einschließen, die ebenfalls mittels des IC- Prozesses ausgebildet sind. Durch diesen Betriebsvorgang wird das gesamte Sonden-Substrat translatiert mit der Amplitude der distalen Enden der parallelen Konsolen, und jede Tunnelstromsonde führt dadurch einen effektiven Ab tastbetrieb aus. D.h., ein Einchip-Speicher mit einer Kapazi tät von mehreren Gigabits kann gebildet werden durch eine Kom bination eines integralen Substrats und eines Schaltkreises, der durch denselben IC-Prozeß ausgebildet ist, wie er für das integrale Substrat angewendet wird.

Claims

1. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung mit
[a] einem ersten Substrat (1a, 1), auf dessen einer Oberfläche eine Gruppe von Tunnelstromsonden (1000, 1000a) ausgebildet ist, die unter einer vorgegebenen Teilung zweidimensional angeordnet sind und distale, innerhalb der gleichen Ebene ausgerichtete Enden aufweisen;
[b] einem zweiten Substrat (50a, 11), das dem ersten Sub strat (1a, 1) derart gegenüberliegt, daß der Abstand zwischen den Tunnelstromsonden (1000, 1000a) und dem diesen gegenüberliegenden Bereich des zweiten Substrats (50a; 11) so einstellbar ist, daß zwischen diesem Bereich und den Tunnelstromsonden (1000; 1000a) ein Tunnelstrom fließt; und
[c] mindestens zwei parallele Konsolen (2a, 2b, 3a, 3b, 4a), die gleich lang sind, auf mindestens einem der beiden Substrate (1a; 1; 50a; 11) parallel zueinander angeordnet und mit der Gruppe der Tunnelstromsonden (1000; 1000a) bzw. mit dem diesen gegenüberliegenden Bereich des zweiten Substrats (50a; 11) verbunden sind,
[c1] wobei jede Konsole mehrere piezoelektrische Antriebselemente (13a, 13b, 14a, 14b, 33, 34) aufweist, die durch ein Ansteuersignal derart ansteuerbar sind, daß sie die Relativlage der Tunnelstromsonden (1000; 1000a) zu dem diesen gegenüberliegenden Bereich des zweiten Substrats (50a; 11) ändern, während der gegenseitige Abstand zwischen diesem Bereich und den Tunnelstromsonden (1000; 1000a) konstant bleibt.

2. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei parallele, unabhängig voneinander angeordnete Konsolen (2a, 2b, 3a, 3b, 4a) vorgesehen sind, wobei die Gruppe der Tunnelstromsonden (1000; 1000a) auf der dritten Konsole (4a) angeordnet ist, daß drei Antriebselemente (11a, 12a, 13a, 15a, 16a) vorgesehen sind, daß die erste Konsole (2a, 2b) die Tunnelstromsonden (1000; 1000a) mittels des ersten Antriebselements (11a, 12a) senkrecht zu der Längsrichtung der ersten Konsole (2a, 2b) innerhalb derselben Ebene und mittels des zweiten Antriebselements (13a) senkrecht zu derselben Ebene verstellt, und daß das dritte Antriebselement (15a, 16a) die zweite (3a, 3b) und dritte Konsole (4a) in deren Längsrichtung innerhalb derselben Ebene verstellt.

3. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Konsole (2a, 2b, 3a, 3b) jeweils durch zwei parallele Einzelkonsolen gebildet sind, während die dritte Konsole eine unmittelbar vor der Gruppe der Tunnelstromsonden (1000; 1000a) angeordnete Einzelkonsole ist.

4. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem jeweiligen Substrat (1a; 1; 50a; 11) ineinanderliegende U-förmige Ausschnitte (7a, 7b, 7c) gebildet sind, wobei die äußeren Ausschnitte die parallelen Einzelkonsolen bilden und der innere Ausschnitt die dritte Konsole bildet.

5. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (11a, 12a, 13a, 15a, 16a) ein piezoelektrisches Element (20) aufweisen, auf dessen oberer und unterer Fläche jeweils streifenförmige Elektroden (21a, 22a, 23a-26a) in Längsrichtung zur jeweiligen Konsole ausgebildet sind.

6. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des piezoelektrischen Elements (20) mindestens eines der Antriebselemente eine Elektrode (27a) eingebettet ist.

7. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im Inneren des piezoelektrischen Elements (20) eingebettete Elektrode eine gemeinsame Elektrode (27a) mehrerer Antriebselemente (11a, 12a) ist.

8. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Elektroden (21a, 22a, 23a-26a) durch eine in der betreffenden Konsole ausgebildete Nut (10) voneinander getrennt sind.

9. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Konsolen auf beiden Substraten (1a; 1; 50a; 11) angeordnet sind und senkrecht zueinander verlaufen.

10. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Konsolen mittels Gelenkabschnitten (8a, 8b; 8) an das betreffende Substrat (1a; 1; 50a; 11) angeschlossen sind.

11. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerschaltung (100) für die Antriebselemente (11a, 12a, 13a, 15a, 16a) auf dem ersten Substrat (1a; 1) ausgebildet ist.

12. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tunnelstromdetektor (111; 113) auf dem ersten Substrat (1a; 1) ausgebildet ist.

13. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des ersten Substrats (1a; 1) eine Schnittstelleneinrichtung (200a, 400a, 500a; 45a) ausgebildet ist, mittels der den auf dem ersten Substrat (1a; 1) ausgebildeten Schaltungen Versorgungsspannungen zuführbar und mittels der Signale ein- und ausgebbar sind.

14. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine elastische Einrichtung (52) vorgesehen ist, mittels der das erste Substrat (1a; 1) gegen das zweite Substrat (50a; 11) drückbar und mit diesem in Kontakt bringbar ist.

15. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelleneinrichtung (45a) über die elastische Einrichtung (52) mit externen Einrichtungen in Verbindung steht.

16. Tunnelstromsonden-Verstellvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelleneinrichtung (45a) durch auf der Oberfläche des ersten Substrats (1a) ausgebildete Kontakte gebildet ist.

17. Rastertunnel-Mikroskop zum Untersuchen der Oberflächenstruktur einer Probe mit einer Tunnelstromsonden- Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat (50a) auf der Probe angeordnet bzw. durch diese gebildet ist.

18. Datenspeichervorrichtung mit einer Tunnelstromsonden- Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Substrat als Sonden-Substrat (2) zum Verstellen der Gruppe der Tunnelstromsonden (1000; 1000a) ausgebildet ist, während das zweite Substrat als Speichermedium-Substrat (12) dient, das an dem zentralen Abschnitt einen Speicherbereich (200) zum Speichern von Daten aufweist.

19. Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Substrate mittels eines Abstandhalters (13, 15) übereinander stapelförmig angeordnet sind.