DE69126830T2

DE69126830T2 - Biegebalkenmessfühler und mit dem Messfühler ausgestattete Informationsverarbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69126830T2
Application number: DE69126830T
Authority: DE
Inventors: Toshimitsu C/O Canon K.K. Tokyo Kawase; Toshihiko C/O Canon K.K. Tokyo Miyazaki; Hiroyasu C/O Canon K.K. Tokyo Nose; Katsuhiko C/O Canon K.K. Tokyo Shinjo; Takayuki C/O Canon K.K. Tokyo Yagi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-08-14
Filing date: 1991-08-08
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2011-08-09
Also published as: DE69126830D1; EP0471511A2; ATE155579T1; CA2048968A1; EP0471511B1; US5187367A; EP0471511A3; CA2048968C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler der Kragarmbauart, der für ein Raster-Tunnelmikroskop (das im folgenden als STM abgekürzt ist) und dergleichen verwendet wird.
Desweiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Meßfühler der Kragarmbauart, der ein Aufzeichnen, eine Wiedergabe und ein Löschen und dergleichen von Information gemäß dem STM-Verfahren ausführt und auf eine mit diesem ausgestattete Informationsverarbeitungsvorrichtung.

Verwandter Stand der Technik

In jüngster Zeit wurde eine Raster-Tunnel-Mikroskopie (die im folgenden als STM abgekürzt ist), die den Elektronenaufbau von Oberflächenatomen eines Leiters direkt beobachten kann, entwickelt (G. Binnig et al., Phys. Rev. Lett. 49 (1982) 57), wodurch ein reelles Raumbild mit bemerkenswert hohem Auflösungsvermögen (Nanometerbereich oder darunter) gemessen werden kann, und zwar unabhängig davon, ob es ein Einkristall oder amorph ist. STM nutzt das Phänomen, daß ein Strom fließt, wenn eine Spannung zwischen einer Metallspitze und einer elektrisch leitfähigen Substanz aufgebracht wird und der Abstand zwischen den beiden auf etwa 1 nm angenähert wird. Da der Strom gegenüber der Abstandsänderung zwischen den beiden sehr empfindlich ist und sich exponentiell verändert wird, kann der Oberflächenaufbau des reellen Raumes mit einem Auflösungsvermögen in dem Bereich eines Atoms beobachtet werden, indem die Spitze abgetastet wird, um so den Tunnelstrom konstant zu halten. Eine Analyse unter Verwendung von STM ist auf elektrisch leitfähige Materialien beschränkt, jedoch wurde nun begonnen, sie auf die Aufbauanalyse der Isolationsschicht anzuwenden, die auf der Oberfläche von elektrisch leitfähigen Materialien dünn ausgebildet ist. Da desweiteren eine derartige Vorrichtung und Einrichtung das Verfahren des Erfassens eines sehr kleinen Stroms anwenden, haben sie auch den Vorteil, daß das Medium nicht beschädigt wird, und Beobachtungen können auch mit geringer Energie durchgeführt werden. Da eine Anwendung an der Luft ebenfalls möglich ist, wurde ein breiter Anwendungsbereich von STM erwartet.
Insbesondere wurde, wie in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen Nr. 63-161 552 und 63-161 553 vorgeschlagen ist, eine praktische Anwendung als eine Vorrichtung zum Aufzeichnen und Wiedergeben mit hoher Dichte eindeutig weiterentwickelt. Diese führt ein Aufzeichnen durch Verändern der zwischen dem Meßfühler und dem Aufzeichnungsmedium aufgebrachten Spannung unter Verwendung des gleichen Meßfühlers wie STM aus und als Aufzeichnungsmedium wurden Materialien verwendet, die Schalteigenschaften mit einer Speichereigenschaft bei Spannungs-Strom-Kennlinien zeigen, wie beispielsweise dünne Schichtlagen aus Chalocogeniden, organische Verbindungen mit π-Elektronensystem. Eine Wiedergabe wird durch die Veränderung des Tunnelwiderstandes zwischen dem Bereich, in dem aufgezeichnet wird, und dem Bereich ausgeführt, in dem nicht aufgezeichnet wird. Für das Aufzeichnungsmedium bei diesem Aufzeichnungssystem kann ein Aufzeichnen und ein Wiedergeben selbst auf einem derartigen Medium möglich sein, bei dem die Oberflächenform des Aufzeichnungsmediums durch die auf den Meßfühler aufgebrachte Spannung verändert wird.
Wenn der Betrieb der STM oder ein Aufzeichnen und ein Wiedergeben unter Anwendung von STM auszuführen ist, sind die beiden Punkte zum Steuern des Abstandes zwischen dem Meßfühler und der Probe oder des Aufzeichnungsmediums im Å- Bereich und beim Aufzeichnen und Wiedergeben zum Steuern des zweidimensionalen Abtastens des Meßfühlers im Bereich einiger 10 Å zum Aufzeichnen und Wiedergeben der zweidimensional auf dem Medium angeordneten Informationen wichtig. Desweiteren wurde vom Gesichtspunkt einer funktionalen Verbesserung des Aufzeichnungs- und Wiedergabesystems, insbesondere einer Steigerung der Schnelligkeit, vorgeschlagen, eine große Anzahl von Meßfühlern gleichzeitig anzutreiben (Vielfachformation von Meßfühlern). Das heißt, es müssen die Bezugsposition des Meßfühlers und des Mediums dreidimensional gesteuert werden, wobei die vorstehende Genauigkeit innerhalb des Bereichs ist, in dem eine große Anzahl an Meßfühlern angeordnet ist.
Beim Stand der Technik wurden für ein derartiges Steuern piezoelektrische Elemente der Schichtbauart, piezoelektrische Elemente der Zylinderbauart und dergleichen verwendet, die an der Seite des Meßfühlers oder an der Seite des Mediums montiert wurden. Während diese Elemente große Verschiebungsmengen aufnehmen können, sind sie jedoch für eine Integration nicht geeignet und eine Verwendung bei einer Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung der Bauart mit vielen Meßfühlern kann nachteilhaft sein. Aus diesem Gesichtspunkt wurde das Verfahren zum Montieren des Meßfühlers auf einem Kragarm mit einer Länge von einigen 100 µm und zum Antreiben des Kragarms mit einem piezoelektrischen Material in Betracht gezogen.
Beim Stand der Technik gibt es als Herstellungsverfahren eines derartigen Kragarms das Verfahren zum Herstellen eines Kragarms mit einem Viellagenaufbau von dünnen Schichten aus piezoelektrischem Material, Metallschichten und dergleichen gemäß der Arbeitstechnik zum Herstellen einer feinen Struktur auf einem Substrat unter Verwendung der Halbleiterherstellprozeßtechnik (T.R. Albrecht et al. "Microfabrication of integrated Scanning Tunneling microscope", Proceedings Fourth Internaional conference on scanning tunneling microscopy/spectroscopy, 1989).
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Meßfühlers der Kragarmbauart nach einem Beispiel des Standes der Technik. 101, 102 bezeichnen dünne Schichten aus piezoelektrischem Material, 103 - 107 bezeichnen Elektroden zum Antreiben der piezoelektrischen Materialien, 108 - 111 Schichten aus dielektrischem Material, 112 eine Spitze und 113 eine Elektrode zum Abgreifen (drawing out) der Erhebung. Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der STM-Vorrichtung unter Verwendung des Meßfühlers der Kragarmbauart. 201 bezeichnet eine Spannungsquelle zur Vorspannungsaufbringung, 202 eine Tunnelstromverstärkungsschaltung, 203 einen Antrieb zum Antreiben des Kragarms, 204 einen Kragarm, 205 eine Spitze und 206 eine Probe. Hierbei wird durch Erfassen des Tunnelstromes It, der zwischen der Spitze 205 und der Probe 206 fließt, durch Anwenden einer Rückkopplung, so daß It konstant sein kann und durch Antreiben des Kragarms 204 der Abstand zwischen der Spitze 205 und der Probe 206 aufrechterhalten. Fig. 6 zeigt die entsprechende Schaltung der vorstehenden STM-Vorrichtung. It bezeichnet einen Tunnelstrom, E eine Vorspannungsquelle, Ri einen Vorspannungsquelleninnenwiderstand, RT einen Tunnelwiderstand, V&sub1; eine Energieversorgung zum Antreiben des Kragarms, Ri' einen Innenwiderstand, C&sub1; eine zwischen einer Antriebselektrode und einem Substrat vorhandene erdfreie Kapazität, R&sub1; einen Substratwiderstand, C&sub2; eine Kapazität gemäß dem Aufbau mit der sandwichartig zwischen den Antriebselektroden angeordneten dünnen Schicht aus piezoelektrischem Material, R&sub2; einen Widerstand des piezoelektrischen Materials, C&sub3; eine zwischen der Elektrode zum Abgreifen und der Antriebselektrode vorhandene erdfreie Kapazität, R&sub3; einen Widerstand, V&sub2; die elektromotorische Kraft aufgrund des piezoelektrischen Effekts des durch V&sub1; verschobenen piezoelektrischen Materials, die als V&sub2; - -V&sub1; betrachtet werden kann. C&sub4; bezeichnet die Kapazität gemäß dem Aufbau mit der sandwichartig zwischen der Elektrode zum Abgreifen und den Antriebselektroden angeordneten dünnen Schicht aus piezoelektrischem Material und R&sub4; den Widerstand dieses Abschnitts.
Bei dem vorstehenden Beispiel des Standes der Technik werden während der Tunnelstromerfassung die Rauschquellen der von den C&sub2; -, R&sub2;-Abschnitten hereingeflossene Strom und der von den V&sub2; -, C&sub4;-, R&sub4;-Abschnitten in Fig. 6 hereingeflossene Strom sein. Allgemein ausgedrückt ist C&sub2; keine Schichtart, sondern ein geringer Wert, während R&sub2; groß ist und daher sind V&sub2; und C&sub4; die wesentlichen Probleme. Insbesondere gibt es Probleme, wenn die Dicke des den Kragarm bildenden geschichteten Körpers klein ist. Wenn beispielsweise die Antriebsfrequenz bei V1 = ±15 V zum Antreiben des Kragarms 1 kHz, die Kragarmlänge 1 mm, die Schichtdicke des piezoelektrischen Materials 1 µm und die Breite der Elektrode zum Abgreifen des Meßfühlers 20 µm ausgeführt werden, wird V&sub2; ungefähr 1 5 V, 1 kHz, 04 ungefähr 1 pF und der Störstrom In, der In = C&sub4; X dV&sub2;/dt wird, ungefähr 20 nA. Da üblicherweise It = ungefähr 10 pA bis 10 nA in einer STM-Vorrichtung ist, erschwert ein derartiger Strom In eine Erfassung eines Tunnelstromes auf der Grundlage der Probeninformationen. Insbesondere ist bei der Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung unter Verwendung eines Kragarmmeßfühlers ein Antrieb mit hoher Schnelligkeit erforderlich und folglich ist der Einfluß von C&sub4; ernsthafter.
Ebenfalls wurden unter Anwendung des STM-Verf ahrens Untersuchungen über Anwendungen auf verschiedenen Gebieten der Beobachtungsauswertungen, Feinbearbeitung von Halbleitern oder Materialien mit hochmolekularem Gewicht und dergleichen im Bereich eines Atoms oder Bereich eines Moleküls (E.E. Ehrichs, 4th International Conference on Scanning Tunneling Microscopy/spectroscopy, 1989, S13-3), und Aufzeichnungsvorrichtungen und dergleichen durchgeführt.
Unter ihnen sind bei einer Berechnung von Rechnerinformation oder Bildinformation die Anforderungen an Aufzeichnungsvorrichtungen mit größerer Kapazität zunehmend höher und desweiteren wurde wegen des Berechnungsvermögens des Mikroprozessors, dessen Größe aufgrund des Fortschritts in der Halbleiterherstelltechnik kleiner gestaltet wurde, ein Kleinergestalten der Größe der Aufzeichnungsvorrichtung wünschenswert.
Zum Zweck der Erfüllung dieser Anforderungen wurde eine Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung mit dem minimalen Aufzeichnungsbereich von 10 nm² vorgeschlagen, die ein Schreiben einer Aufzeichnung ausführt, indem die Austrittsarbeit der Aufzeichnungsmediumoberfläche durch Aufbringen einer Spannung von einem Wandler geändert wird, die einen Meßfühler für eine Tunnelstromerzeugung aufweist, der auf der Antriebseinrichtung vorhanden ist, die den Abstand zu dem Aufzeichnungsmedium fein steuern kann, und die ebenfalls ein Lesen der Information ausführt, indem die Veränderung des Tunnelstroms durch die Veränderung der Austrittsarbeit erfaßt wird.
Bei einer derartigen Vorrichtung ist es zum Verbessern der Informationsübertragung und Aufzeichnungsschnelligkeit beispielsweise erforderlich, die Anzahl der Meßfühler zu erhöhen und zu ermöglichen, daß sie auf den Aufzeichnungsdatenfolgen laufen, während der Abstand zwischen den Meßfühlern und dem Medium gesteuert wird. Jedoch ist die Breite der aufgezeichneten Datenfolgen sehr klein und aufgrund der Einflüsse der Abweichung durch die Temperaturänderung der Vorrichtung oder der von außen einwirkenden Schwingung und dergleichen werden die Meßfühler von den Datenfolgen abweichen, was ein stabiles Aufzeichnen und Wiedergeben unmöglich macht. Wenn desweiteren ein Meßfühler entlang der Datenfolgen abgetastet wird, werden die anderen Meßfühler von den Datenfolgen abweichen.
Die WO-A-89-07 256 offenbart einen Meßfühler der Kragarmbauart, der ein kragarmförmiges Verschiebungselement mit einem Schichtaufbau von zwei piezoelektrischen Lagen aufweist, die sich mit drei Antriebselektrodenlagen abwechseln. Jede der Antriebselektrodenlagen ist in verschiedene Abschnitte innerhalb jeder Elektrodenlage geteilt. Eine Spitze zur Informationseingabe/-ausgabe ist an dem freien Ende des kragarmförmigen Verschiebungselementes angeordnet. Eine Elektrodenlage ist auf einer Fläche des mit der Spitze verbundenen kragarmförmigen Verschiebungselementes vorgesehen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Folglich ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Informationsverarbeitungsvorrichtung, deren Genauigkeit der Tunnelstromerfassung auf der Grundlage der Informationen einer Probe oder eines Auf zeichnungsmediums verbessert ist, indem der Wert der Kapazität C&sub4; der zwischen den Elektroden sandwichartig angeordneten dünnen Schicht aus piezoelektrischem Material verringert oder zu Null gemacht wird, die eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit und Stabilität hat, und einen Meßfühler der Kragarmart zur Verwendung bei einer derartigen Vorrichtung zu schaffen.
Desweiteren ist es eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Meßfühler der Kragarmart, eine Informationsverarbeitungsvorrichtung und eine Abtasttunnelstromerfassungsvorrichtung zu schaffen, die folgendes (1) und (2) gleichzeitig erfüllen kann:
(1) die Übertragungsgeschwindigkeit ünd die Aufzeichnungs- und Wiedergabegeschwindigkeit von Informationen zu verbessern; und
(2) ein stabiles Abtasten zu ermöglichen&sub1; ohne daß der abtastende Meßfühler von den Datenfolgen auf dem Aufzeichnungsmedium abweicht, selbst wenn äußere Störungen, wie eine Abweichung durch die Temperatur der Vorrichtung, eine Schwingungsübertragung von außen auf die Vorrichtung und dergleichen auftreten können.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Meßfühler der Kragarmbauart geschaffen, der ein kragarmförmiges Verschiebungselement aufweist, das folgendes hat: einen Schichtaufbau von zwei piezoelektrischen Lagen, die sich mit drei Antriebselektrodenlagen abwechseln, wobei jede der Antriebselektrodenlagen in zwei oder mehr Abschnitte innerhalb jeder Elektrodenlage geteilt ist, eine Spitze zur Informationseingabe/-ausgabe, die an dem freien Ende des kragarmförmigen Verschiebungselementes angeordnet ist, und eine Abgreifelektrodenlage, die auf einer Fläche des mit der Spitze verbundenen kragarmförmigen Verschiebungselementes vorgesehen ist, wobei der Meßfühler dadurch gekennzeichnet ist, daß die Abgreifelektrodenlage und die Antriebselektrodenlagen so angeordnet sind, daß sich 20% oder weniger des Gesamtbereiches der Abgreifelektrodenlage mit jeder der Antriebselektrodenlagen in der Richtung überdeckt, die zu der einen Fläche senkrecht ist.
Desweiteren schafft die vorliegende Erfindung einen vorstehend beschriebenen Meßfühler der Kragarmbauart, eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Verschiebungselementes des Meßfühlers der Kragarmbauart und eine Vorspannungsaufbringungseinrichtung zum Aufbringen einer Vorspannung zwischen einer Probe und einem Meßfühler.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Informationsverarbeitungsvorrichtung zum Aufzeichnen von Information auf einem Auf zeichnungsmedium geschaffen, die folgendes aufweist:
einen Meßfühler der Kragarmbauart, der so angeordnet ist, daß er nahe zu dem Aufzeichnungsmedium positioniert ist, wobei er folgendes aufweist: ein kragarmförmiges Verschiebungselement mit einem Schichtaufbau von zwei piezoelektrischen Lagen, die sich mit drei Antriebselektrodenlagen abwechseln, wobei jede der Antriebselektrodenlagen in zwei oder mehr Abschnitte geteilt ist, eine Spitze zur Informationsausgabe, die an dem freien Ende des kragarmförmigen Verschiebungselementes angeordnet ist, und eine Abgreifelektrodenlage, die auf einer Fläche des mit der Spitze verbundenen kragarmförmigen Verschiebungselementes vorgesehen ist;
eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Verschiebungselementes des Meßfühlers der Kragarmbauart; und
eine Spannungsaufbringungseinrichtung zum Aufbringen einer Spannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Spitze,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Abgreifelektrodenlage und die Antriebselektrodenlagen so angeordnet sind, daß sich 20% oder weniger des Gesamtbereiches der Abgreifelektrodenlage mit jeder der Antriebselektrodenlagen in der Richtung überdeckt, die zu der einen Fläche senkrecht ist.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Informationsverarbeitungsvorrichtung zum Lesen von Information von einem Aufzeichnungsmedium geschaffen, die folgendes aufweist:
einen Meßfühler der Kragarmbauart, der so angeordnet ist, daß er nahe zu dem Auf zeichnungsmedium positioniert ist, wobei er folgendes aufweist: ein kragarmförmiges Verschiebungselement mit einem Schichtaufbau von zwei piezoelektrischen Lagen, die sich mit drei Antriebselektrodenlagen abwechseln, wobei jede der Antriebselektrodenlagen in zwei oder mehr Abschnitte geteilt ist, eine Spitze zur Informationseingabe, die an dem freien Ende des kragarmförmigen Verschiebungselementes angeordnet ist, und eine Abgreifelektrodenlage, die auf einer Fläche des mit der Spitze verbundenen kragarmförmigen Verschiebungselementes vorgesehen ist;
eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Verschiebungselementes des Meßfühlers der Kragarmbauart; und
eine Spannungsaufbringungseinrichtung zum Aufbringen einer Spannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Spitze,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Abgreifelektrodenlage und die Antriebselektrodenlagen so angeordnet sind, daß sich 20% oder weniger des Gesamtbereiches der Abgreifelektrodenlage mit jeder der Antriebselektrodenlagen in der Richtung überdeckt, die zu der einen Fläche senkrecht ist.
Als Anordnung, die die elektrische Kapazität der Schichtart nicht erhöht, die die Eingabe und Ausgabe von Informationen in eine und von einer Spitze stört, die das spezifische Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, ist insbesondere die Anordnung vorzuziehen, die die Elektrode zum Abgreifen mit der Elektrode zum Antreiben in der Dickenrichtung des kragarmförmigen Verschiebungselementes überhaupt nicht überdeckt ist, jedoch kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung vollständig gelöst werden, wenn die Anordnung derart ist, daß die Überdeckung 20% oder weniger des Gesamtbereiches der Elektrode zum Abgreifen beträgt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf den Meßfühler der Kragarmbauart der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht entlang A-A' von Fig.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Informationsverarbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des Meßfühlers der Kragarmbauart nach dem Stand der Technik.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der STM-Vorrichtung. Fig. 6 stellt eine Darstellung der entsprechenden Schaltung der STM-Vorrichtung dar.
Die Fig. 7A und Fig. 7B zeigen schematische Aufbauansichten eines Beispiels des Meßfühlers der Kragarmbauart der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 8A und Fig. 8B zeigen Darstellungen des Antriebsprinzips des Meßfühlers der Kragarmbauart der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 9A, Fig. 9B, Fig. 10A und Fig. 10B zeigen schematische Aufbauansichten eines anderen Beispiels des Meßfühlers der Kragarmbauart der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 11A und Fig. 11B zeigen Darstellungen einer Spurverfolgung bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 12 zeigt eine Darstellung des Meßfühlerabtastwegs.
Fig. 13 zeigt eine Meßfühlerabtastwegdarstellung bei verformter Spur.
Fig. 14 zeigt eine schematische Aufbauansicht der Informationsverarbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 zeigt eine schematische Ansicht des Aufzeichnungs- und Wiedergabekopfes gemäß der Informationsverarbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Beispiel 1

Die vorliegende Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele ausführlicher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf den Meßfühler der Kragarmbauart der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht entlang A-A' in Fig. 1. 1 bezeichnet eine Spitze, 2 eine Elektrode zum Abgreifen, 3 und 4 bezeichnen dünne Schichten aus piezoelektrischem Material und 5 - 10 Elektroden zum Antreiben von piezoelektrischen Materialien. Hierbei sind die dünnen Schichten aus piezoelektrischem Material, die Elektroden und die Kragarme eingerichtet, wie nachstehend gezeigt ist.
dünne piezoelektrische Schicht: ZnO 0,3 µm dick
Elektrode: Al 0,15 µm
Breite: zum Antreiben 20 µm
zum Abgreifen des Meßfühlers 10 µm
Kragarmlänge: 400 µm
Kragarmbreite: 80 µm.
Hierbei wurde die Elektrode in der Richtung x zweigeteilt, um den Kragarm dreiachsig anzutreiben. Der Kragarm kann durch Aufbringung von ± 4 V um ± 3 µm in der Richtung der z-Achse und durch Aufbringung von ± 4 V um ± 0,015 µm in der Richtung der y-Achse verschoben werden. Der Kernpunkt bei diesem Beispiel ist ein Kernpunkt, bei dem keine Elektrode 7, 8 zum Antreiben (in der Richtung der z- Achse) unter der Elektrode 2 zum Abgreifen vorhanden ist, so daß eine elektrische Kapazität zwischen den Elektroden 2 und 7 oder 8 außerordentlich klein ist. Als die elektrische Kapazität zwischen der Elektrode 2 zum Abgreifen und den Elektroden 5 - 10 zum Antreiben praktisch gemessen wurde, wurde herausgefunden, daß sie 0,1 pF oder weniger ist, was die Grenze des Meßinstrumentes ist. Der an der Elektrode 2 zum Abgreifen induzierte Wechselstrom wurde bei 5 pA oder weniger gemessen, als das piezoelektrische Material des Meßfühlers der Kragarmbauart mit ± 5 V und f = 100 bis 1 kHz angetrieben wurde. Zum Zweck eines Vergleichs wurde ein Meßfühler der Kragarmbauart mit der Form der Elektroden 7, 8 zum Antreiben von Fig. 2, die ungeteilt waren, aus dem gleichen Material und mit den gleichen Maßen wie bei diesem Beispiel hergestellt und ähnlich wie bei diesem Beispiel bewertet. Als Ergebnis war die elektrische Kapazität ungefähr 1 pF und der induzierte Strom ungefähr 5 nA. Bei diesem Beispiel wird ZnO für die dünnen Schichten 3, 4 aus piezoelektrischem Material verwendet, jedoch ist dies nicht beschränkend, sondern andere piezoelektrische Materialien, wie beispielsweise AlN, TiBaO, PbZrTiO, PbTiO und dergleichen können ebenfalls verwendet werden. Desweiteren sind die Abmessungen des Kragarms nicht auf die vorstehend erwähnten Werte beschränkt.

Beispiel 2

Eine STM-Vorrichtung wurde hergestellt, die den Meßfühler der Kragarmbauart von Beispiel 1 verwendet. Das Blockschaltbild der Vorrichtung ist dem von Fig. 5 ähnlich. Als ein HOPG-Substrat als Probe durch diese Vorrichtung bei einem Vorspannungsstrom von 1 nA, einem Abtastbereich von 100 Å x 100 Å betrachtet wurde, konnte ein gutes Atombild erhalten werden. Dieses Bild war ebenfalls gut, selbst als die Abtastschnelligkeit auf einige 100 Hz erhöht wurde.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel ist die Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung beschrieben, die eine Vielzahl Meßfühler der Kragarmbauart der vorliegenden Erfindung verwendet.
Fig. 3 zeigt den Aufbau der Hauptteile und das Blockschaltbild dieser Vorrichtung. Es sind, ausgehend von dieser Zeichnung, an dem Aufzeichnungs- und Wiedergabekopf 11 die Meßfühler 12 der Kragarmbauart angeordnet (in Fig. 3 ist nur einer von diesen gezeigt). Diese Vielzahl Spitzen 13 sind so angeordnet, daß sie gleichmäßig dem Medium gegenüberstehen. 14 bezeichnet ein Auf zeichnungsmedium zur Informationsaufzeichnung, 15 eine Unterelektrode zum Aufbringen einer Spannung zwischen dem Medium und den Meßfühlern und 16 einen Aufzeichnungsmediumhalter. Für das Aufzeichnungsmedium wird beispielsweise ein Medium mit dem elektrischen Speichereffekt verwendet, das hergestellt wird, indem Cr bis 50 Å gemäß dem Unterdruckaufdampfverfahren als die Hilfselektrode 15 auf einem Quartzglassubstrat aufgetragen wird und desweiteren Au-Dampf durch das gleiche Verfahren bis 300 Å darauf aufgetragen wird, und ein Schichten von vier Lagen von SOAZ (Squariliun-bis-6- octylazulen) gemäß dem LB-Verfahren verwendet wird. 17 bezeichnet eine Datenmodulationsschaltung, die die aufzuzeichnenden Daten in zum Aufzeichnen geeignete Signale moduliert, 18 eine Aufzeichnungsspannungaufbringungvorrichtung zum Aufzeichnen der in der Datenmodulationsschaltung modulierten Signale auf dem Aufzeichnungsmedium 14 durch Aufbringen einer Spannung zwischen der Hilfselektrode 15 und der Spitze 13. Durch ein Nähern der Spitze 13 zu dem Aufzeichnungsmedium 14 auf einen vorbestimmten Abstand und einem Aufbringen einer Spannung, die den Grenzwert überschreitet, die ein Auftreten einer Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit in dem Aufzeichnungsmedium bewirkt, beispielsweise eine Spannung mit Rechteckimpuls von 3 V und einer Breite von 50 ns, durch die Aufzeichnungsspannungaufbringungvorrichtung 18, wird das Aufzeichnungsmedium 14 charakteristische Veränderungen erfahren, um einen Abschnitt mit geringem elektrischen Widerstand zu bilden. Durch Ausführen dieses Vorgangs während des Abtastens der Spitze 13 auf dem Auf zeichnungsmedium 14 unter Verwendung des X-Y-Objekttisches 19 wird ein Aufzeichnen der Information durchgeführt. Obwohl er nicht gezeigt ist, kann als Mechanismus zum Abtasten durch den X-Y- Objekttisch 19 ein derartiger Steuermechanismus, wie beispielsweise ein Piezobetätigungsglied der Zylinderbauart, parallele Federn, ein Differenzmikrometer, eine Schwingspule, eine Prazisionsschraube und dergleichen, angewendet werden.
Ebenfalls wird die Aufzeichnungsspannungaufbringungvorrichtung 18 zum Löschen des aufgezeichneten Bits verwendet. Genauer gesagt erfährt durch Nähern der Spitze 13 zu dem aufgezeichneten Bit auf dem Aufzeichnungsmedium 14 auf einen vorbestimmten Abstand und einem Aufbringen einer Dreieck-Impulsspannung mit einer Spannung, die den Grenzwert überschreitet, beispielsweise 7 V und eine Breite von 50 ns, das aufgezeichnete Bit charakteristische Veränderungen, wodurch der elektrische Widerstand zu dem gleichen Wert wie bei dem Abschnitt wird, bei dem kein aufgezeichneter Bit ist, womit ein Löschen des aufgezeichneten Bits bewirkt wird.
Mit 20 ist eine Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung bezeichnet, die eine Vorspannung zwischen der Spitze 13 und dem Aufzeichnungsmedium 14 aufbringt und den Tunnelstrom erfaßt, der zwischen den beiden fließt, und 21 bezeichnet eine Demodulationsschaltung, die die Tunnelstromsignale demoduliert, die durch die Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 20 erfaßt wurden. Während der Wiedergabe werden die Spitze 13 und das Aufzeichnungsmedium 14 auf einen vorbestimmten Abstand eingestellt und eine Spannung, die die Grenzwertspannung nicht überschreitet, beispielsweise eine Gleichspannung von 200 mV, wird zwischen der Spitze 13 und dem Aufzeichnungsmedium 14 aufgebracht. Das unter Verwendung der Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 20 während des Abtastens mit der Spitze 13 entlang der Aufzeichnungsdatenfolgen auf dem Aufzeichnungsmedium 14 in diesem Zustand erfaßte Tunnelstromsignal entspricht dem Aufzeichnungsdatensignal. Daher kann durch Ausgeben des erfaßten Tunnelstromsignals durch eine Strom-Spannungs- Umwandlung und durch ein Demodulieren desselben durch die Demodulationsschaltung 21 ein Wiedergabedatensignal erhalten werden.
Mit 22 ist eine Meßfühlerhöhenerfassungsschaltung bezeichnet. Die Meßfühlerhöhenerfassungsschaltung 22 nimmt das erfaßte Signal der Aufzeichnungssigualerfassungsschaltung auf, verarbeitet das Signal&sub1; das nach dem Abtrennen der Schwingungskomponenten hoher Frequenz verbleibt, in Abhängigkeit von dem Vorhandensein oder dem Fehlen des Informationsbits, und gibt Kommandosignale an die x-z-Achsen- Antriebssteuerschaltung 24 zum Steuern der vertikalen Bewegung der Spitze 13, so daß der verbleibende Signalwert konstant werden kann. Dadurch wird der Abstand zwischen der Spitze 13 und dem Medium 14 im wesentlichen konstant gehalten.
Mit 23 ist eine Spurerfassungsschaltung bezeichnet. Die Spurerfassungsschaltung 23 ist ein Weg, entlang dem die Daten der Spitze 13 während des Abtastens über dem Aufzeichnungsmedium 14 durch die Spitze 13 oder durch die Schaltung zum Erfassen der Abweichung von den aufgezeichneten Datenfolgen (die nachstehend als Spur bezeichnet sind) aufgezeichnet werden sollen.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist es erforderlich, den Kragarm durch die Antriebssteuerschaltung 24 zu verschieben, so daß der Meßfühler mit einer Schwingung zum Spurverfolgen arbeiten kann, während der Abstand zwischen der Spitze 13 und dem Medium mit dem Signal der Datenfolgen gesteuert wird, das in der Spurerfassungsschaltung 23 erhalten wird.
Die Schaltung 25 zur Aufzeichnung und Wiedergabe wird durch die Datenmodulationsschaltung 17, die Aufzeichnungsspannungaufbringungvorrichtung 18, die Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 201 die Datendemodulationsschaltung 21, die Meßfühlerhöhenerfassungsschaltung 22, die Spurerfassungsschaltung 23, die z-Achsen- Antriebssteuerschaltung 24 und die x-z-Achsen- Antriebssteuerschaltung 24 gebildet. Die Schaltung 25 zur Aufzeichnung und Wiedergabe wird durch eine Zentraleinheit (CPU) 26 gesteuert, damit sie eine Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung wird.
Es kann bestätigt werden, daß Schreiben, Lesen und Löschen von aufgezeichneter Information mit dem gleichen Meßfühler durch die Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung dieses Beispiels durchgeführt werden kann.
Ebenfalls wurde bei einer fortlaufend bei einer Geschwindigkeit von 100 kpbs ausgeführten Wiedergabe kein Spurverfolgungsfehler und Wiedergabefehler erzeugt. Dies zeigt, daß ein guter S/N (Signalrauschabstand) bei hoher Frequenz durch Verwenden des Meßfühlers der Kragarmbauart der vorliegenden Erfindung aufrechterhalten werden kann.

Beispiel 4

Dieses Beispiel zeigt den Meßfühler der Kragarmbauart der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 7A und 7B zeigen als ein Beispiel davon Einzelheiten von dünnen Schichten 305, 305' aus piezoelektrischem Material und von einem Verschiebungselement, das aus (sechs) Elektroden 361 - 366 zum Aufbringen einer Vorspannung zum Verschieben der piezoelektrischen Materialien aufgebaut ist. Fig. 7A zeigt eine Aufbauansicht in der Achsrichtung und die vorliegende Fig. 7B eine Schnittansicht in der Breitenrichtung entlang A- A in der vorliegenden Fig. 7A. Hierbei ist der Kragarm 302 durch anisotropisches Ätzen aus der Oberfläche des Si-(100)- Substrates 301 gebildet. Die Elektroden 361 - 366 sind, wie in der vorliegenden Fig. 7B gezeigt ist, in zwei Sätzen in der Breitenrichtung des Kragarms nebeneinandergesetzt, und ebenfalls sechs Elektroden sind in Lagen so angeordnet, daß der Kragarm in den Richtungen x und z, wie nachstehend beschrieben ist, durch die Differenz des Ausdehnens und Schrumpfens der beiden Lagen der dünnen Schichten 305, 305' aus piezoelektrischem Material verschoben werden kann.
Fig. 8A und Fig. 8B zeigen Schnittansichten in der Breitenrichtung des in Fig. 7A und Fig. 7B gezeigten Meßfühlers der Kragarmbauart und zeigen ein Beispiel des Vorspannungsaufbringungsverfahrens zum Verschieben. Hierbei sind die Elektroden 361 - 366 zum Antreiben der piezoelektrischen Materialien in der Breitenrichtung der Achse geteilt, um in zwei nebeneinandergesetzten Sätzen angeordnet zu werden, damit die dünnen Schichten 305, 305' aus piezoelektrischem Material ausgedehnt und geschrumpft werden, so daß die Spitze 304 auf der Spur in Schwingung versetzt werden kann, während der Abstand zwischen der Spitze 304 und dem Medium gesteuert wird, auf dem ein Aufzeichnen von Information und dergleichen ausgeführt wird. Diese Elektroden 361 - 366 sind an den Antriebsvorspannungsschaltungen A, B, C, D angeschlossen, wie in den Fig. 8A und Fig. 8B gezeigt ist, und desweiteren wird die Vorspannung der Antriebsvorspannungsschaltung durch die Antriebssteuerschaltung 336 gesteuert. Die Darstellung der Abhängigkeit der Vorspannungen A, B, C, D von der Zeit für den Abtastweg des Meßfühlers in den Fig. 11A und Fig. 11B ist in Fig. 8B gezeigt. Der Abstand zwischen dem Meßfühler 304 und dem Medium in der Richtung der z-Achse wird durch die Vorspannung gesteuert, die durch A(t) - B(t) oder D(t) - C(t) vorgegeben ist. Die Frequenzen von A(t), B(t), C(t), D(t) stimmen mit den Frequenzen der Schwingungssignalverläufen in den Fig. 11A und Fig. 11B von der Spitze 304 überein. In Fig. 11a ist mit p die Position der Spurbreitenrichtung gemeint und mit "a" ist die Amplitude gemeint. Die Phasen von A(t), B(t), C(t), D(t) weichen um 180º ab. Die Breite der Amplitude während des Schwingens der Spitze 304 wird durch die Vorspannung von B(t) - D(t) gesteuert. Wenn beispielsweise der Bitdurchmesser 50 Å gestaltet wurde, werden die dünne Schicht aus piezoelektrischem Material, die Elektrode und der Kragarm folgendermaßen eingestellt:
dünne Schicht aus piezoelektrischem Material: ZnO 0,3µm
Elektrode: Al 0,1 µm
Kragarmlänge: 200 µm
Kragarmbreite: 40 µm.
Der Meßfühler kann um einen Verschiebungsbetrag von ± 2 µm bei ± 4 V in der Richtung der z-Achse verschoben werden, das heißt indem die Vorspannung A(t) - B(t) und D(t) - C(t) geeignet bei 4 V oder weniger eingestellt wird, und der Abstand zwischen dem Meßfühler und dem Medium kann innerhalb des Bereichs von - 2 µm bis + 2 µm verändert werden. Ebenfalls wird es durch Verändern der Vorspannung von B(t) - D(t) um einen Absolutwert von 1,5 V möglich, eine Schwingung des Bitdurchmessers mit einer Breite von 50 Å zu bewirken.

Beispiel 5

Dieses Beispiel zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Meßfühlers der Kragarmbauart der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9A zeigt eine Draufsicht auf den Meßfühler der Kragarmbauart und die vorliegende Fig. 9B zeigt seine Schnittansicht Bei diesem Beispiel wurde der Aufbau so ausgeführt, daß desweiteren zwei Sätze der Elektroden des Meßfühlers von Fig. 7A und Fig. 7B in der Breitenrichtung des Kragarms hinzugefügt wurden.
Dieser führt eine Spurverfolgung aus, indem eine Antriebsvorspannung an den Elektroden 361 - 366 auf ähnliche Weise, wie es in den Fig. 8A und Fig. 8B gezeigt ist, aufgebracht wird. Dadurch wird es möglich, den Meßfühler auf der Spur abzutasten, wie es in den Fig. 11a, 11B und 12 gezeigt ist. Jedoch kann mitunter aufgrund der Wärmeausdehnung des Mediums, Erschütterung von außen während des Aufzeichnens mit dem Meßfühler und dergleichen eine Verformung der Spuren stattfinden, wie es in Fig. 13 gezeigt ist. In einem derartigen Fall werden bei dem sowohl in den Fig. 7A und 7B als auch in den Fig. 8A und 8B gezeigten Meßfühler nicht nur die Unterschiede von B, D, sondern auch die Absolutwerte entsprechend geändert, jedoch wird es durch Verwendung der in den Fig. 9A und 9B gezeigten Meßfühlerform durch Aufbringen einer Vorspannung, die der Verformung der Spur in der Breitenrichtung des Kragarms an den Elektroden 381 - 386 entspricht, während die Elektroden 361 - 366 auf ähnliche Weise in Schwingung versetzt sind, möglich, eine Positionssteuerung der Spurbreitenrichtung und die Positionssteuerung gegenüber der Verformung der Spur als separate Funktionen auszuführen. Somit können durch ein weiteres Hinzufügen von Sätzen von Elektroden in der Breitenrichtung des Kragarms Verformungen von verschiedenen Meßfühlern unabhängig bewirkt werden.
Als Elektrodenform für das Verschiebungselement, das Verformungen von verschiedenen Meßfühlern unabhängig ausführt, können vier Sätze von Elektrodenleitungen ebenfalls in der Längenrichtung des Kragarms gebildet werden, wie in den Fig. 10A und 10B gezeigt ist. Indem ein derartiger Elektrodenaufbau angenommen wird, kann die gleiche Wirkung wie bei dem Meßfühler von den Fig. 9A und 9B erzielt werden. Ebenfalls wird es möglich, eine Grobbewegung und eine Feinbewegung relativ zu der Entfernung zwischen dem Meßfühler und dem Medium getrennt zu steuern.
Mit dem vorstehend beschriebenen Elektrodenaufbau wird es möglich, einen Meßfühler der Kragarmbauart zu schaffen, der die Abstandssteuerung zwischen dem Meßfühler und dem Medium während des Ausführens der Spurverfolgung bewirken kann.
Das bei den beiden vorstehend beschriebenen Beispielen verwendete Material für die piezoelektrischen Schichten 305, 305' war ZnO, jedoch ist dies nicht einschränkend, sondern andere Materialien, wie beispielsweise AlN, TiBaO, PbZrTiO, PbTiO und dergleichen, die eine piezoelektrische Wirkung haben, können ebenfalls angewendet werden.

Beispiel 6

Bei diesem Beispiel wird die Informationsverarbeitungsvorrichtung (Aufzeichnen und Wiedergabe) unter Verwendung einer Vielzahl Meßfühler der Kragarmbauart der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 14 zeigt die Hauptaufbauteile und das Blockschaltbild der vorliegenden Vorrichtung. Anhand dieser Zeichnung ist mit 350 eine Zentraleinheit (CPU) bezeichnet. Auf dem Aufzeichnungs- und Wiedergabekopf 300 sind die Blockmeßfühler 302 der Kragarmbauart angeordnet (in Fig. 14 ist nur einer von diesen gezeigt) . Diese Vielzahl Spitzen 304 ist so angeordnet, daß sie gleichmäßig dem Medium gegenübersteht. Mit 321 ist ein Aufzeichnungsmedium zum Informationsaufzeichnen, mit 322 eine Hilfselektrode zum Aufbringen einer Spannung zwischen dem Medium und den Meßfühlern und mit 323 ist ein Aufzeichnungsmediumhalter bezeichnet. Das Aufzeichnungsmedium weist eine Aufzeichnungsmediumlage auf und die vorstehend erwähnte Aufzeichnungsmediumlage weist ein Metall, einen Halbleiter, ein Oxid, eine dünne organische Schicht, die die Form des Aufzeichnungsmediums durch den Tunnelstrom, der von der Nadel zur Tunnelstromerzeugung erzeugt wird, zu einer konvexen Form (siehe Staufer, Appl. Phys. Letters, 51(4), 27, July, 1987, p. 244) oder zu einer konkaven Form (siehe Heinzelmann, Appl. Phys. Letters, Vol 53, No. 24, Dec., 1988, P. 2447) verformen kann, oder eine dünne organische Schicht, deren elektrische Eigenschaften durch den vorstehend erwähnten Tunnelstrom verändert werden, und dergleichen auf. Die dünne organische Schicht, deren vorstehend erwähnte elektrische Eigenschaften verändert werden, kann vorzugsweise eine Langmuir-Blodgett-Schicht aufweisen (siehe offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 63-161 552). Beispielsweise wird ein Medium verwendet, das durch Aufbringen von Cr bis 50 Å gemäß dem Unterdruckaufdampfverfahren als Hilfselektrode 322 auf einem Quartzglassubstrat, desweiteren durch ein darauf Aufdampfen von Au bis 300 Å gemäß dem gleichen Verfahren und ein darauf Beschichten von 4 Lagen SOAZ (Squarilium-bis-6-octylazulen) gemäß dem LB-Verfahren hergestellt wird. Mit 330 ist eine Datenmodulationsschaltung bezeichnet, die die Signale moduliert, die für die aufzuzeichnenden Daten geeignet sind, und mit 331 ist eine Aufzeichnungsspannungsaufbringungsvorrichtung zum Aufzeichnen der Signale, die in der Datenmodulationsschaltung moduliert wurden, auf dem Aufzeichnungsmedium 321 durch Aufbringen einer Spannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium 321 und der Spitze 304 bezeichnet. Wenn sich die Spitze 304 dem Aufzeichnungsmedium 321 auf einen vorbestimmten Abstand nähert und eine Rechteckimpulsspannung von beispielsweise 3V und einer Breite von 50 ns durch die Aufzeichnungsspannungsaufbringungsvorrichtung 331 aufgebracht wird, wird das Aufzeichnungsmedium 321 charakteristische Veränderungen erfahren, wodurch ein Abschnitt mit geringem elektrischen Widerstand gebildet wird. Durch Ausführen dieses Vorgangs während des Abtastens des Aufzeichnungsmediums 321 mit der Spitze 304 unter Verwendung des X-Y-Objekttisches 307 wird ein Aufzeichnen von Information ausgeführt. Obwohl er nicht gezeigt ist, kann für den Mechanismus zum Abtasten durch den X-Y-Objekttisch 307 ein Steuermechanismus, wie beispielsweise ein Piezobetätigungsglied der Zylinderbauart, parallele Federn, ein Differenzmikrometer, eine Schwingspule, eine Präzisionsschraube und dergleichen, angewendet werden.
Mit 332 ist eine Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung zum Erfassen des Tunnelstromes bezeichnet, der zwischen der Spitze 304 und dem Aufzeichnungsmedium 321 fließt, indem eine Spannung zwischen den beiden aufgebracht wird, und mit 333 ist eine Datendemodulationsschaltung zum Demodulieren des Tunnelstromsignales bezeichnet, das in der Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 332 erfaßt wurde. Während der Wiedergabe werden die Spitze 304 und das Aufzeichnungsmedium 321 auf einen vorbestimmten Abstand eingestellt und eine Spannung&sub1; die niedriger als die Aufzeichnungsspannung ist, beispielsweise eine Gleichspannung von 200 mV, wird zwischen der Spitze 304 und dem Aufzeichnungsmedium 321 aufgebracht. Das unter Verwendung der Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 332 während des Abtastens mit der Spitze 304 entlang der Aufzeichnungsdatenfolgen auf dem Aufzeichnungsmedium 321 in diesem Zustand erfaßte Tunnelstromsignal entspricht dem Aufzeichnungsdatensignal. Daher kann durch Ausgeben des erfaßten Tunnelstromsignals durch eine Strom-Spannungs- Umwandlung und durch ein Demodulieren desselben durch die Demodulationsschaltung 333 das Wiedergabedatensignal erhalten werden.
Mit 334 ist eine Meßfühlerhöhenerfassungsschaltung bezeichnet. Die Meßfühlerhöhenerfassungsschaltung 334 nimmt das erfaßte Signal der Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 332 auf, verarbeitet das Signal, das nach dem Abtrennen der Schwingungskomponenten hoher Frequenz verbleibt, in Abhängigkeit von dem Vorhandensein oder der Abwesenheit des Informationsbits, und gibt Kommandosignale an die x-z-Achsen- Antriebssteuerschaltung 336 zum Steuern der vertikalen Bewegung der Spitze 304, so daß der verbleibende Signalwert konstant werden kann. Dadurch wird der Abstand zwischen der Spitze 304 und dem Medium 321 im wesentlichen konstant gehalten.
Mit 335 ist eine Spurerfassungsschaltung bezeichnet. Die Spurerfassungsschaltung 335 ist ein Weg, entlang dem die Daten der Spitze 304 während des Abtastens über dem Aufzeichnungsmedium 321 durch die Spitze 304 oder durch die Schaltung zum Erfassen der Abweichung von den aufgezeichneten Datenfolgen (die nachstehend als Spur bezeichnet sind) aufgezeichnet werden sollen.
Ein Beispiel einer derartigen Erfassung wird gezeigt. Durch die x-z-Achsen-Antriebssteuerschaltung 336 wird die Spitze 304 so angetrieben, daß ein Abtasten entlang der Form der Spur ausgeführt werden kann. In diesem Fall ist die Spitze 304 angepaßt, mit einer Amplitude, die nicht höher als die Breite des Bit ist, und bei einer Frequenz in Schwingung versetzt zu werden, die niedriger als die erzeugte Frequenz des Bit in der Richtung ist, die die nebeneinandergesetzte Richtung der Bits innerhalb der Spur kreuzt. Die Bewegung der Spitze zu diesem Zeitpunkt ist in Fig. 12 gezeigt. In der Zeichnung ist mit 318 eine Spur, mit 319 ein Informationsbit und mit 320 ein Abtastweg der Spitze bezeichnet. Hierbei ist die Amplitude für jede Spurbreitenrichtungsposition der Spitze des Tunnelstromsignals, das während des Passierens der Spitze auf dem Bit erzeugt wird, in Fig. hA gezeigt. Da sich die Amplitude des Signales, das entsprechend der Spurbreitenrichtungsposition der Spitze erzeugt wird, somit änderl, wird eine modulierte Komponente, die der Frequenz der Breitenrichtungsschwingung entspricht, zu dem Tunnelstromsignal hinzugefügt, das durch die Spitze erfaßt wird, die die Spur während des Schwingens in der Breitenrichtung der Spur abtastet. Hierbei sind die jeweiligen erfaßten Signale in Fig. 11B gezeigt, wenn die Mitte der Breitenrichtungsschwingung an den Positionen 304b, 304c, 304d in der Breitenrichtung der Spur ist. Hierbei ist 304a die Schwingungswellenform in der Breitenrichtungsschwingung der Spitze, nämlich die Steuersignalwellenform in der Breitenrichtung der Spur, die dem dreidimensionalen Antriebsmechanismus verliehen wurde, wenn diese Signale erzeugt werden. Die in Fig. 11B mit 304b, 304c, 304d bezeichneten Signale weisen eine Ansammlung von Signalen auf, die zum Passieren jedes Bits der Spitze erzeugt werden, da jedoch einzelne Signale fein und von großem Ausmaß sind, sind sie in der Zeichnung verkürzt und nur durch eine Hüllkurve gezeigt.
Wie in Fig. 11B gezeigt ist, ist die Amplitude des Erfassungssignals Änderungen der Hüllkurve unterworfen, wie anhand der Signale 304b, 304c, 304d in Fig. 11B gezeigt ist. Wenn daher die Signale der Hüllkurve durch die gesamte Wellengleichrichtung bzw. -demodulation herausgenommen werden, werden die Signale 304b', 304c', 304d' in der gleichen Zeichnung erhalten. Das heißt, für die Schwingungswellenform 304a der Spitze wird ihr Hüllkurvensignal kleiner als die durch die Pfeilspitze 304c gezeigte Spitze, während, wenn eine Abweichung nach oben vorhanden ist, wie es anhand der Pfeilspitze 304b gezeigt ist, die Phase um 180º gegenüber der Schwingungswellenform 304a abweicht&sub1; wodurch die Amplitude ebenfalls größer wird, und wenn eine Abweichung nach unten vorhanden ist, wie es anhand der Pfeilspitze 304d gezeigt ist, wird die gleiche Phase gegenüber der Schwingungswellenform 304a erreicht und die Amplitude wird auch größer. Folglich wird ein Signal im Verhältnis zu dem Abweichausmaß von der Mitte der Spur erhalten, wenn eine Wellenerfassung des erfaßten Signales, das der gesamten Wellengleichrichtung bzw. -demodulation unterworfen wird, mit dem Spurbreitenrichtungsschwingungssteuersignal der Spitze als das Bezugssignal ausgeführt wird. Wie in Fig. 14 gezeigt ist, ist durch Ausführen der vorstehenden Verarbeitung bei der Spurerfassungsschaltung 335 und Hinzufügen des als Rückkopplungssignal erhaltenen Signales zu der x-z-Achsen Antriebssteuerschaltung 336 eine Rückkopplungssteuerung, um so die Spitze 304 aufrechtzuerhalten, nämlich eine Spurverfolgung, möglich gemacht.
Bei der vorstehend beschriebenen Verarbeitung kann, wenn eine Spurverfolgung nur während der Wiedergabe betrachtet wird, die vorstehend beschriebene Spurverfolgung unter Verwendung der Bits ausgeführt werden, die der aufgezeichneten Information entsprechen.
Was die Spurverfolgung während dem Aufzeichnen betrifft, werden eine Vielzahl Bits zum Spurverfolgen an einer Vielzahl Stellen aufgezeichnet, von denen vorherige Positionen innerhalb der Spur bekannt sind, wobei die aufgezeichneten Signale durch Schwingung der Spitze 304 in der Breitenrichtung der Spur nur erfaßt werden, wenn die Spitze 304 hier passiert, um das Spurverfolgen und die Abstandserfassung wie vorstehend beschrieben auszuführen, und wenn die Spitze 304 zu dem Aufzeichnungsbereich innerhalb der Spur bewegt wird, werden die Kommandosignale von der Meßfühlerhöhenerfassungsschaltung 334 und der Spurerfassungsschaltung 335 angehalten und gleichzeitig kann die Schwingung in der Breitenrichtung der Spur abgebrochen werden.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist es erforderlich, das Verschiebungselement mit der Antriebssteuerschaltung 336 so zu verschieben, daß der Meßfühler während des Schwingens zum Spurverfolgen arbeiten kann, während der Abstand zwischen der Spitze 304 und dem Medium durch die Signale der Datenfolgen gesteuert wird, die in der Spurerfassungsschaltung 335 erhalten werden.
Die Schaltung 340 zur Aufzeichnung und Wiedergabe wird durch die Datenmodulationsschaltung 330, die Aufzeichnungsspannungsaufbringungsvorrichtung 331, die Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 332, die Datendemodulationsschaltung 333, die Meßfühlerhöhenerfassungsschaltung 334, die Spurerfassungsschaltung 335 und die x-z-Achsen- Antriebssteuerschaltung 336 gebildet, wie vorstehend beschrieben ist. Bei dem als ein Beispiel in Fig. 15 gezeigten Aufzeichnungs- und Wiedergabekopf 300 ist die Schaltung 340 zur Aufzeichnung und Wiedergabe bei jedem der Vielzahl Meßfühler vorgesehen, die dem Aufzeichnungsmedium und den entsprechenden Antriebsmechanismen gegenübersteht, wodurch derartige Elemente wie Aufzeichnen mit jedem Meßfühler und Verschiebungssteuerung jedes Meßfühlers (Spurverfolgung, Abstandssteuerung und dergleichen) unabhängig ausgeübt werden.
Alle vorstehend beschriebenen Beispiele sind Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtungen, jedoch ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich sogar auf Vorrichtungen, die nur ein Aufzeichnen oder nur ein Wiedergeben ausführen oder auf eine Rastertunnelstromerfassungsvorrichtung anwendbar, die die Raster-Tunnel-Mikroskopie umfaßt.
Wie in der vorliegenden Beschreibung erwähnt ist, kann ein Aufzeichnungsmedium genutzt werden, das ein vorstehend erwähntes Substrat (Elektrodensubstrat) und eine darauf vorgesehene Aufzeichnungslage aufweist und das noch das Speicherschaltphänomen (elektrischer Speichereffekt) bei der Strom-Spannungs-Kennlinie hat.
Der in der vorliegenden Beschreibung erwähnte elektrische Speichereffekt bezieht sich auf einen derartigen Effekt, daß zumindest zwei verschiedene Widerstandszustände entsprechend der Spannungsaufbringung gezeigt werden, wobei die entsprechenden Zustände frei übergangsfähig sind, indem eine Spannung aufgebracht oder ein Strom zugeführt wird, der den Grenzwert überschreitet, der die elektrische Leitfähigkeit der Aufzeichnungslage verändert, und die erhaltenen Widerstandszustände können auch ihre Zustände so lange erhalten, wie eine Spannung aufgebracht wird oder ein Strom zugeführt wird, der den Grenzwert nicht überschreitet.
Spezielle Beispiele des Materials, das die Aufzeichnungslage bildet, können beispielsweise folgendes umfassen:
(1) Amorphe Halbleiter, wie beispielsweise Oxidglas oder Boratglas oder Chalcogenidglas, das mit Elementen der Gruppe III, IV, V, VI des Periodensystems chemisch gebundes Se, Te, As und dergleichen enthält. Sie sind reine Halbleiter mit einer optischen Bandlücke Eg von 0,6 bis 1,4 eV oder einer elektrischen Aktivierungsenergie E von etwa 0,7 bis 1,6 eV. Spezielle Beispiele des Chalcogenidglases können das As- Se-Te-System, das Ge-As-Se-System, das Si-Ge-As-Te-System, wie beispielsweise Si&sub1;&sub6;Ge&sub1;&sub4;As&sub5;Te&sub6;&sub5; (die Indizes sind Atomprozente), oder das Ge-Te-X-System, das Si-Te-X-System (X = eine geringe Menge der Elemente der Gruppe V, VI), wie beispielsweise Ge&sub1;&sub5;Te&sub8;&sub1;Sb&sub2;S&sub2;, umfassen.
Desweiteren kann ebenfalls das Chalcogenidglas des Ge- Sb-Se-Systems verwendet werden.
Bei einer amorphe Halbleiterlage, die die vorstehende Verbindung auf einer Elektrode aufgetragen hat, indem eine Spannung unter Verwendung einer Meßfühlerelektrode in der vertikalen Richtung zur Schichtoberfläche aufgebracht wurde, kann der elektrische Speichereffekt des Mediums gezeigt werden.
Als Auftragungsverfahren eines derartigen Materials kann die im Stand der Technik bekannte Bildungstechnik dünner Schichten genutzt werden, um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ausreichend zu lösen. Beispielsweise können geeignete Schichtbildungsverfahren das Unterdruckaufdampfverfahren, das Clusterionenstrahlverfahren und dergleichen umfassen. Allgemein ausgedrückt wird der elektrische Speichereffekt eines derartigen Materials bei Schichtdicken von einigen µm beobachtet, jedoch ist eine Schichtdicke von 1 µm oder weniger vom Gesichtspunkt der Gleichförmigkeit und Aufzeichnungsfähigkeit her vorzuziehen und desweiteren ist ein Material mit einer Schichtdicke von 500 Å oder weniger noch mehr vorzuziehen.
Ebenfalls sollte vom Standpunkt des Aufzeichnungsauflösungsvermögens her die Aufzeichnung wünschenswerterweise so dünn wie möglich, vorzugsweise in dem Bereich von 30 Å bis 200 Å sein.
(2) Desweiteren können organische Halbleiterlagen umfaßt sein, die ein Salz einer Elektronenakzeptorverbindung wie Tetrachinodimethan (TCNQ) und TCNQ-Derivate haben&sub1; wie beispielsweise Tetrafluorotetracyanochinodimethan (TCNQF&sub4;), Tetracyanoethylen (TCNE) und Tetracyanonaphthochinodimethan (TNAP) mit einem Metall mit einem verhältnismäßig geringen Reduktionspotential, wie beispielsweise Kupfer oder Silber, das auf einer Elektrode aufgebracht ist.
Als Bildungsverfahren einer derartigen organischen Halbleiterlage kann das Verfahren angewendet werden, bei dem die vorstehend erwähnte Elektronenakzeptorverbindung auf einer Elektrode aus Kupfer oder Silber unterdruckaufgedampft wird.
Der elektrische Speichereffekt eines derartigen organischen Halbleiters wird bei einer Schichtdicke von etwa einigen 10 µm oder weniger beobachtet, jedoch ist von den Gesichtspunkten der Schichtbildbarkeit und Gleichmäßigkeit eine Schichtdicke von 1 µm oder weniger, ferner von 30 Å bis 200 Å vorzuziehen.
(3) Desweiteren kann ein Aufzeichnungsmedium angewendet werden, das ein Molekül mit einer Gruppe mit einem π- Elektronenniveau und einer Gruppe mit nur einem - Elektronenniveau kombiniert beschichtet auf einer Elektrode hat.
Alsaufbau des Farbstoffs, der das für die vorliegende Erfindung geeignete π-Elektronensystem hat, kann folgendes umfaßt sein: die Farbstoffe, die ein Porphyringerüst haben, wie beispielsweise Phtalocyanin, Tetraphenylporphyrin und dergleichen, Farbstoffe der Azulenart, die eine Squariliumgruppe und eine Krokonmethingruppe als die Bindungskette haben, und analoge Farbstoffe der Cyaninart, die zwei Stickstoffe enthaltende heterozyklische Ringe haben, wie beispielsweise Chinolin, Benzothiazol, Benzooxazol und dergleichen, die durch eine Squariliumgruppe und eine Krokonmethingruppe verbunden sind, oder Cyaninfarbstoffe, kondensierte polyzyklische Aromaten, wie beispielsweise Anthrazen, Pyren und dergleichen, und Kettenverbindungen von polymerisierten aromatischen und heterozyklischen Verbindungen und Polymeren der Diacetylengruppe, desweiteren Tetrachinodimethan- oder Tetrathiafulvalenderivate und Analoga von ihnen und Charge-Transfer-Komplexe von ihnen, und desweiteren Metallkomplexverbindungen, wie beispielsweise Ferrocen, Trisbipyridin-Ruthenium-Komplexe und dergleichen.
Zusätzlich zu dem vorstehend genannten Materialien mit geringem Molekulargewicht können ebenfalls verschiedene Materialien mit hohem Molekulargewicht genutzt werden.
Beispielsweise können Additionspolymere, wie beispielsweise Polyacrylsäurederivate und dergleichen, kondensierte Polymere, wie beispielsweise Polyimid oder Polyphenylen, Polythiophen und dergleichen, ringgeöffnete Polymere, wie beispielsweise Nylon und dergleichen, oder biologische Materialien mit hohem Molekulargewicht, wie beispielsweise Polypeptid, Bakteriorhodopsin und dergleichen umfaßt sein.
Was die Herstellung eines organischen Aufzeichnungsmediums betrifft, ist das LB-Verfahren von den Techniken, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, wegen der Steuerbarkeit, der Leichtigkeit und der Wiederholbarkeit äußerst geeiguet, obwohl speziell das Aufdampfverfahren oder das Clusterionenstrahlverfahren und dergleichen ebenfalls anwendbar sein kann.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird es bei der vorliegenden Erfindung durch Vermeiden des Aufbaus, bei dem ein piezoelektrisches Material zwischen der Antriebselektrode und der Elektrode zum Abgreifen des Meßfühlers bei einem Meßfühler der Kragarmbauart sandwichartig angeordnet ist, möglich, einen Tunnelstrom genau zu erfassen. Desweiteren ermöglicht dies sogar eine Verwendung eines hohen Frequenzbereiches und durch Verwenden des Meßfühlers der Kragarmbauart kann ein stabiles STM-Bild mit einem stabilen hohen Signalrauschabstand (SIN) erhalten werden. Ebenfalls kann durch ein Anwenden bei einer Informationsverarbeitungsvorrichtung eine Vorrichtung mit hoher Schnelligkeit, hoher Stabilität und hoher Zuverlässigkeit hergestellt werden.
Ebenfalls wurde es bei der vorliegenden Erfindung gemäß dem Meßfühler der Kragarmbauart, der so hergestellt wurde, daß die Abstandssteuerung zwischen dem Meßfühler und dem Medium und das Spurverfolgen unabhängig ausgeführt werden, indem eine dünne piezoelektrische Schicht und zwei oder mehr Sätze von Elektroden in bezug auf die Kragarmbreitenrichtung angeordnet sind, selbst wenn es sein kann, daß eine Temperaturänderung der Vorrichtung, eine Erschütterung von außen, eine Wärmeausdehnung des Mediums und dergleichen erzeugt wird, möglich, ein Eingeben oder Lesen von Information immer stabil mit allen Meßfühler auszuführen.

Claims

1. Meßfühler der Kragarmbauart mit einem kragarmförmigen Verschiebungselement (12) mit

einen Schichtaufbau von zwei piezoelektrischen Lagen (3, 4), die sich mit drei Antriebselektrodenlagen (5, 6; 7, 8; 9, 10) abwechseln, wobei jede der Antriebselektrodenlagen in zwei oder mehr Abschnitte (5, 6; 7, 8; 9, 10) innerhalb jeder Elektrodenlage geteilt ist,

einer Spitze (1) zur Informationseingabe/-ausgabe, die an dem freien Ende des kragarmförmigen Verschiebungselementes (12) angeordnet ist, und

einer Abgreifelektrodenlage (2), die auf einer Fläche des mit der Spitze (1) verbundenen kragamförmigen Verschiebungselementes (12) vorgesehen ist,

wobei der Meßfühler dadurch gekennzeichnet ist, daß

die Abgreifelektrodenlage (2) und die Antriebselektrodenlagen (5, 6; 7, 8; 9, 10) so angeordnet sind, daß sich 20% oder weniger des Gesamtbereiches der Abgreifelektrodenlage (2) mit jeder der Antriebselektrodenlagen (5, 6; 7, 8; 9, 10) in der Richtung überdeckt, die zu der einen Fläche senkrecht ist.

2. Meßfühler der Kragarmbauart nach Anspruch 1, wobei die Abgreifelektrodenlage (2) und die Antriebselektrodenlagen (5, 6; 7, 8; 9, 10) so angeordnet sind, daß kein Bereich der Abgreifelektrodenlage (2) mit jeder der Antriebselektrodenlagen (5, 6; 7, 8; 9, 10) in der Richtung überdeckt ist, die zu der einen Fläche senkrecht ist.

3. Meßfühler der Kragarmbauart nach Anspruch 1, wobei die Abgreifelektrodenlage (2) zwischen den Abschnitten (5, 6) der geteilten Antriebselektrodenlage auf der einen Fläche vorgesehen ist.

4. Meßfühler der Kragarmbauart nach Anspruch 1, wobei jede der Antriebselektrodenlagen (381, 361, 364, 384; 383, 363, 366, 386; 382, 362, 365, 385; oder 361, 391, 364, 394; 362, 392, 365, 395; 363, 393, 366, 396) in vier oder mehr Lagenstücke geteilt ist.

5. Informationsverarbeitungsvorrichtung zum Aufzeichnen von Information auf einem Aufzeichnungsmedium (14) mit:

einem Meßfühler (12) der Kragarmbauart, der so angeordnet ist, daß er nahe zu dem Aufzeichnungsmedium (14) positioniert ist, wobei er folgendes aufweist: ein kragarmförmiges Verschiebungselement mit einem Schichtaufbau von zwei piezoelektrischen Lagen (3, 4), die sich mit drei Antriebselektrodenlagen (5, 6; 7, 8; 9, 10) abwechseln, wobei jede der Antriebselektrodenlagen in zwei oder mehr Abschnitte geteilt ist, eine Spitze (13) zur Informationsausgabe, die an dem freien Ende des kragamförmigen Verschiebungselementes (12) angeordnetist, und eine Abgreifelektrodenlage (2), die auf einer Fläche des mit der Spitze (13) verbundenen kragarmförmigen Verschiebungselementes (12) vorgesehen ist;

einer Antriebseinrichtung (24) zum Antreiben des Verschiebungselementes des Meßfühlers der Kragarmbauart; und

einer Spannungsaufbringungseinrichtung (18) zum Aufbringen einer Spannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Spitze (13),

dadurch gekennzeichnet, daß die Abgreifelektrodenlage (2) und die Antriebselektrodenlagen so angeordnet sind, daß sich 20% oder weniger des Gesamtbereiches der Abgreifelektrodenlage (2) mit jeder der Antriebselektrodenlagen (5, 6; 7, 8; 9, 10) in der Richtung überdeckt, die zu der einen Fläche senkrecht ist.

6. Informationsverarbeitungsvorrichtung zum Lesen von Information von einem Aufzeichnungsmedium (14) mit:

einem Meßfühler (12) der Kragarmbauart, der so angeordnet ist, daß er nahe zu dem Aufzeichnungsmedium (14) positioniert ist, wobei er folgendes aufweist: ein kragarmförmiges Verschiebungselement mit einem Schichtaufbau von zwei piezoelektrischen Lagen (3, 4), die sich mit drei Antriebselektrodenlagen (5, 6; 7, 8; 9, 10) abwechseln, wobei jede der Antriebselektrodenlagen in zwei oder mehr Abschnitte geteilt ist, eine Spitze (13) zur Informationseingabe, die an dem freien Ende des kragamförmigen Verschiebungselementes (12) angeordnet ist, und eine Abgreifelektrodenlage (2), die auf einer Fläche des mit der Spitze (13) verbundenen kragarmförmigen Verschiebungselementes (12) vorgesehen ist;

einer Spannungsaufbringungseinrichtung (18) zum Aufbringen einer Spannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Spitze (13), dadurch gekennzeichnet, daß

die Abgreifelektrodenlage (2) und die Antriebselektrodenlagen so angeordnet sind, daß sich 20% oder weniger des Gesamtbereiches der Abgreifelektrodenlage (2) mit jeder der Antriebselektrodenlagen (5, 6; 7, 8; 9, 10) in der Richtung überdeckt, die zu der einen Fläche senkrecht ist.

7. Informationsverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 6 zum Aufzeichnen von Information auf einem und zum Lesen von Information von einem Aufzeichnungsmedium, wobei die Spitze (13) für eine Informationseingabe und -ausgabe angeordnet ist.